Efecto del vapor de agua en la adsorción de CO2 postcombustión

Abstract

Las consecuencias del cambio climático ya son perceptibles. Aunque las emisiones de gases de efecto invernadero se redujesen notablemente, el calentamiento de la Tierra continuaría durante décadas y sus efectos se sufrirían durante los siglos venideros. Por este motivo, la comunidad internacional ha adquirido el compromiso de alcanzar la neutralidad de emisiones de carbono entre 2050-2100. Esta situación requerirá contar con todas las tecnologías de mitigación disponibles en el periodo de transición. Una de las principales formas de mitigar las emisiones de CO₂ de grandes fuentes estacionarias son las tecnologías de captura y almacenamiento de carbono. De ahí que en los últimos años se haya dedicado un esfuerzo investigador considerable a su desarrollo. Entre el amplio abanico de procesos capaces de captar CO₂, la presente Tesis Doctoral se centra en la adsorción. Durante la última década se ha intensificado la búsqueda de materiales adsorbentes con un alto rendimiento en la separación de CO₂, así como un coste bajo, especialmente si su aplicación es en procesos de captura de CO₂ postcombustión. En este contexto, es fundamental el estudio de su comportamiento bajo condiciones de humedad y en presencia de otras impurezas en la corriente gaseosa, condiciones representativas de las reales en el ámbito industrial. Estas circunstancias han motivado la presente Tesis Doctoral, en la cual se ha evaluado el efecto del vapor de agua en la captura de CO₂ postcombustión. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral ha sido estudiar el rendimiento de carbones activados biomásicos para la adsorción de CO₂, en condiciones de postcombustión donde la humedad es muy significativa. Para ello, se han preparado y optimizado estos carbones aplicando diferentes metodologías, para incrementar su selectividad hacia el CO₂ en presencia de humedad, así como maximizar su capacidad de captación de CO₂ en estas condiciones. La capacidad de adsorción de CO₂ de los carbones activados en condiciones de postcombustión reside en su microporosidad; sin embargo, la captación de CO₂ se ve disminuida en atmósferas húmedas debido a la co-adsorción de agua. Este aspecto ha sido evaluado en la presente memoria de Tesis Doctoral, donde se ha investigado sobre la adsorción de vapor de agua en carbones activados biomásicos y las posibles estrategias para reducirla actuando, fundamentalmente, sobre la química superficial. Todos los post-tratamientos evaluados redujeron la adsorción de vapor de agua a bajas presiones, pero solamente la impregnación con aminas es efectiva en condiciones próximas a la saturación. Asímismo, se han desarrollado diferentes procedimientos experimentales, que incluyen una combinación única de diseño de experimentos mediante la Metodología de Superficies de Respuesta y diversos métodos de modelización, para optimizar la producción de los carbones biomásicos y maximizar su capacidad de captación de CO₂ en presencia de humedad. Mediante el análisis del comportamiento termodinámico en el equilibrio (isotermas de adsorción) y del comportamiento dinámico de lechos de adsorbente (curvas de ruptura y ciclos de sorción-desorción) se presenta una visión completa de la potencialidad de los carbones activados biomásicos para la captura de CO₂ en condiciones de postcombustión. Se ha optimizado y mejorado el comportamiento en captura de CO₂ postcombustión de un carbón activado, preparado a partir de residuos de café postconsumo, mediante tratamiento hidrotermal y posterior activación. Los resultados obtenidos suponen un avance respecto a la patente ES2526259. Por otro lado, en condiciones de humedad relativa constante del 20%, el lecho de carbón activado biomásico producido mediante impregnación con carbonato potásico, alcanzó una capacidad de captura de CO₂ de 2 mmol g-1 a 50 ºC y 14 kPa de CO₂. Este resultado se complementa con una excepcional capacidad en términos volumétricos. The consequences of climate change are already noticeable. Even if greenhouse gas emissions were significantly reduced, global warming would continue over the coming decades and the effects would ever be perceptible in the centuries to come. For this reason, the international community is committed to achieving carbon neutrality between 2050-2100. This critical situation will require the deployment of all available technologies during this transition period. One of the main paths towards mitigating CO₂ emissions from large point stationary sources is through the application of carbon capture and storage technologies. In recent years, considerable research effort has been devoted to this aim. Among the wide variety of processes able to capture CO₂, is adsorption, the subject of this PhD dissertation. Over the last decade, research on new low cost adsorbent materials with a high CO₂ capture performance, particularly in postcombustion capture applications, has been very intensive. Within this context, it is of the utmost importance to evaluate the performance of the adsorbents under humid conditions and in the presence of other pollutants in the gas stream so as to assess conditions representative of real industrial applications. It was the circumstances just described that motivated the research into the effect of water vapour on postcombustion CO₂ capture as part of the present PhD thesis. The main objective of the PhD thesis has been to address the performance of biomass-based CO₂ adsorbents in postcombustion capture conditions where the level of humidity is very high. A set of carbons has been produced and optimised by means of different methodologies so as to enhance the selectivity towards CO₂ in the presence of water as well as to maximise CO₂ uptake under these conditions. The ability of an activated carbon to adsorb CO₂ under postcombustion capture conditions is ascribed to its microporosity. However, CO₂ uptake is reduced in humid environments due to the coadsorption of water vapour. The present PhD dissertation, addresses this issue directly, focusing on the adsorption of water vapour on biomass-based activated carbons and on the strategies available for reducing water uptake by means of surface chemistry modification. It was found that all of the evaluated post-treatments reduced water uptake at low pressures to some extent but only amine impregnation succeeded under conditions close to saturation. Likewise, the production of biomass-based activated carbons has been optimised and their potential for CO₂ adsorption under humid conditions maximised by combining different experimental procedures including the design of experiments by means of Response Surface Methodology and modelling methods. Analysis of the equilibrium of adsorption by means of isotherms together with the dynamic performance of beds of adsorbent by means of breakthrough curves and sorption-desorption cycles provided data needed in support of the great potential of biomass adsorbents such as those produced in this study to capture CO₂ under postcombustion conditions. The CO₂ capture performance of coffee-based activated carbons was optimised and enhanced by means of hydrothermal carbonisation followed by activation in CO₂ atmosphere. The results achieved are more far-reaching than those reported in the patent ES2526259. On the other hand, under a constant relative humidity of 20%, a bed of a biomass carbon doped with potassium carbonate achieved a CO₂ uptake of up to 2 mmol g-1 at 50 ºC and 14 kPa CO₂. This result was accompanied by an outstanding volumetric CO₂ uptake.