Πειραματική και θεωρητική μελέτη της ρόφησης του CO2 σε υγρούς διαλύτες και πολυμερή
Creators: name: Κόντος, Ιωάννης Π.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Δέσμευση CO2
Υγροί διαλύτες
Μεμβράνες
Θερμοδυναμική μοντελοποίηση
CO2 capture
Liquid solvents
Membranes
Thermodynamic modeling

description: Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η πειραματική και θεωρητική μελέτη υγρών διαλυτών και πολυμερικών μεμβρανών για την αποτελεσματική απομάκρυνση του CO2 από βιομηχανικά ρεύματα αερίων. Στο πλαίσιο αυτό, τέσσερις προσεγγίσεις χρησιμοποιήθηκαν, τρείς σχετιζόμενες με την χημική ρόφηση του CO2 σε υγρούς διαλύτες και μία σχετιζόμενη με τον διαχωρισμό με χρήση μεμβρανών. Δώδεκα συστήματα μελετήθηκαν συνολικά. Η διδακτορική διατριβή χωρίζεται σε δύο μεγάλα μέρη. Το πρώτο αφορά στην εισαγωγή στο ερευνητικό αντικείμενο και τις χρησιμοποιούμενες τεχνικές (Κεφάλαια 1-3) και το δεύτερο αφορά στην πειραματική μελέτη (Κεφάλαια 4-7). Στο Κεφάλαιο 1 δίνεται μια σύντομη εισαγωγή στους χρησιμοποιούμενους διαλύτες, οι οποίοι μπορεί να παρουσιάζουν φυσική ή/και χημική ρόφηση, και στις χρησιμοποιούμενες πολυμερικές μεμβράνες για διαχωρισμό του CO2. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι πειραματικές μέθοδοι χαρακτηρισμού των υλικών και μια ανασκόπηση των μεθόδων μέτρησης της διαλυτότητας σε υγρούς διαλύτες και σε πολυμερικές μεμβράνες (Κεφάλαιο 2). Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της διαλυτότητας του CO2 σε υγρούς διαλύτες, η οποία βασίζεται στη μέθοδο πτώσης πίεσης, καθώς και το θεωρητικό υπόβαθρο της θερμοδυναμικής μοντελοποίησης. Ως προς το ερευνητικό μέρος, μετρήθηκε πειραματικά η διαλυτότητα του CO2 σε υδατικά διαλύματα καθαρών αμινών και ένα θερμοδυναμικό μοντέλο εφαρμόστηκε για την θεωρητική περιγραφή της (Κεφάλαιο 4). Τα αποτελέσματα αυτά χρησιμοποιήθηκαν για την πρόβλεψη της διαλυτότητας σε διαλύματα μιγμάτων αμινών (Κεφάλαιο 4). Το ανεπτυγμένο για τα μίγματα αμινών μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την περιγραφή της διαλυτότητας σε πιο πολύπλοκα συστήματα, όπως υδατικά διαλύματα ιοντικών υγρών-αμινών ή διαλύτες βαθέως ευτηκτικού σημείου (Κεφάλαιο 5). Η γλυκινική χολίνη (choline glycine, ChGly), ένα γνωστό μη τοξικό και βιοαποικοδομήσιμο ιοντικό υγρό, ήταν ο συνδετικός κρίκος μεταξύ των δύο πειραματικών μερών της διατριβής, της χημικής ρόφησης σε υγρούς διαλύτες και του διαχωρισμό με μεμβράνες. Η ChGly συνετέθη μέσω μιας καινοτόμου διαδικασίας, χρησιμοποιώντας για πρώτη φορά χλωριούχο χολίνη ως πρώτη ύλη, και χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή μιγμάτων ιοντικών υγρών-αμινών (Κεφάλαιο 5) και ως πρόσθετο σε μεμβράνες οξικής κυτταρίνης (Κεφάλαιο 6). Τέλος, στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της διατριβής και διατυπώνονται οι προτάσεις για μελλοντικές εργασίες.
description: The aim of the present thesis was the experimental and theoretical investigation of liquid solvents and polymeric membranes for efficient CO2 recovery from industrial gas streams. In this context, four approaches were used, three relevant to CO2 chemical absorption in liquid solvent systems and one relevant to membrane separation. Twelve systems were investigated in total. This PhD thesis is divided into two major parts, one for the introduction to the topic and to the used experimental methods (Chapters 1-3) and the experimental one (Chapters 4-7). In Chapter 1 a short introduction in used solvents, presenting physical and chemical CO2 absorption, and polymeric membranes used for the CO2 separation is presented. Next, the experimental methods used for the materials’ characterization and a review of the methods utilized for the measurement of CO2 solubility in liquid solvents and in polymer membranes are presented (Chapter 2). Chapter 3 describes the experimental apparatus, which is based on the pressure decay method, used in this study for the experimental measurement of the CO2 solubility in liquid solvents is briefly described and the theoretical background for thermodynamic modelling is presented. Regarding the experimental part, the CO2 solubility in pure amine aqueous solutions was experimentally measured and a rigorous thermodynamic model was applied for the theoretical description (Chapters 4). These results were used to predict the CO2 absorption in blended amine solutions (Chapters 4). The model developed for the amine mixtures was used to describe the solubility of more complex systems, such as aqueous ionic liquid (IL) + amine mixtures or deep eutectic solvents (DES) (Chapters 5). Choline Glycine (ChGly), a known non-toxic and biodegradable ionic liquid, was the connection item between two experimental parts of the study, i.e., chemical absorption in liquid solvents and membrane separation. ChGly was synthesized via a novel procedure, using choline chloride as precursor, for the first time. It was used for the preparation of ionic liquid (IL) + amine blends (Chapter 5) and as an additive in cellulose acetate membranes (Chapter 6). Finally, in Chapter 7 the results of this study are presented and simultaneously the perspectives for future work are formulated.