CO2 absorpsiyon performansını iyileştirmek için ileri çözücü sistemlerinin optimizasyonu ve enerji verimli co2 yakalama için katalitik çözücü rejenerasyonunun araştırılması
Optimisation of advanced solvent systems to improve co2 absorption performance and investigation of catalytic solvent regeneration for energy-efficient CO2 capture
Yazar: ASULAL ELİF HÜGÜL
Danışman: PROF. DR. HÜLYA YAVUZ ERSAN ; DOÇ. DR. ÖZGE YÜKSEL ORHAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
CO2 yüklü çözücü rejenerasyonunun önemli enerji talebi, CO2 yakalama ve kullanma teknolojilerinin endüstriyel uygulamaları için önemli bir ekonomik zorluk oluşturmaktadır. Sulu olmayan üç çözücü bileşenli karışımlı amin sistemleri, monoetanolamin (MEA), 2-amino-2-metil-1-propanol (AMP), metil dietanol amin (MDEA), 1-dimetil amino-2-propanol (1DMA2P), dietil etanol amin (DEEA) ve piperazin (PZ)'in CO2 absorpsiyon-desorpsiyon performansları,  desorpsiyon parametreleri açısından araştırılmıştır. Farklı molaritelere sahip 5M toplam amin konsantrasyonlarında primer amin (MEA)/sterik olarak engellenmiş amin (AMP)-tersiyer amin (MDEA/1DMA2P/DEEA)–poliamin (PZ) olmak üzere iki üç çözücü bileşenli karışımlı amin sistemleri varyasyonları hazırlanmıştır. Optimum koşulu elde etmek için merkezi kompozit tasarıma (CCD) dayalı yanıt yüzeyi metodolojisi (RSM) kullanılmıştır. Bu çalışmanın ilk kısmı, seçilen çözücü sistemleri içerisinden en optimum çözücü sistemin molarite oranlarını belirlemeyi ve bunların amaç fonksiyonları üzerindeki etkilerini araştırmayı amaçlamıştır. Bu amaç fonksiyonları: ısı yükü, desorpsiyon hızı ve desorpsiyon faktörüdür. Yapılan yüzey analizi ve diğer sonuçlar, en düşük enerji tüketimi için 3 M MEA–1.375 M MDEA–0.625 M PZ sistemini en optimum koşul olarak önermiştir. Önerilen sistemin deneysel sonuçları 5M MEA çözeltisi ile karşılaştırılmıştır. 
Nanokatalizörler, çözücü rejenerasyonu için enerji taleplerini azaltırken CO2 desorpsiyonunu iyileştirme yeteneğine sahiptir. Bu çalışmanın ikinci bölümü, seçilen en optimum sulu olmayan üç karışımlı nanosıvıların (monoetanolamin (MEA), metil dietanol amin (MDEA) ve piperazin (PZ)) varlığında absorpsiyon-desorpsiyon performansını incelemeye odaklanmaktadır. Kullanılan nanokatalizörler, metal oksit nanokatalizörler ve zeolit nanokatalizörler olarak iki farklı grupta değerlendirilmiştir ve çalışmada farklı miktarlarda katalizör kullanılmıştır. Kullanılan katalizörler: HZSM-5, H-ferrierit (FER) ve H-mordenit (MOR), γ-alüminyum oksit (Al2O3), titanyum oksit (TiO2), magnezyum oksit (MgO), indiyum oksit (In2O3). Katı katalizörlerin dahil edilmesi, nanosıvıların desorpsiyon performansında önemli bir artışa yol açmıştır ve boş solüsyona kıyasla enerji tüketimini azaltmıştır. Yüksek miktarda katalizör kullanımına kıyasla, daha düşük katalizör miktarlarının varlığı ile daha yüksek desorpsiyon verimliliği sağlanmıştır. 0,125 g katalizör varlığında CO2 desorpsiyon ısı yükü performans azaltma sırası boş solüsyona (%100) kıyasla şu şekildedir: MgO (%70,9) > In2O3 (%80,2) > HZSM-5 (%84,1) > Al2O3 (%84,2) > FER (%87,1) > MOR (%88,4) > TiO2 (%89.7). HZSM-5 ile en yüksek desorpsiyon faktörü 4,25*10-7 mol3/kJ.dk olarak elde edilirken, desorpsiyon oranını 2,37*10-3 mol/dk'ya çıkarmıştır. Bu çalışmanın ikinci kısmında elde edilen verilere göre, sulu olmayan nanosıvıların enerji verimli katalizörlerle desorpsiyon performansını inceleyerek ve geleceği parlak sonuçlar sağlayarak, karbon yakalama ve depolama uygulamaları için enerji verimliliğini artıran umut verici olan bu katalizörlerin potansiyelleri vurgulanmıştır.

Abstract:
The substantial energy demand of CO2-loaded solvent regeneration constitutes a significant economic challenge for the industrial applications of CO2 capture and utilization technologies. The CO2 absorption-desorption performances of non-aqueous tri-solvent blended amines, monoethanolamine (MEA), 2-amino-2-methyl-1-propanol (AMP), methyl diethanol amine (MDEA), 1-dimethyl amino-2-propanol (1DMA2P), diethyl ethanol amine (DEEA), and piperazine (PZ), were investigated in terms of desorption parameters. Two tri-solvent amine combinations, primary amine (MEA)/sterically hindered amine (AMP)–tertiary amine (MDEA/1DMA2P/DEEA)-polyamine (PZ) were prepared at 5M total amine concentrations with different molarities. Response surface methodology (RSM) based on a central composite design (CCD) was used to obtain the optimal condition. This study's first part aimed to determine the molarity ratios of solvent systems and investigate their effects on objective functions: heat duty, desorption rate, and desorption factor. Surface analysis suggested optimum conditions as 3 M MEA–1.375 M MDEA–0.625 M PZ for the lowest energy consumption. The experimental results of the proposed system were compared with the 5M MEA solution. 
The nano-catalysts have the capability to improve CO2 desorption while reducing the energy demands for solvent regeneration. The second part of this study focuses on studying the absorption-desorption performance the selected most optimum non-aqueous tri-blend nanofluids (monoethanolamine (MEA), methyl diethanol amine (MDEA) and piperazine (PZ)) in the presence of nanocatalyst. The nanocatalysts used were examined in two different groups as metal oxide nanocatalysts and zeolite nanocatalysts, and different amounts of catalysts were used in the study. The catalysts used are HZSM-5, H-ferrierite (FER), H-mordenite (MOR), γ-aluminium-oxide (Al2O3), titanium-oxide (TiO2), magnesium-oxide (MgO), indium-oxide (In2O3). The incorporation of solid catalysts leads to a substantial enhancement in desorption performance of nanofluids and reduced the energy consumption in comparison to blank test. Higher desorption efficiency occurred with the presence of lower catalyst amounts. The sequence of CO2 desorption heat duty performance reduction with 0.125 g catalyst, was as follows: MgO (70.9%) > In2O3 (80.2%) > HZSM-5 (84.1%) > Al2O3 (84.2%) > FER (87.1%) > MOR (88.4%) > TiO2 (74%), relative to blank test (100%). HZSM-5 exhibited the highest desorption factor as 4.25*10-7 mol3/kJmin while increasing desorption rate to 2.37*10-3 mol/min. This study provides the desorption performance of non-aqueous nanofluids with energy-efficient catalysts, highlighting their potential as promising materials for carbon capture and storage applications with improved energy efficiency.