KFUPM ePrints

Physical Adsorption of Carbon Dioxide Capture by Novel Materials

l Physical Adsorption of Carbon Dioxide Capture by Novel Materials. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF (PhD Dissertation ) - Published Version
Restricted to Abstract Only until 25 July 2018.

6Mb

Arabic Abstract

إحتجاز ثاني أكسيد الكربون المنبعث من العوادم بواسطة الإمتزاز الفيزيائي يستطيع أن يخفف من التغير المناخي. الممتزات المعدنية-العضوية والتي تسمى MOFs هي مواد مسامية ذات أسطح كبيرة تتجاوز المواد المسامية التقليدية كالكربون المنشط والزيولايت والسيليكاجل. لهذا يوجد نوعية من هذه MOFs تم تطويرها في السنوات الأخيرة لغرض إمتصاص ثاني أكسيد الكربون من غاز المداخن و بتكلفة تشغيلية قليلة. أحد أنواع MOFsوالمسمى Mg-MOF-74 يحمل خصائص فريدة في إمتصاص وفصل ثاني أكسيد الكربون تحت الضغوط المنخفظة وهنالك نوعان منMOFs تسمى MIL-100(Fe) و MIL-101(Cr) تمتاز باستقرارية حرارية ومائية كبيرة. لقد دونا في هذا البحث تحسين سعة الممتزات المذكورة سابقا بالإضافة للزيولايت وذلك بخلطها واشراكها مع الكربون نانوتيوب متعدد الأسطح وذلك عن طريق تحسين الإنتقال الحراري خلال الممتزات. خضعت المواد لتوصيفات متعلقة بالتركيب البلوري و سعة المواد الأيزوثرمية لغازي ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين وفصل البريكثرو عند حرارة وضغط الغرفة. ايضاً قمنا بتطوير محاكاة عددية ثنائية وثلاثية الأبعاد لدراسة فصل ثاني أكسيد الكربون بواسطة البريكثرو و الإمتزاز التأرجحي بالاضافة الى تخزين ثاني أكسيد الكربون. أشارت النتائج المستخلصة من نماذج حيود الأشعة السينية لمسحوق الممتزات المركبة أن إضافة الكربون نانوتيوب إلى الممتزات حتى 8 بالمائة من الوزن لا يؤثر على التركيب البلوري للممتزات الأصلية. أثبتت نتائج التجارب ايضاً أن الممتزات المركبة ذات الخلائط 0.5 wt% MWCNT/13X و 1.5 wt% MWCNT/Mg-MOF-74 و 0.1 wt% MWCNT/MIL-100(Fe) و 2 wt% MWCNT/MIL-101(Cr) تمتلك أعلى سعة إمتصاص لغاز ثاني أكسيد الكربون بتحسينات تصل إلى 21.2% و 7.4%و 12.0% و37.7% وتمتلك تحسينات في نقاط الفصل تصل إلى 25.3% و 8.0% و 9.2% و 32.1%على التوالي مقارنة بالممتزات الأساسية. عملية إمتزاز وتفريغ ثاني أكسيد الكربون من المواد بشكل دورات متكررة يمكن أن يتحقق بواسطة الإمتزاز التأرجحي عن طريق التفريغ الضغطي او الحرارة او كليهما. النتائج المستخلصة من ثأثير الرطوبة على كمية ثاني أكسيد الكربون المخزن أشارت إلى أن نسبة بخار الماء إذا تجاوزت 5% فهذا يقلل من قدرة الممتزات على إمتزاز ثاني أكسد الكربون بشكل كبير. الدراسة الخاصة بتاثير الإمتراز التأرجحي بواسطة التفريغ والضغط أثبتت كفائة وصلت إلى 98.3% لنقاوة ثاني أكسيد الكربون و 95.7% لإسترجاع ثاني أكسيد الكربون و0.73 كجم من غاز ثاني أكسيد الكربون لكل جرام من الممتز بالساعة للإنتاجية و 63.9 كيلووات ساعة لكل طن من ثاني أكيسد الكربون المنتج للطاقة المستهلكة. كما أن الدراسة الخاصة بتأثير الإمتراز التأرجحي بواسطة الحرارة أثبتت كفائة وصلت إلى 96.2% لنقاوة ثاني أكسيد الكربون و 93.7% لإسترجاع ثاني أكسيد الكربون و0.28 كجم من غاز ثاني أكسيد الكربون لكل جرام من الممتز بالساعة للإنتاجية و 663.8 كيلووات ساعة لكل طن من ثاني أكيسد الكربون المنتج للطاقة المستهلكة. أثبت MOF-5 أنه خيار جيد لتخزين ثاني اكسيد الكربون في ضغوط أقل من 5 بار لكنMOF-177 لدية كفائة عالية لتخزين ثاني أكسيد الكربون بالضغوط العالية أكبر من عشرة بار.

English Abstract

Carbon capture by physical adsorption can strongly participate in the reduction of the climate change. Metal-organic frameworks (MOFs) are one class of porous materials with specific surface areas measured to be much higher than conventional porous materials like silica gels, activated carbons, and zeolites. Accordingly, a certain class of MOFs has recently been developed with the primary objective of CO2 capture from flue gases with minimum energy penalties. Mg-MOF-74 is a distinct adsorbent owing to its distinguished CO2 uptake and selectivity under low-pressure applications while MIL-101(Cr) and MIL-100(Fe) have extraordinary thermal and hydro stability. In this research, we report the experimental data for enhancing CO2 uptake of zeolite 13X, Mg-MOF-74, MIL-100(Fe) and MIL-101(Cr) incorporated with multi-walled carbon nanotubes. This was done to improve the thermal diffusion properties of the base adsorbents in order to enhance their adsorption capacities. The new composites have been characterized for degree of crystallinity, CO2 and N2 equilibrium adsorption capacity and actual dynamic breakthrough separation at 297 K and 101.325 kPa. In numerical side, 2D and 3D models have successfully been developed to carry out adsorption breakthrough, vacuum pressure swing adsorption (VPSA), temperature swing adsorption (TSA) and CO2 adsorptive storage. The experimental powder X-ray diffraction patterns of the adsorbent composites did not show any extraneous peaks or noticeable peak shifts indicating that the crystal lattices of 13X, Mg-MOF-74, MIL-100(Fe), and MIL-101(Cr) were unaffected by the incorporation of multi-walled carbon nanotubes up to 8 wt%. In comparison to the pristine adsorbents, the composites of 0.5 wt% MWCNT/13X, 1.5 wt% MWCNT/Mg-MOF-74, 0.1 wt% MWCNT/MIL-100(Fe), and 2 wt% MWCNT/MIL-101(Cr) exhibited optimal CO2 breakthrough uptake enhancements by about 21.2%, 7.4%, 12.0%, and 37.7%, respectively. The optimal adsorption breakpoint improvements were about 25.3%, 8.0%, 9.2%, and 32.1% for 0.5 wt% MWCNT/13X, 1.5 wt% MWCNT/Mg-MOF-74, 0.1 wt% MWCNT/MIL-100(Fe), and 2 wt% MWCNT/MIL-101(Cr), respectively. Carbon dioxide adsorption/desorption cycles showed that heating (> 120 oC for MOFs and >150 oC for 13X) and/or vacuum (< 2 Pa) could satisfactorily regenerate the adsorbent materials. The results obtained from numerical modeling exhibited significant reduction in CO2 uptake with the presence of water vapor (> 5 vol%) using Mg-MOF-74. The optimal VPSA key performance indices were about 98.3% of CO2 purity, 95.7% of CO2 recovery, 0.73 kg-CO2/hr.kg-MOF of CO2 productivity, and 63.9 kWh/tonne-CO2 of process power consumption. On the other hand, the TSA optimal key performance indices were about 96.2% of CO2 purity, 93.7% of CO2 recovery, 0.28 kg-CO2/hr.kg-MOF of CO2 productivity, and 663.8 kWh/tonne-CO2 of power consumption. MOF-5 is found to be the best choice for CO2 storage applications at pressure less than 5 bar, while MOF-177 is superior for the same purpose at higher pressures (≥10 bar).



Item Type:Thesis (PhD)
Subjects:Environmental
Engineering
Chemical Engineering
Research > Engineering
Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor:Ben-Mansour, R.
Committee Co-Advisor:Habib, M. A.
Committee Members:Antar, M. A. and Said, S. A. M. and Rahman, S.
ID Code:140422
Deposited By:QASEM NAEF ABDULJALIL A.R (g200905250)
Deposited On:26 Sep 2017 10:36
Last Modified:26 Sep 2017 10:36

Repository Staff Only: item control page