Synthesis of metal-organic framework structures as effective carbon dioxide sorbents

W niniejszym artykule przedstawiono wstępne doświadczenia z badań innowacyjnej grupy stałych materiałów porowatych - struktur metaloorganicznych (MOF), mogących znaleźć zastosowanie w adsorpcyjnym wychwycie i separacji ditlenku węgla. Przedstawiono syntezę kilku struktur: MOF-5, MOF-199, Zn-MOF-74, Mg-MOF-74, Ni2(BDC)2(Dabco), Zn2(BDC)2(Dabco) oraz Mg2(BDC)2(Dabco). Pierwsze dwa z nich zbudowane są z trójwymiarowego szkieletu sześciennych cząsteczek metaloorganicznych, kolejne dwa charakteryzują się dwuwymiarową strukturą, natomiast ostatnie trzy przypominają modyfikowane glinokrzemiany warstwowe. Zaprezentowano wyniki analiz stabilności termicznych otrzymanych próbek oraz wyznaczono metodą termograwimetryczną ich pojemności sorpcyjne względem CO2 w temperaturze 25°C w ciśnieniu atmosferycznym.In the presented article were shown preliminary experiences in building a research base in the subject of innovative porous materials - metal-organic framework structures (MOFs). These materials can be applicable in adsorptive capture and separation of carbon dioxide. These structures are hybrids of metals or metal building units and organic ligands as linkers. Within the article there were presented and conducted reconstructive procedures of synthesis of several MOFs. MOF-5 is composed of zinc acetate molecules connected with terephtalate ligands in cubic macroparticles which create a 3D porous structure. MOF-199 shows quite similar construction with exception of replacement of terephtalate linker by benzenetricarboxylate ligand. Zn-MOF-74 and Mg-MOF-74 present a 2D structure appearing as tunnels built by connecting metals with dihyroxytereftalate ligand. Last synthesized group of MOFs is Me2(BDC)2Dabco, where Me is Ni, Zn or Mg. Structure of these materials is similar to pillared clays (such as bentonites), with layers constructed by metals and terephtalic acid ligands which are pillared by molecules of diazabicyclooctane. Within the article were presented results of thermal stability of synthesized samples, in order to determine its suitability to the technological processes. The most important part of this paper is determination of adsorption capacities of synthesized samples relative to the carbon dioxide as an adsorbate in temperature of 25°C and at atmospheric pressure

Technologie CCU w zielonej gospodarce

The paper presents the development of CCU (Carbon Capture and Utilization) technology and its significance in the green economy. The focus was on CO2 utilization technologies with high potential for commercial application. Carbon dioxide captured from coal-fired power plants, cement plants or in other industry sectors offers an alternative source of coal for obtaining fuels, chemicals and materials. The focus of the paper is on the technological, environmental and financial barriers to the implementation of CCU technologies on an industrial scale.W artykule przedstawiono rozwój technologii CCU (Carbon Capture and Utilization), a zarazem jej znaczenie w zielonej gospodarce. Skupiono się na technologiach utylizacji CO2 o dużym potencjale i możliwościach ich komercyjnego wykorzystania. Ditlenek węgla wychwycony z elektrowni węglowych, cementowni czy innych gałęzi przemysłu może stanowić alternatywne źródło węgla do pozyskiwania paliw, chemikaliów i materiałów. W artykule zwrócono ponadto szczególną uwagę na techniczne, środowiskowe i finansowe bariery wdrażania technologii CCU na skalę przemysłową

Evaluation of adsorbents usability for carbon dioxide separation in vacuum systems - thermogravimetric tests

Badania z zastosowaniem metod termo grawimetrycznych (układ TG-Vacuum) prowadzono pod kątem sprawdzenia przydatności wytypowanych adsorbentów do procesu wychwytu dwutlenku węgla z gazów spalinowych metodą VSA. Testy przeprowadzono na zeolicie 5A, na zeolicie 13X oraz na węglu aktywnym z łupin orzecha kokosowego w atmosferze dwutlenku węgla oraz w atmosferze spalin pochodzących z konwencjonalnego procesu spalania, tzn. 16% CO2, 3,5% O2,80,5% N2. Zakres badań obejmował: test stabilności termicznej adsorbentów, izotermiczny test adsorpcji, test programowanej temperaturowo adsorpcji oraz test wieloetapowej cyklicznej adsorpcji/desorpcji w układzie TG-Vacuum. Wybór odpowiedniego adsorbentu do stosowania w adsorpcyjnej instalacji separacji CO2 dokonywany jest na podstawie oceny jego pojemności sorpcyjnej, zdolności regeneracji, profili i kinetyki adsorpcji/desorpcji oraz stabilności termicznej. Wstępna ocena tych parametrów może zostać dokonana z wykorzystaniem metod termograwimetrycznych, będących szybkim i użytecznym narzędziem do określenia szczególnie pojemności sorpcyjnej oraz profili adsorpcji/desorpcji. Dla 100% CO2 największą pojemność sorpcyjną wynoszącą 130 mgCO2/g sorbentu stwierdzono dla zeolitu komercyjnego 13X, zaś najmniejszą dla węgla aktywnego AC - ok. 58 mgCO2/g sorbentu. W przypadku zastosowania mieszaniny gazowej o zawartości 16% CO2 stwierdzono niższe pojemności sorpcyjne w każdym z testowanych sorbentów. Pojemność sorpcyjna węgla aktywnego, podobnie jak zeolitów, obniża się gwałtownie wraz ze wzrostem temperatury.The paper presents the results of tests carried outusing a thermogravimetric analyzer (TG-Vacuum system) to verify the suitability of selected adsorbents for carbon dioxide capture from flue gases in VSA process. Sorption capacity of solid sorbents of carbon dioxide was characterized in relation to the CO2 concentration. Zeolite 5A, zeolite 13X and coconut shell steam activated carbon were used in the study underconditions typical of flue gas content in the combustion process, i.e. 16% CO2, 3.5% O2,80.5% N2. The scope of the research included a thermal stability test of adsorbents, isothermal test of adsoption and multi-stage cyclic adsorption/desorption (TG-Vacuum system) test. Selection of a suitable adsorbent to be used in adsorption installation is made based on evaluation of its sorption capacity, ability to regenerate, adsorption/desorption profiles and stability in the number of cycles and the kinetics of adsorption/desorption process. Zeolite 13X exhibited the highest sorption capacity of 130 mg CO2/g sorbent (among the adsorbents tested) when the adsorption step was carried out in pure CO2. In the case of gas mixture containing 16% of CO2 a significant decrease in sorption capacity was observed for each sorbent. Similar by to zeolites, sorption capacity of the activated carbon decreases rapidly as the temperature rises

Co2 separation research on selected sorbents by pressure swing adsorption method

Przedstawiono rezultaty badań nad zastosowaniem wybranych sorbentów komercyjnych i syntezowanych z popiołów lotnych w adsorpcyjnej metodzie separacji dwutlenku węgla z gazów pochodzących ze spalania węgla w atmosferze wzbogaconej tlenem, jako jednej z metod wychwytywania CO2 po procesie spalania. Jako gaz surowy zastosowano symulowaną mieszaninę gazów spalinowych zawierających CO2, N2, O2, która podlegała rozdziałowi w dwukolumnowej instalacji adsorpcji zmiennociśnieniowej PSA. Proces prowadzono przy różnym ciśnieniu i przepływach gazu zasilającego oraz różnych udziałach strumienia gazu płuczącego. Dla wybranej konfiguracji procesu przedstawiono wyniki w postaci średniego stężenia dwutlenku węgla w produkcie niskociśnieniowym i odzysku CO2 z gazu surowego.The paper presents the research results of applying selected commercial sorbents and synthesized from fly ash ones in adsorption method applying for carbon dioxide separation from flue gases emitted during coal burning, in oxygen-enriched atmosphere, as the one of the post-combustion CO2 capture methods. The feed gas is a simulated flue gas mixture containing: CO2, N2, O2 separated in two-bed pressure swing adsorption (PSA) installation. The process was carried out under different pressures and velocity of feed gas as well as different purge ratios. The results of average concentration of CO2 in low- pressure product and average recovery of CO2 from feed gas were presented for specific configuration of conducted process

Bio-engineering of carbon adsorbents to capture CO2 from industrial sources: The cement case

Pine cone leaves (PCL) and pine kernel shells (PKS), abundant by-products of the Spanish food industry, were selected as precursors for activated carbons (ACs) to adsorb CO2 selectively at industrial post-combustion capture conditions. The goal was to maximize the development of narrow microporosity in the final carbons to boost the CO2 adsorption capacity. We have designed kinetics and equilibrium of adsorption experiments with CO2/H2O/N2 on a selected AC derived from PCL in a thermogravimetric analyzer (TGA) at 50 °C and three partial pressures of CO2 to prove the suitability to capture CO2 from industrial off-gases. When humid flue gas streams were tested, competitive adsorption of CO2 and H2O occurred; however, the difference in the uptake rates favored CO2 adsorption in the early stages. The joint CO2 + H2O uptake was around 2 mmol g−1 at 50 °C in humid conditions, where CO2 reached the equilibrium uptake at the corresponding partial pressure for 15 and 32 vol% CO2 in the feed stream. Moreover, the dynamic performance was addressed by cyclic adsorption–desorption experiments representing different industrial post-combustion capture scenarios in a lab-scale fixed-bed rig. The selected AC showed a stable performance in adsorption-regeneration cycles and very remarkable CO2 capture capacity under dry conditions (up to 1.08 mmol g−1 at 50 ˚C for 30 vol% CO2). Kinetics analysis also supported the faster adsorption of CO2 under cement flue gas conditions.This article has been supported by the Polish National Agency for Academic Exchange under Grant No. PPI/APM/2019/1/00042/U/00001. The scientific research was funded by the statute subvention of Czestochowa University of Technology, Faculty of Infrastructure and Environment. N. Querejeta also acknowledges funding from the Gobierno del Principado de Asturias (PCTI, Ref. IDI/2021/000060), co-financed by the European Regional Development Fund (ERDF).Peer reviewe