Improving adsorption-based direct air capture performance through operating parameter optimization

Direct air capture (DAC) of CO2 through adsorption is a promising technology for mitigating climate change, but its high cost presents a significant challenge to large-scale implementation. To address this issue, this study presents a dynamic fixed-bed model of the closed-inlet temperature-vacuum swing adsorption (TVSA) process and investigates the impact of various operating and model parameters on DAC performance via dynamic simulation. The results indicate that optimizing the durations of the adsorption and regeneration phases is crucial for improving cyclic DAC performance. Maximizing the working capacity by driving both phases towards near-equilibrium conditions generally leads to the lowest specific energy requirement (SER), while cutting the adsorption phase earlier increases the CO2 productivity. Additionally, appropriate choices of operating parameters, such as feed gas velocity and vacuum pressure, can significantly improve DAC process performance. Furthermore, placing the DAC unit in a location with favourable temperature and humidity conditions, affordable heat source, and elevated CO2 concentration can greatly enhance the process and its cost-effectiveness. These individual approaches have the potential to multiply productivity and decrease SER by increasing the working capacity, shortening the cycle duration, and minimizing the absolute energy consumption. However, optimizing the DAC process necessitates careful consideration of trade-offs between productivity, SER, and various constraints. These insights, along with the developed model, can provide a valuable basis for further advancement of DAC technology

Cinéticas de captura de CO2 del aire basadas en adsorción

Los adsorbentes sólidos son actualmente empleados en la captura de CO2 atmosférico por adsorción directa (DAC). Para poder predecir y modelar el comportamiento de adsorción es necesario caracterizar las cinéticas de adsorción de CO2 en los materiales adsorbentes. El objetico de este TFM es estudiar los diferentes modelos cinéticos de adsorción de CO2 presentes en bibliografía y utilizar la información recopilada para proponer un modelo capaz de predecir la cinética de adsorción de CO2 en una resina amínica comercial. A ello se suma el objetivo de validar los modelos cinéticos de adsorción seleccionados, teniendo en consideración los resultados de los ensayos de adsorción obtenidos por termogravimetría analítica (TGA) y por columna de adsorción de lecho fijo. Además, los resultados experimentales de adsorción hallados en este TFM serán comparados con la isoterma de adsorción de la resina amínica. Adicionalmente, en el propósito de este trabajo se incluye comparar los resultados cinéticos de adsorción cosechados por TGA y la columna de adsorción. Finalmente, el interés de dos zeolitas comerciales como adsorbentes de CO2 para DAC será estudiado para las condiciones de trabajo ensayadas. Las zeolitas a estudiar son la zeolita 4 Å y zeolita 13 X.En base a la bibliografía consultada, los modelos de ajuste seleccionados para la adsorción de CO2 en la resina amínica están basados en la aproximación de la fuerza impulsora lineal, Linear Driving Force (LDF). Los modelos de ajuste fueron: pseudo primer orden (LDF1), pseudo segundo orden (LDF2), Avrami y las aproximaciones de Veneman. También se estudiaron dos modelos analíticos, referidos en este TFM como modelos teóricos; los cuales también se basan en la aproximación LDF. Los modelos teóricos seleccionados son el mecanismo descrito por Farooq & Ruthven y el hallado en el manual de ingeniería química de Perry et al. (1999).De acuerdo con los resultados obtenidos, el modelo propuesto por Veneman y el LDF1 presentaron un buen ajuste a la curva de adsorción de CO2 experimental en la resina amínica. Dichos modelos producen una constante cinética global aparente capaz de simular los resultados de los mismos experimentos llevados a cabo en el equipo para unas condiciones y parámetros de trabajo iguales a las del ajuste. No obstante, el modelo de Farooq & Ruthven demostró ser capaz de aportar una buena predicción del comportamiento experimental y una mayor utilidad, al proporcionar un método para calcular la constante cinética global de adsorción para distintas condiciones experimentales. El modelo de Farooq & Ruthven cuantifica las contribuciones de los parámetros de diseño del equipo, condiciones experimentales y propiedades del sólido. De tal forma que el modelo de Farooq & Ruthven puede ser utilizado para el escalado de equipos y predecir nuevos comportamientos del sistema ante variaciones en las condiciones del proceso de adsorción.Los resultados de adsorción de CO2 en la resina amínica demostraron que la etapa limitante del proceso de adsorción es distinta en los equipos de TGA y en la columna de adsorción estudiados. No obstante, la capacidad de adsorción en el equilibrio de la resina amínica es la misma independientemente del equipo de adsorción seleccionado. Las variaciones en los coeficientes de difusión del CO2 en la resina amínica entre equipos se tradujeron en una adsorción diez veces más lenta para la TGA respecto al lecho fijo y en una constante cinética global distinta para cada equipo. Las zeolitas estudiadas mostraron capacidad de adsorción de CO2 para las condiciones de adsorción. No obstante, los experimentos de desorción hallaron que 100ºC no era una temperatura suficiente para regenerar las zeolitas; perdiendo capacidad de adsorción tras pocos ciclos de adsorción-desorción. Las condiciones empleadas en los experimentos de adsorción para todos los adsorbentes en ambos equipos fueron de 400 ppm de CO2 a 25º C y 1.1 bar de presión total.English version:Adsorbents are applied in direct air capture (DAC) technologies to extract CO2 from the atmospheric air. Kinetics of adsorption are required to model and predict the behaviour of the adsorbent material in the adsorption process. The objective of the thesis is to study the different CO2 adsorption kinetic models presented in literature, and to use the information to create a model to predict the CO2 kinetic adsorption of a commercial amine-resin adsorbent. In addition, the objective is to validate the selected models with experimental adsorption results from thermal gravimetric analysis (TGA), fixed-bed adsorption and the amine-resin adsorption isotherm. Furthermore, the aim of the thesis is to compare the results of adsorption capacity and the adsorption kinetics obtained from TGA and the fixed-bed. Lastly, feasibility of two commercial zeolites, Zeolite 4Å as Zeolite 13X, as CO2 adsorbents are tested.Based on the literature survey, the selected models for CO2 adsorption were based on the Linear Driving Force (LDF) adsorption approximation, including pseudo-first (LDF1), pseudo-second (LDF2) and Avrami and Veneman fitting models. In addition, the theoretical LDF models of Farooq & Ruthven and a model introduced by Perry et al. (1999) were applied.According to the experimental results, the Veneman model was discovered to be the most accurate fitting model to predict the experimental results of CO2 adsorption on the studied resin whereas from the theoretical models the model of Farooq & Ruthven predicted the kinetic adsorption behaviour on the resin the best. In addition, the diffusivity coefficient was found to differ between the TGA and fixed-bed adsorption processes at 400 ppm of CO2 at 25ºC and 1.1 bar. Therefore, the global adsorption kinetic constant differs between TGA and fixed-bed adsorption processes. Considering the studied commercial zeolites, both Zeolite 4Å and Zeolite 13X showed CO2 adsorption capacity, but for Zeolite 13X, regeneration difficulties at the desorption conditions were detected.<br /

Carbon dioxide use and removal : Prospects and policies

This report presents an overview of the current status of carbon capture, utilisation and storage (CCUS) and carbon dioxide removal (CDR), in terms of and main technologies, markets and policies, especially from the perspective of Finland. CDR refers to technologies and practices, which can remove carbon dioxide (CO2) from the atmosphere and store it in a manner intended to be permanent. CCUS refers to permanent storage of captured CO2 or to the utilisation of captured CO2 as a feedstock for different products which also form short- or long-term storage over their life cycle. The products can range from fuels (short lifetime) to performance polymers (long lifetime) and to mineral products (often permanent storage). The market assessment included also quantitative and qualitative estimates for future development in size and growing CCUS and CDR solutions. Finland’s export potential in the technologies and products was also investigated. The policy environment of the technologies was assessed in terms of greenhouse gas accounting and reporting rules under the UNFCC and EU legal frameworks. Moreover, an international benchmarking of national policies was carried out to survey good practices in peer jurisdictions. Taking note of the assessed main technology options, the policy overview was used to identify policy development needs and to provide recommendations accordingly.This publication is part of the implementation of the Government Plan for Analysis, Assessment and Research. (tietokayttoon.fi) The content is the responsibility of the producers of the information and does not necessarily represent the view of the Government