Elaboration of Metal Organic Framework - polymer composites for CO2 capture by Pressure Swing Adsorption in the context of bio-CH4 enrichment
Elaboration de composites MOF-polymères pour la capture de CO2 par adsorption modulée en pression dans le contexte de l'enrichissement de biométhane
Résumé
HKUST−1 is one of MOFs frequently studied as an adsorbent for CO2/CH4 separation thanks to its high CO2 adsorption capacity and commercial availability. It is often produced in powder form and thus requires a post-shaping process for use as an adsorbent in fixed-bed separation processes. Powdered HKUST−1, was extruded into pellets using two thermoplastic binders: TPU, (thermoplastic polyurethane) and PLA (polylactic acid), with the aim to fabricate an adsorbent with a good mechanical and moisture stability for use in PSA process. The characterization of the HKUST-1 composites (HKUST-1/PLA and HKUST-1/TPU) was determined via XRD, TGA, SEM-EDS, and an N2 adsorption isotherm analysis The gas-separation performances of the materials were measured by CO2 and CH4 isotherms. The composites preserved the HKUST−1’s crystalline structure and they are also thermically stable under 523 K, whilst their textural properties were not significantly modified compared with the pristine HKUST−1. Furthermore, both composites exhibited larger CO2 and CH4 adsorption capacities in comparison to the pristine HKUST−1. After three months of storage under atmospheric humid conditions, CO2 adsorption capacities were reduced to only 10% for HKUST−1/TPU, whereas reductions of about 25% and 54% were observed for HKUST−1/PLA and the pristine HKUST−1, respectively. Finally, PSA simulation for CO2/CH4 separation was carried out to asses the viability of using the composite as adsorbent media. The simulation, which uses HKUST-1/PLA as adsorbent media, able to produce biomethane with CH4 purity of 99.7% and specific energy consumption of 0.15 kWh. Nm-3 CH4. However, the simulated CH4 recovery is relatively low at 35.1%, which need to be improved by optimizing the process parameters.
HKUST-1 est l’un des MOFs fréquemment étudiés comme adsorbant pour la séparation CO2/CH4 compte tenu de sa disponibilité commerciale et de grande capacité d’adsorption du CO2. Néanmoins, les voies de synthèse actuelles mises en oeuvre à l’échelle industrielle conduisent à l’obtention de poudres auxquelles des post-traitements de mise en forme sont nécessaires. La mise en forme de HKUST-1 par extrusion en utilisant deux liants thermoplastiques : TPU, (thermoplastic polyurethane) et PLA (polylactic acid) a été réalisé, dans le but de fabriquer un adsorbant avec une bonne tenue mécanique et une stabilité à l’humidité améliorée en vue de sa mise en oeuvre dans un procédé PSA. La caractérisation par DRX, MEB et ATG a confirmé la préservation de la structure cristalline du HKUST-1, ainsi que l’absence de dégradation thermique des composites jusqu'a 523 K. Les mesures d’isothermes d’adsorption CO2/CH4 mettent en évidence une augmentation des capacités d’adsorption en CO2 et CH4 des deux composites, de l’ordre de 16-30% par rapport au HKUST-1. Après un stockage prolongé des matériaux en conditions humides, HKUST-1/TPU et HKUST-1/PLA présentent respectivement des diminutions de 10% et 25% des capacités d’adsorption de CO2, contre 54% pour le HKUST-1 pur. Enfin, une simulation du procédé PSA en utilisant HKUST-1/PLA comme adsorbant, a été appliquée à un mélange équimolaire CO2/CH4. La simulation montre que la production d’un d’un raffinat enrichi en CH4 avec une pureté de 99,7%, est associé à un taux de récupération faible en CH4 de 22,6% et consommation d’énergie de 0,15 kWh. Nm-3 CH4, ce qui doit être amélioré en optimisant les paramètres du procédé.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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