Modified dolomite-based pellets synthesized by one-pot method for high-temperature CO2 capture

Utslipp av CO2 grunnet menneskelig aktivitet er en av de største utfordringene verden står ovenfor i dag. Denne masteroppgaven er en del av et prosjekt hvor en MBCL (Moving Bed Carbonate Looping)-reaktor har blitt utviklet. I teknologien brukes CaO-baserte sorbenter til å fange CO2 ved høy temperaturer. Sorbentene sirkulerer mellom to reaktorer hvor de er kontinuerlig er utsatt for sykluser av karbonatisering og regenerering, og bør derfor klare å holde seg stabile over lengre tid Tidligere forskning har funnet dolomitt (CaCO3*MgCO3) til å være et godt valg av sorbent. Desverre blir dolomitt utsatt for deaktivering etter sykluser. Dette skyldes i hovedsak sintering og slitasje av materialet. Grunnet slitasje, bør det lages pellets med god mekanisk styrke – dette kan oppnås ved å bruke et bindemiddel. Sintering kan bli redusert ved å bruke en stabilisator. ZrO2, CeO2 og sement har i tidligere forskning vist seg å være et godt valg for å forbedre CaO-baserte sorbenter. Hovedformålet med denne oppgaven vært å finne den optimale kombinasjonen av dolomitt, stabilisator og binnemiddel. Både ZrO2 og CeO2 har blitt testet som stabilisator. Sement har blitt tilsatt med hensikt å virke som både stabilisator og bindemiddel. Videre var det ønskelig å lage sorbenter som det vil være lett for industrien å produsere. For å oppnå dette ble «one-pot»-metoden brukt. I motsetning til typiske syntetiseringsmetoder var det ingen kalsinering mellom tilsetting av de forskjellige stoffene til dolomitt. Tilsetninger av stoffer ble undersøkt på to ulike måter; enten var alle stoffene blandet samtidig (et-stegs metoden) eller så var sement tilsatt etter impregnering (to-stegs metoden). Det ble funnet at sorbenter laget med to-stegs metoden klarte å fange mer CO2 og ga en noe bedre stabilitet. Trolig var dette grunnet bedre spredning av ZrO2 i sorbenten, som ble oppdaget gjennom kartlegging av elementer. Den sykliske stabiliteten til sorbentene var testet både i våte og tørre reaksjonsbetingelser i termogravimetriske analysatorer. Våte reaksjonsbetingelser vil si at det er vanndamp til stedet i karboneringen. I disse betingelsene var det også høyere temperatur og partialtrykk av $\ch{CO2}$-betingelser mer likt de som er i reelle prosesser. I tillegg var to sorbenter testet i en «microbalance fixed bed»-reaktor, hvor enda mer reelle reaksjonsbetingelser er mulig. De modifiserte sorbentene klarte å holde seg stabile gjennom flere sykluser under alle betingelsene. Det ble funnet at en økt mengde av både sement of ZrO2 reduserte kapasiteten til å fange CO2, men økte stabiliteten. Dette ble begrunnet med formasjonen av to stabiliserende faser; CaZrO3 og Ca12Al14O33. CeO2 påvirket ikke stabiliteten i de testede reaksjonsbetingelsene. Den beste sorbenten ble funnet til å være 2Sa(5.5Zr,10Al), som besto av 5.5 wt% Zirkonium og 10 wt% Aluminium fra sement. Sorbenten hadde et kapasitetstap på 15.7 % fra syklus 3-60 i våte reaksjonsbetingelser. Sorbentene var karakterisert gjennom X-ray diffraksjon (XRD), Skanning elektron mikroskopi (SEM) og Nitrogen adsorpsjon-desorpsjon, både før og etter syklisk testing. Ingen merkbare forskjeller ble funnet gjennom XRD. Derimot ble det observert en liten forskjell i pore-strukturen gjennom de to andre teknikkene. Dette var trolig grunnet en hvis grad av sintering. Det ble funnet at for å videre redusere deaktiveringen i sorbentene, bør pore-strukturen forbedres