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