De secestratie van CO2 vanuit industriele uilaatgassen door middel van membranen gebaseerd op poly-ionische vloeistoffen

In een poging de significante accumulatie van CO2 in de atmosfeer een halt toe te roepen, zijn veel landen overeengekomen om industriële oplossingen te implementeren voor, de vermindering opvang, opslag en benutting van CO2. Het oorspronkelijke doel was om CO2 uit uitlaatgassen van verbrandingsindustrieën optevangen door midden van scheiding van de andere uitlaat gassen zoals N2 en H2O. Dit kan worden gedaan met behulp van gevestigde technieken, zoals absorptie (amine scrubbing), physische adsorptie, cryogene destillatie. Hoewel deze technieken al prominent op de markt zijn, hebben ze significante nadelen op het gebied van energieverbruik en reagens- gebruik. Er bestaat daarom een grote interesse voor alternatieve technische oplossingen om CO2 te scheiden. CO2 opname door middel van membranen maakt het mogelijk het gebruik van verbruikbare chemicaliën te vermijden en regeneratiestap. Bovendien kunnen membraangasscheidingssystemen gemakkelijk worden aangepast en opgeschaald, afhankelijk van de parameters als gevolg van hun moduleconfiguratie.

Gepolymeriseerde ionische vloeistoffen (PIL’s) vertegenwoordigen een groep van innovatieve sorptieselectieve polymeren netzoals gefaciliteerd transport- eigenschappen. Ze zijn met succes toegepast in membraancontactors als substituut voor CO2 ab- en adsorbents zoals amineoplossingen en ionische vloeistoffen (IL). PIL’s worden meestal gesynthetiseerd uit IL-monomeren om de beperkingen van de vloeibare toestand van IL door polymerisatie te overwinnen. Deze methode maakt de productie van op maat gemaakte PIL’s met gewenste eigenschappen mogelijk. Hun mechanische eigenschappen worden echter vaak aangetast door de lage mechanische flexibiliteit van de polymere hoofdketen.

Een alternatief is om de IL-achtige hangers te koppelen aan de ketens van reeds beschikbare polymeren met een goed gekende structuur en mechanische eigenschappen. Deze resulterende materialen worden polyelectrolieten (PEs) genoemd. Hoewel de synthetische veranderingen in de polymeerketens hun mechanische eigenschappen kunnen beïnvloeden, lijkt het een realistischere benadering om het verband te leggen tussen de verbeterde scheidingsprestaties van PIL’s en verwerkbaarheid van commerciële precursoren.

Dit werk onderzoekt de mogelijkheden om reeds commerciele polymeren te transformeren in superieure PE’s voor CO2-scheiding door het opnemen van verschillende zij-IL-achtige hangers in de polymeerketens, bij voorbeld celluloseacetaat, polyvinylbenzylchloride en poly (diallyldimethylchloride). De samenstelling van IL’s werd gediversifieerd om zuivere en gemengde PILs te produceren die de interacties tussen de zijketens op intra- en intermoleculair zijketens niveau binnen de polymere matrix zouden kunnen intensifiëren. De IL bevatten functionele groepen die waterstofbindingen kunnen aangaan en het transportmechanisme van CO2 beinvloeden. Dit met als doel de oplosbaarheid van CO2 moleculen in de PE’s-matrix positief te beïnvloeden en bij te dragen aan hun preferentieele transport doorheen de selectieve laag.

Het gastransport is ook afhankelijk van de diffusie van de CO2 moleculen door het membraan. Hierin speelt de polymere matrixstructuur een cruciale rol. Omdat PE’s vast zijn, wordt gasdiffusie beperkt door de moleculaire dynamica. Deze beperking kan worden omzeild door de glastransitietemperatuur van PIL’s te verlagen en daardoor de visco-elastische eigenschappen van het materiaal positief te beïnvloeden. Om dit te doen, werden PIL’s verdund met IL’s met een lagere viscositeit door fysische menging. Bovendien werd het effect van een metaalzouttoevoeging bestudeerd om de interacties tussen de PIL-matrix en de permeatie van CO2 moleculen verder te bevorderen.

Alle gesynthetiseerde PIL’s en PIL/additief-mengsels ondergingen een gron- dige karakterisering van hun eigenschappen als bulkpolymeer en als thin-film composite (TFC) membraan. De materiaaleigenschappen van gemaakt materi- alen werden blootgesteld aan een grondige experimentele karakterisering: (i) metingen van gassorptie; (ii) tijdvertragingsmetingen gekoppeld evenwicht en niet-evenwichtstransport van afzonderlijke gassen; (iii) metingen van permeatie van gemengd gas uitgebreid niet-evenwichtstransport naar gasparen. Deze laatste, uitgevoerd in ‘sweep gas’-modus met bevochtigde voeding maakte de beoordeling mogelijk van industrieel relevante omstandigheden voor de opvang van rookgas CO2.

De integratie van IL-zijketens in de polymere ruggengraat verbeterde de PE’s-scheidingsprestatie in de meeste gevallen. De PE’s CO2/N2 -selectiviteit verbeterde het meest wanneer de IL-zijketen het vermogen tot waterstofbinding vertoonde, aangezien dit de oplosbaarheid van CO2 ten goede kwam. Bovendien vertoonden alle membranen op basis van PE’s verbeterde CO2permeanties in de scheidingstests met bevochtigde gemengde gasstromen, waardoor hun relevantie werd bevestigd.

De op PE’s gebaseerde TFC-membranen vertoonden dus hun potentieel als CO2 selectieve materialen. Deze performantie, gekoppeld aan een grote veelzijdigheid en een relatieve eenvoudige synthese, opent de deur naar een nieuwe generatie commerciele CO2 scheidings materialen.