Post-Combustion Carbon Capture Using MOFs: Materials and Process Development

Menneskeskapte CO2-utslipp er kjent for å forårsake global oppvarming, der gjennomsnitts-temperaturen på jorda øker. Det globale vitenskapelige samfunnet har satt en 2 °C terskel for den globale temperaturøkningen der man antar at irreversible effekter av klimaendringene vil unngås. Dette nødvendiggjør et ca 50% CO2 utslippskutt innen 2050 og 80% utslippskutt innen 2050, satt som mål av EU. Hovedtyngden av vår energiforsyning kommer fra fossilt brensel, med kullkraftverk som de største punktkildene for CO2-utslipp. Ett alternativ der man fortsetter å bruke fossile brensler men samtidig møter utslippsreduksjonsmålene er å fange CO2 og lagre det, enten under bakken eller i havdypet. Prosessen betegnet karbonfangst og lagring (CCS) har vist seg å fange rundt 90% av CO2-utslippene. State-of-art CO2 fangst teknologier basert på bruk av aminer løst i vann gir relativt høy reduksjon i energiproduksjonen når det brukes i kraftproduksjonen. I dette prosjektet studerer vi en alternativ og potensielt mer effektiv prosess som benytter faste adsorbenter (Metall-organiske rammeverk, MOF-er) som kan ha fordeler både i energibehovet og i miljøbelastning. I det foreliggende arbeidet er to klasser av MOF-er, CPO-27 (Coordination Polymer Oslo) og UTSA-16 (University of Texas i San Antonio) blitt undersøkt for deres CO2 adsorpsjons potensial for bruk i nye fangstanlegg. Prosjektet er i utgangspunktet delt inn i tre deler: Oppskalering av MOF-syntese og pelletiseringsteknikk til kilo-skala; karakteriseringen av de syntetiserte MOF-er; og utvikling av en vakuum-sving-adsorpsjonsprosess (VSA) for å identifisere de best mulige betingelser for fangst. Prosjektet kombinerer kompetanse innen kjemiteknikk rundt kravene til karbonfangst koordinert med kompetanse innen syntese og fremstilling av egnete adsorbentpartikler. MOF pulver og pellets ble syntetisert ved SINTEF. MOF-ene ble deretter evaluert for CO2 kapasitet og kinetikk ved Universitetet i Edinburgh (UOE). Resultatene fra karakteriseringen viste at adsorbentene viste gode egenskaper i sammenligning med kommersielle adsorbenter. Ytterligere eksperimenter blir gjennomført for å identifisere parametere som trengs for å bruke adsorbentene i storskala CO2-fangst. I dag er karbonfangst ved VSA i lab-skala blitt demonstrert i SINTEF hjelp bruk av CPO-27-Ni MOF sfærer. Alle eksperimentelle resultater blir brukt for å bygge en adsorpsjonssyklus-simulator ved UOE og CERTH. Detaljoptimaliseringsstudier skal i ettertid gjennomføres for å beregne hvordan en optimal prosesskonfigurasjon med lavt energibehov som fanger det meste av CO2-en fra røykgass med høy CO2 renhet kan fungere.

The proposal aims to develop an international collaborative research programme under Topic 4 of the FENCO-NET call: New innovative CO2 capture technologies. The specific issues addressed in the proposal are: 1. Overall evaluation of new innovative CO2 c apture processes based on Metal Organic Framework (MOF) materials; 2. To synthesise (scale-up to kg quantities), characterise,, formulate and evaluate selected MOFs for vacuum swing (VSA) post-combustion capture; 3. To investigate and address adsorben t stability and efficiency in post-combustion carbon capture processes; 4. To investigate and model mass and heat transfer kinetics to enable accurate dynamic process simulations needed for the optimization of the carbon capture units with respect to en ergy efficiency and operational and capital costs. The FENCO-NET call gives the unique opportunity of coordinating the significant research efforts in the partner institutions. SINTEF has the capability of preparing advanced MOFs which can also be scaled- up to produce formed materials for bench scale process testing. The UoE has developed new rapid screening techniques, specifically for post-combustion carbon capture and the close collaboration with SINTEF will accelerate further developments and provide essential stability data to direct novel material synthesis. Significant advances in this field can only be achieved if material and process development are combined. CERTH brings significant expertise in Vacuum Swing Adsorption (VSA) modelling, simulatio n, design and optimization and both the UoE and SINTEF have the capability of evaluating the integration of the novel carbon capture systems in power plants.