Shaping of advanced materials for CO2 capture processes

Karbonfangst og-lagring (CCS) er en av de teknologiske løsningene for å de-karbonisere energimarkedet samtidig som det gir sikker energiforsyning . Så langt er kostnaden for CCS dominert av kostnadene knyttet til CO2- fangst prosessen, noe som er grunnen til at innovative fangst-teknikker bør utvikles. Adsorpsjonsprosesser er under demonstrasjon for pre-forbrenning CO2-fangst ved bruk av kommersielle materialer. Andre adsorpsjonsbaserte teknologier blir undersøkt for etter-forbrennings bruk og deres viktigste begrensning er tilgangen på formede materialer med høy selektivitet og syklisk kapasitet av CO2 som kan anvendes til demonstrasjonen. På den andre siden, en myriade av nye materialer med eksepsjonelle egenskaper til bruk i adsorpsjonsprosesser for CO2-fangst er blitt oppdaget i løpet av de siste 30 årene. Et eksempel på slike materialer er metall-organiske rammeverk (MOFs). Den viktigste begrensningen for å evaluere disse materialene har vært deres tilgjengelighet i et visst kvantum og "forme teknologi", som nå er i sin spede begynnelse. Vi har i SINTERCAP utviklet nye reaktorkonsepter basert på additiv produksjon som var brukt til å skalere opp syntese av metall-organiske rammeverk. Nye ekstrusjons-oppskriftene vil bli utviklet for å generere MOF honeycomb monolitter. Formulering av pellets med alginatmetoder brukes også til dette formål. Nye ekstruderingsoppskrifter ble utviklet for å generere MOF-monolitter, og vi har også undersøkt muligheten for å lage 3D-trykte strukturer. Avanserte prosessteknikkmodeller av adsorpsjonsenheter brukes til å simulere multi-kolonne PSA-enheter for samtidig hydrogenproduksjon og CO2-fangst. Adsorbenter er standardmaterialer som referanse og nye UTSA-16 ekstrudater som selektiv CO2-adsorbent. Den optimalisering av PSA-prosesser med hensyn til energiforbruk har vist at det er mulig å fange CO2 fra forbrenninger.

The project has contributed to help our department build up significant expertise in scaling up and shaping of MOFs. These materials are very selective towards CO2 according to many publications, but most of the research done is in the milligram-gram level. Shaping into really usable particles is something that is rarely done by most people In this project, we have extended the synthesis into kilogram-scale by batch and by continuous methods using reactors produced by 3D printing. We have also developed three diffeernt methods for shaping MOF materials: pelletization using alginates, extrusion and 3D printing. For post-combustion, the techniques and materials used have not proven to be very efficient with higher energy consumption and particularly a large footprint. The adsorbents evaluated in this project are good for bulk separation. Indeed, a cobalt-based MOF termed UTSA-16 is very suitable for simultaneous purification of H2 with CO2-capture.

Carbon capture and storage (CCS) is one of the technological solutions to decarbonize the energy market while providing secure energy supply. So far, the cost of CCS is dominated by the cost of the CO2 capture process, reason why innovative capture techni ques should be developed. Adsorption techniques are under demonstration for pre-combustion CO2 capture using commercial materials. Other adsorption-based technologies are being studied for post-combustion techniques and their main limitation is the existe nce of shaped materials with high selectively and cyclic loading of CO2 that can be used in process development and demonstration. On the other side, a myriad of materials with exceptional properties to employ adsorption techniques for CO2 capture has bee n discovered in the last 30 years. Example of such materials are metal-organic frameworks (MOFs). The main limitation to evaluate these materials has been their "shaping technology", which is currently in its infancy. The main objective of this project is to develop cutting-edge adsorption technologies for capturing CO2 from pre and post-combustion streams. Our goal is to develop processes that can severely cut the energy consumption of the CO2 capture with minimal environmental effects and footprint. In order to achieve such objective, one of the main activities within the project is to shape MOF materials into usable structures: particles that can be used in Pressure Swing Adsorption (PSA) processes for pre-combustion capture and honeycomb monoliths tha t can be used in adsorption processes for post-combustion CO2 capture, avoiding significant pressure drop through the columns. The technology developed in the project will be benchmarked against current technology and options of energetic integration will also be evaluated.