Preparación y caracterización de membranas planas y de fibras huecas para la separación de CO2

Zusammenfassung

El dióxido de carbono se considera el principal gas contribuyente al efecto invernadero y al cambio climático. Durante los últimos años la concentración de este gas en la atmósfera ha aumentado considerablemente, de 280 ppm en la era preindustrial hasta 403 ppm en 2016. Una manera de reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera es la captura, almacenamiento y uso de CO2 (CCUS). La tecnología de membranas presenta una serie de ventajas respecto a las técnicas convencionales de captura de CO2, lo que ha dado lugar a que el número de investigaciones sobre el desarrollo de membranas para la separación de gases se haya disparado en las últimas décadas. Para constituir una alternativa en captura de CO2, las membranas tienen que presentar buenas propiedades térmicas y mecánicas, así como ser suficientemente robustas en operaciones a largo plazo y presentar altas permeabilidades y selectividades. En este contexto, la presente tesis doctoral tiene como objetivo la preparación y caracterización de membranas robustas con elevada permeabilidad y selectividad en la separación de CO2/N2, así como el estudio del cambio de geometría de membranas planas a membranas compuestas de fibras huecas y su integración en procesos de captura de CO2 en post-combustión. Se han preparado membranas de matriz mixta (MMM) basadas en polímeros de elevada permeabilidad, el poli(1-trimetilsilil-1-propino) (PTMSP) y el quitosano (CS), dopadas con componentes de elevada afinidad por el CO2 como zeolitas, líquidos iónicos y MOFs, para aumentar la selectividad CO2/N2, así como la resistencia térmica y mecánica. Se ha estudiado la influencia de la composición de estas membranas, así como la influencia de la temperatura en la separación de CO2/N2 y se han caracterizado mediante técnicas de microscopía electrónica de barrido, difracción de rayos X, análisis termogravimétricos y experimentos de permeación de CO2 y N2. Además, se han validado las propiedades intrínsecas de transporte de gases a través de MMM mediante un modelado, basado en el modelo de Maxwell modificado, que considera la influencia de la temperatura, la composición, el tamaño y tipo de partículas de relleno. Se ha estudiado el cambio de geometría de las MMM con mejor comportamiento en la separación CO2/N2 en configuración no soportada (permeabilidad y selectividad más altas) y mayor resistencia térmica, recubriendo soportes poliméricos compatibles en geometría plana y de fibra hueca. Se ha tenido en cuenta la reducción del espesor de la capa selectiva, así como la influencia de la temperatura para mantener la alta permselectividad y estabilidad térmica en las configuraciones de membrana avanzadas. Para ello, se ha realizado un estudio del número de recubrimientos necesarios, así como de la concentración y viscosidad de la disolución híbrida para conseguir una metodología de preparación reproducible. Con el fin de dar relevancia a la integración de nuevas membranas en procesos de separación de CO2, se ha evaluado el comportamiento de las MMM desarrolladas en esta tesis introduciéndolas en un sistema experimental de dos etapas de membrana en serie en la separación de mezclas de CO2/N2, en todo el rango de concentración y considerando el efecto de la temperatura en la segunda etapa y el tipo de material de membrana (permeabilidad, selectividad) en cada etapa. Se ha desarrollado un modelo matemático que valida estos resultados experimentales y se ha estimado el área de membrana necesaria para alcanzar una eficacia de recuperación de CO2 del 70% y una pureza de permeado del 90% de CO2. Finalmente, con el objetivo de comprobar el efecto de impurezas en las corrientes de gas, se ha estudiado la influencia del vapor de agua en las membranas preparadas en esta tesis sobre su permeabilidad de CO2 y N2.