Gas purification using pure ionic liquids and ionic liquid - polymer mixtures as absorbents

Garbis, Panagiota-Katerina; Γαρμπή, Παναγιώτα-Κατερίνα

dc.contributor.author	Garbis, Panagiota-Katerina	en
dc.contributor.author	Γαρμπή, Παναγιώτα-Κατερίνα	el
dc.date.accessioned	2016-07-05T08:57:32Z
dc.date.available	2016-07-05T08:57:32Z
dc.date.issued	2016-07-05
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/42975
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.12105
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.subject	Ionic liquids	en
dc.subject	Ionogel	en
dc.subject	H2S absorption	en
dc.subject	Gas dehydration	en
dc.subject	Thermal decomposition	en
dc.subject	Πολυβινιλική αλκοόλη	el
dc.subject	Απορρόφηση αερίων	el
dc.subject	Ξήρανση αερίου	el
dc.subject	Θερμική αποσύνθεση	el
dc.subject	Ιοντικά υγρά	el
dc.title	Gas purification using pure ionic liquids and ionic liquid - polymer mixtures as absorbents	en
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Καθαρισμός αερίων με χρήση ιοντικών υγρών και μιγμάτων ιοντικών υγρών - πολυμερών	el
heal.classification	Χημική μηχανική	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-02-19
heal.abstract	The interest in ionic liquids (melting point below 100°C; IL) and their potential applications are still rising in academia as well as industry due to the variety of their chemical and physical properties. In separation processes, evaporation losses and product contaminations can be avoided because of their very low vapor pressure. A number of ionic liquids have hygroscopic character, so they can absorb a certain extent of water. This property can be an advantage for gas and fluid drying. Gas drying is an important separation process for drying of natural gas in order to avoid corrosion and hydrate formation in the pipelines. In the industry, the absorptive gas scrubbing with glycols (especially with triethylene glycol; TEG) as absorbent is well established. The absorption of hydrogen sulfide is also of great importance in the gas industry. The toxicity and corrosive properties of H2S dictate stringent control of its release into the environment and contact of aqueous solutions of H2S with iron and steel as tanks, piping, valves and pumps. The most common way for the removal of acidic components from gas streams are amine solutions. In contrast to various studies on the absorption of CO2 and SO2 in ILs, the number of publications on absorption of water as well as hydrogen sulfide is still low. ILs could be alternative absorbents for water and hydrogen sulfide absorption too. At the beginning of the 21. Century, ionic liquids were immobilized on porous supports in or-der to combine e.g. the advantages of both the homogeneous and heterogeneous catalysis. Other researchers tried to combine both the unique properties of polymers and ILs. This leads to supported membranes and the so-called “ionogels”. Ionic liquids confined in gel matrices make them suitable in various applications e.g. stable electrolytes in dye-sensitized solar cells, secondary batteries, electrochromic displays, electrolytic membranes and perhaps even for gas separation processes in a kind of “fixed bed absorber”. The present work is divided in two main parts. In the first part the immobilization of the ionic liquids in a polymer matrix and the evaluation, if these hybrid materials are suitable for gas dehydration was investigated. The hygroscopic ionic liquid [EMIM][MeSO3] was immobilized into the three polymers, the agar agar Kobe I and two types of poly(vinyl alcohol) (PVOH) Mowiol 56-98 and Mowiol 40-88. The occurred fouling due to the high amount of water in the agar agar-[EMIM][MeSO3] ionogels was the reason why the PVOH-[EMIM][MeSO3] ionogels were chosen for the gas dehydration. First the main components of the ionic liquid – polymer mixtures were characterized. The thermal decomposition of the [EMIM][MeSO3] was calculat-ed with a ‘’model free’’ method, the isoconversional method (Ea = 137 kJ mol-1, k0 = 6.2 ·108 s-1) and compared with literature data. The calculation of the kinetics of thermal decomposition using the isoconversional method took considerable time without having any advantage com-pared to the TGA-method established at the Chair of Chemical Engineering of University of Bayreuth. At next the thermal decomposition of the two types of PVOH (Mowiol 56-98, Mowiol 40-88) was also determined with the TGA method (Ea = 175 kJ mol-1, k0 = 7.89 1013 s-1). Furthermore the density and viscosity of the prepared IL - polymer mixtures were measured. Based on the results the IL - polymer mixtures with about 10 wt% PVOH in [EMIM][MeSO3] were chosen for the gas dehydration measurements. Therefor a dehydration plant was build up. The experiment was accomplished at an absorbent temperature of 42 °C and three differ-ent dew points of the feed gases. Comparison of the activity coefficients of water in the iono-gels compared with the activity coefficients of water in the pure ionic liquid show no measur-able deviation from each other. This means that the polymer matrix doesn’t influence the absorption capacity of the ionic liquid in greater extend. In the second part of this study, the absorption of the hydrogen sulfide was accomplished us-ing the [EMIM][MeSO3] as an absorbent. The measurements showed that the ionic liquid [EM-IM][MeSO3] is suitable for the purification of gas from its hydrogen sulfide component. For the absorption temperature of 22 °C, the Henry coefficient of H2S in the [EMIM][MeSO3] is 3 924 mbar and by a factor of about 1.5 lower compared to the N-methylpyrrolidone at 20°C. The Henry coefficient of the H2S in [EMIM][MeSO3] for a temperature of 32 °C is 5 041 mbar and by a factor of 5,7 lower compared to the ionic liquid [hemim][BF4] at a temperature of 30 °C. In conclusion, the present work shows that the ionic liquid [EMIM][MeSO3] can be immobi-lized into the polymer poly(vinyl alcohol) without losing its absorption capacity. On the basis of the results, the main idea to get a kind of “fixed bed absorber” seems to be possible since the IL - polymer mixtures keep the absorption capacity of the ionic liquid. Further studies con-cerning the ternary mixtures H2O - IL - polymer should be conducted in order to get more in-formation about the mechanism of gelation, rheological behavior, miscibility gaps and infor-mations about the mass transfer in such a gel layer. The investigation on separating the hydrogen sulfide (H2S) with the ionic liquid [EM-IM][MeSO3] from a gas stream showed that the [EMIM][MeSO3] has a good absorption capacity. It is already proven that the [EMIM][MeSO3] is an alternative drying agent to the absorbent TEG commonly used for industrial gas drying. In the ideal case, both gases would be absorbed simultaneously. Therefor it should be furthermore investigated if the [EMIM][MeSO3] can also separate H2S from natural gas in presence. Both the experimental part and the written composition of this work were conducted during a stay at the Chair of Chemical Engineering at the University of Bayreuth, which was funded by the Erasmus Exchange Programme.	en
heal.abstract	Το ενδιαφέρον για τα ιοντικά υγρά (σημείο τήξης < 100 °C) και των πιθανών εφαρμογών τους, αυξάνονται συνεχώς τόσο στον ακαδημαϊκό όσο και στον βιομηχανικό τομέα λογω των ποικίλων χημικών και φυσικών τους ιδιοτήτων. Σε διεργασίες διαχωρισμού, οι απώλειες λόγω εξάτμισης και οι μόλυνση των προϊόντων μπορούν να αποφευχθουν χάρη στην πολύ χαμηλή πίεση ατμών τους. Κάποια ιοντικά υγρά έχουν υγροσκοπικό χαρακτήρα, απορροφόντας μια σημαντική ποσότητα νερού. Η ιδιότητα αυτή αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα για την χρήση τους στην ξήρανση υγρών και αερίων. Η ξήρανση του φυσικού αερίου αποτελεί σημαντική διαδικασία για την αποφυγή διαβρώσε-ων και σχηματισμού υδρατμών στις σωληνώσεις. Η πλεον εδραιωμένη ξήρανση του φυσικού αερίου στον βιομηχανικό τομέα πραγματοποιείται με την χρήση γλυκολών και ειδικότερα της τριαιθυλενογλυκόλης (TEG). Μεγάλη σημασία στην βιομηχανία του φυσικού αερίου έχει επίσης η απομάκρυνση του υ-δρόθειου. Η τοξικότητα και οι διαβρωτικές ιδιότητες του υδρόθειου υπαγορεύουν αυστηρό έλεγχο περιορισμού της απελευθέρωσης του στο περιβάλλον και επαφής του με σίδηρο και χάλυβα όπως για παραδειγμα σε δεξαμενές, σωληνώσεις, βαλβίδες και αντλίες. Ο πιο συνη-θισμένος τρόπος απομάκρυνσης των όξινων συστατικών απο ρεύματα αερίου είναι τα δια-λύματα αμινών. Αντίθετα με τις διάφορες μελέτες απορρόφησης CO2 και SO2, ο αριθμός των δημοσιεύσεων σχετικά με την απορρόφηση νερού (υδρατμών) καθώς και υδρόθειου εξακολουθεί να είναι χαμηλός. Τα ιοντικά υγρά θα μπορούσαν να αποτελέσουν ένα εναλλακτικό μέσο απορρόφη-σης νερού και υδρόθειου. Στις αρχές του 21ου αιώνα, ξεκίνησε η προσπάθεια σταθεροποίησης τους σε πορώδη υλικά ώστε να συνδιαστούν τα πλεονεκτήματα τους τόσο στην ομογενή όσο και στην ετερογενή κατάλυση. Άλλοι ερευνητές ξεκίνησαν προσπάθειες συνδυασμού τους με πολυμερή ελπίζο-ντας στον συνδυασμό των ιδιοτήτων τους. Ο συνδυασμός αυτός οδήγησε στα λεγόμενα „ionogels“ και καθίστανται κατάλληλα σε διάφορες εφαρμογές (ηλεκτρολυτικές μεμβράνες, ηλεκτροχρωμικές οθόνες κτλ.) και ίσως ακόμη σε διεργασίες διαχωρισμού αερίων σε σταθε-ρή κλίνη απορρόφησης. Η παρούσα εργασία χωρίζεται σε δύο κύρια μέρη. Στο πρώτο μέρος, γίνεται συνδυασμός των ιοντικών υγρών με πολυμερή και αξιολόγηση τους στην ξήρανση αερίων. Το υγροσκοπικό ιοντικό υγρό [EMIM][MeSO3] συνδυάστηκε με τρια πολυμερή υλικά, agar agar και δύο τύ-πους βινυλικής αλκοόλης (PVOH) το Mowiol 56-98 και Mowiol 40-88. Η μεγάλη ποσότητα νερού στα agar agar - [EMIM][MeSO3] ionogels ήταν ο λόγος για την επιλογή των PVOH - [EMIM][MeSO3] ionogels για τα πειράματα ξήρανσης αερίου. Αρχικά έγινε χαρακτηρισμός των συστατικών των μιγμάτων ιοντικών υγρών - πολυμερών. Η θερμική αποσύνθεση του [EMIM][MeSO3] υπολογίστηκε με μια μέθοδο ¨ελευθερου μοντέλου¨, την isoconversional method (Ea = 137 KJ mol-1, k0 = 6,2 108 s-1) και συγκρίθηκε με δεδομένα της βιβλιογραφίας. Ο υπολογισμός της κινητικής της αποσύνθεσης χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο ήταν χρονο-βόρος χωρίς κάποιο πλεονέκτημα σε σχέση με την θερμοσταθμική μέθοδο (TGA-method) που αναπτύχτηκε στο Chair of Chemical Engineering, University of Bayreuth. Στην συνέχεια η θερμική αποσύνθεση των δύο τύπων βινυλικής αλκοόλης (Mowiol 56-98, Mowiol 40-88) προσδιορίστηκε με την θερμοσταθμική μέθοδο (Ea = 175 KJ mol-1, k0 = 7,89 1013 s-1). Επιπλέον πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της πυκνότητας και του δυναμικού ιξώδους των μιγμάτων ιοντικού υγρού - πολυμερούς. Με βάση τα αποτε-λέσματα των παραπάνω μετρήσεων τα μείγματα με περίπου 10 % κ.β. PVOH στο ιοντικό υγρό [EMIM][MeSO3] επιλέχθηκαν για τις μετρήσεις ξήρανσης αερίου. Για τον σκοπό αυτό κατα-σκευάστηκε εγκατάσταση για μετρήσεις απορρόφησης υδρατμών από αέρια ρεύματα. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία απορροφητικού υλικού 42 °C και τρια δια-φορετικά σημεία δρόσου των αερίων τροφοδοσίας. Ο συντελεστές ενεργότητας των μετρή-σεων απορρόφησης υδρατμών στα ionogels συγκρίθηκαν με τους συντελεστες ενεργότητας απορρόφησης υδρατμών στο καθαρό ιοντικό υγρό [EMIM][MeSO3]. Οι αποκλίσεις ήταν μη-δαμινές και μη μετρήσιμες. Συμπερασματικά η δομή του πολυμερούς δεν επηρεάζει σε με-γάλο βαθμό την απορροφητική ικανότητα του ιοντικού υγρού. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας επιτεύχθηκε απορρόφηση υδροθείου χρησιμοποιώντας ως απορρόφητικό μέσο το ιοντικό υγρό [EMIM][MeSO3]. Οι μετρήσεις έδειξαν πως το ιοντικό υγρό είναι κατάλληλο για την απομάκρυνση του υδροθείου απο αέρια ρεύματα. Στην απορ-ρόφηση σε θερμοκρασία 22 °C ο συντελεστής Henry του Η2S στο [EMIM][MeSO3] είναι 3924 mbar και κατά έναν παράγοντα περίπου 1,5 χαμηλότερος από εκείνον της Ν-μεθυλο-πυρρολιδόνης στους 20 °C. Ο συντελεστής Henry του Η2S στο [EMIM][MeSO3] σε θερμοκρα-σία 32 °C είναι 5041 mbar και κατά έναν παράγοντα περίπου 5,7 χαμηλότερος από εκείνον του ιοντικού υγρού [hemim][BF4] στους 30 °C. Συμπερασματικά η παρούσα εργασία παρουσιάζει τον συνδυασμό του ιοντικού υγρού [EMIM][MeSO3] με πολυμερή, διατηρώντας τις ιδιότητες και των δύο συστατικών. Με βάση τα αποτελέσματα, η βασική ιδέα δημιουργίας ενός είδους σταθερής κλίνης απορρόφησης φαίνεται να είναι πραγματοποιήσιμη αφού διατηρείται η ιδιότητα απορρόφησης του ιοντικού υγρού. Θα πρέπει να διεξαχθούν περαιτέρω μελέτες λαμβάνοντας υπόψη σε σημαντικό βαθμό την ποσότητα νερού στα μίγματα. Τριμερή μίγματα νερού - ιονικού υγρού -πολυμερούς θα εξεταστούν για την λήψη πληροφοριών σχετικά με τον μηχανισμό πήξης, την ρεολογική συμπεριφορά και ανάμειξη των συστατικών. Η έρευνα του διαχωρισμού του υδρόθειου απο ένα αέριο ρεύμα έχοντας ως απορροφητικό μέσο το [EMIM][MeSO3] έδειξε ότι έχει μια πολύ καλή ικανότητα απορρόφησης. Θα πρέπει να γίνουν περεταίρω μελέτες για τον διαχωρισμό του υδρόθειου από ρεύμα φυσικού αερίου. Έχει ήδη αποδειχθεί ότι το [EMIM][MeSO3] είναι μια εναλλακτική λύση για την ξήρανση του φυσικού αερίου στην βιομηχανία. Στην ιδανική περίπτωση τόσο το νερό όσο και το υδρόθειο θα απορροφούνται ταυτόχρονα. Το πειραματικό μέρος και η γραπτή σύνθεση της εργασίας πραγματοποιήθηκαν κατά την διάρκεια παραμονής στο Chair of Chemical Engineering, University of Bayreuth στα πλαίσια του προγράμματος ανταλλαγής φοιτητών Erasmus.	el
heal.sponsor	Η διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε μέσω του προγράμματος Erasmus+ στο Chair of Chemical Engineering του πανεπιστημίου του Bayreuth.	el
heal.advisorName	Παπαγιαννάκος, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Παπαγιαννάκος, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Γρηγοροπούλου, Ελένη	el
heal.committeeMemberName	Φιλιππόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	90 σ.
heal.fullTextAvailability	true