Experimental evaluation of an adsorbent under direct air capture conditions

Abstract

DAC can make a significant contribution to reduce CO2 emissions which are hard-to-avoid. However, large-scale implementation of DAC requires serious government, private, and corporate support and investment, especially to offset capital and operating costs. Further optimization may be found in energy source selection and advances in CO2 capture technology, such as materials with high capacity and selectivity, faster reaction kinetics, and reusability.At the Institute of Process Engineering, Environmental Engineering and Technical Biosciences at the Vienna University of Technology, a temperature swing adsorption process based on a fixed bed operation was investigated on a laboratory scale. The basis for the selected process is provided by a comprehensive literature review. The most important technologies used for DAC are presented and compared. An important part of this work is the co-adsorption of CO2 and H2O. The adsorption of CO2 can be described sufficiently well with the Toth model. The same can be said about the adsorption of H2O, which can be described based on the multilayer approach of Brunauer, Emmet and Teller (BET). However, it is currently not possible to describe the CO2-H2O adsorption in a mathematically more advanced way because the underlying chemical processes have not been sufficiently investigated in the literature. However, the empirical method described in this thesis is sufficient for the discussion of experiments and the corresponding data.Based on this and further work, the DAC-team of the TU plans to build a prototype DAC-unit. In order to be able to determine the design and underlying technology of the planned prototype, an evaluation of the DAC competition was conducted. In this process, the most important start-ups were examined according to various criteria such as technology used, existing patents, investments, etc. This evaluation confirms the potential of solid amine-based adsorbents for the prototype design.

Direct air capture (DAC) kann einen wesentlichen Beitrag leisten, schwer zu vermeidende CO2 Emissionen zu reduzieren. Die großmaßstäbliche Umsetzung von DAC erfordert allerdings ernsthafte staatliche, private und unternehmerische Unterstützung und Investitionen, insbesondere zum Ausgleich der Kapital- und Betriebskosten. Weitere Optimierungen können in der Wahl der Energiequelle sowie in Fortschritten bei der CO2-Abscheidungstechnologie gefunden werden, z. B. Materialien mit hoher CO2 Kapazität und Selektivität, schnellere Kinetik und einfache Wiederverwendbarkeit. Am Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften an der TU Wien wurde ein Temperaturwechseladsorptionsverfahren auf Basis eines Festbettbetriebes im Labormaßstab untersucht. Die Basis für das ausgewählte Verfahren liefert eine umfassende Literaturrecherche. Dabei werden die wichtigsten Technologien, welche für DAC verwendet werden, vorgestellt und miteinander verglichen. Ein Hauptaugenmerk dieser Arbeit ist die Co-Adsorption von CO2 und H2O. Die Adsorption von CO2 kann mit dem Toth Modell ausreichend gut beschrieben werden. Gleiches gilt für die Beschreibung der Adsorption von H2O, welche basierend auf dem Mehrschicht-Ansatz von Brunauer, Emmet und Teller (BET) angewendet werden kann. Allerdings ist es zurzeit nicht möglich die CO2-H2O Adsorption mathematisch exakt zu beschreiben, da die zugrundeliegenden chemischen Vorgänge in der Literatur nicht ausreichend untersucht wurden. Für weiterführende Experimente und erste Versuchsdaten reicht die empirische Methode, welche in dieser Arbeit beschrieben wurde, allerdings aus.Der Forschungsbereich Brennstoff- und Energiesystemtechnik und die darin enthaltene DAC Arbeitsgruppe plant basierend auf dieser und weiterer Arbeiten den Bau eines Prototyps. Um die Auslegung und zugrundeliegende Technologie der geplanten DAC Prototyp-Anlage festlegen zu können, wurde eine Evaluierung laufender DAC-Projekte aus diversen Forschungsgruppen durchgeführt. Dabei wurden die wichtigsten Start-ups nach diversen Kriterien wie verwendete Technologie, vorhandene Patente, Investments etc. untersucht. Diese Evaluierung bestätigt das Potential von auf festen Aminen basierten Adsorptionsmittel für das Prototyp-Design.