Untersuchungen an Adsorbentien zur Trennung von CO2/CH4-Gasgemischen

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Adsorbensmaterialien, die für diesen Prozess in Frage kommen. Es wurden dabei zwei Adsorbentien hinsichtlich ihrer Adsorptions-eigenschaften bei Atmosphärendruck untersucht, einerseits ein Zeolith 13X und andererseits ein Amin-funktionalisiertes Adsorbens auf Basis eines Polystyren-Trägermaterials („Lewatit“). Diese Adsorbentien wurden mittels gravimetrischer und Festbett-Methode auf ihre Kapazitäten bezüglich der Hauptkomponenten von Biogas, CO2 und CH4, hin untersucht. Dabei wurden bei beiden Materialien mit guter Wiederholgenauigkeit CO2-Kapazitäten in der Größenordnung von etwa 0.11 – 0.15 g/gAds bei Partialdrücken von 0.5 bar und 40 °C gefunden. Die CH4-Kapazität des Zeolith wurde in Festbett-Versuchen untersucht, es wurden Isothermen gefunden, die in relativ guter Übereinstimmung mit Literaturwerten standen. Bei der CH4-Kapazität des Lewatit blieben aufgrund messtechnischer Schwierigkeiten Unklar-heiten bestehen. Während Festbett-Versuche kleine CH4-Beladungen ergaben, konnten diese mittels TGA nicht reproduziert werden. Die Selektivität für CO2 war bei beiden Adsorbentien relativ hoch, wobei sie bei Lewatit noch wesentlich höher als beim Zeolith sein dürfte. Während Zeolithe verschiedene Adsorptive unspezifisch durch Physisorption binden, erfolgt die CO2-Bindung bei Amin-basierten Adsorbentien durch eine echte chemische Reaktion zwischen CO2 und Aminen. Für das untersuchte Adsorbens Lewatit könnte darüber hinaus Absorption durch das Strukturmaterial bei der Bindung von Gasen eine Rolle spielen, wie einige Ergebnisse der Untersuchungen nahelegten. Die CO2-Messergebnisse wurden mit einem Isothermen-Modell nach Toth modelliert. Mittels isosterischer Methode wurden aus den Messwerten die Adsorptionsenthalpien berechnet, diese betrugen für Lewatit und Zeolith 87 kJ/mol resp. 41 kJ/mol. Weiters konnte eine mögliche Regeneration mit synthetischer Luft als auch die thermische Stabilität der Adsorbentien gezeigt werden, die bei Lewatit bis etwa 110 °C, beim Zeolith über den gesamten untersuchten Temperaturbereich bis 190 °C gegeben war.

The present work deals with the investigation of two different adsorbent materials which could be suitable for the TSA-FB-concept. The first is a zeolite 13X and the second an amine-functionalized adsorbent called “Lewatit” which is based on a polystyrene support material. Measurement of capacities of these adsorbents at atmospheric pressure for the main components of biogas, CO2 and CH4, were conducted by gravimetric and fixed bed methods. Capacities for CO2 were clearly determined and found to be around 0.11 – 0.15 g/gAds for both adsorbents at partial pressures of 0.5 bar and 40 °C. Capacity for CH4 of zeolite was investigated by fixed bed measurements, the isotherms found were in respectable agreement with literature. Due to measurement issues capacities for CH4 of Lewatit remain unclear. While fixed bed results seemed to show small amounts of CH4 loading, they could not be replicated by TGA. Selectivity for CO2 was comparatively high for both adsorbents, while it seemed to be even higher for Lewatit. Whereas zeolites bind several adsorptives via physisorption, fixation of CO2 by amine-based adsorbents works through a true chemical reaction between CO2 and the amines. In the case of the studied adsorbent Lewatit absorption by the support material could also play a certain role for the uptake of gases, as some results of the investigations suggested. The results of the CO2 measurement were modelled by the isotherm model of Toth. With sosteric method adsorption enthalpies were calculated from measurement data, which were found to be 87 kJ/mol and 41 kJ/mol for Lewatit and Zeolith, respectively. Furthermore possible regenerability with synthetic air as well as thermic stability of the adsorbents could be shown. Thermic stability was given for Lewatit up to about 110 °C, for zeolite over the full investigated range of temperature up to 190 °C.