Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2014-2015 / La séparation des gaz dans des contacteurs à membrane (MC) est une technologie de pointe qui offre plusieurs avantages par rapport aux contacteurs traditionnels (colonnes garnies), mais très peu d'efforts ont été consacrés pour développer de nouvelles solutions absorbantes spécialement optimisées pour les applications dans les MC. Actuellement, aucun absorbant disponible ne répond complètement aux exigences pour la mise en œuvre de la séparation industrielle des gaz acides, le CO2 en particulier, dans les contacteurs à membranes. L'objectif principal de ce travail a été de développer un absorbant à base d’alcanolamine à encombrement stérique (SHA), présentant les caractéristiques spécifiques exigées pour application dans les MC (bonnes capacité et cinétique d’absorption, régénération facile et plus économique, résistance à la dégradation, compatibilité avec les membranes et haute tension superficielle) et d’étudier son efficacité pour la capture du CO2 dans différentes configurations de contacteurs à membrane et conditions opératoires. Bien que les alcanolamine fortement encombrées stériquement sont caractérisées par une faible cinétique d’absorption du CO2, le fait qu’elles possèdent un grand potentiel pour réduire la consommation d'énergie lors de la régénération des solutions riches en CO2 a été l’un des paramètres clés dans le choix de l’AHPD (2-amino-2-hydroxyméthyle-1,3-propanediol). Pour améliorer le taux d'absorption, la pipérazine (Pz) s'est avérée un activateur très efficace; l'addition de petites quantités de Pz aux solutions aqueuses d’AHPD améliore significativement la cinétique d'absorption du CO2. Il a été aussi trouvé que le mélange AHPD-Pz a également une très bonne capacité d’absorption. L'étude de la régénération des solutions d’amines usées (contenant du CO2) a révélé que des solutions à base d’alcanolamines fortement encombrées stériquement (AHPD en particulier), sont beaucoup plus facilement régénérables par rapport à la MEA, l'amine de référence utilisée industriellement dans la séparation des gaz acides. De plus, l'ajout d'une petite quantité de Pz dans une solution aqueuse d’AHPD permet d’obtenir presque la même capacité cyclique et efficacité de régénération que les solutions non-activées par la Pz, mais pour la moitié de la durée du processus d'absorption. Outre les propriétés absorbantes des liquides, les performances des MC pour la séparation du CO2 dépendent fortement de la compatibilité entre la membrane et l’absorbant. Sur la base des propriétés liées au mouillage des membranes, comme la tension superficielle du liquide, l’angle de contact, la pression de percée et la stabilité chimique, une nouvelle méthode graphique d’estimation de la tension superficielle des solutions aqueuses d'amines, d'alcools ou d’alcanolamines a été développée pour permettre la sélection des meilleures conditions pour éviter le mouillage des membranes. Il a été trouvé que les solutions à base d’AHPD (comme AHPD + Pz) ont un fort potentiel d'utilisation dans les MC en raison de leur tension superficielle élevée. La méthode développée a aussi permis d'identifier de nouvelles amines potentielles pouvant être utilisées dans les MC. Une bonne stabilité et résistance à la dégradation est une autre caractéristique importante des solutions absorbantes. L'étude de la stabilité de différentes solutions aqueuses d’amines à la dégradation thermique et oxydative, en absence et en présence de CO2, a révélé que les SHA sont plus résistantes à la dégradation thermique que les amines conventionnelles, mais que la présence d'oxygène les dégrade plus significativement en absence de CO2. Toutefois, la présence de CO2 dans les solutions à base de SHA est bénéfique, car la formation préférentielle du bicarbonate conduit à une réduction significative du taux de dégradation oxydative. Le faible degré de dégradation de la solution aqueuse AHPD + Pz confirme son potentiel comme absorbant pour le CO2. Finalement, la performance des solutions aqueuses AHPD + Pz pour la capture du CO2 dans des MC a été étudiée dans différentes conditions opératoires et configurations des modules (fibres creuses et membranes plates, membranes en PTFE, PP et laminées PTFE/PP, différents débits du liquide, compositions de gaz et orientations des flux gazeux et liquide (co- et contre-courant)). Les solutions AHPD + Pz ont montré une excellente performance. Sur la base des données expérimentales, une étude de modélisation de la capture du CO2 dans des MC à fibres creuses PTFE a démontré l'effet positif des solutions présentant une tension superficielle élevée sur la réduction du mouillage de la membrane. En conclusion, les résultats de cette thèse ont montré que les solutions aqueuses AHPD + Pz possèdent une bonne capacité et cinétique d’absorption, régénération plus facile et moins énergivore, résistance à la dégradation, haute tension superficielle et démontre d'excellentes performances pour la capture du CO2 dans les MC, en représentant une alternative intéressante à la MEA. / Gas separation in membrane contactors (MC) is a forefront technology offering several advantages over traditional packed columns, but very few efforts have been made to develop new absorbent solutions optimized specifically for application in MC. Currently, no available absorbent meets all required characteristics for the implementation of membrane contactors for acid gas separation (CO2 in particular) in industrial units. The main objective of this work was to develop a dedicated sterically hindered alkanolamine (SHA) based absorbent with improved characteristics for application in MC (good absorption capacity and reaction kinetics, regeneration facility, resistance to degradation, compatibility with membranes and high surface tension) and to investigate its efficiency for CO2 capture in different membrane contactor configurations and operation conditions. Although low kinetics characterizes highly sterically hindered alkanolamines, their potential to reduce the energy consumption during the regeneration step brings us to focus on AHPD (2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol). To improve the absorption rate, piperazine (Pz) was found to be a very effective activator; the addition of small amounts of Pz to aqueous AHPD solutions has significant effect on the enhancement of the CO2 absorption rate. The blend AHPD-Pz was also found to present very good absorption capacity. The investigation of the regeneration of loaded (CO2 containing) amine solutions revealed that highly hindered SHA based solutions (AHPD in particular) are much easier to regenerate compared to MEA, the benchmark amine industrially used in acid gas separations. Moreover, the addition of small amount of Pz into AHPD aqueous solution allowed to obtain almost the same cyclic capacity and regeneration efficiency as non-activated solutions, but for half of the absorption time. Besides the liquid absorbent properties, the performances of MC for CO2 separation strongly depend on the compatibility between absorbent and membrane. Based on wetting-related properties like liquid surface tension, contact angle, membrane breakthrough pressure and chemical stability, a new graphical surface tension estimation method for aqueous amine, alcohol or alkanolamine solutions was developed to select the best conditions to elude the unwanted membrane wetting phenomenon. AHPD-based solutions (like the AHPD + Pz solution) were found to have a strong potential for use in MC because of their very high surface tension. In addition, the developed method allowed to identify new potential amines for use in MC. A good stability and resistance to degradation is another important feature of CO2 absorbents. The investigation of the stability of different aqueous amine solutions to thermal and oxidative degradation, in the absence and the presence of CO2, revealed that SHA are more resistant to thermal degradation than conventional amines, but the presence of oxygen degraded them more significantly in the absence of CO2. However, the presence of CO2 is beneficial to SHA as the preferential bicarbonate formation in solutions reduces by a large extent the oxidative degradation rate. The low degradation degree of the AHPD + Pz aqueous solution reaffirms its potential as CO2 absorbent. Finally, the performance of the AHPD + Pz aqueous solution for CO2 capture in MC was investigated in different operational conditions and module configurations (hollow fibers and flat sheets membranes, PTFE, PP and laminated PTFE/PP membranes, various liquid flow rates, gas compositions and flow orientation (co- and counter-current)). Excellent performance was found for AHPD + Pz solutions. Based on experimental data, a modeling study of CO2 capture in PTFE hollow fiber MC revealed the positive effect of solutions presenting high surface tension on the reduction of membrane wetting. In summary, the results of this thesis showed that AHPD + Pz aqueous solution possess good absorption capacity, reaction kinetics, regenerative potential, and degradation resistance, as well as high surface tension and showed excellent performance for CO2 capture in MC, representing an interesting alternative to MEA.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/25107 |
| Date | 20 April 2018 |
| Creators | Bougie, Francis |
| Contributors | Iliuta, Maria-Cornélia |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxxii, 350 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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