Enhancing the removal of styrene vapors and greenhouse gases using ionic liquids and deep eutectic solvents

Abstract

"Air quality significantly influences human health. According to the State of Global Air 2020 report by the Health Effects Institute, air pollution was the fourth leading cause of premature death worldwide in 2019. Various anthropogenic activities contribute to air pollution, including the burning of fossil fuels, industrial and agricultural operations, and waste management. These activities release pollutants such as carbon dioxide (CO2), nitrogen oxides (NOx), volatile organic compounds (VOCs), sulfur dioxide (SO2), carbon monoxide (CO), particulate matter, and ozone (O3) into the atmosphere. Exposure to polluted air can have adverse effects on human health, including respiratory problems, cardiovascular diseases, allergies, and irritation. Moreover, these pollutants also have environmental impacts such as global warming, acid rain, and the formation of ground-level ozone. To address these issues, it is crucial to develop technologies for controlling air pollutant emissions. Several techniques have been developed for this purpose, including adsorption, absorption, thermal destruction, and biological treatments. In recent years, the use of ILs, DES, and NADES has gained prominence for air pollution mitigation. ILs are unique molten salts composed entirely of ions and have a low melting point below 100 °Celsius. DES and NADES, on the other hand, are solvent systems formed by eutectic mixtures of hydrogen bond donors (HBDs) and hydrogen bond acceptors (HBAs). These solvents possess advantageous properties for air pollution control, including low vapor pressure, high thermal stability, excellent solvent properties, and the ability to dissolve a wide range of gases and VOCs. Additionally, they can be regenerated and reused, making them environmentally sustainable compared to traditional solvent-based processes. One focus of this doctoral dissertation was the study of these emerging solvents as absorbents for VOCs, specifically styrene. The physicochemical characteristics of the solvents, such as density, viscosity, polarity, contact angle, thermostability, and water solubility, were assessed, along with their biodegradability and toxicity towards activated sludge. The absorption experiments revealed that DESs formed with tetrabutylammonium bromide and decanoic acid, as well as the ILs [C6mim][FAP], [C4mim][NTf2], and [C4mim][PF6], exhibited the lowest styrene partition coefficients, making them the most suitable solvents. Subsequently, the IL [C6mim][FAP] was selected as a non-aqueous phase liquid (NAPL) in a TPPB (Two-Phase Partitioning Bioreactor) batch process, demonstrating high styrene affinity, low solubility in water, and non-biodegradability. The TPPB process achieved three times higher styrene mineralization compared to the control. The second part of this research was to explore the use of ILs, DESs, and NADESs for greenhouse gas (GHG) capture. However, the high viscosity of these solvents presents mass transfer limitations in GHG absorption processes. To overcome this limitation, the impregnation of these solvents onto a porous support material, such as silica gel, was proposed. The influence of particle size of the impregnated silica on the capture of CO2 and N2O at atmospheric pressure and temperature was investigated. The impregnated material was characterized using thermogravimetric analysis (TGA), X-ray diffraction (XRD), and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR). The determination of CO2 and N2O partition coefficient was carried out using a static headspace method. The FTIR and TGA analyses confirmed the successful impregnation of silica gel with the solvents. The impregnated silica exhibited CO2 partition coefficient ranging from 0.46 to 4.75, while N2O partition coefficient ranged from 0.50 to 2.21. This indicates that the impregnated particles have a higher affinity for N2O compared to CO2. Moreover, the impregnation process demonstrated a significant reduction of solvent consumption by 60% while maintaining the greenhouse gas capture capacity. Finally, the prediction of Henry's law constants of CO2 and N2O for several fluorinated imidazolium-based ionic liquids using quantum mechanics was performed in the last part of this thesis."

"La calidad del aire tiene un impacto significativo en la salud humana. Según el informe State of Global Air 2020 del Health Effects Institute, en 2019, la contaminación del aire se clasificó como el cuarto factor de riesgo principal de muerte prematura a nivel mundial. Entre las actividades antropogénicas responsables de la contaminación del aire se encuentran la quema de combustibles fósiles, las actividades industriales y agrícolas, y la gestión de residuos. Estas actividades liberan una serie de contaminantes al medio ambiente, incluyendo dióxido de carbono (CO2), los óxidos de nitrógeno (NOx), los compuestos orgánicos volátiles (COVs), el dióxido de azufre (SO2), el monóxido de carbono (CO), las partículas en suspensión y el ozono (O3). La exposición al aire contaminado tiene efectos adversos tanto en la salud humana (problemas respiratorios, enfermedades cardiovasculares, alergias e irritaciones), así como en el medio ambiente, contribuyendo al calentamiento global, la lluvia ácida y la formación de ozono a nivel del suelo. Por lo tanto, es de suma importancia desarrollar tecnologías para controlar las emisiones de contaminantes atmosféricos. Actualmente existen diversas técnicas para el control de las emisiones de contaminantes atmosféricos, tales como la adsorción, la absorción, la destrucción térmica y los tratamientos biológicos. Recientemente, se está investigando cada vez más el uso de líquidos iónicos (LI), de mezclas eutécticas de bajo punto de fusión (DES, por sus siglas en inglés) y de mezclas eutécticas de bajo punto de fusión naturales (NADES, por sus siglas en inglés) para la mitigación de los contaminantes atmosféricos. Los LI son sales líquidas que consisten únicamente en iones y tienen bajo punto de fusión (<100°C). Los DES y los NADES, por otro lado, son solventes formados por mezclas eutécticas de donantes de enlaces de hidrógeno (HBD) y aceptores de enlaces de hidrógeno (HBA). Estos solventes poseen varias propiedades que los hacen atractivos para el control de la contaminación del aire: baja presión de vapor, alta estabilidad térmica, excelentes propiedades de disolución y capacidad para disolver una amplia gama de gases y COVs. También pueden ser regenerados y reutilizados, lo que los hace más sostenibles desde el punto de vista ambiental en comparación con los procesos tradicionales basados en solventes orgánicos. En este contexto, esta tesis doctoral se enfoca a estudiar el uso de estos nuevos disolventes como absorbentes de COVs en particular el estireno. En primer lugar, se realizó una evaluación de las principales características fisicoquímicas de los solventes, como densidad, viscosidad, polaridad, ángulo de contacto, estabilidad térmica y solubilidad en agua. También se evaluó la biodegradabilidad de los solventes y su toxicidad hacia lodo activado. Los experimentos de absorción de estireno revelaron que los mejores solventes fueron el DES formado con bromuro de tetrabutilamonio y ácido decanoico, así como los LIs [C6mim][FAP], [C4mim][NTf2] y [C4mim][PF6], debido a sus bajos valores de coeficiente de partición de estireno. A continuación, se seleccionó el IL [C6mim][FAP] como una fase líquida no acuosa (NAPL, por sus siglas en inglés) en un biorreactor de partición (TPPB, por sus siglas en inglés) debido a su alta afinidad por el estireno, baja solubilidad en agua y que es no biodegradable; la mineralización del estireno fue tres veces mayor en el TPPB en comparación con el control. La segunda parte de esta tesis consiste en usar estos nuevos solventes en la captura de gases de efecto invernadero (GEI). Dado que la utilización de IL, DES y NADES en el proceso de absorción de GEI presenta limitaciones de transferencia de masa debido a su elevada viscosidad, este estudio propuso la impregnación de estos disolventes en un material de soporte poroso como silica gel (SiO2) para superar esta limitación. Se investigó la influencia del tamaño de partícula de SiO2 impregnada en la captura de CO2 y N2O a presión y temperatura ambiente. El material impregnado se caracterizó mediante espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), análisis termogravimétrico (TGA) y difracción de rayos X (XRD). El coeficiente de partición del CO2 y el N2O se determinó mediante un método estático de espacio de cabeza. El análisis de FTIR y TGA de las partículas impregnadas indicó una impregnación exitosa del silica gel con los solventes. El coeficiente de partición del CO2 en SiO2 impregnada mostró un rango de 0.46 a 4.75, mientras que el coeficiente de partición del N2O en SiO2 impregnado osciló entre 0.50 y 2.21. Esto indica que las partículas impregnadas tienen una mayor afinidad por el N2O en comparación con el CO2. El proceso de impregnación demostró la capacidad de reducir el consumo de solvente en un 60% mientras se preserva la capacidad de captura de gases de efecto invernadero. Por último, se realizó la predicción de los coeficientes de ley de Henry en varios líquidos iónicos basados en imidazol con aniones fluorado a través de cálculos de mecánica cuántica."