Carbon dioxide capture by carbonized bagasse fibers modified with carbon nanostructures and impregnated with liquid absorbents

Abstract

Las emisiones de gases de efecto invernadero han incrementado considerablemente en las últimas décadas, donde el dióxido de carbono o CO2 representa más del 70% de las emisiones de gases de efecto invernadero seguido del metano. Dentro de las metodologías que se han investigado para reducir la concentración y emisiones de CO2 resalta la captura de CO2. La impregnación de absorbentes líquidos en carbones poroso ha demostrado tener un efecto sinérgico y capacidades de captura de CO2 superiores a los materiales prístinos por separado. Debido a esto, en este trabajo se impregnaron dos absorbentes líquidos con diferentes propiedades (amima líquida tetraetilenepentamina (TEPA) y líquido iónico acetato de 1-butil-3metilimidazolio [BMIM][Ac]) sobre fibras de bagazo carbonizadas (FBC) modificadas con nanoestructuras tubulares de carbono como nanotubos de carbono (CNT) y nanofibras de carbono (CNF). Se probó la capacidad de captura de CO2 mediante isotermas y cinéticas de adsorción a diferentes condiciones de temperatura y presión, y las propiedades fisicoquímicas de los materiales se caracterizaron mediante diversas técnicas. La impregnación de una pequeña cantidad de TEPA sobre FBC resultó en una considerable mejora en la capacidad de captura de CO2 y cinética, y en una mayor capacidad de regeneración durante ciclos de sorción-desorción. Por otra parte, el crecimiento de CNT y CNF sobre FBC aumentó considerablemente el área superficial especifica donde se impregnó el líquido iónico. Mediante la impregnación de una baja concentración de hierro (0.3%) se lograron crecer uniformemente CNT y CNF a través de deposición química de vapor, lo que les confirió una naturaleza básica a las FBC. Los cambios en la química superficial y las propiedades texturales permitieron mejorar hasta en un 40% la capacidad de captura de CO2 para las diferentes condiciones de temperatura (0 a 75 °C) y presión (1 a 10 bar) probadas sin afectar la rápida cinética de adsorción del biocarbon macroporoso prístino. Mediante la impregnación de una pequeña cantidad del líquido iónico [BMIM][Ac] sobre FBC modificadas con CNF se logró aumento alrededor del doble la capacidad de captura de CO2 (de 0.41 y 1.37 mmol/g a 0.81 y 2.46 mmol/g a 1 y 8 bar, respectivamente) sin afectar la rápida cinética del material de carbono, y se mejoró la capacidad de regeneración del líquido iónico, de 84.33% a 90.32%, una vez impregnado en las FBC modificadas. Finalmente, las FBC modificadas con CNT presentaron una notable selectividad CO2/CH4 (10:90 a 1 bar) de 330.3 respecto al material prístino (22.8) o al modificado con CNF (22.9). La gran afinidad de este material por el CO2 se atribuyó a la mayor abundancia relativa de grupos C=O, el mayor carácter hidrofóbico, la disponibilidad de grupos oxigenados, el área superficial específica expuesta y la distribución del tamaño de poro (menor volumen de poros <0,42 nm), lo que le proporciona mayor capacidad de polarizar la molécula de CO2. Las propiedades de este material lo hacen altamente viable para su aplicación en la purificación de gas natural. Los resultados presentados en esta tesis doctoral demostraron el gran potencial que tiene la modificación de FBC con nanoestructuras de carbono para la captura selectiva de CO2, así como su utilidad para impregnar liquido iónico y generar un composito con excelente capacidad de captura de CO2 y rápida cinética. Esto representa un gran avance en el desarrollo de materiales altamente eficientes para la captura selectiva de CO2.

Greenhouse gas emissions have increased considerably in recent decades, with carbon dioxide (CO2) representing more than 70% of greenhouse gas emissions followed by methane. Among the methodologies that have been investigated to reduce the concentration and emissions of this gas, CO2 capture stands out. The impregnation of liquid absorbents in porous carbons has been shown to have a synergistic effect and superior CO2 capture capacities than pristine materials separately. Due to this, in this work two liquid absorbents with different properties (liquid amine tetraethylenepentamine (TEPA) and ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium acetate [BMIM][Ac]) were impregnated on carbonized bagasse fibers (CBF) modified with tubular carbon nanostructures such as carbon nanotubes (CNT) and carbon nanofibers (CNF). The CO2 capture capacity was tested by adsorption isotherms and kinetics at different temperature and pressure conditions and the physicochemical properties of the materials were characterized through various techniques. The impregnation of a small amount of TEPA on CBF resulted in a considerable improvement in the CO2 capture capacity and kinetics, and in better regeneration capacity during sorption-desorption cycles. On the other hand, the growth of CNT and CNF on CBF considerably increased the specific surface area where the ionic liquid was impregnated. By the impregnation of a low concentration of iron (0.3%), CNTs and CNFs were able to grow uniformly through chemical vapor deposition, which gave a basic nature to the CBF. The changes in the surface chemistry and textural properties allowed to improve up to 40% the CO2 capture capacity for the different temperature (0 to 75°C) and pressure (1 to 10 bar) conditions tested without affecting the rapid adsorption kinetics of the pristine macroporous biochar. A small amount of the ionic liquid [BMIM][Ac] on CNF-modified CBF was impregnated and the CO2 capture capacity was approximately doubled (from 0.41 and 1.37 mmol/g to 0.81 and 2.46 mmol/g at 1 and 8 bar, respectively) without affecting the rapid kinetics of the carbon material. Also, the regeneration capacity of the ionic liquid was improved, from 84.33% to 90.32%, once impregnated in the modified CBF. Finally, the CNT-modified CBF presented a notable CO2/CH4 selectivity (10:90 at 1 bar) of 330.3 with respect to the pristine material (22.8) or the one modified with CNF (22.9). The high affinity of this material for CO2 was attributed to the greater relative abundance of C=O groups, the greater hydrophobic character, the availability of oxygenated groups, the specific exposed surface area and the pore size distribution (smaller pore volume <0.42 nm), which provides it a higher capacity to polarize the CO2 molecule. The properties of this material, make it highly viable for its application in the purification of natural gas. The results presented in this doctoral thesis demonstrated the excellent potential of the modification of CBF with carbon nanostructures for the selective capture of CO2, as well as its usefulness to impregnate ionic liquid to generate a composite with enhanced CO2 capture capacity and fast kinetics. This represents an important advance in the development of highly efficient materials for the selective capture of CO2.