Carbon membranes for selective separation of industrial gas mixtures

In this work the potential of carbon based membranes for selective separation of gas mixtures of industrial interest has been investigated. The effect of membrane activation temperature, operating temperature, pressure and feed composition on the gas permeation and permeate purity have been experimentally investigated for three mixture of relevant interest in the energy field: CO2/N2, CH4/CO2 and H2/CH4. The experiments have been performed on a setup of property of the Eindhoven University of Technology. In this work it has been observed that these types of membrane outperform commercial polymeric membranes in terms of permeability and ideal perm-selectivity for the three mixtures investigated and for this reason carbon membranes have shown a great potential for future commercialization. The experimental results obtained have been used for the process simulation of a large-scale reforming plant for hydrogen production in which carbon membranes have been integrated for biogas upgrading and post-combustion carbon capture. All these calculations have been done using Aspen Plus. Detailed thermodynamic analysis has been carried out by first validating the process scheme adopted in this work with data from the literature and subsequently integrating the carbon membranes upstream and downstream the main reactor aiming at strategies to reduce CO2 emissions. This has been done, on the one hand, by selectively separating CO2 from methane in biogas and, on the other hand, by separating the CO2 from the N2 coming in the flue gas of the combustor. Results indicate the important benefits of using these membranes in existing processes.

In questo lavoro è stato investigato il potenziale delle membrane al carbonio per la separazione selettiva di miscele gassose di interesse in ambito industriale. L’effetto sulla permeazione e sulla purezza del permeato della temperatura di attivazione della membrana, della temperatura operativa, della pressione e della composizione del flusso di alimento della membrana sono stati sperimentalmente analizzati per tre miscele di rilevante interesse in ambito energetico: CO2/N2, CH4/CO2 e H2/CH4. Gli esperimenti sono stati svolti in un setup di proprietà della Technische Universiteit of Eindhoven. In questo lavoro è stato osservato che, per le tre miscele testate, membrane di questa tipologia superano le membrane polimeriche attualmente commercializzate in termini di permeabilità e perm-selettività ideale e per questo motivo le membrane al carbonio hanno mostrato un grande potenziale per una loro futura commercializzazione. I risultati sperimentali ottenuti sono stati utilizzati per la simulazione di processo di un impianto di reforming per la produzione di idrogeno su larga scala in cui le membrane al carbonio sono state integrate per l’upgrading del biogas utilizzato come combustibile e per effettuare una cattura della CO2 post-combustione. Tutti i calcoli sono stati svolti utilizzando Aspen Plus. Una dettagliata analisi termodinamica è stata effettuata validando dapprima lo schema di processo adottato in questo lavoro con dei dati disponibili in letteratura e successivamente integrando le membrane al carbonio a monte ed a valle del reattore principale mirando a strategie per la riduzione delle emissioni di CO2. Ciò è stato possibile, da un lato, separando selettivamente la CO2 dal metano nel biogas e, d’altra parte, separando dall’azoto la CO2 che si forma nel combustore in seguito al processo di combustione. I risultati indicano gli importanti vantaggi che potrebbero derivare dell'utilizzo di queste membrane nei processi esistenti.