Experimental and modelling assessment of carbon-based membranes for selective water separation

Supported composite alumina-carbon molecular sieve membranes (c-CMSM) are proposed as potential candidates for selective water separation applications. The main objective of this thesis work is to investigate vapor permeation through carbon-based membranes at different operating conditions and correlate the separation properties to their structural characterization. These carbon-based membranes are manufactured by carbonizing a Novolac resin on a porous α-alumina support; the precursor material is rich in hydroxyl groups in its structure, and this peculiarity could enhance the adsorption of water vapor on the surface of carbon membranes, thus increasing the water obstruction effect that can reduce strongly the permeability of other species. Vapor permeation tests have been performed at high temperatures, analyzing the effects of carbonization temperature and activation temperature on the water permeability and perm-selectivity. Information on the pore structure and functionalities of these carbon membranes, obtained through the structural characterization, allowed to better understand the separation properties and the transport mechanism involved during water permeation. The results obtained confirm the potential of c-CMSM in selectively separate water from other gases at operating temperatures which are ideal for some processes of industrial interest. A possible industrial application of these carbon-based membranes in selective water separation has been proposed for the CO2 hydrogenation to methanol. A kinetic model has been developed using the experimental data obtained, in order to predict the behavior of a packed bed membrane reactor in terms of both CO2 conversion and methanol yield. Modeling results show that is possible to achieve higher CO2 conversions and methanol yields compared with the traditional process operated at the same conditions, all thanks to the selective removal of water with the c-CMSM.

Membrane microporose a setacci molecolari al carbonio sono proposte come potenziali candidati per separare selettivamente acqua da altri componenti gassosi. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di analizzare la permeazione del vapore attraverso membrane al carbonio in diverse condizioni operative e correlare le proprietà di separazione con la loro caratterizzazione strutturale. Le membrane al carbonio analizzate sono state fabbricate carbonizzando una resina Novolac su un supporto poroso di alfa-allumina; il materiale precursore è ricco di gruppi idrossilici nella sua struttura, e questa peculiarità potrebbe migliorare l'adsorbimento del vapore acqueo sulla superficie delle membrane, aumentando così l'effetto di ostruzione dell'acqua che può ridurre fortemente la permeabilità di altre specie. I test di permeazione del vapore sono stati eseguiti ad elevate temperature, analizzando gli effetti della temperatura di carbonizzazione e della temperatura di attivazione sulla permeabilità all'acqua e sulla perm-selettività. Le informazioni sulla struttura dei pori e i gruppi funzionali di queste membrane al carbonio, ottenute attraverso la caratterizzazione strutturale, hanno permesso di comprendere meglio le proprietà di separazione e il meccanismo di trasporto coinvolto durante la permeazione dell'acqua. I risultati ottenuti confermano il potenziale di queste membrane nel separare selettivamente l'acqua da altri gas a temperature operative ideali per alcuni processi di interesse industriale. Una possibile applicazione industriale di queste membrane al carbonio per la selettiva separazione dell’acqua è stata proposta nel processo di idrogenazione di CO2 in metanolo. Un modello cinetico è stato sviluppato utilizzando i dati sperimentali ottenuti, al fine di predire il comportamento di un reattore a membrana in termini sia di conversione di CO2 che di resa di metanolo. I risultati della modellazione mostrano che è possibile ottenere conversioni di CO2 e rese di metanolo più elevate rispetto al processo tradizionale operato alle stesse condizioni, grazie alla rimozione selettiva dell'acqua attraverso le membrane microporose a setacci molecolari al carbonio.