Experimental study of nonthermal plasma induced desorption and splitting of CO2

In the context of carbon capture, more and more attention is focusing on the utilization of CO2 molecule, due to economic prospective related to its cheap availability and to enviromental advantages that this process offers. Carbon dioxide is currently used in lot of processes and converted in various products. However, this molecule is very stable and requires difficult conditions to react. In order to make this process happen, various technologies are involved. Among them, nonthermal plasma technology looks promising for its ability to generate high energetic electrons and high concentration of reactive chemicals, maintaining the bulk of the system at ambient pressure and temperature. In the present work, a typical nonthermal plasma reactor, the Dielectric Barrier Discharge (DBD), is used to induce, in a CO2 gas flow, splitting reaction. This process, already studied in several works, is here combined with another one: desorption of CO2 from a sorbent induced by plasma. In other words, the present work consists in an experimental research, in order to evaluate the utilization of nonthermal plasma technology to efficently desorb CO2 from an adsorbent material, the hydrotalcite, and, concurrently, to dissociate it to produce CO. Experimental work consisted in various tests, to demonstrate the possibility to combine these processes, to investigate plasma influence and to run adsorption and desorption in a cyclic way. From these experiments, it has been verified that desorpion can be induced by nonthermal plasma and that amoung reaction products there was CO: this means that both desorption and splitting were occurring. Other tests were performed to investigate plasma contribution to the desorption, that was demonstrated to be the main desorption method occurring. Experiment was also perfromed in a cyclic way, leading to a stable condition of reaction products. From these values, an energy analysis has been performed, comparing both plasma typical features with other plasma-induced splitting systems and energy requirements for desorption with other desorption systems. From reactive point of view (splitting), conversion of 40% and efficiency of 12,5% were achieved. Despite that, energy requirements for desorption results two order of magnitude over typical values. This suggests that improvements of the system are required.In conclusion of the present work, some ways to improve the efficiency are suggested, as sorbent pre-treatments and energy analysis by variating plasma parameters (voltage, frequency, flow rates). Is also described the possibility to include in the present system carbon dioxide hydrogenation.

Nel contesto della cattura della CO2, si stanno sempre più sviluppando le tecnologie per il riutilizzo della molecola, considerati la prevista reperibilità economica e i vantaggi ambientali che ne possono derivare. L’anidride carbonica viene oggi utilizzata in numerosi processi e convertita in diverse sostanze. Tuttavia questa molecola è molto stabile e richiede alte energie e tecnologie avanzate per scindersi oppure reagire con un co-reagente. Fra queste, sono promettenti i plasmi non termici, nei quali la presenza di elettroni fortemente energetici permette alte concentrazioni di specie reattive, mantenendo comunque la maggior parte del sistema a temperatura e pressione ambiente. In questo lavoro, il plasma non termico è utilizzato per cercare di far avvenire, in un flusso di CO2 gassosa, la reazione di splitting. Questo processo, già studiato in numerosi esperimenti, è inoltre accoppiato ad un altro: il desorbimento della CO2 da un sorbente, anch’esso indotto dalla presenza del plasma. In altre parole, si vuole dimostrare un metodo efficace per unire due diversi processi (la cattura, la cui spesa principale è data dalla rigenerazione del solvente/sorbente, e la conversione) in un unico processo, condotto a temperatura e pressione ambiente. Il lavoro svolto, in scala sperimentale di laboratorio, consiste in una serie di esperimenti per di dimostrare la possibilità di combinare i due processi, indagare l’effettiva influenza del plasma e verificare la possiblità di effettuare il processo in maniera ciclica. Gli esperimenti sono stati effettuati in un reattore dielectric barrier discharge (DBD), nel quale sono stati impaccati granelli di idrotalcite, un materiale adsorbente noto per le sue proprietà di cattura della CO2. I risultati hanno dimostrato la possibilità di indurre il desorbimento dell’anidride carbonica dal materiale tramite l’ignizione del plasma. Fra i prodotti di reazione è stata anche verificata la presenza di CO, mostrando che sia il desorbimento sia lo splitting erano effettivamente avvenuti. Sono state poi svolte ulteriori verifiche per dimostrare che il desorbimento fosse effettivamente indotto dalla presenza del plasma e non, ad esempio, dall’innalzamento di temperatura da essa causato. É stato poi verificato che il processo può essere condotto in maniera ciclica, portando a una stabilità delle condizioni dei prodotti di reazione. Da questi valori si è dedotta un’analisi energetica, confrontando i parametri sia con i sistemi al plasma per lo splitting dell’anidride carbonica, sia con le energie richieste dalle tecniche di desorbimento utilizzate oggi. Dal punto di vista del plasma, si sono raggiunti valori di conversione della CO2 del 40% e di efficienza del 12,5%. Mentre i valori dal punto di vista reattivo si sono mostrati in linea con le tecnologie del settore, i valori energetici richiesti per il desorbimento sono risultati di circa due ordini di grandezza maggiori rispetto a quelli delle tecnologie commerciali. Questo è indice del fatto che il sistema necessiti di vari miglioramenti. In conclusione, vengono quindi suggerite migliorie e prospettive della tecnologia in esame, quali: tecniche di pre-trattamento del sorbente, che portano a notevoli aumenti della capacità di adsorbimento; analisi di efficienza al variare dei parametri caratteristici del plasma (tensione, frequenza e portate volumetriche di gas); la possibilità di combinare al desorbimento l’idrogenazione della CO2.