Steady-state modeling of co-adsorption phenomena in direct air carbon-capture system using the IAST

In this study, a framework for modeling and analyzing the direct air capture system from pure adsorption isotherms is developed. The effect of different environmental and operational conditions on the direct air capture is system is analyzed for classical sorbent materials. The Toth isotherm is used to describe the experimental data. The experimental data were then used as an input to the implicit multicomponent adsorption model, ideal adsorbed solution theory, and different approaches are implemented to calculate the thermodynamic properties of the multicomponent adsorption process. These models were used to build the direct air capture model. The Toth isotherm was able to provide the isosteric heat of adsorption values in the valid range but it was not able to provide logical values for the heat capacity of the adsorbed phase. The multicomponent adsorption results suggest that water should be removed from the air. Therefore, the direct air capture model is a temperature-vacuum swing separation process, consists of two beds, one for removing the moisture from the air and another one capturing the carbon dioxide. The direct air capture system is then optimized for maximizing the purity of captured carbon dioxide and minimizing specific exergy duty. The Pareto fronts show that Zeolite 5A can capture carbon dioxide with the maximum purity of 67% and specific exergy duty of315kJmol.Mg-MOF-74 is able to produce carbon dioxide with the maximum purity equal to22.6%, minimum SED equal to395kJmol. Zeolite 13X is able to produce carbon dioxide with the maximum equal to75.1%, minimum SED equal to360kJmol. Making the Zeolite 13X the best sorbent material among the three sorbent material of interest. The pareto fronts also show that the performance of the direct air capture system improves with decreasing the ambient temperature and relative humidity.

In questo studio, viene sviluppato un framework per modellare e analizzare il sistema di cattura dell'aria diretta da isoterme di adsorbimento puro. L'effetto delle diverse condizioni ambientali e operative sulla cattura diretta del sistema è analizzato per materiali adsorbenti classici. L'isoterma di Toth viene utilizzata per descrivere i dati sperimentali. I dati sperimentali sono stati quindi utilizzati come input per il modello di assorbimento multicomponente implicito, la teoria della soluzione adsorbita ideale e diversi approcci sono stati implementati per calcolare le proprietà termodinamiche del processo di adsorbimento multicomponente. Questi modelli sono stati utilizzati per costruire il modello di cattura dell'aria diretta. L'isoterma di Toth è stata in grado di fornire il calore isosterico dei valori di adsorbimento nell'intervallo valido ma non è stata in grado di fornire valori logici per la capacità termica della fase adsorbita. I risultati dell'adsorbimento a più componenti suggeriscono che l'acqua dovrebbe essere rimossa dall'aria. Pertanto, il modello di cattura diretta è un processo di separazione oscillante temperatura-vuoto, costituito da due letti, uno per rimuovere l'umidità dall'aria e un altro per catturare l'anidride carbonica. Il sistema di cattura diretta dell'aria viene quindi ottimizzato per massimizzare la purezza dell'anidride carbonica catturata e ridurre al minimo il dovere di exergia specifica. I fronti di pareto mostrano che Zeolite 5A può catturare anidride carbonica con la purezza massima del 67% e un carico specifico di 315kJmol.Mg-MOF-74 è in grado di produrre anidride carbonica con la purezza massima pari al 22,6%, SED minimo pari a 395kJmol. Zeolite 13X è in grado di produrre anidride carbonica con il massimo pari al 75,1%, SED minimo pari a 360kJmol. Rendendo la Zeolite 13X il miglior materiale assorbente tra i tre materiali assorbenti di interesse. I fronti di pareto mostrano anche che le prestazioni del sistema di cattura dell'aria diretta migliorano al diminuire della temperatura ambiente e dell'umidità relativa.