Experimental study on adsorbents for CO2 capture and utilization in the cement industry

The reduction of carbon dioxide (CO2) emissions has become an urgent global priority, driven by the urge to accomplish the goal stated by the EU Climate Law of reaching net-zero carbon emissions by 2050, further accentuated by the necessity to mitigate global warming by restricting the rise of the global average surface temperature below 2°C. Addressing emissions from hard-to-abate sectors has become increasingly critical, with the cement industry standing out as one of the most significant contributors to CO2 emissions. The relentless growth in cement demand, fuelled by urbanization trends and infrastructure development, is leading to a non-stop rise in its related CO2 emissions if no decarbonization measures are promptly put into action. The only way to effectively diminish CO2 emissions is by implementing targeted strategies acting on the process-emissions of cement production, which are the ones that contribute for the 50% to the total CO2 emissions of the cement industry. At the moment, carbon capture, utilization, and storage (CCUS) technologies represent the most powerful and effective techniques to remarkably reduce CO2 emissions. The most recent and promising applications of the CCUS technology are aimed to developing a replicable approach for the implementation of the CCUS strategies in the key sectors of the circular economy: the Cement and the Energy-from-Waste (EfW) sectors. About the strategies of implementation of the CCUS technologies, this thesis work investigates the capture of CO2 from CO2-rich streams with the future goal of producing several sustainable construction materials and aggregates in order to further reduce the carbon footprint. The objective of this work is to examine all the available materials for the study through CO2 adsorption and desorption analyses performed with a TG analysis technique in order to select the ones that are appropriate as CO2 adsorbents for the further applications of the CCUS technology. The TG analyses have been conducted using various Methods tailored to the specific characteristics of the materials and the type of investigation to be performed. The experimentation has allowed to explore the adsorption and desorption capacities of the different materials under pure CO2 conditions, as well as at different CO2 concentrations, enabling the construction of adsorption curves for the identification of the capture performances of the materials at any percentage of CO2 in the exhaust gases. The analyses have revealed the inefficiency of some of the materials as adsorbents and the CO2 adsorption effectiveness of others. In particular, synthetic zeolites have exhibited the highest CO2 adsorption results owing to their crystalline internal structure developed through functionalization of the initial raw materials. Their performances have then been tried to be further enhanced through amine impregnation procedures, which have resulted ineffective despite the positive outcomes reported in other studies, requiring then the necessity of additional future research. The effectiveness of the CO2 capture thus has to be further investigated in pilot plants, which enable to reproduce more realistic conditions of the CO2-rich exhaust gases, in addition to other functionalization methods to create even more performing adsorbents to be utilized in the subsequent experimentations of the CCUS technologies.

La riduzione delle emissioni di anidride carbonica (CO2) è diventata una priorità globale urgente, motivata dall'impulso di raggiungere l'obiettivo stabilito dalla Legge sul clima dell'Unione europea di zero emissioni nette di carbonio entro il 2050, ulteriormente accentuato dalla necessità di mitigare il riscaldamento globale limitando l'aumento della temperatura media superficiale globale al di sotto dei 2°C. L'eliminazione delle emissioni provenienti dai settori hard-to-abate è diventata sempre più critica, con l'industria del cemento che si distingue come uno dei maggiori contributori alle emissione di CO2. La crescita incessante della domanda di cemento, alimentata da tendenze di urbanizzazione e sviluppo delle infrastrutture, sta portando ad un incremento costante delle relative emissioni di CO2 se non vengono prontamente messe in atto misure di decarbonizzazione. L'unico modo per ridurre efficacemente le emissioni di CO2 è applicare delle strategie mirate che agiscano sulle emissioni legate al processo di produzione del cemento, che sono quelle che contribuiscono al 50% delle emissioni totali di CO2 dell'industria del cemento. Al momento, le tecnologie di cattura, utilizzo e stoccaggio del carbonio (CCUS) rappresentano le tecniche più potenti ed efficaci per ridurre notevolmente le emissioni di CO2. Le applicazioni più recenti e promettenti della tecnologia CCUS mirano a sviluppare un approccio replicabile per l'implementazione delle strategie CCUS nei settori chiave dell'economia circolare: i settori del Cemento e dell'Energia da Rifiuti (EfW). Per quanto riguarda le strategie di implementazione delle tecnologie CCUS, questo lavoro di tesi indaga la cattura di CO2 dai flussi ricchi di CO2 con l’obiettivo futuro di produrre diversi materiali da costruzione e aggregati sostenibili al fine di ridurre ulteriormente l'impronta di carbonio. Lo scopo di questo lavoro è esaminare tutti i materiali disponibili per lo studio attraverso analisi di adsorbimento e desorbimento di CO2 effettuate con la tecnica di analisi TG al fine di selezionare quelli che sono appropriati come adsorbenti di CO2 per le ulteriori applicazioni della tecnologia CCUS. Le analisi TG sono state condotte utilizzando vari Metodi adattati alle specifiche caratteristiche dei materiali e al tipo di indagine da effettuare. La sperimentazione ha permesso di esplorare le capacità di adsorbimento e desorbimento dei diversi materiali in condizioni di CO2 pura, nonché a diverse concentrazioni di CO2, consentendo la costruzione di curve di adsorbimento per l'identificazione delle prestazioni di cattura dei materiali a qualsiasi percentuale di CO2 nei gas di scarico. Le analisi hanno evidenziato l’inefficienza di alcuni materiali come adsorbenti e l’efficacia nell’adsorbimento di CO2 di altri. In particolare, le zeoliti sintetiche hanno mostrato i più alti risultati di adsorbimento di CO2 grazie alla loro struttura interna cristallina sviluppata attraverso la funzionalizzazione delle materie prime iniziali. Si è poi cercato di migliorare ulteriormente le loro prestazioni mediante procedure di impregnazione con amine, le quali si sono rivelate inefficaci nonostante i risultati positivi riportati in altri studi, richiedendo quindi la necessità di ulteriori ricerche future. L’efficacia della cattura della CO2 deve quindi essere ulteriormente indagata in impianti pilota, che consentono di riprodurre condizioni più realistiche dei gas esausti ricchi di CO2, in aggiunta ad altri metodi di funzionalizzazione per creare adsorbenti ancora più performanti da utilizzare nelle successive sperimentazioni delle tecnologie CCUS.