Dynamic modeling and performance analysis of humidity-sensitive K2co3 monoliths for atmospheric Co2 capture

Direct air capture (DAC) based on solid sorbents offers a promising route for supplying CO₂ under climate mitigation and greenhouse enrichment scenarios. Among alkaline systems, potassium carbonate–based adsorbents are attractive due to their low cost and potential for low-temperature regeneration. However, their performance under atmospheric CO₂ conditions is strongly dependent on humidity, as CO₂ uptake proceeds through a hydration-assisted reaction mechanism. Accurate prediction of such systems therefore requires dynamic modelling that explicitly accounts for coupled CO₂–H₂O adsorption, mass transfer, and heat effects. This thesis presents the development and validation of a one-dimensional, non-isothermal dynamic model for CO₂/H₂O adsorption–desorption on K₂CO₃-supported activated carbon honeycomb monoliths using Aspen Adsorption. The model incorporates multicomponent equilibrium (Toth and Do formulations), linear driving force kinetics, and separate gas and solid energy balances. Validation against published experimental breakthrough and desorption data demonstrated good agreement in dynamic trends and temperature evolution. A systematic parametric analysis was conducted to evaluate the influence of adsorption time, desorption time, regeneration temperature, humidity, and gas flow rates on CO₂ recovery, outlet concentration, productivity, and specific energy consumption (SEC). The results show that desorption duration determines the extent to which cyclic loading is converted into recovered CO₂. Increasing desorption time from 600 s to 7200 s raises recovery from approximately 3–4% to about 21% but increases SEC from roughly 88 MJ·kg⁻¹ CO₂ to more than 400 MJ·kg⁻¹ CO₂ and reduces outlet concentration due to purge dilution. Under greenhouse-relevant constraints (≥1000 ppm outlet concentration), feasible operation corresponds to adsorption times of approximately 1800–3600 s combined with desorption durations not exceeding about 1800 s, yielding recoveries of roughly 8–17% with SEC below about 100 MJ·kg⁻¹ CO₂. Cyclic performance is strongly influenced by regeneration conditions, particularly desorption duration and regeneration temperature–humidity levels, whereas increasing adsorption time or feed flow alone does not proportionally improve recovery.

La cattura diretta dell’aria (Direct Air Capture, DAC) basata su sorbenti solidi rappresenta una soluzione promettente per la fornitura di CO₂ sia in scenari di mitigazione climatica sia per l’arricchimento in serra. Tra i sistemi alcalini, gli adsorbenti a base di carbonato di potassio sono particolarmente interessanti grazie al loro basso costo e alla possibilità di rigenerazione a basse temperature. Tuttavia, le loro prestazioni in condizioni atmosferiche di CO₂ dipendono fortemente dall’umidità, poiché l’assorbimento della CO₂ avviene tramite un meccanismo di reazione assistito dall’idratazione. Una previsione accurata di tali sistemi richiede pertanto una modellazione dinamica che tenga esplicitamente conto dell’adsorbimento accoppiato CO₂–H₂O, dei fenomeni di trasferimento di massa e degli effetti termici. La presente tesi descrive lo sviluppo e la validazione di un modello dinamico monodimensionale non isotermo per l’adsorbimento–desorbimento di CO₂/H₂O su monoliti a nido d’ape di carbone attivo supportati con K₂CO₃, implementato in Aspen Adsorption. Il modello include equilibri di adsorbimento multicomponente, cinetiche basate sul modello Linear Driving Force (LDF) e bilanci energetici. La validazione rispetto a dati sperimentali di letteratura relativi a curve di breakthrough e fasi di desorbimento ha mostrato un buon accordo sia nell’andamento dinamico sia nell’evoluzione della temperatura, confermando l’affidabilità predittiva nell’intervallo operativo considerato. È stata inoltre condotta un’analisi parametrica sistematica per valutare l’influenza del tempo di adsorbimento, del tempo di desorbimento, della temperatura di rigenerazione, dell’umidità e delle portate di gas sul recupero di CO₂, sulla concentrazione in uscita, sulla produttività e sul consumo energetico specifico (SEC). I risultati evidenziano che la durata del desorbimento determina in misura rilevante la frazione di carico ciclico convertita in CO₂ recuperata. L’aumento del tempo di desorbimento da 600 s a 7200 s incrementa il recupero da circa il 3–4% fino a circa il 21%, ma comporta un aumento del SEC da circa 88 MJ·kg⁻¹ CO₂ a oltre 400 MJ·kg⁻¹ CO₂ e una riduzione della concentrazione in uscita a causa della diluizione dovuta al gas di spurgo. In condizioni compatibili con l’applicazione in serra (concentrazione in uscita ≥1000 ppm), il funzionamento risulta fattibile con tempi di adsorbimento compresi tra circa 1800 e 3600 s e tempi di desorbimento non superiori a circa 1800 s, ottenendo recuperi dell’ordine dell’8–17% con SEC inferiori a circa 100 MJ·kg⁻¹ CO₂. Nell’intervallo operativo analizzato, le prestazioni cicliche risultano fortemente influenzate dalle condizioni di rigenerazione, in particolare dalla durata del desorbimento e dai livelli di temperatura–umidità durante la rigenerazione, mentre l’aumento del solo tempo di adsorbimento o della portata di alimentazione non comporta un miglioramento proporzionale del recupero.