Assorbimento efficiente di CO2 attraverso contattori a membrana a film bagnato e cadente: approfondimenti dalla modellazione e dalla simulazione

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10994 (2023) Citare questo articolo

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Il rilascio eccessivo di anidride carbonica (CO2) nell’atmosfera rappresenta una potenziale minaccia per il benessere di varie specie sulla Terra poiché contribuisce al funzionamento globale. Pertanto, è necessario attuare azioni adeguate per moderare le emissioni di CO2. Un contattore a membrana a fibra cava è una tecnologia emergente che combina i vantaggi dei processi di separazione e degli assorbimenti chimici. Questo studio indaga l'efficacia dei contattori a membrana a film umido e cadente (FFMC) nel migliorare l'assorbimento di CO2 in una soluzione acquosa di monoetanolammina (MEA). Analizzando fattori quali la superficie della membrana, la portata del gas, la portata del liquido in ingresso, il tempo di contatto gas-liquido e il carico di solvente, esaminiamo il processo di assorbimento di CO2 in entrambi i contattori. I nostri risultati rivelano un chiaro vantaggio dell’FFMC, ottenendo un’impressionante efficienza di rimozione della CO2 dell’85% rispetto al 60% con le membrane umide. Utilizziamo il software di simulazione COMSOL Multiphysics 6.1 e l'analisi degli elementi finiti per convalidare i nostri risultati, dimostrando uno stretto accordo tra i valori previsti e sperimentali, con un errore relativo medio di circa il 4,3%. Questi risultati evidenziano la significativa promessa di FFMC per le applicazioni nella cattura della CO2.

Il trasferimento di massa e le prestazioni idrodinamiche dei dispositivi di separazione utilizzati nei processi di assorbimento del gas sono influenzati da diversi fattori cruciali. Questi fattori includono l'area di contatto gas-liquido, i coefficienti di trasferimento di massa e la caduta di pressione1. I contattori a membrana (MC) guadagnano attenzione su scala pilota e industriale, in particolare per la cattura del carbonio2, riducendo il consumo energetico e i costi. Le sfide includono la bagnatura dei pori, la selezione dei solventi e l'incrostazione con potenziali soluzioni. La revisione evidenzia i principi di funzionamento, i confronti con la separazione del gas, la progettazione dei moduli e le implementazioni commerciali3,4,5. Sono costituiti da una membrana porosa che funge da barriera fisica tra la fase gassosa e quella liquida, consentendo il trasferimento selettivo dei gas impedendo la miscelazione delle due fasi. Questa struttura unica consente numerosi vantaggi in termini di velocità di trasferimento di massa e efficienza del processo6. Gli MC offrono un'area interfacciale sostanziale, promuovendo l'efficiente trasferimento di massa e consentendo l'efficace rimozione di impurità specifiche come CO2 e H2S dai flussi di gas.

Inoltre, gli MC dimostrano basse perdite di carico, diminuendo il consumo di energia e i costi operativi7,8. Gli MC sono stati esplorati per sostituire le tradizionali colonne impaccate nelle applicazioni di cattura del carbonio e rimozione del biossido di zolfo9. Nel complesso, l'uso degli MC rappresenta un approccio promettente per il trasferimento di massa gas-liquido in vari settori e sono necessarie ulteriori ricerche per ottimizzarne le prestazioni e la fattibilità commerciale10,11,12,13. I materiali polimerici idrofobici come polipropilene, politetrafluoroetilene e fluoruro di polivinilidene sono le membrane idrofobe più comuni utilizzate nei processi di assorbimento di CO214. I contattori a membrana, costituiti da diverse fibre cave assemblate, hanno un'ampia superficie specifica, fornendo un'elevata area di interfaccia per il contatto gas-liquido15,16,17,18. Nel processo di assorbimento tramite membrana che utilizza membrane idrofobiche, il gas da assorbire si trasferisce prima dalla fase gassosa sfusa al confine gas-membrana e quindi si diffonde attraverso i pori della membrana fino all'interfaccia gas-liquido dove avviene l'assorbimento19. Il processo complessivo di trasferimento di massa coinvolge tre resistenze in serie: la resistenza della fase gassosa, la resistenza della membrana e la resistenza del liquido. Idealmente, i pori della membrana sono riempiti di gas e respingono la permeazione del liquido per garantire una bassa resistenza al trasferimento di massa. Tuttavia, la maggior parte delle membrane polimeriche utilizzate nell'assorbimento a membrana tendono a bagnarsi per periodi di funzionamento prolungati, il che può incidere negativamente sulle loro prestazioni20.