Membrane technologies for hydrogen and carbon monoxide recovery from residual gas streams

Abstract

ABSTRACT: This PhD thesis work is aimed to the separation and recovery of valuable gases from industrial residual gas streams by means of membrane technology. In this thesis, a case of study is defined as the tail gas generated in the manufacturing of carbon black. It is envisaged that membrane technology will allow to obtain H2 enriched permeate stream when polymeric membranes are used and CO can be obtained as permeate gas stream when facilitated transport - supported liquid membranes are used. Chapter I of this thesis gives a brief introduction over different gas separation methods and shows the industrial sources and importance of H2 and CO. Chapter II and III of this thesis deal with the study of polymeric membrane based separation of hydrogen from mixed gas streams composed of H2, CO, N2 and CO2 at different operation conditions, using dense and hollow fiber membranes prepared with a commercial glassy polymer, Matrimid. In chapter IV a comprehensive look at the reaction mechanism and the equilibrium parameters obtained from the experimental characterization of the physical and chemical solubility of carbon monoxide 1-Hexyl-3-methylimidazolium chlorocuprate ionic liquid is presented. Finally, in Chapter V overall conclusions of the entire work are made. Also prospects for further research are included.

RESUMEN: Esta tesis doctoral está enfocada hacia la separación y recuperación de hidrogeno y monóxido de carbono de efluentes gaseosos residuales procedentes de procesos industriales de combustión mediante la tecnología de membranas. Se ha definido como caso de estudio la corriente de gases generada en la fabricación de negro de carbono. Se espera que el uso de tecnologías de separación con membranas permita obtener en el lado del permeado de la membrana una corriente enriquecida en hidrógeno al emplear una membrana polimérica y una corriente enriquecida en monóxido de carbono mediante el transporte facilitado a través de una membrana líquida soportada. El Capítulo I de la tesis contiene una introducción sobre los distintos métodos de separación de gases y presenta las fuentes e importancia industrial de H2 y CO. Los capítulos II y III de la tesis abarcan el estudio de la separación selectiva de hidrógeno a partir de corrientes gaseosas compuestas por mezclas de H2, CO, N2 y CO2 utilizando membranas: (I) planas y densas y (II) asimetrics de fibra hueca, preparadas a partir de un polímero comercial de tipo vítreo, denominado Matrimid. El capítulo IV está enfocado en un análisis exhaustivo sobre el mecanismo de reacción y los parámetros de equilibrio obtenidos mediante la caracterización experimental de la solubilidad física y química del monóxido de carbono en el líquido iónico puro 1-Hexil-3-metilimidazolio cloruro en 1-Hexil-3-metilimidazolio clorocuprato Finalmente, el capítulo V presenta las conclusiones globales del trabajo de tesis doctoral. Además, se incluyen perspectivas para la investigación futura.