Desarrollo y evaluación de un sistema de captura de CO2 a través de membranas de fibra hueca para aplicaciones con gases reales

Abstract

La acumulación de dióxido de carbono (CO2) por encima de los niveles asumibles en la atmósfera se ha convertido en una de las principales causas del calentamiento global y, por ende, del cambio climático. Este problema surge como consecuencia del crecimiento de la producción industrial y del consumo energético a partir de combustibles fósiles, que constituyen una de las principales fuentes de emisiones de este gas. A pesar de los esfuerzos globales por garantizar la sostenibilidad industrial y mejorar las vías de producción y obtención de energía, parece que las emisiones de CO2 seguirán siendo predominantes en un futuro cercano.

En este contexto, la captura, almacenamiento y utilización de CO2 emergen como opciones prometedoras para la industria, siendo objeto de numerosos estudios en los últimos años. La captura, en particular, se destaca como una etapa crucial, ya que sienta las bases para el éxito de las fases posteriores del proceso. Entre las tecnologías de captura, las membranas se presentan como una opción selectiva y eficiente en comparación con los métodos convencionales, aunque enfrentan desafíos para procesar los altos caudales industriales con la misma eficacia que tecnologías maduras como la absorción con aminas. Por lo tanto, es crucial estudiar materiales, configuraciones y la eficiencia del proceso para condiciones reales.

La mayoría de las membranas comerciales eficientes a escala piloto son de naturaleza polimérica, lo que las posiciona como candidatas para su implementación en escalas industriales. En este contexto, el presente Trabajo de Fin de Máster (TFM) tiene como objetivo desarrollar y evaluar un sistema de captura de CO2 mediante el uso de gases sintéticos y reales a escala experimental mediante una membrana de fibra hueca de polisulfona. Los resultados muestran que se puede lograr una eficiencia de captura del 90% a presiones de 5 bar y unos flujos de permeado de CO2 de hasta 331 cm3 cm-2 s-1 para gases reales de la industria cementera. Sin embargo, para concentraciones de CO2 del 0,5%, una sola etapa bajo las condiciones presentadas puede no ser suficiente. Por otro lado, al experimentar con gases reales, se evalúa la influencia de otras sustancias como el oxígeno (O2) que no suele tenerse en cuenta en mezclas con gases sintéticos y al realizar la experimentación se evidencia que el O2 se concentra en lugar del CO2 en gases como el de la industria textil, debido a su alta concentración en esta corriente. Es importante añadir que el sistema instalado ha demostrado estabilidad y ha mantenido su eficacia durante toda la experimentación sentando las bases para estudios posteriores con esta tecnología.

The accumulation of carbon dioxide (CO2) above tolerable levels in the atmosphere has become one of the main causes of global warming and hence climate change. This problem arises as a consequence of the growth of industrial production and energy consumption from fossil fuels, which constitute one of the main sources of emissions of this gas. Despite global efforts to ensure industrial sustainability and improve energy production and acquisition pathways, it seems that CO2 emissions will remain predominant in the near future.

In this context, the capture, storage, and utilization of CO2 emerge as promising options for industry, being the subject of numerous studies in recent years. Capture, in particular, stands out as a crucial stage, as it lays the groundwork for the success of subsequent phases of the process. Among capture technologies, membranes emerge as a selective and efficient option compared to conventional methods, although they face challenges in processing high industrial flows with the same effectiveness as mature technologies such as amine absorption. Therefore, it is crucial to study materials, configurations, and process efficiency for real conditions.

Most efficient commercial membranes at pilot scale are polymeric in nature, positioning them as candidates for implementation at industrial scales. In this context, the present work aims to develop and evaluate a CO2 capture system using synthetic and real gases on an experimental scale through a polysulfone hollow fiber membrane. The results show that a capture efficiency of 90% can be achieved at pressures of 5 bar and CO2 permeate fluxes of up to 331 cm3 cm-2 s-1 for real gases from the cement industry. However, for CO2 concentrations of 0.5%, a single stage under the presented conditions may not be sufficient. On the other hand, when experimenting with real gases, the influence of other substances such as oxygen (O2) is evaluated, which is not usually considered in mixtures with synthetic gases, and during experimentation, it is evident that O2 is concentrated instead of CO2 in gases like those from the textile industry, due to its high concentration in this stream. It is important to note that the installed system has demonstrated stability and maintained its effectiveness throughout the experimentation, laying the groundwork for further studies with this technology.