Absorción eficiente de CO2 a través de contactores de membrana de película descendente y húmeda: conocimientos a partir del modelado y la simulación

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 10994 (2023) Citar este artículo

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La liberación excesiva de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera plantea amenazas potenciales para el bienestar de varias especies de la Tierra, ya que contribuye al funcionamiento global. Por tanto, es necesario implementar acciones adecuadas para moderar las emisiones de CO2. Un contactor de membrana de fibra hueca es una tecnología emergente que combina las ventajas de los procesos de separación y las absorciones químicas. Este estudio investiga la eficacia de los contactores de membrana de película descendente y húmeda (FFMC) para mejorar la absorción de CO2 en una solución acuosa de monoetanolamina (MEA). Al analizar factores como el área de superficie de la membrana, el caudal de gas, los caudales de entrada de líquido, el tiempo de contacto gas-líquido y la carga de disolvente, examinamos el proceso de absorción de CO2 en ambos contactores. Nuestros resultados revelan una clara ventaja de FFMC, logrando una impresionante eficiencia de eliminación de CO2 del 85% en comparación con el 60% con membranas húmedas. Empleamos el software de simulación COMSOL Multiphysics 6.1 y análisis de elementos finitos para validar nuestros hallazgos, demostrando una estrecha concordancia entre los valores predichos y experimentales, con un error relativo promedio de aproximadamente 4,3%. Estos hallazgos resaltan la importante promesa de FFMC para aplicaciones en la captura de CO2.

La transferencia de masa y el rendimiento hidrodinámico de los dispositivos de separación utilizados en los procesos de absorción de gases están influenciados por varios factores cruciales. Estos factores incluyen el área de contacto gas-líquido, los coeficientes de transferencia de masa y la caída de presión1. Los contactores de membrana (MC) ganan atención a escalas piloto e industrial, particularmente para la captura de carbono2, lo que reduce el consumo y el costo de energía. Los desafíos incluyen la humectación de los poros, la selección de solventes y la contaminación con soluciones potenciales. La revisión destaca los principios de funcionamiento, comparaciones con la separación de gases, diseños de módulos e implementaciones comerciales3,4,5. Consisten en una membrana porosa que actúa como barrera física entre las fases gaseosa y líquida, permitiendo la transferencia selectiva de gases evitando al mismo tiempo la mezcla de las dos fases. Esta estructura única permite varias ventajas con respecto a las tasas de transferencia de masa y la eficiencia del proceso6. Los MC ofrecen un área interfacial sustancial, lo que promueve la transferencia de masa eficiente y permite la eliminación efectiva de impurezas específicas como CO2 y H2S de las corrientes de gas.

Además, los MC presentan bajas caídas de presión, lo que reduce el consumo de energía y los costos operativos7,8. Se han explorado los MC para reemplazar las columnas empaquetadas tradicionales en aplicaciones de captura de carbono y eliminación de dióxido de azufre9. En general, el uso de MC representa un enfoque prometedor para la transferencia de masa gas-líquido en diversas industrias, y se necesita más investigación para optimizar su rendimiento y viabilidad comercial10,11,12,13. Los materiales poliméricos hidrofóbicos como el polipropileno, el politetrafluoroetileno y el fluoruro de polivinilideno son las membranas hidrofóbicas más comunes utilizadas en los procesos de absorción de CO214. Los contactores de membrana, que están formados por varias fibras huecas ensambladas, tienen una gran superficie específica, lo que proporciona una gran superficie de interfaz para el contacto gas-líquido15,16,17,18. En el proceso de absorción por membrana que utiliza membranas hidrófobas, el gas a absorber primero se transfiere desde la fase gaseosa al límite de la membrana gaseosa y luego se difunde a través de los poros de la membrana hasta la interfaz gas-líquido donde ocurre la absorción19. El proceso general de transferencia de masa implica tres resistencias en serie: la resistencia de la fase gaseosa, la resistencia de la membrana y la resistencia del líquido. Idealmente, los poros de la membrana están llenos de gas y rechazan la permeación de líquidos para garantizar una baja resistencia a la transferencia de masa. Sin embargo, la mayoría de las membranas poliméricas utilizadas en la absorción de membranas son propensas a humedecerse durante períodos prolongados de funcionamiento, lo que puede afectar negativamente su rendimiento20.

La humectación de la membrana puede ocurrir por varias razones, incluidas propiedades del material no óptimas, como hidrofobicidad inadecuada, tamaño de poro incorrecto, baja resistencia química y problemas operativos como la evaporación y condensación de líquidos21. Como resultado, la humectación de los poros de la membrana es un desafío técnico importante para los contactores de membrana, ya que puede aumentar significativamente la resistencia a la transferencia de masa22,23. Si bien se han realizado algunos esfuerzos para mejorar la hidrofobicidad del material y aumentar la permeabilidad mediante el uso de estructuras de membrana asimétricas para reducir la humectación de los poros, todavía es un problema pendiente. Alternativamente, se pueden considerar procesos de absorción que no dependan de membranas hidrófobas basadas en poros24. El uso de una membrana porosa hidrófila para la absorción de CO2 en soluciones acuosas en modo de película líquida descendente es un enfoque novedoso que parece prometedor25. En este modo, el líquido de alimentación permea a través de los poros de la membrana porosa hidrófila, formando una película de líquido que cae sobre la superficie del lado de permeación de la membrana debido a la gravedad. La fina película líquida puede entrar en contacto con el fluido gaseoso en un flujo a favor o en contracorriente26. En teoría, la película de líquido que cae debería cubrir completamente la superficie del lado permeado de una membrana porosa hidrófila27. Como resultado, el enfoque de película líquida descendente ofrece los beneficios de una alta área de contacto gas-líquido al tiempo que elimina la resistencia a la transferencia de masa en los poros, lo que lo convierte en una alternativa atractiva a la absorción de membrana hidrófoba basada en poros28,29. Las membranas cerámicas tienen una excelente resistencia mecánica, estabilidad química y estabilidad térmica, lo que las hace resistentes a las soluciones de aminas corrosivas utilizadas para la absorción de CO221,30,31,32. En general, las membranas cerámicas son muy adecuadas para el proceso de absorción de CO2 en película líquida descendente que involucra soluciones acuosas de aminas33,34,35,36.

Se desarrollaron varios modelos matemáticos para representar el transporte de impurezas de gas como CO2 y H2S dentro de un disolvente a través de un contactor de membrana de fibra hueca14,15,16,17,18,31,37,38. Se desarrolló un modelo integral para describir las reacciones y el transporte de gases y líquidos dentro del contactor en condiciones húmedas o no húmedas39. Hasta donde sabe el autor, hasta el momento no se han desarrollado modelos para describir de manera integral el transporte de masa en un contactor de membrana de película descendente. Este estudio examinó específicamente el modelado y la simulación de la absorción de CO2 utilizando contactores de membrana de película líquida húmeda y descendente. Se emplearon membranas hidrofílicas huecas de cerámica porosa en contactores con una solución acuosa de monoetanolamina (MEA). La investigación comparó exhaustivamente membranas húmedas y contactores de membrana de película descendente mientras exploraba diferentes parámetros operativos.

El modelo dinámico que se ha creado representa una simulación bidimensional del proceso de absorción de CO2 de una mezcla gaseosa (CO2/N2) en un disolvente acuoso de MEA, que se produce dentro de un modo de membrana húmeda y una película líquida que cae, membrana. contactor (como se muestra en la Fig. 1). El proceso implica la difusión del disolvente a través de las paredes de la membrana, creando una fina película de disolvente. La película de disolvente está diseñada para absorber selectivamente CO2 de una mezcla de gases con un 10% de CO2; el resto es N2.

El diagrama esquemático describe la difusión del disolvente a través de las paredes de la membrana, formando una membrana húmeda (modo húmedo) y una fina película descendente (película descendente) para absorber CO2 de mezclas de gases que contienen 10 % de CO2/N2. Figura generada con Microsoft Visio Professional 2016 (Microsoft.com).

La membrana cerámica utilizada en este proceso es hidrófila e incluye un espacio interior llamado lumen por el que viaja el disolvente antes de llegar a las paredes de la membrana40. Una vez que el solvente llega al exterior de las paredes, forma una película delgada. La película de disolvente absorbe el CO2 del gas inerte y se mueve en dirección opuesta. A medida que el gas inerte fluye, crea un gradiente de concentración que hace que el CO2 sea absorbido por el disolvente a medida que pasa cerca de la película de disolvente. Este método se emplea comúnmente en diversas aplicaciones, incluida la captura de carbono, donde es necesario aislar el CO2 de otros gases. Al utilizar una membrana cerámica y difusión de solvente, es posible extraer selectivamente CO2 de una corriente de gas, lo que da como resultado un producto de gas más limpio.

La película que cae resulta de la difusión del disolvente de amina a través de la membrana húmeda porosa hacia el lado del gas. Al desarrollar el modelo transitorio, se consideran los siguientes supuestos38:

Condiciones de funcionamiento isotérmicas y en estado estable.

La membrana está completamente mojada.

La ley de Henry gobierna la constante de equilibrio gas-líquido.

El gas está en perfectas condiciones.

El perfil de velocidad del líquido en el tubo y del gas inerte en la carcasa es laminar.

Basado en el supuesto de estado estacionario, el balance de materia componente dentro del tubo (\({C}_{i,t}\)), tomando en consideración el término convectivo, comienza con la velocidad en el lado del tubo (\({V }_{z,t}\)), el término de difusión comenzó con el coeficiente de difusión (\({D}_{i,t}\)) y los términos de reacción (\({R}_{i}\)) pueden ser representado por la ecuación. (1):

La velocidad promedio (\({V}_{av}\)) y la relación entre el radio variable (\(r\)) y el radio interior del tubo interior (\({r}_{1}\) ) se utilizan para representar el perfil de velocidad en el lado del tubo, como se muestra en la siguiente parábola. También se aplica la ecuación de Navier-Stocks, que revela variaciones notables en el perfil de velocidad:

Dentro del segmento de membrana, debido a la suposición del modo mojado, los poros de la membrana están llenos de solvente y la difusión comienza con \({D}_{i,m}\), y las reacciones son las únicas ecuaciones rectoras y el término convectivo se desprecia, por lo tanto, el perfil de concentración en los poros de la membrana (\({C}_{i,m}\)) representa el equilibrio del componente material de la siguiente manera:

Para el caso de disolvente en el lado del tubo y gas en el lado de la carcasa, para una membrana seca (no humedecida), el coeficiente de difusión de CO2 en los poros de la membrana (\({D}_{i,m}\)) es determinado por la porosidad (\(\epsilon\)), la tortuosidad (\(\tau\)) de la membrana porosa y la difusión del componente en el lado de la cáscara (\({D}_{i,s}\) ):

Según el disolvente que fluye por el lado del tubo, para una membrana húmeda (mojadura total), el coeficiente de difusión de CO2 en los poros de la membrana (\({D}_{i,wm}\)) está determinado por la porosidad (\( \epsilon\)), tortuosidad (\(\tau\)) de la membrana porosa y la difusión del componente en el lado del tubo (\({D}_{i,t}\)):

El balance de materia que rige la ecuación de los componentes existentes en la película que cae está representado por el coeficiente de difusión en la película líquida (\({D}_{i,f}\)), la concentración del componente en el lado de la película (\ ({C}_{i,f}\)), y la velocidad de reacción \(({R}_{i,f})\), la velocidad de la película se puede despreciar porque es prolongada:

El perfil de concentración de dióxido de carbono (\({C}_{i,s})\) en el lado de la cáscara está representado por el coeficiente de difusión de CO2 en el lado de la cáscara (\({D}_{i,s}\ )), y el perfil de velocidad en el lado de la cáscara (\({V}_{z,s}\)), no se produce ninguna velocidad de reacción en el lado excepto en la película que cae:

Las ecuaciones de Navier-Stokes regulan el flujo de líquidos y pueden considerarse la segunda ley del movimiento de fluidos de Newton. Para un fluido newtoniano compresible, esto resulta en lo siguiente:

donde "u" representa la velocidad del fluido, "p" representa la presión del fluido, "ρ" representa la densidad del fluido y "μ" representa la viscosidad dinámica del fluido.

Los términos separados se refieren a las fuerzas de inercia, presión, viscosas y externas que actúan sobre el fluido. Los parámetros utilizados en el desarrollo del modelo se muestran en la Tabla 1.

Las propiedades físicas y químicas utilizadas en el modelado se muestran en la Tabla 2. La porosidad de una membrana cerámica de fibra hueca puede variar dependiendo de la membrana específica y su uso previsto. Sin embargo, en general, la porosidad de una membrana cerámica de fibra hueca puede oscilar entre el 30 y el 50%41.

Al considerar la cinética de la reacción, es posible expresarla como una reacción de segundo orden que involucra el primer orden de cada especie reactiva. Utilizando la siguiente fórmula, la velocidad de reacción se puede determinar a varias temperaturas46:

Utilizamos un programa de computadora llamado COMSOL Multiphysics versión 6.1® para crear un modelo del transporte de CO2 a través del lado del tubo, la membrana húmeda, la película que cae y el lado de la carcasa. El modelo utilizó un sistema de coordenadas cartesianas para estimar la concentración de CO2 en diferentes puntos del sistema. Para discretizar el dominio computacional, estamos utilizando grillas estructuradas de múltiples bloques, usándose la malla más densa en la región donde el gradiente de concentración es mayor y el fenómeno de flujo es más complejo (presumiblemente cerca de la película líquida), y la más suelta La malla se utiliza en la región del lado de la carcasa donde el cambio de velocidad es más pequeño y el fenómeno de flujo es más simple. Una vez completado el proceso de mallado, terminamos con un total de alrededor de 55.000 mallas. Esta información se muestra en la Fig. 2, que presumiblemente proporciona una representación visual del esquema de mallado.

Mallado óptimo de dominios contactores de membrana de película descendente generados utilizando Comsol Multiphysics 6.1. Imagen generada con Comsol Multiphysics versión 6.1 (comsol.com).

La Figura 3 muestra el enfoque de análisis de malla utilizado en la simulación y cálculo de la fracción de eliminación de CO2 en el contactor de membrana de película descendente. La eficiencia de eliminación de CO2 no cambia significativamente cuando el número de mallas supera las cincuenta mil.

Simulación de la fracción de eliminación de CO2 en el contactor de membrana de película descendente realizada con el software COMSOL 6.1, considerando el número de elementos de malla utilizados para la discretización.

La Figura 4 compara las predicciones del modelo matemático con datos experimentales para la eficiencia de eliminación de CO2 y el flujo de eliminación en función de la tasa de alimentación de gas de entrada. Los resultados indican que a medida que aumenta el caudal de gas inerte, la fracción de eliminación de CO2 disminuye mientras que la tasa de adsorción de CO2 aumenta47. Un mayor caudal de gas reduce la cantidad de tiempo que el CO2 pasa en el contactor de membrana, lo que lleva a una reducción en la eficiencia de eliminación de CO2. Por otro lado, un mayor caudal de gas proporciona más CO2 para la absorción, aumenta la turbulencia y disminuye la resistencia a la transferencia de masa del lado del gas, lo que contribuye a un aumento en la tasa de absorción de CO2. Sin embargo, este aumento se desacelera a medida que aumenta el caudal de gas porque la proporción de resistencia de la transferencia de masa en fase gaseosa disminuye y el proceso pasa a estar dominado por el control de la película líquida23. Las predicciones del modelo concuerdan con los datos experimentales, lo que demuestra su confiabilidad y lo convierte en una herramienta valiosa para investigar otros parámetros.

Comparación de las predicciones del modelo de flujo de eliminación de CO2 y eficiencia frente al caudal de gas en un contactor de membrana de película descendente con los datos experimentales correspondientes27.

La Figura 5 es un gráfico de superficie 2D que ilustra los cambios en la concentración de CO2 a través del módulo de membrana, donde la concentración de CO2 en el lado de la cubierta de la membrana disminuye debido a la absorción por la película de disolvente. Este mecanismo de absorción se usa comúnmente en procesos de separación de gases, lo que crea un gradiente de concentración a través de la membrana, impulsando el paso de CO2 desde la corriente de gas de alimentación al solvente. Como resultado, la concentración de CO2 en la corriente de alimentación disminuye a medida que pasa a través del módulo de membrana, mientras que la concentración de CO2 en la corriente de disolvente permeado aumenta48. Las flechas de flujo total indican la dirección del transporte de CO2 a través del lado de la carcasa, que finalmente se absorbe en la fina película de disolvente. En este caso, la película de disolvente absorbe CO2, creando un gradiente de concentración a través de las películas de líquido que caen. El gradiente de concentración creado por la absorción de CO2 por la película de disolvente impulsa el paso de CO2 desde la corriente de gas de alimentación hasta la película descendente de la membrana humedecida49. Sin embargo, la concentración de CO2 en la corriente de permeado está aumentando, lo que indica que el disolvente está capturando y transfiriendo más CO2 a través de la película de membrana humedecida50.

La gráfica de superficie del perfil de concentración de CO2 a través del módulo de membrana a una velocidad de alimentación de gas es de 100 ml/min y una velocidad de alimentación de líquido de 60 ml/min. La imagen fue generada usando Comsol Multiphysics versión 6.1 (comsol.com).

La Figura 6 demuestra que aumentar el caudal de líquido mejora la capacidad de absorber CO2 y la eficiencia de absorción. Esto se debe a dos razones principales: un mayor caudal de líquido da como resultado moléculas de MEA más activas, lo que mejora la capacidad de absorción y la cinética de reacción. En segundo lugar, el aumento de la turbulencia de la película líquida que cae aumenta el coeficiente de transferencia de masa, que es esencial para la transferencia de masa controlada en fase líquida. Sin embargo, es crucial evitar aumentar excesivamente el caudal de líquido, ya que el flujo de absorción alcanza una meseta51. El punto en el que el flujo de absorción alcanza una meseta depende del proceso de absorción específico y de las propiedades de la solución absorbente. Es esencial optimizar el caudal de líquido para lograr la mayor eficiencia de absorción posible sin exceder el punto donde el flujo de absorción se estabiliza52.

Efecto de la velocidad de alimentación de disolvente sobre la eficiencia de eliminación de la absorción y el flujo de eliminación de dióxido de carbono de un gas inerte (10% CO2/N2) en un contactor de membrana de película descendente.

La concentración típica de monoetanolamina (MEA) en los procesos de absorción de dióxido de carbono (CO2) puede variar según la aplicación y las condiciones de operación. Sin embargo, el rango típico es alrededor del 20 al 30 por ciento en peso (% en peso) de MEA53. Concentraciones más altas de MEA pueden aumentar la solubilidad del CO2 en el solvente y mejorar la eficiencia de eliminación de CO2, pero también aumentan el consumo de energía y el costo asociado con el proceso de regeneración.

La Figura 7 muestra que el efecto de la carga de dióxido de carbono (CO2) en monoetanolamina acuosa (MEA) sobre la fracción de eliminación de CO2 y el flujo de los gases de combustión simulados puede ser significativo. MEA se usa comúnmente como solvente en procesos de absorción química para capturar CO2 de gases de combustión, biogás y gas natural. A medida que aumenta la carga de CO2 en la solución MEA, la eficiencia y el flujo de eliminación de CO2 generalmente disminuyen54. Esto se debe a que cuando aumenta la concentración de CO2, se vuelve menos soluble en la solución MEA, lo que reduce la fuerza impulsora para la absorción de CO2. Además, cuando hay una mayor carga de CO2, se pueden formar partículas sólidas, también conocidas como "sales MEA", que reducen la eficiencia de eliminación de CO2 y aumentan la caída de presión en el absorbente55. Para mantener una alta eficiencia de eliminación de CO2 y un caudal elevado, es necesario regenerar periódicamente la solución MEA para eliminar el CO2 absorbido y mantener una concentración baja de CO2. La regeneración de la solución MEA implica calentarla para liberar el CO2, que luego generalmente se comprime y almacena para su uso posterior o su eliminación permanente. Controlar la carga de CO2 en la solución MEA es esencial para una captura efectiva de CO2 y al mismo tiempo minimizar el consumo de energía y el costo del proceso de regeneración al capturar CO2 del gas natural o de los gases de combustión56.

Efecto de la carga de CO2 en la solución acuosa de MEA sobre la eliminación de la fracción de CO2 y el flujo de eliminación para un contactor de membrana de película descendente. Velocidad de alimentación de gas 100 ml/min.

La Figura 8 demuestra cómo la velocidad de alimentación de gas afecta la fracción de eliminación de CO2 y el flujo para los casos de película descendente y membrana húmeda. En ambos casos, a medida que aumenta el caudal de gas, la eficiencia de eliminación de CO2 disminuye porque el gas tiene menos tiempo para disolver el CO2 en la película líquida debido a la duración reducida del contacto. Además, un mayor caudal de gas puede alterar la película líquida, provocando un menor contacto entre las fases gaseosa y líquida, reduciendo aún más la eficiencia de eliminación de CO2. Por el contrario, el aumento en el flujo de CO2 a medida que aumenta el caudal de gas en una capa descendente de MEA puede atribuirse a una mayor turbulencia y una mejor mezcla a caudales de gas más altos. Esta turbulencia aumentada facilita una mejor interacción entre las fases gaseosa y líquida, lo que resulta en una mejor transferencia de CO2 del gas al líquido. Además, el aumento del caudal de gas conduce a una película de líquido más delgada, lo que reduce la resistencia de la película y aumenta aún más el flujo de eliminación de CO257. Como resultado, aunque la eficiencia de eliminación de CO2 disminuye con mayores caudales de gas, como se explicó anteriormente, el flujo de CO2 puede aumentar. Esto se debe a que la mayor transferencia de masa y la menor resistencia de la película asociadas con mayores tasas de flujo de gas contribuyen a una mayor tasa de transferencia de CO237. En un sistema de membrana húmeda, el espesor de la membrana y la velocidad de permeación del gas pueden limitar la tasa de absorción. Por el contrario, un sistema de película descendente tiene una relación superficie-volumen más alta, lo que da como resultado una tasa de absorción más alta58.

Comparación entre las membranas de modo descendente y húmedo para determinar el efecto del caudal de gas de entrada sobre la eficiencia de eliminación de CO2 y el flujo de eliminación.

Según los resultados de la simulación, el sistema de membrana de película descendente ofrece una tasa de absorción de CO2 y un flujo de eliminación más altos que el sistema de membrana húmeda. El sistema de película descendente ofrece una eficiencia de eliminación de CO2 promedio del 85 % con un flujo de eliminación de 0,82 mol/m3 s, mientras que el sistema de membrana húmeda logra una eficiencia de eliminación promedio del 60 % con un flujo de eliminación de 0,55 mol/m3 s. Estos hallazgos cuantitativos indican que la película descendente presenta una opción más óptima para lograr niveles elevados de eliminación de CO2 en aplicaciones específicas. Se observó una buena concordancia entre los datos experimentales y las predicciones del modelo, con un error promedio de alrededor del 4%. Las ecuaciones rectoras del modelo se han resuelto con éxito utilizando COMSOL Multiphysics versión 6.1. Los hallazgos demostraron que tasas de flujo de gas más altas podrían reducir la resistencia a la transferencia de masa en el lado del gas, lo que resultaría en un aumento tanto en el flujo de eliminación como en la reducción de la eficiencia de eliminación. A medida que aumenta la carga de CO2 en MEA, puede provocar una disminución tanto en la eficiencia de eliminación como en el flujo de eliminación. La fuerte concordancia observada entre el modelo matemático desarrollado en este estudio y los datos experimentales demuestra la confiabilidad e idoneidad del modelo para investigar el proceso de absorción de CO2 en soluciones MEA utilizando sistemas de membranas de película descendente y húmedas. Estas investigaciones pueden ampliar nuestra comprensión de los procesos de absorción de CO2 y contribuir al desarrollo de sistemas de captura de carbono más eficientes y versátiles.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

Se ha publicado una corrección a este artículo: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39137-y

Rohani, R., Yusoff, II, Amran, NFA, Naim, R. & Takriff, MS Comparación del rendimiento de separación de la columna de absorción y el sistema de contactor de membrana para biohidrógeno mejorado a partir de la fermentación de efluentes de molinos de aceite de palma. Reinar. Prog. Sostener. Energía 40, 25 (2021).

Google Académico

Ghasem, N. Eliminación de CO2 del gas natural. En Avances en la captura de carbono 479–501 (Elsevier, 2020).

Google Académico

Olabi, AG y cols. Captura de carbono basada en membranas: avances recientes, desafíos y su papel en el logro de los objetivos de desarrollo sostenible. Quimiosfera 320, 5 (2023).

Google Académico

Imtiaz, A. et al. Una revisión crítica del progreso reciente de los contactores de membrana de fibra hueca para separaciones eficientes de CO2. Quimiosfera 325, 2 (2023).

Google Académico

Ho, C.-D., Chang, H., Chen, Y.-H., Chew, TL y Ke, J.-W. Investigación sobre el rendimiento de la absorción de CO2 en contactores cerámicos de membrana gas/líquido de fibra hueca. Membranas (Basilea) 13, 25 (2023).

Google Académico

Fattah, IMR, Farhan, ZA, Kontoleon, KJ, Kianfar, E. y Hadrawi, SK Absorción de dióxido de carbono basada en contactor de membrana de fibra hueca: extracción: una revisión. Macromol. Res. 20, 1–27 (2023).

Google Académico

Hou, R., Fong, C., Freeman, BD, Hill, MR y Xie, Z. Estado actual y avances en la tecnología de membranas para la captura de carbono. Sep. Purif. Tecnología. 300, 121863 (2022).

CAS Google Académico

Pahija, E., Golshan, S., Blais, B. & Boffito, DC Perspectivas sobre la intensificación del proceso de captura y utilización de CO2. Química. Ing. Proceso. Intensivo. 176, 108958 (2022).

CAS Google Académico

Lee, Y., Park, Y.-J., Lee, J. y Bae, T.-H. Avances recientes y aplicaciones emergentes de contactores de membrana. Química. Ing. J. 20, 141948 (2023).

Google Académico

Amirabedi, P. et al. Separación de CO2/N2 mediante solución acuosa de glicerol en un módulo contactor de membrana de fibra hueca: simulación CFD y validación experimental. Sep. Purif. Tecnología. 10, 42157–42167 (2022).

Google Académico

Wu, J. y col. Características de la absorción de CO2 por N,N-dimetiletanolamina (DMEA) en contactor de membrana de fibra hueca. Huagong Jinzhan/Chem. Ing. de Indiana. Prog. 41, 2132-2139 (2022).

Google Académico

Cesari, L., Castel, C. y Favre, E. Contactores de membrana para procesos intensificados de absorción gas-líquido con disolventes físicos: un estudio paramétrico crítico. J. Miembro. Ciencia. 635, 119377 (2021).

CAS Google Académico

Noordokht, M. & Abdoli, SM La eliminación de CO2 de los gases de combustión mediante un contactor de membrana de fibra hueca: un modelado integral y nuevas perspectivas. Adv. Reinar. Tecnología. 7, 47–56 (2021).

Google Académico

Ghasem, N. Modelado y simulación de la mejora de la absorción de CO2 en contactores de membrana de fibra hueca utilizando nanofluidos CNT a base de agua. J. Miembro. Ciencia. Res. 5, 295–302 (2019).

CAS Google Académico

Ghasem, N. Modelado y simulación del tamaño del orificio de fibra hueca en la absorción de CO2 en un contactor de membrana. Química. Pinchar. Modelo de proceso. 15, 25 (2020).

Google Académico

Mousavian, S. y col. Modelado y simulación de absorción de CO2 mediante membranas de fibra hueca (HFM) con monoetanolamina con dinámica de fluidos computacional. J. Medio Ambiente. Química. Ing. 8, 25 (2020).

Google Académico

Kianfar, E. & Khazar, SG Modelado y simulación de dinámica de fluidos computacional (CFD) de la absorción de CO2 utilizando una solución de monoetanolamina (mea) en un contactor de membrana de fibra hueca (HFM). Computadora. Dinámico fluido. Adv. Res. Aplica. 20, 97-123 (2021).

Google Académico

Ghobadi, J. y col. Modelización matemática de la separación de CO2 mediante membranas de fibras huecas de diferentes diámetros. En t. J. Greenh. Control de gases 104, 25 (2021).

MathSciNetGoogle Académico

Ho, C.-D. et al. Estudios teóricos y experimentales de absorción de CO2 en contactores de membrana de placa plana de doble unidad. Membranas (Basilea) 12, 25 (2022).

Google Académico

Goyal, N., Suman, S. y Gupta, SK Modelado matemático de la separación de CO2 de una mezcla gaseosa utilizando un módulo de membrana de fibra hueca: mecanismo físico e influencia de la humectación parcial. J. Miembro. Ciencia. 474, 64–82 (2015).

CAS Google Académico

Yin, Y. et al. Medición experimental y predicción de modelado de la transferencia de masa en un contactor de membrana de fibra hueca utilizando soluciones de amina terciaria para la absorción de CO2. Ing. de Indiana. Química. Res. 61, 9632–9643 (2022).

CAS Google Académico

Fu, H. y col. Captura de CO2 basada en membrana cerámica Al2O3 con modificación hidrófoba. J. Eur. Cerámica. Soc. 43, 3427–3436 (2023).

CAS Google Académico

Xue, K., Fu, H., Chen, H., Zhang, H. y Gao, D. Investigación de la humectación de membranas para la captura de CO2 mediante un contactor gas-líquido basado en una membrana cerámica. Sep. Purif. Tecnología. 304, 122309 (2023).

CAS Google Académico

Abdolahi-Mansoorkhani, H. & Seddighi, S. Captura de CO2 mediante contactor de membrana de fibra hueca modificada: estudio numérico sobre la estructura y la humectabilidad de la membrana. Proceso de combustible. Tecnología. 209, 25 (2020).

Google Académico

Qi, W., Fu, K., Chen, X., Qiu, M. & Fan, Y. Película líquida que cae sobre una membrana cerámica porosa hidrófila para aumentar la absorción de CO2. Sep. Purif. Tecnología. 303, 25 (2022).

Google Académico

Sun, J. y col. Estudio sobre el rendimiento robusto de absorción de un contactor de membrana hidrófilo para captura directa de aire. Sep. Purif. Tecnología. 309, 25 (2023).

Google Académico

Qi, W., Fu, K., Chen, X., Qiu, M. & Fan, Y. Película líquida que cae sobre una membrana cerámica porosa hidrófila para aumentar la absorción de CO2. Sep. Purif. Tecnología. 303, 122238 (2022).

CAS Google Académico

Zhang, H., Xue, K., Cheng, C., Gao, D. y Chen, H. Estudio sobre el rendimiento de la captura de CO2 de los gases de combustión con un contactor de membrana cerámica. Sep. Purif. Tecnología. 265, 118521 (2021).

CAS Google Académico

Kim, S., Scholes, CA, Heath, DE y Kentish, SE Contactores de membrana gas-líquido para la separación de dióxido de carbono: una revisión. Química. Ing. J. 411, 128468 (2021).

CAS Google Académico

Bavarella, S. et al. Absorción de CO2 en amoníaco acuoso mediante contactores de membrana: papel de la química de los disolventes y el tamaño de los poros en la formación de sólidos para la regeneración de disolventes de baja energía. Sep. Purif. Tecnología. 290, 25 (2022).

Google Académico

Bozonc, A.-C., Cormos, A.-M., Dragan, S., Dinca, C. & Cormos, C.-C. Modelado dinámico del proceso de absorción de CO2 utilizando un contactor de membrana de fibra hueca en solución MEA. Energías 15, 24 (2022).

Google Académico

Ghasem, N. Modelado y simulación del impacto de la perturbación del gas de alimentación en la eliminación de CO2 en una membrana polimérica de fibra hueca. Polímeros 14, 25 (2022).

Google Académico

Elhambakhsh, A. & Keshavarz, P. Contactores de membrana de fibra hueca Sono: un nuevo enfoque para la separación de CO2 mediante absorbentes físicos/químicos. J. Nat. Ciencia del gas. Ing. 101, 25 (2022).

Google Académico

Hidalgo, D., Sanz-Bedate, S., Martín-Marroquín, JM, Castro, J. & Antolín, G. Separación selectiva de CH4 y CO2 mediante contactores de membrana. Renovar. Energía 150, 935–942 (2020).

CAS Google Académico

Wenten, IG, Wardani, AK, Khoiruddin, K. y Ariono, D. Estudio preliminar de la absorción de CO2 sin humedad a través de un difusor de membrana. Conferencia de la PIO. Ser. Madre. Ciencia. Ing. 823, 25 (2020).

Google Académico

Khan Swati, I. et al. Absorción de disolventes no dispersivos de CO2 postcombustión en contactores de membrana que utilizan líquidos iónicos. J. Mol. Licuado. 351, 25 (2022).

Google Académico

Kancherla, R., Nazia, S., Kalyani, S. & Sridhar, S. Modelado y simulación para el diseño y análisis de procesos de separación basados ​​en membranas. Computadora. Química. Ing. 148, 107258 (2021).

CAS Google Académico

Nakhjiri, AT, Heydarinasab, A., Bakhtiari, O. & Mohammadi, T. Modelado y simulación de la separación de CO2 a partir de una mezcla gaseosa de CO2/CH4 utilizando absorbentes líquidos de glicinato de potasio, argininato de potasio e hidróxido de sodio en el contactor de membrana de fibra hueca. J. Medio Ambiente. Química. Ing. 6, 1500-1511 (2018).

CAS Google Académico

Yuan, C. y col. Modelado de la absorción de CO2 en una solución de 4-dietilamino-2-butanol en un contactor de membrana en condiciones húmedas o no humectantes. Ciencia de captura de carbono. Tecnología. 5, 24 (2022).

Google Académico

Fu, H. y col. Estudio sobre el rendimiento de la captura de CO2 de los gases de combustión con contactores cerámicos y de membrana de PTFE. Energía 263, 14 (2023).

Google Académico

Li, Y., Ma, Y., Li, Y. & Li, S. Procesamiento y propiedades de permeación de microestructura de una membrana cerámica de carburo de silicio unida a sílice. J. Eur. Cerámica. Soc. 41, 7525–7532 (2021).

CAS Google Académico

Cussler, EL Valores de los coeficientes de difusión. Difuso. Transf. masiva. Sistema de fluidos 20, 105-145 (1997).

Google Académico

Paul, S., Ghoshal, AK y Mandal, B. Eliminación de CO2 mediante disolventes de alcanolamina acuosa únicos y mezclados en un contactor de membrana de fibra hueca: modelado y simulación. Ing. de Indiana. Química. Res. 46, 2576–2588 (2007).

CAS Google Académico

Magnone, E., Lee, HJ, Shin, MC y Park, JH Un estudio de comparación de rendimiento de cinco absorbentes de aminas simples y dieciséis mezclados para la captura de CO2 utilizando contactores de membrana de fibra hueca cerámica. J. Ind. Ing. Química. 100, 174–185 (2021).

CAS Google Académico

Iversen, SB, Bhatia, VK, Dam-Johansen, K. & Jonsson, G. Caracterización de membranas microporosas para uso en contactores de membrana. J. Miembro. Ciencia. 130, 205–217 (1997).

CAS Google Académico

Barth, D., Tondre, C. y Delpuech, J.-J. Investigaciones de flujo detenido de la cinética de reacción del dióxido de carbono con algunas alcanolaminas primarias y secundarias en soluciones acuosas. En t. J. química. Cinet. 18, 445–457 (1986).

CAS Google Académico

Rezaeian Kouchi, L., Mohammad Ghoreishi, S. y Reza Rahimpour, M. Estudio de simulación de la captura de dióxido de carbono en un novedoso contactor de lámina líquida giratoria. Combustible 333, 126322 (2023).

CAS Google Académico

He, X., Lei, L. & Chu, Y. En el Capítulo 9: Membranas de transporte facilitadas para la eliminación de CO2 del gas natural (eds Basile, A. & Favvas, EP) 261–288 (Elsevier, 2018). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813645-4.00009-X.

Capítulo Google Scholar

Basile, A., Gugliuzza, A., Iulianelli, A. & Morrone, P. 5—Tecnología de membranas para la captura de dióxido de carbono (CO2) en centrales eléctricas. En Woodhead Publishing Series in Energy (eds Basile, A. & Nunes, SP) 113–159 (Woodhead Publishing, 2011). https://doi.org/10.1533/9780857093790.2.113.

Capítulo Google Scholar

Lei, L. y col. Membranas de carbono para la eliminación de CO2: estado y perspectivas desde los materiales hasta los procesos. Química. Ing. J. 401, 126084 (2020).

CAS Google Académico

Demontigny, D., Tontiwachwuthikul, P. & Chakma, A. Estudios paramétricos de absorción de dióxido de carbono en soluciones de monoetanolamina altamente concentradas. Poder. J. química. Ing. 79, 137-142 (2001).

CAS Google Académico

Hernández-Romero, IM, Flores-Tlacuahuac, A., Nápoles-Rivera, F., Esquivel-Patiño, GG & García-Pardo, ML Optimización multiobjetivo del proceso de absorción-desorción de aminas-captura de CO2 mediante una tasa de no equilibrio modelo. Química. Ing. Res. Des. 187, 93-104 (2022).

Google Académico

Ma, C., Pietrucci, F. y Andreoni, W. Captura y liberación de CO2 en soluciones acuosas de monoetanolamina: nuevos conocimientos a partir de la dinámica de reacción de los primeros principios. J. química. Computación teórica. 11, 3189–3198 (2015).

CAS PubMed Google Académico

Melnikov, SM & Stein, M. El efecto de la carga de CO2 sobre absorbentes de alcanolaminas en soluciones acuosas. Física. Química. Química. Física. 21, 18386–18392 (2019).

CAS PubMed Google Académico

Putta, KR, Pinto, DDD, Svendsen, HF y Knuutila, HK Absorción de CO2 en soluciones acuosas cargadas de MEA: evaluación de la cinética mediante la teoría de la penetración. En t. J. Greenh. Control de gas 53, 338–353 (2016).

CAS Google Académico

Aghel, B., Janati, S., Wongwises, S. y Shadloo, MS Revisión sobre la captura de CO2 mediante soluciones de aminas mezcladas. En t. J. Greenh. Control de gases 119, 103715 (2022).

CAS Google Académico

Zhang, F., Guo, L., Ding, Y., Zhu, X. y Liao, Q. Patrón de flujo y absorción de CO 2 en un reactor de película descendente con una solución acuosa mixta de líquido iónico y MEA. Aplica. Termia. Ing. 138, 14 (2018).

Google Académico

Sehgal, S., Alvarado, JL, Hassan, IG y Kadam, ST Una revisión exhaustiva de los desarrollos recientes en absorbentes de película descendente, pulverización, burbujas y microcanales para sistemas de absorción. Renovar. Sostener. Energía Rev. 142, 110807 (2021).

CAS Google Académico

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Este trabajo fue apoyado por la oficina de investigación de la Universidad de los Emiratos Árabes Unidos, EAU (Subvención No. 31N374).

Departamento de Ingeniería Química y del Petróleo, Universidad de los Emiratos Árabes Unidos, PO Box 15551, Al Ain, EAU

Nayef Ghasem

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Todo el artículo está modelado y simulado por el autor correspondiente.

Correspondencia a Nayef Ghasem.

El autor no declara intereses en competencia.

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Se revisó la versión original en línea de este artículo: La versión original de este artículo contenía un error en la Referencia 14, que se proporcionó incorrectamente como: Ghasem, N. & Al-Marzouqi, M. Modeling and experimental Study of carbon dióxido absortion in a Contactor de membrana de hoja plana. J. Miembro. Ciencia. Res. 3, 25 (2017). La referencia correcta es: Ghasem, N. Modelado y simulación de mejora de la absorción de CO2 en contactores de membrana de fibra hueca utilizando nanofluidos a base de agua CNT. J. Miembro. Ciencia. Res. 5, 295–302 (2019).

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Reimpresiones y permisos

Ghasem, N. Absorción eficiente de CO2 a través de contactores de membrana de película descendente y húmeda: conocimientos a partir del modelado y la simulación. Informe científico 13, 10994 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38249-9

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Recibido: 09 de abril de 2023

Aceptado: 05 de julio de 2023

Publicado: 07 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38249-9

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