Thermodynamics of novel CO2 solvents

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-06-07

Department

Major/Subject

Kemian tekniikka ja prosessit

Mcode

CHEM3050

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

30

Series

Abstract

The rising CO2 levels in the atmosphere have increased the demand for effective CO2 capture technologies. This thesis investigates the use of highly basic organic superbases, specifically DBN and DBN, as potential alternatives to traditional amine-based solvents in non-aqueous carbon systems. Due to their strong proton affinity, superbases can chemically bind CO2, offering advantages such as lower regeneration energy, improved thermal stability, and reduced volatility. This study investigates how CO2 behaves in superbase-based systems, particularly in binary mixtures with alcohols. It highlights the influence of solvent properties, such as viscosity and polarity. Comparative analysis suggests that DBN exhibits superior performance due to its favourable physical and chemical characteristics. To predict and optimize CO2 solubility in these systems, the thesis reviews thermodynamic modelling approaches, with a focus on the Reaction Equilibrium Thermodynamic Model (RETM) and its extension, the Active DESs model. These models incorporate both physical solubility and chemical reactivity. Parameters such as Henry’s constant and active component ratios were fitted using experimental data, achieving high correlation coefficients. This thesis demonstrates that superbases, especially in combination with tailored solvent systems, hold strong potential for scalable, energy-efficient CO2 capture. Modelling tools like RETM provide valuable insights that support the design and optimization of these advanced solvent systems.

Hiilidioksidin (CO2) talteenottoteknologioiden kehittäminen on tärkeämpää kuin koskaan ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi. Hiilidioksidikaasu on yksi merkittävimmistä ihmistoiminnan aiheuttamista haasteista. CO2:n kertyminen ilamakehään kiihdyttää ilmaston lämpenemistä. Se uhkaa sekä luonnon monimuotoisuutta, että ihmisten elinolosuhteita. Nykyisin käytössä olevat talteenottomenetelmät kärsivät tietyistä rajoitteista, minkä vuoksi on kehitettävä uusia menetelmiä hiilidioksidin talteenotolle. CO2:n talteenottoon käytetyt perinteiset amiinit, kuten monoetanoliamiini (MEA), ovat laajasti tutkittuja, mutta kärsivät merkittävistä rajoitteista, kuten korkeasta regenerointienergiasta ja korroosiosta. Tämän kandidaattityön tavoitteena on ollut tarkastella superemäksien käyttöä vaihtoehtoina perinteisille amiineille CO2:n talteenotossa ei-vesipohjaisissa liuotinsysteemeissä. Superemäkset (engl. superbase), kuten DBN ja DBU, tarjoavat lupaavia etuja: ne omaavat korkean emäksisyyden ja vahvan protoniaffiniteetin. Superemäkset pystyvät vahvan protoniaffiniteettinsa ansiosta sitomaan CO2:ta kemiallisesti. Nämä ominaisuudet voivat vähentää esimerkiksi regeneroinnin energiakulutusta. Työssä keskityttiin erityisesti DBU:n ja DBN:n käyttäytymiseen erilaisissa liuottimissa, pääosin alkoholeihin ja glyseroliin perustuvissa systeemeissä. DBU- ja DBN-pohjaiset liuottimet ovat osoittaneet suurta CO2:n absorptiokapasiteettia ja mahdollistavat energiataloudellisen regeneroinnin, mikä tekee niistä lupaavia myös teollisen mittakaa- van sovelluksissa. Molemmilla superemäksillä on vahvuutensa. DBN on osoittanut parempaa suorituskykyä matalamman viskositeetin ansiosta. Toisaalta DBU-pohjaiset liuokset omaavat korkeamman kiehumispisteen, mikä tekee niistä lupaavan vaihtoehdon. Alkoholipohjaiset liuottimet tukevat protoninsiirtoa, mikä parantaa CO2:n sitoutumista. Alkoholeista etyleeniglykoli osoittautuu lupaavimmaksi vaihtoehdoksi. Kuitenkin sen haihtuvuus ja kemiallinen stabiilisuus vaativat hallintaa. Glyseroli on stabiilimpi ja vähemmän haihtuva, mutta sen korkea viskositeetti voi olla rajoittava tekijä. CO2:n liukoisuuden ennustamiseksi ja optimoinniksi työssä analysoidaan termodynaamisia mallinnusmenetelmiä. Erityisesti tarkastelussa ovat Reaction Equilibrium Thermodynamic Model (RETM) sekä sen laajennus, Active DES -malli. Mallit yhdistävät fysikaalisen ja kemiallisen liukoisuuden, ja niiden parametrit, kuten Henryn vakio, on sovitettu kokeelliseen dataan korkealla korrelaatiotarkkuudella. Nämä mallit osoittavat korkeaa ennustetarkkuutta ja hyvää korrelaatiota kokeelliseen dataan. Tulokset osoittavat, että superemäkset DBN ja DBU yhdessä optimoitujen liuotinjärjestelmien kanssa muodostavat käyttökelpoisen ja energiatehokkaan ratkaisun CO2:n talteenottoon. RETM- ja Active DES –mallit tarjoavat käyttökelpoisia työkaluja tällaisten järjestelmien suunnitteluun ja kehittämiseen. Tutkimuksessa saadut havainnot vahvistavat superemäksien potentiaalia CO2:n talteenotossa, erityisesti optimoitujen liuotinjärjestelmien yhteydessä, mikä luo pohjan jatkotutkimukselle ja teolliselle sovellukselle.

Description

Supervisor

Aromaa, Jari

Thesis advisor

Uusi-Kyyny, Petri

Keywords

DBU, DBN, superbase, CO2 capture, CO2 solubility

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202506104422

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM