Investigation of electrochemical CO2 capture system

Abstract

Fossil fuels have been used as a primary energy source for many years to meet the increasing energy demand since the industrial revolution. Fossil fuels are an important source of carbon that triggers global warming and climate change. To reduce the accumulation of carbon dioxide in the atmosphere, carbon capture has become more important. Conventional carbon capture technology is a thermally regenerated amine-based capture based on monoethanolamine (MEA). In this process, carbon dioxide is captured in an absorption column with the amine solution, and CO2-amine solution is sent to the stripping column, where the solution is heated to release the captured CO2 and regenerate the amine solution. However, an important disadvantage of this process is that it requires high energy for the CO2 release step. Recently, electrochemical CO2 capture process is proposed in the literature to decrease the energy requirement. The aim of this study is to investigate the electrochemical CO2 capture process using homopiperazine (HPZ). Unlike the conventional CO2 capture process, the CO2 release step is performed using an electrochemical cell. In the anode compartment of this electrochemical cell, the formed CO2-amine complexes are converted into amine-metal complexes from which the CO2 is released. The amine-metal complexes are then sent to the cathode, where the complex decomposes and metal deposition occurs. Laboratory-scale studies of the electrochemical capture process using MEA and HPZ as solvent were carried out. In the obtained results, it was found that HPZ has higher CO2 capture capacity and CO2 release rate than MEA and a similar CO2 absorption rate as MEA. In addition, UV-Vis spectra analyses showed that the reaction rate at the anode was much higher than the reaction rate at the cathode for both amines.

Fosil yakıtlar, sanayi devriminden bu yana artan enerji talebini karşılamak için uzun yıllardır birincil enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. Fosil yakıtlar, küresel ısınmayı ve iklim değişikliğini tetikleyen önemli bir karbon kaynağıdır. Atmosferdeki karbondioksit birikimini azaltmak için karbon yakalama daha önemli bir hale gelmiştir. Geleneksel karbon yakalama teknolojisi, monoetanolamin (MEA) kullanılan termal olarak rejenere-amin bazlı bir yakalama işlemidir. Bu işlemde, karbondioksit, amin solüsyonu ile bir absorpsiyon kolonunda tutulur ve CO2-amin solüsyonu, yakalanan CO2'yi serbest bırakmak ve amin solüsyonunu rejenere etmek için solüsyonun ısıtıldığı sıyırma (stripping) kolonuna gönderilir. Ancak bu işlemin önemli bir dezavantajı, CO2 salma adımı için yüksek enerji gerektirmesidir. Son zamanlarda, enerji ihtiyacını azaltmak için literatürde elektrokimyasal CO2 yakalama işlemi önerilmiştir. Bu çalışmanın amacı, homopiperazin (HPZ) kullanılarak elektrokimyasal CO2 yakalama sürecini araştırmaktır. Geleneksel CO2 yakalama işleminin aksine, CO2 salma adımı bir elektrokimyasal hücre kullanılarak gerçekleştirilir. Bu elektrokimyasal hücrenin anot bölmesinde oluşan CO2-amin kompleksleri, CO2'nin serbest bırakıldığı amin-metal komplekslerine dönüştürülür. Amin-metal kompleksleri daha sonra kompleksin ayrıştığı ve metal birikiminin meydana geldiği katoda gönderilir. Çözücü olarak MEA ve HPZ kullanılan elektrokimyasal yakalama işleminin laboratuvar ölçekli çalışmaları yapılmıştır. Elde edilen sonuçlarda, HPZ'nin MEA'ya göre daha yüksek CO2 tutma kapasitesine ve CO2 salma hızına, MEA ile benzer bir CO2 absorpsiyon hızına sahip olduğu bulunmuştur. Ayrıca UV-Vis spektrum analizleri, her iki amin için anottaki reaksiyon hızının katottaki reaksiyon hızından çok daha yüksek olduğunu göstermiştir.