Development of metal-organic framework carbon composites for carbon dioxide and methane separation
Développement de matériaux composites adsorbants réseaux organométalliques–carbones pour la séparation de dioxyde de carbone et de méthane
Résumé
Carbon dioxide (CO2), which is the major contaminant present in raw natural gas and biogas need to be extracted to increase their methane (CH4) content and match the standards of pipeline injection. In recent years, a family of porous materials, magnesium-based Metal Organic Framework (Mg-MOF-74), has opened new perspectives for this purpose thanks to strong adsorption affinity of CO2 with exposed metallic sites in the crystalline network. This material is a potential good adsorbent candidate for the enrichment in CH4 of natural gas and biogas by Pressure Swing Adsorption processes. The present study proposes to examine the CO2 adsorption performances and separation ability from CH4 of Mg-MOF-74 materials doped with carbon nanotubes and graphene oxide. The objective is to improve the texture of the materials to promote the diffusion of gas molecules into micropores and their accessibility to adsorption sites. The materials were synthesized under solvothermal reaction and characterized by PXRD, FTIR, FESEM, TGA and physisorption of nitrogen at 77K. The adsorption equilibria and energies were measured using manometric method in a pressure range up to 35 bar and at 25°C, 50°C and 75°C. The sorption kinetics of CO2 and CH4 on the materials were studied from manometric experiments and using the Zero Length Column method at 25°C, 50°C and 75°C. At an optimized content of the doping agents of 0.3 wt%, Brunauer–Emmett–Teller model shows that the specific surface area is increased for both composites, by more than 21% compared to the pristine material. The equilibrium data indicates that the CO2 adsorption capacity is significantly improved in the whole range of operating conditions for both composites compared to the pristine material, whereas the CO2/CH4 adsorption selectivity appears either comparable or better as a function of temperature.
Le dioxyde de carbone (CO2), principal contaminant des gaz naturels bruts et du biogaz doit être extrait en vue d’un enrichissement en méthane (CH4) compatible avec les spécifications d’injection en réseaux de gaz naturel. Au cours des dernières années, une famille de matériaux poreux de type réseaux organométalliques à base de magnésium (Mg-MOF-74) a ouvert une nouvelle perspective à cet effet en raison d’une excellente affinité des sites métalliques exposés au sein de la structure cristalline pour l’adsorption du CO2. Ce matériau est un adsorbant potentiellement bon candidat pour l’enrichissement en CH4 de gaz naturel et de biogaz par des procédés opérant en modulation de pression. La présente étude propose d’examiner l’amélioration des performances d'adsorption du CO2 en mélange avec le CH4 par dopage du matériau Mg-MOF-74 avec des nanotubes de carbone et de l'oxyde de graphène. L'objectif est d'améliorer les propriétés texturales pour favoriser la diffusion des molécules des gaz dans les micropores et leur accessibilité aux sites d'adsorption. Les matériaux ont été synthétisés sous réaction solvothermique et caractérisés par DRX, IRTF, MEB, ATG et physisorption d’azote à 77K. Les équilibres et énergies d'adsorption ont été mesurées suivant une méthode manométrique dans une gamme de pression allant jusqu'à 35 bar et à 25°C, 50°C et 75°C. La cinétique de sorption a été étudiée à partir d’expériences de manométrie et de la méthode dite « Zero Length Column » à 25°C, 50°C et 75°C. A une teneur optimisée à 0,3% en masse d’agent dopant, le modèle de Brunauer–Emmett–Teller montre que la surface spécifique des matériaux dopés est augmentée de plus de 21% par rapport à celle du matériau non-dopé. Les données d'équilibre indiquent que la capacité d’adsorption en CO2 est sensiblement améliorée pour les matériaux dopés dans toute la gamme opératoire étudiée, tandis qu’ils démontrent une sélectivité comparable ou améliorée, dépendante de la température.
Origine : Version validée par le jury (STAR)