Elaboration de composites MOF-polymères pour la capture de CO2 par adsorption modulée en pression dans le contexte de l'enrichissement de biométhane

Elaboration of Metal Organic Framework - polymer composites for CO2 capture by Pressure Swing Adsorption in the context of bio-CH4 enrichment

• Auteur / Autrice : Muhamad Tahriri Bin rozaini
• Direction : Pascaline Pré, Mohamad Azmi Bustam
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et bioprocédés
• Date : Soutenance le 09/10/2024
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire en cotutelle avec Université de technologie de Petronas (1997-.... ; Seri Iskandar, Perak, Malaisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et le numérique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Valorisation Energie-matière des Résidus et Traitement des Emissions - Génie des Procédés Environnement – Agroalimentaire (GEPEA) (Saint-Nazaire)
• Jury : Président / Présidente : Maria Concepción Ovin Ania
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guy De Weireld, Xavier Py, Denys Grekov, Igor Bezverkhyy, Hashim Haslenda, Nik Abdul Hadi Bin Sapiaa, Yin Fong Yeong
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guy De Weireld, Xavier Py

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Adsorption

Biogaz

Composites

Captage et stockage du dioxyde de carbone

Mots clés libres

Adsorption

Mof

Matériaux composites

Simulation

Procédés PSA

Biométhane

Adsorption

Mof

Composite materials

Simulation

Psa

Biomethane

Résumé

HKUST-1 est l’un des MOFs fréquemment étudiés comme adsorbant pour la séparation CO2/CH4 compte tenu de sa disponibilité commerciale et de grande capacité d’adsorption du CO2. Néanmoins, les voies de synthèse actuelles mises en oeuvre à l’échelle industrielle conduisent à l’obtention de poudres auxquelles des post-traitements de mise en forme sont nécessaires. La mise en forme de HKUST-1 par extrusion en utilisant deux liants thermoplastiques : TPU, (thermoplastic polyurethane) et PLA (polylactic acid) a été réalisé, dans le but de fabriquer un adsorbant avec une bonne tenue mécanique et une stabilité à l’humidité améliorée en vue de sa mise en oeuvre dans un procédé PSA. La caractérisation par DRX, MEB et ATG a confirmé la préservation de la structure cristalline du HKUST-1, ainsi que l’absence de dégradation thermique des composites jusqu'a 523 K. Les mesures d’isothermes d’adsorption CO2/CH4 mettent en évidence une augmentation des capacités d’adsorption en CO2 et CH4 des deux composites, de l’ordre de 16-30% par rapport au HKUST-1. Après un stockage prolongé des matériaux en conditions humides, HKUST-1/TPU et HKUST-1/PLA présentent respectivement des diminutions de 10% et 25% des capacités d’adsorption de CO2, contre 54% pour le HKUST-1 pur. Enfin, une simulation du procédé PSA en utilisant HKUST-1/PLA comme adsorbant, a été appliquée à un mélange équimolaire CO2/CH4. La simulation montre que la production d’un d’un raffinat enrichi en CH4 avec une pureté de 99,7%, est associé à un taux de récupération faible en CH4 de 22,6% et consommation d’énergie de 0,15 kWh. Nm-3 CH4, ce qui doit être amélioré en optimisant les paramètres du procédé.

HKUST−1 is one of MOFs frequently studied as an adsorbent for CO2/CH4 separation thanks to its high CO2 adsorption capacity and commercial availability. It is often produced in powder form and thus requires a post-shaping process for use as an adsorbent in fixed-bed separation processes. Powdered HKUST−1, was extruded into pellets using two thermoplastic binders: TPU, (thermoplastic polyurethane) and PLA (polylactic acid), with the aim to fabricate an adsorbent with a good mechanical and moisture stability for use in PSA process. The characterization of the HKUST-1 composites (HKUST-1/PLA and HKUST-1/TPU) was determined via XRD, TGA, SEM-EDS, and an N2 adsorption isotherm analysis The gas-separation performances of the materials were measured by CO2 and CH4 isotherms. The composites preserved the HKUST−1’s crystalline structure and they are also thermically stable under 523 K, whilst their textural properties were not significantly modified compared with the pristine HKUST−1. Furthermore, both composites exhibited larger CO2 and CH4 adsorption capacities in comparison to the pristine HKUST−1. After three months of storage under atmospheric humid conditions, CO2 adsorption capacities were reduced to only 10% for HKUST−1/TPU, whereas reductions of about 25% and 54% were observed for HKUST−1/PLA and the pristine HKUST−1, respectively. Finally, PSA simulation for CO2/CH4 separation was carried out to asses the viability of using the composite as adsorbent media. The simulation, which uses HKUST-1/PLA as adsorbent media, able to produce biomethane with CH4 purity of 99.7% and specific energy consumption of 0.15 kWh. Nm-3 CH4. However, the simulated CH4 recovery is relatively low at 35.1%, which need to be improved by optimizing the process parameters.