Material selection for carbon capture systems: A chemical assessment of polymeric material for hot potassium carbonate (HPC) absorption systems through accelerated ageing

Sammanfattning

Behovet av negativa utsläppsteknologier (NETs) är avgörande för att motverka klimatförändringar och begränsa den globala uppvärmningen till under 2°C. Bland dessa teknologier är bioenergi med koldioxidavskiljning och lagring (BECCS) särskilt lovande. Den nuvarande implementeringstakten hämmas dock delvis av höga investeringskostnader, ofta förknippade till konstruktionsmaterial och markarbete. För Stockholm Exergi AB är implementeringen av BECCS för närvarande under utveckling. Det absorptionsbaserade systemet, som använder sig av metoden ”hot potassium carbonate” (HPC), promoterad av vanadin och borater, består av en absorptionskolonn samt en stripperkolonn. Denna studie undersöker möjligheten att använda polymera material som konstruktionsmaterial för dessa två kolonner, i syfte att erbjuda lösningar med reducerad vikt samt kostnad för att möjliggöra en bredare implementering av HPC-BECCS-systemet. Kompositer bestående av hartsen DERKANE SIGNIA 411–350 (DS411) samt DERAKANE SIGNIA 470HT (DS470) testades med tre olika ytvävar, bestående av polyakrylonitril (PAN), kol och Electrical Corrosion Resistant (ECR). Tre svetsbara fluorplaster utvärderas vidare för användning som liner. Materialen exponerades till HPC-lösningen under 30 dagar vid 100° respektive 125°C för att simulera absorber-samt strippermiljön. Prestandan utvärderas i enlighet med EN 13121–2:2003 och förändringar i topografi och molekylär struktur analyserades med svepelektronmikroskop (SEM) samt Fourier transform infraröd spektroskopi (FTIR). I absorbern uppfyllde flera material kraven där DS411 generellt hade högre prestanda än DS470. Särskilt DS411 med kolfiberväv visade exceptionell beständighet och visade god lämplighet för den kemiska miljön. Prover med PAN-väv degraderade kraftigt i miljön och mötte ej kraven, medan proven med ECR-glasfibrer bibehöll sina egenskaper väl. I stripper visade kompositmaterialen en omfattande nedbrytning där DS470 hade en begränsad kemikalieresistens, vilket begränsar dess användning. Prov med kolfibrer passerade dock utvärderingen, men dålig vidhäftning mellan matris och fiber identifierades som en kritisk svaghet. En förbättring av denna gränsyta skulle eventuellt höja materials prestanda och utöka dess användning till både absorber- och strippersystem. Fluorplasterna visade god kemisk och termisk beständighet i strippermiljön. Sammanfattningsvis visar studien att polymera material har potential för BECCS-applikationer, men belyser samtidigt det komplexa samspel mellan kompositens prestanda, val av ytväv samt tillverkning. Studien visar också på en viktig avvägning: hartsen med högst kemikalieresistens uppvisar för låg värmestabilitet för användning i strippermiljön. För att möjliggöra helt kompositbaserade lösningar i strippermiljön krävs därför vidare utveckling, exempelvis genom skapande av hybridmaterial eller modifikationer för att förbättra vidhäftningen mellan matris och kolfiber.