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Type: Artigo de Periódico
Title: Influence of SO2 on CO2 capture by adsorption on activated carbon: Individual pore performance via multiscale simulation
Authors: Azevedo, Diana Cristina Silva de
Moreira, Davi
Gonçalves, Daniel
Coelho, Juliana Amorim
Rios, Rafael Barbosa
Lucena, Sebastião
Bastos Neto, Moisés
Keywords in Brazilian Portuguese : Dinâmica de colunas;Simulação molecular;Dióxido de enxofre (SO2)
Keywords in English : Column dynamics;Molecular simulation;Sulfur dioxide (SO2)
Knowledge Areas - CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
Issue Date: 2024
Publisher: Separation and Purification Technology
Citation: MOREIRA, Davi D. S.; GONÇALVES, Daniel V.; COELHO, Juliana A.; AZEVEDO, Diana C. S. de; RIOS, Rafael B.; LUCENA, Sebastião M. P. de; BASTOS-NETO, Moises. Influence of SO₂ on CO₂ capture by adsorption on activated carbon: individual pore performance via multiscale simulation. Separation and Purification Technology, v. 336, 126219, 2024. ISSN 1383-5866. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586623031271. DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.126219. Acesso em: 25 nov. 2024.
Abstract in Brazilian Portuguese: A captura de carbono sob condições de pós-combustão tem sido o tópico de vários estudos na última década. Embora os gases de exaustão normalmente contenham componentes diferentes do CO2, eles são comumente negligenciados nesses estudos. A presença de dióxido de enxofre, por exemplo, tende a interferir no processo de captura de carbono por meio de diferentes mecanismos. O presente trabalho teve como objetivo avaliar os efeitos do SO2 na capacidade de retenção de CO2 por meio da integração de avaliação experimental, modelagem de dinâmica de coluna e simulação molecular (modelagem multiescala) para uma amostra de carvão ativado sob condições típicas encontradas no ambiente de pós-combustão. Os resultados indicam que, sob condições típicas de gás de combustão pós-combustão, o SO2 tem pouca influência na capacidade de retenção de CO2 do carvão em comparação a outros materiais adsorventes. A maior concentração de SO2 (5.000 ppmv) levou a uma diminuição de aproximadamente 10% na capacidade de captura de CO2. Desativação significativa (em torno de 40%) foi observada experimentalmente e por simulação molecular apenas para concentrações muito altas de SO2 (50.000 ppmv). Além disso, nenhuma evidência de reações com o material foi encontrada e ambos os componentes capturados puderam ser completamente dessorvidos por meio de métodos de regeneração adequados. Para acessar o desempenho individual dos poros, simulações moleculares foram implementadas para adsorção de SO2 usando, pela primeira vez, um rigoroso modelo de poro heterogêneo (rMD). Os resultados revelaram uma grande desativação para o poro de 7,0 Å, um efeito cooperativo surpreendente para o poro de 8,9 Å e indiferença para os poros maiores de 18,5 e 27,9 Å. Para concentrações de SO2 de até 5.000 ppmv, o uso de adsorvente à base de carbono pode descartar a necessidade de uma operação de pré-tratamento para remover SO2 em processos de captura de carbono. Para concentrações mais altas, a simulação molecular mostrou que a adaptação da porosidade do carbono na faixa de 7 Å a 8,9 Å reduz consideravelmente a interferência do SO2. Os resultados também apontam que os modelos IAST e Langmuir divergem dos resultados da simulação molecular, particularmente em baixas cargas (até 5.000 ppmv SO2), indicando a necessidade de cautela ao aplicar esses modelos em sistemas onde as interações competitivas entre moléculas são relevantes, como é o caso de misturas de CO2 e SO2.
Abstract: Carbon capture under post-combustion conditions has been the topic of numerous studies in the last decade. Although exhaust gases typically contain different components other than CO2, they are commonly neglected in these studies. The presence of sulfur dioxide, for example, tends to interfere in the carbon capture process through different mechanisms. The present work aimed to evaluate the effects of SO2 on the CO2 retention capacity through the integration of experimental evaluation, column dynamics modeling and molecular simulation (multiscale modeling) for an activated carbon sample under typical conditions found in the post-combustion environment. Results indicate that, under typical post-combustion flue gas conditions, SO2 has little influence on the CO2 retention capacity of the carbon in comparison to other adsorbent materials. The highest concentration of SO2 (5 000 ppmv) led to a decrease of approximately 10 % in the CO2 capture capacity. Significant deactivation (around 40 %) was observed experimentally and by molecular simulation only for very high concentrations of SO2 (50 000 ppmv). Additionally, no evidence of reactions with the material was found and both captured components could be completely desorbed by means of suitable regeneration methods. To access individual pore performance, molecular simulations were implemented for SO2 adsorption using, for the first time, a rigorous heterogeneous pore model (rMD). The results revealed a large deactivation for the 7.0 Å pore, a surprising cooperative effect for the 8.9 Å pore, and indifference for the larger 18.5 and 27.9 Å pores. For SO2 concentrations up to 5 000 ppmv, the use of carbon-based adsorbent could rule out the need of a pre-treatment operation to remove SO2 in carbon capture processes. For higher concentrations, molecular simulation showed that tailoring carbon porosity in the range of 7 Å to 8.9 Å considerably reduces the interference of SO2. Results also point out that the IAST and Langmuir models diverge from the molecular simulation results, particularly at low loadings (up to 5 000 ppmv SO2), indicating the need for caution when applying these models in systems where competitive interactions between molecules are relevant, as is the case with mixtures of CO2 and SO2.
Document URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586623031271?via%3Dihub
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/78977
DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.126219
ISSN: 1383-5866
Author's ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7432-2879
https://orcid.org/0000-0001-7112-1764
https://orcid.org/0000-0002-0575-6750
https://orcid.org/0000-0001-8379-2098
https://orcid.org/0000-0003-4286-8169
58080340400
https://orcid.org/0000-0001-8545-3989 View this author’s ORCID profile
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