Estudio del efecto de partículas inorgánicas en la permeselectividad de membranas de matriz mixta destinadas a la separación de mezclas CO2/CH4

Abstract

[ES] En este Trabajo Final de Master (TFM) se estudia el efecto de permeselectividad de diferentes membranas de matriz mixta para la purificación de gas natural y biogás. En este tipo de procesos la principal pareja de gases a separar es CO2/CH4. El gas natural es uno de los combustibles más utilizados hoy en día, debido a que produce menos emisiones de CO2 que el carbón y derivados del petróleo (gasolina y gasóleo) y, además, casi no emite dióxido de azufre y partículas sólidas o cenizas. Sin embargo, las fuentes de energía fósil serán reemplazadas por energías renovables como el biogás. Ambas corrientes (gas natural y biogás) deben purificarse para su uso como fuente de energía ya que altos niveles de CO2 provocan una reducción del poder calorífico y aumentan la capacidad corrosiva del gas, dañando equipos y tuberías.

En este trabajo se propone la separación CO2/CH4 mediante el uso de membranas de matriz mixta ya que se presenta como una alternativa prometedora para aumentar el rendimiento de separación o las propiedades de permeselectividad mediante la combinación de las propiedades de la matriz polimérica y las partículas inorgánicas.

Los materiales de separación son estudiados generalmente en dos procesos bien diferenciados. Una primera parte donde se producen membranas relativamente gruesas, 30-60 micrómetros, donde las condiciones y propiedades son optimizadas. Una vez el proceso ha sido estudiado y se han podido seleccionar los materiales más prometedores, se pasa a la segunda parte, la producción de membranas finas. Este tipo de membranas se producen sobre un soporte y se caracterizan por tener espesores muy finos (50-300 nanómetros). Cabe destacar que este tipo de membranas son las empleadas industrialmente.

El presente TFM se divide en cuatro partes experimentales, las tres primeras consisten en el estudio de parámetros (tipo de partícula inorgánica, proporción de polímero/partícula y tipo de matriz polimérica) en membranas gruesas y, en la última parte, se realiza una membrana fina estudiando las características que tendría industrialmente. En todos los estudios, las membranas de matriz mixta son caracterizadas y analizadas mediante diferentes técnicas como permeadores para calcular la permeabilidad y selectividad de las membranas o la microscopía electrónica de barrido (SEM) para observar la distribución, sedimentación y aglomeración de partículas inorgánicas a través de la membrana.

[EN] In this Master's Thesis, the effect of permselectivity of different mixed matrix membranes is studied for their use in natural gas and biogas purification processes. In this process, the main pair of gases to be separated is CO2/CH4. Natural gas is one of the most used fuels nowadays, because it produces less CO2 emissions than coal and oil derivatives (petrol and diesel oil). In addition, it emits almost no sulphur dioxide and solid particles or ash. However, fossil energy sources are replaced by renewable energies such as biogas. Both streams (natural gas and biogas) must be purified for use as an energy source since that CO2 high levels cause a reduction in calorific value and increase the gas corrosive capacity, damaging equipment and pipelines.

In this work, CO2/CH4 separation is proposed by the mixed matrix membranes process, since they are a promising alternative to increase separation performance or permselectivity properties by combining the properties of the polymeric matrix and the inorganic particles.

The separation materials are generally studied in two differentiated processes. In a first part, thick dense membranes (30-60 micrometers) are produced, where the conditions and properties are optimized. Subsequently, the thin film composite membranes is produced. Thin film composite membranes consist of highly porous support and a thin layer of permselective material (50-300 nanometers). Notably, this type of membranes are used industrially.

The Master¿s Thesis is divided into four experimental parts, the first three consist of the study of parameters (type of inorganic filler, polymer/filler proportion and type of polymeric matrix) in thick dense membranes. In the last part, a thin film composite membrane is made, emulating the characteristics that are important industrially. In all the studies, the mixed matrix membranes are characterized and analysed by different techniques such as the time lag method or pressure increase method to calculate the permeability and selectivity of the membranes or the scanning electron microscope (SEM) to observe the distribution, sedimentation and agglomeration of inorganic particles in the membrane cross section.