Regeneration of Alkanolamine Solutions in Membrane Contactor Based on Novel Polynorbornene

Régénération de solutions d’alcanolamine dans un contacteur à membrane basé sur un nouveau polynorbornène

A.V. Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis, Russian Academy of Sciences, Leninsky pr. 29, Moscow, 119991 – Russia
e-mail: avolkov@ips.ac.ru

^* Corresponding author

Abstract

For the first time, a novel highly permeable glassy polymer, addition poly[bis(trimethylsilyl)tricyclononene] (PBTMST), was proposed for its use in a gas-liquid membrane contactor for the regeneration of CO₂ absorption liquids (desorption of CO₂). This membrane material possesses a good chemical stability and high barrier properties for a number of alkanolmines (30 wt% solutions of MEA, DEA, MDEA, AMP, DEAE or AEAE) under typical regeneration conditions (T = 100°C). Studies on gas transport properties of PBTMST (100°C and 1-40 bar) show that permeability coefficients of oxygen, nitrogen and carbon dioxide initially tend to decrease, and then level off after first 6-8 hours of operation. This behavior can be explained by partial relaxation of the free-volume structure of PBTMST, no chemical degradation of polymer material at high temperature was confirmed by IR analysis. At the same time, this membrane material preserves high gas permeability coefficients which are higher than those of conventional materials used in the membrane contactors. Gas-liquid membrane contactor based on dense PBTMST membrane shows a good, stable performance; particularly, CO₂ loading in diethanolamine solution (30 wt%) can be reduced for 0.05-0.34 mole/mole by single pass through the membrane desorber at 100°C and elevated pressure. It seems that desorption rate here is mainly controlled by liquid phase because decreasing of membrane thickness by 50% (from 31 to 21 μm) leads to improvement of DEA regeneration only by 1.5-8.5%.

Résumé

Un nouveau polymère vitreux à haute perméabilité, le poly[bis(triméthylsilyl)tricyclononene] (PBTMST), est proposé pour la première fois pour une utilisation dans un contacteur gaz-liquide à membrane pour la régénération de liquides d’absorption riches en CO₂ (désorption de CO₂). Ce matériau membranaire possède une bonne stabilité chimique et de bonnes propriétés barrière pour de nombreuses alcanolamines (solutions de 30 % poids de MEA, DEA, MDEA, AMP, DEAE ou AEAE) dans des conditions typiques de régénération (T = 100 °C). Les études des propriétés de transport des gaz du PBTMST (à 100 °C et sous 1 à 40 bar) montrent que les coefficients de perméabilité à l’oxygène, à l’azote et au dioxyde de carbone tendent à diminuer puis à se stabiliser après les 6 à 8 premières heures de mesure. Ce comportement peut être expliqué par une relaxation partielle de la structure de volume libre du PBTMST. Aucune dégradation à haute température du matériau polymère n’a pu être confirmée par analyse IR. De plus, ce matériau membranaire conserve des coefficients de perméabilité aux gaz élevés, supérieurs à ceux des matériaux conventionnels utilisés dans les contacteurs à membrane. Un contacteur gaz-liquide à membrane fabriqué à partir d’une membrane dense de PBTMST présente de performances bonnes et stables. En particulier, le taux de charge en CO₂ d’une solution de diéthanolamine (30 % poids) peut être réduit de 0,05 à 0,34 mole/mole via un simple passage à travers le régénérateur à membrane à 100 °C et à pression élevée. Il semble que le taux de désorption soit principalement contrôlé par la phase liquide, une diminution de l’épaisseur membranaire de 50 % (de 31 à 21 μm) n’apportant qu’une amélioration de 1,5 à 8,5 % de la régénération de la DEA.