Membrane Separation Processes for Post-Combustion Carbon Dioxide Capture: State of the Art and Critical Overview

Procédés membranaires pour le captage du dioxyde de carbone : état de l’art et revue critique

LRGP (UPR CNRS 3349), Université de Lorraine, 1 rue Grandville, 54001 Nancy – France
e-mail: bouchra.belaissaoui@univ-lorraine.fr – eric.favre@univ-lorraine.fr

^* Corresponding author

Abstract

Membrane processes have been initially seldom considered within a post-combustion carbon dioxide capture framework. More traditional processes, particularly gas-liquid absorption in chemical solvents, are often considered as the most appropriate solution for the first generation of technologies. In this paper, a critical state of the art of gas separation membranes for CO₂ capture is proposed. In a first step, the key performances (selectivity, permeability) of different membrane materials such as polymers, inorganic membranes, hybrid matrices and liquid membranes, including recently reported results, are reviewed. In a second step, the process design characteristics of a single stage membrane unit are studied. Purity and energy constraints are analysed as a function of operating conditions and membrane materials performances. The interest of multistage and hybrid systems, two domains which have not sufficiently investigated up to now, are finally discussed. The importance of technico-economical analyses is highlighted in order to better estimate the optimal role of membranes for CCS applications.

Résumé

Les procédés de séparation par membrane ont été, dans un premier temps, rarement préconisés pour le captage du dioxyde de carbone en post-combustion, les procédés d’absorption gaz-liquide dans un solvant chimique étant considérés comme la technologie la plus mature et la plus adaptée pour assurer cette opération. Une revue critique des possibilités et limites des membranes pour le captage du CO₂ par perméation gazeuse est présentée. Les performances de différents types de matériaux membranaires (polymères denses, matériaux inorganiques, matrices hybrides, membranes liquides) sont discutées sur le plan de la sélectivité et de la perméabilité, en prenant en compte les résultats expérimentaux les plus récents dans ce domaine. Les caractéristiques d’une unité de perméation gazeuse mono-étagée fonctionnant en régime permanent, déterminées par simulation, sont ensuite détaillées, en particulier par rapport aux contraintes de pureté et de dépense énergétique de l’opération, en lien avec les performances du matériau. Finalement, les possibilités des dispositifs membranaires multi-étagés et des procédés hybrides associant une unité de perméation gazeuse et un autre procédé, encore peu étudiées dans la littérature sont évoquées, ainsi que les besoins d’analyse technico-économiques afin de mieux identifier la place et le rôle optimal des membranes pour le captage du CO₂.