Carbonate-based solvents for carbon capture
2026 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Sustainable development
SDG 13: Climate action, SDG 14: Life below water, SDG 15: Life on land, SDG 12: Responsible consumption and productionAlternative title
Karbonatbaserade lösningar för koldioxidinfångning (Swedish)
Abstract [en]
Carbon dioxide (CO2) emissions from the combustion of fossil fuels and biomass used for energy production drive global warming and climate change. Carbon capture and storage (CCS), involving the removal of CO2 from combustion flue gas and its sequestration in geological formations, is therefore a key strategy for reducing CO2 emissions. Absorption processes based on aqueous potassium carbonate (K2CO3) are among the first-generation carbon capture technologies due to process maturity, benign chemistry, and operational robustness. Owing to its high potential for waste heat recovery, aqueous K2CO3 is considered particularly suitable for applications where low-grade heat is a valuable product. The main limitation of aqueous K2CO3, however, is the slow absorption rate of CO2, which results in a large material footprint and an electricity demand for flue gas compression. To alleviate this limitation, rate promoters are added to enhance the CO2 absorption rate.
This thesis investigates boric acid (B(OH)3) and vanadium pentoxide (V2O5), which are employed as rate promoters in industrial solvent blends. Absorption experiments were conducted using a stirred batch reactor over a broad range of promoter concentrations and solvent loadings. Boric acid exhibited negligible rate enhancement but was found to increase the absorption capacity for CO2 through an additional buffering effect. In contrast, vanadium pentoxide increased the CO2 absorption rate by up to 2–3 times that of unpromoted K2CO3, a performance comparable to that of monoethanolamine (MEA) as promoter. This rate enhancement occurs because the active species, hydrogen monovanadate, catalyzes the hydrolysis of CO2. These results provide a mechanistic understanding of the roles of B(OH)3 and V2O5 in improving CO2 absorption in aqueous K2CO3. The kinetic rate models developed to describe the experimental observations can serve as a sound basis for accurate design of large-scale absorption processes.
Abstract [sv]
Antropogena utsläpp av koldioxid (CO2) till atmosfären från förbränning av fossila bränslen och biomassa leder till global uppvärmning och klimatförändringar. För att begränsa CO2-utsläppen används carbon capture and storage (CCS). CCS innebär infångning av CO2 från förbränningsrökgaser samt lagring av denna CO2 i geologiska formationer. Absorptionsprocesser baserade på kaliumkarbonat (K2CO3) tillhör den första generationens tekniker för CO2-avskiljning, tack vare deras etablerade teknik, giftfria kemi och driftsäkerhet. Dessutom är den höga potentialen för spillvärmeåtervinning i K2CO3-baserade processer särskilt fördelaktig i tillämpningar där lågtemperaturvärme är en värdefull produkt. En begränsning med K2CO3-lösningen är den långsamma absorptionshastigheten för CO2, vilket medför stort materialbehov och ett ökat elbehov för kompression av rökgaser. Därför tillsätts promotorer till K2CO3-lösningen för att öka absorptionshastigheten för CO2.
Denna avhandling karaktäriserar borsyra och vanadinpentoxid, vilka används som promotorer i industriella K2CO3-blandningar. Absorptionsexperiment genomfördes i en satsreaktor med omrörning med varierande promotor- och CO2-koncentrationer. Borsyra visade endast en försumbar påverkan på reaktionshastigheten, men en ökad absorptionskapacitet för CO2 genom en buffrande effekt. Vanadinpentoxid ökade absorptionshastigheten för CO2 upp till 2–3 gånger jämfört med icke-promoterat K2CO3, vilket är jämförbart med monoetanolamin (MEA) som promotor. Denna ökning beror på att den aktiva formen av vanadin katalyserar hydrolysen av CO2. Dessa resultat ger en mekanistisk förståelse av hur borsyra och vanadinpentoxid förbättrar CO2-absorption i K2CO3-solventer. De kinetiska modeller som utvecklats för att beskriva de experimentella observationerna möjliggör noggrann dimensionering av storskaliga absorptionsprocesser.
Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2026. , p. 85
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2026:19
Keywords [en]
Carbon capture, Absorption, Aqueous potassium carbonate, Rate promoters, Vanadium pentoxide, Boric acid
Keywords [sv]
Koldioxidinfångning, Absorption, Kaliumkarbonatlösning, Promotorer, Vanadinpentoxid, Borsyra
National Category
Separation Processes
Research subject
Chemical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-378619ISBN: 978-91-8106-574-9 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-378619DiVA, id: diva2:2048434
Public defence
2026-04-23, https://kth-se.zoom.us/s/67603525238, F3 (Flodis), Lindstedsvägen 26, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Energy Agency, P2020-90042
Note
QC 20260325
2026-03-252026-03-252026-03-30Bibliographically approved
List of papers