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Publication
Separation of methane and hydrogen in a 3D-printed porous carbon monolith
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 11.45 MB | Adobe PDF |
Authors
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Abstract(s)
The efficient separation of methane (CH4) and hydrogen (H2) is a key challenge in industrial processes such as steam methane reforming (SMR), which is the primary technology used for hydrogen production; however, the generated gas contains impurities such as carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), and unreacted methane, which must be removed to ensure high-purity H2. The separation of these gases is commonly performed through pressure swing adsorption (PSA) using adsorbent materials such as zeolites (e.g., zeolite 13X) and activated carbons. However, these adsorbents often present challenges, including high pressure drop and limited control over pore structure.
In this context, this study investigates a 3D-printed porous carbon monolith with tetragonal cubic centred unit cells, designed to maximize CH4 selectivity over H2 while reducing pressure drop due to its highly controllable structural design. The material was characterized using fixed-bed adsorption experiments analyzed via flow gas chromatography, including single-component (H2 and CH4) and binary adsorption (CH4/H2 mixtures)
at 303 K, 313 K, and 343 K, with pressures up to 30 bar. Adsorption equilibrium modelling was conducted using the Dual-Site Langmuir (DSL) isotherm, accurately describing an experimental 76/24 (% vol.) CH4/H2 mixture, reinforcing the material’s selectivity, closely matching the values predicted by the isotherm from single component experiments.
These findings highlight the potential of 3D-printed porous carbon monoliths for selective CH4 separation in PSA processes applied to SMR, offering a promising alternative with lower pressure drop and greater structural control compared to conventional adsorbents.
the gas-monolith interactions.
Results showed that H2 adsorption was negligible under all tested conditions. For CH4, the maximum adsorption experimental capacity was 3.25 mol.kg−1 at 303 K and 30 bar. Equilibrium isotherms confirmed material heterogeneity, with two distinct adsorption sites, each with its own adsorption capacity. The isosteric heat of adsorption ranged from 17.5 to 17.1 kJ.mol−1, indicating a moderate physisorption mechanism. In binary
adsorption experiments at 303 K and 5 bar, CH4 adsorption reached 2.10 mol.kg−1 for an experimental 76/24 (% vol.) CH4/H2 mixture, reinforcing the material’s selectivity, closely matching the values predicted by the isotherm from single component experiments.
These findings highlight the potential of 3D-printed porous carbon monoliths for selective CH4 separation in PSA processes applied to SMR, offering a promising alternative with lower pressure drop and greater structural control compared to conventional adsorbents.
A separação eficiente de metano (CH4) e hidrogênio (H2) é um desafio fundamental em processos industriais, como a reforma do metano a vapor (SMR), que é a principal tecnologia utilizada para a produção de hidrogênio. No entanto, o gás gerado contém impurezas, como monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e metano não reagido, que devem ser removidas para garantir um H2 de alta pureza. A separação desses gases é geralmente realizada por adsorção com oscilação de pressão (PSA), utilizando materiais adsorventes como zeólitos (por exemplo, zeólito 13X) e carvões ativados. No entanto, esses adsorventes frequentemente apresentam desafios, incluindo elevada queda de pressão e controle limitado sobre a estrutura porosa. Neste contexto, este estudo investiga um monólito de carbono poroso impresso em 3D com células unitárias cúbicas tetragonais centradas, projetado para maximizar a seletividade do CH4 sobre o H2, ao mesmo tempo que reduz a queda de pressão devido ao seu design estrutural altamente controlável. O material foi caracterizado por meio de experimentos de adsorção em leito fixo, analisados por cromatografia gasosa de fluxo, incluindo adsorção de componente único (H2 e CH4) e adsorção binária (misturas CH4/H2), em temperaturas de 303 K, 313 K e 343 K e pressões de até 30 bar. A modelagem do equilíbrio de adsorção foi realizada utilizando a isoterma de Langmuir de sítio duplo (DSL), descrevendo com precisão as interações entre os gases e o monólito. Os resultados mostraram que a adsorção de H2 foi insignificante em todas as condições testadas. Para o CH4, a capacidade máxima experimental de adsorção foi de 3.25 mol.kg−1 a 303 K e 30 bar. As isotermas de equilíbrio confirmaram a heterogeneidade do material, com dois sítios de adsorção distintos, cada um com a sua própria capacidade de adsorção. O calor isostérico de adsorção variou entre 17.5 e 17.1 kJ.mol−1, indicando um mecanismo de fisisorção moderada. Nos experimentos de adsorção binária a 303 K e 5 bar, a adsorção de CH4 atingiu 2.10 mol.kg−1 para uma mistura experimental de 76/24 (% vol.) CH4/H2, reforçando a seletividade do material e apresentando valores próximos aos previstos pela isoterma nos experimentos de componente único. Essas descobertas destacam o potencial dos monólitos de carbono poroso impressos em 3D para a separação seletiva de CH4 em processos de PSA aplicados ao SMR, oferecendo uma alternativa promissora com menor queda de pressão e maior controle estrutural em comparação com adsorventes convencionais.
A separação eficiente de metano (CH4) e hidrogênio (H2) é um desafio fundamental em processos industriais, como a reforma do metano a vapor (SMR), que é a principal tecnologia utilizada para a produção de hidrogênio. No entanto, o gás gerado contém impurezas, como monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e metano não reagido, que devem ser removidas para garantir um H2 de alta pureza. A separação desses gases é geralmente realizada por adsorção com oscilação de pressão (PSA), utilizando materiais adsorventes como zeólitos (por exemplo, zeólito 13X) e carvões ativados. No entanto, esses adsorventes frequentemente apresentam desafios, incluindo elevada queda de pressão e controle limitado sobre a estrutura porosa. Neste contexto, este estudo investiga um monólito de carbono poroso impresso em 3D com células unitárias cúbicas tetragonais centradas, projetado para maximizar a seletividade do CH4 sobre o H2, ao mesmo tempo que reduz a queda de pressão devido ao seu design estrutural altamente controlável. O material foi caracterizado por meio de experimentos de adsorção em leito fixo, analisados por cromatografia gasosa de fluxo, incluindo adsorção de componente único (H2 e CH4) e adsorção binária (misturas CH4/H2), em temperaturas de 303 K, 313 K e 343 K e pressões de até 30 bar. A modelagem do equilíbrio de adsorção foi realizada utilizando a isoterma de Langmuir de sítio duplo (DSL), descrevendo com precisão as interações entre os gases e o monólito. Os resultados mostraram que a adsorção de H2 foi insignificante em todas as condições testadas. Para o CH4, a capacidade máxima experimental de adsorção foi de 3.25 mol.kg−1 a 303 K e 30 bar. As isotermas de equilíbrio confirmaram a heterogeneidade do material, com dois sítios de adsorção distintos, cada um com a sua própria capacidade de adsorção. O calor isostérico de adsorção variou entre 17.5 e 17.1 kJ.mol−1, indicando um mecanismo de fisisorção moderada. Nos experimentos de adsorção binária a 303 K e 5 bar, a adsorção de CH4 atingiu 2.10 mol.kg−1 para uma mistura experimental de 76/24 (% vol.) CH4/H2, reforçando a seletividade do material e apresentando valores próximos aos previstos pela isoterma nos experimentos de componente único. Essas descobertas destacam o potencial dos monólitos de carbono poroso impressos em 3D para a separação seletiva de CH4 em processos de PSA aplicados ao SMR, oferecendo uma alternativa promissora com menor queda de pressão e maior controle estrutural em comparação com adsorventes convencionais.
Description
Mestrado de dupla diplomação com o Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais – CEFET-MG
Keywords
3D printing Porous carbon monolith Methane Hydrogen Adsorption isotherms Gas separation Adsorption Flow gas chromatography