Development of membrane processes for the selective separation of CO2 from biogas and biohydrogen

Abstract

Biogas and biohydrogen, due to their renewable nature and zero carbon footprint, are considered two of the gaseous biofuels that will replace conventional fossil fuels. Biogas from anaerobic digestion must be purified and converted into high-quality biomethane prior to use as a vehicle fuel or injection into natural gas networks. Likewise, the enrichment of biohydrogen from dark fermentation requires the removal of CO2, which is the main pollutant of this new gaseous biofuel. Currently, the removal of CO2 from both biogas and biohydrogen is carried out by means of physical/chemical technologies, which exhibit high operating costs and corrosion problems. Biological technologies for CO2 removal from biogas, such as photosynthetic enrichment and hydrogenotrophic enrichment, are still in an experimental development phase. In this context, membrane separation has emerged as the only physical/chemical technology with the potential to improve the performance of CO2 separation from both biogas and biohydrogen, and to reduce investment and operating costs, as a result of the recent advances in the field of nanotechnology and materials science. This thesis will focus on the fundamentals, potential and limitations of CO2 and H2 membrane separation technologies. The latest advances on membrane materials for biogas and biohydrogen purification will be systematically reviewed. In this thesis work, it was shown that, as in the case of Mixes Matrix Membranes (MMM), subtle changes in polymer chemistry as well as fillers can have important effects on the polymer-filler interactions and properties of TR-MMMs, both before and after thermal rearrangement. It was further demonstrated that advanced nanoporous materials currently being explored as fillers in MMMs can also be applied to improve the gas separation performance of polymers suitable for producing benzoxazoles, following the same strategy in MMMs.

El biogás y el biohidrógeno, por su carácter renovable y su nula huella de carbono, se consideran dos de los biocombustibles gaseosos que sustituirán a los combustibles fósiles convencionales. El biogás procedente de la digestión anaeróbica debe purificarse y convertirse en biometano de alta calidad antes de su uso como combustible para vehículos o su inyección en las redes de gas natural. Asimismo, el enriquecimiento del biohidrógeno procedente de la fermentación oscura requiere la eliminación del CO2, que es el principal contaminante de este nuevo biocombustible gaseoso. En la actualidad, la eliminación del CO2 tanto del biogás como del biohidrógeno se lleva a cabo mediante tecnologías físico-químicas, que presentan elevados costes de funcionamiento y problemas de corrosión. Las tecnologías biológicas para la eliminación del CO2 del biogás, como el enriquecimiento fotosintético y el enriquecimiento hidrogenotrófico, están todavía en fase de desarrollo experimental. En este contexto, la separación por membranas ha surgido como la única tecnología físico-química con potencial para mejorar el rendimiento de la separación de CO2 tanto del biogás como del biohidrógeno, y para reducir los costes de inversión y de explotación, como resultado de los recientes avances en el campo de la nanotecnología y la ciencia de los materiales. Esta tesis se centra en los fundamentos, el potencial y las limitaciones de las tecnologías de separación por membranas de H2 y CO2. Se revisaron sistemáticamente los últimos avances en materiales de membrana para la purificación de biogás y biohidrógeno. En este trabajo de tesis, se demostró que, como en el caso de las membranas de matriz mixta (MMM), los cambios sutiles en la química de los polímeros, así como en los rellenos, pueden tener efectos importantes en las interacciones polímero-relleno y en las propiedades de las TR-MMM, tanto antes como después del reordenamiento térmico. Además, se demostró que los materiales nanoporosos avanzados que se están explorando actualmente como rellenos en las MMM también pueden aplicarse para mejorar el rendimiento de separación de gases de los polímeros adecuados para producir benzoxazoles, siguiendo la misma estrategia en las MMM.