40
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIÓN UNIVERSIDAD DE CANTABRIA Trabajo Fin de Grado MASS TRANSFER THROUGH GAS SEPARATION MEMBRANES. EXPERIMENTAL STUDY OF CO 2 /N 2 SEPARATION (Transferencia de materia a través de membranas de separación de gases. Estudio de la separación de CO 2 /N 2 ) Para acceder al Título de Graduado en Ingeniería Química Autor: Guillermo García Rubio

Trabajo Fin de Grado MASS TRANSFER THROUGH GAS …

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS

INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIÓN

UNIVERSIDAD DE CANTABRIA

Trabajo Fin de Grado

MASS TRANSFER THROUGH GAS SEPARATION MEMBRANES. EXPERIMENTAL

STUDY OF CO2/N2 SEPARATION (Transferencia de materia a través

de membranas de separación de gases. Estudio de la separación de CO2/N2)

Para acceder al Título de

Graduado en Ingeniería Química

Autor: Guillermo García Rubio  

 

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación

TÍTULO MASS TRANSFER THROUGH GAS SEPARATION MEMBRANES.

EXPERIMENTAL STUDY OF CO2/N2 SEPARATION AUTOR Guillermo García Rubio DIRECTOR/CODIRECTOR Clara Casado Coterillo / Ana Fernández Barquín TITULACIÓN Grado en Ingeniería Química FECHA 15/07/2015

KEYWORDS Post-combustion, carbon capture, polymeric membranes, CO2/N2 separation SCOPE

Due to the increased CO2 emissions to the atmosphere, carbon capture and

storage (CCS) is becoming an increasingly promising method as a greenhouse

mitigation option, where fossil fuel power plants have a critical role. The conventional

technology, absorption-based capture, is energy-intensive, and produces wastes due to

the solvent degradation, whereas membrane technology is expected to consume less

energy and do not produce waste streams. However, the economic feasibility is limited

by the transport properties and the stability of the membrane. Many works have been

reported in the last years regarding the development of flue gas separation, and hybrid

processes including a membrane unit or multi stage membrane processes have also been

reported. However, not many works have dealt with the performance of CO2/N2

mixtures in multi – stage separation processes experimentally.

The first objective of this work was the building up and setting up of the

separation plants at laboratory scale enabling to work with one or two membrane

modules in series. The CO2/N2 separation performance of a commercial membrane

based on a non-porous poly (dimethyl siloxane) top layer on a macroporous support

(PDMS, Pervap 4060, Sulzer), has then been studied, under the influence of different

variables such as feed concentration, temperature and number of membrane modules in

series.

RESULTS

The parameters describing the membrane performance are the permeability and

the %CO2 concentration in the permeate. The permeability increases with temperature

from 1,515 to 3,100 barrer, and %CO2 in permeate increases with temperature and feed

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación

concentration. A semi-empirical equation has been developed to predict CO2

permeation as a function of temperature and feed concentration within 10 % error. The

CO2 concentration in the feed of 12.5 % has been selected to study experimentally the

performance of 2-membrane-in-series and the CO2 recovery is enhanced up to 76 % at

60 ºC, compared with the 1-membrane system.

CONCLUSIONS

The main conclusions are that the temperature slightly favors the CO2 recovery,

since higher concentration of carbon dioxide in the permeate are achieved at increasing

temperature; the permeability also increased with rising temperature. The experiments

performed with the two membrane-in-series set up built in this work show that the

carbon dioxide concentration in the permeate is between 44% and 76% higher than the

values obtained with the single membrane system at 30 ºC and 60 ºC, respectively.

REFERENCES Fernández-Barquín, A., Casado-Coterillo, C., Palomino, M., Valencia, S., Irabien, A.

2015. LTA/Poly(1-trimethylsilyl-1-propyne) Mixed-Matrix Membranes for High-

Temperature CO2/N2 Separation. Chemical Engineering Technology, 38(4), pp. 658-

666.

Hägg, M., 2009. Membranes in gas separation, in: Handbook of Membrane

Separations: Membranes in Gas Separation (Eds. A.K. Pabby, S. S. H. Rizvi, A. M.

Sastre), 2nd edn., pp. 65-103, CRC Press Taylor & Francis: NW: USA.

Merkel, T. C.; Lin, H.; Wei, X.; Baker, R., 2010. Power plant post-combustion carbon

dioxide capture: an opportunity for membranes. Journal of Membrane Science, 359, pp.

126-139.

Stolten, D. and Scherer, V. 2011. Efficient Carbon Capture for Coal Power Plants.

619pp. Wiley-VCH: Weinheim, Germany.

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación

TÍTULO

TRANSFERENCIA DE MATERIA A TRAVÉS DE MEMBRANAS DE SEPARACIÓN DE GASES. ESTUDIO DE LA SEPARACIÓN DE CO2/N2

AUTOR Guillermo García Rubio DIRECTOR/CODIRECTOR Clara Casado Coterillo / Ana Fernández Barquín TITULACIÓN Grado en Ingeniería Química FECHA 15/07/2015

PALABRAS CLAVE Post-combustión, captura de CO2, membranas poliméricas, separación de CO2/N2

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Debido al actual incremento de las emisiones de CO2 a la atmósfera, la captura y

el almacenamiento del mismo está convirtiéndose en una alternativa para mitigar el

efecto invernadero debido entre otras cosas a las plantas de quema de combustibles

fósiles para producir energía. Las tecnologías convencionales, como la captura por

absorción, requieren demasiada energía y generan corrientes residuales debido a la

degradación de los disolventes. En cambio se espera que con la tecnología de

membranas se consuma menos energía, no se generen corrientes residuales y se facilite

el escalado. Sin embargo, su viabilidad económica se ve limitada por factores como: las

propiedades de transporte de la membrana y su estabilidad. En los últimos años se han

publicado muchos trabajos relacionados con el desarrollo de la separación de los gases

de combustión, tanto en procesos híbridos que incluyan membranas, o procesos de

separación con membranas en varias etapas. Sin embargo, no hay muchos trabajos

reportados que traten la separación de CO2/N2 en varias etapas de forma experimental.

El primer objetivo de este trabajo ha sido la construcción y puesta en marcha de

una planta de separación a escala de laboratorio que permite trabajar con uno o dos

módulos de membrana en serie. Se ha estudiado el comportamiento en separación de

CO2/N2 de una membrana comercial compuesta de una capa densa de poli(dimetil

siloxano) sobre un soporte poroso (PDMS, Pervap 4060, Sulzer), bajo la influencia de

variables como la composición de alimentación, temperatura y número de módulos en

serie.

RESULTADOS

Los factores que describen el funcionamiento de una membrana en separación son

la permeabilidad y la concentración de CO2 en el permeado. La permeabilidad se

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación

incrementa conforme aumenta la temperatura desde 1515 a 3100 barrer, y el %CO2 en

el permeado se incrementa con la temperatura y con un aumento en la concentración de

la alimentación. Se obtuvo una ecuación semi-empírica para poder predecir la

permeabilidad de CO2 con un error por debajo del 10 %. Se seleccionó el experimento

en el que la alimentación contenía un 12,5% CO2 con el fin de estudiar la eficacia del

sistema con dos membranas en serie. Se obtuvo un incremento del 76% a 60 ºC con

respecto al sistema con una única membrana.

CONCLUSIONES

Las principales conclusiones son que la temperatura favorece la captura del CO2

puesto que se han obtenido mayores concentraciones de CO2 en el permeado al

incrementar la temperatura. Con la permeabilidad se observó el mismo comportamiento

con la temperatura. Los experimentos llevados a cabo con el sistema de dos membranas

en serie mostraron un incremento en el % CO2 en el permeado de entre un 44 y un 76 %

(a 30 y 60 ºC, respectivamente).

BIBLIOGRAFÍA Fernández-Barquín, A., Casado-Coterillo, C., Palomino, M., Valencia, S., Irabien, A.

2015. LTA/Poly(1-trimethylsilyl-1-propyne) Mixed-Matrix Membranes for High-

Temperature CO2/N2 Separation. Chemical Engineering Technology, 38(4), pp. 658-

666.

Hägg, M., 2009. Membranes in gas separation, in: Handbook of Membrane

Separations: Membranes in Gas Separation (Eds. A.K. Pabby, S. S. H. Rizvi, A. M.

Sastre), 2nd edn., pp. 65-103, CRC Press Taylor & Francis: NW: USA.

Merkel, T. C.; Lin, H.; Wei, X.; Baker, R., 2010. Power plant post-combustion carbon

dioxide capture: an opportunity for membranes. Journal of Membrane Science, 359, pp.

126-139.

Stolten, D. and Scherer, V. 2011. Efficient Carbon Capture for Coal Power Plants.

619pp. Wiley-VCH: Weinheim, Germany.

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 2 –

 

1.  INTRODUCTION ..................................................................................................... 5 

1.1.   Problem definition ....................................................................................... 5 

1.2.   Carbon dioxide capture systems ................................................................. 9 

1.3.   Different alternatives for CO2 separation in post‐combustion ................ 10 

1.4.   Membrane technology for gas separation ................................................ 12 

1.5.   Commercial membranes for CO2 separation ............................................ 14 

2.  OBJECTIVES .......................................................................................................... 15 

3.  EXPERIMENTAL PROCESS .................................................................................... 15 

3.1.   Membrane .................................................................................................. 15 

3.2.   Experimental gas separation setup ........................................................... 15 

3.3.   Experimental procedure ............................................................................ 18 

4.  RESULTS AND DISCUSSION ................................................................................. 21 

4.1.   Influence of concentration ........................................................................ 21 

4.2.   Influence of temperature .......................................................................... 23 

4.3.   Influence of number of membranes ......................................................... 25 

5.  CONCLUSSIONS ................................................................................................... 27 

6.  REFERENCES ........................................................................................................ 28 

7.  NOMENCLATURE ................................................................................................. 31 

8.  ANNEXES ............................................................................................................. 32 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 3 –

 

INDEX OF FIGURES 

 

Figure 1   Evolution of the global CO2 concentration and global temperature increase . 5 

Figure 2   CO2 capture and energy required ..................................................................... 8 

Figure 3   Carbon capture systems ................................................................................... 9 

Figure 4   Scheme of the structure of the commercial membrane used in this work. .. 15 

Figure 5   One‐membrane process flowsheet. ............................................................... 16 

Figure 6   Two‐membrane‐in‐series process system flowsheet. .................................... 17 

Figure 7   N2 flux vs. operation time before and after a set of experiments at different CO2 concentrations and a temperature of 60 ºC. .......................................................... 19 

Figure 8   Permeate CO2‐concentration at different temperatures. .............................. 22 

Figure 9   Permeate CO2 flux variation with temperature and feed composition. ........ 22 

Figure 10   CO2‐permeability obtained at 30, 45 and 60 ºC. .......................................... 23 

Figure 11   Linear adjustment for the feed concentration 12.5 % CO2. ......................... 24 

Figure 12   Comparison between the permeabilities experimental and calculated. ..... 25 

 

INDEX OF TABLES 

 

Table 1   Fossil fuel emission levels .................................................................................. 6 

Table 2   CO2 capture costs ............................................................................................... 7 

Table 3   Storage cost ....................................................................................................... 8 

Table 4   Advantages and drawbacks of the main technologies for CO2 separation ..... 11 

Table 5   Commercial polymeric membranes in CO2/N2 separation .............................. 14 

Table 6   Experiments performed in the single‐module plant. ...................................... 18 

Table 7   Experiments performed in the two membrane‐in‐series module plant. ........ 18 

Table 8   Pre‐exponential terms and activation energies for permeation. .................... 25 

Table 9   Comparison of % CO2 in permeate achieved between the system with 1 and 2 membranes in series. ..................................................................................................... 26 

Table 10   Summary of experiments .............................................................................. 33 

  

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 4 –

ABSTRACT  

Due  to  the  increased  CO2  emissions  to  the  atmosphere,  carbon  capture  and 

storage  (CCS)  is  becoming  an  increasingly  promising  method  as  a  greenhouse 

mitigation option, where fossil fuel power plants have a critical role. The conventional 

technology, absorption‐based  capture,  is energy‐intensive, and produces wastes due 

to  the  solvent degradation, whereas membrane  technology  is expected  to  consume 

less energy and do not produce waste  streams. However,  the economic  feasibility  is 

limited  by  the  transport  properties  of  the  membrane,  the  resistance,  and  the 

membrane material. Many works have been reported  in  the  last years regarding  the 

development of novel, more robust, membrane materials with potential application in 

flue gas separation, and hybrid processes  including a membrane unit have also been 

reported.  However,  not  many  works  have  dealt  with  the  performance  of  CO2/N2 

mixtures experimentally. This work  is  focused on  the study of  the CO2/N2 separation 

performance  of  a  commercial  membrane  based  on  a  non‐porous  poly  (dimethyl 

siloxane) top layer on a macroporous support (PDMS, Pervap 4060, Sulzer), under the 

influence of different variables such as  feed concentration, temperature and number 

of membrane modules  in series. The permeability  increases slightly with temperature 

from 1,515  to 3,100 barrer, and %CO2  in permeate also  increases with  temperature 

and feed concentration. A semi‐empirical equation has been developed to predict CO2 

permeability as a  function of temperature and  feed concentration within 10 % error. 

The CO2 concentration in the feed of 12.5 % has been selected to study experimentally 

the performance of 2‐membrane‐in‐series and the CO2 recovery is enhanced up to 76 

% at 60 ºC, compared with the 1‐membrane system. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 5 –

1. INTRODUCTION  

1.1. Problem definition  

Today the climate that provides the basis of our modern civilization and lifestyle 

is relatively stable and benign. The economic growth in our society since the middle of 

the past century has been directly  related  to an  increased energy consumption. The 

intense  use  of  fossil  energy  represents  the  “vertebral  column”  or  backbone  of  our 

modern civilization and the global economy creating the anthropogenic contribution to 

climate  change. Arrhenius was  the  first  scientist  to  recognize  the  role of CO2  in  the 

atmosphere  [1,  2].  This  leads  to  global  warming  and  climate  change,  which  have 

several effects on humans and ecosystems such as the polar  ice melting, the  increase 

in the sea level, extreme weather events or changes in migration cycles of some animal 

species. The main contributor  to  the  increased  level of GHGs  is CO2, which  is mainly 

released from the combustion of fossil fuels or hydrocarbon fuels where γ is the molar 

ratio  of  air  required  in  excess  of  stoichiometric  oxygen  required  (Eq.  1)  [3]  and 

although it can also be naturally released, this happens because almost all the energy 

produced from carbon‐containing fuels is generated by directly burning fuels in air [1]. 

The evolution of the atmospheric CO2 concentration over the  last century has clearly 

been  increased  (Figure  1)  and  the  trend  is  to  continue  doing  it;  also,  it  can  be 

appreciated that the global temperature has also followed a similar trend.  

 

C H γ mn4O 3.77N → mCO

n2H O γ 1 m

n4O γ m

n43.77N  

(Eq. 1) 

 

Figure 1   Evolution of the global CO2 concentration and global temperature increase [4]. 

 

The  status of  international  climate  research  is documented  in  the Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPPC) where  is stated that approximately  three‐fourths  of  the  increase  in  atmospheric  CO2  is  attributable  to 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 6 –

burning  fossil  fuels  [5]. Table 1 collects some of the harmful pollutants released  into the  atmosphere  from  burning  of  fossil  fuels.  If  the  carbon  content  in  all  of  the estimated  fossil  fuel  reserves  were  emitted  to  the  atmosphere,  the  carbon concentration  would  rise more  than  5  times  the  value  at  pre‐industrial  levels  [6]. Actually,  there  is  an  increasing  interest  on  global warming  caused  by  the  effects  of GHGs (particularly CO2). The IPPC estimates that by the year 2100 the atmosphere may contain up to 570 ppm of CO2 causing a rise of the mean global temperature of around 1.9  ºC and an  increase  in  the mean  sea  level of 3.8 m  [1]. The CO2  released  to  the atmosphere has already reached the peak of 400 ppm several times in 2013‐2014.  

Due to the current situation, the need of  improving efficient capture processes to recover CO2  from combustion processes  in order  to reduce  the greenhouse effect has received considerable attention.  

Table 1   Fossil fuel emission levels (€/billion BTU of energy input) [1]. 

Pollutant  Natural gas  Oil  Coal 

Carbon dioxide  162,415.00 227,803.00 288,810.00 

Carbon monoxide  55.00 45.80 288.81 Nitrogen oxides  128.00 622.20 634.53 Sulphur dioxide  1.40 1,558.10 3,597.53 Particulates  9.70 116.65 3,810.50 Mercury  0.00 0.01 0.02 Total  162,609.10 230,145.76 297,141.39 

 

The scope of the necessary CCS (Carbon Capture and Storage) effort is defined by 

the  gap  between  fossil  demand  and  allowable  CO2  emissions.  The  maximum 

acceptable  level of CO2  in the air  is ultimately determined by policy decisions, so  it  is 

necessary  to achieve a common  framework and  legislation  that could be adapted  to 

the  situation  of  each  country.  Another  option  in  order  to mitigate  global warming 

consists  of  reducing  CO2  emissions  by  lowering  the  energy  consumption  (or  energy 

intensity) and promoting the use of renewable sources and the use of non‐fossil fuels 

such as H2 or biofuels. Another option that has attracted the attention of researchers 

recently is the CO2 valorization to convert it to high‐added value products [7].  

 

CCS  starts  recovering and  concentrating  the CO2. The need  to  concentrate  the 

CO2  is  due  to  its  very  low  concentration  at  the  end  of  ,  more  specifically,  CO2 

concentration  in  the  flue gas ranges  from 15 mol%  for steam power plants  (SPPs)  to 

just 4 mol% [2] for coal gas and natural gas combustion  in combined cycles, so a first 

separation  step  is  needed.  In  principle,  the  total  flue  gas  could  be  compressed  and 

stored  underground,  but  some  analyses  have  shown  that  the  energy  required  to 

compress the total volume of flue gas generated by a thermal power plant to 100 bar 

would amount to 65 % of its power output. This power requirement drops below 8 % 

when only the CO2  is compressed [8]. So this proves that CO2 needs to be separated 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 7 –

and then captured. Subsequently, CO2 has to be transported to a location where it can 

be  stored  for  at  least  hundreds  of  years  or  used.  From  a  process  engineering 

viewpoint, the total CCS process can be divided into six stages [2]: 

 

1. Potential  power  plant  modifications  (further  flue  gas  cleaning,  CO  shift, 

recirculation) 

2. Potential subsequent CO2 cleaning (mainly denitrification and desulphurization)  

3. Gas/gas separation (CO2/N2; O2/N2 ‐ CO2/H2O; CO2/H2) 

4. CO2 compression (1 bar to 100 bar, liquefaction) 

5. Further compression (e.g. 500 km of a pipeline with a pressure drop from 200 

bar to 100 bar) 

6. Potential further compression (up to 1,000 bar storage at significant depth)  

Effective  and  efficient  gas  separation  (3.)  requires  modifications  of  existing 

power plants (1.). In the case of intolerably high impurity values in the separated CO2, 

a subsequent CO2 cleaning step (2.) is necessary. The compression, in principle, may be 

carried out in three steps: at the exit of power plant (4.), at locations along the pipeline 

(5.)  to overcome  the pressure  losses,  and  at  the  storage  site  (6.).  It  is  important  to 

emphasize that the capture (separation and compression steps) of CO2 contributes 75 

% to the overall CCS cost.  

Capture  systems  reduce  from 80  to 90 %  the CO2 emissions  from  combustion 

plants, even  taking  into account  the additional energy consumption  that  the capture 

systems require (Figure 2) [9]. For new power plants that operate with fossil fuels, CO2 

capture would increase the costs of the electricity produced in a 35 ‐ 85 % depending 

on  the  different  possibilities  of  design,  operation  and  financing  of  the  plant.  This 

represents 0.009 to 0.027 €/kWh produced (Table 2). 

 

Table 2   CO2 capture costs [9]. 

Process alternatives  Cost (€/kWh) 

New fossil fuel plants without capture  0.027 ‐ 0.054 New fossil fuel plants with capture  0.036 ‐ 0.081 Capture alone  0.009 ‐ 0.027 

 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 8 –

 Figure 2   CO2 capture and energy required [9]. 

 

The  next  step  is  the  concentrated  CO2  transport,  except  when  the  emission 

source  is  located directly over the storage site. There are several ways of performing 

this  transport,  but  usually,  concentrated  CO2  streams  can  be  transported  safely 

through high‐pressure pipelines.  

 

So,  once  the  CO2  is  captured,  compressed  and  transported  to  a  final  storage 

location, it can be injected into a suitable storage (not necessarily underground, in fact, 

oceans  are  not  considered  as  underground  storage)  in  order  to  confine  it.  Some 

examples  of  different  options  are  geological  structures,  saline  aquifers,  ocean 

confinement or cavities created by dissolving salt. 

 

Table 3 reflects the costs of the different storage possibilities: 

 

Table 3   Storage cost [9]. 

Storage  Cost (€/t CO2 injected) 

Geological   Storage (0.45 – 7.20) + 

Control (0.09 ‐ 0.27) Saline formations  

Depleted oil and gas reserves  Ocean storage   Transport by pipes + energy (5.40 – 27.86) 

 

Today, there are several opportunities for the captured CO2: use as a secondary 

product  for producing  some chemicals  through  the application of organic chemistry, 

biofuels,  or  injecting  the  pure  streams  of  CO2  captured  into  the  underground  for 

enhanced oil  recovery  (EOR) or enhanced gas  recovery  (EGR), or production of urea, 

for  production  of  fertilizers  and  other  products.  Other  uses  include:  horticulture, 

refrigeration,  food packaging, welding, beverages and extinguishing devices. But  the 

actual  industrial  use  of  the  captured  CO2  per  year  represents  a  very  small  amount 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 9 –

(over 120 Mt/year) in comparison with global emissions from human activities (30,000 

Mt/year) [9]. 

 

1.2. Carbon dioxide capture systems  

As mentioned  above,  carbon  capture  is  the most widely  accepted method  to 

combat  climate  change.  The main  objective  is  to  separate  the  CO2  produced  up  to 

obtain a CO2 concentrated stream. Once this stream is obtained, we can proceed with 

the compression step  in order to transport the CO2 at the final storage point. From a 

general  point  of  view,  CO2  capture  systems  can  be  classified  in  three  strategies  as 

shown in the Figure 3 [1, 10, 11, 12, 13]:  

‐ Post‐combustion (CO2/N2). In this system, the CO2 separation is located in after 

the combustion. Thus, it is necessary to treat a very low CO2 concentration (12‐

15 mol%) at a large combustion gas flow rate at low temperature that includes 

purification  of  water  vapor,  SO2,  NO2  and  O2  in  small  amounts.  The  main 

drawback  of  this  system  is  its  large  energy  consumption  and waste  disposal 

problems.  

‐ Pre‐combustion  (CO2/H2).  In  this  system  the  CO2  is  captured  prior  to  the 

combustion  process.  The  fuel  is  decarbonized  by  gasification  or  reforming 

(depending if it is oil or natural gas) in order to produce syngas (CO and H2). CO 

reacts with water producing CO2 (15 – 40%) and H2 at high pressure (it reduces 

the  compression  costs)  and  temperature.  The  purpose  of  this  strategy  is 

separate CO2  from H2  that  after  being  compressed  can  be  used  as  fuel.  The 

main problem with  this  system  is  that  it  can only be used  in newly designed 

plants, so it cannot be used in existing plants. 

 

Figure 3   Carbon capture systems [14]. 

  

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 10 –

‐ Oxycombustion (O2/N2). This system acts directly over the combustion process 

using O2 (higher than 95%) as oxidizer (by eliminating the N2 of the air) in order 

to obtain mostly CO2 (over 75%) and H2O that can easily be separated by vapor 

condensation. One of their problems is that needs an air separation unit at high 

temperature which increases drastically the cost.  

1.3. Different alternatives for CO2 separation in post‐combustion 

 

There are many alternatives for performing the CO2 capture in post‐combustion 

systems.  The main  alternatives  are  chemical  solvent  absorption, physical  adsorption 

and  membrane  separation.  The  first  one  is  the  chemical  absorption  by  MEA 

(monoethanolamine)  scrubbing  [15].  The  flue  gas  pass  through  the  CO2‐lean MEA 

solution with high affinity for the acid gases (in the scrubber column) and is absorbed 

by means of a chemical reaction. After this, it enters in the desorber where the CO2 is 

released by warming up the MEA solution to 100 – 130 ºC.  

 

The other main technology is the adsorption which basically uses solid materials 

capable  of  adsorbing  CO2  at  high  temperatures  generally,  and  then,  recovers  it  by 

process of change  in  temperature or pressure  (TSA and PSA processes, respectively). 

The  main  adsorbents  are:  activated  carbon,  mesoporous  materials,  zeolites  and 

alumina. This technology is preferred for the pure‐CO2 stream obtained instead of for 

the CO2 separation. 

 

The  gas  separated  is  then  cooled  down  to  condense  the  water  vapor. MEA 

scrubbing  is an exothermic process which  is carried out at about 40 ‐ 50 ºC [16]. Low 

temperature and high pressures favor the absorption process [17]. With this process a 

CO2‐purity of about 80 to 96 % can be attained. The major drawback of this method is 

the energy required  for  the absorbent regeneration  (about 4 MJ/kg of CO2), and  the 

waste disposal problems, so the actual goal  is to find chemical solvents that requires 

less regeneration energy and are environmentally friendly [18]. 

 

Another main alternative  that  is arising, as potential competing  technology are 

CO2  separation membrane  processes  [19].  In  comparison with  chemical  absorption, 

CO2 membranes have the following advantages: 

Modules  can  be  used  as  add‐on  equipment  in  power  plants  due  to  their 

flexibility of modularity. 

No regeneration energy is required. 

No waste streams. 

Wide  range  of  materials  that  could  allow  working  at  higher  temperature 

avoiding the cooling costs. 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 11 –

The main drawbacks are  

Membranes can be plugged by impurities in the gas stream. 

This technology has been proved in pilot plant scale. 

The current commercial membranes are based on organic polymers that can be 

damaged when operating at high temperatures. 

 

Table 4 shows the main advantages and drawbacks of the main technologies for 

CO2 separation. 

 

Table 4   Advantages and drawbacks of the main technologies for CO2 separation [1]. 

Technology and status  Advantages  Drawbacks 

Absorption   

Recycling of the sorbent 

Non‐dependence  on human operators 

Corrosion  of  carbon  steel facilities due to oxygen 

Degradation  of  the solvent  due  to  SOx  and NOx  

Adsorption  

 

Recycling of the sorbent  

High operating flexibility  

Not  able  to  handle  large 

CO2 concentrations 

Adsorption  also  of  gases 

smaller than CO2  

 

Membrane systems  

 

No  moving  parts  and 

modularity  

Instantaneous  response 

to variations  

Current  low  selectivity  of 

available  membrane 

materials  

Limitation on  the  suitable 

operating temperature  

 

The driving force of gas separation membranes is the partial pressure difference 

between the feed and the permeate sides; to make this it is necessary to: 

Increase the pressure on the feed side (using a compressor) 

Increase  the  CO2  concentration  on  the  feed  side  (recycling  an  enriched  CO2 

stream) 

Decrease the pressure on the permeate side (using a vacuum pump) 

Decreasing the CO2 concentration on the permeate side (using sweep gas)    

 

As the flue gas from power plants has a low CO2 concentration of 13 ‐ 15 mol% at 

ambient pressure, a single‐stage membrane cannot achieve the separation target of 90 

mol% CO2 purity, so the actual developments are more focused on the development of 

multi‐stage membrane processes [20]. 

 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 12 –

1.4. Membrane technology for gas separation  

The  application  of membranes  for  gas  separation  is  a  fairly  young  technology 

compared  to  the  use  of  membranes  for  liquid  separation.  The  first  CO2  selective 

membranes were composite membranes where a very thin nonporous layer with high 

gas permeation rate (usually polysulfone or cellulose acetate) was placed on a support 

structure for mechanical strength. This technology involves the separation of individual 

gas component on the basis of the difference  in their rates of permeation through a 

thin  membrane  barrier.  As  a  general  rule,  the  driving  force  of  membrane  gas 

separation is the difference in partial pressures between the feed and permeate sides. 

It  is, however, more correct to say that the driving force  is the difference  in chemical 

potential thereby including the effect of temperature [21]. 

 

By inserting Henry’s law into Fick’s law, integrating across the membrane [dx = L (membrane  thickness)  and  dc   =  concentration  difference  or  partial  pressures difference], and remembering the definition of the permeability coefficient is obtained 

[21]. Appling this to the separation of CO2 and N2, the equations are:  

J D dcdx

 

(Eq. 2) 

  P

L

J

∆p 

(Eq. 3)

J    is the flux of component i (mol/[cm2 s]) 

D    is the diffusion coefficient (cm2/s) 

dc /dx      is  the  concentration  gradient  for component i over the length x (mol/[cm3 cm]) 

  P /L    permeance or permeability flux 

(cm3 [STP]/[cm2 bar s]) 

∆p       partial  pressure  difference  of 

“CO ” across the membrane (bar)  

And the flux across the membrane is given by Equation 4:  

JP

Lp x p y  

(Eq. 4)

 

where x  and y  is the fraction of gas CO on the feed side and on the permeate 

side, respectively.  

Solution‐diffusion mechanism  is the most commonly used theory  for describing 

gas  permeation  through  non‐porous  polymer  membranes.  In  this  mechanism,  gas 

molecules are  first  sorbed by  the membrane at  the upstream  interface,  then diffuse 

through  the membrane  thickness and  later desorb at  the  low pressure downstream 

side. Because the membrane does not have pores, it does not separate on the basis of 

molecular size. Rather,  it separates based on how well different compounds dissolve 

into  the membrane  and  then  diffuse  through  it.  According  to  this mechanism,  the 

movement of gas molecules through polymeric membranes is controlled by diffusivity 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 13 –

coefficient (D) and solubility coefficient (S). Diffusivity coefficient is a kinetic parameter 

that measures  the mobility of  individual molecules  through  the polymer  chains. The 

solubility is a thermodynamic factor that provides information on the sorption uptake 

of  gas  components  in  the  membrane  material.  Thus,  the  permeability  (P)  (Eq.  5) 

represents  the ability of  the molecules  to pass  through a membrane, defined as  the 

product of diffusivity and solubility coefficients [22]:  

 

P D S (Eq. 5) 

The ability of a membrane  to  separate a mixture of  two gas components  (CO2 

and  N2)  is  the  ratio  of  their  permeabilities.  This  ratio  is  an  intrinsic  feature  of  the 

membrane and is called the ideal selectivity (α / ) of the gas CO2 over gas N2 [22]:  

α /PP

 

(Eq. 6)  

Equation  6  is  a  representative  model  for  calculating  permselectivity  (ideal 

selectivity) of membrane based on pure  gas permeation  experiment.  For mixed  gas 

permeation experiment, the mixed gas selectivity (the separation factor)  is calculated 

by:  

SeparationFactory /yx /x

y1 y

x1 x

 

(Eq. 7)  

where CO2 is the permeated component and N2 is the rejected component in the feed 

mixture. The values x and y are the mole fractions of the components in the feed and 

the permeate, respectively. 

  

The  temperature  dependence  of  diffusion  coefficient  of  gas  CO2  in  polymer 

membrane  is  expressed  using  the  activated  relationship  similar  to  the  Arrhenius 

equation:  

D D , expERT

 

(Eq. 8)  

where D   is the diffusion coefficient (cm2/s), D ,   is pre‐exponential factor, E   is 

the  activation  energy  of  diffusion  (kJ/mol),  R  is  the  universal  gas  constant  (8.314 J/mol), and T is the temperature in K [23].  

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 14 –

Similarly,  the  solubility  (S )  can  be  expressed  as  a  function  of  temperature 

using the van’t Hoff relationship:  

S S , exp∆HRT

 

(Eq. 9)  

S ,   is  the  pre‐exponential  factor,  ∆H   is  the  enthalpy  of  solution  of  the  gas.  By 

substituting  Eq.  8  and  Eq.  9  into  Eq.  5,  a  temperature  dependent  model  for 

permeability of a penetrant CO2 can be written as:  

P P , expERT

 

(Eq. 10)  

and   

E E ∆H  

(Eq. 11)  

where  P ,   is  the  pre‐exponential  factor  and  E   is  the  activation  energy  of 

permeation. 

 

1.5. Commercial membranes for CO2 separation  

In order to membranes be competitive with current carbon capture technologies 

such  as  amine  absorption,  they  should  have  high  CO2  permeability  and  selectivity, 

thermal and chemically stable, resistance to aging, plasticization and aging resistance 

at high pressure, cost effective and easy to fabricate and handle [11].  

 

Table 5 depicts  a  list with  some of  the most  important polymeric membranes 

and their properties (selectivity and permeability) for CO2‐separation.  

 

Table 5   Commercial polymeric membranes in CO2/N2 separation. 

Polymeric membrane  PCO2 (barrer)  αCO2/N2   

Pervap 4060 (1) 1,931 (35 ºC) 2,180 (55 ºC) 

55  [24] 

Polyactive®  5,555  50  [25] PolarisTM  5,000  50  [26] 

(1) The experiment was carried out with a feed mixture of 10 mol% CO2/90 mol% N2 at 4 bar. 

 

 

 

 

 

 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 15 –

2. OBJECTIVES  

The objectives of this work are summarized as follows:  

‐ Study of the CO2 transport mechanism through a PDMS commercial membrane. 

Characterization  of  this  membrane  taking  into  account  the  influence  of 

temperature,  feed  concentration. Development  of  a  semi‐empirical  equation 

describing the CO2 flux.   

‐ Comparison  of  the  CO2/N2  separation  performance  of  one  and  two  stage 

membrane modules in series. 

  

 

3. EXPERIMENTAL PROCESS  

3.1. Membrane  

The selected membrane is a hydrophobic non‐porous membrane PERVAPTM 4060 

model manufactured  by  Sulzer  Chemtech  (Neunkirchen, Germany).  This membrane 

has been used  for the removal of VOCs and aroma  from aqueous solutions [27], and 

the  low hydrophobicity has proved  to enhance  the CO2 affinity of  the selective  layer 

material  in  single  gas CO2  and N2  separation  [24].  This  is  an  asymmetric membrane 

composed of a 0.5 ‐ 1.5 μm dense PDMS layer on top of a porous support, coated on a 

polymer interwoven support. In Figure 4 a scheme of the structure of the membrane is 

presented.  

 

 Figure 4   Scheme of the structure of the commercial membrane used in this work. 

 

 

3.2. Experimental gas separation setup   

Gas  separation  experiments  were  carried  out  in  a  home‐made  plant  that 

operates  in continuous mode,  in order to separate a CO2/N2 mixture varying the feed 

composition  and  the  temperature  of  the membrane module  and monitor  the  CO2 

concentration of the exit permeate. This plant has been designed and built in order to 

Separation Layer 

Porous Support 

Mechanical Support 

0.5 ‐ 5 μm 

70 ‐ 100 μm 

100 ‐ 150 μm 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 16 –

work with either one or two membrane modules  in series so that process conditions 

and membranes can be varied differently in the two stages.   

 

A single membrane module 

The 1‐stage membrane plant (Figure 5) consists of two inlet streams of pure CO2 

and N2 whose volumetric flow rates are controlled by mass flow controllers. These also 

indicate the partial pressure of each gas and its inlet temperature. After both streams 

are mixed, the feed pressure is regulated by a control valve. The mixture is fed to the 

membrane module placed inside heating convection oven where the temperature can 

be  fixed  in  the range 25 – 100ºC. Two streams are obtained: a concentrate or reject 

(rich in N2) and a permeate (rich in CO2, since we are using a CO2‐selective membrane). 

The  pressure  of  the  reject  is  controlled  by means  of  another  control  valve with  a 

manometer and released inside the fume‐hood; and the permeate is mixed with pure 

known N2 flow rate for dilution, before entering the analyzer, since the maximum CO2 

concentration  is  20%  and  most  of  the  experiments  led  to  higher  feed  CO2 

concentrations, and the permeate  is expected to be a higher‐concentrated stream  in 

terms of CO2. The permeate  side  is kept at atmospheric pressure and  the permeate 

flow and composition are determined by a rotameter and an analyzer, respectively.  

Figure 5   One‐membrane process system flowsheet. 

The components constituting the gas separation plant are the following:  

‐ 2 gas inlets (N2 and CO2) provided by AIR LIQUIDE ‐ 3 gas flow controllers manufactured by ALICAT SCIENTIFIC, USA(MC‐50SCCM‐D) ‐ 3 analogical manometers (0 ‐ 6 bar) from BAUMER ‐ 1 rotameter (15 ‐ 300 mL/min) from TECFLUID 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 17 –

‐ Several “code” and “T” connections from LLEGRIS ‐ PVDF tube of 8 mm of external diameter and 6 mm of internal diameter ‐ Stainless steel tubes of 1/8” diameter (inside the heater) ‐ 2 non‐return valves from LLEGRIS ‐ 4 O/C valves from EMTECHNIK ‐ 2 control valves from HAM‐LET ‐ 1 convection oven from MEMMERT (Memmert UNE 200) ‐ 1 CO2 gas analyzer from GEOTECH (G100) 

 Two membrane‐in‐series module  

In order to work with two membrane modules in series, the plant in Figure 5 has been modified in order to incorporate another membrane module outside the oven to carry out gas separation experiments with two membrane modules in series (Figure 6), one  at  room  temperature,  the  other  at  different  temperatures.  The  first  module appears after  the  initial mixing point where  the  two pure‐streams of CO2 and N2 are mixed and its permeate is fed to the second membrane located inside the heater. We have  to  employ  another  control  valve  in  the  reject  stream  in  order  to  generate sufficient pressure for the gas pass through the second module. The rest of the process is equal to the first gas separation plant. 

 Figure 6   Two‐membrane‐in‐series process system flowsheet. 

 

 

 

 

 

 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 18 –

3.3. Experimental procedure   

In order to conduct gas separation experiments, we have to cut the membrane 

and to measure its diameter (for obtaining the effective membrane area). Its thickness 

is measured using  a digital micrometer with  a precision up  to  0.001 mm  (Mitutoyo 

digimatic  micrometer,  IP  65).  The  membrane  is  introduced  in  the  stainless  steel 

module and  this  is placed  inside  the heater. The membrane module consists of  two 

stainless steel pieces, pneumatically pressed each other on a Viton ring that seals the 

membrane, with a cavity where the membrane was placed on a 316L SS macroporous 

disk support of 20 μm nominal pore size (Mott Corp., USA). The effective permeation 

area is 0.0016 m2 for each module.   

  In order to perform a typical experiment the following steps have to be followed:  

1. The operation  temperature  is set up  (it  is  important  to wait until  the desired work  temperature  is  reached  by  the  oven)  and  depending  on  the  feed composition,  the  CO2  and  N2  flow  rates  are  set  up  in mL/min  on  the mass flowmeters,  in order  to make a  total  feed  flow  rate of 50 mL/min. After  this, the  feed  pressure  is  fixed  by  means  of  a  control  valve.  The  following experiments  (Tables  6  and  7) have been  carried out  at  30,  45  and  60  ºC.  In order  to  verify  the  reproducibility, we have performed  at  least 2  times each experiment. It  takes between 1  and 1.5 hours,  approximately,  the  system  to reach the steady state condition. 

  

Table 6   Experiments performed in the single‐module plant. 

 % CO2 

x  

% N2 

x  

Q  

(mL/min) 

Q   

(mL/min) 

P (bar) 

Experiment 1  0  100  0  50 

≈ 4 

Experiment 2  12.5  87.5  6.25  43.75 

Experiment 3  25  75  12.50  37.50 

Experiment 4  50  50  25  25 

Experiment 5  75  25  37.50  12.50 

Experiment 6  100  0  50  0 

 

 

Table 7   Experiments performed in the two membrane‐in‐series module plant. 

 % CO2 

x  

% N2 

x  

Q  

(mL/min) 

Q   

(mL/min) 

P  (bar) 

Experiment 2  12.5  87.5  6.25  43.75  ≈ 4 

  

2. Once  steady  state  is  reached, data are  taken at  intervals of 15  ‐ 25 min. The 

collected data for all the experiments regarding the following variables: 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 19 –

 

Time  (min) 

 

T(ºC) 

 

Q   

(mL/min) 

 

P  

(psia) 

 

Q   

(psia) 

 

P   

(psia) 

 

P  

(bar) 

Q  

(mL/min) 

P  

(bar) 

P  

(bar) 

% CO2 from  

the analyzer 

Q  

(mL/min) 

 

Before  and  after  experiments  at  different  CO2  concentrations  at  a  set 

temperature,  a  check  test  is  performed  with  a  pure  N2  stream  under  the  same 

operating conditions of temperature and pressure  in order to verify  if the membrane 

presents  the  same  performance  and  has  not  been  deteriorated  during  the  set  of 

experiments. By comparing with the initial values of N2 flux whether the membrane is 

still in the same form or on the contrary, the membrane has to be changed. In Figure 7 

an  example  of  the  change  in  the  performance  of  the  membrane  after  several 

experiments is represented.  

 

 Figure 7   N2 flux vs. operation time before and after a set of experiments at different 

CO2 concentrations and a temperature of 60 ºC.  

 

The membrane checked  in Figure 7, shows only a slight deviation  in the flow of 

N2,  so  it  is  not  yet  necessary  to  change  the membrane  and  it  can be  characterized 

further in another set of experiments. 

  

From  the data collected experimentally we calculate  is  the permeate  flow  rate 

(Q ), as follows (Equation 12).  

‐ Permeate volumetric flow rate (Q ) 

5600

5800

6000

6200

6400

6600

6800

7000

7200

7400

0 10 20 30 40 50 60

J N2(m

L/m

2min)

t (min)

21/04/2015

13/04/2015

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 20 –

 

Q Q Q mLmin

 

(Eq. 12)  

From the mass balance of the membrane, the reject  flow rate can be obtained 

subtracting at the feed flow the permeate flow (Equation 13).  

‐ Reject volumetric flow rate (Q ) 

 

Q Q Q mLmin

 

(Eq. 13)  

Now, in order to calculate the CO2 permeate flow rate, the N2 flow dilution must 

be taken into account, as in Equation 14   

%CO analyzerQ

Q100

Q

Q Q100 

(Eq. 14)  

Rearranging  the Equation 14, we can easily obtain  the CO2‐permeate  flow rate 

(Equation 15):  

‐ CO2 permeate volumetric flow rate (Q ) 

 

Q%CO analyzer

100Q Q

mLmin

 

(Eq. 15)  

and the real % CO2 in the permeate is the ratio between the permeate flow of CO2 and 

the permeate flow rate multiplied all by 100 (Equation 16):  

‐ Real CO2 % in permeate   

%CO yQ

Q100 

(Eq. 16)  

The  CO2  permeate  flux  can  be  obtained  dividing  the  permeate  flow  of  CO2 

between the membrane area, A:  

‐ CO2 permeate flux (J )  

JQ

A

mLm min

 

(Eq. 17)  

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 21 –

In  order  to  obtain  the CO2  permeability, we  need  to  calculate  the CO2  partial 

pressure difference (in bar) as the difference between the partial CO2‐pressure  in the 

feed side and the partial CO2‐pressure in the permeate side as appeared in Equation 4.  

 

The  separation  factor of  the membrane  can be  calculated as  follows  shown  in 

Equation 7. 

  

And the CO2‐permeability through the membrane  is calculated by following the 

Equation 3. 

 

Permeability is often reported in units of Barrer, which is defined as 

  

1Barrer 10 cm gas STP cmthicknesscm membrane s cmHg

 

(Eq. 18)  

For a composite membrane, we rather express the permeance in terms of flux, 

P/l, since the selective layer thickness is seldom known,  

  

1GPU 10 cm STP

cm s cmHg 

(Eq. 19) 

 

4. RESULTS AND DISCUSSION   

4.1. Influence of concentration  

The  inlet CO2 concentration  is an  important process variable that  influences the 

CO2  concentration  of  the  permeate,  since  the  transport mechanism  across  rubbery 

polymers such as PDMS  is  influenced by diffusivity, according  to  the permeation  flux 

described by the Fick’s law. In Figure 8 the results obtained for the single‐ membrane 

module system at different temperatures (30, 45 and 60 ºC) are shown. 

 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 22 –

 Figure 8   Permeate CO2‐concentration at different temperatures. 

 

As  is shown  in Figure 8,  the higher  the  inlet CO2 concentration,  the higher  the 

concentration of CO2 in the permeate. This kind of behavior is favored with increasing 

temperature,  but  taking  a  look  at  the  figure,  the  data  at  higher  CO2  concentration  

appear to be overlapped (% CO2, feed = 75; % CO2, permeate = 95) at the temperatures 

of 45 and 60 ºC. Thus  it may be concluded that under these conditions  it  is at 45 ºC 

that the separation could lead to more energy saving.   

  Figure 9 shows the trend followed by the flux of CO2 versus feed concentration.  

 

 Figure 9   Permeate CO2 flux variation with temperature and feed composition. 

 

There  is  a  linear  increasing  trend  of  the  CO2  permeation  flux  with  the  CO2 

concentration in the feed, which is slightly more linear in the 60 ºC situation. This leads 

to  another  observation,  since  at  60ºC,  a  lower  flux  is  obtained  than  at  the  lower 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100

% CO

2, p

erm

eate

% CO2, feed

T = 30 ºC

T = 45 ºC

T = 60 ºC

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0 20 40 60 80 100

J CO2(cm

3(STP

)/cm

2s)

% CO2, feed

30 ºC

45 ºC

60 ºC

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 23 –

temperatures,  which  does  not  have  physical  significance  and  therefore  can  be 

attributed  to  some  experimental  error  or  to  the  rapid  deterioration  of  the  PDMS 

membrane at higher temperatures. In all the cases, we can take as conclusion that the 

temperature does not affect significantly the separation process. 

 

4.2. Influence of temperature  

In order  to determine  the  influence of  the  temperature on  the CO2  separation 

process we have observed  the variation of  the CO2‐permeability expressed  in barrer 

and the % CO2 obtained in the permeate for each temperature (30, 45 and 60 ºC).  

In Figure 10  the average  results obtained at 30 ºC are  represented. A growing 

tendency  of  CO2  permeability  is  observed,  which  agrees  with  Fick’s  law  and  the 

influence of diffusion on rubbery‐ type membranes such as the PDMS membrane used 

in  this  study.  The  permeability  follows  the  same  increasing  tendency with  the  CO2 

concentration in the permeate as previously observed for the permeation flux. 

 

 Figure 10   CO2‐permeability obtained at 30, 45 and 60 ºC. 

 When the operating temperature of the membrane module is 45 ºC we observe 

a similar tendency as with 30 ºC. Note that  in this case both CO2‐permeability and % CO2 are higher than the previous case.  

And finally, when we worked at a temperature of 60 ºC, the results follows the same tendency as before but the values obtained of permeability and % CO2 are higher than the two previous cases, so we can state that a temperature  increase  favors the recovery process in terms of % CO2 obtained.  

Knowing  that  the  relationship  between  the  permeability  and  temperature follows an Arrhenius relation as showed in Equation 10.  

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 20 40 60 80 100

P (barrer)

% CO2 feed

30 ºC

45 ºC

60 ºC

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 24 –

Linearizing this equation by taking natural logarithms in both sides we obtain:   

LnP ln P ,ER

1000T

 

(Eq. 20)   

From  our  experimental  data,  we  have  different  values  of  P  under  different temperatures  and  feed  compositions.  As  example,  the  step  by  step  mathematical procedure  for  the  case of a CO2  feed  composition of 12.5 %  is presented below, by plotting the LnP versus 1000/T, with T the temperature in Kelvin (Figure 11).    

 Figure 11   Linear adjustment for the feed concentration 12.5 % CO2. 

  

y 10.82 0.359 x R 0.87 Ln P 10.82 0.359 1000T

 

 So we can directly obtain the rest of the terms: 

 LnP 10.82P 5001.11barrer 

 

ER 0.359R 8.314 J molK E 2.98 kJ mol 

 So the empirical equation for the feed composition of 12.5 % is: 

  

P 5001.11 exp2.98RT

 

 Following  the  same procedure with  the  rest of  feed  composition experiments, 

the activation energies for the permeation are obtained (Table 8):  

y = ‐0.3592x + 10.822R² = 0.8679

9.62

9.64

9.66

9.68

9.7

9.72

9.74

9.76

2.95 3 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35

Ln P

1000/T  (1/K)

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 25 –

Table 8   Pre‐exponential terms and activation energies for permeation. 

% CO2,feed  P ,  (barrer) E (kJ/mol)

12.5  5001.11  2.98 25  1987.89  6.48 50  2028.05  6.30 75  7386.54  3.27 100  2196.96  5.43 

 The  activation  energy  reported  for  dense  PDMS  membranes  reported  in 

literature [28] are 2.2 and 10.9 kJ/mol for CO2 and N2, respectively. Our data suggests the  same  order  of  magnitude,  and  a  maximum  value  of  activated  flux  at  the intermediate values of CO2 feed concentration. The parameters in Table 8 are thus the empirically  obtained  parameters  to  describe  the  CO2  permeation  flux  using  a  semi‐empirical equation as follows:  

 

JPL

∆PP ,

Lexp

ERT

∆P  

(Eq. 21)  

In  Figure  12,  the  calculated  permeability  values  are  plotted  versus  the experimental values in a parity graph. All the experimental values are contained inside a  ±  10  %  of  deviation  error.  Therefore,  this  equation  is  able  to  predict  the  CO2 permeability through the membrane as a function of temperature and partial pressure.   

 Figure 12   Comparison between the experimental and calculated permeabilities. 

   

4.3. Influence of number of membranes  

Next, we studied the influence of the number of membranes in series on the CO2 

separation, using the specially built plant as described in the Experimental section and 

1300

1800

2300

2800

3300

1300 1800 2300 2800 3300

Pcalc (barrer)

Pexp (barrer)

30 ºC

45 ºC

60 ºC

y‐10

y+10

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 26 –

Figure 6,  at 12.5 % CO2 feed concentration in the same temperature range (30, 45 and 

60  ºC)  as  the  single‐membrane  separation.  The  first  observation  is  that  the  time 

required for the stabilization of the system performance  is higher than with the one‐

membrane system, ranging from 1 to 1.5 h before steady state conditions are reached 

and  data  collection  can  be  started.  This  may  be  attributed  to  the  membrane 

conditioning  that  has  been  reported  in  the  literature  as  quite  large  for  polymeric 

membrane materials  [29],  since now we are working with  the double of membrane 

area as in the one‐membrane separation system. In Table 9, the efficiency of the two‐

membrane system versus the one‐membrane system  is compared  in terms of carbon 

recovery (% CO2 in permeate).   

 

Table 9   Comparison of % CO2 in permeate achieved between the system with 1 and 2 membranes in series. 

xCO2 = 12.5 %   

T (ºC) 

1 membrane  2 membranes 

∆% CO2 

Removal efficiency

(%)  % CO2  % CO2 

30  15.85 ± 0.51  22.82 ± 0.43  ↑ 43.97  4.32 

45  16.09 ± 1.43  24.95 ± 4.05  ↑ 55.07  6.80 

60  17.12 ± 1.84  30.16 ± 4.99  ↑ 76.17  9.20 

  

The % CO2 in the permeate is increased at higher working temperatures for both 

systems. When only one membrane  is used outside  the oven,  the permeate  is only 

22% more concentrated in CO2 than in the feed solution. When the two‐membrane‐in‐

series  system  is  used,  with  the  membrane  modules  submitted  at  different 

temperatures, the CO2 concentration  in the permeate  is 43%, 55% and 76% higher  in 

the permeate than  in the  feed, at 30, 45 and 60ºC, respectively. This  is attributed to 

the fact that the membrane area employed is twice and then the CO2 concentration is 

higher. So  it can be concluded that the use of two membrane‐in‐series  increases the 

CO2 concentration in the permeate, although the removal efficiency is still low. Thus, in 

order  to  obtain  better  performance  and  a  permeate  composition  near  90%  CO2  in 

order  to  compete with  industrial  carbon  capture  technologies, we  should  think  on 

performing  some  changes. For  instance,  introducing also  the  first module  inside  the 

convection  oven,  or  using  higher  operation  temperatures without  deteriorating  the 

membranes,  investigating  other  geometries  that  increase  area/volume  ratio  in  the 

module  and higher  thermally  resistant membrane materials  that widen  the working 

temperature range even further [30]. 

   

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 27 –

5. CONCLUSIONS   

The  capture of CO2  in post‐combustion processes using membrane  technology 

could have importance in the future if the technological and economical feasibility are 

assessed. In this work, it has been studied the separation of a carbon dioxide/nitrogen 

mixtures at different  feed compositions and  temperatures. The main conclusions are 

that  the  temperature  slightly  favors  the CO2  recovery,  since higher  concentration of 

carbon  dioxide  in  the  permeate  are  achieved  at  increasing  temperature;  the 

permeability also increased with rising temperature. The experiments performed with 

the  two membrane‐in‐series  set up built  in  this work  show  that  the  carbon dioxide 

concentration  in  the  permeate  is  between  44%  and  76%  higher  than  the  values 

obtained  with the single membrane system at 30 ºC and 60 ºC, respectively.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 28 –

6. REFERENCES      

[1]  Olajire,  A.  2010.  CO2  capture  and  separation  technologies  for  end‐of‐pipe applications ‐ A review. Energy, 35, pp. 2610‐2628.  

[2]  Stolten,  D.  and  Scherer,  V.  2011.  Efficient  Carbon  Capture  for  Coal  Power Plants. 619pp. Wiley‐VCH: Weinheim, Germany.  

[3]  Wang, S. and Han, X. 2012. Application of Polymeric Membrane in CO2 Capture from  Post  Combustion. Advances  in  Chemical  Engineering  and  Science,  2(3), pp. 336‐341.   

[4]  LiveSmart  BC  –  Why  the  Climate  is  Changing. http://www.livesmartbc.ca/learn/change.html (accessed on 10/07/2015)  

[5]  Climate  Change  2007,  Synthesis  Report,  IPCC,  2007. http://www.ipcc.ch/pdf/assessment‐report/ar4/syr/ar4_syr_full_report.pdf (accessed on 08/07/2015)  

[6]  Natural Gas 1998, Issues and Trends. Energy Information Administration (EIA), April  1998. http://www.eia.doe.gov/oil_gas/natural_gas/analysis_publications/ natural_gas_1998_issues_and_trends/it98.html (accessed on 09/07/2015)  

[7]  Álvarez Guerra, M., Albo, J., Álvarez Guerra, E., Irabien, A. 2015.Ionic liquids in the  electrochemical  valorisation  of  CO2.  Energy  and  Environmental  Science,  DOI: 10.1039/c5ee01486g.  

[8]  European Workshop. CO2: From Waste  to Value, Report  from  the Workshop, Brussels,  2011. https://ec.europa.eu/research/industrial_technologies/pdf/co2‐workshop‐30032011_en.pdf (accessed on 10/07/2015)  

[9]  Herzog,  H.  Economics.  In Workshop  on  Carbon  Sequestration  Science, May 2001. http://www.netl.doe.gov/publications/proceedings/01/carbon_seq_wksp/herzog_eco.pdf (accesses on 10/07/2015)  

[10]  IPCC  Carbon  Dioxide  Capture  and  Storage:  Technical  Summary,  2005. http://arch.rivm.nl/env/int/ipcc/pages_media/SRCCS‐final/SRCCS_TechnicalSummary.pdf (accessed on 10/06/2015)  

[11]  Favre, E. 2007. Carbon dioxide recovery from post‐combustion processes: Can gas permeation membranes compete with absorption?. Journal of Membrane Science, 294, pp. 50‐59,  

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 29 –

 [12]  Brunetti, A., Scura, F., Barbieri, G., Drioli, E. 2010. Membrane technologies for 

CO2 separation. Journal of Membrane Science, 359, pp. 115‐125,   

[13]  Santos,  E.  Carbon  dioxide  separation  by  means  of  supported  ionic  liquid membranes. PhD thesis, University of Cantabria, Santander, 2014, No. pages.  

[14]  Ramasubramanian, K., Zhao, Y., Ho, Winston. W.S. 2013. CO2 capture and H2 purification: prospects  for CO2‐selective membrane processes. AIChE  Journal, 59 (4), pp. 1033‐1045.  

[15]  PUCRS  |  CEPAC.  What  is  Carbon  Sequestration?. http://www.pucrs.br/cepac/index.php?p=sequestro_carbono  (accessed  on 10/07/2015)  

[16]  Zhao,  L.;  Riensche,  E.;  Blum,  L.;  Stolten,  D.  2011.  How  gas  separation membrane  competes with  chemical  absorption  in  post‐combustion  capture. Energy Procedia, , 4, pp. 629‐636.  

[17]  Kohl, A.  and Nielsen, R.  1997. Miscellaneous  gas  purification  techniques,  in: 

Gas Purification, Chapter 16, pp. 1296‐1373, 5th edn., Gulf Publishing:Houston, 

TX. 

 [18]  Feron, P.H.M. 2009. The potential for improvement of the energy performance 

of  pulverized  coal  fired  power  stations  with  post‐combustion  capture  of carbon dioxide. Energy Procedia,  1, pp. 1067‐1074.  

[19]  Favre,  E.,  2011.  Membrane  processes  and  postcombustion  carbon  dioxide capture:  challenges  and  prospects.  Chemical  Engineering  Journal,  ,  171,  pp. 782‐793.  

[20]  Zhao, L., Riensche, E., Menzer, R., Blum, L., and Stolten, D. 2008. A parametric study  of  CO2/N2  gas  separation  membrane  processes  for  post‐combustion capture. Journal of Membrane Science,  325, pp. 284‐294.  

[21]  Hägg, M.,  2009. Membranes  in  gas  separation,  in:  Handbook  of Membrane Separations: Membranes  in Gas Separation  (Eds. A.K. Pabby, S. S. H. Rizvi, A. M. Sastre), 2nd edn., pp. 65‐103, CRC Press Taylor & Francis: NW: USA.  

[22]  Adewole,  J.K.,  Ahmad,  A.L.,  Ismail,  S.,  Leo,  C.P.  2013.  Current  challenges  in membrane separation of CO2 from natural gas: A review. International Journal of Greenhouse Gas Control, 17, pp. 46‐62  

[23]  Santos,  E.;  Rodríguez‐Fernández,  E.;  Casado‐Coterillo,  C.;  Irabien,  A.  2015. Hybrid  ionic  liquid‐chitosan membranes  for  CO2  separation: Mechanical  and 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 30 –

thermal behavior.  International  Journal of Chemical Reactor Engineering, DOI 10.1515/ijcre‐2014‐0109.  

[24]  Scholes,  C.  A.;  Stevens,  G. W.;  Kentish,  S.  E.  2010.  The  effect  of  hydrogen sulfide, carbon monoxide and water on the performance of a PDMS membrane in carbon dioxide/nitrogen separation. Journal of Membrane Science, 350  (1–2), pp. 189‐199.  

[25]  Zhao,  L.;  Riensche,  E.;  Blum,  L.;  Stolten,  D.,  2011.  How  gas  separation membrane  competes with  chemical  absorption  in  post‐combustion  capture. Energy Procedia,  4, pp. 629‐636.  

[26]  Merkel, T. C.;  Lin, H.; Wei, X.; Baker, R., 2010. Power plant post‐combustion carbon dioxide capture: an opportunity for membranes. Journal of Membrane Science,  359, pp. 126‐139.  

[27]  Chemtech,  Sulzer.  "Membrane  Technology."  http://www.sulzer.com/es/‐/media/Documents/ProductsAndServices/Separation_Technology/Membrane_Technology/Brochures/Membrane_Technology.pdf  (accessed  on 22/06/2015).  

[28]  Merkel,  T.  C.;  Gupta,  R.  P.;  Turk,  B.  S.;  Freeman,  B.  D.  2001.  Mixed‐gas permeation  of  syngas  components  in  poly(dimethylsiloxane)  and  poly(1‐trimethylsilyl‐1‐propyne)  at  elevated  temperatures.  Journal  of  Membrane Science,  191, pp. 85‐94.  

[29]  González‐González,  B.;  Ortiz‐Uribe,  I.  2001.  Mathematical  modeling  of  the pervaporative  separation  of  methanol‐methylterbutyl  ether  mixtures. Industrial Engineering & Chemistry Research,  40, pp. 1720‐1731.  

[30]  Fernández‐Barquín, A., Casado‐Coterillo, C., Palomino, M., Valencia, S., Irabien, A.  2015.  LTA/Poly(1‐trimethylsilyl‐1‐propyne)  Mixed‐Matrix  Membranes  for High‐Temperature  CO2/N2  Separation.  Chemical  Engineering  Technology, 38(4), pp. 658‐666.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 31 –

7. NOMENCLATURE   

α /   Ideal selectivity of the CO2 over N2 

∆H   Enthalpy of solution of the gas [kJ/mol] 

∆p   Partial pressure difference of CO2 across the membrane [bar] 

A Effective membrane area [cm2] 

dc /dx  Concentration gradient for component I over the length x [mol/cm3 cm] 

D   Diffusion coefficient for CO2 [cm2/s] 

D ,   Pre‐exponential factor [cm2/s] 

E   Activation energy of diffusion [kJ/mol] 

E   Activation energy of permeation [kJ/mol] 

J   Permeate flux of CO2 [cm3 (STP)/cm2 s] 

L  Membrane thickness [cm] 

P   Permeability of CO2 [barrer] 

P   Pressure of the feed mixture [bar] 

P   Pressure of the permeate [bar] 

P /L  Permeance of CO2 [GPU] 

Q   Volumetric flow rate of CO2 in the permeate [mL/min] 

Q   Volumetric flow rate of the feed mixture stream [mL/min] 

Q   Volumetric flow rate of the N2 dilution stream [mL/min] 

Q   Volumetric flow rate of the permeate stream [mL/min] 

Q   Volumetric flow rate of the reject stream [mL/min] 

Q   Lectured volumetric flow rate including the permeate and the dilution [mL/min] 

R  Universal gas constant (8.314 J/mol K) 

S   Solubility coefficient for CO2 [cm3 (STP)/cm3 bar] 

S ,   Pre‐exponential factor [cm3 (STP)/cm3 bar] 

T  Temperature [K] 

x   Molar fraction of CO2 on the feed side 

y   Molar fraction of CO2 on the permeate side 

%CO analyzer Molar fraction of CO2 given by the analyzer (from 0 to 22 %) 

%CO Molar fraction of CO2 on the permeate (is the same as y ) 

 

Mass Transfer Through Gas Separation Membranes. Experimental study of CO2/N2 Separation 

– 32 –

8. ANNEXES  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Table 10   Summary of experiments. 

Membrane  Initial date  Final date Operation 

time Experiments performed  Initial thickness (mm)  Final thickness (mm)  % Reduction 

1  16/03/2015  31/03/2015  30 hours 

E1 at 45 ºC (16/03/2015) E5 at 45 ºC (17/03/2015) E4 at 45 ºC (18/03/2015) 

E4 (rep.) at 45 ºC (20/03/2015) 

E3 at 45 ºC (23/03/2015) E3 (rep.) at 45 ºC (24/03/2015) 

E2 at 45 ºC (25/03/2015) E6 at 45 ºC (30/03/2015) 

0.2074 ± 0.001  0.1985 ± 0.001  4.29 

2  31/03/2015  20/04/2015  36 hours 

E1 at 30 ºC (31/03/2015) E2 at 45 ºC (01/04/2015) E3 at 45 ºC (01/04/2015) E2 at 30 ºC (07/04/2015) E3 at 30 ºC (08/04/2015) E4 at 30 ºC (08/04/2015) E5 at 30 ºC (09/04/2015) E6 at 30 ºC (10/04/2015) E1 at 30 ºC (10/04/2015) E1 at 60 ºC (13/04/2015) E6 at 60 ºC (13/04/2015) E2 at 60 ºC (14/04/2015) E3 at 60 ºC (15/04/2015) E4 at 60 ºC (16/04/2015) 

    

0.2062 ± 0.002  0.1976 ± 0.002  4.17 

- 34 ‐

Membrane  Initial date  Final date Operation 

time Experiments performed  Initial thickness (mm)  Final thickness (mm)  % Reduction 

3  20/04/2015  28/04/2015  18 hours 

E1 at 60 ºC (21/04/2015) E2 (rep.) at 60 ºC (22/04/2015) 

E3 (rep.) at 60 ºC (24/04/2015) 

E4 (rep.) at 60 ºC (27/04/2015) 

0.2072 ± 0.002  0.2022 ± 0.002  2.41 

4  28/04/2015  04/05/2015  10 hours 

E1 at 60 ºC (29/04/2015) E4 (rep.) at 60 ºC (30/04/2015) 

E5 at 60 ºC (04/05/2015) 

0.2069 ± 0.002  0.1980 ± 0.001  4.53 

5  04/05/2015  12/05/2015  11 hours 

E1 at 60 ºC (05/05/2015) E5 at 60 ºC (05/05/2015) 

E5 (rep.) at 60 ºC (06/05/2015) 

E4 (rep.) at 45 ºC (11/05/2015) 

0.2074 ± 0.002  0.1893 ± 0.002  8.73 

6  12/05/2015  26/05/2015  9 hours 

E1 at 45 ºC (12/05/2015) E3 at 45 ºC (12/05/2015) E5 at 45 ºC (12/05/2015) E5 at 60 ºC (12/05/2015) E4 at 45 ºC (13/05/2015) E5 at 45 ºC (13/05/2015) E6 at 45 ºC (13/05/2015) 

0.2073 ± 0.002  0.1903 ± 0.001  8.20 

7 and 8  26/05/2015  17/06/2015  16 hours E2 at 30 ºC (27/05/2015) E2 at 45 ºC (28/05/2015) E2 at 60 ºC (01/06/2015) 

Outside (0.196 ± 0.001) 

Outside (0.194 ± 0.001) 

Outside (1.03) 

Inside (0.2074 ± 0.002)  Inside (0.195 ± 0.001)  Inside (5.98) 

- 35 ‐

Membrane  Initial date  Final date Operation 

time Experiments performed  Initial thickness (mm)  Final thickness (mm)  % Reduction 

9 and 10  17/06/2015    72 hours 

E2 at 30 ºC (17/06/2015) E2 at 30 ºC (18/06/2015) E2 at 45 ºC (19/06/2015) E2 at 30 ºC (22/06/2015) E2 at 45 ºC (23/06/2015) E2 at 45 ºC (24/06/2015) 

Outside (0.197 ± 0.001) 

‐  ‐ 

Inside (0.194 ± 0.001)  ‐  ‐ 

 The difference between the “initial” and “final date” represents the time that the membrane has been within the module.  Experiment Nº xCO2,feed  xN2,feed 

E1  0  100 

E2  12.5  87.5 

E3  25  75 

E4  50  50 

E5  75  25 

E6  100  0