Titre original :

Raman spectroscopic study of CO2 capture and separation by semi-clathrate hydrates crystallization and investigation of exchange processes in hydrates

Titre traduit :

Étude par spectroscopie Raman de la capture et séparation du CO2 par cristallisation de semi-clathrates d'hydrate et investigation des processus d'échange dans les hydrates

Mots-clés en français :
  • Bromure de tétrabutylammonium

  • Captage et stockage géologique du dioxyde de carbone
  • Hydrates
  • Spectroscopie Raman
  • Gaz -- Séparation
  • Clathrates
Mots-clés en anglais :
  • CO2 capture
  • Selectivity
  • Raman spectroscopy
  • Tetra-n-butyl ammonium bromide (TBAB)
  • Semi-clathrate hydrates

  • Langue : Anglais
  • Discipline : Milieux dilués et optique fondamentale
  • Identifiant : 2021LILUR003
  • Type de thèse : Doctorat
  • Date de soutenance : 22/01/2021

Résumé en langue originale

Aujourd’hui, les combustibles fossiles sont largement brûlés pour répondre aux besoins énergétiques croissants des populations humaines et aux enjeux industriels. De grandes quantités de gaz à effet de serre sont ainsi rejetées dans l’atmosphère et contribuent au réchauffement de la planète. Pour cette raison, des techniques d’atténuation du dioxyde de carbone (CO2) efficaces et respectueuses de l’environnement sont nécessaires, comme le captage et de stockage du carbone (CCS) en post-combustion, notamment à l’aide du processus de séparation à base d’hydrates (HBSP). Le HBSP consiste en l’encapsulation de petites molécules de gaz (e.g. CO2, azote (N2), méthane (CH4)) dans des composés cristallins semblables à de la glace, formant des hydrates de clathrate ou hydrates. Des travaux antérieurs ont montré que l’ajout de promoteurs tels que le bromure de tetrabutylammonium (TBAB) améliore considérablement le mécanisme de piégeage du gaz dans l’hydrate de semi-clathrate (sc). C’est pourquoi le HBSP peut s’avérer être une technique appropriée pour le captage sélectif du CO2 et la récupération d’énergie, bien qu’il soit encore nécessaire d’approfondir les connaissances fondamentales que nous avons des processus impliqués avant de pouvoir considérer un déploiement routinier à grande échelle. Ce travail vise à mieux comprendre les processus de séparation et de capture du CO2 à l’aide de l’hydrate sc, ainsi qu’à explorer les processus d’échange dans les hydrates de clathrate pour ouvrir une perspective vers les applications industrielles.Tout d’abord, une revisite des propriétés vibrationnelles de clathrates de CO2 est effectuée par spectroscopie Raman ex-situ à haute résolution pour révéler la distribution de cette molécule dans les hydrates en fonction des paramètres composition, pression et température. Seule une étude a rapporté la répartition des molécules de CO2 dans les petites et grandes cages des hydrates, mais avec une interprétation contestable, probablement due à l’effet de la résonance de Fermi qui en complique l’interprétation. Une des nouveautés de ce travail est l’identification des changements de fréquence en fonction de l’environnement structurel du CO2, améliorant ainsi notre connaissance des mécanismes d’encapsulation. De plus, des analyses Raman à haute résolution corroborées par mesures de diffraction de neutrons sont effectuées sur des sc de TBAB à base de CO2 à des fins de caractérisation.Par la suite, l’étude se concentre sur l’influence du protocole de formation (cristallisation rapide ou lente) sur les mécanismes d’encapsulation, la structure et la sélectivité de CO2+N2-TBAB par mesures Raman in-situ. Un nouveau point de dissociation est obtenu et nos résultats Raman mettent en évidence une performance variable du système sur la sélectivité en CO2 loin de ce point, alors qu’un meilleur résultat est obtenu proche de la dissociation. De même, les facteurs de séparation atteignent leurs plus grandes valeurs proches de la dissociation, en fonction toutefois de la structure du cristal de sc. La variation morphologique de la surface est suivie par microscopie optique et présente une transformation continue avec la température (cristaux polygonaux ou empilés évoluant en cristaux de TBAB-sc cylindriques). De plus, l’influence de la cinétique de formation sur la séparation et la sélectivité du CO2 est explorée.Enfin, une application potentielle de la séparation et du captage du CO2 par HBSP est abordée en étudiant le mécanisme d’échange lors de l’exposition d’un hydrate de clathrate de CO2 à l’azote gazeux. Même si les hydrates de CO2 et de N2 cristallisent respectivement dans les structures sI et sII, après injection de N2, ils forment une structure sI avec une occupation préférentielle des petites cages par les molécules de N2. Ensuite, la cinétique d’échange est analysée avec une perspective supplémentaire de récupération de méthane par injection de CO2 et de CO2+N2.

Résumé traduit

Nowadays, fossil fuels are constantly burnt to fulfill the increasing human and industrial demand in energy, and as a consequence, large quantities of greenhouse gases such as carbon dioxide (CO2) are released in the atmosphere and contribute to global warming. It is therefore pressing to develop efficient post-combustion CO2 mitigation techniques that are also efficient and environment-friendly, and as such, Carbon Capture and Storage (CCS) technologies involving the Hydrate-Based Separation Process (HBSP) have attracted a lot of attention. HBSP consists in encapsulating small gas molecules (e.g. CO2, nitrogen (N2), methane (CH4)) within crystalline ice-like compounds known as clathrate hydrates or hydrates. Previous works have shown that promoters like tetra-n-butyl ammonium bromide (TBAB) considerably improves the guest-gas trapping mechanism in semi-clathrate hydrate (sc). Hence, while HBSP proves to be a suitable technique for selective CO2 capture and energy recovery, advancing the fundamental understanding of processes at play is still needed before large-scale practical applications can be routinely considered. This work aims to better comprehend CO2 separation and capture processes using sc-hydrate technology, while also exploring exchange processes in hydrates to open a perspective towards industrial applications.First, the guest distribution in the hydrate phases of CO2¬-based clathrate hydrates as a function of parameters (initial composition, p, T) is revisited and elucidated by ex-situ high-resolution Raman spectroscopy. Up to now, there is a gap in the literature regarding the discrimination of the contribution of the small and large cages in CO2-based hydrates, mainly due to the Fermi resonance effect. So far, only a single study has attempted to distinguish these contributions in CO2-clathrates, however with a questionable interpretation. One of the novelties of the present work is to revisit the vibrational properties of CO2-clathrates to identify distinct frequency shifts depending on the structural environment of CO2 molecules, thereby improving our knowledge of CO2 encapsulation mechanisms in hydrates. High-resolution Raman analysis and neutron diffraction analyses are additionally performed in CO2-based TBAB-semi-clathrates for characterization purposes.Second, the influence of two different formation protocols (quick and slow crystallization protocols, commonly used in hydrate formation) on the encapsulation mechanisms, the structure, and the selectivity of CO2+N2-TBAB compounds is investigated by in-situ Raman spectroscopy. A new dissociation point (pressure and temperature) is obtained and our results highlight that slow hydrates formation rates exert a variable performance on CO2 selectivity at temperatures far from the dissociation point, while a better performance is observed when approaching dissociation. Similarly, separation factors reach their greatest values close to the dissociation, depending however on the sc crystal structure formed. Surface morphology variation is monitored by optical microscopy and exhibits a continuous transformation with temperature, starting from a rough surface coated with polygonal or stacked shaped crystals to the formation of columnar TBAB-sc crystals near dissociation. Moreover, the influence of the formation kinetics on CO2 separation and selectivity is explored.Finally, a potential application of CO2 separation and capture by HBSP is addressed through the investigation of the exchange mechanism when exposing CO2 clathrate hydrates to N2 gas. Even though CO2 and N2 hydrates crystallize in structure sI and sII, respectively, it is a CO2-N2 mixed hydrate with a preferential occupation of the small cages by N2 molecules that forms upon N2 injection. The exchange kinetics is analyzed from the perspective of methane recovery from CO2 and CO2+N2 injections.

  • Directeur(s) de thèse : Chazallon, Bertrand - Pirim, Claire
  • Président de jury : Dubois, Michel
  • Membre(s) de jury : Chazallon, Bertrand - Pirim, Claire - Bove, Livia Eleonora - Dalmazzone, Didier - Bouillot, Baptiste - Silvestre Albero, Joaquin - Guinet, Yannick
  • Rapporteur(s) : Bove, Livia Eleonora - Dalmazzone, Didier
  • École doctorale : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)

AUTEUR

  • Rodriguez Machine, Carla Thais
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