Towards Climate Change Mitigation: Study of Fluid Mixtures for CO₂ Capture

Il presente lavoro di tesi è dedicato allo sviluppo di sistemi solventi sostenibili per la separazione e la cattura reversibile della CO₂, con l’obiettivo di individuare alternative efficienti e scalabili agli assorbenti attualmente disponibili sul mercato, capaci di combinare alte prestazioni di cattura con un ridotto impatto ambientale e un contenuto fabbisogno energetico. L’attività sperimentale si articola in tre studi principali e un progetto Proof-of-Concept, finalizzati a dimostrare come i liquidi ionici (ILs) possano rappresentare un’alternativa concreta e industrialmente applicabile per la cattura della CO₂ post-combustione. Il primo studio riguarda liquidi ionici a base di colina e amminoacidi (ChoAA), con cationi di colina selezionati per biocompatibilità e origine da fonti rinnovabili, e anioni di amminoacidi scelti per la loro reattività verso la CO₂. L’etilenglicole (EG) è stato identificato come co-solvente ottimale in quanto rispetto al glicole propilenico (PG), evita fenomeni di precipitazione e garantisce prestazioni stabili di assorbimento. Il secondo studio propone una caratterizzazione approfondita del liquido ionico colina lisinato ([Cho][Lys]) in EG, a concentrazioni variabili. La formulazione al 25 wt% si è dimostrata la più equilibrata in termini di capacità di cattura (3,83 wt% CO₂), stabilità termica (Tonset = 192 °C), viscosità moderata e rigenerabilità. È stato inoltre confermato il meccanismo di chemiscorbimento tramite formazione di carbammati come principale via di legame della CO₂. Il terzo studio introduce il metil metilpirrolidinio propionato ([MMPyrr][Pro]), sintetizzato tramite metodologie prive di alogeni e assistite da microonde. Utilizzabile in forma pura, semplifica l’integrazione di processo e consente la cattura fino a 1,09 mol CO₂/kg IL in condizioni ambientali. Il progetto ILiCO₂sep si è focalizzato sulla validazione su scala pilota e sull’industrializzazione di formulazioni di liquidi ionici idrofobici, coperti da domanda di brevetto. Una formulazione costituita da 75 wt% di [Cat7][Pro] in 1-octil-2-pirrolidone ha mostrato una cattura ciclica stabile della CO₂ con oltre il 90% di efficienza di rigenerazione. La valutazione tecnico-economica ha individuato nelle piccole e medie imprese (PMI) con emissioni inferiori a 60 tonnellate di CO₂/anno il mercato di riferimento ideale. In conclusione, il lavoro dimostra che i liquidi ionici bio-derivati possono costituire una soluzione concreta, scalabile e pronta per il mercato, in linea con gli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile SDG 12 e SDG 7.

This thesis investigates the development of sustainable solvent systems for the separation and reversible capture of CO₂, with the objective of identifying efficient, scalable alternatives to conventional absorbents that combine high capture performance with reduced environmental impact and energy demand. The research is structured around three experimental studies and one Proof-of-Concept project, aimed at demonstrating that bio-derived ionic liquids (ILs) can serve as a robust and industrially viable platform for post-combustion CO₂ capture applications. The first study focuses on choline–amino acid ionic liquids (ChoAA), selecting choline for its biocompatibility and renewable sourcing and amino acid anions for their CO₂-reactive properties. A systematic evaluation identified ethylene glycol (EG) as the optimal co-solvent, mitigating the viscosity issues observed with propylene glycol (PG) while ensuring stable CO₂ absorption performance. The second experimental study provides an in-depth characterization of choline lysinate ([Cho][Lys]) in EG at concentrations of 25 wt%, 33 wt%, and 50 wt%. Through ATR-IR, TGA, DSC, and gravimetric CO₂ absorption tests, the 25 wt% formulation was identified as the optimal balance between CO₂ uptake (3.83 wt% CO₂), thermal stability (Tonset = 192 °C), moderate viscosity (~39 cP at 30 °C), and regeneration efficiency. Carbamate formation was confirmed as the main CO₂ binding mechanism. The third experimental study introduces methyl methylpyrrolidinium propionate ([MMPyrr][Pro]), synthesized via halogen-free, microwave-assisted methods. Unlike the previous systems, [MMPyrr][Pro] operates effectively in neat form, simplifying process integration and capturing up to 1.09 mol CO₂ per kg IL under ambient conditions. The ILiCO₂sep project, focused on the pilot-scale validation and industrial scale-up of the most promising ionic liquid formulations. As the molecular structures of the ILs specifically developed within ILiCO₂sep are covered by a patent application currently under submission, their detailed composition is not disclosed in this thesis. A 75 wt% [Cat7][Pro] in 1-octyl-2-pyrrolidone (NOP) formulation demonstrated stable cyclic CO₂ capture with initial absorption up to 6.01 wt% CO₂ and over 90% regeneration efficiency across 10 cycles. A full techno-economic assessment identified small and medium-sized enterprises (SMEs) emitting less than 60 tonnes CO₂/year as the ideal target market, confirming both technical and economic viability. In conclusion, this thesis establishes bio-derived ILs as a concrete, scalable, and market-ready solution for sustainable post-combustion CO₂ capture, aligning with Sustainable Development Goals SDG 12 (Responsible Consumption and Production) and SDG 7 (Affordable and Clean Energy).