Istraživački napredak materijala za hvatanje ugljičnog dioksida

Kako se globalno zagrijavanje pojačava, smanjenje emisija stakleničkih plinova poput ugljičnog dioksida i zaštita okoliša postalo je jedno od glavnih globalnih pitanja koja se treba riješiti. Da bi se postiglo smanjenje emisije ugljičnog dioksida, potrebno je proći kroz procese hvatanja, transporta, skladištenja, primjene i pretvorbe. Trošak hvatanja u tim procesima čini oko 75%ili čak veći. Trenutno je koncentracija CO2 u većini velikih izvora emisije manja od 15%, dok mali dio (manje od 2%) industrijskih izvora temeljen na fosilnim gorivima ima koncentraciju emisije CO2 veću od 95%. Izvori visoke koncentracije potencijalni su ciljevi za ranu implementaciju tehnologije hvatanja i skladištenja ugljičnog dioksida (CCS). CO2 je jedan od glavnih plinova koji uzrokuju efekt staklenika i također je potencijalni ugljični resurs. CO2 ima širok spektar upotrebe u različitim sektorima nacionalne ekonomije kao kemijska sirovina, rashladno sredstvo, pojačivač proizvodnje naftnog polja, inertni medij, izvor otapala i tlaka. Stoga su sve zemlje posvećene smanjenju emisija ugljičnog dioksida iz spaljivanja fosilnih goriva. Trenutno se tehnologija hvatanja ugljičnog dioksida široko koristi u kemijskoj, elektrani, proizvodnji automobila i drugim industrijama. Međutim, nedostaci materijala za hvatanje ugljičnog dioksida u ovoj su fazi loša performansi recikliranja, toksičnost, niska učinkovitost hvatanja, oskudne sirovine i visoka potrošnja energije. Stoga je razvoj novih materijala za hvatanje ugljika postao istraživački fokus.

Ključne riječi: ugljični dioksid; uhvatiti materijale; istraživanje; napredak

Adsorpcija otopine uglavnom koristi otopine koje sadrže funkcionalne skupine amina za snimanje CO2 pomoću kemijske apsorpcije. Najčešće korišteni adsorbenti su otopine alkoholnih amina, uključujući primarne alkoholne amine (poput etanolamina), sekundarne alkoholne amini (poput dietanolamina i diizopropanolamina) i tercijarnih alkoholnih amina (poput metildietanolamina i trietanolamina). Ova kemijska metoda apsorpcije koristi apsorbent za reagiranje s CO2 kako bi postigla svrhu oporavka CO i koristi svoju obrnutu reakciju za regeneraciju apsorbira. Ova metoda ima visoku brzinu uklanjanja CO2 i jedna je od najučinkovitijih metoda za oporavak CO2. Također je prikladan za obradu miješanih plinova s niskim djelomičnim tlakom CO. Međutim, još uvijek postoje mnogi nedostaci koji ograničavaju uporabu ove metode: amini su skloni oksidativnoj razgradnji, što smanjuje performanse apsorpcije i također povećava viskoznost otopine, što nije pogodno na prijenos plina; Amini i njihovi proizvodi za razgradnju lako se isparuju tijekom regeneracije apsorbira, što smanjuje njegovu apsorpcijsku sposobnost: jaka alkalnost otopine amina posebno je korozivna na instrumente i opremu; Operacija je relativno glomazna; Potrošnja energije regeneracije je velika.

Budući da je CO2 kiseli plin, lako se adsorbira na površini blago alkalnih materijala. Postoje tri glavna alkalna adsorbenta koja su trenutno pod istraživanjem i razvojem: jedan su alkalni metalni oksidi, poput Na2O2, K2O, CAO, MGO i AI2O3. Metalni oksidi imaju dobar adsorpcijski kapacitet pri visokim temperaturama, posebno glinica. Kada se dodaju alkalni metali (poput Li2O, K2O, Na2O), njegov adsorpcijski kapacitet pri visokim temperaturama može se uvelike poboljšati u usporedbi s fizičkim adsorbentima; Drugi su alkalne metalne soli, poput kalcijevog karbonata, silikata, litij silikata i litij -cirkonata; Treća je smjesa hidrotalcita. Hidrotalcit sadrži alkalne metalne spojeve i ima mikroporoznu strukturu. To je prirodni kompozitni materijal. Adsorpcija ugljičnog dioksida hidrotalcitom izazvala je interes ljudi.

Ugljični materijali uglavnom uključuju aktivni ugljik i ugljična vlakna.

(1) Aktivirani ugljik je najčešći crni porozni adsorbent s velikom specifičnom površinom. Njegove glavne komponente su amorfni ugljik, kao i mala količina vodika, kisika, dušika, sumpora i pepela. Fizička i kemijska svojstva i površinska kemijska svojstva proizvedenog aktivnog ugljika uvelike će se razlikovati ovisno o sirovinama, postupku pripreme i metodi aktivacije. Glavni čimbenici koji određuju adsorpcijski kapacitet aktivnog ugljika su specifična površina, karakteristike strukture pora, svojstva površine i adsorpcijske karakteristike adsorbata. Proučavane su adsorpcijske performanse nekoliko adsorbenata s aktivnim ugljikom na CO2 na visokoj temperaturi. Za različite vrste adsorbensa, količina adsorpcije CO2 proporcionalna je specifičnoj površini i ukupnom volumenu pora aktivnog ugljika; Iako je za isti adsorbent, količina adsorpcije proporcionalna je tlaku i obrnuto proporcionalna temperaturi.

(2) Aktivirano ugljik se dobiva karbonizacijom i aktiviranjem organskih vlakana. To je treća generacija ugljikovog materijala nakon aktivnog ugljičnog praha i čestica aktivnog ugljika. Aktivirano ugljik ima razvijenu specifičnu površinu od zrnatog aktivnog ugljika, manji promjer mikropora (oko 1NM), a volumen mikropora čini više od 90% ukupnog volumena pora. Istodobno se izravno otvara na površini vlakana, tako da ima prednosti velikog adsorpcijskog kapaciteta, visoke adsorpcijske učinkovitosti i brze adsorpcije i brzine desorpcije. Zbog posebnosti njegove strukture i performansi, uporaba vlakana s aktivnim ugljikom za adsorbiranje zagađivača zraka postala je istraživačka žarišta za znanstvene istraživače i pokazala je sjajne izglede za primjenu.

Zeolit molekularno sito je prirodni ili sintetički kristalni aluminosilikat koji sadrži alkalni metalni i alkalni zemaljski metalni oksidi. Ima strogu strukturu i pore. Veličina pora malo se razlikuje zbog strukturnih razlika i može odvojiti tvari različitih molekularnih masa. Zeolitni molekularno sito adsorbenti se često koriste za odvajanje i pročišćavanje plina, poput proizvodnje dušika iz zraka, odvajanja i pročišćavanja CO2 itd. Njegov adsorpcijski kapacitet također se smanjuje s povećanjem temperature. Lila i sur. Koristite ASRTSA molekularno sito za adsorb i uklonite CO2 iz svemirske kapsule. Eksperimenti pokazuju da kada temperatura poraste na 175 stupnjeva, iznos adsorpcije iznosi samo 24% od 25 stupnjeva. Pod istim uvjetima, količina adsorpcije molekularnog sita zeolita, koja je također fizička adsorpcija, veća je od one u aktivnom ugljiku.

Znanstvenici iz Francuskog nacionalnog centra za znanstvena istraživanja razvili su novi materijal zvan MIL-101, koji može apsorbirati veliku količinu plina ugljičnog dioksida. Očekuje se da će ovaj materijal poboljšati sposobnost odupiranja globalnom zagrijavanju. Ovaj se materijal sintetizira iz kroma i tereftalne kiseline. To je porozni kompozitni nanomaterijal s površinom prekrivenom malim rupama promjera 3,5 nm. Stoga je adsorpcijski kapacitet vrlo jak. MIL-101 s volumenom od 1m³može pohraniti 400m³ugljičnog dioksida na 25 stupnjeva. Kapacitet skladištenja trenutnog općeg adsorpcijskog materijala u istim uvjetima je samo 200m³. Ovaj novi materijal može se postaviti na automobil za filtriranje ugljičnog dioksida koji emitira, postižući na taj način svrhu smanjenja emisija stakleničkih plinova.

Uspoređene su adsorpcijske performanse dva adsorbensa silikagela, a adsorpcijske izoterme N2 i CO2 na silikagelu i adsorbenti aktivnog ugljika su određene, a ispitivane su dinamičke krivulje prodora adsorpcije CO2 u različitim sustavima. Rezultati pokazuju da je adsorpcijska količina CO2 pomoću silikagela adsorben -a usporediva s aktivnom ugljikom, a selektivnost adsorpcije bolja je od one u aktivnom ugljiku; Veća specifična površina i visoki sadržaj pora korisni su za adsorpciju CO2, a odgovarajuća raspodjela pora pogoduje smanjenju unutarnjeg otpora difuzije silika gela adsorbensa.

Studija je koristila mezoporozni molekularni sito prah kao nosač i opterećena različitim organskim aminima za pripremu adsorpcijskih materijala CO2. Adsorbenti čvrste amin CO2 mogu selektivno adsorbirati kiseli plin CO2 kemijskim reakcijama i manje su pod utjecajem vodene pare. Adsorbent čvrstog amina CO2 pripremljen korištenjem mezoporoznih materijala s visokom specifičnom površinom i volumenom pora, jer su nosači pokazali karakteristike visokog adsorpcijskog kapaciteta. Konkretno, micela predloška sadržana u originalnom prahu mezoporoznog materijala zadržavaju se, a u mezoporoznom prostoru formiraju se "mrežice" različitih ljestvica kako bi se presreli i adsorbirali CO2 u protoku zraka, s velikom učinkovitošću adsorpcije. Proučavana je adsorpcija ugljičnog dioksida zeolita opterećenih aminskim spojevima, a rezultati su pokazali da se CO2 adsorpcijski kapacitet zeolita povećao za 20% ~ 30% nakon punjenja amina. To je zato što se i fizička adsorpcija i kemijska adsorpcija javljaju u procesu adsorpcije kompozitnih materijala, a dvostruki učinci imaju sinergistički učinak.

Za razliku od tradicionalnih organskih otapala, ionske tekućine ne proizvode hlapljive organske spojeve tijekom procesa dekarbonizacije zbog njihovog niskog tlaka pare i lako ih je koristiti. Istodobno, ionske tekućine mogu se koristiti više puta. Zajedničkim financiranjem Ureda za fosilnu energiju američkog Ministarstva energetike i američkog nacionalnog laboratorija za energetsku tehnologiju, Jennifer L, Wang Zhongni i drugih, proveli su razne jonske tekućine. Fizička svojstva i studije mehanizma apsorpcije CO2. Rezultati pokazuju da među danim ionskim tekućinama ionske tekućine imaju bolju selektivnost za CO2; Istodobno, ustanovljeno je da ionske tekućine imaju visoku CO, apsorpcijsko opterećenje i niže potrebe za toplinom regeneracije.

Proučavao je adsorpciju CO2 jakim vlaknima za razmjenu alkalnih iona. Simulirali su postupak adsorpcije i desorpcije plina i otkrili da jaka vlakna alkalne ionske razmjene mogu dobro adsorbirati CO2 plin. Istraživanje različitih čimbenika koji utječu na adsorpciju plina CO2 jakim vlaknima za razmjenu alkalnog aniona pokazalo je da: promjena sadržaja vode ima najveći utjecaj na adsorpciju, a visoki udio vode pogoduje adsorpciji plina od strane vlakana; Sporo protok plina pogoduje adsorpciji plina vlaknima, a brzi protok također može adsorbirati plin. Sve dok koncentracija plina ne prelazi određenu granicu, adsorpcija vlakana će biti manje pogođena; Oblik stupca Exchange također utječe na adsorpcijske performanse vlakana, a vitki stupovi razmjene bolji su od kratkih i gustih.

Apsorpcija na bazi membrane nova je tehnologija odvajanja membrane koja kombinira tehnologiju membrane s tehnologijom apsorpcije plina. Apsorpcija na bazi membrane nova je tehnologija odvajanja membrane koja spaja odvajanje membrane i apsorpciju tekućine. Materijal membrane pogodan za hvatanje CO2 je polipropilen šuplja vlakna, a tekućina za apsorpciju membrane je aktivirana vodena otopina poliamina. Komponenta CO2 u miješanom plinu preferirano prolazi kroz membranu i apsorbira se pomoću vodene otopine poliamina. Tada se otpadna tekućina regenerira destilacijom membrane, a njegova stopa regeneracije može prelaziti 98%. Ne samo da zauzima malo područje i ima prijateljske radne uvjete, već i područje membrane šupljeg vlakana je velika, stopa prolaska CO2 je visoka, a stopa regeneracije rješenja je visoka, što ovu metodu u budućnosti čini razvojni trend tehnologije hvatanja CO2.

Kako se svijest o okolišu ljudi postupno povećava, različite su zemlje povećale svoje napore na zaštiti okoliša, što će neizbježno igrati pozitivnu ulogu u promicanju razvoja materijala za hvatanje ugljičnog dioksida. Posljednjih godina istraživački rad o materijalima za hvatanje ugljičnog dioksida postigao je veliki napredak. Tehnologija hvatanja ugljičnog dioksida razvija se u smjeru niske cijene, jednostavnog procesa rada, niskih operativnih troškova i dugoročnog recikliranja. To zahtijeva da materijali za hvatanje ugljičnog dioksida moraju imati karakteristike jednostavne dostupnosti proizvodnih sirovina i niskih cijena, jednostavnog i ekološki prihvatljivog procesa, dobre regeneracijske sposobnosti i upotrebe koji se može reciklirati, a potrebno je istovremeno liječiti više zagađivača, poput ugljičnog dioksida, hidrogena sulfida i nitrogenih oksida. Zbog toga inteligentni ugljični dioksid hvata materijale budući trend razvoja. Novi materijali mogu na odgovarajući način prilagoditi vlastita površinska svojstva i poboljšati adsorpciju u različitim atmosferama u skladu s promjenama u okolišu.