Postęp badań materiałów do przechwytywania dwutlenku węgla

W miarę nasila się globalne ocieplenie, zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla i ochrona środowiska stało się jednym z podstawowych globalnych problemów, które należy rozwiązać. Aby osiągnąć redukcję emisji dwutlenku węgla, konieczne jest przejście przez procesy przechwytywania, transportu, magazynowania, zastosowania i konwersji. Koszt przechwytywania w tych procesach stanowi około 75%, a nawet wyższy. Obecnie stężenie CO2 większości dużych źródeł emisji wynosi mniej niż 15%, podczas gdy niewielka część (mniej niż 2%) źródeł przemysłowych opartych na paliwach kopalnych ma stężenie emisji CO2 ponad 95%. Źródła o wysokim stężeniu są potencjalnymi celami wczesnego wdrożenia technologii przechwytywania i magazynowania dwutlenku węgla (CCS). CO2 jest jednym z głównych gazów, które powodują efekt cieplarniany i jest również potencjalnym zasobem węglowym. CO2 ma szeroki zakres zastosowań w różnych sektorach gospodarki narodowej jako surowiec chemiczny, czynnik chłodniczy, wzmacniacz produkcji pola ropy, podłoże obojętne, rozpuszczalnik i źródło ciśnienia. Dlatego wszystkie kraje są zaangażowane w zmniejszenie emisji dwutlenku węgla ze spalania paliw kopalnych. Obecnie technologia przechwytywania dwutlenku węgla jest szeroko stosowana w chemicznej, elektrowni, produkcji samochodów i innych branżach. Jednak wady materiałów do przechwytywania dwutlenku węgla na tym etapie są słabe wydajność recyklingu, toksyczność, niska wydajność przechwytywania, rzadkie surowce i wysokie zużycie energii. Dlatego rozwój nowych materiałów do przechwytywania węgla stał się przedmiotem badań.

Słowa kluczowe: dwutlenek węgla; przechwytywanie materiałów; badania; postęp

Adsorpcja roztworu wykorzystuje głównie roztwory zawierające grupy funkcjonalne aminy do przechwytywania CO2 poprzez absorpcję chemiczną. Powszechnie stosowanymi adsorbentami są roztwory aminy alkoholowej, w tym pierwotne aminy alkoholowe (takie jak etanoloamina), wtórne aminy alkoholowe (takie jak dieetanoloamina i dieisopropanoloamina) i trzeciorzędowe aminy alkoholowe (takie jak metodietanoloamina i trieetanoloamina). Ta metoda absorpcji chemicznej wykorzystuje chłonność do reakcji z CO2 w celu osiągnięcia celu odzyskania CO i wykorzystuje jego odwrotną reakcję w celu regeneracji chłonności. Ta metoda ma wysoką szybkość usuwania CO2 i jest jedną z najskuteczniejszych metod odzyskiwania CO2. Jest również odpowiedni do leczenia mieszanych gazów o niskim ciśnieniu częściowym CO. Jednak wciąż istnieje wiele wad, które ograniczają stosowanie tej metody: aminy są podatne na degradację oksydacyjną, która zmniejsza wydajność absorpcji, a także zwiększa lepkość roztworu, która nie sprzyja transmisji gazu; Aminy i ich produkty degradacji są łatwe do ulatniania podczas regeneracji chłonności, co zmniejsza jego zdolność absorpcyjną: silna zasadowość roztworu aminy jest szczególnie korozyjna dla instrumentów i urządzeń; Operacja jest stosunkowo uciążliwa; Zużycie energii regeneracji jest wysokie.

Ponieważ CO2 jest kwaśnym gazem, można łatwo adsorbować na powierzchni lekko alkalicznych materiałów. Obecnie są trzy główne adsorbenty alkaliczne w badaniach i rozwoju: jeden to tlenki metali alkalicznych, takie jak Na2O2, K2O, CaO, MGO i AI2O3. Tlenki metali mają dobrą zdolność adsorpcji w wysokich temperaturach, zwłaszcza tlenku glinu. Gdy dodaje się metale alkaliczne (takie jak Li2O, K2O, Na2O), jego zdolność adsorpcji w wysokich temperaturach może być znacznie poprawia w porównaniu z fizycznymi adsorbentami; Drugi to sole metali alkalicznych, takie jak węglan wapnia, krzemian, krzemian litowy i cyrkonian litu; Trzeci to mieszanka hydrotalcytu. Hydrotalcyt zawiera związki metalu alkalicznego i ma mikroporowatą strukturę. Jest to naturalny materiał kompozytowy. Adsorpcja dwutlenku węgla przez hydrotalcyt wzbudziła zainteresowanie badawcze ludzi.

Materiały węglowe obejmują głównie węgiel aktywny i włókno węglowe.

(1) Węgiel aktywowany jest najczęstszym czarnym porowatym adsorbentem o dużej powierzchni właściwej. Jego głównymi składnikami są węgiel amorficzny, a także niewielka ilość wodoru, tlenu, azotu, siarki i popiołu. Właściwości fizyczne i chemiczne oraz właściwości chemiczne powierzchniowe wytwarzanego węgla aktywnego będą się znacznie różnić w zależności od surowców, procesu przygotowania i metody aktywacji. Głównymi czynnikami, które określają zdolność adsorpcji węgla aktywnego, są właściwości powierzchni, charakterystyka struktury porów, właściwości powierzchni i charakterystyka adsorpcji adsorbatu. Badano wydajność adsorpcji kilku adsorbentów węgla aktywnego na CO2 w wysokiej temperaturze. W przypadku różnych rodzajów adsorbentów ilość adsorpcji CO2 jest proporcjonalna do powierzchni właściwej i całkowitej objętości porów węgla aktywnego; Podczas gdy dla tego samego adsorbentu ilość adsorpcji jest proporcjonalna do ciśnienia i odwrotnie proporcjonalna do temperatury.

(2) Włókno węglowe są uzyskiwane przez karbonizowanie i aktywację włókien organicznych. Jest to trzecia generacja materiału węglowego po aktywowanym proszku węglowym i cząsteczkach węgla aktywnego. Włókno węglowe aktywne ma bardziej rozwiniętą powierzchnię właściwą niż ziarnisty węgiel aktywny, mniejszą średnicę mikroporową (około 1 nm), a objętość mikroporowa stanowi ponad 90% całkowitej objętości porów. Jednocześnie jest bezpośrednio otwierany na powierzchni włókien, więc ma zalety dużej zdolności adsorpcji, wysokiej wydajności adsorpcji oraz szybkiej prędkości adsorpcji i desorpcji. Ze względu na szczególność jego struktury i wydajności zastosowanie włókien węglowych do adsorbowych zanieczyszczeń powietrza stało się hotspotem badawczym dla naukowców i wykazało doskonałe perspektywy zastosowania.

Sito molekularne zeolitowe jest naturalnym lub syntetycznym krystalicznym glinokrzemianem zawierającym metalem alkaliczne i tlenki metalu ziem alkalicznego. Ma ścisłą strukturę i pory. Wielkość porów zmienia się nieznacznie z powodu różnic strukturalnych i może oddzielić substancje o różnych masach cząsteczkowych. Adsorbenty sita molekularnego zeolitu są często stosowane do rozdziału i oczyszczania gazu, takie jak produkcja azotu z powietrza, separacja i oczyszczanie CO2 itp. Jego zdolność adsorpcji również zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. Lila i in. zastosował sito molekularne ASRTSA do adsorbu i usuwania CO2 z kosmosu. Eksperymenty pokazują, że gdy temperatura wzrośnie do 175 stopni, ilość adsorpcji wynosi tylko 24% z 25 stopni. W tych samych warunkach ilość adsorpcji sita molekularnego zeolitu, która jest również adsorpcją fizyczną, jest wyższa niż w przypadku węgla aktywnego.

Naukowcy z francuskiego Centrum Badań Naukowych opracowali nowy materiał o nazwie MIL-101, który może wchłonąć dużą ilość gazu dwutlenku węgla. Oczekuje się, że materiał ten zwiększy możliwość oporu globalnego ocieplenia. Materiał ten jest syntetyzowany z chromu i kwasu tereftalowego. Jest to porowatym kompozytowym nanomateriału o powierzchni pokrytej małymi otworami o średnicy 3,5 nm. Dlatego zdolność adsorpcji jest bardzo silna. MIL-101 o objętości 1M³może przechowywać 400 m³dwutlenku węgla przy 25 stopniach. Pojemność przechowywania obecnego ogólnego materiału adsorpcji w tych samych warunkach wynosi tylko 200 m³. Ten nowy materiał można umieścić na samochodzie w celu filtrowania emisji dwutlenku węgla, osiągając w ten sposób cel zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych.

Porównano wydajność adsorpcji CO dwóch adsorbentów żelu krzemionkowego, określono izotermy adsorpcyjne N2 i CO2 na żelu krzemionkowym i adsorbentach węgla aktywnego i zbadano krzywe penetracji adsorpcji CO2 dynamicznej. Wyniki pokazują, że ilość adsorpcji CO2 przez adsorbent żelu krzemionkowego jest porównywalna z ilością węgla aktywnego, a selektywność adsorpcji jest lepsza niż w przypadku węgla aktywnego; Większa właściwa powierzchnia powierzchni i wysoka zawartość porów są korzystne dla adsorpcji CO2, a odpowiedni rozkład porów sprzyja zmniejszeniu wewnętrznej odporności na dyfuzyjne adsorbent żelu krzemionkowego.

W badaniu wykorzystano mezoporowaty proszek sita molekularnego jako nośnik i załadowany różnymi aminami organicznymi do przygotowania materiałów adsorpcyjnych CO2. Adsorbenty stałego aminy CO2 mogą selektywnie adsorbować kwasowy CO2 gazu poprzez reakcje chemiczne i są mniej dotknięte parą wodną. Adsorbent stałego aminy CO2 przygotowany przy użyciu mezoporowatych materiałów o wysokiej powierzchni właściwej i objętości porów jako nośników wykazywał charakterystykę o wysokiej zdolności adsorpcji. W szczególności szablonowe micele zawarte w oryginalnym proszku mezoporowatego materiału są zachowywane, a „siatki” różnych skal powstają w mezoporowatej przestrzeni do przechwytywania i adsorb CO2 w przepływie powietrza, o wysokiej wydajności adsorpcji. Badano adsorpcję dwutlenku węgla obciążonych związkami aminowymi, a wyniki wykazały, że zdolność adsorpcji CO2 zeolitów wzrosła o 20% ~ 30% po obciążeniu amin. Wynika to z faktu, że zarówno fizyczna adsorpcja, jak i adsorpcja chemiczna występują w procesie adsorpcji materiałów kompozytowych, a podwójne efekty mają efekt synergiczny.

W przeciwieństwie do tradycyjnych rozpuszczalników organicznych, ciecze jonowe nie wytwarzają lotnych związków organicznych podczas procesu dekarbonizacji ze względu na niskie ciśnienie pary i są łatwe w użyciu. Jednocześnie płyny jonowe mogą być wielokrotnie stosowane. Wraz ze wspólnym finansowaniem amerykańskiego Departamentu Energii Energii Energii Fossil Energy i National Energy Technology Laboratory, Jennifer L, Wang Zhongni i inni przeprowadzili różnorodne ciecze jonowe. Właściwości fizyczne i badania mechanizmu absorpcji CO2. Wyniki pokazują, że wśród podanych cieczy jonowych, ciecze jonowe mają lepszą selektywność dla CO2; Jednocześnie stwierdzono, że ciecze jonowe mają wysokie CO, obciążenie absorpcyjne i niższe wymagania cieplne regeneracji.

Badał adsorpcję CO2 przez silne błonnik wymiany jonów alkalicznych. Symulowali proces adsorpcji gazu i desorpcji i stwierdzili, że silne błonnik wymiany jonów alkalicznych może dobrze adsorbować CO2. Badanie różnych czynników wpływających na adsorpcję gazu CO2 przez silne błonnik wymiany anionów alkalicznych wykazało, że: zmiana zawartości wody ma największy wpływ na adsorpcję, a wysoka zawartość wody sprzyja adsorpcji gazu przez włókno; Powolne natężenie przepływu gazu sprzyja adsorpcji gazu przez błonnik, a szybka szybkość przepływu może również dobrze adsorbować gaz. Tak długo, jak stężenie gazu nie przekracza określonej granicy, mniej dotknięta jest adsorpcja błonnika; Kształt kolumny wymiany wpływa również na wydajność adsorpcji włókna, a smukłe kolumny wymiany są lepsze niż krótkie i grube.

Absorpcja na bazie membrany to nowa technologia rozdziału membran, która łączy technologię membranową z technologią absorpcji gazu. Absorpcja na bazie membrany to nowa technologia rozdziału błony, która łączy rozdział membrany i absorpcję cieczy. Materiał membranowy odpowiedni do przechwytywania CO2 to włókno polipropylenowe puste, a ciecz absorpcji błony jest aktywowanym wodnym roztworem poliaminy. Składnik CO2 w mieszanym gazie preferencyjnie przechodzi przez membranę i jest wchłaniany przez wodny roztwór poliaminy. Następnie ciecz odpadów jest regenerowana przez destylację membranową, a jej wskaźnik regeneracji może przekraczać 98%. Nie tylko zajmuje niewielki obszar i ma przyjazne warunki pracy, ale także obszar membrany pustej światłowodowej jest duży, ale wskaźnik przepustki CO2 jest wysoki, a szybkość regeneracji rozwiązań jest wysoka, co czyni tę metodę trend rozwoju technologii przechwytywania CO2 w przyszłości.

W miarę stopniowej wzrastającej świadomości środowiska ludzi różne kraje zwiększyły swoje wysiłki na rzecz ochrony środowiska, które nieuchronnie odgrywają pozytywną rolę w promowaniu rozwoju materiałów przechwytywania dwutlenku węgla. W ostatnich latach prace badawcze nad materiałami do przechwytywania dwutlenku węgla poczyniły ogromne postępy. Technologia przechwytywania dwutlenku węgla rozwija się w kierunku niskiej ceny, prostego procesu działania, niskich kosztów operacyjnych i długoterminowego recyklingu. Wymaga to, aby materiały do przechwytywania dwutlenku węgla musiały mieć charakterystykę łatwej dostępności surowców produkcyjnych i niskiej ceny, prostego i przyjaznego dla środowiska procesu produkcji, dobrej zdolności regeneracji i stosowania recyklingu, i konieczne jest jednocześnie leczenie wielu zanieczyszczeń, takich jak dwutlenek węgla, siarki wodorowe i tlenki azotu. To sprawia, że inteligentne materiały do przechwytywania dwutlenku węgla są przyszłym trendem rozwojowym. Nowe materiały mogą odpowiednio dostosowywać własne właściwości powierzchni i zwiększyć adsorpcję w różnych atmosfeach zgodnie ze zmianami środowiskowymi.