Λόγω των εκπομπών CO₂ από την ανθρώπινη παραγωγή και τις καθημερινές δραστηριότητες, η ατμοσφαιρική συγκέντρωση CO₂ αυξήθηκε από 280 ppmv στην αρχή της βιομηχανικής επανάστασης σε 379 ppmv το 2005 και ο αριθμός αυτός έχει πλέον αυξηθεί σε 390 ppmv2. Καθώς οι επιπτώσεις της αύξησης των επιπέδων CO₂ καθίστανται όλο και πιο σοβαρές, η ανάπτυξη αποτελεσματικών τεχνολογιών Co₂ Capture έχει γίνει ένα καυτό θέμα στη χημική κοινότητα. Οι τρέχουσες μέθοδοι λήψης CO₂ περιλαμβάνουν κυρίως απορρόφηση, προσρόφηση και διαχωρισμό μεμβράνης. Μεταξύ αυτών, η μέθοδος απορρόφησης χωρίζεται περαιτέρω σε φυσική απορρόφηση και χημική απορρόφηση:
Η φυσική απορρόφηση χρησιμοποιεί διαλύτες υψηλής βρασμού (π.χ. αιθανόλη, πολυαιθυλενογλυκόλη) για να απορροφήσει και να αποχωρήσει από τη συνεχή ρύθμιση της πίεσης και της θερμοκρασίας μεταξύ CO₂ και του απορροφητικού, επιτυγχάνοντας έτσι τον διαχωρισμό CO₂.
Η χημική απορρόφηση βασίζεται σε χημικές αντιδράσεις μεταξύ του ακατέργαστου αερίου και του απορροφητικού για τη σύλληψη του Co₂.
Η μέθοδος προσρόφησης προέκυψε ως μια πολύ ελπιδοφόρα τεχνολογία διαχωρισμού και ανάκτησης λόγω των πλεονεκτημάτων της απλή διαδικασία, της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, της ευκολίας αυτοματοποίησης και της μη σωσιμότητας. Η μέθοδος διαχωρισμού της μεμβράνης διαχωρίζει το CO₂ με βάση τα ποσοστά διαφορικής διαπερατότητας του CO₂ και άλλων συστατικών αερίου μέσω υλικών μεμβράνης. Οι ομάδες αμινομάδων εφαρμόζονται σε όλες σχεδόν τις παραπάνω μεθόδους σύλληψης CO₂. Η μελέτη αυτή εξετάζει τις εφαρμογές των αμινομάδων σε απορρόφηση, προσρόφηση και διαχωρισμό μεμβράνης, με ιδιαίτερη έμφαση στο ρόλο τους στη σύλληψη CO₂ με βάση την προσρόφηση.
Λέξεις -κλειδιά:Τροποποίηση αμινοειδών, σύλληψη, προσροφητικό
Μέθοδος για την απορρόφηση του CO2 με διάλυμα αμίνης αλκοόλης
Η μέθοδος διαλύματος αμίνης αλκοόλ είναι η πιο συνηθισμένη και αποτελεσματική μέθοδος για την απορρόφηση του CO2 στις βιομηχανικές εφαρμογές. Το μόριο αμίνης αλκοόλ περιέχει τουλάχιστον μία υδροξυλομάδα που μπορεί να μειώσει την πίεση ατμών της ένωσης και αυτή η υδροξυλομάδα μπορεί επίσης να παρέχει το απαραίτητο αλκαλικό περιβάλλον. Το μόριο αμίνης αλκοόλ θα πρέπει επίσης να περιέχει μια αμινομάδα που μπορεί να προάγει την απορρόφηση όξινων αερίων.
Επί του παρόντος, η ερευνητική εστίαση της μεθόδου αμίνης αλκοόλ για την απορρόφηση CO2 επικεντρώνεται κυρίως στις συνθήκες διεργασίας της απορρόφησης CO2 και υπάρχει λιγότερη έρευνα σχετικά με τη μεταφορά μάζας της διαδικασίας απορρόφησης. Μια συσκευή ενίσχυσης του αερίου-υγρού προστέθηκε στη διαδικασία της DEA απορροφώντας CO2 για να μελετήσει την επίδραση της ενίσχυσης της ανάκαμψης αερίου και υγρής φάσης στην απόδοση μεταφοράς μάζας μεταξύ των φάσεων αερίου και υγρών. Όταν η ανάδευση της αερίου αυξήθηκε από 50R/min σε 200r/λεπτό, ο συντελεστής μεταφοράς μάζας αυξήθηκε από 0,0154 kmol/(s · m2· MPa) έως 0,021 kmol/(s · m2· MPa), αύξηση 36,3%. Όταν η ανάδευση υγρής φάσης αυξήθηκε από 150R/min σε 300R/λεπτό, ο σχετικός συντελεστής μεταφοράς μάζας αυξήθηκε από 0,009 kmol/(s · m2· MPa) έως 0,021 kmol/(s · m2· MPa), αύξηση σχεδόν 134%. Τα πειράματα έχουν δείξει ότι η προσθήκη μιας συσκευής βελτίωσης του αερίου-υγρού μπορεί να βελτιώσει τη χωρητικότητα μεταφοράς μάζας σε ένα μεγαλύτερο εύρος, βελτιώνοντας περαιτέρω τον ρυθμό απορρόφησης του CO2.
Εκτός από την υψηλή ικανότητα απορρόφησης CO2, η απορρόφηση του CO2 από διάλυμα αμίνης αλκοόλ έχει επίσης κάποια αναπόφευκτα ελαττώματα:
(1) Είναι δύσκολο να διαχωριστεί η λύση αμίνης αλκοόλ από το CO2 μετά από να συνδυαστεί με αυτό και πρέπει να διαχωριστεί σε υψηλότερη θερμοκρασία, η οποία καταναλώνει πολλή ενέργεια.
(2) Η λύση αμίνης αλκοόλ θα προκαλέσει σοβαρή διάβρωση.
(3) το διάλυμα αμίνης αλκοόλ είναι εύκολο να εξαφανιστεί κατά τη διάρκεια της εκρόφησης CO, η οποία μειώνει την ικανότητά του να απορροφά CO2.
(4) Το διάλυμα αμίνης αλκοόλ είναι εύκολο να υποβληθεί σε θερμική αποικοδόμηση και οξειδωτική αποικοδόμηση κατά τη διάρκεια της εκρόφησης CO2, η οποία μειώνει την ικανότητά του απορρόφησης για το CO2. Ακριβώς λόγω των παραπάνω ελαττωμάτων ότι οι επιστημονικοί ερευνητές μελετούν και αναπτύσσουν νέες μεθόδους και υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αντικατάσταση της λύσης αμίνης αλκοόλ για να συλλάβουν το CO2, όπως η μέθοδος μικτής αλκοίνης αμίνης, η μέθοδος διαχωρισμού της βελτιστοποιημένης αμίνης και η μέθοδος τροποποιημένης από αμινο προσροφητικό.
Μέθοδος για την προσρόφηση του CO2 χρησιμοποιώντας προσροφητικό με αμινοί τροποποιημένο
Το κλειδί για τη μέθοδο προσρόφησης είναι το προσροφητικό. Τα συμβατικά προσροφητικά περιλαμβάνουν μοριακά κόσκινα, ενεργοποιημένο άνθρακα κ.λπ., ενώ τα νέα προσροφητικά περιλαμβάνουν νανοσωλήνες άνθρακα, γραφένιο, μεταλλικά οργανικά υλικά πλαισίου, μεσοπορώδη υλικά κλπ. Κάθε μέθοδος έχει τα δικά του πλεονεκτήματα και περιορισμούς και κάθε υλικό έχει επίσης τα δικά του εφαρμοστέα πεδία και ελαττώματα. Η χρήση σύνθετων υλικών ή βελτιστοποιημένων νέων μεθόδων που συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα των διαφόρων υλικών θα είναι μια τάση για τη λήψη CO2 και έχει μεγάλο ερευνητικό δυναμικό. Αυτή η μελέτη λαμβάνει υλικά μεταλλικού οργανισμού με τροποποιημένα με αμινο, με μέταλλα με μέταλλα, τροποποιημένα με αμινο-τροποποιημένα με μεσοπορώδη υλικά, νανοσωλήνες άνθρακα τροποποιημένα με αμινο και αμινο-τροποποιημένο ως παραδείγματα για η εισαγωγή προσροφητικών τροποποιημένων με αμινο αμινο.
Μεταβαλλόμενα από αμινο-τροποποιημένα μεταλλικά-οργανικά πλαίσια
Ως νέο προσροφητικό για τη σύλληψη του CO2, το MOFS έχει πολύ προφανή πλεονεκτήματα έναντι συμβατικών μοριακών σακχάρων (μοριακές κόσμους ζεόλιθου, μοριακών δελτίων άνθρακα κ.λπ.) και διαλύματα αμίνης αλκοόλ. Πρώτον, το πλαίσιο των περισσότερων MOF είναι ουδέτερο, έτσι ώστε τα μόρια των επισκεπτών που καταλαμβάνουν τους πόρους να έχουν μόνο αδύναμες αλληλεπιδράσεις με τον σκελετό. Αυτά τα μόρια επισκεπτών μπορούν να απομακρυνθούν από τον σκελετό σε χαμηλότερη θερμοκρασία και οι απαιτούμενοι πόροι μπορούν να δημιουργηθούν γρήγορα διατηρώντας παράλληλα την ακεραιότητα του σκελετού. Δεύτερον, το μέγεθος, η κατανομή, η υδροφιλικότητα και η χημική λειτουργικότητα των πόρων των MOFs μπορούν να σχεδιαστούν σε μοριακό επίπεδο μεταβάλλοντας ή τροποποιώντας τα οργανικά προσδέματα και τα μεταλλικά ιόντα που χρησιμοποιούνται.
Για να βελτιωθεί η ικανότητά του να προσροφά CO2, τα τροποποιημένα με αμινο-τροποποιημένα μεταλλικά υλικά πλαισίου είναι επί του παρόντος συναρμολογούνται συνήθως με οργανικά προσδέματα με αμινομάδες και μεταλλικά βέλη. Το Blom προετοίμασε τρία υλικά MOF, USO-1-A1, USO-2-NI και USO-3-I, Ν και τα αντίστοιχα υλικά MOF που τροποποιούνται με αμινο (USO-1-AI-A, USO-2-NI-A και USO-3-In-A). Τα αποτελέσματα της δοκιμής προσρόφησης CO2 έδειξαν ότι η κρυσταλλικότητα, η ειδική επιφάνεια και ο όγκος των πόρων των τροποποιημένων με αμινο-τροποποιημένων υλικών μειώθηκαν σε ποικίλους βαθμούς, ενώ η επίδραση προσρόφησης βελτιώθηκε σημαντικά. Η ικανότητα προσρόφησης CO2 του USO-1-AI ήταν 2,3mmol/g, ενώ η USO-1-A1-A αυξήθηκε σε 2,7mol/g. Η αρχική θερμότητα προσρόφησης του CO2 αυξήθηκε από 30kJ/mol σε 50kJ/mol, η οποία επιβεβαίωσε ότι η προσρόφηση του CO2 από τα τροποποιημένα με αμινο-τροποποιημένα υλικά ενισχύθηκε σημαντικά.
Μεσοπορώδη υλικά τροποποιημένα με αμινο
Παρόλο που τα μεταλλικά-οργανικά υλικά πλαισίου και τα μοριακά κόσκινα είναι καλά υλικά προσρόφησης, η εγγενή διάχυση του μικροπορώδους συστήματος περιορίζει την ικανότητα προσρόφησης του CO2 σε κάποιο βαθμό. Ορισμένα μεσοπορώδη υλικά SiO2 μπορούν να μειώσουν την επίδραση αυτού του αποτελέσματος διάχυσης και να βελτιώσουν την ικανότητα προσρόφησης. Ωστόσο, ορισμένες υπολειπόμενες ομάδες υδροξυλίου στην επιφάνεια του SiO2 καθιστούν το υλικό λιγότερο συμβατό με το CO2. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να ξεπεραστεί συνδυάζοντας οργανικές ενώσεις που περιέχουν αμινο με τους πόρους μεσοπορώδους υλικών μέσω εμποτισμού ή εμβολιασμού.
50% πολυαιθυλενοϊμίνη φορτώθηκε στους πόρους του MCM-41 με εμποτισμό. Η ικανότητα προσρόφησης του τροποποιημένου με αμίνη MCM-41 για CO2 έφτασε τα 133 mg/g στα 348Κ, η οποία είναι υψηλότερη από τα 78 mg/g που ελήφθη με πήκτωμα πυριτικής ως φορέα.
Νανοσωλήνες άνθρακα τροποποιημένα με αμινο
Τα τελευταία χρόνια, η ανάπτυξη νέων υλικών έχει επηρεάσει όλες τις πτυχές της ζωής των ανθρώπων. Η εφαρμογή των νανοσωλήνων άνθρακα στον τομέα του διαχωρισμού αερίου έχει γίνει ένα ενεργό επίκεντρο. Οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν τυπικά χαρακτηριστικά κοίλων δομών στρωματοποιίας και η σταθερή απόσταση μεταξύ των στρωμάτων ευνοεί τη φόρτωση αμινο.
Αφού οι CNTs τροποποιήθηκαν επιφάνεια με 3-αμινοπροπυλτραθοξυσιλάνη (APTS), μελετήθηκαν η ικανότητα προσρόφησης και οι θερμοδυναμικές ιδιότητες CO τους. Όταν η θερμοκρασία καθορίστηκε σε 50 μοίρες, τα μη τροποποιημένα CNTs (APTs) με αναλογίες μάζας ATPS και CNTs 20%, 28%, 36%, 41%, 45%και 54%απορροφήθηκαν σε περιβάλλον 15%CO2 και οι ποσότητες προσρόφησης ήταν 21,5mg/g, 43,6mg/g, 51,3mg/g, 60,5mg/g, 74,5mg/g, 85.7mg/g και 77mg/g, αντίστοιχα. Αυτά τα δεδομένα δείχνουν ότι λόγω της παρουσίας αμινομάδων σε ΑΤΡ, η εισαγωγή των APTs στην επιφάνεια CNTS μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ικανότητα προσρόφησης CO. Και όταν η φόρτιση ATPS είναι 45% (WT, κλάσμα μάζας, το ίδιο παρακάτω), επιτυγχάνεται η μέγιστη προσρόφηση του C, η οποία είναι 4 φορές αυτή των μη τροποποιημένων CNTs. Ωστόσο, όταν η ποσότητα φόρτωσης συνέχισε να αυξάνεται στο 54%, η ποσότητα προσρόφησης μειώθηκε αντ 'αυτού. Αυτό μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι πάρα πολύ ικανές στην επιφάνεια των CNTs αύξησαν την αντίσταση μεταφοράς μάζας του CO2 που διαχέεται στο εσωτερικό.
Αυτές οι ερευνητικές εκθέσεις επιβεβαιώνουν ότι η ικανότητα των νανοσωλήνων άνθρακα που τροποποιούνται με ομάδες αμινοί στην προσρόφηση CO2 είναι σημαντικά καλύτερη από αυτή των μη τροποποιημένων νανοσωλήνων άνθρακα. Οι νανοσωλήνες άνθρακα που τροποποιούνται με ομάδες αμινοειδών δείχνουν καλές προοπτικές στη λήψη CO2, αλλά ο χώρος εφαρμογής και ανάπτυξης τους είναι περιορισμένοι λόγω του υψηλού κόστους τους.
Graphene τροποποιημένο με αμινο
Η κρυσταλλική δομή της επιφάνειας του γραφένιου είναι πολύ πλήρης, γεγονός που καθιστά τις χημικές του ιδιότητες ανενεργές. Προκειμένου να επεκταθεί το εύρος εφαρμογής του graphene και να βελτιωθεί η τιμή εφαρμογής του, η επιφάνεια του πρέπει να τροποποιηθεί. Οι λειτουργικές ομάδες που παράγονται μετά την οξείδωση του γραφένιου αυξάνουν τη δραστηριότητα του γραφένιου, τοποθετώντας τα θεμέλια για ομοιοπολική τροποποίηση. Στη συνέχεια, η επιφανειακή λειτουργικοποίηση του γραφένιου μπορεί να επιτευχθεί τροποποιώντας το με αντιδραστήρια όπως οργανικά αμίνες και ισοκυανικά.
Το 2012, οι Mishra et al. Πρώτα τροποποίησε την επιφάνεια του γραφένιου με πολυανιλίνη (PANI) για να συλλάβει CO και διαπίστωσε ότι το τροποποιημένο γραφένιο είχε υψηλότερη ικανότητα προσρόφησης CO2 από τον ενεργό άνθρακα, τον ζεόλιθο, τα μεταλλικά-οργανικά υλικά πλαισίου και τους νανοσωλήνες άνθρακα. Σπούδασαν επίσης και συνέκριναν τις ισόθερμες προσρόφησης των υλικών τροποποιημένων πολυανιλίνης και του μη τροποποιημένου γραφένιου. Όταν η πίεση ήταν 11 bar και η θερμοκρασία ήταν 25 βαθμοί, 50 βαθμοί και 100 βαθμοί, η ποσότητα προσρόφησης του CO2 από το τροποποιημένο υλικό PANI-F-B-F-BEG ήταν 75mmol/g, 47mmol/g και 31mmol/g αντίστοιχα. Ενώ η προσρόφηση της μη τροποποιημένης καθαρού γραφένιο HEG ήταν 21,6mmol/g, 18mmol/g και 12mmol/g. Παρόλο που η έρευνα σχετικά με την προσρόφηση του CO2 από το αμινο-τροποποιημένο γραφίτη μόλις ξεκίνησε, έχει δείξει μεγάλο δυναμικό εφαρμογής και αναπτυξιακό χώρο από αυτή την άποψη. Ίσως αυτό να γίνει μια νέα κατεύθυνση για την ανάπτυξη υλικών προσρόφησης CO2.
Παραδείγματα όπως τα τροποποιημένα με αμινο-οργανικά υλικά πλαισίου, τα τροποποιημένα με αμινο-τροποποιημένα με μεσοπορώδη υλικά, τα τροποποιημένα με αμινο-τροποποιημένα νανοσωλήνες άνθρακα και τα τροποποιημένα με αμινο-τροποποιημένα γραφένιο έχουν αποδείξει ότι αυτά τα προσροφητικά έχουν δείξει καλές δυνατότητες σύλληψης CO2 μετά από τροποποιημένες με αμινομάδες και έχουν αλλάξει από την απλή σωματική προσρόφηση σε χημική προσρόφηση με αμινο-ομάδες ως ακίνητα. Αυτό έχει ανοίξει ένα νέο πεδίο για τη μελέτη των προσροφητικών και είναι πιθανό να γίνει το επίκεντρο της μελλοντικής έρευνας.
Τεχνολογία διαχωρισμού μεμβράνης βελτιστοποιημένη με αμίνη για προσρόφηση CO2
Ο διαχωρισμός μεμβράνης είναι παρόμοιος με τη διαδικασία διαλογής. Σύμφωνα με το μέγεθος των πόρων της μεμβράνης, ορισμένες ουσίες μπορούν να περάσουν από τη μεμβράνη ενώ άλλες ουσίες διατηρούνται από τη μεμβράνη, επιτυγχάνοντας έτσι τον σκοπό του διαχωρισμού. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα του διαχωρισμού μεμβράνης στον διαχωρισμό του αερίου είναι ότι η επιλεκτικότητα δεν είναι υψηλή. Εάν θέλετε να βελτιώσετε την εκλεκτικότητα του διαχωρισμού μεμβράνης και να βελτιώσετε την αποτελεσματικότητα του διαχωρισμού, μπορείτε να συνδυάσετε τον διαχωρισμό μεμβράνης με απορρόφηση ή προσρόφηση. Πρώτον, χρησιμοποιήστε τον διαχωρισμό μεμβράνης για να διαχωρίσετε περίπου το αέριο και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσετε απορρόφηση διαλύματος αμίνης αλκοόλ ή προσροφητική προσρόφηση υψηλής απόδοσης για λεπτό διαχωρισμό. Αυτό δεν μπορεί να επιτύχει μόνο ένα συγκεκριμένο αποτέλεσμα διαχωρισμού, αλλά και να εξοικονομήσει επενδυτικό κόστος. Συνδυάστε την τεχνολογία διαχωρισμού μεμβράνης με μέθοδο απορρόφησης διαλύματος αμίνης αλκοόλ, αφήστε τη ροή του αερίου κατά μήκος της μιας πλευράς της μεμβράνης και όταν το CO2 διαχέεται στην άλλη πλευρά της μεμβράνης, απορροφάται από αμίνη αλκοόλ. Αυτή η μέθοδος διαχωρισμού μεμβράνης με τη μεμβράνη έχει απλούστερη συσκευή και χαμηλότερο κόστος επένδυσης από τη μέθοδο απορρόφησης διαλύματος αμίνης αλκοόλ. Επιπλέον, σε σύγκριση με την παραδοσιακή μέθοδο διαχωρισμού μεμβράνης, η ικανότητα προσρόφησης CO2 βελτιώνεται σημαντικά. Σε σύγκριση με τη μέθοδο προσρόφησης και τη μέθοδο εύκολης απορρόφησης αμίνης αλκοόλ, η μέθοδος διαχωρισμού μεμβράνης με τη μεμβράνη με την αμίνη έχει τα πλεονεκτήματα της εύκολης λειτουργίας, της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, της καλύτερης επίδρασης προσρόφησης και των λιγότερων επενδύσεων. Ωστόσο, λόγω της ανωμαλίας της τεχνολογίας και του γεγονότος ότι η αντικατάσταση του εξοπλισμού εξακολουθεί να καταναλώνει πολλά χρήματα, δεν έχει εφαρμοστεί βιομηχανικά.
Σύναψη
The absorption of CO2 by organic amines using chemical absorption is the most common method in industrial applications, but this method requires a large investment, high energy consumption, a complex process, and high equipment corrosion. Adsorption separation of CO2 is an economical and environmentally friendly method, but the development of efficient adsorbents is the core. Membrane separation technology has a simple process, large operational flexibility, and low investment cost, but the service life of the membrane is short. If you want to efficiently separate CO2, you must combine it with solvent absorption or adsorption. Looking at these methods, they all have their advantages and limitations, and each material also has its applicable fields and defects. The use of "1+1>2 "σύνθετα υλικά ή βελτιστοποιημένες νέες μεθόδους που συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα διαφόρων υλικών θα είναι μια τάση για τη λήψη C02 και έχει μεγάλη ερευνητική δυνατότητα. Στην ανάπτυξη νέων υλικών και στη βελτιστοποίηση των μεθόδων διαχωρισμού, οι αμινοί ομάδες έχουν δείξει καλή συμβατότητα.
