Vanwege de emissies van de mens van de menselijke productie en dagelijkse activiteiten is de atmosferische co₂ -concentratie toegenomen van 280 ppmv aan het begin van de industriële revolutie tot 379 ppmv in 2005, en dit cijfer is nu gestegen tot 390 ppmv2. Naarmate de effecten van toenemende CO₂ -niveaus steeds ernstiger worden, is de ontwikkeling van effectieve co₂ -vastlegtechnologieën een hot topic geworden in de chemische gemeenschap. Huidige CO₂ Capture -methoden omvatten voornamelijk absorptie, adsorptie en membraanscheiding. Onder hen is de absorptiemethode verder onderverdeeld in fysieke absorptie en chemische absorptie:
Fysieke absorptie maakt gebruik van hoog-kookpuntoplosmiddelen (bijv. Ethanol, polyethyleenglycol) om co₂ te absorberen en te desorb door continu druk en temperatuur tussen CO₂ en de absorberend aan te passen, waardoor co₂ scheiding wordt bereikt.
Chemische absorptie is gebaseerd op chemische reacties tussen het ruwe gas en het absorberende om co₂ te vangen.
De adsorptiemethode is naar voren gekomen als een veelbelovende scheiding en hersteltechnologie vanwege de voordelen van eenvoudig proces, lage energieverbruik, automatiseringsgemak en niet-corrosiviteit. De membraanscheidingsmethode scheidt CO₂ op basis van de differentiële permeatiesnelheden van CO₂ en andere gascomponenten via membraanmaterialen. Amino groepen worden toegepast in bijna alle bovengenoemde co₂ -vastlegmethoden. Deze studie beoordeelt de toepassingen van aminogroepen in absorptie, adsorptie en membraanscheiding, met een specifieke focus op hun rol in op adsorptie gebaseerde CO₂ Capture.
Sleutelwoorden:amino -aanpassing, opname, adsorbens
Methode voor het absorberen van CO2 met een alcoholamine -oplossing
De alcoholamine -oplossingsmethode is de meest voorkomende en efficiënte methode voor het absorberen van CO2 in industriële toepassingen. Het alcoholaminemolecuul bevat ten minste één hydroxylgroep die de dampdruk van de verbinding kan verminderen, en deze hydroxylgroep kan ook de nodige alkalische omgeving bieden; Het alcoholaminemolecuul moet ook een aminogroep bevatten die de absorptie van zure gassen kan bevorderen.
Momenteel is de onderzoeksfocus van de alcoholaminemethode voor CO2 -absorptie meestal geconcentreerd op de procesomstandigheden van CO2 -absorptie, en er is minder onderzoek naar de massaoverdracht van het absorptieproces. Een gas-vloeistofverbeteringsapparaat werd toegevoegd aan het proces van DEA-absorberende CO2 om het effect van het roeren van gas en vloeibare fase te bestuderen op de massaoverdrachtsprestaties tussen de gas- en vloeistoffasen. Toen de roeren van de gasfase toenam van 50R/min tot 200R/min, nam de massaoverdrachtscoëfficiënt toe van 0,0154 kmol/(s · m2· MPa) tot 0,021 kmol/(s · m2· MPa), een toename van 36,3%. Toen de roeren van de vloeistoffase toenam van 150R/min tot 300R/min, nam de relatieve massaoverdrachtscoëfficiënt toe van 0,009 kmol/(S · m2· MPa) tot 0,021 kmol/(s · m2· MPa), een toename van bijna 134%. Experimenten hebben aangetoond dat het toevoegen van een gas-vloeistofverbeteringsapparaat de massaoverdrachtscapaciteit binnen een groter bereik kan verbeteren, waardoor de absorptiesnelheid van CO2 verder wordt verbeterd.
Naast de hoge CO2 -absorptiecapaciteit heeft de absorptie van CO2 door alcoholamine -oplossing ook enkele onvermijdelijke defecten:
(1) Het is moeilijk om de alcoholamine -oplossing te scheiden van CO2 na het combineren ermee, en het moet worden gescheiden bij een hogere temperatuur, wat veel energie verbruikt;
(2) alcoholamine -oplossing zal ernstige corrosie veroorzaken;
(3) alcoholamine -oplossing is gemakkelijk te vervluchtigen tijdens CO -desorptie, wat het vermogen om CO2 te absorberen vermindert;
(4) Alcoholamine -oplossing is gemakkelijk om thermische afbraak en oxidatieve afbraak te ondergaan tijdens CO2 -desorptie, wat het absorptiecapaciteit voor CO2 vermindert. Het is juist vanwege de bovenstaande defecten dat wetenschappelijke onderzoekers nieuwe methoden en materialen bestuderen en ontwikkelen die kunnen worden gebruikt om alcoholamine -oplossing te vervangen om CO2 vast te leggen, zoals de gemengde alcoholamine -oplossingsmethode, de amine -geoptimaliseerde membraanscheidingsmethode en de amino gemodificeerde adsorbent.
Methode voor adsorberende CO2 met behulp van amino-gemodificeerd adsorbens
De sleutel tot de adsorptiemethode is de adsorbens. Conventionele adsorbentia omvatten moleculaire zeven, geactiveerde koolstof, enz., Terwijl nieuwe adsorbentia koolstofnanobuisjes, grafeen, metaal organische raamwerkmaterialen, mesoporeuze materialen, enz. Omvatten, enz. Elke methode heeft zijn eigen voordelen en beperkingen, en elk materiaal heeft ook zijn eigen toepasselijke velden en defecten. Het gebruik van samengestelde materialen of geoptimaliseerde nieuwe methoden die de voordelen van verschillende materialen combineren, zal een trend zijn bij het vastleggen van CO2 en heeft een groot onderzoekspotentieel. Deze studie neemt amino-gemodificeerde metaal-organische raamwerkmaterialen, amino-gemodificeerde mesoporeuze materialen, amino-gemodificeerde koolstofnanobuisjes en amino-gemodificeerd grafeen als voorbeelden om amino-gemodificeerde adsorbentia te introduceren op het gebied van het vastleggen van CO2.
Amino-gemodificeerde metaal-organische frameworks
Als een nieuw adsorbens voor het vastleggen van CO2 heeft MOFS zeer duidelijke voordelen ten opzichte van conventionele moleculaire zeven (zeolietmoleculaire zeven, koolstofmoleculaire zeven, enz.) En alcoholamine -oplossingen. Ten eerste is het raamwerk van de meeste MOF's neutraal, dus de gastmoleculen die de poriën bezetten, hebben alleen zwakke interacties met het skelet. Deze gastmoleculen kunnen bij een lagere temperatuur uit het skelet worden verdreven en de vereiste poriën kunnen snel worden gegenereerd met behoud van de integriteit van het skelet. Ten tweede kunnen de grootte, verdeling, hydrofiliciteit en chemische functionaliteit van de poriën van MOF's op moleculair niveau worden ontworpen door de gebruikte organische liganden en gebruikte metaalionen te veranderen of te modificeren.
Om zijn vermogen om CO2 te adsorberen te verbeteren, worden amino-gemodificeerde metalen organische frameworkmaterialen momenteel vaak geassembleerd met organische liganden met aminogroepen en metaalpijlpunten. BLOM heeft drie MOF-materialen voorbereid, USO-1-A1, USO-2-Ni en USO-3-I, N en de overeenkomstige amino-gemodificeerde MOF-materialen (USO-1-AI-A, USO-2-NI-A en USO-3-in-A). De resultaten van de CO2-adsorptietest toonden aan dat het kristalliniteit, het specifieke oppervlak en het porievolume van de amino-gemodificeerde materialen tot verschillende mate werden gereduceerd, terwijl het adsorptie-effect aanzienlijk was verbeterd. Als u USO-1-A1 en USO-1-AI-A als voorbeelden nam, na 25 graden en 1atm, was de CO2-adsorptiecapaciteit van USO-1-AI 2,3 mmol/g, terwijl die van USO-1-A1-A werd verhoogd tot 2,7 mmol/g; De initiële adsorptiewarmte van CO2 nam toe van 30 kJ/mol tot 50 kJ/mol, wat bevestigde dat de adsorptie van CO2 door de amino-gemodificeerde materialen aanzienlijk was verbeterd.
Amino-gemodificeerde mesoporeuze materialen
Hoewel metaal-organische raamwerkmaterialen en moleculaire zeven goed adsorptiematerialen zijn, beperkt de inherente diffusie van het microporeuze systeem de adsorptiecapaciteit van CO2 tot op zekere hoogte. Sommige SiO2 -mesoporeuze materialen kunnen de impact van dit diffusie -effect verminderen en de adsorptiecapaciteit verbeteren. Sommige resterende hydroxylgroepen op het oppervlak van SiO2 maken het materiaal echter minder compatibel met CO2. Dit probleem kan worden opgelost door amino-bevattende organische verbindingen te combineren met de poriën van mesoporeuze materialen door impregnering of enten.
50% polyethyleenimine werd geladen in de poriën van MCM-41 door impregnering. De adsorptiecapaciteit van AMINE-gemodificeerde MCM-41 voor CO2 bereikte 133 mg/g bij 348K, wat hoger is dan de 78 mg/g verkregen met silicagel als drager.
Amino-gemodificeerde koolstofnanobuisjes
In de afgelopen jaren heeft de ontwikkeling van nieuwe materialen alle aspecten van het leven van mensen beïnvloed. De toepassing van koolstofnanobuisjes op het gebied van gasscheiding is een actief hoogtepunt geworden. Koolstofnanobuisjes hebben typische gelaagde holle structuurkenmerken en de vaste afstand tussen lagen is bevorderlijk voor amino -belasting.
Nadat CNT's oppervlak waren gemodificeerd met 3-aminopropyltriethoxysilaan (APT's), werden hun CO-adsorptiecapaciteit en thermodynamische eigenschappen bestudeerd. When the temperature was set at 50℃, the unmodified CNTs (APTS) with ATPS and CNTS mass ratios of 20%, 28%, 36%, 41%, 45% and 54% were adsorbed in a 15% CO2 environment, and the adsorption amounts were 21.5mg/g, 43.6mg/g, 51.3mg/g, 60.5mg/g, 74.5mg/g, 85,7 mg/g en 77 mg/g, respectievelijk. Deze gegevens tonen aan dat vanwege de aanwezigheid van aminogroepen in ATP's, de introductie van APT's op het CNTS -oppervlak de CO -adsorptiecapaciteit aanzienlijk kan verbeteren. En wanneer de ATPS -lading 45% is (WT, massafractie, hetzelfde hieronder), wordt de maximale adsorptiehoeveelheid C bereikt, die 4 keer die van niet -gemodificeerde CNT's is. Toen het laadbedrag echter bleef stijgen tot 54%, daalde het adsorptiebedrag in plaats daarvan. Dit kan zijn omdat te veel APT's op het oppervlak van CNT's de massaoverdrachtweerstand van CO2 die in het interieur diffundeerde, verhoogde.
Deze onderzoeksrapporten bevestigen dat het vermogen van koolstofnanobuisjes die zijn gemodificeerd met aminogroepen tot adsorb CO2 aanzienlijk beter is dan dat van niet -gemodificeerde koolstofnanobuisjes. Koolstofnanobuisjes aangepast met aminogroepen tonen goede vooruitzichten bij het vastleggen van CO2, maar hun toepassings- en ontwikkelingsruimte zijn beperkt vanwege hun hoge kosten.
Amino gemodificeerd grafeen
De kristalstructuur van het grafeenoppervlak is zeer compleet, waardoor de chemische eigenschappen inactief zijn. Om het applicatiebereik van grafeen uit te breiden en de toepassingswaarde ervan te verbeteren, moet het oppervlak worden gewijzigd. De functionele groepen gegenereerd na grafeenoxidatie verhogen de activiteit van grafeen, waardoor de basis wordt gelegd voor covalente modificatie. Vervolgens kan de oppervlaktefunctionalisatie van grafeen worden bereikt door het te modificeren met reagentia zoals organische amines en isocyanaten.
In 2012, Mishra et al. Eerst gemodificeerd het oppervlak van grafeen met polyaniline (PANI) om CO te vangen en ontdekte dat het gemodificeerde grafeen een hogere CO2-adsorptiecapaciteit had dan geactiveerde koolstof, zeoliet, metaal-organische raamwerkmaterialen en koolstofnanobuizen. Ze bestudeerden en vergeleken ook de adsorptie-isothermen van de polyaniline-gemodificeerde materialen en ongewijzigd grafeen. Toen de druk 11 bar was en de temperatuur 25 graden, 50 graden en 100 graden was, was de adsorptiehoeveelheid CO2 door het gemodificeerde materiaal PANI-F-HEG respectievelijk 75 mmol/g, 47 mmol/g en 31 mmol/g; terwijl de adsorptiehoeveelheid van ongewijzigde pure grafeenheg 21,6 mmol/g, 18 mmol/g en 12 mmol/g was. Hoewel het onderzoek naar de adsorptie van CO2 door amino-gemodificeerd grafiet net is begonnen, heeft het in dit opzicht een groot toepassingspotentieel en ontwikkelingsruimte laten zien. Misschien wordt dit een nieuwe richting voor de ontwikkeling van CO2 -adsorptiematerialen.
Voorbeelden zoals amino-gemodificeerde metaal-organische raamwerkmaterialen, amino-gemodificeerde mesoporeuze materialen, amino-gemodificeerde koolstofnanobuisjes en amino-gemodificeerd grafeen hebben bewezen dat deze adsorbentia goede CO2-opnamemogelijkheden hebben aangetoond na zijn aangepast met aminogroepen en zijn veranderd van eenvoudige fysieke adsorptie naar chemische adsorptie met aminogroepen als actieve centers. Dit heeft een nieuw veld geopend voor het bestuderen van adsorbentia en zal waarschijnlijk een focus van toekomstig onderzoek worden.
Amine-geoptimaliseerde membraanscheidingstechnologie voor CO2-adsorptie
Membraanscheiding is vergelijkbaar met het screeningproces. Volgens de poriegrootte van het membraan kunnen sommige stoffen door het membraan gaan, terwijl andere stoffen worden bewaard door het membraan, waardoor het doel van scheiding wordt bereikt. Het grootste nadeel van membraanscheiding bij gasscheiding is dat de selectiviteit niet hoog is. Als u de selectiviteit van membraanscheiding wilt verbeteren en de scheidingsefficiëntie wilt verbeteren, kunt u membraanscheiding combineren met absorptie of adsorptie. Gebruik eerst membraanscheiding om het gas ruwweg te scheiden en gebruik vervolgens de absorptie van alcoholamine-oplossing of zeer efficiënte adsorberende adsorptie voor fijne scheiding. Dit kan niet alleen een bepaald scheidingseffect bereiken, maar ook beleggingskosten besparen. Combineer membraanscheidingstechnologie met de absorptiemethode van alcoholamine -oplossing, laat het gas langs één zijde van het membraan stromen en wanneer CO2 diffundeert naar de andere kant van het membraan, wordt het geabsorbeerd door alcoholamine. Deze amine-geoptimaliseerde membraanscheidingsmethode heeft een eenvoudiger apparaat en lagere beleggingskosten dan de absorptiemethode voor alcoholamine-oplossing. Bovendien is in vergelijking met de traditionele membraanscheidingsmethode het vermogen om CO2 te adsorberen aanzienlijk verbeterd. Vergeleken met de adsorptiemethode en de gemakkelijke absorptiemethode voor alcoholamine, heeft de amine-geoptimaliseerde membraanscheidingsmethode de voordelen van eenvoudig werking, laag energieverbruik, beter adsorptie-effect en minder investeringen. Vanwege de onvolwassenheid van technologie en het feit dat het vervangen van apparatuur nog steeds veel geld verbruikt, is het niet industrieel toegepast.
Conclusie
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 "Composietmaterialen of geoptimaliseerde nieuwe methoden die de voordelen van verschillende materialen combineren, zullen een trend zijn bij het vastleggen van C02, en heeft een groot onderzoekspotentieel. Bij de ontwikkeling van nieuwe materialen en de optimalisatie van scheidingsmethoden hebben aminogroepen een goede compatibiliteit getoond.
