Onderzoek voortgang van koolstofdioxide -opnamematerialen

Naarmate de opwarming van de aarde versterkt, is het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen zoals koolstofdioxide en het beschermen van het milieu een van de belangrijkste wereldwijde problemen geworden. Om koolstofdioxide -emissiereductie te bereiken, is het noodzakelijk om door de processen van het vangen, transport, opslag, toepassing en conversie te doorlopen. De opnamekosten in deze processen zijn goed voor ongeveer 75%, of zelfs hoger. Op dit moment is de CO2 -concentratie van de meeste grote emissiebronnen minder dan 15%, terwijl een klein deel (minder dan 2%) van de industriële bronnen op basis van fossiele brandstoffen een CO2 -emissieconcentratie van meer dan 95%heeft. Bronnen met hoge concentratie zijn potentiële doelen voor vroege implementatie van de opname- en opslagtechnologie van koolstofdioxide (CCS). CO2 is een van de belangrijkste gassen die het broeikaseffect veroorzaken en ook een potentiële koolstofbron is. CO2 heeft een breed scala aan toepassingen in verschillende sectoren van de nationale economie als chemische grondstof, koelmiddel, productie van olieveldproductie, inert medium, oplosmiddel en drukbron. Daarom zijn alle landen toegewijd aan het verminderen van de uitstoot van koolstofdioxide door het verbranden van fossiele brandstoffen. Momenteel wordt koolstofdioxide -opnametechnologie veel gebruikt in chemische, energiecentrale, auto -productie en andere industrieën. De nadelen van koolstofdioxide -opnamematerialen in dit stadium zijn echter een slechte recyclingprestaties, toxiciteit, lage vangingsefficiëntie, schaarse grondstoffen en een hoog energieverbruik. Daarom is de ontwikkeling van nieuwe koolstofvangmaterialen een onderzoeksfocus geworden.

Sleutelwoorden: koolstofdioxide; Materialen vangen; onderzoek; voortgang

Oplossing Adsorptie maakt voornamelijk gebruik van oplossingen die aminefunctionele groepen bevatten om CO2 vast te leggen door chemische absorptie. De veelgebruikte adsorbentia zijn alcoholamine -oplossingen, waaronder primaire alcoholamines (zoals ethanolamine), secundaire alcoholamines (zoals diethanolamine en diisopropanolamine) en tertiaire alcoholamines (zoals methyldiethanolamine en triethanolamine). Deze chemische absorptiemethode gebruikt het absorberende om te reageren met CO2 om het doel van het herstellen van CO te bereiken en gebruikt zijn omgekeerde reactie om de absorberende te regenereren. Deze methode heeft een hoge CO2 -verwijderingssnelheid en is een van de meest effectieve methoden voor het herstellen van CO2. Het is ook geschikt voor de behandeling van gemengde gassen met een lage partiële druk van CO. Er zijn echter nog steeds veel nadelen die het gebruik van deze methode beperken: amines zijn vatbaar voor oxidatieve afbraak, die de absorptieprestaties vermindert en ook de viscositeit van de oplossing verhoogt, die niet geleidelijk is voor gastransmissie; Amines en hun afbraakproducten zijn gemakkelijk te vervluchtigen tijdens de regeneratie van het absorberende, wat de absorptiecapaciteit ervan vermindert: de sterke alkaliteit van de amine -oplossing is bijzonder corrosief voor instrumenten en apparatuur; De operatie is relatief omslachtig; Het energieverbruik van regeneratie is hoog.

Omdat CO2 een zuur gas is, wordt het gemakkelijk geadsorbeerd op het oppervlak van enigszins alkalische materialen. Er zijn drie belangrijkste alkalische adsorbentia die momenteel worden onderzoek en ontwikkeling: één is alkalische metaaloxiden, zoals NA2O2, K2O, CAO, MGO en AI2O3. Metaaloxiden hebben een goede adsorptiecapaciteit bij hoge temperaturen, vooral aluminiumoxide. Wanneer alkali -metalen (zoals Li2O, K2O, NA2O) worden toegevoegd, kan de adsorptiecapaciteit bij hoge temperaturen sterk worden verbeterd in vergelijking met fysieke adsorbentia; De tweede is alkalische metaalzouten, zoals calciumcarbonaat, silicaten, lithiumsilicaat en lithiumzirconaat; De derde is een hydrotalcietmengsel. Hydrotalciet bevat alkalische metaalverbindingen en heeft een microporeuze structuur. Het is een natuurlijk samengesteld materiaal. De adsorptie van kooldioxide door hydrotalciet heeft de onderzoeksinteresse van mensen gewekt.

Koolstofmaterialen omvatten voornamelijk geactiveerde koolstof- en koolstofvezel.

(1) Geactiveerde koolstof is het meest voorkomende zwarte poreuze adsorbens met een groot specifiek oppervlak. De belangrijkste componenten zijn amorfe koolstof, evenals een kleine hoeveelheid waterstof, zuurstof, stikstof, zwavel en as. De fysische en chemische eigenschappen en oppervlakte -chemische eigenschappen van de geproduceerde geactiveerde koolstof zullen sterk variëren, afhankelijk van de grondstoffen, het bereidingsproces en de activeringsmethode. De belangrijkste factoren die de adsorptiecapaciteit van geactiveerde koolstof bepalen, zijn het specifieke oppervlak, poriënstructuurkenmerken, oppervlakte -eigenschappen en adsorptiekarakteristieken van het adsorbaat. De adsorptieprestaties van verschillende geactiveerde koolstofadsorbentia op CO2 bij hoge temperatuur werden bestudeerd. Voor verschillende soorten adsorbentia is de adsorptiehoeveelheid CO2 evenredig met het specifieke oppervlak en het totale porievolume van de geactiveerde koolstof; terwijl voor hetzelfde adsorbens de adsorptiehoeveelheid evenredig is met de druk en omgekeerd evenredig met de temperatuur.

(2) Geactiveerde koolstofvezel wordt verkregen door organische vezels te carbonaliseren en te activeren. Het is de derde generatie koolstofmateriaal na geactiveerd koolstofpoeder en geactiveerde koolstofdeeltjes. Geactiveerde koolstofvezel heeft een meer ontwikkeld specifiek oppervlak dan korrelige geactiveerde koolstof, een kleinere microporiediameter (ongeveer 1 nm) en het microporievolume is goed voor meer dan 90% van het totale porievolume. Tegelijkertijd wordt het direct geopend op het vezeloppervlak, dus het heeft de voordelen van grote adsorptiecapaciteit, hoge adsorptie -efficiëntie en snelle adsorptie en desorptiesnelheid. Vanwege de bijzonderheid van zijn structuur en prestaties is het gebruik van geactiveerde koolstofvezel voor adsorb -luchtverontreinigende stoffen een onderzoekshotspot geworden voor wetenschappelijke onderzoekers en heeft het geweldige toepassingsperspectieven getoond.

Zeolietmoleculaire zeef is een natuurlijke of synthetische kristallijn aluminosilicaat die alkalimetaal en alkalische aardmetaaloxiden bevat. Het heeft een strikte structuur en poriën. De poriegrootte varieert enigszins vanwege structurele verschillen en kan stoffen van verschillende molecuulgewichten scheiden. Zeolietmoleculaire zeefadsorbentia worden vaak gebruikt voor gasscheiding en zuivering, zoals stikstofproductie van lucht, scheiding en zuivering van CO2, enz. De adsorptiecapaciteit neemt ook af met toenemende temperatuur. Lila et al. Gebruikte ASRTSA -moleculaire zeef aan adsorb en verwijder CO2 uit de ruimtecapsule. Experimenten tonen aan dat wanneer de temperatuur stijgt tot 175 graden, de adsorptie -hoeveelheid slechts 24% van dat is na 25 graden. Onder dezelfde omstandigheden is de adsorptie -hoeveelheid zeolietmoleculaire zeef, die ook een fysieke adsorptie is, hoger dan die van geactiveerde koolstof.

Wetenschappers van het French National Center for Scientific Research hebben een nieuw materiaal ontwikkeld genaamd MIL-101, dat een grote hoeveelheid koolstofdioxidegas kan absorberen. Naar verwachting zal dit materiaal het vermogen vergroten om zich te verzetten tegen de opwarming van de aarde. Dit materiaal wordt gesynthetiseerd uit chroom en tereftaalzuur. Het is een poreus composiet nanomateriaal met een oppervlak bedekt met kleine gaten met een diameter van 3,5 nm. Daarom is de adsorptiecapaciteit erg sterk. MIL-101 met een volume van 1 m³kan 400m opslaan³van koolstofdioxide op 25 graden. De opslagcapaciteit van het huidige algemene adsorptiemateriaal onder dezelfde omstandigheden is slechts 200m³. Dit nieuwe materiaal kan op de auto worden geplaatst om de koolstofdioxide die het uitzendt te filteren, waardoor het doel wordt bereikt om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen.

De CO -adsorptieprestaties van twee silicageladsorbentia werden vergeleken, de adsorptie -isothermen van N2 en CO2 op silicagel- en geactiveerde koolstofadsorbentia werden bepaald en de dynamische adsorptie -penetratiecurves van CO2 in verschillende systemen werden onderzocht. De resultaten laten zien dat de adsorptiehoeveelheid CO2 door silicageladsorbens vergelijkbaar is met die van geactiveerde koolstof, en de adsorptieselectiviteit is beter dan die van geactiveerde koolstof; Het grotere specifieke oppervlak en het hoge poriëngehalte zijn gunstig voor de adsorptie van CO2, en de juiste porieverdeling is bevorderlijk voor het verminderen van de interne diffusieresistentie van silicageladsorbens.

De studie gebruikte mesoporeus moleculair zeefpoeder als drager en geladen met verschillende organische amines om CO2 -adsorptiematerialen te bereiden. Solid amine CO2 -adsorbentia kunnen selectief zure gas -CO2 adsorberen door chemische reacties en worden minder beïnvloed door waterdamp. Het solide amineco2 -adsorbens bereid met behulp van mesoporeuze materialen met een hoog specifiek oppervlak en porievolume als dragers de kenmerken van hoge adsorptiecapaciteit vertoonden. In het bijzonder worden de sjabloonmicellen in het oorspronkelijke poeder van het mesoporeuze materiaal behouden en "mazen" van verschillende schalen worden gevormd in de mesoporeuze ruimte om CO2 in de luchtstroom te onderscheppen en adsorberen, met hoge adsorptie -efficiëntie. De koolstofdioxide -adsorptie van zeolieten geladen met amineverbindingen werd bestudeerd en de resultaten toonden aan dat de CO2 -adsorptiecapaciteit van zeolieten met 20% ~ 30% toenam na het laden van amines. Dit komt omdat zowel fysische adsorptie als chemische adsorptie optreden in het adsorptieproces van composietmaterialen en de dubbele effecten een synergetisch effect hebben.

In tegenstelling tot traditionele organische oplosmiddelen, produceren ionische vloeistoffen geen vluchtige organische verbindingen tijdens het koolstofarme proces vanwege hun lage dampdruk en zijn gemakkelijk te gebruiken. Tegelijkertijd kunnen ionische vloeistoffen herhaaldelijk worden gebruikt. Met de gezamenlijke financiering van het US Department of Energy's Office of Fossil Energy en het US National Energy Technology Laboratory voerden Jennifer L, Wang Zhongni en anderen een verscheidenheid aan ionische vloeistoffen uit. Studies voor fysische eigenschappen en CO2 -absorptiemechanisme. De resultaten tonen aan dat bij gegeven ionische vloeistoffen ionische vloeistoffen een betere selectiviteit hebben voor CO2; Tegelijkertijd blijkt dat ionische vloeistoffen een hoge CO, absorptiebelasting en lagere regeneratie warmtevereisten hebben.

Bestudeerde de adsorptie van CO2 door sterke alkalische ionenuitwisselingsvezel. Ze simuleerden het gasadsorptie- en desorptieproces en ontdekten dat sterke alkalische ionenuitwisselingsvezel CO2 -gasput kan adsorberen. De studie van verschillende factoren die de adsorptie van CO2 -gas beïnvloeden door sterke alkalische anionuitwisselingsvezel toonde aan dat: de verandering van het watergehalte heeft de grootste impact op adsorptie en een hoog watergehalte is bevorderlijk voor de adsorptie van gas door vezels; Langzame gasdebiet is bevorderlijk voor de adsorptie van gas door vezels, en snelle stroomsnelheid kan ook gasput adsorberen. Zolang de concentratie van gas een bepaalde limiet niet overschrijdt, zal de adsorptie van vezels minder worden beïnvloed; De vorm van de uitwisselingskolom beïnvloedt ook de adsorptieprestaties van de vezel en slanke uitwisselingskolommen zijn beter dan korte en dikke.

Membraangebaseerde absorptie is een nieuwe membraanscheidingstechnologie die membraantechnologie combineert met gasabsorptietechnologie. Membraangebaseerde absorptie is een nieuwe membraanscheidingstechnologie die membraanscheiding en vloeistofabsorptie koppelt. Het membraanmateriaal dat geschikt is voor CO2 -opname is polypropyleen holle vezel en de membraanabsorptievloeistof is een geactiveerde polyamine waterige oplossing. De CO2 -component in het gemengde gas gaat bij voorkeur door het membraan en wordt geabsorbeerd door de waterige oplossing van polyamine. Vervolgens wordt de afvalvloeistof geregenereerd door membraandestillatie en kan het regeneratiepercentage meer dan 98%meer dan 98%. Het neemt niet alleen een klein gebied in en heeft vriendelijke bedrijfsomstandigheden, maar ook het holle vezelmembraangebied is groot, het CO2 -passpercentage is hoog en de regeneratiesnelheid van de oplossing is hoog, waardoor deze methode de ontwikkelingstrend van CO2 -opnametechnologie in de toekomst is.

Naarmate het milieubewustzijn van mensen geleidelijk toeneemt, hebben verschillende landen hun inspanningen verhoogd om het milieu te beschermen, wat onvermijdelijk een positieve rol zal spelen bij het bevorderen van de ontwikkeling van materialen voor het vangen van koolstofdioxide. In de afgelopen jaren heeft het onderzoekswerk naar materialen voor het vastleggen van koolstofdioxide grote vooruitgang geboekt. Carbon-dioxide-opnametechnologie ontwikkelt zich in de richting van lage prijs, eenvoudig werkproces, lage werkkosten en langdurige recycling. Dit vereist dat koolstofdioxide -opnamematerialen de kenmerken moeten hebben van een gemakkelijke beschikbaarheid van productie -grondstoffen en lage prijs, eenvoudig en milieuvriendelijk productieproces, goed regeneratievermogen en recyclebaar gebruik, en het is vereist om tegelijkertijd meerdere verontreinigende stoffen te kunnen behandelen zoals koolstofdioxide, waterstofsulfide en stikstofoxiden. Dit maakt intelligente koolstofdioxide -opnamematerialen een toekomstige ontwikkelingstrend. Nieuwe materialen kunnen hun eigen oppervlakte -eigenschappen op de juiste manier aanpassen en de adsorptie in verschillende atmosferen verbeteren volgens veranderingen in het milieu.