A causa delle emissioni di CO₂ dalla produzione umana e dalle attività quotidiane, la concentrazione atmosferica di CO₂ è aumentata da 280 ppmv all'inizio della rivoluzione industriale a 379 ppmv nel 2005 e questa cifra è ora salita a 390 ppmv2. Man mano che gli impatti dell'aumento dei livelli di co₂ diventano sempre più gravi, lo sviluppo di efficaci tecnologie di cattura di co₂ è diventato un argomento caldo nella comunità chimica. I metodi di acquisizione di CO₂ attuali includono principalmente assorbimento, adsorbimento e separazione della membrana. Tra questi, il metodo di assorbimento è ulteriormente diviso in assorbimento fisico e assorbimento chimico:
L'assorbimento fisico utilizza solventi a punta ad alto livello (ad es. Etanolo, polietilenglicole) per assorbire e desorbirsi CO₂ regolando continuamente la pressione e la temperatura tra CO₂ e assorbente, ottenendo così la separazione di CO₂.
L'assorbimento chimico si basa su reazioni chimiche tra il gas grezzo e l'assorbimento per catturare CO₂.
Il metodo di adsorbimento è emerso come una tecnologia di separazione e recupero altamente promettente a causa dei suoi vantaggi di semplice processo, basso consumo di energia, facilità di automazione e non corrosività. Il metodo di separazione della membrana separa CO₂ in base ai tassi di permeazione differenziale di CO₂ e di altri componenti del gas attraverso materiali di membrana. I gruppi amminici sono applicati in quasi tutti i metodi di acquisizione di CO₂ sopra. Questo studio esamina le applicazioni dei gruppi amminici in assorbimento, adsorbimento e separazione della membrana, con un focus specifico sul loro ruolo nella cattura di CO₂ basata sull'adsorbimento.
Parole chiave:Modifica amminica, cattura, adsorbente
Metodo per assorbire la CO2 con una soluzione di ammina alcolica
Il metodo della soluzione di ammina alcolica è il metodo più comune ed efficiente per assorbire la CO2 nelle applicazioni industriali. La molecola di ammina di alcol contiene almeno un gruppo idrossilico che può ridurre la pressione di vapore del composto e questo gruppo idrossilico può anche fornire l'ambiente alcalino necessario; La molecola di ammina di alcol dovrebbe anche contenere un gruppo amminico in grado di promuovere l'assorbimento di gas acidi.
Allo stato attuale, il focus di ricerca del metodo dell'ammina alcol per l'assorbimento di CO2 è principalmente concentrato sulle condizioni di processo di assorbimento di CO2 e vi è meno ricerche sul trasferimento di massa del processo di assorbimento. È stato aggiunto un dispositivo di potenziamento del gas-liquido al processo di assorbimento della DEA per studiare l'effetto del potenziamento del gas e della fase liquida sulle prestazioni di trasferimento di massa tra il gas e le fasi liquide. Quando la fase gassosa che si agita è aumentata da 50R/min a 200R/min, il coefficiente di trasferimento di massa è aumentato da 0,0154 kmol/(s · m2· MPA) a 0,021 kmol/(s · m2· MPA), un aumento del 36,3%. Quando l'agitazione della fase liquida è aumentata da 150R/min a 300R/min, il coefficiente di trasferimento di massa relativo è aumentato da 0,009 kmol/(s · m2· MPA) a 0,021 kmol/(s · m2· MPA), un aumento di quasi il 134%. Gli esperimenti hanno dimostrato che l'aggiunta di un dispositivo di potenziamento del gas-liquido può migliorare la capacità di trasferimento di massa all'interno di un intervallo più ampio, migliorando così ulteriormente il tasso di assorbimento di CO2.
Oltre alla sua elevata capacità di assorbimento di CO2, l'assorbimento di CO2 da parte della soluzione di ammina alcolica ha anche alcuni inevitabili difetti:
(1) È difficile separare la soluzione di ammina alcolica dalla CO2 dopo essersi combinata con essa e deve essere separata a una temperatura più elevata, che consuma molta energia;
(2) la soluzione di ammina alcolica causerà una grave corrosione;
(3) la soluzione di ammina alcolica è facile da volatilizzare durante il desorbimento di CO, che riduce la sua capacità di assorbire la CO2;
(4) La soluzione di ammina alcolica è facile da sottoporsi a degradazione termica e degradazione ossidativa durante il desorbimento di CO2, che ne riduce la capacità di assorbimento per CO2. È proprio dovuto ai difetti di cui sopra che i ricercatori scientifici stanno studiando e sviluppando nuovi metodi e materiali che possono essere utilizzati per sostituire la soluzione di ammina alcolica per catturare CO2, come il metodo misto di soluzione di ammina di alcol, il metodo di separazione della membrana ottimizzata per ammina e l'adsorbente modificato amminico.
Metodo per l'adsorbimento di CO2 utilizzando adsorbenti amino-modificati
La chiave del metodo di adsorbimento è l'adsorbente. Gli adsorbenti convenzionali includono setacci molecolari, carbonio attivo, ecc., Mentre i nuovi adsorbenti includono nanotubi di carbonio, grafene, materiali di struttura organica metallica, materiali mesoporosi, ecc. Ogni metodo ha i propri vantaggi e limitazioni e ogni materiale ha anche i suoi campi e difetti applicabili. L'uso di materiali compositi o nuovi metodi ottimizzati che combinano i vantaggi di vari materiali sarà una tendenza nella cattura di CO2 e ha un grande potenziale di ricerca. Questo studio prende materiali in metallo-organico amminico-organico, materiali mesoporosi modificati amino-modificati, nanotubi di carbonio amino-modificati e grafene amino-modificato come esempi per introdurre adsorbenti amminici nel campo della cattura della CO2.
Framework di metallo-organico modificato da aminoo
Come nuovo adsorbente per la cattura di CO2, MOFS presenta vantaggi molto evidenti rispetto ai setacci molecolari convenzionali (setacci molecolari di zeolite, setacci molecolari di carbonio, ecc.) E soluzioni di ammina alcolica. In primo luogo, la struttura della maggior parte dei MOF è neutra, quindi le molecole ospiti che occupano i pori hanno solo interazioni deboli con lo scheletro. Queste molecole ospiti possono essere cacciate dallo scheletro a una temperatura più bassa e i pori richiesti possono essere rapidamente generati mantenendo l'integrità dello scheletro. In secondo luogo, le dimensioni, la distribuzione, l'idrofilia e la funzionalità chimica dei pori dei MOF possono essere progettate a livello molecolare cambiando o modificando i ligandi organici e i ioni metallici utilizzati.
Per migliorare la sua capacità di adsorbire CO2, i materiali in metallo organico in metallo amino-modificato sono attualmente comunemente assemblati con ligandi organici con gruppi amminici e freccia in metallo. BLOM ha preparato tre materiali MOF, USO-1-A1, USO-2-NI e USO-3-I, N e i corrispondenti materiali MOF amino-modificati (USO-1-AI-A, USO-2-NI-A e USO-3-in-A). I risultati del test di adsorbimento di CO2 hanno mostrato che la cristallinità, la superficie specifica e il volume dei pori dei materiali modificati amminici sono stati ridotti a vari gradi, mentre l'effetto di adsorbimento è stato significativamente migliorato. Prendendo USO-1-A1 e USO-1-AI-A come esempi, a 25 gradi e 1ATM, la capacità di adsorbimento di CO2 di USO-1-AI era 2,3 mmol/g, mentre quella di USO-1-A1-A è stata aumentata a 2,7 mmoli/g; Il calore iniziale di adsorbimento di CO2 è aumentato da 30kJ/mol a 50kJ/mol, il che ha confermato che l'adsorbimento di CO2 da parte dei materiali amino-modificati è stato significativamente migliorato.
Materiali mesoporosi modificati amino-modificati
Sebbene i materiali del quadro metallico-organico e i setacci molecolari siano buoni materiali di adsorbimento, la diffusione intrinseca del sistema microporoso limita in una certa misura la capacità di adsorbimento di CO2. Alcuni materiali mesoporosi SIO2 possono ridurre l'impatto di questo effetto di diffusione e migliorare la capacità di adsorbimento. Tuttavia, alcuni gruppi idrossilici residui sulla superficie di SIO2 rendono il materiale meno compatibile con CO2. Questo problema può essere superato combinando composti organici amino-contenenti con i pori di materiali mesoporosi attraverso l'impregnazione o l'innesto.
Il 50% di polietileneimina è stata caricata nei pori di MCM-41 mediante impregnazione. La capacità di adsorbimento di MCM-41 modificato da amina per CO2 ha raggiunto 133 mg/g a 348k, che è superiore ai 78 mg/g ottenuti con gel di silice come vettore.
Nanotubi di carbonio modificati amino-modificati
Negli ultimi anni, lo sviluppo di nuovi materiali ha influenzato tutti gli aspetti della vita delle persone. L'applicazione di nanotubi di carbonio nel campo della separazione del gas è diventata un punto culminante attivo. I nanotubi di carbonio hanno caratteristiche tipiche a strati di struttura cava e la distanza fissa tra gli strati è favorevole al carico amminico.
Dopo che i CNT sono stati modificati in superficie con 3-aminopropiltrietossisilano (APT), sono state studiate la capacità di adsorbimento di CO e le proprietà termodinamiche. Quando la temperatura è stata fissata a 50 gradi, i CNT non modificati (APT) con rapporti di massa ATP e CNT del 20%, 28%, 36%, 41%, 45%e 54%sono stati adsorbiti in un ambiente di CO2 del 15%e gli importi di adsorbimento erano 21,5 mg/g, 43,6mg/g, 51,3mg/g, 60,5mg/g, 74,5mg/g, 74,5mg/g, 74,5mg/g, 74,5mg/g, 74,5mg/g. 85,7 mg/g e 77 mg/g, rispettivamente. Questi dati mostrano che a causa della presenza di gruppi amminici negli ATP, l'introduzione di APT sulla superficie del CNTS può migliorare significativamente la capacità di adsorbimento di CO. E quando il caricamento ATPS è del 45% (WT, frazione di massa, lo stesso di seguito), viene raggiunta la quantità massima di adsorbimento di C, che è 4 volte quella dei CNT non modificati. Tuttavia, quando l'importo del carico ha continuato ad aumentare al 54%, l'importo dell'adsorbimento è diminuito invece. Ciò può essere dovuto al fatto che troppi APT sulla superficie dei CNT hanno aumentato la resistenza al trasferimento di massa di CO2 che si diffonde all'interno.
Questi rapporti di ricerca confermano che la capacità dei nanotubi di carbonio modificati con i gruppi amminici di adsorb CO2 è significativamente migliore di quella dei nanotubi di carbonio non modificati. I nanotubi di carbonio modificati con gruppi amminici mostrano buone prospettive nella cattura di CO2, ma la loro applicazione e spazio di sviluppo sono limitati a causa del loro alto costo.
Grafene amino-modificato
La struttura cristallina della superficie del grafene è molto completa, il che rende inattiva le sue proprietà chimiche. Al fine di espandere l'intervallo di applicazione del grafene e migliorare il suo valore dell'applicazione, la sua superficie deve essere modificata. I gruppi funzionali generati dopo l'ossidazione del grafene aumentano l'attività del grafene, gettando le basi per la modifica covalente. Quindi, la funzionalizzazione superficiale del grafene può essere ottenuta modificandolo con reagenti come ammine organiche e isocianati.
Nel 2012, Mishra et al. Per prima cosa ha modificato la superficie del grafene con polianilina (PANI) per catturare CO e ha scoperto che il grafene modificato aveva una maggiore capacità di adsorbimento di CO2 rispetto al carbonio attivo, alla zeolite, ai materiali di framework metallo-organico e ai nanotubi di carbonio. Hanno anche studiato e confrontato le isoterme di adsorbimento dei materiali modificati in polianilina e del grafene non modificato. Quando la pressione era di 11 bar e la temperatura era di 25 gradi, 50 gradi e 100 gradi, la quantità di adsorbimento di CO2 da parte del materiale modificato Pani-F-HEG era rispettivamente di 75 mmol/g, 47 mmol/g e 31mol/g; Mentre la quantità di adsorbimento di grafene puro non modificato era di 21,6 mmol/g, 18 mmol/g e 12 mmol/g. Sebbene la ricerca sull'adsorbimento di CO2 da parte della grafite amino-modificata sia appena iniziata, ha mostrato un grande potenziale di applicazione e spazio di sviluppo a questo proposito. Forse questa diventerà una nuova direzione per lo sviluppo di materiali di adsorbimento della CO2.
Esempi come i materiali del quadro organico-organico modificato amino-modificato, materiali mesoporosi amminici, nanotubi di carbonio amminici e modificati amino-modificati hanno dimostrato che questi adsorbenti hanno mostrato buone capacità di cattura di CO2 dopo essere stati modificati con i gruppi amminici e sono stati modificati da semplici annunci fisici a boxsorbenzioni chimiche con gruppi di Amino. Ciò ha aperto un nuovo campo per studiare gli adsorbenti e probabilmente diventerà al centro della ricerca futura.
Tecnologia di separazione della membrana ottimizzata per amine per l'adsorbimento di CO2
La separazione della membrana è simile al processo di screening. Secondo la dimensione dei pori della membrana, alcune sostanze possono passare attraverso la membrana mentre altre sostanze sono trattenute dalla membrana, raggiungendo così lo scopo della separazione. Il più grande svantaggio della separazione della membrana nella separazione del gas è che la selettività non è alta. Se si desidera migliorare la selettività della separazione della membrana e migliorare l'efficienza di separazione, è possibile combinare la separazione della membrana con l'assorbimento o l'adsorbimento. Innanzitutto, utilizzare la separazione della membrana per separare approssimativamente il gas, quindi utilizzare l'assorbimento della soluzione di ammina alcolica o l'adsorbimento adsorbente ad alta efficienza per la separazione fine. Ciò non può solo ottenere un certo effetto di separazione, ma anche risparmiare costi di investimento. Combina la tecnologia di separazione della membrana con il metodo di assorbimento della soluzione di ammina di alcol, lascia che il gas fluisca lungo un lato della membrana e quando la CO2 si diffonde sull'altro lato della membrana, viene assorbito dall'ammina alcolica. Questo metodo di separazione della membrana ottimizzata per ammina ha un dispositivo più semplice e un costo di investimento inferiore rispetto al metodo di assorbimento della soluzione di ammina alcolica. Inoltre, rispetto al tradizionale metodo di separazione della membrana, la capacità di adsorbire CO2 è significativamente migliorata. Rispetto al metodo di adsorbimento e al metodo di assorbimento di ammina alcolica, il metodo di separazione della membrana ottimizzata per ammina presenta i vantaggi di un facile funzionamento, un basso consumo di energia, un migliore effetto di adsorbimento e meno investimenti. Tuttavia, a causa dell'immaturità della tecnologia e del fatto che la sostituzione di attrezzature consuma ancora molti soldi, non è stata applicata industrialmente.
Conclusione
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 "Materiali compositi o nuovi metodi ottimizzati che combinano i vantaggi di vari materiali saranno una tendenza nella cattura di C02 e hanno un grande potenziale di ricerca. Nello sviluppo di nuovi materiali e l'ottimizzazione dei metodi di separazione, i gruppi amminici hanno mostrato una buona compatibilità. La sua applicazione implica quasi tutti i metodi, che possono migliorare notevolmente tutti i metodi, che possono migliorare molto tutti i metodi, che possono migliorare notevolmente la capacità di catturare CO2 e hanno un valore elevato di ricerca.
