Progresso di ricerca sui materiali di cattura di anidride carbonica - Blog

Man mano che il riscaldamento globale si intensifica, la riduzione delle emissioni di gas serra come l'anidride carbonica e la protezione dell'ambiente sono diventati uno dei problemi globali fondamentali da risolvere. Per ottenere una riduzione delle emissioni di anidride carbonica, è necessario passare attraverso i processi di acquisizione, trasporto, conservazione, applicazione e conversione. Il costo di acquisizione in questi processi rappresenta circa il 75%o anche più alto. Allo stato attuale, la concentrazione di CO2 della maggior parte delle grandi fonti di emissione è inferiore al 15%, mentre una piccola parte (inferiore al 2%) di fonti industriali basate su combustibili fossili ha una concentrazione di emissione di CO2 di oltre il 95%. Le fonti ad alta concentrazione sono potenziali obiettivi per l'implementazione precoce della tecnologia di acquisizione e stoccaggio dell'anidride carbonica (CCS). La CO2 è uno dei gas principali che causano l'effetto serra ed è anche una potenziale risorsa di carbonio. CO2 ha una vasta gamma di usi in vari settori dell'economia nazionale come materia prima chimica, refrigerante, potenziatore di produzione del campo petrolifero, mezzo inerte, solvente e fonte di pressione. Pertanto, tutti i paesi si impegnano a ridurre le emissioni di anidride carbonica dalla combustione dei combustibili fossili. Allo stato attuale, la tecnologia di cattura di anidride carbonica è ampiamente utilizzata in chimica, centrale elettrica, produzione automobilistica e in altri settori. Tuttavia, gli svantaggi dei materiali di cattura di anidride carbonica in questa fase sono scarse prestazioni di riciclaggio, tossicità, bassa efficienza di cattura, materie prime scarse e elevato consumo di energia. Pertanto, lo sviluppo di nuovi materiali di cattura del carbonio è diventato un focus di ricerca.

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L'adsorbimento della soluzione utilizza principalmente soluzioni contenenti gruppi funzionali di ammina per catturare CO2 attraverso l'assorbimento chimico. Gli adsorbenti comunemente usati sono soluzioni di ammina alcolica, comprese le ammine primarie di alcol (come l'etanolamina), le ammine alcoliche secondarie (come dietanolamina e diisopropanolamina) e ammine alcoliche terziarie (come metildiethanolamina e trietanolamina). Questo metodo di assorbimento chimico utilizza l'assorbimento per reagire con CO2 per raggiungere lo scopo del recupero di CO e utilizza la sua reazione inversa per rigenerare l'assorbente. Questo metodo ha un elevato tasso di rimozione della CO2 ed è uno dei metodi più efficaci per il recupero di CO2. È anche adatto al trattamento di gas misti con bassa pressione parziale di Co. Tuttavia, ci sono ancora molti svantaggi che limitano l'uso di questo metodo: le ammine sono soggette a degradazione ossidativa, che riduce le prestazioni di assorbimento e aumenta anche la viscosità della soluzione, che non è favorevole alla trasmissione di gas; Le ammine e i loro prodotti di degradazione sono facili da volatilizzare durante la rigenerazione dell'assorbente, che riduce la sua capacità di assorbimento: la forte alcalinità della soluzione ammina è particolarmente corrosiva per strumenti e attrezzature; L'operazione è relativamente ingombrante; Il consumo di energia di rigenerazione è elevato.

Poiché la CO2 è un gas acido, viene facilmente assorbita sulla superficie di materiali leggermente alcalini. Esistono tre principali adsorbenti alcalini attualmente in fase di ricerca e sviluppo: uno è ossidi di metallo alcalino, come Na2O2, K2O, CAO, MGO e AI2O3. Gli ossidi metallici hanno una buona capacità di adsorbimento ad alte temperature, in particolare l'allumina. Quando vengono aggiunti i metalli alcali (come Li2O, K2O, Na2o), la sua capacità di adsorbimento ad alte temperature può essere notevolmente migliorata rispetto agli adsorbenti fisici; Il secondo sono i sali di metallo alcalino, come carbonato di calcio, silicati, silicato di litio e litio zirconato; Il terzo è una miscela idrotalcite. L'idrotalcite contiene composti metallici alcalini e ha una struttura microporosa. È un materiale composito naturale. L'adsorbimento di anidride carbonica da parte dell'idrotalcite ha suscitato l'interesse della ricerca delle persone.

I materiali in carbonio comprendono principalmente la fibra di carbonio e carbonio attivo.

(1) Il carbonio attivo è l'adsorbente poroso nero più comune con una grande superficie specifica. I suoi componenti principali sono il carbonio amorfo, nonché una piccola quantità di idrogeno, ossigeno, azoto, zolfo e cenere. Le proprietà fisiche e chimiche e le proprietà chimiche di superficie del carbone attivo prodotto varieranno notevolmente a seconda delle materie prime, del processo di preparazione e del metodo di attivazione. I principali fattori che determinano la capacità di adsorbimento del carbonio attivo sono la superficie specifica, le caratteristiche della struttura dei pori, le proprietà superficiali e le caratteristiche di adsorbimento dell'adsorbato. Sono state studiate le prestazioni di adsorbimento di diversi adsorbenti di carbonio attivati su CO2 ad alta temperatura. Per diversi tipi di adsorbenti, la quantità di adsorbimento di CO2 è proporzionale alla superficie specifica e al volume totale dei pori del carbonio attivo; Mentre per lo stesso adsorbente, la quantità di adsorbimento è proporzionale alla pressione e inversamente proporzionale alla temperatura.

(2) La fibra di carbonio attivo è ottenuta mediando e attivando le fibre organiche. È la terza generazione di materiale di carbonio dopo polvere di carbonio attivo e particelle di carbonio attivo. La fibra di carbonio attivo ha una superficie specifica più sviluppata rispetto al carbonio attivo granulare, un diametro di micropori più piccolo (circa 1 nm) e il volume di micropori rappresenta oltre il 90% del volume totale dei pori. Allo stesso tempo, viene aperto direttamente sulla superficie della fibra, quindi ha i vantaggi della grande capacità di adsorbimento, un'elevata efficienza di adsorbimento e una rapida velocità di adsorbimento e desorbimento. A causa della particolarità della sua struttura e delle sue prestazioni, l'uso della fibra di carbonio attivata per gli inquinanti atmosferici adsorbiti è diventato un hotspot di ricerca per i ricercatori scientifici e ha mostrato grandi prospettive di applicazione.

Il setaccio molecolare di zeolite è un alluminosilicato cristallino naturale o sintetico contenente ossidi di metallo alcalino e metallo alcalino. Ha una struttura e pori rigorosi. La dimensione dei pori varia leggermente a causa delle differenze strutturali e può separare sostanze di pesi molecolari diversi. Gli adsorbenti del setaccio molecolare di zeolite sono spesso utilizzati per la separazione e la purificazione del gas, come la produzione di azoto dall'aria, la separazione e la purificazione di CO2, ecc. Anche la sua capacità di adsorbimento diminuisce con l'aumentare della temperatura. Lila et al. Setaccio molecolare ASRTSA utilizzato per adsorb e rimuovere CO2 dalla capsula dello spazio. Gli esperimenti mostrano che quando la temperatura sale a 175 gradi, l'importo dell'adsorbimento è solo del 24% di quello a 25 gradi. Nelle stesse condizioni, la quantità di adsorbimento di setaccio molecolare di zeolite, che è anche un adsorbimento fisico, è superiore a quella del carbonio attivo.

Gli scienziati del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica hanno sviluppato un nuovo materiale chiamato MIL-101, che può assorbire una grande quantità di gas di anidride carbonica. Questo materiale dovrebbe migliorare la capacità di resistere al riscaldamento globale. Questo materiale è sintetizzato da cromo e acido tereftalico. È un nanomateriale composito poroso con una superficie coperta da piccoli fori con un diametro di 3,5 nm. Pertanto, la capacità di adsorbimento è molto forte. MIL-101 con un volume di 1m³può archiviare 400 m³di anidride carbonica a 25 gradi. La capacità di stoccaggio dell'attuale materiale di adsorbimento generale nelle stesse condizioni è di soli 200 m³. Questo nuovo materiale può essere posizionato sull'auto per filtrare l'anidride carbonica che emette, raggiungendo così lo scopo di ridurre le emissioni di gas serra.

Sono state confrontate le prestazioni di adsorbimento di CO di due adsorbenti in gel di silice, sono state determinate le isoterme di adsorbimento di N2 e CO2 su gel di silice e adsorbenti a carbonio attivo e sono state studiate le curve di penetrazione dinamica di adsorbimento di CO2 in diversi sistemi. I risultati mostrano che la quantità di adsorbimento di CO2 da parte dell'adsorbente in gel di silice è paragonabile a quella del carbonio attivo e la selettività di adsorbimento è migliore di quella del carbonio attivo; La più grande superficie specifica e il contenuto elevato dei pori sono utili per l'adsorbimento di CO2 e la distribuzione dei pori appropriata è favorevole alla riduzione della resistenza di diffusione interna dell'adsorbente in gel di silice.

Lo studio ha utilizzato polvere di setaccio molecolare mesoporoso come vettore e caricato con diverse ammine organiche per preparare materiali di adsorbimento di CO2. Gli adsorbenti di CO2 di ammina solida possono adsorbire selettivamente CO2 acido attraverso reazioni chimiche e sono meno influenzati dal vapore acqueo. L'adsorbente di CO2 di amina solida preparata utilizzando materiali mesoporosi con elevata superficie specifica e volume dei pori poiché i vettori hanno mostrato le caratteristiche di alta capacità di adsorbimento. In particolare, le micelle modello contenute nella polvere originale del materiale mesoporoso vengono mantenute e "maglie" di diverse scale si formano nello spazio mesoporoso per intercettare e adsorb CO2 nel flusso d'aria, con un'elevata efficienza di adsorbimento. È stato studiato l'adsorbimento di anidride carbonica di zeoliti caricati con composti amminici e i risultati hanno mostrato che la capacità di adsorbimento di CO2 delle zeoliti è aumentata del 20% ~ 30% dopo il caricamento di ammine. Questo perché sia l'adsorbimento fisico che l'adsorbimento chimico si verificano nel processo di adsorbimento dei materiali compositi e i doppi effetti hanno un effetto sinergico.

A differenza dei tradizionali solventi organici, i liquidi ionici non producono composti organici volatili durante il processo di decarbonizzazione a causa della loro bassa pressione di vapore e sono facili da usare. Allo stesso tempo, i liquidi ionici possono essere usati ripetutamente. Con il finanziamento congiunto dell'Ufficio per l'energia fossile degli Stati Uniti e del National Energy Technology Laboratory, Jennifer L, Wang Zhonni e altri hanno condotto una varietà di liquidi ionici. Proprietà fisiche e studi di meccanismo di assorbimento di CO2. I risultati mostrano che tra i liquidi ionici dati, i liquidi ionici hanno una migliore selettività per CO2; Allo stesso tempo, si è scoperto che i liquidi ionici hanno un elevato carico di CO, un carico di assorbimento e un requisito di calore di rigenerazione inferiore.

Ha studiato l'adsorbimento di CO2 con una forte fibra di scambio ionico alcalino. Hanno simulato il processo di adsorbimento e desorbimento del gas e hanno scoperto che una forte fibra di scambio di ioni alcalini può assorbire bene il gas di CO2. Lo studio di vari fattori che influenzano l'adsorbimento del gas di CO2 da parte di una forte fibra di scambio di anioni alcalini ha mostrato che: il cambiamento del contenuto di acqua ha il maggiore impatto sull'adsorbimento e un alto contenuto di acqua favorisce l'adsorbimento del gas da parte della fibra; La portata del gas lenta è favorevole all'adsorbimento del gas per fibra e la portata rapida può anche assorbire il pozzo del gas. Finché la concentrazione di gas non supera un certo limite, l'adsorbimento della fibra sarà meno influenzato; La forma della colonna di scambio influisce anche sulle prestazioni di adsorbimento della fibra e le colonne di scambio sottili sono migliori di quelle brevi e spesse.

L'assorbimento a base di membrana è una nuova tecnologia di separazione della membrana che combina la tecnologia della membrana con la tecnologia di assorbimento del gas. L'assorbimento a base di membrana è una nuova tecnologia di separazione della membrana che accoppia la separazione della membrana e l'assorbimento liquido. Il materiale di membrana adatto per la cattura di CO2 è la fibra cattiva in polipropilene e il liquido di assorbimento della membrana è una soluzione acquosa di poliammina attivata. Il componente CO2 nel gas misto passa preferibilmente attraverso la membrana e viene assorbito dalla soluzione acquosa di poliammina. Quindi il liquido di scarto viene rigenerato dalla distillazione della membrana e il suo tasso di rigenerazione può superare il 98%. Non solo occupa una piccola area e ha condizioni operative amichevoli, ma anche l'area della membrana in fibra cavata è grande, il tasso di passaggio di CO2 è elevato e il tasso di rigenerazione della soluzione è elevato, rendendo questo metodo la tendenza di sviluppo della tecnologia di acquisizione di CO2 in futuro.

Man mano che la consapevolezza ambientale delle persone aumenta gradualmente, vari paesi hanno aumentato i loro sforzi per proteggere l'ambiente, che inevitabilmente svolgerà un ruolo positivo nel promuovere lo sviluppo di materiali di cattura di anidride carbonica. Negli ultimi anni, i lavori di ricerca sui materiali di cattura di anidride carbonica hanno fatto grandi progressi. La tecnologia di cattura di anidride carbonica si sta sviluppando nella direzione di basso prezzo, semplice processo operativo, basso costo operativo e riciclaggio a lungo termine. Ciò richiede che i materiali di cattura di anidride carbonica debbano avere le caratteristiche della facile disponibilità di materie prime di produzione e a basso prezzo, processo di produzione semplice e rispettoso dell'ambiente, una buona capacità di rigenerazione e un uso riciclabile, ed è necessario per essere in grado di trattare simultaneamente più inquinanti come anidride carbonica, idrogeno solforo e ossidi di nitrogen. Ciò rende i materiali di cattura di anidride carbonica intelligenti una tendenza di sviluppo futuro. Nuovi materiali possono adeguare in modo appropriato le proprie proprietà superficiali e migliorare l'adsorbimento in diverse atmosfere in base ai cambiamenti ambientali.