Forskningsforløb af kuldioxidfangstmaterialer

Efterhånden som den globale opvarmning intensiveres, er det blevet et af de centrale problemer, der skal løses. For at opnå kuldioxidemissionsreduktion er det nødvendigt at gennemgå processerne med indfangning, transport, opbevaring, anvendelse og konvertering. Optagelsesomkostningerne i disse processer tegner sig for ca. 75%eller endnu højere. På nuværende tidspunkt er CO2 -koncentrationen af de fleste store emissionskilder mindre end 15%, mens en lille del (mindre end 2%) af industrielle kilder baseret på fossile brændstoffer har en CO2 -emissionskoncentration på mere end 95%. Kilder med høj koncentration er potentielle mål for tidlig implementering af kuldioxidfangst og opbevaringsteknologi (CCS). CO2 er en af de vigtigste gasser, der forårsager drivhuseffekten og er også en potentiel kulstofressource. CO2 har en bred vifte af anvendelser i forskellige sektorer i den nationale økonomi som et kemisk råmateriale, kølemiddel, oliefeltproduktionsforstærker, inert medium, opløsningsmiddel og trykkilde. Derfor er alle lande forpligtet til at reducere kuldioxidemissioner fra forbrænding af fossile brændstoffer. På nuværende tidspunkt er kuldioxidfangsteknologi i vid udstrækning brugt i kemisk, kraftværk, bilproduktion og andre industrier. Ulemperne ved carbondioxidfangstmaterialer på dette tidspunkt er imidlertid dårlig genbrugsydelse, toksicitet, lav indfangningseffektivitet, knappe råvarer og højt energiforbrug. Derfor er udviklingen af nye kulstoffangstmaterialer blevet et forskningsfokus.

Nøgleord: kuldioxid; fange materialer; forskning; fremskridt

Opløsningsadsorption bruger hovedsageligt opløsninger, der indeholder aminfunktionelle grupper til at fange CO2 gennem kemisk absorption. De almindeligt anvendte adsorbenter er alkoholaminopløsninger, herunder primære alkoholaminer (såsom ethanolamin), sekundære alkoholaminer (såsom diethanolamin og diisopropanolamin) og tertiære alkoholaminer (såsom methyldiethanolamin og triethanolamin). Denne kemiske absorptionsmetode bruger absorberingen til at reagere med CO2 for at opnå formålet med at gendanne CO, og bruger dens omvendte reaktion til at regenerere absorberende. Denne metode har en høj CO2 -fjernelseshastighed og er en af de mest effektive metoder til at gendanne CO2. Det er også egnet til behandling af blandede gasser med lavt delvis tryk af CO. Der er dog stadig mange ulemper, der begrænser brugen af denne metode: aminer er tilbøjelige til oxidativ nedbrydning, hvilket reducerer absorptionsydelsen og øger også viskositeten af opløsningen, som ikke er befordrende for gasoverførsel; Aminer og deres nedbrydningsprodukter er lette at flygtige under regenereringen af absorberende, hvilket reducerer dens absorptionskapacitet: den stærke alkalinitet af aminopløsningen er især ætsende for instrumenter og udstyr; Operationen er relativt besværlig; Regenererings energiforbruget er stort.

Da CO2 er en sur gas, adsorberes den let på overfladen af let alkaliske materialer. Der er tre vigtigste alkaliske adsorbenter, der i øjeblikket er under forskning og udvikling: den ene er alkaliske metaloxider, såsom Na2O2, K2O, CAO, MgO og AI2O3. Metaloxider har god adsorptionskapacitet ved høje temperaturer, især aluminiumoxid. Når alkalimetaller (såsom Li2O, K2O, Na2O) tilsættes, kan dens adsorptionskapacitet ved høje temperaturer forbedres kraftigt sammenlignet med fysiske adsorbenter; Den anden er alkaliske metalsalte, såsom calciumcarbonat, silicater, lithiumsilikat og lithium zirconat; Den tredje er en hydrotalcitblanding. Hydrotalcit indeholder alkaliske metalforbindelser og har en mikroporøs struktur. Det er et naturligt sammensat materiale. Adsorptionen af kuldioxid ved hydrotalcit har vakt folks forskningsinteresse.

Kulstofmaterialer inkluderer hovedsageligt aktivt kul og kulfiber.

(1) Aktivt kul er det mest almindelige sorte porøse adsorbent med et stort specifikt overfladeareal. Dens hovedkomponenter er amorf kulstof samt en lille mængde brint, ilt, nitrogen, svovl og aske. De fysiske og kemiske egenskaber og overfladekemiske egenskaber for det aktiverede kulstof vil variere meget afhængigt af råmaterialer, fremstillingsproces og aktiveringsmetode. De vigtigste faktorer, der bestemmer adsorptionskapaciteten for aktiveret kulstof, er det specifikke overfladeareal, porestrukturegenskaber, overfladeegenskaber og adsorptionsegenskaber for adsorbatet. Adsorptionsydelsen af adskillige aktiverede kulstofadsorbenter på CO2 ved høj temperatur blev undersøgt. For forskellige typer adsorbenter er adsorptionsmængden af CO2 proportional med det specifikke overfladeareal og det samlede porevolumen af det aktiverede kulstof; Mens den samme adsorbent er adsorptionsmængden proportional med trykket og omvendt proportional med temperaturen.

(2) Aktivt kulfiber opnås ved carbonisering og aktiverende organiske fibre. Det er den tredje generation af kulstofmateriale efter aktivt kulpulver og aktiverede kulstofpartikler. Aktiveret carbonfiber har et mere udviklet specifikt overfladeareal end granulært aktiveret kul, en mindre mikropore diameter (ca. 1NM), og mikroporevolumen tegner sig for mere end 90% af det samlede porevolumen. På samme tid åbnes det direkte på fiberoverfladen, så den har fordelene ved stor adsorptionskapacitet, høj adsorptionseffektivitet og hurtig adsorption og desorptionshastighed. På grund af særprægen af dens struktur og ydeevne er brugen af aktivt kulfiber til adsorb -luftforurenende stoffer blevet et forskningshotspot for videnskabelige forskere og har vist store anvendelsesudsigter.

Zeolitmolekylær sigte er en naturlig eller syntetisk krystallinsk aluminosilikat indeholdende alkalimetal og alkaliske jordmetaloxider. Det har en streng struktur og porer. Porestørrelsen varierer lidt på grund af strukturelle forskelle og kan adskille stoffer med forskellige molekylvægte. Zeolitmolekylsigt -adsorbenter anvendes ofte til gasseparation og oprensning, såsom nitrogenproduktion fra luft, adskillelse og oprensning af CO2 osv. Dens adsorptionskapacitet falder også med stigende temperatur. Lila et al. Brugt ASRTSA molekylær sigte til adsorb og fjern CO2 fra rumkapslen. Eksperimenter viser, at når temperaturen stiger til 175 grad, er adsorptionsbeløbet kun 24% af det ved 25 grader. Under de samme betingelser er adsorptionsmængden af zeolitmolekylær sigte, som også er en fysisk adsorption, højere end for aktiveret kulstof.

Forskere ved det franske nationale center for videnskabelig forskning har udviklet et nyt materiale kaldet MIL-101, som kan absorbere en stor mængde kuldioxidgas. Dette materiale forventes at forbedre evnen til at modstå den globale opvarmning. Dette materiale syntetiseres fra krom og terephthalinsyre. Det er et porøst sammensat nanomateriale med en overflade dækket med små huller med en diameter på 3,5 nm. Derfor er adsorptionskapaciteten meget stærk. MIL-101 med et volumen på 1 m³Kan opbevare 400m³af kuldioxid ved 25 grader. Lagringskapaciteten for det nuværende generelle adsorptionsmateriale under de samme betingelser er kun 200 m³. Dette nye materiale kan placeres på bilen for at filtrere kuldioxid, det udsender, og derved opnå formålet med at reducere drivhusgasemissioner.

CO -adsorptionsydelsen af to silicagel -adsorbenter blev sammenlignet, adsorptionsisotermerne af N2 og CO2 på silicagel og aktiverede carbonadsorbenter blev bestemt, og den dynamiske adsorptionspenetrationskurver af CO2 i forskellige systemer blev undersøgt. Resultaterne viser, at adsorptionsmængden af CO2 ved silicagel -adsorbent er sammenlignelig med aktiveret kulstof, og adsorptionsselektiviteten er bedre end for aktiveret kulstof; Det større specifikke overfladeareal og højt poreindhold er gavnligt for adsorptionen af CO2, og den passende porefordeling er befordrende for at reducere den indre diffusionsmodstand af silicageladsorbent.

Undersøgelsen anvendte mesoporøs molekylpulverpulver som bærer og fyldt med forskellige organiske aminer til at fremstille CO2 -adsorptionsmaterialer. Fastamin -CO2 -adsorbenter kan selektivt adsorberes surt gas CO2 gennem kemiske reaktioner og er mindre påvirket af vanddamp. Den faste amin -CO2 -adsorbent fremstillet ved anvendelse af mesoporøse materialer med højt specifikt overfladeareal og porevolumen som bærere viste egenskaberne ved høj adsorptionskapacitet. Især bevares skabelonmicellerne indeholdt i det originale pulver af det mesoporøse materiale, og "masker" af forskellige skalaer dannes i det mesoporøse rum til aflytning og adsorberer CO2 i luftstrømmen med høj adsorptionseffektivitet. Kuldioxidadsorptionen af zeolitter fyldt med aminforbindelser blev undersøgt, og resultaterne viste, at CO2 -adsorptionskapaciteten for zeolitter steg med 20% ~ 30% efter belastning af aminer. Dette skyldes, at både fysisk adsorption og kemisk adsorption forekommer i adsorptionsprocessen for sammensatte materialer, og de dobbelte effekter har en synergistisk effekt.

I modsætning til traditionelle organiske opløsningsmidler producerer ioniske væsker ikke flygtige organiske forbindelser under dekarboniseringsprocessen på grund af deres lave damptryk og er lette at bruge. På samme tid kan ioniske væsker bruges gentagne gange. Med den fælles finansiering af det amerikanske Department of Energy's Office of Fossil Energy og US National Energy Technology Laboratory, Jennifer L, Wang Zhongni og andre gennemførte en række ioniske væsker. Fysiske egenskaber og CO2 -absorptionsmekanismeundersøgelser. Resultaterne viser, at blandt givne ioniske væsker har ioniske væsker bedre selektivitet for CO2; På samme tid viser det sig, at ioniske væsker har høj CO, absorptionsbelastning og lavere regenereringsvarmebehov.

Studerede adsorptionen af CO2 ved stærk alkalisk ionudvekslingsfiber. De simulerede gasadsorptions- og desorptionsprocessen og fandt, at stærk alkalisk ionudvekslingsfiber kan adsorbere CO2 -gasbrønd. Undersøgelsen af forskellige faktorer, der påvirker adsorptionen af CO2 -gas ved stærk alkalisk anionudvekslingsfiber, viste, at: ændringen af vandindhold har den største indflydelse på adsorption, og højt vandindhold er befordrende for adsorptionen af gas ved fiber; Langsom gasstrømningshastighed er befordrende for adsorption af gas med fiber, og hurtig strømningshastighed kan også adsorbere gasbrønd. Så længe koncentrationen af gas ikke overstiger en bestemt grænse, vil adsorptionen af fiber blive mindre påvirket; Formen på udvekslingssøjlen påvirker også fiberens adsorptionsydelse, og slanke udvekslingssøjler er bedre end korte og tykke.

Membranbaseret absorption er en ny membranseparationsteknologi, der kombinerer membranteknologi med gasabsorptionsteknologi. Membranbaseret absorption er en ny membranseparationsteknologi, der parrer membranseparation og væskeabsorption. Membranmaterialet, der er egnet til CO2 -optagelse, er polypropylenhulfiber, og membranabsorptionsvæsken er en aktiveret polyamin vandig opløsning. CO2 -komponenten i den blandede gas passerer fortrinsvis gennem membranen og absorberes af den polyamin vandige opløsning. Derefter regenereres affaldsvæsken ved membrandestillation, og dens regenereringshastighed kan overstige 98%. Ikke kun besætter det et lille område og har venlige driftsforhold, men også det hule fibermembranområde er stort, CO2 -passfrekvensen er høj, og opløsningsregenereringsgraden er høj, hvilket gør denne metode til udviklingstrenden for CO2 -fangstteknologi i fremtiden.

Når folks miljøbevidsthed gradvist øges, har forskellige lande øget deres bestræbelser på at beskytte miljøet, hvilket uundgåeligt vil spille en positiv rolle i at fremme udviklingen af kuldioxidfangstmaterialer. I de senere år har forskningsarbejdet med carbondioxidfangstmaterialer gjort store fremskridt. Kuldioxidfangsteknologi udvikler sig i retning af lav pris, enkel driftsproces, lave driftsomkostninger og langvarig genanvendelse. Dette kræver, at carbondioxidfangstmaterialer skal have egenskaberne ved let tilgængelighed af produktionsråmaterialer og lav pris, enkel og miljøvenlig produktionsproces, god regenereringsevne og genanvendelig anvendelse, og det er nødvendigt at være i stand til samtidig at behandle flere forurenende stoffer, såsom kuldioxid, hydrogensulfid og nitrogenoxider. Dette gør intelligent kuldioxidfangstmaterialer til en fremtidig udviklingstrend. Nye materialer kan korrekt justere deres egne overfladeegenskaber og forbedre adsorptionen i forskellige atmosfærer i henhold til miljøændringer.