Kemajuan Penyelidikan Bahan Penangkapan Karbon Dioksida

Memandangkan pemanasan global semakin meningkat, mengurangkan pelepasan gas rumah hijau seperti karbon dioksida dan melindungi alam sekitar telah menjadi salah satu isu global teras untuk diselesaikan. Untuk mencapai pengurangan pelepasan karbon dioksida, perlu melalui proses penangkapan, pengangkutan, penyimpanan, aplikasi, dan penukaran. Kos tangkapan dalam proses ini menyumbang kira -kira 75%, atau lebih tinggi. Pada masa ini, kepekatan CO2 sumber pelepasan yang paling besar adalah kurang daripada 15%, manakala sebahagian kecil (kurang daripada 2%) sumber perindustrian berdasarkan bahan api fosil mempunyai kepekatan pelepasan CO2 lebih daripada 95%. Sumber penentuan tinggi adalah sasaran yang berpotensi untuk pelaksanaan awal Teknologi Penangkapan dan Penyimpanan Karbon dioksida (CCS). CO2 adalah salah satu gas utama yang menyebabkan kesan rumah hijau dan juga sumber karbon yang berpotensi. CO2 mempunyai pelbagai kegunaan dalam pelbagai sektor ekonomi negara sebagai bahan mentah kimia, penyejuk, penambah pengeluaran medan minyak, medium lengai, pelarut dan sumber tekanan. Oleh itu, semua negara komited untuk mengurangkan pelepasan karbon dioksida dari pembakaran bahan api fosil. Pada masa ini, teknologi penangkapan karbon dioksida digunakan secara meluas dalam bahan kimia, loji kuasa, pembuatan kereta dan industri lain. Walau bagaimanapun, kelemahan bahan penangkapan karbon dioksida pada peringkat ini adalah prestasi kitar semula yang lemah, ketoksikan, kecekapan penangkapan rendah, bahan mentah yang terhad, dan penggunaan tenaga yang tinggi. Oleh itu, perkembangan bahan penangkapan karbon baru telah menjadi tumpuan penyelidikan.

Kata kunci: Karbon dioksida; bahan menangkap; penyelidikan; kemajuan

Penyerapan penyelesaian terutamanya menggunakan penyelesaian yang mengandungi kumpulan fungsi amina untuk menangkap CO2 melalui penyerapan kimia. Adsorben yang biasa digunakan adalah penyelesaian amina alkohol, termasuk amina alkohol utama (seperti etanolamine), amina alkohol sekunder (seperti diethanolamine dan diisopropanolamine) dan amina alkohol tersier (seperti methyldiethanolamine dan triethanolamine). Kaedah penyerapan kimia ini menggunakan penyerap untuk bertindak balas dengan CO2 untuk mencapai tujuan pemulihan CO, dan menggunakan reaksi terbalik untuk menjana semula penyerap. Kaedah ini mempunyai kadar penyingkiran CO2 yang tinggi dan merupakan salah satu kaedah yang paling berkesan untuk memulihkan CO2. Ia juga sesuai untuk merawat gas bercampur dengan tekanan separa yang rendah. Walau bagaimanapun, masih terdapat banyak kelemahan yang mengehadkan penggunaan kaedah ini: amina terdedah kepada kemerosotan oksidatif, yang mengurangkan prestasi penyerapan dan juga meningkatkan kelikatan penyelesaian, yang tidak sesuai dengan penghantaran gas; Amina dan produk degradasi mereka mudah disuntik semasa penjanaan semula penyerap, yang mengurangkan kapasiti penyerapannya: kealkalian yang kuat dari penyelesaian amina amat mengakiskan kepada instrumen dan peralatan; Operasi ini agak rumit; Penggunaan tenaga pertumbuhan semula adalah tinggi.

Oleh kerana CO2 adalah gas berasid, ia mudah diserap pada permukaan bahan alkali sedikit. Terdapat tiga penyerap alkali utama yang kini berada di bawah penyelidikan dan pembangunan: satu adalah oksida logam alkali, seperti Na2O2, K2O, CAO, MGO dan AI2O3. Oksida logam mempunyai kapasiti penjerapan yang baik pada suhu tinggi, terutama alumina. Apabila logam alkali (seperti Li2O, K2O, Na2O) ditambah, kapasiti penjerapannya pada suhu tinggi dapat diperbaiki dengan lebih baik berbanding dengan penyerap fizikal; Yang kedua ialah garam logam alkali, seperti kalsium karbonat, silikat, litium silikat, dan zirkonat litium; Yang ketiga ialah campuran hidrotalkit. Hydrotalcite mengandungi sebatian logam alkali dan mempunyai struktur microporous. Ia adalah bahan komposit semulajadi. Penyerapan karbon dioksida oleh hidrotalkit telah menimbulkan minat penyelidikan rakyat.

Bahan karbon terutamanya termasuk karbon dan serat karbon yang diaktifkan.

(1) Karbon yang diaktifkan adalah penyerap berpori hitam yang paling biasa dengan kawasan permukaan khusus yang besar. Komponen utamanya adalah karbon amorf, serta sedikit hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur dan abu. Ciri -ciri fizikal dan kimia dan sifat kimia permukaan karbon yang diaktifkan akan berbeza -beza bergantung kepada bahan mentah, proses penyediaan dan kaedah pengaktifan. Faktor utama yang menentukan kapasiti penjerapan karbon diaktifkan adalah kawasan permukaan tertentu, ciri -ciri struktur liang, sifat permukaan dan ciri -ciri penjerapan penyerap. Prestasi penjerapan beberapa penyerap karbon diaktifkan pada CO2 pada suhu tinggi telah dikaji. Untuk pelbagai jenis penyerap, jumlah penjerapan CO2 adalah berkadar dengan kawasan permukaan tertentu dan jumlah pori jumlah karbon yang diaktifkan; Walaupun untuk penjerap yang sama, jumlah penjerapan adalah berkadar dengan tekanan dan berkadar songsang dengan suhu.

(2) Serat karbon yang diaktifkan diperolehi dengan mengukuhkan dan mengaktifkan serat organik. Ia adalah generasi ketiga bahan karbon selepas serbuk karbon yang diaktifkan dan zarah karbon diaktifkan. Serat karbon yang diaktifkan mempunyai kawasan permukaan tertentu yang lebih maju daripada karbon aktif berbutir, diameter micropore yang lebih kecil (kira -kira 1nm), dan jumlah micropore menyumbang lebih daripada 90% daripada jumlah jumlah liang. Pada masa yang sama, ia dibuka secara langsung pada permukaan serat, jadi ia mempunyai kelebihan kapasiti penjerapan yang besar, kecekapan penjerapan yang tinggi, dan penjerapan cepat dan kelajuan desorpsi. Oleh kerana khususnya struktur dan prestasinya, penggunaan serat karbon yang diaktifkan untuk menggabungkan pencemar udara telah menjadi hotspot penyelidikan untuk penyelidik saintifik dan telah menunjukkan prospek aplikasi yang hebat.

Penyaring molekul zeolit adalah aluminosilicate kristal semulajadi atau sintetik yang mengandungi logam alkali dan oksida logam bumi alkali. Ia mempunyai struktur dan liang yang ketat. Saiz liang berbeza sedikit disebabkan oleh perbezaan struktur, dan boleh memisahkan bahan -bahan molekul yang berlainan. Penyerap ayak molekul zeolit sering digunakan untuk pemisahan dan pemurnian gas, seperti pengeluaran nitrogen dari udara, pemisahan dan pemurnian CO2, dan lain -lain. Kapasiti penjerapannya juga berkurangan dengan peningkatan suhu. Lila et al. Sieve molekul ASRTSA yang digunakan untuk menyerap dan mengeluarkan CO2 dari kapsul ruang. Eksperimen menunjukkan bahawa apabila suhu meningkat hingga 175 darjah, jumlah penjerapan hanya 24% daripadanya pada 25 darjah. Di bawah keadaan yang sama, jumlah penjerapan penapis molekul zeolit, yang juga merupakan penjerapan fizikal, adalah lebih tinggi daripada karbon yang diaktifkan.

Para saintis di Pusat Penyelidikan Saintifik Perancis telah membangunkan bahan baru yang dipanggil MIL-101, yang boleh menyerap sejumlah besar gas karbon dioksida. Bahan ini dijangka meningkatkan keupayaan untuk menahan pemanasan global. Bahan ini disintesis dari kromium dan asid terephthalic. Ia adalah nanomaterial komposit berliang dengan permukaan yang ditutup dengan lubang kecil dengan diameter 3.5nm. Oleh itu, kapasiti penjerapan sangat kuat. MIL-101 dengan jumlah 1m³boleh menyimpan 400m³karbon dioksida pada 25 darjah. Kapasiti penyimpanan bahan penjerapan umum semasa di bawah keadaan yang sama hanya 200m³. Bahan baru ini boleh diletakkan di atas kereta untuk menapis karbon dioksida yang dikeluarkan, dengan itu mencapai tujuan mengurangkan pelepasan gas rumah hijau.

Prestasi penjerapan CO dari dua penyerap gel silika telah dibandingkan, isotherms penjerapan N2 dan CO2 pada gel silika dan penyerap karbon diaktifkan ditentukan, dan lengkung penembusan penjerapan dinamik CO2 dalam sistem yang berbeza telah disiasat. Keputusan menunjukkan bahawa jumlah penjerapan CO2 oleh penyerap gel silika adalah setanding dengan karbon yang diaktifkan, dan selektiviti penjerapan adalah lebih baik daripada karbon yang diaktifkan; Kawasan permukaan spesifik yang lebih besar dan kandungan liang yang tinggi memberi manfaat kepada penjerapan CO2, dan pengedaran liang yang sesuai adalah kondusif untuk mengurangkan rintangan penyebaran dalaman penyerap gel silika.

Kajian ini menggunakan serbuk penapis molekul mesoporous sebagai pembawa dan dimuatkan dengan amina organik yang berbeza untuk menyediakan bahan penjerapan CO2. Adsorben CO2 amina pepejal secara selektif boleh menyerap CO2 gas berasid melalui tindak balas kimia dan kurang dipengaruhi oleh wap air. Penyerap CO2 amina pepejal yang disediakan dengan menggunakan bahan mesoporous dengan kawasan permukaan yang tinggi dan isipadu liang sebagai pembawa menunjukkan ciri -ciri kapasiti penjerapan yang tinggi. Khususnya, micelles templat yang terkandung dalam serbuk asal bahan mesoporous dikekalkan, dan "meshes" skala yang berbeza terbentuk di ruang mesoporous untuk memintas dan menyerap CO2 dalam aliran udara, dengan kecekapan penjerapan yang tinggi. Penyerapan zeolit karbon dioksida yang dimuatkan dengan sebatian amina telah dikaji, dan hasilnya menunjukkan bahawa kapasiti penjerapan CO2 zeolit meningkat sebanyak 20% ~ 30% selepas memuatkan amina. Ini kerana kedua -dua penjerapan fizikal dan penjerapan kimia berlaku dalam proses penjerapan bahan komposit, dan kesan ganda mempunyai kesan sinergi.

Tidak seperti pelarut organik tradisional, cecair ionik tidak menghasilkan sebatian organik yang tidak menentu semasa proses decarbonization disebabkan oleh tekanan wap rendah dan mudah digunakan. Pada masa yang sama, cecair ionik boleh digunakan berulang kali. Dengan pembiayaan bersama Pejabat Tenaga Fosil Jabatan Tenaga AS dan Makmal Teknologi Tenaga Kebangsaan AS, Jennifer L, Wang Zhongni, dan lain -lain menjalankan pelbagai cecair ionik. Ciri -ciri fizikal dan kajian mekanisme penyerapan CO2. Keputusan menunjukkan bahawa di antara cecair ionik yang diberikan, cecair ionik mempunyai selektiviti yang lebih baik untuk CO2; Pada masa yang sama, didapati bahawa cecair ionik mempunyai CO tinggi, beban penyerapan dan keperluan haba regenerasi yang lebih rendah.

Mengkaji penjerapan CO2 oleh serat pertukaran ion alkali yang kuat. Mereka mensimulasikan proses penjerapan gas dan desorpsi dan mendapati bahawa gentian pertukaran ion alkali yang kuat dapat menyerap gas CO2 dengan baik. Kajian mengenai pelbagai faktor yang mempengaruhi penjerapan gas CO2 oleh serat pertukaran anion alkali yang kuat menunjukkan bahawa: perubahan kandungan air mempunyai kesan terbesar terhadap penjerapan, dan kandungan air yang tinggi adalah kondusif kepada penjerapan gas oleh serat; Kadar aliran gas perlahan adalah kondusif untuk penjerapan gas oleh serat, dan kadar aliran cepat juga boleh menyerap gas dengan baik. Selagi kepekatan gas tidak melebihi had tertentu, penjerapan serat akan kurang terjejas; Bentuk lajur pertukaran juga mempengaruhi prestasi penjerapan serat, dan lajur pertukaran langsing lebih baik daripada yang pendek dan tebal.

Penyerapan berasaskan membran adalah teknologi pemisahan membran baru yang menggabungkan teknologi membran dengan teknologi penyerapan gas. Penyerapan berasaskan membran adalah teknologi pemisahan membran baru yang pasangan pemisahan membran dan penyerapan cecair. Bahan membran yang sesuai untuk penangkapan CO2 adalah serat berongga polipropilena, dan cecair penyerapan membran adalah larutan akueus poliamin yang diaktifkan. Komponen CO2 dalam gas campuran secara sengaja melewati membran dan diserap oleh larutan berair poliamin. Kemudian cecair sisa diperbaharui oleh penyulingan membran, dan kadar regenerasinya boleh melebihi 98%. Bukan sahaja ia menduduki kawasan kecil dan mempunyai keadaan operasi yang mesra, tetapi juga kawasan membran serat berongga besar, kadar pas CO2 adalah tinggi, dan kadar penjanaan penyelesaian adalah tinggi, menjadikan kaedah ini trend pembangunan teknologi penangkapan CO2 pada masa akan datang.

Apabila kesedaran alam sekitar rakyat secara beransur -ansur meningkat, pelbagai negara telah meningkatkan usaha mereka untuk melindungi alam sekitar, yang tidak dapat dielakkan memainkan peranan positif dalam mempromosikan pembangunan bahan penangkapan karbon dioksida. Dalam tahun -tahun kebelakangan ini, kerja penyelidikan mengenai bahan penangkapan karbon dioksida telah membuat kemajuan yang besar. Teknologi penangkapan karbon dioksida sedang berkembang ke arah harga yang rendah, proses operasi mudah, kos operasi yang rendah, dan kitar semula jangka panjang. Ini memerlukan bahan -bahan penangkapan karbon dioksida mesti mempunyai ciri -ciri ketersediaan mudah bahan mentah pengeluaran dan harga yang rendah, proses pengeluaran yang mudah dan mesra alam, keupayaan regenerasi yang baik, dan penggunaan kitar semula, dan ia diperlukan untuk dapat merawat pelbagai bahan cemar seperti karbon diokside, hidrogen sulfida, dan hidrogen sulfida, dan hidrogen sulfida, dan nitrogen oksida. Ini menjadikan bahan penangkapan karbon dioksida pintar sebagai trend pembangunan masa depan. Bahan -bahan baru boleh menyesuaikan sifat permukaan mereka sendiri dan meningkatkan penjerapan dalam atmosfera yang berbeza mengikut perubahan alam sekitar.