Inimeste tootmise ja igapäevaste tegevuste heitkoguste tõttu on atmosfääri CO₂ kontsentratsioon suurenenud 280 ppmV -lt tööstusrevolutsiooni alguses 379 ppmv -ni 2005. aastal ja see arv on nüüd tõusnud 390 ppmv -ni.2. Kuna suureneva kaasneseme mõju muutub üha raskemaks, on tõhusate kaasinimeste arendamine muutunud keemiakogukonnas kuumaks teemaks. Praegune CO₂ jäädvustamise meetodid hõlmavad peamiselt neeldumist, adsorptsiooni ja membraani eraldamist. Nende hulgas jaguneb neeldumismeetod veelgi füüsikaliseks ja keemiliseks imendumiseks:
Füüsiline neeldumine kasutab kõrge keebikupunkti lahusteid (nt etanool, polüetüleenist glükool), et neelata ja desorb co₂, reguleerides pidevalt rõhku ja temperatuuri CO₂ ja imava vahelise vahelise vahel, saavutades seeläbi co₂ eraldamise.
Keemiline imendumine sõltub toorgaasi ja imava imamise vahelisest keemilisest reaktsioonist.
Adsorptsioonimeetod on muutunud väga paljutõotava eraldamise ja taastamise tehnoloogiana, kuna see on lihtsa protsessi, madala energiatarbimise, automatiseerimise lihtsuse ja mittekorsatsiooni tõttu. Membraani eraldamismeetod eraldab CO₂ membraanimaterjalide kaudu CO₂ ja muude gaasikomponentide diferentsiaalse läbitungimise kiiruse põhjal. Aminogruppe rakendatakse peaaegu kõigis ülaltoodud CO₂ jäädvustamise meetodites. Selles uuringus vaadeldakse aminorühmade rakendusi imendumise, adsorptsiooni ja membraanide eraldamisel, pöörates erilist tähelepanu nende rollile adsorptsioonipõhises CO₂ hõivamises.
Märksõnad:aminomuudatused, jäädvustamine, adsorbent
Meetod CO2 absorbeerimiseks alkoholi amiinilahusega
Alkoholi amiinilahuse meetod on kõige tavalisem ja tõhusam meetod CO2 absorbeerimiseks tööstuslikes rakendustes. Alkoholi amiinimolekul sisaldab vähemalt ühte hüdroksüülrühma, mis võib vähendada ühendi aururõhku, ja see hüdroksüülrühm võib pakkuda ka vajalikku aluselise keskkonda; Alkoholi amiinimolekul peaks sisaldama ka aminogruppi, mis võib soodustada happeliste gaaside imendumist.
Praegu on süsinikdioksiidi absorptsiooni alkoholi amiini meetodi uurimistöös enamasti koondunud CO2 neeldumise protsessitingimustele ja neeldumisprotsessi massiülekande kohta on vähem uuringuid. DEA absorbeerimise CO2 protsessi lisati gaasi-vedeliku tugevdamise seade, et uurida gaasi ja vedeliku faasi segamise suurenemise mõju massiülekande jõudlusele gaasi ja vedelate faaside vahel. Kui gaasifaasi segamine suurenes 50r/min 200r/min, suurenes massiülekande koefitsient 0,0154 kmol/(S · m2· MPA) 0,021 kmol/(S · M2· MPA), kasv 36,3%. Kui vedeliku faasi segamine suurenes 150R/minni 300r/min, suurenes massi ülekande koefitsient 0,009 kmol/(S · m2· MPA) 0,021 kmol/(S · M2· MPA), suurenemine ligi 134%. Katsed on näidanud, et gaasi-vedeliku suurendamise seadme lisamine võib parandada massi ülekandevõimet suuremas vahemikus, parandades seeläbi CO2 neeldumiskiirust.
Lisaks kõrgele süsinikdioksiidi imendumisvõimele on ka süsinikdioksiidi imendumisel alkoholi amiinilahuse abil mõned vältimatuid defekte:
(1) Alkoholi amiinilahust pärast sellega kombineerimist on keeruline eraldada ja see tuleb eraldada kõrgemal temperatuuril, mis kulutab palju energiat;
(2) alkoholi amiinilahus põhjustab tõsist korrosiooni;
(3) alkoholi amiinilahust on CO desorptsiooni ajal lihtne lenduda, mis vähendab selle võimet imada süsinikdioksiidi;
(4) Alkoholi amiinilahust on lihtne läbi viia termilise lagunemise ja oksüdatiivse lagunemise ajal süsinikdioksiidi desorptsiooni ajal, mis vähendab selle neeldumisvõimet CO2 korral. Just ülaltoodud defektide tõttu uurivad ja töötavad välja uusi meetodeid ja materjale, mida saab kasutada alkoholi amiinilahuse asendamiseks CO2 hõivamiseks, näiteks segatud alkoholi amiinilahuse meetod, amiini optimeeritud membraanide eraldamise meetod ja amino modifitseeritud adsorbenti.
Meetod adsorbeerimiseks CO2 abil, kasutades aminomodifitseeritud adsorbenti
Adsorptsioonimeetodi võti on adsorbent. Tavapäraste adsorbentide hulka kuuluvad molekulaarsed sõelad, aktiveeritud süsinik jne, samas kui uute adsorbentide hulka kuuluvad süsiniknanotorud, grafeen, metalli orgaanilised raamistikumaterjalid, mesopoorsed materjalid jne. Igal meetodil on oma eelised ja piirangud ning igal materjal on ka oma rakendatavad väljad ja defektid. Komposiitmaterjalide või optimeeritud uute meetodite kasutamine, mis ühendavad erinevate materjalide eeliseid, on CO2 jäädvustamise suundumus ja sellel on suur uurimispotentsiaal. Selles uuringus kasutatakse amino-modifitseeritud metall-orgaanilisi raamistikumaterjale, aminomodifitseeritud mesopoorseid materjale, aminomodifitseeritud süsiniknanotorusid ja aminomodifitseeritud grafeeni näitena amino-modifitseeritud adsorbentide tutvustamiseks CO2 valdkonnas.
Aminomodifitseeritud metalliorgaanilised raamistikud
Uue adsorbeendina CO2 hõivamiseks on MOFS -il väga ilmsed eelised tavapäraste molekulaarsete sõelte (tseoliidi molekulaarsed sõelurid, süsinikmolekulaarsed sõelu jne) ja alkoholi amiinilahuste ees. Esiteks on enamiku MOF -ide raamistik neutraalne, seega on pooride hõivavad külalistemolekulid ainult nõrgad interaktsioonid luustikuga. Neid külalismolekule saab skeletist madalamal temperatuuril välja ajada ja vajalikke poore saab kiiresti genereerida, säilitades samal ajal luustiku terviklikkuse. Teiseks saab MOF -ide pooride suuruse, jaotuse, hüdrofiilsuse ja keemilise funktsionaalsuse kujundada molekulaarsel tasemel, muutes või modifitseerides kasutatavaid orgaanilisi ligande ja metalliioone.
Selle võime parandamiseks CO2 adsorbis on amino-modifitseeritud orgaaniliste raamistikumaterjalid praegu tavaliselt kokku pandud orgaaniliste ligandidega koos aminogruppide ja metalli noolepeadega. Blom valmistas kolm MOF-materjali, USO-1-A1, USO-2-Ni ja USO-3-I, N ja vastavad amino-modifitseeritud MOF-materjalid (USO-1-AI-A, USO-2-Ni-A ja USO-3-in-A). CO2 adsorptsioonikatse tulemused näitasid, et aminomodifitseeritud materjalide kristallilisus, spetsiifiline pindala ja pooride maht vähendati erineval määral, samas kui adsorptsiooni efekti paranes. Võttes näidetena USO-1-A1 ja USO-1-AI-A, 25 kraadi ja 1ATM-i, oli USO-1--AA CO2 adsorptsioonivõime 2,3 mmol/g, samas kui USO-1-A1-A suurus suurenes 2,7 mmol/g; CO2 esialgne adsorptsioonisoojus suurenes 30 kJ/mol-lt 50 kJ/mol, mis kinnitas, et CO2 adsorptsioon amino-modifitseeritud materjalidega oli märkimisväärselt paranenud.
Amino-modifitseeritud mesopoorsed materjalid
Kuigi metalliorgaanilised raamistikumaterjalid ja molekulaarsed sõelad on head adsorptsioonimaterjalid, piirab mikropoorse süsteemi loomupärane difusioon teatud määral CO2 adsorptsioonivõime. Mõned SiO2 mesopoorsed materjalid võivad vähendada selle difusiooniefekti mõju ja parandada adsorptsioonivõimet. Kuid mõned SiO2 pinnal olevad hüdroksüülrühmad muudavad materjali CO2 -ga vähem ühilduvaks. Sellest probleemist saab üle, ühendades aminos sisaldavad orgaanilised ühendid mesopoorsete materjalide pooridega immutamise või pookimise kaudu.
50% polüetüleenimiin laaditi immutamise teel MCM-41 pooridesse. CO2 amiiniga modifitseeritud MCM-41 adsorptsioonivõime ulatus 133 mg/g juures 348K juures, mis on suurem kui 78 mg/g, mis on saadud kandurina ränidioksiidigeeliga.
Aminomodifitseeritud süsiniknanotorud
Viimastel aastatel on uute materjalide areng mõjutanud inimeste elu kõiki aspekte. Süsiniknanotorude kasutamine gaasi eraldamise valdkonnas on muutunud aktiivseks esiletõstmiseks. Süsiniknanotorudel on tüüpilised kihilised õõnesstruktuuri omadused ja kihtide vaheline fikseeritud kaugus soodustab aminokoormust.
Pärast seda, kui CNT-d modifitseeriti pinnaga 3-aminopropüültrietoksüsilaaniga (APTS), uuriti nende CO adsorptsioonivõimet ja termodünaamilisi omadusi. Kui temperatuur seati 50 kraadi juures, adsorbeeriti ATP -de ja CNT -de massisuhtega 20%, 28%, 36%, 41%, 45%ja 54%15%CO2 keskkonnas ja adsorptsioonisummad olid 21,5 mg/g, 43,6 mg/g, 51,3mg/g, 6 60.5m. Vastavalt 85,7 mg/g ja 77 mg/g. Need andmed näitavad, et aminorühmade esinemise tõttu ATP -des võib APT -de kasutuselevõtt CNT -de pinnale märkimisväärselt parandada CO adsorptsiooni mahtu. Ja kui ATPS -i laadimine on 45% (WT, massifraktsioon, sama allpool), saavutatakse C maksimaalne adsorptsioonikogus C, mis on 4 -kordne modifitseerimata CNT -de puhul. Kui laadimissumma kasvas aga 54%-ni, vähenes adsorptsiooni summa selle asemel. Selle põhjuseks võib olla tingitud sellest, et CNT -de pinnal on liiga palju APT -sid suurendanud siseruumides hajuva süsinikdioksiidi massiülekandetakistust.
Need uuringud kinnitavad, et aminogruppidega muudetud süsiniknanotorude võime adsorb CO2 on oluliselt parem kui modifitseerimata süsiniknanotorude oma. Aminogruppidega modifitseeritud süsiniknanotorud näitavad häid väljavaateid CO2 hõivamiseks, kuid nende rakendus- ja arendusruum on piiratud nende kõrgete kulude tõttu.
Aminomodifitseeritud grafeen
Grafeenipinna kristallstruktuur on väga täielik, mis muudab selle keemilised omadused passiivseks. Grafeeni rakendusvahemiku laiendamiseks ja selle rakenduse väärtuse parandamiseks tuleb selle pinda muuta. Pärast grafeeni oksüdatsiooni genereeritud funktsionaalrühmad suurendavad grafeeni aktiivsust, pannes aluse kovalentsele modifitseerimisele. Seejärel saab grafeeni pinna funktsionaliseerimist saavutada, muutes seda selliste reagentidega nagu orgaanilised amiinid ja isotsüanaadid.
2012. aastal olid Mishra jt. Kõigepealt modifitseeris grafeeni pinda polüaniliiniga (PANI), et jäädvustada CO ja leidis, et modifitseeritud grafeenil oli suurem CO2 adsorptsioonivõime kui aktiveeritud süsinik, tseoliit, metalli-orgaanilised raamistikumaterjalid ja süsiniknanotorud. Samuti uurisid ja võrdlesid polüaniliini modifitseeritud materjalide ja modifitseerimata grafeeni adsorptsiooni isoterme. Kui rõhk oli 11 baari ja temperatuur oli 25, 50 kraadi ja 100 kraadi, oli CO2 adsorptsiooni kogus modifitseeritud materjali Pani-F-HEG abil vastavalt 75 mmol/g, 47 mmol/g ja 31 mmol/g; samas kui modifitseerimata puhta grafeen -heg adsorptsioonikogus oli 21,6 mmol/g, 18 mmol/g ja 12 mmol/g. Kuigi amino-modifitseeritud grafiidi poolt CO2 adsorptsiooni uurimistööd on alles alanud, on see selles osas näidanud suurt rakenduse potentsiaali ja arenguruumi. Võib -olla saab sellest CO2 adsorptsioonimaterjalide arendamise uus suund.
Sellised näited nagu aminomodifitseeritud metall-orgaanilised raamistikumaterjalid, amino-modifitseeritud mesopoorsed materjalid, amino-modifitseeritud süsiniknanotorud ja amino-modifitseeritud grafeen on tõestanud, et need adsorbendid on näidanud head süsinikdioksiidi püüdmisvõimalusi pärast aminogruppidega modifitseerimist ja on muutunud lihtsatest füüsiliste adsorptsioonidest kemikaalide adsorptsioonidest Aktiivseteks gruppides. See on avanud uue valdkonna adsorbentide uurimiseks ja sellest saab tõenäoliselt tulevaste uuringute fookus.
Amiini optimeeritud membraanide eraldamise tehnoloogia süsinikdioksiidi adsorptsiooni jaoks
Membraani eraldamine on sarnane sõelumisprotsessiga. Membraani pooride suuruse kohaselt võivad mõned ained membraanist läbi viia, samal ajal kui membraan säilitab teisi aineid, saavutades sellega eraldumise eesmärgi. Membraani eraldamise suurim puudus gaasi eraldamisel on see, et selektiivsus pole kõrge. Kui soovite parandada membraani eraldamise selektiivsust ja parandada eraldamise efektiivsust, saate membraani eraldamise ühendada neeldumise või adsorptsiooniga. Esiteks kasutage gaasi jämedalt eraldamiseks membraani eraldamist ja seejärel kasutage alkoholi amiinilahuse imendumist või ülitõhusa adsorbeerset adsorptsiooni peene eraldamiseks. See ei suuda mitte ainult saavutada teatud eraldamise efekti, vaid ka säästa investeerimiskulusid. Kombineerige membraani eraldamise tehnoloogia alkoholi amiinilahuse imendumismeetodiga, laske gaasi voolata piki membraani ühte külge ja kui CO2 hajub membraani teisele küljele, imendub see alkoholi amiin. Sellel amiini optimeeritud membraanide eraldamismeetodil on lihtsam seade ja madalamad investeerimiskulud kui alkoholi amiinilahuse imendumismeetodil. Lisaks traditsioonilise membraanide eraldamismeetodiga võrreldes paraneb adsorb -CO2 võime märkimisväärselt. Võrreldes adsorptsioonimeetodi ja alkoholi amiini hõlpsa neeldumismeetodiga, on amiini optimeeritud membraanide eraldamismeetodil eelised hõlpsa töö, madala energiatarbimise, parema adsorptsiooni efekti ja vähem investeeringute jaoks. Kuid tehnoloogia ebaküpsuse ja asjaolu tõttu, et seadmete asendamine kulutab endiselt palju raha, pole seda tööstuslikult rakendatud.
Järeldus
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 "Komposiitmaterjalid või optimeeritud uued meetodid, mis ühendavad erinevate materjalide eeliseid, on C02 jäädvustamise suundumus ja sellel on suur uurimispotentsiaal. Uute materjalide väljatöötamisel ja eraldusmeetodite optimeerimisel on aminorühmad näidanud head ühilduvust. Selle rakendamine hõlmab peaaegu kõiki meetodeid, mis võivad oluliselt parandada CO2 ja kõrge uuringu väärtust.
