Etter hvert som den globale oppvarmingen intensiveres, har reduksjon av klimagassutslipp som karbondioksid og beskytter miljøet blitt en av de kjerne globale problemene som skal løses. For å oppnå reduksjon av karbondioksidutslipp, er det nødvendig å gå gjennom prosessene med fangst, transport, lagring, anvendelse og konvertering. Fangerkostnadene i disse prosessene utgjør omtrent 75%, eller enda høyere. For tiden er CO2 -konsentrasjonen av de fleste store utslippskilder mindre enn 15%, mens en liten del (mindre enn 2%) av industrielle kilder basert på fossilt brensel har en CO2 -utslippskonsentrasjon på mer enn 95%. Kilder med høy konsentrasjon er potensielle mål for tidlig implementering av karbondioksidfangst og lagringsteknologi (CCS). CO2 er en av hovedgassene som forårsaker drivhuset og er også en potensiell karbonressurs. CO2 har et bredt spekter av bruksområder i forskjellige sektorer av den nasjonale økonomien som kjemisk råstoff, kjølemedium, oljefeltproduksjonsforsterker, inert medium, løsningsmiddel og trykkkilde. Derfor er alle land forpliktet til å redusere karbondioksidutslipp fra forbrenning av fossilt brensel. For tiden er karbondioksidfangstteknologi mye brukt i kjemisk, kraftverk, bilproduksjon og andre næringer. Ulempene med karbondioksidfangstmaterialer på dette stadiet er imidlertid dårlig resirkuleringsytelse, toksisitet, lav fangstseffektivitet, knappe råvarer og høyt energiforbruk. Derfor har utviklingen av nye karbonfangstmaterialer blitt et forskningsfokus.
Nøkkelord: karbondioksid; fange materialer; forske; framgang
Prestasjoner innen forskning og utvikling av karbonfangstmaterialer
Løsningsadsorpsjon
Løsningsadsorpsjon bruker hovedsakelig løsninger som inneholder aminfunksjonelle grupper for å fange CO2 gjennom kjemisk absorpsjon. De ofte brukte adsorbentene er alkoholaminløsninger, inkludert primære alkoholaminer (for eksempel etanolamin), sekundære alkoholaminer (som dietanolamin og diisopropanolamin) og tertiær alkoholaminer (som metyldietanolamin og trietanolamin). Denne kjemiske absorpsjonsmetoden bruker absorberende for å reagere med CO2 for å oppnå formålet med å utvinne CO, og bruker sin omvendte reaksjon for å regenerere absorberingen. Denne metoden har en høy CO2 -fjerningshastighet og er en av de mest effektive metodene for å gjenopprette CO2. Det er også egnet for behandling av blandede gasser med lavt delvis trykk på CO. Imidlertid er det fortsatt mange ulemper som begrenser bruken av denne metoden: aminer er utsatt for oksidativ nedbrytning, noe som reduserer absorpsjonsytelsen og øker også viskositeten til løsningen, noe som ikke er bidrar til gassoverføring; Aminer og deres nedbrytningsprodukter er enkle å volatilisere under regenerering av absorberende, noe som reduserer dens absorpsjonskapasitet: den sterke alkaliniteten til aminløsningen er spesielt etsende for instrumenter og utstyr; Operasjonen er relativt tungvint; Regenererings energiforbruket er høyt.
Alkalisk metallforbindelsesadsorpsjonsmaterialer
Siden CO2 er en sur gass, adsorberes den lett på overflaten av litt alkaliske materialer. Det er tre viktigste alkaliske adsorbenter som for tiden er under forskning og utvikling: den ene er alkalisk metalloksider, for eksempel Na2O2, K2O, CaO, MgO og AI2O3. Metalloksider har god adsorpsjonskapasitet ved høye temperaturer, spesielt aluminiumoksyd. Når alkalimetaller (for eksempel Li2O, K2O, Na2O) tilsettes, kan adsorpsjonskapasiteten ved høye temperaturer forbedres kraftig sammenlignet med fysiske adsorbenter; Den andre er alkaliske metallsalter, for eksempel kalsiumkarbonat, silikater, litiumsilikat og litium zirkonat; Den tredje er en hydrotalcite -blanding. Hydrotalcite inneholder alkaliske metallforbindelser og har en mikroporøs struktur. Det er et naturlig sammensatt materiale. Adsorpsjonen av karbondioksid ved hydrotalcite har vekket folks forskningsinteresse.
Karbonmateriale adsorpsjon
Karbonmaterialer inkluderer hovedsakelig aktivert karbon- og karbonfiber.
(1) Aktivert karbon er det vanligste sorte porøse adsorbenten med et stort spesifikt overflateareal. Hovedkomponentene er amorft karbon, i tillegg til en liten mengde hydrogen, oksygen, nitrogen, svovel og aske. De fysiske og kjemiske egenskapene og overflatekjemiske egenskapene til det aktiverte karbon som produseres vil variere veldig avhengig av råvarer, forberedelsesprosess og aktiveringsmetode. Hovedfaktorene som bestemmer adsorpsjonskapasiteten til aktivert karbon er det spesifikke overflatearealet, porestrukturegenskaper, overflateegenskaper og adsorpsjonsegenskaper til adsorbatet. Adsorpsjonsytelsen til flere aktiverte karbonadsorbenter på CO2 ved høy temperatur ble studert. For forskjellige typer adsorbenter er adsorpsjonsmengden CO2 proporsjonal med det spesifikke overflatearealet og total porevolum av det aktiverte karbonet; Mens for samme adsorbent, er adsorpsjonsmengden proporsjonal med trykket og omvendt proporsjonal med temperaturen.
(2) Aktivert karbonfiber oppnås ved karbonisering og aktivering av organiske fibre. Det er den tredje generasjonen karbonmateriale etter aktivert karbonpulver og aktiverte karbonpartikler. Aktivert karbonfiber har et mer utviklet spesifikt overflateareal enn granulært aktivert karbon, en mindre mikroporediameter (ca. 1nm), og mikroporevolumet utgjør mer enn 90% av det totale porevolumet. Samtidig åpnes det direkte på fiberoverflaten, så den har fordelene med stor adsorpsjonskapasitet, høy adsorpsjonseffektivitet og rask adsorpsjon og desorpsjonshastighet. På grunn av dens egenart av dens struktur og ytelse, har bruk av aktivert karbonfiber til adsorb luftforurensning blitt et forskningshotell for vitenskapelige forskere og har vist store applikasjonsutsikter.
Zeolit Molecular Sieve Adsorpsjon
Zeolit molekylær sil er et naturlig eller syntetisk krystallinsk aluminosilikat som inneholder alkali metall og alkalisk jordmetalloksider. Den har en streng struktur og porer. Porestørrelsen varierer litt på grunn av strukturelle forskjeller, og kan skille stoffer med forskjellige molekylvekter. Zeolit molekylær sil adsorbenter brukes ofte til gassseparasjon og rensing, for eksempel nitrogenproduksjon fra luft, separasjon og rensing av CO2, etc. Dens adsorpsjonskapasitet avtar også med økende temperatur. Lila et al. Brukte ASRTSA molekylær sil for å adsorbere og fjerne CO2 fra romkapselen. Eksperimenter viser at når temperaturen stiger til 175 grader, er adsorpsjonsmengden bare 24% av den ved 25 grader. Under de samme forholdene er adsorpsjonsmengden av zeolittmolekylær sil, som også er en fysisk adsorpsjon, høyere enn for aktivert karbon.
Mesoporøst materialadsorpsjon
Forskere ved det franske nasjonale senteret for vitenskapelig forskning har utviklet et nytt materiale kalt MIL-101, som kan absorbere en stor mengde karbondioksidgass. Dette materialet forventes å forbedre evnen til å motstå global oppvarming. Dette materialet syntetiseres fra krom og tereftalinsyre. Det er et porøst sammensatt nanomateriale med en overflate dekket med små hull med en diameter på 3,5 nm. Derfor er adsorpsjonskapasiteten veldig sterk. MIL-101 med et volum på 1M3kan lagre 400 meter3av karbondioksid ved 25 grader. Lagringskapasiteten til det nåværende generelle adsorpsjonsmaterialet under de samme forholdene er bare 200 meter3. Dette nye materialet kan plasseres på bilen for å filtrere karbondioksid det avgir, og dermed oppnå formålet med å redusere klimagassutslippene.
Silikageladsorpsjon
CO -adsorpsjonsytelsen til to silikageladsorbenter ble sammenlignet, adsorpsjonsisotermene til N2 og CO2 på silikagel og aktiverte karbonadsorbenter ble bestemt, og de dynamiske adsorpsjonsinntrengningskurvene til CO2 i forskjellige systemer ble undersøkt. Resultatene viser at adsorpsjonsmengden av CO2 ved silikagel adsorbent er sammenlignbar med den for aktivert karbon, og adsorpsjonsselektiviteten er bedre enn for aktivert karbon; Det større spesifikke overflatearealet og det høye poreinnholdet er gunstig for adsorpsjonen av CO2, og den passende poredistribusjonen bidrar til å redusere den interne diffusjonsmotstanden til silikageladsorbent.
Sammensatt materialadsorpsjon
Studien brukte mesoporøst molekylær silpulver som bærer og lastet med forskjellige organiske aminer for å fremstille CO2 -adsorpsjonsmaterialer. Fast amin CO2 -adsorbenter kan selektivt adsorbere sur gass CO2 gjennom kjemiske reaksjoner og påvirkes av vanndamp. Det faste amin CO2 -adsorbenten fremstilt ved bruk av mesoporøse materialer med høyt spesifikt overflateareal og porevolum som bærere viste egenskapene til høy adsorpsjonskapasitet. Spesielt beholdes malmicellene som er inneholdt i det originale pulveret til det mesoporøse materialet, og "masker" av forskjellige skalaer er dannet i det mesoporøse rommet for å avskjære og adsorbere CO2 i luftstrømmen, med høy adsorpsjonseffektivitet. Karbondioksidadsorpsjonen av zeolitter lastet med aminforbindelser ble studert, og resultatene viste at CO2 -adsorpsjonskapasiteten til zeolitter økte med 20% ~ 30% etter lasting av aminer. Dette er fordi både fysisk adsorpsjon og kjemisk adsorpsjon forekommer i adsorpsjonsprosessen med komposittmaterialer, og de doble effektene har en synergistisk effekt.
Ioniske væsker
I motsetning til tradisjonelle organiske løsningsmidler, produserer ikke ioniske væsker flyktige organiske forbindelser under dekarboniseringsprosessen på grunn av deres lave damptrykk og er enkle å bruke. Samtidig kan ioniske væsker brukes gjentatte ganger. Med felles finansiering av det amerikanske Department of Energy's Office of Fossil Energy og US National Energy Technology Laboratory, gjennomførte Jennifer L, Wang Zhongni, og andre en rekke ioniske væsker. Fysiske egenskaper og studier av CO2 -absorpsjonsmekanisme. Resultatene viser at blant gitte ioniske væsker har ioniske væsker bedre selektivitet for CO2; Samtidig er det funnet at ioniske væsker har høy CO, absorpsjonsbelastning og lavere regenereringsvarmebehov.
Alkalisk ionebytte fiber
Studerte adsorpsjonen av CO2 ved sterk alkalisk ionebyttefiber. De simulerte gassadsorpsjons- og desorpsjonsprosessen og fant at sterk alkalisk ionutvekslingsfiber kan adsorbere CO2 -gass godt. Studien av forskjellige faktorer som påvirker adsorpsjonen av CO2 -gass med sterk alkalisk anionutvekslingsfiber viste at: endringen av vanninnholdet har størst innvirkning på adsorpsjon, og høyt vanninnhold bidrar til adsorpsjon av gass med fiber; Sakte gasstrømningshastighet bidrar til adsorpsjon av gass med fiber, og rask strømningshastighet kan også adsorbere gassbrønn. Så lenge konsentrasjonen av gass ikke overstiger en viss grense, vil adsorpsjonen av fiber bli mindre påvirket; Formen på utvekslingskolonnen påvirker også adsorpsjonsytelsen til fiberen, og slanke utvekslingskolonner er bedre enn korte og tykke.
Membran separasjonsteknologi
Membranbasert absorpsjon er en ny membranseparasjonsteknologi som kombinerer membranteknologi med gassabsorpsjonsteknologi. Membranbasert absorpsjon er en ny membranseparasjonsteknologi som kobler membranseparasjon og flytende absorpsjon. Membranmaterialet som er egnet for CO2 -fangst er polypropylen hul fiber, og membranabsorpsjonsvæsken er en aktivert vandig polyamin. CO2 -komponenten i den blandede gassen passerer fortrinnsvis gjennom membranen og blir absorbert av den vandige polyamin. Deretter regenereres avfallsvæsken ved membrandestillasjon, og dens regenereringshastighet kan overstige 98%. Ikke bare okkuperer det et lite område og har vennlige driftsforhold, men også det hule fibermembranområdet er stort, CO2 -passeringshastigheten er høy, og løsningsregenerasjonen er høy, noe som gjør denne metoden til utviklingstrenden for CO2 -fangstteknologi i fremtiden.
Konklusjon
Når folks miljøbevissthet gradvis øker, har forskjellige land økt innsatsen for å beskytte miljøet, noe som uunngåelig vil spille en positiv rolle i å fremme utviklingen av karbondioksidfangstmaterialer. De siste årene har forskningsarbeidet om karbondioksidfangstmaterialer gjort store fremskritt. Karbondioksidfangstteknologi utvikler seg i retning av lav pris, enkel driftsprosess, lave driftskostnader og langsiktig resirkulering. Dette krever at karbondioksidfangstmaterialer må ha egenskapene til enkel tilgjengelighet av produksjons råvarer og lav pris, enkel og miljøvennlig produksjonsprosess, god regenereringsevne og resirkulerbar bruk, og det er påkrevd å kunne behandle flere forurensninger som karbondioksid, hydrogen sulfid og nitrogenoksid. Dette gjør intelligente karbondioksidfangstmaterialer til en fremtidig utviklingstrend. Nye materialer kan justere sine egne overflateegenskaper på riktig måte og forbedre adsorpsjonen i forskjellige atmosfærer i henhold til miljøendringer.
