Oherwydd allyriadau cyd -gynhyrchu dynol a gweithgareddau dyddiol, mae'r crynodiad CO₂ atmosfferig wedi cynyddu o 280 ppmV ar ddechrau'r chwyldro diwydiannol i 379 ppmv yn 2005, ac mae'r ffigur hwn bellach wedi codi i 390 ppmV2. Wrth i effeithiau cynyddu lefelau CO₂ ddod yn fwyfwy difrifol, mae datblygiad technolegau dal CO₂ effeithiol wedi dod yn bwnc llosg yn y gymuned gemegol. Mae dulliau dal CO₂ cyfredol yn cynnwys amsugno, arsugniad a gwahanu pilen yn bennaf. Yn eu plith, mae'r dull amsugno wedi'i rannu ymhellach yn amsugno corfforol ac amsugno cemegol:
Mae amsugno corfforol yn defnyddio toddyddion pwynt berwi uchel (ee ethanol, glycol polyethylen) i amsugno a desorb co₂ trwy addasu pwysau a thymheredd yn barhaus rhwng CO₂ a'r amsugnol, a thrwy hynny gyflawni gwahaniad co₂.
Mae amsugno cemegol yn dibynnu ar adweithiau cemegol rhwng y nwy amrwd a'r amsugnwr i ddal CO₂.
Mae'r dull arsugniad wedi dod i'r amlwg fel technoleg gwahanu ac adfer addawol iawn oherwydd ei fanteision o broses syml, defnydd ynni isel, rhwyddineb awtomeiddio, ac anwiredd. Mae'r dull gwahanu pilen yn gwahanu CO₂ yn seiliedig ar gyfraddau treiddiad gwahaniaethol CO₂ a chydrannau nwy eraill trwy ddeunyddiau pilen. Mae grwpiau amino yn cael eu cymhwyso ym mron pob un o'r dulliau dal co₂ uchod. Mae'r astudiaeth hon yn adolygu cymwysiadau grwpiau amino wrth amsugno, arsugniad a gwahanu pilen, gyda ffocws penodol ar eu rôl wrth ddal CO₂ ar sail arsugniad.
Geiriau allweddol:addasu amino, dal, adsorbent
Dull ar gyfer amsugno CO2 gyda hydoddiant amin alcohol
Y dull datrysiad amin alcohol yw'r dull mwyaf cyffredin ac effeithlon ar gyfer amsugno CO2 mewn cymwysiadau diwydiannol. Mae'r moleciwl amin alcohol yn cynnwys o leiaf un grŵp hydrocsyl a all leihau pwysau anwedd y cyfansoddyn, a gall y grŵp hydrocsyl hwn hefyd ddarparu'r amgylchedd alcalïaidd angenrheidiol; Dylai'r moleciwl amin alcohol hefyd gynnwys grŵp amino a all hyrwyddo amsugno nwyon asidig.
Ar hyn o bryd, mae ffocws ymchwil y dull amin alcohol ar gyfer amsugno CO2 yn canolbwyntio'n bennaf ar amodau proses amsugno CO2, ac mae llai o ymchwil ar drosglwyddo'r broses amsugno màs. Ychwanegwyd dyfais gwella nwy-hylif at y broses o amsugno CO2 DEA i astudio effaith gwelliant troi cyfnod nwy a hylif ar y perfformiad trosglwyddo màs rhwng y cyfnodau nwy a hylif. Pan gynyddodd y cyfnod nwy sy'n troi o 50R/min i 200R/min, cynyddodd y cyfernod trosglwyddo màs o 0.0154 kmol/(s · m2· MPA) i 0.021 kmol/(s · m2· MPA), cynnydd o 36.3%. Pan gynyddodd y cyfnod hylif yn cynyddu o 150R/min i 300R/min, cynyddodd y cyfernod trosglwyddo màs cymharol o 0.009 kmol/(s · m m · m2· MPA) i 0.021 kmol/(s · m2· MPA), cynnydd o bron i 134%. Mae arbrofion wedi dangos y gall ychwanegu dyfais gwella nwy-hylif wella'r gallu trosglwyddo màs o fewn ystod fwy, a thrwy hynny wella cyfradd amsugno CO2 ymhellach.
Yn ychwanegol at ei allu amsugno CO2 uchel, mae gan amsugno CO2 trwy doddiant amin alcohol rai diffygion anochel hefyd:
(1) mae'n anodd gwahanu'r toddiant amin alcohol oddi wrth CO2 ar ôl cyfuno ag ef, ac mae angen ei wahanu ar dymheredd uwch, sy'n defnyddio llawer o egni;
(2) bydd toddiant amin alcohol yn achosi cyrydiad difrifol;
(3) mae toddiant amin alcohol yn hawdd ei gyfnewid yn ystod cyd -ddwyn, sy'n lleihau ei allu i amsugno CO2;
(4) Mae'n hawdd diraddio thermol a diraddio ocsideiddiol yn ystod Desorption CO2, sy'n lleihau ei allu amsugno ar gyfer CO2. Yn union oherwydd y diffygion uchod y mae ymchwilwyr gwyddonol yn eu hastudio ac yn datblygu dulliau a deunyddiau newydd y gellir eu defnyddio i ddisodli toddiant amin alcohol i ddal CO2, megis y dull toddiant amin alcohol cymysg, y dull gwahanu pilen optimized amin, a'r adsorbent wedi'i addasu'n amino.
Dull ar gyfer adsorbio CO2 gan ddefnyddio adsorbent wedi'i addasu amino
Yr allwedd i'r dull arsugniad yw'r adsorbent. Mae adsorbents confensiynol yn cynnwys rhidyllau moleciwlaidd, carbon actifedig, ac ati, tra bod adsorbents newydd yn cynnwys nanotiwbiau carbon, graphene, deunyddiau fframwaith organig metel, deunyddiau mesoporous, ac ati. Mae gan bob dull ei fanteision a'i gyfyngiadau ei hun, ac mae gan bob deunydd ei feysydd a'i ddiffygion cymhwysol ei hun. Bydd defnyddio deunyddiau cyfansawdd neu ddulliau newydd wedi'u optimeiddio sy'n cyfuno manteision amrywiol ddefnyddiau yn duedd wrth ddal CO2, ac mae ganddo botensial ymchwil gwych. Mae'r astudiaeth hon yn cymryd deunyddiau fframwaith metel-organig a addaswyd gan amino, deunyddiau mesoporous a addaswyd amino, nanotiwbiau carbon wedi'u haddasu amino, a graphene wedi'i addasu amino fel enghreifftiau i gyflwyno adsorbents a addaswyd gan amino ym maes dal CO2.
Fframweithiau metel-organig a addaswyd amino
Fel adsorbent newydd ar gyfer cipio CO2, mae gan MOFS fanteision amlwg iawn dros ridyllau moleciwlaidd confensiynol (rhidyllau moleciwlaidd zeolite, rhidyllau moleciwlaidd carbon, ac ati) ac toddiannau amin alcohol. Yn gyntaf, mae fframwaith y mwyafrif o MOFs yn niwtral, felly dim ond rhyngweithio gwan sydd gan y moleciwlau gwestai sy'n meddiannu'r pores â'r sgerbwd. Gellir gyrru'r moleciwlau gwestai hyn allan o'r sgerbwd ar dymheredd is, a gellir cynhyrchu'r pores gofynnol yn gyflym wrth gynnal cyfanrwydd y sgerbwd. Yn ail, gellir cynllunio maint, dosbarthiad, hydrophilicity, ac ymarferoldeb cemegol pores MOFs ar y lefel foleciwlaidd trwy newid neu addasu'r ligandau organig a'r ïonau metel a ddefnyddir.
Er mwyn gwella ei allu i adsorb CO2, mae deunyddiau fframwaith organig metel a addaswyd yn amino yn cael eu cydosod yn gyffredin â ligandau organig gyda grwpiau amino a phennau saethau metel. Paratôdd Blom dri deunydd MOF, USO-1-A1, USO-2-Ni, ac USO-3-I, N a'r deunyddiau MOF cyfatebol a addaswyd amino (USO-1-AI-A, USO-2-Ni-A-A, ac USO-3-in-A). Dangosodd canlyniadau'r prawf arsugniad CO2 fod crisialogrwydd, arwynebedd penodol, a chyfaint mandwll y deunyddiau a addaswyd amino yn cael eu lleihau i raddau amrywiol, tra bod yr effaith arsugniad wedi'i gwella'n sylweddol. Gan gymryd USO-1-A1 ac USO-1-AI-A fel enghreifftiau, ar 25 gradd ac 1atm, gallu arsugniad CO2 USO-1-AI oedd 2.3mmol/g, tra cynyddwyd gallu USO-1-A1-A i 2.7mmol/g; Cynyddodd gwres arsugniad cychwynnol CO2 o 30KJ/mol i 50kJ/mol, a gadarnhaodd fod arsugniad CO2 gan y deunyddiau a addaswyd amino wedi'i wella'n sylweddol.
Deunyddiau mesoporous a addaswyd yn amino
Er bod deunyddiau fframwaith metel-organig a rhidyllau moleciwlaidd yn ddeunyddiau arsugniad da, mae trylediad cynhenid y system ficroporous yn cyfyngu ar allu arsugniad CO2 i raddau. Gall rhai deunyddiau mesoporous SiO2 leihau effaith yr effaith trylediad hon a gwella'r gallu arsugniad. Fodd bynnag, mae rhai grwpiau hydrocsyl gweddilliol ar wyneb SiO2 yn gwneud y deunydd yn llai cydnaws â CO2. Gellir goresgyn y broblem hon trwy gyfuno cyfansoddion organig sy'n cynnwys amino â mandyllau deunyddiau mesoporous trwy drwytho neu impio.
Llwythwyd 50% polyethyleneimine i mewn i mandyllau MCM-41 gan drwytho. Cyrhaeddodd gallu arsugniad MCM-41 a addaswyd yn amin ar gyfer CO2 133 mg/g ar 348K, sy'n uwch na'r 78 mg/g a gafwyd gyda gel silica fel y cludwr.
Nanotiwbiau carbon wedi'u haddasu amino
Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae datblygu deunyddiau newydd wedi effeithio ar bob agwedd ar fywydau pobl. Mae defnyddio nanotiwbiau carbon ym maes gwahanu nwy wedi dod yn uchafbwynt gweithredol. Mae gan nanotiwbiau carbon nodweddion strwythur gwag haenog nodweddiadol, ac mae'r pellter sefydlog rhwng haenau yn ffafriol i lwytho amino.
Ar ôl i CNTs gael eu haddasu ar yr wyneb â 3-aminopropyltriethoxysilane (APTs), astudiwyd eu gallu arsugniad CO a'u priodweddau thermodynamig. Pan osodwyd y tymheredd ar 50 gradd, cafodd y CNTs heb eu haddasu (APTs) gyda chymarebau màs ATP a CNTs o 20%, 28%, 36%, 41%, 45%a 54%eu hadsorbed mewn amgylchedd CO2 15%, a'r symiau arsugniad oedd 21.5mg/g, 601.3g/g, 51. 74.5mg/g, 85.7mg/g a 77mg/g, yn y drefn honno. Mae'r data hyn yn dangos, oherwydd presenoldeb grwpiau amino mewn ATPau, y gall cyflwyno APTs ar wyneb CNTs wella'r gallu arsugniad CO yn sylweddol. A phan fydd llwytho'r ATPau yn 45% (wt, ffracsiwn màs, yr un peth isod), cyrhaeddir y swm arsugniad uchaf o C, sydd 4 gwaith yn fwy na CNTs heb eu haddasu. Fodd bynnag, pan barhaodd y swm llwytho i gynyddu i 54%, gostyngodd y swm arsugniad yn lle. Gall hyn fod oherwydd bod gormod o apts ar wyneb CNTs wedi cynyddu gwrthiant trosglwyddo màs CO2 yn tryledu i'r tu mewn.
Mae'r adroddiadau ymchwil hyn yn cadarnhau bod gallu nanotiwbiau carbon a addaswyd gyda grwpiau amino i adsorb CO2 yn sylweddol well na gallu nanotiwbiau carbon heb eu haddasu. Mae nanotiwbiau carbon a addaswyd gyda grwpiau amino yn dangos rhagolygon da wrth ddal CO2, ond mae eu gofod cymhwyso a datblygu yn gyfyngedig oherwydd eu cost uchel.
Graphene wedi'i addasu amino
Mae strwythur grisial yr arwyneb graphene yn gyflawn iawn, sy'n gwneud ei briodweddau cemegol yn anactif. Er mwyn ehangu ystod cymhwysiad graphene a gwella ei werth cymhwysiad, mae angen addasu ei arwyneb. Mae'r grwpiau swyddogaethol a gynhyrchir ar ôl ocsidiad graphene yn cynyddu gweithgaredd graphene, gan osod y sylfaen ar gyfer addasu cofalent. Yna, gellir cyflawni swyddogaeth arwyneb graphene trwy ei addasu gydag adweithyddion fel aminau organig ac isocyanadau.
Yn 2012, mae Mishra et al. Yn gyntaf, addasodd wyneb graphene gyda polyaniline (PANI) i ddal CO a chanfod bod gan y graphene wedi'i addasu gapasiti arsugniad CO2 uwch na charbon actifedig, zeolite, deunyddiau fframwaith metel-organig a nanotiwbiau carbon. Fe wnaethant hefyd astudio a chymharu isothermau arsugniad y deunyddiau a addaswyd gan polyaniline a graphene heb eu haddasu. Pan oedd y pwysau yn 11 bar a'r tymheredd oedd 25 gradd, 50 gradd a 100 gradd, swm arsugniad CO2 gan y deunydd wedi'i addasu PANI-F-HEG oedd 75mmol/g, 47mmol/g a 31mol/g yn y drefn honno; tra bod swm arsugniad HEG graphene pur heb ei addasu yn 21.6mmol/g, 18mmol/g a 12mmol/g. Er bod yr ymchwil ar arsugniad CO2 gan graffit wedi'i addasu amino newydd ddechrau, mae wedi dangos potensial cymhwysiad gwych a gofod datblygu yn hyn o beth. Efallai y bydd hyn yn dod yn gyfeiriad newydd ar gyfer datblygu deunyddiau arsugniad CO2.
Mae enghreifftiau fel deunyddiau fframwaith metel-organig a addaswyd amino, deunyddiau mesoporous a addaswyd amino, nanotiwbiau carbon a addaswyd amino, a graphene a addaswyd amino wedi profi bod yr adsorbents hyn wedi dangos galluoedd dal CO2 da ar ôl cael eu haddasu gyda grwpiau amino, ac maent wedi newid o ganolfan gorfforol syml. Mae hyn wedi agor maes newydd ar gyfer astudio adsorbents ac mae'n debygol o ddod yn ganolbwynt ymchwil yn y dyfodol.
Technoleg gwahanu pilen wedi'i optimeiddio amine ar gyfer arsugniad CO2
Mae gwahanu pilen yn debyg i'r broses sgrinio. Yn ôl maint mandwll y bilen, gall rhai sylweddau fynd trwy'r bilen tra bod sylweddau eraill yn cael eu cadw gan y bilen, a thrwy hynny gyflawni pwrpas gwahanu. Anfantais fwyaf gwahanu pilen wrth wahanu nwy yw nad yw'r detholusrwydd yn uchel. Os ydych chi am wella detholusrwydd gwahanu pilen a gwella'r effeithlonrwydd gwahanu, gallwch gyfuno gwahanu pilen ag amsugno neu arsugniad. Yn gyntaf, defnyddiwch wahaniad pilen i wahanu'r nwy yn fras, ac yna defnyddio amsugno toddiant amin alcohol neu arsugniad adsorbent effeithlonrwydd uchel ar gyfer gwahanu mân. Gall hyn nid yn unig gyflawni effaith gwahanu benodol, ond hefyd arbed costau buddsoddi. Cyfunwch dechnoleg gwahanu pilen â dull amsugno toddiant amin alcohol, gadewch i'r nwy lifo ar hyd un ochr i'r bilen, a phan fydd CO2 yn tryledu i ochr arall y bilen, mae'n cael ei amsugno gan amin alcohol. Mae gan y dull gwahanu pilen sydd wedi'i optimeiddio amin ddyfais symlach a chost buddsoddi is na'r dull amsugno toddiant amin alcohol. Yn ogystal, o'i gymharu â'r dull gwahanu pilen traddodiadol, mae'r gallu i adsorb CO2 wedi'i wella'n sylweddol. O'i gymharu â'r dull arsugniad a'r dull amsugno hawdd amin alcohol, mae gan y dull gwahanu pilen sydd wedi'i optimeiddio amin fanteision gweithredu'n hawdd, defnydd ynni isel, gwell effaith arsugniad a llai o fuddsoddiad. Fodd bynnag, oherwydd anaeddfedrwydd technoleg a'r ffaith bod disodli offer yn dal i ddefnyddio llawer o arian, nid yw wedi'i gymhwyso'n ddiwydiannol.
Nghasgliad
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>Bydd deunyddiau cyfansawdd 2 "neu ddulliau newydd wedi'u optimeiddio sy'n cyfuno manteision amrywiol ddefnyddiau yn duedd wrth ddal C02, ac mae ganddo botensial ymchwil gwych. Wrth ddatblygu deunyddiau newydd ac optimeiddio dulliau gwahanu, mae grwpiau amino wedi dangos cydnawsedd da. Mae ei gymhwysiad yn cynnwys bron pob dull, a all wella'r gallu i ddal CO2 yn fawr.
