På grund av samutsläpp från mänsklig produktion och dagliga aktiviteter har den atmosfäriska samkoncentrationen ökat från 280 ppmv i början av den industriella revolutionen till 379 ppmv 2005, och denna siffra har nu stigit till 390 ppmv2. När effekterna av ökande ko₂nivåer blir allt svårare har utvecklingen av effektiv co₂ -fångsteknologier blivit ett hett ämne i det kemiska samhället. Nuvarande co₂ -fångstmetoder inkluderar främst absorption, adsorption och membranseparation. Bland dem är absorptionsmetoden ytterligare uppdelad i fysisk absorption och kemisk absorption:
Fysisk absorption använder högkokningspunktlösningsmedel (t.ex. etanol, polyetylenglykol) för att absorbera och desorbera CO₂ genom att kontinuerligt justera tryck och temperatur mellan CO₂ och absorberande medel och därigenom uppnå co₂-separering.
Kemisk absorption förlitar sig på kemiska reaktioner mellan rågas och absorberande för att fånga CO₂.
Adsorptionsmetoden har framkommit som en mycket lovande separerings- och återhämtningsteknik på grund av dess fördelar med enkel process, låg energiförbrukning, enkel automatisering och icke-korrosivitet. Membranseparationsmetoden separerar CO₂ baserat på differentiella genomträngningshastigheter för CO₂ och andra gaskomponenter genom membranmaterial. Aminogrupper tillämpas i nästan alla ovanstående co₂ -fångstmetoder. Denna studie granskar tillämpningarna av aminogrupper i absorption, adsorption och membranseparation, med ett specifikt fokus på deras roll i adsorptionsbaserad co₂-fångst.
Nyckelord:Amino modifiering, fångst, adsorbent
Metod för att absorbera CO2 med en alkoholaminlösning
Metoden för alkoholaminlösning är den vanligaste och effektiva metoden för att absorbera CO2 i industriella tillämpningar. Alkoholaminmolekylen innehåller minst en hydroxylgrupp som kan minska föreningens ångtryck, och denna hydroxylgrupp kan också ge den nödvändiga alkaliska miljön; Alkoholaminmolekylen bör också innehålla en aminogrupp som kan främja absorptionen av sura gaser.
För närvarande är forskningsfokus för alkoholaminmetoden för CO2 -absorption mestadels koncentrerad på processvillkoren för CO2 -absorption, och det finns mindre forskning om massöverföringen av absorptionsprocessen. En gas-vätskefrihetsanordning tillsattes till processen för DEA-absorberande CO2 för att studera effekten av gas- och vätskefasförbättring på massöverföringsprestanda mellan gas- och vätskefaserna. När omrörningen av gasfasen ökade från 50r/min till 200r/min ökade massöverföringskoefficienten från 0,0154 kmol/(s · m2· MPa) till 0,021 kmol/(s · m2· MPA), en ökning med 36,3%. När vätskefasen omrörde ökade från 150r/min till 300r/min, ökade den relativa massöverföringskoefficienten från 0,009 kmol/(s · m2· MPa) till 0,021 kmol/(s · m2· MPA), en ökning med nästan 134%. Experiment har visat att tillsats av en gas-vätska förbättringsanordning kan förbättra massöverföringskapaciteten inom ett större intervall och därmed ytterligare förbättra absorptionshastigheten för CO2.
Förutom dess höga CO2 -absorptionskapacitet har absorptionen av CO2 med alkoholaminlösning också några oundvikliga defekter:
(1) Det är svårt att separera alkoholaminlösningen från CO2 efter att ha kombinerats med den, och den måste separeras vid en högre temperatur, vilket förbrukar mycket energi;
(2) alkoholaminlösning kommer att orsaka allvarlig korrosion;
(3) alkoholaminlösning är lätt att förångas under CO -desorption, vilket minskar dess förmåga att absorbera CO2;
(4) Alkoholaminlösning är lätt att genomgå termisk nedbrytning och oxidativ nedbrytning under CO2 -desorption, vilket minskar dess absorptionskapacitet för CO2. Det är just på grund av ovanstående defekter som vetenskapliga forskare studerar och utvecklar nya metoder och material som kan användas för att ersätta alkoholaminlösning för att fånga CO2, såsom den blandade alkoholaminlösningsmetoden, aminoptimerad membranseparationsmetod och det amino modifierade adsorbentet.
Metod för adsorbering CO2 med hjälp av amino-modifierat adsorbent
Nyckeln till adsorptionsmetoden är adsorbenten. Konventionella adsorbenter inkluderar molekylsiktar, aktivt kol, etc., medan nya adsorbenter inkluderar kolananorör, grafen, organiska rammaterial, mesoporösa material, etc. Varje metod har sina egna fördelar och begränsningar, och varje material har också sina egna tillämpliga fält och defekter. Användningen av kompositmaterial eller optimerade nya metoder som kombinerar fördelarna med olika material kommer att vara en trend för att fånga CO2 och har stor forskningspotential. Denna studie tar amino-modifierade metallorganiska rammaterial, amino-modifierade mesoporösa material, amino-modifierade kolananorör och amino-modifierad grafen som exempel för att introducera amino-modifierade adsorbenter inom fånga CO2.
Amino-modifierade metallorganiska ramar
Som ett nytt adsorbent för att fånga CO2 har MOFS mycket uppenbara fördelar jämfört med konventionella molekylsiktar (zeolit molekylsiktar, kolmolekylsikt, etc.) och alkoholaminlösningar. För det första är ramen för de flesta MOF: er neutrala, så gästmolekylerna som ockuperar porerna har bara svaga interaktioner med skelettet. Dessa gästmolekyler kan drivas ut ur skelettet vid en lägre temperatur, och de nödvändiga porerna kan snabbt genereras samtidigt som skelettets integritet. För det andra kan storleken, distributionen, hydrofiliciteten och kemisk funktionalitet hos porerna i MOF: er utformas på molekylnivå genom att ändra eller modifiera de organiska ligander och metalljoner som används.
För att förbättra sin förmåga att adsorbera CO2, monteras för närvarande amino-modifierade metallorganiska rammaterial för närvarande med organiska ligander med aminogrupper och metallpilspetsar. Blom framställde tre MOF-material, USO-1-A1, USO-2-NI och USO-3-I, N och motsvarande amino-modifierade MOF-material (USO-1-AI-A, USO-2-NI-A och USO-3-in-A). Resultaten av CO2-adsorptionstestet visade att kristalliniteten, den specifika ytarean och porvolymen för de amino-modifierade materialen reducerades i varierande grad, medan adsorptionseffekten förbättrades signifikant. Genom att ta USO-1-A1 och USO-1-AI-A som exempel, vid 25 grader och 1ATM, var CO2-adsorptionskapaciteten för USO-1-AI 2,3 mmol/g, medan den för USO-1-A-A ökades till 2,7 mmol/g; Den initiala adsorptionsvärmen för CO2 ökade från 30 kJ/mol till 50 kJ/mol, vilket bekräftade att adsorptionen av CO2 av de amino-modifierade materialen förbättrades signifikant.
Aminomodifierade mesoporösa material
Även om metallorganiska rammaterial och molekylsiktar är goda adsorptionsmaterial, begränsar den inneboende diffusionen av det mikroporösa systemet adsorptionskapaciteten för CO2 till en viss utsträckning. Vissa SiO2 -mesoporösa material kan minska påverkan av denna diffusionseffekt och förbättra adsorptionskapaciteten. Vissa resterande hydroxylgrupper på ytan av SiO2 gör emellertid materialet mindre kompatibelt med CO2. Detta problem kan övervinnas genom att kombinera aminoinnehållande organiska föreningar med porerna av mesoporösa material genom impregnering eller ympning.
50% polyetylenimin laddades i porerna i MCM-41 genom impregnering. Adsorptionskapaciteten för aminmodifierad MCM-41 för CO2 nådde 133 mg/g vid 348K, vilket är högre än 78 mg/g erhållen med kiseldioxidgel som bärare.
Amino-modifierade kolananorör
Under de senaste åren har utvecklingen av nya material påverkat alla aspekter av människors liv. Tillämpningen av kolananorör inom området gasseparation har blivit en aktiv höjdpunkt. Kolananorör har typiska skiktade ihåliga strukturegenskaper, och det fasta avståndet mellan lager är gynnsam för aminobelastning.
Efter att CNT: er var ytmodifierade med 3-aminopropyltrietoxysilan (APTS) studerades deras CO-adsorptionskapacitet och termodynamiska egenskaper. When the temperature was set at 50℃, the unmodified CNTs (APTS) with ATPS and CNTS mass ratios of 20%, 28%, 36%, 41%, 45% and 54% were adsorbed in a 15% CO2 environment, and the adsorption amounts were 21.5mg/g, 43.6mg/g, 51.3mg/g, 60.5mg/g, 74.5mg/g, 85,7 mg/g respektive 77 mg/g. Dessa data visar att på grund av närvaron av aminogrupper i ATP: er kan införandet av APT på CNTS -ytan avsevärt förbättra CO -adsorptionskapaciteten. Och när ATPS -belastningen är 45% (WT, massfraktion, samma nedan) uppnås den maximala adsorptionsmängden C, vilket är 4 gånger den för omodifierade CNT: er. Men när belastningsbeloppet fortsatte att öka till 54%minskade adsorptionsbeloppet istället. Detta kan bero på att för mycket APT på ytan av CNT: er ökade massöverföringsmotståndet för CO2 som sprider sig in i det inre.
Dessa forskningsrapporter bekräftar att förmågan hos kolananorör modifierade med aminogrupper till adsorb CO2 är betydligt bättre än för omodifierade kolananorör. Kolananorör modifierade med aminogrupper visar goda möjligheter för att fånga CO2, men deras tillämpningsutrymme är begränsade på grund av deras höga kostnader.
Aminmodifierad grafen
Kristallstrukturen på grafenytan är mycket fullständig, vilket gör dess kemiska egenskaper inaktiva. För att utöka applikationsområdet för grafen och förbättra dess applikationsvärde måste ytan modifieras. De funktionella grupperna som genereras efter grafenoxidation ökar aktiviteten för grafen och lägger grunden för kovalent modifiering. Sedan kan ytfunktionaliseringen av grafen uppnås genom att modifiera den med reagens såsom organiska aminer och isocyanater.
2012, Mishra et al. Modifierade först ytan på grafen med polyanilin (PANI) för att fånga CO och fann att den modifierade grafen hade en högre CO2-adsorptionskapacitet än aktivt kol, zeolit, metallorganiska rammaterial och kolananorör. De studerade och jämförde också adsorptionsisotermerna för de polyanilinmodifierade materialen och omodifierad grafen. När trycket var 11 bar och temperaturen var 25 grader, 50 grader och 100 grader, var adsorptionsmängden CO2 med den modifierade materialet PANI-F-HEG 75 mmol/g, 47 mmol/g respektive 31 mmol/g; medan adsorptionsmängden av omodifierad ren grafen Heg var 21,6 mmol/g, 18mmol/g och 12mmol/g. Även om forskningen om adsorption av CO2 genom amino-modifierad grafit just har börjat, har den visat en stor tillämpningspotential och utvecklingsutrymme i detta avseende. Kanske kommer detta att bli en ny riktning för utvecklingen av CO2 -adsorptionsmaterial.
Examples such as amino-modified metal-organic framework materials, amino-modified mesoporous materials, amino-modified carbon nanotubes, and amino-modified graphene have proven that these adsorbents have shown good CO2 capture capabilities after being modified with amino groups, and have changed from simple physical adsorption to chemical adsorption with amino groups as active centers. Detta har öppnat ett nytt område för att studera adsorbenter och kommer sannolikt att bli ett fokus för framtida forskning.
Aminoptimerad membranseparationsteknologi för CO2-adsorption
Membranseparation liknar screeningprocessen. Enligt porstorleken på membranet kan vissa ämnen passera genom membranet medan andra ämnen behålls av membranet och därmed uppnå syftet med separationen. Den största nackdelen med membranseparation vid gasseparation är att selektiviteten inte är hög. Om du vill förbättra selektiviteten för membranseparation och förbättra separationseffektiviteten kan du kombinera membranseparation med absorption eller adsorption. Använd först membranseparation för att grovt separera gasen och använd sedan alkoholaminlösningsabsorption eller högeffektiv adsorbent adsorption för fin separering. Detta kan inte bara uppnå en viss separationseffekt, utan också spara investeringskostnader. Kombinera membranseparationsteknologi med alkoholaminlösningsabsorptionsmetod, låt gasflödet längs ena sidan av membranet, och när CO2 diffunderar till den andra sidan av membranet, absorberas den av alkoholamin. Denna aminoptimerade membranseparationsmetod har en enklare anordning och lägre investeringskostnad än alkoholaminlösningsmetoden. Jämfört med den traditionella membranseparationsmetoden förbättras dessutom förmågan att adsorbera CO2 avsevärt. Jämfört med adsorptionsmetoden och Alcohol Amine Easy Absorption-metoden har den aminoptimerade membranseparationsmetoden fördelarna med enkel drift, låg energiförbrukning, bättre adsorptionseffekt och mindre investeringar. På grund av teknikens omogenhet och det faktum att ersättning av utrustning fortfarande förbrukar mycket pengar har den emellertid inte tillämpats industriellt.
Slutsats
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 "Kompositmaterial eller optimerade nya metoder som kombinerar fördelarna med olika material kommer att vara en trend för att fånga C02 och har stor forskningspotential. I utvecklingen av nya material och optimering av separationsmetoder har aminogrupper visat god kompatibilitet. Dess tillämpning innebär nästan alla metoder, vilket kan förbättra förmågan att fånga CO2 och har högt forskningsvärde.
