Forskningsframsteg för koldioxidfångstmaterial

När den globala uppvärmningen intensifieras har minskning av utsläpp av växthusgaser såsom koldioxid och att skydda miljön blivit en av de grundläggande globala frågorna som ska lösas. För att uppnå koldioxidutsläppsminskning är det nödvändigt att gå igenom processerna för fångst, transport, lagring, tillämpning och omvandling. Fångstkostnaden i dessa processer står för cirka 75%eller ännu högre. För närvarande är CO2 -koncentrationen av de flesta stora utsläppskällor mindre än 15%, medan en liten del (mindre än 2%) av industriella källor baserat på fossila bränslen har en CO2 -utsläppskoncentration på mer än 95%. Högkoncentrationskällor är potentiella mål för tidig implementering av koldioxidupptagning och lagringsteknik (CCS). CO2 är en av de viktigaste gaserna som orsakar växthuseffekten och är också en potentiell kolresurs. CO2 har ett brett utbud av användningsområden i olika sektorer i den nationella ekonomin som kemiskt råmaterial, kylmedium, oljefältproduktionsförstärkare, inert medium, lösningsmedel och tryckkälla. Därför är alla länder engagerade i att minska koldioxidutsläppen från förbränning av fossila bränslen. För närvarande används koldioxidfångsteknologi i stor utsträckning i kemikalie, kraftverk, biltillverkning och andra industrier. Nackdelarna med koldioxidupptagningsmaterial i detta skede är emellertid dålig återvinningsprestanda, toxicitet, låg fångsteffektivitet, knappa råvaror och hög energiförbrukning. Därför har utvecklingen av nya kolupptagningsmaterial blivit ett forskningsfokus.

Nyckelord: koldioxid; fånga material; forskning; framsteg

Lösningsadsorption använder huvudsakligen lösningar som innehåller aminfunktionella grupper för att fånga CO2 genom kemisk absorption. De vanligt använda adsorbenterna är alkoholaminlösningar, inklusive primära alkoholaminer (såsom etanolamin), sekundära alkoholaminer (såsom dietanolamin och diisopropanolamin) och tertiära alkoholaminer (såsom metyldietanolamin och trietanolamin). Denna kemiska absorptionsmetod använder absorberande för att reagera med CO2 för att uppnå syftet med att återvinna CO och använder dess omvända reaktion för att regenerera absorbenten. Denna metod har en hög CO2 -borttagningshastighet och är en av de mest effektiva metoderna för att återställa CO2. Det är också lämpligt för behandling av blandade gaser med lågt partiellt tryck av CO. Men det finns fortfarande många nackdelar som begränsar användningen av denna metod: aminer är benägna att oxidativ nedbrytning, vilket minskar absorptionsprestanda och ökar också viskositeten hos lösningen, som inte är gast för gasöverföring; Aminer och deras nedbrytningsprodukter är enkla att flyktiga under regenereringen av absorbenten, vilket minskar dess absorptionskapacitet: den starka alkaliniteten hos aminlösningen är särskilt frätande för instrument och utrustning; Operationen är relativt besvärlig; Förnyelse av energiförbrukningen är hög.

Eftersom CO2 är en sur gas adsorberas den lätt på ytan av något alkaliska material. Det finns tre huvudsakliga alkaliska adsorbenter som för närvarande är under forskning och utveckling: en är alkaliska metalloxider, såsom Na2O2, K2O, CAO, MGO och AI2O3. Metalloxider har god adsorptionskapacitet vid höga temperaturer, särskilt aluminiumoxid. När alkalimetaller (såsom Li2O, K2O, Na2O) tillsätts, kan dess adsorptionskapacitet vid höga temperaturer förbättras kraftigt jämfört med fysiska adsorbenter; Den andra är alkaliska metallsalter, såsom kalciumkarbonat, silikater, litiumsilikat och litiumzirkonat; Den tredje är en hydrotalcite -blandning. Hydrotalcit innehåller alkaliska metallföreningar och har en mikroporös struktur. Det är ett naturligt sammansatt material. Adsorptionen av koldioxid med hydrotalcit har väckt människors forskningsintresse.

Kolmaterial inkluderar huvudsakligen aktivt kol- och kolfiber.

(1) Aktivt kol är det vanligaste svarta porösa adsorbentet med en stor specifik ytarea. Dess huvudkomponenter är amorft kol, liksom en liten mängd väte, syre, kväve, svavel och aska. De fysiska och kemiska egenskaperna och ytkemiska egenskaperna hos det aktiva kolet som produceras kommer att variera mycket beroende på råvaror, beredningsprocess och aktiveringsmetod. De viktigaste faktorerna som bestämmer adsorptionskapaciteten för aktivt kol är den specifika ytarea, porstrukturegenskaper, ytegenskaper och adsorptionsegenskaper hos adsorbatet. Adsorptionsprestanda för flera aktiverade koladsorbenter på CO2 vid hög temperatur studerades. För olika typer av adsorbenter är adsorptionsmängden CO2 proportionell mot den specifika ytarean och den totala porvolymen för det aktiverade kolet; För samma adsorbent är adsorptionsmängden proportionell mot trycket och omvänt proportionellt mot temperaturen.

(2) Aktivt kolfiber erhålls genom kolsyrning och aktiverande organiska fibrer. Det är den tredje generationen av kolmaterial efter aktivt kolpulver och aktiverade kolpartiklar. Aktivt kolfiber har en mer utvecklad specifik ytarea än granulärt aktivt kol, en mindre mikropordiameter (cirka 1nm) och mikroporvolymen står för mer än 90% av den totala porvolymen. Samtidigt öppnas den direkt på fiberytan, så den har fördelarna med stor adsorptionskapacitet, hög adsorptionseffektivitet och snabb adsorption och desorptionshastighet. På grund av specialiteten i dess struktur och prestanda har användningen av aktiverad kolfiber för att adsorbera luftföroreningar blivit en forskningshotspot för vetenskapliga forskare och har visat stora tillämpningsutsikter.

Zeolitmolekylsikt är en naturlig eller syntetisk kristallin aluminosilikat som innehåller alkalimetall- och alkaliska jordmetalloxider. Den har en strikt struktur och porer. Porstorleken varierar något på grund av strukturella skillnader och kan separera ämnen med olika molekylvikter. Zeolit molekylsiktadsorbenter används ofta för gasavskiljning och rening, såsom kväveproduktion från luft, separering och rening av CO2, etc. Dess adsorptionskapacitet minskar också med ökande temperatur. Lila et al. Används asrtsa molekylsikt för att adsorbera och ta bort koldioxid från rymdkapseln. Experiment visar att när temperaturen stiger till 175 grad är adsorptionsbeloppet endast 24% av det vid 25 grader. Under samma förhållanden är adsorptionsmängden zeolit molekylsikt, som också är en fysisk adsorption, högre än för aktivt kol.

Forskare vid det franska National Center for Scientific Research har utvecklat ett nytt material som kallas MIL-101, som kan absorbera en stor mängd koldioxidgas. Detta material förväntas förbättra förmågan att motstå den globala uppvärmningen. Detta material syntetiseras från krom och tereftalsyra. Det är ett poröst sammansatt nanomaterial med en yta täckt med små hål med en diameter på 3,5 nm. Därför är adsorptionskapaciteten mycket stark. MIL-101 med en volym av 1 m³kan lagra 400 m³koldioxid vid 25 grader. Lagringskapaciteten för det nuvarande allmänna adsorptionsmaterialet under samma förhållanden är bara 200 m³. Detta nya material kan placeras på bilen för att filtrera den koldioxid som den avger och därmed uppnå syftet att minska utsläppen av växthusgaser.

CO -adsorptionsprestanda för två kiseldioxid geladsorbenter jämfördes, adsorptionsisotermerna av N2 och CO2 på kiseldioxidgel och aktiverade koladsorbenter bestämdes och den dynamiska adsorptionspenetrationskurvorna för CO2 i olika system undersöktes. Resultaten visar att adsorptionsmängden av CO2 av kiseldioxid geladsorbent är jämförbar med det för aktivt kol, och adsorptionsselektiviteten är bättre än för aktivt kol; Det större specifika ytarea och högt porinnehåll är fördelaktigt för adsorptionen av CO2, och lämplig porfördelning bidrar till att minska den inre diffusionsmotståndet hos kiseldioxid geladsorbent.

Studien använde mesoporös molekylsiktpulver som bärare och laddade med olika organiska aminer för att framställa CO2 -adsorptionsmaterial. Solid amin CO2 -adsorbenter kan selektivt adsorb sura gas CO2 genom kemiska reaktioner och påverkas mindre av vattenånga. Det fasta amin CO2 -adsorbentet framställt med användning av mesoporösa material med hög specifik ytarea och porvolym som bärare visade egenskaperna för hög adsorptionskapacitet. I synnerhet bibehålls mallmicellerna som finns i det ursprungliga pulvret i det mesoporösa materialet, och "nät" av olika skalor bildas i det mesoporösa utrymmet för att avlyssna och adsorb CO2 i luftflödet, med hög adsorptionseffektivitet. Koldioxidadsorptionen av zeoliter laddade med aminföreningar studerades, och resultaten visade att CO2 -adsorptionskapaciteten för zeoliter ökade med 20% ~ 30% efter belastning aminer. Detta beror på att både fysisk adsorption och kemisk adsorption inträffar i adsorptionsprocessen för kompositmaterial, och de dubbla effekterna har en synergistisk effekt.

Till skillnad från traditionella organiska lösningsmedel producerar joniska vätskor inte flyktiga organiska föreningar under avkolningsprocessen på grund av deras låga ångtryck och är enkla att använda. Samtidigt kan joniska vätskor användas upprepade gånger. Med den gemensamma finansieringen av US Department of Energy's Office of Fossil Energy och US National Energy Technology Laboratory, Jennifer L, Wang Zhongni och andra genomförde en mängd joniska vätskor. Fysiska egenskaper och CO2 -absorptionsmekanismstudier. Resultaten visar att joniska vätskor bland givna joniska vätskor har bättre selektivitet för CO2; Samtidigt har det visat sig att joniska vätskor har hög CO, absorptionsbelastning och lägre regenereringsvärmekrav.

Studerade adsorptionen av CO2 med stark alkalisk jonbytarfiber. De simulerade gasadsorptions- och desorptionsprocessen och fann att stark alkalisk jonbytesfiber kan adsorb CO2 -gas väl. Studien av olika faktorer som påverkar adsorptionen av CO2 -gas genom stark alkalisk anjonbytesfiber visade att: Förändringen av vatteninnehållet har den största inverkan på adsorption, och högt vatteninnehåll är gynnsam för adsorptionen av gas med fiber; Långsam gasflödeshastighet är gynnsam för adsorptionen av gas med fiber, och snabb flödeshastighet kan också adsorberad gas väl. Så länge koncentrationen av gas inte överskrider en viss gräns kommer adsorptionen av fiber att påverkas mindre; Formen på Exchange -kolumnen påverkar också adsorptionsprestanda för fibern, och smala utbyteskolumner är bättre än korta och tjocka.

Membranbaserad absorption är en ny membranseparationsteknik som kombinerar membranteknologi med gasabsorptionsteknik. Membranbaserad absorption är en ny membranseparationsteknik som kopplar membranseparation och vätskebanåbsorption. Membranmaterialet som är lämpligt för CO2 -fångst är polypropen ihålig fiber, och membranabsorptionsvätskan är en aktiverad vattenhaltig lösning av polyamin. CO2 -komponenten i den blandade gasen passerar företrädesvis genom membranet och absorberas av den vattenhaltiga lösningen av polyamin. Sedan regenereras avfallsvätskan genom membrankestillation och dess regenereringsgrad kan överstiga 98%. Det upptar inte bara ett litet område och har vänliga driftsförhållanden, utan också det ihåliga fibermembranområdet är stort, CO2 -passfrekvensen är hög och lösningsregenereringshastigheten är hög, vilket gör denna metod till utvecklingstrenden för CO2 -fångsteknologi i framtiden.

När människors miljömedvetenhet gradvis ökar har olika länder ökat sina ansträngningar för att skydda miljön, vilket oundvikligen kommer att spela en positiv roll för att främja utvecklingen av koldioxidupptagningsmaterial. Under de senaste åren har forskningsarbetet med koldioxidupptagningsmaterial gjort stora framsteg. Koldioxidupptagningsteknik utvecklas i riktning mot lågt pris, enkla driftsprocesser, låga driftskostnader och långsiktig återvinning. Detta kräver att koldioxidupptagningsmaterial måste ha egenskaperna för enkel tillgänglighet av produktionens råvaror och lågt pris, enkla och miljövänliga produktionsprocesser, god regenereringsförmåga och återvinningsbar användning, och det krävs att samtidigt behandla flera föroreningar såsom koldioxid, vätesulfid och nitrogenoxider. Detta gör intelligenta koldioxidupptagningsmaterial till en framtida utvecklingstrend. Nya material kan på lämpligt sätt justera sina egna ytegenskaper och förbättra adsorption i olika atmosfärer enligt miljöförändringar.