Az emberi termelés és a napi tevékenységekből származó kibocsátások miatt a légköri CO₂ -koncentráció az ipari forradalom elején lévő 280 PPMV -ről 379 PPMV -re nőtt, és ez a szám most 390 PPMV -re emelkedett.2- Mivel a növekvő CO₂ -szintek hatása egyre súlyosabbá válik, a hatékony CO₂ -elfogási technológiák fejlesztése forró témává vált a kémiai közösségben. A jelenlegi CO₂ -rögzítési módszerek elsősorban az abszorpciót, az adszorpciót és a membrán elválasztását tartalmazzák. Közülük az abszorpciós módszer tovább osztódik a fizikai abszorpcióra és a kémiai abszorpcióra:
A fizikai abszorpció nagy forgatáspontú oldószereket (pl. Etanol, polietilénglikolt) használ a CO₂ felszívására és deszorbítására a CO₂ és az abszorbens közötti nyomás és hőmérséklet folyamatos beállításával, ezáltal elérve a CO₂ elválasztást.
A kémiai abszorpció a nyers gáz és az abszorbens közötti kémiai reakciókra támaszkodik a Co₂ rögzítéséhez.
Az adszorpciós módszer nagyon ígéretes elválasztási és helyreállítási technológiává vált, mivel az egyszerű folyamat előnyei, az alacsony energiafogyasztás, az automatizálás könnyűsége és a nem korrozivitás miatt. A membrán elválasztási módszer elválasztja a CO₂ -t a membrán anyagok révén a CO₂ és más gázkomponensek differenciális permeációs sebessége alapján. Az aminocsoportokat a fenti CO₂ -rögzítési módszerek szinte mindegyikében alkalmazzák. Ez a tanulmány áttekinti az aminocsoportok alkalmazását az abszorpcióban, az adszorpcióban és a membrán elválasztásában, különös tekintettel az adszorpció-alapú CO₂-rögzítésben betöltött szerepükre.
Kulcsszavak:Amino módosítás, rögzítés, adszorbens
A CO2 alkohol -amin oldattal történő abszorpciójának módszere
Az alkohol -aminoldat módszere a leggyakoribb és leghatékonyabb módszer a CO2 abszorpciójára az ipari alkalmazásokban. Az alkohol -aminmolekula legalább egy hidroxilcsoportot tartalmaz, amely csökkentheti a vegyület gőznyomását, és ez a hidroxilcsoport biztosíthatja a szükséges lúgos környezetet is; Az alkohol -aminmolekulának olyan amino -csoportot is tartalmaznia kell, amely elősegítheti a savas gázok felszívódását.
Jelenleg a CO2 abszorpciós alkohol -amin módszerének kutatási fókusza többnyire a CO2 felszívódásának folyamatára koncentrálódik, és kevesebb kutatást végeznek az abszorpciós folyamat tömegátviteléről. Gáz-folyadék-javító eszközt adtunk a DEA abszorbeáló CO2 folyamatához, hogy megvizsgáljuk a gáz- és folyadékfázisú keverés fokozásának a gáz- és folyadékfázisok közötti tömegátviteli teljesítményre gyakorolt hatását. Amikor a gázfázis keverése 50R/percről 200R/percre nőtt, a tömegátviteli együttható 0,0154 kmol/(S · M -ről nőtt.2· MPa) 0,021 kmol/(S · m2· MPA), 36,3%-os növekedés. Amikor a folyékony fázis keverése 150R/percről 300R/percre nőtt, a relatív tömegátadási együttható 0,009 kmol/m -ről nőtt (s · m2· MPa) 0,021 kmol/(S · m2· MPA), közel 134%-os növekedést. A kísérletek kimutatták, hogy a gáz-folyadék-javító eszköz hozzáadása javíthatja a tömegátadási kapacitást egy nagyobb tartományon belül, ezáltal tovább javítva a CO2 abszorpciós sebességét.
A magas CO2 abszorpciós képessége mellett a CO2 alkohol -amin oldat általi abszorpciója is elkerülhetetlen hibákat is tartalmaz:
(1) Nehéz elválasztani az alkohol -amin -oldatot a CO2 -től, miután kombinálódott, és azt magasabb hőmérsékleten kell elválasztani, ami sok energiát fogyaszt;
(2) Az alkohol -amin oldat súlyos korróziót okoz;
(3) Az alkohol -amin oldat könnyen tükröződik a CO -deszorpció során, ami csökkenti annak képességét, hogy felszívja a CO2 -t;
(4) Az alkohol -amin oldat könnyen kezelhető a termikus lebomláson és az oxidatív lebomláson a CO2 -deszorpció során, ami csökkenti a CO2 abszorpciós képességét. Pontosan a fenti hibák miatt a tudományos kutatók új módszereket és anyagokat dolgoznak ki és fejlesztenek ki, amelyek felhasználhatók az alkohol -amin oldat cseréjére a CO2, például a vegyes alkohol -aminoldat módszerének, az amin optimalizált membrán -elválasztási módszerének és az amino -módosított adszorbensnek.
A CO2 adszorpciójának módszere amino-módosított adszorbens segítségével
Az adszorpciós módszer kulcsa az adszorbens. A hagyományos adszorbensek közé tartozik a molekuláris sziták, az aktivált szén stb., Míg az új adszorbensek közé tartozik a szén nanocsövek, a grafén, a fém szerves keretrendszerek, a mezopórusos anyagok stb. Mindegyik módszernek megvannak a saját előnyei és korlátozásai, és minden anyagnak megvannak a saját alkalmazandó mezők és hibák is. Kompozit anyagok vagy optimalizált új módszerek használata, amelyek kombinálják a különféle anyagok előnyeit, tendencia lesz a CO2 rögzítésében, és nagy kutatási potenciállal rendelkezik. Ez a tanulmány amino-módosított fém-szerves keretrendszereket, amino-módosított mezopórusos anyagokat, amino-módosított szén nanocsöveket és amino-módosított grafént vesz fel példáként az amino-módosított adszorbensek bevezetésére a CO2 rögzítésének területén.
Amino-módosított fém-szerves keretek
A CO2 rögzítésének új adszorbensként a MOFS nagyon nyilvánvaló előnyei vannak a hagyományos molekuláris szitákkal (zeolit molekuláris sziták, szénmolekuláris sziták stb.) És az alkohol -amin oldatokkal szemben. Először is, a legtöbb MOF kerete semleges, tehát a pórusokat elfoglaló vendégmolekuláknak csak gyenge kölcsönhatása van a csontvázzal. Ezeket a vendégmolekulákat alacsonyabb hőmérsékleten lehet kiszállítani a csontvázból, és a szükséges pórusok gyorsan előállíthatók, miközben megőrzik a csontváz integritását. Másodszor, a MOF pórusainak mérete, eloszlásának, hidrofilitásának és kémiai funkcionalitásának molekuláris szinten megtervezhető az alkalmazott szerves ligandumok és fémionok megváltoztatásával vagy módosításával.
A CO2 adszorbálásának javítása érdekében az amino-módosított fém szerves keretrendszereket jelenleg általában ökológiai ligandumokkal összeszerelik amino-csoportokkal és fém nyílfejekkel. A BLOM három MOF anyagot készített, az USO-1-A1, USO-2-NI és az USO-3-I, N, valamint a megfelelő amino-módosított MOF anyagokat (USO-1-AI-A, USO-NI-A és A-A-A-A). A CO2 adszorpciós teszt eredményei azt mutatták, hogy az amino-módosított anyagok kristályosságát, specifikus felületét és pórusmennyiségét változó fokra csökkentették, míg az adszorpciós hatás szignifikánsan javult. Az USO-1-A1 és az USO-1-AI-A-t példaként, 25 fokos és 1AMM-nél véve az USO-1-AI CO2 adszorpciós kapacitása 2,3 mmol/g, míg az USO-1-A1-A értéke 2,7 mmol/g-re nőtt; A CO2 kezdeti adszorpciós hője 30 kJ/mol-ról 50 kJ/mol-ra nőtt, ami megerősítette, hogy a CO2 adszorpciója az amino-módosított anyagokkal szignifikánsan fokozódott.
Amino-módosított mezopórusos anyagok
Noha a fém-szerves keretrendszerek és a molekuláris sziták jó adszorpciós anyagok, a mikropórusos rendszer velejáró diffúziója bizonyos mértékben korlátozza a CO2 adszorpciós képességét. Egyes SiO2 mezopórusos anyagok csökkenthetik ennek a diffúziós hatásnak a hatását és javíthatják az adszorpciós képességet. Az SiO2 felületén lévő néhány maradék hidroxilcsoport azonban az anyagot kevésbé kompatibilis a CO2 -vel. Ez a probléma megoldható az amino-tartalmú szerves vegyületek és a mezopórusos anyagok pórusainak impregnálás vagy oltás révén történő kombinálásával.
Az MCM-41 pórusaiba 50% polietileneimint töltöttünk be az MCM-41 pórusaiba. Az aminnal módosított MCM-41 adszorpciós kapacitása a CO2 esetében elérte a 133 mg/g-t 348K-nál, ami magasabb, mint a 78 mg/g, amelyet szilikagél, mint hordozó.
Amino-módosított szén nanocsövek
Az utóbbi években az új anyagok fejlesztése befolyásolta az emberek életének minden aspektusát. A szén nanocsövek alkalmazása a gázszivárgás területén aktív kiemelés lett. A szén nanocsövek tipikus rétegű üreges szerkezeti jellemzői vannak, és a rétegek közötti rögzített távolság elősegíti az amino -terhelést.
Miután a CNT-ket 3-aminopropil-trietoxi-szilánnal (APTS) módosítottuk, a CO adszorpciós képességüket és a termodinamikai tulajdonságokat megvizsgálták. 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 és 77 mg/g. Ezek az adatok azt mutatják, hogy az aminocsoportok ATP -kben való jelenléte miatt az APT -k bevezetése a CNT felületén jelentősen javíthatja a CO adszorpciós képességét. És ha az ATP -k terhelése 45% (tömeg, tömegfrakció, ugyanaz az alábbiakban), akkor elérjük a C maximális adszorpciós mennyiségét, amely négyszerese a módosítatlan CNT -knek. Amikor azonban a terhelési mennyiség 54%-ra növekszik, az adszorpciós mennyiség inkább csökkent. Ennek oka az lehet, hogy a CNT -k felületén túl sok APT fokozta a CO2 diffúzió tömegátadási rezisztenciáját a belső térbe.
Ezek a kutatási jelentések megerősítik, hogy az amino -csoportokkal módosított szén nanocsövek képessége az adszorb CO2 -re szignifikánsan jobb, mint a módosítatlan szén nanocsövek. Az amino -csoportokkal módosított szén nanocsövek jó kilátásokat mutatnak a CO2 rögzítésében, de alkalmazási és fejlesztési helyük korlátozott a magas költségeik miatt.
Amino-módosított grafén
A grafén felületének kristályszerkezete nagyon teljes, ami kémiai tulajdonságait inaktívvá teszi. A grafén alkalmazási tartományának kibővítése és az alkalmazás értékének javítása érdekében a felületét módosítani kell. A grafén -oxidáció után generált funkcionális csoportok növelik a grafén aktivitását, és megalapozták a kovalens módosítás alapját. Ezután a grafén felületi funkcionalizálása úgy érhető el, hogy azokat reagensekkel, például szerves aminokkal és izocianátokkal módosítják.
2012 -ben Mishra et al. Először módosította a grafén felületét a polianilinnel (PANI), hogy CO-t rögzítse, és megállapította, hogy a módosított grafén nagyobb CO2-adszorpciós képességgel rendelkezik, mint az aktivált szén, a zeolit, a fém-szerves keretrendszer és a szén nanocsövek. Megvizsgálták és összehasonlították a polianilint módosított anyagok és a módosítatlan grafén adszorpciós izotermáit is. Amikor a nyomás 11 bar, és a hőmérséklet 25 fok, 50 és 100 fok volt, a CO2 adszorpciós mennyisége a módosított PANI-F-HEG-vel 75 mmol/g, 47 mmol/g és 31 mmol/g volt; míg a módosítatlan tiszta grafén HEG adszorpciós mennyisége 21,6 mmol/g, 18 mmol/g és 12 mmol/g volt. Noha a CO2 adszorpciójának amino-módosított grafit általi adszorpciójának kutatása éppen megkezdődött, e tekintetben nagyszerű alkalmazási potenciál és fejlesztési teret mutatott. Lehet, hogy ez új iránygá válik a CO2 adszorpciós anyagok fejlesztéséhez.
Példák, mint például az amino-módosított fém-szerves keretrendszerek, az amino-módosított mezopórusos anyagok, az amino-módosított szén nanocsövek és az amino-módosított grafén bebizonyították, hogy ezek az adszorbensek jó CO2-rögzítési képességeket mutattak az amino-csoportokkal történő módosítás után, és az egyszerű fizikai adszorpciótól az aminosavakkal végzett kémiai adszorpciótól váltak. Ez új mezőt nyitott az adszorbens tanulmányozására, és valószínűleg a jövőbeli kutatások középpontjába kerül.
Amin-optimalizált membrán-elválasztási technológia a CO2 adszorpcióhoz
A membrán elválasztása hasonló a szűrési folyamathoz. A membrán pórusmérete szerint egyes anyagok áthaladhatnak a membránon, míg más anyagokat a membrán megtartja, ezáltal elérve az elválasztás célját. A membrán elválasztásának legnagyobb hátránya a gáz elválasztásában, hogy a szelektivitás nem magas. Ha javítani szeretné a membrán elválasztásának szelektivitását és javítani az elválasztási hatékonyságot, kombinálhatja a membrán elválasztását az abszorpcióval vagy az adszorpcióval. Először használjon membrán elválasztást a gáz nagyjából elválasztásához, majd az alkohol-amin oldat abszorpcióját vagy a nagy hatékonyságú adszorbens adszorpciót a finom elválasztáshoz. Ez nem csak egy bizonyos szétválasztási hatást érhet el, hanem megtakaríthatja a befektetési költségeket is. Kombinálja a membrán elválasztási technológiát az alkohol -amin oldat abszorpciós módszerével, hagyja, hogy a gáz a membrán egyik oldalán folyjon, és amikor a CO2 a membrán másik oldalán diffundál, az alkohol -amin felszívja. Ez az amin-optimalizált membránszivárgási módszer egyszerűbb eszközzel és alacsonyabb befektetési költségekkel rendelkezik, mint az alkohol-amin oldat abszorpciós módszere. Ezen túlmenően, a hagyományos membrán elválasztási módszerrel összehasonlítva, a CO2 adszorbálásának képessége jelentősen javul. Az adszorpciós módszerrel és az alkohol-amin könnyű abszorpciós módszerével összehasonlítva az amin-optimalizált membránszivárgási módszernek a könnyű működése, az alacsony energiafogyasztás, a jobb adszorpciós hatás és a kevesebb beruházás előnyei vannak. A technológia éretlenségének és annak a ténynek köszönhetően azonban, hogy a berendezések cseréje még mindig sok pénzt fogyaszt, nem alkalmazták ipari szempontból.
Következtetés
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 "Kompozit anyagok vagy optimalizált új módszerek, amelyek kombinálják a különféle anyagok előnyeit, tendencia lesz a C02 rögzítésében, és nagy kutatási potenciállal rendelkezik. Az új anyagok fejlesztése és az elválasztási módszerek optimalizálása során az aminocsoportok jó kompatibilitást mutatnak. Alkalmazása szinte minden módszert magában foglal, ami nagymértékben javíthatja a CO2 és a magas kutatási értéket.
