Sakarā ar CO₂ emisijām no cilvēku ražošanas un ikdienas aktivitātēm atmosfēras CO₂ koncentrācija ir palielinājusies no 280 ppmV rūpnieciskās revolūcijas sākumā līdz 379 ppmV 2005. gadā, un šis skaitlis tagad ir pieaudzis līdz 390 ppmV2Apvidū Tā kā pieaugošā līmeņa palielināšanās ietekme kļūst arvien smagāka, efektīvu CO₂ uztveršanas tehnoloģiju attīstība ir kļuvusi par karstu tēmu ķīmiskajā sabiedrībā. Pašreizējās CO₂ uztveršanas metodes galvenokārt ietver absorbciju, adsorbciju un membrānas atdalīšanu. Starp tiem absorbcijas metode tiek tālāk sadalīta fizikālā absorbcijā un ķīmiskajā absorbcijā:
Fiziskā absorbcijā tiek izmantoti augstas vārtu punktu šķīdinātāji (piemēram, etanols, polietilēnglikols), lai absorbētu un desorbētu CO₂, nepārtraukti pielāgojot spiedienu un temperatūru starp CO₂ un absorbciju, tādējādi sasniedzot Co₂ atdalīšanu.
Ķīmiskā absorbcija ir atkarīga no ķīmiskām reakcijām starp neapstrādātu gāzi un absorbējošo, lai uztvertu CO₂.
Adsorbcijas metode ir kļuvusi par ļoti daudzsološu atdalīšanas un atveseļošanās tehnoloģiju, pateicoties tā priekšrocībām, kas saistītas ar vienkāršu procesu, zemu enerģijas patēriņu, automatizācijas vienkāršību un nekorozēšanu. Membrānas atdalīšanas metode atdala CO₂, pamatojoties uz CO₂ un citu gāzes sastāvdaļu atšķirīgajiem caurlaidības ātrumiem caur membrānas materiāliem. Amino grupas tiek izmantotas gandrīz visās iepriekšminētajās CO₂ uztveršanas metodēs. Šajā pētījumā ir apskatīti aminogrupu pielietojumi absorbcijā, adsorbcijā un membrānas atdalīšanā, īpašu uzmanību pievēršot to lomai uz adsorbcijas balstītā CO₂ uztveršanā.
Galvenie vārdi:aminogreisija, uztveršana, adsorbents
CO2 absorbcijas metode ar spirta amīna šķīdumu
Alkohola amīna šķīduma metode ir visizplatītākā un efektīvākā metode CO2 absorbēšanai rūpnieciskos lietojumos. Alkohola amīna molekulā ir vismaz viena hidroksilgrupa, kas var samazināt savienojuma tvaika spiedienu, un šī hidroksilgrupa var arī nodrošināt nepieciešamo sārmaino vidi; Alkohola amīna molekulai jābūt arī aminogrupu, kas var veicināt skābo gāzu absorbciju.
Pašlaik CO2 absorbcijas alkohola amīna metodes uzmanības centrā galvenokārt ir koncentrēta CO2 absorbcijas procesa apstākļi, un ir mazāk pētījumu par absorbcijas procesa masu pārnešanu. DEA absorbējošā CO2 procesam tika pievienota gāzes un šķidruma uzlabošanas ierīce, lai izpētītu gāzes un šķidruma fāžu gāzes un šķidro fāžu masas pārneses rādītāju ietekmi uz masas pārneses veiktspēju. Kad gāzes fāzes maisīšana palielinājās no 50R/min līdz 200R/min, masas pārneses koeficients palielinājās no 0,0154 kmol/(S · m2· MPa) līdz 0,021 kmol/(s · m2· MPa), pieaugums par 36,3%. Kad šķidrās fāzes maisīšana palielinājās no 150R/min līdz 300R/min, relatīvā masas pārneses koeficients palielinājās no 0,009 kmol/(S · m2· MPa) līdz 0,021 kmol/(s · m2· MPa), gandrīz par 134%pieaugumu. Eksperimenti parādīja, ka gāzes un šķidruma uzlabošanas ierīces pievienošana var uzlabot masas pārneses jaudu plašākā diapazonā, tādējādi vēl vairāk uzlabojot CO2 absorbcijas ātrumu.
Papildus augstajai CO2 absorbcijas spējai CO2 absorbcijai ar alkohola amīna šķīdumu ir arī daži neizbēgami defekti:
(1) Alkohola amīna šķīdumu ir grūti atdalīt no CO2 pēc tam, kad tas ir apvienots ar to, un tas ir jānošķir augstākā temperatūrā, kas patērē daudz enerģijas;
(2) alkohola amīna šķīdums izraisīs nopietnu koroziju;
(3) Alkohola amīna šķīdumu CO desorbcijas laikā ir viegli iztvaikot, kas samazina tā spēju absorbēt CO2;
(4) Alkohola amīna šķīdumu ir viegli veikt termiskā sadalīšanās un oksidatīvā noārdīšanās CO2 desorbcijas laikā, kas samazina tā absorbcijas spēju CO2. Tieši iepriekš minēto defektu dēļ zinātniskie pētnieki pēta un izstrādā jaunas metodes un materiālus, kurus var izmantot, lai aizstātu alkohola amīna šķīdumu CO2 uztveršanai, piemēram, jaukta spirta amīna šķīduma metodi, amīnu optimizētu membrānas atdalīšanas metodi un aminosmonizēto adsorbentu.
Adsorbēšanas CO2 metode, izmantojot amino modificētu adsorbentu
Adsorbcijas metodes atslēga ir adsorbents. Parastie adsorbenti ietver molekulāros sietus, aktivēto oglekli utt., Savukārt jaunos adsorbentos ir oglekļa nanocaurules, grafēns, metāla organisko karkasa materiāli, mezoporos materiāli utt. Katrai metodei ir savas priekšrocības un ierobežojumi, un katram materiālam ir arī savi piemērojamie lauki un defekti. Kompozītmateriālu izmantošana vai optimizētas jaunas metodes, kas apvieno dažādu materiālu priekšrocības, būs tendence CO2 uztveršanā, un tai ir lielisks pētījumu potenciāls. Šajā pētījumā tiek izmantoti aminospektīvi modificēti metāla-organiskā karkasa materiāli, amino modificēti mezoporiski materiāli, amino modificētas oglekļa nanocaurules un amino modificēts grafēns kā piemēri, lai ieviestu amino modificētus adsorbentus CO2 uztveršanas jomā.
Amino modificēti metāla-organiski ietvari
Kā jauns adsorbents CO2 uztveršanai, MOF ir ļoti acīmredzamas priekšrocības salīdzinājumā ar parastajiem molekulārajiem sietiem (ceolīta molekulārajiem sietiem, oglekļa molekulārajiem sietiem utt.) Un alkohola amīna šķīdumiem. Pirmkārt, vairuma MOF ietvars ir neitrāls, tāpēc viesu molekulām, kas aizņem poras, ir tikai vāja mijiedarbība ar skeletu. Šīs viesu molekulas var izraidīt no skeleta zemākā temperatūrā, un nepieciešamās poras var ātri radīt, saglabājot skeleta integritāti. Otrkārt, MOF poras lielumu, sadalījumu, hidrofilitāti un ķīmisko funkcionalitāti var veidot molekulārā līmenī, mainot vai modificējot izmantotos organiskos ligandus un metāla jonus.
Lai uzlabotu savu spēju adsorbēt CO2, aminosmodificēti metāla organisko karkasa materiāli pašlaik parasti tiek salikti ar organiskiem ligandiem ar aminogrupu grupām un metāla bultiņu galviņām. Bloms sagatavoja trīs MOF materiālus, uso-1-a1, uso-2-ni un uso-3-i, n un atbilstošos amino modificētos MOF materiālus (USO-1-AI-A, uso-2-ni-a un uso-3-in-a). CO2 adsorbcijas testa rezultāti parādīja, ka amino modificēto materiālu kristalitāte, specifiskais virsmas laukums un poru tilpums ir samazināts līdz dažāda pakāpei, savukārt adsorbcijas efekts tika ievērojami uzlabots. Uzskatot USO-1-A1 un USO-1-AI-A kā piemērus 25 grādos un 1ATM, USO-1-AI CO2 adsorbcijas spēja bija 2,3 mmol/g, savukārt USO-1-A1-A tika palielināta līdz 2,7 mmol/g; Sākotnējais CO2 adsorbcijas siltums palielinājās no 30kj/mol līdz 50kj/mol, kas apstiprināja, ka CO2 adsorbcija ar amino modificētiem materiāliem ir ievērojami uzlabota.
Amino modificēti mezoporiski materiāli
Kaut arī metāla-organiskie karkasa materiāli un molekulārie sieti ir labi adsorbcijas materiāli, mikroporas sistēmas raksturīgā difūzija zināmā mērā ierobežo CO2 adsorbcijas spēju. Daži SiO2 mezoporiski materiāli var samazināt šī difūzijas efekta ietekmi un uzlabot adsorbcijas spēju. Tomēr dažas atlikušās hidroksilgrupas uz SiO2 virsmas padara materiālu mazāk saderīgu ar CO2. Šo problēmu var pārvarēt, apvienojot amino saturošus organiskos savienojumus ar mezoporu materiālu porām, piesūcinot vai potējot.
50% polietilēnimīns tika ielādēts MCM-41 porās, piesūcinot. Amīna modificētā MCM-41 adsorbcijas spēja CO2 sasniedza 133 mg/g pie 348k, kas ir augstāks par 78 mg/g, kas iegūts ar silikagelu kā nesēju.
Amino modificētas oglekļa nanocaurules
Pēdējos gados jaunu materiālu attīstība ir ietekmējusi visus cilvēku dzīves aspektus. Oglekļa nanocauruļu pielietošana gāzes atdalīšanas jomā ir kļuvusi par aktīvu akcentu. Oglekļa nanocaurulēm ir tipiskas slāņainas dobas struktūras īpašības, un fiksētais attālums starp slāņiem veicina aminogreisu.
Pēc tam, kad CNT tika modificēts ar 3-aminopropiltrietoksisilānu (APTS), tika pētīta to CO adsorbcijas spēja un termodinamiskās īpašības. 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, Attiecīgi 85,7 mg/g un 77 mg/g. Šie dati rāda, ka aminogrupu klātbūtnes ATP klātbūtnes dēļ APT ieviešana uz CNT virsmas var ievērojami uzlabot CO adsorbcijas spēju. Un, kad ATPS slodze ir 45% (masas frakcija, tā pati zemāk), tiek sasniegts maksimālais C adsorbcijas daudzums, kas ir 4 reizes lielāks nekā nemodificēts CNT. Tomēr, kad iekraušanas summa turpināja palielināties līdz 54%, tā vietā samazinājās adsorbcijas daudzums. Tas var būt tāpēc, ka pārāk daudz piemērotību uz CNT virsmas palielināja CO2 masas pārnešanas pretestību interjerā.
Šie pētījumu ziņojumi apstiprina, ka oglekļa nanocaurules, kas modificētas ar aminogrupām, spēja uz adsorbu CO2 ir ievērojami labāka nekā nemodificētām oglekļa nanocaurulēm. Oglekļa nanocaurules, kas modificētas ar aminogrupām, parāda labas izredzes CO2 uztveršanā, taču to piemērošanas un attīstības telpa ir ierobežota to augsto izmaksu dēļ.
Amino modificēts grafēns
Grafēna virsmas kristāla struktūra ir ļoti pilnīga, kas padara tās ķīmiskās īpašības neaktīvas. Lai paplašinātu grafēna lietojumprogrammu diapazonu un uzlabotu tā pielietojuma vērtību, tā virsma ir jāmaina. Funkcionālās grupas, kas ģenerētas pēc grafēna oksidācijas, palielina grafēna aktivitāti, liekot pamatu kovalentai modifikācijai. Pēc tam grafēna virsmas funkcionēšanu var panākt, modificējot to ar reaģentiem, piemēram, organiskiem amīniem un izocianātiem.
2012. gadā Mishra et al. Vispirms modificēja grafēna virsmu ar polianilīnu (PANI), lai uztvertu CO, un atklāja, ka modificētajam grafēnam ir lielāka CO2 adsorbcijas spēja nekā aktivētajam ogleklim, ceolītam, metāla organiskajam ietvars materiāliem un oglekļa nanocaurulēm. Viņi arī pētīja un salīdzināja polianilīna modificētu materiālu adsorbcijas izotermas un nemodificētu grafēnu. Kad spiediens bija 11 bar un temperatūra bija 25 grādu, 50 grādu un 100 grādi, CO2 adsorbcijas daudzums ar modificēto materiālu Pani-F-HEG bija attiecīgi 75 mmol/g, 47 mmol/g un 31 mmol/g; savukārt nemodificēta tīra grafēna HEG adsorbcijas daudzums bija 21,6 mmol/g, 18 mmol/g un 12 mmol/g. Lai arī tikko sākās pētījumi par CO2 adsorbciju ar amino modificētu grafītu, šajā sakarā tas ir parādījis lielisku pielietojuma potenciālu un attīstības telpu. Varbūt tas kļūs par jaunu virzienu CO2 adsorbcijas materiālu izstrādei.
Piemēri, piemēram, amino modificēti metāla-organiski karkasa materiāli, amino modificēti mezoporiski materiāli, amino modificētas oglekļa nanocaurules un amino modificēts grafēns, ir pierādījuši, ka šie adsorbenti ir parādījuši labas CO2 uztveršanas iespējas pēc modificēšanas ar aminogrupu grupām un mainījušies no vienkāršiem fizikālās adsorbcijas ķīmiskās adsorbcijas grupām ar aminino grupām un kā aktīviem centu. Tas ir atvēris jaunu jomu adsorbentu izpētei un, iespējams, kļūs par turpmāko pētījumu uzmanības centrā.
Amīna optimizēta membrānas atdalīšanas tehnoloģija CO2 adsorbcijai
Membrānas atdalīšana ir līdzīga skrīninga procesam. Saskaņā ar membrānas poru lielumu, dažas vielas var iziet cauri membrānai, kamēr citas vielas tiek saglabātas ar membrānu, tādējādi sasniedzot atdalīšanas mērķi. Lielākais membrānas atdalīšanas trūkums gāzes atdalīšanā ir tas, ka selektivitāte nav augsta. Ja vēlaties uzlabot membrānas atdalīšanas selektivitāti un uzlabot atdalīšanas efektivitāti, varat apvienot membrānas atdalīšanu ar absorbciju vai adsorbciju. Vispirms izmantojiet membrānas atdalīšanu, lai aptuveni atdalītu gāzi, un pēc tam smalkai atdalīšanai izmantojiet spirta amīna šķīduma absorbciju vai augstas efektivitātes adsorbenta adsorbciju. Tas var ne tikai sasniegt noteiktu atdalīšanas efektu, bet arī ietaupīt ieguldījumu izmaksas. Apvienojiet membrānas atdalīšanas tehnoloģiju ar spirta amīna šķīduma absorbcijas metodi, ļaujiet gāzei plūst gar vienu membrānas pusi, un, kad CO2 izkliedējas uz membrānas otru pusi, to absorbē alkohola amīns. Šai amīna optimizētajai membrānas atdalīšanas metodei ir vienkāršāka ierīce un zemākas ieguldījumu izmaksas nekā alkohola amīna šķīduma absorbcijas metodei. Turklāt, salīdzinot ar tradicionālo membrānas atdalīšanas metodi, ir ievērojami uzlabota spēja adsorbēt CO2. Salīdzinot ar adsorbcijas metodi un alkohola amīnu vieglas absorbcijas metodi, amīnu optimizētajai membrānas atdalīšanas metodei ir ērtas darbības priekšrocības, zems enerģijas patēriņš, labāks adsorbcijas efekts un mazāks ieguldījums. Tomēr tehnoloģiju nenobriešanas dēļ un faktu, ka aprīkojuma aizstāšana joprojām patērē daudz naudas, tā nav rūpnieciski piemērota.
Secinājums
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 "Kompozītmateriāli vai optimizētas jaunas metodes, kas apvieno dažādu materiālu priekšrocības, būs tendence uztvert C02, un tām ir liels pētniecības potenciāls. Jaunu materiālu izstrādē un atdalīšanas metožu optimizācijā aminogrupa ir parādījusi labu savietojamību. Tā pielietojums ir gandrīz visas metodes, kas var ievērojami uzlabot spēju uztvert CO2 un tai ir liela pētījuma vērtība.
