Tiến trình nghiên cứu của vật liệu chụp carbon dioxide

Khi sự nóng lên toàn cầu tăng cường, việc giảm khí thải nhà kính như carbon dioxide và bảo vệ môi trường đã trở thành một trong những vấn đề toàn cầu cốt lõi cần giải quyết. Để đạt được giảm phát thải carbon dioxide, cần phải trải qua các quá trình bắt giữ, vận chuyển, lưu trữ, ứng dụng và chuyển đổi. Chi phí nắm bắt trong các quy trình này chiếm khoảng 75%, hoặc thậm chí cao hơn. Hiện tại, nồng độ CO2 của hầu hết các nguồn phát thải lớn là dưới 15%, trong khi một phần nhỏ (dưới 2%) nguồn công nghiệp dựa trên nhiên liệu hóa thạch có nồng độ phát xạ CO2 hơn 95%. Các nguồn tập trung cao là các mục tiêu tiềm năng để thực hiện sớm công nghệ lưu trữ và thu giữ carbon dioxide (CCS). CO2 là một trong những loại khí chính gây ra hiệu ứng nhà kính và cũng là nguồn tài nguyên carbon tiềm năng. CO2 có một loạt các công dụng trong các lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế quốc gia như một nguyên liệu thô hóa học, chất làm lạnh, chất tăng cường sản xuất mỏ dầu, môi trường trơ, dung môi và nguồn áp lực. Do đó, tất cả các quốc gia cam kết giảm lượng khí thải carbon dioxide từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch. Hiện tại, công nghệ bắt giữ carbon dioxide được sử dụng rộng rãi trong hóa chất, nhà máy điện, sản xuất ô tô và các ngành công nghiệp khác. Tuy nhiên, những nhược điểm của vật liệu bắt carbon dioxide ở giai đoạn này là hiệu suất tái chế kém, độc tính, hiệu quả bắt giữ thấp, nguyên liệu thô khan hiếm và tiêu thụ năng lượng cao. Do đó, sự phát triển của các vật liệu thu thập carbon mới đã trở thành một trọng tâm nghiên cứu.

Từ khóa: Carbon dioxide; Chụp vật liệu; nghiên cứu; tiến triển

Giải pháp hấp phụ chủ yếu sử dụng các giải pháp có chứa các nhóm chức năng amin để nắm bắt CO2 thông qua sự hấp thụ hóa học. Các chất hấp phụ thường được sử dụng là các dung dịch amin rượu, bao gồm các amin rượu nguyên phát (như ethanolamine), các amin rượu thứ cấp (như diethanolamine và diisopropanolamine) và amin rượu cấp ba (như methyldiethanolamine và triethanolamine). Phương pháp hấp thụ hóa học này sử dụng chất hấp thụ để phản ứng với CO2 để đạt được mục đích phục hồi CO và sử dụng phản ứng ngược của nó để tái tạo chất hấp thụ. Phương pháp này có tỷ lệ loại bỏ CO2 cao và là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để phục hồi CO2. Nó cũng phù hợp để xử lý các loại khí hỗn hợp với áp suất một phần thấp của CO. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều nhược điểm hạn chế việc sử dụng phương pháp này: các amin dễ bị phân hủy oxy hóa, làm giảm hiệu suất hấp thụ và cũng làm tăng độ nhớt của dung dịch, không hấp thụ quá mức; Các amin và các sản phẩm thoái hóa của chúng rất dễ bay hơi trong quá trình tái tạo chất hấp thụ, làm giảm khả năng hấp thụ của nó: độ kiềm mạnh của dung dịch amin đặc biệt ăn mòn các dụng cụ và thiết bị; Các hoạt động tương đối cồng kềnh; Tiêu thụ năng lượng tái sinh cao.

Vì CO2 là một loại khí có tính axit, nó dễ dàng hấp phụ trên bề mặt của các vật liệu hơi kiềm. Có ba chất hấp phụ kiềm chính hiện đang được nghiên cứu và phát triển: một là các oxit kim loại kiềm, như NA2O2, K2O, CAO, MGO và AI2O3. Các oxit kim loại có khả năng hấp phụ tốt ở nhiệt độ cao, đặc biệt là alumina. Khi kim loại kiềm (như LI2O, K2O, NA2O) được thêm vào, khả năng hấp phụ của nó ở nhiệt độ cao có thể được cải thiện đáng kể so với các chất hấp phụ vật lý; Thứ hai là muối kim loại kiềm, như canxi cacbonat, silicate, lithium silicat và lithium zirconate; Thứ ba là hỗn hợp hydrotalcite. Hydrotalcite chứa các hợp chất kim loại kiềm và có cấu trúc vi mô. Nó là một vật liệu composite tự nhiên. Sự hấp phụ của carbon dioxide bằng hydrotalcite đã làm dấy lên sự quan tâm nghiên cứu của mọi người.

Vật liệu carbon chủ yếu bao gồm carbon và sợi carbon hoạt hóa.

(1) Carbon hoạt hóa là chất hấp phụ xốp đen phổ biến nhất với diện tích bề mặt riêng. Các thành phần chính của nó là carbon vô định hình, cũng như một lượng nhỏ hydro, oxy, nitơ, lưu huỳnh và tro. Các tính chất vật lý và hóa học và tính chất hóa học bề mặt của carbon được kích hoạt được sản xuất sẽ thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào nguyên liệu thô, quy trình chuẩn bị và phương pháp kích hoạt. Các yếu tố chính xác định khả năng hấp phụ của carbon hoạt hóa là diện tích bề mặt cụ thể, đặc điểm cấu trúc lỗ rỗng, tính chất bề mặt và đặc tính hấp phụ của chất hấp phụ. Hiệu suất hấp phụ của một số chất hấp phụ carbon được kích hoạt trên CO2 ở nhiệt độ cao đã được nghiên cứu. Đối với các loại chất hấp phụ khác nhau, lượng CO2 hấp phụ tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt cụ thể và tổng thể tích lỗ rỗng của carbon được kích hoạt; Mặc dù đối với cùng một chất hấp phụ, lượng hấp phụ tỷ lệ thuận với áp suất và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ.

(2) Sợi carbon được kích hoạt thu được bằng cách cacbon hóa và kích hoạt các sợi hữu cơ. Đây là thế hệ thứ ba của vật liệu carbon sau bột carbon hoạt hóa và các hạt carbon được kích hoạt. Sợi carbon hoạt hóa có diện tích bề mặt riêng phát triển hơn so với carbon hoạt hóa hạt, đường kính micropore nhỏ hơn (khoảng 1nm) và khối lượng micropore chiếm hơn 90% tổng thể tích lỗ rỗng. Đồng thời, nó được mở trực tiếp trên bề mặt sợi, do đó nó có lợi thế của khả năng hấp phụ lớn, hiệu quả hấp phụ cao và tốc độ hấp phụ và giải hấp nhanh. Do tính đặc biệt của cấu trúc và hiệu suất của nó, việc sử dụng sợi carbon được kích hoạt cho các chất gây ô nhiễm không khí hấp phụ đã trở thành một điểm nóng nghiên cứu cho các nhà nghiên cứu khoa học và đã cho thấy triển vọng ứng dụng tuyệt vời.

Mây phân tử zeolite là một aluminosilicat tinh thể tự nhiên hoặc tổng hợp có chứa các oxit kim loại kiềm và kim loại kiềm. Nó có một cấu trúc và lỗ chân lông nghiêm ngặt. Kích thước lỗ rỗng thay đổi một chút do sự khác biệt về cấu trúc và có thể tách các chất có trọng lượng phân tử khác nhau. Các chất hấp phụ sàng phân tử zeolite thường được sử dụng để tách và tinh chế khí, như sản xuất nitơ từ không khí, tách và tinh chế CO2, v.v ... Khả năng hấp phụ của nó cũng giảm khi tăng nhiệt độ. Lila et al. Được sử dụng sàng phân tử ASRTSA để hấp phụ và loại bỏ CO2 khỏi viên nang không gian. Các thí nghiệm cho thấy rằng khi nhiệt độ tăng lên 175 độ, lượng hấp phụ chỉ là 24% so với 25 độ. Trong cùng điều kiện, lượng hấp phụ của sàng phân tử zeolite, cũng là một sự hấp phụ vật lý, cao hơn so với carbon được kích hoạt.

Các nhà khoa học tại Trung tâm nghiên cứu khoa học quốc gia Pháp đã phát triển một vật liệu mới gọi là MIL-101, có thể hấp thụ một lượng lớn khí carbon dioxide. Vật liệu này dự kiến sẽ tăng cường khả năng chống lại sự nóng lên toàn cầu. Vật liệu này được tổng hợp từ crom và axit terephthalic. Nó là một vật liệu nano tổng hợp xốp với một bề mặt được bao phủ bởi các lỗ nhỏ có đường kính 3,5nm. Do đó, khả năng hấp phụ rất mạnh. Mil-101 với khối lượng 1m³Có thể lưu trữ 400m³của carbon dioxide ở 25 độ. Dung lượng lưu trữ của vật liệu hấp phụ chung hiện tại trong cùng điều kiện chỉ là 200m³. Vật liệu mới này có thể được đặt trên xe để lọc carbon dioxide mà nó phát ra, do đó đạt được mục đích giảm phát thải khí nhà kính.

Hiệu suất hấp phụ CO của hai chất hấp phụ silica gel được so sánh, các đường đẳng nhiệt hấp phụ của N2 và CO2 trên silica gel và chất hấp phụ carbon được kích hoạt đã được xác định và các đường cong thâm nhập hấp phụ động của CO2 trong các hệ thống khác nhau đã được nghiên cứu. Kết quả cho thấy lượng chất hấp phụ CO2 hấp phụ bằng chất hấp phụ silica gel tương đương với carbon được kích hoạt và độ chọn lọc hấp phụ tốt hơn so với carbon được kích hoạt; Diện tích bề mặt riêng lớn hơn và hàm lượng lỗ rỗng cao có lợi cho sự hấp phụ của CO2 và sự phân bố lỗ rỗng thích hợp có lợi cho việc giảm khả năng chống khuếch tán bên trong của chất hấp phụ silica gel.

Nghiên cứu đã sử dụng bột sàng phân tử trung mô như một chất mang và được nạp với các amin hữu cơ khác nhau để chuẩn bị các vật liệu hấp phụ CO2. Các chất hấp phụ CO2 Solid AMINE có thể hấp phụ Gas Acidic Acid Co2 một cách chọn lọc thông qua các phản ứng hóa học và ít bị ảnh hưởng bởi hơi nước. Khoản hấp phụ CO2 của amin rắn được điều chế bằng cách sử dụng các vật liệu mesopious có diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ rỗng như các chất mang cho thấy các đặc điểm của khả năng hấp phụ cao. Cụ thể, các micelle mẫu chứa trong bột ban đầu của vật liệu trung mô được giữ lại, và "lưới" của các thang đo khác nhau được hình thành trong không gian trung mô để chặn và hấp phụ CO2 trong luồng không khí, với hiệu quả hấp phụ cao. Sự hấp phụ carbon dioxide của zeolit được nạp với các hợp chất amin đã được nghiên cứu và kết quả cho thấy khả năng hấp phụ CO2 của zeolit tăng 20% ~ 30% sau khi tải các amin. Điều này là do cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học xảy ra trong quá trình hấp phụ của vật liệu composite và các hiệu ứng kép có tác dụng hiệp đồng.

Không giống như dung môi hữu cơ truyền thống, chất lỏng ion không tạo ra các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong quá trình khử cacbon do áp suất hơi thấp và dễ sử dụng. Đồng thời, chất lỏng ion có thể được sử dụng nhiều lần. Với tài trợ chung của Văn phòng Năng lượng Hóa thạch của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Phòng thí nghiệm Công nghệ Năng lượng Quốc gia Hoa Kỳ, Jennifer L, Wang Zhongni và những người khác đã tiến hành nhiều loại chất lỏng ion. Tính chất vật lý và nghiên cứu cơ chế hấp thụ CO2. Kết quả cho thấy trong số các chất lỏng ion nhất định, chất lỏng ion có độ chọn lọc tốt hơn cho CO2; Đồng thời, người ta thấy rằng chất lỏng ion có CO cao, tải trọng hấp thụ và yêu cầu nhiệt tái sinh thấp hơn.

Đã nghiên cứu sự hấp phụ của CO2 bằng sợi trao đổi ion kiềm mạnh. Họ đã mô phỏng quá trình hấp phụ và giải hấp khí và thấy rằng sợi trao đổi ion kiềm mạnh có thể hấp phụ khí CO2. Nghiên cứu về các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến sự hấp phụ của khí CO2 bởi sợi trao đổi anion kiềm mạnh cho thấy: Sự thay đổi hàm lượng nước có tác động lớn nhất đến sự hấp phụ và hàm lượng nước cao có lợi cho sự hấp phụ của khí; Tốc độ dòng khí chậm có lợi cho sự hấp phụ của khí bằng chất xơ, và tốc độ dòng nhanh cũng có thể hấp phụ khí. Miễn là nồng độ khí không vượt quá giới hạn nhất định, sự hấp phụ của sợi sẽ ít bị ảnh hưởng; Hình dạng của cột trao đổi cũng ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ của sợi và các cột trao đổi mảnh tốt hơn so với các cột ngắn và dày.

Hấp thụ dựa trên màng là một công nghệ tách màng mới kết hợp công nghệ màng với công nghệ hấp thụ khí. Hấp thụ dựa trên màng là một công nghệ tách màng mới, kết hợp việc tách màng và hấp thụ chất lỏng. Vật liệu màng phù hợp để chụp CO2 là sợi rỗng polypropylen và chất lỏng hấp thụ màng là dung dịch nước polyamine được kích hoạt. Thành phần CO2 trong khí hỗn hợp ưu tiên đi qua màng và được hấp thụ bởi dung dịch nước polyamine. Sau đó, chất lỏng chất thải được tái sinh bằng chưng cất màng và tỷ lệ tái tạo của nó có thể vượt quá 98%. Nó không chỉ chiếm một khu vực nhỏ và có điều kiện vận hành thân thiện, mà cả diện tích màng sợi rỗng cũng lớn, tốc độ vượt qua CO2 cao và tốc độ tái tạo giải pháp cao, làm cho phương pháp này trở thành xu hướng phát triển của công nghệ chụp CO2 trong tương lai.

Khi nhận thức về môi trường của mọi người dần dần, các quốc gia khác nhau đã tăng cường nỗ lực bảo vệ môi trường, điều này chắc chắn sẽ đóng vai trò tích cực trong việc thúc đẩy sự phát triển của các vật liệu thu thập carbon dioxide. Trong những năm gần đây, công việc nghiên cứu về vật liệu chụp carbon dioxide đã đạt được tiến bộ lớn. Công nghệ bắt giữ carbon dioxide đang phát triển theo hướng giá thấp, quy trình vận hành đơn giản, chi phí vận hành thấp và tái chế dài hạn. Điều này đòi hỏi các vật liệu bắt giữ carbon dioxide phải có các đặc điểm dễ dàng của nguyên liệu thô và giá thấp, quy trình sản xuất đơn giản và thân thiện với môi trường, khả năng tái tạo tốt và sử dụng tái chế, và cần phải có thể điều trị đồng thời nhiều chất gây ô nhiễm như carbon dioxide, hydro sunfua. Điều này làm cho các vật liệu thu thập carbon dioxide thông minh trở thành một xu hướng phát triển trong tương lai. Các vật liệu mới có thể điều chỉnh một cách thích hợp các tính chất bề mặt của chính chúng và tăng cường sự hấp phụ trong các khí quyển khác nhau theo thay đổi môi trường.