A szilárd szorbensek mint utólagos felszerelési technológia a szén-dioxid eltávolítására a földgázból nagy nyomás és hőmérséklet mellett

Tárgyak

Absztrakt

Bevezetés

A szén-dioxid (CO2) -kibocsátás és annak összefüggése a zöld üvegházakkal és a fosszilis tüzelőanyagokkal a média, a tudományos és az állami közösségek nagy figyelmet szenteltek 1. A globális energiaigény folyamatosan növekszik, és bár nagy erőfeszítéseket tesznek az alternatív energiaforrások megtalálására, a világ energiafogyasztásának több mint 85% -a fosszilis tüzelőanyaggal kapcsolatos 2,3. Körülbelül 7 ezer millió metrikus tonna (MMT) üvegházhatást okozó gáz (GHG) kerül kb. A légkörbe.

Az előégetést általában olyan körülmények között alkalmazzák, amikor a szintézisgázt (szintagáz) magas nyomáson és magas CO2-tartalommal 1 termelik. A CO2 leválasztása az áramtól termodinamikai és energiaintenzitási szempontból jobban elérhető, mint az égés utáni kezelés. Mivel az ilyen alkalmazások magas hőmérsékletű és nagy nyomású áramokkal foglalkoznak, rendkívül szükséges olyan anyagok azonosítása, amelyek extrém körülmények között képesek nagy szétválasztásra. 9,10 .

A szilárd szorbens technológia életképes CO2-megkötési alternatívát kínált a hagyományos aminalapú CO2-abszorpcióhoz kapcsolódó energia- és regenerációs követelmények némelyikének leküzdésére 11. A szilárd adszorbenseknek alacsonyabb a regenerációs energiaigénye, jobb az adszorpciós kapacitás szelektivitása 12,13. Újabban zeolitokról, ionos folyadékokról, fém szerves vázszerkezetekről (MOF), más néven porózus dinációs 14 polimerekről, kovalens szerves vázszerkezetekről 15 és más anyagokról változó sikerrel számoltak be a CO2 megkötésében és eltávolításában, különböző működési körülmények között. A szilárd adszorbensek alkalmazását a regenerálás és az aktiválás csökkent költségei motiválták, és az anyag szelektivitása, stabilitása, költségei és a regenerálás könnyűsége alapján ítélhető meg. Ezenkívül a pórusméret és az adszorbens funkcionalizálásának szabályozásáról számoltak be, mint a gázszétválasztást és -felvételt befolyásoló legkiemelkedőbb tényezők közül 16. Mivel az utóégetés megköveteli, hogy az elválasztás magasabb nyomáson és magasabb hőmérsékleten történjen, elengedhetetlen olyan szilárd adszorbenseket találni, amelyek ilyen extrém körülmények között képesek megkötni a CO2-t számos működési ciklus alatt. .

A Belmabkhout 12 számos fizikai adszorbens anyagát vizsgálta a CO2 eltávolítására és a változók hatására a nyom nyomában. A szerzők kiemelték, hogy az adszorpciós energiák fontos tényezők a potenciális mezoporózus szilárd anyagok kiválasztásában a CO2 adszorpciójában. A magas szelektivitás elengedhetetlen a vegyes gáz alkalmazásában, a szilárd hő- és mechanikai stabilitás mellett a költséghatékonyság mellett 12. Különböző adszorbensek közül a HUM-okat nemrégiben tanulmányozták 18 Különféle HUM-ok állnak rendelkezésre sokféle alkalmazáshoz. Ami a CO2 adszorpcióját illeti, a HUM-ok a nyitott és zárt fémkeret 13,19, keskeny pórusméretű, testreszabott funkcionális csoportokkal rendelkező HUM-ok alapján kategorizálhatók, amelyek a fémkeret munka előtti vagy utáni szintézisével érhetők el. A többkomponensű gázáramokból CO2-eltávolításra képes korszerű fizikailag felszívódó anyagok elvileg olyan új anyagosztályt kínálnak, amely nagy pozitív hatással lehet a CO2-befogási technológiára.

Anyagok és metódusok

A Sigma-Aldrich által szállított és módosítás nélkül felhasznált összes anyag és reagens, ahol nagy tisztaságú. A Buzwair Inc. Katar által szállított gázok szintén nagyon tiszták és kutatási minőségűek voltak.

Szorbens szintézis

Minta jellemzés

Az összes minta hőstabilitását termogravimetriás analízissel végeztük (TGA analizátor, Perkin Elmer Pyris 6). Kb. 0,1 g mintákat szobahőmérsékletről 700 ° C-ra melegítünk 10 ° C/perc sebességgel N2 atmoszféra alatt. A szorbensek mindegyikére feljegyezzük a termogramokat.

N2 gázadszorpciót 77 K hőmérsékleten folyékony nitrogén alkalmazásával hajtottunk végre. Az összes mintát legalább 3 órán át gáztalanítottuk, mielőtt jellemeztük 150 ° C-on vákuumban. Az adszorpciós-deszorpciós elemzést a három vizsgált minta esetében végeztük. Brunauer-Emmett-Teller (BET) módszert alkalmaztunk a minták mikroporozimetriás jellemzésére ASAP 2420 felületi és porozitás analizátorral (Micromeritics, Németország). A BET modell segítségével elemeztük a felületet a rendszer relatív nyomásához (P/Po) viszonyítva. A pórusméret-eloszlást Barrett-Joyner-Halenda (BHJ) módszerével 25,26 .

Por röntgendiffrakció (XRD). A difraktogramokat egy Bruker D2 Phaser készüléken rögzítettük 2–75 ° közötti tartományban 2 Theta felett (2θ). Továbbá a Fourier transzformációs infravörös spektrumokat (FTIR) (Bruker Vertex 80 segítségével) a három szorbensre 4000–400 cm −1 tartományban végeztük. .

Nagynyomású CO2 adszorpciós kísérletek

A nagynyomású mágneses szuszpenzió vázlata (Rubotherm).