ככל שההתחממות הגלובלית מתעצמת, הפחתת פליטות גזי החממה כמו פחמן דו חמצני והגנה על הסביבה הפכו לאחד הנושאים העיקריים הגלובליים שיש לפתור. כדי להשיג הפחתת פליטת פחמן דו חמצני, יש צורך לעבור את תהליכי הלכידה, הובלה, אחסון, יישום והמרה. עלות הלכידה בתהליכים אלה מהווה כ- 75%, או אפילו גבוהה יותר. נכון לעכשיו, ריכוז ה- CO2 של מרבית מקורות הפליטה הגדולים הוא פחות מ -15%, ואילו לחלק קטן (פחות מ -2%) ממקורות תעשייתיים המבוססים על דלקים מאובנים יש ריכוז פליטת CO2 של יותר מ- 95%. מקורות ריכוז גבוה הם יעדים פוטנציאליים ליישום מוקדם של טכנולוגיית לכידת ואחסון של פחמן דו חמצני (CCS). CO2 הוא אחד הגזים העיקריים הגורמים לאפקט החממה והוא גם משאב פחמן פוטנציאלי. ל- CO2 מגוון רחב של שימושים במגזרים שונים של הכלכלה הלאומית כחומר גלם כימי, קירור, משפר ייצור שדות נפט, בינוני אינרטי, ממס ומקור לחץ. לפיכך, כל המדינות מחויבות להפחתת פליטת פחמן דו חמצני משריפת דלקים מאובנים. נכון לעכשיו, טכנולוגיית לכידת פחמן דו חמצני נמצאת בשימוש נרחב בכימיקלים, תחנת כוח, ייצור רכב ותעשיות אחרות. עם זאת, החסרונות של חומרי לכידת פחמן דו חמצני בשלב זה הם ביצועי מיחזור לקויים, רעילות, יעילות לכידת נמוכה, חומרי גלם נדירים וצריכת אנרגיה גבוהה. לפיכך, פיתוח חומרי לכידת פחמן חדשים הפך למוקד מחקרי.
מילות מפתח: פחמן דו חמצני; לכידת חומרים; מֶחקָר; הִתקַדְמוּת
הישגים במחקר ופיתוח חומרי לכידת פחמן
ספיחת פתרונות
ספיחת פתרונות משתמשת בעיקר בפתרונות המכילים קבוצות פונקציונליות אמין כדי ללכוד CO2 באמצעות ספיגה כימית. הסופרים הנפוצים הם פתרונות אמין אלכוהול, כולל אמינים אלכוהול ראשוניים (כמו אתנולמין), אמינים אלכוהול משניים (כמו דיאתנולמין ודיסופרופנולמין) ואמינים באלכוהול שלישוני (כמו מתילדיאנולמין וטריאתנולמין). שיטת ספיגה כימית זו משתמשת בספיגה כדי להגיב עם CO2 כדי להשיג את המטרה של התאוששות CO, ומשתמשת בתגובה ההפוכה שלה כדי לחדש את הספיגה. לשיטה זו יש קצב הסרת CO2 גבוה והיא אחת השיטות היעילות ביותר לשחזור CO2. זה מתאים גם לטיפול בגזים מעורבים בלחץ חלקי נמוך של CO. עם זאת, עדיין ישנם חסרונות רבים המגבילים את השימוש בשיטה זו: אמינים מועדים להשפלה חמצונית, מה שמפחית את ביצועי הספיגה וגם מגדיל את הצמיגות של התמיסה, שאינו עולה להעברת גז; אמינים ומוצרי ההשפלה שלהם קל להתנשא במהלך התחדשות הסופגת, מה שמקטין את יכולת הספיגה שלו: האלימות החזקה של תמיסת האמין מאכלת במיוחד למכשירים וציוד; הניתוח מסורבל יחסית; צריכת האנרגיה ההתחדשות גבוהה.
חומרי ספיחה של תרכובת מתכת אלקליין
מכיוון ש- CO2 הוא גז חומצי, הוא נספג בקלות על פני השטח של חומרים מעט אלקליין. ישנם שלושה סופגים עיקריים עיקריים כיום תחת מחקר ופיתוח: האחד הוא תחמוצות מתכת אלקליין, כמו Na2O2, K2O, CAO, MGO ו- AI2O3. לתחמוצות מתכת יש יכולת ספיחה טובה בטמפרטורות גבוהות, במיוחד אלומינה. כאשר מוסיפים מתכות אלקלי (כמו Li2O, K2O, Na2O), ניתן לשפר מאוד את יכולת הספיחה שלה בטמפרטורות גבוהות בהשוואה לסופגים פיזיים; השנייה היא מלחי מתכת אלקליין, כמו סידן פחמתי, סיליקטים, ליתיום סיליקט וזירקונאט ליתיום; השלישית היא תערובת הידרוטלציט. Hydrotalcite מכיל תרכובות מתכת אלקליין ובעל מבנה מיקרופורי. זהו חומר מורכב טבעי. הספיחה של פחמן דו חמצני על ידי Hydrotalcite עוררה את העניין המחקר של אנשים.
ספיחת חומר פחמן
חומרי הפחמן כוללים בעיקר סיבי פחמן ופחמן מופעלים.
(1) פחמן מופעל הוא הספיגה הנקבובית השחורה הנפוצה ביותר עם שטח פנים ספציפי גדול. המרכיבים העיקריים שלו הם פחמן אמורפי, כמו גם כמות קטנה של מימן, חמצן, חנקן, גופרית ואפר. התכונות הפיזיקליות והכימיות והתכונות הכימיות של פני השטח של הפחמן המופעל המיוצר ישתנו מאוד בהתאם לחומרי הגלם, בתהליך ההכנה ובשיטת ההפעלה. הגורמים העיקריים שקובעים את יכולת הספיחה של פחמן מופעל הם שטח הפנים הספציפי, מאפייני מבנה הנקבוביות, תכונות פני השטח ומאפייני הספיחה של הספיגה. נבדקו ביצועי הספיחה של מספר ספיגת פחמן מופעלת ב- CO2 בטמפרטורה גבוהה. עבור סוגים שונים של סופגים, כמות הספיחה של CO2 היא פרופורציונלית לשטח הפנים הספציפי ונפח הנקבוביות הכולל של הפחמן המופעל; בעוד שבאותה ספיגה, כמות הספיחה היא פרופורציונלית ללחץ ויחס הפוך לטמפרטורה.
(2) סיבי פחמן מופעלים מתקבלת על ידי פחמימות והפעלת סיבים אורגניים. זהו הדור השלישי של חומר הפחמן לאחר אבקת פחמן מופעלת וחלקיקי פחמן מופעלים. לסיבי פחמן מופעלים שטח פנים ספציפי מפותח יותר מפחמן מופעל גרגירי, קוטר מיקרופור קטן יותר (בערך 1nm), ונפח המיקרופורה מהווה יותר מ- 90% מכלל נפח הנקבוביות. יחד עם זאת, הוא נפתח ישירות על פני הסיבים, ולכן יש לו היתרונות של יכולת ספיחה גדולה, יעילות ספיחה גבוהה ומהירות ספיחה מהירה ומהירות ספיחה. בשל ייחודיות המבנה והביצועים שלו, השימוש בסיבי פחמן מופעלים כדי לספוג מזהמי אוויר הפך לנקודה חמה מחקרית עבור חוקרים מדעיים והציגה סיכויי יישום נהדרים.
ספיחת מסננת מולקולרית זאוליט
מסננת מולקולרית זאוליט היא אלומיניוסיליקט גבישי טבעי או סינטטי המכיל מתכת אלקלי ותחמוצות מתכת אדמה אלקליין. יש לו מבנה ונקבוביות קפדניות. גודל הנקבוביות משתנה מעט בגלל הבדלים מבניים, ויכול להפריד בין חומרים בעלי משקולות מולקולריות שונות. ספיגת מסננת מולקולרית זאוליט משמשת לרוב להפרדת גז וטיהור, כמו ייצור חנקן מאוויר, הפרדה וטיהור של CO2 וכו '. יכולת הספיחה שלה פוחתת גם עם עליית הטמפרטורה. Lila et al. משמש מסננת מולקולרית של ASRTSA לספיגה ולהסיר CO2 מכמוסת החלל. הניסויים מראים שכאשר הטמפרטורה עולה ל 175 מעלות, סכום הספיחה הוא רק 24% מזה של 25 מעלות. באותם תנאים, כמות הספיחה של המסננת המולקולרית הזוליטית, שהיא גם ספיחה פיזית, גבוהה יותר מזו של פחמן מופעל.
ספיחת חומרים מזופוריים
מדענים במרכז הלאומי הצרפתי למחקר מדעי פיתחו חומר חדש בשם MIL-101, שיכול לספוג כמות גדולה של גז פחמן דו חמצני. חומר זה צפוי לשפר את היכולת להתנגד להתחממות כדור הארץ. חומר זה מסונתז מכרום וחומצה טרפטלית. זהו ננו -חומר מורכב נקבובי עם משטח מכוסה בחורים קטנים בקוטר של 3.5 ננומטר. לכן יכולת הספיחה חזקה מאוד. MIL-101 עם נפח של 1 מ '3יכול לאחסן 400 מ '3של פחמן דו חמצני ב 25 מעלות. כושר האחסון של חומר הספיחה הכללי הנוכחי באותם תנאים הוא 200 מ 'בלבד3ו ניתן למקם חומר חדש זה על המכונית כדי לסנן את הפחמן הדו -חמצני שהוא פולט, ובכך להשיג את המטרה של צמצום פליטת גזי החממה.
ספיחת סיליקה ג'ל
הושווה בין ביצועי הספיחה של CO של שני סופרים סיליקה ג'ל, איזותרמות הספיחה של N2 ו- CO2 על סיליקה ג'ל וספיגת פחמן מופעלת נחקרו ונחקרו עקומות החדירה הדינאמיות של CO2 במערכות שונות. התוצאות מראות כי כמות הספיחה של CO2 על ידי ספיגת סיליקה ג'ל דומה לזו של פחמן מופעל, וסלקטיביות הספיחה טובה יותר מזו של פחמן מופעל; שטח הפנים הספציפי הגדול יותר ותכולת הנקבובית הגבוהה מועילים לספיחת CO2, והתפלגות הנקבוביות המתאימה תורמת להפחתת עמידות הדיפוזיה הפנימית של ספיגת סיליקה ג'ל.
ספיחת חומרים מורכבים
המחקר השתמש באבקת מסננת mesoporous molecular כמוביל ועמוס באמינים אורגניים שונים להכנת חומרי ספיחה CO2. ספיגות CO2 של אמין CO2 מוצק יכולות לספוג באופן סלקטיבי גז חומצי CO2 באמצעות תגובות כימיות ופחות מושפעות מאדי מים. ספיגת ה- CO2 המוצקה של אמין CO2 שהוכנה באמצעות חומרים מזופוריים עם שטח פנים ספציפי ונפח נקבוביות כמו נשאים הראו את המאפיינים של יכולת ספיחה גבוהה. בפרט, מיקלי התבנית הכלולים באבקה המקורית של החומר המזופורי נשמרים, ו"ניצולים "של קשקשים שונים נוצרים במרחב המזופורי כדי ליירט ולספוג CO2 בזרימת האוויר, עם יעילות ספיחה גבוהה. נבדקה ספיחת הפחמן הדו -חמצני של זאוליטים עמוסה בתרכובות אמין, והתוצאות הראו כי יכולת הספיחה של CO2 של זאוליטים עלתה ב- 20% ~ 30% לאחר העמסת אמינים. הסיבה לכך היא שגם ספיחה פיזית וגם ספיחה כימית מתרחשת בתהליך הספיחה של חומרים מורכבים, וההשפעות הכפולות משפיעות סינרגיסטיות.
נוזלים יוניים
בניגוד לממסים אורגניים מסורתיים, נוזלים יוניים אינם מייצרים תרכובות אורגניות נדיפות במהלך תהליך הפחמימות בגלל לחץ האדים הנמוך שלהם והם קלים לשימוש. במקביל, ניתן להשתמש שוב ושוב בנוזלים יוניים. עם המימון המשותף של משרד משרד האנרגיה האמריקני של אנרגיה מאובנים ומעבדת טכנולוגיית האנרגיה האמריקאית, ג'ניפר ל ', וואנג ז'ונגני, ואחרים ניהלו מגוון נוזלים יוניים. תכונות פיזיות ומחקרי מנגנון ספיגת CO2. התוצאות מראות כי בקרב נוזלים יוניים שנתנים, נוזלים יוניים יש סלקטיביות טובה יותר ל- CO2; יחד עם זאת, נמצא כי לנוזלים יוניים יש דרישות CO, עומס ספיגה גבוה ודרישות חום התחדשות נמוכות יותר.
סיבי החלפת יונים אלקליין
חקר את הספיחה של CO2 על ידי סיבי החלפת יונים אלקליין חזקים. הם הדמו את תהליך הספיחה והספיחה של הגז ומצאו כי סיבי חילופי יונים אלקליין חזקים יכולים לספוג היטב גז CO2. המחקר של גורמים שונים המשפיעים על ספיחת גז CO2 על ידי סיבי החלפת אניון אלקליין חזק הראה כי: לשינוי תכולת המים יש את ההשפעה הגדולה ביותר על הספיחה, ותכולת מים גבוהה תורמת לספיחת הגז על ידי סיבים; קצב זרימת הגז האיטי מועיל לספיחת הגז על ידי סיבים, וקצב זרימה מהיר יכול גם לספוג היטב את הגז. כל עוד ריכוז הגז אינו עולה על גבול מסוים, ספיחת הסיבים תושפע פחות; צורת עמוד ההחלפה משפיעה גם על ביצועי הספיחה של הסיבים, ועמודי החלפה דקים טובים יותר מאשר קצרים ועבים.
טכנולוגיית הפרדת קרום
ספיגה מבוססת קרום היא טכנולוגיית הפרדת קרום חדשה המשלבת טכנולוגיית קרום עם טכנולוגיית ספיגת גז. ספיגה מבוססת ממברנה היא טכנולוגיית הפרדת קרום חדשה שמזדווג הפרדת קרום וספיגת נוזלים. חומר הממברנה המתאים ללכידת CO2 הוא סיבים חלולים של פוליפרופילן, ונוזל ספיגת הממברנה הוא תמיסה מימית פוליאמין מופעלת. רכיב ה- CO2 בגז המעורב עובר באופן עדיף דרך הממברנה ונספג על ידי התמיסה המימית של הפוליאמין. ואז נוזל הפסולת מתחדש על ידי זיקוק הממברנה, ושיעור ההתחדשות שלו יכול לעלות על 98%. לא זו בלבד שהיא תופסת שטח קטן ובעלת תנאי הפעלה ידידותיים, אלא גם שטח הממברנה הסיבים החלולים הוא גדול, קצב המעבר CO2 גבוה, ושיעור התחדשות הפתרונות הוא גבוה, מה שהופך את השיטה הזו למגמת הפיתוח של טכנולוגיית לכידת CO2 בעתיד.
מַסְקָנָה
ככל שהמודעות הסביבתית של אנשים גדלה בהדרגה, מדינות שונות הגדילו את מאמציהן להגן על הסביבה, אשר בהכרח תמלא תפקיד חיובי בקידום התפתחות חומרי לכידת דו -חמצני. בשנים האחרונות עבודות המחקר על חומרי לכידת פחמן דו חמצני התקדמו מאוד. טכנולוגיית לכידת פחמן דו חמצני מתפתחת בכיוון של מחיר נמוך, תהליך פעולה פשוט, עלות הפעלה נמוכה ומיחזור לטווח הארוך. זה דורש כי חומרי לכידת פחמן דו חמצני חייבים להיות בעלי מאפיינים של זמינות קלה של חומרי גלם ייצור ותהליך ייצור פשוט וידידותי לסביבה, יכולת התחדשות טובה ושימוש למחזור, והוא נדרש להיות מסוגל לטפל בו זמנית במזהמים מרובים כמו דו -חמצי פחמן, מימן גופריני וחנקן. זה הופך את חומרי לכידת הפחמן הדו -חמצני החכם למגמת פיתוח עתידית. חומרים חדשים יכולים להתאים כראוי את תכונות השטח שלהם ולשפר את הספיחה באטמוספרות שונות בהתאם לשינויים הסביבתיים.
