Vzhledem k emisím z produkce lidských a každodenních činností se koncentrace atmosférického koresu zvýšila z 280 ppmv na začátku průmyslové revoluce na 379 ppmv v roce 2005 a toto číslo se nyní zvýšilo na 390 ppmv2. S tím, jak se dopady zvyšujících se úrovní Co₂ stávají stále závažnějšími, se vývoj efektivních technologií pro zachycení stal v chemické komunitě horkým tématem. Metody proudu CO₂ COD COR patří především absorpci, adsorpci a separaci membrány. Mezi nimi je absorpční metoda dále rozdělena na fyzickou absorpci a absorpci chemické absorpce:
Fyzikální absorpce používá rozpouštědla s vysokým vařením (např. Ethanol, polyethylenglykol) k absorbování a desorbování CO₂ nepřetržitým nastavováním tlaku a teploty mezi CO₂ a absorpcí, čímž se dosahuje separace.
Chemická absorpce se spoléhá na chemické reakce mezi surovým plynem a absorbentem pro zachycení CO₂.
Adsorpční metoda se ukázala jako vysoce slibná technologie separace a obnovy díky jeho výhodám jednoduchého procesu, nízké spotřebě energie, snadné automatizaci a nekorozivitě. Metoda separace membrány odděluje CO₂ na základě diferenciálního permeačního rychlosti CO₂ a dalších plynových složek prostřednictvím membránových materiálů. Amino skupiny jsou aplikovány téměř ve všech výše uvedených metodách zachycení CO₂. Tato studie shrnuje aplikace aminových skupin v absorpci, adsorpci a separaci membrány se specifickým zaměřením na jejich roli při zachycení CO₂ založené na adsorpci.
Klíčová slova:Amino modifikace, zachycení, adsorbent
Metoda absorbování CO2 s roztokem aminu alkoholu
Metoda roztoku aminu alkoholu je nejčastější a nejúčinnější metodou absorpce CO2 v průmyslových aplikacích. Molekula aminu alkoholu obsahuje alespoň jednu hydroxylovou skupinu, která může snížit tlak páry sloučeniny, a tato hydroxylová skupina může také poskytnout potřebné alkalické prostředí; Molekula aminu alkoholu by měla také obsahovat aminoskupinu, která může podporovat absorpci kyselých plynů.
V současné době je výzkumné zaměření metody aminu alkoholu pro absorpci CO2 většinou soustředěno na procesní podmínky absorpce CO2 a existuje menší výzkum o přenosu hmoty absorpce. Do procesu DEA absorbujícího CO2 bylo přidáno zařízení pro zlepšení plynu-kapaliny, aby se studoval účinek zvýšení míchání plynu a kapalné fáze na výkon přenosu hmoty mezi plynným a kapalnou fází. Když se míchání plynné fáze zvýšilo z 50R/min na 200R/min, zvýšil se z 0,0154 kmol/(s · m2· MPa) až 0,021 kmol/(S · m2· MPA), nárůst o 36,3%. Když se míchání kapalné fáze zvýšilo ze 150R/min na 300r/min, relativní koeficient přenosu hmoty se zvýšil z 0,009 kmol/(s · m2· MPa) až 0,021 kmol/(S · m2· MPA), nárůst o téměř 134%. Pokusy ukázaly, že přidání zařízení pro vylepšení plynu-kapaliny může zlepšit kapacitu přenosu hmoty ve větším rozsahu, čímž se dále zlepšuje absorpční rychlost CO2.
Kromě vysoké absorpční kapacity CO2 má absorpce CO2 roztokem aminu alkoholu také některé nevyhnutelné defekty:
(1) Je obtížné oddělit roztok aminu alkoholu od CO2 po kombinaci s ním a musí být oddělen při vyšší teplotě, která spotřebovává hodně energie;
(2) roztok aminu alkoholu způsobí vážnou korozi;
(3) roztok aminu alkoholu se během CO desorpce snadno těšilo, což snižuje jeho schopnost absorbovat CO2;
(4) Roztok aminu alkoholu se snadno podrobí tepelné degradaci a oxidační degradaci během desorpce CO2, což snižuje jeho absorpční kapacitu pro CO2. Právě kvůli výše uvedeným defektům studují vědecké vědci a vyvíjejí nové metody a materiály, které lze použít k nahrazení roztoku aminu alkoholu pro zachycení CO2, jako je metoda roztoku aminu s aminem, amino modifikovaný adsorbent.
Metoda pro adsorbing CO2 pomocí amino-modifikovaného adsorbentu
Klíčem k metodě adsorpce je adsorbent. Konvenční adsorbenty zahrnují molekulární síta, aktivované uhlík atd., Zatímco nové adsorbenty zahrnují uhlíkové nanotrubice, grafen, kovové organické rámcové materiály, mezoporézní materiály atd. Každá metoda má své vlastní výhody a omezení a každý materiál má také své vlastní příslušné pole a vady. Použití kompozitních materiálů nebo optimalizovaných nových metod, které kombinují výhody různých materiálů, bude trendem při zachycení CO2 a má skvělý výzkumný potenciál. Tato studie má amino-modifikované kovo-organické rámcové materiály, amino modifikované mezoporézní materiály, amino-modifikované uhlíkové nanotrubice a amino-modifikovaný grafen jako příklady pro zavedení amino-modifikovaných adsorbentů v oblasti zachycení CO2.
Amino-modifikované kovo-organické rámce
Jako nový adsorbent pro zachycení CO2 má MOFS velmi zřejmé výhody oproti konvenčním molekulárním pomrtím (molekulární síta zeolitu, molekulární síta uhlíku atd.) A aminových roztoků alkoholu. Za prvé, rámec většiny MOF je neutrální, takže molekuly hostů zabírajících póry mají pouze slabé interakce s kostru. Tyto molekuly hostů mohou být vytlačeny z kostru při nižší teplotě a požadované póry mohou být rychle generovány při zachování integrity kostru. Za druhé, velikost, distribuce, hydrofilita a chemická funkce pórů MOF lze navrhnout na molekulární úrovni změnou nebo úpravou použitých organických ligandů a použitých kovových iontů.
Aby se zlepšila jeho schopnost adsorb CO2, jsou amino modifikované kovové organické rámcové materiály v současné době běžně sestaveny organickými ligandy s amino skupinami a kovovými šipkami. Blom připravil tři materiály MOF, USO-1-A1, USO-2-NI a USO-3-I, N a odpovídající amino-modifikované materiály MOF (USO-1-A-A-A, USO-2-NI-A a USO-3-In-A). Výsledky adsorpčního testu CO2 ukázaly, že krystalinita, specifická povrchová plocha a objem pórů amino-modifikovaných materiálů byly sníženy na různé stupně, zatímco adsorpční účinek byl významně zlepšen. Jako příklady, při použití USO-1-A1 a USO-1-AI-A, byla adsorpční kapacita CO2 USO-1-AI 2,3 mmol/g, zatímco u USO-1-A1-A byla zvýšena na 2,7 mmol/g; Počáteční adsorpční teplo CO2 se zvýšilo z 30 kJ/mol na 50 kJ/mol, což potvrdilo, že adsorpce CO2 pomocí amino-modifikovaných materiálů byla významně zvýšena.
Amino modifikované mezoporézní materiály
Ačkoli kovo-organické rámcové materiály a molekulární síta jsou dobrými adsorpčními materiály, inherentní difúze mikroporézního systému do určité míry omezuje adsorpční kapacitu CO2. Některé mezoporézní materiály SIO2 mohou snížit dopad tohoto difúzního účinku a zlepšit adsorpční kapacitu. Některé zbytkové hydroxylové skupiny na povrchu SIO2 však činí materiál méně kompatibilní s CO2. Tento problém lze překonat kombinací organických sloučenin obsahujících amino a amino obsahující s póry mezoporézních materiálů prostřednictvím impregnace nebo roubování.
50% polyethyleniminu byl nanesen do pórů MCM-41 impregnací. Adsorpční kapacita aminově modifikovaná MCM-41 pro CO2 dosáhla 133 mg/g při 348 K, což je vyšší než 78 mg/g získané s silikagelem jako nosič.
Amino-modifikované uhlíkové nanotrubice
V posledních letech vývoj nových materiálů ovlivnil všechny aspekty života lidí. Aplikace uhlíkových nanotrubic v oblasti oddělení plynu se stala aktivním vrcholem. Uhlíkové nanotrubice mají typické vrstvené vlastnosti duté struktury a pevná vzdálenost mezi vrstvami vede k amino nakládání.
Poté, co byly CNT modifikovány povrchem 3-aminopropyltriethoxysilanem (APTS), byla studována jejich CO adsorpční kapacita a termodynamické vlastnosti. 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 a 77 mg/g. Tato data ukazují, že vzhledem k přítomnosti aminových skupin v ATP může zavedení APTS na povrchu CNT významně zlepšit CO adsorpční kapacitu. A když je zatížení ATP 45% (WT, hmotnostní frakce, stejná níže), je dosaženo maximálního množství adsorpce C, což je čtyřikrát vyšší než u nemodifikovaných CNT. Když se však množství zatížení zvyšuje na 54%, množství adsorpce se místo toho snížilo. Může to být proto, že příliš mnoho apts na povrchu CNT zvýšilo odolnost proti hmotnosti přenosu CO2 difundu do interiéru.
Tyto výzkumné zprávy potvrzují, že schopnost uhlíkových nanotrubic modifikovaných s aminoskupinami na adsorb CO2 je výrazně lepší než schopnost nanotrubic nemodifikovaných uhlíku. Uhlíkové nanotrubice modifikované amino skupiny vykazují dobré vyhlídky při zachycení CO2, ale jejich prostor pro aplikaci a vývoj jsou kvůli jejich vysokým nákladům omezeni.
Amino-modifikovaný grafen
Krystalová struktura povrchu grafenu je velmi úplná, díky čemuž jsou jeho chemické vlastnosti neaktivní. Aby se rozšířil rozsah aplikací grafenu a zlepšil jeho aplikační hodnotu, musí být jeho povrch upraven. Funkční skupiny generované po oxidaci grafenu zvyšují aktivitu grafenu a položí základ pro kovalentní modifikaci. Poté lze povrchové funkcionalizaci grafenu dosáhnout modifikací činidel, jako jsou organické aminy a isokyanáty.
V roce 2012 Mishra et al. Nejprve modifikoval povrch grafenu polyanilinem (PANI), aby zachytil CO a zjistil, že modifikovaný grafen měl vyšší adsorpční kapacitu CO2 než aktivovaný uhlík, zeolit, kovově organické rámcové materiály a uhlíkové nanotrubice. Studovali také a porovnávali adsorpční izotermy polyanilinově modifikovaných materiálů a nemodifikovaného grafenu. Když byl tlak 11 bar a teplota byla 25 stupňů, 50 stupňů a 100 stupňů, množství adsorpce CO2 modifikovaným materiálem PANI-F-HEG bylo 75 mmol/g, 47 mm/g a 31 mm/g; Zatímco množství adsorpce nemodifikovaného čistého grafenu HEG bylo 21,6 mmol/g, 18 mmol/g a 12 mmol/g. Ačkoli výzkum adsorpce CO2 pomocí amino-modifikovaného grafitu právě začal, v tomto ohledu vykazoval skvělý aplikační potenciál a vývojový prostor. Možná se to stane novým směrem pro vývoj adsorpčních materiálů CO2.
Příklady, jako jsou amino-modifikované kovo-organické rámcové materiály, mezoporézní materiály modifikované amino-modifikované, amino-modifikované uhlíkové nanotrubice a amino-modifikovaný grafen prokázaly, že tyto adsorbenty prokázaly dobré schopnosti zachycení CO2 po modifikaci amino skupin a změnily se z jednoduchých fyzikálních adsorpce na chemické adsorpci jako aktivní centers. Toto otevřelo nové pole pro studium adsorbentů a pravděpodobně se stane zaměřením budoucího výzkumu.
Technologie separace membrány optimalizovaná aminem pro adsorpci CO2
Separace membrány je podobná procesu screeningu. Podle velikosti pórů membrány mohou některé látky projít membránou, zatímco jiné látky jsou zadrženy membránou, čímž se dosáhne účelu separace. Největší nevýhodou separace membrány při separaci plynu je to, že selektivita není vysoká. Pokud chcete zlepšit selektivitu separace membrány a zlepšit účinnost separace, můžete kombinovat separaci membrány s absorpcí nebo adsorpcí. Nejprve použijte separaci membrány ke zhruba oddělení plynu a poté použijte absorpci roztoku aminu alkoholu nebo adsorpci adsorbentu s vysokou účinností pro jemnou separaci. To může nejen dosáhnout určitého účinku separace, ale také ušetřit investiční náklady. Kombinujte technologii separace membrány s metodou absorpce roztoku roztoku alkoholu aminu, nechte plyn proudit podél jedné strany membrány a když CO2 rozptyluje na druhou stranu membrány, je absorbován alkoholem aminem. Tato metoda separace membrány optimalizovaná aminem má jednodušší zařízení a nižší investiční náklady než metoda absorpce roztoku alkoholu aminu. Kromě toho se ve srovnání s tradiční metodou separace membrány významně zlepšuje schopnost adsorb CO2. Ve srovnání s metodou adsorpce a metodou snadné absorpce alkoholu aminu má metoda separace membrány optimalizovaná aminem výhody snadného provozu, nízké spotřeby energie, lepší adsorpční účinek a méně investic. Avšak vzhledem k nezralosti technologie a skutečnosti, že výměna zařízení stále spotřebovává spoustu peněz, se však nepoužila průmyslově.
Závěr
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 „Kompozitní materiály nebo optimalizované nové metody, které kombinují výhody různých materiálů, budou trendem při zachycení C02 a mají velký výzkumný potenciál. Při vývoji nových materiálů a optimalizaci separačních metod prokázaly amino skupiny dobrou kompatibilitu. Její aplikace zahrnuje téměř všechny metody, což může výrazně zlepšit schopnost CO2 a má vysokou výzkumnou hodnotu.
