جذب شیمیایی و جذب فیزیکی: نقش‌های کلیدی در جذب کربن

01 مقدمه

فناوری جذب کربن منبع نقطه‌ای با هدف کاهش انتشار دی‌اکسید کربن (CO₂) منتشر شده در جو انجام می‌شود و به یک راه‌حل مهم برای مقابله با تغییرات اقلیمی تبدیل شده است. این مقاله دو روش مختلف جذب کربن را بررسی می‌کند: جذب شیمیایی و جذب فیزیکی، و ویژگی‌های آنها را در کاربردهای عملی مورد بحث قرار می‌دهد.

02 جذب شیمیایی: پایه و اساس جذب کربن

در حال حاضر، جذب شیمیایی نقش مهمی در جذب کربن ایفا می‌کند و وسیله‌ای مؤثر برای جذب CO₂ از گاز دودکش‌های منتشر شده توسط نیروگاه‌ها، تأسیسات صنعتی و سایر منابع نقطه‌ای است. در این فرآیند، گاز غنی از CO₂ از طریق یک حلال مایع جریان می‌یابد. پس از جذب CO₂ توسط حلال، CO₂ جذب شده آزاد شده و از طریق بازسازی حرارتی جدا می‌شود، سپس ذخیره یا مورد استفاده قرار می‌گیرد.

جاذب‌های رایج مانند مونواتانول آمین (MEA) و دی اتانول آمین (DEA) به دلیل میل ترکیبی بالایشان با CO₂ به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مواد می‌توانند واکنش‌های شیمیایی برگشت‌پذیر با CO₂ انجام دهند تا چرخه‌های جذب و آزادسازی حاصل شود. سیستم‌های جذب معمولاً شامل جاذب‌ها، جداکننده‌ها و واحدهای احیا هستند. حلال احیا شده برای استفاده مجدد به جاذب بازگردانده می‌شود.

فناوری جذب با استفاده از حلال‌های آمین آلی، از اوایل دهه 1970 آغاز شده و نسبتاً بالغ است و سیستم‌های جذب آن قادر به دستیابی به نرخ‌های جذب بالا هستند. با این حال، حلال‌های آمین آلی در طول چرخه‌های مداوم جذب-بازسازی، دچار تخریب می‌شوند که منجر به کاهش ظرفیت جذب و نیاز به جایگزینی منظم می‌شود. علاوه بر این، فرآیند بازسازی حلال، انرژی قابل توجهی مصرف می‌کند که می‌تواند باعث انتشار کربن اضافی در سناریوهایی بدون گرمای زائد موجود شود و اثربخشی جامع کاهش انتشار آن را محدودتر کند. علاوه بر این، دفع حلال‌های زائد می‌تواند مسائل زیست‌محیطی جدیدی ایجاد کند. بنابراین، در سال‌های اخیر، جذب دی‌اکسید کربن بر اساس فناوری جذب فیزیکی مورد توجه فزاینده‌ای قرار گرفته است.

03 جذب فیزیکی: جذب کربن با استفاده از مواد متخلخل

فناوری جذب سطحی در درجه اول از مواد متخلخل مانند زئولیت‌ها، کربن فعال و چارچوب‌های فلزی-آلی (MOFs) برای جذب فیزیکی CO₂ استفاده می‌کند. برخلاف جذب سطحی، جذب سطحی به جذب فیزیکی مولکول‌های CO₂ توسط سطح جاذب‌های جامد اشاره دارد، بدون اینکه هیچ واکنش شیمیایی در طول فرآیند جذب رخ دهد.

در میان جاذب‌های جامد رایج، مواد کربن فعال، گزینش‌پذیری جذب ضعیفی از خود نشان می‌دهند که منجر به راندمان پایین و مصرف انرژی بالا در هنگام استفاده برای جذب CO₂ از منبع نقطه‌ای می‌شود. موادی مانند زئولیت‌ها و غربال‌های مولکولی، علاوه بر گزینش‌پذیری ضعیف، عملکردشان نیز به طور قابل توجهی تحت تأثیر بخار آب قرار می‌گیرد. کاربردهای عملی نیاز به مراحل خشک کردن اضافی دارد که منجر به افزایش هزینه‌های جذب می‌شود. علاوه بر این، به دلیل گزینش‌پذیری ضعیف این جاذب‌ها، گاز دودکش با محتوای CO₂ کم (≤30٪) اغلب نیاز به جذب دو مرحله‌ای یا چند مرحله‌ای برای افزایش غلظت CO₂ به بیش از 90٪ دارد.

چارچوب‌های فلزی-آلی (MOFs) دسته‌ای از مواد متخلخل کریستالی هستند که از یون‌های فلزی یا خوشه‌های متصل به هم تشکیل شده‌اند. لینکر ارگانیکs، چارچوب‌های نانومتخلخل با مساحت سطح ویژه بالا و ساختارهای منافذ قابل تنظیم را تشکیل می‌دهند. در سال‌های اخیر، مجموعه‌ای از مواد MOF توسعه یافته‌اند که دارای گزینش‌پذیری بالا، ظرفیت جذب بالا و مقاومت در برابر آب خاصی هستند و آنها را برای جذب CO₂ از منبع نقطه‌ای ایده‌آل می‌کنند. این مواد می‌توانند جذب بسیار انتخابی داشته باشند و حتی در جریان‌های گازی با محتوای CO₂ کم، می‌توانند غلظت CO₂ را از طریق جذب تک مرحله‌ای به بیش از 90٪ افزایش دهند و آنها را به راه‌حل‌های قدرتمندی در کاربردهای جذب کربن تبدیل کنند.

جذب کربن مبتنی بر MOF مزایای متعددی را ارائه می‌دهد. MOFها دارای خواص قابل تنظیم هستند و امکان طراحی جاذب‌هایی را فراهم می‌کنند که به طور خاص برای نیازهای خاص جذب CO₂ طراحی شده‌اند. آن‌ها را می‌توان با سیستم‌های فرآیند جذب مختلف، مانند جذب نوسان فشار (PSA) و جذب نوسان دما (TSA) تطبیق داد. علاوه بر این، MOFها معمولاً در دماهای پایین‌تری نسبت به سایر مواد قابل دفع هستند و مصرف انرژی را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهند.

04 آینده جذب کربن

پیشرفت‌های اخیر در حوزه MOF به لطف طراحی ساختاری قابل تنظیم آنها، همچنان بر محدودیت‌های رایج مواد جاذب (مانند حساسیت به رطوبت و گزینش‌پذیری ضعیف) غلبه می‌کند. محققان با تنظیم دقیق ترکیب و هندسه منافذ MOFها، با موفقیت مواد پایدار و با کارایی بالا را مهندسی کرده‌اند. سیستم‌های مبتنی بر MOF می‌توانند الزامات استاندارد برای جذب کارآمد کربن (95٪ خلوص و 90٪ نرخ بازیابی) را در سطوح غلظت مختلف، با حداقل نیاز به لایه‌بندی اولیه ماده خشک‌کننده، برآورده کنند. این توانایی در کاهش حساسیت به رطوبت، مزیت قابل توجهی از MOFها را در مقایسه با سایر مواد جاذب مانند زئولیت‌ها نشان می‌دهد.

MOFها همچنین پایداری و دوام بسیار خوبی از خود نشان می‌دهند که آنها را به موادی محبوب برای کاربردهای جذب کربن تبدیل می‌کند. بنابراین، قابلیت تنظیم ساختار Mofنه تنها اثربخشی آنها را در جذب CO₂ افزایش می‌دهد، بلکه عملی بودن و قابلیت اطمینان آنها را در شرایط مختلف محیطی نیز بهبود می‌بخشد و موقعیت پیشرو آنها را در فناوری‌های جذب کربن مبتنی بر جذب بیشتر تثبیت می‌کند.

با تلاش‌های جهانی برای کاهش کربن، جذب فیزیکی با استفاده از MOFها به عنوان جاذب، پتانسیل فوق‌العاده‌ای را نشان خواهد داد. محققان همچنان به تحقیق و توسعه مداوم برای بهبود بیشتر پایداری، مقیاس‌پذیری و مقرون‌به‌صرفه بودن MOFها ادامه می‌دهند و کاربرد گسترده آنها را در جذب کربن صنعتی هدایت می‌کنند. با بهره‌گیری از مزایای مواد متخلخل، می‌توانیم راه را برای آینده‌ای سبز و پایدار برای نسل‌های آینده هموار کنیم.

شرکت مواد جدید گوانگدونگ تانیو، اولین شرکت نوآور در فناوری چین است که به تولید انبوه MOFها دست یافته است، جایی که صدها MOF کاربردی توسعه یافته‌اند. تیم ما دارای تخصص فنی عمیقی در سنتز و کاربردهای MOF است. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد کاربردهای MOF و سفارشی‌سازی عملکردی، لطفاً برای دریافت راه‌حل‌های حرفه‌ای با تیم متخصص تانیو ما تماس بگیرید.

منابع

[1]Heliyon, 9 (2023), e22341, 10.1016/j.heliyon.2023.e22341

[2] مجله تولید پاک‌تر، 373 (2022)، 133932، 10.1016/j.jclepro.2022.133932