Penyerapan Kimia dan Penjerapan Fizikal: Peranan Utama dalam Penangkapan Karbon

01 Pengenalan

Teknologi penangkapan karbon sumber titik bertujuan untuk mengurangkan pelepasan karbon dioksida (CO₂) yang dilepaskan ke atmosfera dan telah menjadi penyelesaian penting untuk menangani perubahan iklim. Artikel ini akan meneroka dua kaedah penangkapan karbon yang berbeza: penyerapan kimia dan penjerapan fizikal, dan membincangkan ciri-cirinya dalam aplikasi praktikal.

02 Penyerapan Kimia: Asas Penangkapan Karbon

Pada masa ini, penyerapan kimia memainkan peranan penting dalam penangkapan karbon, menyediakan cara yang berkesan untuk menangkap CO₂ daripada gas serombong yang dipancarkan oleh loji janakuasa, kemudahan perindustrian dan sumber titik lain. Dalam proses ini, gas kaya CO₂ mengalir melalui pelarut cecair. Selepas pelarut menyerap CO₂, CO₂ yang ditangkap dilepaskan dan diasingkan melalui penjanaan semula haba, kemudian disimpan atau digunakan.

Penyerap yang biasa digunakan seperti monoetanolamina (MEA) dan dietanolamina (DEA) digunakan secara meluas kerana afiniti yang tinggi dengan CO₂. Bahan-bahan ini boleh menjalani tindak balas kimia berbalik dengan CO₂ untuk mencapai kitaran penangkapan dan pelepasan. Sistem penyerapan biasanya merangkumi penyerap, pemisah dan unit regenerasi. Pelarut yang dijana semula dikembalikan kepada penyerap untuk digunakan semula.

Teknologi penyerapan menggunakan pelarut amina organik bermula lebih awal dan agak matang, dengan sistem penyerapan yang mampu mencapai kadar penangkapan yang tinggi. Walau bagaimanapun, pelarut amina organik mengalami degradasi semasa kitaran penyerapan-regenerasi berterusan, yang membawa kepada penurunan kapasiti penjerapan dan memerlukan penggantian yang kerap. Di samping itu, proses penjanaan semula pelarut menggunakan tenaga yang ketara, yang boleh menyebabkan pelepasan karbon tambahan dalam senario tanpa haba buangan yang tersedia, seterusnya mengehadkan keberkesanan pengurangan pelepasannya yang komprehensif. Selain itu, pelupusan pelarut buangan boleh mewujudkan isu alam sekitar yang baharu. Oleh itu, dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penangkapan karbon dioksida berdasarkan teknologi penjerapan fizikal telah mendapat perhatian yang semakin meningkat.

03 Penjerapan Fizikal: Penangkapan Karbon Menggunakan Bahan Berliang

Teknologi penjerapan terutamanya menggunakan bahan berliang seperti zeolit, karbon teraktif dan rangka logam-organik (MOF) untuk penjerapan fizikal CO₂. Tidak seperti penyerapan, penjerapan merujuk kepada penangkapan fizikal molekul CO₂ oleh permukaan penjerap pepejal, tanpa tindak balas kimia yang berlaku semasa proses penjerapan.

Antara bahan penjerap pepejal yang biasa digunakan, bahan karbon teraktif mempamerkan selektiviti penjerapan yang lemah, mengakibatkan kecekapan yang rendah dan penggunaan tenaga yang tinggi apabila digunakan pada penangkapan CO₂ sumber titik. Bahan seperti zeolit ​​dan penapis molekul, selain selektivitinya yang lemah, juga mempunyai prestasi yang terjejas dengan ketara oleh wap air. Aplikasi praktikal memerlukan langkah pengeringan tambahan, yang membawa kepada peningkatan kos penangkapan. Tambahan pula, disebabkan oleh selektiviti penjerap ini yang lemah, gas serombong dengan kandungan CO₂ yang rendah (≤30%) selalunya memerlukan penjerapan dua peringkat atau berbilang peringkat untuk meningkatkan kepekatan CO₂ kepada lebih 90%.

Kerangka logam-organik (MOF) ialah kelas bahan berliang kristal yang terdiri daripada ion logam atau gugusan yang berkaitan dengan Penghubung Organiks, membentuk rangka kerja nanoporous dengan luas permukaan spesifik yang tinggi dan struktur liang boleh laras. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, satu siri bahan MOF telah dibangunkan yang mempunyai selektiviti tinggi, kapasiti penjerapan yang tinggi dan rintangan air tertentu, menjadikannya sesuai untuk penangkapan CO₂ sumber titik. Bahan-bahan ini boleh mencapai penjerapan yang sangat selektif, dan walaupun dalam aliran gas dengan kandungan CO₂ yang rendah, ia boleh meningkatkan kepekatan CO₂ kepada lebih 90% melalui penjerapan peringkat tunggal, menjadikannya penyelesaian yang berkuasa dalam aplikasi penangkapan karbon.

Penangkapan karbon penjerapan berasaskan MOF menawarkan pelbagai kelebihan. MOF mempunyai sifat boleh tala, membolehkan reka bentuk penjerap yang disesuaikan khusus untuk keperluan penangkapan CO₂ tertentu. Ia boleh disesuaikan dengan sistem proses penjerapan yang berbeza, seperti penjerapan ayunan tekanan (PSA) dan penjerapan ayunan suhu (TSA). Selain itu, MOF biasanya boleh dinyahserap pada suhu yang lebih rendah berbanding bahan lain, sekali gus mengurangkan penggunaan tenaga dengan ketara.

04 Masa Depan Penangkapan Karbon

Kemajuan terkini dalam bidang MOF terus mengatasi batasan biasa bahan penjerapan (seperti kepekaan kelembapan dan selektiviti yang lemah), hasil daripada reka bentuk strukturnya yang boleh disesuaikan. Dengan memperhalusi komposisi dan geometri liang MOF, para penyelidik telah berjaya merekayasa bahan yang stabil dan berprestasi tinggi. Sistem berasaskan MOF boleh memenuhi keperluan standard untuk penangkapan karbon yang cekap (95% ketulenan dan 90% kadar pemulihan) pada tahap kepekatan yang berbeza, dengan hanya pra-lapisan pengering yang minimum diperlukan. Keupayaan untuk mengurangkan kepekaan kelembapan ini mewakili kelebihan ketara MOF berbanding bahan penjerapan lain seperti zeolit.

MOF juga mempamerkan kestabilan dan ketahanan yang sangat baik, menjadikannya bahan yang popular untuk aplikasi penangkapan karbon. Oleh itu, kebolehtalaan Struktur Mofbukan sahaja meningkatkan keberkesanannya dalam penangkapan CO₂ tetapi juga meningkatkan kepraktisan dan kebolehpercayaannya di bawah pelbagai keadaan persekitaran, seterusnya mengukuhkan kedudukan utama mereka dalam teknologi penangkapan karbon berasaskan penjerapan.

Dengan usaha pengurangan karbon global, penjerapan fizikal menggunakan MOF sebagai penjerap akan menunjukkan potensi yang luar biasa. Para penyelidik terus menjalankan penyelidikan dan pembangunan berterusan untuk meningkatkan lagi kestabilan, kebolehskalaan dan keberkesanan kos MOF, memacu aplikasi meluasnya dalam penangkapan karbon perindustrian. Dengan memanfaatkan kelebihan bahan berliang, kita dapat membuka jalan untuk masa depan yang hijau dan mampan untuk generasi akan datang.

Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. merupakan perusahaan inovatif teknologi pertama di China yang mencapai pengeluaran besar-besaran MOF, di mana beratus-ratus MOF berfungsi telah dibangunkan. Pasukan kami mempunyai kepakaran teknikal yang mendalam dalam sintesis dan aplikasi MOF. Untuk mengetahui lebih lanjut tentang aplikasi MOF dan penyesuaian berfungsi, sila hubungi pasukan pakar Tanyu kami untuk penyelesaian profesional.

Rujukan

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

[2]Jurnal Pengeluaran Bersih, 373 (2022), 133932, 10.1016/j.jclepro.2022.133932