Absorpcja chemiczna i adsorpcja fizyczna: kluczowe role w wychwytywaniu dwutlenku węgla

01 Wprowadzenie

Technologia punktowego wychwytywania dwutlenku węgla ma na celu redukcję emisji dwutlenku węgla (CO₂) do atmosfery i stała się ważnym rozwiązaniem w walce ze zmianami klimatu. W niniejszym artykule omówione zostaną dwie różne metody wychwytywania dwutlenku węgla: absorpcja chemiczna i adsorpcja fizyczna, a także ich charakterystyka w praktycznych zastosowaniach.

02 Absorpcja chemiczna: podstawa wychwytywania dwutlenku węgla

Obecnie absorpcja chemiczna odgrywa ważną rolę w wychwytywaniu dwutlenku węgla, zapewniając skuteczną metodę wychwytywania CO₂ ze spalin emitowanych przez elektrownie, zakłady przemysłowe i inne źródła punktowe. W tym procesie gaz bogaty w CO₂ przepływa przez ciekły rozpuszczalnik. Po zaabsorbowaniu CO₂ przez rozpuszczalnik, wychwycony CO₂ jest uwalniany i oddzielany poprzez regenerację termiczną, a następnie magazynowany lub utylizowany.

Powszechnie stosowane absorbenty, takie jak monoetanoloamina (MEA) i dietanoloamina (DEA), są szeroko stosowane ze względu na ich wysokie powinowactwo do CO₂. Materiały te mogą ulegać odwracalnym reakcjom chemicznym z CO₂, umożliwiając cykle wychwytywania i uwalniania. Systemy absorpcyjne zazwyczaj obejmują absorbery, separatory i jednostki regeneracyjne. Zregenerowany rozpuszczalnik jest zawracany do absorbera w celu ponownego wykorzystania.

Technologia absorpcji wykorzystująca organiczne rozpuszczalniki aminowe powstała wcześnie i jest stosunkowo dojrzała, a systemy absorpcyjne umożliwiają osiągnięcie wysokich wskaźników wychwytu. Jednak organiczne rozpuszczalniki aminowe ulegają degradacji podczas ciągłych cykli absorpcji i regeneracji, co prowadzi do zmniejszenia wydajności adsorpcyjnej i konieczności regularnej wymiany. Ponadto proces regeneracji rozpuszczalników pochłania znaczną ilość energii, co może powodować dodatkowe emisje dwutlenku węgla w scenariuszach bez dostępnego ciepła odpadowego, dodatkowo ograniczając skuteczność redukcji emisji. Ponadto utylizacja zużytych rozpuszczalników może stwarzać nowe problemy środowiskowe. Dlatego w ostatnich latach coraz większą uwagę poświęca się wychwytywaniu dwutlenku węgla w oparciu o technologię adsorpcji fizycznej.

03 Adsorpcja fizyczna: wychwytywanie dwutlenku węgla za pomocą materiałów porowatych

Technologia adsorpcji wykorzystuje głównie materiały porowate, takie jak zeolity, węgiel aktywny i struktury metaloorganiczne (MOF), do fizycznej adsorpcji CO₂. W przeciwieństwie do absorpcji, adsorpcja odnosi się do fizycznego wychwytywania cząsteczek CO₂ przez powierzchnię stałych adsorbentów, bez zachodzenia reakcji chemicznych podczas procesu adsorpcji.

Spośród powszechnie stosowanych stałych adsorbentów, materiały z węgla aktywnego charakteryzują się niską selektywnością adsorpcji, co skutkuje niską wydajnością i wysokim zużyciem energii w przypadku punktowego wychwytywania CO₂. Materiały takie jak zeolity i sita molekularne, oprócz niskiej selektywności, charakteryzują się również znacznym spadkiem wydajności pod wpływem pary wodnej. Praktyczne zastosowania wymagają dodatkowych etapów suszenia, co prowadzi do wzrostu kosztów wychwytywania. Ponadto, ze względu na niską selektywność tych adsorbentów, spaliny o niskiej zawartości CO₂ (≤30%) często wymagają dwuetapowej lub wieloetapowej adsorpcji w celu zwiększenia stężenia CO₂ do ponad 90%.

Metaloorganiczne struktury nośne (MOF) to klasa krystalicznych materiałów porowatych składających się z jonów lub klastrów metali połączonych Łącznik organicznys, tworząc nanoporowate struktury o dużej powierzchni właściwej i regulowanej strukturze porów. W ostatnich latach opracowano szereg materiałów MOF o wysokiej selektywności, wysokiej zdolności adsorpcyjnej i pewnej wodoodporności, co czyni je idealnymi do punktowego wychwytywania CO₂. Materiały te umożliwiają wysoce selektywną adsorpcję, a nawet w strumieniach gazowych o niskiej zawartości CO₂ mogą zwiększyć stężenie CO₂ do ponad 90% poprzez jednoetapową adsorpcję, co czyni je skutecznymi rozwiązaniami w zastosowaniach wychwytywania dwutlenku węgla.

Adsorpcyjne wychwytywanie dwutlenku węgla oparte na materiałach MOF oferuje wiele korzyści. Materiały MOF charakteryzują się regulowanymi właściwościami, co pozwala na projektowanie adsorbentów specjalnie dostosowanych do konkretnych wymagań w zakresie wychwytywania CO₂. Można je dostosować do różnych systemów adsorpcyjnych, takich jak adsorpcja zmiennociśnieniowa (PSA) i adsorpcja zmiennotemperaturowa (TSA). Ponadto, materiały MOF zazwyczaj można desorbować w niższych temperaturach w porównaniu z innymi materiałami, co znacznie zmniejsza zużycie energii.

04 Przyszłość wychwytywania dwutlenku węgla

Najnowsze postępy w dziedzinie MOF-ów (MOF-ów) nadal pokonują powszechne ograniczenia materiałów adsorpcyjnych (takie jak wrażliwość na wilgoć i niska selektywność), dzięki możliwości dostosowania ich konstrukcji. Dzięki precyzyjnemu dostrojeniu składu i geometrii porów MOF-ów, badacze z powodzeniem opracowali stabilne i wysokowydajne materiały. Systemy oparte na MOF-ach mogą spełniać standardowe wymagania dotyczące efektywnego wychwytywania dwutlenku węgla (czystość 95% i wskaźnik odzysku 90%) przy różnych poziomach stężenia, przy minimalnym nałożeniu warstwy osuszającej. Ta zdolność do łagodzenia wrażliwości na wilgoć stanowi istotną zaletę MOF-ów w porównaniu z innymi materiałami adsorpcyjnymi, takimi jak zeolity.

Materiały MOF charakteryzują się również doskonałą stabilnością i trwałością, co czyni je popularnymi materiałami do zastosowań w wychwytywaniu dwutlenku węgla. Dlatego też, możliwości regulacji Struktura MOFnie tylko zwiększa ich skuteczność w wychwytywaniu CO₂, ale także poprawia ich praktyczność i niezawodność w różnych warunkach środowiskowych, co jeszcze bardziej umacnia ich wiodącą pozycję w technologiach wychwytywania dwutlenku węgla opartych na adsorpcji.

W kontekście globalnych działań na rzecz redukcji emisji dwutlenku węgla, adsorpcja fizyczna z wykorzystaniem MOF-ów jako adsorbentów będzie miała ogromny potencjał. Naukowcy prowadzą ciągłe badania i prace rozwojowe, aby jeszcze bardziej zwiększyć stabilność, skalowalność i opłacalność MOF-ów, co przyczynia się do ich powszechnego zastosowania w przemysłowym wychwytywaniu dwutlenku węgla. Wykorzystując zalety materiałów porowatych, możemy utorować drogę do zielonej i zrównoważonej przyszłości dla przyszłych pokoleń.

Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. to pierwsze w Chinach innowacyjne przedsiębiorstwo technologiczne, które rozpoczęło masową produkcję MOF-ów. Opracowano setki funkcjonalnych MOF-ów. Nasz zespół posiada dogłębną wiedzę techniczną w zakresie syntezy i zastosowań MOF-ów. Aby dowiedzieć się więcej o zastosowaniach MOF i dostosowywaniu ich funkcjonalności, prosimy o kontakt z naszym zespołem ekspertów Tanyu w celu uzyskania profesjonalnych rozwiązań.

Odniesienia

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

[2]Journal of Cleaner Production, 373 (2022), 133932, 10.1016/j.jclepro.2022.133932