Химическая абсорбция и физическая адсорбция: ключевая роль в улавливании углерода.

01 Введение

Технология точечного улавливания углерода направлена ​​на сокращение выбросов углекислого газа (CO₂) в атмосферу и стала важным решением проблемы изменения климата. В данной статье будут рассмотрены два различных метода улавливания углерода: химическая абсорбция и физическая адсорбция, а также обсуждены их характеристики в практическом применении.

02 Химическая абсорбция: Основа улавливания углерода

В настоящее время химическая абсорбция играет важную роль в улавливании углерода, обеспечивая эффективный способ улавливания CO₂ из дымовых газов, выбрасываемых электростанциями, промышленными предприятиями и другими точечными источниками. В этом процессе газ, обогащенный CO₂, проходит через жидкий растворитель. После того, как растворитель поглощает CO₂, уловленный CO₂ высвобождается и отделяется посредством термической регенерации, а затем хранится или используется.

Широко используемые абсорбенты, такие как моноэтаноламин (МЭА) и диэтаноламин (ДЭА), применяются благодаря их высокой способности связывать CO₂. Эти материалы могут вступать в обратимые химические реакции с CO₂, обеспечивая циклы улавливания и высвобождения. Абсорбционные системы обычно включают абсорберы, сепараторы и регенерационные установки. Регенерированный растворитель возвращается в абсорбер для повторного использования.

Технология абсорбции с использованием органических аминных растворителей появилась довольно рано и относительно зрелая, с абсорбционными системами, способными достигать высоких показателей улавливания. Однако органические аминные растворители подвергаются деградации в ходе непрерывных циклов абсорбции-регенерации, что приводит к снижению адсорбционной способности и требует регулярной замены. Кроме того, процесс регенерации растворителя потребляет значительное количество энергии, что может привести к дополнительным выбросам углерода в условиях отсутствия доступного отработанного тепла, еще больше ограничивая общую эффективность сокращения выбросов. Более того, утилизация отработанных растворителей может создавать новые экологические проблемы. Поэтому в последние годы технология улавливания диоксида углерода на основе физической адсорбции привлекает все больше внимания.

03 Физическая адсорбция: улавливание углерода с использованием пористых материалов

Технология адсорбции в основном использует пористые материалы, такие как цеолиты, активированный уголь и металлоорганические каркасы (МОК), для физической адсорбции CO₂. В отличие от абсорбции, адсорбция подразумевает физический захват молекул CO₂ поверхностью твердых адсорбентов, при этом в процессе адсорбции не происходит никаких химических реакций.

Среди широко используемых твердых адсорбентов активированный уголь демонстрирует низкую селективность адсорбции, что приводит к низкой эффективности и высокому энергопотреблению при применении для улавливания CO₂ в точечных источниках. Материалы, такие как цеолиты и молекулярные сита, помимо низкой селективности, также подвержены значительному влиянию водяного пара. Практические применения требуют дополнительных этапов сушки, что приводит к увеличению затрат на улавливание. Кроме того, из-за низкой селективности этих адсорбентов дымовые газы с низким содержанием CO₂ (≤30%) часто требуют двухступенчатой ​​или многоступенчатой ​​адсорбции для повышения концентрации CO₂ до более чем 90%.

Металлоорганические каркасы (МОК) — это класс кристаллических пористых материалов, состоящих из ионов или кластеров металлов, соединенных между собой. Органический линкерВ последние годы был разработан ряд MOF-материалов, обладающих высокой селективностью, высокой адсорбционной способностью и определенной водостойкостью, что делает их идеальными для улавливания CO₂ из точечных источников. Эти материалы способны к высокоселективной адсорбции, и даже в газовых потоках с низким содержанием CO₂ они могут увеличить концентрацию CO₂ более чем на 90% за счет одностадийной адсорбции, что делает их эффективным решением в приложениях по улавливанию углерода.

Адсорбционное улавливание углерода на основе MOF-материалов обладает множеством преимуществ. MOF-материалы имеют регулируемые свойства, что позволяет создавать адсорбенты, специально адаптированные для конкретных задач улавливания CO₂. Их можно адаптировать к различным системам адсорбционных процессов, таким как адсорбция с изменением давления (PSA) и адсорбция с изменением температуры (TSA). Кроме того, десорбция MOF-материалов обычно происходит при более низких температурах по сравнению с другими материалами, что значительно снижает энергопотребление.

04 Будущее улавливания углерода

Последние достижения в области MOF-материалов позволяют преодолевать распространенные ограничения адсорбционных материалов (такие как чувствительность к влаге и низкая селективность) благодаря возможности индивидуальной настройки их структурного дизайна. Путем точной настройки состава и геометрии пор MOF-материалов исследователи успешно создали стабильные и высокоэффективные материалы. Системы на основе MOF-материалов могут соответствовать стандартным требованиям к эффективному улавливанию углерода (чистота 95% и степень извлечения 90%) при различных уровнях концентрации, при этом требуется лишь минимальное предварительное нанесение осушителя. Эта способность снижать чувствительность к влаге представляет собой значительное преимущество MOF-материалов по сравнению с другими адсорбционными материалами, такими как цеолиты.

МОФы также обладают превосходной стабильностью и долговечностью, что делает их популярными материалами для применения в системах улавливания углерода. Поэтому возможность регулирования их свойств очень высока. Структура МофЭто не только повышает их эффективность в улавливании CO₂, но и улучшает их практичность и надежность в различных условиях окружающей среды, еще больше укрепляя их лидирующие позиции в технологиях улавливания углерода на основе адсорбции.

В условиях глобальных усилий по сокращению выбросов углерода физическая адсорбция с использованием MOF в качестве адсорбентов продемонстрирует огромный потенциал. Исследователи продолжают проводить исследования и разработки для дальнейшего повышения стабильности, масштабируемости и экономической эффективности MOF, что способствует их широкому применению в промышленном улавливании углерода. Используя преимущества пористых материалов, мы можем проложить путь к зеленому и устойчивому будущему для грядущих поколений.

Компания Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. — первое в Китае технологически инновационное предприятие, осуществившее массовое производство MOF-материалов, в рамках которого были разработаны сотни функциональных MOF-материалов. Наша команда обладает глубокими техническими знаниями в области синтеза и применения MOF-материалов. Чтобы узнать больше о применении MOF-материалов и их функциональной настройке, пожалуйста, свяжитесь с нашей командой экспертов Tanyu для получения профессиональных решений.

Ссылки

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

[2]Журнал чистого производства, 373 (2022), 133932, 10.1016/j.jclepro.2022.133932