การดูดซับทางเคมีและการดูดซับทางกายภาพ: บทบาทสำคัญในการดักจับคาร์บอน

01 บทนำ

เทคโนโลยีการดักจับคาร์บอนจากแหล่งกำเนิดเฉพาะจุดมีเป้าหมายเพื่อลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) สู่ชั้นบรรยากาศ และได้กลายเป็นวิธีการแก้ปัญหาที่สำคัญในการแก้ไขการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ บทความนี้จะสำรวจวิธีการดักจับคาร์บอนสองวิธีที่แตกต่างกัน ได้แก่ การดูดซับทางเคมีและการดูดซับทางกายภาพ และจะกล่าวถึงลักษณะเฉพาะของวิธีการเหล่านี้ในการใช้งานจริง

02 การดูดซับทางเคมี: รากฐานของการดักจับคาร์บอน

ปัจจุบัน การดูดซับทางเคมีมีบทบาทสำคัญในการดักจับคาร์บอน โดยเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการดักจับ CO₂ จากก๊าซไอเสียที่ปล่อยออกมาจากโรงไฟฟ้า โรงงานอุตสาหกรรม และแหล่งกำเนิดมลพิษอื่นๆ ในกระบวนการนี้ ก๊าซที่มี CO₂ สูงจะไหลผ่านตัวทำละลายที่เป็นของเหลว หลังจากที่ตัวทำละลายดูดซับ CO₂ แล้ว CO₂ ที่ถูกดักจับจะถูกปล่อยออกมาและแยกออกโดยการฟื้นฟูด้วยความร้อน จากนั้นจึงนำไปจัดเก็บหรือใช้ประโยชน์

สารดูดซับที่ใช้กันทั่วไป เช่น โมโนเอทานอลอะมีน (MEA) และไดเอทานอลอะมีน (DEA) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีความสามารถในการดูดซับ CO₂ สูง วัสดุเหล่านี้สามารถเกิดปฏิกิริยาเคมีแบบผันกลับได้กับ CO₂ เพื่อให้เกิดวัฏจักรการดักจับและปล่อย ระบบการดูดซับโดยทั่วไปประกอบด้วยหน่วยดูดซับ หน่วยแยก และหน่วยฟื้นฟู ตัวทำละลายที่ได้รับการฟื้นฟูจะถูกส่งกลับไปยังหน่วยดูดซับเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่

เทคโนโลยีการดูดซับโดยใช้ตัวทำละลายอะมีนอินทรีย์เริ่มต้นขึ้นตั้งแต่เนิ่นๆ และค่อนข้างเป็นที่ยอมรับ โดยระบบการดูดซับสามารถบรรลุอัตราการดักจับสูง อย่างไรก็ตาม ตัวทำละลายอะมีนอินทรีย์จะเสื่อมสภาพลงในระหว่างรอบการดูดซับและการฟื้นฟูอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ความสามารถในการดูดซับลดลงและต้องเปลี่ยนใหม่เป็นประจำ นอกจากนี้ กระบวนการฟื้นฟูตัวทำละลายยังใช้พลังงานจำนวนมาก ซึ่งอาจก่อให้เกิดการปล่อยก๊าซคาร์บอนเพิ่มเติมในกรณีที่ไม่มีความร้อนเหลือทิ้ง ทำให้ประสิทธิภาพในการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกโดยรวมลดลงไปอีก ยิ่งไปกว่านั้น การกำจัดตัวทำละลายที่เป็นของเสียอาจก่อให้เกิดปัญหาสิ่งแวดล้อมใหม่ๆ ดังนั้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การดักจับคาร์บอนไดออกไซด์โดยใช้เทคโนโลยีการดูดซับทางกายภาพจึงได้รับความสนใจเพิ่มมากขึ้น

03 การดูดซับทางกายภาพ: การดักจับคาร์บอนโดยใช้วัสดุที่มีรูพรุน

เทคโนโลยีการดูดซับส่วนใหญ่ใช้ประโยชน์จากวัสดุที่มีรูพรุน เช่น ซีโอไลต์ ถ่านกัมมันต์ และโครงสร้างโลหะอินทรีย์ (MOFs) สำหรับการดูดซับ CO₂ ทางกายภาพ ซึ่งแตกต่างจากการดูดซึม การดูดซับหมายถึงการดักจับโมเลกุล CO₂ ทางกายภาพโดยพื้นผิวของสารดูดซับที่เป็นของแข็ง โดยไม่มีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการดูดซับ

ในบรรดาวัสดุดูดซับของแข็งที่ใช้กันทั่วไป วัสดุถ่านกัมมันต์มีประสิทธิภาพในการดูดซับต่ำ ส่งผลให้ประสิทธิภาพต่ำและสิ้นเปลืองพลังงานสูงเมื่อนำไปใช้ในการดักจับ CO₂ จากแหล่งกำเนิดเฉพาะจุด วัสดุเช่นซีโอไลต์และตะแกรงโมเลกุล นอกจากจะมีประสิทธิภาพในการดูดซับต่ำแล้ว ประสิทธิภาพยังได้รับผลกระทบอย่างมากจากไอน้ำ การใช้งานจริงจำเป็นต้องมีขั้นตอนการอบแห้งเพิ่มเติม ซึ่งนำไปสู่ต้นทุนการดักจับที่เพิ่มขึ้น ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากประสิทธิภาพในการดูดซับต่ำของวัสดุดูดซับเหล่านี้ ก๊าซไอเสียที่มีปริมาณ CO₂ ต่ำ (≤30%) มักต้องใช้การดูดซับสองขั้นตอนหรือหลายขั้นตอนเพื่อเพิ่มความเข้มข้นของ CO₂ ให้สูงกว่า 90%

โครงสร้างโลหะอินทรีย์ (MOFs) เป็นกลุ่มของวัสดุที่มีรูพรุนเป็นผลึก ซึ่งประกอบด้วยไอออนโลหะหรือกลุ่มโลหะที่เชื่อมต่อกันด้วย ตัวเชื่อมต่ออินทรีย์วัสดุ MOF (Mass Oriented Filter) สามารถสร้างโครงสร้างนาโนพรุนที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงและโครงสร้างรูพรุนที่ปรับได้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการพัฒนาวัสดุ MOF หลายชนิดที่มีคุณสมบัติในการคัดเลือกสูง มีความสามารถในการดูดซับสูง และทนต่อความชื้นได้ในระดับหนึ่ง ทำให้เหมาะสำหรับการดักจับ CO₂ จากแหล่งกำเนิดเฉพาะจุด วัสดุเหล่านี้สามารถดูดซับได้อย่างคัดเลือกสูง และแม้ในกระแสแก๊สที่มีปริมาณ CO₂ ต่ำ ก็สามารถเพิ่มความเข้มข้นของ CO₂ ได้มากกว่า 90% ผ่านการดูดซับแบบขั้นตอนเดียว ทำให้เป็นวัสดุที่มีศักยภาพสูงในการประยุกต์ใช้ในการดักจับคาร์บอน

การดักจับคาร์บอนโดยการดูดซับด้วย MOF มีข้อดีหลายประการ MOF มีคุณสมบัติที่ปรับแต่งได้ ทำให้สามารถออกแบบสารดูดซับที่เหมาะสมกับความต้องการในการดักจับ CO₂ โดยเฉพาะได้ สามารถปรับใช้กับระบบกระบวนการดูดซับที่แตกต่างกันได้ เช่น การดูดซับแบบสลับความดัน (PSA) และการดูดซับแบบสลับอุณหภูมิ (TSA) นอกจากนี้ MOF ยังสามารถคายประจุได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าวัสดุอื่นๆ ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานได้อย่างมาก

04 อนาคตของการดักจับคาร์บอน

ความก้าวหน้าล่าสุดในด้าน MOF ยังคงเอาชนะข้อจำกัดทั่วไปของวัสดุดูดซับ (เช่น ความไวต่อความชื้นและการเลือกดูดซับที่ไม่ดี) ได้ด้วยการออกแบบโครงสร้างที่สามารถปรับแต่งได้ โดยการปรับแต่งองค์ประกอบและรูปทรงรูพรุนของ MOF นักวิจัยประสบความสำเร็จในการสร้างวัสดุที่มีเสถียรภาพและประสิทธิภาพสูง ระบบที่ใช้ MOF สามารถตอบสนองความต้องการมาตรฐานสำหรับการดักจับคาร์บอนอย่างมีประสิทธิภาพ (ความบริสุทธิ์ 95% และอัตราการฟื้นตัว 90%) ที่ระดับความเข้มข้นต่างๆ โดยต้องการการเคลือบสารดูดความชื้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ความสามารถในการลดความไวต่อความชื้นนี้ถือเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญของ MOF เมื่อเทียบกับวัสดุดูดซับอื่นๆ เช่น ซีโอไลต์

นอกจากนี้ MOF ยังแสดงให้เห็นถึงความเสถียรและความทนทานที่ยอดเยี่ยม ทำให้เป็นวัสดุที่ได้รับความนิยมสำหรับการใช้งานในการดักจับคาร์บอน ดังนั้น ความสามารถในการปรับแต่งของ MOF จึงมีความสำคัญ โครงสร้างโมฟเทคโนโลยีเหล่านี้ไม่เพียงแต่เพิ่มประสิทธิภาพในการดักจับ CO₂ เท่านั้น แต่ยังช่วยปรับปรุงความสะดวกในการใช้งานและความน่าเชื่อถือภายใต้สภาวะแวดล้อมต่างๆ ซึ่งยิ่งตอกย้ำความเป็นผู้นำในเทคโนโลยีการดักจับคาร์บอนโดยใช้การดูดซับ

ด้วยความพยายามลดการปล่อยคาร์บอนทั่วโลก การดูดซับทางกายภาพโดยใช้ MOF เป็นสารดูดซับจะแสดงศักยภาพมหาศาล นักวิจัยยังคงทำการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อปรับปรุงเสถียรภาพ ความสามารถในการขยายขนาด และความคุ้มค่าของ MOF ให้ดียิ่งขึ้น ซึ่งจะผลักดันให้มีการประยุกต์ใช้กันอย่างแพร่หลายในการดักจับคาร์บอนในอุตสาหกรรม การใช้ประโยชน์จากข้อดีของวัสดุที่มีรูพรุนจะช่วยปูทางไปสู่อนาคตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและยั่งยืนสำหรับคนรุ่นต่อๆ ไป

บริษัท กวางตุ้ง ตันหยู นิว แมททีเรียลส์ จำกัด เป็นบริษัทนวัตกรรมเทคโนโลยีแห่งแรกของจีนที่ประสบความสำเร็จในการผลิต MOF ในปริมาณมาก โดยได้พัฒนา MOF ที่มีคุณสมบัติเฉพาะหลายร้อยชนิด ทีมงานของเรามีความเชี่ยวชาญทางเทคนิคอย่างลึกซึ้งในการสังเคราะห์และการประยุกต์ใช้ MOF หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้ MOF และการปรับแต่งคุณสมบัติ โปรดติดต่อทีมผู้เชี่ยวชาญของตันหยูเพื่อรับคำแนะนำจากผู้เชี่ยวชาญ

เอกสารอ้างอิง

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

[2]วารสารการผลิตที่สะอาด 373 (2022), 133932, 10.1016/j.jclepro.2022.133932