Твердые сорбенты для улавливания углерода

Твердые сорбенты для улавливания углерода захват включает разнообразный диапазон por ous, твердые -фазные материалы, включая мезопористые кремнеземы, цеолиты и металлоорганические каркасы. Они могут функционировать как более эффективные альтернативы процессам очистки газа амином для выборочного удаления CO2 из крупных стационарных источников, включая электростанции. В то время как уровень технологической готовности твердых адсорбентов для улавливания углерода варьируется между исследовательским и демонстрационным уровнями, было продемонстрировано, что твердые адсорбенты коммерчески жизнеспособны для жизнеобеспечение и криогенная перегонка. Хотя твердые адсорбенты, подходящие для улавливания и хранения углерода, являются активной областью исследований в рамках материаловедения, наличие таких технологий ограничивают значительные технологические и политические препятствия.

• 1 Обзор
• 2 Показатели
• 3 Сравнение с водными аминными абсорбентами
  • 3.1 Преимущества
  • 3.2 Недостатки
• 4 Физические адсорбенты
  • 4.1 Цеолиты
  • 4.2 Металл- органические каркасы
• 5 Химические адсорбенты
  • 5.1 Твердые вещества, пропитанные амином
• 6 Известные адсорбенты
• 7 Ссылки

При сжигании ископаемого топлива образуется более 13 гигатонн CO 2 в год. Обеспокоенность воздействием CO 2 на изменение климата и закисление океана побудила правительства и отрасли исследовать возможность применения технологий, которые улавливать образующийся CO 2 из углеродного цикла . Для новых электростанций такие технологии, как предварительное сжигание и кислородное сжигание, могут упростить процесс разделения газа.

Однако существующие электростанции требуют дожигания отделения CO 2 от дымового газа с помощью скруббера. В такой системе ископаемое топливо сжигается с воздухом, а CO 2 выборочно удаляется из газовой смеси, также содержащей N2, H2O, O2 и следы серы., азот и примеси металла. Хотя точные условия разделения зависят от топлива и технологии, как правило, CO 2 присутствует в низких концентрациях (4-15% об / об ) в газовых смесях около атмосферное давление и при температурах приблизительно -60 ° C. Сорбенты для улавливания углерода регенерируются с использованием температуры, давления или вакуума, так что CO 2 может собираться для связывания или утилизации и сорбент можно использовать повторно.

Самым серьезным препятствием для улавливания углерода является большое количество электроэнергии. Без политики или налога стимулов производство электроэнергии на таких станциях неконкурентоспособно с другими источниками энергии. Наибольшие эксплуатационные расходы для электростанций с улавливанием углерода связаны с уменьшением количества производимой электроэнергии, поскольку энергия в виде пара направляется от выработки электричества в турбинах на регенерацию сорбента. Таким образом, минимизация количества энергии, необходимой для регенерации сорбента, является основной целью многих исследований по улавливанию углерода.

Существует значительная неопределенность в отношении общей стоимости улавливания CO 2 после сжигания, поскольку полномасштабные демонстрации технологии еще не начались. Таким образом, при сравнении различных адсорбентов обычно полагаются на индивидуальные показатели эффективности.

Энергия регенерации - обычно выражается в энергии, потребляемой на вес уловленного CO 2 (например, 3000 кДж / кг). Эти значения, если они рассчитываются непосредственно из компонентов скрытого и явного тепла регенерации, измеряют общее количество энергии, требуемой для регенерации.

Паразитная энергия - аналогично регенерации энергии, но измеряет, сколько полезной энергии теряется. Из-за несовершенного теплового КПД электростанций не все тепло, необходимое для регенерации сорбента, могло бы фактически произвести электричество.

Адсорбционная способность - количество CO 2 адсорбируется на материале при соответствующих условиях адсорбции.

Рабочая емкость - Количество CO 2, которое, как можно ожидать, будет улавливаться указанным количеством адсорбента в течение одного цикла адсорбции-десорбции. Это значение обычно более актуально, чем общая адсорбционная способность.

Селективность - рассчитанная способность адсорбента предпочтительно адсорбировать один газ по сравнению с другим газом. Сообщалось о нескольких методах отчетности по избирательности, и в целом значения одного метода не сопоставимы со значениями другого метода. Точно так же значения сильно коррелируют с температурой и давлением.

Водные растворы амина абсорбируют CO 2 посредством обратимого образования из карбамата аммония, карбоната аммония и бикарбоната аммония. Образование этих частиц и их относительная концентрация в растворе зависит от конкретного амина или аминов, а также от температуры и давления газовой смеси. При низких температурах CO 2 предпочтительно абсорбируется аминами, а при высоких температурах CO 2 десорбируется. Хотя жидкие аминовые растворы использовались в промышленности для удаления кислых газов в течение почти столетия, технология аминовых скрубберов все еще находится в стадии разработки в масштабе, необходимом для улавливания углерода.

Преимущества

Множественные преимущества твердых сорбентов не поступало. В отличие от аминов твердые сорбенты могут селективно адсорбировать CO 2 без образования химических связей (физисорбция ). Значительно более низкая теплота адсорбции твердых веществ требует меньше энергии для десорбции CO 2 с поверхности материала. Кроме того, для поглощения одной молекулы CO 2 в жидкости обычно требуются две молекулы первичного или вторичного амина. На твердых поверхностях могут адсорбироваться большие объемы CO 2. Сообщается, что для процессов адсорбции с переменным температурным режимом более низкая теплоемкость твердых веществ снижает ощутимую энергию, необходимую для регенерации сорбента. Многие экологические проблемы, связанные с жидкими аминами, могут быть устранены за счет использования твердых адсорбентов.

Недостатки

Ожидается, что производственные затраты будут значительно выше, чем стоимость простых аминов. Поскольку дымовой газ содержит следы примесей, которые разрушают сорбенты, твердые сорбенты могут оказаться чрезмерно дорогими. Необходимо преодолеть серьезные инженерные проблемы. Заметная энергия, необходимая для регенерации сорбента, не может быть эффективно рекуперирована при использовании твердых веществ, что компенсирует их значительную экономию теплоемкости. Кроме того, теплопередача через твердый слой является медленной и неэффективной, что затрудняет и удорожает охлаждение сорбента во время адсорбции и нагревание во время десорбции. Наконец, многие многообещающие твердые адсорбенты были измерены только в идеальных условиях, что не учитывает потенциально значимое влияние H 2 O на работоспособность и энергию регенерации.

Двуокись углерода адсорбируется в заметных количествах на многих пористых материалах за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий. По сравнению с N 2, CO 2 адсорбируется сильнее, потому что молекула более поляризуема и обладает большим квадрупольным моментом. Однако более сильные адсорбенты, включая H 57 2 99 O, часто мешают физическому механизму адсорбции. Таким образом, обнаружение пористых материалов, которые могут избирательно связывать CO 2 в условиях дымовых газов с использованием только механизма физической адсорбции, является активной областью исследований.

Цеолиты

Цеолиты, класс пористых алюмосиликатных твердых веществ, в настоящее время используются в большом количестве промышленных и коммерческих приложений, включая разделение CO 2.. Емкость и селективность многих цеолитов являются одними из самых высоких для адсорбентов, основанных на физической сорбции. Например, сообщалось, что цеолит Ca-A (5A) демонстрирует как высокую емкость, так и селективность в отношении CO 2 по сравнению с N 2 в условиях, соответствующих улавливанию углерода из дымовых газов угля, хотя он не был протестирован в присутствии H 2 O. В промышленности CO 2 и H 2 O могут совместно адсорбироваться на цеолите, но для регенерации сорбента требуются высокие температуры и поток сухого газа.

Металлоорганические каркасы

Металлоорганические каркасы (МОФ) являются перспективными адсорбентами. Сообщалось о сорбентах, проявляющих разнообразный набор свойств. MOF с чрезвычайно большой площадью поверхности обычно не являются одними из лучших для улавливания CO 2 по сравнению с материалами, по крайней мере, с одним участком адсорбции, который может поляризовать CO2. Например, MOF с открытыми центрами координации металлов функционируют как кислоты Льюиса и сильно поляризуют CO 2. Вследствие большей поляризуемости и квадрупольного момента CO 2 CO 2 предпочтительно адсорбируется над многими компонентами дымового газа, такими как N 2. Однако загрязнители дымовых газов, такие как H 2 O, часто мешают. Сообщалось о MOF с определенными размерами пор, специально настроенных для предпочтительной адсорбции CO 2. Исследования 2015 г. с использованием твердых сорбентов на основе доломита и сорбентов на основе MgO или CaO показали высокую способность и долговечность при повышенных температурах и давлениях.

Твердые вещества, пропитанные амином

Часто пористые адсорбенты с большой площадью поверхности, но только со слабыми центрами адсорбции, не обладают достаточной емкостью для CO 2 в реальных условиях. Сообщалось, что для увеличения адсорбционной способности CO 2 низкого давления добавление аминогрупп к высокопористым материалам приводит к новым адсорбентам с более высокой емкостью. Эта стратегия была проанализирована для полимеров, кремнезема, активированного угля и металлоорганических каркасов. Твердые вещества, пропитанные амином, используют хорошо зарекомендовавшую себя кислотно-щелочную химию CO 2 с аминами, но разбавляют амины, удерживая их в порах твердых частиц, а не в виде растворов H 2 O. Сообщается, что твердые вещества, пропитанные амином, лучше, чем альтернативы, сохраняют свою адсорбционную способность и селективность в условиях влажных испытаний. Например, исследование 2015 года 15 твердых адсорбентов-кандидатов для улавливания CO 2 показало, что в условиях многокомпонентной равновесной адсорбции, имитирующих влажный дымовой газ, только адсорбенты, функционализированные алкиламинами, сохраняют значительную емкость для CO 2.