Aufgrund der CO₂ -Emissionen aus menschlicher Produktion und täglichen Aktivitäten hat sich die atmosphärische CO₂ -Konzentration von 280 ppmv zu Beginn der industriellen Revolution auf 379 ppmv im Jahr 2005 erhöht, und diese Zahl ist jetzt auf 390 ppmv gestiegen2. Da die Auswirkungen der zunehmenden CO₂ -Spiegel zunehmend schwerwiegender werden, ist die Entwicklung wirksamer CO₂ -Erfassungstechnologien in der chemischen Gemeinschaft zu einem heißen Thema geworden. Zu den aktuellen CO₂ -Erfassungsmethoden gehören hauptsächlich Absorption, Adsorption und Membrantrennung. Unter ihnen ist die Absorptionsmethode weiter in physikalische Absorption und chemische Absorption unterteilt:
Die physikalische Absorption verwendet hochkochende Punktlösungsmittel (z. B. Ethanol, Polyethylenglykol), um CO₂ zu absorbieren und zu desorbieren, indem Druck und Temperatur kontinuierlich zwischen CO₂ und Absorption eingestellt werden, wodurch die CO₂-Trennung erreicht wird.
Die chemische Absorption beruht auf chemischen Reaktionen zwischen dem Rohgas und dem Absorption, um CO₂ zu fangen.
Die Adsorptionsmethode hat sich aufgrund ihrer Vorteile eines einfachen Prozesses, einem geringen Energieverbrauch, einer einfachen Automatisierung und der Nichtkorrosivität als vielversprechende Trennungs- und Wiederherstellungstechnologie herausgestellt. Die Membran -Trennungsmethode trennt CO₂ basierend auf den Differentialpermeationsraten von CO₂ und anderen Gaskomponenten durch Membranmaterialien. Aminogruppen werden in fast allen oben genannten CO₂ -Erfassungsmethoden angewendet. Diese Studie überprüft die Anwendungen von Aminogruppen in Absorption, Adsorption und Membrantrennung, wobei der Schwerpunkt auf ihrer Rolle bei der adsorptionbasierten CO₂-Erfassung liegt.
Schlüsselwörter:Aminoänderung, Erfassung, Adsorbens
Methode zum Absorbieren von CO2 mit einer Alkoholaminlösung
Die Alkohol -Amin -Lösungsmethode ist die häufigste und effizienteste Methode zur Absorption von CO2 in industriellen Anwendungen. Das Alkoholaminmolekül enthält mindestens eine Hydroxylgruppe, die den Dampfdruck der Verbindung verringern kann, und diese Hydroxylgruppe kann auch die erforderliche alkalische Umgebung liefern. Das Alkoholaminmolekül sollte auch eine Aminogruppe enthalten, die die Absorption saurer Gase fördern kann.
Derzeit konzentriert sich der Forschungsschwerpunkt der Alkoholaminmethode für die CO2 -Absorption hauptsächlich auf die Prozessbedingungen der CO2 -Absorption, und es gibt weniger Untersuchungen zum Massenübergang des Absorptionsprozesses. Ein Gas-Flüssig-Verbesserungsgerät wurde dem Prozess der DEA-absorbierenden CO2 zugesetzt, um die Auswirkung von Gas- und Flüssigphasenverstärkung auf die Massenübertragungsleistung zwischen den Gas- und Flüssigkeitsphasen zu untersuchen. Wenn das Rühren des Gasphase von 50 R/min auf 200r/min anstieg, stieg der Massenübergangskoeffizient von 0,0154 kmol/(s · m)2· Mpa) bis 0,021 kmol/(s · m)2· MPA), ein Anstieg von 36,3%. Wenn das Rühren des Flüssigkeitsphase von 150 R/min auf 300R/min anstieg, stieg der relative Massenübertragungskoeffizient von 0,009 kmol/(s · m) an2· Mpa) bis 0,021 kmol/(s · m)2· MPA), ein Anstieg von fast 134%. Experimente haben gezeigt, dass das Hinzufügen eines Gas-Flüssigen-Verbesserungsgeräts die Massenübertragungskapazität innerhalb eines größeren Bereichs verbessern und so die Absorptionsrate von CO2 weiter verbessern kann.
Zusätzlich zu seiner hohen CO2 -Absorptionskapazität hat die Absorption von CO2 durch Alkoholaminlösung auch einige unvermeidliche Defekte:
(1) Es ist schwierig, die Alkoholaminlösung von CO2 nach der Kombination zu trennen, und sie muss bei einer höheren Temperatur getrennt werden, die viel Energie verbraucht.
(2) Alkoholaminlösung verursacht schwerwiegende Korrosion;
(3) Alkoholaminlösung ist während der CO -Desorption leicht zu verflüchtigen, wodurch die Fähigkeit, CO2 zu absorbieren, verringert.
(4) Alkoholaminlösung ist leicht zu einem thermischen Abbau und oxidativen Abbau während der CO2 -Desorption, wodurch die Absorptionskapazität für CO2 verringert wird. Genau an die oben genannten Defekte untersuchen und entwickeln wissenschaftliche Forscher neue Methoden und Materialien, mit denen Alkoholaminlösung ersetzt werden kann, um CO2 zu erfassen, z.
Methode zum Adsorbing CO2 unter Verwendung von Amino-modifiziertem Adsorbens
Der Schlüssel zur Adsorptionsmethode ist das Adsorbens. Herkömmliche Adsorbentien umfassen molekulare Siebe, Aktivkohle usw., während neue Adsorbentien Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Metall -organische Rahmenmaterialien, mesoporöse Materialien usw. umfassen. Jede Methode hat ihre eigenen Vorteile und Einschränkungen, und jedes Material hat auch ihre eigenen anwendbaren Felder und Defekte. Die Verwendung von Verbundwerkstoffen oder optimierten neuen Methoden, die die Vorteile verschiedener Materialien kombinieren, ist ein Trend bei der Erfassung von CO2 und hat ein großes Forschungspotential. Diese Studie nimmt aminomodifizierte Metall-organische Gerüstmaterialien, aminomodifizierte mesoporöse Materialien, aminomodifizierte Kohlenstoffnanoröhren und amo-modifiziertes Graphen als Beispiele zur Einführung von Amino-modifizierten Adsorbentien im Bereich der Erfassung von CO2 an.
Amino-modifizierte metallorganische Frameworks
Als neues Adsorben für die Erfassung von CO2 hat MOFS sehr offensichtliche Vorteile gegenüber herkömmlichen molekularen Siebe (Zeolith -Molekularsiebe, Carbon -Molekularsieben usw.) und Alkoholaminlösungen. Erstens ist der Rahmen der meisten MOFs neutral, so dass die Gastmoleküle, die die Poren besetzen, nur schwache Wechselwirkungen mit dem Skelett aufweisen. Diese Gastmoleküle können mit niedrigerer Temperatur aus dem Skelett gefahren werden, und die erforderlichen Poren können schnell erzeugt werden, während die Integrität des Skeletts aufrechterhalten wird. Zweitens können die Größe, Verteilung, Hydrophilie und chemische Funktionalität der Poren von MOFs auf molekularer Ebene ausgelegt werden, indem die verwendeten organischen Liganden und Metallionen geändert oder modifiziert werden.
Um seine Fähigkeit zu verbessern, CO2 zu adsorbieren, werden amo-modifizierte Metall-Bio-Rahmenmaterialien derzeit üblicherweise mit organischen Liganden mit Aminogruppen und Metallpfeilspitzen zusammengestellt. BLOM erstellte drei MOF-Materialien, USO-1-A1, USO-2-Ni und Uso-3-I, N und die entsprechenden Amino-modifizierten MOF-Materialien (USO-1-AI-A, USO-2-NI-A und USO-3-in-A). Die Ergebnisse des CO2-Adsorptionstests zeigten, dass die Kristallinität, die spezifische Oberfläche und das Porenvolumen der aminomodifizierten Materialien auf unterschiedliche Grad reduziert wurden, während der Adsorptionseffekt signifikant verbessert war. Die CO2-Adsorptionskapazität von USO-1-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-Akkapazität von USO-1-A1 und USO-1-A1-A belegte jedoch 2,3 mmol/g, während die von USO-1-A1-A auf 2,7 mmol/g erhöht wurde; Die anfängliche Adsorptionswärme von CO2 stieg von 30 kJ/mol auf 50 kJ/mol an, was bestätigte, dass die Adsorption von CO2 durch die amino-modifizierten Materialien signifikant verbessert wurde.
Amino-modifizierte mesoporöse Materialien
Obwohl Metall-organische Rahmenmaterialien und molekulare Siebe gute Adsorptionsmaterialien sind, begrenzt die inhärente Diffusion des mikroporösen Systems die Adsorptionskapazität von CO2 bis zu einem gewissen Grad. Einige mesoporöse SIO2 -Materialien können den Einfluss dieses Diffusionseffekts verringern und die Adsorptionskapazität verbessern. Einige Resthydroxylgruppen auf der Oberfläche von SiO2 machen das Material jedoch weniger kompatibel. Dieses Problem kann durch die Kombination von Amino-haltigen organischen Verbindungen mit den Poren mesoporöser Materialien durch Imprägnierung oder Transplantation überwunden werden.
50% Polyethylenimin wurde durch Imprägnierung in die Poren von MCM-41 geladen. Die Adsorptionskapazität von Amin-modifiziertem MCM-41 für CO2 erreichte 133 mg/g bei 348K, was höher ist als die mit Kieselgel gelieferte 78 mg/g als Träger.
Amino-modifizierte Kohlenstoffnanoröhren
In den letzten Jahren hat die Entwicklung neuer Materialien alle Aspekte des Lebens der Menschen beeinflusst. Die Anwendung von Kohlenstoffnanoröhren im Bereich der Gastrennung ist zu einem aktiven Highlight geworden. Kohlenstoffnanoröhren haben typische Schichthöhlenstruktureigenschaften, und der feste Abstand zwischen Schichten ist der Aminogladung förderlich.
Nachdem die CNTs mit 3-Aminopropyltrietriethoxysilan (APTs) oberflächen modifiziert worden waren, wurden ihre CO-Adsorptionskapazität und thermodynamische Eigenschaften untersucht. When the temperature was set at 50℃, the unmodified CNTs (APTS) with ATPS and CNTS mass ratios of 20%, 28%, 36%, 41%, 45% and 54% were adsorbed in a 15% CO2 environment, and the adsorption amounts were 21.5mg/g, 43.6mg/g, 51.3mg/g, 60.5mg/g, 74.5mg/g, 85,7 mg/g bzw. 77 mg/g. Diese Daten zeigen, dass aufgrund des Vorhandenseins von Aminogruppen in ATPs die Einführung von APTs auf der CNTS -Oberfläche die CO -Adsorptionskapazität erheblich verbessern kann. Und wenn die ATPS -Belastung 45% beträgt (Gew .-, Massenanteil, dasselbe unten), wird die maximale Adsorptionsmenge von C erreicht, die das 4 -fache der von nicht modifizierten CNTs beträgt. Wenn sich die Belastungsmenge jedoch weiter auf 54%erhöhte, nahm der Adsorptionsbetrag stattdessen ab. Dies kann daran liegen, dass zu viel Apts auf der Oberfläche von CNTs den Massenübergangsbeständigkeit von CO2 -Diffundierungen in das Innere erhöht.
Diese Forschungsberichte bestätigen, dass die Fähigkeit von mit Aminogruppen modifizierten Kohlenstoffnanoröhren, CO2 zu adsorten, signifikant besser ist als die von nicht modifizierten Kohlenstoffnanoröhren. Mit Aminogruppen modifizierte Kohlenstoffnanoröhren zeigen gute Aussichten bei der Erfassung von CO2, aber deren Anwendung und Entwicklungsraum sind aufgrund ihrer hohen Kosten begrenzt.
Amino-modifiziertes Graphen
Die Kristallstruktur der Graphenoberfläche ist sehr vollständig, wodurch ihre chemischen Eigenschaften inaktiv sind. Um den Anwendungsbereich von Graphen zu erweitern und seinen Anwendungswert zu verbessern, muss die Oberfläche geändert werden. Die nach der Graphenoxidation erzeugten funktionellen Gruppen erhöhen die Aktivität von Graphen und legen die Grundlage für die kovalente Modifikation. Anschließend kann die Oberflächenfunktionalisierung von Graphen erreicht werden, indem sie mit Reagenzien wie organischen Aminen und Isocyanaten modifiziert wird.
2012 haben Mishra et al. Zuerst modifizierte die Oberfläche von Graphen mit Polyanilin (PANI), um CO zu erfassen, und stellte fest, dass das modifizierte Graphen eine höhere CO2-Adsorptionskapazität als Aktivkohle, Zeolith, Metall-organische Rahmenmaterialien und Kohlenstoffnanoröhren aufwies. Sie untersuchten und verglichen auch die Adsorptionsisothermen der Polyanilin-modifizierten Materialien und nicht modifiziertes Graphen. Wenn der Druck 11 bar betrug und die Temperatur 25 Grad, 50 Grad und 100 Grad betrug, betrug die Adsorptionsmenge von CO2 durch das modifizierte Material Pani-F-HEG 75 mmol/g, 47 mmol/g bzw. 31 mmol/g; Während die Adsorptionsmenge nicht modifiziertes reine Graphen HEG 21,6 mmol/g, 18 mmol/g und 12 mmol/g betrug. Obwohl die Forschung zur Adsorption von CO2 durch Amino-modifizierte Graphit gerade erst begonnen hat, hat sie in dieser Hinsicht ein großes Anwendungspotential und den Entwicklungsraum gezeigt. Vielleicht wird dies eine neue Richtung für die Entwicklung von CO2 -Adsorptionsmaterialien.
Beispiele wie Amino-modifizierte Metall-organische Gerüstmaterialien, aminomodifizierte mesoporöse Materialien, Amino-modifizierte Kohlenstoffnanoröhren und Amino-modifiziertes Graphen haben gezeigt, dass diese Adsorbentien nach der Modifizierung mit Aminogruppen mit Aminogruppen eine gute CO2-Erfassungsfähigkeiten gezeigt haben und von Amino-Gruppen aus einfachem achterem Adsorption zu chemischen Adsorption mit Aminogruppen mit Aminosorten mit Aminosorten mit Amino-Gruppen geändert wurden, die mit Amino-Gruppen as-Amino-Gruppen as-Amino-Gruppen asorientiert wurden, und Amino-Gruppen mit Amino-Gruppen als Active-Zentren zu chemischen Adsorptionen mit Amino-Gruppen geändert haben. Dies hat ein neues Gebiet für die Untersuchung von Adsorbentien eröffnet und dürfte ein Schwerpunkt künftiger Forschung werden.
Aminoptimierte Membran-Trennungstechnologie für die CO2-Adsorption
Die Membrantrennung ähnelt dem Screening -Prozess. Nach der Porengröße der Membran können einige Substanzen durch die Membran verlaufen, während andere Substanzen von der Membran beibehalten werden, wodurch der Zweck der Trennung erreicht wird. Der größte Nachteil der Membran -Trennung bei der Gastrennung besteht darin, dass die Selektivität nicht hoch ist. Wenn Sie die Selektivität der Membrantrennung verbessern und die Trennungseffizienz verbessern möchten, können Sie die Membrantrennung mit Absorption oder Adsorption kombinieren. Verwenden Sie zuerst die Membrantrennung, um das Gas grob zu trennen, und dann die Absorption von Alkoholaminlösung oder die Adsorption von Adsorption mit hoher Effizienz zur Feintrennung. Dies kann nicht nur einen bestimmten Trenneffekt erzielen, sondern auch Investitionskosten sparen. Kombinieren Sie die Membran -Trennungstechnologie mit Alkoholaminlösung -Absorptionsmethode, lassen Sie den Gas entlang einer Seite der Membran und wenn CO2 auf die andere Seite der Membran diffundiert, wird sie von Alkoholamin absorbiert. Diese aminoptimierte Membran-Trennungsmethode hat ein einfacheres Gerät und niedrigere Investitionskosten als die Absorptionsmethode der Alkoholaminlösung. Darüber hinaus wird im Vergleich zur herkömmlichen Membran -Trennungsmethode die Fähigkeit zur Adsorb CO2 erheblich verbessert. Im Vergleich zur Adsorptionsmethode und der Easy-Absorptionsmethode des Alkoholamins hat die aminoptimierte Membran-Trennungsmethode die Vorteile eines einfachen Betriebs, geringem Energieverbrauch, besserer Adsorptionseffekt und weniger Investitionen. Aufgrund der Unreife der Technologie und der Tatsache, dass das Ersetzen von Geräten immer noch viel Geld verbraucht, wurde es nicht industriell angewendet.
Abschluss
The absorption of CO2 by organic amines using chemical absorption is the most common method in industrial applications, but this method requires a large investment, high energy consumption, a complex process, and high equipment corrosion. Adsorption separation of CO2 is an economical and environmentally friendly method, but the development of efficient adsorbents is the core. Membrane separation technology has a simple process, large operational flexibility, and low investment cost, but the service life of the membrane is short. If you want to efficiently separate CO2, you must combine it with solvent absorption or adsorption. Looking at these methods, they all have their advantages and limitations, and each material also has its applicable fields and defects. The use of "1+1>2 "Verbundwerkstoffe oder optimierte neue Methoden, die die Vorteile verschiedener Materialien kombinieren, werden ein Trend zur Erfassung von C02 sein und hat ein großes Forschungspotenzial. Bei der Entwicklung neuer Materialien und der Optimierung von Trennmethoden haben Aminogruppen eine gute Kompatibilität gezeigt. Die Anwendung beinhaltet fast alle Methoden, die die Fähigkeit zur Erfassung von CO2 erheblich verbessern und einen hohen Forschungswert haben.
