Płuczka z dwutlenkiem węgla

Płuczka dwutlenku węgla to element wyposażenia pochłaniający dwutlenek węgla (CO 2 ). Stosowany jest do oczyszczania gazów spalinowych z zakładów przemysłowych lub wydychanego powietrza w systemach podtrzymywania życia, takich jak rebreathery lub w statkach kosmicznych , pojazdach podwodnych lub komorach hermetycznych . Płuczki z dwutlenkiem węgla są również stosowane w w kontrolowanej atmosferze (CA). Zostały również zbadane pod kątem wychwytywania i składowania dwutlenku węgla jako sposobu walki ze zmianami klimatycznymi .

Technologie

Płukanie aminowe

Główny artykuł: Obróbka gazu aminowego

Podstawowym zastosowaniem przemywania CO 2 jest usuwanie CO 2 ze spalin elektrowni węglowych i gazowych . Właściwie jedyna poważnie oceniana technologia obejmuje stosowanie różnych amin , np. monoetanoloaminy . Zimne roztwory tych związków organicznych wiążą CO 2 , ale w wyższych temperaturach wiązanie jest odwrotne:

CO 2 + 2 HOCH
2 CH
2 NH
2 ↔ HOCH
2 CH
2 NH
+ 3 + HOCH
2 CH
2 NHCO
- 2

Od 2009 roku technologia ta była wdrażana w niewielkim stopniu ze względu na koszty kapitałowe instalacji obiektu i koszty operacyjne jego użytkowania.

Minerały i zeolity

Kilka minerałów i materiałów mineralnopodobnych odwracalnie wiąże CO 2 . Najczęściej minerałami tymi są tlenki lub wodorotlenki, a często CO 2 jest związany jako węglan. Dwutlenek węgla reaguje z wapnem palonym (tlenkiem wapnia), tworząc wapień ( węglan wapnia ), w procesie zwanym pętlą węglanową. Inne minerały to serpentynit , wodorotlenek krzemianu magnezu i oliwin . Sita molekularne również spełniają tę funkcję.

Zaproponowano różne (cykliczne) procesy przemywania, aby usunąć CO2 z powietrza lub gazów spalinowych i uwolnić je w kontrolowanym środowisku, zawracając środek płuczący. Zwykle obejmują one zastosowanie wariantu procesu Krafta , który może być oparty na wodorotlenku sodu . CO 2 jest absorbowany w takim roztworze, przenoszony do wapna (w procesie zwanym kaustyzacją) i ponownie uwalniany w piecu . Po pewnych modyfikacjach istniejących procesów (głównie zmiana na piec opalany tlenem) powstałe spaliny stają się skoncentrowanym strumieniem CO 2 , gotowym do składowania lub wykorzystania w paliwach. Alternatywą dla tego procesu termochemicznego jest proces elektryczny, który uwalnia CO2 poprzez elektrolizę roztworu węglanu. Choć prostszy, ten proces elektryczny zużywa więcej energii niż elektroliza, a także rozdziela wodę . Aby zapobiec zanegowaniu korzyści dla środowiska płynących z zastosowania elektrolizy w porównaniu z metodą piecową, energia elektryczna powinna pochodzić ze źródła odnawialnego (lub mniej emisyjnego niż w przypadku pieca potrzebnego w innym przypadku). Wczesne wcielenia wychwytywania CO 2 motywowanego środowiskiem wykorzystywały energię elektryczną jako źródło energii i dlatego były uzależnione od zielonej energii. Niektóre systemy termicznego wychwytywania CO 2 wykorzystują ciepło wytwarzane na miejscu, co zmniejsza nieefektywność wynikającą z produkcji energii elektrycznej poza terenem zakładu, ale nadal wymaga źródła ( ekologicznego) ciepła , które może zapewnić energia jądrowa lub skoncentrowana energia słoneczna .

Wodorotlenek sodu

Zeman i Lackner nakreślili specyficzną metodę przechwytywania powietrza.

Najpierw CO2 jest absorbowany przez alkaliczny roztwór NaOH w celu wytworzenia rozpuszczonego węglanu sodu . Reakcja absorpcji jest reakcją gaz-ciecz, silnie egzotermiczną, tutaj:

2NaOH(aq) + CO 2 (g) → Na
2 CO
3 (aq) + H 2 O (l)
Na
2 CO
3 (aq) + Ca(OH)
2 (s) → 2NaOH(aq) + CaCO
3 ( s)
ΔH° = -114,7 kJ/mol

Kaustyzacja jest wszechobecna w przemyśle celulozowo-papierniczym i łatwo przenosi 94% jonów węglanowych z kationu sodu do kationu wapnia. Następnie wytrącony węglan wapnia odsącza się z roztworu i rozkłada termicznie w celu wytworzenia gazowego CO2 . Reakcja kalcynacji jest jedyną reakcją endotermiczną w procesie i jest pokazana tutaj:

CaCO
3 (s) → CaO(s) + CO 2 (g)
ΔH° = + 179,2 kJ/mol

Rozkład termiczny kalcytu przeprowadza się w piecu wapiennym opalanym tlenem, aby uniknąć dodatkowego etapu oddzielania gazu. Uwodnienie wapna (CaO) kończy cykl. Hydratacja wapna jest reakcją egzotermiczną, którą można przeprowadzić za pomocą wody lub pary wodnej. Przy użyciu wody jest to reakcja ciecz/ciało stałe, jak pokazano tutaj:

CaO(s) + H2O -64,5 kJ / (l) → Ca(OH)
2 (s) ΔH° =
mol

Wodorotlenek litu

Inne mocne zasady, takie jak wapno sodowane , wodorotlenek sodu , wodorotlenek potasu i wodorotlenek litu , są w stanie usunąć dwutlenek węgla w reakcji chemicznej z nim. W szczególności wodorotlenek litu był używany na pokładzie statku kosmicznego , na przykład w programie Apollo , do usuwania dwutlenku węgla z atmosfery. Reaguje z dwutlenkiem węgla tworząc węglan litu . Ostatnio technologia pochłaniania wodorotlenku litu została dostosowana do stosowania w aparatach anestezjologicznych . Aparaty anestezjologiczne, które zapewniają podtrzymywanie życia i środki wziewne podczas operacji, zwykle wykorzystują obieg zamknięty, co wymaga usunięcia dwutlenku węgla wydychanego przez pacjenta. Wodorotlenek litu może oferować pewne korzyści w zakresie bezpieczeństwa i wygody w porównaniu ze starszymi produktami na bazie wapnia.

2 LiOH(s) + 2 H 2 O (g) → 2 LiOH· H 2 O (s)
2 LiOH· H 2 O (s) + CO 2 (g) → Li
2 CO
3 (s) + 3 H 2 O (g)

Reakcja netto to:

2LiOH(s) + CO 2 (g) → Li
2 CO
3 (s) + H 2 O (g)

Można również stosować nadtlenek litu , ponieważ pochłania on więcej CO2 na jednostkę masy, a dodatkową zaletą jest uwalnianie tlenu.

W ostatnich latach ortokrzemian litu wzbudził duże zainteresowanie wychwytywaniem CO 2 oraz magazynowaniem energii. Materiał ten oferuje znaczne korzyści w zakresie wydajności, chociaż wymaga wysokich temperatur do powstania węglanu.

Regeneracyjny system usuwania dwutlenku węgla

Regeneracyjny system usuwania dwutlenku węgla (RCRS) na orbicie wahadłowca kosmicznego wykorzystywał system z dwoma łóżkami, który zapewniał ciągłe usuwanie dwutlenku węgla bez produktów zużywalnych. Regenerowalne systemy umożliwiły misji wahadłowca dłuższy pobyt w kosmosie bez konieczności uzupełniania z sorbentem . Starsze na wodorotlenku litu (LiOH), które nie podlegają regeneracji, zostały zastąpione systemami opartymi na tlenkach metali z możliwością regeneracji . System oparty na tlenku metalu składał się głównie z pojemnika z sorbentem tlenku metalu i zespołu regeneratora. Działało na zasadzie usuwania dwutlenku węgla za pomocą materiału sorbentowego, a następnie regeneracji materiału sorbentowego. Pojemnik z sorbentem z tlenku metalu regenerowano przez pompowanie przez niego powietrza o temperaturze około 400°F (204°C) przy standardowym natężeniu przepływu 7,5 stopy sześciennej/min (0,0035 m3/s) przez 10 godzin.

Węgiel aktywowany

Węgiel aktywny może być stosowany jako skruber dwutlenku węgla. Powietrze o wysokiej zawartości dwutlenku węgla, takie jak powietrze z miejsc przechowywania owoców, może być przedmuchiwane przez złoża węgla aktywnego, a dwutlenek węgla będzie przylegał do węgla aktywnego [adsorpcja]. Gdy złoże zostanie nasycone , musi zostać „zregenerowane” przez przedmuchanie przez złoże powietrza o niskiej zawartości dwutlenku węgla, takiego jak powietrze z otoczenia. Spowoduje to uwolnienie dwutlenku węgla ze złoża, które następnie można ponownie wykorzystać do szorowania, pozostawiając ilość netto dwutlenku węgla w powietrzu taką samą, jak w momencie rozpoczęcia procesu. [ potrzebne źródło ]

Struktury metaloorganiczne (MOF)

Struktury metaloorganiczne to jedna z najbardziej obiecujących nowych technologii wychwytywania i sekwestracji dwutlenku węgla poprzez adsorpcję . Chociaż obecnie nie istnieje żadna technologia komercyjna na dużą skalę, kilka badań naukowych wykazało ogromny potencjał MOF jako adsorbentu CO2 . Jego właściwości, takie jak struktura porów i funkcje powierzchniowe, można łatwo dostosować, aby poprawić selektywność CO2 w stosunku do innych gazów.

MOF mógłby być specjalnie zaprojektowany do działania jako środek usuwający CO 2 w elektrowniach dopalających. W tym scenariuszu gazy spalinowe przechodziłyby przez złoże wypełnione materiałem MOF, w którym usuwany byłby CO2 . Po osiągnięciu nasycenia, CO 2 może być desorbowany przez zmianę ciśnienia lub temperatury. Dwutlenek węgla można następnie skompresować do warunków nadkrytycznych w celu składowania pod ziemią lub wykorzystania w ulepszonych procesach wydobycia ropy naftowej. Jednak nie jest to jeszcze możliwe na dużą skalę ze względu na kilka trudności, z których jedną jest produkcja MOF w dużych ilościach.

Innym problemem jest dostępność metali niezbędnych do syntezy MOF. W hipotetycznym scenariuszu, w którym materiały te są wykorzystywane do wychwytywania całego CO2 potrzebnego do uniknięcia problemów związanych z globalnym ociepleniem, takich jak utrzymanie globalnego wzrostu temperatury o mniej niż 2°C powyżej średniej temperatury sprzed epoki przemysłowej, potrzebowalibyśmy więcej metali niż jest dostępnych na Ziemia. Na przykład, aby zsyntetyzować wszystkie MOF, które wykorzystują wanad , potrzebowalibyśmy 1620% światowych rezerw z 2010 roku. Nawet stosując MOF na bazie magnezu, które wykazały dużą zdolność do adsorbowania CO 2 , potrzebowalibyśmy 14% światowych rezerw z 2010 r., co jest znaczną ilością. Konieczne byłoby również ekstensywne wydobycie, co prowadziłoby do większej liczby potencjalnych problemów środowiskowych.

W projekcie sponsorowanym przez DOE i prowadzonym przez UOP LLC we współpracy z wykładowcami z czterech różnych uniwersytetów, MOF zostały przetestowane jako możliwe środki usuwające dwutlenek węgla w spalinach po spalaniu. Byli w stanie oddzielić 90% CO 2 ze strumienia gazów spalinowych za pomocą procesu zmiennociśnieniowego. Dzięki szeroko zakrojonym badaniom naukowcy odkryli, że najlepszym MOF do zastosowania był Mg/DOBDC, który ma zdolność ładowania CO 2 na poziomie 21,7% wag. Szacunki wykazały, że gdyby podobny system zastosować w dużej elektrowni, koszt energii wzrósłby o 65%, podczas gdy bazowy system oparty na aminach NETL spowodowałby wzrost o 81% (cel DOE to 35% ). Ponadto każda uniknięta tona CO 2 kosztowałaby 57 USD, podczas gdy w przypadku systemu aminowego koszt ten szacuje się na 72 USD. Projekt zakończył się w 2010 roku, szacując, że całkowity kapitał potrzebny do realizacji takiego projektu w elektrowni o mocy 580 MW wyniósł 354 miliony dolarów.

Wydłuż wkład powietrza

Extend Air Cartridge (EAC) to marka lub typ wstępnie załadowanego pojemnika pochłaniającego jednorazowego użytku, który można dopasować do komory odbiornika w odpowiednio zaprojektowanym rebreatherze.

Inne metody

Omówiono wiele innych metod i materiałów do wypłukiwania dwutlenku węgla.

Zobacz też

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Carbon_dioxide_scrubber&oldid=1135946505 ”