Stałe sorbenty do wychwytywania węgla
Stałe sorbenty do wychwytywania węgla obejmują szeroką gamę porowatych materiałów w fazie stałej , w tym mezoporowate krzemionki , zeolity i szkielety metaloorganiczne . Mają one potencjał, aby funkcjonować jako wydajniejsze alternatywy dla oczyszczania gazów aminowych w celu selektywnego usuwania CO 2 z dużych, stacjonarnych źródeł, w tym elektrowni . Podczas gdy poziom gotowości technologii adsorbentów stałych do wychwytywania dwutlenku węgla waha się między poziomami badawczymi i demonstracyjnymi, wykazano, że stałe adsorbenty są komercyjnie opłacalne w zastosowaniach podtrzymywania życia i destylacji kriogenicznej . Podczas gdy stałe adsorbenty odpowiednie do wychwytywania i składowania dwutlenku węgla są aktywnym obszarem badań w materiałoznawstwie , znaczące przeszkody technologiczne i polityczne ograniczają dostępność takich technologii.
Przegląd
Spalanie paliw kopalnych generuje ponad 13 gigaton CO 2 rocznie. Zaniepokojenie wpływem CO 2 na zmiany klimatu i zakwaszenie oceanów skłoniło rządy i przemysł do zbadania wykonalności technologii, które wychwytują powstający CO 2 przed wejściem do obiegu węgla . W przypadku nowych elektrowni technologie takie jak wstępne spalanie i spalanie tlenowo-paliwowe mogą uprościć separację gazów proces.
Istniejące elektrownie wymagają jednak separacji po spalaniu CO 2 ze spalin za pomocą skrubera . W takim układzie paliwa kopalne są spalane z powietrzem , a CO 2 jest selektywnie usuwany z mieszaniny gazów zawierającej również N 2 , H 2 O , O 2 oraz śladowe ilości siarki , azotu i zanieczyszczeń metalicznych . Podczas gdy dokładne warunki separacji zależą od paliwa i technologii, generalnie CO 2 występuje w niskich stężeniach (4-15% v/v ) w mieszaninach gazowych pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego iw temperaturze około -60 °C. Sorbenty do wychwytywania węgla są regenerowane za pomocą temperatury , ciśnienia lub próżni , dzięki czemu CO 2 może być zbierany w celu sekwestracji lub utylizacji, a sorbent może być ponownie wykorzystany.
Najbardziej znaczącą przeszkodą w wychwytywaniu dwutlenku węgla jest duża ilość wymaganej energii elektrycznej . Bez zachęt politycznych lub podatkowych produkcja energii elektrycznej z takich elektrowni nie jest konkurencyjna w stosunku do innych źródeł energii. Największym kosztem eksploatacyjnym elektrowni z wychwytywaniem dwutlenku węgla jest zmniejszenie ilości wytwarzanej energii elektrycznej, ponieważ energia w postaci pary jest kierowana z produkcji energii elektrycznej w turbinach na regenerację sorbentu. Zatem minimalizacja ilości energii potrzebnej do regeneracji sorbentu jest głównym celem wielu badań nad wychwytywaniem dwutlenku węgla.
Metryka
Istnieje znaczna niepewność co do całkowitego kosztu wychwytywania CO 2 po spalaniu , ponieważ pełnowymiarowe demonstracje tej technologii nie zostały jeszcze udostępnione online. W związku z tym przy porównywaniu różnych adsorbentów na ogół polega się na indywidualnych wskaźnikach wydajności.
Energia regeneracji — ogólnie wyrażana w energii zużytej na masę wychwyconego CO 2 (np. 3 000 kJ/kg). Wartości te, obliczone bezpośrednio na podstawie utajonego i jawnego regeneracji, mierzą całkowitą ilość energii wymaganej do regeneracji.
Energia pasożytnicza — podobna do energii regeneracji, ale mierzy, ile energii użytecznej jest tracone. Ze względu na niedoskonałą sprawność cieplną elektrowni nie całe ciepło potrzebne do regeneracji sorbentu faktycznie pozwoliłoby na wyprodukowanie energii elektrycznej.
Zdolność adsorpcyjna — ilość CO 2 zaadsorbowanego na materiale w odpowiednich warunkach adsorpcji.
Zdolność robocza — Ilość CO 2 , która może zostać wychwycona przez określoną ilość adsorbentu podczas jednego cyklu adsorpcji-desorpcji. Ta wartość jest na ogół bardziej istotna niż całkowita pojemność adsorpcyjna.
Selektywność — obliczona zdolność adsorbentu do preferencyjnego adsorbowania jednego gazu w stosunku do innego gazu. Zgłoszono wiele metod zgłaszania selektywności i ogólnie wartości z jednej metody nie są porównywalne z wartościami z innej metody. Podobnie wartości są silnie skorelowane z temperaturą i ciśnieniem.
Porównanie z wodnymi absorbentami aminowymi
Wodne roztwory amin pochłaniają CO2 poprzez odwracalne tworzenie karbaminianu amonu , węglanu amonu i wodorowęglanu amonu . Powstawanie tych związków i ich względne stężenie w roztworze zależy od konkretnej aminy lub amin, jak również od temperatury i ciśnienia mieszaniny gazowej. W niskich temperaturach CO2 jest preferencyjnie absorbowany przez aminy, aw wysokich temperaturach CO2 jest zdesorbowany. Podczas gdy ciekłe roztwory amin są stosowane przemysłowo do usuwania kwaśnych gazów od prawie wieku, technologia skruberów aminowych jest wciąż rozwijana na skalę wymaganą do wychwytywania dwutlenku węgla.
Zalety
Zgłoszono wiele zalet stałych sorbentów. W przeciwieństwie do amin, stałe sorbenty mogą selektywnie adsorbować CO 2 bez tworzenia wiązań chemicznych ( fizysorpcja ). Znacznie niższe ciepło adsorpcji ciał stałych wymaga mniej energii do desorbcji CO 2 z powierzchni materiału. Ponadto do zaabsorbowania pojedynczej cząsteczki CO 2 w cieczy potrzebne są zazwyczaj dwie pierwszorzędowe lub drugorzędowe cząsteczki aminy. W przypadku powierzchni stałych można zaadsorbować duże ilości CO 2 . W przypadku procesów adsorpcji zmiennotemperaturowej mniejsza pojemność cieplna Doniesiono, że ilość ciał stałych zmniejsza energię jawną wymaganą do regeneracji sorbentu. Wiele problemów środowiskowych związanych z ciekłymi aminami można wyeliminować, stosując stałe adsorbenty.
Niedogodności
Oczekuje się, że koszty produkcji będą znacznie większe niż koszty prostych amin. Ponieważ gazy spalinowe zawierają śladowe zanieczyszczenia, które degradują sorbenty, sorbenty stałe mogą okazać się zbyt drogie. Należy przezwyciężyć znaczące wyzwania inżynieryjne. Energii jawnej wymaganej do regeneracji sorbentu nie można skutecznie odzyskać , jeśli stosowane są ciała stałe, co równoważy ich znaczne oszczędności pojemności cieplnej. Ponadto przenoszenie ciepła przez złoże stałe jest powolne i nieefektywne, przez co schładzanie sorbentu podczas adsorpcji i ogrzewanie podczas desorpcji jest trudne i kosztowne. Wreszcie, wiele obiecujących stałych adsorbentów zostało zmierzonych tylko w idealnych warunkach, co ignoruje potencjalnie znaczące efekty H 2 O może mieć na zdolność do pracy i energię regeneracji.
Adsorbenty fizyczne
Dwutlenek węgla adsorbuje się w znacznych ilościach na wielu porowatych materiałach poprzez interakcje van der Waalsa . W porównaniu z N2 , CO2 adsorbuje silniej, ponieważ cząsteczka jest bardziej podatna na polaryzację i posiada większy moment kwadrupolowy . Jednak silniejsze środki adsorpcyjne, w tym H2O, często zakłócają fizyczny mechanizm adsorpcji. Tak więc odkrywanie materiałów porowatych, które mogą selektywnie wiązać CO 2 w warunkach gazów spalinowych przy użyciu jedynie fizycznego mechanizmu adsorpcji, jest aktywnym obszarem badawczym.
Zeolity
Zeolity , klasa porowatych stałych glinokrzemianów , są obecnie wykorzystywane w wielu różnych zastosowaniach przemysłowych i handlowych, w tym do separacji CO2 . Zdolności i selektywności wielu zeolitów należą do najwyższych w przypadku adsorbentów opartych na fizysorpcji. zeolit Ca-A (5A) wykazuje zarówno wysoką pojemność, jak i selektywność dla CO2 w stosunku do N2 w warunkach odpowiednich do wychwytywania węgla ze spalin węglowych, chociaż nie został przetestowany w obecności H2 O. Przemysłowo, CO 2 i H 2O może być współadsorbowany na zeolicie, ale do regeneracji sorbentu potrzebne są wysokie temperatury i strumień suchego gazu.
Struktury metaloorganiczne
Struktury metaloorganiczne (MOF) są obiecującymi adsorbentami. Zgłoszono sorbenty wykazujące zróżnicowany zestaw właściwości. MOF o wyjątkowo dużych powierzchniach generalnie nie należą do najlepszych do wychwytywania CO 2 w porównaniu z materiałami z co najmniej jednym miejscem adsorpcji, które może polaryzować CO 2 . Na przykład MOF z otwartymi miejscami koordynacyjnymi metali działają jak kwasy Lewisa i silnie polaryzują CO 2 . Ze względu na większą polaryzowalność i moment kwadrupolowy CO2 , CO2 jest preferencyjnie adsorbowany w stosunku do wielu składników gazów spalinowych, takich jak N2 . Jednak zanieczyszczenia gazów spalinowych, takie jak H2O, często przeszkadzają. Opisano MOF o określonych rozmiarach porów, dostrojonych specjalnie do preferencyjnego adsorbowania CO2 . Badania przeprowadzone w 2015 roku z użyciem sorbentów stałych na bazie dolomitu oraz sorbentu na bazie MgO lub CaO wykazały wysoką zdolność i trwałość w podwyższonych temperaturach i ciśnieniach.
Adsorbenty chemiczne
Ciała stałe impregnowane aminą
Często adsorbenty porowate o dużych polach powierzchni, ale tylko słabych miejscach adsorpcji, nie mają wystarczającej pojemności dla CO 2 w realistycznych warunkach. Doniesiono , że w celu zwiększenia zdolności adsorpcji CO2 pod niskim ciśnieniem dodanie aminowych grup funkcyjnych do materiałów o dużej porowatości prowadzi do powstania nowych adsorbentów o większej pojemności. Strategia ta została przeanalizowana dla polimerów, krzemionek, węgli aktywnych i szkieletów metaloorganicznych. Substancje stałe impregnowane aminami wykorzystują dobrze ugruntowaną chemię kwasowo-zasadową CO2 z aminami, ale rozcieńczają aminy, umieszczając je w porach substancji stałych, a nie jako H 2 O rozwiązania. Doniesiono, że ciała stałe impregnowane aminami zachowują swoją zdolność adsorpcji i selektywność w wilgotnych warunkach testowych lepiej niż alternatywy. Na przykład badanie przeprowadzone w 2015 r. na 15 stałych adsorbentach kandydujących do wychwytywania CO 2 wykazało, że w równowagowych warunkach adsorpcji wieloskładnikowej symulujących wilgotne gazy spalinowe tylko adsorbenty funkcjonalizowane alkiloaminami zachowywały znaczną pojemność CO 2 .
Godne uwagi adsorbenty
| Nazwa | Typ | 0,15 bara Wydajność (% wagi) | Odniesienie |
|---|---|---|---|
| PEI-MIL-101 | Amina-MOF | 17.7 | |
| mmen-Mg 2 (dobpdc) | Amina-MOF | 13.7 | |
| dmen-Mg 2 (dobpdc) | Amina-MOF | 13.3 | |
| dmpn – Mg 2 (dobpdc) | Amina-MOF | 11.0 | |
| mmen-CuBTTri | Amina-MOF | 9.5 | |
| NH2 - MIL-53(Al) | Amina-MOF | 3.1 | |
| en-CuBTTri | Amina-MOF | 2.3 | |
| Mg-MOF-74 | MOF | 20.6 | |
| Ni-MOF-74 | MOF | 16,9 | |
| Co-MOF-74 | MOF | 14.2 | |
| HKUST-1 | MOF | 11.6 | |
| SIFSIX-3(Zn) | MOF | 10.7 | |
| Zn(ox)(atz) 2 | MOF | 8.3 | |
| Zn-MOF-74 | MOF | 7.6 | |
| CuTATB-60 | MOF | 5.8 | |
| bio-MOF-11 | MOF | 5.4 | |
| FeBTT | MOF | 5.3 | |
| MOF-253-Cu(BF4) | MOF | 4.0 | |
| ZIF-78 | MOF | 3.3 | |
| CuBTTri | MOF | 2.9 | |
| SNU-50 | MOF | 2.9 | |
| USO-2-Ni-A | MOF | 2.1 | |
| MIL-53(Al) | MOF | 1.7 | |
| MIL-47 | MOF | 1.1 | |
| UMCM-150 | MOF | 1.8 | |
| MOF-253 | MOF | 1.0 | |
| ZIF-100 | MOF | 1.0 | |
| MTV-MOF-EHI | MOF | 1.0 | |
| ZIF-8 | MOF | 0,6 | |
| IRMOF-3 | MOF | 0,6 | |
| MOF-177 | MOF | 0,6 | |
| UMCM-1 | MOF | 0,5 | |
| MOF-5 | MOF | 0,5 | |
| 13X | Zeolit | 15.3 | |
| Ca-A | Zeolit | 18,5 |