Твердые сорбенты для улавливания углерода
сорбенты для улавливания углерода включают широкий спектр пористых твердофазных Твердые металлоорганические материалов , в том числе мезопористые диоксиды кремния , цеолиты и каркасы . Они потенциально могут выступать в качестве более эффективной альтернативы процессам очистки аминового газа для селективного удаления CO 2 из крупных стационарных источников, включая электростанции . [ 1 ] Хотя уровень технологической готовности твердых адсорбентов к улавливанию углерода варьируется в зависимости от исследовательского и демонстрационного уровня, было продемонстрировано, что твердые адсорбенты коммерчески жизнеспособны для жизнеобеспечения и криогенной дистилляции . Хотя твердые адсорбенты, подходящие для улавливания и хранения углерода, являются активной областью исследований в области материаловедения , значительные технологические и политические препятствия ограничивают доступность таких технологий.
Обзор
[ редактировать ]При сжигании ископаемого топлива выделяется более 13 гигатонн CO 2 в год. [ 2 ] Обеспокоенность по поводу воздействия CO 2 на изменение климата и закисление океана побудила правительства и промышленность изучить осуществимость технологий, которые улавливают образующийся CO 2 от попадания в углеродный цикл . На новых электростанциях такие технологии, как предварительное сжигание и кислородное сжигание топлива, могут упростить процесс разделения газов .
Однако существующие электростанции требуют после сжигания отделения CO 2 от дымовых газов с помощью скруббера . В такой системе ископаемое топливо сжигается с воздухом , а CO 2 селективно удаляется из газовой смеси, также содержащей N 2 , H 2 O , O 2 и следовые серы , азота и металлов примеси . Хотя точные условия разделения зависят от топлива и технологии, в целом CO 2 присутствует в низких концентрациях (4-15% по объему ) в газовых смесях при давлении, близком к атмосферному , и при температуре примерно -60 °C. [ 3 ] Сорбенты для улавливания углерода регенерируются с использованием температуры , давления или вакуума , так что CO 2 можно собрать для секвестрации или утилизации, а сорбент можно использовать повторно.
Самым значительным препятствием на пути улавливания углерода является необходимость в большом количестве электроэнергии . [ 4 ] Без политических или налоговых стимулов производство электроэнергии на таких станциях не может конкурировать с другими источниками энергии. [ 5 ] Самыми большими эксплуатационными затратами для электростанций с улавливанием углерода является сокращение количества производимой электроэнергии. [ 6 ] потому что энергия в виде пара отвлекается от выработки электроэнергии в турбинах на регенерацию сорбента. Таким образом, минимизация количества энергии, необходимой для регенерации сорбента, является основной целью многих исследований по улавливанию углерода.
Метрики
[ редактировать ]
Существует значительная неопределенность относительно общей стоимости улавливания CO 2 после сжигания , поскольку полномасштабные демонстрации этой технологии еще не начались. [ 8 ] Таким образом, при сравнении различных адсорбентов обычно полагаются на отдельные показатели эффективности. [ 9 ]
Энергия регенерации — обычно выражается в энергии, потребляемой на вес уловленного CO 2 (например, 3000 кДж/кг). Эти значения, если они рассчитаны непосредственно на основе компонентов скрытого и явного тепла регенерации, измеряют общее количество энергии, необходимой для регенерации. [ 10 ]
Паразитная энергия — аналогична энергии регенерации, но измеряет, сколько полезной энергии теряется. Из-за несовершенного теплового КПД электростанций не все тепло, необходимое для регенерации сорбента, фактически могло бы производить электроэнергию. [ 11 ]
Адсорбционная способность – количество CO 2 , адсорбированное материалом при соответствующих условиях адсорбции.
Рабочая емкость — количество CO 2 , которое, как ожидается, будет уловлено заданным количеством адсорбента в течение одного цикла адсорбции-десорбции. Это значение обычно более актуально, чем общая адсорбционная емкость.
Селективность – расчетная способность адсорбента предпочтительно адсорбировать один газ по сравнению с другим газом. Сообщалось о нескольких методах определения селективности, и, как правило, значения одного метода несопоставимы со значениями другого метода. Точно так же значения сильно коррелируют с температурой и давлением. [ 12 ]
Сравнение с водными аминными абсорбентами
[ редактировать ]Водные растворы аминов поглощают CO 2 посредством обратимого образования карбамата аммония , карбоната аммония и бикарбоната аммония . [ 13 ] Образование этих частиц и их относительная концентрация в растворе зависят от конкретного амина или аминов, а также от температуры и давления газовой смеси. При низких температурах CO 2 преимущественно поглощается аминами, а при высоких температурах CO 2 десорбируется. Хотя растворы жидких аминов используются в промышленности для удаления кислых газов уже почти столетие, технология аминных скрубберов все еще находится в стадии разработки в масштабах, необходимых для улавливания углерода. [ 14 ]
Преимущества
[ редактировать ]Сообщалось о многочисленных преимуществах твердых сорбентов. В отличие от аминов твердые сорбенты способны избирательно адсорбировать СО 2 без образования химических связей ( физосорбция ). Значительно более низкая теплота адсорбции твердых веществ требует меньше энергии для CO 2 десорбции с поверхности материала. Кроме того, для поглощения одной молекулы CO 2 в жидкостях обычно требуются две молекулы первичного или вторичного амина. большие объемы CO 2 На твердых поверхностях можно адсорбировать что в процессах адсорбции с переменными температурами более низкая теплоемкость твердых веществ снижает ощутимую энергию, необходимую для регенерации сорбента. . Сообщалось, [ 9 ] Многие экологические проблемы, связанные с жидкими аминами, можно устранить за счет использования твердых адсорбентов. [ 5 ]
Недостатки
[ редактировать ]Ожидается, что производственные затраты будут значительно выше, чем стоимость простых аминов. Поскольку дымовые газы содержат следы примесей, которые разлагают сорбенты, твердые сорбенты могут оказаться непомерно дорогими. Необходимо решить серьезные инженерные проблемы. Разумная энергия, необходимая для регенерации сорбента, не может быть эффективно восстановлена при использовании твердых веществ, что компенсирует их значительную экономию теплоемкости. Кроме того, теплообмен через твердый слой медленный и неэффективный, что затрудняет и дорого охлаждает сорбент во время адсорбции и нагревает его во время десорбции. Наконец, многие многообещающие твердые адсорбенты были измерены только в идеальных условиях, что игнорирует потенциально значительные эффекты, которые H 2 O может оказывать на работоспособность и энергию регенерации.
Физические адсорбенты
[ редактировать ]Углекислый газ в значительных количествах адсорбируется на многих пористых материалах за счет взаимодействий Ван-дер-Ваальса . По сравнению с N 2 CO 2 адсорбируется сильнее, поскольку молекула более поляризуема и обладает большим квадрупольным моментом . [ 9 ] Однако более сильные адсорбенты, включая H 2 O, часто мешают физическому механизму адсорбции. Таким образом, обнаружение пористых материалов, которые могут избирательно связывать CO 2 в условиях дымовых газов, используя только механизм физической адсорбции, является активной областью исследований.
Цеолиты
[ редактировать ]Цеолиты , класс пористых алюмосиликатных твердых веществ, в настоящее время используются в самых разных промышленных и коммерческих целях, включая отделение CO 2 . Емкости и селективность многих цеолитов являются одними из самых высоких среди адсорбентов, основанных на физической адсорбции. Например, сообщалось, что цеолит Ca-A (5A) демонстрирует как высокую емкость, так и селективность по CO 2 по отношению к N 2 в условиях, соответствующих улавливанию углерода из угольных дымовых газов, хотя он не был протестирован в присутствии H 2 О. [ 15 ] В промышленности CO 2 и H 2 O можно соадсорбировать на цеолите, но для регенерации сорбента необходимы высокие температуры и поток сухого газа. [ 11 ]
Металлоорганические каркасы
[ редактировать ]Металлоорганические каркасы (МОКС) являются перспективными адсорбентами. [ 9 ] Сообщалось о сорбентах, обладающих разнообразным набором свойств. MOF с чрезвычайно большой площадью поверхности, как правило, не являются одними из лучших для CO 2. улавливания [ 9 ] по сравнению с материалами, по крайней мере, с одним центром адсорбции, способным поляризовать CO 2 . Например, MOF с открытыми координационными центрами металлов действуют как кислоты Льюиса и сильно поляризуют CO 2 . [ 16 ] Благодаря CO 2 большей поляризуемости и квадрупольному моменту CO 2 предпочтительно адсорбируется по сравнению со многими компонентами дымовых газов, такими как N 2 . Однако загрязнители дымовых газов, такие как H 2 O, часто мешают. MOF с определенными размерами пор, специально настроенных на преимущественное поглощение CO 2 . Сообщалось о [ 17 ]
Химические адсорбенты
[ редактировать ]Пропитанные амином твердые вещества
[ редактировать ]Часто пористые адсорбенты с большой площадью поверхности, но лишь со слабыми адсорбционными центрами, не обладают достаточной способностью поглощать CO 2 в реальных условиях. для увеличения способности к адсорбции CO 2 Сообщалось, что при низком давлении добавление аминофункциональных групп к высокопористым материалам приводит к созданию новых адсорбентов с более высокой производительностью. Эта стратегия была проанализирована для полимеров, кремнеземов, активированных углей и металлоорганических каркасов. [ 1 ] Твердые вещества, пропитанные амином, используют хорошо зарекомендовавшую себя кислотно-основную химию CO 2 с аминами, но разбавляют амины, удерживая их в порах твердых веществ, а не в виде H 2 растворов O. Сообщается, что твердые вещества, пропитанные амином, сохраняют свою адсорбционную способность и селективность во влажных условиях испытаний лучше, чем альтернативы. Например, исследование 15 твердых адсорбентов-кандидатов-кандидатов для улавливания CO 2 в 2015 году показало, что в условиях многокомпонентной равновесной адсорбции, имитирующих влажные дымовые газы, только адсорбенты, функционализированные алкиламинами, сохраняли значительную емкость по CO 2 . [ 18 ]
Известные адсорбенты
[ редактировать ]| Имя | Тип | 0,15 бар Производительность (% веса) | Ссылка |
|---|---|---|---|
| ПЭИ-МИЛ-101 | Амин – МОФ | 17.7 | [ 19 ] |
| ммэн-Mg 2 (добпдк) | Амин – МОФ | 13.7 | [ 20 ] [ 21 ] |
| дмен-Мг 2 (добпдк) | Амин – МОФ | 13.3 | [ 22 ] |
| дмпн–Mg 2 (добпдк) | Амин – МОФ | 11.0 | [ 23 ] |
| ммэн-CuBTTri | Амин – МОФ | 9.5 | [ 24 ] |
| NH2 - МИЛ-53(Ал) | Амин – МОФ | 3.1 | [ 25 ] |
| ru-CuBTTri | Амин – МОФ | 2.3 | [ 26 ] |
| Мг-МОФ-74 | МФ | 20.6 | [ 16 ] |
| Ни-МОФ-74 | МФ | 16.9 | [ 27 ] |
| Ко-МОФ-74 | МФ | 14.2 | [ 27 ] |
| ХКУСТ-1 | МФ | 11.6 | [ 28 ] |
| SIFSIX-3(Zn) | МФ | 10.7 | [ 17 ] |
| Zn(ox)(atz) 2 | МФ | 8.3 | [ 29 ] |
| Zn-МОФ-74 | МФ | 7.6 | [ 30 ] |
| CuTATB-60 | МФ | 5.8 | [ 31 ] |
| био-МОФ-11 | МФ | 5.4 | [ 32 ] |
| ФеБТТ | МФ | 5.3 | [ 33 ] |
| МОФ-253-Си(БФ4) | МФ | 4.0 | [ 34 ] |
| ЗИФ-78 | МФ | 3.3 | [ 35 ] |
| CuBTTri | МФ | 2.9 | [ 26 ] |
| СНУ-50 | МФ | 2.9 | [ 36 ] |
| УСО-2-Ис-А | МФ | 2.1 | [ 25 ] |
| МИЛ-53(Ал) | МФ | 1.7 | [ 25 ] |
| МИЛ-47 | МФ | 1.1 | [ 27 ] |
| УМЦМ-150 | МФ | 1.8 | [ 27 ] |
| МОФ-253 | МФ | 1.0 | [ 34 ] |
| ЗИФ-100 | МФ | 1.0 | [ 37 ] |
| MTV-MOF-ЭЙ | МФ | 1.0 | [ 38 ] |
| ЗИФ-8 | МФ | 0.6 | [ 27 ] |
| ИРМОФ-3 | МФ | 0.6 | [ 27 ] |
| МОФ-177 | МФ | 0.6 | [ 27 ] |
| УМЦМ-1 | МФ | 0.5 | [ 27 ] |
| МОФ-5 | МФ | 0.5 | [ 27 ] |
| 13X | Цеолит | 15.3 | [ 39 ] |
| как | Цеолит | 18.5 | [ 15 ] |
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б А. Х. Лу, С. Дай, Пористые материалы для улавливания углекислого газа, Springer, 2014.
- ^ Международное энергетическое агентство, Выбросы CO 2 при сжигании топлива: основные моменты МЭА, 2013.
- ^ А. Саманта, А. Чжао, Г.К. Симидзу, П. Саркар и Р. Гупта Исследования в области промышленной и инженерной химии 2012 51 1438-1463.
- ^ А. Адранья, «Улавливание CO 2 может поднять оптовую цену на энергию на восемьдесят процентов» Bloomberg News, 12 февраля 2014 г.
- ^ Jump up to: а б NETL, «Базовый уровень затрат и производительности для электростанций, работающих на ископаемом топливе», Том 1: использование каменного угля и природного газа для производства электроэнергии
- ^ Х. Херцог, Дж. Мелдон, А. Хаттон, после сгорания CO 2 «Усовершенствованное улавливание ». Архивировано 3 сентября 2013 г. в Wayback Machine.
- ^ Чанут, Николя; Гуфи, Азиз; Куле, Мари-Ванесса; Буррелли, Сандрин; Кухта, Богдан; Морен, Гийом; Ллевеллин, Филип Л. (05 марта 2020 г.). «Настройка разделительных свойств гибких металлоорганических каркасов с помощью механического давления» . Природные коммуникации . 11 (1): 1216. doi : 10.1038/s41467-020-15036-y . ISSN 2041-1723 . ПМК 7058087 . ПМИД 32139685 . S2CID 212403830 .
- ^ «Крупномасштабные проекты CCS | Глобальный институт улавливания и хранения углерода» . www.globalccsinstitute.com . Проверено 13 сентября 2015 г.
- ^ Jump up to: а б с д и K. Sumida, et al. Chem. Rev. 2012 , 112 , 724-781.
- ^ С. Сьостром, Х. Крутка, Топливо 2014 , 89 , 1298-1306.
- ^ Jump up to: а б Л.-К. Ли и др., Nature Materials 2012 , 11 , 633–641.
- ^ Мейсон, Дж.А.; Сумида, К.; Герм, ЗР; Кришна, Р.; Лонг, JR Energy Environ. наук. 2011 , 4 , 3030-3040.
- ^ МЭ Бут-Хэндфорд и др., Energy Environ. наук. 7 , 130 (2014).
- ^ Г. Рошель, Наука , 2009 , 325 , 1652-1654.
- ^ Jump up to: а б Бэ, Т.-Х.; Хадсон, MR; Мейсон, Дж.А.; Королева, WL; Даттон, Джей-Джей; Сумида, К.; Миклаш, К.Дж.; Кэй, СС; Браун, СМ; Лонг, JR Energy Environ. наук. 2013 , 6 , 128-138.
- ^ Jump up to: а б С.Р. Кэски, А.Г. Вонг-Фой, Эй.Дж. Мацгер, Дж. Ам. хим. Соц. 2008 , 130 , 10870-10871
- ^ Jump up to: а б П. Ньюджент и др., Nature , 2013 , 495 , 80–84.
- ^ Мейсон, Дж.А.; Макдональд, ТМ; Бэ, Т.-Х.; Бахман, Дж. Э.; Сумида, К.; Даттон, Джей-Джей; Кэй, СС; Лонг, младший Дж. Ам. хим. Соц. , 2015 , 137 , 4787-4803.
- ^ Ю. Линь, К. Ян, К. Конг, Л. Чен, Scientific Reports , 2013 , 3 , Номер статьи: 1859.
- ^ Макдональд, ТМ; Ли, WR; Мейсон, Дж.А.; Вирс, Б.М.; Хонг, CS; Лонг, младший Дж. Ам. хим. Соц. 2012 , 134 , 7056-7065.
- ^ Макдональд, TM; Мейсон, Дж. А.; Конг, X.; Блох, Э.Д.; Гиги, Д.; Дэни, А.; Крочелла, В.; Джорданино, Ф.; Одо, ТАК; Дрисделл, Вашингтон; Влайсавлевич Б.; Дзубак, А.Л.; Полони, Р.; Шнелл, СК; Планас, Н.; Лук-порей.; Паскаль, Т.; Ван, Л.Ф.; Прендергаст, Д.; Нитон, Дж. Б.; Смит, Б.; Кортрайт, Дж. Б.; Гальярди, Л. Бордига, С.; Реймер, Дж. А.; Лонг, JR Nature 2015 , 519 , 303–308.
- ^ Ли, WR; Джо, Х.; Ян, Л.-М.; Ли, Х.; Рю, Д.В.; Лим, Канзас; Сонг, Дж. Х.; Мин, ДЯ; Хан, СС; Со, Дж.Г.; Парк, ЮК; Мун, Д.; Хонг, CS Chem. наук. 2015 , 6 , 3697-3705.
- ^ Милнер, П.Дж.; Сигельман, Р.Л.; Может быть, AC; Гонсалес, Мичиган; Рунцевский, Т.; Мартелл, доктор медицинских наук; Реймер, Дж. А.; Лонг, JRJ Am. Соц. 2017 , 139 , 13541–13553.
- ^ Макдональд, ТМ; Д'Алессандро, DM; Кришна, Р.; Лонг, JR Chem. наук. 2011 , 2 , 2022.
- ^ Jump up to: а б с Арстад, Б.; Фьеллвог, Х.; Конгшауг, К.О.; Сванг, О.; Блом, Р. Адсорбция 2008 , 14 , 755.
- ^ Jump up to: а б Демессенс, А.; Д'Алессандро, Д.М.; Фу, М.Л.; Лонг, младший, Дж. Ам. хим. Соц. 2009 , 131 , 8784.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Yazaydin, A. O., et al. J. Am. Chem. Soc. 2009 , 131 , 18198.
- ^ Апреа, П.; Капуто, Д.; Гарджуло, Н.; Юколано, Ф.; Пепе, FJ Chem. англ. Данные 2010 , 55 , 3655.
- ^ Вайдхьянатан, Р.; Иремонгер, СС; Доусон, KW; Симидзу, GKH Chem. Коммун. 2009 , 5230.
- ^ Кэски, SR; Вонг-Фой, АГ; Мацгер, AJ J. Am. хим. Соц. 2008 , 130 , 10870.
- ^ Ким, Дж.; Ян, С.-Т.; Чой, С.Б.; Сим, Дж.; Ким, Дж.; Ан, В.-С. Дж. Матер. Ткань. 2011 , 21 , 3070.
- ^ Ан, Дж.; Гейб, С.Дж.; Рози, Нью-Йорк, J. Am. хим. Соц. 2010 , 132 , 38.
- ^ Сумида, К.; Хорике, С.; Кэй, СС; Герм, ЗР; Королева, WL; Браун, СМ; Гранжан, Ф.; Лонг, Дж.Дж.; Дэйли, А.; Лонг, JR Chem. наук. 2010 , 1 , 184.
- ^ Jump up to: а б Блох, Эд; Бритт, Д.; Ли, К.; Дунан, CJ; Урибе-Ромо, Ф.Дж.; Фурукава, Х.; Лонг, младший; Яги, ОМ Дж. Ам. хим. Соц. 2010 , 132 , 14383.
- ^ Банерджи, Р.; Фурукава, Х.; Бритт, Д.; Ноблер, К.; О'Киф, М.; Яги, OMJ Am. хим. Соц. 2009 , 131 , 10998.
- ^ Прасад, ТК; Хонг, ДХ; Эх, депутат. Хим.–Евр. Дж. 2010 , 16 , 14043.
- ^ Ван, Б.; Кот, AP; Фурукава, Х.; О'Киф, М.; Яги, OM Nature 2008 , 453 , 207.
- ^ Дэн, Х.; Дунан, CJ; Фурукава, Х.; Феррьера, РБ; Таун, Дж.; Кноблер, CB; Ван, Б.; Яги, OM Science 2010 , 327 , 846.
- ^ Ли, Б., Ван, Х. и Чен, Б., Chem. Азиатский Дж. , 2014 , 9 , 1474