Скруббер углекислого газа
Скруббер углекислого газа – это оборудование, которое поглощает углекислый газ (CO 2 ). Он используется для очистки выхлопных газов промышленных предприятий или выдыхаемого воздуха в системах жизнеобеспечения, таких как ребризеры , или в космических кораблях , подводных лодках или герметичных камерах . Скрубберы углекислого газа также используются в хранилищах с контролируемой атмосферой (CA). Они также исследовались на предмет улавливания и хранения углерода в качестве средства борьбы с изменением климата .
Технологии [ править ]
Очистка амином [ править ]
Основным применением очистки CO 2 является удаление CO 2 из выхлопных газов угольных и газовых электростанций . Практически единственная технология, которая серьезно оценивается, предполагает использование различных аминов , например моноэтаноламина . Холодные растворы этих органических соединений связывают CO 2 , но при более высоких температурах связывание меняется на противоположное:
- СО 2 + 2 ВЫСОКИЙ
2 СН
2 НХ
2 ↔ ВЫСОКИЙ
2 СН
2 НХ +
3 + ВЫСОКИЙ
2 СН
2 НКО −
2
По состоянию на 2009 год [update]Однако эта технология была внедрена лишь в незначительной степени из-за капитальных затрат на установку установки и эксплуатационных затрат на ее использование. [1]
Минералы и цеолиты [ править ]
Некоторые минералы и минералоподобные материалы обратимо связывают CO 2 . [2] Чаще всего эти минералы представляют собой оксиды или гидроксиды, причем часто CO 2 связан в виде карбоната. Углекислый газ реагирует с негашеной известью (оксидом кальция) с образованием известняка ( карбоната кальция ), [3] в процессе, называемом карбонатным циклом . Другие минералы включают серпентинит , магния силиката гидроксид и оливин . [4] [5] Молекулярные сита также функционируют в этом качестве.
Были предложены различные (циклические) процессы очистки для удаления CO 2 из воздуха или дымовых газов и высвобождения их в контролируемой среде с возвратом очищающего агента. Обычно они включают использование варианта Крафт-процесса , который может быть основан на гидроксиде натрия . [6] [7] CO 2 поглощается таким раствором, превращается в известь (посредством процесса, называемого каустизацией) и снова высвобождается при использовании печи . При некоторых модификациях существующих процессов (в основном при переходе на кислородную печь) полученные выхлопы становятся концентрированным потоком CO 2 , готовым к хранению или использованию в качестве топлива. Альтернативой этому термохимическому процессу является электрический процесс, при котором CO 2 высвобождается посредством электролиза карбонатного раствора. [8] Хотя этот электрический процесс проще, он потребляет больше энергии, чем электролиз, а также расщепляет воду . Чтобы не свести на нет экологические преимущества использования электролиза по сравнению с печным методом, электричество должно поступать из возобновляемого (или менее эмиссионного, чем печь, необходимая в противном случае) источника. Ранние воплощения экологически мотивированного улавливания CO 2 использовали электричество в качестве источника энергии и, следовательно, зависели от экологически чистой энергии. Некоторые системы термического улавливания CO 2 используют тепло, вырабатываемое на месте, что снижает неэффективность, возникающую в результате производства электроэнергии за пределами объекта, но при этом все равно требуется источник (зеленого) тепла , который могла бы обеспечить ядерная энергия или концентрированная солнечная энергия . [9]
Гидроксид натрия [ править ]
Земан и Лакнер изложили конкретный метод захвата воздуха. [10]
Сначала CO 2 поглощается щелочным раствором NaOH с образованием растворенного карбоната натрия . Реакция абсорбции представляет собой газожидкостную реакцию, сильно экзотермическую, здесь:
- 2NaOH(водн.) + CO 2 (г) → Na
22CO
3 (вод) + Н 2 О (л)
- Уже
22CO
3 (водн.) + Са(ОН)
2 (т) → 2NaOH(вод) + CaCO
3 (с)
- ΔH° = −114,7 кДж/моль
Каустификация повсеместно применяется в целлюлозно-бумажной промышленности и легко переносит 94% карбонат-ионов от катиона натрия к катиону кальция. [10] Впоследствии осадок карбоната кальция фильтруют из раствора и термически разлагают с получением газообразного CO 2 . Реакция прокаливания является единственной эндотермической реакцией в этом процессе и показана здесь:
- СаСО
3 (т) → CaO(т) + CO 2 (г)
- ΔH° = +179,2 кДж/моль
Термическое разложение кальцита проводят в печи для обжига извести с кислородом, чтобы избежать дополнительной стадии разделения газа. Гидратация извести (CaO) завершает цикл. Гидратация извести — это экзотермическая реакция, которую можно проводить с помощью воды или пара. При использовании воды это реакция жидкость/твердое тело, как показано здесь:
- СаО(ы) + H 2 O (ж) → Ca(OH)
2 (с)
- ΔH° = −64,5 кДж/моль
Гидроксид лития [ править ]
Другие сильные основания, такие как натронная известь , гидроксид натрия , гидроксид калия и гидроксид лития , способны удалять углекислый газ путем химической реакции с ним. В частности, гидроксид лития использовался на борту космических кораблей , например, в программе «Аполлон» , для удаления углекислого газа из атмосферы. Он реагирует с углекислым газом с образованием карбоната лития . [11] Недавно технология поглощения гидроксида лития была адаптирована для использования в наркозных аппаратах . Анестезиологические аппараты, которые обеспечивают жизнеобеспечение и вдыхание агентов во время операции, обычно используют замкнутый контур, что требует удаления углекислого газа, выдыхаемого пациентом. Гидроксид лития может предложить некоторые преимущества в безопасности и удобстве по сравнению с более старыми продуктами на основе кальция.
- 2 LiOH(ы) + 2 H 2 O (г) → 2 LiOH· Н 2 О (ы)
- 2 LiOH · H 2 O (т) + CO 2 (г) → Li
22CO
3 (с)+3 Н 2 О (г)
Чистая реакция:
- 2LiOH(тв) + CO 2 (г) → Li
22CO
3 (с) + Н 2 О (г)
перекись лития Также можно использовать , поскольку она поглощает больше CO 2 на единицу веса, а также выделяет кислород. [12]
В последние годы ортосиликат лития привлек большое внимание к улавливанию CO 2 , а также к хранению энергии. [8] Этот материал обеспечивает значительные преимущества в эксплуатационных характеристиках, хотя для образования карбоната требуются высокие температуры.
Регенеративная система удаления углекислого газа [ править ]
В системе регенеративного удаления углекислого газа (RCRS) на орбитальном корабле «Спейс Шаттл» использовалась двухкорпусная система, обеспечивающая непрерывное удаление углекислого газа без расходных продуктов. Регенерируемые системы позволили челноку дольше оставаться в космосе без необходимости пополнять канистры с сорбентом . Старые системы на основе гидроксида лития (LiOH), которые не подлежат регенерации, были заменены регенерируемыми металлов системами на основе оксидов . Система на основе оксида металла в основном состояла из канистры сорбента из оксида металла и узла регенератора. Он работал путем удаления углекислого газа с помощью сорбента и последующей регенерации сорбента. Канистру с металлоксидным сорбентом регенерировали путем прокачивания через нее воздуха с температурой приблизительно 200°C (392°F) при стандартной скорости потока 3,5 л/с (7,4 куб. футов/мин) в течение 10 часов. [13]
Активированный уголь [ править ]
Активированный уголь можно использовать в качестве очистителя углекислого газа. Воздух с высоким содержанием углекислого газа, например воздух из мест хранения фруктов, можно продувать через слои активированного угля, и углекислый газ будет прилипать к активированному углю [адсорбция]. После того, как слой насытится, его необходимо «регенерировать», продувая через слой воздух с низким содержанием углекислого газа, например окружающий воздух. Это позволит высвободить углекислый газ из слоя, и его затем можно будет снова использовать для очистки, оставив чистое количество углекислого газа в воздухе таким же, как и в начале процесса. [ нужна ссылка ]
Металлоорганические каркасы (МОФ) [ править ]
Металлоорганические каркасы являются одной из наиболее перспективных новых технологий улавливания и связывания углекислого газа посредством адсорбции . [14] Хотя в настоящее время не существует крупномасштабной коммерческой технологии, несколько исследований показали большой потенциал MOF в качестве адсорбента CO 2 . Его характеристики, такие как структура пор и функции поверхности, можно легко настроить для улучшения селективности по CO 2 по сравнению с другими газами. [15]
MOF может быть специально разработан для работы в качестве агента удаления CO 2 на электростанциях дожигания. В этом сценарии дымовой газ будет проходить через слой, заполненный материалом MOF, где CO 2 будет удаляться . После достижения насыщения CO 2 можно десорбировать путем изменения давления или температуры. Затем углекислый газ можно будет сжать до сверхкритических условий, чтобы хранить под землей или использовать в процессах повышения нефтеотдачи . Однако в больших масштабах это пока невозможно из-за ряда трудностей, одной из которых является производство MOF в больших количествах. [16]
Другая проблема — доступность металлов, необходимых для синтеза МОФ. В гипотетическом сценарии, когда эти материалы используются для улавливания всего CO 2 , необходимого для предотвращения проблем глобального потепления, таких как поддержание глобального повышения температуры менее чем на 2 °C выше средней доиндустриальной температуры, нам понадобится больше металлов, чем доступно на планете. Земля. Например, чтобы синтезировать все MOF, использующие ванадий , нам потребуется 1620% мировых запасов 2010 года. Даже если использовать MOF на основе магния, которые продемонстрировали большую способность адсорбировать CO 2 , нам потребуется 14% мировых запасов 2010 года, что является значительной суммой. Кроме того, потребуется масштабная добыча полезных ископаемых, что приведет к еще большим потенциальным экологическим проблемам. [16]
В рамках проекта, спонсируемого Министерством энергетики и реализуемого ООО «ЮОП» в сотрудничестве с преподавателями четырех различных университетов, MOF были протестированы как возможные агенты удаления углекислого газа из дымовых газов после сжигания. Им удалось отделить 90% CO 2 от потока дымовых газов, используя процесс изменения давления в вакууме. В результате обширного исследования исследователи обнаружили, что лучшим MOF для использования является Mg/DOBDC, который имеет CO 2 концентрацию 21,7 мас.%. Оценки показали, что если бы подобная система была применена на крупной электростанции, стоимость энергии увеличилась бы на 65%, в то время как базовая система NETL на основе аминов привела бы к увеличению на 81% (цель Министерства энергетики составляет 35%). ). Кроме того, каждая тонна предотвращенного выброса CO 2 будет стоить 57 долларов США, тогда как для системы амина эти затраты оцениваются в 72 доллара США. Проект завершился в 2010 году, по оценкам, общий капитал, необходимый для реализации такого проекта на электростанции мощностью 580 МВт, составил 354 миллиона долларов. [17]
Удлинить воздушный картридж [ править ]
Картридж Extend Air Cartridge (EAC) — это марка или тип предварительно загруженного одноразового абсорбента, который можно вставить в реципиентную полость ребризера соответствующей конструкции. [18]
Другие методы [ править ]
Обсуждалось множество других методов и материалов для очистки от углекислого газа.
- Адсорбция [19]
- Регенеративная система удаления углекислого газа (РСРС)
- заполненные водорослями Биореакторы,
- Мембранное разделение газов
- Реверсивные теплообменники
См. также [ править ]
- Улавливание и хранение углерода . Сбор углекислого газа из промышленных выбросов.
- Удаление углекислого газа - Удаление углекислого газа из атмосферы в результате деятельности человека.
- Парниковый газ - газ в атмосфере, который поглощает и излучает излучение в тепловом инфракрасном диапазоне.
- Ребризер - портативный аппарат для переработки дыхательного газа.
- Реакция Сабатье - процесс метанирования углекислого газа водородом.
Ссылки [ править ]
- ^ Гэри Т. Рошель (2009). «Аминовая очистка для улавливания CO 2 ». Наука . 325 (5948): 1652–4. Бибкод : 2009Sci...325.1652R . дои : 10.1126/science.1176731 . ПМИД 19779188 . S2CID 206521374 .
- ^ Сунхо Чой; Джеффри Х. Дрезе; Кристофер В. Джонс (2009). «Адсорбенты для улавливания углекислого газа из крупных точечных антропогенных источников». ChemSusChem . 2 (9): 796–854. Бибкод : 2009ЧСЧ...2..796С . дои : 10.1002/cssc.200900036 . ПМИД 19731282 .
- ^ «Представьте себе отсутствие ограничений на использование ископаемого топлива и отсутствие глобального потепления» . ScienceDaily . 15 апреля 2002 г.
- ^ «Природный минерал задерживает углекислый газ» . ScienceDaily . 3 сентября 2004 года . Проверено 1 июня 2011 г.
- ^ «Устойчивое развитие и печь TecEco» . Архивировано из оригинала 25 октября 2005 года . Проверено 25 октября 2005 г.
- ^ Кеннет Чанг (19 февраля 2008 г.). «Ученые превратят парниковый газ в бензин» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 29 октября 2009 г.
- ^ Брагич, Екатерина (3 октября 2007 г.). «Химическая «губка» может фильтровать CO2 из воздуха и окружающей среды» . Новый учёный . Проверено 29 октября 2009 г.
Земан, Франк (2007). «Энергетический и материальный баланс улавливания CO 2 из окружающего воздуха». Окружающая среда. наук. Технол . 41 (21): 7558–63. Бибкод : 2007EnST...41.7558Z . дои : 10.1021/es070874m . ПМИД 18044541 . S2CID 27280943 . - ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Куинн, Р.; Китцхоффер, Р.Дж.; Хафтон-младший; Золотой, ТК (2012). «Высокотемпературный твердый абсорбент на основе ортосиликата лития для улавливания CO 2 после сжигания ». Индийский англ. хим. Рез . 51 (27): 9320–7. дои : 10.1021/ie300157m .
- ^ Кунциг, Роберт; Брокер, Уоллес (12 января 2009 г.). «Могут ли технологии очистить воздух?» . Новый учёный . Проверено 29 октября 2009 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Земан, Ф.С.; Лакнер, К.С. (2004). «Улавливание углекислого газа непосредственно из атмосферы». Мировой ресурс. Преподобный . 16 : 157–172.
- ^ Дж. Р. Яунсен (1989). «Поведение и возможности скрубберов на основе гидроксида лития и углекислого газа в глубоководной среде» . Технический отчет Военно-морской академии США . УСНА-ЦПР-157. Архивировано из оригинала 24 августа 2009 г. Проверено 17 июня 2008 г.
{{cite journal}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ Петцов, Г.Н.; Олдингер, Ф.; Йонссон, С.; Велге, П.; Ван Кампен, В.; Менсинг, Т.; Брюнинг, Т. (2005). «Бериллий и соединения бериллия». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . дои : 10.1002/14356007.a04_011.pub2 . ISBN 978-3527306732 . S2CID 262306041 .
- ^ «Удаление углекислого газа» . Гамильтон Сандстранд. Архивировано из оригинала 31 октября 2007 г. Проверено 27 октября 2008 г.
Новая система на основе оксидов металлов заменяет существующую нерегенерируемую систему удаления углекислого газа (CO2) из гидроксида лития (LiOH), расположенную в основной системе жизнеобеспечения электропоезда.
- ^ «МОФы по CO2» . МОФ Технологии . Архивировано из оригинала 27 февраля 2021 г. Проверено 7 апреля 2021 г.
- ^ Ли, Цзянь-Ронг (2011). «Адсорбция и разделение газов, связанных с улавливанием углекислого газа, в металлоорганических каркасах» (PDF) . Обзоры координационной химии . 255 (15–16): 1791–1823. дои : 10.1016/j.ccr.2011.02.012 . Архивировано из оригинала (PDF) 9 сентября 2016 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Смит, Беренд; Реймер, Джеффри Р.; Ольденбург, Кертис М.; Бург, Ян К. (2014). Введение в улавливание и секвестрацию углерода . Издательство Имперского колледжа. ISBN 978-1-78326-327-1 .
- ^ Уиллис, Ричард; Леш, Дэвид А. (2010). «Удаление углекислого газа из дымовых газов с использованием микропористых металлоорганических каркасов». Заключительный технический отчет . Номер награды Министерства энергетики: DE-FC26-07NT43092. дои : 10.2172/1003992 . ОСТИ 1003992 .
- ^ «Расширить воздушный картридж» . дикарна (на шведском языке) . Проверено 30 декабря 2021 г.
- ^ Сиривардан, Р.; Шен, М.; Фишер, Э.; Постон, Дж.; Шамси, А. (2001). «Адсорбция и десорбция СО 2 на твердых сорбентах» . Национальная лаборатория энергетических технологий. CiteSeerX 10.1.1.205.844 . DOE/NETL-2001/1144.
