مقدمة
يرتبط غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2)، وهو غاز الدفيئة الرئيسي، ارتباطًا وثيقًا بالاحتباس الحراري وتغير المناخ بسبب احتراق الوقود الأحفوري، على سبيل المثال، في محطات توليد الطاقة. يجب اتخاذ الإجراءات اللازمة للحد من تأثير ثاني أكسيد الكربون على البيئة.
يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون من الوقود الأحفوري بشكل رئيسي من خلال غاز المداخن في درجات حرارة أعلى، عادةً ما تكون أعلى من 350 درجة مئوية. ونظرًا لارتفاع درجة حرارة الغاز، لا يمكن استخدام معظم الممتزات الفيزيائية التقليدية بسبب انخفاض الامتزاز الفيزيائي مع زيادة درجة الحرارة. ومن خلال تبريد درجة حرارة ثاني أكسيد الكربون في غاز المداخن، يمكن استخدام الممتزات الفيزيائية ولكن سيؤدي ذلك إلى دورات امتزاز أطول.
وللتغلب على هذا القيد، يمكن أن يكون استخدام مواد ماصة كيميائية (سائلة أو صلبة) في درجات حرارة أعلى هو الحل. تمتص هذه المواد ثاني أكسيد الكربون مباشرةً في درجات حرارة عالية؛ ولا يلزم تبريد الغاز؛ ويمكن تحقيق فصل فعال لمخاليط الغازات.
تشمل الممتزات الكيميائية النموذجية لثاني أكسيد الكربون ذات درجات الحرارة العالية بشكل أساسي ممتزات الأمونيا والممتزات القائمة على الكالسيوم والممتزات القائمة على الليثيوم [1]. توفر الممتزات القائمة على الليثيوم إمكانية تخزين ونقل ثاني أكسيد الكربون بسبب عملية التفاعل التي تحول ثاني أكسيد الكربون من الحالة الغازية إلى الحالة الصلبة [2].
ومن بين هذه الممتزات الخزفية الفلزية القلوية، يتميز Na2ZrO3 الذي ينتمي أيضًا إلى مجموعة الفلزات القلوية، بتكلفة تحضير أقل وقدرة امتزاز أسرع ودرجة حرارة امتصاص أعلى. لذلك، جذبت دراسة Na2ZrO3 اهتمام العديد من الباحثين.
وتظهر عملية تفاعل الامتزاز ل Na2ZrO3 مع ثاني أكسيد الكربون في المعادلات التالية (1) [4-7]:
Na2ZrO3 + CO2 ⇆ Na2CO3 + ZrO2 （1）
تتراوح درجة حرارة امتزاز ثاني أكسيد الكربون بواسطة Na2ZrO3 في نطاق 400 درجة مئوية إلى 800 درجة مئوية [4-6]. عندما تكون درجة الحرارة أقل من 800 درجة مئوية، يستمر التفاعل تلقائيًا ويتحول إلى جانب النواتج، ويتفاعل Na2ZrO3 مع CO2 لتكوين Na2CO3. والعكس بالعكس، عندما تكون درجة الحرارة أعلى من 800 درجة مئوية، يستمر التفاعل في الاتجاه العكسي، ويؤدي تحلل Na2CO3 إلى إطلاق CO2 وإعادة تكوين Na2ZrO3. يتيح التفاعل الانعكاسي امتزاز ثاني أكسيد الكربون وامتصاصه بطريقة دورية.
في هذا العمل، تم فحص خواص الامتزاز والامتصاص ل Na2ZrO3 لثاني أكسيد الكربون ومقارنة تأثيرات طريقة تحضير Na2ZrO3.
تجريبي
تم اختبار أداء الامتزاز والامتزاز الدوري لثاني أكسيد الكربون (برنامج القياس في الشكل 1) باستخدام STA 2500 Regulus عن طريق وضع حوالي 10 ملجم من المادة الماصة في بوتقة من الألومينا وتسخينها من درجة حرارة الغرفة إلى 850 درجة مئوية بمعدل تسخين 20 كلفن/دقيقة تحت جو N2 نقي (تدفق الغاز 100 مل/دقيقة)، مع إبقائها متساوية الحرارة لمدة 10 دقائق لإزالة الشوائب من العينة، ثم تبريدها إلى 650 درجة مئوية عند 20 كلفن/دقيقة. عندما وصلت درجة الحرارة إلى 650 درجة مئوية، تم تبديل الغلاف الجوي إلى خليط N2/CO2 الذي يحتوي على 15% من ثاني أكسيد الكربون.
تم إجراء تفاعل الامتزاز في جزء متساوي الحرارة لمدة 30 دقيقة. بعد ذلك، تم تحويل الغلاف الجوي مرة أخرى إلى N2 النقي وتم تسخين العينة إلى 850 درجة مئوية عند 20 كلفن/دقيقة. تم تمييز الامتزاز في جزء متساوي الحرارة لمدة 10 دقائق عند 850 درجة مئوية. تم اختبار ثبات المادة الممتزة من خلال تنفيذ برنامج درجة الحرارة هذا 10 مرات.
ويوضح الجدول 1 إمكانيات التحضير المختلفة لعينة Na2ZrO3.
الجدول 1: تحضير عينة من Na2ZrO3.
| العينة | طريقة التوليف | طريقة التجفيف |
|---|---|---|
| طريقة الخلط الرطب (WM-HD) | طريقة الخلط الرطب (WM) | طريقة التجفيف بالتسخين والتجفيف (HD) |
| طريقة الخلط الرطب (WM-FD) | طريقة الخلط الرطب (WM) | التجفيف بالتجميد (FD) |
| SG-HD | طريقة سول-جل (SG) | التجفيف بالتسخين (HD) |
| SG-FD | طريقة سول-جل (SG) | التجفيف بالتجميد (FD) |
النتائج والمناقشة
ويوضح الشكل 2 منحنى TGA لعينات Na2ZrO3 المختلفة التي تم تصنيعها بالطرق. ويمكن ملاحظة أن كتلة كل منحنى زادت بشكل ملحوظ أثناء وجود CO2 كشريك في التفاعل. وبعد إزالة CO2 من النظام، انخفضت الكتلة مرة أخرى. عندما وصل التفاعل إلى الدورة الثامنة، استقر أداء الامتزاز للممتزات الأربعة وظل قابلاً للمقارنة مع الدورة التاسعة والعاشرة. ويمكن ملاحظة أن Na2ZrO3 Na2ZrO3 الذي تم الحصول عليه بطريقة الخلط الرطب (WM-HD، باللون الأخضر؛ وWM-FD، باللون الأحمر) يتمتع بأداء امتزاز أفضل من العينات التي تم تصنيعها بطريقة الهلام المذاب. كانت كميات الامتزاز للممتزات الأربعة بالترتيب التالي من الأكبر إلى الأصغر: Wm-hd (18.7%)> wm-fd (17.1%)> sg-fd (16.6%)> sg-hd (15.7%).
عند اشتقاق منحنى TGA، الموضح في الشكل 2، يمكن الحصول على منحنى معدل فقدان الكتلة أو منحنى DTG، والذي يشير إلى التغير في معدل تغير الوزن بالنسبة لدرجة الحرارة/الوقت. وتمثل هذه المنحنيات معدل امتزاز ثاني أكسيد الكربون لمختلف الظروف المركبة لـ Na2ZrO3.
يصور الشكل 3 منحنى DTG لامتصاص ثاني أكسيد الكربون للممتزات الأربعة في الدورة الثامنة. ومن الشكل، يمكن ملاحظة أن معدلات امتزاز المواد الممتزة لها نفس الاتجاه بشكل عام. ومع ذلك، يُظهر SG-FD أعلى معدل امتزاز مقارنةً بالعينات الثلاث الأخرى. وبالإضافة إلى ذلك، تتشابه معدلات SG-HD وWM-HD، وتُظهر العينة WM-FD أقل معدل امتزاز. تم تصنيع المادة الماصة Na2ZrO3 الممتزة باستخدام طرق الخلط الرطب والجل الصلب، يليها التجفيف بالتجميد والتجفيف بالتسخين. يمكن التكهن بأن طريقة الخلط بالجل المذاب والتجفيف بالتجميد أكثر ملاءمة لتكوين بنية مسامية، ويمكن الحصول على مساحة سطح محددة أعلى من خلال هذا النهج الصناعي.
الخاتمة
يمكن استخدام NETZSCH STA 2500 Regulus لدراسة خصائص امتزاز المواد المختلفة. في هذا المثال، تم فحص أربع عينات مختلفة من Na2ZrO3 المُصنَّعة وتم تحديد خصائص امتصاص ثاني أكسيد الكربون. يمكن افتراض أن مسار التخليق باستخدام طريقة الهلام المذاب والتجفيف بالتجميد اللاحق يؤدي إلى تفاعل سطحي أعلى بكثير.
من خلال فهم العلاقة بين التركيب وخصائص الامتزاز، يمكن النظر في أداء الامتزاز الأمثل لتطبيق فردي وتعديله وفقًا لذلك.