Експериментално изследване на сорбционните свойства на CO2 от Na2ZrO3 при високи температури

Въведение

Въглеродният диоксид (_CO2), основният парников газ, е тясно свързан с глобалното затопляне и изменението на климата, дължащо се на изгарянето на изкопаеми горива, например в електроцентралите. Необходимо е да се предприемат необходимите действия за намаляване на въздействието на_CO2 върху околната среда.

_CO2 от изкопаеми горива се отделя главно чрез димните газове при по-високи температури, обикновено над 350°C. Поради високата температура на газа повечето от конвенционалните физични адсорбенти не могат да се използват поради намаляването на физичната адсорбция с увеличаване на температурата. Чрез охлаждане на температурата на_CO2 в димните газове могат да се използват физически адсорбенти, но това ще доведе до по-дълги цикли на десорбция.

За да се преодолее това ограничение, ключът може да бъде прилагането на химически сорбенти (течни или твърди) при по-високи температури. Тези материали директно абсорбират_CO2 при високи температури; не е необходимо охлаждане на газа; и може да се осъществи ефективно разделяне на газови смеси.

Типичните високотемпературни химически адсорбенти за_CO2 включват основно амонячни адсорбенти, адсорбенти на калциева основа и адсорбенти на литиева основа [1]. Адсорбентите на литиева основа предлагат възможност за съхраняване и транспортиране на_CO2 благодарение на реакционния процес, при който_CO2 се превръща от газообразно в твърдо състояние [2].

Сред тези керамични адсорбенти на основата на алкални метали _Na2ZrO3, който също е от групата на алкалните метали, има по-ниски разходи за подготовка, по-бърз адсорбционен капацитет и по-висока температура на адсорбция. Поради това изследването на _Na2ZrO3 е привлякло вниманието на много изследователи.

Процесът на адсорбционна реакция на _Na2ZrO3 с_CO2 е показан в следното уравнение (1) [4-7]:

_Na2ZrO3 +_CO2 ⇆ _Na2CO3 + _ZrO2 （1）

Температурата на адсорбция на_CO2 от _Na2ZrO3 е в диапазона от 400°C до 800°C [4-6]. Когато температурата е по-ниска от 800°C, реакцията протича спонтанно и се измества на страната на продуктите, а _Na2ZrO3 реагира с_CO2, като образува _Na2CO3. Обратно, при температури, по-високи от 800°C, реакцията протича в обратна посока и при разлагането на _Na2CO3 се освобождава_CO2 и отново се образува _Na2ZrO3. Обратимата реакция позволява адсорбция и десорбция на_CO2 по цикличен начин.

В тази работа бяха изследвани адсорбционно-десорбционните свойства на _Na2ZrO3 за_CO2 и бяха сравнени ефектите на метода на получаване на _Na2ZrO3.

Експериментален

Производителността на цикличната адсорбция-десорбция на_CO2 (програма за измерване на фигура 1) беше тествана с STA 2500 Regulus, като около 10 mg адсорбент беше поставен в тигел от алуминиев оксид и беше нагрят от стайна температура до 850 °C със скорост на нагряване 20 K/min в атмосфера от чист _N2 (газов поток 100 ml/min), задържан на изотермично ниво за 10 минути, за да се отстранят примесите от пробата, и след това охладен до 650 °C при 20 K/min. Когато температурата достигна 650 °C, атмосферата беше променена на смес _N2/CO2, която съдържаше 15 %_CO2.

Реакцията на адсорбция се провежда в изотермичен сегмент в продължение на 30 мин. След това атмосферата беше променена отново на чист _N2 и пробата беше нагрята до 850°C със скорост 20 K/min. Десорбцията е характеризирана в изотермичен сегмент за 10 минути при 850°C. Стабилността на адсорбента е тествана чрез изпълнение на тази температурна програма 10 пъти.

Различните възможности за приготвяне на проби за _Na2ZrO3 са представени в таблица 1.

Таблица 1: Приготвяне на проби от _Na2ZrO3.

Резултати и обсъждане

На фигура 2 е показана TGA кривата на различните образци _Na2ZrO3, синтезирани по методите. Вижда се, че масата на всяка крива значително се увеличава, докато_СО2 присъства като партньор в реакцията. След като_СО2 е бил отстранен от системата, масата отново е намаляла. Когато реакцията достигна осмия цикъл, адсорбционните характеристики на четирите адсорбента се стабилизираха и останаха сравними с деветия и десетия цикъл. Може да се види, че _Na2ZrO3, получен по метода на мокрото смесване (WM-HD, зелен; и WM-FD, червен), има по-добри адсорбционни характеристики от образците, синтезирани по метода сол-гел. Адсорбционните количества на четирите адсорбента са в следния ред от най-голям до най-малък: WM-HD (18,7 %) > WM-FD (17,1 %) > SG-FD (16,6 %) > SG-HD (15,7 %).

При извеждането на кривата на TGA, показана на фигура 2, може да се получи кривата на скоростта на загуба на маса или DTG, която показва промяната в скоростта на промяна на теглото по отношение на температурата/времето. Тези криви представляват скоростта на адсорбция на^CO2 за различните условия на синтез на _Na2ZrO3.

На фигура 3 е представена DTG кривата на адсорбцията на_CO2 от четирите адсорбента в осмия цикъл. От фигурата се вижда, че скоростите на адсорбция на адсорбентите имат като цяло една и съща тенденция. Въпреки това SG-FD показва най-висока скорост на адсорбция в сравнение с другите три проби. Освен това скоростите за SG-HD и WM-HD са сходни, а образецът WM-FD показва най-ниска скорост на адсорбция. Адсорбентът _Na2ZrO3 е синтезиран чрез методите на мокрото смесване и сол-гел, последвани от сублимационно сушене и сушене при нагряване. Може да се предположи, че методът на сол-гел смесване и сублимационно сушене е по-подходящ за образуване на пореста структура и чрез този синтетичен подход може да се получи по-висока специфична повърхност.

Заключение

NETZSCH STA 2500 Regulus може да се използва за изследване на адсорбционните свойства на различни материали. В този пример са изследвани четири различни синтезирани проби _Na2ZrO3 и са характеризирани адсорбционните свойства на_CO2. Може да се предположи, че начинът на синтез по метода сол-гел и последващото сублимационно сушене водят до значително по-висока повърхностна реактивност.

Чрез разбиране на връзката между синтеза и адсорбционните свойства може да се разгледа и съответно да се коригира оптималната адсорбционна ефективност за индивидуално приложение.