Introduktion
Kuldioxid (CO2), den vigtigste drivhusgas, er tæt forbundet med global opvarmning og klimaforandringer på grund af forbrænding af fossile brændstoffer, f.eks. i kraftværker. Der skal træffes de nødvendige foranstaltninger for at reducereCO2's miljøpåvirkning.
CO2 fra fossile brændstoffer frigives hovedsageligt gennem røggas ved højere temperaturer, typisk over 350 °C. På grund af gassens høje temperatur kan de fleste konventionelle fysiske adsorbenter ikke bruges, fordi den fysiske adsorption falder med stigende temperatur. Ved at nedkøle temperaturen påCO2 i røggassen kan fysiske adsorbenter anvendes, men det vil resultere i længere desorptionscyklusser.
For at overvinde denne begrænsning kan anvendelse af kemiske sorbenter (flydende eller faste) ved højere temperaturer være nøglen. Disse materialer absorbererCO2 direkte ved høje temperaturer; der kræves ingen afkøling af gassen, og der kan opnås en effektiv adskillelse af gasblandinger.
Typiske kemiskeCO2-adsorbenter til høje temperaturer omfatter hovedsageligt ammoniakadsorbenter, calciumbaserede adsorbenter og lithiumbaserede adsorbenter [1]. Lithiumbaserede adsorbenter giver mulighed for at lagre og transportereCO2 på grund af den reaktionsproces, der omdannerCO2 fra gasform til fast form [2].
Blandt disse alkalimetalliske keramiske adsorbenter har Na2ZrO3, som også er i alkalimetalgruppen, lavere forberedelsesomkostninger, hurtigere adsorptionskapacitet og højere adsorptionstemperatur. Derfor har undersøgelsen af Na2ZrO3 tiltrukket sig mange efterforskeres opmærksomhed.
Adsorptionsreaktionsprocessen for Na2ZrO3 medCO2 er vist i følgende Eq. (1) [4-7]:
Na2ZrO3 +CO2 ⇆ Na2CO3 + ZrO2 （1）
Adsorptionstemperaturen forCO2 ved Na2ZrO3 ligger i området 400 °C til 800 °C [4-6]. Når temperaturen er lavere end 800 °C, forløber reaktionen spontant og skifter til siden af produkterne, og Na2ZrO3 reagerer medCO2 for at danne Na2CO3. Omvendt, når temperaturen er højere end 800 °C, forløber reaktionen i modsat retning, og nedbrydningen af Na2CO3 frigiverCO2 og omdanner Na2ZrO3. Den reversible reaktion muliggør adsorption og desorption afCO2 på en cyklisk måde.
I dette arbejde blev Na2ZrO3 's adsorptions- og desorptionsegenskaber forCO2 undersøgt, og virkningerne af Na2ZrO3 's fremstillingsmetode blev sammenlignet.
Eksperimentel
Den cykliskeCO2-adsorptions-desorptionsydelse (måleprogram i figur 1) blev testet med en STA 2500 Regulus ved at placere ca. 10 mg adsorbent i en aluminiumoxiddigel og opvarme den fra stuetemperatur til 850 °C ved en opvarmningshastighed på 20 K/min under en ren N2-atmosfære (gasflow 100 ml/min), holde den isoterm i 10 minutter for at fjerne urenheder fra prøven og derefter køle den ned til 650 °C ved 20 K/min. Da temperaturen nåede 650 °C, blev atmosfæren skiftet til en N2/CO2-blanding, som indeholdt 15 %CO2.
Adsorptionsreaktionen blev udført i et isotermt segment i 30 minutter. Derefter blev atmosfæren skiftet tilbage til ren N2, og prøven blev opvarmet til 850 °C ved 20 K/min. Desorptionen blev karakteriseret i et isotermt segment i 10 minutter ved 850 °C. Adsorbentens stabilitet blev testet ved at udføre dette temperaturprogram 10 gange.
De forskellige muligheder for prøveforberedelse for Na2ZrO3 er vist i tabel 1.
Tabel 1: Prøveforberedelse af Na2ZrO3.
| Prøve | Syntesemetode | Tørringsmetode |
|---|---|---|
| WM-HD | våd-blandingsmetode (WM) | opvarmet tørring (HD) |
| WM-FD | våd-blandingsmetode (WM) | frysetørring (FD) |
| SG-HD | sol-gel-metode (SG) | opvarmet tørring (HD) |
| SG-FD | sol-gel-metode (SG) | frysetørring (FD) |
Resultater og diskussion
Figur 2 viser TGA-kurven for de forskellige Na2ZrO3-prøver, der er syntetiseret ved hjælp af metoderne. Det kan ses, at massen af hver kurve steg markant, mensCO2 var til stede som reaktionspartner. Efter atCO2 blev fjernet fra systemet, faldt massen igen. Da reaktionen nåede den ottende cyklus, blev adsorptionsevnen for de fire adsorbenter stabiliseret og forblev sammenlignelig med den niende og tiende cyklus. Det kan ses, at Na2ZrO3 fremstillet ved vådblandingsmetoden (WM-HD, grøn; og WM-FD, rød) har bedre adsorptionsevne end prøverne syntetiseret ved sol-gel-metoden. Adsorptionsmængderne for de fire adsorbenter var i følgende rækkefølge fra den største til den mindste: WM-HD (18,7 %) > WM-FD (17,1 %) > SG-FD (16,6 %) > SG-HD (15,7 %).
Når man udleder TGA-kurven, som vist i figur 2, kan man opnå massetabshastigheden eller DTG-kurven, som angiver ændringen i vægtændringshastigheden i forhold til temperatur/tid. Disse kurver repræsentererCO2-adsorptionshastigheden for de forskellige syntetiserede betingelser for Na2ZrO3.
Figur 3 viser DTG-kurven forCO2-adsorptionen af de fire adsorbenter i den ottende cyklus. Af figuren kan man se, at adsorbenternes adsorptionshastigheder generelt har den samme tendens. SG-FD viser dog den højeste adsorptionshastighed sammenlignet med de tre andre prøver. Derudover er hastighederne for SG-HD og WM-HD ens, og prøven WM-FD viser den laveste adsorptionshastighed. Na2ZrO3-adsorbenten blev syntetiseret ved hjælp af vådblanding og sol-gel-metoder efterfulgt af frysetørring og opvarmet tørring. Det kan spekuleres i, at metoden med sol-gel-blanding og frysetørring er mere velegnet til dannelse af porøs struktur, og et højere specifikt overfladeareal kunne opnås gennem denne syntetiske tilgang.
Konklusion
NETZSCH STA 2500 Regulus kan bruges til at undersøge forskellige materialers adsorptionsegenskaber. I dette eksempel blev fire forskellige syntetiserede Na2ZrO3-prøver undersøgt, ogCO2-adsorptionsegenskaberne blev karakteriseret. Det kan antages, at syntesen ved hjælp af sol-gel-metoden og efterfølgende frysetørring fører til en betydeligt højere overfladereaktivitet.
Ved at forstå forholdet mellem syntese og adsorptionsegenskaber kan den optimale adsorptionsydelse for en individuel anvendelse overvejes og justeres i overensstemmelse hermed.