Εισαγωγή
Το διοξείδιο του άνθρακα (CO2), το κύριο αέριο του θερμοκηπίου, συνδέεται στενά με την υπερθέρμανση του πλανήτη και την κλιματική αλλαγή λόγω της καύσης ορυκτών καυσίμων, για παράδειγμα, σε σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Πρέπει να ληφθούν τα απαραίτητα μέτρα για τη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεωντου CO2.
Το CO2 από τα ορυκτά καύσιμα απελευθερώνεται κυρίως μέσω των καυσαερίων σε υψηλότερες θερμοκρασίες, συνήθως πάνω από 350°C. Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας του αερίου, τα περισσότερα από τα συμβατικά φυσικά προσροφητικά δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν λόγω της μείωσης της φυσικής προσρόφησης με την αύξηση της θερμοκρασίας. Με την ψύξη της θερμοκρασίας τουCO2 στο καυσαέριο, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν φυσικοί προσροφητές, αλλά αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα μεγαλύτερους κύκλους εκρόφησης.
Για να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός, η εφαρμογή χημικών προσροφητικών ουσιών (υγρών ή στερεών) σε υψηλότερες θερμοκρασίες θα μπορούσε να είναι το κλειδί. Τα υλικά αυτά απορροφούν απευθείαςτο CO2 σε υψηλές θερμοκρασίες- δεν απαιτείται ψύξη του αερίου- και μπορεί να πραγματοποιηθεί αποτελεσματικός διαχωρισμός μειγμάτων αερίων.
Τα τυπικά χημικά προσροφητικάCO2 υψηλής θερμοκρασίας περιλαμβάνουν κυρίως προσροφητικά αμμωνίας, προσροφητικά με βάση το ασβέστιο και προσροφητικά με βάση το λίθιο [1]. Τα προσροφητικά με βάση το λίθιο προσφέρουν τη δυνατότητα αποθήκευσης και μεταφοράςCO2 λόγω της διαδικασίας αντίδρασης που μετατρέπειτο CO2 από την αέρια κατάσταση στη στερεά κατάσταση [2].
Μεταξύ αυτών των κεραμικών προσροφητικών υλικών αλκαλικών μετάλλων, το Na2ZrO3, το οποίο ανήκει επίσης στην ομάδα των αλκαλικών μετάλλων, έχει χαμηλότερο κόστος παρασκευής, ταχύτερη ικανότητα προσρόφησης και υψηλότερη θερμοκρασία προσρόφησης. Ως εκ τούτου, η μελέτη του Na2ZrO3 έχει προσελκύσει την προσοχή πολλών ερευνητών.
Η διαδικασία αντίδρασης προσρόφησης του Na2ZrO3 μεCO2 παρουσιάζεται στην ακόλουθη Εξίσωση (1) [4-7]:
Na2ZrO3 +CO2 ⇆ Na2CO3 + ZrO2 （1）
Η θερμοκρασία προσρόφησης τουCO2 από το Na2ZrO3 κυμαίνεται μεταξύ 400°C και 800°C [4-6]. Όταν η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη από 800°C, η αντίδραση εξελίσσεται αυθόρμητα και μετατοπίζεται προς την πλευρά των προϊόντων και το Na2ZrO3 αντιδρά μετο CO2 σχηματίζοντας Na2CO3. Αντίστροφα, με θερμοκρασίες υψηλότερες από 800°C, η αντίδραση προχωρά προς την αντίστροφη κατεύθυνση και η διάσπαση του Na2CO3 απελευθερώνειCO2 και σχηματίζει εκ νέου Na2ZrO3. Η αντιστρεπτή αντίδραση επιτρέπει την προσρόφηση και εκρόφηση τουCO2 με κυκλικό τρόπο.
Στην παρούσα εργασία διερευνήθηκαν οι ιδιότητες προσρόφησης-απορρόφησης του Na2ZrO3 γιατο CO2 και συγκρίθηκαν οι επιδράσεις της μεθόδου παρασκευής του Na2ZrO3.
Πειραματικό
Η απόδοση της κυκλικής προσρόφησης-απορρόφησηςCO2 (πρόγραμμα μέτρησης στο σχήμα 1) δοκιμάστηκε με ένα STA 2500 Regulus τοποθετώντας περίπου 10 mg προσροφητικού σε ένα χωνευτήρι αλουμίνας και θερμαίνοντάς το από θερμοκρασία δωματίου στους 850°C με ρυθμό θέρμανσης 20 K/min υπό καθαρή ατμόσφαιρα N2 (ροή αερίου 100 ml/min), διατηρώντας το ισοθερμικό για 10 λεπτά για την απομάκρυνση των ακαθαρσιών από το δείγμα και στη συνέχεια ψύχοντάς το στους 650°C με ρυθμό 20 K/min. Όταν η θερμοκρασία έφθασε τους 650°C, η ατμόσφαιρα μετατράπηκε σε μίγμα N2/CO2 που περιείχε 15%CO2.
Η αντίδραση προσρόφησης διεξήχθη σε ισοθερμικό τμήμα για 30 λεπτά. Στη συνέχεια, η ατμόσφαιρα επανήλθε σε καθαρό N2 και το δείγμα θερμάνθηκε στους 850°C με ταχύτητα 20 K/min. Η εκρόφηση χαρακτηρίστηκε σε ισόθερμο τμήμα για 10 λεπτά στους 850°C. Η σταθερότητα του προσροφητικού υλικού ελέγχθηκε εκτελώντας το εν λόγω πρόγραμμα θερμοκρασίας 10 φορές.
Οι διάφορες δυνατότητες προετοιμασίας του δείγματος για το Na2ZrO3 απεικονίζονται στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Προετοιμασία δείγματος Na2ZrO3.
| Δείγμα | Μέθοδος σύνθεσης | Μέθοδος ξήρανσης |
|---|---|---|
| WM-HD | μέθοδος υγρής ανάμιξης (WM) | θερμαινόμενη ξήρανση (HD) |
| WM-FD | μέθοδος υγρής ανάμιξης (WM) | ξήρανση με κατάψυξη (FD) |
| SG-HD | μέθοδος sol-gel (SG) | ξήρανση με θέρμανση (HD) |
| SG-FD | μέθοδος sol-gel (SG) | ξήρανση με κατάψυξη (FD) |
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται η καμπύλη TGA των διαφόρων δειγμάτων Na2ZrO3 που συντέθηκαν με τις μεθόδους. Φαίνεται ότι η μάζα κάθε καμπύλης αυξήθηκε σημαντικά όσοτο CO2 ήταν παρόν ως εταίρος αντίδρασης. Μετά την απομάκρυνσητου CO2 από το σύστημα, η μάζα μειώθηκε και πάλι. Όταν η αντίδραση έφτασε στον όγδοο κύκλο, η απόδοση προσρόφησης των τεσσάρων προσροφητικών σταθεροποιήθηκε και παρέμεινε συγκρίσιμη με τον ένατο και τον δέκατο κύκλο. Φαίνεται ότι το Na2ZrO3 που λαμβάνεται με τη μέθοδο υγρής ανάμιξης (WM-HD, πράσινο και WM-FD, κόκκινο) έχει καλύτερη απόδοση προσρόφησης από τα δείγματα που συντέθηκαν με τη μέθοδο sol-gel. Τα ποσά προσρόφησης των τεσσάρων προσροφητικών ήταν με την ακόλουθη σειρά από το μεγαλύτερο στο μικρότερο: WM-HD (18,7%) > WM-FD (17,1%) > SG-FD (16,6%) > SG-HD (15,7%).
Κατά την εξαγωγή της καμπύλης TGA, που φαίνεται στο σχήμα 2, μπορεί να ληφθεί η καμπύλη ρυθμού απώλειας μάζας ή DTG, η οποία δείχνει τη μεταβολή του ρυθμού μεταβολής του βάρους σε σχέση με τη θερμοκρασία/χρόνο. Αυτές οι καμπύλες αντιπροσωπεύουν τον ρυθμό προσρόφησηςCO2 για τις διαφορετικές συνθήκες σύνθεσης του Na2ZrO3.
Στο Σχήμα 3 απεικονίζεται η καμπύλη DTG της προσρόφησηςCO2 των τεσσάρων προσροφητικών υλικών στον όγδοο κύκλο. Από το σχήμα φαίνεται ότι οι ρυθμοί προσρόφησης των προσροφητικών μέσων έχουν, σε γενικές γραμμές, την ίδια τάση. Ωστόσο, το SG-FD παρουσιάζει τον υψηλότερο ρυθμό προσρόφησης σε σύγκριση με τα άλλα τρία δείγματα. Εκτός αυτού, τα ποσοστά για τα SG-HD και WM-HD είναι παρόμοια και το δείγμα WM-FD παρουσιάζει το χαμηλότερο ποσοστό προσρόφησης. Το προσροφητικό Na2ZrO3 συντέθηκε με τις μεθόδους υγρής ανάμιξης και sol-gel, ακολουθούμενη από ξήρανση με κατάψυξη και ξήρανση με θέρμανση. Μπορεί να υποτεθεί ότι η μέθοδος ανάμιξης sol-gel και η ξήρανση με κατάψυξη είναι πιο κατάλληλη για το σχηματισμό πορώδους δομής και ότι μέσω αυτής της συνθετικής προσέγγισης θα μπορούσε να επιτευχθεί υψηλότερη ειδική επιφάνεια.
Συμπέρασμα
Το NETZSCH STA 2500 Regulus μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διερεύνηση των ιδιοτήτων προσρόφησης διαφόρων υλικών. Σε αυτό το παράδειγμα, διερευνήθηκαν τέσσερα διαφορετικά συνθετικά δείγματα Na2ZrO3 και χαρακτηρίστηκαν οι ιδιότητες προσρόφησηςCO2. Μπορεί να υποτεθεί ότι η διαδρομή σύνθεσης με τη μέθοδο sol-gel και η επακόλουθη ξήρανση με κατάψυξη οδηγεί σε σημαντικά υψηλότερη επιφανειακή αντιδραστικότητα.
Με την κατανόηση της σχέσης μεταξύ της σύνθεσης και των ιδιοτήτων προσρόφησης, μπορεί να εξεταστεί η βέλτιστη απόδοση προσρόφησης για μια μεμονωμένη εφαρμογή και να ρυθμιστεί αναλόγως.