Kokeellinen tutkimus Na2ZrO3:n CO2-sorptio-ominaisuuksista korkeissa lämpötiloissa

Johdanto

Hiilidioksidi (_CO2), tärkein kasvihuonekaasu, liittyy läheisesti ilmaston lämpenemiseen ja ilmastonmuutokseen, joka johtuu fossiilisten polttoaineiden poltosta esimerkiksi voimalaitoksissa. Tarvittaviin toimiin on ryhdyttävä_{hiilidioksidin} ympäristövaikutusten vähentämiseksi.

Fossiilisista polttoaineista peräisin oleva_{hiilidioksidi} vapautuu pääasiassa savukaasujen kautta korkeammissa lämpötiloissa, yleensä yli 350 °C:ssa. Kaasun korkean lämpötilan vuoksi useimpia tavanomaisia fysikaalisia adsorbentteja ei voida käyttää, koska fysikaalinen adsorptio heikkenee lämpötilan kasvaessa. Jäähdyttämällä savukaasun_{hiilidioksidin} lämpötilaa voitaisiin käyttää fysikaalisia adsorbentteja, mutta desorptiojaksot pitenisivät.

Tämän rajoituksen poistamiseksi ratkaisevaa voisi olla kemiallisten (nestemäisten tai kiinteiden) sorbenttien käyttö korkeammissa lämpötiloissa. Nämä materiaalit absorboivat suoraan_{hiilidioksidia} korkeissa lämpötiloissa; kaasua ei tarvitse jäähdyttää, ja kaasuseosten tehokas erottaminen voidaan toteuttaa.

Tyypillisiä korkean lämpötilan kemiallisia_{CO2-adsorbentteja} ovat pääasiassa ammoniakkiadsorbentit, kalsium-pohjaiset adsorbentit ja litium-pohjaiset adsorbentit [1]. Litiumpohjaiset adsorbentit tarjoavat mahdollisuuden varastoida ja kuljettaa_{hiilidioksidia} reaktioprosessin ansiosta, joka muuntaa_{hiilidioksidin} kaasumaisesta tilasta kiinteään tilaan [2].

Näistä alkalimetallien keraamisista adsorbenttimateriaaleista _Na2ZrO3:lla, joka kuuluu myös alkalimetallien ryhmään, on alhaisemmat valmistuskustannukset, nopeampi adsorptiokapasiteetti ja korkeampi adsorptiolämpötila. Siksi _Na2ZrO3:n tutkimus on herättänyt monien tutkijoiden huomion.

_Na2ZrO3:n adsorptioreaktioprosessi_CO2:n kanssa on esitetty seuraavassa yhtälössä (1) [4-7]:

_Na2ZrO3 +_CO2 ⇆ _Na2CO3 + _ZrO2 （1）

_CO2:n adsorptiolämpötila _Na2ZrO3:lla on välillä 400 °C - 800 °C [4-6]. Kun lämpötila on alle 800 °C, reaktio etenee spontaanisti ja siirtyy tuotteiden puolelle, ja _Na2ZrO3 reagoi_CO2:n kanssa muodostaen _Na2CO3:a. Päinvastoin, kun lämpötila on yli 800 °C, reaktio etenee päinvastaiseen suuntaan, ja _Na2CO3:n HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen vapauttaa_CO2:ta ja muodostaa uudelleen _Na2ZrO3:a. Palautuva reaktio mahdollistaa_CO2:n adsorption ja desorption syklisesti.

Tässä työssä tutkittiin _Na2ZrO3:n adsorptio-desorptio-ominaisuuksia_CO2: lle ja verrattiin _Na2ZrO3:n valmistusmenetelmän vaikutuksia.

Kokeellinen

_CO2:n syklinen adsorptio-desorptiosuorituskyky (mittausohjelma kuvassa 1) testattiin STA 2500 Regulus -laitteella asettamalla noin 10 mg adsorbenttia alumiinioksidia sisältävään upokkaaseen ja kuumentamalla se huoneenlämpötilasta 850 °C:seen lämmitysnopeudella 20 K/min puhtaassa _{N2-atmosfäärissä} (kaasuvirtaus 100 ml/min), pitämällä sitä isotermisenä 10 minuuttia epäpuhtauksien poistamiseksi näytteestä ja jäähdyttämällä se sen jälkeen 650 °C:seen nopeudella 20 K/min. Kun lämpötila saavutti 650 °C:n, ilmakehä vaihdettiin _{N2/CO2-seokseen}, joka sisälsi 15 %_CO2:ta.

Adsorptioreaktio suoritettiin isotermisessä segmentissä 30 minuutin ajan. Tämän jälkeen ilmakehä vaihdettiin takaisin puhtaaseen _N2:een ja näyte kuumennettiin 850 °C:seen nopeudella 20 K/min. Desorptio tapahtui isotermisessä segmentissä 10 minuutin ajan 850 °C:ssa. Adsorbentin stabiilisuus testattiin suorittamalla kyseinen lämpötilaohjelma 10 kertaa.

_Na2ZrO3:n eri näytteenvalmistusmahdollisuudet on esitetty taulukossa 1.

Taulukko 1: _{Na2ZrO3-näytteen} valmistelu.

Tulokset ja keskustelu

Kuvassa 2 esitetään eri menetelmillä syntetisoitujen _{Na2ZrO3-näytteiden} TGA-käyrä. Voidaan nähdä, että kunkin käyrän massa kasvoi merkittävästi, kun_CO2 oli läsnä reaktiokumppanina. Kun_CO2 poistettiin järjestelmästä, massa pieneni jälleen. Kun reaktio saavutti kahdeksannen syklin, neljän adsorbentin adsorptiokyky vakiintui ja pysyi vertailukelpoisena yhdeksännen ja kymmenennen syklin kanssa. Voidaan nähdä, että märkäsekoitusmenetelmällä saadulla _Na2ZrO3:lla (WM-HD, vihreä; ja WM-FD, punainen) on parempi adsorptiokyky kuin sol-gel-menetelmällä syntetisoitujen näytteiden. Neljän adsorbentin adsorptiomäärät olivat seuraavassa järjestyksessä suurimmasta pienimpään: WM-HD (18,7 %) > WM-FD (17,1 %) > SG-FD (16,6 %) > SG-HD (15,7 %).

Kun johdetaan kuvassa 2 esitetty TGA-käyrä, saadaan massan häviämisnopeus eli DTG-käyrä, joka osoittaa painonmuutosnopeuden muutoksen lämpötilan ja ajan suhteen. Nämä käyrät edustavat^{hiilidioksidin} adsorptionopeutta _Na2ZrO3:n eri syntetisointiolosuhteissa.

Kuvassa 3 esitetään neljän adsorbentin_{CO2-adsorption} DTG-käyrä kahdeksannessa syklissä. Kuvasta nähdään, että adsorbenttien adsorptionopeuksilla on yleisesti ottaen sama suuntaus. SG-FD:llä on kuitenkin korkein adsorptionopeus verrattuna kolmeen muuhun näytteeseen. Lisäksi SG-HD:n ja WM-HD:n adsorptioasteet ovat samankaltaisia, ja näytteellä WM-FD on alhaisin adsorptioaste. _{Na2ZrO3-adsorbentti} syntetisoitiin märkäsekoitus- ja sol-gel-menetelmillä, joita seurasi kylmäkuivaus ja lämmitetty kuivaus. Voidaan olettaa, että sol-gel-sekoitus- ja kylmäkuivausmenetelmä soveltuu paremmin huokoisen rakenteen muodostamiseen, ja tällä synteettisellä menetelmällä saatiin suurempi ominaispinta-ala.

Päätelmä

NETZSCH STA 2500 Regulus -laitteella voidaan tutkia eri materiaalien adsorptio-ominaisuuksia. Tässä esimerkissä tutkittiin neljää erilaista syntetisoitua _{Na2ZrO3-näytettä} ja karakterisoitiin_CO2:n adsorptio-ominaisuuksia. Voidaan olettaa, että sol-gel-menetelmää käyttävä synteesireitti ja sitä seuraava kylmäkuivaus johtavat huomattavasti korkeampaan pinnan reaktiivisuuteen.

Ymmärtämällä synteesin ja adsorptio-ominaisuuksien välistä suhdetta voidaan harkita optimaalista adsorptiokykyä yksittäistä sovellusta varten ja säätää sitä vastaavasti.