Bevezetés
A szén-dioxid (CO2), a fő üvegházhatású gáz, szorosan kapcsolódik a globális felmelegedéshez és az éghajlatváltozáshoz, amely a fosszilis tüzelőanyagok elégetése miatt következik be, például az erőművekben. ACO2 környezeti hatásának csökkentése érdekében szükséges intézkedéseket kell hozni.
A fosszilis tüzelőanyagokból származóCO2 főként a füstgázokon keresztül szabadul fel magasabb hőmérsékleten, jellemzően 350°C felett. A gáz magas hőmérséklete miatt a legtöbb hagyományos fizikai adszorbens nem használható, mivel a fizikai adszorpció a hőmérséklet növekedésével csökken. A füstgázban lévőCO2 hőmérsékletének lehűtésével fizikai adszorbensek is alkalmazhatók, de ez hosszabb deszorpciós ciklusokat eredményezne.
E korlátozás leküzdésére a kémiai adszorbensek (folyékony vagy szilárd) alkalmazása magasabb hőmérsékleten lehet a kulcs. Ezek az anyagok magas hőmérsékleten közvetlenül elnyelika CO2-t; nincs szükség a gáz hűtésére; és a gázkeverékek hatékony elválasztása megvalósítható.
A tipikus magas hőmérsékletűCO2 kémiai adszorbensek közé elsősorban az ammónia adszorbensek, a kalcium alapú adszorbensek és a lítium alapú adszorbensek tartoznak [1]. A lítium alapú adszorbensek lehetőséget kínálnak aCO2 tárolására és szállítására aCO2 gáz halmazállapotból szilárd halmazállapotba történő átalakulását eredményező reakciófolyamatnak köszönhetően [2].
Ezen alkálifém-kerámia adszorbensek közül a Na2ZrO3, amely szintén az alkálifémek csoportjába tartozik, alacsonyabb előállítási költséggel, gyorsabb adszorpciós kapacitással és magasabb adszorpciós hőmérséklettel rendelkezik. Ezért a Na2ZrO3 tanulmányozása számos kutató figyelmét felkeltette.
A Na2ZrO3 és aCO2 adszorpciós reakciófolyamata a következő egyenletben (1) látható [4-7]:
Na2ZrO3 +CO2 ⇆ Na2CO3 + ZrO2 （1）
ACO2Na2ZrO3 általi adszorpciójának hőmérséklete 400°C és 800°C között van [4-6]. Ha a hőmérséklet 800°C-nál alacsonyabb, a reakció spontán módon zajlik, és a termékek oldalára tolódik, és a Na2ZrO3 reagál aCO2-velNa2CO3 képződésével. Fordítva, 800°C-nál magasabb hőmérséklet esetén a reakció fordított irányban zajlik, és a Na2CO3 bomlása soránCO2 szabadul fel, és újra Na2ZrO3 képződik. A reverzibilis reakció lehetővé teszi aCO2 ciklikusan történő adszorpcióját és deszorpcióját.
Ebben a munkában a Na2ZrO3CO2 adszorpciós-deszorpciós tulajdonságait vizsgáltuk, és összehasonlítottuk a Na2ZrO3 előállítási módjának hatásait.
Kísérleti
ACO2 ciklikus adszorpciós-deszorpciós teljesítményét (mérési program az 1. ábrán) egy STA 2500 Regulus készülékkel vizsgáltuk úgy, hogy kb. 10 mg adszorbenst helyeztünk egy alumínium-oxid tégelybe, és azt szobahőmérsékletről 850°C-ra melegítettük 20 K/perc fűtési sebességgel tiszta N2 atmoszférában (gázáramlás 100 ml/perc), majd 10 percig izotermikusan tartottuk, hogy a szennyeződéseket eltávolítsuk a mintából, majd 20 K/perc sebességgel 650°C-ra hűtöttük. Amikor a hőmérséklet elérte a 650°C-ot, a légkört N2/CO2 keverékre váltottuk, amely 15%CO2-t tartalmazott.
Az adszorpciós reakciót IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus szegmensben végeztük 30 percig. Ezt követően a légkört visszaváltottuk tiszta N2-re, és a mintát 20 K/perc sebességgel 850 °C-ra hevítettük. A deszorpciót 10 percig 850°C-on IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus szegmensben jellemeztük. Az adszorbens stabilitását úgy vizsgáltuk, hogy 10-szer elvégeztük ezt a hőmérsékleti programot.
A Na2ZrO3 különböző mintaelőkészítési lehetőségeit az 1. táblázat mutatja be.
Táblázat: A Na2ZrO3 minta előkészítése.
| Minta | Szintézis Módszer | Szárítási módszer |
|---|---|---|
| WM-HD | nedves keverési módszer (WM) | melegített szárítás (HD) |
| WM-FD | nedves keverési módszer (WM) | fagyasztva szárítás (FD) |
| SG-HD | szol-gél módszer (SG) | melegített szárítás (HD) |
| SG-FD | szol-gél módszer (SG) | fagyasztva szárítás (FD) |
Eredmények és vita
A 2. ábra a különböző módszerekkel szintetizált Na2ZrO3 minták TGA-görbéjét mutatja. Látható, hogy az egyes görbék tömege jelentősen megnövekedett, amígCO2 volt jelen reakciópartnerként. Miutána CO2-t eltávolítottuk a rendszerből, a tömeg ismét csökkent. Amikor a reakció elérte a nyolcadik ciklust, a négy adszorbens adszorpciós teljesítménye stabilizálódott és összehasonlítható maradt a kilencedik és tizedik ciklussal. Látható, hogy a nedves keverési módszerrel előállított Na2ZrO3 (WM-HD, zöld; és WM-FD, piros) jobb adszorpciós teljesítményt mutat, mint a szol-gél módszerrel szintetizált minták. A négy adszorbens adszorpciós mennyisége a következő sorrendben alakult a legnagyobbtól a legkisebbig: WM-HD (18,7%) > WM-FD (17,1%) > SG-FD (16,6%) > SG-HD (15,7%).
A 2. ábrán látható TGA-görbe levezetésekor megkaphatjuk a tömegvesztési sebesség vagy DTG-görbét, amely a tömegváltozás sebességének változását mutatja a hőmérséklet/idő függvényében. Ezek a görbék a Na2ZrO3 különböző szintetizálási körülményeihez tartozóCO2-adszorpciós sebességet mutatják.
A 3. ábra a négy adszorbensCO2-adszorpciójának DTG-görbéjét mutatja a nyolcadik ciklusban. Az ábrából látható, hogy az adszorbensek adszorpciós sebességei általában azonos tendenciát mutatnak. A másik három mintához képest azonban az SG-FD mutatja a legnagyobb adszorpciós sebességet. Emellett az SG-HD és a WM-HD adszorpciós rátája hasonló, és a WM-FD minta mutatja a legalacsonyabb adszorpciós rátát. A Na2ZrO3 adszorbens szintetizálása nedves keverési és szol-gél módszerrel történt, majd fagyasztva szárítás és melegített szárítás következett. Feltételezhető, hogy a szol-gél keverés és a fagyasztva szárítás módszere alkalmasabb a porózus szerkezet kialakítására, és ezzel a szintetikus megközelítéssel nagyobb fajlagos felületet lehetett elérni.
Következtetés
A NETZSCH STA 2500 Regulus különböző anyagok adszorpciós tulajdonságainak vizsgálatára használható. Ebben a példában négy különböző szintetizált Na2ZrO3-mintát vizsgáltunk, és jellemeztük aCO2-adszorpciós tulajdonságokat. Feltételezhető, hogy a szol-gél módszerrel történő szintézisút és az azt követő fagyasztva szárítás jelentősen nagyobb felületi reaktivitást eredményez.
A szintézis és az adszorpciós tulajdonságok közötti kapcsolat megértésével az egyedi alkalmazáshoz szükséges optimális adszorpciós teljesítményt figyelembe lehet venni és ennek megfelelően beállítani.