Pendahuluan
Karbon dioksida (CO2), gas rumah kaca utama, berkaitan erat dengan pemanasan global dan perubahan iklim akibat pembakaran bahan bakar fosil, misalnya, di pembangkit listrik. Tindakan yang diperlukan harus diambil untuk mengurangi dampak lingkungan dariCO2.
CO2 dari bahan bakar fosil terutama dilepaskan melalui gas buang pada suhu yang lebih tinggi, biasanya di atas 350°C. Karena suhu gas yang tinggi, sebagian besar adsorben fisik konvensional tidak dapat digunakan karena penurunan adsorpsi fisik dengan meningkatnya suhu. Dengan mendinginkan suhuCO2 dalam gas buang, adsorben fisik dapat digunakan tetapi akan menghasilkan siklus desorpsi yang lebih lama.
Untuk mengatasi keterbatasan ini, penerapan bahan penyerap kimia (cair atau padat) pada suhu yang lebih tinggi dapat menjadi kuncinya. Bahan-bahan tersebut secara langsung menyerapCO2 pada suhu tinggi; tidak diperlukan pendinginan gas; dan pemisahan campuran gas yang efisien dapat direalisasikan.
Adsorben kimiaCO2 suhu tinggi yang umum terutama mencakup adsorben amonia, adsorben berbasis kalsium, dan adsorben berbasis litium [1]. Adsorben berbasis litium menawarkan kemungkinan untuk menyimpan dan mengangkutCO2 karena proses reaksi yang mengubahCO2 dari bentuk gas ke bentuk padat [2].
Di antara adsorben keramik logam alkali ini, Na2ZrO3, yang juga termasuk dalam kelompok logam alkali, memiliki biaya preparasi yang lebih rendah, kapasitas adsorpsi yang lebih cepat, dan suhu adsorpsi yang lebih tinggi. Oleh karena itu, studi tentang Na2ZrO3 telah menarik perhatian banyak peneliti.
Proses reaksi adsorpsi Na2ZrO3 denganCO2 ditunjukkan pada Persamaan (1) berikut ini [4-7]:
Na2ZrO3 +CO2 ⇆ Na2CO3 + ZrO2 （1)
Suhu adsorpsiCO2 oleh Na2ZrO3 berada pada kisaran 400°C hingga 800°C [4-6]. Ketika suhu lebih rendah dari 800°C, reaksi berlangsung secara spontan dan bergeser ke sisi produk, dan Na2ZrO3 bereaksi denganCO2 membentuk Na2CO3. Sebaliknya, dengan suhu yang lebih tinggi dari 800°C, reaksi berlangsung ke arah sebaliknya, dan Reaksi penguraianReaksi penguraian adalah reaksi yang diinduksi secara termal dari senyawa kimia yang membentuk produk padat dan/atau gas. penguraian Na2CO3 melepaskanCO2 dan membentuk kembali Na2ZrO3. Reaksi yang dapat dibalik ini memungkinkan adsorpsi dan desorpsiCO2 secara siklik.
Dalam penelitian ini, sifat adsorpsi-desorpsi Na2ZrO3 untukCO2 diselidiki dan efek dari metode preparasi Na2ZrO3 dibandingkan.
Eksperimental
Kinerja adsorpsi-desorpsi siklikCO2 (program pengukuran pada gambar 1) diuji dengan STA 2500 Regulus dengan menempatkan sekitar 10 mg adsorben dalam wadah alumina dan memanaskannya dari suhu kamar hingga 850 ° C dengan laju pemanasan 20 K/menit di bawah atmosfer N2 murni (aliran gas 100 ml/menit), menahannya secara IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal selama 10 menit untuk menghilangkan pengotor dari sampel, lalu mendinginkannya hingga 650 ° C dengan kecepatan 20 K/menit. Ketika suhu mencapai 650°C, atmosfer dialihkan ke campuran N2/CO2 yang mengandung 15%CO2.
Reaksi adsorpsi dilakukan dalam segmen IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal selama 30 menit. Setelah itu, atmosfer dialihkan kembali ke N2 murni dan sampel dipanaskan hingga 850°C pada 20 K/menit. Desorpsi dikarakterisasi dalam segmen IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal selama 10 menit pada suhu 850°C. Stabilitas adsorben diuji dengan melakukan program suhu tersebut sebanyak 10 kali.
Berbagai kemungkinan persiapan sampel untuk Na2ZrO3 digambarkan dalam tabel 1.
Tabel 1: Persiapan sampel Na2ZrO3.
| Sampel | Metode Sintesis | Metode Pengeringan |
|---|---|---|
| WM-HD | metode pencampuran basah (WM) | pengeringan dengan pemanasan (HD) |
| WM-FD | metode pencampuran basah (WM) | pengeringan beku (FD) |
| SG-HD | metode sol-gel (SG) | pengeringan dengan pemanasan (HD) |
| SG-FD | metode sol-gel (SG) | pengeringan beku (FD) |
Hasil dan Pembahasan
Gambar 2 menunjukkan kurva TGA dari sampel Na2ZrO3 yang berbeda yang disintesis dengan metode. Dapat dilihat bahwa massa setiap kurva meningkat secara signifikan saatCO2 hadir sebagai mitra reaksi. SetelahCO2 dihilangkan dari sistem, massa menurun lagi. Ketika reaksi mencapai siklus kedelapan, kinerja adsorpsi keempat adsorben menjadi stabil dan tetap sebanding dengan siklus kesembilan dan kesepuluh. Dapat dilihat bahwa Na2ZrO3 yang diperoleh dengan metode pencampuran basah (WM-HD, hijau; dan WM-FD, merah) memiliki kinerja adsorpsi yang lebih baik daripada sampel yang disintesis dengan metode sol-gel. Jumlah adsorpsi dari keempat adsorben tersebut adalah sebagai berikut dari yang terbesar hingga terkecil: WM-HD (18,7%) > WM-FD (17,1%) > SG-FD (16,6%) > SG-HD (15,7%).
Ketika menurunkan kurva TGA, yang ditunjukkan pada gambar 2, laju kehilangan massa atau kurva DTG dapat diperoleh, yang menunjukkan perubahan laju perubahan berat terhadap suhu/waktu. Kurva-kurva tersebut mewakili laju adsorpsiCO2 untuk kondisi sintesis Na2ZrO3 yang berbeda.
Gambar 3 menggambarkan kurva DTG dari adsorpsiCO2 dari keempat adsorben pada siklus kedelapan. Dari gambar tersebut, dapat dilihat bahwa laju adsorpsi adsorben secara umum memiliki tren yang sama. Namun, SG-FD menunjukkan laju adsorpsi tertinggi dibandingkan dengan tiga sampel lainnya. Selain itu, laju untuk SG-HD dan WM-HD serupa dan sampel WM-FD menunjukkan laju adsorpsi terendah. Adsorben Na2ZrO3 disintesis dengan metode pencampuran basah dan sol-gel, diikuti dengan pengeringan beku dan pengeringan panas. Dapat diduga bahwa metode pencampuran sol-gel dan pengeringan beku lebih cocok untuk pembentukan struktur berpori, dan luas permukaan spesifik yang lebih tinggi dapat diperoleh melalui pendekatan sintetis ini.
Kesimpulan
NETZSCH STA 2500 Regulus dapat digunakan untuk menyelidiki sifat adsorpsi dari bahan yang berbeda. Dalam contoh ini, empat sampel Na2ZrO3 hasil sintesis yang berbeda diselidiki, dan sifat adsorpsiCO2 dikarakterisasi. Dapat diasumsikan bahwa rute sintesis menggunakan metode sol-gel dan pengeringan beku berikutnya mengarah ke reaktivitas permukaan yang jauh lebih tinggi.
Dengan memahami hubungan antara sintesis dan sifat adsorpsi, kinerja adsorpsi yang optimal untuk aplikasi individu dapat dipertimbangkan dan disesuaikan.