Introduzione
L'anidride carbonica (CO2), il principale gas a effetto serra, è strettamente correlata al riscaldamento globale e ai cambiamenti climatici dovuti alla combustione di combustibili fossili, ad esempio nelle centrali elettriche. È necessario intraprendere azioni necessarie per ridurre l'impatto ambientale dellaCO2.
LaCO2 prodotta dai combustibili fossili viene rilasciata principalmente attraverso i gas di scarico a temperature più elevate, in genere superiori a 350°C. A causa dell'elevata temperatura del gas, la maggior parte degli adsorbenti fisici convenzionali non può essere utilizzata a causa della diminuzione dell'adsorbimento fisico con l'aumentare della temperatura. Raffreddando la temperatura dellaCO2 nei fumi, gli adsorbenti fisici potrebbero essere utilizzati, ma comporterebbero cicli di desorbimento più lunghi.
Per superare questa limitazione, l'applicazione di sorbenti chimici (liquidi o solidi) a temperature più elevate potrebbe essere la chiave. Questi materiali assorbono direttamente laCO2 ad alte temperature; non è necessario raffreddare il gas e si può ottenere una separazione efficiente delle miscele di gas.
I tipici adsorbenti chimicidi CO2 ad alta temperatura includono principalmente adsorbenti di ammoniaca, adsorbenti a base di calcio e adsorbenti a base di litio [1]. Gli adsorbenti a base di litio offrono la possibilità di immagazzinare e trasportare laCO2 grazie al processo di reazione che convertela CO2 dallo stato gassoso allo stato solido [2].
Tra gli adsorbenti ceramici a base di metalli alcalini, Na2ZrO3, anch'esso appartenente al gruppo dei metalli alcalini, ha un costo di preparazione inferiore, una capacità di adsorbimento più rapida e una temperatura di adsorbimento più elevata. Pertanto, lo studio del Na2ZrO3 ha attirato l'attenzione di molti ricercatori.
Il processo di reazione di adsorbimento di Na2ZrO3 con laCO2 è mostrato nella seguente Eq.(1) [4-7]:
Na2ZrO3 +CO2 ⇆ Na2CO3 + ZrO2 （1）
La temperatura di adsorbimento dellaCO2 da parte di Na2ZrO3 è compresa tra 400°C e 800°C [4-6]. Quando la temperatura è inferiore a 800°C, la reazione procede spontaneamente e si sposta sul lato dei prodotti, e Na2ZrO3 reagisce con laCO2 per formare Na2CO3. Viceversa, a temperature superiori a 800°C, la reazione procede in senso inverso e la Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione di Na2CO3 liberaCO2 e ri-forma Na2ZrO3. La reazione reversibile consente l'adsorbimento e il desorbimento diCO2 in modo ciclico.
In questo lavoro sono state studiate le proprietà di adsorbimento-desorbimento di Na2ZrO3 per laCO2 e sono stati confrontati gli effetti del metodo di preparazione di Na2ZrO3.
Sperimentale
Le prestazioni di adsorbimento-desorbimento ciclicodi CO2 (programma di misura in figura 1) sono state testate con un STA 2500 Regulus ponendo circa 10 mg di adsorbente in un crogiolo di allumina e riscaldandolo da temperatura ambiente a 850°C a una velocità di riscaldamento di 20 K/min in un'atmosfera di N2 puro (flusso di gas 100 ml/min), mantenendolo IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico per 10 minuti per rimuovere le impurità dal campione e quindi raffreddandolo a 650°C a 20 K/min. Quando la temperatura ha raggiunto i 650°C, l'atmosfera è stata commutata in una miscela N2/CO2 contenente il 15% diCO2.
La reazione di adsorbimento è stata condotta in un segmento IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico per 30 minuti. Successivamente, l'atmosfera è stata riportata a N2 puro e il campione è stato riscaldato a 850°C a 20 K/min. Il desorbimento è stato caratterizzato in un segmento IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico per 10 minuti a 850°C. La stabilità dell'adsorbente è stata testata eseguendo questo programma di temperatura per 10 volte.
Le diverse possibilità di preparazione del campione per Na2ZrO3 sono riportate nella tabella 1.
Tabella 1: Preparazione del campione di Na2ZrO3.
| Campione | Metodo di sintesi | Metodo di essiccazione |
|---|---|---|
| WM-HD | metodo di miscelazione a umido (WM) | essiccazione a caldo (HD) |
| WM-FD | metodo di miscelazione a umido (WM) | liofilizzazione (FD) |
| SG-HD | metodo sol-gel (SG) | essiccazione a caldo (HD) |
| SG-FD | metodo sol-gel (SG) | liofilizzazione (FD) |
Risultati e discussione
La Figura 2 mostra la curva TGA dei diversi campioni di Na2ZrO3 sintetizzati con i metodi. Si può notare che la massa di ogni curva è aumentata significativamente quando laCO2 era presente come partner di reazione. Dopo che laCO2 è stata rimossa dal sistema, la massa è diminuita nuovamente. Quando la reazione ha raggiunto l'ottavo ciclo, le prestazioni di adsorbimento dei quattro adsorbenti si sono stabilizzate e sono rimaste comparabili con il nono e il decimo ciclo. Si può notare che il Na2ZrO3 ottenuto con il metodo di miscelazione a umido (WM-HD, verde; e WM-FD, rosso) ha prestazioni di adsorbimento migliori rispetto ai campioni sintetizzati con il metodo sol-gel. Le quantità di adsorbimento dei quattro adsorbenti erano nell'ordine seguente, dal più grande al più piccolo: WM-HD (18,7%) > WM-FD (17,1%) > SG-FD (16,6%) > SG-HD (15,7%).
Quando si ricava la curva TGA, mostrata in figura 2, si può ottenere la curva del tasso di perdita di massa o DTG, che indica la variazione del tasso di variazione di peso rispetto alla temperatura/tempo. Queste curve rappresentano il tasso di adsorbimento diCO2 per le diverse condizioni di sintesi di Na2ZrO3.
La Figura 3 mostra la curva DTG dell'adsorbimento diCO2 dei quattro adsorbenti nell'ottavo ciclo. Dalla figura si può notare che le velocità di adsorbimento degli adsorbenti hanno, in generale, lo stesso andamento. Tuttavia, SG-FD mostra il tasso di adsorbimento più elevato rispetto agli altri tre campioni. Inoltre, i tassi di SG-HD e WM-HD sono simili e il campione WM-FD mostra il tasso di adsorbimento più basso. L'adsorbente Na2ZrO3 è stato sintetizzato con metodi di miscelazione a umido e sol-gel, seguiti da liofilizzazione ed essiccazione a caldo. Si può ipotizzare che il metodo di miscelazione sol-gel e liofilizzazione sia più adatto alla formazione di una struttura porosa e che con questo approccio sintetico si possa ottenere una superficie specifica più elevata.
Conclusione
NETZSCH STA 2500 Regulus può essere utilizzato per studiare le proprietà di adsorbimento di diversi materiali. In questo esempio, sono stati studiati quattro diversi campioni di Na2ZrO3 sintetizzati e sono state caratterizzate le proprietà di adsorbimento dellaCO2. Si può ipotizzare che il percorso di sintesi con il metodo sol-gel e la successiva liofilizzazione portino a una reattività superficiale significativamente più elevata.
Comprendendo la relazione tra sintesi e proprietà di adsorbimento, è possibile considerare le prestazioni di adsorbimento ottimali per una singola applicazione e regolarle di conseguenza.