Inleiding
Koolstofdioxide (CO2), het belangrijkste broeikasgas, is nauw verbonden met de opwarming van de aarde en klimaatverandering door de verbranding van fossiele brandstoffen, bijvoorbeeld in elektriciteitscentrales. Er moeten de nodige maatregelen worden genomen om de impact vanCO2 op het milieu te verminderen.
CO2 uit fossiele brandstoffen komt voornamelijk vrij via rookgassen bij hogere temperaturen, meestal boven 350°C. Door de hoge temperatuur van het gas kunnen de meeste conventionele fysische adsorptiemiddelen niet worden gebruikt omdat de fysische adsorptie afneemt met toenemende temperatuur. Door de temperatuur vanCO2 in het rookgas te verlagen, zouden fysische adsorbentia kunnen worden gebruikt, maar dit zou resulteren in langere desorptiecycli.
Om deze beperking te overwinnen, zou de toepassing van chemische sorbentia (vloeibaar of vast) bij hogere temperaturen de sleutel kunnen zijn. Deze materialen absorberenCO2 direct bij hoge temperaturen; koeling van het gas is niet nodig en een efficiënte scheiding van gasmengsels kan worden gerealiseerd.
Typische chemische adsorbentia voorCO2 op hoge temperatuur omvatten voornamelijk ammoniakadsorbentia, calciumgebaseerde adsorbentia en lithiumgebaseerde adsorbentia [1]. Lithiumgebaseerde adsorbentia bieden de mogelijkheid omCO2 op te slaan en te transporteren dankzij het reactieproces datCO2 omzet van de gasstaat naar de vaste toestand [2].
Van deze alkalimetaalkeramische adsorbentia heeft Na2ZrO3, dat ook tot de groep alkalimetalen behoort, lagere bereidingskosten, een snellere adsorptiecapaciteit en een hogere adsorptietemperatuur. Daarom heeft de studie van Na2ZrO3 de aandacht getrokken van veel onderzoekers.
Het adsorptiereactieproces van Na2ZrO3 metCO2 wordt weergegeven in de volgende vergelijking (1) [4-7]:
Na2ZrO3 +CO2 ⇆ Na2CO3 + ZrO2 （1）
De adsorptietemperatuur vanCO2 door Na2ZrO3 ligt tussen 400°C en 800°C [4-6]. Bij temperaturen lager dan 800°C verloopt de reactie spontaan en verschuift deze naar de kant van de producten en Na2ZrO3 reageert metCO2 om Na2CO3 te vormen. Omgekeerd, bij temperaturen hoger dan 800°C verloopt de reactie in omgekeerde richting en komt bij de ontleding van Na2CO3CO2 vrij en wordt Na2ZrO3 opnieuw gevormd. De omkeerbare reactie maakt de adsorptie en desorptie vanCO2 op een cyclische manier mogelijk.
In dit werk werden de adsorptie- desorptie eigenschappen van Na2ZrO3 voorCO2 onderzocht en de effecten van de bereidingsmethode van Na2ZrO3 vergeleken.
Experimenteel
DeCO2 cyclische adsorptie- desorptieprestaties (meetprogramma in figuur 1) werden getest met een STA 2500 Regulus door ongeveer 10 mg adsorptiemiddel in een aluminiumoxide filterkroes te plaatsen en het te verhitten van kamertemperatuur tot 850°C met een verhittingssnelheid van 20 K/min onder een zuivere N2 atmosfeer (gasstroom 100 ml/min), het gedurende 10 minuten IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm te houden om onzuiverheden uit het monster te verwijderen en het vervolgens af te koelen tot 650°C met 20 K/min. Toen de temperatuur 650°C bereikte, werd de atmosfeer omgeschakeld naar een N2/CO2 mengsel dat 15%CO2 bevatte.
De adsorptiereactie werd uitgevoerd in een IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm segment gedurende 30 min. Daarna werd de atmosfeer teruggeschakeld naar zuivere N2 en werd het monster verwarmd tot 850 °C bij 20 K/min. De desorptie werd gekarakteriseerd in een IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm segment gedurende 10 minuten bij 850 °C. De stabiliteit van het adsorbens werd getest door dat temperatuurprogramma 10 keer uit te voeren.
De verschillende monstervoorbereidingsmogelijkheden voor Na2ZrO3 worden weergegeven in tabel 1.
Tabel 1: Monstervoorbereiding van Na2ZrO3.
| Monster | Synthese Methode | Droogmethode |
|---|---|---|
| WM-HD | nat-meng methode (WM) | verwarmd drogen (HD) |
| WM-FD | natte-mengmethode (WM) | vriesdrogen (FD) |
| SG-HD | sol-gelmethode (SG) | verhit drogen (HD) |
| SG-FD | solgelmethode (SG) | vriesdrogen (FD) |
Resultaten en discussie
Figuur 2 toont de TGA-curve van de verschillende Na2ZrO3 monsters gesynthetiseerd door methoden. Het is te zien dat de massa van elke curve significant toenam terwijlCO2 aanwezig was als reactiepartner. NadatCO2 uit het systeem was verwijderd, nam de massa weer af. Toen de reactie de achtste cyclus bereikte, stabiliseerde de adsorptieprestatie van de vier adsorbentia en bleef deze vergelijkbaar met de negende en tiende cyclus. Het is te zien dat Na2ZrO3 verkregen met de natte mengmethode (WM-HD, groen; en WM-FD, rood) betere adsorptieprestaties heeft dan de monsters gesynthetiseerd met de solgelmethode. De adsorptiehoeveelheden van de vier adsorbentia waren in de volgende volgorde van groot naar klein: WM-HD (18,7%) > WM-FD (17,1%) > SG-FD (16,6%) > SG-HD (15,7%).
Bij het afleiden van de TGA-curve, getoond in figuur 2, kan de massaverliessnelheid of DTG-curve worden verkregen, die de verandering in de snelheid van gewichtsverandering aangeeft met betrekking tot temperatuur/tijd. Deze curven geven deCO2 adsorptiesnelheid weer voor de verschillende gesynthetiseerde condities van Na2ZrO3.
Figuur 3 toont de DTG-curve van deCO2 -adsorptie van de vier adsorbentia in de achtste cyclus. Uit de figuur blijkt dat de adsorptiesnelheden van de adsorbentia over het algemeen dezelfde trend vertonen. SG-FD laat echter de hoogste adsorptiesnelheid zien in vergelijking met de andere drie monsters. Daarnaast zijn de snelheden voor SG-HD en WM-HD vergelijkbaar en laat monster WM-FD de laagste adsorptiesnelheid zien. Het Na2ZrO3 adsorbens werd gesynthetiseerd door natte menging en sol-gel methoden, gevolgd door vriesdrogen en verhit drogen. Er kan worden gespeculeerd dat de methode van sol-gel mengen en vriesdrogen geschikter is voor de vorming van een poreuze structuur, en een hoger specifiek oppervlak kan worden verkregen door deze synthetische aanpak.
Conclusie
De NETZSCH STA 2500 Regulus kan gebruikt worden om de adsorptie-eigenschappen van verschillende materialen te onderzoeken. In dit voorbeeld werden vier verschillende gesynthetiseerde Na2ZrO3-monsters onderzocht en deCO2-adsorptie-eigenschappen werden gekarakteriseerd. Er kan worden aangenomen dat de syntheseroute met behulp van de solgelmethode en het daaropvolgende vriesdrogen leidt tot een aanzienlijk hogere reactiviteit van het oppervlak.
Door de relatie tussen synthese en adsorptie-eigenschappen te begrijpen, kan de optimale adsorptieprestatie voor een individuele toepassing worden overwogen en dienovereenkomstig worden aangepast.