Wprowadzenie
Dwutlenek węgla (CO2), główny gaz cieplarniany, jest ściśle związany z globalnym ociepleniem i zmianami klimatycznymi spowodowanymi spalaniem paliw kopalnych, na przykład w elektrowniach. Należy podjąć niezbędne działania w celu zmniejszenia wpływuCO2 na środowisko.
CO2 z paliw kopalnych jest uwalniany głównie przez gazy spalinowe w wyższych temperaturach, zazwyczaj powyżej 350°C. Ze względu na wysoką temperaturę gazu, większość konwencjonalnych adsorbentów fizycznych nie może być stosowana ze względu na spadek adsorpcji fizycznej wraz ze wzrostem temperatury. Obniżając temperaturęCO2 w spalinach, można by zastosować adsorbenty fizyczne, ale skutkowałoby to dłuższymi cyklami desorpcji.
Aby przezwyciężyć to ograniczenie, kluczem może być zastosowanie sorbentów chemicznych (ciekłych lub stałych) w wyższych temperaturach. Materiały te bezpośrednio absorbująCO2 w wysokich temperaturach; nie jest wymagane chłodzenie gazu; i można uzyskać skuteczną separację mieszanin gazów.
Typowe wysokotemperaturowe adsorbenty chemiczneCO2 obejmują głównie adsorbenty amoniaku, adsorbenty na bazie wapnia i adsorbenty na bazie litu [1]. Adsorbenty na bazie litu oferują możliwość przechowywania i transportuCO2 ze względu na proces reakcji, który przekształcaCO2 ze stanu gazowego w stan stały [2].
Wśród tych ceramicznych adsorbentów metali alkalicznych, Na2ZrO3, który również należy do grupy metali alkalicznych, ma niższy koszt przygotowania, szybszą zdolność adsorpcji i wyższą temperaturę adsorpcji. Dlatego też badanie Na2ZrO3 przyciągnęło uwagę wielu badaczy.
Proces reakcji adsorpcji Na2ZrO3 zCO2 przedstawiono w następującym równaniu (1) [4-7]:
Na2ZrO3 +CO2 ⇆ Na2CO3 + ZrO2 （1）
Temperatura adsorpcjiCO2 przez Na2ZrO3 mieści się w zakresie od 400°C do 800°C [4-6]. Gdy temperatura jest niższa niż 800°C, reakcja przebiega spontanicznie i przesuwa się na stronę produktów, a Na2ZrO3 reaguje zCO2, tworząc Na2CO3. I odwrotnie, w temperaturach wyższych niż 800°C reakcja przebiega w odwrotnym kierunku, a Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkładNa2CO3 uwalniaCO2 i ponownie tworzy Na2ZrO3. Odwracalna reakcja umożliwia adsorpcję i desorpcjęCO2 w sposób cykliczny.
W niniejszej pracy zbadano właściwości adsorpcyjno-desorpcyjne Na2ZrO3 dlaCO2 i porównano wpływ metody przygotowania Na2ZrO3.
Eksperymentalny
Wydajność cyklicznej adsorpcji-desorpcjiCO2 (program pomiarowy na rysunku 1) przetestowano za pomocą STA 2500 Regulus, umieszczając około 10 mg adsorbentu w tyglu z tlenku glinu i ogrzewając go od temperatury pokojowej do 850°C z szybkością ogrzewania 20 K/min w atmosferze czystego N2 (przepływ gazu 100 ml/min), utrzymując go w stanie izotermicznym przez 10 minut w celu usunięcia zanieczyszczeń z próbki, a następnie schładzając go do 650°C z szybkością 20 K/min. Gdy temperatura osiągnęła 650°C, atmosfera została przełączona na mieszaninę N2/CO2, która zawierała 15%CO2.
Reakcję adsorpcji prowadzono w segmencie izotermicznym przez 30 min. Następnie atmosfera została przełączona z powrotem na czysty N2, a próbka została podgrzana do 850°C z prędkością 20 K/min. Desorpcję scharakteryzowano w segmencie izotermicznym przez 10 minut w temperaturze 850°C. Stabilność adsorbentu przetestowano, wykonując ten program temperaturowy 10 razy.
Różne możliwości przygotowania próbki dla Na2ZrO3 przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1: Przygotowanie próbki Na2ZrO3.
| Próbka | Metoda syntezy | Metoda suszenia |
|---|---|---|
| WM-HD | metoda mieszania na mokro (WM) | suszenie z ogrzewaniem (HD) |
| WM-FD | metoda mieszania na mokro (WM) | liofilizacja (FD) |
| SG-HD | metoda zol-żel (SG) | suszenie po podgrzaniu (HD) |
| SG-FD | metoda zol-żel (SG) | liofilizacja (FD) |
Wyniki i dyskusja
Rysunek 2 przedstawia krzywą TGA różnych próbek Na2ZrO3 zsyntetyzowanych różnymi metodami. Można zauważyć, że masa każdej krzywej znacznie wzrosła, gdyCO2 był obecny jako partner reakcji. Po usunięciuCO2 z układu masa ponownie spadła. Gdy reakcja osiągnęła ósmy cykl, wydajność adsorpcji czterech adsorbentów ustabilizowała się i pozostała porównywalna z dziewiątym i dziesiątym cyklem. Można zauważyć, że Na2ZrO3 otrzymany metodą mieszania na mokro (WM-HD, zielony; i WM-FD, czerwony) ma lepszą wydajność adsorpcji niż próbki zsyntetyzowane metodą zol-żel. Ilości adsorpcji czterech adsorbentów były w następującej kolejności od największej do najmniejszej: WM-HD (18,7%) > WM-FD (17,1%) > SG-FD (16,6%) > SG-HD (15,7%).
Podczas wyprowadzania krzywej TGA, pokazanej na rysunku 2, można uzyskać szybkość utraty masy lub krzywą DTG, która wskazuje zmianę szybkości zmiany masy w odniesieniu do temperatury/czasu. Krzywe te przedstawiają szybkość adsorpcjiCO2 dla różnych warunków syntezy Na2ZrO3.
Rysunek 3 przedstawia krzywą DTG adsorpcjiCO2 czterech adsorbentów w ósmym cyklu. Z rysunku widać, że współczynniki adsorpcji adsorbentów mają ogólnie ten sam trend. Jednak SG-FD wykazuje najwyższy współczynnik adsorpcji w porównaniu z pozostałymi trzema próbkami. Poza tym współczynniki dla SG-HD i WM-HD są podobne, a próbka WM-FD wykazuje najniższy współczynnik adsorpcji. Adsorbent Na2ZrO3 został zsyntetyzowany metodami mieszania na mokro i zol-żel, a następnie liofilizacji i suszenia w wysokiej temperaturze. Można spekulować, że metoda mieszania zol-żel i liofilizacji jest bardziej odpowiednia do tworzenia porowatej struktury, a wyższą powierzchnię właściwą można uzyskać dzięki temu podejściu syntetycznemu.
Wnioski
Urządzenie NETZSCH STA 2500 Regulus może być wykorzystywane do badania właściwości adsorpcyjnych różnych materiałów. W tym przykładzie zbadano cztery różne zsyntetyzowane próbki Na2ZrO3 i scharakteryzowano właściwości adsorpcyjneCO2. Można założyć, że droga syntezy z wykorzystaniem metody zol-żel i późniejszego liofilizacji prowadzi do znacznie wyższej reaktywności powierzchniowej.
Dzięki zrozumieniu zależności między syntezą a właściwościami adsorpcyjnymi można rozważyć i odpowiednio dostosować optymalną wydajność adsorpcji dla indywidualnego zastosowania.