Introducere
Dioxidul de carbon (CO2), principalul gaz cu efect de seră, este strâns legat de încălzirea globală și de schimbările climatice cauzate de arderea combustibililor fosili, de exemplu, în centralele electrice. Trebuie luate măsurile necesare pentru a reduce impactulCO2 asupra mediului.
CO2 provenit din combustibili fosili este eliberat în principal prin gazele de ardere la temperaturi ridicate, de obicei peste 350°C. Din cauza temperaturii ridicate a gazului, majoritatea adsorbanților fizici convenționali nu pot fi utilizați din cauza scăderii adsorbției fizice odată cu creșterea temperaturii. Prin răcirea temperaturiiCO2 din gazele de ardere, adsorbanții fizici ar putea fi utilizați, dar ar duce la cicluri de desorbție mai lungi.
Pentru a depăși această limitare, soluția ar putea fi aplicarea de sorbenți chimici (lichizi sau solizi) la temperaturi mai ridicate. Aceste materiale absorb directCO2 la temperaturi ridicate; nu este necesară răcirea gazului și se poate realiza o separare eficientă a amestecurilor de gaze.
Adsorbanții chimici tipici deCO2 la temperaturi ridicate includ în principal adsorbanții pe bază de amoniac, adsorbanții pe bază de calciu și adsorbanții pe bază de litiu [1]. Adsorbanții pe bază de litiu oferă posibilitatea de a stoca și transportaCO2 datorită procesului de reacție care converteșteCO2 din stare gazoasă în stare solidă [2].
Printre acești adsorbanți ceramici din metale alcaline, Na2ZrO3, care face parte, de asemenea, din grupul metalelor alcaline, are un cost de preparare mai scăzut, o capacitate de adsorbție mai rapidă și o temperatură de adsorbție mai ridicată. Prin urmare, studiul Na2ZrO3 a atras atenția multor cercetători.
Procesul reacției de adsorbție a Na2ZrO3 cuCO2 este prezentat în următoarea ecuație (1) [4-7]:
Na2ZrO3 +CO2 ⇆ Na2CO3 + ZrO2 （1）
Temperatura de adsorbție aCO2 de către Na2ZrO3 este cuprinsă între 400°C și 800°C [4-6]. Când temperatura este mai mică de 800°C, reacția are loc spontan și se deplasează în partea produselor, iar Na2ZrO3 reacționează cuCO2 pentru a forma Na2CO3. Viceversa, la temperaturi mai mari de 800°C, reacția are loc în sens invers, iar descompunerea Na2CO3 elibereazăCO2 și re-formează Na2ZrO3. Reacția reversibilă permite adsorbția și desorbția deCO2 în mod ciclic.
În această lucrare, au fost investigate proprietățile de adsorbție-desorbție ale Na2ZrO3 pentruCO2 și au fost comparate efectele metodei de preparare a Na2ZrO3.
Experimental
Performanța de adsorbție-desorbție ciclică aCO2 (programul de măsurare din figura 1) a fost testată cu un STA 2500 Regulus prin plasarea a aproximativ 10 mg de adsorbant într-un creuzet de alumină și încălzirea acestuia de la temperatura camerei la 850°C la o rată de încălzire de 20 K/min într-o atmosferă de N2 pur (debit de gaz 100 ml/min), menținerea izotermă timp de 10 minute pentru a elimina impuritățile din probă și apoi răcirea până la 650°C la 20 K/min. Când temperatura a ajuns la 650°C, atmosfera a fost schimbată cu un amestec N2/CO2 care conținea 15%CO2.
Reacția de adsorbție a fost efectuată într-un segment izoterm timp de 30 min. După aceea, atmosfera a fost comutată din nou la N2 pur, iar proba a fost încălzită la 850°C cu 20 K/min. Desorbția a fost caracterizată într-un segment izoterm timp de 10 minute la 850°C. Stabilitatea adsorbantului a fost testată prin efectuarea acestui program de temperatură de 10 ori.
Diferitele posibilități de preparare a probelor pentru Na2ZrO3 sunt prezentate în tabelul 1.
Tabelul 1: Prepararea probei de Na2ZrO3.
| Eșantion | Metoda de sinteză | Metoda de uscare |
|---|---|---|
| WM-HD | metoda amestecului umed (WM) | uscare încălzită (HD) |
| WM-FD | metoda amestecului umed (WM) | liofilizare (FD) |
| SG-HD | metoda sol-gel (SG) | uscare prin încălzire (HD) |
| SG-FD | metoda sol-gel (SG) | liofilizare (FD) |
Rezultate și discuții
Figura 2 prezintă curba TGA a diferitelor probe de Na2ZrO3 sintetizate prin metode. Se poate observa că masa fiecărei curbe a crescut semnificativ în timp ceCO2 a fost prezent ca partener de reacție. După ceCO2 a fost eliminat din sistem, masa a scăzut din nou. Când reacția a ajuns la al optulea ciclu, performanța de adsorbție a celor patru adsorbanți s-a stabilizat și a rămas comparabilă cu cea din al nouălea și al zecelea ciclu. Se poate observa că Na2ZrO3 obținut prin metoda amestecului umed (WM-HD, verde; și WM-FD, roșu) are performanțe de adsorbție mai bune decât probele sintetizate prin metoda sol-gel. Cantitățile de adsorbție ale celor patru adsorbanți au fost în următoarea ordine, de la cea mai mare la cea mai mică: WM-HD (18,7%) > WM-FD (17,1%) > SG-FD (16,6%) > SG-HD (15,7%).
La derivarea curbei TGA, prezentată în figura 2, se poate obține curba ratei de pierdere a masei sau curba DTG, care indică modificarea ratei de schimbare a greutății în funcție de temperatură/timp. Curbele respective reprezintă rata de adsorbție aCO2 pentru diferite condiții de sinteză a Na2ZrO3.
Figura 3 prezintă curba DTG a adsorbțieiCO2 a celor patru adsorbanți în al optulea ciclu. Din figură, se poate observa că ratele de adsorbție ale adsorbanților au, în general, aceeași tendință. Cu toate acestea, SG-FD prezintă cea mai mare rată de adsorbție comparativ cu celelalte trei probe. În plus, ratele pentru SG-HD și WM-HD sunt similare, iar proba WM-FD prezintă cea mai mică rată de adsorbție. Adsorbantul Na2ZrO3 a fost sintetizat prin metode de amestecare umedă și sol-gel, urmate de liofilizare și uscare prin încălzire. Se poate specula că metoda de amestecare sol-gel și liofilizare este mai potrivită pentru formarea structurii poroase, iar o suprafață specifică mai mare ar putea fi obținută prin această abordare sintetică.
Concluzie
NETZSCH STA 2500 Regulus poate fi utilizat pentru a investiga proprietățile de adsorbție ale diferitelor materiale. În acest exemplu, au fost investigate patru probe de Na2ZrO3 sintetizate diferit și au fost caracterizate proprietățile de adsorbție aCO2. Se poate presupune că ruta de sinteză care utilizează metoda sol-gel și liofilizarea ulterioară conduce la o reactivitate de suprafață semnificativ mai mare.
Prin înțelegerea relației dintre sinteză și proprietățile de adsorbție, performanța optimă de adsorbție pentru o aplicație individuală poate fi luată în considerare și ajustată în consecință.