Введение
Углекислый газ (CO2), основной парниковый газ, тесно связан с глобальным потеплением и изменением климата из-за сжигания ископаемого топлива, например, на электростанциях. Для снижения воздействияCO2 на окружающую среду необходимо принять необходимые меры.
CO2 при сжигании ископаемого топлива выделяется в основном через дымовые газы при высоких температурах, как правило, выше 350°C. Из-за высокой температуры газа большинство обычных физических адсорбентов не могут быть использованы, так как физическая адсорбция снижается с ростом температуры. Охлаждая температуруCO2 в дымовом газе, можно использовать физические адсорбенты, но это приведет к более длительным циклам десорбции.
Для преодоления этого ограничения ключевым моментом может стать применение химических сорбентов (жидких или твердых) при более высоких температурах. Эти материалы непосредственно поглощаютCO2 при высоких температурах; охлаждение газа не требуется, и можно эффективно разделять газовые смеси.
Типичные высокотемпературные химические адсорбентыCO2 в основном включают аммиачные адсорбенты, адсорбенты на основе кальция и адсорбенты на основе лития [1]. Адсорбенты на основе лития обеспечивают возможность хранения и транспортировкиCO2 благодаря реакционному процессу, переводящемуCO2 из газообразного состояния в твердое [2].
Среди керамических адсорбентов на основе щелочных металлов Na2ZrO3, который также относится к группе щелочных металлов, имеет более низкую стоимость приготовления, более высокую адсорбционную способность и более высокую температуру адсорбции. Поэтому изучение Na2ZrO3 привлекло внимание многих исследователей.
Процесс реакции адсорбции Na2ZrO3 сCO2 представлен в следующем уравнении (1) [4-7]:
Na2ZrO3 +CO2 ⇆ Na2CO3 + ZrO2 （1）
Температура адсорбцииCO2 на Na2ZrO3 находится в диапазоне от 400°C до 800°C [4-6]. При температуре ниже 800°C реакция протекает спонтанно и смещается в сторону продуктов, Na2ZrO3 реагирует сCO2 с образованием Na2CO3. И наоборот, при температуре выше 800°C реакция протекает в обратном направлении, при разложении Na2CO3 выделяетсяCO2 и вновь образуется Na2ZrO3. Обратимая реакция позволяет осуществлять адсорбцию и десорбциюCO2 циклическим образом.
В данной работе были исследованы адсорбционно-десорбционные свойства Na2ZrO3 дляCO2 и проведено сравнение влияния метода приготовления Na2ZrO3.
Экспериментальный
Циклическая адсорбция-десорбцияCO2 (программа измерений на рис. 1) была протестирована на STA 2500 Regulus путем помещения около 10 мг адсорбента в алюминиевый тигель и нагревания от комнатной температуры до 850°C при скорости нагревания 20 К/мин в атмосфере чистого N2 (расход газа 100 мл/мин), выдерживания в изотермическом состоянии в течение 10 минут для удаления примесей из образца, а затем охлаждения до 650°C при скорости 20 К/мин. Когда температура достигла 650°C, атмосфера была переключена на смесь N2/CO2, содержащую 15%CO2.
Реакцию адсорбции проводили в изотермическом сегменте в течение 30 мин. После этого атмосферу снова переключили на чистый N2 и нагрели образец до 850°C со скоростью 20 К/мин. Десорбцию проводили в изотермическом сегменте в течение 10 минут при 850°C. Стабильность адсорбента была проверена путем выполнения этой температурной программы 10 раз.
Различные возможности подготовки образцов Na2ZrO3 представлены в таблице 1.
Таблица 1: Подготовка образцов Na2ZrO3.
| Образец | Метод синтеза | Метод сушки |
|---|---|---|
| WM-HD | метод мокрого смешивания (WM) | сушка с подогревом (HD) |
| WM-FD | метод влажного смешивания (WM) | сублимационная сушка (FD) |
| SG-HD | золь-гель метод (SG) | сушка с подогревом (HD) |
| SG-FD | золь-гель метод (SG) | сублимационная сушка (FD) |
Результаты и обсуждение
На рис. 2 показаны кривые ТГА различных образцов Na2ZrO3, синтезированных разными методами. Видно, что масса каждой кривой значительно увеличивалась, покаCO2 присутствовал в качестве партнера по реакции. После удаленияCO2 из системы масса снова уменьшалась. Когда реакция достигла восьмого цикла, адсорбционные характеристики четырех адсорбентов стабилизировались и оставались сопоставимыми с девятым и десятым циклами. Видно, что Na2ZrO3, полученный методом мокрого смешивания (WM-HD, зеленый; и WM-FD, красный), имеет лучшие адсорбционные характеристики, чем образцы, синтезированные золь-гель методом. Адсорбционные объемы четырех адсорбентов располагались в следующем порядке от наибольшего к наименьшему: WM-HD (18,7 %) > WM-FD (17,1 %) > SG-FD (16,6 %) > SG-HD (15,7 %).
При построении кривой ТГА, показанной на рисунке 2, может быть получена кривая скорости потери массы или DTG, которая показывает изменение скорости изменения массы в зависимости от температуры/времени. Эти кривые отражают скорость адсорбцииCO2 для различных условий синтеза Na2ZrO3.
На рисунке 3 представлена кривая DTG адсорбцииCO2 четырьмя адсорбентами в восьмом цикле. Из рисунка видно, что скорости адсорбции адсорбентов имеют в целом одинаковую тенденцию. Однако SG-FD демонстрирует самую высокую скорость адсорбции по сравнению с тремя другими образцами. Кроме того, скорости для SG-HD и WM-HD схожи, а образец WM-FD демонстрирует самую низкую скорость адсорбции. Адсорбент Na2ZrO3 был синтезирован методами мокрого смешивания и золь-гель, затем сублимационной сушкой и сушкой с нагревом. Можно предположить, что метод золь-гель смешивания и сублимационной сушки более подходит для формирования пористой структуры, и более высокая удельная поверхность может быть получена при таком синтезе.
Заключение
Прибор NETZSCH STA 2500 Regulus может быть использован для исследования адсорбционных свойств различных материалов. В данном примере были исследованы четыре различных синтезированных образца Na2ZrO3 и охарактеризованы адсорбционные свойстваCO2. Можно предположить, что маршрут синтеза с использованием золь-гель метода и последующей сублимационной сушки приводит к значительно более высокой реакционной способности поверхности.
Понимание взаимосвязи между синтезом и адсорбционными свойствами позволяет определить оптимальные адсорбционные характеристики для конкретного применения и внести соответствующие коррективы.