Inledning
Koldioxid (CO2), den viktigaste växthusgasen, är nära förknippad med global uppvärmning och klimatförändringar på grund av förbränning av fossila bränslen, till exempel i kraftverk. Nödvändiga åtgärder måste vidtas för att minska miljöpåverkan frånCO2.
CO2 från fossila bränslen släpps huvudsakligen ut genom rökgaser vid högre temperaturer, vanligtvis över 350°C. På grund av gasens höga temperatur kan de flesta konventionella fysikaliska adsorbenter inte användas eftersom den fysikaliska adsorptionen minskar med ökande temperatur. Genom att kyla ner temperaturen påCO2 i rökgasen kan fysiska adsorbenter användas, men det skulle resultera i längre desorptionscykler.
För att övervinna denna begränsning kan användning av kemiska sorbenter (flytande eller fasta) vid högre temperaturer vara nyckeln. Dessa material absorberarCO2 direkt vid höga temperaturer, ingen kylning av gasen krävs och en effektiv separation av gasblandningar kan åstadkommas.
Typiska kemiska adsorbenter förCO2 vid höga temperaturer omfattar främst ammoniakadsorbenter, kalciumbaserade adsorbenter och litiumbaserade adsorbenter [1]. Litiumbaserade adsorbenter ger möjlighet att lagra och transporteraCO2 på grund av reaktionsprocessen som omvandlarCO2 från gasform till fast form [2].
Bland dessa keramiska adsorbenter av alkalimetall har Na2ZrO3, som också ingår i alkalimetallgruppen, lägre beredningskostnader, snabbare adsorptionskapacitet och högre adsorptionstemperatur. Därför har studien av Na2ZrO3 väckt uppmärksamhet hos många utredare.
Adsorptionsreaktionsprocessen för Na2ZrO3 medCO2 visas i följande ekv. (1) [4-7]:
Na2ZrO3 +CO2 ⇆ Na2CO3 + ZrO2 （1）
Adsorptionstemperaturen förCO2 av Na2ZrO3 ligger i intervallet 400 ° C till 800 ° C [4-6]. När temperaturen är lägre än 800 ° C fortsätter reaktionen spontant och skiftar till sidan av produkterna, och Na2ZrO3 reagerar medCO2 för att bilda Na2CO3. Omvänt, med temperaturer högre än 800°C, fortsätter reaktionen i omvänd riktning, och nedbrytningen av Na2CO3 frigörCO2 och ombildar Na2ZrO3. Den reversibla reaktionen möjliggör adsorption och desorption avCO2 på ett cykliskt sätt.
I detta arbete undersöktes adsorption-desorptionsegenskaperna hos Na2ZrO3 förCO2 och effekterna av beredningsmetoden för Na2ZrO3 jämfördes.
Experimentell
Den cykliska adsorption-desorptionsprestandan förCO2 (mätprogrammet i figur 1) testades med en STA 2500 Regulus genom att placera ca 10 mg adsorbent i en aluminiumdegel och värma den från rumstemperatur till 850°C med en uppvärmningshastighet på 20 K/min under en ren N2-atmosfär (gasflöde 100 ml/min), hålla den isoterm i 10 minuter för att avlägsna föroreningar från provet och sedan kyla ner den till 650°C med 20 K/min. När temperaturen nådde 650°C byttes atmosfären till en N2/CO2-blandning som innehöll 15%CO2.
Adsorptionsreaktionen utfördes i ett IsotermisktTester vid kontrollerad och konstant temperatur kallas isotermiska.isotermiskt segment under 30 min. Därefter byttes atmosfären tillbaka till ren N2 och provet upphettades till 850°C med 20 K/min. Desorptionen karakteriserades i ett IsotermisktTester vid kontrollerad och konstant temperatur kallas isotermiska.isotermiskt segment under 10 minuter vid 850°C. Adsorbentens stabilitet testades genom att utföra detta temperaturprogram 10 gånger.
De olika möjligheterna till provberedning för Na2ZrO3 visas i tabell 1.
Tabell 1: Provberedning av Na2ZrO3.
| Prov | Metod för syntes | Torkningsmetod |
|---|---|---|
| WM-HD | våtblandningsmetod (WM) | uppvärmd torkning (HD) |
| WM-FD | våtblandningsmetod (WM) | frystorkning (FD) |
| SG-HD | sol-gel-metod (SG) | uppvärmd torkning (HD) |
| SG-FD | sol-gel-metod (SG) | frystorkning (FD) |
Resultat och diskussion
Figur 2 visar TGA-kurvan för de olika Na2ZrO3-proverna som syntetiserats med metoderna. Man kan se att massan för varje kurva ökade avsevärt medanCO2 fanns närvarande som reaktionspartner. Efter attCO2 avlägsnats från systemet minskade massan igen. När reaktionen nådde den åttonde cykeln stabiliserades adsorptionsprestandan hos de fyra adsorbenterna och förblev jämförbar med den nionde och tionde cykeln. Man kan se att Na2ZrO3 som erhållits genom våtblandningsmetoden (WM-HD, grön; och WM-FD, röd) har bättre adsorptionsprestanda än de prover som syntetiserats genom sol-gel-metoden. Adsorptionsmängderna för de fyra adsorbenterna var i följande ordning från den största till den minsta: WM-HD (18,7 %) > WM-FD (17,1 %) > SG-FD (16,6 %) > SG-HD (15,7 %).
Vid härledning av TGA-kurvan, som visas i figur 2, kan massförlusthastigheten eller DTG-kurvan erhållas, vilket indikerar förändringen i viktförändringshastigheten med avseende på temperatur/tid. Dessa kurvor representerarCO2-adsorptionshastigheten för de olika syntetiserade förhållandena för Na2ZrO3.
Figur 3 visar DTG-kurvan förCO2-adsorptionen för de fyra adsorbenterna under den åttonde cykeln. Av figuren framgår att adsorbenternas adsorptionshastigheter i allmänhet har samma trend. SG-FD uppvisar dock den högsta adsorptionshastigheten jämfört med de andra tre proverna. Dessutom är hastigheterna för SG-HD och WM-HD liknande och provet WM-FD visar den lägsta adsorptionshastigheten. Na2ZrO3-adsorbenten syntetiserades genom våtblandning och sol-gel-metoder, följt av frystorkning och uppvärmd torkning. Det kan spekuleras i att metoden med sol-gel-blandning och frystorkning är mer lämplig för bildandet av porös struktur, och en högre specifik ytarea kan erhållas genom denna syntetiska metod.
Slutsats
NETZSCH STA 2500 Regulus kan användas för att undersöka adsorptionsegenskaperna hos olika material. I det här exemplet undersöktes fyra olika syntetiserade Na2ZrO3-prover ochCO2-adsorptionsegenskaperna karakteriserades. Det kan antas att syntesvägen med hjälp av sol-gel-metoden och efterföljande frystorkning leder till en betydligt högre ytreaktivitet.
Genom att förstå förhållandet mellan syntes och adsorptionsegenskaper kan den optimala adsorptionsprestandan för en enskild applikation övervägas och justeras i enlighet därmed.