Giriş
Ana sera gazı olan karbondioksit (CO2), örneğin enerji santrallerinde fosil yakıtların yakılması nedeniyle küresel ısınma ve iklim değişikliği ile yakından ilişkilidir.CO2'nin çevresel etkisini azaltmak için gerekli önlemler alınmalıdır.
Fosil yakıtlardan kaynaklananCO2 esas olarak yüksek sıcaklıklarda, tipik olarak 350°C'nin üzerinde, baca gazı yoluyla salınır. Gazın yüksek sıcaklığı nedeniyle, geleneksel fiziksel adsorbanların çoğu, artan sıcaklıkla birlikte fiziksel adsorpsiyonun azalması nedeniyle kullanılamaz. Baca gazındakiCO2 sıcaklığını düşürerek fiziksel adsorbanlar kullanılabilir, ancak bu daha uzun desorpsiyon döngülerine neden olur.
Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, kimyasal sorbentlerin (sıvı veya katı) daha yüksek sıcaklıklarda uygulanması anahtar olabilir. Bu malzemelerCO2' yi yüksek sıcaklıklarda doğrudan emer; gazın soğutulması gerekmez; ve gaz karışımlarının verimli bir şekilde ayrılması gerçekleştirilebilir.
Tipik yüksek sıcaklıkCO2 kimyasal adsorbanları temel olarak amonyak adsorbanları, kalsiyum bazlı adsorbanlar ve lityum bazlı adsorbanları içerir [1]. Lityum bazlı adsorbanlar,CO2 'yi gaz halinden katı hale dönüştüren reaksiyon süreci nedeniyleCO2' yi depolama ve taşıma imkanı sunar [2].
Bu alkali metal seramik adsorbanlar arasında, yine alkali metal grubunda yer alan Na2ZrO3 daha düşük hazırlama maliyetine, daha hızlı adsorpsiyon kapasitesine ve daha yüksek adsorpsiyon sıcaklığına sahiptir. Bu nedenle, Na2ZrO3 çalışması birçok araştırmacının dikkatini çekmiştir.
Na2ZrO3 'ünCO2 ile adsorpsiyon reaksiyon süreci aşağıdaki Eşitlik (1)'de gösterilmektedir [4-7]:
Na2ZrO3 +CO2 ⇆ Na2CO3 + ZrO2 （1）
CO2' nin Na2ZrO3 tarafından adsorpsiyon sıcaklığı 400°C ila 800°C aralığındadır [4-6]. Sıcaklık 800°C'den düşük olduğunda, reaksiyon kendiliğinden ilerler ve ürünlerin tarafına kayar ve Na2ZrO3, Na2CO3 oluşturmak içinCO2 ile reaksiyona girer. Bunun tam tersi olarak, 800°C'den yüksek sıcaklıklarda reaksiyon ters yönde ilerler ve Na2CO3 'ün ayrışmasıCO2' yi serbest bırakır ve Na2ZrO3'ü yeniden oluşturur. Tersinir reaksiyon,CO2' nin döngüsel bir şekilde adsorpsiyonunu ve desorpsiyonunu sağlar.
Bu çalışmada, Na2ZrO3 'ünCO2 için adsorpsiyon-desorpsiyon özellikleri araştırılmış ve Na2ZrO3 'ün hazırlanma yönteminin etkileri karşılaştırılmıştır.
Deneysel
CO2 döngüsel adsorpsiyon-desorpsiyon performansı (Şekil 1'deki ölçüm programı) bir STA 2500 Regulus ile alümina krozeye yaklaşık 10 mg adsorban yerleştirilerek ve saf N2 atmosferi (gaz akışı 100 ml/dak) altında 20 K/dak ısıtma hızıyla oda sıcaklığından 850°C'ye ısıtılarak, numunedeki safsızlıkları gidermek için 10 dakika İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal tutularak ve ardından 20 K/dak hızla 650°C'ye soğutularak test edilmiştir. Sıcaklık 650°C'ye ulaştığında, atmosfer %15CO2 içeren bir N2/CO2 karışımına dönüştürülmüştür.
Adsorpsiyon reaksiyonu 30 dakika boyunca İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal bir segmentte gerçekleştirilmiştir. Daha sonra atmosfer tekrar saf N2 'ye dönüştürülmüş ve numune 20 K/dak hızla 850°C'ye ısıtılmıştır. Desorpsiyon, 850°C'de 10 dakika boyunca İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal bir segmentte karakterize edilmiştir. Adsorbanın kararlılığı, bu sıcaklık programı 10 kez gerçekleştirilerek test edilmiştir.
Na2ZrO3 için farklı numune hazırlama olasılıkları tablo 1'de gösterilmiştir.
Tablo 1: Na2ZrO3 için numune hazırlama.
| Örnek | Sentez Yöntemi | Kurutma Yöntemi |
|---|---|---|
| WM-HD | ıslak karıştırma yöntemi (WM) | ısıtmalı kurutma (HD) |
| WM-FD | ıslak karıştırma yöntemi (WM) | dondurarak kurutma (FD) |
| SG-HD | sol-jel yöntemi (SG) | ısıtmalı kurutma (HD) |
| SG-FD | sol-jel yöntemi (SG) | dondurarak kurutma (FD) |
Sonuçlar ve Tartışma
Şekil 2, yöntemlerle sentezlenen farklı Na2ZrO3 örneklerinin TGA eğrisini göstermektedir.CO2 reaksiyon ortağı olarak mevcutken her bir eğrinin kütlesinin önemli ölçüde arttığı görülebilir.CO2 sistemden çıkarıldıktan sonra kütle tekrar azalmıştır. Reaksiyon sekizinci döngüye ulaştığında, dört adsorbanın adsorpsiyon performansı stabilize olmuş ve dokuzuncu ve onuncu döngülerle karşılaştırılabilir kalmıştır. Islak karıştırma yöntemiyle elde edilen Na2ZrO3 'ün (WM-HD, yeşil; ve WM-FD, kırmızı) sol-jel yöntemiyle sentezlenen örneklerden daha iyi adsorpsiyon performansına sahip olduğu görülebilir. Dört adsorbanın adsorpsiyon miktarları en büyükten en küçüğe doğru aşağıdaki sıralamada yer almıştır: WM-HD (%18,7) > WM-FD (%17,1) > SG-FD (%16,6) > SG-HD (%15,7).
Şekil 2'de gösterilen TGA eğrisi türetilirken, sıcaklık/zamana göre ağırlık değişim oranındaki değişimi gösteren kütle kaybı oranı veya DTG eğrisi elde edilebilir. Bu eğriler, Na2ZrO3'ün farklı sentezlenmiş koşulları içinCO2 adsorpsiyon oranını temsil etmektedir.
Şekil 3, sekizinci döngüde dört adsorbanınCO2 adsorpsiyonunun DTG eğrisini göstermektedir. Şekilden, adsorbanların adsorpsiyon oranlarının genel olarak aynı eğilime sahip olduğu görülebilir. Ancak, SG-FD diğer üç numuneye kıyasla en yüksek adsorpsiyon oranını göstermektedir. Bunun yanı sıra, SG-HD ve WM-HD için oranlar benzerdir ve WM-FD numunesi en düşük adsorpsiyon oranını göstermektedir. Na2ZrO3 adsorbanı ıslak karıştırma ve sol-jel yöntemleriyle sentezlenmiş, ardından dondurarak kurutma ve ısıtarak kurutma yöntemleri uygulanmıştır. Sol-jel karıştırma ve dondurarak kurutma yönteminin gözenekli yapı oluşumu için daha uygun olduğu ve bu sentetik yaklaşımla daha yüksek bir spesifik yüzey alanı elde edilebileceği tahmin edilebilir.
Sonuç
NETZSCH STA 2500 Regulus farklı malzemelerin adsorpsiyon özelliklerini araştırmak için kullanılabilir. Bu örnekte, dört farklı sentezlenmiş Na2ZrO3 örneği incelenmiş veCO2 adsorpsiyon özellikleri karakterize edilmiştir. Sol-jel yöntemini kullanan sentez yolunun ve ardından dondurarak kurutmanın önemli ölçüde daha yüksek bir yüzey reaktivitesine yol açtığı varsayılabilir.
Sentez ve adsorpsiyon özellikleri arasındaki ilişkinin anlaşılmasıyla, bireysel bir uygulama için optimum adsorpsiyon performansı değerlendirilebilir ve buna göre ayarlanabilir.