En raison des émissions de CO₂ de la production humaine et des activités quotidiennes, la concentration atmosphérique du co₂ est passée de 280 ppmv au début de la révolution industrielle à 379 ppmv en 2005, et ce chiffre est maintenant passé à 390 ppmv2. À mesure que les impacts de l'augmentation des niveaux de CO₂ deviennent de plus en plus graves, le développement de technologies de capture de CO₂ efficaces est devenue un sujet brûlant dans la communauté chimique. Les méthodes de capture de CO₂ actuelles incluent principalement l'absorption, l'adsorption et la séparation de la membrane. Parmi eux, la méthode d'absorption est en outre divisée en absorption physique et absorption chimique:
L'absorption physique utilise des solvants à pointe élevé (par exemple, l'éthanol, le polyéthylène glycol) pour absorber et désorber le co₂ en ajustant en continu la pression et la température entre le CO₂ et l'absorbant, réalisant ainsi la séparation du CO₂.
L'absorption chimique repose sur des réactions chimiques entre le gaz brut et l'absorbant pour capturer le CO₂.
La méthode d'adsorption est devenue une technologie de séparation et de récupération très prometteuse en raison de ses avantages de processus simple, de faible consommation d'énergie, de facilité d'automatisation et de non-corrosivité. La méthode de séparation de la membrane sépare le CO₂ sur la base des taux de perméation différentielle du CO₂ et d'autres composants gazeux à travers des matériaux membranaires. Les groupes amino sont appliqués dans presque toutes les méthodes de capture de co₂ ci-dessus. Cette étude passe en revue les applications des groupes amino dans l'absorption, l'adsorption et la séparation des membranes, avec un accent spécifique sur leur rôle dans la capture de co₂ basée sur l'adsorption.
Mots clés:Modification de l'amio, capture, adsorbant
Méthode pour absorber le CO2 avec une solution d'amine d'alcool
La méthode de la solution d'alcool amine est la méthode la plus courante et la plus efficace pour absorber le CO2 dans les applications industrielles. La molécule d'alcool amine contient au moins un groupe hydroxyle qui peut réduire la pression de vapeur du composé, et ce groupe hydroxyle peut également fournir l'environnement alcalin nécessaire; La molécule d'alcool amine doit également contenir un groupe amino qui peut favoriser l'absorption des gaz acides.
À l'heure actuelle, la recherche de recherche de la méthode de l'amine d'alcool pour l'absorption du CO2 est principalement concentrée sur les conditions de processus d'absorption du CO2, et il y a moins de recherches sur le transfert de masse du processus d'absorption. Un dispositif d'amélioration du gaz-liquide a été ajouté au processus de CO2 absorbant la DEA pour étudier l'effet de l'amélioration de l'agitation du gaz et de la phase liquide sur les performances de transfert de masse entre les phases du gaz et du liquide. Lorsque l'agitation de la phase gazeuse est passée de 50r / min à 200r / min, le coefficient de transfert de masse a augmenté de 0,0154 kmol / (s · m2· MPa) à 0,021 kmol / (s · m2· MPA), une augmentation de 36,3%. Lorsque l'agitation de la phase liquide est passée de 150r / min à 300r / min, le coefficient de transfert de masse relatif a augmenté de 0,009 kmol / (s · m2· MPa) à 0,021 kmol / (s · m2· MPA), une augmentation de près de 134%. Des expériences ont montré que l'ajout d'un dispositif d'amélioration du gaz-liquide peut améliorer la capacité de transfert de masse dans une plage plus grande, améliorant ainsi davantage le taux d'absorption de CO2.
En plus de sa capacité d'absorption élevée de CO2, l'absorption de la solution de CO2 par l'amine d'alcool présente également des défauts inévitables:
(1) Il est difficile de séparer la solution d'amine d'alcool du CO2 après avoir combiné avec elle, et il doit être séparé à une température plus élevée, qui consomme beaucoup d'énergie;
(2) la solution d'alcool amine provoquera une grave corrosion;
(3) la solution d'amine d'alcool est facile à volatiliser pendant la désorption de la CO, ce qui réduit sa capacité à absorber le CO2;
(4) La solution de l'amine d'alcool est facile à subir une dégradation thermique et une dégradation oxydative pendant la désorption du CO2, ce qui réduit sa capacité d'absorption pour le CO2. C'est précisément en raison des défauts ci-dessus que les chercheurs scientifiques étudient et développent de nouvelles méthodes et matériaux qui peuvent être utilisés pour remplacer la solution d'alcool amine pour capturer le CO2, telles que la méthode de la solution d'amine d'alcool mélangée, la méthode de séparation de la membrane optimisée par l'amine et l'adsorbant modifié par l'amio.
Méthode pour adsorbant le CO2 utilisant l'adsorbant modifié amino
La clé de la méthode d'adsorption est l'adsorbant. Les adsorbants conventionnels comprennent des tamis moléculaires, du carbone activé, etc., tandis que les nouveaux adsorbants incluent des nanotubes de carbone, du graphène, des matériaux de cadre organique métallique, des matériaux mésoporeux, etc. Chaque méthode présente ses propres avantages et limitations, et chaque matériau a également ses propres champs et défauts applicables. L'utilisation de matériaux composites ou de nouvelles méthodes optimisées qui combinent les avantages de divers matériaux seront une tendance à la capture du CO2 et possède un grand potentiel de recherche. Cette étude prend des matériaux de cadre métal-organiques modifiés par l'amio, des matériaux mésoporeux modifiés par l'amio, des nanotubes de carbone modifiés par amino et du graphène modifié amino comme exemples pour introduire des adsorbants modifiés par amino dans le domaine de la capture du CO2.
Cadres métal-organiques modifiés par amino
En tant qu'adsorbant pour capturer le CO2, les MOF présentent des avantages très évidents par rapport aux tamis moléculaires conventionnels (tamis moléculaires de zéolite, tamis moléculaires de carbone, etc.) et des solutions d'alcool amine. Premièrement, le cadre de la plupart des MOF est neutre, de sorte que les molécules invitées occupant les pores n'ont que de faibles interactions avec le squelette. Ces molécules d'invité peuvent être chassées du squelette à une température plus basse, et les pores requis peuvent être rapidement générés tout en maintenant l'intégrité du squelette. Deuxièmement, la taille, la distribution, l'hydrophilie et la fonctionnalité chimique des pores des MOF peuvent être conçues au niveau moléculaire en modifiant ou en modifiant les ligands organiques et les ions métalliques utilisés.
Pour améliorer sa capacité à adsorber le CO2, les matériaux de cadre organique en métal modifié par amino sont actuellement couramment assemblés avec des ligands organiques avec des groupes amino et des pointes de flèches métalliques. Blom a préparé trois matériaux MOF, USO-1-A1, USO-2-NI et USO-3-I, N et les matériaux MOF modifiés par Amino correspondants (USO-1-AI-A, USO-2-NI-A et USO-3-en-A). Les résultats du test d'adsorption de CO2 ont montré que la cristallinité, la surface spécifique et le volume des pores des matériaux modifiés par amino étaient réduits à des degrés divers, tandis que l'effet d'adsorption a été significativement amélioré. Prenant USO-1-A1 et USO-1-AI-A comme exemples, à 25 degrés et 1ATM, la capacité d'adsorption du CO2 de USO-1-AI était de 2,3 mmol / g, tandis que celle de l'USO-1-A1-A a été augmentée à 2,7 mmol / g; La chaleur d'adsorption initiale du CO2 est passée de 30kj / mol à 50kj / mol, ce qui a confirmé que l'adsorption de CO2 par les matériaux modifiés par amino était significativement améliorée.
Matériaux mésoporeux modifiés par amino
Bien que les matériaux-cadre métal-organiques et les tamis moléculaires soient de bons matériaux d'adsorption, la diffusion inhérente du système microporeux limite la capacité d'adsorption de CO2 dans une certaine mesure. Certains matériaux mésoporeux SiO2 peuvent réduire l'impact de cet effet de diffusion et améliorer la capacité d'adsorption. Cependant, certains groupes hydroxyle résiduels à la surface de SiO2 rendent le matériau moins compatible avec le CO2. Ce problème peut être surmonté en combinant des composés organiques contenant des aminés avec les pores des matériaux mésoporeux par imprégnation ou greffe.
50% de polyéthylénéimine a été chargé dans les pores de MCM-41 par imprégnation. La capacité d'adsorption du MCM-41 modifié par l'amie pour le CO2 a atteint 133 mg / g à 348k, ce qui est supérieur aux 78 mg / g obtenus avec du gel de silice comme porte-avions.
Nanotubes de carbone modifiés par amino
Ces dernières années, le développement de nouveaux matériaux a affecté tous les aspects de la vie des gens. L'application de nanotubes de carbone dans le domaine de la séparation des gaz est devenue un point fort actif. Les nanotubes de carbone ont des caractéristiques de structure creuse en couches typiques et la distance fixe entre les couches est propice à la charge d'amino.
Après que les NTC ont été modifiés en surface avec du 3-aminopropyltriethoxysilane (APTS), leur capacité d'adsorption de CO et les propriétés thermodynamiques ont été étudiées. When the temperature was set at 50℃, the unmodified CNTs (APTS) with ATPS and CNTS mass ratios of 20%, 28%, 36%, 41%, 45% and 54% were adsorbed in a 15% CO2 environment, and the adsorption amounts were 21.5mg/g, 43.6mg/g, 51.3mg/g, 60.5mg/g, 74.5mg/g, 85,7 mg / g et 77 mg / g, respectivement. Ces données montrent qu'en raison de la présence de groupes amino dans ATPS, l'introduction d'APTS sur la surface du CNT peut améliorer considérablement la capacité d'adsorption de CO. Et lorsque la charge ATPS est de 45% (poids, fraction de masse, la même ci-dessous), la quantité d'adsorption maximale de C est atteinte, ce qui est 4 fois celle des CNT non modifiés. Cependant, lorsque le montant du chargement a continué d'augmenter à 54%, le montant d'adsorption a plutôt diminué. Cela peut être dû au fait que trop d'applications à la surface des CNT ont augmenté la résistance au transfert de masse du CO2 diffusant à l'intérieur.
Ces rapports de recherche confirment que la capacité des nanotubes de carbone modifiées avec les groupes amino à adsorber le CO2 est significativement meilleure que celle des nanotubes de carbone non modifiés. Les nanotubes de carbone modifiés avec des groupes amino montrent de bonnes perspectives dans la capture du CO2, mais leur espace d'application et de développement est limité en raison de leur coût élevé.
Graphène modifié par amino
La structure cristalline de la surface du graphène est très complète, ce qui rend ses propriétés chimiques inactives. Afin d'étendre la plage d'application du graphène et d'améliorer sa valeur d'application, sa surface doit être modifiée. Les groupes fonctionnels générés après l'oxydation du graphène augmentent l'activité du graphène, jetant les bases d'une modification covalente. Ensuite, la fonctionnalisation de surface du graphène peut être réalisée en la modifiant avec des réactifs tels que les amines organiques et les isocyanates.
En 2012, Mishra et al. a d'abord modifié la surface du graphène avec de la polyaniline (PANI) pour capturer le CO et a constaté que le graphène modifié avait une capacité d'adsorption de CO2 plus élevée que le carbone activé, la zéolite, les matériaux de cadre métal-organiques et les nanotubes de carbone. Ils ont également étudié et comparé les isothermes d'adsorption des matériaux modifiés en polyaniline et du graphène non modifié. Lorsque la pression était de 11 bar et que la température était de 25 degrés, 50 degrés et 100 degrés, la quantité d'adsorption de CO2 par le matériau modifié Pani-F-HEG était respectivement de 75 mmol / g, 47 mmol / g et 31 mmol / g; tandis que la quantité d'adsorption de graphène pur non modifié HEG était de 21,6 mmol / g, 18 mmol / g et 12 mmol / g. Bien que la recherche sur l'adsorption de CO2 par le graphite modifié par amino vient de commencer, elle a montré un grand potentiel d'application et un espace de développement à cet égard. Cela deviendra peut-être une nouvelle direction pour le développement de matériaux d'adsorption de CO2.
Des exemples tels que les matériaux de cadre organisation de métal modifiés par amino, les matériaux mésoporeux modifiés par amino, les nanotubes de carbone modifiés par amino et le graphène modifié par amino ont prouvé que ces adsorbants ont montré de bonnes capacités de capture de CO2 après avoir été modifiée avec des groupes aminés et sont passés de la simple adsorption physique à l'adsorption chimique avec des groupes Amino en tant que centres actifs. Cela a ouvert un nouveau domaine pour étudier les adsorbants et est susceptible de devenir un objectif de recherches futures.
Technologie de séparation des membranes optimisée par l'amine pour l'adsorption du CO2
La séparation de la membrane est similaire au processus de dépistage. Selon la taille des pores de la membrane, certaines substances peuvent passer par la membrane tandis que d'autres substances sont conservées par la membrane, atteignant ainsi le but de la séparation. Le plus grand inconvénient de la séparation des membranes dans la séparation des gaz est que la sélectivité n'est pas élevée. Si vous souhaitez améliorer la sélectivité de la séparation des membranes et améliorer l'efficacité de séparation, vous pouvez combiner la séparation de la membrane avec absorption ou adsorption. Tout d'abord, utilisez la séparation de la membrane pour séparer à peu près le gaz, puis utiliser l'absorption de la solution d'amine d'alcool ou une adsorption d'adsorbant à haute efficacité pour une séparation fine. Cela peut non seulement atteindre un certain effet de séparation, mais également économiser les coûts d'investissement. Combinez la technologie de séparation de la membrane avec la méthode d'absorption de la solution d'amine d'alcool, laissez le gaz couler le long d'un côté de la membrane, et lorsque le CO2 se diffuse de l'autre côté de la membrane, il est absorbé par l'amine d'alcool. Cette méthode de séparation membranaire optimisée par l'amine a un appareil plus simple et un coût d'investissement inférieur à la méthode d'absorption de la solution d'amine d'alcool. De plus, par rapport à la méthode de séparation de la membrane traditionnelle, la capacité d'adsorber le CO2 est significativement améliorée. Par rapport à la méthode d'adsorption et à la méthode d'absorption facile de l'amine d'alcool, la méthode de séparation de la membrane optimisée par l'amine présente les avantages d'un fonctionnement facile, de faible consommation d'énergie, d'un meilleur effet d'adsorption et moins d'investissement. Cependant, en raison de l'immaturité de la technologie et du fait que le remplacement de l'équipement consomme encore beaucoup d'argent, il n'a pas été appliqué industriellement.
Conclusion
The absorption of CO2 by organic amines using chemical absorption is the most common method in industrial applications, but this method requires a large investment, high energy consumption, a complex process, and high equipment corrosion. Adsorption separation of CO2 is an economical and environmentally friendly method, but the development of efficient adsorbents is the core. Membrane separation technology has a simple process, large operational flexibility, and low investment cost, but the service life of the membrane is short. If you want to efficiently separate CO2, you must combine it with solvent absorption or adsorption. Looking at these methods, they all have their advantages and limitations, and each material also has its applicable fields and defects. The use of "1+1>2 "Les matériaux composites ou les nouvelles méthodes optimisées qui combinent les avantages de divers matériaux seront une tendance à la capture du C02, et possède un grand potentiel de recherche. Dans le développement de nouveaux matériaux et l'optimisation des méthodes de séparation, les groupes amino ont montré une bonne compatibilité.
