Debido a las emisiones de Co₂ de la producción humana y las actividades diarias, la concentración de CO₂ atmosférica ha aumentado de 280 ppmv al comienzo de la revolución industrial a 379 ppmv en 2005, y esta cifra ahora ha aumentado a 390 ppmv2. A medida que los impactos del aumento de los niveles de CO₂ se vuelven cada vez más severos, el desarrollo de tecnologías efectivas de captura de co₂ se ha convertido en un tema candente en la comunidad química. Los métodos de captura de CO₂ actuales incluyen principalmente absorción, adsorción y separación de membrana. Entre ellos, el método de absorción se divide aún más en la absorción física y la absorción química:
La absorción física utiliza solventes de alto punto de ebullición (p. Ej., Etanol, polietilenglicol) para absorber y desorb CO₂ ajustando continuamente la presión y la temperatura entre CO₂ y el absorbente, logrando así la separación de CO₂.
La absorción química se basa en reacciones químicas entre el gas crudo y el absorbente para capturar CO₂.
El método de adsorción se ha convertido en una tecnología de separación y recuperación muy prometedora debido a sus ventajas de proceso simple, bajo consumo de energía, facilidad de automatización y no corrosividad. El método de separación de membrana separa el CO₂ en función de las tasas de permeación diferencial de CO₂ y otros componentes de gas a través de materiales de membrana. Los grupos amino se aplican en casi todos los métodos de captura de Co₂ anteriores. Este estudio revisa las aplicaciones de los grupos amino en absorción, adsorción y separación de membrana, con un enfoque específico en su papel en la captura de CO₂ basada en la adsorción.
Palabras clave:Modificación de amino, captura, adsorbente
Método para absorber el CO2 con una solución de alcohol amina
El método de solución de amina de alcohol es el método más común y eficiente para absorber CO2 en aplicaciones industriales. La molécula de amina de alcohol contiene al menos un grupo hidroxilo que puede reducir la presión de vapor del compuesto, y este grupo hidroxilo también puede proporcionar el entorno alcalino necesario; La molécula de amina de alcohol también debe contener un grupo amino que puede promover la absorción de gases ácidos.
En la actualidad, el enfoque de investigación del método de amina de alcohol para la absorción de CO2 se concentra principalmente en las condiciones del proceso de absorción de CO2, y hay menos investigación sobre la transferencia de masa del proceso de absorción. Se agregó un dispositivo de mejora de gas-líquido al proceso de absorción de CO2 de absorción de la DEA para estudiar el efecto de la mejora de la agitación de gas y la fase líquida en el rendimiento de la transferencia de masa entre las fases de gas y líquido. Cuando la agitación de la fase gaseosa aumentó de 50R/min a 200R/min, el coeficiente de transferencia de masa aumentó de 0.0154 kmol/(S · m2· MPa) a 0.021 kmol/(S · M2· MPA), un aumento del 36.3%. Cuando la agitación de la fase líquida aumentó de 150R/min a 300R/min, el coeficiente de transferencia de masa relativa aumentó de 0.009 kmol/(S · m2· MPa) a 0.021 kmol/(S · M2· MPA), un aumento de casi el 134%. Los experimentos han demostrado que agregar un dispositivo de mejora de gas líquido puede mejorar la capacidad de transferencia de masa dentro de un rango más grande, mejorando aún más la tasa de absorción de CO2.
Además de su alta capacidad de absorción de CO2, la absorción de CO2 por la solución de amina de alcohol también tiene algunos defectos inevitables:
(1) Es difícil separar la solución de amina de alcohol de CO2 después de combinarse con ella, y debe separarse a una temperatura más alta, lo que consume mucha energía;
(2) la solución de amina de alcohol causará una corrosión grave;
(3) La solución de amina de alcohol es fácil de volatilizar durante la desorción de CO, lo que reduce su capacidad para absorber CO2;
(4) La solución de amina de alcohol es fácil de sufrir degradación térmica y degradación oxidativa durante la desorción de CO2, lo que reduce su capacidad de absorción para CO2. Se debe precisamente a los defectos anteriores que los investigadores científicos están estudiando y desarrollando nuevos métodos y materiales que pueden usarse para reemplazar la solución de amina de alcohol para capturar CO2, como el método de solución de amina de alcohol mixta, el método de separación de membrana optimizada de amina y el adsorbente modificado amino.
Método para adsorbir CO2 utilizando adsorbente modificado amino
La clave del método de adsorción es el adsorbente. Los adsorbentes convencionales incluyen tamices moleculares, carbono activado, etc., mientras que los nuevos adsorbentes incluyen nanotubos de carbono, grafeno, materiales marco orgánico de metal, materiales mesoporosos, etc. Cada método tiene sus propias ventajas y limitaciones, y cada material también tiene sus propios campos y defectos aplicables. El uso de materiales compuestos o nuevos métodos optimizados que combinan las ventajas de varios materiales será una tendencia para capturar el CO2 y tiene un gran potencial de investigación. Este estudio toma materiales de marco orgánicos de metal modificados amino, materiales mesoporosos modificados por amino, nanotubos de carbono modificados amino y grafeno modificado amino como ejemplos para introducir adsorbentes modificados por amino en el campo de la captura de CO2.
Marcos de metal-orgánicos de amino
Como nuevo adsorbente para capturar CO2, MOFS tiene ventajas muy obvias sobre los tamices moleculares convencionales (tamices moleculares de zeolita, tamices moleculares de carbono, etc.) y soluciones de alcohol amina. Primero, el marco de la mayoría de los MOF es neutral, por lo que las moléculas invitadas que ocupan los poros solo tienen interacciones débiles con el esqueleto. Estas moléculas de invitados pueden ser expulsadas del esqueleto a una temperatura más baja, y los poros requeridos pueden generarse rápidamente mientras se mantiene la integridad del esqueleto. En segundo lugar, el tamaño, la distribución, la hidrofilia y la funcionalidad química de los poros de los MOF se pueden diseñar a nivel molecular cambiando o modificando los ligandos orgánicos y los iones metálicos utilizados.
Para mejorar su capacidad de adsorbir CO2, los materiales de marco orgánico de metal amino modificados actualmente se ensamblan comúnmente con ligandos orgánicos con grupos amino y puntas de flecha de metal. Blom preparó tres materiales MOF, USO-1-A1, USO-2-NI y USO-3-I, N y los materiales MOF amino modificados correspondientes (USO-1-AI-A, USO-2-NI-A y USO-3-In-A). Los resultados de la prueba de adsorción de CO2 mostraron que la cristalinidad, el área de superficie específica y el volumen de poros de los materiales amino modificados se redujeron a diversos grados, mientras que el efecto de adsorción mejoró significativamente. Tomando USO-1-A1 y USO-1-AI-A como ejemplos, a 25 grados y 1ATM, la capacidad de adsorción de CO2 de USO-1-AI fue de 2.3 mmol/g, mientras que la de USO-1-A1-A aumentó a 2.7 mmol/g; El calor de adsorción inicial de CO2 aumentó de 30 kJ/mol a 50kJ/mol, lo que confirmó que la adsorción de CO2 por los materiales modificados por amino se mejoró significativamente.
Materiales mesoporosos modificados por amino
Aunque los materiales marco de metal-orgánicos y los tamices moleculares son buenos materiales de adsorción, la difusión inherente del sistema microporoso limita la capacidad de adsorción de CO2 hasta cierto punto. Algunos materiales mesoporosos SIO2 pueden reducir el impacto de este efecto de difusión y mejorar la capacidad de adsorción. Sin embargo, algunos grupos hidroxilo residuales en la superficie de SiO2 hacen que el material sea menos compatible con el CO2. Este problema se puede superar combinando compuestos orgánicos que contienen amino con los poros de los materiales mesoporosos a través de la impregnación o el injerto.
El 50% de polietilenimina se cargó en los poros de MCM-41 por impregnación. La capacidad de adsorción de MCM-41 modificada por amina para CO2 alcanzó 133 mg/g a 348k, que es más alta que los 78 mg/g obtenidos con gel de sílice como portador.
Nanotubos de carbono modificados con amino
En los últimos años, el desarrollo de nuevos materiales ha afectado todos los aspectos de la vida de las personas. La aplicación de nanotubos de carbono en el campo de la separación de gases se ha convertido en un punto culminante activo. Los nanotubos de carbono tienen características típicas de la estructura hueca en capas, y la distancia fija entre las capas es propicio para la carga de amino.
Después de que los CNT se modificaron la superficie con 3-aminopropiltriethoxisilano (APT), se estudiaron su capacidad de adsorción de CO y propiedades termodinámicas. 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, 85.7mg/gy 77mg/g, respectivamente. Estos datos muestran que debido a la presencia de grupos amino en los ATP, la introducción de APT en la superficie CNTS puede mejorar significativamente la capacidad de adsorción de CO. Y cuando la carga de ATPS es del 45% (WT, fracción de masa, la misma a continuación), se alcanza la cantidad máxima de adsorción de C, que es 4 veces la de las CNT no modificadas. Sin embargo, cuando la cantidad de carga continuó aumentando al 54%, el monto de la adsorción disminuyó. Esto puede deberse a que demasiados aptos en la superficie de los CNT aumentaron la resistencia de transferencia de masa de la difusión de CO2 en el interior.
Estos informes de investigación confirman que la capacidad de los nanotubos de carbono modificados con grupos amino para adsorb CO2 es significativamente mejor que la de los nanotubos de carbono no modificados. Los nanotubos de carbono modificados con grupos amino muestran buenas perspectivas en la captura de CO2, pero su espacio de aplicación y desarrollo son limitados debido a su alto costo.
Grafeno modificado por amino
La estructura cristalina de la superficie de grafeno es muy completa, lo que hace que sus propiedades químicas sean inactivas. Para expandir el rango de aplicación de grafeno y mejorar el valor de su aplicación, su superficie debe modificarse. Los grupos funcionales generados después de la oxidación de grafeno aumentan la actividad del grafeno, sientando las bases para la modificación covalente. Luego, la funcionalización superficial del grafeno se puede lograr modificándolo con reactivos como aminas e isocianatos orgánicos.
En 2012, Mishra et al. Primero modificó la superficie del grafeno con polianilina (PANI) para capturar CO y descubrió que el grafeno modificado tenía una mayor capacidad de adsorción de CO2 que el carbono activado, la zeolita, los materiales marco de metal-orgánicos y los nanotubos de carbono. También estudiaron y compararon las isotermas de adsorción de los materiales modificados con polianilina y el grafeno no modificado. Cuando la presión fue de 11 bar y la temperatura fue de 25 grados, 50 grados y 100 grados, la cantidad de adsorción de CO2 por el material modificado PANI-F-HEG fue de 75 mmol/g, 47 mmol/gy 31mol/g respectivamente; Mientras que la cantidad de adsorción de HEG de grafeno puro no modificado fue de 21.6 mmol/g, 18 mmol/gy 12 mmol/g. Aunque la investigación sobre la adsorción de CO2 por grafito modificado por amino acaba de comenzar, ha mostrado un gran potencial de aplicación y espacio de desarrollo a este respecto. Quizás esto se convertirá en una nueva dirección para el desarrollo de materiales de adsorción de CO2.
Ejemplos como materiales de marco orgánicos de metal modificados amino, materiales mesoporosos modificados con amino, nanotubos de carbono modificados por amino y grafeno modificado con amino han demostrado que estos adsorbentes han mostrado buenas capacidades de captura de CO2 después de ser modificados con grupos amino y han cambiado de adsorción física simple a adsorción química adsorción con grupos amino como centros activos. Esto ha abierto un nuevo campo para estudiar adsorbentes y es probable que se convierta en un foco de futuras investigaciones.
Tecnología de separación de membrana optimizada por amina para adsorción de CO2
La separación de la membrana es similar al proceso de detección. Según el tamaño de los poros de la membrana, algunas sustancias pueden pasar a través de la membrana, mientras que otras sustancias son retenidas por la membrana, lo que alcanza el propósito de la separación. La mayor desventaja de la separación de la membrana en la separación de gases es que la selectividad no es alta. Si desea mejorar la selectividad de la separación de la membrana y mejorar la eficiencia de separación, puede combinar la separación de la membrana con absorción o adsorción. Primero, use la separación de membrana para separar aproximadamente el gas y luego use la absorción de la solución de amina de alcohol o la adsorción adsorbente de alta eficiencia para la separación fina. Esto no solo puede lograr un cierto efecto de separación, sino también ahorrar costos de inversión. Combine la tecnología de separación de membrana con el método de absorción de la solución de amina de alcohol, deje que el gas fluya a lo largo de un lado de la membrana y cuando el CO2 se difunde al otro lado de la membrana, es absorbido por el alcohol amino. Este método de separación de membrana optimizado por amina tiene un dispositivo más simple y un menor costo de inversión que el método de absorción de la solución de amina de alcohol. Además, en comparación con el método tradicional de separación de membrana, la capacidad de adsorbe CO2 mejora significativamente. En comparación con el método de adsorción y el método de absorción fácil de amina de alcohol, el método de separación de membrana optimizado de amina tiene las ventajas de operación fácil, bajo consumo de energía, mejor efecto de adsorción y menos inversión. Sin embargo, debido a la inmadurez de la tecnología y al hecho de que reemplazar el equipo todavía consume mucho dinero, no se ha aplicado industrialmente.
Conclusión
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 "Materiales compuestos o nuevos métodos optimizados que combinan las ventajas de varios materiales serán una tendencia en la captura de C02 y tienen un gran potencial de investigación. En el desarrollo de nuevos materiales y la optimización de los métodos de separación, los grupos amino han mostrado una buena compatibilidad. Su aplicación implica casi todos los métodos, lo que puede mejorar en gran medida la capacidad de capturar CO2 y tiene un alto valor de investigación.
