Ny generation af kuldioxidgasseparationssystem ved hjælp af adsorbenter af gate-type

Paris-aftalen fra 2015 satte et mål om at reducere CO ₂ emissioner, en drivhusgas, der har forårsaget global opvarmning til niveauer på under 2°C mere end før den industrielle revolution. For at nå dette mål, det er nødvendigt at reducere det industrielle energiforbrug, hvoraf halvdelen bruges i separationsprocesser til oprensning, destillering og tørring af kemikalier. Det kræver meget energi og er dyrt at adskille en blanding af molekyler. Med andre ord, udviklingen af ​​en meget effektiv og energibesparende separationsteknologi er en af ​​de vigtigste udfordringer, som verden står over for i dag, hvoraf CO ₂ separation og fangst er en høj prioritet for at sænke drivhusgasser.

Adsorptionsseparationsmetoden til adskillelse af en blanding af molekyler gør brug af den egenskab, at specifikke molekyler adsorberes i et porøst materiale. Sådan fungerer vandrenserfiltre og lugtfjernende kul i køleskabe. Når en gasblanding hældes fra den ene ende af et adsorptionstårn fyldt med et porøst materiale (adsorbent), molekyler, der stærkt interagerer med adsorbenten, fanges i porerne. Nogle molekyler med en svag interaktion med adsorbenten adsorberes også i porerne, men de fleste passerer igennem og flyder ud af adsorptionstårnet. Molekylerne optaget i porerne genvindes eller desorberes ved opvarmning eller trykaflastning af indholdet i adsorptionstårnet. For selektivt at adsorbere molekyler i en adsorbent, der er behov for et stærkere samspil, men den energi, der kræves til desorption, stiger tilsvarende. Nøglen til i høj grad at forbedre adsorptionsseparationseffektiviteten er at finde adsorbenter med visse modstridende egenskaber, som selektivt kan adsorbere store mængder molekyler og let desorbere dem.

Trykvakuumsvingningsadsorption (PVSA) og temperatursvingningsadsorption (TSA) processer, som begge er gasseparationsmetoder ved anvendelse af porøse materialer, kan være mere energieffektiv end destillation, som kræver selektiv kogning og kondens. Imidlertid, PVSA og TSA er ikke uden deres begrænsninger. Det er vanskeligt at opnå højgennemstrømningsseparation med disse teknikker, fordi tryktab er forårsaget på grund af nødvendig systemudvidelse samt knusning af adsorbenter i bunden af ​​adsorptionskolonnen. Tidligere bestræbelser på at løse disse problemer har forårsaget andre problemer såsom varme genereret ved adsorption, hvilket resulterer i et fald i adsorptionskapacitet, så der er behov for at finde et nyt adsorptionsmateriale, der udviser en stor belastningskapacitet, høj selektivitet og minimal adsorptionsvarme, som faktisk er modstridende egenskaber med kendte materialer.

Derfor, fokus for denne forskning var på "gate-type adsorbenter". Den største egenskab ved dette materiale er, at det har en fleksibel struktur. Forskerne arbejdede med ELM-11, en fleksibel metal-organisk ramme (MOF), som er et porøst materiale med "gate-åbning" og "gate-lukning" egenskaber udstillet ved specifikke gastryk. ELM-11's porer er lukkede og adsorberer ikke CO ₂ når koncentrationen af ​​CO ₂ indeholdt i gasblandingen er lav, men udvider sig hurtigt, når CO ₂ koncentrationen overstiger en vis tærskelværdi, og åbner porerne for at opfange CO ₂ molekyler. Da porernes åbnings- og lukkeadfærd er som en port, det kaldes en gate type adsorbent. ELM-11 deformerer sin struktur for at indkapsle CO ₂ molekyler, og udviser dermed høj CO ₂ selektivitet. Desuden, ELM-11 kontrakterer sin struktur og frigiver alt det adsorberede CO ₂ molekyler, når CO ₂ koncentrationen i gasblandingen falder under en tærskelværdi. Med andre ord, ELM-11 har egenskaber, der er særdeles velegnede til CO ₂ adsorption og separation. Det adsorberer selektivt CO ₂ og desorberer nemt CO ₂ .

Til den virkelige verden anvendelse af adsorptionsseparation af CO ₂ indeholdt i udstødningsgassen, en stor mængde gas skal behandles ved høj hastighed. Problemet er produktionen af ​​varme forbundet med CO ₂ adsorption. I traditionelle "hårde" adsorbenter, adsorptionsvarmen hæver temperaturen, hvilket resulterer i reduceret CO ₂ adsorption og reduceret CO ₂ selektivitet. ELM-11, som har en fleksibel struktur, udvider sig, når den optager CO ₂ molekyler. Forskningsgruppen fokuserede på muligheden for, at udvidelsen af ​​ELM-11 kan generere kold varme og effektivt undertrykke temperaturstigningen på grund af CO ₂ adsorption.

Først, de gennemførte et gasadsorptionsforsøg på ELM-11 og gennemførte en række beregningsmæssige undersøgelser for at kvantificere CO ₂ separationskapacitet af ELM-11. De sammenlignede ydeevnedata med HKUST-1, en konventionel adsorbent, der anses for at være den mest lovende til adskillelse af CH4 og CO ₂ gasblandinger. Dataene viste, at ELM-11 har en CO ₂ selektivitet 9,7 gange HKUST-1. CO ₂ genvindingsmængde pr. adsorbentvægt er 2,1 gange den for HKUST-1, som ikke har nogen iboende termisk styringsevne. ELM-11 viste sig at være yderst velegnet til adsorptionsseparationssystemer med høj hastighed.

Forskerne designede et højhastigheds-adsorptionsseparationssystem bestående af to-trins adsorptions tårne, en pakket med HKUST-1. Når CO ₂ koncentrationen i gasblandingen overstiger en vis tærskelværdi, ELM-11 ekspanderer hurtigt og åbner porer, adsorberer CO ₂ molekyler. Det betyder, at når CO ₂ koncentrationen i gassen falder til tærsklen på grund af CO ₂ adsorption på ELM-11, den resterende CO ₂ adsorberes slet ikke og flyder ud med CH4, hvilket betyder, at der ikke opnås CH4-gas med høj renhed. Derfor, for at forhindre dette problem installerede forskerne en lille adsorptionssøjle fyldt med HKUST-1, der har fremragende adsorptionsegenskaber for lavkoncentration CO ₂ gas, i det sidste trin af adsorptionskolonnen fyldt med ELM-11. De gennemførte en gennembrudsmåling for en blandet gas af CH4 og CO ₂ ved hjælp af en lille totrins adsorptionskolonne, og var i stand til at bekræfte, at CH4-gas med høj renhed blev opnået.

Det to-trins adsorptions tårnsystem muliggør reduktion af det samlede tårnvolumen, reducerer mængden af ​​brugt adsorbent, og reducerer energiforbruget. Ved første øjekast, systemet er baseret på en simpel idé, men det var muligt at reducere systemstørrelsen betydeligt på denne måde ved at designe det første trins adsorptionstårn, så egenskaberne ved ELM-11 fuldt ud kan udstilles. Hybridiseringssystemet, der udnyttede egenskaberne fra ELM-11 og HKUST-1, fungerede ekstremt effektivt.

Forskerne var nødt til at afklare tre spørgsmål for at se, om ELM-11 besad de nødvendige kvaliteter, der er nødvendige for en real-life high-throughput separationsproces. Først, det var nødvendigt, at værtsrammeresponsen for portåbningen skulle være meget hurtig. For det andet separationsegenskaberne skal fungere for ikke-isotermiske forhold, som ikke tidligere er blevet rapporteret til forskernes viden. For det tredje, "slip-off"-fænomenet forårsaget af et fald i partialgastrykket under portåbningstrykket, hvilket gør den fleksible MOF ude af stand til at adsorbere molekyler, der skal løses. ELM-11 viste, at forskerne er i stand til at overvinde disse tre problemer, problemet med at "glide af" kan håndteres med to-trins adsorptionstårnet.

Ud over, dette system kan anvendes til udstødningsgasbehandling af CO ₂ emissionskilder såsom termiske kraftværker. For at sætte dette højhastigheds-adsorptions-/separationssystem, der bruger en gate-type adsorbent i praktisk brug, hindring af portåbning på grund af pelletisering af fleksible MOF'er, og trykfaldet på grund af volumenudvidelsen af ​​pellets skal behandles. Holdet er allerede begyndt at tackle disse problemer.

Resultaterne af denne nuværende forskning har åbnet dørene til en ny æra inden for gasseparation. Den korresponderende forfatter Hideki Tanaka fra Shinshu University udtaler, at "undersøgelsen tog 3 år at offentliggøre, hvilket vi er meget taknemmelige for, fordi de mange tilbagemeldinger fra anmelderne var meget indsigtsfulde, og de efterfølgende omskrivninger gjorde undersøgelsen mere innovativ og bedre, hvilket til sidst førte til, at avisen blev udgivet i Naturkommunikation . Jeg er meget glad for, at førsteforfatteren Shotaro Hiraides hårde arbejde fra Kyoto University endelig blev belønnet."