Δέσμευση CO2 μέσω ημικλατρικών σε θερμοκρασία περιβάλλοντος

Η υπερθέρμανση του πλανήτη είναι ένα παγκόσμιο πρόβλημα που προκαλείται από τις αυξανόμενες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου λόγω των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων. Για τον έλεγχο του CO₂ βραχυπρόθεσμη εκπομπή, η δέσμευση και αποθήκευση άνθρακα (CCS) έχει προταθεί ως μία από τις κύριες στρατηγικές που έχουν άμεσο αποτέλεσμα στον μετριασμό της υπερθέρμανσης του πλανήτη [1].

Το CO προκαύσης₂ Η σύλληψη μέσω ενός ολοκληρωμένου συνδυασμένου κύκλου αεριοποίησης (IGCC) είναι μία από τις πιθανές προσεγγίσεις για τον εξοπλισμό σταθμών παραγωγής ενέργειας από ορυκτά καύσιμα με CCS [2].

Η τυπική σύνθεση αερίου καυσίμου που προέρχεται από τη διαδικασία IGCC είναι περίπου 40% CO₂ και 60% H₂ με την πίεσή του μεταξύ 2,0 και 7,0 MPa [3]. Ο διαχωρισμός αερίων με βάση την ένυδρη ουσία (HBGS) είναι μία από τις ελκυστικές μεθόδους δέσμευσης CO₂ από μείγματα καυσίμων αερίων [4]. Οι ένυδρες αέριες (ονομάζονται επίσης ένυδρες ενώσεις κλαθρικών) είναι κρύσταλλοι εγκλεισμού που μοιάζουν με πάγο στους οποίους τα μόρια νερού σχηματίζουν το πλαίσιο μέσω δεσμών υδρογόνου και φιλοξενούν μόρια κατάλληλου μεγέθους όπως το CO₂ , CH₄ κ.λπ. παγιδεύονται μέσα στο [5, 6].

Όταν ένα μείγμα καυσίμου αερίου (CO₂ /H₂ ) υπόκειται σε σχηματισμό ένυδρου σε υψηλή πίεση και χαμηλή θερμοκρασία, CO₂ έχει μεγαλύτερη προτίμηση έναντι του H₂ να παγιδευτεί σε κλωβούς ένυδρου, διαχωρίζοντας έτσι το CO₂ από μίγμα καυσίμων αερίων[8]. Το σχηματικό αυτής της διαδικασίας φαίνεται στο σχήμα 2. Τα πλεονεκτήματα αυτής της διαδικασίας περιλαμβάνουν το υψηλό CO₂ χωρητικότητα αποθήκευσης, υψηλή ενεργειακή απόδοση και καθαρή διαδικασία (κυρίως νερό χρησιμοποιείται ως διαλύτης).

Στα 6,0 MPa, η θερμοκρασία ισορροπίας του σχηματισμού ένυδρου άλατος από το καύσιμο αέριο είναι 274,6 Κ [9]. Η διεργασία HBGS πρέπει να λειτουργεί πολύ κάτω από αυτήν τη θερμοκρασία για επαρκή κινητική κινητήρια δύναμη που θα την επιτρέψει, γεγονός που συνεπάγεται σημαντικό κόστος ψύξης για αυτήν την τεχνολογία. Προκειμένου να μειωθεί το κόστος ψύξης, οι ερευνητές εντόπισαν διάφορους θερμοδυναμικούς προαγωγείς όπως το προπάνιο και το τετραϋδροφουράνιο (THF) για να μετριάσουν τις συνθήκες ισορροπίας, καθώς  μπορούν να καταλάβουν τους μεγάλους κλωβούς της δομής ένυδρου και να αφήσουν τους μικρούς κλωβούς για να φιλοξενήσουν το CO₂ μόρια (ανατρέξτε στο Σχήμα 1 για την απεικόνιση μεγάλων και μικρών κλουβιών).

Πρόσφατα, ένας άλλος προαγωγέας, το φθοριούχο τετρα-ν-βουτυλαμμώνιο (TBAF), βρέθηκε να έχει εξαιρετική θερμοδυναμική προαγωγή στο σχηματισμό ένυδρων αλάτων [10, 11]. Σε αντίθεση με το THF και το προπάνιο, το TBAF σχηματίζει ημικλαθρικά στα οποία τα μόρια του προαγωγέα όχι μόνο καταλαμβάνουν τους κλωβούς αλλά αποτελούν επίσης μέρος του πλαισίου του ξενιστή [12]. Η θερμοκρασία ισορροπίας του CO₂ /H₂ ένυδρη παρουσία 3,38mol% TBAF είναι περίπου 302,1 K στα 6,0 MPa, γεγονός που καθιστά εφικτή τη λειτουργία της διαδικασίας σχηματισμού ένυδρου σε θερμοκρασία δωματίου (ή περιβάλλοντος).

Σε αυτήν τη μελέτη, διερευνήσαμε την κινητική απόδοση του σχηματισμού ένυδρου για το CO₂ δέσμευση από καύσιμο αέριο με διάφορες συγκεντρώσεις TBAF (0,80, 1,50, 2,00, 2,50, 2,96 και 3,38 mol%). Κάτω από συγκρίσιμες πειραματικές συνθήκες, διάλυμα TBAF 0,8 και 1,5 mol% δέσμευσε περισσότερο αέριο από τις άλλες συγκεντρώσεις. Το CO₂ Η σύνθεση στο δεσμευμένο αέριο παρουσιάστηκε στο Σχήμα 4. Εμπλουτίστηκε από 40% (στο αέριο τροφοδοσίας) σε τουλάχιστον 85,2% μετά τον σχηματισμό ένυδρου, με την υψηλότερη τιμή (98,2%) να επιτυγχάνεται με διάλυμα TBAF 0,8 mol%.

Ενώ η προσθήκη θερμοδυναμικών προαγωγέων μπορεί να μετριάσει τις συνθήκες σχηματισμού ένυδρου άλατος, υπάρχει μια άλλη κατηγορία προαγωγέων γνωστών ως κινητικοί προαγωγείς. Μπορούν να ενισχύσουν την κινητική σχηματισμού υδρίτη χωρίς να επηρεάσουν τις συνθήκες ισορροπίας. Επιπλέον, σε αυτή τη μελέτη, δοκιμάσαμε την επίδραση προώθησης ενός τυπικού τασιενεργού, του δωδεκυλοθειικού νατρίου (SDS) και δύο περιβαλλοντικά καλοήθων αμινοξέων (λευκίνη και τρυπτοφάνη) ως κινητικά πρόσθετα.

Σε σύγκριση με την περίπτωση χωρίς κινητικά πρόσθετα, όλα τα πρόσθετα που μελετήθηκαν σε αυτή την εργασία μπόρεσαν να ενισχύσουν τον πυρήνα και τον αρχικό ρυθμό σχηματισμού ένυδρου άλατος. Επιπλέον, παρατηρήθηκε διαφορετική μορφολογία ένυδρου άλατος με την προσθήκη κάποιων κινητικών προσθέτων. Το Σχήμα 5α δείχνει τη μορφολογία ένυδρου για την περίπτωση χωρίς κινητικά πρόσθετα, τα σωματίδια ένυδρου συσσωρεύονται με ομοιόμορφο τρόπο. ενώ με την προσθήκη 3000 ppm τρυπτοφάνης (Εικόνα 5β), μπορούμε να δούμε ένα ακανόνιστο σχήμα ένυδρου τεμαχίου στο χυλώδες χύμα μίγμα και μια δενδριτική δομή για τις ένυδρες ενώσεις που αναπτύσσονται στο παράθυρο. Μια τέτοια αλλαγή στη μορφολογία μπορεί να σχετίζεται με την υδροφοβικότητα των αμινοξέων και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των λειτουργικών τους ομάδων και των ένυδρων σωματιδίων. Απαιτείται περαιτέρω έρευνα, συμπεριλαμβανομένου λεπτομερούς χαρακτηρισμού, για να αποκτηθούν περισσότερες γνώσεις σχετικά με τους ρόλους των αμινοξέων.

Συνολικά, το υψηλό CO₂ εμπλουτισμένη σύνθεση (έως 98,2 mol%) και η θερμοκρασία λειτουργίας περιβάλλοντος υπογραμμίζουν τα πλεονεκτήματα της χρήσης TBAF στο CO₂ με βάση την ένυδρη διαδικασία σύλληψης. Αξίζει τον κόπο να καταβληθούν περισσότερες προσπάθειες για την περαιτέρω ενίσχυση της κινητικής αυτής της διαδικασίας για μελλοντική εφαρμογή.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο CO₂ με βάση Semiclathrate δέσμευση από μίγμα αερίων καυσίμου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος:Επίδραση των συγκεντρώσεων φθοριούχου τετρα-ν-βουτυλαμμωνίου (TBAF) και κινητικών πρόσθετων, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Applied Energy . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Junjie Zheng, Krittika Bhatnagar Maninder Khurana και Praveen Linga από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης, Peng Zhang από το Πανεπιστήμιο Shanghai Jiao Tong και Bao-Yong Zhang από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Heilongjiang.

Αναφορές

1. ΙΕΑ. Προοπτικές ενεργειακής τεχνολογίας 2015:Σύνοψη. Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας; 2016.
2. Hendriks CA, Blok K, Turkenburg WC. Τεχνολογία και κόστος ανάκτησης και αποθήκευσης διοξειδίου του άνθρακα από μονάδα ολοκληρωμένου αεριοποιητή, συνδυασμένου κύκλου. Ενέργεια. 1991; 16:1277-93.
3. Metz B, Davidson O, Coninck Hd, Loos M, Meyer L. IPCC 2005:IPCC ειδική έκθεση για τη δέσμευση και αποθήκευση διοξειδίου του άνθρακα.:Cambridge University Press:Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA; 2005.
4. Babu ​​P, Linga P, Kumar R, Englezos P. Μια ανασκόπηση της διαδικασίας διαχωρισμού αερίων με βάση την ένυδρη ουσία (HBGS) για τη δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα πριν από την καύση. Ενέργεια. 2015;85:261-79.
5. Sloan ED. Βασικές αρχές και εφαρμογές ένυδρων φυσικών αερίων. Φύση. 2003; 426:353-63.
6. Εγγλέζος Π. Clathrate ενυδατώνει. Έρευνα Βιομηχανικής &Μηχανικής Χημείας. 1993; 32:1251-74.
7. Momma K, Ikeda T, Nishikubo K, Takahashi N, Honma C, Takada M, et al. Νέα ορυκτά κλαθρικού πυριτίου που είναι ισοδομικά με υδρίτες φυσικού αερίου. Επικοινωνίες με τη φύση. 2011; 2:196.
8. Linga P, Kumar R, Englezos P. Η διεργασία ενυδάτωσης clathrate για δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα μετά και πριν από την καύση. Journal of Hazardous Materials. 2007; 149:625-9.
9. Kumar R, Wu H-j, Englezos P. Αρχική ισορροπία ένυδρης φάσης για μείγματα αερίων που περιέχουν υδρογόνο, διοξείδιο του άνθρακα και προπάνιο. Ισορροπίες Φάσης Ρευστών. 2006; 244:167-71.
10. Zheng J, Zhang P, Linga P. Διεργασία ένυδρης ημικλατρικής για δέσμευση CO2 πριν από την καύση σε θερμοκρασίες σχεδόν περιβάλλοντος. Εφαρμοσμένη Ενέργεια. 2017; 194:267-78.
11. Park S, Lee S, Lee Y, Seo Y. CO₂ δέσμευση από προσομοιωμένα μείγματα καυσίμων αερίων με χρήση ημικαθρικών ένυδρων εστέρων που σχηματίζονται από άλατα τεταρτοταγούς αμμωνίου. Περιβαλλοντική Επιστήμη &Τεχνολογία. 2013; 47:7571-7.
12. Aladko LS, Dyadin YA, Rodionova TV, Terekhova IS. Ενυδατώστε τα αλογονίδια τετραβουτυλαμμωνίου και τετραϊσοαμυλαμμωνίου. Journal of Structural Chemistry. 2002; 43:990-4.
13. Babu ​​P, Yang T, Veluswamy HP, Kumar R, Linga P. Ισορροπία φάσης ενυδάτωσης τριμερών μιγμάτων αερίων που περιέχουν διοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και προπάνιο. The Journal of Chemical Thermodynamics. 2013; 61:58-63.
14. Park S, Lee S, Lee Y, Lee Y, Seo Y. Σύλληψη διοξειδίου του άνθρακα πριν από την καύση με βάση την ένυδρη παρουσία ενός θερμοδυναμικού προαγωγέα και πορωδών πηκτωμάτων πυριτίας. International Journal of Greenhouse Gas Control. 2013; 14:193-9.