Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Скруббера диоксида углерода представляет собой часть оборудования , которое поглощает углекислый газ (CO 2 ). Он используется для лечения выхлопных газов из промышленных установок или из выдыхаемого воздуха в системах жизнеобеспечения , таких как ребризерами или в космическом корабле , погружного судна или герметичных камер . Скрубберы диоксида углерода также используются в хранилищах с контролируемой атмосферой (CA). Они также были исследованы на предмет улавливания и хранения углерода как средства борьбы с глобальным потеплением .

Технологии [ править ]

Очистка амином [ править ]

Основная статья: Очистка аминового газа

Основное применение очистки от CO 2 - удаление CO.
2от выхлопных газов угольных и газовых электростанций . Практически единственная серьезно оцениваемая технология включает использование различных аминов , например моноэтаноламина . Холодные растворы этих органических соединений связывают CO 2 , но при более высоких температурах связывание меняется на противоположное:

CO 2 + 2 HOCH 2 CH 2 NH 2 ↔ HOCH 2 CH 2 NH 3 + + HOCH 2 CH 2 NHCO 2 -

По состоянию на 2009 год эта технология была внедрена лишь незначительно из-за капитальных затрат на установку объекта и эксплуатационных затрат на его использование. [1]

Минералы и цеолиты [ править ]

Некоторые минералы и минеральные вещества обратимо связывают CO 2 . [2] Чаще всего эти минералы представляют собой оксиды или гидроксиды, и часто CO 2 связан в виде карбоната. Углекислый газ реагирует с негашеной известью (оксид кальция) с образованием известняка ( карбоната кальция ) [3] в процессе, называемом петлеванием карбоната. Другие минералы включают серпентинит , A магний силиката гидроксида и оливин . [4] [5] Молекулярные сита также работают в этом качестве.

Были предложены различные процессы очистки для удаления CO 2 из воздуха или дымовых газов. Обычно они включают использование варианта процесса Крафт . Процессы очистки могут быть основаны на гидроксиде натрия . [6] [7] CO 2 поглощается раствором, превращается в известь посредством процесса, называемого каустизацией, и выпускается в печи . После некоторых модификаций существующих процессов, в основном печи, работающей на кислороде, конечным результатом является концентрированный поток CO 2, готовый для хранения или использования в качестве топлива. Альтернативой этому термохимическому процессу является электрический процесс, при котором номинальное напряжение прикладывается к раствору карбоната для высвобождения CO.2 . [ Требуется цитата ] Этот электрический процесс, хотя и проще, потребляет больше энергии, поскольку он одновременно расщепляет воду. Поскольку это зависит от электричества, электроэнергия должна быть возобновляемой, например, фотоэлектрической. В противном случае следует учитывать CO 2, образующийся при производстве электроэнергии. Ранние воплощения воздушного захвата использовали электричество в качестве источника энергии; следовательно, зависели от безуглеродного источника. В системах теплового улавливания воздуха используется тепло, вырабатываемое на месте, что снижает неэффективность, связанную с производством электроэнергии за пределами объекта, но, конечно, по-прежнему требуется источник (безуглеродного) тепла. Концентрированная солнечная энергия является примером такого источника. [8]

Гидроксид натрия [ править ]

Земан и Лакнер изложили особый метод захвата воздуха. [9]

Сначала CO 2 абсорбируется щелочным раствором NaOH с образованием растворенного карбоната натрия . Реакция абсорбции представляет собой сильно экзотермическую реакцию газа и жидкости, здесь:

2NaOH (водн.) + CO 2 (г) → Na 2 CO 3 (водн.) + H 2 O (л)
Na 2 CO 3 (водн.) + Ca (OH) 2 (т.) → 2NaOH (водн.) + CaCO 3 (т. Е.)
ΔH ° = -114,7 кДж / моль

Каустизация проводится повсеместно в целлюлозно-бумажной промышленности и легко передает 94% карбонат-ионов от натрия к катиону кальция. [9] Затем осадок карбоната кальция отфильтровывают из раствора и термически разлагают с образованием газообразного CO 2 . Реакция прокаливания является единственной эндотермической реакцией в процессе и показана здесь:

CaCO 3 (тв) → CaO (тв) + CO 2 (г)
ΔH ° = + 179,2 кДж / моль

Термическое разложение кальцита выполняется в печи для обжига извести, работающей с кислородом, чтобы избежать дополнительной стадии отделения газа. Гидратация извести (CaO) завершает цикл. Гидратация извести - это экзотермическая реакция, которую можно проводить с водой или паром. При использовании воды это реакция жидкость / твердое тело, как показано здесь:

CaO (т) + H 2 O (л) → Ca (OH) 2 (т)
ΔH ° = -64,5 кДж / моль

Гидроксид лития [ править ]

Другие сильные основания , такие как натронная известь , гидроксид натрия , гидроксид калия и гидроксид литий в состоянии для удаления диоксида углерода путем химической реакции с ним. В частности, гидроксид лития использовался на борту космических кораблей , например, в программе Apollo , для удаления диоксида углерода из атмосферы. Он реагирует с диоксидом углерода с образованием карбоната лития . [10] Недавно технология абсорбента гидроксида лития была адаптирована для использования в наркозных аппаратах.. Аппараты для анестезии, которые обеспечивают жизнеобеспечение и вдыхают агенты во время операции, обычно используют замкнутый контур, требующий удаления углекислого газа, выдыхаемого пациентом. Гидроксид лития может предложить некоторые преимущества безопасности и удобства по сравнению с более старыми продуктами на основе кальция.

2 LiOH (тв.) + 2 H 2 O (г) → 2 LiOH · H 2 O (тв)
2 LiOH · H 2 O (тв) + CO 2 (г) → Li 2 CO 3 (тв) + 3 H 2 O (г)

Итоговая реакция:

2LiOH (тв) + CO 2 (г) → Li 2 CO 3 (тв) + H 2 O (г)

Также можно использовать пероксид лития, поскольку он поглощает больше CO 2 на единицу веса с дополнительным преимуществом выделения кислорода. [11]

В последние годы ортосиликат лития привлек большое внимание к улавливанию CO2, а также к хранению энергии. [12] Этот материал обладает значительными эксплуатационными преимуществами, хотя для образования карбоната требуется высокая температура.

Система регенеративного удаления углекислого газа [ править ]

В системе регенеративного удаления диоксида углерода (RCRS) на орбитальном корабле космического челнока использовалась двухступенчатая система, которая обеспечивала непрерывное удаление диоксида углерода без использования расходных материалов. Регенерируемые системы позволили миссии шаттла дольше оставаться в космосе без необходимости пополнять канистры с сорбентом . Позднее гидроксид лития (LiOH) основе систем, которые являются не-регенерировать, были заменены регенерируемого металла - оксид-системы. Система на основе оксида металла в основном состоит из контейнера с сорбентом оксида металла и узла регенератора. Он работал путем удаления диоксида углерода с помощью сорбирующего материала и последующей регенерации сорбирующего материала. Контейнер с сорбентом на основе оксидов металлов регенерировали путем прокачки через него воздуха при температуре приблизительно 400 ° F (204 ° C) при стандартной скорости потока 7,5 куб. Футов / мин (0,0035 м 3 / с) в течение 10 часов. [13]

Активированный уголь [ править ]

Активированный уголь можно использовать в качестве скруббера диоксида углерода. Воздух с высоким содержанием углекислого газа, такой как воздух из мест хранения фруктов, может проходить через слои активированного угля, и углекислый газ будет поглощаться активированным углем. После того, как слой насыщен, он должен быть «регенерирован» путем продувки воздуха с низким содержанием двуокиси углерода, такого как окружающий воздух, через слой. Это высвободит диоксид углерода из слоя, и его можно будет снова использовать для очистки, в результате чего чистое количество диоксида углерода в воздухе останется таким же, как и при запуске процесса. [ необходима цитата ]

Металлоорганические каркасы (MOF) [ править ]

Металлоорганические каркасы - одна из самых многообещающих новых технологий улавливания и связывания углекислого газа посредством адсорбции . Хотя в настоящее время не существует крупномасштабной коммерческой технологии, несколько исследований показали большой потенциал MOF в качестве адсорбента CO 2 . Его характеристики, такие как структура пор и функции поверхности, можно легко настроить для повышения селективности CO 2 по сравнению с другими газами. [14]

MOF может быть специально разработан, чтобы действовать как агент удаления CO 2 на электростанциях, работающих на дожигании. В этом сценарии дымовой газ будет проходить через слой, заполненный материалом MOF, где CO 2 будет удален. После достижения насыщения CO 2 может быть десорбирован путем изменения давления или температуры. Затем углекислый газ можно сжать до сверхкритических условий, чтобы хранить под землей или использовать в процессах повышения нефтеотдачи . Однако пока это невозможно в больших масштабах из-за ряда трудностей, одна из которых заключается в производстве MOF в больших количествах. [15]

Другая проблема - наличие металлов, необходимых для синтеза MOF. В гипотетическом сценарии, когда эти материалы используются для улавливания всего CO 2, необходимого для предотвращения проблем глобального потепления, таких как поддержание повышения глобальной температуры менее чем на 2 ° C по сравнению с доиндустриальной средней температурой, нам потребуется больше металлов, чем доступно на Земля. Например, чтобы синтезировать все MOF, в которых используется ванадий , нам потребуется 1620% мировых запасов 2010 года. Даже если использовать MOF на основе магния, которые продемонстрировали большую способность адсорбировать CO 2 , нам потребуется 14% мировых запасов 2010 года, что является значительным объемом. Кроме того, потребуется обширная добыча, что приведет к еще большему количеству потенциальных экологических проблем. [15]

В рамках проекта, спонсируемого Министерством энергетики и осуществляемого UOP LLC в сотрудничестве с преподавателями из четырех разных университетов, MOF были протестированы как возможные агенты удаления диоксида углерода из дымовых газов после сжигания. Они смогли отделить 90% CO 2 из потока дымовых газов с помощью процесса изменения давления вакуума. В результате обширного исследования исследователи выяснили, что лучшим MOF для использования был Mg / DOBDC, который имеет емкость по содержанию CO 2 21,7 мас.% . Оценки показали, что, если бы аналогичная система применялась на крупномасштабной электростанции, стоимость энергии увеличилась бы на 65%, в то время как базовая система на основе аминов NETL вызвала бы увеличение на 81% (цель Министерства энергетики - 35%. ). Кроме того, каждая тонна CO 2избежание будет стоить 57 долларов, в то время как для аминовой системы эта стоимость оценивается в 72 доллара. Проект завершился в 2010 году, а общий капитал, необходимый для реализации такого проекта на электростанции мощностью 580 МВт, составил 354 миллиона долларов. [16]

Расширение воздушного картриджа [ править ]

Удлиненный воздушный картридж (EAC) - это марка или тип предварительно загруженной одноразовой абсорбирующей канистры, которая может быть помещена в приемную полость ребризера соответствующей конструкции. [17]

Другие методы [ править ]

Обсуждались многие другие методы и материалы для очистки от диоксида углерода.

  • Адсорбция [18]
  • Система регенеративного удаления углекислого газа (RCRS)
  • Биореакторы, заполненные водорослями
  • Мембранные газоразделения
  • Реверсивные теплообменники

См. Также [ править ]

  • Улавливание и хранение углерода  - процесс улавливания и хранения отработанного диоксида углерода из точечных источников.
  • Углеродные удаления диоксида  - Удаление двуокиси углерода в атмосфере
  • Парниковый газ  - газ в атмосфере, который поглощает и излучает излучение в тепловом инфракрасном диапазоне.
  • Ребризер  - Аппарат для рециркуляции дыхательного газа
  • Реакция Сабатье  - процесс метанирования диоксида углерода водородом

Ссылки [ править ]

  1. ^ Гэри Т. Рошель (2009). «Аминовая очистка для улавливания CO 2 ». Наука . 325 (5948): 1652–4. Bibcode : 2009Sci ... 325.1652R . DOI : 10.1126 / science.1176731 . PMID  19779188 . S2CID  206521374 .
  2. ^ Сунхо Чой; Джеффри Х. Дрезе; Кристофер В. Джонс (2009). «Адсорбирующие материалы для улавливания диоксида углерода из крупных точечных антропогенных источников». ChemSusChem . 2 (9): 796–854. DOI : 10.1002 / cssc.200900036 . PMID 19731282 . 
  3. ^ «Представьте себе отсутствие ограничений на использование ископаемого топлива и отсутствие глобального потепления» . ScienceDaily . 15 апреля 2002 г.
  4. ^ «Природные минералы блокируют углекислый газ» . ScienceDaily . 3 сентября 2004 . Проверено 1 июня 2011 .
  5. ^ "Устойчивое развитие и печь TecEco" . Архивировано из оригинального 25 октября 2005 года . Проверено 25 октября 2005 года .
  6. ↑ Кеннет Чанг (19 февраля 2008 г.). «Ученые превратят парниковый газ в бензин» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 29 октября 2009 .
  7. ^ «Химическая« губка »может фильтровать CO2 из воздуха - окружающей среды» . Новый ученый . 3 октября 2007 . Проверено 29 октября 2009 .
  8. ^ «Может ли технология очистить воздух? - Окружающая среда» . Новый ученый . 12 января 2009 . Проверено 29 октября 2009 .
  9. ^ a b Ф. С. Земан; К.С. Лакнер (2004). «Улавливание углекислого газа прямо из атмосферы». Мировой ресурс. Ред . 16 : 157–172.
  10. ^ JR Jaunsen (1989). «Поведение и возможности скрубберов с гидроксидом лития и углекислым газом в глубоководной среде» . Технический отчет Военно-морской академии США . УСНА-ЦПР-157. Архивировано из оригинала на 2009-08-24 . Проверено 17 июня 2008 .
  11. ^ Петцов, GN; Aldinger, F .; Jönsson, S .; Welge, P .; Ван Кампен, В .; Mensing, T .; Брюнинг, Т. (2005). «Бериллий и соединения бериллия». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . DOI : 10.1002 / 14356007.a04_011.pub2 . ISBN 978-3527306732.
  12. ^ Твердый абсорбент на основе ортосиликата лития для улавливания CO2 после сжигания
  13. ^ «Удаление углекислого газа» . Гамильтон Сандстранд. Архивировано из оригинала на 2007-10-31 . Проверено 27 октября 2008 . Новая система на основе оксидов металлов заменяет существующую систему удаления нерегенерируемого гидроксида лития (LiOH) и углекислого газа (CO2), расположенную в первичной системе жизнеобеспечения EMU.
  14. ^ Ли, Цзянь-Ронг (2011). «Адсорбция и разделение газов, связанных с захватом диоксида углерода, в металлоорганических каркасах» (PDF) . Обзоры координационной химии . 255 (15–16): 1791–1823. DOI : 10.1016 / j.ccr.2011.02.012 . Архивировано из оригинального (PDF) 09 сентября 2016 года.
  15. ^ a b Смит, Беренд; Реймер, Джеффри Р .; Oldenburg, Curtis M .; Бург, Ян К. (2014). Введение в улавливание и связывание углерода . Imperial College Press. ISBN 978-1-78326-327-1.
  16. ^ Уиллис, Ричард; Леш, Дэвид А. (2010). «Удаление диоксида углерода из дымовых газов с использованием микропористых металлоорганических каркасов». Заключительный технический отчет . Номер награды DOE: DE-FC26-07NT43092. DOI : 10.2172 / 1003992 . ОСТИ 1003992 . 
  17. ^ https://www.dykarna.nu/lexicon/extend_air_cartridge_401.html (на шведском языке)
  18. ^ «Адсорбция и десорбция CO 2 на твердых сорбентах» (PDF) . netl.doe.gov .