stringtranslate.com

Скруббер углекислого газа

Скруббер углекислого газа

Скруббер углекислого газа — это часть оборудования, которая поглощает углекислый газ (CO 2 ). Он используется для очистки выхлопных газов промышленных предприятий или выдыхаемого воздуха в системах жизнеобеспечения, таких как ребризеры или в космических аппаратах , подводных аппаратах или герметичных камерах . Скрубберы углекислого газа также используются в контролируемой атмосфере (CA) хранения и процессах улавливания и хранения углерода .

Технологии

Очистка амином

Основное применение очистки CO 2 — удаление CO 2 из выхлопных газов угольных и газовых электростанций . Практически единственная технология, которая серьезно оценивается, предполагает использование различных аминов , например, моноэтаноламина . Холодные растворы этих органических соединений связывают CO 2 , но связывание обращается при более высоких температурах:

CO2 + 2 HOCH
2Ч.
2Нью-Гэмпшир
2↔ ХОЧ
2Ч.
2Нью-Гэмпшир+
3+ ХОЧ
2Ч.
2NHCO−
2

По состоянию на 2009 год эта технология была внедрена лишь в незначительной степени из-за капитальных затрат на установку оборудования и эксплуатационных расходов на его использование. [1]

Минералы и цеолиты

Несколько минералов и минералоподобных материалов обратимо связывают CO 2 . [2] Чаще всего эти минералы представляют собой оксиды или гидроксиды, и часто CO 2 связан в виде карбоната. Диоксид углерода реагирует с негашеной известью (оксидом кальция) с образованием известняка ( карбоната кальция ), [3] в процессе, называемом карбонатным циклированием . Другие минералы включают серпентинит , гидроксид силиката магния и оливин . [4] [5] Молекулярные сита также функционируют в этом качестве.

Различные (циклические) процессы очистки были предложены для удаления CO2 из воздуха или из дымовых газов и их высвобождения в контролируемой среде, возвращая очищающий агент. Обычно они включают использование варианта процесса Крафта , который может быть основан на гидроксиде натрия . [6] [7] CO2 поглощается таким раствором, переходит в известь (через процесс, называемый каустизацией) и снова высвобождается с помощью печи . С некоторыми модификациями существующих процессов (в основном, переходом на кислородную печь [ требуется ссылка ] ) полученные выхлопные газы становятся концентрированным потоком CO2 , готовым к хранению или использованию в топливе. Альтернативой этому термохимическому процессу является электрический, который высвобождает CO2 посредством электролиза карбонатного раствора. [8] Хотя этот электрический процесс проще, он потребляет больше энергии , так как электролиз также расщепляет воду . Ранние воплощения экологически мотивированного улавливания CO2 использовали электричество в качестве источника энергии и, следовательно, зависели от зеленой энергии. Некоторые системы термического улавливания CO2 используют тепло, вырабатываемое на месте, что снижает неэффективность, возникающую при производстве электроэнергии вне места установки, но для этого все равно необходим источник (зеленого) тепла , который может обеспечить ядерная энергия или концентрированная солнечная энергия . [9]

Гидроксид натрия

Земан и Лакнер описали конкретный метод захвата воздуха. [10]

Сначала CO2 поглощается щелочным раствором NaOH, образуя растворенный карбонат натрия . Реакция поглощения представляет собой реакцию газ-жидкость, сильно экзотермическую, здесь:

2NaOH(водн.) + CO2 ( г) → Na
2КО
3(водн.) + H 2 O (ж)
На
2КО
3(водн.) + Ca(OH)
2(т) → 2NaOH(водн.) + CaCO
3(с)
ΔH° = −114,7 кДж/моль

Каустификация повсеместно применяется в целлюлозно-бумажной промышленности и легко переводит 94% карбонатных ионов из натрия в катион кальция. [10] Затем осадок карбоната кальция отфильтровывается из раствора и термически разлагается с получением газообразного CO2 . Реакция кальцинирования является единственной эндотермической реакцией в этом процессе и показана здесь:

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

Термическое разложение кальцита выполняется в известковой печи, отапливаемой кислородом, чтобы избежать дополнительного этапа разделения 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 вещество, как показано здесь:

CaO (тв) + H2O (ж) → Ca(OH )
2(с)
ΔH° = −64,5 кДж/моль

Гидроксид лития

Другие сильные основания , такие как натронная известь , гидроксид натрия , гидроксид калия и гидроксид лития , способны удалять углекислый газ путем химической реакции с ним. В частности, гидроксид лития использовался на борту космических кораблей , например, в программе «Аполлон» , для удаления углекислого газа из атмосферы. Он реагирует с углекислым газом, образуя карбонат лития . [11] Недавно технология абсорбции гидроксида лития была адаптирована для использования в наркозных аппаратах . Наркозные аппараты, которые обеспечивают жизнеобеспечение и вдыхают агенты во время операции, обычно используют замкнутый контур, требующий удаления углекислого газа, выдыхаемого пациентом. Гидроксид лития может обеспечить некоторые преимущества в плане безопасности и удобства по сравнению со старыми продуктами на основе кальция.

2 LiOH(тв) + 2 H 2 O (г) → 2 LiOH· H 2 O (тв)
2 LiOH· H 2 O (т) + CO 2 (г) → Li
2КО
3(т) + 3 Н 2 О (г)

Чистая реакция такова:

2LiOH(т) + CO2 ( г) → Li
2КО
3(т) + Н 2 О (г)

Также можно использовать перекись лития , поскольку она поглощает больше CO2 на единицу веса, а также имеет дополнительное преимущество в виде выделения кислорода. [12]

В последние годы ортосиликат лития привлек большое внимание в плане улавливания CO2 , а также хранения энергии. [8] Этот материал обеспечивает значительные эксплуатационные преимущества, хотя для образования карбоната требуются высокие температуры.

Регенеративная система удаления углекислого газа

Регенеративная система удаления углекислого газа (RCRS) на орбитальном корабле Space Shuttle использовала двухслойную систему, которая обеспечивала непрерывное удаление углекислого газа без расходных материалов. Регенерируемые системы позволяли миссии шаттла дольше оставаться в космосе без необходимости пополнять сорбционные баллоны. Старые системы на основе гидроксида лития (LiOH), которые не поддавались регенерации, были заменены регенерируемыми системами на основе оксида металла . Система на основе оксида металла в основном состояла из сорбционного баллона с оксидом металла и узла регенератора. Она работала, удаляя углекислый газ с помощью сорбционного материала и затем регенерируя сорбционный материал. Сорбционный баллон с оксидом металла регенерировался путем прокачки через него воздуха при температуре около 200 °C (392 °F) со стандартной скоростью потока 3,5 л/с (7,4 куб. фут/мин) в течение 10 часов. [13]

Активированный уголь

Активированный уголь может использоваться в качестве очистителя углекислого газа. Воздух с высоким содержанием углекислого газа, например, воздух из мест хранения фруктов, можно продувать через слои активированного угля, и углекислый газ будет прилипать к активированному углю [адсорбция]. После того, как слой насытится, его необходимо «регенерировать», продувая через слой воздух с низким содержанием углекислого газа, например, окружающий воздух. Это высвободит углекислый газ из слоя, и его можно будет снова использовать для очистки, оставляя чистое количество углекислого газа в воздухе таким же, как и при запуске процесса. [ требуется цитата ]

Металлоорганические каркасы (МОК)

Металлоорганические каркасы хорошо изучены для улавливания и секвестрации диоксида углерода посредством адсорбции . [14] Крупномасштабной коммерческой технологии не существует. [15] В одном наборе испытаний MOF смогли отделить 90% CO2 от потока дымового газа с помощью процесса вакуумного перепада давления. Стоимость энергии, по оценкам, увеличится на 65%, если будут использоваться MOF, по сравнению с увеличением на 81% для аминов в качестве улавливающего агента. [16]

Удлиненный воздушный картридж

Расширенный воздушный картридж (EAC) — это марка или тип предварительно загруженного одноразового абсорбирующего баллона, который может быть установлен в приемную полость в соответствующим образом спроектированном ребризере. [17]

Другие методы

Обсуждалось множество других методов и материалов для очистки от углекислого газа.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Гэри Т. Рошель (2009). «Очистка амином для улавливания CO 2 ». Science . 325 (5948): 1652–4. Bibcode :2009Sci...325.1652R. doi :10.1126/science.1176731. PMID  19779188. S2CID  206521374.
  2. ^ Sunho Choi; Jeffrey H. Drese; Christopher W. Jones (2009). «Адсорбирующие материалы для улавливания углекислого газа из крупных антропогенных точечных источников». ChemSusChem . 2 (9): 796–854. Bibcode : 2009ChSCh...2..796C. 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. ^ "Природный минерал запирает углекислый газ". ScienceDaily . 3 сентября 2004 г. Получено 01.06.2011 .
  5. ^ "Устойчивость и печь TecEco". Архивировано из оригинала 25 октября 2005 г. Получено 25 октября 2005 г.
  6. ^ Кеннет Чанг (19 февраля 2008 г.). «Ученые превратят парниковый газ в бензин». The New York Times . Получено 29 октября 2009 г.
  7. ^ Брахик, Кэтрин (3 октября 2007 г.). «Химическая «губка» может фильтровать CO2 из воздуха – окружающая среда». New Scientist . Получено 29 октября 2009 г.
    Земан, Франк (2007). «Энергетический и материальный баланс улавливания CO 2 из окружающего воздуха». Environ. Sci. Technol . 41 (21): 7558–63. Bibcode : 2007EnST...41.7558Z. doi : 10.1021/es070874m. PMID  18044541. S2CID  27280943.
  8. ^ ab Quinn, R.; Kitzhoffer, RJ; Hufton, JR; Golden, TC (2012). «Высокотемпературный твердый абсорбент на основе ортосиликата лития для улавливания CO 2 после сгорания». Ind. Eng. Chem. Res . 51 (27): 9320–7. doi :10.1021/ie300157m.
  9. ^ Кунциг, Роберт; Брокер, Уоллес (12 января 2009 г.). «Может ли технология очистить воздух?». New Scientist . Получено 29 октября 2009 г.
  10. ^ ab Zeman, FS; Lackner, KS (2004). «Улавливание углекислого газа непосредственно из атмосферы». World Resour. Rev. 16 : 157–172.
  11. ^ JR Jaunsen (1989). "Поведение и возможности очистных сооружений на основе гидроксида лития и углекислого газа в глубоководной морской среде". Технический отчет Военно-морской академии США . USNA-TSPR-157. Архивировано из оригинала 24-08-2009 . Получено 17-06-2008 .{{cite journal}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
  12. ^ Petzow, GN; Aldinger, F.; Jönsson, S.; Welge, P.; Van Kampen, V.; Mensing, T.; Brüning, T. (2005). "Бериллий и соединения бериллия". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . doi :10.1002/14356007.a04_011.pub2. ISBN 978-3527306732. S2CID  262306041.
  13. ^ "Удаление углекислого газа". Hamilton Sundstrand. Архивировано из оригинала 2007-10-31 . Получено 2008-10-27 . Новая система на основе оксида металла заменяет существующую нерегенерируемую систему удаления углекислого газа (CO2) на основе гидроксида лития (LiOH), расположенную в первичной системе жизнеобеспечения EMU.
  14. ^ "MOFs for CO2". MOF Technologies . Архивировано из оригинала 2021-02-27 . Получено 2021-04-07 .
  15. ^ Ли, Цзянь-Жун (2011). «Адсорбция и разделение газов, связанных с захватом диоксида углерода, в металлоорганических каркасах» (PDF) . Coordination Chemistry Reviews . 255 (15–16): 1791–1823. doi :10.1016/j.ccr.2011.02.012. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-09-09.
  16. ^ Уиллис, Ричард; Леш, Дэвид А. (2010). «Удаление углекислого газа из дымовых газов с использованием микропористых металлоорганических каркасов». Окончательный технический отчет . Номер награды DOE: DE-FC26-07NT43092. doi : 10.2172/1003992. OSTI  1003992.
  17. ^ "Extend Air Cartridge". dykarna (на шведском языке) . Получено 2021-12-30 .
  18. ^ Siriwardane, R.; Shen, M.; Fisher, E.; Poston, J.; Shamsi, A. (2001). «Адсорбция и десорбция CO2 на твердых сорбентах». Национальная лаборатория энергетических технологий. CiteSeerX 10.1.1.205.844 . DOE/NETL-2001/1144.