人間の生産と日常活動からの排出により、大気中心濃度は2005年の産業革命の開始時の280 ppmvから379 ppmvに増加しました。2。 CO₂レベルの増加の影響がますます深刻になるにつれて、効果的なCO₂キャプチャテクノロジーの開発は、化学コミュニティのホットトピックになりました。現在のCO₂キャプチャ法には、主に吸収、吸着、膜分離が含まれます。その中で、吸収法はさらに物理的な吸収と化学的吸収に分割されます。
物理的な吸収は、Co₂と吸収剤の間の圧力と温度を継続的に調整し、それによってCo.の分離を達成することにより、高ボール式溶媒（例えば、エタノール、ポリエチレングリコール）を吸収および消滅させます。
化学吸収は、生のガスと吸収剤との間の化学反応に依存して、CO₂を捕捉します。
吸着法は、単純なプロセス、低エネルギー消費、自動化の容易さ、および非腐食性の利点により、非常に有望な分離および回復技術として浮上しています。膜分離法は、膜材料を介してCO₂およびその他のガス成分の微分透過率に基づいてCO₂を分離します。アミノ基は、上記のCO₂キャプチャメソッドのほぼすべてに適用されます。この研究では、吸着ベースのCO₂キャプチャにおける役割に特に焦点を当てた、吸収、吸着、膜分離におけるアミノ基の応用をレビューします。
キーワード：アミノ修飾、捕獲、吸着剤
アルコールアミン溶液でCO2を吸収する方法
アルコールアミン溶液方法は、産業用途でCO2を吸収するための最も一般的で効率的な方法です。アルコールアミン分子には、化合物の蒸気圧を下げることができる少なくとも1つのヒドロキシル基が含まれており、このヒドロキシル基は必要なアルカリ環境を提供することもできます。アルコールアミン分子には、酸性ガスの吸収を促進できるアミノ基も含める必要があります。
現在、CO2吸収のためのアルコールアミン法の研究の焦点は、主にCO2吸収のプロセス条件に集中しており、吸収プロセスの物質移動に関する研究は少なくなっています。 Gas-liquid強化装置がDEAを吸収するプロセスに加えて、CO2を吸収して、ガスと液相の間の質量移動性能に対するガスと液相攪拌促進の効果を研究しました。攪拌が50R/minから200R/minに増加した場合、物質移動係数は0.0154 kmol/（S・Mから増加しました。2・MPa）から0.021 kmol/（s・m2・MPA）、36.3％の増加。攪拌攪拌が150R/minから300R/minに増加した場合、相対物質移動係数は0.009 kmol/（S・Mから増加しました2・MPa）から0.021 kmol/（s・m2・MPA）、ほぼ134％の増加。実験により、ガス液体強化デバイスを追加すると、範囲内の物質移動能力が改善され、CO2の吸収速度がさらに改善されることが示されています。
CO2吸収能力が高いことに加えて、アルコールアミン溶液によるCO2の吸収には、避けられない欠陥もあります。
（1）アルコールアミン溶液をCO2と組み合わせた後、CO2から分離することは困難であり、多くのエネルギーを消費する高温で分離する必要があります。
（2）アルコールアミン溶液は深刻な腐食を引き起こします。
（3）アルコールアミン溶液は、CO脱着中に揮発しやすく、CO2を吸収する能力が低下します。
（4）アルコールアミン溶液は、CO2脱着中に熱分解と酸化分解を簡単に受けることができ、CO2の吸収能力を低下させます。科学的研究者が、混合アルコールアミン溶液法、アミン最適化膜分離法、アミノ修飾吸着剤など、CO2を捕捉するためにアルコールアミン溶液を置き換えるために使用できる新しい方法と材料を研究および開発している上記の欠陥のためです。
アミノ修飾吸着剤を使用したCO2を吸着する方法
吸着法の鍵は吸着剤です。従来の吸着剤には分子ふるい、活性炭などが含まれますが、新しい吸着剤にはカーボンナノチューブ、グラフェン、金属有機フレームワーク材料、メソポーラス材料などが含まれます。各方法には独自の利点と制限があり、各材料には適用されるフィールドと欠陥もあります。複合材料の使用またはさまざまな材料の利点を組み合わせた最適化された新しい方法は、CO2をキャプチャする傾向となり、優れた研究の可能性があります。この研究では、アミノ修飾金属製のフレームワーク材料、アミノ修飾メソポーラス材料、アミノ修飾カーボンナノチューブ、およびアミノ修飾グラフェンを、CO2を捕獲する分野でアミノ修飾吸着剤を導入するための例として採用します。
アミノ修飾金属有機フレームワーク
CO2を捕獲するための新しい吸着剤として、MOFSは、従来の分子ふるい（ゼオライト分子ふるい、炭素分子ふるいなど）およびアルコールアミン溶液よりも非常に明白な利点を持っています。第一に、ほとんどのMOFのフレームワークはニュートラルであるため、毛穴を占めるゲスト分子は、スケルトンとの弱い相互作用しかありません。これらのゲスト分子は、より低い温度で骨格から追い出すことができ、スケルトンの完全性を維持しながら、必要な細孔をすばやく生成できます。第二に、MOFの細孔のサイズ、分布、親水性、および化学機能は、使用される有機リガンドと金属イオンを変更または変更することにより、分子レベルで設計できます。
CO2を吸着する能力を向上させるために、アミノ修飾金属有機フレームワーク材料は現在、アミノ基と金属矢印を含む有機リガンドで一般的に組み立てられています。 Blomは、USO-1-A1、USO-2-NI、およびUSO-3-I、N、および対応するアミノ修飾MOF材料（USO-1-AI-A、USO-2-NI-A、およびUSO-3-in-A-A）の3つのMOF材料を調製しました。 CO2吸着試験の結果は、アミノ修飾材料の結晶化度、特異的表面積、および細孔体積が程度まで減少し、吸着効果が大幅に改善されることを示しました。 USO-1-A1およびUSO-1-AI-Aを例として、25度および1ATMで、USO-1-AIのCO2吸着能力は2.3mmol/gでしたが、USO-1-A1-AのCO2は2.7mmol/gに増加しました。 CO2の初期吸着熱は30kJ/molから50kJ/molに増加したため、アミノ修飾材料によるCO2の吸着が大幅に増強されたことが確認されました。
アミノ修飾メソポーラス材料
金属有機フレームワーク材料と分子ふるいは優れた吸着材料ですが、微孔系の固有の拡散はCO2の吸着能力をある程度制限します。一部のSIO2メソポーラス材料は、この拡散効果の影響を減らし、吸着能力を改善できます。ただし、SiO2の表面にある一部の残留ヒドロキシル基により、材料はCO2との互換性を低下させます。この問題は、アミノを含む有機化合物とメソポーラス材料の細孔と含浸または移植を組み合わせることで克服できます。
50％ポリエチレンイミンを含浸によりMCM-41の細孔にロードされました。 CO2のアミン修飾MCM-41の吸着能力は、348Kで133 mg/gに達しました。これは、キャリアとしてシリカゲルで得られた78 mg/gよりも高いです。
アミノ修飾カーボンナノチューブ
近年、新しい材料の発展は、人々の生活のあらゆる側面に影響を与えています。ガス分離の分野でのカーボンナノチューブの適用は、積極的なハイライトになりました。カーボンナノチューブには、典型的な層状の中空構造特性があり、層間の固定距離はアミノ荷重を助長します。
CNTを3-アミノプロピルトリエトキシシラン（APTS）で表面修飾した後、それらのCO吸着能力と熱力学的特性を研究しました。温度が50度に設定された場合、20％、28％、36％、41％、45％、54％のATPSおよびCNTS質量比を持つ未修飾CNT（APTS）は15％CO2環境で吸着され、吸着量は21.5mg/g、43.6mg/g、51.3mg/g、60.5mg/g、60.5mg/g、それぞれ85.7mg/gおよび77mg/g。これらのデータは、ATPSにアミノ基が存在するため、CNT表面にAPTを導入すると、CO吸着能力が大幅に改善できることを示しています。また、ATPの負荷が45％（WT、質量分率、以下と同じ）の場合、Cの最大吸着量に達します。これは、変更されていないCNTの4倍です。ただし、負荷量が54％に増加し続けると、代わりに吸着量が減少しました。これは、CNTの表面上のあまりにも多くのAPTが内部に拡散するCO2の物質移動抵抗を増加させたためかもしれません。
これらの研究報告では、アミノ基で修飾されたカーボンナノチューブのAdsorb CO2に変更された能力は、変更されていないカーボンナノチューブの能力よりも大幅に優れていることが確認されています。アミノ群で変更されたカーボンナノチューブは、CO2を捕獲する際に良い見込み客を示していますが、その用途と開発スペースは高コストのために制限されています。
アミノ修飾グラフェン
グラフェン表面の結晶構造は非常に完全であり、その化学的特性を不活性にします。グラフェンのアプリケーション範囲を拡張し、そのアプリケーション値を改善するには、その表面を変更する必要があります。グラフェンの酸化後に生成された官能基は、グラフェンの活性を増加させ、共有結合修飾の基礎を築きます。次に、グラフェンの表面官能化は、有機アミンやイソシアネートなどの試薬を使用して修正することで達成できます。
2012年、ミシュラら。最初にポリアニリン（PANI）でグラフェンの表面を修飾してCOを捕獲し、修飾されたグラフェンは活性炭、ゼオライト、金属有機フレームワーク材料、カーボンナノチューブよりも高いCO2吸着能力があることを発見しました。彼らはまた、ポリアニリン修飾材料と修飾されていないグラフェンの吸着等温線を研究し、比較しました。圧力が11 barで、温度が25度、50度、100度の場合、修正された材料Pani-f-hegによるCO2の吸着量はそれぞれ75mmol/g、47mmol/g、31mmol/gでした。一方、変更されていない純粋なグラフェンヘグの吸着量は21.6mmol/g、18mmol/g、および12mmol/gでした。アミノ修飾グラファイトによるCO2の吸着に関する研究は始まったばかりですが、この点で大きな応用の可能性と開発スペースを示しています。おそらく、これはCO2吸着材料の開発のための新しい方向になるでしょう。
アミノ修飾金属有機フレームワーク材料、アミノ修飾メソポーラス材料、アミノ修飾カーボンナノチューブ、アミノ修飾グラフェンなどの例は、これらの吸着剤がアミノ基で修正された後に良好なCO2捕捉能力を示し、アミノグループとしての化学物理吸着から化学吸着まで変化したことを証明しています。これにより、吸着剤を研究するための新しい分野が開かれ、将来の研究の焦点になる可能性があります。
CO2吸着のためのアミン最適化膜分離技術
膜分離は、スクリーニングプロセスに似ています。膜の細孔サイズによれば、一部の物質は膜を通過し、他の物質は膜によって保持され、それによって分離の目的を達成できます。ガス分離における膜分離の最大の欠点は、選択性が高くないことです。膜分離の選択性を改善し、分離効率を改善したい場合は、膜分離と吸収または吸着を組み合わせることができます。まず、膜分離を使用してガスを大まかに分離し、次にアルコールアミン溶液の吸収または高効率吸着剤吸着を使用して細かく分離します。これは、特定の分離効果を達成するだけでなく、投資コストを節約することもできます。膜分離技術とアルコールアミン溶液吸収法を組み合わせ、膜の片側にガスを流し、CO2が膜の反対側に拡散すると、アルコールアミンによって吸収されます。このアミンに最適化された膜分離法は、アルコールアミン溶液吸収法よりも単純なデバイスと低い投資コストを持っています。さらに、従来の膜分離法と比較して、CO2を吸着する能力は大幅に改善されています。吸着法およびアルコールアミンの簡単な吸収法と比較して、アミンに最適化された膜分離法は、簡単な動作、低エネルギー消費、より良い吸着効果、投資の減少の利点を持っています。しかし、技術の未熟さと、機器の交換が依然として多くのお金を消費するという事実のために、それは産業的に適用されていません。
結論
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「さまざまな材料の利点を組み合わせた複合材料または最適化された新しい方法は、C02をキャプチャする傾向であり、優れた研究の可能性を秘めています。新しい材料の開発と分離方法の最適化において、アミノグループは良好な互換性を示しています。
