二酸化炭素キャプチャマテリアルの研究進捗状況 - ブログ

地球温暖化が激化するにつれて、二酸化炭素などの温室効果ガスの排出を削減し、環境の保護は、解決すべき世界的な問題の1つになりました。二酸化炭素排出削減を達成するには、捕獲、輸送、貯蔵、用途、および変換のプロセスを経る必要があります。これらのプロセスのキャプチャコストは、約75％、またはさらに高くなります。現在、ほとんどの大規模な排出源のCO2濃度は15％未満ですが、化石燃料に基づく産業源の小さな部分（2％未満）のCO2排出濃度は95％を超えています。高濃度のソースは、二酸化炭素捕獲および貯蔵技術（CCS）の早期実装の潜在的なターゲットです。 CO2は、温室効果を引き起こす主なガスの1つであり、潜在的な炭素資源でもあります。 CO2は、化学的原料、冷媒、油田生産エンハンサー、不活性培地、溶媒、および圧力源として、国民経済のさまざまなセクターで幅広い用途を持っています。したがって、すべての国は、化石燃料の燃焼からの二酸化炭素排出量の削減に取り組んでいます。現在、二酸化炭素キャプチャテクノロジーは、化学物質、発電所、自動車製造およびその他の産業で広く使用されています。ただし、この段階での二酸化炭素捕獲材料の欠点は、リサイクル性能の低さ、毒性、低い捕獲効率、原材料の希少性、および高エネルギー消費です。したがって、新しい炭素捕獲材料の開発が研究の焦点となっています。

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ソリューション吸着は、主にアミン官能基を含む溶液を使用して、化学吸収を介してCO2を捕捉します。一般的に使用される吸着剤は、原発性アルコールアミン（エタノールアミンなど）、二次アルコールアミン（ジエタノールアミンやジイソプロパノールアミンなど）、三次アルコールアミン（メチルディエタノールアミンやトリエタノールアミンなど）を含むアルコールアミン溶液です。この化学吸収法は、吸収剤を使用してCO2と反応してCOを回収する目的を達成し、その逆反応を使用して吸収剤を再生します。この方法はCO2除去率が高く、CO2を回復するための最も効果的な方法の1つです。また、COの部分的な圧力で混合ガスを処理するのにも適しています。しかし、この方法の使用を制限する多くの欠点がまだあります。アミンは酸化的分解を起こしやすく、吸収性能を低下させ、溶液の粘度を増加させます。アミンとその分解生成物は、吸収剤の再生中に揮発しやすく、吸収能力が低下します。アミン溶液の強いアルカリ度は、機器や装備に特に腐食します。操作は比較的面倒です。再生エネルギー消費は高いです。

CO2は酸性ガスであるため、わずかにアルカリ性の材料の表面に簡単に吸着できます。現在、研究開発中の3つの主要なアルカリ吸着剤があります。1つは、Na2O2、K2O、CaO、MGO、AI2O3などのアルカリ金属酸化物です。金属酸化物は、高温、特にアルミナで良好な吸着能力を持っています。アルカリ金属（Li2O、K2O、Na2Oなど）が追加されると、高温での吸着能力は、物理的な吸着剤と比較して大幅に改善できます。 2つ目は、炭酸カルシウム、ケイ酸塩、ケイ酸リチウム、ジルコン酸リチウムなどのアルカリ金属塩です。 3番目はハイドロ酸塩の混合物です。ハイドロ酸塩は、アルカリの金属化合物を含み、微孔構造を持っています。自然な複合材料です。ハイドロタルキャイトによる二酸化炭素の吸着は、人々の研究関心を呼び起こしました。

炭素材料には、主に活性炭と炭素繊維が含まれます。

（1）活性炭は、大きな特定の表面積を持つ最も一般的な黒い多孔質吸着剤です。その主な成分は、アモルファス炭素と、少量の水素、酸素、窒素、硫黄、灰です。生成された活性炭の物理的および化学的特性と表面化学的特性は、原材料、調製プロセス、活性化方法によって大きく異なります。活性炭の吸着能力を決定する主な要因は、特定の表面積、細孔構造特性、表面特性、吸着吸着特性です。高温でのCO2上のいくつかの活性炭吸着剤の吸着性能が研究されました。さまざまなタイプの吸着剤の場合、CO2の吸着量は、活性炭の特定の表面積と総細孔体積に比例します。同じ吸着剤の場合、吸着量は圧力に比例し、温度に反比例します。

（2）活性炭繊維は、有機繊維を炭化および活性化することにより得られます。活性炭粉末と活性炭粒子の後の第3世代の炭素材料です。活性炭繊維は、粒状の活性炭、より小さなマイクロポア径（約1nm）よりも発達した特定の表面積を持ち、微量体積は総細孔体積の90％以上を占めています。同時に、繊維表面に直接開くため、大きな吸着能力、高い吸着効率、吸着と脱着の速度が大きいという利点があります。その構造と性能の特殊性により、大気汚染物質を吸着するために活性炭繊維を使用することは、科学研究者の研究ホットスポットとなり、優れたアプリケーションの見通しを示しています。

ゼオライト分子ふるいは、アルカリ金属およびアルカリの土酸化物を含む天然または合成結晶アルミノケイ酸塩です。厳格な構造と毛穴があります。細孔のサイズは、構造の違いによりわずかに異なり、異なる分子量の物質を分離できます。ゼオライト分子ふるい吸着剤は、空気からの窒素産生、CO2の分離、精製などのガス分離と精製によく使用されます。その吸着能力は、温度の上昇とともに減少します。 Lila et al。 asrtsa分子ふるいを使用して、空間カプセルからCO2を吸着させ、除去します。実験では、温度が175度に上昇すると、吸着量の24％しか25度であることが示されています。同じ条件下では、物理的な吸着でもあるゼオライト分子ふるいの吸着量は、活性炭の吸着量よりも高くなっています。

フランス国立科学研究センターの科学者は、大量の二酸化炭素ガスを吸収できるMIL-101と呼ばれる新しい材料を開発しました。この材料は、地球温暖化に抵抗する能力を高めることが期待されています。この材料は、クロムとテレフタル酸から合成されます。直径3.5nmの小さな穴で覆われた表面を持つ多孔質複合ナノ材料です。したがって、吸着能力は非常に強いです。 1mの量のMIL-101³400mを保管できます³25度の二酸化炭素の。同じ条件下での現在の一般的な吸着材料の貯蔵容量はわずか200mです³。この新しい材料を車に置いて、放出する二酸化炭素をろ過することができ、それにより温室効果ガスの排出を削減する目的を達成できます。

2つのシリカゲル吸着剤のCO吸着性能を比較し、シリカゲル上のN2とCO2の吸着等温線を測定し、異なるシステムのCO2の動的吸着浸透曲線を調査しました。結果は、シリカゲル吸着剤によるCO2の吸着量が活性炭の吸着量に匹敵し、吸着選択性は活性炭の吸着選択性よりも優れていることを示しています。より大きな特定の表面積と高い細孔含有量は、CO2の吸着に有益であり、適切な細孔分布は、シリカゲル吸着剤の内部拡散抵抗を減らすのに役立ちます。

この研究では、メソポーラス分子ふるい粉末をキャリアとして使用し、CO2吸着材料を調製するために異なる有機アミンを搭載しました。固体アミンCO2吸着剤は、化学反応を介して酸性ガスCO2を選択的に吸着する可能性があり、水蒸気による影響が少なくなります。キャリアが高い吸着能力の特性を示したため、特異的な表面積と細孔体積を持つメソポーラス材料を使用して調製した固体アミンCO2吸着剤。特に、メソポーラス材料の元の粉末に含まれるテンプレートミセルは保持され、さまざまなスケールの「メッシュ」がメソポーラス空間に形成され、気流にCO2を傍受および吸着させ、吸着効率が高くなります。アミン化合物を搭載したゼオライトの二酸化炭素吸着が研究され、結果は、ゼオライトのCO2吸着能力がアミンをロードした後に20％〜30％増加したことを示しました。これは、物理的な吸着と化学的吸着の両方が複合材料の吸着プロセスで発生し、二重効果が相乗効果があるためです。

従来の有機溶媒とは異なり、イオン液体は、蒸気圧が低いため、脱炭素化プロセス中に揮発性の有機化合物を生成しません。同時に、イオン液体は繰り返し使用できます。米国エネルギー省の化石エネルギー局と米国国立エネルギー技術研究所、ジェニファーL、王Zhongniなどの共同資金により、さまざまなイオン液体を実施しました。物理的特性とCO2吸収メカニズム研究。結果は、与えられたイオン液体の中で、イオン液体がCO2に対してより良い選択性を持っていることを示しています。同時に、イオン液体には高いCO、吸収荷重、再生熱要件が低いことがわかります。

強力なアルカリイオン交換繊維によるCO2の吸着を研究しました。彼らは、ガスの吸着と脱着プロセスをシミュレートし、強力なアルカリイオン交換繊維がCO2ガスをよく吸着させることができることを発見しました。強力なアルカリアニオン交換繊維によるCO2ガスの吸着に影響を与えるさまざまな要因の研究は、水分含有量の変化が吸着に最も大きな影響を与えることを示し、高水分含有量は繊維によるガスの吸着を助長します。遅いガス流量は、繊維によるガスの吸着を助長し、高速流量もガスをよく吸着させる可能性があります。ガスの濃度が一定の制限を超えない限り、繊維の吸着が影響を受けません。交換列の形状は、繊維の吸着性能にも影響し、細長い交換列は短いものや厚い列よりも優れています。

膜ベースの吸収は、膜技術とガス吸収技術を組み合わせた新しい膜分離技術です。膜ベースの吸収は、膜の分離と液体吸収を結びつける新しい膜分離技術です。 CO2捕獲に適した膜材料はポリプロピレン中空繊維であり、膜吸収液は活性化ポリアミン水溶液です。混合ガスのCO2成分は、膜を優先的に通過し、ポリアミン水溶液によって吸収されます。その後、廃棄物液は膜蒸留によって再生され、その再生速度は98％を超える可能性があります。それは小さな領域を占有し、友好的な動作条件を持つだけでなく、中空繊維膜領域も大きく、CO2の合格速度が高く、溶液再生速度が高く、この方法は将来のCO2捕獲技術の開発動向になります。

人々の環境意識が徐々に増加するにつれて、さまざまな国が環境を保護するための努力を増やし、それは必然的に二酸化炭素捕獲材料の開発を促進する上で前向きな役割を果たすでしょう。近年、二酸化炭素捕捉材料に関する研究作業は大きな進歩を遂げました。二酸化炭素キャプチャテクノロジーは、低価格、単純な動作プロセス、低動作コスト、および長期リサイクルの方向に発展しています。これには、二酸化炭素キャプチャ材料が生産原材料の容易な入手可能性と低価格、シンプルで環境に優しい生産プロセス、優れた再生能力、リサイクル可能な使用の特性を持つ必要があり、同時に二酸化炭素、硫化水素、酸化窒素などの複数の汚染物質を治療できる必要があります。これにより、インテリジェントな二酸化炭素キャプチャー材料が将来の開発動向になります。新しい材料は、環境の変化に応じて、独自の表面特性を適切に調整し、さまざまな大気の吸着を強化できます。