Forskare i Japan designade ett adsorberande tornsystem av grindtyp som fångar upp och separerar blandade gaser, CO2, för att möjliggöra sänkta växthusgasutsläpp från industriella källor. Kredit:Shotaro Hiraide Ph.D., Institutionen för kemiteknik, Kyoto universitet
Parisavtalet från 2015 satte ett mål att minska koldioxidutsläppen 2 utsläpp, en växthusgas som har orsakat den globala uppvärmningen till nivåer på mindre än 2°C mer än före den industriella revolutionen. För att uppnå detta mål, det är nödvändigt att minska industriell energiförbrukning, varav hälften används i separationsprocesser för rening, destillering och torkning av kemikalier. Det tar mycket energi och är kostsamt att separera en blandning av molekyler. Med andra ord, utvecklingen av en mycket effektiv och energibesparande separationsteknik är en av de viktigaste utmaningarna som världen står inför idag, varav CO 2 separering och fångst har hög prioritet för att minska växthusgaserna.
Adsorptionsseparationsmetoden för att separera en blandning av molekyler utnyttjar egenskapen att specifika molekyler adsorberas i ett poröst material. Så här fungerar vattenrenarfilter och deodoriserande kol i kylskåp. När en gasblandning hälls från ena änden av ett adsorptionstorn fyllt med ett poröst material (adsorbent), molekyler som starkt interagerar med adsorbenten fångas in i porerna. Vissa molekyler med en svag interaktion med adsorbenten adsorberas också i porerna, men de flesta passerar igenom och rinner ut ur adsorptionstornet. Molekylerna som tas in i porerna återvinns eller desorberas genom uppvärmning eller trycksänkning av innehållet i adsorptionstornet. För att selektivt adsorbera molekyler i en adsorbent, det finns ett behov av en starkare interaktion, men energin som krävs för desorption ökar i enlighet därmed. Nyckeln till att kraftigt förbättra adsorptionsseparationseffektiviteten är att hitta adsorbenter med vissa motstridiga egenskaper som selektivt kan adsorbera stora mängder molekyler och lätt desorbera dem.
Processerna för tryckvakuumsvängadsorption (PVSA) och temperatursvängningsadsorption (TSA), som båda är gasseparationsmetoder som använder porösa material, kan vara mer energieffektiv än destillation, som kräver selektiv kokning och kondensation. Dock, PVSA och TSA är inte utan sina begränsningar. Det är svårt att uppnå höggenomströmningsseparation med dessa tekniker eftersom tryckförluster orsakas på grund av nödvändig systemförstoring såväl som krossning av adsorbenter i botten av adsorptionskolonnen. Tidigare ansträngningar för att lösa dessa problem har orsakat andra problem som värme som genereras av adsorption, vilket resulterar i en minskning av adsorptionskapaciteten, så det finns ett behov av att hitta ett nytt adsorptionsmaterial som uppvisar en stor lastkapacitet, hög selektivitet och minimal adsorptionsvärme, som faktiskt står i konflikt med kända material.
Därför, fokus för denna forskning låg på "adsorbenter av grindtyp". Den största egenskapen hos detta material är att det har en flexibel struktur. Forskarna arbetade med ELM-11, en flexibel metall-organisk ram (MOF), vilket är ett poröst material med "portöppnande" och "grindstängande" egenskaper uppvisade vid specifika gastryck. ELM-11:s porer är stängda och absorberar inte CO 2 när koncentrationen av CO 2 gasblandningen är låg, men expanderar snabbt när CO 2 koncentrationen överstiger ett visst tröskelvärde, och öppnar porerna för att fånga upp CO 2 molekyler. Eftersom öppnings- och stängningsbeteendet hos porerna är som en grind, det kallas en gate typ adsorbent. ELM-11 deformerar sin struktur för att kapsla in CO 2 molekyler, och uppvisar därmed hög CO 2 selektivitet. Vidare, ELM-11 drar ihop sin struktur och frigör all adsorberad CO 2 molekyler när CO 2 koncentrationen i gasblandningen faller under ett tröskelvärde. Med andra ord, ELM-11 har egenskaper som är mycket lämpliga för CO 2 adsorption och separation. Det adsorberar selektivt CO 2 och desorberar lätt CO 2 .
För den verkliga tillämpningen av adsorptionsseparationen av CO 2 som finns i avgaserna, en stor mängd gas måste bearbetas med hög hastighet. Problemet är genereringen av värme i samband med CO 2 adsorption. I traditionella "hårda" adsorbenter, adsorptionsvärmen höjer temperaturen, vilket resulterar i minskad CO 2 adsorption och reducerad CO 2 selektivitet. ELM-11, som har en flexibel struktur, expanderar när den tar in CO 2 molekyler. Forskargruppen fokuserade på möjligheten att expansionen av ELM-11 kan generera kall värme och effektivt dämpa temperaturökningen på grund av CO 2 adsorption.
Först, de genomförde ett gasadsorptionsexperiment på ELM-11 och genomförde en mängd olika beräkningsstudier för att kvantifiera CO 2 separationskapacitet för ELM-11. De jämförde prestandadata med HKUST-1, en konventionell adsorbent som anses vara den mest lovande för att separera CH4 och CO 2 gasblandningar. Data visade att ELM-11 har en CO 2 selektivitet 9,7 gånger den för HKUST-1. Kompaniet 2 återvinningsmängden per adsorbentvikt är 2,1 gånger den för HKUST-1, som inte har någon inneboende värmehanteringsförmåga. ELM-11 visade sig vara extremt lämplig för höghastighetsadsorptionsseparationssystem.
Forskarna designade ett höghastighetsadsorptionsseparationssystem bestående av tvåstegs adsorptionstorn, en packad med HKUST-1. När CO 2 koncentrationen i gasblandningen överstiger ett visst tröskelvärde, ELM-11 expanderar snabbt och öppnar porerna, adsorberar CO 2 molekyler. Detta innebär att när CO 2 koncentrationen i gasen faller till tröskeln på grund av CO 2 adsorption på ELM-11, den återstående CO 2 adsorberas inte alls och rinner ut med CH4, vilket innebär att högren CH4-gas inte erhålls. Därför, för att förhindra detta problem installerade forskarna en liten adsorptionskolonn fylld med HKUST-1 som har utmärkta adsorptionsegenskaper för lågkoncentration av CO 2 gas, i det senare steget av adsorptionskolonnen fylld med ELM-11. De genomförde en genombrottsmätning för en blandad gas av CH4 och CO 2 med hjälp av en liten tvåstegs adsorptionskolonn, och kunde bekräfta att högren CH4-gas erhölls.
Adsorptionstornsystemet i två steg möjliggör minskning av den totala tornvolymen, minskar mängden adsorbent som används, och minskar energiförbrukningen. Vid första ögonkastet, systemet är baserat på en enkel idé, men det var möjligt att reducera systemstorleken avsevärt på detta sätt genom att designa adsorptionstornet i första steget så att egenskaperna hos ELM-11 kan uppvisas fullt ut. Hybridiseringssystemet som använder egenskaperna hos ELM-11 och HKUST-1 fungerade extremt effektivt.
Forskarna behövde klargöra tre frågor för att se om ELM-11 hade de nödvändiga egenskaperna som behövs för en verklig process med hög genomströmning. Först, det var nödvändigt att värdramverkets svar för portöppningen behövde vara mycket snabb. För det andra, separationsegenskaperna måste fungera för icke-isotermiska förhållanden, som inte tidigare rapporterats till forskarnas kännedom. För det tredje, fenomenet "avglidning" orsakat av en minskning av partialgastrycket under portöppningstrycket, vilket gör att den flexibla MOF inte kan adsorbera molekyler som måste åtgärdas. ELM-11 visade att forskarna kan övervinna dessa tre problem, problemet med att glida av kan hanteras med tvåstegs adsorptionstorn.
Dessutom, detta system kan användas för avgasbehandling av CO 2 utsläppskällor som värmekraftverk. För att använda detta höghastighetsadsorptions-/separationssystem som använder en gate-typ adsorbent i praktisk användning, hindrandet av portöppning på grund av pelletisering av flexibla MOF:er, och tryckfallet på grund av volymexpansionen av pellets måste åtgärdas. Teamet har redan börjat ta itu med dessa frågor.
Resultaten av denna nuvarande forskning har öppnat dörrarna till en ny era inom gasseparation. Motsvarande författare Hideki Tanaka från Shinshu University säger att, "studien tog tre år att publicera, vilket vi är mycket tacksamma för eftersom den många feedbacken från granskarna var mycket insiktsfull och de efterföljande omskrivningarna gjorde studien mer innovativ och bättre, vilket så småningom ledde till att tidningen publicerades i Naturkommunikation . Jag är mycket glad att det hårda arbetet av försteförfattaren Shotaro Hiraide från Kyoto University äntligen belönades."
