研究背景:


現代文明的發展很大程度上歸功于工業技術的進步,這需要大量的能源。然而,這導致了環境污染,特別是在所有工業領域都不可避免地產生的二氧化碳,已被確定為全球變暖的主要原因。因此,科學家們正在積極開展減少二氧化碳排放的研究。


去除空氣中的二氧化碳的方法包括吸附法、吸收法、膜法和低溫法。根據所用溶劑的類型,吸收過程可以分為化學吸收和物理吸收。通常情況下,化學吸收,即通過與CO2作為吸收劑的化學結合從合成氣中收集二氧化碳氣體,在常壓下發生的速率比物理吸收的速率高。因此,化學吸收適用于大氣條件下的燃燒后CO2捕集。此外,由于吸附劑的高粘度和腐蝕性,吸附劑通常溶于水,用作水溶液,降低了其性能。


而在物理吸收法中,根據亨利溶解度定律,氣體溶解度隨溫度降低、壓力增大而增大。燃燒前捕集有利于物理吸收,因為高壓和吸收劑的再生,可以發生在接近沸點。但由于CO2吸收性能較低,物理吸收設備的尺寸要高于化學吸收設備的尺寸。為了防止這種情況發生,吸收系統的溫度應保持在?40℃左右,這與以甲醇為吸收劑時物理吸收所使用的溫度相似。吸收溫度的降低提高了其CO2捕集性能。綜上所述,碳捕獲和儲存(CCS)技術可以減少能源發電系統內的二氧化碳排放。然而,由于低溫下物理吸收二氧化碳的過程能耗大,CCS技術間接排放二氧化碳。


由于納米技術的發展,近年來人們對將納米技術應用于電氣工程、醫學、食品和熱工程等各個領域的興趣有所增加。納米流體于1995年由Choi提出;從那時起,納米技術和界面工程的快速發展導致了納米流體制造技術的發展,能夠穩定分散納米顆粒。到目前為止,對納米流體的研究大多集中在熱工程領域,其中納米流體主要用于改善制冷劑的熱性能。金等人是第一個使用納米流體促進吸收式制冷系統中的傳熱;他們報道稱納米顆粒改善了系統的傳質性能。


Jae Won Lee為首的團隊展開研究,并以“Review of nanoabsorbents for capture enhancement of CO2 and its industrial applications with design criteria”為題,于北京時間2020年11月16日發表于Renewable and Sustainable Energy Reviews,旨在綜述了CO2捕集用納米吸附劑的傳質特性和增強機理。


捕獲二氧化碳的納米吸附劑及其工業應用研究進展


研究方法及分析:


將納米材料分散在液體吸附劑中制備的納米吸附劑由于其優異的傳熱傳質特性而引起了研究人員的廣泛關注,并顯示出廣泛的應用前景。因此,近年來,人們開展了大量的實驗和理論研究,研究納米吸附劑在不同領域的傳質性能增強。該研究綜述了CO2捕集用納米吸附劑的傳質特性和增強機理。該研究從納米吸附劑的吸收(破泡、穿梭和界面混合效應)和再生(活化能、熱和表面效應)兩方面討論了所提出的增強機制。實驗室實驗和參數分析結果表明,當納米材料具有較高的比表面積、較高的熱導率、較小的團簇尺寸和磁性時,納米材料的CO2吸收性能達到最大,這可以用該研究提出的理論模型來解釋?;诖?,研究者提出了以下選擇納米材料以最大限度地提高CO2吸收/再生性能的標準:熱物理特性、粉末/團簇大小、濃度和納米吸附劑的添加。在未來,傳質研究需要進行實際應用,并應考慮分散穩定性和綜合吸收/再生過程。此外,實際應用需要在反應器中獲得最佳的幾何條件和氣液接觸模式。最后,該研究提出了未來工業應用CO2吸收與再生的研究方向,包括放大方法、數值方法和生命周期分析。


在被動CO2吸收過程中,液體并不在吸收器內進出,而是停留在吸收器內。相反,在主動CO2吸收過程中,液體吸收劑流入和流出吸收器。在實際操作系統中,二氧化碳吸收是使用托盤或填料塔進行的。含二氧化碳的原始氣體通過塔的底部供應;吸收劑通過頂部加入,CO2通過氣液界面接觸被吸收。根據氣液接觸方法的不同,塔被認為是托盤或填料。塔板柱由幾個塔板組成,塔板上有許多孔允許氣體流動,并有一個大孔允許液體通過。填料柱是氣體和液體沿著特定形狀結構之間的空隙所形成的路徑流動的系統。圖1描述了兩種類型的主動吸收系統的吸收器形狀。與被動吸收CO2相反,主動吸收CO2主動提供新鮮的吸收劑。


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圖1所示。用于主動吸收系統的吸收器的形狀:(a)托盤和(b)填料塔。


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圖2所示。垂直環形接觸器。其中ro、ri、H、d和ω分別表示外圓筒半徑、內圓筒半徑、高度、間隙距離和角速度。


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圖3所示。CO2吸收再生系統;

(a)原理圖相結合的二氧化碳吸收和再生系統:

(1),(2),(3)二氧化碳罐恒溫器,

(4)質量流量控制器,

(5)吸收器,(6)凈化器,(7)質量流量計、

(8)泵、(9)蓄熱器,(10)加熱系統,

(11)冷凝器,(12)凈化器,

(13)質量流量計,(14)吸水儲層,(15)冷卻器,(16)超聲發生器;

(b)塔板式吸收塔的細節。


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圖4所示。在CO2氣體流速為0.015 g/s時,不同硅油/表面活性劑比的CO2氣泡尺寸隨時間的變化規律。


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圖5所示。分散在物理吸附劑中的納米材料的結構差異(a) Al2O3/H2O, (b) SiO2/H2O和(c)十二烷/MeOH。


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圖6所示。影響CO2傳質性能的因素。


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圖7所示。吸收增強與吸收劑濃度


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圖8所示。改性吸收增強比與納米吸收劑濃度


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圖9所示。手動跟蹤在293 K懸浮在水中的單個200 nm粒子在壁面附近的布朗運動。


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圖10所示。納米乳平均粒徑與十二烷濃度的關系。


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圖11所示。用于分析化學吸收的雙膜理論原理圖;這里的MEA表示單乙醇胺。


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圖12。工業應用研究流程示意圖;SDS、SDBS和HLB分別表示十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉和親水親脂平衡。


為了擴大工業系統的實驗室規模實驗結果,應進行量綱分析。然而,吸收過程中CO2氣體的濃度差與傳質系數有關,難以測量。因此,研究人員需要建立預測納米運動的解析模型,并將其與湍流的k-ε模型、CO2氣泡的人口平衡模型以及傳質關聯(Ranz-Marshall等)相結合。接下來,可以根據每個參數的變化得到無量綱相關(通常是舍伍德數),結果可以通過實驗進行驗證。因此,可以估計納米吸附劑的工業級性能。最后,生命周期評估可以使納米吸收劑的工業應用成為可能,因為它考慮了諸如整個系統的輸入能量、資本成本和燃料成本等因素。


研究結論:


該研究綜述了納米吸附劑對二氧化碳捕獲的增強作用。結果表明,納米吸附劑在氣-液和液-液過程中均能促進傳質,其可能的應用范圍超出了廣泛分析的強化傳熱。納米吸附劑可用于許多工業過程,從二氧化碳捕獲到有害氣體的去除,吸附性熱泵,以及能量轉換和供應。納米吸附劑的傳質特性取決于許多因素,包括納米顆粒材料、納米顆粒濃度、粒徑和形狀、基底吸收劑、壓力、溫度、流速和化學添加劑。使用納米吸附劑增強二氧化碳吸收性能已在大多數報告中得到證實;但是,為了建立有助于MTE的科學和技術機制,需要處理下列各點。


提出了以下CO2吸收/再生性能增強模型:氣泡破碎、穿梭效應、界面混合效應等吸收增強模型,以及活化能、熱和表面效應等再生增強模型。本研究中討論的各種吸收/再生促進作用應通過實驗加以驗證。


建議建立一種可行的理論來預測懸浮在吸附劑中的納米粒子的基本MTE機制?;趨捣治?,提出了以下選擇標準,以最大限度地提高CO2吸收性能:(1)大比表面積(>500 m2/g),(2)單一粉體尺寸(<50 nm)和團簇尺寸< 200 nm,(3)強磁性,(4)高導熱性(>30 W/m?K)。SDS、SDBS等表面活性劑可以提高含納米材料吸附劑的CO2吸收性能。所有這些趨勢都可以用布朗運動原理來解釋。


原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032120308091



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