في السنوات الأخيرة ، مع اشتداد ظاهرة الاحتباس الحراري ، اجتذب ثاني أكسيد الكربون ، باعتباره غاز الدفيئة الرئيسي ، اهتمامًا واسع النطاق من جميع أنحاء العالم. من أجل التخفيف من مشكلة تغير المناخ العالمي الناجمة عن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، تم اقتراح "ذروة الكربون" و "حياد الكربون" رسميًا هذا العام لتحقيق "الحد من انبعاثات الكربون". أدت العوامل البشرية إلى زيادة كبيرة في تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. من بينها ، تمثل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من محطات الطاقة التي تعمل بالفحم حوالي ثلث العالم. لذلك ، من الضروري اتخاذ تدابير لإزالة كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون في الغاز المتخلف لمحطات الطاقة التي تعمل بالفحم.

في الوقت الحاضر ، تشتمل الطرق الصناعية لإزالة ثاني أكسيد الكربون من غاز المداخن بشكل أساسي على التقنيات التقليدية مثل امتصاص المذيبات ، وفصل الغشاء ، وامتصاص الضغط المتأرجح ، والتقطير المبرد.

أساسي

طريقة امتصاص الغشاء هي نوع جديد من عمليات الفصل التي تجمع بين فصل الغشاء والامتصاص العادي. تستخدم الأغشية الصغيرة التي يسهل اختراقها في الغالب. في هذه العملية ، يتلامس الغاز السائل على مرحلتين وينقل الكتلة عند السطح البيني الثابت بين الغاز والسائل ، ويتدفق على كلا الجانبين على التوالي. الغشاء نفسه ليس له انتقائية للغاز ، ويعمل فقط على عزل المادة الماصة من الغاز. ينتشر ثاني أكسيد الكربون عبر الغشاء إلى جانب السائل تحت تأثير تدرج التركيز. من الناحية النظرية ، يمكن أن تسمح مسام الغشاء لجزيئات الغاز المنفصلة على جانب واحد من الغشاء بالاختراق إلى الجانب الآخر من الغشاء دون ضغط مرتفع ، ويتم تحقيق الغرض من فصل الغازات المختلطة بشكل أساسي عن طريق الامتصاص الانتقائي للامتصاص.

يظهر المبدأ الأساسي في الشكل أدناه (خذ غشاء مسامي مسعور كمثال). القوة الدافعة لهذه التقنية لتحقيق فصل الغاز هي فرق تركيز الطور البيني. تعتمد عملية نقل الكتلة على قانون Fick ويمكن تقسيمها إلى الخطوات الثلاث التالية: أولاً ، يتم نقل المذاب من الغاز المختلط إلى سطح مسام الغشاء ؛ ② يتم بعد ذلك نقل المذاب من مسام الغشاء. يتفاعل المذاب في النهاية مع المادة الماصة ويتم امتصاصه في الجسم الرئيسي لمرحلة السائل.

أنواع مختلفة من الأغشية لتقنية امتصاص ثاني أكسيد الكربون

(1) تُركب مادة الإطار العضوي المعدني (MOF) مع السيلان العضوي ، وقد تم تصميم وإعداد سلسلة من أغشية فصل الغازات المركبة ذات التدفق العالي والانتقائية العالية بنجاح.

(2) اختيار جزيئات متناهية الصغر من البوليمر (PIM-1) ومواد الإطار العضوي المعدني (MOF) لتطوير نوع جديد من مادة غشاء فصل ثاني أكسيد الكربون في شكل أغشية مصفوفة مختلطة (MMMs) ، والتي تتميز بنفاذية عالية وانتقائية عالية .

(3) نجح الجمع بين الغزل الكهربائي وتشكيل المسام وتفاعل التحلل المائي وتقنية التطعيم في إعداد غشاء ليفي نانوي بولي أكريلونيتريل مرن وقوي مطعمة (HPPAN-PEI).

تحليل العوامل المؤثرة

(1) تحليل التأثير أثناء النقل الجماعي

نسبة ثاني أكسيد الكربون

وفقًا لنظرية نقل كتلة الغشاء المزدوج ، كلما زادت نسبة ثاني أكسيد الكربون ، زادت سماكة الطبقة الحدودية للطور الغازي ، مما يعيق انتشار كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون في مسام الغشاء ، مما يقلل من إجمالي معامل نقل الكتلة ؛ وجزء من ثاني أكسيد الكربون يترك الغشاء دون أن يتفاعل تمامًا مع موصل الامتصاص ، كما سيتم تقليل معدل إزالة ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك ، مع زيادة حجم جزء ثاني أكسيد الكربون ، يزداد فرق التركيز بين مراحل ثاني أكسيد الكربون ، مما يزيد من معدل انتشار وانتقال الكتلة لثاني أكسيد الكربون.

(2) عوامل العملية

أ. هيكل الغشاء

في حالة تثبيت عدد وقطر غشاء الألياف المجوف ، فإن زيادة طول الغشاء الليفي يزيد من مساحة سطح الغشاء ، مما يؤدي بدوره إلى زيادة وقت بقاء ثاني أكسيد الكربون في الطور السائل ، وهو ما يفضي إلى لرد فعل الامتصاص الكامل. ومع ذلك ، إذا كان عمود الغشاء طويلًا جدًا ، فسيصبح سائل الامتصاص مشبعًا ، مما يقلل من القوة الدافعة لنقل كتلة الغاز والسائل ويقلل من كفاءة نقل الكتلة.

ب. مادة الغشاء

المواد الغشائية عبارة عن أغشية بوليمر عضوية وأغشية غير عضوية وأغشية مركبة عضوية وغير عضوية. من بينها ، المواد الغشائية المستخدمة على نطاق واسع هي البولي إيثيلين (PE) ، والبولي بروبيلين (PP) ، والبولي تترافلوروإيثيلين (PTFE) ، والبولي سلفون (PS) ، والبولي إيثيرسلفون (PES) ، وفلوريد البولي فينيلدين (PVDF) ، إلخ. المواد الغشائية المختلفة المستخدمة حاليًا هي جميع مواد الأغشية الكارهة للماء ، بحيث تملأ المرحلة الغازية مسام غشاء الألياف المجوفة أثناء عملية الامتصاص ولها مساحة تلامس أكبر من مواد الغشاء المحبة للماء. تستخدم وحدات غشاء الألياف المجوفة مواد غشائية مختلفة. من بينها ، تستخدم أغشية البولي بروبلين على نطاق واسع في الصناعة بسبب أسعار المواد الرخيصة. يُظهر غشاء PTFE خصائص ميكانيكية جيدة وخصائص تشحيم ذاتي ، ومقاومة درجات الحرارة العالية والمنخفضة ، ومقاومة التآكل الكيميائي ، ويتفوق على مواد الأغشية الأخرى.

C. ماصة

تطورت المادة الماصة المستخدمة في امتصاص الغشاء من الماء ، والمحاليل القلوية القوية ، ومحاليل الملح غير العضوية إلى محاليل أمين الكحول التقليدية ، ثم إلى مواد ماصة مختلطة تحتوي على مواد مضافة أو عدة محاليل. يوضح الشكل التالي مزايا وعيوب كل مادة ماصة.