Nos últimos anos, com a intensificação do aquecimento global, o CO2, como principal gás de efeito estufa, tem atraído atenção generalizada de todo o mundo. A fim de aliviar o problema da mudança climática global provocada pelas emissões de CO2, "pico de carbono" e "neutralidade de carbono" foram formalmente propostos este ano para alcançar a "redução das emissões de carbono". Fatores humanos levaram a um aumento significativo na concentração de CO2 na atmosfera. Entre eles, as emissões de CO2 de usinas movidas a carvão respondem por cerca de 1/3 do mundo. Portanto, é necessário tomar medidas para remover uma grande quantidade de CO2 do gás residual das usinas a carvão.

Atualmente, os métodos industriais para a remoção de CO2 do gás de combustão incluem principalmente técnicas tradicionais, como absorção de solvente, separação por membrana, adsorção por oscilação de pressão e destilação criogênica.

Fundamental

O método de absorção por membrana é um novo tipo de processo de separação que combina a separação por membrana e a absorção comum. As membranas microporosas são mais utilizadas. Neste processo, o contato das duas fases gás-líquido e a transferência de massa na interface fixa gás-líquido e fluem em ambos os lados, respectivamente. A própria membrana não tem seletividade ao gás e serve apenas para isolar o absorvente do gás. O CO2 se difunde através da membrana para o lado líquido sob a ação de um gradiente de concentração. Teoricamente, os poros da membrana podem permitir que moléculas de gás separadas em um lado da membrana penetrem no outro lado da membrana sem alta pressão, e o propósito de separar gases mistos é alcançado principalmente pela absorção seletiva do absorvente.

O princípio básico é mostrado na figura abaixo (tome uma membrana porosa hidrofóbica como exemplo). A força motriz dessa tecnologia para conseguir a separação do gás é a diferença de concentração na interfase. O processo de transferência de massa é baseado na lei de Fick e pode ser dividido nas seguintes três etapas: ① Primeiro, o soluto é transferido do gás misturado para a superfície dos poros da membrana; ② O soluto é então transferido da Difusão dos poros da membrana para a interface de duas fases gás-líquido; ③O soluto eventualmente reage com o absorvente e é absorvido pelo corpo principal da fase líquida.

Diferentes tipos de membranas para tecnologia de absorção de dióxido de carbono

(1) O material de estrutura orgânica de metal (MOF) é composto de organosilano e uma série de membranas de separação de gás compostas com alto fluxo e alta seletividade foram projetadas e preparadas com sucesso.

(2) Seleção de nanopartículas de polímero microporoso (PIM-1) e material de estrutura orgânica de metal (MOF) para desenvolver um novo tipo de material de membrana de separação de dióxido de carbono na forma de membranas de matriz mista (MMMs), que tem alta permeabilidade e alta seletiva .

(3) A combinação de eletrofiação, formação de poros, reação de hidrólise e tecnologia de enxerto preparou com sucesso uma membrana de fibra nanoporosa de poliacrilonitrila enxertada com polietilenoimina forte e flexível (HPPAN-PEI).

Análise de fatores de influência

(1) Análise de influência durante a transferência de massa

A. Razão de CO2

De acordo com a teoria da transferência de massa de membrana dupla, quanto maior a proporção de CO2, mais espessa é a camada limite da fase gasosa, o que impede a difusão de grande quantidade de CO2 nos poros da membrana, reduzindo assim o coeficiente total de transferência de massa; e parte do CO2 sai da membrana sem reagir completamente com o contator absorvente, a taxa de remoção de CO2 também será reduzida. No entanto, à medida que a fração de volume de CO2 aumenta, a diferença de concentração entre as fases de CO2 aumenta, aumentando assim a difusão e a taxa de transferência de massa de CO2.

(2) Fatores de processo

A. Estrutura da membrana

Sob a condição de que o número e o diâmetro da membrana de fibra oca sejam fixos, o aumento do comprimento da membrana de fibra aumenta a área de superfície da membrana, o que por sua vez aumenta o tempo de residência do CO2 na fase líquida, o que é propício para a reação de absorção total. No entanto, se a coluna de membrana for muito longa, o líquido de absorção ficará saturado, o que reduzirá a força motriz da transferência de massa gás-líquido e diminuirá a eficiência da transferência de massa.

B. Material de membrana

Os materiais da membrana são principalmente membranas de polímero orgânico, membranas inorgânicas e membranas compostas orgânico-inorgânicas. Entre eles, os materiais de membrana amplamente utilizados são polietileno (PE), polipropileno (PP), politetrafluoroetileno (PTFE), polissulfona (PS), polietersulfona (PES), fluoreto de polivinilideno (PVDF), etc. Vários materiais de membrana usados ​​atualmente são todos materiais de membrana hidrofóbica, de modo que a fase gasosa preenche os poros da membrana de fibra oca durante o processo de absorção e tem uma área de contato maior do que os materiais de membrana hidrofílica. Os módulos de membrana de fibra oca usam diferentes materiais de membrana. Entre elas, as membranas de polipropileno são amplamente utilizadas na indústria devido ao baixo preço do material. A membrana de PTFE exibe boas propriedades mecânicas e propriedades autolubrificantes, resistência a altas e baixas temperaturas, resistência à corrosão química e é superior a outros materiais de membrana.

C. Absorvente

O absorvente usado na absorção por membrana evoluiu de água, soluções alcalinas fortes e soluções de sais inorgânicos para soluções tradicionais de álcool amina e, em seguida, para absorventes mistos contendo aditivos ou várias soluções. A figura a seguir mostra as vantagens e desvantagens de cada absorvente.