В последние годы, с усилением глобального потепления, CO2, как основной парниковый газ, привлек к себе всеобщее внимание во всем мире. Чтобы смягчить проблему глобального изменения климата, вызванного выбросами CO2, в этом году были официально предложены «пик углерода» и «углеродная нейтральность» для достижения «сокращения выбросов углерода». Человеческий фактор привел к значительному увеличению концентрации СО2 в атмосфере. Среди них выбросы CO2 угольных электростанций составляют около 1/3 мировых. Следовательно, необходимо принять меры по удалению большого количества СО2 из остаточных газов угольных электростанций.

В настоящее время промышленные методы удаления CO2 из дымовых газов в основном включают традиционные методы, такие как абсорбция растворителя, мембранное разделение, адсорбция при переменном давлении и криогенная дистилляция.

Фундаментальный

Метод мембранной абсорбции - это новый тип процесса разделения, сочетающий мембранное разделение и обычную абсорбцию. Чаще всего используются микропористые мембраны. В этом процессе две фазы газ-жидкость контактируют и массопереносятся на фиксированной границе раздела газ-жидкость и текут с обеих сторон соответственно. Сама мембрана не имеет селективности по отношению к газу и служит только для изоляции абсорбента от газа. CO2 диффундирует через мембрану в жидкую сторону под действием градиента концентрации. Теоретически поры мембраны могут позволить молекулам газа, разделенным на одной стороне мембраны, проникать на другую сторону мембраны без высокого давления, а цель разделения смешанных газов в основном достигается за счет избирательного поглощения абсорбента.

Основной принцип показан на рисунке ниже (в качестве примера возьмем гидрофобную пористую мембрану). Движущей силой этой технологии для достижения разделения газов является разница концентраций между фазами. Процесс массопереноса основан на законе Фика и может быть разделен на следующие три этапа: ① Во-первых, растворенное вещество переносится из смешанного газа на поверхность пор мембраны; ② Затем растворенное вещество переносится из пор мембраны. Диффузия на двухфазную границу раздела газ-жидкость; ③ Растворенное вещество в конечном итоге вступает в реакцию с абсорбентом и абсорбируется основной массой жидкой фазы.

Различные виды мембран для технологии абсорбции углекислого газа.

(1) Металлоорганический каркасный материал (MOF) смешан с органосиланом, и был успешно разработан и изготовлен ряд композитных газоразделительных мембран с высоким потоком и высокой селективностью.

(2) Выбор микропористого полимера (PIM-1) и наночастиц металлоорганического каркасного материала (MOF) для разработки нового типа мембранного материала для разделения диоксида углерода в виде мембран со смешанной матрицей (MMM), который имеет как высокую проницаемость, так и высокую селективность. .

(3) Комбинация технологии электропрядения, образования пор, реакции гидролиза и прививки позволила получить гибкую и прочную мембрану из полиакрилонитрильного нанопористого волокна с привитым полиэтиленимином (HPPAN-PEI).

Анализ влияющих факторов

(1) Анализ влияния при массопереносе

A. Соотношение CO2

Согласно теории двухмембранного массопереноса, чем выше доля CO2, тем толще пограничный слой газовой фазы, который препятствует диффузии большого количества CO2 в порах мембраны, тем самым снижая общий коэффициент массопереноса; и часть CO2 покидает мембрану, не вступая полностью в реакцию с абсорбирующим контактором, скорость удаления CO2 также будет снижена. Однако по мере увеличения объемной доли CO2 разница концентраций между фазами CO2 увеличивается, тем самым увеличивая скорость диффузии и массопереноса CO2.

(2) Факторы процесса

А. Структура мембраны

При условии, что количество и диаметр половолоконной мембраны фиксированы, увеличение длины волоконной мембраны увеличивает площадь поверхности мембраны, что, в свою очередь, увеличивает время пребывания CO2 в жидкой фазе, что способствует к реакции полного всасывания. Однако, если мембранная колонка слишком длинная, абсорбирующая жидкость станет насыщенной, что снизит движущую силу массопереноса газ-жидкость и снизит эффективность массопереноса.

Б. Материал мембраны

Мембранные материалы в основном представляют собой мембраны из органических полимеров, неорганические мембраны и органо-неорганические композитные мембраны. Среди них широко используемые мембранные материалы: полиэтилен (PE), полипропилен (PP), политетрафторэтилен (PTFE), полисульфон (PS), полиэфирсульфон (PES), поливинилиденфторид (PVDF) и др. Различные используемые в настоящее время мембранные материалы представляют собой все гидрофобные мембранные материалы, так что газовая фаза заполняет поры половолоконной мембраны во время процесса абсорбции и имеет большую площадь контакта, чем гидрофильные мембранные материалы. В модулях половолоконных мембран используются мембраны из различных материалов. Среди них полипропиленовые мембраны широко используются в промышленности из-за низкой стоимости материала. Мембрана из ПТФЭ обладает хорошими механическими и самосмазывающими свойствами, устойчивостью к высоким и низким температурам, стойкостью к химической коррозии и превосходит другие мембранные материалы.

C. абсорбент

Абсорбент, используемый при мембранной абсорбции, превратился из воды, сильных щелочных растворов и растворов неорганических солей в традиционные спиртовые растворы аминов, а затем в смешанные абсорбенты, содержащие добавки или несколько растворов. На следующем рисунке показаны преимущества и недостатки каждого абсорбента.