منهجية اصطناعية لتحضير مركبات السيليكا القائمة على الأمين المشربة والمطعمة لالتقاط الكربون
概要
يهدف هذا العمل إلى تسهيل تطوير تقنيات موحدة لتشريب أو تطعيم المركبات الأمينية على ركائز السيليكا ، والتي غالبا ما يتم وصفها على نطاق واسع في الأدبيات. ستتم مناقشة كميات محددة من المذيبات والركيزة والأمينات وقيم المعلمات التجريبية المهمة الأخرى بالتفصيل.
Abstract
في الآونة الأخيرة ، كان هناك جهد كبير نحو تقليل أو تخفيف انبعاثات CO2 من خلال استخدام مواد احتجاز الكربون لمصدر النقطة أو طرق التقاط الهواء المباشر (DAC). يركز هذا العمل على الممتزات CO2 الوظيفية بالأمين ل DAC. هذه المواد تبشر بالخير لإزالة CO2 لأنها تتمتع باستهلاك منخفض للطاقة المتجددة وقدرة امتصاص عالية. يجمع دمج أنواع الأمين في ركيزة مسامية بين مزايا تقارب أنواع الأمين مع CO2 مع أحجام المسام الكبيرة ومساحات سطح الركيزة المسامية. هناك ثلاث طرق شائعة الاستخدام لإعداد المواد الماصة CO2 القائمة على الأمين ، اعتمادا على اختيار أنواع الأمين ، والدعم المادي ، وطريقة التحضير. هذه الطرق هي التشريب أو التطعيم أو التخليق الكيميائي. السيليكا هي الخيار السائد لمواد الركيزة بسبب حجم المسام القابل للتعديل ، وتحمل الرطوبة ، واستقرار درجة الحرارة ، والقدرة على امتصاص CO2 بتركيزات منخفضة لتطبيقات DAC. يتم وصف الإجراءات الاصطناعية النموذجية والسمات الأولية لكل من مركبات الأمين والسيليكا المشربة والمطعمة هنا.
Introduction
كانتانبعاثات ثاني أكسيد الكربون البشرية المنشأ على مدى العقود العديدة الماضية متورطة على نطاق واسع باعتبارها العامل الرئيسي الذي يدفع تأثير غازات الدفيئة وبالتالي تغير المناخالمرتبط 1،2،3،4. هناك طريقتان عامتان لالتقاط CO2 ، مصدر النقطة والتقاط الهواء المباشر. لأكثر من 50 عاما ، تم استخدام تقنيات التقاط CO 2 للتنظيف الرطب لالتقاط مصدر النقطة داخل الصناعة للتخفيف من انبعاثات CO2 5,6. تعتمد هذه التقنيات على الأمينات ذات الطور السائل التي تتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون2 لتكوين كربامات في ظل الظروف الجافة وكربونات الهيدروجين في وجود الماء 7,8 ، انظر الشكل 1. السبب الرئيسي وراء استخدام احتجاز الكربون وتخزينه في مصادر (صناعية) كبيرة هو منع إطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون2 ، وبالتالي يكون له تأثير محايد على إجمالي تركيز ثاني أكسيد الكربون2 في الغلاف الجوي. ومع ذلك ، تعاني أنظمة احتجاز الكربون من مصدر نقطي من العديد من العيوب ، مثل تآكل المعدات ، وتدهور المذيبات ، ومتطلبات الطاقة العالية للتجديد9. يتجاوز التقاط الهواء المباشر (DAC) خفض الانبعاثات ويمكن أن يسهل إزالة ثاني أكسيد الكربون2 من الغلاف الجوي. إزالة هذا CO2 الحالي ضروري للحد من استمرار تغير المناخ. DAC هي منهجية ناشئة ويجب أن تعالج صعوبات إزالة التركيزات المنخفضة من ثاني أكسيد الكربون في الظروف الجوية (400 إلى 420 جزء في المليون) ،وتعمل في مجموعة متنوعة من الظروف البيئية المختلفة ، وتلبي الحاجة إلى مواد فعالة من حيث التكلفة يمكن إعادة استخدامها عدة مرات1،2،3. هناك حاجة إلى عمل كبير لتحديد المواد التي تلبي هذه المتطلبات ، والتي من شأنها تسريع اعتماد DAC وتحسين جدواها الاقتصادية. والأهم من ذلك، يجب التوصل إلى توافق في الآراء بين المجتمعات المحلية بشأن المعايير الحاسمة للقياس، وهو أمر ضروري لوضع المواد المرجعية.
الشكل 1: رسم تخطيطي لآلية التقاط CO 2 الممتزة لأمين السائل المتوقع. يكون التفاعل العلوي في ظروف جافة ، ويكون التفاعل السفلي في وجود الرطوبة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
وفي محاولة لمعالجة هذه العيوب، أسفر قدر كبير من البحث والتطوير لتكنولوجيا المواد المسامية الجديدة عن مجموعة واسعة من المواد الواعدة التي يمكن استخدامها إما كمواد التقاط أو ركائز ل DAC. بعض الأمثلة على هذه المواد تشمل أنواع السيليكا المسامية 10،11،12،13 ، الزيوليت 14،15 ، الكربون المنشط16،17 ، والأطر المعدنية العضوية 18. تظهر العديد من الممتزات الأمينية المدعومة بالمواد الصلبة أيضا تحملا أعلى للماء ، وهو اعتبار حيوي في إزالة CO2 من خلال مناهج DAC. بالنسبة لتطبيقات DAC ، يجب على الباحثين مراعاة الظروف البيئية الرطبة / الجافة ، ودرجات الحرارة الساخنة / الباردة ، وتركيز CO2 في الغلاف الجوي المخفف بشكل عام. من بين مواد الركيزة المختلفة ، يتم استخدام السيليكا بشكل شائع بسبب أحجام المسام القابلة للتعديل ، والقدرة على عمل السطح ، ومساحة السطح الكبيرة1،2،3. تم وصف الإجراءات التركيبية النموذجية والسمات الأساسية لكل من مركبات الأمين والسيليكا المشربة والمطعمة في هذا العمل (الشكل 2). التوليف المباشر ، حيث يتم تصنيع المادة في الموقع مع كل من المكونات ، الركيزة والأمين ، هو منهجية أخرى شائعة الاستخدام2.
الشكل 2: تمثيلات تخطيطية للتشريب. خلط PEI وركيزة السيليكا في الميثانول من خلال الانتشار (أعلى) ومركبات الأمين والسيليكا المطعمة من خلال الربط التساهمي (أسفل). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
التشريب هو طريقة يتم فيها امتصاص الأمين جسديا على سطح ، في هذه الحالة ، وسط سيليكا مسامي ، من خلال قوى فان دير فال والترابط الهيدروجيني بين سطح الأمين والسيليكا19 ، انظر الشكل 2. تستخدم المذيبات مثل الإيثانول والميثانول بشكل شائع لتعزيز انتشار الجزيئات في التركيب المسامي لمادة الركيزة. يمكن أيضا تسخين المحلول لزيادة قابلية ذوبان البوليامين ذو الكتلة المولية العالية ، وبالتالي زيادة تجانس تغلغل الأمين داخل المسام. في حالة المواد المشربة ، يتم تحديد كمية الأمين التي يتم إدخالها إلى ركيزة السيليكا من خلال الكمية الأولية للأمين ومساحة سطح الركيزة. إذا تجاوزت كمية الأمين التي تم إدخالها مساحة السطح المتاحة لركيزة السيليكا ، فسوف تتكتل أنواع الأمين على سطحها. هذا التكتل واضح بسهولة ، حيث ستظهر المادة المشربة على أنها تحتوي على طلاء يشبه الهلام ، وغالبا ما يكون أصفر ، بدلا من المظهر الأبيض والبودرة المتوقع1. من بين العديد من أنواع الممتزات الصلبة ذات قاعدة الأمين ، يعد البولي إيثيلين (PEI) ورباعي إيثيلين البنتامين (TEPA) الأكثر استخداما بسبب ثباتها العالي ومحتواها العاليمن النيتروجين 20. بالنسبة للأنظمة المشربة ماديا ، يمكن حساب كمية التحميل النظرية للأمين من الكميات المرجحة مسبقا للركيزة وكثافة الأمين. تكمن الميزة الواضحة للتشريب المادي في إجراء التوليف المباشر لإعداده ، فضلا عن إمكانية وجود محتوى أمين كبير بسبب المسامية العالية لركيزة السيليكا. على العكس من ذلك ، فإن استقرار الأمين داخل السيليكا محدود لأنه لا يوجد رابط تساهمي بين دعم الأمين والسيليكا. لذلك ، بعد دورات متعددة من امتصاص CO2 وتجديده من خلال الحرارة أو البخار ، يمكن أن يتسرب الأمين من المسام. على الرغم من هذه العيوب ، فإن تنفيذ مثل هذه المواد ل DAC يحمل وعدا كبيرا لإزالة CO2 من الغلاف الجوي.
خيار آخر لإعداد مواد DAC هو التطعيم. التطعيم طريقة يتم من خلالها تثبيت الأمينات على ركيزة السيليكا المسامية من خلال تفاعل كيميائي، كما هو موضح في الشكل 2. يستمر هذا التفاعل عن طريق تفاعل أمينوسيلان مع مجموعة السيلانول الوظيفية للسطح ، مما ينتج عنه رابطة تساهمية. لذلك ، يؤثر عدد المجموعات الوظيفية على سطح ركيزة السيليكا على كثافة الأمين المطعمة21,22. بالمقارنة مع الممتزات المشبعة بالأمينات ، كان لطرق التطعيم الكيميائي قدرة امتصاص أقل لثاني أكسيد الكربون2 ويرجع ذلك أساسا إلى انخفاض تحميل الأمين21. على العكس من ذلك ، زادت الأمينات المطعمة كيميائيا من الاستقرار الحراري بسبب هيكلها المرتبط تساهميا. يمكن أن يكون هذا الاستقرار مفيدا في تجديد المادة حيث يتم تسخين المواد الممتزة (مثل السيليكا المطعمة) وضغطها لإزالة ثاني أكسيد الكربون2 الملتقط لإعادة استخدامه لتوفير المواد والتكلفة. في إجراء تخليق نموذجي ، يتم تشتيت ركيزة السيليكا المسامية في مذيب (على سبيل المثال ، التولوين اللامائي) ، والذي يتبعه بعد ذلك إضافة أمينوسيلان. ثم يتم غسل العينة الناتجة لإزالة الأمينوسيلان غير المتفاعلة. تم الإبلاغ عن تحسينات في كثافة أمينوسيلان من خلال إضافة الماء ، وتحديدا مع SBA-15 ، لتوسيع حجم المسام23. يستخدم إجراء التطعيم الذي سيتم وصفه هنا تقنيات حساسة للرطوبة. لذلك ، لن يتم استخدام مياه إضافية. يعد تنفيذ مواد أمينوسيلان المطعمة ل DAC واعدا بسبب ثباتها المتوقع أثناء عمليات امتصاص وامتصاص ثاني أكسيد الكربون2. ومع ذلك ، فإن العيوب الرئيسية لهذه المنهجية تشمل التفاعلات / التحضير المعقد لهذه المواد ، مما يؤدي إلى زيادة التكلفة ، وقدرتها الإجمالية المنخفضة على امتصاص CO2 ، مما يعني أن هناك حاجة إلى كميات أكبر.
بشكل عام ، تشير نتائج العديد من الدراسات السابقة إلى أن بنية الركيزة والتعديل المرتبط بالأمين له تأثير كبير على أداء الامتزاز مع دراسات محددة تستخدم تقنيات مثل المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) وتشتت النيوترونات شبه المرنة (QENS) لتوصيف هذه المواد بشكل كامل24,25. بمعنى آخر ، تحدد الخصائص الهيكلية (على سبيل المثال ، المسامية ومساحة السطح) لمادة الركيزة تحميل الأمين ، لذا فإن زيادة هذه المعلمات يمكن أن تحسن قدرة CO2 24,25. يعد البحث المستمر في تحسين وتصميم مواد الركيزة وعمليات التحضير أمرا بالغ الأهمية لتطوير الممتزات عالية الأداء ل DAC. الهدف من هذا العمل هو توفير إرشادات حول التشريب وتخليق الأمين المطعمة على أمل تسهيل شفافية أفضل للتقنيات الاصطناعية. في الأدبيات ، لا يتم دائما وصف تفاصيل محددة عن كميات المذيبات والركيزة والأمينات ، مما يجعل من الصعب فهم العلاقة بين كميات التحميل التجريبية والقياسات الكمية لمركبات الأمين والسيليكا. سيتم توفير كميات التحميل الدقيقة ووصف مفصل للإجراءات التجريبية هنا لتسهيل هذه الأنواع من المقارنات بشكل أفضل.
Protocol
Representative Results
Discussion
تهدف الطرق الموضحة هنا إلى توفير بروتوكول لإعداد الممتزات المركبة من السيليكا الأمينية المشربة والمطعمة. تستند الإجراءات التي وثقناها إلى مراجعة التقنيات الواردة في الأدبيات وتلك المكررة في مختبرنا. 1,2,3. يعد تحضير هذه المواد مفيدا في مج…
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تود شارلوت إم وينتز أن تعترف بالتمويل من خلال جائزة NIST # 70NANB8H165. تود زويس تسيناس أن تعترف بالتمويل من خلال جائزة NIST # 70NANB22H140.
Materials
| Anhydrous methanol | Sigma-Aldrich | 322415 | Does not come with sure-seal |
| Anhydrous toluene | Sigma-Aldrich | 244511 | Comes with sure-seal |
| Ceramic Stirring Hot Plate | NA | NA | The size, watage, and thermal capabilities of the stirr plate will differ depending on individual lab facilities. |
| Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) | Nicolet i550 series spectrometer | NA | Run on OMNIC standard software |
| Gastight syringe | NA | NA | As long as the gas tight syringe has a PTFE plunger and luer tip, is suited for air sensitive technique and can be used in this protocol. |
| Glass vial | NA | NA | As long as the vial is made if borosilicate glass and has a screw based cap the brand name, size, or general shape does not matter for the protocol. |
| MCM-41 silica | ACS Material | MSM41A01 | Cas no. 7631-86-9 |
| Metal needle | NA | NA | Syringe needles need to be stainless steel. It is recommended to determine length and outerdiameter of needle by what will be transferred using the gas tight syringe. For large quantities of liquid a larger outer diameter will improve transfer rates. |
| N’-(3-trimethylsilyl propyl) diethyleneamine (DAS) | Sigma-Aldrich | 104884 | Comes with sure-seal |
| Polyethyleneimine (PEI) | Sigma-Aldrich | 408719 | Does not come with sure-seal |
| Schlenk round bottom flask | ChemGlass AirFree | NA | As long as the flask is suited for high pressure and temperture but the brand name, size, or general shape does not matter for the protocol |
| Thermogravemetric Anlysis (TGA) | TA Advantage | NA | 550 series from Waters and TA Instruments |
参考文献
- Zhu, X., et al. Recent advances in direct air capture by adsorption. Chemical Society Reviews. 51 (15), 6574-6651 (2022).
- Zhao, P., Zhang, G., Yan, H., Zhao, Y. The latest development on amine functionalized solid adsorbents for post-combustion CO2 Capture: Analysis review. Chinese Journal of Chemical Engineering. 35 (8), 17-43 (2021).
- Chen, D., Zhang, S., Row, K. H., Ahn, W. -. S. Amine-silica composites for CO2 capture: A short review. Journal of Energy Chemistry. 26 (5), 868-880 (2017).
- Nie, L., Mu, Y., Jin, J., Chen, J., Mi, J. Recent developments and considerations issues in solid adsorbents for CO2 capture from flue gas. Chinese Journal of Chemical Engineering. 26 (11), 2303-2317 (2018).
- Nithyashree, N., Manohara, G. V., Maroto-Valer, M. M., Garcia, S. Advanced high-temperature CO2 sorbents with improved long-term cycling stability. American Chemical Society Applied Material Interfaces. 12 (30), 33765-33774 (2020).
- Song, C., et al. Alternative pathways for efficient CO2 capture by hybrid processes-A review. Renewable and Sustainable Energy Review. 82, 215-231 (2018).
- Rochelle, G. T. Amine scrubbing for CO2 capture. Science. 325 (5948), 1625-1654 (2009).
- Vaidye, P. D., Kenig, E. Y. CO2-alkanolamine reaction kinetics: A review of recent studies. Chemical Engineering & Technology. 30 (11), 1467-1474 (2007).
- Veawab, A., Tontiwachwuthikul, P., Chakma, A. Corrosion behavior of carbon steel in the CO2 adsorption process using aqueous amine solutions. Industrial & Engineering Chemical Research. 38 (10), 3917-3924 (1999).
- Chen, S., Bhattacharjee, S. Trimodal nanoporous silica as a support for amine-based CO2 adsorbents: Improvement in adsorption capacity and kinetics. Applied Surface Science. 396, 1515-1519 (2017).
- Jiao, J., Cao, J., Xia, Y., Zhao, L. Improvement of adsorbent materials for CO2 capture by amine functionalized mesoporous silica with worm-hole framework structure. Chemical Engineering Journal. 306, 9-16 (2016).
- Guo, X., Ding, L., Kanamori, K., Nakanishi, K., Yang, H. Functionalization of hierarchically porous silica monoliths with polyethyleneimine (PEI) for CO2 adsorption. Microporous and Mesoporous Materials. 245, 51-57 (2017).
- Fatima, S. S., Borhan, A., Ayoub, M., Ghani, N. A. Development and progress of functionalized silica-based adsorbents for CO2 capture. Journal of Molecular Liquids. 338, 116913 (2021).
- Cheng, J., Liu, M., Hu, L., Li, Y., Wang, Y., Zhou, J. Polyethyleneimine entwine thermally-treated Zn/Co zeolitic imidazolate frameworks to enhance CO2 adsorption. Chemical Engineering Journal. 364, 530-540 (2019).
- Zagho, M. M., Hassan, M. K., Khraisheh, M., Al-Maadeed, M. A. A., Nazarenko, S. A review on recent advances in CO2 separation using zeolite and zeolite-like materials as adsorbents and fillers in mixed matrix membranes (MMMs). Chemical Engineering Journal Advances. 6, 100091 (2021).
- Wang, J., Wang, M., Zhao, B., Qiao, W., Long, D., Ling, L. Mesoporous carbon-supported solid amine sorbents for low-temperature carbon dioxide capture. Industrial & Engineering Chemistry Research. 52 (15), 5437-5444 (2013).
- Ünveren, E. E., Monkul, B. O., Sarioğlan, S., Karademir, N., Alper, E. Solid amine sorbents for CO2 capture by chemical adsorption: A review. Petroleum. 3 (1), 37-50 (2017).
- Demir, H., Aksu, G. O., Gulbalkan, H. C., Keskin, S. MOF membranes for CO2 capture: Past, present and future. Carbon Capture Science & Technology. 2, 100026 (2022).
- Xu, X., Song, C., Andresen, J. M., Miller, B. G., Scaroni, A. W. Novel polyethylenimine-modified mesoporous molecular sieve of MCM-41 type as high-capacity adsorbent for CO2 capture. Energy & Fuels. 16 (6), 1463-1469 (2002).
- Gelles, T., Lawson, S., Rownaghi, A., Rezaei, F. Recent advances in development of amine functionalized adsorbents for CO2 capture. Adsorption. 26 (94), 5-50 (2020).
- Rao, N., Wang, M., Shang, Z., Hou, Y., Fan, G., Li, J. CO2 adsorption by amine-functionalized MCM-41: A comparison between impregnation and grafting modification methods. Energy Fuels. 32 (1), 670-677 (2018).
- Anyanwu, J. T., Wang, Y., Yang, R. T. Amine-grafted silica gels for CO2 capture including direct air capture. Industrial & Engineering Chemistry Research. 59 (15), 7072-7079 (2020).
- Anyanwu, J. -. T., Wang, Y., Yang, R. T. CO2 capture (including direct air capture) and natural gas desulfurization of amine-grafted hierarchical bimodal silica. Chemical Engineering Journal. 427 (14), 131561 (2022).
- Sanz, R., Calleja, G., Arencibia, A., Sanz-Pérez, E. S. Amino functionalized mesostructured SBA-15 silica for CO2 capture: Exploring the relation between the adsorption capacity and the distribution of amino groups by TEM. Microporous and Mesoporous Materials. 158, 309-317 (2012).
- Moon, H. J., et al. Understanding the impacts of support-polymer interactions on the dynamics of poly(ethyleneimine) confined in mesoporous SBA-15. Journal of the American Chemical Society. 144 (26), 11664-11675 (2022).
- Xu, X., Song, C., Andresen, J. M., Miller, B. G., Scaroni, A. W. Preparation and characterization of novel CO2 "molecular basket" absorbents based on polymer-modified mesoporous molecular sieve MCM-41. Microporous and Mesoporous Materials. 62 (1-2), 29-45 (2003).
- Sousa, J. A. R., et al. H2S and H2O combined effect on CO2 capture by amino functionalized hollow microsphere silicas. Industrial & Engineering Chemistry Research. 60 (28), 10139-10154 (2021).
- Rim, G., et al. Sub-ambient temperature direct air capture CO2 using amine-impregnated MIL-101(Cr) enables ambient temperature CO2. JACS Au. 2 (2), 380-393 (2022).
