Химическое и физическое поглощение: ключевые роли в улавливании углерода
2025-12-24
01 Введение
Технология пиковой точки для улавливания углерода направлена на сокращение выбросов углекислого газа (CO₂) в атмосферу и стала важным решением проблемы изменения климата. В статье рассматриваются два метода улавливания углерода — химическое поглощение и физическое адсорбирование — а также их особенности в практическом применении.
02 Химическое поглощение: основа улавливания углерода
В настоящее время химическое поглощение играет важную роль в улавливании углерода, представляя собой эффективный способ извлечения CO₂ из дымовых газов, выделяемых электростанциями, промышленными объектами и другими точечными источниками. В ходе этого процесса газ, богатый CO₂, проходит через жидкий растворитель. После поглощения CO₂ растворителем, улавливаемый углерод выделяется и подвергается термической регенерации, после чего его хранят или используют.
Наиболее распространёнными абсорбентами являются моноэтаноламин (MEA) и диэтаноламин (DEA), которые широко применяются благодаря высокой аффинности к CO₂. Эти материалы способны к обратимым химическим реакциям с CO₂, обеспечивая циклы улавливания и выделения. Системы абсорбции, как правило, включают абсорбенты, сепараторы и регенерационные блоки. Регенерированный растворитель возвращается в абсорбент для повторного использования.
Технология абсорбции с использованием органических аминных растворителей была разработана рано и сегодня считается достаточно зрелой, при этом системы абсорбции способны обеспечивать высокие показатели улавливания. Однако органические аминные растворители подвергаются деградации в ходе постоянных циклов абсорбции и регенерации, что приводит к снижению адсорбционной способности и требует их регулярной замены.Кроме того, процесс регенерации растворителей потребляет значительное количество энергии, что в условиях отсутствия отходящего тепла может приводить к дополнительным выбросам углерода, дополнительно ограничивая его эффективность в комплексном снижении выбросов. Более того, утилизация отходящих растворителей может вызывать новые экологические проблемы. В последние годы особое внимание уделяется технологиям улавливания углекислого газа на основе физического адсорбирования.
03 Физическое адсорбирование: улавливание углерода с помощью пористых материалов
Технология адсорбции в основном использует пористые материалы, такие как цеолиты, активированный уголь и металлоорганические каркасы (МОК), для физической адсорбции CO₂. В отличие от абсорбции, адсорбция представляет собой физическое захватывание молекул CO₂ поверхностью твёрдых адсорбентов без химических реакций, происходящих в ходе этого процесса.
Среди наиболее распространённых твёрдых адсорбентов активированный уголь отличается низкой селективностью адсорбции, что приводит к низкой эффективности и высокому энергопотреблению при использовании для улавливания CO₂ от точечных источников. Материалы, такие как цеолиты и молекулярные сита, помимо низкой селективности, также сильно зависят от содержания водяного пара. Практическое применение требует дополнительных этапов сушки, что увеличивает стоимость улавливания.Кроме того, из-за низкой селективности этих адсорбентов для дымовых газов с содержанием CO₂ ≤30 % зачастую требуется двух- или многократная адсорбция для повышения концентрации CO₂ до уровня более 90 %.
Металлоорганические каркасы (МОК) — это класс кристаллических пористых материалов, состоящих из металлических ионов или кластеров, соединённых органическими связующими, образующих нанопористые каркасы с высокой удельной поверхностью и регулируемой структурой пор. В последние годы были разработаны различные МОК-материалы, обладающие высокой селективностью, большой адсорбционной способностью и определённой водонепроницаемостью, что делает их идеальными для улавливания CO₂ из точечных источников.Эти материалы обеспечивают высокоселективное адсорбирование и способны повышать концентрацию CO₂ до более чем 90% в газовых потоках с низким содержанием CO₂ за счёт адсорбции в одном этапе, что делает их эффективным решением для применения в системах улавливания углерода.
Адсорбционный улавливание углерода на основе MOF обладает рядом преимуществ. Молекулярные органические фильтры (МОФ) имеют регулируемые свойства, что позволяет разрабатывать адсорбенты, специально адаптированные под конкретные задачи улавливания CO₂. Их можно применять в различных системах адсорбционного процесса, включая адсорбцию с изменением давления (PSA) и адсорбцию с изменением температуры (TSA). Кроме того, по сравнению с другими материалами, МОФы обычно можно десорбировать при более низких температурах, что значительно снижает энергопотребление.
04 Будущее улавливания углерода
Благодаря возможности персонализации структуры, недавние достижения в области молекулярных пористых материалов (МПМ) позволяют преодолевать распространённые ограничения адсорбционных материалов — такие как чувствительность к влаге и низкая селективность. Точное настройство состава и геометрии пор позволило исследователям успешно создать стабильные и высокопроизводительные материалы.Системы на основе MOF способны соответствовать стандартным требованиям к эффективному улавливанию углерода (чистота 95 % и выход 90 %) при различных концентрациях, при этом требуется лишь минимальное предварительное нанесение осушителя. Это снижение чувствительности к влажности представляет собой значительное преимущество MOF по сравнению с другими адсорбционными материалами, такими как цеолиты.
Молекулярные фильтры обладают высокой стабильностью и долговечностью, что делает их популярными материалами для улавливания углерода. Благодаря настраиваемости структуры МОФ их эффективность в поглощении CO₂ значительно повышается, а также улучшается их практичность и надёжность в различных условиях окружающей среды, что укрепляет их лидирующие позиции в технологиях улавливания углерода на основе адсорбции.
В условиях глобальных усилий по сокращению выбросов углерода физическое адсорбирование с использованием металлоорганических фильтров (МОФ) в качестве адсорбентов обладает огромным потенциалом. Учёные продолжают исследования и разработки, направленные на повышение стабильности, масштабируемости и экономической эффективности МОФ, что способствует их широкому применению в промышленной улавливании углерода. Используя преимущества пористых материалов, мы можем проложить путь к зелёному и устойчивому будущему для будущих поколений.
Компания Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. стала первой в Китае технологически инновационной компанией, достигшей массового производства молекулярных металлофосфатов (МОФ), в рамках которой разработаны сотни функциональных МОФ. Наша команда обладает глубокими техническими знаниями в области синтеза и применения МОФ. Заинтересованные в деталях применения МОФ и функциональной настройки — обращайтесь к нашей экспертной команде в Танью, чтобы получить профессиональные решения.
