CO2 als wichtigstes Treibhausgas hat in den letzten Jahren mit der Intensivierung der globalen Erwärmung weltweite Aufmerksamkeit erregt. Um das Problem des globalen Klimawandels durch CO2-Emissionen zu mildern, wurden in diesem Jahr "Kohlenstoffpeak" und "Kohlenstoffneutralität" offiziell vorgeschlagen, um eine "Kohlenstoff-Emissionsreduktion" zu erreichen. Menschliche Faktoren haben zu einem deutlichen Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre geführt. Unter ihnen machen die CO2-Emissionen von Kohlekraftwerken etwa 1/3 der Welt aus. Daher ist es notwendig, Maßnahmen zu ergreifen, um eine große Menge CO2 im Abgas von Kohlekraftwerken zu entfernen.

Gegenwärtig umfassen die industriellen Verfahren zur Entfernung von CO2 aus Rauchgas hauptsächlich traditionelle Techniken wie Lösungsmittelabsorption, Membrantrennung, Druckwechseladsorption und kryogene Destillation.

Grundlegend

Die Membranabsorptionsmethode ist ein neuartiges Trennverfahren, das Membrantrennung und gewöhnliche Absorption kombiniert. Meist werden mikroporöse Membranen verwendet. Bei diesem Prozess treten die zwei Gas-Flüssigkeits-Phasen in Kontakt und Stoffaustausch an der festen Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche bzw. fließen auf beiden Seiten. Die Membran selbst weist keine Selektivität gegenüber Gas auf und dient lediglich dazu, das Absorptionsmittel vom Gas zu isolieren. CO2 diffundiert unter der Wirkung eines Konzentrationsgradienten durch die Membran zur Flüssigkeitsseite. Theoretisch können die Membranporen Gasmoleküle, die auf einer Seite der Membran abgeschieden werden, ohne hohen Druck auf die andere Seite der Membran durchdringen lassen, und der Zweck der Trennung von Mischgasen wird hauptsächlich durch die selektive Absorption des Absorptionsmittels erreicht.

Das Grundprinzip ist in der folgenden Abbildung dargestellt (Beispiel einer hydrophoben porösen Membran). Die treibende Kraft dieser Technologie zur Gastrennung ist der Konzentrationsunterschied zwischen den Phasen. Der Stoffaustauschprozess basiert auf dem Fick-Gesetz und lässt sich in die folgenden drei Schritte unterteilen: ① Zuerst wird der gelöste Stoff aus dem Mischgas auf die Oberfläche der Membranporen übertragen; ② Der gelöste Stoff wird dann von den Membranporen Diffusion zur Gas-Flüssigkeit-Zweiphasen-Grenzfläche übertragen; ③Der gelöste Stoff reagiert schließlich mit dem Absorptionsmittel und wird vom Hauptkörper der flüssigen Phase absorbiert.

Verschiedene Arten von Membranen für die Kohlendioxid-Absorptionstechnologie

(1) Das metallorganische Gerüstmaterial (MOF) wird mit Organosilan vermischt, und eine Reihe von Verbundgastrennmembranen mit hohem Fluss und hoher Selektivität wurden erfolgreich entwickelt und hergestellt.

(2) Auswahl von Nanopartikeln aus mikroporösem Polymer (PIM-1) und metallorganischem Gerüstmaterial (MOF) zur Entwicklung eines neuen Typs von Kohlendioxidtrennmembranmaterial in Form von Mischmatrixmembranen (MMMs), die sowohl eine hohe Permeabilität als auch eine hohe Selektivität aufweisen .

(3) Durch die Kombination von Elektrospinnen, Porenbildung, Hydrolysereaktion und Pfropftechnologie wurde erfolgreich eine flexible und starke Polyethylenimin-gepfropfte nanoporöse Polyacrylnitrilfasermembran (HPPAN-PEI) hergestellt.

Analyse von Einflussfaktoren

(1) Einflussanalyse beim Stofftransport

A. CO2-Verhältnis

Nach der Theorie des Doppelmembran-Stofftransfers ist die Gasphasengrenzschicht umso dicker, je höher der CO2-Anteil ist, was die Diffusion einer großen Menge CO2 in die Membranporen behindert und dadurch den Gesamt-Stofftransferkoeffizienten verringert; und ein Teil des CO2 die Membran verlässt, ohne vollständig mit dem absorbierenden Kontaktor zu reagieren, wird auch die CO2-Entfernungsrate reduziert. Mit zunehmendem Volumenanteil von CO2 nimmt jedoch der Konzentrationsunterschied zwischen den CO2-Phasen zu, wodurch die Diffusions- und Stoffübertragungsrate von CO2 erhöht wird.

(2) Prozessfaktoren

A. Membranstruktur

Unter der Bedingung, dass die Anzahl und der Durchmesser der Hohlfasermembran festgelegt sind, erhöht die Zunahme der Länge der Fasermembran die Oberfläche der Membran, was wiederum die Verweilzeit von CO2 in der flüssigen Phase erhöht, was förderlich ist zur vollständigen Absorptionsreaktion. Wenn die Membransäule jedoch zu lang ist, wird die Absorptionsflüssigkeit gesättigt, was die treibende Kraft des Gas-Flüssigkeits-Massentransfers verringert und die Stofftransfereffizienz verringert.

B. Membranmaterial

Die Membranmaterialien sind hauptsächlich organische Polymermembranen, anorganische Membranen und organisch-anorganische Verbundmembranen. Unter diesen sind die weit verbreiteten Membranmaterialien Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polysulfon (PS), Polyethersulfon (PES), Polyvinylidenfluorid (PVDF) usw. . Verschiedene derzeit verwendete Membranmaterialien sind allesamt hydrophobe Membranmaterialien, so dass die Gasphase die Hohlfasermembranporen während des Absorptionsprozesses ausfüllt und eine größere Kontaktfläche als hydrophile Membranmaterialien aufweist. Die Hohlfasermembranmodule verwenden unterschiedliche Membranmaterialien. Unter ihnen werden Polypropylenmembranen aufgrund ihrer günstigen Materialpreise weit verbreitet in der Industrie verwendet. Die PTFE-Membran weist gute mechanische Eigenschaften und selbstschmierende Eigenschaften, hohe und niedrige Temperaturbeständigkeit, chemische Korrosionsbeständigkeit auf und ist anderen Membranmaterialien überlegen.

C. Absorptionsmittel

Das bei der Membranabsorption verwendete Absorptionsmittel hat sich von Wasser, starken Alkalilösungen und anorganischen Salzlösungen zu herkömmlichen Alkohol-Amin-Lösungen und dann zu gemischten Absorptionsmitteln mit Zusatzstoffen oder mehreren Lösungen entwickelt. Die folgende Abbildung zeigt die Vor- und Nachteile der einzelnen Absorptionsmittel.