Absorbanti lichizi incapsulati pentru captarea dioxidului de carbon - comunicatii natura
- Subiecte
- Abstract
- introducere
- Rezultate
- Proiectarea și fabricarea microcapsulelor
- CO 2 sorbție și ciclism
- Stabilitate mecanică și cristalizare
- Îmbunătățiți cinetica captării
- Discuţie
- Metodele
- Fabricarea MECS
- Caracterizarea MECS
- Măsurători de transfer de masă
- Informatii suplimentare
- Informatii suplimentare
- Fișiere PDF
- Cifre suplimentare, metode suplimentare și referințe suplimentare
- Videoclipuri
- Film suplimentar 1
- Film suplimentar 2
- Film suplimentar 3
- Film suplimentar 4
- comentarii
Subiecte
- Chimie verde
- Știința materialelor
Abstract
introducere
Imagine la dimensiune completă
Rezultate
Proiectarea și fabricarea microcapsulelor
Permeabilitatea CO 2 prin materialul învelișului întărit a fost măsurată folosind un aparat de presiune diferențială de volum constant, în care senzorii de presiune situați de fiecare parte a membranei din silicon măsoară viteza de schimbare a presiunii sau rata de scurgere, gazul trece de volumul de presiune prin membrană și în volumul de presiune scăzut (vezi Metode suplimentare). Permeabilitatea măsurată a CO 2 a materialului învelișului este de 3.260 de barili, ceea ce este destul de mare în comparație cu majoritatea membranelor de separare a gazelor 20 și comparabilă cu valorile raportate pentru alte siliconi 21. În special, acest material nu prezintă o scădere semnificativă a permeabilității după expunerea la temperaturi de până la 150 ° C.
Geometriile microcapsulelor sunt foarte uniforme și pot fi ajustate cu ușurință prin variația debitelor de fluid în dispozitivul dual capilar. Dimensiunile lor inițiale și întărite sunt determinate de analiza imaginii (vezi Metode suplimentare). În Figura 1c, imaginile de microscopie optică și fluorescentă arată un set reprezentativ de MECS cu un diametru foarte uniform (600 ± 6 µm), grosimea peretelui (31 ± 1 µm) și centricitate. Dimensiunile lor fizice pot fi variate în mod sistematic, după cum se arată în imaginile altor loturi reprezentative cu diametre respective de 185 și 600 µm realizate folosind același dispozitiv în condiții de funcționare diferite (Figura 1d, casetă). Este important să rețineți că aceste geometrii au ca rezultat o creștere de 1 până la 2 de mărime a suprafeței absorbante per volum de reactor față de lichid într-un ambalaj tipic susținut, prezentat în Fig. 1d (ref. 26). Deși un pachet simplu de capsule într-un turn are ca rezultat o cădere mare de presiune pentru fluxul de gaz, un pachet suportat care creează canale pentru un flux sau un pat fluidizat ar fi potrivit.
CO 2 sorbție și ciclism
Pentru a permite observarea colorimetrică a proceselor de absorbție-desorbție a CO 2, am produs MECS conținând un colorant indicator pH, albastru timol, în nucleele lor absorbante lichide. Soluția neîncărcată de carbonat de potasiu este albastră și devine galbenă atunci când se atinge 90% din absorbția maximă de carbon. Această modificare vizibilă a culorii constituie un indicator colorimetric eficient al saturației cu CO 2 a absorbantului carbonat lichid, permițând astfel o monitorizare calitativă a încărcării și descărcării capsulei.
Ca o demonstrație simplă, am expus MECS cu 3% în greutate K 2 CO 3 miezuri lichide de sorbent și albastru de timol în aer și CO 2 pur. Această concentrație de K 2 CO 3 este aleasă pentru a îndeplini cerințele de solubilitate ale albastrului timol, care facilitează citirea colorimetrică a încărcăturii capsulei. Echilibrate în aer, microcapsulele apar albastru-violet. Când sunt expuse la atmosfera de CO 2, microcapsulele se transformă rapid într-o culoare galbenă închisă, uniformă. După îndepărtarea lor din atmosfera de CO 2, acestea revin la nuanța lor originală albastru-violet (Fig. 2a - c). Această abordare oferă o metodă calitativă pentru evaluarea absorbției și desorbției CO 2 în seturile de capsule în timpul testării. Pe baza unei analize colorimetrice, pH-ul acestora se modifică cu
10, 2 până la 9 (sau mai puțin) în timpul absorbției de CO2 și revine la valoarea inițială în timpul desorbției (vezi figura suplimentară din Fig. 2). Pentru a completa aceste date, folosim și o metodă manometrică pentru a cuantifica absorbția CO 2. Această metodă măsoară căderea de presiune a CO 2 într-un volum fix pe măsură ce CO 2 este absorbit (vezi Metode).
( la - vs. ) Imagini optice ale microcapsulelor de silicon care conțin 3% în greutate carbonat de potasiu vopsit în albastru timol în aer ( la ), după incubare în CO2 gaz ( ), apoi după regenerare în aer ( vs. ). Bara de scală, 1 mm. ( d - f ) Imagini optice pe câmp întunecat de microcapsule de silicon care conțin 30% în greutate carbonat de sodiu în aer ( d ), care au fost expuși la CO 2 până la precipitarea bicarbonatului din soluție ( e ), apoi regenerat prin încălzire la 70 ° C pentru a elibera CO2 și a dizolva precipitatul ( f ). Aceste microcapsule sunt robuste mecanic, permițând cicluri repetate de captare și regenerare a CO 2 fără degradarea pereților învelișului de silicon. Bara de scalare, 500 µm.
Imagine la dimensiune completă
Pentru a explora fezabilitatea paturilor fluide bazate pe MECS, am plasat capsule reprezentative care conțin 3% în greutate carbonat de potasiu și albastru de timol într-o eprubetă modificată. Capsulele sunt fluidizate mai întâi folosind gaz N2, la o viteză de suprafață de ordinul 1 m s -1, care se află în intervalul de viteze utilizate în paturile fluidizate comerciale 31. Gazul sursă este trecut la CO2 pur la o viteză echivalentă cu cea a debitului de N2 (pelicula complementară 3). Am observat că capsulele s-au transformat de la albastru la galben în prezența CO 2. Când sursa de gaz este readusă la N 2, culoarea lor devine din nou violet. Această demonstrație simplă sugerează că sistemele cu pat fluidizat vor fi o platformă eficientă pentru captarea carbonului utilizând MECS, deoarece capsulele pot supraviețui agitării riguroase în timp ce funcționează ca un mediu eficient de captare a carbonului.