Композитные сорбенты для улавливания CO2 на основе полиэтиленимина и силикагеля: Изучение сорбционных свойств и анализ потребления тепловой энергии

Проведены исследования сорбции CO₂ композитными сорбентами, представляющими собой активный компонент (разветвлённый полиэтиленимин), диспергированный в порах мезопористого носителя (силикагеля). Показано, что по мере заполнения пор силикагеля полиэтиленимином эффективность сорбции CO₂ активным компонентом снижается, а динамическая сорбционная емкость в расчёте на 1 г материала проходит через максимум. Определены значения энтальпии сорбции CO₂ композитными сорбентами. Показано, что значения энтальпии сорбции CO₂ зависят от доли заполнения пор активным компонентом и от характеристик пористой структуры носителя. Выполнен анализ потребления тепловой энергии на регенерацию композитных сорбентов в рамках адсорбционного цикла.

1. Baena-Moreno F.M., Rodrнguez-Galán M., Vega F., Alonso-Fariсas B., Vilches Arenas L.F., Navarrete B. Carbon capture and utilization technologies: a literature review and recent advances. Energy Sources Part Recovery Util. Environ. Eff. 2019. Vol. 41. № 12. P. 1403—1433.

2. Gür T.M. Carbon Dioxide Emissions, Capture, Storage and Utilization: Review of Materials, Processes and Technologies. Prog. Energy Combust. Sci. 2022. Vol. 89. 100965.

3. Fu L., Ren Z., Si W., Ma Q., Huang W., Liao K., Huang Z., Wang Y., Li J., Xu P. Research progress on CO2 capture and utilization technology. J. CO2 Util. 2022. Vol. 66. 102260.

4. Østergaard P.A., Duic N., Noorollahi Y., Kalogirou S. Renewable energy for sustainable development. Renew. Energy. 2022. Vol. 199. P. 1145—1152.

5. Andriani D., Wresta A., Atmaja T.D., Saepudin A. A Review on Optimization Production and Upgrading Biogas Through CO2 Removal Using Various Techniques. Appl. Biochem. Biotechnol. 2014. Vol. 172. № 4. P. 1909—1928.

6. Yaumi A.L., Bakar M.Z.A., Hameed B.H. Recent advances in functionalized composite solid materials for carbon dioxide capture. Energy. 2017. Vol. 124. P. 461—480.

7. Goeppert A., Czaun M., Prakash G.S., Olah G.A. Air as the renewable carbon source of the future: An overview of CO2 capture from the atmosphere. Energy Environ. Sci. 2012. Vol. 5. № 7. P. 7833—7853.

8. Wang J., Huang L., Yang R., Zhang Z., Wu J., Gao Y., Wang Q., O’Hare D., Zhong Z. Recent advances in solid sorbents for CO2 capture and new development trends. Energy Environ. Sci. 2014. Vol. 7. № 11. P. 3478—3518.

9. Sanz-Pérez E.S., Murdock C.R., Didas S.A., Jones C.W. Direct Capture of CO2 from Ambient Air. Chem. Rev. 2016. Vol. 116. № 19. P. 11840—11876.

10. Sheshkovas A.Z., Veselovskaya J.V., Selishchev D.S., Kozlov D.V. Low-Temperature Composite CO2 Sorbents Based on Amine-Containing Compounds. Russ. J. Appl. Chem. 2023. Vol. 96. № 3. P. 257—274.

11. Luo P.C., Zhang Z.B., Jiao Z., Wang Z.X. Investigation in the Design of a CO2 Cleaner System by Using Aqueous Solutions of Monoethanolamine and Diethanolamine. Ind. Eng. Chem. Res. 2003. Vol. 42. № 20. P. 4861—4866.

12. Cheng H.H., Tan C.S. Removal of CO2 from indoor air by alkanolamine in a rotating packed bed. Sep. Purif. Technol. 2011. Vol. 82. № 1. P. 156—166.

13. Bollini P., Didas S.A., Jones C.W. Amine-oxide hybrid materials for acid gas separations. J. Mater. Chem. 2011. Vol. 21. № 39. 15100.

14. Son W.-J., Choi J.-S., Ahn W.-S. Adsorptive removal of carbon dioxide using polyethyleneimine-loaded mesoporous silica materials. Microporous Mesoporous Mater. 2008. Vol. 113. №1—3. P. 31—40.

15. Chen C., Kim J., Ahn W.-S. CO2 capture by amine-functionalized nanoporous materials: A review. Korean J. Chem. Eng. 2014. Vol. 31, № 11. P. 1919—1934.

16. Zhang W., Liu H., Sun C., Drage T.C., Snape C.E. Performance of polyethyleneimine—silica adsorbent for post-combustion CO2 capture in a bubbling fluidized bed. Chem. Eng. J. 2014. Vol. 251. P. 293—303.

17. Zhang W., Liu H., Sun Y., Cakstins J., Sun C., Snape C.E. Parametric study on the regeneration heat requirement of an amine-based solid adsorbent process for post-combustion carbon capture. Appl. Energy. 2016. Vol. 168. P. 394—405.

18. Choi W., Park J., Kim C., Choi M. Structural effects of amine polymers on stability and energy efficiency of adsorbents in post-combustion CO2 capture. Chem. Eng. J. 2021. Vol. 408. 127289.

19. Jung W., Lee J. Economic evaluation for four different solid sorbent processes with heat integration for energy-efficient CO2 capture based on PEI-silica sorbent. Energy. 2022. Vol. 238. 121864.

20. Zhang W., Sun C., Snape C.E., Irons R., Stebbing S., Alderson T., Fitzgerald D., Liu H. Process simulations of postcombustion CO2 capture for coal and natural gas-fired power plants using a polyethyleneimine/silica adsorbent. Int. J. Greenh. Gas Control. 2017. Vol. 58. P. 276—289.

21. Li C., Wang X., Yang A., Chen P., Zhao T., Liu F. Polyethyleneimine-Modified Amorphous Silica for the Selective Adsorption of CO2/N2 at High Temperatures. ACS Omega. 2021. Vol. 6. № 51. P. 35389—35397.

22. Liu L., Jin S., Park Y., Kim K.M., Lee C.H. Sorption equilibria, kinetics, and temperature-swing adsorption performance of polyethyleneimine-impregnated silica for post-combustion carbon dioxide capture. Sep. Purif. Technol. 2021. Vol. 266. 118582.

23. Wang X., Song C. Temperature-programmed desorption of CO2 from polyethylenimine-loaded SBA-15 as molecular basket sorbents. Catal. Today. 2012. Vol. 194. № 1. P. 44—52.

24. Spinu D., Rout K.R., Chen D. Unveiling the Desorption Performance and Thermal Stability of Unmodified Polyamine-Containing CO2 Adsorbents. Energy Fuels. American Chemical Society. 2024. Vol. 38. № 14. P. 13176—13185.

25. Min K., Choi W., Kim C., Choi M. Rational Design of the Polymeric Amines in Solid Adsorbents for Postcombustion Carbon Dioxide Capture. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018. Vol. 10, № 28. P. 23825—23833.

26. Wappel D., Gronald G., Kalb R., Draxler J. Ionic liquids for post-combustion CO2 absorption. Int. J. Greenh. Gas Control. 2010. Vol. 4. № 3. P. 486—494.