کاربرد نانوالیاف الکتروریسی شده به منظورحذف آلاینده های گازی
محورهای موضوعی : اقتصاد محیط زیست
هانیه شکی
1
(دانشگاه گلستان)
کلید واژه: آلاینده های گازی, دی اکسید کربن, جاذب, نانوالیاف, الکتروریسی,
چکیده مقاله :
دی اکسید کربن مهمترین گاز گلخانه ای است که به مقدار زیاددرجو زمین منتشر می شود. این مقدار زیاد دی اکسید کربن درجو مشکلات عظیمی را ایجاد می کند که بر زندگی انسان تأثیر گذاراست مانندگردبادشدید، طوفان، خشکسالی و باران های اسیدی. بخش اصلی انتشاردی اکسید کربن از احتراق سوختهای فسیلی حاصل می شود که منبع اصلی انرژی مورد استفاده برای تأمین تقاضای انرژی بشردر حال حاضر و آینده نزدیک است. تقریباً 85٪ انرژی مصرفی انسان از طریق سوختهای فسیلی تأمین میشود. در همین راستا، در سال های اخیر به منظور تصفیه هوا و حذف دی اکسید کربن، روش های مختلفی به صورت گسترده مورد مطالعه قرار گرفته، یکی از این روش ها جذب سطحی و استفاده از جاذب ها می باشد. در سال های اخیر، غشاهای نانوالیاف به عنوان جاذب آلاینده بسیار مورد توجه قرار گرفته است که در مقایسه با جاذب های معمولی، از بسیاری جهات مانند ساختار متخلخل، سطح ویژه بالا، شار نفوذ و انتخاب پذیری بالا، افت فشار پایین، انعطاف پذیری بالا و جذب هدفمند،برتری دارند. بنابراین، غشاهای نانوالیاف پتانسیل بسیار خوبی برای جذب و جداسازی آلاینده های گازی مانند دی اکسید کربن از هوا دارند. علاوه بر نسبت سطح به حجم بالا، نانوالیاف اصلاح شده دارای گروه های عاملی مختلفی هستند که عملکرد آن ها را بهبود میبخشند.در این مقاله، بررسی کلی از آثار منتشر شده در دهه گذشته در موردتوسعه غشاهای نانوالیاف متخلخل مبتنی بر الکتروریسی برای حذف کارآمد دی اکسید کربن انجام شده است.
Carbon dioxide is the most important greenhouse gas that is released in large quantities into the atmosphere. Excess carbon dioxide in the atmosphere is a problem for earth and increase the temperature and creates problems that affect human existence, such as severe tornadoes, storms, floods, droughts and acid rain. The largest source of outdoor CO2 is fossil fuel combustion, which are the main source of energy used to meet human energy demand now and in the near future. In recent years, nanofiber membranes have been highly regarded as pollutant adsorbents compared to conventional adsorbents, they have properties such as porous structure, high specific surface area, high penetration flux and selectivity, low pressure drop, high flexibility and targeted adsorption. So, electrospun nanofiber membranes have excellent potential for adsorption and separation of carbon dioxide from the air. In addition to the extremely high surface to volume ratio, modified electrospun nanofibers have different functional groups that improve their performance. Therefore, electrospun nanofiber membranes have excellent potential for adsorption and separation of carbon dioxide from the air
[1] Xing, W., Liu, C., Zhou, Z., Zhang, L., Zhou, J., Zhuo, S., & Qiao, S. Z. (2012). Superior CO2 uptake of N-doped activated carbon through hydrogen-bonding interaction. Energy & Environmental Science, 5(6), 7323-7327. https://doi.org/10.1039/C2EE21653A.
[2] Li, B., Duan, Y., Luebke, D., & Morreale, B. (2013). Advances in CO2 capture technology: A patent review. Applied Energy, 102, 1439-1447. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.09.009' target='blank'>https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.09.009.
[3] Wang, X., Ding, B., Yu, J., & Wang, M. (2011). Highly sensitive humidity sensors based on electro-spinning/netting a polyamide 6 nano-fiber/net modified by polyethyleneimine. Journal of Materials Chemistry, 21(40), 16231-16238. https://doi.org/10.1039/C1JM13037D.
[4] Kelemen, P. B., McQueen, N., Wilcox, J., Renforth, P., Dipple, G., & Vankeuren, A. P. (2020). Engineered carbon mineralization in ultramafic rocks for CO2 removal from air: Review and new insights. Chemical Geology, 550, 119628. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2020.119628.
[5] Song, C., Liu, Q., Ji, N., Deng, S., Zhao, J., Li, Y., & Li, H. (2018). Alternative pathways for efficient CO2 capture by hybrid processes—a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 82, 215-231. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.09.040.
[6] Abu-Khader, M. M. (2006). Recent progress in CO2 capture/sequestration: a review. Energy Sources, Part A, 28(14), 1261-1279. https://doi.org/10.1080/009083190933825.
[7] Zainab, G., Babar, A. A., Iqbal, N., Wang, X., Yu, J., & Ding, B. (2018). Amine-impregnated porous nanofiber membranes for CO2 capture. Composites Communications, 10, 45-51. https://doi.org/10.1016/j.coco.2018.06.005' target='blank'>https://doi.org/10.1016/j.coco.2018.06.005.
[8] Zainab, G., Iqbal, N., Babar, A. A., Huang, C., Wang, X., Yu, J., & Ding, B. (2017). Free-standing, spider-web-like polyamide/carbon nanotube composite nanofibrous membrane impregnated with polyethyleneimine for CO2 capture. Composites Communications, 6, 41-47. https://doi.org/10.1016/j.coco.2017.09.001.
[9] Wang, X., Ding, B., Yu, J., & Wang, M. (2011). Engineering biomimetic superhydrophobic surfaces of electrospun nanomaterials. Nano today, 6(5), 510-530. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2011.08.004' target='blank'>https://doi.org/10.1016/j.nantod.2011.08.004.
[10] Ramakrishna, S., Fujihara, K., Teo, W. E., Yong, T., Ma, Z., & Ramaseshan, R. (2006). Electrospun nanofibers: solving global issues. Materials today, 9(3), 40-50. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(06)71389-X.
[11] Lee, Z. H., Lee, K. T., Bhatia, S., & Mohamed, A. R. (2012). Post-combustion carbon dioxide capture: Evolution towards utilization of nanomaterials. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(5), 2599-2609. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.01.077.
[12] Li, H., Jakobsen, J. P., Wilhelmsen, Q, & Yan, J. (2011). PVTxy properties of CO2 mixtures relevant for CO2 capture, transport and storage: Review of available experimental data and theoretical models. Applied Energy, 88(11), 3567-3579. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.03.052.
[13] Ding, B., Wang, M., Wang, X., Yu, J., & Sun, G. (2010). Electrospun nanomaterials for ultrasensitive sensors. Materials today, 13(11), 16-27. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(10)70200-5.
[14] Wang, X., Ding, B., Yu, J., & Wang, M. (2011). Engineering biomimetic superhydrophobic surfaces of electrospun nanomaterials. Nano today, 6(5), 510-530. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2011.08.004' target='blank'>https://doi.org/10.1016/j.nantod.2011.08.004.
[15] Rufford, T. E., Smart, S., Watson, G. C., Graham, B. F., Boxall, J., Da Costa, J. D., & May, E. F. (2012). The removal of CO2 and N2 from natural gas: A review of conventional and emerging process technologies. Journal of Petroleum Science and Engineering, 94, 123-154. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2012.06.016
[16] Brunetti, A., Scura, F., Barbieri, G., & Drioli, E. (2010). Membrane technologies for CO2 separation. Journal of Membrane Science, 359(1-2), 115-125. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2009.11.040
[17] Zhou, K., Chaemchuen, S., & Verpoort, F. (2017). Alternative materials in technologies for Biogas upgrading via CO2 capture. Renewable and sustainable energy reviews, 79, 1414-1441. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.198.
[18] Song, C., Liu, Q., Ji, N., Deng, S., Zhao, J., Li, Y., & Kitamura, Y. (2017). Reducing the energy consumption of membrane-cryogenic hybrid CO2 capture by process optimization. Energy, 124, 29-39. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.02.054.
[19] Crake, A., Christoforidis, K. C., Kafizas, A., Zafeiratos, S., & Petit, C. (2017). CO2 capture and photocatalytic reduction using bifunctional TiO2/MOF nanocomposites under UV–vis irradiation. Applied Catalysis B: Environmental, 210, 131-140. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2017.03.039.
[20] Signorile, M., Vitillo, J. G., D’Amore, M., Crocellà, V., Ricchiardi, G., & Bordiga, S. (2019). Characterization and Modeling of Reversible CO2 Capture from Wet Streams by a MgO/Zeolite Y Nanocomposite. The Journal of Physical Chemistry C, 123(28), 17214-17224. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b01399.
[21] Dai, Z., Deng, J., Yu, Q., Helberg, R. M., Janakiram, S., Ansaloni, L., & Deng, L. (2019). Fabrication and evaluation of bio-based nanocomposite TFC hollow fiber membranes for enhanced CO2 capture. ACS applied materials & interfaces, 11(11), 10874-10882. https://doi.org/10.1021/acsami.8b19651.
[22] Liu, Y., Hao, M., Chen, Z., Liu, L., Liu, Y., Yang, W., & Ramakrishna, S. (2020). A review on recent advances in application of electrospun nanofiber materials as biosensors. Current Opinion in Biomedical Engineering, 13, 174-189. https://doi.org/10.1016/j.cobme.2020.02.001.
[23] Sorensen, J. A., Smith, S. A., Dobroskok, A. A., Belobraydic, M. L., Peck, W. D., Kringstad, J. J., & Zeng, Z. W. (2009). Carbon dioxide storage potential of the Broom Creek Formation in North Dakota: a case study in site characterization for large-scale sequestration. https://doi.org/10.1306/13171244St593378.
[24] Armstrong, M., Shi, X., Shan, B., Lackner, K., & Mu, B. (2019). Rapid CO2 capture from ambient air by sorbent‐containing porous electrospun fibers made with the solvothermal polymer additive removal technique. AIChE Journal, 65(1), 214-220. https://doi.org/10.1002/aic.16418.
[25] Angelakoglou, K., Gaidajis, G., Lymperopoulos, K., & Botsaris, P. N. (2015). Carbon Footprint Analysis of Municipalities-Evidence from Greece. Journal of Engineering Science & Technology Review, 8(4).
[26] Li, B., Duan, Y., Luebke, D., & Morreale, B. (2013). Advances in CO2 capture technology: A patent review. Applied Energy, 102, 1439-1447. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.09.009' target='blank'>https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.09.009.
[27] Bavarella, S., Hermassi, M., Brookes, A., Moore, A., Vale, P., Moon, I. S., & McAdam, E. J. (2020). Recovery and concentration of ammonia from return liquor to promote enhanced CO2 absorption and simultaneous ammonium bicarbonate crystallisation during biogas upgrading in a hollow fibre membrane contactor. Separation and Purification Technology, 241, 116631. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.116631
[28] Ochedi, F. O., Yu, J., Yu, H., Liu, Y., & Hussain, A. (2020). Carbon dioxide capture using liquid absorption methods: a review. Environmental Chemistry Letters, 1-33. https://doi.org/10.1007/s10311-020-01093-8
[29] Norhasyima, R. S., & Mahlia, T. M. I. (2018). Advances in CO₂ utilization technology: a patent landscape review. Journal of CO2 Utilization, 26, 323-335. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2018.05.022
[30] Afanasiev, S. V., Kravtsova, M. V., Shevchenko, Y. N., Guschina, T. P., & Sokov, S. A. (2018, November). Optimization of carbon dioxide compressing technology in the production of urea. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 450, No. 6, p. 062015). IOP Publishing.
[31] Chen, S., Xiang, W., Wang, D., & Xue, Z. (2012). Incorporating IGCC and CaO sorption-enhanced process for power generation with CO2 capture. Applied energy, 95, 285-294. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.02.056.
[32] Garshasbi, V., Jahangiri, M., & Anbia, M. (2017). Equilibrium CO2 adsorption on zeolite 13X prepared from natural clays. Applied Surface Science, 393, 225-233. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.09.161.
[33] Quang, D. V., Dindi, A., & Abu-Zahra, M. R. (2017). One-step process using CO2 for the preparation of amino-functionalized mesoporous silica for CO2 capture application. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 5(4), 3170-3178. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6b02961.
[34] Salehian, P., & Chung, T. S. (2017). Thermally treated ammonia functionalized graphene oxide/polyimide membranes for pervaporation dehydration of isopropanol. Journal of Membrane Science, 528, 231-242. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2017.01.038.
[35] Zhang, M., Deng, L., Xiang, D., Cao, B., Hosseini, S. S., & Li, P. (2019). Approaches to suppress CO2-induced plasticization of polyimide membranes in gas separation applications. Processes, 7(1), 51. https://doi.org/10.3390/pr7010051.
[36] Xu, X., Wang, J., Dong, J., Li, H. B., Zhang, Q., & Zhao, X. (2020). Ionic polyimide membranes containing Tröger's base: Synthesis, microstructure and potential application in CO2 separation. Journal of Membrane Science, 602, 117967. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.117967.
[37] Marcus, Y. (1998). The properties of solvents.
[38] Sreedhar, I., Nahar, T., Venugopal, A., & Srinivas, B. (2017). Carbon capture by absorption–Path covered and ahead. Renewable and sustainable energy reviews, 76, 1080-1107. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.03.109.
[39] Borhani, T. N., Oko, E., & Wang, M. (2019). Process modelling, validation and analysis of rotating packed bed stripper in the context of intensified CO2 capture with MEA. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 75, 285-295. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2019.03.040.
[40] Karimi, M., Hillestad, M., & Svendsen, H. F. (2011). Capital costs and energy considerations of different alternative stripper configurations for post combustion CO2 capture. Chemical engineering research and design, 89(8), 1229-1236. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2011.03.005.
[41] Field, R. P., & Brasington, R. (2011). Baseline flowsheet model for IGCC with carbon capture. Industrial & Engineering Chemistry Research, 50(19), 11306-11312. https://doi.org/10.1021/ie200288u.
[42] Gatti, M., Martelli, E., Maréchal, F., & Consonni, S. (2015, July). Multi-objective Optimization of a Selexol® Process for the Selective Removal of CO2 and H2S from Coal-derived Syngas. In 28th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, ECOS.
[43] Ahn, H. (2017). Process Simulation of a Dual‐stage Selexol Process for Pre‐ combustion Carbon Capture at an Integrated Gasification Combined Cycle Power Plant. Process Systems and Materials for CO2 Capture: Modelling, Design, Control and Integration, 609-628. https://doi.org/10.1002/9781119106418.ch24.
[44] Smith, K., Lee, A., Mumford, K., Li, S., Thanumurthy, N., Temple, N., & Stevens, G. (2015). Pilot plant results for a precipitating potassium carbonate solvent absorption process promoted with glycine for enhanced CO2 capture. Fuel Processing Technology, 135, 60-65. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2014.10.013.
[45] Brennecke, J. F., & Gurkan, B. E. (2010). Ionic liquids for CO2 capture and emission reduction. The Journal of Physical Chemistry Letters, 1(24), 3459-3464. https://doi.org/10.1021/jz1014828.
[46] Lee, A., Mumford, K. A., Wu, Y., Nicholas, N., & Stevens, G. W. (2016). Understanding the vapour–liquid equilibrium of CO2 in mixed solutions of potassium carbonate and potassium glycinate. International Journal of Greenhouse Gas Control, 47, 303-309. https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2016.02.005.
[47] Saleh, M., Chandra, V., Kemp, K. C., & Kim, K. S. (2013). Synthesis of N-doped microporous carbon via chemical activation of polyindole-modified graphene oxide sheets for selective carbon dioxide adsorption. Nanotechnology, 24(25), 255702. https://doi.org/10.1088/0957-4484/24/25/255702.
[48] Loganathan, S., Tikmani, M., & Ghoshal, A. K. (2013). Novel pore-expanded MCM-41 for CO2 capture: synthesis and characterization. Langmuir, 29(10), 3491-3499. https://doi.org/10.1021/la400109j.
[49] Russo, G., Prpich, G., Anthony, E. J., Montagnaro, F., Jurado, N., Di Lorenzo, G., & Darabkhani, H. G. (2018). Selective-exhaust gas recirculation for CO2 capture using membrane technology. Journal of Membrane Science, 549, 649-659. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2017.10.052.
[50] Ghasem, N., & Al-Marzouqi, M. (2017). Modeling and experimental study of carbon dioxide absorption in a flat sheet membrane contactor. Journal of Membrane Science and Research, 3(2), 57-63.
[51] Moraes, L., da Rosa, G. M., Santos, L. O., & Costa, J. A. (2020). Innovative development of membrane sparger for carbon dioxide supply in microalgae cultures. Biotechnology progress, 36(4), e2987. https://doi.org/10.1002/btpr.2987
[52] Samimi, A., Zarinabadi, S., Bozorgian, A., Amosoltani, A., Tarkesh Esfahani, M. S., & Kavousi, K. (2020). Advances of membrane technology in acid gas removal in industries. Progress in Chemical and Biochemical Research, 46-54. https://doi.org/10.33945/SAMI/PCBR.2020.1.6
[53] Nasir, R., & Abdulrahman, A. (2020). Polymeric amine membrane materials for carbon dioxide (CO2)/methane (CH4) separation. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 51(1), 66-72. https://doi.org/10.1002/mawe.201900084.
[54] Han, K. K., Ma, L., Zhao, H. M., Li, X., Chun, Y., & Zhu, J. H. (2012). In situ synthesis of SBA-3/cotton fiber composite materials: a hybrid device for CO2 capture. Microporous and Mesoporous Materials, 151, 157-162. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2011.10.043.
[55] Moya, C., Gonzalez-Miquel, M., Rodriguez, F., Soto, A., Rodriguez, H., & Palomar, J. (2017). Non-ideal behavior of ionic liquid mixtures to enhance CO2 capture. Fluid Phase Equilibria, 450, 175-183. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2017.07.014.
[56] Li, Y., Cheng, J., Hu, L., Liu, J., Zhou, J., & Cen, K. (2018). Graphene nanoplatelet and reduced graphene oxide functionalized by ionic liquid for CO2 capture. Energy & Fuels, 32(6), 6918-6925. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b00889.
[57] Abe, H., Takeshita, A., Sudo, H., & Akiyama, K. (2020). CO2 capture and surface structures of ionic liquid-propanol solutions. Journal of Molecular Liquids, 301, 112445. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.112445.
[58] Lian, X., Xu, L., Chen, M., Wu, C. E., Li, W., Huang, B., & Cui, Y. (2019). Carbon dioxide captured by metal organic frameworks and its subsequent resource utilization strategy: a review and prospect. Journal of nanoscience and nanotechnology, 19(6), 3059-3078. https://doi.org/10.1166/jnn.2019.16647.
[59] Wongsakulphasatch, S., Kiatkittipong, W., Saupsor, J., Chaiwiseshphol, J., Piroonlerkgul, P., Parasuk, V., & Assabumrungrat, S. (2017). Effect of Fe open metal site in metal‐organic frameworks on post‐combustion CO2 capture performance. Greenhouse Gases: Science and Technology, 7(2), 383-394. https://doi.org/10.1002/ghg.1662.
[60] Chung, Y. G., Gómez-Gualdrón, D. A., Li, P., Leperi, K. T., Deria, P., Zhang, H., & Snurr, R. Q. (2016). In silico discovery of metal-organic frameworks for precombustion CO2 capture using a genetic algorithm. Science advances, 2(10), e1600909. https://doi.org/10.1126/sciadv.1600909.
[61] Yoo, B. M., Shin, J. E., Lee, H. D., & Park, H. B. (2017). Graphene and graphene oxide membranes for gas separation applications. Current opinion in chemical engineering, 16, 39-47. https://doi.org/10.1016/j.coche.2017.04.004.
[62] Chernikova, V., Shekhah, O., Belmabkhout, Y., & Eddaoudi, M. (2020). Nanoporous Fluorinated Metal–Organic Framework-Based Membranes for CO2 Capture. ACS Applied Nano Materials, 3(7), 6432-6439. https://doi.org/10.1021/acsanm.0c00909.
[63] Setiawan, W. K., & Chiang, K. Y. (2019). Silica applied as mixed matrix membrane inorganic filler for gas separation: a review. Sustainable Environment Research, 29(1), 1-21. https://doi.org/10.1186/s42834-019-0028-1.
[64] Borandeh, S., Abdolmaleki, A., Zamani Nekuabadi, S., & Sadeghi, M. (2019). Methoxy poly (ethylene glycol) methacrylate-TiO2/poly (methyl methacrylate) nanocomposite: an efficient membrane for gas separation. Polymer-Plastics Technology and Materials, 58(7), 789-802. https://doi.org/10.1080/03602559.2018.1520255.
[65] Gao, W., Liang, S., Wang, R., Jiang, Q., Zhang, Y., Zheng, Q., & Park, S. E. (2020). Industrial carbon dioxide capture and utilization: state of the art and future challenges. Chemical Society Reviews. https://doi.org/10.1039/D0CS00025F.
[66] Ma, B., Lin, R., He, H., Wu, Q., & Chen, S. (2020). Rapid synthesis of solid amine composites based on short mesochannel SBA-15 for CO2 capture. Composites Part B: Engineering, 185, 107782. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.107782.
[67] Ünveren, E. E., Monkul, B. Ö., Sarıoğlan, Ş., Karademir, N., & Alper, E. (2017). Solid amine sorbents for CO2 capture by chemical adsorption: A review. Petroleum, 3(1), 37-50. https://doi.org/10.1016/j.petlm.2016.11.001.
[68] Liu, F., Kuang, Y., Wang, S., Chen, S., & Fu, W. (2018). Preparation and characterization of molecularly imprinted solid amine adsorbent for CO2 adsorption. New Journal of Chemistry, 42(12), 10016-10023. https://doi.org/10.1039/C8NJ00686E.
[69] Rojek, T., Gubler, L., Nasef, M. M., & Abouzari-Lotf, E. (2017). Polyvinylamine-containing adsorbent by radiation-induced grafting of N-vinylformamide onto ultrahigh molecular weight polyethylene films and hydrolysis for CO2 capture. Industrial & Engineering Chemistry Research, 56(20), 5925-5934. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.7b00862.
[70] Shao, L., Li, Y., Huang, J., & Liu, Y. N. (2018). Synthesis of triazine-based porous organic polymers derived N-enriched porous carbons for CO2 capture. Industrial & Engineering Chemistry Research, 57(8), 2856-2865. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.7b04533.
[71] Sevilla, M., Parra, J. B., & Fuertes, A. B. (2013). Assessment of the role of micropore size and N-doping in CO2 capture by porous carbons. ACS applied materials & interfaces, 5(13), 6360-6368. https://doi.org/10.1021/am401423b.
[72] Chen, J., Yang, J., Hu, G., Hu, X., Li, Z., Shen, S., & Fan, M. (2016). Enhanced CO2 capture capacity of nitrogen-doped biomass-derived porous carbons. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 4(3), 1439-1445. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5b01425
[73] Olivieri, L., Roso, M., De Angelis, M. G., & Lorenzetti, A. (2018). Evaluation of electrospun nanofibrous mats as materials for CO2 capture: A feasibility study on functionalized poly (acrylonitrile)(PAN). Journal of Membrane
Science, 546, 128-138. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2017.10.019.
[74]Babitha, S., Rachita, L., Karthikeyan, K., Shoba, E., Janani, I., Poornima, B., & Sai, K. P. (2017). Electrospun protein nanofibers in healthcare: A review. International journal of pharmaceutics, 523(1), 52-90. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2017.03.013.
[75] Reneker, D. H., & Mazur, J. (1990). Crystallographic defects in
polymers and what they do Computer Simulation of
Polymers ed J Roe (Englewoods Cliffs, NJ:
Prentice-Hall) ch 23, 332–340.
[76] Liu, X., Yang, Y., Yu, D. G., Zhu, M. J., Zhao, M., & Williams, G. R. (2019). Tunable zero-order drug delivery systems created by modified triaxial electrospinning. Chemical Engineering Journal, 356, 886-894. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.09.096.
[77] Zainab, G., Babar, A. A., Iqbal, N., Wang, X., Yu, J., & Ding, B. (2018). Amine-impregnated porous nanofiber membranes for CO2 capture. Composites Communications, 10, 45-51. https://doi.org/10.1016/j.coco.2018.06.005' target='blank'>https://doi.org/10.1016/j.coco.2018.06.005.
[78] Haider, A., Haider, S., & Kang, I. K. (2018). A comprehensive review summarizing the effect of electrospinning parameters and potential applications of nanofibers in biomedical and biotechnology. Arabian Journal of Chemistry, 11(8), 1165-1188. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2015.11.015.
[79] Sandri, G., Rossi, S., Bonferoni, M. C., Caramella, C., & Ferrari, F. (2020). Electrospinning technologies in wound dressing applications. Therapeutic dressings and wound healing applications, 315-336. https://doi.org/10.1002/9781119433316.ch14.
[80] Feng, J. J. (2002). The stretching of an electrified non-Newtonian jet: A model for electrospinning. Physics of fluids, 14(11), 3912-3926. https://doi.org/10.1063/1.1510664
[81] Huan, S., Liu, G., Han, G., Cheng, W., Fu, Z., Wu, Q., & Wang, Q. (2015). Effect of experimental parameters on morphological, mechanical and hydrophobic properties of electrospun polystyrene fibers. Materials, 8(5), 2718-2734. https://doi.org/10.3390/ma8052718
[82] Cui, W., Li, X., Zhou, S., & Weng, J. (2007). Investigation on process parameters of electrospinning system through orthogonal experimental design. Journal of applied polymer science, 103(5), 3105-3112. https://doi.org/10.1002/app.25464.
[83] Kanu, N. J., Gupta, E., Vates, U. K., & Singh, G. K. (2020). Electrospinning process parameters optimization for biofunctional curcumin/gelatin nanofibers. Materials Research Express, 7(3), 035022.
[84] Sneddon, G., Greenaway, A., & Yiu, H. H. (2014). The potential applications of nanoporous materials for the adsorption, separation, and catalytic conversion of carbon dioxide. Advanced Energy Materials, 4(10), 1301873. https://doi.org/10.1002/aenm.201301873.
[85]Chaúque, E. F., Dlamini, L. N., Adelodun, A. A., Greyling, C. J., & Ngila, J. C. (2017). Electrospun polyacrylonitrile nanofibers functionalized with EDTA for adsorption of ionic dyes. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, 100, 201-211. https://doi.org/10.1016/j.pce.2016.10.008
[86] Damberga, D., Viter, R., Fedorenko, V., Iatsunskyi, I., Coy, E., Graniel, O., & Bechelany, M. (2020). Photoluminescence study of defects in ZnO-coated polyacrylonitrile nanofibers. The Journal of Physical Chemistry C, 124(17), 9434-9441. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c00326.
[87] Ali, N., Babar, A. A., Zhang, Y., Iqbal, N., Wang, X., Yu, J., & Ding, B. (2020). Porous, flexible, and core-shell structured carbon nanofibers hybridized by tin oxide nanoparticles for efficient carbon dioxide capture. Journal of colloid and interface science, 560, 379-387. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.10.034.
[88] Chiang, Y. C., Lee, S. T., Leo, Y. J., & Tseng, T. L. (2020). Importance of Pore Structure and Surface Chemistry in Carbon Dioxide Adsorption on Electrospun Carbon Nanofibers. Sensors and Materials, 32(7), 2277-2288. https://doi.org/10.18494/SAM.2020.2871
[89] Chen, F., Wu, Y., Ding, Z., Xia, X., Li, S., Zheng, H., & Zi, Y. (2019). A novel triboelectric nanogenerator based on electrospun polyvinylidene fluoride nanofibers for effective acoustic energy harvesting and self-powered multifunctional sensing. Nano energy, 56, 241-251. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.11.041
[90] Hong, S. M., Kim, S. H., Jeong, B. G., Jo, S. M., & Lee, K. B. (2014). Development of porous carbon nanofibers from electrospun polyvinylidene fluoride for CO2 capture. RSC advances, 4(103), 58956-58963. https://doi.org/10.1039/C4RA11290C.
[91] Heo, Y. J., Zhang, Y., Rhee, K. Y., & Park, S. J. (2019). Synthesis of PAN/PVDF nanofiber composites-based carbon adsorbents for CO2 capture. Composites Part B: Engineering, 156, 95-99. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.08.057.
[92] Zhang, Y., Guan, J., Wang, X., Yu, J., & Ding, B. (2017). Balsam-pear-skin-like porous polyacrylonitrile nanofibrous membranes grafted with polyethyleneimine for postcombustion CO2 capture. ACS applied materials & interfaces, 9(46), 41087-41098. https://doi.org/10.1021/acsami.7b14635.
[93] Zainab, G. , Babar, A.A. , Iqbal, N., &Wang X., (2018). Amine-impregnated porous nanofiber membranes for CO2 capture, Composites Communications 10:45-51.
[94] Vajtai, R. (Ed.). (2013). Springer handbook of nanomaterials. Springer Science & Business Media.
[95] Iqbal, N., Wang, X., Babar, A. A., Yu, J., & Ding, B. (2016). Highly flexible NiCo2O4/CNTs doped carbon nanofibers for CO2 adsorption and supercapacitor electrodes. Journal of colloid and interface science, 476, 87-93. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2016.05.010.
پژوهش و فناوری محیط زیست، 1401 7(12)، 107-128
| |||
|
|
| |
1- استادیار، گروه مهندسی پلیمر، دانشکده فنی و مهندسی گرگان، دانشگاه گلستان، گرگان، ایران | |
چکیده | اطلاعات مقاله |
دیاکسیدکربن مهمترین گاز گلخانه‌ای است که به مقدار زیاد در جو زمین منتشر میشود. این مقدار زیاد دیاکسیدکربن در جو دمای زمین را افزایش میدهد و مشکلات عظیمی را ایجاد میکند که بر زندگی انسان تأثیرگذار است مانند گردباد شدید، طوفان، سیل، خشکسالی و باران‌های اسیدی. بخش اصلی انتشار دیاکسیدکربن از احتراق سوختهای فسیلی حاصل میشود که منبع اصلی انرژی مورد استفاده برای تأمین تقاضای انرژی بشریت در حال حاضر و آینده نزدیک است. در سال‌های اخیر، غشاهای نانوالیاف به‌عنوان جاذب آلاینده بسیار مورد‌توجه قرار گرفته است که در مقایسه با جاذبهای معمولی، از بسیاری جهات مانند ساختار متخلخل، سطح ویژه بالا، شار نفوذ و انتخابپذیری بالا، افت فشار پایین، انعطاف‌پذیری بالا و جذب هدفمند، برتری دارند. بنابراین، غشاهای نانوالیاف که معمولاً به روش الکتروریسی تهیه میشوند، پتانسیل بسیار خوبی برای جذب و جداسازی آلاینده‌های گازی مانند دیاکسیدکربن از هوا دارند. علاوه بر نسبت سطح به حجم فوق العاده بالا، نانوالیاف اصلاح شده دارای گروه‌های عاملی مختلفی هستند که عملکرد آنها را بهبود میبخشند. در این مقاله، بررسی کلی از آثار منتشر شده در دهه گذشته در مورد توسعه غشاهای نانوالیاف متخلخل مبتنی بر الکتروریسی برای حذف کارآمد دیاکسیدکربن انجام شده است. نانوالیاف الکتروریسی شده از مواد مختلف پلیمری به همراه سطح ویژه و ظرفیت جذب یا بازده حذف آلاینده CO2 گزارش شده و مورد ارزیابی قرار گرفت. بررسی بازده حذف یا ظرفیت جذب، حذف بالای دیاکسیدکربن توسط نانوالیاف را تایید میکنند. |
نوع مقاله: مروری تاریخ دریافت: 15/12/1400 تاریخ پذیرش: 23/12/1401 دسترسی آنلاین: 28/12/1401
كليد واژه‌ها: آلاینده‌های گازی، دیاکسیدکربن، جاذب، نانوالیاف، الکتروریسی |
| |
[1] *پست الکترونیکی نویسنده مسئول: h.shaki@gu.ac.ir
Journal of Environmental Research and Technology, 7(12) 2022. 127-128
|
Application of electrospinning nanofibers for gaseous pollutants removal
Hanieh Shakki*11
1- Assistant Professor, Department of Polymer Engineering, Faculty of Engineering, Golestan University, Gorgan, Iran | |||
Article Info | Abstract | ||
Article type: Review Article
Keywords: Gaseous pollutants, Carbon dioxide, Adsorbent, Nanofiber, Electrospinning | Carbon dioxide is the most important greenhouse gas that is released in large quantities into the atmosphere. Excess carbon dioxide in the atmosphere increases the earth temperature and creates enormous problems that affect human existence, such as severe tornadoes, storms, floods, droughts and acid rain. The main source of Carbon dioxide emissions is fossil fuels combustion, which are the main sources of energy used to meet human energy demand now and in the near future. In recent years, nanofiber membranes have been highly regarded as pollutant adsorbents compared to conventional adsorbents, which are superior in many ways such as porous structure, high specific surface area, high penetration flux and selectivity, low pressure drop, high flexibility and targeted adsorption. So, nanofibers membranes, which are usually prepared by electrospinning method, have excellent potential for adsorption and separation of carbon dioxide from the air. In addition to the extremely high surface to volume ratio, modified electrospinning nanofibers have different functional groups that improve their performance. In this article, a general review of the researches published in the last decade on the development of porous nanofibers membranes based on electrospinning for the efficient removal of carbon dioxide has been done. The electrospinning nanofibers of different polymer materials were evaluated along with the specific surface area and absorption capacity or CO2 pollutant removal efficiency. Studying the removal efficiency or absorption capacity confirms the high removal of carbon dioxide by nanofibers. | ||
| |||
[1] * Corresponding author E-mail address: h.shaki@gu.ac.ir
مقدمه
انتشار عظیم گازهای گلخانه‌ای منجر به گرم شدن کره زمین شده است، که تهدیدی نگران کننده برای محیط زیست و بهداشت عمومی است بنابراین، نگرانی عمده دانشمندان برای حل این مسئله بوده است [1-4]. گازهای گلخانه‌ای متعددی مانند SOx، NOx، CH4، CO2 و غیره وارد محیط زیست میشوند، اما دیاکسیدکربن به دلیل انتشار بسیار زیاد آن از منابع مختلفی که شامل نیروگاه‌ها، اتومبیل‌ها و صنایع هستند بیشترین سهم را در بین همه آنها تشکیل میدهد [5،6]. انتشار دیاکسیدکربن، یکی از مهم ترین گازهای گلخانه ای، نگرانی‌های زیادی راجع به رابطه بین دیاکسیدکربن و انسان و گرم شدن کره زمین ایجاد کرده است، انتشار دیاکسیدکربن ممکن است به آلودگی هوای شهری، باران اسیدی، و مشکلات بهداشتی منجر شود [7،8]. گزارش شده است که غلظت دیاکسیدکربن در جو زمین در طی نیم قرن گذشته از حدود ppm 310 به ppm 394 افزایش یافته است و پیش بینی میشود در صورت عدم کنترل منابع انسانی همچنان به افزایش خود ادامه دهد [9،10]. بنابراین توسعه و به کارگیری فناوریهای جذب و ذخیره سازی دی اکسیدکربن برای مقابله با افزایش دی اکسیدکربن ضروری است [11]. فناوریهای جذب و ذخیرهسازی دی اکسیدکربن برخی از گزینههای امیدوار کننده و موثر را برای کاهش انتشار دیاکسیدکربن ارائه میدهد [12]. شکل 1 مسیر‌های ساده تولید دی اکسیدکربن، جذب یا جداسازی و ذخیرهسازی یا استفاده مجدد از آن را نشان میدهد. تکنیک‌های جذب و ذخیره سازی بر سه روش متمرکز شده است، یعنی فرایند پیش احتراق، احتراق پس از سوخت و احتراق کامل با اکسیژن خالص1 [13،14].
شکل 1- تولید، جذب و ذخیره سازی یا استفاده مجدد از دی اکسیدکربن ]14-12[.
برای کاهش مقدار دی اکسیدکربن منتشر شده در جو زمین، چهار روش اصلی برای جذب و ذخیره سازی ایجاد شده است: جذب محلول، جاذب، نفوذ غشایی و تقطیر [15،16]. بدیهی است که دستیابی به اکثر این فناوریها به شدت وابسته به توسعه مواد است. در بین آنها، فرایند جذب یا استفاده از جاذب به‌دلیل مصرف کم انرژی، هزینه کم تجهیزات و سهولت کاربرد، مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است. تعدادی از مواد جاذب برای جذب دیاکسیدکربن مورد استفاده قرار گرفته است، مواد با سطح ویژه بالا (به‌عنوان مثال، زئولیت، کربن فعال) به‌طور گستردهای بررسی شده است [17،18].
تحقیقات در دهههای اخیر فناوریهای مختلفی از جمله جذب شیمیایی و فیزیکی، جداسازی از طریق غشاها و جذب را نشان داده است که میتواند برای جذب و جداسازی دی اکسیدکربن به‌کار رود، با این‌حال، این فناوریها هنوز برای استفاده در مقیاس وسیع مناسب نیستند [19]. بنابراین، هنوز نیاز به تحقیقات کامل برای تجاریسازی این فناوریها وجود دارد، تا آنها بتوانند مقادیر عظیمی از گاز دودکشها را پردازش کرده و به‌طور قابل‌توجهی میزان جذب شده را به محفظههای امن انتقال دهند [20]. انواع مواد جاذب برای جذب دی اکسیدکربن سنتز شده است، مانند زئولیت و کربن فعال. نانومواد، با ارائه سطح ویژه بالاتر و ساختار متخلخل مناسب پتانسیل بالایی را برای جذب و ذخیره سازی دی اکسیدکربن دارند. سطح ویژه بالاتر این مواد مکان‌های واکنش بیشتری را فراهم میکند و منجر به افزایش ظرفیت جذب میشود و وزن و هزینه کمتری را برای بسترهای حاصل فراهم میآورد، از این رو، آنها نسبت به مواد مرسوم ترجیح داده میشوند. از بین این نانومواد2، الیافها کمترین مقاومت ممکن را در برابر انتقال گاز و سینتیک فوق العاده سریع ارائه میدهند. روشهای مختلفی برای تولید الیاف وجود دارد که قادر به تولید الیاف در مقیاس نانو هستند. با این حال، اعتقاد بر این است که الکتروریسی پرکاربردترین، متنوعترین و مقیاس‌پذیرترین روش تولید نانوالیافها است [10،21]. الکتروریسی یک فرایند ساده و آسان با حداقل سرمایهگذاری است. در الکتروریسی، مورفولوژی الیاف را میتوان با پارامترهای فرآیند کنترل کرد ]22[. اما اخیراً این فرایند بسیار زیاد مورد توجه قرار گرفته است زیرا از پتانسیل بسیار بالایی برای تولید نانوالیاف با خصوصیات استثنایی و خاص، به عنوان مثال نفوذپذیری بالاتر و سطح با نسبت حجم و قطر بالا برخوردار است ]23[.
روشهای جذب دیاکسیدکربن
تاکنون روشهای مختلفی برای جذب و جداسازی دیاکسیدکربن گزارش شده است، هم چنین، 1297 اختراع درباره جذب و جداسازی دی اکسیدکربن توسط جاذبها3، حلالها4 و غشاها5 ثبت شده است. در بین آنها، تقریبا 5/37 % (486 اختراع ثبت شده) متعلق به حلالها، 5/35 ٪ (461 اختراع ثبت اختراع) و 27 % (350 اختراع ثبت شده) به ترتیب متعلق به جاذبها و غشاها میباشد ]24[. دلیل احتمالی عدم ثبت اختراعات بیشتر بر روی حلالها و جاذبهای جامد، این است که انواع زیادی از مواد را میتوان به عنوان حلال یا جاذبهای جامد استفاده کرد. به عنوان مثال، اتانول آمینها6، آمونیاک7، محلولهای فلز قلیایی (به عنوان مثال، هیدروکسیدهای فلز قلیایی، کربناتها یا فسفاتها)، نمکهای آمینو اسید8، پلی گلیکول اتر9 و مایعات یونی10 میتوانند به عنوان حلالها [25-28] و کربن فعال، زئولیت، غربال مولکولی11، سیلیکاژل12، جاذبهای جامد آمین، چارچوبهای آلی فلزی13، ترکیبات فلزی (به عنوان مثال، اکسیدهای فلزی، هیدروکسیدها، پراکسیدها، سیلیکاتها و کربناتها) و غیره میتوانند به عنوان جاذب جامد استفاده شوند [29-32]. در مقابل، مواد نسبتاً کمتری به عنوان غشا به منظور جذب و جداسازی دی اکسیدکربن بررسی شده است. مواد اصلی غشاهای پلی ایمید14، زئولیتها و فلوئوروپلیمرها هستند [33 ،34].
جزئیات بیشتر در مورد جاذبها، حلالها و غشاها به شرح زیر میباشد:
به طور کلی، حلالها را میتوان بر اساس خواص طبقهبندی کرد [35] اما در مطالعات مربوط به جذب و جداسازی دی اکسیدکربن، حلالها معمولاً براساس نوع واکنش‌پذیری آنها در محلول طبقهبندی میشوند [36]. حلالها به چهار دسته شیمیایی، فیزیکی، فیزیکی-شیمیایی و مخلوط حلالها تقسیم‌بندی میشوند.
به‌دلیل واکنشهای شیمیایی بین حلالها و دی اکسیدکربن، این حلالها به عنوان "حلالهای شیمیایی" شناخته شدهاند. آمینها، محلولهای نمکی، آمونیاک نمون‌هایی از این نوع حلالها هستند ]37[. از مزایای اصلی حلالهای شیمیایی عدم حساسیت نسبی نسبت به فشارهای جزئی گازهای اسیدی، میزان جذب گازهای اسیدی تا ppm و ضرایب انتقال جرم جذب و دفع زیاد است. مهم ترین مضرات این حلالها، انرژی زیاد برای احیاء حلال، انتخاب پذیری نامناسب بین گازهای اسیدی، قیمت بالای مواد، گرمای زیاد جذب، خوردگی زیاد، وجود واکنشهای جانبی و آسیبهای محیط زیستی است ]38[.
در فرآیندهای جذب فیزیکی، قانون هنری17 اعمال میشود و جذب گاز در شرایط فشار بالا حاصل میشود. در این نوع فرآیندها، برخلاف جذب شیمیایی احیاء حلال ممکن است با کاهش فشار انجام شود و علاوه بر این، گرما لازم نیست ]39[. در مقایسه با جذب شیمیایی، حلالهای فیزیکی ظرفیت جذب بیشتری دارند و از این رو منجر به کاهش نرخ چرخش حلال میشوند ]40[. مزیت دیگر حلال فیزیکی انتخاب پذیری آنها بین گازهای اسیدی است. مضرات حلالهای فیزیکی حساسیت آنها به فشارهای جزئی گاز اسیدی (باید زیاد باشد) و لزوم داشتن غلظت کم گازهای بی اثر است ]41[.
مایعات یونی حلالهایی هستند که هم رفتار فیزیکی و هم رفتار شیمیایی از خود نشان میدهند و از این رو ما آنها را در یک بخش جداگانه در عنوان حلالهای فیزیکی-شیمیایی در نظر گرفتیم. این حلالها از کاتیونها19 و آنیونها20 تشکیل شدهاند و به دلیل خاصیت‌های منحصر به فرد آنها از جمله فشار بخار کم، نقطه ذوب کم، ماندگاری مایع در طیف گستردهای از دما و پایداری حرارتی کاربرد گستردهای در مناطق مختلف دارند ]42[. با استفاده از ترکیب بسیاری از آنیونها و کاتیونها میتوان به طراحی حلال جدید پرداخت. بنابراین، با طراحی مایعات یونی مختلف میتوان ویژگیهای مورد نظر را بدست آورد. با وجود این، لازم به ذکر است که برخی از مایعات یونی خواص مضر مانند سمیت و خوردگی را نشان میدهند. در مقابل، از آنجا که تعداد مایعات یونی ممکن برای طراحی بیش از حد زیاد است، کشف یک سنتز چالش برانگیز با یک روش آزمون و خطا وقت گیر و گران است ]43[.
هر حلال از خصوصیات مطلوبی برخوردار است، از این رو محققان اظهار داشتند که با ترکیب آنها میتوانند از ویژگیهای مثبت هر حلال استفاده کنند. به عنوان مثال، با ترکیب آمین‌های اولیه / ثانویه22 با آمین‌های سوم / مختل شده23، میتوان یک سینتیک واکنش سریع با ظرفیت جذب بالا و نیاز کم انرژی برای بازسازی به دست آورد. مخلوط حلالها را میتوان به دو دسته اصلی یعنی مخلوط حلالهای شیمیایی و مخلوط حلالهای فیزیکی و شیمیایی طبقهبندی کرد ]44[. علاوه بر مخلوط معمول حلالها، برخی از مخلوط‌های حلال رفتار تغییر فاز را نشان دادند.
جامدی که بر روی سطح آن جذب اتفاق می‌افتد جاذب و مایع جذب شده را مجذوب می‌نامند. جذب سطحی24 بر روی سطح مشترک جامد-مایع اتفاق می‌افتد. خاصیت جذب جامد‌های یک مسئله دیگر جذب است. جذب یک پدیده عمومی است و تمام جامد‌ها، مایعات و بخارات را مقداری جذب میکنند ]45[. بسیاری از جامدات این خاصیت را دارند که بتوانند مقداری گاز یا ماده حل شده در حلالی را جذب نمایند.
جاذبهای جامد ممکن است با مولکولهای دی اکسیدکربن اثر متقابل شیمیایی یا فیزیکی داشته باشند. جاذبها را میتوان با توجه به درجه حرارت جذب و دفع آنها به سه دسته (1) درجه حرارت پایین (کمتر از 200 درجه سانتی‌گراد)، (2) درجه حرارت متوسط (200-400 درجه سانتی‌گراد) و (3) درجه حرارت بالا (بیشتر از 400 درجه سانتی‌گراد) طبقه بندی کرد ]46[.
به عنوان جایگزینی برای فرآیندهای معمولی برای جداسازی و جذب دی اکسیدکربن، فناوری غشایی به دلیل انتخابپذیری، کارآیی، انعطاف پذیری، توانایی حفظ دی اکسیدکربن در فشارهای بالاو انجام جداسازی با انرژی کم، پتانسیل بسیار خوبی برای جذب دی اکسیدکربن را نشان میدهد ]47[. غشاهای انتخاب پذیر دی اکسیدکربن امکان جداسازی دی اکسیدکربن از جریانهای مختلف گازی را دارند، مانند:
(1) گاز خروجی (سیستم پس از احتراق)
(2) گاز طبیعی (پردازش گاز طبیعی)
(3) هیدروژن (سیستم‌های پیش احتراق) یا اکسیژن حاصل از نیتروژن (در سیستم احتراق oxyful) یا احتراق با اکسیژن خالص.
علاوه بر این، غشاها دارای چندین مزیت ذاتی نسبت به سایر تکنیک‌های جداسازی از جمله طراحی ساده و بدون قطعات متحرک، عملیات پاکسازی محدود و جداسازی یک مرحلهای هستند و میتوان آنها را به راحتی در انتهای جریان گازهای دودکش نیروگاه بدون نیاز به یکپارچه‌سازی پیچیده مجدداً نصب کرد ]48[. علاوه بر این، غشاها برای احیا دوباره نیازی به افزودن مواد شیمیایی ندارند. مزایای فوق‌الذکر، به‌طور عمده بهره‌وری انرژی و سهولت در کاربرد، به غشا اجازه میدهد تا در برخی از برنامه‌های جذب و جداسازی دی اکسیدکربن مانند شیرین‌سازی گاز طبیعی، پیشرفت‌های تجاری قابل توجهی داشته باشند ]49[. در مقابل، فناوری غشایی هنوز به صورت تجاری برای جذب و جداسازی دی اکسیدکربن از گاز دودکش مورد استفاده قرار نمیگیرد، اگرچه این غشاها انتخابی معقول برای جذب دی اکسیدکربن از گاز دودکشها به نظر میرسد، جایی که فشارها و غلظت دیاکسیدکربن زیاد است. به‌طور خاص، کاربرد گسترده آنها در مقیاس صنعتی محدود به این واقعیت است که بیشتر غشاها در مقیاس آزمایشگاهی و در شرایط نسبتاً ایدهآل و نه در یک محیط صنعتی واقعی آزمایش شدهاند ]50[.
غشاهای جداسازی گاز را میتوان به این ترتیب طبقهبندی کرد ]51[:
(1) پلیمری (آلی)
(2) معدنی (فلزی و متخلخل)
(3) مخلوط ماتریس (ترکیبی یا هیبریدی)25
مواد جدید برای جذب و جداسازی دی اکسیدکربن
تعدادی مواد جدید برای جذب دی اکسیدکربن از فرآیندهای پیش احتراق، پس از احتراق، و فرایندهای oxyfuel وجود دارد ]52[. نمونههایی از مواد جدید شامل مایعات یونی(ILs)، چارچوبهای فلزی-آلی (MOFs)، غشاها و جاذبهای الیافی و نانوالیافی است.
یکی از روشهای جذب و به دام انداختن دی اکسیدکربن استفاده از مایعات یونی است. طبیعت تقریباً غیرفرار، پایداری بالا در برابر آتش و قرار گرفتن در معرض حرارت و تنوع در مقاومت در برابر مواد شیمیایی، آنها را به عنوان گزینه ی مناسبی برای جذب و به دام انداختن دی اکسیدکربن انتخاب میکند]53[.مکانیسم جذب دیاکسیدکربن در مایعات یونی اغلب براساس جذب فیزیکی است و شامل یک ارتباط ضعیف بین مولکولهای مایعات یونی و دی اکسیدکربن است. هنگامی که دی اکسیدکربن از مخلوط گاز حذف شد، میتواند با کاهش فشار یا افزایش دما از مایعات یونی (که قابل استفاده مجدد است) آزاد شود. در حالی که ویسکوزیته مایعات یونی از بین رفتن حلال از جریان گاز را به حداقل میرساند، این ویژگی همچنین انتقال جرم را محدود میکند، و میزان جذب کاهش مییابد ]54[. برای غلبه بر این کاستیها و افزایش ظرفیت مایعات یونی ساده، مایعات یونی عامل دار شده با آمین توسعه یافتهاند، که اجازه میدهد میزان بالاتری از جذب به دست آورد ]55[.
چارچوبهای فلزی-آلی مواد جدیدی هستند که به وسیله پیوندهای مختصات بین لیگاند26های چندتایی و اتم‌های فلزی یا گروه‌های فلزی حاوی فلز کوچک ساخته شدهاند، که اخیراً به دلیل وجود ساختار متخلخل، مساحت سطح بزرگ و کاربردهای بالقوه به عنوان جاذبهای جدید مورد توجه شدید پژوهشگران قرار گرفتهاند ]56[. بیشتر مواد چارچوبهای فلزی-آلی دارای ساختارهای سه بعدی با منافذ یکنواخت و شبکه‌ای از کانال‌ها هستند (شکل3). فضاهای خالی باقی مانده درون ساختارهای سه بعدی میتوانند مولکولهای مهمان دیگر را جذب کنند ]57[. تخلخل دائمی و خصوصیات ساختاری متناسب تر چارچوبهای فلزی-آلی، آنها را نسبت به مواد متخلخل معمولی مانند زئولیتها و کربن‌های فعال برتر میکند ]58[.
شکل 3- ساختار سه بعدی چارچوبهای فلزی-آلی ]57[
غشای جداسازی گاز معمولاً از چندین لایه با کارکردهای مختلف تشکیل شده است. یک لایه نازک انتخاب پذیر متراکم (ضخامت 100 نانومتر) جداسازی مولکولی27 را انجام میدهد، در حالی که یک ساختار پشتیبانی مولکولی مقاومت مکانیکی و حداقل مقاومت حمل و نقل را فراهم میکند ]59[. مواد تشکیل دهنده غشاها به طور معمول به دو دسته غیر آلی (به عنوان مثال، سرامیک، اکسید فلز، فلز، غربال‌های مولکولی و چارچوبهای فلزی-آلی) یا آلی (به عنوان مثال، سلولز استات28، پلی سولفون29، پلی آمید30 و پلی‌ایمید) طبقه بندی میشوند. مهم ترین بخش این فرآیند، غشایی است که از پلیمر کامپوزیتی31 ساخته شده است که یک لایه نازک انتخاب پذیر به لایه ضخیم تر، غیر انتخابی و کم هزینه متصل میشود که باعث تقویت مکانیکی غشا میشود. همچنین از این روش برای جداسازی سایر گازها مانند O2 از N2 و CO2 از گاز طبیعی استفاده شده است. از طریق توسعه غشاهای کارآمد، آئودوس32 و گیلن33 بازده جداسازی دیاکسیدکربن را از 82٪ به %88 رساندند. توسعه غشاهای سرامیکی و فلزی [60] و غشاهای پلیمری [61] برای انتشار غشاء میتواند به طور قابل توجهی غشاء کارآمد تری را برای جذب دی اکسیدکربن از فرآیندهای جذب مایع تولید کند. چیانگ و همکاران [61] یک بررسی کلی در مورد فناوری جذب دی اکسیدکربن با استفاده از غشاها انجام داد و با سایر فناوری