Application of electrospun nanofibers for gaseous pollutants adsorption
Subject Areas : environmental economy
1 - Golestan university
Keywords: gaseous pollutants, Carbon dioxide, Adsorbent, Nanofiber, Electrospinning,
Abstract :
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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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 فناوریهای جداسازی مانند جذب مقایسه کرد. خاطرنشان کرد: عملکرد یک سیستم غشایی به شدت تحت تأثیر شرایط گاز خروجی از دودکش مانند غلظت و فشار کم دی اکسیدکربن است که مهمترین موانع استفاده از این فناوری است. علاوه بر این، برانده34 و همكاران [62] نشان دادند كه اگرچه در سیستمهای غشایی جداسازی گاز پیشرفتهای چشمگیری وجود دارد، اما آنها هنوز برای تحقق پتانسیلهای این فناوری فاصله زیادی دارند.
غشا و فرآیندهای غشایی تعدادی از مزایای ذاتی نسبت به سایر فناوریها برای جداسازی گازها ارائه میدهند از جمله (1) عملیات ساده و بدون نیاز به قطعات متحرک؛ (2) جداسازی سازگار با محیط زیست و بدون استفاده از مواد شیمیایی خطرناک؛ (3) ردپای کوچک، که در بعضی از برنامهها از اهمیت بالایی برخوردار است (به عنوان مثال، هواپیمای مسافربری، فضاپیما، یا روی سیستم عاملهای گاز طبیعی دریایی)؛ و (4) مصرف انرژی کمتری به دلیل اینکه میتوانند گونهها را بدون تغییر فاز جدا کنند ]63[.
جاذبهای الیافی و نانوالیافها
جاذبهای جامد آمین با استفاده از ساختار الیافی به جای ذرات به عنوان ماتریس انتظار میرود به دلیل مساحت سطح بالا و تخلخل آنها، افت فشار کم، و انعطاف پذیری ماتریس الیافها، مزایای شگفت انگیزی برای جذب دی اکسیدکربن ارائه دهند ]64[. جاذبهای آمین به عنوان یکی از گزینههای اصلی برای جذب و جداسازی دی اکسیدکربن به کار میرود و کاندیداهای بالقوهای برای محدود کردن انتشار دی اکسیدکربن از طریق جداسازی هستند. آمینها انتخاب پذیری ذاتی را به این مواد منتقل میکنند. تنها نقطه ضعف عمده آنها اضافه شدن وزن غیرمولد به ماده جاذب است ]65[. کاهش در حلال و مقادیر پشتیبانی میتواند ظرفیت جذب دی اکسیدکربن را افزایش دهد (به عنوان مثال، گرم دیاکسیدکربن/ گرم جاذب)؛ علاوه بر این، ممکن است انرژی موثر برای برگشت و بازسازی جاذبهای آمین را فراهم کند ]66[. پلی اتیلن آمین، با داشتن یک آمین برای هر دو اتم کربن، یک کاندیدای بسیار آینده نگر برای جذب و به دام انداختن دی اکسیدکربن است، اما ویسکوزیته35 بالای آن ناشی از ساختار شاخه ای و وزن مولکولی بالا، جذب دی اکسیدکربن را بسیار کند میکند. بارگیری مناسب پلی اتیلن آمین36 از طریق اتصال عرضی37 در حضور برخی از تکیه گاههای مناسب متخلخل، میتواند یک جاذب دی اکسیدکربن کارآمد را ایجاد کند ]67[.
نانوالیاف کربن
کربنها به دلیل ویژگیهای بارز آن یکی از کاندیداهای اصلی جذب و جداسازی دیاکسیدکربن هستند. با توجه به روشهایی که قبلاً مورد بحث قرار گرفت، پیش سازهای حاوی آمین برای سنتز کربنها مستقر شده اند که ذاتاً باید برخی آمینها را در ساختار خود داشته باشند. تحقیقات نشان میدهد کربن متخلخل پوشیده شده با نیتروژن دارای طرفیت جذب بسیار بالایی برای دیاکسیدکربن هستند. برای کاهش هزینه جاذب میتوان از منابع کربنی ارزان قیمت مانند کربن مشتق شده از پوسته بادام یا ذغال سنگ خشک و خالص استفاده کرد ]68[.
سویلا38 و همکاران ]69[، گزارش کردند که کربنهای پوشانده شده با نیتروژن میتوانند ظرفیت جذب بالای 9/3 میلی مول بر گرم (دمای 25 درجه سانتی گراد و فشار 1 بار) را برای دی اکسیدکربن ارائه دهند. چن و همکاران ]70[ ظرفیت جذب بالای 57/4 میلی مول برگرم را برای جذب دی اکسیدکربن با استفاده از کربنهای غنی شده با نیتروژن با مساحت سطح نسبتاً بالا و در شرایط عملیاتی دمای 25 درجه سانتی گراد و فشار 1 بار گزارش کردند. این نتایج گزارش شده نشان میدهد که مساحت بهینه سطح و تعداد مناسب سایتهای فعال بر روی سطح کربن، آنها را به عنوان کاندیدای بسیار مهم جذب و جداسازی دی اکسیدکربن معرفی میکند. با این حال، ماهیت شکننده و انتخاب پذیری کم آنها برای دی اکسیدکربن، و جذب نسبتاً کم دیاکسیدکربن کمتر از 1 میلی مول برگرم (25 درجه سانتیگراد) با فشار کم دیاکسیدکربن برابر با 15/0 بار، درخواست شده تا تحقیقات بیشتری انجام شود تا آنها به گزینهی کارآمد جذب و جداسازی دی اکسیدکربن برای برنامههای تجاری تبدیل شوند.
چرا نانوالیاف الکتروریسی شده؟
با توجه به ساختار منحصر به فرد و خواص مکانیکی نانوالیاف، پیش بینی میشود که جاذبهای مبتنی بر نانوالیاف از مقاومت بسیار کمی برای حمل و نقل گاز و در نتیجه سینتیک بسیار سریع برخوردار باشند. با توجه به مساحت سطح بالا و چگالی کم نانوالیاف، پیش بینی میشود که جاذبهای نانوالیافی نیز از ظرفیت جذب دی اکسیدکربن بالایی برخوردار باشند ]71[. جاذبهای نانوالیافی مختلفی (به عنوان مثال نانوالیافهای سلولز و نانوالیافهای گرافن39) برای جذب دی اکسیدکربن توسعه یافتهاند. الکتروریسی یک روش ساده و همه کاره برای تولید نانوالیاف با قطر نانومتر است. با توجه به ترکیبی از نرخ تولید بالای الیاف و سادگی تنظیمات، روش الکتروریسی توانایی بی نظیری در تولید نانوالیاف با بیشتر مواد را (ارگانیک، معدنی، و غیره) دارد، به راحتی الیاف مختلفی را با ترکیب و خواص سطح مورد نظر فراهم میکند. نسبت سطح به حجم بالا، تخلخل زیاد (تا بیش از 80٪) و عملکرد قابل تنظیم آنها باعث میشود تا غشاهای نانوالیاف الکتروریسی شده برای کاربردهای بی شماری در جداسازی گاز مفید باشند ]94[.
این تکنیک در حال حاضر بهترین تکنیک موثر و پیشرفته برای تولید نانوالیافهای بزرگ است. نام "الکتروریسی" برای اولین بار از "چرخش الکترواستاتیک"، که تاریخ آن به سال 1897 ابداع شده است[72]. تاريخ، آغاز الكتروریسی در قرن نوزدهم را نشان مي دهد. ریلی40 اولین کسی بود که تکنیک الکتروریسی را در سال 1897 مشاهده کرد و بعداً توسط زنلی41 در سال 1914 به طور مفصل گفته شد[72]. آنتوان42 تحولات بیشتری را در زمینه الکتروریسی به ارمغان آورد، و باعث تجاری سازی و حق ثبت اختراع برای تولید نخهای نساجی بین سالهای 1934 و 1944 شد. در دهه 1990، رنکر43 و روتلدگ44 تأیید كردند كه از طریق الكتروریسی پلیمرهای مختلف آلی میتوانند نانوالیاف را تشکیل دهند. پس از آن، نشریات مربوط به الکتروریسی تا حد زیادی افزایش یافته است[74و 73]. فرایند الکتروریسی شباهت نزدیکی با فرایند الکترواسپری دارد. در هر دو روش الکتروریسی و الکترواسپری45، نیروهای مکانیکی معمولی مانند پنوماتیک46 و هیدرواستاتیک47 توسط نیروهای الکترواستاتیک جایگزین میشوند ]75[. از آنجا که نیروهای الکترواستاتیک برای کشیدن الیاف از محلول پلیمر استفاده میشوند، فرایند الکتروریسی نیز به عنوان جت الکتروهیدرودینامیکی48 شناخته میشود. ابزار اساسی الکتروریسی از سه منطقه اصلی، که شامل سیستم ولتاژ بالا49، پمپ سرنگ50، و یک جمع کننده تشکیل شده است. شماتیکی از فرایند الکتروریسی در شکل 4 نشان داده شده است. از سیستم تأمین ولتاژ بالا برای تولید نیروهای الکتریکی لازم برای شارژ محلول پلیمری استفاده میشود. معمولاً، یک ولتاژ در محدوده 10 تا 30 کیلوولت ولت تأمین میشود و از این رو نام سیستم تأمین ولتاژ بالا است. یک پمپ سرنگ برای کنترل جریان محلول پلیمری استفاده میشود، جمع کننده نیز به طور مداوم الیاف را جمع آوری میکند ]76[.
شکل4- شماتیکی از تولید نانوالیاف به روش الکتروریسی ]77[.
پارامترهای الکتروریسی بسیار مهم هستند زیرا بر قطر و مورفولوژی51 الیاف الکتروریسی شده تأثیر میگذارند ]78[. با استفاده از این پارامترها میتوان به راحتی مورفولوژی و قطر الیاف را تغییر داد. سه دسته اصلی پارامترها که بر خواص الیاف الکتروریسی شده مانند مورفولوژی و قطر اثر میگذارند (الف) خواص ذاتی محلول52، (ب) شرایط فرایند53، و (ج) عوامل محیطی54 هستند ]79[.
غلظت محلول پلیمر تأثیرات زیادی در شکل گیری نانو الیافهای الکتروریسی شده دارد. هرچه ویسکوزیته محلول بالاتر باشد، قطر نانوالیاف بزرگتر است. بنابراین، حداقل غلظت برای تشکیل الیاف در الکتروریسی ضروری است. علاوه بر این در برخی موارد الکتروریسی در غلظتهای بسیار کم نیز رخ میدهد. این امر به دلیل کشش سطحی بالا و ویسکوزیته پایین محلول اتفاق میافتد [76]. هنگامی که غلظت محلول کم باشد، ترکیبی از الیاف و بیدها56 به دست میآیند. با افزایش غلظت محلول کم کم بیدها از بین میروند و در آخر الیافی یکنواخت با ضخامت مورد نظر بدست میآید[80].
ویسکوزیته پارامتر دیگری است که در شکل گیری الیاف در طی فرآیند الکتروریسی تأثیر میگذارد. اگر یک محلول دارای ویسکوزیته بسیار کمی باشد، الیاف تشکیل نمی شوند، در حالی که یک محلول با ویسکوزیته بسیار بالا، در تخلیه جتها از محلول پلیمری مشکل ایجاد میکند. در ادامه بیان شده است که ویسکوزیته برای مورفولوژی الیاف الکتروریسی شده بسیار ضروری است. معمولاً ویسکوزیته محلول، وزن مولکولی و غلظت پلیمر به یکدیگر مرتبط میشوند. با افزایش غلظت یا ویسکوزیته محلول، الیافهای یکنواخت و با قطر بزرگ به دست میآیند. با این حال، ویسکوزیته کم منجر به تشکیل الیاف همراه با بید میشود [81].
وزن مولکولی پلیمر در مورفولوژی الیاف الکتروریسی شده و خواص الکتریکی مانند هدایت، ویسکوزیته و کشش سطحی تأثیر به سزایی دارد. در اصل، وزن مولکولی پلیمر تعداد گره زنجیرههای پلیمری موجود در محلول را نشان میدهد که ویسکوزیته محلول نام دارد. درهم آمیختگی زنجیرهای نقش مهمی در فرایند الکتروریسی دارد. مشاهده شده است که محلول با وزن مولکولی خیلی کم تمایل دارد به جای الیاف، بیدهایی تشکیل دهد و محلول با وزن مولکولی بالا، منجر به تولید الیافی با قطر متوسط بزرگتر میشود. به طور کلی، از محلولهای پلیمرهای با وزن مولکولی بالا در فرآیند الکتروریسی استفاده میشود زیرا ویسکوزیته مورد نظر را برای تولید الیاف فراهم میکند ]80[.
تنش سطحی، به عنوان تابعی از رفتار حلال برای محلول، یک عامل بسیار مهم در فرایند الکتروریسی است. اگر همه عوامل دیگر ثابت نگه داشته شوند، کشش سطحی میتوانید مرزهای بالایی و پایینی از مرز فرآیند الکتروریسی را تعیین کند ]80[. تشکیل الیاف، بیدها و قطرات بستگی به کشش سطح محلول دارد: (الف)کشش سطحی پایین محلول کمک میکند تا الکتروریسی در یک میدان الکتریکی پایین تر اتفاق بیفتد، (ب) با کشش سطحی بالای محلول، فرایند الکتروریسی به دلیل ناپایداری جتها مهار میشود و در این حالت به جای نانوالیاف، قطرات اسپری شده تولید میشوند. به طور کلی، با ثابت نگه داشتن غلظت، میتوان با کاهش کشش سطحی محلول نانوالیاف بدون بید به دست آورد. همچنین، حلالهای به کار رفته در فرآیند الکتروریسی تأثیر مهمی در کشش سطحی محلول دارند ]81[.
پارامترهای فرایند شامل ولتاژ اعمال شده، سرعت جریان / سرعت خوراک، و فاصله جمع کننده تا نوک سوزن نقش موثری در فرآیند الکتروریسی دارند. علاوه بر این، پارامترهای فرایند تأثیر زیادی در مورفولوژی و قطر نانوالیاف دارند ]82[. جزئیات این پارامترها و تأثیر آنها بر قطر الیاف و مورفولوژِی آن به طور کامل بررسی شده است.
ولتاژ اعمال شده يك عامل اصلی در الكتروریسی براي تشكيل الياف الكتروریسی شده است. این امر به این دلیل است که تشکیل الیاف فقط هنگامی اتفاق میافتد که ولتاژ اعمال شده از ولتاژ آستانه59 فراتر رود (حدود 1 کیلو ولت بر سانتی متر، بستگی به محلول پلیمری). همانطور که قبلاً بحث شد، افزایش ولتاژ اعمال شده باعث افزایش نیروی الکترواستاتیک محلول پلیمری میشود که نشان دهنده کشش جت است و در نهایت منجر به کاهش طول الیاف میشود ]83[. مشخص شده است که تغییر ولتاژ اعمال شده باعث تغییر شکل اولیه الیاف خواهد شد و در نتیجه در ساختار و مورفولوژی الیاف تغییر ایجاد میشود [84].
در روش الکتروریسی، سرعت جریان محلول پلیمری یکی دیگر از پارامترهای فعال است که به طور مستقیم بر سرعت جت و انتقال مواد تأثیر میگذارد. سرعت خوراک کمتر پیشنهاد شده است تا زمان کافی برای تبخیر حلال فراهم شود، در حالی که سرعت بالای جریان منجر به ساخت الیاف همراه با بید میشود. با افزایش سرعت خوراک محلول، چگالی بار کاهش مییابد. چگالی بار زیاد ممکن است باعث ناپایداری و خم شدن جت الکتریکی شود، که به تولید الیاف با قطرهای کوچکتر کمک میشود. بنابراین، با افزایش نرخ خوراک، افزایش مداوم قطر الیاف وجود دارد. شایان ذکر است که الیاف همراه با بید هنگامی شکل میگیرند که سرعت خوراک محلول خیلی زیاد باشد زیرا زمان کافی برای تبخیر حلال فراهم نمی شود [83].
بهطورکلی، جمع کنندهها به عنوان بستر رسانا عمل میکنند تا نانوالیاف شارژ شده را در طی فرآیند الکتروریسی جمع آوری کنند. معمولاً از فویل آلومینیومی بهعنوان یک جمعکننده استفاده میشود اما انتقال نانوالیاف جمعآوری شده به بسترهای دیگر برای کاربردهای مختلف دشوار است. جمع کنندههای مختلف به دلیل نیاز به انتقال الیاف مانند پین، مش سیم، میله چرخان، چرخ، نوار موازی یا مشبک و سایر انواع جمع کننده امروزه رایج شدهاند. بسته به نوع جمع کننده و سرعت چرخش آن، جایگاه و تراز الیاف تعیین میشود ]83[.
فاصله بین جمع کننده و نوک سوزن پارامتر دیگری است که بر کنترل قطرها و مورفولوژی نانوالیاف تأثیر میگذارد. برای جلوگیری از تبخیر محلول پلیمری قبل از رسیدن الیاف به جمع کننده، لازم است یک فاصله ایده آل را انتخاب کنید. بنابراین، در روش الکتروریسی، حداقل فاصله لازم برای اطمینان از تبخیر حلال قبل از رسیدن الیاف به جمع کننده، لازم است. فاصلههای بیشتر الیاف نازک تری را ایجاد میکنند. هنگامی که فاصله خیلی دور یا خیلی نزدیک باشد، بیدها تولید میشوند [84].
عوامل محیطی، به عنوان مثال، دما و رطوبت، نیز تأثیرات زیادی بر مورفولوژی و قطر الیاف الکتروریسی شده دارد. با افزایش دما، الیافی با قطر کم ایجاد میشود، در حالی که رطوبت کم میتواند حلال را کاملاً تبخیر کند. به طور مشابه، افزایش رطوبت منجر به ایجاد منافذ کوچک در سطح الیاف میشود [84].
انواع نانوالیاف مورد استفاده در جذب و جداسازی دیاکسیدکربن
پلی اکریلونیتریل62
پلی اکریلونیتریل، پلیمری رایج و ارزان است که به راحتی از طریق الکتروریسی به نانوالیاف تبدیل میشود. پلی اکریلونیتریل به دلیل دارا بودن پیوندهای هیدروژنی در ساختار مولکولی خود، از استحکام مکانیکی بالایی برخوردار است. هم چنین دارای مقاومت شیمیایی بالا، مقاوم در برابر نور خورشید و حساسیت کم نسبت به رطوبت است. در نتیجه طی 10 سال گذشته توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده و به طور گستردهای در تهیه غشاهای اولترافیلتراسیون، میکروفیلتراسیون و نانوالیاف به کار گرفته شده است ]85[. علاوه بر این زنجیرهای مولکولی پلی اکریلونیتریل دارای یک گروه سیانو هستند که میتواند به کمک عوامل شیمیایی مختلف اصلاح شود. از جمله ویژگیهای منحصر به فرد آن میتوان به ظرفیت جذب بالا، سرعت جذب سریع و عملکرد پویای خوب اشاره کرد. این مواد به منظور تصفیه آلایندههای آب و هوا بسیار مناسب هستند. تلاش زیادی جهت اصلاح سطح پلی اکریلونیتریل در شکلهای مختلف نانوذرات، غشا و نانوالیاف صورت میگیرد ]86[. در این زمینه ترکیبات آمینی، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. در سال 2019 علی ندیر63 و همکارانش ]87[، نانوالیاف هسته- پوسته پلی اکریلونیتریل/ پلی وینیلیدن فلوراید متخلخل و بسیار انعطاف پذیر با نانوذرات SnO2 را با استفاده از فرایند الکتروریسی تولید کردند. غشاءهای نانوالیاف کربن بهینه شده ظرفیت جذب 6/2 میلی مول برگرم در دمای اتاق، انتخاب پذیری دیاکسیدکربن نسبت به نیتروژن و ثبات چرخهای قابل توجهای را نشان دادند. پس از 20 چرخه جذب-دفع، ظرفیت جذب دیاکسیدکربن بیشتر از 95% را نشان میدهد که ثبات طولانی مدت و ارزش عملی محصول نهایی را تایید میکند. بارگذاری نانوذرات SnO2 در ماتریس کربن نه تنها باعث افزایش پایداری حرارتی نانوالیاف، ویژگیهای سطح آنها و ساختار متخلخل برای گرفتن مولکولهای دیاکسیدکربن میشود، بلکه انعطاف پذیری آن را نیز بهبود میبخشد.
چیانگ64 و همکارانش ]88 [ در سال 2020 تحقیقاتی در زمینه اهمیت ساختار منافذ و سطح نانوالیاف کربن الکتروریسی شده در میزان جذب دیاکسیدکربن را ارائه کردند. در این مطالعه نانوالیافهای پلی اکریلونیتریل الکتروریسی شده برای جذب موثر دیاکسیدکربن در دماهای مختلف (650، 750، 950 و 1050 درجه سانتی گراد) کربنیزه شدند. میانگین قطر نانوالیافها با افزایش دمای کربنیزه از حدود 500 نانومتر (650 درجه سانتی گراد) به 330 نانومتر (1050 درجه سانتی گراد) کاهش یافت. آزمایشهای جذب دیاکسیدکربن بر روی نمونههای انتخاب شده در دمای 25، 40 و 55 درجه سانتی گراد و در فشار دیاکسیدکربن کمتر از 120 کیلو پاسکال انجام شد. بالاترین ظرفیت جذب دیاکسیدکربن در دمای 25 درجه سانتی گراد و فشار 1 اتمسفر مربوط به نانوالیاف کربنیزه شده در دمای 750 درجه سانتی گراد است.
پلی وینیلیدن فلوراید
پلی وینیلیدن فلوراید یک پلیمر گرما نرم (ترموپلاستیک) با ساختار داخلی نیمه بلوری است که شرایط فرایند الکتروریسی میتواند خواص فیزیکی آن را تحت تاثیر قرار دهد. به علاوه، افزودن پرکنندههایی مانند نانوذرات به شدت میتواند ساختار بلوری آن را تحت تاثیر قرار دهد. پلیمر پلی وینیلیدن فلوراید از مواد پلیمری است که تا کنون تحقیقات گستردهای بر روی آن انجام شده است و از خواص پیزوالکتریک، پایروالکتریک و فروالکتریک مناسبی برخوردار میباشد. در این پلیمر حداقل 4 حالت بلوری به نامهای α،β، γ و δ وجود دارد، که در بین آنها حالت α و β بیشتر مورد توجه قرار میگیرند. حالت بلوری بتا دارای بیشترین دو قطبیهای لحظهای در یک جهت یکسان میباشد و بهترین پاسخ پیزوالکتریک را دارد. از این رو همواره از تقویت این حالت بلوری جهت بهبود خواص پیزوالکتریک پلیمر استفاده میشود. آلفا نیز پایدارترین حالت است و بیشترین حالتی است که در هنگام بلوری شدن پلیمر به صورت خود به خود در زیر دمای ذوب پلیمر تشکیل میشود ]89 [.
هونگ65 و همکارانش ]90 [ در سال 2014 با استفاده از کربنیزه کردن66 نانوالیاف پلی وینیلیدن فلوراید67 توانستند یک نانوالیاف کربن بسیار متخلخل برای جذب موثر دیاکسیدکربن تهیه کنند. کربنیزه کردن در دمای بین 300 و 1000 درجه سانتی گراد انجام شد و ویژگیهای نانوالیافهای کربن مبتنی بر پلی وینیلیدن فلوراید به طور قابل توجهی توسط کربنیزه کردن در محدوده دما 300-600 درجه سانتی گراد تغییر یافت. با افزایش دمای کربنیزه شدن، سطح نانوالیافهای کربن مبتنی بر پلی وینیلیدن فلوراید بزرگتر شد و بر این اساس، ظرفیت جذب دیاکسیدکربن افزایش یافت. بیشترین مساحت سطح و حجم منافذ برای نانوالیاف کربنیزه شده در دمای 1000 به دست آمد که در آن جذب دیاکسیدکربن در دمای 0 درجه سانتی گراد به طور قابل توجهی تا 10/5 میلی مول بر گرم افزایش یافت (شکل 5).
یانگ ژانگ هو68 و همکارانش ]91[ در سال 2019 نانوالیاف هیبریدی الکتروریسی شده پلی اکریلونیتریل/ پلی وینیلیدن فلوراید را برای حذف دیاکسیدکربن از هوا تهیه کردند. آنها برای جذب موثر دیاکسیدکربن از روش کربنیزه کردن و فعالسازی نانوالیاف بهره گرفتند. ساختار و مورفولوژی نانوالیاف را توسط HR-SEM و خواص سطحی آن را به وسیله XPS مورد بررسی قرار دادند. جذب دیاکسیدکربن تحت شرایط عملیاتی، دمای 298 درجه کلوین و فشار 1 بار انجام گرفت. در مقایسه با نانوالیاف PAN در جذب دیاکسیدکربن (55/0 میلی مول بر گرم)، نانو الیاف C-PAN / PVDF به دلیل ویژگیهای سطح و تخلخل، جذب دیاکسیدکربن کمی بیشتری (78/0 میلی مول بر گرم) را نشان داد (شکل 6). پس از فعالسازی، نانوالیاف میزان جذب بیشتری (21/2 میلی مول بر گرم) را از خود نشان داد که حدود 300 درصد بیشتر از قبل فعالسازی بود. این امر اثبات میکند بعد از فعالسازی نانوالیاف ساختار میکرو حفره ایجاد میشود که برای جذب دیاکسیدکربن موثرتر است.
شکل 6- ایزوترم جذب نانوالیاف پلی اکریلونیتریل/ پلی وینیلیدن فلوراید در دمای 298 درجه کلوین ]91[.
پلی وینیل پیرولیدون
پلی وینیل پیرولیدن ماده پلیمری غیر سمی و غیر یونی است که دارای گروه عاملی C=O، C‒N و CH2 است که به صورت گسترده در سنتز نانوذرات مورد استفاده قرار میگیرد. مولکول پلی وینیل پیرولیدن حاوی یک بخش آبدوست (پیرولیدن) و یک بخش آبگریز (گروه آلکیل) است که به همین دلیل آب و بسیاری از مایعات غیرآبی حلال مناسبی برای آن به شمار میرود. ژانگ69 و همکارانش ]92[ در سال 2017 تحقیقی در زمینه حذف دیاکسیدکربن با استفاده از نانوالیاف پلی اکریلونیتریل/ پلی وینیل پیرولیدون70 اصلاح شده با پلی اتیلن ایمین ارائه کردند. جاذبهای حاوی آمین به دلیل توانایی آنها در جذب دیاکسیدکربن، به طور گستردهای برای جذب دیاکسیدکربن پس از احتراق مورد مطالعه قرار گرفته اند. در این تحقیق، یک روش جدید برای ساخت غشاهای نانوالیاف پلی اکریلونیتریل/ پلی وینیل پیرولیدون متخلخل هیدرولیز شده71 قابل انعطاف، مقاوم واصلاح شده با پلی اتیلن ایمین از طریق ترکیبی از فرایند الکتروریسی، فرآیند تشکیل منافذ، واکنش هیدرولیز گزارش شد (شکل 7). به طور قابل توجهی، این نانوالیافها ساختار مزوحفره خود را حفظ میکنند، همچنین دارای ثبات حرارتی72 خوب و مقاومت کششی بالا پس از اصلاح سطح هستند، که این ویژگی سبب میشود گزینه بسیار مناسبی برای حذف دیاکسیدکربن از گاز خروجی باشند. این نوع غشا هنگامی که در معرض دیاکسیدکربن قرار گرفت در دمای 40 درجه سانتی گراد میزان جذب 23/1 میلی مول بر گرم را نشان داد که این میزان ظرفیت جذب با افزایش مقدار پلی اتیلن ایمین73 افزایش مییابد.
پلی استایرن74
پلیمری معطر از مونومر75 استایرن میباشد که به سه نوع معمولی، مقاوم و انبساطی وجود دارد. پلی استایرن یک هیدروکربن76 بلند زنجیر است که در آن مراکز متغیر کربنی به گروههای فنیل متصل اند. از آنجایی که مولکولها هیدروکربنهای بلند زنجیری هستند که از هزاران اتم تشکیل میشوند، نیروی کششی کلی بین مولکولها بزرگ میباشد. هنگام حرارت دادن زنجیرهها سازگاری بیشتری بدست آورده و از کنار یکدیگر سر میخورند. این سستی بین مولکولی (در مقابل قدرت بالای بین مولکولی به علت استقامت هیدروکربنی) حالت انعطاف پذیری و کشسانی به این ماده میدهد.
زینب قزلا77 و همکارانش ]93[ در سال 2018 از غشاهای الکتروریسی شده پلی استایرن78/ پلی اورتان79 با تخلخل بالا که توسط آمین اصلاح شدهاند برای جذب دیاکسیدکربن استفاده کردند (شکل 8). غشاهای نانوالیاف متخلخل سنتز شده ویژگیهای مکانیکی بسیار قوی و انعطافپذیری بالایی دارند. در این پژوهش نانوالیافها توسط سه نوع آمین که عبارتند از پلیاتیلن آمین، تریاتیلن آمین و اتانول اصلاح سطح شدند. نتایج نشان داد که در میان نمونههای بهینهسازی شده با سه آمین مختلف، نمونههای اصلاح شده با پلیاتیلن آمین ظرفیت جذب دیاکسیدکربن نسبتاً بالاتری (64/1 میلیمول بر گرم) را در دمای 40 درجه سانتیگراد دارند.
شکل 8 - نمایی از ساخت و اصلاح سطح نانوالیاف پلی استایرن/ پلی اورتان با آمین ]93[
نانولولههای کربنی
نانولولههای كربنی از منابع كربنی مانند گرافیت یا گازهای هیدروكربنی بوسیله روشهایی مانند تخلیه الكتریكی و فرسایش لیزری ساخته میشوند. این مواد بهعلت داشتن خواصی مانند سطح ویژه زیاد، استحكام زیاد و خصوصیات الكتریكی و الكترونیكی استثنایی موارد كاربرد زیادی ازجمله استفاده بهعنوان پایه كاتالیست، تقویت مكانیكی پلیمرها و كامپوزیتها و ساخت قطعات الكترونیكی دارند. کاربردهای مربوط به جذب نانولولههای کربنی بهعنوان یک نانوذره موثر برای حل مشکلات آلایندههای زیست محیطی در سالهای اخیر توجه بسیاری را به خود معطوف نموده است. این مواد جاذبهای نسبتاً جدیدی هستند که به دلیل موفقیت در نگهداری جالب در مواد جاذب بر پایه کربن کاربردهای بسیاری دارند. از سوی دیگر سطوح شیمیایی خنثی را برای جذب فیزیکی فراهم میکنند و مساحت سطح ویژه بالایشان در مقایسه با کربنهای فعال شده دیگر تحمل و ایستادگی مینماید. از طرف دیگر، نانولولههای کربنی بهطور ذاتی از کربنهای فعال به دلیل اینکه ساختارشان در مقیاس اتمی یک شکل و همگون است، تفاوت دارند. کاربردهای نانولولههای کربنی برای خروج آلایندههای مضر و خطرناک از جریانهای گازی و از محلولهای آبی، در مقیاس وسیعی از طریق محاسبات تئوری و اندازهگیریهای آزمایشگاهی و شبیه سازیهای مولکولی مطالعه و بررسی شده است ]94 [.
در سال 2017 نوشین اقبال80 و همکارانش ]95 [ برای بدست آوردن نانوالیاف کربن با تخلخل بالا برای جداسازی دیاکسیدکربن از روش جدیدی استفاده کردند که در آن نانو لولههای کربن آمیندار شده را طی فرایندی به نانوالیاف کربن تبدیل کردند. نانوالیاف کربن متخلخل به تنهایی پتانسیل بسیار بالایی برای جذب دیاکسیدکربن دارد اما مشکل اصلی عدم استحکام مکانیکی و انعطاف پذیری آن است. در این کار نویسندگان راه حلی برای ساخت نانوالیاف کربن اصلاح شده با نانولولههای کربن آمیندار گزارش کردند. آنها از این نانوالیاف برای جذب موثر دیاکسیدکربن استفاده کردند که به جذب حداکثری 3/6 میلی مول بر گرم در فشار 1 بار و دمای 298 درجه کلوین دست یافتند (شکل 9). ادغام نانولوله کربن با الیاف کربن نه تنها سایتها فعال ‒NH2زیادی را برای جذب دیاکسیدکربن به ارمغان میآورد بلکه از شکننده بودن نانوالیاف کربن به تنهایی نیز جلوگیری میکند.
ب |
الف |
شکل 9- الف) ایزوترم جذب دیاکسیدکربن، ب) نمایی از سایتهای فعال برای جذب دیاکسیدکربن ]95[.
نتیجه گیری
حذف دیاکسیدکربن از گاز دودکشها پس از احتراق در منابع بزرگ در سالهای اخیر به عنوان روشی بالقوه برای کاهش انتشار گازهای گلخانهای مورد توجه قرار گرفته است. در میان طیف وسیعی از فناوریهای جداسازی، جذب با جاذبهای مبتنی بر نانومواد یکی از امیدوار کننده ترین روشهای جذب و جداسازی دیاکسیدکربن به نظر میرسد. واضح است که انتخاب موادجذب و جداسازی برای هر فناوری در حذف دیاکسیدکربن ضروری است. به طور کلی، نانوالیافها دارای مزایایی از قبیل سهولت در طراحی و سنتز، تخلخل زیاد، خواص منافذ متناسب، مساحت سطح بالا و خواص مکانیکی خوبی هستند که باعث میشود آنها برای رشد جاذبها با ظرفیت جذب بالای دیاکسیدکربن و سینتیک بسیار سریع جذاب باشند. علی رغم پیشرفتهای اخیر در توسعه جاذبهای نانوالیافی برای برنامههای جذب و جداسازی دیاکسیدکربن، هنوز هم چندین چالش باقی مانده است. (1) برخی از مواد نانوالیافی تا زمانی که با گروههای آمین یا مایعات یونیها اصلاح نشوند قابلیت جذب دیاکسیدکربن را ندارند. با این حال، انسداد ناخواسته سطوح نانوالیاف با آمین یا مایعات یونی باعث کاهش ظرفیت جذب دیاکسیدکربن و سینتیک جاذبها میشود. باید تحقیقات بیشتری روی دستیابی به روشهای اصلاح سطح مؤثر انجام شود. (2) جریان گازهای تصفیه شده در جذب و جداسازی دیاکسیدکربن همیشه شامل آب هستند و خشک کردن گاز دودکشها توسط یک فرآیند اضافی قبل از جداسازی مقرون به صرفه نیست. (3) در کنار مطالعات تجربی، روشهای مدلسازی نیز باید برای پیش بینی عملکرد موثر جاذبهای نانوالیافی توسعه یابند. با وجود چالشهای متعدد پیرامون جذب و جداسازی دیاکسیدکربن، توسعه جاذبهای نانوالیافی به دلیل مزایای آنها میتواند برای رفع این مشکل جهانی بسیار موثر باشد.
منابع
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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) 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 inpolymers and what they do Computer Simulation ofPolymers 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.
[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.
[1] Oxyfuel combustion
[2] Nanomaterials
[3] Absorbent
[4] Solvent
[5] Membrane
[6] Ethanolamine
[7] Ammonia
[8] Amino acid
[9] Polyglycol ether
[10] Ionic liquid
[11] Molecular sieve
[12] Silica gel
[13] Metal–organic framework
[14] Polyimide
[15] Chemical solvents
[16] Physical solvents
[17] Henry's law
[18] Physical-chemical solvents
[19] Cations
[20] Anions
[21] Mixture of solvents
[22] Combining primary/secondary
[23] Tertiary/hindered amines
[24] Adsorption
[25] Hybrid
[26] Ligand
[27] Molecular separation
[28] Cellulose acetate
[29] Polysulfone
[30] Poly amid
[31] composite
[32] Audos
[33] Guillen
[34] Borandeh
[35] Viscosity
[36] Polyethylene amine
[37] Crosslinking
[38] Sevilla
[39] Graphene
[40] Riley
[41] Zenly
[42] Antoine
[43] Reneker
[44] Rutledge
[45] Electrospray
[46] Pneumatic
[47] Hydrostatic
[48] Electrohydrodynamics
[49] High voltage
[50] Syringe pump
[51] Morphology
[52] Intrinsic properties of the solution
[53] Processing conditions
[54] Ambient parameters
[55] Concentration
[56] Bead
[57] Surface tension
[58] Applied voltage
[59] Threshold voltage
[60] Flow rate/Feed rate
[61] Collector and tip distance
[62] polyacrylonitrile
[63] Ali Nadir
[64] Chiang
[65] Hong
[66] Carbonization
[67] Polyvinylidene fluoride
[68] Yang Zhang Ho
[69] Zhang
[70] Poly(vinylpyrrolidone)
[71] Hydrolyzed
[72] Thermal stability
[73] Polyethyleneimine
[74] Polystyrene
[75] Monomer
[76] Hydrocarbons
[77] Ghazala Zainab
[78] Polystyrene
[79] Polyurethane
[80] Noushin Iqbal