Científicos en Japón diseñaron un sistema de torre adsorbente tipo puerta que captura y separa gases mezclados, CO2, para permitir reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de fuentes industriales. Crédito:Shotaro Hiraide Ph.D., Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Kyoto
El Acuerdo de París de 2015 estableció el objetivo de reducir el CO 2 emisiones, un gas de efecto invernadero que ha provocado el calentamiento global a niveles de menos de 2 ° C más que antes de la Revolución Industrial. Para lograr este objetivo, es necesario reducir el consumo de energía industrial, la mitad de los cuales se utiliza en procesos de separación para depuración, destilación y secado de productos químicos. Se necesita mucha energía y es costoso separar una mezcla de moléculas. En otras palabras, el desarrollo de una tecnología de separación altamente eficiente y que ahorra energía es uno de los desafíos más importantes que enfrenta el mundo hoy en día, de los cuales CO 2 La separación y captura es una alta prioridad para reducir los gases de efecto invernadero.
El método de separación por adsorción para separar una mezcla de moléculas hace uso de la propiedad de que moléculas específicas se adsorben en un material poroso. Así funcionan los filtros purificadores de agua y el carbón desodorizante en los refrigeradores. Cuando se vierte una mezcla de gas desde un extremo de una torre de adsorción llena de un material poroso (adsorbente), las moléculas que interactúan fuertemente con el adsorbente son capturadas en los poros. Algunas moléculas con una interacción débil con el adsorbente también se adsorben en los poros, pero la mayoría atraviesa y sale de la torre de adsorción. Las moléculas introducidas en los poros se recuperan o desorben calentando o despresurizando el contenido de la torre de adsorción. Para adsorber moléculas selectivamente en un adsorbente, existe la necesidad de una interacción más fuerte, pero la energía requerida para la desorción aumenta en consecuencia. La clave para mejorar en gran medida la eficiencia de la separación por adsorción es encontrar adsorbentes con ciertas propiedades contradictorias que puedan adsorber selectivamente grandes cantidades de moléculas y desorberlas fácilmente.
Los procesos de adsorción por cambio de presión y vacío (PVSA) y adsorción por cambio de temperatura (TSA), que son ambos métodos de separación de gases que utilizan materiales porosos, puede ser más eficiente energéticamente que la destilación, que requiere ebullición y condensación selectivas. Sin embargo, PVSA y TSA no están exentos de limitaciones. Es difícil lograr una separación de alto rendimiento con estas técnicas porque la pérdida de presión se debe a la ampliación necesaria del sistema, así como a la trituración de los adsorbentes en la parte inferior de la columna de adsorción. Los esfuerzos anteriores para resolver estos problemas han causado otros problemas como el calor generado por adsorción, lo que resulta en una disminución de la capacidad de adsorción, por lo que es necesario encontrar un material de adsorción novedoso que presente una gran capacidad de carga, alta selectividad y mínimo calor de adsorción, que en realidad son características en conflicto con materiales conocidos.
Por lo tanto, el foco de esta investigación estuvo en los "adsorbentes de tipo puerta". La mayor característica de este material es que tiene una estructura flexible. Los investigadores trabajaron con ELM-11, una estructura organometálica flexible (MOF), que es un material poroso con propiedades de "apertura de puerta" y "cierre de puerta" exhibidas a presiones de gas específicas. Los poros de ELM-11 están cerrados y no adsorben CO 2 cuando la concentración de CO 2 contenido en la mezcla de gases es bajo, pero se expande rápidamente cuando el CO 2 la concentración supera un cierto valor umbral, y abre los poros para capturar CO 2 moléculas. Dado que el comportamiento de apertura y cierre de los poros es como una puerta, se llama adsorbente de tipo puerta. ELM-11 deforma su estructura para encapsular CO 2 moléculas, y por lo tanto exhibe alto CO 2 selectividad. Es más, ELM-11 contrae su estructura y libera todo el CO adsorbido 2 moléculas cuando el CO 2 la concentración en la mezcla de gases cae por debajo de un valor umbral. En otras palabras, ELM-11 tiene propiedades que son muy adecuadas para CO 2 adsorción y separación. Adsorbe selectivamente CO 2 y desorbe fácilmente CO 2 .
Para la aplicación en el mundo real de la separación por adsorción de CO 2 contenido en los gases de escape, una gran cantidad de gas debe procesarse a alta velocidad. El problema es la generación de calor asociada al CO 2 adsorción. En los adsorbentes "duros" tradicionales, el calor de adsorción eleva la temperatura, resultando en reducción de CO 2 adsorción y reducción de CO 2 selectividad. ELM-11, que tiene una estructura flexible, se expande cuando toma CO 2 moléculas. El grupo de investigación se centró en la posibilidad de que la expansión de ELM-11 pueda generar calor frío y suprimir eficazmente el aumento de temperatura debido al CO 2 adsorción.
Primero, realizaron un experimento de adsorción de gas en ELM-11 y realizaron una variedad de estudios computacionales para cuantificar el CO 2 capacidad de separación de ELM-11. Compararon los datos de rendimiento con HKUST-1, un adsorbente convencional que se considera el más prometedor para separar CH4 y CO 2 mezclas de gases. Los datos mostraron que ELM-11 tiene un CO 2 selectividad 9,7 veces mayor que la de HKUST-1. El co 2 La cantidad de recuperación por peso de adsorbente es 2,1 veces mayor que la de HKUST-1, que no tiene capacidad intrínseca de gestión térmica. ELM-11 demostró ser extremadamente adecuado para sistemas de separación por adsorción de alta velocidad.
Los investigadores diseñaron un sistema de separación por adsorción de alta velocidad que consta de torres de adsorción de dos etapas, uno lleno de HKUST-1. Cuando el CO 2 la concentración contenida en la mezcla de gases excede un cierto valor umbral, ELM-11 se expande rápidamente y abre los poros, adsorbente de CO 2 moléculas. Esto significa que cuando el CO 2 la concentración en el gas cae al umbral debido al CO 2 adsorción en ELM-11, el CO restante 2 no se adsorbe en absoluto y fluye con CH4, lo que significa que no se obtiene gas CH4 de alta pureza. Por lo tanto, Para prevenir este problema, los investigadores instalaron una pequeña columna de adsorción llena de HKUST-1 que tiene excelentes características de adsorción para CO de baja concentración. 2 gas, en la última etapa de la columna de adsorción llena con ELM-11. Llevaron a cabo una medición revolucionaria para una mezcla de gas de CH4 y CO. 2 utilizando una pequeña columna de adsorción de dos etapas, y pudo confirmar que se obtuvo gas CH4 de alta pureza.
El sistema de torre de adsorción de dos etapas permite la reducción del volumen total de la torre, reduce la cantidad de adsorbente utilizado, y reduce la energía consumida. A primera vista, el sistema se basa en una idea simple, pero fue posible reducir significativamente el tamaño del sistema de esta manera diseñando la torre de adsorción de primera etapa para que las características del ELM-11 puedan exhibirse completamente. El sistema de hibridación que utiliza las características de ELM-11 y HKUST-1 funcionó de manera extremadamente eficaz.
Los investigadores necesitaban aclarar tres cuestiones para ver si ELM-11 poseía las cualidades necesarias para un proceso de separación de alto rendimiento en la vida real. Primero, era necesario que la respuesta del marco del host para la apertura de la puerta fuera muy rápida. En segundo lugar, las propiedades de separación deben funcionar para condiciones no isotérmicas, que no ha sido informado previamente al conocimiento de los investigadores. En tercer lugar, el fenómeno de "deslizamiento" causado por una disminución de la presión parcial del gas por debajo de la presión de apertura de la compuerta, lo que hace que el MOF flexible no pueda adsorber las moléculas necesarias. ELM-11 demostró que los investigadores pueden superar estos tres problemas, el problema del "deslizamiento" se puede solucionar con la torre de adsorción de dos etapas.
Además, este sistema se puede aplicar al tratamiento de gases de escape de CO 2 fuentes de emisión como centrales térmicas. Para poner en práctica este sistema de adsorción / separación de alta velocidad que utiliza un adsorbente tipo puerta, la dificultad de la apertura de la puerta debido a la granulación de MOF flexibles, y es necesario abordar la caída de presión debido a la expansión de volumen de los gránulos. El equipo ya ha comenzado a abordar estos problemas.
Los logros de esta investigación actual han abierto las puertas a una nueva era en la separación de gases. El autor correspondiente Hideki Tanaka de la Universidad Shinshu afirma que, "el estudio tardó 3 años en publicarse, lo cual estamos muy agradecidos porque los múltiples comentarios de los revisores fueron muy perspicaces y las posteriores reescrituras hicieron que el estudio fuera más innovador y mejor, lo que finalmente llevó a que el artículo se publicara en Comunicaciones de la naturaleza . Estoy muy feliz de que el arduo trabajo del primer autor Shotaro Hiraide de la Universidad de Kyoto finalmente haya sido recompensado ".
