26242

مطالعه تجربي جذب دي‌اكسيد كربن در محلول هاي بر پايه آمين در حضور ذرات پليمري هايپركراس لينك شده

دكتري

مهندسي شيمي

1395

19/12/1400

دكتر احد قائمي

دكتر شاهرخ شاه حسيني

مهندسي شيمي، نفت و گاز

حلال‌هاي يوتكتيك عميق نسل جديدي از حلال‌هاي سبز است كه به دليل خواص مطلوب، پايداري خوب و ويژگي‌هاي سازگار با محيط زيست، به عنوان گزينه اي اميدواركننده براي جذب دي اكسيد كربن بررسي مي شود. در اين رساله، حلال هاي تركيبي جديدي برپايه Deep Eutectic Solvents (DESs) براي جداسازي دي اكسيد كربن از گاز دودكش شبيه سازي شده، توسعه يافته است. حلال هاي يوتكتيك عميق: Choline Chloride-Monoethanolamine (ChCl-MEA)، Glyceline و Glyceline فعال شده با پيپرازين در محدوده 10 تا 30 درصد وزني به حلال آبي Diethanolamine (DEA) اضافه شد و عملكرد جذب حلال هاي تركيبي DEA – DES حاصل از نقطه نظر حلاليت و انتقال جرم مورد مطالعه قرار گرفت. مطالعات هيدروديناميكي نشان داد كه افزودن DES قطر حباب ميانگين ساتر را كاهش مي دهد. نتايج آزمايش هاي جذب نشان داد كه جايگزيني جزيي آب با ChCl-MEA يا Glycelinفعال شده با پيپرازين ظرفيت جذب دي اكسيد كربن، زمان موثر، فاكتور افزايش و ضريب كلي انتقال جرم را افزايش مي دهد. در مقابل تحت شرايط عملياتي مورد مطالعه، با افزايش غلظت Glyceline در حلال فاكتور افزايش و ضريب كلي انتقال جرم كاهش مي يابد، اگرچه ميزان حلاليت تقريبا بدون تغيير باقي مي ماند. همچنين، آزمون طيف سنجي رزونانس مغناطيس هسته‌ براي شناسايي گونه هاي حاوي كربن در حلال هاي مورد مطالعه قبل و بعد از جذب دي اكسيد كربن به كار گرفته شد. در نهايت، اندازه‌گيري‌هاي وزن سنجي حرارتي نشان مي‌دهد كه حلال هاي يوتكتيك مبتني بر گليسرول، حلال‌هاي تركيبي پايدارتري را با قابليت احيا ايجاد مي‌كند. حلال هاي تركيبي در فشارهاي عملياتي پس از احتراق و همچنين حلال هاي با خواص ترموديناميكي مطلوب كه انرژي لازم جهت احياي آن ها به-ميزان قابل توجهي پايين است، معمولا محدود به سرعت هاي آهسته واكنش با دي اكسيد كربن است. بنابراين در اين پژوهش، شبكه هاي پليمري هايپركراس لينك شده جهت ارتقاي سرعت جذب دي اكسيد كربن در اين دسته از حلال هاي بر پايه آمين معرفي مي شود. چهار شبكه پليمري بر پايه مونومرهاي بنزن (HCP-B)، پلي استايرن (HCP-S)، بنزيل كلرايد (HCP-BC) و كربازول (HCP-C) ساخته و عملكرد آن ها در حلال هاي آبي Methyldiethanolamine (MDEA) و حلال هاي تركيبي DEA – Glycerol بررسي شده است. افزودن HCP-B و HCP-S به حلال آبي MDEA سرعت متوسط جذب دي اكسيد كربن را به-ترتيب 130 و 253 درصد افزايش داد. همچنين كارايي شبكه HCP-B در ارتقاي جذب در محدوده دمايي 25 تا 80 درجه سلسيوس و در غلظت هاي 2، 3 و 4 مولار MDEA مطالعه شد. نتايج بيان گر افزايش سرعت جذب در حضور پليمر در كل محدوده بررسي شده است. علاوه بر اين، نتايج آزمون طيف سنجي رزونانس مغناطيس هسته‌ اثر ارتقادهنگي شبكه هاي پليمري را بر جذب تاييد مي كند و مكانيزم احتمالي مورد بررسي قرار گرفت. بعلاوه، حلال هاي دوغابي DEA – Glycerol – HCP با هدف معرفي جاذب هايي كارآمد براي جذب پس از احتراق بررسي شده است. HCP-B، HCP-S، HCP-BC و HCP-C با هدف افزايش سرعت جذب در فشار جزيي هاي پايين دي اكسيد كربن به حلال هاي نيمه آبي DEA – Glycerol افزوده شد؛ در ميان شبكه هاي مطالعه شده، HCP-C بهترين عملكرد را از خود نشان داد. نتايج نشان داد كه با افزايش غلظت گليسرول، غلظت دي اتانول آمين و دبي جريان گاز اثر ارتقادهندگي HCP-C بر سرعت جذب افزايش مي يابد.

1400/12/17

A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Doctor of Philosophy in Chemical Engineering

3/10/2023 12:00:00 AM

Deep eutectic solvents (DESs) are a new generation of green solvents that are considered as a promising CO2-capturing candidate owing to their desirable properties, good stability, and environmental-friendly features. Here, we developed novel hybrid solvents based on DESs for CO2 separation from a simulated flue gas flow. Deep eutectic solvents: Choline Cloride-Monoethanolamine (ChCl-MEA), Glyceline, and piperazine activated Glyceline (Glyceline/Pz) were added to the Diethanolamine (DEA) solution in the concentration range of 10-30 wt%. The CO2 absorption performance of the DES-DEA hybrid solvents was studied from the solubility and mass transfer point of view. Hydrodynamic studies revealed that the addition of DES results in a smaller bubble Sauter mean diameter. Moreover, partially replacing water with ChCl-MEA or Glyceline/Pz increased the CO2 capture capacity, effective time, empirical enhancement factor, and overall mass transfer coefficient. On the contrary, with increasing Glyceline concentration, the enhancement factor and overall mass transfer coefficient decreased under the studied operating conditions, although the CO2 solubility did not change. Moreover, 13C Nuclear Magnetic Resonance (NMR) analysis was used to characterize carbon-based species in DES-DEA systems before and after CO2 absorption. Finally, the results of Thermogravimetric Analysis (TGA) measurements demonstrate that the addition of glycerol-based DESs makes more stable hybrid solvents which could be regenerated feasibly. Energy-efficient solvents with favorable thermodynamic properties that offer significantly low regeneration energy to the state – of – the – art CO2 capture technologies are typically limited by slow reactivity with CO2. To compensate for low absorption rates, Herein, we report that the nonporous hypercrosslinked polymeric networks (HCPs) as rate promoters are capable of drastically accelerating CO2 absorption in N-methyldiethanolamine (MDEA) and DEA – Glycerol sorbents. It is a new topic toward the application of hypercrosslinked polymeric networks. Four hypercrosslinked polymers were synthesized from monomers: benzene (HCP-B), polystyrene (HCP-S), benzyl chloride (HCP-BC), and carbazole (HCP-C), and then the novel slurry solvents were prepared by suspending HCPs in amine-based solutions. Benefiting from the inherent properties, HCP-S and HCP-B increased the overall rates of CO2 absorption in MDEA solution by 253 and 130%, respectively, compared to the blank MDEA. The effect of temperature and amine concentration on the promoting performance of HCP-B was investigated. HCP-B promotes CO2 sorption in the whole temperature range from 25 to 80 ℃, and at MDEA concentrations of 2 to 4 molar. Moreover, 13C NMR analysis was used to confirm the promoting effect of the network on CO2 sorption, and a possible mechanism was surveyed. Moreover, the slurry solvents DEA – Glycerol – HCP have been investigated as the efficient sorbents for post-combustion CO2 capture. HCP-B, HCP-S, HCP-BC, and HCP-C were added to the semi-aqueous DEA – Glycerol solvents to increase the CO2 absorption rate under the low partial pressures of CO2. Among the studied networks, HCP-C showed the best performance toward the rate enhancement. The results revealed that with increasing the Glycerol and DEA concentration and the gas flow rate, the rate enhancements in the presence of HCP-C increases.

جذب دي اكسيد كربن , ارتقاي جذب , حلال تركيبي , حلال يوتكتيك عميق , پليمر هايپر كراس لينك شده

CO2 capture , Promoting effect , Hybrid Solvent , Deep eutectic solvent , Hypercrosslinked polymer

bita karami

dr. ahad ghaemi