Wpływ struktury porowatej węgla aktywnego na pojemność adsorpcyjną ditlenku węgla pod ciśnieniem atmosferycznym

• Autorzy: Labus K. , Machnikowski J.

Warianty tytułu

EN

Effect of the porous texture of activated carbon on the carbon dioxide adsorption capacity under atmospheric pressure

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wysokie koszty stosowania absorpcji w aminach powodują, że intensywnie poszukuje się bardziej efektywnych i ekonomicznych metod wychwytu CO₂ ze strumienia gazów spalinowych i procesowych. Realną alternatywą dla absorpcji są procesy adsorpcyjne z wykorzystaniem węgli aktywnych. Celem przeprowadzonych badań było znalezienie korelacji między parametrami struktury porowatej węgla aktywnego, standardowo wyznaczanymi z izotermy adsorpcji N₂ w 77 K, a zdolnością do adsorpcji ditlenku węgla. Przedmiotem badań była duża grupa mikroporowatych węgli aktywnych o bardzo zróżnicowanej strukturze porowatej, otrzymanych w skali laboratoryjnej głównie przy zastosowaniu aktywacji KOH. Strukturę porowatą scharakteryzowano metodami adsorpcji N₂ w 77 K i CO₂ w 273 K. Jako miarę zdolności adsorbowania ditlenku węgla przyjęto tzw. pojemność adsorpcyjną PM, czyli objętość CO₂, wyrażoną w cm³ (STP), jaka w temperaturze 273 K jest adsorbowana w porach 1 grama węgla aktywnego pod ciśnieniem atmosferycznym. Wartości PM wyznaczone dla badanych węgli aktywnych mieściły się w przedziale 76 147 cm³/g. Wykazano, że pojemność adsorpcyjną CO₂ można z dobrym prawdopodobieństwem przewidzieć na podstawie objętości ultramikroporów wyznaczonej z izotermy adsorpcji CO₂ przy zastosowaniu równania Dubinina-Raduszkiewicza. Nie znaleziono natomiast wyraźnej korelacji miedzy wartością PM a parametrami struktury porowatej wyznaczonymi z izoterm adsorpcji N₂ w 77 K: powierzchnią właściwą S_BET, całkowitą objętością porów V_T i objętością mikroporów V_DR. Przeprowadzone badania sugerują, że najbardziej efektywne adsorbenty ditlenku węgla otrzymuje się z prekursorów pochodzenia pakowego, półkoksu i mezofazy, stosując aktywację wodorotlenkiem potasu przy stosunku KOH/surowiec 2:1. Dla wybranych węgli aktywnych z tej grupy uzyskano bardzo wysoką pojemność adsorpcyjną, rzędu 140 cm³CO₂(STP)/g (6,3 mmola/g), co odpowiada przyrostowi masy adsorbenta o ponad 25 %.

EN

The high cost of absorption with amines inspires intensive efforts to develop more efficient and economical method for CO₂ capture from flue and process gases. Real alternative to the absorption seems to be adsorption using activated carbon. The objective of study consisted in establishing of the correlation between the parameters of the porous structure of activated carbon, determined in a standard manner from gas adsorption isotherms N₂ w 77 K, and the carbon dioxide adsorption capacity. A arge series of microporous activated carbons of very different porous structure , obtained at a laboratory scale, mainly using activation with KOH, was a subject of the studies. The porous structure of the carbons was characterized by adsorption of N₂ at 77K and CO₂ at 273K. The adsorption capacity PM was defined as the volume of CO₂, expressed in cm³ (STP), adsorbed at 273 K in pores of 1 g of the activated carbon under atmospheric pressure. The PM values vary for the activated carbons studied between 76 and 147 cm³/g. It appears that the adsorption capacity can be roughly predicted based on the ultramicropores volume determined from CO₂ adsorption isotherm using the Dubinin-Raduszkiewicz equation. In contrast, any clear correlation between the PM values and the parameters determined from the N₂ adsorption isotherms: specific surface area S_BET, total pore volume V_T and micropore volume V_DR, was not found. The results suggest that the most efficient carbon dioxide adsorbents are produced using activation of pitch-based precursors, semi-coke and mesophase, with potassium hydroxide at KOH/material ratio of 2:1. Some activated carbons from the group could store, at 273 K and atmospheric pressure, about 140 cm³ of CO₂ (STP)/g (6.3 mmol/g), which corresponds to very high uptake, being in excess of 25 wt.%.

Słowa kluczowe

PL

węgiel aktywny; struktura porowata; adsorpcja ditlenku węgla

EN

activated carbon; porous texture; CO2 adsorption capacity

• Wydawca: Wydawnictwo Górnicze Sp. z o.o.
• Czasopismo: Karbo
• Rocznik: 2013
• Tom: Nr 1
• Strony: 79--85
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Labus K.

• Politechnika Wrocławska

autor

Machnikowski J.

• Politechnika Wrocławska

Bibliografia

• 1. Aaron D., Tsouris C., Separation of CO₂ from flue gas: A review. Separation Science and Technology, 2005, t. 40, s. 321.
• 2. Figueroa J.D., Fout T., Plasynski S., McIlvried H., Srivastava R.D., Advances in CO₂ capture technology - The U.S. Departament of Energy’s carbon sequestration program. International Journal of of Greenhouse Gas Control, 2008, nr 2, s. 9.
• 3. D’Alessandro D.M., Smit B., Long J.R., Carbon dioxide capture: Prospects for new materials. Angewandte Chemie Int. Ed., 2010, t. 49, s. 6058.
• 4. Radosz M, Hu X., Krutkramelis K., Shen Y., Flue-gas carbon capture on carbonaceous sorbents: Towards a low-cost multifunctional carbon filter for „green” energy producers. Ind. Eng. Chem. Res., 2008, t. 47, s. 3783.
• 5. Plaza M.G., Garcia S., Rubiera F., Pis J.J., Pevida C., Post-combustion CO₂ capture with a commercial activated carbon: Comparison of different regeneration strategies. Chemical Engineering Journal, 2010, t. 163, s. 41.
• 6. SiriwardaneR. V., Shen M.S., Fisher E.P., Poston J.A., Adsorption of CO₂ on molecular sieves and activated carbon. Energy&Fuels, 2001, t. 15, s. 279.
• 7. Zhang Z, Zhang W., Chen X., Xia Q., Li Z., Adsorption of CO₂ on Zeolite 13X and activated carbon with higher surface area. Separation Science and Technology, 2010, t. 45, s. 710.
• 8. Rodriguez-Reinoso F., Porous carbons in gas separation and storage. Combined and Hybrid Adsorbents, red. J.M. Loureiro, M.T. Kartel, Springer 2006, s. 133.
• 9. Sevilla M., Fuertes A.B., Sustainable porous carbons with a superior performance for CO₂ capture. Energy Environ. Sci., 2011, nr 4, s. 1765.
• 10. Flu X., Radosz M., Cychosz K.A., Thommes M., CO₂-filling capacity and selectivity of carbon nanopores: synthesis, texture, and pore-size distribution from quenched-solid density functional theory (QSDFT). Environmnental Science & Technology, 2011, t. 45, s. 7068.
• 11. Linares-Solano A., Lozano-Castello D., Lillo-Rodenas M.A., Cazorla-Amoros D., Carbon activation by alkaline hydroxides: Preparation and reactions, porosity and performance. Chemistry and Physics of Carbon, red. L.R. Radovic, CRC Press, NY 2008, t. 30, s. 1.
• 12. Kierzek K., Gryglewicz G., Machnikowski J., Some factors influencing porosity development during KOH activation of various precursors. Karbo, 2004, t. 49, s. 47.
• 13. Król M., Gryglewicz G., Machnikowski J., KOH activation of pitch-derived carbonaceous materials - Effect of carbonization degree. Fuel Processing Technology, 2011, t. 92, s. 158.
• 14. Stoeckli F., Daguerre E., Guillot A., The development of micropore volumes and widths during physical activation of various precursors. Carbon, 1999, t. 37, s. 2075.
• 15. Raymundo-Piñero E., Kierzek K., Machnikowski J., Béguin F., Relationship between thenanoporous texture of activated carbons and their capacitance properties in different electrolytes. Carbon, 2006, t. 44, s. 2498.