1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

کاربرد نانوسیالات در جذب گاز دی‌اکسید کربن

افراد مقاله : ‌ نویسنده اول - ارسلان همت زاده دستگردی

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : جذب - دی اکسید کربن - نانوسیالات تاریخ مقاله : 1399/06/10 تعداد بازدید : 192

با رشد و توسعه صنعتی چشمگیری که در دهه‌های گذشته رخ داده است، غلظت گاز کربن‌دی‌اکسید در جو کره زمین بشدت در حال افزایش است. از آنجایی که دی‌اکسید کربن یکی از موثرترین گازها در ایجاد اثر گلخانه‌ای و گرمایش زمین است، بنابراین باید به‌دنبال راهکارهایی برای کاهش غلظت و جلوگیری از انتشار این گاز در اتمسفر بود. از مرسوم‌ترین روش‌های جذب کربن‌دی‌اکسید، جذب آن به‌وسیله‌ی حلال‌ها است. ظهور فناوری نانو و بهره‌گیری از آن در حلال‌های جذب کربن‌دی‌اکسید، نویدبخش نتایج خوبی بوده‌است. نانوسیالات جاذب کربن‌دی‌اکسید، نسبت حلال‌های مرسوم جذب دی‌اکسید کربن، ظرفیت و سرعت جذب بالاتری دارند؛ همین موضوع سبب شده است که این گروه سیالات در سال‌های اخیر مورد توجه زیادی در صنایع جذب‌ و شیرین‌سازی گاز طبیعی قرار گیرند.

 

1.             مقدمه

افزایش انتشار دی‌اکسید کربن ناشی از سوختن سوخت‌های فسیلی، عامل اصلی گرم شدن کره زمین به‌حساب می‌آید. برای کاهش اثرات تغییرات آب و هوایی، کنترل گازهای گلخانه‌ای بسیار مهم است. دی‌اکسید کربن یکی از مهم‌ترین گازهای گلخانه‌ای[1] است. غلظت CO2 در پیش از انقلاب صنعتی درحدود 280ppm بوده، اما این مقدار امروزه به بیش از 400ppm در اتمسر کره زمین رسیده‌است. این موضوع، نگرانی‌ها را برای افزایش بیش از حد دمای کره زمین افزایش داده‌است. امروزه روش‌های مختلفی برای جذب و ذخیره‌سازی دی‌اکسید کربن (CCS)[2] استفاده می‌شود، که مهم‌ترین‌ آن‌ها عبارتند از: جذب به‌وسیله‌ی حلال‌‌ مایع، جذب سطحی به‌وسیله‌ی جاذب‌های جامد و فرآیندهای غشائی.

در این بین اما جذب به‌وسیله حلال‌ها، یکی از پخته‌ترین و کارآمدترین روش‌ها در مقیاس صنعتی است. اگرچه جذب به‌وسیله‌ی حلال‌ها با مشکلاتی نیز همراه است، از جمله: از دست رفتن بخشی از حلال در برج‌های عاری‌سازی حلال از گاز اسیدی، تجزیه حلال در تماس با اکسیژن، انرژی مصرفی زیاد برای انجام عملیات احیاء حلال و بخش دیگری از مشکلات عملیاتی.

با ظهور نانوسیالات، استفاده از آن‌ها در فرآیندهای جذب گاز CO2 و شیرین‌سازی گاز طبیعی مورد توجه قرار گرفت. استفاده از نانوسیالات به عنوان حلال، برای جذب CO2 می‌تواند نرخ و ظرفیت جذب را بهبود ببخشد و مشکلات ناشی از مصرف زیاد انرژی سایر حلال‌ها (لازم برای احیاء) را کاهش دهد.

معمولا تهیه نانوسیالات به منظور استفاده در جذب گازهای اسیدی، عموما به صورت دومرحله‌ای[3] انجام می‌گیرد. یعنی نانوذرات ابتدا به صورت جداگانه سنتز شده و سپس در یک سیال پایه[4] به صورت یکنواخت پخش می‌شوند. برای اطمینان از پایداری و دردسترس بودن نانوذرات در تمام محلول، پخش‌کننده‌هایی[5] نظیر سدیم دودسیل سولفات (SDS) و ستیل تری‌متیل آمونیوم برماید (CTAB) نیز به محلول اضافه می‌شوند. یکی از چالش‌های مهم در استفاده از نانوسیالات در فرآیندهای جذب، نگرانی درباره پایداری نانوسیالات در حین انجام عملیات است.

 

2.             پارامترهای موثر در بهبود جذب CO2 به‌وسیله‌ی نانوسیالات

اما این سوال مطرح می‌شود که، چه چیز سبب می‌شود نانوسیالات گاز CO2 را بهتر از سیال پایه جذب کنند؟ پارامترهایی که در بهبود جذب CO2 به‌وسیله‌ی نانوسیالات موثر هستند، عبارتند از:

1، 2. تغییر pH محلول: با افزودن نانوذرات و قلیایی‌تر شدن محلول، جذب گاز اسیدی CO2 (که به‌وسیله‌ی واکنش اسید – باز صورت می‌پذیرد) ، بهبود می‌یابد.

2، 2. افزایش سطح تماس: نانوذرات معلق درون سیال پایه، نسبت سطح تماس به حجم، بالایی دارند که سبب می‌شود مکان‌های فعال جذب روی نانوذرات جامد افزایش یافته و ظرفیت جذب افزایش می‌یابد؛ از طرفی با کوتاه شدن مسیر نفوذ در نانوذرات نسبت به ذرات توده‌ای سرعت جذب نیز افزایش چشم‌گیری پیدا می‌کند.

3، 2. نوع تماس دهنده: تماس دهنده‌هایی که برای تماس بین دو فاز مایع (نانوسیال جاذب) و گاز (کربن دی اکسید) استفاده می‌شوند، طیف وسیعی از تماس‌دهنده‌ها را شامل می‌شوند. برج‌های حباب ساز[6]، برج‌های سینی دار[7] و غشاءهای فیبری توخالی (HFMC)[8] نمونه‌هایی ازین تماس دهنده‌ها هستند. انتخاب تماس دهنده مناسب، سبب بهبود انتقال جرم بین دوفاز می‌شود و در میزان جذب CO2 موثر است.

4، 2. پایداری نانوسیال: پایداری نانوسیالات مورد استفاده در جذب گاز CO2، بسیار حائز اهمیت است. با کاهش اندازه نانوذرات و افزایش ویسکوزیته سیال پایه می‌توان سرعت ته‌نشینی نانوذرات را کاهش داد و نانوسیالی پایدارتر داشت. از طرفی اما روش تهیه نانوسیال بر پایداری آن اثر می‌گذارد. همان‌طور که گفته شد، بیشتر نانوسیالات جاذب گاز به روش دومرحله‌ای تهیه می‌شوند، روش دو مرحله‌ای مستعد تشکیل رسوب و تجمع ذرات است؛ که بعضا این مشکل با افزودن مواد فعال سطحی رفع می‌شود.

اما باید توجه داشت که، با افزایش غلظت نانوذرات، به‌هم چسبیدگی[9] نانوذرات افزایش می‌یابد. بنابراین سطح تماس موثر کاهش یافته و نرخ انتقال جرم، کاهش می‌یابد. از طرفی با افزایش غلظت نانوذرات، ویسکوزیته نانوسیال افزایش می‌یابد و نرخ انتقال جرم در فاز مایع نیز کاهش خواهد یافت. فاکتور بهبود به صورت، نرخ انتقال جرم CO2 در حضور نانوسیال نسبت به نرخ انتقال جرم در سیال پایه تعریف می‌شود:

 

3.             مکانیزم‌های بهبود جذب CO2 به‌وسیله نانوسیالات

1، 3. حرکت براونی[10]: حرکت تصادفی نانوذرات در محلول، سبب ایجاد یک آشفتگی و متعاقبا یک ریزهمرفت[11] در سیال می‌شود. این ریزهمرفت اختلاط بین دوفاز گاز – مایع را بیشتر کرده و انتقال جرم را بهبود می‌بخشد.

2، 3. شکست حباب‌[12]: نانوذرات پایدار معلق درون مایع، با حباب‌های گاز CO2 درون محلول (در برج‌های سینی دار، برج‌های حباب‌ساز و سایر برج‌های جذبی که بر اساس تماس مستقیم بین دو فاز عمل می‌کنند) ، برخورد کرده و آن‌ها را به حباب‌های کوچکتر می‌شکنند؛ در نتیجه این عمل سطح تماس بین دو فاز افزایش می‌یابد. علاوه‌بر این با توجه به معادله لاپلاس – یانگ[13]، با کاهش اندازه حباب، فشار گاز داخل حباب افزایش یافته، که سبب می‌شود حلالیت گاز در مایع افزایش یابد.

3، 3. اثر هیدرودینامیک[14]: حرکت براونی نانوذرات در محلول، سبب ایجاد آشفتگی در لایه مرزی انتقال جرم بین دوفاز مایع – گاز شده و ضخامت لایه مرزی انتقال جرم را کاهش می‌دهد. کاهش ضخامت لایه مرزی انتقال جرم، سبب کاهش مقاومت در برابر انتقال جرم و بهبود نرخ انتقال جرم می‌شود.

4، 3. اثر شاتل[15]: نانوذرات به‌دلیل حرکت براونی‌شان قادر هستند به سطح تماس مایع – گاز بیایند و مولکولهای گاز را جذب کنند. ذراتی که گاز را جذب کرده‌اند، به توده‌ی سیال برمی‌گردند و گاز جذب شده را دفع می‌کنند، بدین ترتیب سطح تماس مایع – گاز مرتبا تازه‌سازی می‌شود.

5، 3. جذب گاز روی سطح خود نانوذرات: نانوذراتِ به‌کار برده شده برای بهبود جذب CO2، عمدتا سطحی عاملدار دارند که گاز CO2 مستقیما می‌تواند روی این سطوح جذب شود.

یک مکانیزم محتمل دیگر برای توجیه بهبود نرخ انتقال جرم در نانوسیالات، اثر مارانگونی[16] است. تجمع نانوذرات معلق نانوسیال، در سطح تماس مایع – گاز، سبب کاهش کشش سطحی در این سطح و ایجاد یک گرادیان کشش سطحی می‌شود. این گرادیان کشش سطحی، موجب آشفتگی و اختلاط دو فاز می‌شود.

اما مطالعات دیگری نیز بر روی عملکرد نانوسیالات در فرآیند جذب کربن‌دی‌اکسید، نشان می‌دهد که ضریب نفوذ در حضور نانوذرات کاهش می‌یابد؛ حضور نانوذرات سبب پیچیدگی مسیر نفوذ شده و درنتیجه نفوذ را کم می‌کند (در صورتی که از درصد جرمی پائین نانوذارت استفاده شود، فرض می‌شود نانوذارت اثری روی ضریب نفوذ ندارند).

 

منابع

1.           Zare, P., P. Keshavarz, and D. Mowla, Membrane Absorption Coupling Process for CO2 Capture: Application of Water-Based ZnO, TiO2, and Multi-Walled Carbon Nanotube Nanofluids. Energy & Fuels, 2019. 33 (2) : p. 1392-1403.

2.           Arshadi, M., et al., Carbon dioxide absorption in water/nanofluid by a symmetric amine-based nanodendritic adsorbent. Applied Energy, 2019. 242: p. 1562-1572.

3.           Zhang, Z., et al., Progress in enhancement of CO2 absorption by nanofluids: A mini review of mechanisms and current status. Renewable Energy, 2018. 118: p. 527-535.