Migliorare l'efficienza di 4A

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12533 ​​(2023) Citare questo articolo

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Questo studio si concentra sull'ottimizzazione della capacità di adsorbimento di CO2 della zeolite 4A sintetizzata dal caolino impiegando modifiche strutturali attraverso l'impregnazione con tetraetilenepentammina (TEPA) e dietanolamina (DEA). Sono state utilizzate varie tecniche analitiche per valutare l'efficacia di queste modifiche. Per l'analisi dei dati e l'ottimizzazione delle variabili operative sono stati impiegati software esperti di progettazione e metodologia della superficie di risposta (RSM), che hanno portato a migliori prestazioni di adsorbimento di CO2 delle zeoliti modificate. La capacità di adsorbimento delle zeoliti modificate è stata valutata a diverse temperature, pressioni e concentrazioni di ammine utilizzando un dispositivo di test. La capacità di adsorbimento ottimale dell'adsorbente 4A-DEA risulta essere 579,468 mg/g, con le variabili operative ottimali tra cui una temperatura di 25,270 °C, una pressione di 8,870 bar e una concentrazione di ammina dell'11,112% in peso. L'analisi mostra che il processo di adsorbimento coinvolge sia il fisisorbimento che il chemisorbimento e il miglior modello cinetico è il modello a fattore frazionario.

L’aumento dei livelli di CO2 nell’atmosfera rappresenta una preoccupazione fondamentale per il cambiamento climatico globale e i rischi ambientali. Entro il 2100, potrebbe aumentare fino a 26 miliardi di tonnellate all’anno. Questa previsione ha quindi sottolineato l’importanza di dare priorità alla cattura e all’adsorbimento della CO2 dal punto di vista ambientale1. Il continuo rilascio di CO2 nell’atmosfera ha provocato cambiamenti a lungo termine nel clima globale, tra cui l’aumento delle temperature, del livello del mare e il verificarsi più frequente di eventi meteorologici estremi. Sono emersi quattro metodi principali per la separazione della CO2: tecnologie di assorbimento, adsorbimento, criogenica e a membrana2,3. La scelta della tecnica di cattura della CO2 adatta si basa su diversi fattori, che comprendono l'origine della CO2, l'entità del processo di cattura, il livello di purezza desiderato per la CO2 catturata e l'applicazione prevista della CO24 catturata. Attualmente, l’assorbimento e l’adsorbimento rappresentano i metodi prevalenti utilizzati per la cattura della CO2, mentre le tecnologie criogeniche e a membrana sono ancora nelle loro fasi nascenti di sviluppo5. I ricercatori sono attivamente impegnati nello studio di diverse metodologie per assorbire la CO2 come mezzo per mitigarne le emissioni6. Per adsorbire CO2 sono stati utilizzati materiali porosi come zeolite7, silice8, MOF9, carbonio10 e polimero11, ognuno dei quali presenta vantaggi e svantaggi.

La zeolite è un materiale con una struttura cristallina che può essere presente in natura o sintetizzata12. Contiene minerali di alluminosilicato e presenta una struttura tridimensionale distintiva con pori e canali ben organizzati. Le zeoliti hanno strutture cristalline con una struttura rigida che include pori e canali formati come TO4, dove T può essere silice e alluminio. Gli atomi di alluminio attraggono gli ossigeni e creano un sito eccellente per il trasferimento dei cationi13. Il catione nella struttura delle zeoliti svolge un ruolo cruciale nella cattura della CO2 perché può attrarre CO2 nella zeolite6. Le zeoliti sono promettenti adsorbenti di CO2 con elevata area superficiale, dimensioni dei pori adeguate ed eccellente stabilità termica e chimica14. Diversi tipi di zeoliti sono stati sottoposti a studi approfonditi per valutare il loro potenziale nell'adsorbire il gas CO2 generato dai processi industriali. Zeolite 4A15, zeolite 13X16, ZK-517, ZSM-518, β-zeolite19 e Na-X20 sono tra i tipi di zeolite che hanno dimostrato potenziale nelle applicazioni relative alla cattura di CO2. Queste zeoliti possiedono strutture porose distintive, aree superficiali sostanziali ed eccellente stabilità termica, che le rendono opzioni altamente desiderabili per l'adsorbimento di CO2. Zeolite 13X ha dimostrato un'eccezionale selettività per la CO221. ZK-5 possiede una caratteristica struttura a gabbia che può essere modificata per migliorare le sue proprietà di adsorbimento per la CO222. Allo stesso modo, negli studi ZSM-523 e β-zeolite24 hanno mostrato una significativa capacità di adsorbimento di CO2. Inoltre, Na-X ha mostrato buone proprietà di stabilità e rigenerazione25. La zeolite 4A è caratterizzata da una sostanziale concentrazione di siti di adsorbimento attribuibili alla presenza di atomi di alluminio all'interno della sua struttura. Questi siti mostrano una forte affinità con le molecole di CO2, facilitando l’efficace cattura e ritenzione del gas.