Prečo priame zachytávanie vzduchu vyžaduje 3D sorbentné podklady s nízkym poklesom tlaku a nízkou tepelnou hmotnosťou

Prečo priame zachytávanie vzduchu vyžaduje 3D sorbentné podklady s nízkym poklesom tlaku a nízkou tepelnou hmotnosťou

Priame zachytávanie vzduchu alebo DAC sa stáva čoraz dôležitejšou technologickou cestou pri odstraňovaní uhlíka.

Na rozdiel od konvenčného zachytávania uhlíka z koncentrovaných priemyselných spalín, DAC pracuje s atmosférickým vzduchom, kde je koncentrácia CO₂ oveľa nižšia.

To znamená, že systém DAC musí nepretržite spracovávať veľmi veľký objem vzduchu.

V dôsledku toho nie je možné výkon DAC hodnotiť iba na základe adsorpčnej kapacity sorbentu pre CO₂.

Odpor prúdenia vzduchu, kontakt plyn-pevná látka, imobilizácia sorbentu, štrukturálna hmotnosť, teplota regenerácie a cyklická stabilita môžu ovplyvniť celkovú účinnosť systému.

Z tohto dôvodu sa vývoj DAC postupne presúva z prístupu založeného len na sorbente smerom k integrovanejšiemu inžinierskemu modelu:

Sorbentná chémia + Pórovitá štruktúra + Prúdenie vzduchu + Tepelný manažment + Návrh modulu

1. DAC nie je len o sorbente

Väčšina diskusií o DAC sa prirodzene zameriava na chémiu sorbentov.

Medzi bežné oblasti výskumu patria:

• Sorbenty na báze amínov
• Alkalické materiály
• Metalo-organické štruktúry
• Pórovité polyméry
• Funkčné pórovité materiály
• Hybridné pevné sorbentné systémy

Tieto materiály sú zodpovedné za chemickú interakciu s CO₂.

Sorbent však nemôže fungovať samostatne vo vnútri praktického DAC modulu.

Musí byť podopretý, potiahnutý, znehybnený alebo rozmiestnený v štruktúre, ktorá umožňuje priechod vzduchu a zároveň zachováva dostatočný kontakt medzi plynom a aktívnym sorbentom.

Praktický DAC modul preto musí odpovedať na dve rôzne otázky:

Dokáže sorbent efektívne zachytiť CO₂?

a

Môže sa vzduch pohybovať cez adsorpčnú štruktúru s prijateľnou spotrebou energie?

Druhou otázkou je, kde sa štruktúrované sorbentné nosiče stávajú obzvlášť dôležitými.

2. Prečo je dôležitý pokles tlaku v DAC

Jedným zo základných rozdielov medzi DAC a bodovým zachytávaním uhlíka je objem plynu, ktorý je potrebné spracovať.

Keďže koncentrácia CO₂ v atmosfére je nízka, systém DAC musí presúvať veľké množstvo vzduchu, aby zachytil zmysluplné množstvo CO₂.

Každá štruktúra umiestnená v prúdení vzduchu vytvára odpor.

Pokles tlaku sa môže zvýšiť, keď:

• Adsorpčná vrstva je príliš hrubá
• Pórové kanáliky sú príliš malé
• Zaťaženie sorbentom je príliš husté
• Dráhy prúdenia sa stávajú veľmi kľukatými
• Nátery čiastočne blokujú otvorené póry

Vyšší pokles tlaku znamená:

Vyšší dopyt po výkone ventilátora.

V prípade rozsiahlych DAC systémov môže táto pomocná energetická náročnosť priamo ovplyvniť prevádzkovú účinnosť a náklady.

Dôležitým technickým cieľom je preto udržiavať dostatočné zaťaženie sorbentom a kontakt plyn-pevná látka a zároveň minimalizovať odpor prúdenia vzduchu.

3. Viac sorbentu nie je vždy lepšie

Z hľadiska materiálov sa zvýšenie množstva sorbentu môže spočiatku zdať žiaduce.

Ale v štruktúrovanom DAC systéme nie je maximálne zaťaženie nevyhnutne optimálnym stavom.

Ak nadmerné množstvo sorbentu zablokuje pórovitú štruktúru, môže sa vyskytnúť niekoľko problémov:

• Zvýšený odpor prúdenia vzduchu
• Vyšší pokles tlaku
• Znížené otvorené prietokové kanály
• Nižšie využitie vnútorného sorbentu
• Pomalšia kinetika adsorpcie
• Pomalšia desorpcia

Skutočnou dizajnérskou výzvou je nájsť rovnováhu:

Zaťaženie sorbentom × Prenos hmoty × Pokles tlaku

namiesto optimalizácie samotného zaťaženia sorbentom.

4. Prečo je dôležitá aj nízka tepelná hmotnosť

Mnohé systémy DAC s pevnými sorbentmi využívajú tepelnú energiu na uvoľnenie zachyteného CO₂ a regeneráciu sorbentu.

Počas tohto regeneračného kroku sa energia môže použiť nielen na ohrev samotného sorbentu, ale aj na ohrev:

• Podporná konštrukcia
• rámy
• Mechanické podpery
• Vnútorné komponenty modulu
• Iné neaktívne materiály

Ak je nosná konštrukcia ťažká, každý cyklus môže zahŕňať opakované zahrievanie značného množstva materiálu, ktorý priamo neprispieva k zachytávaniu CO₂.

Zníženie neaktívnej štrukturálnej hmoty preto môže byť dôležitým inžinierskym cieľom.

Nosič s nižšou hustotou môže potenciálne znížiť množstvo neaktívneho materiálu zapojeného do každého cyklu ohrevu a chladenia.

Je však dôležité byť presný:

Nízka hustota neznamená automaticky nižšiu celkovú spotrebu energie DAC.

Skutočná energia systému závisí od tepelnej kapacity, chemického zloženia sorbentu, teploty regenerácie, účinnosti prenosu tepla, architektúry modulov a návrhu prevádzkového cyklu.

Tieto potenciálne výhody je preto potrebné experimentálne overiť.

5. Štruktúrované sorbenty nadobúdajú čoraz väčší význam

Tradičné adsorpčné systémy sa často spoliehajú na náplňové lôžka.

Balené postele sú jednoduché a dobre zrozumiteľné, ale môžu prinášať technické obmedzenia, ako napríklad:

• Zložité cesty prúdenia vzduchu
• Vyšší pokles tlaku
• Oder častíc
• Tvorba prachu
• Nerovnomerný prenos tepla

To je jeden z dôvodov, prečo sa štruktúrovaným sorbentom venuje čoraz väčšia pozornosť.

Koncept je jednoduchý:

Namiesto plnenia modulu voľnými časticami sa sorbent distribuuje na alebo v rámci vopred navrhnutej štruktúry.

To umožňuje inžinierom nezávisle optimalizovať:

• Geometria prietokového kanála
• Plocha povrchu
• Hrúbka vrstvy sorbentu
• Pokles tlaku
• Prenos tepla
• Mechanická stabilita

6. Porovnanie bežných štruktúr sorbentov DAC

Žiadna štruktúra nie je optimálna pre každý systém DAC.

Správna architektúra závisí od:

• Rýchlosť prúdenia vzduchu
• Chémia sorbentov
• Metóda regenerácie
• Rozmery modulu
• Cieľová životnosť

7. Prečo sa oplatí zvážiť penu s otvorenými bunkami

Pena s otvorenými bunkami sa správa inak ako včelia štruktúra.

Voština zvyčajne obsahuje relatívne pravidelné, rovné kanály.

Pena s otvorenými bunkami obsahuje prepojenú trojrozmernú sieť pórov.

To umožňuje plynu prechádzať viacerými cestami vo vnútri materiálu.

Z inžinierskeho hľadiska môže táto konštrukcia ponúkať niekoľko zaujímavých vlastností.

3D dráhy prúdenia vzduchu

Prepojená sieť pórov umožňuje prúdenie vzduchu cez štruktúru vo viacerých smeroch.

To môže pomôcť vytvoriť efektívnejšiu interakciu medzi prúdom plynu a povrchom funkčného sorbentu.

Nízka konštrukčná hmotnosť

Pena s nízkou hustotou môže zaberať relatívne veľký objem pri použití relatívne malého množstva nosného materiálu.

Toto môže byť užitočné v DAC moduloch, kde je dôležitá štrukturálna hmotnosť aj tepelná hmotnosť.

Nastaviteľná konštrukcia

Hrúbku, rozmery, hustotu a povrchovú úpravu je možné prispôsobiť rôznym konceptom modulov.

Jednoduchá konverzia

Pena s otvorenými bunkami sa dá rezať, obrábať na CNC, laminovať alebo premieňať na rôzne prototypové geometrie.

Toto môže byť obzvlášť užitočné v počiatočných fázach vývoja DAC modulu.

8. Potenciálna úloha melamínovej peny v DAC

Melamínová pena SINOYQX je trojrozmerný pórovitý materiál s nízkou hustotou a otvorenými bunkami.

Typická hustota štandardnej technickej triedy je približne:

8.5 kg / m³

Z hľadiska inžinierstva DAC ho možno hodnotiť ako:

Ľahká 3D sorbentná podpora

Jeho potenciálnou úlohou nie je pôsobiť ako samotný sorbent CO₂, ale poskytovať:

• Trojrozmerná pórovitá nosná štruktúra
• Dráhy prúdenia vzduchu
• Substrát na imobilizáciu sorbentu
• Prispôsobiteľná geometria modulu
• Nízka štrukturálna hmotnosť

9. Melamínová pena nie je CO₂ Sorbent

Toto rozlíšenie je dôležité.

Štandardná melamínová pena by sa nemala používať ako priamy sorbent CO₂ pre DAC.

V systéme DAC pochádza skutočná funkcia zachytávania CO₂ z materiálov s vhodnou chemickou afinitou alebo selektivitou pre CO₂.

Tie môžu zahŕňať:

• Materiály s amínovými funkciami
• Metalo-organické štruktúry
• Alkalické sorbenty
• Funkčné pórovité polyméry
• Iné systémy selektívnych sorbentov CO₂

Realistickejšou úlohou melamínovej peny je slúžiť ako trojrozmerná štrukturálna podpora pre tieto aktívne materiály.

Konečný materiálový systém DAC by sa preto mal chápať ako:

3D podpora + funkčný sorbent

a nie ako jeden penový materiál.

10. Ako sa dajú sorbenty nanášať na 3D penu?

Toto je jedna z ústredných otázok rozvoja.

V závislosti od chemického zloženia sorbentu je možné vyhodnotiť niekoľko spôsobov zaťaženia.

Povrchová úprava

Na penovú kostru sa nanáša funkčná sorbčná vrstva.

impregnácia

Štruktúra s otvorenými bunkami je impregnovaná funkčným materiálom.

Funkcionalizácia polymérov

Povrch peny je chemicky alebo fyzikálne modifikovaný funkčnými skupinami alebo polymérmi.

Kompozitná štruktúra

Pena je kombinovaná s membránami, vláknami, povlakmi alebo inými vrstvami obsahujúcimi sorbenty.

Každá trasa môže ovplyvniť:

• Zaťaženie sorbentom
• Upchatie pórov
• Pokles tlaku
• Kinetika adsorpcie
• Priľnavosť náterov
• Trvanlivosť na bicykli

Z tohto dôvodu sa musí metóda zaťaženia posudzovať spolu s konštrukciou.

11. Čo by sa malo testovať v sorbentnom nosiči DAC?

Materiál pre DAC by sa nemal vyberať len na základe hustoty alebo pórovitosti.

Dôležitejším krokom je validácia inžinierstva na úrovni modulov.

Pokles tlaku vs. rýchlosť vzduchu

Zmerajte pokles tlaku v rozsahu rýchlostí prúdenia vzduchu.

Toto je jeden z najdôležitejších ukazovateľov aerodynamického výkonu.

Naplnenie sorbentom

Určte, koľko funkčného sorbentu je možné stabilne zaťažiť na jednotku hmotnosti alebo objemu nosiča.

Príjem CO₂

Je užitočné vyhodnotiť oboje:

g CO₂ / kg sorbentu

a

kg CO₂ / m³ Modul

pretože praktické systémy DAC sú tiež obmedzené objemom modulov.

Sorpčná kinetika

Zmerajte, ako rýchlo môže CO₂ dosiahnuť sorbent a reagovať s ním.

Kinetika desorpcie

Zmerajte, ako efektívne sa dá CO₂ uvoľniť počas regenerácie.

Tepelná hmota

Vyhodnoťte tepelné zaťaženie spojené s penou, sorbentom a inými konštrukčnými materiálmi.

Stabilita vlhkosti

Okolitý vzduch obsahuje vlhkosť, preto je potrebné zvážiť vplyv vlhkosti na sorbent aj nosnú konštrukciu.

Stabilita pri cyklovaní

Dlhodobá prevádzka DAC vyžaduje opakované cykly adsorpcie a desorpcie.

Medzi kľúčové pozorovania patria:

• Strata sorbentu
• Praskanie náteru
• Deformácia peny
• Zmeny poklesu tlaku
• Pokles adsorpčnej kapacity

12. Rôzne systémy DAC môžu vyžadovať rôzne penové štruktúry

Spoločnosť SINOYQX pristupuje k DAC skôr ako k aplikácii spoločného vývoja než ako k jednej fixnej ​​triede peny.

Medzi možné materiálové smery patria:

Štandardná pena s otvorenými bunkami

Pre počiatočné štádium nanášania sorbentov a skríningu materiálu.

Štruktúra s nízkym poklesom tlaku

Pre systémy, kde je obzvlášť dôležitý odpor prúdenia vzduchu a energia ventilátora.

Hydrofóbna pena

Na vyhodnotenie správania konštrukcií v podmienkach vysokej vlhkosti vzduchu.

Vystužená pena

Pre moduly vyžadujúce zvýšenú mechanickú stabilitu.

Vlastná geometria

Pre CNC rezané alebo na mieru tvarované konštrukcie na základe špecifických rozmerov DAC modulu.

Neexistuje univerzálna „najlepšia“ štruktúra peny.

Správny návrh závisí od chemického zloženia sorbentu a architektúry systému DAC.

13. Od skríningu materiálov až po validáciu DAC modulu

Praktická cesta vývoja zvyčajne nezačína plnohodnotným DAC systémom.

Efektívnejší prístup je:

Krok 1

Definujte chemické zloženie sorbentu CO₂

Krok 2

Vhodné 3D nosné konštrukcie pre premietanie

Krok 3

Vyhodnotenie metód nanášania sorbentov

Krok 4

Stanovenie vzťahu medzi rýchlosťou vzduchu a poklesom tlaku

Krok 5

Test kinetiky absorpcie a adsorpcie CO₂

Krok 6

Vykonajte cyklické testy adsorpcie a desorpcie

Krok 7

Prechod na validáciu DAC modulov v malom rozsahu

Až po týchto krokoch je možné posúdiť skutočnú inžiniersku hodnotu nosnej konštrukcie.

14. Spoločný vývoj SINOYQX pre DAC

Spoločnosť SINOYQX vyvíja melamínovú penu , hydrofóbne pórovité materiály, aerogélové kompozity a ďalšie funkčné pórovité štruktúry.

Pre aplikácie priameho zachytávania vzduchu skúmame technický potenciál melamínovej peny ako ľahkého trojrozmerného sorbentného nosiča.

Naše súčasné zameranie zahŕňa:

• Hustota peny
• Štruktúra pórov
• Hrúbka
• Geometria modulu
• Rýchlosť vzduchu
• Pokles tlaku
• Povrchová úprava
• Zaťaženie sorbentom
• Vlhkosť
• Stabilita pri cyklovaní

Naším cieľom nie je len ponúknuť „DAC penu“.

Cieľom je pomôcť vývojovým tímom vyhodnotiť poréznu nosnú štruktúru, ktorá vyhovuje ich chemickému zloženiu sorbentov, požiadavkám na prúdenie vzduchu, metóde regenerácie a dizajnu modulu.

Inžinierska hranica

Samotná melamínová pena by sa nemala označovať ako sorbent DAC CO₂.

Potenciálne výhody spojené s otvorenou bunkovou štruktúrou, nízkou hustotou a nízkou štrukturálnou hmotnosťou musia byť overené za aktuálneho chemického zloženia sorbentu, prietoku vzduchu, geometrie modulu a prevádzkového cyklu.

Výkonnosť na úrovni materiálu by sa nemala interpretovať ako ekvivalent energetickej účinnosti úplného systému DAC alebo výkonu zachytávania CO₂.

Často kladené otázky

Dokáže melamínová pena priamo zachytávať CO₂?

Štandardná melamínová pena by sa nemala považovať za primárny sorbent CO₂ v DAC. Jej vhodnejšia úloha je ako trojrozmerný pórovitý nosič pre funkčné sorbentné materiály.

Prečo je pokles tlaku v DAC taký dôležitý?

Systémy DAC musia spracovávať veľmi veľké objemy vzduchu. Ak je odpor prúdenia vzduchu príliš vysoký, je potrebný väčší výkon ventilátora, čo zvyšuje spotrebu pomocnej energie.

Prečo DAC profituje z nízkoteplotných podpier?

V tepelne regenerovaných systémoch môže byť potrebné aj nosnú konštrukciu ohrievať a chladiť. Zníženie neaktívnej štrukturálnej hmotnosti môže znížiť množstvo materiálu opakovane zapojeného do tepelných cyklov, hoci celková energia systému musí byť stále experimentálne overená.

Aký je rozdiel medzi penou s otvorenými bunkami a štruktúrou včelieho plástu?

Voštinové štruktúry zvyčajne obsahujú pravidelné prietokové kanály, zatiaľ čo pena s otvorenými bunkami obsahuje trojrozmernú prepojenú sieť pórov. Tieto dve štruktúry sa líšia správaním pri prúdení vzduchu, geometriou povrchu, množstvom sorbentu a flexibilitou výroby.

Aká je typická hustota štandardnej melamínovej peny SINOYQX?

Štandardná technická trieda má typickú hustotu približne 8.5 kg/m³. Funkčné triedy by sa mali vyberať podľa príslušnej technickej špecifikácie alebo požiadaviek projektu.

Čo by sa malo v projekte podpory DAC otestovať ako prvé?

Prioritné testovanie by malo zahŕňať zaťaženie sorbentom, pokles tlaku v závislosti od rýchlosti vzduchu, absorpciu CO₂, kinetiku adsorpcie/desorpcie, stabilitu vlhkosti, priľnavosť náteru a cyklickú trvanlivosť.

CTA

Vývoj DAC modulu s pevným sorbentom?

Ak hodnotíte štruktúrovaný sorbentný nosič, uveďte:

Typ sorbentu, prietok vzduchu, rozmery modulu, povolený pokles tlaku, prevádzková teplota, metóda regenerácie, vlhkosť okolia, cieľové zaťaženie sorbentom, požiadavky na cyklovanie

SINOYQX dokáže podporiť vyhodnotenie rôznych hustôt peny, hrúbok, štruktúr pórov, povrchových úprav a vlastných geometrií pre testovanie prototypov.

Odošlite podmienky vášho projektu DAC →