بخشی از مقاله
چکیده
زئولیتهامواد معدنی هستند که عمدتاً از آمینوسیلیکات تشکیل شدهاند. این مواد که به صورت کریستال و با تخلخل ریز هستند براي جذب سطحی دياکسیدکربن بسیار مورد استفاده قرار گرفتهاند. مهمترین دلیل علاقهمندي به دستهس ي زئولیتها این است که تعداد خواص آنها مانند اندازه تخلخل و ساختار یا ترکیب شیمیایی بر عملکرد جذب آنها تأثیر میگذارد. در این تحقیق مروري از جاذبهاي زئولیتی و میزان جذب و تأثیر ترکیب خوراك، دما، فشار و تبادل با کاتیونها بر ظرفیت جذب و نیز شرایط مناسب براي هر جاذب مشخص شده است. از نظر سینتیک جذب ديس اکسیدکربن، زئولیتها به عنوان سریعترین جاذبها دستهبندي میشوند و در عرض چند دقیقه به ظرفیت تعادلی میس رسند. کاهش نسبت سیلیسیم به آلومینیوم در ساختار این جاذبها و افزایش تخلخل به افزایش ظرفیت جذب کمک میکند. نتایج نشان میدهد که زئولیتهاي آلومیناسیلیکاتی کاتیونی گزینشپذیري بالائی دارند. در بین جاذبهاي زئولیتی مطالعه شده، زئولیت NaX با نام تجاري 13X بیشتر مورد استفاده قرار گرفته و جذب بالایی را نشان میدهد.
کلمات کلیدي
دياکسیدکربن، جذب سطحی، زئولیت، آلومینا سیلیکات
مقدمه
افزایش گازهاي گلخانهاي در جو زمین باعث شده تأثیر منفی در شرایط زندگی داشته باشد . یکی از مهمترین گازهاي گلخانهاي دياکسیدکربن بوده که در بین سایر گازهاي گلخانهاي، سهم زیادي در گرمایش زمین دارد. بنابراین بایستی به روشهاي کاهش انتشار آن اندیشید. فناوريهاي مختلفی براي جداسازي دياکسیدکربن مورد استفاده قرار گرفته است که شامل جداسازي پس از احتراق، پیش از احتراق و استفاده از هواي اضافی در احتراق میباشند. روشس هاي جداسازي این گاز شامل جذب، جذب سطحی، جداسازي غشایی و تقطیر در دماي پایین میباشد. نظر به این که راندمان انتقال جرم به علت وجود سطح تماس زیاد، مقاومت کم در مقابل نفوذ و اختلاط محوري قابل توجه بین فازهاي در حال تماس در فرایند جذب سطحی قابل توجه است و نیز جاذبهاي مورد استفاده در این روش مشکلات خورندگی، سمی بودن و تعویض جاذبهاي مایع را ندارند، لذا استفاده از این روش براي جداسازي دياکسیدکربن مناسب به نظر میرسد.[1] زئولیت1 یک مادهي معدنیاست که عمدتاً از آلومیناسیلیکات تشکیل شده و کاربرد تجاري عمدهي آن در صنایع به عنوان جاذب سطحی میباشد. واژهي زئولیت در سال 1756 توسط کانی شناس سوئدي اکسل فردریک کرونستد2 ابداع شد. از بین زئولیتهاي طبیعی فقط 9 نوع به مقدار زیاد در طبیعت یافت میشوند. خواص فیزیکی و شیمیایی زئولیتهاي طبیعی متفاوت بوده و در بین نمونههاي مختلف یک نوع خاص از زئولیت نیز تفاوتهایی در خواص فیزیکی (اندازهي منفذ، اندازهي بلور، ظرفیت تبادل یونی و ظرفیت جذبی) و ترکیب شیمیایی وجود دارد. موارد استفادهي زئولیتهاي مصنوعی و طبیعی از خواص فیزیکی و شیمیایی آنها ناشی میشود که آن هم تابعی از ساختمان بلوري و ترکیب شیمیایی زئولیتها است. مهمترین دلیل علاقهمندي به دستهي زئولیتها این است که تعداد خواص آنها مانند اندازهي تخلخل و ساختار یا ترکیب شیمیایی بر عملکرد جذب آنها تأثیر میگذارد. محققان بسیاري روي جذب توسط زئولیتها کار کردهاند. براي نمونه شیرالکار(1984) 3 با بررسی زئولیتهاي دستهي Y دریافت که بیشترین ظرفیت جذب مربوط به زئولیتی است که با یون سدیم تبادل داشته است.[2] کامیوتو4 و همکارانش (2001) از بسترهاي زئولیتی شش گوش که از دیوارههاي فیبري نازك با تخلخل حدود 80 درصد شامل زئولیتهاي MS-13X و MS-4A تشکیل شده براي جذب دياکسیدکربن استفاده کردند. نتایج نشان داد که بازیابی دياکسیدکربن در بستر شامل MS-13X به علت ظرفیت جذب بالاتر، بیشتر از بستر شامل MS-4A میباشد.[3] کاوناتی5 و همکاران (2004) دریافتند که جاذب 13X به علت ظرفیت جذب بهتر در دماي بالا، گزینهي مناسبی براي خالصسازي متان از گاز طبیعی و جداسازي دياکسیدکربن از گاز دودکش به نظر میرسد.[4] سیریواردان 6 و همکارانش (2005) دریافتند که جاذبهایی که بیشترین قطر تخلخل و بیشترین نسبت سدیم به سیلیسیم را دارا هستند ظرفیت جذب بالاتري نشان میدهند.[5] لانو(2010 ) 7 جذب دياکسیدکربن روي جاذب Na-X با نام تجاري 13X را در محدوده دمایی -78 تا 150 و در محدوده فشار 0/2-6/4 مگاپاسکال بررسی کرد. مشاهده شد که ظرفیت جذب در دماي 273 کلوین و فشار 0/01 کیلو پاسکال برابر با 0/3 و در فشار 100 کیلو پاسکال برابر با 7 مول به ازاي کیلوگرم جاذب میباشد.[6] آراکی8 و همکارانش (2012) جذب دياکسیدکربن روي یک نوع زئولیت در دماي 25
1 Zeolite 2 Axel Fredrik Cronstedt 3 Shiralkar
4 Kamiuto et al.
5 Cavenati et al.
6 Siriwardane et al. 7 Llano
8 Araki et al.
درجه سلسیوس و فشار 100 کیلو پاسکال را بررسی کردند . زئولیت rho با روش هیدروترمال از یک مخلوط سیلیکا، سدیم و آلومیناي کلوییدي، هیدروکسید سدیم، هیدروکسید سزیم و آب مقطر ساخته میشودمقدار. جذب تقریباً ثابت و برابر با 3/1 میلی مول به ازاي یک گرم جاذب بدست آمد. این مقدار بیشتر از مقدار جذب شده توسط NaX بدست آمد. اما گزینشپذیري دياکسیدکربن نسبت به نیتروژن براي این جاذب بیشتر از زئولیت NaX ارزیابی شد.[7]
-1انواع زئولیتها
زئولیتهاي مورد استفاده براي جذب دياکسیدکربن شامل زئولیتهاي طبیعی و سنتزي میباشند. سه نمونه از زئولیتهاي طبیعی شامل Faujasite، Chabazite و Clinoptilolite هستند. این زئولیتها آلومیناسیلیکاتهاي داراي عناصر کلسیم و سدیم بوده و تفاوت آنها در نوع و میزان عناصر موجد در آنهاست. Faujasite شامل منیزیم، Chabazit شامل پتاسیم و Clinoptilolite داراي هر دو این عناصر است. جاذبهاي زئولیتی سنتزي، آلومیناسیلیکاتس هاي با تخلخل ریز هستند که به علت قابلیت تبادل یون و گزینشپذیري مولکولهاي مهمان با توجه به اندازهي آنها، داراي کاربرد گستردهاي میباشند. زئولیتهاي دستهي X و Y از ارتقاي زئولیت Faujasite سنتز میشوند. تفاوت این دو دسته در نسبت سیلیسیم به آلومینیوم در ساختار آنها میباشد. این نسبت در زئولیتهاي دستهي X بین 2 و 3 و در دستهي Y بیشتر از 3 است. یکی از رایجترین زئولیت دستهي X، زئولیت 13X یک آلومیناسیلیکات سدیم سنتزي است که ساختار مکعبی متقارن دارد و فرم بیآب آن داراي فرمول شیمیایی Nax(AlO2)x(SiO2)192-x میباشد (مقدار x بین 77 و 96 متغیر است). ZSM-5 یک زئولیت آلومیناسیلیکاتی سنتزي بوده که در دماهاي بالا ساخته میشود. روشهاي مختلفی براي ساخت آن استفاده میشود که متداولترین آن به صورت زیر است:
SiO 2 + NaAlO 2 + NaOH + N(CH 2 CH 2 CH 3 ) 4Br + H2 O ® ZSM-5 + ...
ظرفیت جذب زئولیتها را میتوان با فرآیندهاي شیمیائی ارتقا داد. براي نمونه جاذب 13X با استفاده از محلول هیدروکسید سدیم و یا مو نو اتانول آمین اصلاح شده تا قدرت جذب آن افزایش یابد. برخی ویژگیهاي این جاذبها در جدول 1 آمده است.
