Zakaj neposredno zajemanje zraka zahteva 3D-sorbentne nosilce z nizkim padcem tlaka in nizko toplotno maso

Zakaj neposredno zajemanje zraka zahteva 3D-sorbentne nosilce z nizkim padcem tlaka in nizko toplotno maso

Neposredno zajemanje zraka ali DAC postaja vse pomembnejša tehnološka pot pri odstranjevanju ogljika.

Za razliko od običajnega zajemanja ogljika iz koncentriranih industrijskih dimnih plinov, DAC deluje z atmosferskim zrakom, kjer je koncentracija CO₂ veliko nižja.

To pomeni, da mora sistem DAC neprekinjeno obdelovati zelo veliko količino zraka.

Posledično delovanja DAC ni mogoče oceniti zgolj z opazovanjem adsorpcijske sposobnosti sorbenta za CO₂.

Upornost pretoka zraka, stik plina in trdne snovi, imobilizacija sorbenta, strukturna teža, temperatura regeneracije in stabilnost ciklov lahko vplivajo na celotno učinkovitost sistema.

Zaradi tega se razvoj DAC postopoma premika od pristopa, ki uporablja samo sorbent, k bolj integriranemu inženirskemu modelu:

Sorbentna kemija + Porozna struktura + Pretok zraka + Upravljanje temperature + Zasnova modula

1. DAC ni samo sorbent

Večina razprav o DAC se seveda osredotoča na kemijo sorbenta.

Skupna raziskovalna področja vključujejo:

• Sorbenti na osnovi amina
• Alkalni materiali
• Kovinsko-organska ogrodja
• Porozni polimeri
• Funkcionalni porozni materiali
• Hibridni trdni sorbentni sistemi

Ti materiali so odgovorni za kemično interakcijo s CO₂.

Vendar pa sorbent ne more delovati neodvisno znotraj praktičnega DAC modula.

Mora biti podprt, prevlečen, imobiliziran ali razporejen znotraj strukture, ki omogoča prehod zraka, hkrati pa ohranja zadosten stik med plinom in aktivnim sorbentom.

Praktičen DAC modul mora zato odgovoriti na dve različni vprašanji:

Ali lahko sorbent učinkovito zajame CO₂?

in

Ali se lahko zrak premika skozi adsorpcijsko strukturo s sprejemljivo porabo energije?

Drugo vprašanje je, kje postanejo strukturirani nosilci sorbentov še posebej pomembni.

2. Zakaj je padec tlaka pomemben pri DAC

Ena od temeljnih razlik med DAC in točkovnim zajemanjem ogljika je količina plina, ki jo je treba predelati.

Ker je koncentracija CO₂ v atmosferi nizka, mora sistem DAC premakniti veliko količino zraka, da zajame pomembno količino CO₂.

Vsaka struktura, postavljena v zračni tok, ustvarja upor.

Padec tlaka se lahko poveča, če:

• Adsorpcijska plast je predebela
• Pore ​​so premajhne
• Nanos sorbenta je pregost
• Poti toka postanejo zelo vijugaste
• Premazi delno blokirajo odprte pore

Višji padec tlaka pomeni:

Večja zahteva po moči ventilatorja.

Pri obsežnih sistemih DAC lahko ta pomožna potreba po energiji neposredno vpliva na obratovalno učinkovitost in stroške.

Pomemben inženirski cilj je zato ohranjanje zadostne količine sorbenta in stika med plinom in trdno snovjo, hkrati pa zmanjšanje upora pretoka zraka.

3. Več sorbenta ni vedno boljše

Z vidika materialov se lahko povečanje količine sorbenta sprva zdi zaželeno.

Toda v strukturiranem DAC sistemu največja obremenitev ni nujno optimalni pogoj.

Če prekomerna količina sorbenta blokira porozno strukturo, se lahko pojavi več težav:

• Povečana odpornost proti zračnemu toku
• Višji padec tlaka
• Zmanjšani odprti pretočni kanali
• Manjša izkoriščenost notranjega sorbenta
• Počasnejša kinetika adsorpcije
• Počasnejša desorpcija

Pravi oblikovalski izziv je uravnotežiti:

Polnjenje sorbenta × Prenos mase × Padec tlaka

namesto optimizacije same obremenitve s sorbentom.

4. Zakaj je pomembna tudi nizka toplotna masa

Mnogi DAC sistemi s trdnimi sorbenti uporabljajo toplotno energijo za sproščanje ujetega CO₂ in regeneracijo sorbenta.

Med to regeneracijsko fazo se energija lahko uporablja ne le za segrevanje samega sorbenta, temveč tudi za segrevanje:

• Podporna struktura
• okvirji
• Mehanske opore
• Notranje komponente modula
• Drugi neaktivni materiali

Če je nosilna konstrukcija težka, lahko vsak cikel vključuje večkratno segrevanje znatne količine materiala, ki ne prispeva neposredno k zajemanju CO₂.

Zmanjšanje neaktivne strukturne mase je zato lahko pomemben inženirski cilj.

Nosilec z nižjo gostoto lahko potencialno zmanjša količino neaktivnega materiala, ki je vključen v vsak cikel segrevanja in hlajenja.

Vendar je pomembno biti natančen:

Nizka gostota ne pomeni samodejno nižje skupne porabe energije DAC.

Dejanska energija sistema je odvisna od toplotne kapacitete, kemije sorbenta, temperature regeneracije, učinkovitosti prenosa toplote, arhitekture modulov in zasnove delovnega cikla.

Te potencialne prednosti je zato treba eksperimentalno potrditi.

5. Strukturirani sorbenti postajajo vse pomembnejši

Tradicionalni adsorpcijski sistemi se pogosto zanašajo na polnilne plasti.

Zložene postelje so preproste in dobro razumljive, vendar lahko uvedejo inženirske omejitve, kot so:

• Kompleksne poti zračnega toka
• Višji padec tlaka
• abrazija delcev
• Nastajanje prahu
• Neenakomeren prenos toplote

To je eden od razlogov, zakaj strukturirani sorbenti dobivajo vse večjo pozornost.

Koncept je preprost:

Namesto polnjenja modula z ohlapnimi delci se sorbent porazdeli na ali znotraj vnaprej zasnovane strukture.

To inženirjem omogoča neodvisno optimizacijo:

• Geometrija pretočnega kanala
• Površina
• Debelina sloja sorbenta
• Padec tlaka
• Prenos toplote
• Mehanska stabilnost

6. Primerjava običajnih struktur sorbentov DAC

Nobena posamezna struktura ni optimalna za vsak sistem DAC.

Pravilna arhitektura je odvisna od:

• Pretok zraka
• Sorbentna kemija
• Metoda regeneracije
• Dimenzije modula
• Ciljna življenjska doba

7. Zakaj je vredno oceniti peno z odprtimi celicami

Pena z odprtimi celicami se obnaša drugače kot satovjasta struktura.

Satovje običajno vsebuje relativno pravilne, ravne kanale.

Pena z odprtimi celicami vsebuje medsebojno povezano tridimenzionalno mrežo por.

To omogoča, da plin potuje po več poteh znotraj materiala.

Z inženirskega vidika lahko ta struktura ponuja več zanimivih značilnosti.

3D poti pretoka zraka

Medsebojno povezana mreža por omogoča prehod zraka skozi strukturo v več smereh.

To lahko pomaga ustvariti učinkovitejšo interakcijo med plinskim tokom in površino funkcionalnega sorbenta.

Nizka strukturna teža

Pena z nizko gostoto lahko zavzame relativno veliko prostornino, pri čemer uporabi relativno majhno količino nosilnega materiala.

To je lahko uporabno v DAC modulih, kjer sta pomembni tako strukturna teža kot toplotna masa.

Nastavljiva struktura

Debelino, dimenzije, gostoto in površinsko obdelavo je mogoče prilagoditi različnim konceptom modulov.

Enostavna pretvorba

Pena z odprtimi celicami se lahko reže, obdeluje s CNC-strojem, laminira ali pretvori v različne prototipne geometrije.

To je lahko še posebej uporabno v zgodnji fazi razvoja DAC modula.

8. Potencialna vloga melaminske pene v DAC-u

Melaminska pena SINOYQX je tridimenzionalni porozni material z odprtimi celicami in nizko gostoto.

Tipična gostota standardnega inženirskega razreda je približno:

8.5 kg / m³

Z vidika inženiringa DAC ga je mogoče oceniti kot:

Lahka 3D sorbentna podpora

Njegova potencialna vloga ni, da deluje kot sorbent CO₂, temveč da zagotavlja:

• Tridimenzionalna porozna nosilna struktura
• Poti pretoka zraka
• Substrat za imobilizacijo sorbenta
• Prilagodljiva geometrija modula
• Nizka strukturna masa

9. Melaminska pena ni CO₂ Sorbent

To razlikovanje je pomembno.

Standardna melaminska pena se ne sme uporabljati kot neposredni sorbent CO₂ za DAC.

V sistemu DAC dejansko funkcijo zajemanja CO₂ zagotavljajo materiali z ustrezno kemijsko afiniteto ali selektivnostjo za CO₂.

Te lahko vključujejo:

• Amino-funkcionalni materiali
• Kovinsko-organska ogrodja
• Alkalni sorbenti
• Funkcionalni porozni polimeri
• Drugi CO₂-selektivni sorbentni sistemi

Bolj realistična vloga melaminske pene je, da služi kot tridimenzionalna strukturna podpora za te aktivne materiale.

Končni materialni sistem DAC je torej treba razumeti kot:

3D podpora + funkcionalni sorbent

namesto kot en sam penasti material.

10. Kako lahko sorbente naložimo na 3D peno?

To je eno osrednjih razvojnih vprašanj.

Glede na kemijsko sestavo sorbenta je mogoče oceniti več pristopov nanašanja.

Površinski premaz

Na penasto ogrodje se nanese funkcionalna plast sorbenta.

Impregnacija

Odprtocelična struktura je impregnirana s funkcionalnim materialom.

Funkcionalizacija polimerov

Površina pene je kemično ali fizikalno modificirana s funkcionalnimi skupinami ali polimeri.

Kompozitna struktura

Pena je kombinirana z membranami, vlakni, premazi ali drugimi plastmi, ki vsebujejo sorbent.

Vsaka pot lahko vpliva na:

• Obremenitev s sorbentom
• Zamašitev por
• Padec tlaka
• Kinetika adsorpcije
• Lepljenje prevleke
• Vzdržljivost pri kolesarjenju

Zaradi tega je treba metodo obremenitve oceniti skupaj s konstrukcijo.

11. Kaj je treba preizkusiti v nosilcu sorbenta DAC?

Materiala za DAC ne smemo izbrati samo na podlagi gostote ali poroznosti.

Pomembnejši korak je inženirska validacija na ravni modulov.

Padec tlaka v primerjavi s hitrostjo zraka

Izmerite padec tlaka v različnih hitrostih pretoka zraka.

To je eden najpomembnejših kazalnikov aerodinamičnih zmogljivosti.

Nalaganje sorbenta

Določite, koliko funkcionalnega sorbenta je mogoče stabilno naložiti na enoto mase ali prostornine nosilca.

Vnos CO₂

Koristno je oceniti oboje:

g CO₂ / kg sorbenta

in

kg CO₂ / m³ Modul

ker so praktični sistemi DAC omejeni tudi z prostornino modulov.

Sorpcijska kinetika

Izmerite, kako hitro lahko CO₂ doseže sorbent in reagira z njim.

Kinetika desorpcije

Izmerite, kako učinkovito se lahko CO₂ sprosti med regeneracijo.

Toplotna masa

Ocenite toplotno obremenitev, povezano s peno, sorbentom in drugimi konstrukcijskimi materiali.

Stabilnost vlage

Zrak v okolici vsebuje vlago, zato je treba upoštevati vpliv vlažnosti tako na sorbent kot na nosilno strukturo.

Stabilnost pri kolesarjenju

Dolgotrajno delovanje DAC zahteva ponavljajoče se cikle adsorpcije-desorpcije.

Ključna opažanja vključujejo:

• Izguba sorbenta
• Pokanje premaza
• Deformacija pene
• Spremembe padca tlaka
• Upad adsorpcijske kapacitete

12. Različni DAC sistemi lahko potrebujejo različne penaste strukture

SINOYQX pristopa k DAC kot k skupnemu razvoju in ne kot k posamezni fiksni peni.

Možne smeri materiala vključujejo:

Standardna pena z odprtimi celicami

Za zgodnje nalaganje sorbentov in presejanje materiala.

Struktura z nizkim padcem tlaka

Za sisteme, kjer sta upor pretoka zraka in energija ventilatorja še posebej pomembna.

Hidrofobna pena

Za oceno strukturnega obnašanja v pogojih visoke vlažnosti zraka.

Ojačana pena

Za module, ki zahtevajo izboljšano mehansko stabilnost.

Geometrija po meri

Za CNC-rezane ali po meri oblikovane strukture na podlagi specifičnih dimenzij DAC modula.

Ni univerzalne "najboljše" strukture pene.

Pravilna zasnova je odvisna od kemije sorbenta in arhitekture sistema DAC.

13. Od pregleda materialov do validacije DAC modula

Praktična razvojna pot se običajno ne začne s polnopravnim DAC sistemom.

Učinkovitejši pristop je:

korak 1

Definirajte kemijo sorbenta CO₂

korak 2

Primerne 3D-podporne strukture za zaslon

korak 3

Ocenite metode nanašanja sorbentov

korak 4

Vzpostavite razmerje med hitrostjo zraka in padcem tlaka

korak 5

Preskusna kinetika absorpcije in adsorpcije CO₂

korak 6

Izvedite ciklične teste adsorpcije in desorpcije

korak 7

Prehod na validacijo modulov DAC majhnega obsega

Šele po teh korakih je mogoče oceniti dejansko inženirsko vrednost podporne konstrukcije.

14. Skupni razvoj SINOYQX za DAC

SINOYQX razvija melaminsko peno , hidrofobne porozne materiale, aerogelne kompozite in druge funkcionalne porozne strukture.

Za aplikacije neposrednega zajemanja zraka raziskujemo inženirski potencial melaminske pene kot lahkega tridimenzionalnega nosilca sorbenta.

Naš trenutni fokus vključuje:

• Gostota pene
• Struktura por
• Debelina
• Geometrija modula
• Hitrost zraka
• Padec tlaka
• Površinska obdelava
• Obremenitev s sorbentom
• Vlažnost
• Stabilnost pri kolesarjenju

Naš cilj ni zgolj ponuditi »DAC peno«.

Cilj je pomagati razvojnim ekipam pri ocenjevanju porozne nosilne strukture, ki ustreza njihovi kemiji sorbentov, zahtevam glede pretoka zraka, metodi regeneracije in zasnovi modulov.

Inženirska meja

Melaminske pene same po sebi ne bi smeli opisovati kot sorbent DAC CO₂.

Potencialne koristi, povezane z odprtocelično strukturo, nizko gostoto in nizko strukturno maso, je treba potrditi z uporabo dejanske kemije sorbenta, pretoka zraka, geometrije modula in obratovalnega cikla.

Učinkovitosti na ravni materiala se ne sme razlagati kot enakovredne celotni energetski učinkovitosti sistema DAC ali učinkovitosti zajemanja CO₂.

FAQ

Ali lahko melaminska pena neposredno veže CO₂?

Standardne melaminske pene ne bi smeli šteti za primarni sorbent CO₂ v DAC-u. Njena ustreznejša vloga je kot tridimenzionalni porozni nosilec za funkcionalne sorbentne materiale.

Zakaj je padec tlaka tako pomemben pri DAC?

Sistemi DAC morajo obdelati zelo velike količine zraka. Če je upor zračnega toka prevelik, je potrebna večja moč ventilatorja, kar poveča porabo pomožne energije.

Zakaj ima DAC koristi od nosilcev z nizko toplotno maso?

V toplotno regeneriranih sistemih bo morda treba tudi nosilno konstrukcijo segrevati in ohlajati. Zmanjšanje neaktivne strukturne mase lahko zmanjša količino materiala, ki je večkrat vključen v toplotno cikliranje, čeprav je treba celotno energijo sistema še vedno eksperimentalno preveriti.

Kakšna je razlika med peno z odprtimi celicami in satovjem?

Sataste strukture običajno vsebujejo redne pretočne kanale, medtem ko pena z odprtimi celicami vsebuje tridimenzionalno medsebojno povezano mrežo por. Strukturi se razlikujeta po obnašanju pretoka zraka, geometriji površine, sorbentni obremenitvi in ​​fleksibilnosti izdelave.

Kakšna je tipična gostota standardne melaminske pene SINOYQX?

Standardna inženirska vrsta ima tipično gostoto približno 8.5 kg/m³. Funkcionalne vrste je treba izbrati v skladu z ustrezno tehnično specifikacijo ali projektnimi zahtevami.

Kaj je treba najprej preizkusiti v projektu podpore DAC?

Prednostno testiranje bi moralo vključevati obremenitev sorbenta, padec tlaka glede na hitrost zraka, absorpcijo CO₂, kinetiko adsorpcije/desorpcije, stabilnost vlažnosti, oprijem premaza in ciklično vzdržljivost.

CTA

Razvoj DAC modula s trdnim sorbentom?

Če ocenjujete strukturiran sorbentni nosilec, navedite:

Vrsta sorbenta, pretok zraka, dimenzije modula, dovoljeni padec tlaka, delovna temperatura, metoda regeneracije, vlažnost okolice, ciljna obremenitev sorbenta, zahteve glede cikliranja

SINOYQX lahko podpira ocenjevanje različnih gostot pene, debelin, struktur por, površinskih obdelav in geometrij po meri za testiranje prototipov.

Oddajte pogoje projekta DAC →