De ce captarea directă a aerului necesită suporturi pentru absorbanți 3D cu cădere de presiune redusă și masă termică redusă

De ce captarea directă a aerului necesită suporturi pentru absorbanți 3D cu cădere de presiune redusă și masă termică redusă

Captarea directă a aerului , sau DAC, devine o cale tehnologică din ce în ce mai importantă în eliminarea carbonului.

Spre deosebire de captarea convențională a carbonului din gazele de ardere industriale concentrate, DAC funcționează cu aer atmosferic, unde concentrația de CO₂ este mult mai mică.

Aceasta înseamnă că un sistem DAC trebuie să proceseze continuu un volum foarte mare de aer.

Prin urmare, performanța DAC nu poate fi evaluată doar prin analizarea capacității de adsorbție a CO₂ a sorbentului.

Rezistența la fluxul de aer, contactul gaz-solid, imobilizarea sorbentului, greutatea structurală, temperatura de regenerare și stabilitatea ciclului pot influența eficiența generală a sistemului.

Din acest motiv, dezvoltarea DAC se deplasează treptat de la o abordare bazată exclusiv pe sorbent către un model ingineresc mai integrat:

Chimie sorbentă + Structură poroasă + Flux de aer + Management termic + Design de module

1. DAC nu se referă doar la absorbant

Majoritatea discuțiilor despre DAC se concentrează în mod natural pe chimia sorbentului.

Domeniile comune de cercetare includ:

• Sorbenți pe bază de amină
• Materiale alcaline
• Cadre metalo-organice
• Polimeri poroși
• Materiale poroase funcționale
• Sisteme hibride de absorbție solidă

Aceste materiale sunt responsabile de interacțiunea chimică cu CO₂.

Cu toate acestea, un sorbent nu poate funcționa independent în interiorul unui modul DAC practic.

Trebuie să fie susținut, acoperit, imobilizat sau distribuit în cadrul unei structuri care permite trecerea aerului, menținând în același timp un contact suficient între gaz și sorbentul activ.

Prin urmare, un modul DAC practic trebuie să răspundă la două întrebări diferite:

Poate sorbentul să capteze CO₂ eficient?

și

Se poate deplasa aerul prin structura de adsorbție cu un consum de energie acceptabil?

A doua întrebare este unde devin deosebit de importanți suporturile sorbenți structurați.

2. De ce contează scăderea de presiune în DAC

Una dintre diferențele fundamentale dintre DAC și captarea carbonului din surse punctuale este volumul de gaz care trebuie procesat.

Deoarece concentrația atmosferică de CO₂ este scăzută, un sistem DAC trebuie să miște o cantitate mare de aer pentru a capta o cantitate semnificativă de CO₂.

Fiecare structură plasată în fluxul de aer creează rezistență.

Scăderea de presiune poate crește atunci când:

• Patul de adsorbție este prea gros
• Canalele porilor sunt prea mici
• Încărcarea cu sorbenți este prea densă
• Căile de curgere devin extrem de sinuoase
• Acoperirile blochează parțial porii deschiși

O scădere de presiune mai mare înseamnă:

Cerere mai mare de putere a ventilatorului.

Pentru sistemele DAC la scară largă, această cerere de energie auxiliară poate influența direct eficiența operațională și costul.

Prin urmare, un obiectiv ingineresc important este de a menține o încărcătură suficientă de sorbent și un contact gaz-solid, reducând în același timp rezistența la curgerea aerului.

3. Mai mult sorbent nu este întotdeauna mai bun

Din perspectiva materialelor, creșterea încărcăturii de sorbent poate părea inițial dezirabilă.

Însă într-un sistem DAC structurat, încărcarea maximă nu este neapărat condiția optimă.

Dacă un exces de sorbent blochează structura poroasă, pot apărea mai multe probleme:

• Rezistență crescută la fluxul de aer
• Cădere de presiune mai mare
• Canale de curgere deschise reduse
• Utilizare mai redusă a sorbentului intern
• Cinetică de adsorbție mai lentă
• Desorbție mai lentă

Adevărata provocare în materie de design este de a echilibra:

Încărcare cu sorbent × Transfer de masă × Cădere de presiune

mai degrabă decât optimizarea exclusivă a încărcării cu sorbent.

4. De ce contează și masa termică scăzută

Multe sisteme DAC cu sorbenți solizi utilizează energia termică pentru a elibera CO₂ captat și a regenera sorbentul.

În timpul acestei etape de regenerare, energia poate fi utilizată nu numai pentru încălzirea sorbentului în sine, ci și pentru încălzirea:

• Structura suport
• Carcasă
• Suporturi mecanice
• Componente interne ale modulului
• Alte materiale inactive

Dacă suportul structural este greu, fiecare ciclu poate implica încălzirea repetată a unei cantități semnificative de material care nu contribuie direct la captarea CO₂.

Prin urmare, reducerea masei structurale inactive poate fi un obiectiv ingineresc important.

Un suport cu densitate mai mică ar putea reduce cantitatea de material inactiv implicată în fiecare ciclu de încălzire și răcire.

Totuși, este important să fim precisi:

Densitatea scăzută nu înseamnă automat un consum total de energie DAC mai mic.

Energia reală a sistemului depinde de capacitatea termică, chimia sorbentului, temperatura de regenerare, eficiența transferului de căldură, arhitectura modulului și proiectarea ciclului de funcționare.

Prin urmare, aceste potențiale avantaje trebuie validate experimental.

5. Sorbenții structurați devin din ce în ce mai importanți

Sistemele tradiționale de adsorbție se bazează adesea pe paturi împachetate.

Paturile împachetate sunt simple și bine înțelese, dar pot introduce limitări inginerești, cum ar fi:

• Căi complexe de flux de aer
• Cădere de presiune mai mare
• Abraziunea particulelor
• Formarea prafului
• Transfer de căldură neuniform

Acesta este unul dintre motivele pentru care sorbenții structurați primesc o atenție tot mai mare.

Conceptul este simplu:

În loc să umple un modul cu particule libere, sorbentul este distribuit pe sau în interiorul unei structuri pre-proiectate.

Acest lucru permite inginerilor să optimizeze independent:

• Geometria canalului de curgere
• Suprafață
• Grosimea stratului de sorbent
• Cadere de presiune
• De transfer de căldură
• Stabilitate mecanică

6. Compararea structurilor comune ale sorbenților DAC

Nicio structură singulară nu este optimă pentru fiecare sistem DAC.

Arhitectura corectă depinde de:

• Debitul de aer
• Chimia sorbentului
• Metoda de regenerare
• Dimensiunile modulului
• Durata de viață țintă

7. De ce merită evaluată spuma cu celule deschise

Spuma cu celule deschise se comportă diferit față de o structură de tip fagure de miere.

Un fagure de miere conține de obicei canale relativ regulate, drepte.

Spuma cu celule deschise conține o rețea de pori tridimensionali interconectați.

Acest lucru permite gazului să se deplaseze prin mai multe căi în interiorul materialului.

Din punct de vedere ingineresc, această structură poate oferi mai multe caracteristici interesante.

Căi de flux de aer 3D

Rețeaua de pori interconectați permite aerului să treacă prin structură în mai multe direcții.

Acest lucru poate ajuta la crearea unei interacțiuni mai eficiente între fluxul de gaz și suprafața funcțională a sorbentului.

Greutate structurală redusă

Spuma de densitate mică poate ocupa un volum relativ mare, utilizând în același timp o cantitate relativ mică de material suport.

Acest lucru poate fi util în modulele DAC unde atât greutatea structurală, cât și masa termică sunt importante.

Structură reglabilă

Grosimea, dimensiunile, densitatea și tratamentul suprafeței pot fi adaptate diferitelor concepte de module.

Conversie ușoară

Spuma cu celule deschise poate fi tăiată, prelucrată CNC, laminată sau transformată în diferite geometrii prototip.

Acest lucru poate fi util în special în faza incipientă a dezvoltării modulelor DAC.

8. Rolul potențial al spumei de melamină în DAC

Spuma de melamină SINOYQX este un material poros tridimensional cu celule deschise, de densitate mică.

Densitatea tipică a clasei standard de inginerie este de aproximativ:

8.5 kg / m³

Din perspectiva ingineriei DAC, acesta poate fi evaluat ca:

Suport absorbant 3D ușor

Rolul său potențial nu este acela de a acționa ca sorbent de CO₂ în sine, ci de a furniza:

• O structură de susținere poroasă tridimensională
• Căile de flux de aer
• Un substrat pentru imobilizarea sorbentului
• O geometrie personalizabilă a modulului
• Masă structurală redusă

9. Spuma de melamină nu este CO2₂ Absorbant

Această distincție este importantă.

Spuma standard de melamină nu ar trebui prezentată ca sorbent direct de CO₂ pentru DAC.

Într-un sistem DAC, funcția propriu-zisă de captare a CO₂ provine din materiale cu afinitate chimică sau selectivitate adecvată pentru CO₂.

Acestea pot include:

• Materiale funcționale amină
• Cadre metalo-organice
• Sorbenți alcalini
• Polimeri poroși funcționali
• Alte sisteme de absorbție selective pentru CO₂

Rolul mai realist al spumei de melamină este de a servi drept suport structural tridimensional pentru aceste materiale active.

Prin urmare, sistemul final de materiale DAC ar trebui înțeles ca fiind:

Suport 3D + Absorbant funcțional

mai degrabă decât ca un singur material spumos.

10. Cum pot fi încărcați sorbenții pe spumă 3D?

Aceasta este una dintre întrebările centrale ale dezvoltării.

În funcție de compoziția chimică a sorbentului, pot fi evaluate mai multe abordări de încărcare.

Acoperire de suprafață

Un strat funcțional de sorbent este aplicat pe scheletul de spumă.

Impregnare

Structura cu celule deschise este impregnată cu un material funcțional.

Funcționalizarea polimerilor

Suprafața spumei este modificată chimic sau fizic cu grupări funcționale sau polimeri.

Structură compozită

Spuma este combinată cu membrane, fibre, acoperiri sau alte straturi care conțin sorbenți.

Fiecare rută poate afecta:

• Încărcarea cu sorbent
• Blocajul porilor
• Cadere de presiune
• Cinetica de adsorbție
• Aderența acoperirii
• Durabilitatea în ciclism

Din acest motiv, metoda de încărcare trebuie evaluată împreună cu structura.

11. Ce ar trebui testat într-un suport sorbent DAC?

Un material nu ar trebui selectat pentru DAC doar pe baza densității sau porozității.

Cel mai important pas este validarea inginerească la nivel de modul.

Cădere de presiune vs. viteza aerului

Măsurați căderea de presiune pe un interval de viteze ale fluxului de aer.

Acesta este unul dintre cei mai importanți indicatori ai performanței aerodinamice.

Încărcare cu sorbent

Determinați cât sorbent funcțional poate fi încărcat stabil pe unitatea de masă sau volum a suportului.

Absorbția de CO₂

Este util să se evalueze ambele:

g CO₂ / kg Absorbant

și

kg CO₂ / m³ Modul

deoarece sistemele DAC practice sunt și ele constrânse de volumul modulului.

Cinetica sorbției

Măsurați cât de repede poate CO₂ ajunge și interacționa cu sorbentul.

Cinetica de desorbție

Măsurați cât de eficient poate fi eliberat CO₂ în timpul regenerării.

Masă termică

Evaluați sarcina termică asociată cu spuma, sorbentul și alte materiale structurale.

Stabilitate la umiditate

Aerul ambiant conține umiditate, așadar trebuie luate în considerare efectele umidității atât asupra sorbentului, cât și asupra structurii de suport.

Stabilitate pe bicicletă

Funcționarea DAC pe termen lung necesită cicluri repetate de adsorbție-desorbție.

Observațiile cheie includ:

• Pierderea de sorbent
• Crăparea acoperirii
• Deformarea spumei
• Modificări ale căderii de presiune
• Scăderea capacității de adsorbție

12. Diferite sisteme DAC pot necesita structuri de spumă diferite

SINOYQX abordează DAC ca o aplicație de dezvoltare comună, mai degrabă decât ca o singură clasă fixă ​​de spumă.

Direcțiile potențiale ale materialelor includ:

Spumă standard cu celule deschise

Pentru încărcarea sorbentului în etape incipiente și screening-ul materialelor.

Structură cu cădere de presiune scăzută

Pentru sistemele în care rezistența la curgerea aerului și energia ventilatorului sunt deosebit de importante.

Spumă hidrofobă

Pentru evaluarea comportamentului structural în condiții de umiditate ridicată a aerului.

Spumă armată

Pentru module care necesită o stabilitate mecanică îmbunătățită.

Geometrie personalizată

Pentru structuri tăiate CNC sau cu forme personalizate, bazate pe dimensiuni specifice ale modulului DAC.

Nu există o structură universală „cea mai bună” a spumei.

Proiectarea corectă depinde de compoziția chimică a sorbentului și de arhitectura sistemului DAC.

13. De la screening-ul materialelor la validarea modulelor DAC

O rută practică de dezvoltare nu începe de obicei cu un sistem DAC la scară completă.

O abordare mai eficientă este:

Etapa 1

Definiți chimia sorbentului de CO₂

Etapa 2

Structuri de susținere 3D adecvate pentru ecran

Etapa 3

Evaluarea metodelor de încărcare cu sorbenți

Etapa 4

Stabilirea relației dintre viteza aerului și căderea de presiune

Etapa 5

Testarea absorbției și cineticii de adsorbție a CO₂

Etapa 6

Efectuați teste ciclare de adsorbție-desorbție

Etapa 7

Trecerea la validarea modulelor DAC la scară mică

Numai după acești pași poate fi evaluată valoarea inginerească reală a structurii de susținere.

14. Dezvoltare comună SINOYQX pentru DAC

SINOYQX dezvoltă spumă de melamină , materiale poroase hidrofobe, compozite de aerogel și alte structuri poroase funcționale.

Pentru aplicațiile de captare directă a aerului, explorăm potențialul ingineresc al spumei de melamină ca suport sorbent tridimensional ușor.

Accentul nostru actual include:

• Densitatea spumei
• Structura porilor
• Grosime
• Geometria modulului
• Viteza aerului
• Cadere de presiune
• Tratament de suprafață
• Încărcarea cu sorbent
• Umiditate
• Stabilitatea ciclismului

Obiectivul nostru nu este pur și simplu să oferim o „spumă DAC”.

Scopul este de a ajuta echipele de dezvoltare să evalueze o structură de suport poroasă care să se potrivească chimiei sorbentului, cerințelor de flux de aer, metodei de regenerare și designului modulului.

Limita inginerească

Spuma de melamină în sine nu ar trebui descrisă ca un sorbent DAC CO₂.

Beneficiile potențiale asociate cu structura cu celule deschise, densitatea redusă și masa structurală redusă trebuie validate în funcție de chimia sorbentului, debitul de aer, geometria modulului și ciclul de funcționare reale.

Performanța la nivel de material nu trebuie interpretată ca echivalentă cu eficiența energetică completă a sistemului DAC sau cu performanța de captare a CO₂.

FAQ

Poate spuma de melamină capta direct CO₂?

Spuma standard de melamină nu ar trebui considerată principalul sorbent de CO₂ în DAC. Rolul său mai potrivit este acela de suport poros tridimensional pentru materialele absorbante funcționale.

De ce este atât de importantă scăderea de presiune în DAC?

Sistemele DAC trebuie să proceseze volume foarte mari de aer. Dacă rezistența la fluxul de aer este prea mare, este necesară o putere mai mare a ventilatorului, ceea ce crește consumul de energie auxiliară.

De ce beneficiază DAC-urile de suporturi cu masă termică redusă?

În sistemele regenerate termic, structura de susținere poate necesita și încălzire și răcire. Reducerea masei structurale inactive poate reduce cantitatea de material implicată în mod repetat în ciclurile termice, deși energia totală a sistemului trebuie validată experimental.

Care este diferența dintre spuma cu celule deschise și structurile de tip fagure de miere?

Structurile de tip fagure de miere conțin de obicei canale de curgere regulate, în timp ce spuma cu celule deschise conține o rețea tridimensională de pori interconectați. Cele două structuri diferă prin comportamentul fluxului de aer, geometria suprafeței, încărcarea cu sorbenți și flexibilitatea de fabricație.

Care este densitatea tipică a spumei de melamină standard SINOYQX?

Gradul standard pentru inginerie are o densitate tipică de aproximativ 8.5 kg/m³. Gradele funcționale trebuie selectate în funcție de specificațiile tehnice corespunzătoare sau de cerințele proiectului.

Ce ar trebui testat mai întâi într-un proiect de suport DAC?

Testele prioritare ar trebui să includă încărcarea cu sorbenți, scăderea de presiune în funcție de viteza aerului, absorbția de CO₂, cinetica de adsorbție/desorbție, stabilitatea la umiditate, aderența stratului de acoperire și durabilitatea ciclului de aplicare.

CTA

Dezvoltarea unui modul DAC cu absorbție solidă?

Dacă evaluați un suport sorbent structurat, vă rugăm să furnizați:

Tipul de sorbent, debitul de aer, dimensiunile modulului, căderea de presiune admisibilă, temperatura de funcționare, metoda de regenerare, umiditatea ambientală, încărcarea țintă cu sorbent, cerințele de ciclare

SINOYQX poate sprijini evaluarea diferitelor densități, grosimi, structuri ale porilor, tratamente de suprafață și geometrii personalizate ale spumei pentru testarea prototipurilor.

Trimiteți condițiile proiectului DAC →