SYNTEZA MATERIAŁU MEZOPOROWATEGO MCM-41 Z POPIOŁÓW LOTNYCH I JEGO ZASTOSOWANIE DO ADSORPCJI CO 2

Podobne dokumenty
Sorbenty fizyko-chemiczne do usuwania dwutlenku węgla

Adsorpcyjne techniki separacji CO 2

INNOWACYJNY SPOSÓB ZAGOSPODAROWANIA POPIOŁÓW LOTNYCH

Ocena przydatności wybranych adsorbentów do separacji dwutlenku węgla w układach próżniowych - testy termograwimetryczne

WYKORZYSTANIE POPIOŁÓW LOTNYCH W INŻYNIERII ŚRODOWISKA

2.1. Charakterystyka badanego sorbentu oraz ekstrahentów

TECHNOLOGIE MAGAZYNOWANIA I OCZYSZCZANIA WODORU DLA ENERGETYKI PRZYSZŁOŚCI

PROJEKT: Innowacyjna usługa zagospodarowania popiołu powstającego w procesie spalenia odpadów komunalnych w celu wdrożenia produkcji wypełniacza

Właściwości tworzyw autoklawizowanych otrzymanych z udziałem popiołów dennych

Wykład 5. Anna Ptaszek. 9 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 5. Anna Ptaszek 1 / 20

Adsorpcja wybranych jonów metali ciężkich na biowęglu pochodzącym z komunalnych osadów ściekowych

ADSORPCJA BŁĘKITU METYLENOWEGO I JODU NA WYBRANYCH WĘGLACH AKTYWNYCH

Izabela Majchrzak-Kucęba

Wskaźniki aktywności K28 i K90 popiołów lotnych krzemionkowych o miałkości kategorii S dla różnych normowych cementów portlandzkich

BADANIA SEPARACJI CO 2 NA WYBRANYCH SORBENTACH METODĄ ADSORPCJI ZMIENNOCIŚNIENIOWEJ PSA

Wykład 5. Anna Ptaszek. 30 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Fizykochemiczne podstawy procesów przemysłu

Odpady energetyczne jako substraty w syntezie materiałów mezoporowatych

WZBOGACANIE BIOGAZU W METAN W KASKADZIE MODUŁÓW MEMBRANOWYCH

Możliwości wykorzystania frakcjonowanych UPS z kotłów fluidalnych w produkcji zapraw murarskich i tynkarskich

Separacja CO 2 z gazów spalinowych metodą V-PSA na zeolicie 13X

CENTRUM CZYSTYCH TECHNOLOGII WĘGLOWYCH CLEAN COAL TECHNOLOGY CENTRE. ... nowe możliwości. ... new opportunities

BADANIE STABILNOŚCI PRACY KATALIZATORA VO X /SBA-15 W PROCESIE ODWODORNIENIA PROPANU DO PROPENU W OBECNOŚCI DITLENKU WĘGLA

Autoreferat pracy doktorskiej. Badania porowatości krystalicznych materiałów mikroporowatych z zastosowaniem termodesorpcji węglowodorów

Materiały polimerowe laboratorium

Zjawiska powierzchniowe

Wykonał:Dominika Sztekler Karol Sztekler SLAJD 1

Chemia nieorganiczna Zadanie Poziom: podstawowy

J CD CD. N "f"'" Sposób i filtr do usuwania amoniaku z powietrza. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 23/09

ANALYSIS OF THE CHEMICAL COMPOSITION OF COAL FLY ASH FOR SYNTHESIS ZEOLITE NA A

WŁAŚCIWOŚCI KRUSZYW LEKKICH MODYFIKOWANYCH ZUśYTYMI ADSORBENTAMI

ZACHODNIOPOMORSKI UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNY W SZCZECINIE WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I ARCHITEKTURY KATEDRA KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH I TECHNOLOGII BETONU

Usuwanie tlenków azotu z gazów odlotowych

ZASTOSOWANIE POPIOŁÓW LOTNYCH Z WĘGLA BRUNATNEGO DO WZMACNIANIA NASYPÓW DROGOWYCH

SBA-15 modyfikowane grupami aminowymi jako sorbenty jonów Pd(II)

Adsorpcyjne usuwanie CO2 ze spalin kotłowych

Parametry charakteryzujące popioły lotne, istotne w kontekście ich proekologicznego wykorzystania

CENNIK USŁUG ANALITYCZNYCH

Pracownia. Cwiczenie 23

SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNYCH. RÓWNOWAGA CHEMICZNA

BADANIA ODSIARCZANIA SPALIN NA STANOWISKU PILOTAŻOWYM Z CYRKULACYJNĄ WARSTWĄ FLUIDALNĄ CFB 0,1MWt ORAZ STANOWISKU DO BADANIA REAKTYWNOŚCI SORBENTÓW

Pilotowa instalacja zgazowania węgla w reaktorze CFB z wykorzystaniem CO 2 jako czynnika zgazowującego

WOJEWÓDZKI KONKURS PRZEDMIOTOWY Z CHEMII DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW - rok szkolny 2011/2012 eliminacje rejonowe

VIII Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2015/2016

SORPCJA WILGOCI SORPCJA WILGOCI

INFLUENCE OF CONTENTS OF SILICON AND ALUMINIUM ON FORMED ZEOLITE TYPE NA-P1

OPTYMALIZACJA STEROWANIA MIKROKLIMATEM W PIECZARKARNI

Zadanie: 1 (1pkt) Zadanie: 2 (1 pkt)

TEST PRZYROSTU KOMPETENCJI Z CHEMII DLA KLAS II

Fotochromowe kopolimery metakrylanu butylu zawierające pochodne 4-amino-N-(4-metylopirymidyn-2-ilo)benzenosulfonamidu i sposób ich otrzymywania

Załącznik nr 2B do Kontraktu. Paliwo

OTMAR VOGT, JAN OGONOWSKI *, BARBARA LITAWA. Streszczenie

Janusz Tchórz Dyrektor Departamentu Badań i Technologii TAURON Wytwarzanie S.A.

Politechnika Gdańska Wydział Chemiczny. Katedra Technologii Chemicznej

USUWANIE DWUTLENKU WĘGLA W GLA Z GAZÓW SPALINOWYCH. Katedra Technologii Chemicznej Wydział Chemiczny Politechnika Gdańska

WPŁYW SPOSOBU PREPARATYKI NA AKTYWNOŚĆ UKŁADÓW La Mg O. THE EFFECT OF PREPARATION OF La Mg O CATALYSTS ON THEIR ACTIVITY

OCZYSZCZANIE ŚCIEKÓW PRZEMYSŁOWYCH O DUŻEJ ZAWARTOŚCI OLEJÓW NA ZŁOŻU BIOLOGICZNYM

NISKOTEMPERATUROWA TERMOLIZA SPOSOBEM NA OGRANICZANIE ZAWARTOŚCI RTĘCI W SUBSTANCJACH STAŁYCH

MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA METODY ADSORPCYJNEJ DO USUWANIA CO 2 ZE SPALIN KOTŁOWYCH

KATEDRA INŻYNIERII CHEMICZNEJ I PROCESOWEJ INSTRUKCJE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH LABORATORIUM INŻYNIERII CHEMICZNEJ, PROCESOWEJ I BIOPROCESOWEJ

ANALIZA FIZYKO-CHEMICZNA WAPIENI STOSOWANYCH W TECHNOLOGIACH ODSIARCZANIA SPALIN ENERGETYCZNYCH

Granulowany węgiel aktywny z łupin orzechów kokosowych: BT bitumiczny AT - antracytowy 999-DL06

1.Wstęp. Ćwiczenie nr 9 Zatężanie z wody związków organicznych techniką SPE (solid phase extraction)

RECENZJA. pracy doktorskiej mgr inż. Barbary Szczęśniak pt Otrzymywanie grafenowych materiałów kompozytowych i badanie ich adsorpcyjnych właściwości

ADSORPCJA SUBSTANCJI POWIERZCHNIOWO CZYNNYCH Z ROZTWORÓW WODNYCH NA PYLISTYCH WĘGLACH AKTYWNYCH

I Etap szkolny 16 listopada Imię i nazwisko ucznia: Arkusz zawiera 19 zadań. Liczba punktów możliwych do uzyskania: 39 pkt.

HETEROGENICZNOŚĆ STRUKTURALNA ORAZ WŁAŚCIWOŚCI ADSORPCYJNE ADSORBENTÓW NATURALNYCH

a. Dobierz współczynniki w powyższym schemacie tak, aby stał się równaniem reakcji chemicznej.

PL B1. POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL

XXIII KONKURS CHEMICZNY DLA GIMNAZJALISTÓW ROK SZKOLNY 2015/2016

OBRÓBKA CIEPLNA SILUMINU AK132

MATEMATYCZNY MODEL PĘTLI HISTEREZY MAGNETYCZNEJ

Analiza środowiskowa, żywności i leków CHC l

Długoterminowa obserwacja betonu komórkowego wyprodukowanego z popiołu fluidalnego. Dr inż. Svetozár Balcovic PORFIX Słowacja

REJESTRACJA PROCESÓW KRYSTALIZACJI METODĄ ATD-AED I ICH ANALIZA METALOGRAFICZNA

SPIEKALNOŚĆ POPIOŁÓW Z BIOMASY ROŚLINNEJ W ASPEKCIE WSKAŹNIKÓW JEJ OCENY

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

X Konkurs Chemii Nieorganicznej i Ogólnej rok szkolny 2011/12

Synteza Nanoproszków Metody Chemiczne II

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT TECHNOLOGII NIEORGANICZNEJ I NAWOZÓW MINERALNYCH. Ćwiczenie nr 6. Adam Pawełczyk

Analiza strukturalna materiałów Ćwiczenie 4

Politechnika Wrocławska. Procesy Chemiczne. Ćw. nr 3 Zmiennociśnieniowa separacja ditlenku węgla. Opracowane przez: Mgr inż.

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 687

Krzysztof Stańczyk. CZYSTE TECHNOLOGIE UśYTKOWANIA WĘGLA

CENNIK USŁUG ANALITYCZNYCH

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 06/18

Badania pirolizy odpadów prowadzone w IChPW

WALIDACJA PROCESU MYCIA

Oferta handlowa. Witamy. Prezentujemy firmę zajmującą się między innymi dostarczaniem dla naszych klientów sit molekularnych.

Woltamperometryczne oznaczenie paracetamolu w lekach i ściekach

Zadanie 2. (1 pkt) Uzupełnij tabelę, wpisując wzory sumaryczne tlenków w odpowiednie kolumny. CrO CO 2 Fe 2 O 3 BaO SO 3 NO Cu 2 O

PODSTAWY STECHIOMETRII

X / \ Y Y Y Z / \ W W ... imię i nazwisko,nazwa szkoły, miasto

Alkali activation of metakaolin and its mixtures with fly ash

8. MANGANOMETRIA. 8. Manganometria

Zastosowanie materiałów perowskitowych wykonanych metodą reakcji w fazie stałej do wytwarzania membran separujących tlen z powietrza

Technologie oczyszczania biogazu

imię i nazwisko, nazwa szkoły, miejscowość Zadania I etapu Konkursu Chemicznego Trzech Wydziałów PŁ V edycja

system monitoringu zanieczyszczeń gazowych i pyłów w powietrzu atmosferycznym, z zastosowaniem zminiaturyzowanych stacji pomiarowych

PL B1. Instytut Chemii Przemysłowej im.prof.ignacego Mościckiego,Warszawa,PL BUP 07/06

ADSORPCJA PARACETAMOLU NA WĘGLU AKTYWNYM

Transkrypt:

SYNTEZA MATERIAŁU MEZOPOROWATEGO MCM-41 Z POPIOŁÓW LOTNYCH I JEGO ZASTOSOWANIE DO ADSORPCJI CO 2 SYNTHESIS OF MESOPOROUS MATERIALS MCM-41 FROM FLY ASHES AND THEIR APPLICATION FOR CO 2 ADSORPTION Izabela Majchrzak-Kucęba, Dominika Bukalak, Wojciech Nowak Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska, Katedra Ogrzewnictwa, Wentylacji i Ochrony Atmosfery, ul. Dąbrowskiego 73, 42 2 Częstochowa e-mail: izak@is.pcz.czest.pl ABSTRACT In the present work the characterization of the sorption of carbon dioxide on PEI-modified mesoporous materials (MCM-41) from fly ashes is described. In order to obtain MCM-41 materials from three different types fly ashes, hydrothermal processes using the supernatants of coal fly ashes and surfactants as the structure-directing agents, have been carried out. The obtained mesoporous materials were subjected to polyethylenimine (PEI) modification by their impregnation to obtain samples with PEI contents of 3, 5 and 7%, respectively. CO 2 sorption/desorption tests on loaded PEI samples were carried out in a flow of a mixture of gasses (CO 2-1%, O 2-1%, N 2-8%) at different temperatures: 25 and 75 o C. The highest CO 2 sorption value was obtained for the sample that contained the best-quality MCM-41 and was impregnated with PEI in the amount of 5%. Keywords: CO 2, solid sorbent, mesoporous materials, MCM-41, fly ash 1. Wprowadzenie Do proponowanych technik separacji CO 2 ze spalin kotłowych zaliczane są: chemiczna i fizyczna absorpcja, metody kriogeniczne, membranowe i adsorpcyjne. Obecnie za najbardziej rozwiniętą i możliwą do zastosowania na skalę przemysłową technikę separacji CO 2 ze spalin uważa się absorpcję chemiczną (skrubery aminowe). Niestety proces ten jest nadal bardzo kosztowny. Główne tego powody to energochłonny etap regeneracji stosowanych roztworów amin, korozja materiałów, degradacja amin, potrzeba odpowiedniego przygotowania spalin przed procesem sorpcji CO 2 (Metz i inni, 25). Umieszczenie funkcyjnych grup aminowych na powierzchni porowatych ciał stałych (materiały mezoporowate, węgle aktywne) może przyczynić się do rozwiązania wielu z tych problemów. Zaproponowanie stałych adsorbentów impregnowanych aminami pozwoli głównie na mniejsze zużycie energii w procesie regeneracji oraz eliminację problemów z korozją. Jako stałe podłoża proponowane są głównie materiały mezoporowate (MCM-41, SBA-15, MCM-48) (Macario i inni, 25) Do impregnacji natomiast najczęściej używana jest polietylenoimina (PEI) (Xu i inni, 23). Reakcja pomiędzy CO 2 a PEI jest odwracalna co powoduje, że impregnowany PEI sorbent może być regenerowany w układzie PSA (adsorpcja zmiennociśnieniowa) lub TSA (adsorpcja zmiennotemperaturowa). Autorzy niniejszej pracy zaproponowali otrzymywanie efektywnych sorbentów CO 2 gdzie stałym podłożem jest materiał mezoporowaty MCM-41 otrzymywany na bazie popiołu lotnego (Majchrzak-Kucęba i inni, 28). Chemiczna modyfikacja otrzymanego na bazie popiołu lotnego materiału MCM-41, polietylenoiminą pozwala na uzyskanie efektywnego sorbentu CO 2. Celem pracy była synteza materiału mezoporowatego MCM-41 na bazie różnych typów popiołów lotnych i jego modyfikacja polietylenoiminą (PEI) celem pozyskania efektywnego adsorbentu CO 2. Praca zawiera także charakterystykę sorpcji CO 2 na sorbencie otrzymanym z popiołu lotnego, w warunkach typowych dla spalin kotłowych. 2. Materiały i metody 2. 1 Synteza MCM-41 na bazie popiołów lotnych Jako materiał wyjściowy do syntezy sita MCM- 41 wykorzystane zostały trzy różne typy popiołów lotnych pochodzące z polskich elektrowni (oznaczone jako 1F, 2F, 3F)

162 (popiołów nie poddawano obróbce wstępnej). Preparatyka przygotowania mezoporowatego sita MCM-41 z popiołu lotnego obejmowała dwa etapy: ekstrakcję Si z popiołu lotnego oraz właściwą syntezę MCM-41 na bazie uzyskanego ekstraktu krzemu. W celu ekstrakcji krzemu (w formie krzemianu sodu) z popiołu lotnego zastosowano metodę polegającą na fuzji popiołu lotnego z wodorotlenkiem sodu, a następnie rozpuszczaniu powstałego ciała stałego w wodzie. Uzyskany w ten sposób roztwór zawierający krzemian sodu poddano analizie ICP (przy użyciu Spektrometru emisyjnego Varian ICP-OES VISTA-MPX) na zawartość następujących pierwiastków: Si, Al, Na, Ca, Mg, Fe. Uzyskany roztwór krzemianu sodu mieszano stosując mieszadło mechaniczne i po chwili zaczęto dodawać powoli kroplami surfaktant (chlorek cetylotrimetyloamoniowy CTMACl - Aldrich), w takiej ilości, aby stosunek wagowy Si : CTMACl wynosił 2.5. Po wprowadzeniu surfaktantu nastawiano ph roztworu tak, aby jego wartość wynosiła 11. Do tego celu użyto kwasu siarkowego(vi). Następnie mieszaninę ogrzewano jedną dobę w temperaturze 373 K. Po tym czasie sprawdzono ponownie wartość ph i skorygowano ją na 11, po czym mieszaninę ogrzewano kolejne 24 godziny w temperaturze 373 K. W dalszej kolejności oddzielono uzyskane ciało stałe od roztworu a uzyskany materiał najpierw suszono w 333 K przez 24 godziny, a następnie kalcynowano w 823 K (szybkość wzrostu temperatury -5 K/min), przy czym podczas całego przyrostu temperatury oraz podczas pierwszej godziny kalcynacji przez piec przepuszczano osuszony hel z prędkością 6 ml/min. Tak uzyskane materiały na bazie popiołu lotnego oznaczono jako 1FM (nie stwierdzono obecności materiału mezoporowatego MCM-41 w próbce), 2F- MCM-41 oraz 3F-MCM-41 (stwierdzono obecności materiału mezoporowatego MCM-41 w próbkach). 2.2 Przygotowanie adsorbentu W kolejnym etapie próbki w których stwierdzono obecność materiału MCM-41 poddano chemicznej modyfikacji celem pozyskania efektywnego adsorbentu CO 2. Do modyfikacji zastosowano polietylenoiminę (PEI) oraz metodę mokrej impregnacji zgodnie z procedurą opisaną przez (Xu i inni., 23). Zgodnie z nią odpowiednią ilość PEI rozpuszczano w 4 g alkoholu metylowego a następnie wytrząsano mechanicznie około 15 minut, po czym do roztworu PEI/metanol dodano 1 gram kalcynowanego F-MCM-41. Otrzymaną mieszaninę wytrząsano przez około 3 min, a następnie wysuszono ogrzewając w temperaturze 7 C przez 16 h pod ciśnieniem 7 mmhg. Tak otrzymany adsorbent oznaczono jako F-MCM-41-PEI-x, gdzie x oznacza procentowy udział PEI w badanej próbce. Poprzez różną procentową zawartość PEI w poszczególnych próbkach (3 % wag, 5%wag, 7%wag.) otrzymano następujące modyfikacje: dla materiału MCM-41 otrzymanego z popiołu nr 2 (2F-MCM-41-PEI- 3, 2F-MCM-41-PEI-5, 2F-MCM-41-PEI-7), dla materiału MCM-41 otrzymanego z popiołu nr 3 (3F-MCM-41-PEI-3, 3F-MCM-41-PEI- 5, 3F-MCM-41-PEI-7). 2.3 Charakterystyka badanych adsorbentów Mezoporowate materiały z popiołów lotnych (przed i po modyfikacji), charakteryzowano przy zastosowaniu badań dyfraktometrycznych (XRD) i niskotemperaturowej adsorpcji/desorpcji N 2.. Dyfraktogramy rejestrowane były w temperaturze pokojowej na aparacie Bruker AXS D8 Advance (CuKα λ =.154 nm) z krokiem.2 o i.5 o odpowiednio w zakresach 2 theta od 1.4 o do 8 o i 6 o do 6 o. Adsorpcję/desorpcję azotu przeprowadzono na aparacie Micromeritics ASAP 21 (Micromeritics Instrument Corporation, Norcross, GA, USA). Przed adsorpcją azotu próbki (2 mg) odgazowano w temperaturze 573 K przez 3 godziny. Powierzchnię właściwą wyznaczono z zastosowaniem metody BET. Wartości objętości i rozmiarów porów wyznaczono z adsorpcyjnej części izotermy. 2. 4 Badania adsorpcji CO 2 Badania adsorpcji/desorpcji CO 2 na syntezowanych z popiołu lotnego (modyfikowanych i niemodyfikowanych) materiałach przeprowadzono z wykorzystaniem analizatora TGA/SDTA 851e. Do badań procesu adsorpcji/ desorpcji stosowano 1 mg próbki, które umieszczano w tyglu platynowym i ogrzewano do temperatury o C w atmosferze azotu (5ml/min) a następnie ogrzewano izotermicznie przez 15min, aż do ustalenia stałej wagi próbki. Następnie temperaturę zmieniano do 25 o C (oraz 75 o C) i izotermicznie, przy ciśnieniu atmosferycznym prowadzono sorpcję CO 2 przy przepływie 5ml/min mieszaniny gazów ( O 2 (1% obj.), CO 2 (1% obj.), N 2 (8% obj.) w ciągu 15 min. Po procesie adsorpcji przez próbkę przepuszczano N 2 w celu desorpcji zaadsorbowanegoooco 2. Proces desorpcji prowadzono w celu określenia możliwości regeneracji badanych sorbentów.

163 3. Rezultaty i wyniki 3.1 Charakterystyka materiału mezoporowatego z popiołów lotnych F-MCM-41 Skład chemiczny trzech typów popiołów lotnych użytych jako materiał wyjściowy w syntezie MCM-41 określony metodą XRF (analizator WD-XRF) przedstawiono w Tabeli 1. Jak wynika z tabeli zawartość głównych składników popiołów tj. SiO 2 i Al 2 O 3 jest różna w zależności od typu popiołu lotnego. Najwyższy stosunek Si/Al stwierdzono dla popiołu 3 a najniższy dla popiołu 1. Przeprowadzona analiza dyfraktometryczna (XRD) próbek otrzymanych w niniejszej pracy wykazała, iż materiał mezoporowaty MCM-41 uzyskano z popiołu 2 i 3, natomiast nie uzyskano z popiołu 1. Szczegółowy opis wyników badań dyfraktometrycznych znaleźć można w pracy (Majchrzak-Kucęba i inni, 27, 28). Tabela 1. Skład chemiczny popiołów lotnych (% wag.) składnik Popiół lotny 1 (1F) Popiół lotny 2 (2F) Popiół lotny 3 (3F) SiO 2 36,89 51,68 5,21 Al 2 O 3 26,59 27,56 26,31 CaO 14,44 2,94 3,11 Fe 2 O 3 2,5 5,4 4,9 MgO 2,28 2,21 2,12 TiO 2 2,23 1,14 1,14 Na 2 O,29,3,3 K 2 O,86 2,75 2,88 Si/Al 1,38 1,87 1,9 Straty prażenia 1,45 6,6 2,97 Powierzchnia właściwa BET materiału mezoporowatego otrzymanego na bazie popiołu lotnego 2 wyniosła 47 m 2 /g a otrzymanego na bazie popiołu 3-61 m 2 /g. Uzyskane wartości powierzchni właściwej potwierdziły zatem, że dobrej jakości materiał mezoporowaty otrzymano jedynie z popiołu 3. Uzyskana niska wartość powierzchni właściwej dla próbki z popiołu 1 dodatkowo potwierdziła brak struktury mezoporowatej w tej próbce. Z kolei obliczona dla materiału mezoporowatego otrzymanego z popiołu lotnego 3, objętość oraz średnica porów wyniosły odpowiednio: 1.3 cm 3 g -1 i 6,29 nm a dla materiału mezoporowatego otrzymanego z popiołu lotnego 2 :.6 cm 3 g -1 i 4.75 nm (rys.1). 3.2 Charakterystyka adsorbentów a) b) powierzchnia wlasciwa, m2/g 6 5 4 3 2 czysta PEI 3% PEI 5% PEI 7% objtosc porow, cm3/g 1,,8,6,4,2 czysta 3 PEI 5 PEI 7 PEI 3F-MCM-41 2F-MCM-41, 3F-MCM-41 2F-MCM-41 Rys. 1 a) Powierzchnia właściwa BET materiałów MCM-41 pozyskanych z popiołów lotnych przed i po modyfikacji PEI (3, 5, 7 % wag. PEI), b) Objętość porów materiałów MCM-41 uzyskanych z popiołów lotnych przed i po modyfikacji PEI (3, 5, 7 % wag. PEI)

164 Chemiczna impregnacja próbek spowodowała obniżenie powierzchni właściwej i objętości porów wszystkich próbek, wskazując na blokowanie części mikro- i mezo-porów przez PEI. Redukcja powierzchni właściwej i objętości porów była tym większa, im większa była zawartość PEI w próbkach (rys. 1 a i b). Dla przykładu, powierzchnia właściwa 3F- MCM-41 (61 m 2 /g) zmalała do 19,2 m 2 /g (3% PEI), 26,5m 2 /g (5 % PEI) i 1,9 m 2 /g (7 % PEI). Z kolei objętość porów 3F-MCM-41 (1,3 cm 3 g -1 ) zmalała do,42 cm 3 /g (3 wt.%pei),,13 cm 3 /g (5 % PEI) i,3 cm 3 /g (7 % PEI). Zaobserwowane obniżenie powierzchni właściwej i objętości porów wynika z faktu, iż PEI podczas impregnacji wypełniło komory syntezowanego MCM-41. Podobną redukcję powierzchni właściwej i objętości porów ale dla komercyjnego materiału MCM-41(nie z popiołów) stwierdził Xu i inni w swoich badaniach (Xu i inni, 23). 3.3 Sorpcja CO 2 na modyfikowanym MCM- 41 z popiołu lotnego Badania sorpcji CO 2 przeprowadzono dla materiałów MCM-41 uzyskanych z popiołów lotnych oraz dla adsorbentów otrzymanych w wyniku ich chemicznej modyfikacji PEI. a) b) pojemnosc sorpcyjna, mg CO 2 /g adsorbentu 12 11 9 8 7 6 5 4 3 2 1 25 C 75 C 3F-MCM-41 3F-MCM-41-PEI-3 3F-MCM-41-PEI-5 3F-MCM-41-PEI-7 pojemnosc sorpcyjna, mg CO2/g adsorbentu 12 8 6 4 2 25 o C 75 C 2F-MCM-41 2F-MCM-41-PEI-3 2F-MCM-41-PEI-5 2F-MCM-41-PEI-7 Rys. 2 Pojemność sorpcyjna materiałów uzyskanych z popiołów lotnych oraz adsorbentów otrzymanych jako wynik ich chemicznej modyfikacji PEI (mgco 2 /g adsorbentu) w 25 i 75 C dla: a) próbki 3F-MCM- 41 i jej modyfikacji, b) próbki 2F-MCM-41 i jej modyfikacji Profile sorpcji CO 2 na najlepszej jakości, modyfikowanym PEI, materiale mezoporowatym 3F-MCM-41 z popiołu lotnego w temp. 25 i 75 o C przedstawiono na rys. 3 a uzyskane wartości pojemności sorpcyjnej dla wszystkich badanych próbek na rys. 2 (a,b). Jak wynika z rys. 2 materiały otrzymane na bazie popiołów lotnych (2F-MCM-41, 3F-MCM-41) wykazały niską pojemność sorpcyjną względem CO 2. Dla przykładu, pojemność sorpcyjna materiału 3F-MCM-41 wynosiła 5,9 mg CO 2 /g adsorbentu w temperaturze 25 C i 3,2 mg CO 2 /g adsorbentu w temperaturze 75 C. Pojemność sorpcyjna CO 2 dla materiałów otrzymanych na bazie popiołów lotnych obniża się wraz ze wzrostem temperatury co wynika prawdopodobnie z tego, że adsorpcja CO 2 na materiałach mezoporowatych z popiołów lotnych jest procesem sorpcji fizycznej. Niska pojemność sorpcyjna MCM-41, zarówno syntezowanego klasycznie z czystych chemicznie składników jak i z popiołów lotnych, wynika ze słabego oddziaływania z CO 2, szczególnie w wyższych temperaturach. Czysta krzemowa powierzchnia nie oddziaływuje silnie z CO 2 ponieważ pozostałe grupy hydroksylowe nie są zdolne do indukowania wystarczająco silnych oddziaływań i brakuje tym samym specyficznych adsorpcyjnych miejsc CO 2 (Macario i inni., 25). Impregnacja otrzymanego z popiołu lotnego materiału 3F-MCM-41 polietylenoiminą PEI w ilości (3, 5, 7 % wag.) spowodowała znaczny wzrost pojemności sorpcyjnej CO 2 w 25 o C. Materiał 3F-MCM-41 przed impregnacją PEI adsorbował 5,9 mg CO 2 /g adsorbentu (w 25 C) (rys.2) a po impregnacji- 38,5 mg CO 2 /g adsorbentu (przy obciążeniu PEI -3% wag.), 59,3 mg CO 2 /g adsorbentu (przy obciążeniu PEI -5% wag.) i 32,7 mg CO 2 /g adsorbentu (przy obciążeniu PEI -7 % wag.).

165 Na podstawie przeprowadzonych badań również dla próbki 2FMCM-41, uzyskano znaczny wzrost pojemności sorpcyjnej jako efekt impregnacji PEI z najwyższą pojemnością sorpcyjną w temperaturze 75 C uzyskaną dla próbki impregnowanej PEI w ilości 7 % wag.(111,6 mg CO 2 /g adsorbentu), a więc prawie taką samą jak dla próbki 3FMCM-41 o zawartości PEI -5 % wag. Pojemność sorpcyjna próbki 2FMCM-41 obciążonej PEI w ilości 5 % wag. wyniosła 12,8 mg CO 2 /g adsorbentu (rys.2b). Na rys. 3 przedstawione zostały profile adsorpcji CO 2 dla najlepszej jakości materiału mezoporowatego MCM-41 syntezowanego z popiołu lotnego (3F-MCM-41) (modyfikowanego PEI) w temperaturze 25 i 75 C. Krzywe sorpcji CO 2 na trzech modyfikacjach 3F-MCM-41 o różnej zawartości PEI (rys.3), wskazują, że proces sorpcji przebiega podobnie dla każdej z modyfikacji, przy czym najwyższą pojemność sorpcyjną względem CO 2 w temperaturze 25 C wykazał materiał 3F-MCM- 41-PEI-5. Próbka ta wykazała także najwyższą pojemność sorpcyjną w temperaturze 75 C (rys. 3b). Pojemność ta wynosiła 111,7 mg CO 2 /g adsorbentu, podczas gdy dla próbek 3F-MCM- 41-PEI-7 i 3F-MCM-41-PEI-3 odpowiednio - 17,9 i 85 mg CO 2 /g adsorbentu. Na rys. 4 przedstawiono przykładowy profil sorpcji/desorpcji dla materiału 3F-MCM-41 impregnowanego PEI (3 % wag.) w temperaturze 75 C. Jak wynika z rysunku, proces desorpcji jest kompletny i prawie tak szybki jak proces adsorpcji. Przeprowadzone testy desorpcji wykazały, że proces był kompletny zarówno dla wyjściowego materiału F-MCM-41 (bez PEI), jak i dla próbek impregnowanych PEI, co potwierdza, że proces jest odwracalny a sorbenty mogą być używane w cyklicznych operacjach. Według (Xu i inni, 23), szybka desorpcja może wynikać z wysokiej dyspersji PEI rozproszonego w kanałach MCM-41. a) b) adsorption capacity, mgco 2 /g adsorbent 65 6 55 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5-5 5 15 2 Time, min 3F-MCM41-PEI-7 3F-MCM41-PEI-5 3F-MCM41-PEI-3 adsorption capacity, mgco 2 /g adsorbent 12 8 6 4 2 5 15 2 Time,min 3F-MCM41-PEI-3 3F-MCM41-PEI-5 3F-MCM41-PEI-7 Rys. 3 a)profile adsorpcji CO 2 na modyfikowanym materiale mezoporowatym 3F-MCM-41 z popiołu lotnego (obciążonego PEI -3, 5 i 7.% wag.) w 25 o C.b) Profile adsorpcji CO 2 na modyfikowanym materiale mezoporowatym 3F-MCM-41 z popiołu lotnego (obciążonego PEI -3, 5 i 7.% wag.) w 75 o C adsorption capacity, mg CO 2 /g adsorbent 8 6 4 2 3F-MCM-41-PEI 3 5 15 2 25 3 35 time, min Rys. 4 Izotermiczny (75 C) profil adsorpcji desorpcji dla modyfikowanego PEI materiału mezoporowatego (3F-MCM-41-PEI-3)

166 4. Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić iż zaproponowany sorbent impregnowany PEI materiał mezoporowaty MCM-41 uzyskany na bazie popiołu lotnego wykazał wysoką pojemność sorpcyjną w temperaturach typowych dla spalin kotłowych i przy stężeniu CO 2 typowym dla spalin. Osiągnięcie tak wysokiej pojemności sorpcyjnej w tych warunkach było możliwe dzięki impregnacji PEI otrzymanego na bazie popiołu lotnego materiału mezoporowatego MCM-41. Uzyskane dla testowanych próbek profile adsorpcji/desorpcji pokazały, że zarówno proces sorpcji jak i desorpcji jest bardzo szybki. Przeprowadzone badania wykazały, że sorbent jest regenerowalny i może być użyty w cyklicznych (sorpcja-desorpcja) operacjach. PODZIĘKOWANIA Prace przeprowadzono częściowo w ramach Projektu finansowanego ze środków Mechanizmu Finansowego Europejskiego Obszaru Gospodarczego oraz Norweskiego Mechanizmu Finansowego (E31/T2/28/2/85). LITERATURA MACARIO A., KATOVIC A., GIORDANO A., IUCOLANO F. 25 Synthesis of mesoporous materials for carbon dioxide sequestration, in: Microporous and Mesoporous Materials 81 (25), 139 METZ B., DAVIDSON O. Carbon Dioxide Capture and Storage. IPCC Special Report, Cambridge University Press, New York, USA, 25. MAJCHRZAK-KUCĘBA i., NOWAK W., MATYSIAK A., Mezoporowate materiały z popiołów lotnych do separacji dwutlenku węgla ze spalin Międzynarodowa Konferencja, Międzyzdroje, (27), 85-94 MAJCHRZAK-KUCĘBA I., NOWAK W., Sythesis of polimer modified mesoporous materials for the adsorption of carbon dioxide Proceedings of the 21st International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, ECOS 28, (28), 1467-1473 XU X., SONG CH, ANDRESEN J.M., MILLER B.G., SCARONI A. W. 23 Prepared and characterization of novel molecular basket adsorbent based on polymer-modified mesoporous molecular sieve MCM-41, in:microporous and Mesoporous Materials. 62 (23),29 XU X., SONG CH, ANDRESEN J.M., MILLER B.G., SCARONI A. W. 25 Adsorption of carbon dioxide from flue gas of natural-fired boiler by a novel nanoporous molecular basket adsorbent, in: Fuel Processing Technology. 86 (25) 1457