Защо директното улавяне на въздух се нуждае от 3D сорбентни опори с нисък спад на налягането и ниска топлинна маса

Защо директното улавяне на въздух се нуждае от 3D сорбентни опори с нисък спад на налягането и ниска топлинна маса

Директното улавяне на въздуха , или DAC, се превръща във все по-важен технологичен път за отстраняване на въглерод.

За разлика от конвенционалното улавяне на въглерод от концентрирани промишлени димни газове, DAC работи с атмосферен въздух, където концентрацията на CO₂ е много по-ниска.

Това означава, че DAC системата трябва непрекъснато да обработва много голям обем въздух.

В резултат на това, производителността на DAC не може да бъде оценена само чрез разглеждане на капацитета за адсорбция на CO₂ на сорбента.

Съпротивлението на въздушния поток, контактът газ-твърдо вещество, обездвижването на сорбента, структурното тегло, температурата на регенерация и цикличната стабилност могат да повлияят на цялостната ефективност на системата.

Поради тази причина, разработването на DAC постепенно преминава от подход, основан само на сорбент, към по-интегриран инженерен модел:

Сорбентна химия + Пореста структура + Въздушен поток + Термично управление + Модулен дизайн

1. DAC не е само за сорбента

Повечето дискусии около DAC естествено се фокусират върху химията на сорбента.

Общите области на изследване включват:

• Сорбенти на аминова основа
• Алкални материали
• Металоорганични рамки
• Порести полимери
• Функционални порести материали
• Хибридни твърди сорбентни системи

Тези материали са отговорни за химичното взаимодействие с CO₂.

Сорбентът обаче не може да работи самостоятелно в рамките на практичен DAC модул.

Той трябва да бъде поддържан, покрит, обездвижен или разпределен в структура, която позволява преминаването на въздух, като същевременно се поддържа достатъчен контакт между газа и активния сорбент.

Следователно, един практичен ЦАП модул трябва да отговори на два различни въпроса:

Може ли сорбентът да улавя CO₂ ефективно?

намлява

Може ли въздухът да се движи през адсорбционната структура с приемлива консумация на енергия?

Вторият въпрос е къде структурираните сорбентни носители стават особено важни.

2. Защо падът на налягането е важен в DAC

Една от основните разлики между DAC и точковото улавяне на въглерод е обемът газ, който трябва да бъде обработен.

Тъй като концентрацията на CO₂ в атмосферата е ниска, DAC системата трябва да премества голямо количество въздух, за да улови значимо количество CO₂.

Всяка структура, поставена във въздушния поток, създава съпротивление.

Спадът на налягането може да се увеличи, когато:

• Адсорбционният слой е твърде дебел
• Порестите канали са твърде малки
• Зареждането със сорбент е твърде плътно
• Пътищата на потока стават силно криволичещи
• Покритията частично блокират отворените пори

По-високият спад на налягането означава:

По-висока консумация на мощност на вентилатора.

При мащабни DAC системи, това потребление на спомагателна енергия може пряко да повлияе на оперативната ефективност и разходите.

Следователно, важна инженерна цел е да се поддържа достатъчно сорбентно натоварване и контакт газ-твърдо вещество, като същевременно се минимизира съпротивлението на въздушния поток.

3. Повече сорбент не винаги е по-добре

От гледна точка на материалите, увеличаването на сорбентното натоварване може първоначално да изглежда желателно.

Но в структурирана ЦАП система, максималното натоварване не е непременно оптималното условие.

Ако прекомерният сорбент блокира порестата структура, могат да възникнат няколко проблема:

• Повишено съпротивление на въздушния поток
• По-висок спад на налягането
• Намалени канали за отворен поток
• По-ниско използване на вътрешен сорбент
• По-бавна кинетика на адсорбция
• По-бавна десорбция

Истинското дизайнерско предизвикателство е да се балансира:

Зареждане на сорбент × Масопренос × Пад на налягането

вместо да се оптимизира само зареждането на сорбента.

4. Защо ниската топлинна маса също е от значение

Много DAC системи с твърд сорбент използват топлинна енергия, за да освободят уловения CO₂ и да регенерират сорбента.

По време на тази стъпка на регенерация, енергията може да се използва не само за нагряване на самия сорбент, но и за нагряване на:

• Поддържащата структура
• Рамки
• Механични опори
• Вътрешни компоненти на модула
• Други неактивни материали

Ако структурната опора е тежка, всеки цикъл може да включва многократно нагряване на значително количество материал, което не допринася пряко за улавянето на CO₂.

Следователно намаляването на неактивната структурна маса може да бъде важна инженерна цел.

Подложка с по-ниска плътност може потенциално да намали количеството неактивен материал, участващ във всеки цикъл на нагряване и охлаждане.

Важно е обаче да бъдем точни:

Ниската плътност не означава автоматично по-ниска обща консумация на енергия от ЦАП.

Действителната енергия на системата зависи от топлинния капацитет, химичния състав на сорбента, температурата на регенерация, ефективността на топлопреминаване, архитектурата на модула и дизайна на работния цикъл.

Следователно тези потенциални предимства трябва да бъдат валидирани експериментално.

5. Структурираните сорбенти стават все по-важни

Традиционните адсорбционни системи често разчитат на пълнителни слоеве.

Опакованите легла са прости и добре разбираеми, но могат да въведат инженерни ограничения, като например:

• Сложни въздушни пътища
• По-висок спад на налягането
• Абразия от частици
• Образуване на прах
• Неравномерен топлопренос

Това е една от причините, поради които структурираните сорбенти получават все по-голямо внимание.

Концепцията е ясна:

Вместо да се пълни модул с насипни частици, сорбентът се разпределя върху или в предварително проектирана структура.

Това позволява на инженерите да оптимизират независимо:

• Геометрия на канала на потока
• Площ
• Дебелина на сорбентния слой
• Спад на налягането
• Пренос на топлина
• Механична стабилност

6. Сравнение на често срещаните структури на DAC сорбенти

Няма една-единствена структура, която да е оптимална за всяка ЦАП система.

Правилната архитектура зависи от:

• Дебит на въздушния поток
• Сорбентна химия
• Метод на регенерация
• Размери на модула
• Целевият експлоатационен живот

7. Защо си струва да се оцени пяната с отворени клетки

Пяната с отворени клетки се държи различно от структурата тип „пчелна пита“.

Пчелната пита обикновено съдържа относително правилни, прави канали.

Пяната с отворени клетки съдържа взаимосвързана триизмерна мрежа от пори.

Това позволява на газа да преминава през множество пътища вътре в материала.

От инженерна гледна точка, тази структура може да предложи няколко интересни характеристики.

3D пътища на въздушния поток

Взаимосвързаната мрежа от пори позволява на въздуха да преминава през структурата в множество посоки.

Това може да помогне за създаването на по-ефективно взаимодействие между газовия поток и функционалната повърхност на сорбента.

Ниско структурно тегло

Пяната с ниска плътност може да заема относително голям обем, като същевременно използва относително малко количество поддържащ материал.

Това може да е полезно в DAC модули, където както структурното тегло, така и топлинната маса са важни.

Регулируема структура

Дебелината, размерите, плътността и обработката на повърхността могат да бъдат адаптирани към различни модулни концепции.

Лесно преобразуване

Пяната с отворени клетки може да бъде рязана, обработвана с CNC машина, ламинирана или преобразувана в различни прототипни геометрии.

Това може да бъде особено полезно по време на ранен етап на разработване на ЦАП модул.

8. Потенциалната роля на меламиновата пяна в DAC

Меламиновата пяна SINOYQX е триизмерен порест материал с отворени клетки и ниска плътност.

Типичната плътност на стандартния инженерен клас е приблизително:

8.5 kg / m³

От гледна точка на инженерството на ЦАП, той може да бъде оценен като:

Лека 3D сорбентна опора

Неговата потенциална роля не е да действа като самия сорбент на CO₂, а да осигури:

• Триизмерна пореста носеща структура
• Пътища на въздушния поток
• Субстрат за имобилизиране на сорбент
• Персонализируема геометрия на модула
• Ниска структурна маса

9. Меламиновата пяна не е CO2₂ Сорбент

Това разграничение е важно.

Стандартната меламинова пяна не трябва да се използва като директен сорбент на CO₂ за DAC.

В DAC система, действителната функция за улавяне на CO₂ се осъществява от материали с подходящ химичен афинитет или селективност към CO₂.

Те могат да включват:

• Амино-функционални материали
• Металоорганични рамки
• Алкални сорбенти
• Функционални порести полимери
• Други CO₂-селективни сорбентни системи

По-реалистичната роля на меламиновата пяна е да служи като триизмерна структурна опора за тези активни материали.

Следователно, окончателната DAC материална система трябва да се разбира като:

3D поддръжка + функционален сорбент

а не като единичен пянов материал.

10. Как могат да се заредят сорбенти върху 3D пяна?

Това е един от централните въпроси за развитието.

В зависимост от химичния състав на сорбента, могат да се оценят няколко подхода за зареждане.

Повърхностно покритие

Върху пяновия скелет се нанася функционален сорбентен слой.

импрегниране

Структурата с отворени клетки е импрегнирана с функционален материал.

Функционализация на полимери

Повърхността на пяната е химически или физически модифицирана с функционални групи или полимери.

Композитна структура

Пяната се комбинира с мембрани, влакна, покрития или други слоеве, съдържащи сорбент.

Всеки маршрут може да повлияе на:

• Зареждане със сорбент
• Запушване на порите
• Спад на налягането
• Кинетика на адсорбция
• Адхезия на покритието
• Издръжливост при колоездене

Поради тази причина методът на натоварване трябва да се оцени заедно с конструкцията.

11. Какво трябва да се тества в DAC сорбентна подложка?

Материалът за DAC не трябва да се избира само въз основа на плътността или порьозността.

По-важната стъпка е инженерната валидация на ниво модул.

Пад на налягането спрямо скоростта на въздуха

Измерете пад на налягането в диапазон от скорости на въздушния поток.

Това е един от най-важните показатели за аеродинамичните характеристики.

Зареждане със сорбент

Определете какво количество функционален сорбент може да бъде стабилно заредено на единица маса или обем на носителя.

Поглъщане на CO₂

Полезно е да се оценят и двете:

г CO₂ / кг Сорбент

намлява

кг CO₂ / м³ Модул

защото практичните ЦАП системи също са ограничени от обема на модула.

Сорбционна кинетика

Измерете колко бързо CO₂ може да достигне сорбента и да взаимодейства с него.

Кинетика на десорбцията

Измерете колко ефективно може да се освободи CO₂ по време на регенерация.

Топлинна маса

Оценете топлинното натоварване, свързано с пяната, сорбента и други структурни материали.

Стабилност на влажността

Околният въздух съдържа влага, така че трябва да се вземе предвид влиянието на влажността както върху сорбента, така и върху носещата конструкция.

Стабилност при колоездене

Дългосрочната работа на DAC изисква повтарящи се цикли на адсорбция-десорбция.

Ключовите наблюдения включват:

• Загуба на сорбент
• Напукване на покритието
• Деформация на пяната
• Промени в пада на налягането
• Разпад на адсорбционния капацитет

12. Различните DAC системи може да се нуждаят от различни структури от пяна

SINOYQX подхожда към DAC като към приложение за съвместно разработване, а не като към единичен клас фиксирана пяна.

Потенциалните материални насоки включват:

Стандартна пяна с отворени клетки

За ранно зареждане на сорбент и скрининг на материалите.

Структура с нисък спад на налягането

За системи, където съпротивлението на въздушния поток и енергията на вентилатора са особено важни.

Хидрофобна пяна

За оценка на структурното поведение при условия на висока влажност на въздуха.

Подсилена пяна

За модули, изискващи подобрена механична стабилност.

Персонализирана геометрия

За CNC изрязани или по поръчка конструкции, базирани на специфични размери на DAC модула.

Няма универсална „най-добра“ структура на пяната.

Правилният дизайн зависи от химичния състав на сорбента и архитектурата на DAC системата.

13. От скрининг на материали до валидиране на DAC модул

Практическият път на разработка обикновено не започва с пълномащабна ЦАП система.

По-ефективен подход е:

Стъпка

Дефинирайте химичния състав на сорбента на CO₂

Стъпка

Подходящи за екраниране 3D опорни конструкции

Стъпка

Оценка на методите за зареждане със сорбент

Стъпка

Установяване на връзката между скоростта на въздуха и пада на налягането

Стъпка

Тест за кинетика на поглъщане и адсорбция на CO₂

Стъпка

Провеждане на циклични тестове за адсорбция-десорбция

Стъпка

Преминаване към валидиране на DAC модули в малък мащаб

Едва след тези стъпки може да се оцени реалната инженерна стойност на носещата конструкция.

14. Съвместна разработка на SINOYQX за DAC

SINOYQX разработва меламинова пяна , хидрофобни порести материали, аерогелни композити и други функционални порести структури.

За приложения за директно улавяне на въздух, ние проучваме инженерния потенциал на меламиновата пяна като лека триизмерна сорбентна подложка.

Нашият настоящ фокус включва:

• Плътност на пяната
• Структура на порите
• Дебелина
• Геометрия на модула
• Скорост на въздуха
• Спад на налягането
• Повърхностна обработка
• Зареждане със сорбент
• Влажност
• Стабилност при колоездене

Нашата цел не е просто да предложим „DAC пяна“.

Целта е да се помогне на екипите за разработка да оценят пореста носеща структура, която отговаря на тяхната сорбентна химия, изисквания за въздушен поток, метод на регенерация и дизайн на модула.

Инженерна граница

Самата меламинова пяна не трябва да се описва като DAC CO₂ сорбент.

Потенциалните ползи, свързани с отвореноклетъчната структура, ниската плътност и ниската структурна маса, трябва да бъдат валидирани при действителната химия на сорбента, дебита на въздушния поток, геометрията на модула и работния цикъл.

Производителността на ниво материал не следва да се тълкува като еквивалентна на пълната енергийна ефективност на DAC системата или на производителността на улавянето на CO₂.

Често задавани въпроси

Може ли меламиновата пяна директно да улавя CO₂?

Стандартната меламинова пяна не трябва да се счита за основен сорбент на CO₂ в DAC. По-подходящата ѝ роля е като триизмерна пореста подложка за функционални сорбентни материали.

Защо падът на налягането е толкова важен в DAC?

DAC системите трябва да обработват много големи обеми въздух. Ако съпротивлението на въздушния поток е твърде високо, е необходима по-голяма мощност на вентилатора, което увеличава консумацията на допълнителна енергия.

Защо DAC се възползва от опори с ниска топлинна маса?

В термично регенерираните системи, носещата конструкция може също да се нуждае от нагряване и охлаждане. Намаляването на неактивната структурна маса може да намали количеството материал, участващ многократно в термични цикли, въпреки че общата енергия на системата все още трябва да бъде валидирана експериментално.

Каква е разликата между пяна с отворени клетки и структури тип „пчелна пита“?

Структурите тип „пчелна пита“ обикновено съдържат правилни канали за поток, докато пяната с отворени клетки съдържа триизмерна взаимосвързана мрежа от пори. Двете структури се различават по поведение на въздушния поток, геометрия на повърхността, зареждане със сорбент и гъвкавост на производство.

Каква е типичната плътност на стандартната меламинова пяна SINOYQX?

Стандартният инженерен клас има типична плътност от приблизително 8.5 kg/m³. Функционалните класове трябва да се избират според съответната техническа спецификация или изисквания на проекта.

Какво трябва да се тества първо в проект за поддръжка на DAC?

Приоритетните тестове трябва да включват зареждане на сорбента, спад на налягането спрямо скоростта на въздуха, поглъщане на CO₂, кинетика на адсорбция/десорбция, стабилност на влажността, адхезия на покритието и циклична издръжливост.

CTA

Разработване на DAC модул с твърд сорбент?

Ако оценявате структуриран сорбентен носител, моля, предоставете:

Тип сорбент, дебит на въздуха, размери на модула, допустим спад на налягането, работна температура, метод на регенерация, влажност на околната среда, целево натоварване на сорбента, изисквания за циклиране

SINOYQX може да подпомогне оценката на различни плътности, дебелини, порести структури, повърхностни обработки и персонализирани геометрии на пяната за тестване на прототипи.

Изпратете условията на вашия DAC проект →