Zašto izravno hvatanje zraka zahtijeva 3D sorbentne nosače s niskim padom tlaka i niskom toplinskom masom

Zašto izravno hvatanje zraka zahtijeva 3D sorbentne nosače s niskim padom tlaka i niskom toplinskom masom

Izravno hvatanje zraka , ili DAC, postaje sve važniji tehnološki put u uklanjanju ugljika.

Za razliku od konvencionalnog hvatanja ugljika iz koncentriranog industrijskog dimnog plina, DAC radi s atmosferskim zrakom, gdje je koncentracija CO₂ znatno niža.

To znači da DAC sustav mora kontinuirano obrađivati ​​vrlo veliku količinu zraka.

Kao rezultat toga, performanse DAC-a ne mogu se procijeniti samo promatranjem kapaciteta adsorpcije CO₂ sorbenta.

Otpor strujanju zraka, kontakt plina i krute tvari, imobilizacija sorbenta, strukturna težina, temperatura regeneracije i stabilnost ciklusa mogu utjecati na ukupnu učinkovitost sustava.

Zbog toga se razvoj DAC-a postupno pomiče od pristupa koji koristi samo sorbent prema integriranijem inženjerskom modelu:

Kemija sorbenta + Porozna struktura + Protok zraka + Upravljanje toplinom + Dizajn modula

1. DAC nije samo o sorbentu

Većina rasprava o DAC-u prirodno se usredotočuje na kemiju sorbenta.

Uobičajena područja istraživanja uključuju:

• Sorbenti na bazi amina
• Alkalni materijali
• Metalno-organski okviri
• Porozni polimeri
• Funkcionalni porozni materijali
• Hibridni sustavi čvrstih sorbenata

Ovi materijali su odgovorni za kemijsku interakciju s CO₂.

Međutim, sorbent ne može samostalno raditi unutar praktičnog DAC modula.

Mora biti poduprt, obložen, imobiliziran ili raspoređen unutar strukture koja omogućuje prolaz zraka, a istovremeno održava dovoljan kontakt između plina i aktivnog sorbenta.

Praktičan DAC modul stoga mora odgovoriti na dva različita pitanja:

Može li sorbent učinkovito uhvatiti CO₂?

i

Može li se zrak kretati kroz adsorpcijsku strukturu uz prihvatljivu potrošnju energije?

Drugo pitanje je gdje strukturirani nosači sorbenta postaju posebno važni.

2. Zašto je pad tlaka važan u DAC-u

Jedna od temeljnih razlika između DAC-a i hvatanja ugljika iz točkastih izvora je količina plina koja se mora obraditi.

Budući da je koncentracija CO₂ u atmosferi niska, DAC sustav mora premještati veliku količinu zraka kako bi uhvatio značajnu količinu CO₂.

Svaka struktura postavljena u struju zraka stvara otpor.

Pad tlaka može se povećati kada:

• Adsorpcijski sloj je previše debeo
• Pore ​​su premale
• Punjenje sorbenta je pregusto
• Putovi toka postaju vrlo vijugavi
• Premazi djelomično blokiraju otvorene pore

Veći pad tlaka znači:

Veća potražnja za snagom ventilatora.

Za velike DAC sustave, ova pomoćna potražnja za energijom može izravno utjecati na radnu učinkovitost i troškove.

Stoga je važan inženjerski cilj održavanje dovoljnog opterećenja sorbentom i kontakta plin-krutina uz minimiziranje otpora protoku zraka.

3. Više sorbenta nije uvijek bolje

S gledišta materijala, povećanje opterećenja sorbentom u početku se može činiti poželjnim.

Ali u strukturiranom DAC sustavu, maksimalno opterećenje nije nužno optimalno stanje.

Ako prekomjerna količina sorbenta blokira poroznu strukturu, može se pojaviti nekoliko problema:

• Povećani otpor protoka zraka
• Veći pad tlaka
• Smanjeni otvoreni protočni kanali
• Manja iskorištenost internog sorbenta
• Sporiji kinetički proces adsorpcije
• Sporija desorpcija

Pravi dizajnerski izazov je uravnotežiti:

Punjenje sorbenta × Prijenos mase × Pad tlaka

umjesto optimizacije samo opterećenja sorbentom.

4. Zašto je niska toplinska masa također važna

Mnogi DAC sustavi s krutim sorbentom koriste toplinsku energiju za oslobađanje zarobljenog CO₂ i regeneraciju sorbenta.

Tijekom ovog koraka regeneracije, energija se može koristiti ne samo za zagrijavanje samog sorbenta, već i za zagrijavanje:

• Potporna struktura
• Okviri
• Mehanički nosači
• Unutarnje komponente modula
• Ostali neaktivni materijali

Ako je konstrukcijski nosač težak, svaki ciklus može uključivati ​​​​ponovljeno zagrijavanje značajne količine materijala koji ne doprinosi izravno hvatanju CO₂.

Smanjenje neaktivne strukturne mase stoga može biti važan inženjerski cilj.

Nosač niže gustoće može potencijalno smanjiti količinu neaktivnog materijala uključenog u svaki ciklus zagrijavanja i hlađenja.

Međutim, važno je biti precizan:

Niska gustoća ne znači automatski nižu ukupnu potrošnju energije DAC-a.

Stvarna energija sustava ovisi o toplinskom kapacitetu, kemijskom sastavu sorbenta, temperaturi regeneracije, učinkovitosti prijenosa topline, arhitekturi modula i dizajnu radnog ciklusa.

Stoga ove potencijalne prednosti moraju biti eksperimentalno potvrđene.

5. Strukturirani sorbenti postaju sve važniji

Tradicionalni adsorpcijski sustavi često se oslanjaju na zbijene slojeve.

Pakirani kreveti su jednostavni i dobro razumljivi, ali mogu uvesti inženjerska ograničenja kao što su:

• Složeni putevi zraka
• Veći pad tlaka
• Abrazija čestica
• Stvaranje prašine
• Nejednolik prijenos topline

To je jedan od razloga zašto strukturirani sorbenti privlače sve veću pozornost.

Koncept je jednostavan:

Umjesto punjenja modula rastresitim česticama, sorbent se distribuira na ili unutar unaprijed dizajnirane strukture.

To omogućuje inženjerima da samostalno optimiziraju:

• Geometrija protočnog kanala
• Površina
• Debljina sloja sorbenta
• Pad tlaka
• Prijenos topline
• Mehanička stabilnost

6. Usporedba uobičajenih struktura DAC sorbenata

Niti jedna struktura nije optimalna za svaki DAC sustav.

Ispravna arhitektura ovisi o:

• Brzina protoka zraka
• Kemija sorbenta
• Metoda regeneracije
• Dimenzije modula
• Ciljani vijek trajanja

7. Zašto je vrijedno procijeniti pjenu otvorenih ćelija

Pjena s otvorenim ćelijama ponaša se drugačije od saćaste strukture.

Saće obično sadrži relativno pravilne, ravne kanale.

Pjena otvorenih ćelija sadrži međusobno povezanu trodimenzionalnu mrežu pora.

To omogućuje plinu da putuje kroz više puteva unutar materijala.

S inženjerskog gledišta, ova struktura može ponuditi nekoliko zanimljivih karakteristika.

3D putevi protoka zraka

Međusobno povezana mreža pora omogućuje prolaz zraka kroz strukturu u više smjerova.

To može pomoći u stvaranju učinkovitije interakcije između struje plina i površine funkcionalnog sorbenta.

Niska strukturna težina

Pjena niske gustoće može zauzeti relativno veliki volumen uz korištenje relativno male količine potpornog materijala.

Ovo može biti korisno u DAC modulima gdje su važne i strukturna težina i toplinska masa.

Podesiva struktura

Debljina, dimenzije, gustoća i površinska obrada mogu se prilagoditi različitim konceptima modula.

Jednostavna konverzija

Pjena otvorenih ćelija može se rezati, obrađivati ​​CNC strojno, laminirati ili pretvoriti u različite geometrije prototipa.

To može biti posebno korisno tijekom ranog razvoja DAC modula.

8. Potencijalna uloga melaminske pjene u DAC-u

SINOYQX melaminska pjena je trodimenzionalni porozni materijal niske gustoće s otvorenim ćelijama.

Tipična gustoća standardne inženjerske klase je približno:

8.5 kg / m³

Iz perspektive DAC inženjeringa, može se procijeniti kao:

Lagana 3D sorbentna podrška

Njegova potencijalna uloga nije da djeluje kao sorbent CO₂, već da osigura:

• Trodimenzionalna porozna potporna struktura
• Putovi protoka zraka
• Supstrat za imobilizaciju sorbenta
• Prilagodljiva geometrija modula
• Niska strukturna masa

9. Melaminska pjena nije CO₂ Sorbent

Ova razlika je važna.

Standardna melaminska pjena ne smije se koristiti kao izravni sorbent CO₂ za DAC.

U DAC sustavu, stvarna funkcija hvatanja CO₂ dolazi od materijala s odgovarajućim kemijskim afinitetom ili selektivnošću za CO₂.

To može uključivati:

• Materijali s amino-funkcionalnom skupinom
• Metalno-organski okviri
• Alkalni sorbenti
• Funkcionalni porozni polimeri
• Drugi CO₂-selektivni sorbentni sustavi

Realnija uloga melaminske pjene je služiti kao trodimenzionalna strukturna podrška za ove aktivne materijale.

Konačni DAC materijalni sustav stoga treba shvatiti kao:

3D podrška + funkcionalni sorbent

a ne kao jedan pjenasti materijal.

10. Kako se sorbenti mogu nanositi na 3D pjenu?

Ovo je jedno od središnjih razvojnih pitanja.

Ovisno o kemijskom sastavu sorbenta, može se procijeniti nekoliko pristupa opterećenju.

Površinski premaz

Na pjenasti kostur nanosi se funkcionalni sloj sorbenta.

Impregnacija

Struktura otvorenih ćelija impregnirana je funkcionalnim materijalom.

Funkcionalizacija polimera

Površina pjene je kemijski ili fizički modificirana funkcionalnim skupinama ili polimerima.

Kompozitna struktura

Pjena se kombinira s membranama, vlaknima, premazima ili drugim slojevima koji sadrže sorbent.

Svaka ruta može utjecati na:

• Punjenje sorbenta
• Začepljenje pora
• Pad tlaka
• Kinetika adsorpcije
• Adhezija premaza
• Izdržljivost pri biciklizmu

Zbog toga se metoda opterećenja mora procijeniti zajedno s konstrukcijom.

11. Što treba ispitati u DAC sorbentnom nosaču?

Materijal za DAC ne treba birati samo na temelju gustoće ili poroznosti.

Važniji korak je inženjerska validacija na razini modula.

Pad tlaka u odnosu na brzinu zraka

Izmjerite pad tlaka u rasponu brzina strujanja zraka.

Ovo je jedan od najvažnijih pokazatelja aerodinamičkih performansi.

Punjenje sorbenta

Odredite koliko funkcionalnog sorbenta se može stabilno napuniti po jedinici mase ili volumena nosača.

Apsorpcija CO₂

Korisno je procijeniti oboje:

g CO₂ / kg sorbenta

i

kg CO₂ / m³ Modul

jer su praktični DAC sustavi također ograničeni volumenom modula.

Kinetika sorpcije

Izmjerite koliko brzo CO₂ može dosegnuti sorbent i stupiti u interakciju s njim.

Kinetika desorpcije

Izmjerite koliko se učinkovito CO₂ može osloboditi tijekom regeneracije.

Toplinska masa

Procijenite toplinsko opterećenje povezano s pjenom, sorbentom i drugim konstrukcijskim materijalima.

Stabilnost vlage

Okolni zrak sadrži vlagu, stoga se moraju uzeti u obzir učinci vlažnosti i na sorbent i na potpornu strukturu.

Stabilnost biciklizma

Dugoročni rad DAC-a zahtijeva ponovljene cikluse adsorpcije-desorpcije.

Ključna zapažanja uključuju:

• Gubitak sorbenta
• Pucanje premaza
• Deformacija pjene
• Promjene pada tlaka
• Opadanje adsorpcijskog kapaciteta

12. Različiti DAC sustavi mogu zahtijevati različite strukture pjene

SINOYQX pristupa DAC-u kao zajedničkoj razvojnoj primjeni, a ne kao pojedinačnoj fiksnoj vrsti pjene.

Potencijalni smjerovi materijala uključuju:

Standardna pjena otvorenih ćelija

Za rano punjenje sorbentom i probir materijala.

Struktura s niskim padom tlaka

Za sustave gdje su otpor protoka zraka i energija ventilatora posebno važni.

Hidrofobna pjena

Za procjenu strukturnog ponašanja u uvjetima visoke vlažnosti zraka.

Ojačana pjena

Za module koji zahtijevaju poboljšanu mehaničku stabilnost.

Prilagođena geometrija

Za CNC rezane ili prilagođene strukture na temelju specifičnih dimenzija DAC modula.

Ne postoji univerzalna "najbolja" struktura pjene.

Ispravan dizajn ovisi o kemijskom sastavu sorbenta i arhitekturi DAC sustava.

13. Od probira materijala do validacije DAC modula

Praktični razvojni put obično ne počinje s DAC sustavom pune veličine.

Učinkovitiji pristup je:

Korak 1

Definirajte kemiju sorbenta CO₂

Korak 2

Prikladne 3D potporne strukture za ekran

Korak 3

Procijeniti metode punjenja sorbentima

Korak 4

Utvrdite odnos brzine zraka i pada tlaka

Korak 5

Ispitivanje kinetike apsorpcije i adsorpcije CO₂

Korak 6

Provedite testove cikličke adsorpcije i desorpcije

Korak 7

Prelazak na validaciju DAC modula malog opsega

Tek nakon ovih koraka može se procijeniti stvarna inženjerska vrijednost potporne konstrukcije.

14. SINOYQX Zajednički razvoj za DAC

SINOYQX razvija melaminsku pjenu , hidrofobne porozne materijale, aerogel kompozite i druge funkcionalne porozne strukture.

Za primjenu izravnog hvatanja zraka istražujemo inženjerski potencijal melaminske pjene kao laganog trodimenzionalnog nosača sorbenta.

Naš trenutni fokus uključuje:

• Gustoća pjene
• Struktura pora
• Debljina
• Geometrija modula
• Brzina zraka
• Pad tlaka
• Obrada površina
• Punjenje sorbenta
• Vlažnost
• Stabilnost bicikla

Naš cilj nije samo ponuditi „DAC pjenu“.

Cilj je pomoći razvojnim timovima da procijene poroznu potpornu strukturu koja odgovara njihovoj kemiji sorbenta, zahtjevima protoka zraka, metodi regeneracije i dizajnu modula.

Granica inženjeringa

Sama melaminska pjena ne bi se trebala opisivati ​​kao DAC CO₂ sorbent.

Potencijalne prednosti povezane s otvorenoćelijskom strukturom, niskom gustoćom i niskom strukturnom masom moraju se validirati u stvarnom kemijskom sastavu sorbenta, brzini protoka zraka, geometriji modula i radnom ciklusu.

Performanse na razini materijala ne treba tumačiti kao ekvivalentne punoj energetskoj učinkovitosti DAC sustava ili performansama hvatanja CO₂.

Česta pitanja

Može li melaminska pjena izravno uhvatiti CO₂?

Standardna melaminska pjena ne bi se trebala smatrati primarnim sorbentom CO₂ u DAC-u. Njena prikladnija uloga je kao trodimenzionalni porozni nosač za funkcionalne sorbentne materijale.

Zašto je pad tlaka toliko važan u DAC-u?

DAC sustavi moraju obrađivati ​​vrlo velike količine zraka. Ako je otpor protoka zraka prevelik, potrebna je veća snaga ventilatora, što povećava potrošnju pomoćne energije.

Zašto DAC ima koristi od nosača niske toplinske mase?

U termički regeneriranim sustavima, potpornu strukturu može biti potrebno zagrijati i ohladiti. Smanjenje neaktivne strukturne mase može smanjiti količinu materijala koji se više puta uključuje u termičke cikluse, iako ukupnu energiju sustava još uvijek treba eksperimentalno potvrditi.

Koja je razlika između pjene s otvorenim ćelijama i saćaste strukture?

Saćaste strukture obično sadrže pravilne kanale za protok, dok pjena otvorenih ćelija sadrži trodimenzionalnu međusobno povezanu mrežu pora. Dvije strukture se razlikuju po ponašanju protoka zraka, geometriji površine, opterećenju sorbentom i fleksibilnosti proizvodnje.

Kolika je tipična gustoća SINOYQX standardne melaminske pjene?

Standardna inženjerska vrsta ima tipičnu gustoću od približno 8.5 kg/m³. Funkcionalne vrste treba odabrati prema odgovarajućoj tehničkoj specifikaciji ili zahtjevu projekta.

Što treba prvo testirati u projektu podrške DAC-u?

Prioritetna ispitivanja trebaju uključivati ​​opterećenje sorbentom, pad tlaka u odnosu na brzinu zraka, apsorpciju CO₂, kinetiku adsorpcije/desorpcije, stabilnost vlažnosti, prianjanje premaza i trajnost cikličkih promjena.

HAT

Razvoj DAC modula s čvrstim sorbentom?

Ako procjenjujete strukturirani sorbentni nosač, molimo navedite:

Vrsta sorbenta, protok zraka, dimenzije modula, dopušteni pad tlaka, radna temperatura, metoda regeneracije, vlažnost okoline, ciljano punjenje sorbenta, zahtjevi za cikliranje

SINOYQX može podržati procjenu različitih gustoća pjene, debljina, struktura pora, površinskih obrada i prilagođenih geometrija za testiranje prototipova.

Pošaljite uvjete svog DAC projekta →