Zašto direktno hvatanje zraka zahtijeva 3D sorbentne nosače s niskim padom pritiska i niskom toplinskom masom

Zašto direktno hvatanje zraka zahtijeva 3D sorbentne nosače s niskim padom pritiska i niskom toplinskom masom

Direktno hvatanje iz 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 mnogo niža.

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

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

Otpor protoka zraka, kontakt plin-čvrsta tvar, imobilizacija sorbenta, strukturna težina, temperatura regeneracije i stabilnost ciklusa mogu utjecati na ukupnu efikasnost sistema.

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

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

1. DAC nije samo o sorbentu

Većina diskusija o DAC-u se prirodno fokusira na hemiju sorbenta.

Uobičajena područja istraživanja uključuju:

• Sorbenti na bazi amina
• Alkalni materijali
• Metalno-organski okviri
• Porozni polimeri
• Funkcionalni porozni materijali
• Hibridni čvrsti sorbentni sistemi

Ovi materijali su odgovorni za hemijsku interakciju sa CO₂.

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

Mora biti poduprt, obložen, imobiliziran ili raspoređen unutar strukture koja omogućava 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 efikasno 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 pritiska važan u DAC-u

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

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

Svaka struktura postavljena u protok zraka stvara otpor.

Pad pritiska se može povećati kada:

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

Veći pad pritiska znači:

Veća potražnja za snagom ventilatora.

Kod velikih DAC sistema, ova potražnja za pomoćnom energijom može direktno uticati na operativnu efikasnost i troškove.

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

3. Više sorbenta nije uvijek bolje

Sa stanovišta materijala, povećanje opterećenja sorbentom može u početku izgledati poželjno.

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

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

• Povećani otpor protoka zraka
• Veći pad pritiska
• Smanjeni otvoreni protočni kanali
• Manja iskorištenost internog sorbenta
• Sporija kinetika adsorpcije
• Sporija desorpcija

Pravi dizajnerski izazov je uravnotežiti:

Punjenje sorbenta × Prijenos mase × Pad pritiska

umjesto optimizacije samo punjenja sorbenta.

4. Zašto je niska termalna masa također važna

Mnogi DAC sistemi sa čvrstim sorbentom koriste toplotnu energiju za oslobađanje zarobljenog CO₂ i regeneraciju sorbenta.

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

• Nosiva struktura
• Okviri
• Mehanički nosači
• Komponente internog modula
• Ostali neaktivni materijali

Ako je strukturna podloga teška, svaki ciklus može uključivati ​​ponovljeno zagrijavanje značajne količine materijala koji ne doprinosi direktno 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 sistema zavisi od toplotnog kapaciteta, hemije sorbenta, temperature regeneracije, efikasnosti prenosa toplote, arhitekture modula i dizajna radnog ciklusa.

Stoga ove potencijalne prednosti moraju biti eksperimentalno potvrđene.

5. Strukturirani sorbenti postaju sve važniji

Tradicionalni adsorpcijski sistemi često se oslanjaju na zbijene slojeve.

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

• Složene putanje protoka zraka
• Veći pad pritiska
• Abrazija čestica
• Stvaranje prašine
• Neujednačen prijenos topline

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

Koncept je jednostavan:

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

Ovo omogućava inženjerima da nezavisno optimiziraju:

• Geometrija kanala protoka
• Površina
• Debljina sloja sorbenta
• Pad pritiska
• Prijenos topline
• Mehanička stabilnost

6. Poređenje uobičajenih struktura DAC sorbenata

Nijedna struktura nije optimalna za svaki DAC sistem.

Ispravna arhitektura zavisi od:

• Brzina protoka vazduha
• Hemija sorbenta
• Metoda regeneracije
• Dimenzije modula
• Ciljani vijek trajanja

7. Zašto vrijedi procijeniti pjenu otvorenih ćelija

Pjena otvorenih ćelija ponaša se drugačije od saćaste strukture.

Saće obično sadrži relativno pravilne, ravne kanale.

Pjena otvorenih ćelija sadrži međusobno povezanu trodimenzionalnu mrežu pora.

To omogućava plinu da putuje kroz više puteva unutar materijala.

Sa inženjerske tačke gledišta, ova struktura može ponuditi nekoliko zanimljivih karakteristika.

3D putanje protoka zraka

Međusobno povezana mreža pora omogućava zraku da prolazi kroz strukturu u više smjerova.

Ovo može pomoći u stvaranju efikasnije interakcije između struje plina i površine funkcionalnog sorbenta.

Mala strukturna težina

Pjena niske gustoće može zauzeti relativno veliku zapreminu uz korištenje relativno male količine potpornog materijala.

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

Podesiva struktura

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

Easy Conversion

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

Ovo može biti posebno korisno tokom ranih faza razvoja DAC modula.

8. Potencijalna uloga melaminske pjene u DAC-u

SINOYQX melaminska pjena je trodimenzionalni porozni materijal otvorenih ćelija niske gustoće.

Tipična gustoća standardne inženjerske klase je približno:

8.5 kg / m³

Sa stanovišta DAC inženjeringa, može se procijeniti kao:

Lagana 3D sorbentna podrška

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

• Trodimenzionalna porozna potporna struktura
• Putevi 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 bi trebala biti direktni sorbent CO₂ za DAC.

U DAC sistemu, stvarna funkcija hvatanja CO₂ dolazi od materijala sa odgovarajućim hemijskim 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 sistemi

Realističnija uloga melaminske pjene je da služi kao trodimenzionalna strukturna podrška za ove aktivne materijale.

Konačni DAC materijalni sistem 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 centralnih razvojnih pitanja.

U zavisnosti od hemije sorbenta, može se procijeniti nekoliko pristupa punjenju.

Površinski premaz

Funkcionalni sloj sorbenta nanosi se na pjenasti kostur.

Impregnacija

Struktura otvorenih ćelija impregnirana je funkcionalnim materijalom.

Funkcionalizacija polimera

Površina pjene je hemijski ili fizički modificirana funkcionalnim grupama ili polimerima.

Kompozitna struktura

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

Svaka ruta može uticati na:

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

Zbog toga se metoda opterećenja mora procijeniti zajedno sa konstrukcijom.

11. Šta treba testirati u DAC sorbentnom nosaču?

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

Važniji korak je inženjerska validacija na nivou modula.

Pad pritiska u odnosu na brzinu zraka

Izmjerite pad pritiska u rasponu brzina protoka zraka.

Ovo je jedan od najvažnijih pokazatelja aerodinamičkih performansi.

Punjenje sorbenta

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

Apsorpcija CO₂

Korisno je procijeniti oboje:

g CO₂ / kg sorbenta

i

kg CO₂ / m³ Modul

jer su praktični DAC sistemi također ograničeni volumenom modula.

Kinetika sorpcije

Izmjerite koliko brzo CO₂ može doći do sorbenta i stupiti u interakciju s njim.

Kinetika desorpcije

Izmjerite koliko efikasno se CO₂ može osloboditi tokom regeneracije.

Thermal Mass

Procijenite termičko opterećenje povezano s pjenom, sorbentom i drugim strukturnim materijalima.

Stabilnost vlage

Ambijentalni zrak sadrži vlagu, tako da se moraju uzeti u obzir utjecaji vlažnosti i na sorbent i na noseću strukturu.

Stabilnost pri biciklizmu

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

Ključna zapažanja uključuju:

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

12. Različiti DAC sistemi mogu zahtijevati različite strukture pjene

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

Potencijalni smjerovi za materijale uključuju:

Standardna pjena otvorenih ćelija

Za rano punjenje sorbentom i probir materijala.

Struktura niskog pada pritiska

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

Hidrofobna pjena

Za procjenu strukturnog ponašanja u uslovima visoke vlažnosti vazduha.

Ojačana pjena

Za module koji zahtijevaju poboljšanu mehaničku stabilnost.

Custom Geometry

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

Ne postoji univerzalna "najbolja" struktura pjene.

Ispravan dizajn zavisi od hemije sorbenta i arhitekture DAC sistema.

13. Od provjere materijala do validacije DAC modula

Praktičan razvojni put obično ne počinje sa DAC sistemom pune veličine.

Efikasniji pristup je:

Korak 1

Definišite hemiju sorbenta CO₂

Korak 2

3D potporne strukture prikladne za ekran

Korak 3

Procijeniti metode punjenja sorbentima

Korak 4

Utvrdite odnos između brzine zraka i pada pritiska

Korak 5

Testiranje kinetike apsorpcije i adsorpcije CO₂

Korak 6

Provedite testove ciklusa adsorpcije i desorpcije

Korak 7

Prelazak na validaciju DAC modula malog obima

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

14. SINOYQX Zajednički razvoj za DAC

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

Za primjene direktnog 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 pritiska
• Obrada površina
• Punjenje sorbenta
• vlažnost
• Stabilnost pri bicikliranju

Naš cilj nije samo ponuditi „DAC pjenu“.

Cilj je pomoći razvojnim timovima da procijene poroznu noseću strukturu koja odgovara njihovoj hemiji sorbenta, zahtjevima za protokom zraka, metodi regeneracije i dizajnu modula.

Inženjerska granica

Sama melaminska pjena ne bi trebala biti opisana kao DAC CO₂ sorbent.

Potencijalne koristi povezane sa strukturom otvorenih ćelija, niskom gustinom i malom strukturnom masom moraju se validirati u okviru stvarnog hemijskog sastava sorbenta, brzine protoka vazduha, geometrije modula i radnog ciklusa.

Performanse na nivou materijala ne treba tumačiti kao ekvivalentne punoj energetskoj efikasnosti DAC sistema ili performansama hvatanja CO₂.

ČESTA PITANJA

Može li melaminska pjena direktno uhvatiti CO₂?

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

Zašto je pad pritiska toliko važan kod DAC-a?

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

Zašto DAC ima koristi od nosača niske termalne mase?

U termički regeneriranim sistemima, noseća konstrukcija može također zahtijevati zagrijavanje i hlađenje. Smanjenje neaktivne strukturne mase može smanjiti količinu materijala koji se više puta uključuje u termičke cikluse, iako ukupna energija sistema i dalje mora biti eksperimentalno potvrđena.

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

Saćaste strukture obično sadrže redovne 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 u skladu s odgovarajućom tehničkom specifikacijom ili zahtjevima projekta.

Šta treba prvo testirati u projektu podrške DAC-u?

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

CTA

Razvoj DAC modula sa čvrstim sorbentom?

Ako procjenjujete strukturirani sorbentni nosač, molimo vas da navedete:

Tip sorbenta, protok zraka, dimenzije modula, dozvoljeni pad pritiska, radna temperatura, metoda regeneracije, vlažnost okoline, ciljano punjenje sorbenta, zahtjevi za cikluse

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

Pošaljite uslove vašeg DAC projekta →