مطالعه تجربی جذب دی اکسید کربن توسط نانوسیال MEA+TiO2 در یک میکروراکتور

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

2 گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، شهر، ایران

3 گروه مهندسی شیمی، دانشکده انرژی، دانشگاه صنعتی، کرمانشاه، ایران

چکیده

هدف: در این مطالعه، تاثیر نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم ( TiO2)  به عنوان بهبود دهنده  عملکرد جذب CO2 در سیال پایه آبی مونو اتانول آمین (MEA) در یک میکرورآکتور مورد بررسی قرار گرفته شده است.
مواد و روش: آزمایشات جذب در یک میکرورآکتور T شکل با قطر داخلی 800 میکرومتر و طول 25 سانتی‌متر در فشار اتمسفریک و با خوراک گازی حاوی 10 درصد مولیCO₂  انجام گرفتند. متغیرهای عملیاتی اصلی شامل دما، دبی حلال، دبی گاز، غلظت ورودی حلال (5 و 10 درصد حجمی MEA ) و غلظت نانوذرات اکسید فلزی (0.01، 0.05 و 0.1 درصد وزنی) بودند.
 نتایج: در شرایط بهینه عملیاتی (دمای 25 درجه سانتی‌گراد، دبی حلال 200 میلی‌لیتر بر ساعت و دبی گاز 100 میلی‌لیتر بر دقیقه)، راندمان جذب  CO2با استفاده از حلال‌های آبی حاوی 5 و 10 درصد وزنی مونو اتانول‌آمین به ترتیب برابر با 75.6و 84.8 درصد است. در حالی که در شرایط مشابه درصد جذب کربن دی اکسید با استفاده از نانو سیالات با سیال پایه مونو اتانول آمین 5 درصد همراه با غلظت نانوذرات 0.01، 0.05 و 0.1 درصد وزنی از TiO2، به ترتیب 80.2، 92.1 و 94.2 درصد و در نانو سیالات با مونو اتانول آمین 10 درصد به ترتیب 73.5، 87.3 و 92.1 درصد به دست آمده است.  نانوسیال بهینه، مطابق نتایج به‌دست‌آمده، از ترکیب حلال آبی مونو اتانول آمین 5 درصد به عنوان سیال پایه همراه با 0.05 درصد وزنی نانوذرات  TiO2حاصل شد، که موجب جذب92.1 درصدی  CO2 شد، که نسبت به سیال پایه بدون نانوذره، به میزان 16.5درصد افزایش در عملکرد جذب را نشان می‌دهد.
بر اساس تصاویر FESEM و نتایج پتانسیل زتا، توزیع ذرات TiO₂ در محلول یکنواخت بوده و هیچ‌گونه تجمع معنی‌داری مشاهده نشد. وجود گروه‌های هیدروکسیل فعال در طیف FTIR و مقدار زتایmv  16.1+ نشان‌دهنده‌ی پایداری متوسط و کافی نانوسیال در زمان انجام آزمایش‌ها است. بررسی تصویری در بازه 0 تا 12 ساعت نیز یکنواختی پراکندگی ذرات را تأیید کرد.
نتیجه گیری: بررسی نتایج جذب نانوسیال  TiO2نشان می دهد که افزودن مقادیر کمی از نانوذرات اکسید فلزی در غلظت 5 درصد مونو اتانول آمین سبب بهبود عملکرد جذب CO2 شده ولی در غلظت10درصد مونواتانول امین تاثیر معکوس داشته و درصد جذب را کاهش داده، که به دلیل کشش سطحی بالاتر حلال پایه آبی مونو اتانول آمین 10 درصد می باشد. البته در غلظت های بالاتر نانوذرات(0.05 و 0.1 درصد وزنی) این وارونگی رفع شده و نانوذرات در هر دو حلال پایه 5 درصد و 10درصد مونو اتانول آمین تاثیر مناسب و مثبتی بر روی عملکرد جذب دارند.

کلیدواژه‌ها


 
[1] Etemad E., Ghaemi A., Shirvani M. (2015) "Rigorous Correlation for CO2 Mass Transfer Flux in Reactive Absorption Processes", International Journal of Greenhouse Gas Control, 42: 288-295, https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2015.08.011.
 
 [2] Mondal M.K., Balsora H.K., Varshney P. (2012) "Progress and Trends in CO2 Capture/Separation Technologies: A Review", Energy, 46(1): 431-441, https://doi.org/10.1016/j.energy.2012.08.006.
 
[3] Pashaei H., Zarandi M.N., Ghaemi A. (2017) "Experimental study and modeling of CO2 absorption into Diethanolamine solutions using stirrer bubble column", Chemical Engineering Research and Design, 121: 32-43, https://doi.org/10.1016/j.cherd.2017.03.001.
 
[4] Koytsoumpa E.I., Bergins C., Kakaras E. (2018) "The CO2 Economy: Review of CO2 Capture and Reuse Technologies", Journal of Supercritical Fluids, 132:  3–16, https://doi.org/10.1016/j.supflu.2017.07.029.
 
[5] Yadav S.K., Mishra G.C. (2013) "Global Energy Demand Consequences Versus Greenhouse Gases Emission", International Journal of Engineering Science, 6: 781–788.
 
[6] Bajpai A., Mondal  M.K. (2013) "Equiliberium solobility of  CO2 in aqueous mixtures of DEA and AEE", Journal of Chemical & Engineering Data, 58(6): 1490-1495, https://doi.org/10.1021/je3011776.
 
[7] Zhang Z.E., Yan Y.F., Zhang L., Ju S.X. (2014) "Hollow fiber membrane contactor absorption of CO2 from the flue gas: review and prespective", Global NEST  Journal, 16: 355-374, https://doi.org/10.30955/gnj.001343.
 
[8] Aghel B., Heidarian E., Sahraei S., Mir S. (2019) "Aplication of microchannel reactor to carbon dioxide absorption", Jornal of Cleaner Production, 231: 723-732, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.05.265.
 
[9] Guangwen C., Jun Y., and Quan Y. (2008) "Gas-Liquid Microreaction Technology: Recent Developments and Future Challenges" Chinese Journal of Chemical Engineering, 16(5): 663–669,https://doi.org/10.1016/S1004-9541(08)60138-X.
 
[10] Löwe H., Ehrfeld W. (1999) "State-of-the-Art in Microreaction Technology: Concepts, Manufacturing and Applications", Electrochimica Acta, 44(21–22): 3679–3689, https://doi.org/10.1016/S0013-4686(99)00071-7.
 
[11] Lee J.W., Kang Y.T. (2013) "CO2 Absorption Enhancement by AL2O3 nanoparticles in NaCl aqueous solution", Energy, 53, 206-211, https://doi.org/10.1016/j.energy.2013.02.047.
 
[12] Jiang G. (2014) "Experimental study of CO2 Absorption in aqueous MEA and MDEA solution enhanced by nanoparticles", International Journal of Greenhouse Gas Control, 29: 135-141, https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2014.08.004.
 
[13] Jiang J. (2013) "Chemical Absorption kinitics in MEA solution with nanoparticles", Energy Procedia, 37: 518-524, https://doi.org/10.1016/j.egypro.2013.05.138.
 
[14] Lee J.W., Jung J.Y., Lee, S.G., Kang Y.T. (2011) "CO2 Bubble Absorption enhancement in methanol based nano-fluids", International Journal of Refrigeration, 34(8): 1727-1733, https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2011.08.002.
 
[15] Pineda L.T. (2012) "CO2 Absorption enhancement in methanol-based Al2O3 and SiO2 nanofluids in a tray column absorption", International Journal of Refrigeration, 35(5): 1402-1409, https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2012.03.017.
 
[16] Jung J.Y., Lee J.W., Lee S.J. (2012) "CO2 Absorption characterstics of nanoparticle suspensions in methanol", Journal of Mechanical Science and Technology, 26: 2285-2290, https://doi.org/10.1007/s12206-012-0609-y.
 
[17] Pashaei H., Ghaemi A., Nasiri M., Heydarifard M. (2018) "Exprimental investigation of the effect of nano heavy metal oxide particles in piperazine solution on CO2 Absorption using a stirrer bubble column", Energy & Fuels, 32(2):2037-2052, https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.7b03481.
 
[18] Aghel B., Heidarian E., Sahraei S., Varmira K. (2019) "Experimental study of carbon dioxide absorption by mixed aqueous solution of methyl diethanolamine (MDEA) and Piperazine (PZ) in a microreactor", Process Safety and Environmental Protection, 131: 152-159, https://doi.org/10.1016/j.psep.2019.09.008.
[19] Seo S., Lages B., Kim M. (2020) "Catalytic CO2 Absorption in an amine solvent using nickel nanoparticles for post-combustion carbon capture", Journal of CO2 Utilization, 36: 244-252, https://doi.org/10.1016/j.jcou.2019.11.011.
 
[20] Pashaei, H., Ghaemi, A. (2020) "CO2 absorption into aqueous diethanolamine solution with nano heavy metal oxide particles using stirrer bubble column: Hydrodynamics and Mass transfer", Journal of Invironmental Chemical Engineering, 8: 104-110, https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.104110.
 
[21] Lee J.W., Pineda I.T., Lee J.H., Kang Y.T. (2016) "Combined CO2 absorption/regeneration performance enhancement by using nanoabsorbents", Applied Energy, 178: 164–176, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.06.048.
 
[22] Pourtalebi B., Alizadeh R., Valibeknejad M. (2025) "Enhancements of CO2 absorption in wetted/wetted-column using nanoparticles and ionic liquids: A CFD study", Journal of Molecular Liquids, 48: 126738, https://doi.org/10.1016/j.molliq.2024.126738.
 
[23] Orendi H.W., Joby K., Šiller L. (2024) "Enhancements of monoethanolamine CO2 absorption rate and degradation in the presence of nickel nanoparticles catalysts", Journal of CO2 Utilization, 79: 102654, https://doi.org/10.1016/j.jcou.2023.102654.
 
[24] Zarei F., Keshavarz P. (2023) "High performance CO2 Absorption/Desorption using Amine-Functionalized magnetic nanoparticles", Separation and Purification Technology, 323: 124438, https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.124438.
 
[25] Hafizi A., Hemmatzadeh Dastgerdi A., Khalifeh R. (2025) "Highly efficient CO2 absorption using improved and functionalized magnetic nanoparticles in physical and chemical absorbents", Journal of CO2 Utilization, 99: 103173, https://doi.org/10.1016/j.jcou.2025.103173.
 
[26] Shin J.W., Song Y.H., Park J.Y. (2014) " Energy recovery of ethanolamine in wastewater using an air-catode microbial fuel cell", International Biodeterioration & Biodegradation, 95: 117-121, https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2014.05.021.
 
[27] Shin J.W., Song Y.H., Park J.Y. (2015) "The enhancement of ammonium removal from ethanol amine wastewater using an air-catode microbial fuel cells coupled to ferric reduction", Bioresource Technology, 190: 466-473, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.03.048.
 
[28] Filimoon A. (2018) "Amino-silicones as active compounds in the detection and capture of CO2 from the invironmental alexandra bargan and maria cazacu, smart mater", Design, Engineering Approaches and potential Application.
 
[29] Zhang Q., Ning Zh., Li X., Ning X., Wu F. Zhou J. (2023) "Experimental study of CO2 capture by nanoparticle-enhanced 2-amino-2-methyl-1- propanol aqueous solution", RSC Advances, 13: 33644, https://doi.org/10.1039/d3ra06767j.
 
[30] Krishnamurty S., Bhattacharya P., Phelan P., Prasher R. (2006) "Enhanced Mass Transport in Nanofluids",
Nano letters, 6(3): 419-423, https://doi.org/10.1021/nl0522532.
 
[31]  Sumin L.U.; Min X.; Yan S.U.N.; Xiangjun D. (2013) "Experimental and theoretical studies of CO2 absorption enhancement by nano-Al2O3 and carbon nanotube particles", Chinese Journal of Chemical Engineering, 21: 983–990, https://doi.org/10.1016/S1004-9541(13)60550-9.
 
[32]  Arshadi M., Taghvaei H., Abdolmaleki M., Lee M., Eskandarloo H., Abbaspourrad A. (2019) "Carbon dioxide absorption in water/nanofluid by a symmetric amine-based nanodendritic adsorbent", Applied Energy, 242: 1562–1572, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.03.105.
 
[33] Komati S., Suresh A.K. (2008) "CO2 absorption into amine solutions: A novel strategy for intensification based on the addition of ferrofluids", Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 83: 1094–1100, https://doi.org/10.1002/jctb.1871.
 
[34]  Irani V., Maleki A., Tavasoli A. (2019) "CO2 absorption enhancement in graphene-oxide/MDEA nanofluid", Journal of Environmental Chemical Engineering, 7(1): 102782, https://doi.org/10.1016/j.jece.2018.11.027.
 
[35] Ilyas S.U., Pendyala R., Narahari M., Susin L. (2017) "Stability, rheology and thermal analysis of functionalized alumina-thermal oil-based nanofluids for advanced cooling systems", Energy Conversion and Management, 142: 215–229, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.01.079.
 
[36] Haghtalab A., Mohammadi M., Fakhroueian Z. (2015) "Absorption and solubility measurement of CO2 in water-based ZnO and SiO2 nanofluids", Fluid Phase equilibria, 392: 33–42, https://doi.org/10.1016/j.fluid.2015.02.012.