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一种“海绵状”液体,用来清除工业二氧化碳

多孔液体复合材料可以将工业废水中吸附的二氧化碳转化为碳酸钙

在全球范围内, 人类和工业活动排放的二氧化碳正以惊人的速度上升, 这些气体正在逃逸到大气中. 工业使用物理和化学吸收方法从工业排放中捕获二氧化碳. 然而, 这些方法只能捕获和储存二氧化碳, 哪些必须被运送到永久的储存地点, 哪些需要额外消耗能量. 

来自孟买印度技术学院的研究人员,由Kamendra P. 沙玛, 设计了一种多孔液体来捕获/存储二氧化碳, 然后将其转化为碳酸钙——一种工业上有价值的化学物质. 新奇之处在于

结合孔隙度, 以及液体中的催化活性,将二氧化碳转化为可以从多孔液体中除去的碳酸钙, 对后者进行重用. 该多孔液体具有类似蜂蜜的粘度,制造简单,易于与连续流动工业流程集成. 在工业工作温度下是稳定的. 的 研究 发表在欧洲化学学会的《97彩票登录》(ChemSusChem)杂志上,由工业研究咨询中心资助, 印度理工学院和科学与工程研究委员会(SERB), 印度政府科学技术部(DST). 

历史上,多孔固体材料被用来截留工业废水中的气体. 因为固体不能流动, 在连续流工业过程中,改造或集成这种过滤器变得困难. 液体也能吸收气体,但它们储存气体的能力要比多孔固体小得多. 此外,与固体不同,液体中的空间不是永久的. 

2007年,科学家们首次将液体概念化,使其具有永久的空间. 第一批多孔液体是在2015年制造的. 从那时起, 科学家们已经使用各种方法来制造能有效吸收气体的多孔液体. 他们使用的是带有“分子笼子”的大型有机分子,即使溶解在液体中也能保持完整. 然而, 过去制造多孔液体的方法包括繁琐的有机化学反应和多个步骤.

沙玛教授的小组 显示 2019年,一种由空心二氧化硅纳米棒和聚合物(润湿剂)简单组合而成的多孔液体可以在室温下捕获二氧化碳. 然而, 在不消耗更多能量的情况下,将捕获的二氧化碳转化为有用的化学物质将更有价值. 

在目前的研究中, 该小组将多孔液体和一种叫做生物共轭碳酸酐酶(bCA)的酶结合起来,并在其中加入氯化钙,从而创造出一种液体复合材料. 这种酶与中空二氧化硅纳米棒中吸附的二氧化碳发生反应,将其转化为碳酸氢盐离子. 大多数酶需要水才能活跃. 然而,bCA在多孔液体提供的聚合物环境中工作得非常好. 

当二氧化碳通过多孔液体时, 二氧化硅纳米棒的中空腔可以捕获二氧化碳. 在捕获之后,二氧化碳慢慢地从纳米棒中逃逸出来. 在室温下与bCA结合形成碳酸氢盐离子. 这些离子与氯化钙中的钙离子反应,形成微米大小的碳酸钙晶体. 这些晶体可以通过加热系统并让它们沉淀出来来去除. 所述多孔液体在除去碳酸钙后可重复使用. 碳酸钙用于制造建筑材料、瓷砖、粉笔和保健品. 

多孔液体还可以在低温下储存被捕获的二氧化碳. 当多孔液体被冻结到-60℃时, 多孔液体中包覆二氧化硅纳米棒的聚合物外壳变成玻璃状, 二氧化碳被困在纳米棒中. 当温度恢复正常时, 二氧化碳又开始释放, 开始转化为碳酸钙. 

研究人员通过实验证实,加入这种酶不会改变纳米棒的形状,也不会改变其捕获二氧化碳的能力. 他们在实验室进行了控制实验,以验证每种成分在复合材料中的作用. 实验表明,纳米棒能够捕获二氧化碳, 这种酶催化二氧化碳转化为碳酸钙. 没有这种酶,碳酸钙就不能形成. 

“由于纳米棒的孔径比气体分子大,因此拟议中的多孔液体可以用于所有气体. 通过选择正确的催化剂和合适的反应物, 不同的气体可以转化成有用的化学物质,夏尔马教授说。. 

在另一组实验中, 夏尔马教授的团队观察到,聚合物表面活性剂的液体性质允许离子扩散和反应, 一个在固体中不能发生的过程. 当二氧化碳转化为碳酸钙时,液体从酸性变成中性. 随着酸度降低而改变颜色的染料可以从视觉上表明转换的完成, 无需进行任何化学测试或显微观察. 染料法提供了一种简单的机理,工业需要它来检查反应是否完成.  

“与同等体积的商用介孔二氧化硅相比,这种多孔液体可以吸收五分之一的二氧化碳, 一个坚实的. 但多孔液体可以流动,因此可以快速改造和补充,以提供技术优势,夏尔马教授说。. 

在将多孔液体用于工业生产之前,还有很多工作要做. 目前,多孔液体的成本太高,不具备商业可行性. 因为酶是最昂贵的成分, 研究人员正在探索一种更便宜的方法来制造它,或者找到一种便宜的替代品. 工程师需要仔细设计流速和相关参数,以解释二氧化碳缓慢释放和转化为碳酸钙的过程. 

“97彩票登录提供了一种端到端捕获解决方案的概念证明, 将工业排放的二氧化碳储存并转化为碳酸钙. All the materials used are stable at high temperatures; the porous liquid can work without degradation at industrial temperatures. 二氧化碳捕集转化率在50℃时才显著下降. 97彩票登录需要评估在更高温度下二氧化碳捕获的效率,夏尔马教授总结道.

文章写的

Arati Halbe

图形/图像信用

ScientiFickly

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