Давление углекислоты при сварке полуавтоматом: Рабочее давление углекислоты при сварке полуавтоматом — Лазерная резка металла от "ТМК" Ярославль (Тутаев)

Содержание

Сварка полуавтоматом. Еще раз о подогревателе газа для новичков

В прошлой статье «Как избавиться от обмерзания» уже поднималась тема о необходимости подогрева углекислого газа, применяющегося в качестве защитной среды при полуавтоматической сварке. Тему есть еще чем дополнить, она не исчерпана, к тому же информация станет полезной для людей, которые хотят освоить азы сварочного дела, только начинают осваивать сварку.

Итак, при небольших объемах работ для сварки полуавтоматом достаточно иметь стандартный набор аксессуаров, таких как сварочная горелка, шланг по которому подается газ и проволока, клемма массы, баллон с газом. Его вполне достаточно, если вы только не занимаетесь сваркой с утра до вечера. С увеличением сваркочасов обязательно станет вопрос о покупке подогревателя газа.

Для чего он нужен?

Газ находится в сжатом состоянии в баллоне. Для того, чтобы обеспечить работающее давление на выходе, необходим редуктор, который преобразует высокое давление в низкое. Например, в компрессоре воздух постоянно сжимается и из-за этого он нагревается, а в редукторе наоборот сжатый газ расширяется, переходя границу ( специальное отверстие, которое не дает газу выйти сразу) и при этом наблюдается обратный физический процесс –охлаждение. Из-за того, что углекислота находится в сильно сжатом состоянии процесс идет очень интенсивно и с сильным снижением температуры до -70

оС. К чему это может привести? Любой водяной пар, который находится в баллоне, начнет конденсироваться и образовывать кристаллы льда, которые оседая на деталях редуктора, могут закупорить отверстие и прекратить подачу. Кроме того, может произойти естественное сжатие деталей, так как известно, что все тела при нагреве испытывают расширение, а при охлаждении стремятся уменьшиться в размерах, в объеме. Особенно это относится к медным сплавам, таким как латунь, у которых высокий коэффициент линейного термического расширения. Соответственно, сварочные режимы, которые вы настроили на полуавтомате, собьются. То есть, если вы выставили расход 10 л/мин, то спустя какое-то время работы вы увидите, что газ практически не идет, так как детали изменились в размерах и «перекрыли» те показатели, которые вам необходимы были с начала и были заданы при комнатной температуре. Чтобы такое не происходило и необходим подогреватель газа.

Подогреватель состоит из простого нагревательного элемента, через который течет электрический ток. Он нагревает катушку и корпус, соответственно, любой газ, который проходит через устройство, воспринимает тепло. Этого будет достаточно, чтобы не переохладить редуктор. Подогреватели бывают электронные или биметаллические с регулятором, которые вкл/выкл. при перегреве (как в обычном утюге). По питанию они разделяются на 220В, либо 24В и 36В. Низковольтные подогреватели поставляются без вилки, так как подразумевается присоединение к вилке или источнику питания (БП, трансформатор). При подключении 24В мощность снижается и максимальные параметры проходящего газа будут занижены. Если вы занимаетесь большими объемами сварочных работ, низковольтного подогревателя может оказаться недостаточно. Тридцатишестивольтный девайс уже может обеспечить до 50 л/мин прогрев газа и работы не остановятся, например, из-за сбоя настроек.

P.S. При покупке полуавтомата обращайте внимание на такую важную вещь: блок питания для подогревателя газа должен находится в самом аппарате и включаться в момент нажатия кнопку подачи проволоки сварочной горелки. Почему это так важно? Устройство подогрева работает только когда вы варите (когда это действительно необходимо). В противном случае, если подогреватель работает от отдельного питания, он будет «надеяться» только на собственный терморегулятор и перегреваться до своего максимального значения (70 -80 ^оС). Газ же поступает очень холодный – это приводит к резкому температурному перепаду, что может привести к снижению срока эксплуатации нагревателя.

Применение углекислого газа для сварки полуавтоматом

Использование углекислоты для сварки полуавтоматом получило широкое распространение как среди начинающих сварщиков, так и среди профессионалов. Такой газ для сварки (имеет маркировку co2) защищает сварочный шов от негативного воздействия атмосферы, улучшает качество работ и увеличивает производительность труда. В этой статье мы расскажем все о сварке в среде углекислого газа.

Содержание статьи

Суть сварки в углекислоте
Преимущества дуговой сварки в углекислом газе
Применяемые материалы при сварке в углекислоте
- Сварочная проволока
- Углекислый газ
Вместо заключения

Суть сварки в углекислоте

Углекислотный газ частично распадается на углерод и кислород, находясь под воздействием большой температуры. Впоследствии формируется смесь из нескольких газов одновременно: кислорода, углерода и углекислого газа. В совокупности эти газы защищают сварочную зону от негативного влияния окружающей среды, ведь в сварочном цеху или в гараже практически невозможно установить идеальные условия для сварки. Кроме того, смесь трах газов взаимодействует c железом, что также улучшает качество готового шва.

Углекислый газ обладает свойством сильного окисления металла, что может привести к потере качества работы. Чтобы устранить окислительные процессы в сварочную проволоку в избыточном количестве вводят кремний и марганец, их оксиды высвобождаются во время сварки и благодаря своим свойствам подавляют окислительные процессы. Они вступают в реакцию друг с другом, а не растворяются в сварочной ванне, тем самым формируется надежное соединение, не подверженное окислению.

Для сварки в углекислоте используется сварочный полуавтомат. Режим работы полуавтомата выбирается исходя из толщины металла. Ниже вы можете видеть таблицу с рекомендуемыми параметрами для сварки тонких металлов.

Преимущества дуговой сварки в углекислом газе

Мы будем сравнивать дуговую сварку в углекислоте со сваркой под флюсом, поскольку два этих метода часто обсуждают в попытке выяснить, что лучше. Перечислим основные преимущества сварки в углекислом газе:

Мастер может беспрепятственно наблюдать за процессом сварки и следить за дугой, поскольку нет флюса, закрывающего обзор.
Нет необходимости использовать дополнительное оборудование для подачи и удаления флюса с поверхности металла, что выгодно экономически.
Не нужно очищать металл от шлака и остатков флюса. Это преимущество особенно важно, если планируется многослойная сварка деталей.
Производительность труда повышается в несколько раз за счет равномерной подачи тепла от сварочной дуги. Скорость работы до 3 раз быстрее, чем ручная сварка электродами или сварка под флюсом.
Качество швов значительно выше, даже если вы начинающий сварщик.

Можно проводить работы в любом положении. Сварщику доступна возможность выполнить и горизонтальный, и вертикальный шов, а также соединения под углом или на весу, не используя при этом стальную подкладку.
Углекислый газ стоит дешево и его перерасход незначительно скажется на стоимости работ.
Можно сваривать тонкий металл без страха ухудшить качество сварного шва.
Наплавка при сварке полуавтоматом в углекислом газе лучше, чем при сварке под флюсом.

Но и это еще не все. Одним из главных преимуществ такого метода сварки является его экономичность. Она достигается как за счет низкой цены на газ, так и за счет увеличения скорости работы. Если измерять стоимость работ, руководствуясь количеством металла, необходимого для наплавки, то при сварке в углекислом газу килограмм металла обходится в два раза дешевле, чем при сварке под флюсом или при ручной сварке.

Сварочный процесс с углекислотой широко используется не только гаражными умельцами, но и в промышленных целях. Этот метод сварки незаменим в машино- и судостроении, при сварке магистральных отопительных и водопроводных систем, при выполнении сложного монтажа металлических конструкций в труднодоступном месте, при производстве изделий из легированной стали, и металлов, устойчивых к теплу, при оперативном ремонте и наплавке.

Как видите, этот метод сварки не зря настолько распространен. Он обладает множеством преимуществ и позволяет существенно улучшить качество сварочных работ. Теперь подробнее разберем материалы, необходимые для углекислой сварки.

Применяемые материалы при сварке в углекислоте

Сварочная проволока

В этом методе сварки в качестве электрода используют специальную сварочную проволоку, которая подбирается в соответствии с металлом, который необходимо сварить. Диаметр варьируется от о.5 до 3 мм, тем толще металл, тем соответственно больше диаметр проволоки. Также учитывайте мощность и количество дополнительных настроек у вашего полуавтомата. Мы рекомендуем использовать медную проволоку, поскольку она всегда дает отличный результат.

Соблюдайте правила хранения проволоки. После вскрытия упаковки она не должна иметь пятен или иных загрязнений, исключено наличие ржавчины или любой другой коррозии. Если ваша проволока не соответствует этим требованиям, то ее нельзя использовать в работе, поскольку увеличивается вероятность разбрызгивания металла при сварке и в целом ухудшается качество получаемого шва.

Опытные сварщики вымачивают проволоку в серной кислоте, а затем несколько часов прокаливают в печи. Эта процедура улучшает качество получаемого впоследствии сварного шва.

Углекислый газ

Самый главный компонент. Газ для сварки не имеет цвета и не наносит вреда здоровью. Углекислоту для сварки хранят и перемещают в специальных баллонах с заданным давлением. В большинстве случаев баллоны можно отличить по характерному черному цвету и подписи «Углекислота», но бывают и исключения. Качественный газ с углекислотой, применяемый для сварки полуавтоматом, должен на 98% состоять из диоксида углерода. Этого достаточно для выполнения большинства работ. Но если необходимо сварить особо важные металлические конструкции, то лучше приобретать баллон с содержанием 99%. Также важно, чтобы в баллоне не было излишней влаги. Если углекислота для сварки содержит влагу, то наплавка теряет пластичность, а шов приобретает пористую текстуру и его характеристики ухудшаются.

Если газ не сухой, то мы рекомендуем поставить баллон вертикально на 20-30 минут, чего будет достаточно для того, чтобы лишняя влага осела на дно. В баллоне могут также содержаться примеси азота, которые негативно влияют на качество работ. Выпустите немного газа из баллона, прежде чем приступать к работе, так лишние примеси уйдут в атмосферу и не будут препятствовать хорошему результату.

Вместо заключения

Сварка с использованием углекислого газа — это крайне полезный навык, расширяющий ваши профессиональные умения. С помощью такого вида сварки можно улучшить качество своей работы и повысить производительность труда. При этом себестоимость таких работ будет достаточно экономной за счет низкой цены на газ. Конечно, у начинающих сварщиком может быть перерасход газа, пока они не «набьют руку», но с опытом придет полное понимание сути сварки в углекислоте, а значит и осознание, как можно сократить расход комплектующих.

Для полноценной работы вам понадобится лишь полуавтомат, сварочная проволока и баллон углекислого газа, а также терпение и минимальные навыки сварки. Не полагайтесь в своей работе только на учебные таблицы, экспериментируйте и получайте свой опыт. Благодаря этому вы сможете интуитивно подбирать правильный режим работы аппарата в зависимости от ситуации, а этот навык очень важен, если вы хотите стать профессионалом. Обязательно испробуйте этот метод, соблюдая технику безопасности. Опытные мастера могут поделиться своим опытом в комментариях, чтобы помочь новичкам. Желаем удачи!

Расход углекислоты при сварке полуавтоматом

Техника полуавтоматической сварки в среде углекислого газа

Для ремонта кузовных деталей автомобиля, работ с тонколистовой сталью применяется полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа. Благодаря автоматизации процесса, ровный шов может получиться даже у начинающего сварщика.При выполнении работ, обрабатываемая поверхность нагревается меньше, в результате наблюдается только незначительная деформация или коробление детали.

Где используется сварка углекислотой

Заверение о том, что сварочные полуавтоматы для сварки в среде углекислого газа применяются исключительно для ремонта кузовов автомобилей неверное. Сварка с использованием углекислоты, также применяется в следующих отраслях:

Изготовление стальных конструкций с большим количеством сварных швов на 1 п.м.
Машиностроение.
Изготовление приборов.
Ремонт и производство кованых конструкций: решеток, перил, ворот, ограждений и т.д.

Возможно применение сварки с использованием СО² и в других сферах производства, где особенное внимание уделяется слабому нагреву поверхности и деформации детали при ее обработке.

Техника сварки в углекислом газе

Выполнение сварочных работ и технология полуавтоматической сварки в среде углекислого газа достаточно простая, по сути, от мастера требуется выдержать необходимый вылет проволоки и перемещать горелку автомата с одинаковой скоростью.

В результате получается равномерный шов без наплывов, обеспечивается достаточный провар стали и механическая прочность получаемого соединения.

Во время выполнения работ от мастера требуется соблюдение следующих рекомендаций:

Перед началом сварки следует убедиться в том, что защитный газ выходит из горелки. Рабочее давление углекислоты при сварке полуавтоматом 0, 02 кПа. Но этот показатель не является абсолютным, наличие сквозняка, ветра, несколько увеличивает расход материала. Соответственно давление для создания нормального шва будет увеличиваться.
Угол горелки должен находиться в пределах 65-75°. Шов необходимо вести справа налево, так лучше просматриваются свариваемые кромки.
Сила тока. Режимы сварки в углекислом газе регулируются методом изменения скорости подачи проволоки и напряжения дуги.

Какое давление углекислоты при сварке

ГОСТ на полуавтоматическую сварку в углекислом газе регулируется руководящим документом 26-17-051-85. Согласно документу, стандартного баллона, наполненного СО², достаточно чтобы обеспечить 15-20 часов беспрерывной работы. Для увеличения производительности обязательно используют осушитель влаги.Подача углекислоты может быть изменена в большую сторону при наличии сквозняков, ветра и других негативных факторов. Решающее значение при выборе подходящего рабочего режима играет качество получаемого шва.Сущность сварки в среде углекислого газа сводится к тому, что СО² обеспечивает защиту обрабатываемой поверхности от перегрева. Как правило, качество шва напрямую зависит от расхода углекислоты при сварке полуавтоматом. При этом от мастера требуется обеспечить оптимальные затраты между использованием газа и расходом сварочной проволоки.

Для определения оптимальной нормы расхода углекислоты при сварке полуавтоматом, опытные сварщики используют следующий метод. Выставляют давление приблизительно, так, чтобы получался идеальный шов, после этого снижают подачу газа и напряжение, пока сварочное соединение не станет пузыриться и шипеть. Возвращаются к успешной последней настройке.

Расход углекислоты для сварочного полуавтомата

Хотя нормы расхода углекислоты зависят от многих факторов, в среднем для полуавтомата предусмотрены следующие затраты расходных материалов:

Скорость подачи проволоки — зависит от ширины расходного материала, составляет, от 35-250 мм/сек.
Расход газа — определяется качеством флюса и погодными условиями. Может варьироваться от 3 до 60 л/мин.

Расчет расхода углекислого газа при полуав

Газокислородная сварка и резка

АНГЛИЙСКИЙ ДЛЯ СВАРЩИКОВ

Кислородная сварка — это процесс сварки, обычно называемый кислородно-ацетиленовой сваркой, поскольку ацетилен является преобладающим выбором в качестве топлива, или часто просто газовой сваркой. Для резки металла используется практически идентичная процедура с использованием другого типа газовой горелки, которая называется газокислородной резкой. При газовой сварке и резке тепловая энергия и высокая температура, необходимые для плавления металла, достигаются путем сжигания топливного газа с кислородом в горелке.Такой тип горелки часто называют паяльной лампой.

Топливо

Баллоны со сжатым газом, содержащим кислород, кислород и газ MAPP

Наиболее часто используемым топливным газом является ацетилен. Другие используемые газы — это сжиженный нефтяной газ (LPG), природный газ, водород и газ MAPP.

Ацетилен можно производить рядом с местом проведения сварки в генераторе ацетилена. Чаще его изготавливают в другом месте и доставляют на место сварки в специальных контейнерах.Эти контейнеры заполнены различными пористыми материалами (например, волокном капока), а затем наполовину заполнены ацетоном. Ацетилен растворяется в ацетоне. Этот метод необходим, потому что ацетилен выше 207 кПа (30 фунт-сила / дюйм2) нестабилен и может взорваться. В заполненном баке давление составляет около 1700
кПа (250 фунт-сила / дюйм2). Ацетилен при сжигании с кислородом дает температуру от 3200 ° C до 3500 ° C (от 5800 ° F до 6300 ° F), что является самой высокой температурой среди всех обычно используемых газовых топлив.

Водород имеет чистое пламя и подходит для обработки алюминия. Его можно использовать при более высоком давлении, чем у ацетилена, и поэтому он пригоден для подводной сварки. В небольших горелках водород часто образуется вместе с кислородом путем электролиза воды в аппарате, подключенном непосредственно к горелке.

Газ

MAPP является зарегистрированным продуктом компании Dow Chemical Company. Это сжиженный нефтяной газ, смешанный с метилацетилен-пропадиеном. Он имеет характеристики сжиженного нефтяного газа при хранении и транспортировке, а его теплотворная способность немного ниже, чем у ацетилена.

Кислород — это не топливо: это то, что химически соединяется с топливом, выделяя тепло для сварки. Это называется «окислением», но более общим и часто используемым термином является «горение». В случае водорода продуктом сгорания является просто вода. Для других видов углеводородного топлива производится вода и диоксид углерода. Тепло выделяется потому, что молекулы продуктов сгорания имеют более низкое энергетическое состояние, чем молекулы топлива и кислорода.

Кислород обычно сокращается до «кислородного» для использования в термине «кислородно-ацетиленовая горелка».Кислород обычно производят в другом месте путем перегонки сжиженного воздуха и доставляют на место сварки в сосудах высокого давления (обычно называемых «резервуарами» или «цилиндрами») под давлением около 21000 кПа (3000 фунтов-силы / дюйм2 = 200 атмосфер). Он также поставляется в виде жидкости в сосудах типа Дьюара (например, в большом термосе) в места, где используется большое количество кислорода.

Также можно отделить кислород от воздуха, пропуская воздух под давлением через цеолитное сито, которое избирательно поглощает азот и пропускает кислород (и аргон).Это дает чистоту кислорода около 93%. Это хорошо подходит для пайки.

Два типа кислородно-газовой головки горелки

Аппарат

Аппарат, используемый для газовой сварки, состоит в основном из горелки, двух регуляторов давления и сдвоенных гибких шлангов. Горелка — это деталь, которую сварщик держит и которой манипулирует для выполнения сварного шва. Он имеет два клапана и два соединения, по одному для топливного газа и кислорода, ручку для сварщика, смесительную камеру
, в которой смешиваются топливный газ и кислород, и наконечник, откуда исходит пламя.

Регуляторы прикреплены к топливу и источникам кислорода. Кислородный регулятор прикреплен к кислородному баллону и понижает давление примерно с 21000 кПа (3000 фунт-сила / дюйм2 = 200 атмосфер) до более низкого давления для горелки. Это давление можно отрегулировать в соответствии с выполняемой работой, повернув ручку регулятора, и можно установить от 0 до примерно 700–1400 кПа (100–200 фунт-сила / дюйм2). Точно так же регулятор подачи топлива прикреплен к источнику топлива и снижает давление до уровня, необходимого для использования горелки.Для ацетилена это значение составляет от 0 до 100 кПа (15 фунт-сила / дюйм2).

Гибкие шланги соединяют регуляторы с горелкой и переносят топливный газ и кислород. Соединения топливного газа имеют левую резьбу, а кислородные соединители имеют правую резьбу, так что их нельзя менять местами, чтобы предотвратить несчастные случаи.

Сварщик носит очки или щит с затемненными линзами, чтобы защитить глаза от бликов, разлетающихся искр и брызг, а также носит кожаные перчатки, чтобы защитить руки от ожогов.Он также должен носить одежду и обувь, подходящие для сварки. Солнцезащитные очки не подходят.

Обратите внимание, что процедуры и оборудование, используемые для газовой сварки, в основном такие же, как и для газовой пайки.

]

Настройка оборудования

При использовании топливных и кислородных баллонов они должны быть надежно закреплены на стене, столбе или переносной тележке в вертикальном положении. Кислородный баллон особенно опасен по той причине, что кислород находится под давлением 21 МПа (3000 фунт-сила / дюйм2 = 200 атмосфер), когда он заполнен, и если баллон падает, а клапан ударяется о что-то и сбивается, баллон

станет неуправляемой и непредсказуемой ракетой на базе

кислород сжатый.По этой причине кислородный баллон никогда не должен быть

перемещался без завинчивания крышки клапана.

Никогда не кладите резервуар для ацетилена d

Технология мембранного разделения при улавливании углерода

1. Введение

Мембранное разделение газов привлекательно в технологиях с низким уровнем выбросов углерода, поскольку оно может работать в непрерывной системе, что отдается предпочтениям в промышленности. кроме обычных периодических систем, таких как адсорбция и абсорбция.Подача смешанного газа и выход очищенного газа могут происходить одновременно. Мембрана избирательно проникает в нужные компоненты и задерживает нежелательные, что приводит к разделению газовых смесей. В процессах улавливания и хранения углерода (CCS) CO ₂ необходимо отделять от потоков выхлопных газов перед последующей транспортировкой и хранением. Технология мембранного разделения — одно из эффективных решений для улавливания углерода.

Было выпущено несколько книг по мембранной технологии.Однако большинство из них касается разделения жидкостей и очень мало — для CCS. Эта глава направлена на представление и демонстрацию мембранной технологии в CCS. Применение мембраны для улавливания углерода в основном включает разделение H ₂ / CO ₂ для предварительного сжигания, разделение CO ₂ / N ₂ для последующего сжигания и разделение O ₂ / N ₂ ( разделение воздуха) для газокислородного сжигания. Существует большое разнообразие типов мембран в зависимости от их физических и химических свойств.Многие из них продемонстрировали большой потенциал для удовлетворения потребностей в CCS.

2. Обзор мембран

Мембрана выполняет роль фильтра. Он позволяет определенным молекулам проникать сквозь мембрану, в то время как блокирует проникновение других конкретных молекул через мембрану, как показано на рисунке 1. Мембрана уже широко использовалась для разделения жидкостей, таких как микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос, прямой осмос, опреснение и др. медицинское приложение. Однако разделение газов с использованием мембран все еще развивается.Мембранное разделение газов в последние годы привлекает интенсивные исследования в области CCS.

Рисунок 1.

Схема мембранного разделения бинарных газовых смесей.

Поток проницаемости газа через единицу площади мембраны при единичном перепаде давления через единицу толщины мембраны называется проницаемостью (моль с ⁻¹ м ⁻² Па ⁻¹) и соотношением проницаемостей различных газов через одну и ту же мембрану определяется как избирательность.Механизм разделения газов варьируется от мембраны к мембране. Селективность различных газов может быть результатом разницы в размере молекул, сродстве к материалу мембраны, молекулярной массе и т.д., в зависимости от интересующего газа и мембраны.

Для достижения высокого потока пермеата подаваемый газ сжимается, в то время как проникающий газ соединяется с атмосферой или вакуумом для получения более высокой движущей силы. Однако, поскольку толщина мембраны составляет от нескольких сотен нанометров до нескольких микрон, противостоять этой силе невозможно.Таким образом, мембрану обычно наносят на толстую пористую основу для достижения достаточной механической прочности. Несущий субстрат должен обладать минимальным сопротивлением потоку и, таким образом, содержать большие поры, что обеспечивает свободный поток газа, проникающего через верхний слой. В случае слишком больших пор и сильно шероховатой поверхности на основе могут возникнуть дефекты мембраны, такие как растрескивание и отслаивание. Промежуточный слой с гораздо меньшим размером пор (чем размер пор подложки) может обеспечить более плавный переход между ними. Эта конструкция называется асимметричной структурой, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2.

Асимметричная структура мембраны, нанесенной на подложку.

В текущих исследованиях и разработках (НИОКР) мембран наиболее популярным механизмом является разделение на просеивании. Следовательно, ключевым параметром мембраны является размер пор. По размеру пор мембраны подразделяются на три категории, перечисленные в таблице 1. Кроме того, в этой главе также обсуждается еще один тип непористой мембраны, поэтому называемый плотной мембраной.

2.1. Преимущества мембран

По сравнению с традиционными технологиями удаления CO ₂, мембрана показала большой потенциал в CCS благодаря своим характеристикам, перечисленным ниже:

Низкие капитальные затраты

Мембрана требует небольшого количества материала для покрытия. Он не требует дополнительных устройств, таких как большая емкость для предварительной обработки и хранилище растворителей.

Низкие эксплуатационные расходы

Основными эксплуатационными расходами на установку мембранного разделения является только замена мембраны.Из-за меньшего размера и веса мембраны стоимость намного ниже, чем у традиционных методов, которые заменяют большое количество растворителя или сорбента.

Простота и надежность

Поскольку мембрана не демонстрирует быстрого ухудшения характеристик, который, скорее всего, происходит с традиционными растворителями или сорбентами, она может работать без присмотра в течение длительного времени. Другой характерной чертой мембраны является то, что газ не остается и вступает в реакцию с мембраной, поэтому мембрана не имеет насыщения и, таким образом, позволяет избежать частых отключений и запусков.

Возможность адаптации

Мембранная система разработана и эксплуатируется для удаления необходимого процента CO ₂ вместо абсолютного количества удаления CO ₂. Изменения в исходной концентрации CO ₂ можно регулировать, изменяя объемную скорость, чтобы поддерживать постоянное качество продукта.

Эффективность конструкции

Мембранная система может объединять несколько процессов в одном устройстве, таких как удаление паров Hg, удаление H ₂ S и обезвоживание.Традиционные методы удаления CO ₂ должны выполнять эти этапы отдельно.

Easy для удаленных областей

Несколько мембран можно упаковать в один модуль для уменьшения размера и веса, что не только увеличивает площадь мембраны в единичном объеме, но и упрощает транспортировку в удаленные места. Возможна простая установка, при которой запасные части редки, рабочая сила неквалифицирована, а дополнительных объектов (таких как хранилище растворителей, водоснабжение и производство электроэнергии) не хватает.

Классификация пор	Диапазон размеров пор (нм)
Микропора	<2
Мезопора	2–50
2–50
2–50

Таблица 1.

Классификация мембран по размеру пор.

2.2. Изготовление мембраны

Изготовление мембраны включает нанесение селективного слоя на пористую основу.Процесс изготовления оказывает значительное влияние на свойства мембраны, такие как однородность и толщина мембраны. Техника мембранного покрытия включает нанесение покрытия погружением, химическое осаждение из паровой фазы (CVD), прядение и распыление. Среди них наиболее популярными и зрелыми методами являются нанесение покрытия погружением и химическое осаждение из паровой фазы. В этом разделе будут продемонстрированы эти две технологии.

2.2.1. Покрытие окунанием

Покрытие окунанием включает погружение макропористой подложки в раствор, и, в свою очередь, раствор наносится на подложку, после чего следует процесс дегидратации при более низкой температуре.Это самый старый и самый простой метод нанесения пленки. Процесс нанесения покрытия погружением можно разделить на пять этапов: погружение, запуск, осаждение, дренаж и испарение (рис. 3).

Рис. 3.

Этапы нанесения покрытия погружением: (а) погружение; (б) запуск; (c) осаждение; (г) дренаж и (д) испарение. Воспроизведено из Бринкера [1].

Погружение : Подложка погружается в раствор материала покрытия с постоянной скоростью, чтобы избежать дрожания.

Запуск : Весь субстрат некоторое время оставался внутри раствора и начинает подниматься.

Осаждение : Тонкий слой раствора осаждается на поверхности субстрата, когда он поднимается вверх. Скорость извлечения постоянна, чтобы избежать дрожания. Скорость определяет толщину покрытия. Более высокая скорость вывода дает более толстый слой и наоборот.

Дренаж : Излишки жидкости стекают с поверхности обратно в раствор под действием силы тяжести.

Испарение : Растворитель испаряется из жидкости, образуя тонкий слой.Испарение обычно сопровождает стадии запуска, осаждения и дренажа.

2.2.2. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)

Другой распространенный метод покрытия мембран — CVD. CVD изменяет свойства поверхности подложки путем нанесения тонкого слоя пленки посредством химических реакций в газовой среде, окружающей подложку, при повышенных температурах.

Процесс CVD включает транспортировку газов-реагентов и / или газа-носителя в реакционную камеру, после чего следует процесс осаждения с образованием пленки.Пленочное покрытие может быть выполнено путем разложения, окисления, гидролиза или образования соединений. Реакции обычно протекают в газовой фазе, и промежуточные газы адсорбируются на подложке с последующими поверхностными реакциями. Подробные этапы процесса CVD показаны на рисунке 4.

Подача реагента: подача газообразных реагентов в реакционную камеру.
Реакция: Химические реакции реагирующих газов в условиях нагревания с образованием промежуточных продуктов.
Диффузия на подложку: диффузия газов через пограничный слой к поверхности подложки.
Адсорбция на субстрате: Адсорбция реагентов или промежуточных продуктов на поверхности субстрата.
Поверхностная миграция: включение атомов покрытия в растущую поверхность и образование побочных продуктов.
Десорбция побочных продуктов: Десорбция побочных продуктов поверхностной реакции.
Диффузия побочных продуктов: Диффузия побочных продуктов в объемную фазу.
Побочный продукт на выходе: перенос газообразных побочных продуктов от субстрата и выход из реакционной камеры.

Рис. 4.

Схематическая модель процесса CVD. Воспроизведено из Khatib et al. [2].

Как показано выше, химическое осаждение из паровой фазы — более сложная технология, чем нанесение покрытия погружением, поэтому стоимость изготовления мембраны относительно выше, чем стоимость покрытия погружением. Преимущество CVD заключается в хорошей воспроизводимости по сравнению с нанесением покрытия погружением, поскольку последнее может страдать от недостаточной воспроизводимости.

2.3. Механизм мембранного разделения

Мембрана может разделять газовую смесь, потому что разные газы имеют разную проницаемость через мембрану. Поток пермеата через единицу площади мембраны при единичном градиенте давления называется проницаемостью, а соотношение между проницаемостью газа A и газа B определяется как селективность от A до B. Для достижения разделения предпочтительна большая разница между проницаемостями для газа. . Это различие обусловлено их физическими и / или химическими свойствами, а также взаимодействием с мембраной.

2.3.1. Просеивание по размерам

Наиболее широко известным механизмом разделения является просеивание по размерам. Размер пор мембраны находится как раз между молекулой меньшего размера и молекулой большего размера, как показано на рисунке 5. Меньшая молекула газа A свободно проходит через канал поры, в то время как соответствующий газ B не может проникнуть в пору. В результате чистый компонент A получается в потоке пермеата из газовой смеси A – B. Этот механизм применяется для разделения газовых смесей с очень разными молекулярными размерами, таких как H ₂ и CO ₂, H ₂ и углеводородов и т. Д.Некоторые общие газокинетические диаметры приведены в таблице 2. Просеивание по размеру в основном осуществляется через микропористую мембрану.

Газ	σ (нм)
He	0,26
H ₂	0,289
CO	0 219 Ар	0,341
O ₂	0,346
N ₂	0.364
CH ₄	0,38

Таблица 2.

Кинетический диаметр различных газов.

Рисунок 5.

Механизм разделения на просеивании.

2.3.2. Поверхностная диффузия

Когда материал мембраны имеет более высокое сродство к одному конкретному компоненту, чем к другому, этот аффинитивный компонент предпочтительно адсорбируется на поверхности мембраны, а затем молекулы адсорбированного газа перемещаются вдоль поверхности пор к стороне пермеата до тех пор, пока не десорбируются в проникающий газ .Поскольку мембрана занята компонентом с высокой адсорбцией, менее адсорбируемый компонент имеет меньшую вероятность проникнуть в пору, что приводит к гораздо более низкой проницаемости. Таким образом, более адсорбируемый газ отделяется от газовой смеси (Рисунок 6). Этот тип механизма обычно используется для отделения адсорбирующего газа от неадсорбирующего газа, такого как CO ₂ с He, CO ₂ с H ₂. Поверхностная диффузия обычно действует в микро- и мезопористых мембранах.

Рисунок 6.

Механизм поверхностного диффузионного разделения.

2.3.3. Диффузия раствора

В отличие от мембран, описанных выше, плотная мембрана не имеет порового канала для транспортировки газа. Однако он следует модели диффузии раствора. Процесс разделения газов с использованием плотных мембран происходит в три этапа, что аналогично поверхностной диффузии. Плотная мембрана не имеет пор для размещения молекул газа, однако она может растворять определенный газовый компонент. Как показано на фиг. 7, из-за разницы в растворимости или абсорбционной способности материала мембраны, газ A растворяется или абсорбируется в мембране после того, как они контактируют на границе раздела материалов, тогда как газ B все еще остается в виде газовой фазы на границе раздела.Второй этап — это растворенный компонент A, диффундирующий через мембрану под действием градиента концентрации от границы раздела исходных материалов к границе раздела пермеата. Наконец, компонент А десорбируется с поверхности раздела пермеата под низким давлением. Это обычный механизм массопереноса в полимерной мембране.

Рисунок 7.

Механизм диффузионного разделения раствора.

2.3.4. Облегченная транспортировка

Процесс диффузии раствора часто ограничивается низкой скоростью потока пермеата из-за комбинации низкой растворимости и / или низкого коэффициента диффузии.Напротив, облегченная транспортировка, которая доставляет целевой компонент с помощью носителя, может увеличить скорость потока пермеата. Как показано на рисунке 8, газ A и носитель C образуют временный продукт A – C, являющийся результатом обратимой химической реакции. Продукт диффундирует через мембрану под градиентом концентрации этого продукта A – C вместо градиента концентрации A. На границе пермеата имеет место обратная реакция, и в результате этой обратной реакции выделяется A. A выпускается в поток пермеата, а C снова диффундирует обратно к интерфейсу подачи, чтобы присоединиться и доставить новый A.Облегченный транспортный механизм обычно присутствует в жидкой мембране.

Рисунок 8.

Упрощенный механизм разделения транспорта.

2.3.5. Перенос ионов

Перенос ионов обычно применяется при разделении воздуха (O ₂ / N ₂). Как показано на рисунке 9, только молекула газообразного кислорода (O ₂) может быть преобразована в два иона кислорода (2O ^2-) посредством реакции поверхностного обмена на границе раздела исходных материалов. Азот остается на стороне подачи. Ионы кислорода переносятся, перескакивая между кислородными вакансиями в решетке мембраны.На границе пермеата электроны высвобождаются, когда ионы кислорода рекомбинируют в молекулы кислорода. Чтобы поддерживать электрическую нейтральность, существует одновременный поток электронов, возвращающийся к границе раздела фаз, нейтрализующий заряд, вызванный потоком кислорода.

Рисунок 9.

Механизм разделения ионного транспорта.

3. Мембраны для улавливания перед сжиганием

Улавливание перед сжиганием — это процесс, который отделяет CO ₂ от других топливных газов перед сжиганием газа.Во-первых, он включает процессы преобразования твердого, жидкого или газообразного топлива в смесь синтез-газа (H ₂ и CO) и CO ₂ путем газификации угля или парового риформинга. Затем проводится реакция конверсии водяного газа (WGS) для снижения содержания CO, в результате чего образуется больше H ₂ и CO ₂. Затем применяется мембранное разделение для разделения H ₂ и CO ₂. После сжатия богатый поток CO ₂ транспортируется в место хранения или использования.Между тем, почти чистый поток H ₂ поступает в камеру сгорания для выработки энергии, которая выделяет в выхлопе в основном водяной пар.

Исходный газ, поступающий в результате газификации, риформинга и WGS, улавливаемый перед сжиганием CO ₂, является горячим с температурой от 300 до 700 ° C. Кроме того, разделение перед сжиганием может происходить при высоких давлениях до 80 бар.

Мембраны предварительного сжигания в основном подразделяются на две категории: H ₂ — селективная мембрана и CO ₂ — селективная мембрана.Первый способствует проникновению H ₂, но удерживает CO ₂ на стороне подачи, в то время как последний предпочтительно проникает CO ₂.

В принципе, металлическая мембрана является идеальным кандидатом для разделения H ₂ / CO ₂ из-за бесконечной селективности. Молекула H ₂ диссоциирует в виде двух атомов H на поверхности мембраны, а затем атомарный H диффундирует к пермеатной стороне мембраны за счет падения парциального давления, за которым следует ассоциация и десорбция на границе пермеата.Поток пермеата определяется соотношением

Jh3 = Ph3Lpfeed − ppermeate.E1

Этот механизм аналогичен диффузии раствора и переносу ионов. Причина бесконечной селективности H ₂ по сравнению с CO ₂ заключается в том, что этот механизм диссоциации-диффузии применяется только к двухатомным газам, таким как H ₂ и CO ₂, которые не могут проникать по тому же механизму. Для ультратонкой мембраны этапом, ограничивающим скорость, является диссоциация водорода на поверхности мембраны, и материал Pd лучше всего подходит для диссоциации водорода.Следовательно, Pd-мембрана интенсивно исследовалась в последние несколько десятилетий. H ₂ Проницаемость через палладиевую мембрану колеблется в диапазоне от 10 ⁻⁷ до 10 ⁻⁸ моль с ⁻¹ м ⁻¹ Па ^−0,5 (Таблица 3). Однако проницаемость еще не удовлетворяла промышленным требованиям. Это связано с медленным проникновением атома H в решетку Pd, что на порядок меньше, чем в других металлах. Для повышения проницаемости был исследован ряд сплавов на основе палладия.Список представленных данных по проницаемости представлен в Таблице 4. Мембраны из сплава значительно улучшают проницаемость H ₂ на 2–3 порядка величины.

P0218 9 × 10 ⁻⁹

Мембрана	Проницаемость (моль с ⁻¹ м ⁻¹ Па ^−0,5)	Температура (° C)	Ссылка
227	[3]
Pd на ленточном диске	1.47 × 10 ⁻⁷	407	[4]
Диск Pd	1,08 × 10 ⁻⁷	300	[5]
Диск Pd	1,06 × 10 ⁻⁷	350	[6]
Диск Pd из листа Pd	7,25 × 10 ⁻⁷	400	[7]
Pd на опоре Vycor	3,10 × 10 ^-7	350	[8]
Pd на никеле	2.00 × 10 ⁻¹²	200	[9]
Pd на подложке из Викора	1,18 × 10 ⁻⁷	500	[10]
Pd на γ оксиде алюминия	1,47 × 10 ⁻⁷	480	[11]
Pd на оксиде алюминия	6,27 × 10 ⁻⁸	300	[12]
Pd на оксиде алюминия	3,75 10 ⁻⁸	400	[13]

Таблица 3.

Проницаемость для водорода через палладиевую мембрану.

Cu ₄₁

Мембрана	Проницаемость (моль с ⁻¹ м ⁻¹ Па ^−0,5)	Температура (° C)	Артикул
1,59 × 10 ⁻⁷	400	[6]
Pd ₆₀ Cu ₄₀	1.57 × 10 ⁻⁷	350	[5]
Pd ₆₀ Cu ₄₀	1,78 × 10 ⁻⁷	400	[5]
Pd ₉₄ Cu ₆	3,65 × 10 ⁻⁸	400	[14]
Pd ₅₀ Ni ₅₀	7,00 × 10 ⁻⁶	450	[ 15]
Pd ₆₉ Ag ₃₀ Ru ₁	1.03 × 10 ⁻⁶	400	[13]
Pd ₇₀ Ag ₃₀	2,35 × 10 ⁻⁷	400	[13]
Pd ₇₇ Ag ₂₃	1,35 × 10 ⁻⁷	350	[16]
Pd ₇₇ Ag ₂₃	5,00 × 10 ⁻⁵	450	[ 17]
Pd ₉₃ Ag ₇	7.25 × 10 ⁻⁸	400	[14]

Таблица 4.

Проницаемость для водорода через сплав на основе палладия.

Тем не менее, необходимо преодолеть несколько препятствий для коммерциализации мембран на основе палладия. Во-первых, стоимость палладия составляет около 18 000 долларов США за унцию (на июнь 2016 г.), что в 150 раз дороже, чем кремнеземная мембрана. Во-вторых, движущая сила проникновения H ₂ связана не с давлением; вместо этого, это из квадратного корня давления (ур.(1)). Следовательно, эффект сжатия подаваемого газа не так значителен, как в других механизмах проникновения. Кроме того, при температурах ниже 300 ° C водородное охрупчивание вызывает катастрофический отказ. Кроме того, такие загрязнения, как CO, NH ₃ и соединения серы, препятствуют проникновению H ₂ через палладиевую мембрану. В настоящее время мембранное разделение палладия все еще проводится в небольших лабораториях.

Помимо металлической мембраны, неорганическая мембрана также играет важную роль в разделении H ₂ / CO ₂ при повышенных температурах.Разделение с помощью неорганической мембраны обычно достигается за счет эффекта просеивания по размерам молекул. Мембрана углеродного молекулярного сита продемонстрировала в пилотном масштабе возможность отделения H ₂ от газовых потоков нефтепереработки в начале 1990-х годов. Недостатком углеродной мембраны является то, что она возможна только в неокислительных условиях. Другой тип неорганической мембраны — это мембрана из оксида алюминия. Однако размер большинства пор находится вне диапазона микропор и не может отделить газ с помощью механизма просеивания по размеру.Из-за большого размера пор селективность алюмооксидной мембраны довольно низкая.

Мембрана из диоксида кремния демонстрирует большой коммерческий потенциал для разделения H ₂ и CO ₂. Это один из самых распространенных материалов на планете, поэтому его стоимость значительно снижается. Кроме того, хорошая термическая и химическая стабильность позволяет работать в течение длительного времени без частой замены или обслуживания. Диаметр пор можно контролировать на уровне около 0,3 нм с помощью надлежащего процесса прокаливания покрытия, что является идеальным размером для разделения H ₂ (σ = 0.26 нм) и CO ₂ (σ = 0,33 нм). Характеристики некоторых известных мембран из диоксида кремния суммированы в таблице 5. Из-за сложности измерения толщины мембраны на пористой подложке проницаемость H ₂, деленная на толщину, объединяется как проницаемость.

Мембрана	Проницаемость (моль с ⁻¹ м ⁻² Па ⁻¹)	H ₂ / CO _{14 2}13 Селективность 902 ° )	Каталожный номер
Кремнезем (Si400)	2.01 × 10 ⁻⁶	7	200	[18]
Кремнезем (гидрофобный)	1,51 × 10 ⁻⁶	6	200	[19]
Кремнезем на диоксиде циркония	1,34 × 10 ⁻⁶	4	300	[20]
Кремнезем	1,34 × 10 ⁻⁶	8	300	[20]
Кремнезем (Si600)	5.02 × 10 ⁻⁷		200	[18]
Кремнезем (гидрофильный)	6,70 × 10 ⁻⁹	11	200	[19]
Кремнезем с Co	5,00 × 10 ⁻⁹	1000	250	[21]
Кремнезем	1,80 × 10 ⁻⁸	15–80	150	[22]
Кремнезем с Co и Pd	6.00 × 10 ⁻⁶	200	500	[23]
Кремнезем (ES40)	1,01 × 10 ⁻⁶	12	450	[24]
Трубчатый кремнезем АКП-30	1,8 × 10 ⁻⁶	3,5	200	[25]
Кремнезем с поверхностно-активным веществом C6	1,5 × 10 ⁻⁶	6	200	[19]
Кремнезем без поверхностно-активного вещества C6	7.0 × 10 ⁻⁹	10	200	[19]

Таблица 5.

H ₂ / CO ₂ Эффективность разделения с помощью мембраны на основе диоксида кремния.

Проницаемость H ₂ кремнеземной мембраны может достигать порядка 10 ⁻⁶ моль с ⁻¹ м ⁻² Па ⁻¹, что убедительно свидетельствует о том, что кремнеземная мембрана конкурентоспособна в пред -улавливание горения. Однако воздействие водяного пара с высокой концентрацией приводит к ухудшению характеристик кремнеземной мембраны.Такой устойчивый спад в течение длительного времени может вызвать уменьшение проницаемости H ₂ на порядок. Это по-прежнему препятствует коммерциализации кремнеземной мембраны.

Как непористая мембрана, полимерная мембрана проникает в газы посредством механизма диффузии раствора. Проницаемость — это функция газопроводности и растворимости. Молекулы водорода диффундируют быстрее, чем другие газы, из-за небольшого размера молекул. Однако более низкая растворимость водорода в полимерной мембране снижает ее проницаемость.Для селективных полимерных мембран H ₂ проницаемость ограничена низкой растворимостью H ₂. Существует широкий ассортимент полимерных мембран для отделения H ₂ от CO ₂. Характеристики некоторых полимерных мембран показаны в таблице 6. Высокая проницаемость наблюдается для полиимидов, таких как 6FDA-дурен. Сообщается о более высокой селективности полибензимидазола и поливинилхлорида, но проницаемость H ₂ нарушена.

Мембрана	Проницаемость (моль с ⁻¹ м ⁻² Па ⁻¹)	H ₂ / CO _{14 2}13 Селективность 902 ° )	Ссылка
6FDA-Durene	1.89 × 10 ⁻⁹	1	35	[26]
Полибензимидазол	3,15 × 10 ⁻¹²	45	35	[27]
Поли (винил хлорид)	5,36 × 10 ⁻¹²	11	35	[28]
Поли (винилхлорид)	6,30 × 10 ⁻¹²	11	30	[29 ]
Полибензимидазол	2.89 × 10 ⁻¹³	9	20	[30]
	4,10 × 10 ⁻¹¹	20	270
	3,41 × 10 ⁻¹¹	3	300

Таблица 6.

H ₂ / CO ₂ Эффективность разделения полимерной мембраной.

Единственным недостатком полимерных мембран является низкая термическая стабильность при рабочих температурах более 100 ° C.Только полибензимидазол был исследован в диапазоне температур (300–700 ° C) для очистки синтез-газа. Для полибензимидазольной мембраны наибольшие характеристики проницаемости H ₂ и селективности H ₂ / CO ₂ наблюдаются между 200 и 270 ° C. Эта пиковая производительность может быть связана с увеличением коэффициента диффузии меньшей молекулы H ₂ при повышении температуры. Что еще более важно, характеристики полимерных мембран зависят от их стабильности в среде реального процесса.Например, воздействие таких газов, как CO ₂, водяной пар и H ₂ S, может привести к пластификации и механическому загрязнению.

Из-за хорошей термической и гидротермальной стабильности цеолитные мембраны также рассматривались как еще один возможный кандидат для разделения H ₂ и CO ₂. Цеолит имеет упорядоченную пористую структуру. Если размер порового канала правильный, может быть достигнуто эффективное просеивание по размеру. Несмотря на относительно простую концепцию, только несколько типов цеолитов применимы, поскольку для этого механизма молекулярного сита требуются идеальные мембраны.Это остается проблемой для цеолитных мембран. Эффективность ряда описанных разделений H ₂ / CO ₂ с использованием цеолитных мембран суммирована в таблице 7. В общем, ни проницаемость H ₂, ни селективность H ₂ / CO ₂ не могут превышать ~ 10 ⁶ моль с ⁻¹ м ⁻² Па ⁻¹ и ~ 50 для удовлетворения промышленных требований.

902

Мембрана	Проницаемость ^a (моль с ⁻¹ м ⁻² Па ⁻¹) или проницаемость ^b −1 ^{моль с ^{моль 1} Па ^-1)}	H ₂ / CO ₂ селективность	Температура (° C)	Ссылка
MFI	2.82 × 10 ⁻⁷ ^a	42,6	500	[31]
MFI	1,50 × 10 ⁻⁷ ^a	5	200	[32]	[32]
Шаблон MFI без шаблона	1,50 × 10 ⁻⁸ ^a	3	500	[33]
DDR	5,00 × 10 ⁻⁸ ^a	500	[34]
DDR от CVD	2.24 × 10 ⁻⁸ ^a	5,9	500	[35]
Цеолит-A	9,45 × 10 ⁻¹⁰ ^a	10	35	[ ]
MFI	1,76 × 10 ⁻⁹ ^a	18	450	[37]
AIPO ₄-5 Цеолит	3,15 × 10 ^{^{^а}}	24	35	[38]
ZSM-5	5.68 × 10 ⁻⁸ ^a		110	[39]
ZIF-69	6,60 × 10 ⁻⁸ ^a	1,8	25	[40]
13X с PI	6,93 × 10 ⁻¹¹ ^b	2,8	25	[41]

Таблица 7.

H ₂ / CO ₂ Эффективность разделения цеолитными мембранами.

^a Проницаемость.

^b Проницаемость.

Мембрана с металлоорганическим каркасом (MOF) стала новым кандидатом для разделения H ₂ / CO ₂. В материалах MOF кластерные катионы металлов или оксидов металлов связаны между собой органическими анионами. Координационные полимеры образуют гибкие каркасы, поэтому такие MOF называют «мягкими пористыми кристаллами». Таблица 8 суммирует проницаемость H ₂ и селективность H ₂ / CO ₂ с использованием различных мембран MOF.Несмотря на относительно умеренную селективность по проницаемости, наблюдаются привлекательно высокие проницаемости. Из-за наличия органических лигандов рабочая температура для мембран из MOF обычно ниже, чем температуры перед горением. Синтез мембран MOF является относительно сложным, так что стоимость должна быть заметно снижена при коммерциализации. Мембранам из MOF еще предстоит пройти долгий путь, чтобы удовлетворить потребности промышленного применения.

8,00 × 10 ⁻⁷

Мембрана	Проницаемость (моль с ⁻¹ м ⁻² Па ⁻¹)	H ₂ / CO _{14 2}13 Селективность 902 ° )	Артикул
MOF5	2.80 × 10 ⁻⁶	4,3	25	[42]
MOF5	4,40 × 10 ⁻⁷	4,4	25	[43]
	MOF5	3,5	25	[44]
Ni-MOF-74	1,27 × 10 ⁻⁵	9,1	25	[45]
NH ₂ -MIL-53 (Al)	1.98 × 10 ⁻⁶	30,9	25	[46]
MIL-53	5,00 × 10 ⁻⁷	4	25	[47]
ZIF -7	7,40 × 10 ⁻⁷	6,7	200	[48]
ЗИФ-7	4,55 × 10 ⁻⁷	13	220	[49]
ЗИФ-7	4,57 × 10 ⁻⁶	9.6	25	[50]
ZIF-7	3,05 × 10 ⁻⁶	18,3	170	[50]
ZIF-8	5,00 × 10 ^{— 8}	3,5	25	[51]
ЗИФ-8	1,80 × 10 ⁻⁷	3	25	[52]
ЗИФ-8	2,66 × 10 ⁻⁵	8,8	100	[53]
ЗИФ-22	2.00 × 10 ⁻⁷	7,2	25	[54]
ZIF-90	2,95 × 10 ⁻⁷	16,9	225	[55]
ZIF -95	1,90 × 10 ⁻⁶	25,7	52	[56]
JUC-150	1,83 × 10 ⁻⁷	38,7	25	[57]
HKUST-1	1.10 × 10 ⁻⁶	5,5	190	[58]
MMOF	2,00 × 10 ⁻⁹	5	190	[59]

Таблица 8 .

H ₂ / CO ₂ Разделение с помощью мембран MOF.

В отличие от H ₂ -селективных мембран, CO ₂ -селективные мембраны предпочтительно проникают в CO ₂ и, таким образом, они также позволяют разделить CO ₂ и H ₂.Отделение CO ₂ от H ₂ может быть реализовано только посредством поверхностной диффузии или диффузии раствора, обусловленной различием в адсорбирующей способности или растворимости между газами. Однако удерживать небольшие молекулы H ₂, но проникая в более крупные CO ₂, действительно сложно. Чтобы максимизировать разницу адсорбции или растворения между двумя газами, температура должна быть низкой, однако низкие температуры не благоприятствуют процессам перед сжиганием.С этой точки зрения CO ₂ -селективные мембраны гораздо менее применимы, чем H ₂ -селективные.

4. Мембраны для улавливания дожигания

Другая ситуация, когда нам нужно отделить CO ₂, возникает после сгорания топлива. Выхлопной газ (дымовой газ) в основном содержит CO ₂, H ₂ O и N ₂. H ₂ O легко удаляется конденсацией. Требуются дополнительные усилия для разделения CO ₂ и N ₂ перед дальнейшими обработками, такими как сжатие.В отличие от улавливания перед сгоранием, улавливание дожигания отделяет CO ₂ / N ₂ при умеренных температурах и атмосферном давлении. Такие условия эксплуатации кажутся менее суровыми, чем условия процессов до сжигания. В результате улавливание дожигания столкнулось с гораздо меньшими трудностями и, следовательно, гораздо ближе к практическому применению. Основной проблемой улавливания после сжигания является низкая объемная доля CO ₂ в дымовых газах, то есть ~ 15%, что приводит к низкой движущей силе проникновения CO ₂.

Разделение CO ₂ / N ₂ в основном зависит от поверхностной диффузии и диффузии раствора, что обусловлено различием в адсорбирующей способности и растворимости между газами. Хорошо то, что по сравнению с N ₂, CO ₂ с большей вероятностью будет отдаваться предпочтению большинству мембранных материалов посредством адсорбции или абсорбции. Кроме того, диаметр CO ₂ немного меньше, чем у N ₂, что также увеличивает диффузию CO ₂ (см. Таблицу 2).Поэтому для улавливания дожигания обычно используются CO ₂ -селективные мембраны.

Для улавливания CO ₂ из дымовых газов мембрана должна удовлетворять нескольким требованиям, таким как высокая проницаемость для CO ₂, высокая селективность CO ₂ / N ₂, высокая термическая и химическая стабильность и приемлемые затраты. Пока что мембраны на полимерной основе являются единственным коммерчески жизнеспособным типом для удаления CO ₂ из дымовых газов. Материалы мембран включают ацетат целлюлозы, полимиды, полисульфон и поликарбонаты.В таблице 9 показаны характеристики нескольких таких мембран.

Мембрана	Проницаемость ^a (моль с ⁻¹ м ⁻² Па ⁻¹) или проницаемость ^b −1 ^{моль с ^{моль 1} Па ⁻¹)}	CO ₂ / N ₂ селективность	Температура (° C)

Гиперглоссарий MSDS: диоксид углерода

Определение

Двуокись углерода представляет собой негорючий газ без цвета, запаха, слабой кислоты и вкуса при комнатной температуре.Твердый диоксид углерода, также известный под торговым названием Dry Ice , сублимируется (преобразуется непосредственно из твердого вещества в газ) при -78 ^o ° C (-109 ⁰ F) или выше.

Двуокись углерода представляет собой твердое вещество с молекулярной формулой CO ₂. Линейная молекула состоит из атома углерода, который дважды связан с двумя атомами кислорода, O = C = O.

Примечание: Хотя оба являются обычными продуктами сгорания, НЕ путайте нетоксичный оксид углерода di со смертельно ядовитым оксидом углерода.

Дополнительная информация

Двуокись углерода — четвертый по содержанию газ в атмосфере Земли. Животные выделяют углекислый газ, а растения используют фотосинтез для преобразования его в сахар и другие формы энергии.

В коммерческих целях диоксид углерода находит тысячи применений. Самый известный пример — его использование для газирования безалкогольных напитков и пива. Он также находит применение в технологии, называемой сверхкритической жидкостной экстракцией, которая используется для обеззараживания кофе.Сухой лед используется в театральных постановках для создания сценических туманов и создания пузырей «волшебных зелий», как показано справа.

Распространенное заблуждение — углекислый газ — это видимый газ. Белый туман, который можно увидеть вокруг твердого углекислого газа, на самом деле представляет собой водяной пар, который конденсируется из воздуха. Выбросы из огнетушителя с диоксидом углерода белые отчасти из-за конденсированного водяного пара и отчасти из-за твердого CO ₂ «снега», который быстро сублимируется в невидимый газообразный диоксид углерода.

Углекислый газ слегка растворяется в воде с образованием слабой кислоты, которая называется угольная кислота , H ₂ CO ₃:

CO ₂ + H ₂ O H ₂ CO ₃

Угольная кислота слабо и обратимо реагирует в воде с образованием катиона гидроксония H ₃ O ⁺ и бикарбонат-иона HCO ₃ ^—:

H ₂ CO ₃ + H ₂ O HCO ₃ ^— + H ₃ O ⁺

Это химическое поведение объясняет, почему вода, которая обычно имеет нейтральный pH 7, имеет кислый pH приблизительно 5.5 при контакте с воздухом. Это также объясняет ощущение жжения / покалывания в носу и глазах, когда вы слишком быстро вдыхаете из только что открытой емкости с содовой; газ быстро вступает в реакцию с водой в глазах и носу с образованием небольшого количества углекислоты.

Углекислый газ представляет собой основную опасность для здоровья:

Удушье . Выпуск любого газа в замкнутом или непроветриваемом помещении может снизить концентрацию кислорода до уровня, который является непосредственным опасным для жизни или здоровья (см. Первую ссылку в разделе «Дополнительная литература» ниже).Будьте очень осторожны при входе в грузовик или комнату, где хранится твердый или газообразный CO ₂. Аналогичным образом, некоторые предприятия и лаборатории хранят сухой лед в больших ящиках для льда с верхней загрузкой; будьте очень осторожны, наклоняя голову вниз, чтобы достать блок снизу.

Глава 53 (Сжатые газы) Международного пожарного кодекса (IFC) 2018, раздел 5307.3 касается систем с двуокисью углерода, используемых в системах розлива напитков, требующих либо вентиляции, либо системы аварийной сигнализации, в которой используется или может накапливаться углекислый газ.NFPA 55, Кодекс по сжатым газам и криогенным жидкостям, также содержит требования к сигналам тревоги для систем CO ₂ (доступ бесплатный после регистрации).

Концентрации в воздухе более 10% . Помните те химические реакции, которые мы видели выше? Это химическое равновесие, что означает, что относительные количества продуктов и реагентов зависят от их концентраций. Сильные изменения концентрации углекислого газа или бикарбоната могут привести к повреждению почек, коме или даже смерти! Подробное техническое обсуждение роли бикарбоната в организме см. В этом лабораторном руководстве «Кровь, пот и буферы: регулирование pH во время упражнений» в WUSTL.
Обморожение . Твердый диоксид углерода (сухой лед) всегда составляет -78 ^o C (-109 ⁰ F) при обычном атмосферном давлении независимо от температуры воздуха. Работа с этим материалом более одной-двух секунд без надлежащих перчаток может вызвать серьезные волдыри или даже хуже. Углекислый газ, выделяемый из баллона со сжатым газом (например, из огнетушителя), представляет аналогичную опасность. Избегайте попадания каких-либо частей тела прямо на путь разряда и будьте осторожны при прикосновении к любым металлическим частям, через которые проходит газ.
Взрыв давления . Углекислый газ имеет давление пара 830 фунтов на квадратный дюйм при 20 ° C. Другими словами, если поместить твердый диоксид углерода в закрытый контейнер при комнатной температуре, диоксид углерода в конечном итоге превратится в жидкость, и давление над этой жидкостью будет 830 фунтов на квадратный дюйм (примерно в 56 раз больше нормального атмосферного давления). Давление всегда будет 830 фунтов на квадратный дюйм, пока в закрытом контейнере присутствует жидкий диоксид углерода, а при более высоких температурах давление будет еще больше.

Хотя такое давление не является проблемой для газовых баллонов или огнетушителей, прошедших испытания под давлением, обычные контейнеры (бутылки из-под соды, банки с растворителями для краски, контейнеры-термосы и т. Д.) Не выдерживают такого давления и взорвутся и создадут шрапнель, если внутри твердый диоксид углерода окажется герметичным. их. Помещение твердого углекислого газа в закрытые емкости любого типа (из стекла, пластика, металла и т. Д.) Чрезвычайно опасно и может привести к серьезным травмам или смерти. .

Если после прочтения вышеприведенных параграфов вы даже подумаете о создании углекислотной бомбы как о «розыгрыше», то вы полный идиот. Мы лично читали полный медицинский отчет ученика средней школы, который потерял глаз в 2006 году — об одной из нескольких бомб, намеренно созданных его учителем в качестве «демонстрации». А в 2011 году учитель из Чикаго вынул своему ученику глаз, пытаясь продемонстрировать давление, запечатав твердый углекислый газ в пластиковой бутылке.Мало того, что риск травмы (или даже смерти) очень высок, во многих штатах создание, владение или использование такого устройства является уголовным преступлением. См. Отряд по разминированию полицейского управления Солт-Лейк-Сити предостерегает от самодельных химических бомб.

Наконец, обратите внимание, что диоксид углерода является «парниковым газом». Хотя он естественным образом присутствует в атмосфере, деятельность человека, такая как сжигание ископаемого топлива, резко увеличила концентрацию CO ₂ в атмосфере и способствовала глобальному потеплению.

Соответствие паспорту безопасности

Вы, скорее всего, столкнетесь с углекислым газом в паспорте безопасности, относящемся к мерам пожаротушения. Огнетушители с двуокисью углерода подходят не для всех пожаров. , особенно при пожарах, связанных с горючими металлами и пирофорными веществами. Использование огнетушителя CO ₂ для тушения таких пожаров очень похоже на поджигание бензина! Для получения дополнительной информации об огнетушителях и загружаемой презентации PowerPoint посетите нашу страницу «Огнетушители».

Если ваша компания использует автоматическую систему пожаротушения (например, в компьютерном зале или там, где используются горючие органические растворители), необходимо принять важные меры предосторожности, чтобы избежать удушья. Необходимы специальные указатели и обучение. Три различных стандарта OSHA охватывают стационарные системы пожаротушения; см. ссылку OSHA в разделе «Дополнительная литература» ниже.

Вы также можете найти диоксид углерода, упомянутый как продукт разложения или несовместимый материал.

Дополнительная литература

См. Также : Удушение, органическое, пар.

Дополнительные определения от Google и OneLook.

Последнее обновление записи: 2 февраля 2020 г., воскресенье. Права на эту страницу принадлежат ILPI, 2000-2020. Несанкционированное копирование или размещение на других веб-сайтах категорически запрещено. Присылайте нам предложения, комментарии и пожелания о новых записях (при необходимости укажите URL-адрес) по электронной почте.

Заявление об ограничении ответственности : Информация, содержащаяся в данном документе, считается правдивой и точной, однако ILPI не дает никаких гарантий относительно правдивости любого заявления. Читатель использует любую информацию на этой странице на свой страх и риск. ILPI настоятельно рекомендует читателям консультироваться с соответствующими местными, государственными и федеральными агентствами по вопросам, обсуждаемым здесь.

Инженеры разработали новый способ удаления углекислого газа из воздуха

На этой схеме новой системы воздух, поступающий сверху справа, проходит в одну из двух камер (серые прямоугольные структуры), содержащих электроды батареи, которые притягивают углекислый газ.Затем поток воздуха переключается в другую камеру, а накопленный углекислый газ в первой камере сливается в отдельный резервуар для хранения (справа). Эти чередующиеся потоки позволяют непрерывно работать в двухступенчатом процессе. Предоставлено: Массачусетский технологический институт.

Новый способ удаления углекислого газа из потока воздуха может стать важным инструментом в борьбе с изменением климата. Новая система может работать с газом практически при любом уровне концентрации, вплоть до примерно 400 частей на миллион, которые в настоящее время обнаруживаются в атмосфере.

Большинство методов удаления диоксида углерода из потока газа требуют более высоких концентраций, таких как те, которые обнаруживаются в выбросах дымовых газов электростанций, работающих на ископаемом топливе. Было разработано несколько вариантов, которые могут работать с низкими концентрациями, обнаруженными в воздухе, но новый метод значительно менее энергоемкий и дорогой, говорят исследователи.

Методика, основанная на пропускании воздуха через стопку заряженных электрохимических пластин, описана в новой статье в журнале Energy and Environmental Science постдока Массачусетского технологического института Саага Воскяна, который разработал эту работу во время своей докторской диссертации.Д. и Т. Алан Хаттон, профессор химической инженерии Ральфа Ландау.

Устройство представляет собой большую специализированную батарею, которая поглощает углекислый газ из воздуха (или другого газового потока), проходящего через его электроды во время зарядки, а затем выделяет газ во время разряда. В процессе работы устройство будет просто чередоваться между зарядкой и разрядкой, при этом свежий воздух или подаваемый газ продувается через систему во время цикла зарядки, а затем чистый концентрированный диоксид углерода выдувается во время разрядки.

По мере зарядки аккумулятора на поверхности каждого пакета электродов происходит электрохимическая реакция. Они покрыты составом под названием полиантрахинон, который состоит из углеродных нанотрубок. Электроды обладают естественным сродством к диоксиду углерода и легко реагируют с его молекулами в потоке воздуха или подаваемом газе, даже когда он присутствует в очень низких концентрациях. Обратная реакция происходит, когда батарея разряжается — во время которой устройство может обеспечить часть энергии, необходимой для всей системы, — и в процессе выбрасывает поток чистого диоксида углерода.Вся система работает при комнатной температуре и нормальном давлении воздуха.

Предоставлено: Массачусетский технологический институт

. «Самым большим преимуществом этой технологии перед большинством других технологий улавливания или поглощения углерода является бинарная природа сродства адсорбента к диоксиду углерода», — объясняет Воскиан. Другими словами, электродный материал по своей природе «имеет либо высокое сродство, либо полное отсутствие сродства», в зависимости от состояния заряда или разряда батареи.Другие реакции, используемые для улавливания углерода, требуют промежуточных этапов химической обработки или ввода значительной энергии, такой как тепло или перепад давления.

«Это бинарное сродство позволяет улавливать углекислый газ любой концентрации, включая 400 частей на миллион, и позволяет его выпускать в любой поток носителя, включая 100-процентный CO. ₂», — говорит Воскиан. То есть, когда любой газ проходит через стопку этих плоских электрохимических ячеек, во время стадии высвобождения захваченный диоксид углерода будет уноситься вместе с ним.Например, если желаемым конечным продуктом является чистый диоксид углерода, который будет использоваться при газировании напитков, то поток чистого газа можно продуть через пластины. Уловленный газ затем выходит из пластин и присоединяется к потоку.

На некоторых заводах по розливу безалкогольных напитков ископаемое топливо сжигается для выработки углекислого газа, необходимого для того, чтобы напитки стали шипеть. Точно так же некоторые фермеры сжигают природный газ для производства углекислого газа, чтобы кормить свои растения в теплицах. Новая система могла бы устранить потребность в ископаемом топливе в этих приложениях и в процессе фактически удалить парниковый газ прямо из воздуха, говорит Воскиан.В качестве альтернативы поток чистого углекислого газа может быть сжат и закачан под землю для долгосрочного захоронения или даже превращен в топливо с помощью ряда химических и электрохимических процессов.

Процесс, который эта система использует для улавливания и выделения диоксида углерода, «революционен», — говорит он. «Все это происходит в условиях окружающей среды — нет необходимости в воздействии тепла, давления или химикатов. Это просто очень тонкие листы с активными обеими поверхностями, которые можно сложить в коробку и подключить к источнику электричества.«

«В моих лабораториях мы стремимся разрабатывать новые технологии для решения ряда экологических проблем, которые позволяют избежать необходимости в источниках тепловой энергии, изменениях давления в системе или добавлении химикатов для завершения циклов разделения и высвобождения», — говорит Хаттон. . «Эта технология улавливания углекислого газа является наглядной демонстрацией мощности электрохимических подходов, которые требуют лишь небольших колебаний напряжения для разделения».

Поток воздуха или дымового газа (синий), содержащий двуокись углерода (красный), входит в систему справа.Проходя между тонкими пластинами электродов аккумуляторной батареи, углекислый газ присоединяется к заряженным пластинам, в то время как очищенный воздушный поток проходит через них и выходит слева. Предоставлено: Массачусетский технологический институт.

На работающей установке — например, на электростанции, где выхлопной газ производится непрерывно, — два набора таких пакетов электрохимических ячеек могут быть установлены бок о бок для параллельной работы, при этом дымовой газ сначала направляется на один набор для улавливания углерода, затем перенаправляется на второй набор, в то время как первый набор переходит в цикл разгрузки.При чередовании движения вперед и назад система всегда могла улавливать и выпускать газ. В лаборатории команда доказала, что система может выдерживать не менее 7000 циклов зарядки-разрядки с 30-процентной потерей эффективности за это время. По оценкам исследователей, они могут легко улучшить это число до 20 000–50 000 циклов.

Сами электроды могут быть изготовлены стандартными методами химической обработки. Хотя сегодня это делается в лабораторных условиях, его можно адаптировать так, чтобы в конечном итоге их можно было производить в больших количествах с помощью процесса производства рулонов, аналогичных газетному печатному станку, говорит Воскян.«Мы разработали очень рентабельные методы», — говорит он, оценивая, что их можно производить примерно по десяткам долларов за квадратный метр электрода.

По сравнению с другими существующими технологиями улавливания углерода, эта система достаточно энергоэффективна, постоянно потребляя около одного гигаджоуля энергии на тонну улавливаемого диоксида углерода. По словам Воскяна, у других существующих методов потребление энергии варьируется от 1 до 10 гигаджоулей на тонну, в зависимости от концентрации углекислого газа на входе.

Исследователи создали компанию Verdox для коммерциализации процесса и надеются разработать пилотную установку в течение следующих нескольких лет, говорит он. По его словам, систему очень легко масштабировать: «Если вам нужна большая емкость, вам просто нужно сделать больше электродов».

Первая полностью перезаряжаемая углекислотная батарея с нулевым выбросом углерода

Дополнительная информация: Sahag Voskian et al.Реактивная адсорбция по Фарадею для улавливания CO2, Energy & Environmental Science (2019). DOI: 10.1039 / C9EE02412C Предоставлено Массачусетский Технологический Институт

Этот рассказ переиздан с разрешения MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярный сайт, на котором освещаются новости об исследованиях, инновациях и обучении MIT.

Ссылка : Инженеры разрабатывают новый способ удаления углекислого газа из воздуха (2019, 25 октября) получено 5 декабря 2020 из https: // techxplore.ru / news / 2019-10-carbon-dioxide-air.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения.