इस काम का उद्देश्य सिलिका सब्सट्रेट पर एम्मिनेटेड यौगिकों को लगाने या ग्राफ्टिंग के लिए मानकीकृत तकनीकों के विकास की सुविधा प्रदान करना है, जिन्हें अक्सर साहित्य में मोटे तौर पर वर्णित किया जाता है। विलायक, सब्सट्रेट, अमाइन और अन्य महत्वपूर्ण प्रयोगात्मक मापदंडों के मूल्यों की विशिष्ट मात्रा पर विस्तार से चर्चा की जाएगी।
हाल ही में, बिंदु स्रोत या प्रत्यक्ष वायु कैप्चर (DAC) विधियों के लिये कार्बन कैप्चर सामग्री के उपयोग के माध्यम से CO2 उत्सर्जन को कम करने या कम करने की दिशा में एक महत्त्वपूर्ण प्रयास किया गया है। यह काम डीएसी के लिए अमाइन-फंक्शनलाइज्ड सीओ2 adsorbents पर केंद्रित है। ये सामग्रियां सीओ2 हटाने के लिए वादा दिखाती हैं क्योंकि उनके पास कम पुनर्जनन, ऊर्जा खपत और उच्च सोखना क्षमता है। एक झरझरा सब्सट्रेट में अमाइन प्रजातियों का समावेश सीओ2 के लिए अमाइन प्रजातियों की आत्मीयता के फायदों को बड़े छिद्र मात्रा और झरझरा सब्सट्रेट के सतह क्षेत्रों के साथ जोड़ता है। अमाइन-आधारित सीओ2 शर्बत तैयार करने के लिए आमतौर पर तीन तरीकों का उपयोग किया जाता है, जो अमाइन प्रजातियों, सामग्री समर्थन और तैयारी विधि के चयन पर निर्भर करता है। ये विधियां संसेचन, ग्राफ्टिंग या रासायनिक संश्लेषण हैं। सिलिका अपने समायोज्य ताकना आकार, नमी सहिष्णुता, तापमान स्थिरता, और डीएसी अनुप्रयोगों के लिए कम सांद्रता में सीओ2 को सोखने की क्षमता के कारण सब्सट्रेट सामग्री का एक प्रचलित विकल्प है। विशिष्ट सिंथेटिक प्रक्रियाओं और गर्भवती और ग्राफ्टेड अमाइन-सिलिका कंपोजिट दोनों की प्राथमिक विशेषताओं का वर्णन यहां किया गया है।
पिछले कई दशकों में मानवजनित सीओ 2 उत्सर्जन को व्यापक रूप से ग्रीनहाउस गैस प्रभाव को चलाने वाले मुख्य कारक के रूप में फंसाया गया है और इसके परिणामस्वरूप, संबंधित जलवायु परिवर्तन 1,2,3,4। सीओ2 कैप्चर, पॉइंट सोर्स और डायरेक्ट एयर कैप्चर के लिए दो सामान्य तरीके हैं। 50 से अधिक वर्षों के लिए, सीओ 2 उत्सर्जन 5,6 को कम करने के लिए उद्योग के भीतर बिंदु स्रोत कैप्चर के लिए गीले-स्क्रबिंग सीओ2 कैप्चर प्रौद्योगिकियों का उपयोग किया गया है। ये प्रौद्योगिकियां तरल-चरण अमाइन पर आधारित हैं जो सीओ2 के साथ प्रतिक्रिया करके शुष्क परिस्थितियों में कार्बामेट्स और पानी 7,8 की उपस्थिति में हाइड्रोजन कार्बोनेट बनाती हैं, चित्र 1 देखें। बड़े बिंदु (औद्योगिक) स्रोतों पर कार्बन कैप्चर और स्टोरेज का उपयोग करने का मुख्य कारण सीओ 2 की बड़ी मात्रा को आगे बढ़ने से रोकना है, इस प्रकार वातावरण में कुल सीओ2 एकाग्रता पर तटस्थ प्रभाव पड़ता है। हालांकि, बिंदु-स्रोत कार्बन कैप्चर सिस्टम कई कमियों से ग्रस्त हैं, जैसे उपकरण जंग, विलायक गिरावट, और उत्थान के लिए उच्च ऊर्जा आवश्यकताएं9. डायरेक्ट एयर कैप्चर (DAC) उत्सर्जन में कमी से परे है और वातावरण से CO2 को हटाने की सुविधा प्रदान कर सकता है। निरंतर जलवायु परिवर्तन को सीमित करने के लिए इस मौजूदा सीओ2 को हटाना आवश्यक है। डीएसी एक उभरती हुई पद्धति है और वायुमंडलीय परिस्थितियों (2 से 400 पीपीएम) में सीओ420 की कम सांद्रता को हटाने की कठिनाइयों को संबोधित करना चाहिए, विभिन्न पर्यावरणीय परिस्थितियों में काम करना चाहिए, और लागत प्रभावी सामग्रियों की आवश्यकता को संबोधित करना चाहिए जिन्हें कई बार पुन: उपयोग किया जा सकता है 1,2,3. इन आवश्यकताओं को पूरा करने वाली सामग्रियों की पहचान करने के लिए महत्वपूर्ण कार्य की आवश्यकता है, जो डीएसी को अपनाने में तेजी लाएगा और इसकी आर्थिक व्यवहार्यता में सुधार करेगा। सबसे महत्वपूर्ण बात, माप के महत्वपूर्ण मापदंडों पर सामुदायिक सहमति स्थापित करने की आवश्यकता है, जो बेंचमार्क सामग्री को विकसित करने के लिए आवश्यक है।
चित्रा 1: अपेक्षित तरल अमाइन adsorbent CO2 कैप्चर तंत्र का योजनाबद्ध। शीर्ष प्रतिक्रिया शुष्क परिस्थितियों में है, और नीचे की प्रतिक्रिया नमी की उपस्थिति में है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
इन कमियों को दूर करने के प्रयास में, उपन्यास झरझरा सामग्री प्रौद्योगिकी के काफी अनुसंधान और विकास के परिणामस्वरूप आशाजनक सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला हुई है जिनमें डीएसी के लिए कैप्चर सामग्री या सब्सट्रेट के रूप में उपयोग करने की क्षमता है। ऐसी सामग्रियों के कुछ उदाहरणों में मेसोपोरस सिलिका प्रजातियां10,11,12,13, जिओलाइट्स 14,15, सक्रिय कार्बन 16,17 और धातु-कार्बनिक ढांचे 18 शामिल हैं। कई ठोस समर्थित अमाइन adsorbents भी पानी के लिए एक उच्च सहिष्णुता दिखाते हैं, जो डीएसी दृष्टिकोण के माध्यम से सीओ2 हटाने में एक महत्वपूर्ण विचार है। डीएसी अनुप्रयोगों के लिए, शोधकर्ताओं को गीले/शुष्क पर्यावरणीय परिस्थितियों, गर्म/ठंडे तापमान और समग्र पतला वायुमंडलीय सीओ2 एकाग्रता पर विचार करना चाहिए। विभिन्न सब्सट्रेट सामग्रियों के बीच, सिलिका का उपयोग आमतौर पर इसके समायोज्य छिद्र आकार, सतह के कार्यात्मक होने की क्षमता और बड़े सतह क्षेत्र 1,2,3 के कारण किया जाता है। विशिष्ट सिंथेटिक प्रक्रियाओं और गर्भवती और ग्राफ्टेड अमाइन-सिलिका कंपोजिट दोनों की प्राथमिक विशेषताएं इस काम के भीतर वर्णित हैं (चित्र 2)। प्रत्यक्ष संश्लेषण, जहां सामग्री दोनों घटकों, सब्सट्रेट और अमाइन के साथ सीटू में बनाई जाती है, एक और आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली पद्धतिहै 2.
चित्रा 2: संसेचन के योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। प्रसार (शीर्ष) के माध्यम से मेथनॉल में पीईआई और सिलिका सब्सट्रेट का मिश्रण और सहसंयोजक टेथरिंग (नीचे) के माध्यम से ग्राफ्टेड अमाइन-सिलिका कंपोजिट। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
संसेचन एक ऐसी विधि है जिसमें एक अमाइन को भौतिक रूप से सतह पर सोख लिया जाता है, इस मामले में, एक झरझरा सिलिका माध्यम, वैन डेर वाल्स बलों और अमाइन और सिलिका सतह19 के बीच हाइड्रोजन बॉन्डिंग के माध्यम से, चित्र 2 देखें। इथेनॉल और मेथनॉल जैसे सॉल्वैंट्स का उपयोग आमतौर पर सब्सट्रेट सामग्री की झरझरा संरचना में अणुओं के प्रसार को बढ़ावा देने के लिए किया जाता है। उच्च दाढ़ द्रव्यमान पॉलीमाइन की घुलनशीलता को बढ़ाने के लिए समाधान को भी गर्म किया जा सकता है, जिससे छिद्रों के भीतर अमाइन प्रवेश की एकरूपता बढ़ जाती है। गर्भवती सामग्री के मामले में, सिलिका सब्सट्रेट में पेश किए गए अमाइन की मात्रा अमाइन की प्रारंभिक मात्रा और सब्सट्रेट के सतह क्षेत्र से निर्धारित होती है। यदि पेश किए गए अमाइन की मात्रा सिलिका सब्सट्रेट के उपलब्ध सतह क्षेत्र से अधिक है, तो अमाइन प्रजातियां इसकी सतह पर एकत्रित होंगी। यह ढेर आसानी से स्पष्ट है, क्योंकि गर्भवती सामग्री में अपेक्षित सफेद और ख़स्ता उपस्थिति1 के बजाय जेल जैसी कोटिंग दिखाई देगी, अक्सर पीली। अमाइन-बेस ठोस adsorbents के कई प्रकार के बीच, polyethyleneimine (पीईआई) और टेट्रैथीन पेंटामाइन (TEPA) सबसे व्यापक रूप से उनके उच्च स्थिरता और उच्च नाइट्रोजन सामग्री20 के कारण उपयोग किया जाता है. शारीरिक रूप से गर्भवती प्रणालियों के लिए, अमाइन की सैद्धांतिक लोडिंग मात्रा की गणना सब्सट्रेट की पूर्व-भारित मात्रा और अमाइन के घनत्व से की जा सकती है। शारीरिक संसेचन का स्पष्ट लाभ इसे तैयार करने के लिए सीधी संश्लेषण प्रक्रिया में निहित है, साथ ही सिलिका सब्सट्रेट की उच्च सरंध्रता के कारण एक बड़ी अमाइन सामग्री की संभावना भी है। इसके विपरीत, सिलिका के भीतर अमाइन की स्थिरता सीमित है क्योंकि अमाइन और सिलिका समर्थन के बीच कोई सहसंयोजक संबंध नहीं है। इसलिए, सीओ2 के कई चक्रों के बाद गर्मी या भाप के माध्यम से उत्थान और पुनर्जनन, अमाइन छिद्रों से बाहर निकल सकता है। इन कमियों के बावजूद, डीएसी के लिए ऐसी सामग्रियों का कार्यान्वयन वातावरण से सीओ2 को हटाने के लिए बहुत अच्छा वादा करता है।
डीएसी सामग्री की तैयारी के लिए एक अन्य विकल्प ग्राफ्टिंग है। ग्राफ्टिंग एक ऐसी विधि है जिसके माध्यम से रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से एक छिद्रपूर्ण सिलिका सब्सट्रेट पर अमाइन को स्थिर किया जाता है, जैसा कि चित्र 2में दिखाया गया है। यह प्रतिक्रिया सतह के सिलानोल कार्यात्मक समूह के साथ एक एमिनोसिलेन पर प्रतिक्रिया करके आगे बढ़ती है, जिसके परिणामस्वरूप एक सहसंयोजक बंधन होता है। इसलिए, सिलिका सब्सट्रेट की सतह पर कार्यात्मक समूहों की संख्या ग्राफ्टेड अमाइन घनत्व21,22 को प्रभावित करती है। अमाइन-गर्भवती adsorbents की तुलना में, रासायनिक ग्राफ्टिंग विधियों में कम सीओ2 सोखना क्षमता मुख्य रूप से कम अमाइन लोडिंग21 के कारण होती है। इसके विपरीत, रासायनिक रूप से ग्राफ्टेड अमाइन ने अपने सहसंयोजक बाध्य संरचना के कारण थर्मल स्थिरता में वृद्धि की है। यह स्थिरता सामग्री के पुनर्जनन में उपयोगी हो सकती है क्योंकि adsorbents (जैसे grafted सिलिका) को गर्म किया जाता है और सामग्री और लागत को बचाने के लिए पुन: उपयोग के लिए कब्जा किए गए CO2 को हटाने के लिए दबाव डाला जाता है। एक विशिष्ट संश्लेषण प्रक्रिया में, मेसोपोरस सिलिका सब्सट्रेट को एक विलायक (जैसे, निर्जल टोल्यूनि) में फैलाया जाता है, जिसके बाद एमिनोसिलेन्स के अतिरिक्त होता है। परिणामी नमूना तब अप्रतिक्रियाशील एमिनोसिलेन को हटाने के लिए धोया जाता है। एमिनोसिलेन घनत्व में सुधार पानी के अतिरिक्त के माध्यम से प्राप्त किए जाने की सूचना है, विशेष रूप से एसबीए -15 के साथ, ताकना आकार23 का विस्तार करने के लिए। ग्राफ्टिंग की प्रक्रिया जिसे यहां वर्णित किया जाएगा, नमी-संवेदनशील तकनीकों का उपयोग करता है। इसलिए अतिरिक्त पानी का इस्तेमाल नहीं किया जाएगा। डीएसी के लिए ग्राफ्टेड एमिनोसिलेन सामग्री का कार्यान्वयन सीओ2 सोखना और विशोषण प्रक्रियाओं के दौरान उनकी अपेक्षित स्थिरता के कारण आशाजनक है। हालांकि, इस पद्धति की प्रमुख कमियों में इन सामग्रियों की जटिल प्रतिक्रियाएं / तैयारी शामिल हैं, जिससे लागत में वृद्धि हुई है, और उनकी समग्र कम सीओ2 सोखना क्षमता, जिसका अर्थ है कि बड़ी मात्रा की आवश्यकता है।
कुल मिलाकर, कई पिछले अध्ययनों के परिणाम बताते हैं कि सब्सट्रेट और अमाइन से संबंधित संशोधन की संरचना का अवशोषण प्रदर्शन पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है, जिसमें ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम) और अर्ध-लोचदार न्यूट्रॉन स्कैटरिंग (क्यूईएनएस) जैसी तकनीकों का उपयोग करके विशिष्ट अध्ययन होते हैं ताकि इन सामग्रियोंको पूरी तरह से चिह्नित किया जा सके. दूसरे शब्दों में, सब्सट्रेट सामग्री के संरचनात्मक गुण (जैसे, सरंध्रता और सतह क्षेत्र) अमाइन लोडिंग निर्धारित करते हैं, इसलिए इन मापदंडों को बढ़ाने से सीओ2 क्षमता 24,25में सुधार हो सकता है। सब्सट्रेट सामग्री और तैयारी प्रक्रियाओं के अनुकूलन और डिजाइन में निरंतर अनुसंधान डीएसी के लिए उच्च प्रदर्शन adsorbents के विकास के लिए महत्वपूर्ण है। इस काम का लक्ष्य सिंथेटिक तकनीकों की बेहतर पारदर्शिता की सुविधा की उम्मीद में संसेचन और ग्राफ्टेड अमाइन संश्लेषण पर मार्गदर्शन प्रदान करना है। साहित्य के भीतर, विलायक, सब्सट्रेट और अमाइन की मात्रा पर विशिष्ट विवरण हमेशा वर्णित नहीं होते हैं, जिससे प्रयोगात्मक लोडिंग मात्रा और अमाइन-सिलिका कंपोजिट के मात्रात्मक माप के बीच संबंध को समझना मुश्किल हो जाता है। सटीक लोडिंग मात्रा और प्रयोगात्मक प्रक्रियाओं का एक विस्तृत विवरण बेहतर तुलना के इन प्रकार की सुविधा के लिए के साथ के साथ प्रदान की जाएगी.
इस के साथ वर्णित तरीकों गर्भवती और grafted अमीन सिलिका समग्र adsorbents तैयार करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रदान करने का इरादा कर रहे हैं. हमने जिन प्रक्रियाओं का दस्तावेजीकरण किया है, वे साहित्य में रिपोर्ट की गई तक?…
The authors have nothing to disclose.
शार्लोट एम. वेंट्ज़ NIST अवार्ड # 70NANB8H165 के माध्यम से फंडिंग स्वीकार करना चाहेंगे। Zois Tsinas NIST अवार्ड # 70NANB22H140 के माध्यम से फंडिंग स्वीकार करना चाहेंगे।
Anhydrous methanol | Sigma-Aldrich | 322415 | Does not come with sure-seal |
Anhydrous toluene | Sigma-Aldrich | 244511 | Comes with sure-seal |
Ceramic Stirring Hot Plate | NA | NA | The size, watage, and thermal capabilities of the stirr plate will differ depending on individual lab facilities. |
Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) | Nicolet i550 series spectrometer | NA | Run on OMNIC standard software |
Gastight syringe | NA | NA | As long as the gas tight syringe has a PTFE plunger and luer tip, is suited for air sensitive technique and can be used in this protocol. |
Glass vial | NA | NA | As long as the vial is made if borosilicate glass and has a screw based cap the brand name, size, or general shape does not matter for the protocol. |
MCM-41 silica | ACS Material | MSM41A01 | Cas no. 7631-86-9 |
Metal needle | NA | NA | Syringe needles need to be stainless steel. It is recommended to determine length and outerdiameter of needle by what will be transferred using the gas tight syringe. For large quantities of liquid a larger outer diameter will improve transfer rates. |
N’-(3-trimethylsilyl propyl) diethyleneamine (DAS) | Sigma-Aldrich | 104884 | Comes with sure-seal |
Polyethyleneimine (PEI) | Sigma-Aldrich | 408719 | Does not come with sure-seal |
Schlenk round bottom flask | ChemGlass AirFree | NA | As long as the flask is suited for high pressure and temperture but the brand name, size, or general shape does not matter for the protocol |
Thermogravemetric Anlysis (TGA) | TA Advantage | NA | 550 series from Waters and TA Instruments |