Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

منهجية اصطناعية لتحضير مركبات السيليكا القائمة على الأمين المشربة والمطعمة لالتقاط الكربون

Published: September 29, 2023 doi: 10.3791/65845
Automatic Translation
1,2, 1,3, 1
1Material Measurement Laboratory, National Institute of Standards and Technology (NIST), 2University of Maryland, 3Theiss Research

Summary

يهدف هذا العمل إلى تسهيل تطوير تقنيات موحدة لتشريب أو تطعيم المركبات الأمينية على ركائز السيليكا ، والتي غالبا ما يتم وصفها على نطاق واسع في الأدبيات. ستتم مناقشة كميات محددة من المذيبات والركيزة والأمينات وقيم المعلمات التجريبية المهمة الأخرى بالتفصيل.

Abstract

في الآونة الأخيرة ، كان هناك جهد كبير نحو تقليل أو تخفيف انبعاثات CO2 من خلال استخدام مواد احتجاز الكربون لمصدر النقطة أو طرق التقاط الهواء المباشر (DAC). يركز هذا العمل على الممتزات CO2 الوظيفية بالأمين ل DAC. هذه المواد تبشر بالخير لإزالة CO2 لأنها تتمتع باستهلاك منخفض للطاقة المتجددة وقدرة امتصاص عالية. يجمع دمج أنواع الأمين في ركيزة مسامية بين مزايا تقارب أنواع الأمين مع CO2 مع أحجام المسام الكبيرة ومساحات سطح الركيزة المسامية. هناك ثلاث طرق شائعة الاستخدام لإعداد المواد الماصة CO2 القائمة على الأمين ، اعتمادا على اختيار أنواع الأمين ، والدعم المادي ، وطريقة التحضير. هذه الطرق هي التشريب أو التطعيم أو التخليق الكيميائي. السيليكا هي الخيار السائد لمواد الركيزة بسبب حجم المسام القابل للتعديل ، وتحمل الرطوبة ، واستقرار درجة الحرارة ، والقدرة على امتصاص CO2 بتركيزات منخفضة لتطبيقات DAC. يتم وصف الإجراءات الاصطناعية النموذجية والسمات الأولية لكل من مركبات الأمين والسيليكا المشربة والمطعمة هنا.

Introduction

كانتانبعاثات ثاني أكسيد الكربون البشرية المنشأ على مدى العقود العديدة الماضية متورطة على نطاق واسع باعتبارها العامل الرئيسي الذي يدفع تأثير غازات الدفيئة وبالتالي تغير المناخالمرتبط 1،2،3،4. هناك طريقتان عامتان لالتقاط CO2 ، مصدر النقطة والتقاط الهواء المباشر. لأكثر من 50 عاما ، تم استخدام تقنيات التقاط CO 2 للتنظيف الرطب لالتقاط مصدر النقطة داخل الصناعة للتخفيف من انبعاثات CO2 5,6. تعتمد هذه التقنيات على الأمينات ذات الطور السائل التي تتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون2 لتكوين كربامات في ظل الظروف الجافة وكربونات الهيدروجين في وجود الماء 7,8 ، انظر الشكل 1. السبب الرئيسي وراء استخدام احتجاز الكربون وتخزينه في مصادر (صناعية) كبيرة هو منع إطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون2 ، وبالتالي يكون له تأثير محايد على إجمالي تركيز ثاني أكسيد الكربون2 في الغلاف الجوي. ومع ذلك ، تعاني أنظمة احتجاز الكربون من مصدر نقطي من العديد من العيوب ، مثل تآكل المعدات ، وتدهور المذيبات ، ومتطلبات الطاقة العالية للتجديد9. يتجاوز التقاط الهواء المباشر (DAC) خفض الانبعاثات ويمكن أن يسهل إزالة ثاني أكسيد الكربون2 من الغلاف الجوي. إزالة هذا CO2 الحالي ضروري للحد من استمرار تغير المناخ. DAC هي منهجية ناشئة ويجب أن تعالج صعوبات إزالة التركيزات المنخفضة من ثاني أكسيد الكربون في الظروف الجوية (400 إلى 420 جزء في المليون) ،وتعمل في مجموعة متنوعة من الظروف البيئية المختلفة ، وتلبي الحاجة إلى مواد فعالة من حيث التكلفة يمكن إعادة استخدامها عدة مرات1،2،3. هناك حاجة إلى عمل كبير لتحديد المواد التي تلبي هذه المتطلبات ، والتي من شأنها تسريع اعتماد DAC وتحسين جدواها الاقتصادية. والأهم من ذلك، يجب التوصل إلى توافق في الآراء بين المجتمعات المحلية بشأن المعايير الحاسمة للقياس، وهو أمر ضروري لوضع المواد المرجعية.

Figure 1
الشكل 1: رسم تخطيطي لآلية التقاط CO 2 الممتزة لأمين السائل المتوقع. يكون التفاعل العلوي في ظروف جافة ، ويكون التفاعل السفلي في وجود الرطوبة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

وفي محاولة لمعالجة هذه العيوب، أسفر قدر كبير من البحث والتطوير لتكنولوجيا المواد المسامية الجديدة عن مجموعة واسعة من المواد الواعدة التي يمكن استخدامها إما كمواد التقاط أو ركائز ل DAC. بعض الأمثلة على هذه المواد تشمل أنواع السيليكا المسامية 10،11،12،13 ، الزيوليت 14،15 ، الكربون المنشط16،17 ، والأطر المعدنية العضوية 18. تظهر العديد من الممتزات الأمينية المدعومة بالمواد الصلبة أيضا تحملا أعلى للماء ، وهو اعتبار حيوي في إزالة CO2 من خلال مناهج DAC. بالنسبة لتطبيقات DAC ، يجب على الباحثين مراعاة الظروف البيئية الرطبة / الجافة ، ودرجات الحرارة الساخنة / الباردة ، وتركيز CO2 في الغلاف الجوي المخفف بشكل عام. من بين مواد الركيزة المختلفة ، يتم استخدام السيليكا بشكل شائع بسبب أحجام المسام القابلة للتعديل ، والقدرة على عمل السطح ، ومساحة السطح الكبيرة1،2،3. تم وصف الإجراءات التركيبية النموذجية والسمات الأساسية لكل من مركبات الأمين والسيليكا المشربة والمطعمة في هذا العمل (الشكل 2). التوليف المباشر ، حيث يتم تصنيع المادة في الموقع مع كل من المكونات ، الركيزة والأمين ، هو منهجية أخرى شائعة الاستخدام2.

Figure 2
الشكل 2: تمثيلات تخطيطية للتشريب. خلط PEI وركيزة السيليكا في الميثانول من خلال الانتشار (أعلى) ومركبات الأمين والسيليكا المطعمة من خلال الربط التساهمي (أسفل). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

التشريب هو طريقة يتم فيها امتصاص الأمين جسديا على سطح ، في هذه الحالة ، وسط سيليكا مسامي ، من خلال قوى فان دير فال والترابط الهيدروجيني بين سطح الأمين والسيليكا19 ، انظر الشكل 2. تستخدم المذيبات مثل الإيثانول والميثانول بشكل شائع لتعزيز انتشار الجزيئات في التركيب المسامي لمادة الركيزة. يمكن أيضا تسخين المحلول لزيادة قابلية ذوبان البوليامين ذو الكتلة المولية العالية ، وبالتالي زيادة تجانس تغلغل الأمين داخل المسام. في حالة المواد المشربة ، يتم تحديد كمية الأمين التي يتم إدخالها إلى ركيزة السيليكا من خلال الكمية الأولية للأمين ومساحة سطح الركيزة. إذا تجاوزت كمية الأمين التي تم إدخالها مساحة السطح المتاحة لركيزة السيليكا ، فسوف تتكتل أنواع الأمين على سطحها. هذا التكتل واضح بسهولة ، حيث ستظهر المادة المشربة على أنها تحتوي على طلاء يشبه الهلام ، وغالبا ما يكون أصفر ، بدلا من المظهر الأبيض والبودرة المتوقع1. من بين العديد من أنواع الممتزات الصلبة ذات قاعدة الأمين ، يعد البولي إيثيلين (PEI) ورباعي إيثيلين البنتامين (TEPA) الأكثر استخداما بسبب ثباتها العالي ومحتواها العاليمن النيتروجين 20. بالنسبة للأنظمة المشربة ماديا ، يمكن حساب كمية التحميل النظرية للأمين من الكميات المرجحة مسبقا للركيزة وكثافة الأمين. تكمن الميزة الواضحة للتشريب المادي في إجراء التوليف المباشر لإعداده ، فضلا عن إمكانية وجود محتوى أمين كبير بسبب المسامية العالية لركيزة السيليكا. على العكس من ذلك ، فإن استقرار الأمين داخل السيليكا محدود لأنه لا يوجد رابط تساهمي بين دعم الأمين والسيليكا. لذلك ، بعد دورات متعددة من امتصاص CO2 وتجديده من خلال الحرارة أو البخار ، يمكن أن يتسرب الأمين من المسام. على الرغم من هذه العيوب ، فإن تنفيذ مثل هذه المواد ل DAC يحمل وعدا كبيرا لإزالة CO2 من الغلاف الجوي.

خيار آخر لإعداد مواد DAC هو التطعيم. التطعيم طريقة يتم من خلالها تثبيت الأمينات على ركيزة السيليكا المسامية من خلال تفاعل كيميائي، كما هو موضح في الشكل 2. يستمر هذا التفاعل عن طريق تفاعل أمينوسيلان مع مجموعة السيلانول الوظيفية للسطح ، مما ينتج عنه رابطة تساهمية. لذلك ، يؤثر عدد المجموعات الوظيفية على سطح ركيزة السيليكا على كثافة الأمين المطعمة21,22. بالمقارنة مع الممتزات المشبعة بالأمينات ، كان لطرق التطعيم الكيميائي قدرة امتصاص أقل لثاني أكسيد الكربون2 ويرجع ذلك أساسا إلى انخفاض تحميل الأمين21. على العكس من ذلك ، زادت الأمينات المطعمة كيميائيا من الاستقرار الحراري بسبب هيكلها المرتبط تساهميا. يمكن أن يكون هذا الاستقرار مفيدا في تجديد المادة حيث يتم تسخين المواد الممتزة (مثل السيليكا المطعمة) وضغطها لإزالة ثاني أكسيد الكربون2 الملتقط لإعادة استخدامه لتوفير المواد والتكلفة. في إجراء تخليق نموذجي ، يتم تشتيت ركيزة السيليكا المسامية في مذيب (على سبيل المثال ، التولوين اللامائي) ، والذي يتبعه بعد ذلك إضافة أمينوسيلان. ثم يتم غسل العينة الناتجة لإزالة الأمينوسيلان غير المتفاعلة. تم الإبلاغ عن تحسينات في كثافة أمينوسيلان من خلال إضافة الماء ، وتحديدا مع SBA-15 ، لتوسيع حجم المسام23. يستخدم إجراء التطعيم الذي سيتم وصفه هنا تقنيات حساسة للرطوبة. لذلك ، لن يتم استخدام مياه إضافية. يعد تنفيذ مواد أمينوسيلان المطعمة ل DAC واعدا بسبب ثباتها المتوقع أثناء عمليات امتصاص وامتصاص ثاني أكسيد الكربون2. ومع ذلك ، فإن العيوب الرئيسية لهذه المنهجية تشمل التفاعلات / التحضير المعقد لهذه المواد ، مما يؤدي إلى زيادة التكلفة ، وقدرتها الإجمالية المنخفضة على امتصاص CO2 ، مما يعني أن هناك حاجة إلى كميات أكبر.

بشكل عام ، تشير نتائج العديد من الدراسات السابقة إلى أن بنية الركيزة والتعديل المرتبط بالأمين له تأثير كبير على أداء الامتزاز مع دراسات محددة تستخدم تقنيات مثل المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) وتشتت النيوترونات شبه المرنة (QENS) لتوصيف هذه المواد بشكل كامل24,25. بمعنى آخر ، تحدد الخصائص الهيكلية (على سبيل المثال ، المسامية ومساحة السطح) لمادة الركيزة تحميل الأمين ، لذا فإن زيادة هذه المعلمات يمكن أن تحسن قدرة CO2 24,25. يعد البحث المستمر في تحسين وتصميم مواد الركيزة وعمليات التحضير أمرا بالغ الأهمية لتطوير الممتزات عالية الأداء ل DAC. الهدف من هذا العمل هو توفير إرشادات حول التشريب وتخليق الأمين المطعمة على أمل تسهيل شفافية أفضل للتقنيات الاصطناعية. في الأدبيات ، لا يتم دائما وصف تفاصيل محددة عن كميات المذيبات والركيزة والأمينات ، مما يجعل من الصعب فهم العلاقة بين كميات التحميل التجريبية والقياسات الكمية لمركبات الأمين والسيليكا. سيتم توفير كميات التحميل الدقيقة ووصف مفصل للإجراءات التجريبية هنا لتسهيل هذه الأنواع من المقارنات بشكل أفضل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ملاحظة: يمكن العثور على التفاصيل المتعلقة بالمعدات والأجهزة والمواد الكيميائية المستخدمة في هذا القسم في جدول المواد.

1. تشريب السيليكا بالبولي إيثيلين من 800 جم / مول الكتلة المولية (PEI 800)

  1. تحضير رد الفعل
    1. استخدم الميثانول اللامائي كمذيب في هذا التفاعل. لديها نقطة غليان منخفضة. وبالتالي ، فإن تقلبه يسهل إزالته لاحقا في درجات حرارة منخفضة.
      ملاحظة: المذيب اللامائي مهم لأن الماء يمكن أن يمنع PEI 800 من دخول مسام دعامة السيليكا. مذيب آخر شائع الاستخدام هو الإيثانول ، الذي يحتوي على نقطة غليان أعلى ويتطلب أوقات تجفيف أطول ودرجات حرارة تجفيف أعلى.
    2. احسب الكسر الكتلي (٪) للأمين باستخدام المعادلة 1 ، حيث m أمين = كتلةأمين ، مسيليكا = كتلة السيليكا المستخدمة.
      المعادلة 1: Equation 1
    3. جزء الكتلة من الأمين (wأمين) في السيليكا MCM-41 سيكون 59.9٪ (750 ملغ من الأمين و 500 ملغ من السيليكا). لكل 1 غرام من الأمين ، استخدم 10 مل من الميثانول اللامائي. يتم ذلك بحيث يكون الخليط الكلي ملاطا مخففا. سيتم تصنيف هذه الكميات المحسوبة على أنها تجريبية (w amine_exp) وتصنيفها أيضا لكل منهجية اصطناعية (على سبيل المثال ، w amine_exp_imp (مشربة) و wamine_exp_graft (مطعمة)).
    4. للتأكد من خلو جميع الأواني الزجاجية من الرطوبة ، ضعها في فرن على حرارة 140 درجة مئوية لمدة 1 ساعة على الأقل قبل الاستخدام.
  2. إعداد دعم السيليكا
    ملاحظة: السيليكا MCM-41 هي الركيزة الصلبة المستخدمة في هذه العملية. نظرا لأن MCM-41 عبارة عن سيليكا ماصة ، فمن المتوقع أن تمتص الماء من الغلاف الجوي أو أثناء التصنيع.
    1. جفف السيليكا MCM-41 لضمان عدم امتصاص الماء في مسامها. ضع الكمية المطلوبة من السيليكا في طبق زجاجي بتري ، وقم بتغطيتها بورق الألمنيوم المثقوب ، ثم ضعها في فرن مفرغ.
    2. أولا ، ضع المكنسة الكهربائية (عادة أقل من 3 كيلو باسكال ، والتي تتغير بناء على كل نظام تفريغ فردي) ، ثم اضبط الفرن على درجة حرارة حوالي 110 درجة مئوية لضمان إزالة الماء. نفذ هذه الخطوة لمدة لا تقل عن 2 ساعة قبل الشروع في التوليف.
  3. منهجية التشريب
    1. استخدم ملعقة مخبرية نظيفة وجافة وانقل الكمية المطلوبة (750 مجم) من البولي إيثيلين (PEI) إلى وعاء التفاعل (في هذه الحالة ، قارورة جافة سعة 35 مل). قم بتغطية وعاء التفاعل أثناء النقل.
    2. انقل وعاء التفاعل إلى غطاء دخان كيميائي ، وقم بتثبيته أو تثبيته داخل الغطاء ، وضعه فوق لوح تحريك. قم بإزالة غطاء وعاء التفاعل.
    3. ضع قضيب تقليب نظيف وجاف في وعاء التفاعل.
      ملاحظة: سيضمن استخدام قضيب التحريك خلطا متساويا ، ويمكن أن يسمح بتقليب المحلول لفترات أطول ، ويسهل تشتتا أفضل ، ويمكن أن يتيح تسخينا آمنا للتفاعل دون الحاجة إلى الخلط اليدوي.
    4. باستخدام ماصة، أضف 7.5 مل من الميثانول اللامائي (لكل 1 غرام من الأمين، استخدم 10 مل من الميثانول) من مخبار مدرج. قم بتشغيل لوحة التحريك. اترك المحلول يختلط لمدة 15 دقيقة لضمان إذابة PEI بالكامل وتشتيتها بشكل متجانس داخل المذيب.
      ملاحظة: بعد الخلط ، سيظهر المحلول واضحا / شفافا ، مما يدل على ذوبان البوليمر بالكامل.
    5. استخدم ملعقة معملية نظيفة وجافة لنقل الكمية المطلوبة (500 مجم) من السيليكا المجففة مسبقا (في هذه الحالة، MCM-41) إلى ورق الوزن. انقل السيليكا إلى وعاء التفاعل داخل غطاء الدخان.
      ملاحظة: ستتطابق كمية التحميل التجريبية هذه من الأمين مع الكمية الفعلية المقاسة بواسطة التحليل الحراري الوزني (TGA).
      تنبيه: استنشاق غبار السيليكا يمكن أن يتلف أنسجة الرئة. يوصى بارتداء جهاز تنفس N95 عند العمل مع ركائز السيليكا (راجع إرشادات السلامة المحلية للحصول على الخيارات المناسبة لمختبر فردي) والعمل في غطاء العادم الكيميائي. غالبا ما تظهر مواد السيليكا هذه خصائص "التشبث الثابت" ويمكن تشتيتها بسهولة داخل غطاء الدخان. نفذ هذه الخطوة بسرعة لتجنب امتصاص الرطوبة على السيليكا من الهواء.
    6. أضف ميثانول إضافي لشطف السيليكا في الوعاء لضمان التعرض الكامل لجزيرة الأمير إدوارد داخل المحلول إذا لزم الأمر. سيظهر الخليط كملاط. انظر الشكل 3.
    7. ضع الوعاء في حمام زيت السيليكون أو كتلة تسخين أو عباءة تسخين عند 40 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية لضمان الذوبان الكامل لجزيرة الأمير إدوارد ، والخلط المتجانس ، ولتشجيع تحميل الأمين في السيليكا المسامية.
      ملاحظة: لا يتم استخدام درجات الحرارة المرتفعة دائما أثناء إجراءات التشريب ، وقد أظهرت الأدبيات أن درجات الحرارة الأخرى قد اختلطت في درجة حرارة الغرفة (RT) 1،2،3. في هذا البروتوكول ، يتم استخدام التدفئة لتسهيل الخلط المتجانس.
    8. تأكد من أن شريط التحريك يخلط المحلول بالتساوي. اترك المحلول يحرك تحت الحرارة لمدة 1 ساعة تقريبا.
      ملاحظة: اعتمادا على حجم التفاعل والتفضيل الفردي ، قد يختلف اختيار وعاء التفاعل. ومن ثم، فإن طريقة تسخين التفاعل (حمام الزيت، أو كتلة التسخين، أو عباءة التسخين) قد تختلف لاستيعاب اختيار وعاء التفاعل على أفضل وجه.
    9. قم بإزالة وعاء التفاعل من مصدر الحرارة واتركه يبرد إلى RT مع الاستمرار في التحريك. عندما تبرد تماما ، توقف عن التقليب وقم بإزالة شريط التقليب.
    10. ضع الوعاء الذي يحتوي على العينة تحت الفراغ على خط Schlenk (عادة <3 كيلو باسكال ، قلل الضغط ببطء لتجنب الارتطام).
    11. دع وعاء التفاعل يظل على خط شلينك حتى تتم إزالة كل المذيب بشكل واضح. بعد ذلك ، انقل العينة إلى حاوية تخزين مختلفة من اختيارك ، مثل طبق بتري الزجاجي.
    12. ثم ضع العينة في فرن مفرغ من الهواء ، وقم بتشغيل المكنسة الكهربائية (عادة <1.3 كيلو باسكال) ، ثم اضبط الفرن على 70 درجة مئوية تقريبا. اترك العينة تجف تحت فراغ لمدة 18 ساعة على الأقل لضمان إزالة كمية كافية من الميثانول.
      ملاحظة: ضع في اعتبارك مستوى المذيب قبل وضع الحاوية المفضلة في فرن مفرغ بسبب خطر مغادرة العينة والمحلول للوعاء بشكل غير منتظم بسبب الفراغ. عادة ، لا يبقى أكثر من 1 مل من المذيب داخل العينة / الحاوية قبل وضعها في فرن التفريغ.
    13. بعد التجفيف ، تظهر المواد بيضاء ومسحوق. قم بتخزينه في بيئة خالية من الرطوبة والهواء حتى الحاجة إليه لمزيد من الاستخدام.
      ملاحظة: يمكن أن تكون هذه الخطوة في مجفف مفرغ من الهواء أو صندوق قفازات مجهز ببيئة خالية من الهواء والرطوبة. انظر الشكل 4 للاطلاع على المظهر المتوقع للمنتج النهائي.

Figure 3
الشكل 3: صور تمثيلية للتفاعلات. (أ) صورة لملاط السيليكا PEI (في الميثانول) أثناء تشريب PEI قبل نقله إلى كتلة تسخين و (B) اكتمال جهاز تطعيم DAS بعد التسخين لمدة 6 ساعات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: المظهر التمثيلي للمنتجات النهائية بعد التجفيف . (أ) تشريب جزيرة الأمير إدوارد عند wamine_exp_imp = 59.9٪. (ب) DAS المطعمة عند wamine_exp_das = 90.0٪. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. تحضير السيليكا المطعمة الرطبة مع N'- (3-تريميثيل سيليل بروبيل) ثنائي إيثيلين أمين (DAS)

  1. تحضير الحل
    1. استخدم التولوين اللامائي في هذا التفاعل. لديها نقطة غليان عالية (110 درجة مئوية) ، مما يسمح بالخلط بدرجة حرارة عالية. أمينوسيلان (N'- (3-ثلاثي ميثيل سيليل بروبيل) ثنائي إيثيلين أمين (DAS) قابل للذوبان بدرجة عالية في هذه الوسط.
      ملاحظة: يعد إجراء هذا التفاعل في الظروف اللامائية أمرا مهما لأن الماء يمكن أن يتفاعل مع الأمينوسيلان لتغيير طبيعة ارتباطه بسطح السيليكا. يأتي التولوين اللامائي المستخدم مع غطاء مغطى بالحاجز. ومن ثم، ستستخدم حقنة محكمة الغلق لنقل المذيب إلى وعاء التفاعل. لكل 1 غرام من DAS ، يتم استخدام 5 مل من التولوين. وبالتالي ، بالنسبة ل 5 مل من DAS (1.028 جم / مل) ، يتم استخدام 25 مل من المذيب.
  2. إعداد دعم السيليكا
    1. جفف السيليكا باستخدام الإجراء الموضح أعلاه في الخطوة 1.2.
  3. إعداد السيلوكسان
    1. الأمينوسيلان حساس للرطوبة ، حيث يمكن أن يتسبب وجود الماء في حدوث البلمرة. وبالتالي ، تعامل مع التفاعل كتفاعل خال من الرطوبة. قم بتخزين DAS داخل زجاجة غطاء مغطاة بالحاجز ، واستخدم حقنة محكمة الغلق للنقل.
      تنبيه: هناك العديد من المخاطر الصحية والمخاطر المرتبطة بالأمينوسيلان. راجع ورقة بيانات السلامة قبل بدء التجربة ولاحظ جميع احتياطات السلامة الموصى بها.
  4. منهجية السيليكا المطعمة
    1. من المهم ملاحظة أنه ، على عكس منهجية التشريب ، من المتوقع أن تحتوي الأمينوسيلان على نسبة منخفضة من النيتروجين في التطعيم على ركيزة السيليكا. لذلك ، في هذا التفاعل ، قم بتحميل wamine_exp_graft = 90.0٪ من DAS تجريبيا لزيادة احتمال تحديد أمينوسيلان لمجموعات السيلانول على دعم السيليكا والترابط التساهمي بنجاح.
    2. جفف جميع الأواني الزجاجية في الفرن لمدة 2 ساعة على الأقل قبل الاستخدام لضمان سطح خال من الرطوبة.
    3. املأ دورق Schlenk ذو القاع المستدير المجهز بقضيب تحريك مغناطيسي بالكمية المطلوبة (500 مجم) من دعم السيليكا (MCM-41).
    4. أدخل حاجزا مطاطيا في وعاء التفاعل وقم بتدوير وعاء التفاعل على خط شلينك ثلاث مرات لإزالة الهواء والرطوبة. قم بذلك عن طريق فتح محبس وعاء التفاعل للتفريغ لمدة 30 ثانية تقريبا ، وإغلاق المحبس ، والتبديل إلى غاز خامل (إما N 2 أو Ar2) لمدة 30 ثانية تقريبا ، ثم إعادة فتح المحبس. بعد تدوير وعاء التفاعل ، حافظ على بيئة غاز خامل للخطوات الإجرائية التالية.
    5. أدخل خطا من الغاز الخامل في زجاجة الغطاء المغطى بالحاجز (الختم المؤكد) ، ثم استخدم المحقنة محكمة الغلق وقم بتطهير المحقنة بالغاز الخامل قبل إزالة الكمية المطلوبة من التولوين اللامائي (في هذه الحالة ، 25 مل).
      ملاحظة: انظر الشكل 5 للحصول على صورة للحاوية محكمة الإغلاق مع مدخل غاز خامل وحقنة مانعة الغلق. يتم وضع الانحناء (السهم الأزرق) في الأنبوب قبل النقل لمنع أي تنقيط. تستخدم هذه التقنية في أي وقت يلزم فيه حقن سائل محكم للغاز. تملي كمية المذيب كمية أمينوسيلان المضافة. لكل 1 مل من أمينوسيلان ، استخدم 5 مل من التولوين اللامائي لضمان الذوبان. من المهم ملء المحقنة ب 25 مل من التولوين ثم رفع الإبرة فوق مستوى المحلول داخل الزجاجة. ثم اسحب بعض الغاز الخامل من فراغ الرأس فوق التولوين قبل إزالة المحقنة من وعاء التولوين.
    6. تأكد من تحريك قضيب التحريك المغناطيسي داخل وعاء التفاعل بسلاسة قبل البدء في هذه الخطوة. انقل التولوين اللامائي الموجود في المحقنة محكمة الغلق عن طريق ثقب الحاجز على وعاء التفاعل وإطلاق التولوين في الوعاء.
    7. قم بإزالة الإبرة بغاز خامل.
    8. كرر نفس الخطوات (2.4.6 إلى 2.4.8) مع أمينوسيلان (4.8 مل من DAS).
    9. استخدم محولا لتوصيل خط من خط Schlenk بمكثف ماء باستخدام شحم التفريغ. لف الجزء السفلي من جهاز المكثف بشريط بولي تترافلورو إيثيلين (PTFE) (تضمن هذه الخطوة عدم التلوث بالشحم). ثم قم بتوصيل جهاز المكثف بقارورة Schlenk ذات القاع المستدير لإعداد الأواني الزجاجية ؛ انظر الشكل 3.
    10. قم بتوصيل خطوط المياه "الباردة" بمكثف الماء وقم بتشغيله.
      ملاحظة: سينتقل الماء "البارد" (أقل من 23 درجة مئوية) إلى قاع المكثف ويخرج من الأعلى إلى الحوض. سيتم تأمين الأنابيب (بأسلاك أو روابط مضغوطة أو مشابك خرطوم فولاذية) لتجنب تسرب المياه في مواقع التوصيل.
    11. اخفض وعاء التفاعل في حمام زيت السيليكون أو كتلة التسخين ، أو ضعه في عباءة تسخين بين 80 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية. يتم اختيار درجة الحرارة هذه للمساعدة في تسهيل تطعيم أمينوسيلان (DAS) ، والخلط المتجانس ، وتشجيع تحميل الأمين.
    12. أغلق المحبس بالغاز الخامل على قارورة Schlenk ذات القاع المستدير واترك المحبس على المكثف مفتوحا ؛ انظر الشكل 3 ب.
      ملاحظة: يتم تنفيذ هذه الخطوة لمنع التولوين من الارتفاع إلى الأنبوب الموجود بالقرب من الجهاز (الذراع الجانبي لقارورة Schlenk) مع الحفاظ على التفاعل تحت جو خامل بسبب المدخل الموجود في الجزء العلوي من المكثف ؛ انظر الشكل 3 لهذا الإعداد.
    13. تأكد من أن شريط التقليب يخلط المحلول بالتساوي. يقلب أثناء التسخين لمدة 6 ساعات.
    14. اترك وعاء التفاعل يبرد إلى RT. استخدم الترشيح الفراغي لالتقاط السيليكا الصلبة المطعمة على ورق الترشيح وشطفها بكميات وفيرة من التولوين اللامائي (3 مرات مع 10 مل).
    15. لمرشح الفراغ ، قم بتجهيز قارورة ملف Erlenmeyer بذراع للتفريغ عبر خرطوم. ضع بونغ مطاطي عند الفتحة ، ضع قمع Buchner فوق البنج المطاطي ، وأخيرا ضع ورقة ترشيح داخل قمع Buchner. بلل ورق الترشيح بالتولوين اللامائي.
    16. قم بتشغيل المكنسة الكهربائية ووزع المحلول بسرعة على ورق الترشيح. يساعد على شطف وعاء التفاعل بالتولوين اللامائي قبل صبه على ورق الترشيح أثناء الغسيل.
    17. تظهر المادة النهائية باللون الأبيض على ورق الترشيح. قم بإزالة مادة السيلان المطعمة من ورق الترشيح باستخدام ملعقة مختبر نظيفة وجافة وضعها في قنينة.
    18. غطي القارورة بورق الألمنيوم المثقوب وضعيها في فرن مفرغ. بدوره على فراغ. اضبطي الفرن على حوالي 100 درجة مئوية واتركيه يجف لمدة 18 ساعة تقريبا لإزالة التولوين الزائد.
      ملاحظة: تظهر المواد بيضاء ومسحوقية بعد التجفيف ويتم تخزينها في بيئة خالية من الرطوبة والهواء. يمكن أن يكون هذا في مجفف فراغ أو صندوق قفازات يتم تحضيره ببيئة خالية من الهواء والرطوبة. انظر الشكل 4 لمعرفة مظهر المنتج النهائي.
    19. يتم تكرار هذا الإجراء مرتين أخريين (إجمالي 3 مرات ، الخطوات 2.4.1 - 2.4.16).

Figure 5
الشكل 5: صور فوتوغرافية لحاوية محكمة الغلق. (أ) حاوية بها إبرة متصلة بغاز خامل (N 2 أو Ar2) و (ب) مزودة بغاز خامل متصل ومحقنة محكمة الغلق ، بإبرة "مثنية" (سهم أزرق) ، والتي سيتم استخدامها للنقل دون تسرب. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

3. تحليل المواد المركبة السيليكا بواسطة التحليل الحراري الوزني (TGA)

ملاحظة: يبلغ عدم اليقين القياسي المرتبط بهذا القياس حوالي 0.01٪ ± الكتلة و ± 1 درجة مئوية في درجة الحرارة.

  1. باستخدام برنامج تطبيق الأداة ل TGA ، قم بفارغة.
  2. قم بإزالة المقلاة القطرانية من منطقة تحميل العينة وأضف العينة إلى المقلاة. ضع العينة في وسط المقلاة واستخدم 2 ملغ على الأقل لضمان الدقة الكافية لفقدان الكتلة. ضع المقلاة مع العينة مرة أخرى في منطقة التحميل.
  3. باستخدام برنامج الجهاز ، قم بتخصيص تشغيل إجرائي يتوازن أولا عند حوالي 50 درجة مئوية لمدة 5 دقائق في بيئة 100٪ N2 بمعدل تدفق غاز يبلغ 60 مل / دقيقة. ثم اضبط منحدرا من 2 درجة مئوية / دقيقة إلى 5 درجات مئوية / دقيقة على 1000 درجة مئوية. بمناسبة نهاية الدورة. يشار إلى هذه القياسات على أنها wamine_TGA لأنها تقيم محتوى الأمين الحقيقي داخل المادة باستخدام التحليل الحراري الوزني (TGA). يتم تصنيف هذا أيضا لكل منهجية اصطناعية (على سبيل المثال ، w amine_TGA_imp (طريقة التشريب) و wamine_TGA_graft (طريقة مطعمة)).
    ملاحظة: قد تختلف التوصيات المحددة لمعدلات التدفق بالنسبة لمحطات التحليل الحراري الوزني الفردية. استشر مواصفات الشركة المصنعة قبل تحديد معدل التدفق المناسب لتجربة فردية.
  4. كرر الخطوات 3.1-3.3 لأي عمليات تشغيل تجريبية إضافية.
  5. قم بتطبيق الخطوة 3.1 لإعداد تجربة امتزاز ثاني أكسيد الكربونCO 2 .
  6. باستخدام برنامج الأداة ، قم بتخصيص تشغيل إجرائي يتوازن أولا عند 100 درجة مئوية لمدة 5 دقائق ، ثم يتدرج عند 20 درجة مئوية / دقيقة إلى 40 درجة مئوية. بعد ذلك ، ضع تثبيتا متساوي الحرارة عند 40 درجة مئوية لمدة 10 دقائق قبل إدخال غاز مخلوط بنسبة 5٪ CO 2 في N2 ، معدل تدفق 60 مل / دقيقة.
  7. احتفظ بالعينة عند 40 درجة مئوية في ظل حالة خليط الغاز هذه لمدة 100 دقيقة. يتم تنفيذ هذا الإجراء لقياس امتزاز CO2 عن طريق زيادة الوزن. يشار إلى هذه القياسات على أنها wCO2 لأنها تقيم امتزاز CO2 داخل المادة. يتم تصنيف هذا أيضا لكل منهجية اصطناعية (على سبيل المثال ، w CO2_imp (طريقة التشريب) و wCO2_graft (طريقة مطعمة)).
  8. بالنسبة لدراسات الدورة ، باستخدام برنامج الأداة ، قم بتخصيص تشغيل إجرائي يفتح أولا على غاز 100٪ N2 ، وتثبيت متساوي الحرارة لمدة 5 دقائق ، قبل التصاعد عند 20 درجة مئوية / دقيقة إلى 105 درجة مئوية ، وتثبيت متساوي الحرارة لمدة 5 دقائق.
  9. بعد ذلك ، قم بالنزول عند 10 درجة مئوية / دقيقة إلى 40 درجة مئوية ، وعقد متساوي الحرارة لمدة 1 دقيقة قبل إطلاق مزيج من 5٪ CO 2 في N2 ، وعقد متساوي الحرارة لمدة 35 دقيقة. كرر الخطوات الإجرائية 10 مرات.
  10. داخل البرنامج ، قم بإلحاق هذا التشغيل عدة مرات حسب الرغبة لإضافة خطوات دورة إضافية. تأكد من عدم تغيير رقم المقلاة وإزالة خطوة تثبيت الوزن لعمليات التشغيل الملحقة بعد التشغيل الأول. يتيح ذلك للمستخدم وضع عدة دورات من 10 دورات معا في طريقة.

4. تحليل المواد المركبة السيليكا بواسطة التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR) باستخدام ملحق الانعكاس الكلي الموهن (ATR)

ملاحظة: تبلغ أوجه عدم اليقين المعيارية المرتبطة بهذه الأداة ± 1٪ في ذروة الكثافة و ± 4 cm−1 في العدد الموجي ، وبالتالي ، فإن عدم اليقين في الشدة في المنحنى المبلغ عنه ± 1.4٪ باستخدام الانتشار الخطي لأوجه عدم اليقين.

  1. نظف النافذة (الماسية) الموجودة على ملحق FTIR-ATR بمنديل منخفض الوبر والميثانول.
  2. اجمع طيف الخلفية باستخدام نافذة القياس الأساسية للبرنامج.
  3. باستخدام ملعقة نظيفة وجافة ، ضع العينة فوق نافذة FTIR-ATR. استخدم مسبار ضغط ATR لدفع العينة إلى ملامسة النافذة.
  4. اجمع طيف عينة بالضغط على زر تجميع عينة في نافذة القياس الأساسية، وقم بتحميل الخلفية المقترنة من الملف الذي تم الحصول عليه في الخطوة 4.2.
  5. كرر الخطوات من 4.1 إلى 4.4 لكافة العينات.

5. تحليل المواد المركبة السيليكا قبل وبعد التشريب وتطعيم الأمينات عن طريق المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)

  1. قم بتركيب العينات في شكل مسحوق على بذرة من الألومنيوم عن طريق نشرها بعناية على شريط موصل للكربون على الوجهين. يساعد المجهر الاستريو في هذا الإجراء عن طريق زيادة وضوح انتشار العينة.
  2. قم بتغطية كل عينة بطبقة موصلة من الذهب والبلاديوم (Au-Pd) 5 نانومتر للحصول على ظروف تصوير مثالية.
  3. تخيل مورفولوجيا السطح لمادة السيليكا الركيزة قبل وبعد التشريب أو التطعيم على شعاع مزدوج ، انبعاث المجال SEM تحت فراغ عالي (أي أقل من 0.4 mPa ، 3 × 10−6 torr).
    ملاحظة: تم تحسين معلمات طاقة الحزمة المختارة (1 كيلو فولت) وتيار المسبار (6.3 أمبير و 25 مللي أمبير) للحصول على صور واضحة مع الحد الأدنى من الشحن والتحف والانحراف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

يستخدم التحليل الحراري الوزني (TGA) بشكل شائع لتحديد كمية الأمين المحملة أو المطعمة على سطح السيليكا لهذه المواد. تظهر منحنيات التحليل الحراري الوزني (TGA) التي تم الحصول عليها فقدانا للمذيب المتبقي والماء بين 60 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية، وهو ما يظهر في منحنى وزن المشتق (الوزن٪ / درجة مئوية) كقمة أولى، وفقدان الأمين، والذي يظهر في منحنى وزن المشتق (الوزن٪ / درجة مئوية) كقمة ثانية. بالنسبة للسيليكا المشبعة بجزيرة الأمير إدوارد ، من المتوقع أن تظهر هذه الخسارة من الأمين حوالي 200 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية ، والتي تظهر كذروة ثانية في منحنى وزن المشتق ، وبالنسبة للسيليكا المطعمة DAS ، من المتوقع أن يظهر فقدان الأمين حوالي 350 درجة مئوية إلى 550 درجة مئوية (الشكل 6). يشير فقدان الوزن الكلي إلى كمية الأمين المحملة أو المطعمة على ركيزة السيليكا وهو معلمة توصيف مهمة للحكم على جودة التوليف. بالنسبة للعينات المشبعة بجزيرة الأمير إدوارد ، w أمين بواسطة TGA (w amine_TGA_imp) = 59.2٪ ± 0.3٪ (n = 3) على عكس التجربة (wamine_exp_graft) = 59.9٪ (الشكل 6B). بالنسبة للعينات المطعمة بنظام DAS ، w amine_TGA_graft = 22.3٪ ± 0.1٪ (n = 3) على عكس wamine_exp_graft = 90.0٪ عند تكرار التوليف ثلاث مرات (الشكل 6A).

Figure 6
الشكل 6: التحليل الحراري الوزني (TGA). (أ) PEI مشربة عند w amine_exp_imp = 59.9٪ لوحظ ، w amine_TGA_imp = 59.2٪ ± 0.3٪ (n = 3) ، و (B) المواد المطعمة عند w amine_exp = 90.0٪ لوحظ ، wamine_TGA = 22.3٪ ± 0.2٪ (n = 3). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

في الشكل 7 ، تم قياسالامتزاز الكلي لثاني أكسيد الكربون باستخدام التحليل الحراري الوزني (TGA) عند 5٪ CO 2 في N2 ، بمعدل تدفق 60 مل / دقيقة ، وتم الاحتفاظ به عند 40 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة. في الشكل 7 أ ، تظهر منحنيات امتزاز ثاني أكسيد الكربون للعينات المشبعة بجزيرة الأمير إدوارد بمتوسط امتصاص ثاني أكسيد الكربون بنسبة 2 في المائة بالوزن (وزنCO2_imp) بنسبة 6.16٪ ±0.2٪ (ن = 3). في الشكل 7B ، يتم عرض منحنيات امتزاز ثاني أكسيد الكربون 2 للعينات المطعمة ب DAS مع wCO2_graft = 2.03٪ ± 0.04٪ (n = 3). ضمن منحنيات التحليل الحراري الوزني (TGA) هذه، يتم تصحيح خط الأساس ليبدأ عند 100٪.

Figure 7
الشكل 7: منحنيات التحليل الحراري الوزني (TGA) لامتزاز ثاني أكسيد الكربون2. (أ) عينة PEI MCM-41 مشربة wCO2_imp = 6.16٪ ± 0.3٪ (ن = 3). (ب) عينة DAS MCM-41 المطعمة wCO2_graft = 2.03٪ ± 0.04٪ (ن = 3). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

التحليل الطيفي FTIR-ATR هو نوع من التحليل الطيفي الاهتزازي الذي يشيع استخدامه لفهم التركيب الكيميائي للمادة. يوضح الشكل 8 أطياف FTIR-ATR لمواد PEI و DAS و MCM-41 الأنيقة مقارنة بمواد MCM-41 المشبعة ب PEI أو المطعمة ب DAS. تعزى القمم المتميزة التي تتراوح من 2500 سم -1 إلى 3600 سم -1 إلى إشارات N-H القائمة على الأمين المتوقعة من المواد الأمينية. عند مقارنة أطياف المواد المشربة والمطعمة ، لوحظ انخفاض في شدة الذروة ، والذي يعزى إلى انخفاض كمية الأمين في المادة المطعمة. يمكن رؤية القمم القوية المقابلة ل Si-O-Si من 400 سم -1 إلى 1200 سم -1 داخل الأطياف. تم تصحيح الأطياف المقدمة للانعكاس الكلي الموهن ثم تصحيح خط الأساس تلقائيا من خلال برنامج الجهاز.

Figure 8
الشكل 8: أطياف FTIR. أطياف FTIR التمثيلية لعينة PEI و MCM-41 و DAS و DAS المطعمة وعينة المواد المشبعة ب PEI. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

في الشكل 9 ، تمت مقارنة الصور المجهرية SEM ل MCM-41 غير المعدلة مع MCM-41 المشربة ب PEI عند w amine_TGA_imp = 59.2٪ و MCM-41 المطعمة ب DAS عند wamine_TGA_graft = 22.3٪ للاختلافات المورفولوجية والسطحية.

Figure 9
الشكل 9: صور SEM. (أ) MCM-41 المشرب في جزيرة الأمير إدوارد ، (ب) MCM-41 أنيق ، و (ج) تطعيم MCM-41 ب DAS. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

في الشكل 10 والشكل 11 ، يتم قياس المواد الأولية الأنيقة مثل MCM-41 و DAS و PEI 800 باستخدام التحليل الحراري الوزني (TGA) كمرجع أساسي لفقدان الوزن وامتصاص ثاني أكسيد الكربون2 . في الشكل 10A، يمكن رؤية منحنيات MCM-41 TGA الأنيقة على أنها فقدان بطيء وتدريجي للوزن ولكن مع عدم وجود قمم واضحة في وزن المشتق (الوزن٪ / درجة مئوية). في الشكل 10B ، يمكن رؤية منحنيات PEI 800 TGA الأنيقة مع فقدان الوزن الكلي الذي يتراوح من 200 درجة مئوية إلى 370 درجة مئوية.

Figure 10
الشكل 10: منحنيات التحليل الحراري الوزني (TGA). (أ) أنيق MCM-41 wMCM41 = 8.58٪ ± 0.5٪ (ن = 3). (ب) PEI 800 الوزن الجزيئي wPEI = 98.9٪ ± 0.9٪ (n = 3). .يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 11
الشكل 11: منحنيات التحليل الحراري الوزني (TGA). (أ) امتزاز ثاني أكسيد الكربون 2 من MCM-41 wCO2 الأنيق = 0.223٪ ±0.2٪ (ن = 3). (ب) امتزاز ثاني أكسيد الكربون2 من PEI 800 wCO2 = 0.879٪ ± 0.3٪ (ن = 3). (ج) امتزاز ثاني أكسيد الكربون2 من DAS الأنيق wCO2 = 0.247٪ ± 0.1٪ (ن = 3). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

في الشكل 11A ، يظهر منحنى امتزاز CO 2 ل MCM-41 الأنيق مع الحد الأدنى من امتصاص CO 2 wCO2 = 0.222٪ ±0.2٪ (n = 3). في الشكل 11B ، يظهر منحنى امتصاص CO 2 الأنيق في PEI 800 مع الحد الأدنى من امتصاص CO2 wCO2 = 0.879٪ ± 0.3٪ (n = 3). في الشكل 11C ، يظهر منحنى امتزاز CO 2 ل DAS الأنيق مع الحد الأدنى من امتزاز CO2 wCO2 = 0.247٪ ± 0.1٪ (n = 3). لاحظ أن امتزاز المواد الأنيقة منخفض لأن امتزاز CO2 يحدث فقط على السطح المعرض لبيئة الغاز المخلوط. والجدير بالذكر أن DAS حساس للهواء والرطوبة ويتعرض للهواء أثناء عملية التحميل في TGA ، مما قد يؤثر على قدرته على امتصاص ثاني أكسيد الكربون2.

في الشكل 12 ، يتم عرض منحنيات دورة امتزاز وامتصاص ثاني أكسيد الكربون CO 2 ل MCM-41 المشرب (الشكل 12A) ، و MCM-41 المطعمة (الشكل 12B). ضمن هذا البروتوكول ، يتم تنشيط العينة أولا عن طريق التسخين إلى 105 درجة مئوية تحت 100٪ N 2 لمدة 5 دقائق ، ثم يتم رفعها إلى 40 درجة مئوية ويتم الاحتفاظ بها لمدة 1 دقيقة قبل إعطاء مزيج من 5٪ CO 2 في N2 لمدة 35 دقيقة. ثم يتم تكرار هذا الإجراء (الشكل 12C). يوضح الشكل عشر دورات متكررة مع انخفاض قدرات امتصاص المادة مع تقدم الوقت. يمكن الوصول إلى البيانات من خلال إدارة أصول البيانات المؤسسية (MIDAS) على https://doi.org/10.18434/mds2-3017.

Figure 12
الشكل 12: دراسة امتزاز وامتزاز التحليل الحراري الوزني (TGA) الدورية. (أ) MCM-41 المشرب ب PEI ، (ب) تطعيم DAS MCM-41 ، و (ج) ملف تعريف درجة الحرارة للأشواط الإجرائية ل (A) و (B). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تهدف الطرق الموضحة هنا إلى توفير بروتوكول لإعداد الممتزات المركبة من السيليكا الأمينية المشربة والمطعمة. تستند الإجراءات التي وثقناها إلى مراجعة التقنيات الواردة في الأدبيات وتلك المكررة في مختبرنا. 1,2,3. يعد تحضير هذه المواد مفيدا في مجال أبحاث إزالة ثاني أكسيد الكربون لتطوير أو قياس المواد الأخرى التي يمكن استخدامها لخفض انبعاثات CO2 إما في الغلاف الجوي (التقاط الهواء المباشر) أو في العمليات الصناعية (التقاط مصدر النقطة). من بين الممتزات الصلبة أمينية ، يشيع استخدام السيليكا المسامية. تميل ركائز السيليكا إلى أن يكون لها توليفات بسيطة أو يمكن شراؤها تجاريا ، مع خصائص هيكلية تجعلها خيارا جيدا للتشريب أو تطعيم الممتزات الصلبة القائمة على الأمين21. ضمن هذا الإجراء ، يتم استخدام MCM-41 كركيزة للسيليكا نظرا لمساحة سطحها الكبيرة وتوزيع حجم المسام الضيق بين 35 Å و 38 Å. ومع ذلك ، هناك دعم آخر للسيليكا تمت دراسته بشكل شائع وهو SBA-15 ، والذي يستخدم أيضا في أبحاث التقاط الكربون نظرا لمساحة سطحه الكبيرة وحجم المسام وحجم الميزوبور الموحد24. أظهرت الدراسات المنهجية التي تستخدم MCM-41 و PEI عن طريق التشريب زيادة في امتصاص CO2 مع زيادة في كمية تحميل PEI26. تم إعطاء النتائج السابقة التي توضح بالتفصيل فقدان الوزن لمركبات السيليكا MCM-41 المشربة بواسطة Xu وزملاء العمل26 ، ولمركبات السيليكا المطعمة بواسطة Sousa وزملائهفي العمل 27 ، الذين جربوا تأثير H 2 S و H 2 O علىالتقاط CO2. وجد شو وزملاؤهفي العمل 26 أن MCM-41 عند تحميل 50٪ (بالوزن٪) من جزيرة الأمير إدوارد لديه قدرة امتصاص تبلغ 112 مجم CO2 / g-adsorbent. فقدان الوزن TGA من هذه المواد المشربة معروضة أيضا داخل المخطوطة. وبالمقارنة ، فإن MCM-41 59.9٪ (بالوزن٪) المشربة ب PEI داخل هذه المخطوطة لديها سعة 61.6 مجم CO2 / g-adsorbent. في حين أن هذا يبدو أقل بكثير من الكمية المبلغ عنها ، ضع في اعتبارك أن معلمات القياس مختلفة - قام Xu وزملاؤه بتسخين العينة إلى 75 درجة مئوية ، وكان لديهم مزيج 99.8٪ من CO2 في N2 ، ومعدل تدفق 100 مل / دقيقة لمدة 150 دقيقة. من المحتمل أن تكون درجة الحرارة المتزايدة وما يقرب من 100٪ من الظروف التجريبية ل CO 2 قد ساعدت في امتصاص CO2. هذا يسلط الضوء على التحديات في مقارنة الدراسات التي تختلف فيها الإجراءات التجريبية.

حتى بالنسبة لطريقة تبدو بسيطة مثل التشريب ، فإن اختيار المذيب ، وتركيز السيليكا / المذيب ، وتركيز الأمين / المذيب ، وطريقة التحريك / الخلط ، ودرجة الحرارة ، ووقت الخلط تختلف اختلافا كبيرا في الأدبيات. تهدف هذه الورقة إلى وصف طريقة واحدة لصنع هذه المواد ، ولكن يمكن لكل باحث فردي إجراء اختيارات مناسبة لأهدافه البحثية الخاصة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذه المنهجيات قابلة للتكيف مع ركائز الممتزات الأخرى لاحتجاز الكربون. نعتزم المساعدة في تسهيل البحث في مواد إزالة ثاني أكسيد الكربون من خلال توفير نقطة انطلاق لمثل هذا العمل بهذه الطريقة.

نقلت العديد من الدراسات أن موقع الأمينات داخل بنية مركب السيليكا يمكن أن يتغير بالنسبة للأمينات المشربة مقابل المطعمة. المواد المشربة المحملة بجزيرة الأمير إدوارد لها درجات أعلى من الأداء الوظيفي (أي محتوى الأمين) على السطح ، والتي يمكن أنتمنع انتشار ثاني أكسيد الكربون في المسام1،2،3،24. تم ربط انسداد المسام بظروف درجة حرارة التفاعل الباردة ، وتحميل الأمين العالي ، والعوائق الستيرية ، وبالتالي تقليل إمكانية الوصول إلى مواقع الأمين وقدرات الامتزاز28.

لقد ثبت أن المواد المطعمة تحتوي على أمينات تقع داخل قنوات المسام ، وبالتالي يمكن أن يحدث انتشار CO2 بسهولة من خلال الهيكل بأكمله ، مما يزيد من كفاءة الالتقاط24,25. تشكل مقارنة مركبات السيليكا الأمين المطعمة ببعضها البعض صعوبة بسبب الاختلاف في محتوى الأمين في كل من المادة المطعمة وداخل الأمينوسيلان.

ومع ذلك ، فإن قابلية المقارنة بين الدراسات داخل "نفس المادة (المواد)" لا تزال لها قيود كبيرة ، مثل الاختلافات في (1) التوليف ، (2) المواد ، و (3) القياس. أولا ، في حين أن العديد من الدراسات ومقالات المراجعة تصف تحضير مواد السيليكا المشربة أو المطعمة ، تميل إلى أن تكون هناك بروتوكولات متنوعة للتوليف مع عدم وجود إرشادات واضحة فيما يتعلق بالخطوات الأكثر أهمية في التوليف. ثانيا ، هناك اختلافات في الأداء بين ركائز السيليكا التي يتم الحصول عليها من موردين خارجيين وتلك المعدة من خلال الطرق الاصطناعية المستخدمة خلال هذه البروتوكولات. مع الاختلافات في الكتل المولية لجزيرة الأمير إدوارد ، ومحتوى الأمين في الأمينوسيلان ، والنسب المئوية المطعمة أو المحملة ، هناك صعوبة في مقارنة قدرات امتصاص CO2 المقاسة بين هذه المواد المتنوعة. ثالثا ، يمكن قياس قدرة امتصاص CO2 باستخدام العديد من الأنواع المختلفة من أدوات القياس التجارية أو المصممة خصيصا ، وكلها لها شكوك مختلفة مرتبطة بالقياس. يمكن أن تختلف النسبة المئوية الإجمالية لثاني أكسيد الكربون2 داخل مصدر الغاز ، ومعدل تدفق الغاز ، واختيار التنشيط ، والامتزاز ، ودرجات حرارة الامتزاز ، والرطوبة داخل مصدر الغاز بين الدراسات الفردية والأدوات الفردية. كل هذه المعلمات التجريبية مهمة للنظر عند مقارنة قدرات الامتصاص المقاسة للمواد الفردية.

بينما يركز هذا الإجراء على ركائز السيليكا ، فإن الهدف العام المتمثل في القضاء على انبعاثات الكربون وتقليل تركيز CO2 في الغلاف الجوي هو مشكلة معقدة ومتعددة الأوجه تتطلب ابتكارات مادية لمعالجتها ، وتوافق في الآراء بشأن معايير القياس للإبلاغ عنها ، وإشارة واضحة إلى الخطوات الإجرائية الحاسمة. وبالتالي ، فإن البحث المستمر للتحقيق في الممتزات الجديدة ذات الدعم الصلب مع وظيفة الممتزات CO2 أمر مهم بشكل متزايد لتحقيق الأهداف المناخية المعلنة. تسلط هذه المقالة الضوء على الحاجة إلى إجماع المجتمع على المعلمات النسبية وتوضح الحاجة إلى مواد مرجعية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

لا يكشف جميع المؤلفين عن أي تضارب في المصالح المتنافسة. يتطلب الوصف الكامل للإجراءات المستخدمة في هذه الورقة تحديد بعض المنتجات التجارية ومورديها. لا ينبغي بأي حال من الأحوال تفسير تضمين هذه المعلومات على أنه يشير إلى أن هذه المنتجات أو الموردين معتمدون من قبل NIST ، أو موصى بهم من قبل NIST ، أو أنهم بالضرورة أفضل المواد أو الأدوات أو البرامج أو الموردين للأغراض الموضحة.

Acknowledgments

تود شارلوت إم وينتز أن تعترف بالتمويل من خلال جائزة NIST # 70NANB8H165. تود زويس تسيناس أن تعترف بالتمويل من خلال جائزة NIST # 70NANB22H140.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Zhu, X., et al. Recent advances in direct air capture by adsorption. Chemical Society Reviews. 51 (15), 6574-6651 (2022).
  2. Zhao, P., Zhang, G., Yan, H., Zhao, Y. The latest development on amine functionalized solid adsorbents for post-combustion CO2 Capture: Analysis review. Chinese Journal of Chemical Engineering. 35 (8), 17-43 (2021).
  3. Chen, D., Zhang, S., Row, K. H., Ahn, W. -S. Amine-silica composites for CO2 capture: A short review. Journal of Energy Chemistry. 26 (5), 868-880 (2017).
  4. Nie, L., Mu, Y., Jin, J., Chen, J., Mi, J. Recent developments and considerations issues in solid adsorbents for CO2 capture from flue gas. Chinese Journal of Chemical Engineering. 26 (11), 2303-2317 (2018).
  5. Nithyashree, N., Manohara, G. V., Maroto-Valer, M. M., Garcia, S. Advanced high-temperature CO2 sorbents with improved long-term cycling stability. American Chemical Society Applied Material Interfaces. 12 (30), 33765-33774 (2020).
  6. Song, C., et al. Alternative pathways for efficient CO2 capture by hybrid processes-A review. Renewable and Sustainable Energy Review. 82, 215-231 (2018).
  7. Rochelle, G. T. Amine scrubbing for CO2 capture. Science. 325 (5948), 1625-1654 (2009).
  8. Vaidye, P. D., Kenig, E. Y. CO2-alkanolamine reaction kinetics: A review of recent studies. Chemical Engineering & Technology. 30 (11), 1467-1474 (2007).
  9. Veawab, A., Tontiwachwuthikul, P., Chakma, A. Corrosion behavior of carbon steel in the CO2 adsorption process using aqueous amine solutions. Industrial & Engineering Chemical Research. 38 (10), 3917-3924 (1999).
  10. Chen, S., Bhattacharjee, S. Trimodal nanoporous silica as a support for amine-based CO2 adsorbents: Improvement in adsorption capacity and kinetics. Applied Surface Science. 396, 1515-1519 (2017).
  11. Jiao, J., Cao, J., Xia, Y., Zhao, L. Improvement of adsorbent materials for CO2 capture by amine functionalized mesoporous silica with worm-hole framework structure. Chemical Engineering Journal. 306, 9-16 (2016).
  12. Guo, X., Ding, L., Kanamori, K., Nakanishi, K., Yang, H. Functionalization of hierarchically porous silica monoliths with polyethyleneimine (PEI) for CO2 adsorption. Microporous and Mesoporous Materials. 245, 51-57 (2017).
  13. Fatima, S. S., Borhan, A., Ayoub, M., Ghani, N. A. Development and progress of functionalized silica-based adsorbents for CO2 capture. Journal of Molecular Liquids. 338, 116913 (2021).
  14. Cheng, J., Liu, M., Hu, L., Li, Y., Wang, Y., Zhou, J. Polyethyleneimine entwine thermally-treated Zn/Co zeolitic imidazolate frameworks to enhance CO2 adsorption. Chemical Engineering Journal. 364, 530-540 (2019).
  15. Zagho, M. M., Hassan, M. K., Khraisheh, M., Al-Maadeed, M. A. A., Nazarenko, S. A review on recent advances in CO2 separation using zeolite and zeolite-like materials as adsorbents and fillers in mixed matrix membranes (MMMs). Chemical Engineering Journal Advances. 6, 100091 (2021).
  16. Wang, J., Wang, M., Zhao, B., Qiao, W., Long, D., Ling, L. Mesoporous carbon-supported solid amine sorbents for low-temperature carbon dioxide capture. Industrial & Engineering Chemistry Research. 52 (15), 5437-5444 (2013).
  17. Ünveren, E. E., Monkul, B. O., Sarioğlan, S., Karademir, N., Alper, E. Solid amine sorbents for CO2 capture by chemical adsorption: A review. Petroleum. 3 (1), 37-50 (2017).
  18. Demir, H., Aksu, G. O., Gulbalkan, H. C., Keskin, S. MOF membranes for CO2 capture: Past, present and future. Carbon Capture Science & Technology. 2, 100026 (2022).
  19. Xu, X., Song, C., Andresen, J. M., Miller, B. G., Scaroni, A. W. Novel polyethylenimine-modified mesoporous molecular sieve of MCM-41 type as high-capacity adsorbent for CO2 capture. Energy & Fuels. 16 (6), 1463-1469 (2002).
  20. Gelles, T., Lawson, S., Rownaghi, A., Rezaei, F. Recent advances in development of amine functionalized adsorbents for CO2 capture. Adsorption. 26 (94), 5-50 (2020).
  21. Rao, N., Wang, M., Shang, Z., Hou, Y., Fan, G., Li, J. CO2 adsorption by amine-functionalized MCM-41: A comparison between impregnation and grafting modification methods. Energy Fuels. 32 (1), 670-677 (2018).
  22. Anyanwu, J. T., Wang, Y., Yang, R. T. Amine-grafted silica gels for CO2 capture including direct air capture. Industrial & Engineering Chemistry Research. 59 (15), 7072-7079 (2020).
  23. Anyanwu, J. -T., Wang, Y., Yang, R. T. CO2 capture (including direct air capture) and natural gas desulfurization of amine-grafted hierarchical bimodal silica. Chemical Engineering Journal. 427 (14), 131561 (2022).
  24. Sanz, R., Calleja, G., Arencibia, A., Sanz-Pérez, E. S. Amino functionalized mesostructured SBA-15 silica for CO2 capture: Exploring the relation between the adsorption capacity and the distribution of amino groups by TEM. Microporous and Mesoporous Materials. 158, 309-317 (2012).
  25. Moon, H. J., et al. Understanding the impacts of support-polymer interactions on the dynamics of poly(ethyleneimine) confined in mesoporous SBA-15. Journal of the American Chemical Society. 144 (26), 11664-11675 (2022).
  26. Xu, X., Song, C., Andresen, J. M., Miller, B. G., Scaroni, A. W. Preparation and characterization of novel CO2 "molecular basket" absorbents based on polymer-modified mesoporous molecular sieve MCM-41. Microporous and Mesoporous Materials. 62 (1-2), 29-45 (2003).
  27. Sousa, J. A. R., et al. H2S and H2O combined effect on CO2 capture by amino functionalized hollow microsphere silicas. Industrial & Engineering Chemistry Research. 60 (28), 10139-10154 (2021).
  28. Rim, G., et al. Sub-ambient temperature direct air capture CO2 using amine-impregnated MIL-101(Cr) enables ambient temperature CO2. JACS Au. 2 (2), 380-393 (2022).

Tags

المنهجية الاصطناعية ، التحضير ، المشربة ، المطعمة ، القائمة على الأمين ، مركبات السيليكا ، احتجاز الكربون ، انبعاثات CO2 ، مواد التقاط الكربون ، التقاط مصدر النقطة ، التقاط الهواء المباشر ، ماصات CO2 الوظيفية بالأمين ، إزالة CO2 ، استهلاك طاقة التجديد ، قدرة الامتزاز ، الركيزة المسامية ، أنواع الأمين ، أحجام المسام ، المساحات السطحية ، طرق التحضير ، التشريب ، التطعيم ، التخليق الكيميائي ، مادة ركيزة السيليكا ، حجم المسام القابل للتعديل ، تحمل الرطوبة ، درجة الحرارة الاستقرار ، تطبيقات DAC
منهجية اصطناعية لتحضير مركبات السيليكا القائمة على الأمين المشربة والمطعمة لالتقاط الكربون
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wentz, C. M., Tsinas, Z., Forster,… More

Wentz, C. M., Tsinas, Z., Forster, A. L. A Synthetic Methodology for Preparing Impregnated and Grafted Amine-Based Silica Composites for Carbon Capture. J. Vis. Exp. (199), e65845, doi:10.3791/65845 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter