Waarom directe luchtafvang 3D-sorbentdragers met een lage drukval en een lage thermische massa vereist

Waarom directe luchtafvang 3D-sorbentdragers met een lage drukval en een lage thermische massa vereist

Directe luchtafvang , ofwel DAC, wordt een steeds belangrijkere technologie voor koolstofverwijdering.

In tegenstelling tot conventionele koolstofafvang uit geconcentreerde industriële rookgassen, werkt DAC met atmosferische lucht, waar de CO₂-concentratie veel lager is.

Dit betekent dat een DAC-systeem continu een zeer groot volume lucht moet verwerken.

Het resultaat is dat de prestaties van DAC niet alleen kunnen worden beoordeeld op basis van het CO₂-adsorptievermogen van het sorbent.

Luchtweerstand, gas-vaststofcontact, immobilisatie van het sorbent, structureel gewicht, regeneratietemperatuur en cyclusstabiliteit kunnen allemaal de algehele systeemefficiëntie beïnvloeden.

Om deze reden verschuift de ontwikkeling van DAC geleidelijk van een benadering die zich uitsluitend richt op sorbenten naar een meer geïntegreerd engineeringmodel:

Sorbentchemie + Poreuze structuur + Luchtstroom + Thermisch beheer + Moduleontwerp

1. DAC gaat niet alleen over het sorbent.

De meeste discussies rondom DAC richten zich vanzelfsprekend op de chemie van het sorbentmateriaal.

Veelvoorkomende onderzoeksgebieden zijn onder meer:

• Amine-gebaseerde sorbenten
• Alkalische materialen
• Metaal-organische raamwerken
• Poreuze polymeren
• Functionele poreuze materialen
• Hybride vaste sorbentsystemen

Deze materialen zijn verantwoordelijk voor de chemische interactie met CO₂.

Een sorbent kan echter niet zelfstandig functioneren binnen een praktische DAC-module.

Het moet worden ondersteund, gecoat, geïmmobiliseerd of verdeeld binnen een structuur die lucht doorlaat, terwijl er voldoende contact tussen het gas en het actieve sorbent behouden blijft.

Een praktische DAC- module moet daarom twee verschillende vragen beantwoorden:

Kan het sorbentmateriaal CO₂ effectief afvangen?

en

Kan lucht met een aanvaardbaar energieverbruik door de adsorptiestructuur stromen?

De tweede vraag is waar gestructureerde sorbentdragers met name van belang worden.

2. Waarom drukval belangrijk is bij DAC

Een van de fundamentele verschillen tussen DAC en puntbron-koolstofafvang is het volume gas dat verwerkt moet worden.

Omdat de CO₂-concentratie in de atmosfeer laag is, moet een DAC-systeem een ​​grote hoeveelheid lucht verplaatsen om een ​​significante hoeveelheid CO₂ af te vangen.

Elke constructie die in de luchtstroom wordt geplaatst, creëert weerstand.

De drukval kan toenemen wanneer:

• Het adsorptiebed is te dik.
• De poriënkanalen zijn te klein.
• De sorbentbelading is te hoog.
• De stroompaden worden extreem kronkelig.
• Coatings blokkeren gedeeltelijk open poriën.

Een hogere drukval betekent:

Hogere ventilatorbehoefte.

Bij grootschalige DAC-systemen kan deze extra energiebehoefte direct van invloed zijn op de operationele efficiëntie en de kosten.

Een belangrijk technisch doel is daarom om een ​​voldoende hoge sorbentbelasting en gas-vaststofcontact te behouden, terwijl de luchtweerstand tot een minimum wordt beperkt.

3. Meer sorbent is niet altijd beter.

Vanuit materiaalkundig oogpunt lijkt een hogere sorbentbelasting in eerste instantie wellicht wenselijk.

Maar in een gestructureerd DAC-systeem is maximale belasting niet per se de optimale situatie.

Als een overmaat aan sorbent de poreuze structuur blokkeert, kunnen er verschillende problemen ontstaan:

• Verhoogde luchtstroomweerstand
• Hogere drukval
• Verminderde open stroomkanalen
• Lagere benutting van het interne sorbent
• Langzamere adsorptiekinetiek
• Langzamere desorptie

De echte ontwerpuitdaging is het vinden van de juiste balans:

Sorbentbelasting × Massaoverdracht × Drukval

in plaats van alleen de sorbentbelading te optimaliseren.

4. Waarom een ​​lage thermische massa ook van belang is

Veel DAC-systemen met vaste sorbenten gebruiken thermische energie om de afgevangen CO₂ vrij te maken en het sorbent te regenereren.

Tijdens deze regeneratiestap kan energie niet alleen worden gebruikt om het sorbent zelf te verwarmen, maar ook om het volgende te verwarmen:

• De ondersteunende structuur
• Frames
• Mechanische ondersteuningen
• Interne modulecomponenten
• Overige niet-actieve materialen

Als de constructie zwaar is, kan elke cyclus gepaard gaan met het herhaaldelijk verhitten van een aanzienlijke hoeveelheid materiaal die niet direct bijdraagt ​​aan de CO₂-afvang.

Het verminderen van niet-actieve structurele massa kan daarom een ​​belangrijke technische doelstelling zijn.

Een drager met een lagere dichtheid kan mogelijk de hoeveelheid niet-actief materiaal verminderen die bij elke verwarmings- en koelcyclus betrokken is.

Het is echter belangrijk om nauwkeurig te zijn:

Een lage dichtheid betekent niet automatisch een lager totaal energieverbruik van de DAC.

Het werkelijke energieverbruik van het systeem hangt af van de warmtecapaciteit, de chemische samenstelling van het sorbent, de regeneratietemperatuur, het rendement van de warmteoverdracht, de modulearchitectuur en het ontwerp van de bedrijfscyclus.

Deze potentiële voordelen moeten daarom experimenteel worden gevalideerd.

5. Gestructureerde sorbenten worden steeds belangrijker.

Traditionele adsorptiesystemen maken vaak gebruik van gepakte bedden.

Opvouwbare bedden zijn eenvoudig en algemeen bekend, maar ze kunnen technische beperkingen met zich meebrengen, zoals:

• Complexe luchtstroompaden
• Hogere drukval
• Deeltjesslijtage
• Stofvorming
• Niet-uniforme warmteoverdracht

Dit is een van de redenen waarom gestructureerde sorbenten steeds meer aandacht krijgen.

Het concept is eenvoudig:

In plaats van een module te vullen met losse deeltjes, wordt het sorbentmateriaal verdeeld over of in een vooraf ontworpen structuur.

Dit stelt ingenieurs in staat om onafhankelijk van elkaar te optimaliseren:

• Stroomkanaalgeometrie
• Oppervlakte
• dikte van de sorbentlaag
• Drukval
• Warmteoverdracht
• Mechanische stabiliteit

6. Vergelijking van veelvoorkomende DAC-sorbentstructuren

Er bestaat geen enkele structuur die optimaal is voor elk DAC-systeem.

De juiste architectuur hangt af van:

• Luchtstroomsnelheid
• sorbentchemie
• Regeneratie methode
• Afmetingen module
• Doellevensduur

7. Waarom open-celschuim het overwegen waard is

Schuim met open cellen gedraagt ​​zich anders dan schuim met een honingraatstructuur.

Een honingraatstructuur bevat doorgaans relatief regelmatige, rechte kanalen.

Opencellig schuim bevat een onderling verbonden driedimensionaal poriënnetwerk.

Hierdoor kan gas via meerdere paden in het materiaal stromen.

Vanuit een technisch oogpunt kan deze constructie verschillende interessante eigenschappen bieden.

3D-luchtstroompaden

Het onderling verbonden poriënnetwerk zorgt ervoor dat lucht in meerdere richtingen door de structuur kan stromen.

Dit kan bijdragen aan een effectievere interactie tussen de gasstroom en het functionele sorbentoppervlak.

Laag constructiegewicht

Schuim met een lage dichtheid kan een relatief groot volume innemen met een relatief kleine hoeveelheid ondersteunend materiaal.

Dit kan nuttig zijn in DAC-modules waar zowel het structurele gewicht als de thermische massa belangrijk zijn.

Verstelbare structuur

Dikte, afmetingen, dichtheid en oppervlaktebehandeling kunnen worden aangepast aan verschillende moduleconcepten.

Gemakkelijke conversie

Schuim met open cellen kan worden gesneden, CNC-gefreesd, gelamineerd of omgezet in verschillende prototypevormen.

Dit kan met name nuttig zijn tijdens de vroege ontwikkelingsfase van een DAC-module.

8. De potentiële rol van melamineschuim in DAC

SINOYQX melamineschuim is een driedimensionaal, poreus materiaal met een lage dichtheid en open cellen.

De typische dichtheid van de standaard technische kwaliteit is ongeveer:

8.5 kg / m³

Vanuit een DAC-technisch perspectief kan het als volgt worden beoordeeld:

Lichtgewicht 3D-absorberende ondersteuning

De potentiële rol ervan is niet om zelf als CO₂-sorbent te fungeren, maar om het volgende te bieden:

• Een driedimensionale poreuze ondersteuningsstructuur
• Luchtstroomkanalen
• Een substraat voor de immobilisatie van sorbenten
• Een aanpasbare modulegeometrie
• Lage structurele massa

9. Melamineschuim is niet hetzelfde als CO.₂ Sorbent

Dit onderscheid is belangrijk.

Standaard melamineschuim mag niet worden gepresenteerd als een direct CO₂-absorberend middel voor DAC.

In een DAC-systeem wordt de feitelijke CO₂-afvang gerealiseerd door materialen met een geschikte chemische affiniteit of selectiviteit voor CO₂.

Deze kunnen zijn:

• amine-functionele materialen
• Metaal-organische raamwerken
• Alkalische sorbenten
• Functionele poreuze polymeren
• Andere CO₂-selectieve sorbentsystemen

De meer realistische functie van melamineschuim is die van een driedimensionale structurele ondersteuning voor deze actieve materialen.

Het uiteindelijke DAC-materiaalsysteem moet daarom als volgt worden begrepen:

3D-ondersteuning + functioneel absorptiemiddel

in plaats van als één enkel schuimmateriaal.

10. Hoe kunnen absorptiemiddelen op 3D-schuim worden aangebracht?

Dit is een van de centrale ontwikkelingsvraagstukken.

Afhankelijk van de chemische samenstelling van het sorbentmateriaal kunnen verschillende beladingsmethoden worden geëvalueerd.

Deklaag

Op het schuimskelet wordt een functionele absorptielaag aangebracht.

bevruchting

De open celstructuur is geïmpregneerd met een functioneel materiaal.

Polymeerfunctionalisatie

Het schuimoppervlak is chemisch of fysisch gemodificeerd met functionele groepen of polymeren.

Samengestelde structuur

Het schuim wordt gecombineerd met membranen, vezels, coatings of andere absorberende lagen.

Elke route kan gevolgen hebben voor:

• Sorbentbelading
• Verstopping van de poriën
• Drukval
• Adsorptiekinetiek
• Coating hechting
• Duurzaamheid van fietsen

Om deze reden moet de beladingsmethode samen met de constructie worden beoordeeld.

11. Wat moet er getest worden bij een DAC-absorberend materiaal?

Voor DAC mag de materiaalkeuze niet uitsluitend gebaseerd zijn op dichtheid of porositeit.

De belangrijkste stap is de technische validatie op module-niveau.

Drukval versus luchtsnelheid

Meet de drukval over een reeks luchtstroomssnelheden.

Dit is een van de belangrijkste indicatoren voor aerodynamische prestaties.

Sorbentbelading

Bepaal hoeveel functioneel sorbent stabiel per eenheid massa of volume van de drager kan worden geladen.

CO₂ -opname

Het is nuttig om beide te evalueren:

g CO₂ / kg sorbent

en

kg CO₂ /m³ Module

omdat praktische DAC-systemen ook beperkt worden door het modulevolume.

Sorptiekinetiek

Meet hoe snel CO₂ het sorbent kan bereiken en ermee kan reageren.

Desorptiekinetiek

Meet hoe efficiënt CO₂ kan worden vrijgegeven tijdens de regeneratie.

Thermische massa

Evalueer de thermische belasting die gepaard gaat met het schuim, het absorptiemiddel en andere constructiematerialen.

Vochtigheidsstabiliteit

Omgevingslucht bevat vocht, dus de effecten van de luchtvochtigheid op zowel het absorptiemateriaal als de draagstructuur moeten in overweging worden genomen.

Fietsstabiliteit

Voor een langdurige werking van de DAC zijn herhaalde adsorptie-desorptiecycli nodig.

Belangrijke observaties zijn onder meer:

• verlies van sorbent
• Coating scheuren
• Schuimvervorming
• veranderingen in drukval
• afname van de adsorptiecapaciteit

12. Verschillende DAC-systemen vereisen mogelijk verschillende schuimstructuren.

SINOYQX benadert DAC als een gezamenlijke ontwikkelingstoepassing in plaats van als één vast schuimtype.

Mogelijke materiaalrichtingen zijn onder andere:

Standaard opencelschuim

Voor het vroegtijdig laden van sorbent en het screenen van materialen.

Structuur met lage drukval

Voor systemen waar luchtweerstand en ventilatorvermogen bijzonder belangrijk zijn.

Hydrofoob schuim

Voor het evalueren van structureel gedrag onder omstandigheden met een hoge luchtvochtigheid.

Versterkt schuim

Voor modules die een verbeterde mechanische stabiliteit vereisen.

Aangepaste geometrie

Voor CNC-gesneden of op maat gemaakte structuren op basis van specifieke DAC-moduleafmetingen.

Er bestaat geen universeel "beste" schuimstructuur.

Het juiste ontwerp hangt af van de chemische samenstelling van het sorbent en de architectuur van het DAC-systeem.

13. Van materiaalselectie tot DAC-modulevalidatie

Een praktische ontwikkelingsroute begint doorgaans niet met een volledig DAC-systeem.

Een efficiëntere aanpak is:

Stap 1

Definieer de chemie van het CO₂-adsorbens.

Stap 2

Geschikte 3D-ondersteuningsstructuren voor schermen

Stap 3

Evalueer methoden voor het beladen van sorbent

Stap 4

Stel de relatie tussen luchtsnelheid en drukval vast.

Stap 5

Test de CO₂-opname en adsorptiekinetiek.

Stap 6

Voer adsorptie-desorptie-cyclustests uit.

Stap 7

Overgaan naar kleinschalige validatie van DAC-modules

Pas na deze stappen kan de werkelijke technische waarde van de draagconstructie worden beoordeeld.

14. SINOYQX gezamenlijke ontwikkeling voor DAC

SINOYQX ontwikkelt melamineschuim , hydrofobe poreuze materialen, aerogelcomposieten en andere functionele poreuze structuren.

Voor toepassingen met directe luchtafvang onderzoeken we de technische mogelijkheden van melamineschuim als lichtgewicht driedimensionaal absorptiemateriaal.

Onze huidige focus ligt op:

• Schuimdichtheid
• Poriestructuur
• Dikte
• Modulegeometrie
• Luchtsnelheid
• Drukval
• Oppervlakte behandeling
• Sorbentbelading
• Vochtigheid
• Fietsstabiliteit

Ons doel is niet simpelweg om een ​​"DAC-schuim" aan te bieden.

Het doel is om ontwikkelingsteams te helpen bij het evalueren van een poreuze ondersteuningsstructuur die past bij hun sorbentchemie, luchtstroomvereisten, regeneratiemethode en moduleontwerp.

Technische grens

Melamineschuim zelf mag niet worden omschreven als een DAC CO₂-sorbent.

De potentiële voordelen van een open celstructuur, lage dichtheid en lage structurele massa moeten worden gevalideerd onder de feitelijke omstandigheden wat betreft sorbentchemie, luchtstroom, modulegeometrie en bedrijfscyclus.

Prestaties op materiaalniveau mogen niet gelijkgesteld worden aan de energie-efficiëntie of CO₂-afvangprestaties van het gehele DAC-systeem.

FAQ

Kan melamineschuim CO₂ rechtstreeks opnemen?

Standaard melamineschuim moet niet worden beschouwd als het primaire CO₂-adsorbent in DAC. Het is meer geschikt als driedimensionaal poreus dragermateriaal voor functionele adsorberende materialen.

Waarom is drukverlies zo belangrijk bij DAC?

DAC-systemen moeten zeer grote hoeveelheden lucht verwerken. Als de luchtweerstand te hoog is, is er meer ventilatorvermogen nodig, wat het hulpenergieverbruik verhoogt.

Waarom heeft DAC baat bij dragers met een lage thermische massa?

Bij thermisch geregenereerde systemen kan het nodig zijn om ook de draagstructuur te verwarmen en te koelen. Het verminderen van de niet-actieve massa van de structuur kan de hoeveelheid materiaal verminderen die herhaaldelijk betrokken is bij thermische cycli, hoewel de totale energie van het systeem nog experimenteel moet worden gevalideerd.

Wat is het verschil tussen opencellig schuim en honingraatstructuren?

Honingraatstructuren bevatten doorgaans regelmatige stroomkanalen, terwijl opencellig schuim een ​​driedimensionaal, onderling verbonden poriënnetwerk heeft. De twee structuren verschillen in luchtstroomgedrag, oppervlaktegeometrie, sorbentbelading en flexibiliteit in de productie.

Wat is de typische dichtheid van SINOYQX standaard melamineschuim?

De standaard technische kwaliteit heeft een typische dichtheid van ongeveer 8.5 kg/m³. Functionele kwaliteiten dienen te worden geselecteerd op basis van de bijbehorende technische specificatie of projectvereiste.

Wat moet er als eerste getest worden in een DAC-ondersteuningsproject?

Prioritaire tests moeten onder meer de volgende aspecten omvatten: belading met sorbent, drukval versus luchtsnelheid, CO₂-opname, adsorptie-/desorptiekinetiek, vochtigheidsstabiliteit, hechting van de coating en duurzaamheid bij herhaaldelijk gebruik.

CTA

Een DAC-module met vaste absorptie ontwikkelen?

Als u een gestructureerd sorbentsubstraat evalueert, verzoeken wij u het volgende te verstrekken:

Soort sorbent, luchtdebiet, moduleafmetingen, toelaatbare drukval, bedrijfstemperatuur, regeneratiemethode, omgevingsvochtigheid, beoogde sorbentbelasting, cyclusvereisten

SINOYQX kan ondersteuning bieden bij de evaluatie van verschillende schuimdichtheden, diktes, poriënstructuren, oppervlaktebehandelingen en aangepaste geometrieën voor prototypetests.

Dien uw DAC-projectvoorwaarden in →