Неизотермический термогравиметрический анализ реакции карбонизации для усиленного улавливания CO₂

   Углубленное исследование кинетики реакции карбонизации на основе CaO для сорбции CO₂ проводится с помощью одновременного термического анализа с применением передовых методов термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии. Использование передовой системы термического анализа для мониторинга в реальном времени одновременных измерений изменения массы и тепловых эффектов обеспечивает точность и универсальность сбора данных. В исследовании изучаются тонкости неизотермического процесса карбонизации в широком диапазоне температур, проливая свет на зависящие от температуры тенденции в скорости реакции. Для определения энергии и кинетики реакции используются инновационные статистические методы, сочетающие регрессионные методы и уравнение Аррениуса. В исследовании тщательно изучается чувствительность процесса карбонизации к различным условиям давления, что позволяет оптимизировать параметры реакции в различных областях применения. Интеграция одновременного термического анализа со статистическим моделированием, а также систематический анализ зависимых от температуры тенденций и соотношений между давлением и порядком не только углубляет понимание эффективности улавливания CO₂, но и повышает надежность и точность полученных результатов. Кроме того, тщательная перекрестная валидация с существующими исследованиями дает критическую оценку точности и ограничений экспериментального подхода. Данное исследование углубляет понимание кинетики карбонизации СаО, обеспечивая практическое значение для процессов улавливания углерода и способствуя развитию устойчивых промышленных процессов.

1. Shaon Md T. R., Bogatova T. F. Carbon Footprint in Industry and Opportunities to Reduce It // Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве : сборник докладов X Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (TИМ’2022) с международным участием (Екатеринбург, 19–20 мая 2022 г.). Екатеринбург: УрФУ, 2022. С. 7–12.

2. Olivier J., Peters J. Trends in global CO₂ and total greenhouse gas emissions; 2020 report // PBL Netherlands Environmental Assessment Agency. 2020. P. 85.

3. Freund P. Making deep reductions in CO₂ emissions from coal-fired power plant using capture and storage of CO₂ // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy. 2003. Vol. 217, № 1. P. 1–7. doi: 10.1243/095765003321148628

4. Garg A., Shukla P. R. Coal and energy security for India: Role of carbon dioxide (CO₂) capture and storage (CCS) // Energy. 2009. Vol. 34, № 8. P. 1032–1041. doi: 10.1016/j.energy.2009.01.005

5. Deep CCS: Moving beyond 90 % carbon dioxide capture / M. N. Dods [et al.] // Environmental Science & Technology. 2021. Vol. 55, № 13. P. 8524–8534. doi: 10.1021/acs.est.0c07390

6. Singh B. Environmental evaluation of carbon capture and storage technology and large scale deployment scenarios : Doctoral thesis. Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, Fakultet for ingeniorvitenskap og teknologi, Program for industriell okologi, 2011.

7. Zhang Z. et al. A novel method for the preparation of CO₂ sorption sorbents with high performance // Applied Energy. 2014. Vol. 123. P. 179–184.

8. Webley P. A. Adsorption technology for CO2 separation and capture: a perspective // Adsorption. 2014. Vol. 20, № 2–3. P. 225–231.

9. Kuramoto K. et al. Repetitive Carbonation-Calcination Reactions of Ca-Based Sorbents for Efficient CO₂ Sorption at Elevated Temperatures and Pressures // Ind. Eng. Chem. Res. 2003. Vol. 42, № 5. P. 975–981.

10. Erans M., Manovic V., Anthony E. J. Calcium looping sorbents for CO₂ capture // Applied Energy. 2016. Vol. 180. P. 722–742.

11. Vaz S., Rodrigues De Souza A. P., Lobo Baeta B. E. Technologies for carbon dioxide capture: A review applied to energy sectors // Cleaner Engineering and Technology. 2022. Vol. 8. P. 100456.

12. Liu W. et al. Performance Enhancement of Calcium Oxide Sorbents for Cyclic CO₂ Capture – A Review // Energy Fuels. 2012. Vol. 26, № 5. P. 2751–2767.

13. Dunstan M. T. et al. CO₂ Capture at Medium to High Temperature Using Solid OxideBased Sorbents: Fundamental Aspects, Mechanistic Insights, and Recent Advances // Chem. Rev. 2021. Vol. 121, № 20. P. 12681–12745.

14. Halliday C., Hatton T. A. Sorbents for the Capture of CO₂ and Other Acid Gases: A Review // Ind. Eng. Chem. Res. 2021. Vol. 60, № 26. P. 9313–9346.

15. Naeem M. A. et al. Optimization of the structural characteristics of CaO and its effective stabilization yield high-capacity CO₂ sorbents // Nat Commun. 2018. Vol. 9, № 1. P. 2408.

16. Chen H. et al. Novel Optimized Process for Utilization of CaO-Based Sorbent for Capturing CO₂ and SO₂ Sequentially // Energy Fuels. 2012. Vol. 26, № 9. P. 5596–5603.

17. Bilton M., Brown A. P., Milne S. J. Investigating the optimum conditions for the formation of calcium oxide, used for CO₂ sequestration, by thermal decomposition of calcium acetate // J. Phys.: Conf. Ser. 2012. Vol. 371. P. 012075.

18. Arenas Castiblanco E. et al. A new approach to obtain kinetic parameters of corn cob pyrolysis catalyzed with CaO and CaCO₃ // Heliyon. 2022. Vol. 8, № 8. P. e10195.

19. Pojananukij N. et al. Synthesis of Alkali Metal/CaO Sorbent for CO₂ Capture at Low Temperature. 2010. Vol. 25, № 1. P. 77.

20. Ramezani M. et al. Determination of Carbonation / Calcination Reaction Kinetics of a Limestone Sorbent in low CO₂ Partial Pressures Using TGA Experiments // Energy Procedia. 2017. Vol. 114. P 259–270.

21. Mohamed M., Yusup S., Bustam M. A. Synthesis of CaO-based Sorbent from Biomass for CO₂ Capture in Series of Calcination-carbonation Cycle // Procedia Engineering. 2016. Vol. 148. P. 78–85.

22. Pimenidou P., Dupont V. Dolomite study for in situ CO₂ capture for chemical looping reforming // International Journal of Ambient Energy. 2015. Vol. 36, № 4. P. 170–182.

23. Danielsen S. P. O. et al. Molecular Characterization of Polymer Networks // Chem. Rev. 2021. Vol. 121, № 8. P. 5042–5092.

24. Haines P. J., Reading M., Wilburn F. W. Differential Thermal Analysis and Differential Scanning Calorimetry // Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry. Elsevier, 1998. Vol. 1. P. 279–361.

25. Materazzi S., Risoluti R. Evolved Gas Analysis by Mass Spectrometry // Applied Spectroscopy Reviews. Taylor & Francis, 2014. Vol. 49, № 8. P. 635–665.

26. Tankov I. et al. Non-isothermal decomposition kinetics of pyridinium nitrate under nitrogen atmosphere // Thermochimica Acta. 2018. Vol. 665. P. 85–91.

27. Vyazovkin S. et al. ICTAC Kinetics Committee recommendations for analysis of multistep kinetics // Thermochimica Acta. 2020. Vol. 689. P. 178597.

28. Saadatkhah N. et al. Experimental methods in chemical engineering: Thermogravimetric analysis – TGA // Can J Chem Eng. 2020. Vol. 98, № 1. P. 34–43.

29. Šesták J., Hubík P., Mareš J. J. Thermal Physics and Thermal Analysis: From Macro to Micro, Highlighting Thermodynamics, Kinetics and Nanomaterials. Springer, 2017. 585 p.

30. Wiedemann H.-G., Bayer G. Trends and applications of thermogravimetry // Inorganic and Physical Chemistry. Berlin, Heidelberg: Springer, 1978. P. 67–140.

31. Никитин А. Д. Влияние водяного пара на физико-химические процессы в парогазовой установке с внутрицикловой газификацией твердого топлива : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 01.04.14: Thesis. б. и., 2021.

32. Sun Z. et al. Density functional theory study on the thermodynamics and mechanism of carbon dioxide capture by CaO and CaO regeneration // RSC Adv. The Royal Society of Chemistry, 2016. Vol. 6, № 45. P. 39460–39468.

33. Li Z., Sun H., Cai N. Rate Equation Theory for the Carbonation Reaction of CaO with CO₂ // Energy Fuels. American Chemical Society, 2012. Vol. 26, № 7. P. 4607–4616.

34. Perrin C. L. Linear or Nonlinear Least-Squares Analysis of Kinetic Data? // J. Chem. Educ. American Chemical Society, 2017. Vol. 94, № 6. P. 669–672.

35. Rahman S. M. T., Hashan A. M., Rahman S. M. M. Numerical Analysis of the Equilibrium Composition and Structural Features of Coal Combustion Products: preprint. In Review, 2024.

36. Marland G., Rotty R. M. Carbon dioxide emissions from fossil fuels: a procedure for estimation and results for 1950–1982 // Tellus B: Chemical and Physical Meteorology. 1984. Vol. 36, № 4. P. 232.

37. Grasa G. et al. Application of the random pore model to the carbonation cyclic reaction // AIChE Journal. 2009. Vol. 55, № 5. P. 1246–1255.

38. Sedghkerdar M. H., Mahinpey N., Ellis N. The effect of sawdust on the calcination and the intrinsic rate of the carbonation reaction using a thermogravimetric analyzer (TGA) // Fuel Processing Technology. 2013. Vol. 106. P. 533–538.

39. Fedunik-Hofman L., Bayon A., Donne S. W. Comparative Kinetic Analysis of CaCO₃/CaO Reaction System for Energy Storage and Carbon Capture: 21 // Applied Sciences. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2019. Vol. 9, № 21. P. 4601.

40. Sun P. et al. Determination of intrinsic rate constants of the CaO-CO₂ reaction // Chemical Engineering Science. 2008. Vol. 63, № 1. P. 47–56.