Polimero iperreticolato a base di benzene funzionalizzato con ammina come adsorbente per l'adsorbimento di CO2/N2

Jul 04, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9214 (2023) Citare questo articolo

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In questo lavoro, il polimero iperreticolato (HCP) a base di benzene come adsorbente è stato modificato utilizzando il gruppo amminico per migliorare la capacità e la selettività di assorbimento di CO2. Sulla base del risultato dell'analisi BET, l'HCP e l'HCP modificato forniscono un'area superficiale di 806 (m2 g−1) e un volume dei micropori di 453 (m2 g−1) e 0,19 (cm3 g−1) e 0,14 (cm3 g−1) , rispettivamente. L'adsorbimento dei gas CO2 e N2 è stato eseguito in un reattore su scala di laboratorio a una temperatura compresa tra 298 e 328 K e una pressione fino a 9 bar. I dati sperimentali sono stati valutati utilizzando modelli isotermici, cinetici e termodinamici per identificare il comportamento assorbente. La capacità massima di adsorbimento di CO2 a 298 K e 9 bar è stata ottenuta 301,67 (mg g−1) per HCP e 414,41 (mg g−1) per HCP modificato con ammina. La valutazione dei parametri termodinamici di adsorbimento di CO2, inclusi i cambiamenti di entalpia, i cambiamenti di entropia e i cambiamenti di energia libera di Gibbs a 298 K, ha dato come risultato − 14,852 (kJ mol−1), − 0,024 (kJ mol−1 K−1), − 7,597 (kJ mol− 1) per HCP e − 17,498 (kJ mol−1), − 0,029 (kJ mol−1 K−1), − 8,9 (kJ mol−1) per HCP funzionalizzato con ammina, rispettivamente. Infine, la selettività dei campioni è stata calcolata con una composizione CO2/N2 di 15:85 (v/v) ed è stato ottenuto un miglioramento del 43% nella selettività di adsorbimento a 298 K per l'HCP modificato con ammina.

Le emissioni eccessive di CO2 derivanti dalla combustione di combustibili fossili causano gravi sfide climatiche e ambientali globali, attirando l’attenzione sulle tecnologie di cattura e stoccaggio del carbonio (CCS) in tutto il mondo1,2. Nel corso di diversi decenni, la cattura e lo stoccaggio della CO2 utilizzando ammine liquide è stato sviluppato come metodo applicabile ed è ora impiegato in una varietà di applicazioni industriali3,4. Tuttavia, questo metodo presenta alcuni inconvenienti, tra cui un elevato fabbisogno energetico di recupero, problemi di corrosione e perdite di ammina liquida durante il processo di assorbimento5,6. Per affrontare i problemi menzionati, i ricercatori si sono concentrati profondamente sullo sviluppo di adsorbenti solidi per la cattura della CO2, proposti a causa dei loro minori requisiti energetici di recupero, dell’elevata capacità di adsorbimento, del comportamento selettivo nella separazione del gas e delle prestazioni stabili nei cicli di adsorbimento-desorbimento7. I polimeri organici porosi (POP) sono materiali funzionali con bassa densità scheletrica, ampia area superficiale specifica e proprietà fisiche e chimiche stabili che trovano ampie applicazioni nello stoccaggio di gas, nella catalisi chimica, nella separazione, nella somministrazione di farmaci e in qualsiasi altro campo potenziale8. (POP) sono classificati in strutture organiche covalenti (COF)9,10, polimeri microporosi coniugati (CMP)11,12, strutture covalenti tiaziniche (CTF)13,14, strutture metallo-organiche (MOF)15,16, polimeri di struttura intrinseca microporosità (PIM)17,18, polimeri iperreticolati (HCP)19,20 e così via21. Gli operatori sanitari sono una classe di piattaforme interessanti grazie alla loro elevata area superficiale specifica, alla stabilità chimica, alla buona stabilità termica e all'elevata convenienza22. Generalmente, gli HCP vengono generati attraverso un'eccessiva reticolazione di monomeri aromatici tramite la reazione di alchilazione di Friedel-Crafts, risultando in un polimero allungato che può rimanere poroso quando il solvente viene rimosso23,24.

Attualmente esiste un notevole interesse per l’uso del polimero iperreticolato per la cattura e lo stoccaggio della CO2 e per le applicazioni di separazione del gas24. Ad esempio, Hassan et al.25 hanno sintetizzato polimeri iperreticolati a base di tripticene e ricchi di azoto (TNHCP-1), che hanno prodotto una capacità di adsorbimento di CO2 di 98 mg g−1. Hui Gao et al.26, hanno preparato un campione HCP a base di pece e hanno studiato l'adsorbimento di CO2 che ha prodotto una capacità di assorbimento di CO2 del 17,74% in peso a 1,0 bar e 273 K. Secondo i risultati di ricerche simili sull'assorbimento di CO2 da parte di adsorbenti polimerici, si può concludere che il miglioramento della chimica della superficie adsorbente aumenta la capacità e la selettività di adsorbimento di CO2 attraverso il miglioramento delle interazioni intermolecolari tra le molecole di CO2 e i gruppi funzionali della superficie adsorbente7,27,28,29,30,31,32,33. Pertanto, l'incorporazione degli eteroatomi come N, O, S, ecc. migliora l'eterogeneità del potenziale superficiale del campione HCP che provoca un aumento della capacità e della selettività di assorbimento di CO234,35. L'aggiunta di gruppi amminici a un adsorbente solido è un approccio efficace per migliorare la selettività perché aumenta l'affinità per l'adsorbimento della CO2 attraverso il meccanismo di chemisorbimento33. L'incorporazione di tali gruppi funzionali sui precursori dei POP è un compito che richiede tempo poiché, nella maggior parte dei casi, l'esistenza dei gruppi funzionali sui precursori dei POP non può sopportare le condizioni di polimerizzazione, o a causa dell'incompatibilità dei gruppi funzionali con la reazione di polimerizzazione la polimerizzazione è stata interrotta. senza successo36. Una modifica post-sintetica è uno dei modi più efficaci per risolvere questo problema37. I vantaggi derivanti dall’aggiunta di gruppi amminici agli adsorbenti solidi hanno attirato una crescente attenzione sullo sviluppo di compositi ammine/materiali porosi38. La modifica chimica e l'impregnazione fisica sono tipicamente i due metodi principali utilizzati per funzionalizzare gli adsorbenti solidi. Sebbene la modificazione chimica sia un metodo più semplice dell'impregnazione fisica, l'adsorbente funzionalizzato mediante modificazione chimica a temperature più elevate ha una migliore stabilità chimica rispetto al metodo di impregnazione fisica29. Ad esempio Krishnan et al.39 hanno fornito un adsorbente HCP microporoso modificato con ammina (PCP- 1) con una capacità di assorbimento di CO2 di 103,8 mg g−1 a 273 K e 1 bar. Najafi et al. preparato un polimero microporoso che è stato impregnato con etilendiammina (B-Cl-1). Il risultato mostra la capacità di assorbimento di CO2 di 39,15 mg g−1 a 273 K e 1 bar29.