เครื่องฟอกคาร์บอนไดออกไซด์

เครื่องฟอกคาร์บอนไดออกไซด์ (อังกฤษ: carbon dioxide scrubber) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) มันถูกใช้ในการบำบัดแก๊สไอเสียจากโรงงานอุตสาหกรรมหรือจากอากาศที่ปล่อยออกในระบบการช่วยชีวิตเช่นเครื่องช่วยหายใจหรือในยานอวกาศ ในเรือดำน้ำหรือในห้องสุญญากาศ เครื่องฟอกคาร์บอนไดออกไซด์ยังถูกใช้ในสถานที่จัดเก็บที่มีการควบคุมบรรยากาศอีกด้วย

เทคโนโลยี

การฟอกด้วยแอมีน

บทความหลัก: การบำบัดแอมีน

แอปพลิเคชันที่โดดเด่นสำหรับใช้ฟอก CO₂ มีวัตถุประสงค์เพื่อกำจัด CO₂ ออกจากไอเสียของโรงไฟฟ้​​าถ่านหินและโรงไฟฟ้​​าแก๊สธรรมชาติ ในทางทฤษฎี มีเพียงเทคโนโลยีเดียวเท่านั้นที่ถูกประเมินอย่างจริงจังคือเทคโนโลยีที่เกี่ยวกับการใช้แอมีน (แอมีน, สารอินทรีย์ที่มีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบในโมเลกุลเกิดจากหมู่ไฮโดรคาร์บอนแทนที่ไฮโดรเจนในโมเลกุลของแอมโมเนียเพียงหนึ่ง สอง หรือ ทั้งสามอะตอมก็ได้ เช่น อะนิลีน C6H5NH2 ไดเมทิลอามีน (CH3)2NH เป็นต้น [พจนานุกรมศัพท์ สสวท.]) ต่าง ๆ เช่น monoethanolamine สารละลายในขณะที่เย็นของสารอินทรีย์เหล่านี้จะผูกติดกับ CO₂ แต่การผูกติดกันจะเป็นตรงกันข้ามที่อุณหภูมิสูง ตามสมการต่อไปนี้ :

CO₂ + 2 HOCH₂CH₂NH₂ ↔ HOCH₂CH₂NH₃⁺ + HOCH₂CH₂NH(CO₂⁻)

ณ ปี ค.ศ. 2009 เทคโนโลยีนี้มีการดำเนินการเพียงเล็กน้อย อันเนื่องมาจากต้นทุนด้านเงินทุนของการติดตั้งสิ่งอำนวยความสะดวกและค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานของการใช้ประโยชน์มันมีค่าสูง

แร่ธาตุและซีโอไลต์

แร่ธาตุต่าง ๆ และวัสดุคลัายแร่ผูกติดกับ CO₂ แบบผกผัน ที่พบบ่อยส่วนใหญ่ แร่ธาตุเหล่านี้เป็นออกไซด์และ CO₂ มักจะถูกผูกติดกันเป็นคาร์บอเนต คาร์บอนไดออกไซด์จะทำปฏิกิริยากับปูนขาว (แคลเซียมออกไซด์) ประกอบกันอยู่ในรูปของหินปูน (แคลเซียมคาร์บอเนต) ในกระบวนการที่เรียกว่าการวนลูปคาร์บอเนต แร่ธาตุอื่น ๆ ได้แก่ serpentinite, แมกนีเซียมซิลิเกตไฮดรอกไซ และฟันม้าโอลิวีน Molecular sieves ยังคงทำงานในหน้าที่นี้อีกด้วย

กระบวนการฟอกต่าง ๆ ได้รับการนำเสนอในการกำจัด CO₂ ออกจากอากาศหรือจากแก๊สปล่องควัน กระบวนการเหล่านี้มักจะเกี่ยวข้องกับการใช้กระบวนการคราฟท์ที่แตกต่างกัน กระบวนการฟอกอาจจะขึ้นอยู่กับโซดาไฟ (sodium hydroxide) CO₂ จะถูกดูดซึมเข้าสู่สารละลาย จากนั้นก็ถูกถ่ายเทเข้าสู่ปูนขาวผ่านกระบวนการที่เรียกว่า causticization แล้วปล่อยเข้าไปในเตาเผา ด้วยการปรับเปลี่ยนบางอย่างให้เป็นกระบวนการที่มีอยู่แล้ว ส่วนใหญ่กับเตาเผาที่ยิงด้วยออกซิเจนผลลัพธ์สุดท้ายคือกระแสเข้มข้นของ CO₂ ที่พร้อมสำหรับการจัดเก็บหรือการใช้ในเชื้อเพลิง ทางเลือกหนึ่งสำหรับกระบวนการความร้อนสารเคมีนี้เป็นหนึ่งที่ใช้ไฟฟ้าที่แรงดันขนาดหนึ่งจะถูกใส่คร่อมสารละลายคาร์บอเนตเพื่อที่จะปล่อยแก๊ส CO₂ ในขณะที่กระบวนการทางไฟฟ้าที่ง่ายกว่านี้จะบริโภคพลังงานมากขึ้นเนื่องจากมันแยกน้ำออกมาในเวลาเดียวกัน เนื่องจากมันขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้า, ไฟฟ้าจำเป็นต้องเป็นแบบหมุนเวียนเช่นเซลล์แสงอาทิตย์ มิฉะนั้น CO₂ ที่ผลิตในระหว่างการผลิตไฟฟ้าจะต้องนำมาพิจารณาด้วย การกลับชาติมาเกิดในช่วงต้นของการดักจับในอากาศที่ใช้ไฟฟ้าเป็นแหล่งพลังงาน ดังนั้น มันจึงขึ้นอยู่กับแหล่งผลิตที่เป็นคาร์บอนฟรี ระบบการดักจับในอากาศร้อนจะใช้ความร้อนที่ผลิตขึ้นในสถานที่ ซึ่งจะช่วยลดความไร้ประสิทธิภาพที่เกี่ยวข้องกับการผลิตไฟฟ้านอกสถานที่ แต่แน่นอนมันยังคงต้องการแหล่งที่มาของความร้อน (ที่เป็นคาร์บอนฟรี) พลังงานแสงอาทิตย์เข้มข้นก็เป็นตัวอย่างหนึ่งของแหล่งที่มาของความร้อนดังกล่าว

โซเดียมไฮดรอกไซด์

Zeman และ Lackner ได้อธิบายวิธีการเฉพาะของการดักจับในอากาศดังนี้

สิ่งแรก CO₂ จะถูกดูดซึมโดยสารละลาย NaOH อัลคาไลน์เพื่อผลิตโซเดียมคาร์บอเนตเหลว ปฏิกิริยาการดูดซึมเป็นปฏิกิริยาแก๊สของเหลวชนิดหนึ่ง มีการคายความร้อนอย่างรุนแรง ตามสมการดังนี้ :

2NaOH(aq) + CO₂(g) → Na₂CO₃(aq) + H₂O(l)

Na₂CO₃(aq) + Ca(OH)₂(s) →-> 2NaOH(aq) + CaCO₃(s)

ΔH° = -5.3 kJ/mol

กระบวนการ Causticization จะดำเนินการอย่างทั่วไปในอุตสาหกรรมเยื่อและกระดาษพร้อมกับทำการโอน 94% ของคาร์บอเนตไอออนจากโซเดียมไปยังแคลเซียมไอออนบวก ต่อมาตะกอนแคลเซียมคาร์บอเนตจะถูกกรองจากสารละลายและการย่อยสลายความร้อนเพื่อผลิตแก๊ส CO₂ ปฏิกิริยาการเผาให้แตกตัวเป็นเพียงปฏิกิริยาดูดความร้อนในกระบวนการและแสดงให้เห็นตามสมการต่อไปนี้ :

CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g)

ΔH° = + 179.2 kJ/mol

การสลายตัวทางความร้อนของแคลเ​​ซียมคาร์บอเนตจะดำเนินการในเตาเผาปูนที่ใช้เชื้อเพลิงออกซิเจนเพิ่อที่จะหลีกเลี่ยงขั้นตอนแยกแก๊สเพิ่มเติม กระบวนการ Lime hydration (CaO) จะทำให้วงรอบเสร็จสมบูรณ์ กระบวนการ Lime hydration เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนแบบหนึ่งที่สามารถดำเนินการกับน้ำหรือไอน้ำ การใช้น้ำเป็นปฏิกิริยาของเหลว/ของแข็ง ดังที่แสดงต่อไปนี้:

CaO(s) + H₂O(l) → Ca(OH)₂(s)

ΔH° = -64.5 kJ/mol

ลิเทียมไฮดรอกไซด์

เบส (เคมี) ที่แข็งแกร่งอื่น ๆ เช่น soda lime, โซเดียมไฮ​​ดรอกไซด์, โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์, และลิเทียมไฮ​​ดรอกไซด์ มีความสามารถที่จะกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ออกโดยการทำปฏิกิริยาเคมีกับมัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ลิเทียมไฮดรอกไซด์ถูกนำมาใช้บนยานอวกาศ เช่นในโครงการอะพอลโล เพื่อกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากบรรยากาศ มันทำปฏิกิริยากับคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อทำให้เป็นลิเทียมคาร์บอเนต:

2 LiOH(s) + 2 H₂O(g) → 2 LiOH·H₂O(s)

2 LiOH·H₂O(s) + CO₂(g) → Li₂CO₃(s) + 3 H₂O(g)

ปฏิกิริยาสุทธิเป็น:

2LiOH(s) + CO₂(g) → Li₂CO₃(s) + H₂O(g)

นอกจากนี้ลิเทียมเปอร์ออกไซด์ยังสามารถนำมาใช้เนื่องจากมันดูดซับ CO₂ ต่อหน่วยน้ำหนักมากกว่า และมีประโยชน์ในการปล่อยออกซิเจนเพิ่มขึ้น

ระบบการกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์แบบปฏิรูป

ระบบการกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์แบบปฏิรูป (อังกฤษ: The regenerative carbon dioxide removal system (RCRS)) บนยานกระสวยอวกาศจะใช้ระบบสอง-เตียงที่ทำการกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์อย่างต่อเนื่องโดยปราศจากผลิตภัณฑ์ไม่ควรค่าแก่การเก็บรักษาไว้ ระบบที่สามารถปฏิรูปได้จะยอมให้ภารกิจกระสวยอวกาศสามารถยังคงอยู่ในอวกาศได้นานขึ้นโดยไม่ต้องเติมสารดูดซับเพิ่ม ระบบที่ใช้ลิเทียมไฮดรอกไซด์ (LiOH) แบบเก่าซึ่งเป็นแบบปฏิรูปไม่ได้จะถูกแทนที่ด้วยระบบที่ใช้โลหะออกไซด์ที่ปฏิรูปได้ ระบบที่ใช้โลหะออกไซด์เบื้องต้นประกอบไปด้วยตัวดูดซับโลหะออกไซด์และแท่นเครื่องตัวปฏิรูป มันทำงานโดยการกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์โดยใช้วัสดุดูดซับ จากนั้นทำการปฏิรูปวัสดุดูดซับนั้น สารดูดซับโลหะออกไซด์จะถูกปฏิรูปโดยการสูบอากาศที่อุณหภูมิประมาณ 400 องศาฟาเรนไฮต์ (204 องศาเซลเซียส) ผ่านตัวมันที่อัตราการไหลมาตรฐานที่ 7.5 ลูกบาศก์ฟุต/นาที (0.0035 m3/s) เป็นเวลา 10 ชั่วโมง

ถ่านกัมมันต์

Activated carbon

ถ่านกัมมันต์ (อังกฤษ: Activated carbon) (ถ่านสังเคราะห์ที่มีคุณสมบัติในการดูดซับสูง [สิ่งแวดล้อม] มีลักษณะเป็นรูพรุนขนาดเล็กจำนวนมากเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวสำหรับการดูดซับหรือทำปฏิกริยาทางเคมี) สามารถนำมาใช้เป็นเครื่องฟอกคาร์บอนไดออกไซด์ได้ อากาศที่มีเนื้อหาของคาร์บอนไดออกไซด์สูง เช่นอากาศจากสถานที่จัดเก็บผลไม้ จะถูกเป่าผ่านเตียงของถ่านกัมมันต์ คาร์บอนไดออกไซด์ก็จะดูดซับโดยถ่านกัมมันต์ หลังจากที่เตียงอิ่มตัว มันจะต้องถูก "ปฏิรูป" โดยการเป่าลมที่มีคาร์บอนไดออกไซด์ปริมาณต่ำ เช่นอากาศในธรรมชาติ ผ่านเตียง นี้จะปลดปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ให้หลุดจากเตียง จากนั้นมันจะสามารถนำกลับมาใช้ฟอกได้อีกครั้ง ค่าสุทธิของปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่เหลือในอากาศจะเท่ากับเมื่อกระบวนการนี้เริ่มต้น

วิธีการอื่น ๆ

มีวิธีการและวัสดุอื่น ๆ อีกมากมายที่ได้รับการกล่าวถึงสำหรับการฟอกคาร์บอนไดออกไซด์

• การดูดซับ
• การสังเคราะห์แสง เช่น การจมคาร์บอนด้วยสาหร่าย (อังกฤษ: Algae based carbon sink)
• การแยกแก๊สด้วยพอลิเมอร์เมมเบรน (อังกฤษ: Polymer membrane gas separator)
• การแลกเปลี่ยนความร้อนแบบย้อนกลับ (อังกฤษ: Reversing heat exchangers)