UVC-säteilyn vaikutuksesta MOF-materiaalin yleinen rakenne ja kiteisyys säilyivät, mutta adsorbentin rakenne sai enemmän kompleksisuutta, avarampia kehyksiä ja uusia vuorovaikutuspaikkoja. Tämä johti CO2-adsorptioiden lisääntymiseen. MOF:n muutokset säteilyn vaikutuksesta osoittavat, kuinka säteilyn avulla voidaan parantaa materiaalin ominaisuuksia ja luoda uusia toiminnallisia sivuja, jotka parantavat sen kykyä sitoa ja vangita CO2:ta.

Graftausprosessin tehokkuutta mitataan monomeerien liittämisasteella polymeerirakenteeseen, ja DG-prosenttiarvo on käytettävissä graftauksen tehokkuuden määrittämiseen. Tähän prosessiin vaikuttavat useat parametrit, kuten lämpötila, säteilyannos, säteilyetäisyys, säteilyaika ja monomeerien pitoisuus. Ochoa-Segundo ja hänen kollegansa käsittelivät poly[(R)-3-hydroksibutyraattia] n-hydroksietyylakrylamidimonomeerilla gamma-säteilytyksellä, ja raportin mukaan etyyli-asetaattia käytettäessä graftaustehokkuus oli 83,06 %. Tämä johtuu etyyli-asetaatin kyvystä tuottaa toiminnallisia aktiivisia sivuja polymerointiprosessin aikana, mikä on erittäin tehokasta gravitaatiograftauksen asteelle.

Korkea reaktiolämpötila nopeuttaa reaktiodynamiikkaa ja muodostaa suurempia kytkentäasteita. Reaktioprosessi, joka perustuu aktivoitujen sivujen liittämiseen, saa aikaan ristivirtausta liuoksessa lämpötilan vaikutuksesta, ja tämä lisää kytkentäasteita, kuten on todettu useissa tutkimuksissa. Lisäksi tutkimukset osoittavat, että gamma-säteilyllä on parempi suorituskyky muihin säteilytekniikoihin verrattuna, kuten elektronisäteilyyn ja UVC-säteilyyn. Elektronisäteily on viime vuosikymmeninä saanut enemmän huomiota, koska se ei tuota radioaktiivista jätettä, mutta UVC- ja plasmatekniikoita on myös tutkittu. Säilyttämällä optimaalinen lämpötila, aikaraja, etäisyys, säteilyannos, liuottimien tyyppi ja monomeerien pitoisuus voidaan saavuttaa maksimaalinen säteilyllä indukoituva liitostehokkuus.

Esimerkiksi Aoki ja hänen kollegansa tutkivat N-vinyylipyrrolidonin (NVP) antimikrobisten siteiden muodostamista polyolefiinikankaalle elektronisäteilyllä. He raportoivat, että korkeimman graftaustehokkuuden (98%) saaminen vaati säteilylämpötilan asettamista 337°C:seen ja 30 minuutin reaktioaikaa. Samalla tavalla, Selambakkannu ja hänen tiiminsä osoittivat, että korkea reaktiolämpötila kiihdyttää reaktiokinetiikkaa ja muodostaa suurempia poikkikytkentäasteita.

Näiden tutkimusten pohjalta voidaan todeta, että gamma-säteilyllä on erityisen korkea suorituskyky muihin säteilytekniikoihin verrattuna, ja että elektronisäteily on saanut lisää huomiota viime vuosina. UV- ja plasmasäteilymenetelmiä on kuitenkin myös tutkittu tietyissä piireissä, koska ne voivat olla lupaavia vaihtoehtoja joidenkin materiaalien pintarakenteen parantamisessa.

Esimerkiksi PAN-nanokuitujen käsittely säteilyllä on osoittanut merkittäviä rakenteellisia muutoksia ja parannuksia CO2-adsorptiokyvyssä. Zahra Imanian ja hänen tiiminsä tekivät elektrospinnoitettuja PAN-nanokuituja, jotka muokattiin glycidylmetakrylaatin (GMA) monomeerin avulla, ja ne osoittivat merkittäviä rakenteellisia muutoksia skannauselektronimikroskopian (SEM) ja muiden testien avulla. Näiden kokeiden tulokset osoittivat, että langan halkaisija kasvoi, mikä oli merkki onnistuneesta GMA-graftauksesta ja myöhemmistä aminaatio-reaktioista. Tällaiset muutokset rakenneominaisuuksissa voivat lisätä adsorptiokykyä erityisesti CO2:n kaltaisille kaasuille.

Lisäksi Ali Abbasi ja hänen tiiminsä kehittivät uuden adsorbentin, joka perustuu nanokuituisten aminiryhmien käyttöön CO2:n talteenottoon. He muokkasivat syndiotaattista polypropeenia (s-PP) elektrospinnoituksella ja tämän jälkeen poikkikytkivät sen GMA-säteilyllä ja aminoivat etanoliamiini (EA) -reaktiolla. Tämä käsittely paransi materiaalin CO2-adsorptiota, mikä todettiin FTIR-spektrianalyysilla ja SEM-kuvilla. Tällainen kokeellinen lähestymistapa osoittaa, kuinka säteily käsittelee materiaalien pinnan rakennetta ja luo aktiivisia sivuja, jotka parantavat adsorptiokykyä.

UV-säteilyllä käsitellyn grafeenimonoliittisen vaahdon (UV-GOF) tutkimuksessa Anish Mathai Varghese ja hänen tiiminsä havaitsivat, että säteilyn vaikutuksesta grafeenin röntgendiffraktiohuippu siirtyi matalampiin kulmiin, mikä viittaa lisääntyneeseen välikerroksen etäisyyteen ja hapettumiseen. Tällaiset rakenteelliset muutokset mahdollistavat uusien happiryhmien muodostumisen, jotka voivat parantaa adsorptiokykyä erityisesti CO2:n kaltaisille kaasuille.

Lopuksi, voidaan todeta, että säteilyn avulla muokattujen materiaalien rakenteelliset muutokset voivat merkittävästi parantaa niiden kykyä adsorboida CO2:ta. Säteilyn eri tyypit, kuten gamma-säteily, elektronisäteily ja UVC-säteily, tarjoavat eri etuja ja haasteita, mutta oikeiden olosuhteiden valinta on ratkaisevaa adsorptioaineen tehokkuuden maksimoimiseksi.

Kuinka bioaerogelit ja savimineralit voivat parantaa CO2-happiadsorptiota

Bioaerogelejä voidaan valmistaa selluloosananokuituista tehokkaiksi bio-CO2-adsorbenteiksi. Näiden aerogelejen valmistusprosessissa käytetään tehokasta aminointimenetelmää, jonka avulla syntyy ultra-kevyitä, pallomaisia selluloosananokuitu-aerogeilejä, joiden huokoisuus ylittää 96,54 % ja jotka omaavat kolmiulotteisen verkostorakenteen. Tämä rakenne saadaan aikaan pakastemääräyksellä selluloosananokuitu-hydrogeelistä. Tällaisten aerogelejen suurin CO2-adsorptiokapasiteetti on mitattu 1,78 mmol/g ja niiden regenerointikyky on yli 10 sykliä. Tämä tekee selluloosananokuitu-aerogeelistä lupaavan materiaalin ilmastonmuutoksen torjuntaan liittyvissä sovelluksissa, erityisesti CO2-päästöjen talteenotossa ja varastoinnissa.

Toinen mielenkiintoinen adsorbenttiryhmä ovat savimineralit, joita voidaan käyttää edullisina raaka-aineina. Savimineraalit, kuten kaoliniitti, montmorilloniitti ja halloosiitti, ovat edullisia ja monikäyttöisiä, ja niillä on merkittävä rooli CO2-adsorptiokapasiteetissa. Vaikka hiili-pohjaiset adsorbentit, kuten MOF:it, silikat ja zeoliitit, tarjoavat huomattavasti suurempia adsorptiokapasiteetteja, savimineralit voivat kilpailla niiden kanssa kustannustehokkuudessa. Savimineralien etu on niiden alhainen hinta ja laaja saatavuus, mikä tekee niistä houkuttelevan vaihtoehdon suurilla mittakaavoilla toteutettavissa CO2-talteenottosovelluksissa.

Savimineralit koostuvat tetraedrisistä ja oktaedrisistä levyistä, ja niiden kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet määräytyvät näiden kerrosten suhteesta. CO2-adsorptio voi tapahtua savimineralien ulkopinnalla (fyysinen adsorptio) tai niiden välitilassa (kemiallinen adsorptio). Savimineralien kokonaispinta-ala vaikuttaa suuresti niiden CO2-adsorptiokapasiteettiin. Savimineraleissa olevat vetyliikenteelliset yhdisteet luovat paikkoja CO2-adsorptiolle, mikä johtaa HCO3–:n muodostumiseen CO2:n reagoidessa hydroksyyliryhmien kanssa savin pinnalla.

Kaoliniitti on 1:1-tyypin saviminerali, joka on luonnollinen ja edullinen alumiinisilikaattimateriaali, jolla on ympäristöystävällisiä ominaisuuksia. Se on kuitenkin rajoittunut CO2-sekuestraation kannalta, koska sillä on pieni pinta-ala ja ei ole interlayer-alueita, jotka olisivat välttämättömiä tehokkaaseen CO2-adsorptioon. Vaikka kaoliniitilla on matala CO2-affiniteetti, se on edelleen lupaava materiaali, jonka CO2-adsorptiokapasiteetti on 12,98 mg CO2/g. Kaoliniitista voidaan myös valmistaa zeoliitteja, jotka ovat tehokkaita CO2-adsorbentteja ja joilla on edullisia adsorptiokinetiikoita.

Zeoliittien valmistus kaoliniitista onnistuu hydrotermisellä menetelmällä metakaoliniitin avulla. Tämä prosessi voi huomattavasti parantaa CO2-adsorptiokapasiteettia, ja optimaaliset valmistusolosuhteet voivat johtaa jopa 2,5 mmol/g adsorptiokapasiteettiin. Zeoliitit ovat lupaavia adsorbentteja erityisesti post-polttoainepäästöjen talteenotossa.

Hallowsiitti, joka on kemialliselta koostumukseltaan samankaltainen kaoliniitin kanssa, mutta jonka putkimainen rakenne tarjoaa paremman pinnan ja enemmän hydroksyyliryhmiä, on myös tehokas saviminerali CO2-adsorptioon. Halloysite-nanoputkilla on korkeampi pinta-ala ja paremmat CO2-adsorptiokykyominaisuudet verrattuna kaoliniittiin. Tämä tekee halloysite-mineraalista kilpailukykyisemmän materiaalin erityisesti suurien adsorbenttimäärien tarpeessa.

Halloysite on erityisen kiinnostava, koska sen luonnollinen saatavuus ja vähäiset synteesivaatimukset tekevät siitä houkuttelevan vaihtoehdon verrattuna synteettisiin adsorbentteihin kuten zeoliitteihin ja MOF:eihin. Halloysiteen CO2-adsorptiokapasiteettia voidaan parantaa myös funktioinnilla ja mekaanisilla käsittelyillä, kuten kuumennuksella, joka lisää sen huokoisuutta ja adsorptiokykyä. Tämä materiaali tarjoaa edullisen ja tehokkaan ratkaisun, erityisesti sovelluksissa, joissa tarvitaan suuria määriä adsorbentteja ja joissa on tärkeää minimoida tuotantokustannuksia.

Savimineraleilla on potentiaalia muuttua kilpailukykyisiksi materiaaliksi CO2:n talteenottoprosesseissa. Niiden suurimmat edut ovat edullisuus, saatavuus ja alhaiset tuotantokustannukset, mutta niiden tehokkuus verrattuna synteettisiin adsorbentteihin riippuu pitkälti materiaalin käsittelystä ja synteesimenetelmistä. Kaoliniitin ja halloysiteen kaltaiset luonnolliset savimineralit tarjoavat mielenkiintoisia mahdollisuuksia, mutta niiden adsorptiokapasiteetti ja tehokkuus vaativat edelleen parannuksia ja optimointia.

Miten montmorillonitit ja muut savimateriaalit parantavat CO2-imemiskykyä?

Montmorillonitti on yksi yleisimmin käytetyistä nanomateriaaleista polymeeri-nanokomposiittiteollisuudessa sekä porakaasuissa ja nesteissä. Tämä savimateriaali tunnetaan laajasta saatavuudestaan ja erityisistä ominaisuuksistaan, kuten kyvystään laajentua, suuresta pinta-alastaan ja voimakkaasta pintareaktiivisuudestaan. Montmorillonitti on kationinen smektiitti, joka koostuu kahdesta tetraedrisestä piikerroksesta ja keskellä olevasta alumiini- tai magnesiumoksidi-kerroksesta. Sen laaja käyttö perustuu juuri näihin fysikaalisiin ja kemiallisiin piirteisiin, jotka tekevät siitä erinomaisen materiaalin erilaisiin sovelluksiin, kuten kaasuimemisessa ja -separaatiossa.

Rothin ja muiden tutkijoiden kehittämä lähestymistapa montmorillonitin parantamiseksi tarjoaa merkittäviä etuja. He ovat yhdistäneet aminopropyyli- (AP) ryhmät ja polyeteenimiaminiryhmät (PEI) montmorillonittiin, mikä parantaa huomattavasti materiaalin kykyä adsorboida CO2-kaasua. Optimaalinen käsittelylämpötila, noin 85°C, takaa korkean CO2-valikoivuuden kaikilla käsitellyillä savimateriaaleilla, ja materiaalien kaasuimemiskyky on jopa 75 mg CO2:tä grammaa kohti. Tämä tekee montmorillonitista erittäin tehokkaan ja edullisen materiaalin CO2:n talteenottoon.

Samalla tavalla, kuten montmorillonittia, bentoniittia ja muita savimateriaaleja on tutkittu CO2-imemisominaisuuksien parantamiseksi. Bentoniitti, joka koostuu pääasiassa montmorillonitista, on luonnollinen adsorbentti, joka on hyvin laajasti käytössä eri teollisuudenaloilla. Alun perin bentoniitin CO2-imemiskyky oli melko vaatimaton, vain noin 6,2 mg/g, mutta sen käsittely happokäsittelyllä on merkittävästi parantanut sen pinta-alaa ja huokosvolyymia. Tämän jälkeen bentoniittiä on käsitelty aminopropyyli-trimetoksisilaanilla (AP) ja dietyylentriamiinitrimetoksisilaanilla (DT), mikä on johtanut huomattavaan parannukseen CO2-imemiskyvyssä.

Zeoliitit ovat toinen laajasti käytetty mineraalimateriaali, joka on tunnettu erityisesti niiden mikroporosityyksistä ja kemiallisesta koostumuksesta. Zeoliitit ovat erittäin vakaita lämpötilan ja paineen suhteen, ja niiden ioninvaihto-ominaisuudet tekevät niistä tehokkaita kaasuimemisessa, erityisesti CO2:n talteenotossa. Zeoliittien ja niiden komposiittimateriaalien tutkimus on edennyt viime vuosina, ja erityisesti metalli-nanohiukkasilla infusoitu zeoliitti on osoittanut lupaavia tuloksia kaasuimemisessa ja -erottelussa.

Dolomiitti on toinen esimerkki mineraalimateriaalista, jota on tutkittu CO2-imemisessä. Dolomiitti on kalsiumkarbonaatin (CaCO3) ja magnesiumkarbonaatin (MgCO3) seos, joka on yleinen mineraali sedimenttikivissä. Dolomiitin kyky imeä CO2 on parantunut huomattavasti sen rakenteen muokkaamisen jälkeen, ja se on osoittanut tehokkuutta erityisesti korkean paineen olosuhteissa. Käsittelemättömän dolomiitin CO2-imemisvä kapasiteetti on ollut suhteellisen matala, mutta sen muokkaaminen happokäsittelyllä ja aminoryhmillä on lisännyt sen kapasiteettia jopa 17 painoprosenttiin 85°C:ssa ja 2,07 MPa:n paineessa.

Kaikissa näissä materiaaleissa on yhteisiä piirteitä, jotka tekevät niistä houkuttelevia CO2-imemisessä. Niiden suuri pinta-ala ja huokosvolyymi, yhdistettynä pintakemiallisiin muutoksiin kuten aminoryhmien lisääminen, parantaa merkittävästi CO2:n talteenottokykyä. Kuitenkin on tärkeää huomata, että materiaalin regenerointi on yksi keskeisistä haasteista. Useimmissa tutkimuksissa on löydetty menetelmiä, jotka mahdollistavat näiden savimateriaalien uusiokäytön, kuten typpikaasun tai tyhjiödesorption hyödyntäminen.

Tämä materiaali on myös lupaava ja kustannustehokas vaihtoehto teollisuuden CO2-talteenottoprojekteille, mutta on tärkeää ymmärtää, että sen tehokkuus riippuu monista tekijöistä, kuten käsittelymenetelmistä, paine- ja lämpötilakonditioista sekä käytettävän kaasuseoksen koostumuksesta. Koko prosessin optimoiminen on avain tehokkuuden maksimoimiseksi ja materiaalin uudelleenkäytön helpottamiseksi.

Miten uusien polymeerimateriaalien kehittäminen voi parantaa hiilidioksidin talteenottoa ja varastointia?

Polymeeripohjaiset adsorbentit ovat olleet keskeisessä roolissa hiilidioksidin (CO2) talteenotossa ja varastoinnissa, sillä niiden kyky sitoa ja varastoida kaasuja tekee niistä lupaavia materiaaleja ympäristönsuojelussa ja energiantuotannon optimoinnissa. Erityisesti eri tyyppiset poroiset polymeeriverkostot, kuten PAF (porous aromatic frameworks) ja CMP (covalent organic frameworks), ovat osoittautuneet erittäin tehokkaiksi CO2-adsorbenteiksi.

PPN-4, joka on optimoitu Yamamoto-parin avulla, esittää ennätyksellisen suuren BET-pinta-alan, joka on noin 6461 m²/g. Tämä mahdollistaa sen, että se voi adsorboida jopa 212 painoprosenttia CO2:ta 295 K lämpötilassa ja 50 barin paineessa, ja se osoittaa erinomaista selektiivisyyttä CO2:n ja N2:n välillä. Samoin PAF-3, jonka BET-pinta-ala on 2932 m²/g, osoittaa erinomaisia ominaisuuksia CO2/N2-adsorptiosuhteessa tavallisissa olosuhteissa. Nämä löydökset tekevät merkittäviä edistysaskeleita poroosisten aineiden kehittämisessä, jotka voivat hyödyttää monia teollisia sovelluksia.

Vaikka PAF-materiaalit ovat lupaavia CO2-taltiointiin ja -sekoitukseen, niillä on kuitenkin rajoituksia korkeilla lämpötiloilla. Niiden isosteerinen lämpö CO2-adsorptiolle (Qst) on suhteellisen matala, vaihdellen 15–19 kJ/mol, mikä rajoittaa niiden käyttöä korkeissa lämpötiloissa. Tutkijat, kuten Babarao et al., ovat kuitenkin kehittäneet nykyaikaisia PAF-materiaaleja esittämällä polaarisia orgaanisia ryhmiä biphenyylilaitteille käyttäen Monte Carlo -simulaatioita CO2-erotukseen. Näiden funktionalisoitujen PAF-1:en isosteerinen lämpö on huomattavasti korkeampi, esimerkiksi NH2-PAF-1:llä 21,05 kJ/mol, MO-PAF-1:llä 33,68 kJ/mol ja DHF-PAF-1:llä 30,19 kJ/mol, mikä tekee niistä parempia vaihtoehtoja korkeissa lämpötiloissa tapahtuvaan CO2:n talteenottoon.

Samalla tavalla Lu et al. ovat synteesanneet sulfonihappokytkettyjä PPN-6:ta, kuten PPN-6-SO3H ja PPN-6-SO3Li, jotka osoittavat merkittävästi parannettua CO2-adsorptiota verrattuna alkuperäiseen PPN-6:een. Näiden materiaalien CO2-adsorptiokapasiteetti kasvaa huomattavasti, ja niiden CO2/N2-selektiivisyys on erittäin korkea, mikä osoittaa voimakkaan sähköstaattisen vuorovaikutuksen CO2-molekyylien ja materiaalin välillä.

Zhang et al. puolestaan ovat kehittäneet uudentyyppisiä kaksifunktionaalisia CMP-materiaaleja, jotka sisältävät sulfonia ja hydroksyyliryhmiä. Nämä polymeerit, jotka valmistettiin Pd-katalysoidulla Sunogashira-Hagihara-ristittymistekniikalla, osoittavat korkeita CO2-adsorptiokapasiteetteja ja parempia isosteerisiä lämpöjä verrattuna muihin ei-funktionalisoituihin CMP:ihin. Vaikka funktionaalisten ryhmien lisääminen parantaa materiaalien sitoutumisvoimaa CO2-molekyyleihin, se voi myös vähentää materiaalien kokonaiskapasiteettia, koska suuremmat funktionaaliset ryhmät saattavat tukkia huokosia ja vähentää adsorptiotilaa.

Muita lupaavia kehityksiä CO2-adsorbenteissa ovat Xia et al., jotka ovat kehittäneet metallikoordinoituja CMP-materiaaleja käyttäen Co- ja Al-metalleja modifiointiin. Nämä materiaalit pystyvät adsorboimaan CO2:ta huomattavilla määrillä huoneenlämmössä ja normaalissa paineessa. Niiden CO2-adsorptiokapasiteetti on verrattavissa metalliorganisiin kehyksiin (MOF), ja ne voivat toimia heterogeenisinä katalyytteinä CO2:n ja propyleenioksidin reaktioissa.

CMP- ja COF-materiaalit, jotka on valmistettu vakaista kovalenttisista C–C, C–H ja C–N-sidoksista, tarjoavat erinomaisia ominaisuuksia CO2:n talteenotossa. Kovalenttisten sidosten korkea stabiilisuus takaa materiaalin pitkäaikaisen käytön myös kosteissa olosuhteissa, mikä on tärkeää suurteollisuuden sovelluksissa, joissa CO2-adsorptiota tapahtuu usein vesihöyryn läsnä ollessa.

Tärkeää on myös huomioida, että vaikka uusien materiaalien kehitys tuo lupaavia tuloksia CO2:n talteenotossa, käytännön sovellusten laajamittainen toteutus vaatii edelleen materiaalien stabiilisuuden ja tehokkuuden parantamista erityisesti korkeissa lämpötiloissa ja kosteissa ympäristöissä. Lisäksi on tärkeää tutkia, miten nämä materiaalit voidaan valmistaa kustannustehokkaasti ja ympäristöystävällisesti, jotta niiden laajempi käyttöönotto on mahdollista.

Mitä kasvillisuus kertoo kasvivalinnoista ja hoitovaatimuksista Floridan puutarhoissa?
Kuinka valita otoskoko biologisessa tutkimuksessa: Tilastolliset menetelmät ja laskelmat
Miten PRO-järjestelmä (Painetta Estävä Osmoosi) vertautuu muihin uusiutuviin energiatekniikoihin ympäristönäkökulmasta?
LCMV ja sen vaikutus immuunivasteeseen ja taudin kulkuun eri hiiripopulaatioissa
Chimú-kulttuurin taide ja uskonto: Auringon ja kuun roolit