湿式および流下膜コンタクターによる効率的な CO2 吸収: モデリングとシミュレーションからの洞察

Scientific Reports volume 13、記事番号: 10994 (2023) この記事を引用

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この記事に対する著者の訂正は 2023 年 7 月 24 日に公開されました

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大気中への過剰な二酸化炭素 (CO2) の放出は、地球規模の活動に貢献するため、地球上のさまざまな種の幸福に潜在的な脅威をもたらします。 したがって、CO2排出量を抑制するために適切な措置を講じる必要があります。 中空糸膜コンタクターは、分離プロセスと化学吸収の利点を組み合わせた新しい技術です。 この研究では、モノエタノールアミン (MEA) 水溶液中の CO2 吸収を促進する湿式流下膜コンタクター (FFMC) の有効性を調査します。 膜表面積、ガス流量、液体入口流量、気液接触時間、溶媒負荷などの要因を分析することで、両方の接触器における CO2 吸収プロセスを調べます。 私たちの結果は、FFMC の明らかな利点を明らかにし、湿式膜の 60% と比較して 85% という驚異的な CO2 除去効率を達成しました。 COMSOL Multiphysics 6.1 シミュレーション ソフトウェアと有限要素解析を使用して結果を検証し、平均相対誤差が約 4.3% で、予測値と実験値がほぼ一致していることを示しています。 これらの発見は、CO2 回収用途における FFMC の重要な可能性を強調しています。

ガス吸収プロセスで使用される分離装置の物質移動と流体力学的性能は、いくつかの重要な要因の影響を受けます。 これらの要因には、気液接触面積、物質移動係数、圧力損失 1 が含まれます。 膜接触器 (MC) は、特に二酸化炭素回収 2 の目的でパイロット規模および産業規模で注目を集めており、エネルギー消費とコストを削減します。 課題には、細孔の湿潤、溶媒の選択、および潜在的な溶液による汚れが含まれます。 このレビューでは、動作原理、ガス分離との比較、モジュール設計、商用実装に焦点を当てています3、4、5。 これらは、気相と液相の間の物理的障壁として機能する多孔質膜で構成されており、2 つの相の混合を防ぎながらガスの選択的な移動を可能にします。 このユニークな構造により、物質移動速度とプロセス効率に関していくつかの利点が得られます6。 MC は大きな界面面積を提供し、効率的な物質移動を促進し、ガス流から CO2 や H2S などの特定の不純物の効果的な除去を可能にします。

さらに、MC は圧力降下が低いため、エネルギー消費と運用コストが削減されます 7、8。 MC は、炭素回収および二酸化硫黄除去用途において、従来の充填カラムに代わるものとして研究されてきました9。 全体として、MC の使用はさまざまな産業における気液物質移動の有望なアプローチであり、その性能と商業的実現可能性を最適化するにはさらなる研究が必要です 10、11、12、13。 ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどの疎水性ポリマー材料は、CO2 吸収プロセスで使用される最も一般的な疎水性膜です14。 膜接触器は、組み立てられた複数の中空繊維で構成されており、比表面積が大きく、気液接触のための高い界面領域を提供します15、16、17、18。 疎水性膜を使用した膜吸収プロセスでは、吸収されるガスはまずバルク気相から気体膜境界に移動し、次に膜の細孔を通って吸収が起こる気液界面に拡散します19。 全体的な物質移動プロセスには、気相抵抗、膜抵抗、液体抵抗という 3 つの抵抗が直列に関係します。 理想的には、膜の細孔はガスで満たされ、液体の透過を阻止して物質移動抵抗を低く抑えます。 しかし、膜吸収に使用されるほとんどの高分子膜は、長期間の使用中に濡れやすく、性能に悪影響を与える可能性があります20。