Améliorer l’efficacité du 4A

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12533 ​​(2023) Citer cet article

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Cette étude se concentre sur l'optimisation de la capacité d'adsorption du CO2 de la zéolite 4A synthétisée à partir du kaolin en employant des modifications structurelles par imprégnation avec de la tétraéthylènepentamine (TEPA) et de la diéthanolamine (DEA). Diverses techniques analytiques ont été utilisées pour évaluer l'efficacité de ces modifications. Un logiciel expert en conception et une méthodologie de surface de réponse (RSM) ont été utilisés pour l'analyse des données et l'optimisation des variables opérationnelles, conduisant à une amélioration des performances d'adsorption du CO2 des zéolites modifiées. La capacité d'adsorption des zéolites modifiées a été évaluée à différentes températures, pressions et concentrations d'amines à l'aide d'un dispositif de test. La capacité d'adsorption optimale de l'adsorbant 4A-DEA s'avère être de 579,468 mg/g, avec les variables opérationnelles optimales comprenant une température de 25,270 °C, une pression de 8,870 bar et une concentration d'amine de 11,112 % en poids. L'analyse montre que le processus d'adsorption implique à la fois la physisorption et la chimisorption, et que le meilleur modèle cinétique est le modèle à facteurs fractionnaires.

L’augmentation des niveaux de CO2 dans l’atmosphère constitue une préoccupation majeure en matière de changement climatique mondial et de risques environnementaux. D’ici 2100, elle pourrait atteindre 26 milliards de tonnes par an. Cette prévision a ainsi souligné l’importance de prioriser le captage et l’adsorption du CO2 d’un point de vue environnemental1. Les rejets continus de CO2 dans l’atmosphère ont entraîné des changements à long terme dans le climat mondial, notamment une hausse des températures, du niveau de la mer et une fréquence accrue d’événements météorologiques extrêmes. Quatre méthodes principales de séparation du CO2 ont émergé : les technologies d'absorption, d'adsorption, cryogénique et membranaire2,3. Le choix de la technique de capture du CO2 appropriée repose sur plusieurs facteurs, notamment l'origine du CO2, l'ampleur du processus de capture, le niveau de pureté souhaité pour le CO2 capturé et l'application envisagée du CO24 capturé. À l’heure actuelle, l’absorption et l’adsorption représentent les méthodes prédominantes utilisées pour le captage du CO2, tandis que les technologies cryogéniques et membranaires en sont encore à leurs balbutiements de développement5. Les chercheurs étudient activement diverses méthodologies pour adsorber le CO2 afin d’atténuer ses émissions6. Des matériaux poreux tels que la zéolite7, la silice8, le MOF9, le carbone10 et le polymère11 ont été utilisés pour adsorber le CO2, chacun présentant ses avantages et ses inconvénients.

La zéolite est un matériau doté d’une structure cristalline qui peut être soit naturelle, soit synthétisée12. Il contient des minéraux aluminosilicates et présente une structure tridimensionnelle distinctive avec des pores et des canaux bien organisés. Les zéolites ont des structures cristallines avec une structure rigide qui comprend des pores et des canaux formés en TO4, où T peut être de la silice et de l'aluminium. Les atomes d'aluminium attirent les oxygènes et produisent un excellent site pour le transfert de cations13. Le cation dans la structure des zéolites joue un rôle crucial dans la capture du CO2 car il peut attirer le CO2 dans la zéolite6. Les zéolites sont des adsorbants de CO2 prometteurs avec une surface spécifique élevée, une taille de pores appropriée et une excellente stabilité thermique et chimique14. Plusieurs types de zéolites ont fait l’objet d’études approfondies pour évaluer leur potentiel d’adsorption du CO2 généré par les processus industriels. La zéolite 4A15, la zéolite 13X16, la ZK-517, la ZSM-518, la β-zéolite19 et la Na-X20 font partie des types de zéolite qui ont démontré leur potentiel dans les applications liées au captage du CO2. Ces zéolites possèdent des structures de pores distinctives, des surfaces spécifiques importantes et une excellente stabilité thermique, ce qui en fait des options hautement souhaitables pour l'adsorption du CO2. La zéolite 13X a démontré une sélectivité exceptionnelle pour le CO221. Le ZK-5 possède une structure distinctive en forme de cage qui peut être modifiée pour améliorer ses propriétés d'adsorption du CO222. De même, le ZSM-523 et la β-zéolite24 ont montré une capacité d’adsorption de CO2 significative dans les études. De plus, Na-X a montré de bonnes propriétés de stabilité et de régénération25. La zéolite 4A se caractérise par une concentration importante de sites d'adsorption attribuable à la présence d'atomes d'aluminium dans sa charpente. Ces sites présentent une forte affinité envers les molécules de CO2, facilitant une capture et une rétention efficaces du gaz.