La separación de gases basada en hidratos se utiliza para secuestrar dióxido de carbono (CO2). Sin embargo, la necesidad de aditivos de alto rendimiento para combatir la baja capacidad de almacenamiento de gas hace que este proceso sea costoso y perjudicial para el medio ambiente.
Estudio: Las nanopartículas recubiertas de −SO3 magnéticamente reciclables promueven el almacenamiento de gas mediante la formación de hidratos. Crédito: VectorMine/Shutterstock.com
Un artículo reciente publicado en ACS Applied Materials and Interfaces discutió la síntesis de un nuevo promotor de hidratos, óxido de hierro recubierto de copoliestireno sódico estireno sulfonato (PNS) (Fe3O4) Nanopartículas con una estructura integrada de núcleo-corteza sintetizadas por polimerización en emulsión.
durante la formación de hidratos de metano [email protected]3O4 Las nanopartículas sirvieron como un promotor eficiente, reduciendo el tiempo de inducción en un tercio en comparación con el promotor de dodecilsulfato de sodio (SDS) comúnmente utilizado. Además, se ha aumentado la capacidad de almacenamiento de gas hasta 155 volúmenes por volumen (v/v).
Además, el SDS y otros promotores basados en surfactantes indujeron la formación de espuma durante la descomposición de los hidratos. Este problema de formación de espuma se resolvió reemplazando los promotores mencionados anteriormente con [email protected]3O4 nanopartículas. Además estos [email protected]3O4 Nanopartículas como promotores amplificaron el CO2 Capacidad de almacenamiento en más del 30% debido a la formación de un ambiente marino que imita los sedimentos finos.
Además, la integración de nanopartículas magnéticamente recuperables mejoró la eficiencia de almacenamiento de gas debido a la formación de hidratos de gas. Este excelente rendimiento de reciclaje ofreció una nueva forma de resolver los problemas ambientales y económicos que se encuentran a menudo cuando se usan aditivos.
Almacenamiento de gas con hidratos de gas
Debido a la demanda de tratamiento de gases de efecto invernadero y los requisitos de energía limpia, existe una necesidad creciente de almacenamiento y transporte de gas a escala industrial. Además, tender tuberías para el transporte de gas a larga distancia es un proceso costoso y riesgoso debido a los peligros geológicos naturales que afectan a las tuberías de gas y que provocan corrosión y obstrucciones.
Con este fin, se requiere un método de almacenamiento de gas simple y económico para el transporte conveniente de gas para lograr un uso de energía verde y bajo en carbono. Una forma de hacerlo es comprimir el volumen de almacenamiento al máximo para facilitar el transporte de gas. Sin embargo, la compresión de gases naturales requiere de instalaciones especiales y ambientes extremos de almacenamiento, lo que limita su aplicación práctica para su comercialización.
Debido a su capacidad de adsorción, los marcos orgánicos moleculares (MOF), el carbón activado y otros materiales porosos se han explorado previamente para el almacenamiento de gas. Estructuralmente, los hidratos de gas son componentes sólidos similares al hielo con moléculas de agua huésped estructuradas en jaulas y moléculas huésped. La formación de estos hidratos de gas tiene lugar a baja temperatura y moderadamente alta presión. Además, estos hidratos de gas tienen una alta capacidad de almacenamiento de gas (216 v/v para metano).
La incorporación de surfactantes puede mejorar la capacidad de almacenamiento de gas y la cinética de formación de hidratos de gas junto con un mayor número de sitios de nucleación. Aunque los MOF pueden promover la formación de hidratos de metano, el uso de promotores como el sulfonato de poliestireno sódico y SDS genera espuma durante la descomposición de los hidratos.
En el presente trabajo, se prepararon nanopartículas de núcleo-corteza que son magnéticamente recuperables y se usaron como promotores de hidratos para acortar el tiempo de inducción de hidratos. El proceso estuvo libre de pérdidas aditivas. Estas nanopartículas de núcleo-envoltura se caracterizaron en términos de sus propiedades superficiales y se analizó la reducción de la formación de espuma durante la descomposición de los hidratos, que es esencial para el almacenamiento simple de gas.
Además, se investigó el efecto de la concentración de surfactante sobre el tiempo de inducción (durante la formación de hidratos) y su capacidad de almacenamiento de gas. Finalmente, la correlación entre la propiedad magnética de las nanopartículas preparadas y los sedimentos marinos durante el CO2 Se ha discutido el almacenamiento de gas y su mecanismo subyacente.
Los resultados experimentales mostraron que, en comparación con las muestras de SDS con una concentración de 500 miligramos por litro, el tiempo de inducción de la formación de hidratos de gas en la muestra de PNS-0.4 se redujo de 243,7 ± 27,8 minutos a 151 ± 14,4 minutos. Aquí, 0.4 representa la relación de masa de sodio pags-sulfonato de estireno. Por lo tanto, PNS-0.4 mostró una buena capacidad de almacenamiento de gas.
Además, el tiempo de inducción de PNS-0.3 (802.1 ± 27.8 minutos) fue mayor que el de las muestras PNS-0.4 y PNS-0.5, lo que indica el papel de la concentración en la dispersión de las nanopartículas. Además, este tiempo de inducción de PNS-0.3 fue mucho mayor que el de las muestras puras de SDS y PNS. Por lo tanto, las nanopartículas de PNS aceleraron el proceso de nucleación de hidratos y acortaron el tiempo de inducción.
Conclusión
En resumen, se sintetizaron mediante polimerización en emulsión promotores de hidratos de gas basados en nuevas nanopartículas con una estructura integrada de núcleo y cubierta. Estas nanopartículas promovieron de manera eficiente el crecimiento de hidratos y mostraron buenas propiedades de reciclaje. La encapsulación de polímeros en núcleos magnéticos facilitó la funcionalización de la superficie de las nanopartículas preparadas.
La prueba de hidratación isotérmica mostró que PNS-0.4 tenía un tiempo de inducción un 30 % más corto en comparación con la solución de SDS convencional. Asimismo, se ha incrementado en un 20% la capacidad de almacenamiento de gas metano. Además, PNS imitó los sedimentos marinos en términos de CO2 almacenamiento de gases
La introducción de las nanopartículas de PNS en la solución dio como resultado una nucleación rápida y un crecimiento moderado del hidrato de gas, superando la limitación de transferencia de masa. Además, los grupos funcionales de la superficie de las nanopartículas ayudaron a prevenir la formación de espuma durante la descomposición de los hidratos. Además, las nuevas nanopartículas mostraron un buen rendimiento de reutilización con una reciclabilidad de hasta cinco veces.
Relación
Zhao Y, Yang M, Li M, Dong H, Ge Y, Li Q, Zhang L et al. (2022) Magnético Reciclable −SO3–-Las nanopartículas recubiertas promueven el almacenamiento de gas a través de la formación de hidratos. Interfaces y materiales aplicados de ACS https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c06230
