ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ТОПЛИВА ДЛЯ СИНТЕЗА ПОРИСТЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Format: B5

Wydział: Chemia, Górnictwo

Opis:

Stale pogłębiająca się degradacja środowiska naturalnego prowadzi do dotkliwych zmian klimatycznych. Coraz częściej występujące ekstremalne warunki pogodowe oraz postęp cywilizacyjny generują rosnące zapotrzebowanie na chłód, w szczególności na cele klimatyzacyjne. Obecnie prężnie rozwijającą się technologią wykorzystywaną w układach klimatyzacyjnych są zasilane energią elektryczną urządzenia sprężarkowe, które w wielu krajach dodatkowo intensyfikują konsumpcję paliw nieodnawialnych.

Alternatywnym rozwiązaniem pozwalającym na wykorzystanie energii cieplnej, w tym ciepła odpadowego lub ciepła pozyskiwanego ze źródeł odnawialnych, są sorpcyjne agregaty chłodnicze.

W pracy przedstawiono metody syntezy (zarówno fizyczne, jak i chemiczne) porowatych materiałów węglowych jako potencjalnych sorbentów wykorzystywanych w chłodziarkach adsorpcyjnych. Zaprezentowana metodologia realizacji badań nad sorbentami przeznaczonymi do sorpcyjnych urządzeń chłodniczych ma charakter nowatorski i wielowariantowy. Wyznaczono zdolności sorpcyjne uzyskanych materiałów, a także przeanalizowano możliwość ich zastosowania w warunkach pracy chłodziarki oraz określono ich właściwości termofizyczne. W tym celu zostały wykorzystane zarówno standardowe metody analityczne, takie jak: skaningowa mikroskopia elektronowa, analiza termograwimetryczna, chromatografia gazowa, niskotemperaturowa adsorpcja gazowa oraz laserowa metoda impulsowa, jak i unikatowa metoda grawimetrycznej sorpcji par adsorptywu w warunkach obniżonego ciśnienia.

Na podstawie przeprowadzonych badań i analiz udało się wyselekcjonować materiały odpadowe oraz opracować metody ich obróbki termochemicznej w kierunku wytworzenia wysokoporowatych materiałów węglowych. Przedstawiona metodyka syntezy pozwala na uzyskanie materiałów o właściwościach sorpcyjnych zbliżonych do właściwości materiałów komercyjnych, a w niektórych przypadkach – o właściwościach zdecydowanie lepszych. Dodatkowo zaprezentowano zagadnienie produkcji gazu syntezowego w procesie aktywacji, który ma wysoki potencjał wykorzystania w przemyśle. Należy podkreślić, że zaproponowane metody syntezy ukierunkowane są na minimalizację generowanych odpadów w procesie produkcyjnym zgodnie z założeniami gospodarki o obiegu zamkniętym.

W pracy zamieszczono wyniki badań zrealizowanych w ramach projektów badawczych finansowanych ze środków programu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza” w Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie, grantu realizowanego w ramach Działania 4 IDUB AGH pt. „Poprawa efektywności pracy adsorpcyjnego agregatu chłodniczego poprzez wykorzystanie innowacyjnych materiałów sorpcyjnych oraz zaawansowanych rozwiązań konstrukcyjnych” objętego wnioskiem zarejestrowanym w systemie HYDRA pod numerem 1586 oraz grantu zakwalifikowanego do finansowania w I edycji konkursu „Pakiet habilitacyjny” objętego wnioskiem zarejestrowanym w systemie HYDRA pod numerem 4591.

Agata Mlonka-Mędrala jest stypendystką korzystającą ze wsparcia finansowego Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (FNP).

Spis treści:

Streszczenie / 5

Summary / 7

Wykaz najważniejszych skrótów i oznaczeń / 9

1. Wprowadzenie / 13

2. Zarys problematyki / 16

2.1. Zapotrzebowanie na chłód oraz konsumpcja energii na potrzeby chłodnicze / 16

2.2. Sorpcyjne agregaty chłodnicze / 20

2.2.1. Absorpcyjne agregaty chłodnicze / 23

2.2.2. Adsorpcyjne agregaty chłodnicze / 25

2.3. Gospodarka o obiegu zamkniętym i wykorzystanie materiałów odpadowych do syntezy nowych wartościowych produktów / 28

2.4. Gospodarka odpadami / 31

3. Charakterystyka procesu adsorpcji / 36

3.1. Procesy adsorpcji chemicznej i fizycznej / 36

3.2. Struktura adsorbentów / 38

3.3. Teorie adsorpcji / 40

3.4. Typy izoterm adsorpcji / 41

3.5. Klasyfikacja histerez adsorpcji i desorpcji / 44

3.6. Sorbenty na potrzeby sorpcyjnych agregatów chłodniczych / 45

3.6.1. Żele kwasu krzemowego (żele krzemionkowe) / 47

3.6.2. Zeolity / 48

3.6.3. Porowate materiały węglowe / 50

3.6.3.1. Węgle aktywne / 50

3.6.3.2. Węglowe sito molekularne / 51

3.6.3.3. Aktywowane włókna węglowe 51

3.6.3.4. Nanorurki węglowe / 51

3.6.4. Sorbenty kompozytowe / 52

3.6.5. Szkielety metaloorganiczne (MOF) / 55

3.7. Adsorbaty / 57

3.7.1. Woda / 58

3.7.2. Metanol / 58

3.7.3. Etanol / 59

3.7.4. Amoniak / 59

4. Wykorzystanie materiałów odpadowych do syntezy węglowych materiałów porowatych / 60

4.1. Możliwości wykorzystania węgli aktywnych z materiałów odpadowych w przemyśle / 63

4.2. Metody termochemicznej konwersji paliw / 65

4.2.1. Toryfikacja / 66

4.2.2. Hydrotermiczne uwęglanie / 67

4.2.3. Piroliza / 67

4.2.4. Zgazowanie / 69

4.3. Metody chemicznej aktywacji karbonizatów z procesów termochemicznej konwersji paliw / 72

5. Metodyka badań / 74

5.1. Materiały odpadowe / 74

5.2. Metody obróbki wstępnej oraz aktywacji analizowanych materiałów odpadowych / 76

5.2.1. Obróbka wstępna materiałów surowych – piroliza termiczna / 77

5.2.2. Obróbka wstępna materiałów surowych – toryfikacja zrębki drzewnej oraz toryfikacja i hydrotermiczna karbonizacja młóta browarnianego / 77

5.2.3. Wstępna obróbka materiałów metodą fizyczną z wykorzystaniem powietrza / 77

5.2.4. Wstępna obróbka materiałów w komercyjnym reaktorze zgazowującym ze złożem stałym Power Pallet 30 (All Power Labs, USA) / 78

5.2.5. Aktywacja karbonizatów – metoda fizyczna parą wodną / 79

5.2.6. Aktywacja karbonizatów – metoda chemiczna z wykorzystaniem wodorotlenku potasu (KOH) / 79

5.2.7. Synteza biowęgla o właściwościach magnetycznych / 80

5.2.8. Synteza węgla aktywnego z materiału pochodzącego z odpadów zalegających na zamkniętych składowiskach odpadów / 80

5.3. Materiały referencyjne – komercyjne węgle aktywne oraz aktywowane włókna węglowe / 84

6. Metodologia wyznaczania właściwości sorpcyjnych badanych materiałów i ich współpracy z wybranymi adsorptywami / 86

6.1. Opis metodologii badań – wykorzystywane metody analityczne / 87

6.1.1. Analiza składu produktów stałych oraz gazowych / 87

6.1.2. Analiza termograwimetryczna / 87

6.1.3. Badania składu elementarnego i morfologii sorbentów / 87

6.1.4. Badania powierzchni właściwej oraz objętości, wielkości i rozkładu porów adsorbentów metodą adsorpcji gazowej / 88

6.1.5. Badanie właściwości sorpcyjnych adsorbentów / 89

6.1.6. Badanie przewodności cieplnej adsorbentów laserową metodą impulsową / 90

7. Porowate materiały węglowe przeznaczone do sorpcyjnych agregatów chłodniczych / 92

7.1. Właściwości komercyjnych węgli aktywnych / 92

7.1.1. Porowate materiały węglowe – komercyjne węgle aktywne / 92

7.1.2. Porowate materiały węglowe – aktywowane włókna węglowe / 100

7.2.1. Właściwości sorpcyjne aktywowanych włókien węglowych / 101

7.1.2.2. Właściwości termofizyczne aktywowanych włókien węglowych / 102

7.2. Właściwości porowatych materiałów węglowych z surowych materiałów odpadowych / 104

7.2.1. Analiza elementarna próbek surowych oraz otrzymanych karbonizatów po wstępnej i finalnej obróbce termicznej / 104

7.2.2. Analiza termograwimetryczna próbek surowych w atmosferze obojętnej / 106

7.2.3. Analiza składu gazu pirolitycznego i gazu syntezowego uzyskanego podczas obróbki termicznej paliw odpadowych 107

7.2.4. Badania strukturalne uzyskanych porowatych materiałów węglowych / 110

7.2.5. Właściwości sorpcyjne uzyskanych porowatych materiałów węglowych / 112

7.3. Właściwości porowatych materiałów węglowych z materiałów odpadowych poddanych obróbce wstępnej / 119

7.3.1. Badania strukturalne uzyskanych porowatych materiałów węglowych / 120

7.3.2. Analiza składu gazu syntezowego uzyskanego podczas aktywacji parą wodną paliw odpadowych / 123

7.3.3. Właściwości sorpcyjne uzyskanych porowatych materiałów węglowych / 124

7.4. Właściwości porowatego materiału węglowego pozyskanego z wysypiska odpadów / 127

7.5. Właściwości porowatego materiału węglowego pozyskanego z ligniny / 130

7.6. Porównanie komercyjnych i syntezowanych porowatych materiałów węglowych pod kątem wykorzystania w sorpcyjnych agregatach chłodniczych / 132

7.6.1. Właściwości sorpcyjne wybranych porowatych materiałów węglowych względem komercyjnych węgli aktywnych / 132

7.6.2. Właściwości termofizyczne wybranych porowatych materiałów oraz komercyjnych węgli aktywnych / 138

8. Podsumowanie / 142

Literatura / 145