Μετατροπή αερίου διοξειδίου του άνθρακα σε νανοδομές άνθρακα με την τεχνική χημικής εναπόθεσης ατμών

Σακκή, Αικατερίνη; Sakki, Aikaterini

dc.contributor.author	Σακκή, Αικατερίνη	el
dc.contributor.author	Sakki, Aikaterini	en
dc.date.accessioned	2023-01-27T10:53:14Z
dc.date.available	2023-01-27T10:53:14Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56978
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24676
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Νανοσωλήνες	el
dc.subject	Νανοάνθρακες	el
dc.subject	Διοξείδιο άνθρακα	el
dc.subject	Χημική εναπόθεση ατμών	el
dc.subject	Μαγνήσιο	el
dc.subject	Nanotubes	en
dc.subject	CNTs	en
dc.subject	Carbon dioxide	en
dc.subject	CVD	en
dc.subject	Magnesium	en
dc.subject	Nanocarbons	en
dc.title	Μετατροπή αερίου διοξειδίου του άνθρακα σε νανοδομές άνθρακα με την τεχνική χημικής εναπόθεσης ατμών	el
heal.type	masterThesis
heal.secondaryTitle	Μετατροπή αερίου διοξειδίου του άνθρακα (CO2↑) σε νανοδομές άνθρακα (νανοσωλήνες) με την τεχνική χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD)	el
heal.generalDescription	Οι κλιματικές αλλαγές που οφείλονται στην αύξηση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου, συμπεριλαμβανομένου και του διοξείδιού του άνθρακα, αναδεικνύουν το ζήτημα της μείωσής του και παροτρύνουν την ανάπτυξη τεχνικών απομάκρυνσής του από την ατμόσφαιρα. Οι τσιμεντοβιομηχανίες είναι σε μεγάλο βαθμό υπεύθυνες για την παραγωγή του διοξειδίου του άνθρακα, καθώς συνεισφέρουν κατά 5-6% των παγκοσμίων εκπομπών του αερίου αυτού. Η ανάπτυξη τεχνικών διάσπασης, δέσμευσης και επαναχρησιμοποίησης του αποτελεί μεγάλη πρόκληση. Το πρόγραμμα ΕΣΠΑ «Νανοάνθρακες από αέρια θερμοκηπίου τσιμεντοβιομηχανίας – ΑΝΘΡΑΚΟΚΗΠΟΣ» Τ1ΕΔΚ-01729 (MIS5848538), επιχειρεί μια πρώτη προσέγγιση επίλυσης του σοβαρού αυτού θέματος που εμπίπτει στα πλαίσια της περιβαλλοντικής μηχανικής, βοηθώντας να επιτευχθεί δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα σε βιομηχανική κλίμακα. Η παρούσα ερευνητική εργασία, της οποίας το θέμα προσαρμόστηκε στα πλαίσια του «Ανθρακόκηπου», εκπονήθηκε στο ΙΝΝ του ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος και επικεντρώθηκε στους κάτωθι στόχους. Συγκεκριμένα, στη μετατροπή του ανεπιθύμητου αερίου διοξειδίου του άνθρακα προς σύνθεση νανοανθράκων, υλικών υψηλής προστιθέμενης αξίας (νανοσωλήνες άνθρακα). Στη συνεργασία συμμετέχουν το Εθνικό Κέντρο Έρευνας Φυσικών Επιστημών «Δημόκριτος», και δύο μεγάλες εταιρείες παραγωγής τσιμέντου και ρητίνης, η ΤΙΤΑΝ Α.Ε. και η MEGARA RESINS S.A., αντίστοιχα. Οι επιστημονικοί στόχοι του προγράμματος συνοψίζονται ως εξής: 1. Η μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε νανοάνθρακες υψηλής προστιθέμενης αξίας (γραφένιο, νανοσωλήνες, νανοϊνες κ.ά.) σε εργαστηριακή/πιλοτική κλίμακα στο ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος (ινστιτούτο νανοεπιστήμης και νανοτεχνολογίας- κτίριο 8) και βελτιστοποίηση της μεθόδου παραγωγής αυτών (αντικείμενο έρευνας της παρούσης μεταπτυχιακής εργασίας). 2. Πιλοτική παραγωγή νανοανθράκων στις εγκαταστάσεις της εταιρείας ΤΙΤΑΝ και ενσωμάτωση των παραγόμενων νανοανθράκων σε τσιμεντοειδή προϊόντα για την ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων τσιμεντοκονιαμάτων. 3. Ενσωμάτωση των παραγόμενων νανοανθράκων σε ρητίνες της εταιρείας MEGARA RESINS για ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων των ρητινών. 4. Παραγωγή ενός σύνθετου προϊόντος με τη χρήση αυτών των τριών υλικών. Συγκεκριμένα, οι νανοάνθρακες που παράγονται πρόκειται να εισαχθούν στα προϊόντα της TITAN και της MEGARA RESINS, ώστε να έχει «πράσινο αποτύπωμα άνθρακα» το τελικό προϊόν.	el
heal.classification	Περιβαλλοντική Μηχανική	el
heal.classification	Νανοσύνθετα - Νανοϋλικά	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-11-07
heal.abstract	Οι βιομηχανίες τσιμέντου αποτελούν τις μεγαλύτερες πηγές αερίων θερμοκηπίου στον κόσμο. Λαμβάνοντας υπόψιν την ανάγκη απομάκρυνσης του CO2 από την ατμόσφαιρα, καθώς και τα πρόσφατα επιτεύγματα της νανοτεχνολογίας, η συγκεκριμένη πρόταση στοχεύει στην ανάπτυξη πειραματικών διαδικασιών και τεχνολογίας για τη μετατροπή του CO2 των εργοστασίων παραγωγής τσιμέντου, σε χρήσιμους στερεούς νανοάνθρακες (γραφένιο, CNTs) και την ταυτόχρονη εφαρμογή τους στην κατασκευή σύνθετων προϊόντων με βελτιωμένες ιδιότητες. Η κεντρική ιδέα, λοιπόν, συνοψίζεται στη δέσμευση και μετατροπή του αερίου του θερμοκηπίου, διοξειδίου του άνθρακα, το οποίο απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα, ως βιομηχανικό απόβλητο, σε νανοάνθρακες - υλικό υψηλής προστιθέμενης αξίας, σε μια σημαντική προσπάθεια ανάπτυξης τεχνικών μείωσης του στην ατμόσφαιρα μέσω μιας φιλικής προς το περιβάλλον διαδικασίας δέσμευσης και επαναχρησιμοποίησης του ως νέο τελικό προϊόν, το οποίο όχι μόνο δεν έχει αποτύπωμα άνθρακα, αλλά ενόσω δημιουργείται, το αέριο αυτό, όπως προαναφέρθηκε, μειώνεται. Οι αλλοτροπικές μορφές του άνθρακα που έχουν σωληνοειδή νανοδομή, όπως οι νανοσωλήνες (CNTs) εμφανίζουν εξαιρετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες, οι οποίες έχουν κεντρίσει το ενδιαφέρον των επιστημόνων παγκοσμίως. Οι εξέχουσες τιμές της θερμικής και ηλεκτρικής αγωγιμότητας τους, η υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό και η ευκαμψία τους, είναι μερικές από τις ιδιότητες που εμφανίζουν. Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία διερευνά τη σύνθεση ανθρακικών νανοδομών, κυρίως νανοσωλήνων (CNTs) , οι οποίοι σχηματίζονται στην επιφάνεια υποστρώματος μαγνησίου, μέσω της τεχνικής της χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) αερίου διοξειδίου του άνθρακα που χρησιμοποιείται ως πηγή άνθρακα εξαναγκασμένης ροής (20-40-80ml/min και μιγμάτων αυτού με αργό), υπό υψηλή θερμοκρασία, σύμφωνα με την αντίδραση που λαμβάνει χώρα: Mg(s) + CO2(g)  MgO(s) + C(s). Ανάμεσα στις μεθόδους που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την σύνθεση νανοσωλήνων, η συγκεκριμένη διαθέτει τα περισσότερα προτερήματα, καθότι είναι σχετικά οικονομική, δεν απαιτεί πολύ υψηλές θερμοκρασίες για να πραγματοποιηθεί η αντίδραση και προσφέρει ελεγχόμενη ανάπτυξη του τελικού προϊόντος. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, μέταλλα με χαμηλό σημείο τήξεως, όπως οι αλκαλικές γαίες, Mg κ.ά., έχουν την ικανότητα να ανάγουν το CO2 κατά τη θερμική επεξεργασία δημιουργώντας νανοάνθρακες (πορώδες γραφένιο, νανοσωλήνες, νανοκύβους κλπ). Σε δεύτερο πλάνο, αυτοί οι νανοάνθρακες επρόκειτο να ενσωματωθούν σε τσιμεντοειδή προϊόντα για την ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων των τσιμεντοκονιαμάτων τους. Συνήθως, ως καταλύτες για την σύνθεση των CNTs, χρησιμοποιείται ο σίδηρος, το νικέλιο, το κοβάλτιο και τα κράματα τους, κυρίως λόγω της ικανότητας να αποσυνθέτουν τις πρόδρομες ενώσεις που περιέχουν άνθρακα και της υψηλής διαλυτότητας του άνθρακα σε αυτά με αποτέλεσμα να είναι εφικτή η διάχυση του στο εσωτερικό των μετάλλων, ώστε να σχηματίζονται γραφιτικές δομές στην επιφάνεια τους κατά την ψύξη. Στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή, διερευνήθηκε, για πρώτη φορά, στην Ελλάδα και από τις ελάχιστες παγκοσμίως, η πιθανότητα ανάπτυξης CNTs πάνω σε υπόστρωμα μαγνησίου με την τεχνική CVD, χωρίς τη χρήση καταλύτη, το ρόλο του οποίου διαδραματίζει το ίδιο το οξείδιο του μαγνησίου που σχηματίζεται κατά την αντίδραση. Ακολούθως, μελετάται η διερεύνηση των παραμέτρων που οδηγούν στην βελτιστοποίηση του παραγόμενου προϊόντος. Η πειραματική διαδικασία πραγματοποιείται σε θερμοκρασιακό εύρος 600-1000οC, με βέλτιστη θερμοκρασία αυτή των 675oC και βέλτιστη ροή CO2 20ml/min. Επιπρόσθετα, ο χαρακτηρισμός του τελικού προϊόντος επιτυγχάνεται με ενόργανες αναλυτικές μεθόδους – οπτικές που βασίζονται στην απορρόφηση και την εκπομπή ακτινοβολίας, όπως την φασματομετρία (περίθλαση) ακτίνων Χ, την υπέρυθρη φασματοσκοπία μετασχηματισμού Fourier και την φασματοσκοπία Raman. Επιπλέον, εξετάζεται με SEM και TEM. Συγκεκριμένα, κυρίως έπειτα από έκπλυση των δειγμάτων, όπου λαμβάνει χώρα χημικός καθαρισμός των προσμίξεων (Mg, MgO, άμορφος άνθρακας) με υδροχλωρικό οξύ 3 Μ, με SEM ανάλυση επιβεβαιώθηκε ότι στις βέλτιστες συνθήκες ανάμεσα σε αυτές που διερευνήθηκαν, υπήρξε παραγωγή CNΤs. Από την ανάλυση με ΧRD και τις φασματοσκοπίες Raman και FT-IR προκύπτει ότι οι ανθρακικές δομές που παρήχθησαν εμφανίζουν κυρίως χαρακτηριστικά των CΝΤs, καθώς και ότι κατά την σύνθεση σχηματίζεται μαζί με το επιθυμητό προϊόν και άμορφος άνθρακας. Από τα αποτελέσματα των παραπάνω χαρακτηρισμών προκύπτει ότι ο μικρός χρόνος αντίδρασης και ο χαμηλός ρυθμός ροής φέροντος αερίου (20ml/min CO2), οδηγούν στο σχηματισμό ενός ομοιόμορφου και σταθερού στρώματος νανοσωλήνων στην επιφάνεια των δειγμάτων. Τέλος, είναι απαραίτητη περαιτέρω έρευνα για τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας, ώστε να επιτευχθεί ανάπτυξη CNTs μεγάλης/βιομηχανικής κλίμακας, κυρίως σε κάθετους φούρνους. Τα πρώτα αποτελέσματα προς αυτή την κατεύθυνση κρίνονται ως πολύ ενθαρρυντικά.	el
heal.sponsor	ΕΣΠΑ "ΑΝΘΡΑΚΟΚΗΠΟΣ", ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος	el
heal.advisorName	Αργυρούσης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Τράπαλης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Μαρκόπουλος, Άγγελος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	247 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false