Μελέτη συστήματος φυσικοχημικής και ενζυμικής συγκράτησης CO2

Καματερού, Κωνσταντίνα; Kamaterou, Konstantina

dc.contributor.author	Καματερού, Κωνσταντίνα	el
dc.contributor.author	Kamaterou, Konstantina	en
dc.date.accessioned	2025-01-15T12:05:44Z
dc.date.available	2025-01-15T12:05:44Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/60745
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.28441
dc.rights	Default License
dc.subject	Καρβονική ανυδράση	el
dc.subject	Πλυντρίδες	el
dc.subject	Ρυθμιστικά διαλύματα	el
dc.subject	Χρόνος παραμονής αερίου	el
dc.subject	Δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα	el
dc.subject	Carbon dioxide capture	en
dc.subject	Carbonic anhydrase	en
dc.subject	Scrubbers	en
dc.subject	Buffer solutions	en
dc.subject	Gas retention time	en
dc.title	Μελέτη συστήματος φυσικοχημικής και ενζυμικής συγκράτησης CO2	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Chemical engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-07-10
heal.abstract	Tα τελευταία χρόνια, ο πλανήτης αντιμετωπίζει σημαντικές προκλήσεις περιβαλλοντικής υποβάθμισης λόγω των ανεξέλεγκτων εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO2) που οφείλονται κυρίως στη βιομηχανία και την αστικοποίηση. H περίσσεια εκπομπή των αερίων του θερμοκηπίου που οφείλεται κυρίως σε ανθρώπινες δραστηριότητες, έχει οδηγήσει στην αύξηση της θερμοκρασίας της Γης κατά περίπου 1°C από τα μέσα του 19ου αιώνα συμβάλλοντας έτσι αρνητικά στην κλιματική αλλαγή. Αυτή με τη σειρά της προκαλεί δυσμενείς επιπτώσεις όπως η οξίνιση των ωκεανών, η ερημοποίηση, η άνοδος της στάθμης της θάλασσας και οι διαταραχές των οικοσυστημάτων. Ενέχει ακόμη κινδύνους για την ανθρώπινη υγεία, τη γεωργία και την επισιτιστική ασφάλεια. Οι παγκόσμιες εκπομπές CO2 που οφείλονται στις ανθρώπινες δραστηριότητες έχουν αυξηθεί πάνω από 400% από το 1950 και η υψηλή συγκέντρωση του CO2 στην ατμόσφαιρα προβλέπεται ότι θα αυξάνεται συνεχώς, εάν το πρόβλημα των εκπομπών του CO2 δεν αντιμετωπιστεί έγκαιρα και αποτελεσματικά. Σύμφωνα με τη συμφωνία του Παρισιού του 2015, η άνοδος της θερμοκρασίας της Γης θα πρέπει να περιοριστεί κάτω από τους 2°C μέχρι το 2030. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, πρέπει να δεσμεύονται και να αποθηκεύονται εκατοντάδες τόνοι CO2 ετησίως, επομένως, διάφορες τεχνικές για τη δέσμευση του CO2 όπως η προσρόφηση, η απορρόφηση και ο διαχωρισμός με μεμβράνες έχουν προταθεί και δοκιμαστεί στη βιβλιογραφία. Η δέσμευση του CO2 με το ένζυμο καρβονική ανυδράση (CA) αποτελεί επίσης μια τεχνολογία δέσμευσης που μελετάται τα τελευταία 20 χρόνια ωστόσο υπάρχουν ακόμη πολλά περιθώρια στην έρευνα και τη βελτιστοποίησή της. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετήθηκε μια φυσικοχημική μέθοδος για τη δέσμευση του CO2 η οποία περιγράφεται από τον μηχανισμό δέσμευσης του CO2 σε υδατικά μέσα και ουσιαστικά πρόκειται για χημική απορρόφηση του CO2. Πιο συγκεκριμένα, περιλαμβάνει τη διαλυτοποίηση των μορίων του αερίου CO2 στο νερό σύμφωνα με την ισορροπία του Henry και την αντιστρεπτή μετατροπή με αποπρωτονίωση του ουδέτερου CO2(aq) (ενυδάτωση) προς σχηματισμό όξινων ανθρακικών ανιόντων HCO3- σύμφωνα με την χημική ισορροπία που εξαρτάται από το pH. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται η μεταφορά τόσο του ουδέτερου όσο και του υδατικού CO2, από την πλευρά δέσμευσης του CO2 προς την πλευρά απελευθέρωσής του, με μοριακή διάχυση στο εσωτερικό του υδατικού μέσου ή/και με εξαναγκασμένη κυκλοφορία υγρού. Πειραματικός στόχος ήταν, επομένως, να διατηρείται το pH της αντίδρασης ενυδάτωσης πάνω από την pKa της αντίδρασης ισορροπίας που είναι ίση με 6.35, ώστε να ευνοείται η δέσμευση του CO2. Για να εξασφαλιστεί η αποτελεσματική συγκράτηση του CO2 σχεδιάστηκε ένα σύστημα πλυντρίδας (scrubber) κατάλληλο ώστε να μεγιστοποιηθεί η επιφάνεια επαφής μεταξύ της αέριας φάσης και του υδατικού μέσου. Αυτό είχε σκοπό να ευνοήσει τη διάλυση των μορίων CO2(aq) στην πλευρά της δέσμευσης και την απελευθέρωση του αερίου CO2 στην πλευρά της απελευθέρωσης. Σκοπός λοιπόν της παρούσας εργασίας ήταν η διερεύνηση της δέσμευσης του διοξειδίου του άνθρακα σε ένα τροποποιημένο εργαστηριακό σύστημα πλυντρίδας (scrubber) μελετώντας διαφορετικούς τύπους ρυθμιστικών διαλυμάτων και pH, καθώς και διαφορετικές ροές εισόδου αερίου και όγκους ρυθμιστικών διαλυμάτων. Το αέριο προερχόταν από μια φιάλη του εμπορίου με μίγμα 80% ατμοσφαιρικού αέρα (O2 , N2) και 20% CO2. Η δέσμευση του CO2 προσδιοριζόταν ποσοτικά ως προς τον ανόργανο άνθρακα που συσσωρευόταν σε κάθε διάλυμα στο εσωτερικό του scrubber. Επιπλέον, έγινε βιβλιογραφική έρευνα γύρω από το ένζυμο καρβονική ανυδράση και πραγματοποιήθηκαν προκαταρκτικά πειράματα δέσμευσης CO2 μέσω του ενζύμου αυτού. Όσον αφορά τη χρήση του ενζύμου, οι αποδόσεις δέσμευσης του CO2 κυμάνθηκαν σε αρκετά χαμηλά επίπεδα (2.33% - 5.39%). Επομένως προκειμένου να επιτευχθεί αποτελεσματικότερη ενζυμική δέσμευση CO2, θα πρέπει να συνεχιστεί η έρευνα προς την κατεύθυνση της εύρεσης της βέλτιστης συγκέντρωσης ενζύμων, του βέλτιστου λόγου L/G καθώς και των ορίων του συστήματος (π.χ. μέγιστη συγκέντρωση CO2). Από τη μελέτη που πραγματοποιήθηκε το ρυθμιστικό διάλυμα NH3/NH4Cl σε pH 10 έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα με απόδοση δέσμευσης ανόργανου άνθρακα ίση με 81.28% (Πείραμα 4α). Όμως, ακόμα και μικρές αλλαγές στο αρχικό pH του ρυθμιστικού διαλύματος είναι ικανές να οδηγήσουν σε σημαντικές μεταβολές στην απόδοση της διεργασίας. Επιπλέον, από την πειραματική έρευνα προέκυψε ότι η δέσμευση του CO2 είναι αποδοτικότερη όσο αυξάνεται το λόγος L/G, δηλαδή όσο μικρότερη η ροή εισόδου του αερίου για σταθερή ροή υγρού (L), ή όσο μεγαλύτερος ο αρχικός όγκος του υγρού για σταθερή παροχή αερίου. Πιο συγκεκριμένα, η μέγιστη απόδοση δέσμευσης (84.54 %) παρατηρήθηκε για λόγο L/G 44.44, αρχικό όγκο 800 mL και ροή εισόδου αερίου 100 mL/min (Πείραμα 8β). Παρατηρήθηκε επίσης ότι σε όλα τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στις ίδιες συνθήκες, όταν μειώνεται ο χρόνος παραμονής του αερίου (GRT), μειώνεται η απόδοση. Μάλιστα για πολύ χαμηλό χρόνο παραμονής αερίου (93 s), η απόδοση δέσμευσης μπορεί σχεδόν να μηδενιστεί (4.44 %) (Πείραμα 11α). Μια τέτοια μέθοδος θα μπορούσε εύκολα να ανακλιμακωθεί σε πιλοτική κλίμακα, συμβάλλοντας αποδοτικά στη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα και κατά συνέπεια στη μείωση των εκπομπών του στην ατμόσφαιρα. Η παρούσα διπλωματική εργασία καταδεικνύει τα ρυθμιστικά διαλύματα που είναι καταλληλότερα για τη δέσμευση του CO2 , καθώς επίσης και τις βέλτιστες πειραματικές συνθήκες, αλλά και τις συνθήκες που δεν οδηγούν σε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Η χρήση των συγκεκριμένων ρυθμιστικών διαλυμάτων σε συνδυασμό με το ένζυμο καρβονική ανυδράση σε συγκεντρώσεις άνω των 100 mg/L θα μπορούσε να οδηγήσει σε ικανοποιητικά αποτελέσματα τα οποία στη συνέχεια θα ανακλιμακωθούν σε πιλοτική κλίμακα, αφού γίνει μια ανάλυση κύκλου ζωής και ένας υπολογισμός του κόστους. Έτσι, μέσω των πειραματικών δοκιμών που εκτελέστηκαν και της βιβλιογραφικής έρευνας, δίνονται οι κατάλληλες κατευθύνσεις για μελλοντικές έρευνες και εφαρμογές σε μεγαλύτερη κλίμακα.	el
heal.advisorName	Κόλλια, Κωνσταντίνα	el
heal.committeeMemberName	Κόλλια, Κωνσταντίνα	el
heal.committeeMemberName	Μπαραμπούτη, Έλλη Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	172 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false