Ανάπτυξη δομημένων προσροφητικών υλικών με τρισδιάστατη εκτύπωση για την απομάκρυνση του CO₂ από H₂
Loading...
Date
2026-10-12
Authors
Γραμματικός, Παναγιώτης
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η παραγωγή υδρογόνου υψηλής καθαρότητας απαιτεί την αποτελεσματική απομάκρυνση ανεπιθύμητων συστατικών, όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂), από αέρια ρεύματα πλούσια σε H₂. Η χρήση προσροφητικών και καταλυτικών υλικών σε μορφή σκόνης μπορεί να συνοδεύεται από υψηλή πτώση πίεσης, περιορισμούς στη διάχυση των αερίων και δυσκολίες κατά την εφαρμογή τους σε μεγαλύτερη κλίμακα. Οι συμβατικές μορφοποιήσεις, όπως τα pellets, αντιμετωπίζουν μέρος αυτών των προβλημάτων, αλλά προσφέρουν περιορισμένο έλεγχο της γεωμετρίας και της πορώδους δομής. Η τρισδιάστατη εκτύπωση προσφέρει μεγαλύτερο έλεγχο της γεωμετρίας και του πορώδους των δομών, επιτρέποντας παράλληλα τη βελτίωση της ροής του αερίου και της μεταφοράς μάζας και θερμότητας. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η ανάπτυξη δομημένων προσροφητικών υλικών γ-Al₂O₃ μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης και η αξιολόγησή τους για την απομάκρυνση CO₂ από ρεύματα που περιέχουν H₂. Για τον σκοπό αυτό, παρασκευάστηκαν κυλινδρικές δομές γυροειδούς γεωμετρίας με τεχνική φωτοπολυμερισμού (DLP), ακολουθούμενη από θερμική κατεργασία έως τους 600 °C για την απομάκρυνση της οργανικής φάσης. Παράλληλα, τόσο η γ-Al₂O₃ σε μορφή σκόνης όσο και το τρισδιάστατα εκτυπωμένο υλικό τροποποιήθηκαν επιφανειακά με 3-αμινοπροπυλοτριαιθοξυσιλάνιο (APTES), με στόχο την εισαγωγή αμινομάδων και την ενίσχυση της αλληλεπίδρασης με το CO₂.
Τα αρχικά και τροποποιημένα υλικά χαρακτηρίστηκαν με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), φασματοσκοπία ATR-FTIR, προσρόφηση-εκρόφηση N₂ και θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η βασική κρυσταλλική φάση της γ-Al₂O₃ διατηρήθηκε μετά την τρισδιάστατη εκτύπωση, τη θερμική κατεργασία και τη σιλανοποίηση. Η διαμόρφωση σε 3D δομή προκάλεσε σχετικά μικρή μείωση της ειδικής επιφάνειας, από 52 σε 48 m²/g, ενώ η τροποποίηση με APTES οδήγησε σε σημαντική μείωση της προσβάσιμης επιφάνειας και του όγκου πόρων. Παράλληλα, τα αποτελέσματα ATR-FTIR και TGA επιβεβαίωσαν την παρουσία APTES τόσο στη σκόνη όσο και στο τρισδιάστατα εκτυπωμένο υλικό, δείχνοντας ότι η επιφανειακή τροποποίηση πραγματοποιήθηκε επιτυχώς.
Η προσροφητική συμπεριφορά των υλικών αξιολογήθηκε μέσω καμπυλών breakthrough και θερμοπρογραμματιζόμενης εκρόφησης CO₂. Η μη τροποποιημένη γ-Al₂O₃ σε μορφή σκόνης και το 3D γ-Al₂O₃ παρουσίασαν ίδια προσροφητική ικανότητα, ίση με 4.6 μmol gads⁻¹, γεγονός που δείχνει ότι η τρισδιάστατη μορφοποίηση δεν υποβάθμισε την ικανότητα δέσμευσης CO₂. Μετά την τροποποίηση με APTES, η προσροφητική ικανότητα αυξήθηκε σημαντικά, φθάνοντας τα 40.3 μmol gads⁻¹ για το 3D γ-Al₂O₃-APTES και τα 54.8 μmol gads⁻¹ για τη γ-Al₂O₃ 600 °C-APTES. Επιπλέον, τα πειράματα TPD έδειξαν ότι περισσότερο από το 96% του προσροφημένου CO₂ στα τροποποιημένα υλικά μπορούσε να εκροφηθεί με θέρμανση έως τους 80 °C. Συνολικά, τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι οι τρισδιάστατα εκτυπωμένες δομές γ-Al₂O₃ μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δομημένα προσροφητικά για τον διαχωρισμό CO₂/H₂, ενώ η επιφανειακή τροποποίηση με APTES ενισχύει σημαντικά την ικανότητα δέσμευσης CO₂.
Description
Keywords
Τρισδιάστατη εκτύπωση, Προσρόφηση CO₂, Καθαρισμός H₂, Τροποποίηση με APTES, Δομημένα προσροφητικά υλικά