Stale pogłębiająca się degradacja środowiska naturalnego prowadzi do dotkliwych zmian klimatycznych. Coraz częściej występujące ekstremalne warunki pogodowe oraz postęp cywilizacyjny powodują wzrost zapotrzebowania 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 zużywanie paliw nieodnawialnych. Alternatywnym rozwiązaniem – pozwalającym na wykorzystanie energii cieplnej, w tym ciepła odpadowego lub ciepła pozyskiwanego ze źródeł odnawialnych – są sorpcyjne agregaty chłodnicze. W monografii przedstawiono metody syntezy (zarówno fizyczne, jak i chemiczne) porowatych materiałów węglowych jako potencjalnych sorbentów wykorzystywanych w chłodziarkach adsorpcyjnych. Zaprezentowana metodologia 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. Do tego celu zostały wykorzystane zarówno standardowe metody analityczne: 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 pozwalające na uzyskanie wysokoporowatych materiałów węglowych o właściwościach sorpcyjnych zbliżonych do właściwości materiałów komercyjnych, a w niektórych przypadkach – zdecydowanie od nich lepszych. Dodatkowo zaprezentowano zagadnienie produkcji gazu syntezowego w procesie aktywacji, cechującego się dużym potencjałem pod względem możliwości wykorzystania w przemyśle. Należy podkreślić, że zaproponowane przez autorkę metody syntezy ukierunkowane są – zgodnie z założeniami gospodarki o obiegu zamkniętym – na minimalizację ilości odpadów generowanych w procesie produkcyjnym.
- Contents
-
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
