Η επίδραση περιστροφικού πεδίου στην εναποθήκευση ατμών και αερίων σε νανοπορώδη υλικά

Abstract

Global climate change represents one of the most significant environmental challenges of our time. The rising concentrations of greenhouse gases (GHGs) in the atmosphere, primarily carbon dioxide (CO₂), are driving global warming, posing risks to both the environment and human populations. Since pre-industrial times, atmospheric CO₂ levels have increased by 30%, reaching approximately 423 ppm. This surge is predominantly attributed to fossil fuel combustion and various anthropogenic activities. Despite decades of international protocols and legislation to address this issue, significant scientific challenges remain in mitigating GHG emissions and transitioning to sustainable energy sources. A promising avenue in this endeavor is the development of nanostructured porous materials for the storage of greenhouse and energy gases, including CO₂ and hydrogen (H₂). These materials offer distinct advantages, such as maximizing storage capacity, enhancing safety in gas handling, and providing flexibility in small-scale storage applications. CO₂ storage technologies using these materials are employed in both source capture and direct air capture (DAC) methods, while H₂ storage is critical for the advancement of hydrogen-based energy systems, particularly in transportation. This doctoral dissertation investigates the impact of rotational fields on the storage performance of vapors and gases in nanoporous materials, aiming to optimize their adsorption properties. Two custom experimental setups were developed to facilitate the research. The first apparatus is a sample cell compatible with small-angle X-ray scattering (SAXS) systems, enabling the simultaneous measurement of scattering data and the rotational field’s effects on vapor storage. The second setup is a Sievert’s-type apparatus designed to study the influence of rotational fields on gas adsorption dynamics and capacities. Experimental studies focused on two distinct activated carbons: a microporous, physically activated Norit® RX-1.5 EXTRA (referred to as AC-RX) and a mesoporous, chemically activated carbon modified with phosphate (referred to as ACbp). The research examined the adsorption behavior of CO₂ and H₂ under rotational fields through both long-duration (20–70 hours) and short-duration (up to 40 minutes) kinetic protocols. Adsorption isotherms were recorded for systems including CO₂/AC-RX at 8, 20, and 25 °C, CO₂/ACbp, and H₂/ACbp at 25 °C. Results demonstrated that rotational fields could enhance the adsorbed gas quantities by up to 30% for single rotations and potentially double the capacity with repeated rotations during dosing. Long-duration kinetics showed significant enhancements in adsorption rates, with rotational fields accelerating kinetics by 3.25 times for CO₂/AC-RX and 7.21 times for H₂/ACbp. Mechanistic studies revealed that rotation induces (i) increased molecular packing within pores, particularly in high-pressure zones, (ii) secondary diffusion and molecular rearrangement, and (iii) the activation of previously inaccessible adsorption sites. This research highlights the potential of rotational fields to significantly improve gas adsorption performance in nanoporous materials, offering a novel approach to addressing pressing challenges in gas storage technologies. Future studies should explore the effects of variables such as vessel geometry, gas properties, and material characteristics to further refine this methodology.

Η παγκόσμια κλιματική αλλαγή αποτελεί μια από τις σημαντικότερες περιβαλλοντικές προκλήσεις της εποχής μας. Η αύξηση της συγκέντρωσης των αερίων του θερμοκηπίου (ΑΘ) στην ατμόσφαιρα, κυρίως του διοξειδίου του άνθρακα (CO₂), οδηγεί στην υπερθέρμανση του πλανήτη, δημιουργώντας κινδύνους για το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Από την προβιομηχανική περίοδο, τα επίπεδα του CO₂ στην ατμόσφαιρα έχουν αυξηθεί κατά 30%, φτάνοντας περίπου τα 423 ppm. Η αύξηση αυτή οφείλεται κυρίως στην καύση ορυκτών καυσίμων και σε διάφορες ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Παρά τις δεκαετίες διεθνών πρωτοκόλλων και νομοθεσιών για την αντιμετώπιση του προβλήματος, η επιστημονική κοινότητα συνεχίζει να αντιμετωπίζει σημαντικές προκλήσεις για τη μείωση των εκπομπών και τη μετάβαση σε βιώσιμες ενεργειακές λύσεις. Μια υποσχόμενη προσέγγιση είναι η ανάπτυξη νανοπορωδών υλικών για την αποθήκευση αερίων θερμοκηπίου και ενεργειακών αερίων, όπως το CO₂ και το υδρογόνο (H₂). Τα υλικά αυτά προσφέρουν πλεονεκτήματα, όπως μεγιστοποίηση της αποθηκευτικής ικανότητας, αυξημένη ασφάλεια στη διαχείριση των αερίων και ευελιξία στην αποθήκευση μικρής κλίμακας. Η αποθήκευση CO₂ με χρήση νανοπορωδών υλικών εφαρμόζεται τόσο στη δέσμευση στην πηγή παραγωγής όσο και στη δέσμευση απευθείας από την ατμόσφαιρα (Direct Air Capture). Η αποθήκευση H₂ είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη ενεργειακών συστημάτων υδρογόνου, κυρίως στον τομέα των μεταφορών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζει την επίδραση του περιστροφικού πεδίου στην αποθήκευση ατμών και αερίων σε νανοπορώδη υλικά, με στόχο τη βελτιστοποίηση των προσροφητικών ιδιοτήτων τους. Στο πλαίσιο της έρευνας, κατασκευάστηκαν δύο πειραματικές διατάξεις. Η πρώτη διάταξη είναι ένα κελί δείγματος συμβατό με συστήματα μικρογωνιακής σκέδασης ακτίνων-Χ (SAXS), που επιτρέπει τη μελέτη της επίδρασης του περιστροφικού πεδίου στην αποθήκευση ατμών. Η δεύτερη διάταξη είναι τύπου Sievert και χρησιμοποιείται για τη μελέτη της επίδρασης του περιστροφικού πεδίου στην προσρόφηση αερίων. Τα πειραματικά συστήματα περιλάμβαναν δύο διαφορετικούς ενεργούς άνθρακες: έναν μικροπορώδη, φυσικά ενεργοποιημένο Norit® RX-1.5 EXTRA (AC-RX) και έναν μεσοπορώδη, χημικά ενεργοποιημένο άνθρακα τροποποιημένο με φωσφορικό άλας (ACbp). Οι μετρήσεις περιέλαβαν μακράς διάρκειας (20-70 ώρες) και σύντομης διάρκειας (μέχρι 40 λεπτά) κινητικές διεργασίες, καθώς και ισόθερμες προσρόφησης για τα συστήματα CO₂/AC-RX στους 8, 20 και 25 °C, CO₂/ACbp και H₂/ACbp στους 25 °C. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η περιστροφή μπορεί να αυξήσει την προσροφημένη ποσότητα αερίου έως και 30% για μία περιστροφή, ενώ με πολλαπλές περιστροφές η ικανότητα προσρόφησης μπορεί να διπλασιαστεί. Η κινητική μακράς διάρκειας έδειξε σημαντικές βελτιώσεις, με την περιστροφή να επιταχύνει τη διαδικασία κατά 3,25 φορές για το σύστημα CO₂/AC-RX και κατά 7,21 φορές για το H₂/ACbp. Οι μελέτες μηχανισμού αποκάλυψαν ότι η περιστροφή:(i) Αυξάνει τον αριθμό μορίων στους πόρους, ειδικά στις ζώνες υπερπίεσης.(ii) Προκαλεί δευτερογενή διάχυση και αναδιάταξη των μορίων.(iii) Δημιουργεί επιπλέον ενεργές θέσεις μέσω της πρόσβασης μορίων σε προηγουμένως μη προσβάσιμα σημεία των πόρων. Η μελέτη αυτή υπογραμμίζει τη δυναμική της χρήσης περιστροφικών πεδίων για τη βελτίωση της απόδοσης προσρόφησης σε νανοπορώδη υλικά, προσφέροντας μια καινοτόμο προσέγγιση στην αποθήκευση αερίων. Προτείνεται περαιτέρω έρευνα για την εξέταση της επίδρασης παραμέτρων, όπως η γεωμετρία του δοχείου, τα χαρακτηριστικά του αερίου και του υλικού, για την περαιτέρω βελτιστοποίηση της μεθόδου.