Catturare l’anidride carbonica dall’aria con assorbenti caricati
Sostanze chimiche
Il tessuto di carbone attivo ACC-5092-10 proveniente da Kynol è stato attivato a 100°C per un’ora prima dell’utilizzo. Gli altri reagenti, come idrossido di potassio, bicarbonato di potassio e idrossido di sodio di grado analitico, sono stati utilizzati senza ulteriore purificazione.
Elettrochimica
Le misurazioni elettrochimiche sono state condotte a temperatura ambiente tramite un potenziostato BioLogic SP-150 e una serie Biologic BCS-800. Sono stati impiegati elettrodi specifici e soluzioni di riempimento adatti per mantenere il potenziale costante durante le misurazioni.
Analisi elementare
La quantità di carbonio, idrogeno e azoto presente è stata determinata mediante analisi di combustione CHN presso Exeter Analytical CE-440, con processo di combustione a 975 °C.
Misure di assorbimento volumetrico di gas
Le isoterme di assorbimento di N2 sono state misurate utilizzando un analizzatore di gas a 77 K. L’area superficiale BET è stata calcolata seguendo l’equazione BET. Le isoterme di assorbimento di CO2 sono state rilevate a 25, 35 e 45 °C.
Misure termogravimetriche di assorbimento di gas
Gli esperimenti di adsorbimento di CO2 sono stati eseguiti mediante TGA Q5000 di TA Instruments. I cicli di assorbimento e desorbimento sono stati condotti su un Mettler Toledo TGA/DSC 2 Star. Sono stati condotti test di adsorbimento a varie temperature e concentrazioni di CO2.
Misure di microcalorimetria di adsorbimento
Il calore di adsorbimento e la quantità di anidride carbonica adsorbita sono stati misurati utilizzando un microcalorimetro a flusso termico Calvet C80 della Setaram, collegato ad un sistema di aspirazione.
Esperimenti di Assorbimento
In un ambiente ad alto vuoto, sono stati utilizzati un manometro Varian Ceramicell da 0-100 mbar e un manometro Leybold Ceramicell da 0-1.000 mbar. I materiali sono stati attivati per 24 ore a 100 °C prima della misurazione.
Le misurazioni di microcalorimetria sono state eseguite a 30 °C secondo una procedura ben consolidata. È stato possibile determinare i calori integrali evoluti e le quantità adsorbite per incrementi di pressione di assorbimento.
I calori molari parziali sono stati calcolati per ogni dose di gas applicando un rapporto specifico. I calori di adsorbimento sono stati quindi elaborati in funzione della quantità adsorbita per ottenere le variazioni di entalpia.
Il tempo di equilibrazione è stato settato a 24 ore per basse pressioni e a 2 ore per dosi maggiori di PCS-OH. Per il tessuto di carbonio nudo, il tempo è stato ridotto a 2 ore.
Diffrazione di Raggi X
I modelli di diffrazione X delle polveri sono stati acquisiti su uno strumento Malvern Panalytical Empyrean dotato di rilevatore X’celerator utilizzando una sorgente Cu Kα. I dati sono stati raccolti a temperatura ambiente.
Microscopia Elettronica a Scansione (SEM)
I campioni sono stati montati su uno stub in acciaio inossidabile con nastro adesivo in carbonio e analizzati su un Tescan MIRA3 FEG-SEM. Le immagini sono state analizzate con il software FIJI ImageJ.
Spettroscopia NMR
Gli esperimenti NMR allo stato solido sono stati condotti su uno spettrometro Bruker Advance a 9,4 T. Sono stati utilizzati spettri di riferimento relativi all’adamantano puro per le calibrazioni.
In ogni esperimento, è stata impiegata una sequenza di acquisizione di impulsi a 90°. Ottimali ritardi di riciclo sono stati impostati per garantire l’accuratezza dei dati. Gli assorbenti sono stati preparati e conservati per la caratterizzazione NMR.
Analisi di titolazione
Per l’analisi di titolazione, 88 mg di campione sono stati trattati in 2 ml di acqua deionizzata a 25°C e sonicati per 20 minuti. Il pH è stato misurato con un pHmetro calibrato con soluzioni tampone prima dell’uso.
Dosaggio di 13CO2 per esperimenti NMR
I campioni attivati a 75°C sono stati sigillati in rotori NMR da 4 mm e sottoposti a un’evacuazione. È stato utilizzato 13CO arricchito per dosare i campioni prima di sigillare i rotori nel collettore del gas.
Prove DAC in ambienti controllati
Le prove DAC sono state condotte in una scatola sigillata con un sensore di CO2 per monitorare la concentrazione di CO2, temperatura e umidità relativa. Prima di ogni ciclo, la scatola è stata esposta all’aria fresca.
Riscaldamento Joule e rigenerazione
Dopo l’adsorbimento, l’assorbente è stato riscaldato con una tensione costante tra 85 e 95°C grazie a un riscaldamento Joule. La temperatura è stata controllata da una termocoppia. L’assorbente è stato rigenerato per un nuovo ciclo di adsorbimento.
Preparazione degli assorbenti carichi
Metodo a tre elettrodi
Gli assorbenti sono stati preparati con un elettrodo di riferimento Hg/HgO e un controelettrodo a filo di platino. Dopo la carica con KOH 6 M, il panno è stato risciacquato con acqua deionizzata e posto in forno per completare il processo.
Rimozione dell’acqua residua
Un metodo efficace per eliminare l’acqua residua dai campioni è il sottovuoto a 75°C per almeno 24 ore.
Preparazione dei campioni di controllo
Un tessuto di carbone attivo è stato immerso in soluzione di KOH 6 M per 4 ore e successivamente sottoposto a processi di risciacquo e asciugatura. Un altro campione è stato preparato con un diverso metodo riportato in letteratura, utilizzando KOH 6 M gocciolato sulla superficie di un altro tipo di tessuto di carbonio.
Metodo Swagelok a due elettrodi
I film di carbonio sono stati preparati mescolando polvere di carbone attivo con un legante e laminati per ottenere una pellicola sottile. Dopodiché, sono stati tagliati per formare elettrodi a disco utilizzati per creare celle elettrochimiche simmetriche Swagelok. Le celle sono state caricate a una tensione costante e successivamente l’elettrodo positivo è stato trattato per produrre un assorbente specifico.
