Η επίδραση περιστροφικού πεδίου στην εναποθήκευση ατμών και αερίων σε νανοπορώδη υλικά
Authors: Κοσέλεβα Ραμόνα 
Published: December 2024

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.