超臨界二酸化炭素を用いたグリコール再生プロセスにおける多孔質物質としての活性炭からの炭化水素の分離

Scientific Reports volume 12、記事番号: 19910 (2022) この記事を引用

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この記事に対する出版社の訂正は 2022 年 12 月 14 日に公開されました

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活性炭は産業用途で使用されます。 そのコストが、より広範な用途への大きな障壁となっています。 活性炭の再生は、運用コストと製品の無駄を最小限に抑えるために不可欠です。 グリーンテクノロジーとしての超臨界二酸化炭素 (SC-CO2) が活性炭の再生に使用されました。 この研究では、応答曲面法を採用して超臨界再生プロセスを最適化し、圧力 (100 ～ 300 bar)、温度 (313 ～ 333 K)、流量 (2 ～ 6 g/min) などの操作パラメーターの影響を評価しました。 ）、および再生収量の動的時間（30 ～ 150 分）。 最大再生収率 (93.71%) は、285 bar、333 K、4 g/min、147 分で達成されました。 数学的モデリングは、実験データとよく一致する 2 つの 1 パラメーター動力学モデルを使用して行われました。 モデルのフィッティング パラメーターは、微分進化アルゴリズムを使用して取得されました。 活性炭から抽出された物質の化学組成はガスクロマトグラフィーにより同定した。 結果は、SC-CO2による活性炭の再生が従来の方法に代わる方法となり得ることを示した。

活性炭は、有機および揮発性有機化合物 (VOC) を除去するためのグリコール処理だけでなく、スプレーコーティング 1、食品加工 2、バイオマス 3、医薬品 4、化学薬品 5、廃水処理 6 石油 7、原子力産業 8 にも広く適用されている吸着剤の 1 つとして認識されています。天然ガス産業における汚染物質9. 活性炭は、アミンやグリコールなどの流体を使用した天然ガス甘味料および脱水システムに使用されます10、11。 活性炭を再生するための従来の技術には、熱揮発 12、化学抽出 13、超音波 14、マイクロ波 15、電気化学 16、および生物再生が含まれます。 これらの方法には、炭素の損失、多孔質構造の損傷、排ガスの処理、溶媒を使用した化学的再生などのいくつかの欠点があります。追加の分離と環境問題、および生物再生では再生に長い反応時間が必要となるため、必ずしも受け入れられるわけではありません。 近年、超臨界流体（SCF）が多分野で注目を集めており、その応用技術の一つとして活性炭の再生が研究されている17。 SCF の独特の特性により、これらの溶媒は魅力的なものになっています。 特に、溶媒の密度、したがってその溶解特性は、圧力と温度を変更することで制御できます。 さらに、液体のような密度と気体のような粘度は、液体よりも少なくとも一桁高い拡散係数と相まって、物質移動プロセスの強化に寄与します。 さまざまな物質の中でも、無毒で化学的安定性が高いなどの利点を備えた環境に優しい溶媒である二酸化炭素が最適な選択です。

SCF を使用した活性炭の再生は、数人の研究者によって研究されています。 デフィリッピら。 動作温度と圧力がそれぞれ 387 K と 150 atm 以上であるにもかかわらず、超臨界再生が経済的であることが観察されました。 彼らは、実験データとよく一致する局所平衡モデル (フロイントリヒ等温線) を提案しました 24。 超臨界二酸化炭素を使用したフェノールを充填した活性炭の再生は、Kander と Paulaitis によって研究されました 25。 彼らは、超臨界二酸化炭素がフェノールを含む炭素の再生に大きな利点をもたらさないことを発見した。 しかし、彼らは、活性炭に強く吸着されない有機化合物に対しては、超臨界二酸化炭素が強力な吸着剤となる可能性を示唆しました。 Tan と Liou は、酢酸エチルまたはトルエンを充填した活性炭の超臨界二酸化炭素による脱着を研究しました。 彼らは、この再生方法が蒸気再生方法よりも優れた結果をもたらすことを示し、したがって、実験データに非常によく適合することが判明した線形脱着速度論モデルを提示しました17,26。