Hiilidioksidin talteenotto ja konversioreaktiot metalliorgaanisilla verkkorakenteilla

Abstract

Tämän Pro Gradu-tutkielman kirjallisessa osassa käsitellään aluksi maapallon ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden nopeaa muutosta sekä syitä ja seurauksia, jos CO2-pitoisuuden kasvu jatkaa samaa kehityskäyrää kuin nykyhetkeen mennessä. Seuraavaksi tarkastellaan erilaisia keinoja hillitä päästöjen määrää. Niitä ovat erilaiset hiilidioksidin talteenottoon kehitetyt teknologiat ja sorbenteiksi soveltuvat materiaalit, joita voidaan käyttää sekä pistemäisille päästölähteille että suoraan ilmasta tehtävälle talteenotolle. Tarkempaan tarkasteluun valikoituivat metalliorgaaniset verkkorakenteet (eng. Metal Organic Framework eli MOF), joiden käyttöä sorbentteina erilaisissa kaasujen talteenotto- ja erotussovelluksissa tutkitaan paljon niiden kyseiseen käyttötarkoitukseen sopivien ominaisuuksien takia. Talteenoton jälkeiset hiilidioksidin jatkokäsittelytavat ovat tarkastelun kohteena kirjallisen osan loppupuolella. Tämän jälkeen luodaan vielä katsaus MOF-yhdisteiden karakterisoinnin käytetyimpiin analyysimenetelmiin.

Kokeellisessa osassa valmistettiin useampi erä hyvin tunnettuja kupari-, zirkonium- ja sinkkipohjaisia MOF-yhdisteitä solvotermisellä synteesimenetelmällä. Tarkoituksena oli tarkastella erilaisten synteesiolosuhteiden vaikutusta synteesierien lopputuotteeseen. Toisena vaiheena työssä valmistettiin sarja haihdutuskiteytyksiä, minkä tavoitteena oli valmistaa mahdollisia uusia MOF-rakenteita. Haihdutuskiteytyksissä käytetiin metallisuola- ja ligandiliuoksia, jotka olivat vesi- tai metanolipohjaisia. Metallisuolat olivat kupari- tai sinkkipohjaisia. Käytetyistä ligandeista kahta eri 1,4-diatsabisyklo[2.2.2]-oktaani-pohjaista ligandia on jo aiemmin käytetty MOF-synteeseissä, mutta kirjallisuuden perusteella 4-(bromometyyli)bentsoehappo-pohjaisen ligandin käytöstä on raportoitu vain muutamia kertoja. Osassa kiteytyksistä käytettiin lisäksi apuligandina joko aminoryhmän sisältävää ligandia tai tertiääristä N-donoriligandia. Useasta 4-(bromometyyli)bentsoehappo-pohjaista ligandia ja kuparia sisältävästä kiteytystuotteesta muodostui samanlainen 1D-MOF-rakenne (yhdiste 1). Kolmannessa kokeellisen osan vaiheessa tehtiin postsynteettistä muokkausta HKUST-1 MOF:ille, johon sitoutettiin 3-pikolyyliamiinia sekä toiseen erään 4-pikolyyliamiinia. Näiden yhdisteiden osalta tutkittiin niiden CO2-sorptio-ominaisuuksia, ja miten amiinien lisäys vaikuttaa yhdisteen talteenottokapasiteettiin.