SCBT343 • MAHIDOL BIOTECH

Composite Sorbents Based on CNTs & K₂CO₃ for CO₂ Capture from Ambient Air

Interactive TSA Process Flow, CFD Reactor Mode, Kinetics & Characterization Lab

TIMEReaction Progress: 65% (3.9 h)
RH%Saturator Humidity: LOCKED
47% RH (T_bath = 18°C)
Argon Carrier Flow (U₀): LOCKED
U₀ = 0.10 L/min (100 mL/min)
Heater Regeneration Temp: LOCKED
150 °C (Phase B) / 25 °C (Phase A)
REACTOR VIEWโหมดแสดงผลภายใน Plug Flow Reactor:
คลิกที่อุปกรณ์ วาล์ว เซนเซอร์ หรือหมายเลข 1–7 บนแผนภาพเพื่อตรวจสอบสภาวะการทำงานของแต่ละจุด
Methodology: Process flow Click to toggle Phase A ↔ Phase B สถานะ: Phase A ดูดซับ CO₂ ที่ 25°C Click to switch to Phase B: Desorption at 150°C Phase A: Adsorption at 25°C Click to switch to Phase A: Adsorption at 25°C Phase B: Desorption at 150°C Click to inspect Argon Purge Gas & Needle Valve (Locked at U₀ = 0.10 L/min) Ar U₀: 0.10 L/min Argon Isolation Valve (7) — Click to toggle valve & phase Click to inspect Air Inlet, Saturator & Cryothermostat (Locked at 47% RH) Air Saturator Cryothermostat T_bath: 18°C → 47% RH Click to inspect Air Pump & RH Hygrometer Air pump RH Hygrometer RH: 47% Click to inspect Inlet CO₂ Sensor (0–1000 ppm, ~410 ppm baseline) CO2 CO2 Sensor (0-1000 ppm) In: 410 ppm Air Line Valve — Click to toggle valve & phase Click to inspect Plug Flow Reactor, 3D/CFD Sorbent Bed & Heater (Locked at 150°C in Phase B) Sorbent PCu-8 (65%) Plug Flow reactor T = 25°C Heater Click to inspect Condenser (H₂O water trap) & Outlet CO₂ Sensors Condenser H₂O Trap: 14.8 mg CO2 CO2 Sensor (0-1000 ppm) 190 ppm CO2 CO2 Sensor (0-40 Vol%) 0.019 Vol% Click to cycle sorbent sample (PCu-8 → PCu-6 → PCu-4 → PCu-2 → Nt-2) PCu-8 (8.9 wt%) K2CO3(s)+ CO2(g)+ H2O(g) ⇋ 2KHCO3(s) + 141kJ/mol (2) CO2 H2O 150°C (ΔH) 1 2 3 4 5 6 7 The TSA process flow for the Direct Air Capturing method 6
จุดที่ 1 / 7
1. Air Inlet → Saturator & Cryothermostat
อากาศแห้งจากบรรยากาศ (~410 ppm CO₂) ถูกดูดเข้าสู่ Saturator เพื่อเติมความชื้นสัมพัทธ์ (RH) โดยควบคุมอุณหภูมิผ่าน Cryothermostat
Reactor: 25 °C KHCO₃ Conv: 36% CO₂ Captured: 5.79 wt%
ธาตุและโมเลกุลที่ไหลในระบบ (Flowing Species): CO₂ Carbon Dioxide (ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์) H₂O Water Vapor (ไอน้ำ/ความชื้น) Ar Argon Carrier Gas (ก๊าซอาร์กอน 0.1 L/min)
◁▷ = Valve Open (เปิด) ◀▶ = Valve Closed (ปิด)

SEC 01สมการการดูดซับเคมีและขั้นตอนการทำงาน (Chemical Sorption & Steps)

Phase A: 25°C (6 h)
───► ปฏิกิริยาไปข้างหน้า (Forward Reaction: Carbonation / Adsorption ที่ 25°C)
K₂CO₃(s) + CO₂(g) + H₂O(g)  ⇋  2KHCO₃(s) + 141 kJ/mol  (2)
K₂CO₃ บนพื้นผิวรูพรุนของ Carbon Nanotubes (CNTs) ดูดซับ CO₂ และความชื้น (H₂O) จากอากาศที่อุณหภูมิห้อง (25°C) เปลี่ยนรูปเป็นโพแทสเซียมไบคาร์บอเนต (KHCO₃) แบบคายความร้อน (ΔH = -141 kJ/mol)
คลิกที่หมายเลข 1–7 บนแผนภาพหรือรายการด้านล่างเพื่อตรวจสอบอุปกรณ์และสลับการทำงานอัตโนมัติ:

SEC 02ข้อมูลวัสดุดูดซับ CNTs/K₂CO₃ และจำลองโครงสร้าง 3D (PCu-2,4,6,8)

งานวิจัยนี้สังเคราะห์วัสดุผสม K₂CO₃/CNTs ด้วยการอัดรีด (Extrusion) และเผาแคลไซน์ที่ 500°C ในก๊าซ Ar เพื่อแก้ปัญหาการสูญเสียรูพรุนของ K₂CO₃ บริสุทธิ์ (Pilling–Bedworth ratio = 1.62) โดยหลังผ่านวัฏจักร TSA (Phase A + Phase B) ตัวอย่างจะถูกเรียกว่า PCu-2, 4, 6, 8:

PCu-8 (80% Precursor ★): ความเข้มข้นสารตั้งต้น CH₃COOK 80 wt% (K₂CO₃ จริง 44.8 wt% จากค่าคาดการณ์ 56 wt%) ให้ค่าการดูดซับ CO₂ สูงสุด (8.9 wt%) เหนือกว่า K₂CO₃/γ-Al₂O₃ (3.3–4.1 wt%)
สัดส่วน K₂CO₃ จริง (XRF)
44.8 wt%
ความจุ CO₂ สูงสุด (a)
8.9 wt%
การเปลี่ยนรูป K₂CO₃
▲ การเปลี่ยนรูป K₂CO₃ (K₂CO₃ Conversion, %):
คือ ร้อยละของเกลือ K₂CO₃ บนวัสดุดูดซับที่ทำปฏิกิริยาเคมีกับ CO₂ + H₂O แล้วเปลี่ยนรูปไปเป็นไบคาร์บอเนต 2KHCO₃ ได้จริงตามสมการ (2) เทียบกับค่าทางทฤษฎีสูงสุด (0.318 g CO₂ ต่อ 1 g K₂CO₃ บริสุทธิ์ = 100%)
~55%
K₂CO₃ คาดการณ์ (Table 2)
56 wt%
เปรียบเทียบความจุการดูดซับ CO₂ (a, [g CO₂ captured / g Sorbent] หรือ wt%) ในวัฏจักร TSA:
PCu-8
8.9 wt%
PCu-6
~7.6 wt%
PCu-4
~6.0 wt%
PCu-2
~2.8 wt%
Nt-2 (CNT)
<0.2 wt%
3D MODELโครงสร้าง 3D รูพรุน CNTs/K₂CO₃ (Slide 5 & Fig. 13)
▲ วิธีควบคุมและอ่านโมเดล 3 มิติ (3D Interactive Controls):
• คลิกค้าง + ลากเมาส์: หมุนโมเดล 3 มิติตามทิศทางเมาส์ได้อิสระ 360° (Yaw & Pitch)
• ลูกกลิ้งเมาส์ (Scroll Wheel): ซูมเข้า–ออก (0.72× – 1.48×)
• ปุ่ม Cutaway: เปิด/ปิดภาพตัดขวางรูพรุนเพื่อดูชั้นเกลือ K₂CO₃ ⇋ 2KHCO₃ ด้านใน
Yaw: 24° · Pitch: 16° · Zoom: 1.00×
ตัวอย่าง (Sample) PCu-8 (44.8 wt%)
สภาวะ (Phase) Ads. 25°C
เกิด KHCO₃ 65%
ชั้นผิว (Active Layer) 2KHCO₃(s)
ผนัง CNT (Ø ~7.8 nm) ชั้นเคลือบ K₂CO₃ ⇋ 2KHCO₃ ก๊าซ CO₂ / H₂O / Ar
โครงข่ายท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) ทำหน้าที่เป็นโครงสร้างพยุง (Supporting matrix) ช่วยกระจายตัว K₂CO₃ และรองรับการขยายตัวเชิงปริมาตรขณะเกิดผลึก KHCO₃ และ K₂CO₃·1.5H₂O

LAB SUITEห้องปฏิบัติการวิเคราะห์วิศวกรรมกระบวนการและลักษณะสมบัติของวัสดุ (Process Kinetics, XRD, XRF & Synthesis Lab)

เจาะลึกกราฟจลนพลศาสตร์การดูดซับ–คายการดูดซับ การพิสูจน์ตัดหน่วยสมการอินทิกรัล (Dimensional Analysis) ความเสถียร 10 วัฏจักร ผลวิเคราะห์ XRD / XRF และสมการการสังเคราะห์

กราฟความเข้มข้น CO₂ ขาออก c(t) และพื้นที่ใต้กราฟ (คลิกหรือลากบนกราฟเพื่อเปลี่ยนเวลา t)
t = 39.0 min | c(t) = 16.39 vol% | ∫ [c(t)/(100−c(t))] dt = 0.1284 min a(t) = 5.79 wt% / 8.90 wt%
การพิสูจน์และตัดหน่วยทางวิศวกรรม (Dimensional Analysis)
a = [ (U₀ · M) / (Vₘ · m) ] × ∫₀ᵗ [ c(t) / (100 − c(t)) ] dt × 100%
มวลสารดูดซับมาตรฐาน m = 0.40 g (ปรับทดสอบความไวได้): 0.40 g
คลิกปุ่มด้านบนหรือคลิกที่หน่วยสีเดียวกันเพื่อทดสอบการตัดหน่วย (Unit Cancellation — Slide 10):
1) U₀ = 0.10 L_Carrier / min  |  M = 44 g_CO₂ / mol
2) Vₘ = 24.4 L_gas / mol  |  m = 0.40 g_Sorbent
3) ∫ [c(t)/(100−c(t))] dt มีหน่วยเป็น: (L_CO₂ / L_Carrier) × min
∴ Units of a = ( g_CO₂ Captured / g_Total Sorbent ) × 100% = wt%
Constant Factor (U₀M/Vₘm): 45.08% [min⁻¹] a(t) = 5.79 wt% (Max: 8.9 wt%)
ผลการทดลอง 10 วัฏจักร TSA (คลิกที่รอบ Cycle 1–10 บนกราฟเพื่อเปรียบเทียบทุกตัวอย่าง)
ข้อมูลเปรียบเทียบในรอบที่เลือก (Cycle 5 / 10) — 1 Cycle = Phase A (6 h) + Phase B (1 h)
เลือกรอบวัฏจักร (Cycle Number): Cycle 5
สรุปผลการทดลอง (Slide 13, 14 & Report R.2): ตัวอย่าง PC-8 (44.8 wt% K₂CO₃) ให้ความจุการดูดซับ CO₂ สูงสุดถึง 8.9 wt% เหนือกว่า K₂CO₃/γ-Al₂O₃ (3.3–4.1 wt%) โดยการเพิ่มขึ้นของความจุในช่วงรอบแรกๆ เกิดจากปรากฏการณ์ Self-Reactivation (การเกิดรอยแตกขนาดไมโครที่ช่วยเปิดทางให้ก๊าซแพร่เข้าสู่ Active sites ได้ดีขึ้น)
ผลวิเคราะห์การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (XRD, Bragg's Law) และปริมาณธาตุ XRF (Slide 10–12, 16)
คลิกเลือกสภาวะของวัสดุเพื่อเปรียบเทียบเฟสผลึกและสัดส่วนสารออกฤทธิ์:
SLIDE 3 & 19ทำไมจึงเลือกใช้ K₂CO₃ แทนที่จะเป็น Na₂CO₃? (Why not Na?)

จากสไลด์ที่ 3 (Bread Baking Analogy: 2NaHCO₃(s) + ΔH ⇋ Na₂CO₃(s) + CO₂(g) + H₂O(g) (1)) และงานวิจัยสนับสนุนในสไลด์ที่ 19 (Fujii et al., Chem. Commun., doi:10.1039/d6cc03839e) เมื่อทดสอบภายใต้สภาวะ Direct Air Capture (~410 ppm CO₂, 50% RH):

KC-CC-893 (K₂CO₃ บนคาร์บอน, 24 h DAC): 2.10 mmol/g Sorbent (3.15 mmol/g K₂CO₃)
Bulk K₂CO₃ (เกลือบริสุทธิ์ไม่มีรูพรุนพยุง): 0.26 mmol/g (เกิด Deliquescence/อุดตันรูพรุน)
NaC-CC-943 (Na₂CO₃ บนคาร์บอน, 24 h DAC): 0.0332 mmol/g (ต่ำกว่า K₂CO₃ ถึง ~63 เท่า!)
เหตุผลหลัก: ที่ความดันย่อย CO₂ ต่ำมากในอากาศ (~0.04% หรือ 410 ppm) Na₂CO₃ มีอัตราการเกิดปฏิกิริยาช้ามาก (Sluggish kinetics) ในขณะที่ K₂CO₃ มีค่าคงที่อัตราปฏิกิริยาเร็วกว่ามากในสภาวะอุณหภูมิห้อง และเมื่อกระจายตัวบนรูพรุนระดับนาโนของคาร์บอน (CNTs/Carbon) จะช่วยป้องกันการเยิ้มเหลว (Deliquescence) และเพิ่มพื้นที่สัมผัสก๊าซได้สูงสุด
SLIDE 20เฟส K₂CO₃·1.5H₂O และเกลือคู่เกิดขึ้นได้อย่างไร? (Mazur et al., 2022)

ข้อมูลจากสไลด์ที่ 20 อ้างอิง Table 1 ในงานวิจัยของ Mazur et al. (Energy & Fuels 2022, doi:10.1021/acs.energyfuels.2c02886) อธิบายสมดุลเทอร์โมไดนามิกส์ในระบบ K₂CO₃–CO₂–H₂O:

Reaction Equilibrium ΔHrx [kJ/mol] ΔSrx [J/K·mol] Δmrx [g/g]
(1) K₂CO₃ ⇋ K₂CO₃·1.5H₂O −96 −216 0.196
(2) K₂CO₃ ⇋ 2KHCO₃ −141 −306 0.449
(3) K₂CO₃·1.5H₂O ⇋ 2KHCO₃ −44.6 −91 0.212a
(4) K₂CO₃ ⇋ K₄H₂(CO₃)₃·1.5H₂O (Double Salt) −98.5 (DSC) — 0.323
ทำไมต้องฟื้นฟูสภาพ (Phase B) ที่ 150°C? Mazur et al. พบว่าหากใช้อุณหภูมิต่ำเพียง 90°C เกลือคู่ K₄H₂(CO₃)₃·1.5H₂O และ KHCO₃ จะสลายตัวไม่หมดและสะสมจนวัสดุเสื่อมสภาพใน 5 รอบ แต่การให้ความร้อนสูงกว่า 130°C (150°C ในงานวิจัยนี้) จะสลายทั้งไบคาร์บอเนตและเกลือคู่กลับเป็น K₂CO₃ ได้อย่างสมบูรณ์ 100%