exercise/lioh-filter.tex

   1 % category: unknown
   2 \chapter{Vi bygger et CO$_{2}$ filter med LiOH}
   3 \label{CO$_{2}$ filter}
   4 \index{Bygge CO$_{2}$ filter med LiOH|textbf}
   5 \index{CO$_{2}$ filter}
   6 \index{LiOH}
   7 \index{Filtrere CO$_{2}$ fra lufta}
   8
   9
  10 \section*{Innledning}
  11 Å filtrere ut/absorbere CO$_{2}$ fra luft er en teknikk som vies stor oppmerksomhet. Å få utslippene av CO$_{2}$ gass fra industrien, forbrenningsannlegg m.m. ned, er viktige tiltak for å forhindre økt drivhuseffekt med dertilhørende økt global oppvarming. \\
  12 \newline
  13 I denne øvelsen skal vi lage et filter av LiOH som er en effektiv måte å filtrere og binde opp CO$_{2}$ på. LiOH har blant annet vært benytttet hos NASA i Apollo ferdene (mest kjent er Apollo 13), og er fremdeles benyttet i romdraktene ved romvandringer.
  14
  15 \section*{Framgangsmåte}
  16
  17
  18
  19 \begin{figure}[h]
  20  \centering
  21 \includegraphics[width=1.0\textwidth]{images/lioh-filter/LiOH-filter}
  22 \caption{Et mulig oppsett for forsøket med LiOH-filter}
  23 \label{lioh-filterb}
  24 \end{figure}
  25
  26 \noindent
  27 I dette forsøket produserer vi CO$_{2}$ gass ved å la saltsyre dråpevis reagere med marmorbiter.
  28 \begin{equation}\label{co2-1}
  29    CaCO_{3} (s) +   2HCl   \longrightarrow   CaCl_{2} +  CO_{2} (g) +  H_{2}0  +  Energi
  30 \end{equation}\\
  31 \newline
  32 Har man ferdig gass kan denne brukes. En kan også puste igjennom filteret. Poenget er å kunne måle effekten av filteret ved å måle uten filter og med filter.
  33 Noen skoler har utstyr for å kunne måle CO$_{2}$ i lufta, mens andre kun har utstyr for å måle CO$_{2}$ innholdet oppløst i vann (vanlig tilleggsutstyr til dataloggere).\\
  34 \newline
  35 Et mulig utstyrsoppsett for forsøket er vist med figur \ref{lioh-filterb}. Her kan en benytte seg av et forbrenningsrør, som fylles med LiOH, eller LiOH$\cdot$H$_{2}$O. \\ Utfører man forsøket på denne måten, må man ta hensyn til størrelsen på LiOH pelletsene. For liten størrelse - det blir vanskelig å få luften til å gå igjennom filteret uten økt trykk, for stor størrelse - vi mister overflate og filteret vil ikke være like effektivt.\\
  36 \newline
  37 En annen faktor er størrelsen på filteret. Et normalt forbrenningsrør har dimensjonen 185 x 20 mm. Om en skal ha et kort rør med større diameter, eller et lengre rør med mindre diameter - er fysiske faktorer som påvirker, men her må en bare ta det en har tilgjengelig. Meningen er ikke å lage et $"$perfekt$"$ og 100$\%$ fungerende CO$_{2}$ filter, men å få filteret til å fungere tilfredstillende.\\
  38 \newline
  39 En annen metode er å $"$bake inn$"$ LiOH pulveret til en deig med polyethylen pulver (som har et relativt lavt smeltepunkt på 53-58\celcius), som man før blandigen stivner kjevler ut til en tynn plate som kan rulles tett sammen - vi får et LiOH filter ark. Det sammenrullede arket kuttes til og justeres slik at det kan dyttes inn i forbrenningsrøret (eller det røret man har valgt) med tett og god passform \lbrack6\rbrack.\\
  40 \newline
  41 Mengden med LiOH vil variere avhengig av størrelsen på det røret som er valgt som filterholder. Men en grei oppskrift på LiOH deigen er: 65,3$\%$ LiOH, 33$\%$ olje og 1,7$\%$ polyethylen pulver. w/w $\%$.
  42 \begin{enumerate}
  43   \item Begynn med å måle opp den mengden med LiOH som trengs. Pelletsene knuses i en morter med pistill til vi har LiOH som et fint pulver.
  44   \item Bland sammen LiOH pulveret, mineraloljen og polyethylen pulveret i et passe begerglass. Blandingen varmes opp til polyethylenpulveret har smeltet og blandingen har en tykkaktig deig konsistens (Polyethylen pulveret har smeltepunkt på 53-58\celcius, mens LiOH pulveret har sitt smeltepunkt på 462\celcius).
  45   \item Før deigen har blitt stiv, kjevles den ut til en tynn plate, som deretter rulles tett sammen.
  46   \item Mineraloljen vaskes bort ved å vaske rullen i heksan.
  47   \item Etter ekstraheringen av heksan, varmes rullen opp til 250\celcius i et varmeskap og vakumtørkes til alt heksan er borte.
  48   \item Rullen kjøles ned til romtemperatur og oppbevares i et CO$_{2}$ fritt miljø.
  49 \end{enumerate}
  50
  51
  52
  53
  54
  55
  56
  57
  58
  59
  60 \section*{Teori}
  61 LiOH er den mest brukte CO$_{2}$ absorbenten i systemer som benytter seg av engangsfiltre. Det er et billig, stabilt og effektivt filter.\\
  62 \newline
  63
  64 \begin{table}[h]
  65   \centering
  66 \begin{tabular}{|l|l|r|r|l|}\hline
  67 Metallhydroksid  & Kjemisk          &Molekyl       &CO$_{2}$ kapasitet &Basisk styrke$^{1}$              \\
  68           &         formel               &       vekt           &mg CO$_{2}$/100 mg   &            \\   \hline
  69 Kaliumhydroksid  & KOH          &56.1       &39.2 &1.00                                            \\   \cline{2-5}
  70 Natriumhydroksid      & NaOH         &40.0       &55.0 &0.95                                       \\   \cline{2-5}
  71 Litiumhydroksid     & LiOH         &23.9       &91.9 &0.11                                         \\   \cline{2-5}
  72 Bariumhydroksid      & Ba(OH)$_{2}$ &171.4      &25.7 &0.05                                        \\   \cline{2-5}
  73 Kalsiumhydroksid     & Ca(OH)$_{2}$ &74.1       &59.4 &0.0015                                      \\   \cline{2-5}
  74 Magnesiumhydroksid   & Mg(OH)$_{2}$ & 58.3      &75.5 &0.0000007                                   \\   \hline
  75    \end{tabular}
  76   \caption{Egenskaper til enkelte metallhydroksider}\label{egenskaper-1}
  77 \end{table}
  78 $^{1}$ Basestyrke relativ til KOH.\\
  79 \newline
  80 Selv om LiOH reagerer med CO$_{2}$ i et 2-1 forhold, vil vi utifra molekylvekten til LiOH og CO$_{2}$, som er henholdsvis 23.94 og 44.0 g/mol, kunne regne ut den teoretiske absorpsjons kapasiteten til LiOH på følgende måte:\\
  81 \begin{equation}\label{LiOH-1}
  82     \frac{1 mol CO_{2}}{2 mol LiOH}  \cdot  \frac{44,0 g/mol CO_{2}}{23,94 g/mol LiOH} = 0,92\frac{g CO_{2}}{g LiOH}
  83 \end{equation}\\
  84 \newline
  85 Vi finner at 1 gram LiOH teoretisk kan absorbere 0,92 gram med CO$_{2}$. Sammenlikner vi denne verdien med absorbsjonsevnen til 1 gram kalsiumhydroksid; som kan absorbere bare 0,59 gram med CO$_{2}$ - ser vi klart at LiOH er mest effektivt med tanke på vekt. Ca(OH)$_{2}$ er dog billigere! En annen fordel med LiOH som CO$_{2}$ absorbent er at den er like effektiv under lave temperaturer, noe Ca(OH)$_{2}$ ikke er\lbrack9\rbrack.\\
  86 \newline \index{Ca(OH)$_{2}$}
  87 Tilstedeværelsen av vanndamp er viktig for at LiOH skal kunne absorbere CO$_{2}$ maksimalt. Absorbsjonen foregår i en to stegs reaksjon, hvor litiumhydroksid monohydrat først blir dannet ved den svært eksotermiske reaksjonen: \index{Litiumhydroksid monohydrat}
  88 \begin{equation}\label{steg1-LiOHscrubber}
  89  LiOH (s)  +  H_{2}O (g)     \longrightarrow  LiOH^{.}H_{2}O (s)
  90 \end{equation}
  91 \hspace{80mm}$\Delta$H$^{\circ}$ = -14.5 kcal/mol LiOH\\
  92 \newline \index{Absorbent}
  93 Den eksotermiske monohydrat reaksjonen i likning \ref{steg1-LiOHscrubber} produserer den varmen som er nødvendig for en endotermisk reaksjon,
  94 absorbsjon av CO$_{2}$ og dannelsen av litiumkarbonat: \index{Litiumkarbonat}\index{Li$_{2}$CO$_{3}$}
  95 \begin{equation}\label{steg2-LiOHscrubber}
  96 2LiOH^{.}H_{2}O (s)  +  CO_{2} (g)     \longrightarrow  Li_{2}CO_{3} (s) + 3H_{2}O (g)
  97 \end{equation}
  98 \hspace{50mm}$\Delta$H$^{\circ}$ = +3.8 kcal/mol LiOH (+7.65 kcal/mole CO$_{2}$)\\
  99 \newline
 100 Nettoreaksjonen blir da (eksotermisk reaksjon):
 101 \begin{equation}\label{netto-LiOHscrubber}
 102  2LiOH (s)  +  CO_{2} (g)     \longrightarrow  Li_{2}CO_{3} (s) + H_{2}O (g)
 103 \end{equation}
 104 \hspace{50mm}$\Delta$H$^{\circ}$ = -10.7 kcal/mol LiOH (-21.4 kcal/mol CO$_{2}$)\\
 105 \newline
 106 Og vi legger merke til at 1 mol vann blir altså dannet for hvert mol CO$_{2}$ som blir absorbert.\\
 107 \newline
 108 Som nevnt tidligere vil reaksjonen (\ref{steg1-LiOHscrubber}) ikke kunne finne sted hvis det er for lite vann tilstede, eller sørge for en ufullstendig reaksjon med CO$_{2}$. Men det er like viktig at det ikke er for mye vann tilstede under reaksjonen. For mye vann vil også gi en ufullstendig reaksjon ved at det dannes en vannfilm rundt litiumhydroksidet, som fungere som en barriere - som igjen reduserer absorbsjonen av CO$_{2}$.\\
 109 \newline
 110 Mens vannfritt LiOH krever fuktighet for å kunne reagere med CO$_{2}$ (se likning \ref{steg2-LiOHscrubber}), har også bruken av litiumhydroksid monohydrat blitt studert av Davis (1980) \lbrack5\rbrack. En har ikke funnet noen nevneverdig forskjell på reaktivitet med eller uten krystallvann. Men studien viser at det i hovedsak er vann i dampform som gir økt reaktivitet.\\
 111 \newline
 112 Et gjennomsnitts menneske produserer 120 g CO$_{2}$ hver dag ved et normalt aktivitetsnivå. Denne mengden øker selvfølgelig hvis aktivitetsnivået øker. Skulle dette mennesket befinne seg i f.eks et romfartøy, ubåt eller liknende - og vi forutsetter et LiOH filter som filtrerer CO$_{2}$ 100$\%$ effektivt, vil vi trenge 130 gram eller 5,5 mol litiumhydroksid hver dag pr. person.
 113
 114
 115
 116
 117 \newpage
 118
 119 \section*{Forsiktig}
 120 LiOH er en forholdsvis sterk base. Bruk vernebriller og hansker! Heksan (C$_{6}$H$_{14}$) er meget brennbar og helseskadelig ved innånding. Benytt avtrekksskap ved håndteringen av stoffet! Kan være skadelig hvis det absorberes gjennom huden. Forårsaker hudirritasjon. Bruk hansker!\\
 121 \newline
 122 HCl (saltsyre) er en sterk etsende syre. Bruk hansker og vernebriller! Selv om Polyethylenglykol pulveret ikke er klassifisert som farlig, bør man allikevel benytte hansker og ikke eksponere huden for pulveret.
 123
 124 \section*{Utstyr og kjemikalier}
 125 \begin{table}[h]
 126 \begin{tabular}{lll}
 127 LiOH$\cdot$H$_{2}$O             &         &                  \\
 128 VWR A.nr. ALFA13409.A3; CAS nr. 1310-66-3    & eller    &                  \\
 129 LiOH                            &        &                  \\
 130 VWR A.nr. 1.05691.1000; CAS nr. 1310-65-2     &    &                  \\
 131 Polyethylenglykol 4000 pulver   (C$_{2}$H$_{4}$O)NH$_{2}$O&        &                  \\
 132 VWR A.nr. 8.17006.1000; CAS nr. 25322-68-3        &        &           \\
 133 Morter m/pistill   & passende begerglass              &                  \\
 134 \textbf{Organisk slipsett:}    & 250 ml erlenmeyerkolbe med lufting              &                 \\
 135 forbrenningsrør   & 250 ml gassvaskeflaske m/innsats              &                  \\
 136 2 stk gummikork til forberenningsrør   & glassrør til gummikork              &                  \\
 137 100 ml skilletrakt   & gummislange              &                 \\
 138 Mineralolje   & heksan CAS nr. 110-54-3            &                 \\
 139 Saltsyre   & tørkeskap              &                 \\
 140 granulert marmor   & vakumtørker              &                 \\
 141 Utstyr for måling av CO$_{2}$ innhold i vann   & evt. i luft              &                 \\
 142 Kjevle m/knaster   &               &                 \\
 143    \end{tabular}
 144   \caption{Kjemikalier til forsøket - Vi bygger et CO$_{2}$ filter med LiOH}
 145 \end{table}
 146
 147 \nocite{boryta1971}
 148 \nocite{jaunsen1989}
 149 \nocite{joncich1967}
 150 \nocite{davis1978}
 151 \nocite{kissinger1980}
 152 \nocite{wang1975}
 153 \nocite{kwang2008}
 154 \nocite{hrycak2008patent}
 155
 156 \printbibliography