Humidity effect on ion behaviors of moisture-driven CO2 sorbents

离子 碳酸盐 氢氧化物 化学 湿度 水分 扩散 碳酸氢盐 碳酸盐离子 化学工程 吸附剂 水蒸气 无机化学 热力学 吸附 物理化学 有机化学 工程类 物理
作者
Xiaoyang Shi,Hang Xiao,Xiangbiao Liao,Mitchell R. Armstrong,Xi Chen,Klaus S. Lackner
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:149 (16) 被引量:35
标识
DOI:10.1063/1.5027105
摘要

Ion hydration is a fundamental process in many natural phenomena. This paper presents a quantitative analysis, based on atomistic modeling, of the behavior of ions and the impact of hydration in a novel CO2 sorbent. We explore moisture-driven CO2 sorbents focusing on diffusion of ions and the structure of ion hydration complexes forming inside water-laden resin structures. We show that the stability of the carbonate ion is reduced as the water content of the resin is lowered. As the hydration cloud of the carbonate ion shrinks, it becomes energetically favorable to split a remaining water molecule and form a bicarbonate ion plus a hydroxide ion. These two ions bind less water than a single, doubly charged carbonate ion. As a result, under relatively dry conditions, more OH- ions are available to capture CO2 than in the presence of high humidity. Local concentrations of dissolved inorganic carbon and water determine chemical equilibria. Reaction kinetics is then driven to a large extent by diffusion rates that allow water and anions to move through the resin structure. Understanding the basic mechanics of chemical equilibria and transport may help us to rationally design next-generation efficient moisture-driven CO2 sorbents.
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