"Тамақ инженериясы және биотехнология" және "Автоматтандыру және ақпараттық технологиялар" бағыттары бойынша үшінші нөмірге жарияланымдарды қабылдау жабық!

Прием публикаций на третий номер по направлениям «Пищевая инженерия и биотехнология» и «Автоматизация и информационные технологии» закрыт!

The reception of publications for the third issue in the areas of "Food Engineering and Biotechnology" and "Automation and Information Technology" is closed!

Preview

Шәкәрім Университетінің Хабаршысы. Техникалық ғылымдар сериясы

Кеңейтілген іздеу

CO₂-НІ ЖОҒАРЫ ТЕМПЕРАТУРАДА ҰСТАУҒА АРНАЛҒАН СИЛИКАТТЫ СОРБЕНТТЕР: ҚАЗІРГІ ЖАҒДАЙЫ ЖӘНЕ ДАМУ БАҒЫТЫ

https://doi.org/10.53360/2788-7995-2026-1(21)-80

Толық мәтін:

Аңдатпа

Сілтілік металдар негізіндегі силикатты сорбенттер өнеркәсіптік көздерден CO₂-ні жоғары температурада ұстауға арналған материалдар ретінде қызығушылық тудыруда. Бұл шолу 500- 750°C температура аралығында CO₂-ны тікелей ұстауға арналған литий (Li₄SiO₄), натрий (Na₂SiO₃, Na₄SiO₄) және калий силикаттарын әзірлеу мен қолданудағы заманауи жетістіктерді жүйелейді.
Литий силикаттары ең жоғары сорбциялық сыйымдылықты көрсетеді (теориялық мәні – 367 мг CO₂/г, практикалық – 30-35 масс. %), олардың оңтайлы жұмыс температурасы 550-650 °C, ал регенерация температуралары кальцийлі аналогтармен салыстырғанда төмен (700-850 °C). Сорбция екі сатылы механизм бойынша жүреді: алдымен Li₂CO₃ және Li₂SiO₃ түзілуімен жүретін жылдам беттік реакция, кейін өнім қабаты арқылы иондардың тасымалдануымен шектелетін диффузиялық-бақыланатын саты.
Наноқұрылымдандыру және сілтілік карбонаттармен (K₂CO₃, Na₂CO₃) легирлеу диффузияны тиімді түрде жеделдетіп, сыйымдылықтың төмендеуінсіз 200 циклге дейінгі циклдік тұрақтылықты қамтамасыз етеді. Өтпелі металдармен (Ti, Ca) легирлеу және калиймен қоса легирлеу синтерленуді тежеп, тиімді сорбцияның температуралық ауқымын кеңейтеді.
Өндірістік қалдықтарды (ұшпа күл, металлургиялық шлактар, пайдаланылған аккумуляторлар) шикізат көздері ретінде қолдану өндіріс құнын 3-20 есеге дейін төмендетеді. Перспективалы бағыттарға бифункционалды сорбент-катализаторларды әзірлеу, құрамды оңтайландыру үшін есептеуіш дизайн мен машиналық оқытуды қолдану, технологияны нақты өнеркәсіптік жағдайларда көрсету, сондай-ақ жаңартылатын энергия көздерімен интеграциялау жатады. Қазіргі қиындықтар шешілген жағдайда, силикатты сорбенттер энергия сыйымды секторларды терең декарбонизациялаудың және көміртекті бейтараптыққа қол жеткізудің негізгі технологиясына айналуы мүмкін

Авторлар туралы

Г. Е. Ергазиева
Жану проблемалары институты; Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Қазақстан

Гаухар Ергазиевна Ергазиева – х.ғ.к., профессор, Жану проблемалары институты, каталитикалық процестер зертханасының меңгерушісі 

050012, Алматы қ., Бөгенбай батыр, 172;
050040, Алматы қ., әл-Фараби, 71



І. Қуаныш
Жану проблемалары институты; Қазақстан-Британ техникалық университеті
Қазақстан

Інжу Қуаныш ─ инженер, Жану проблемалары институты, PhD докторант 

050012, Алматы қ., Бөгенбай батыр, 172;
050000, Алматы қ., Төле би, 59



Әдебиет тізімі

1. Carbon capture and storage (CCS): the way forward / M. Bui et al // Energy & Environmental Science. – 2018. – Vol. 11. – P. 1062-1176. https://doi.org/10.1039/C7EE02342A.

2. The technological and economic prospects for CO₂ utilization and removal / С. Hepburn et al // Nature. – 2019. – Vol. 575. – P. 87-97. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1681-6.

3. The role of alkaline/alkaline earth metal oxides in CO₂ capture: a concise review / E. Victor et al. // Journal of Energy Research and Reviews. – 2021. – Vol. 9, № 3. – P. 4-64. https://doi.org/10.9734/jenrr/2021/v9i330235.

4. Effect of a Li₂SiO₃ phase in lithium silicate-based sorbents for CO₂ capture at high temperatures / Y.M. Kwon et al // Separation and Purification Technology. – 2019. – Vol. 214. – P. 104-110. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.07.073.

5. Li₄SiO₄-based sorbents from expanded perlite for high-temperature CO₂ capture / S. Ni et al // Chemical Engineering Journal. – 2021. – Vol. 410. – Art. 128357. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128357.

6. Reaction mechanism and kinetics of the sulfation of Li₄SiO₄ for high-temperature CO₂ adsorption / W. Yuan et al // ACS Sustainable Chemistry & Engineering. – 2021. – Vol. 9, № 28. – P. 9386-9394. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c02528.

7. Adsorption mechanism of CO₂ on the single atom doped or promoted Li₄SiO₄ (010) surface from first principles / C. Zhang et al // Computational and Theoretical Chemistry. – 2021. – Vol. 1205. – Art. 113424. https://doi.org/10.1016/j.comptc.2021.113424.

8. Kinetic model for CO₂ capture by lithium silicates / А. Vallace et al // The Journal of Physical Chemistry C. – 2020. – Vol. 124, № 37. – P. 20506-20515. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c04230.

9. Recent progress and prospects of Li–CO₂ batteries: mechanisms, catalysts and electrolytes / Y. Jiao et al // Energy Storage Materials. – 2021. – Vol. 34. – P. 148-170. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.09.014.

10. Adsorption and desorption equilibrium of Li₄SiO₄-based sorbents for high-temperature CO₂ capture / S. Chen et al // Chemical Engineering Journal. – 2022. – Vol. 429. – Art. 132236. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132236.

11. Scalable synthesis of Li₄SiO₄ sorbent from novel low-cost orthoclase mineral for CO₂ capture / Y. Hu et al // Fuel. – 2022. – Vol. 324. – Art. 124492. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.124492.

12. Harnessing ash for sustainable CO₂ absorption: current strategies and future prospects / W.Y. Wu et al // Chemistry – An Asian Journal. – 2024. – Vol. 19, № 12. – Art. e202400180. https://doi.org/10.1002/asia.202400180.

13. Enhanced high-temperature cyclic CO₂ capture on Li₄SiO₄ sorbent from two-dimensional SiO₂ nanomeshes / A. Guo et al // Chemical Engineering Journal. – 2024. – Vol. 485. – Art. 149943. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149943.

14. Lithium silicate nanosheets with excellent capture capacity and kinetics with unprecedented stability for high-temperature CO₂ capture / R. Belgamwar et al // Chemical Science. – 2021. – Vol. 12, № 13. – P. 4825-4835. https://doi.org/10.1039/D0SC06843H.

15. Hydrothermal-calcination synthesis of lithium orthosilicate microspheres for high-temperature CO₂ capture / X. Wang, et al // Carbon Capture Science & Technology. – 2024. – Vol. 13. – Art. 100303. https://doi.org/10.1016/j.ccst.2024.100303.

16. Textural properties determined CO₂ capture of tetraethylenepentamine loaded SiO₂ nanowires from α-sepiolite / J. Ouyang et al // Chemical Engineering Journal. – 2018. – Vol. 337. – P. 342-350. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.12.109.

17. Gibridnye materialy na osnove proizvodnyh grafena i porfirinovyh metall-organicheskih karkasov / V.V. Arslanov, i dr. // Uspehi himii. – 2019. – T. 88, № 8. – S. 775-799. https://doi.org/10.1070/RCR4878. (In Russian).

18. Synthesis of high-performance Li₄SiO₄ sorbent for CO₂ capture using Li₂CO₃ extracted from spent lithium batteries / Y. Tan et al // Separation and Purification Technology. – 2025. – Vol. 353. – Art. 128605. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.128605.

19. Alkali metal (Na, Cs and K) promoted hydrotalcites for high-temperature CO₂ capture from flue gas in cyclic adsorption processes / A.C. Faria et al // Chemical Engineering Journal. – 2022. – Vol. 427. – Art. 131502. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131502.

20. High-temperature CO₂ capture in lithium orthosilicate packed fluidized bed: gamma ray densitometry based numerical model and its experimental validation / P.A. Dabhade et al // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. – 2023. – Vol. 151. – Art. 105106. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2023.105106.

21. Grasso M.L. CO₂ capture properties of Li₄SiO₄ after aging in air at room temperature / M.L. Grasso, P.A. Larochette, F.C. Gennari // Journal of CO₂ Utilization. – 2020. – Vol. 38. – P. 232-240. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2020.02.002.

22. Performance of Li₄SiO₄ material for CO₂ capture: a review / X. Yan et al // International Journal№of Molecular Sciences. – 2019. – Vol. 20, № 4. – Art. 928. https://doi.org/10.3390/ijms20040928.

23. Insights into adsorption mechanism and kinetic modeling of K₂CO₃-doped Li₄SiO₄ pellets for CO₂ capture at high temperature and low concentration / E. Stefanelli et al // Fuel. – 2025. – Vol. 380. – Art. 133161. https://doi.org/10.2139/ssrn.4877713.

24. Elucidating the promotion of Na₂CO₃ in CO₂ capture by Li₄SiO₄ / Z. Wang, et al // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2021. – Vol. 23, № 47. – P. 26696-26708. https://doi.org/10.1039/D1CP04134E.

25. Doped Li₄SiO₄-based sorbents for CO₂ capture at high temperature / D. Rossi et al // Atti del Convegno – XIII Congresso Nazionale AICIng e II Congresso Nazionale della Divisione di Chimica per le Tecnologie della SCI. – EdiSES Edizioni Srl, 2023. – P. 94-95.

26. From low-cost mineral to high-performance Li₄SiO₄ for solar energy storage and CO₂ capture J. Yi et al // Separation and Purification Technology. – 2025. – Vol. 354. – Art. 129050. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.129050.

27. CO₂ capture utilizing Li₄SiO₄ from spent lithium-ion batteries and iron tailings offers eco-friendly benefits / T. Liao et al // Chemical Engineering Journal. – 2024. – Vol. 493. – Art. 152756. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152756.

28. Gharamaleki S.B. Taking dual function materials (DFM) from the laboratory to industrial applications: a review of DFM operation under realistic integrated CO₂ capture and utilization conditions / S.B. Gharamaleki, T.R. Reina, M.S. Duyar // Progress in Energy. – 2024. – Vol. 7, № 1. – Art. 012001. https://doi.org/10.1088/2516-1083/ad80f5.

29. Molten shell-activated, high-performance, un-doped Li₄SiO₄ for high-temperature CO₂ capture at low CO₂ concentrations / K. Wang, et al // Chemical Engineering Journal. – 2021. – Vol. 408. – Art. 127353. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127353.

30. Optimization of high-temperature CO₂ capture by lithium orthosilicate-based sorbents using response surface methodology / E. Stefanelli et al // Atmosphere. – 2024. – Vol. 15, № 8. – Art. 908. https://doi.org/10.3390/atmos15080908.

31. Lee J.S. Enhanced sorption cycle stability and kinetics of CO₂ on lithium silicates using the lithium ion channeling effect of TiO₂ nanotubes / J.S. Lee, C.T. Yavuz // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2017. – Vol. 56, № 12. – P. 3413-3417. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.6b04918.

32. High-performance Li₄SiO₄ sorbents prepared from solid waste for CO₂ capture / C. Zhang et al // Separation and Purification Technology. – 2023. – Vol. 326. – Art. 124730. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.124730.

33. Niu B. Advances and challenges in anode graphite recycling from spent lithium-ion batteries / B. Niu, J. Xiao, Z. Xu // Journal of Hazardous Materials. – 2022. – Vol. 439. – Art. 129678. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129678.

34. Rodríguez-Mosqueda R. High CO₂ capture in sodium metasilicate (Na₂SiO₃) at low temperatures (30-60 °C) through the CO₂–H₂O chemisorption process / R. Rodríguez-Mosqueda, H. Pfeiffer // The Journal of Physical Chemistry C. – 2013. – Vol. 117, № 26. – P. 13452-13461. https://doi.org/10.1021/jp402850j.

35. Solid waste of fly ash toward energy-efficient CO₂ capture / L. Chen et al // ACS Sustainable Chemistry & Engineering. – 2023. – Vol. 11, № 22. – P. 8281-8293. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c00657.

36. High-temperature CO₂ capture performance and kinetic analysis of Na₄SiO₄ ceramics / C. Ling et al // Ceramics International. – 2022. – Vol. 48, № 22. – P. 33048-33057. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.07.237.

37. Potassium silicate as low-temperature binder in 3D-printed porous structures for CO₂ separation / B. Sutens et al // ACS Omega. – 2023. – Vol. 8, № 4. – P. 4116-4126. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c07074.

38. Pinto D. Mechanistic insights into the CO₂ capture and reduction on K-promoted Cu/Al₂O₃ by spatiotemporal operando methodologies / D. Pinto, V. van der Bom Estadella, A. Urakawa // Catalysis Science & Technology. – 2022. – Vol. 12, № 17. – P. 5349-5359. https://doi.org/10.1039/D2CY00228K.

39. High-temperature capture of CO₂ on Li₄SiO₄ sorbents via a simple dry ball-milling coupled with K₂CO₃ physical addition / P. Zhao, et al // Carbon Capture Science & Technology. – 2024. – Vol. 13. – Art. 100255. https://doi.org/10.1016/j.ccst.2024.100255.

40. Zhou Y. Polymer-derived high-temperature nonoxide materials: a review / Y. Zhou, K. Lu // Advanced Engineering Materials. – 2023. – Vol. 25, № 9. – Art. 2200967. https://doi.org/10.1002/adem.202200967.

41. Utilizing rice husk-derived Si/C composites to enhance energy capacity and cycle sustainability of lithium-ion batteries / K. Askaruly et al // Diamond and Related Materials. – 2024. – Vol. 149. – Art. 111631. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111631.

42. CO₂ capture using lithium-based sorbents prepared with construction and demolition wastes as raw materials / A. Hernández-Palomares et al // Materials Today Sustainability. – 2023. – Vol. 24. – Art. 100491. https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2023.100491.

43. Wei X. Metal-organic framework for high-temperature CO₂ capture / X. Wei, D. Musikanth, S. Zhang // Energy Lab. – 2025. – Vol. 3, № 1. – Art. 240022.

44. High-purity hydrogen production by CO₂ addition for sorption-enhanced steam methane reforming at a temperature below 600°C / Y.Z. Chen et al // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2024. – Vol. 63, № 14. – P. 6169-6181. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.3c04463.

45. Integrated high-temperature CO₂ capture and conversion over mixed CaO–NaAlO₂ bifunctional sorbent–catalyst using a passivation strategy / P. Zhao et al // Chemical Engineering Journal. – 2025. – Art. 167165. https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167165.

46. Performance and economic viability assessment of a novel CO₂ adsorbent for manufacturing and integration with coal power plants / A. Bellal et al // Chemical Engineering Journal. – 2024. – Vol. 498. – Art. 155604. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155604.

47. Techno-economic analysis of direct air carbon capture with CO₂ utilisation / T. Daniel et al // Carbon Capture Science & Technology. – 2022. – Vol. 2. – Art. 100025. https://doi.org/10.1016/j.ccst.2021.100025.

48. Cyclic performance evaluation of a polyethylenimine/silica adsorbent with steam regeneration using simulated NGCC flue gas and actual flue gas of a gas-fired boiler in a bubbling fluidized bed reactor / W. Zhang et al // International Journal of Greenhouse Gas Control. – 2020. – Vol. 95. – Art. 102975. https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2020.102975.

49. On the integration of CO₂ capture technologies for an oil refinery / V. Fetisov et al // Energies. – 2023. – Vol. 16, № 2. – Art. 865. https://doi.org/10.3390/en16020865.

50. Optimization of a natural gas power plant with membrane and solid sorbent carbon capture systems / F.B. Soepyan et al // Carbon Capture Science & Technology. – 2024. – Vol. 10. – Art. 100165. https://doi.org/10.1016/j.ccst.2023.100165.

51. Zhao Z. Probing lithium carbonate formation in trace-O₂-assisted aprotic Li–CO₂ batteries using in situ surface-enhanced Raman spectroscopy / Z. Zhao, Y. Su, Z. Peng // The Journal of Physical Chemistry Letters. – 2019. – Vol. 10. – P. 5654-5660. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.8b03272.

52. Narayanan P. Effect of SO₂ on the CO₂ capture performance of self-supported branched poly(ethyleneimine) scaffolds / P. Narayanan, R.P. Lively, C.W. Jones // Energy & Fuels. – 2023. – Vol. 37, № 7. – P. 5257-5269. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.2c03846.

53. Understanding the competition between carbonation and sulfation of Li₄SiO₄-based sorbents for high-temperature CO₂ capture / W. Yuan, et al // Carbon Capture Science & Technology. – 2022. – Vol. 3. – Art. 100046. https://doi.org/10.1016/j.ccst.2022.100046.

54. Synergistic effects of CO₂ mixing and CO₂ curing in CO₂ uptake capacity of Portland cement / N. Kim, et al // Construction and Building Materials. – 2024. – Vol. 448. – Art. 138217. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.138217.

55. Porous extruded-spheronized Li₄SiO₄ pellets for cyclic CO₂ capture / Y. Hu et al // Fuel. – 2019. – Vol. 236. – P. 1043-1049. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.09.072.

56. Ahmadov R. Dual functional materials: at the interface of catalysis and separations / R. Ahmadov, S.S. Michtavy, M.D. Porosoff // Langmuir. – 2024. – Vol. 40, № 19. – P. 9833-9841. – https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c03888.

57. Evaluation of Na₂CO₃-doped MCM-48–Li₄SiO₄ adsorbent for CO₂ capture: performance and DFT mechanism / X. Wang et al // Separation and Purification Technology. – 2025. – Vol. 354. – Art. 129417. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.129417.


Рецензия

Дәйектеу үшін:


Ергазиева Г.Е., Қуаныш І. CO₂-НІ ЖОҒАРЫ ТЕМПЕРАТУРАДА ҰСТАУҒА АРНАЛҒАН СИЛИКАТТЫ СОРБЕНТТЕР: ҚАЗІРГІ ЖАҒДАЙЫ ЖӘНЕ ДАМУ БАҒЫТЫ. Шәкәрім Университетінің Хабаршысы. Техникалық ғылымдар сериясы. 2026;1(1(21)):752-767. https://doi.org/10.53360/2788-7995-2026-1(21)-80

For citation:


Yergaziyeva G., Kuanysh I. SILICATE SORBENTS FOR HIGH-TEMPERATURE CO₂ CAPTURE: CURRENT STATE AND FUTURE PERSPECTIVES. Bulletin of Shakarim University. Technical Sciences. 2026;1(1(21)):752-767. (In Russ.) https://doi.org/10.53360/2788-7995-2026-1(21)-80

Қараулар: 131

JATS XML


ISSN 2788-7995 (Print)
ISSN 3006-0524 (Online)
X