专利名称：从空气中捕获二氧化碳的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于从空气中除去选定气体的方法和装置。本发明尤其
用于从空气中提取二氧化碳(co2)，并将联系这方面用途来加以说明，然
而其他用途也在考虑范围内。
背景技术：
有令人信服的证据表明大气中二氧化碳水平的急剧增加和全球表面温度
的相应增加之间具有很强的相关性。这种影响通常被称为全球变暖。C02排
放的各种来源中有大量小而分布广泛的排放体，从源头上减轻它们是不切实 际的。另外，大规模的排放体如碳氢燃料发电厂没有受到充分保护来防止排
出的C02进入大气。这些主要来源和其它的结合起来导致大气二氧化碳浓度
的急剧增加率的发生。直到所有排放体在其源头被纠正为止，其它技术都需
要来捕获尽管相对较低但增长着的背景水平的大气C02。人们正在努力提高 现有的排放减少技术以及开发新型技术，用于直接捕获周围环境的C02。这 些努力需用方法学来管理由此产生的C02的浓縮废物流，以防止它被重新引
入大气。
C02的产生发生在各种工业应用中，例如电力发电厂从煤中以及在碳氢
化合物的使用中产生，碳氢化合物通常为燃烧装置(如发动机)中燃烧的燃
料的主要成分。从这些燃烧装置排出的废气包含C02气体，目前只被简单地 释放到大气中。然而，随着对温室气体的日益关注，来自所有来源的C02排
放将必须縮减。对于移动源来说，最佳选择很可能是直接从空气中而不是从
汽车或飞机的移动燃烧装置收集二氧化碳。从空气中除去C02的优点在于它 不再需要将C02储存在移动装置上。
从环境空气中提取二氧化碳(co2)使人们有可能利用碳基燃料并在事
后处理相关的温室气体排放。由于二氧化碳按百万分之一的数量计既无毒也
无害，但仅通过在大气中积累就造成环境问题，所以从空气中除去C02有可能可以弥补不同时间其他地方同样大小的排放量。
然而，大多数现有技术方法导致从空气中捕获C02的效率差，因为这些过程加热或冷却空气，或大量改变空气压力。因此，大气中C02水平的净减损可忽略不计，因为该清洁过程将C02作为给该过程供电的电力副产物引入大气中。
发明内容
在我们前述的专利申请中，我们描述了官能化离子交换树脂用于从环境
空气中提取C02的应用。具体地，在我们前述的'326申请中，描述了具有强湿度功能的强碱性离子交换树脂的用途，即湿度下降时具有吸收C02的能力，而适度升高时放出C02的离子交换树脂。本发明提供使用离子交换树脂
(正R)对空气捕获装置的改进。
本文使用的术语"离子交换"指一种可逆过程，其中离子可以从不溶性固相物质释放，与周围溶液中的其他离子交换。对于本讨论的目的，即使离子交换树脂的水合作用很小以至于在离子交换树脂上看不见水分，该术语仍然适用，因此， 一般来说水含量不视为构成溶液。
在下文中，我们还将考虑润湿离子交换树脂。术语"润湿"指将树脂暴露于液态水或增强水蒸气压力的水平。除非另有说明，增强的蒸气压指超过树脂之前(例如当其收集C02时)遭受的水蒸气部分压力。
常见的商业可得的离子交换树脂由聚苯乙烯或纤维素基骨架制成，其通常经由氯甲基化被胺化形成阴离子形式。 一旦氨基被共价连接，就能够利用它的离子属性将其作为离子交换的位点。然而，其他的离子交换树脂和这些材料还可用于从大气中收集C02 。
根据制备方法，树脂可被加工以具有特殊性质，而本发明的一个目的就是设计构造该树脂以得到适用于特定用途的特定性质。 一种重要的控制措施是聚合物的链之间的交联度。图2显示的交联是一种通过常见共价键连接两个聚合物链的方式。这通过共享两个交联链之间的苯环来实现。
在离子交换树脂中，交联度表示树脂的保水能力。由于树脂的离子性质，水对离子具有高度亲和力，抵消连接的电荷，并且这样一来水就被吸附到树脂上。与树脂相平衡的水量表示包含于树脂中的离子盐的相对浓度。而有效pH可以控制反应动力学以便吸收C02。
聚合物的官能化程度可以通过改变氯甲基化反应期间反应物的浓度，转而通过胺被共价结合的胺化作用来控制。每单位体积中官能化基团的数目决
定树脂的存储容量。当然，带有的氨基位点越多，可存储的离子就越多；另
一方面，如果位点太多，树脂内的库伦引力可能不允许诸多离子通过。更紧密结合的树脂中的空间位阻也可能对可交换的原子类型起作用。氨基的类型也是可自定义的属性。所连接的部分可以是简单的化学物
质，如氨，或复杂分子，如2-氨基-二丙醇氨等。通过用其他有机链取代氨基中的氢离子，人们可以很大程度上决定连接到树脂上的离子基团的碱性。阴离子，作为连接的氨阳离子相反电荷，其流动性也将影响树脂的C02吸收动力学。例如，小阴离子(如Cr或OH0 ，通常在树脂内非常易流动，即使有
许多亚基与氮原子相连。然而，大的阴离子(如cor或Nor)相对不动，并
且更易于通过氨基上增加有机亚基而被固定。
与树脂相连的氨基类型大大地影响氨基可能经受的离子解离度。氮原子可以形成三个共价键，但是作为阳离子，它可以形成第四个共价键。氨和水反应形成氢氧化铵，NH3 + H20<~~>NH4+OH—。然而氨是一种弱碱，因为平衡偏向于NH3的那侧。然而当氨被连接到聚合物骨架时，可以调控平衡转移的程度。就R-NH2来说，氨基能以中性状态11->^112存在或者可以形成11->^^+形式的阳离子位点。该位点带电荷的程度取决于R的选择。此外，有可能取代分子中的几个氢原子，从而改变离子化程度。 一种极端的情况是，四个有机残基连接到氮原子上-形成季铵盐-使其永久处于正电荷状态。从某种意义上说，由于所有的四个键都被完全使用并连接到聚合物基质上，氮不能再参与平衡移动回到NH3。因为氢氧根离子只作为离子与季铵盐的正电荷位点相连，由此得到的碱是完全解离的。因此季铵盐树脂被作为强碱性树脂。当铵盐被完全解离时，它像其他的强碱如NaOH—样起作用。对于四甲基氢氧化铵或一系列其他完全解离的有机液体来说，该铵盐并不需要连接到固体聚合物上以进行完全解离。这些化合物被认为与强碱土金属碱相当，并且观察到这些离子液体中的一些是C02的强吸收剂。因此，有可能用许多这类离子液体作为能从空气中除去C02的吸附剂。
从以上讨论可看出，氨基可作为碱发挥作用的程度也可以通过连接到氮上的基团的类型来控制。正如强碱可以通过用碳基填充所有可用的反应位点来制备，弱碱可以通过限制相连的基团来控制。
离子交换树脂(正R)的直接应用已经显示出有意义的性质，例如高亲水性和内部离子循环机制。对于捕获C02来说，这种性质的价值在于可以产生
有效的oh—表面，而不需要连续润湿。我们不仅可以产生一种活性oir表面，
而且可以利用上述特征控制表面的pH。此外，我们已指出，C02吸收基于树脂基质的含水量。
产生像强碱溶液一样起作用的固体表面的能力具有但不限于以下的几个
优势
1、 安全由于OH—官能团与固体表面相连接，它不能移动或迁移，仅可
以通过取代除去。因此不存在强碱化学品被无意中释放到环境中的危害，在处理的空气流中也没有游离液体可用来形成可带入环境中的气溶胶。事实
上，树脂生产商将正R视为完全有益的，除非与强氧化剂接触。
2、 环境的副产物的消除因为收集器被极大量的空气接触，空气收集器
可能收集来自空气的灰尘、花粉和其他杂质。这对于气-液接触构造来说是个问题。进入的空气的上游过滤或下游分离过程中的附加过滤将被需要来除去
污染物，并且增加成本。因为固体OIT表面仅与阴离子成键，固体表面易于
被洗掉污染物，如污垢和碎屑，而不影响该表面和捕获的阴离子。洗涤液通常为饮用水，然后可被安全地除去而不需要后续处理，因为该溶液中没有固体或化学品。实质上，这就好像从塑料网上洗掉污垢。
3、 结构因为大多数聚合物可以被胺化，直接将胺类官能团应用至结构
稳定的表面，不仅可以提供一种接触表面，而且可以用作实际上的收集器。这简化了机械设计，降低了生产成本，并且加快装配。
4、 离子流动力学实验显示离子交换树脂包含一种内表面再生机制，不
希望被理论束缚，这可能是由于树脂内的水分保留和建立在与空气接触上的
离子浓度梯度。当OH—表面与含C02的气流接触，H+和OIT之间的酸碱反应生成水，留下HCCV基团取代树脂上的OH、由于树脂内具有多层次的OH—表面，浓度梯度产生，其驱动树脂内离子的运动。表面高浓度的碳酸盐和碳酸氢盐在该表面上的高浓度和在树脂内的低浓度导致碳酸盐向内迁移，同时相反的浓度梯度也推动OH—阴离子从树脂内部迁移到表面。各个梯度支援另一个，并显示产生足够的速率以便不明显地妨碍气体吸收动力学。
5、 水损失当观察收集器时，通常没有考虑到的非常重要的因素就是水损失，其水损失与水溶液基的接触器相关。通常，水损失无论如何都为收集的CO2的10-100倍或可能更多。假设干式操作官能化固体表面收集器，则水损失明显减少。
6、 pH控制通过交联减少水合作用的耗水量，可以更好地控制固体的
有效pH。而且，通过增大固体上OH—基团的相对密度也可以控制pH。
基于一系列实验可以清楚地看出，没有可见水与其结合的接近干燥的树
脂可以吸收大量的C02，并达到负荷状态，此时实际上每一个胺位点有一个
C02分子。润树脂的每两个氨基位点不能保持超过1个C02分子。在前一种情
况下，树脂达到相当于碳酸氢盐的碳酸饱和状态，而在后一种情况下，等效盐是碳酸盐。数据还表明，在干燥情况下，当系统从碳酸盐缺乏的部分负荷状态移动到明显超过碳酸盐的负载状态，反应动力学并不明显改变。这与碳酸盐离子和碳酸氢盐离子共存的体系并不矛盾。
由于该化学作用的结果，有可能从空气中(室外环境空气或室内空气)吸收大量C02，并简单地通过将其暴露于增加的水量中，可以是液体的形式或水蒸气(water vapor)形式，从该吸附树脂驱除大量C02。
因此有可能促使C02从固体吸附剂释放，并将其在接近液体的吸附剂中再捕获，接近液体的吸附剂可以在该分压时从气体流中除去C02。当以液态
水进行离子交换物质的润湿时，我们将把这种效应称作水波动，而当以增大水蒸气的分压进行润湿时，称作湿度波动。
如果树脂暴露于纯液态水中，水保持该释放的C02的能力非常有限，并且大多数C02将聚集在与润湿该材料的水膜邻接的气相中。实验显示，这种
液体润湿的离子交换树脂上的CO2的分压能超过50mbar。然而，水中如果可能含有碱，因此使得C02包含在溶液中，而不是将其散放到周围气体空间，这是我们碳酸盐洗涤离子交换树脂的基础。溶液中的水促使树脂释放额外的C02，并且释放的C02使溶液从碳酸盐溶液转化成碳酸氢盐溶液。然后，该
碳酸氢盐可被进一步处理以释放其C02，并重新转化成碳酸盐溶液，以备洗
涤接下来的部分或者完全负载C02的树脂。
10从碳酸氢盐分离co2的另一种途径是利用电渗析电池组，其被设计用于 将盐(此处为碳酸氢盐，如碳酸氢钠)分解形成碱(此处为碳酸盐，如碳酸 钠)和酸(此处为碳酸，可分解成水和C02，从而释放C02)。就弱酸来 说，如C02，可能操作仅带有阳离子膜的盐分离器，其将阳离子(如钠离 子)从酸腔室转移至碱腔室，中间不必产生稀释的盐流。这种设计中有包括 双极和阳离子膜的一系列堆叠。图X显示在这种盐分离器上运行的这种设计 的具体实施方式
。
还有其他的方法从碳酸氢盐溶液回收co2以及再生碳酸盐溶液。首先电
化学分离有诸多变化。例如，可能利用一系列双极、阳离子、阴离子膜的常 规盐分离器。在此情况下，将盐溶液稀释并作为稀释的水流返回。还可能利 用堆叠，其中该堆叠为一系列双极和阴离子膜。在此情况下，移动穿过膜的 不是阳离子而是碳酸氢根离子。
本质上并不是所有的回收方案都是电化学。有可能加热溶液，从而引起
C02的释放；有可能冷却溶液，从而促进碳酸氢盐的沉淀。碳酸氢盐较碳酸 盐的溶解性小，然后在随后的步骤中，碳酸氢钠固体被煅烧成C02、蒸气以
及碳酸钠。
不使用无机盐溶液，还有可能使用胺溶液来捕获从膜中释放的co2。在
此情况下，确保树脂和胺溶液的化学相容性很重要，因为树脂有可能被溶液 中的有机胺损坏。在那种情况下，人们可以使用专门设计用于液态胺的回收
技术。弱胺的使用变得更容易或非常弱的碱性盐水作为辅助，因为C02释放
是通过水的存在来推动。
一般而言，极大地有助于从强碱性离子交换树脂回收C02是因为C02的
释放是由以液态或蒸气形式存在的水来推动。如果水具有很小的碱性，释放
的C02从水中释放到周围气体空间，在此C02可通过随后的处理步骤被回
收。使用水蒸气而不是液态水润湿树脂表面的过程还有另外的优点，人们可 以使用盐水或其他污染水引起湿度波动。不仅在随后的树脂干燥中的水损失 减小，从经济角度来看，使用盐水或者其他的所谓灰水的形式具有用水成本 降低的优点。
对于水蒸气诱导的波动来说，C02被释放到气体空间中，这样就需要通
过其他方法来收集。针对这种回收有几种选择。首先是使用可以有广泛选择
11的二级吸附剂。使用比干树脂结合C02更弱的吸附剂是有好处的。 一般来说 这是可行的，因为液态或蒸气形式的水的存在大大提高了 C02的平衡分压， 并因此降低了二级吸附剂所需要的最小结合能。基于实验信息，水或湿度波 动使得二级吸附剂能在C02分压远超过50毫巴下操作。没有必要与该树脂直 接接触的二级吸附剂可包括但不限于其他树脂，例如带有或不带有部分碳酸 盐和/或碳酸氢盐负载的弱碱性树脂、液态胺溶液、碱性盐水、活性炭床、沸 石床等。
为讨论上述的需要，本发明描述了利用该工艺捕获二氧化碳(co2)的
方法和装置的几种实施方式。
一方面，在一组实施方式中，本发明包括将含有C02的气体流与树脂接 触，以便使其部分或完全负载C02，用液态水或水蒸气润湿该树脂，以便使 吸收的C02部分释放，从树脂收集水蒸气和二氧化碳以从该气体流中提取
co2，以及通过几种方法中的一种，从水蒸气中分离二氧化碳。在另一组实
施方式中，润湿是用作为C02吸附剂的碱性洗液来进行，其中溶液中的水刺 激C02从树脂中释放，其然后被洗液中存在的碱吸收或容纳。
本发明提供了几种基质材料，其改善二氧化碳在树脂上的捕获以及二氧 化碳释放至水中的效率。碳酸酐酶可添加到水中以辅助和促进该过程。树脂 可选择地被湿空气或蒸气或液态水润湿。实验显示，没有必要产生液体覆盖 的表面。在一种实施方式中，该过程容纳在一个垂直的塔装置内。
另一方面，本发明的工艺可包括使用二级吸收剂，例如弱液态胺或疏水
性活性炭，以有助于隔离C02和分离水蒸气。因为二级吸收剂没有使主要吸
附剂污染或者失效，有可能从树脂上直接洗掉co2。
本发明还提供了一种工艺，其中离子交换树脂被置于多个串联的腔室 中，其中所述第一腔室包含最近刚用来自气体流的二氧化碳饱和的树脂，并 且各个后续的腔室包含已润湿的树脂，并且从中收集二氧化碳的时间都比前 一腔室时间更长，以此类推直至最后一个腔室。该多个腔室通过多个阀门连 接，其允许多个腔室中的任意一个作为所述第一腔室。
本发明的另一方面包括收集器的几何体，其允许在用于固体-气体交换的 大孔空间和用于固体-蒸气和固体-液体交换的较小孔空间之间变化。通过调节孔径大小或者通过使用具有一种以上孔径的结构实现这种变化。它还包括 固定的孔径系统。
在又一方面，本发明包含一种用于捕获C02的工艺，其中用碱液洗涤官 能化介质，产生带有高浓度碳酸盐或者碳酸氢盐的流出物。然后，该流出物 可供给例如释放C02的电渗析单元。
从下述描述结合附图，可看出本发明进一步的特点和优点，其中
图1为现有技术的离子交换过程的图解； 图2为显示现有技术的离子交换树脂中的共价键的示意图； 图3为显示本发明用于捕获C02的离子交换过程的示意图，其中添加水 以从树脂中释放C02;
图4为显示本发明采用弱液态胺捕获C02的过程的示意图5为显示本发明的一种实施方式中用于捕获C02离子交换过程的示意
图，其中连续地使用多个腔室；
图6为显示本发明中用于捕获C02的离子交换过程的示意图，其中阀门
用于控制流量；
图7为显示本发明的一种实施方式中采用活性炭捕获C02的离子交换过 程的示意图8为显示本发明的直立圆柱塔的图9A和9B为显示本发明的一种实施方式中可调节的收集器的辊几何体 的图IOA和IOB为显示本发明的一种实施方式中可调节的收集器的平板几 何体的图IIA和IIB为显示本发明的一种实施方式中可折叠的收集器的图； 图12A-12F为显示本发明的其他实施方式中收集器的固定几何体的图； 图13为本发明的一种实施方式中具有电渗析单元的本发明装置的示意 图；以及
图14为本发明的替代实施方式中具有电渗析单元的本发明装置的示意图。
具体实施例方式
本发明基于利用C02平衡压力随湿度水平改变、随温度改变以及随着压
力改变的波动。这些变化的组合提供了许多从暴露于空气的树脂中回收co2
的方法。本发明描述的装置可以在广泛的条件下从环境空气中除去二氧化 碳，它还能从其他气体混合物中除去二氧化碳。虽然该实施方式优选用于低
浓度的C02 (如小于1%)，但也有可能从1% 98%范围的富含(:02的气体
混合物中收集二氧化碳。
我们已经发现暴露于环境空气中的干离子交换树脂可以吸收co2,并且
在一段时间后达到与空气中C02分压相平衡的平衡负荷。除了空气，也可以
使用含1 200，000ppm范围的低分压C02的类似气体混合物。当树脂已经暴 露于混合物中约400ppm C02的环境空气时，有可能润湿该暴露于空气的树脂 材料，并在诸如80,000ppm或更高的分压下回收CO2。因此，湿度的存在大 大增加了树脂上C02的平衡分压。因此，可以在水中洗涤树脂并从与水接触 的气体中捕获C02。或者，有可能从吸收C02的水溶液中捕获C02，因为它
具有与从树脂上解脱的C02相结合的必要碱性。该碱性能以氢氧化物溶液的 形式提供(如NaOH或KOH)，它也能以碳酸盐的形式^BNa2C03、 K2C03)或者以碳酸盐与碳酸氢盐的混合物的形式提供，其具有的碳酸氢盐 负载比与暴露于空气的树脂接触所能达到的更小。
我们在实验中还显示，将离子交换树脂暴露于增加的湿度水平下就足够
了，而不是直接将它们暴露于液态水且影响C02从树脂上得大量释放。实验 显示，其C02负荷对环境空气已经达到平衡的树脂上，C02平衡分压近似为
系统中的绝对湿度的函数，而非相对湿度。实际上，该树脂上C02的分压不 随温度范围发生大的变化，但是它对相接触气体的绝对湿度的变化非常敏 感。
实验还显示，在水蒸气压中的暴露可以刺激C02从树脂上释放，即使在
缺少空气其他组分例如氧气和氮气的情况下。因此在本发明一方面，我们将 树脂材料填充到圆筒或将其置于腔室内。该腔室在可以在其内容物暴露于水 蒸气或/和液态水之前被清空。在本发明的一个方面，我们以多种几何体和设计将树脂暴露于空气。当
树脂被空气中的C02饱和或部分饱和从而与小于400ppm的C02分压相平衡 后，我们将C02释放到气相空间中，其中C02的分压达到50,000微巴或更 多。
在我们早先的一些专利申请中，我们描述了将叔胺和季铵类官能化的1 型和2型强碱性树脂用于从空气中吸收C02的用途。如其中所述，C02作为 碳酸盐或碳酸氢盐被提取并储存在树脂上。更具体地，如美国专利申请 11/866，326所述，这些强碱性树脂的一个显著特点在于，它们在干燥时比它 们湿润时吸收更多的C02。虽然该性能取决于空气中的湿度、树脂的温度和 树脂的C02负荷状态，但我们已经发现湿树脂上的平衡分压比起带有类似 CO2负荷的干树脂大出约200倍。例如，我们已经发现，干燥状态时已经暴 露于环境干燥空气中的树脂，在接触水后能填充一个C02分压超过60mbar
(60,000微巴)的小气室。树脂与碳酸钠/碳酸氢钠溶液平衡，其反过来与空 气中的C02相平衡，对于附在树脂的表面的每两个正电荷，该树脂仅结合了 略多于一个碳原子，作为碳酸根或碳酸氢根离子。另一方面，如果树脂在缺 乏液态水的情况下与低湿度的空气相平衡，结合到每个吸附离子上的碳原子 的数目接近一。树脂的这种性质可用于实现湿度诱导的变压，以便捕获和收 集二氧化碳。
随着空气中湿度增大，基质上C02的平衡分压显著升高。例如，我们已 经测试了 6g离子交换膜材料的树脂样本，购自San Clemente1的SnowPure有 限责任公司。生产商将其产品描述为包括粉碎的阴离子交换树脂，混在聚 丙烯基质中并根据美国专利No.6503957和No.6716888将其压成薄板)。该 膜被撕成lmm厚Xlmm宽的面条状的线。该材料的量在室温大气中3ppt水 中与40ppm的C02相平衡，当空气中的水蒸气含量上升至30ppt时，其能将 20升钟形罩中的CO2分压升高至1200ppm以上。此外，10g该膜材料已用于 释放约100cc的C02，干燥后吸收另外100cc的C02，然后在润湿后于C02 的第一周期中，推动钟形罩的CO2含量达到3700ppm。由此看来干燥的树脂 材料本身重排，容纳了碳酸氢根离子而不仅仅是碳酸根离子。由于碳容量的 这种明显波动，提高树脂的湿度足以使树脂释放出已吸收的C02。
15然而不希望受理论约束，认为该树脂随着它干透本身至少部分重排以利 于容纳碳酸氢根离子，而非碳酸根离子。然而，我们观察到随着负荷增大， C02摄入率逐步下降。对于干树脂来说，碳酸根/氢氧化物和碳酸根/碳酸氢根 体系之间没有明显的界限，表明当该体系从带有残余氢氧化物的一方运输到 带有残余碳酸根离子的一方时，摄入机制没有改变。
一种可能的解释是，在 或多或少的干燥体系中，碳酸根离子能分离成为碳酸氢根离子和氢氧根离 子，即使在水溶液中，该反应的平衡大大有利于碳酸盐胜过碳酸氢盐。 一种 可能的方式来看，碳酸氢根将比碳酸根离子更早地沉淀在树脂的表面，从而 它们能以碳酸氢盐的形式从溶液中除去一些碳酸盐。在任何情况下，该表面
的有效pH似乎高于它基于水体系中的碳酸化的水平。
由于二氧化碳存储容量的这种明显波动，原则上讲，提高对树脂的湿度 足以使该树脂释放已吸收的C02。
一种可能性是将该树脂浸入水中，以便释
放C02。该过程如图3所示。材料本身的短暂润湿可能不足以释放大部分结
合的C02。
C02从该材料释放持续了相当长的时间，但释放了可被结合到该
树脂表面的大部分co2。本发明的另一种实施方式是将润湿的树脂暴露于空
气中，在C02释放的持续时间上与浸入树脂形成对照。因为时间是对该设计
的主要制约因素，因此建议该装置相对较大，并且允许体积的排气进行更长 的时间。
在接近真空下操作没有减慢该过程的动力学，此时空气中的氮气和氧气 实际上已经从该体系中被除去。因此，有可能从润湿的树脂材料产生气体
流，其是从树脂释放的水蒸气和C02的混合物。后者的分压可高达60毫巴。 前者的分压取决于温度，但应为约30毫巴或更低。该体系的容积应以节流的
形式构造，以便当保持该体系接近平衡条件时，C02的缓慢释放能够继续。 如果C02被太快清除，迅速的水蒸气产生动力学将改变释放的C02与释放的
水蒸气的比率，有利于过量的水释放。这样会冷却该体系，需要额外的热输 入。如果水在冷凝阀中被捕获，用于冷却的能量将快速增长。因此保持接近 平衡点是很重要的，其设定了最大限度的可接受的流率。
在干燥的大气条件下从空气中收集C02。 一旦树脂达到高水平的饱和， 其中它本质上是从其碳酸盐形式转变为饱和的碳酸氢盐形式，将该树脂材料 装入腔室中，该腔室先被清空、然后充满水蒸气和液态水，搅动直到所有树脂表面被完全润湿。或者，可将该树脂仅与水蒸气接触。然而，与其仅暴露 于水蒸气时相比，该树脂被弄湿时C02从树脂释放的速率高得多。实际上， 不仅释放速率增大，C02的分压也上升。
发现将少量的碳酸酐酶添加到水中可能是有用的，以便改善C02从树脂 转移到水和周围气体空间中的反应动力学。在一些设计中，可能有利的是， 通过将负荷C02的树脂材料收集在首先被清空以除去过量空气的容器中来开 始。然后润湿该树脂以便它释放C02。这导致腔室中CO2为50毫巴，此外
H20为约20至30毫巴。通过升高或降低该体系的温度有可能改变水含量。 现在有可能将产生的气体抽出该体系，随着气体被压縮，气体中的水将
冷凝下来，同时C02变得越来越压缩。最终我们可以推动该压力达到C02管 道压力。如果需要，该C02可在将其装瓶或送至客户之前干燥。
即使润湿该树脂材料允许从树脂中释放C02，该释放也相对缓慢。材料 本身的短暂润湿不足以释放大部分结合的C02。然而，我们发现该材料中的
C02释放持续很长时间，但它涉及了能被结合到该树脂表面的大部分co2。 在进行的一项实验中，用6g膜材料，将其切成条，并在15分钟后在DI
水中洗涤该树脂，树脂将放出C02并使封闭的钟容器中的C02水平升高至约
1200 ppm。放置过夜，但允许干燥，该树脂重捕获所有这些C02，而且还要 更多，使钟容器中的CO2水平减少至约40ppm。将该钟容器中的湿度升高至 30ppm导致C02释放达到1400ppm以上。释放该C02并在DI水中洗涤树脂 条将导致C02更加迅速的释放，其使钟罩中的压力升高至约1800ppm。第二 次实验产生超过1100ppm，而第三次仍达到700ppm。该体系共放出至少 1000 + 1400 + 500 + 300 ~ 3300 ppm。这又转化成大约66cc的(302或者最初 被碳酸盐洗涤膜收集的C02容量的约2/3。该膜材料的总容量应为约6毫摩尔 或约120cc。因此，可以认为仅用纯水可引起结合到基质上的C02大的波
动。尚不清楚在洗涤周期中有多少C02从基质释放到钟形罩的外部。当该体 系在水中放置几分钟时，大量额外的C02可被除去。运行结束时的数据表明 C02释放的速率在洗涤周期中有些下降，表明该洗涤周期已经以更快的速率
除去额外的C02。然而，考虑到有些已经在中间的安静期内放出，洗涤周期
除去的C02的总量必然相对较小。当膜材料在水中时，它的脱碳速率是测不到的。然而，已经观察到碳酸 酐酶对C02从湿膜释放的速率影响不大，这表明该过程中的慢步骤是C02从 膜中的释放。
或者，如图4所示，我们能用其他分离方案从气体流中提取C02，例如 用于二级吸收步骤的弱液态胺。这种胺必须能够使气体混合物的C02含量降
低，以便CO2分压降至例如约20至30毫巴。因此，它可以是比我们用来捕
获C02的主要树脂弱的多的吸附剂，而这允许我们使用非常弱的胺类，或弱
胺基树脂。在树脂被松脂合剂破坏的情况下，有可能使胺冲洗剂流过其他表
面，这些表面由于被树脂润湿能够吸收大量的C02。
在本发明的另一种实施方式中，我们可将相同类型的树脂用在空气捕获 装置上，但在不同水平的负荷曲线上操作。该树脂将保持湿润并将经历热变
动以除去co2。
虽然空气中高水平的水蒸气或水分应该足以使C02释放，我们也可在 C02释放中使用液态水。但是使用水蒸气而非液态水能减小对树脂的磨损。 也可能使用含有盐或其他杂质的水。
通常有益的是，通过对气体加压以便使水蒸气变得过饱和并且凝聚，将
过多的水蒸气从C02水蒸气混合物中除去。然而，有可能通过使用冷阱
(coldtrap)来除去水，然后原则上可接用于C02的第二冷阱。如果通过将加 热树脂冷却回到较低的环境温度，至少可以部分实现水冷凝，则此方法是尤 其有益的。如果该装置最初使用灰水或盐水来工作，水冷凝可以提供一个单 独的清洁水流，其可作为副产品被放出。
降低耗水量有多种方法。例如，可以输送短脉冲蒸气穿过树脂，控制脉 冲很短以至于蒸气不能深入进入树脂，但足以从树脂表面释放(302。之后， 树脂内的扩散将重新分配树脂内部的负荷，并且蒸气脉冲可重复几次，直至
总C02含量显著下降。
通过将干燥树脂暴露于水饱和的空气或通过浸入液态水中，可以再除去 已被干树脂收集的大部分co2。具体地，在依赖水波动的实施方式中对材料 的磨损很小，该物质可以通过水波动多次循环。波动幅度可涉及树脂的co2 承载容量的一半，但实际设计可以针对稍低的负荷波动。对于膜来说大概的数字为，释放速率为每10g样品15分钟内约1毫摩尔 C02,或约le-4毫摩尔/克/秒。因为对于我们所使用的材料，宏观表面积为 约40cm々g，我们得到2.5e-5mole/m々sec的释放率。吸收速率差不多，虽然 通常有点慢。这也意味着50g样品在约15分钟内将产生约0.1cc/sec或约 100cc的气体。
基于理论，通过在近真空的环境下操作，此时空气中的氮气和氧气实际 上已经从该体系中除去，该过程的动力学并未减慢。实验已经证实这一观 点。在低压条件下，有可能从润湿的树脂材料中产生气体流，其实质上是与 腔室中温度相平衡的水蒸气以及从树脂释放出的C02的混合物。腔室中co2 压力可高达60毫巴，但随着带有C02的树脂的负荷减少而下降。在室温下， 水蒸气分压为约30毫巴。通过升高温度有可能提高腔室中水蒸气的分压。这 实际上产生一个将湿度/水波动和温度波动相结合的混杂系统。在加热的体系 中，通过冷却输出流相对环境的温度，可以降低水蒸气压力。这将降低腔室 中水蒸气的浓度达到环境温度下的平衡压力。
因为C02从树脂释放达到与环境气体相平衡需要花费很长时间，该系统
的容积应该以节流的方式构建，以便C02的缓慢释放能保持体系接近CCb部 分平衡的条件。如果流体可以非常迅速地运动，则水蒸气生产动力学将改变
释放的C02与释放的水蒸气之间的比率，有利于过量的水释放。这会不必要
地冷却该系统，从而需要额外的热输入。如果水在冷凝阀中被除去，若气体 混合物中水蒸气与C02的比率变得不利，则用于冷却气体流的能量需求将迅 速增长。C02与水的适当混合物可具有l: l的比率。因此，优选的是保持该 系统接近平衡点，其设定了可以接受的最大流率。
通过几种方式可以将水从该低压混合物中除去。第一种是冷却该气体以 将水冷凝下来。只要系统的温度高于周围环境，这就不会引起实际的能量损 失，但是如果冷凝在亚环境条件下发生，则损失很严重。避免它的一种方式 是压縮H20/C02气体混合物。当水的分压上升时，它将推动在高于环境条件 的温度下的冷凝，从而可能以极其小的能量损失来除去水。事实上，在一套 实施方式 中，人们可以在高于腔室的(升高的)操作温度的温度下推动冷 凝，并由此从凝结热中提供很大一部分热需求。实际上，该系统是用高效热 泵来运行，其在升高的温度下将冷凝热转移到该系统中。基于这些条件，我们设计了水(或湿度)波动系统，此时在干燥条件 下，从空气中收集C02。从实验看来，湿度水平的主要特征是绝对湿度，而 不是相对湿度。这是基于观察到，在恒定的绝对湿度下，当温度从接近露点
移动到高得多的温度例如10至20。C或高时，封闭的钟形罩中的C02水平不
会改变，空气在钟形罩中与树脂接触。另一方面，湿度的变化将引起C02平
衡水平的大幅波动。该结果提示，湿干周期在湿润/凉爽气候以及沙漠气候中 都是有可能的。 一旦树脂达到高水平的饱和，其在干燥气候中意味着它实质 上从其碳酸盐形式转移到完全的碳酸氢盐形式，该树脂材料被装入首先清空 然后充入水蒸气和/或液态水的腔室中，其被搅动直到所有树脂表面完全润
湿。然后该系统释放C02，并且如果腔室中有足够的材料，该系统能达到高
于腔室中水蒸气压力的C02压力。为了达到高的C02压力(约30至60毫 巴)，可设置一连串腔室，如图5所示，其在接近环境条件但在不同温度下 用水蒸气饱和(约30mb的蒸气)，以便水饱和压力从上游端(蒸气在此进 入)到达下游端(C02和蒸气在此被除去)。在该系统中，气体流量被保 持，因为水蒸气和C02在该链的下游端被提取。链中最后的腔室含有刚从空 气饱和返回的树脂，其能推动C02的分压达到和水蒸气压力一样高或甚至更
高。腔室的较高上游含有已经在温暖潮湿环境中暴露较长时间的树脂。
腔室优选地几乎完全充满树脂材料，因为孔隙空间越大，系统中达到高 的C02分压就越困难。腔室能在链中物理地移动，因为新的树脂是在链中的 气体流出端添加，并且C02耗尽的树脂是在另一端被除去。不用去移动个别
的腔室或放入那些腔室中的盒子，我们也能改变腔室的阀门。以这种方式， 各个腔室可以连接到它的下游相邻体或最后的提取系统。各个腔室也可在上 游端与上游相邻体连接或连接到水蒸气的源头和尾气输入。有可能打开一个 单元的阀门，清空和再填充并且关上阀，使得逻辑上看现在是在链的另一 端。以这种方式，树脂可以移动穿过链，而位置永远不用移动。
除非将C02从流体中吸收，同时留下稳定的水蒸气，或者除非两种气体 组分都被简单地抽出和压縮，水蒸气一定会冷凝下来，以从C02流中分离。 冷凝将在链的下游端发生，或者随着气流前进，当温度从腔室至腔室间下降 导致水蒸气压降低时，更可能在中间的腔室中发生。水蒸气的冷凝将产生朝 向系统低压的流体。在非常低的温度下(-80。和-100。C之间)或者借助压縮机泵，通过冷凝/
升华，可将C02从最后的腔室的下游除去，该泵将气体移动到另一个较高压 力下的蓄水池中。或者，可通过吸附剂除去C02，例如冷的液态甲醇、液态
胺、或碳酸钠。其他选择包括疏水形式的活性炭。
参考图6，在单一腔室中有6gSnowPure阴离子交换材料，并且在DI水 中洗涤该树脂15分钟后，树脂仍能放出C02并使系统中的C02水平提高至 约1200ppm。放置过夜，但允许干燥，该树脂重捕获所有这些以及更多的 C02，使容器中的C02水平降低至约40ppm。升高容器中的湿度至30ppm将 导致C02放出，达到1400ppm以上。释放该C02以及在DI水中洗涤树脂条 导致更高的C02释放率，使钟形物中的压力升高至约1800ppm。第二次重复 仍达到1100ppm以上，而第三次重复仍达到700ppm。该系统总共放出约 3300ppm。这转化成约66cc的C02或最初由碳酸盐洗涤膜收集的002容量的 约2/3。该膜材料的总容量为约6毫摩尔或约120cc。因此认为，单用纯水能 引起结合到基质上的C02的大幅波动。尚不清楚在洗涤周期有多少C02从基 质释放到钟形罩测量系统的外部。当该系统在水中花费了几分钟，在此大量
额外的C02可能已被除去，运行末端获得的数据表明C02释放的速率在洗涤 周期有些下降，表明水洗涤循环已经以更快的速度除去额外的C02。然而， 考虑到在中间的平静期已经放出一些，洗涤周期除去的C02的总量必然相对 较小。
对于膜来说大概的数字为，释放的速率为10g样品15分钟内约l毫摩尔 C02，或者约le-4毫摩尔/g/sec。对于宏观表面积约40 cm2/g的材料，我们达 到了 2.5e-5mole/m"sec的释放速率。吸收率是差不多的，虽然通常有点慢。 实验还显示，50g样品在约15分钟内将产生约0.1 cc/sec或者约100 cc的气体。
一个设计特点在于该序列中有许多腔室。不同腔室中的树脂己经在除气 过程中暴露了不同的时间长度。树脂可从腔室到腔室间移动，或者更有可能 地，改变阀门以使一腔室离开链的净化端，除去其内充物，并用树脂填充， 此时其位于链的未净化端。各个腔室中的气体包括水蒸气、C02，并且可能 有惰性尾气(sweep gas)。从系统的上游端到系统的下游端，三者分压的总 和是单调下降的。通过加快流动速度可减小尾气压力，但水蒸气分压差不多
21与此时的液态水相平衡。C02分压在经过的方向上应增大。如果水蒸气为总 压力的大部分，水蒸气压力梯度控制了该流体，这可通过温度从一个腔室至 下一个的降低来证实，此时C02压力将从一个腔室至下一个上升，因为各个
腔室都向流体中添加一些co2。各个腔室的贡献可通过材料释放co2的速率
和特定树脂能达到的平衡压来限制。上游端的树脂已经几乎耗尽其所有的
C02，因此为总产品增加很少；最后的下游单元原则上能添加多达60毫巴。 要做到这一点，上游端要么具有超过70毫巴的蒸气压，要么含有大量仍需要
从C02分离的尾气。
假定该系统的最后一步是在冷甲醇中收集C02，则冷凝该系统的其中一 种尾气可以是甲醇蒸气。其他办法是依赖于水，在这种情况下水的上游温度 必须足够高以产生至少60毫巴的分压。随着蒸气从一个腔室向下一个移动， 它将遇到更低温度，从而部分凝结下来，产生一种压力曲线，其驱使净气 (net gas)从系统的低0)2端流到高(302端。
在一种实施方式中，将所有剩余的水冷凝下来，然后抽去C02。其他实 施方式将依赖于C02吸收和随后的吸附剂回收。这些吸附剂可以是冷甲醇、 液态胺、或氨水、或碳酸钠。其他选择包括疏水形式的活性炭。
图7显示了另一项发明方案。该发明方案基于一项观察，观察到活性炭
在湿润时吸收C02，并且它干燥时释放C02。这是与离子交换树脂相反的性
能。因此，这使依次结合离子交换树脂和活性炭成为可能。以干活性炭和润 湿的树脂材料开始，将空气通过该系统。随着空气干燥该树脂，它将水蒸气 运输至碳。树脂在干燥时携带C02，而活性炭在接受水分时携带C02。 一旦 树脂干燥，该系统逆转，然后新鲜空气流经活性炭，并释放水分回到离子交
换树脂。随着碳干燥，它放出C02，升高C02分压，此时C02可被浓縮和除
去。以这种方式结合离子交换树脂和活性炭的特点和优点在于，水被保留， 并且安装阀门以逆转空气流也是简单的事情。
本发明易于改动。例如，可用其他材料例如沸石代替活性炭。
由此可见，使用离子交换树脂，湿度波动可用于分离和捕获环境C02。 通过将几个空气捕获装置串连在一起，除去的环境C02可被浓縮。使用离子交换树脂以单独地或者与活性炭或沸石依次相结合除去C02具 有的优势在于可避免腐蚀性化学品，例如过去典型地用于C02洗涤器中的氢 氧化钠。此外，在实质上封闭的系统中使用湿度波动，水被保留。
参考图8， C02空气捕获装置可以包括多个含有C02捕获材料的直立圆柱 塔100 。优选地，但不是必须地，C02捕获材料包括如前描述的湿度敏感的 离子交换材料。各个塔100邻近其较低端有多个进气口 102，邻近其顶端有 多个出气口 104。或者，塔的壁可开放以让空气在地面任意水平上通过。空 气在进口102进入，从此处在塔100中向上流动与CO2捕获材料接触。空气 流可通过自然对流，或者如果需要，通过风扇提供动力。入口102和出口 104可选择性地通过遮板(未显示)封闭，使得塔内的湿度可升高，并且捕 获的C02从树脂中被除去并浓縮。或者，可用液体水洗涤树脂以除去捕获的
co2，其在基底处被浓縮，基底处还包括水管设施和阀门等(未显示)。或
者，C02捕获材料可包括湿吸附剂，如胺类或碳酸盐或其他C02吸附剂，其
被泵打上去并滴下或向下流入塔中的基质材料。在本发明的一种优选实施方 式中，几个塔100是在地下连接在一起，在此将塔100流出的液体处理以除 去CCb，并且除去的C02被浓縮。然而其他变化也是可能的。
在本发明的另一方面，收集器中的官能化固体结构可被优化用于气体交 换、蒸气交换、液体交换和机械性能。对于气体交换，孔隙空间/通道应足够
大以保持压力降低，使湍流减到最小，并防止边界层增加到妨碍C02向官能
团供给的厚度。例如，当气体流为环境空气时，如果一升官能化固体有一摩
尔交换位点，则用碳酸氢盐饱和那些位点需要22.4升纯C02。如果我们认为 每单位空气体积平均摄取100份每百万体积(ppmV)的C02，则我们需要移 动224,000升空气通过一升固体以饱和官能基团。当固体饱和时，需要减小
空气流量，因为C02吸收随饱和降低。
对于蒸气和液体交换，固体与孔隙的比率典型地是比较大的。例如，在 商用的水处理系统中，典型的离子交换树脂床有大约30至40%的空隙空间。 珠子为大约0.5mm大小，留下更小间隙的孔隙空间。因此，对于许多应用来 说，收集器应该为带有大小不同的原生和次生孔隙的可改变的结构。
该设计还包括一针对各种情况下固定功率大小的系统，在此气体、蒸气 和液体交换使用相同的孔径或机械因素有利于固定的动力空间的系统。另一方面，本发明提供了收集器的几何体的实施方式，其利用官能化固 体收集器介质从气体流中除去C02。例如，该捕获介质可由固定在固体上/中 的胺基团组成。
参见图9A和9B，本发明提供了辊几何体的可调节孔径的收集器，包括 一带有锁定机构的惰性中心轴205;惰性网或其他薄板形式的多孔介质206; 以及薄板形式的官能化收集器介质207。 一个多孔薄板和一个收集器介质薄 板被固定并围绕在轴上，以便辊的最内层和最外层由多孔板组成。这样确保 收集器介质总是夹在多孔板之间以允许与收集器介质薄板的两侧上的气体、 蒸气或液体接触。根据辊的直径，使用多于一个膜和多孔层，以便孔隙空间 的加宽需要中心轴的较少旋转。例如，三层需要单层旋转的三分之一。
多孔薄板为气体、蒸气、和/或液体流提供路径。该流径可以是直的、螺 旋的、弯曲的、层流或湍流的设计。多孔薄板还设定了孔隙空间的最小宽 度，当辊围绕轴绷紧时即可实现。通过逆着线圈的方向转动轴，孔隙空间可 变宽，或者朝线圈的方向转动轴，孔隙空间变窄。轴和多孔薄板由对其所暴 露的气体、蒸气和液体流呈惰性的材料制成。
在图IOA和IOB显示的替代实施方式中，本发明提供了平板几何体的可 调节孔径的收集器，包括惰性网或其他薄板形式的多孔材料211或作为可压 縮层212，以及薄板形式的官能化收集器介质213。该平板几何体收集器具有 网或其他多孔介质和收集器介质的交替层。在液体流动/交换期间，这些层被 压在一起以达到收集器介质薄板之间的最小流体通道厚度。流体通道的最小 厚度和该通道内的空隙空间由使用的多孔介质确定。在气体流动/交换期间， 通过将薄板拉开可将该流体通道调节到最佳厚度。最佳间隔是由收集器介质 的交换速率和液体或气体流、以及液体和气体流的流动速率确定。
在图IIA和IIB显示的另一种替代实施方式中，本发明提供了具有初级 和二级孔隙的可折叠的收集器。初级孔隙被优化用于气体流。用于气体流的 通道的壁由收集器介质构建。收集器介质本身具有被优化用于液体流的二级 孔隙。 一旦气体交换完成，并且收集器介质被C02饱和，则初级孔隙塌陷， 仅留下二级孔隙用于流体或液体交换。
该收集器的最简单的几何体是一系列带有开放式单元(open-cell)孔的 介质收集器薄板。对于气体交换，该薄板被间隔开一定距离，其可针对<302摄取率和薄板的长度来优化。对于流体或液体交换，该薄板堆在一起并且液
体流动通过该收集器介质的孔隙。其他几何体如图12A-12F所示，并且包括 可折叠的正方形或矩形通道等。
固定的收集器将采用一种或几种固定的孔径。孔几何体可变化。孔几何 体的例子为圆形、正方形、矩形、三角形、六角形、或不同形状的通道。该 设计还包括开放式单元泡沫几何体，或由该收集器介质的形式确定的其他不 规则连接的形状。
在图B所示的本发明的另一方面中，离子交换过程可利用电渗析 (ED)单元完成。离子交换树脂可用碱性溶液洗涤，如碳酸钠(Na2C03)， 优选地具有11-12的pH。由此产生的流出物优选地具有9-10的pH，其在碳 酸钠洗涤的例子中主要为碳酸氢钠(NaHC03)。
然后，将该流出物供应到ED单元的酸性侧，在此反应是由双极或阳离 子膜控制。初始运行后，该单元的酸性侧稳定在近中性pH，此时C02释放并 被捕获。渗透压将水推动到该单元的碱性一侧。碱性溶液保持在接近12的 pH，并且也可用于补充洗涤液。
由于pH以及洗涤液和流出物的成分的差异，可各自使用单独的池子 (basin)。
或者，如图14所示，用于ED单元的碱性溶液及洗涤液可包含在相同的 池子中。该池子可包含一分离器，用于分离有两个不同pH范围的两种碱性 溶液。在一种优选的实施方式中，洗涤液的pH是12，而提供给ED单元的 碱性溶液的pH是ll。在进入ED单元的酸性侧之前，该流出物可包含在单 独的池子中。此外，该流出物，其优选地为pH9-10，可用于稀释部分碱性溶 液，以使该洗液达到pHll。
应当强调的是，以上描述的本发明的实施方式，具体地说，和"优选 的"实施方式，仅是可能的实施例，并且仅被用于清楚地理解本发明的原 理。在不违背本发明的精神和范围的情况下可设计和/或制造本文所描述工艺 的许多不同实施方式。所有这些和其他的修改和变化均在此包含，属于本说 明书的范围并由以下权利要求书保护。因此，本发明的范围不受除附加的权 利要求书中所示以外的限制。
权利要求
1、一种从气体中除去二氧化碳的方法，包括将所述气体与腔室中的树脂接触，从该腔室中排出气体，润湿所述树脂，从所述树脂收集水蒸气和二氧化碳，以及从所述水蒸气分离所述二氧化碳。
2、 权利要求l所述的方法，其中所述树脂通过浸入水中来润湿。
3、 权利要求l所述的方法，其中所述树脂通过暴露于潮湿的空气中来润湿。
4、 权利要求l所述的方法，其中所述树脂通过暴露于短脉冲的蒸气中来 润湿。
5、 权利要求2所述的方法，其中所述水还包含碳酸酐酶。
6、 权利要求l所述的方法，其中通过降低温度将所述二氧化碳从水蒸气 中分离。
7、 权利要求l所述的方法，其中通过增大水蒸气和二氧化碳混合物的压 力将所述二氧化碳从水蒸气中分离。
8、 权利要求l所述的方法，其中利用二级吸附剂从水蒸气中分离二氧化碳。
9、 权利要求8所述方法，其中所述二级吸附剂为弱液态胺。
10、 权利要求8所述的方法，其中所述二氧化碳在温度升高时从二级吸 附剂中被释放。
11、 一种从气体中除去二氧化碳的方法，包括 使所述气体与容纳在多个腔室中的树脂接触，其中多个腔室是串联的；用水润湿所述树脂，其中水进入第一腔室，并经最后的腔室排出； 从所述树脂收集水蒸气和二氧化碳；和 从所述水蒸气中分离所述二氧化碳。
12、 权利要求ll所述的方法，其中所述多个腔室是通过多个阀门连接， 该阀门允许所述多个腔室中的任一个作为所述第一腔室或所述最后的腔室。
13、 权利要求ll所述的方法，其中所述第一腔室包含被来自所述气体的 二氧化碳最新饱和或部分饱和的树脂，而各个后续的腔室包含己润湿的树脂，并且从中收集二氧化碳的时间比前一腔室更长，依次类推直至所述最后 的腔室。
14、 一种从气体中除去二氧化碳的方法，包括将所述气体引入包含树脂 和活性炭的腔室中，润湿该树脂和活性炭，从该腔室中排出气体，以及从活 性炭中收集二氧化碳。
15、 权利要求14所述的方法，其中沸石材料被用于代替或在活性炭之外 使用。
16、 一种从空气中捕获二氧化碳的装置，包括直立塔，各个塔在接近塔 的底部有至少一个进气口，并且在接近塔的顶部有至少一个出气口；位于至 少一个进气口和至少一个出气口之间的腔室，所述腔室包含用于捕获二氧化 碳的离子交换树脂；以及水源，用于润湿该树脂以释放所述二氧化碳。
17、 权利要求16所述的装置，其中所述水是潮湿空气的形式。
18、 权利要求16所述的装置，进一步包括多个用于选择性地关闭至少一 个进气口和/或出气口的遮板。
19、 权利要求16所述的装置，进一步包括用于控制通过该塔的空气流的 风扇。
20、 一种从气体流中捕获二氧化碳的收集器，包括多孔材料和薄板形式 的收集器介质，其中所述收集器介质有可调节的几何体，以连续地提供气体 交换和液体交换。
21、 权利要求20所述的收集器，其中所述收集器的几何体是可调节的， 以使交换速率最大化。
22、 权利要求20的收集器，其中所述多孔材料被置于收集器介质的多个 薄板之间，并且其中该多孔材料被压縮以适应该收集器的几何体。
23、 权利要求20所述的收集器，其中所述多孔材料为可压縮薄板的形 式，其交替放置于收集器介质的多个薄板之间，并且其中该多孔材料的可压 縮薄板被压縮以适应该收集器的几何体。
24、 权利要求20所述的收集器，其中所述多孔材料为薄板形式，并且其 中该多孔材料的至少一个薄板和收集介质的至少一个薄板连接到中心轴上。
25、 权利要求24所述的收集器，其中所述收集器的几何体通过旋转中心 轴而调节。
26、 一种从气体中捕获二氧化碳的收集器，包括在一可折叠几何体中的 官能化材料，其中该收集器具有用于气体交换的初级孔隙和用于液体交换的 二级孔隙。
27、 一种从气体中除去二氧化碳的方法，包括捕获主要吸附剂材料上的 二氧化碳，用洗涤液洗涤主要吸附剂以产生流出物，将该流出物置于电渗析 单元的酸性侧，以及促使该电渗析单元的酸性侧的pH达到中性pH以释放二 氧化碳。
28、 权利要求27所述的方法，其中所述洗涤液的pH介于11-12之间， 并且所述流出物的pH为9-10。
29、 权利要求27所述的方法，其中用来自电渗析单元的碱性侧的液体作 为洗涤液。
30、 权利要求27所述的方法，其中渗透压将水从电渗析单元的酸性侧驱 动至碱性侧。
31、 一种从气体中除去二氧化碳的方法，包括使所述气体流动，在第一 腔室中与树脂接触，从所述第一腔室中排出所述气体，用水润湿所述树脂， 从所述树脂收集水蒸气和二氧化碳，以及从所述水蒸气中分离所述二氧化 碳。
32、 权利要求31所述的方法，进一步包括在从所述第一腔室中排出所述 气体的步骤之前，将该树脂置于所述第一腔室中。
33、 权利要求31所述的方法，其中当排出所述气体流时，所述第一腔室 接近真空压力。
34、 权利要求31所述的方法，其中所述树脂通过蒸气形式的水来润湿。
35、 权利要求31所述的方法，其中所述树脂通过浸入水中来润湿。
36、 权利要求31所述的方法，其中增大压力以凝结水蒸气将所述二氧化 碳从所述水蒸气分离。
37、 权利要求31所述的方法，其中使用弱碱性胺将所述二氧化碳从所述 水蒸气分离。
38、 权利要求32所述的方法，其中多个腔室串联，并且其中水进入第一 腔室并通过最后的腔室流出，从所述最后的腔室中收集所述二氧化碳和水蒸 气。
39、 权利要求38所述的方法，其中所述多个腔室是通过多个阀门连接， 该阀门允许所述多个腔室中的任一个作为所述第一腔室或所述最后的腔室。
40、 权利要求38所述的方法，其中所述第一腔室包含被来自所述气体流 的二氧化碳最新饱和的树脂，而各个后续的腔室包含已润湿的树脂，并且从 中收集二氧化碳的时间比前一腔室更长，依次类推直至所述最后的腔室。
全文摘要
本发明公开了一种从气体流中除去二氧化碳的方法，包括将该气体流与树脂接触，用水润湿该树脂，从该树脂中收集水蒸气和二氧化碳，以及从水蒸气中分离二氧化碳。该树脂可置于一个腔室或串联的多个腔室中，其中第一腔室包含首先被气体接触的树脂，而各个后续的腔室包含已润湿的树脂，并且从中收集二氧化碳的时间比前一腔室更长，以此类推直到最后的腔室。二级吸附剂可用于进一步从水蒸气中分离二氧化碳。
文档编号B01D53/02GK101657246SQ200880012331
公开日2010年2月24日 申请日期2008年4月17日 优先权日2007年4月17日
发明者乔治·格里姆, 克劳斯·S·拉克纳, 平 刘, 卡尔·麦迪逊, 厄休拉·金斯特, 埃德·利昂-格雷罗, 艾伦·B·赖特, 蒂莫西·卡特森, 赖海·伊西卡瓦, 马克·马尔科姆森 申请人:环球研究技术有限公司