从空气中除去二氧化碳的制作方法

专利名称：从空气中除去二氧化碳的制作方法
技术领域：
本发明涉及从空气中除去被选择的气体。本发明尤其用于从空气中提取二氧化碳 (CO2),并就这方面的用途加以说明，然而其他用途也应被考虑。
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。在CO2排放的多种来源中有 大量小而广泛分布的排放体，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放CO2进入大气。这些主要来源和其它来源结合 起来导致产生了大气CO2浓度的急剧增加率。在所有排放体在其源头被纠正之前，都需要 其他技术来捕获不断增加的(尽管相对较低)背景水平的大气co2。人们正在努力提高现 有的减排技术并开发用于直接捕获周围环境的CO2的新型技术。这些努力需用方法学来管 理由此产生的浓缩的CO2废物流，以防止它被重新引入大气。CO2的产生发生在多种工业应用中，例如电力发电厂从煤中产生CO2以及在碳氢化 合物的使用中产生CO2，碳氢化合物通常是在燃烧装置(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CO2气体，这些CO2气体目前被简单地释放到大气中。 然而，随着对温室气体的日益关注，必须缩减来自所有来源的CO2排放。对于移动源来说， 最佳的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来收集co2。从空 气中除去CO2的优点在于它不再需要将CO2储存在移动装置上。从环境空气中提取二氧化碳(CO2)使得有可能使用碳基燃料并在事后处理相关的 温室气体排放。由于CO2按百万分之几的数量计既无毒也无害，而仅仅是通过在大气中积 累才造成环境问题，所以从空气中除去CO2有可能可以弥补在不同时间其他地方同样大小 的排放量。本领域已经提出了通过用CO2吸附剂使气体或空气经历压力摆动(swing)或热 摆动，从燃烧废气或直接从空气中除去CO2的多种方案。这些过程分别利用压力或温度变 化来改变吸附剂材料的状态，由此释放co2。已经公开了不同的吸附剂材料，包括沸石、胺 类和活性氧化铝。例如参见美国专利No. 4，711，645 ；美国专利No. 5，318，758 ；美国专利 No. 5，914，455 ；美国专利No. 5，980，611 ；美国专利No. 6，117，404 ；和共同未决的美国申请 No. 11/683，824，将其内容整体引用纳入本文。然而，这些参考文献都没有提供特别有效的除去CO2的工艺，主要是因为在CO2回 收以及吸附剂再生中消耗的能量的量。

发明内容
本发明提供对上述现有技术的改 进。具体而言，本发明提供一种通过使用吸附剂 从气流中除去污染物的方法和装置，该吸附剂在足够干燥时捕获污染物如二氧化碳(CO2)， 并且在暴露于水或湿气中时，将污染物释放到所控制的大气(contained atmosphere)中。在一种替代的实施方式中，可通过将吸附剂置于可再生单元中对其进行再生，该再生单元 保持比气体流更高的温度，并且通过将吸附剂穿过热交换器来保存再生后吸附剂所保留的 热量。最后，湿度和温度摆动的结合可用于优化吸附剂再生。为保存能量，本发明可采用以水作为致冷剂的热交换器，其中水在疏散空间中蒸 发以从再生的吸附剂中吸收热，然后水在负载有污染物的吸附剂上凝结。也考虑使用其他 液体作为致冷剂。或者，致冷剂可以与吸附剂隔离，以便不会干扰吸附剂的热功能。一方面，本发明提供一种从气体流中除去二氧化碳的方法，通过将所述气体流与 表面嵌有阳离子的底物接触，并利用湿度摆动从所述底物释放二氧化碳。在该表面上最初 包含有单独移动的阴离子，其中通过与所述阴离子反应，所述气体流中的二氧化碳结合到 该底物上。在进一步的实施方式中，通过与所述阴离子反应形成碳酸氢盐，该二氧化碳被捕获。另一方面，本发明提供一种从湿空气中除去二氧化碳的方法，包括将湿空气与表 面上形成氢氧根离子的材料相接触，其中湿空气中的二氧化碳通过与氢氧根离子反应而结 合在该材料的表面上；并且向材料施加偏置电压，该材料释放氢氧根离子和二氧化碳。在另一方面，本发明提供一种从气体流提取污染物的方法，包括步骤a)使气体流与吸附剂接触，该吸附剂从气体流中捕获污染物，以便用该污染物饱 和至少部分吸附剂；b)将携带污染物的吸附剂放置在再生单元中，用于从吸附剂中释放污染物，并再 生该吸附剂，其中该再生单元保持温度高于气体流的温度；和c)从该再生单元中除去再生的吸附剂；和d)当从该再生单元除去再生的吸附剂时，从该吸附剂中捕获热。最后，本发明在另一方面提供一种采用温度摆动用吸附剂从气体流中提取污染物 的装置，包括一吸附剂，用于捕获该污染物；一捕获单元，其中该吸附剂暴露于气体流，并 且至少部分地用污染物饱和；一再生单元，其中该吸附剂暴露于升高的温度下，从而引起吸 附剂根据温度摆动释放该污染物；以及一热交换器，用于从再生单元的吸附剂中提取保留 的热。


从以下详细描述，结合附图，可以看出本发明进一步的特征和优点，其中图1是示出根据本发明的一个方面，从气体流中除去污染物的方法的流程图；图2是示出根据本发明的第二方面，从气体流中除去污染物的方法的流程图；图3是示出根据本发明的第三方面，从气体流中除去污染物的方法的流程图；图4是根据图3所示的方法，用于从气体流中除去污染物的装置的示意图；和图5是根据图3所示方法的替代的实施方式，用于从气体流中除去污染物的装置 的示意图。
具体实施例方式本发明提供一种从气体流中提取污染物的方法和装置。本发明就从环境空气中捕 获CO2的方法和装置进行讨论，但是该技术也适用于废气或其他气体流，并可用于从这些气体流中捕获硫化氢、氨、或者其他常见的污染物。在授予共同受让人并在此整体弓丨用引入本文的共同未决申请No. PCT/US07/84880 中，讨论了一种CO2捕获工艺，该工艺使用湿度摆动来再生吸附剂，释放CO2和水蒸气的混合 物。水蒸气可通过压缩或冷却从该混合物中除去，其中压缩或冷却中任意一种都会引起水 蒸气凝结并从混合物中沉析出来。本发明的第一方面提供一种改进的底物，该底物能够保持嵌入它表面的阳离子， 从而利用湿度摆动促进二氧化碳的捕捉和释放。见图1，对于固体底物来说，为了有效地吸 收CO2,它必须使大的表面积暴露于气体流中，并且它需要能够通过某些机制暂时保持CO2 分子。本发明使用的机制是基于正离子与负离子之间的结合能，以及碳酸根离子与碳酸氢 根离子之间的相互作用。负载有结合的正离子的基质会紧紧抓住负离子，即使负离子是单 独移动的。与正离子相反，负离子在水中是移动的。当这些离子“溶”入水中时，它们的动 力学将类似于溶解盐中的相同的离子。然而，底物上的正电荷必须被某些负电荷中和。底物的最初制备可以使用任何负离子以满足电荷平衡，但是根据本发明，用氢氧 根离子代替这些负离子是有益的。由于两个原因这也是很难的。一个原因是底物本身可能 被氢氧化物溶液破坏；例如它可能溶解或与氢氧化物化学反应。第二个原因是一旦附着，氢 氧根离子在干燥环境中不稳定。在这种情况下，两个氢氧根离子会反应形成水和一个氧离 子。在正离子间距小的地方更有可能是这种结果。如果它们间距足够远，该结果的可能性 较小。结合在表面的氢氧根离子能够与CO2反应形成碳酸氢根离子。然后两个碳酸氢根 离子能够反应形成水、CO2、以及碳酸根离子。在这种情况下，比起碳酸氢盐，能量学可能更 有利于形成碳酸盐。这样，CO2负载可能限于碳酸盐所能实现的水平。为优化该过程，能量 学必须是在干燥的表面碳酸氢盐比碳酸盐更占优势。此外，阳离子在水存在下必须不浸 出。此时可以设计碳酸盐和碳酸氢盐之间的能量差异以控制这两项之间的平衡。通过优化 能量差异，可以保证碳酸盐负载(最大值的50% )和碳酸氢盐负载(最大值的100% )之 间的底物负载的大变化发生在CO2分压接近环境空气压力的情况下。当暴露于水中时，上述材料将水中的碳酸氢根离子转化成碳酸根离子、水和C02。 因此，当润湿时，该材料将释放大量二氧化碳。2HC03 — H20+C02+C(V2底物运载水的能力应尽可能减到最小，限制需要被除去的水的量，之后该表面能 再次吸附co2。然而，底物材料应高度多孔，使表面积最大化。此外，该表面应该覆盖有吸引 极性分子(如水分子)的离子。由于最后这两个特征可能与限制水运载能力的需求相冲突， 因此需要进一步优化。水摆动将与具有上述性质的任何底物一起发挥作用。在水存在的情况下，溶解于 水中的离子将达到一种平衡状态，该状态与人们在水溶液中预期的类似，其与具有特定CO2 分压的大气相平衡。在不存在水的情况下，碳酸根离子的能量状态是不利的，因此以碳酸氢 盐形式存在的CO2的负载能够增加。在常规强碱性季铵树脂中就是这种情况，并且对于包 括固定在表面上的离子的所有结构来说似乎也是如此。为理解根本的机制，可以定义整个 底物家族，该家族从空气中收集CO2,并通过湿度摆动释放co2。可以通过将嵌入底物中的阳离子充分隔开，使得单个的双电荷离子如CO3-2不会覆盖两个正离子来实现防止形成碳酸根离子而有利于碳酸氢根离子。其他的设置也是可行的。在干燥状态下，阳离子可能被氢氧根离子中和。然而，如果这种形式的体系不稳定，则 氢氧化物将转化成氧化物，并且释放出水。在这种体系中，水将与CO2竞争以便吸收在表面 上。强碱性四级树脂如Marathon A满足上述标准。然而，还存在其他底物，它们可以 承载这种阳离子，并且具有对于本发明目的更有效的性质。例如，一类满足这些要求的离子 型底物是通过将离子植入材料表面而形成的材料，这些离子必须被喷溅在材料表面上。这 引入了一大类本来难于表面功能化的材料。其他方法可能包括矿物或其他无机材料的功能化，其中缺陷可以容纳在表面上， 并且使其即便在水存在下也是稳定的。重要的是，形成的材料对于碳酸盐和氧化物的形成 是稳定的。推测来看，相同的间距参数使其有可能避免形成氧化物，该氧化物可能使两个电 荷无效。必须抑制的两个反应是20F — H2CHCT2和2HCCV — H20+C02+C(V2在这两种情况下，这可以通过将离子隔开足够远来实现，因为二价负离子在两个 单个正电荷存在的情况下是不稳定的。沸石是满足上述标准的另一类材料，尽管CO2和H2O与表面已经有一些结合，其可 能使得问题复杂化，但沸石提供大量表面积，这是另一个重要的因素。其上可以添加正离子的非-电活性材料也满足本发明的上述标准，正离子也可以 通过引入负缺陷进行代替，即一种缺失的负离子实际上可以像净正离子一样起作用。电活 性材料将筛选出被固定的电荷。重要的是正净电荷被固定在底物上，并且在水存在的情况 下不会溶解掉。在一种优选的实施方式中，本发明提供了一种强碱性树脂，其中氢氧根离子逐渐 被无机碳离子代替。化学计量学是最终状态倾向于是碳酸氢根而不是碳酸根，因为每吸收 一个CO2分子实质上就存在一个正电荷。该树脂是吸湿性的，但是更重要地，树脂上的CO2 分压不仅是树脂的CO2负载的函数，而且是气体中水蒸气的函数。对空气中湿度变化的响 应是非常迅速的。相关因素似乎是空气中的CO2蒸气浓度。然而，在设定系统中CO2的平衡 分压时，树脂上水的负载也是一个因素。结果表明对水蒸气的依赖更多地是被绝对湿度而 不是相对湿度所驱使。因此，该系统在热干气候和冷湿气候中都能很好地平衡，因为两者具 有相似的露点温度。与现有技术的常规金属氧化物相比，本发明的树脂的优点是双重的首先它与CO2 的结合比典型的金属氧化物或氢氧化物更弱；其次它具有异常大的表面用于吸收co2。负载 可以达到接近每升两摩尔CO2的浓度。不是在氢氧化钠中洗涤树脂，而是使用碳酸钠溶液从树脂上洗掉C02。已经证明， 这使得树脂被CO2以每两个正电荷一个碳离子饱和。因此在这种状态下，树脂类似碳酸盐 而不是碳酸氢盐。然而，完全饱和的吸附剂能够驱使所得的碳酸盐/碳酸氢盐混合物变为 几乎完全由碳酸氢盐组成。这可能是由于可利用的表面积的量造成。
该树脂的另一个优势在于，正电荷之间的间距被优化以阻碍碳酸根离子在树脂上 沉积而有利于碳酸氢根离子。似乎该树脂可以达到一种状态，此时它对于树脂上每个正电 荷结合一个碳离子，并且它在环境条件下达到这一状态。此外，当该树脂从每两个正电荷少 于一个碳离子变化到每两个正电荷多于一个碳离子的组成时，反应动力学并没有打破。这 可能是因为正电荷之间的距离太大，而不能被双电荷的碳酸根离子覆盖。相反，碳酸根似乎 分解了一个水分子，并且转化成碳酸氢根离子和氢氧根离子。这两种离子独立地中和每个 电荷。当存在水的时候，碳酸根离子的大水化云阻碍该反应。因此当该表面上的水被除去 时，它留下了一种系统，该系统在空气暴露更多的氢氧根离子时，从空气中吸收额外的碳酸 氢根。树脂的平衡状态明显受到空气的水蒸气含量的影响。对干燥空气来说，负载远远高于潮湿空气的负载。这形成本发明的水蒸气摆动的基础。对于按如上所述运作的吸附剂来说，该吸附剂应该包括以一种方式嵌入吸附剂基 质中的正离子，该方式允许该基质吸引负离子，如0H—、Cl—、CO3 =和HC0”保持基本上固定 不动对正离子来说是很重要的。同时，正离子之间的间距应该是有利于碳酸氢盐形式而不 是碳酸盐形式。对于几乎无水分残留的表面来说，碳酸根离子将缺少大部分的水化云，因此 它们与其在稀盐水中相比稳定性较差。如上所讨论，相信水分子被CO3 =分解形成HCO3_和 0H—。然后这两种离子与正位点结合。在这种系统中，即使化学计量法为一个碳酸根对应两 个正离子，还能保持CO2吸收能力。氢氧化物预先形成，然后吸收第二个CO2形成第二碳酸 氢盐。可能是其他机制在发挥作用。尽管如此，碳酸氢盐比碳酸盐稳定，这一本质特征无疑 是正确的。另外清楚的是，如果位点之间的距离太大，也有利于碳酸氢盐。有几种策略改进这种吸附剂。第一种是优化正离子的间距和当前树脂中的其他 关键参数。第二种改进是寻找不同的材料。一个实例是高度多孔的、高表面积(活性的) 的金属氧化物和金属氢氧化物，它们可以与树脂一样进行相同的处理。特别是，对已经部 分碳酸盐化的氧化物很感兴趣，无论是否能够促使它们形成碳酸氢盐。由Na2C03、Al (OH) 3、 Mg(OH)2^Fe2O3形成的高表面粉末是几个实例。更具体的实例包括活性氧化铝、活性氧化镁 和活性氧化铁。一种替代的实施方式包括在湿空气存在下形成氢氧化物的金属，见图2。在这种情 况下，可以将金属表面看作电极，该电极能够相对于空气形成偏置电压。在电压存在下，羟 基化反应是可逆的。也就是说，应该有可能根据该反应减少它表面的金属、游离水和氧气
M++ (OH )2 ^lM + 4e" + 2H20 + O2， 通过逆转电压，有可能逆转该反应，并再次形成氢氧化物层。通过改变施加的偏置 电压，该反应可以被正向或逆向驱动。然后，氢氧化物一旦形成，就在CO2存在下被转化成 碳酸盐或碳酸氢盐。尽管偏置电压会破坏氢氧化物，但是碳酸盐在电压改变的情况下是不 稳定的，并因此脱落。因此，有可能通过电压转换驱除C02。这种转换也能由4个氢氧根离 子产生水和氧气，但是此处消耗的能量可以在紧接的逆转中重新获得，该逆转也可以重新 获得氢氧化物。 这种系统可视为类似于充电的电容器；一种化学存储电容。电压的逆转将重新获 得在正向摆动中输入该系统的大部分能量。因此，将寻找低频振荡(依赖于电路的RC值)，这将使得驱动CO2脱离薄膜。有可能在单个摆动中清除CO2，但也可能花费一个以上的周期。 也有可能从气体流中回收CO2，同时水和氧气保留在系统中。这可以通过使湿氧气、水混合 物流经该系统，当CO2从该表面脱离时将CO2带出系统来实现。因为输入流中存在水和氧 气，逆反应将在没有阻碍的情况下发生，同时CO2被气体流带走。碳酸氢盐和碳酸盐对表面的亲和力取决于施加的偏置电压。因此可以使吸附剂的 结合强度与选择用于优化条件中的偏置电压相适应。然后有可能简单地通过改变没有氧气 形成的方案中的偏置电压，来改变CO2的平衡分压。这将提供另一种回收CO2的机制。在这 种方案中电压转换不足以驱除氢氧化物，但是足以改变CO2分压。如果电压非常快地来回变换，那么产生氧气时消耗的能量将会在回收氢氧化物时 立即返回。众所周知，CO2吸收率低，因此一旦CO2被压出，则CO2可在它有机会返回到基质 之前被回收。海绵金属将有可能产生大量的表面，并且用偏置电压控制化学行为。可操纵 该偏置电压，以确保维持与电极材料所有部分的电接触。然而，有必要控制氢氧化物形成， 因为太多氢氧化物的存在可能抑制传导率。就消耗的能源来说，碳酸盐和碳酸氢盐之间操作比碳酸盐和氢氧化物之间操作更 有利。另一方面，通过使用保持氢氧化物层完整的偏置电压，或者使用一种其中正电荷之 间的间距使得碳酸氢盐的形成在能量上受到抑制的材料，将得到一种在氢氧化物和碳酸氢 盐之间操作，而不产生碳酸盐作为中间物的装置。这可能需要正电荷之间的间距比正常间 距更大的材料。该间距比简单氢氧化物晶体通常可行的间距要大。有几种方式生产这种材 料。其中一种是将正离子嵌入贵金属或半_贵金属中，如锡-铜，铝_铜，镁_铝，镁_铜或 铁-铜合金。具有优选为1氧化态的元素的合金也是有益的，如具有铜或其他更贵的元素， 包括银的钠、钾、锂合金。还可以是碳基质，它用于使固定的正离子相互分离。这种策略可 以导致离子注入，可能通过使粒子束进入活性炭表面或者其他金属表面。另一种替代的实施方式可以使用半导体，如掺磷Si。磷原子作为正电荷嵌入中性 基质中。如果偏置电压是足够正性的，磷原子将吸引氢氧化物，并由此可以作为隔开的氢氧 化物。另外，通过改变偏置电压，有可能首先操控部分负载的表面上的CO2平衡分压，并且 在完全驱除氢氧化物的极端情况下，从表面除去几乎所有co2。这些氢氧化物反过来与碳酸盐或者碳酸氢盐结合。这些材料可以被优化以产生恰 到好处的结合能。理想地，消除碳酸盐的结合使得主要的结合是与碳酸氢根离子。通过产 生纳米多孔材料，可以创造大量的结合位点。然后，通过摆动电压，可以偏置CO2结合能，并 由此使CO2从底物离开。也可以驱动电压很高使得水也会脱离。这要求快速的摆动，以便 氧气形成的能量在摆回氢氧化物时立即被回收。在不违背上述的本发明的精神和范围的情况下，进一步的实施方式也是可能的。 例如，一种改进的底物可以由硅酸钠组成或者包括硅酸钠，其中采用嵌入有离子的疏水性 树脂；活性氧化铝；包括气凝胶在内的泡沫材料；官能化水性泡沫或其他泡沫；或大的复合 阳离子，如铜复合物。此外，通过使用不同的粘合剂或通过重塑该树脂，可修饰该底物。本发明的另一发面，用热交换器进一步改进上述实施方式。见图3。为完成湿度摆动，将吸附剂暴露在低压水蒸气中是有益的。为了达到所需的最小水蒸气压力，可能有必要 在环境温度以上进行操作，因为最大的水蒸气压力强烈依赖于温度。为此，上述共同未决的 申请讨论如何将热传递到负载的吸附剂上，该吸附剂需要被插入较高温度的环境中。
当采用压缩将水从所得的气体混合物中凝结出来时，可以将该过程产生的热传递 至吸附剂以根据需要升高温度。或者，将吸附剂驱动至所需温度下需要的热也可以来源于 水的凝结，这些水是已经在环境条件下蒸发的水。本发明采用热交换方法增加捕获过程的 效率。参考图4，该过程采用一种装置，包括捕获单元10和再生单元20，具有可以从一个 单元移动到另一单元的吸附剂材料30。气体流15进入捕获单元10，污染物(该例子中， CO2)被吸附剂30捕获。然后，将吸附剂转移到再生单元20，在此污染物被释放进入流体25。 通过用水作为将热从再生吸附剂转移到负载的吸附剂的手段，可以辅助该过程。为了本发明这一方面的目的，吸附剂材料可以是能够吸收CO2的液体，如氢氧化钠 溶液、碳酸钠溶液或者胺溶液；或者可以是固体，如固体胺树脂或其他离子交换树脂。 在主要的实施方式中，捕获单元是对环境空气开放的。假定再生单元的温度为T1, T1比Ta高，其中Ta是环境空气温度。例如，T1优选地比！；高至少20°C。捕获单元中的吸 附剂材料必须被带入再生单元中以释放C02。再生单元提高吸附剂的温度以释放C02。然后 吸附剂材料返回到捕获单元。例如，这种热摆动可以上升到环境温度以上的高达约100°C。 维持再生单元处于温度T1所需要的热量可以由热存储器40提供，如地下水库或蓄水池，或 者可以从其他来源提供，包括但不限于太阳能、地热能或者来自其他过程的废热，如电厂、 钢铁厂、水泥厂。再参考图4，水从再生的吸附剂中吸收热，并且蒸发，蒸发的水沿路径35转移到负 载的吸附剂上时，并在此凝结。然后，该凝结水沿路径36返回到再生单元。为了避免任何 不必要的损失，在吸附剂再次暴露于大气之前，来自吸附剂的热可以被返回到再生单元，从 而存储能量。例如，这可通过将水蒸发到疏散空间来实现。水蒸气包含蒸发的潜热，如果水在较 高的温度下被压缩，它将在较高的温度下释放其热含量。实现这种转变的一种方法是使水 在吸附剂的表面凝结。然而，在某些情况下这可能产生相反效果，因为水的存在可能干扰某 些吸附剂释放CO2。对于无法与水接触的吸附剂来说，可能存在其他的以类似方式配置的工作流。在 这种情况下，重要的是工作流自身不干扰CO2从吸附剂释放，并能够容易地从释放的CO2中 分离。对于大多数吸附剂来说，水是良好的选择，因为水在压缩时将冷凝下来，并因此易于 从CO2中分离。作为工作流的CO2不需要从产品CO2中分离，但是它自然会在某种程度上干 扰从吸附剂释放CO2的过程。然而，有可能在高压时除去大量压缩的CO2，并大量减少残留 CO2的体积，使得随后的膨胀并不能提供足够的热物质用于产生的温度下降来有效地冷却 该腔室或其内部的吸附剂。参考图5，还可能在热交换器40中从吸附剂30分离工作流，在此情况下工作流可 用于将热从环境条件、或者从再生单元的升高的温度中传递到负载CO2的吸附剂材料，该材 料即将沿路径41进入再生单元。还有可能通过将热直接从温热的再生吸附剂下降自然温 度梯度而传递到冷的负载CO2的吸附剂，来实现某些转变。而且，当工作流与吸附剂30分 离时，最佳的工作流选择不限于水。例如，可能是CO2，其在接近环境条件下被认为是致冷剂 的良好选择。其他致冷剂，如R-12或R-22在该设置中也是可行的。因此本发明提供了一种吸附剂，其在受控的温度下吸收气体，如CO2，并且使其自身完全或部分地载有它正吸收的气体。当吸附剂进入再循环回路时，将它称为负载的吸附剂，即使负载并没有达到它可以达到的最大水平。该吸附剂在升高的温度下被回收，本发明 的目的在于提供需要驱动吸附剂达到较高温度的热。可以隐含地推测，本发明还提供释放 气体所需要的热，但是在典型的情况下，与加热吸附剂需要的热相比，它是很少的。不管这 种热的量是否被认为是少量的，在加热吸附剂的时候，可以理解也提供了这种热量。
应该强调的是，本发明的装置和过程的上述实施方式，特别是，“优选的”实施方式 仅仅是可能实施的实例，并且仅仅为清楚理解本发明的原则而提出。可以在不背离本发明 精神和范围的情况下设计和/或制造此处描述的本发明的许多不同的实施方式。所有这些 和其他的修改或者变化也包含在本说明书的范围内，并且被以下的权利要求书保护。因此 本发明的范围不受到除附加的权利要求书中说明以外的限制。
权利要求
一种从气体流中除去二氧化碳的方法，包括将所述气体流与表面嵌入阳离子的底物接触，其中在所述表面上包含单独移动的阴离子，并且其中来自所述气体流的二氧化碳通过与所述阴离子反应而与所述底物结合；和通过利用湿度摆动，从所述底物中释放二氧化碳。
2.如权利要求1所述的方法，其中嵌入的阳离子有最小的间距，以防止所述阴离子相互作用。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述阴离子是氢氧根离子。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述底物是强碱性季胺树脂。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述底物是通过将阳离子材料喷射在中性底物材料 上而形成。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述底物包括沸石材料。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述底物是由其中添加了正离子的非电活性材料形成。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述底物包括活性氧化铝作为材料。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述底物包括活性氧化镁作为材料。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述底物包括活性氧化铁作为材料。
11.一种从气体流中除去二氧化碳的方法，包括将所述气体流与表面嵌入阳离子的底物接触，其中在所述表面上包含单独移动的阴离 子，并且其中所述气体流中的二氧化碳通过与所述阴离子反应形成碳酸氢盐而与所述底物结合。
12.如权利要求11所述的方法，其中通过用碳酸钠洗涤，将所述碳酸氢盐从所述底物 中释放。
13.如权利要求11所述的方法，其中通过用湿度摆动，将所述碳酸氢盐从所述底物中 释放。
14.一种从湿空气中除去二氧化碳的方法，包括将该湿空气与表面形成氢氧根离子的材料接触，其中湿空气中的二氧化碳通过与氢氧 根离子反应而结合到该材料的表面；和将偏置电压施加到该材料上，该材料释放氢氧根离子和二氧化碳。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述氢氧根离子和二氧化碳反应生成碳酸盐。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述氢氧根离子和二氧化碳反应生成碳酸氢盐。
17.如权利要求14所述的方法，其中所述材料由嵌入半贵金属的正离子组成。
18.如权利要求14所述的方法，其中所述材料由掺磷硅组成。
19.一种从气体流中除去污染物的方法，包括步骤a)使气体流与从该气体流中捕获污染物的吸附剂接触，使得该污染物至少部分地饱和 该吸附剂；b)将携带污染物的吸附剂置于再生单元中，以便从该吸附剂中释放污染物并再生该吸 附剂，其中该再生单元维持在高于气体流温度的温度处；c)从该再生单元中除去该再生的吸附剂；和d)当从再生单元中除去再生的吸附剂时，从该吸附剂中捕获热。
20.如权利要求19所述的方法，其中从吸附剂再生中捕获的热用于在步骤(b)将吸附 剂置于再生单元之前，升高携带污染物的吸附剂的温度。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述污染物是二氧化碳。
22.如权利要求19所述的方法，其中所述气体流是废气流。
23.如权利要求19所述的方法，其中所述气体流是环境空气。
24.如权利要求19所述的方法，其中所述吸附剂是液体。
25.如权利要求19所述的方法，其中所述吸附剂是固体。
26.如权利要求19所述的方法，其中热量是在制冷循环中利用热交换器从再生的吸附 剂中捕获。
27.如权利要求26所述的方法，其中用水作为制冷循环中的致冷剂。
28.如权利要求27所述的方法，其中致冷剂水是用再生吸附剂中交换的热来蒸发。
29.如权利要求28所述的方法，其中该蒸发的水凝结在携带污染物的吸附剂上。
30.如权利要求26所述的方法，其中所述热交换器用二氧化碳作为致冷剂。
31.如权利要求26所述的方法，其中所述热交换器使用不与吸附剂接触的致冷剂。
32.如权利要求19所述的方法，其中利用来自太阳能、地热能以及来自工业过程的废 热之一的来源，使所述再生单元维持在高温。
33.一种采用热摆动用吸附剂从气体流中提取污染物的装置，包括 用于捕获所述污染物的吸附剂；捕获单元，其中所述吸附剂暴露于所述气体流中，并且至少一部分被污染物饱和； 再生单元，其中所述吸附剂暴露于升高的温度，由此根据热摆动造成吸附剂释放污染 物；和热交换器，用于从再生单元的吸附剂中提取保留的热。
34.如权利要求33所述的装置，其中通过热交换器提取的热用于在将至少部分饱和的 吸附剂置于再生单元之前，升高该至少部分饱和的吸附剂的温度。
35.如权利要求33所述的装置，其中所述污染物是二氧化碳。
36.如权利要求33所述的装置，其中所述气体流是环境空气。
37.如权利要求33所述的装置，其中所述吸附剂是液体。
38.如权利要求33所述的装置，其中所述吸附剂是固体。
39.如权利要求33所述的装置，其中所述热交换器用水作为致冷剂。
40.如权利要求33所述的装置，其中所述热交换器用二氧化碳作为致冷剂。
41.如权利要求33所述的装置，其中所述热交换器使用不与吸附剂接触的致冷剂。
全文摘要
本发明提供一种从气体流如环境空气中除去污染物如二氧化碳的方法和装置。通过吸附剂从气流中除去污染物，该吸附剂可利用湿度摆动、热摆动或其结合进行再生。该吸附剂可包括底物，该底物具有嵌入的正离子和单独移动的阴离子，其中正离子是充分隔开的，以防止负离子之间的相互作用。当使用热摆动时，可采用热交换器来保存热，将热从再生的吸附剂传递至一定量的再生之前携带污染物的吸附剂上。
文档编号B01D53/14GK101848754SQ200880114790
公开日2010年9月29日 申请日期2008年11月5日 优先权日2007年11月5日
发明者克劳斯·S·拉克纳, 艾伦·B·赖特 申请人:环球研究技术有限公司