专利名称：氙气和其他高价值化合物的回收的制作方法
氙气和其他高价值化合物的回收相关申请的交叉引用本申请要求2010年6月25日提交的第61/358,843号美国临时专利申请的参照35USC119的优先权。领域本发明涉及从含有化合物的工艺流(process stream)、材料或环境吸附回收化合物。相关技术描述在许多工业化生产过程和工业应用中，气态材料被生产出或以其他方式存在，所述气态材料如果不回收、再循环、和/或再加工，则其易于损失或降解。这种材料可以是化学反应或处理过程的副产物、利用气体应用中未完全消耗的气体、矿产开采操作中的气态流出物等。这些气态材料可作为再循环原料或试剂、或作为用于进一步加工或使用的原材料而具有重要价值。这些材料也可能是工艺流程或相关设施周围环境中的重要污染源，因此需要捕获以防止这类污染的发生。发明概沭本文公开内容涉及从含有化合物的工艺流、材料或环境吸附回收化合物。
本文公开内容一方面涉及一种从含有氙气的工艺流、材料或环境回收氙气的方法，所述方法包括将源自这种工艺流、材料或环境的含氙气体与能有效吸附捕获含氙气体的碳吸附剂接触，去除或降低所述工艺流、材料或环境的含氙气体中最初与该氙共存的液态物种的浓度，其中碳吸附剂的堆积密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)范围内，且大多数孔的孔隙率在5至8埃范围内。本文公开内容另一方面涉及一种氙捕获装置，包括:密闭容器(containmentvessel)；该密闭容器中的碳吸附剂，其中该碳吸附剂对氙气有选择性，碳吸附剂的堆积密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)范围内，且大多数孔的孔隙率在5至8埃范围内。在另一方面，本文公开内容涉及一种氡监测组件，包括:容器:盖子，其能与所述容器接合以封闭容器内部体积；在所述容器中的碳吸附剂，所述碳吸附剂相对于大气气体对氡气有选择性；和书面标记，包括所述氡监测组件的使用说明。本文公开内容的另一方面涉及一种在氡易存在或流入的场所检测氡污染的方法，包括将如上文所述的氡监测组件以开盖的状态放置于所述场所，以使所述碳吸附剂与周围气体接触，以及在预定的一段时间后重新盖上容器以提供内装样品用于氡污染的分析测试。本文公开内容再一方面涉及一种从含有高价值气体的工艺流、材料或环境回收高价值气体的方法，这种方法包括将工艺流、材料或来自环境的样品与对所述高价值气体有选择性的碳吸附剂接触。这种碳吸附剂的堆积密度可在750至1300kg每立方米(kg/m3)范围内，且大多数孔的孔隙率在5至8埃范围内。另一方面，本文公开内容涉及一种从含有高价值气体的工艺流、材料或环境回收高价值气体的系统，这种系统包括碳吸附剂，所述碳吸附剂设置用于接触所述工艺流、材料或来自环境的样品从而吸附捕获所述高价值气体。所述碳吸附剂的堆积密度可在750至1300kg每立方米(kg/m3)范围内，且大多数孔的孔隙率在5至8埃范围内。另一方面，本文公开内容涉及一种碳吸附剂，其堆积密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)范围内，且大多数孔的孔隙率在5至8埃范围内。本文公开内容的其他方面、特征和实施方案将由以下说明和所附权利要求而更充分地显而易见。附图简要说明
图1是二氟化氙清洁系统的示意图，其中处理来自清洁操作的含氙流出物用于从二氟化氙中分离氙，并捕获氙副产物。图2是氙/氮分离系统的示意图，其中处理这种气体混合物以回收氙成分。图3是吸附剂容器的串联阵列(array)示意图，其可用于回收高价值气体。图4是吸附剂容器的串联布置示意图，其中各吸附剂容器含有多种不同吸附剂介质的吸附剂床。
图5是吸附剂容器的串联布置示意图，其中所述容器含有导流板元件阵列，用于实现所期望的在各容器中待与吸附剂介质接触的气流的流体动力处理。图6是多个吸附剂容器布置示意图，其中外壳(housing)包含各吸附剂容器且外壳以圆盘传送带方式旋转，从而将入口和出口导管与特定的多个吸附剂容器之一依次耦接。图7是包含吸附剂床的吸附剂容器示意图，其中通过分配部件引入原料气，所述分配部件在其周围具有多个气流孔。图8是包含喷淋头设备的吸附剂容器的截面的垂直正视示意图，流入气体通过该喷淋头设备引入用于与容器中的吸附剂床接触。图9是包含歧管设备的吸附剂容器的截面的垂直正视示意图，流入气体通过该歧管设备引入用于与容器中的吸附剂床接触。图10是用于氡气检测和监测的吸附剂罐的透视正视图。图11是流体捕获容器的垂直正视图，该流体捕获容器可用于从存在高价值气体的过程或环境中回收高价值气体。图12是图11的流体捕获容器的截面的垂直正视图，示出其内部元件。图13是图11和图12的流体捕获容器的透视图。图14是图11的流体捕获容器上部的截面正视图。图15是图11-14的流体捕获容器的阀头和浸管组件的透视图。图16是图15的阀头和浸管组件的分解透视图。图17是图15的阀头和浸管组件上部的分解透视图。图18是图15的浸管组件下部的分解透视图。图19是图11-14的流体捕获容器的阀头的顶部平面图。
图20是图11-14的流体捕获容器的阀头的透视图。图21是图11-14的流体捕获容器的阀头的正视图。图22是图11-14的流体捕获容器的阀头的截面正视图。图23是图11-14的流体捕获容器的阀头的底部平面图。图24是阀头的分解视图，其是与参考图11-14的流体捕获容器所示出并描述相类似的类型。图25是使用图11-24所示出类型的流体捕获容器的氙回收设施的透视示意图。图26是适用于氙吸附的碳吸附剂的氮和氙吸附等温线曲线图，如注解基于该等温线计算的分离因子为7.67。
具体实施例方式本文公开内容是基于如下发现:使用堆积密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)范围内，且大多数孔的孔隙率在5至8埃范围内的碳吸附剂，可以实现高价值气体如氙气的极其有效的吸附回收。理想地，在273° K温度和I巴压力下测量，这种碳吸附剂对氙气的体积吸附容量至少为125。理想地，这类碳吸附剂的特征在于对于氙和氮的分离因子a)fe，N，其在2至12范围内。已经发现具有前述特征的碳吸附剂能以在使用其的设施(例如半导体制造设施)中占很小占地面积(footprint)的非常紧密的吸附剂配置方式有效吸附回收高价值气体如氣气。
在特定实施方式中，碳吸附剂的堆积密度可在800至1200kg/m3范围内，在其他实施方案中，碳吸附剂的堆积密度可在1000至1150kg/m3范围内。在特定实施方案中，在回收高价值气体如氙气中使用的碳吸附剂可具有的氙气吸附体积容量——在一些实施方案中——在125至150体积/体积(v/v)范围内，其在273° KU巴压力下测定。在其他实施方案中，碳吸附剂的氙气体积容量可以在125至145范围内，且在其他实施方案中，碳吸附剂的体积容量可以在128至140范围内，其在上文提到的标准温度和压力条件下基于体积测量。这类活性炭吸附剂对于分离和回收含有氮气作为混合物中主要气体组分的气体混合物中的氙气特别有利，其中氙气至少呈百万分之一水平。考虑到本文公开内容的碳吸附剂的特征是有利地用于从含有高价值气体如氙气的气体混合物中回收所述气体，可以使用吸附材料的平衡选择性作为描述吸附剂从氙气/氮气混合物中分离氙气能力的参数。碳吸附剂对于这类氙气/氮气混合物的平衡选择性反映了碳吸附剂分别对这类气体混合物的氙和氮物种的差别亲合性。本文公开内容的碳吸附剂高度吸附氙气。它们的平衡选择性可由以下方程表示a Xe，N= (nxe/nN) (pXe/pN)其中a Xe,N是碳吸附剂对氙气/氮气混合物的分离因子，η是特定成分的吸附量，且P是气体混合物中特定成分的分压。如上文讨论的，理想地，本文公开内容的碳吸附剂具有的对氙气/氮气混合物的分离因子a)fe，N在2至12范围内。在一些特定实施方案中，碳吸附剂的分离因子在3至10范围内。在其他实施方案中，分离因子的值至少为5。在其他实施方案中，分离因子α Xe, N的值为4至8。本文公开内容的碳吸附剂有利地用于从含有高价值化合物的工艺流、材料或环境中吸附回收高价值化合物，例如配置以回收高价值气体用于再利用、再循环或实现如没有这种回收将会损失的价值的其他处置中。如此处使用的，关于回收的气体、化合物和流体的术语“高价值”指的是，与⑴如果不回收这类材料所产生的损失、损耗或降解和/或(ii)不回收这类材料，由于其在环境中的损失、损耗或降解导致的整治、减排或其他必要行动的成本相比，这类材料在其回收时
具有重要价值。虽然下述说明在本文公开内容的各种实施方案中主要针对高价值“可回收”气体，但应当了解本文公开内容的回收配置和方法可有用地用于并适于流体回收，所述流体通常包含气体、液体、蒸汽、超临界流体等。在本文公开内容的方法中用于回收高价值材料的碳吸附剂可用于回收各种感兴趣的可回收物，所述可回收物易于在尺寸为5_8` Λ的孔中气体吸附。在这方面提出的碳吸附剂包括含有大量尺寸为5_8 I的孔的那些，优选地这类材料总孔隙率的大部分，例如>50体积％在该孔径范围内。特别有利的这类碳吸附剂总孔隙率的55体积％、60体积％、65体积％、70体积％、75体积％、80体积％、85体积％、90体积％、95体积％以上具有的孔尺寸为
5-8人。这类碳吸附剂可通过聚合原料、如聚偏二氯乙烯聚合材料的热解形成，其中进行热解和/或后热解步骤以产生这类孔隙率。在该方面有用的碳吸附剂可为任何适当的形式，如粉末形式，例如具有均匀粒径的粉末或由具有一定粒度范围(例如20至500 μ m范围内)的颗粒构成的粉末。碳吸附剂可以例如尺寸在0.6至15mm范围内的珠粒/挤出物，或例如特征尺寸大于IOOmm单块物的形式使用。优选的碳吸附剂优选由非石墨化的、或硬质碳构成，所述碳具有非结晶或微晶(无序)形貌。优选地，所述吸附材料是单块状形式，例如块体、砖体、圆盘、圆柱、棒形等形式的热解活性炭。或者，碳吸附剂有利地以颗粒形式，例如珠粒或粉末的形式提供。本文公开内容的碳吸附剂可通过将碳吸附剂与含有高价值流体成分的流体体积(fluid volume)、流或环境接触而容易地用于回收所述高价值流体成分。碳吸附剂可以例如单块状或颗粒状吸附物的床的形式在捕获或回收容器中使用，所述含有高价值成分的流体进入或通过所述捕获或回收容器。或者，碳吸附剂可以在容器中的吸附剂床中使用，该容器适用于变压(pressure swing)吸附和/或变温吸附处理,其中含有高价值流体成分的流体与容器中的吸附剂床接触，从而吸附捕获高价值流体成分。随后，使床层脱附，例如通过泄放压力和/或清洗气流和/或加热床层以脱附释放经吸附的高价值流体成分。活性炭材料吸附系统记载于以下美国专利，其公开内容在此以引用的形式全部纳入本说明书:授予Carruthers的第6，743, 278号美国专利、授予Tom等人的第5，518, 528号美国专利、授予Tom等人的第5，985，008号美国专利、授予Tom的第5，761，910号美国专利、授予Tom的第5，916，245号美国专利、授予Tom等人的第6，764，755号美国专利、授予Brestovansky等人的第6，991，671号美国专利、授予Tom等人的第6，027, 547号美国专利、授予Tischler等人的第6，019，823号美国专利、授予Tom的第5，917，140号美国专利、授予Tom等人的第5，993，766号美国专利、授予Tom等人的第5，704, 965号美国专利、授予Tom等人的第5，707，424号美国专利、和授予Tom等人的第5，704，967号美国专利。
对于特定应用，本文公开内容的碳吸附剂的孔径分布可在低至数十埃的范围“调整”，如通过例如改变聚合原料、热解条件和后热解加工以得到适用于给定高价值流体回收的碳吸附剂材料。在这方面，吸附剂的表征可使用孔度计、探针分子孔度计、拉曼光谱、X-射线衍射、扫描电镜和光学显微镜、以及其他本领域技术人员已知的用于表征吸附剂材料的仪器进行，从而确定用于制备本文公开内容的碳吸附剂的原料、方法条件和得到的特征。关于可根据本文公开内容用于特定回收应用的活性炭的热物理性质，下表I给出各种热物理性质的示例范围值，其可适用于具有单块状形式的用于回收高价值流体物种的活性碳吸附剂，以及本文公开内容示例的热解、单块状活性碳吸附剂的特定热物理性质。表I
权利要求
1.一种从含氙气的工艺流、材料或环境中回收氙气的方法，包括将来自所述工艺流、材料或环境的含氙气体与能有效吸附捕获所述气体的碳吸附剂接触，以去除或降低所述工艺流、材料或环境的所述含氙气体中初始与所述氙气共存的流体物种的浓度，其中该碳吸附剂具有的堆积密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)范围内，且大多数孔的孔隙率在5至8埃范围内。
2.权利要求1的方法，其中在所述接触前处理含氙气体以移除所述含氙气体中的一种以上对所述吸附剂有害的组分。
3.权利要求2的方法，其中所述一种以上组分包括二氟化氙和氮气中的至少一种。
4.权利要求2的方法，其中所述一种以上组分包括氮气。
5.权利要求4的方法，其中处理含氙气体以从其中吸附移除氮气，产生氮气减少的气体用于所述接触。
6.权利要求2的方法，其中所述一种以上组分包括二氟化氙。
7.权利要求6的方法，其中处理含氙气体以将所述二氟化氙泠凝至固体形式，产生二氟化氙减少的气体用于所述接触。
8.权利要求1的方法，其中所述碳吸附剂具有的堆积密度在800至1200kg/m3范围内。
9.权利要求8的方法，其中所述碳吸附剂为颗粒形式。
10.权利要求9的方法，其中所述碳吸附剂在流体密封容器中，该流体密封容器被设置用于接收所述含氙气体用于接触。
11.权利要求8的方法，其中所述碳吸附剂为单块体形式。
12.权利要求11的方法，其中所述碳吸附剂在流体密封容器中，该流体密封容器被设置用于接收所述含氙气体用于接触。
13.权利要求8的方法，其中所述碳吸附剂为聚偏二氯乙烯树脂的热解产物。
14.权利要求13的方法，其中在热解后处理所述碳吸附剂以改变其用于吸附氙气的孔隙率。
15.权利要求14的方法，其中通过包括水、蒸汽、渗透气体、高温和高压中的至少一种处理方式，处理所述碳吸附剂以改变其用于吸附氙气的孔隙率。
16.权利要求15的方法，其中所述碳吸附剂为单块体形式。
17.权利要求1的方法，其中所述含氙气体由氙气回收工艺提供，所述氙气回收工艺将来源气体混合物中的氙气由百万分之一水平浓缩至百分之一水平。
18.权利要求1的方法，其中所述含氙气体由使用二氟化氙的半导体制造装置清洁工艺提供。
19.权利要求18的方法，其中所述清洁工艺包括等离子体清洁工艺。
20.权利要求18的方法，其中所述清洁工艺不使用等离子体。
21.权利要求18的方法，其中半导体制造装置包括离子注入装置。
22.—种氙气捕获装置，包括: 密闭容器； 该密闭容器中的碳吸附 剂，其中该碳吸附剂对氙气有选择性，且其中该碳吸附剂具有的堆积密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)范围内，且大多数孔的孔隙率在5至8埃范围内。
23.权利要求22的氙气捕获装置，其中密闭容器适于含氙气体的流经，使碳吸附剂选择性吸附含氙气体中的氙气,且该容器使所述含氙气体的非氙气组分从其中排出。
24.权利要求22的氙气捕获装置，其中密闭容器适于含氙气体的流入，而不会同时从该密闭容器中排出气体。
25.权利要求22的氙气捕获装置，其中以与含氙气体源呈流动接收的关系配置密闭容器。
26.权利要求25的氙气捕获装置，其中所述含氙气体源包括氙气浓缩单元，该氙气浓缩单元将所述含氙气体的氙气浓度从百万分之一水平提高至百分之一水平。
27.权利要求25的氙气捕获装置，其中所述含氙气体源包括离子注入装置，该离子注入装置配置用于从二氟化氙源接收二氟化氙清洁气体。
28.权利要求25的氙气捕获装置，其中所述二氟化氙源包括在支撑基底上含有二氟化氙的来源容器。
29.氡气监测组件，包括: 容器: 盖子，其能与所述容器接合以封闭容器内部体积； 在所述容器中的碳吸附剂，所述碳吸附剂相对于大气气体对氡气有选择性；以及 书面标记，包括所述氡气监测组件的使用说明。
30.权利要求29的氡气监测组件，其中所述书面标记指明所述监测的暂时性暴露。
31.一种在氡气易于存在或流入的场所检测氡气污染的方法，包括将权利要求29的氡气监测组件以开盖的状态放置于所述场所，使所述碳吸附剂能够与周围气体接触，以及在预定的时间后重新盖上容器，从而提供内装样品用于氡气污染的分析试验。
32.—种从含高价值气体的工艺流、材料或环境回收高价值气体的方法，所述方法包括将所述工艺流、材料或来自所述环境的样品与对所述高价值气体有选择性的碳吸附剂接触。
33.权利要求32的方法，其中碳吸附剂具有的堆积密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)范围内，且大多数孔的孔隙率在5至8埃范围内。
34.权利要求33的方法，其中所述碳吸附剂为颗粒状或单块体形式。
35.权利要求34的方法，其中所述碳吸附剂为聚偏二氯乙烯树脂的热解产物。
36.权利要求35的方法，其中在热解后处理所述热解产物以改变其用于吸附高价值气体的孔隙率。
37.权利要求36的方法，其中通过包括水、蒸汽、渗透气体、高温和高压中的至少一种处理方式，处理所述热解产物以改变其用于吸附高价值气体的孔隙率。
38.权利要求37的方法，其中所述碳吸附剂为单块体形式。
39.权利要求32的方法，其中所述吸附剂包括在多个吸附剂容器中的吸附剂，工艺流、材料或来自所述环境的样品流过所述吸附剂容器用于所述接触。
40.权利要求39的方法，其中所述多个吸附剂容器中的至少一些容器具有不同尺寸。
41.权利要求39的方法，其中所述多个吸附剂容器含有不同吸附剂。
42.权利要求39的方法，其中所述多个吸附剂容器中的至少一个容器其中含有多种吸附剂。
43.权利要求39的方法，其中所述容器含有挡板、平板或其它导流元件。
44.权利要求39的方法，其中所述容器配置为单元阵列用于旋转，以每次通过所述多个容器中所选定的一个容器供给气体。
45.权利要求32的方法，其中所述工艺流、材料或来自所述环境的样品通过喷淋头设备或配有喷嘴的歧管流至吸附剂用于所述接触。
46.一种用于从含高价值气体的工艺流、材料或环境回收高价值气体的系统，所述系统包括碳吸附剂，该碳吸附剂设置用于接触所述工艺流、材料或来自所述环境的样品以吸附捕获所述高价值气体，其中碳吸附剂具有的堆积密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)范围内，且大多数孔的孔隙率在5至8埃范围内。
47.权利要求46的系统，其中碳吸附剂具有的堆积密度在800至1200kg/m3范围内。
48.权利要求47的系统，其中所述碳吸附剂为颗粒状或单块体形式。
49.权利要求48的系统，其中所述碳吸附剂为聚偏二氯乙烯树脂的热解产物。
50.权利要求49的系统，其中在热解后处理所述热解产物以改变其用于吸附高价值气体的孔隙率。
51.权利要求49的系统，其中通过包括水、蒸汽、渗透气体、高温和高压中的至少一种处理方式，处理所述热解产物以改变其用于吸附高价值气体的孔隙率。
52.权利要求51的系统，其中所述碳吸附剂为单块体形式。
53.权利要求46的系统，其中所述吸附剂包括在多个吸附剂容器中的吸附剂，工艺流、材料或来自所述环境的样品流过所述吸附剂容器用于所述接触。
54.权利要求53的系统，其中所述多个吸附剂容器中的至少一些容器具有不同尺寸。
55.权利要求53的系统，其中所述多个吸附剂容器含有不同吸附剂。
56.权利要求53的系统，其中所述多个吸附剂容器中的至少一个容器其中含有多种吸附剂。
57.权利要求53的系统，其中所述容器含有挡板、平板或其它导流元件。
58.权利要求53的系统，其中所述容器配置为单元阵列用于旋转，以每次通过所述多个容器中所选定的一个容器供给气体。
59.权利要求46的系统，其中所述工艺流、材料或来自所述环境的样品通过喷淋头设备或配有喷嘴的歧管流至吸附剂用于所述接触。
60.一种碳吸附剂，其具有的堆积密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)范围内，且大多数孔的孔隙率在5至8埃范围内。
61.权利要求60的碳吸附剂，其为经热解的单块体形式。
62.权利要求60的碳吸附剂，其对氙气的体积吸附容量在273°K温度和I巴压力下测定为至少125体积氙气/体积碳吸附剂。
63.权利要求60的碳吸附剂，其特征在于对氙气和氮气的分离因子^0在2至12范围内。
64.权利要求60的碳吸附剂，其具有的堆积密度在800至1200kg/m3范围内。
65.权利要求60的碳吸附剂，其对氙气的体积吸附容量在273°K温度和I巴压力下测定为125至150体积氙气/体积碳吸附剂。
66.权利要求60的碳吸附剂，其特征在于对氙气和氮气的分离因子aXe,N为至少5。
全文摘要
用于从含高价值气体、例如氙气的工艺流、材料或环境对其进行回收的系统和方法，通过将来自工艺流、材料或环境的气体与能有效吸附捕获高价值气体的碳吸附剂接触，以去除或降低所述工艺流、材料或环境的含高价值气体的气体中与高价值气体共存的流体物种的浓度。本文公开内容的其他方面包括氡气检测方法和产品。
文档编号B01D53/02GK103079997SQ201180040844
公开日2013年5月1日 申请日期2011年6月22日 优先权日2010年6月25日
发明者T·H·鲍姆, J·D·卡拉瑟斯, R·弗里克, J·B·斯威尼, J·V·麦克马纳斯, E·A·斯特姆 申请人:先进技术材料股份有限公司