选定的蜂窝通道表面上的不可渗透的聚合物涂层的制作方法
【专利说明】选定的蜂窝通道表面上的不可渗透的聚合物涂层
[0001]本申请根据35U.S.C.§ 119，要求2012年4月5日提交的美国临时申请系列第61/620673号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
[0002]背景
[0003]领域
[0004]本文一般地涉及从气流俘获二氧化碳(CO2)的吸收结构，更具体地，涉及具有指定的反应流通道和指定的热交换通道的吸收结构，所述指定的反应流通道具有吸收表面，所述指定的热交换通道具有不可透水的阻隔层。
技术背景
[0005]二氧化碳是和全球变暖相关的温室气体。其通常是各种消费者和工业过程的副产品，例如石化燃料的燃烧、天然气的纯化以及油回收系统等。从经济角度看，碳贸易和未来对来自烟道气体和其他0)2点来源的规定，鼓励开发CO 2俘获技术。
[0006]可以通过例如热变动吸附、压力变动吸附或真空变动吸附的方法来实现用固体吸附剂俘获二氧化碳。例如，在热变动吸附过程中，来自加工气体的CO2在低温下被吸附到固体吸附剂上，然后通过将吸附剂加热至较高的温度，从吸附剂解吸附进入到废气流中。一旦从吸附剂解吸附CO2，必须对吸附剂再次进行冷却，以开始新的吸附循环。在涉及热变动过程的大规模应用中，对于在大量固体吸附剂上快递和均匀地循环温度的需求仍是一个技术挑战。
[0007]因此，存在对于可用于在热变动吸附过程来从加工气流回收0)2的替代方法和设备的持续需求。
[0008]概述
[0009]根据各种实施方式，提供了用于0)2俘获的吸收结构。吸收结构包括具有分隔壁的蜂窝基材，所述分隔壁以轴向延伸通过蜂窝基材，从蜂窝基材的入口表面到与该入口表面相对的蜂窝基材的出口表面。分隔壁具有限定了多个单独通道的通道表面。所述多个单独通道包括多个反应通道和多个热交换通道，其中，反应通道的通道表面是反应通道表面，而热交换通道的通道表面是交换通道表面。反应通道和热交换通道的排列使得单独的反应通道与单独的热交换通道是热连通的。反应通道表面包含吸收材料，交换通道表面包含至少一层涂层。在非限制性实施方式中，所述至少一层涂层可包括由聚合物材料(例如，聚(乙烯丁缩醛)树脂、聚丙烯酸酯类、聚腈类(包括羧化-丙烯腈-共-丁二烯类)、聚氯丁二烯类、聚(氯乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、聚烯烃类、聚(四氟乙烯)、硅酮类、聚氨酯类，其混合物及其复合物)形成的不可透水层。不可透水层的聚合物材料不明显渗透进入形成交换通道表面的分隔壁中。
[0010]根据其它实施方式，提供了形成用于CO2俘获的吸收结构的方法。所述方法可包括提供由吸收材料形成的蜂窝基材。蜂窝基材具有分隔壁，所述分隔壁以轴向延伸通过蜂窝基材，从蜂窝基材的入口表面到与该入口表面相对的蜂窝基材的出口表面。分隔壁具有限定了多个单独通道的通道表面。所述多个单独通道包括多个反应通道和多个热交换通道，其中，反应通道的通道表面是反应通道表面，而热交换通道的通道表面是交换通道表面。所述方法还可包括掩蔽各个反应通道的入口端和出口端，以形成掩蔽的反应通道。所述方法还可包括将水性聚合物乳液(例如，乳胶)或者水性聚合物分散体递送到蜂窝基材的入口表面上，以使得水性聚合物乳液流动通过各个热交换通道而不流动通过掩蔽的反应通道，从而仅在交换通道表面上形成水性聚合物乳液的乳液涂层。所述方法还可包括使得乳液涂层干燥，以在交换通道表面上形成不可透水层。所述不可透水层可包括聚合物材料，例如，聚(乙烯丁缩醛)树脂、聚丙烯酸酯类、聚腈类(包括羧化-丙烯腈-共-丁二烯类)、聚氯丁二烯类、聚(氯乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、聚烯烃类、聚(四氟乙烯)、硅酮类、聚氨酯类，其混合物及其复合物。
[0011]根据其它实施方式，提供了形成用于0)2俘获的吸收结构的额外方法。所述方法可包括提供由陶瓷材料形成的蜂窝基材。蜂窝基材具有分隔壁，所述分隔壁以轴向延伸通过蜂窝基材，从蜂窝基材的入口表面到与该入口表面相对的蜂窝基材的出口表面。分隔壁具有限定了多个单独通道的通道表面。所述多个单独通道包括多个反应通道和多个热交换通道，其中，反应通道的通道表面是反应通道表面，而热交换通道的通道表面是交换通道表面。所述方法还可包括掩蔽各个反应通道的入口端和出口端，以形成掩蔽的反应通道。所述方法还可包括将水性聚合物乳液递送到蜂窝基材的入口表面上，以使得水性聚合物乳液流动通过各个热交换通道而不流动通过掩蔽的反应通道，从而仅在交换通道表面上形成水性聚合物乳液的乳液涂层。所述方法还可包括使得乳液涂层干燥，以在交换通道表面上形成不可透水层。所述不可透水层可包括聚合物材料，例如，聚(乙烯丁缩醛)树脂、聚丙烯酸酯类、聚腈类(包括羧化-丙烯腈-共-丁二烯类)、聚氯丁二烯类、聚(氯乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、聚烯烃类、聚(四氟乙烯)、硅酮类、聚氨酯类，其混合物及其复合物。
[0012]在以下的详细描述中提出了本文所述的实施方式的其他特征和优点。这些其他特征和优点对本领域技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述，包括附图和权利要求书在内的本文所述的实施方式而被容易地认识。
[0013]应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述介绍了各种实施方式，用来提供理解要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各种实施方式的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本文所述的各种实施方式，并与说明书一起用来解释要求保护的主题的原理和操作。
[0014]附图简述
[0015]图1是根据本文实施方式的吸收结构的透视图，显示具有分隔壁的蜂窝基材，所述分隔壁限定了反应通道和热交换通道；
[0016]图2是图1的吸收结构的一个实施方式的部分视图，其中反应通道被蜂窝基材的分隔壁的吸收表面所限定，并且热交换通道被不可透水层涂覆；
[0017]图3是图1的吸收结构的一个实施方式的部分视图，其中反应通道被蜂窝基材的分隔壁的吸收表面所限定，并且热交换通道被不可透水层和所述不可透水层上的额外层涂覆；以及
[0018]图4是根据本文所述的实施方式的用于形成吸收结构的方法的本文所述的一些实施方式的涂覆过程的示意图。
【具体实施方式】
[0019]现在将详细参考用于从气流俘获CO2的吸收结构及其形成方法的实施方式，它们的示例如附图所示。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。用于从气流俘获CO2的吸收结构的一个实施方式如图1示意性所示，额外的实施方式如图2和3所示。吸收结构通常包括具有分隔壁的蜂窝基材，所述分隔壁以轴向延伸通过蜂窝基材，从蜂窝基材的入口表面到与该入口表面相对的蜂窝基材的出口表面。分隔壁具有限定了多个单独通道的通道表面。所述多个单独通道包括多个反应通道和多个热交换通道，其中，反应通道的通道表面是反应通道表面，而热交换通道的通道表面是交换通道表面。反应通道和热交换通道的排列使得单独的反应通道与单独的热交换通道是热连通的。反应通道表面包含吸收材料，交换通道表面包含至少一层由聚合物材料形成的不可透水涂层。所述不可透水层的聚合物材料不从交换通道表面渗透进入反应通道表面的吸收材料中。因此，在用于从气流俘获0)2的过程中，气流流动通过反应通道，传热介质(例如水)可以流动通过热交换通道，传热介质被不可透水涂层阻挡不能进入反应通道，否则的话会降低吸收CO2负载容量。下面将结合附图更详细地描述吸收结构以及用于形成吸收结构的方法。
[0020]参见图1和2，根据一些实施方式的用于从气流俘获CO2的吸收结构100可包括具有分隔壁120的蜂窝基材110，所述分隔壁120以轴向90延伸通过蜂窝基材110，从蜂窝基材110的入口表面130到蜂窝基材110的出口表面140。出口表面140与入口表面130相对。分隔壁120具有限定了多个单独通道150、160的通道表面125。所述多个单独通道150、160包括多个反应通道150和多个热交换通道160。因此，反应通道150的通道表面125是反应通道表面155，而热交换通道160的通道表面125是交换通道表面165。反应通道150和热交换通道160的排列使得单独的反应通道150A、150B与单独的热交换通道160A、160B是热连通的。反应通道表面155包含吸收材料。交换通道表面165包含在交换通道表面165上的至少一层涂层。所述至少一层涂层包括由聚合物材料形成的不可透水层170。不可透水层170的聚合物材料不明显渗透进入形成交换通道表面165的分隔壁120的吸收材料中，也不明显渗透进入反应通道表面155的吸收材料中。
[0021]蜂窝基材110可由任意合适的多孔材料形成，包括例如，玻璃、陶瓷、非氧化物陶瓷(例如碳化物、氮化物)、碳、合金、金属、聚合物、复合物，及其混合物。在一些实施方式中，蜂窝基材110可由能够吸附0)2的吸收材料形成，例如，沸石、MOF(金属有机框架)、粘土、层状双氢氧化物、固态氨和碱性/碱土氧化物，或者含有沸石、MOF (金属有机框架)或堇青石、SiC、多铝红柱石、氧化铝、钛酸铝和碳的复合物。在其他实施方式中，蜂窝基材110可由嵌有吸收材料的陶瓷支承材料形成。在其他实施方式中，蜂窝基材110可由非吸收材料形成，随后通过合适的方法(例如，洗涂)来装载吸收材料。蜂窝基材110可由任意合适的方法制备，但是通常通过挤出、模塑、3D打印制备，或者形成合适的材料，并任选地对材料进行精整(例如通过加热或者对材料进行烧制)来制备。
[0022]通常来说，根据本文所述的实施方式的吸收材料是能够可逆地从含有CO2以及一种或多种额外的气体(例如，甲烷、氮气、氢气、硫化氢或其混合物)的加工气流吸附0)2的材料。本文所用“能够可逆地从加工气流吸附co2”指的是吸收材料可以第一组操作参数(例如，初始温度)从加工气流吸附CO2，并且可以通过变化至第二组操作参数(例如，通过升高温度)使得从吸收材料对吸附的CO2进行解吸附。在非限制性实施方式中，含CO2的加工气流可以是，例如，天然气、烟道气体、空气、生物气、来自产氢气过程的水煤气变换混合物以及来自燃烧过程的废气。在一些实施方式中，蜂窝基材I1由吸收材料或者非吸收材料形成，在形成蜂窝基材110的过程中，将吸收材料加入到所述非吸收材料中。在其他实施方式中，将吸收材料装载在由非吸收材料形成的蜂窝基材I1的孔中。
[0023]根据一些实施方式，可制备(例如通过模塑、挤出或成形)蜂窝基材110的合适的吸收材料，包括沸石、碳、沸石咪唑框架、金属有机框架、碳、含有SBA-15和类似物的中孔氧化铝和氧化硅以及上述材料的组合，但不限于此。在非限制性实施方式中，特别适合用于CO2的吸收材料包括沸石、沸石咪唑框架、金属有机框架、碳、含有SBA-15和类似物的中孔氧化铝和氧化硅以及上述材料的组合，以及用胺或氨基官能化的任意上述材料。在其他实施方式中，蜂窝基材110可由陶瓷支承材料形成，其中可嵌入一种或多种所述吸收材料。在此类实施方式中，例如，陶瓷支承材料可以与吸收材料一起进行模塑或共挤出，以形成蜂窝基材。
[0024]根据一些实施方式，在非限制性实施方式中，可至少施加到蜂窝基材110的反应通道表面155上的合适的吸收材料包括沸石、沸石咪唑框架、金属有机框架、碳、含有SBA-15和类似物的中孔氧化铝和氧化硅以及上述材料的组合，以及用胺或氨基官能化的任意上述材料。根据本文所述的实施方式，可以通过任意合适的技术，例如通过洗涂，来施加吸收材料。
[0025]虽然图1的实施方式的蜂窝基材110是圆柱形的，但是根据其他实施方式，蜂窝基材110可具有任意合适的形状、例如三角体、长方体、正方体或六角体。此外，例如，蜂窝基材110可在轴向90具