捕获和转化污染气体的机械系统，以及净化空气的方法与流程

本发明涉及空气净化技术领域，特别是固体残余物(烟灰)的捕获，以及工业燃烧产生的污染空气中存在的cox和nox(甚至甲烷)的转化。

背景技术：

开发的用于净化污染空气的技术基本上是基于由吸附剂捕获co2的反应器，所述吸附剂包括胺、金属催化剂(金、铂和锰，以及其他金属)、水性氢氧化物、具有微孔的分离膜和离子交换剂等。

位于卡尔加里(加拿大)的气候工程公司(climateengineering)使用氢氧化钠液体溶液捕获二氧化碳，其是一种早已为人熟知的工业技术，并在去污问题上研究了数年，直到2012年放弃。

petereisenberger及其合作者开发了一种反应器并具有专利，该反应器在吸附剂胺的帮助下捕获二氧化碳，然后他们通过物理过程将其分离出来以便将其出售。尽管长期以来已经知道由于用胺捕获二氧化碳引起的反应，工程师已经使用胺从温度约为70℃的总管的燃烧气体中清除二氧化碳。为了能够分离胺中的二氧化碳并“再生”它们，在大约120℃下的反应仍是缺乏的。相比之下，eisenberger计算出他的系统将在约85℃的温度下运行，因此需要的总能量更少。为了这两个目标，他会使用相对便宜的蒸汽。蒸汽会加热表面，将二氧化碳从胺中分离出来，在二氧化碳从表面上升起来的同时将其收集起来。

全球研究技术公司(thecompanyglobalresearchtechnologies)和来自哥伦比亚大学的klauslackner开发了一种固定在一平方米陆地表面(“像树一样”)的装置，该装置从大气中吸入空气并产生两种气流，一种是洁净的空气，另一种是co2；洁净的空气返回大气，而二氧化碳则被送到捕获设备。

另一组技术发展包括由圣路易斯国立大学(unsl)的研究人员开发的含有贵金属(铂和金)和其他成本较低金属如铜和锰的装置。

现有的反应器和昂贵的价格不仅是因为催化剂(金、铂、钯、钛等)的价格，而且由于用于将要使用的自动化以便它们可以起作用的机械、电子和控制机制的整体复杂性。此外，这些系统需要高能量消耗以保持进行所述组分的捕获和分离过程所需的非常高或低的温度或压力。另一方面，它们中的大多数都适合捕获一部分二氧化碳，并没有解决工业粉尘、甲烷或nox的问题，限制了它们的功能性。此外，他们的反应器缺乏通用性，应用在有限应用中，例如在汽车工业，航空和厨房等中。

技术实现要素：

本发明提供了一种机械系统和方法，其不仅能够捕获和转化cox和nox(甚至是甲烷)，而且还能捕获在有机燃烧中产生的对呼吸系统造成严重损害的固体颗粒(烟灰)。因此，本发明所涉及的系统是用于不同(严重和非严重)水平的环境净化的通用且适应性强的设备，而不管污染源是什么。这些特性使其成为具有多种工业应用的反应器。

本发明的系统由一个整体装置组成，该装置由具有特定反应性的多个模块构成，这些模块能够将来自工业源的污染空气转化成不含cox、nox和有毒烟灰的洁净空气。此外，该装置是通用装置，可适应任何工业系统的污染源，从厨房，运输车辆，空间舱到热电厂或任何发生燃烧或由温室效应(ghe)释放气体的其它地方。

本发明的系统由如下放置的模块的金属系统组成：1)用于从工业燃烧中释放的固体中捕获颗粒的模块；2)由具有分子(化学)转化剂的子模块组成的模块，其具有转化二氧化碳(co2)、一氧化碳(co)和另外的氮氧化物(nox)的能力。

本发明的装置在没有溶剂的情况下工作，既没有有机溶剂(胺)也没有无机溶剂(水/含水的)；它仅用作为参与转化过程的吸附剂的固体系统工作。该装置既不用外部能源来捕获气体的外部能量，也不用外部能源来分离所获得的产品，这降低了其运行成本，并使其更加环保。由于系统元件的特定设置，它不需要小配件来产生和控制机械运动，也不需要压力或温度变化。此外，既不需要离子交换树脂来捕获co2也不需要泡沫基元件。该装置不需要暗指自动化或控制的电子设备，因此其构造和实施非常简单。

因此，本发明提供了一种机械系统，其由确定顺序的材料、多孔和反应性基质(砂、有机碳、铝-硅酸盐、如非常细的粉尘的氢氧化物，和其它复合物)组成，所述顺序在下面将描述。根据所感兴趣的工业系统中包含的排放物的程度，在特定时间更换其过滤器。

该整个描述包括为净化污染空气而开发的装置，其可适用于工业系统，例如热电厂、炼油厂，以及厨房和车辆，以及使用碳氢化合物燃烧的工业和运输业等。

本发明的另一个目的是提供一种基本上由三个连续步骤组成的方法，这三个连续步骤对于捕获和转化感兴趣的气体是重要的。第一步是捕获工业燃烧产生的细粉尘。第二步和第三步涉及捕获和转化来自温室效应(ghe)的气体。

附图说明

图1：污染空气净化装置。

图2：使用和不使用本发明系统的cox的实验流量比较(ml/min)。

图3：所开发的反应器对nox含量(ppm)的影响与商用车辆所花费的时间的函数关系。

图4：在商用车辆的尾气中进行捕获测试之前(左)和经过实验测试之后(右)细粉尘的捕获过滤器的组件。

具体实施方式

本发明的系统由两个模块组成。位于污染空气(c)入口旁的第一模块(a)由多个机械过滤器组成，其中所述多个机械过滤器由30至80微米筛孔的不锈钢微孔筛隔开，所述多个机械过滤器包括预先用(太阳)光处理过以使其无湿度的砂，有机碳过滤器和添加的铝硅酸盐过滤器。

第二模块(b)，位于第一模块(a)下方，是一系列小型反应器，即具有30-40微米筛孔的过滤器，所述过滤器具有分子转化剂(亲核化学试剂)，所述分子转化剂的功能是捕获和转化碳氧化物(cox)和氮氧化物(nox)。

重要的是要补充，第二模块(b)，具有30-40微米筛孔的过滤器，被分为两部分。第一部分是包含粉碎成200微米的细粉的固体金属氢氧化物(naoh和koh)的化学反应器(b.1)；这部分反应器的目的是捕获和转化二氧化碳(cox)。第二部分是化学反应器(b.2)，其包含粉碎成相似的尺寸的固体酮(5.40％)、胍类(5-40％)和固体有机硫化物如硫脲(5-40％)的混合物；这部分反应器的目的是捕获和转化氮氧化物(nox)。

在优选改进的情况下，本发明还具有附加过滤器，所述附加过滤器具有浸入颗粒材料中的酶混合物，所述酶混合物含有多酶复合物，例如丙酮酸羧化酶、丙酸羧化酶、碳酸酐酶、1,5-二磷酸核酮糖羧化酶-加氧酶(rubisco)和其它羧化酶，所述多酶复合物是用于将二氧化碳转化为有机和无机产物。该过滤器位于所述第一化学反应器(b.1)和第二化学反应器(b.2)之间。

模块通过绳索式接头相互连接，并通过支撑材料进行调整，从而实现易于拆卸的安全连接。

根据工业需求和反应器的设计，可以在其中加入其它变体，例如成对电极板，它们产生电弧火花的可变电场，从而允许甲烷转化和碳颗粒氧化成气态cox；所述板将安装在与电流绝缘的表面上。作为优选的改进，所述成对电极板可以对应于由电线圈提供的电压差供电的导电金属网格；它们将安装在装置中具有抗导电性的材料上。此外，用净化空气(d)的入口或出口处的和/或模块之间的压力阀，调节每个部分中的空气压力。在温度远低于300℃的工业系统中，本发明的装置采用非常耐用的材料如碳纤维制成，这使其更加稳定、耐用和轻便。最后，在非常高流量的系统中，使用气体和液体捕获器分离通过系统的物流中存在的液体和不同于空气的气体。

净化空气的总体原则包括以下步骤：

1、分离有机燃烧中释放的并被砂滤器、有机碳和硅酸铝捕获的固体颗粒(烟灰)，以避免后面的反应性过滤器的污染，所述后面的反应性过滤器的污染可能同时减少它们的反应性。此外，这两个消极方面可能影响和复杂化与后面的捕获装置的分离和清洁相关的过程。

2、捕获含有固体金属氢氧化物的装置的碳氧化物(co，co2)。

3、任选地，借助于具有浸入颗粒材料中的酶混合物的附加过滤器将co2转化为有机和无机产物。

4、捕获含有灰尘形式的酮、胍类和有机硫化物的混合物的模块的氮氧化物(nox)。

实验评估

为了确定装置的效率，使用以下方法评估以下参数(污染物含量的变化)

1、研究流量变化。研究co和co2流量变化(5、40、50、70、80和120ml/min)，从10分钟到一个半小时(1小时30分钟)的连续时间内由高纯度商业来源在单独的实验中独立提供。使用agilentadm2000磁通计进行测量。为了统计有效性和更高的可信度，这些实验是在受控条件下(流量、温度、压力和湿度)-在实验室中重复1200次。

另一方面，在相同条件下进行实验(对照或验证)，但在反应器内使用惰性材料以确保观察到的效果是所用材料的反应性的结果。另外，在便携式燃烧分析设备(bacharach-pca³)的帮助下，考虑装置的进出压力进行δp测量(压力变化)。

2、研究从商用车辆排气管排出的cox的量(ppm)。在存在和不存在所开发的净化装置的情况下，借助于便携式燃烧分析设备(bacharach-pca³)和co2便携式测量仪(amprobeco2-100)获取这些变量。这些实验在每一个半小时连续重复10秒，平均重复10次。

另一方面，在相同条件下进行实验(对照或验证)，但在反应器内使用惰性材料以确保观察到的效果是所用过滤器的反应性的结果。反应器进出段的压力变化与排气管连接。

3、分析nox的含量(ppm)的变化。研究的nox源是从商用车辆的排气管出来的量，其是在存在或不存在所开发的净化装置的情况下借助于便携式燃烧分析设备(bacharach-pca³)测量的。没有对高纯度商业nox进行研究，因为它们在市场上无法获得。另外，在60秒至5分钟的连续时间内，同样的实验与它们相应的对照进行10次重复。

用于这些测试的商用车辆是2009家用车，配备1.6升汽油发动机，4缸。用于这些测试的流量为720l/min。

4、捕获过滤器捕获燃烧细尘的能力。将a.1，a.2和a.3过滤器结合到商用车辆(1995厢式货车)的排气管中，该车辆没有催化剂，并允许其通过排气管释放出很多细小的污染物粉尘。5分钟后，取出装置的内部组件，并进行照片记录，这将证明过滤器模块的捕获能力。

结果与讨论

碳氧化物(cox)含量的变化

大气cox增加是全球变暖的主要原因(≥70％)，也是风暴活动增加、两极的冰川融化以及气候的不稳定行为的主要原因，这也是许多自然灾害的原因。

获得的与cox流量和含量有关的结果，在具有或不具有所开发的反应器时测量，可以在图2中看到，图2说明了所开发的反应器对cox流量(ml/min)的影响随时间的变化。cox(co和co2)流量源为高纯度。在图2中可以看出，无论cox源以及通过装置的量(5、40、50、70、80、120ml/min)，cox的含量在几秒内从最大百分比下降到在2至5％(最大总数)之间浮动的最小量；也就是说，对于高纯度商业来源(cox)以及商用车辆的来源，碳氧化物的捕获效率都在95-98％的范围内。值得注意的是，在压力变化中没有观察到明显变化，这表明观察到的结果是装置的反应性或捕获能力的结果，而不是其过滤器阻碍或实验人为的结果。

nox含量的变化

nox是ghgs(温室气体)中第二污染严重的类别(约10％)，一旦在大气中发现，就难以捕获。通过对车辆的排气管进行实验，尽管由于车辆的能量需求而产生波动，所开发的装置适应于此，但是可以看到，在所开发的系统存在的情况下，能够捕获高达80％的nox类气体(见图3)，这再次证明了过滤器的排序及其反应性在反应器内捕获nox有机燃烧的较高污染物(nox和cox)的能力。此外，反应器的通用性和简单性使其适用于任何工业系统，并且在该特定情况下，适用于车辆的排气管。

图3说明了所开发的反应器对nox的含量(ppm)的影响随时间的变化。nox流的来源来自前面描述的商用车辆。

应用科学推理。亲电子试剂的反应性或机械定量性质(mechanical-quanticnature)取决于气态碳氧化物(cox)和氮氧化物(nox)耗尽的低能量分子轨道(其西班牙语缩写为ombed)，无论有机燃烧是否释放它们，这都是相同的。此外，亲核试剂的反应性也会发生同样的情况，同时，它受到高占据分子轨道能量的调节(其西班牙语缩写为omoa)。因此，考虑到这些基本前提(omoa/ombed相互作用)，可以推断，无论ghgs温室气体的工业来源，如果使它们通过所开发的装置，它们之间的反应将是自发的及必然的；也就是说，无论何时发生有机燃烧，我们开发的装置都能够防止ghe气体释放到大气中。尽管如此，装置的形状和尺寸不是标准的，因此必须根据工业需要进行调整。这指出了所开发的反应器的广泛应用，在工业水平上，解决了陆地、海上和空中运输，热电厂，火灾和工业以及其他污染源产生的污染问题。

捕获工业污染的固体残余物(烟灰)

在图4中，可以观察到过滤器模块快速捕获用于评估其易于捕获的柴油车辆燃烧产生的固体残余物的能力(捕获细粉尘)。这是重要的，因为这些颗粒是导致严重呼吸系统疾病的原因，这些疾病在工业化国家很常见，而这些国家的法规相当被动。

所有这些实验证据表明，所开发的装置确实有效，此外，它是一种承诺系统，可以在很大程度上消除碳氧化物(二氧化碳和一氧化碳)、氮氧化物，温室效应的主要产生者所产生的有害影响，不论排放源(商业或工业)。另一方面，该系统-本申请的目标，具有捕获燃烧产生的对健康有害的固体残余物的能力。按照相同的思路，所述反应器比现有技术的装置简单得多；它有多种功能；它成本低；以及它有能力适应产生任何有机燃烧的任何工业设备。