二氧化碳气体吸收剂的制作方法

专利名称：二氧化碳气体吸收剂的制作方法
本申请是基于且要求优先权的下列在先日本专利申请1999年3月23日申请的JP11-077199；1999年9月30日申请的JP11-280667；1999年12月17日申请的JP11-358956，其全部内容可引入本文以作参考。
本发明是涉及一种二氧化碳气体吸收剂，特别地，是涉及这样一种二氧化碳气体吸收剂，用于使用烃基燃料的发电厂或化工厂中，用于从汽车废气中分离和回收二氧化碳气体的系统中，或者是用于将气体供入到燃料供给区的精炼系统中。
在一种烃基燃料可在其中燃烧的装置中，如发动机，适合回收二氧化碳气体的废气排放部分可加热到不低于300℃的高温。
对本领域技术人员来说，使用乙酸纤维素的方法、使用链烷醇胺为基础的溶剂的化学吸收方法等都是已知的分离二氧化碳气体的方法。但是，在这些传统的方法中，都必须要抑制入口气体温度在不高于200℃的水平。因此，为了处理在高温下循环的废气，废气必须要采用如热交换器曾经冷却至不高于200℃。对于这种情形，采用这些传统的方法，就会引起这样的问题，即用来分离二氧化碳气体的能耗增加了。
另一方面，日本专利申请公开(Kokai)9-99214公开了一种锆酸锂二氧化碳气体吸收剂，它能在高于约500℃的高温时实现其功能。这篇现有技术方法的缺点在于，形成锆酸锂的基质氧化物的氧化锆是非常重的物质，其结果也使得吸收剂本身也变得很重。此外，从整个温度范围内的废气吸收和回收二氧化碳也是困难的。
日本专利申请公开11-90219公开了一种二氧化碳气体吸收剂，它可在不高于450℃的温度下与二氧化碳气体反应形成碳酸锂。这篇现有技术中所公开的二氧化碳吸收剂是一种氧化锂组合物，它含有至少一种选自由铝、钛、铁和镍的元素所组成的组。即使是采用特定的二氧化碳气体吸收剂，在约250℃时的二氧化碳吸收速率也是不够高。
顺便要提及的是，锆酸锂的二氧化碳气体吸收性能在二氧化碳气体浓度的各种范围内并不是十分地令人满意。特别地，锆酸锂不能很好地吸收低浓度的二氧化碳气体。
本发明业已克服了上述提及的现有技术中存在的问题，它的一个目的是提供一种重量轻可保持高性能的二氧化碳吸收剂，该吸收剂可在高于约500℃的高温区域实现其性能。
另一个目的是提供一种可在邻近250℃的温度区域表现出高的二氧化碳气体吸收能力的二氧化碳吸收剂。
此外，本发明的又一个目的是提供一种重量轻可有效地在高温下回收低浓度二氧化碳的二氧化碳气体吸收剂。
根据本发明的第一个方面，它是提供一种含有硅酸锂的二氧化碳气体吸收剂，硅酸锂可用下列的通式表示LixSiyOz其中的x、y、z为满足x+4y-2z＝0要求的整数。
根据本发明的第二个方面，它是提供一种含有以含锂和硅和氧的化合物为主要成分的二氧化碳气体吸收剂。
根据本发明的第三个方面，它是提供一种含有锂和硅的复合氧化物且可与二氧化碳气体反应形成碳酸锂的二氧化碳气体吸收剂。
根据本发明的第四个方面，它是提供一种含有Li2O和SiO2的二氧化碳气体吸收剂，Li2O/SiO2的摩尔比范围为0.5-10。
根据本发明的第五个方面，是提供一种含有硅酸锂粉末的二氧化碳气体吸收剂，该粉末的平均颗粒直径为0.1-50μm。
根据本发明的第六个方面，它是提供一种含有硅酸锂和至少一种选自由碳酸钠和碳酸钾所组成的组的碱金属碳酸盐的二氧化碳气体吸收剂。
根据本发明的第七个方面，它是提供一种含有硅酸锂和锆酸锂的二氧化碳气体吸收剂。
根据本发明的又一个方面，它是提供一种从含有二氧化碳气体的气态物质中分离出二氧化碳气体的方法，在其中，上述定义的二氧化碳气体吸收剂与含有二氧化碳气体的气态物质进行接触。
根据本发明的又一个方面，它是提供一种分离二氧化碳气体的方法，其中的吸收二氧化碳气体的二氧化碳气体吸收剂被加热。
根据本发明的又一个方面，它是提供一种用来分离二氧化碳气体的装置，它包括一个装配有一个二氧化碳入口和一个已形成气体的出口的反应器，装填在该反应器内的上述所定义的二氧化碳气体吸收剂，和环绕该反应器外表面排列的加热元件，用来加热反应器。
根据本发明的又一个方面，它是提供一种用来燃烧烃基燃料的燃烧装置，它包括上述所定义的二氧化碳气体吸收剂，该吸收剂放置在由烃燃烧所形成二氧化碳气体的废气通道中。
而且，根据本发明的又一个方面，它是提供一种制备二氧化碳气体吸收剂的方法，它包括以下步骤制备硅酸锂粉末，和向该硅酸锂粉末中添加至少一种选自由碳酸钠粉末和碳酸钾粉末所组成的组的碱金属碳酸盐粉末。
本发明的其它目的和优点将在下文的说明书得到阐明，部分地可从说明书中明显地看出，部分可由本发明的实施得到清楚的说明。本发明的目的和优点可采用下文详细给出的手段和联合得到实现。
作为说明书一部分的附图，说明了本发明的优选实施方式，并与上文的概述和下文给出的优选实施方式的详细说明一起，用来解释本发明的原理。


图1说明使用本发明二氧化碳气体吸收剂的二氧化碳气体分离装置；图2说明一种二氧化碳气体分离系统的结构，在其中，本发明的二氧化碳气体吸收剂是用于火力发电厂中；图3说明一种装填有本发明的二氧化碳气体吸收剂的燃烧装置的结构；图4说明一种装填有本发明的二氧化碳气体吸收剂的燃烧装置的结构的另一个实例。
本发明人业已发现一种含有硅酸锂的物质可有效地降低二氧化碳气体吸收剂的重量，实现了本发明。
根据本发明的第一个实施例，是提供一种含有硅酸锂的二氧化碳气体吸收剂，硅酸锂可用下列的通式表示LixSiyOz其中的x、y、z为满足x+4y-2z＝0要求的整数。
通式中的x至少为4是期望的。
向上述的硅酸锂中添加一种选自由碳酸锂、碳酸钠和碳酸钾所组成的组的碱金属碳酸盐是可能的。通过添加碱金属碳酸盐，吸收剂的二氧化碳吸收-释放速率得到提高。期望添加的碱金属碳酸盐的量为硅酸锂的5-30mol％。如果碱金属碳酸盐的加入量少于5mol％，则它将难于有效地促进二氧化碳气体的吸收反应。另一方面，如果碱金属碳酸盐的加入量超过30mol％，则二氧化碳吸收反应的促进作用可能达到饱和。而且，单位体积吸收剂的二氧化碳气体吸收量会降低。更为优选地，碱金属碳酸盐的加入量应为硅酸锂量的10-20mol％。
期望的本发明含有硅酸锂的二氧化碳气体吸收剂，是多孔性的物质，它是由具有平均颗粒直径为0.1-5.0mm的颗粒组成的。如果颗粒的平均颗粒直径不大于0.1mm，若不添加粘结剂，则它难以形成成型的物质。另一方面，如果平均颗粒直径大于5.0mm，则其机械强度将会变差。
该多孔物质具有30-50％的孔隙度是期望的。如果其孔隙度小于30％，则它将难于获得二氧化碳气体流动的足够通道。另一方面，如果孔隙度超过50％，则其机械强度将会变差。如果该二氧化碳气体吸收剂中含有碱金属碳酸盐，则该碱金属碳酸盐将会驻留在多孔体的小孔中。
多孔结构的二氧化碳气体吸收剂，是采用例如如下的方法制备的。
在第一步骤中，称量预定量的二氧化硅和碳酸锂，并在玛瑙研钵中混合0.1-1小时。将得到的混合粉末放入到氧化铝坩埚中，在空气气氛中在如箱式电炉中进行热处理0.5-20小时。接着，将经热处理的粉末再放入到玛瑙研钵中，研磨成粉，直到平均粉末颗粒小至0.1-5.0mm，这样，就得到一种硅酸锂原料粉末。接着，称量预定量的硅酸锂粉末，将其放入到一个模具中以便进行压制成型处理，从而得到孔隙度约为40％，如35-45％的成型制品。这样所制备的成型制品用来作为具有多孔结构的二氧化碳气体吸收剂。
用通式LixSiyOz表示的硅酸锂，其中的x、y、z为满足x+4y-2z＝0关系式的整数，它与二氧化碳气体反应形成碳酸锂，如下述的反应式(1)所示…(1)而且，如果反应系统加热到超过一个特定的温度，由反应式(1)表示反应的逆反应也会发生，如下述的反应式(2)所示…(2)相对于传统的锆酸锂来说，硅酸锂的重量轻。特别地，如果硅酸锂通式中的x为4或更大，则1摩尔的硅酸锂可吸收至少2摩尔的二氧化碳。它使得单位重量的该二氧化碳吸收剂的二氧化碳气体吸收量显著地提高。
可更有效地实现二氧化碳的吸收-释放反应的二氧化碳气体吸收剂，可通过进一步向吸收剂中添加一种选自锂、钠和钾的碱金属的碳酸盐而获得。
本发明的二氧化碳气体吸收剂中含有辅助成分是可能的，它是至少一种附加元素选自由Al、K、Mg、Ca、Na、Fe、Ti和C所组成的组。附加元素的存在，是用来提高吸收速率。但是，需要提及的是，附加元素的用量期望地是不大于5wt％，更优选是不大于1wt％．如果这种附加成分的用量超过5wt％，则会有对二氧化碳气体的吸收没有贡献的物相形成。
根据本发明如上所述的一个实施例的二氧化碳气体吸收剂，它可以说是一种含有Li、Si和O作为主要成分的二氧化碳气体吸收剂。该二氧化碳气体吸收剂也可以说是一种含有一种锂和硅的复合氧化物且可与二氧化碳气体反应形成碳酸锂的二氧化碳气体吸收剂。
本发明的吸收剂也可说是一种含有Li2O和SiO2的二氧化碳气体吸收剂，其中Li2O/SiO2的摩尔比范围为0.5-10。如果该比值小于0.5，则它将难以使SiO2反应完全。另一方面，如果该比值超过10，则Li2O将有剩余。期望的Li2O/SiO2摩尔比范围为1-3。
本发明的二氧化碳气体吸收剂中含有锆酸锂也是可能的。锆酸锂具有优良的循环寿命性能。换句话说，锆酸锂可在很长的一段时间内进行重复使用。因此，如果本发明的二氧化碳气体吸收剂中含有锆酸锂，则该吸收剂的循环寿命性能可得到改善。但是，需更提及的是，为了防止硅酸锂的效果受到削弱，该吸收剂中的锆酸锂含量期望不高于40mol％．优选地，吸收剂中的锆酸锂含量不高于30mol％。
图1为表示使用如上所述本发明二氧化碳气体吸收剂的二氧化碳气体分离装置结构的横断面视图。如图所示，用来分离二氧化碳气体的装置包括第一吸收塔11和第二吸收塔12。第一吸收塔11为双壳结构，是由内管21和安装在内管21外部的外管31组成。第二吸收塔12也是双壳结构，是由内管22和安装在内管22外部的外管32组成．这些外管31、32是分别用来向内管21、22提供热量的。
用作本发明二氧化碳气体吸收剂的硅酸锂可以薄片的形式进行使用。硅酸锂薄片41、42分别装填在第一和第二吸收塔11、12的内管21、22中。
支管61、62将用来供给含有二氧化碳气体气流的气体供给管道5分成二路，它们分别与第一和第二吸收塔11、12的内管21、22的上部相连接。第一阀71和第二阀72分别安装在支管61、62上。
支管91、92将用来供给回收二氧化碳气体气流的管道8分成二路，它们分别与吸收塔11、12的内管21、22的上部相连接。第三阀73和第四阀74分别安装在支管91、92上。
气体排放支管101、102分别与吸收塔11、12的内管21、22的下部相连接。这些支管101、102的另一端与其上安装有第五阀75的处理后气体排放管道11相连接。
而且，用来排放回收气体的支管121、122分别与吸收塔11、12的内管21、22的下部相连接。这些支管121、122的另一端与其上安装有第六阀76的回收气体排放管道13相连接。
用来燃烧燃料气体的燃烧装置14安装在第一吸收塔11的邻近位置。燃烧气体供给管道15的一端与该燃烧装置14相连接，第一和第二支管161、162将用来供给燃烧气体的燃烧气体供给管道15分成二路，它们分别连接在吸收塔11、12的外管31、32侧壁下部上。第七阀77和第八阀78分别安装在第一和第二支管161、162上。而且，第一和第二排放支管171、172分别连接在第一和第二吸收塔11、12上部，它们分别与由内管21、22和外管31、32所限定的环形空间相连通。
如果燃料在燃烧装置14中燃烧，燃烧气体分别经过燃烧气体供给管道15和第一和第二支管161、162，供入到吸收塔11、12的环形空间之中。接着，流经这些环形空间的燃烧气体，经过第一和第二排放支管171、172排放到外部。在燃烧气体流经环形空间时，装填在内管21、22中的硅酸锂薄片41、42被加热。
需要指出的是，如果存在于原料气体中的二氧化碳气体要被二氧化碳气体吸收剂吸收，最好将加热温度设定在约450-700℃。另一方面，如果要将二氧化碳气体从吸收有二氧化碳气体的二氧化碳气体吸收剂中分离出来，则最好将加热温度设定在约710-800℃。
每小时循环流过吸收塔11、12的内管21、22的气体摩尔数，最好是装填在内管21、22中的硅酸锂薄片41、42的摩尔数的4-50倍。如果每小时循环气体的摩尔数超过装填的硅酸锂薄片摩尔数的50倍，则从吸收塔11、12的体积利用率角度来说，难以有效地实现二氧化碳气体的吸收。另一方面，如果每小时循环气体的摩尔数小于装填的硅酸锂粉末摩尔数的4倍，则伴随吸收反应生成的热量补偿过大，会提高循环气体的温度。其结果是，二氧化碳气体的吸收反应自身将会受到削弱。考虑到吸收塔的利用效率和促进吸收反应的迅速进行两方面因素，优选每小时循环气体的摩尔数为装填在吸收塔中硅酸锂粉末摩尔数的8-30倍。
二氧化碳气体的吸收和回收通过交替进行如前所述的反应(1)和(2)，可在吸收塔11、12中的其内装填有硅酸锂薄片41、42的内管21、22中连续地进行操作，它是按照如下的(1-1)和(1-2)步骤进行的(1-1)在第一吸收塔11吸收二氧化碳气体的操作在第一步骤中，安装在与第一吸收塔11的内管21相连接的第一支管61上的第一阀71和安装在处理后气体排放管道11上的第五阀75是打开的，而其余的阀72、73、74、76、77和78是闭合的。接着，含有二氧化碳气体的气体经第一支管61，由气体供给管道5供入到第一吸收塔11的内管21中。在此步骤中，每小时循环进入第一吸收塔11的内管21中气体的摩尔数应设定为装填于内管21中硅酸锂薄片41摩尔数的4-50倍，如前所述。其结果是，存在于该循环气体中的二氧化碳气体，根据前述的反应式(1)与硅酸锂薄片41进行反应，从而使得二氧化碳气体能迅速地被吸收并被保留在硅酸锂薄片中。具有较低二氧化碳浓度的气体经第一支管101和处理后气体排放管道11，排放到外部。
采用与上述类似的操作，实施第二吸收塔12中二氧化碳的吸收。(1-2)从第二吸收塔12中回收二氧化碳气体的操作在上述的用来在第一吸收塔11中进行的吸收二氧化碳气体的操作中，安装在与第二吸收塔12相连接的第二支管92上的第四阀74、安装在回收气体排放管道13上的第六阀76和安装在用来供给燃烧气体的第二支管162上的第八阀78是打开的。
接着，将由燃烧装置14所产生的燃烧气体，经燃烧气体供给管道15和用来供给燃烧气体的第二支管162，供入到由内管22和外管32所限定的环形空间之中。其结果是，装填在第二吸收塔12的内管22中的硅酸锂薄片42得到加热，温度不低于800℃。同时，用来回收的期望气体经第二支管92，从回收气体供给管道8供入到第二吸收塔12内管22中。
在此情形中，业已被硅酸锂薄片42吸收的二氧化碳气体，按照前述反应式(2)进行的反应，迅速地从硅酸锂中释放出来。含有高浓度二氧化碳气体的气体经用来排放回收气体的支管122和回收气体排放管道13被回收。
从第一吸收塔中回收二氧化碳也是采用类似的操作实施的。
重复进行上述的操作，可实现二氧化碳气体的连续分离。
可以采用一种金属如高密度铝和镍、或铁来制得内管21、22、外管31、32、用来供给含有二氧化碳气体支管61、62、用来供给有待回收气体的支管91、92、用来排放气体的支管101、102和用来排放回收气体的支管121、122。为了有效地回收在反应器内形成的二氧化碳气体，外管最好是具有很大的容积。而且，为了保持燃烧气体能与硅酸锂薄片41、42长时间地接触，每个内管21、22和外管31、32，它们最好是沿气体流动方向伸展的长管形状。
需要指出的是，根据原料气体的反应温度，可在反应器内部或外部安装一个温度控制元件，用来根据需要调节反应器内温度在某一预定所期望的温度。
本发明含有硅酸锂的二氧化碳气体吸收剂可用于火力发电厂中，用来直接吸收存在于燃料燃烧后废气中的二氧化碳气体。图2就是这类二氧化碳气体分离系统一个实例示意图。
在如图2所示的二氧化碳气体分离系统中，燃料和空气经燃料输入管21和空气输入管22输送到气体涡轮机20中。在气体涡轮机20中产生的含有二氧化碳气体的气体，分别经用来供给含二氧化碳气体的气体的管道23a、23b，输送到第一和第二二氧化碳气体分离汽缸25a、25b中。向第一和第二二氧化碳气体分离汽缸25a、25b中供给含二氧化碳气体的过程，可分别采用吸收-释放切换阀24a、24b进行控制。
如图中所示，第一和第二二氧化碳气体分离汽缸25a、25b是分别被产热元件26a、26b所围绕。通过加热该产热元件26a、26b到某预定温度，可实现二氧化碳气体的吸收或释放。
如上所述，通过采用本发明一个实施例的二氧化碳气体吸收剂，获得一种结构简单且可低成本地连续分离-回收二氧化碳气体的二氧化碳气体分离装置是可能。
现在对本发明的第二个实施例作具体的说明。
具体地说，第二实施例是涉及一种含有平均颗粒直径为0.1-10μm的硅酸锂粉末的二氧化碳气体吸收剂。通过采用颗粒直径在本发明规定范围内的硅酸锂粉末，可在约250℃的相对低温度区域有效地吸收二氧化碳气体。
用于本实施例中的硅酸锂可用LixSiyO2表示，其中，x+4y-2z＝0。期望的硅酸锂为Li4SiO4。
本发明人业已发现，在约为250℃的温度区域，硅酸锂可按下述反应式(3)与二氧化碳进行反应，这样，在约250℃的相对低温区域，可使得二氧化碳气体吸收剂具有高的二氧化碳吸收能力…(3)在这种硅酸锂粉末颗粒中，锂(Li)从硅酸锂粉末颗粒的内部扩散到表面，扩散到表面的锂与二氧化碳气体进行反应，从而吸收二氧化碳气体。由于在相对低温下(约250℃)锂的扩散速率比较低，所以减小硅酸锂粉末颗粒直径以缩短锂的扩散距离是有效的。对于这种情形，硅酸锂粉末平均颗粒直径的上限为10μm。另一方面，如果该粉末的颗粒直径过小，则粉末易于成块，其结果使得有效平均直径不能得到减小。而且，由于新近形成界面的存在，二氧化碳气体吸收性能将会降低。为了避免这些不便之处，该硅酸锂粉末的平均颗粒直径的下限规定在0.1μm。顺便要提及的是，硅酸锂粉末的平均颗粒直径优选为0.5-10μm，更优选为0.5-5μm。
根据本发明此实施例的二氧化碳气体吸收剂，可放置在燃烧装置内部的二氧化碳气体排放通道之中，以允许吸收剂吸收由烃燃料燃烧所产生的二氧化碳气体。更确切地说，在如发电厂或发动机之类的燃烧装置中，通过将硅酸锂粉末放置在由烃基燃料燃烧所产生的二氧化碳气体通道中，可以降低排放到大气中的燃烧废气之中所含有二氧化碳气体的量。
硅酸锂粉末可以成型体的形式使用，它是通过挤压粉末至一定程度使得二氧化碳气体能够在该成型体中流动而制备的。硅酸锂粉末也可以是以含有硅酸锂粉末的多孔体进行使用的。对于这种情形，该多孔体的孔隙度最好是设定在约30-60％。如果孔隙度低于30％，则二氧化碳气体流动通道不足，它将会使得与二氧化碳气体的反应变得困难。另一方面，如果孔隙度超过60％，则将会引起其机械强度变差。
用于本发明的硅酸锂在1400℃或更低温度下为固态。这种固态硅酸锂与二氧化碳气体反应形成固态二氧化硅和碳酸锂，从而吸收二氧化碳气体。该反应是可逆的。换言之，二氧化硅可在约700℃与碳酸锂反应，形成硅酸锂和二氧化碳气体。
如上所述，硅酸锂可在期望的位置选择吸收二氧化碳气体，所吸收的二氧化碳气体可重新使用。而且，硅酸锂在释放出二氧化碳气体之后，它还可重新作为二氧化碳气体吸收剂使用。
如上所述，用作二氧化碳气体吸收剂或用于制备硅酸锂成型体的硅酸锂粉末，具有的平均颗粒直径为0.1-50μm。该平均颗粒直径可采用激光衍射法测定。
正如所述的那样，锂从硅酸锂粉末颗粒的内部扩散到其表面，导致与二氧化碳气体进行反应，从而吸收二氧化碳气体。锂的扩散速度在低温下是低的。而且，在低温下，锂与二氧化碳气体的反应速率也是低的。其结果是，在低温下锂的二氧化碳吸收性能显著地削弱。另一方面，如果硅酸锂粉末的平均颗粒直径降低，则锂扩散到硅酸锂颗粒表面的距离会缩短，其结果是使锂易于与二氧化碳气体进行反应。实际上，随着硅酸锂粉末平均颗粒直径的降低，其二氧化碳气体吸收性能会得到改善。不过，如果该硅酸锂粉末的颗粒直径过于小的话，则该粉末易于成块，这样，有效平均颗粒直径并没有降低。而且，将会有新的界面形成。在此情形中，其二氧化碳气体吸收性能也是降低的。鉴于这种情况，在本发明的此实施例规定了该硅酸锂粉末的平均颗粒直径应为0.1-50μm。优选地，该硅酸锂粉末的平均颗粒直径应为0.5-10μm，更优选为0.5-5μm。
向该硅酸锂粉末中加入一种碱金属如锂、钠、钾的碳酸盐是可以的。碳酸盐的加入可促进所得的二氧化碳气体吸收剂的吸收-释放反应。
以硅酸锂粉末的量为基础，希望的碱金属碳酸盐的加入量为硅酸锂粉末量的5-30mol％。如果碱金属碳酸盐的加入量少于5mol％，则它将难于有效地促进二氧化碳气体的吸收反应。另一方面，如果碱金属碳酸盐的加入量超过30mol％，则二氧化碳吸收反应的促进作用可能达到饱和。而且，单位体积吸收剂的二氧化碳气体吸收量会降低。更为优选地，碱金属碳酸盐的加入量应为硅酸锂量的10-20mol％。
正如所述的那样，如果采用含有硅酸锂粉末的多孔体为二氧化碳气体吸收剂，则选自锂、钠和钾的碱金属的碳酸盐可保留在该多孔体的小孔中。
多孔体形式的二氧化碳气体吸收剂是采用如下述的方法制备的。在第一步骤中，称量预定量的二氧化硅和碳酸锂，并在玛瑙研钵中混合0.1-1小时。将得到的混合粉末放入到氧化铝坩埚中，在空气气氛中，在如箱式电炉中进行热处理0.5-20小时，接着，将经热处理的粉末再放入到行星式球磨机中粉粹，直到平均粉末颗粒直径小至0.1-50μm，这样，就得到一种硅酸锂原料粉末。通过控制粉粹时间以控制平均颗粒直径。接着，称量预定量的所得硅酸锂粉末，将其放入到一个模具中以便进行压制成型处理，从而得到孔隙度约为40％成型体，这样，就可获得多孔体的二氧化碳气体吸收剂。
通过粉粹硅酸锂粉末至具有平均颗粒直径为0.1-50μm，可以获得在约250℃的相对低温下可有效地吸收二氧化碳气体的二氧化碳气体吸收剂。
含有具有预定平均颗粒直径的硅酸锂粉末的二氧化碳气体吸收剂，可安装在燃烧装置的燃烧气体的排放管道之中。
图3为带有二氧化碳气体吸收剂的发动机的示意图。如图所示，该发动机包括一个装配有燃料供给嘴32、燃烧气体出口嘴33的燃料燃烧室31，一个用来燃烧烃基燃料如汽油(它是经燃料供给嘴32输入到燃烧室31的)的点火元件37，和一个由燃烧室31的内压所驱动的活塞34。阀38a和38b分别安装在燃料供给嘴32和燃烧气体出口嘴33中，用来控制供给燃料和排放燃烧气体的调速(timings)。重复燃料供给、燃料燃烧和燃烧气体排放步骤，以改变燃烧室31的内压，从而驱动活塞34。而且，燃烧气体排放通道35是与燃烧气体出口嘴33相连接的，这样，燃烧气体经燃烧气体排放通道35被排放到外部。
如图3所示，含有具有预定平均颗粒直径的硅酸锂粉末的二氧化碳气体吸收剂36a是安装在燃烧气体排放通道35之中的。存在于燃烧气体中的二氧化碳气体部分地被二氧化碳气体吸收剂36a吸收，从而降低该燃烧气体中的二氧化碳气体的浓度。
如果由燃烧室31中排放出来的燃烧气体具有高的温度，则可以将一种可在较高温度下吸收二氧化碳气体的二氧化碳气体吸收剂36b安装在该排放通道35物出口端，如图所示。例如，可采用锆酸锂。由燃烧室排放出来的燃烧气体中的二氧化碳气体浓度，还可通过在不同位置安装不同的二氧化碳气体吸收剂36a和36b而得到进一步的降低，只要这些吸收剂都可在所期望的温度下实现其功能。
现在对本发明的第三个实施例作详细的说明。具体地说，第三个实施例是涉及一种含有硅酸锂和至少一种选自由碳酸钠和碳酸钾所组成的组的碱金属碳酸盐的二氧化碳气体吸收剂。
正如已经描述的，本发明人业已发现，相对于传统的锆酸锂吸收剂来说，硅酸锂的重量是轻的，它适合用作二氧化碳气体吸收剂。而且还发现，其吸收二氧化碳气体的能力还可通过向硅酸锂中加入一种碱金属碳酸盐而进一步得到提高，使之能够有效地实现对低浓度二氧化碳气体的吸收。
硅酸锂一般可用通式LixSiyOz表示，其中的x、y、z满足x+4y-2z＝0关系，例如，它包括Li4SiO4和Li2SiO3。
如已经指出的，硅酸锂可在通常为200-700℃温度下与二氧化碳气体进行反应形成碳酸锂，如下述的反应式(1)所示…(1)而且，如果反应系统加热到超过700℃，由反应式(1)所表示反应的逆反应也会发生，如下述的反应式(2)所示…(2)反应温度会根据硅酸锂的组成或二氧化碳气体的分压有稍微的改变。
就单位重量的二氧化碳气体吸收量而言，硅酸锂也是优于锆酸锂的。在理论上，1mol(153g)的Li2ZrO3可用来吸收1mol的二氧化碳气体。另一方面，1mol的二氧化碳气体可被0.5mol(60g)的Li4SiO4所吸收。而且，相同量的二氧化碳气体可被1mol(90g)的Li2SiO3所吸收。正如上所指出的，相同摩尔量的二氧化碳气体可被较少量的硅酸锂所吸收，即仅为锆酸锂重量的一半或1/3。
而且，每摩尔硅酸锂的二氧化碳吸收量可通过提高上述通式中x的数值而得到改善。因此，提高这种二氧化碳气体吸收剂的二氧化碳气体吸收能力是可能的。更确切地说，该通式中x的数值最好至少为4，即期望的二氧化碳气体吸收剂应该为Li4SiO4。如下述的通式(4)所示，1mol的Li4SiO4可允许吸收2mol的二氧化碳气体，使得显著提高其吸收能力成为可能…(3)正如所指出的，硅酸锂的重量轻，因而适合用于可移动的燃烧装置中。确切地说，硅酸锂适合用作二氧化碳气体吸收剂，用来吸收汽车发动机(燃烧装置)排放的废气中含有的二氧化碳气体。
本发明人业已发现，二氧化碳气体吸收性能可通过向硅酸锂中加入碱金属碳酸盐而得到显著的改善，从而可获得一种可在甚至低温环境有效地吸收二氧化碳气体的二氧化碳气体吸收剂。
用于本发明的碱金属碳酸盐包括如碳酸钾和碳酸钠。
当碱金属碳酸盐加入到硅酸锂中时，由该碳酸盐的吸收所形成的碳酸锂和碱金属碳酸盐会形成一种共熔盐，从而降低物料的熔点。其结果是，硅酸锂当其单独使用时约在730℃液化，如果向硅酸锂中加入一种碱金属碳酸盐，它可在约500℃时液化。可以理解，降低液化温度可使得锂与二氧化碳气体迅速地进行反应成为可能，从而提高低温下二氧化碳气体的吸收性能和吸收能力。
期望添加到硅酸锂中碱金属碳酸盐的量为5-30mol％。如果碱金属碳酸盐的加入量少于5mol％，则充分地液化二氧化碳气体吸收剂将变得困难，导致不能充分获得由碱金属碳酸盐的加入所产生的效果。另一方面，如果碱金属碳酸盐的加入量超过30mol％，则对硅酸锂的二氧化碳吸收反应的促进作用可能达到饱和。而且，整个二氧化碳气体吸收剂中的硅酸锂含量也降低。其结果是，单位体积二氧化碳气体吸收剂的二氧化碳气体吸收量将会降低。二氧化碳气体的吸收比率也将会降低。
硅酸锂粉末或碱金属碳酸盐粉末最好具有0.1-50μm的平均颗粒直径。如果这些粉末的平均颗粒直径小于0.1μm，则粉末易于成块。另一方面，如果这种硅酸锂粉末的平均颗粒直径大于50μm，则其与碱金属碳酸盐的接触面积会降低，从而降低了二氧化碳气体的吸收速率。而且，如果该碱金属碳酸盐粉末的颗粒直径超过50μm，它将需要很长的时间以形成共熔盐，导致低的二氧化碳气体吸收速率。
而且，为了促进共熔盐的形成，碱金属碳酸盐最好是均匀地分散在硅酸锂中的。
对含有硅酸锂和一种碱金属碳酸盐的二氧化碳气体吸收剂的形状没有特别的限制。例如，它可以采用含有硅酸锂粉末和碱金属碳酸盐粉末的混合粉末。另一种替代的方案是，粉末混合物可对其进行加压成型处理以获得成型体。但是，需要指出的是，如果该二氧化碳气体吸收剂是以成型体进行使用的，则二氧化碳气体最好要能够在该成型体内流动，这样不会减少该成型体与二氧化碳气体的接触面积。例如，该成型体最好是多孔性的。
此实施例的二氧化碳气体吸收剂可采用如下步骤进行制备。在第一步骤中，制备硅酸锂粉末，接着向该硅酸锂粉末中加入一种碱金属碳酸盐粉末。
顺便要提及的是，硅酸锂可通过加热由碳酸锂粉末与二氧化硅粉末进行反应而得到。需要指出的，如果碱金属碳酸盐是在合成步骤中加入的，则对由碳酸锂粉末、碱金属碳酸盐粉末和二氧化硅粉末所组成的混合粉末加热，该混合粉末的熔点将会降低，其结果是，硅酸锂与碱金属碳酸盐的组成比将易于偏离想得到的组成比例。在此情形下，参与二氧化碳气体吸收反应的硅酸锂净重量，认为是降低的。如果硅酸锂的该量降低，则二氧化碳气体的吸收能力也会降低。
为了避免这些不利之处，最好是在硅酸锂制备之后加入碱金属碳酸盐，如上所述。
更确切地说，根据本发明第三个实施例的二氧化碳气体吸收剂，可以采用下述步骤进行制备。在第一步骤中，加热二氧化硅和碳酸锂的混合物至约700-1200℃以合成硅酸锂，如前述的反应式(2)所示。例如，为了合成Li4SiO4，虽然碳酸锂与二氧化硅的理论摩尔比(Li2CO3∶SiO2)为2∶1，最好是加入过量的碳酸锂。如果加入的碳酸锂过多，则可能会防止由于碳酸锂的不均匀分布造成的未反应的二氧化硅残留在体系中。更确切地说，碳酸锂与二氧化硅的摩尔混合比(Li2CO2∶SiO2)最好设定在2-2.4∶1。
由碳酸锂和二氧化硅所组成的、按所述混合比混合而得到的混合粉末，在如玛瑙研钵中混合0.1-1小时，以制备平均颗粒直径为0.1-10μm的混合粉末。将得到的混合粉末放入到加热容器如氧化铝坩埚中，在空气气氛中在箱式电炉中进行热处理0.5-40小时，从而得到硅酸锂粉末。
将所得到的硅酸锂粉末再采用玛瑙研钵研磨成粉，直到硅酸锂粉末的平均颗粒直径小至0.1-50μm。顺便要提及的是，由热处理所合成的硅酸锂粉末的研磨成粉，可以在此后所述的硅酸锂粉末与碱金属碳酸盐的混合步骤中进行。在此情况下，硅酸锂粉末的平均颗粒直径也可调节在期望的范围之内。
在下一步骤中，称量硅酸锂粉末和一种碱金属碳酸盐如碳酸钾的粉末，使得所含有的碳酸钾粉末为硅酸锂粉末的5-30mol％，接着在如玛瑙研钵中研磨混合物0.1-10小时，从而得到二氧化碳气体吸收剂。
为了避免上述的不便之处，碱金属碳酸盐粉末最好是在硅酸锂粉末制备之后加入。
由此所制备的二氧化碳气体吸收剂可安装在具有一个燃烧室且装配有一个燃料供给通道和一个废气排放通道的燃烧装置的排放通道之中。在具有特定结构燃烧装置中，通过使用本实施例的二氧化碳气体吸收剂，由燃烧室排放出来的二氧化碳气体可被该吸收剂吸收，从而降低了废气中的二氧化碳气体含量。特别地，由于本发明第三实施例的二氧化碳气体吸收剂中含有一种碱金属碳酸盐，低浓度的二氧化碳气体也可有效地被吸收，更不用说高浓度的二氧化碳气体了。
一般地，在燃烧装置如汽车中，废气中二氧化碳气体的含量随着汽车的使用状态而不同。因此，采用本发明第三实施例的二氧化碳气体吸收剂是非常有效的。此外，由于本发明的二氧化碳气体吸收剂的重量轻，所以本发明的吸收剂可适合用来回收由提供移动设备如汽车驱动源的燃烧装置所排放的二氧化碳气体。
也可以将上述的二氧化碳气体吸收剂与另一种组分一起使用，如与另一种二氧化碳气体吸收剂如锆酸锂一起使用。
图4为其中安装有本发明的二氧化碳气体吸收剂的燃烧装置实例的示意图。
如图所示，该燃烧装置包括一个燃烧室41，它装配有一个用来供给烃基燃料到燃烧室41的燃料供给管道42，一个用来排放在燃烧室41内部所产生的燃烧气体的排放管道43，一个用来燃烧烃基燃料如汽油(它是经燃料供给管道42输入到燃烧室41的)的点火元件47，和一个由燃烧室41的内压改变所驱动的活塞44。阀45是安装在燃料供给管道42和排放管道43中，用来控制供给到燃烧室41的调速和用来控制从燃烧室41内排放燃烧气体的调速。重复进行输入燃料到燃烧室41步骤、燃烧室41内输入燃料的燃烧步骤和燃烧室41内燃烧气体的排放步骤，以改变燃烧室41的内压，从而沿箭头所示方向驱动活塞44。
如图4的装置所示，通过将含有碱金属碳酸盐的二氧化碳气体吸收剂放入一个可透气的容器可制得二氧化碳气体吸收剂46，它是安装在燃烧气体排放管道43中的。存在于燃烧气体中的二氧化碳气体被二氧化碳气体吸收剂46吸收并捕集，从而降低了由燃烧室41排放的燃烧气体中的二氧化碳气体浓度。
现在对本发明的具体实例作详细的说明。实施例I
本实施例是涉及一种重量轻的二氧化碳气体吸收剂，它在超过约500℃的高温下实现其功能，同时能够维持高的性能。实例I-1按照摩尔比为2∶1的比例，称量平均颗粒直径为1mm的碳酸锂粉末和平均颗粒直径为0.8mm的二氧化硅粉末，并在玛瑙研钵中进行干混10分钟。
将所得到的粉末于1000℃在空气气氛中在箱式电炉中进行热处理8小时，得到硅酸锂粉末。接着，将所得到的硅酸锂粉末装入到一个直径为12mm的模具中，加压成型，从而得到孔隙度为40％呈成型体形式的二氧化碳气体吸收剂。实例I-2依照实例I-1，制备呈成型体形式的二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于碳酸锂粉末与二氧化硅粉末是以摩尔比4∶1进行混合的。实例I-3依照实例I-1，制备呈成型体形式的二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于碳酸锂粉末与二氧化硅粉末是以摩尔比3∶2进行混合的。实例I-4依照实例I-1，制备呈成型体形式的二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于碳酸锂粉末与二氧化硅粉末是以摩尔比1∶1进行混合的。对比例I-1按照摩尔比为1∶1的比例，称量平均颗粒直径为1mm的碳酸锂粉末和平均颗粒直径为0.3mm的二氧化锆粉末，并在玛瑙研钵中进行干混10分钟。
将所得到的粉末于800℃在空气气氛中在箱式电炉中进行热处理8小时，得到锆酸锂粉末。接着，将所得到的锆酸锂粉末装入到一个直径为12mm的模具中，加压成型，从而得到孔隙度为40％呈成型体形式的二氧化碳气体吸收剂。
将由实例I-1至I-4和对比例I-1所制备的二氧化碳气体吸收剂，放入在一种箱式电炉中。在此情况下，由20％体积二氧化碳气体和80％体积氮气组成的混合气体在该电炉中循环1小时，同时维持气体温度为600℃。通过测定实验后吸收剂增加的重量，与实验之前的吸收剂重量相比较，可测得所吸收二氧化碳气体的量。表1为实验结果及分子量。
顺便要提及的是，通过仅向电炉中供给氮气也可进行相似的实验，在该电炉中装填有各种上述的吸收剂。在此情形下，没有观察到吸收剂重量有丝毫增加。
而且，由实例I-1至I-4所制备的每种吸收剂释放的二氧化碳气体量，可用下述方法测定。具体地说，将由20％体积二氧化碳气体和80％体积氮气组成的混合气体，在其内装填有各种吸收剂的电炉中循环，同时维持温度为500℃，持续5小时。接着，立即降低温度至室温，测定每种吸收剂的重量。接着，在循环相同组成混合气体的同时，维持温度在800℃下1小时，以测定各种二氧化碳气体吸收剂减少的重量，从而测得吸收剂释放出来的二氧化碳气体量。
至于对比例1的吸收剂，二氧化碳气体吸收的温度没定为500℃，而吸收的气体从吸收剂中释放出来的温度为600℃。表1也给出了对比例1的结果。
此外，用来吸收相同体积CO2所需要的对比例I-1和实例I-1至I-4所制备的各种二氧化碳气体吸收剂的重量，可采用下述方法测定。在第一步骤中，将二氧化碳气体吸收剂放入到一个外径为50mm和高为200mm的筒形容器中，并在800℃下于氮气气氛中加热1小时。接着，采用离心泵抽空容器至0.1乇的真空，接着输入二氧化碳气体，直到容器内压提高到大气压为止。在此条件下，维持容器内的温度为500℃，持续3小时。由于容器是密封的，容器的内压随着二氧化碳气体吸收剂进行的二氧化碳气体的吸收而降低。
在容器内所能达到的真空度，将会根据容器内装填的二氧化碳气体吸收剂的量有所不同。通过提高装填在容器中的吸收剂的量，重复进行相似的实验，直到容器的内压降低到0.1乇。表1也给出了降低容器内压至0.1乇所需要的二氧化碳气体吸收剂的重量。
表1
表1清楚地表明，本发明含有硅酸锂(实例I-1至I-4)的二氧化碳气体吸收剂其吸收二氧化碳气体的量大于对比例I-1吸收剂的量，说明本发明的吸收剂具有优良的二氧化碳气体吸收性能。
还需要指出的是，本发明含有硅酸锂(实例I-1至I-4)的二氧化碳气体吸收剂，其二氧化碳气体的吸收量与二氧化碳气体的释放量大致相等，说明本发明的吸收剂适合用来吸收-释放二氧化碳气体。而且，吸收相同量二氧化碳气体，所需要的本发明二氧化碳气体吸收剂的重量小于对比例所需要吸收剂的重量，说明用于本发明的吸收剂的重量较轻。实例I-5将120kg在实例I-1中制备的硅酸锂，装填在具有双壳结构的镍基吸收塔的内管中，该塔内径为300mm，外径为400mm，长度为2500mm。所得到的吸收塔在如图1所示的二氧化碳气体分离设备中用作第一吸收塔引入。在此实例中，含有氢气、二氧化碳气体和水蒸气的混合气体(它是以体积比为1/3∶1/3∶1/3的混合比进行混合的)，在600℃用作含二氧化碳气体的气体。该混合气体以1.0×103mol/h的速率，循环流过第一吸收塔的内管3小时(换算为标准条件)。
在此二氧化碳气体吸收操作中，在吸收塔的出口部位测量气体温度。而且，测定硅酸锂重量的增加，得到吸收剂相对于反应式(1)的理论值的反应比率。而且，测定二氧化碳气体的收集比率。实验数据表明反应比率为94.3％，收集比率为85.8％，说明该硅酸锂吸收剂具有优良的二氧化碳气体吸收能力。实例I-6将氮气在800℃在吸收塔的内管中循环，在其中二氧化碳气体的吸收是按照实例I-5采用的方法进行的，以回收二氧化碳气体。氮气的循环速率为5.76×103L(升)/h。其结果是，在吸收塔出口部位的二氧化碳气体浓度为78.2％，说明二氧化碳气体已经迅速被释放。
实例I-5和I-6所得到的实验数据，清楚地表明，能带来多种优点的二氧化碳气体分离装置可以通过采用本发明的含有硅酸锂的二氧化碳气体吸收剂而获得。更确切地说，该装置可用来处理含有二氧化碳气体的相对高温的气体。此外，它可节约用于分离二氧化碳气体的能耗。而且，该装置可以高效且低成本地用来吸收和浓缩存在于废气中的二氧化碳气体，如由发电厂所排放的废气。实例I-7将由20mol％锆酸锂和80mol％硅酸锂组成的二氧化碳气体吸收剂装填在一个环形炉中。接着，由在500℃加热3小时和在800℃加热1小时组成的加热循环，重复进行1000次，同时使一种含有20％CO2的气体以300mL/min的低速率循环流过该环形炉，以采用热天平测定该二氧化碳气体吸收剂热的重量变化。业已发现，在经1000次的加热循环之后，该二氧化碳气体吸收剂对二氧化碳的吸收量为初始吸收量的90％。
顺便要提及的是，对于仅由硅酸锂组成的二氧化碳气体吸收剂，在经500次加热循环后，吸收剂的二氧化碳吸收量约为初始吸收量的70％。
如上所述，本发明实施例I的二氧化碳气体吸收剂的重量轻，而且在超过约500℃的高温区域具有令人满意的性能。实施例II本实施例是涉及一种二氧化碳气体吸收剂，它在约250℃的低温下具有高的二氧化碳气体吸收性能。实例II-1按照摩尔比为2∶1的比例，称量平均颗粒直径为1μm的碳酸锂粉末和平均颗粒直径为0.8μm的二氧化硅粉末，并在玛瑙研钵中进行干混10分钟。
将所得到的粉末于1000℃，在空气气氛中，在箱式电炉中进行热处理8小时，得到硅酸锂(Li4SiO4)粉末。接着，将该硅酸锂粉末在行星式球磨机中粉碎16小时，得到具有平均颗粒直径为3μm的硅酸锂粉末。
将所得到的硅酸锂粉末装入到一个直径为12mm的模具中，加压成型，从而得到孔隙度为40％呈成型体形式的二氧化碳气体吸收剂。实例II-2依照实例II-1，制备呈成型体形式的二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于碳酸锂粉末与二氧化硅粉末是以摩尔比4∶1进行混合的，得到硅酸锂Li8SiO6。实例II-3依照实例II-1，制备呈成型体形式的二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于碳酸锂粉末与二氧化硅粉末是以摩尔比3∶2进行混合的，得到硅酸锂Li6Si2O7。实例II-4依照实例II-1，制备呈成型体形式的二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于碳酸锂粉末与二氧化硅粉末是以摩尔比1∶1进行混合的，得到硅酸锂Li2SiO3。实例II-5依照实例II-1，制备呈成型体形式的二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于采用行星式球磨机的粉碎时间为64小时，得到具有平均颗粒直径为0.1μm的硅酸锂粉末，并采用所得到的硅酸锂粉末用来制备二氧化碳气体吸收剂。实例II-6依照实例II-1，制备呈成型体形式的二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于采用行星式球磨机的粉碎时间为32小时，得到具有平均颗粒直径为1μm的硅酸锂粉末，并采用所得到的硅酸锂粉末用来制备二氧化碳气体吸收剂。实例II-7依照实例II-1，制备呈成型体形式的二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于采用行星式球磨机的粉碎时间为8小时，得到具有平均颗粒直径为5μm的硅酸锂粉末，并采用所得到的硅酸锂粉末用来制备二氧化碳气体吸收剂。实例II-8依照实例II-1，制备呈成型体形式的二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于采用行星式球磨机的粉碎时间为2小时，得到具有平均颗粒直径为9μm的硅酸锂粉末，并采用所得到的硅酸锂粉末用来制备二氧化碳气体吸收剂。实例II-9依照实例II-1，制备呈成型体形式的二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于采用行星式球磨机的粉碎时间为96小时，得到具有平均颗粒直径为0.05μm的硅酸锂粉末，并采用所得到的硅酸锂粉末用来制备二氧化碳气体吸收剂。实例II-10依照实例II-1，制备呈成型体形式的二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于没有采用行星式球磨机进行粉碎处理，本来具有平均颗粒直径为30μm的硅酸锂粉末依其原样用来制备二氧化碳气体吸收剂。对比例II-1按照摩尔比为1∶1的比例，称量平均颗粒直径为1μm的碳酸锂粉末和平均颗粒直径为1μm的氧化铁粉末，并在玛瑙研钵中进行干混10分钟。
将所得到的粉末按实例II-1进行热处理，得到LiFeO2粉末。接着，对所得到的粉末按实例II-1进行粉碎，得到具有平均颗粒直径为3μm的细小粉末。接着，按实例II-1方法，制备孔隙度为40％呈成型体形式的二氧化碳气体吸收剂。
将由实例II-1至II-10和对比例II-1所制备的各种二氧化碳气体吸收剂，放入在一种箱式电炉中。在此情况下，由20％体积二氧化碳气体和80％体积氮气组成的混合气体在该电炉中循环6小时，同时维持气体温度分别在250℃和450℃。通过测定实验后吸收剂增加的重量，与实验之前的吸收剂重量相比较，可测得所吸收二氧化碳气体的量。表2给出了这些实验结果。
顺便要提及的是，通过仅向电炉中供给氮气也可进行相似的实验，在该电炉中装填有各种上述的吸收剂。在此情形下，没有观察到吸收剂重量有丝毫增加。
而且，由实例II-1至II-8所制备的各种吸收剂释放的二氧化碳气体量，可用下述方法测定。具体地说，将由20％体积二氧化碳气体和80％体积氮气组成的混合气体，在其内装填有各种吸收剂的电炉中循环，同时维持温度为250℃，持续6小时。接着，立即降低温度至室温，测定每种吸收剂的重量。接着，在循环相同组成混合气体的同时，维持温度在800℃下1小时，以测定各种二氧化碳气体吸收剂减少的重量，从而测得吸收剂释放出来的二氧化碳气体量。表2也给出了这些实验结果。
表2
表2清楚地表明，实例II-1至II-8的各种二氧化碳气体吸收剂其二氧化碳气体吸收量明显地大于实例II-9或II-10的吸收量，说明实例II-1至II-8的各种二氧化碳气体吸收剂都具有优良的二氧化碳气体吸收性能。换言之，这些数据说明，相对于具有平均颗粒直径不在0.1-50μm范围内的吸收剂，具有平均颗粒直径为0.1-50μm的硅酸锂粉末表现出高的二氧化碳吸收能力。而且，实例II-1和II-5证明硅酸锂粉末的平均颗粒直径优选应为0.5-10μm，更优选应为0.5-5μm。
从实例II-1至实例II-8的各种二氧化碳气体吸收剂中释放出来的二氧化碳气体量，大致等于这些吸收剂各自所吸收的二氧化碳气体量，这证明这些吸收剂均可适用于吸收-释放二氧化碳气体。
还发现，由限定二氧化碳气体吸收剂的平均颗粒直径所产生的效果，在不高于250℃的温度区域是非常显著的。
如上所述，根据本发明第二实施例的二氧化碳气体吸收剂，即使在不高于250℃的相对低温区域，也具有高的二氧化碳气体吸收能力。而且，燃烧气体中的二氧化碳气体浓度，可通过在燃烧装置中产生的燃烧气体的排放通道中安装一种本发明的二氧化碳气体吸收剂而得以降低，这样，可将废气以低二氧化碳气体含量排放到外界中。实施例III本实施例是涉及一种二氧化碳气体吸收剂，它的重量轻，且可在高温区域有效地回收低浓度的二氧化碳气体。实例III-1按照摩尔比为2∶1的比例，称量平均颗粒直径为1μm的碳酸锂粉末和平均颗粒直径为0.8μm的二氧化硅粉末，并在玛瑙研钵中进行干混10分钟。
将所得到的混合粉末于1000℃，在空气气氛中，在箱式电炉中进行热处理8小时，得到硅酸锂(Li4SiO4)粉末。接着，按照摩尔比为1∶0.05的比例，称取所得到的硅酸锂粉末和作为碱金属碳酸盐粉末的碳酸钾粉末，其平均颗粒直径为0.5μm，在玛瑙研钵中进行干混10分钟，得到一种由平均颗粒直径为3μm的混合粉末组成的硅酸锂其二氧化碳气体吸收剂。实例III-2依照实例III-1制备一种二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于碳酸锂粉末与碳酸钾粉末的摩尔混合比为1∶0.1。实例III-3依照实例III-1制备一种二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于碳酸锂粉末与碳酸钾粉末的摩尔混合比为1∶0.2。实例III-4依照实例III-1制备一种二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于碳酸锂粉末与碳酸钾粉末的摩尔混合比为1∶0.3。实例III-5依照实例III-1制备一种二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于碳酸锂粉末与碳酸钾粉末的摩尔混合比为1∶0.4。实例III-6依照实例III-1制备一种二氧化碳气体吸收剂，不同之处在于是采用碳酸钠粉末以替代碳酸钾粉末，作为碱金属碳酸盐的。实例III-7按照摩尔比为2∶1∶0.2的比例，称取平均颗粒直径为1μm的碳酸锂粉末、平均颗粒直径为0.8μm的二氧化硅粉末和平均颗粒直径为0.5μm的碳酸钾粉末，并在玛瑙研钵中进行干混10分钟。
将所得到的混合粉末放入到箱式电炉中，并于1000℃在空气气氛中进行热处理8小时，得到其中添加有碳酸钾的硅酸锂(Li4SiO4)粉末。实例III-8按照摩尔比为2∶1的比例，称取平均颗粒直径为1μm的碳酸锂粉末和平均颗粒直径为0.8μm的二氧化硅粉末，并在玛瑙研钵中进行干混10分钟。
将所得到的混合粉末放入到箱式电炉中，并于1000℃在空气气氛中进行热处理8小时，得到硅酸锂(Li4SiO4)粉末。对比例III-1按照摩尔比为1∶1的比例，称取平均颗粒直径为1μm的碳酸锂粉末和平均颗粒直径为0.8μm的二氧化锆粉末，并在玛瑙研钵中进行干混10分钟。
将所得到的混合粉末放入到箱式电炉中，并于1000℃在空气气氛中进行热处理8小时，得到一种由锆酸锂(Li2ZrO3)粉末组成的二氧化碳气体吸收剂。对比例III-2按照摩尔比为1∶0.2的比例，称取经对比例III-1热处理所得到的锆酸锂粉末和平均颗粒直径为0.5μm的碳酸钾粉末，并在玛瑙研钵中进行干混10分钟，得到一种由具有平均颗粒直径为3μm的混合粉末组成的锆酸锂基二氧化碳气体吸收剂。
由实例III-1至III-8以及对比例III-1和III-2所制备的各种二氧化碳气体吸收剂，维持其温度为500℃，持续3小时，同时使由80％体积氮气和20％体积二氧化碳气体组成的混合气体，以300mL/min的流速循环流过二氧化碳气体吸收剂。实验后吸收剂增加的重量可由热重分析获得，吸收剂的增重比率，即增加的重量除以测量前的重量并以百分数(％)表示的数值，是根据由热重分析所获得的增重计算得到的。表3给出了这些结果。
表3
<p>表3清楚地表明，由实例III-1至III-6所得到的含有碱金属碳酸盐的各种二氧化碳气体吸收剂，其增重显著地大于由实例III-8所制备的不含碱金属碳酸盐的二氧化碳气体吸收剂的增重，这证实实例III-1至III-6的吸收剂可吸收大量的二氧化碳气体，即使二氧化碳的浓度是低的。
还发现，实例III-3制得的二氧化碳气体吸收剂，在二氧化碳气体吸收能力上优于实例III-7所制得的吸收剂，虽然实例III-3和III-7其原料组成是彼此相同的。可以这样理解，实例III-7吸收剂的二氧化碳气体吸收能力低，是由于碳酸锂粉末、碳酸钾粉末和二氧化硅粉末被同时进行加热而导致的。
顺便要提及的是，对比例III-1和III-2是为了研究碱金属碳酸盐的存在与引起的对锆酸锂基二氧化碳气体吸收剂的吸收性能的变化。由这些实验数据可以清楚地看出，添加碱金属碳酸盐可提高二氧化碳气体的吸收量。但是，相对于本发明的硅酸锂基二氧化碳气体吸收剂来说，其增加比率是低的。
而且，维持实例III-3和对比例III-2所制备的两种二氧化碳气体吸收剂的温度在500℃，持续3小时，同时使由98％体积氮气和2％体积二氧化碳气体组成的混合气体，以300mL/min的流速循环流过二氧化碳气体吸收剂。实验后吸收剂增加的重量可由热重分析获得，吸收剂重量的增加比率，即增加的重量除以测量前的重量并以百分数(％)表示的数值，是根据由热重分析所获得的增重计算得到的。表4给出了这些结果。
表4
表4清楚地表明，由实例III-3所得到的硅酸锂基二氧化碳气体吸收剂，其增重比率高于由对比例III-2所制备的锆酸锂基二氧化碳气体吸收剂的增重。换言之，此实验数据证实实例III-3的吸收剂可吸收大量的二氧化碳气体，即使二氧化碳的浓度是低的。
如上所述，本发明的第三实施例提供了一种具有高的二氧化碳气体吸收能力的二氧化碳气体吸收剂，即使二氧化碳气体的浓度是低的。
对于本领域的技术人员来说，其它的优点和改进是易于想到的。因此，在更大范围而言，本发明并不仅仅限于本申请中所给出和描述的这些详细的细节和典型的实施例。所以，没有远离本发明总的发明构思的精神或范围的多种改进，可由随后的权利要求书和其等价物所限定。
权利要求
1.一种含有下列通式表示的硅酸锂的二氧化碳气体吸收剂，LixSiyOz其中的x、y、z为满足x+4y-2z＝0要求的整数。
2.权利要求1所述的二氧化碳气体吸收剂，其中通式中的x是至少为4的整数。
3.权利要求1所述的二氧化碳气体吸收剂，它还包括一种碱金属碳酸盐，是选自由碳酸锂、碳酸钠和碳酸钾所组成的组。
4.权利要求3所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述的碱金属碳酸盐的含量为5-30mol％。
5.权利要求1所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述的硅酸锂是多孔体的形式。
6.权利要求5所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述的多孔体含有平均颗粒直径为0.1-5mm的颗粒。
7.权利要求5所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述多孔体的孔隙度为30-50％。
8.权利要求1所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述的硅酸锂可与二氧化碳气体反应形成碳酸锂。
9.权利要求1所述的二氧化碳气体吸收剂，它还包括至少一种元素作为辅助成分，是选自由Al、K、Mg、Ca、Na、Fe、Ti和C所组成的组。
10.权利要求9所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述的辅助成分含量不高于5wt％。
11.一种二氧化碳气体吸收剂，它含有一种含有锂和硅和氧的化合物作为主要成分。
12.权利要求11所述的二氧化碳气体吸收剂，它还包括一种碱金属碳酸盐，是选自由碳酸锂、碳酸钠和碳酸钾所组成的组。
13.权利要求12所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述的碱金属碳酸盐的含量为5-30mol％。
14.权利要求11所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述的化合物是多孔体的形式。
15.权利要求14所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述的多孔体含有平均颗粒直径为0.1-5mm的颗粒。
16.权利要求14所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述多孔体的孔隙度为30-50％。
17.权利要求11所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述的化合物可与二氧化碳气体反应形成碳酸锂。
18.权利要求11所述的二氧化碳气体吸收剂，它还包括至少一种元素作为辅助成分，是选自由Al、K、Mg、Ca、Na、Fe、Ti和C所组成的组。
19.权利要求18所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述的辅助成分含量不高于5wt％。
20.一种含有锂和硅的复合氧化物的二氧化碳气体吸收剂，所述的复合化合物能与二氧化碳气体反应形成碳酸锂。
21.一种二氧化碳气体吸收剂，包括一种含有Li2O和SiO2的物质，其中Li2O/SiO2的摩尔比范围为0.5-10。
22.一种二氧化碳气体吸收剂，包括一种含有硅酸锂和锆酸锂的物质。
23.权利要求22所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述的锆酸锂含量不高于40mol％。
24.权利要求22所述的二氧化碳气体吸收剂，它还包括一种碱金属碳酸盐，是选自由碳酸锂、碳酸钠和碳酸钾所组成的组。
25.权利要求24所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述的碱金属碳酸盐的含量为5-30mol％。
26.权利要求22所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述的物质是多孔体的形式。
27.权利要求26所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述的多孔体含有平均颗粒直径为0.1-50mm的颗粒。
28.权利要求26所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述多孔体的孔隙度为30-50％。
29.权利要求22所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述的物质可与二氧化碳气体反应形成碳酸锂。
30.权利要求22所述的二氧化碳气体吸收剂，它还包括至少一种元素作为辅助成分，是选自由Al、K、Mg、Ca、Na、Fe、Ti和C所组成的组。
31.权利要求30所述的二氧化碳气体吸收剂，其中所述的辅助成分含量不高于5wt％。
全文摘要
公开了一种二氧化碳气体吸收剂,它含有可与二氧化碳气体反应形成碳酸锂且可用通式Li
文档编号B01D53/62GK1275426SQ0010888
公开日2000年12月6日 申请日期2000年3月23日 优先权日1999年3月23日
发明者中川和明, 加藤雅礼, 大桥俊之, 吉川佐和子, 越崎健司 申请人:株式会社东芝