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所选的气体。本发明尤其用于从空气中提取二氧 化碳(co2)，并且结合这些用途来描述，但是其它用途也是可以想到的。
背景技术：
存在着令人信服的证据来暗示在日益急剧增加的大气co2浓度和全球表
面温度的相应增加之间具有很强的相关性。这个效应通常被称作全球变暖
(Global Warming)。在各种C02排放源之中，存在着大量的、广泛分布的小 型排放装置(emitter),这些排放装置是不可能在其源头处减轻的。此外，大 型的排放装置例如以碳氢化合物作为燃料的发电厂不能完全地被免于把C02
排出到大气中.。总之，这些主要排放源以及其它排放源导致产^^:气'co;浓
度的急剧增加。在所有排放装置在其源处能被调整以达到要求的标准之前，还 需要其它技术来捕获该虽然相对较低但日益增多的本底浓度的大气C02。正在 进行努力来提高现有排放减少技术以及发展新颖和新型的技术来直接捕获大 气C02。这些努力需要方法论以这样的方式来处理所得到的集中的废C02流， 以使得可以防止其重新加入到大气中。
C02的产生发生在诸如发电厂用煤发电之类的各种工业应用中和在碳氢 化合物的使用中，该碳氢化合物通常是在燃烧装置(例如发动机)中燃烧的燃 料的主要成分。从这些燃烧装置中所排出的废气包括C02气体，该气体目前 被简单地释放到大气中。但是，由于温室气体影响的增长，因此从所有源中所 排出的C02排放量必需被减少。对于移动源而言，最好的选择可能是收集直 接来自空气而不是来自汽车或者飞机中的移动燃烧装置的C02。从空气中除去 C02的优点在于它不需要把C02储存在移动装置中。
5从大气中提取二氧化碳(C02)使得可以使用碳基燃料并且处理之后的相
关的温室气体排放。C02在ppm级时既无毒也无害，而仅仅是由于蓄积在大
气中而产生了环境问题，因此可以从空气中除去co2以便补偿在不同时间和
在其它地方的等量排放。
发展了各种方法和装置来从空气中除去C02。例如，我们最近公开了使用
捕获溶剂从大气中有效地提取二氧化碳(C02)的方法，所述捕获溶剂物理结
合或者化学结合空气中的C02并且除去它。
一类实用的C02捕获吸附剂包括
强碱氢氧化物溶液，例如氢氧化钠或者氢氧化钾，或者碳酸盐溶液，例如碳酸 钠或者碳酸钾的盐水。例如参见公开的PCT申请PCT/US05/29979和 PCT/US06/029238。
一些现有技术的方法包括使用热振荡(heat swing)来再生离子交换树脂。 但是，在使用这些方法来捕获C02时，这些方法效率低下，而且由于需要热 量输入而产生了额外的C02。参见美国专利No.4324564和美国专利 No.6402814。
发明内容
本发明改进了上述现有技术。更加具体地说，本发明提供了多种用于从空 气中提取二氧化碳(或者其它感兴趣的气体)的方法和系统，其使用一初级交 换树脂，把所提取的二氧化碳(或者其它感兴趣的气体)输送到一远离初级交 换树脂的二级树脂或者吸附剂中，及再生该二级树脂或者吸附剂。
结合附图，从下面详述中可以看到本发明的其它特征和优点，其中 图1是一示出本发明的方块流程图；及 图2是一示出概念验证的示意图；及
图3是一示出了本发明与C02收集装置的集成的示意图。
具体实施例方式
本发明通常涉及尤其从空气中提取、减少、捕获、处理、螯合(sequestration) 或者储存二氧化碳(C02)，并且还涉及减少环境中的C02气体的新方法和装置。然后，所提取出的二氧化碳可以(1)作为商品被出卖或者交易；和/或
(2)被转换成碳信用额(carboncredits)来出售或者交易；禾B/或(3)以某些 方式被螯合以从大气中除去它，因此减轻了其作为所谓温室气体的作用。
本发明提供了一种系统r即方法和装置，用于从空气中提取二氧化碳
(C02)和用于再生用在提取方法中的树脂。因此，通过再生树脂用于后续使 用和通过输送在许多终端应用中具有商业价值的产品(即二氧化碳)，本发明 可以提供两倍的经济效益。此外，本发明可以提供由于下面事实所产生的生态
利益如此回收的二氧化碳不再需要生产相同量的该产品用于商业目的，或者
如此回收的二氧化碳可通过大量技术从环境中被螯合，所述的技术例如在前述
PCT申请No.PCT/US2005/01543、 PCT/US2005/015454、 PCT/US2006/03646 和PCT/US2006/029238中所述。上述的生态利益起因于二氧化碳的特性，其 作为主要的温室气体并且因此被假定为对气候变化尤其是全球变暖的主要贡 献者°
本发明使用一初级树脂实现从空气提取二氧化碳。然后把所提取的二氧化 碳输送到远离初级树脂的二级树脂或者吸附剂中，并且该二级树脂或吸附剂被 再生，例如以化学方法或者电化学方法，或者通过把热量施用到二氧化碳负载 的树脂上，即具有二氧化碳或者化学地和/或物理地结合到树脂上的组成离子 的树脂。例如，使用热振荡作为再生机制时，^^约40T的温度，二氧化碳 气体开始被树脂释放和从中排放出。在这一温度下二氧化碳气体的释放是强碱 离子交换树脂的一个有用的特征，该树脂可被用于一个C02气体提取过程中， 其在不结合C02所需温度上通常失去所有的或者部分的效能。由于优选的操 作温度处于大约40。C一95。C的范围内，因此需要一弱碱离子交换树脂。其具 有C(V弱碱离子交换树脂间的弱结合的特性，使得在优选的40。C一95。C的温 度时能够成功地分离C02，该优选温度低于这类树脂被推荐的最大温度(典型 地为100。C)。
例如Huang和Chang, e"wgy 2002, 16, 904-912的科学文献公开了使
用含有胺功能团的弱碱性的离子交换树脂在室温通过从碳酸氢铵吸收碳酸来 再生氨水，该碳酸氢铵为通过氨水吸收C02所形成的主要产物。然后通过在 50。C到100。C温度范围的水中的加热来再生该树脂，导致释放出氨水。
本发明的利用不被局限于C02或者其组成离子被附着到离子交换树脂的方式。但是，出于解释本发明新颖性和有用性的目的，因此本发明将被这样描
述在本发明中该组成离子是通过使用0.5 mol碳酸氢钠(NaHC03)水溶液 来洗涤树脂而被引入到二级树脂中。
z在这个发明中所体现的基本概念允许使用一初级树脂在尽可能接近理想
条件的情况下来提取C02。然后把所提取的C02输送到一二级树脂或者吸附剂
中，然后在那里使用更为方便的化学、电化学或者加热方法将所提取的co2
从二级树脂或者吸附剂中分离出来。总过程如下通过一初级树脂从空气中提 取C02。然后，将该提取的C02从初级树脂中清除出来并且通过一输送溶剂被
输送到二级树脂或者吸附剂中，所述输送溶剂例如水或者水蒸汽或者诸如氢氧 化物或者碳酸盐溶液之类的碱性的溶液，或者通过将初级树脂减压来除去co2 气体以将该提取的co2从初级树脂中清除出来。这使得初级树脂可以从空气 中提取更多的C02。通过二级树脂或者吸附剂来捕获所提取的co2，然后使用 方便的化学再生、电化学再生或加热方法来再生该二级树脂或者吸附剂。例如， 在本发明的一个示例性实施方式中，使用加热来从离子交换树脂中分离二氧化 碳，通过将NaHC03水溶液混合物与一离子交换介质相接触，该离子交换树脂 被用来实现从NaHC03水溶液混合物分离和回收Na2C03吸附剂。通过酸/碱反 应该树脂从NaHC03提取C02，再生Na2C03并被返回到上游过程，例如根据 PCT/US2006/029328的教导。从该树脂分离二氧化碳通常是通过多个如下的循 环进行的用水洗涤该负载的树脂，从洗涤水中分离出树脂并且把该树脂和所 带水的混合物加热到一温度并持续加热一段时间，以使得该离子交换树脂保持 大部分不变(不同于释放二氧化碳)。g卩，在加热的初始和随后期间之后，树 脂从NaHC03中提取C02并且因此再生Na2C03的效率保持在可接受的水平 上，在该加热期间，被捕获和持有的二氧化碳被释放。此外，这一过程可以被 实现而没有明显的压力改变。
作为原理的证明给出下面工作实施例。 工作实施例
参照图1和2，使用0.5 mol NaHC03水溶液来洗涤离子交换树脂珠10的 混合物以模拟一吸附剂混合物，如同通过PCT/US2006/029238中所述的方法 来产生。然后在去离子水中洗涤树脂珠。倾去洗涤水，并且将树脂珠进行离心 分离以除去保留在其上的大量水。然后把经离心的树脂珠IO放置到玻璃烧瓶14中，该玻璃瓶被构造成经加热从该烧瓶导出的塔顶馏出物被运送经过一导
管16穿过一冷凝器18。从加热的烧瓶14所携出的大量水蒸汽通过冷凝器18 时在冷凝器18中被冷凝并被截留在那里，同时经过从树脂珠IO释出的二氧化 碳气体被运送经过一导管20作为塔顶馏出物到达一第三容器22，在第三容器 中该二氧化碳气体被收集起来。然后将树脂珠10从烧瓶14中移出，并且将其 返回使用，即从NaHC03中除去二氧化碳和再生Na2C03吸附剂。
可以购得各种交换树脂并可方便地用于本发明中。特别优选的是离子交换 树脂，例如从宾夕法尼亚州的Purolite Company of Bala Cynwyd所购得的 Purolite A830 ，从费城，宾夕法尼亚州的Rohm&Haas所购得的 Amberlite IRA67，及从日本东京的Mitsubishi Chemical Corporation所购得的 Diaion 20和Diaion 30。但是，根据本发明也可以方便地采用其它市售可得 的离子交换树脂。
最后在热振荡阶段中，在一产生其自有C02的过程中产生热量，该co2 也被捕获。可再生能量可以被用来产生再生所需要的热量。或者，成本低的煤 可以被用来从燃烧过程中收集C02。在那种情况下， 一额外的250kJ热量将产 生一额外的1/2摩尔C02。但是，在一热量回收系统中可以避免某些能量费用。 因此，对于每升被加热的溶液而言，存在另一升被冷却的溶液。在这种方法中， 绝大多数的热量可以被回收。
尽管本发明是结合从空气中提取C02来进行描述的，但是有利的是，本 发明可以被用来提取其它所需的气体，例如NOw H2S等等。此外，可以逐次 地加入一个或者多个另外的二级树脂珠或者吸附剂。
本发明的特征和优点允许使用一初级树脂在尽可能接近理想条件的情况
下来从空气中提取C02。然后，把所提取的C02从一初级空气交换器中输送到
一二级交换床或者设计为专用来再生该树脂的装置中。初级床中的树脂和二级 床中的树脂可以是相同的或者不同的树脂。
尽管本发明是结合一采用热敏离子交换树脂材料从大气提取C02的优选 的实施方式进行了描述，但是本发明的优点也可以这样实现根据在我们前述 的PCT申请No.PCT/US05/29979和PCT/US2006/029238中所述的若干方案通 过使用一吸附剂从大气中提取二氧化碳，并通过合适地操控该吸附剂把所提取 的C02释放到温室中。而且，当使用去离子水作为在上面的实施例中的二氧化碳负载的树脂的洗涤水时，可有利地使用一碱性的(PH〉7)洗涤水溶液。
其它的在此没有明确讨论的实施方式和用途被申请人设想到，并且对于相关领
域的技术人员来讲将是显而易见的。
权利要求
1.一种从空气中除去CO2的方法，该方法包括步骤(a)将空气与第一离子交换树脂接触，从而从空气中吸收CO2；(b)将一CO2吸附剂与该第一离子交换树脂接触，以把CO2传送到该吸附剂中；(c)将步骤(b)的吸附剂与一弱碱阴离子交换树脂接触，从而从该吸附剂中吸收CO2；及(d)通过加热步骤(c)的离子交换树脂以从该树脂中逐出CO2，从该离子交换树脂中分离出CO2。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子交换树脂包括一固 态阴离子交换材料。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子交换树脂被涂敷在 一基底上或者被插入到或以其它方式集成到一载体材料中。
4. 根据权利要求1所述的方法，包括步骤用水来洗涤该离子交换树脂，和在加热该树脂之前从水中分离出该树脂。
5. 根据权，j要求4所述的方法，其特征在于，所述水包括去离子水。
6. 根据权fe要求4所述的方法，其特征在于，所述水包括一碱性的(PH 〉7)水溶液。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子交换树脂被加热到 约40。C以上。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述离子交换树脂被加热到 50°C到95。C的温度。
9. 一种用于再生离子交换树脂的方法，该离子交换树脂用来从一包括碳酸 盐/重碳酸盐混合物的吸附剂溶液中除去C02，该方法包括步骤(a) 将一吸附剂溶液与一离子交换树脂接触，从而把C02从碳酸氢钠溶 液中传送到该树脂中； ？(b) 洗涤步骤(a)的离子交换树脂和水；及(c) 通过加热步骤(b)的离子交换树脂以从该树脂中逐出C02，从该离子交换树脂中分离出C02。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述离子交换树脂包括一 固态阴离子交换材料。
11. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述离子交换树脂被涂敷 在一基底上或者被插入到或以其它方式集成到一载体材料中，所述载体材料例 如一聚合膜。
12. 根据权利要求9所述的方法，包括步骤在加热该树脂之前从水中分 离出该树脂。
13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述水包括去离子水。
14. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述水包括一碱性的(PH 〉7)水溶液。
15. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述离子交换树脂被加热 到约40。C以上。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述离子交换树脂被加热 到50。C到95。C的温度。
17. —种用于分离被保持在离子交换树脂上或其内的二氧化碳的方法，该 方法包括加热该离子交换树脂以除去二氧化碳。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述离子交换树脂被加热 到约40。C以上的温度。
19. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述离子交换树脂被加热 到50。C到95。C的温度。
20. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子交换树脂包括一 弱碱离子交换树脂或者一弱碱性的离子交换树脂。
21. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子交换树脂呈珠形。
22. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于，在使用之前，所述离子交 换树脂珠被压碎。
23. —种用于从空气中除去所选微量气体的方法，该方法包括步骤(a) 将空气与第一树脂床接触，从而从空气中吸收所选微量气体；(b) 把所吸收的所选微量气体传送到第二树脂床中，从而将所选微量气 体吸收到第二树脂床上；及(c) 通过加热该第二树脂床以从该树脂中逐出所选微量气体，从第二树脂床中分离出所选微量气体。
24. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述第一树脂床和第二树 脂床都包括固态阴离子交换材料。
25. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述第一和或第二树脂被 涂敷在一基底上或者被插入到或以其它方式集成到一载体材料中。
26. 根据权利要求23所述的方法，包括步骤用水或者蒸汽来洗涤第一树 脂床。
27. 根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述水包括去离子水。
28. 根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述水包括一碱性的(PH 〉7)水溶液。
29. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述第二树脂床被加热到 约40。C以上。
30. 根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述第二树脂床被加热到 50°C到95。C的温度。
31. 根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述第一树脂床和第二树 脂床由相同的交换材料形成。
32. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述第一和第二树脂床包 括弱碱离子交换树脂或者弱碱性的离子交换树脂a
33. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述第一和第二树脂呈珠形。
34. 根据权利要求33所述的方法，其特征在于，在使用之前压碎所述树脂珠。
35. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述微量气体是C02。
36. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述第二树脂床包括一用 于所选微量气体的吸附剂。
37. 根据权利要求36所述的方法，其特征在于，所述吸附剂被以电化学方 法再生。
全文摘要
一种从空气中除去CO<sub>2</sub>的方法，该方法包括步骤(a)将空气与第一离子交换树脂接触，从而从空气中吸收CO<sub>2</sub>；(b)将一CO<sub>2</sub>吸附剂与第一离子交换树脂接触，以把CO<sub>2</sub>传送到该吸附剂中；将步骤(b)的吸附剂与一弱碱阴离子交换树脂接触，从而从该吸附剂中吸收CO<sub>2</sub>；及通过加热步骤(c)的离子交换树脂因而从该树脂中逐出CO<sub>2</sub>，从该离子交换树脂中分离出CO<sub>2</sub>。或者，在加热之前可以用水来洗涤该离子交换树脂。
文档编号B01D53/62GK101588856SQ200780042511
公开日2009年11月25日 申请日期2007年11月15日 优先权日2006年11月15日
发明者克劳斯·S·拉克纳, 平 刘 申请人:环球研究技术有限公司