使用基于MOF的物理吸附剂从空气和稀释的CO2流中浓缩CO2的方法与流程

本公开内容涉及用于从气体流中捕获co2的方法，并且特别是使用基于金属有机骨架(mof)的物理吸附剂(physisorbent)从气体流中捕获co2的方法。

背景技术：

1、与全球变暖相关的气候变化是人类近年来面临的最大挑战之一。上个世纪大气co2浓度的增加(主要是由于工业和车辆的co2排放)与全球变暖直接相关。

2、截至目前，大气中的co2浓度已达到约415ppm，并以每年2-3ppm的速度持续增加。如果不停止或大幅减少co2排放，我们将在几年内跨越450ppm co2浓度的临界点(tippingpoint)，这将导致一系列永无止境的环境灾难。

3、世界无法停止或显著缩减化石燃料的使用，并且，至少在未来几十年内，世界将依赖化石燃料。在这种情况下，co2捕获是减缓大气中co2浓度增加和伴随的全球变暖的重要技术。有很多努力来开发从烟道气(flue gas)(工业排放)中以及直接从空气(直接空气捕获)中捕获co2的材料和技术。从烟道气中捕获co2当前是在10-15％co2浓度下进行的，并且存在用于该目的的一些新兴技术。

4、直接空气捕获甚至更加复杂；这里，需要捕获的co2浓度为400ppm，比烟道气低200多倍。直接空气捕获的优点是，可在世界上在任意地方进行捕获，并且其可处理来自扩散源如交通部门的排放。在所研究的材料中，基于液体胺和其他胺的化学吸附剂(chemisorbent)已经显示出对于这两种应用的前景。然而，这些化学吸附剂材料需要非常高的能量进行再生(100-120kj/mol)；这实际上将抵消co2捕获的积极影响。此外，基于胺的材料易于降解并产生能对环境具有有害影响的有毒分解产物。另一方法是使用物理吸附剂材料，其中co2吸附的驱动力是材料和co2之间的非键相互作用。

5、金属有机骨架(mof)是近年来受到大量关注的相对新的一类吸附剂，主要是由于结晶和模块化性质，可用于范围从分离、储存、催化、传感器、电化学等的各种应用中。多年来，许多mof材料已经显示出显著的co2捕获性质。

6、来自天然气联合循环(ngcc)发电厂的co2捕获是另一个具有挑战性的co2捕获应用。ngcc效率更高，并且环境友好，因此它比传统的基于煤的发电站优选。大多数的未来的基于化石燃料的发电站预计将使用天然气。因此，可从ngcc工厂中捕获co2的技术存在巨大的市场。然而，当前还没有能够可靠且经济地从ngcc废气(exhaust gas)(4％co2，10-13％o2)中捕获co2的材料。ngcc co2捕获的主要困难是废气体流中的低co2浓度和高氧气含量。大多数材料不满足如下集合性要求：在存在水分的情况下在4％co2浓度下适当的co2容量，以及在高温下良好的氧气稳定性。

7、本技术解决了这些和其他挑战。

技术实现思路

1、根据第一方面，提供使用基于金属有机骨架(mof)的物理吸附剂co2浓缩器(集中器，concentrator)从含有约400ppm至6％的co2的气体流中捕获co2的方法。在该方法中，在空气流或真空下预处理mof材料。然后将气体流引入到co2浓缩器中，其包含所述预处理的mof材料。用co2浓缩器捕获来自气体流的co2以在所述co2浓缩器中产生无co2的流。将所述无co2的流从co2浓缩器排放到大气中。当预处理的mof材料变得被co2饱和时，停止将气体流引入到co2浓缩器中。通过引入热空气、热氮气、真空、或其组合从饱和的mof材料再生co2浓缩器，从而产生富co2的流。将所产生的富co2的流转用于(diverted for)直接纯化或与具有类似co2浓度的工业废气(exhaust)的流混合用于随后的纯化。将再生的co2浓缩器用于未来的co2捕获。

2、在另一个方面，所述co2浓缩器包括在封闭模块中的具有粘合剂的预处理的mof，以及被配置成操纵所述co2浓缩器内的气流的流动的一个或多个气阀。

3、在另一个方面，所述粘合剂为有机聚合物或无机粘合剂。

4、在另一个方面，所述气体流为来自天然气联合循环(ngcc)废气的气体，所述废气包含2-6％co2、10-13％o2和2-10％h2o蒸气。在另一个方面，所述气体流为空气。

5、在另一个方面，所述mof材料具有通式mambf6-n(o/h2o)w(配体)x(溶剂)y]z，其中ma选自周期表第ib、iia、iib、iiia、iva、ivb、vib、viib和viii族，并且mb选自周期表第iiia、mb、ivb、vb、vib和viii族，并且其中所述配体包含有机的、多官能的、或n-供体配体。在进一步的方面，所述溶剂为h2o、dmf和def中的一种或多种。

6、在另一个方面，所述mof材料为kaust-7。

7、在另一个方面，在引入到co2浓缩器中之前将所述气体流冷却至约20-25℃。

8、在另一个方面，所述mof材料呈颗粒料、层压物(laminate)的形式、或其它结构化形式。

9、在另一个方面，将所述mof材料在动态真空或干燥惰性气体下在约60-150℃范围内的温度下进行预处理。

10、在另一个方面，所述mof材料的预处理移除先前吸附的分子。

11、在另一个方面，产生的富co2的流具有约5-50％的co2浓度。

12、在另一个方面，通过引入热空气或热氮气来再生co2浓缩器，并且其中在约80-150℃的温度下引入所述热空气或热氮气。

13、在另一个方面，所述富co2的流为1-10％co2，并且所述富co2的流的纯化包括将所述富co2的流纯化成纯co2或包含至少90％co2的流。

14、在第二方面，提供使用基于多金属有机骨架(mof)的物理吸附剂co2浓缩器从含有约400ppm至6％的co2的气体流中持续捕获co2的方法。在该方法中，将mof材料在空气流或真空下预处理。然后将气体流引入到包含所述预处理的mof材料的第一co2浓缩器中。用所述第一co2浓缩器捕获来自所述气体流的co2以在所述第一co2浓缩器中产生无co2的流。所述无co2的流从所述第一co2浓缩器排放到大气中。当所述第一co2浓缩器的预处理的mof材料变得被co2饱和时，用包含预处理的mof材料的第二co2浓缩器代替所述第一co2浓缩器。通过引入热空气、热氮气、真空、或其组合来从饱和的mof材料再生所述第一co2浓缩器，从而产生富co2的流。将所产生的富co2的流转用于直接纯化或与具有类似co2浓度的工业废气的流混合用于随后的纯化。将再生的第一co2浓缩器再循环用于未来的co2捕获。

15、在另一个方面，所述气体流为来自天然气联合循环(ngcc)废气的气体，所述废气包含2-6％co2、10-13％o2和2-10％h2o蒸气。

16、在另一个方面，所述mof材料具有通式mambf6-n(o/h2o)w(配体)x(溶剂)y]z，其中ma选自周期表第ib、iia、iib、iiia、iva、ivb、vib、viib和viii族，并且mb选自周期表第iiia、mb、ivb、vb、vib和viii族，并且其中所述配体包含有机的、多官能的、或n-供体配体。

17、在另一个方面，所述mof材料为kaust-7。

18、在另一个方面，将所述mof材料在动态真空或干燥惰性气体下在约60-150℃范围内的温度下预处理，并且所述方法进一步包括在引入到所述第一co2浓缩器中之前将所述气体流冷却至约20-25℃的步骤。