一种常温吸脱附二氧化碳的方法与装置

本发明涉及一种常温吸脱附二氧化碳的方法与装置，属于二氧化碳减排。

背景技术：

1、二氧化碳大量排放引发的海平面上升、温室效应等环境问题已经成为了影响人类生存和发展的重要因素。根据政府间气候变化专门委员会(ipcc)的数据，在没有干预的情况下，随着能源需求的增加，2100年的大气co2浓度在530至980ppm之间，可能是目前410ppm水平的两倍，远高于工业化前的280ppm水平。直接空气捕集(dac)是降低空气中co2浓度、实现co2负排放的重要手段。

2、传统的空气二氧化碳捕集材料主要有沸石、金属有机骨架化合物、碱性溶液、碱土金属和固态胺等，但这些材料大多采用变温、变压的方式实现材料的再生，存在着反应条件剧烈、再生成本高、能量损耗大、对吸附材料的损耗大等问题。如专利cn 115155239a一种二氧化碳直接空气捕集方法，通过碳吸附剂吸收捕集空气中的二氧化碳直至饱和；在高真空状态下，将吸附剂加热至105～110℃，使吸附剂解吸再生，释放出纯的二氧化碳气体；再利用空气对吸附剂降温至室温后，进行下一个吸收-解吸再生循环。该捕集方法工艺简单，所采用的吸收剂对二氧化碳的吸收效果较好，但升温、降温所耗费的时间漫长，循环效率低。

3、近年来，湿法再生co2技术受到大量研究且获得了良好的发展。研究者发现利用季胺基聚合物材料离子官能团((ch3)4n+)的亲水性及强碱性，通过调节环境水汽分压力可以控制界面对co2化学吸附能力，达到吸附/脱附的目的。变湿吸附技术利用水的蒸发自由能作为co2的脱附与吸附剂的再生的能量来源。如专利cn 217490375 u，一种活塞式二氧化碳空气捕集装置；以负载有碳酸根的聚乙烯异相阴离子交换树脂膜为吸附剂，提供了一种活塞式二氧化碳空气捕集装置，为湿法再生co2吸附膜提供了展开排列的外部晾晒结构，在解吸附时，co2吸附膜又可以紧密排列在无空气的解吸附空间中，解吸附完成后可得到高浓度的co2气体；该装置低能耗、低成本；但由于co2的吸附和脱附受环境湿度影响较大，且此过程依赖于外部干/湿气流的通入和切换，给dac应用带来不便。此外；目前关于变湿吸附空气co2的研究大多都是对外部环境干湿度进行调控，并未有对支架材料本身的亲疏水性影响的研究。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明在常温常压且不改变环境湿度的情况下，使含有季胺基团的多孔支架材料的亲疏水区结构改变接触到不同的水汽分压力，达到调控co2吸附/脱附效果，这相较于传统方法将更为精准和高效，具有较强的实用价值。

2、本发明的第一个目的是提供一种常温吸脱附二氧化碳的方法，包括如下步骤：

3、s1、采用含有季胺基团的疏水多孔材料吸附二氧化碳；

4、s2、待二氧化碳吸附饱和后，将疏水多孔材料置于湿润环境中，并采用吸水材料与疏水多孔材料贴合，利用两层材料的湿度梯度将湿润环境中的水分吸至疏水材料中以解吸二氧化碳。

5、进一步地，所述吸水材料为具有较高吸湿性的材料。

6、进一步地，所述吸水材料为具有较高吸湿性的天然或合成纤维面料或超吸水膜材料。

7、在本发明中，天然或合成纤维面料可经过碱浸泡整理，以增强吸水性能。

8、进一步地，所述含有季胺基团的疏水多孔材料为负载富含季胺基的离子交换树脂的疏水多孔材料。

9、在本发明中，负载富含季胺基的离子交换树脂的疏水多孔材料，是通过物理复合或化学嫁接的方式。如在疏水多孔材料孔隙间嵌入含有季胺基官能团的树脂、表面进行含有季胺基官能团的树脂涂层或在材料上直接合成季胺基官能团。

10、进一步地，所述疏水多孔材料为超疏水织物、多孔疏水膜、多孔疏水气凝胶的一种。

11、进一步地，所述湿润环境的湿度可通过湿度调节方法进行调节。

12、进一步地，所述湿润环境的湿度调节方法包括饱和盐溶液调节法或加湿器调节法。

13、进一步地，所述饱和盐溶液为饱和氯化钾溶液、饱和氯化钠溶液或饱和硝酸镁溶液。

14、本发明的第二个目的是提供一种化学吸附结合生物固碳的方法，所述方法是采用光合作用微生物对所述常温吸脱附二氧化碳的方法收集的二氧化碳进行固碳处理。

15、进一步地，所述光合作用微生物包括微藻、光合细菌中的至少一种。

16、进一步地，所述微藻采用悬浮微藻或固定化微藻的方式进行设置。

17、本发明的第三个目的是提供一种常温吸脱附二氧化碳的装置，依次包括吸水膜升降组件、二氧化碳吸脱组件和湿润环境腔体；所述吸水膜升降组件包括吸水材料膜和伸缩件，所述二氧化碳吸脱组件包括含有季胺基团的疏水多孔材料支架和用于支撑疏水多孔材料支架的多孔隔板；所述二氧化碳吸脱组件设置在湿润环境腔体的上方，所述伸缩杆可带动吸水材料膜上下移动，使吸水材料膜与疏水多孔材料支架贴合或分离，在吸水材料膜与疏水多孔材料支架贴合时，吸水材料膜将湿润环境腔体内的水分吸至疏水多孔材料支架中以解吸二氧化碳。

18、进一步地，所述吸水膜升降组件中，还包括用于固定吸水材料膜的托盘。

19、进一步地，所述伸缩件包括伸缩杆和伸缩钮。

20、本发明的第四个目的是提供一种二氧化碳捕集与利用装置，依次包括吸水材料升降组件、二氧化碳吸脱组件、湿润环境腔体和设置在湿润环境腔体内的光合作用微生物；所述吸水膜升降组件包括吸水材料膜和伸缩件，所述二氧化碳吸脱组件包括含有季胺基团的疏水多孔材料支架和用于支撑疏水多孔材料支架的透明多孔隔板；所述二氧化碳吸脱组件设置在湿润环境腔体的上方，所述伸缩杆可带动吸水材料膜上下移动，使吸水材料膜与疏水多孔材料支架贴合或分离，在吸水材料膜与疏水多孔材料支架贴合时，吸水材料膜将湿润环境腔体内的水分吸至疏水多孔材料支架中以解吸二氧化碳，所述光合作用微生物利用二氧化碳进行固碳。

21、本发明的有益效果是：

22、1)本发明在常温常压且不改变环境湿度的情况来调控空气co2吸附/脱附，这相较于传统方法将更为精准和高效。

23、2)本发明构建了co2化学吸附/生物利用双功能复合体系，证明其在固碳产氧中的实际应用价值，为从空气中直接捕集co2开辟新的方向。

24、3)本发明工艺流程简单，可行性高，解决了捕集成本高能耗大、循环效率低的问题。

技术特征：

1.一种常温吸脱附二氧化碳的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸水材料为具有较高吸湿性的材料。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含有季胺基团的疏水多孔材料为负载富含季胺基的离子交换树脂的疏水多孔材料。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述疏水多孔材料为超疏水织物、多孔疏水膜、多孔疏水气凝胶的一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湿润环境的湿度可通过湿度调节方法进行调节。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述湿度调节方法包括饱和盐溶液调节法或加湿器调节法。

7.一种化学吸附结合生物固碳的方法，其特征在于，所述方法是采用光合作用微生物对权利要求1～6任一项所述的方法收集的二氧化碳进行固碳处理。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光合作用微生物包括微藻、光合细菌中的至少一种。

9.一种常温吸脱附二氧化碳的装置，其特征在于，依次包括吸水膜升降组件、二氧化碳吸脱组件和湿润环境腔体；所述吸水膜升降组件包括吸水材料膜和伸缩件，所述二氧化碳吸脱组件包括含有季胺基团的疏水多孔材料支架和用于支撑疏水多孔材料支架的多孔隔板；所述二氧化碳吸脱组件设置在湿润环境腔体的上方，所述伸缩杆可带动吸水材料膜上下移动，使吸水材料膜与疏水多孔材料支架贴合或分离，在吸水材料膜与疏水多孔材料支架贴合时，吸水材料膜将湿润环境腔体内的水分吸至疏水多孔材料支架中以解吸二氧化碳。

10.一种二氧化碳捕集与利用装置，其特征在于，依次包括吸水材料升降组件、二氧化碳吸脱组件、湿润环境腔体和设置在湿润环境腔体内的光合作用微生物；所述吸水膜升降组件包括吸水材料膜和伸缩件，所述二氧化碳吸脱组件包括含有季胺基团的疏水多孔材料支架和用于支撑疏水多孔材料支架的透明多孔隔板；所述二氧化碳吸脱组件设置在湿润环境腔体的上方，所述伸缩杆可带动吸水材料膜上下移动，使吸水材料膜与疏水多孔材料支架贴合或分离，在吸水材料膜与疏水多孔材料支架贴合时，吸水材料膜将湿润环境腔体内的水分吸至疏水多孔材料支架中以解吸二氧化碳，所述光合作用微生物利用二氧化碳进行固碳。

技术总结
本发明公开了一种常温吸脱附二氧化碳的方法与装置。本发明采用含有季胺基团的疏水多孔材料吸附二氧化碳；待二氧化碳吸附饱和后，将疏水多孔材料置于湿润环境中，并采用吸水材料与疏水多孔材料贴合，用于将湿润环境中的水分吸至疏水材料中以解吸二氧化碳，进一步本发明方法还可以与光合作用微生物相结合，采用光合作用微生物利用解吸的二氧化碳进行生物固碳。本发明在常温常压且不改变环境湿度的情况来调控空气CO<subgt;2</subgt;吸附/脱附，这相较于传统方法将更为精准和高效。本发明工艺流程简单，可行性高，解决了捕集成本高能耗大、循环效率低的问题。

技术研发人员：王晓沁,何桃青,王欣怡,鱼艺斌
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15