一种用于对空气中的二氧化碳吸脱附的装置及其吸脱附方法

本发明涉及大气污染治理，特别是涉及一种用于对空气中的二氧化碳吸脱附的装置及其吸脱附方法。

背景技术：

1、二氧化碳的大量排放是造成温室效应和全球变暖的主要原因之一。目前，大气中的二氧化碳浓度正在逐年升高，从而造成一系列极端灾难性气候事件频发，严重威胁人类生存环境和全球经济的可持续发展。为了有效遏制全球气候进一步恶化，亟需降低空气中二氧化碳浓度。

2、二氧化碳捕集技术主要有吸收法、吸附法、膜分离法和深冷蒸馏法。由于空气中二氧化碳浓度低，空气二氧化碳捕集则主要采用化学吸收法和化学吸附法。无论采用何种碳捕集方法，都存在二氧化碳回收过程，这一过程通常使用大量化石能源能量来提高二氧化碳捕获剂或吸收剂温度促使二氧化碳释放，过程能耗较高，碳排放量较大。

3、化学吸收法是指化学溶剂通过与co2发生化学反应，对co2进行吸收，当外部条件如温度发生或压力改变时，使得反应逆向进行，从而达到co2的解析及吸收剂的循环再生的目的。其基本过程为：烟气在脱硫、脱硝后，经引风机从底部进入吸收塔，同时吸收液从吸收塔的顶部喷淋而下，烟气和吸收液在吸收塔内接触后发生反应。吸收液吸收烟气中的co2变成含有大量co2的富液，富液经过富液泵到达解吸塔，在解吸塔由再沸器加热到100至120℃，使得富液分解而释放出在烟气中吸收的co2，最终达到co2的分离与回收。但存在捕集工艺能耗大、吸收剂循环效率低、回收成本高和捕集设备庞大，操作的弹性小的问题。

4、化学吸附法是通过吸附剂在一定条件下对co2进行选择性吸附，而后通过变温或变压将co2解吸，从而达到分离co2的目的。吸附过程可以通过多种方式实施。最常见的两种是填充床和流化床。在填充床中，吸附剂被装入塔中，烟气流过被固定的吸附剂颗粒之间的空隙。而在流化床中，烟道气以更高的速度流动，使得吸附剂颗粒悬浮在气流中。按照不同的再生方法，吸附法常被分为变压吸附，变真空吸附和变温吸附。变压吸附和变真空吸附系统通常与物理吸附剂相关联(因为依赖于范德华力的物理吸附对被吸附分子的分压敏感)。而对于变温吸附系统，化学吸附剂的设计使得co2能在低温(40℃至60℃)下被吸附在大的固体表面积上，但co2需要在较高温度下(常为120℃至700℃)被脱附。

5、cn113694686b公开了一种通过辐射制冷和太阳能制热调控吸脱附过程的方法，其在导热板的两侧分别涂布吸附剂和辐射制冷涂层，通过旋转导热板进行吸附或脱附，也即在吸附阶段中，将辐射制冷涂层朝向太阳同时使得吸附剂背向太阳，辐射制冷涂层通过反射太阳辐射和辐射热量的形式降低吸附时的温度，从而有利于吸附剂吸附气体；在脱附阶段中，将辐射制冷涂层背向太阳同时使得吸附剂朝向太阳，吸附剂直接暴露在太阳光下从太阳辐射中获取能量，升高自身温度，从而实现脱附。由此可见，虽然该辐射制冷涂层在吸附阶段通过反射太阳辐射和辐射热量的形式起到降低吸附剂温度的作用，但是在脱附阶段该辐射制冷涂层并不发挥任何作用，也就是说该辐射制冷涂层并不起到光热转化及传热作用。因此，在脱附阶段中，吸附剂温度的升高纯粹是依靠吸附剂直接吸收太阳光的能量，这种直接吸收太阳光能量的方式不仅太阳光利用率低，而且升温效率低下从而导致吸附剂在脱附阶段的温度值最高只能达到68℃。如此低的温度值，与大多数常规化学吸附剂的再生温度区间并不匹配，从而造成化学吸附剂在脱附阶段的气体脱附速率非常慢，在未来实际应用中将受到很大的材料限制。同时，该装置需要翻转，翻转需要人力或额外的能量实现，当装置的规模很大时翻转所需要的能量需求不容小觑。

6、因此，需要一种使用方便、能高效利用太阳能以及提高吸附剂脱附效率的装置。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于对空气中的二氧化碳吸脱附的装置及其吸脱附方法，以期解决现有技术中存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明具体采用如下技术方案。

3、本发明的第一方面保护一种用于对空气中的二氧化碳吸脱附的装置，包含壳体，所述壳体包含导热内壳体和透光外壳体，沿着所述壳体的延伸方向，所述壳体形成有从一端至另一端贯穿的通孔；所述导热内壳体和透光外壳体之间设有或形成有密封夹层，所述导热内壳体的外壁上设有太阳能吸收涂层；所述通孔内填充有多孔材料。

4、本申请的装置仅需要通过避光或光照就可以实现吸附或脱附，且脱附的时候温度可达到100～300℃，有利于多孔材料的快速脱附和完全再生，进而缩短循环操作周期和减少多孔材料使用量，而且不需要经过旋转或反转，设备轻巧，适用于多场景；更换或回收多孔材料方便；此外，不需要额外传统的供能设备脱附二氧化碳，减少了能源消耗和设备投资成本。

5、本发明的第二方面保护一种对空气中的二氧化碳吸脱附的方法，采用如前述所述的装置进行吸附和/或脱附，包括如下步骤：

6、吸附时，将所述装置置于避光环境中，将空气通入所述壳体，所述多孔材料吸附二氧化碳；

7、脱附时，所述装置的供气机构关闭或所述壳体的一端密封，将所述装置置于太阳光下，所述太阳能吸收涂层蓄积热量并将热量传递给所述多孔材料，脱附其吸附的二氧化碳，收集脱附后的二氧化碳。

8、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

9、本申请的用于对空气中二氧化碳吸脱附的装置，直接以可再生能源太阳能作为多孔材料脱附所需的能量来源，无需配备专门的供能系统，不仅降低了二氧化碳吸脱附系统的复杂性和设备投资成本，而且避免了化石能源的大量消耗和脱附过程的二次碳排放，最终能够通过本申请提供的装置和方法实现对空气中二氧化碳的低能耗和低成本捕集。

技术特征：

1.一种用于对空气中的二氧化碳吸脱附的装置，包含壳体(500)，所述壳体(500)包含导热内壳体(200)和透光外壳体(100)，其特征在于，沿着所述壳体(500)的延伸方向，所述壳体(500)形成有从一端至另一端贯穿的通孔；所述导热内壳体(200)和透光外壳体(100)之间设有或形成有密封夹层(300)，所述导热内壳体(200)的外壁上设有太阳能吸收涂层(201)；

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述壳体(500)为集热管。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多孔材料(202)选自活性炭、分子筛、二氧化硅、金属有机框架材料和金属氧化物中的一种或多种；

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述活性炭选自氮掺杂炭材料、钾改性炭材料和有机胺改性炭材料中的一种或多种；

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导热内壳体(200)的材质选自金属、合金、不锈钢和玻璃中的一种；

6.如权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，还包含供气机构(400)、排气机构(600)和储气罐(700)，所述供气机构(400)设有进气口和出气口，所述排气机构(600)设有进气端和排气端，所述储气罐(700)设有进口；

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一管道设有第一开关阀(1)，和/或，所述第一排气支路设有第二开关阀(2)；

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，沿着气体流动方向，所述第一开关阀(1)的上游还设有流量控制器(900)；优选的，所述流量控制器(900)选自电磁流量计、压差流量计和超声流量计中的一种。

9.一种对空气中的二氧化碳吸脱附的方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的装置对空气中的二氧化碳进行吸附和/或脱附，包括如下步骤：

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，脱附的温度为100～300℃。

技术总结
本发明公开了一种用于对空气中的二氧化碳吸脱附的装置及其吸脱附方法。所述装置包含壳体，所述壳体包含导热内壳体和透光外壳体，沿着所述壳体的延伸方向，所述壳体形成有从一端至另一端贯穿的通孔；所述导热内壳体和透光外壳体之间设有或形成有密封夹层，所述导热内壳体的外壁上设有太阳能吸收涂层；所述通孔内填充有多孔材料。本发明的装置直接以太阳能作为多孔材料脱附、再生所需的能量来源，无需配备专门的供能系统，不仅降低了碳吸附系统的复杂性和设备投资成本，而且避免了化石能源的大量消耗，实现了空气中二氧化碳的低能耗和低成本吸附。

技术研发人员：张中正,魏伟,孙楠楠
受保护的技术使用者：中国科学院上海高等研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24