從空氣中捕獲二氧化碳的製作方法

2023-05-28 12:04:06

專利名稱：從空氣中捕獲二氧化碳的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於從空氣中除去選定氣體的方法和裝置。本發明尤其
用於從空氣中提取二氧化碳(co2)，並將聯繫這方面用途來加以說明，然
而其他用途也在考慮範圍內。
背景技術：
有令人信服的證據表明大氣中二氧化碳水平的急劇增加和全球表面溫度
的相應增加之間具有很強的相關性。這種影響通常被稱為全球變暖。C02排
放的各種來源中有大量小而分布廣泛的排放體，從源頭上減輕它們是不切實 際的。另外，大規模的排放體如碳氫燃料發電廠沒有受到充分保護來防止排
出的C02進入大氣。這些主要來源和其它的結合起來導致大氣二氧化碳濃度
的急劇增加率的發生。直到所有排放體在其源頭被糾正為止，其它技術都需
要來捕獲儘管相對較低但增長著的背景水平的大氣C02。人們正在努力提高 現有的排放減少技術以及開發新型技術，用於直接捕獲周圍環境的C02。這 些努力需用方法學來管理由此產生的C02的濃縮廢物流，以防止它被重新引
入大氣。
C02的產生發生在各種工業應用中，例如電力發電廠從煤中以及在碳氫
化合物的使用中產生，碳氫化合物通常為燃燒裝置(如發動機)中燃燒的燃
料的主要成分。從這些燃燒裝置排出的廢氣包含C02氣體，目前只被簡單地 釋放到大氣中。然而，隨著對溫室氣體的日益關注，來自所有來源的C02排
放將必須縮減。對於移動源來說，最佳選擇很可能是直接從空氣中而不是從
汽車或飛機的移動燃燒裝置收集二氧化碳。從空氣中除去C02的優點在於它 不再需要將C02儲存在移動裝置上。
從環境空氣中提取二氧化碳(co2)使人們有可能利用碳基燃料並在事
後處理相關的溫室氣體排放。由於二氧化碳按百萬分之一的數量計既無毒也
無害，但僅通過在大氣中積累就造成環境問題，所以從空氣中除去C02有可能可以彌補不同時間其他地方同樣大小的排放量。
然而，大多數現有技術方法導致從空氣中捕獲C02的效率差，因為這些過程加熱或冷卻空氣，或大量改變空氣壓力。因此，大氣中C02水平的淨減損可忽略不計，因為該清潔過程將C02作為給該過程供電的電力副產物引入大氣中。

發明內容
在我們前述的專利申請中，我們描述了官能化離子交換樹脂用於從環境
空氣中提取C02的應用。具體地，在我們前述的'326申請中，描述了具有強溼度功能的強鹼性離子交換樹脂的用途，即溼度下降時具有吸收C02的能力，而適度升高時放出C02的離子交換樹脂。本發明提供使用離子交換樹脂
(正R)對空氣捕獲裝置的改進。
本文使用的術語"離子交換"指一種可逆過程，其中離子可以從不溶性固相物質釋放，與周圍溶液中的其他離子交換。對於本討論的目的，即使離子交換樹脂的水合作用很小以至於在離子交換樹脂上看不見水分，該術語仍然適用，因此， 一般來說水含量不視為構成溶液。
在下文中，我們還將考慮潤溼離子交換樹脂。術語"潤溼"指將樹脂暴露於液態水或增強水蒸氣壓力的水平。除非另有說明，增強的蒸氣壓指超過樹脂之前(例如當其收集C02時)遭受的水蒸氣部分壓力。
常見的商業可得的離子交換樹脂由聚苯乙烯或纖維素基骨架製成，其通常經由氯甲基化被胺化形成陰離子形式。 一旦氨基被共價連接，就能夠利用它的離子屬性將其作為離子交換的位點。然而，其他的離子交換樹脂和這些材料還可用於從大氣中收集C02 。
根據製備方法，樹脂可被加工以具有特殊性質，而本發明的一個目的就是設計構造該樹脂以得到適用於特定用途的特定性質。 一種重要的控制措施是聚合物的鏈之間的交聯度。圖2顯示的交聯是一種通過常見共價鍵連接兩個聚合物鏈的方式。這通過共享兩個交聯鏈之間的苯環來實現。
在離子交換樹脂中，交聯度表示樹脂的保水能力。由於樹脂的離子性質，水對離子具有高度親和力，抵消連接的電荷，並且這樣一來水就被吸附到樹脂上。與樹脂相平衡的水量表示包含於樹脂中的離子鹽的相對濃度。而有效pH可以控制反應動力學以便吸收C02。
聚合物的官能化程度可以通過改變氯甲基化反應期間反應物的濃度，轉而通過胺被共價結合的胺化作用來控制。每單位體積中官能化基團的數目決
定樹脂的存儲容量。當然，帶有的氨基位點越多，可存儲的離子就越多；另
一方面，如果位點太多，樹脂內的庫倫引力可能不允許諸多離子通過。更緊密結合的樹脂中的空間位阻也可能對可交換的原子類型起作用。氨基的類型也是可自定義的屬性。所連接的部分可以是簡單的化學物
質，如氨，或複雜分子，如2-氨基-二丙醇氨等。通過用其他有機鏈取代氨基中的氫離子，人們可以很大程度上決定連接到樹脂上的離子基團的鹼性。陰離子，作為連接的氨陽離子相反電荷，其流動性也將影響樹脂的C02吸收動力學。例如，小陰離子(如Cr或OH0 ，通常在樹脂內非常易流動，即使有
許多亞基與氮原子相連。然而，大的陰離子(如cor或Nor)相對不動，並
且更易於通過氨基上增加有機亞基而被固定。
與樹脂相連的氨基類型大大地影響氨基可能經受的離子解離度。氮原子可以形成三個共價鍵，但是作為陽離子，它可以形成第四個共價鍵。氨和水反應形成氫氧化銨，NH3 + H20NH4+OH—。然而氨是一種弱鹼，因為平衡偏向於NH3的那側。然而當氨被連接到聚合物骨架時，可以調控平衡轉移的程度。就R-NH2來說，氨基能以中性狀態11->^112存在或者可以形成11->^^+形式的陽離子位點。該位點帶電荷的程度取決於R的選擇。此外，有可能取代分子中的幾個氫原子，從而改變離子化程度。 一種極端的情況是，四個有機殘基連接到氮原子上-形成季銨鹽-使其永久處於正電荷狀態。從某種意義上說，由於所有的四個鍵都被完全使用並連接到聚合物基質上，氮不能再參與平衡移動回到NH3。因為氫氧根離子只作為離子與季銨鹽的正電荷位點相連，由此得到的鹼是完全解離的。因此季銨鹽樹脂被作為強鹼性樹脂。當銨鹽被完全解離時，它像其他的強鹼如NaOH—樣起作用。對於四甲基氫氧化銨或一系列其他完全解離的有機液體來說，該銨鹽並不需要連接到固體聚合物上以進行完全解離。這些化合物被認為與強鹼土金屬鹼相當，並且觀察到這些離子液體中的一些是C02的強吸收劑。因此，有可能用許多這類離子液體作為能從空氣中除去C02的吸附劑。
從以上討論可看出，氨基可作為鹼發揮作用的程度也可以通過連接到氮上的基團的類型來控制。正如強鹼可以通過用碳基填充所有可用的反應位點來製備，弱鹼可以通過限制相連的基團來控制。
離子交換樹脂(正R)的直接應用已經顯示出有意義的性質，例如高親水性和內部離子循環機制。對於捕獲C02來說，這種性質的價值在於可以產生
有效的oh—表面，而不需要連續潤溼。我們不僅可以產生一種活性oir表面，
而且可以利用上述特徵控制表面的pH。此外，我們已指出，C02吸收基於樹脂基質的含水量。
產生像強鹼溶液一樣起作用的固體表面的能力具有但不限於以下的幾個
優勢
1、 安全由於OH—官能團與固體表面相連接，它不能移動或遷移，僅可
以通過取代除去。因此不存在強鹼化學品被無意中釋放到環境中的危害，在處理的空氣流中也沒有游離液體可用來形成可帶入環境中的氣溶膠。事實
上，樹脂生產商將正R視為完全有益的，除非與強氧化劑接觸。
2、 環境的副產物的消除因為收集器被極大量的空氣接觸，空氣收集器
可能收集來自空氣的灰塵、花粉和其他雜質。這對於氣-液接觸構造來說是個問題。進入的空氣的上遊過濾或下遊分離過程中的附加過濾將被需要來除去
汙染物，並且增加成本。因為固體OIT表面僅與陰離子成鍵，固體表面易於
被洗掉汙染物，如汙垢和碎屑，而不影響該表面和捕獲的陰離子。洗滌液通常為飲用水，然後可被安全地除去而不需要後續處理，因為該溶液中沒有固體或化學品。實質上，這就好像從塑料網上洗掉汙垢。
3、 結構因為大多數聚合物可以被胺化，直接將胺類官能團應用至結構
穩定的表面，不僅可以提供一種接觸表面，而且可以用作實際上的收集器。這簡化了機械設計，降低了生產成本，並且加快裝配。
4、 離子流動力學實驗顯示離子交換樹脂包含一種內表面再生機制，不
希望被理論束縛，這可能是由於樹脂內的水分保留和建立在與空氣接觸上的
離子濃度梯度。當OH—表面與含C02的氣流接觸，H+和OIT之間的酸鹼反應生成水，留下HCCV基團取代樹脂上的OH、由於樹脂內具有多層次的OH—表面，濃度梯度產生，其驅動樹脂內離子的運動。表面高濃度的碳酸鹽和碳酸氫鹽在該表面上的高濃度和在樹脂內的低濃度導致碳酸鹽向內遷移，同時相反的濃度梯度也推動OH—陰離子從樹脂內部遷移到表面。各個梯度支援另一個，並顯示產生足夠的速率以便不明顯地妨礙氣體吸收動力學。
5、 水損失當觀察收集器時，通常沒有考慮到的非常重要的因素就是水損失，其水損失與水溶液基的接觸器相關。通常，水損失無論如何都為收集的CO2的10-100倍或可能更多。假設乾式操作官能化固體表面收集器，則水損失明顯減少。
6、 pH控制通過交聯減少水合作用的耗水量，可以更好地控制固體的
有效pH。而且，通過增大固體上OH—基團的相對密度也可以控制pH。
基於一系列實驗可以清楚地看出，沒有可見水與其結合的接近乾燥的樹
脂可以吸收大量的C02，並達到負荷狀態，此時實際上每一個胺位點有一個
C02分子。潤樹脂的每兩個氨基位點不能保持超過1個C02分子。在前一種情
況下，樹脂達到相當於碳酸氫鹽的碳酸飽和狀態，而在後一種情況下，等效鹽是碳酸鹽。數據還表明，在乾燥情況下，當系統從碳酸鹽缺乏的部分負荷狀態移動到明顯超過碳酸鹽的負載狀態，反應動力學並不明顯改變。這與碳酸鹽離子和碳酸氫鹽離子共存的體系並不矛盾。
由於該化學作用的結果，有可能從空氣中(室外環境空氣或室內空氣)吸收大量C02，並簡單地通過將其暴露於增加的水量中，可以是液體的形式或水蒸氣(water vapor)形式，從該吸附樹脂驅除大量C02。
因此有可能促使C02從固體吸附劑釋放，並將其在接近液體的吸附劑中再捕獲，接近液體的吸附劑可以在該分壓時從氣體流中除去C02。當以液態
水進行離子交換物質的潤溼時，我們將把這種效應稱作水波動，而當以增大水蒸氣的分壓進行潤溼時，稱作溼度波動。
如果樹脂暴露於純液態水中，水保持該釋放的C02的能力非常有限，並且大多數C02將聚集在與潤溼該材料的水膜鄰接的氣相中。實驗顯示，這種
液體潤溼的離子交換樹脂上的CO2的分壓能超過50mbar。然而，水中如果可能含有鹼，因此使得C02包含在溶液中，而不是將其散放到周圍氣體空間，這是我們碳酸鹽洗滌離子交換樹脂的基礎。溶液中的水促使樹脂釋放額外的C02，並且釋放的C02使溶液從碳酸鹽溶液轉化成碳酸氫鹽溶液。然後，該
碳酸氫鹽可被進一步處理以釋放其C02，並重新轉化成碳酸鹽溶液，以備洗
滌接下來的部分或者完全負載C02的樹脂。
10從碳酸氫鹽分離co2的另一種途徑是利用電滲析電池組，其被設計用於 將鹽(此處為碳酸氫鹽，如碳酸氫鈉)分解形成鹼(此處為碳酸鹽，如碳酸 鈉)和酸(此處為碳酸，可分解成水和C02，從而釋放C02)。就弱酸來 說，如C02，可能操作僅帶有陽離子膜的鹽分離器，其將陽離子(如鈉離 子)從酸腔室轉移至鹼腔室，中間不必產生稀釋的鹽流。這種設計中有包括 雙極和陽離子膜的一系列堆疊。圖X顯示在這種鹽分離器上運行的這種設計 的具體實施方式
。
還有其他的方法從碳酸氫鹽溶液回收co2以及再生碳酸鹽溶液。首先電
化學分離有諸多變化。例如，可能利用一系列雙極、陽離子、陰離子膜的常 規鹽分離器。在此情況下，將鹽溶液稀釋並作為稀釋的水流返回。還可能利 用堆疊，其中該堆疊為一系列雙極和陰離子膜。在此情況下，移動穿過膜的 不是陽離子而是碳酸氫根離子。
本質上並不是所有的回收方案都是電化學。有可能加熱溶液，從而引起
C02的釋放；有可能冷卻溶液，從而促進碳酸氫鹽的沉澱。碳酸氫鹽較碳酸 鹽的溶解性小，然後在隨後的步驟中，碳酸氫鈉固體被煅燒成C02、蒸氣以
及碳酸鈉。
不使用無機鹽溶液，還有可能使用胺溶液來捕獲從膜中釋放的co2。在
此情況下，確保樹脂和胺溶液的化學相容性很重要，因為樹脂有可能被溶液 中的有機胺損壞。在那種情況下，人們可以使用專門設計用於液態胺的回收
技術。弱胺的使用變得更容易或非常弱的鹼性鹽水作為輔助，因為C02釋放
是通過水的存在來推動。
一般而言，極大地有助於從強鹼性離子交換樹脂回收C02是因為C02的
釋放是由以液態或蒸氣形式存在的水來推動。如果水具有很小的鹼性，釋放
的C02從水中釋放到周圍氣體空間，在此C02可通過隨後的處理步驟被回
收。使用水蒸氣而不是液態水潤溼樹脂表面的過程還有另外的優點，人們可 以使用鹽水或其他汙染水引起溼度波動。不僅在隨後的樹脂乾燥中的水損失 減小，從經濟角度來看，使用鹽水或者其他的所謂灰水的形式具有用水成本 降低的優點。
對於水蒸氣誘導的波動來說，C02被釋放到氣體空間中，這樣就需要通
過其他方法來收集。針對這種回收有幾種選擇。首先是使用可以有廣泛選擇
11的二級吸附劑。使用比幹樹脂結合C02更弱的吸附劑是有好處的。 一般來說 這是可行的，因為液態或蒸氣形式的水的存在大大提高了 C02的平衡分壓， 並因此降低了二級吸附劑所需要的最小結合能。基於實驗信息，水或溼度波 動使得二級吸附劑能在C02分壓遠超過50毫巴下操作。沒有必要與該樹脂直 接接觸的二級吸附劑可包括但不限於其他樹脂，例如帶有或不帶有部分碳酸 鹽和/或碳酸氫鹽負載的弱鹼性樹脂、液態胺溶液、鹼性鹽水、活性炭床、沸 石床等。
為討論上述的需要，本發明描述了利用該工藝捕獲二氧化碳(co2)的
方法和裝置的幾種實施方式。
一方面，在一組實施方式中，本發明包括將含有C02的氣體流與樹脂接 觸，以便使其部分或完全負載C02，用液態水或水蒸氣潤溼該樹脂，以便使 吸收的C02部分釋放，從樹脂收集水蒸氣和二氧化碳以從該氣體流中提取
co2，以及通過幾種方法中的一種，從水蒸氣中分離二氧化碳。在另一組實
施方式中，潤溼是用作為C02吸附劑的鹼性洗液來進行，其中溶液中的水刺 激C02從樹脂中釋放，其然後被洗液中存在的鹼吸收或容納。
本發明提供了幾種基質材料，其改善二氧化碳在樹脂上的捕獲以及二氧 化碳釋放至水中的效率。碳酸酐酶可添加到水中以輔助和促進該過程。樹脂 可選擇地被溼空氣或蒸氣或液態水潤溼。實驗顯示，沒有必要產生液體覆蓋 的表面。在一種實施方式中，該過程容納在一個垂直的塔裝置內。
另一方面，本發明的工藝可包括使用二級吸收劑，例如弱液態胺或疏水
性活性炭，以有助於隔離C02和分離水蒸氣。因為二級吸收劑沒有使主要吸
附劑汙染或者失效，有可能從樹脂上直接洗掉co2。
本發明還提供了一種工藝，其中離子交換樹脂被置於多個串聯的腔室 中，其中所述第一腔室包含最近剛用來自氣體流的二氧化碳飽和的樹脂，並 且各個後續的腔室包含已潤溼的樹脂，並且從中收集二氧化碳的時間都比前 一腔室時間更長，以此類推直至最後一個腔室。該多個腔室通過多個閥門連 接，其允許多個腔室中的任意一個作為所述第一腔室。
本發明的另一方面包括收集器的幾何體，其允許在用於固體-氣體交換的 大孔空間和用於固體-蒸氣和固體-液體交換的較小孔空間之間變化。通過調節孔徑大小或者通過使用具有一種以上孔徑的結構實現這種變化。它還包括 固定的孔徑系統。
在又一方面，本發明包含一種用於捕獲C02的工藝，其中用鹼液洗滌官 能化介質，產生帶有高濃度碳酸鹽或者碳酸氫鹽的流出物。然後，該流出物 可供給例如釋放C02的電滲析單元。


從下述描述結合附圖，可看出本發明進一步的特點和優點，其中
圖1為現有技術的離子交換過程的圖解； 圖2為顯示現有技術的離子交換樹脂中的共價鍵的示意圖； 圖3為顯示本發明用於捕獲C02的離子交換過程的示意圖，其中添加水 以從樹脂中釋放C02;
圖4為顯示本發明採用弱液態胺捕獲C02的過程的示意圖5為顯示本發明的一種實施方式中用於捕獲C02離子交換過程的示意
圖，其中連續地使用多個腔室；
圖6為顯示本發明中用於捕獲C02的離子交換過程的示意圖，其中閥門
用於控制流量；
圖7為顯示本發明的一種實施方式中採用活性炭捕獲C02的離子交換過 程的示意圖8為顯示本發明的直立圓柱塔的圖9A和9B為顯示本發明的一種實施方式中可調節的收集器的輥幾何體 的圖IOA和IOB為顯示本發明的一種實施方式中可調節的收集器的平板幾 何體的圖IIA和IIB為顯示本發明的一種實施方式中可摺疊的收集器的圖； 圖12A-12F為顯示本發明的其他實施方式中收集器的固定幾何體的圖； 圖13為本發明的一種實施方式中具有電滲析單元的本發明裝置的示意 圖；以及
圖14為本發明的替代實施方式中具有電滲析單元的本發明裝置的示意圖。
具體實施例方式
本發明基於利用C02平衡壓力隨溼度水平改變、隨溫度改變以及隨著壓
力改變的波動。這些變化的組合提供了許多從暴露於空氣的樹脂中回收co2
的方法。本發明描述的裝置可以在廣泛的條件下從環境空氣中除去二氧化 碳，它還能從其他氣體混合物中除去二氧化碳。雖然該實施方式優選用於低
濃度的C02 (如小於1%)，但也有可能從1% 98%範圍的富含(:02的氣體
混合物中收集二氧化碳。
我們已經發現暴露於環境空氣中的幹離子交換樹脂可以吸收co2,並且
在一段時間後達到與空氣中C02分壓相平衡的平衡負荷。除了空氣，也可以
使用含1 200，000ppm範圍的低分壓C02的類似氣體混合物。當樹脂已經暴 露於混合物中約400ppm C02的環境空氣時，有可能潤溼該暴露於空氣的樹脂 材料，並在諸如80,000ppm或更高的分壓下回收CO2。因此，溼度的存在大 大增加了樹脂上C02的平衡分壓。因此，可以在水中洗滌樹脂並從與水接觸 的氣體中捕獲C02。或者，有可能從吸收C02的水溶液中捕獲C02，因為它
具有與從樹脂上解脫的C02相結合的必要鹼性。該鹼性能以氫氧化物溶液的 形式提供(如NaOH或KOH)，它也能以碳酸鹽的形式^BNa2C03、 K2C03)或者以碳酸鹽與碳酸氫鹽的混合物的形式提供，其具有的碳酸氫鹽 負載比與暴露於空氣的樹脂接觸所能達到的更小。
我們在實驗中還顯示，將離子交換樹脂暴露於增加的溼度水平下就足夠
了，而不是直接將它們暴露於液態水且影響C02從樹脂上得大量釋放。實驗 顯示，其C02負荷對環境空氣已經達到平衡的樹脂上，C02平衡分壓近似為
系統中的絕對溼度的函數，而非相對溼度。實際上，該樹脂上C02的分壓不 隨溫度範圍發生大的變化，但是它對相接觸氣體的絕對溼度的變化非常敏 感。
實驗還顯示，在水蒸氣壓中的暴露可以刺激C02從樹脂上釋放，即使在
缺少空氣其他組分例如氧氣和氮氣的情況下。因此在本發明一方面，我們將 樹脂材料填充到圓筒或將其置於腔室內。該腔室在可以在其內容物暴露於水 蒸氣或/和液態水之前被清空。在本發明的一個方面，我們以多種幾何體和設計將樹脂暴露於空氣。當
樹脂被空氣中的C02飽和或部分飽和從而與小於400ppm的C02分壓相平衡 後，我們將C02釋放到氣相空間中，其中C02的分壓達到50,000微巴或更 多。
在我們早先的一些專利申請中，我們描述了將叔胺和季銨類官能化的1 型和2型強鹼性樹脂用於從空氣中吸收C02的用途。如其中所述，C02作為 碳酸鹽或碳酸氫鹽被提取並儲存在樹脂上。更具體地，如美國專利申請 11/866，326所述，這些強鹼性樹脂的一個顯著特點在於，它們在乾燥時比它 們溼潤時吸收更多的C02。雖然該性能取決於空氣中的溼度、樹脂的溫度和 樹脂的C02負荷狀態，但我們已經發現溼樹脂上的平衡分壓比起帶有類似 CO2負荷的幹樹脂大出約200倍。例如，我們已經發現，乾燥狀態時已經暴 露於環境乾燥空氣中的樹脂，在接觸水後能填充一個C02分壓超過60mbar
(60,000微巴)的小氣室。樹脂與碳酸鈉/碳酸氫鈉溶液平衡，其反過來與空 氣中的C02相平衡，對於附在樹脂的表面的每兩個正電荷，該樹脂僅結合了 略多於一個碳原子，作為碳酸根或碳酸氫根離子。另一方面，如果樹脂在缺 乏液態水的情況下與低溼度的空氣相平衡，結合到每個吸附離子上的碳原子 的數目接近一。樹脂的這種性質可用於實現溼度誘導的變壓，以便捕獲和收 集二氧化碳。
隨著空氣中溼度增大，基質上C02的平衡分壓顯著升高。例如，我們已 經測試了 6g離子交換膜材料的樹脂樣本，購自San Clemente1的SnowPure有 限責任公司。生產商將其產品描述為包括粉碎的陰離子交換樹脂，混在聚 丙烯基質中並根據美國專利No.6503957和No.6716888將其壓成薄板)。該 膜被撕成lmm厚Xlmm寬的麵條狀的線。該材料的量在室溫大氣中3ppt水 中與40ppm的C02相平衡，當空氣中的水蒸氣含量上升至30ppt時，其能將 20升鐘形罩中的CO2分壓升高至1200ppm以上。此外，10g該膜材料已用於 釋放約100cc的C02，乾燥後吸收另外100cc的C02，然後在潤溼後於C02 的第一周期中，推動鐘形罩的CO2含量達到3700ppm。由此看來乾燥的樹脂 材料本身重排，容納了碳酸氫根離子而不僅僅是碳酸根離子。由於碳容量的 這種明顯波動，提高樹脂的溼度足以使樹脂釋放出已吸收的C02。
15然而不希望受理論約束，認為該樹脂隨著它幹透本身至少部分重排以利 於容納碳酸氫根離子，而非碳酸根離子。然而，我們觀察到隨著負荷增大， C02攝入率逐步下降。對於幹樹脂來說，碳酸根/氫氧化物和碳酸根/碳酸氫根 體系之間沒有明顯的界限，表明當該體系從帶有殘餘氫氧化物的一方運輸到 帶有殘餘碳酸根離子的一方時，攝入機制沒有改變。
一種可能的解釋是，在 或多或少的乾燥體系中，碳酸根離子能分離成為碳酸氫根離子和氫氧根離 子，即使在水溶液中，該反應的平衡大大有利於碳酸鹽勝過碳酸氫鹽。 一種 可能的方式來看，碳酸氫根將比碳酸根離子更早地沉澱在樹脂的表面，從而 它們能以碳酸氫鹽的形式從溶液中除去一些碳酸鹽。在任何情況下，該表面
的有效pH似乎高於它基於水體系中的碳酸化的水平。
由於二氧化碳存儲容量的這種明顯波動，原則上講，提高對樹脂的溼度 足以使該樹脂釋放已吸收的C02。
一種可能性是將該樹脂浸入水中，以便釋
放C02。該過程如圖3所示。材料本身的短暫潤溼可能不足以釋放大部分結
合的C02。
C02從該材料釋放持續了相當長的時間，但釋放了可被結合到該
樹脂表面的大部分co2。本發明的另一種實施方式是將潤溼的樹脂暴露於空
氣中，在C02釋放的持續時間上與浸入樹脂形成對照。因為時間是對該設計
的主要制約因素，因此建議該裝置相對較大，並且允許體積的排氣進行更長 的時間。
在接近真空下操作沒有減慢該過程的動力學，此時空氣中的氮氣和氧氣 實際上已經從該體系中被除去。因此，有可能從潤溼的樹脂材料產生氣體
流，其是從樹脂釋放的水蒸氣和C02的混合物。後者的分壓可高達60毫巴。 前者的分壓取決於溫度，但應為約30毫巴或更低。該體系的容積應以節流的
形式構造，以便當保持該體系接近平衡條件時，C02的緩慢釋放能夠繼續。 如果C02被太快清除，迅速的水蒸氣產生動力學將改變釋放的C02與釋放的
水蒸氣的比率，有利於過量的水釋放。這樣會冷卻該體系，需要額外的熱輸 入。如果水在冷凝閥中被捕獲，用於冷卻的能量將快速增長。因此保持接近 平衡點是很重要的，其設定了最大限度的可接受的流率。
在乾燥的大氣條件下從空氣中收集C02。 一旦樹脂達到高水平的飽和， 其中它本質上是從其碳酸鹽形式轉變為飽和的碳酸氫鹽形式，將該樹脂材料 裝入腔室中，該腔室先被清空、然後充滿水蒸氣和液態水，攪動直到所有樹脂表面被完全潤溼。或者，可將該樹脂僅與水蒸氣接觸。然而，與其僅暴露 於水蒸氣時相比，該樹脂被弄溼時C02從樹脂釋放的速率高得多。實際上， 不僅釋放速率增大，C02的分壓也上升。
發現將少量的碳酸酐酶添加到水中可能是有用的，以便改善C02從樹脂 轉移到水和周圍氣體空間中的反應動力學。在一些設計中，可能有利的是， 通過將負荷C02的樹脂材料收集在首先被清空以除去過量空氣的容器中來開 始。然後潤溼該樹脂以便它釋放C02。這導致腔室中CO2為50毫巴，此外
H20為約20至30毫巴。通過升高或降低該體系的溫度有可能改變水含量。 現在有可能將產生的氣體抽出該體系，隨著氣體被壓縮，氣體中的水將
冷凝下來，同時C02變得越來越壓縮。最終我們可以推動該壓力達到C02管 道壓力。如果需要，該C02可在將其裝瓶或送至客戶之前乾燥。
即使潤溼該樹脂材料允許從樹脂中釋放C02，該釋放也相對緩慢。材料 本身的短暫潤溼不足以釋放大部分結合的C02。然而，我們發現該材料中的
C02釋放持續很長時間，但它涉及了能被結合到該樹脂表面的大部分co2。 在進行的一項實驗中，用6g膜材料，將其切成條，並在15分鐘後在DI
水中洗滌該樹脂，樹脂將放出C02並使封閉的鐘容器中的C02水平升高至約
1200 ppm。放置過夜，但允許乾燥，該樹脂重捕獲所有這些C02，而且還要 更多，使鍾容器中的CO2水平減少至約40ppm。將該鐘容器中的溼度升高至 30ppm導致C02釋放達到1400ppm以上。釋放該C02並在DI水中洗滌樹脂 條將導致C02更加迅速的釋放，其使鐘罩中的壓力升高至約1800ppm。第二 次實驗產生超過1100ppm，而第三次仍達到700ppm。該體系共放出至少 1000 + 1400 + 500 + 300 ~ 3300 ppm。這又轉化成大約66cc的(302或者最初 被碳酸鹽洗滌膜收集的C02容量的約2/3。該膜材料的總容量應為約6毫摩爾 或約120cc。因此，可以認為僅用純水可引起結合到基質上的C02大的波
動。尚不清楚在洗滌周期中有多少C02從基質釋放到鐘形罩的外部。當該體 系在水中放置幾分鐘時，大量額外的C02可被除去。運行結束時的數據表明 C02釋放的速率在洗滌周期中有些下降，表明該洗滌周期已經以更快的速率
除去額外的C02。然而，考慮到有些已經在中間的安靜期內放出，洗滌周期
除去的C02的總量必然相對較小。當膜材料在水中時，它的脫碳速率是測不到的。然而，已經觀察到碳酸 酐酶對C02從溼膜釋放的速率影響不大，這表明該過程中的慢步驟是C02從 膜中的釋放。
或者，如圖4所示，我們能用其他分離方案從氣體流中提取C02，例如 用於二級吸收步驟的弱液態胺。這種胺必須能夠使氣體混合物的C02含量降
低，以便CO2分壓降至例如約20至30毫巴。因此，它可以是比我們用來捕
獲C02的主要樹脂弱的多的吸附劑，而這允許我們使用非常弱的胺類，或弱
胺基樹脂。在樹脂被松脂合劑破壞的情況下，有可能使胺衝洗劑流過其他表
面，這些表面由於被樹脂潤溼能夠吸收大量的C02。
在本發明的另一種實施方式中，我們可將相同類型的樹脂用在空氣捕獲 裝置上，但在不同水平的負荷曲線上操作。該樹脂將保持溼潤並將經歷熱變
動以除去co2。
雖然空氣中高水平的水蒸氣或水分應該足以使C02釋放，我們也可在 C02釋放中使用液態水。但是使用水蒸氣而非液態水能減小對樹脂的磨損。 也可能使用含有鹽或其他雜質的水。
通常有益的是，通過對氣體加壓以便使水蒸氣變得過飽和並且凝聚，將
過多的水蒸氣從C02水蒸氣混合物中除去。然而，有可能通過使用冷阱
(coldtrap)來除去水，然後原則上可接用於C02的第二冷阱。如果通過將加 熱樹脂冷卻回到較低的環境溫度，至少可以部分實現水冷凝，則此方法是尤 其有益的。如果該裝置最初使用灰水或鹽水來工作，水冷凝可以提供一個單 獨的清潔水流，其可作為副產品被放出。
降低耗水量有多種方法。例如，可以輸送短脈衝蒸氣穿過樹脂，控制脈 衝很短以至於蒸氣不能深入進入樹脂，但足以從樹脂表面釋放(302。之後， 樹脂內的擴散將重新分配樹脂內部的負荷，並且蒸氣脈衝可重複幾次，直至
總C02含量顯著下降。
通過將乾燥樹脂暴露於水飽和的空氣或通過浸入液態水中，可以再除去 已被幹樹脂收集的大部分co2。具體地，在依賴水波動的實施方式中對材料 的磨損很小，該物質可以通過水波動多次循環。波動幅度可涉及樹脂的co2 承載容量的一半，但實際設計可以針對稍低的負荷波動。對於膜來說大概的數字為，釋放速率為每10g樣品15分鐘內約1毫摩爾 C02,或約le-4毫摩爾/克/秒。因為對於我們所使用的材料，宏觀表面積為 約40cm々g，我們得到2.5e-5mole/m々sec的釋放率。吸收速率差不多，雖然 通常有點慢。這也意味著50g樣品在約15分鐘內將產生約0.1cc/sec或約 100cc的氣體。
基於理論，通過在近真空的環境下操作，此時空氣中的氮氣和氧氣實際 上已經從該體系中除去，該過程的動力學並未減慢。實驗已經證實這一觀 點。在低壓條件下，有可能從潤溼的樹脂材料中產生氣體流，其實質上是與 腔室中溫度相平衡的水蒸氣以及從樹脂釋放出的C02的混合物。腔室中co2 壓力可高達60毫巴，但隨著帶有C02的樹脂的負荷減少而下降。在室溫下， 水蒸氣分壓為約30毫巴。通過升高溫度有可能提高腔室中水蒸氣的分壓。這 實際上產生一個將溼度/水波動和溫度波動相結合的混雜系統。在加熱的體系 中，通過冷卻輸出流相對環境的溫度，可以降低水蒸氣壓力。這將降低腔室 中水蒸氣的濃度達到環境溫度下的平衡壓力。
因為C02從樹脂釋放達到與環境氣體相平衡需要花費很長時間，該系統
的容積應該以節流的方式構建，以便C02的緩慢釋放能保持體系接近CCb部 分平衡的條件。如果流體可以非常迅速地運動，則水蒸氣生產動力學將改變
釋放的C02與釋放的水蒸氣之間的比率，有利於過量的水釋放。這會不必要
地冷卻該系統，從而需要額外的熱輸入。如果水在冷凝閥中被除去，若氣體 混合物中水蒸氣與C02的比率變得不利，則用於冷卻氣體流的能量需求將迅 速增長。C02與水的適當混合物可具有l: l的比率。因此，優選的是保持該 系統接近平衡點，其設定了可以接受的最大流率。
通過幾種方式可以將水從該低壓混合物中除去。第一種是冷卻該氣體以 將水冷凝下來。只要系統的溫度高於周圍環境，這就不會引起實際的能量損 失，但是如果冷凝在亞環境條件下發生，則損失很嚴重。避免它的一種方式 是壓縮H20/C02氣體混合物。當水的分壓上升時，它將推動在高於環境條件 的溫度下的冷凝，從而可能以極其小的能量損失來除去水。事實上，在一套 實施方式 中，人們可以在高於腔室的(升高的)操作溫度的溫度下推動冷 凝，並由此從凝結熱中提供很大一部分熱需求。實際上，該系統是用高效熱 泵來運行，其在升高的溫度下將冷凝熱轉移到該系統中。基於這些條件，我們設計了水(或溼度)波動系統，此時在乾燥條件 下，從空氣中收集C02。從實驗看來，溼度水平的主要特徵是絕對溼度，而 不是相對溼度。這是基於觀察到，在恆定的絕對溼度下，當溫度從接近露點
移動到高得多的溫度例如10至20。C或高時，封閉的鐘形罩中的C02水平不
會改變，空氣在鐘形罩中與樹脂接觸。另一方面，溼度的變化將引起C02平
衡水平的大幅波動。該結果提示，溼幹周期在溼潤/涼爽氣候以及沙漠氣候中 都是有可能的。 一旦樹脂達到高水平的飽和，其在乾燥氣候中意味著它實質 上從其碳酸鹽形式轉移到完全的碳酸氫鹽形式，該樹脂材料被裝入首先清空 然後充入水蒸氣和/或液態水的腔室中，其被攪動直到所有樹脂表面完全潤
溼。然後該系統釋放C02，並且如果腔室中有足夠的材料，該系統能達到高
於腔室中水蒸氣壓力的C02壓力。為了達到高的C02壓力(約30至60毫 巴)，可設置一連串腔室，如圖5所示，其在接近環境條件但在不同溫度下 用水蒸氣飽和(約30mb的蒸氣)，以便水飽和壓力從上遊端(蒸氣在此進 入)到達下遊端(C02和蒸氣在此被除去)。在該系統中，氣體流量被保 持，因為水蒸氣和C02在該鏈的下遊端被提取。鏈中最後的腔室含有剛從空 氣飽和返回的樹脂，其能推動C02的分壓達到和水蒸氣壓力一樣高或甚至更
高。腔室的較高上遊含有已經在溫暖潮溼環境中暴露較長時間的樹脂。
腔室優選地幾乎完全充滿樹脂材料，因為孔隙空間越大，系統中達到高 的C02分壓就越困難。腔室能在鏈中物理地移動，因為新的樹脂是在鏈中的 氣體流出端添加，並且C02耗盡的樹脂是在另一端被除去。不用去移動個別
的腔室或放入那些腔室中的盒子，我們也能改變腔室的閥門。以這種方式， 各個腔室可以連接到它的下遊相鄰體或最後的提取系統。各個腔室也可在上 遊端與上遊相鄰體連接或連接到水蒸氣的源頭和尾氣輸入。有可能打開一個 單元的閥門，清空和再填充並且關上閥，使得邏輯上看現在是在鏈的另一 端。以這種方式，樹脂可以移動穿過鏈，而位置永遠不用移動。
除非將C02從流體中吸收，同時留下穩定的水蒸氣，或者除非兩種氣體 組分都被簡單地抽出和壓縮，水蒸氣一定會冷凝下來，以從C02流中分離。 冷凝將在鏈的下遊端發生，或者隨著氣流前進，當溫度從腔室至腔室間下降 導致水蒸氣壓降低時，更可能在中間的腔室中發生。水蒸氣的冷凝將產生朝 向系統低壓的流體。在非常低的溫度下(-80。和-100。C之間)或者藉助壓縮機泵，通過冷凝/
升華，可將C02從最後的腔室的下遊除去，該泵將氣體移動到另一個較高壓 力下的蓄水池中。或者，可通過吸附劑除去C02，例如冷的液態甲醇、液態
胺、或碳酸鈉。其他選擇包括疏水形式的活性炭。
參考圖6，在單一腔室中有6gSnowPure陰離子交換材料，並且在DI水 中洗滌該樹脂15分鐘後，樹脂仍能放出C02並使系統中的C02水平提高至 約1200ppm。放置過夜，但允許乾燥，該樹脂重捕獲所有這些以及更多的 C02，使容器中的C02水平降低至約40ppm。升高容器中的溼度至30ppm將 導致C02放出，達到1400ppm以上。釋放該C02以及在DI水中洗滌樹脂條 導致更高的C02釋放率，使鐘形物中的壓力升高至約1800ppm。第二次重複 仍達到1100ppm以上，而第三次重複仍達到700ppm。該系統總共放出約 3300ppm。這轉化成約66cc的C02或最初由碳酸鹽洗滌膜收集的002容量的 約2/3。該膜材料的總容量為約6毫摩爾或約120cc。因此認為，單用純水能 引起結合到基質上的C02的大幅波動。尚不清楚在洗滌周期有多少C02從基 質釋放到鐘形罩測量系統的外部。當該系統在水中花費了幾分鐘，在此大量
額外的C02可能已被除去，運行末端獲得的數據表明C02釋放的速率在洗滌 周期有些下降，表明水洗滌循環已經以更快的速度除去額外的C02。然而， 考慮到在中間的平靜期已經放出一些，洗滌周期除去的C02的總量必然相對 較小。
對於膜來說大概的數字為，釋放的速率為10g樣品15分鐘內約l毫摩爾 C02，或者約le-4毫摩爾/g/sec。對於宏觀表面積約40 cm2/g的材料，我們達 到了 2.5e-5mole/m"sec的釋放速率。吸收率是差不多的，雖然通常有點慢。 實驗還顯示，50g樣品在約15分鐘內將產生約0.1 cc/sec或者約100 cc的氣體。
一個設計特點在於該序列中有許多腔室。不同腔室中的樹脂己經在除氣 過程中暴露了不同的時間長度。樹脂可從腔室到腔室間移動，或者更有可能 地，改變閥門以使一腔室離開鏈的淨化端，除去其內充物，並用樹脂填充， 此時其位於鏈的未淨化端。各個腔室中的氣體包括水蒸氣、C02，並且可能 有惰性尾氣(sweep gas)。從系統的上遊端到系統的下遊端，三者分壓的總 和是單調下降的。通過加快流動速度可減小尾氣壓力，但水蒸氣分壓差不多
21與此時的液態水相平衡。C02分壓在經過的方向上應增大。如果水蒸氣為總 壓力的大部分，水蒸氣壓力梯度控制了該流體，這可通過溫度從一個腔室至 下一個的降低來證實，此時C02壓力將從一個腔室至下一個上升，因為各個
腔室都向流體中添加一些co2。各個腔室的貢獻可通過材料釋放co2的速率
和特定樹脂能達到的平衡壓來限制。上遊端的樹脂已經幾乎耗儘其所有的
C02，因此為總產品增加很少；最後的下遊單元原則上能添加多達60毫巴。 要做到這一點，上遊端要麼具有超過70毫巴的蒸氣壓，要麼含有大量仍需要
從C02分離的尾氣。
假定該系統的最後一步是在冷甲醇中收集C02，則冷凝該系統的其中一 種尾氣可以是甲醇蒸氣。其他辦法是依賴於水，在這種情況下水的上遊溫度 必須足夠高以產生至少60毫巴的分壓。隨著蒸氣從一個腔室向下一個移動， 它將遇到更低溫度，從而部分凝結下來，產生一種壓力曲線，其驅使淨氣 (net gas)從系統的低0)2端流到高(302端。
在一種實施方式中，將所有剩餘的水冷凝下來，然後抽去C02。其他實 施方式將依賴於C02吸收和隨後的吸附劑回收。這些吸附劑可以是冷甲醇、 液態胺、或氨水、或碳酸鈉。其他選擇包括疏水形式的活性炭。
圖7顯示了另一項發明方案。該發明方案基於一項觀察，觀察到活性炭
在溼潤時吸收C02，並且它乾燥時釋放C02。這是與離子交換樹脂相反的性
能。因此，這使依次結合離子交換樹脂和活性炭成為可能。以幹活性炭和潤 溼的樹脂材料開始，將空氣通過該系統。隨著空氣乾燥該樹脂，它將水蒸氣 運輸至碳。樹脂在乾燥時攜帶C02，而活性炭在接受水分時攜帶C02。 一旦 樹脂乾燥，該系統逆轉，然後新鮮空氣流經活性炭，並釋放水分回到離子交
換樹脂。隨著碳乾燥，它放出C02，升高C02分壓，此時C02可被濃縮和除
去。以這種方式結合離子交換樹脂和活性炭的特點和優點在於，水被保留， 並且安裝閥門以逆轉空氣流也是簡單的事情。
本發明易於改動。例如，可用其他材料例如沸石代替活性炭。
由此可見，使用離子交換樹脂，溼度波動可用於分離和捕獲環境C02。 通過將幾個空氣捕獲裝置串連在一起，除去的環境C02可被濃縮。使用離子交換樹脂以單獨地或者與活性炭或沸石依次相結合除去C02具 有的優勢在於可避免腐蝕性化學品，例如過去典型地用於C02洗滌器中的氫 氧化鈉。此外，在實質上封閉的系統中使用溼度波動，水被保留。
參考圖8， C02空氣捕獲裝置可以包括多個含有C02捕獲材料的直立圓柱 塔100 。優選地，但不是必須地，C02捕獲材料包括如前描述的溼度敏感的 離子交換材料。各個塔100鄰近其較低端有多個進氣口 102，鄰近其頂端有 多個出氣口 104。或者，塔的壁可開放以讓空氣在地面任意水平上通過。空 氣在進口102進入，從此處在塔100中向上流動與CO2捕獲材料接觸。空氣 流可通過自然對流，或者如果需要，通過風扇提供動力。入口102和出口 104可選擇性地通過遮板(未顯示)封閉，使得塔內的溼度可升高，並且捕 獲的C02從樹脂中被除去並濃縮。或者，可用液體水洗滌樹脂以除去捕獲的
co2，其在基底處被濃縮，基底處還包括水管設施和閥門等(未顯示)。或
者，C02捕獲材料可包括溼吸附劑，如胺類或碳酸鹽或其他C02吸附劑，其
被泵打上去並滴下或向下流入塔中的基質材料。在本發明的一種優選實施方 式中，幾個塔100是在地下連接在一起，在此將塔100流出的液體處理以除 去CCb，並且除去的C02被濃縮。然而其他變化也是可能的。
在本發明的另一方面，收集器中的官能化固體結構可被優化用於氣體交 換、蒸氣交換、液體交換和機械性能。對於氣體交換，孔隙空間/通道應足夠
大以保持壓力降低，使湍流減到最小，並防止邊界層增加到妨礙C02向官能
團供給的厚度。例如，當氣體流為環境空氣時，如果一升官能化固體有一摩
爾交換位點，則用碳酸氫鹽飽和那些位點需要22.4升純C02。如果我們認為 每單位空氣體積平均攝取100份每百萬體積(ppmV)的C02，則我們需要移 動224,000升空氣通過一升固體以飽和官能基團。當固體飽和時，需要減小
空氣流量，因為C02吸收隨飽和降低。
對於蒸氣和液體交換，固體與孔隙的比率典型地是比較大的。例如，在 商用的水處理系統中，典型的離子交換樹脂床有大約30至40%的空隙空間。 珠子為大約0.5mm大小，留下更小間隙的孔隙空間。因此，對於許多應用來 說，收集器應該為帶有大小不同的原生和次生孔隙的可改變的結構。
該設計還包括一針對各種情況下固定功率大小的系統，在此氣體、蒸氣 和液體交換使用相同的孔徑或機械因素有利於固定的動力空間的系統。另一方面，本發明提供了收集器的幾何體的實施方式，其利用官能化固 體收集器介質從氣體流中除去C02。例如，該捕獲介質可由固定在固體上/中 的胺基團組成。
參見圖9A和9B，本發明提供了輥幾何體的可調節孔徑的收集器，包括 一帶有鎖定機構的惰性中心軸205;惰性網或其他薄板形式的多孔介質206; 以及薄板形式的官能化收集器介質207。 一個多孔薄板和一個收集器介質薄 板被固定並圍繞在軸上，以便輥的最內層和最外層由多孔板組成。這樣確保 收集器介質總是夾在多孔板之間以允許與收集器介質薄板的兩側上的氣體、 蒸氣或液體接觸。根據輥的直徑，使用多於一個膜和多孔層，以便孔隙空間 的加寬需要中心軸的較少旋轉。例如，三層需要單層旋轉的三分之一。
多孔薄板為氣體、蒸氣、和/或液體流提供路徑。該流徑可以是直的、螺 旋的、彎曲的、層流或湍流的設計。多孔薄板還設定了孔隙空間的最小寬 度，當輥圍繞軸繃緊時即可實現。通過逆著線圈的方向轉動軸，孔隙空間可 變寬，或者朝線圈的方向轉動軸，孔隙空間變窄。軸和多孔薄板由對其所暴 露的氣體、蒸氣和液體流呈惰性的材料製成。
在圖IOA和IOB顯示的替代實施方式中，本發明提供了平板幾何體的可 調節孔徑的收集器，包括惰性網或其他薄板形式的多孔材料211或作為可壓 縮層212，以及薄板形式的官能化收集器介質213。該平板幾何體收集器具有 網或其他多孔介質和收集器介質的交替層。在液體流動/交換期間，這些層被 壓在一起以達到收集器介質薄板之間的最小流體通道厚度。流體通道的最小 厚度和該通道內的空隙空間由使用的多孔介質確定。在氣體流動/交換期間， 通過將薄板拉開可將該流體通道調節到最佳厚度。最佳間隔是由收集器介質 的交換速率和液體或氣體流、以及液體和氣體流的流動速率確定。
在圖IIA和IIB顯示的另一種替代實施方式中，本發明提供了具有初級 和二級孔隙的可摺疊的收集器。初級孔隙被優化用於氣體流。用於氣體流的 通道的壁由收集器介質構建。收集器介質本身具有被優化用於液體流的二級 孔隙。 一旦氣體交換完成，並且收集器介質被C02飽和，則初級孔隙塌陷， 僅留下二級孔隙用於流體或液體交換。
該收集器的最簡單的幾何體是一系列帶有開放式單元(open-cell)孔的 介質收集器薄板。對於氣體交換，該薄板被間隔開一定距離，其可針對<302攝取率和薄板的長度來優化。對於流體或液體交換，該薄板堆在一起並且液
體流動通過該收集器介質的孔隙。其他幾何體如圖12A-12F所示，並且包括 可摺疊的正方形或矩形通道等。
固定的收集器將採用一種或幾種固定的孔徑。孔幾何體可變化。孔幾何 體的例子為圓形、正方形、矩形、三角形、六角形、或不同形狀的通道。該 設計還包括開放式單元泡沫幾何體，或由該收集器介質的形式確定的其他不 規則連接的形狀。
在圖B所示的本發明的另一方面中，離子交換過程可利用電滲析 (ED)單元完成。離子交換樹脂可用鹼性溶液洗滌，如碳酸鈉(Na2C03)， 優選地具有11-12的pH。由此產生的流出物優選地具有9-10的pH，其在碳 酸鈉洗滌的例子中主要為碳酸氫鈉(NaHC03)。
然後，將該流出物供應到ED單元的酸性側，在此反應是由雙極或陽離 子膜控制。初始運行後，該單元的酸性側穩定在近中性pH，此時C02釋放並 被捕獲。滲透壓將水推動到該單元的鹼性一側。鹼性溶液保持在接近12的 pH，並且也可用於補充洗滌液。
由於pH以及洗滌液和流出物的成分的差異，可各自使用單獨的池子 (basin)。
或者，如圖14所示，用於ED單元的鹼性溶液及洗滌液可包含在相同的 池子中。該池子可包含一分離器，用於分離有兩個不同pH範圍的兩種鹼性 溶液。在一種優選的實施方式中，洗滌液的pH是12，而提供給ED單元的 鹼性溶液的pH是ll。在進入ED單元的酸性側之前，該流出物可包含在單 獨的池子中。此外，該流出物，其優選地為pH9-10，可用於稀釋部分鹼性溶 液，以使該洗液達到pHll。
應當強調的是，以上描述的本發明的實施方式，具體地說，和"優選 的"實施方式，僅是可能的實施例，並且僅被用於清楚地理解本發明的原 理。在不違背本發明的精神和範圍的情況下可設計和/或製造本文所描述工藝 的許多不同實施方式。所有這些和其他的修改和變化均在此包含，屬於本說 明書的範圍並由以下權利要求書保護。因此，本發明的範圍不受除附加的權 利要求書中所示以外的限制。
權利要求
1、一種從氣體中除去二氧化碳的方法，包括將所述氣體與腔室中的樹脂接觸，從該腔室中排出氣體，潤溼所述樹脂，從所述樹脂收集水蒸氣和二氧化碳，以及從所述水蒸氣分離所述二氧化碳。
2、 權利要求l所述的方法，其中所述樹脂通過浸入水中來潤溼。
3、 權利要求l所述的方法，其中所述樹脂通過暴露於潮溼的空氣中來潤溼。
4、 權利要求l所述的方法，其中所述樹脂通過暴露於短脈衝的蒸氣中來 潤溼。
5、 權利要求2所述的方法，其中所述水還包含碳酸酐酶。
6、 權利要求l所述的方法，其中通過降低溫度將所述二氧化碳從水蒸氣 中分離。
7、 權利要求l所述的方法，其中通過增大水蒸氣和二氧化碳混合物的壓 力將所述二氧化碳從水蒸氣中分離。
8、 權利要求l所述的方法，其中利用二級吸附劑從水蒸氣中分離二氧化碳。
9、 權利要求8所述方法，其中所述二級吸附劑為弱液態胺。
10、 權利要求8所述的方法，其中所述二氧化碳在溫度升高時從二級吸 附劑中被釋放。
11、 一種從氣體中除去二氧化碳的方法，包括 使所述氣體與容納在多個腔室中的樹脂接觸，其中多個腔室是串聯的；用水潤溼所述樹脂，其中水進入第一腔室，並經最後的腔室排出； 從所述樹脂收集水蒸氣和二氧化碳；和 從所述水蒸氣中分離所述二氧化碳。
12、 權利要求ll所述的方法，其中所述多個腔室是通過多個閥門連接， 該閥門允許所述多個腔室中的任一個作為所述第一腔室或所述最後的腔室。
13、 權利要求ll所述的方法，其中所述第一腔室包含被來自所述氣體的 二氧化碳最新飽和或部分飽和的樹脂，而各個後續的腔室包含己潤溼的樹脂，並且從中收集二氧化碳的時間比前一腔室更長，依次類推直至所述最後 的腔室。
14、 一種從氣體中除去二氧化碳的方法，包括將所述氣體引入包含樹脂 和活性炭的腔室中，潤溼該樹脂和活性炭，從該腔室中排出氣體，以及從活 性炭中收集二氧化碳。
15、 權利要求14所述的方法，其中沸石材料被用於代替或在活性炭之外 使用。
16、 一種從空氣中捕獲二氧化碳的裝置，包括直立塔，各個塔在接近塔 的底部有至少一個進氣口，並且在接近塔的頂部有至少一個出氣口；位於至 少一個進氣口和至少一個出氣口之間的腔室，所述腔室包含用於捕獲二氧化 碳的離子交換樹脂；以及水源，用於潤溼該樹脂以釋放所述二氧化碳。
17、 權利要求16所述的裝置，其中所述水是潮溼空氣的形式。
18、 權利要求16所述的裝置，進一步包括多個用於選擇性地關閉至少一 個進氣口和/或出氣口的遮板。
19、 權利要求16所述的裝置，進一步包括用於控制通過該塔的空氣流的 風扇。
20、 一種從氣體流中捕獲二氧化碳的收集器，包括多孔材料和薄板形式 的收集器介質，其中所述收集器介質有可調節的幾何體，以連續地提供氣體 交換和液體交換。
21、 權利要求20所述的收集器，其中所述收集器的幾何體是可調節的， 以使交換速率最大化。
22、 權利要求20的收集器，其中所述多孔材料被置於收集器介質的多個 薄板之間，並且其中該多孔材料被壓縮以適應該收集器的幾何體。
23、 權利要求20所述的收集器，其中所述多孔材料為可壓縮薄板的形 式，其交替放置於收集器介質的多個薄板之間，並且其中該多孔材料的可壓 縮薄板被壓縮以適應該收集器的幾何體。
24、 權利要求20所述的收集器，其中所述多孔材料為薄板形式，並且其 中該多孔材料的至少一個薄板和收集介質的至少一個薄板連接到中心軸上。
25、 權利要求24所述的收集器，其中所述收集器的幾何體通過旋轉中心 軸而調節。
26、 一種從氣體中捕獲二氧化碳的收集器，包括在一可摺疊幾何體中的 官能化材料，其中該收集器具有用於氣體交換的初級孔隙和用於液體交換的 二級孔隙。
27、 一種從氣體中除去二氧化碳的方法，包括捕獲主要吸附劑材料上的 二氧化碳，用洗滌液洗滌主要吸附劑以產生流出物，將該流出物置於電滲析 單元的酸性側，以及促使該電滲析單元的酸性側的pH達到中性pH以釋放二 氧化碳。
28、 權利要求27所述的方法，其中所述洗滌液的pH介於11-12之間， 並且所述流出物的pH為9-10。
29、 權利要求27所述的方法，其中用來自電滲析單元的鹼性側的液體作 為洗滌液。
30、 權利要求27所述的方法，其中滲透壓將水從電滲析單元的酸性側驅 動至鹼性側。
31、 一種從氣體中除去二氧化碳的方法，包括使所述氣體流動，在第一 腔室中與樹脂接觸，從所述第一腔室中排出所述氣體，用水潤溼所述樹脂， 從所述樹脂收集水蒸氣和二氧化碳，以及從所述水蒸氣中分離所述二氧化 碳。
32、 權利要求31所述的方法，進一步包括在從所述第一腔室中排出所述 氣體的步驟之前，將該樹脂置於所述第一腔室中。
33、 權利要求31所述的方法，其中當排出所述氣體流時，所述第一腔室 接近真空壓力。
34、 權利要求31所述的方法，其中所述樹脂通過蒸氣形式的水來潤溼。
35、 權利要求31所述的方法，其中所述樹脂通過浸入水中來潤溼。
36、 權利要求31所述的方法，其中增大壓力以凝結水蒸氣將所述二氧化 碳從所述水蒸氣分離。
37、 權利要求31所述的方法，其中使用弱鹼性胺將所述二氧化碳從所述 水蒸氣分離。
38、 權利要求32所述的方法，其中多個腔室串聯，並且其中水進入第一 腔室並通過最後的腔室流出，從所述最後的腔室中收集所述二氧化碳和水蒸 氣。
39、 權利要求38所述的方法，其中所述多個腔室是通過多個閥門連接， 該閥門允許所述多個腔室中的任一個作為所述第一腔室或所述最後的腔室。
40、 權利要求38所述的方法，其中所述第一腔室包含被來自所述氣體流 的二氧化碳最新飽和的樹脂，而各個後續的腔室包含已潤溼的樹脂，並且從 中收集二氧化碳的時間比前一腔室更長，依次類推直至所述最後的腔室。
全文摘要
本發明公開了一種從氣體流中除去二氧化碳的方法，包括將該氣體流與樹脂接觸，用水潤溼該樹脂，從該樹脂中收集水蒸氣和二氧化碳，以及從水蒸氣中分離二氧化碳。該樹脂可置於一個腔室或串聯的多個腔室中，其中第一腔室包含首先被氣體接觸的樹脂，而各個後續的腔室包含已潤溼的樹脂，並且從中收集二氧化碳的時間比前一腔室更長，以此類推直到最後的腔室。二級吸附劑可用於進一步從水蒸氣中分離二氧化碳。
文檔編號B01D53/02GK101657246SQ200880012331
公開日2010年2月24日 申請日期2008年4月17日 優先權日2007年4月17日
發明者喬治·格裡姆, 克勞斯·S·拉克納, 平 劉, 卡爾·麥迪遜, 厄休拉·金斯特, 埃德·利昂-格雷羅, 艾倫·B·賴特, 蒂莫西·卡特森, 賴海·伊西卡瓦, 馬克·馬爾科姆森 申請人:環球研究技術有限公司