從空氣中除去二氧化碳的製作方法

2023-10-10 07:52:29

專利名稱：從空氣中除去二氧化碳的製作方法
技術領域：
本發明涉及從空氣中除去所選的氣體。本發明尤其用於從空氣中提取二氧 化碳(co2)，並且結合這些用途來描述，但是其它用途也是可以想到的。
背景技術：
存在著令人信服的證據來暗示在日益急劇增加的大氣co2濃度和全球表
面溫度的相應增加之間具有很強的相關性。這個效應通常被稱作全球變暖
(Global Warming)。在各種C02排放源之中，存在著大量的、廣泛分布的小 型排放裝置(emitter),這些排放裝置是不可能在其源頭處減輕的。此外，大 型的排放裝置例如以碳氫化合物作為燃料的發電廠不能完全地被免於把C02
排出到大氣中.。總之，這些主要排放源以及其它排放源導致產^^:氣'co;濃
度的急劇增加。在所有排放裝置在其源處能被調整以達到要求的標準之前，還 需要其它技術來捕獲該雖然相對較低但日益增多的本底濃度的大氣C02。正在 進行努力來提高現有排放減少技術以及發展新穎和新型的技術來直接捕獲大 氣C02。這些努力需要方法論以這樣的方式來處理所得到的集中的廢C02流， 以使得可以防止其重新加入到大氣中。
C02的產生發生在諸如發電廠用煤發電之類的各種工業應用中和在碳氫 化合物的使用中，該碳氫化合物通常是在燃燒裝置(例如發動機)中燃燒的燃 料的主要成分。從這些燃燒裝置中所排出的廢氣包括C02氣體，該氣體目前 被簡單地釋放到大氣中。但是，由於溫室氣體影響的增長，因此從所有源中所 排出的C02排放量必需被減少。對於移動源而言，最好的選擇可能是收集直 接來自空氣而不是來自汽車或者飛機中的移動燃燒裝置的C02。從空氣中除去 C02的優點在於它不需要把C02儲存在移動裝置中。
5從大氣中提取二氧化碳(C02)使得可以使用碳基燃料並且處理之後的相
關的溫室氣體排放。C02在ppm級時既無毒也無害，而僅僅是由於蓄積在大
氣中而產生了環境問題，因此可以從空氣中除去co2以便補償在不同時間和
在其它地方的等量排放。
發展了各種方法和裝置來從空氣中除去C02。例如，我們最近公開了使用
捕獲溶劑從大氣中有效地提取二氧化碳(C02)的方法，所述捕獲溶劑物理結
合或者化學結合空氣中的C02並且除去它。
一類實用的C02捕獲吸附劑包括
強鹼氫氧化物溶液，例如氫氧化鈉或者氫氧化鉀，或者碳酸鹽溶液，例如碳酸 鈉或者碳酸鉀的鹽水。例如參見公開的PCT申請PCT/US05/29979和 PCT/US06/029238。
一些現有技術的方法包括使用熱振蕩(heat swing)來再生離子交換樹脂。 但是，在使用這些方法來捕獲C02時，這些方法效率低下，而且由於需要熱 量輸入而產生了額外的C02。參見美國專利No.4324564和美國專利 No.6402814。

發明內容
本發明改進了上述現有技術。更加具體地說，本發明提供了多種用於從空 氣中提取二氧化碳(或者其它感興趣的氣體)的方法和系統，其使用一初級交 換樹脂，把所提取的二氧化碳(或者其它感興趣的氣體)輸送到一遠離初級交 換樹脂的二級樹脂或者吸附劑中，及再生該二級樹脂或者吸附劑。


結合附圖，從下面詳述中可以看到本發明的其它特徵和優點，其中 圖1是一示出本發明的方塊流程圖；及 圖2是一示出概念驗證的示意圖；及
圖3是一示出了本發明與C02收集裝置的集成的示意圖。
具體實施例方式
本發明通常涉及尤其從空氣中提取、減少、捕獲、處理、螯合(sequestration) 或者儲存二氧化碳(C02)，並且還涉及減少環境中的C02氣體的新方法和裝置。然後，所提取出的二氧化碳可以(1)作為商品被出賣或者交易；和/或
(2)被轉換成碳信用額(carboncredits)來出售或者交易；禾B/或(3)以某些 方式被螯合以從大氣中除去它，因此減輕了其作為所謂溫室氣體的作用。
本發明提供了一種系統r即方法和裝置，用於從空氣中提取二氧化碳
(C02)和用於再生用在提取方法中的樹脂。因此，通過再生樹脂用於後續使 用和通過輸送在許多終端應用中具有商業價值的產品(即二氧化碳)，本發明 可以提供兩倍的經濟效益。此外，本發明可以提供由於下面事實所產生的生態
利益如此回收的二氧化碳不再需要生產相同量的該產品用於商業目的，或者
如此回收的二氧化碳可通過大量技術從環境中被螯合，所述的技術例如在前述
PCT申請No.PCT/US2005/01543、 PCT/US2005/015454、 PCT/US2006/03646 和PCT/US2006/029238中所述。上述的生態利益起因於二氧化碳的特性，其 作為主要的溫室氣體並且因此被假定為對氣候變化尤其是全球變暖的主要貢 獻者°
本發明使用一初級樹脂實現從空氣提取二氧化碳。然後把所提取的二氧化 碳輸送到遠離初級樹脂的二級樹脂或者吸附劑中，並且該二級樹脂或吸附劑被 再生，例如以化學方法或者電化學方法，或者通過把熱量施用到二氧化碳負載 的樹脂上，即具有二氧化碳或者化學地和/或物理地結合到樹脂上的組成離子 的樹脂。例如，使用熱振蕩作為再生機制時，^^約40T的溫度，二氧化碳 氣體開始被樹脂釋放和從中排放出。在這一溫度下二氧化碳氣體的釋放是強鹼 離子交換樹脂的一個有用的特徵，該樹脂可被用於一個C02氣體提取過程中， 其在不結合C02所需溫度上通常失去所有的或者部分的效能。由於優選的操 作溫度處於大約40。C一95。C的範圍內，因此需要一弱鹼離子交換樹脂。其具 有C(V弱鹼離子交換樹脂間的弱結合的特性，使得在優選的40。C一95。C的溫 度時能夠成功地分離C02，該優選溫度低於這類樹脂被推薦的最大溫度(典型 地為100。C)。
例如Huang和Chang, e"wgy 2002, 16, 904-912的科學文獻公開了使
用含有胺功能團的弱鹼性的離子交換樹脂在室溫通過從碳酸氫銨吸收碳酸來 再生氨水，該碳酸氫銨為通過氨水吸收C02所形成的主要產物。然後通過在 50。C到100。C溫度範圍的水中的加熱來再生該樹脂，導致釋放出氨水。
本發明的利用不被局限於C02或者其組成離子被附著到離子交換樹脂的方式。但是，出於解釋本發明新穎性和有用性的目的，因此本發明將被這樣描
述在本發明中該組成離子是通過使用0.5 mol碳酸氫鈉(NaHC03)水溶液 來洗滌樹脂而被引入到二級樹脂中。
z在這個發明中所體現的基本概念允許使用一初級樹脂在儘可能接近理想
條件的情況下來提取C02。然後把所提取的C02輸送到一二級樹脂或者吸附劑
中，然後在那裡使用更為方便的化學、電化學或者加熱方法將所提取的co2
從二級樹脂或者吸附劑中分離出來。總過程如下通過一初級樹脂從空氣中提 取C02。然後，將該提取的C02從初級樹脂中清除出來並且通過一輸送溶劑被
輸送到二級樹脂或者吸附劑中，所述輸送溶劑例如水或者水蒸汽或者諸如氫氧 化物或者碳酸鹽溶液之類的鹼性的溶液，或者通過將初級樹脂減壓來除去co2 氣體以將該提取的co2從初級樹脂中清除出來。這使得初級樹脂可以從空氣 中提取更多的C02。通過二級樹脂或者吸附劑來捕獲所提取的co2，然後使用 方便的化學再生、電化學再生或加熱方法來再生該二級樹脂或者吸附劑。例如， 在本發明的一個示例性實施方式中，使用加熱來從離子交換樹脂中分離二氧化 碳，通過將NaHC03水溶液混合物與一離子交換介質相接觸，該離子交換樹脂 被用來實現從NaHC03水溶液混合物分離和回收Na2C03吸附劑。通過酸/鹼反 應該樹脂從NaHC03提取C02，再生Na2C03並被返回到上遊過程，例如根據 PCT/US2006/029328的教導。從該樹脂分離二氧化碳通常是通過多個如下的循 環進行的用水洗滌該負載的樹脂，從洗滌水中分離出樹脂並且把該樹脂和所 帶水的混合物加熱到一溫度並持續加熱一段時間，以使得該離子交換樹脂保持 大部分不變(不同於釋放二氧化碳)。g卩，在加熱的初始和隨後期間之後，樹 脂從NaHC03中提取C02並且因此再生Na2C03的效率保持在可接受的水平 上，在該加熱期間，被捕獲和持有的二氧化碳被釋放。此外，這一過程可以被 實現而沒有明顯的壓力改變。
作為原理的證明給出下面工作實施例。 工作實施例
參照圖1和2，使用0.5 mol NaHC03水溶液來洗滌離子交換樹脂珠10的 混合物以模擬一吸附劑混合物，如同通過PCT/US2006/029238中所述的方法 來產生。然後在去離子水中洗滌樹脂珠。傾去洗滌水，並且將樹脂珠進行離心 分離以除去保留在其上的大量水。然後把經離心的樹脂珠IO放置到玻璃燒瓶14中，該玻璃瓶被構造成經加熱從該燒瓶導出的塔頂餾出物被運送經過一導
管16穿過一冷凝器18。從加熱的燒瓶14所攜出的大量水蒸汽通過冷凝器18 時在冷凝器18中被冷凝並被截留在那裡，同時經過從樹脂珠IO釋出的二氧化 碳氣體被運送經過一導管20作為塔頂餾出物到達一第三容器22，在第三容器 中該二氧化碳氣體被收集起來。然後將樹脂珠10從燒瓶14中移出，並且將其 返回使用，即從NaHC03中除去二氧化碳和再生Na2C03吸附劑。
可以購得各種交換樹脂並可方便地用於本發明中。特別優選的是離子交換 樹脂，例如從賓夕法尼亞州的Purolite Company of Bala Cynwyd所購得的 Purolite A830 ，從費城，賓夕法尼亞州的Rohm&Haas所購得的 Amberlite IRA67，及從日本東京的Mitsubishi Chemical Corporation所購得的 Diaion 20和Diaion 30。但是，根據本發明也可以方便地採用其它市售可得 的離子交換樹脂。
最後在熱振蕩階段中，在一產生其自有C02的過程中產生熱量，該co2 也被捕獲。可再生能量可以被用來產生再生所需要的熱量。或者，成本低的煤 可以被用來從燃燒過程中收集C02。在那種情況下， 一額外的250kJ熱量將產 生一額外的1/2摩爾C02。但是，在一熱量回收系統中可以避免某些能量費用。 因此，對於每升被加熱的溶液而言，存在另一升被冷卻的溶液。在這種方法中， 絕大多數的熱量可以被回收。
儘管本發明是結合從空氣中提取C02來進行描述的，但是有利的是，本 發明可以被用來提取其它所需的氣體，例如NOw H2S等等。此外，可以逐次 地加入一個或者多個另外的二級樹脂珠或者吸附劑。
本發明的特徵和優點允許使用一初級樹脂在儘可能接近理想條件的情況
下來從空氣中提取C02。然後，把所提取的C02從一初級空氣交換器中輸送到
一二級交換床或者設計為專用來再生該樹脂的裝置中。初級床中的樹脂和二級 床中的樹脂可以是相同的或者不同的樹脂。
儘管本發明是結合一採用熱敏離子交換樹脂材料從大氣提取C02的優選 的實施方式進行了描述，但是本發明的優點也可以這樣實現根據在我們前述 的PCT申請No.PCT/US05/29979和PCT/US2006/029238中所述的若干方案通 過使用一吸附劑從大氣中提取二氧化碳，並通過合適地操控該吸附劑把所提取 的C02釋放到溫室中。而且，當使用去離子水作為在上面的實施例中的二氧化碳負載的樹脂的洗滌水時，可有利地使用一鹼性的(PH〉7)洗滌水溶液。
其它的在此沒有明確討論的實施方式和用途被申請人設想到，並且對於相關領
域的技術人員來講將是顯而易見的。
權利要求
1.一種從空氣中除去CO2的方法，該方法包括步驟(a)將空氣與第一離子交換樹脂接觸，從而從空氣中吸收CO2；(b)將一CO2吸附劑與該第一離子交換樹脂接觸，以把CO2傳送到該吸附劑中；(c)將步驟(b)的吸附劑與一弱鹼陰離子交換樹脂接觸，從而從該吸附劑中吸收CO2；及(d)通過加熱步驟(c)的離子交換樹脂以從該樹脂中逐出CO2，從該離子交換樹脂中分離出CO2。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述離子交換樹脂包括一固 態陰離子交換材料。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述離子交換樹脂被塗敷在 一基底上或者被插入到或以其它方式集成到一載體材料中。
4. 根據權利要求1所述的方法，包括步驟用水來洗滌該離子交換樹脂，和在加熱該樹脂之前從水中分離出該樹脂。
5. 根據權，j要求4所述的方法，其特徵在於，所述水包括去離子水。
6. 根據權fe要求4所述的方法，其特徵在於，所述水包括一鹼性的(PH 〉7)水溶液。
7. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述離子交換樹脂被加熱到 約40。C以上。
8. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述離子交換樹脂被加熱到 50°C到95。C的溫度。
9. 一種用於再生離子交換樹脂的方法，該離子交換樹脂用來從一包括碳酸 鹽/重碳酸鹽混合物的吸附劑溶液中除去C02，該方法包括步驟(a) 將一吸附劑溶液與一離子交換樹脂接觸，從而把C02從碳酸氫鈉溶 液中傳送到該樹脂中； ？(b) 洗滌步驟(a)的離子交換樹脂和水；及(c) 通過加熱步驟(b)的離子交換樹脂以從該樹脂中逐出C02，從該離子交換樹脂中分離出C02。
10. 根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述離子交換樹脂包括一 固態陰離子交換材料。
11. 根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述離子交換樹脂被塗敷 在一基底上或者被插入到或以其它方式集成到一載體材料中，所述載體材料例 如一聚合膜。
12. 根據權利要求9所述的方法，包括步驟在加熱該樹脂之前從水中分 離出該樹脂。
13. 根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述水包括去離子水。
14. 根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述水包括一鹼性的(PH 〉7)水溶液。
15. 根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述離子交換樹脂被加熱 到約40。C以上。
16. 根據權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述離子交換樹脂被加熱 到50。C到95。C的溫度。
17. —種用於分離被保持在離子交換樹脂上或其內的二氧化碳的方法，該 方法包括加熱該離子交換樹脂以除去二氧化碳。
18. 根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，所述離子交換樹脂被加熱 到約40。C以上的溫度。
19. 根據權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述離子交換樹脂被加熱 到50。C到95。C的溫度。
20. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述離子交換樹脂包括一 弱鹼離子交換樹脂或者一弱鹼性的離子交換樹脂。
21. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述離子交換樹脂呈珠形。
22. 根據權利要求21所述的方法，其特徵在於，在使用之前，所述離子交 換樹脂珠被壓碎。
23. —種用於從空氣中除去所選微量氣體的方法，該方法包括步驟(a) 將空氣與第一樹脂床接觸，從而從空氣中吸收所選微量氣體；(b) 把所吸收的所選微量氣體傳送到第二樹脂床中，從而將所選微量氣 體吸收到第二樹脂床上；及(c) 通過加熱該第二樹脂床以從該樹脂中逐出所選微量氣體，從第二樹脂床中分離出所選微量氣體。
24. 根據權利要求23所述的方法，其特徵在於，所述第一樹脂床和第二樹 脂床都包括固態陰離子交換材料。
25. 根據權利要求23所述的方法，其特徵在於，所述第一和或第二樹脂被 塗敷在一基底上或者被插入到或以其它方式集成到一載體材料中。
26. 根據權利要求23所述的方法，包括步驟用水或者蒸汽來洗滌第一樹 脂床。
27. 根據權利要求26所述的方法，其特徵在於，所述水包括去離子水。
28. 根據權利要求26所述的方法，其特徵在於，所述水包括一鹼性的(PH 〉7)水溶液。
29. 根據權利要求23所述的方法，其特徵在於，所述第二樹脂床被加熱到 約40。C以上。
30. 根據權利要求29所述的方法，其特徵在於，所述第二樹脂床被加熱到 50°C到95。C的溫度。
31. 根據權利要求24所述的方法，其特徵在於，所述第一樹脂床和第二樹 脂床由相同的交換材料形成。
32. 根據權利要求23所述的方法，其特徵在於，所述第一和第二樹脂床包 括弱鹼離子交換樹脂或者弱鹼性的離子交換樹脂a
33. 根據權利要求23所述的方法，其特徵在於，所述第一和第二樹脂呈珠形。
34. 根據權利要求33所述的方法，其特徵在於，在使用之前壓碎所述樹脂珠。
35. 根據權利要求23所述的方法，其特徵在於，所述微量氣體是C02。
36. 根據權利要求23所述的方法，其特徵在於，所述第二樹脂床包括一用 於所選微量氣體的吸附劑。
37. 根據權利要求36所述的方法，其特徵在於，所述吸附劑被以電化學方 法再生。
全文摘要
一種從空氣中除去CO2的方法，該方法包括步驟(a)將空氣與第一離子交換樹脂接觸，從而從空氣中吸收CO2；(b)將一CO2吸附劑與第一離子交換樹脂接觸，以把CO2傳送到該吸附劑中；將步驟(b)的吸附劑與一弱鹼陰離子交換樹脂接觸，從而從該吸附劑中吸收CO2；及通過加熱步驟(c)的離子交換樹脂因而從該樹脂中逐出CO2，從該離子交換樹脂中分離出CO2。或者，在加熱之前可以用水來洗滌該離子交換樹脂。
文檔編號B01D53/62GK101588856SQ200780042511
公開日2009年11月25日 申請日期2007年11月15日 優先權日2006年11月15日
發明者克勞斯·S·拉克納, 平 劉 申請人:環球研究技術有限公司