氙氣和其他高價值化合物的回收的製作方法
2023-05-24 21:25:21
專利名稱：氙氣和其他高價值化合物的回收的製作方法
氙氣和其他高價值化合物的回收相關申請的交叉引用本申請要求2010年6月25日提交的第61/358,843號美國臨時專利申請的參照35USC119的優先權。領域本發明涉及從含有化合物的工藝流(process stream)、材料或環境吸附回收化合物。相關技術描述在許多工業化生產過程和工業應用中，氣態材料被生產出或以其他方式存在，所述氣態材料如果不回收、再循環、和/或再加工，則其易於損失或降解。這種材料可以是化學反應或處理過程的副產物、利用氣體應用中未完全消耗的氣體、礦產開採操作中的氣態流出物等。這些氣態材料可作為再循環原料或試劑、或作為用於進一步加工或使用的原材料而具有重要價值。這些材料也可能是工藝流程或相關設施周圍環境中的重要汙染源，因此需要捕獲以防止這類汙染的發生。發明概沭本文公開內容涉及從含有化合物的工藝流、材料或環境吸附回收化合物。
本文公開內容一方面涉及一種從含有氙氣的工藝流、材料或環境回收氙氣的方法，所述方法包括將源自這種工藝流、材料或環境的含氙氣體與能有效吸附捕獲含氙氣體的碳吸附劑接觸，去除或降低所述工藝流、材料或環境的含氙氣體中最初與該氙共存的液態物種的濃度，其中碳吸附劑的堆積密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)範圍內，且大多數孔的孔隙率在5至8埃範圍內。本文公開內容另一方面涉及一種氙捕獲裝置，包括:密閉容器(containmentvessel)；該密閉容器中的碳吸附劑，其中該碳吸附劑對氙氣有選擇性，碳吸附劑的堆積密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)範圍內，且大多數孔的孔隙率在5至8埃範圍內。在另一方面，本文公開內容涉及一種氡監測組件，包括:容器:蓋子，其能與所述容器接合以封閉容器內部體積；在所述容器中的碳吸附劑，所述碳吸附劑相對於大氣氣體對氡氣有選擇性；和書面標記，包括所述氡監測組件的使用說明。本文公開內容的另一方面涉及一種在氡易存在或流入的場所檢測氡汙染的方法，包括將如上文所述的氡監測組件以開蓋的狀態放置於所述場所，以使所述碳吸附劑與周圍氣體接觸，以及在預定的一段時間後重新蓋上容器以提供內裝樣品用於氡汙染的分析測試。本文公開內容再一方面涉及一種從含有高價值氣體的工藝流、材料或環境回收高價值氣體的方法，這種方法包括將工藝流、材料或來自環境的樣品與對所述高價值氣體有選擇性的碳吸附劑接觸。這種碳吸附劑的堆積密度可在750至1300kg每立方米(kg/m3)範圍內，且大多數孔的孔隙率在5至8埃範圍內。另一方面，本文公開內容涉及一種從含有高價值氣體的工藝流、材料或環境回收高價值氣體的系統，這種系統包括碳吸附劑，所述碳吸附劑設置用於接觸所述工藝流、材料或來自環境的樣品從而吸附捕獲所述高價值氣體。所述碳吸附劑的堆積密度可在750至1300kg每立方米(kg/m3)範圍內，且大多數孔的孔隙率在5至8埃範圍內。另一方面，本文公開內容涉及一種碳吸附劑，其堆積密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)範圍內，且大多數孔的孔隙率在5至8埃範圍內。本文公開內容的其他方面、特徵和實施方案將由以下說明和所附權利要求而更充分地顯而易見。附圖簡要說明
圖1是二氟化氙清潔系統的示意圖，其中處理來自清潔操作的含氙流出物用於從二氟化氙中分離氙，並捕獲氙副產物。圖2是氙/氮分離系統的示意圖，其中處理這種氣體混合物以回收氙成分。圖3是吸附劑容器的串聯陣列(array)示意圖，其可用於回收高價值氣體。圖4是吸附劑容器的串聯布置示意圖，其中各吸附劑容器含有多種不同吸附劑介質的吸附劑床。
圖5是吸附劑容器的串聯布置示意圖，其中所述容器含有導流板元件陣列，用於實現所期望的在各容器中待與吸附劑介質接觸的氣流的流體動力處理。圖6是多個吸附劑容器布置示意圖，其中外殼(housing)包含各吸附劑容器且外殼以圓盤傳送帶方式旋轉，從而將入口和出口導管與特定的多個吸附劑容器之一依次耦接。圖7是包含吸附劑床的吸附劑容器示意圖，其中通過分配部件引入原料氣，所述分配部件在其周圍具有多個氣流孔。圖8是包含噴淋頭設備的吸附劑容器的截面的垂直正視示意圖，流入氣體通過該噴淋頭設備引入用於與容器中的吸附劑床接觸。圖9是包含歧管設備的吸附劑容器的截面的垂直正視示意圖，流入氣體通過該歧管設備引入用於與容器中的吸附劑床接觸。圖10是用於氡氣檢測和監測的吸附劑罐的透視正視圖。圖11是流體捕獲容器的垂直正視圖，該流體捕獲容器可用於從存在高價值氣體的過程或環境中回收高價值氣體。圖12是圖11的流體捕獲容器的截面的垂直正視圖，示出其內部元件。圖13是圖11和圖12的流體捕獲容器的透視圖。圖14是圖11的流體捕獲容器上部的截面正視圖。圖15是圖11-14的流體捕獲容器的閥頭和浸管組件的透視圖。圖16是圖15的閥頭和浸管組件的分解透視圖。圖17是圖15的閥頭和浸管組件上部的分解透視圖。圖18是圖15的浸管組件下部的分解透視圖。圖19是圖11-14的流體捕獲容器的閥頭的頂部平面圖。
圖20是圖11-14的流體捕獲容器的閥頭的透視圖。圖21是圖11-14的流體捕獲容器的閥頭的正視圖。圖22是圖11-14的流體捕獲容器的閥頭的截面正視圖。圖23是圖11-14的流體捕獲容器的閥頭的底部平面圖。圖24是閥頭的分解視圖，其是與參考圖11-14的流體捕獲容器所示出並描述相類似的類型。圖25是使用圖11-24所示出類型的流體捕獲容器的氙回收設施的透視示意圖。圖26是適用於氙吸附的碳吸附劑的氮和氙吸附等溫線曲線圖，如註解基於該等溫線計算的分離因子為7.67。
具體實施例方式本文公開內容是基於如下發現:使用堆積密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)範圍內，且大多數孔的孔隙率在5至8埃範圍內的碳吸附劑，可以實現高價值氣體如氙氣的極其有效的吸附回收。理想地，在273° K溫度和I巴壓力下測量，這種碳吸附劑對氙氣的體積吸附容量至少為125。理想地，這類碳吸附劑的特徵在於對於氙和氮的分離因子a)fe，N，其在2至12範圍內。已經發現具有前述特徵的碳吸附劑能以在使用其的設施(例如半導體製造設施)中佔很小佔地面積(footprint)的非常緊密的吸附劑配置方式有效吸附回收高價值氣體如氣氣。
在特定實施方式中，碳吸附劑的堆積密度可在800至1200kg/m3範圍內，在其他實施方案中，碳吸附劑的堆積密度可在1000至1150kg/m3範圍內。在特定實施方案中，在回收高價值氣體如氙氣中使用的碳吸附劑可具有的氙氣吸附體積容量——在一些實施方案中——在125至150體積/體積(v/v)範圍內，其在273° KU巴壓力下測定。在其他實施方案中，碳吸附劑的氙氣體積容量可以在125至145範圍內，且在其他實施方案中，碳吸附劑的體積容量可以在128至140範圍內，其在上文提到的標準溫度和壓力條件下基於體積測量。這類活性炭吸附劑對於分離和回收含有氮氣作為混合物中主要氣體組分的氣體混合物中的氙氣特別有利，其中氙氣至少呈百萬分之一水平。考慮到本文公開內容的碳吸附劑的特徵是有利地用於從含有高價值氣體如氙氣的氣體混合物中回收所述氣體，可以使用吸附材料的平衡選擇性作為描述吸附劑從氙氣/氮氣混合物中分離氙氣能力的參數。碳吸附劑對於這類氙氣/氮氣混合物的平衡選擇性反映了碳吸附劑分別對這類氣體混合物的氙和氮物種的差別親合性。本文公開內容的碳吸附劑高度吸附氙氣。它們的平衡選擇性可由以下方程表示a Xe，N= (nxe/nN) (pXe/pN)其中a Xe,N是碳吸附劑對氙氣/氮氣混合物的分離因子，η是特定成分的吸附量，且P是氣體混合物中特定成分的分壓。如上文討論的，理想地，本文公開內容的碳吸附劑具有的對氙氣/氮氣混合物的分離因子a)fe，N在2至12範圍內。在一些特定實施方案中，碳吸附劑的分離因子在3至10範圍內。在其他實施方案中，分離因子的值至少為5。在其他實施方案中，分離因子α Xe, N的值為4至8。本文公開內容的碳吸附劑有利地用於從含有高價值化合物的工藝流、材料或環境中吸附回收高價值化合物，例如配置以回收高價值氣體用於再利用、再循環或實現如沒有這種回收將會損失的價值的其他處置中。如此處使用的，關於回收的氣體、化合物和流體的術語「高價值」指的是，與⑴如果不回收這類材料所產生的損失、損耗或降解和/或(ii)不回收這類材料，由於其在環境中的損失、損耗或降解導致的整治、減排或其他必要行動的成本相比，這類材料在其回收時
具有重要價值。雖然下述說明在本文公開內容的各種實施方案中主要針對高價值「可回收」氣體，但應當了解本文公開內容的回收配置和方法可有用地用於並適於流體回收，所述流體通常包含氣體、液體、蒸汽、超臨界流體等。在本文公開內容的方法中用於回收高價值材料的碳吸附劑可用於回收各種感興趣的可回收物，所述可回收物易於在尺寸為5_8` Λ的孔中氣體吸附。在這方面提出的碳吸附劑包括含有大量尺寸為5_8 I的孔的那些，優選地這類材料總孔隙率的大部分，例如>50體積％在該孔徑範圍內。特別有利的這類碳吸附劑總孔隙率的55體積％、60體積％、65體積％、70體積％、75體積％、80體積％、85體積％、90體積％、95體積％以上具有的孔尺寸為
5-8人。這類碳吸附劑可通過聚合原料、如聚偏二氯乙烯聚合材料的熱解形成，其中進行熱解和/或後熱解步驟以產生這類孔隙率。在該方面有用的碳吸附劑可為任何適當的形式，如粉末形式，例如具有均勻粒徑的粉末或由具有一定粒度範圍(例如20至500 μ m範圍內)的顆粒構成的粉末。碳吸附劑可以例如尺寸在0.6至15mm範圍內的珠粒/擠出物，或例如特徵尺寸大於IOOmm單塊物的形式使用。優選的碳吸附劑優選由非石墨化的、或硬質碳構成，所述碳具有非結晶或微晶(無序)形貌。優選地，所述吸附材料是單塊狀形式，例如塊體、磚體、圓盤、圓柱、棒形等形式的熱解活性炭。或者，碳吸附劑有利地以顆粒形式，例如珠粒或粉末的形式提供。本文公開內容的碳吸附劑可通過將碳吸附劑與含有高價值流體成分的流體體積(fluid volume)、流或環境接觸而容易地用於回收所述高價值流體成分。碳吸附劑可以例如單塊狀或顆粒狀吸附物的床的形式在捕獲或回收容器中使用，所述含有高價值成分的流體進入或通過所述捕獲或回收容器。或者，碳吸附劑可以在容器中的吸附劑床中使用，該容器適用於變壓(pressure swing)吸附和/或變溫吸附處理,其中含有高價值流體成分的流體與容器中的吸附劑床接觸，從而吸附捕獲高價值流體成分。隨後，使床層脫附，例如通過洩放壓力和/或清洗氣流和/或加熱床層以脫附釋放經吸附的高價值流體成分。活性炭材料吸附系統記載於以下美國專利，其公開內容在此以引用的形式全部納入本說明書:授予Carruthers的第6，743, 278號美國專利、授予Tom等人的第5，518, 528號美國專利、授予Tom等人的第5，985，008號美國專利、授予Tom的第5，761，910號美國專利、授予Tom的第5，916，245號美國專利、授予Tom等人的第6，764，755號美國專利、授予Brestovansky等人的第6，991，671號美國專利、授予Tom等人的第6，027, 547號美國專利、授予Tischler等人的第6，019，823號美國專利、授予Tom的第5，917，140號美國專利、授予Tom等人的第5，993，766號美國專利、授予Tom等人的第5，704, 965號美國專利、授予Tom等人的第5，707，424號美國專利、和授予Tom等人的第5，704，967號美國專利。
對於特定應用，本文公開內容的碳吸附劑的孔徑分布可在低至數十埃的範圍「調整」，如通過例如改變聚合原料、熱解條件和後熱解加工以得到適用於給定高價值流體回收的碳吸附劑材料。在這方面，吸附劑的表徵可使用孔度計、探針分子孔度計、拉曼光譜、X-射線衍射、掃描電鏡和光學顯微鏡、以及其他本領域技術人員已知的用於表徵吸附劑材料的儀器進行，從而確定用於製備本文公開內容的碳吸附劑的原料、方法條件和得到的特徵。關於可根據本文公開內容用於特定回收應用的活性炭的熱物理性質，下表I給出各種熱物理性質的示例範圍值，其可適用於具有單塊狀形式的用於回收高價值流體物種的活性碳吸附劑，以及本文公開內容示例的熱解、單塊狀活性碳吸附劑的特定熱物理性質。表I
權利要求
1.一種從含氙氣的工藝流、材料或環境中回收氙氣的方法，包括將來自所述工藝流、材料或環境的含氙氣體與能有效吸附捕獲所述氣體的碳吸附劑接觸，以去除或降低所述工藝流、材料或環境的所述含氙氣體中初始與所述氙氣共存的流體物種的濃度，其中該碳吸附劑具有的堆積密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)範圍內，且大多數孔的孔隙率在5至8埃範圍內。
2.權利要求1的方法，其中在所述接觸前處理含氙氣體以移除所述含氙氣體中的一種以上對所述吸附劑有害的組分。
3.權利要求2的方法，其中所述一種以上組分包括二氟化氙和氮氣中的至少一種。
4.權利要求2的方法，其中所述一種以上組分包括氮氣。
5.權利要求4的方法，其中處理含氙氣體以從其中吸附移除氮氣，產生氮氣減少的氣體用於所述接觸。
6.權利要求2的方法，其中所述一種以上組分包括二氟化氙。
7.權利要求6的方法，其中處理含氙氣體以將所述二氟化氙泠凝至固體形式，產生二氟化氙減少的氣體用於所述接觸。
8.權利要求1的方法，其中所述碳吸附劑具有的堆積密度在800至1200kg/m3範圍內。
9.權利要求8的方法，其中所述碳吸附劑為顆粒形式。
10.權利要求9的方法，其中所述碳吸附劑在流體密封容器中，該流體密封容器被設置用於接收所述含氙氣體用於接觸。
11.權利要求8的方法，其中所述碳吸附劑為單塊體形式。
12.權利要求11的方法，其中所述碳吸附劑在流體密封容器中，該流體密封容器被設置用於接收所述含氙氣體用於接觸。
13.權利要求8的方法，其中所述碳吸附劑為聚偏二氯乙烯樹脂的熱解產物。
14.權利要求13的方法，其中在熱解後處理所述碳吸附劑以改變其用於吸附氙氣的孔隙率。
15.權利要求14的方法，其中通過包括水、蒸汽、滲透氣體、高溫和高壓中的至少一種處理方式，處理所述碳吸附劑以改變其用於吸附氙氣的孔隙率。
16.權利要求15的方法，其中所述碳吸附劑為單塊體形式。
17.權利要求1的方法，其中所述含氙氣體由氙氣回收工藝提供，所述氙氣回收工藝將來源氣體混合物中的氙氣由百萬分之一水平濃縮至百分之一水平。
18.權利要求1的方法，其中所述含氙氣體由使用二氟化氙的半導體製造裝置清潔工藝提供。
19.權利要求18的方法，其中所述清潔工藝包括等離子體清潔工藝。
20.權利要求18的方法，其中所述清潔工藝不使用等離子體。
21.權利要求18的方法，其中半導體製造裝置包括離子注入裝置。
22.—種氙氣捕獲裝置，包括: 密閉容器； 該密閉容器中的碳吸附 劑，其中該碳吸附劑對氙氣有選擇性，且其中該碳吸附劑具有的堆積密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)範圍內，且大多數孔的孔隙率在5至8埃範圍內。
23.權利要求22的氙氣捕獲裝置，其中密閉容器適於含氙氣體的流經，使碳吸附劑選擇性吸附含氙氣體中的氙氣,且該容器使所述含氙氣體的非氙氣組分從其中排出。
24.權利要求22的氙氣捕獲裝置，其中密閉容器適於含氙氣體的流入，而不會同時從該密閉容器中排出氣體。
25.權利要求22的氙氣捕獲裝置，其中以與含氙氣體源呈流動接收的關係配置密閉容器。
26.權利要求25的氙氣捕獲裝置，其中所述含氙氣體源包括氙氣濃縮單元，該氙氣濃縮單元將所述含氙氣體的氙氣濃度從百萬分之一水平提高至百分之一水平。
27.權利要求25的氙氣捕獲裝置，其中所述含氙氣體源包括離子注入裝置，該離子注入裝置配置用於從二氟化氙源接收二氟化氙清潔氣體。
28.權利要求25的氙氣捕獲裝置，其中所述二氟化氙源包括在支撐基底上含有二氟化氙的來源容器。
29.氡氣監測組件，包括: 容器: 蓋子，其能與所述容器接合以封閉容器內部體積； 在所述容器中的碳吸附劑，所述碳吸附劑相對於大氣氣體對氡氣有選擇性；以及 書面標記，包括所述氡氣監測組件的使用說明。
30.權利要求29的氡氣監測組件，其中所述書面標記指明所述監測的暫時性暴露。
31.一種在氡氣易於存在或流入的場所檢測氡氣汙染的方法，包括將權利要求29的氡氣監測組件以開蓋的狀態放置於所述場所，使所述碳吸附劑能夠與周圍氣體接觸，以及在預定的時間後重新蓋上容器，從而提供內裝樣品用於氡氣汙染的分析試驗。
32.—種從含高價值氣體的工藝流、材料或環境回收高價值氣體的方法，所述方法包括將所述工藝流、材料或來自所述環境的樣品與對所述高價值氣體有選擇性的碳吸附劑接觸。
33.權利要求32的方法，其中碳吸附劑具有的堆積密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)範圍內，且大多數孔的孔隙率在5至8埃範圍內。
34.權利要求33的方法，其中所述碳吸附劑為顆粒狀或單塊體形式。
35.權利要求34的方法，其中所述碳吸附劑為聚偏二氯乙烯樹脂的熱解產物。
36.權利要求35的方法，其中在熱解後處理所述熱解產物以改變其用於吸附高價值氣體的孔隙率。
37.權利要求36的方法，其中通過包括水、蒸汽、滲透氣體、高溫和高壓中的至少一種處理方式，處理所述熱解產物以改變其用於吸附高價值氣體的孔隙率。
38.權利要求37的方法，其中所述碳吸附劑為單塊體形式。
39.權利要求32的方法，其中所述吸附劑包括在多個吸附劑容器中的吸附劑，工藝流、材料或來自所述環境的樣品流過所述吸附劑容器用於所述接觸。
40.權利要求39的方法，其中所述多個吸附劑容器中的至少一些容器具有不同尺寸。
41.權利要求39的方法，其中所述多個吸附劑容器含有不同吸附劑。
42.權利要求39的方法，其中所述多個吸附劑容器中的至少一個容器其中含有多種吸附劑。
43.權利要求39的方法，其中所述容器含有擋板、平板或其它導流元件。
44.權利要求39的方法，其中所述容器配置為單元陣列用於旋轉，以每次通過所述多個容器中所選定的一個容器供給氣體。
45.權利要求32的方法，其中所述工藝流、材料或來自所述環境的樣品通過噴淋頭設備或配有噴嘴的歧管流至吸附劑用於所述接觸。
46.一種用於從含高價值氣體的工藝流、材料或環境回收高價值氣體的系統，所述系統包括碳吸附劑，該碳吸附劑設置用於接觸所述工藝流、材料或來自所述環境的樣品以吸附捕獲所述高價值氣體，其中碳吸附劑具有的堆積密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)範圍內，且大多數孔的孔隙率在5至8埃範圍內。
47.權利要求46的系統，其中碳吸附劑具有的堆積密度在800至1200kg/m3範圍內。
48.權利要求47的系統，其中所述碳吸附劑為顆粒狀或單塊體形式。
49.權利要求48的系統，其中所述碳吸附劑為聚偏二氯乙烯樹脂的熱解產物。
50.權利要求49的系統，其中在熱解後處理所述熱解產物以改變其用於吸附高價值氣體的孔隙率。
51.權利要求49的系統，其中通過包括水、蒸汽、滲透氣體、高溫和高壓中的至少一種處理方式，處理所述熱解產物以改變其用於吸附高價值氣體的孔隙率。
52.權利要求51的系統，其中所述碳吸附劑為單塊體形式。
53.權利要求46的系統，其中所述吸附劑包括在多個吸附劑容器中的吸附劑，工藝流、材料或來自所述環境的樣品流過所述吸附劑容器用於所述接觸。
54.權利要求53的系統，其中所述多個吸附劑容器中的至少一些容器具有不同尺寸。
55.權利要求53的系統，其中所述多個吸附劑容器含有不同吸附劑。
56.權利要求53的系統，其中所述多個吸附劑容器中的至少一個容器其中含有多種吸附劑。
57.權利要求53的系統，其中所述容器含有擋板、平板或其它導流元件。
58.權利要求53的系統，其中所述容器配置為單元陣列用於旋轉，以每次通過所述多個容器中所選定的一個容器供給氣體。
59.權利要求46的系統，其中所述工藝流、材料或來自所述環境的樣品通過噴淋頭設備或配有噴嘴的歧管流至吸附劑用於所述接觸。
60.一種碳吸附劑，其具有的堆積密度在750至1300kg每立方米(kg/m3)範圍內，且大多數孔的孔隙率在5至8埃範圍內。
61.權利要求60的碳吸附劑，其為經熱解的單塊體形式。
62.權利要求60的碳吸附劑，其對氙氣的體積吸附容量在273°K溫度和I巴壓力下測定為至少125體積氙氣/體積碳吸附劑。
63.權利要求60的碳吸附劑，其特徵在於對氙氣和氮氣的分離因子^0在2至12範圍內。
64.權利要求60的碳吸附劑，其具有的堆積密度在800至1200kg/m3範圍內。
65.權利要求60的碳吸附劑，其對氙氣的體積吸附容量在273°K溫度和I巴壓力下測定為125至150體積氙氣/體積碳吸附劑。
66.權利要求60的碳吸附劑，其特徵在於對氙氣和氮氣的分離因子aXe,N為至少5。
全文摘要
用於從含高價值氣體、例如氙氣的工藝流、材料或環境對其進行回收的系統和方法，通過將來自工藝流、材料或環境的氣體與能有效吸附捕獲高價值氣體的碳吸附劑接觸，以去除或降低所述工藝流、材料或環境的含高價值氣體的氣體中與高價值氣體共存的流體物種的濃度。本文公開內容的其他方面包括氡氣檢測方法和產品。
文檔編號B01D53/02GK103079997SQ201180040844
公開日2013年5月1日 申請日期2011年6月22日 優先權日2010年6月25日
發明者T·H·鮑姆, J·D·卡拉瑟斯, R·弗裡克, J·B·斯威尼, J·V·麥克馬納斯, E·A·斯特姆 申請人:先進技術材料股份有限公司