用于從室內(nèi)空氣降低二氧化碳的吸著劑的制作方法
【專利摘要】用于從來自封閉空間的室內(nèi)空氣降低CO2的吸著劑。在一些實施方案中，吸著劑包含固體載體和被所述載體擔(dān)載的胺基化合物。吸著劑捕集至少一部分在室內(nèi)空氣中的CO2。通過使室外空氣流動通過吸著劑以釋放至少一部分被捕集的CO2，可使吸著劑再生。使吸著劑結(jié)構(gòu)化，以允許室內(nèi)空氣在其中流動，具有相對低的流阻和相對快速的反應(yīng)動力學(xué)。再生可在相對低的室外空氣溫度下進(jìn)行，從而使得再生吸著劑所需的熱能最小化。
【專利說明】用于從室內(nèi)空氣降低二氧化碳的吸著劑
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2011年5月17日提交的并且題為“Method and System forImproved-Efficiency Air-Conditioning (用于高效空氣調(diào)節(jié)的方法和系統(tǒng))”的PCT專利申請?zhí)朠CT/US2011/036801和2011年8月23日提交的并且題為"Removal of CarbonDioxide from Indoor Air Using Amine-1mpregnated Solid Adsorbents (使用胺浸潰的固體吸附劑從室內(nèi)空氣除去二氧化碳)〃的美國臨時專利申請?zhí)?1/575，577的優(yōu)先權(quán)。以上申請的公開內(nèi)容通過引用以其全文結(jié)合到本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本申請總體上涉及用于從空氣減少物質(zhì)的吸著劑，具體地，本申請涉及用于從室內(nèi)空氣降低二氧化碳的吸著劑。
[0003]背景
胺為有機(jī)化合物，而且是含有具有兩個或更少氫原子的堿性氮原子的官能團(tuán)。伯胺具有兩個連接的氫原子，仲胺具有一個氫原子。胺為氨的衍生物，其中一個或多個氫原子被取代基(例如烷基或芳基)置換。
[0004]胺氣體處理為本領(lǐng)域眾所周知的過程，使用各種形式的胺，以從存在于精煉廠、石化廠和天然氣加工工廠的氣體除去二氧化碳(CO2)。
[0005]從受控的密封環(huán)境(潛水艇、宇宙飛船或航天服等)除去CO2也是本領(lǐng)域已知的。
[0006]概述
因此，根據(jù)本公開的一個實施方案，提供了一種用于從室內(nèi)空氣降低CO2的吸著劑。所述吸著劑包含固體載體和附著于所述載體的胺基化合物。吸著劑捕集至少一部分在室內(nèi)空氣中的co2。通過使室外空氣流動通過吸著劑以釋放至少一部分被捕集的CO2，可使吸著劑再生。使吸著劑結(jié)構(gòu)化，以允許室內(nèi)空氣在其中流動，具有相對低的流阻和相對快速的反應(yīng)動力學(xué)?？稍谙鄬Φ偷臏囟认逻M(jìn)行再生，從而使得再生吸著劑所需的熱能最小化。
[0007]根據(jù)本公開的一些實施方案,提供了一種用于從封閉空間的室內(nèi)空氣降低CO2的吸著劑。所述吸著劑包括固體載體和被所述載體擔(dān)載的胺基化合物。提供胺基化合物，以捕集至少一部分在室內(nèi)空氣中的CO2，并且通過使室外空氣流動通過吸著劑，釋放至少一部分被捕集的co2。載體可包括多孔固體材料或細(xì)顆粒固體材料。載體可包括粘土。載體可包括多個顆粒，并且在一些實施方案中，多個顆粒的平均直徑尺寸可在0.1-10毫米、0.2-3毫米或0.3-1毫米范圍。在一些實施方案中，胺基化合物包括至少50%或25%仲胺。
[0008]根據(jù)一些實施方案，載體開始時為細(xì)顆粒形式，并且與胺基化合物混合，隨后形成為多個顆粒。在一些實施方案中，載體包括顆粒、細(xì)顆?；蚧诜勰┑墓腆w，其中所述細(xì)顆粒附聚成為較大的顆粒，以促進(jìn)空氣流動通過吸著劑。
[0009]根據(jù)本公開的一些實施方案，提供了一種用于從封閉環(huán)境降低CO2的方法。所述方法包括提供吸著劑和用于所述吸著劑的載體，吸著劑包括基于胺或類似胺的化合物；使含有CO2的第一氣體從封閉環(huán)境內(nèi)部流動通過吸著劑，使得吸著劑捕集第一氣體的至少一些CO2;和使含有比第一氣體更少CO2的第二氣體從環(huán)境的外部流動通過吸著劑，使得吸著劑向第二氣體釋放至少一些被捕集的C02。封閉環(huán)境可為私人空間、公共空間、住宅空間或商業(yè)空間。第一氣體可為室內(nèi)空氣和/或第二氣體可為室外空氣。所述方法還可包括提供與加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)(HVAC)系統(tǒng)連通的吸著劑和載體。在一些實施方案中，所述HVAC系統(tǒng)設(shè)置用于使第二氣體流動通過吸著劑。
[0010]根據(jù)一些實施方案，提供了一種用于從封閉環(huán)境降低包含在空氣中的CO2的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括HVAC系統(tǒng)和與所述HVAC系統(tǒng)連通的吸著劑。吸著劑包括固體載體和被所述載體擔(dān)載的胺基化合物。所述HVAC系統(tǒng)設(shè)置用于使室內(nèi)空氣在吸著劑上流動和/或通過吸著劑流動，并且所述胺基化合物設(shè)置用于捕集至少一些在室內(nèi)空氣中的CO2。此外，所述HVAC系統(tǒng)設(shè)置用于使室外空氣在吸著劑上流動和/或通過吸著劑流動，使得從中釋放至少一部分被吸著劑捕集的CO2。
[0011]在附圖和以下說明中闡述本文描述的主題的一個或多個變體的細(xì)節(jié)。由說明和附圖以及由權(quán)利要求，本文描述的主題的其它特征和優(yōu)點將顯而易見。
[0012]附圖簡述
參考附圖和以下說明可以更好地理解根據(jù)本公開的實施方案的系統(tǒng)、設(shè)備和方法的原理和操作。給出這些附圖僅用于說明目的，并且不旨在限制。
[0013]圖1為根據(jù)本公開的一些實施方案的吸著劑結(jié)構(gòu)的示意性說明；
圖2為顯示根據(jù)本公開的一些實施方案在吸附CO2期間吸著劑結(jié)構(gòu)的操作的曲線圖；圖3為顯示根據(jù)本公開的一些實施方案在吸著劑結(jié)構(gòu)再生期間吸著劑結(jié)構(gòu)的操作的曲線圖；
圖4為顯示根據(jù)本公開的一些實施方案在吸附CO2期間吸著劑結(jié)構(gòu)的操作的曲線圖；圖5為顯示根據(jù)本公開的一些實施方案在吸著劑結(jié)構(gòu)再生期間吸著劑結(jié)構(gòu)的操作的曲線圖；和
圖6為顯示根據(jù)本公開的一些實施方案在吸附CO2期間吸著劑結(jié)構(gòu)的操作的曲線圖。
[0014]詳述
圖1為根據(jù)本公開的一些實施方案的吸著劑結(jié)構(gòu)的示意性說明。如圖1所見，吸著劑結(jié)構(gòu)100 (例如，其還可稱為過濾器或洗滌器)可與來自封閉環(huán)境102的室內(nèi)空氣流體連通。
[0015]封閉環(huán)境102可例如為辦公建筑、商業(yè)建筑、銀行、住宅建筑、房子、學(xué)校、工廠、醫(yī)院、商店、購物中心、室內(nèi)娛樂場所、貯存設(shè)備、實驗室、機(jī)動車、航空器、船、公共汽車、劇院、部分和/或完全封閉的體育場、教育設(shè)施、圖書館和/或其它部分和/或完全封閉的結(jié)構(gòu)和/或有時可能被設(shè)備、材料、活的居住者(例如、人、動物、合成生物體等)占據(jù)的設(shè)施和/或它們的任何組合。
[0016]在建筑和結(jié)構(gòu)內(nèi)部和周圍的室內(nèi)空氣受到多種物質(zhì)的影響，包含污染物。在這些污染物中，通常具有最高濃度的是co2。存在其它污染物，例如一氧化碳、氮氧化物和硫氧化物，它們可能以相對較低的濃度出現(xiàn)。另一類這樣的污染物為有機(jī)蒸氣物類組，寬泛地稱為揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)。這些蒸氣的來源尤其包括人類居住者本身(從呼吸和排汗到衣服和化妝品)以及建筑材料、設(shè)備、食品和消費(fèi)品、清潔材料、辦公耗材或散發(fā)VOC的任何其它材料。另外的污染物可為微生物，尤其包括細(xì)菌、病毒和真菌和空氣攜帶的顆粒。[0017]在人類占據(jù)的封閉環(huán)境102中，在室內(nèi)空氣中CO2的濃度通常在百萬分之400-5000份(ppm)的范圍。此外，在室內(nèi)空氣中CO2的濃度可在400-2000 ppm范圍。此夕卜，在室內(nèi)空氣中CO2的濃度可在500-1500 ppm范圍。此外，在室內(nèi)空氣中CO2的濃度可在800-1200 ppm 范圍。
[0018]在封閉環(huán)境102的外部，室外空氣中CO2的濃度通常在300-500 ppm范圍。在燃燒或活的生物體附近可以看到較高的水平。大氣CO2水平持續(xù)升高受到關(guān)注，如此看來在將來大氣水平可能更高。
[0019]在一些實施方案中，室外空氣中CO2的濃度可比室內(nèi)空氣低，差距在100-2000 ppm范圍。此外，室外空氣中CO2的濃度可比室內(nèi)空氣低，差距為1200 ppm或更少。此外，室外空氣中CO2的濃度可比室內(nèi)空氣低，差距為800 ppm或更少。此外，室外空氣中CO2的濃度可比室內(nèi)空氣低，差距為400 ppm或更少。
[0020]提供吸著劑結(jié)構(gòu)100，以通過從室內(nèi)空氣114洗滌物質(zhì)來降低其中存在的物質(zhì)的濃度。吸著劑結(jié)構(gòu)100可包含吸著劑120，其由至少兩個功能組的材料組成:惰性載體和活性化合物。載體材料通常提供吸著劑的機(jī)械和物理結(jié)構(gòu)，而活性化合物吸引和捕集C02。
[0021]在捕集物質(zhì)后，通過迫使從中釋放至少一部分物質(zhì)(例如CO2)，吸著劑結(jié)構(gòu)100可再生。再生為吸著劑性能的非常重要的方面，而且通常是需要最多能量的步驟，如以下描述。
[0022]可通過加熱、清洗、壓力變化、電能和/或它們的任何組合的組合來進(jìn)行再生。此夕卜，通過加熱和使用空氣或其它清洗氣體清洗的組合可實現(xiàn)釋放物質(zhì)?？蓪⑨尫诺奈镔|(zhì)除去以進(jìn)入大氣，或者收集、處置、封存和/或它們的任何組合。
[0023]根據(jù)一些實施方案，通過使清洗氣體124流動通過吸著劑結(jié)構(gòu)100用于從中釋放至少一部分物質(zhì)(例如CO2),可進(jìn)行再生。這些進(jìn)入的清洗氣體理想地具有非常低的CO2濃度。雖然室外空氣含有一定量的CO2，但是由于室外空氣的可利用性和成本效率，使用室外空氣作為清洗氣體124用于使吸著劑結(jié)構(gòu)100再生可能是有利的。根據(jù)一些實施方案，室外空氣的CO2濃度可能比室內(nèi)空氣的CO2濃度低任何量，以允許室外空氣清洗、從而再生吸著劑120。
[0024]清洗氣體124可在合適的溫度下引入到吸著劑結(jié)構(gòu)100中用于有效再生，例如在約20-200°C范圍。根據(jù)一些實施方案，清洗氣體124的溫度相對低，例如低于100°C，或在約30-80°C范圍，或者低至約30-60°C范圍。因此，如果室外空氣用作清洗氣體，其可能需要相對最小的加熱，或者根據(jù)一些實施方案，可沒有任何事先加熱而引入到吸著劑結(jié)構(gòu)100中。
[0025]清洗氣體124可包含空氣、室外空氣、室內(nèi)空氣、N2、它們的組合或任何其它合適的氣體。在一個優(yōu)選的實施方案中，室外空氣用作清洗氣體。
[0026]吸著劑120的載體組分可由任何合適的材料形成。在一個非限制性實例中，載體可由通常在化學(xué)上惰性的材料形成。此外，載體可由吸附劑材料形成，例如凝膠、分子篩、含納米管的材料、多孔材料、基于纖維的材料、海綿狀材料、電和/或電磁帶電的襯里或物體、多孔有機(jī)聚合物、任何其它化學(xué)、生物學(xué)引誘劑和/或它們的任何組合。吸附劑材料可例如包含離子交換樹脂、聚合的吸收劑樹脂、丙烯酸酯聚合物、聚苯乙烯二乙烯基苯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯、苯乙烯二乙烯基苯(SDB)、飛灰、碳、活性碳、碳納米管或氧化鋁納米顆粒。另外的多孔材料可例如包含沸石、合成沸石、多孔氧化鋁、多孔礦物質(zhì)、二氧化硅、多孔二氧化硅、二氧化硅納米顆粒、熱解法二氧化硅、活性炭和金屬有機(jī)骨架。另外的多孔材料可為粘土，例如包括頁硅酸鋁，例如膨潤土、蒙脫土、球粘土、漂白土、高嶺土、綠坡縷石、鋰蒙脫石、坡縷石、皂石和海泡石。
[0027]在一些實施方案中，載體可包含若干不同的吸附劑材料的組合。
[0028]這些材料中的一些可得自多個商業(yè)來源,例如得自諸如BASF SE, Ludwigshafen,德國；Clariant SE, Frankfurt am Main Switzerland,歐洲；The Cabot Corporation ofBoston, Massachusetts,美國和 Evonik Industries of Essen,德國。
[0029]載體可按任何合適的結(jié)構(gòu)形成，例如固體擔(dān)載基材或形成有相對大的總表面積的固體載體。固體載體可包含不是液體的任何合適的材料。例如，固體載體可例如由多個要素形成，例如固體顆粒130或片。總表面積通?？啥x為形成固體載體的每一個要素的表面積的總和。
[0030]在圖1中顯示示例性顆粒130。顆粒130可采用任何合適的形狀或方法構(gòu)造，例如粉末、纖維、微粒、珠粒、丸粒、擠出物或它們的組合。纖維可為任何合適的纖維，例如諸如碳纖維、二氧化硅纖維或聚合物纖維。纖維可編織或纏結(jié)，以形成織物或紙狀材料。
[0031]纖維、微粒、珠粒、丸粒和擠出物可由上文描述的任何合適的材料形成。載體可由多個薄片形成。這些片可包含基于天然或合成纖維的材料、紙、天然織物或合成織物。這些片可形成為任何合適的尺寸，例如具有約I微米-2厘米的厚度。此外，例如，該范圍可為約2-80毫米。在一些實施方案中，吸著劑120可包含大表面積(例如多個顆粒130的總表面積)，例如每克10-1000平方米。
[0032]顆粒130可形成具有一定尺寸，以確保顆粒130不太細(xì)從而形成過度致密的層，所述過度致密的層可妨礙室內(nèi)空氣114流動通過吸著劑結(jié)構(gòu)100。此外，顆粒130可形成具有一定尺寸，以確保多個顆粒130的總表面積足夠大，以允許室內(nèi)空氣114與顆粒130具有最大接觸，用于對物質(zhì)(例如CO2)的最大吸附。
[0033]在一個非限制性實例中，顆粒130的平均直徑可在約0.1-10毫米范圍。不是所有顆粒都可能在形狀和尺寸上相同，因此典型或平均顆粒包含這些顆粒的聚集體的平均值。在另一個非限制性實例中，顆粒130的平均直徑可在約0.2- 3毫米范圍。在又一個非限制性實例中，顆粒130的直徑可在約0.3-1毫米范圍。顆粒130的直徑可按近似直徑測量，其中所述顆粒為微?；蛑榱?，或者可按橫截面直徑測量，其中所述顆粒為纖維、擠出物或丸粒。
[0034]吸著劑120可采用任何合適的方式布置。例如，吸著劑120可放置在以任何合適的結(jié)構(gòu)形成的包封物140內(nèi)。顆粒130或薄片或任何其它吸著劑120可相對致密地填充在包封物140內(nèi)，其密度允許室內(nèi)空氣114與顆粒130具有最大接觸，用于由此的最大相互作用而不過度致密，過度致密可妨礙室內(nèi)空氣114流動通過吸著劑結(jié)構(gòu)100。
[0035]示例性包封物140和空氣處理模塊公開于 申請人:的美國公布號20110198055，其通過引用以其全文結(jié)合到本文中。
[0036]吸著劑120中的活性化合物可為基于胺或類似胺的化合物。胺化合物適用于吸附存在于室內(nèi)空氣114中的C02。胺基化合物可包含任何合適的胺，例如伯胺或仲胺或它們的組合。此外，胺基化合物的范圍可以從相對簡單的單一分子(例如乙醇胺)到大分子氨基聚合物(例如聚乙烯亞胺)。胺基化合物可例如包含單乙醇胺(MEA)、乙醇胺、甲基胺、支化聚乙烯亞胺(PEI)、線性聚乙烯亞胺(PEI)、二乙醇胺(DEA)、二甲基胺、二乙基胺、二異丙醇胺(DIPA)、四亞乙基五胺(TEPA)、甲基二乙醇胺(MDEA)、甲基乙醇胺和多種聚胺(例如聚乙烯亞胺)的任一種，或它們的組合。
[0037]胺基化合物可為液體或固體或任何其它合適的相。
[0038]本領(lǐng)域已知胺選擇性捕集相對大量的C02。如上文描述，吸著劑結(jié)構(gòu)100用于減少在離開封閉環(huán)境102的室內(nèi)空氣中的物質(zhì)(例如CO2)。室內(nèi)空氣通常包含相對低濃度(在400-2000 ppm范圍)的C02。因此，使用胺基化合物高度有效降低室內(nèi)空氣中的CO2濃度。此外，室內(nèi)空氣由其它氣體化合物組成，主要為約75-82%或79-82%氮氣；和15-21%或18-21%氧氣。還可存在水，取決于室內(nèi)空氣的濕度水平。例如，在室內(nèi)空氣中可存在0%-5%水。因此，有利的是使用胺基化合物，其允許選擇性捕集CO2和可能的其它物質(zhì)，同時避免吸著劑結(jié)構(gòu)100被水或其它室內(nèi)空氣氣體化合物飽和。參考圖2、4和6來描述通過由固體載體擔(dān)載的胺基化合物的CO2吸附的實例。
[0039]根據(jù)一些實施方案，胺基化合物可包含相對大部分的仲胺。在一些實施方案中，像二乙醇胺，胺為100%仲胺。在其它實施方案中，像某些聚胺，25%-75%的胺為仲胺。此外，胺基化合物可包含至少50%仲胺。此外，胺基化合物包含至少25%仲胺。
[0040]包含NH2成分的伯胺與CO2產(chǎn)生強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)。包含單一氫的仲胺(即，NH)與CO2產(chǎn)生較弱的化學(xué)反應(yīng)，但是仍有效和選擇性捕集co2。因此，比起從伯胺釋放CO2所需的能量(例如熱能)，仲胺需要較少的能量用于從中釋放被捕集的co2。更容易釋放仲胺允許令人滿意地從室內(nèi)空氣捕集CO2，同時還允許吸著劑120相對快速和低能量的再生。因此，使用室外空氣，通過相對低的溫度可進(jìn)行吸著劑120的再生。使用最小的加入熱量再生吸著劑的能力對于處理室內(nèi)空氣是高度有利的。
[0041]如上文描述，吸著劑120可由顆粒130、薄片或提供用于與物質(zhì)接觸的相對大的總表面積的任何結(jié)構(gòu)所形成。該含胺的固體吸著劑允許室內(nèi)空氣114與胺基化合物具有最大接觸，用于從室內(nèi)空氣最大地除去CO2。對于通常具有低濃度CO2的室內(nèi)空氣，這是有利的，如上文所述。此外，使用具有相對大的總表面積的含胺載體允許在相對緊湊的小尺寸包封物140內(nèi)布置吸著劑結(jié)構(gòu)100。
[0042]此外，吸著劑120可由顆粒130、薄片或具有相對低的流阻、對于流動通過吸著劑120的氣體可滲透的任何結(jié)構(gòu)所形成。顆粒130和薄片允許室內(nèi)空氣在顆粒130或片之間容易流動。如上文描述，吸著劑120可由多孔材料形成，從而也允許室內(nèi)空氣流動通過顆粒130或片，從而增強(qiáng)吸著劑120的透氣性。
[0043]此外，具有相對大的總表面積和相對高的流體滲透性的結(jié)構(gòu)化吸著劑120提供相對快速的反應(yīng)動力學(xué)，因此，相對大量的CO2被含胺載體快速捕集。反應(yīng)動力學(xué)或化學(xué)動力學(xué)可定義為化學(xué)過程的速率，例如CO2被吸著劑120捕集的速率。
[0044]低流阻和快速反應(yīng)動力學(xué)對于從具有相對低的CO2濃度的室內(nèi)捕集CO2是有利的。
[0045]吸著劑120的低流阻和相對大的總表面積還允許清洗空氣124容易從吸著劑120釋放CO2，如上文說明的。因此，清洗空氣124可在相對短的時間內(nèi)用最小的加入熱量使吸著劑再生，此外，清洗空氣124可包含室外空氣。
[0046]具有大的總表面的化學(xué)惰性載體的實例可包含粘土、二氧化硅、金屬氧化物如氧化鋁，或它們的組合。例如，經(jīng)過酸處理的膨潤土粘土與二乙醇胺(DEA)的羥基良好地化學(xué)結(jié)合，以形成穩(wěn)定的吸著劑；本領(lǐng)域已知聚乙烯亞胺(PEI)附著于二氧化硅表面，從而，這些載體和胺可用作吸著劑，用于從室內(nèi)空氣選擇性和有效去除CO2。
[0047]攜帶液體胺的大表面積固體的實例由Siriwardane描述(美國專利號6，908，497)，其中膨潤土粘土被胺浸潰，致使被胺浸潰的粘土用作CO2的選擇性吸附劑。
[0048]含胺的吸著劑可采用本領(lǐng)域已知的任何合適的方法合成。在一個非限制性實例中，固體載體可例如采用任何合適的方式被胺基化合物浸潰，例如通過諸如噴淋、滴落或在胺基化合物的溶液內(nèi)浸沒。浸潰可補(bǔ)充或備選地經(jīng)機(jī)械促進(jìn)，帶有催化劑或帶有外部能源，例如熱量。
[0049]根據(jù)一些實施方案，固體載體可在開始時包含顆粒，隨后其被胺基化合物浸潰，如上文描述并且如在實施例1中舉例說明的。
[0050]根據(jù)其它實施方案，固體載體可在開始時包含細(xì)顆粒，例如粉末。細(xì)顆粒可與胺基化合物混合，例如通過在含胺的液體或溶液中浸沒細(xì)顆粒，以形成含胺的粉末，例如，如在實施例2中描述的。
[0051]根據(jù)其它實施方案，通過標(biāo)準(zhǔn)程序使含胺的粉末附聚以形成載體，例如成粒用于形成微?；蛑榱＃约傲；驍D出用于形成丸粒或擠出物，例如，如在實施例3中描述的。
[0052]如果在合成載體和胺的過程中使用溶劑，所得到的吸著劑可能需要采用任何合適的方式干燥。
[0053]胺基化合物可為液體、固體或者在開始時可為溶解于溶劑中的固體。例如，溶解的胺基化合物可包含二乙醇胺(DEA)，其可溶解于任何合適的溶劑，例如二氯甲烷(DCM)。此夕卜，例如，溶解的胺基化合物可包含聚乙烯亞胺(PEI)，其可溶解于任何合適的溶劑，例如水、乙醇、甲醇、乙二醇(EGW)或丙二醇(PGW)。
[0054]用于形成含胺載體的條件和參數(shù)可根據(jù)所選的載體和所選的胺基化合物的性質(zhì)而變化。
[0055]吸著劑結(jié)構(gòu)100可放置在封閉環(huán)境102內(nèi)。或者，吸著劑結(jié)構(gòu)100可放置在封閉環(huán)境102和室內(nèi)空氣114的外部和/或可采用任何合適的方式向其中引入外部空氣124。
[0056]本文描述的實施例旨在舉例說明實施所公開的實施方案的各方面中的一些并且不旨在以任何方式限制本公開。
[0057]以下實施例1、2和3描述用于合成含胺載體的方法。認(rèn)識到含胺載體可采用任何合適的方法組成。
[0058]實施例1
膨潤土粉末可在開始時通過任何標(biāo)準(zhǔn)成粒方法形成為顆粒(例如微粒或珠粒)或者可通過任何標(biāo)準(zhǔn)?；驍D出方法形成為丸?；驍D出物。
[0059]在一個實施方案中，膨潤土粉末可形成為高孔隙率，8-32目經(jīng)酸處理的膨潤土丸粒，其中孔隙率為20-500 [m2/g] ο
[0060]可通過用泵使液體胺基化合物(例如二乙醇胺(DEA))經(jīng)噴嘴干噴霧微?；蛲枇?。DEA可被任何合適的溶劑溶解，例如被二氯甲烷(DCM)溶解。此外,可使用溶解的DEA和任何其它胺或化合物的混合物。例如可使用DEA = TEPA比率為90:10的DEA和四亞乙基五胺(TEPA)的混合物。在另一個實例中，可使用70:30的DEA = TEPA比率。
[0061]或者，顆粒可浸沒在液體胺基溶液中，隨后干燥。形成胺浸潰的膨潤土混合物。[0062]胺與粘土的比率可變化，但是該比率通常在30-50 g胺:100 g粘土的范圍。
[0063]可加入孔隙率劑(例如纖維素)用于提高顆粒的孔隙率。另一種加入的孔隙率劑可為市售可得自 W.A.Hammond Drierite C0., Ltd.的 DRIERITE?。
[0064]使用顆粒以形成含胺載體。
[0065]實施例2
可通過在開始時將其在300-350°C溫度隨后在500-550°C溫度下烘烤來干燥粉末，例如孔隙率為20-500 [m2/g]的膨潤土粉末。干燥粉末可放置在轉(zhuǎn)鼓混合機(jī)中。液體胺基化合物(例如溶解的二乙醇胺(DEA))可使用泵通過噴嘴噴霧，同時繼續(xù)混合膨潤土和胺基化合物混合物。或者，液體胺基化合物可緩慢滴落在粉末上。
[0066]DEA可被任何合適的溶劑溶解，例如被二氯甲烷(DCM)溶解。此外,可使用溶解的DEA和任何其它胺或化合物的混合物。例如，可使用DEA = TEPA比率為90:10的DEA和四亞乙基五胺(TEPA)的混合物。在另一個實例中，可使用70:30的DEA = TEPA比率。
[0067]當(dāng)混合物飽和并且開始形成濕液滴時，應(yīng)停止噴霧或滴落。液體與粉末比率可變化，但是該比率通常在30-50 g液體:100 g粉末的范圍。
[0068]胺浸潰的膨潤土粉末混合物可經(jīng)進(jìn)一步干燥或者可不經(jīng)進(jìn)一步干燥。
[0069]使用胺浸潰的膨潤土粉末，以形成含胺載體。
[0070]實施例3
形成胺浸潰的膨潤土粉末，如在實施例2中描述。
[0071 ] 胺浸潰的膨潤土粉末可通過任何標(biāo)準(zhǔn)成粒方法形成為顆粒(例如微?；蛑榱?或者可通過任何標(biāo)準(zhǔn)?；驍D出方法形成為丸?；驍D出物。
[0072]使用顆粒以形成含胺載體。
[0073]在進(jìn)行實施例1-3中描述的過程期間，推薦避免使胺浸潰的膨潤土混合物過熱(例如超過100°C，例如)，防止胺蒸發(fā)。
[0074]在以下實施例4-8中，描述不同的實施例吸著劑120的吸附和再生。所描述的實施例的結(jié)果示于相應(yīng)的圖2-6的曲線圖中。應(yīng)認(rèn)識到可使用其它材料以形成吸著劑120。
[0075]實施例4
將10升由固體擔(dān)載的胺微粒布置在包封物中。固體擔(dān)載的胺微粒包含未經(jīng)處理的膨潤土和DEA = TEPA比率為90:10的DEA和TEPA的胺混合物?？傮w上根據(jù)實施例1的方法形成固體擔(dān)載的胺微粒。
[0076]在包封物的上游和下游兩者放置壓力傳感器、溫度傳感器和雙(冗余的)高精度CO2傳感器。
[0077]空氣在室溫和標(biāo)準(zhǔn)濕度(48-52%)下以40立方英尺/分鐘(CFM)流動通過吸著劑，其中CO2為約1000 ppm。
[0078]離開吸著劑的空氣含有約200 ppm的CO2濃度，代表在降低空氣中CO2濃度方面約75-80%效率，如圖2所見。從而證明快速反應(yīng)動力學(xué)。該效率保持約100分鐘，此時效率開始緩慢下降，如所預(yù)期，代表吸著劑逐步飽和。
[0079]在前兩個小時中捕集的CO2的體積估計為250 g，代表接近8kG吸著劑質(zhì)量的3%。在以上吸附周期中(該周期甚至允許在開始飽和后繼續(xù))，在3小時過程期間，約400 g CO2被吸附，為吸著劑總質(zhì)量的5%。[0080]稱重包封物，顯示約700 g的重量提高，說明除了 CO2吸附以外，約300 g水被吸附。重要的是，注意到，水與CO2 —起脫附，并且似乎不會對吸附CO2和再生吸著劑的循環(huán)能力具有任何不利的影響，而且似乎不會對吸著劑的效率具有任何不利的影響。
[0081]實施例5
在如實施例4中描述的吸附CO2后，進(jìn)行吸著劑的再生。使用放置在吸著劑上游的電加熱器，在再生周期期間，將室外空氣加熱至不同程度。將空氣溫度加熱至約40-70°C，空氣以40 CFM和80 CFM流動。在30分鐘過程期間，吸著劑溫度緩慢提高至45-55°C。發(fā)現(xiàn)在任何時候不需要將吸著劑升高到55°C以上，并且實際上，似乎在45°C下，有明顯非常高的解吸速率,如圖3所見。
[0082]離開吸著劑的輸出空氣達(dá)到超過2000 ppm的CO2濃度，對于這樣的低溫和高流速是優(yōu)良的結(jié)果。在開始吸著劑再生15分鐘內(nèi)，CO2濃度開始下降，并且當(dāng)CO2從吸著劑消耗時，繼續(xù)快速下降。
[0083]實施例6
在包封物中布置0.8972 g由固體擔(dān)載的胺微粒。固體擔(dān)載的胺微粒包含經(jīng)酸處理的膨潤土和DEA = TEPA比率為90:10的DEA和TEPA的胺混合物?？傮w上根據(jù)實施例1的方法形成固體擔(dān)載的胺微粒。
[0084]空氣在40°C溫度和3%水分下以50標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘(SCCM)流動通過吸著劑60分鐘，其中CO2濃度為約1700 ppm。
[0085]如圖4所見，在約60分鐘后，CO2濃度大體上持續(xù)升高至約1800 ppm (B卩，0.18%)，說明吸著劑持續(xù)有效吸附co2。從而證明快速反應(yīng)動力學(xué)。
[0086]實施例7
在如實施例6中描述的吸附CO2后，進(jìn)行吸著劑的再生。將包含70 CC N2的清洗氣體加熱至50°C，并且以50 SCCM流動。
[0087]離開吸著劑的輸出清洗氣體達(dá)到超過3800 ppm ( S卩，0.38%)的CO2濃度，為優(yōu)良的結(jié)果。在開始再生周期8分鐘內(nèi)，CO2濃度開始下降，并且當(dāng)CO2從吸著劑消耗時，繼續(xù)快速下降，如圖5所見。
[0088]實施例8
在包封物中布置0.8501 g含胺粉末。含胺粉末包含未經(jīng)處理的膨潤土和DEA = TEPA比率為70:30的DEA和TEPA的胺混合物?？傮w上根據(jù)實施例2的方法形成含胺粉末。
[0089]空氣在40°C溫度和4%水分下以15 SCCM流動通過吸著劑250分鐘，其中CO2濃度為約 1700 ppm ο
[0090]如圖6所見，在約240分鐘后，CO2濃度大體上持續(xù)升高至約1250 ppm (即，
0.125%)，說明吸著劑持續(xù)有效吸附C02。從而證明快速反應(yīng)動力學(xué)。
[0091]根據(jù)一些實施方案，可提供吸著劑結(jié)構(gòu)100以降低CO2濃度，其作為空氣處理系統(tǒng)的一部分，例如加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)(“HVAC”)系統(tǒng)104 (例如，與之集成或者為其串連部件)。在一些實施方案中，HVAC系統(tǒng)104在吸著劑結(jié)構(gòu)100的下游布置，如圖1所示，但是HVAC系統(tǒng)相對于吸著劑的其它布置在本公開的范圍內(nèi)。在空氣處理系統(tǒng)中，在其CO2降低后離開吸著劑的室內(nèi)空氣可再循環(huán)至空氣處理系統(tǒng)的封閉環(huán)境中。吸著劑結(jié)構(gòu)100的吸著劑可重復(fù)經(jīng)歷吸附CO2的吸附周期和再生吸著劑的再生周期。從HVAC系統(tǒng)除去物質(zhì)的實例公開于 申請人:的美國專利號8157892，其通過引用以其全文結(jié)合到本文中。
[0092]注意到，根據(jù)一些實施方案，本文描述的吸著劑結(jié)構(gòu)100可用于從第一氣體減少物質(zhì)，例如C02。第一氣體可包含具有100-5000 ppm的CO2濃度或任何其它濃度的空氣。
[0093]根據(jù)一些實施方案，通過使第二氣體或另外的氣體流動通過吸著劑，可再生吸著劑結(jié)構(gòu)100，其中在減少物質(zhì)之前，第二氣體包含空氣，其中CO2濃度比第一氣體中的CO2濃度低，差距為基本小于800 ppm O
[0094]根據(jù)一些實施方案，吸著劑結(jié)構(gòu)100可用于從氣體降低CO2，其包含由多個顆粒形成的固體載體，其中顆粒形成為基本上在0.1-10毫米范圍的直徑。載體可被包含至少25%仲胺的胺基化合物浸潰，并且可操作用于捕集CO2，用于從包含100-2000 ppmC02濃度的氣體降低CO2。
[0095]參考附圖，以下詳細(xì)公開所公開的實施方案的其它特征和優(yōu)點以及當(dāng)前主題的各種實施方案的結(jié)構(gòu)和操作。
[0096]本文已描述當(dāng)前主題的方法和部件的實例實施方案。如別處所述，描述這些實例實施方案僅用于說明的目的而非限制。其它實施方案是可能的，并且被當(dāng)前主題涵蓋?；诒疚陌慕虒?dǎo)，這些實施方案對于相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。因此，當(dāng)前主題的寬度和范圍不應(yīng)受任何上述示例性實施方案的限制，而是應(yīng)僅根據(jù)以下權(quán)利要求和它們的等價物來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種用于從封閉空間的空氣降低CO2的吸著劑，所述吸著劑包含: 固體載體；和 被所述載體擔(dān)載的胺基化合物， 其中所述胺基化合物設(shè)置用于捕集至少一些在所述封閉空間的室內(nèi)空氣中的CO2,并且通過使室外空氣流動通過所述吸著劑，釋放至少一部分所述被捕集的co2。
2.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述載體包含多孔固體材料或細(xì)顆粒固體材料。
3.權(quán)利要求1的吸著劑,其中所述載體包含粘土。
4.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述載體選自:凝膠、分子篩、含納米管的材料、多孔材料、海綿和海綿狀材料、電磁帶電的物體、多孔有機(jī)聚合物、離子交換樹脂、聚合的吸收劑樹月旨、丙烯酸酯聚合物、聚苯乙烯二乙烯基苯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯、苯乙烯二乙烯基苯(SDB)、飛灰、活性炭、碳納米管、氧化鋁納米顆粒、合成的沸石、多孔氧化鋁、多孔礦物質(zhì)、多孔二氧化硅、二氧化硅納米顆粒、熱解法二氧化硅、活性炭、頁硅酸鋁、膨潤土、蒙脫土、球粘土、漂白土、高嶺土、綠坡縷石、鋰蒙脫石、坡縷石、皂石、海泡石金屬、有機(jī)骨架和它們的一種或多種組合。
5.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述載體包含多個顆粒。
6.權(quán)利要求1的吸著 劑，其中所述載體包含多個平均直徑尺寸在0.1-10毫米范圍的顆粒。
7.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述載體包含多個平均直徑尺寸在0.2-3毫米范圍的顆粒。
8.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述載體包含多個平均直徑尺寸在0.3-1毫米范圍的顆粒。
9.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述載體選自:纖維、微粒、珠粒、丸粒、擠出物和它們的一種或多種組合。
10.權(quán)利要求1的吸著劑,其中所述載體由基于纖維的材料形成。
11.權(quán)利要求10的吸著劑，其中將所述纖維編織或纏結(jié)，以形成織物或紙狀材料。
12.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述載體包含多個片。
13.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述載體包含多個厚度在約I微米-約2厘米范圍的片。
14.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述載體包含多個厚度在約2-約80毫米范圍的片。
15.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述胺基化合物包含至少約50%仲胺。
16.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述胺基化合物包含至少約25%仲胺。
17.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述胺基化合物選自:單乙醇胺(MEA)、乙醇胺、甲基胺、聚乙烯亞胺(PEI)、二乙醇胺(DEA)、二甲基胺、二乙基胺、二異丙醇胺(DIPA)、四亞乙基五胺(ΤΕΡΑ)、甲基二乙醇胺(MDEA)、甲基乙醇胺和它們的一種或多種組合。
18.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述載體形成具有大的總表面積。
19.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述室內(nèi)空氣包含約400-約5000ppm的CO2濃度。
20.權(quán)利要求1的吸著劑，其中在流動進(jìn)入所述吸著劑之前，所述室外空氣中CO2濃度為約 300-約 500 ppm ο
21.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述室外空氣的CO2濃度比所述室內(nèi)空氣中的CO2濃度低，差距為基本小于約1600 ppm ο
22.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述載體開始時為細(xì)顆粒形式，并且與所述胺基化合物混合，隨后形成為多個約0.1-約10毫米的顆粒。
23.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述載體包含顆粒、細(xì)顆粒或基于粉末的固體，并且，其中所述細(xì)顆粒附聚成為較大的顆粒，以促進(jìn)空氣流動通過所述吸著劑。
24.權(quán)利要求1的吸著劑，其中在低于約100°C的溫度下將室外空氣流動通過所述吸著劑。
25.權(quán)利要求1的吸著劑，其中在低于約80°C的溫度下將室外空氣流動通過所述吸著劑。
26.權(quán)利要求1的吸著劑，其中在低于約60°C的溫度下將室外空氣流動通過所述吸著劑。
27.權(quán)利要求1的吸著劑，其中在低于約50°C的溫度下將室外空氣流動通過所述吸著劑。
28.權(quán)利要求1的吸著劑，其中所述吸著劑布置在HVAC系統(tǒng)中，用于在所述HVAC系統(tǒng)內(nèi)從所述室內(nèi)空氣除去CO2。
29.一種用于從來自封閉的 住宅空間、公共空間或商業(yè)空間的第一氣體降低CO2的吸著劑，所述吸著劑包含: 固體載體；和 附著于所述載體的胺基化合物， 所述胺基化合物設(shè)置用于捕集至少一些在所述第一氣體中的CO2，并且通過使第二氣體流動通過所述吸著劑，釋放至少一部分所述被捕集的CO2，其中在流動通過所述吸著劑之前，所述第二氣體包含比所述第一氣體中的CO2濃度低的CO2濃度，差距為基本小于約1600ppm。
30.權(quán)利要求29的吸著劑，其中在低于80°C的溫度下將所述第二氣體流動通過所述吸著劑。
31.權(quán)利要求1的吸著劑，其中在低于約60°C的溫度下將所述第二氣體流動通過所述吸著劑。
32.權(quán)利要求1的吸著劑，其中在低于約50°C的溫度下將所述第二氣體流動通過所述吸著劑。
33.一種用于從氣體降低CO2的吸著劑，所述吸著劑包含: 由多個顆粒形成的固體載體，其中所述顆粒形成具有基本上約0.1-約10毫米直徑，其中所述載體被包含至少約25%的仲胺的胺基化合物浸潰，并且設(shè)置用于捕集至少一部分CO2，用于從包含約100-約2000 ppm的CO2濃度的氣體降低C02。
34.權(quán)利要求32的吸著劑，其中通過使另外的氣體流動通過所述吸著劑，吸著劑可操作以釋放至少一部分所述被捕集的C02。
35.權(quán)利要求33的吸著劑，其中所述另外的氣體包含室外空氣。
36.一種用于從封閉環(huán)境降低包含在空氣中的CO2的方法,所述方法包括: 提供吸著劑和用于所述吸著劑的載體，所述吸著劑包含基于胺或類似胺的化合物； 使含有CO2的第一氣體從封閉環(huán)境內(nèi)部流動通過所述吸著劑，使得所述吸著劑從所述第一氣體捕集至少一些所述CO2 ;和 使含有比所述第一氣體更少CO2的第二氣體從環(huán)境的外部流動通過所述吸著劑，使得所述吸著劑向所述第二氣體釋放至少一些所述被捕集的co2。
37.權(quán)利要求36的方法，其中所述封閉環(huán)境為私人空間、公共空間、住宅空間或商業(yè)空間。
38.權(quán)利要求37的方法，所述方法還包括提供與加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)(HVAC)系統(tǒng)連通的所述吸著劑和所述載體。
39.權(quán)利要求37的方法，其中所述HVAC系統(tǒng)設(shè)置用于使所述第二氣體流動通過所述吸著劑。
40.權(quán)利要求36的方法，其中當(dāng)使所述第二氣體流動通過所述吸著劑時，在約45-約55 °C的溫度下提供所述吸著劑。
41.權(quán)利要求36的方法，其中在約40-約70°C下使所述第二氣體流動通過所述吸著劑。
42.—種用于從封閉環(huán)境降低包含在空氣中的CO2的系統(tǒng),所述系統(tǒng)包含: HVAC系統(tǒng)；和 與所述HVAC系統(tǒng)連通的吸著劑，所述吸著劑包含: 固體載體，和 被所述載體擔(dān)載的胺基化合物， 其中: 所述HVAC系統(tǒng)設(shè)置用于使室內(nèi)空氣在所述吸著劑上流動和/或通過所述吸著劑流動，所述胺基化合物設(shè)置用于捕集所述室內(nèi)空氣中的至少一些CO2，和所述HVAC系統(tǒng)設(shè)置用于使室外空氣在所述吸著劑上流動和/或通過所述吸著劑流動，使得從中釋放至少一部分被所述吸著劑捕集的C02。
43.權(quán)利要求42的系統(tǒng)，其中所述封閉環(huán)境為私人空間、公共空間、住宅空間或商業(yè)空間。
【文檔編號】B01D53/62GK103648612SQ201280023387
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月17日
【發(fā)明者】U.梅拉夫, I.比蘭 申請人:恩弗里德系統(tǒng)公司