胺-載體顆粒所形成的制品以及其制造和使用方法
【專利說明】胺-載體顆粒所形成的制品以及其制造和使用方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)案的奪叉引用
[0002] 本申請(qǐng)案要求于2013年1月10日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/751，070的權(quán)益，所 述臨時(shí)申請(qǐng)以引用的方式并入本文。 發(fā)明領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明的實(shí)施方式涵蓋能夠捕獲二氧化碳并由有機(jī)胺材料和高表面積顆粒所制 成的組合物和制品。用于清除二氧化碳的吸附劑可形成為各種形狀，或作為固定床中的單 獨(dú)顆粒，或作為必要的單個(gè)單體形狀用于特定用途。本發(fā)明涵蓋的方法包括至少一種有機(jī) 胺、至少一種類型高表面積顆粒與水組合形成干燥且形成所需形狀的表面包覆顆粒。
[0004] 發(fā)明背景
[0005] 固體吸著劑已用于從燃燒工藝排放出的氣體與大氣，以及封閉區(qū)域中（如潛艇和 飛船中）的空氣中清除或去除二氧化碳。一種用于清除二氧化碳的固體吸著劑的特定類別 為固體載體的胺。通常使用昂貴的溶劑或水溶性醇（如乙醇或甲醇）來制備這些吸著劑。 然而，此類溶劑使得制造這些固體吸著劑的工藝就大規(guī)模商業(yè)發(fā)展而言成本高昂太或因一 些溶劑可燃而過危險(xiǎn)。更復(fù)雜的情況因固體吸著劑通常包括非常小的功能顆粒產(chǎn)生，所述 功能顆粒可在氣體移動(dòng)的過程中被帶走或因其受限的大小和形狀難以處置。
[0006] 因此，本領(lǐng)域中需要這樣的固體吸著劑，該固體吸著劑可更容易處置，形成所需的 形狀和制品，并且不經(jīng)受因以適于應(yīng)用（如室內(nèi)通風(fēng)）的流率流過顆?；蛟陬w粒周圍流動(dòng) 的空氣流而發(fā)生的移動(dòng)。
[0007] 發(fā)明概沐
[0008] 本發(fā)明涵蓋了一種用于從室內(nèi)空氣中清除二氧化碳、甲醛或其它氣體的固體載體 胺吸著劑，所述固體載體胺吸著劑包括至少一種載體顆粒和至少一種有機(jī)胺，其中有機(jī)胺 和載體顆粒聚集形成較大團(tuán)粒、團(tuán)簇或用作用于流通吸附的固定床的成形形式。在一個(gè)實(shí) 施方式中，有機(jī)胺是伯胺、仲胺、或具有伯胺和仲胺的化合物。胺包括、但不限于：聚乙烯亞 胺（PEI)、氮丙啶、乙醇胺、二乙醇胺、三亞乙基四胺、四亞乙基五胺、五亞乙基六胺、或它們 的混合物。在另一實(shí)施方式中，載體顆粒具有碳、二氧化硅、氧化鋁或它們的組合物。通常， 載體顆粒是熱解的、熱分解的或沉淀的。在另一實(shí)施方式中，用于清除二氧化碳的固體吸著 劑還包含化學(xué)活化劑，如聚氧乙二醇。
[0009] 在另一實(shí)施方式中，用于清除二氧化碳的固體吸著劑被成形為團(tuán)粒、長絲、片材或 小球的形式。或者，所述成形是呈圓柱、球體、扁球體、橢圓體、立方體、矩形、三角形、環(huán)或盤 的形式。在另一實(shí)施方式中，顆?；虺尚涡问骄哂写笥诩so.lmm的至少一個(gè)尺寸?；蛘撸?述尺寸大于約1〇_。大的成形形式稱為單體結(jié)構(gòu)。
[0010] 本發(fā)明的另一實(shí)施方式涵蓋制造用于清除二氧化碳的漿料或固體吸著劑的方法， 所述方法包括將至少一種有機(jī)胺添加到至少一種載體顆粒和水中，以形成混合物；將所述 混合物混合；以及形成漿料。任選地，所述方法可以包括干燥步驟，以將水從混合物中去除 并且形成漿料。所述方法還可包括將漿料擠出或模制形成用于清除二氧化碳的成形的固體 吸附劑。
[0011] 在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，涵蓋制造固體吸著劑的方法，所述方法包括將至少 一種有機(jī)胺添加到至少一種載體顆粒和水中，以形成混合物；將所述混合物混合；將混合 物擠出或模制以形成成形產(chǎn)物；以及干燥所述成形產(chǎn)物以去除水，并且形成用于清除二氧 化碳或其它氣體的固體吸附劑。
[0012] 在本方法的一個(gè)實(shí)施方式中，有機(jī)胺以約10重量％至60重量％的量存在。在另 一實(shí)施方式中，混合物為約20重量％至50重量％的有機(jī)胺和80 %至50 %的載體顆粒。在 又一實(shí)施方式中，有機(jī)胺和載體顆粒與水的比率為按重量計(jì)約1:2至1: 11。或者，在另一實(shí) 施方式中，有機(jī)胺和載體顆粒與水的比率為按重量計(jì)約1:7。
[0013] 在制造用于清除二氧化碳的固體吸著劑的方法中，干燥步驟通過在擠出工藝中干 燥、加熱干燥、空氣干燥或真空處理來進(jìn)行。在一個(gè)實(shí)施方式中，干燥步驟是一加熱干燥步 驟，并且在約70°C至約120°C的溫度下進(jìn)行且其持續(xù)時(shí)間為約1小時(shí)至約24小時(shí)。
[0014] 在制造用于清除二氧化碳的固體吸著劑的方法的一個(gè)實(shí)施方式中，擠出步驟擠出 形成團(tuán)粒、長絲、片材、小球，或?qū)⒂糜谇宄趸嫉墓腆w吸著劑成形為圓柱體、球體、扁 球體、橢圓體、立方體、矩形、三角形、環(huán)或盤。
[0015] 附圖簡(jiǎn)沐
[0016] 圖1示出本發(fā)明的團(tuán)粒，其中團(tuán)粒大小大于單獨(dú)載體顆粒大小。
[0017] 圖2示出本發(fā)明的用于清除二氧化碳的吸附劑的照片，其中產(chǎn)物被擠出成小圓柱 體，其中載體顆粒彼此結(jié)合形成一或多個(gè)團(tuán)簇。
[0018] 圖3示出用于清除二氧化碳的吸附劑隨時(shí)間來吸附二氧化碳的容量，其中所吸附 的碳按75分鐘內(nèi)每克產(chǎn)物所吸附的0)2的mg進(jìn)行測(cè)量；以及
[0019] 圖4示出實(shí)例1的材料的熱重分析（TGA)的圖。豎直軸線示出樣品重量在暴露于 具有受控濃度的二氧化碳和受控溫度的空氣流中的情況下隨時(shí)間的變化。每一測(cè)量展示每 30分鐘的吸附和解吸重復(fù)循環(huán)。在這個(gè)實(shí)例中，在50°C下、在干燥壓縮空氣下進(jìn)行解吸，并 且在30°C下、在干燥且包含1000 ppm CO2的壓縮空氣下進(jìn)行吸附。
[0020] 發(fā)明詳沐
[0021] 通過本發(fā)明涵蓋的吸附劑能夠在一段時(shí)間內(nèi)吸附二氧化碳以及其它化學(xué)物種。雖 然不受理論限制，但是據(jù)信，包覆載體顆粒的有機(jī)胺執(zhí)行兩個(gè)功能。第一，有機(jī)胺以能夠從 氣體中去除二氧化碳的方式來捕獲或結(jié)合至二氧化碳。這種捕獲可以是可逆或不可逆的， 這取決于條件。第二，有機(jī)胺用作粘結(jié)劑，以有助于形成可根據(jù)最終用途成形為各種形式的 載體顆粒團(tuán)簇。
[0022] 本發(fā)明的吸附劑提供了這樣的固體吸著劑：可容易地處置，形成各種的形狀或制 品，并且不經(jīng)受因以適于應(yīng)用（如室內(nèi)通風(fēng)或空氣凈化）的流率流過固體吸著劑或在固體 吸著劑周圍流動(dòng)的氣流而造成的移動(dòng)。這些用于清除二氧化碳的吸附劑可用作這樣的制 品：所述制品用于清除、捕獲、或去除來自建筑物和車輛室內(nèi)空氣中的二氧化碳、甲醛、和/ 或其它污染物，或者燃燒工藝中產(chǎn)生的氣體（如排氣）、大氣氣體、或包含因工業(yè)輸出或生 物源產(chǎn)生的大量二氧化碳的氣體。如本文所用，具有二氧化碳的氣體包括但不限于，全部地 或部分地包含二氧化碳的氣體。術(shù)語并不表明或暗示著氣體僅僅包括二氧化碳。
[0023] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式涉及包含有機(jī)胺和載體顆粒反應(yīng)產(chǎn)物的漿料的制品。如本 文所用，術(shù)語"漿料"是指具有保持懸浮在液體中的大量固體的厚的平滑或半平滑可流動(dòng)或 可鍛材料。通常，漿料是粘度在約10, OOO至約10, 〇〇〇, OOO厘泊（CP)范圍內(nèi)的粘稠流體； 并優(yōu)選地，粘度為約100, 000至約2, 000, OOOcP。
[0024] 在另一實(shí)施方式中，漿料可被擠出通過孔口或篩網(wǎng)以形成團(tuán)粒、長絲、片材、小球、 和最終用途所需的其它形狀。此外，漿料可被模制或澆注成以下形式，包括但不限于：長絲、 片材、圓柱體、球體、立方體、矩形、三角形、環(huán)、盤、或設(shè)計(jì)為緊密貼合在特定形狀的容器或 貯器中的形狀。事實(shí)上，可允許該漿料采用任何形狀，如填充機(jī)器中的空隙必需的形狀，并 且如果需要的話，產(chǎn)物可被分成多個(gè)部分用以形成顆粒團(tuán)簇。換句話說，用于清除二氧化碳 或其它氣體的吸附劑可成形為填充其中需要進(jìn)行清除的隔室所必須的顆粒團(tuán)?；驁F(tuán)簇。吸 附劑還可以呈現(xiàn)無定形狀，分成所需大小的顆粒片材或團(tuán)簇以實(shí)現(xiàn)清除系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)， 所述設(shè)計(jì)目標(biāo)包括接觸面積、空氣流動(dòng)阻力以及將吸附劑保持在適當(dāng)位置處。該吸附劑還 可包括多孔的團(tuán)簇或形狀，其中氣體可以流經(jīng)多孔的團(tuán)簇或形狀。該吸著劑可形成為被穿 通有孔或通道以供氣體流過的整料。一或多個(gè)整料可以代替吸著劑顆粒床，其中清除期間， 氣體被迫通過或沿著該整料。用于清除二氧化碳的吸附劑還可形成一或多個(gè)團(tuán)簇、小球、成 形形式、團(tuán)?；驍D出物。如本文所用，術(shù)語"成形形式"是指預(yù)想為模制或雕刻制品的三維 設(shè)計(jì)或形狀。
[0025] 在一個(gè)實(shí)施方式中，用于清除二氧化碳的吸附劑可成形為具有大于約0.1 mm的至 少一個(gè)尺寸的團(tuán)簇、形式、團(tuán)?；驍D出物?；蛘?，所述尺寸可以在約〇. 25mm至約Imm的范圍 內(nèi)。因此，用于清除二氧化碳的吸附劑可分組或填充入到床中，并且在流體在吸附劑內(nèi)或周 圍流動(dòng)時(shí)抵抗移動(dòng)。
[0026] 轉(zhuǎn)到圖1，呈團(tuán)粒形式的制品（大體上用數(shù)字11指示）體現(xiàn)本發(fā)明的特征。團(tuán)粒 11包含有機(jī)胺和載體顆粒。舉例來說，團(tuán)粒11具有大于〇. Imm的高度、寬度或深度，這取決 于團(tuán)粒方向以及頂部和底部、正面或背面的標(biāo)識(shí)（可以是任意的）。其它實(shí)施方式提供達(dá) 到或超過l〇mm、20mm或50mm的至少一個(gè)尺寸。例如，在球體情況下，尺寸為約0. 3mm至約 1mm，并且可替代地，所述范圍具有為3mm的上限。在擠出物的情況下，直徑為約0· 5mm至約 1_，和/或所述擠出物可具有幾 mm但不大于約IOmm的長