CN102145278B - 一种二氧化碳的吸附系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种二氧化碳的吸附系统，其利用一调湿器及具吸附材的一吸附装置，可有效吸附待处理废气中的二氧化碳，同时该吸附装置中的吸附材亦可重复利用，即利用脱附作用而移除吸附材上的二氧化碳，可有效降低二氧化碳净化的成本，同时有效达成资源重复利用功效，并完成节能减碳的目的。
Description
技术领域
本发明关于一种二氧化碳吸附装置，特别是关于一种可以有效去除电厂或工厂排放废气中二氧化碳的装置。
背景技术
随着温室效应日渐显著，京都议定书也正式生效，同时二氧化碳捕获及封存技术(Carbon dioxide Capture and Storage，简称CCS)也于2005年被联合国的IPCC组织评估为可行方式之一，相关文献与专利不胜枚举。其中包括最普遍被探讨的湿式吸收MEA法、干式吸附法、薄膜法等。
经搜寻二氧化碳吸附相关专利，于台湾专利有「由一含二氧化碳的气流中吸附二氧化碳的方法、二氧化碳吸附剂及其制造方法(证书号：176857)」、「二氧化碳自气流中的移除(公告号：592788)」及「从空气进料流中除去水、二氧化碳和一氧化二氮的方法及设备、空气分离方法及设备(公告号：455505)」”等，然而此三个专利中的应用范围或其所使用的材料均与本专利不相同。
此外，于中国专利中，则有「利用氧化钙和稻壳灰制备二氧化碳吸附剂的方法(200810156154.4)」、「含硅钠米氧化钙高温二氧化碳吸附剂和该吸附剂的制备方法以及在制氢工艺中的应用(申请号：200510060911.4)」及「固态二氧化碳吸附剂及其制备方法(申请号：95119387.2)」，此三个专利中所使用的材料与本专利亦并不相同。而「二氧化碳回收装置(申请号：200720034221.6)」的装置则属于工业应用如啤酒工业装置设备，其并非应用于电厂或工业废气中。
美国专利中的相关专利有Gray et al.(2003)”AMINE ENRICHED SOLIDSORBENTS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE(Pat.#：US 6,547,854B1)”，其内容为将吸附基材经酸碱液处理后，再经金属氧化物、胺盐等处理以达到官能化的目的，其基材虽然包括纳米碳管及分子筛等，但于此方法中所得的二氧化碳吸附量较低，最高仅0.17mmole/g(7.48mg/g)，且该专利仅揭示吸附剂本身，并未与装置进一步结合。
而Pennline和Haffman(2002)的”Carbon dioxide capture processwith regenerable sobents(Pat.#：US 6,387,337B1)”，则是使用碱金属(alkali metals)或碱土金属(alkali earth metals)作为吸附剂，于一个双床式反应器中与二氧化碳温室气体反应，其所使用的吸附剂及装置亦与本案所揭示的内容并不相同。
另于Gray et al.(2007)的专利”HIGH CAPACITY IMMOBILIZED AMINESORBENTS(Pat.#：US 7,288,136B1)”，则是使用二级胺做为改质剂，其所使用的吸附基材可以为纳米碳管或分子筛，而其专利公开范围仅涵盖吸附剂本身，且该吸附剂的最佳吸附量亦低于本专利所揭示装置的结果，故亦与本发明所揭示的内容不同。
其它相关文献包括Lu et al.(2008)的“Comparative study of CO2capture by carbon nanotubes，activated carbon and zeolites(Energy &Fuels，22，3050-3056)”，CNTs、活性碳、沸石经APTS处理后，显示CNT(APTS)具有最佳二氧化碳吸附能力。Su et al.(2009)的“CO2 Capture from fluegas via multiwalled carbon nanotubes(Science of the Total Environment，407，3017-3023)”。以CNTs利用APTS、EDA及PEI改质后，以APTS改质的CO2吸附量为最佳，其吸附量于低温(20-60℃)下有较佳的吸附效果，唯其未针对含水率的影响加以探讨，且未与吸附装置进行结合。
因此，于已知文献或专利中尚未见有效结合吸附剂与吸附实验装置的相关研究成果，可于低温吸附(＜80℃)下将二氧化碳进行连续性快速吸附，且该吸附材具不易劣化的功效。故本发明提供一种二氧化碳吸附系统，其通过一调湿器与一吸附装置(内含吸附材)的结合，以提升二氧化碳的吸附能力并降低能资源消耗，同时达成降低成本效益以有效吸附废气中二氧化碳的目的。
发明内容
为了改善上述已知技术所面临的问题，本发明的目的在提供一种二氧化碳的吸附系统，其包含：
一调湿器，其用于调整一待处理废气的湿度；以及
一吸附装置，其用于提供二氧化碳吸附材以吸附该待处理废气中的二氧化碳。
如上所述的吸附系统，其中该吸附材可为经APTS改质纳米碳管、经TEPA改质纳米碳管或经TEPA改质的硅铝比60的Y型沸石。
如上所述的吸附系统，其中该吸附单元可为一固定床式吸附器或旋转转环式吸附器或一转轮式吸附器或流体化浮动式吸附器。
如上所述的吸附系统，当该吸附单元为该旋转转环式吸附器时，进一步包含复数个二氧化碳吸附箱块，其用于填充二氧化碳吸附材。
如上所述的吸附系统，当该吸附材为经APTS改质纳米碳管时，其湿度范围较佳为0-17％，更佳为2-5％。
如上所述的吸附系统，当该吸附材为经TEPA改质纳米碳管时，其湿度范围较佳为0-17％，更佳为2-5％。
如上所述的吸附系统，当该吸附材为经TEPA改质的硅铝比60的Y型沸石时，其湿度范围较佳为2-17％，更佳为7-8％。
上述的二氧化碳吸附系统，其藉由一调湿器与一吸附装置(内含吸附材)的结合，以提升二氧化碳的吸附能力并降低能资源消耗，同时达成降低成本效益以有效吸附废气中二氧化碳的目的。
下列实验设计为说明，不应限制本发明的范畴，合理的变化，诸如对于本领域技术人员显而易见的合理变化，可于不脱离本发明的范畴下进行。
附图说明
图1为本发明一种二氧化碳吸附系统的一示意图。
图2为本发明第一具体实施例一种二氧化碳吸附系统的一示意图。
图3为本发明第二具体实施例一种二氧化碳吸附系统的一示意图。
图4为本发明第三具体实施例一种二氧化碳吸附系统的一示意图。
图5为本发明第四具体实施例一种二氧化碳吸附系统的一示意图。
图6为湿度对于Y60(TEPA)的二氧化碳吸附率的影响。
【主要组件符号说明】
1 二氧化碳吸附系统
2 二氧化碳吸附系统
3 二氧化碳吸附系统
5 风车
10 调湿器
11 二氧化碳吸附单元
13 二氧化碳吸附材
20 吸附装置
22 二氧化碳吸附箱块
30 旋转转环式吸附器
40 蜂巢状转轮式吸附器
50 流体化浮动床式吸附器
55 球状吸附材
具体实施方式
为使充分了解本发明的目的、特征及功效，现通过下述具体的实施例，并配合所附的图式，对本发明做一详细说明，说明如后：
请参见图1，该图1为本发明一种二氧化碳吸附系统的一示意图，其中该二氧化碳吸附系统包含一调湿器10及一吸附装置20。
含二氧化碳的待处理废气自一废气出口A进入该调湿器12之中，以调整该待处理废气的湿气含量，接着经调节湿气后的待处理废气再流经该吸附装置20之中，当该待处理废气进入该吸附装置20后，由于该吸附装置内含有可吸附二氧化碳的吸附材，会针对该待处理废气中的二氧化碳进行二氧化碳的吸附作用，以吸附净化该待处理废气中的二氧化碳，完成二氧化碳的吸附作用，最后经吸附净化二氧化碳的净化废气再流出该吸附装置20，流经该气体出口B排出。
实施例1：
本发明第一具体实施例的一种二氧化碳吸附系统1如图2所示，其中该系统包含：一调湿器10及一吸附装置20；其中该吸附装置20之内包含复数个二氧化碳吸附单元11，并且该二氧化碳吸附单元11填充有二氧化碳吸附材13。
当该二氧化碳吸附系统1进行二氧化碳吸附净化时，待处理废气自一气体入口A经由一风车5吹入该二氧化碳吸附系统1之中，首先流经该调湿器10之中，本实施例的调湿器10为一水喷雾加湿器具有加湿与兼具降温的功能，以调节该待处理废气的湿气，接着经调湿的待处理废气进入该吸附装置20之内，而随着图2中该吸附装置10内的箭头进行气体的流动，而该待处理废气中的二氧化碳则被该二氧化碳吸附单元11中的二氧化碳吸附材13所吸附，其中该二氧化碳吸附材13为二氧化碳吸附基材，而该二氧化碳吸附基材可为纳米碳管、沸石分子筛或纯硅中孔洞吸附材等低温吸附材，并可进一步经改质剂改质，于本实施例中的改质剂为含胺官能基的改质剂，而使用的二氧化碳的吸附材为经APTS改质的纳米碳管、经TEPA改质的纳米碳管或经TEPA改质的硅铝比60的Y型沸石；而该待处理废气流经该等二氧化碳吸附单元11之后，其内包含的二氧化碳即为该二氧化碳吸附材13所吸附，完成二氧化碳的吸附作用，最后经吸附净化二氧化碳的净化废气再流出该吸附装置20，流经该气体出口B排出。
实施例2：
本发明第二具体实施例的一种二氧化碳吸附系统2如图3所示，其中该系统包含：一调湿器10及一旋转转环式吸附器30；其中旋转转环式吸附器30由复数个二氧化碳吸附箱块22组合而成，并且该等二氧化碳吸附箱块22填充有二氧化碳吸附材，该等二氧化碳吸附箱块22便于二氧化碳吸附材的更换。
当该有二氧化碳吸附系统2进行二氧化碳吸附净化时，待处理废气自一气体入口A经由一风车5吹入该二氧化碳吸附系统2之中，首先流经该调湿器10之中，本实施例的调湿器10为一管壳式热交换器与蒸汽加湿器的组合，具有调温与加湿或减湿的功能，以调节该待处理废气的湿气与温度，接着经调湿的待处理废气进入该旋转转环式吸附器30之内，而随着图3中该旋转转环式吸附器30的箭头进行气体的流动，而该待处理废气中的二氧化碳则被二氧化碳吸附箱块22中的二氧化碳吸附材所吸附，其中该二氧化碳吸附材为二氧化碳吸附基材，而该二氧化碳吸附基材系可为纳米碳管、沸石分子筛或纯硅中孔洞吸附材等低温吸附材，并可进一步经改质剂改质，于本实施例中的改质剂为含胺官能基的改质剂，而使用的二氧化碳的吸附材为经APTS改质的纳米碳管、经TEPA改质的纳米碳管或经TEPA改质的硅铝比60的Y型沸石；而该待处理废气流经该等二氧化碳吸附箱块22之后，其内包含的二氧化碳即为二氧化碳吸附材所吸附，完成二氧化碳的吸附作用，最后经吸附净化二氧化碳的净化废气再流出该旋转转环式吸附器30，流经该气体出口B排出。
实施例3：
本发明第三具体实施例的一种二氧化碳吸附系统3如图4所示，其中该系统包含：一调湿器10及一蜂巢状转轮式吸附器40；其中蜂巢状转轮式吸附器40由复数个经改质的多通道蜂巢状二氧化碳吸附基材组合而成。
当该有二氧化碳吸附系统3进行二氧化碳吸附净化时，待处理废气自一气体入口A经由一风车5吹入该二氧化碳吸附系统3之中，首先流经该调湿器10之中，本实施例的调湿器10为一水洗塔具有蒸发加湿与降温的功能，以调节该待处理废气的湿气，接着经调湿的待处理废气进入该蜂巢状转轮式吸附器40之内，而该待处理废气中的二氧化碳则被该蜂巢状转轮式吸附器40中的二氧化碳吸附材所吸附，其中该二氧化碳吸附材为二氧化碳吸附基材，而该二氧化碳吸附基材可为纳米碳管、沸石分子筛或纯硅中孔洞吸附材等低温吸附材，并可进一步经改质剂改质，于本实施例中的改质剂为含胺官能基的改质剂，而使用的二氧化碳的吸附材系为经APTS改质的纳米碳管、经TEPA改质的纳米碳管或经TEPA改质的硅铝比60的Y型沸石；而该待处理废气流经该蜂巢状转轮式吸附器40之后，其内包含的二氧化碳即为二氧化碳吸附材所吸附，完成二氧化碳的吸附作用，最后经吸附净化二氧化碳的净化废气再流出该蜂巢状转轮式吸附器40，流经该气体出口B排出。
实施例4：
本发明第四具体实施例的一种二氧化碳吸附系统4如图5所示，其中该系统包含：一调湿器10及一流体化浮动床式吸附器(Fluidized BedAdsorber)50；其中该流体化浮动床式吸附器50包含复数个球状吸附材55经过流体化床或流动床所组合而成，而该等球状吸附材55为经改质的球状或粉体状或圆柱状二氧化碳吸附基材。
当该有二氧化碳吸附系统4进行二氧化碳吸附净化时，待处理废气自一气体入口A经由一风车5吹入该二氧化碳吸附系统4之中，首先流经该调湿器10之中，本实施例的调湿器10为一水洗塔具有蒸发加湿与降温的功能，以调节该待处理废气的湿气，接着经调湿的待处理废气进入该流体化浮动床式吸附器50之内，而该待处理废气中的二氧化碳则被该流体化浮动床式吸附器50中的球状吸附材55所吸附，其中该球状吸附材55为二氧化碳吸附基材，而该二氧化碳吸附基材可为活性碳、纳米碳管、沸石分子筛或纯硅中孔洞吸附材等低温吸附材(但不设限于前述吸附基材)，并可进一步经改质剂改质，于本实施例中的改质剂为含胺官能基的改质剂，而使用的二氧化碳的吸附材为经TEPA改质的硅铝比60的球状Y型沸石或球状活性碳；而该待处理废气流经该流体化浮动床式吸附器50之后，其内包含的二氧化碳即为球状吸附材55所吸附，完成二氧化碳的吸附作用，最后经吸附净化二氧化碳的净化废气再流出该流体化浮动床式吸附器50，流经该气体出口B排出。
吸附基材改质：
本发明实施例的吸附基材的改质方式为将吸附基材如纳米碳管、沸石分子筛、中孔洞纯硅材料等低温吸附材(但不设限于前述吸附基材)，且该基材的成形型式可为粉状、颗粒状、片状、球状、圆柱状、纤维状、蜂巢状或其任一组合型式，将之与胺基类溶剂，如3-aminopropyl-triethoxysilane(APTS)、Tetraethylenepentamine(TEPA)或其它胺基类化合物等经混合搅拌(但不设限于前述改质剂)，并可选择适度加入结合剂如环氧树脂增进其吸脱附效能并加热后，使基材表面具胺类官能基，能够吸附二氧化碳气体，其改质步骤如下：
(1)将吸附基材与特定浓度的胺基溶剂(亦可适度再加入环氧树脂)混合搅拌；
(2)以密闭回流加热法将混合溶液加热至沸腾维持数小时；
(3)待溶液冷却后以过滤法将吸附材由溶液中分离出；
(4)将过滤出的吸附材烘干，得到具胺类官能基的改质吸附材。
实施例的结果：
以含CO2废气进行该装置效能的测试评估，其中该含CO2废气的成份范围为：CO210-50％(v/v)、水气含量0-17.5％(v/v)、其余为氮气，且入流吸附温度范围为20℃-80℃；而于该等二氧化碳的吸附装置中分别填充：纯硅中孔洞材料如MCM-41等(蜂巢状或颗粒状或薄膜状)、沸石(蜂巢状或颗粒状或薄膜状)、纳米碳管(蜂巢状或颗粒状或薄膜状)，进行含CO2废气的二氧化碳吸附净化测试。
于不进行湿度调整缺乏水气的环境下，以已知废气进行胺基改质纳米碳管吸附二氧化碳的测试评估(CO215％(v/v)，温度50-60℃)，其吸附量结果，分别以APTS及TEPA胺基改质的纳米碳管为例，其结果如表1：
表1、二氧化碳吸附材的吸附量
| 吸附材 | 二氧化碳吸附量(mg/g) |
| APTS改质纳米碳管 | 70-90 |
| TEPA改质纳米碳管 | 95-120 |
由上表1的结果可知，于未调整待处理废气的湿度时，经APTS改质纳米碳管的吸附量为70-90mg/g，而经TEPA改质纳米碳管的吸附量则为95-120mg/g。
再以吸附温度50-60℃、脱附温度120℃、15％CO2、无水气的烟道气环境下进行变温吸附，持续20次吸附、脱附后，来测试各吸附材的再生后吸附回复率，其结果如下表2：
表2、二氧化碳吸附材的再生回复率
| 吸附材 | 再生20次后回复率(％) |
| APTS改质纳米碳管 | 90-95 |
| TEPA改质纳米碳管 | 85-95 |
由上表2中可知，该等改质纳米碳管的平均吸附回复率可高于90％以上，由此得知该等改质纳米碳管吸附CO2的持续能力高，其中又以经APTS改质纳米碳管的再生后吸附回复率较经TEPA改质纳米碳管为高。
再将经改质的纳米碳管于50-60℃温度条件、15％CO2、水气含量0-17％的废气环境下进行CO2吸附测试，其吸附效能如下表3所示：
表3、二氧化碳吸附材于不同水气含量下的二氧化碳吸附量
| 吸附材 | 含水率0-2％ | 含水率2-5％ | 含水率5-17％ |
| APTS改质纳米碳管 | 85-110 | 100-110 | 85-90 |
| TEPA改质纳米碳管 | 100-150 | 140-150 | 130-110 |
由表3可证明，经改质纳米碳管受废气湿度影响后，吸附量随着湿度的提高而增加，其中经APTS改质纳米碳管能够提升到85-110mg/g二氧化碳吸附量，而经TEPA改质纳米碳管则能够提升到100-150mg/g二氧化碳吸附量，即显示调节待处理废气的湿气可有效提高二氧化碳的吸附量。
而Y60沸石涂敷TEPA改质后，进行湿度影响(CO2＝15％、温度60℃)的测试，其结果如图6所示，由图6可见当湿度范围为0-8％时，随着湿度含量增加，二氧化碳的吸附量随的增加，当湿度含量为7-8％时达到二氧化碳最高吸附值190mg/g以上。
由上述结果可知，本发明所提供的一种二氧化碳吸附系统，通过一调湿器及一吸附装置，可有效提升待处理废气中二氧化碳的吸附量。
当该吸附装置的吸附材为经APTS改质纳米碳管或经TEPA改质纳米碳管时，较佳湿度范围为0-17％，更佳湿度范围为2-5％；当该吸附装置的吸附材为经TEPA改质的硅铝比60的Y型沸石时，较佳湿度范围为2-17％，最佳的湿度范围为7-8％。
由上述的具体实施例可知，本发明所提供二氧化碳吸附系统，其利用一调湿器及具吸附材的一吸附装置，可有效吸附待处理废气中的二氧化碳，同时该吸附装置中的吸附材亦可重复利用，即利用脱附作用而移除吸附材上的二氧化碳，可有效降低二氧化碳净化的成本，同时有效达成资源重复利用功效，并完成节能减碳的目的。
Claims (3)
1.一种二氧化碳的吸附系统，其特征在于，包含：
一调湿器，其用于调整一待处理废气的湿度；以及
一吸附装置，其用于提供二氧化碳吸附材以吸附该待处理废气中的二氧化碳；
该吸附材为经APTS改质纳米碳管、经TEPA改质纳米碳管或经TEPA改质的硅铝比60的Y型沸石；
当该吸附材为经APTS改质纳米碳管时，其湿度范围为2-5％；当该吸附材为经TEPA改质纳米碳管时，其湿度范围为2-5％；当该吸附材为经TEPA改质的硅铝比60的Y型沸石时，其湿度范围为7-8％。
2.如权利要求1所述的吸附系统，其特征在于，该吸附装置之内包含复数个二氧化碳吸附单元，该吸附单元为一固定床式吸附器或旋转转环式吸附器或一转轮式吸附器或流体化浮动式吸附器。
3.如权利要求2所述的吸附系统，其特征在于，当该吸附单元为该旋转转环式吸附器时，进一步包含复数个二氧化碳吸附箱块，其用于填充二氧化碳吸附材。
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