CN104014224A - 一种从混合气中分离二氧化碳的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种从混合气中分离二氧化碳的方法，步骤为：室温下将三聚氰胺、苯二甲醛同系物和溶剂加入密闭容器中，在惰性气氛下搅拌得到透明溶液并转入高压反应釜内，加入吸水剂和脱氧剂后密封高压反应釜，于烘箱中进行反应；将反应完成的高压反应釜内沉淀物过滤、洗涤、干燥后，得到吸附剂；将得到的吸附剂填装入二氧化碳吸附塔；将含二氧化碳的混合气通过二氧化碳吸附塔；降低二氧化碳吸附塔的压力，排出吸附剂内的二氧化碳。本发明使用的吸附剂具有二氧化碳吸附量大、吸附选择性高，且通过本发明方法再生容易；该吸附剂在本发明中有水汽存在情况下，仍具有良好的二氧化碳分离效果；本发明采用吸附脱附的分离方法，大大提高了分离效率。

Description

一种从混合气中分离二氧化碳的方法
技术领域
本发明涉及气体吸附与分离领域，尤其是利用变压吸附法将混合气中的二氧化碳捕集并提取的方法。
背景技术
发展二氧化碳捕集和储存技术是现有能源框架下降低全球碳排放和实现碳资源综合利用的一个有效途径。含二氧化碳的混合气主要有火力发电厂排放的烟气、煤层气、沼气及其它工业气等。
中国专利公开号为CN1107530C、CN1546207A、CN102989295A等专利公开了一种利用液态胺基溶液(如：甲醇胺等)为二氧化碳吸收剂的二氧化碳捕集方法，但该法存在胺基溶液易腐蚀吸收设备，吸收剂再生过程中溶剂易挥发及再生过程能耗大等问题。
将胺基或含胺基的分子(如聚乙烯亚胺、四乙基五胺等)嫁接到介孔材料上，制得胺基功能化介孔材料(AFMS)，大幅提高了其二氧化碳吸附容量，而且借助于胺基对二氧化碳分子的亲和力，该类材料表现出良好的二氧化碳吸附选择性(参见文献：Micropor.Mesopor.Mater.132(2010)552-558；物理化学学报23(2007)801-806；Energy Fuels16(2002)1463-1469.Adv.Funct.Mater.16(2006)1717-1722)。但二氧化碳在这类吸附材料中吸附作用力较强，吸附剂再生需要在升高温度下进行，基于变温吸附(TSA)原理的吸附分离过程能耗较高，且吸附剂再生过程中会导致材料吸附性能下降。
变压吸附(PSA)是工业生产中常用的分离技术，其原理是依靠气体组分在吸附剂上吸附和解吸特性不同，在压力周期性变化过程中实现分离。目前在吸附分离过程中常常用到的固体吸附剂是活性炭、硅胶以及分子筛等微孔材料，气体在这类吸附剂上以物理吸附为主，然而这类吸附剂作为二氧化碳吸附剂存在三方面问题：1、水蒸汽的存在会大大影响二氧化碳的吸附；2、二氧化碳吸附选择性较差；3、吸附容量低。中国专利公开号CN102125791A公开了一种废气回收二氧化碳的方法，该方法通过变压吸附(PSA)或真空-变压吸附(VPSA)实现从废气中回收二氧化碳。但该法采用活性炭为吸附剂，为消除水汽等杂质影响，废气在进入吸附分离步骤前需要预先纯化，此外吸附剂活性炭对二氧化碳吸附量低，需要较高的吸附操作压力，对二氧化碳选择性差，需要多步分离才能得到纯度较高的二氧化碳。
发明内容
本发明的目的是基于上述存在问题，提供一种从混合气中分离二氧化碳的方法，该方法是利用制备的吸附剂通过变压吸附法对混合气中的二氧化碳进行吸附解吸从而分离出二氧化碳。
本发明的一种从混合气中分离二氧化碳的方法，包括以下步骤：
1)吸附剂的制备：室温下将三聚氰胺、苯二甲醛同系物和溶剂加入密闭容器中，并在惰性气氛下进行搅拌得到透明溶液；将得到的透明溶液转入高压反应釜内，接着将不与透明溶液接触的吸水剂和脱氧剂加入到所述高压反应釜内并进行密封，将密封后的高压反应釜置于120～200℃的烘箱中反应24～96小时；将反应结束的高压反应釜内的沉淀物经过滤、洗涤、干燥后，得到产物，即密胺基多孔有机聚合物；
2)吸附剂的填装：将步骤1)得到的密胺基多孔有机聚合物吸附剂填装入二氧化碳吸附塔；
3)二氧化碳的吸附：将含二氧化碳的混合气通过步骤2)的二氧化碳吸附塔；
4)吸附剂的再生：降低完成步骤3)的二氧化碳吸附塔的压力，排出吸附剂内的二氧化碳。
进一步的，步骤1)中三聚氰胺和苯二甲醛同系物的摩尔比为2:3。
进一步的，步骤1)的透明溶液中三聚氰胺和苯二甲醛同系物的总物质的量浓度为0.2～0.8mol/L。
进一步的，步骤1)中吸水剂与三聚氰胺的质量比大于0.1，脱氧剂与三聚氰胺的质量比大于0.1；吸水剂和脱氧剂用于吸收高压反应釜内及反应过程中产生的水分和氧气，含量要保证将釜内水分和氧气均吸收完全。
进一步的，所述苯二甲醛同系物为对苯二甲醛或间苯二甲醛中的一种或两种。
进一步的，所述溶剂为二甲基亚砜、环丁砜或乙二醇中的一种。
进一步的，所述吸水剂为4A分子筛。
进一步的，所述脱氧剂为还原铁粉或抗坏血酸中的一种或两种。
本发明的一种从混合气中分离二氧化碳的方法相对于现有技术，具有如下有益效果：
1)本发明使用的吸附剂对二氧化碳吸附量大，25℃时，吸附量可达2-3mmol/g，在50℃时，吸附量仍可达1-1.5mmol/g；
2)本发明使用的吸附剂对二氧化碳吸附选择性高，从而使得采用该吸附剂从混合气中分离二氧化碳的方法分离效果好，含二氧化碳混合气体经分离后，可得二氧化碳体积分数<1％的混合气和体积分数为99％～99.9％的二氧化碳；
3)本发明通过采用二氧化碳吸附容量高和吸附选择性高的吸附剂和吸附脱附的分离方法实现了高效率的从混合气中分离二氧化碳；
4)本发明使用的吸附剂再生容易，通过降低二氧化碳吸附塔的压力即可实现吸附剂再生，不需要改变吸附塔温度；
5)本发明使用的吸附剂在有水汽存在情况下，仍具有良好的二氧化碳分离效果。
具体实施方式
下面通过实例进一步描述本发明的特征，但本发明并不局限于下述实例。
使用单吸附塔实验室规模的装置，对分离工艺方法进行了测试，预期该装置可以容易地按比例放大，并实现多塔并联使用。
实施例1：
本实施例的一种从混合气中分离二氧化碳的方法，包括如下步骤：
1)吸附剂的制备：室温下，在100mL圆底烧瓶中加入0.505g三聚氰胺、0.81g对苯二甲醛和50mL二甲基亚砜，并在氮气气氛下进行搅拌溶解得到透明溶液；将得到的透明溶液转入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内，接着在高压反应釜内放置一支架，将15g4A分子筛和2g还原铁粉放置在支架上，合上盖子并密封高压反应釜，将其置于180℃的烘箱中反应72小时；将反应结束的高压反应釜内的沉淀物经抽滤得到粗产物，用丙酮、四氢呋喃及二氯甲烷各50mL洗涤上述沉淀物，得到米黄色固体材料，再将得到的固体转移至80℃烘箱中减压干燥12小时后，得到块状密胺基多孔有机聚合物；
2)吸附剂的填装：将30～40目0.3g的密胺基多孔有机聚合物填装入内径为6mm的二氧化碳吸附塔；
3)二氧化碳的吸附：在150℃下，以流速为40ml/min的氦气预处理二氧化碳吸附塔内的密胺基多孔有机聚合物1h后，再向二氧化碳吸附塔内通入总流速为40ml/min的二氧化碳体积含量为40％的混合气，检测流出二氧化碳吸附塔的气体中二氧化碳含量低于1000ppm；
4)吸附剂的再生：步骤3)中密胺基多孔有机聚合物吸附二氧化碳饱和后降低二氧化碳吸附塔的压力，二氧化碳从吸附塔中流出，得到体积分数为99％的二氧化碳气体。
实施例2：
本实施例的一种从混合气中分离二氧化碳的方法，包括如下步骤：
1)吸附剂的制备：室温下，在100mL圆底烧瓶中加入1.01g三聚氰胺、1.62g间苯二甲醛和50mL环丁砜，并在氩气气氛下进行搅拌溶解得到透明溶液；将得到的透明溶液转入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内，接着在高压反应釜内放置一支架，将10g4A分子筛和1g抗坏血酸放置在支架上，合上盖子并密封高压反应釜，将其置于180℃的烘箱中反应72小时；将反应结束的高压反应釜内的沉淀物经抽滤得到粗产物，用丙酮、四氢呋喃及二氯甲烷各50mL洗涤上述沉淀物，得到米黄色固体材料，再将得到的固体转移至80℃烘箱中减压干燥12小时后，得到块状密胺基多孔有机聚合物；
2)吸附剂的填装：将30～40目0.3g的密胺基多孔有机聚合物填装入内径为6mm的二氧化碳吸附塔；
3)二氧化碳的吸附：在150℃下，以流速为40ml/min的氦气预处理二氧化碳吸附塔内的密胺基多孔有机聚合物1h后，再向二氧化碳吸附塔内通入总流速为40ml/min的二氧化碳体积含量为40％的混合气，检测流出二氧化碳吸附塔的气体中二氧化碳含量低于1000ppm；
4)吸附剂的再生：步骤3)中密胺基多孔有机聚合物吸附二氧化碳饱和后降低二氧化碳吸附塔的压力，二氧化碳从吸附塔中流出，得到体积分数为99％的二氧化碳气体。
实施例3：
本实施例的一种从混合气中分离二氧化碳的方法，包括如下步骤：
1)吸附剂的制备：室温下，在100mL圆底烧瓶中加入2.02g三聚氰胺、3.24g对苯二甲醛和间苯二甲醛混合物以及50mL乙二醇，并在氮气气氛下进行搅拌溶解得到透明溶液；将得到的透明溶液转入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内，接着在高压反应釜内放置一支架，将5g4A分子筛以及0.5g还原铁粉和抗坏血酸的混合物放置在支架上，合上盖子并密封高压反应釜，将其置于120℃的烘箱中反应96小时；将反应结束的高压反应釜内的沉淀物经抽滤得到粗产物，用丙酮、四氢呋喃及二氯甲烷各50mL洗涤上述沉淀物，得到米黄色固体材料，再将得到的固体转移至80℃烘箱中减压干燥12小时后，得到块状密胺基多孔有机聚合物；
2)吸附剂的填装：将30～40目0.3g的密胺基多孔有机聚合物填装入内径为6mm的二氧化碳吸附塔；
3)二氧化碳的吸附：在150℃下，以流速为40ml/min的氦气预处理二氧化碳吸附塔内的密胺基多孔有机聚合物1h后，再向二氧化碳吸附塔内通入总流速为40ml/min的二氧化碳体积含量为40％的混合气，检测流出二氧化碳吸附塔的气体中二氧化碳含量低于1000ppm；
4)吸附剂的再生：步骤3)中密胺基多孔有机聚合物吸附二氧化碳饱和后降低二氧化碳吸附塔的压力，二氧化碳从吸附塔中流出，得到体积分数为99％的二氧化碳气体。
实施例4：
本实施例的一种从混合气中分离二氧化碳的方法，包括如下步骤：
1)吸附剂的制备：室温下，在100mL圆底烧瓶中加入1.01g三聚氰胺、1.62g间苯二甲醛和50mL二甲基亚砜，并在氩气气氛下进行搅拌溶解得到透明溶液；将得到的透明溶液转入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内，接着在高压反应釜内放置一支架，将15g4A分子筛和2g抗坏血酸放置在支架上，合上盖子并密封高压反应釜，将其置于200℃的烘箱中反应24小时；将反应结束的高压反应釜内的沉淀物经抽滤得到粗产物，用丙酮、四氢呋喃及二氯甲烷各50mL洗涤上述沉淀物，得到米黄色固体材料，再将得到的固体转移至80℃烘箱中减压干燥12小时后，得到块状密胺基多孔有机聚合物；
2)吸附剂的填装：将30～40目0.3g的密胺基多孔有机聚合物填装入内径为6mm的二氧化碳吸附塔；
3)二氧化碳的吸附：在150℃下，以流速为40ml/min的氦气预处理二氧化碳吸附塔内的密胺基多孔有机聚合物1h后，再向二氧化碳吸附塔内通入总流速为40ml/min的二氧化碳体积含量为40％的混合气，检测流出二氧化碳吸附塔的气体中二氧化碳含量低于1000ppm；
4)吸附剂的再生：步骤3)中密胺基多孔有机聚合物吸附二氧化碳饱和后降低二氧化碳吸附塔的压力，二氧化碳从吸附塔中流出，得到体积分数为99％的二氧化碳气体。
实施例5：
本实施例的一种从混合气中分离二氧化碳的方法，包括如下步骤：
1)吸附剂的制备：室温下，在100mL圆底烧瓶中加入0.505g三聚氰胺、0.81g对苯二甲醛和50mL二甲基亚砜，并在氮气气氛下进行搅拌溶解得到透明溶液；将得到的透明溶液转入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内，接着在高压反应釜内放置一支架，将15g4A分子筛和2g还原铁粉放置在支架上，合上盖子并密封高压反应釜，将其置于180℃的烘箱中反应72小时；将反应结束的高压反应釜内的沉淀物经抽滤得到粗产物，用丙酮、四氢呋喃及二氯甲烷各50mL洗涤上述沉淀物，得到米黄色固体材料，再将得到的固体转移至80℃烘箱中减压干燥12小时后，得到块状密胺基多孔有机聚合物；
2)吸附剂的填装：将30～40目0.3g的密胺基多孔有机聚合物填装入内径为6mm的二氧化碳吸附塔；
3)二氧化碳的吸附：在150℃下，以流速为40ml/min的氦气预处理二氧化碳吸附塔内的密胺基多孔有机聚合物1h后，再向二氧化碳吸附塔内通入总流速为40ml/min的二氧化碳体积含量为20％的混合气，检测流出二氧化碳吸附塔的气体中二氧化碳含量低于500ppm；
4)吸附剂的再生：步骤3)中密胺基多孔有机聚合物吸附二氧化碳饱和后降低二氧化碳吸附塔的压力至500Pa，二氧化碳从吸附塔中流出，得到体积分数为99％的二氧化碳气体。
上述步骤2)-步骤4)的吸附-脱附记为一个循环，系统经过50个循环后，吸附量和分离效率没有明显下降。
以上实施例相对于现有技术，具有如下有益效果：
1)本发明使用的吸附剂对二氧化碳吸附量大，25℃时，吸附量可达2-3mmol/g，在50℃时，吸附量仍可达1-1.5mmol/g；
2)本发明使用的吸附剂对二氧化碳吸附选择性高，从而使得采用该吸附剂从混合气中分离二氧化碳的方法分离效果好，含二氧化碳混合气体经分离后，可得二氧化碳体积分数<1％的混合气和体积分数为99％～99.9％的二氧化碳；
3)本发明通过采用二氧化碳吸附容量高和吸附选择性高的吸附剂和吸附脱附的分离方法实现了高效率的从混合气中分离二氧化碳；
4)本发明使用的吸附剂再生容易，通过降低二氧化碳吸附塔的压力即可实现吸附剂再生，不需要改变吸附塔温度；
5)本发明使用的吸附剂在有水汽存在情况下，仍具有良好的二氧化碳分离效果。

Claims (9)

1.一种从混合气中分离二氧化碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)吸附剂的制备：室温下将三聚氰胺、苯二甲醛同系物和溶剂加入密闭容器中，并在惰性气氛下进行搅拌得到透明溶液；将得到的透明溶液转入高压反应釜内，接着将不与透明溶液接触的吸水剂和脱氧剂加入到所述高压反应釜内并进行密封，将密封后的高压反应釜置于120～200℃的烘箱中反应24～96小时；将反应结束的高压反应釜内的沉淀物经过滤、洗涤、干燥后，得到产物，即密胺基多孔有机聚合物；
2)吸附剂的填装：将步骤1)得到的密胺基多孔有机聚合物吸附剂填装入二氧化碳吸附塔；
3)二氧化碳的吸附：将含二氧化碳的混合气通过步骤2)的二氧化碳吸附塔；
4)吸附剂的再生：降低完成步骤3)的二氧化碳吸附塔的压力，排出吸附剂内的二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的一种从混合气中分离二氧化碳的方法，其特征在于：步骤1)中惰性气氛中的惰性气体为氮气或氩气中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种从混合气中分离二氧化碳的方法，其特征在于：步骤1)中三聚氰胺和苯二甲醛同系物的摩尔比为2:3。
4.根据权利要求1所述的一种从混合气中分离二氧化碳的方法，其特征在于：步骤1)的透明溶液中三聚氰胺和苯二甲醛同系物的总物质的量浓度为0.2～0.8mol/L。
5.根据权利要求1所述的一种从混合气中分离二氧化碳的方法，其特征在于：步骤1)中吸水剂与三聚氰胺的质量比大于0.1；脱氧剂与三聚氰胺的质量比大于0.1。
6.根据权利要求1所述的一种从混合气中分离二氧化碳的方法，其特征在于：所述苯二甲醛同系物为对苯二甲醛或间苯二甲醛中的一种或两种。
7.根据权利要求1所述的一种从混合气中分离二氧化碳的方法，其特征在于：所述溶剂为二甲基亚砜、环丁砜或乙二醇中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种从混合气中分离二氧化碳的方法，其特征在于：所述吸水剂为4A分子筛。
9.根据权利要求1所述的一种从混合气中分离二氧化碳的方法，其特征在于：所述脱氧剂为还原铁粉或抗坏血酸中的一种或两种。
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