CN106178821A - 二氧化碳吸附与回收系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种二氧化碳吸附与回收系统及方法，该二氧化碳吸附与回收系统包括进气单元、第一纯化/吸附/再生单元、第二纯化/吸附/再生单元、三向气阀切换单元、真空抽引单元及出气单元。第一及第二纯化/吸附/再生单元都具有中空纤维束不纯物吸附筒、中空纤维束二氧化碳吸附筒以及包覆于各吸附筒周围的二加热装置。其中一组吸附筒于常压或高压状态下对入口气体进行纯化及吸附程序，另一组吸附筒利用其周围的加热装置于高温环境下进行脱附再生程序。三向气阀切换单元用以交替切换纯化与吸附程序及脱附再生程序至第一及第二纯化/吸附/再生单元。真空抽引单元用以抽引来自二氧化碳吸附筒所脱附的二氧化碳。出气单元用以排出已纯化的产品气体。

Description

二氧化碳吸附与回收系统及方法
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳吸附与回收系统，且特别是涉及一种利用中空纤维做为吸附材料的二氧化碳吸附与回收系统及方法。
背景技术
二氧化碳等温室气体大量排放至大气中，不仅造成气候变迁，更会带来整体生态系统改变，影响粮食生产及水源供应等问题。世界各国对于二氧化碳排放相关法规的制定、课税以及交易等规划，除了希望提升未来再生能源的使用效益以及环境的永续发展之外，也希望石化产业的二氧化碳排放量能够逐年降低。也因此，世界各国无不致力于推动洁净能源与减少碳排放，并将捕获的二氧化碳进行回收再利用，如此不仅可以降低排放量，还可创造更高经济价值。因此，如何更有效率捕获及纯化二氧化碳，并且降低二氧化碳吸附与回收过程中不必要的能源损耗，实为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二氧化碳吸附与回收系统，利用常压或高压吸附、高温配合真空抽引进行脱附的原理反复交替操作以达到捕获二氧化碳及减少能源损耗的目的。
为达上述目的，根据本发明的一方面，提出一种二氧化碳吸附与回收系统，一种二氧化碳吸附与回收系统，包括一进气单元、一第一纯化/吸附/再生单元、一第二纯化/吸附/再生单元以及一三向气阀切换单元、一真空抽引单元以及一出气单元。第一纯化/吸附/再生单元具有一中空纤维束不纯物吸附筒、一中空纤维束二氧化碳吸附筒以及包覆于各吸附筒周围的二加热装置。第二纯化/吸附/再生单元具有另一中空纤维束不纯物吸附筒、另一中空纤维束二氧化碳吸附筒以及包覆于各吸附筒周围的另二加热装置。其中一组中空纤维束不纯物及二氧化碳吸附筒于常压或高压状态下对入口气体进行纯化程序及吸附程序，另一组中空纤维束不纯物及二氧化碳吸附筒利用其周围的加热装置于高温环境下进行脱附再生程序。三向气阀切换单元用以交替切换纯化与吸附程序及脱附再生程序至第一纯化/吸附/再生单元及第二纯化/吸附/再生单元。真空抽引单元用以抽引来自此二中空纤维束二氧化碳吸附筒所脱附的二氧化碳。出气单元用以排出已纯化的产品气体。
根据本发明的一方面，提出一种二氧化碳吸附与回收方法，包括下列步骤。利用一中空纤维束不纯物吸附筒，对一入口气体进行纯化，以吸附入口气体中不包括二氧化碳的不纯物。利用一中空纤维束二氧化碳吸附筒，对纯化后的入口气体进行吸附程序，以吸附入口气体中的二氧化碳。于高温环境下进行脱附再生程序，以回收中空纤维束二氧化碳吸附筒中脱附的二氧化碳。
附图说明
图1A及图1B分别为应用于本发明的二氧化碳吸附与回收系统中的中空纤维束吸附筒及其中空纤维材料的示意图；
图2A为中空纤维管柱的截面放大图；
图2B为图2A中内层结构的放大示意图；
图3为中空纤维与颗粒状吸附材的二氧化碳吸附曲线的比较图；
图4为本发明一实施例的二氧化碳吸附与回收系统的示意图；
图5A为对应表3中编号A1至A4的中空纤维材料的吸附反应时间与出口浓度的关系图；
图5B为对应表4中编号B1至B5的中空纤维材料的吸附反应时间与出口浓度的关系图；
图5C为对应表5中编号C1至C4的中空纤维材料的吸附反应时间与出口浓度的关系图；
图5D为对应表6中编号D1至D3的中空纤维材料的反应时间与出口浓度的关系图；
图5E为对应表7中编号E1至E3的中空纤维材料的反应时间与出口浓度的关系图。
符号说明
100：二氧化碳吸附与回收系统
105：进气单元
110：第一纯化/吸附/再生单元
111：中空纤维束吸附筒
111a：入口端
111b：出口端
113：中空纤维材料
113a：内层结构
113b：外层结构
113c：中心通道
112、131：中空纤维束不纯物吸附筒
114、132：中空纤维束二氧化碳吸附筒
121、122：加热装置
125：三向气阀切换单元
130：第二纯化/吸附/再生单元
140：真空抽引单元
141、142：加热装置
146：储气槽
150：出气单元
A：入口
B：出口
G：入口气体
S：产品气体
M：粉体
P：冲提气流
P1：第一管路
P2：第二管路
P3：第三管路
P4：再生冲提管路
O：废气出口
Vc：分流调整阀
V1：第一电磁阀
V2：第二电磁阀
V3：第三电磁阀
V4：第四电磁阀
V5：第五电磁阀
V6：第六电磁阀
V7：第七电磁阀
具体实施方式
在本发明的一范例中，提出一种二氧化碳吸附与回收系统，采用加热装置使中空纤维吸附材料在高温环境下配合真空抽引将气体脱附后再生，以避免能源损耗。相对于传统变压吸附(pressure swing adsorption,PSA)的操作方式，其产品气体损耗量大，且因为传统吸附材料的高物质传输阻抗与高压力差，操作环境必须维持在高压，因而会造成高能源损耗、高操作成本与吸附材粉化问题。此外，本实施例的二氧化碳吸附与回收系统利用加热(例如电热方式)循环再生时，所需的再生温度及时间均低于传统颗粒型吸附材料，因而能减少能源消耗与操作成本。
在本发明的一范例中，以中空纤维吸附材料取代传统颗粒状吸附材料，使本发明所设计的二氧化碳吸附与回收系统可避免传统利用颗粒状(pellet)吸附材料捕获二氧化碳于实务操作上所带来的缺点，对于二氧化碳移除率、可回收的二氧化碳纯度及低能耗的要求都有显著的提升。在本发明中，中空纤维吸附材料以高分子取代无机粘着剂所编织而成的，拥有特殊珊瑚多孔结构和高比表面积(介于2500～3500m2/m3)特性，而传统颗粒式填充所使用的多孔性吸附材料，如活性碳(activated carbon)、沸石(zeolite)、胺类修饰硅材、金属氧化物和类水滑石等，其为低比表面积(小于2500m2/m3)与低吸附/脱附速率的材料，且添加的粘着剂(binder)也会导致吸附材料本身效率的下降，因而大幅降低填充式吸附管柱的处理效率与功能。
此外，中空纤维吸附材料的固含量(adsorbent solid-content)可达90％以上，并保有高分子的可挠性，而材料的吸附位置并未如同传统吸附材料因为粘着剂(binder)的使用而被覆盖住，可以使得吸附材料具有极低的吸附阻力，吸附/脱附速率比传统颗粒状吸附材料(例如球状、圆柱状或蜂巢状等)高出二至三倍以上，且压力损失比传统填充式吸附管柱低于一百倍以上。不论是经由压力调变(pressure swing)、真空调变(vacuum swing)或温度调变(thermal swing)均可达到快速的脱附再生效果。因此，相较于传统型吸附材料，中空纤维的使用可以降低设备尺寸体积，具装填简易、操作方便等优点，也可以避免吸附材粉化问题，使用寿命更为长久。
另外，以中空纤维吸附材料为主体进行设计的二氧化碳吸附与回收系统，因其中空纤维本身具高吸附/脱附性能及高选择性，后端无需再增添气体纯化装置，即可回收高纯度的二氧化碳(纯度大于90％)，供下游二氧化碳再利用的厂商使用，因而减少回收后处理相关设备。
以下提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本发明欲保护的范围。
请参照图1A及图1B，其分别绘示应用于本发明的二氧化碳吸附与回收系统中的中空纤维束吸附筒111及其中空纤维材料113。中空纤维束吸附筒111包括一入口端111a、一出口端111b以及多个并排于入口端111a与出口端111b之间的中空纤维材料113。中空纤维材料113可为纺丝程序制成的孔洞性材料，中空纤维纺丝流程以适当有机溶剂(例如N-Methyl-2-pyrrolidone，NMP)、高分子(例如Polysulfone,PSF)以及分子筛材料(例如3A、4A、5A、13X、HiSiv1000、HiSiv3000、HiSiv6000、活性氧化铝、气凝胶、活性碳等)均匀混合，搅拌时间为1至3天不等，即完成纺丝所用的高分子生胚。接着，将脱泡后的生坯置入不锈钢压力桶中，静置约10～30分钟至不含气泡，即可进行中空纤维纺丝。
由上述纺丝程序所制备的柱状中空纤维材料，可根据所需长度尺寸进行裁切，并以适当数量的柱状中空纤维材料集结成束，置入耐压容器(例如铝制筒)中，其形式可为圆柱形、长方形、正方型等。中空纤维束吸附筒111上下两端的入口A与出口B与中空纤维材料预留适当间距，以供气流扩散之用(如图1A所示)。因此，入口气体G(例如烟气)有充足的缓冲区域，让中空纤维材料113的接触面能受入口气体G均匀冲提，使中空纤维材料都被完整利用。
再者，中空纤维材料113与中空纤维材料113前后端间的缝隙例如以耐温型硅胶密封，且中空纤维材料113与容器侧壁间的缝隙也可以耐温型硅胶密封。因此，吸附筒仅以中空纤维内部中空圆柱空间为气流通道，以提高吸附效果。当入口气体G(例如包含水气、氮气、氧气、硫化物与二氧化碳等多种类气体)流经中空纤维中心通道113c并沿着轴向前进时，由于材料的独特高选择性，可以吸附除了二氧化碳以外的所有种类气体，其气体主要流动方向与水分子等不纯物于中空纤维材料113中吸附分布型态，请参照图1B。因此，通过前端纯化程序后的入口气体G，其组成成分仅为单一种类的二氧化碳气体，接着再通过另一吸附筒中进行吸附，其内含对二氧化碳具有高选择性吸附效能的中空纤维材料(例如13X)，即可提供已纯化的产品气体。
在一实施例中，中空纤维材料113可为双层或双层以上结构。请参照图2A，其绘示中空纤维材料113的截面放大图。中空纤维材料113的内层结构113a具有细长型态的孔洞结构(finger-like structure)，而外层结构113b相对较为致密，使得双层中空纤维的机械强度优选。同时此特殊孔洞结构可以使气体容易到达中空纤维吸附材料中的吸附位置，增强吸附能力。此外，中空纤维材料113可包含导热吸附材料，其占整体材料比例5％以下。导热吸附材料包括碳黑、石墨、石墨烯、活性碳、金属粉末、金属氧化物(如氧化铜、氧化铁及BaTiO3等)、导热高分子(如聚苯胺PANI等)。另外，请参照图2B，其绘示图2A中内层结构113a的放大示意图。从图2B可以观察到分子筛(例如13X)的分布情形，分子筛粉体M均匀分散于中空纤维交织的结构中，且并未被高分子所包覆住，故仍可保有其粉体M的吸附特性。
中空纤维材料113因具有低质传阻力与高吸附量，并且其破出曲线较为陡直，可在较短的时间内达到平衡状态。请参照图3，其绘示中空纤维与颗粒状吸附材的二氧化碳吸附曲线的比较图。不管是5A或13X分子筛材料，通过中空纤维的高比表面积与多孔洞结构特性可以使得气体快速、有效地被吸附材料所吸附，而颗粒状吸附材料具低比表面积与高质传阻力，导致吸附效率不彰，吸附时间较短、吸附量低且破出曲线较为平缓。在一实施例中，在中空纤维重量40克、气体浓度3000ppm，流量1L/min的操作条件下，5A和13X中空纤维吸附筒的二氧化碳吸附量例如分别为1.41wt.％以及1.31wt.％。
此外，请参照下表1，在不同的二氧化碳浓度下进行测试，随着气体浓度的增加，中空纤维的低质传阻力特性更加明显，以100％二氧化碳的条件为例，在0.33小时吸附时间之后瞬间到达吸附平衡状态，并且吸附量由3000ppm二氧化碳条件下的1.3wt.％上升至将近11wt.％，等同于每克吸附材料可以吸附2.5毫摩尔二氧化碳。
表1、二氧化碳吸附量(浓度调控)
另外，在浓度100％的条件下，针对不同流量及不同压力进行参数调控，流量范围为1L/min～3L/min，压力为0bar以及1bar，可以看出吸附时间与流量成反比关系，当流量提升三倍，则吸附时间则为原本的三分之一。此外，在高压环境中，二氧化碳吸附量明显上升，详见下表2，当条件为流量3L/min、压力1bar时，计算后的吸附量将近24wt.％，这显示由于高压导致气体分子更能扩散至纤维内部被吸附，有效提升吸附效率。
表2、二氧化碳吸附量(流量、压力调控)
请参照表3，当入口气体包含水气、氮气与二氧化碳等多种类气体时，若未通过前处理程序对其内含的不纯物进行吸附，会对于中空纤维材料的二氧化碳吸附量有负面的影响。尤其是入口气体中水分子的含量，以二氧化碳气体浓度3000ppm为例，未经过前处理的干燥入口气体，中空纤维材料对二氧化碳的吸附时间及吸附量分别为1.38小时，1.3wt.％。然而，当入口气体为湿度80％RH的气体时，中空纤维材料对二氧化碳的吸附量下降至0.93wt.％，显见水分的存在会影响中空纤维材料对二氧化碳的吸附效能。因此，在本系统中，利用前处理中的不纯物吸附单元(例如含3A或4A分子筛的中空纤维材料)预先去除入口气体中的不纯物及水分子，由实验结果可知，后端中空纤维材料对二氧化碳的吸附量可提高至2.0wt.％以上。此外，图5A绘示对应表3中编号A1至A4的中空纤维材料的吸附反应时间与出口浓度的关系图。
表3、二氧化碳吸附量比较
编号 入口气体 前处理 吸附时间(hr) 吸附量
A1 CO2+N2 无 1.38 1.30wt.％
A2 CO2+N2+H2O 无 0.42 0.93wt.％
A3 CO2+N2+H2O 有,3A 2.1 2.05wt.％
A4 CO2+N2+H2O 有,4A 2.05 2.00wt.％
请参照表4，以中空纤维材料的高吸附/脱附性能来比较传统温度调变(TSA)与本系统所采用的真空温度调变(VTSA)的差异，利用传统温度调变来脱附二氧化碳气体，在高温(例如185℃)环境下配合长时间冲提，中空纤维材料所需的再生时间为15小时，脱附量为0.69wt.％，因此再生时间较高。利用真空温度调变来脱附二氧化碳气体，在相同的温度环境下搭配不同的真空抽引时间进行冲提，中空纤维材料仅需1分钟的抽引时间即可达到传统温度调变的脱附量的87％(0.6wt.％)，因此可大幅降低再生时间及能耗。此外，图5B绘示对应表4中编号B1至B5的中空纤维材料的吸附反应时间与出口浓度的关系图。
表4、二氧化碳脱附量比较
请参照表5，根据前述表3及表4的实验结果来比较不同入口气体(干燥气体V.S.潮湿气体)被中空纤维材料吸附并利用VTSA对吸附材料进行脱附再生后，以真空抽引单元抽引脱附的二氧化碳气体至储气槽中，并分析其各别回收率及纯度。由表5可以看出，水分不仅会影响到中空纤维材料对二氧化碳的吸附效能，回收的二氧化碳纯度也由98％降低至93％。若经过前处理预先去除入口气体中的不纯物及水分子，回收的二氧化碳纯度将由93％升高至97-98％。因此，利用本系统的前处理中不纯物吸附单元，不仅能提升二氧化碳吸附效能，同时维持高二氧化碳回收纯度，有助于后续二氧化碳再利用的相关应用。此外，图5C绘示对应表5中编号C1至C4的中空纤维材料的反应时间与出口浓度的关系图。
表5、二氧化碳回收纯度比较
编号 C1 C2 C3 C4
吸附材 13X 13X 13X+3A 13X+4A
入口气体 CO2+N2 CO2+N2+H2O CO2+N2+H2O CO2+N2+H2O
前处理 无 无 有,3A 有,4A
破出时间(hr) 1.0 0.9 1.13 1.16
吸附量(wt.％) 6.55 5.90 7.4 7.6
回收率 86％ 85％ 85％ 85％
回收纯度 98％ 93％ 97％ 98％
请参照表6，当系统中仅包含二氧化碳纯化装置(13X)时，通入干燥20％CO2气体，其二氧化碳吸附量为7.53wt.％，但是若进气成分中含有高湿度水气(100％RH)以及微量挥发性有机物(VOCs，在此以丁烷butane作为代表性气体)，可以明显发现到会影响其二氧化碳吸附量，大约为6.34wt.％左右，并且回收率跟回收纯度下降至为82％与89％。
本发明利用中空纤维纺丝技术与配方调控，可制备多功能多层结构材料，单一材料模块可同时处理多种气体成分，相较于传统二氧化碳捕获装置的前处理必须为多管批次式处理，本发明可节省处理时间并缩小设备尺寸，同时达到优异处理成效。同样以20％CO2搭配高湿水气、VOCs的进气组合，通过前处理装置可有效提升吸附量、二氧化碳回收率以及回收纯度。二氧化碳回收率跟回收纯度可提升至85％与97％。此外，图5D绘示对应表6中编号D1至D3的中空纤维材料的反应时间与出口浓度的关系图。
表6、二氧化碳回收纯度比较
请参照表7，本次实验中，二氧化碳进气浓度为5％，并且提升气体流量至10L/min。同样选用13X中空吸附材料于二氧化碳吸附及回收系统中。在2bar的操作压力下，吸附量为5.54wt.％，回收率及回收纯度分别为85％以及96％。当进气含有水气及微量丁烷时，可以明显观察到其吸附量及回收纯度均下降，显示这两种气体成分会影响二氧化碳吸附及回收系统的捕获效能，然而本发明通过前处理系统可提供有效的解决之道，提升二氧化碳吸附量、回收率及回收纯度。此外，图5E绘示对应表7中编号E1至E3的中空纤维材料的反应时间与出口浓度的关系图。
表7、二氧化碳回收纯度比较
请参照图4，其绘示依照本发明一实施例的二氧化碳吸附与回收系统100的示意图。二氧化碳吸附与回收系统100包括一进气单元105、一第一纯化/吸附/再生单元110、一第二纯化/吸附/再生单元130、一三向气阀切换单元125、一真空抽引单元140以及一出气单元150。进气单元105用以提供一入口气体G。第一纯化/吸附/再生单元110具有一中空纤维束不纯物吸附筒112、一中空纤维束二氧化碳吸附筒114以及设在各吸附筒周围的二加热装置121和122。第二纯化/吸附/再生单元130具有另一中空纤维束不纯物吸附筒131、另一中空纤维束二氧化碳吸附筒132以及设在各吸附筒周围的另二加热装置141和142。其中一组中空纤维束不纯物及二氧化碳吸附筒112和114于常压或高压状态下对入口气体G进行纯化与吸附程序，另一组中空纤维束不纯物吸附筒及中空纤维束二氧化碳吸附筒131和132利用其周围的加热装置于高温环境下进行脱附再生程序。三向气阀切换单元125用以交替切换纯化与吸附程序及脱附再生程序至第一纯化/吸附/再生单元110及第二纯化/吸附/再生单元130。真空抽引单元140连接此二中空纤维束二氧化碳吸附筒114和132，用以抽引脱附后的二氧化碳。出气单元150用以排出已纯化的气体S。
有关中空纤维束不纯物吸附筒以及中空纤维束二氧化碳吸附筒的结构，请参照图1A及图1B的中空纤维束吸附筒111的说明，其内部设有多个轴向并排的柱状中空纤维材料113，使入口气体G经由此些中空纤维材料113的中心通道113c轴向通过此些中空纤维材料113。
详言之，本系统的进气单元105可包含一空气压缩机或一送风机，而经由进气单元105抽引的入口气体G被输送至其中一中空纤维束不纯物吸附筒112或131，并利用其内的中空纤维吸附材将入口气体G中的水气、有机挥发性气体、氮氧化物、硫氧化物、氮气或氧气等非二氧化碳的气体先行进行吸附或过滤，仅让特定的气体种类(例如二氧化碳)通过，以使入口气体G被纯化。在一实施例中，中空纤维束不纯物吸附筒112及131所使用的吸附材料对于二氧化碳不具吸附能力或对二氧化碳的吸附能力差，因此仅允许吸附二氧化碳以外的气体。
另外，中空纤维束二氧化碳吸附筒114及132所使用的吸附材料对二氧化碳具有高选择性吸附能力，可于常压或高压环境下对二氧化碳进行吸附，当吸附达到饱和时，再利用加热装置于高温环境下配合抽真空以进行脱附再生程序。因此，二氧化碳可被真空抽引单元140抽引而脱附，并储存在储气槽146中，以供回收或再利用。
本系统的加热装置可采用挠曲型或固定型加热器(例如：加热带、加热包、加热片等)，并以温度感测棒监控加热温度，将信号回馈至控制器，以精确控制预设加热温度(例如150～200℃)，以避免不必要的能量损耗。如图4所示，二加热装置121和122与另二加热装置141和142交替使用，也就是说，当第一纯化/吸附/再生单元110进行脱附再生程序时，其周围的加热装置分别对中空纤维束不纯物吸附筒112及中空纤维束二氧化碳吸附筒114加热；当第一纯化/吸附/再生单元110进行纯化及吸附程序时，其周围的加热装置不对其加热，以使第一纯化/吸附/再生单元110保持在常温状态下。同样，当第二纯化/吸附/再生单元130进行脱附再生程序时，其周围的加热装置分别对中空纤维束不纯物吸附筒131及中空纤维束二氧化碳吸附筒132加热；当第二纯化/吸附/再生单元130进行纯化及吸附程序时，其周围的加热装置不对其加热，以使第二纯化/吸附/再生单元130保持在常温状态下。
另外，此二中空纤维束不纯物吸附筒112和131之间与此二中空纤维束二氧化碳吸附筒114和132例如以一隔热材(未绘示)隔离，以避免其中一组中空纤维束吸附筒再生加热时，其辐射热干扰另一组中空纤维束吸附筒进行纯化及吸附程序。再者，当其中一组中空纤维束吸附筒进行降温时，可通过气冷式风扇吸引外界空气产生热对流，以带走多余的热量，以加快冷却的时间。
请参照图4，本系统以两组中空纤维束吸附筒同时进行不同程序，并以三向气阀切换单元125交替切换两组中空纤维束吸附筒，以达连续纯化入口气体G及吸附二氧化碳的需求。如图4中箭头所示的气流方向，入口气体G由下往上进入其中一中空纤维束不纯物吸附筒112以进行纯化程序，再依序进入一中空纤维束二氧化碳吸附筒114以进行吸附程序。再生冲提气流P由出口端排出的产品气体S分流出微量比例(例如5％左右)气流至再生端，再生冲提气流P采由上至下进入另一中空纤维束不纯物吸附筒131以进行脱附再生程序。
请参照图4，本系统的三向气阀切换单元125包括依序设置于第一纯化/吸附/再生单元110的通道上的一第一电磁阀V1、一第二电磁阀V2以及一第三电磁阀V3、依序设置于第二纯化/吸附/再生单元130的通道上的一第四电磁阀V4、一第五电磁阀V5以及一第六电磁阀V6、一连接于第一电磁阀V1与第四电磁阀V4之间的第一管路P1、一连接于第二电磁阀V2与第五电磁阀V5之间的第二管路P2、一连接于第三电磁阀V3与第六电磁阀V6之间的第三管路P3、一三向连接于此二中空纤维束二氧化碳吸附筒114和132与真空抽引单元140的第七电磁阀V7以及一设置于一再生冲提管路P4上的分流调整阀Vc，其中再生冲提管路P4连接于第二管路P2与出气单元150之间。
第一电磁阀V1三向连接于进气单元105、第一管路P1与其中一中空纤维束不纯物吸附筒112之间，而第四电磁阀V4三向连接于进气单元105、第一管路P1与另一中空纤维束不纯物吸附筒131之间。此外，第二电磁阀V2三向连接于其中一中空纤维束不纯物吸附筒112、第二管路P2与其中一中空纤维束二氧化碳吸附筒114之间，而第五电磁阀V5三向连接于另一中空纤维束不纯物吸附筒131、第二管路P2与另一中空纤维束二氧化碳吸附筒132之间。另外，第三电磁阀V3三向连接于出气单元150、第三管路P3与其中一中空纤维束二氧化碳吸附筒114之间，而第六电磁阀V6三向连接于出气单元150、第三管路P3与另一中空纤维束二氧化碳吸附筒132之间。
如图4中箭头所示的气流方向，经由进气单元105进入的入口气体G，由第一电磁阀V1进入至左侧的一中空纤维束不纯物吸附筒112中，此时非二氧化碳的气体被中空纤维吸附，仅有二氧化碳气体会通过第二电磁阀V2进入至左侧的一中空纤维束二氧化碳吸附筒114中。最后，产品气体S(纯化后的气体)可经由出气单元150排出。部分产品气体S可经由分流调整阀Vc进入再生冲提管路P4，并经由第五电磁阀V5进入到右侧的一中空纤维束不纯物吸附筒131中进行再生冲提，以使含不纯物的冲提气流P可经由第四电磁阀V4排出至废气出口O。此外，欲回收的二氧化碳可利用真空抽引单元140进行抽气，以抽出右侧的一中空纤维束二氧化碳吸附筒132经加热后所脱附的二氧化碳，并使二氧化碳经由第七电磁阀V7进入至储气槽146。
由上述的说明可知，当左侧的二中空纤维束吸附筒进行纯化及吸附程序时，右侧的二中空纤维束吸附筒进行脱附再生程序。反之，当切换上述的三向电磁阀以进行逆向操作时，其流体走向与上述流体走向呈现对称相反方向。
在上述实施例中，纯化程序及吸附程序的操作温度约小于60℃，操作压力约为1～10大气压。不纯物脱附再生程序的冲提时间约为20分钟，而二氧化碳脱附再生程序利用真空温度调变(Vacuum-Temperature SwingAdsorption)方式于高温环境搭配真空抽引，进行二氧化碳脱附及回收，操作温度约150～200℃，加热时间约10～30分钟，待中空纤维束二氧化碳吸附筒的温度达到脱附所需的温度后，即开启真空抽引单元140进行抽气，抽气时间约1～5分钟，以使回收后的二氧化碳被搜集至储气槽146中。分析其回收率以及气体纯度，结果显示本系统利用中空纤维材料可达到的回收率大于85％且纯度大于90％，同时在相同条件下重复进行回收实验，效率均呈现稳定状态，验证了中空纤维材料应用于二氧化碳吸附及回收系统中的高再现性。
虽然结合以上优选实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (18)

1.一种二氧化碳吸附与回收系统，包括：
进气单元，用以提供一入口气体；
第一纯化/吸附/再生单元，具有中空纤维束不纯物吸附筒、中空纤维束二氧化碳吸附筒以及包覆于各吸附筒周围的二加热装置；
第二纯化/吸附/再生单元，具有另一中空纤维束不纯物吸附筒、另一中空纤维束二氧化碳吸附筒以及包覆于各吸附筒周围的另二加热装置，其中一组中空纤维束不纯物及二氧化碳吸附筒于常压或高压状态下对该入口气体进行纯化及吸附程序，另一组中空纤维束不纯物及二氧化碳吸附筒利用其周围的加热装置于高温环境下进行脱附再生程序；
三向气阀切换单元，用以交替切换纯化与吸附程序及脱附再生程序至该第一纯化/吸附/再生单元及该第二纯化/吸附/再生单元：
真空抽引单元，用以抽引来自该二中空纤维束二氧化碳吸附筒所脱附的二氧化碳；以及
出气单元，用以排出已纯化的产品气体。
2.如权利要求1所述的二氧化碳吸附与回收系统，其中该二中空纤维束不纯物吸附筒吸附的气体种类不包含二氧化碳。
3.如权利要求1所述的二氧化碳吸附与回收系统，其中该二中空纤维束二氧化碳吸附筒所使用的吸附材料对二氧化碳具高选择性吸附能力。
4.如权利要求1所述的二氧化碳吸附与回收系统，其中该二中空纤维束不纯物吸附筒及该二中空纤维束二氧化碳吸附筒内各设有多个轴向并排的柱状中空纤维材料，且该入口气体经由该些中空纤维材料的中心通道轴向通过该些中空纤维材料。
5.如权利要求4所述的二氧化碳吸附与回收系统，其中该些中空纤维材料的比表面积介于2500～3500m2/m3之间。
6.如权利要求4所述的二氧化碳吸附与回收系统，其中该些中空纤维材料为双层或双层以上结构。
7.如权利要求4所述的二氧化碳吸附与回收系统，其中该些中空纤维材料包含导热吸附材料。
8.如权利要求1所述的二氧化碳吸附与回收系统，其中进行脱附再生程序时，启动该真空抽引单元。
9.如权利要求1所述的二氧化碳吸附与回收系统，还包括储气槽，用以储存脱附后的二氧化碳。
10.如权利要求1所述的二氧化碳吸附与回收系统，其中纯化程序及吸附程序的操作温度小于60℃，操作压力为1～10大气压。
11.如权利要求1所述的二氧化碳吸附与回收系统，其中脱附再生程序的操作温度为150～200℃。
12.如权利要求1所述的二氧化碳吸附与回收系统，其中该三向气阀切换单元包括：
第一电磁阀、第二电磁阀以及第三电磁阀，依序设置于第一吸附/再生单元的通道上；
第四电磁阀、第五电磁阀以及第六电磁阀，依序设置于该第二吸附/再生单元的通道上；
连接于该第一电磁阀与该第四电磁阀之间的第一管路；
连接于第二电磁阀与该第五电磁阀之间的第二管路；
连接于第三电磁阀与该第六电磁阀之间的第三管路；
三向连接于该二中空纤维束二氧化碳吸附筒与该真空抽引单元的第七电磁阀；以及
设置于一再生冲提管路上的分流调整阀，其中该再生冲提管路连接于该第二管路与该出气单元之间；
其中该第一电磁阀三向连接于该进气单元、该第一管路与其中一中空纤维束不纯物吸附筒之间，而该第四电磁阀三向连接于该进气单元、该第一管路与另一中空纤维束不纯物吸附筒之间；
该第二电磁阀三向连接于其中一中空纤维束不纯物吸附筒、该第二管路与其中一中空纤维束二氧化碳吸附筒之间，而该第五电磁阀三向连接于另一中空纤维束不纯物吸附筒、该第二管路与另一中空纤维束二氧化碳吸附筒之间；
该第三电磁阀三向连接于该出气单元、该第三管路与其中一中空纤维束二氧化碳吸附筒之间，而该第六电磁阀三向连接于该出气单元、该第三管路与另一中空纤维束二氧化碳吸附筒之间。
13.如权利要求12所述的二氧化碳吸附与回收系统，其中部分该产品气体经由该分流调整阀分流以进行再生冲提。
14.一种二氧化碳吸附与回收方法，包括：
利用一中空纤维束不纯物吸附筒，对一入口气体进行纯化，以吸附该入口气体中不包括二氧化碳的不纯物；
利用一中空纤维束二氧化碳吸附筒，对纯化后的该入口气体进行吸附程序，以吸附该入口气体中的二氧化碳；以及
在高温环境下进行脱附再生程序，以回收该中空纤维束二氧化碳吸附筒中脱附的二氧化碳。
15.如权利要求14所述的二氧化碳吸附与回收方法，其中该脱附再生程序于高温环境下搭配真空抽引进行。
16.如权利要求15所述的二氧化碳吸附与回收方法，其中该脱附再生程序于高温环境下的操作温度为150～200℃，加热时间为10～30分钟，真空抽引时间为1～5分钟。
17.如权利要求14所述的二氧化碳吸附与回收方法，还包括：
利用另一中空纤维束不纯物吸附筒以及另一中空纤维束二氧化碳吸附筒，与该中空纤维束不纯物吸附筒以及该中空纤维束二氧化碳吸附筒进行交替，以切换进行纯化与吸附程序及脱附再生程序。
18.如权利要求14所述的二氧化碳吸附与回收方法，其中该入口气体中不纯物包括水气、有机挥发性气体、氮氧化物、硫氧化物、氮气或氧气。
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