CN114126746A - 用于提高传质的多孔吸附剂聚合物复合片材 - Google Patents

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Abstract

以至少一片片材形式利用吸附剂聚合物复合材料的装置和方法。所述至少一片片材可具有多个穿孔，所述穿孔有助于形成内部液体网络。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的尺寸为0.1mm至6.5mm，并且基于至少一片片材的总表面积，至少一片片材的穿孔密度为0.14％至50％。

Description

用于提高传质的多孔吸附剂聚合物复合片材
技术领域
本公开涉及如下领域：用于去除烟气中化合物和细颗粒物质的污染控制系统和方法。
背景技术
燃煤发电厂、城市垃圾焚化炉和炼油厂产生大量的气体(例如但不限于，烟气)，所述烟气含有许多种类和数量的环境污染物，例如，硫的氧化物(SO2和SO3)、氮的氧化物(NO、NO2)、汞(Hg)蒸气、以及颗粒物质(PM)。在美国，仅燃煤每年就产生约2700万吨SO2和45吨汞。因此，需要改进从工业气体(如，燃煤电厂烟气)中去除硫的氧化物、汞蒸气和细颗粒物质的控制系统和方法。
发明内容
该发明概述是各个方面的高度综述，并介绍了下面详细说明部分中进一步描述的一些概念。应通过参考整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及各权利要求来理解主题。
本发明的一些方面涉及一种装置，所述装置包括：吸附剂聚合物复合材料，其包含：吸附剂材料；以及聚合物材料，其中，吸附剂聚合物复合材料是至少一片片材的形式；其中，至少一片片材包括：第一表面；其中，第一表面构造成当具有至少一种气态组分的气流(例如但不限于烟气流)在第一表面上流动时，至少一种气态组分在吸附剂聚合物复合材料中反应，以形成至少一种液体产物；与第一表面相反的第二表面；以及多个穿孔(perforation)；其中，多个穿孔中的各个穿孔的尺寸为0.1mm至6.5mm；至少一片片材的穿孔密度为0.14％至50％；多个穿孔中的各个穿孔延伸穿过至少一片片材；至少一片片材构造成当至少一种液体产物积累在至少一片片材中时，至少一种液体产物的积累导致至少一种液体产物形成至少渗透通过多个穿孔的内部网络；内部网络的形成允许至少一种液体产物到达至少一片片材的第二表面。
在一些方面中，多个穿孔中的各个穿孔的尺寸为0.5mm至4mm。
在一些方面中，至少一片片材的穿孔密度为2％至20％。
在一些方面中，多片片材形成了多个通道，其中，所述装置构造成使得至少一种液体产物可通过多个通道中的各通道排出。
在一些方面中，多个通道包括多个相邻通道，其中，多个相邻通道中各相邻通道相连。
在一些方面中，所述装置包括交替构造的多片平坦片材和多片褶皱片材。
在一些方面中，至少一种气态组分包括如下物质中的至少一种：汞蒸气、至少一种SOx化合物、硫化氢、或它们的组合。
在一些方面中，至少一种液体产物包括如下物质中的至少一种：硫酸、液态单质硫或它们的组合。
在一些方面中，聚合物材料包括如下物质中的至少一种：聚四氟乙烯(PTFE)；聚氟乙烯丙烯(PFEP)；聚全氟丙烯酸酯(PPFA)；聚偏二氟乙烯(PVDF)；四氟乙烯、六氟丙烯-偏氟乙烯的三元共聚物(THV)；或聚三氟氯乙烯(PCFE)、或它们的组合。
在一些方面中，吸附剂材料包括如下物质中的至少一种：活性炭、硅胶、沸石或它们的组合。
在一些方面中，吸附剂聚合物复合材料还包含卤素源。
本公开的一些方面涉及一种方法，所述方法包括：获得一种装置，所述装置包括：吸附剂聚合物复合材料，其包含：吸附剂材料；以及聚合物材料，其中，吸附剂聚合物复合材料是至少一片片材的形式；其中，至少一片片材包括：第一表面；与第一表面相反的第二表面；以及多个穿孔；其中，多个穿孔中的各个穿孔的尺寸为0.1mm至6.5mm；基于至少一片片材的总表面积，至少一片片材的穿孔密度为0.14％至50％；多个穿孔中的各个穿孔延伸穿过至少一片片材；使得具有至少一种气态组合物的气流在第一表面上流动；使得至少一种气态组分在吸附剂聚合物复合材料中反应，以形成至少一种液体产物；使至少一种液体产物积累在至少一片片材内；在至少一片片材中形成至少一种液体产物的内部网络；使至少一种液体产物至少渗透通过多个穿孔；和使至少一种液体产物到达片材的第二表面。
在一些方面，所述装置包括多片片材，其中，多片片材形成了多个通道，并且所述方法包括如下步骤：使得至少一种液体产物通过多个通道中至少一个通道排放。
在一些方面中，所述方法包括如下步骤：收集来自多个通道中至少一个通道的至少一种液体产物。
附图
此处通过示例方式对本发明的一些实施方式进行描述，附图中：现在详细参考附图，所示实施方式是示例性的，并且用于对本公开实施方式进行说明性论述的目的。就此而言，结合附图的描述，如何实施本公开的实施方式对于本领域技术人员而言是显而易见的。
图1是根据本公开的至少一片片材形式的示例性吸附剂聚合物复合材料的前视图。
图2是根据本公开的至少一片片材形式的示例性吸附剂聚合物复合材料的侧视图。
图3是本公开示例性吸附剂聚合物复合材料微观结构的非限制性示例。
具体实施方式
在已经公开的那些益处和改进中，根据结合附图进行的以下描述，本公开的其他目的和优点将变得显而易见。本文公开了本公开的具体实施方式；但是，所公开的实施方式仅是可以以各种形式体现的本公开的示例。另外，关于本公开的各种实施方式给出的各实施例旨在是说明性的而非限制性的。
在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另外明确指出，否则以下术语具有本文明确关联的含义。尽管这里使用的短语在“一个实施方式中”、“在一种实施方式中”和“在一些实施方式中”不一定是指相同的实施方式。此外，本文使用的短语“在另一个/种实施方式中”和“在一些其他实施方式中”不一定是指代不同的实施方式。本公开的所有实施方式旨在是可组合的，而不脱离本公开的范围或精神。
如本文所使用的，术语“基于……”不是排他的，并且允许基于未描述的其他因素，除非上下文另外明确指出。此外，在整个说明书中，“一个”、“一种”和“该/所述”的含义包括复数指代。。“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。
本文引用的所有现有专利、出版物和测试方法都通过引用全文纳入本文。
尽管已经描述了本公开的几个实施方式，但是这些实施方式仅是说明性的而不是限制性的，并且许多修改对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。例如，本文所讨论的所有尺寸仅作为示例提供，并且意图是说明性的而非限制性的。
本公开的一些实施方式涉及包括吸附剂聚合物复合材料的装置。如本文所用，“吸附剂聚合物复合材料”定义为嵌入聚合物材料基质中的吸附剂材料。
在一些实施方式中，吸附剂聚合物复合材料的聚合物材料可以包括如下物质中的至少一种：聚氟乙烯丙烯(PFEP)；聚全氟丙烯酸酯(PPFA)；聚偏二氟乙烯(PVDF)；四氟乙烯、六氟丙烯-偏氟乙烯的三元共聚物(THV)；或聚三氟氯乙烯(PCFE)、或它们的组合。在一些实施方式中，聚合物材料包括聚四氟乙烯(PTFE)。在一些实施方式中，聚合物材料包括膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)。
在一些实施方式中，吸附剂聚合物复合材料的吸附剂材料包括如下物质中的至少一种：活性炭、煤(coal)衍生炭、褐煤(lignite)衍生炭、木材衍生炭、椰子衍生炭、硅胶、沸石或它们的任意组合。
在一些实施方式中，吸附剂聚合物复合材料还包含卤素源。在一些实施方式中，卤素源通过任意合适的技术结合入吸附剂聚合物复合材料，所述技术可以包括但不限于：吸收、浸入、吸附、混合、喷雾(sprinkling)、喷洒(spraying)、浸渍、刷涂(painting)、涂覆(coating)、离子交换或以其他方式将卤素源施加至吸附剂聚合物复合材料。在一些实施方式中，卤素源可以位于吸附剂聚合物复合材料中，例如，位于吸附剂聚合物复合材料的任意孔隙中。在一些实施方式中，卤素源可以在溶液中提供，所述溶液可在系统运行条件下原位接触吸附剂聚合物复合材料。
在一些实施方式中，吸附剂聚合物复合物的卤素源是卤素盐、单质卤素或其任意组合。在一些实施方式中，卤素源是选自如下物质的至少一种：氯化钠、氯化钾、溴化钠、溴化钾、碘化钠、碘化钾、四甲基碘化铵、四丁基碘化铵、四乙基碘化铵、四丙基碘化铵、四甲基溴化铵、四乙基溴化铵、四丙基溴化铵、四丁基溴化铵、四甲基氯化铵、四乙基氯化铵、四丙基氯化铵、四丁基氯化铵、单质碘(I2)、单质氯(Cl2)、单质溴(Br2)或其它们的任意组合。
Hardwick等人的美国专利号9827551和Lu等人的美国专利号7442352中列出了本文所述吸附剂聚合物复合物的附加构造和本文所述卤素源的附加示例，所述文献各自通过引用纳入本文中。
本公开的一些实施方式被称为“流经式”(flow by)系统，因为反应物(例如，至少一种气态组分)在包括吸附剂聚合物复合材料的装置的表面上流动(并流经)。这与“流穿式”(flow through)系统不同，在“流穿式”系统中反应物流动流动穿过催化材料。在一些实施方式中，吸附剂聚合物复合材料是至少一片片材形式的。在一些实施方式中，至少一片片材包括第一表面和与第一表面相反的第二表面。在一些实施方式中，第一表面构造成当具有至少一种气态组分的气流(例如但不限于烟气流)在至少一片片材的第一表面上流动(并流经)时，至少一种气态组分在至少一片片材的吸附剂聚合物复合材料内反应，以形成至少一种液体产物。在一些实施方式中，至少一种气态组分在至少一片片材的第一表面和第二表面上流动(并流经)。
在一些实施方式中，至少一种气态组分包括如下物质中的至少一种：汞蒸气、至少一种SOx化合物、硫化氢、或它们的组合。在一些实施方式中，至少一种液体产物包括如下物质中的至少一种：硫酸、液态单质硫或它们的组合。关于至少一种SOx化合物，SOx去除可以是复杂过程，需要输送足够的SOx、O2和H2O，以通过氧化产生H2SO4(硫酸)。为了克服SOx氧化引起的硫酸积累效应，吸附剂聚合物复合材料可以充当“反向海绵”，排出硫酸。
由于液体积累，由吸附剂聚合物复合材料形成的某些对照装置可能面临重大挑战。当液体在吸附剂聚合物复合材料内形渗透网络(percolated network)时，性能会随着时间推移而下降。最终，该网络可以变成与吸附剂聚合物复合材料的表面连续，并且进一步的液体产生迫使液体排出到吸附剂聚合物复合材料的表面。由于污染物的溶解度和扩散率较低，吸附剂聚合物复合材料的液体润湿部分的性能可能低于保持干燥的区域。因此，在一些实施方式中，吸附剂聚合物复合材料的吸附剂材料去除了最大可能量的目标污染物。
在一些实施方式中，在形成液体产物之前，至少一片片材的内部部分采用干燥颗粒形式，暴露于反应物。围绕单一颗粒，液体(如硫酸+水)薄膜可能会开始生长。在一些实施方式中，由于吸附剂聚合物复合材料的聚合物材料和吸附剂聚合物复合材料的吸附剂材料之间的相对表面能的差异，该液体(可包含酸)会优先避免接触吸附剂聚合物复合材料的聚合物部分。
在一些实施方式中，聚合物材料的表面能低于31达因/厘米。在一些实施方式中，聚合物材料的表面能低于30达因/厘米。在一些实施方式中，聚合物材料的表面能低于25达因/厘米。在一些实施方式中，聚合物材料的表面能低于20达因/厘米。在一些实施方式中，聚合物材料的表面能低于15达因/厘米。
在一些实施方式中，聚合物材料的表面能为15达因/厘米至31达因/厘米。在一些实施方式中，聚合物材料的表面能为20达因/厘米至31达因/厘米。在一些实施方式中，聚合物材料的表面能为25达因/厘米至31达因/厘米。在一些实施方式中，聚合物材料的表面能为30达因/厘米至31达因/厘米。
在一些实施方式中，聚合物材料的表面能为15达因/厘米至30达因/厘米。在一些实施方式中，聚合物材料的表面能为15达因/厘米至25达因/厘米。在一些实施方式中，聚合物材料的表面能为15达因/厘米至20达因/厘米。
在一些实施方式中，聚合物材料的表面能为20达因/厘米至25达因/厘米。
来自单一颗粒的液体会连续生长，并且当液体颗粒碰撞时，润湿区域会结合，使得吸附剂聚合物复合材料的富含聚合物的区域保持干燥，而吸附剂聚合物复合材料的吸附剂区域被润湿。如果内部产生的液压超过至少一片片材的毛细管压力，则液体网络会侵入疏水性的富含聚合物的区域(即，与吸附剂材料相比，包括相对大量的聚合物材料)。因此，可以说液体产物的渗透网络存在于吸附剂聚合物复合材料内的微观尺寸(microscale)。
在一些实施方式中，至少一片片材包括多个穿孔。如本文所用，术语“穿孔”(perforation)是指通过对至少一片片材进行钻孔、对至少一片片材进行穿孔、或对至少一片片材进行冲孔或通过任何其他机理制造的孔，至少一片片材的一部分通过所述机理变形、移位或被去除。
在一些实施方式中，多个穿孔可以通过限制吸附剂聚合物复合材料内的液压来改变内部渗透网络的发展。在一些实施方式中，内部网络的形成允许至少一种液体产物到达至少一片片材的第二表面。在一些实施方式中，通过提高由多个穿孔提供的至少一片片材的至少一个表面的有效表面积可以帮助到达第二表面。
在一些实施方式中，多个穿孔可改善通过液体网络的整体渗透，并限制制造连续渗透液体网络所需的液体量。在至少一种液体产物包含酸的实施方式中，在液体(例如，酸)积累的过程中，由于毛细管作用，多个穿孔可以填充有至少一种液体产物。该现象会促进至少一种液体(例如酸)产物到达至少一片片材的第二表面，并提供额外的表面积，用于液体(例如，酸)从吸附剂聚合物复合材料中排出。本文所述的“反向海绵”(reverse sponge)效应的提高可通过释放与液体(例如，酸)产生过程相关的液压来降低至少一种液相(其可包括酸)的饱和度。
多个穿孔的尺寸可根据目标反应的运行条件和吸附剂聚合物复合材料本身内孔的存在而变化。在一些实施方式中，穿孔进行尺寸调节，以使其完全由液相填充，并与内部液体网络连续。在一些实施方式中，多个穿孔尺寸调节为大于吸附剂聚合物复合材料内的孔或空隙。
在一些实施方式中，多个穿孔彼此间隔足够的距离，以使得内部液体网络的任何区域附近都不缺少通往附近穿孔的途径。在一些实施方式中，较大的穿孔可包括相邻穿孔之间的较大间距，而较小的穿孔可包括相邻穿孔之间的较小间距。在一些实施方式中，多个穿孔足够大，允许在降低的传质阻力的情况下，使外部液体(例如，再循环的稀H2SO4或洗涤水)进入吸附剂聚合物复合材料内的内部产生的液体网络。在一些实施方式中，这可以在至少一片片材的内部条件(例如，pH)可能影响污染物去除性能的情况下提供额外的运行控制。
在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔延伸穿过至少一片片材。在一些实施方式中，各个穿孔通过合适的操作形成，所述操作可以包括但不限于，挤压着针穿过片材，同时刺穿并顶替至少一片片材的材料。针刺操作可包括使用针刺去除至少一片片材的一部分。通常，针刺操作穿过材料并使之变形，而针穿(needle punching)操作还会去除小的材料塞料；但这两种操作都可以称为“针扎”(needling)。
在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.1mm至6.5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.2mm至6mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.3mm至5.5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.4mm至5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.5mm至4mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为1mm至4mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为2mm至4mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为3mm至4mm。
在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.1mm至6mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.1mm至5.5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.1mm至5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.1mm至4mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.1mm至3mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.1mm至2mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.1mm至1mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.1mm至0.5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.2mm至0.5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.3mm至0.5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.4mm至0.5mm。
在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.2mm至6.5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.3mm至6.5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.4mm至6.5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为0.5mm至6.5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为1mm至6.5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为2mm至6.5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为3mm至6.5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为4mm至6.5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为5mm至6.5mm。在一些实施方式中，多个穿孔中的各个穿孔的直径为6mm至6.5mm。
如本文所用，装置片材的术语“穿孔密度”按如下定义：
Figure BDA0003470577390000091
在上式中，片材中有n个穿孔，A1是第一个穿孔的开放横截面积，A2是第二个孔存在时(即，如果n>1)的开放横截面积，A3是第三个孔存在时(即，如果n>2)的开放横截面积，以及…An是第n个孔的开放横截面积。As是片材的总横截面积。在不减去各个穿孔的开放横截面积的情况下，计算片材As的总横截面积。在装置包括多个穿孔的实施方式中，通过首先使用上式以确定各片材的穿孔密度，然后计算平均值来计算装置的穿孔密度。
在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为0.14％至50％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为0.5％至50％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为1％至50％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为1.5％至50％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为2％至50％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为5％至50％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为10％至50％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为20％至50％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为30％至50％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为40％至50％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为45％至50％。
在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为0.14％至45％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为0.14％至40％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为0.14％至30％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为0.14％至20％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为0.14％至10％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为0.14％至5％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为0.14％至2％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为0.14％至1％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为0.14％至0.5％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为0.14％至0.2％。
在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为0.5％至45％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为1％至40％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为1.5％至30％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为2％至20％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为4％至10％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为6％至9％。在一些实施方式中，至少一片片材的穿孔密度为7％至8％。
在一些实施方式中，以预定图案形成穿孔。在一些实施方式中，预定图案包括在至少一片片材的区域上以均匀分布方式间隔开的穿孔。这可以允许在至少一片片材内形成均匀的内部液体网络。在一些实施方式中，预定图案在至少一片片材内均匀地组织，以确保至少一片片材内的均匀内部液体网络。一些合适的图案可以包括正方形图案、三角形紧密间隔图案、无定形图案或通常符合本文概述的穿孔密度范围的任何其他相当的图案。在一些实施方式中，预定图案包括在至少一片片材的区域上以随机分布方式间隔开的穿孔。对本文所述的至少一片片材进行穿孔的附加穿孔构造和方法可在Eves等人的WIPO公开WO/2019099025中找到，该文献通过引用全文纳入本文。
在一些实施方式中，至少一片片材构造成当至少一种液体产物积累在至少一片片材中，至少一种液体产物的积累导致至少一种液体产物形成至少渗透通过多个穿孔的内部网络。如本文所用，短语“至少渗透通过多个穿孔的内部网络”是指液体网络通过多个穿孔形成，并且任选地通过至少一片片材内的一个或多个附加开口形成。例如，当吸附剂聚合物复合材料是多孔的时候，一个或多个附加开口可以包括一个或多个孔，使得液体网络可以通过吸附剂聚合物复合材料的孔和多个穿孔形成。此外，在聚合物材料包括ePTFE的一些实施方式中，吸附剂聚合物复合材料的聚合物材料可以包括具有多根原纤维和多个节点的微结构(在下文中为“节点和原纤维微观结构”)，使得液体网络由过多根原纤维或多个节点中的至少一个形成。
在一些实施方式中，装置包括多片片材。在一些实施方式中，装置包括多片片材，所述片材形成多个通道。在一些实施方式中，多片片材构造成使得至少一种液体产物可通过多个通道中的各通道排出。在一些实施方式中，多个通道包括多个相邻通道，其中，多个相邻通道中的各个相邻通道相连。
在一些实施方式中，装置可以构造成提供高效汞捕获，其压降低于通过吸附剂聚合物复合材料的吸附剂材料的填充颗粒床获得的压降。即，该装置的多个通道可促进反应物(例如，气态组分)在至少一片片材的一个或多个表面上流动，并促进至少一种液体产物的排出。在一些实施方式中，所述装置包括交替构造的多片平坦片材和多片褶皱片材。
在一些实施方式中，褶皱片材可具有起伏形状(例如，U形和/或V形褶皱)，以保持片材之间的间距，从而限定通道的构造。在一些实施方式中，所述多片褶皱片材和所述多片平坦片材之一的至少一部分包括具有顶部边缘的片材，所述顶部边缘成一定角度，以排出在其上形成的含有液体的液滴。
在一些实施方式中，如本文所述的装置可通过将褶皱片材和平坦片材的交替层设置在在相应的多个支撑框架内来组装，其中，各支撑框架可具有至少两个相反的端部，所述端部至少部分打开以供气流从中通过。在一些实施方式中，可以使用多个支撑框架，其具有直角棱镜构造(right rectangular prism configuration)和/或斜矩形棱镜构造(oblique rectangular prism configuration)。
在这方面，直角棱镜构造框架可用于可支撑地包含褶皱片材和平坦片材的交替层，以使平坦片材层和褶皱片材层基本垂直于由所述框架的相对开放端限定的平行平面取向，所述褶皱片的褶皱基本平行于延伸穿过相对开放端的框架的中心轴取向。作为替代或附加方式，斜矩形棱镜构造框架可用于可支撑地包含褶皱片材和平坦片材的交替层，以使平坦片材层和褶皱片材层以与由所述框架的相反开放端限定的平行平面成一定角度(即，非垂直)取向，所述褶皱片的褶皱基本平行于延伸穿过相反开放端的框架的中心轴取向。
在一些实施方式中，多个框架中的至少一些可设置有从其顶部表面延伸的堆叠构件，其中，所述堆叠构件可用于限制直接堆叠在其上的另一框架的横向移动。在这方面，在一个实施方式中，可提供具有基本相同顶端形状和底端形状的多个框架，以便于堆叠，其中，多个堆叠构件设置在框架顶部表面的周围。在一些实施方式中，由多片片材形成的装置可具有挤出的嵌合2D几何结构，例如，其可提供“蜂窝”形状。
由如本文所述多片片材形成的装置的附加构造可在Starks等人的美国专利号9,381,459中找到，该文献通过引用全文纳入本文。
本公开的一些实施方式涉及一种方法，所述方法包括如下步骤：使得具有至少一种气态组分的气流(例如，但不限于烟气流)在第一表面上流动。在一些实施方式中，所述方法包括：使得至少一种气态组分在吸附剂聚合物复合材料中反应，以形成至少一种液体产物。在一些实施方式中，所述方法包括：使至少一种液体产物积累在至少一片片材中。在一些实施方式中，所述方法包括：使至少一种液体产物至少渗透通过多个穿孔，以允许至少一种液体产物在至少一片片材内形成内部网络。在一些实施方式中，所述方法包括：使至少一种液体产物流动至片材的第二表面。在一些实施方式中，所述方法包括：使得至少一种液体产物通过多个通道中的至少一个通道排出。在一些实施方式中，所述方法包括：收集来自多个通道中的至少一个通道的至少一种液体产物。
本公开的示例性实施方式显示于图1。如图所示，示例性装置包括吸附剂聚合物复合材料102的至少一片片材。至少一片片材包括多个穿孔103。
如图2的示例性实施方式所示，气流101可以是烟气流，其在至少一片片材上流动，所述片材包括多个穿孔103。多个穿孔中的每一个从至少一片片材的第一表面延伸通过至少一片片材而延伸到第二表面。气流101中的污染物在吸附剂聚合物复合材料102内反应，在运行条件下形成至少一种液体产物。液体产物的积累形成了内部渗透液体网络104。如105处所示的液体产物所示，该内部渗透网络104进行生长，直至到达至少一片片材的第二表面。如106处所示，由于本文所述的“反向海绵效应”，一些液体产物仍然可以到达片材未穿孔部分的第二表面。如107处的虚线箭头所示，至少一种液体产物一旦形成，就可以沿着至少一片片材的第二表面向下流动。
吸附剂聚合物复合材料102的非限制示例显示于图3中。如图所示，在一些实施方式中，吸附剂聚合物复合材料102的微观结构可以包括嵌入聚合物材料108基质中的吸附剂材料109的颗粒。在一些非限制性实施方式中，吸附剂材料109的颗粒是活性炭颗粒。在一些非限制性实施方式中，聚合物材料108是PTFE(例如但不限于ePTFE)，并且基质是聚合物材料108的结点和原纤维微观结构。
实施例
测试方法：使用以下设备进行Hg和SO2去除的试验，所述设备包括：(1)由吹风机调节的空气供应。气流的湿度水平通过流动穿过加湿体系(包括气体预热器和加热的加湿室)进行控制。(2)通过使小氮气吹扫流动通过放置在温控珠浴中的液态汞的容器而产生的汞供应。(3)来自SO2发生体系的SO2供应。SO2是由浓硫酸与焦亚硫酸钠溶液混合产生的，焦亚硫酸钠溶液通过小氮气吹扫输送。(4)气体混合区，其中，气体流、增湿空气与汞和SO2供应流混合；(5)样品池，其装有在样品前后的气体取样口，并位于烘箱中；和(6)测量总汞的汞分析仪中(气体采样管线流动通过氯化亚锡/HCl起泡器，以在分析仪之前将任何氧化的汞转化为单质汞)；(7)SO2检测分析仪。
效率记录为入口汞水平(绕过样品)和出口汞水平(穿行通过样品)之间的差值。百分比效率定义如下:效率％＝100x[浓度(入口)–浓度(出口))/[浓度(入口)]
实施例1：吸附剂聚合物复合材料(SPC)的样品片材使用美国专利号7791861中所述的一般干混方法制备，以形成复合样品，所述复合样品随后根据授予戈尔公司(Gore)的美国专利号3953566的教导进行单轴膨胀。SPC材料的样品片材包含65份活性炭、20份PTFE和10份四丁基碘化铵(TBAI)形式的卤素源。
使用北卡罗莱纳州iPS公司的旋转工具对样品SPC片材进行穿孔，以获得穿孔的SPC样品片材(在下文中称为“样品1”)，其穿孔直径和穿孔密度如下表1所示。
以与样品1相同的方式制备对照样品SPC片材(在下文中称为“样品2”)，但其未穿孔。
包括Hg和SO2蒸气的气流“流经”样品1和样品2片材的至少一个表面，而样品1和样品2各表面均以垂直构造取向。气流的气体表面速度为3.6米/秒，气流中的SO2浓度为150体积ppm(体积百万分之一,volumetric parts per million)。汞蒸气浓度为低于10010μg/cm3的标称浓度。按照“测试方法”部分中所述，对汞蒸气和SO2去除效率进行测试并计算。
穿孔密度和穿孔直径的结果示例性效果如下表1所示。
表1
Figure BDA0003470577390000141
如上述结果所示，相对于匹配的未穿孔样品装置，具有本公开范围内穿孔尺寸和穿孔密度的样品装置在SO2去除和汞去除方面提供了更高的性能。
实施例1中由于穿孔导致的去除效率百分比增加(即，样品1和对比样品2的比较)按如下计算：增加％＝100x[RE％(穿孔)-RE％(未穿孔)]/[RE％(未穿孔))]。
通过上述计算，穿孔直径为1mm且穿孔密度为5.5％的示例性样品装置提供的SO2去除效率比匹配的未穿孔样品装置高16.8％。此外，穿孔直径为1mm且穿孔密度为5.5％的示例性样品装置提供的汞去除效率比匹配的未穿孔样品装置高4.0％。
尽管已经描述了本公开的几个实施方式，但是这些实施方式仅是说明性的而不是限制性的，并且许多修改对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。例如，本文所讨论的所有尺寸仅作为示例提供，并且意图是说明性的而非限制性的。

Claims (15)

1.一种装置，所述装置包括：
吸附剂聚合物复合材料，其包含：吸附剂材料；以及聚合物材料，其中所述吸附剂聚合物复合材料是至少一片片材的形式；
其中，所述至少一片片材包括：
第一表面；
其中，第一表面构造成当具有至少一种气态组分的气流在第一表面上流动时，所述至少一种气态组分在吸附剂聚合物复合材料内反应，以形成至少一种液体产物；
与第一表面相反的第二表面；以及
多个穿孔；
其中，多个穿孔中的各个穿孔的尺寸为0.1mm至6.5mm；
至少一片片材的穿孔密度为0.14％至50％；
多个穿孔中的各个穿孔延伸穿过所述至少一片片材；
所述至少一片片材构造成当至少一种液体产物积累在至少一片片材中时，所述至少一种液体产物的积累导致至少一种液体产物形成至少渗透通过多个穿孔的内部网络；
内部网络的形成允许至少一种液体产物到达至少一片片材的第二表面。
2.如权利要求1所述的装置，其中，多个穿孔中的各个穿孔的尺寸为0.5mm至4mm。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中，至少一片片材的穿孔密度为2％至20％。
4.如前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置包括多片片材，其中，多片片材形成了多个通道，装置构造成使得至少一种液体产物能够通过多个通道中的各个通道排出。
5.如权利要求4所述的装置，其中，多个通道包括多个相邻通道，其中，多个相邻通道中各相邻通道相连。
6.如权利要求4或5所述的装置，其中，所述装置包括交替构造的多片平坦片材和多片褶皱片材。
7.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，至少一种气态成分包括如下物质中的至少一种：汞蒸气、至少一种SOx化合物、硫化氢、或它们的组合。
8.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，至少一种液体产物包括如下物质中的至少一种：硫酸、液态单质硫或它们的组合。
9.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，聚合物材料包括如下物质中的至少一种：聚四氟乙烯(PTFE)；聚氟乙烯丙烯(PFEP)；聚全氟丙烯酸酯(PPFA)；聚偏二氟乙烯(PVDF)；四氟乙烯、六氟丙烯-偏氟乙烯的三元共聚物(THV)；聚三氟氯乙烯(PCFE)、或它们的组合。
10.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，吸附剂材料包括如下物质中的至少一种：活性炭、硅胶、沸石或它们的组合。
11.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，吸附剂聚合物复合材料还包含卤素源。
12.一种方法，所述方法包括：
获得一种装置，所述装置包括：
吸附剂聚合物复合材料，其包含：吸附剂材料；以及聚合物材，其中，吸附剂聚合物复合材料是至少一片片材的形式；
其中，至少一片片材包括：
第一表面；
与第一表面相反的第二表面；以及
多个穿孔；
其中，多个穿孔中的各个穿孔的尺寸为0.1mm至6.5mm；
基于至少一片片材的总表面积，至少一片片材的穿孔密度为0.14％至50％；
多个穿孔中的各个穿孔延伸穿过至少一片片材；
使得具有至少一种气态组合物的气流在第一表面上流动；
使得至少一种气态组分在吸附剂聚合物复合材料中反应，以形成至少一种液体产物；
使至少一种液体产物积累在至少一片片材内；
在至少一片片材中形成至少一种液体产物的内部网络；
使至少一种液体产物至少渗透通过多个穿孔；和
使至少一种液体产物到达片材的第二表面。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述装置包括多片片材，多片片材形成多个相邻通道，所述方法包括如下步骤：
使得至少一种液体产物通过多个通道中的至少一个通道排出。
14.如权利要求12或13所述的方法，所述方法还包括如下步骤：收集来自多个通道中至少一个通道的至少一种最终液体产物。
15.如权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，气流是烟气流。
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