CN114522505A - 一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统，包括依次连通的流量计、填充有胺负载固体吸附剂的吸附管、扩口管、气泵、缩口管、三通阀；其中三通阀另外两个端口分别与气体收集袋、排空管相连通。与现有技术相比，本发明利用设于吸附管内的固体吸附剂对空气中的二氧化碳进行捕集；具体的，吸附剂为一种基于胺负载固体吸附剂，放置于吸附管中，管内的整流网和挡板可以防止吸附剂被带出吸附管；同时本发明利用加热将吸附剂吸附的二氧化碳解吸出来，操作简便。

Description

一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统
技术领域
本发明属于气体吸附装置技术领域，涉及一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统。
背景技术
要实现碳中和目标负排放技术必不可少，负排放技术有二氧化碳直接空气捕集(DAC)和传统的碳捕集技术(CCUS)。DAC技术相较于传统的碳捕集技术更加灵活，传统的CCS技术只能改造现有的电厂，或应用于其他的固定排放源，耗费大量资源，而DAC系统可以直接应用于如汽车，货船等移动的碳排放源，而这些移动的碳排放源也占了碳排放很大的比重，成本较低。由于可以用于捕集大气环境中历史积累的CO2，同时吸收效率较高，所以具有独到的优势。
中国专利CN 112169537 A公开了一种快速变温吸附式直接空气二氧化碳捕集系统及方法，其利用转轮结构实现连续的二氧化碳的直接空气吸附和脱附。该文献存在结构相对复杂，吸附脱附温差不宜过大等缺点。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统，包括依次连通的流量计、填充有胺负载固体吸附剂的吸附管、扩口管、气泵、缩口管、三通阀；
所述的三通阀另外两个端口分别与气体收集袋、排空管相连通。
进一步地，所述的吸附管外设有加热套。
进一步地，所述的吸附管包括平置的管体、开设于管体两端的进气口与出气口、设于管体内底部的固体吸附剂容纳槽，以及设于管体内两端的进气分布组件与出气挡板组件；
所述的固体吸附剂容纳槽位于进气分布组件与出气挡板组件之间，并与进气分布组件、出气挡板组件、管体内侧壁相互合围形成固体吸附剂容纳腔，所述的胺负载固体吸附剂填充于该固体吸附剂容纳腔内。
进一步地，所述的固体吸附剂容纳槽的前侧壁与后侧壁分别倾斜设置，使得固体吸附剂容纳槽的轴截面呈倒梯形。
进一步地，所述的进气分布组件包括沿气体流动方向一前一后并列设置的第一整流网板与第二整流网板，所述的第一整流网板与第二整流网板分别开设有多个气体分布孔；
所述的第一整流网板上的多个气体分布孔与第二整流网板的多个气体分布孔交错设置。
进一步地，所述的固体吸附剂容纳槽的前端边缘与管体侧壁之间形成固体吸附剂容纳腔进气口，所述的第一整流网板装配于该进气口处；
所述的第二整流网板的底端与固体吸附剂容纳槽的前侧壁之间设有供胺负载固体吸附剂通过的间隙；
所述的第一整流网板的内侧壁上设有与气体分布孔相连通，并沿轴向延伸的防漏护套。
进一步地，所述的出气挡板组件包括沿气体流动方向一前一后并列设置的第一出口挡板与第二出口挡板；
所述的第一出口挡板从管体侧壁顶部平行于管体径向向固体吸附剂容纳槽的后侧壁延伸，并与固体吸附剂容纳槽的后侧壁之间设有间隙；
所述的第二出口挡板从固体吸附剂容纳槽的后端边缘向管体侧壁顶部向前倾斜延伸。
进一步地，所述的扩口管呈圆台状，进口直径为1-1.5cm，出口直径为12-15cm，高度为20-30cm。
进一步地，所述的缩口管呈圆台状，进口直径为12-15cm，出口直径为1-1.5cm，高度为5-10cm。
进一步地，所述的系统还包括分别与气泵及加热套电连接的太阳能电源。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明在气泵与进气管道的连接处，采用扩张角度小于70°的扩口管进行连接，降低渐扩圆管的局部损失，保证系统内的气体流速，以及对待测气体处理效率；
2)本发明利用设于吸附管内的固体吸附剂对空气中的二氧化碳进行捕集；具体的，吸附剂为一种基于胺负载固体吸附剂，放置于吸附管中，管内的整流网和挡板可以防止吸附剂被带出吸附管；同时本发明利用加热将吸附剂吸附的二氧化碳解吸出来，操作简便；
3)在能源供应，本发明采用太阳能供电，可以极大降低装置的能耗成本，实现零排放，有利于获得更大的经济效益，为吸附的二氧化碳创造商业价值。
附图说明
图1为实施例中一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统的结构示意图；
图2为实施例中吸附管与加热套装配示意图；
图3为实施例中吸附管的轴截面示意图；
图中标记说明：
1-流量计、2-吸附管、201-管体、202-进气口、203-出气口、204-固体吸附剂容纳槽、205-第一整流网板、206-第二整流网板、207-气体分布孔、208-防漏护套、 209-第一出口挡板、210-第二出口挡板、3-扩口管、4-气泵、5-缩口管、6-三通阀、 7-气体收集袋、8-加热套。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例：
如图1、图2所示的一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统，包括依次连通的流量计1、填充有胺负载固体吸附剂的吸附管2、扩口管3、气泵4、缩口管5、三通阀6；其中三通阀6另外两个端口分别与气体收集袋7、排空管相连通；吸附管2外还设有加热套8。
其中，流量计1用来测量并显示进入系统的待测气体流速，具体的，本实施例中流量计1的量程为0-10L/min。
本实施例中的胺负载固体吸附剂的制备方法参照：文献(Pang,S.H.,Lively,R.P.&Jones,C.W.Oxidatively-Stable Linear Poly(propylenimine)-ContainingAdsorbents for CO2 Capture from Ultradilute Streams.ChemSusChem 11,2628–2637(2018).)，以及文献(Pang,S.H.,Lee,L.-C.,Sakwa-Novak,M.A.,Lively,R.P.& Jones,C.W.Design of Aminopolymer Structure to Enhance Performance and Stability ofCO2 Sorbents:Poly(propylenimine)vs Poly(ethylenimine).J.Am.Chem.Soc.139,3627–3630(2017))。
具体包括以下步骤：
1)SBA-15的制备：
将24g模版剂Pluronic P123溶解在636g去离子水和120ml 12.1M HCl的混合溶液中，并在25℃下以1000rpm的速度剧烈搅拌3小时。然后将溶液加热至40℃，然后逐滴加入46.6g硅酸四乙酯(TEOS)并以1000rpm的速度搅拌20h。之后，将溶液加热至100℃并保持24小时。过滤沉淀物，用400mL去离子水洗涤，并在 75℃下干燥12小时。最后，在550℃下煅烧12h得到SBA-15。
2)胺负载SBA-15的制备：
将0.4mg的聚乙烯亚胺(TEPA)和0.1mg的乙二醇铵(DEA)溶于10mL甲醇中，800rpm搅拌1h。然后加入0.5mg的干燥SBA-15并搅拌6小时。之后，将悬浮液蒸发，收集剩余的固体粉末并在25℃的真空(<20mTorr)中干燥以获得 40wt％TEPA+10wt％DEA混合多胺官能化SBA-15吸附剂。
其中，非离子表面活性模板剂聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(Poly(ethyleneglycol)-blockpoly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol)，PEG-PPG-PEG)，盐酸由通用试剂(General-reagent)公司生产，HCl含量为36％-38％；硅酸四乙酯 (TEOS)购买自上海麦克林生化科技有限公司，纯度高于99％，相对分子质量为 208.33。聚乙烯亚胺(Polyethylenimine,branched)，由西格玛奥德里奇 (Sigma-Aldrich)公司生产，平均相对分子质量Mn为600；二乙醇胺(2,2二羟基二乙胺)DEA，购买于梯希爱(上海)化成工业发展有限公司；浸渍法所用溶剂甲醇购买自上海麦克林生化科技有限公司，纯度为分析纯度。
吸附时，调整三通阀6使得流量计1、吸附管2、扩口管3、气泵4、缩口管5、三通阀6、排空管依次连通，并作为吸附流路，在气泵4的抽吸作用下，使吸附管 2内产生负压，从而将待测气体从流量计1的进气口处吸入，在流经吸附管2时，二氧化碳气体被胺负载固体吸附剂充分吸收，浓度降低，吸附处理后的气体则从排空管排入大气。
脱附时，关闭流量计1进气口，调整三通阀6使得流量计1、吸附管2、扩口管3、气泵4、缩口管5、三通阀6、气体收集袋7依次连通，并作为脱附流路，启动加热套8将吸附管2加热至设定温度，在气泵4的引风作用下，在吸附管2内产生负压，使二氧化碳气体从胺负载固体吸附剂上脱附，并汇集封存于气体收集袋7 中，以备重复利用，或进行吸附气量与二氧化碳浓度的检测，从而实现对待测气体中二氧化碳浓度的检测，为判断输出给环境的空气中二氧化碳浓度是否低于标准值，提供依据。具体的，加热套8可将吸附管2最高加热至200℃。
如图3所示，吸附管2包括平置的管体201、开设于管体201两端的进气口202 与出气口203、设于管体201内底部的固体吸附剂容纳槽204，以及设于管体201 内两端的进气分布组件与出气挡板组件。
其中，固体吸附剂容纳槽204位于进气分布组件与出气挡板组件之间，并与进气分布组件、出气挡板组件、管体201内侧壁相互合围形成固体吸附剂容纳腔，胺负载固体吸附剂填充于该固体吸附剂容纳腔内。
针对吸附剂未成型不便于放置的缺陷，本实施例对吸附管2内部结构进行进一步设计，具体包括：
固体吸附剂容纳槽204的前侧壁与后侧壁分别倾斜设置，使得固体吸附剂容纳槽204的轴截面呈倒梯形。将固体吸附剂容纳槽204的轴向截面设计为倒梯形，以避免吸附剂集中在进气侧或出气侧，避免堵塞管路。
进气分布组件包括沿气体流动方向一前一后并列设置的第一整流网板205与第二整流网板206，第一整流网板205与第二整流网板206分别开设有多个气体分布孔207；并且第一整流网板205上的多个气体分布孔207与第二整流网板206的多个气体分布孔207交错设置，以使待测气体在管体201内分布更加均匀而不集中，从而避免气路死角，提高对吸附剂的利用率。
固体吸附剂容纳槽204的前端边缘与管体201侧壁之间形成固体吸附剂容纳腔进气口，第一整流网板205装配于该进气口处；第二整流网板206的底端与固体吸附剂容纳槽204的前侧壁之间设有供胺负载固体吸附剂通过的间隙；第一整流网板 205的内侧壁上设有与气体分布孔207相连通，并沿轴向延伸的防漏护套208。通过上述间隙与防漏护套208以防止气体回流时将固体吸附剂带出管外。
出气挡板组件包括沿气体流动方向一前一后并列设置的第一出口挡板209与第二出口挡板210；第一出口挡板209从管体201侧壁顶部平行于管体201径向向固体吸附剂容纳槽204的后侧壁延伸，并与固体吸附剂容纳槽204的后侧壁之间设有间隙；第二出口挡板210从固体吸附剂容纳槽204的后端边缘向管体201侧壁顶部向前倾斜延伸。第一出口挡板209开口在下，并对固体吸附剂进行初步拦截，第二出口挡板210倾斜设置且开口在上，通过一前一后的挡板布置方式，以及一上一下的开口布置方式，以进一步确保吸附剂不会被气流带出管外。
根据流体力学中流体在管道流动时的受阻动能损失原理，本实施例还对气泵4 进口管与出口管进行设计，包括将进口管设计为圆台状的扩口管3，进口直径为 1.3cm，出口直径为14.5cm，高度为25cm。出口管设计为圆台状缩口管5，进口直径为14.5cm，出口直径为1.3cm，高度为7cm。
此外，本实施例还包括与气泵4及加热套8电连接的太阳能电源，用于提供气泵4运转的电能。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统，其特征在于，该系统包括依次连通的流量计(1)、填充有胺负载固体吸附剂的吸附管(2)、扩口管(3)、气泵(4)、缩口管(5)、三通阀(6)；
所述的三通阀(6)另外两个端口分别与气体收集袋(7)、排空管相连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述的吸附管(2)外设有加热套(8)。
3.根据权利要求1所述的一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述的吸附管(2)包括平置的管体(201)、开设于管体(201)两端的进气口(202)与出气口(203)、设于管体(201)内底部的固体吸附剂容纳槽(204)，以及设于管体(201)内两端的进气分布组件与出气挡板组件；
所述的固体吸附剂容纳槽(204)位于进气分布组件与出气挡板组件之间，并与进气分布组件、出气挡板组件、管体(201)内侧壁相互合围形成固体吸附剂容纳腔，所述的胺负载固体吸附剂填充于该固体吸附剂容纳腔内。
4.根据权利要求3所述的一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述的固体吸附剂容纳槽(204)的前侧壁与后侧壁分别倾斜设置，使得固体吸附剂容纳槽(204)的轴截面呈倒梯形。
5.根据权利要求4所述的一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述的进气分布组件包括沿气体流动方向一前一后并列设置的第一整流网板(205)与第二整流网板(206)，所述的第一整流网板(205)与第二整流网板(206)分别开设有多个气体分布孔(207)；
所述的第一整流网板(205)上的多个气体分布孔(207)与第二整流网板(206)的多个气体分布孔(207)交错设置。
6.根据权利要求5所述的一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述的固体吸附剂容纳槽(204)的前端边缘与管体(201)侧壁之间形成固体吸附剂容纳腔进气口，所述的第一整流网板(205)装配于该进气口处；
所述的第二整流网板(206)的底端与固体吸附剂容纳槽(204)的前侧壁之间设有供胺负载固体吸附剂通过的间隙；
所述的第一整流网板(205)的内侧壁上设有与气体分布孔(207)相连通，并沿轴向延伸的防漏护套(208)。
7.根据权利要求4所述的一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述的出气挡板组件包括沿气体流动方向一前一后并列设置的第一出口挡板(209)与第二出口挡板(210)；
所述的第一出口挡板(209)从管体(201)侧壁顶部平行于管体(201)径向向固体吸附剂容纳槽(204)的后侧壁延伸，并与固体吸附剂容纳槽(204)的后侧壁之间设有间隙；
所述的第二出口挡板(210)从固体吸附剂容纳槽(204)的后端边缘向管体(201)侧壁顶部向前倾斜延伸。
8.根据权利要求1所述的一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述的扩口管(3)呈圆台状，进口直径为1-1.5cm，出口直径为12-15cm，高度为20-30cm。
9.根据权利要求1所述的一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述的缩口管(5)呈圆台状，进口直径为12-15cm，出口直径为1-1.5cm，高度为5-10cm。
10.根据权利要求1所述的一种基于胺负载固体吸附剂的直接空气二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述的系统还包括分别与气泵(4)及加热套(8)电连接的太阳能电源。
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