CN116157189A - 用于从空气直接捕获二氧化碳的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明基于表面吸附用于从空气捕获CO2分子的用途，而不要需要在吸着剂的本体内的本体吸附。因为表面吸附是比本体吸附快得多的过程，因为表面吸附是比本体吸附快得多的过程，因此本发明与常规系统相比提供了大大增加的CO2捕获速率，以及大大改善的能量效率。本发明涉及分子单层的CO2吸着剂的用途、使用这样的分子单层的CO2吸着剂的用于从空气捕获CO2的方法和系统。

Description

用于从空气直接捕获二氧化碳的装置和方法
发明领域
本发明属于二氧化碳捕获的领域，尤其属于从空气直接捕获二氧化碳的领域。本发明涉及从空气直接捕获二氧化碳的装置和方法，以及涉及利用分子单层的CO2吸着剂从空气中捕获CO2的用途。
背景技术
近来已经发展了许多方法，只在减少人类的二氧化碳足迹，其中对于全球变暖负责的主要的温室气体CO2被用作有用的产品的给料。令人啼笑皆非的是，这些新兴技术受到CO2的有限获得的阻碍。已经发展了从富含CO2的气体如工业烟道气中捕获CO2的方法，但是无法满足对于CO2的需求。此外，这样的方法可以降低CO2向环境中的排出，在环境中已经存在的CO2的浓度不受影响。因此，对于从空气直接捕获CO2存在需要，其会降低环境中的CO2浓度并且提供进一步可更新的CO2来源。
目前已知的用于从空气捕获CO2的装置和方法具有非常低的效率，鉴于在空气中低的CO2浓度，因而这对于这样的方法的经济生存能力非常有害。已有方法的概览有如下：采用化学品的CO2直接空气捕获-为APS公共事务合议组的技术评估(Direct Air Captureof CO2 with chemicals-Atechnology assessment for the APS panel on publicaffairs)，2011年6月1日，美国物理学会物理(APS Physics)(https://www.aps.org/policy/reports/assessments/upload/dac2011.pdf)以及Sanz-Pérez等，Chem.Rev.2016，116，11840-11876。
碳工程发展了一种系统，其中将CO2吸着剂溶解在水性薄膜中。空气通过该膜(厚度50μm)，其后将它传送到再生单元，在那里将CO2从溶液中的吸着剂解吸。该薄膜确保仅需要小的压力差来使得空气能够与CO2吸着剂接触。然而，这种系统的大的不利方面是的溶解的吸着剂(dissolved sorbent)的再生耗能巨大。需要高温，这导致高的运行成本。
还已知的是流化床反应器，参见例如Zhang等，Chemical Engineering Science，2014，116，第306-316页。将空气吹送通过含有多孔颗粒的床，其中孔已被CO2吸着剂所覆盖。因为与通过颗粒的内部相比，空气将更容易通过颗粒之间，所以在空气与吸着剂之间的有效接触时间大大低于空气在床中的实际停留时间。为了确保空气与CO2吸着剂之间的充足接触时间，典型地需要约7米的床高度，意味着需要努力迫使空气通过这种巨大的塔，即需要高的压力差来使空气通过塔，这是耗能密集型的。
WO 2015/103401描述了一种用于从气体混合物移除二氧化碳的系统，该系统包括两组二氧化碳移除结构，每个组中的每个移除结构都包括被支持在该结构上的多孔固体基板，每个多孔基板具有被支持在它的表面上的吸着剂，吸着剂能够吸附二氧化碳或与二氧化碳结合，以从气体混合物移除二氧化碳。
WO 2015/006259描述了一种用于从气体流分离CO2的方法，包括将气体流通过吸附CO2的吸着剂上，以及通过变浓度吸附和吸附置换来回收CO2。该方法不依赖于变温度吸附。吸着剂可以包含碱化的基底。
针对从空气快速且高效地直接捕获的需要，本发明提供了使得与当前的CO2捕获方法相关的时间和能量最小化。
发明概述
发明人已经开发了一种系统，其能够使用CO2吸着剂的表面吸附，而不是利用在吸着剂的本体内的本体吸附。发现了CO2分子高效地结合到固态CO2吸着剂的表面。因为表面吸附是比本体吸附快得多的过程，因此本发明与常规系统相比提供了大大增加的CO2捕获速率，以及大大改善的能量效率。
发明人已经发展了用于从空气直接捕获CO2的用途、装置和方法。本发明可以根据以下优选实施方案的清单来限定：
1.分子单层的CO2吸着剂用于从空气捕获CO2的用途，其中所述吸着剂覆盖到多孔支持体的孔壁上。
2.根据实施方案1所述的用途，其中CO2吸着经由表面吸附发生并且不经由本体吸附发生。
3.根据实施方案1或2所述的用途，其中所述吸着剂覆盖在微孔性支持体上。
4.根据在前实施方案中任一项所述的用途，其中所述支持体含有具有在1-10nm的范围内的直径和在1-10μm的范围内的长度的针形孔，其中所述孔的表面覆盖有所述吸着剂，而中央部分没有吸着剂并且是开放的以接纳气体分子。
5.根据在前实施方案中任一项所述的用途，其中所述多孔支持体包含在微孔性结构的顶部上形成层的大孔性结构，优选其中所述大孔性结构是多个箔的三明治结构或是蜂窝结构。
6.根据实施方案5所述的用途，其中将空气引导经过所述大孔性结构以使得空气流垂直于所述微孔性结构的微孔并且CO2分子扩散进入孔的内部，在那里它们被吸附到所述吸着剂上。
7.一种用于从空气捕获CO2的方法，包括：
(i)提供在微孔性结构的表面上方通过吸着室的空气流以获得CO2耗尽的空气和有负载的CO2吸着剂，所述微孔性结构含有覆盖在孔的内部表面上的分子单层的CO2吸着剂；
(ii)将含有所述有负载的CO2吸着剂的所述微孔性结构从所述吸着室移动到再生室；
(iii)在所述再生室处将所述CO2吸着剂再生以获得包含CO2和再生的CO2吸着剂的产物流。
8.根据实施方案7所述的方法，其中所述方法还包含：
(iv)将含有所述再生的CO2吸着剂的所述微孔性结构从所述再生室移动到所述吸着室；
以及其中将步骤(i)-(iv)重复。
9.根据实施方案7或8所述的方法，其中循环时间对于步骤(i)在0.1-60秒的范围内并且对于步骤(iii)在0.1-60秒的范围内。
10.一种用于从空气捕获CO2的装置，包括：
(a)覆盖在用于从空气捕获CO2的微孔性结构的孔的内部表面上的分子单层的固态CO2吸着剂；
(b)至少一个吸着室；
(c)至少一个再生室；
(d)用于将微孔性支持体结构体从所述吸着室传送到所述再生室并返回的器件；
(e)用于使在吸着剂支持体结构上的空气流通过所述吸着室的器件；
(f)至少一个用于排放CO2的出口，该出口位于所述再生室中；和
(g)用于在所述再生室中将所述吸着剂再生的器件。
11.根据实施方案10所述的装置，其中所述孔具有在1-10nm的范围内的直径和在1-10μm的范围内的长度。
12.根据实施方案10或11所述的装置，还包括用于使得所述空气流能够与所述吸着剂和/或所述孔紧密接触的器件，其中所述器件选自多个箔的三明治或是蜂窝结构。
13.根据实施方案10-12中任一项所述的装置，还包括传送器件以将所述吸着剂从吸附阶段转移到再生阶段。
14.根据实施方案10-13中任一项所述的装置，其中器件(g)能够将所述CO2吸着剂当就位在所述再生室中时加热到在50-180℃、优选60-150℃、最优选65-100℃的范围内的温度。
15.根据实施方案1-6中任一项所述的用途、根据实施方案7-9中任一项所述的方法、或根据实施方案10-14中任一项所述的装置，其中所述CO2吸着剂选自由以下各项组成的组：碳酸氢盐系吸着剂、胺系吸着剂、沸石和金属-有机框架。
详细描述
发明人首次使用了分子单层的CO2吸着剂用于CO2的表面吸附以从空气捕获CO2。常规的系统依赖于CO2在吸着剂的本体中的吸收。表面吸附是比本体吸附快得多的过程，因为它避免固态扩散。当只有表面吸附发生时，一定体积的吸着剂的容量明显地减少，因为吸着剂的内部不被利用于捕CO2。因为这一减少的容量，吸着剂更快地被CO2饱和，使得对于吸着剂在吸着阶段和再生阶段之间切换而言可以达到更短的循环时间。发明人发展了一种装置，其使得这样的短循环时间能够实现。通过使用高表面积支持体结构，消除了由于单层导致的较低的吸着剂质量以及由此较低的CO2吸着容量。
为了使得CO2的表面吸附能够高效以及为了最大化地利用吸着容量，将吸着剂的支持体结构设计为允许利用最小量的吸着剂获得最大的表面积。优选地，由支持体提供分级孔几何，具有其内部覆盖有吸着剂的小孔(微孔性结构)，和用于将空气流导向孔的入口的大孔或其他结构(大孔性结构)。对于本发明的工作而言，本质是至少孔的内部壁覆盖有CO2吸着剂。不过，孔外部的微孔性支持体的表面也可以覆盖有CO2吸着剂。同样，使用单层吸着剂以促进超过本体吸附的表面吸附。在那种情况下，极薄的层，如单分子层，是高度有利的。为了这些薄层具有充足的强度，需要将它们覆盖在支持层上。任何类型的包含覆盖有吸着剂的支持体的分级结构均适合于本发明的情境。在尤其优选实施方案中，如下文更详细地限定地，支持层是含有针形微孔的微孔性结构。
因为CO2分子向吸着剂的表面的扩散比CO2分子通过固体吸着剂材料的扩散快得多，因此在吸附速度方面有巨大的收益。在速度方面的这一增加导致了更高的吸附速率，意味着对于相同的将空气沿着吸着剂通过的功率消耗而言，每单位时间吸附多得多的CO2。同样的情况也应用于再生：仅仅花费短的加热脉冲便将CO2分子从表面释放，因为那些是仅仅吸附到吸着剂的表面的。这意味着，与使用较厚的吸着剂层的情况相比，吸着和再生两者均在短得多的时间尺度下发生。典型地，吸着和再生两者在秒至分钟的时间尺度上发生。精确的时间尺度取决于可用的表面和沿着微孔材料的表面通过的空气的体积速率。
关于迫使空气进入孔，这是不需要的，且甚至是不利的。首先，迫使空气通过狭窄的孔导致经过膜的大的压降。发明人发展的设计避免对通过装置的空气需要大的压降或压差。取而代之地，空气无需很多努力便在装置的表面上通过，其中表面指的是含有覆盖有吸着剂的孔的微孔性结构的表面。高度优选的是使用分级结构，其将在孔的内部表面处覆盖有固态CO2吸着剂以捕获CO2的微孔性结构与用于将空气导向微孔性结构的大孔性结构结合。这使得能够通过使大部分空气分子能够获得自由通路而将空气的压降保持得尽可能低，同时将CO2分子带到充分接近微结构的孔的入口，这样允许CO2分子扩散到孔中。使用此分级结构所需的低的压差使得所述方法的能量预算最小化。典型地，本发明能够用几百帕斯卡的量级的压差操作。此外，因为不迫使空气进入孔，在孔的内部和孔的外部之间建立了CO2的分压差异，其中在孔的内部CO2压力鉴于其吸附在吸着剂上而较低，在孔的外部CO2压力则和进来的空气一样较高。由于此压差，特别地，CO2扩散到孔中，而其他不经历这种分压差异的气态物种则基本上不扩散到孔中。当然，没有分压差异但考虑到分子运动的常规扩散将仍然发生，但是并不妨碍增强的CO2的扩散。只要孔中的吸着剂未完全饱和，该增强的CO2的扩散便发生。
首先，本发明提供了覆盖在多孔结构上的分子单层的CO2吸着剂的用于从空气直接捕获CO2的用途。换言之，本发明提供了CO2吸着剂的用于从空气捕获CO2的用途，其中CO2吸着经由表面吸附发生并且不经由本体吸附发生。本发明还提供了用于从空气直接捕获CO2的装置和方法。根据本发明的装置意在与根据本发明的方法一同使用。类似地，根据本发明的方法意在于根据本发明的装置中进行。在此关于根据本发明的方法公开的任何内容同样用于根据本发明的装置和根据本发明的用途，且关于根据本发明的装置公开的任何内容同样用于根据本发明的方法和根据本发明的用途。
装置
根据本发明的用于从空气捕获CO2的装置包括：
(a)覆盖在用于从空气捕获CO2的微孔性支持体结构体的孔的内部表面上的分子单层的固态CO2吸着剂；
(b)至少一个吸着室；
(c)至少一个再生室；
(d)用于将微孔性支持体结构体从所述吸着室传送到所述再生室并返回的器件；
(e)使在吸着剂支持体结构上的空气流经过所述吸着室的器件；
(f)至少一个用于排放CO2的出口，位于所述再生室中；和
(g)用于在所述再生室中将所述吸着剂再生的器件。
“装置”也可以称为“系统”或“设备”。根据本发明的装置的核心是单层的CO2吸着剂，其使得CO2分子的吸着能够实现。吸着剂典型地是固态CO2吸着剂。固态CO2吸着剂是本领域已知的。任何能够在室温吸附CO2分子的材料适合作为固态CO2吸着剂。吸着剂也可以称为吸附剂。当再生时，吸着剂能够释放吸附的CO2的分子，典型地，通过温度升高、压力降低和/或水分(蒸汽)加入来进行释放。在一个优选实施方案中，吸着剂能够在提高的温度释放吸附的CO2的分子，优选在50-300℃的范围内，如在50-100℃的范围内或在60-200℃的范围内，更优选65-100℃在的范围内，如在65-80℃的范围内或在65-75℃的范围内。关于选择合适的吸着剂，技术人员在Sanz-Pérez等，Chem.Rev.2016，116，11840-11876中找到进一步的指导，这些内容通过引用结合在此。优选地，吸着剂是胺系的和/或碳酸氢盐系的。这样的吸着剂在本领域是已知的，并且包括聚乙烯亚胺(PEI)和碳酸氢钾(KHCO3)。一些沸石和金属-有机框架(MOF)也是合适的用于CO2的吸着剂。在一个优选实施方案中，CO2吸着剂选自由以下各项组成的组：碳酸氢盐系吸着剂、胺系吸着剂、沸石和金属-有机框架。优选地，CO2吸着剂是碳酸氢盐系吸着剂或胺系吸着剂。最优选地，CO2吸着剂是胺。
吸着剂覆盖在支持体上，典型地覆盖在微孔性支持体上。本领域已知的任何合适的技术均适合用于制备吸着剂层和微孔性支持体，如化学气相沉积、原子层沉积、分子层沉积、浸渍和接枝。优选地，使用浸渍方法，有利地是湿法浸渍方法，以使吸着剂覆盖微孔的内部壁。可以通过向大孔性支持体上沉积，例如通过任何在此列出的技术，来制备微孔性支持体，并且可以通过向微孔层上沉积，例如通过任何在此列出的技术，来制备吸着剂层。例如，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备微孔性支持体，见例如WO 2016/163878。微孔性支持体可以是任何合适的材料。有利地，材料具有高的表面密度(大的表面/克材料)，如例如在100-5000m2/g的范围内，优选在500-4000m2/g的范围内，最优选在1000-3000m2/g的范围内。每平方米1mm宽度膜的内部表面的量也是有关的，因为其限定了每体积单位多孔材料的可用的表面的量。优选地，每平方米1mm宽度膜的内部表面的量在1x 103-1x 106m2/m2的范围内，更优选在1x 104-5x 105m2/m2的范围内，最优选在5x 104-3x 105m2/m2的范围内。
吸着剂层的厚度是单分子。该层因此称为“分子单层”或“单分子层”。这样的单层在本领域是已知的。例如，在CO2吸着剂是胺的情况下，分子单层含有一层覆盖在支持体上的胺基团。在本发明中不考虑其中胺基团包埋在吸着剂的本体中的更厚的层，即使当这些位于吸着剂层中更深处的胺基团会共价地附接到表面上的胺基团。薄层或吸着剂的总厚度是1个分子。在此，长度分子的单位指的是吸着剂材料的一个分子的(最小)直径。技术人员理解，如果吸着剂是原子或离子物种如碳酸氢钾时，“分子”也可以指“原子”或“离子”。备选地，吸着剂层的厚度优选在0.1-50nm的范围内，如在0.5-50nm的范围内，更优选在0.3-10nm的范围内，如在0.5-10nm的范围内，最优选在0.3-3nm的范围内。技术人员将理解，层的厚度将取决于具体的吸着剂，只要存在单分子层的吸着剂即可。例如，当使用胺时，吸着剂层的优选厚度为例如0.1-3nm，更优选0.1-1nm，最优选0.1-0.5nm。技术人员也能够以nm和以分子数两者确定层的厚度，例如通过测量当吸着剂涂敷每克给定的内部表面后的重量增加量。单层的这样的厚度允许在空气中包含的CO2分子高效地吸着到吸着剂上。薄层的附加优势是它可以以相对短的时间量被加热和冷却，这允许快速的吸附和再生循环。
孔可以是针形的或可以是开放端部的通道。这些孔是相对窄且长的。孔的直径优选在0.5-20nm的范围内，如5-20nm，更优选在1-10nm的范围内，如5-10nm。在此，直径指的是在用单分子层的吸着剂覆盖之前的孔的直径。在本发明的情况下，对孔的长度没有特别的限定。典型地，长度可以在0.5-50μm的范围内，如1-50μm，更优选在1-10μm的范围内。针形孔具有唯一一个开口，朝向当使用装置时实现空气流动的一侧。孔通道的另一侧是封闭的，使得没有空气能够在那一侧逃逸。开放端部的孔或“通道”在两端均开放。这些通道也可以形成互连的网络。在开放端部的孔的至少一端上，实现空气流动，但是空气流动也可以发生在开放端部的孔的两端。孔的表面覆盖有吸着剂，而中央部分没有吸着剂并且是开放的以接纳气体分子。在操作期间，来自空气的气体分子将进入孔，并且CO2分子将吸附至吸着剂上，如此形成具有减小的CO2分压的气体环境。考虑到孔的狭窄性质，尽管在孔的开口外侧恰存在着空气流动，但空气将在很大程度上静置在孔中。考虑到CO2的减小的分压，大部分CO2分子将扩散到孔中，在那里它们也被吸附到吸着剂上，如此保持CO2的减小的分压直至吸着剂被饱和。如此，建立了浓度梯度，其中孔的外侧为高CO2浓度，而孔的内侧为低CO2浓度。空气流中存在的不被吸着剂吸附的其他分子不扩散到孔中，或以小得多的程度扩散到孔中，因为在孔中没有这些分子的减小的分压。如此，选择性地将CO2分子从空气流吸出并且捕获到吸着剂上。而且，因为其他分子不会以大的程度进入孔，在吸着剂和气态CO2分子之间的相互作用的量增加，这反过来增加了这样的相互作用的概率以造成吸附的CO2分子。此现象进一步增加了CO2被吸附的速率，使得能够甚至更高效地从空气直接捕获CO2。
优选地，微孔性结构含有针形孔，其优选具有在0.5-20nm的范围内的直径和0.5-50μm的长度，且针形孔的内部表面区域被薄层的吸着剂覆盖。这样，孔的表面覆盖有吸着剂，而中央部分没有吸着剂并且是开放的以接纳气体分子。优选地，孔的尺寸是直径在0.5-20nm的范围内，如5-20nm，更优选在1-10nm的范围内，如5-10nm，且长度在0.5-50μm的范围内，如1-50μm，更优选在1-10μm的范围内。
优选地，根据本发明的装置还包括传送器件，以将吸着剂覆盖的多孔支持体从吸着室切换到再生室。在本发明的语境中，“传送”也可以称为“移动”。在一个实施方案中，传送器件是旋转器件。吸着室和再生室是固态CO2吸着剂通过的区。这些室彼此分开，典型地通过划分壁分隔，允许固态CO2吸着剂支持体结构在其通过后通过。典型地，划分壁的多个区段延伸超过固态CO2吸着剂支持体结构并且含有开口，固态CO2吸着剂支持体结构在其移动期间通过所述开口。装置含有一个或多个用于实现空气流在吸着剂上经过吸着室的器件(e)。该流确保使空气与多孔结构的表面接触，使得CO2分子将扩散至孔中，在那里它们被吸着剂吸附。类似地，装置可以含有一个或多个用于实现再生气体流在吸着剂上经过再生室器件(e)。再生气体流确保吸着的CO2分子解吸并且终结于富集CO2的产物气体中。例如，再生气体可以是来自更早循环的富集CO2的产物气体。
在一个优选实施方案中，在吸着室和再生室之间的接合是气密的。优选地，至少从再生室到吸着室的CO2泄漏是基本上被避免的。更优选地，从吸着室到再生室的空气泄漏也是基本上被避免的。到吸着室的CO2泄漏会直接地抵消吸着剂从空气捕获CO2。另一方面，到再生室的空气泄漏会导致CO2流尤其是CO2产物流的污染，这对于本方法是不利的，但是可以通过对产物流的适当处理解决。用于气密密封的手段在本领域是已知的。在一个实施方案中，通过气帘完成气密密封，其中在旋转过程中将气体吹动经过开口。优选地，气帘是CO2帘或空气帘。备选地或额外地，装置被配置为使得再生室在与吸着室(稍微)相比的减压下运行，使得避免任何从再生室到吸着室的CO2泄漏。在吸着室和再生室之间的气体泄漏也可以通过在两个相邻的室之间提供空间来避免。来自再生的CO2的泄漏不污染吸着室中的CO2耗尽的空气，但是会终结于在室之间的开放空间中并且如果需要可以被单独地收集。
在一个或多个吸着室中，发生CO2分子向吸着剂上的吸着。在运行期间，一个或多个吸着室中的条件应当对CO2吸着有利。对CO2吸着而言理想的条件可以根据吸着剂不同而改变，它们典型地包括环境压力和温度，尽管其偏离可以在不明显危害根据本发明的装置的吸着效率的情况下发生。
在一个或多个再生室中，发生有负载的(即负载有CO2分子的)吸着剂的再生。再生或解吸典型地通过将固体吸着剂加热至其解吸温度发生。在运行期间，一个或多个再生室中的条件应当对CO2解吸有利。对CO2解吸而言最佳的条件可以根据吸着剂不同而改变，它们典型地包括环境压力和提高的温度，尽管其偏离可以在不明显危害根据本发明的装置的效率的情况下发生。在提高的温度解吸获得最佳的结果，使得根据本发明的装置优选包含加热器件作为用于将吸着剂再生的器件(g)，其中加热器件能够至少加热吸着剂，典型地加热再生室。典型地加热到在50-180℃，优选60-150℃，最优选65-100℃的范围内的温度。优选地，加热器件(g)能够将再生室加热到吸着室的温度之上的温度。技术人员知道对于使用的吸着剂的理想的再生温度并且因此能够调节温度。
在一个实施方案中，根据本发明的装置还包含空气置换装置或吸入装置，用于将空气吸入到装置中，尤其是将空气吸入到吸着室中。这样的吸入装置在本领域是已知的，并且包括例如通风设备或风扇。此吸入装置布置为使得能够将空气吸入到吸着室中。
装置优选包含大孔性结构，其中微孔性和大孔性结构一起形成分级结构。这样的结构同时具有较大的大孔和较小的微孔，例如其中大孔的壁含有微孔。大孔性结构可以是在微孔性结构的顶部上成层的，优选其中大孔性结构是如下所述的多个箔的三明治结构或蜂窝结构。将空气引导经过大孔性结构以使得空气流与吸着剂紧密接触。优选地，将空气流沿着孔的开口引导，例如垂直于微孔性结构的微孔的入口并且与孔的入口紧密接近。通过由于CO2吸附到吸着剂导致的分压差实现CO2分子向孔的内部的扩散。优选地，大孔性结构形成在吸着剂上的空气通道(大孔)，为50μm-10mm宽，优选75μm-5mm宽。任何合适的材料可以用于大孔。合适的材料包括不锈钢、在Cu上的无定形硅、阳极氧化铝、聚合物纤维的网。大孔性结构不需要被连接到微孔性结构，使得具有被吸着剂覆盖的孔的微孔性结构，可以相对于大孔性结构从吸着室移动到再生室并且移动回来。例如，大孔性结构可以仅就位在吸着室中，以将空气导向孔的入口，但是在再生室中益处较少。在再生室中的提高的温度确保CO2分子的高效解吸，不需要迫使再生气体朝向孔的入口。另一方面，在大孔性结构会与微孔性结构一起从吸着室移动到再生室并且移动回来的情况下，根据本发明的装置也会是有功能的，使得在吸着室中将空气引导经过大孔性结构，并且在再生室中将再生气体引导经过。因此，在一个优选实施方案中，微孔性和大孔性结构一起形成单一整合的分级结构。这样的结构具有较大的大孔和较小的微孔两者，例如其中大孔的壁含有微孔。
在两个优选实施方案中，完整地发挥了大孔性结构的优势。根据第一优选实施方案的装置包含“多个箔的三明治”(图1)，其中具有吸着剂的微结构与大结构的组合以这样方式贴在彼此的顶部上：该方式为迫使空气与吸着剂紧密接触地流动，或者优选地与含有吸着剂的针形微孔的开口紧密接触地流动。根据第二优选实施方案的装置包含蜂窝结构(图2)，其中空气在蜂窝的管中的每一个内侧流动，所述管被覆盖有吸着剂的、或优选具有在蜂窝通道的内表面上含有吸着剂的针形微孔。这些配置形成空气通道，优选50μm-10mm宽，优选75μm-5mm宽。发明人发现，这样的空气通道允许空气流动而无需大的压力来迫使空气通过，但是同时允许空气与吸着剂或针形孔的开口紧密接触。
多个箔的三明治结构需要薄层的箔结构，使得迫使空气经过箔之间的通道，如在图1中描绘的。在此，引导空气经过窄的通道，通道的壁含有微孔，其覆盖有吸着剂。在一个实施方案中，这可以采取覆盖在孔的壁上(任选地也在孔外侧的支持体的壁上)的薄层的吸着剂的形式，在其上实现空气流，并且来自空气流的CO2分子吸着在吸着剂上。在一个备选的实施方案中，这可以采取含有其内部表面覆盖有薄层的吸着剂的针形孔的微孔性支持体的形式。在含有孔的入口的壁上方实现空气流动，并且CO2分子扩散到孔中并在其中被吸附。箔之间的通道的宽度优选50-500μm，更优选75-250μm，最优选100-200μm。这样的通道通过平行放置相邻的箔得到，在两个箔之间的间隔等于想要的通道宽度。箔的每一个中的一个或多个孔允许空气从一个箔间空间(inter-foil space)通向下一个箔间空间，如此形成沿着覆盖有吸着剂的箔的空气流。孔优选具有与通道的宽度相同的直径。正如技术人员将理解的，且正如图1中所描绘的，在相邻的箔中孔不应当对准。在此，优选的是堆叠2-100张箔，更优选5-50张箔，最优选10-25张箔。箔可以是任何合适的材料的，用于支持吸着剂，任选地支持与具有微孔性支持体的吸着剂。
蜂窝结构要求宏观的管，其壁含有覆盖有根据本发明的吸着剂的微孔，如图2中所描绘的。这些管形成通道，其截面优选为六边形的、矩形的或正方形的。这样的管在三维空间中提供多个管的理想堆叠。在一个实施方案中，这可以采取覆盖在孔的壁上的薄层吸着剂的形式。实现经过管的空气流动，在孔的入口上方，并且来自空气流动的CO2分子扩散到孔中并吸着在吸着剂上。在一个备选的实施方案中，这可以采取含有其内部表面覆盖有薄层吸着剂的针形孔的微孔性支持体的形式。在含有孔的入口的壁上实现空气流动，并且CO2分子扩散到孔中并被吸附在其中。通道或管的宽度优选0.1-10mm，更优选0.5-5mm，最优选1-2mm。
方法
根据本发明的方法用于从空气捕获CO2并且包括：
(i)提供在微孔性结构的表面上方通过吸着室的空气流以获得CO2耗尽的空气和有负载的CO2吸着剂，所述微孔性结构含有覆盖在孔的内部表面上的分子单层的CO2吸着剂；
(ii)将含有所述有负载的CO2吸着剂的所述微孔性结构从所述吸着室移动到再生室；
(iii)在所述再生室处将所述CO2吸着剂再生以获得包含CO2和再生的CO2吸着剂的产物流。
优选地，根据本发明的方法在根据本发明的装置中进行。在此，通过CO2吸着剂对CO2的吸着发生在吸着室中，以获得有负载的吸着剂，并且有负载的吸着剂的再生发生在再生室中，以获得再生的CO2吸着剂。再生典型地在提高的温度发生。典型地，根据本发明的方法还包括(iv)将含有所述再生的CO2吸着剂的所述微孔性结构从所述再生室移动或传送到所述吸着室。在此，优选的是所述方法以循环模式运行，其中连续地重复步骤(i)-(iv)。
在(i)期间，发生吸着，即，存在于空气中的CO2分子由固态CO2吸着剂所吸附，使得吸着剂负载有CO2。(ii)的移动确保将有负载的吸着剂从吸着段传送到再生段。在(iii)期间，发生再生，即吸附到固态CO2吸着剂CO2分子解吸(成为气相CO2)，并且吸着剂再生并可用于另一个(i)中的吸着状态。
薄层的固态CO2吸着剂的厚度为1个分子。这样厚度的吸着剂层允许将空气中包含的CO2分子高效地吸着到吸着剂上。薄层的附加优势是它可以以相对短的时间量被加热和冷却，这允许快速的吸附和再生循环以及增加的能量效率。
在运行期间，微孔性结构移动，使得吸着剂从吸着室递送到再生室，到吸着室到再生室，等等。优选地，(ii)的移动是连续的，尽管间歇的移动也是可能的。因此，吸着剂从处于降低的温度(典型地，环境温度)下的吸着环境(即吸着段)迁移到典型地处于提高的温度的再生环境(即再生段)。这样，当微孔性结构位于吸着室时，吸着剂负载有CO2。负载有CO2的吸着剂随后被传向再生室，在那里CO2分子解吸且吸着剂再生。随后，向吸着室传送(例如旋转)再生的吸着剂，并且将其再次用于从空气捕获CO2。在此，一个吸着阶段和一个再生阶段的顺序发生称为一个循环。这一顺序发生的步骤可以继续进行扩展的时间段，在此期间，从在吸着室中的空气捕获CO2，在再生室中将其解吸并且终结在CO2产物流中。
在(i)期间的条件为使得吸着发生，其可以根据吸着剂不同而改变。这些条件典型地包括环境压力和温度，尽管其偏离可以在不明显危害根据本发明的方法的吸着效率的情况下发生。在(iii)期间的条件为使得解吸发生，其典型地包括提高的温度。在此，提高的温度指的是高于在(i)期间的温度的温度。对再生或CO2解吸而言的最佳条件可以根据吸着剂不同而改变并且典型地包括环境压力，尽管其偏离可以在不明显危害根据本发明的装置的吸着效率的情况下发生。最佳的结果通过在提高的温度下解吸获得，该提高的温度在50-180℃，优选60-150℃，最优选65-100℃的范围内。对于根据本发明的方法的运行而言，位于微孔性结构上的CO2吸着剂在提高的温度下是优选的，并且其周围是否也处于提高的温度是不重要的。毕竟，解吸发生在CO2吸着剂内。
在一个完整循环中，微孔性结构通过至少一个吸着段和一个再生段。多个这样的段也是可能的，根据如对于根据本发明的装置定义的吸着室和再生室。微孔性结构移动的速度高度取决于微孔性结构的尺寸、吸着段和再生段的尺寸(长度)以及围绕微孔性结构排布的吸着段和再生段的数量。例如，该速度可以使得固态吸着剂在单一吸着段中的停留时间为0.1-60秒，优选0.2-30s，更优选0.3-10s，更优选0.5-5s。具有更多段因此意味着微孔性结构可以移动得较慢。因为在微孔性结构中的吸着层薄，所以吸着剂可以在0.1-60秒，优选0.2-30s，更优选0.3-10秒，更优选0.5-5秒内被CO2分子饱和。再生典型地在相同的时间尺度下发生。考虑到快速的饱和，在每个室中的吸着剂的停留时间优选是短的，优选0.1-60秒，优选0.2-30s，更优选0.3-10秒，最优选0.5-5秒。
在(i)期间，在吸着剂的表面上方实现空气流动。空气流动的速度对本发明而言不是至关重要的。因为表面吸附是快速的过程，本发明能够处理宽的空气速度的变化，如在0.1-20m/s，优选0.5-10m/s的范围内。
用途
如上所解释的，本发明集中围绕分子单层的CO2吸着剂用于从空气直接捕获CO2的用途，利用CO2吸着剂的表面吸附而非它们的本体吸附。吸着剂覆盖在微孔性支持体的孔壁上，并且任选地在孔外侧的微孔性支持体的表面上。孔和覆盖其内部壁的吸着剂更详细地限定在根据本发明的装置的上下文中。在一个优选实施方案中，吸着剂覆盖到含有如上限定的针形孔的微孔性支持体上，针形孔优选具有在1-10nm的范围内的直径和1-10μm的长度，并且各针形孔覆盖有薄层的吸着剂。在一个备选实施方案中，吸着剂覆盖到含有如上限定的通道型孔的微孔性支持体上。在另一个优选实施方案中，装置包含如上所述的“多个箔的三明治”或蜂窝大孔性结构。优选地，其中该用途涉及在大孔性结构内的空气流动，优选垂直于微孔性结构的微孔。根据本发明的用途优选用根据本发明的装置进行。类似地，优选的是根据本发明的用途使用根据本发明的方法。
尽管尤其优选的是如上陈述的单层的固态CO2吸着剂用于捕获CO2的用途，也可以使用本发明捕获其他气体物种。优选的物种包括硫的氧化物和氮的氧化物，(SOx和/或NOx)。对那些物种有选择性的吸着剂是本领域已知的，并且包括钙和铜的氧化物(例如CaOx，CuOx)。在进一步的实施方案中，用途包括从除了空气之外的气体混合物捕获气体分子。待捕获的分子可以以小量或大量存在，如高达15体积％或高达10体积％。在一个优选实施方案中，气体混合物的特征在于其低的待捕获气体分子含量，其典型地少于0.5体积％，或甚至少于0.1体积％。本发明适合于移除那些以低含量存在的气体分子，正如通过从空气移除CO2所示出的(空气具有仅0.04体积％的CO2含量)。在一个优选实施方案中，将CO2从气体混合物捕获，最优选从空气捕获。
根据本发明的装置相对于已知的用于从空气捕获CO2的装置是巨大的进步。首先，因为其高效率，可以捕获充足的CO2以提供商业上可行的工艺。换言之，根据本发明的装置的运行成本(OPEX)相对于已知装置显著减小。特别是CO2捕获的速度相对于依赖于缓慢本体吸附的现有技术装置大大改善。此外，根据本发明的装置使得能够形成纯CO2的产物流，任选地在移除H2O之后，使得不需要高成本的分离技术。将CO2与H2O分离是本领域熟知的并且容易进行，例如通过H2O的冷凝。通过本发明获得的CO2可以按任何被认为合适的方式使用，如用于储存或进一步加工。
根据本发明的装置的进一步的优势是它针对用户的需要可以完全地改变规模。可以针对具体情况调节的参数包括微孔性结构中的微孔的尺寸(宽度和长度)、固态吸着剂覆盖的宽度、为吸附和脱附分配的时间、空气流；以及尤其是对于“多个箔的三明治”结构，参数为在彼此的顶部堆叠的箔的量、箔之间的距离、大孔结构的多孔率；以及尤其是对于蜂窝结构：室的数量、每个室的尺寸(宽度和长度)。特别对于其在其中社会慢慢切换到可更新来源的能量过渡期间的应用，规模可改变的系统可以在许多情况下实施并且适配于该情况的需要，包括用于每年捕获数百万吨CO2的工业规模装置和用于捕获CO2的量低多倍的小规模家用装置。
附图
图1-2描绘了根据本发明的装置和方法的优选实施方案，其中大孔性结构与针形微孔组合。在图1中，描绘了“多个箔的三明治”结构，且在图2中描绘了蜂窝结构。
图3描绘了相对于常规CO2捕获系统的本发明的工作。图3A显示多孔结构，其中孔填充有CO2吸着剂。在空气流中通过孔上的CO2分子由吸着剂吸附，并且扩散到吸着剂本体的内部中。由于大的本体，吸着剂对于CO2具有大容量，但是吸着的动力学是缓慢的。图3A显示了多孔结构，其中孔的内部壁覆盖有薄层CO2吸着剂(用箭头指明)。考虑到减少的CO2分压，在空气流中通过孔上的CO2分子扩散到孔的内部，并且随后吸附在吸着剂的表面上。由于薄层，吸着剂对于CO2具有小容量，但是吸着的动力学是快得多的，因为CO2分子被吸到孔中。
图4显示了CO2容量实验(以g/m3计)的结果，正如使用含有用于在线CO2检测的质谱仪的专用的反应器测定的。描绘了常规吸着剂系统(填充的孔)和根据本发明的吸着剂系统(封闭的孔)的结果。
实施例
以下实施例说明本发明。
使用湿化学法，如在Zeng等，J.Phys.Chem.2011，115，450-454中公开的，通过将吸着剂分子沉积在密度为250g/m2材料的多孔支持体上制备常规的吸着剂系统。通过原位监测支持体结构(包括任何沉积的吸着剂)的重量增加，测量沉积过程的成功性。通过选择吸着剂氨基-有机硅烷前体(以甲苯溶液施用)的饱和水平，控制吸着剂(本体对比单层)的饱和。例如，通过控制暴露至不同的前体浓度，发明人生产了两个样品，一个是很大程度上被吸着剂分子填充的微孔性支持体结构体，而另一个是在整个可用表面区域上都有单层的吸着剂。使用0.001-0.005mol/L胺前体制备单层覆盖的支持体，而使用0.01-0.05mol/L浓度的胺前体制备出用于比较的吸着剂填充的支持体。填充有吸着剂的具体样品显示35％重量增加，而根据本发明的吸着剂系统显示5％重量增加。换言之，常规吸着剂系统含有7倍于根据本发明的吸着剂系统的吸着剂。
根据本发明的吸着剂系统含有与常规吸着剂系统(填充有吸着剂的孔)相比七分之一的吸着剂，正如在制备期间多孔支持体的重量增加所示出的。对样品进行BET表面积测量，以显示常规吸着剂系统的孔的确在很大程度上被填充，而根据本发明的吸着剂系统的孔是开放的。
两个吸着剂系统在环境温度、压力和固定的相对湿度(60％)与环境空气接触24h，以通过关于CO2的初始脱气测量初始容量。使用含有用于在线CO2检测的质谱仪的专用反应器测量吸着剂的CO2容量。结果描绘在图4中(以g/m3计)的CO2吸着容量)。

Claims (15)

1.分子单层的CO2吸着剂用于从空气捕获CO2的用途，其中所述吸着剂覆盖到多孔支持体的孔壁上。
2.根据权利要求1所述的用途，其中CO2吸着经由表面吸附发生并且不经由本体吸附发生。
3.根据权利要求1或2所述的用途，其中所述吸着剂覆盖在微孔性支持体上。
4.根据在前权利要求中任一项所述的用途，其中所述支持体含有具有在1-10nm的范围内的直径和在1-10μm的范围内的长度的针形孔，其中所述孔的表面覆盖有所述吸着剂，而中央部分没有吸着剂并且是开放的以接纳气体分子。
5.根据在前权利要求中任一项所述的用途，其中所述多孔支持体包含在微孔性结构的顶部上成层的大孔性结构，优选其中所述大孔性结构是多个箔的三明治结构或是蜂窝结构。
6.根据权利要求5所述的用途，其中将空气引导经过所述大孔性结构以使得空气流垂直于所述微孔性结构的微孔并且CO2分子扩散进入孔的内部，在那里它们被吸附到所述吸着剂上。
7.一种用于从空气捕获CO2的方法，包括：
(i)提供在微孔性结构的表面上方通过吸着室的空气流以获得CO2耗尽的空气和有负载的CO2吸着剂，所述微孔性结构含有覆盖在孔的内部表面上的分子单层的CO2吸着剂；
(ii)将含有所述有负载的CO2吸着剂的所述微孔性结构从所述吸着室移动到再生室；
(iii)在所述再生室处将所述CO2吸着剂再生以获得包含CO2和再生的CO2吸着剂的产物流。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法还包含：
(iv)将含有所述再生的CO2吸着剂的所述微孔性结构从所述再生室移动到所述吸着室；
以及其中重复步骤(i)-(iv)。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中循环时间对于步骤(i)在0.1-60秒的范围内并且对于步骤(iii)在0.1-60秒的范围内。
10.一种用于从空气捕获CO2的装置，包括：
(a)覆盖在用于从空气捕获CO2的微孔性结构的孔的内部表面上的分子单层的固态CO2吸着剂；
(b)至少一个吸着室；
(c)至少一个再生室；
(d)用于将微孔性支持体结构体从所述吸着室传送到所述再生室并返回的器件；
(e)使在吸着剂支持体结构上的空气流经过所述吸着室的器件；
(f)至少一个用于排放CO2的出口，该出口位于所述再生室中；和
(g)用于在所述再生室中将所述吸着剂再生的器件。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述孔具有在1-10nm的范围内的直径和在1-10μm的范围内的长度。
12.根据权利要求10或11所述的装置，还包括用于使得所述空气流能够与所述吸着剂和/或所述孔紧密接触的器件，其中所述器件选自多个箔的三明治结构或蜂窝结构。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的装置，还包括传送器件以将所述吸着剂从吸附阶段转移到再生阶段。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的装置，其中器件(g)能够将所述CO2吸着剂在就位于所述再生室中时加热到在50-180℃、优选60-150℃、最优选65-100℃的范围内的温度。
15.根据权利要求1-6中任一项所述的用途、根据权利要求7-9中任一项所述的方法、或根据权利要求10-14中任一项所述的装置，其中所述CO2吸着剂选自由以下各项组成的组：碳酸氢盐系吸着剂、胺系吸着剂、沸石和金属-有机框架。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA3061094C (en) * 2010-04-30 2023-10-24 Peter Eisenberger System and method for carbon dioxide capture and sequestration
WO2015006259A1 (en) 2013-07-08 2015-01-15 Exxonmobil Research And Engineering Company Carbon dioxide separation using adsorption with steam regeneration
MX2016008743A (es) 2013-12-31 2017-02-28 Eisenberger Peter Sistema de movimiento de lecho de multiples monolitos giratorios para el retiro del co2 en la atmosfera.
DE102015003939A1 (de) * 2015-03-26 2016-09-29 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Kohlendioxid aus einem Kohlendioxid enthaltenden Gasgemisch
NL2014588B1 (en) 2015-04-07 2017-01-19 Stichting Energieonderzoek Centrum Nederland Rechargeable battery and method for manufacturing the same.
JP6181835B1 (ja) * 2016-10-11 2017-08-16 株式会社西部技研 ガス回収濃縮装置
WO2019161420A1 (en) * 2018-01-26 2019-08-22 Eisenberger, Peter And Chichilnisky, Graciela, Jointly A methodology and system for optimising and improving the cost and performance of direct air carbon dioxide capture systems, thereby contributing to a lessening of the threat of catastrophic climate change
WO2019165151A1 (en) * 2018-02-22 2019-08-29 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University System and method for passive collection of atmospheric carbon dioxide

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