CN116917034A - 具有吸附和解吸构造的柔性吸附剂聚合物复合制品 - Google Patents

具有吸附和解吸构造的柔性吸附剂聚合物复合制品 Download PDF

Info

Publication number
CN116917034A
CN116917034A CN202280019381.0A CN202280019381A CN116917034A CN 116917034 A CN116917034 A CN 116917034A CN 202280019381 A CN202280019381 A CN 202280019381A CN 116917034 A CN116917034 A CN 116917034A
Authority
CN
China
Prior art keywords
polymer composite
composite article
configuration
absorbent
sorbent
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202280019381.0A
Other languages
English (en)
Inventor
E·H·库利
C·M·斯科蒂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
WL Gore and Associates Inc
Original Assignee
WL Gore and Associates Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by WL Gore and Associates Inc filed Critical WL Gore and Associates Inc
Priority claimed from PCT/US2022/019104 external-priority patent/WO2022187729A1/en
Publication of CN116917034A publication Critical patent/CN116917034A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Landscapes

  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Abstract

本文公开了一种用于吸附的复合吸附剂聚合物复合制品。所述吸附剂聚合物复合制品包括吸附剂和柔性多孔聚合物，吸附剂聚合物复合制品具有：吸附构造，其中吸附剂聚合物复合制品被构造成吸附进料流中的一种或多种组分；以及解吸构造，其中吸附剂聚合物复合制品被构造成从吸附剂聚合复合制品中去除一种或多种组分。

Description

具有吸附和解吸构造的柔性吸附剂聚合物复合制品
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年3月5日提交的美国临时申请号63/157,451和2022年1月25日提交的美国临时申请号63/302,852的优先权，各申请的公开内容通过引用整体纳入本文。
技术领域
本公开涉及吸附剂聚合物复合制品、吸附剂聚合复合制品的形成方法以及使用吸附剂聚合物复合制品用于吸附目的的方法，所述吸附包括用于二氧化碳的直接空气捕获(DAC)的吸附。
背景技术
已证明与温室气体排放相关的二氧化碳(CO2)含量的增加对环境有害。据气候治理(Climate.gov)文章《气候变化：大气中的二氧化碳》(Climate Change:AtmosphericCarbon Dioxide)报道，2019年大气中的平均二氧化碳水平为409.8ppm，是过去80万年来的最高水平。大气中二氧化碳的增加速度也远高于前几十年的速度。
为了将气候变化限制在可接受的水平，不仅需要在不久的将来将二氧化碳排放量降至零，还需要实现二氧化碳负排放。为了实现负排放，存在几种可能性，例如燃烧生物材料发电，同时从燃烧烟气中捕获CO2并随后进行CO2封存("BECCS")或直接空气捕获CO2("DAC")。
通过吸附进行气体分离在工业中有许多不同的应用，例如从气流中去除特定组分，其中所需的产品可以是从流体中去除的组分，也可以是剩余的经过去除的流体，或者两者都是。因此，气流中的痕量组分和主要组分都可以成为吸附工艺的目标产物。气体分离的一个重要应用是从气流中捕获CO2，例如从烟道气、废气、工业废气、沼气或大气中捕获CO2。大气被认为是二氧化碳的稀进料流。
直接从大气中捕获二氧化碳(称为DAC)是减少人为温室气体排放的几种手段之一，大气作为商品市场和合成燃料生产的非化石、不依赖于地点的二氧化碳来源，具有有吸引力的经济前景。从大气中捕获二氧化碳的具体优势包括：a)DAC可以解决分布式来源(如载具……陆地、海洋和空中)的排放问题，这些来源占全球温室气体排放的很大一部分，目前无法以经济可行的方式在排放处捕获；b)DAC可以解决遗留排放，因此可以产生真正的负排放，以及c)DAC系统不需要连接到排放源，而是不依赖于地点的，并且可以位于CO2进一步处理或使用的地方。
人们越来越希望开发和改进这些工艺，使其更加高效，最大限度地去除大气中的二氧化碳，同时最大限度地减少工艺所需的能量。
图1是传统DAC系统10中涉及的工艺的示意图。提供输入进料流11，其包含CO2分子16在非CO2稀释剂18中的混合物。例如，输入进料流11可以是空气流。在吸附过程中，输入进料流11被暴露于吸附剂12。CO2分子16吸附到吸附剂12上，而非CO2稀释剂18则通过吸附剂12并从系统中10排出。然后吸附剂12经过解吸过程以从吸附剂12释放CO2分子16。解吸过程可涉及液态水或蒸汽形式的湿度，或者通过反应或输送到系统的能量而造成的系统温度改变。这种解吸过程被称为"变动(swing)"吸附，以定义重复吸附和解吸CO2的循环过程。如果使用变湿吸附(moisture swing adsorption)，则吸附剂12可以暴露于水蒸气或液态水形式的湿度，以引起CO2分子16的解吸。如果使用变温吸附，则可以向吸附剂12施加热量以引起CO2分子16的解吸。这些湿度和/或温度的变动暂时破坏了将分子保持在吸附剂12上的结合力，从而可以释放CO2分子16。解吸的CO2分子16因此与吸附剂12分离，并作为输出14收集。收集的CO2分子16随后可以被富集并且在使用或储存之前经过进一步的必要过程。重要的是，所使用的吸附剂12能够反复经受分离CO2分子16所需的环境，例如高温和高湿度条件。
目前已有用于DAC的确立的制品和技术。一个例子是使用包括基材(如可支撑或涂覆有吸附剂材料的整料)的制品。通过改变基材的类型和使用的吸附剂可以实现各种变化。然而，这些先前确立的制品和方法在吸附和解吸状态之间有效循环的能力方面存在局限性。它们在制品的耐用性方面也有局限性。当暴露于高温或高湿度环境或其组合时，这些制品也可能会降解，从而导致使用寿命缩短。
发明内容
本发明公开了一种用于吸附的吸附剂聚合物复合制品。该吸附剂聚合物复合制品包括吸附剂和柔性多孔聚合物，吸附剂聚合物复合制品具有：吸附构造，其中吸附剂聚合物复合制品被构造为从输入中吸附一种或多种组分；以及解吸构造，其中吸附剂聚合物复合制品被构造为从吸附剂聚合复合制品中去除一种或多种组分。
根据一个实施例("实施例A")，一种吸附剂聚合物复合制品包括吸附剂和具有柔性的柔性多孔聚合物的复合物，并且该吸附剂聚合物复合制品具有吸附构造(其中吸附剂聚合物复合制品被构造为吸附进料流中的一种或多种组分)以及解吸构造(其中吸附剂聚合物复合制品被构造为从吸附剂聚合复合制品中去除一种或多种组分)。柔性多孔聚合物的柔性有助于吸附构造和解吸构造之间的变换。
根据第二实施例("实施例B")，一种使用吸附剂聚合物复合制品的方法包括以下步骤：提供具有多孔复合部分的吸附剂聚合物复合制品，该多孔复合部分包括吸附剂和柔性多孔聚合物；将处于第一构造的吸附剂聚合物复合制品暴露于含有二氧化碳的进料流，在吸附剂聚合物复合制品处于第一构造时，将至少一部分二氧化碳吸附至吸附剂，在吸附步骤之后将吸附剂聚合物复合制品布置成第二构造，在吸附剂聚合物复合制品处于第二构造时，从吸附剂聚合物复合制品中解吸二氧化碳。
附图简要说明
图1是DAC系统中涉及的工艺的示意图。
图2是本公开的吸附剂聚合物复合制品的立视图。
图2A是图2的第一复合制品的第一复合区域的示意性立视图。
图2B是图2的第一复合制品的压缩形式的第一复合区域的示意性立视图。
图2C是图2B的第一复合制品的进一步压缩形式的第一复合区域的示意性立视图。
图2D是本公开的具有端部密封区域的图2的第一吸附剂聚合物复合制品的立视图。
图3是显示了图2的吸附剂聚合物复合制品的使用方法的流程图。
图4A是处于第一层状构造的吸附剂聚合物复合制品的透视图。
图4B是处于第二卷绕构造的图4A的吸附剂聚合物复合制品的立视图。
图4C是根据本文公开的另一个实施方式的处于第一层状构造的吸附剂聚合物复合制品的侧视图。
图4D是处于第二卷绕构造的图4C的吸附剂聚合物复合制品的立视图。
图5是在第一构造和第二构造之间轮转的连续吸附剂聚合物复合制品的立视图。
图6A是处于第一延伸构造的吸附剂聚合物复合制品的立视图。
图6B是处于第二压缩构造的图6A的吸附剂聚合物复合制品的立视图。
图6C是根据本文公开的另一个实施方式的处于第一延伸构造的吸附剂聚合物复合制品的立视图。
图6D是处于第二压缩构造的图6C的吸附剂聚合物复合制品的立视图。
具体实施方式
定义和术语
本公开内容并非旨在以限制性方式阅读。例如，本申请中使用的术语应该在本领域赋予此类术语的含义的背景下进行广义地解读。
对于不精确的术语，术语"约"和"大约"可以互换使用，表示测量值包括所述测量值并且还包括合理接近所述测量值的任何测量值。如相关领域的普通技术人员所理解和容易确定的，与所述测量值合理接近的测量值与所述测量值的偏差相当小。例如，此类偏差可能归因于测量误差、测量和/或制造设备校准的差异、读数和/或设置测量中的人为错误、与其他组件相关的测量差异而进行的微调以优化性能和/或结构参数，特定实现场景、人或机器对对象的不精确调整和/或操纵等。如果确定相关领域的普通技术人员不容易确定这种合理的小差异的值，则术语"约"和"大约"可以理解为表示所述值的正负10％。
本文所用术语"原纤维"描述了一种细长的材料，如聚合物，其中长度和宽度基本上互不相同。例如，原纤维可以类似于一根绳子或纤维，其中宽度(或厚度)比长度短得多或小得多。
本文所用术语"节点"是指至少两根原纤维的连接点，其中连接点可定义为两根原纤维永久或暂时相互接触的位置。在一些示例中，节点还可用于描述比原纤维体体积更大的聚合物，并且其中原纤维的起始或终止没有相同原纤维通过节点的明显延续。在一些示例中，节点的宽度大于原纤维，但长度小于原纤维。
如本文所用，"节点"和"原纤维"可用于描述通常(但不一定)连接或互连的物体，例如，具有微观尺寸的物体。"微观"物体可以定义为具有至少一个非常小的维度(宽度、长度或高度)的物体，以至于肉眼看不到该物体或物体的细节，或者在没有显微镜(例如包括但不限于扫描电子显微镜或SEM)或任何适当类型的放大设备的帮助下很难甚至不可能观察到。
对各实施方式的描述
本公开涉及吸附剂聚合物复合制品、吸附剂聚合物复合制品的形成方法以及使用吸附剂聚合物复合制品从原料流中吸附和分离一种或多种所需物质的方法。虽然下文所述的吸附剂聚合物复合制品用于来自稀进料流(例如空气)的CO2的DAC，但也可用于其他吸附方法和应用。这些方法包括但不限于吸附来自各种输入的物质，包括其他气体进料流(例如，燃烧废气)和液体进料流(例如，海水)。所吸附的物质不限于CO2。其他吸附的物质可以包括但不限于其他气体分子(例如N2、CH4和CO)、液体分子和溶质。在一些实施方式中，输入可以是稀释的，含有百万分之几(ppm)数量级的吸附物质。
图2显示了本公开的第一示例性吸附剂聚合物复合制品20，其包括第一复合区域28。第一复合区域28包括第一多孔聚合物22和吸附剂材料24、24’。第一复合区域28还可以包括任选的载体26。下面将进一步描述第一复合区域28的各元件。
第一复合区域28的第一多孔聚合物22可以是膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)、膨胀型聚乙烯(ePE)、聚四氟乙烯(PTFE)或其他合适的多孔聚合物中的一种。可以理解的是，非织造材料(例如纳米纺(nanospun)、熔喷、纺粘和多孔流延膜(porous cast film))也可以是各种其他的合适多孔聚合物形式。可以通过在受控温度和受控拉伸率下拉伸聚合物来使第一多孔聚合物22膨胀，从而使聚合物原纤维化。膨胀后，第一多孔聚合物22可包括多个节点30和连接相邻节点30的多根原纤维34的微观结构。在这些情况下，第一多孔聚合物22包括由原纤维34和节点30界定的孔32。戈尔(Gore)的美国专利号3,953,566中描述了一种示例性节点和原纤维微结构，该专利通过引用全文纳入本文。第一多孔聚合物22的孔32可被认为是微孔。这些微孔可以具有单一孔径，或者孔径分布。在一些实施方式中，平均孔径可为0.1微米至100微米。
第一复合区域28的吸附剂材料24、24’是一种基材，其表面被构造为通过吸附将输入中的所需物质保持在固体表面上。吸附剂材料24、24’根据吸附的目标物质的不同而不同。在各种实施方式中，吸附剂材料24、24’是二氧化碳吸附材料，其可包括但不限于离子交换树脂(例如强碱性阴离子交换树脂，例如可购自陶氏化学公司(Dow Chemical Company)的树脂DowexTMMarathonTM)、沸石、活性炭、氧化铝、金属有机骨架、聚乙烯亚胺(PEI)或其它合适的二氧化碳吸附材料，例如干燥剂、碳分子筛、碳吸附剂、石墨、活性氧化铝、分子筛、铝磷酸盐、硅铝磷酸盐、沸石吸附剂、离子交换沸石、亲水性沸石、疏水性沸石、改性沸石、天然沸石、八面沸石、斜发沸石、丝光沸石、金属交换硅铝磷酸盐、单极性树脂、双极性树脂、芳香交联聚苯乙烯基质、溴化芳香基质、甲基丙烯酸酯共聚物、石墨吸附剂、碳纤维、碳纳米管、纳米材料、金属盐吸附剂、高氯酸盐/酯、草酸盐/酯，碱土金属颗粒、ETS、CTS、金属氧化物、化学吸附剂、胺、有机金属反应物、水滑石、硅沸石、沸石咪唑酯骨架和金属有机骨架(MOF)吸附剂化合物及其组合。
如下所述，吸附剂材料24、24’可以以涂料、填充物、夹带颗粒和/或其他合适的形式存在于第一多孔聚合物22中。在图2所示的实施方式中，用吸附剂材料24涂覆第一多孔聚合物22，使得吸附剂材料在第一多孔聚合物的节点30和/或原纤维34上形成基本连续的涂层。用吸附剂材料24填充第一多孔聚合物22使得吸附剂材料24纳入第一多孔聚合物的节点30和/或原纤维34中也属于本公开的范围内。在图2所示的实施方式中，载体26上的吸附剂材料24’的颗粒被夹带在第一多孔聚合物22中，使得吸附剂材料24’占据第一多孔聚合物的节点30和原纤维34之间的孔32。
第一复合区域28的任选的载体26是一种材料，该材料被构造为增加其所占据的区域的表面积，使得能够增加可用于吸附所需物质的表面积。载体26可以包括介孔二氧化硅、聚苯乙烯珠、多孔聚合物床或球体、氧化物载体，和其他合适的载体材料。载体26还可以包括多孔膜，该多孔膜内包含多孔无机材料，例如硫酸钙、氧化铝、活性炭和气相二氧化硅。如上所述，载体26可以以用吸附剂材料24’涂覆或功能化的高表面积颗粒存在于第一复合区域28的孔32中。涂覆有吸附剂材料24’的载体26的组合增加了可用于吸附的表面积。在这些实施方式中，节点30和原纤维34可以涂覆有或可以不涂覆有吸附剂材料24。当节点30和原纤维34没有被涂覆时，可以保留第一多孔聚合物22的原始疏水性。
吸附剂聚合物复合制品20的第一复合区域28包括第一侧72(例如，图2中的上侧)和第二侧74(例如，图2中的下侧)。吸附剂聚合物复合制品20还包括第二区域36，该第二区域36包括第二多孔聚合物40，其中第二区域36被定位为邻近第一复合区域28的第一侧72。在各种实施方式中，吸附剂聚合物复合制品还包括第三区域38，该第三区域包括第三多孔聚合物48，其中第三区域38被定位为邻近第一复合区域28的第二侧74。由此，第一复合区域28可以被夹在第一侧72的第二区域36和第二侧74的第三区域38之间。第二区域36的第二多孔聚合物40可以包括多个节点42、连接相邻节点42的多根原纤维46以及分别形成在相应节点42和原纤维46之间的多个孔44。类似地，第三区域38的第三多孔聚合物48可以包括多个节点50、连接相邻节点50的多根原纤维52以及在各个节点50和原纤维52之间形成的多个孔54。如上所述，第二多孔聚合物40的孔44和/或第三多孔聚合物48的孔54可以被认为是微孔。
吸附剂聚合物复合制品20的第一复合区域28、第二区域36和第三区域38可以使用不同的工艺形成。在一些实施方式中，第一复合区域28、第二区域36和/或第三区域38可以形成为离散层，然后联接在一起。在这种情况下，第一复合区域28的第一多孔聚合物22、第二区域36的第二多孔聚合物40和/或第三区域38的第三多孔聚合物48可以是不同的结构。在其他实施方式中，第一复合区域28、第二区域36和/或第三区域38可以一起形成，然后经过不同的涂覆工艺或表面处理(如下文中进一步描述的)以区分某些区域。在这种情况下，第一复合区域28的第一多孔聚合物22、第二区域36的第二多孔聚合物40和/或第三区域38的第三多孔聚合物48可以是连续的或集成的结构。
吸附剂聚合物复合制品20的第一复合区域28、第二区域36和第三区域38可以具有不同程度的疏水性。可以通过各种方法改变疏水性，例如通过施加涂层或表面处理，其可以包括但不限于等离子体蚀刻和施加微形貌特征。第一复合区域28具有第一疏水性，第二区域36可以具有第二疏水性，并且第三区域38可以具有第三疏水性。第一疏水性分别小于第二疏水性和第三疏水性。第二疏水性可以小于、大于或等于第三疏水性。第二区域36和第三区域38的较大疏水性可以减少液态水通过相应区域36、38的渗透，从而在周围环境中的任何液态水与第一复合区域28的组分之间形成屏障。这减少了液态水可引起的第一复合区域28内的吸附剂材料24、24’的降解，增加了吸附剂聚合物复合制品20的寿命和耐用性。第二区域36的疏水性和第三区域38的疏水性相对于第一复合区域28的第一疏水性较大，这可能是由于在第二和第三区域36、38内缺少吸附剂材料24、24’造成的。
在一些实施方式中，使用涂层(未显示)来密封第一复合区域28。在一些情况下，涂层被配置为类似于上述吸附剂材料24、24’的碳吸附材料。
第二区域36的第二多孔聚合物40和第三区域38的第三多孔聚合物48可以是以下中的至少一种：聚四氟乙烯(PTFE)、膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)、膨胀型聚乙烯(ePE)或其他合适的多孔聚合物。第二区域36的第二多孔聚合物40可以与第三区域38的第三多孔聚合物48相同或不同。此外，第一复合区域28的第一多孔聚合物22、第二区域36的第二多孔聚合物40和第三区域38的第三多孔聚合物48可以彼此相同或不同。
在各种实施方式中，第二区域36的厚度小于第一复合区域28的厚度，第三区域38的厚度小于第一复合区域28的厚度。吸附剂聚合物复合制品20的总厚度可为约0.1mm至约5.0mm。在一些实施方式中，第一复合区域28的厚度可占总厚度的大部分，例如总厚度的约70％、约80％、约90％或更多。
第一复合区域28、第二区域36和第三区域38各自的多孔聚合物22、40、48的孔隙特征是可变的。在一些实施方式中，第二和第三区域36、38可以具有比第一复合区域28更少和/或更小的孔44、54，以选择性地限制不期望的污染物(例如水)渗透到第一复合区域28中，同时允许期望的分子(例如CO2)渗透到第一复合区域28中。相比之下，第一复合区域28可以具有比第二和第三区域36、38更多和/或更大的孔32，以促进CO2移动通过第一复合区域28以进行吸附和解吸。
此外，不同的实施方式中孔隙特征可以变化。孔隙特征的这种变化可以取决于吸附剂聚合物复合制品20的整个厚度，以及第一复合区域28、第二区域36和第三区域38的单独厚度。
图2A是图2的吸附剂复合制品20的第一复合区域28的示意性立视图。在该实施方式中，吸附剂聚合物复合制品20(图2)相对较厚，例如约3mm，并且第一复合区域28具有占吸附剂聚合物复合物20的总厚度的大部分的厚度T1。吸附剂聚合物复合制品20可以装载有期望量的吸附剂材料24(例如，约60％的吸附剂材料24)以保持相对大的空隙率，其中空隙率是第一复合区域28的空隙空间的体积与第一复合区域28的整个体积的相对比率。由此，吸附剂聚合物复合制品20在结构上是相对开放的，并且吸附剂材料24具有相对高的可接触性。虽然在此实施方式中，由于厚度T1，气体扩散所需的距离可能更远，但是吸附剂材料24对于气体来说仍然是可接触的。因此，气体吸附至吸附剂材料24的初始动力学可能较慢，但是与较薄的实施方式相比，可以快速达到CO2吸附至吸附剂材料24的平衡，这也将在本文中进行描述。
图2B是图2A的第一复合区域28的一个替代性实施方式，其中吸附剂复合制品20(图2)具有中等厚度，例如约0.5mm。在该实施方式中，第一复合区域28的厚度T2占吸附剂聚合物复合制品20总厚度的大部分。在这种情况下，如果第一复合区域28的聚合物22(图2)的量和吸附剂材料24的量相对于先前的实施方式是恒定的，则其空隙率将小于图2A的第一复合区域28的空隙率。因此，吸附剂聚合物复合制品20保持了这样的孔隙率，其中气体可接触吸附剂材料24但接触程度相对低于图2A实施方式的吸附剂材料24。结果，由于较短的扩散距离，气体吸附到吸附剂材料24的初始动力学可能更快，但是CO2吸附平衡的时间将相对于图2A中的实施方式的时间增加。
图2C是图2A和2B的第一复合区域28的一个替代性实施方式，其中吸附剂聚合物复合制品20(图2)相对较薄，例如约0.1mm。在该实施方式中，第一复合区域28的厚度T3占吸附剂聚合物复合制品20总厚度的大部分。在这种情况下，如果第一复合区域28的聚合物22(图2)的量和吸附剂材料24的量相对于前两个实施方式是恒定的，则聚合物22和可用的吸附剂材料24将在吸附剂聚合物复合制品20内进一步压缩。由于吸附剂聚合物复合制品20的压缩厚度，气体通过制品20所需的扩散距离较短，但是吸附剂材料24对气体的接触程度也更低。因此，虽然气体吸附到吸附剂材料24的初始动力学将比之前的实施方式更快，但是系统可能需要更长的时间才能达到CO2吸附平衡。
回到图2，吸附剂聚合物复合物20的孔隙特征不仅可以在每一层内变化，也可以在不同的实施方式中变化，这是由于改变了各种特征，包括吸附剂聚合物复合制品20的厚度、第一复合区域28的厚度、在吸附剂聚合物复合制品20内使用的吸附剂材料24、24’的量和聚合物22的量。由此，可以改变扩散长度和吸附剂材料24、24’可接触性之间的关系以最大限度地发挥吸附剂聚合物复合制品20的功能。
此外，改变第一复合区域28、第二区域36和第三区域38的疏水性、厚度、孔隙特征和其他特性的能力可以提高吸附剂聚合物复合制品20的耐用性和适形性。此外，使用相对薄而柔性的吸附剂聚合物复合制品20可使吸附剂聚合物复合制品20适应不同的构造以吸附和解吸二氧化碳。
图2D是具有额外端部密封区域21的图2的吸附剂聚合物复合制品的附加立视图。在一些实施方式中，吸附剂聚合物复合制品20包括端部密封区域21以保护吸附剂聚合物复合制品20的组成部分。例如，如果吸附剂聚合物复合制品20以任何方式被切开或裂开，例如出于生产或制造目的，则可能会使第一复合区域28和第一复合区域28中的吸附剂材料24、24’暴露在外部环境元素(如水、蒸汽或碎屑)中，这可能会对吸附剂聚合物复合制品20的性能造成损害。因此，具有端部密封区域21的实施方式可能是合乎需要的。如图2D所示，端部密封区域21被布置成使其可以连接第二区域36的聚合物40和第三区域38的聚合物48，并且覆盖第一复合区域28至少一侧上的暴露的聚合物。
在图2D所示的实施方式中，通过向吸附剂聚合物复合制品20施加额外的密封材料层47来形成端部密封区域21。密封材料47可以与第二区域36和第三区域38的材料相同或不同。例如，密封材料47可以是ePTFE(如图2D所示)、ePE、硅酮弹性体、或任何其它合适的保护第一复合区域28的非多孔和/或疏水材料。在其他实施方式中，可以通过延伸第二区域36和第三区域38并将区域36、38联接(例如，接合、粘合)在一起而形成端部密封区域21。增加该边缘密封步骤将通过保护保留在复合物中的吸附剂以及增韧复合物的前缘(这是最有可能受到空中碎片和高速撞击损坏的区域)而有利于复合物。
图3是阐述了将吸附剂聚合物复合制品20(图2)用于DAC的方法100的流程图。虽然吸附剂聚合物复合制品20(图2)的使用方法是参照用于DAC来描述的，但是该方法可以变化以用于除DAC之外的不同吸附过程。图4A至4D中示出了该方法100的第一实施方式的实施例。因此，首先将参考图3、4A、4B、4C和4D来描述方法100。然后，在随后的段落中，将参考图5和图6A至6D来描述方法100。
在框102处，方法100首先包括提供具有多孔复合部分62的吸附剂聚合物复合制品20。在一些实施方式中，多孔复合部分62包括具有吸附剂材料24、24’和第一多孔聚合物22的第一复合层28、第二层36和第三层38，如上文关于图2所示和所述的。在一些情况下，框102还可以包括提供与吸附剂聚合物复合制品20的多孔复合部分62联接的非多孔部分64。在图4A和4C的实施方式中，非多孔部分64位于吸附剂聚合物复合制品20的多孔复合部分62的最外端68处。多孔复合部分62、非多孔部分64的长度和/或吸附剂聚合物复合制品20的总长度是可变的。
在框104处，方法100包括将处于第一吸附构造的吸附剂聚合物复合制品20暴露于进料流60。处于第一构造的吸附剂聚合物复合制品20可以具有基本上层状的形式(其示例显示在图4A和4C中)，使得多孔部分62暴露于进料流60而不被非多孔部分64掩盖。在该第一构造中，可以通过支撑结构70来保持吸附剂聚合物复合制品20。吸附剂聚合物复合制品20的柔性性质可以允许吸附剂聚合物复合制品20像织物旗帜或横幅一样从支撑结构70向外延伸。尽管在图4A至4D的示例性实施例中描绘了水平构造，但是可以设想其他的多种垂直定向构造。在一些情况下，支撑结构70可以在吸附剂聚合物复合制品20的每一端支撑着吸附剂聚合物复合物，并且材料在支撑结构70之间穿行。在各种实施方式中，进料流60至少包含CO2和一种其它实体。进料流60可以类似于参照图1所示和所述的输入11的进料流。进料流60可以如图4A和4C所示在基本平行的方向、基本垂直的方向或其他合适的方向上被引导穿过吸附剂聚合物复合制品20。
在框106处，方法100包括在吸附剂聚合物复合制品20处于第一构造时将CO2吸附至吸附剂聚合物复合制品20的吸附剂材料24、24’(图2)。在各种实施方式中，进料流60中的至少一部分CO2被吸附至吸附剂聚合物复合制品20的多孔部分62的吸附剂材料24、24’(图2)。在一些情况下，吸附剂聚合物复合制品20保持在第一构造，直到达到对CO2的吸附容量。当吸附至吸附剂聚合物复合制品20的吸附剂材料24、24’的CO2的量等于吸附剂聚合物复合制品20的吸收剂材料24，24’能够吸附CO2的最大量时，就达到了吸附容量。在吸附剂聚合物复合制品20达到其吸附容量之前中止框106的吸附步骤也在本公开的范围内。例如，系统的动力学可能受到限制，使得吸附至吸附剂材料24、24’的CO2的量在达到吸附容量之前达到平衡并趋于平稳。在该示例中，当吸附至吸附剂材料24、24’的CO2的量趋于平稳时，框106的吸附步骤就可以停止。
在框108处，方法100包括在之前的框106中将CO2吸附到吸附剂聚合物复合制品20之后，将吸附剂聚合物复合制品20布置成第二解吸构造。在一些情况下，框108的布置步骤发生在达到吸附容量之后或之前。处于第二构造的吸附剂聚合物复合制品20可以具有基本上卷绕或缠绕的圆柱形形式，其中多孔部分62被卷绕到多孔滚筒72上，而非多孔部分64被卷绕到多孔部分62上。如此，根据一些实施例，内部多孔部分62可以被外部非多孔部分64掩盖。非多孔部分使得可以在多孔滚筒72内施加真空。施加真空或负压是排出解吸的CO2的标准方法。在一些实施例中，多孔部分62可以由外部的非多孔部分64临时覆盖，非多孔部分可以包括一层或多层非多孔材料。在一些实施例中，多孔部分62可以通过外部非多孔部分64与外部环境物理隔离、隔绝或保护。
在框110处，方法100包括在吸附剂聚合物复合制品20处于第二构造时，通过将吸附剂聚合物复合制品20暴露于解吸源80(例如，水、水蒸气和/或热)来解吸CO2。在图4B和4D所示的实施方式中，框110的该解吸步骤包括当吸附剂聚合物复合制品20处于第二构造时，纵向注入作为解吸源80的水蒸气穿过吸附剂聚合物复合制品20的中心。端部密封区域21(图2)可以保护吸附剂材料24、24’。与传统系统相比，可以使解吸所需的能量最小化，因为在解吸步骤期间材料被限制在小得多的构造中。吸附剂聚合物复合制品20包括一定程度的柔性，该柔性有助于在不需要铰链和附加部件的情况下在第一和第二构造之间变换。在不同的地理区域、季节、温度和天气条件下，框110的解吸步骤可以有所不同。
水滴的形成会抑制在框106的吸附步骤期间从进料流60的吸附和在框110的解吸步骤期间发生的CO2的解吸。进料流60可能含有充足的水蒸气，以在吸附剂聚合物复合制品20上形成液滴，因而阻碍CO2的吸附。类似地，液滴可以在解吸过程中凝结在吸附剂聚合物复合制品20上。在这些情况下，摇动、振动、振荡或以其他方式移动吸附剂聚合物复合制品20可以从吸附剂聚合物复合制品20中去除液滴。这些技术可以分别提高吸附和解吸效率。这种可动性证明了吸附剂聚合物复合制品20在其柔性方面的进一步益处。本领域技术人员已知各种手段来给予运动以去除液滴，并且可以包括例如物理振动吸附剂聚合物复合制品20、摇动结构70、施加脉冲空气和/或通过声音或磁性变化振荡结构70。摇动或振动吸附剂聚合物复合制品20的这一步骤可以同时发生在框104的暴露步骤、框106的吸附步骤、框108的布置步骤和框110的解吸步骤之前和/或之后同时进行。
在一些情况下，方法100还包括收集提取的CO2。可以使用真空进行该收集过程以收集释放的CO2。
图3的方法100的另一个实施方式涉及图5所示的吸附剂聚合物复合制品20’的使用。除了下文所述之外，吸附剂聚合物复合制品20’可以类似于上述吸附剂聚合物复合制品20，其中相似的元件用相似的附图标记表示。
在图5所示的实施方式中，框102(图3)的提供步骤包括沿着连续路径81布置带状(belt-shaped)多孔复合部分62，该连续路径81具有第一部分82(例如，图5中的上部)和第二部分84(例如，图5中的下部)。框104(图3)的暴露步骤，其中吸附剂聚合物复合制品20’处于第一构造，包括将多孔复合物62的至少一部分布置在路径81的第一(例如，上部)部分82中并与进料流60连通。框106(图3)的吸附步骤包括将CO2从进料流60吸附到布置处于第一构造的吸附剂聚合物复合制品20’部分中。框108(图3)的布置步骤，其中吸附剂聚合物复合制品20’处于第二构造，包括将多孔复合物62的至少一部分布置在路径81的第二(例如，下部)部分84中并与解吸源80连通。框110(图3)的解吸步骤包括将布置处于第二构造的吸附剂聚合物复合制品20’部分暴露于解吸源80以解吸CO2。在图5所示的实施方式中，该解吸源80是水蒸气(例如，含有水蒸气的温室)。在该温室示例中，释放的CO2可以由植物消耗。在一些其他实施方式中，可以在框110的解吸步骤之后收集提取的CO2。
如图5所示，吸附剂聚合物复合制品20’由棍86a、86b、86c、86d支撑，并且可以沿着路径81连续转动。在该实施方式中，吸附剂聚合物复合制品20’表现为环形轨道，其在布置成第一构造的路径81的第一部分82的和布置成第二构造的路径81的第二部分84之间连续转动。以由此，沿着吸附剂聚合物复合制品20’的长度的每个点能够在处于第一构造时进行吸附，当转到第二构造时进行解吸和再生，当转回到第一构造时再次吸附，如此循环。吸附剂复合制品20的柔性便于在第一和第二构造之间的转换，而不需要包括但不限于铰链部件的附加部件。该实施方式还允许在单个吸附剂聚合物复合制品20’上同时发生吸附和解吸。例如，可以在处于第一构造的吸附剂聚合物复合制品20’的上半部发生吸附，同时在处于第二构造的吸收剂聚合物复合制品20’的下半部发生解吸。吸附剂聚合物复合物20’的行进速度可以根据其吸附和解吸容量或基于达到平衡时的动力学来改变。
图3的方法100的另一个实施方式涉及吸附剂聚合物复合制品20”的使用，其实施例如图6A至6D所示。除了下文所述之外，吸附剂聚合物复合制品20”可以类似于上述吸附剂聚合物复合制品20，其中相似的元件用相似的附图标记表示。
在该实施方式中，与框104(图3)的暴露步骤相对应的第一构造是延伸或展开构造，其示例如图6A和6C所示，与框108(图3)的布置步骤对应的第二构造是压缩或折叠构造，其示例如图6B和6D所示。吸附剂聚合物复合制品20”可以是具有铰链点91的格子结构以适应这样的展开和折叠。在该实施方式中，处于第一延伸构造的吸附剂聚合物复合制品20”的高度90大于处于第二压缩构造的吸附剂聚合物复合制品20”的高度92。
在一些实施方式中，吸附剂聚合物复合制品20”可包括含有吸附剂材料24的区域(例如，填充区域)和不含吸附剂材料的区域(如，未填充区域)。不含吸附剂材料24的区域可以比含有吸附剂材料的区域更适形。这种控制吸附剂聚合物复合制品20”的适形性的能力也可以使得能够控制铰接点91的布置。例如硅酮的物质可以被夹带在吸附剂聚合物复合制品20的不含吸附剂材料24的区域中以增加耐久性。吸附剂复合制品20的柔性便于在不需要机械铰链和附加部件(其将增加成本并降低寿命和耐久性)的情况下在第一和第二构造之间转换。
此外，框110(图3)的解吸步骤可包括将吸附剂聚合物复合制品20”暴露于解吸源80。在图6B和6D所示的实施方式中，解吸源80可以是水，使得解吸步骤包括在吸附剂聚合物复合制品20”处于第二压缩构造时将吸附剂聚合物复合制品20”浸入水中以解吸CO2。在其他实施方式中，解吸源80可以是蒸汽或热。本领域技术人员将清楚地认识到在解吸步骤期间使吸附剂聚合物复合物占据的体积最小化的节能潜力。这种体积的减少将导致能源使用的减少，并最终导致成本的降低。
柔性吸附剂聚合物复合物的其他优点来自体积减少(折叠、卷绕、缠绕等)的能力。使空气接触器或模块的体积最小化将使得能够减少CO2捕获场地的存储空间、制造场地的库存空间以及运输和包装成本。虽然列出了这些益处，但这些益处并不是限制性的。为了进一步解释，体积减少的益处可能是广泛的，例如减少了更换本发明的吸附剂聚合物复合物所需的人工。例如，在展开或吸附构造中，吸附剂聚合物复合物可能体积庞大，并且需要一组技术人员来处理和更换它，而本发明的折叠或缠绕的吸附剂聚合复合物可能只需要一名技术人员来执行曾经需要多名技术人员执行的相同任务。
可以在不脱离本公开范围的情况下对所讨论的示例性实施方式进行各种修改和添加。例如，虽然上述实施方式涉及特定特征，但本公开的范围还包括具有不同特征组合的实施方式和不包括所有所描述特征的实施方式。因此，本公开的范围旨在包含属于权利要求范围内的所有此类替代、修改和变更，以及其所有等同物。

Claims (28)

1.一种吸附剂聚合物复合制品，其包括吸附剂和具有柔性的柔性多孔聚合物的复合物，所述吸附剂聚合物复合制品具有：
吸附构造，其中所述吸附剂聚合物复合制品被设置为吸附进料流的一种或多种组分；
解吸构造，其中所述吸附剂聚合物复合制品被设置为从吸附剂聚合物复合制品中去除所述一种或多种组分；和
其中，所述柔性多孔聚合物的柔性有助于在吸附构造和解吸构造之间的变换。
2.如权利要求1所述的吸附剂聚合物复合制品，其中，所述吸附剂聚合物复合制品还包括载体。
3.如权利要求1所述的吸附剂聚合物复合制品，其中，所述进料流包含二氧化碳。
4.如权利要求1所述的吸附剂聚合物复合制品，其中，所述吸附剂聚合物复合制品处于吸附构造时基本为层状，处于解吸构造时基本为圆柱形。
5.如权利要求1所述的吸附剂聚合物复合制品，其中，所述吸附剂聚合物复合制品包括：
处于吸附构造时的延伸布置；和
处于解吸构造时的压缩布置。
6.如权利要求1所述的吸附剂聚合物复合制品，其中，所述吸附剂聚合物复合制品处于吸附构造时基本是展开的，处于解吸构造时基本是折叠的。
7.如权利要求1所述的吸附剂聚合物复合制品，其还包括不含吸附剂的非多孔部分，其中所述非多孔部分与复合物联接。
8.如权利要求7所述的吸附剂聚合物复合制品，其中所述非多孔部分联接在复合物的最外端。
9.如权利要求7所述的吸附剂聚合物复合制品，其中，当所述吸附剂聚合物复合制品处于解吸构造时，复合物的多孔聚合物被非多孔部分暂时覆盖。
10.如权利要求1所述的吸附剂聚合物复合制品，其中，一旦达到吸附剂聚合物复合制品的吸附容量或吸附平衡，吸附性聚合物复合制品即从吸附构造转变为解吸构造。
11.如权利要求1所述的吸附剂聚合物复合制品，其中所述吸附剂聚合物复合制品从解吸构造转变为吸附构造。
12.一种使用吸附剂聚合物复合制品的方法，所述方法包括以下步骤：
提供吸附剂聚合物复合制品，所述吸附剂聚合物复合制品包括：多孔复合部分，所述多孔复合部分包括吸附剂和柔性多孔聚合物；
将处于第一构造的吸附剂聚合物复合制品暴露于含有二氧化碳的进料流；
在吸附剂聚合物复合制品处于第一构造时，至少一部分二氧化碳吸附至吸附剂；
在吸附步骤之后将吸附剂聚合物复合制品布置成第二构造；和
在吸附剂聚合物复合制品处于第二构造时，二氧化碳从吸附剂聚合物复合制品中解吸出来。
13.如权利要求12所述的方法，其还包括将吸附剂聚合物复合制品保持在第一构造，直到吸附剂达到二氧化碳容量或平衡，其中一旦达到二氧化碳容量或平衡，即进行布置步骤。
14.如权利要求12所述的方法，其中：
提供步骤还包括将具有柔性聚合物的非多孔部分联接到多孔复合部分的柔性多孔聚合物；
暴露步骤还包括将吸附剂聚合物复合制品布置成基本层状的形式；和
布置步骤还包括将吸附剂聚合物复合制品布置成基本圆柱形的形式，其中多孔复合部分被非多孔部分所掩盖。
15.如权利要求14所述的方法，其中解吸步骤包括将水蒸气注入处于第二构造的吸附剂聚合物复合制品的中心并收集至少一些二氧化碳。
16.如权利要求12所述的方法，其还包括在解吸步骤之后将吸附剂聚合物复合制品从第二构造转变回第一构造。
17.如权利要求12所述的方法，其还包括沿着具有第一部分和第二部分的路径转动吸附剂聚合物复合制品，其中：
在吸附剂聚合物复合制品处于第一构造的暴露步骤期间，吸附剂聚合物复合制品的一部分被布置在路径的第一部分；和
在吸附剂聚合物制品处于第二构造的布置步骤期间，吸附剂聚合物复合制品的一部分被布置在路径的第二部分。
18.如权利要求17所述的方法，其中，转动步骤导致吸附剂聚合物复合制品占据的体积减小。
19.如权利要求17所述的方法，其中，解吸步骤还包括将处于第二构造的多孔复合部分浸没在物质中以解吸二氧化碳。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述物质是水或水蒸气。
21.如权利要求12所述的方法，其还包括在解吸步骤之后收集所提取的二氧化碳。
22.如权利要求17所述的方法，其中，转动步骤是以连续方式进行的，使得吸附剂聚合物复合制品在第一构造和第二构造之间连续转变。
23.如权利要求12所述的方法，其中：
暴露步骤包括将吸附剂聚合物复合制品布置成延伸构造；和
布置步骤包括将吸附剂聚合物复合制品布置成压缩构造。
24.如权利要求23所述的方法，其中，处于延伸构造的吸附剂聚合物复合制品的高度大于处于处于压缩构造的吸附剂聚合物复合制品的高度。
25.如权利要求23所述的方法，其中，解吸步骤还包括将处于第二构造的吸附剂聚合物复合制品浸没在使二氧化碳解吸的物质中。
26.如权利要求12所述的方法，其中，所述吸附剂聚合物复合制品还包括保护吸附剂的端部密封区域。
27.如权利要求12所述的方法，其还包括移动吸附剂聚合物复合制品以基本上去除任意液滴。
28.如权利要求12所述的方法，其中，所述进料流还包含蒸汽或热量。
CN202280019381.0A 2021-03-05 2022-03-07 具有吸附和解吸构造的柔性吸附剂聚合物复合制品 Pending CN116917034A (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US63/157,451 2021-03-05
US202263302852P 2022-01-25 2022-01-25
US63/302,852 2022-01-25
PCT/US2022/019104 WO2022187729A1 (en) 2021-03-05 2022-03-07 Flexible sorbent polymer composite article having adsorptive and desorptive configurations

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116917034A true CN116917034A (zh) 2023-10-20

Family

ID=88357050

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202280019381.0A Pending CN116917034A (zh) 2021-03-05 2022-03-07 具有吸附和解吸构造的柔性吸附剂聚合物复合制品

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116917034A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Keller et al. High capacity polyethylenimine impregnated microtubes made of carbon nanotubes for CO2 capture
US9789436B2 (en) Sorbents for carbon dioxide reduction from indoor air
US20240116024A1 (en) Flexible sorbent polymer composite article having adsorptive and desorptive configurations
Wang et al. Perspectives on water-facilitated CO 2 capture materials
US20240149242A1 (en) Polymer composite article having retained solids and methods of formation
KR20100092946A (ko) 주변 환경의 ｃｏ2 포획을 위한 기능성 이온 교환 멤브레인 공기 수집기
US20240139710A1 (en) Sorbent polymer composite article for adsorption
CN116917034A (zh) 具有吸附和解吸构造的柔性吸附剂聚合物复合制品
Wang et al. Electrospun nanofibrous sorbents and membranes for carbon dioxide capture
CN116917033A (zh) 用于吸附的疏水吸附剂聚合物复合制品
US20230233984A1 (en) Sorbent article with water exclusionary properties and methods of forming the same
CN116963831A (zh) 具有保留固体的聚合物复合制品及其形成方法
KR20240007932A (ko) 선택적 장벽 층을 갖는 흡착제 물품
CN117320807A (zh) 具有选择性阻挡层的吸着剂制品
WO2024144815A1 (en) Gas separation contactor module assembly and method for making gas separation contactor module assembly
JP2024150184A (ja) 二酸化炭素吸着材、二酸化炭素の吸着・分離・回収用モジュール及び直接空気回収方法
CA3240579A1 (en) Co2 adsorption system and method for co2 adsorption using humidity stable polystyrene-divinylbenzene amine functionalized polymeric adsorbents
KR20240151736A (ko) 습도 안정성 폴리스티렌디비닐벤젠 아민 관능화된 중합체 흡착제를 이용한 co2 흡착 시스템 및 co2 흡착 방법
Wright et al. Capture of carbon dioxide (CO 2) from air

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination