JP2014522298A - 屋内空気からの二酸化炭素の低減のための収着剤 - Google Patents
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Abstract
密閉された空間からの屋内空気からのCO2低減のための収着剤。いくつかの実施形態において、収着剤は、固体支持体、および支持体によって支持されているアミンをベースとする化合物を含む。収着剤は、屋内空気内のCO2の少なくとも一部分を捕獲する。屋外空気を収着剤を通して流し、捕獲したCO2の少なくとも一部分を放出することによって、収着剤は再生し得る。収着剤は、比較的低い流動抵抗および比較的急速な反応動態を伴って、屋内空気がその中を流れることを可能にするように構築される。再生は比較的低温の屋外空気で行ってもよく、それによって収着剤を再生するのに必要とされる熱エネルギーを最小化する。
Description
関連出願への相互参照
この出願は、2011年5月17日に出願され、表題「Method and System for Improved−Efficiency Air−Conditioning」のPCT特許出願第PCT/US2011/036801号および2011年8月23日に出願され、表題「Removal of Carbon Dioxide from Indoor Air Using Amine−Impregnated Solid Adsorbents」の米国仮特許出願第61/575,577号への利益を主張する。上記出願の開示は、それらの全体が参考として本明細書に援用される。
この出願は、2011年5月17日に出願され、表題「Method and System for Improved−Efficiency Air−Conditioning」のPCT特許出願第PCT/US2011/036801号および2011年8月23日に出願され、表題「Removal of Carbon Dioxide from Indoor Air Using Amine−Impregnated Solid Adsorbents」の米国仮特許出願第61/575,577号への利益を主張する。上記出願の開示は、それらの全体が参考として本明細書に援用される。
技術分野
本出願は一般に、空気からの物質の低減のための収着剤、特に屋内空気からの二酸化炭素の低減のための収着剤に関する。
本出願は一般に、空気からの物質の低減のための収着剤、特に屋内空気からの二酸化炭素の低減のための収着剤に関する。
アミンは有機化合物、および2個以下の水素原子と共に塩基性窒素原子を含有する官能基である。第一級アミンは、付着した2個の水素原子を有し、第二級アミンは、1個の水素原子を有する。アミンは、アンモニアの誘導体であり、1個または複数の水素原子が、置換基、例えば、アルキルまたはアリール基で置き換えられている。
アミンガス処理は、精製所、石油化学プラントおよび天然ガス加工プラントにおいて存在するガスからの二酸化炭素(CO2)を除去するための、様々な形態のアミンを使用する当技術分野で周知のプロセスである。
制御され密封された環境(潜水艦、宇宙船または宇宙服など)からのCO2の除去はまた、当技術分野において公知である。
したがって、本開示の実施形態によると、屋内空気からのCO2低減のための収着剤が提供される。収着剤は、固体支持体、および支持体に付着したアミンをベースとする化合物を含む。収着剤は、屋内空気内のCO2の少なくとも一部分を捕獲する。収着剤は、屋外空気を収着剤を通して流し、捕獲したCO2の少なくとも一部分を放出することによって再生させてもよい。収着剤は、比較的低い流動抵抗および比較的急速な反応動態を伴って、屋内空気がその中に流れることが可能となるように構築される。再生は、比較的低温で行ってもよく、したがって収着剤を再生するために必要とされる熱エネルギーは最小化する。
本開示のいくつかの実施形態によると、密閉された空間の屋内空気からのCO2の低減のための収着剤が提供される。収着剤は、固体支持体、および支持体によって支持されているアミンをベースとする化合物を含む。アミンをベースとする化合物を提供して、屋内空気内のCO2の少なくとも一部分を捕獲し、屋外空気を収着剤を通して流すことによって、捕獲したCO2の少なくとも一部分を放出する。支持体は、多孔質固体材料または微粒子固体材料を含み得る。支持体は、粘土を含み得る。支持体は、複数の粒子を含んでもよく、いくつかの実施形態において、複数の粒子は、0.1〜10ミリメートル、0.2〜3ミリメートル、または0.3〜1ミリメートルの範囲の平均直径寸法を有する。いくつかの実施形態において、アミンをベースとする化合物は、少なくとも50%または25%の第二級アミンを含む。
いくつかの実施形態によれば、支持体は、最初、微粒子の形態であり、アミン(anmine)をベースとする化合物と混合され、その後、複数の粒子として形成される。いくつかの実施形態において、支持体は、粒子、微粒子または粉末をベースとする固体を含み、微粒子を、収着剤を通る空気の流れを促進するために、より大きな粒子に凝集させる。
本開示のいくつかの実施形態によると、密閉された環境からCO2を低減するための方法が提供される。この方法は、収着剤および収着剤のための支持体を提供することと(収着剤は、アミンをベースとする化合物またはアミン様化合物を含む);収着剤が、第1のガスのCO2の少なくともいくらかを捕獲するように、密閉された環境内からのCO2を含有する第1のガスを収着剤を通して流すことと;収着剤が、捕獲したCO2の少なくともいくらかを第2のガスに放出するように、環境外からの第1のガスより少ないCO2を含有する第2のガスを収着剤を通して流すこととを含む。密閉された環境は、プライベート空間、公共空間、居住空間、または商業的空間でよい。第1のガスは、屋内空気でよく、かつ/または第2のガスは、屋外空気でよい。この方法は、加熱、換気、および空気調節(HVAC)システムと連通している収着剤および支持体を提供することをさらに含み得る。いくつかの実施形態において、HVACシステムは、第2のガスを収着剤を通して流すように構成されている。
いくつかの実施形態によると、密閉された環境からの空気中に含有されるCO2を低減するためのシステムが提供され、システムは、HVACシステム、およびHVACシステムと連通している収着剤を含む。収着剤は、固体支持体、および支持体によって支持されているアミンをベースとする化合物を含む。HVACシステムは、屋内空気が収着剤の上および/または収着剤を通って流れるように構成されており、アミンをベースとする化合物は、屋内空気内のCO2の少なくともいくらかを捕獲するように構成されている。さらに、HVACシステムは、収着剤によって捕獲されたCO2の少なくとも一部分がそこから放出されるように、屋外空気が収着剤の上および/または収着剤を通って流れるように構成されている。
本明細書に記載されている主題の1つまたは複数の変形形態の詳細は、添付図面および下記の記載において示されている。本明細書に記載されている主題の他の特色および利点は、記載および図面から、ならびに特許請求の範囲から明らかである。
本開示の実施形態によるシステム、器具および方法の原理および働きは、図面、および以下の説明を参照しながらよりよく理解され得る。これらの図面は例示の目的のみのために示し、限定することを意味しない。
図1は、本開示のいくつかの実施形態による収着剤構築物の略図である。図1に示すように、収着剤構築物100(例えば、フィルターまたはスクラバーとも称され得る)は、密閉された環境102からの屋内空気と流体連通していてもよい。
密閉された環境102は、例えば、オフィスビル、商業用ビル、銀行、住居用ビル、家、学校、工場、病院、店舗、モール、屋内娯楽会場、貯蔵施設、実験室、車両、飛行機、船、バス、劇場、部分的および/もしくは完全に密閉された競技場、教育施設、図書館、ならびに/あるいは設備、材料、生きている占有者(例えば、ヒト、動物、合成生物など)および/または任意のこれらの組合せによって時々占有されることがある、他の部分的および/もしくは完全に密閉された構造物および/または施設でよい。
ビルおよび構造物の中および周りの屋内空気は、汚染物質を含む複数の物質により影響を受ける。これらの汚染物質の中で、通常最も高い濃度を有するのはCO2である。比較的より低い濃度で出現し得る他の汚染物質、例えば、一酸化炭素、亜酸化窒素および酸化硫黄が存在する。別のクラスのこのような汚染物質は、揮発性有機化合物(VOC)と広範に称される有機蒸気の種の群である。これらの蒸気の源は、とりわけ、ヒト占有者自身(呼吸および発汗から衣類および化粧品まで)、ならびに建築材料、設備、食物および消費者製品、洗浄材料、事務用品、またはVOCを排出する任意の他の材料を含む。さらなる汚染物質は、とりわけ、細菌、ウイルスおよび真菌および空気中に浮遊する粒子を含めた微生物であり得る。
ヒトが占有する密閉された環境102において、屋内空気内のCO2の濃度は典型的には、400〜5000百万分率(ppm)の範囲である。さらに、屋内空気中のCO2の濃度は、400〜2000ppmの範囲であり得る。さらに、屋内空気中のCO2の濃度は、500〜1500ppmの範囲であり得る。さらに、屋内空気中のCO2の濃度は、800〜1200ppmの範囲であり得る。
密閉された環境102の外側にある屋外空気中のCO2の濃度は典型的には、300〜500ppmの範囲である。より高いレベルが、燃焼または生物の近傍において見られてもよい。大気中のCO2レベルの連続的増加についての懸念が存在し、したがって大気中のレベルは将来はより高くなり得る。
いくつかの実施形態において、屋外空気中のCO2の濃度は、100〜2000ppmの範囲だけ屋内空気中より低くてもよい。さらに、屋外空気中のCO2の濃度は、1200ppm以下だけ屋内空気中より低くてもよい。さらに、屋外空気中のCO2の濃度は、800ppm以下だけ屋内空気中より低くてもよい。さらに、屋外空気中のCO2の濃度は、400ppm以下だけ屋内中より低くてもよい。
収着剤構築物100を提供して、屋内空気114からの物質を浄化することによってその中に存在する物質の濃度を低減させる。収着剤構築物100は、少なくとも2つの機能的な群の材料:受動的支持体および活性化合物からなる収着剤120を含み得る。支持体材料は一般に、収着剤の力学的および物理的構造を提供し、活性化合物は、CO2を引きつけ、捕獲する。
物質の捕獲に続いて、収着剤構築物100は、物質、例えば、CO2の少なくとも一部分のそこからの放出を促すことによって再生され得る。本明細書の下記に記載のように、再生は、収着剤の性能の非常に重要な側面であり、しばしば最も多くのエネルギーが必要とされるステップである。
再生は、加熱、パージング、圧力変化、電気エネルギー、および/または任意のこれらの組合せを組み合わせることによって行い得る。さらに、物質の放出は、加熱と、空気または他のパージガスによるパージングとの組合せによって達成することができる。放出された物質は、大気中に消え去り、または集められ、配置され、隔離され、かつ/または任意のこれらの組合せが行われてもよい。
いくつかの実施形態によると、再生は、収着剤構築物からの物質、例えば、CO2の少なくとも一部分の放出のために、パージガス124を収着剤構築物100を通して流すことによって行い得る。理想的には、このように入ってくるパージガスは、非常に低いCO2濃度を有する。屋外空気はある量のCO2を含有するが、収着剤構築物100の再生のためのパージガス124としての屋外空気の使用は、屋外空気の利用可能性および費用効率性により有利であり得る。いくつかの実施形態によると、屋外空気のCO2濃度は、屋外空気が収着剤120をパージし、したがって再生することを可能にするために、屋内空気のCO2濃度より任意の量だけ低くてもよい。
パージガス124は、有効な再生のために、例えば、概ね20〜200℃の範囲の適切な温度で収着剤構築物100中に導入され得る。いくつかの実施形態によると、パージガス124の温度は、100℃未満、または概ね30〜80℃の範囲、または概ね30〜60℃ほど低い範囲など比較的低い。したがって、屋外空気がパージガスとして使用される場合、屋外空気を比較的最小限に加熱することが必要であり得る。またはいくつかの実施形態によると、屋外空気を従前の加熱なしに収着剤構築物100中に導入し得る。
パージガス124は、空気、屋外空気、屋内空気、N2、これらの組合せ、または任意の他の適切なガスを含み得る。好ましい一実施形態において、屋外空気をパージガスとして使用する。
収着剤120の支持体成分は、任意の適切な材料で形成され得る。非限定的例において、支持体は一般に、化学的に不活性な材料で形成され得る。さらに、支持体は、吸着剤材料、例えば、ゲル、分子篩、ナノチューブ含有材料、多孔質材料、繊維をベースとする材料、スポンジ様材料、電気的および/もしくは電磁気的に荷電したライナーまたは物体、多孔質有機ポリマー、任意の他の化学的、生物学的誘引物質、ならびに/あるいは任意のこれらの組合せで形成され得る。吸着剤材料は、例えば、イオン交換樹脂、ポリマー吸収剤樹脂、アクリル酸エステルポリマー、ポリスチレンジビニルベンゼン、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリスチレン、スチレンジビニルベンゼン(SDB)、フライアッシュ、炭素、活性炭(activated carbon)、カーボンナノチューブ、またはアルミナナノ粒子を含み得る。さらなる多孔質材料は、例えば、ゼオライト、合成ゼオライト、多孔質アルミナ、多孔質鉱物、シリカ、多孔質シリカ、シリカナノ粒子、ヒュームドシリカ、活性炭(activated charcoal)および金属有機構造体(metal organic framework)を含み得る。さらなる多孔質材料は、フィロケイ酸アルミニウムを含む粘土、例えば、ベントナイト、モンモリロナイト、ボール粘土、フラー土、カオリナイト、アタパルジャイト、ヘクトライト、パリゴルスカイト、サポナイト、および海泡石でよい。
いくつかの実施形態において、支持体は、いくつかの異なる吸着剤材料の組合せを含み得る。
これらの材料のいくつかは、種々の商業的供給源、例えば、Ludwigshafen、GermanyのBASF SE;Frankfurt am Main Switzerland、EuropeのClariant SE;Boston、Massachusetts、USAのCabot Corporation、およびEssen、GermanyのEvonik Industriesから入手してもよい。
支持体は、任意の適切な構成、例えば、比較的大きな総表面積を伴って形成される固体支持基材または固体支持体に形成され得る。固体支持体は、液体ではない任意の適切な材料を含み得る。例えば、固体支持体は、複数の要素、例えば、固体粒子130またはシートで形成され得る。総表面積は一般に、固体支持体を形成する各要素の表面積の合計として定義され得る。
図1において、例示的な粒子130を示す。粒子130は、任意の適切な形状または方法、例えば、粉末、繊維、顆粒、ビーズ、ペレット、押出物またはこれらの組合せで構成され得る。繊維は、任意の適切な繊維、例えば、炭素繊維、シリカ繊維またはポリマー繊維でよい。繊維を織りまたは撚り合せて、布または紙様材料を形成し得る。
繊維、顆粒、ビーズ、ペレットおよび押出物は、本明細書の上記に記載のような任意の適切な材料で形成され得る。支持体は、複数の薄いシートで形成され得る。シートは、天然もしくは合成繊維をベースとする材料、紙、天然布、または合成布を含み得る。シートは、概ね1ミクロンから2センチメートルの範囲の厚さを有するなど任意の適切なサイズで形成され得る。さらに、この範囲は、例えば、概ね2〜80ミリメートルでよい。いくつかの実施形態において、収着剤120は、例えば、10〜1000平方メートル/グラムの範囲の大きな表面積(例えば、複数の粒子130の総表面積)を含み得る。
粒子130は、粒子130が微細すぎて、それによって過度に緻密な層が形成され、これが収着剤構築物100を通る屋内空気114の流れを防止することがないことを確実にする寸法で形成され得る。さらに、粒子130は、物質、例えば、CO2の最大の吸着のために屋内空気114が粒子130と最大の接触をすることを可能とするために、複数の粒子130の総表面積が十分に大きいことを確実にする寸法で形成され得る。
非限定的例において、粒子130の平均直径は、概ね0.1〜10ミリメートルの範囲でよい。全ての粒子の形状およびサイズが同一である可能性はなく、したがって、典型的または平均的粒子は、このような粒子の平均の凝集物を構成する。別の非限定的例において、粒子130の平均直径は、概ね0.2〜3ミリメートルの範囲でよい。また別の非限定的例において、粒子130の直径は、概ね0.3〜1ミリメートルの範囲でよい。粒子130の直径を、概ねの直径として測定してもよく(粒子は、顆粒もしくはビーズである)、または断面の直径として測定し得る(粒子は、繊維、押出物もしくはペレットである)。
収着剤120は、任意の適切な様式で配列され得る。例えば、収着剤120は、任意の適切な構成で形成されたエンクロージャ140中に置いてもよい。粒子130または薄いシートまたは任意の他の収着剤120は、そこからの最大の相互作用のために、屋内空気114が粒子130と最大に接触することを可能にする密度でエンクロージャ140中に比較的高密度で充填され得るが、収着剤構築物100を通る屋内空気114の流れを防止し得るように過度に密ではない。
例示的なエンクロージャ140および空気処理モジュールは、参照により本明細書中にその全体が組み込まれている出願人の米国特許出願公開第20110198055号において開示されている。
収着剤120中の活性化合物は、アミンをベースとする化合物またはアミン様化合物でよい。アミン化合物は、屋内空気114中に存在するCO2を吸着するのに適している。アミンをベースとする化合物は、任意の適切なアミン、例えば、第一級もしくは第二級アミン、またはこれらの組合せを含み得る。さらに、アミンをベースとする化合物は、比較的単純な単一分子、例えば、エタノールアミンから、大分子アミノポリマー、例えば、ポリエチレンイミンまでの範囲であり得る。アミンをベースとする化合物は、モノエタノールアミン(MEA)、エタノールアミン、メチルアミン、分岐状ポリエチレンイミン(PEI)、直鎖状ポリエチレンイミン(PEI)、ジエタノールアミン(DEA)、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジイソプロパノールアミン(DIPA)テトラエチレンペンタミン(TEPA)、メチルジエタノールアミン(MDEA)、メチルエタノールアミン、およびいくつかのポリアミンのいずれか、例えば、ポリエチレンイミン、またはこれらの組合せを含み得る。
アミンをベースとする化合物は、液体もしくは固体または任意の他の適切な相でよい。
アミンは比較的大量のCO2を選択的に捕獲することが当技術分野において公知である。本明細書の上記に記載のように、収着剤構築物100を用いて、物質、例えば、密閉された環境102から出る屋内空気内のCO2を低減させる。屋内空気は典型的には、400〜2000ppmの範囲の比較的低濃度のCO2を含む。したがって、アミンをベースとする化合物の使用は、屋内空気内のCO2の濃度を低減させることにおいて非常に有効である。さらに、屋内空気は、他のガス化合物、主に約75〜82%または79〜82%の窒素;および15〜21%または18〜21%の酸素からなる。屋内空気の湿度レベルによって、水がまた存在し得る。例えば、屋内空気中に0%〜5%の水が存在し得る。したがって、アミンをベースとする化合物を使用することが有利であり、これは、水または他の屋内空気ガス化合物による収着剤構築物100の飽和を回避する一方で、CO2および場合により他の物質の選択的捕獲を可能にする。固体支持体によって支持されているアミンをベースとする化合物によるCO2吸着の一例を、図2、4および6に関連して記載する。
いくつかの実施形態によると、アミンをベースとする化合物は、比較的大きな割合の第二級アミンを含み得る。いくつかの実施形態において、ジエタノールアミンのように、アミンは、100%第二級アミンである。他の実施形態において、特定のポリアミンのように、25%〜75%のアミンは、第二級アミンである。さらに、アミンをベースとする化合物は、少なくとも50%の第二級アミンを含み得る。さらに、アミンをベースとする化合物は、少なくとも25%の第二級アミンを含む。
NH2要素を含む第一級アミンは、CO2との強力な化学反応を生じさせる。単一の水素を含む第二級アミン、すなわち、NHは、CO2とより弱い化学反応を生じるが、それでもCO2を効率的および選択的に捕獲する。したがって、第二級アミンは、そこから捕獲したCO2を放出するために、第一級アミンからCO2を放出するのに必要とされるエネルギー(例えば、熱エネルギー)より少ないエネルギーを必要とする。より容易に放出する第二級アミンは、屋内空気からのCO2の十分な捕獲を可能とする一方で、比較的急速および低いエネルギーでの収着剤120の再生をまた可能とする。したがって、収着剤120の再生は、屋外空気を使用して比較的低い温度によって行われてもよい。最小限の加えた熱によって収着剤を再生する能力は、屋内空気を処理するために非常に有利である。
本明細書の上記に記載のように、収着剤120は、粒子130、薄いシート、または物質と接触するための比較的大きな総表面積を提供する任意の構成で形成され得る。このアミン含有固体収着剤は、屋内空気からの最大のCO2除去のために、屋内空気114がアミンをベースとする化合物と最大の接触をすることを可能とする。本明細書の上記に記載のように、これは典型的には低濃度のCO2を有する屋内空気のために有利である。さらに、比較的大きな総表面積を有するアミン含有支持体の使用によって、比較的コンパクトで小さなサイズのエンクロージャ140内に収着剤構築物100を配置することが可能となる。
さらに、収着剤120は、粒子130、薄いシート、または比較的低い流動抵抗を有する収着剤120を通って流れるガスに対して透過性のある任意の構造で形成され得る。粒子130および薄いシートは、屋内空気が粒子130またはシートの間を容易に流れることを可能とする。本明細書の上記に記載のように、収着剤120は、多孔質材料で形成してもよく、それによって屋内空気がまた粒子130またはシートを通って流れることが可能となり、このように収着剤120のガス透過性が増強される。
さらに、比較的大きな総表面積および比較的高い流体透過性を伴って構築された収着剤120は、比較的急速な反応動態を提供し、したがって比較的大量のCO2がアミン含有支持体によって迅速に捕獲される。反応動態または化学動態は、化学プロセスの速度、例えば、CO2が収着剤120によって捕獲される速度と定義され得る。
低い流動抵抗および急速な反応動態は、比較的低いCO2濃度を有する屋内からのCO2を捕獲するのに有利である。
上記で説明するように、収着剤120の低い流動抵抗および比較的大きな総表面積はまた、パージ用空気124が収着剤120からCO2を容易に放出させることを可能にする。結果的に、パージ用空気124は、比較的短時間で最小限の加えた熱と共に収着剤を再生してもよく、さらにパージ用空気124は、屋外空気を含み得る。
大きな総表面を有する化学的に不活性な支持体の例は、粘土、シリカ、金属酸化物、例えば、アルミナ、またはこれらの組合せを含み得る。例えば、酸処理したベントナイト粘土は、ジエタノールアミン(DEA)のヒドロキシル基と化学的に良好に結合して、安定な収着剤を形成する。ポリエチレンイミン(PEI)はシリカ表面に付着し、それによって、これらの支持体およびアミンは、屋内空気からの選択的および効率的なCO2除去のための収着剤として使用され得ることは当技術分野において公知である。
液体アミンを担持する大きな表面積の固体の一例は、Siriwardane(米国特許第6,908,497号)により記載されており、ここでベントナイト粘土はアミンで含浸され、CO2の選択的吸着剤として作用するアミン含浸粘土がもたらされる。
アミン含有収着剤は、当技術分野において公知の任意の適切な方法で合成され得る。非限定的例において、固体支持体は、例えば、噴霧、滴下またはアミンをベースとする化合物の溶液への浸漬によって、任意の適切な様式でアミンをベースとする化合物によって含浸され得る。含浸は、触媒により、または外部エネルギー源、例えば、熱により、さらにまたは代わりに機械的に刺激され得る。
本明細書の上記に記載のように、および実施例1に例示するように、いくつかの実施形態によると、固体支持体は、最初に粒子を含んでもよく、これはその後、アミンをベースとする化合物で含浸される。
他の実施形態によると、固体支持体は最初に、微粒子、例えば、粉末を含み得る。実施例2に記載されているように、微粒子を、例えば、アミン含有液体または溶液中への微粒子の浸漬によるなど、アミンをベースとする化合物と混合して、アミン含有粉末を形成し得る。
他の実施形態によると、実施例3に記載されているように、アミン含有粉末は、例えば、標準的な手順、例えば、顆粒またはビーズを形成するための顆粒化、およびペレットまたは押出物を形成するためのペレット化または押出しによって、凝集して支持体を形成する。
支持体およびアミンを合成するプロセスにおいて溶媒が使用される場合、このように得られた収着剤は、任意の適切な様式で乾燥する必要があり得る。
アミンをベースとする化合物は、液体、固体でよく、または最初に溶媒に溶解した固体でよい。例えば、溶解したアミンをベースとする化合物は、任意の適切な溶媒、例えば、ジクロロメタン(DCM)に溶解し得るジエタノールアミン(DEA)を含み得る。さらに、溶解したアミンをベースとする化合物は、任意の適切な溶媒、例えば、水、エタノール、メタノール、エチレングリコール(EGW)またはプロピレングリコール(PGW)に溶解し得るポリエチレンイミン(PEI)を含み得る。
アミン含有支持体を形成するための条件およびパラメーターは、選択された支持体および選択されたアミンをベースとする化合物の特性によって変化し得る。
収着剤構築物100は、密閉された環境102内に置いてもよい。代わりに、収着剤構築物100は、密閉された環境102および屋内空気114の外に置いてもよく、かつ/または外部空気124を、任意の適切な様式でその中に導入し得る。
本明細書に記載の実施例は、開示された実施形態を行う様々な態様のいくつかを例示することを意味し、開示を限定することを決して意図しない。
下記の実施例1、2および3は、アミン含有支持体を合成するための方法を記載する。アミン含有支持体は、任意の適切な方法で構成され得ることが認識される。
(実施例1)
ベントナイト粉末を、任意の標準的な顆粒化方法によって、最初に粒子、例えば、顆粒またはビーズに形成してもよく、あるいは任意の標準的なペレット化または押出し法によって、ペレットまたは押出物(extrudants)に形成してもよい。
ベントナイト粉末を、任意の標準的な顆粒化方法によって、最初に粒子、例えば、顆粒またはビーズに形成してもよく、あるいは任意の標準的なペレット化または押出し法によって、ペレットまたは押出物(extrudants)に形成してもよい。
一実施形態において、ベントナイト粉末を、20〜500[m2/グラム]の多孔度を有する高多孔度8〜32メッシュの酸処理したベントナイトペレットに形成し得る。
顆粒またはペレットを、液体アミンをベースとする化合物、例えば、ジエタノールアミン(DEA)によって、ポンプを使用してノズルを通して乾式噴霧し得る。DEAは、任意の適切な溶媒によって、例えば、ジクロロメタン(DCM)によって溶解し得る。さらに、溶解したDEAおよび任意の他のアミンまたは化合物の混合物を使用し得る。例えば、90:10のDEA対テトラエチレンペンタミン(TEPA)の比を有するDEAおよびTEPAの混合物を使用し得る。別の例において、70:30のDEA対TEPAの比を使用し得る。
代わりに、粒子を液体アミンをベースとする溶液に浸漬し、その後乾燥し得る。アミン含浸ベントナイト混合物が形成される。
アミン対粘土の比は、変化し得るが、比は典型的には、100グラムの粘土に対して30〜50グラムのアミンの範囲である。
多孔化剤(porosity agent)、例えば、セルロースを、粒子の多孔度を増強するために加えてもよい。別の加える多孔化剤は、W.A.Hammond Drierite Co.,Ltdから市販されているDRIERITE(登録商標)でよい。
粒子を使用して、アミン含有支持体を形成させる。
(実施例2)
粉末、例えば、20〜500[m2/グラム]の多孔度を有するベントナイト粉末を、最初に300〜350℃の温度で、およびその後500〜550℃の温度で焼くことによって乾燥し得る。乾燥した粉末を、ドラムミキサー中に置いてもよい。液体アミンをベースとする化合物、例えば、溶解したジエタノールアミン(DEA)は、ベントナイトおよびアミンをベースとする化合物の混合物を連続的に混合しながら、ポンプを使用してノズルを通して噴霧し得る。代わりに、液体アミンをベースとする化合物を、粉末上にゆっくりと滴下し得る。
粉末、例えば、20〜500[m2/グラム]の多孔度を有するベントナイト粉末を、最初に300〜350℃の温度で、およびその後500〜550℃の温度で焼くことによって乾燥し得る。乾燥した粉末を、ドラムミキサー中に置いてもよい。液体アミンをベースとする化合物、例えば、溶解したジエタノールアミン(DEA)は、ベントナイトおよびアミンをベースとする化合物の混合物を連続的に混合しながら、ポンプを使用してノズルを通して噴霧し得る。代わりに、液体アミンをベースとする化合物を、粉末上にゆっくりと滴下し得る。
DEAは、任意の適切な溶媒によって、例えば、ジクロロメタン(DCM)によって溶解し得る。さらに、溶解したDEAおよび任意の他のアミンまたは化合物の混合物を使用し得る。例えば、DEAおよびテトラエチレンペンタミン(TEPA)の混合物(90:10のDEA対TEPAの比を有する)を使用し得る。別の例において、70:30のDEA対TEPAの比を使用し得る。
混合物が飽和して、液滴が形成し始めるとき、噴霧または滴下は停止すべきである。液体対粉末の比は変化し得るが、この比は典型的には、100グラムの粉末に対して30〜50グラムの液体の範囲である。
アミン含浸ベントナイト粉末混合物は、さらに乾燥してもよく、または乾燥しなくてもよい。
アミン含浸ベントナイト粉末を使用して、アミン含有支持体を形成する。
(実施例3)
アミン含浸ベントナイト粉末を、実施例2に記載されているように形成させる。
アミン含浸ベントナイト粉末を、実施例2に記載されているように形成させる。
アミン含浸ベントナイト粉末を、任意の標準的な顆粒化方法によって粒子、例えば、顆粒またはビーズに形成し、あるいは任意の標準的なペレット化または押出し方法によってペレットまたは押出物に形成し得る。
粒子を使用して、アミン含有支持体を形成させる。
実施例1〜3に記載されているプロセスを行う間、アミンの蒸発を防止するために、アミン含浸ベントナイト混合物を(例えば、100℃超まで)過熱しないことが推奨される。
下記の実施例4〜8(異なる実施例の吸着および再生)において、収着剤120が、記載されている。記載した実施例の結果を、それぞれの図2〜6のグラフに示す。他の材料を使用して、収着剤120を形成し得ることが認識される。
(実施例4)
10リットルの固体支持アミン顆粒を、エンクロージャ中に配置した。固体支持アミン顆粒は、未処理ベントナイト、ならびにDEAおよびTEPAのアミン混合物(90:10のDEA対TEPAの比を有する)を含んだ。固体支持アミン顆粒を、実施例1の方法によって一般に形成した。
10リットルの固体支持アミン顆粒を、エンクロージャ中に配置した。固体支持アミン顆粒は、未処理ベントナイト、ならびにDEAおよびTEPAのアミン混合物(90:10のDEA対TEPAの比を有する)を含んだ。固体支持アミン顆粒を、実施例1の方法によって一般に形成した。
圧力センサー、温度センサーおよび二重(冗長)高精度CO2センサーを、エンクロージャの上流および下流の両方に置いた。
概ね1000ppmのCO2を有する室温および標準的な湿度(48〜52%)の空気を、40立方フィート/分(CFM)で収着剤を通して流した。
収着剤から出る空気は、概ね200ppmのCO2濃度を含有したが、これは図2に見られるように空気中のCO2濃度の低減において約75〜80%の効率を表す。これによって、急速な反応動態を表す。この効率は約100分間維持され、この時点で、効率は予想どおりにゆっくりと低下し始めたが、これは収着剤の段階的な飽和を表す。
最初の2時間に捕獲されたCO2の容量は、250グラムであると推定されたが、これは8kG質量の収着剤の3%に近いことを表す。飽和が開始した後でさえ継続された上記の吸着サイクルにおいて、3時間に亘って概ね400グラムのCO2が吸着されたが、これは収着剤の総質量の5%である。
エンクロージャの秤量によって、概ね700グラムの重量増加が示されたが、これはCO2の吸着に加えて約300グラムの水の吸着を示す。重要なことに、水がCO2と共に脱着されたが、CO2を吸着し、かつ収着剤を再生する周期的な能力に対して有害な作用を有さないようであり、収着剤の効率に対する有害な作用を有さないようであったことが留意される。
(実施例5)
実施例4に記載するように、CO2の吸着に続いて、収着剤の再生を行った。屋外空気を、収着剤の上流に置いた電気加熱器を使用して再生サイクルの間に様々な程度に加熱した。空気温度を概ね40〜70℃に加熱し、空気を40CFMおよび80CFMで流した。収着剤温度を、30分に亘って45〜55℃にゆっくりと上げた。図3に見られるように、収着剤をいずれかの時点で55℃超に上げる必要はなかったことが見出され、実際に45℃で非常に高速の脱着が明らかなようであった。
実施例4に記載するように、CO2の吸着に続いて、収着剤の再生を行った。屋外空気を、収着剤の上流に置いた電気加熱器を使用して再生サイクルの間に様々な程度に加熱した。空気温度を概ね40〜70℃に加熱し、空気を40CFMおよび80CFMで流した。収着剤温度を、30分に亘って45〜55℃にゆっくりと上げた。図3に見られるように、収着剤をいずれかの時点で55℃超に上げる必要はなかったことが見出され、実際に45℃で非常に高速の脱着が明らかなようであった。
収着剤から出る流出空気は、2000ppm超のCO2濃度に達したが、これはこのような低温および高流量についての優れた結果である。CO2濃度は、収着剤再生の開始の15分以内に下落し始め、CO2が収着剤から枯渇するにつれ急速に低下し続けた。
(実施例6)
0.8972グラムの固体支持アミン顆粒を、エンクロージャ中に配置した。固体支持アミン顆粒は、酸処理ベントナイト、ならびにDEAおよびTEPAのアミン混合物(90:10のDEA対TEPAの比を有する)を含んだ。固体支持アミン顆粒は、実施例1の方法によって一般に形成した。
0.8972グラムの固体支持アミン顆粒を、エンクロージャ中に配置した。固体支持アミン顆粒は、酸処理ベントナイト、ならびにDEAおよびTEPAのアミン混合物(90:10のDEA対TEPAの比を有する)を含んだ。固体支持アミン顆粒は、実施例1の方法によって一般に形成した。
概ね1700ppmのCO2濃度を有する温度40℃および湿度3%の空気を、50立方センチメートル/分(標準状態下)(SCCM)で60分間収着剤を通して流した。
図4に見られるように、CO2濃度は一般に、概ね60分後に概ね1800ppm(すなわち、0.18%)に連続的に上昇したが、これは収着剤による連続的で効率的なCO2吸着を示す。これによって、急速な反応動態を示す。
(実施例7)
実施例6に記載するように、CO2の吸着に続いて、収着剤の再生を行った。70ccのN2を含むパージガスを、50℃に加熱し、50SCCMで流した。
実施例6に記載するように、CO2の吸着に続いて、収着剤の再生を行った。70ccのN2を含むパージガスを、50℃に加熱し、50SCCMで流した。
収着剤から出る流出パージガスは、3800ppm(すなわち、0.38%)超のCO2濃度に達した(優れた結果)。図5に見られるように、CO2濃度は再生サイクルの開始の8分以内に下落し始め、CO2が収着剤から枯渇するにつれ急速に低下し続けた。
(実施例8)
0.8501グラムのアミン含有粉末を、エンクロージャ中に配置した。アミン含有粉末は、未処理ベントナイト、ならびにDEAおよびTEPAのアミン混合物(70:30のDEA対TEPAの比を有する)を含んだ。実施例2の方法によって、アミン含有粉末が一般に形成された。
0.8501グラムのアミン含有粉末を、エンクロージャ中に配置した。アミン含有粉末は、未処理ベントナイト、ならびにDEAおよびTEPAのアミン混合物(70:30のDEA対TEPAの比を有する)を含んだ。実施例2の方法によって、アミン含有粉末が一般に形成された。
概ね1700ppmのCO2濃度を有する温度40℃および湿度4%の空気を、15SCCMで250分間収着剤を通して流した。
図6に見られるように、CO2濃度は、概ね240分後に一般に概ね1250ppm(すなわち、0.125%)に連続的に上昇したが、これは収着剤による連続的で効率的なCO2吸着を示す。これによって、急速な反応動態を示す。
いくつかの実施形態によると、収着剤構築物100を提供して、空気管理システム、例えば、加熱、換気および空気調節(「HVAC」)システム104の一部としてCO2濃度を低減し得る(例えば、それと一体で、またはそのインライン要素)。いくつかの実施形態において、図1に示されているように、HVACシステム104は、収着剤構築物100の下流に配列するが、収着剤に対してHVACシステムの他の配列は、この開示の範囲内である。空気管理システムにおいて、収着剤から出る屋内空気は、そのCO2低減に続いて、空気管理システムの密閉された環境中に再循環し得る。収着剤構築物100の収着剤は、CO2を吸着するための吸着サイクル、および収着剤を再生するための再生サイクルを繰返し行い得る。HVACシステムから物質を除去する例は、参照により本明細書中にその全体が組み込まれている出願人の米国特許第8157892号に開示されている。
いくつかの実施形態によると、本明細書に記載されている収着剤構築物100は、第1のガスからの物質、例えば、CO2の低減のために使用し得ることが留意される。第1のガスは、100〜5000ppmの範囲のCO2濃度または任意の他の濃度を有する空気を含み得る。
いくつかの実施形態によると、収着剤構築物100は、第2またはさらなるガスを収着剤を通して流すことによって再生してもよく、第2のガスは、物質の低減の前に、第1のガスのCO2濃度より実質的に800ppm未満低いCO2濃度を有する空気を含む。
いくつかの実施形態によると、複数の粒子で形成される固体支持体を含む収着剤構築物100を、ガスからのCO2の低減のために使用してもよく、粒子は実質的に0.1〜10ミリメートルの範囲の直径で形成される。支持体は、少なくとも25%の第二級アミンを含み、かつ100〜2000ppmの範囲のCO2濃度を含むガスからのCO2の低減のためにCO2を捕獲するように動作可能である、アミンをベースとする化合物に含浸し得る。
開示された実施形態のさらなる特色および利点、ならびに本主題の様々な実施形態の構造および働きを、添付図面に関連して下記で詳細に開示する。
本主題の方法および構成要素の実施形態例は、本明細書に記載されている。他の場所で留意するように、これらの実施形態例は、例示の目的のみのために記載されてきており、限定的ではない。他の実施形態が可能であり、本主題によって包含される。このような実施形態は、本明細書に含有されている教示に基づいて当業者には明らかであろう。このように、本主題の幅および範囲は、上記の例示的な実施形態のいずれかによって限定すべきではないが、下記の特許請求の範囲およびそれらの同等物によってのみ定義すべきである。
Claims (43)
- 密閉された空間の空気からのCO2の低減のための収着剤であって、
固体支持体と、
前記支持体によって支持されているアミンをベースとする化合物と
を含み、
前記アミンをベースとする化合物は、屋外空気を前記収着剤を通して流すことによって、前記密閉された空間の屋内空気内のCO2の少なくともいくらかを捕獲し、捕獲した前記CO2の少なくとも一部分を放出するように構成されている、収着剤。 - 前記支持体が、多孔質固体材料または微粒子固体材料を含む、請求項1に記載の収着剤。
- 前記支持体が、粘土を含む、請求項1に記載の収着剤。
- 前記支持体が、ゲル、分子篩、ナノチューブ含有材料、多孔質材料、スポンジおよびスポンジ様材料、電磁気的に荷電した物体、多孔質有機ポリマー、イオン交換樹脂、ポリマー吸収剤樹脂、アクリル酸エステルポリマー、ポリスチレンジビニルベンゼン、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリスチレン、スチレンジビニルベンゼン(SDB)、フライアッシュ、活性炭、カーボンナノチューブ、アルミナナノ粒子、合成ゼオライト、多孔質アルミナ、多孔質鉱物、多孔質シリカ、シリカナノ粒子、ヒュームドシリカ、活性炭、フィロケイ酸アルミニウム、ベントナイト、モンモリロナイト、ボール粘土、フラー土、カオリナイト、アタパルジャイト、ヘクトライト、パリゴルスカイト、サポナイト、海泡石、金属有機構造体、および1つまたは複数のこれらの組合せからなる群から選択される、請求項1に記載の収着剤。
- 前記支持体が、複数の粒子を含む、請求項1に記載の収着剤。
- 前記支持体が、0.1〜10ミリメートルの範囲の平均直径寸法を有する複数の粒子を含む、請求項1に記載の収着剤。
- 前記支持体が、0.2〜3ミリメートルの範囲の平均直径寸法を有する複数の粒子を含む、請求項1に記載の収着剤。
- 前記支持体が、0.3〜1ミリメートルの範囲の平均直径寸法を有する複数の粒子を含む、請求項1に記載の収着剤。
- 前記支持体が、繊維、顆粒、ビーズ、ペレット、押出物および1つまたは複数のこれらの組合せからなる群から選択される、請求項1に記載の収着剤。
- 前記支持体が、繊維をベースとする材料で形成される、請求項1に記載の収着剤。
- 前記繊維を、織りまたは撚り合せて、布または紙様材料を形成する、請求項10に記載の収着剤。
- 前記支持体が、複数のシートを含む、請求項1に記載の収着剤。
- 前記支持体が、約1ミクロン〜約2センチメートルの範囲の厚さを有する複数のシートを含む、請求項1に記載の収着剤。
- 前記支持体が、約2〜約80ミリメートルの範囲の厚さを有する複数のシートを含む、請求項1に記載の収着剤。
- 前記アミンをベースとする化合物が、少なくとも約50%の第二級アミンを含む、請求項1に記載の収着剤。
- 前記アミンをベースとする化合物が、少なくとも約25%の第二級アミンを含む、請求項1に記載の収着剤。
- 前記アミンをベースとする化合物が、モノエタノールアミン(MEA)、エタノールアミン、メチルアミン、ポリエチレンイミン(PEI)、ジエタノールアミン(DEA)、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジイソプロパノールアミン(DIPA)、テトラエチレンペンタミン(TEPA)、メチルジエタノールアミン(MDEA)、メチルエタノールアミン、および1つまたは複数のこれらの組合せからなる群から選択される、請求項1に記載の収着剤。
- 前記支持体が、大きな総表面積を伴って形成される、請求項1に記載の収着剤。
- 前記屋内空気が、約400〜約5000ppmのCO2濃度を含む、請求項1に記載の収着剤。
- 前記屋外空気中のCO2濃度が、前記収着剤中に流す前に、概ね約300〜約500ppmである、請求項1に記載の収着剤。
- 前記屋外空気が、前記屋内空気中のCO2濃度より実質的に約1600ppm未満だけ低いCO2濃度を有する、請求項1に記載の収着剤。
- 前記支持体が、最初、微粒子の形態であり、前記アミンをベースとする化合物と混合され、その後、約0.1〜約10ミリメートルの範囲の複数の粒子として形成される、請求項1に記載の収着剤。
- 前記支持体が、粒子、微粒子または粉末をベースとする固体を含み、前記微粒子を、前記収着剤を通る空気の流れを促進するために、より大きな粒子に凝集させる、請求項1に記載の収着剤。
- 屋外空気を約100℃未満の温度で前記収着剤を通して流す、請求項1に記載の収着剤。
- 屋外空気を約80℃未満の温度で前記収着剤を通して流す、請求項1に記載の収着剤。
- 屋外空気を約60℃未満の温度で前記収着剤を通して流す、請求項1に記載の収着剤。
- 屋外空気を約50℃未満の温度で前記収着剤を通して流す、請求項1に記載の収着剤。
- HVACシステム内の前記屋内空気からのCO2の除去のために、前記収着剤が前記HVACシステム中に配置される、請求項1に記載の収着剤。
- 密閉された居住空間、公共空間または商業的空間からの第1のガスからのCO2の低減のための収着剤であって、
固体支持体と、
前記支持体に付着しているアミンをベースとする化合物と
を含み、
前記アミンをベースとする化合物は、前記第1のガス中のCO2の少なくともいくらかを捕獲し、第2のガスを前記収着剤を通して流すことによって捕獲した前記CO2の少なくとも一部分を放出するように構成されており、前記第2のガスは、前記収着剤を通して流す前に、前記第1のガス中のCO2濃度より実質的に約1600ppm未満だけ低いCO2濃度を含む、収着剤。 - 前記第2のガスを80℃未満の温度で前記収着剤を通して流す、請求項29に記載の収着剤。
- 前記第2のガスを約60℃未満の温度で前記収着剤を通して流す、請求項1に記載の収着剤。
- 前記第2のガスを約50℃未満の温度で前記収着剤を通して流す、請求項1に記載の収着剤。
- ガスからのCO2の低減のための収着剤であって、
複数の粒子で形成される固体支持体を含み、
前記粒子は、実質的に約0.1〜約10ミリメートルの範囲の直径を伴って形成され、
前記支持体は、少なくとも約25%の第二級アミンを含み、かつ約100〜約2000ppmの範囲のCO2濃度を含む前記ガスからのCO2の低減のために前記CO2の少なくとも一部分を捕獲するように構成されている、アミンをベースとする化合物で含浸されている、収着剤。 - さらなるガスを前記収着剤を通して流すことによって、前記捕獲したCO2の少なくとも一部分を放出するように動作可能である、請求項32に記載の収着剤。
- 前記さらなるガスが、屋外空気を含む、請求項33に記載の収着剤。
- 密閉された環境からの空気中に含有されるCO2を低減させるための方法であって、
収着剤および前記収着剤のための支持体を提供する工程であって、前記収着剤は、アミンをベースとする化合物またはアミン様化合物を含む、工程と、
前記収着剤が、第1のガスからのCO2の少なくともいくらかを捕獲するように、密閉された環境内からのCO2を含有する前記第1のガスを前記収着剤を通して流す工程と、
前記収着剤が、捕獲した前記CO2の少なくともいくらかを第2のガスに放出するように、前記環境外からの前記第1のガスより少ないCO2を含有する前記第2のガスを前記収着剤を通して流す工程と
を含む、方法。 - 前記密閉された環境が、プライベート空間、公共空間、居住空間、または商業的空間である、請求項36に記載の方法。
- 加熱、換気、および空気調節(HVAC)システムと連通している前記収着剤、および前記支持体を提供する工程をさらに含む、請求項37に記載の方法。
- 前記HVACシステムが、前記第2のガスを前記収着剤を通して流すように構成されている、請求項37に記載の方法。
- 前記第2のガスを前記収着剤を通して流すとき、前記収着剤を約45〜約55℃の温度で提供する、請求項36に記載の方法。
- 前記第2のガスを約40〜約70℃で前記収着剤を通して流す、請求項36に記載の方法。
- 密閉された環境からの空気中に含有されるCO2を低減させるためのシステムであって、
HVACシステムと、
前記HVACシステムと連通している収着剤と
を含み、
前記収着剤は、
固体支持体と、
前記支持体によって支持されているアミンをベースとする化合物と
を含み、
前記HVACシステムは、屋内空気が前記収着剤の上および/または前記収着剤を通って流れるように構成されており、
前記アミンをベースとする化合物は、前記屋内空気内のCO2の少なくともいくらかを捕獲するように構成されており、
前記HVACシステムは、前記収着剤によって捕獲された前記CO2の少なくとも一部分が、前記収着剤から放出されるように、屋外空気が前記収着剤の上および/または前記収着剤を通って流れるように構成されている、システム。 - 前記密閉された環境が、プライベート空間、公共空間、居住空間、または商業的空間である、請求項42に記載のシステム。
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