JP2023504522A - 二酸化炭素の直接回収 - Google Patents

Abstract

本開示は、大規模な、比較的低いコストの実装を可能とする方法での、カルシウム吸着剤による二酸化炭素または他のガスの直接空気回収のためのシステムおよび方法を提供する。具体的には、カルシウム吸着剤は、１つ以上の基材上の実質的に薄いコーティング層として提供され、化学吸着による二酸化炭素の直接空気回収に利用され得る。炭酸化された吸着剤は、二酸化炭素の隔離のために処分され得るか、または再生プロセス中に、炭酸化された吸着剤から放出される二酸化炭素の回収とともに再生され得る。【選択図】図１Ａおよび図１Ｂ

Description

本開示は、二酸化炭素の回収に有用なシステムおよび方法に関する。より具体的には、システムおよび方法は、吸着剤を使用して、空気または別のストリームから二酸化炭素を直接回収することができる。

大気中の温室効果ガス、特に二酸化炭素（ＣＯ_２）の上昇する濃度に対処するための世界的な継続的取り組みが存在する。大気中に毎年放出されているそのようなガスの量を削減するために多くの仕事が行われているが、排出量の削減だけでは、気候変動に関する懸念に対処するには不十分であり得るとの理解が深まっている。したがって、温室効果ガスの排出量を削減するだけでなく、大気中に既に存在するそのようなガスも除去するための方法について、現在、研究が進行中である。

周囲空気からＣＯ_２を回収するための現在の方法の大規模な展開は、少なくとも部分的には、地球規模でのＣＯ_２排出量が年間約３７０億トンの規模であることを考慮した既知の方法に関連する過剰なコストのため、不成功に終わっている。現在のＣＯ_２除去方法は、高い資本コスト、および様々な理由で高い操業コストを抱えている。例えば、周囲空気中の全ＣＯ_２濃度は、主成分（例えば、窒素、酸素、およびアルゴン）と比べて非常に希薄であるため、以前に特定された除去方法は、コスト効率を良くするために高い特異性および高い効率を必要としていた。高効率の除去方法が、以前に特定されていたにもかかわらず、そのような方法は、工業規模の実装のために、十分な体積の周囲空気を回収システムに通して、既知の方法を十分に単純かつ十分にコスト効率の良いものにする能力を欠いていた。高い効率を達成するための必要条件として、既知の除去方法は、必要な材料の高いコストを相殺するために再生可能な溶媒および／または化学薬品の使用を必要としていた。したがって、既知の回収方法で使用されていたそのような再生可能な溶媒および／または化学薬品は、再生のために回収されたＣＯ_２から分離されなければならず、この分離要求はまた、さらなるコストおよびエネルギーをプロセスに追加する。

気候変動に対抗する手段としてＣＯ_２除去技術を実装するという世界的な強い要望が存在するが、不当に高いコストは、これまでにそのような実装の妨げとなっている。大気から既存のＣＯ_２を除去するための手ごろな技術がないと、世界は、人為的地球温暖化を減少および逆転させようともがき続けることになる。したがって、ＣＯ_２を含む温室効果ガスの、周囲空気からの除去に有効なさらなる技術が、この分野で依然として必要である。

１つ以上の実施形態では、本開示は、周囲空気から直接二酸化炭素を回収するように適合または構成されるシステムおよび方法を提供することができる。有益には、システムおよび方法は、カルシウム吸着剤の利用可能な表面積を最大化して、周囲空気から除去され得る二酸化炭素の量を増加させることができる。本開示はまた、同時に大気中の二酸化炭素の蓄積を軽減しながら、受動的空気回収プロセスと統合された生成および物流システムの関連コストを最小化するのに有効であり得る。

本開示のシステムおよび方法は、特に、連続的に再生されなければならない高コストの化学薬品を必要とする既知の二酸化炭素除去システムと比較した場合に、相対的に低コストの、周囲空気からの二酸化炭素の高効率直接除去を提供することができる。より具体的には、本システムおよび方法は、周囲空気中でのカルシウム吸着剤の炭酸化を加速するように適合または構成され得、これは、いくつかの実施形態では、利用可能な吸着剤表面積を最大化し、吸着剤が急速かつ徹底的に炭酸化し得るように設計された厚さを利用する方法で、１つ以上の基材上に吸着剤を提供することによって達成され得る。

空気からの二酸化炭素の化学吸着への水酸化カルシウムの使用は、以前に提唱されている（“Carbon Dioxide Extraction From Air: Is It An Option?” Lackner, 1999、ならびに“Liquid-Like H₂O Adsorption Layers to Catalyze the Ca(OH)₂/CO₂ Solid-Gas Reaction and to Form a Non-Protective Solid Product Layer at 20°C” BerutoおよびBotter, 2000を参照）が、これらの特性を、受動的炭酸化を備える実行可能な直接空気回収システムに利用するのに有効な既知のシステムは示されていない。むしろ、以前のシステムは、炭酸化装置、空気接触器、追加の溶媒、ペレット反応器、ならびに追加の熱およびエネルギー入力による、直接空気回収の能動的加速に頼っていた。しかしながら、そのような能動的プロセスは、本開示のシステムおよび方法によって有益に回避される著しいコストおよびリスクを追加する。既知の受動的なカルシウム直接空気回収システム（Eransら、2019を参照）でさえ、実用的な統合システムを提供することができなかった。例えば、米国特許第10,570,018号は、受動的なカルシウム直接空気回収システムを開示するが、そのようなシステムは依然として、実用的な実装に必要な要件を満たすことができない（すなわち、十分に低いコストでの炭酸化の加速を可能としない）。しかしながら、これらの欠点の全ては、実用的な実装のために十分に低いコストでの炭酸化の加速を提供する本開示のシステムおよび方法の１つ以上の実施形態に従って克服され得る。

少なくとも二酸化炭素の直接空気回収のための（すなわち、他の汚染物質が同様に、本開示を使用して周囲空気から除去され得る）本開示のシステムおよび方法は、空気から二酸化炭素を除去するための既知のプロセスのいくつかの制限を克服する。例えば、既知のプロセスは、周囲空気から二酸化炭素を急速に除去するために高効率の高速の吸着剤／化学薬品を必要とする。過剰な材料コストのため、そのようなプロセスは、吸着剤／化学薬品の効率的な再生を必要とする。同様に、急速なターンオーバーを達成するために、そのようなプロセスは、急速なターンオーバーを達成する能動的な気流（例えば、ブロワを使用する）を必要とする。本開示のシステムおよび方法は、そのような制限を軽減または完全に克服する。本明細書にさらに記載されるように、本システムおよび方法は、低コストであるが、すでに認識されている効率の制限のため、実行可能な空気回収システムで使用するための先行技術によって無視されている吸着剤／化学薬品の使用を可能とする。より低コストの吸着剤／化学薬品はまた、統合された吸着剤生成および回収プロセスを可能とする。本方法およびシステムを、同様に、吸着剤／化学薬品の完全な再生なしで効率的に行うことができる。さらに、本方法およびシステムは、より遅い反応時間が利用される場合でさえ高い効率が達成され得るため、（必要に応じて）任意の強制空気部品（例えば、ブロワ）の明白な非存在下で行うことができる。より具体的には、本システムおよび方法は、吸着剤／化学薬品再生の部分的または完全な非存在下、および適用される強制空気部品の非存在下でさえ、低コストで高効率吸収を達成する、高表面積構成の実装を提供する。

１つ以上の実施形態では、本システムおよび方法は、受動的なカルシウム化学吸着炭酸化プロセスの使用を組み込んでよい。例示的実施形態は、閉鎖されたか、半閉鎖されたか、または覆われた構造の中で、ランダムに分布するか、または明確に組織化することができる、１つまたは複数の循環および／または固定吊り下げ基材を利用してよい。循環基材は、具体的には、垂直、水平、および／または受動コンベアシステムを利用してよい。カルシウム吸着剤は、実質的にプロセス準備完了状態で－すなわち、カルシウム吸着剤が、自発的または触媒的に駆動される二酸化炭素吸収プロセスを受ける準備ができている化学的状態で、提供され得る。いくつかの実施形態では、カルシウム吸着剤前駆体は、プロセス準備完了材料を提供するように処理され得る。例えば、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）は、か焼および消和を受けて、水酸化カルシウムスラリーまたは懸濁液を形成し得る。好ましくは、そのような処理は、炭酸カルシウムから追い出された二酸化炭素の部分的な、実質的に完全な、または十分に完全な回収とともに行われる。代替または追加として、酸化カルシウムおよび／または水酸化カルシウムは、それらが、好ましくは任意の生成された二酸化炭素の回収とともに生成されたさらなるプロセスから提供されてよい。

基材を、特にスラリーまたは懸濁液の形態であり得る水酸化カルシウム（または他のカルシウム吸着剤）の比較的薄い層でコーティングすることができる。そのようなコーティングは、任意の好適な手段によるものであり得るが、特に、本明細書にさらに記載されるように行われ得る。コーティング後、コーティングされた基材を、構造の所望の領域に配置し、実質的に固定して維持することができる。あるいは、コーティングされた基材は、構造の少なくとも一部を通して循環されてよい。コーティングされた基材を、蒸発（すなわち、水酸化カルシウムからのＨ_２Ｏの放出）および炭酸化（すなわち、空気からのＣＯ_２の取り込み）が所望の量だけ進行するのに十分な時間、周囲空気と接触させる。大気から二酸化炭素含有量を吸収した、炭酸化されたコーティングを、基材から除去することができ、実質的に洗浄された基材は再利用されてよい。除去されたコーティングは、異なるプロセスでの使用、産業利用、販売、および／または隔離のために、その場所から運び出されてよい。いくつかの実施形態では、カルシウム吸着剤を、再利用のために再生することができる。例えば、炭酸化された材料は、二酸化炭素を追い出すためにか焼器を通って処理される前に、必要に応じてさらなる炭酸化を受けてよく、二酸化炭素は、隔離または他の使用（例えば、原油増進回収）のために回収され得る。か焼はまた、酸化カルシウムを再生することができる。次いで、消和を行って、さらなる二酸化炭素の直接空気回収のために基材上にコーティングされる水酸化カルシウムを形成してよい。

本開示にかかるシステムは、プロセスステップを行うのに有用な個々の構成要素および／またはユニットの任意の組み合わせを含み得る。例えば、いくつかの実施形態では、好適なシステムは、好ましくは、か焼器で遊離する二酸化炭素の少なくとも一部、実質的に全て、または完全に全てを回収するように適合または構成されるか焼器を含み得る。システムは、同様に、消和装置、（垂直セグメントおよび水平セグメントの一方または両方で動作するように適合または構成され得る）コンベアシステム、ならびに床面より少なくとも部分的に上に吊り下げられるように適合または構成される１つまたは複数の基材を含み得る。システムの構成要素は、単一構造または複数の構造で存在し得る。

以下でより詳細に記載される前述のシステムおよび方法は、二酸化炭素回収のためのカルシウム吸着剤の既知の使用に対する異なる利点を提供する。具体的には、本システムおよび方法は、エネルギーコストを最小化しながら、カルシウム吸着剤の表面積の最大化を提供し、したがって、カルシウム吸着剤の炭酸化効率の最大化も提供する。いくつかの実施形態では、これは、特に、基材上の吸着剤のコーティング厚をカスタマイズして、吸着剤中への二酸化炭素の移動の最も効率的な速度を引き出すことによって達成され得る。この特定の設計は、したがって、直接空気回収システムの性能を高め、コストを削減する。

本開示は、既知の二酸化炭素回収システムに対するさらなる利点を提供する。例えば、本明細書で論じられるような高表面積吸着剤を利用した二酸化炭素の受動的回収は、空気接触器、充填塔、ファン、ポンプおよびコンプレッサ、炭酸化装置、ならびに／またはペレット反応器などの、高価な設備の必要性を低下させるか、実質的に排除するか、または完全に排除することができる。この有利な高表面積配置は、１つ以上の実施形態では、使用される１つ以上の基材上でのカルシウム吸着剤の比較的薄い層の利用によって達成され得る。好適な層厚の例示的実施形態は、基材上の露出した領域１平方メートル当たり約１．５ｋｇ以下のカルシウム吸着剤の範囲であり得る。この薄層を、カルシウム吸着剤の個々の層の厚さを維持しながら、高さ５フィート超であるような、比較的高い垂直方向密度で配置することができる。高表面積と低い層厚とのこの組み合わせは、過剰な土地範囲を必要とせずに、合理的な時間（例えば、厳密なコーティングパラメータおよび所望のプロセススループットに応じて、数時間～数カ月の規模）にわたる二酸化炭素の直接空気回収を提供することができる。さらに、この基材に基づく堆積方法は、以前の受動的直接空気回収システムによって対処されていない課題および問題の少なくともいくつかを解決する実用的かつ効率的な配置での、カルシウム吸着剤のより薄い塗布を可能とする。したがって、本システムおよび方法は、以前の受動的直接空気回収システムでは以前は達成不可能であった効率も提供しながら、以前に考え出された、より速いが、より資本およびエネルギー集約的な直接空気回収システムをはるかにしのぐことができる。

上記に加えて、任意の能動的空気回収機構の削減または排除も、そのような設備を動かすのに必要な電気および熱を発生させるための関連設備およびコストを削減することができる。結果として、回収システムを加熱し動かすために、より少ない二酸化炭素が生成され、本システムの正味の炭素除去は、既知のシステムおよび方法によって達成可能なものを著しく上回ることができる。

使用済みカルシウム吸着剤（すなわち、二酸化炭素を受動的に回収するのにすでに使用された吸着剤）を、吸収した二酸化炭素を貯蔵のために分離し、それにより、カルシウム吸着剤をさらなる空気回収のために再生するような方法で、か焼することができる。この再生は、カルシウム吸着剤を生成するための石灰石の必要性を低下させる。酸化カルシウム（ＣａＯ）のか焼は共通プロセスであるが、本受動的高密度ＣａＯ炭酸化プロセスとのその統合は、他の直接空気回収システムと比較して、吸着剤の使用および再生のフルサイクルのコストおよびエネルギー使用における著しい改善を提供するのに有効である。前述のプロセスと異なり、本開示のシステムおよび方法は、二酸化炭素回収に利用された後のカルシウム吸着剤のか焼を複雑にし得る、空気回収段階での追加の化学薬品または材料を必要としない。

直接空気回収に酸化カルシウムまたは水酸化カルシウムを使用するための、以前に開示されたプロセスは、受動的システムが提案された場合でさえ、プロセスを工業レベルにスケールアップするのに必要な空間および時間を制御することができなかった。カルシウム吸着剤は、約２０年間、直接空気回収のために検討されてきたが、そのカルシウムが有用な規模で二酸化炭素を受動的に回収することを実現可能にするシステムは開発されていない。本開示は、炭酸化を加速するための吸着剤の薄層の塗布、ならびに炭酸化期間中の空間およびコストを最小化する高密度の貯蔵および物流プロセスのための、その全システム設計により、この課題を解決し、工業規模で有効に動作する受動的直接空気回収プロセスを可能とする。

１つ以上の実施形態では、本開示は、特に、二酸化炭素の直接空気回収のための方法を提供することができる。例示的実施形態では、そのような方法は、１つ以上の基材上に１０キログラム／平方メートル未満の密度で、カルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層を調製することと、カルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層を有する１つ以上の基材を、二酸化炭素を含む空気と、カルシウム吸着剤が二酸化炭素と反応し、それにより二酸化炭素の少なくとも一部を空気から回収し、カルシウム吸着剤の少なくとも一部を炭酸化形態に変換するのに十分な時間、接触させることと、炭酸化形態のカルシウム吸着剤の少なくとも一部を１つ以上の基材から除去することと、空気から回収された二酸化炭素が、隔離または他の使用の準備ができている状態になるように、炭酸化形態のカルシウム吸着剤を処理することとを含み得る。さらなる実施形態では、方法を、任意の数および／または順序で組み合わせることができる以下の記述の１つ以上に関してさらに定義することができる。

カルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層は、約０．１ｋｓｍ～約５ｋｓｍの密度であり得る。

カルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層は、１つ以上の基材上で、２．５ｃｍ未満の平均厚さを有し得る。

カルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層は、１つ以上の基材上で、約０．０１ｍｍ～約２ｃｍの平均厚さを有し得る。

１つ以上の基材は、実質的にシートとして構成され得る。

カルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層は、カルシウム吸着材料の少なくも２５重量％が９６時間以下の時間内に炭酸化されるような炭酸化速度を示すように構成され得る。

カルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層は、カルシウム吸着材料の少なくも５０重量％が約１日～約１４日の時間内に炭酸化されるような炭酸化速度を示すように構成され得る。

カルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層を有する１つ以上の基材を、二酸化炭素を含む空気と接触させることは、カルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層が空気と接触する場所に、カルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層を有する１つ以上の基材を吊り下げることを含み得る。

炭酸化形態のカルシウム吸着剤の少なくとも一部を１つ以上の基材から除去することは、カルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層を破壊し、１つ以上の基材からカルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層を外すのに十分な力を、１つ以上の基材にかけることを含み得る。

炭酸化形態のカルシウム吸着剤を処理することは、炭酸化形態のカルシウム吸着剤の隔離のために、炭酸化形態のカルシウム吸着剤を特定することを含み得る。

炭酸化形態のカルシウム吸着剤を処理することは、炭酸化形態のカルシウム吸着剤を、炭酸化率を高めるのに十分な時間、周囲空気にさらに曝すことを含み得る。

炭酸化形態のカルシウム吸着剤を処理することは、炭酸化形態のカルシウム吸着剤をか焼してそこから二酸化炭素を放出させ、酸化カルシウムを形成することと、カルシウム吸着剤から放出された二酸化炭素を回収することとを含み得る。

方法は、酸化カルシウムを消和して、実質的に連続的なコーティング層を調製するのに使用されるカルシウム吸着材料を形成することをさらに含み得る。

方法は、か焼の前に炭酸化形態のカルシウム吸着剤の一部を除去し、か焼中に補給石灰石を添加することをさらに含み得る。

カルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層を調製することは、１つ以上の基材をカルシウム吸着材料のリザーバ中に浸漬することを含み得る。

カルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層を調製することは、カルシウム吸着材料を１つ以上の基材上に滴下または噴霧することを含み得る。

１つ以上の実施形態では、本開示は、特に、二酸化炭素の直接空気回収のためのシステムをさらに提供することができる。例示的実施形態では、そのようなシステムは、液体カルシウム吸着材料を１つ以上の基材に塗布して、１つ以上の基材上にカルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層を形成するために構成されたコーティングシステムと、１つ以上の基材を、ある時間、配置するために構成された貯蔵ユニットであって、１つ以上の基材が空気と接触し、その結果、空気中の二酸化炭素がカルシウム吸着材料と反応して、炭酸化されたカルシウム吸着材料を形成する、貯蔵ユニットと、１つ以上の基材から炭酸化されたカルシウム吸着材料を除去および収集するために構成された収集ユニットとを含み得る。さらなる実施形態では、システムを、任意の数および／または順序で組み合わせることができる以下の記述の１つ以上に関してさらに定義することができる。

コーティングシステムは、液体カルシウム吸着材料の１つ以上のリザーバを含み得る。

コーティングシステムは、１つ以上の基材を液体カルシウム吸着材料の１つ以上のリザーバ中に浸漬するために構成された浸漬ユニットをさらに含み得る。

コーティングシステムは、１つ以上の基材を実質的に垂直な位置に保持するために構成された吊り下げユニットを含み得る。

コーティングシステムは、１つ以上の基材上にカルシウム吸着材料を滴下するために構成された１つ以上の滴下パイプをさらに含み得る。

システムは、炭酸化されたカルシウム吸着材料を受け取り、炭酸化されたカルシウム吸着材料を酸化カルシウムおよび二酸化炭素に変換するように構成されたか焼器をさらに含み得る。

システムは、二酸化炭素から酸化カルシウムを分離するように構成された固体分離器をさらに含み得る。

システムは、酸化カルシウムを受け取り、カルシウム吸着材料として使用するための水酸化カルシウムを形成するように構成された石灰消和ユニットをさらに含み得る。

本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下に簡単に説明する添付の図面とともに、以下の発明を実施するための形態を読むことから明らかとなろう。本発明は、そのような特徴または要素が本明細書の具体的な実施形態の説明で明示的に組み合わされるかどうかにかかわらず、上記実施形態の２つ、３つ、４つまたはそれ以上の任意の組み合わせ、および本開示に記載の任意の２つ、３つ、４つまたはそれ以上の特徴または要素の組み合わせを含む。この開示は、開示される発明の任意の分離可能な特徴または要素が、その様々な態様および実施形態のいずれにおいても、文脈が特に明確に指示しない限り、組み合わせ可能であることを意図するものと見なされるべきであるように全面的に読み取られることを意図している。

本開示の例示的実施形態に係るカルシウム吸着材料の実質的に連続的な層でコーティングされた基材の図である。 本開示の例示的実施形態に係るカルシウム吸着材料の実質的に連続的な層でコーティングされた基材の部分断面図である。 本開示の例示的実施形態に係る、基材上にカルシウム吸着材料の実質的に連続的な層を形成するために、液体カルシウム吸着材料を含有するリザーバ中に浸漬されている基材の図である。 本開示の例示的実施形態に係る二酸化炭素の直接空気回収のためのシステムおよび方法を示すフローチャートである。 本開示の例示的実施形態に係る二酸化炭素の直接空気回収のためのシステムおよび方法における、吸着剤のコーティングおよび除去の例の詳細を示すフローチャートである。 本開示の例示的実施形態に係る二酸化炭素の直接空気回収のためのシステムおよび方法における、吸着剤のコーティングおよび除去のさらなる例の詳細を示すフローチャートである。

次に、本開示の様々な態様について、本開示の全てではなく一部の実装が示される添付の図面を参照しながら、以下でより詳細に記載する。実際、本開示の様々な実装は、多くの異なる形態で表されてよく、本明細書に記載される実装に限定されると解釈されるべきではなく、むしろ、これらの例示的実装は、本開示を徹底的かつ完全なものとし、当業者に本開示の範囲を十分に伝えるために提供される。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」は、文脈が特に明確に指示しない限り、複数形を含む。

１つ以上の実施形態では、本開示は、周囲空気または大気からの二酸化炭素の直接回収のためのシステムおよび方法を提供する。システムおよび方法は、好ましくは再生可能であるが、必要に応じて再生可能でない使用のために構成される、カルシウム吸着剤を利用する。いくつかの実施形態では、カルシウム吸着剤は、吸着剤による吸収を通して二酸化炭素が大気から除去され、次いで吸着剤の再生中に回収され得るように、繰り返し炭酸化およびか焼を受けるために構成され得る。例として、酸化カルシウムおよび／または水酸化カルシウムが、カルシウム吸着剤として利用されてよい。したがって、カルシウム吸着剤は、二酸化炭素を周囲空気から必要に応じて自発的または触媒的に吸収するように適合または構成され得る。そのような吸収は、カルシウム吸着剤の炭酸化形態を形成するのに有効であり得、次いで、炭酸化形態はか焼によって再生されて二酸化炭素を追い出すことができ、二酸化炭素をか焼プロセスで回収することができる。

初期カルシウム吸着剤を形成し、かつ／またはカルシウム吸着剤の炭酸化形態を再生するために、炭酸塩（例えば、炭酸カルシウム－ＣａＣＯ_３）を、好ましくはか焼中に追い出される二酸化炭素の少なくとも一部を回収するための好適な構成要素を備えることができるか焼器に注入することができる。吸着剤の形成に利用される石灰石を、粒子形態で提供することができ、同伴流式、回転炉型、または流動床式か焼器がＣａＯ生成に使用され得ることを確実にする。いくつかの実施形態では、粒子状石灰石／ＣａＣＯ_３は、約１μｍ～約１ｍｍ、約５μｍ～約７５０μｍ、または約１０μｍ～約５００μｍの平均サイズ（例えば、不規則な形状の粒子の長さ、幅、または厚さの最大測定可能寸法）を有し得る。以下でさらに論じられるように、そのように形成された酸化カルシウムは、炭酸化反応で使用される基材に塗布される前にさらに処理され得る。

か焼器に関連する回収部品は、好ましくは、か焼中に炭酸塩から遊離する二酸化炭素の少なくとも７５％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９９％、または少なくとも９９．９％を回収するのに有効である。いくつかの実施形態では、か焼は、炭酸塩を、約７００℃～約１２００℃、約７５０℃～約１１００℃、または約８００℃～約１０００℃の範囲の温度に加熱することによって行われ得る。二酸化炭素の遊離は酸化カルシウム（ＣａＯ）を形成するのに効果的であり得る。か焼から回収された二酸化炭素の少なくとも一部は、工業プロセス、原油増進回収、または隔離に利用され得る。か焼で放出される二酸化炭素を回収するために実装され得る回収技術の非限定的な例としては、酸素燃焼か焼、カルシウムベースの化学ルーピング、アミンベースの溶媒技術などを挙げることができる。低炭素ＣａＯを提供するためのか焼は、オンサイトで、直接空気回収施設で行われてよく、したがって、連続またはバッチ処理のための統合システムの一部であってよい。必要に応じて、か焼は、オフサイトで、または第三者によって行われてよい。したがって、炭酸塩の内容物は、カルシウム吸着剤の再生および炭素回収のためのか焼場所に輸送され、次いで、直接空気回収施設に戻されてよい。

ＣａＯは、その無水形態のままであってもよく、または水と水和して水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）を形成していてもよく、または両者の混合物であってもよく、それらは全て、交換可能に「カルシウム吸着剤」または「石灰吸着剤」と呼ばれる。したがって、消和ユニットが、上記のか焼ユニットに加えて、初期吸着剤の調製および／または炭酸塩生成物からの吸着剤の再生に使用され得る。この水酸化カルシウムおよび／またはＣａＯは、追加の水とさらに混合されて、１つ以上の基材への添加に適した形態のカルシウム吸着剤を提供し得る。基材（単数もしくは複数）に添加する前の吸着剤は、したがって、ペースト、スラリー、スプレー、または懸濁液のいずれか１つ以上であってよい。さらに、いくつかの実施形態では、カルシウム吸着剤は、ポリマー形態で、金属有機構造体（ＭＯＦ）として、または別の好適な混合物および／もしくは分子構造として調製されてよい。カルシウム吸着剤は、好ましくは、カルシウム吸着剤が周囲空気から二酸化炭素を回収することができる任意の好適な形態で提供される。例えば、水酸化カルシウムは、相対湿度が４０％超である場合に空気から二酸化炭素を回収することができ、これは、水の存在が、水酸化カルシウムが二酸化炭素を回収して炭酸カルシウムをもたらすのに重要であると一般に理解されるためである。空気中の二酸化炭素は、水に溶解して炭酸（Ｈ_２ＣＯ_３）を形成することができ、これはＨＣＯ_３ ^－およびＨ^＋に解離することができ、したがって、炭酸カルシウムを形成するカルシウムとの反応および二酸化炭素の回収を可能とする。

いくつかの実施形態では、１つ以上の基材に添加されるカルシウム吸着剤は、実質的にカルシウム材料自体および水のみを含むか、それらから本質的になるか、またはそれらからなってよい。しかしながら、他の実施形態では、１つ以上のさらなる化学薬品または材料が含まれてよく、カルシウム吸着剤の二酸化炭素化学吸着特性を改善し、かつ／または基材へのカルシウム吸着剤の付着を改善するように適合または構成されてよい。同様に、カルシウム吸着剤は、カルシウム吸着剤の二酸化炭素化学吸着特性を改善するように適合または構成され得る特定のモルフォロジーで提供されてよい。そのような改善は、例えば、反応性、粘度、気孔率、表面積、モルフォロジー安定性、および電気陰性度、ならびに他の有益な特性のいずれか１つ以上を含み得る。例示的実施形態では、水酸化ナトリウムが特に、吸着剤に添加され得る。他の実施形態では、水酸化カリウム、水酸化マグネシウム、ヒュームドシリカ、ゼオライト、磁性粒子、および／またはリサイクルされた再生吸着剤が添加され得る。上記混合物に加えて、カルシウム吸着剤は、粉末、ペレット、フレーク、スラリー、ゲル、ハニカムとして形成されてもよく、かつ／または他の有益なジオメトリで提供されてもよい。エージング、乾燥、再水和、曲げ、流動、振動、ローリング、圧搾、充填、および他のそのような操作が、吸着剤に適用され得るが、これは、それらが１つ以上の基材に塗布されるカルシウム吸着剤の反応性および性能に影響を与えることが実証されているためである。

基材（単数もしくは複数）へのカルシウム吸着剤の塗布は、コーティングユニットまたは施設で行われ得る。上記のような組成および／または形態のカルシウム吸着剤は、１つ以上の基材上に比較的薄い層で塗布され得る。例えば、基材の代表領域の平均吸着剤層厚は、２．５ｃｍ未満、２ｃｍ未満、１．５ｃｍ未満、または１ｃｍ未満（例えば、従来のコーティング方法により達成可能な最小厚コーティングまで）であり得る。いくつかの実施形態では、平均層厚は、約０．０１ｍｍ～約２．２５ｃｍ、約０．０１ｍｍ～約２ｃｍ、約０．０１ｍｍ～約１．５ｃｍ、約０．０１ｍｍ～約１ｃｍ、約０．０１ｍｍ～約７ｍｍ、約０．０１ｍｍ～約５ｍｍ、約０．０２ｍｍ～約１ｍｍ、または約０．０３ｍｍ～約０．５ｍｍの範囲であり得る。前述の範囲は、本開示に係る様々な有用な実施形態に関連するが、より具体的な範囲が、吸着剤コーティング材料の厳密な物理的性質に基づいて実装され得ることが理解される。例えば、いくつかの実施形態では、カルシウム吸着材料は、二酸化炭素と反応するための増加した表面積を提供する実質的に多孔質の形態で提供され得る。そのような実施形態では、比較的厚いコーティング層が利用されてよいが、以下でさらに論じられるように、高い炭酸化率を依然として提供する。例えば、比較的厚いコーティング層が利用される場合、平均層厚は、約０．５ｍｍ～約２．２５ｃｍ、約０．７５ｍｍ～約２ｃｍ、約１ｍｍ～約１．５ｃｍ、または約１．５ｍｍ～約１ｃｍの範囲であり得る。さらなる例示的実施形態では、比較的薄いコーティング層が利用されてよく、（例えば、上記のような高い気孔率を達成するための）追加の処理を回避することができるという点でプロセスをさらに単純化することができ、実質的に連続的なコーティング層を、所望の炭酸化率を依然として達成しながら、比較的小さい平均厚さで塗布することができる。比較的薄いコーティング層が利用されるそのような実施形態では、平均層厚は、約０．０１ｍｍ～約２ｍｍ、約０．０５ｍｍ～約１．５ｍｍ、または約０．１ｍｍ～約１ｍｍの範囲であり得る。平均厚さは、カルシウム吸着剤の単層に関するものであり得るか、または基材に塗布された複数の層（例えば、２、３、４、もしくは５層）の合計厚さであってよい。図１Ａおよび図１Ｂは、そこに塗布されたカルシウム吸着剤のコーティング２０を有する代表基材１０を示す。図１Ａに見られるように、コーティング２０は、基材１０の表面１１の全体より小さい範囲を覆ってよいが、コーティングは、必要に応じて表面の実質的に全体を覆ってよい。図１Ｂに見られるように、コーティング２０は、基材の厚さ未満の厚さを有し得るが、基材の厚さは、基材を形成するのに使用される特定の材料に基づいて変化し得る。

好ましくは、平均吸着剤層厚は、規定範囲内のカルシウム吸着剤密度を提供するように適合または構成される。上記のように、有用なカルシウム吸着剤密度は、利用される平均層厚に基づいて変化し得る。所望の範囲全体で、カルシウム吸着剤密度は、露出した基材領域１平方メートル当たり約１０ｋｇ（ｋｓｍ）以下、５ｋｓｍ未満、２ｋｓｍ未満、または１ｋｓｍ未満（例えば、少なくも０．０２ｋｓｍの最小値まで）などの範囲であり得る。いくつかの実施形態では、基材上のカルシウム吸着剤密度は、約０．０５ｋｓｍ～約１０ｋｓｍ、約０．１ｋｓｍ～約５ｋｓｍ、約０．２ｋｓｍ～約２ｋｓｍ、または約０．２５ｋｓｍ～約１ｋｓｍの範囲であり得る。層厚は、コーティング混合物を形成するためにカルシウム吸着剤と混合される水の含有量の制御などの、様々な機構を使用して管理され得る。この（または他の要素）が利用されて、コーティング混合物の粘度を制御し、したがってコーティング混合物のコーティング厚を制御することができる。いくつかの実施形態では、カルシウム吸着剤層のこの比較的薄い性質は、二酸化炭素の受動的回収を可能とするのに特に有効であり得る。酸化カルシウムは周囲条件で二酸化炭素を回収するが、反応は、コーティング厚によって速度制限され、相当に厚い層は、ある深さより下で、反応性が本質的に止まることになる。しかしながら、いくつかの実施形態では、コーティング層厚を、コーティング層の１つ以上の物理的特性を制御することによって増加させることができる。例えば、前述の範囲のより高い側のコーティング厚は、コーティング層が比較的高い気孔率の形態で提供される場合に特に有用であり得る。同様に、基材は、その上への吸着剤のより多くの積層を可能とする３次元構造で提供されてよい。例示的実施形態では、カルシウム吸着剤は、実質的に、吸着剤と空気中の二酸化炭素との反応のために空気を層厚内により深く透過させるのに有効な、少なくとも部分的な連続気泡構造を示す泡の形態で調製され得る。

本システムおよび方法は、吸着剤の規定の炭酸化速度内で動作し得る。いくつかの実施形態では、炭酸化速度は、吸着剤の約５０重量％以上、約６０重量％以上、約７０重量％以上、または約８０重量％以上が、基材（単数もしくは複数）から除去される前に炭酸化されるように最大化され得る。例えば、炭酸化された基材の除去は、吸着剤の約６０重量％～約９８重量％、約６５重量％～約９５重量％、または約７５重量％～約９０重量％の炭酸化を達成した時に行われてよい。既知のプロセスは、他のタイプの吸着剤／化学薬品の使用を必要とするか、または構造的な制限（例えば、要求される吸着剤層厚）によりそのような高レベルの炭酸化を達成することができない吸着剤とともに使用されるように構成されるため、そのような高レベルの炭酸化は、既知のプロセスの最適化によって達成可能ではないと予想される。他の実施形態では、高スループットプロセスが望まれる場合、炭酸化率を最小化して、システムのスループットを向上させてよい。例えば、炭酸化された基材の除去は、吸着剤の約２５重量％～約７５重量％、約３０重量％～約６５重量％、または約３５重量％～約６０重量％の炭酸化を達成した時に行われてよい。そのような濃度限界を利用することによって、吸着剤のターンオーバーは、所与のシステムによって除去され得る二酸化炭素の合計質量が最大化され得るように増加され得る。これは、化学吸着速度は、より低い吸着剤の炭酸化率で著しく速くなり得、炭酸化率は、炭酸化された吸着剤の相対的な割合が上昇すると著しく遅くなり得るためである。

規定のカルシウム吸着剤コーティング層厚、コーティング層密度、および所望の炭酸化率の適用によって、１つ以上の基材に塗布されたカルシウム吸着剤層は、規定のパラメータ内の炭酸化速度を提供するように構成または適合され得る。炭酸化速度は上記要素の関数であるため、そのような炭酸化速度は、カルシウム吸着剤に固有ではないと予想される。いくつかの実施形態では、１つ以上の基材に上に形成されたカルシウム吸着剤コーティングは、カルシウム吸着剤コーティングの少なくとも２５重量％、少なくとも３０重量％、少なくとも３５重量％、少なくとも４０重量％、または少なくとも４５重量％が、９６時間以下、８４時間以下、７２時間以下、６０時間以下、４８時間以下、３６時間以下、または２４時間以下の時間内に（例えば、１時間の最小炭酸化時間で）炭酸化されるような炭酸化速度を示すように構成または適合され得る。より具体的には、１つ以上の基材上に形成されたカルシウム吸着剤コーティングは、カルシウム吸着剤コーティングの約２５重量％～約５０重量％、約２５重量％～約４５重量％、または約３０重量％～約４５重量％が、約２時間～約９６時間、約４時間～約８４時間、約６時間～約７２時間、約８時間～約６０時間、約１０時間～約４８時間、または約１２時間～約３６時間の時間内に炭酸化されるような炭酸化速度を示すように構成または適合され得る。そのような炭酸化速度は、比較的高いスループットのシステムおよび方法が達成され得るように、上で論じられた要素の１つ以上を制御することによって達成され得る。これは、カルシウム吸着剤が再生される場合に有利であり得、そのような高いスループットは、所与の期間に空気から除去される二酸化炭素の全体積または質量を増加させ得る。

いくつかの実施形態では、基材からコーティング層を除去する前に、カルシウム吸着剤コーティング層のより完全な炭酸化を提供することが望ましい場合がある。そのような実施形態は、炭酸化されたカルシウム吸着剤が再生されない（すなわち、か焼して二酸化炭素を放出することなく、基材から除去される炭酸カルシウムの形態で隔離される）場合、またはシステム用の空間が、より長い炭酸化時間を可能とするのに十分なほど広い場合に有利であり得る。したがって、そのような実施形態では、１つ以上の基材上に形成されたカルシウム吸着剤コーティングは、カルシウム吸着剤コーティングの少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、または少なくとも９０重量％が、約０．５日～約１４日、約１日～約１２日、約１．２５日～約１０日、または約１．５日～約８日の時間内に炭酸化されるような炭酸化速度を示すように構成または適合され得る。コーティング層の形成後の様々な時間でカルシウム吸着剤コーティングの試料を採取し、（例えば、質量分析、または化学組成を同定するのに有効な類似の分析法を介した）吸着剤の化学分析を行うことによって、炭酸化速度の評価を行うことができる。

１つ以上の基材へのカルシウム吸着剤の塗布は、好適な方法のいずれか１つまたは組み合わせで達成され得る。いくつかの実施形態では、塗布は、基材をカルシウム吸着剤中に直接浸漬するか、またはカルシウム吸着剤を基材上に噴霧することによって達成され得る。他の実施形態では、塗布は、ブラシ、ドクターブレード、吹き付け機構、浸漬、注入、または基材への吸着剤の薄層の塗布に適しているような任意の方法を使用することによって達成され得る。例えば、図２に示すように、基材１０は、カルシウム吸着剤２５を含有する（例えば、タンクの形態の）リザーバ３０中に浸漬され得る。クランプ４０は、浸漬プロセスを通して基材を操作するために基材１０に取り付けられる。あるいは、基材１０は、カルシウム吸着剤２５が基材上に浸漬または噴霧される時に、過剰な吸着剤が塗布部品（例えば、噴霧器）への再循環のためにリザーバの中に落ちるように、リザーバ３０の上を通ってよい。１つまたは複数の層が、基材に塗布され得る。塗布方法は、塗布される吸着剤の物理的性質に影響を与えるように適合または構成され得る。基材にカルシウム吸着剤を塗布する方法は、スループットを向上させるように所望の通りに変化することができるが、カルシウム吸着剤を塗布する特定のモードが、二酸化炭素とカルシウム吸着剤との反応性の改善に関して好ましい場合がある。例えば、基材上への吸着剤の吹き付けは、上記のように、より厚い層を化学吸着に利用する能力を改善することができる、増加した気孔率を有するコーティング層を達成するのに有効であり得る。いくつかの実施形態では、カルシウム吸着剤のコーティングを、基材上で実質的に連続的な層（単数または複数）であることに関連して具体的に特徴付けることができる。したがって、コーティングは、薄膜、シート、膜などの形態であると呼ばれてよい。「実質的に」連続的なコーティングは、コーティングまたは層においてある不完全性（例えば、亀裂、くぼみ、および類似の欠陥）が説明されるが、コーティングは、個々の要素として存在する別個のピースまたは粒子の形態で存在していない（たとえ個々の要素が、個々の要素の他のものと物理的に接触している場合であっても）ことを示す。むしろ、コーティングまたは層は、無傷の薄膜、シート、膜などとして基材表面の長さに沿って伸びる。特定の実施形態では、本開示のコーティングは、ペレット化された石灰系吸着剤または粒子形態の他の石灰系吸着剤を明示的に除外し得る。そのような粒子状またはペレット化吸着剤の使用は、吸着剤をフィラー、バインダなどと混合し、次いで混合物を噴霧乾燥またはその他の方法で処理して別個の固体粒子またはペレットを形成する必要があり得る、粒子またはペレットを形成する複雑さが追加されるため、好ましくない場合がある。そのような粒子状材料は同様に、基材に付着させる追加の処理、および付着した粒子を再生のために除去する、より複雑な処理を必要とし得る。あるいは、そのような粒子またはペレットは、二酸化炭素を含む空気が充填層を通って処理され得るように、充填層反応器に配置されなければならず、これは、本開示の方法論によれば存在しない複雑さを再び導入する。

基材自体は、コーティングを有さないか、またはカルシウム吸着剤の性能、寿命、表面積、および／もしくは加工性を改善するためにカルシウム吸着剤の塗布前に適用される、接着剤、付着防止剤、触媒、ポリマー、および他の添加剤を有し得る。基材表面は、カルシウム吸着剤の塗布、性能、反応性、表面積、および加工性を改善するように、２次元（すなわち、実質的に平坦）または３次元（すなわち、せん断されている、テクスチャ加工されている、成形されている、湾曲しているなど）であり得る。表面積の増加は、炭酸化反応を加速するために求められ得、単位基材材料当たりの吸着剤の体積の増加は、基材材料に関連するコストを削減するために求められ得る。プラスチックは、その低コスト、構造的柔軟性、耐久性、およびカルシウムとの反応性がないことにより、１つの可能な基材材料である。他の実施形態では、木材製品、発泡ボード、鋼、または目的に適しているような任意の基材である。

基材は、平坦な表面上に置かれる場合、または吊り下げ構成の場合に、実質的に平坦であるように適合または構成され得る。他の実施形態では、基材は、上記のような３次元形状を有するように意図的に適合または構成され得る。例えば、基材は、円筒形、円錐形、または他の形状に成形され得、これは、カルシウム吸着剤でコーティングされる基材の全ての露出した側面が、単位基材材料当たりの表面積を増加させるのに有利である。いくつかの例示的実施形態では、基材は、実質的にらせん状の断面を有するように巻かれた構成であり得る。他の実施形態では、基材は、細孔が、液体吸着剤がそこを通って流れ、基材の表面をコーティングすることを可能とするのに十分なほど大きいだけでなく、炭酸化された吸着剤が基材から除去されることも可能とするのに十分なほど大きい、多孔質ネットワークを有するように適合または構成され得る。例えば、（例えば、自動車産業用または発電所産業の排気システム用の）触媒コンバータに一般に利用されるようなハニカム構造が利用されてよく、ハニカム構造中の細孔サイズは、炭酸化された吸着剤の効率的な除去を可能とするように好適にサイズアップされてよい。そのような構造は、一般にセラミックから形成されるが、金属ハニカムが、耐久性を改善するために利用されてもよい。

基材は、基材材料上のカルシウム吸着剤の乾燥に影響を与えるように、回転、移動、スピン、通気、またはその他の方法で操作されてよい。同様に、ブロワなどが、コーティングされた表面から過剰な吸着剤を除去し、基材表面上に吸着剤の実質的に平らで好適に薄いコーティングを確保するために利用されてよい。基材は、ロッド、トレー、ボード、またはカルシウム吸着剤の薄い塗布を可能とする別の基材に置き換えられてよい。いくつかの実施形態では、カルシウム吸着剤を、他の基材または材料を用いずにそれ自体が吊り下がるか、立つか、または止まるのに十分な構造的完全性を有するように堆積させてよい。複数のそのような基材は、その性能を最大化し、吸着材料の浪費または損失を最小化するために、システムに組み合わされてよい。

１つ以上の基材上への吸着剤のコーティング後、コーティングされた基材（単数もしくは複数）を、貯蔵ユニットまたは施設に移動させてよい。カルシウム吸着剤コーティングされた基材材料は、上記のような吸着剤の所望の炭酸化率を達成するのに十分な時間、周囲空気と接触させるために貯蔵またはその他の方法で配置され得る。この時間は、反応期間または炭酸化期間と呼ばれてよい。いくつかの実施形態では、反応期間は、短くて数時間から最長数ヶ月まで、または必要に応じてより長い範囲にわたり得る。反応期間中、吸着剤は、周囲の空気または他の濃縮二酸化炭素源から二酸化炭素を化学吸着する。蒸発はまた、カルシウム吸着剤に添加された水、ならびに炭酸カルシウムおよび水を生成する水酸化カルシウムと二酸化炭素との反応から遊離した水の両方から起こることになる。吸着剤の層は、基材混合物の形成に使用された水の蒸発中の初期重量の減少、続いて炭酸化による重量増加を示すことになる。

本開示のシステムおよび方法は、炭酸化期間中における、吸着剤コーティングされた基材の貯蔵および輸送を、特に望ましい結果を達成する方法で有益に提供する。その上にカルシウム吸着剤が塗布された１つ以上の基材は、コンベアシステムに取り付けられるか、上から固定して吊り下げられるか、他の基材によって支持されるか、または基材の側部もしくは底部によって保持されて、垂直に配置され得る。この垂直空間の使用は、インフラを大きく追加することなく使用される土地面積を最小化し、コンベアシステムなどで２つ以上の側面の乾燥を可能とする。いくつかの実施形態では、コンベアシステムは、炭酸化期間の持続時間の少なくとも一部または全体にわたって、貯蔵ユニットを通して基材を移動させるように適合または構成され得る。これは、１つの連続コンベアライン、分岐コンベアシステム、または複数の別々のコンベアシステムとして構築され得る。基材の水平積層も、垂直吊り下げ貯蔵に加えてまたはその代わりに、初期乾燥プロセスの最中および後に、コンベアシステムの内外いずれにおいても使用され得る。

１つの例示的実施形態では、カルシウム吸着剤は、まず、両面塗布を可能とする実質的に垂直に吊り下がっている基材上に塗布されてよく（図２参照）、炭酸化の初期の期間後、部分的に炭酸化された吸着剤は除去され、実質的に水平なコンベアシステムに配置されてよく、これは、基材材料に取り付けられていた吸着剤の表面積を周囲空気と接触させ、したがって炭酸化を加速するのに有効であり得る。別の例示的実施形態では、カルシウム吸着剤は、垂直基材に単独で塗布されてよく、炭酸化期間が十分に終わった後、少なくとも部分的に炭酸化された吸着剤は除去され、吸着剤の再生のためのか焼に進んでよい。

貯蔵ユニットまたは施設は、炭酸化プロセスを妨害し得る天候（例えば、雨）からカルシウム吸着剤を保護するように適合または構成される好適な覆いを含み得る。貯蔵ユニットまたは施設は、地域の気候に応じて、空気を遮断してもよく、または遮断しなくてもよい。貯蔵空間の温度、相対湿度、および空気流は、炭酸化を最適化するように制御されてもよく、またはそれらは、放置されて周囲条件とともに変動してもよい。したがって、貯蔵ユニットまたは施設は、二酸化炭素除去のための周囲空気の流入を提供するように適合または構成される好適な気候制御要素、空気取り入れ口などを含んでよい。例えば、貯蔵ユニットまたは施設は、貯蔵ユニットまたは施設内の空気の循環を増やし、カルシウム吸着剤付近の空気中の二酸化炭素濃度がプロセス効率を低下させ得る範囲（例えば、施設に入る空気の平均周囲空気ＣＯ_２含有量－５％、－１０％、－１５％、もしくは－２０％）を下回らないことを確実にするように構成または適合された、１つ以上のエアームーバー（例えば、ファン、ブロワなど）を含んでよい。別の例として、貯蔵ユニットまたは施設は、プロセス効率を改善するために温度を所望の範囲に調節するように構成または適合された１つ以上のヒーターおよび／または１つ以上のクーラーを含んでよい。さらに別の例として、貯蔵ユニットまたは施設は、貯蔵ユニットまたは施設内の相対湿度（ＲＨ）を、プロセス効率の改善に適した所望の範囲（例えば、４０％ＲＨ超、５０％ＲＨ超、もしくは６０％ＲＨ超、例えば、約４５％ＲＨ～約９０％ＲＨ、約４５％ＲＨ～約８０％ＲＨ、もしくは約５０％ＲＨ～約７５％ＲＨの範囲など）内に維持するように構成または適合され得る、１つ以上の湿度調節器を含んでよい。加えて、周囲空気中に存在する含有量を超える過剰の二酸化炭素（または他のガス）が、いくつかの実施形態では、炭酸化を加速するために貯蔵ユニットに供給されてよい。いくつかの実施形態では、貯蔵ユニットまたは施設は、空気流、空気温度、および／または空気湿度をプロセス性能により適したものにするために、峡谷、水路、崖、または洞窟などの自然の地形特徴を組み込んでよい。

カルシウム吸着剤が、所望の範囲内の十分な炭酸化を達成した後、回収された二酸化炭素は、貯蔵のためにさらに処理され得る。いくつかの実施形態では、炭酸化された吸着剤は、さらなる処理のために基材材料から除去されてよい。他の実施形態では、基材材料は、炭酸化された吸着剤とともに地質学的に貯蔵されるように適合もしくは構成されてよいか、または基材は、炭酸化された吸着剤とともにか焼器を通って処理されるのに適していてよい。したがって、基材は、再利用可能であり得るか、または使い捨てであり得る。除去が利用される場合、炭酸化形態のカルシウム吸着剤の少なくとも一部を１つ以上の基材から除去することは、カルシウム吸着材料のコーティング層を破壊し、１つ以上の基材からカルシウム吸着材料のコーティング層を外すのに十分な力を、１つ以上の基材にかけることを含み得る。破壊は、処理を容易にするために複数のピースに割ることを示し得、コーティング層の破壊は、基材からコーティング層を容易に外す能力を改善し得る。

可撓性基材が利用されてよく、その結果、基材を屈曲させる／曲げることは、実質的に脆い炭酸化された吸着剤を除去するのに十分であり得る。したがって、コーティング層を破壊しかつ外すのに十分な力を基材にかけることは、基材を屈曲させかつ／または曲げることになる任意の力を含み得る。代替または追加として、基材にかけられてよい力は、振盪、削り、吹き付け、振動、ローリング、圧搾ローリング、衝撃インパルス、静電インパルス、電磁インパルス、磁気、および／または炭酸化された吸着剤を基材材料から除去するための様々な他の方法を含み得る。様々な形態の機械力がコスト効率の良い方法で適用され得るため、機械力が、いくつかの実施形態では望ましい場合がある。他の実施形態では、音または衝撃力／インパルスが、より容易に適用され得る。いくつかの実施形態では、吸着剤の除去は、基材の様々な組成的処理および／または表面処理によって強化され得る。除去後、追加の表面積が新たに露出したことを考慮して、吸着材料に追加の炭酸化時間を与えてよいか、または吸着材料は、実質的に直ちに処理されてよい。

炭酸化された吸着剤は、元のカルシウム吸着材料を調製するために上に記載されたのと実質的に同じ方法でか焼器を通ることによって、再利用のために再生されてよい。炭酸化後、元々は第１の化学組成（例えば、水酸化カルシウムおよび／または酸化カルシウムとして）であった吸着材料は、異なる化学組成－すなわち炭酸カルシウムに変換されている。炭酸カルシウムは、炭素回収を備えるか焼器を通って処理され得る。炭酸カルシウムを約８００℃超の温度に再度加熱することによって、二酸化炭素が放出され、次いで、隔離および利用のために回収される。回収された二酸化炭素は、実質的にまたは完全に、周囲空気から取り出された二酸化炭素である。さらに、酸化カルシウムが再度形成され、これをカルシウム吸着剤への入力として再び供給することができ、追加の石灰石入力の必要性を低下させる。

プロセスのこの再か焼（または再生）部分は、カルシウムルーピングと類似している。カルシウムルーピングと異なり、炭酸化は空気への長期曝露によって起こるため、炭酸化装置を必要としない。ループ時のカルシウムの挙動はよく理解されており、酸化カルシウムは、酸化カルシウムから炭酸カルシウムへのループ時に二酸化炭素を化学吸着し、そして酸化カルシウムに戻ることを続けるが、いくつかのループ回数後にその反応性を失うことも知られている。例えば、炭酸化変換は、連続したか焼器および炭酸化装置でのわずか５回のルーピングサイクル後に、５０％未満に低下し得る。しかしながら、本開示のシステムおよび方法は、そのような吸着剤の失活を軽減することができる。具体的には、酸化カルシウムを少なくとも部分的に消和することによって、水が、酸化カルシウムと二酸化炭素との間の反応を促進することができる。さらに、（典型的には約６５０℃で動作する）炭酸化反応器の排除は、摩耗および焼結の問題を軽減する。さらに、本システムおよび方法における水酸化カルシウムと二酸化炭素との反応の滞留時間は、典型的な高温炭酸化装置における酸化カルシウムおよび二酸化炭素の滞留時間より著しく長い。炭酸化とか焼との間のサイクルは、数サイクル～数百サイクルであり得、石灰石のコストを削減する。

カルシウム吸着剤の失活が起こり得、その結果、効率が規定レベルに低下する限り、そのような失活した吸着剤は、ＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）_２、およびＣａＣＯ_３のいずれか１つ以上の形態で処分されてよい。廃棄物は、化学的に類似しているＣａＯおよび石灰石が入力として使用される、セメント、農業、または道路用骨材などの産業のための製品として利用され得る。あるいは、廃棄物は、材料の処分のために処理され得る。ＣａＣＯ_３が処分される限り、それはまた、空気からの二酸化炭素の鉱物隔離としての機能を果たすことになり、二酸化炭素を、数千年間、石の形態で大気から保持する。したがって、炭酸化が行われた後に基材（単数または複数）から除去された炭酸カルシウムの少なくとも一部は、回収された二酸化炭素を隔離する方法で処分されてよい。いくつかの実施形態では、カルシウム吸着剤は、初めての炭酸化後の再か焼段階を飛ばし、炭酸化中に形成される安定な無毒の鉱物ＣａＣＯ_３として地中に直ちに貯蔵されてよい。本明細書において開発された受動的な低入力システムのため、この鉱物二酸化炭素貯蔵は、低コストの石灰石、および伝統的な二酸化炭素隔離には不適切な地質を有する地域において、潜在的に魅力的である。

本開示に係るシステムおよび方法全体の例示的実施形態を、図３に提供する。図に示すように、例示的システムおよび方法は、基材が垂直コンベアで輸送されるため、（例えば、水酸化カルシウムの形態の）液体カルシウム吸着剤を含有するリザーバ（すなわち、「浸漬槽」）中に浸漬される、比較的背の高い基材（例えば、「シート」）を利用することができる。それらの基材は、天井から吊り下がり、コンベアは、炭酸化中、炭酸化された吸着剤がさらなる処理のために除去されるまで、それらを輸送する。

図３の実施形態では、コーティングシステム３２は、基材１０（例えば、吊り下げシート）のリザーバ３０（例えば、「浸漬槽」）中への浸漬のための浸漬ユニット３５を含み得る。浸漬ユニット３５は、基材１０が下方に移動してリザーバ３０に入り、次いで上方に移動してリザーバから出るのを可能とするように角度を付けて配置される垂直コンベア５０の一部を含み得る。コーティングシステム３２は、リザーバ３０に加えて、浸漬以外の方法によってカルシウム吸着剤を塗布するための、噴霧器または滴下部品などのさらなる構成要素を含み得る。他の実施形態では、浸漬ユニット３５は、個々の基材１０をリザーバ３０中に個々に下ろすために構成されたさらなる構成要素を含み得る。浸漬ユニットを出る基材１０は、その上にコーティングされたカルシウム吸着剤の層を有する、コーティングされた基材５２（例えば、石灰コーティングシート）の形態である。コーティングされた基材５２は、次いで、貯蔵ユニット５４に配置される。貯蔵ユニット５４は、浸漬ユニット３５と収集ユニット６０との間の遮蔽された場所の中にあるコンベア５０から本質的になり得る。あるいは、貯蔵ユニット５４は、コーティングされた基材５２が、空気からの周囲ＣＯ_２がカルシウム吸着剤と反応しかつ水がカルシウム吸着剤から蒸発する炭酸化を受けることができる、建物または建物内の部屋（単数もしくは複数）であり得る。十分な炭酸化が起きた後、コーティングされた基材５２は、収集ユニット６０（例えば、石灰除去ユニット）に移動する。そこで、炭酸化されたカルシウム吸着剤は、基材１０から除去される。基材１０は、浸漬ユニット３５での再利用のために放出され、（ＣａＣＯ_３および未反応のＣａ（ＯＨ）_２を含み得る）炭酸化されたカルシウム吸着剤は、水平コンベア６５に沿って移動し、その時間の間に、部分的に炭化されたカルシウム吸着剤はさらなる炭化を受け、その結果、未反応の水酸化カルシウムの少なくとも一部が炭酸化される。炭酸化されたカルシウム吸着剤の全てまたは一部を、空気から除去された二酸化炭素が炭酸カルシウムの形態で隔離されるような処分のために除去することができる。炭酸化されたカルシウム吸着剤の全てまたは一部を、同様に、か焼器７０に送ることができ、そこで、二酸化炭素は遊離して、酸化カルシウムを再び形成することができ、二酸化炭素は固体分離器７５で除去され、石灰消和装置８０に酸化カルシウムを提供し、カルシウム吸着剤として使用するための、リザーバ３０への入力用の水酸化カルシウムスラリーを形成することができる。

図３は、二酸化炭素回収のための完全実装可能なシステムおよび方法を示すが、示された構成要素およびステップの一部のみが、本開示の異なる実施形態を行うために実装されてよいことが理解される。したがって、図３は、本開示を利用する当業者が、示された構成要素およびステップの様々な組み合わせを直ちに認識して異なる実施形態を達成し得るように提供される。例えば、１つ以上の実施形態では、図３に示された方法およびシステムは、以下の条件の１つ以上の下で実装され得る。
・か焼器７０および固体分離器７５は、システムになくてもよい。代わりに、酸化カルシウムは、石灰消和装置８０に直接入力され得る。そのような実施形態では、収集ユニット６０で基材から除去された石灰は、隔離のために、かつ／または炭素回収を備える再か焼のための第三者への送達のために運び出され得る。同様に、石灰消和装置８０はなくてもよく、水酸化カルシウムは、リザーバ３０への入力のために直接調達され得る。
・リザーバ３０は、基材１０にカルシウム吸着剤を塗布するのに適した任意のさらなる構成要素に置き換えられてよい。
・「シート」は、本明細書の他の箇所に記載されたような任意の他の好適な基材材料に置き換えられてよい。
・石灰コーティングシート５２は、収集ユニット６０での中間処理なしで、炭酸化のために垂直コンベアを通って循環してよい。
・収集ユニット６０から取り出されたＣａＣＯ_３およびＣａ（ＯＨ）_２は、さらなる炭酸化を受けずに、再か焼に直接送られてよい。
・処理は、カルシウム吸着剤の塗布、コーティングされた基材の炭酸化のための処理、および収集ユニット６０での炭酸化された吸着剤の除去が、必要なメンテナンスまたは予定されているダウンタイム以外の中断なしで行われ得るという点で、実質的に連続的であってよい。例えば、システムの規模は、単一の基材が、コーティングシステム３２を出てからコーティングシステムに再び入るまで、所望のレベルの炭酸化が起こるのに十分な時間をかけて１回だけ循環し得るように、十分に大きいものであり得る。これは、数時間～数日のオーダーであり得る。したがって、システムは、連続的に動作し得る。
・垂直コンベアは、コーティングシステム３２と収集ユニット６０との間のある点に停止ステーションを含んでよい。この方法では、コーティングされた基材５２は、他の基材がシステムを通って処理される間に、炭酸化が起こるために停止ステーションで降ろされてよい。停止ステーションは、すでに炭酸化を受けているコーティングされた基材を、断続的に、完全にまたは部分的に取り出して空にされ、新たにコーティングされた基材を投入されてよい。
・プロセスは、基材が、バッチとしてコーティングされ、バッチとして炭酸化のために貯蔵され、次いでバッチとして石灰除去のために処理されるバッチモードで動作してよい。
・プロセスは、基材からコーティング層を除去せずに、複数のコーティングおよび炭酸化ステップを通って動作してよい。例えば、基材は、カルシウム吸着材料の比較的薄い層でコーティングされ、炭酸化を起こすように処理され、別々に炭化された複数の層の比較的厚いコーティングが基材上に存在するまで、カルシウム吸着材料の追加の比較的薄い層が炭化された層などの上に追加されるように再コーティングされてよい。コーティングされた基材は、その後にコーティング層を除去されてよい。

さらなる例示的実施形態を、図４および図５に示す。図４を参照すると、図３に示されたようなコアシステムは実質的に変わらないままとすることができるが、垂直コンベアシステムを固定シートに置き換えることができる。そのような実施形態では、カルシウム吸着剤を、パイプおよび滴下システムによって塗布することができ、その結果、基材は固定されたままである一方で、カルシウム吸着剤は、最初に水酸化カルシウムの形態で、次に炭酸化された石灰の形態でシステムを通って移動する。図４では、カルシウム吸着剤を、リザーバ３０から１つ以上のライン１００を通して、新鮮なカルシウム吸着剤を基材２００上に滴下するための１つ以上の穿孔１１５を含む１つ以上の滴下パイプ１１０に、圧送またはその他の方法で運ぶことができる。カルシウム吸着剤が炭酸化を受けた後、炭酸化された石灰は、炭酸化された石灰が水平コンベア１６５上に落ちるように、（例えば、吊り下げユニット１５０と一体化した振盪システム１５５を介して）基材２００から除去され得る。コンベアは、炭素回収を備えるか焼器７０に炭酸化された石灰を送達するように構成され得、図３に示されるものと同様に、か焼器を、固体分離器７５および石灰消和装置８０に接続して、リザーバ３０にカルシウム吸着剤を送達することができる。二酸化炭素および材料の流れは図４に示されていないが、そのような材料の流れは、図３に関連して説明されたものと実質的に同一であり得ることが理解される。

図３の実施形態を変更して、本明細書に記載されるようなシステムおよび方法の実装のためのさらなる例示的実施形態をもたらすことができる。例えば、図５に示すように、図４からの滴下システムの要素はそのままであるが、重力に基づく収集システム１９０が、水平コンベアを置き換えるのに利用される。炭酸化された吸着剤は、基材２００から除去された後、重力に基づく収集システム１９０の傾斜した表面の上に落ち、その結果、固体生成物は、か焼器７０への容易な輸送を可能とするのに十分に高い密度で収集されることになる。

本システムおよび方法は、カルシウム吸着剤による空気からのＣＯ_２の正味の回収が、プロセスからの任意のＣＯ_２排出を超えるため、大気からの正味の炭素除去を達成することができる。本開示の例示的実施形態における正味の炭素の流れを、９０％炭素回収か焼器および８５％のカルシウム吸着剤炭酸化率を有するシステムについて、以下の表に示す。

実験データは、露出した領域１平方メートル当たり０．３ｋｇのカルシウム吸着剤で、約３日の期間で、＞７０％の炭酸化を達成する能力を実証した。このペースおよび変換率は、２５エーカー未満の土地を使用して、約１００，０００メートルトン（ＭＴ）の正味の直接空気回収を起こすことになる。この土地利用度は、数十億トンのＣＯ_２が空気から回収されることを可能とするのに必要なものをはるかに下回り、他の土地利用に影響を与えるか、または石灰石およびＣＯ_２貯蔵所に近い好適な場所を使い果たすことがない。

前述の説明および付随する図面に提示された教示の利益を有する本発明の多くの変更形態および他の実施形態を、本発明が属する分野の当業者なら思いつくであろう。したがって、本発明は開示される特定の実施形態に限定されるものではなく、変更形態および他の実施形態が添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることを理解されたい。本明細書において特定の用語が用いられているが、それらは単に一般的かつ記述的な意味で使用されており、限定を目的としていない。

本明細書における「約」および「実質的に」という語句の使用は、「約」特定の値または「実質的に」特定の値と記載されている値が、指定された値の産業的に認められる許容レベルだけ変動してよいことを意味すると理解される。産業的に認められる許容範囲が利用できない場合、そのような用語は、許容値が具体的に記載された値から±３％、±２％、または±１％変動してよいことを示し得ると理解される。同様に、いくつかの実施形態では、記載された値は、必要に応じて厳密であってよく、記載された値より上または下の変動は、明示的に除外され得る。

Claims (24)

1. 二酸化炭素の直接空気回収のための方法であって、
   １つ以上の基材上に１０キログラム／平方メートル未満の密度で、カルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層を調製することと、
   前記カルシウム吸着材料の前記実質的に連続的なコーティング層を有する前記１つ以上の基材を、二酸化炭素を含む空気と、前記カルシウム吸着剤が二酸化炭素と反応し、それにより二酸化炭素の少なくとも一部を前記空気から回収し、前記カルシウム吸着剤の少なくとも一部を炭酸化形態に変換するのに十分な時間、接触させることと、
   前記炭酸化形態の前記カルシウム吸着剤の少なくとも一部を前記１つ以上の基材から除去することと、
   前記空気から回収された二酸化炭素が、隔離または他の使用の準備ができている状態になるように、前記炭酸化形態の前記カルシウム吸着剤を処理することと
   を含む、方法。
2. 前記カルシウム吸着材料の前記実質的に連続的なコーティング層は、約０．１ｋｓｍ～約５ｋｓｍの密度である、請求項１に記載の方法。
3. 前記カルシウム吸着材料の前記実質的に連続的なコーティング層は、前記１つ以上の基材上で、２．５ｃｍ未満の平均厚さを有する、請求項１に記載の方法。
4. 前記カルシウム吸着材料の前記実質的に連続的なコーティング層は、前記１つ以上の基材上で、約０．０１ｍｍ～約２ｃｍの平均厚さを有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記１つ以上の基材は、実質的にシートとして構成される、請求項１に記載の方法。
6. 前記カルシウム吸着材料の前記実質的に連続的なコーティング層は、前記カルシウム吸着材料の少なくも２５重量％が９６時間以下の時間内に炭酸化されるような炭酸化速度を示すように構成される、請求項１に記載の方法。
7. 前記カルシウム吸着材料の前記実質的に連続的なコーティング層は、前記カルシウム吸着材料の少なくも５０重量％が約１日～約１４日の時間内に炭酸化されるような炭酸化速度を示すように構成される、請求項１に記載の方法。
8. 前記カルシウム吸着材料の前記実質的に連続的なコーティング層を有する前記１つ以上の基材を、二酸化炭素を含む空気と接触させることは、前記カルシウム吸着材料の前記実質的に連続的なコーティング層が前記空気と接触する場所に、前記カルシウム吸着材料の前記実質的に連続的なコーティング層を有する前記１つ以上の基材を吊り下げることを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記炭酸化形態の前記カルシウム吸着剤の少なくとも一部を前記１つ以上の基材から除去することは、前記カルシウム吸着材料の前記実質的に連続的なコーティング層を破壊し、前記１つ以上の基材から前記カルシウム吸着材料の前記実質的に連続的なコーティング層を外すのに十分な力を、前記１つ以上の基材にかけることを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記炭酸化形態の前記カルシウム吸着剤を処理することは、前記炭酸化形態の前記カルシウム吸着剤の隔離のために、前記炭酸化形態の前記カルシウム吸着剤を特定することを含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記炭酸化形態の前記カルシウム吸着剤を処理することは、前記炭酸化形態の前記カルシウム吸着剤を、炭酸化率を高めるのに十分な時間、周囲空気にさらに曝すことを含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記炭酸化形態の前記カルシウム吸着剤を処理することは、
    前記炭酸化形態の前記カルシウム吸着剤をか焼してそこから二酸化炭素を放出させ、酸化カルシウムを形成することと、
    前記カルシウム吸着剤から放出された二酸化炭素を回収することと
    を含む、請求項１に記載の方法。
13. 酸化カルシウムを消和して、前記実質的に連続的なコーティング層を調製するのに使用される前記カルシウム吸着材料を形成することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. か焼の前に前記炭酸化形態の前記カルシウム吸着剤の一部を除去し、か焼中に補給石灰石を添加することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記カルシウム吸着材料の前記実質的に連続的なコーティング層を調製することは、前記１つ以上の基材を前記カルシウム吸着材料のリザーバ中に浸漬することを含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記カルシウム吸着材料の前記実質的に連続的なコーティング層を調製することは、前記カルシウム吸着材料を前記１つ以上の基材上に滴下または噴霧することを含む、請求項１に記載の方法。
17. 二酸化炭素の直接空気回収のためのシステムであって、
    液体カルシウム吸着材料を１つ以上の基材に塗布して、前記１つ以上の基材上に前記カルシウム吸着材料の実質的に連続的なコーティング層を形成するために構成されたコーティングシステムと、
    前記１つ以上の基材を、ある時間、配置するために構成された貯蔵ユニットであって、前記１つ以上の基材が空気と接触し、その結果、前記空気中の二酸化炭素が前記カルシウム吸着材料と反応して、炭酸化されたカルシウム吸着材料を形成する、貯蔵ユニットと、
    前記１つ以上の基材から前記炭酸化されたカルシウム吸着材料を除去および収集するために構成された収集ユニットと
    を含む、システム。
18. 前記コーティングシステムは、前記液体カルシウム吸着材料の１つ以上のリザーバを含む、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記コーティングシステムは、前記１つ以上の基材を前記液体カルシウム吸着材料の前記１つ以上のリザーバ中に浸漬するために構成された浸漬ユニットをさらに含む、請求項１７に記載のシステム。
20. 前記コーティングシステムは、前記１つ以上の基材を実質的に垂直な位置に保持するために構成された吊り下げユニットを含む、請求項１７に記載のシステム。
21. 前記コーティングシステムは、前記１つ以上の基材上にカルシウム吸着材料を滴下するために構成された１つ以上の滴下パイプをさらに含む、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記炭酸化されたカルシウム吸着材料を受け取り、前記炭酸化されたカルシウム吸着材料を酸化カルシウムおよび二酸化炭素に変換するように構成されたか焼器をさらに含む、請求項２０に記載のシステム。
23. 二酸化炭素から酸化カルシウムを分離するように構成された固体分離器をさらに含む、請求項２２に記載のシステム。
24. 酸化カルシウムを受け取り、前記カルシウム吸着材料として使用するための水酸化カルシウムを形成するように構成された石灰消和ユニットをさらに含む、請求項２３に記載のシステム。

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