[发明专利]从空气中捕获二氧化碳

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于从空气中除去选定气体的方法和装置。本发明尤其用于从空气中提取二氧化碳(CO₂)，并将联系这方面用途来加以说明，然而其他用途也在考虑范围内。

背景技术

有令人信服的证据表明大气中二氧化碳水平的急剧增加和全球表面温度的相应增加之间具有很强的相关性。这种影响通常被称为全球变暖。CO₂排放的各种来源中有大量小而分布广泛的排放体，从源头上减轻它们是不切实际的。另外，大规模的排放体如碳氢燃料发电厂没有受到充分保护来防止排出的CO₂进入大气。这些主要来源和其它的结合起来导致大气二氧化碳浓度的急剧增加率的发生。直到所有排放体在其源头被纠正为止，其它技术都需要来捕获尽管相对较低但增长着的背景水平的大气CO₂。人们正在努力提高现有的排放减少技术以及开发新型技术，用于直接捕获周围环境的CO₂。这些努力需用方法学来管理由此产生的CO₂的浓缩废物流，以防止它被重新引入大气。

CO₂的产生发生在各种工业应用中，例如电力发电厂从煤中以及在碳氢化合物的使用中产生，碳氢化合物通常为燃烧装置(如发动机)中燃烧的燃料的主要成分。从这些燃烧装置排出的废气包含CO₂气体，目前只被简单地释放到大气中。然而，随着对温室气体的日益关注，来自所有来源的CO₂排放将必须缩减。对于移动源来说，最佳选择很可能是直接从空气中而不是从汽车或飞机的移动燃烧装置收集二氧化碳。从空气中除去CO₂的优点在于它不再需要将CO₂储存在移动装置上。

从环境空气中提取二氧化碳(CO₂)使人们有可能利用碳基燃料并在事后处理相关的温室气体排放。由于二氧化碳按百万分之一的数量计既无毒也无害，但仅通过在大气中积累就造成环境问题，所以从空气中除去CO₂有可能可以弥补不同时间其他地方同样大小的排放量。

然而，大多数现有技术方法导致从空气中捕获CO₂的效率差，因为这些过程加热或冷却空气，或大量改变空气压力。因此，大气中CO₂水平的净减损可忽略不计，因为该清洁过程将CO₂作为给该过程供电的电力副产物引入大气中。

发明内容

在我们前述的专利申请中，我们描述了官能化离子交换树脂用于从环境空气中提取CO₂的应用。具体地，在我们前述的‘326申请中，描述了具有强湿度功能的强碱性离子交换树脂的用途，即湿度下降时具有吸收CO₂的能力，而适度升高时放出CO₂的离子交换树脂。本发明提供使用离子交换树脂(IER)对空气捕获装置的改进。

本文使用的术语“离子交换”指一种可逆过程，其中离子可以从不溶性固相物质释放，与周围溶液中的其他离子交换。对于本讨论的目的，即使离子交换树脂的水合作用很小以至于在离子交换树脂上看不见水分，该术语仍然适用，因此，一般来说水含量不视为构成溶液。

在下文中，我们还将考虑润湿离子交换树脂。术语“润湿”指将树脂暴露于液态水或增强水蒸气压力的水平。除非另有说明，增强的蒸气压指超过树脂之前(例如当其收集CO₂时)遭受的水蒸气部分压力。

常见的商业可得的离子交换树脂由聚苯乙烯或纤维素基骨架制成，其通常经由氯甲基化被胺化形成阴离子形式。一旦氨基被共价连接，就能够利用它的离子属性将其作为离子交换的位点。然而，其他的离子交换树脂和这些材料还可用于从大气中收集CO₂。

根据制备方法，树脂可被加工以具有特殊性质，而本发明的一个目的就是设计构造该树脂以得到适用于特定用途的特定性质。一种重要的控制措施是聚合物的链之间的交联度。图2显示的交联是一种通过常见共价键连接两个聚合物链的方式。这通过共享两个交联链之间的苯环来实现。

在离子交换树脂中，交联度表示树脂的保水能力。由于树脂的离子性质，水对离子具有高度亲和力，抵消连接的电荷，并且这样一来水就被吸附到树脂上。与树脂相平衡的水量表示包含于树脂中的离子盐的相对浓度。而有效pH可以控制反应动力学以便吸收CO₂。