[发明专利]用于俘获二氧化碳的胺吸附剂及其制造和使用方法

说明书

发明领域

本发明一般地涉及用于形成CO₂-选择性吸附材料和/或硫-选择性吸附材料的方法。在一个实施方式中，本发明涉及用于形成CO₂-选择性吸附材料的方法，其包括提供固体材料、提供胺源、使所述固体材料与所述胺源接触以在所述固体材料表面上吸附胺分子，以及使所述固体材料表面上的吸附胺分子与CO₂流接触，以使在与胺和固体材料接触时，CO₂与胺分子的胺官能团结合，减小胺官能团与固体表面相互作用的可能性，并增加可用于俘获CO₂的胺部位。

发明背景

本发明涉及新的CO₂吸附材料。更具体地，本发明涉及新的CO₂吸附剂、制备该新的吸附剂的方法，以及另外涉及使用它们的方法。

CO₂吸附剂允许从含CO₂流中俘获CO₂，然后将流出物浓缩为接近99.9％CO₂的流。已知长时间暴露于超过约7.6mm Hg的二氧化碳分压——约1％的分压，会造成人类和其它哺乳动物的健康问题，因此CO₂俘获是重要的。结果是，例如在封闭的居住环境内，如存在于在潜水艇、宇宙飞船或太空服内的那些环境，一般通过使用固体可再生的和不可再生的二氧化碳吸附剂，使二氧化碳分压保持在低于约1％，所述二氧化碳吸附剂如碱石灰、沸石和碳分子筛、固体氧化物、碱金属碳酸盐、碱金属氢氧化物、胺和它们的结合。

这些固体可再生二氧化碳吸附剂也被考虑用于从烧煤发电厂的烟道气中俘获CO₂。目前，从烧煤发电厂中排放的CO₂量占全球总CO₂排放的36％以上，并代表最大的静态CO₂排放源。取决于燃烧条件和所用煤的类型，烟道气中CO₂的体积分数范围在10％到15％。开发有成本效益的方法以从烧煤发电厂烟道气中除去CO₂作为稳定大气二氧化碳浓度的短期策略之一已被采用。

除了这些吸附剂，经常在液相中使用胺如单乙醇胺和二乙醇胺以通过吸附减小二氧化碳的分压。这些胺在水相中使用，一般胺的浓度为25wt.％到30wt.％。在已知的俘获系统中，胺溶液进入吸附塔的顶部而含CO₂气流被引入塔的底部。当以逆流方式与气流密切接触时，胺溶液与二氧化碳发生化学反应以从气流中吸收和除去二氧化碳。然后在超过大约150℉(约66℃)的温度通过热再生过程将所吸附的二氧化碳进行脱附。在脱附期间，从胺溶液产生的二氧化碳和水通过在热交换器中水蒸汽的冷凝而被分离。再生后，胺溶液被再循环回到吸附塔以进行另外的二氧化碳吸附。

但是，遗憾的是，虽然胺溶液能够在最初除去二氧化碳至分压低于大约1％，但由于胺氧化引起的分解，它们的寿命有限。存在于气流中的氧将胺氧化，具体地是在脱附期间当胺溶液被加热时在升高的温度下被氧化。该氧化往往减少可用于吸附二氧化碳的胺的伯和仲官能团的量。因此，胺溶液的有效寿命限于仅大约六个月的连续使用。

如果脱附在环境温度下完成，则胺溶液的有效寿命可以被延长，但性能将由于低脱附率受到限制。由于能量要求和与氧化相关的分解，在封闭环境系统中使用的胺吸附剂经常在大约环境温度下再生固定的脱附时间。在环境温度下，二氧化碳的脱附常常是有限的，完成完全脱附花费很长时间，大多数系统和应用都经受不住。在没有达到完全脱附的情况下，一部分吸附的二氧化碳在脱附过程停止后仍保留在吸附剂中，因此减小了吸附剂在随后的循环中吸附另外二氧化碳的能力。

美国专利号5,376,614公开了一种固体的胺多元醇(aminepolyol)吸附剂，其包含大约1wt％到大约25wt％的胺、大约1wt％到大约25wt％的多元醇和剩余物多孔载体，该多孔载体提供给胺结构完整性和高的表面积，以便气/固接触。虽然在这篇文献中公开的固体胺吸附剂提供了一些超过以前所述固体和液体吸附剂的优点，但仍然需要提高吸附剂中胺的浓度以及增强循环CO₂去除能力，以优化系统性能。另外，在’614方法中吸附剂的形成相当复杂，要求预形成胺/多元醇溶液，然后使载体浸渍该溶液，或使载体先浸渍胺溶液、再使该载体二次浸渍多元醇溶液。

发明概述