[发明专利]基于薄膜的系统和二氧化碳分离的方法

说明书

发明背景

由于对全球变暖的关注，人们已提高对从经处理流体收集(capture)和隔离(sequester)CO₂技术的兴趣。这可包括例如从经处理流体中存在的其他分子分离CO₂(即“收集”)，然后将其压缩，输送并处理掉，例如通过将其埋入地下(即“隔离”)。燃煤发电厂占美国固定污染源排放的约三十八亿吨CO₂的一半以上，并且CO₂在废气中的相对稀浓度造成收集困难。例如，CO₂可只占从发电厂排放的全部废气的4-14％，但收集所需的能量可占全部收集和隔离过程总花费的60％左右。现今作为隔膜(membrane)使用的一般聚合物膜可只基于其扩散性和溶解性差异分离气态物质。由于CO₂和N₂的分子直径很相似，在N₂的量丰富得多并且对于渗透通过膜产生更大驱动力的情况下，由聚合物膜分离CO₂是有困难的。

现已研究一些技术，用对CO₂分子具有选择和强亲和力的化学物质化学洗涤(chemical scrubbing)来收集CO₂。目前，最佳的有效收集系统利用基于胺的化学洗涤。这种技术有效去除CO₂，然而，花费太过昂贵，就美国能源部的收集90％目标而言估计每年超过一千亿美元，并且增加电耗约85％。根本原因在于与过程相关的化学反应，其中CO₂通过与30％重量含水胺反应收集。首先，此过程的动力学本来就慢，因为速率限制步骤是通过液相输送。慢的动力学导致需要大的设备满足收集需要，例如90％。因此，550兆瓦(MW)燃煤发电厂收集CO₂相关的资本成本估计为约$740MM。其次，反应产物为相对稳定的胺基甲酸盐化合物，此化合物需要大量热量以释放CO₂和使胺再生，并伴随此能量大部分浪费，因为要被加热的70％物质为水。因此，相同550MW发电厂的效率从36.8％降至24.9％。

与基于胺的化学对比，复杂的需氧生物体(包括哺乳动物)使CO₂与水反应生成碳酸氢根离子，碳酸氢根离子比CO₂本身更易溶于血液。CO₂与水独立反应慢，但在人体中，由于碳酸酐酶(已知的最快酶之一)的作用这几乎瞬间发生。因此，一些研究组一直研究在CO₂收集用的膜中结合碳酸酐酶。酶基本溶于作为“含液隔膜”的聚合物膜孔内的液相。然而，就酶稳定性、可利用性和补充而言，在生物体(可连续再生并用抗氧化剂保护它的酶)环境外利用酶是一个大的困难。废气的苛刻环境可能化学侵蚀包埋的碳酸酐酶。这种方法需要严格控制温度和污染物以及在固定间隔更换变性(降解)的酶的供应物。由于碳酸酐酶合成太复杂，需要相当大的成本从红细胞提取，即使达到规模经济。

另外，碳酸酐酶需要含水环境操作。这有两个相当大的缺陷。首先，象液体胺一样，速率限制步骤通过液相输送，这将固定膜性能的最高限度，而无论酶使CO₂转化成碳酸氢根离子有多么快。其次，由于液相保持最小体积以提高动力学，甚至是来自废气的极低量二氧化硫也会随时间积累，并转变成硫酸，这使pH快速降低到低于在膜中最佳碳酸酐酶作用的窄范围。随着酶逐渐失去其催化活性，方法的效率不断降低，直到使膜不起作用。因此，需要经常更换膜，这导致高操作成本。

发明概述

一种CO₂分离系统包括具有第一侧和第二侧的薄膜，布置于第一侧和第二侧之间的聚合物基质，和由聚合物基质支持的氢氧化锌部分，各氢氧化锌部分处于四面体配位态并可与CO₂反应，以促进使CO₂从第一侧输送到第二侧。

另一方面，一种从废气分离CO₂的方法包括使薄膜的前侧暴露于含CO₂的废气，并使废气中的CO₂与薄膜中的一组四面体配位氢氧化锌部分反应，以选择性促进一部分CO₂从薄膜的前侧输送到薄膜的后侧。

另一方面，一种从经处理流体分离CO₂的方法包括使薄膜暴露于经处理流体，并使CO₂与在薄膜内包含的四面体配位氢氧化锌部分反应，以促进输送CO₂通过薄膜。

附图简述