專利名稱：具有用于捕獲周圍CO₂的功能化離子交換膜的空氣收集器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一方面涉及選定的氣體從空氣中的去除。本發(fā)明具有用于從空
氣中提取二氧化碳(co2)的特別的用途，并且雖然預期了其它的用途，
包括NO,禾卩SC^的其它氣體的隔離(sequestration),但是本發(fā)明將結合這 樣的用途進行描述。
背景技術：
有說服力的證據(jù)表明，在大氣CO,的急劇增加的水平和地球表面溫度 的相應的增加之間存在很強的相關性。該效應通常被稱作全球變暖。在各 種CC^散發(fā)來源中，存在大量的小而廣泛分布的散發(fā)器，其在散發(fā)源處不
可能被減輕。此外，例如以碳氫化合物作為燃料的發(fā)電廠的大規(guī)模散發(fā)器
不能完全防止排出的co,進入大氣。這些主要的散發(fā)源和其它的源的組合 導致產生大氣co,濃度的急劇增加的速度。直到在它們的散發(fā)源處的散發(fā) 器被修改之后，才需要其它技術來捕獲雖然相對較低但是增加的大氣co2
的本底水平。正在努力進行增加減少散發(fā)的現(xiàn)有技術和發(fā)展用于直接捕獲
周圍的co,的新的和新穎的技術。這些努力需要能控制產生的濃縮cc^廢
氣流的方法論，以便防止其再次被引入到大氣中。
(:02的產生發(fā)生在諸如通過煤產生電的發(fā)電廠之類的各種工業(yè)應用和
在碳氫化合物的使用中，其通常是在燃燒裝置(例如發(fā)動機)中燃燒的燃
料的主要組分。從這樣的燃燒裝置中排出的廢氣包含CC^氣體，目前其被
簡單地釋放到大氣中。但是，當對溫室氣體的關注增加時，從全部散發(fā)源
散發(fā)的co,將必須要被減少。對于移動的散發(fā)源，最佳的選擇可能是直接
從空氣而不是從汽車或飛機的移動燃燒裝置收集co2 。從空氣去除co2的 優(yōu)點是，它消除了在移動裝置上貯存co,的需求。
從周圍空氣提取的二氧化碳(co2)將使得采用碳基燃料和在這之后
處理相關的溫室氣體散發(fā)是可能的。由于百萬分之幾的濃度含量的co,既無毒也無害，但是僅僅通過在大氣中的聚積而會產生環(huán)境問題，因此將co2
從空氣中去除以便在別處和在不同的時間相等尺寸的散發(fā)是可能的。
已經開發(fā)了多種方法和裝置用于從空氣中去除co2。在一個現(xiàn)有技術
的方法中，采用充滿被稱作拉西環(huán)填料(Raschig rings)的儲液罐中的諸如 堿性溶液之類的吸附劑清洗空氣，該拉西環(huán)填料使氣體和液體的混合達到 最大。<302與吸附劑反應并且被其捕獲。對于小量的CO,的消除，也可以 采用凝膠體吸收器。雖然這些方法在去除CO,中是有效的，但是對于它們 來說，為了將二氧化碳有效地從空氣去除，這些方法仍具有嚴重的缺點 空氣必須在相當?shù)馗邏合卤或寗油ㄟ^吸附劑。對于任何技術來說，從空氣 中凈化足夠量的低濃度co2的最令人畏懼的挑戰(zhàn)包括采用比初始產生co2 的能量消耗少的能量消耗來處理大量的空氣和使CO,集中。在清洗過程中 發(fā)生的相對的高壓損耗導致產生壓縮空氣所需能量的巨大損失。用于壓縮 空氣的這種額外能量可以具有關于該過程中的總的二氧化碳平衡的不利的 效果，因為不考慮過程中的量，用于增加空氣壓力所需的能量可以產生其 自己的、超過所捕獲的量的CO,。
這樣的現(xiàn)有技術的方法導致不能有效地從空氣中捕獲co2 ，因為這些 過程使空氣加熱或冷卻，或者大量地改變空氣的壓力。因此，002的凈損 失可以被忽略，因為清潔過程可以將CO,作為用于為該過程提供能量的電 產生的副產品而導入大氣中。.

發(fā)明內容
本發(fā)明在一個方面是提供了一種對現(xiàn)有技術的用于從空氣中去除co2
的系統(tǒng)的改進，該系統(tǒng)利用了固相陰離子交換膜用于從空氣中直接捕獲
CO,和例如NOi和SO,的其它酸性氣體。具體地，本發(fā)明提供了活動元件 的實際物理構造，活性元件的制造方法和空氣收集器裝置的構造選擇，以 便于基于固相(陰離子交換材料)直接從空氣中捕獲CC^和其它的酸性氣 體。
本發(fā)明在一個方面是提供了活動空氣接觸元件的實際物理構造，活性 元件的制造方法和空氣收集器裝置的構造選擇，以便于基于固相(陰離子
交換材料)直接從空氣中捕獲co,和其它的酸性氣體。按照本發(fā)明的空氣捕獲裝置組成一較大系統(tǒng)的前端部件，其被設計為 捕獲周圍低濃度C02、從空氣捕獲裝置化學地去除所捕獲的co2、濃縮
co,用于隨后的持久使用、重新組成該方法的化學品和再生制備中的co2
捕獲材料以用于下一捕獲循環(huán)。
空氣捕獲裝置利用功能性的陰離子交換聚合物，其被形成為提供比較 大的表面積，這允許空氣以最小的阻力流動。在一個實施方式中，陰離子 交換聚合物采取稀疏的矩陣或"面條形"線的無序的網格的形式，例如與在 蒸發(fā)的或增濕的襯墊中發(fā)現(xiàn)的形式相似。選擇性地，陰離子交換聚合物被 形成于單元內或被涂覆在形成于單元內的支撐材料的表面上，這提供了某 些重要的捕獲性能需求。
在我們2006年7月28日提交的同時待審的PCT申請系列號 PCT/US06/029238中，我們描述了對于固相離子交換材料的化學性能的詳 細要求。本申請在一個方面提出了機械構造和空氣側性能的提高，以當保 證具有可重復捕獲空氣性能的耐用設計時，確保滿足整個系統(tǒng)的低能量需 要。在另一個方面，本申請描述了用于將CC^重整為其它分子的綜合系統(tǒng)， 這將永久地防止所捕獲的(:02重新被引入大氣中。


本發(fā)明的更多的特征和優(yōu)點通過下面的詳細描述并結合附圖將被看
到，其中
圖1是說明從空氣中捕獲CO,的流程圖2a-2f是示意性地說明按照本發(fā)明的空氣捕獲介質的各種構造的剖 視圖2g和2h是說明按照本發(fā)明的"面條形"空氣捕獲介質透視圖； 圖3a、 3b和4是說明按照本發(fā)明的空氣捕獲介質的各種實施方式的透 視圖5示意性地說明按照本發(fā)明的安裝在冷卻塔中的空氣捕獲介質；
圖6是示出按照本發(fā)明的安裝在排氣系統(tǒng)中的空氣捕獲介質的示意
圖7是示出按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式的、在隔離之后從空氣中捕獲CC^的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的空氣捕獲裝置的一個目標是，將每單位體積的固相離子交換 材料的表面積的最大量提供給高體積流動速度、低壓力的空氣流，其時通 過裝置中的空氣壓降達到最小。
優(yōu)選地，空氣捕獲裝置也被構造為保證盡可能完全的滲透和全部表面
與吸附劑化學品徹底的液體接觸，以便去除捕獲的co,和重新活化膜表面。
在操作中，空氣捕獲裝置將被暴露于一空氣流一給定的時間，直妾IJ通 過已知的性能特性，其必須要去除捕獲的含碳分子和使固相陰離子交換材 料重新活化。然后處理固相陰離子交換材料，例如用吸附劑化學品，伊J如 通過液體池浸浸或噴射來處理，以便去除含碳分子和重新活化固相陰離子 交換材料。 一旦被排盡，空氣捕獲裝置可以被重新引入空氣流中。
優(yōu)選地，空氣捕獲裝置的主要特征與空氣流相適應或基本上垂直面對 空氣流流動路徑。該表面被與空氣流的主軸平行并且完全地通過空氣捕獲 裝置的體積的通道矩陣滲透。
如前面規(guī)定的，通過空氣捕獲和清潔過程消耗以便捕獲和濃縮大氣
(:02的能量的量必須達到最小。為了是可行的，該過程應當將比被捕獲的 co,少的、作為用于為該過程提供能量的電產生的副產品的(:02引入大氣
中。這影響了空氣捕獲裝置的構造，特別地影響了其引入過程空氣流^J的 空氣動力阻抗。
該裝置的理想布置將是利用無風扇幫助的可利用的風驅動氣流；fa是， 也必須考慮風扇幫助的氣流。假設已知量的空氣必須被加工以提取已知量
的co,(對于每單位(:02，近似地為ioooo單位的空氣)并且空氣捕獲裝
置提供的阻抗將對風扇輸入能量產生直接的影響，使通過該裝置的空氣側 壓降達到最小是必需的。這可以通過低壓降特征的設計獲得，該設計4吏得 傳送空氣從具有低流動阻抗的空氣捕獲裝置的入口到出口。
與上述需求所競爭的是，另一個重要的標準需要使裝置的特定活動表 面面積達到最大。被表示為每單位體積的裝置的體積質量的單位活動面積， 本發(fā)明的一個目標是限制空氣捕獲裝置的總物理尺寸。所關心的問題/人由通過實驗得出的、在考慮中用于離子交換材料的CC^捕獲通量值而出現(xiàn)。 雖然相對于其它的CC^捕獲方法論，它執(zhí)行地非常好，并且通量值十分低。
具體地，我們已經證明平均的捕獲通量是從2到6E-5摩爾C02/m2/sec。 這對獲得實際的捕獲數(shù)量所需的活動材料的表面面積的量具有顯著的影 響。例如，在目標為每天捕獲1噸CO,的2E-5摩爾C02/m2/sec時，該裝 置將需要向空氣流暴露13150m2的膜。這樣，該裝置需要構造有高的特定 的表面面積矩陣，以便獲得不因為收集器尺寸而對其位置有嚴重的限制的 實際的裝置。
第三個標準是被去除捕獲的<:02和更薪活動材料的所需的吸附劑化學 品完全地濕潤的結構矩陣的能力。與其容易地和完全地濕潤的能力相當?shù)?是在用于下一個加工循環(huán)的制備中完全地干燥的能力。
第四個標準需要結構矩陣被構造為提供堅固的、均勻的和在尺寸上穩(wěn) 定的形狀。需要給定下面的因素
1. 首先，材料可以經受由于濕潤和干燥狀態(tài)之間的膨脹和收縮過程而 發(fā)生的顯著的尺寸變化。矩陣的制造必須在分部件之間提供堅固的接頭， 以便抵抗多年的循環(huán)重復的張力而不發(fā)生撕裂或割裂。
2. 內部特征的設計必須在保持尺寸穩(wěn)定時調節(jié)膨脹和收縮。為了當向 將導致暴露的活動膜的減小的空氣流提供時，避免剖面面積的局部的和/或 總的減小，這是必需的。
但是，非常高的特定活動區(qū)域將與用于低壓降的需要進行競爭，這由 于高的表面區(qū)域到體積效率通過非常小的內部特征或通道而獲得的事實而 發(fā)生。此外，非常小的內部特征也可以通過在這些特征中使空氣停滯在特 有的重要的空氣流動下而對空氣流動作出讓步。
這樣，最終的設計和構造將是壓降、特定的活動表面面積和總的收集 器尺寸的最優(yōu)化。這也將受到制造堅固的和成本低的裝置所需要的實際的 制造方法的影響。
活動元件的設計和構造
a.需求概況
本發(fā)明的空氣捕獲裝置包括在兩個相對的表面之間直接聯(lián)系的活動元 件或特征的場或矩陣，以便使由于空氣流動通過這些特征而產生的空氣動力能量損失達到最小。在本發(fā)明的一個實施方式中，活動元件或特征采取 打開的矩陣或"面條形"線的無序網格的形式，這與蒸發(fā)的或增濕的襯墊中 發(fā)現(xiàn)的形式相似。在本發(fā)明的另一個實施方式中，活動元件或特征包括重 復的形狀，例如但不限于完全地占據(jù)矩陣的可以變換尺寸和形狀的規(guī)則的 和不規(guī)則的多邊形。形狀、尺寸和分布在整個矩陣上可以變化，以便使空 氣流動特性和壓降分布最優(yōu)化，以便獲得前面提到的、所期望的捕獲動力 學和結構性能標準。
b. 物理和性能屬性
給定的特征的剖面面積越小，矩陣的單位體積的特定的面積越高，也
就是說，特定面積是面積與體積的比率。例如對于每條邊為5mm的等邊三 角形的行矩陣，被平面分割的每行的特定面積大約為1200m2/m3。 10mm 的等邊三角形的矩陣將提供大約600mVm3的特定面積。
小的特征尺寸的平衡是具有湍流和壓降的空氣側空氣動力特性。對于 給定的空氣流動，當特征的剖面面積減小時，沿著空氣路徑長度的湍流和 壓降將會增加。在所限制的程度下，采用固相陰離子交換材料保證湍流具 有好的(:02捕獲動力性是所期望的。但是，用于更高的湍流和相應的壓降 的代價是使空氣移動通過空氣捕獲裝置所需的更高的能量。對于與過程空 氣接觸的固相陰離子交換材料的給定的表面粗糙度，重要的性能平衡變量 是特征剖面面積和均勻性、流動路徑長度、矩陣表面處的空氣速度通量和 固相陰離子交換材料的C(^捕獲動力性反應。
涉及這些性能平衡的問題是與特征和矩陣的制造和裝配有關的問題。 當保證堅固的和一致的裝配時，產生小的特征所需的制造方法將反應出起 始原料。固相陰離子交換材料的兩個最普通的形式是熱塑性的板材和珠子。 形成小的特征的實用性將由給出這些材料的可用的加工和實踐所驅動。這 些可以是某些特征尺寸，在其下面，制造方法可能需要潛在地改變，導致 更高的單位成本。
c. 構造選擇
在最離散的水平，重復的特征將由重復的形狀構成，例如但不限于可 以具有變化的尺寸和形狀的規(guī)則的和不規(guī)則的多邊形，該多邊形包括完全 的矩陣。形狀的選擇將部分地被特定的面積需求和可制造性所影響。此外，空氣捕獲裝置的總的構造可以指示多于一個的特征形狀，以便向空氣流的 暴露和用于差動空氣速度通量的調整達到最大。潛在的形狀包括但不限于 等腰和等邊三角形、梯形、正方形、矩形、其它的規(guī)則的和不規(guī)則的多邊
形。參見見例如圖2a-2f。成形的陰離子交換材料可以由諸如功能化的聚苯 乙烯等之類的陰離子交換材料的片材形成，或包括涂覆有陰離子交換材料 的惰性基底材料的片材。選擇性地，在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中， 陰離子交換材料包括lmm厚、lmm寬的"面條形"的線，該線通過撕裂商業(yè) 上可用的陰離子交換膜材料形成。 一個目前優(yōu)選的材料是從 SnowPure,LLC,San Clemente,California可以得到的陰離子交換膜材料。制造 商將這些膜材料描述為包括混合在聚丙烯矩陣中的、并且按照美國專利號 6503957和6716888的教導的被擠壓為片材的壓碎的陰離子交換樹脂。"面 條"或線通過將lmm厚的SnowPure陰離子交換材料片材撕裂成lmm寬的 "面條"或線形成(見圖2h-2i)。
按照本發(fā)明的一個實施方式，空氣捕獲裝置可以形成為基本上圓形和 厚度不變的形狀，也就是說，采用多邊形的矩陣的盤是厚的，該多邊形為 螺旋的樣式，以便利用波紋形固相陰離子交換材料的、與空氣捕獲裝置一 樣厚的連續(xù)條。見例如圖3a和3b。該單元將采用連續(xù)波紋形的層和共周連 接的平面層纏繞，直到獲得所期望的直徑。該構造的一個選擇是波紋形固 相陰離子交換材料的、離散的直徑越來越大的環(huán)形部分和貼合在一起裝配 的平面片材分組件，直到獲得空氣捕獲裝置的所期望的直徑。
上面的實例的變量將具有可變厚度的盤。見例如圖4。這在非均勻空 氣通量場的存在時是所期望的，以便保證通過空氣捕獲裝置整體的均勻的 捕獲和/或空氣動力性能。
圓形剖面的一個優(yōu)點將是將空氣捕獲裝置的幾何形狀與例如向上通風 冷卻塔的冷卻塔相配合，該向上通風冷卻塔的剖面也是圓形。見例如圖5。 該圓形特征也有助于改進現(xiàn)有的冷卻塔裝置的應用。
空氣捕獲裝置的另一種構造將是基本上矩形的，例如圖6中所示。矩 陣將由規(guī)則的場構成，通過平面片材相互分割的、在行或列上重復的多邊 形。 一種選擇性的裝置將包括具有離散布置的交替形狀、樣式和/或尺寸的 區(qū)域的、基本上規(guī)則的多邊形的場，以便使通過空氣捕獲裝置整體的CO,捕獲動力性和空氣動力性能最優(yōu)化。該構造的一個優(yōu)點是有助于將其安裝到 標準的航運容器中，便于發(fā)展為單獨豎立的、完整的和自身包含的裝置， 該裝置通過現(xiàn)有的聯(lián)合運輸基礎設施可被容易地進行航運。
在前面討論的全部的構造中，多邊形特征的矩陣裝置的一個顯著優(yōu)點 是其固有的結構穩(wěn)定性和強度。在平面片材形式中，固相陰離子交換材料 不具有對于穩(wěn)定性的實際結構和低的特定面積，并且在珠子的形式中，固 相陰離子交換材料具有高的壓降并且需要外部容納結構。固相陰離子交換 材料的制造矩陣或涂覆有陰離子交換材料的基底產生與用在飛機地板和汽 車車體中的結構相似的空間框架結構。在這些應用中，空間框架允許設計 者制造非常堅硬、強壯和穩(wěn)定的結構，該結構重量輕并且具有非常高的強 度/重量比率。本質上是相似的規(guī)則多邊形的矩陣、由重量輕的材料制造、 產生高度穩(wěn)定和強壯的三維結構的實例是蜂窩結構。
制造方法的概況
a.概況和需求
普通的離子交換樹脂由聚苯乙烯或纖維素類主干構成，該主干通常通 過氯甲基化反應隨后被功能化(氨化)為陰離子。
對于裝配所提出的矩陣結構是可用的制造方法可以利用通過聚苯乙烯 熱塑性塑料提供的可成形性。廣泛地，有兩個路徑通向制造方法。第一個 包括在其活化或功能化之前裝配的矩陣或網格的形成。這允許制造者具有 將成熟的塑料制造方法的廣泛選擇應用于制造空氣捕獲矩陣的靈活性，否 則其會損害或破壞功能化處理過的材料。主要關心的問題是熔融聚苯乙烯 時的溫度超過功能化材料的上限耐受。
另一制造路徑包括采用預處理或功能化材料。雖然為了保護材料的離 子性能對于加工條件有一些限制，但這提供了使用預先存在的固相陰離子 交換材料工作的選擇。該限制由于材料上的功能性的胺基的相對低的溫度
耐受而產生。溫度上限的范圍為100-140°C，遠低于使熱塑性材料熔融所需 的加工溫度。聚苯乙烯具有大約10(TC的Tg或玻璃化轉變溫度和大約24(TC 的熔融溫度。因此，該材料可以在功能化材料的安全上限附近工作或形成， 不會熔融該材料，而這將破壞功能化。
對熱塑性塑料固相陰離子交換材料的實驗顯示，當熱影響區(qū)高度局部地限制功能化的量時，其被該方法去除，局部熔化接合方法(例如點焊) 可以用于矩陣的裝配。該方法不會顯著地影響固相陰離子交換材料的堆積 性能。
b.矩陣的特征和裝配的形成
特征的形狀的選擇將部分地受到可用的制造方法的影響。例如，簡單 的多邊形的選擇，例如三角形，有助于一些簡單的形成方法。以滾壓形式 的前或后功能化聚苯乙烯的連續(xù)的片材開始，制造波紋的連續(xù)形成操作可 以借助于使片材在兩個被加熱和具有相配合輪廓的輥之間通過而獲得。精 確地間隔的輥將捕獲聚苯乙烯，將材料加熱到其玻璃化轉變溫度并形成三 角形狀。當波紋形的片材從輥中退出時，它們被允許冷卻以保證形狀保持 持久。對于特征急劇彎曲的或需要更劇烈的加工的形狀，后功能化材料可 能是更適當?shù)?，以便允許更高的溫度加工。
產生與上面的實例相似的結果的、但是在離散的基礎上產生成形的片 材的另一種形成方法是將平面片材在兩個被加熱的和具有輪廓的壓盤之間 擠壓。如前所述，特征的形狀可以顯示形成溫度，并且因此顯示前或后功 能化材料的選擇。
另一種形成方法利用應用到塑料部件的制造中的現(xiàn)有技術。具體地， 聚苯乙烯可以被加熱并且被擠壓或注模以形成復雜的形狀。無論是離散的 部件還是連續(xù)鑄造的形狀，最終的產品將在成形后被功能化。
另一種形成方法包括聚苯乙烯泡沫材料的產生。通過添加吹塑劑，將 會產生開孔泡沬材料，材料被切割成形，材料塊將在裝配之前被功能化。泡 沫的開孔性質將允許空氣流通過材料。
另一種制造方法包括兩個或多個離散預成形聚苯乙烯部件的熔化。通過材 料的熔點或以上的高度局部的高溫的應用，產生聚苯乙烯材料的兩個或多個塊 熔化在一起的區(qū)域是可能的，例如通過在離散位置的點焊或通過沿連續(xù)的線的 縫焊。所選擇的焊接方法將被選擇以與最終部件的最終的裝配、加工和所需的 堅固度相適合。
最后，可以使用陰離子交換材料的矩陣或無序的"面條形"線網格。
空氣捕獲裝置的設計和構造選擇
a.概況和需求用于矩陣的形狀和制造方法的無數(shù)設計選擇給予其多個空氣捕獲裝置的 構造。這些構造提供了用于模塊化、專用化的機會，以便配合現(xiàn)有的空間和 優(yōu)化成本、效率和產量。
b. 立方體形式
立方體形式有助于有效的包裝布置和模塊化以便支持性能按比例提
高。 一個選擇是構造為安裝到標準的20和40英尺的船運容器中的CO,捕 獲系統(tǒng)，其中，空氣捕獲系統(tǒng)基本上是立方體形式。
空氣捕獲裝置也可以由多個共同提供所期望的CC^捕獲性能的離散的 立方體模塊部分構成。這提供了使每個部分一次一個地單獨地重新產生的 機會，這允許連續(xù)的不中斷的CO,捕獲。
c. 圓形形式
圓形形式有助于模仿常規(guī)向上通風的冷卻塔的設計。該盤可以構造為 在其厚度上具有均勻尺寸和特征的"固體"形式。空氣流動將沿著與該盤的 旋轉軸線平行的路徑。
在一個布置中，空氣捕獲盤可以與位于其上的風扇水平定位，以提供 向上通風的空氣流動。
另一個布置具有與其前方或后方的風扇垂直定位。該盤可以被布置， 以便慢慢地旋轉通過包含使活動材料重新產生的化學品的槽。
在曰新月異的市場中，該盤可以構造為安裝在現(xiàn)有的向上通風的冷卻 塔中，從而利用已有的通風裝置。
另一種圓形形式構造是在其中該裝置具有環(huán)形剖面的構造。在該構造 中，過程空氣將取決于安裝而向前或向后徑向移動通過該結構的側部。
d. 其它形式
有許多空氣捕獲裝置的設計形式，包括中空的形式。雖然該構造具有 如前面提出的控制性能，但是它將非常地依賴于安裝的約束。
e. 非均勻剖面形式
對剖面的調整在某些情況下可能是必需的，以便保證空氣捕獲裝置的 均勻的和有效的性能。這可以有助于具有非均勻的剖面和/或不對稱的輪廓 的矩陣構造。安裝因素、封閉設計和風扇性能對于最終的設計和矩陣的形 式也可以有很大的意義。f.矩陣或無序的網格形式
lmm厚、lmm寬的矩陣或"面條形"線的無序網格通過撕裂商業(yè)上可用 的lmm厚的陰離子交換膜材料形成。然后得到的"面條"可以被松散地包裝 為線管，也就是說，如圖2h中所示，空氣通過它被引導。
可以使用按照本發(fā)明的另一種將高的表面面積和低的壓降有利地結合 在一起的構造。
在本發(fā)明的另一方面，從空氣中捕獲的<302被持久地隔離。有幾個不 連續(xù)的方法，其可以被整合在一起以便獲得持久的CC^隔離。參照附圖7， 兩個這樣的方法是在我們于2005年8月22日提交的同時待審的美國申請 系列號11/209962中描述的空氣捕獲方法，和常規(guī)的工業(yè)氯堿方法。
氯堿方法是用于在電解池中通過電解從NaCl (例如海水)制造日用品氯 (Cl2)和氫氧化鈉(NaOH)的普通的工業(yè)方法。電化學電流導致氯離子移 動到陽極，在此處它被聚集成氯氣。氫氧化鈉和氫氣也被形成。總的過程以下 面的化學計量關系操作
I .2H2 0+2NaCl—2 NaOH+H2 + CI2 AH=+543kJ/g，le H2 氯的典型用途包括用于紙漿和造紙工業(yè)的漂白劑和消毒劑。氫氧化鈉是用 于多個化學和材料制造方法的非常普通的給料。氫氣流典型地被認為是廢氣 流。雖然一些工廠將該廢氣流的一部分恢復用作熱量和能量燃料源，但是在全 世界產生的大部分被簡單地燃燒，也就是說，在大氣中進行燃燒處理。本發(fā)明 在一個方面通過插入Sabatier還原方法平衡來自現(xiàn)有的氯堿方法的產品和廢 氣流以及來自空氣捕獲系統(tǒng)的CO,產品流，Sabatier還原方法是一種位于在 兩個前面提到的方法的下游的放熱方法。更具體地，按照本發(fā)明，在空氣 捕獲系統(tǒng)中收集的CO,和112廢氣流在升高的溫度下在鎳或釕催化劑上結合， 以下面的化學計量情況將這些供料流改變?yōu)镃H4 (甲垸)和H,O (水) II. CO2+4 H2—CH4+2H20 AH=-165kJ/mole @25°C 這樣，按照本發(fā)明的一方面，來自空氣捕獲系統(tǒng)的二氧化碳和來自氯堿方 法的氫氣被用作Sabatier方法的供料流。在低壓(大約lbar)和400°C-600°C 的操作溫度下，形成甲烷和水蒸汽的產品流。為了保證碳在甲烷中持久的隔離， 甲垸氣體可以變成用于塑料加工工業(yè)的給料。甲烷氣體也可以作為合成燃料被 燃燒，或用作用于形成液體合成燃料的給料。通過氯堿方法的產品流的進一步結合可以獲得另外的CO,隔離。如上面
描述的，H2流被利用以通過Sabatier方法幫助CO;的隔離。NaOH流也可被 利用以捕獲和隔離二氧化碳。具體地，NaOH是CO,的強溶劑。這樣，通過 將NaOH暴露給大氣，大氣CO,將按照下面的反應與NaOH反應以形成穩(wěn)定 的碳酸鹽
III.2NaOH+C02—Na2C03+H20 和， IV .NaOH +CO 2 —NaHCO 3
在環(huán)境中特別是在海水中自然地生成這些化合物。這樣， 一旦NaOH在大 氣中完全地與CO,反應，生成的碳酸鹽可以被引入海水中，在其中，它們 被補充給海洋生物，并且可以通過固有的海洋生物的使用以形成為堅硬的 珊瑚和貝殼這樣的重要結構。另一種可能是NaOH被直接注射到海水中，改 變海水的PH值，這將允許海水起到在我們前述PCT申請系列號 PCT/US06/029238中描述的大氣CC^收集器的作用。
氯產品流可以在地球上安全的隔離，也就是說，通過其與自然界的氫 氧化鎂(MgOH)的反應。氯將被解離到水中，以產生氫氯酸，氫氯酸會 與氫氧化鎂反應，產生具有多種工業(yè)用途的氯化鎂和水。另一種可能將是 將礦物鹽留在原處，用于持久的礦物隔離。
當然，NaOH 、C1,和HC1的氯堿產品流也是可適于市場上銷售的日用品， 這樣，可以被相反處理用于產生收入。
另一種可能包括將(302直接注射到深井或深海儲存。
本發(fā)明在幾個步驟中產生碳捕獲(carboncredit)。 一個碳捕獲是由從空氣 中去除CC^而獲得。另外的碳捕獲是由作為碳酸鈉來隔離碳而獲得。這兩個 碳捕獲是通過將碳轉化為碳酸氫鈉而獲得的。另外的碳捕獲也可以通過.碳的 酸注射到礦物中(即形成鹽)、通過深井或深海儲存的CC^或變成塑料甲浣 或合成燃料中的碳的隔離而獲得。
在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下可能有多種改變。例如，NaOH 被描述用于重新活化陰離子交換表面吸附劑；但是，本發(fā)明不限于氫氧化鈉作 為吸附劑的用途，其它的能夠吸收二氧化碳的吸附劑，例如碳酸鈉也可以用在 本發(fā)明中。同時，雖然離子交換材料被描述為用于形成空氣捕獲裝置的主干的 優(yōu)選材料，但是例如在我們前述的PCT/US06/029238和我們的PCT/US05/029979中描述的其它空氣捕獲裝置也可以有利地使用。同時，代替 從陰離子交換片材材料中切割"面條"，也可以通過壓碎陰離子交換樹脂材^l"和 在粘合劑中擠壓被壓碎的樹脂材料而直接形成"面條"來形成陰離子交換材料 絲。在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，也可以作出其它的應用。
權利要求
1.一種用于從大氣中捕獲CO2的裝置，包括在暴露于空氣流的矩陣中形成的陰離子交換材料。
2. 如權利要求l所述的裝置，其中，該材料被形成為多個多邊形。
3. 如權利要求l所述的裝置，其中，該材料被形成為多個正方形、矩形、三角形、梯形、五邊形或六邊形。
4. 如權利要求l所述的裝置，其中，該材料的形狀為螺旋纏繞盤。
5. 如權利要求l所述的裝置，其中，該材料的形狀為多個同心層。
6. 如權利要求1所述的裝置，其中，該材料的形狀為截去尖端的圓錐。
7. 如權利要求l所述的裝置，其中，該材料的形狀為多個百葉窗。
8. 如權利要求l所述的裝置，其中，該材料由聚苯乙烯或纖維素類陰離子交換樹脂形成。
9. 如權利要求l所述的裝置，其中，該材料由網格形成。
10. 如權利要求l所述的裝置，被安裝在冷卻塔中。
11. 如權利要求l所述的裝置，被安裝在排氣系統(tǒng)中。
12. —種用于從大氣中捕獲C0,的裝置，包括形成為蜂窩形或網格的陰離子膜材料。
13. —種用于從空氣中去除0)2的方法，包括使空氣接觸通過如權利要求1中所述的裝置的步驟，在其上0)2被陰離子材料所捕獲，并且包括處理陰離子材料以便去除和濃縮所捕獲的CO,的步驟。
14. 如權利要求13所述的方法，包括將所捕獲的0)2轉化為甲烷的步驟。
15. 如權利要求14所述的方法，其中，所捕獲的CO,采用Sabatier方法被轉化為甲烷。
16. 如權利要求13所述的方法，其中，所捕獲的0)2被轉化為液體合成燃料或塑料。
17. 如權利要求13所述的方法，其中，所捕獲的0)2被通到深井或深海儲存。
18. —種用于從空氣中去除(:02的方法，其中，通過與堿性海水或鹽水接觸而從空氣中去除C02，其中，海水或鹽水被分離成H,、 Cl,和NaOH，并且Cl2被注入到堿性巖中以形成鹽。
19.如權利要求19所述的方法，其中NaOH被加回到海水或鹽水中以增加堿性，從而增加海水或鹽水捕獲大氣CO,的能力。
全文摘要
一種用于從大氣中捕獲CO₂的裝置，包括陰離子交換材料，該交換材料在暴露于空氣流的矩陣中形成。
文檔編號B01D53/22GK101495213SQ200780008015
公開日2009年7月29日 申請日期2007年3月8日 優(yōu)先權日2006年3月8日
發(fā)明者埃迪·J·彼得斯, 艾倫·B·賴特 申請人:環(huán)球研究技術有限公司