[发明专利]纳米结构化载体上改性胺的再生性吸附剂

说明书

本发明涉及用于从气体混合物吸附二氧化碳的再生性固体吸附剂，所述吸附剂包括改性多胺和纳米结构化固体载体。该改性多胺是胺与醛的反应产物。该吸附剂提供了结构完整性，以及对于从包括空气的气体混合物有效捕集二氧化碳的高选择性和提高的能力。该吸附剂是再生性的，并且可以通过吸附‑解吸循环的多次操作来使用。

发明领域

本发明涉及用于从气体混合物(包括空气)捕集和分离二氧化碳的再生性纳米结构负载型(如热解二氧化硅(fumed silica)、沉淀二氧化硅、热解氧化铝(fumed alumina)等固体)改性多胺吸收剂。

发明背景

气候变化与全球变暖被认为是当今最迫切且最严重的环境问题之一。现在通常公认，全球变暖的主要原因是所谓的温室气体被释放到大气中。一种主要的温室气体是二氧化碳(CO₂)，其主要由化石燃料如煤、石油和天然气的燃烧释放。这些化石燃料总计供应了世界约80％的能源需求。由于化石燃料仍然相对廉价且容易使用，并且由于尚未有可用于在所需的庞大规模上替代它们的令人满意的替代物，预期化石燃料在可预见的未来仍然是我们的主要能源来源。

一种减少CO₂排放以及它们对于全球气候的影响的方式是高效且经济地从其源头(如来自燃烧化石燃料的发电厂和其他工业工厂的排放、伴随天然气的天然存在的CO₂和空气)捕集CO₂、以及隔离或将CO₂转化成可再生燃料。

在各式各样的CO₂收集或分离技术中，基于胺溶液的CO₂吸收/解吸系统是最适合于从高体积气体流捕集CO₂的技术之一。这种系统中常用的溶剂是烷醇胺如单乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、二异丙醇胺(DIPA)和甲基二乙醇胺(MEDA)的水性溶液。某些空间位阻胺，如2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)，也可因其高CO₂负载能力而用作吸收剂。在这些中，MEA因其高CO₂吸收速率(这允许使用较短的吸收柱)而最广泛地使用。然而，MEA系统呈现主要的缺点，包括使溶剂再生需要的大量热以及由腐蚀和化学降解所造成的操作问题。为了防止过度的腐蚀，水性胺溶液中通常仅使用10至30重量％的MEA，其余为水。因为整个溶液(其中70至90％是水)需要加热来使MEA系统再生，再生过程中浪费了大量的能量。其他烷醇胺系统也呈现出不利之处。例如，受阻的仲胺(例如，DEA、DIPA、AMP)提供了比MEA更低的CO₂吸收速率，并且也易于发生腐蚀和化学降解。已知MDEA仅以慢速率吸收CO₂。通过共混几种烷醇胺而形成的制剂是令人感兴趣的，因为它们可以结合各种化合物的有利特性，同时部分地抑制它们的不利特性。已经开发了多种共混烷醇胺溶液，最常见的共混物是含有MEA或DEA的基于MDEA的溶液。然而，共混烷醇胺溶液并未消除基于胺溶液的系统的缺点。

CO₂也可以通过吸附到固体吸附剂(sorbent)上而被捕集。固体通常用作分离CO₂的物理吸附剂。这种过程是基于多孔固体可逆吸附混合物中的某些组分的能力。固体可以具有大的孔径分布，如在硅胶、氧化铝和活性碳中，或者具有通过晶体结构控制的孔径，如沸石。在低温如室温下，基于沸石的吸附剂具有高CO₂吸收能力(例如，25℃下在纯CO₂中，对于沸石13X为160mg CO₂/g；和对于沸石4A为135mg CO₂/g)。然而，这些吸附剂的吸附能力随着温度上升和在水或水汽的存在下快速下降。而且，由于气体仅仅物理吸附在吸附剂上，单种气体从气体混合物的实际分离是低的。