專利名稱：從空氣中除去二氧化碳的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一方面涉及從空氣中除去所選擇的氣體。本發(fā)明特別適用于從空氣中提取二氧化碳(CO2)，下面將結(jié)合這一用途描述本發(fā)明，但也可以有其它用途。
背景技術(shù)：
從環(huán)境空氣中提取二氧化碳(CO2)，致使可以使用碳基燃料并處理事后相關(guān)的溫室氣體排放。由于含量為百萬(wàn)分之幾份的CO2既無(wú)毒也無(wú)害，只是因簡(jiǎn)單地在大氣中累積而產(chǎn)生環(huán)境問(wèn)題，因此可從空氣中除去CO2，以便補(bǔ)償在別處和在不同時(shí)間同樣規(guī)模的排放量?？諝獠都目傮w方案是公知的。
在各種工業(yè)應(yīng)用例如在由煤發(fā)電的工廠中和在烴的使用(所述烴典型地為在燃燒裝置如發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒的燃料的主要組分)中產(chǎn)生CO2。從這種燃燒裝置中排放的廢氣含有CO2氣體，這些CO2氣體目前被簡(jiǎn)單地排放到大氣中。但隨著對(duì)溫室氣體擔(dān)心的確定，必需減少來(lái)自所有來(lái)源的CO2排放。對(duì)于可移動(dòng)的來(lái)源來(lái)說(shuō)，最佳的選擇可能是直接從空氣中而不是從汽車(chē)或飛機(jī)的可移動(dòng)的燃燒裝置中收集CO2。從空氣中除去CO2的優(yōu)點(diǎn)是不需要在可移動(dòng)的裝置中儲(chǔ)存CO2。
已開(kāi)發(fā)了各種方法和裝置從空氣中除去CO2。在這些方法和裝置之一中，利用被稱為Raschig環(huán)的東西填充的罐內(nèi)的堿溶液洗滌空氣。為了消除少量的CO2，還使用了凝膠吸附劑。盡管這些方法有效地除去了CO2，但它們具有嚴(yán)重的缺點(diǎn)，因?yàn)閷?duì)于它們從空氣中有效地除去二氧化碳來(lái)說(shuō)，必需在相當(dāng)高的壓力下通過(guò)吸附劑驅(qū)動(dòng)空氣，這是因?yàn)樵谙礈旃に囘^(guò)程中發(fā)生相對(duì)高的壓力損失。此外，為了獲得增加的壓力，要求某些性質(zhì)的壓縮設(shè)備，且這些設(shè)備使用一定量的能量。就該工藝總的二氧化碳平衡來(lái)說(shuō)，壓縮空氣所使用的這一附加的能量可能具有特別不利的影響，這是因?yàn)樵黾涌諝鈮毫λ蟮哪芰恳矊a(chǎn)生必須捕集和處置的CO2。
因此，現(xiàn)有技術(shù)的方法導(dǎo)致從空氣中低效地捕集CO2，這是因?yàn)檫@些工藝加熱或冷卻空氣，或者明顯改變空氣的壓力，即當(dāng)清潔工藝將CO2作為驅(qū)動(dòng)該工藝所使用的電產(chǎn)生的副產(chǎn)物引入到大氣內(nèi)時(shí)，CO2的凈減少可以忽略不計(jì)。
此外，盡管從空氣中分離CO2的洗滌器設(shè)計(jì)是已有的，但通常它們受限于填充床類(lèi)型的裝置，這一裝置的目的典型地是從另一氣體中除去所有痕量的雜質(zhì)。在美國(guó)專利4047894中所述的一種這樣的裝置包括在外殼內(nèi)彼此間隔組裝的含由聚氯乙烯(PVC)制成的多孔燒結(jié)板或者碳泡沫體的吸收元件。在將板組裝在外殼內(nèi)之前，在多孔板內(nèi)浸漬氫氧化鉀。這一裝置的缺點(diǎn)是，在沒(méi)有拆下裝置外殼的情況下，不可能更換從空氣中分離CO2所使用的吸附元件。
另一方面，本發(fā)明一般涉及分離在溶劑內(nèi)結(jié)合的二氧化碳(CO2)的方法與裝置。本發(fā)明特別適用于處理含從空氣中捕集的CO2的氫氧化物溶劑(或者收集CO2所使用的其它堿性吸附劑)，且將結(jié)合這一用途描述本發(fā)明，但其它用途也可以考慮。
從空氣中收集CO2的方法典型地依賴于從空氣中物理或者化學(xué)結(jié)合CO2的溶劑。一組實(shí)用的CO2溶劑包括強(qiáng)堿性氫氧化物溶液，例如氫氧化鈉和氫氧化鉀。過(guò)量0.1摩爾濃度的氫氧化物溶液可容易地從空氣中除去CO2，此時(shí)其例如以碳酸鹽形式結(jié)合。較高的氫氧化物濃度是希望的，且有效的空氣接觸器將使用1mol過(guò)量的氫氧化物溶液。氫氧化鈉是特別方便的選擇，但可使用其它溶劑，例如有機(jī)胺。吸附劑的另一選擇包括弱堿性鹽水，例如碳酸鈉或碳酸鉀鹽水。下述討論可應(yīng)用于至少部分以離子碳酸根或碳酸氫根形式儲(chǔ)存CO2的所有溶劑。
在其它專利和文獻(xiàn)[1、2、3]中給出了旨在針對(duì)接觸空氣中的CO2的空氣接觸器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本發(fā)明的這一方面涉及回收吸附劑，其中再生負(fù)載CO2的吸附劑并使CO2與液體分離。我們描述了一組電化學(xué)方法，它可結(jié)合空氣捕集單元，以更新氫氧化物溶液并在單獨(dú)和在一些情況下加壓的物流中收集CO2。
所有方法的共同點(diǎn)是，它們通過(guò)電化學(xué)方式分離氫氧化鈉與碳酸鹽或其它鹽。盡管存在只包括一對(duì)電極的一些電解方法，但大多數(shù)方法包括使用雙極性膜和/或至少一類(lèi)陽(yáng)離子或陰離子膜的分離方案。另外，這些方法中一部分包括常規(guī)的煅燒和/或酸堿反應(yīng)，這將導(dǎo)致釋放出氣體CO2。本發(fā)明要求保護(hù)數(shù)種這樣的方法，且如下所述，它們被分成7個(gè)不同的組。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是改進(jìn)從空氣中捕集二氧化碳的工藝設(shè)計(jì)并使其精簡(jiǎn)化，在碳受限的世界中，該工藝設(shè)計(jì)在允許使用烴燃料方面是重要的手段。許多這些方法也可用于其中結(jié)合到氫氧化物溶劑內(nèi)的CO2必需完全或部分從溶劑中除去的其它應(yīng)用中。
通過(guò)本發(fā)明所囊括的CO2分離膜以及其使用方法，解決并克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。
從空氣中除去CO2的目的是平衡來(lái)自于例如汽車(chē)或者發(fā)電廠操作的CO2排放。盡管可通過(guò)本發(fā)明彌補(bǔ)的大多數(shù)明顯的CO2排放來(lái)源是其中難以或者不可能在排放點(diǎn)處捕集CO2的那些，但本發(fā)明不限于這種來(lái)源，同樣可彌補(bǔ)任何其它來(lái)源。確實(shí)，若在將來(lái)某些時(shí)候，社會(huì)認(rèn)為空氣中人為導(dǎo)致的二氧化碳濃度太高的話，則可使用這種減少CO2的方法來(lái)降低大氣中的CO2濃度。
盡管本發(fā)明的目的是從空氣中捕集二氧化碳，以便管理大氣中總的二氧化碳預(yù)算，但若從具有低濃度的CO2氣體中捕集二氧化碳的原因不同時(shí)，該概念同樣可以應(yīng)用。實(shí)例包括當(dāng)它們出現(xiàn)于室內(nèi)空氣、隧道或其它密閉環(huán)境內(nèi)時(shí)，為了銷(xiāo)售目的在食品工業(yè)或油工業(yè)中捕集CO2、從稀釋物流中捕集二氧化碳或其它酸性氣體。
一方面，本發(fā)明涉及空氣洗滌器裝置、從洗滌器內(nèi)使用的溶劑中回收CO2的方法、和利用上述裝置和方法除去CO2的商業(yè)方法。本發(fā)明的空氣洗滌器在最小的空氣壓降下操作并從流經(jīng)空氣洗滌器的空氣中有效地除去大部分CO2。由于以下來(lái)看更清楚的原因，我們所指的洗滌器設(shè)計(jì)為層狀設(shè)計(jì)?；趯訝畹目諝庀礈炱鲉卧稍谟糜跓煹琅欧趴諝獾妮^大超結(jié)構(gòu)中成為組件，其可被調(diào)整以適合于特定設(shè)計(jì)?？赏ㄟ^(guò)自然風(fēng)、通過(guò)熱對(duì)流或者通過(guò)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)空氣。
在本發(fā)明的另一方面中，提出了回收在洗滌器裝置中捕集的二氧化碳的方法與裝置。在幾乎所有的空氣捕集設(shè)計(jì)中，從空氣中捕集CO2的整個(gè)過(guò)程需要空氣接觸器，所述空氣接觸器通過(guò)將CO2結(jié)合到溶劑或吸附劑內(nèi)而從空氣中除去CO2。然后處理廢的吸附劑，優(yōu)選在濃縮、加壓的物流中回收全部或部分CO2。再生的溶劑被循環(huán)到CO2收集器中。
本申請(qǐng)列出了通過(guò)可分離酸與堿的電化學(xué)方法回收氫氧化物基吸附劑的數(shù)種方法。這些方法是存在的且已經(jīng)針對(duì)多種酸進(jìn)行了證明。此處我們利用這些方法并以一定方式組合它們以建造功能和有效的CO2回收單元。
本發(fā)明還涉及數(shù)種單元工藝的新設(shè)計(jì)，它們具體地適合于此處所考慮的應(yīng)用。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)有數(shù)個(gè)首先，該工藝避免了將碳酸根離子轉(zhuǎn)化成碳酸鈣、然后將其煅燒以釋放CO2的中間步驟，從而在很大程度上精簡(jiǎn)化了從空氣中捕集二氧化碳的總流程。這一轉(zhuǎn)化工藝的物質(zhì)處理是復(fù)雜的。第二，更加直接的電化學(xué)工藝還提供了降低總能耗的途徑。第三，它大大減少了對(duì)處理固體材料物流的復(fù)雜移動(dòng)設(shè)備的需要，而這在常規(guī)的碳酸鈣驅(qū)動(dòng)的回收單元中是必需的。
最后，我們注意到這種裝置也可在需要分離碳酸鹽溶液和氫氧化物溶液的系統(tǒng)中使用，其中所述溶液來(lái)自于空氣提取以外的工藝。


根據(jù)下述結(jié)合附圖的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更明顯，其中類(lèi)似的標(biāo)記表示類(lèi)似的部件，和其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案制造的空氣洗滌器單元的透視圖；圖2是圖1的空氣洗滌器單元的頂視圖；圖3是圖1的空氣洗滌器單元的主視圖，即空氣入口視圖；
圖4是圖1的空氣洗滌器單元的側(cè)視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明另一方面的分離碳酸鹽溶液和氫氧化物溶液的裝置的示意圖；和圖6-13是根據(jù)本發(fā)明分離碳酸鹽溶液和氫氧化物溶液的各種工藝和工藝系統(tǒng)的流程圖。
具體實(shí)施例方式
首先參考圖1-4，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的空氣洗滌器單元從通過(guò)低壓力梯度維持的空氣流中除去CO2。該空氣洗滌器單元由層狀的風(fēng)收集器10(它是界定薄的空氣空間的覆蓋在向下流動(dòng)的吸附劑內(nèi)的兩塊片材或板5)和液體貯槽12組成。形成層狀的兩塊片材優(yōu)選通過(guò)由剛性框架1支撐的穿連桿2穿在片材之間的間隔器4隔開(kāi)，但該薄層可通過(guò)其它方式間隔支撐。
一般地，吸附劑材料沿層狀片材向下流，同時(shí)空氣流在片材之間薄的空氣空間之間通過(guò)?？諝馀c吸附劑材料之間的接觸引起除去CO2的化學(xué)反應(yīng)。但空氣洗滌器單元也可捕集存在于空氣內(nèi)的其它氣體。
根據(jù)已經(jīng)確立的現(xiàn)有技術(shù)的方法，例如噴嘴或從集管6供料的波紋管道3擠出液體，從而將吸附劑施用到層狀片材上，此外，該設(shè)計(jì)可潤(rùn)濕在頂部附近的垂直表面并在重力下使流體在表面上通過(guò)，直到全部面積均被覆蓋。替代地，該表面可成型為平的圓盤(pán)，當(dāng)它們旋轉(zhuǎn)通過(guò)貯槽時(shí)被潤(rùn)濕。移動(dòng)使得液體沿著這些表面分配。
用于使空氣流移動(dòng)通過(guò)薄層的典型壓力梯度應(yīng)使它們可通過(guò)自然空氣流如風(fēng)或溫度梯度產(chǎn)生。在該單元上的壓降范圍為從幾乎0到數(shù)百帕斯卡，優(yōu)選范圍為1-30Pa，和最佳范圍可以是3-20Pa。但有或者沒(méi)有管道以導(dǎo)引空氣和對(duì)流的風(fēng)扇也可用于驅(qū)動(dòng)空氣流。
薄層風(fēng)收集器的目的是使空氣流與洗滌器或者風(fēng)收集器的吸附劑涂布表面緊密接觸。風(fēng)收集器的基本單元是單一的薄層，它是通過(guò)兩個(gè)吸附劑覆蓋的片材界定的薄空氣空間。在最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)中，片材是平的，但該片材也可以為彎曲狀，只要在所述片材上通過(guò)的空氣可沿直線移動(dòng)即可，即片材沿與風(fēng)流垂直的方向彎曲。每一空氣洗滌器裝置包括在薄層片材上分配吸附劑并重新捕集廢吸附劑的設(shè)備。
以下是用于風(fēng)室薄層的例舉設(shè)計(jì)清單1)彼此平行校準(zhǔn)的平的矩形片材或板。
2)彼此平行排列的波紋片材且其表面與空氣流的方向平直。
3)圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)的平圓盤(pán)，且空氣流與旋轉(zhuǎn)軸垂直?？稍趫A周運(yùn)動(dòng)的底部附近通過(guò)浸入流體內(nèi)的輪子施用吸附劑。靜置的吸附劑可僅僅覆蓋圓盤(pán)的外邊緣或者鋪滿到達(dá)軸的所有路徑。替代地，可通過(guò)在軸附近潤(rùn)濕并由于重力和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致圍繞圓盤(pán)流動(dòng)的液體，將吸附劑注射到邊緣上。
4)其中空氣沿著管軸吹入的同心管道或者類(lèi)似形狀。這種管道可針對(duì)逆流設(shè)計(jì)垂直排列，其中在上部邊緣處或者幾乎水平地利用吸附劑引發(fā)潤(rùn)濕，所述吸附劑在一端和一點(diǎn)處進(jìn)入并通過(guò)管道緩慢旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)分配。
越過(guò)薄層的空氣流可以是自然風(fēng)流，或者可通過(guò)其它方式例如通過(guò)工程熱上吸獲得空氣流。然而高的風(fēng)速將是不利的，因?yàn)檩^高的速度導(dǎo)致較高的能耗速度。緩慢的空氣流速度最大化空氣與薄層上的吸附劑材料的接觸時(shí)間，同時(shí)最小化系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)能損失。因此，通過(guò)洗滌器單元的空氣流速范圍可從基本上靜止到數(shù)十米/秒。優(yōu)選范圍是0.5-15m/s，對(duì)于風(fēng)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最佳范圍為1-6m/s。
實(shí)踐中，通過(guò)風(fēng)收集器的空氣流的流動(dòng)速度要占典型風(fēng)速的大部分。選擇較好幾何形狀可稍微降低流動(dòng)速度，但這種強(qiáng)化將為2倍，而不是數(shù)量級(jí)上的強(qiáng)化。
在本發(fā)明的例舉實(shí)施方案中，采用2m/s的空氣流速度，但空氣流速度范圍可以是0.5-約4m/s。在2m/s的標(biāo)稱流速下，單位風(fēng)面積的CO2流通量為30mmol/m2/s。進(jìn)入氫氧化鈉溶液內(nèi)的流通量限制為約0.06mmol/m2/s的氫氧化物表面，且對(duì)于超過(guò)約2-4mm的邊界層厚度來(lái)說(shuō)，空氣側(cè)輸送系數(shù)占主導(dǎo)。
在這一實(shí)施方案中，捕集系統(tǒng)盡可能緊湊，且尺寸限制決定了該裝置的幾何形狀。相隔約0.5cm設(shè)置平的吸附片材提供在1立方米內(nèi)接近500m2的片材表面積。實(shí)際長(zhǎng)度為約1.2m加上片材有限厚度的誤差。若片材折疊或者成型為管道的話，則可獲得略大的片材表面積。但由于液體吸附劑從風(fēng)收集器的頂部流到底部，因此平的垂直片材是自然的選擇，這是因?yàn)閿嗔鸦蛘郫B的片材將使通過(guò)的空氣偏移，結(jié)果使該系統(tǒng)的湍流加劇并降低邊界層厚度。由于平板已經(jīng)在最佳的邊界層厚度下操作，因此這種湍流不會(huì)改進(jìn)CO2的吸收性能，而是增加在該裝置內(nèi)的耗散的能量。
但還考慮到非常大的系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)原因可能具有深度大于1米的風(fēng)收集器設(shè)計(jì)。這一裝置仍將被優(yōu)化為每m2正面開(kāi)口500m2的片材表面。在這一實(shí)施方案中，板之間的自然間隔將超過(guò)最佳邊界層厚度，因此需要引入引起湍流的形狀。湍流將驅(qū)動(dòng)邊界層厚度返回到所需的2-4mm的數(shù)值。例如，20m深的過(guò)濾器系統(tǒng)將要求每立方米約25m2的填料。且片材的典型間隔為約8cm，這遠(yuǎn)大于最佳的邊界層。產(chǎn)生厘米規(guī)模的旋渦將有效地降低邊界層厚度并因此提供所需的空氣側(cè)CO2流通量。
通過(guò)片材或板間隔為0.6cm的1m深的單元的流動(dòng)將為層流直到相對(duì)高的流動(dòng)速度。若雷諾數(shù)定義為Re=ρdvη---(1)]]>則層流區(qū)域擴(kuò)大到約1400。換句話說(shuō)，對(duì)于以0.6cm距離間隔的板來(lái)說(shuō)，流動(dòng)保持層流直到約4m/s。在下述內(nèi)容中，將計(jì)算在該板組內(nèi)空氣流的阻力。
通過(guò)下式給出單位長(zhǎng)度上的壓降∂P∂x---(2)]]>若穿過(guò)垂直于兩個(gè)側(cè)壁的平板的壓力假設(shè)為恒定，則根據(jù)文獻(xiàn)，通過(guò)下式給出在寬度為Δy、高度為h和深度Δχ的空氣部分上的力Δyh∂P∂xΔx=-η(∂2v∂y2Δy)hΔx---(3)]]>或∂2v∂y2=-1η∂P∂x---(4)]]>或v(y)=-12η∂P∂xy2+C1y+C2---(5)]]>這兩個(gè)積分常數(shù)遵守兩個(gè)邊界條件，亦即v(0)＝v(d)＝0 (6)據(jù)此，我們獲得v(y)=12η∂P∂xy(d-y)---(7)]]>因此板之間的峰值速度為vmax=d28ηΔPL---(8)]]>其中L是板的長(zhǎng)度，和Δp是穿過(guò)該距離的壓降。通過(guò)下式給出平均流速v‾=1d∫odv(y)dy=d212ηΔPL---(9)]]>或ΔP=12ηLd2v‾---(10)]]>或L=ΔPd212ηv‾---(11)]]>若我們想要確定L，以便ρv‾22=ΔP---(12)]]>則我們發(fā)現(xiàn)在v＝2m/s、L＝0.2m時(shí)，L=ρv‾d224η=Re24d---(13)]]>更一般地，設(shè)計(jì)規(guī)則是d/L～24/Re(14)其中Re是流動(dòng)雷諾數(shù)。
且在板之間的流動(dòng)受到板之間距離波動(dòng)的影響。注意，通過(guò)下式給出系統(tǒng)單位寬度上的質(zhì)量流量
Q=ρv‾d=ρd312η∂P∂x---(15)]]>若我們假設(shè)Q是常數(shù)和d是χ的函數(shù)，則我們發(fā)現(xiàn)ΔP=12ηQρ∫oLdxd(x)3---(16)]]>在簡(jiǎn)化的情況下，薄層一半的寬度為d1和另一半的寬度為d2。我們進(jìn)一步假設(shè)d1+d2=2d]]>和d2d1=α]]>或d1=2d1+α]]>和d2=2d1+1/α---(17)]]>結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)ΔP=12ηLρd3d32(1d13+1d23)=12ηLρd3((1+α)3+(1+1/α)3)16---(18)]]>對(duì)于α＝1來(lái)說(shuō)，校正因子為1，但對(duì)于α＝2來(lái)說(shuō)，則升高到1.89。在其中空氣可繞窄的部位流動(dòng)的完全三維的系統(tǒng)中，總的限制實(shí)際上較小。
注意，以上推導(dǎo)的方程式僅僅應(yīng)用于板之間的完全發(fā)展的層流。但存在其中這種流動(dòng)尚未完全發(fā)展的板的開(kāi)始部分。在這一區(qū)域中，壓降最好用在單獨(dú)板上的曳力來(lái)表征。當(dāng)邊界層厚度增加和在相鄰的板處的邊界層開(kāi)始疊加時(shí)，該流動(dòng)發(fā)展成為在兩塊板之間觀察到的穩(wěn)定流型。
通過(guò)下式給出在無(wú)限薄的板的一側(cè)單位寬度上的曳力Fdrag=Cdρ2xv2---(19)]]>其中χ是距板開(kāi)始處的距離。
根據(jù)文獻(xiàn)，通過(guò)下式給出曳力系數(shù)CdCd＝1.308Reχ-1/2＝1.308η1/2ρ-1/2v-1/2χ-1/2(20)通過(guò)下式給出在足夠短以致于不會(huì)彼此干擾的一組平行板上的壓降P(0)-P(x)=Cdρ2xv21d---(21)]]>其中d是在無(wú)限薄的板之間的間隔，或者
P(0)-P(x)＝1.308η1/2ρ1/2v3/2χ1/2d-1(22)開(kāi)始時(shí)，空氣流看起來(lái)不同，這是因?yàn)槭艿介_(kāi)始影響的邊界層較小。
此外，在一個(gè)特定的設(shè)計(jì)中，可具有環(huán)境風(fēng)速v0。在薄層的正面，空氣靜止并緩慢減速到v。通過(guò)下式給出驅(qū)動(dòng)空氣通過(guò)薄層的壓力ρ2(v02-v2)=12ηLvd2---(23)]]>或ρ2v2+12ηLd2v-ρ2v02=0---(24)]]>v=v02+(12ηLρd2)2-12ηLρd2---(25)]]>在二次方程式的兩種解法當(dāng)中，我們只選擇物理解法，即為正值的那一個(gè)。
吸附劑已經(jīng)充分研究了在強(qiáng)氫氧化物溶液內(nèi)CO2的吸收速度。本發(fā)明的空氣洗滌器是推動(dòng)CO2或其它氣體直接離開(kāi)自然風(fēng)流體或者離開(kāi)置于類(lèi)似驅(qū)動(dòng)力例如熱誘導(dǎo)對(duì)流下的流體的裝置。
在強(qiáng)氫氧化物溶液內(nèi)CO2的吸收包括化學(xué)反應(yīng)，所述化學(xué)反應(yīng)大大地促進(jìn)溶解過(guò)程。凈反應(yīng)為CO2(溶解)+2OH-→CO32-+H2O (26)存在可以使這一反應(yīng)發(fā)生的數(shù)種不同路徑。在高pH下相關(guān)的兩個(gè)步驟是CO2(溶解)+OH-→HCO3-(27)接著HCO3-+OH-→CO32-+H2O (28)已知后一反應(yīng)非?？焖?；另一方面，第一反應(yīng)在相對(duì)緩慢的速度下進(jìn)行。通過(guò)下式描述反應(yīng)(2)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)ddt[CO2]=κ[OH-][CO2]---(29)]]>因此，描述反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的時(shí)間常數(shù)是
τ=1k[OH-]---(30)]]>在20℃和無(wú)限稀釋下測(cè)量速度常數(shù)κκ＝5000 1mol-1s-1＝5m3mol-1s-1(31)通過(guò)下式給出離子強(qiáng)度關(guān)系式κ＝κ∞100.13A(32)在氣體內(nèi)高的CO2濃度下，反應(yīng)(2)的速度限制了吸收速度，盡管對(duì)于1mol溶液來(lái)說(shuō)，在0.14ms下的時(shí)間常數(shù)相當(dāng)短。
按照標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)工程模型，例如Dankwert-或Astarita，人們可采用標(biāo)準(zhǔn)模型描述氣體組分溶解或化學(xué)吸收到吸附劑內(nèi)的傳遞過(guò)程，所述標(biāo)準(zhǔn)模型組合氣體側(cè)流動(dòng)傳遞系數(shù)和液體側(cè)傳遞系數(shù)來(lái)描述通過(guò)界面的凈流量。通過(guò)下式給出總的流通量F＝κG(ρ(x＝-∞)-ρ(x＝0)}＝κL(ρ′(x＝0)-ρ′(x＝∞)}(33)其中ρ和ρ′分別是CO2在氣體內(nèi)和在溶液內(nèi)的摩爾濃度。參數(shù)x表征離界面的距離。進(jìn)入氣體內(nèi)的距離計(jì)算為負(fù)值。在邊界處采用Henry定律，因此ρ′(0)＝KHρ(0) (34)用無(wú)量綱因子表達(dá)，KH＝0.71。
對(duì)于氣體側(cè)來(lái)說(shuō)，可如下所述估計(jì)傳遞常數(shù)κG=DcΛ---(35)]]>其中Λ是在界面表面上形成的薄層亞層的厚度。這一層的厚度取決于流動(dòng)的幾何形狀和在氣體流內(nèi)的湍流。假設(shè)給出了流動(dòng)的幾何形狀和在氣體流內(nèi)的湍流，則必需確定Λ的最佳選擇。
對(duì)于流體束(fluid package)來(lái)說(shuō)，估計(jì)這一傳遞系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法采用在流體表面上部分(parcel)的停留時(shí)間τD。這一時(shí)間來(lái)自于吸附劑的流動(dòng)特征且它包括表面產(chǎn)生和表面破壞以及在該表面附近混合的-----------------------------------------------------------------------------------------------------------1備注，典型地，當(dāng)在氣體側(cè)上的濃度用分壓形式即單位為帕斯卡或者單位為大氣壓(atm)測(cè)量時(shí)，Henry常數(shù)具有量綱，而液體側(cè)濃度典型地以mol/l測(cè)量。因此，典型的單位將是l/mol/atm。湍流液體。
λ=DτD---(36)]]>由于在時(shí)間τD內(nèi)的擴(kuò)散可將溶解的CO2混入層厚內(nèi)，因此通過(guò)下式給出離開(kāi)該表面的流通量F=DL∂ρ′∂x---(37)]]>其中DL是CO2的擴(kuò)散常數(shù)，和ρ′是液體側(cè)CO2濃度。在該表面處估計(jì)梯度。根據(jù)下式確定液體的傳遞系數(shù)F＝κL[ρ′(x＝0)-ρ′(x＝∞)} (38)用下式近似的梯度∂ρ∂x=ρ·(0)-ρ′(∞)λ---(39)]]>這表明，對(duì)于擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的吸收過(guò)程來(lái)說(shuō)，κL=DLλ=DLτD---(40)]]>這里，DL是在吸附劑內(nèi)CO2的擴(kuò)散速度。
在其中反應(yīng)時(shí)間τR＜＜τD的快速化學(xué)反應(yīng)存在下，吸收CO2的層的特征在于這一較短的時(shí)間，因此通過(guò)下式給出傳遞系數(shù)κL=DLτR---(41)]]>在化學(xué)反應(yīng)存在下，傳遞系數(shù)因此增加下述倍數(shù)τDτR---(42)]]>但只有在吸附劑內(nèi)反應(yīng)物的供應(yīng)沒(méi)有受到限制時(shí)，這一提高才只能被維持。在CO2中和氫氧化物溶液的情況下，可能耗盡邊界層內(nèi)的氫氧化物。層厚λ含有氫氧根離子的區(qū)域密度ρOHλ，且耗盡速度為2kLρ′CO2。
因此，對(duì)于快速反應(yīng)極限(式41)來(lái)說(shuō)，采用ρOH-2ρCO2′τRτD<<1---(43)]]>
在我們的情況下，ρOH-τR=1κ---(44)]]>因此，條件可改寫(xiě)為2ρ′C02κτD＞＞1 (45)對(duì)于環(huán)境空氣來(lái)說(shuō)，從快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)渡到即時(shí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的臨界時(shí)間為約10秒。這一過(guò)渡不取決于溶液內(nèi)氫氧化物的濃度。但一旦通過(guò)這一過(guò)渡，則吸收速度將受限于氫氧根離子可流通到達(dá)表面的速度。因此它低于快速極限，且通過(guò)下式給出CO2的流通量F=12DOH-τDρOH----(46)]]>在即時(shí)區(qū)域內(nèi)，流通量與邊界層內(nèi)CO2的濃度無(wú)關(guān)。
流通量可由有效的傳遞系數(shù)表征，可表示為F=κeff(ρCO2-ρ′CO2/κH)---(47)]]>此處摩爾濃度是遠(yuǎn)離氣體和遠(yuǎn)離液體處的漸近值。在氫氧化物溶液的情況下，后者為0，因此，F(xiàn)=κeffρCO2---(48)]]>和κeff=(1κG+1κLKH)-1---(49)]]>最佳設(shè)計(jì)接近于氣體側(cè)極限和液體側(cè)極限之間的邊界。因此，我們對(duì)空氣側(cè)邊界厚度建立了設(shè)計(jì)值。
Λ≈DGDL/τR---(50)]]>對(duì)于空氣基CO2提取來(lái)說(shuō)，它為約4mm。
這些限制一起嚴(yán)格地限制了實(shí)際的設(shè)計(jì)。對(duì)于1mol溶液來(lái)說(shuō)，測(cè)量到總的溶液流速為6×10-5molm-2s-1，將其轉(zhuǎn)化成有效值為0.4cm/s，這非常接近于理論值。
關(guān)于吸收CO2的吸附劑的類(lèi)型，存在可使用的寬范圍的選擇。在一個(gè)實(shí)施方案中，含水氫氧化物溶液用作吸附劑材料。這些傾向于是高于0.1mol和最多達(dá)最大可能水平(約20mol)的強(qiáng)氫氧化物溶液。
用作吸附劑的氫氧化物可以是多種陽(yáng)離子。氫氧化鈉和氫氧化鉀是最常見(jiàn)的，但包括有機(jī)吸附劑例如MEA、DEA等在內(nèi)的其它物質(zhì)也是可行的。此外，氫氧化物不需要是純的氫氧化物，它們可能含有為改變或調(diào)節(jié)吸附劑的各種性能而添加的其它材料的混合物。例如，添加劑可改進(jìn)氫氧化物與來(lái)自空氣中的CO2反應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。這種催化劑可以是表面活性劑或者溶解在液體內(nèi)的分子。添加有機(jī)化合物例如MEA僅僅是一個(gè)例子。其它添加劑可通過(guò)使溶液更加吸濕來(lái)輔助降低水的損失。另外其它的添加劑可用于改進(jìn)流體的流動(dòng)或潤(rùn)濕特征或者輔助保護(hù)表面避免氫氧化物溶液的腐蝕作用。另外，本發(fā)明中所使用的任何吸附劑必需潤(rùn)濕薄層片材的表面。針對(duì)這一目的，存在本領(lǐng)域已知的各種手段。這些手段包括增加親水性的表面處理、在吸附劑內(nèi)的表面活性劑和其它方式。
本發(fā)明包括下述重要的設(shè)計(jì)特征1)在與片材分離規(guī)模一致的尺寸規(guī)模上，薄層片材在空氣流的方向上是基本上光滑的(但可以使用規(guī)模小得多的附帶或者工程結(jié)構(gòu)，以改進(jìn)CO2的傳遞系數(shù))。在與空氣流垂直的方向上的形狀變化相對(duì)很少關(guān)注，只要它們不干擾板、片材或表面的有效潤(rùn)濕即可；2)片材足夠氣密或堅(jiān)固地定位，以便其彎曲或者振動(dòng)不會(huì)明顯降低薄層之間的壓力變化。
3)通過(guò)表面內(nèi)開(kāi)口的空氣流被抑制，以便它不能明顯影響薄層之間的壓力變化。
4)選擇薄層之間的間隔，以便該系統(tǒng)不會(huì)越出層流區(qū)或者明顯偏離該區(qū)域。
5)膜單元的深度保持足夠短，以避免幾乎完全耗盡在該單元前面部分內(nèi)的空氣。
6)為了利用片材的兩側(cè)，優(yōu)選垂直排列薄層。但對(duì)于其它流動(dòng)優(yōu)化來(lái)說(shuō)，可以考慮偏離這一設(shè)計(jì)。
7)選擇薄層的高度，以優(yōu)化表面的潤(rùn)濕性能并最小化多次重復(fù)處理流體的需要。
CO2回收系統(tǒng)的組成部分在本發(fā)明另一方面中，下述電化學(xué)工藝可用于本發(fā)明所述的CO2捕集系統(tǒng)中或者用于收集CO2的任何其它裝置中。這些電化學(xué)工藝全部基于將鹽分離成其酸和堿，其中酸和堿通過(guò)利用雙極性膜的電滲析保留在溶液內(nèi)。實(shí)例包括由氯化鈉形成氫氧化鈉和鹽酸和由乙酸鈉形成氫氧化鈉和乙酸。在文獻(xiàn)、專利文獻(xiàn)和工業(yè)實(shí)踐中也證明了酸和堿的其它組合。在本發(fā)明的上下文中，使用這一類(lèi)型的單元分離氫氧化物和碳酸鹽溶液，以及將弱酸鹽分離成相應(yīng)的酸和堿的單元。
以下我們描述了我們所考慮的該工藝的基本組成部分的多個(gè)工藝步驟1.將氫氧化鈉和碳酸鈉的混合物電化學(xué)分離成氫氧化鈉和碳酸鈉。對(duì)于這一工藝步驟來(lái)說(shuō)，我們可依賴于已有的組成部分或者使用具體設(shè)計(jì)的利用用于分離的電滲析的單元。這些技術(shù)也可延伸到除了鈉以外的其它陽(yáng)離子，例如但不限于鉀和銨以及有機(jī)胺的陽(yáng)離子如單乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)等。在所有情況下的基本反應(yīng)是通過(guò)膜工藝分離R-OH和R2CO3的混合物成單獨(dú)的R-OH和RHCO3的溶液。
2.電化學(xué)分離金屬碳酸氫鹽成金屬碳酸鹽和CO2。這一工藝優(yōu)選使用包括雙極性膜的電滲析，但在文獻(xiàn)中公開(kāi)了其它電解工藝且也可以使用。
3.分離金屬碳酸氫鹽成金屬氫氧化物和CO2。這一工藝仍然優(yōu)選依賴于利用雙極性膜的電滲析，但它也可通過(guò)產(chǎn)生氫的金屬碳酸氫鹽的電解來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述氫將在產(chǎn)生CO2的氫電極中再次使用。
4.將以上組成部分2和3或4中的兩個(gè)或更多個(gè)組合成為單一單元的單元。例如，利用碳酸鹽和氫氧化物的混合物總是變?yōu)闅溲趸锶芤汉虲O2氣體的工藝。
以下是不涉及電化學(xué)的附加的組成部分1.利用濃度梯度從溶劑中分離陽(yáng)離子如鈉以降低或消除在輸入溶劑內(nèi)的氫氧化物的膜工藝。在一些情況下，這一單元可部分地將溶劑從碳酸鹽轉(zhuǎn)化成碳酸氫鹽。
2.從碳酸鈉和氫氧化鈉的混合物中利用沉淀分離碳酸鈉的變溫工藝。
3.通過(guò)溫度或壓力變動(dòng)將碳酸氫鹽溶液轉(zhuǎn)化成碳酸鹽溶液的工藝。這種工藝常規(guī)地用于一些CO2洗滌系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)在足夠高的CO2壓力下操作以使碳酸鈉或碳酸鉀和CO2之間反應(yīng)形成碳酸氫鹽。
4.利用碳酸氫鹽溶液并使用蒸發(fā)或變溫從溶液中沉淀碳酸氫鹽的工藝。
5.煅燒碳酸氫鹽成碳酸鹽的工藝。此處特別令人感興趣的是碳酸氫鈉或碳酸氫鉀。
6.混合酸與氫氧化物-碳酸鹽混合物以中和該混合物形成這些鹽的固體沉淀的工藝。該工藝可在純的碳酸鹽下終止或者繼續(xù)形成碳酸鹽/碳酸氫鹽的混合物或者一直繼續(xù)形成碳酸氫鹽。
7.使用酸驅(qū)出碳酸氫鹽或碳酸鹽或氫氧化物混合物中的所有CO2的工藝。這一工藝可在高壓下進(jìn)行，以便在管線壓力下輸送CO2。
總的工藝流程的概述所有工藝始于在此處未進(jìn)一步規(guī)定的單元內(nèi)從空氣中提取二氧化碳。具體的實(shí)施方式在本發(fā)明的另一方面交待。這一單元的細(xì)節(jié)在此處并不涉及，但要注意，這一單元將消耗全部或部分轉(zhuǎn)化成碳酸鹽的氫氧化物基溶劑?？蓪⑷軇┎糠洲D(zhuǎn)化成碳酸氫鹽。在后一情況下，人們也可考慮使用碳酸鹽作為初始溶劑。輸入的溶劑可含有除了氫氧化物以外的其它化學(xué)品。例如，它可含有一些改進(jìn)工藝性能的添加劑，但它具體可含有來(lái)自前一工藝循環(huán)中的殘留的碳酸鹽。
本發(fā)明這一部分的目的是概述循環(huán)溶劑的工藝和方法以及優(yōu)選在適合于隨后處理步驟的壓力下在濃縮物流內(nèi)部分或全部回收CO2。在以下討論中，為了清楚起見(jiàn)，我們提到具體的氫氧化物和具體的酸。但我們強(qiáng)調(diào)該方法不限于這些具體的化學(xué)品，而是可容易地通用化以包括其它離子物質(zhì)。
在下述實(shí)施例中，空氣接觸器單元使用氫氧化鈉溶液，其濃度超過(guò)1mol/l氫氧化鈉。一些殘留的碳酸鹽仍可保留在來(lái)自前一工藝循環(huán)的溶劑內(nèi)，但當(dāng)溶劑暴露于空氣下時(shí)，氫氧化物將轉(zhuǎn)化成碳酸鹽，溶液中的碳酸鹽濃度開(kāi)始升高，直到不希望進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。存在終止吸收工藝的數(shù)個(gè)原因。特別地，由于氫氧化物被耗盡，或者碳酸鹽濃度達(dá)到飽和水平，則可終止該工藝。對(duì)于大多數(shù)捕集設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，不希望在吸收器內(nèi)沉淀碳酸鹽。所得碳酸鹽溶液然后從捕集單元中返回以供進(jìn)一步處理。從概念上說(shuō)，人們可考慮如下所述的在回收工藝中的三個(gè)步驟1.分離未轉(zhuǎn)化的氫氧化物與碳酸鹽；2.將碳酸鈉分解成氫氧化鈉和碳酸氫鈉(這是酸堿分解)；和3.將碳酸氫鈉分解成氫氧化鈉或碳酸鈉和碳酸。
在一些實(shí)施方式中，這些步驟可組合在一起成為兩個(gè)工藝步驟或者甚至單一的工藝步驟。
替代地，人們可通過(guò)用弱酸中和堿(此處為鈉)，實(shí)現(xiàn)這些步驟中的每一個(gè)。若酸的鈉鹽沉淀，則可在任何點(diǎn)處終止該工藝，這是因?yàn)樗鼜囊后w中直接分離沉淀形式的酸陰離子；在其它情況下，中和工藝可進(jìn)行完全，在此情況下，結(jié)果是氣體CO2和堿的鹽。若空氣捕集使用氫氧化鈉和酸是乙酸，則結(jié)果是乙酸鈉。所得乙酸鈉將分離成氫氧化鈉和乙酸。二者均被循環(huán)。最好采用包括雙極性的膜的電滲析單元來(lái)實(shí)現(xiàn)乙酸鈉的分解。若要求高壓CO2，則需要比乙酸強(qiáng)的酸。
工藝1參考圖5-7，工藝1使溶劑的品位提升(upgrading)分成三個(gè)不同的步驟。首先，它從鹽水中分離大部分碳酸鹽。然后，它使用電化學(xué)步驟有效地從鹽水中引出鈉離子，導(dǎo)致形成氫氧化鈉和碳酸氫鈉。最后，所得碳酸氫鈉在添加酸的情況下釋放其CO2，所述酸再次被循環(huán)到電化學(xué)步驟中。這一工藝實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)是它組合了高的能量效率與產(chǎn)生加壓CO2的能力。二氧化碳可在高壓力下輸送，這正是電化學(xué)分離的優(yōu)點(diǎn)。
步驟1.1
通過(guò)溫度變動(dòng)從廢溶劑中提取碳酸鈉。碳酸鈉的溶解度遠(yuǎn)小于氫氧化鈉。(類(lèi)似的推論適用于部分其它氫氧化物，但這一實(shí)施方式限制于溶解度間距相匹配的那些)。因此，對(duì)于濃氫氧化物溶液來(lái)說(shuō)，可通過(guò)CO2吸收轉(zhuǎn)化成碳酸鈉的最大的碳酸鈉量是有限的。在高的氫氧化鈉濃度下操作的一個(gè)缺點(diǎn)是，廢溶劑仍由氫氧化鈉占主導(dǎo)，而氫氧化鈉不應(yīng)當(dāng)通過(guò)多個(gè)昂貴的階段來(lái)處理。溫度變動(dòng)方法克服了這一問(wèn)題，這是因?yàn)樗试S人們?cè)诓槐厥顾袣溲趸c通過(guò)膜系統(tǒng)的情況下分離碳酸鹽。若廢溶劑的碳酸鈉接近飽和，則人們可通過(guò)沉淀提取一部分碳酸鹽。在0-25℃之間，碳酸鈉的溶解度變化超過(guò)3倍。因此，可在進(jìn)入的流體和流出的流體之間熱交換，通過(guò)溫度變動(dòng)來(lái)更新氫氧化鈉溶液。這一方法可利用在其中最大溫度變動(dòng)較大的溫暖干燥氣候中的環(huán)境熱量。更新的氫氧化物溶液被送回到空氣接觸器單元中。這一方法還更有利地用于其中高NaOH濃度有助于降低同期水損失的干燥氣候中。
步驟1.2碳酸鈉沉淀在最大濃度下溶解在水中。進(jìn)一步在電化學(xué)單元中處理碳酸鈉以供酸/堿分離，所述酸/堿分離可將碳酸鈉分成氫氧化鈉(堿)和碳酸氫鈉(酸)。對(duì)于這一電化學(xué)分離來(lái)說(shuō)，可存在數(shù)種不同的設(shè)計(jì)。一些是常規(guī)的現(xiàn)有技術(shù)中通用的使用雙極性膜的酸堿分離器。其它涉及氫電極。以下我們將描述為碳酸鈉分解而具體設(shè)計(jì)的特定單元。
步驟1.3來(lái)自于步驟1.2的碳酸氫鹽溶液被注入到壓力容器內(nèi)，在此它與弱酸混合。優(yōu)選的酸包括檸檬酸、甲酸和乙酸。但本發(fā)明不局限于任何特定的酸。酸堿反應(yīng)從鹽中驅(qū)出碳酸。碳酸然后分解成CO2和水。CO2首先溶解在鹽水內(nèi)，但迅速達(dá)到超過(guò)容器壓力的壓力，從而導(dǎo)致釋放加壓的CO2物流。在這一單元上的設(shè)計(jì)限制對(duì)酸的選擇存在一些限定條件。最重要的是，需要酸足夠強(qiáng)，以便即使在設(shè)計(jì)壓力下也從溶液中驅(qū)逐出CO2。有關(guān)這一單元的進(jìn)一步討論參見(jiàn)下文。這一系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，它允許在不必將大的電化學(xué)單元放入壓力容器內(nèi)的情況下，在管線壓力下釋放濃縮的CO2。留下的是弱酸鹽的鹽水。它可以是乙酸鈉、檸檬酸鈉或任何其它弱酸的鹽。
步驟1.4弱酸的鹽和在捕集中所使用的堿在利用陽(yáng)離子、陰離子和雙極性膜的電滲析單元內(nèi)分解，以回收氫氧化鈉和弱酸。存在可以使用的這一單元的數(shù)種變體。步驟1.4的結(jié)論是，回收CO2，并將殘留的氫氧化鈉返回到總的循環(huán)中。在各種設(shè)計(jì)選項(xiàng)中選擇時(shí)，有利的是使用從溶液中除去鈉離子而不是從溶液中除去陰離子的單元，因?yàn)橥ǔ２幌Ｍ麑埩舻年庪x子輸送到空氣接觸器內(nèi)。這還可以控制氫氧化鈉鹽水的濃度。取決于實(shí)施方式的具體條件，該后一單元因此可用于調(diào)節(jié)氫氧化鈉的水含量，以便與在空氣接觸器所希望的相匹配。盡管我們?cè)谶@里一般指弱酸，這是因?yàn)殡姖B析工藝在回收弱酸時(shí)要求較少的能量，因此，我們注意到該工藝原則上也可采用強(qiáng)酸操作。在一些特定情況下，強(qiáng)酸可具有克服固有地更高的電化學(xué)電勢(shì)的其它優(yōu)點(diǎn)。例如，與較大的有機(jī)酸相比，部分膜可針對(duì)強(qiáng)酸的簡(jiǎn)單離子維持較大的電流。
工藝2參考圖8，這一工藝非常類(lèi)似于工藝1，但它用膜分離系統(tǒng)替代第一步驟。這將產(chǎn)生后續(xù)需要濃縮的相對(duì)稀的NaOH溶液。它可在隨后的步驟中在膜的氫氧化物側(cè)作為初始鹽水使用。若在任何情況下，空氣提取步驟導(dǎo)致從溶劑中水的蒸發(fā)損失，并因此需要添加附加的水到溶劑中，則工藝2效果特別好。
步驟2.1使用稀NaOH溶液的隔室(cell)與濃NaOH/Na2CO3鹽水的隔室交替的周期性系統(tǒng)。該隔室在一側(cè)通過(guò)陽(yáng)離子膜隔開(kāi)，和在另一側(cè)通過(guò)雙極性膜隔開(kāi)。最后一個(gè)隔室與第一隔室相連，從而使系統(tǒng)具有周期性。該設(shè)計(jì)可縮減成簡(jiǎn)單的一對(duì)隔室，但幾何形狀的局限性通常有利于多個(gè)隔室的系統(tǒng)。當(dāng)鈉通過(guò)陽(yáng)離子膜擴(kuò)散時(shí)，隔室的電荷中性要求雙極性膜提供H+-OH-對(duì)。H+中和剩余的OH-；OH-與在其它腔室內(nèi)抽出的鈉形成堿。對(duì)于首次估計(jì)，在兩個(gè)腔室內(nèi)的鈉濃度將平衡，從而若在廢溶劑內(nèi)至少一半的NaOH轉(zhuǎn)化成碳酸鈉的話，表明可在不輸入電功的情況下進(jìn)行這一分離。若不是這一情況，則仍可使用這一系統(tǒng)部分降低NaOH濃度，或者若人們希望增加溶液中的水含量，則可將大部分的鈉離子轉(zhuǎn)移到新的氫氧化物腔室內(nèi)，所述新的氫氧化物腔室需要維持鈉離子濃度低于系統(tǒng)中碳酸鹽一側(cè)的剩余鈉離子濃度。在這一點(diǎn)處稀釋鹽水實(shí)際上是希望的，因?yàn)樵S多空氣接觸器設(shè)計(jì)將損失最初在溶液內(nèi)的部分水。但若氫氧化鈉提取沒(méi)有完全完成，則也可進(jìn)行工藝步驟2.2(它是步驟1.2的直接模擬)。
通過(guò)利用多個(gè)這些隔室的布局(在一端沒(méi)有密封)并將它們引入到在步驟2.2中所使用的組件內(nèi)生成碳酸氫鈉，則人們可利用濃度驅(qū)動(dòng)的隔室的動(dòng)力，在轉(zhuǎn)化中部分提供用于第二步的驅(qū)動(dòng)作用(expression)(圖8)。
步驟2.2這一工藝非常類(lèi)似于以上的步驟1.2。差別在于碳酸鈉以溶解形式輸送，且在輸入的鹽水內(nèi)可能存在殘留的氫氧化鈉。
步驟2.3和步驟2.4與步驟1.3和1.4相同。
工藝3參考圖9，為了工藝簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們省去了電化學(xué)分離碳酸鈉成為氫氧化鈉和碳酸氫鈉的步驟。相反我們使用弱酸直接產(chǎn)生CO2。這一實(shí)施方式因其簡(jiǎn)單而被包括，且由于它可以利用本領(lǐng)域?qū)?lái)的狀態(tài)，即在一些特定的酸/堿對(duì)內(nèi)，可達(dá)到極其有效的實(shí)施方式以供酸/堿分離。當(dāng)然也可以產(chǎn)生混雜工藝，其中可進(jìn)一步推進(jìn)(push)步驟1.1和2.1，而不是僅僅到達(dá)碳酸鹽邊界。作為另一替代方法，人們可使用在步驟1.2和2.2中的電化學(xué)分離，但是在沒(méi)有完全形成碳酸氫鈉時(shí)停止。
步驟3.1這一步驟分離輸入鹽水內(nèi)的碳酸鈉與氫氧化鈉。這一步驟可與步驟1.1或者與步驟2.1一樣實(shí)現(xiàn)。也可通過(guò)將氫氧化物碳酸鹽混合物引入到步驟3.2來(lái)完全省去這一步驟。
步驟3.2這一步驟類(lèi)似于步驟1.3和2.3，但它要求多達(dá)2倍的酸。這一實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)是流程明顯精簡(jiǎn)化。
步驟3.3該步驟類(lèi)似于步驟1.4和2.4，但它產(chǎn)生多達(dá)兩倍的酸。
工藝4參考圖10，工藝4的開(kāi)始類(lèi)似于工藝1和2，但利用將CO2驅(qū)出溶液的雙極性膜工藝替代酸分解。
步驟4.1這一步驟與步驟1.1或步驟2.1相同。
步驟4.2這一步驟與步驟1.2或步驟2.2相同。
步驟4.3電化學(xué)分離NaHCO3成為CO2和NaOH。這基于利用雙極性膜的電滲析。為了獲得高壓CO2，電滲析單元應(yīng)當(dāng)置于壓力容器內(nèi)，所述壓力容器在隔室上維持所需的CO2壓力。針對(duì)這一原因，希望不組合步驟4.2和4.3，因?yàn)檫@將增加需要維持在壓力下的單元尺寸。但可組合兩個(gè)單元成為一個(gè)單元。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以縮減工藝步驟。甚至可能組合所有三個(gè)單元成為一個(gè)單元。其它實(shí)施方式將利用其它電化學(xué)設(shè)備，例如電滲析系統(tǒng)，所述電滲析系統(tǒng)在陰極上產(chǎn)生氫氣和陽(yáng)極利用氫電極消耗在陰極處產(chǎn)生的氫氣。
工藝5工藝5和6從至少部分產(chǎn)生碳酸鈉的碳酸氫鹽的鹽水中提取CO2，并因此在最終步驟和上游步驟之間引入新的循環(huán)環(huán)管。工藝5沉淀出碳酸氫鈉，而工藝6實(shí)施該工藝的含水變體。結(jié)果這些工藝同樣適合于僅僅產(chǎn)生碳酸鹽并使用這一碳酸鹽作為CO2捕集用的新鮮吸附劑的實(shí)施方式。參考圖11步驟5.1
這一步驟與步驟1.1或步驟2.1相同。
步驟5.2這一步驟與步驟1.2或步驟2.2相同。但這一單元輸入的物質(zhì)部分來(lái)自于工藝5.1和部分來(lái)自于由步驟5.5得到的循環(huán)的碳酸鈉。
步驟5.3通過(guò)除水來(lái)增加碳酸氫鹽的濃度。這最好通過(guò)讓水通過(guò)可透水膜進(jìn)入濃縮鹽水內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些鹽水存在兩種可能的來(lái)源(1)離開(kāi)空氣接觸器的濃鹽水；若步驟5.1緊跟著2.1，則它特別有用；和(2)來(lái)自于步驟5.1的濃鹽水，條件是它類(lèi)似于1.1并導(dǎo)致固體碳酸鈉沉淀。結(jié)果是碳酸氫鈉的濃鹽水。它需要容納在氣密容器內(nèi)，以便在溶液上為高于環(huán)境的CO2分壓。
使鹽水脫水的另一選擇是反向運(yùn)行常規(guī)的電滲析單元(無(wú)雙極性膜)。與使用純水不同(它將在循環(huán)中在別處再利用(總的系統(tǒng)損失水))，將收集在膜另一側(cè)的濃鹽水以供進(jìn)一步使用。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是它要求較小的體積通過(guò)膜，但它需要電動(dòng)勢(shì)才能成功。
步驟5.4溫度變動(dòng)從鹽水中沉淀碳酸氫鈉。該溫度變動(dòng)不如對(duì)于Na2CO3沉淀來(lái)說(shuō)的溫度變動(dòng)有效。但在25-0℃之間操作允許人們除去約1/3的碳酸氫鹽。在輸入和輸出之間的熱交換將最小化系統(tǒng)內(nèi)的熱損失。剩余的鹽水被輸送回到步驟5.3以供進(jìn)一步脫水。
步驟5.5煅燒固體碳酸氫鈉形成碳酸鈉和加壓CO2。為了給CO2加壓，煅燒器包含在壓力容器內(nèi)。這一系統(tǒng)可利用各種廢熱源，例如來(lái)自煉油廠或者發(fā)電廠的廢熱源。另一替代方案可以是太陽(yáng)能，其優(yōu)點(diǎn)是其碳中性。若使用化石碳，則該熱源應(yīng)當(dāng)使用氧氣而不是空氣并收集來(lái)自于其燃燒的CO2。在上游電滲析單元中產(chǎn)生的氫氣和氧氣將提供另一不含CO2的能源。替代地，所產(chǎn)生的少部分碳酸鈉可部分用于吸收燃燒工藝的CO2。將這一碳酸氫鈉鹽水返回到5.3中，以便再次脫水。剩余的碳酸鈉被輸送回到步驟5.2。CO2物流離開(kāi)這一單元。
這一實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)是，它降低了電的需求量且用低等級(jí)的熱部分替代電。這一方法因此特別適用于其中電昂貴或者CO2非常密集的地區(qū)。方法1-4在具有低成本的低碳電例如來(lái)自大風(fēng)車(chē)農(nóng)場(chǎng)的水力發(fā)電或過(guò)多的風(fēng)力發(fā)電的區(qū)域中是有利的。
工藝6工藝6類(lèi)似于工藝5，但它用直接在溶液內(nèi)熱分解碳酸氫鈉替代沉淀/煅燒。工藝5的優(yōu)點(diǎn)是，它可容易地實(shí)現(xiàn)CO2物流內(nèi)的高壓，而工藝6更容易實(shí)施，且它符合常規(guī)的處理物流。參考圖12步驟6.1這一步驟與步驟5.1相同。
步驟6.2這一步驟與步驟5.2相同。
步驟6.3這一步驟與步驟5.3相同，但濃度可保持低于5.3，和在一些實(shí)施方式中可省去這一步驟。
步驟6.4溫度變動(dòng)以加熱溶液，從鹽水中除去CO2并將富含碳酸鈉的鹽水返回到步驟6.2中。利用換熱器以最小化能量需求。可在該單元內(nèi)處理水的冷凝。見(jiàn)以下討論。潛在的熱源類(lèi)似于在步驟5.5中列舉的那些。6.2中產(chǎn)生的部分鹽水可用于吸收在生成熱中產(chǎn)生的CO2。所得富含碳酸鈉的鹽水返回到步驟6.2中。
工藝7工藝7類(lèi)似于5和6，因?yàn)樗鼑?yán)格地在碳酸氫鹽和碳酸鹽之間操作CO2生成單元，且沒(méi)有嘗試驅(qū)動(dòng)CO2發(fā)生器的電滲析越過(guò)(past)這一點(diǎn)。確實(shí)它可稍微提前終止，以便避免產(chǎn)生高pH的溶液。參考圖13步驟7.1這一步驟與步驟6.1相同。
步驟7.2這一步驟與步驟6.2相同。
步驟7.3這一步驟與步驟6.3相同。
步驟7.4隔室中陰離子膜和雙極性膜交替，且堿性鹽水作為碳酸氫鹽溶液和酸性鹽水作為純水開(kāi)始進(jìn)行該工藝，其中所施用的電壓驅(qū)動(dòng)碳酸氫根離子和碳酸根離子穿過(guò)陰離子膜，在酸側(cè)生成碳酸(它將釋放CO2)。在除去碳酸陰離子的情況下，在堿側(cè)的鹽水的pH逐漸升高。當(dāng)OH-濃度開(kāi)始與溶解的無(wú)機(jī)碳競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，必須終止該工藝。這將允許碳酸氫鹽鹽水轉(zhuǎn)化成碳酸鹽鹽水。
剩余碳酸鹽鹽水被輸送回到前一單元中，以便在部分脫水之后可將它再轉(zhuǎn)化成碳酸氫鹽鹽水。
工藝討論以上列出的工藝代表針對(duì)不同情況和不同目標(biāo)的不同優(yōu)化。證明哪一個(gè)最佳將取決于該單元操作時(shí)的典型溫度、區(qū)域成本和電的碳強(qiáng)度、生成酸和堿的各種電化學(xué)流程的進(jìn)展。由于這一領(lǐng)域仍然年輕且處于變化中，因此隨著時(shí)間流逝，優(yōu)點(diǎn)將越來(lái)越向完全的電化學(xué)設(shè)計(jì)發(fā)展。
工藝1-4完全依賴于第二酸以完成廢溶劑轉(zhuǎn)化成CO2和新鮮溶劑，它們可獨(dú)立地優(yōu)化酸/堿分離以及給CO2加壓。這些方法的優(yōu)點(diǎn)是，它們完全不需要壓縮機(jī)以供驅(qū)動(dòng)CO2達(dá)到管線壓力。對(duì)于工藝5來(lái)說(shuō)同樣如此，但對(duì)于工藝6來(lái)說(shuō)，可實(shí)現(xiàn)的最大壓力受限于人們?cè)敢怛?qū)動(dòng)碳酸鹽/碳酸氫鹽鹽水時(shí)的溫度。工藝6的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，過(guò)去已經(jīng)大規(guī)模地實(shí)施了步驟6.4，因此降低了與新工藝放大有關(guān)的成本不確定性。
其它工藝單元可一體化到總的生產(chǎn)線中，以處理例如雜質(zhì)。例如，應(yīng)當(dāng)過(guò)濾來(lái)自空氣接觸器的碳酸鹽鹽水，以除去灰塵的累積。
盡管以下我們更詳細(xì)地討論了針對(duì)我們的設(shè)計(jì)而優(yōu)化的單元工藝的一些專門(mén)的實(shí)施方式，但人們可使用針對(duì)所有工藝單元的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施方式。
實(shí)施碳酸鹽分離成為碳酸氫鹽和氫氧化物原則上，分離酸和堿的已有電化學(xué)工藝的任何實(shí)施方式均可適合于這一工藝單元。并非所有的這些工藝都依賴于雙極性膜，但其中多數(shù)是這樣。為此我們開(kāi)發(fā)的一種工藝組合了一系列陽(yáng)離子膜和雙極性膜。該系統(tǒng)終止于產(chǎn)生氫氣和氧氣的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電極。這些造成數(shù)個(gè)百分點(diǎn)的全部能量消耗。它們可利用燃料電池整合到該工藝中，或者在要求熱量的工藝5和6中，它們可以燃燒產(chǎn)生熱且無(wú)CO2排放。
鈉離子按濃度梯度或者電梯度從該混合物進(jìn)入其中累積氫氧化鈉的下一隔室中。隔室的不同部分可在不同的濃度下操作，以便最小化系統(tǒng)內(nèi)的電勢(shì)差。特別地，如前所述，可包括氫氧化物與碳酸鹽的上游分離，該分離可單獨(dú)通過(guò)濃度梯度來(lái)驅(qū)動(dòng)。由于沒(méi)有任何一個(gè)單元達(dá)到酸性pH，因此質(zhì)子濃度到處都足夠小，結(jié)果不需要通過(guò)陰離子膜隔開(kāi)的隔室。因此該系統(tǒng)比需要控制質(zhì)子電流的常規(guī)的雙極性膜系統(tǒng)更簡(jiǎn)單。在這些隔室中，負(fù)離子不離開(kāi)它們開(kāi)始存在于其內(nèi)的隔室。在這一步驟之前從溶劑鹽水中提取碳酸鈉的優(yōu)點(diǎn)是降低了必須通過(guò)這些膜的鈉的量。但該工藝的簡(jiǎn)化變體可省去第一步。
實(shí)施酸驅(qū)動(dòng)的CO2生成器混合酸與碳酸鈉或者碳酸氫鈉導(dǎo)致劇烈地產(chǎn)生CO2。若酸足夠強(qiáng)，則若該反應(yīng)包含在保持在所需壓力下的容器內(nèi)，整個(gè)工藝可產(chǎn)生高的CO2壓力。這一系統(tǒng)的一種可能用途是在高于管線壓力的壓力下生成CO2，從而不需要后續(xù)壓縮。
這一系統(tǒng)的一種可能的實(shí)施方式認(rèn)為需要三個(gè)小的貯池一個(gè)注入酸，一個(gè)注入碳酸氫鹽，和第三個(gè)注入所述酸的鹽(如鈉鹽)。碳酸氫鹽和酸從它們各自的貯池注入到流道內(nèi)，所述流道的形狀可強(qiáng)化兩種流體的混合。若酸是弱酸且因此反應(yīng)緩慢，則還可以引入快速攪拌的容器室。在快速反應(yīng)器中，混合通道升高到其中氣體與液體流分離的高點(diǎn)處，然后再次向下引導(dǎo)所述液體流進(jìn)入鹽溶液貯池內(nèi)。向酸和堿貯池內(nèi)注入的注射器與鹽的排放貯池機(jī)械相連。在出口處利用的機(jī)械能幾乎足以驅(qū)動(dòng)注射泵。直接的機(jī)械連接可基于機(jī)械連接的活塞移動(dòng)泵。小的渦輪機(jī)可類(lèi)似地連接在一起。存在許多允許機(jī)械連接的現(xiàn)有技術(shù)方法。
小的系統(tǒng)也可以以間歇操作方式操作，其中輸入罐和輸出罐例如通過(guò)隔膜分隔。當(dāng)釋放壓力時(shí)，填充空的輸入罐迫使?jié)M的輸出罐排空。然后該系統(tǒng)與其環(huán)境壓力隔離，并且當(dāng)兩種流體從輸入罐泵送到輸出罐內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生CO2。一旦輸出罐裝滿，則CO2管線閥門(mén)關(guān)閉，且該循環(huán)本身將重復(fù)。另一實(shí)施方式可使用活塞，所述活塞的作用是替代移動(dòng)隔膜。
當(dāng)然，也可通過(guò)將鹽物流和CO2物流的輸出能轉(zhuǎn)化成電能提供電連接。體積稍微不匹配可通過(guò)從CO2輸出管線中引出少許壓力能量來(lái)補(bǔ)償。原則上，這可能是在總的系統(tǒng)內(nèi)滿足許多泵送所需求的機(jī)械能的重要來(lái)源。人們可利用這一能力來(lái)調(diào)節(jié)碳酸和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所使用的酸之間的強(qiáng)度不匹配。
按照這一方式，酸的產(chǎn)生成為提供從排放的二氧化碳中移出的機(jī)械能的方便方式。
在將二氧化碳注入到輸出物流內(nèi)之前，需要清潔并干燥它，以便滿足特定應(yīng)用或特定處置設(shè)備對(duì)它的任何要求。
在變溫CO2生成器內(nèi)水的管理在加熱碳酸氫鹽溶液過(guò)程中，CO2將攜帶需要冷凝出來(lái)的水蒸氣。在一定壓力下離開(kāi)溶液并流出貯池的CO2與水蒸氣混合。在下一步中，其用于預(yù)熱流入溶液，并在該工藝中冷凝出水蒸氣。當(dāng)增加鹽水濃度升高溶液的CO2分壓時(shí)，所收集的水最好保持與碳酸氫鹽溶液分開(kāi)。
可使用水用于提供輸入原料，以供在步驟6.2中在電化學(xué)酸/堿分離中生成新鮮的碳酸氫鈉。
由于在油工業(yè)中使用CO2的機(jī)會(huì)已經(jīng)很少了，因此將要進(jìn)行的工作是在法規(guī)允許限度內(nèi)通過(guò)分配贏得CO2“信用額度”。這些“信用額度”將具有按多種方式使用的市場(chǎng)價(jià)值。一種可能性是對(duì)于地方管理機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，提供給汽車(chē)制造者或購(gòu)買(mǎi)者“信用額度證”作為促進(jìn)運(yùn)輸里程的方式，同時(shí)允許繼續(xù)使用可能不在理想的水平下運(yùn)行的大眾車(chē)輛設(shè)計(jì)。
合理的是預(yù)見(jiàn)到當(dāng)汽車(chē)或卡車(chē)可用常規(guī)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)(或者依賴于烴燃料的先進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng))驅(qū)動(dòng)且與此同時(shí)要求零排放汽車(chē)的時(shí)代，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)這一工藝已經(jīng)從大氣中除去足夠多的CO2。這可設(shè)置為附加于汽車(chē)或卡車(chē)購(gòu)買(mǎi)價(jià)格的輔助證書(shū)，或者作為對(duì)運(yùn)輸工業(yè)的法規(guī)要求，或尚待確定的一些其它方案?；蛘呔哂猩鐣?huì)意識(shí)的人可提前即在購(gòu)買(mǎi)汽車(chē)之前“買(mǎi)下”碳。
盡管本發(fā)明特別適用于從空氣中提取CO2，但本發(fā)明的空氣洗滌器可用于通過(guò)使用不同的吸附劑材料從空氣中除去其它氣體。
權(quán)利要求
1.一種從空氣中捕集二氧化碳的方法，該方法包括將溶劑覆蓋的表面暴露于空氣流下，此時(shí)所述空氣流的流動(dòng)保持為層流或者接近于層流區(qū)。
2.權(quán)利要求1的方法，它包括一個(gè)或多個(gè)下述特征(a)其中所述表面包括光滑的平行板；(b)其中所述表面不是完全平坦，在空氣流方向沿直的平行線行進(jìn)；(c)其中所述表面包括類(lèi)似于口琴罩的波紋、管道、導(dǎo)管、尖角形狀或其任意組合，但空氣流順利沿直線進(jìn)行；(d)其中所述表面用比其間隔小的溝槽、凹坑、凸起或其它小結(jié)構(gòu)糙化，和其中這些表面結(jié)構(gòu)很好地保持在空氣流的層流邊界內(nèi)；(e)其中所述表面用溝槽、凹坑、凸起或其它小結(jié)構(gòu)糙化，且圍繞這些溝槽、凹坑、凸起或其它小結(jié)構(gòu)的流動(dòng)雷諾數(shù)小，最優(yōu)選為0-100；(f)其中所述表面通過(guò)噴砂或其它類(lèi)似方式糙化；(g)其中所述表面通過(guò)蝕刻或其它類(lèi)似方式糙化；(h)其中所述表面在由鋼或其它耐受氫氧化物的金屬制造的板上；(i)其中所述表面在由玻璃制造的板上；(j)其中所述表面在由塑料、優(yōu)選聚丙烯制造的板上；和(k)其中所述表面已經(jīng)被涂布或者被處理以增加板的親水性。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述表面是箔片或其它薄膜，其利用線材緊密固定并通過(guò)所述緊密的線材或線材網(wǎng)支撐。
4.權(quán)利要求3的方法，它包括一個(gè)或多個(gè)下述特征(a)其中除了少數(shù)在前面和后面的支撐線材以外，所有線材均與風(fēng)的流向平行行進(jìn)；(b)其中所述箔片或膜支撐在剛性結(jié)構(gòu)上，所述剛性結(jié)構(gòu)可以是可賦予所述膜結(jié)構(gòu)剛性的實(shí)心板、蜂窩或網(wǎng)格；(c)其中所述膜由塑料箔片制造；和(d)其中所述膜由塑料箔片制造，所述塑料箔片已經(jīng)被表面處理以增加所述表面的親水性。
5.權(quán)利要求1的方法，它包括一個(gè)或多個(gè)下述特征(a)其中所述空氣流的方向是水平的；(b)其中所述表面或者所述表面的對(duì)稱線是垂直的；(c)其中所述液體溶劑流與所述空氣流的方向大致成直角；(d)其中所述表面間隔為約0.3-3cm；(e)其中所述表面長(zhǎng)度與空氣流的方向大致成直角，且為約0.3-10m；(f)其中所述空氣流的速度為約0.1-10m/S；(g)其中所述表面之間的空氣流的距離為約0.10-2m；(h)其中通過(guò)向表面的上部邊緣噴灑物流而施用液體溶劑；(i)其中所述溶劑被施用到板的兩側(cè)上；(j)其中所述溶劑以脈沖方式施用；(k)其中在所述表面或板的底部收集液體溶劑；(l)其中在所述表面或板的底部收集液體溶劑，并將所收集的流體立即送到回收單元中；(m)其中在所述表面或板的底部收集液體溶劑，并將所收集的流體循環(huán)到洗滌單元的頂部以供附加的CO2收集；(n)其中所述裝置進(jìn)一步包括并配有空氣流校流裝置，以最小化所述表面和即時(shí)風(fēng)場(chǎng)之間未對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)致的損失；和(o)其中所述裝置進(jìn)一步包括并配有被動(dòng)或主動(dòng)引導(dǎo)所述表面以使它們指向風(fēng)向的構(gòu)件。
6.一種利用自然空氣流產(chǎn)生的壓降的層流風(fēng)洗滌器，它包括(a)在所述洗滌器的正面風(fēng)靜止；(b)通過(guò)與洗滌器的入口和/或出口基本上垂直的流動(dòng)產(chǎn)生的壓降；或者(c)通過(guò)熱對(duì)流產(chǎn)生的壓降。
7.權(quán)利要求6的洗滌器，它包括一個(gè)或多個(gè)下述特征(a)其中所述壓降在冷卻塔內(nèi)產(chǎn)生或者通過(guò)沿著斜坡側(cè)的熱對(duì)流產(chǎn)生；(b)包括多個(gè)至少部分被液體吸附劑潤(rùn)濕的薄層；和(c)其中選擇薄層之間的間隔，以使該系統(tǒng)不會(huì)越出層流區(qū)，且優(yōu)選為約2-4mm。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述表面是旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)，其中通過(guò)圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輔助潤(rùn)濕，并且空氣與所述軸成直角移動(dòng)。
9.權(quán)利要求8的方法，它包括一個(gè)或多個(gè)下述特征(a)其中所述軸為大致水平，所述圓盤(pán)在其邊緣浸入溶劑內(nèi)，且所述圓周運(yùn)動(dòng)促進(jìn)流體在圓盤(pán)上的分布；(b)其中所述液體在圓盤(pán)移動(dòng)時(shí)通過(guò)徑向校準(zhǔn)的注射器噴灑到圓盤(pán)上；和(c)其中所述液體在軸附近擠出到圓盤(pán)上。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述表面是圓形或其它截面形狀的同心管道，空氣沿管道軸向流動(dòng)。
11.權(quán)利要求10的方法，它包括一個(gè)或多個(gè)下述特征(a)其中所述管道圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)；(b)其中所述管道的軸大致垂直取向，且溶劑以其在管道表面上向下流的方式施用；和(c)其中所述管道的軸與垂直方向成一定角度取向，且所述溶劑在上部開(kāi)口處單點(diǎn)插入并沿覆蓋整個(gè)表面的螺旋運(yùn)動(dòng)向下流動(dòng)。
12.權(quán)利要求1的方法，其中所述溶劑是氫氧化物溶液。
13.權(quán)利要求12的方法，它包括一個(gè)或多個(gè)下述特征(a)其中氫氧化物的濃度為0.1-20mol；(b)其中氫氧化物的濃度為1-3mol；(c)其中溶液濃度超過(guò)3mol；(d)其中調(diào)節(jié)溶液濃度，以使水的損失或水的獲得最小化；(e)其中允許溶液濃度自身進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到其蒸汽壓與環(huán)境空氣相匹配；(f)其中氫氧化物是氫氧化鈉；(g)其中氫氧化物是氫氧化鉀；(h)其中所述溶劑是其中已經(jīng)加入添加劑或表面活性劑的氫氧化物溶液；(i)其中所述溶劑是含有添加劑或表面活性劑的氫氧化物溶液，所述添加劑或表面活性劑增強(qiáng)CO2與溶液的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；(j)其中所述溶劑是含有添加劑的氫氧化物溶液，以降低溶液上水的蒸氣壓；(k)其中所述溶劑是含有添加劑或表面活性劑的氫氧化物溶劑，所述添加劑或表面活性劑改變?nèi)軇┑恼扯然蚱渌髯儗W(xué)性能；和(l)其中所述溶劑是含有添加劑或表面活性劑的氫氧化物溶劑，所述添加劑或表面活性劑改進(jìn)溶劑的吸收性能，以從空氣中洗滌除CO2以外的氣體。
14.一種生產(chǎn)可買(mǎi)賣(mài)的碳信用額度的方法，該方法包括在遠(yuǎn)離二氧化碳生成位置處使用吸附劑從環(huán)境空氣中提取二氧化碳，并銷(xiāo)售、交易或轉(zhuǎn)移所得碳信用額度給第三方。
15.權(quán)利要求14的方法，其中通過(guò)權(quán)利要求1的方法從環(huán)境空氣中捕集二氧化碳。
16.權(quán)利要求14的方法，其中使用權(quán)利要求6的裝置從環(huán)境空氣中捕集二氧化碳。
17.權(quán)利要求14的方法，其中隨汽車(chē)或卡車(chē)的銷(xiāo)售或租借或者隨汽車(chē)或卡車(chē)用燃料一起銷(xiāo)售、交易或轉(zhuǎn)移碳信用額度。
18.權(quán)利要求14的方法，其中通過(guò)烴燃料的生產(chǎn)者銷(xiāo)售碳信用額度。
19.一種將氫氧化物/碳酸鹽鹽水分離成氫氧化物和CO2的方法，其中首先濃縮鹽水到接近碳酸鹽的飽和點(diǎn)；隨后通過(guò)從鹽水中變溫沉淀碳酸鹽而分離濃縮的氫氧化物碳酸鹽鹽水；在第一電化學(xué)工藝步驟中，將碳酸鹽電化學(xué)分離成為氫氧化鈉溶液和碳酸氫鈉溶液；在第二電化學(xué)工藝步驟中，混合碳酸氫鹽與酸，以釋放二氧化碳并從其鹽中回收酸。
20.權(quán)利要求19的方法，它包括一個(gè)或多個(gè)下述特征(a)其中通過(guò)利用雙極性膜的電滲析，從鹽水中分離氫氧化鈉溶液和碳酸氫鈉溶液；(b)其中第二電化學(xué)工藝包括利用雙極性膜的電滲析；(c)其中在沒(méi)有最初濃縮的情況下處理鹽水；(d)其中在第二電化學(xué)工藝步驟中使至少部分碳酸鹽與氫氧化物分離；(e)其中在鹽水釋放CO2之前，使用酸中和所述鹽水，(f)其中在鹽水釋放CO2之前，注入酸中和所述鹽水，所述酸的注入在第一低壓?jiǎn)卧蜕蒀O2的第二高壓系統(tǒng)中進(jìn)行，所述第一低壓?jiǎn)卧獙⒒旌衔锏膒H調(diào)節(jié)到支持形成碳酸氫鹽的水平下；(g)其中在壓力容器內(nèi)通過(guò)電化學(xué)工藝釋放CO2，以便提供高壓CO2；(h)其中在包括利用雙極性膜的電滲析的電化學(xué)工藝中釋放CO2；(i)其中在陰極上產(chǎn)生氫氣并在氫陽(yáng)極處再次利用該氫氣的電化學(xué)工藝中釋放CO2；(j)其中在最后一步使碳酸鹽與氫氧化物分離；和(k)其中在CO2釋放步驟中分離全部或部分氫氧化物和碳酸鹽。
21.一種在利用膜將容積隔成隔室的裝置內(nèi)部分分離氫氧化物/碳酸鹽鹽水成為氫氧化物溶液和碳酸鹽溶液的方法，所述隔室膜交替為雙極性膜和陽(yáng)離子膜，和在間隔的腔室內(nèi)流動(dòng)的流體是濃縮的氫氧化物/碳酸鹽鹽水，而在交替的腔室內(nèi)流動(dòng)的是稀NaOH溶液，鈉離子遷移穿過(guò)陽(yáng)離子膜，和雙極性膜提供維持電荷中性所需的氫氧根離子和質(zhì)子。
22.權(quán)利要求21的方法，它包括一個(gè)或兩個(gè)下述特征(a)其中所述隔室排列在組件內(nèi)，所述組件在含有相同類(lèi)型鹽水的第一和最后一個(gè)隔室之間液體相連；(b)其中所述隔室按照環(huán)形排列；和(c)其中所述隔室在包括兩個(gè)單獨(dú)的隔室的組件內(nèi)排列。
23.一種分離氫氧化物/碳酸鹽鹽水成為氫氧化物溶液和CO2的方法，該方法利用電化學(xué)工藝使氫氧化物溶液與碳酸鹽溶液分離，和在第一電化學(xué)工藝步驟中，碳酸鹽被電化學(xué)分離成為氫氧化鈉溶液和碳酸氫鈉溶液；使碳酸氫鹽與酸混合以釋放二氧化碳；并通過(guò)第二電化學(xué)工藝步驟從其鹽中回收酸。
24.權(quán)利要求21的方法，它包括一個(gè)或多個(gè)下述特征(a)其中通過(guò)利用雙極性膜的電滲析，從鹽水中分離氫氧化鈉溶液和碳酸氫鈉溶液；(b)其中用于從其鹽中回收酸的電化學(xué)工藝包括利用雙極性膜的電滲析；(c)其中在沒(méi)有最初濃縮的情況下處理鹽水；(d)其中在第二電化學(xué)工藝步驟中使至少部分碳酸鹽與氫氧化物分離；(e)其中在鹽水釋放CO2之前，使用酸中和所述鹽水，(f)其中在鹽水釋放CO2之前，注入酸中和所述鹽水，所述酸的注入在第一低壓?jiǎn)卧蜕蒀O2的第二高壓系統(tǒng)中進(jìn)行，所述第一低壓?jiǎn)卧獙⒒旌衔锏膒H調(diào)節(jié)到支持形成碳酸氫鹽的水平下；(g)其中通過(guò)電化學(xué)工藝實(shí)現(xiàn)CO2釋放；(h)其中在壓力容器內(nèi)通過(guò)電化學(xué)工藝釋放CO2，以便提供高壓CO2；(i)其中在包括利用雙極性膜的電滲析的電化學(xué)工藝中釋放CO2；(j)其中在陰極上產(chǎn)生氫氣并在氫陽(yáng)極處再次利用該氫氣的電化學(xué)工藝中釋放CO2；(k)其中在最后一步使碳酸鹽與氫氧化物分離；和(l)其中在CO2釋放步驟中分離全部或部分氫氧化物和碳酸鹽。
25.權(quán)利要求19的方法，其中將碳酸氫鈉熱分解為碳酸鈉和CO2，接著將碳酸鈉循環(huán)到該工藝的早期階段。
26.權(quán)利要求25的方法，它包括一個(gè)或多個(gè)下述特征(a)其中通過(guò)膜分離利用濃度梯度或電化學(xué)梯度(反向電滲析)，降低碳酸氫鹽溶液的水含量，在變溫沉淀中從濃縮鹽水中提取碳酸氫鹽，接著熱煅燒碳酸氫鹽成為CO2和碳酸鹽，且所得稀碳酸氫鹽輸出物流被循環(huán)到碳酸氫鹽溶液的另一脫水過(guò)程中；(b)其中加熱碳酸氫鹽溶液，直到釋放CO2，從而形成碳酸鹽/碳酸氫鹽鹽水，所述碳酸鹽/碳酸氫鹽鹽水被電化學(xué)再處理成為碳酸氫鹽；(c)其中碳酸氫鹽溶液在壓力容器內(nèi)放出CO2；(d)在熱步驟的輸入和輸出之間包括熱交換，以最小化能量消耗；(e)其中所生成的稀的水物流保持與鹽水分開(kāi)并作為廢水處理；(f)其中稀的水物流用作空氣接觸器單元內(nèi)輸入的補(bǔ)充水；(g)其中堿離子是鈉；(h)其中堿離子是鉀；(i)其中堿離子是含鈉和鉀的混合物；和(j)其中堿包括有機(jī)堿。
27.權(quán)利要求21的方法，其中使碳酸氫鈉熱分解成為碳酸鈉和CO2，接著將碳酸鈉循環(huán)到該工藝的早期階段。
28.權(quán)利要求27的方法，它包括一個(gè)或多個(gè)下述特征(a)其中通過(guò)膜分離利用濃度梯度或電化學(xué)梯度(反向電滲析)，降低碳酸氫鹽溶液的水含量，在變溫沉淀中從濃縮鹽水中提取碳酸氫鹽，接著熱煅燒碳酸氫鹽成為CO2和碳酸鹽，且所得稀碳酸氫鹽輸出物流被循環(huán)到碳酸氫鹽溶液的另一脫水過(guò)程中；(b)其中加熱碳酸氫鹽溶液，直到釋放CO2，從而形成碳酸鹽/碳酸氫鹽鹽水，所述碳酸鹽/碳酸氫鹽鹽水被電化學(xué)再處理成為碳酸氫鹽；(c)其中碳酸氫鹽溶液在壓力容器內(nèi)放出CO2；(d)在熱步驟的輸入和輸出之間包括熱交換，以最小化能量消耗；(e)其中所生成的稀的水物流保持與鹽水分開(kāi)并作為廢水處理；(f)其中稀的水物流用作空氣接觸器單元內(nèi)輸入的補(bǔ)充水；(g)其中堿離子是鈉；(h)其中堿離子是鉀；(i)其中堿離子是含鈉和鉀的混合物；和(j)其中堿包括有機(jī)堿。
29.一種通過(guò)混合酸和碳酸氫鹽生成CO2的裝置，其按組合方式包括容納酸的貯池、容納堿的貯池和容納產(chǎn)物鹽的貯池；與酸和堿貯池流體連通的管線，所述管線具有強(qiáng)化混合的結(jié)構(gòu)；在壓力下將CO2進(jìn)料到出口壓力閥門(mén)的氣體分離單元，所述氣體分離單元與鹽貯池相連；和來(lái)自鹽的鹽水貯池的出口管線，其與分別向容納酸和堿的貯池內(nèi)進(jìn)料酸和堿的泵機(jī)械相連。
30.權(quán)利要求29的裝置，它包括一個(gè)或多個(gè)下述特征(a)其中CO2為裝置提供大部分泵送功率需求；(b)還包括將CO2出口閥門(mén)上的過(guò)壓轉(zhuǎn)化成有用功率的裝置；和(c)其中過(guò)壓被轉(zhuǎn)化成有用的功率，所述有用的功率被引入到兩個(gè)輸入泵中或者可能在別處使用。
31.一種通過(guò)混合酸和碳酸氫鹽生成CO2的裝置，它包括三個(gè)貯池，一個(gè)容納酸、一個(gè)容納堿和一個(gè)容納產(chǎn)物鹽，所述貯池通過(guò)膜彼此分開(kāi)，所述裝置以間歇模式操作，其中在大氣壓下裝載新鮮流體，并在生產(chǎn)CO2的過(guò)程中使流體加壓。
32.一種將堿性碳酸鹽鹽水分離成陽(yáng)離子和碳酸氫鹽的裝置，所述裝置包括向其中輸送功率的陽(yáng)極和陰極，其中陽(yáng)離子移動(dòng)穿過(guò)陽(yáng)離子膜，從而將初始的鹽水轉(zhuǎn)化成碳酸氫鹽，同時(shí)鹽水作為純的氫氧化物溶液逐漸積累。
33.權(quán)利要求32的裝置，其中陽(yáng)離子是鈉或鉀或不會(huì)從溶液中沉淀的離子。
34.一種從含有CO2的碳酸氫鹽鹽水中分離CO2的裝置，該裝置包括具有酸隔室和堿隔室的貯池，這些隔室通過(guò)與雙極性膜交替的陰離子膜隔開(kāi)，以供在物流中產(chǎn)生碳酸氫根離子，該碳酸氫根離子在酸隔室內(nèi)與酸混合產(chǎn)生CO2，并在堿隔室內(nèi)留下富含碳酸根離子的殘留鹽水。
35.一種從權(quán)利要求25的氫氧化物鹽水中分離二氧化碳的方法，其中用權(quán)利要求34的電化學(xué)工藝替代熱分解步驟。
36.權(quán)利要求35的方法，其中對(duì)產(chǎn)生CO2的單元加壓以輸送濃縮的CO2物流。
37.一種從權(quán)利要求27的氫氧化物鹽水中分離二氧化碳的方法，其中用權(quán)利要求36的電化學(xué)工藝替代熱分解步驟。
38.權(quán)利要求37的方法，其中對(duì)產(chǎn)生CO2的單元加壓以輸送濃縮的CO2物流。
全文摘要
本發(fā)明涉及從空氣中除去二氧化碳的方法，該方法包括將溶劑覆蓋的表面暴露于空氣流下，此時(shí)空氣流保持層流或者接近于層流狀態(tài)。本發(fā)明還提供一種裝置，其為層流洗滌器，所述層流洗滌器包括設(shè)置使其可暴露于空氣流下的溶劑覆蓋的表面。另一方面，本發(fā)明提供分離在溶劑內(nèi)結(jié)合的二氧化碳(CO
文檔編號(hào)B01D53/14GK101043929SQ200580035020
公開(kāi)日2007年9月26日 申請(qǐng)日期2005年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月20日
發(fā)明者A·B·賴特, K·S·拉克納 申請(qǐng)人:環(huán)球研究技術(shù)有限公司