本發(fā)明涉及一種吸附劑的吸附和解吸方法，所述吸附劑用于循環(huán)吸附-解吸以直接從環(huán)境大氣或高度稀釋的源中捕獲二氧化碳co2，以及該方法的用途和用于該方法的裝置。本公開還涉及一種具有多個平行表面的吸附器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置，用于有效地從環(huán)境空氣中捕獲二氧化碳，以及該優(yōu)化配置的用途。
背景技術(shù)：
1、通過吸附/解吸過程進(jìn)行氣體分離，更具體地說是從大氣中捕獲二氧化碳，這被稱為直接空氣捕獲(dac)，作為旨在減少溫室氣體影響的潛在措施，是一個越來越重要的領(lǐng)域。在普遍存在的co2濃度和吸附條件下，在吸附過程中對大氣和co2進(jìn)行調(diào)節(jié)在能量上通常不是一種可行的選擇；然而，吸附器結(jié)構(gòu)的配置可能會影響與吸附劑材料接觸的條件。此外，導(dǎo)致co2從吸附劑中解吸的條件更加多樣化和復(fù)雜-這些條件通?；跉怏w分離領(lǐng)域其他行業(yè)的廣泛知識基礎(chǔ)。廣泛認(rèn)可的從煙氣中捕獲co2通?？梢詢H依靠co2分壓或系統(tǒng)溫度的顯著變化來啟動吸附劑釋放co2。然而，使用較低co2濃度的dac必須結(jié)合各種措施來改變吸附劑co2吸收平衡，以實(shí)現(xiàn)具有經(jīng)濟(jì)吸引力的工作能力。因此，隨著吸附器結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，專門用于直接空氣捕獲過程中解吸的新方法已經(jīng)出現(xiàn)并將繼續(xù)出現(xiàn)。
2、通常，煙氣co2分離工藝旨在從煙氣中幾乎完全去除co2，捕獲分?jǐn)?shù)大于80％。因此，配置最大化與吸附劑和氣流的接觸，而壓降和泵送工作是次要考慮的。典型的配置包括填料床柱或流化床，其典型長度為幾十厘米到幾米，通常會對氣流施加幾千帕斯卡到幾巴的壓降。最近，結(jié)構(gòu)化吸附器也被用于從煙氣中捕獲co2，例如wo-a-2010096916(boulet等人)和wo-a-2018085927(英偉達(dá)熱力技術(shù)股份有限公司(inventys?thermal?technologiesinc.))中描述的結(jié)構(gòu)，其指定平行通道接觸器用于煙氣co2捕獲。這些吸附器結(jié)構(gòu)在其用于煙氣捕獲的配置中是針對煙氣中存在的高濃度co2而設(shè)計(jì)的，其操作目的是從煙氣中捕獲高比例的co2。
3、更具體地說，wo-a-2018085927公開了一種吸附氣體分離裝置和方法。吸附劑結(jié)構(gòu)可以包括具有至少第一吸附劑材料的第一吸附劑層、包括至少第二吸附劑材料的第二吸附劑層和阻擋層，其中阻擋層介于第一吸附劑層和第二吸附劑層之間。還公開了一種平行通道接觸器，其包括多個吸附劑結(jié)構(gòu)，每個吸附劑結(jié)構(gòu)包括阻擋層，并布置成形成第一和第二流體通道。還提供了使用吸附劑結(jié)構(gòu)從多組分流體流中分離至少第一組分的吸附工藝。
4、us-a-2015139862(l’air?liquide?societe?anonyme?pour?l’etude?et?l’exploitation?des?procedes?georges?claude)公開了一種結(jié)構(gòu)化吸附片，包括納米吸附劑粉末和粘合劑材料，其中納米吸附劑粉末與粘合劑材料結(jié)合以形成吸附劑材料，以及多孔電加熱基板，其中吸附劑材料施加到多孔電加熱基板上，從而形成結(jié)構(gòu)化吸附片。提供了一種結(jié)構(gòu)化吸附模塊，包括多個堆疊的結(jié)構(gòu)化吸附片，配置為產(chǎn)生多個流體通道，其中多個流體通道在流體流方向上具有橫截面形狀。結(jié)構(gòu)化吸附模塊可以具有梯形、矩形、正方形、三角形或正弦形的橫截面形狀。提供了一種結(jié)構(gòu)化吸附劑床，包括多個模塊，模塊堆疊在一起，從而提供多個工藝流體通道，以及與多個工藝流體流體連通的工藝流體入口和工藝流體出口。
5、us-a-2012076711(蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(eth?zurich))公開了一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含具有胺基的吸附劑，該吸附劑能夠進(jìn)行可逆吸附和解吸循環(huán)，用于從氣體混合物中捕獲co2，其中所述結(jié)構(gòu)由纖維長絲組成，其中纖維材料是碳和/或聚丙烯腈。
6、然而，直接空氣捕獲手段中co2的低環(huán)境濃度意味著需要在環(huán)境條件下移動通過吸附器結(jié)構(gòu)的空氣體積大得多，因此由于煙氣捕獲配置的高壓降，因此無法使用該煙氣捕獲配置。因此，對于直接空氣捕獲co2分離工藝，需要對吸附劑材料進(jìn)行配置，以盡可能減少對氣流的壓降，以盡量減少吸附氣體泵送所需的能量，但同時(shí)實(shí)現(xiàn)吸附劑和氣流之間的最大接觸，以最大限度地提高從氣流中去除的組分的質(zhì)量傳遞速率。這些結(jié)構(gòu)與煙氣捕獲所需的結(jié)構(gòu)非常不同。例如，在wo-a-2014170184(climeworks?ag)中公開了dac的這種結(jié)構(gòu)。
7、最近，已經(jīng)公開了各種捕獲方法，這些方法使用專門配置為引導(dǎo)空氣捕獲的吸附器結(jié)構(gòu)。一種常見的方法是基于對固體化學(xué)功能化吸附劑材料的循環(huán)吸附/解吸過程。例如，us-a-2011041688(eisenberger)公開了使用涂層顆粒材料流化床的二氧化碳捕獲/再生結(jié)構(gòu)和技術(shù)。wo-a-2018083109(climeworks?ag)、wo-a-2018210617(climeworks?ag)公開了用于穿過顆粒吸附劑床的低壓降流動的各種壁流結(jié)構(gòu)。其他解決方案選擇使用結(jié)構(gòu)化吸附器，例如us-a-2014004016(eisenberger等人)中使用的整體式吸附器，或分布在接觸器裝置中的液體溶液，例如wo-a-2009155539(1446881alberta?ltd.)和wo-a-2010022339(1446881alberta?ltd.)。填料床顆粒接觸器通常旨在分配流量，從而降低速度并增加吸附空氣流在床中的停留時(shí)間，以抵消這些結(jié)構(gòu)通常較長的擴(kuò)散路徑和因此較慢的動力學(xué)，如wo-a-2018083109、wo-a-2018210617。相比之下，結(jié)構(gòu)化吸附劑，例如wo-a-2010027929(阿爾斯通技術(shù)有限公司(alstom?technology?ltd.))、wo-a-2010151271(斯坦福研究院(sriinternational))和支撐在支撐基質(zhì)上的吸附劑，例如wo-a-2009067625(全球研究技術(shù)有限責(zé)任公司(global?research?technologies,llc))，表現(xiàn)出更短的擴(kuò)散路徑，因此停留時(shí)間可以降低一個數(shù)量級，從而導(dǎo)致更高的直接通過流速。
8、由多層吸附材料片制成的結(jié)構(gòu)化吸附劑已在許多應(yīng)用中得到研究。us?4,234,326(大不列顛及北愛爾蘭聯(lián)合王國政府國防大臣)提供了一個早期的例子，其中平行流過濾器的結(jié)構(gòu)由交替的炭布層和透氣間隔層組成。許多專利描述了使用快速psa進(jìn)行氫氣凈化的層狀結(jié)構(gòu)吸附劑的進(jìn)一步開發(fā)。us?5,082,473(keefer)、us?6,451,095(questair技術(shù)公司(questair?technologies,inc.))、us?6,692,626(questair技術(shù)公司)描述了平衡控制的壓力振蕩吸附(psa)過程，該過程可通過將吸附器配置為層狀吸附劑層壓板平行通道接觸器結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)，其中吸附材料形成為吸附劑板，在這些板中加入或不加入合適的增強(qiáng)材料。例如，us?7,645,324(xebec吸附公司(xebec?adsorption?inc.))詳細(xì)討論了這些結(jié)構(gòu)對動力學(xué)選擇性的具體好處，其中將小孔吸附劑納入吸附板中。wo-a-200914292(韓國化學(xué)技術(shù)研究所等)提供了一個空氣捕獲裝置的示例，該裝置包括單獨(dú)的成對的薄片，形成薄層，旨在從流中去除co2。
9、專門用于直接空氣捕獲過程中解吸的較新方法已通過各種其他方式為吸附劑提供能量，例如wo-a-2016005226(climeworks?ag)、wo-a-2014170184(climeworks?ag)，其中解吸方法結(jié)合了通過使用熱交換器實(shí)現(xiàn)的溫度波動與真空波動和蒸汽吹掃氣體流動。然而，雖然傳導(dǎo)加熱易于控制，避免了接近飽和的不穩(wěn)定性(即濕蒸汽)并且不會使吸附劑材料負(fù)載大量液態(tài)水，但通過典型的高多孔吸附劑材料的顆粒床的傳導(dǎo)熱傳遞通常非常差。此外，熱交換器取代了吸附劑材料，從而大大降低了單位體積的輸出。對于結(jié)構(gòu)化吸附器(例如整體式吸附器)，熱交換器的集成并非易事，本身就是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。以這種方式對吸附劑進(jìn)行大量加熱和干燥也已證明會導(dǎo)致吸附劑材料嚴(yán)重降解，降低co2吸收能力并導(dǎo)致吸附劑整體使用壽命縮短。再加上成本高昂，這種解決方案對于dac的廣泛應(yīng)用而言不一定具有經(jīng)濟(jì)可行性。利用蒸汽再生吸附劑并不是新鮮事物，可以追溯到幾十年前，例如gb-a-1296889(aaron等人)或de-a-3030967(戴姆勒奔馳股份公司(daimler?benz?ag))所指出的。然而，為了克服上述直接空氣捕獲問題，純蒸汽解吸工藝近年來在該領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注，參見us-a-2014096684(kawasaki?jukogyo?kabushiki?kaisha)、us-a-2018214822(eisenberger)、wo-a-2016038339(莊信萬豐公共有限公司(johnson?mattheypublic?limited?company))、us-a-2011088550(accucaps工業(yè)有限公司(accucapsindustries?limited))、wo-a-2014063046(ada-es公司)、us-a-2011179948(choi等人)、us-a-2015209718(eisenberger等人)、ep-a-2874727(antecy?bv)、us-a-2007149398(jones等人)，us-a-2014130670(eisenberger等人)、us-b-7288136(美國能源部)、wo-a-2016037668(giaura?bv)、us-a-2018272266(殼牌石油公司)或us-b-8500854(美國能源部)。這些通常是參考其他行業(yè)的蒸汽工藝，其中飽和蒸汽和過熱蒸汽都用于吸附劑的再生。蒸汽解吸法可以快速均勻地加熱吸附劑，但其固有缺點(diǎn)是吸附劑材料中會沉積大量的水，這些大量的額外水可能會阻礙材料繼續(xù)成功循環(huán)以捕獲co2。水的加入可能會降低多孔吸附劑材料中的傳輸動力學(xué)，或者可能洗掉活性相，使吸附劑材料失去活性，無法進(jìn)一步捕獲co2。因此，有效運(yùn)行的關(guān)鍵是工藝與吸附劑材料的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)直接空氣捕獲工廠的循環(huán)運(yùn)行。
10、還公開了用于這種工藝的裝置。除了將來自外部源的蒸汽引入反應(yīng)室之外，先前公開的用于這種解吸技術(shù)的裝置公開了例如吸附劑室內(nèi)的蒸汽生成儲存器(us-a-2014096684、wo-a-2016005226)或描述了在有限數(shù)量的反應(yīng)室內(nèi)重復(fù)使用蒸汽(us-a-2013312606(eisenberger))。
11、與循環(huán)操作相關(guān)的方面包括吸附條件、再生前的任何準(zhǔn)備、再生的溫度和壓力水平以及所用蒸汽的條件和任何再生后步驟。雖然一些面向過程的公開內(nèi)容描述了降低壓力或從反應(yīng)室內(nèi)部清除空氣(ep-a-2874727、wo-a-2016037668、us-a-2011296872(eisenberger))，但大多數(shù)都未解決此問題。所用蒸汽的狀態(tài)(如果有進(jìn)一步公開的話)是飽和蒸汽(us-a-2013312606、us-b-7288136)。
12、再生過程中的吸附劑溫度特別重要，因?yàn)樵S多常見的co2吸附劑系統(tǒng)由于降解而顯示出周期性co2捕獲能力的快速降低，這主要是由于暴露在足夠高的溫度下以及暴露在足夠高的溫度下的氧氣中而導(dǎo)致的氧化。另一方面，在大多數(shù)吸附劑中，較高的溫度有利于更快的解吸速率和更高的co2解吸量。
13、us-a-2018214822提出了一種在環(huán)境條件下使用吸附劑直接從環(huán)境空氣中去除二氧化碳以獲得相對純凈的co2的方法。使用工藝熱(優(yōu)選以蒸汽的形式)在溫度不超過約130℃的范圍內(nèi)從吸附劑中去除co2，以捕獲相對純凈的co2并再生吸附劑以供重復(fù)使用。在接觸吸附劑之前，將少量優(yōu)選預(yù)處理的含有較高濃度二氧化碳的廢氣與環(huán)境空氣混合，可以提高效率。捕獲的二氧化碳可以儲存起來供進(jìn)一步使用，或永久封存。該方法提供純化的二氧化碳，用于農(nóng)業(yè)和化學(xué)過程的進(jìn)一步使用，或用于永久封存。該文件僅公開了全吸附劑結(jié)構(gòu)入口處的流速值，但未公開有關(guān)吸附劑結(jié)構(gòu)流道中流速的信息。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、蒸汽作為再生介質(zhì)的使用已變得流行，因?yàn)檎羝且环N有效的傳熱方法，可以作為其他工業(yè)過程的副產(chǎn)品，也可以從地?zé)嵩粗蝎@取。然而，使用液態(tài)水具有有害影響，包括降低多孔吸附劑材料中的傳輸動力學(xué)，或可能洗掉活性相，使吸附劑材料失去活性，無法進(jìn)一步捕獲co2，如climeworks?ag提交的國際公開wo?2021/239747號(以下簡稱“’747climeworks公開”)中所披露的那樣。此外，液態(tài)水會堵塞中孔結(jié)構(gòu)的孔隙，這通常被稱為“水鎖”。水鎖會降低吸附劑的動力學(xué)，以至于在經(jīng)濟(jì)上無法繼續(xù)運(yùn)行。此外，潮濕的空氣中含有水蒸氣，當(dāng)冷卻到低于當(dāng)前露點(diǎn)時(shí)，會凝結(jié)成液態(tài)水。工藝和環(huán)境條件也可能使結(jié)構(gòu)化吸附劑暴露于液態(tài)水中。盡管人們普遍認(rèn)為液態(tài)水會對吸附劑的壽命和過程動力學(xué)造成不利影響，但現(xiàn)有技術(shù)中尚未提出緩解該問題的材料或技術(shù)。
2、在本公開內(nèi)容中，提供了材料、材料組合和方法以選擇性地允許水蒸氣(和熱量)進(jìn)入吸附劑。有利的是，允許水蒸氣蒸發(fā)以促進(jìn)冷卻，同時(shí)通過最大程度減少和/或防止液態(tài)水進(jìn)入裝置的吸附劑層或吸附劑床來減輕液態(tài)水的有害影響，從而促進(jìn)吸附和解吸。在一些示例中，如本文所公開的，可以通過使用具有高疏水性的薄且耐用的微孔膜來實(shí)現(xiàn)這些益處。這些材料可以配置為覆蓋物、附加層或內(nèi)部通道，如本文進(jìn)一步公開的。
3、’747climeworks公開的公開內(nèi)容涉及用于吸附和解吸吸附劑的方法和裝置，所述吸附劑用于循環(huán)吸附-解吸以直接從環(huán)境大氣中捕獲二氧化碳co2，以及此類方法和裝置的用途。該方法的兩個決定性方面是，在解吸過程中，基本上只使用或完全只使用蒸汽來輸送加熱能量，以及使用平行通道接觸器，如wo-a-2010096916和wo-a-2018085927中所述，但其配置和吸附劑最好針對直接空氣捕獲進(jìn)行優(yōu)化。為了實(shí)現(xiàn)高效且經(jīng)濟(jì)的循環(huán)操作，最好滿足詳述的眾多進(jìn)一步要求。
4、相比之下，根據(jù)本公開的一些示例，用于吸附和解吸的裝置還包括至少一個保護(hù)層，該保護(hù)層包含微孔材料(其可以由任何具有高疏水性的合適材料形成)，該保護(hù)層布置在吸附和解吸裝置的支撐層和吸附劑層周圍。保護(hù)層是疏水性的，并且具有比吸附劑材料更大的疏水性。在一些示例中，至少一個支撐層包括延伸穿過該支撐層的多個管腔，并且解吸介質(zhì)流(在一些示例中，其可以是以下中的一種或多種：熱液體、蒸汽、飽和蒸汽、過熱液體或任何傳遞熱量的物質(zhì)等)通過流過所述管腔注入以開始co2的解吸。在一些示例中，在注入之前，解吸介質(zhì)流可以是飽和或過熱的。在一些示例中，解吸介質(zhì)流以與環(huán)境大氣流過平行流體通道的方向基本正交或垂直的方向通過管腔注入。在一些示例中，管腔彼此互連。在一些示例中，該裝置還包括間隔元件，其中間隔元件包括吸附劑材料，該吸附劑材料配置為促進(jìn)通過間隔元件的吸附和解吸。間隔元件增加了吸附器元件的吸附劑質(zhì)量(吸附質(zhì)量)與吸附器元件的總質(zhì)量的比率。在一些示例中，保護(hù)層還可以布置在間隔元件周圍，以保護(hù)間隔元件免受周圍或外部元件的影響。
5、本文提供了本公開的上述特征的優(yōu)點(diǎn)。例如，包含微孔材料的疏水保護(hù)層和包含吸附劑材料的間隔元件有益地改善了吸附和解吸過程。具體而言，疏水保護(hù)層控制液態(tài)水通過吸附劑材料的進(jìn)入，例如，通過最大程度減少和/或防止液態(tài)水進(jìn)入其中。除了流動繞過或經(jīng)過這些吸附劑層的外表面之外，管腔還允許解吸介質(zhì)流流過吸附劑層的支撐層。在這方面，管腔增加了解吸介質(zhì)與吸附器元件(例如，吸附劑層的吸附劑材料)的接近度，以促進(jìn)更主動的吸附/解吸過程。間隔元件提供額外的吸附劑材料體積或質(zhì)量，以增加吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件總質(zhì)量的比率，這有利于改善整個裝置的吸附和解吸性能。間隔元件可以進(jìn)一步有利地增加吸附劑物品的密度，而不會改變吸附器結(jié)構(gòu)的占用體積。
6、適用于’747climeworks公開中揭示的方法的、適合且優(yōu)選的吸附劑層材料，用作適合且適應(yīng)甚至優(yōu)化用于直接空氣捕獲的吸附劑，具有在0.3至3mmol/g范圍內(nèi)的過程循環(huán)co2容量和/或低于其自身重量70％的水吸收量。它們采用固體材料的形式，可以是一層或一組連續(xù)的層/涂層或具有特殊性質(zhì)(通常是聚合物材料)的形式，其表面改性和/或多孔以提供二氧化碳吸附。相應(yīng)的表面改性可以通過浸漬、接枝和/或鍵合相應(yīng)的官能團(tuán)(特別是伯胺和/或仲胺官能團(tuán))來提供。吸附劑材料可以是胺官能化的固體吸附劑或x2co3，其中x是k、na、li或其混合物，優(yōu)選浸漬到多孔顆粒支撐材料(例如活性炭)上。例如，該材料可以是弱堿性離子交換樹脂和/或胺官能化纖維素和/或胺官能化二氧化硅和/或胺官能化碳和/或胺官能化金屬有機(jī)骨架和/或其他胺官能化聚合物吸附劑。另一種適用于’747climework公開的吸附劑材料可以是胺官能化纖維素，如wo2012/168346(empamaterialprüfungs-und?forschungsanstalt)中所述。此類吸附劑可包含不同類型的氨基官能團(tuán)和聚合物，例如us-b-8834822(佐治亞理工學(xué)院研究公司(georgia?tech?researchcorporation)等)中報(bào)道的固定化氨基硅烷基吸附劑或根據(jù)wo-a-2011/049759(lanxesssybron化學(xué)公司)的材料，該文獻(xiàn)描述了一種離子交換材料，包括氨基烷基化珠狀聚合物，用于從工業(yè)應(yīng)用中去除二氧化碳。另一種可能的吸附劑是wo-a-2016/037668中的吸附劑，用于可逆地從氣體混合物中吸附co2，此處吸附劑由具有伯氨基官能團(tuán)的聚合物吸附劑組成。材料也可以是ep?20?186?310.7(climeworks?ag，通過引用并入)中公開的類型。此外，它們可以是ep?20?181?440.7(climeworks?ag，通過引用并入)中公開的類型，因此材料中固體無機(jī)或有機(jī)、非聚合物或聚合物支撐材料在表面上通過氨基官能團(tuán)進(jìn)行功能化，能夠可逆地結(jié)合二氧化碳，具有bet比表面積，在1-20m2/g的范圍內(nèi)。固體無機(jī)或有機(jī)、非聚合物或聚合物支撐材料可以是有機(jī)或無機(jī)聚合物支撐材料，優(yōu)選有機(jī)聚合物支撐材料，特別是聚苯乙烯基材料，優(yōu)選苯乙烯二乙烯基苯共聚物，優(yōu)選形成用伯胺、優(yōu)選甲胺、最優(yōu)選芐胺部分官能化的吸附劑材料表面，其中固體聚合物支撐材料優(yōu)選在乳液聚合過程中獲得，或者可以是非聚合物無機(jī)支撐材料，優(yōu)選選自以下組：二氧化硅(sio2)、氧化鋁(al2o3)、二氧化鈦(tio2)、氧化鎂(mgo)、粘土，以及它們的混合形式，例如二氧化硅-氧化鋁(sio2-al2o3)，或它們的混合物。
7、’747climeworks公開中的吸附劑材料通常，和/或上述情況下的固體無機(jī)或有機(jī)、非聚合物或聚合物支撐材料，可以采用以下至少一種形式：整料、層或片、中空或?qū)嵭睦w維，優(yōu)選采用織造或非織造結(jié)構(gòu)、中空或?qū)嵭念w?；驍D出物，其中優(yōu)選采用優(yōu)選基本上為球形的珠子的形式，其粒度(d50)在0.01-1.5m范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.30-1.25mm范圍內(nèi)，或者固體無機(jī)或有機(jī)、非聚合物或聚合物支撐材料為嵌入多孔或非多孔基質(zhì)中的固體顆粒的形式。在步驟(a)結(jié)束時(shí)，優(yōu)選的吸附劑層材料顯示二氧化碳負(fù)載在0.3-4mmol/g范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.5-3.5mmol/g范圍內(nèi)，和/或它們具有的循環(huán)二氧化碳容量在0.1-3.5mmol/g范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.3-3mmol/g范圍內(nèi)。此外，它們優(yōu)選具有二氧化碳吸收速率在0.5-10mmol/g/h范圍內(nèi)，優(yōu)選在1-6mmol/g/h范圍內(nèi)，所述二氧化碳吸收速率優(yōu)選為5-10分鐘時(shí)間跨度內(nèi)的平均值。進(jìn)一步優(yōu)選地，它們的吸水量小于70重量％，優(yōu)選小于50重量％。
8、’747climeworks公開中優(yōu)選的支撐層基于金屬、聚合物、碳、碳分子篩和石墨烯材料層或基于這些材料的組合的層。
9、’747climeworks公開中提出的方法中使用的吸附器結(jié)構(gòu)包括排列成陣列的多個吸附器元件。每個吸附器元件都是多孔支撐層或薄片和至少一個吸附劑層的復(fù)合物，吸附劑層附接在所述多孔支撐物上，使得可以從吸附器元件的兩側(cè)進(jìn)入。吸附劑層包含至少一種吸附劑材料或由至少一種吸附劑材料組成，在存在水分的情況下，可選擇性地吸附co2而不是空氣中的其他主要不凝性氣體。在替代實(shí)施方式中，吸附器元件包括載體或支撐層，第一和第二吸附劑層附接在所述載體的任意一側(cè)，每個吸附劑層由至少一種吸附劑材料組成，在存在水分或水蒸氣的情況下，可選擇性地吸附co2而不是空氣中的其他主要不凝性氣體。片材或?qū)訅杭O(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化，可最大程度提高活性吸附劑的比例(大于75％或大于60％)，從而在固定co2捕獲能力下減少接觸器的總體積。
10、根據(jù)本公開內(nèi)容，還有至少一個保護(hù)層，該保護(hù)層包括設(shè)置在支撐層和吸附劑層周圍的微孔材料，其可控制合適的解吸介質(zhì)通過其中的流動。在一些示例中，保護(hù)層還具有比吸附劑材料更高的疏水性。有利的是，疏水性保護(hù)層控制液態(tài)水通過吸附劑材料的進(jìn)入，例如，通過最大程度減少和/或防止液態(tài)水進(jìn)入其中。當(dāng)蒸汽用作解吸介質(zhì)時(shí)，這尤其有益。
11、在根據(jù)本公開內(nèi)容的一些示例中，至少一個支撐層包括延伸穿過其中的多個管腔，并且解吸介質(zhì)流通過流過所述管腔注入以開始co2的解吸。在一些示例中，解吸介質(zhì)流以與環(huán)境大氣流過平行流體通道的方向基本正交或垂直的方向通過管腔注入。在一些示例中，管腔彼此互連。有利的是，管腔允許解吸介質(zhì)流流過吸附劑層的支撐層，以向吸附劑提供有效的熱傳遞，同時(shí)最大限度地減少吸附劑與液態(tài)水的接觸。管腔增加了解吸介質(zhì)與吸附器元件(例如，吸附劑層的吸附劑材料)的接近度，以促進(jìn)更主動的吸附/解吸過程。
12、此外，優(yōu)選地，’747climeworks公開的吸附器結(jié)構(gòu)包含間隔元件，以在整個結(jié)構(gòu)中保持開放的平行通道，同時(shí)最大限度地減少通過接觸器的流動阻力。
13、然而，盡管優(yōu)化片材或?qū)訅杭O(shè)計(jì)的目的(如’747climeworks公開中所揭示的)是“使得活性吸附劑的比例(大于75％或大于60％)最大化，以在固定co2捕獲容量下減少接觸器的總體積”(片材或?qū)訅杭O(shè)計(jì))，但’747climeworks公開中的間隔元件的非活性材料的使用限制了這種優(yōu)化。在這方面，本公開內(nèi)容通過使用至少部分由吸附劑材料制成的間隔元件來有利地促進(jìn)進(jìn)一步優(yōu)化，所述吸附劑材料配置為促進(jìn)通過間隔元件的吸附和解吸。有利地，根據(jù)本公開內(nèi)容的間隔元件將增加吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量的比率，以進(jìn)一步使得活性吸附劑的比例最大化(根據(jù)’747climeworks公開，這在其它情況下是可能的)，以在固定co2捕獲容量下減少接觸器的總體積。因此，本文公開的包含吸附劑材料的間隔元件可提供額外的吸附劑材料體積或質(zhì)量，以便有利地增加吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量之比，這有益地改善了整個裝置的吸附和解吸性能，如上所述。此外，在一些示例中，可在間隔元件周圍設(shè)置包含微孔材料的保護(hù)層，以保護(hù)間隔元件免受周圍或外部元件的影響。
14、在’747climeworks公開中提出了一種方法，用于通過使用吸附所述氣態(tài)二氧化碳的吸附劑材料進(jìn)行循環(huán)吸附/解吸，使用包含具有所述吸附劑材料的吸附器結(jié)構(gòu)的單元，從以環(huán)境大氣的形式存在的氣體混合物中分離氣態(tài)二氧化碳，所述氣體混合物包含所述氣態(tài)二氧化碳以及不同于氣態(tài)二氧化碳的其他氣體。吸附器結(jié)構(gòu)可維持至少60℃的溫度，以解吸至少所述氣態(tài)二氧化碳，并且該單元可打開以使氣體混合物流過并使其與吸附劑材料接觸以進(jìn)行吸附步驟。根據(jù)所提出的方法，二氧化碳捕獲分?jǐn)?shù)(定義為吸附劑材料在吸附步驟中從氣體混合物中捕獲的二氧化碳的百分比)優(yōu)選在10-75％的范圍內(nèi)。
15、吸附器結(jié)構(gòu)還設(shè)計(jì)成在周期性注入和暴露于諸如蒸汽的解吸介質(zhì)期間，以機(jī)械和化學(xué)方式承受吸附水負(fù)載的大幅波動。根據(jù)’747climeworks公開，吸附器結(jié)構(gòu)包括多個單獨(dú)的吸附器元件的陣列，這些元件呈片材或?qū)訅杭男问?每個吸附器元件包括至少一層，該層包含用于co2捕獲的選擇性多孔或可滲透固體吸附劑，其中陣列中的吸附器元件彼此基本平行排列，并且基本均勻地相互間隔開，形成基本平行的流體通道，用于氣體混合物和/或蒸汽的流過。片材之間的開放空間優(yōu)選通過插入附接到吸附劑片材的間隔元件來保留。
16、根據(jù)本公開內(nèi)容，間隔元件包括吸附劑材料，該吸附劑材料配置為促進(jìn)通過間隔元件的吸附和解吸。間隔元件增加了吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量的比率。有利的是，本文公開的間隔元件提供了額外的吸附劑材料體積或質(zhì)量，以增加吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量之比，從而改善整個裝置的吸附和解吸性能。此外，在一些示例中，可在間隔元件周圍設(shè)置包含微孔材料的保護(hù)層，以保護(hù)間隔元件免受周圍或外部元件的影響。
17、根據(jù)’747climeworks公開，吸附器結(jié)構(gòu)包括多個單獨(dú)吸附器元件的陣列，每個吸附器元件包括至少一個(優(yōu)選為多孔的)支撐層和至少一個附著或集成的(表面)吸附劑層。所述吸附劑材料優(yōu)選在存在水分或水蒸氣的情況下選擇性吸附co2而不是空氣中的其他主要不凝性氣體。
18、通常，在’747climeworks公開的吸附器結(jié)構(gòu)中，多個單獨(dú)但基本相同的吸附器元件形成規(guī)則排列的堆疊，吸附器元件沿堆疊高度基本一致地排列，其中相鄰吸附器元件之間的距離在整個堆疊上基本相同。
19、’747climeworks公開的吸附器結(jié)構(gòu)可以采用載體層的形式，優(yōu)選為多孔載體層，并且在其兩側(cè)至少有一個吸附劑層。吸附器結(jié)構(gòu)也可以基于多孔載體層；其一側(cè)或兩側(cè)的表層部分經(jīng)過化學(xué)改性或涂覆，使其具有co2吸附性能。另外，吸附劑結(jié)構(gòu)可以由多孔載體層形成，該載體層也具有作為吸附劑的性能。
20、陣列中的’747climeworks公開的吸附器元件基本上彼此平行排列，并且彼此間隔開，形成用于氣體混合物和/或蒸汽流過的平行流體通道。
21、在此上下文中，氣體混合物的流過通常應(yīng)理解為沿平行流體通道流動并平行于吸附劑層，以允許二氧化碳吸附在所述吸附劑層上。此處定義的環(huán)境大氣通過吸附器結(jié)構(gòu)的流速或通過流速不是整個吸附劑結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣口處的氣流速度，而是步驟(d)中這些平行流體通道中的氣流速度，這同樣適用于步驟(d)中蒸汽通過吸附器結(jié)構(gòu)的流速。通常，流過包括至少三種類型的流動，如圖4b所示。第一種類型(例如，流通401)是平行于結(jié)構(gòu)(例如吸附劑層或吸附器元件5)的表面行進(jìn)的流通，并且可以包括流過兩個結(jié)構(gòu)(例如兩個吸附劑層(例如，吸附器元件5之間的流體通道7)或通道的相對壁(例如，圖4a中所示的管腔102的相對壁))之間的空間的流動。第二種類型(例如，流通402)是穿過表面并穿過由表面支撐的多孔吸附劑層等材料的流通(例如，穿過吸附器元件5)，從而使空氣從結(jié)構(gòu)另一側(cè)的表面擴(kuò)散出來。第一種類型的流通在穿過材料后可以變?yōu)榈诙N類型的流通，反之亦然。第三種類型(例如，流通403)是代表在給定時(shí)間內(nèi)穿過結(jié)構(gòu)(例如，吸附器結(jié)構(gòu)6)的氣體混合物質(zhì)量的總運(yùn)動的流通，其可以包括如上所述的第一種和/或第二種類型的流通中的一種或兩種。
22、當(dāng)然，在’747climeworks公開的這種堆疊形式的吸附器結(jié)構(gòu)中，最外層的吸附器元件也可能只具有載體或多孔層，而其內(nèi)側(cè)具有至少一個吸附劑層。
23、’747climeworks公開中的工藝氣體主要在堆疊的入口和出口之間沿與薄片或?qū)訅杭裁娴姆较蛄鲃?。固體結(jié)構(gòu)吸附劑通常僅打開兩個平行側(cè)面，以便將工藝氣體流過結(jié)構(gòu)吸附劑床并提供進(jìn)入分離單元的機(jī)械組裝裝置?；蛘?，兩組兩個平行側(cè)面打開以流動，其中一種工藝氣體(例如吸附氣體流)從一側(cè)流向相對的平行側(cè)，另一種工藝氣體(例如蒸汽流)從另一個第三側(cè)流向平行的第四側(cè)。
24、根據(jù)’747climeworks公開的方法至少包括以下順序并按此順序重復(fù)步驟(a)-(e)：
25、(a)在吸附步驟中，使所述氣體混合物(以環(huán)境大氣的形式)與吸附劑材料接觸，以允許至少所述氣態(tài)二氧化碳在環(huán)境大氣壓力條件和環(huán)境大氣溫度條件下通過流過所述平行流體通道而吸附在吸附劑材料上；因此通常捕獲通過吸附器結(jié)構(gòu)的10％至75％的co2，
26、(b)將所述單元中吸附有二氧化碳的所述吸附劑與所述環(huán)境大氣的流通隔離，同時(shí)保持吸附劑中的溫度；
27、(c)通過流過所述平行流體通道(4)注入飽和或過熱蒸汽流，從而使吸附劑的溫度升高到60至110℃之間的溫度，任選地還引起反應(yīng)器單元內(nèi)部壓力的增加，并開始co2的解吸；
28、(d)從單元中至少提取解吸的氣態(tài)二氧化碳，并通過在單元中或單元下游進(jìn)行冷凝將氣態(tài)二氧化碳與蒸汽分離，同時(shí)仍通過將飽和或過熱蒸汽注入和/或(部分)循環(huán)到所述單元中使吸附劑材料與蒸汽接觸，從而從單元中沖刷和清除蒸汽和co2，通常蒸汽與二氧化碳的摩爾比在4:1和40:1之間，同時(shí)調(diào)節(jié)提取和/或蒸汽供應(yīng)以基本保持前一步驟(c)結(jié)束時(shí)吸附劑中的溫度和/或基本保持前一步驟(c)結(jié)束時(shí)吸附劑中的壓力；
29、(e)將吸附劑材料置于環(huán)境大氣溫度條件下。
30、’747climeworks公開中單元下游的蒸汽在步驟d)中被冷凝或循環(huán)，或者僅單元下游的一部分蒸汽被循環(huán)，其余部分被冷凝。步驟(d)中的摩爾蒸汽/co2比率的控制可以不費(fèi)吹灰之力，并且基于通過單元中和/或單元上游或下游的相應(yīng)傳感器對該比率的監(jiān)測，通過引入單元的蒸汽的相應(yīng)流入量和壓力水平/溫度水平以及單元的泵和閥門操作來調(diào)整。該比率還取決于吸附劑特性和局部蒸汽流量。給定范圍是指認(rèn)為解吸可行的條件。
31、根據(jù)’747climeworks公開，調(diào)節(jié)氣體(特別是co2)的流通量，以產(chǎn)生蒸汽分壓，從而在步驟(c)中達(dá)到目標(biāo)溫度和/或壓力。在步驟(c)期間，蒸汽可以以通過相應(yīng)入口引入的新鮮蒸汽的形式注入，但是，如果需要，蒸汽也可以至少部分或全部從蒸汽出口再循環(huán)，這種再循環(huán)涉及對再循環(huán)蒸汽的再加熱。如果發(fā)生這種蒸汽再循環(huán)，則至少在過程結(jié)束時(shí)，再循環(huán)蒸汽不是純蒸汽，而是還帶有解吸的二氧化碳。在所提出方法的變體中，調(diào)節(jié)旨在產(chǎn)生蒸汽分壓，從而在步驟(c)中達(dá)到目標(biāo)溫度和/或壓力，其中在步驟(c)中至少有部分蒸汽再循環(huán)，因此，當(dāng)在步驟(c)中注入co2和蒸汽的混合物時(shí)，優(yōu)選連續(xù)提取由入口氣體的成分定義的一定比例的氣體。相反，在僅供應(yīng)新鮮蒸汽的變體中，最好在步驟(c)中不提取co2，直到滿足繼續(xù)進(jìn)行步驟(d)的條件。因此，在上述步驟(c)中，沒有或基本沒有從單元中提取解吸的氣態(tài)二氧化碳，而對于僅使用新鮮蒸汽的情況，僅注入所述飽和或過熱蒸汽流，而如果在步驟(c)中不僅使用新鮮蒸汽還使用再循環(huán)蒸汽或僅使用再循環(huán)蒸汽，則在步驟(c)期間可以并且最好至少部分提取二氧化碳。
32、’747climeworks公開中的方法條件受到控制，使得在此步驟(c)中，通過注入飽和或過熱蒸汽流，反應(yīng)器的內(nèi)部壓力增加。壓力的增加例如是由于反應(yīng)器中的蒸汽膨脹，并且通常通過調(diào)整單元的閥門和泵操作和/或注入單元的飽和或過熱蒸汽流的壓力和/或溫度水平來控制壓力增加，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。對于典型的方法，壓力從步驟(b)中給出的水平增加到此步驟(d)中的200mbar至1500mbar范圍內(nèi)的值。
33、在步驟(a)中，根據(jù)第一特征，氣體混合物通過吸附器結(jié)構(gòu)的流速在2-9m/s或2-8m/s的范圍內(nèi)，并且至少在步驟(d)中，蒸汽通過吸附器結(jié)構(gòu)的流速至少為0.2m/s，優(yōu)選在0.3-1.0m/s的范圍內(nèi)(如果流動平面與吸附期間的空氣平面相同)，或者如果流動與吸附期間的氣流大致正交，則為1-6m/s。流速定義為吸附器結(jié)構(gòu)的各個單獨(dú)的吸收器元件之間的槽(流體通道)中相應(yīng)介質(zhì)的平均速度。
34、在’747climeworks公開的上下文中，表述“環(huán)境大氣壓力”和“環(huán)境大氣溫度”是指在室外操作的裝置所承受的壓力和溫度條件，即，通常環(huán)境大氣壓力代表0.8至1.1巴(絕對值)范圍內(nèi)的壓力，通常環(huán)境大氣溫度是指-40至60℃范圍內(nèi)的溫度，更典型地為-30至45℃。用作工藝輸入的氣體混合物是環(huán)境大氣，即處于環(huán)境大氣壓力和環(huán)境大氣溫度下的空氣，這通常意味著co2濃度在0.03-0.06體積％的范圍內(nèi)。然而，具有較低或較高co2濃度的空氣也可用作工藝輸入，例如濃度為0.1-0.5體積％，因此一般來說，輸入氣體混合物的輸入co2濃度優(yōu)選在0.01-0.5體積％的范圍內(nèi)。
35、根據(jù)’747climeworks公開的優(yōu)選實(shí)施方式，在步驟(a)中，氣體混合物通過吸附器結(jié)構(gòu)的流速在1-6m/s的范圍內(nèi)。
36、根據(jù)’747climeworks公開的又一優(yōu)選實(shí)施方式，至少在步驟(d)中，通過吸附器結(jié)構(gòu)的蒸汽流速在0.3-6m/s的范圍內(nèi)。
37、如果步驟(a)中的氣體混合物的流動和步驟(d)中的蒸汽的流動基本上沿著相同的流動路徑，則至少在步驟(d)中，通過吸附器結(jié)構(gòu)的蒸汽流速可以在0.3-1.0m/s的范圍內(nèi)。
38、如果步驟(a)中的氣體混合物的流動和步驟(d)中的蒸汽的流動沿著不同的流動路徑流動，更優(yōu)選的是，如果步驟(d)中的蒸汽流動與步驟(a)中的氣體混合物的流動基本正交，則至少在步驟(d)中，通過吸附器結(jié)構(gòu)的蒸汽流速可以在1-6m/s的范圍內(nèi)。
39、’747climeworks公開中的方法的替代性第二或其他特征不是蒸汽和氣體混合物的流速，而是相應(yīng)流動的比流速。
40、基于計(jì)算的流速條件可以總結(jié)如下：
41、
42、因此，在步驟(a)中，氣體混合物通過吸附器結(jié)構(gòu)的比流速，作為吸附劑質(zhì)量的函數(shù)，可以調(diào)整為在20-10,000m3/h/kg的范圍內(nèi)，優(yōu)選在30-9,000或100-7,000m3/h/kg的范圍內(nèi)。這些值通常應(yīng)理解為氣體混合物在步驟(a)的時(shí)間跨度內(nèi)的比流速的平均值。
43、在步驟(a)中，氣體混合物通過吸附器結(jié)構(gòu)的比流速，作為吸附劑體積的函數(shù)，可以調(diào)整為在4,000-500,000m3/h/m3的范圍內(nèi)，優(yōu)選在5,000-450,000或10,000-300,000m3/h/m3的范圍內(nèi)。
44、至少在步驟(d)中，蒸汽通過吸附器結(jié)構(gòu)的比流速，作為吸附劑質(zhì)量的函數(shù)，可以調(diào)整為在1-500kg/h/kg的范圍內(nèi)，優(yōu)選在2-300或50-250kg/h/kg的范圍內(nèi)。此外，這些值通常應(yīng)理解為蒸汽混合物在相應(yīng)步驟的時(shí)間跨度內(nèi)的比流速的平均值。
45、至少在步驟(d)中，蒸汽通過吸附器結(jié)構(gòu)的比流速，作為吸附劑體積的函數(shù)，可以調(diào)整為在200-15,000kg/h/m3的范圍內(nèi)，優(yōu)選在300-14,000或500-10,000kg/h/m3的范圍內(nèi)。
46、尤其是對于’747climeworks公開中的dac捕獲方法，二氧化碳捕獲分?jǐn)?shù)(定義為吸附劑材料在吸附步驟中從氣體混合物中捕獲的二氧化碳的百分比)可以在10-75％的范圍內(nèi)，優(yōu)選在30-60％的范圍內(nèi)。作為替代或者附加方式，對于吸附時(shí)間跨度為至少5分鐘或至少10分鐘，吸附劑上每克吸附劑捕獲的二氧化碳量可以為至少0.1mmol/g或在0.1-1.8mmol/g的范圍內(nèi)?；蛘撸涮卣髟谟?，每克吸附劑每小時(shí)在吸附劑上捕獲的二氧化碳的標(biāo)準(zhǔn)化量可以在0.5-10mmol/g/h的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在1-6mmol/g/h的范圍內(nèi)。
47、’747climeworks公開中的載體層任選地可以包括金屬、聚合物、碳、碳分子篩和石墨烯材料中的至少一種。第一吸附劑層可以包括第一吸附劑材料，第二吸附劑層可以包括第二吸附劑材料，其中第一和第二吸附劑材料可以具有不同的材料或化學(xué)組成和/或物理特性。
48、在’747climeworks公開的優(yōu)選實(shí)施方式中，吸附器結(jié)構(gòu)包括多個單獨(dú)吸附器元件的陣列，每個元件包括至少一個包含用于co2捕獲的選擇性多孔/可滲透固體吸附劑的層，其中陣列中的吸附器元件基本上彼此平行排列并且彼此基本上均勻地間隔開，形成基本上平行的流體通道，用于氣體混合物和/或蒸汽的流過?？梢酝ㄟ^插入附接到吸附器元件的間隔元件來保留片材之間的開放空間。
49、在本公開中，間隔元件包括吸附劑材料，該吸附劑材料配置為促進(jìn)通過間隔元件的吸附和解吸。間隔元件增大了吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量的比率。有利的是，本文公開的間隔元件提供了額外的吸附劑材料體積或質(zhì)量，以增大吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量之比，從而改善整個裝置的吸附和解吸性能。此外，在一些示例中，可在間隔元件周圍設(shè)置包含微孔材料的保護(hù)層，以保護(hù)間隔元件免受周圍或外部元件的影響。
50、在’747climeworks公開的替代實(shí)施方式中，該概念可以包括具有第一吸附劑層和第二吸附劑層的吸附器元件，其中第一吸附劑層和第二吸附劑層并列設(shè)置。
51、在’747climeworks公開的另一個優(yōu)選實(shí)施方式中，上述吸附器元件被布置成平行通道接觸器，該接觸器包括如前所述的多個吸附器元件。多個元件形成平行流體通道，其中每個通道至少部分地由一個吸附器元件的第一吸附劑層界定，并且至少部分地由相鄰吸附器元件的第二吸附劑層界定。
52、優(yōu)選地，在’747climeworks公開中，吸附器元件之間的間距(吸附器元件之間的流體通道的高度)在0.2-5mm的范圍內(nèi)，進(jìn)一步優(yōu)選地在0.4-3mm的范圍內(nèi)。
53、在本公開中，吸附器元件之間的間距使用間隔元件來保持，間隔元件包括吸附劑材料，所述吸附劑材料配置為促進(jìn)通過間隔元件的吸附和解吸。間隔元件增大了吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量的比率。有利的是，本文公開的間隔元件提供了額外的吸附劑材料體積或質(zhì)量，以增加吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量之比，從而改善整個裝置的吸附和解吸性能。此外，在一些示例中，可在間隔元件周圍設(shè)置包含微孔材料的保護(hù)層，以保護(hù)間隔元件免受周圍或外部元件的影響。
54、在’747climeworks公開中，進(jìn)一步優(yōu)選地，每個吸附器元件具有平面的形式，其厚度(垂直于平面)在0.1-1mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在0.2-0.5mm的范圍內(nèi)。
55、在本公開內(nèi)容中，0.2-0.5mm的平面被至少一個包含疏水性微孔材料的保護(hù)層包圍，并且可以包括通過吸附器元件平面形成的管腔，例如，使得管腔與吸附器元件平面的表面平行定位。有利地，疏水性保護(hù)層控制液態(tài)水通過吸附器元件平面的吸附劑材料的進(jìn)入，例如，通過最大程度減少和/或防止液態(tài)水進(jìn)入其中。當(dāng)使用蒸汽或熱液體(或任何其他類型的液態(tài)傳熱流體)作為解吸介質(zhì)時(shí)，這尤其有益。在這方面，管腔增加了解吸介質(zhì)(和熱量)與吸附器元件平面的接近度，以促進(jìn)更主動的吸附/解吸過程。
56、’747climeworks公開中的吸附器結(jié)構(gòu)的上述實(shí)施方式嵌入在氣體分離過程中，以從多組分氣流中去除至少一種第一組分，更具體地說，在吸附/解吸過程中，用于從環(huán)境空氣中去除和捕獲高純度的co2，可能還有第二組分，即氣態(tài)水。所提出的方法至少包括以下順序的、按此順序重復(fù)的步驟，這些步驟發(fā)生在反應(yīng)器單元內(nèi)的吸附器結(jié)構(gòu)中：
57、(a)吸附：通過將多組分流體從吸附器結(jié)構(gòu)的入口側(cè)推向吸附器結(jié)構(gòu)的出口側(cè)，使所述多組分氣體混合物與多個吸附劑層在由多個吸附器元件形成的平行流體結(jié)構(gòu)邊界處接觸-以允許至少所述第一組分(優(yōu)選氣態(tài)二氧化碳)，但也可能允許第二組分(可能是氣態(tài)水)在吸附步驟中在環(huán)境大氣壓力條件和環(huán)境大氣溫度條件下吸附在限制平行通道的吸附劑層的吸附劑材料上。
58、’747climeworks公開的這一步驟是流通吸附步驟，通常在具有兩個門的單元中進(jìn)行，這兩個門位于單元的相反兩端，對于這一工藝步驟，兩個門均處于打開狀態(tài)，這樣風(fēng)扇或通風(fēng)裝置可引導(dǎo)多組分氣流流過平行通道，其中吸附器結(jié)構(gòu)上的壓降通常在200pa和1200pa之間，更優(yōu)選在200pa和750pa之間或200pa和600pa之間，平行流體通道內(nèi)的平均流體速度在2m/s和9m/s之間，更優(yōu)選在4m/s和6或7m/s之間，持續(xù)時(shí)間為5分鐘至40分鐘，優(yōu)選為10分鐘至20分鐘。在實(shí)施方式中，這一步驟稱為步驟(1)。
59、(b)隔離：將所述單元中吸附有組分(優(yōu)選二氧化碳)的所述吸附器結(jié)構(gòu)與所述流通物隔離，同時(shí)保持吸附劑中的溫度，然后任選地將所述單元抽真空至20-200毫巴(絕對值)或700-1000毫巴(絕對值)范圍內(nèi)的壓力。如果在如上一段所述的單元中進(jìn)行，則這意味著在此步驟(b)中，在第一個子步驟(在實(shí)施方式中稱為步驟(2))中首先關(guān)閉兩個門，然后在第二個(任選的)子步驟中施加真空(在實(shí)施方式中稱為步驟(3))。在圖11所示的實(shí)施方式中，未施加真空-因此無法施加抽真空，吸附器結(jié)構(gòu)可以保持在步驟(a)的基本環(huán)境大氣壓下或與其相差±100毫巴的范圍內(nèi)。
60、(c)加熱：注入飽和或過熱蒸汽流，從而引起反應(yīng)器單元內(nèi)部壓力的增加(僅適用于在步驟(b)中施加真空之前的情況)，并且在任何情況下吸附器結(jié)構(gòu)的溫度從正常的環(huán)境大氣溫度升高到60至110℃之間的溫度，開始co2的解吸。注入的蒸汽流應(yīng)足以使吸附器結(jié)構(gòu)在0.5分鐘至15分鐘內(nèi)、優(yōu)選在0.5分鐘至10分鐘內(nèi)達(dá)到所需溫度。在實(shí)施方式中，這一步驟稱為步驟(5)。
61、關(guān)于’747climeworks公開的此步驟(c)的重要之處在于，吸附器結(jié)構(gòu)的加熱僅通過與該飽和或過熱蒸汽流接觸進(jìn)行，沒有額外的熱量輸入，例如通過內(nèi)部或外部熱交換元件等。因此，蒸汽與吸附器結(jié)構(gòu)的接觸同時(shí)導(dǎo)致加熱以及解吸過程的開始。在此步驟(c)期間，蒸汽可以以通過相應(yīng)入口引入的新鮮蒸汽的形式注入，但是，如果需要，蒸汽也可以從蒸汽出口再循環(huán)，這種再循環(huán)涉及對再循環(huán)蒸汽的再加熱。如果發(fā)生這種蒸汽再循環(huán)，則至少在過程結(jié)束時(shí)，再循環(huán)蒸汽不是純蒸汽，而是還帶有解吸的二氧化碳。
62、(d)提取：從單元中至少提取解吸的氣態(tài)二氧化碳，并通過在單元內(nèi)或下游冷凝將氣態(tài)二氧化碳與蒸汽分離。注入的蒸汽流量應(yīng)足以在0.5分鐘至15分鐘內(nèi)、優(yōu)選在0.5分鐘至10分鐘內(nèi)提取經(jīng)濟(jì)上可行量的co2。在實(shí)施方式中，這一步驟稱為步驟(6)。
63、在此步驟(d)期間，優(yōu)選將飽和或過熱蒸汽注入所述單元或如上所述循環(huán)通過單元，從而沖刷和清除單元中的蒸汽和co2。
64、步驟(d)通常發(fā)生在蒸汽與二氧化碳的摩爾比介于4:1和40:1之間(優(yōu)選計(jì)算為整個步驟的累積值，因此取步驟期間的總蒸汽和總co2)，并通過調(diào)節(jié)提取和/或蒸汽供應(yīng)來控制，以基本保持前一步驟(c)結(jié)束時(shí)吸附劑中的溫度。
65、通常，在該步驟(d)中，單元中的溫度維持在與前述步驟(c)結(jié)束時(shí)吸附劑的溫度相差±20℃的范圍內(nèi)，優(yōu)選相差在±10℃或±5℃的范圍內(nèi)。
66、作為替代或附加方式，可以控制步驟(d)中的方法，使得在前一步驟(c)結(jié)束時(shí)單元中的壓力基本保持，這意味著單元中的壓力保持在與前一步驟(c)結(jié)束時(shí)單元中的壓力相差±0.2巴的范圍內(nèi)，優(yōu)選相差在±0.1巴的范圍內(nèi)。(e)將吸附器結(jié)構(gòu)置于環(huán)境大氣壓力條件和環(huán)境大氣溫度條件下，優(yōu)選通過在第一子步驟(在實(shí)施方式中稱為步驟(8))中打開吸附器結(jié)構(gòu)的門，并通過在第二子步驟(在實(shí)施方式中稱為步驟(9))中用環(huán)境空氣形式的所述氣體混合物沖刷。
67、根據(jù)’747climeworks公開的優(yōu)選實(shí)施方式，在步驟(d)之后和步驟(e)之前，進(jìn)行以下步驟：
68、(d1)停止注入蒸汽，并且如果采用蒸汽循環(huán)的話，停止蒸汽循環(huán)，并將單元抽真空至單元內(nèi)的壓力值在20–500毫巴(絕對值)之間，優(yōu)選在50-250毫巴(絕對值)范圍內(nèi)，從而使吸附劑中的水蒸發(fā)，并使吸附劑干燥和冷卻。在實(shí)施方式中，這一步驟稱為步驟(7)。
69、該步驟(d1)是優(yōu)選步驟，因?yàn)樗馔獾卦试S在一個步驟中結(jié)合兩種效果：蒸汽處理后，吸附劑需要再次冷卻至環(huán)境條件，但更重要的是，它還需要干燥。該步驟允許在一個處理步驟中結(jié)合這兩個特征，這使得該過程更快、更經(jīng)濟(jì)。已經(jīng)證明，充分干燥對于此類過程的成功運(yùn)行非常重要，這些過程依賴于由短擴(kuò)散長度引起的快速動力學(xué)。
70、在步驟(b)之后和步驟(c)之前，可以進(jìn)行以下步驟：(b1)用非冷凝性蒸汽流沖刷非冷凝性氣體單元，同時(shí)基本保持步驟(b)的壓力，優(yōu)選將步驟(b)的壓力保持在相差±50毫巴的范圍內(nèi)，優(yōu)選保持在相差±20毫巴的范圍內(nèi)和/或?qū)囟缺３衷诘陀?5℃或70℃或低于60℃，優(yōu)選低于50℃。
71、在’747climeworks公開的步驟b1的另一個實(shí)施方式中，吸附器結(jié)構(gòu)的溫度從步驟(a)的條件升至80-110℃，優(yōu)選在95-105℃的范圍內(nèi)。
72、在一些實(shí)施方式中，’747climeworks公開的這個步驟稱為步驟(4)。
73、在步驟(b1)中，優(yōu)選可以用飽和蒸汽或過熱最多20℃的蒸汽沖刷所述單元，比例為每升吸附劑結(jié)構(gòu)體積0.3-13.3kg/h或1kg/h至10kg/h蒸汽，同時(shí)保持步驟(b1)的壓力，以清除反應(yīng)器中剩余的環(huán)境空氣。去除這部分環(huán)境空氣的目的是提高捕獲的co2的純度。
74、在步驟(c)中，蒸汽可以以通過所述單元的相應(yīng)入口引入的蒸汽形式注入，并且蒸汽可以從所述單元的出口再循環(huán)到所述入口，優(yōu)選涉及對再循環(huán)的蒸汽進(jìn)行再加熱，或者通過對來自不同反應(yīng)器的蒸汽進(jìn)行再利用。
75、在步驟(c)中，進(jìn)一步優(yōu)選吸附劑可以加熱到80-110℃或80-100℃范圍內(nèi)的溫度，優(yōu)選加熱到85-98℃范圍內(nèi)的溫度。
76、根據(jù)’747climeworks公開的另一個優(yōu)選實(shí)施方式，在步驟(c)中，單元中的壓力在700-950毫巴(絕對值)范圍內(nèi)，優(yōu)選在750-900毫巴(絕對值)范圍內(nèi)。
77、根據(jù)’747climeworks公開的又一優(yōu)選實(shí)施方式，在步驟(c)中，單元的壓力與步驟(b)的壓力之間的差異小于+/-100毫巴，更優(yōu)選小于+/-50毫巴。如果蒸汽以特別高的速度通過吸附器結(jié)構(gòu)和其中包含的吸附劑層(通常同時(shí)保持體積流量與常規(guī)工藝相同)，則出乎意料地，特別有效地釋放和取出二氧化碳是可能的。這種高速蒸汽吹掃可以非常有效地實(shí)施，因?yàn)椴襟E(c)和/或(d)中的蒸汽在步驟(a)中的吸附過程中采用與平行通道內(nèi)的空氣流動不同的路徑，以便在解吸過程中增加吸附器結(jié)構(gòu)的平行通道中的局部蒸汽速度。優(yōu)選地并且非常有效地，在步驟(a)期間吸附的總流路和在步驟(c)和/或(d)中的蒸汽注入期間的總流路可以選擇為基本正交。與此一致，根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施方式，在步驟(c)和/或步驟(d)中，吸附器結(jié)構(gòu)中的蒸汽的流速高于0.1m/s，優(yōu)選在吸附流動方向上的流動速度在0.3-1m/s范圍內(nèi)，更優(yōu)選在垂直于吸附流動方向的流動方向上的流動速度在1-6m/s范圍內(nèi)。
78、如上文’747climeworks公開中指出的，此處氣體混合物的流通通常應(yīng)理解為沿平行流體通道流動并與吸附劑層平行，以允許二氧化碳吸附在所述吸附劑層上。通常，吸附劑結(jié)構(gòu)提供流通槽的堆疊，其邊界表面由吸附劑材料層提供。在步驟(a)中的吸附期間，環(huán)境空氣沿第一方向流過這些槽。在步驟(c)和/或(d)期間，流動方向可以與步驟(a)期間相同，但優(yōu)選地，它可以以相反方向通過流通槽流動，或者它可以以與步驟(a)中的吸附期間的流通方向成直角的方向流動。對于步驟(a)中吸附劑層之間的流通槽橫向由側(cè)壁包圍，而流通槽的入口側(cè)和出口側(cè)在步驟(a)中的吸附過程中打開的情況，后者可以通過在相對的側(cè)壁上提供開口用于蒸汽的進(jìn)入和相應(yīng)的離開，同時(shí)在步驟(a)中的吸附過程中關(guān)閉入口側(cè)和開放出口側(cè)來實(shí)現(xiàn)。因此，在實(shí)踐中，可以通過使用具有殼體結(jié)構(gòu)的單元來實(shí)現(xiàn)吸附和蒸汽注入的不同路徑，該單元沿第一方向具有較短的流通長度，該方向是吸附流通方向，并且沿第二方向(最好是正交方向)具有較長的流通長度，該方向是蒸汽的解吸流通方向。這尤其可以確保蒸汽在通過單元時(shí)盡可能多地接觸吸附劑。為此，該單元可在吸附流通方向的兩個相對端具有大開口，在吸附期間該大開口打開，在解吸期間該大開口關(guān)閉，并且在用于解吸的單元的相對圓周側(cè)壁上具有較小的開口，在吸附期間該小開口關(guān)閉，在解吸期間該小開口打開，以便使蒸汽沿與吸附期間方向正交的方向通過進(jìn)行解吸。
79、如上文’747climeworks公開所指出的，所述單元優(yōu)選能夠維持400毫巴(絕對值)或更低的真空壓力，并且步驟(b)優(yōu)選包括將所述單元中吸附有二氧化碳的所述吸附劑與所述流通物隔離，同時(shí)維持吸附劑中的溫度，然后將所述單元抽真空至20-400毫巴(絕對值)范圍內(nèi)的壓力，并且其中步驟(e)包括使吸附劑材料處于環(huán)境大氣壓力條件和環(huán)境大氣溫度條件下，并且其中優(yōu)選在步驟(d)之后和步驟(e)之前進(jìn)行以下步驟。
80、根據(jù)’747climeworks公開的又一優(yōu)選實(shí)施方式，步驟(d1)涉及停止蒸汽注入和循環(huán)(如果使用蒸汽循環(huán)的話)，并將單元抽真空至單元內(nèi)20–500毫巴(絕對值)之間的壓力值，優(yōu)選在50-250毫巴(絕對值)范圍內(nèi)，從而使吸附劑中的水蒸發(fā)，并使吸附劑干燥和冷卻。
81、步驟(c)可以僅僅通過在環(huán)境大氣壓力條件和環(huán)境大氣溫度條件下使所述氣體混合物與吸附劑材料接觸以蒸發(fā)和帶走單元中的水并使吸附劑材料達(dá)到環(huán)境大氣溫度條件來進(jìn)行。
82、優(yōu)選地，在’747climeworks公開中，步驟(a)中的所述氣體混合物基本沿第一方向流過所述平行流體通道，其中步驟(c)和(d)中的至少一個或兩個步驟中的所述蒸汽基本沿相同的第一方向或基本與所述第一方向相反的方向流動。
83、或者，在’747climeworks公開中，步驟(a)中的所述氣體混合物基本上沿第一方向流過所述平行流體通道，并且其中步驟(c)和(d)中的至少一個或兩個步驟中的所述蒸汽基本上沿與所述第一方向正交的方向流過所述平行流體通道。
84、此外，’747climeworks公開涉及一種裝置，該裝置用于如上所述進(jìn)行通過循環(huán)吸附/解吸使用吸附劑材料吸附所述氣態(tài)二氧化碳從環(huán)境空氣形式的氣體混合物中分離氣態(tài)二氧化碳的方法，所述氣體混合物包含所述氣態(tài)二氧化碳以及不同于氣態(tài)二氧化碳的其他氣體。
85、’747climeworks公開中的所述裝置包括：蒸汽源；至少一個包含帶有所述吸附劑材料的吸附器結(jié)構(gòu)的單元，所述吸附器結(jié)構(gòu)可加熱到至少60℃的溫度以解吸至少所述氣態(tài)二氧化碳，并且該單元可打開以使氣體混合物流過并使其與吸附劑材料接觸以進(jìn)行吸附步驟，其中吸附器結(jié)構(gòu)如上所述，即優(yōu)選包括多個單獨(dú)的吸附器元件的陣列，每個吸附器元件包括多孔支撐層并且附接或集成至少一個吸附劑層，所述吸附劑層包含至少一種吸附劑材料或由至少一種吸附劑材料組成，或者包括中心載體層，并且在中心載體層的兩側(cè)包括至少一個吸附劑層，該吸附劑層包含至少一種吸附劑材料或由至少一種吸附劑材料組成，其中陣列中的吸附器元件基本上彼此平行排列并且彼此間隔開，形成用于氣體混合物和/或蒸汽流過的平行流體通道；至少一個用于將二氧化碳與水分離的裝置，優(yōu)選為冷凝器。
86、在本公開內(nèi)容中，除了包含至少一種吸附劑材料的至少一個吸附劑層之外，還提供至少一個保護(hù)層，該保護(hù)層包含設(shè)置在多孔支撐層和吸附劑層周圍的微孔材料。保護(hù)層可以具有比吸附劑材料更高的疏水性。有利的是，疏水性保護(hù)層控制液態(tài)水通過吸附劑材料的進(jìn)入，例如，通過最大程度減少和/或防止液態(tài)水進(jìn)入其中。當(dāng)蒸汽用作解吸介質(zhì)時(shí)，這尤其有益。
87、更具體地說，’747climeworks公開還獨(dú)立于上述方法涉及一種用于吸附和解吸吸附劑的裝置，該吸附劑用于循環(huán)吸附-解吸以直接從環(huán)境大氣中捕獲二氧化碳co2，以及這種方法和用于這種方法的裝置的用途。
88、雖然dac工藝的大部分經(jīng)驗(yàn)源自煙氣捕獲，但根本區(qū)別在于co2的來源，這從根本上決定了這兩項(xiàng)任務(wù)的解決方案的巨大差異。與煙氣相比，環(huán)境大氣中co2的濃度較低，這意味著必須移動大量空氣才能捕獲大量的co2。因此，如果移動所述空氣的能量要求不是過高，則需要低壓降吸附器結(jié)構(gòu)。同時(shí)，與煙氣捕獲不同，不需要確保系統(tǒng)在捕獲分?jǐn)?shù)為80％或更高時(shí)幾乎完全捕獲co2。捕獲分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于70％的空氣捕獲是可行的，這為青睞具有低壓降和快速加載的結(jié)構(gòu)提供了另一個動機(jī)。
89、這種吸附器結(jié)構(gòu)上的壓降可以通過以下公式估算:
90、
91、其中：
92、·δp是跨結(jié)構(gòu)的壓降，單位為帕斯卡[pa]
93、·l為吸附時(shí)氣體流經(jīng)的平行通道的長度(元件長度)，單位為厘米[cm]
94、·k表面是通過實(shí)驗(yàn)確定的粗糙度因子，通常在1到10的范圍內(nèi)
95、·u入口是吸附器結(jié)構(gòu)入口平面上的速度(還不是平行通道中的速度)，單位為米/秒[m/s]
96、·b間隔是確定平行流體通道寬度(間隔寬度)的間隔高度，單位為毫米[mm]。
97、基于下文進(jìn)一步詳述的計(jì)算，可以建立函數(shù)關(guān)系，從而允許對吸附器結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，所述吸附器結(jié)構(gòu)包括單個吸附器元件的陣列，以片材或?qū)訅杭男问?每個吸附器元件包括至少一層，所述層包含用于co2捕獲的選擇性多孔或可滲透固體吸附劑，其中陣列中的吸附器元件基本彼此平行排列，并且基本彼此均勻間隔，形成基本平行的流體通道，用于氣體混合物和/或蒸汽的流過。
98、相應(yīng)地，’747climeworks公開提出了一種裝置，所述裝置用于通過使用吸附所述氣態(tài)二氧化碳的吸附劑材料通過循環(huán)吸附/解吸從環(huán)境大氣形式的氣體混合物中分離氣態(tài)二氧化碳，所述氣體混合物包含所述氣態(tài)二氧化碳以及不同于氣態(tài)二氧化碳的其他氣體。優(yōu)選地，該裝置可用于如上所述的方法中。
99、該裝置包括：蒸汽源；至少一個單元，其包含具有所述吸附劑材料的吸附器結(jié)構(gòu)，所述吸附器結(jié)構(gòu)適合并適于維持至少60℃的溫度以解吸至少所述氣態(tài)二氧化碳，并且所述單元可打開以使氣體混合物流過并使其與吸附劑材料接觸以進(jìn)行吸附步驟。
100、吸附器結(jié)構(gòu)包括層形式的多個單獨(dú)吸附器元件的陣列，每個吸附器元件包括至少一個吸附劑層，其中陣列中的吸附器元件基本彼此平行排列并且基本彼此等距間隔開，形成用于環(huán)境大氣和/或蒸汽流過的平行流體通道，并且其中單個吸附器元件在吸附步驟(a)中沿環(huán)境大氣的流過方向具有元件長度l，其中單個吸附器元件在正交于所述流過方向的方向上具有元件厚度b元件，并且其中吸附器元件之間的間距具有間距寬度b間隔；至少一個用于從水中分離二氧化碳的裝置。
101、根據(jù)’747climeworks公開的第一個特征方面，間隔寬度b間隔(吸附器元件之間的流體通道的高度)在0.4-5mm范圍內(nèi)，其中元件長度l在100-3000mm范圍內(nèi)。
102、根據(jù)’747climeworks公開，片材之間的開放空間優(yōu)選通過插入附接到吸附劑片材的間隔元件來保留。
103、在本公開中，間隔元件包括吸附劑材料，該吸附劑材料配置為促進(jìn)通過間隔元件的吸附和解吸。間隔元件增加了吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量的比率。有利的是，除了保持片材之間的開放空間之外，本文公開的間隔元件提供了額外的吸附劑材料體積或質(zhì)量，以增加吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量之比，從而改善整個裝置的吸附和解吸性能。此外，在一些示例中，可在間隔元件周圍設(shè)置包含微孔材料的保護(hù)層，以保護(hù)間隔元件免受周圍或外部元件的影響。
104、通常，在吸附器結(jié)構(gòu)中，單獨(dú)但基本相同的吸附器元件形成規(guī)則排列的堆疊，吸附器元件沿堆疊高度基本一致地排列，其中相鄰吸附器元件之間的距離在整個堆疊上基本相同。
105、根據(jù)’747climeworks公開，吸附器結(jié)構(gòu)包括多個單獨(dú)吸附器元件的陣列。每個吸附器元件都是多孔支撐層或薄片和至少一個吸附劑層的復(fù)合物，吸附劑層附接在所述多孔支撐物上，使得可以從吸附器元件的兩側(cè)進(jìn)入。吸附劑層包含至少一種吸附劑材料或由至少一種吸附劑材料組成，在存在水分的情況下，可選擇性地吸附co2而不是空氣中的其他主要不凝性氣體。在’747climeworks公開的替代實(shí)施方式中，吸附器元件包括載體或支撐層，第一和第二吸附劑層附接在所述載體的兩側(cè)，每個吸附劑層由至少一種吸附劑材料組成，在存在水分或水蒸氣的情況下，可選擇性地吸附co2而不是空氣中的其他主要不凝性氣體。片材或?qū)訅杭O(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化，可最大程度提高活性吸附劑的比例(大于60％)，從而在固定co2捕獲能力下減少接觸器的總體積。
106、在本公開中，在支撐層和吸附劑層周圍設(shè)置至少一個包含微孔材料的保護(hù)層，并且保護(hù)層的疏水性高于吸附劑材料。在一些示例中，多孔支撐層和吸附劑層中的每一個都可以被保護(hù)層單獨(dú)覆蓋或包圍。在本公開的一些示例中，保護(hù)層可以設(shè)置在載體或支撐層以及第一和第二吸附劑層周圍。有利地，疏水性保護(hù)層控制液態(tài)水通過吸附劑層的吸附劑材料的進(jìn)入，例如，通過最大程度減小和/或防止液態(tài)水進(jìn)入其中。當(dāng)蒸汽用作解吸介質(zhì)時(shí)，這尤其有益。
107、在’747climeworks公開中，所述多個單獨(dú)吸附器元件采用片材或?qū)訅杭男问?每個吸附器元件包括至少一層，該層含有用于co2捕獲的選擇性多孔或可滲透固體吸附劑，其中陣列中的吸附器元件基本上彼此平行排列，并且基本上彼此均勻間隔，形成基本上平行的流體通道，用于氣體混合物和/或蒸汽的流過。片材之間的開放空間優(yōu)選通過插入附接到吸附劑片材的間隔元件來保留。
108、在本公開中，間隔元件包括吸附劑材料，該吸附劑材料配置為促進(jìn)通過間隔元件的吸附和解吸。間隔元件增加了吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量的比率。有利的是，除了保持片材之間的開放空間之外，本文公開的間隔元件提供了額外的吸附劑材料體積或質(zhì)量，以增加吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量之比，從而改善整個裝置的吸附和解吸性能。此外，在一些示例中，可在間隔元件周圍設(shè)置包含微孔材料的保護(hù)層，以保護(hù)間隔元件免受周圍或外部元件的影響。
109、根據(jù)’747climeworks公開，優(yōu)選吸附器結(jié)構(gòu)包括多個單獨(dú)吸附器元件的陣列，每個吸附器元件包括至少一個(優(yōu)選為多孔的)支撐層和至少一個附著或集成的(表面)吸附劑層。所述吸附劑材料優(yōu)選在存在水分或水蒸氣的情況下選擇性吸附co2而不是空氣中的其他主要不凝性氣體。
110、吸附器結(jié)構(gòu)可以采用載體層的形式，優(yōu)選為多孔載體層，并且在其兩側(cè)至少有一個吸附劑層。吸附器結(jié)構(gòu)也可以基于多孔載體層，其一側(cè)或兩側(cè)的表層部分經(jīng)過化學(xué)改性或涂覆，使其具有co2吸附性能。另外，吸附劑結(jié)構(gòu)可以由多孔載體層形成，該載體層也具有作為吸附劑的性能。
111、陣列中的吸附器元件基本上彼此平行排列，并且彼此間隔開，形成用于氣體混合物和/或蒸汽流過的平行流體通道。當(dāng)然，在這種堆疊形式的吸附器結(jié)構(gòu)中，最外層的吸附器元件也可能只具有載體層，而內(nèi)側(cè)具有至少一個吸附劑層。
112、間隔寬度優(yōu)選在0.4-5mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.4-3mm或0.5-3mm的范圍內(nèi)。
113、元件長度(l)優(yōu)選在100-3000mm的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在200-2000mm的范圍內(nèi)。
114、在簡化表示中，上述公式可以重新表述以將長度l表示為其他參數(shù)的函數(shù)，即如下：
115、
116、其中，這些值通常在以下范圍內(nèi)給出(使用以下示例中給出的單位將值插入到上述公式中)：
117、·δp:150-350pa(通常用于軸流風(fēng)扇)、500-700pa或500-750pa(通常用于徑向風(fēng)扇)、1000-1200pa(通常用于更高功率的徑向風(fēng)扇)；
118、·u入口通常在2-6m/s范圍內(nèi)；
119、·b元件，吸附器元件的元件厚度：0.1-0.5mm；
120、·b間隔：0.4-5mm，優(yōu)選0.4-3mm；
121、·k線性：線性粗糙度因子，通常在1.0-10范圍內(nèi)。
122、·基本上是平行通道內(nèi)的速度。
123、這可以使用總參數(shù)k總進(jìn)一步簡化。
124、因此，元件長度(l，單位為[mm])優(yōu)選作為間隔寬度(b間隔，單位為[mm])和元件厚度(b元件，單位為[mm]，定義為在垂直于平行流體通道平面的方向上測量的吸附器元件的厚度)的函數(shù)給出，公式如下：
125、
126、其中k總在70-2500mm-1范圍內(nèi)，優(yōu)選在200-1000mm-1范圍內(nèi)。這適用于如上文所述以及權(quán)利要求1中詳述的l和b元件的邊界，即根據(jù)該公式計(jì)算的l值必須在100-3000mm范圍內(nèi)，或在上述優(yōu)選范圍之一內(nèi)，但根據(jù)’747climeworks公開的第二個獨(dú)立特征，也可以獨(dú)立于這些邊界用于表征吸附器結(jié)構(gòu)的尺寸。
127、上述公式允許根據(jù)技術(shù)上可行的操作條件指定長度范圍，其中壓降可以通過風(fēng)扇或通風(fēng)機(jī)在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)。因此，該長度范圍在技術(shù)上可用于從環(huán)境空氣中捕獲co2。優(yōu)選地，特別是在具有軸流風(fēng)扇用于推動氣流通過吸附器結(jié)構(gòu)的裝置中，k總在70-1000mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在400-800mm-1的范圍內(nèi)。
128、在采用徑向風(fēng)扇推動氣流通過吸附器結(jié)構(gòu)的裝置中，k總優(yōu)選在200-2000mm-1的范圍內(nèi)，優(yōu)選在800-1500mm-1的范圍內(nèi)。在采用更高功率風(fēng)扇(例如多級軸向或徑向風(fēng)扇)推動氣流通過吸附器結(jié)構(gòu)的裝置中，k總通常在500-2500mm-1的范圍內(nèi)，優(yōu)選在1000-2000mm-1的范圍內(nèi)。
129、在上面的公式中，優(yōu)選地，b元件在0.1-1mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在0.1-0.5mm的范圍內(nèi)，和/或b間隔在0.4-5mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在0.5-3mm的范圍內(nèi)。
130、通常，’747climeworks公開中的吸附器元件包括中心且優(yōu)選地多孔的支撐層，以及在其兩側(cè)復(fù)合的至少一個吸附劑層。
131、在本公開中，在支撐層和吸附劑層周圍設(shè)置至少一個包含微孔材料的保護(hù)層，并且保護(hù)層的疏水性高于吸附劑層。有利地，疏水保護(hù)層控制液態(tài)水通過支撐層和吸附劑層兩側(cè)的吸附劑材料的進(jìn)入，例如，通過最大程度減小和/或防止液態(tài)水進(jìn)入其中。當(dāng)蒸汽用作解吸介質(zhì)時(shí)，這尤其有益。
132、’747climeworks公開中的吸附器結(jié)構(gòu)優(yōu)選包括多個單獨(dú)吸附器元件的陣列，每個吸附器元件優(yōu)選是多孔支撐層和至少一個多孔和/或可滲透吸附劑層的復(fù)合物，其中吸附劑層具有化學(xué)連接的二氧化碳捕獲部分，優(yōu)選以胺基的形式，其中多孔吸附劑層優(yōu)選以織造或非織造的纖維基結(jié)構(gòu)的形式。
133、優(yōu)選地，’747climeworks公開中的所述載體支撐層是基于金屬、聚合物、碳、碳分子篩和石墨烯材料中的至少一種。
134、’747climeworks公開的陣列中的吸附器元件可以基本上彼此平行排列，并由間隔元件彼此隔開，從而形成用于環(huán)境大氣和/或蒸汽流過的平行流體通道。
135、在本公開中，間隔元件包括吸附劑材料，該吸附劑材料配置為促進(jìn)通過間隔元件的吸附和解吸。間隔元件增加了吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量的比率。有利的是，除了保持陣列中吸附器元件的平行排列外，本文公開的間隔元件提供了額外的吸附劑材料體積或質(zhì)量，以增加吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量之比，從而改善整個裝置的吸附和解吸性能。此外，在一些示例中，可在間隔元件周圍設(shè)置包含微孔材料的保護(hù)層，以保護(hù)間隔元件免受周圍或外部元件的影響。
136、優(yōu)選地，在’747climeworks公開中，層之間的間距在0.2-5mm的范圍內(nèi)，進(jìn)一步優(yōu)選地在0.4-3mm的范圍內(nèi)，并且其中進(jìn)一步優(yōu)選地每個吸附器元件具有厚度在0.1-1mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在0.2-0.5mm的范圍內(nèi)的平面形式。
137、用于將二氧化碳與水分離的裝置可以是冷凝器。
138、在所述用于將二氧化碳與水分離的裝置(優(yōu)選地所述冷凝器)的氣體出口側(cè)，可以存在二氧化碳濃度傳感器和氣體流量傳感器中的至少一個，優(yōu)選地兩者都存在，以控制解吸過程。優(yōu)選地，該裝置適合并經(jīng)過調(diào)整，使得在吸附步驟(a)中，環(huán)境大氣通過吸附器結(jié)構(gòu)的流速在2-9m/s的范圍內(nèi)，如上文進(jìn)一步所述。就結(jié)構(gòu)特征而言，要做到這一點(diǎn)，需要使間隔寬度(吸附器元件之間的流體通道的高度)和元件長度在如上進(jìn)一步指定的范圍內(nèi)，并且提供用于環(huán)境大氣的推進(jìn)裝置，以獲得吸附器結(jié)構(gòu)中的該流速。
139、流速定義為吸附器結(jié)構(gòu)的各個獨(dú)立的吸收器元件之間的槽(流體通道)中相應(yīng)介質(zhì)的平均速度。作為替代或附加方式，在蒸汽流過步驟(d)中，蒸汽通過吸附器結(jié)構(gòu)的流速在至少0.2m/s的范圍內(nèi)是合適的和可調(diào)整的。同樣，就結(jié)構(gòu)特征而言，要做到這一點(diǎn)，需要使間隔寬度(吸附器元件之間的流體通道的高度)和元件長度在如上進(jìn)一步指定的范圍內(nèi)，并且提供用于蒸汽的推進(jìn)裝置，以獲得吸附器結(jié)構(gòu)中的該流速。
140、進(jìn)一步優(yōu)選地，所述裝置適合并經(jīng)調(diào)整，使得在吸附步驟(a)中，環(huán)境大氣通過吸附器結(jié)構(gòu)的流速在4-6m/s的范圍內(nèi)，或者適合并經(jīng)調(diào)整，使得在蒸汽流過步驟(d)中，蒸汽通過吸附器結(jié)構(gòu)的流速在0.3-6m/s的范圍內(nèi)。
141、根據(jù)’747climeworks公開的另一個優(yōu)選實(shí)施方式，該裝置包括用于引導(dǎo)蒸汽在蒸汽流過步驟(d)中沿著與吸附步驟(a)中環(huán)境大氣的流過方向不同的流動方向流動，優(yōu)選地沿著與吸附步驟(a)中環(huán)境大氣的流過方向正交的流動方向流動的裝置。
142、優(yōu)選地，至少在蒸汽流過步驟(d)中，如果步驟(a)中的環(huán)境大氣流和步驟(d)中的蒸汽流沿著不同的流路流動，更優(yōu)選地如果步驟(d)中的蒸汽流與步驟(a)中的環(huán)境大氣流基本正交，則蒸汽流過吸附器結(jié)構(gòu)的流速在1-6m/s的范圍內(nèi)。
143、此外，’747climeworks公開涉及使用如上所述的裝置進(jìn)行直接空氣捕獲。
144、該方法中使用的吸附器結(jié)構(gòu)包括排列成陣列的多個吸附器元件，每個吸附器元件包括至少一個吸附劑層，在存在水分或水蒸氣的情況下，選擇性地吸附co2而不是空氣中的其他主要不凝性氣體。片材或?qū)訅杭O(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化，可最大程度提高活性吸附劑的比例(大于60％或大于75％)，從而在固定co2捕獲能力下減少接觸器的總體積。
145、此外，優(yōu)選地，在’747climeworks公開中，吸附器結(jié)構(gòu)包括間隔元件，以在整個結(jié)構(gòu)中保持開放的平行通道，同時(shí)最大限度地減少通過接觸器的流動阻力。
146、在本公開中，間隔元件包括吸附劑材料，該吸附劑材料配置為促進(jìn)通過間隔元件的吸附和解吸。間隔元件增加了吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量的比率。有利的是，除了在整個結(jié)構(gòu)中保持開放的平行通道同時(shí)盡可能減少通過接觸器的流動阻力外，本文公開的間隔元件提供了額外的吸附劑材料體積或質(zhì)量，以增加吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量之比，從而改善整個裝置的吸附和解吸性能。此外，在一些示例中，可在間隔元件周圍設(shè)置包含微孔材料的保護(hù)層，以保護(hù)間隔元件免受周圍或外部元件的影響。
147、吸附器結(jié)構(gòu)還設(shè)計(jì)成在周期性注入和暴露于蒸汽期間，以機(jī)械和化學(xué)方式承受吸附水負(fù)載的大幅波動。根據(jù)’747climeworks公開，吸附器結(jié)構(gòu)包括多個單獨(dú)吸附器元件的陣列，這些元件呈片材或?qū)訅杭男问?每個吸附器元件包括至少一層，該層包含用于co2捕獲的選擇性多孔或可滲透固體吸附劑，其中陣列中的吸附器元件彼此基本平行排列，并且基本均勻地相互間隔開，形成基本平行的流體通道，用于氣體混合物和/或蒸汽的流過。片材之間的開放空間優(yōu)選通過插入附接到吸附劑片材的間隔元件來保留。
148、在本公開中，間隔元件包括吸附劑材料，該吸附劑材料配置為促進(jìn)通過間隔元件的吸附和解吸。間隔元件增加了吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量的比率。有利的是，除了保持片材之間的開放空間之外，本文公開的間隔元件提供了額外的吸附劑材料體積或質(zhì)量，以增加吸附器元件的吸附劑質(zhì)量與吸附器元件的總質(zhì)量之比，從而改善整個裝置的吸附和解吸性能。此外，在一些示例中，可在間隔元件周圍設(shè)置包含微孔材料的保護(hù)層，以保護(hù)間隔元件免受周圍或外部元件的影響。
149、根據(jù)’747climeworks公開，吸附器結(jié)構(gòu)包括多個單獨(dú)吸附器元件的陣列，每個吸附器元件包括優(yōu)選多孔的支撐層和位于其一側(cè)或兩側(cè)的至少一個吸附劑層的復(fù)合物，或者每個吸附器元件是該復(fù)合物，其中，陣列中的吸附器元件彼此基本平行排列，并且相互間隔開，形成平行的流體通道，用于氣體混合物和/或蒸汽的流過。當(dāng)然，在這種堆疊形式的吸附器結(jié)構(gòu)中，最外層的吸附器元件也可能只具有載體層，而內(nèi)側(cè)具有至少一個吸附劑層。工藝氣體主要在堆疊的入口和出口之間沿與薄片或?qū)訅杭裁娴姆较蛄鲃印９腆w結(jié)構(gòu)吸附劑通常僅打開兩個平行側(cè)面，以便將工藝氣體流過結(jié)構(gòu)吸附劑床并提供進(jìn)入分離單元的機(jī)械組裝裝置?；蛘撸瑑山M兩個平行側(cè)面打開以流動，其中一種工藝氣體(例如吸附氣體流)從一側(cè)流向相反的平行側(cè)，另一種工藝氣體(例如蒸汽流)從另一個第三側(cè)流向平行的第四側(cè)。
150、如上文所指出的，所述單元優(yōu)選能夠維持400毫巴(絕對值)或更低的真空壓力，并且步驟(b)優(yōu)選包括將所述單元中吸附有二氧化碳的所述吸附劑與所述流通物隔離，同時(shí)維持吸附劑中的溫度，然后將所述單元抽真空至20-400毫巴(絕對值)范圍內(nèi)的壓力，并且其中步驟(e)包括使吸附劑材料處于環(huán)境大氣壓力條件和環(huán)境大氣溫度條件下。
151、優(yōu)選地，上述方法或裝置用于直接空氣捕獲或從環(huán)境大氣中回收二氧化碳。
152、’747climeworks公開的進(jìn)一步實(shí)施方式在從屬權(quán)利要求中記載。