一种亲水膜接触器用于直接空气碳捕集的方法

1.本发明属于空气co2捕集技术与膜吸收技术的交叉领域，特别涉及一种亲水膜接触器用于直接空气碳捕集的方法，以亲水膜材料作为核心元件的膜接触器，以碱性吸收剂在膜孔道中扩散代替疏水膜孔道中co2扩散来强化膜接触器的吸收性能。

背景技术：

2.为了达成减碳目标，大力发展co2捕集利用与封存技术(ccus)是尤为重要的。直接空气碳捕集技术是一种可以对分布源co2排放进行捕集的技术，能有效降低大气中的co2浓度，并且双碱循环法也是目前针对空气碳捕集公认可行的捕集方法。carbon engineering公司以koh和ca(oh)2为核心构建了吸收工艺，并在加拿大进行了中试。该工艺中所使用的气液接触设备(us 2010/0064890a1)，其操作气液比可达～7000m3/m3，经过流程优化，该工艺的操作能耗降低～30％。
3.膜吸收技术是一种将膜技术和气体吸收过程相结合的新型膜过程，由于具有较高气液比操作弹性、传质界面稳定、传质比表面积高、易于模块化设计放大等优势，且能有效解决雾沫夹带、气液接触界面不稳定等问题，特别契合用在气体吸收过程中(cn113521970a)。为了强化膜吸收效率，很多研究都聚焦于吸收剂复配和开发离子液体来提高co2吸收速率(cn103721530a、cn103357248a)。在对空气中co2吸收捕集时，考虑到超低的co2分压，需要更大的气液反应界面来弥补传质问题，且捕集每单位co2输送的空气量大需要吸收设备压力降小等，这些关键性问题都是膜吸收技术能解决的。但是低分压还会带来低浓度co2在疏水膜孔道中的传质推动力小(根据fick定律计算可知)，这是吸收剂无法突破的传质上限，因此需要针对低浓度co2吸收中膜相传质展开对膜材料的设计及优选。

技术实现要素：

4.本发明的目的式为了改进现有技术的不足而提出了一种亲水膜接触器用于直接空气碳捕集的方法，结合双碱循环工艺及膜吸收技术对低浓度co2进行吸收捕集。为了突破低浓度co2在疏水膜孔道中的传质上限，提出了一种以亲水膜作为核心元件的膜接触器吸收空气中co2的方法，亲水膜可以实现高浓度吸收剂在孔道中的传质代替co2传质，达到强化co2吸收性能的目的。
5.本发明的技术方案为：一种亲水膜接触器用于直接空气碳捕集的方法，一种亲水膜接触器用于直接空气碳捕集的方法，具体步骤如下：空气引入到膜接触器的一侧，碱性吸收剂通过液体泵流过膜接触器的另外一侧，在界面处空气中co2与碱性吸收剂反应从而达到co2被吸收捕获的目的；吸收后的气体排入空气，吸收后的吸收剂输送至尾液槽中进行后处理；其特征在于，膜接触器所使用的膜元件为亲水膜，通过液体泵及高位槽控制吸收液侧压力为负压，实现co2与吸收剂在气、液、膜三相的稳定界面进行吸收。
6.优选所述的膜元件的材质为氧化铝(al2o3)、氧化钛(tio2)或氧化锆(zro2)亲水性陶瓷材料。
7.优选所述的膜元件的几何结构为管式单通道或多通道，优选为单通道管式膜。
8.优选所述的碱性吸收剂为优选为无机碱，所述的无机碱选自koh或naoh，其摩尔浓度为0.5～2mol
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。
9.优选所述的液体泵控制吸收剂侧压力为负压，负压值为-0.01～-0.2bar。
10.优选所述的液体泵的输送方式为连续输送或脉冲输送。
11.优选所述的空气的浓度范围为200～1000ppm。
12.本发明的碱性吸收剂在吸收循环过程中，还含有k2co3或na2co3。
13.本发明以单通道的管式膜为研究对象进行co2吸收捕集研究，其研究结果和规律同样适用于多通道的管式膜和平板形式的膜材料。
14.有益效果：
15.本发明中发现通过以亲水膜为膜接触器的吸收元件对空气中co2进行吸收，一方面能解决低浓度co2在膜相中传质推动力低导致吸收性能有限的问题，另一方面可以通过调节吸收剂浓度来改变膜接触器的吸收能力。
16.本发明采用的膜吸收技术使得吸收过程有很高且弹性很大的操作气液比1000～200000m3·
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，同时高气液比可以实现吸收剂的高效利用；刚性的陶瓷膜结构可以使吸收体系中压力降小。
17.本发明采用的膜材料为陶瓷膜，其本身就具有很好的亲水性；并且陶瓷材料具有很好的耐碱性吸收剂能力，孔结构及性质在吸收体系中能保持稳定性。
18.本发明采用的膜接触器结构紧凑，具有线性缩放的特性，可以对膜组件进行模块化设计，有利于设备放大应用。
19.本发明借助亲水膜孔道中碱性吸收剂的扩散作为传质载体，突破低浓度co2在疏水膜孔道中的传质上限，实现对低浓度co2的高效捕获。
附图说明
20.图1为本发明亲水膜接触器在实验室中的co2吸收流程简图；
21.图2为本发明涉及的双碱法工艺流程示意图；
22.图3为亲水膜和疏水膜吸收性能对比图。
具体实施方式
23.本发明公开了一种膜接触器强化空气碳捕集的方法，流程简图如图1所示，具体的吸收过程如下：使用膜接触器进行空气碳捕集，其核心元件为亲水膜材料。空气引入到膜接触器的一侧，碱性吸收剂通过液体泵流过膜接触器的另外一侧，在界面处空气中co2与碱性吸收剂反应从而达到co2被吸收捕获的目的。吸收后的气体排入空气，吸收后的吸收剂输送至尾液槽中进行后处理。本发明借助亲水膜孔道中碱性吸收剂的扩散作为传质载体，可以突破低浓度co2在孔道中的传质上限，达到对空气中co2高效吸收捕集的目的。
24.实施例1
25.采用如图1所示的膜接触器吸收流程对400ppm的co2进行吸收，采用单根单通道管式氧化铝膜为膜吸收的核心元件，膜管的有效长度为0.3m、内/外径为7/10mm。实验条件气体流量60l
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，吸收剂浓度1mol
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naoh，吸收剂流量0.06l
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，吸收环境温度20℃，泵
的工作方式为连续输送，泵使出口处负压维持在约-0.01bar，该工艺流程的吸收性能如图3所示，co2吸收通量为0.093mol
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，相较于相同条件下疏水膜性能(co2吸收通量为0.036mol
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)，吸收性能提高了60％，单位膜面积的吸收性能得到很大的强化；同时也较carbonengineering所报道的气液接触设备(us 2010/0064890a1)的性能提升了40％(co2吸收通量为0.057mol
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)。
26.后续工艺如图2所示，尾液槽中的吸收剂溶液与ca(oh)2溶液在再生器中进行反应，生成难溶的caco3，并再生得到naoh溶液，得到的碱液经过分离作为吸收剂输送至原液槽循环使用，caco3进入煅烧炉加热至900℃分解为co2和cao固体，co2经过压缩进行收集和储存，出口co2浓度为97.1％。
27.实施例2
28.采用如图1所示的膜接触器吸收流程对400ppm的co2进行吸收，采用单根单通道管式氧化铝膜为膜吸收的核心元件，膜管的有效长度为0.3m、内/外径为7/10mm。实验条件气体流量60l
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，吸收剂浓度0.5mol
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naoh，吸收剂流量0.06l
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，吸收环境温度20℃，泵的工作方式为连续输送，泵使出口处负压维持在约-0.2bar，该工艺流程中co2吸收通量为0.072mol
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29.实施例3
30.采用如图1所示的膜接触器吸收流程对400ppm的co2进行吸收，采用单根单通道管式氧化铝膜为膜吸收的核心元件，膜管的有效长度为0.3m、内/外径为7/10mm。实验条件气体流量60l
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，吸收剂浓度1mol
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naoh，吸收剂流量0.06l
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，吸收环境温度20℃，泵的工作方式为连续输送，泵使出口处负压维持在约-0.2bar，该工艺流程中co2吸收通量为0.094mol
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31.实施例4
32.采用如图1所示的膜接触器吸收流程对400ppm的co2进行吸收，采用单根单通道管式氧化铝膜为膜吸收的核心元件，膜管的有效长度为0.3m、内/外径为7/10mm。实验条件气体流量60l
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，吸收剂浓度2mol
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naoh，吸收剂流量0.06l
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，吸收环境温度20℃，泵的工作方式为连续输送，泵使出口处负压维持在约-0.2bar，该工艺流程中co2吸收通量为0.099mol
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33.实施例5
34.采用如图1所示的膜接触器吸收流程对400ppm的co2进行吸收，采用单根单通道管式氧化铝膜为膜吸收的核心元件，膜管的有效长度为0.3m、内/外径为7/10mm。实验条件气体流量60l
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，吸收剂浓度1mol
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koh，吸收剂流量0.06l
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，吸收环境温度20℃，泵的工作方式为连续输送，泵使出口处负压维持在约-0.01bar,co2吸收通量为0.112mol
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35.实施例6
36.采用如图1所示的膜接触器吸收流程对400ppm的co2进行吸收，采用单根单通道管式氧化铝膜为膜吸收的核心元件，膜管的有效长度为0.3m、内/外径为7/10mm。实验条件气体流量60l
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，吸收剂浓度1mol
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naoh，吸收剂流量0.06l
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，吸收环境温度20℃，泵的工作方式为脉冲输送，间隔时间为600s，运行时间为30s，泵使出口处负压维持在约-0.01bar，该工艺流程中co2吸收通量为0.096mol
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37.实施例7
38.采用如图1所示的膜接触器吸收流程对400ppm的co2进行吸收，采用单根单通道管式氧化锆(zro2)膜为膜吸收的核心元件，膜管的有效长度为0.3m、内/外径为7/10mm。实验条件气体流量60l
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，吸收剂浓度1mol
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naoh，吸收剂流量0.06l
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，吸收环境温度20℃，泵的工作方式为连续输送，泵使出口处负压维持在约-0.01bar,co2吸收通量为0.088mol
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39.实施例8
40.采用如图1所示的膜接触器吸收流程对400ppm的co2进行吸收，采用单根单通道管式氧化钛(tio2)膜为膜吸收的核心元件，膜管的有效长度为0.3m、内/外径为7/10mm。实验条件气体流量60l
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，吸收剂浓度1mol
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naoh，吸收剂流量0.06l
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，吸收环境温度20℃，泵的工作方式为连续输送，泵使出口处负压维持在约-0.01bar,co2吸收通量为0.093mol
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41.实施例9
42.采用如图1所示的膜接触器吸收流程对200ppm的co2进行吸收，采用单根单通道管式氧化铝膜为膜吸收的核心元件，膜管的有效长度为0.3m、内/外径为7/10mm。实验条件气体流量60l
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，吸收剂浓度1mol
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naoh，吸收剂流量0.06l
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，吸收环境温度20℃，泵的工作方式为连续输送，泵使出口处负压维持在约-0.01bar,co2吸收通量为0.035mol
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43.实施例10
44.采用如图1所示的膜接触器吸收流程对1000ppm的co2进行吸收，采用单根单通道管式氧化铝膜为膜吸收的核心元件，膜管的有效长度为0.3m、内/外径为7/10mm。实验条件气体流量60l
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，吸收剂浓度1mol
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naoh，吸收剂流量0.06l
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，吸收环境温度20℃，泵的工作方式为连续输送，泵使出口处负压维持在约-0.01bar,co2吸收通量为0.174mol
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技术特征：

1.一种亲水膜接触器用于直接空气碳捕集的方法，具体步骤如下：空气引入到膜接触器的一侧，碱性吸收剂通过液体泵流过膜接触器的另外一侧，在界面处空气中co2与碱性吸收剂反应从而达到co2被吸收捕获的目的；吸收后的气体排入空气，吸收后的吸收剂输送至尾液槽中进行后处理；其特征在于，膜接触器所使用的膜元件为亲水膜，通过液体泵及高位槽控制吸收液侧压力为负压，实现co2与吸收剂在气、液、膜三相的稳定界面进行吸收。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的膜元件的材质为氧化铝(al2o3)、氧化钛(tio2)或氧化锆(zro2)亲水性陶瓷材料。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的膜元件的几何结构为管式单通道或多通道。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的碱性吸收剂为koh或naoh，其摩尔浓度为0.5～2mol
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。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的液体泵控制吸收剂侧压力为负压，负压值为-0.01～-0.2bar。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的液体泵的输送方式为连续输送或脉冲输送。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的空气的浓度范围为200～1000ppm。

技术总结

本发明涉及一种亲水膜接触器用于直接空气碳捕集的方法，具体步骤如下：空气引入到膜接触器的一侧，碱性吸收剂通过液体泵流过膜接触器的另外一侧，在界面处空气中CO2与碱性吸收剂反应从而达到CO2被吸收捕获的目的；吸收后的气体排入空气，吸收后的吸收剂输送至尾液槽中进行后处理；其特征在于，膜接触器所使用的膜元件为亲水膜，通过液体泵及高位槽控制吸收液侧压力为负压，实现CO2与吸收剂在气、液、膜三相的稳定界面进行吸收。本发明借助亲水膜孔道中碱性吸收剂的扩散作为传质载体，可以突破低浓度CO2在孔道中的传质上限，达到对空气中CO2高效吸收捕集的目的。高效吸收捕集的目的。高效吸收捕集的目的。