胺-载体颗粒所形成的制品以及其制造和使用方法
【专利说明】胺-载体颗粒所形成的制品以及其制造和使用方法
[0001] 相关申请案的夺叉引用
[0002] 本申请案要求于2013年1月10日提交的美国临时申请号61/751，070的权益，所 述临时申请以引用的方式并入本文。 发明领域
[0003] 本发明的实施方式涵盖能够捕获二氧化碳并由有机胺材料和高表面积颗粒所制 成的组合物和制品。用于清除二氧化碳的吸附剂可形成为各种形状，或作为固定床中的单 独颗粒，或作为必要的单个单体形状用于特定用途。本发明涵盖的方法包括至少一种有机 胺、至少一种类型高表面积颗粒与水组合形成干燥且形成所需形状的表面包覆颗粒。
[0004] 发明背景
[0005] 固体吸着剂已用于从燃烧工艺排放出的气体与大气，以及封闭区域中（如潜艇和 飞船中）的空气中清除或去除二氧化碳。一种用于清除二氧化碳的固体吸着剂的特定类别 为固体载体的胺。通常使用昂贵的溶剂或水溶性醇（如乙醇或甲醇）来制备这些吸着剂。 然而，此类溶剂使得制造这些固体吸着剂的工艺就大规模商业发展而言成本高昂太或因一 些溶剂可燃而过危险。更复杂的情况因固体吸着剂通常包括非常小的功能颗粒产生，所述 功能颗粒可在气体移动的过程中被带走或因其受限的大小和形状难以处置。
[0006] 因此，本领域中需要这样的固体吸着剂，该固体吸着剂可更容易处置，形成所需的 形状和制品，并且不经受因以适于应用（如室内通风）的流率流过颗粒或在颗粒周围流动 的空气流而发生的移动。
[0007] 发明概沐
[0008] 本发明涵盖了一种用于从室内空气中清除二氧化碳、甲醛或其它气体的固体载体 胺吸着剂，所述固体载体胺吸着剂包括至少一种载体颗粒和至少一种有机胺，其中有机胺 和载体颗粒聚集形成较大团粒、团簇或用作用于流通吸附的固定床的成形形式。在一个实 施方式中，有机胺是伯胺、仲胺、或具有伯胺和仲胺的化合物。胺包括、但不限于：聚乙烯亚 胺（PEI)、氮丙啶、乙醇胺、二乙醇胺、三亚乙基四胺、四亚乙基五胺、五亚乙基六胺、或它们 的混合物。在另一实施方式中，载体颗粒具有碳、二氧化硅、氧化铝或它们的组合物。通常， 载体颗粒是热解的、热分解的或沉淀的。在另一实施方式中，用于清除二氧化碳的固体吸着 剂还包含化学活化剂，如聚氧乙二醇。
[0009] 在另一实施方式中，用于清除二氧化碳的固体吸着剂被成形为团粒、长丝、片材或 小球的形式。或者，所述成形是呈圆柱、球体、扁球体、椭圆体、立方体、矩形、三角形、环或盘 的形式。在另一实施方式中，颗粒或成形形式具有大于约o.lmm的至少一个尺寸。或者，所 述尺寸大于约1〇_。大的成形形式称为单体结构。
[0010] 本发明的另一实施方式涵盖制造用于清除二氧化碳的浆料或固体吸着剂的方法， 所述方法包括将至少一种有机胺添加到至少一种载体颗粒和水中，以形成混合物；将所述 混合物混合；以及形成浆料。任选地，所述方法可以包括干燥步骤，以将水从混合物中去除 并且形成浆料。所述方法还可包括将浆料挤出或模制形成用于清除二氧化碳的成形的固体 吸附剂。
[0011] 在本发明的另一实施方式中，涵盖制造固体吸着剂的方法，所述方法包括将至少 一种有机胺添加到至少一种载体颗粒和水中，以形成混合物；将所述混合物混合；将混合 物挤出或模制以形成成形产物；以及干燥所述成形产物以去除水，并且形成用于清除二氧 化碳或其它气体的固体吸附剂。
[0012] 在本方法的一个实施方式中，有机胺以约10重量％至60重量％的量存在。在另 一实施方式中，混合物为约20重量％至50重量％的有机胺和80 %至50 %的载体颗粒。在 又一实施方式中，有机胺和载体颗粒与水的比率为按重量计约1:2至1: 11。或者，在另一实 施方式中，有机胺和载体颗粒与水的比率为按重量计约1:7。
[0013] 在制造用于清除二氧化碳的固体吸着剂的方法中，干燥步骤通过在挤出工艺中干 燥、加热干燥、空气干燥或真空处理来进行。在一个实施方式中，干燥步骤是一加热干燥步 骤，并且在约70°C至约120°C的温度下进行且其持续时间为约1小时至约24小时。
[0014] 在制造用于清除二氧化碳的固体吸着剂的方法的一个实施方式中，挤出步骤挤出 形成团粒、长丝、片材、小球，或将用于清除二氧化碳的固体吸着剂成形为圆柱体、球体、扁 球体、椭圆体、立方体、矩形、三角形、环或盘。
[0015] 附图简沐
[0016] 图1示出本发明的团粒，其中团粒大小大于单独载体颗粒大小。
[0017] 图2示出本发明的用于清除二氧化碳的吸附剂的照片，其中产物被挤出成小圆柱 体，其中载体颗粒彼此结合形成一或多个团簇。
[0018] 图3示出用于清除二氧化碳的吸附剂随时间来吸附二氧化碳的容量，其中所吸附 的碳按75分钟内每克产物所吸附的0)2的mg进行测量；以及
[0019] 图4示出实例1的材料的热重分析（TGA)的图。竖直轴线示出样品重量在暴露于 具有受控浓度的二氧化碳和受控温度的空气流中的情况下随时间的变化。每一测量展示每 30分钟的吸附和解吸重复循环。在这个实例中，在50°C下、在干燥压缩空气下进行解吸，并 且在30°C下、在干燥且包含1000 ppm CO2的压缩空气下进行吸附。
[0020] 发明详沐
[0021] 通过本发明涵盖的吸附剂能够在一段时间内吸附二氧化碳以及其它化学物种。虽 然不受理论限制，但是据信，包覆载体颗粒的有机胺执行两个功能。第一，有机胺以能够从 气体中去除二氧化碳的方式来捕获或结合至二氧化碳。这种捕获可以是可逆或不可逆的， 这取决于条件。第二，有机胺用作粘结剂，以有助于形成可根据最终用途成形为各种形式的 载体颗粒团簇。
[0022] 本发明的吸附剂提供了这样的固体吸着剂：可容易地处置，形成各种的形状或制 品，并且不经受因以适于应用（如室内通风或空气净化）的流率流过固体吸着剂或在固体 吸着剂周围流动的气流而造成的移动。这些用于清除二氧化碳的吸附剂可用作这样的制 品：所述制品用于清除、捕获、或去除来自建筑物和车辆室内空气中的二氧化碳、甲醛、和/ 或其它污染物，或者燃烧工艺中产生的气体（如排气）、大气气体、或包含因工业输出或生 物源产生的大量二氧化碳的气体。如本文所用，具有二氧化碳的气体包括但不限于，全部地 或部分地包含二氧化碳的气体。术语并不表明或暗示着气体仅仅包括二氧化碳。
[0023] 本发明的一个实施方式涉及包含有机胺和载体颗粒反应产物的浆料的制品。如本 文所用，术语"浆料"是指具有保持悬浮在液体中的大量固体的厚的平滑或半平滑可流动或 可锻材料。通常，浆料是粘度在约10, OOO至约10, 〇〇〇, OOO厘泊（CP)范围内的粘稠流体； 并优选地，粘度为约100, 000至约2, 000, OOOcP。
[0024] 在另一实施方式中，浆料可被挤出通过孔口或筛网以形成团粒、长丝、片材、小球、 和最终用途所需的其它形状。此外，浆料可被模制或浇注成以下形式，包括但不限于：长丝、 片材、圆柱体、球体、立方体、矩形、三角形、环、盘、或设计为紧密贴合在特定形状的容器或 贮器中的形状。事实上，可允许该浆料采用任何形状，如填充机器中的空隙必需的形状，并 且如果需要的话，产物可被分成多个部分用以形成颗粒团簇。换句话说，用于清除二氧化碳 或其它气体的吸附剂可成形为填充其中需要进行清除的隔室所必须的颗粒团粒或团簇。吸 附剂还可以呈现无定形状，分成所需大小的颗粒片材或团簇以实现清除系统的设计目标， 所述设计目标包括接触面积、空气流动阻力以及将吸附剂保持在适当位置处。该吸附剂还 可包括多孔的团簇或形状，其中气体可以流经多孔的团簇或形状。该吸着剂可形成为被穿 通有孔或通道以供气体流过的整料。一或多个整料可以代替吸着剂颗粒床，其中清除期间， 气体被迫通过或沿着该整料。用于清除二氧化碳的吸附剂还可形成一或多个团簇、小球、成 形形式、团粒或挤出物。如本文所用，术语"成形形式"是指预想为模制或雕刻制品的三维 设计或形状。
[0025] 在一个实施方式中，用于清除二氧化碳的吸附剂可成形为具有大于约0.1 mm的至 少一个尺寸的团簇、形式、团粒或挤出物。或者，所述尺寸可以在约〇. 25mm至约Imm的范围 内。因此，用于清除二氧化碳的吸附剂可分组或填充入到床中，并且在流体在吸附剂内或周 围流动时抵抗移动。
[0026] 转到图1，呈团粒形式的制品（大体上用数字11指示）体现本发明的特征。团粒 11包含有机胺和载体颗粒。举例来说，团粒11具有大于〇. Imm的高度、宽度或深度，这取决 于团粒方向以及顶部和底部、正面或背面的标识（可以是任意的）。其它实施方式提供达 到或超过l〇mm、20mm或50mm的至少一个尺寸。例如，在球体情况下，尺寸为约0. 3mm至约 1mm，并且可替代地，所述范围具有为3mm的上限。在挤出物的情况下，直径为约0· 5mm至约 1_，和/或所述挤出物可具有几 mm但不大于约IOmm的长