ПОГЛОТИТЕЛЬ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА И СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ Российский патент 2005 года по МПК B01D53/02 B01D53/62 

Описание патента на изобретение RU2244586C1

Изобретение относится к области адсорбционного разделения газов.

Адсорбционное удаление СO2 из газовых смесей является одним из широко используемых приемов химической технологии и активно используется при очистке природного газа, тонкой очистке воздуха перед криогенным разделением, при приготовлении защитных атмосфер и т.д. К числу новых областей применения этого метода можно отнести очистку от СО2 катодного газа для щелочных топливных элементов и снижение уровня атмосферного загрязнения углекислым газом.

Вместе с тем, производство чистого диоксида углерода для различных областей техники с использованием вышеуказанных источников также представляет большой интерес.

Существующие адсорбционные методы выделения СО2 зачастую оказываются непригодны для очистки влажных газовых смесей, поскольку традиционные типы поглотителей (цеолиты, активированные угли) имеют, как правило, сродство к воде значительно большее, нежели к СО2, поэтому резко снижают свою емкость во влажной атмосфере.

Так, для уменьшения влажности очищаемой газовой смеси и повышения емкости цеолитов по углекислому газу в ряде патентов предложено ставить блок предварительной осушки перед адсорбером с цеолитом (US 6309445, B 01 D 053/04, 30.10.2001; US 6106593, B 01 D 053/04, 22.08.2000). Однако такой метод решения проблемы ведет к существенному усложнению технологической схемы процесса.

В патенте (US 3865924, B 01 D 53/34, 02.11.1975) описан регенерируемый поглотитель диоксида углерода, представляющий собой механическую смесь растертых в порошок оксида алюминия и карбоната калия. Такой поглотитель предлагают применять для удаления диоксида углерода в системах жизнеобеспечения, например, подводных лодок. Вода здесь не препятствует сорбции СО2, а, напротив, является необходимым компонентом, т.к. поглощение СО2 осуществляется по реакции:

К2СО32O+СO2=2КНСО3.

В патенте (ЕР 1084743, В 01 D 53/047, 21.03.2001) предлагают для удаления СО2 использовать оксид алюминия, допированный небольшими добавками щелочных металлов (до 7,25 мас.% К2О и/или Na2O). Достоинством данного метода удаления СO2 является то, что активное вещество находится в порах матрицы и не вызывает коррозии оборудования, а сам поглотитель может выпускаться в виде гранул любого размера и формы или блоков. В то же время небольшое содержание оксидов щелочных металлов не обеспечивает высокой емкости поглотителя. Аналогичная система разработана и для процесса короткоцикловой безнагревной адсорбции (US 5656064, B 01 D 53/047, 12.08.1997).

Наиболее близким является способ удаления СО2 пористыми материалами (активированный уголь, оксид алюминия, цеолит, кизельгур или их смесь), на которые нанесен гидрат карбоната калия и/или натрия (Carbon dioxide recovery from waste gases at low cost and the carbon dioxide adsorbents used. Hayashi, Hiroshi; Hirano, Shinichi; Shigemoto, Naoya; Yamada, Shinichi (Shikoku Sogo Kenkyusho Kk; Hayashi Hiroshi, Japan). Jpn. Kokai Tokkyo Koho, JP 08040715, A2, C 01 B 31/20; B 01 D 53/04, 13.02.1996, Heisei, 9 pp. (Japan). Регенерацию сорбента производят паром. Активным компонентом поглотителя, обеспечивающим его высокую емкость, является диспергированный в порах матрицы карбонат щелочного металла. В то же время это высокореакционное соединение, способное вступать в необратимые химические взаимодействия с некоторыми матрицами-носителями. Это приводит к уменьшению сорбционной емкости поглотителя при многоцикловом режиме эксплуатации.

Настоящее изобретение решает задачу повышения стабильности поглотителя при сохранении его высокой сорбционной емкости.

Для решения поставленной задачи поглотитель диоксида углерода готовят пропиткой карбонатом калия пористого оксида алюминия, при этом оксид алюминия предварительно обрабатывают щелочным раствором, затем в поры подготовленного таким образом оксида алюминия пропиткой вносят карбонат калия. Т.е. задача решается путем химической обработки поверхности матрицы-носителя.

В качестве раствора, имеющего щелочную реакцию, используют раствор гидроксидов либо карбонатов щелочных металлов или их любую смесь. Обработку щелочньм раствором проводят при температуре выше 40° С.

Количество внесенного карбоната калия составляет 5-30 мас.%.

Задача решается также способом удаления диоксида углерода из газовых смесей при температуре 20-200° С, в т.ч. для адсорбционного выделения диоксида углерода из атмосферного воздуха в циклических процессах в условиях термической регенерации либо короткоцикловой безнагревной адсорбции. Предлагаемый способ характеризуется тем, что используют поглотитель, приготовленный, как описано выше.

Нами было обнаружено, что скорость сорбции и динамическая емкость сорбентов “карбонат калия в пористой матрице” существенно зависит от матрицы, причем решающую роль играет не пористая структура или удельная поверхность, а ее химическая природа. Так, силикагели и вспученный вермикулит в силу кислотности поверхности способны к необратимой реакции с карбонатом калия с образованием неактивных силикатов. Гидрофобность поверхности активированных углей не позволяет добиться высокой дисперсности карбоната калия и, как следствие, скорость сорбции достаточно низка. Как следует из примеров 1-4, наиболее высокую скорость сорбции и динамическую емкость показывают сорбенты на основе гамма-оксида алюминия.

Оказалось, что при проведении многоцикловых испытаний динамическая емкость поглотителя на основе гамма-оксида алюминия постепенно снижается до стационарного значения, как это видно из примера 6. Основной причиной данного эффекта является высокая реакционная способность поверхности оксида алюминия по отношению к карбонату калия. Нами было обнаружено, что при многоцикловой регенерации в больших количествах образуется алюмокарбонат калия, неспособный к обратимому поглощению диоксида углерода КАl(СО3)2·1.5Н2O. Таким образом, для повышения динамической емкости поглотителя необходимо снизить химическую активность матрицы-носителя, по возможности удалив либо дезактивировав поверхностные кислые центры.

Мы предлагаем для уменьшения (ослабления) реакции между поверхностью гамма-оксида алюминия и карбонатом калия проводить химическую обработку носителя щелочным раствором карбоната или гидроксида щелочного металла либо их смесью. Такая обработка приводит к вытравливанию наиболее активных кислых центров поверхности и превращению их в растворимые алюминаты. Оказалось, что подобная обработка действительно позволяет повысить динамическую емкость поглотителя на 50-80% и не влияет на скорость сорбции и остаточную концентрацию диоксида углерода.

Для приготовления поглотителя “карбонат калия на гамма-оксиде алюминия” в качестве щелочи наиболее целесообразно брать гидроксид либо карбонат калия или их смесь. Для повышении скорости процесс травления рекомендуется проводить при повышенной температуре, в кипящем растворе либо в автоклаве. Повышение рН также способствует ускорению процесса.

Далее в поры таким образом подготовленного оксида алюминия вносят карбонат калия в количестве 5-30 мас.%. Наилучшим способом внесения соли является однократная пропитка оксида алюминия водным раствором с последующей сушкой.

Предлагаемым способом применения данного поглотителя является удаление диоксида углерода из влажных газовых смесей, в т.ч. выделение диоксида углерода из атмосферного воздуха и тонкая очистка катодного газа для щелочных топливных элементов.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. 3 г силикагеля КСК, фракция 0,5-1 мм, пропитывают по влагоемкости 40% раствором К2СО3 и высушивают на ротационном испарителе до содержания воды 1.5 моль на 1 моль К2СО3. Полученный сорбент загружают в проточный адсорбер, на вход которого подают смесь насыщенного при 20° С парами воды воздуха с 2 об.% CO2, объемная скорость подачи 150 нсм3/мин. Динамическую емкость определяют как отношение количества поглощенного до момента проскока углекислого газа к массе сорбента и она составляет около 0 мг/г.

Пример 2. Аналогично примеру 1, но в качестве матрицы используют пористый углеродный носитель "Сибунит". Динамическая емкость составляет около 8 мг/г.

Пример 3. Аналогично примеру 1, но в качестве матрицы используют природную глину - вспученный вермикулит. Динамическая емкость составляет около 0 мг/г.

Пример 4. Аналогично примеру 1, но в качестве матрицы используют гамма-оксид алюминия. Динамическая емкость составляет около 70 мг/г, остаточная концентрация углекислого газа на выходе составляет менее 20 м.д. в течение всего периода удержания.

Примеры 1-4 свидетельствуют о том, что решающая роль принадлежит химической природе матрицы-носителя.

Пример 5. 3 г оксида алюминия, фракция 0,5-1 мм, пропитывают по влагоемкости 40% раствором К2СО3 и высушивают на ротационном испарителе до содержания воды 1.5 моль на 1 моль К2СО3. Полученный сорбент загружают в проточный адсорбер, на вход которого подают смесь насыщенного при 20° С парами воды воздуха с 2 об.% СО2, объемная скорость подачи 150 нсм3/мин. Динамическую емкость определяют как отношение количества поглощенного до момента проскока диоксида углерода газа к массе сорбента и она составляет около 0 мг/г. Затем сорбент регенерируют прокаливанием в токе паров воды и повторяют эксперимент. Изменение динамической емкости в ходе испытаний показано на фиг.1, кривая 1.

Пример 6. Аналогично примеру 1, но в качестве матрицы берут выдержанный 45 минут в кипящем 5% растворе КОН гамма-оксид алюминия. График зависимости изменения динамической емкости приведен на фиг.1, кривая 2.

Пример 7. В проточный адсорбер загружают 6 г сорбента на основе гамма-оксида алюминия, приготовленного аналогично примеру 1. В течение 23 часов через адсорбер продувают воздух со скоростью около 500 мл/мин, затем проводят регенерацию, как это описано в примере 6. Объем выделяющегося СO2 определяют с помощью газового цилиндра. График зависимости изменения емкости приведен на фиг.2, кривая 1.

Пример 8. Аналогично примеру 8, но в качестве матрицы используют выдержанный 15 минут в кипящем 30% растворе К2СО3 гамма-оксид алюминия. График зависимости изменения емкости приведен на фиг.2, кривая 2.

Пример 9. Сорбенты, в которых в качестве носителя используют чистый гамма-оксид алюминия и гамма-оксид алюминия, предварительно выдержанный 20 мин при температуре 100° С в 15% растворе К2СО3 и промытый водой, исследуют методом дифференцирующего растворения. После 15 циклов “сорбция-регенерация” в сорбенте на основе чистого гамма-оксида алюминия примерно 50 мол.% калия содержится в виде алюмокарбоната, тогда как в сорбенте на основе предварительно активированного гамма-оксида алюминия алюмокарбоната не наблюдается.

Таким образом, как видно из приведенных примеров, предлагаемый способ позволяет получать регенерируемый поглотитель диоксида углерода СO2, пригодный для удаления диоксида углерода из влажных газов, имеющий высокие динамическую емкость и скорость поглощения CO2. Поглотитель по предлагаемому изобретению может найти широкое применение для выделения диоксида углерода из атмосферного воздуха, а также для тонкой очистки газов в щелочных топливных элементах, для адсорбционного выделения диоксида углерода из атмосферного воздуха в циклических процессах в условиях термической регенерации либо короткоцикловой безнагревной адсорбции и др.

Похожие патенты RU2244586C1

название год авторы номер документа
ПОГЛОТИТЕЛЬ, СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ 2012
  • Деревщиков Владимир Сергеевич
  • Окунев Алексей Григорьевич
  • Лысиков Антон Игоревич
RU2493906C1
ПОГЛОТИТЕЛЬ И СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ ГАЗОНАРКОЗНЫХ СМЕСЕЙ 2015
  • Деревщиков Владимир Сергеевич
  • Окунев Алексей Григорьевич
  • Лысиков Антон Игоревич
  • Веселовская Жанна Вячеславовна
RU2583818C1
Поглотитель диоксида углерода, способ его приготовления и способ очистки газовых смесей 2020
  • Деревщиков Владимир Сергеевич
  • Веселовская Жанна Вячеславовна
  • Шалыгин Антон Сергеевич
  • Мартьянов Олег Николаевич
  • Окунев Алексей Григорьевич
RU2760325C1
ПОГЛОТИТЕЛЬ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ), СПОСОБ ЕГО РЕГЕНЕРАЦИИ, СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ, СПОСОБ ПАРОВОЙ ИЛИ ПАРОКИСЛОРОДНОЙ КОНВЕРСИИ УГЛЕВОДОРОДОВ, СПОСОБ ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ ОКСИДА УГЛЕРОДА, СПОСОБ ЗАПАСАНИЯ ИЛИ ВЫДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОГЛОТИТЕЛЯ 2002
  • Окунев А.Г.
  • Аристов Ю.И.
  • Шаронов В.Е.
RU2221627C1
ПОГЛОТИТЕЛЬ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА, СПОСОБЫ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ И СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ 2022
  • Деревщиков Владимир Сергеевич
  • Кузнецов Владимир Львович
  • Мосеенков Сергей Иванович
RU2798457C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАНА ИЗ АТМОСФЕРНОГО ДИОКСИДА УГЛЕРОДА 2013
  • Деревщиков Владимир Сергеевич
  • Окунев Алексей Григорьевич
  • Лысиков Антон Игоревич
  • Веселовская Жанна Вячеславовна
RU2533710C1
Поглотитель диоксида углерода, способ его приготовления и способ очистки газовых смесей 2018
  • Деревщиков Владимир Сергеевич
  • Семейкина Виктория Сергеевна
  • Пархомчук Екатерина Васильевна
RU2671583C1
СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ДЛЯ ЩЕЛОЧНЫХ ВОДОРОДНО-ВОЗДУШНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 2008
  • Матренин Владимир Иванович
  • Кондратьев Дмитрий Геннадьевич
  • Щипанов Игорь Викторович
  • Потанин Андрей Васильевич
  • Шихов Евгений Геннадьевич
  • Большаков Константин Геннадьевич
  • Поспелов Борис Сергеевич
  • Овчинников Анатолий Тихонович
RU2393593C1
СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В ВОДОРОДНО-ВОЗДУШНОМ МАТРИЧНОМ ТОПЛИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ СО ЩЕЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ 2008
  • Матренин Владимир Иванович
  • Кондратьев Дмитрий Геннадьевич
  • Щипанов Игорь Викторович
  • Потанин Андрей Васильевич
  • Шихов Евгений Геннадьевич
  • Большаков Константин Геннадьевич
  • Поспелов Борис Сергеевич
  • Овчинников Анатолий Тихонович
RU2373615C1
ПОГЛОТИТЕЛЬ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ 2010
  • Окунев Алексей Григорьевич
  • Лысиков Антон Игоревич
  • Деревщиков Владимир Сергеевич
RU2451542C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 244 586 C1

Реферат патента 2005 года ПОГЛОТИТЕЛЬ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА И СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Изобретение относится к области адсорбционного разделения газов. Поглотитель диоксида углерода из газовых смесей получают пропиткой карбонатом калия пористого оксида алюминия, при этом оксид алюминия предварительно обрабатывают щелочным раствором, затем в поры подготовленного таким образом оксида алюминия пропиткой вносят карбонат калия. В качестве раствора имеющего щелочную реакцию, используют раствор гидроксидов или карбонатов щелочных металлов, или любую их смесь. Обработку щелочным раствором проводят при температуре выше 40°С. Количество внесенного карбоната калия составляет 5-30 мас.%. Способ удаления диоксида углерода из газовых смесей, в т.ч. для адсорбционного выделения диоксида углерода из атмосферного воздуха в циклических процессах в условиях термической регенерации либо короткоцикловой безнагревной адсорбции заключается в том, что его проводят при температуре 20-200°С и используют вышеуказанный поглотитель. Изобретение позволяет повысить динамическую емкость поглотителя и повысить скорость поглощения диоксида углерода. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения RU 2 244 586 C1

1. Поглотитель диоксида углерода из газовых смесей, получаемый пропиткой карбонатом калия пористого оксида алюминия, отличающийся тем, что оксид алюминия предварительно обрабатывают щелочным раствором, затем в поры подготовленного таким образом оксида алюминия пропиткой вносят карбонат калия.2. Поглотитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве раствора имеющего щелочную реакцию, используют раствор гидроксидов или карбонатов щелочных металлов, или любую их смесь.3. Поглотитель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что обработку щелочным раствором проводят при температуре выше 40°С.4. Поглотитель по п.1, отличающийся тем, что количество внесенного карбоната калия составляет 5-30 мас.%.5. Способ удаления диоксида углерода из газовых смесей, в т.ч. для адсорбционного выделения диоксида углерода из атмосферного воздуха в циклических процессах в условиях термической регенерации либо короткоцикловой безнагревной адсорбции, отличающийся тем, что его проводят при температуре 20-200°С и используют поглотитель по любому из пп.1-4.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2005 года RU2244586C1

JP 08040715 А2, 13.02.1996
Способ получения гранулированных синтетических цеолитов 1973
  • Головко Георгий Анатольевич
  • Липкинд Борис Александрович
  • Слепнева Альбина Тимофеевна
  • Леонтьев Александр Семенович
  • Мазин Владимир Николаевич
  • Березовская Елена Никодимовна
  • Бурылов Валентин Александрович
  • Зубков Александр Михайлович
  • Конакова Ольга Алексеевна
  • Юдаев Александр Иванович
  • Павлычев Валентин Николаевич
  • Игнатов Юрий Яковлевич
  • Харитонов Евгений Александрович
SU522133A1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АДСОРБЕНТА ДИОКСИДА УГЛЕРОДА 1998
  • Симаненков С.И.
  • Александрова Т.И.
  • Кулаков Н.И.
  • Путин Б.В.
RU2152251C2
US 4407723 А1, 04.10.1983
US 4433981 A1, 28.02.1984
US 5917136 А1, 29.06.1999.

RU 2 244 586 C1

Авторы

Шаронов В.Е.

Окунев А.Г.

Губарь А.В.

Аристов Ю.И.

Даты

2005-01-20Публикация

2003-10-23Подача