以二氧化碳为原料结合整体生产方法制造可再生或部分可再生碳纤维技术

本发明专利技术描述了以二氧化碳为原料，根据不同工艺链生产的碳纤维。这些碳纤维包括通过天然资源(比如藻类生物量)的路径，以产生碳纤维前体(比如二氧化碳产生的PAN)，以及通过费托合成的纯合成路径(也用于生产二氧化碳碳纤维前体)。通过这种方式，人为产生的二氧化碳将转化为固态的碳纤维。这些工艺形成了如产生附加值的生物柴油和营养物质等副产品。

Manufacture of Renewable or Partially Renewable Carbon Fibers by Using Carbon Dioxide as Raw Material and Integrated Production Method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】以二氧化碳为原料结合整体生产方法制造可再生或部分可再生碳纤维
2015年12月签署的巴黎协议要求国际社会到2100年及未来将全球平均气温升幅控制在2℃以内，这给国际社会带来了挑战。为此，国际社会需要努力增加对加工工艺的投入，进而大幅提高二氧化碳转化为可用再生材料的效益。这些材料主要囊括了两类推动世界经济发展的材料。第一类包括燃气涡轮运作、柴油发电厂、飞机、车辆和船舶推进以及建筑物供暖或炊具操作所用的燃油、润滑油和其他液体燃料或气体燃料等材料。第二类材料涉及以二氧化碳为原料的建筑及施工材料的生产。气候研究的计算表明，就全球平均气温升幅而言，大气中的二氧化碳浓度与全球变暖之间存在拟线性关系。科学发现表明，人们必须防止大气中的二氧化碳浓度进一步升高，且在理想情况下必须将二氧化碳的浓度降低至工业化前水平。为此，国际社会讨论了多种方法。一方面，引入可再生能源(如风能、水能和太阳能)替代用于产能的化石燃料。从引入风力发电和光伏发电系统的经验来看(在德国已经尝试了这些方法)，虽然这些措施有一定的效果，但不足以维持对全球气温的控制。目前技术水平描述的方法，是使生物柴油或煤油等燃料通过生物量(比如结合固化或天然二氧化碳产生的藻类生长)生产，或借助固化二氧化碳和氢气形成的费托合成，回收工业相关物质。这两种方法在技术上均具有可行性，但具有不同的效益和相关成本。然而，这两种方法也涉及不同的原始材料，并且会产生不同的有价值的副产品，特别是通过电解生成氢气会产生氧气。限制全球变暖的另一个目标，是将化石燃料或天然资源产生的二氧化碳转化为施工和建筑材料(如PCT/EP2009/008497所述)。因此，在新材料生产工艺链的开端必须为二氧化碳固化，因为这些来源产生的二氧化碳，其获得成本或固化成本远低于直接源于空气，且空气中的二氧化碳浓度相对较低。对于从大气或固化来源吸收和控制二氧化碳，具有能源和质量效益的一种方法是生产藻类的生物量。凭借高繁殖生长率，藻类生物量的二氧化碳吸附水平是陆生植物的约20倍。就经济而言，建议在户外植物栽培钵大规模生产藻类的生物量，因为这在工业规模上具有低成本的特点。提取天然二氧化碳的另一种方法是发电、气化或天然藻类生物量的其他能源用途，以及特别是从烟气中固化二氧化碳。为了尽快将能源产生工艺转换为可再生能源，并且考虑到在不损害全球经济的前提下，停止使用化石发电系统，就目前而言不具有可行性；但另一方面尽快防止二氧化碳排放，意味着我们必须采用全新方法，尽快将二氧化碳转化为固体和稳定的碳化合物状态。在理想的情况下，这些碳化合物应当用作建筑材料和施工材料。为此，碳纤维基材(所谓的前体)的产生成本效益较高，并且通过多种不同的替代路径或工艺链只需合理的二氧化碳空间。通过这种方式，在碳化(通过热解)拉力的帮助下，形成非常坚固的碳纤维。碳纤维是数百年集聚的固体。首先，除了从空气吸收的二氧化碳外，将固化的二氧化碳放入藻箱，以防固化的二氧化碳进入大气。在上述工艺中，甘油是从藻类生物量的脂肪和油脂中提取。最初形成的生物柴油量相对较大，为煤油或货车和轮船的燃料奠定基础。这种燃料能够在生物柴油发电厂的后期安装阶段燃烧，以实现发电。通过燃烧，固化的二氧化碳将返回藻箱，并因此进行循环，或比如通过气化的形式整体或部分用于前体的生产。这样做的目的，是控制有价值工业用建筑材料和工业燃料的产生。比如，对比现在和未来，这种需求大相径庭。除了固化的二氧化碳外，在高压下运用适当的技术和合适的喷头将空气直接灌入藻类培养箱(理想情况下安装在阳光充足的区域)的水体时，藻类培养箱从周边空气吸取自由流动的二氧化碳。然而，这种新构思是基于某种认知，即上述工艺能够提取除燃油(已经能够从二氧化碳中提取)、如聚丙烯腈或其他有用原始材料等基础化学物，后者可用于碳纤维生产的原材料。尽管碳纤维已作为一种未来材料用于买卖，但在气候问题影响下，关于碳纤维的讨论少之又少，因为在材料生产过程中，碳纤维将耗费大量的能源，因此生物量与气候的相关性不足。此类专利技术将改变这一情况。尽管在一定程度上已描述了含油藻类生物量产生的碳纤维及其油脂的产生方式，但在可接受的区域范围内迄今尚不明确所需的藻类生物量。其中一种可能，是从藻类生物量的脂肪、脂肪油或油脂中产生丙烯腈。三酸甘油脂(少数情况下被称为中性脂肪)是三价醇甘油的三酯，并含有三酸分子结构。根据IUPAC建议，三酸甘油脂的专业名称为三酰基甘油，简称TAG(或tri-O-acylglycerole)。Tri的前缀是指使用甘油酯化后的三酰酸残余物。含有三种脂肪酸的三酰基甘油是脂肪和脂肪油中的混合物。天然脂肪和三长链脂肪酸构成了三聚甘油单硬脂酸酯的重要组成部分。三长链脂肪酸通常包括了4至26个不分支的链条，一般是12至22个碳原子。在室温下，这些呈液体状，因此也被称为油脂，或有别于矿物油或精油的脂肪油。脂肪酸的纯三酰基甘油也被称为中性脂肪。适当的藻类(包括海水藻类)能够产生大量此类脂肪油。此外，有人提出疑问，这些工艺能否只在阳光充足、但二氧化碳排放量甚少或甚至没有二氧化碳产生的地区(气候相当寒冷的工业区)发挥作用。通过适当计算，藻类生物量生产及其对可再生化学原料(比如生物柴油或生物煤油)的转化、转化的副产品甘油，以及通过甲醇生产形成的费托合成能够产生作为碳纤维原料的丙烯腈。为此，甲醇首先转换为丙烯，随后相继产生丙烯腈和聚丙烯腈。在本专利申请中，这些工艺的综合性方法是在阳光充足但工业相对不发达的国家，以及阳光不充足但拥有高碳足迹工业的国家，促进二氧化碳转化为碳纤维。虽然并非所有这些工艺均具有相同的效益，但材料(即固化二氧化碳和建筑材料)的运输路径和成本也在整体资产负债表上具有重要作用。因此，本专利中的合成工艺与具有能源效益远超藻类生物量的路径具有同等的重要性。两种工艺在对抗相应地区的气候变化中具有同等的社会政治地位；各个地区利用本专利技术应对各种情况。两种方法互有利弊。藻类合成的优势在于成本。因为在生产甘油的过程中，会累积大量生物柴油，而这些生物柴油能够以燃油、发电和供暖的形式用作能源供应。鉴于生物柴油作为可再生能源载体的高价值，使甘油生产成本和丙烯腈成本保持在较低水平。这种工艺的弊端在于需要使用相对较大的面积。对于作为通过中间步骤甲醇产生丙烯腈的基础的费托合成，此前尚未详述，并且与藻类生物量生产相比，费托合成的优势在于需求面积较少，但同时存在成本较高的弊端。然而，其弊端可通过初步相应较高的二氧化碳排放交易价予以补偿。然而，最终人们会满意长期无碳排放权，并因此降低生产价格。这可以通过多种工艺的组合实现，即混合比率，进而根据必要的工业转型，适应这些新工艺。根据计算，每种情况下50％的混合比率似乎是长期最优比率，诚然，一方面，这能够根据优化技术进行调整，而另一方面也存在时间函数的问题。刚开始时，借助费托合成，在廉价的风能发电帮助下，即时处理工业城市群内的二氧化碳工艺是合理的，而不是长途运送至北非。然而，如果北非的藻类效益随着时间逐渐提高，那么这一使命感将会在未来发生变化。聚丙烯腈纤维的价格将降低至与空间使用的同等水平。产生费托合成所需数量氢气的电解，释放了从藻类生物量生产丙烯腈过程中所需的氧气。这有助于提高整体效益，并因此降低聚丙烯腈纤维的价格本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.碳纤维的特点在于生产碳纤维所需的聚丙烯腈是源于藻类生物量的三酸甘油脂，通过这种方式，可采用GtM工艺提取丙三醇甲醇，并随后通过MOBIL工艺，从甲醇提取丙烯，然后通过Sohio工艺从丙烯提取丙烯腈，并最终提取聚丙烯腈；‑或通过BtL工艺从生物量气化中提取聚丙烯腈，通过甲醇合成和MOBIL工艺提取丙烯，以通过Sohio工艺构成丙烯腈；‑或一方面通过三酸甘油脂转化为甲醇而提取的聚丙烯腈，另一方面通过生物柴油副产品及通过自热重整(AtR)转化为合成气体，并通过甲醇合成实现转化，随后整个甲醇通过MOBIL工艺转化为丙烯，然后利用Sohio工艺转化为丙烯腈；‑或使用费托合成提取聚丙烯腈，以构成甲醇，通过Mobil工艺，实现对该丙烯的提取，并通过Sohio工艺利用丙烯形成丙烯腈，随后结合聚合作用形成聚丙烯腈；‑或通过合并运用这些工艺提取形成碳纤维所需的聚丙烯腈。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.01 DE 202016006700.21.碳纤维的特点在于生产碳纤维所需的聚丙烯腈是源于藻类生物量的三酸甘油脂，通过这种方式，可采用GtM工艺提取丙三醇甲醇，并随后通过MOBIL工艺，从甲醇提取丙烯，然后通过Sohio工艺从丙烯提取丙烯腈，并最终提取聚丙烯腈；-或通过BtL工艺从生物量气化中提取聚丙烯腈，通过甲醇合成和MOBIL工艺提取丙烯，以通过Sohio工艺构成丙烯腈；-或一方面通过三酸甘油脂转化为甲醇而提取的聚丙烯腈，另一方面通过生物柴油副产品及通过自热重整(AtR)转化为合成气体，并通过甲醇合成实现转化，随后整个甲醇通过MOBIL工艺转化为丙烯，然后利用Sohio工艺转化为丙烯腈；-或使用费托合成提取聚丙烯腈，以构成甲醇，通过Mobil工艺，实现对该丙烯的提取，并通过So...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯利亚·库赛，乌韦·阿奴尔德，托马斯·布鲁克，
申请(专利权)人：柯利亚·库赛，乌韦·阿奴尔德，托马斯·布鲁克，
类型：发明
国别省市：德国,DE