用于捕获CO2的可调的快速吸收的氨基聚合物气凝胶吸收剂制造技术

多孔聚合物气凝胶，其中所述气凝胶具有大于5重量％的整合到聚合物骨架中的含胺的乙烯基单体。制造多孔聚合物气凝胶胺材料的方法，包括制备包含至少溶剂、具有受保护的氨基的胺单体、一种或多种交联剂、一种或多种自由基引发剂和硝基氧介体的溶液，从所述溶液中去除氧，加热所述溶液以促进聚合并生产聚合的材料，与所述聚合的材料进行溶剂交换，在所述聚合的材料中引起脱保护反应以去除保护所述氨基的基团，浸泡和漂洗所述材料以去除过量的试剂和所述脱保护反应的任何副产物，和干燥所述材料以生产所述胺吸附剂。从其它气体中分离CO2的系统，其包含聚合物多孔气凝胶吸附剂，所述聚合物多孔气凝胶吸附剂具有大于5重量％的整合到聚合物骨架中的含胺的乙烯基单体。整合到聚合物骨架中的含胺的乙烯基单体。整合到聚合物骨架中的含胺的乙烯基单体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于捕获CO2的可调的快速吸收的氨基聚合物气凝胶吸收剂


[0001]本公开涉及二氧化碳的捕获，更具体地涉及使用固体吸附剂的直接空气捕获。

技术介绍

[0002]在未来几十年，综合评估建模预测，负CO2排放可能需要在约10吉吨(Gt)CO2/年的规模，以达到国际气候变化专门委员会(International Panel on Climate Change)2℃的全球变暖目标。如果与脱碳活动和廉价的、自然的负排放方法一起部署，由于CO2的直接空气捕获(DAC)的土地使用占地面积低、对工厂选址的灵活要求以及与高容量地质封存储层的相容性，其是用于气候变化缓解的有前景的策略。
[0003]然而，DAC中CO2捕获的成本和能量高，成本估计在$100
‑
1000/吨CO2的范围内，而能量估计在4
‑
13吉焦耳/吨CO2的范围内。与使用液体碱吸附剂的DAC工艺相比，使用固体吸附剂的DAC工艺具有更大的降低成本和能耗的潜力，因为它们的工艺流程更简单、CO2吸收更快、消除了蒸发热损失、再生中的显热负荷更低、以及低于200℃而不是高于700℃的更低的再生温度。与使用液胺的DAC或其它CO2捕获工艺相比，固体吸附剂在化学上更稳定并且释放更少的挥发物。
[0004]然而，为了降低DAC的成本和能耗，需要固体吸附剂材料的显著进步。特别是，国家科学院(NAS)最近确定需要开发具有(1)增加的CO2容量，(2)更快的扩散动力学，(3)更长的循环寿命，(4)低于$50/kg的成本，和(5)最小化来自惰性载体的显热负荷的吸附剂材料。

技术实现思路

[0005]根据本文说明的方面，提供了多孔聚合物气凝胶，所述气凝胶具有大于5重量％的整合到聚合物骨架中的含胺的乙烯基单体。
[0006]根据本文说明的方面，提供了制造多孔聚合物气凝胶胺材料的方法，其包括制备包含至少溶剂、胺单体、一种或多种交联剂、一种或多种自由基引发剂和硝基氧介体的溶液，从溶液中去除氧，加热溶液以促进聚合并生产聚合的材料，与聚合的材料进行溶剂交换，在聚合的材料中引起脱保护反应以去除保护所述氨基的基团，浸泡和漂洗材料以去除过量的试剂和脱保护反应的任何副产物，和干燥材料以生产胺吸附剂。
[0007]根据本文说明的方面，提供了从其它气体中分离CO2的系统，所述系统具有聚合物多孔气凝胶吸附剂，所述聚合物多孔气凝胶吸附剂具有大于5重量％的整合到聚合物骨架中的含胺的乙烯基单体。
附图说明
[0008]图1示出根据本实施方案的固体吸附剂的实施方案。
[0009]图2示出制造高胺负载吸附剂的方法的实施方案的流程图。
[0010]图3示出来自常规自由基聚合和来自受控自由基聚合的聚合物的比较。
[0011]图4示出制造高胺负载吸附剂的方法的实施方案。
具体实施方式
[0012]本文的实施方案涉及固体吸附剂及其制造方法，其将在由国家科学院(NAS)确定的所有领域中提供同步进展，具有实现低于$100/吨CO2的颠覆性工艺成本的潜力。
[0013]由于空气中CO2的含量低，约为400ppm，在DAC中，需要具有高选择性化学吸附的材料。由于高CO2选择性、耐湿性、高吸附热和低成本，固体胺改性材料是DAC最有前景的固体吸附剂材料。已经报道了各种胺改性的吸附剂，但是由于材料和工艺限制，工艺成本仍然高。例如，一种方法使用固体胺吸附剂并报告$600/吨CO2的成本。已经提出了其它材料，例如MOF和多孔聚合物网络(PPN)，它们是刚性四面体单体的无定形超交联网络，但是这些材料由于孔径小而遭受成本高、在水分中降解和吸收速率慢。
[0014]本文的实施方案涉及使用氨基聚合物气凝胶吸附剂直接空气捕获CO2。与现有技术(SOA)吸附剂相比，示出TRAPS的实施方案(表1)。
[0015]表1.在DAC条件下，氨基聚合物气凝胶性质相对于现有技术吸附剂。
[0016][0017]通常，低成本吸附剂(例如胺
‑
接枝的或胺
‑
浸渍的二氧化硅)具有低容量、高显热负荷和高。相反，高容量吸附剂(例如金属有机框架(MOF)或多孔聚合物网络)具有高成本的缺点。术语“显热负荷”是指增加或降低物质温度所需的能量的量。
[0018]本文的实施方案涉及新型材料，其包含具有高可及表面积和高含量的骨架整合的胺基的可扩展的中孔聚胺气凝胶，用于在直接空气捕获(DAC)条件下选择性CO2吸附。实施方案还包括通过受控自由基聚合方法从氨基
‑
乙烯基单体直接使低分子量胺(例如乙烯基胺和烯丙基胺)并入，而不限于仅伯胺的新方法。这实现了吸附剂中高含量的胺官能度，这使得能够实现高CO2负载容量。
[0019]本文的实施方案在10
‑
1000nm范围内在可比的孔径下具有比胺
‑
接枝的中孔二氧化硅或与多孔陶瓷载体共混的胺(例如聚乙烯亚胺的共混物)更高的比表面积。这增加了气体
‑
吸附剂相互作用并导致更快的负载/卸载速率。
[0020]由于使用具有高度活性伯胺的起始材料和避免惰性载体，实施方案将具有比常规的非负载以及陶瓷
‑
负载的聚胺更高的平衡比容量。
[0021]实施方案的合成平台的可调性使得胺能够共价整合到聚合物骨架中，并且精确控制空间环境以实现比常规聚胺更长的寿命。
[0022]图1示出代表实施方案的所得固体吸附剂10的图。聚胺16以高含量整合到聚合物骨架中，使得吸附剂中的胺含量总体上是高的。在一个实例中，气凝胶是含有90重量％的乙
烯基胺(其是最小的乙烯基胺类似物)和10重量％的交联剂的混合物共聚的结果，气凝胶中氮原子的含量为29.3重量％。完全由乙烯基胺制成而没有任何交联剂的气凝胶的氮原子含量等于32.55重量％。实际上，适合本申请目的的气凝胶中氮的百分比可以在1重量％至33重量％的范围内。这种高含量的聚胺与小孔壁(例如10nm)一起，赋予聚合物骨架高CO2负载能力，在4mol CO2/kg、超过1mol CO2/kg、或1
‑
4mol CO2/kg、或1
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5mol CO2/kg的范围内。在温度大于0℃且CO2浓度小于1000ppm下，实施方案可以是负载容量超过1mmol CO2/g吸附剂的气凝胶。
[0023]实施方案包括吸收动力学大于0.05mol CO2/千克分钟的气凝胶，包括在温度大于0℃且CO2浓度小于1000ppm下。在一个实施方案中，所得气凝胶具有大于5重量％的整合到聚合物骨架中的含胺的乙烯基单体。
[0024]骨架聚合物具有交联剂(例如14)，但含量较低，允许机械鲁棒性和吸附剂的低显热负荷，同时进一步有助于增加CO
2 18的捕获。吸附剂具有在0.15mol CO2/kg
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min范围内的快速动力学，其是孔径在例如10
‑
30nm的范围内的中孔，并且比表面积超过5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.多孔聚合物气凝胶，所述气凝胶具有大于5重量％的整合到聚合物骨架中的含胺的乙烯基单体。2.权利要求1所述的气凝胶，其中所述气凝胶的氮原子含量在1重量％至33重量％的范围内。3.权利要求1所述的气凝胶，其中由乙烯基胺单体的聚合得到的胺基通过由0
‑
6个碳原子组成的烃链连接到所述聚合物骨架。4.权利要求1所述的气凝胶，其中所述气凝胶的孔隙率大于10％。5.权利要求1所述的气凝胶，其中所述气凝胶的比表面积为至少100m2/g。6.权利要求1所述的气凝胶，其中所述气凝胶的壁厚在10
‑
100纳米的范围内。7.权利要求1所述的气凝胶，其中所述气凝胶的孔的尺寸在10
‑
1000纳米的范围内。8.权利要求1所述的气凝胶，其中所述气凝胶含有伯胺。9.权利要求1所述的气凝胶，其中所述气凝胶含有仲胺。10.权利要求1所述的气凝胶，其中所述气凝胶含有一部分稳定的自由基。11.权利要求1所述的气凝胶，其中所述气凝胶的负载容量超过1mol CO2/千克气凝胶。12.权利要求1所述的气凝胶，其中在温度大于0℃且CO2浓度小于1000ppm下，所述气凝胶的负载容量大于1mmol/g吸附剂。13.权利要求1所述的气凝胶，其中所述气凝胶的吸收动力学大于0.05mol CO2/千克分钟。14.权利要求1所述的气凝胶，其中在温度大于0℃且CO2浓度小于1000ppm下，所述气凝胶的吸收动力学大于0.05mol CO2/千克分钟。15.权利要求1所述的气凝胶，其中与固体或液体胺吸附剂相比，所述气凝胶具有更好的热和氧化稳定性。16.权利要求1所述的气凝胶，其中所述气凝胶的磨耗指数低于0.5。17.权利要求1所述的气凝胶，其中所述气凝胶的最小显热负荷低于50kJ/mol。18.制造多孔聚合物气凝胶胺材料的方法，其包括：制备包含至少溶剂、胺单体、一种或多种交联剂、一种或多种自由基引发剂和硝基氧介体的溶液；从所述溶液中去除氧；加热所述溶液以促进聚合并生产聚合的材料；与所述聚合的材料进行溶剂交换；在所述聚合的材料中引起脱保护反应以去除保护所述氨基的基团；浸泡和漂洗所述材料以去除过量的试剂和所述脱保护反应的任何副产物；和干燥所述材料以生产所述胺吸附剂。19.权利要求18所述的方法，其中制备溶液包括制备包含一种或多种还原剂的溶液。20.权利要求18所述的方法，其中制备所述包含至少胺单体的溶液包括制备包含一种或多种选自以下的溶液：具有受保护的氨基的胺单体、低分子量乙烯基胺单体、含有可聚合双键的乙烯基单体、含有可聚合双键的胺单体、乙烯基胺、烯丙基胺、3
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丁烯
‑1‑
胺、4
‑
戊烯
‑1‑
胺、3
‑
乙烯基苯胺、4
‑
乙烯基苯胺、包括4
‑
环己烯
‑
1,2
‑
二胺的二胺乙烯基单体、含胺的丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯、2
‑
氨基乙基甲基丙烯酸酯和3
‑
氨基丙基甲基丙烯酸酯、N
‑
甲基乙
烯基胺、N
‑
乙基乙烯基胺、N
‑
甲基
‑
烯丙基胺、N
‑
异丙基乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：帕洛阿尔托研究中心公司，
类型：发明
国别省市：