УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЕ СИЛИКОНОВУЮ РАЗДЕЛЯЮЩУЮ ПЛЕНКУ, И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
DEVICE FOR SEPARATION OF CARBON DIOXIDE, USING SILICONE SEALING FILM, AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

Область техники
[1] Настоящее изобретение касается устройства для отделения диоксида углерода из отходящего газа, в частности устройства для отделения диоксида углерода, использующего сепаратор, который сделан из покрытой керамикой, пористой силиконовой мембраны и способа его изготовления.
Уровень техники
[2] Глобальное потепление является сейчас мировой проблемой, и парниковый эффект, вызванный газообразным диоксидом углерода и метаном, играет значительную роль в глобальном потеплении. Глобальное потепление не только нарушает экосистему, но также оказывает огромное влияние на общественную жизнь людей. В этой связи делаются усилия в различных аспектах, чтобы снизить атмосферные выбросы газообразного диоксида углерода и метана.
[3] В установках очистки канализационных стоков, установках очистки сточных вод, мусорных свалках и т.д. органические вещества, содержащиеся в отходах, генерируют газ путем разложения. Этот газ называется газом из органических отходов. На начальном этапе мусорной свалки газ из органических отходов разлагается в присутствии кислорода. Однако, так как кислород постепенно расходуется, газ из органических отходов, главным образом, разлагается в процессе анаэробного брожения. Большая часть газа из органических отходов, образующегося в процессе анаэробного брожения, содержит от 40 до 60 % диоксида углерода, от 45 до 60 % газообразного метана и очень небольшие количества других компонентов, таких как азот и аммиак. Метан и диоксид углерода, которые являются основными компонентами газа из органических отходов, являются причинами глобального потепления. Чтобы сделать газ из органических отходов применимым в промышленности, газообразный метан и диоксид углерода необходимо отделять друг от друга.
[4] Глобальное потепление, вызванное увеличением диоксида углерода в воздухе, является одной из важных экологических проблем, которые необходимо решать человечеству. Диоксид углерода выделяется из установок очистки канализационных стоков, установок очистки сточных вод, мусорных свалок и т.д., когда отходы сгорают. Диоксид углерода является особой проблемой, когда выпускается из тепловых электростанций или сталелитейных заводов. Следовательно, разрабатываются технологии отделения и удаления диоксида углерода из образующихся отходящих газов. Некоторые, уже разработанные технологии отделения диоксида углерода включают в себя способ поглощения, способ адсорбции, способ криогенного разделения воздуха и способ мембранного разделения.
[5] Способ поглощения представляет собой способ селективного отделения диоксида углерода путем поглощения диоксида углерода. В способе поглощения газ продуктов сгорания или технологический газ, который содержит диоксид углерода, приводят в контакт с таким раствором, который может поглощать диоксид углерода путем химической реакции. Среди способов поглощения мокрый аминовый способ является коммерчески доступной технологией. В мокром аминовом способе диоксид углерода собирают из отходящего газа сгорания, используя поглотитель на основе амина.
[6] Способ адсорбции представляет собой способ отделения диоксида углерода путем физической адсорбции диоксида углерода на поверхности адсорбента, имеющего сродство к диоксиду углерода.
[7] Способ криогенного разделения воздуха представляет собой классический способ газожидкостного разделения для отделения диоксида углерода, сжиженного при низкой температуре, от других, не сжиженных газов. Данный способ предпочтителен тем, что он может давать большое количество сжиженного диоксида углерода, но неудобен тем, что он требует много энергии для охлаждения.
[8] Способ мембранного разделения обычно применяет твердую мембрану, имеющую функцию разделения. Способ мембранного разделения широко применим от молекулярного уровня до уровня частиц в зависимости от типа используемой мембраны. Кроме того, так как материал обычно отделяется с использованием давления, которое является механической энергией, в способе мембранного разделения расходуется меньше энергии, чем в дистилляционном способе, использующем тепловую энергию. Примеры применения способа мембранного разделения включают в себя обратный осмос, ультрафильтрацию, прецизионную фильтрацию, диализ и разделение газов. В частности, способ разделения газов привлекает внимание как способ отделения и сбора диоксида углерода энергосберегающим образом из крупномасштабных источников диоксида углерода, таких как тепловые электростанции, цементные заводы и сталеплавильные печи.
[9] Более конкретно, газоотделяющая мембрана, которая может быть использована в способе мембранного разделения, чтобы отделять и собирать особый газ от, например, природного газа, может быть ароматической полиимидной мембраной, которую получают путем полимеризации и имидизации ароматической тетракарбоксильной кислоты и ароматического диамина. С ароматической полиимидной мембраной активно проводили исследования. Однако ароматическая полиимидная газоотделяющая мембрана может быть изготовлена только при высокой температуре 350 °С или выше и имеет проблемы с термостойкостью, долговечностью и химической стойкостью. Поэтому решения этих проблем нуждаются в изучении.
[10] Другие обычные технологии отделения и сбора диоксида углерода раскрываются в корейской патентной публикации № 10-0734926 и японской выложенной патентной публикации № hei 10-180062. Корейская патентная публикация № 10-0734926 раскрывает устройство для удаления сернистого соединения и отделения метана и диоксида углерода с использованием жидкого катализатора с хелатом железа. Данное устройство может обрабатывать сернистое соединение в зловонном газе, генерируемом свалкой или анаэробным метантенком, и отделять и отбирать метан и диоксид углерода в газе. Кроме того, японская выложенная патентная публикация № hei 10-180062 раскрывает разделяющую мембрану и способ селективного разделения. Разделяющая мембрана может отделять диоксид углерода из смеси диоксида углерода и метана, используя плотную мембрану или асимметричную мембрану, которая содержит в качестве своего основного компонента фтор-содержащий полиимидный полимер, имеющий высокую отделяющую способность и проницаемость для диоксида углерода.
2
[11] К настоящему времени были предложены различные способы отделения и сбора диоксида углерода, включая вышеуказанные обычные технологии. Однако трубно формировать разделяющую мембрану, имеющую большой размер 10 см или больше. Кроме того, когда используют парциальное давление на обеих сторонах, потребляется большое количество энергии, и разделяющая мембрана, которая может выдерживать эту разницу давления, не может быть сформирована.
Техническая проблема
[12] Аспекты настоящего изобретения обеспечивают устройство для селективного отделения и сбора диоксида углерода из газообразных побочных продуктов (газообразный метан, диоксид углерода и другие газы будут вместе называться "газообразные побочные продукты"), использующее сепаратор или пластину, сделанную из пористой силиконовой мембраны.
[13] Аспекты настоящего изобретения также обеспечивают способ эффективного отделения диоксида углерода путем упрощения способа изготовления разделяющей мембраны и способа отделения, тем самым увеличивая размер устройства разделения и снижая энергию, требуемую для отделения диоксида углерода.
Техническое решение
[14] Согласно одному аспекту настоящего изобретения обеспечивается устройство для отделения диоксида углерода. Данное устройство включает в себя: емкость для хранения газообразных побочных продуктов, которая хранит газообразные побочные продукты, генерированные базовой установкой обработки окружающей среды и содержащие большое количество метана и диоксида углерода; вход газообразных побочных продуктов, через который газообразные побочные продукты подают из бака для хранения газообразных побочных продуктов, и выход газообразных побочных продуктов, через который выпускают метан-содержащие газообразные побочные продукты, полученные путем отделения диоксида углерода от исходных газообразных побочных продуктов; разделяющий контейнер, который включает в себя сепаратор, сделанный из пористой силиконовой мембраны, которая отделяет диоксид углерода от исходных газообразных побочных продуктов; выпускную трубу, которая сформирована в разделяющем контейнере, чтобы выпускать диоксид углерода, отделенный от пористой силиконовой мембраны; емкость для хранения диоксида углерода, которая принимает и хранит отделенный диоксид углерода; и емкость для хранения оставшихся газообразных побочных продуктов, которая хранит метан-содержащие газообразные побочные продукты, полученные путем отделения диоксида углерода от исходных газообразных побочных продуктов.
[15] Согласно другому аспекту настоящего изобретения обеспечивается мембрана, отделяющая диоксид углерода, включающая в себя: разделяющую мембрану, которая изготовлена из пористого силикона; и покрывающий слой, который получен путем нанесения нанокерамического порошка на пористую силиконовую разделяющую мембрану.
[16] Согласно другому аспекту настоящего изобретения обеспечивается способ отделения диоксида углерода от газообразных побочных продуктов с использованием устройства для отделения диоксида углерода, которое включает в себя мембрану для отделения диоксида углерода.
Преимущественные эффекты
[17] Согласно настоящему изобретению применяют сепаратор или пластину, изготовленную из покрытой керамикой, пористой силиконовой мембраны. Поэтому диоксид углерода может избирательно отделяться от газообразных побочных продуктов с использованием очень малой разницы давлений и простого способа.
2
2
[18] Обычное устройство для отделения диоксида углерода использует некоторую разницу давлений. То есть, обычное устройство для отделения диоксида углерода отделяет диоксид углерода путем подачи смешанного газа при давлении от 3 до 40 кгс/см или более высоком давлении. Поэтому требуется высокое потребление энергии. Кроме того, так как есть предел увеличения размера данного устройства, есть предел получению. Однако настоящее изобретение использует устройство для отделения диоксида углерода при комнатной температуре путем поддержания разности давлений между внутренней и внешней сторонами разделяющей мембраны меньше чем 4 кгс/см. Поэтому потребление энергии ниже. Кроме того, так как данное устройство простое, стоимость устройства может быть сэкономлена.
[19] Также, гарантируется легкость установки, так как данное устройство может быть установлено даже в грязной воде, которая генерирует газообразные побочные продукты, или под водой.
Описание чертежей
[20] Фиг.1 представляет собой схематичное изображение устройства для отделения диоксида углерода от газообразных побочных продуктов;
[21] Фиг.2 изображает устройство для отделения и сбора диоксида углерода от газообразных побочных продуктов, подаваемых в сепаратор;
[22] Фиг.3 изображает устройство для отделения диоксида углерода, посредством сепаратора, от газообразных побочных продуктов, подаваемых в разделяющий контейнер;
[23] Фиг.4 изображает разделяющий контейнер, имеющий множество сепараторов в форме трубок и крышку разделяющего контейнера;
[24] Фиг.5 изображает коробчатый сепаратор, имеющий разделяющие мембраны, которые находятся в форме листов, расположенных друг против друга;
[25] Фиг.6 изображает сетку и опору, установленную между разделяющими мембранами коробчатого сепаратора, которая распространяется вдоль его продольного направления;
[26] Фиг.7 изображает нанокерамику, нанесенную на поверхность разделяющей мембраны;
[27] Фиг.8а представляет собой покомпонентный вид в перспективе мембран, отделяющих диоксид углерода, изготовленных в форме листов;
[28] Фиг.8b изображает собранное устройство для отделения диоксида углерода, имеющее мембраны для отделения диоксида углерода, изготовленные в форме листов;
[29] Фиг.9a представляет собой покомпонентный вид в перспективе мембраны, отделяющей диоксид углерода, изготовленной в форме трубы;
[30] Фиг.9b изображает собранное устройство для отделения диоксида углерода, имеющее мембрану для отделения диоксида углерода, изготовленную в форме трубы; и
[31] Фиг.10 представляет собой блок-схему способа формирования мембраны для отделения диоксида углерода.
Лучший вариант осуществления
[32] Настоящее изобретение раскрывает устройство для отделения диоксида углерода. Данное устройство включает в себя: емкость для хранения газообразных побочных продуктов (побочный газ), которая хранит газообразные побочные продукты, генерированные базовой установкой обработки окружающей среды и содержащие большое количество метана и диоксида углерода; вход газообразных побочных продуктов, через который газообразные побочные продукты подают из бака для хранения газообразных побочных продуктов, и выход газообразных побочных продуктов, через который выпускают метан-содержащие газообразные побочные продукты, полученные путем отделения диоксида углерода от исходных газообразных побочных продуктов; разделяющий контейнер, который включает в себя сепаратор, сделанный из пористой силиконовой мембраны, которая отделяет диоксид углерода от исходных газообразных побочных продуктов; выпускную трубу, которая сформирована в разделяющем контейнере, чтобы выпускать диоксид углерода, отделенный от пористой силиконовой мембраны; емкость для хранения диоксида углерода, которая принимает и хранит отделенный диоксид углерода; и емкость для хранения, которая хранит метан-содержащие газообразные побочные продукты, полученные путем отделения диоксида углерода от исходных газообразных побочных продуктов.
Вариант осуществления изобретения
[33] Далее типичные варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылкой на приложенные чертежи.
[34] Мембранный способ разделения газа используют, чтобы отделять особый компонент из смешанного газа или органических паров, используя проникновение газа сквозь мембрану. Когда газовая смесь контактирует с поверхностью мембраны, газовые компоненты диффундируют сквозь мембрану, растворяясь или адсорбируясь в мембране. Растворимость и проницаемость каждого газового компонента может варьировать согласно материалу разделяющей мембраны. Например, тогда как диоксид углерода, водяной пар, гелий и сероводород могут легко проникать через мембрану, легко адсорбируясь или растворяясь в мембране, азот, метан, этан и другие углеводороды являются газовыми компонентами, которые проникают сквозь мембрану с очень низкой скоростью. Это является основной причиной, почему мембрану используют, чтобы отделять кислород от азота и диоксид углерода от метана в воздухе.
[35] Фиг.1 представляет собой схематичное изображение устройства для отделения диоксида углерода от газообразных побочных продуктов (побочный газ) согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Устройство для отделения и сбора диоксида углерода включает в себя емкость 60 для хранения газообразных побочных продуктов (побочного газа), который сохраняет газообразные побочные продукты, которые содержат большое количество метана и диоксида углерода, вход 30 газообразных побочных продуктов, через который газообразные побочные продукты подают из бака 60 для хранения газообразных побочных продуктов, выход 50 газообразных побочных продуктов, через который выпускают метан-содержащие газообразные побочные продукты, полученные путем отделения диоксида углерода от исходных газообразных побочных продуктов (побочного газа), разделяющий контейнер 10, который включает в себя сепаратор 20 для отделения диоксида углерода от исходных газообразных побочных продуктов, выпускную трубу 40, через которую отделенный диоксид углерода выпускают из разделяющего контейнера, емкость 70 для хранения диоксида углерода, который принимает и хранит отделенный диоксид углерода, и емкость 80, который принимает и хранит метан-содержащие газообразные побочные продукты, полученные путем отделения диоксида углерода от исходных газообразных побочных продуктов(побочного газа).
2
[36] Обычно, когда мембранный способ разделения газа используют, чтобы отделять особый газ, требуется увеличивать давление на стороне исходного газа и снижать давление на стороне пермеата, чтобы газ мог эффективно проникать сквозь разделяющую мембрану. Настоящее изобретение, однако, использует разницу в отрицательном давлении, прикладываемом к внутренней и внешней стороне разделяющей мембраны, которая установлена в разделяющем контейнере, для особого газового компонента. В этом случае разделяющий контейнер может поддерживаться при температуре от 0 до 60°С, более предпочтительно в низкотемпературном интервале от 20 до 40°С. Кроме того, разделяющий контейнер может представлять собой устройство отделения диоксида углерода, которое не подвергается фазовым изменениям путем поддержания давления от 0 до 4 кгс/см и имеет низкое потребление энергии. Диоксид углерода может отделяться более эффективно с помощью явления осмотического давления, возникающего из-за разницы между концентрацией диоксида углерода, содержащегося в газообразных побочных продуктах, и концентрацией диоксида углерода, отделенного от газообразных побочных продуктов. Даже когда концентрация диоксида углерода является одинаковой внутри и снаружи разделяющей трубы, отделение диоксида углерода может продолжаться путем разницы в отрицательном давлении.
[37] Более конкретно, разделяющий контейнер 10 настоящего изобретения может получать энергию, требуемую для отделения диоксида углерода, из разницы в концентрации диоксида углерода между внутренней стороной D1 разделяющей мембраны, сделанной из пористой силиконовой мембраны, и внешней стороной D2 сепаратора. Газообразные побочные продукты текут внутри D1 сепаратора, и только диоксид углерода, отделенный от газообразных побочных продуктов, существует снаружи D2 сепаратора. Когда исходное давление Р1, с помощью которого газообразные побочные продукты подают в сепаратор 20, больше или равно давлению Р2 внутри сепаратора, диоксид углерода проникает сквозь пористую силиконовую мембрану в любой ситуации, если концентрация диоксида углерода в D1 больше, чем концентрация в D2. Кроме того, отделенный диоксид углерода периодически переносят в емкость для хранения диоксида углерода, чтобы предотвращать превышение концентрации диоксида углерода в D2 над концентрацией в D1. Таким образом, диоксид углерода может эффективно отделяться путем непрерывного проникновения через пористую силиконовую мембрану. В результате может получаться высокочистый диоксид углерода.
[38] Проницаемость диоксида углерода, отделяемого от газообразных побочных продуктов, можно вычислить с помощью уравнения (1) ниже:
[39]
(1)
2
2
[40] В настоящем изобретении может быть установлен насос на выходе, чтобы облегчать выпуск метан-содержащих газообразных побочных продуктов без диоксида углерода через данный выход. Данный насос может поддерживать давление от 0 до 2 кгс/см, чтобы поддерживать разницу давлений в разделяющем контейнере в интервале от 0 до 4 кгс/см.
2
[41] Кроме того, другой насос может быть установлен в линии сбора диоксида углерода для эффективного сбора отделенного диоксида углерода. Данный насос может поддерживать давление приблизительно от 0 до -1 кгс/см.
[42] Разделяющая мембрана может быть сделана из полимерного материала, такого как ацетат целлюлозы или полисульфон, нового полимерного материала, керамического материала или углеродного молекулярно-ситового материала. Предпочтительно, разделяющая мембрана может быть сделана из пористой оксиднокремниевой керамики, пористого оксиднокремниевого стекла, пористой оксидноалюминиевой керамики, пористой нержавеющей стали, пористого титана или пористого серебра. Более предпочтительно, разделяющая мембрана может быть сделана из пористого силикона.
[43] В настоящем изобретении сепаратор 20, сделанный из пористой силиконовой мембраны, может быть в форме вертикального листа, горизонтального листа или трубы. Более предпочтительно, сепаратор 20 может быть в форме трубы.
[44] Фиг.2 и 3 изображают различные варианты осуществления, в которых газообразные побочные продукты подают в сепаратор 20 или разделяющий контейнер 10, используя обратимые параметры сепаратора. Более конкретно, Фиг.2 изображает случай, где, когда газообразные побочные продукты, подаваемые в сепаратор 20, как указано численным обозначением 30, текут сквозь сепаратор 20, диоксид углерода адсорбируется и проходит сквозь разделяющую мембрану, собираясь в разделяющем контейнере 10, как указано численным обозначением 40. Фиг.3 изображает случай, где, когда газообразные побочные продукты подают в разделяющий контейнер 10, как указано численным обозначением 30, диоксид углерода абсорбируется и проникает в сепаратор, чтобы выпускаться, как указано численным обозначением 40.
[45] Фиг.4 изображает разделяющий контейнер, имеющий множество сепараторов в форме трубок и крышку разделяющего контейнера. Чтобы увеличить производительность сбора диоксида углерода, множество сепараторов 20 может быть установлено в разделяющем контейнере 10, как изображено на Фиг.4. Сепараторы могут быть установлены под желаемым углом, например вертикально или горизонтально, и крупномасштабное устройство для отделения диоксида углерода может быть изготовлено путем соединения двух или более разделяющих контейнеров 10. Опора 90 может быть установлена в надлежащих местах, чтобы поддерживать и защищать сепараторы.
[46] Кроме того, пористая силиконовая мембрана настоящего изобретения может быть изготовлена в форме листа, чтобы создавать коробчатый сепаратор с увеличенной площадью разделения. Соответственно, количество отделяемого и собираемого диоксида углерода может быть увеличено. Например, Фиг.5 изображает сепаратор 20, имеющий площадь поверхности, увеличенную путем установки разделяющих мембран, которые изготовлены в форме листов, лицом друг к другу с пустым пространством между ними. Данный сепаратор включает в себя опору 90, имеющую форму четырехугольной рамы. Опора 90 поддерживает заданный зазор между разделяющими мембранами.
[47] Фиг.6(А) изображает коробчатый сепаратор, который вытянут вдоль своего продольного направления и в котором опора 90 и сетка 100 установлены между разделяющими мембранами 20, чтобы поддерживать заданный зазор между разделяющими мембранами 20, защищать разделяющие мембраны 20 и позволять отделяться диоксиду углерода. Фиг.6(В) изображает только опору 90. Опора 90 поддерживает сетку 100, чтобы сдерживать избыточное расширение разделяющих мембран 20. Фиг.6(С) изображает только сетку 100. Сетка 100 представляет собой структуру, которая сдерживает избыточное расширение разделяющих мембран 20 из-за разницы давлений между внутренней и внешней сторонами сепаратора в процессе отделения диоксида углерода и поддерживает заданный зазор между разделяющими мембранами.
[48] Чтобы увеличить площадь отделения диоксида углерода, множество коробчатых сепараторов 20 устанавливают в разделяющий контейнер 10. В этом случае газообразные побочные продукты вводят снаружи сепараторов 20, а диоксид углерода выпускают и собирают с каждого из сепараторов 20 через выпускную трубу 40. Кроме того, сквозное отверстие может быть образовано в каждом из сепараторов 20, чтобы непосредственно соединять сепараторы 20 сжатием. В этом случае диоксид углерода может собираться вдоль сквозных отверстий, или труба для соединения диоксида углерода может быть установлена между сепараторами. Так как сепаратор является обратимым, газообразные побочные продукты могут вводиться в сепаратор, и отделенный диоксид углерода может собираться снаружи сепаратора.
2
3
2
2
3
2
3
2
2
[49] Фиг.7 изображает нанокерамику, нанесенную на поверхность разделяющей мембраны. В настоящем изобретении керамический нанопорошок может наноситься на внутреннюю и внешнюю стороны пористой силиконовой разделяющей мембраны. Керамика может представлять собой один компонент или несколько из оксида на основе Fе, оксида на основе Рd, оксида на основе Тi и оксида на основе Аl, которые имеют сродство к диоксиду углерода. Предпочтительно, керамика может представлять собой один компонент или смесь из FеО, ТiО, РdО, АlО, МgО, NiО, YО, SiО, ZrО и цеолита.
[50] Обычно керамика превосходит органическую полимерную мембрану с точки зрения термостойкости, химической стойкости и механических/физических свойств. Поэтому ее можно применять при высокой температуре, высоком давлении и в коррозионной атмосфере. Кроме того, когда пористую керамику применяют к разделяющей мембране, молекулы газа могут проходить сквозь микропоры с помощью кнудсеновской диффузии, поверхностной диффузии или активированной диффузии в молекулярно-ситовой области в зависимости от размера или параметров поверхности микропор. Также, чтобы улучшить разделение, поверхностная диффузия может быть введена путем регулирования размера и структуры микропор и преобразования поверхности микропор. Следовательно, покрытый керамикой слой настоящего изобретения может преимущественно использоваться в качестве разделяющей мембраны для адсорбции и диффузии диоксида углерода из-за ее прекрасного сродства к диоксиду углерода.
[51] Согласно способу нанесения керамики, разделяющая мембрана может погружаться в суспензию, полученную путем разбавления керамического порошка водой, и затем извлекаться из суспензии и сушиться. Толщина покрытой керамикой мембраны может регулироваться с помощью размера керамического порошка и количеством раз, когда разделяющую мембрану погружают в суспензию. Альтернативно, может быть использован способ нанесения керамики путем распыления суспензии или способ осаждения керамики.
[52] Кроме того, поверхность разделяющей мембраны может быть преобразована в щелочную путем покрытия разделяющей мембраны щелочным металлом или щелочноземельным металлом, таким как натрий, калий, магний или барий. В этом случае диоксид углерода, который является кислотным газом, может эффективно отделяться.
[53] Кроме того, опора 90 или сетка 100 может быть сделана из металла, чтобы прикладывать электрическое поле. Электрическое поле, приложенное к опоре или сетке, может облегчать движение молекул диоксида углерода. Когда сетка сделана из органического материала, может добавляться электрод, сделанный из металлической проводящей проволоки, чтобы прикладывать напряжение. Когда сетка или опора является металлической, нет необходимости добавлять электрод.
[54] Более конкретно, электрическое поле, приложенное к сетке, опоре или электроду, может вызывать постоянный ток и/или переменный ток, более конкретно, постоянный ток от 0,01 до 50 кВ или переменный ток от 0,01 до 50 кВ в состоянии от 1 Гц до 1 МГц. Это облегчает движение молекул диоксида углерода, тем самым увеличивая скорость, с которой молекулы диоксида углерода проходят сквозь мембрану для отделения диоксида углерода. Соответственно, диоксид углерода может легче отделяться. Необходимо озаботиться, чтобы предотвращать сепаратор от повреждения чрезмерным током.
[55] В настоящем изобретении генератор звуковых волн также может быть установлен на пути движения газообразных побочных продуктов внутри сепаратора, сделанного из пористой силиконовой мембраны. Генератор звуковых волн может вызывать колебания пористой силиконовой мембраны, тем самым делая отделение диоксида углерода более эффективным. Генератор звуковых волн может колебать пористую силиконовую мембрану, генерируя звуковую волну от 1 Гц до 100 кГц. Соответственно, диоксид углерода может легче проходить сквозь пористую силиконовую мембрану, легче отделяясь. Когда звуковая волна генератора звуковых волн является слишком интенсивной, необходимо озаботиться, чтобы предохранить сепаратор от повреждения из-за явления резонанса.
[56] Фиг.8a представляет собой покомпонентный вид в перспективе мембран для отделения диоксида углерода, изготовленных в форме листов. Фиг.8b изображает собранное устройство для отделения диоксида углерода. Для сборки устройства для отделения диоксида углерода, вход или выход 400, сетку 500 и электрод 550 помещают между верхней и нижней разделяющими мембранами 100 в форме листов, и затем верхнюю и нижнюю разделяющие мембраны 100 соединяют вместе путем нанесения клея на края верхней и нижней разделяющих мембран 100.
[57] Сетка 500 представляет собой сетчатый эластичный материал, который служит в качестве опоры в трубчатом шланге. Сетка 500 сделана из нейлона, полимера или металлического материала, такого как пружина. Когда давление между верхним и нижним листами становится отрицательным, сетка 500 предохраняет верхний и нижний листы от соединения друг с другом и, таким образом, от потери их разделяющей функции. Сетка может быть изготовлена в форме трубы или листа.
[58] Разделяющий контейнер устройства для отделения диоксида углерода может использовать уложенную пластину, которая находится в форме листа или трубы. Газообразные побочные продукты проходят сквозь разделяющий контейнер, имеющий упаковку из множества разделяющих мембран в форме листов, и только диоксид углерода отделяется и извлекается через вход или выход 400. Возможно обратное. То есть, газообразные побочные продукты могут проходить через вход или выход 400, и только диоксид углерода может отделяться и извлекаться внутри разделяющего контейнера. Следовательно, вход или выход 400 может быть образован только на одной стороне или на обеих сторонах разделяющих мембран в форме листов.
[59] Фиг.9a представляет собой покомпонентный вид в перспективе мембраны для отделения диоксида углерода в форме трубы. Фиг.9b изображает собранное устройство для отделения диоксида углерода. Устройство для отделения диоксида углерода собирают путем вставки входа или выхода 400, сетки 500 и электрода 550 в мембранную трубу для отделения диоксида углерода и герметизации мембранной трубы для отделения диоксида углерода клеем, наносимым на оба конца мембранной трубы для отделения диоксида углерода.
[60] Фиг.10 изображает способ формирования мембраны для отделения диоксида углерода согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Пористая силиконовая мембрана может быть сформирована путем смешения сырого силиконового каучукового материала, керамического порошка и вулканизатора (отвердителя), экструдирования данной смеси и вулканизации (отверждение) экструдированной смеси при температуре от 80 до 300°С.
[61] Более конкретно, данный способ формирования мембраны для отделения диоксида углерода может включать в себя а) приготовление смеси путем смешения сырого силиконового каучукового материала, керамики и вулканизатора, b) перемешивание данной смеси, с) экструдирование перемешанной смеси в виде содержащей керамику, силиконовой композитной мембраны путем введения перемешанной смеси в экструдер при температуре от 50 до 100°С и d) вулканизацию композитной мембраны при температуре от 100 до 300°С.
[62] Обычно силиконовый каучук сохраняет свои свойства даже при высокой температуре. Следовательно, силиконовый каучук демонстрирует гораздо лучшую прочность на растяжение, величину удлинения и износостойкость, чем обычный органический каучук. В отличие от других органических каучуков силиконовый каучук имеет молекулярную структуру без двойных связей, которые вызывают трещины из-за реакции с кислородом, озоном и ультрафиолетовыми лучами в атмосфере. Поэтому силиконовый каучук имеет прекрасную устойчивость к воздействию атмосферы, вследствие чего он мало страдает от изменения физических свойств, даже если используется в течение длительного периода времени. Кроме того, силиконовый каучук имеет термостойкость, низкотемпературную гибкость, прекрасную прочность и огнезащитные свойства. Больше всего, так как проницаемость силиконового каучука к кислороду и органическим парам является высокой, силиконовый каучук применяется, чтобы концентрировать кислород в воздухе и собирать органические пары.
2
3
2
2
3
2
3
2
2
[63] Керамический порошок может представлять собой один компонент или несколько из оксида на основе Fе, оксида на основе Рd, оксида на основе Тi и оксида на основе Аl, которые имеют сродство к диоксиду углерода. Предпочтительно, керамика может представлять собой один компонент или смесь из FеО, ТiО, РdО, АlО, МgО, NiО, YО, SiО, ZrО и цеолита. Керамический порошок может быть использован в количестве от 0,001 до 10% масс в расчете на массу сырого силиконового каучукового материала. Вследствие своего большого сродства к диоксиду углерода керамический порошок может облегчать адсорбцию и диффузию диоксида углерода в разделяющую мембрану.
[64] Кроме того, вулканизатор может представлять собой органический пероксид, который может генерировать радикалы путем пиролиза при температуре от 20 до 200°С. Например, вулканизатор может быть бензоилпероксидом, 2,4-дихлорбензоилпероксидом, п-метилбензоилпероксидом, о-метилбензоилпероксидом, 2,4-дикумилпероксидом, 2,5-диметил-бис(2,5-трет-бутилперокси)гексаном, ди-трет-бутилпероксидом, трет-бутилпербензоатом или 1,6-гександиол-бис-трет-бутилпроксикарбонатом, но не ограничиваясь этим.
[65] После того, как керамику и вулканизатор смешивают, они могут смешиваться с сырым силиконовым каучуковым материалом. Вулканизатор может добавляться в количестве от 0,1 до 15 массовых частей, например от 0,2 до 10 массовых частей на 100 массовых частей полной массы. Когда вулканизатор добавляют в количестве меньше чем 0,1 массовых частей, сырой каучуковый материал может становиться слишком мягким или сыроподобным после вулканизации, делая его непригодным для использования в силиконовой разделяющей мембране настоящего изобретения. Когда вулканизатор добавляют в количестве больше чем 15 массовых частей, механические/физические свойства могут ухудшаться, и может потребоваться больше времени, чтобы удалить оставшийся вулканизатор после процесса вулканизации.
[66] В операции b) настоящего изобретения смесь керамики и вулканизатора может смешиваться с сырым силиконовым каучуковым материалом и затем перемешиваться в течение от 10 минут до 5 часов при комнатной температуре, чтобы равномерно перемешать их. Если смесь керамики, вулканизатора и сырого силиконового каучукового материала не перемешана в достаточной степени, это может вызывать различие в плотности керамики в сыром силиконовом каучуковом материале, делая толщину формованной разделяющей мембраны неравномерной и вызывая явление расслоения. По этой причине смесь керамики, вулканизатора и сырого силиконового каучукового материала должна быть достаточно перемешана.
[67] Кроме того, в операции с) настоящего изобретения перемешанную смесь из операции b) экструдируют. Перемешанную смесь вводят в экструдер, нагретый до температуры от 50 до 100 °С, и экструдируют в виде содержащей керамику, силиконовой композитной мембраны в форме трубы. Затем содержащую керамику, силиконовую композитную мембрану вулканизируют вплоть до невулканизированной части при нагреве от 100 до 300 °С при атмосферном давлении, получая силиконовую керамическую композитную мембрану в форме трубы.
[68] Увеличение содержания вулканизатора или увеличение температуры вулканизации в процессе смешения вышеуказанных исходных материалов может снижать время вулканизации. Кроме того, использование инфракрасного панельного нагревателя может дополнительно снижать время, требуемое для вулканизации силиконового каучука.
[69] В настоящем изобретении силиконовая композитная мембрана, полученная путем экструзии перемешанной смеси, может быть сформована в вертикальный лист, горизонтальный лист или трубу.
[70] В настоящем изобретении композитная мембрана, полученная путем экструдирования перемешанной смеси, также может быть пористой силиконовой композитной мембраной, которая содержит керамику. Керамика может иметь размер зерен от 1 нм до 100 мкм.
[71] В настоящем изобретении разделяющая мембрана, сделанная из пористого силикона, может быть в форме трубы, имеющей диаметр от 1 до 100 мм, более предпочтительно от 2 до 50 мм. Кроме того, разделяющая мембрана, сделанная из пористого силикона, может иметь толщину от 0,05 до 3 мм, более предпочтительно от 0,1 до 2 мм. Когда диаметр и толщина разделяющей мембраны находятся вне заданного интервала, это может влиять на площадь поверхности и проницаемость диоксида углерода.
[72] Кроме того, поры, образованные в силиконовой мембране, могут иметь диаметр от 0,3 до 0,37 нм, более предпочтительно от 0,32 до 0,35 нм. Когда силиконовые поры имеют диаметр больше чем 0,38 нм на основании кинетического молекулярного диаметра, который обычно используют для сравнения коэффициентов диффузии газа, метан, так же как диоксид углерода, может отделяться. Когда силиконовые поры имеют диаметр меньше чем 0,33 нм, диоксид углерода не может отделяться. Следовательно, необходимо использовать пористую силиконовую мембрану, имеющую надлежащий диаметр пор.
[73] Нанокерамический порошок, используемый в настоящем изобретении, может иметь средний размер зерен от 1 до 100 нм, более предпочтительно от 2 до 50 нм.
[74] Кроме того, покрытая керамикой мембрана в настоящем изобретении может иметь толщину от 2 нм до 1000 мкм. Когда покрытая керамикой мембрана является слишком толстой или слишком тонкой, могут возникать трещины или отслаивание. Так как диоксид углерода не может проникать через слишком толстый, покрытый керамикой слой, толщину покрытого керамикой слоя необходимо регулировать.
[75] Разделяющая мембрана может покрываться керамикой путем нанесения погружением, нанесения поливом, нанесения валиком или нанесения распылением, предпочтительно путем нанесения погружением. Керамика может диспергироваться в воде или любом из органических растворителей на основе спирта, таким как метанол, этанол и пропанол, и затем использоваться для покрытия разделяющей мембраны. Наиболее предпочтительно, керамика может диспергироваться в воде. Керамика может диспергироваться в течение от 30 минут до 1 часа с использованием ультразвукового диспергатора и затем использоваться для покрытия разделяющей мембраны.
[76] Кроме того, настоящее изобретение может обеспечивать способ отделения диоксида углерода из газообразных побочных продуктов с использованием устройства для отделения диоксида углерода, которое включает в себя сепаратор, сделанный из пористой силиконовой мембраны.
2
2
[77] Разница давлений между внутренней и внешней сторонами сепаратора, сделанного из пористой силиконовой мембраны, составляет меньше чем 4 кгс/см. Когда разница давлений между внутренней и внешней сторонами сепаратора составляет 4 кгс/см или больше, скорость течения газообразных побочных продуктов увеличивается, затрудняя поглощение диоксида углерода и его прохождение сквозь пористую силиконовую мембрану. Кроме того, расширение пористой силиконовой мембраны может становиться заметным. Поэтому желательно отделять диоксид углерода в интервале звукового давления вблизи атмосферного давления.
[78] Далее настоящее изобретения будет описано более подробно в виде примеров. Эти примеры обеспечены для иллюстрации настоящего изобретения, и специалистам в данной области техники будет ясно, что объем настоящего изобретения не предполагается ограничивать этими примерами.
[79] (Пример)
[80] В настоящем изобретении собранный диоксид углерода качественно и количественно анализировали, используя газохроматографический анализ, а скорость течения измеряли, используя измеритель массового потока (МFС).
[81] Пример 1: эксперимент проводили, используя пористую силиконовую трубку в качестве сепаратора.
3
[82] Пористую силиконовую трубку, имеющую толщину 2 мм, устанавливали в качестве пористой силиконовой мембраны 20 из Фиг.1, и смешанный газ, содержащий 50% диоксида углерода и 50% азота, использовали в качестве газообразных побочных продуктов. Газообразные побочные продукты вводили в реактор при постоянной скорости потока 2,5 см/с, используя МFС.
[83] Пока газообразные побочные продукты протекали при постоянной скорости потока, диоксид углерода проникал сквозь сепаратор, сделанный из силиконовой трубки. В результате, величина сбора диоксида углерода, отделенного от газообразных побочных продуктов, была 94%.
[84] Пример 2: эксперимент проводили, используя покрытую керамикой, пористую силиконовую трубку в качестве разделяющей мембраны.
[85] После того как 0,5 г нанокерамики смешивали с 100 г воды, данную смесь диспергировали в достаточной степени, используя ультразвуковой диспергатор. Затем силиконовую трубку, имеющую толщину 2 мм, погружали в данную диспергированную смесь на 30 минут. После 30 минут силиконовую трубку вынимали из диспергированной смеси и сушили в течение от 3 до 4 часов при комнатной температуре. Данный процесс повторяли три или более раз, так что смесь могла равномерно покрывать внутреннюю и внешнюю стороны трубки.
3
[86] Покрытую пористую силиконовую трубку устанавливали в качестве пористой силиконовой мембраны 20 из Фиг.1, и смешанный газ, содержащий 50% диоксида углерода и 50% азота, использовали в качестве газообразных побочных продуктов. Газообразные побочные продукты вводили в реактор при постоянной скорости потока 2,5 см/с, используя МFС.
[87] Пока газообразные побочные продукты протекали при постоянной скорости потока, диоксид углерода проникал сквозь сепаратор, сделанный из силиконовой трубки. В результате, величина сбора диоксида углерода, отделенного от газообразных побочных продуктов, была 97%.
[88] (Сравнительный пример)
[89] Сравнительный пример 1
[90] Сравнительный пример 1.1
[91] Эксперимент выполняли таким же образом, как в примере 1 настоящего изобретения, за исключением того, что пористую силиконовую трубку, имеющую толщину 0,5 мм, использовали в качестве пористой силиконовой мембраны 20 вместо пористой силиконовой трубки, имеющей толщину 2 мм в примере 1.
[92] Сравнительный пример 1.2
[93] Эксперимент выполняли таким же образом, как в примере 1 настоящего изобретения, за исключением того, что пористую силиконовую трубку, имеющую толщину 0,1 мм, использовали в качестве пористой силиконовой мембраны 20 вместо пористой силиконовой трубки, имеющей толщину 2 мм в примере 1.
[94] Сравнительный пример 2
[95] Сравнительный пример 2.1
[96] Эксперимент выполняли таким же образом, как в примере 2 настоящего изобретения, за исключением того, что пористую силиконовую трубку, имеющую толщину 0,5 мм, вместо пористой силиконовой трубки, имеющей толщину 2 мм в примере 2, покрывали нанокерамикой и использовали в качестве пористой силиконовой мембраны 20.
[97] Сравнительный пример 2.2
[98] Эксперимент выполняли таким же образом, как в примере 2 настоящего изобретения, за исключением того, что пористую силиконовую трубку, имеющую толщину 0,1 мм, вместо пористой силиконовой трубки, имеющей толщину 2 мм в примере 2, покрывали нанокерамикой и использовали в качестве пористой силиконовой мембраны 20.
[99]
Таблица 1
Толщина (мм) разделяющей мембраны<sup>а)</sup>
Скорость потока (см<sup>3</sup>/с)
Селективность (СО<sub>2</sub>/N<sub>2</sub>)
Концентрация собранного СО<sub>2</sub> (%)
СО<sub>2</sub>
N<sub>2</sub>
Пример 1
2
2,2
0,17
13
94
Пример 2
2
3,4
0,22
15
97
Сравнительный пример 1.1
0,5
3,3
0,25
13
94
Сравнительный пример 1.2
0,1
8,2
0,64
13
94
Сравнительный пример 2.1
0,5
5,2
0,33
16
97
Сравнительный пример 2.2
0,1
9,9
0,63
16
97
<sup>а)</sup> Разделяющая мембрана, сделанная из чистого пористого силикона перед покрытия нанокерамикой
[100] Как видно из таблицы 1, величина сбора диоксида углерода была выше, когда пористую силиконовую мембрану, покрытую нанокерамическим материалом, использовали в качестве сепаратора согласно настоящему изобретению, чем когда чистую пористую силиконовую разделяющую мембрану использовали в качестве сепаратора. Это показывает, что диоксид углерода может отделяться более эффективно в настоящем изобретении.
[101] Пример 3: Пример способа изготовления мембраны для отделения диоксида углерода путем смешения сырого силиконового каучукового материала, керамического порошка и вулканизатора, и экструдирования данной смеси.
[102] Сначала готовили 980 г сырого силиконового каучукового материала.
[103] Затем 10 г нанокерамического порошка, имеющего размер зерен от 20 нм до 50 мкм, смешивали с 10 г бензоилпероксида, который являлся вулканизатором. Данную смесь перемешивали от 10 до 200 минут при комнатной температуре, чтобы равномерно смешать нанокерамический порошок и вулканизатор.
[104] Потом 980 г сырого силиконового каучукового материала добавляли к данной смеси и смешивали в течение нескольких часов при комнатной температуре.
[105] После того, как экструдер нагревали до температуры приблизительно 100°С, перемешанную смесь керамического порошка, вулканизатора и сырого силиконового каучукового материала помещали в воронку экструдера. Затем вытягивали трубу сквозь экструзионную фильеру, имеющую форму сечения трубы. Трубу вулканизировали в течение менее чем одного часа в сушильном шкафу, нагретом до температуры приблизительно 200°С. Разделяющая мембрана в форме листа могла быть изготовлена таким же образом, как разделяющая мембрана в форме трубы, но могла экструдироваться с использованием экструзионной фильеры в форме листа.
Применимость в промышленности
[106] Настоящее изобретение использует сепаратор или пластину, сделанную из покрытой керамикой, пористой силиконовой мембраны. Следовательно, настоящее изобретение может селективно отделять диоксид углерода из газообразных побочных продуктов, используя очень маленькую разницу давлений и простой способ. В этой связи, настоящее изобретение может быть применено к устройству для отделения диоксида углерода из отходящих газов.
2
[107] Кроме того, так как данное устройство работает при комнатной температуре путем поддержания разницы давлений между внутренней и внешней сторонами разделяющей мембраны меньше чем 4 кгс/см, потребление энергии является низким. Далее, так как данное устройство является простым, производственные издержки устройства могут быть сэкономлены. Также, данное устройство может быть установлено даже в грязной воде, которая генерирует газообразные побочные продукты, или под водой. Такая легкость установки делает данное устройство применимым в промышленности.