[發(fā)明專利]碳納米復(fù)合吸附劑及其用于從氣流中分離一種或多種材料的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380033231.6
• 申請(qǐng)日: 2013-04-17
• 公開（公告）號(hào): CN104619410A
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: E.S.奧爾森;J.H.帕夫利什
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 能源及環(huán)境研究中心基金會(huì)
• 主分類號(hào): B01J20/12
• 分類號(hào): B01J20/12;B01D53/02;B01J20/30;B01J20/32;B01D53/64;B01J20/20
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 鄒雪梅;徐厚才

優(yōu)先權(quán)聲明

本專利申請(qǐng)要求2012年4月23日提交的美國專利申請(qǐng)序號(hào)13/453,274的優(yōu)先權(quán)，其全文并入本文作為參考。

政府資助聲明

本發(fā)明在U.S.?Department?of?Energy?(DOE)依據(jù)名為“EERC-DOE?Joint?Program?on?Research?and?Development?for?Fossil?Energy-Related?Resources”的DOE?Cooperative?Agreement?Number?DE-FC26-08NT43291；名為“Fate?and?Control?of?Mercury?and?Trace?Elements”的Subtask?4.8；EERC?Fund?Number?14990給予的政府資助下完成。美國政府在本發(fā)明中擁有某些權(quán)利。

發(fā)明背景

汞(Hg)排放由于它們的毒性和生物積累能力而成為健康和環(huán)境問題。美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）已經(jīng)頒發(fā)了用于控制來自垃圾能源化(waste-to-energy)、水泥生產(chǎn)和燃煤發(fā)電廠的Hg排放的規(guī)章。可以通過注入吸附劑，如活性炭捕獲來自工業(yè)來源（例如發(fā)電廠）的煙氣中的汞，然后可通過微粒收集裝置除去。市場(chǎng)所需的標(biāo)準(zhǔn)吸附劑（例如活性炭）的量很大。標(biāo)準(zhǔn)吸附劑并非總是有效并隨著注射速率提高而變得更昂貴。

納米復(fù)合材料是一種多相固體材料，其中一個(gè)相具有至少一個(gè)小于大約1000納米的尺寸或其中小于大約1000納米的重復(fù)距離將構(gòu)成該材料的相隔開。納米復(fù)合材料——其中一個(gè)或多個(gè)相是本體基質(zhì)且一種或多種其它材料是納米尺寸的相——具有獨(dú)特的性質(zhì)，該納米復(fù)合材料的機(jī)械、電、熱、光學(xué)、化學(xué)或催化性質(zhì)明顯不同于各組成材料。

碳納米復(fù)合材料的最初實(shí)例是通過將單體插入粘土中的層間間隙、使單體聚合并將該聚合物碳化制成。碳層的最小厚度為1.1納米（Kyotani-1988）。在接下來的二十年，各種單體與幾種粘土和其它多孔載體材料一起使用。在一些情況下，除去該復(fù)合材料的無機(jī)部分以研究類石墨的碳結(jié)構(gòu)。在2004年，Bakandritsas等人使用蔗糖作為碳源生產(chǎn)碳-粘土納米復(fù)合材料（Bakandritsas-2004）。對(duì)于粘土和石墨烯層，各層的厚度分別為大約1納米和0.4納米。稍后，這一團(tuán)隊(duì)描述了這些用于吸附水溶液中的氣體（CO₂、CH₄、N₂）和有機(jī)溶質(zhì)的用途（Bakandritsas-2005）。由于它們?nèi)菀壮尚汀⒕哂懈弑砻娣e并導(dǎo)電，使用源自蔗糖的碳-粘土納米復(fù)合材料制造電極和傳感器（Darder-2005,?Gomez-Aviles-2007,?Fernandez-Saavedra-2008,?Gomez-Aviles-2010）。源自蔗糖的多孔碳-粘土納米復(fù)合材料也已用于催化劑載體（Nguyen-Thanh-2006a.?Nguyen-Thanh-2006b,?Ikeue-2008）。

在文獻(xiàn)中已經(jīng)描述了復(fù)合材料用于吸附金屬離子，如Hg²⁺的幾個(gè)用途。這些包括下列材料：殼聚糖涂覆的陶瓷（Boddu-2002）、在粘土上的聚吡咯膜（Eisazadeh-2007）、在硅藻上的巰基官能化聚硅氧烷膜（Wang-2007）、在灰分上的聚苯胺膜（Ghorbani-2011）和聚苯胺與腐殖酸的復(fù)合材料（Zhang）。這些無一是碳納米復(fù)合材料；相反，它們通常是沉積在載體上的聚合物膜并受限于穩(wěn)定性以及再循環(huán)和加工困難。

已用由非碳材料制成的幾種類型的納米復(fù)合材料從氣流中分離元素或氧化汞。SiO₂-TiO₂納米復(fù)合材料在紫外輻射下用于Hg捕獲（Li-2008）。這種技術(shù)受困于必須有效照射含有細(xì)粒的燃燒流出物的困難。描述了磁鐵礦-和Ag-浸漬的沸石納米復(fù)合材料（Dong-2009）。Ag納米復(fù)合材料被質(zhì)疑本身代表重大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)以及是高成分吸附劑。報(bào)道了用CeO₂-WO₃/TiO₂納米復(fù)合材料捕獲煙氣中的Hg（Wan-2011）。這些非碳吸附劑具有不合期望的更高成本和更慢動(dòng)力學(xué)。

發(fā)明概述