使用基于MOF的物理吸附剂从空气和稀释的CO2流中浓缩CO2的方法

对相关申请的交叉引用

本申请基于2021年6月22日提交的标题为“Process for Concentrating CO2from Air and Dilute CO2 Streams Using MOF Based Physisorbents”的美国临时专利申请序号63/213,390并要求其优先权，其内容在此通过引用以其整体纳入本文中，就像明确阐述的一样。

技术领域

本公开内容涉及用于从气体流中捕获CO

背景技术

与全球变暖相关的气候变化是人类近年来面临的最大挑战之一。上个世纪大气CO

截至目前，大气中的CO

世界无法停止或显著缩减化石燃料的使用，并且，至少在未来几十年内，世界将依赖化石燃料。在这种情况下，CO

直接空气捕获甚至更加复杂；这里，需要捕获的CO

金属有机骨架(MOF)是近年来受到大量关注的相对新的一类吸附剂，主要是由于结晶和模块化性质，可用于范围从分离、储存、催化、传感器、电化学等的各种应用中。多年来，许多MOF材料已经显示出显著的CO

来自天然气联合循环(NGCC)发电厂的CO

本申请解决了这些和其他挑战。

发明内容

根据第一方面，提供使用基于金属有机骨架(MOF)的物理吸附剂CO

在另一个方面，所述CO

在另一个方面，所述粘合剂为有机聚合物或无机粘合剂。

在另一个方面，所述气体流为来自天然气联合循环(NGCC)废气的气体，所述废气包含2-6％CO

在另一个方面，所述MOF材料具有通式M

在另一个方面，所述MOF材料为KAUST-7。

在另一个方面，在引入到CO

在另一个方面，所述MOF材料呈颗粒料、层压物(laminate)的形式、或其它结构化形式。

在另一个方面，将所述MOF材料在动态真空或干燥惰性气体下在约60-150℃范围内的温度下进行预处理。

在另一个方面，所述MOF材料的预处理移除先前吸附的分子。

在另一个方面，产生的富CO

在另一个方面，通过引入热空气或热氮气来再生CO

在另一个方面，所述富CO

在第二方面，提供使用基于多金属有机骨架(MOF)的物理吸附剂CO

在另一个方面，所述气体流为来自天然气联合循环(NGCC)废气的气体，所述废气包含2-6％CO

在另一个方面，所述MOF材料具有通式M

在另一个方面，所述MOF材料为KAUST-7。

在另一个方面，将所述MOF材料在动态真空或干燥惰性气体下在约60-150℃范围内的温度下预处理，并且所述方法进一步包括在引入到所述第一CO

附图说明

下面将参考附图更详细地描述本公开内容的方法，其中相同的数字用于相同或类似的元件(要素)。

图1A.涉及吸附和解吸循环的基于MOF的物理吸附剂CO

图1B.显示使用基于MOF的物理吸附剂CO

图2A-2B.2A)KAUST-7以对数尺度的变温CO

图3A-3B.3A)在干燥条件下1％CO

图4A-4B.4A)在1％CO

图5.KAUST-7的CO

具体实施方式

本文中公开了基于金属有机框架(MOF)的系统，以及用于从气体流(空气、NGCC废气(exhaust)等)例如稀释的CO

与从烟道气流(10-15％CO

下文进一步详细描述本申请的系统和方法的这些和其他方面。此外，如在本申请中所使用的，当与数字一起使用时，术语“约”是指在所引用数字的约5、3或1％内的任意数字，包括所引用数字。

如上文简述的，在一种或多种实施方式中，本申请的系统包括基于金属有机框架(MOF)的物理吸附剂CO

MOF可包括基于金属的节点(node)，以及有机配体，所述节点和有机配体形成具有有利的结晶和多孔特性的配位网络，所述配位网络影响结构完整性以及与外来物类例如气体的相互作用。MOF内的节点和配体的特定组合影响所述MOF的拓扑结构(topology)和功能。因此，配体修饰或官能化可被用于调节MOF的内部孔中的环境以适应具体应用。

在一种或多种实施方式中，在本申请的CO

在一种或多种实施方式中，所述MOF材料呈颗粒料、层压物的形式或所述MOF的其它结构化形式，例如整料(monolith)或任意其它结构化形式，以将MOF颗粒保持在特定形状。所述MOF材料还可包含一种或多种适当的粘合剂。在至少一种实施方式中，所述一种或多种粘合剂可包括但不限于如下中的一种或多种：有机聚合物(例如，聚乙烯、聚苯乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚砜、聚甲基丙烯酸甲酯)和无机粘合剂(例如，高岭石、石膏)。

在一种或多种实施方式中，所述CO

在一种或多种实施方式中，提供了使用本申请的基于金属有机骨架(MOF)的物理吸附剂CO

现在参考图1A，以及图1B的流程图，方法100从步骤S105开始，其中在合适的温度下在空气流、真空下或其他方法对CO

在步骤S110，将气流引入到包括所述预处理的MOF材料的CO

在至少一种实施方式中，所述气流为稀释的气流。例如，所述稀释的气流可包含约400ppm至5％、或400ppm至6％的CO

一旦气流被引入到CO

另外，在一种或多种实施方式中，捕获CO

通过经由吸附捕获CO

在步骤S130，CO

在一种或多种实施方式中，CO

在步骤S135，所产生的富CO

在步骤S140，再生的CO

最后，在步骤S145，该方法结束。

在如下示例中参考图2-5进一步描述本申请的系统和方法的上述特征和方面。这些示例利用本申请的系统和方法的示例性MOF材料KAUST-7。如在图2-5中示例的，KAUST-7提供了优异的从稀释的流中捕获CO

图2A以对数刻度显示了KAUST-7(图2A)的可变温度CO

图3A显示了在包含1％CO

类似地，图4A显示了在包含1％CO

图5显示了KAUST-7在高温下暴露于氧气的10次循环期间的CO

根据一种或多种实施方式，在以下条目中阐述了示例性的方法：

条目1.使用基于金属有机骨架(MOF)的物理吸附剂CO

在空气流或真空下对MOF材料进行预处理；

将气体流引入到包含预处理的MOF材料的CO

用所述CO

将所述无CO

当所述预处理的MOF材料变得被CO

通过引入热空气、热氮气、真空、或其组合从饱和的MOF材料再生所述CO

将所产生的富CO

利用再生的CO

条目2.如条目1所述的方法，其中所述CO

条目3.如条目2所述的方法，其中所述粘合剂为有机聚合物或无机粘合剂。

条目4.如条目1-3任一项所述的方法，其中所述气体流为来自天然气联合循环(NGCC)废气的气体，其包含2-6％CO

条目5.如条目1-3任一项所述的方法，其中所述气体流为空气。

条目6.如条目1-5任一项所述的方法，其中所述MOF材料具有通式M

条目7.如条目6所述的方法，其中所述溶剂为H

条目8.如条目1-7任一项所述的方法，其中所述MOF材料为KAUST-7。

条目9.如条目1-8任一项所述的方法，进一步包括在引入到所述CO

条目10.如条目1-9任一项所述的方法，其中所述MOF材料呈颗粒料、层压物的形式、或其它结构化形式。

条目11.如条目1-10任一项所述的方法，其中所述MOF材料在动态真空或干燥惰性气体下在约60-150℃范围内的温度下进行预处理。

条目12.如条目1-11任一项所述的方法，其中所述MOF材料的预处理移除先前吸附的分子。

条目13.如条目1-12任一项所述的方法，其中产生的富CO

条目14.如条目1-13任一项所述的方法，其中通过引入热空气或热氮气来再生所述CO

条目15.如条目1-14任一项所述的方法，其中所述富CO

条目16.使用基于多金属有机骨架(MOF)的物理吸附剂CO

将MOF材料在空气流或真空下预处理；

将气体流引入到包含预处理的MOF材料的第一CO

用所述第一CO

将所述无CO

当所述第一CO

通过引入热空气、热氮气、真空、或其组合从饱和的MOF材料再生所述第一CO

将所产生的富CO

将再生的第一CO

条目17.如条目16所述的方法，其中所述第一和第二CO

条目18.如条目17所述的方法，其中所述粘合剂为有机聚合物或无机粘合剂。

条目19.如条目16-18任一项所述的方法，其中所述气体流为来自天然气联合循环(NGCC)废气的气体，所述废气包含2-6％CO

条目20.如条目16-18任一项所述的方法，其中所述气体流为空气。

条目21.如条目16-20任一项所述的方法，其中所述MOF材料具有通式M

条目22.如条目21所述的方法，其中所述溶剂为H

条目23.如条目16-22任一项所述的方法，其中所述MOF材料为KAUST-7。

条目24.如条目16-23任一项所述的方法，进一步包括将所述气体流在引入到所述第一CO

条目25.如条目16-24任一项所述的方法，其中所述MOF材料呈颗粒料、层压物的形式、或其它结构化形式。

条目26.如条目16-25任一项所述的方法，其中所述MOF材料在动态真空或干燥惰性气体下在约60-150℃范围内的温度下进行预处理。

条目27.如条目16-26任一项所述的方法，其中所述MOF材料的预处理移除先前吸附的分子。

条目28.如条目16-27任一项所述的方法，其中产生的富CO

条目29.如条目16-28任一项所述的方法，其中通过引入热空气或热氮气来再生所述第一CO

条目30.如条目16-29任一项所述的方法，其中所述富CO

应当理解，贯穿多个附图，附图中相同的数字表示相同的元件，并且并非所有实施方式或布置都需要参考附图描述和说明的所有部件和/或步骤。此外，本文中使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而不旨在限制本发明。如本文中使用的，除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个(种)("a"、"an")”和“所述(该)("the")”也旨在包括复数形式。将进一步理解，当在本说明书中使用时，本文中的术语“包括”、“包含”、或“具有”、“含有”、“涉及”及其变型指定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。

应当注意的是，在权利要求中使用序数术语例如“第一”、“第二”、“第三”等来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一个的任意优先级、优先序或顺序，或者执行方法的动作的时间顺序，而是仅用作将具有某个名称的一个权利要求要素与具有相同名称(但使用序数术语)的另一个要素区分开的标签，以区分权利要求要素。

值得注意的是，上面的附图和示例并不意味着将本公开内容的范围限制到单个实施方式，因为通过交换一些或所有所描述或说明的元件，其他实施方式也是可能的。此外，在本公开内容的一些元件可使用已知部件部分地或完全地实施的情况下，仅描述了理解本公开内容所必需的这些已知部件的那些部分，并且省略了对这种已知部件其他部分的详细描述，以免混淆本公开内容。在本说明书中，显示单个部件的实施方式不应当必然限于包括多个相同部件的其他实施方式，反之亦然，除非本文中另有明确说明。此外，申请人并不意图将说明书或权利要求书中的任意术语归于不常见的或特殊的含义，除非明确地如此阐述。此外，本公开内容涵盖本文中通过说明的方式提及的已知部件的当前和未来已知的等同物。

具体实施方式的前述描述将如此充分地揭示本公开内容的一般性质，使得其他人可通过应用相关领域技术内的知识，在不背离本公开内容的一般概念的情况下，容易地修改和/或适应这种具体实施方式的各种应用，而无需过度的实验。因此，基于本文中呈现的教导和指导，这样的适应和修改旨在在所公开的实施方式的等同物的含义和范围内。应当理解，本文中的措辞或术语是用于描述而非限制的目的，使得本说明书的术语或措辞将由本领域技术人员根据本文中呈现的教导和指导结合相关领域技术人员的知识来解释。应当理解，所讨论或显示的尺寸是根据一个示例的附图，并且在不背离本公开内容的情况下可使用其他尺寸。

上述主题仅通过说明的方式提供，并且不应当被解释为限制。在不遵循所示例和所描述的示例实施方式和应用的情况下，并且在不背离本公开内容所涵盖的本发明的真实精神和范围的情况下，可对本文中描述的主题进行各种修改和改变，本公开内容的真实精神和范围由所附权利要求书中的一系列叙述以及与这些叙述等同的结构和功能或步骤来限定。