[发明专利]碳纳米复合吸附剂及其用于从气流中分离一种或多种材料的方法

说明书

优先权声明

本专利申请要求2012年4月23日提交的美国专利申请序号13/453,274的优先权，其全文并入本文作为参考。

政府资助声明

本发明在U.S. Department of Energy (DOE)依据名为“EERC-DOE Joint Program on Research and Development for Fossil Energy-Related Resources”的DOE Cooperative Agreement Number DE-FC26-08NT43291；名为“Fate and Control of Mercury and Trace Elements”的Subtask 4.8；EERC Fund Number 14990给予的政府资助下完成。美国政府在本发明中拥有某些权利。

发明背景

汞(Hg)排放由于它们的毒性和生物积累能力而成为健康和环境问题。美国环境保护署（EPA）已经颁发了用于控制来自垃圾能源化(waste-to-energy)、水泥生产和燃煤发电厂的Hg排放的规章。可以通过注入吸附剂，如活性炭捕获来自工业来源（例如发电厂）的烟气中的汞，然后可通过微粒收集装置除去。市场所需的标准吸附剂（例如活性炭）的量很大。标准吸附剂并非总是有效并随着注射速率提高而变得更昂贵。

纳米复合材料是一种多相固体材料，其中一个相具有至少一个小于大约1000纳米的尺寸或其中小于大约1000纳米的重复距离将构成该材料的相隔开。纳米复合材料——其中一个或多个相是本体基质且一种或多种其它材料是纳米尺寸的相——具有独特的性质，该纳米复合材料的机械、电、热、光学、化学或催化性质明显不同于各组成材料。

碳纳米复合材料的最初实例是通过将单体插入粘土中的层间间隙、使单体聚合并将该聚合物碳化制成。碳层的最小厚度为1.1纳米（Kyotani-1988）。在接下来的二十年，各种单体与几种粘土和其它多孔载体材料一起使用。在一些情况下，除去该复合材料的无机部分以研究类石墨的碳结构。在2004年，Bakandritsas等人使用蔗糖作为碳源生产碳-粘土纳米复合材料（Bakandritsas-2004）。对于粘土和石墨烯层，各层的厚度分别为大约1纳米和0.4纳米。稍后，这一团队描述了这些用于吸附水溶液中的气体（CO₂、CH₄、N₂）和有机溶质的用途（Bakandritsas-2005）。由于它们容易成型、具有高表面积并导电，使用源自蔗糖的碳-粘土纳米复合材料制造电极和传感器（Darder-2005, Gomez-Aviles-2007, Fernandez-Saavedra-2008, Gomez-Aviles-2010）。源自蔗糖的多孔碳-粘土纳米复合材料也已用于催化剂载体（Nguyen-Thanh-2006a. Nguyen-Thanh-2006b, Ikeue-2008）。

在文献中已经描述了复合材料用于吸附金属离子，如Hg²⁺的几个用途。这些包括下列材料：壳聚糖涂覆的陶瓷（Boddu-2002）、在粘土上的聚吡咯膜（Eisazadeh-2007）、在硅藻上的巯基官能化聚硅氧烷膜（Wang-2007）、在灰分上的聚苯胺膜（Ghorbani-2011）和聚苯胺与腐殖酸的复合材料（Zhang）。这些无一是碳纳米复合材料；相反，它们通常是沉积在载体上的聚合物膜并受限于稳定性以及再循环和加工困难。

已用由非碳材料制成的几种类型的纳米复合材料从气流中分离元素或氧化汞。SiO₂-TiO₂纳米复合材料在紫外辐射下用于Hg捕获（Li-2008）。这种技术受困于必须有效照射含有细粒的燃烧流出物的困难。描述了磁铁矿-和Ag-浸渍的沸石纳米复合材料（Dong-2009）。Ag纳米复合材料被质疑本身代表重大的环境风险以及是高成分吸附剂。报道了用CeO₂-WO₃/TiO₂纳米复合材料捕获烟气中的Hg（Wan-2011）。这些非碳吸附剂具有不合期望的更高成本和更慢动力学。

发明概述