專利名稱：捕獲二氧化碳的方法
技術領域：
本發明涉及捕獲二氧化碳的新方法，并提供了可以更方便和有效地用于吸收和釋放二氧化碳氣體的可選材料。
背景技術：
作為越來越多地使用化石燃料的結果，大氣中的二氧化碳濃度已經從前工業化時代的280ppm升高至2004年的377ΡΡΠ11’2，引起全球平均溫度升高。預期它將在短期到中期內進一步增加，直至建立起不引起顯著CO2排放的能源供應3。根據國際能源機構(InternationalEnergy Agency)的《世界能源展望》(World Energy Outlook) (2OO2),所預計的燃燒產生的CO2排放的增加為約I. 8%/年，并且如果繼續保持這一速度，到2030年，它將比2000年的水平高出70%4。 因此，如果不顯著減少CO2排放，到2100年，全球平均溫度可能增加I. 4-5. 8K5。由于煤在全球的豐富儲量，這種燃料在世界上許多國家中被廣泛用于發電。然而，對于每單位電力的產生來說，與天然氣相比，煤的燃燒產生約2倍量的C02。這個問題在將來可能會加重，這是由于為了維持發展中國家例如中國和印度的經濟增長，用于發電裝置的煤的燃燒預期將增加。其他重要的CO2制造者包括水泥制造廠和氨生產廠。然而，主要問題來自于燃煤發電站，目前超過33%的全球CO2排放來自于這樣的工廠，并且這一高百分率為減少CO2排放提供了真正的機會，其中可以通過在源頭處捕獲CO26,將其集中，然后通過儲存在地質構造(例如天然氣井或海床)中、提高原油采收率或螯合對其進行處理，最有可能是通過化學或生物化學轉化成有用產物(例如甲酸、甲醇、聚碳酸酯塑料、聚羥基鏈烷酸酯和生物燃料)，來減少CO2排放。目前主要使用的在填料塔中吸收和汽提CO2的方法被認為是成熟的技術，該方法典型地使用水性單乙醇胺(30%w/w)作為吸收介質4’5，7。然而，這種方法具有相當大的問題，特別是當用于處理具有低CO2濃度的大體積煙道氣時(典型情況下，對于天然氣燃燒來說為3-5%，對于煤燃燒來說為10-15%)，因為這些過程要求使用高投資成本的大型設備，并且這些過程也是能量密集型的。在燃煤發電廠中，汽提塔再沸器中的典型能耗可以高達發電量的15-30%。結果，據計算，將目前的CO2捕獲技術應用于發電廠將使電價增加多達70%2。此夕卜，CO2捕獲技術的規模必須是有可能巨大的，以應對待處理的大體積煙道氣。大型發電站例如英國Yorkshire的Drax,每天產生約55，000噸CO/。這相當于每日需要處理大氣壓下約28M m3的體積。以CO2占典型的燃煤煙道廢氣的10-15%2計，待處理的實際氣體體積典型地將為該量的7-10倍。原則上，化學工業中目前使用的氣體分離技術，例如在化學溶劑中吸收、使用固體吸附劑吸附、膜分離和低溫方法，都可以被改成適用于燃燒后捕獲來自于熱電廠的co2。可以解決這個問題的新技術，包括光催化方法和化學合成法，也在開發之中。此外，諸如在整體煤氣化聯合循環(IGCC)工廠中使用的燃燒前CO2捕獲方法以及使用純氧代替空氣進行燃燒(被稱為氧燃料(oxyfuel)燃燒)以生產易于螯合的CO2的方法，也正在被開發用于此目的。這樣的技術被綜述在Industrial and Engineering Chemistry Research(Vol. 45，2006)中，并且為燃燒后CO2捕獲技術的當前狀態和未來發展提供了良好的了解。然而，這樣的技術或者尚未完全發展至可推廣應用(許多演示工廠事實上正在計劃或建造之中)，或者不適用于從大型發電廠排出的煙道氣中去除co2。因此，在不遠的將來，優選的選擇似乎是通過在基于胺的溶劑中吸收(滌氣)進行CO2的燃燒后捕獲并通過蒸汽汽提進行溶劑再生，因為這已是在化學工業中發現廣泛用途的沿用已久的方法4’5。滌氣技術已在燃煤發電廠中用于煙道氣脫硫(FGD)，并且也在食品工業中使用的幾個產生CO2的廠中用于捕獲C025。盡管吸收/汽提是成熟的技術，但當用于處理大體積的煙道氣時具有相當大的問題。盡管這種技術已被廣泛使用，但其中的潛在化學只是最近才被更充分理解，這主要是由于基于水性/胺的系統的復雜行為9。利用混合的水性胺系統例如單乙醇胺(MEA，·HOCH2CH2NH2)和甲基二乙醇胺(MDEA)的最新進展使形勢進一步復雜化1(1。然而，盡管這些更昂貴的材料提供了更有利的能量考慮因素，但它們的穩定性可能是潛在的缺點n。目前，水性MEA被廣泛用于捕獲CO2,并且它典型地用作與潛在的新系統進行比較的基準；它還突出了關于基于胺的方法的一些重要問題。因此，已知MEA在長期使用后降解，特別是由于在煙道氣流中存在殘留的氧氣。此外，重要的是在可行的商業化過程中，補充溶劑的成本不應該過高。還存在多種可用的其他溶劑，最近已對它們的優缺點和其他方面進行評估12。還已經提出了其他復雜的胺13以及氨14，就能量需求、穩定性和處理而言，氨在水基系統中似乎提供了優于MEA和其他胺的某些優點。對基于胺的溶劑的化學進行的考察顯示，如路線I中所示2’15，胺可以通過三條主要途徑吸收CO2
權利要求
1.用于捕獲二氧化碳氣體的方法，所述方法包括將二氧化碳與組合物相接觸，所述組合物包含至少兩種選自堿性化合物的化合物，其中至少一種是有機化合物，以及至少一種是無機鹽。
2.權利要求I的方法，其中所述堿性有機化合物包含胺或脒。
3.權利要求I的方法，其中所述堿性有機化合物源自于pKa在6和14之間的弱酸性有機化合物，使用堿將所述弱酸性有機化合物轉變成鹽，所述堿的共軛酸具有比有機酸高至少一個或多個pKa單位的pKa。
4.權利要求3的方法，其中所述弱酸性化合物的pKa在7和12之間。
5.權利要求I至4任一項的方法，其中無機鹽選自其共軛酸的pKa在6和14之間的鹽。
6.權利要求I至4任一項的方法，其中使用堿從共軛酸生成無機鹽，所述堿的共軛酸具有比無機酸高至少一個或多個pKa單位的pKa。
7.權利要求I至6任一項的方法，其中至少兩種堿性化合物作為離散的單獨物質導入。
8.權利要求I至7任一項的方法，其中所述組合物是固體或液體形式。
9.權利要求8的方法，其中所述液體形式包含溶液、淤漿、分散體或懸液。
10.權利要求9的方法，其中所述溶液包含水性溶液。
11.前述權利要求任一項的方法，其中堿性物質在水性溶液中的總濃度在IM和14M之間。
12.前述權利要求任一項的方法，其中所述無機鹽是氫氧化鋁或碳酸鉀。
13.權利要求I至11任一項的方法，其中所述無機鹽源自于無機酸。
14.權利要求13的方法，其中所述無機酸包含硼酸、三羥基氧釩或碳酸氫鹽。
15.權利要求13的方法，其中所述無機酸包含磷酸。
16.權利要求15的方法，其中所述無機鹽包含磷酸三鉀或磷酸三鈉。
17.權利要求3或4的方法，其中所述弱酸性有機化合物包含脂族有機酸、碳環有機酸或雜環有機酸。
18.權利要求3、4或17的方法，其中所述弱酸性化合物包含一元酸或多元酸。
19.權利要求18的方法，其中所述多元酸包含二元酸、三元酸或四元酸或聚合酸。
20.權利要求3、4或17至19任一項的方法，其中所述弱酸性有機化合物包含酚、多酚、取代的酚或其雜環變體。
21.權利要求20的方法，其中所述酚、多酚或取代的酚包含式(I)-(VI)的化合物，并且所述雜環變體包含式(VII) - (X)的化合物
22.權利要求21的方法，其中所述雜原子是-N-、-O+-或-S+-。
23.權利要求21或22的方法，其中X和Y選自-H，任選包括一個或多個鏈內雜原子的取代或未取代的烷基、烯基或炔基，取代或未取代的碳環基，取代或未取代的雜環基，烷氧基，齒素，輕基燒基，齒代燒基，疏基，燒基擬基，芳基擬基，酸基，酸氧基，酸氣基，氣橫酸基，磺酰氨基，亞硫酰基，氨甲酰基，氰基，硝基，羧基或氨基。
24.權利要求21或22的方法，其中X和/或Y包含連接基團，由此將酚基與核心骨架相連。
25.權利要求24的方法，其中所述連接基團選自酯連接基團和醚連接基團。
26.權利要求24或25的方法，其中所述組合物包含含有多酚的化合物，其中多個多酚殘基與核心糖骨架相連。
27.權利要求3或4的方法，其中所述弱酸性有機化合物包含抗環血酸、乙酰丙酮、乙酰乙酸酯或丙二酸二酯。
28.權利要求3或4的方法，其中所述弱酸性有機化合物包含4-羥基苯甲酸、抗環血酸或苯酚。
29.權利要求18的方法，其中所述多元酸包含沒食子酸、單寧酸或間苯二酚。
30.權利要求3、4或17至29任一項的方法，其中所述堿性有機化合物是弱酸性有機化合物的金屬鹽、锍鹽、銨鹽或鱗鹽。
31.權利要求30的方法，其中所述金屬鹽包含堿金屬鹽或堿土金屬鹽。
32.權利要求2的方法，其中所述堿性有機化合物包含脂族氨基化合物、碳環氨基化合物或雜環氨基化合物或脒。
33.權利要求32的方法，其中所述氨基化合物包含單胺或多胺、脒或多脒。
34.權利要求33的方法，其中所述多胺或多脒包含二胺、三胺或四胺或者二脒、三脒或四脒或者聚合胺或聚合脒。
35.權利要求32至34任一項的方法，其中所述氨基化合物包含羥胺。
36.權利要求35的方法，其中所述羥胺是脂族羥胺。
37.權利要求36的方法，其中所述脂族羥胺是單乙醇胺、二乙醇胺或三乙醇胺。
38.前述權利要求任一項的方法，其中將CO2與在水性溶液中的組合物在10-80°C范圍內的溫度下相接觸。
39.權利要求38的方法，其中所述溫度在40-50°C的范圍內。
40.權利要求38或39的方法，其中通過將含CO2的氣體流通過組合物的水性溶液來獲得帶有CO2的加合物或鹽。
41.前述權利要求任一項的方法，其還包括從所述組合物釋放被捕獲的二氧化碳的步驟。
42.權利要求41的方法，其中通過引起溫度改變來實現CO2的釋放。
43.權利要求42的方法，其中所述溫度改變包括在最高為約140°C的溫度下加熱。
44.權利要求43的方法，其中所述溫度在20-120°C的范圍內。
45.權利要求43或44的方法，所述溫度在70-90°C的范圍內。
46.權利要求43、44或45的方法，其中通過在O.OOlMPa至IOOMPa范圍內的壓力下加熱來實現CO2的釋放。
47.權利要求46的方法，其中所述壓力在O.OlMPa至30MPa的范圍內。
48.權利要求41的方法，其中利用pH調整來實現CO2的釋放。
49.權利要求48的方法，其中所述pH調整包括添加酸以降低pH。
50.權利要求I的方法，其中所述堿性有機化合物包含單乙醇胺、三乙醇胺或單寧酸鉀中的至少一種。
51.前述權利要求任一項的方法，其中所述無機鹽包含磷酸三鉀。
52.權利要求I的方法，其中所述組合物由單乙醇胺和磷酸三鉀組成。
53.權利要求I的方法，其中所述組合物由三乙醇胺和磷酸三鉀組成。
54.權利要求I的方法，其中所述組合物由單寧酸鉀和磷酸三鉀組成。
全文摘要
本發明提供用于捕獲二氧化碳氣體的方法，所述方法包括將二氧化碳與組合物相接觸，所述組合物包含選自堿性化合物的至少兩種化合物，其中至少一種是有機化合物，至少一種是無機鹽。所述組合物可以是固體或液體形式，但優選包含水性溶液。所述無機鹽優選包含磷酸的堿金屬鹽。典型的堿性有機化合物可以包含氨基化合物或通過用堿處理弱酸性有機化合物而獲得的鹽。本發明的某些實施方案還包括從所述組合物釋放被捕獲的二氧化碳的步驟。所述方法提供了方便簡單的過程，該過程使用優選主要是生物相容且可再生的廉價消耗品，從而與現有技術的方法相比提供了顯著優勢。
文檔編號B01D53/62GK102985159SQ201180021461
公開日2013年3月20日 申請日期2011年4月28日 優先權日2010年4月28日
發明者克里斯托弗·馬克·雷內, 紀堯姆·羅伯特·讓-弗朗科斯·雷內爾 申請人:利茲大學