专利名称：捕获二氧化碳的方法
技术领域：
本发明涉及捕获二氧化碳的新方法，并提供了可以更方便和有效地用于吸收和释放二氧化碳气体的可选材料。
背景技术：
作为越来越多地使用化石燃料的结果，大气中的二氧化碳浓度已经从前工业化时代的280ppm升高至2004年的377ΡΡΠ11’2，引起全球平均温度升高。预期它将在短期到中期内进一步增加，直至建立起不引起显著CO2排放的能源供应3。根据国际能源机构(InternationalEnergy Agency)的《世界能源展望》(World Energy Outlook) (2OO2),所预计的燃烧产生的CO2排放的增加为约I. 8%/年，并且如果继续保持这一速度，到2030年，它将比2000年的水平高出70%4。 因此，如果不显著减少CO2排放，到2100年，全球平均温度可能增加I. 4-5. 8K5。由于煤在全球的丰富储量，这种燃料在世界上许多国家中被广泛用于发电。然而，对于每单位电力的产生来说，与天然气相比，煤的燃烧产生约2倍量的C02。这个问题在将来可能会加重，这是由于为了维持发展中国家例如中国和印度的经济增长，用于发电装置的煤的燃烧预期将增加。其他重要的CO2制造者包括水泥制造厂和氨生产厂。然而，主要问题来自于燃煤发电站，目前超过33%的全球CO2排放来自于这样的工厂，并且这一高百分率为减少CO2排放提供了真正的机会，其中可以通过在源头处捕获CO26,将其集中，然后通过储存在地质构造(例如天然气井或海床)中、提高原油采收率或螯合对其进行处理，最有可能是通过化学或生物化学转化成有用产物(例如甲酸、甲醇、聚碳酸酯塑料、聚羟基链烷酸酯和生物燃料)，来减少CO2排放。目前主要使用的在填料塔中吸收和汽提CO2的方法被认为是成熟的技术，该方法典型地使用水性单乙醇胺(30%w/w)作为吸收介质4’5，7。然而，这种方法具有相当大的问题，特别是当用于处理具有低CO2浓度的大体积烟道气时(典型情况下，对于天然气燃烧来说为3-5%，对于煤燃烧来说为10-15%)，因为这些过程要求使用高投资成本的大型设备，并且这些过程也是能量密集型的。在燃煤发电厂中，汽提塔再沸器中的典型能耗可以高达发电量的15-30%。结果，据计算，将目前的CO2捕获技术应用于发电厂将使电价增加多达70%2。此夕卜，CO2捕获技术的规模必须是有可能巨大的，以应对待处理的大体积烟道气。大型发电站例如英国Yorkshire的Drax,每天产生约55，000吨CO/。这相当于每日需要处理大气压下约28M m3的体积。以CO2占典型的燃煤烟道废气的10-15%2计，待处理的实际气体体积典型地将为该量的7-10倍。原则上，化学工业中目前使用的气体分离技术，例如在化学溶剂中吸收、使用固体吸附剂吸附、膜分离和低温方法，都可以被改成适用于燃烧后捕获来自于热电厂的co2。可以解决这个问题的新技术，包括光催化方法和化学合成法，也在开发之中。此外，诸如在整体煤气化联合循环(IGCC)工厂中使用的燃烧前CO2捕获方法以及使用纯氧代替空气进行燃烧(被称为氧燃料(oxyfuel)燃烧)以生产易于螯合的CO2的方法，也正在被开发用于此目的。这样的技术被综述在Industrial and Engineering Chemistry Research(Vol. 45，2006)中，并且为燃烧后CO2捕获技术的当前状态和未来发展提供了良好的了解。然而，这样的技术或者尚未完全发展至可推广应用(许多演示工厂事实上正在计划或建造之中)，或者不适用于从大型发电厂排出的烟道气中去除co2。因此，在不远的将来，优选的选择似乎是通过在基于胺的溶剂中吸收(涤气)进行CO2的燃烧后捕获并通过蒸汽汽提进行溶剂再生，因为这已是在化学工业中发现广泛用途的沿用已久的方法4’5。涤气技术已在燃煤发电厂中用于烟道气脱硫(FGD)，并且也在食品工业中使用的几个产生CO2的厂中用于捕获C025。尽管吸收/汽提是成熟的技术，但当用于处理大体积的烟道气时具有相当大的问题。尽管这种技术已被广泛使用，但其中的潜在化学只是最近才被更充分理解，这主要是由于基于水性/胺的系统的复杂行为9。利用混合的水性胺系统例如单乙醇胺(MEA，·HOCH2CH2NH2)和甲基二乙醇胺(MDEA)的最新进展使形势进一步复杂化1(1。然而，尽管这些更昂贵的材料提供了更有利的能量考虑因素，但它们的稳定性可能是潜在的缺点n。目前，水性MEA被广泛用于捕获CO2,并且它典型地用作与潜在的新系统进行比较的基准；它还突出了关于基于胺的方法的一些重要问题。因此，已知MEA在长期使用后降解，特别是由于在烟道气流中存在残留的氧气。此外，重要的是在可行的商业化过程中，补充溶剂的成本不应该过高。还存在多种可用的其他溶剂，最近已对它们的优缺点和其他方面进行评估12。还已经提出了其他复杂的胺13以及氨14，就能量需求、稳定性和处理而言，氨在水基系统中似乎提供了优于MEA和其他胺的某些优点。对基于胺的溶剂的化学进行的考察显示，如路线I中所示2’15，胺可以通过三条主要途径吸收CO2
权利要求
1.用于捕获二氧化碳气体的方法，所述方法包括将二氧化碳与组合物相接触，所述组合物包含至少两种选自碱性化合物的化合物，其中至少一种是有机化合物，以及至少一种是无机盐。
2.权利要求I的方法，其中所述碱性有机化合物包含胺或脒。
3.权利要求I的方法，其中所述碱性有机化合物源自于pKa在6和14之间的弱酸性有机化合物，使用碱将所述弱酸性有机化合物转变成盐，所述碱的共轭酸具有比有机酸高至少一个或多个pKa单位的pKa。
4.权利要求3的方法，其中所述弱酸性化合物的pKa在7和12之间。
5.权利要求I至4任一项的方法，其中无机盐选自其共轭酸的pKa在6和14之间的盐。
6.权利要求I至4任一项的方法，其中使用碱从共轭酸生成无机盐，所述碱的共轭酸具有比无机酸高至少一个或多个pKa单位的pKa。
7.权利要求I至6任一项的方法，其中至少两种碱性化合物作为离散的单独物质导入。
8.权利要求I至7任一项的方法，其中所述组合物是固体或液体形式。
9.权利要求8的方法，其中所述液体形式包含溶液、淤浆、分散体或悬液。
10.权利要求9的方法，其中所述溶液包含水性溶液。
11.前述权利要求任一项的方法，其中碱性物质在水性溶液中的总浓度在IM和14M之间。
12.前述权利要求任一项的方法，其中所述无机盐是氢氧化铝或碳酸钾。
13.权利要求I至11任一项的方法，其中所述无机盐源自于无机酸。
14.权利要求13的方法，其中所述无机酸包含硼酸、三羟基氧钒或碳酸氢盐。
15.权利要求13的方法，其中所述无机酸包含磷酸。
16.权利要求15的方法，其中所述无机盐包含磷酸三钾或磷酸三钠。
17.权利要求3或4的方法，其中所述弱酸性有机化合物包含脂族有机酸、碳环有机酸或杂环有机酸。
18.权利要求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.权利要求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.权利要求3、4或17至19任一项的方法，其中所述弱酸性有机化合物包含酚、多酚、取代的酚或其杂环变体。
21.权利要求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，并且所述杂环变体包含式(VII) - (X)的化合物
22.权利要求21的方法，其中所述杂原子是-N-、-O+-或-S+-。
23.权利要求21或22的方法，其中X和Y选自-H，任选包括一个或多个链内杂原子的取代或未取代的烷基、烯基或炔基，取代或未取代的碳环基，取代或未取代的杂环基，烷氧基，齒素，轻基烧基，齒代烧基，疏基，烧基擬基，芳基擬基，酸基，酸氧基，酸氣基，氣横酸基，磺酰氨基，亚硫酰基，氨甲酰基，氰基，硝基，羧基或氨基。
24.权利要求21或22的方法，其中X和/或Y包含连接基团，由此将酚基与核心骨架相连。
25.权利要求24的方法，其中所述连接基团选自酯连接基团和醚连接基团。
26.权利要求24或25的方法，其中所述组合物包含含有多酚的化合物，其中多个多酚残基与核心糖骨架相连。
27.权利要求3或4的方法，其中所述弱酸性有机化合物包含抗环血酸、乙酰丙酮、乙酰乙酸酯或丙二酸二酯。
28.权利要求3或4的方法，其中所述弱酸性有机化合物包含4-羟基苯甲酸、抗环血酸或苯酚。
29.权利要求18的方法，其中所述多元酸包含没食子酸、单宁酸或间苯二酚。
30.权利要求3、4或17至29任一项的方法，其中所述碱性有机化合物是弱酸性有机化合物的金属盐、锍盐、铵盐或鱗盐。
31.权利要求30的方法，其中所述金属盐包含碱金属盐或碱土金属盐。
32.权利要求2的方法，其中所述碱性有机化合物包含脂族氨基化合物、碳环氨基化合物或杂环氨基化合物或脒。
33.权利要求32的方法，其中所述氨基化合物包含单胺或多胺、脒或多脒。
34.权利要求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.权利要求32至34任一项的方法，其中所述氨基化合物包含羟胺。
36.权利要求35的方法，其中所述羟胺是脂族羟胺。
37.权利要求36的方法，其中所述脂族羟胺是单乙醇胺、二乙醇胺或三乙醇胺。
38.前述权利要求任一项的方法，其中将CO2与在水性溶液中的组合物在10-80°C范围内的温度下相接触。
39.权利要求38的方法，其中所述温度在40-50°C的范围内。
40.权利要求38或39的方法，其中通过将含CO2的气体流通过组合物的水性溶液来获得带有CO2的加合物或盐。
41.前述权利要求任一项的方法，其还包括从所述组合物释放被捕获的二氧化碳的步骤。
42.权利要求41的方法，其中通过引起温度改变来实现CO2的释放。
43.权利要求42的方法，其中所述温度改变包括在最高为约140°C的温度下加热。
44.权利要求43的方法，其中所述温度在20-120°C的范围内。
45.权利要求43或44的方法，所述温度在70-90°C的范围内。
46.权利要求43、44或45的方法，其中通过在O.OOlMPa至IOOMPa范围内的压力下加热来实现CO2的释放。
47.权利要求46的方法，其中所述压力在O.OlMPa至30MPa的范围内。
48.权利要求41的方法，其中利用pH调整来实现CO2的释放。
49.权利要求48的方法，其中所述pH调整包括添加酸以降低pH。
50.权利要求I的方法，其中所述碱性有机化合物包含单乙醇胺、三乙醇胺或单宁酸钾中的至少一种。
51.前述权利要求任一项的方法，其中所述无机盐包含磷酸三钾。
52.权利要求I的方法，其中所述组合物由单乙醇胺和磷酸三钾组成。
53.权利要求I的方法，其中所述组合物由三乙醇胺和磷酸三钾组成。
54.权利要求I的方法，其中所述组合物由单宁酸钾和磷酸三钾组成。
全文摘要
本发明提供用于捕获二氧化碳气体的方法，所述方法包括将二氧化碳与组合物相接触，所述组合物包含选自碱性化合物的至少两种化合物，其中至少一种是有机化合物，至少一种是无机盐。所述组合物可以是固体或液体形式，但优选包含水性溶液。所述无机盐优选包含磷酸的碱金属盐。典型的碱性有机化合物可以包含氨基化合物或通过用碱处理弱酸性有机化合物而获得的盐。本发明的某些实施方案还包括从所述组合物释放被捕获的二氧化碳的步骤。所述方法提供了方便简单的过程，该过程使用优选主要是生物相容且可再生的廉价消耗品，从而与现有技术的方法相比提供了显著优势。
文档编号B01D53/62GK102985159SQ201180021461
公开日2013年3月20日 申请日期2011年4月28日 优先权日2010年4月28日
发明者克里斯托弗·马克·雷内, 纪尧姆·罗伯特·让-弗朗科斯·雷内尔 申请人:利兹大学