专利名称：高效吸收和回收废气中的二氧化碳的水溶液的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于吸收和回收在气体中所包含的二氧化碳(CO2)的水溶液。本发明还涉及使用该水溶液吸收和回收二氧化碳的方法。
背景技术：
近年来，被认为是由全球变暖引起的灾害频发和气候变化对于农业生产、生存条件、能量消耗等造成严重的影响。该全球变暖被认为是随着人类活动的增加导致在大气中诸如二氧化碳、甲烷、氧化亚氮和CFCs的温室气体的增加而造成的。这些温室气体中的主要气体是大气中的二氧化碳，因此迫切需要用于削减二氧化碳排放的措施。二氧化碳来源的例子包括使用煤炭、重油、天然气等作为燃料的火力发电厂、工厂锅炉、水泥厂窑炉；其中使用焦炭对氧化铁进行还原的炼铁厂的高炉；使用汽油、重油、轻油等作为燃料的汽车、船舶、飞机等运输设备等。除了运输设备，上述二氧化碳来源是固定的设备，期待这些设备容易适于实施CO2排放削减措施。一些用于从废气回收二氧化碳的方法已经是已知的，大量的改变的方法目前正在研究之中。例如，包括使含有二氧化碳的气体与吸收塔内的烷醇胺水溶液接触以在溶液中吸收二氧化碳的方法是公知的。已知的烷醇胺的例子包括单乙醇胺(下面表示为MEA)、二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)、二异丙醇胺(DIPA)、二甘醇胺(DGA)等。通常使用MEA。然而，使用该烧醇胺水溶液作为吸收溶液要求使用昂贵的耐腐蚀钢材作为装置材料或者降低吸收溶液中的胺浓度，因为该溶液对于装置材料的腐蚀性高。因此，难以分离出所吸收的二氧化碳，因此必须将该溶液加热至120°C的高温，以分离和回收二氧化碳。这是因为二氧化碳与诸如MEA的胺之间的反应热高达80kJ/mol CO2,因此需要大量的能量以分离二氧化碳。例如，通过该方法在发电厂回收二氧化碳，需要相当于发电量的20%的额外能量。在期望削减二氧化碳排放、节约能量以及节约资源的时代，如此高的能量消耗是实现二氧化碳吸收和回收系统的主要障碍，并且需要以低能耗回收二氧化碳的技术。例如，专利文献(PTL) I描述了一种从燃烧废气去除二氧化碳的方法，该方法包括使燃烧废气在大气压下与所谓的“位阻胺”的水溶液接触以在该水溶液中吸收二氧化碳。“位阻胺”具有围绕氨基的空间位阻，例如烷基。专利文献I公开了使用2-甲基氨基乙醇(下面表示为MAE)或2_乙基氨基乙醇(下面表示为EAE)作为位阻胺的实施例。在专利文献I的实施例中，使用含有30重量％的MAE或EAE的水溶液。虽然没有在实施例中使用，还述及其他的胺例如2-异丙基氨基乙醇(下面表示为“IPAE”)作为位阻胺的例子。专利文献2公开了一种仅含有同样是位阻胺的2-异丙基氨基乙醇(IPAE)的吸收溶液。专利文献2述及了优异的吸收特性和分离特性作为该吸收溶液的特征。然而，如t匕较例I和2中所示，专利文献2公开了在浓度上升至60重量％以获得更高的二氧化碳回收效率，CO2吸收速率和CO2的分离量大幅下降，导致损害了吸收溶液的性能，因此并没有完全利用位阻胺的特性。作为二氧化碳吸收溶液的有效成分的胺组分通常以3至5mol/L的摩尔浓度及以35至50%的重量浓度使用，如许多实施例所示。已表明，其以高浓度使用导致损害了所有的性能。这可能是因为吸收溶液中的胺浓度的上升导致吸收溶液的粘度上升，这例如导致特别是CO2吸收速率的下降，以及传热性能的下降。另一方面，吸收溶液中的胺浓度的上升导致在吸收步骤和释放步骤的每次循环中二氧化碳回收量上升。因此，若可以采用高的胺浓度，则有利地实现单位重量的CO2回收所需的能量消耗下降的效果。专利文献3公开了在二氧化碳形成微气泡而回收和储存在海底或地下的情况下，添加表面活性剂可以防止微气泡相互结合，由此可以延长微气泡的存在寿命。然而，使用表面活性剂的目的以及由此获得的效果不同于本发明的烷醇胺水溶液所涉及的适用目的和所获得的效果。引用列表专利文献PTLl :第2871334号日本专利PTL2 :第2009-6275号未审查的日本专利公开PTL3 :第2004-50167号未审查的日本专利公开
发明内容
技术问题考虑到现有技术的上述问题，本发明的目的在于提供能够以低的能量消耗回收高纯度二氧化碳的水溶液，该水溶液不仅能够高效地从气体吸收二氧化碳，而且还能够高效地从水溶液分离出二氧化碳。更具体而言，本发明的目的在于提供含有高浓度的位阻胺的水溶液，其作为吸收溶液具有与传统胺溶液相比优异的性能。因为该水溶液实现了单位量的CO2吸收量大和CO2分离量大，并且CO2分离所需的能量消耗低，所以该水溶液可以通过有效地吸收和分离二氧化碳而回收高纯度二氧化碳。问题的解决方案为了提高吸收CO2时的效率，本发明的发明人针对用于回收二氧化碳的吸收溶液进行了广泛的研究工作。更具体而言，本发明的发明人实施了使用含有高浓度的各种不同的烷醇胺(位阻胺类型)的吸收溶液的CO2吸收步骤，然后从各个吸收溶液分离co2。于是发现，在使用含有少量的表面活性剂和50至70重量％的N-烷基烷醇胺即位阻胺的吸收溶液以从含有二氧化碳的废气回收二氧化碳时，及在吸收步骤之后实施分离步骤时，可以实现大的CO2吸收量和提高的CO2吸收速率，以及在吸收和分离的每次循环中每单位量的吸收溶液实现大幅提高的CO2回收量。因此，本发明的发明人发现，可以降低用于分离和回收二氧化碳所需的能量。由此实现本发明。一般而言，大多数位阻胺具有氨基被大的烷基取代的结构，因此具有低的亲水性。因此在其以高浓度使用时，粘度会升高，导致诸如CO2的吸收量减少和CO2吸收速率降低的问题。
然而，根据针对关于高浓度水溶液的各种物理性能与吸收特性之间关系进行的广泛的研究发现，吸收溶液的表面张力与吸收溶液的性能有关。此外还发现，在吸收溶液含有表面活性剂时，由于存在表面活性剂而使表面张力下降，由此即使在吸收溶液具有高浓度的情况下也防止吸收速率的下降。根据针对各种表面活性剂的添加与吸收特性之间关系的研究发现，为了在浓度高于通常采用的情况时防止吸收速率下降，必须将吸收溶液在常温(25°C)下的表面张力调节至30mN/m或更低。因此，解决了常规问题，能够提供实现了提高的CO2吸收量、显示出加载量大(每次循环中CO2吸收量与CO2分离量之差)的吸收特性并且与通常所需的情况相比可以更低的用于吸收和分离二氧化碳的能量消耗回收高纯度二氧化碳的水溶液。更具体而言，本发明包括以下 的项目I至7的组成特征。项目1、从含有二氧化碳的气体吸收和回收二氧化碳的水溶液，该水溶液包含50至70重量％的由式(I)表示的仲胺化合物以及表面活性剂
权利要求
1.从含有二氧化碳的气体吸收和回收二氧化碳的水溶液，该水溶液包含 50至70重量％的由式(I)表示的仲胺化合物以及表面活性剂
2.根据权利要求1的水溶液，其中所述表面活性剂的重量浓度为10至1，500ppm。
3.根据权利要求1的水溶液，其中R代表异丙基或正丁基，而所述表面活性剂是具有全氟烷基的非离子化合物。
4.根据权利要求1的水溶液，其中R代表异丙基或正丁基，而所述表面活性剂是具有全氟烷基的两性化合物。
5.根据权利要求1的水溶液，其中R代表异丙基或正丁基，而所述表面活性剂是非离子聚氧乙烯烷基醚化合物。
6.根据权利要求1的水溶液，其中所述水溶液在25°C下的表面张力为30mN/m或更低。
7.用于吸收和回收二氧化碳的方法，该方法包括(1)使含有二氧化碳的气体与权利要求1的水溶液接触，以从该气体吸收二氧化碳'及 (2)加热在上述(I)中获得的吸收有二氧化碳的水溶液，以分离和回收二氧化碳。
全文摘要
公开了从含有二氧化碳的气体吸收和回收二氧化碳的水溶液，该水溶液包含50至70重量％的由式(1)表示的仲胺化合物以及表面活性剂其中R代表具有3至5个碳原子的直链或支链的烷基。还公开了使用水溶液吸收和回收二氧化碳的方法。
文档编号B01D53/62GK103002971SQ20118003229
公开日2013年3月27日 申请日期2011年6月28日 优先权日2010年6月30日
发明者冈部弘道, F·A·乔杜里, 后藤和也, 小野田正巳, 松崎洋市 申请人:新日铁住金株式会社