一种固定二氧化碳的方法
【专利说明】一种固定二氧化碳的方法
[0001 ] 本发明涉及一种固定(sequestering)二氧化碳的方法。
[0002] 碳氢化合物的燃烧产生了不可接受水平的二氧化碳，空气中增长的二氧化碳含量 和它对气候的影响可以证明这一点。
[0003] 为了阻止或降低二氧化碳的累积已经做了很多的努力，但是这些努力太昂贵或是 长期效果不确定，或者两者兼具。
[0004] 碳捕获和储存就是例子;二氧化碳从组成正常空气80%的氮气中的物理分离是昂 贵的，而由于二氧化碳部分保持液体形式，二氧化碳的地质固定的效果和安全性是不确定 的。该方法利用溶剂萃取二氧化碳，因此可能会导致二次污染。通过光合作用生物转化成生 物质也是一种可能性，但是可能并不会生产有用的产品或达到永久的固定。
[0005] 现有方法围绕二氧化碳捕获和固定。目前可用的方法需要(i)气体处理步骤，将二 氧化碳从例如来自于燃煤电厂出口气体中较高含量的氮气和水蒸气中分离出来（ii)二氧 化碳液化然后在地下储藏中固定，也可以是在废弃的油或是气层中。然而工厂和工艺设备 需要大量的投资，因此，永久固定的成功依靠很多不易评估的因素，包括储层的完整性和密 封性，还有不存在破坏事件。
[0006] 本发明意在提供一种改进的固定二氧化碳的方法。
[0007] 根据本发明，本发明提供了一种固定二氧化碳的方法，该方法包括将二氧化碳与 水溶性镁离子在高pH值下反应形成含碳酸镁的盐。
[0008] 本发明一种优选的方法包括将二氧化碳与碱在高pH值下反应形成碳酸根和/或碳 酸氢根阴离子，随后将碳酸根和/或碳酸氢根阴离子与水溶性镁离子反应形成含碳酸镁的 盐。这个两步反应比一步反应（即二氧化碳和碱以及水溶性镁离子一起反应)的优势在于可 以优化碱的用量，因为过量的碱可能会将碱度升高至一个限制或阻碍处理的水平。二氧化 碳的固定和沉淀步骤可以有差异并且独立地控制，这样会导致更有效的碱的使用以及温度 检测和控制。
[0009] 将二氧化碳或者含有碳酸根和/或碳酸氢根的水溶液与水溶性镁离子在高pH值下 反应，例如pH值为8至12，优选为10至12，或者是9至11。水溶液的pH值可以在水溶性镁离子 与二氧化碳反应之前或反应过程中调高，但是优选为在水溶性镁离子与二氧化碳反应之前 调高。pH值的升高（i)增加了二氧化碳在水中的溶解性，（ii)增加了以二氧化碳-氢氧化物 为催化剂的盐水的饱和速率，（iii)沉淀在高pH值下溶解性降低的镁离子，伴随着含有碳酸 根的镁盐的沉淀的生成。
[0010] 二氧化碳优选与高浓度的碱反应，例如，每升二氧化碳使用1至3倍摩尔当量的碱， 优选为1.5至2倍。碳酸盐和碳酸氢盐的混合物按照以下反应形成：
[0011] C〇2(g)+20H-(aq)-C〇32-(aq)+H2〇(l) [1]
[0012] C〇2(g)+C032-(aq)+H2〇(l)-2HC03-(aq) [2]
[0013] 根据反应[1]和[2]，相对于每摩尔所固定的二氧化碳，碱的摩尔当量可以是1至2 之间，优选为1.5至2。
[0014]将源自二氧化碳和碱反应生成的含碳酸根和/或碳酸氢根的水溶液与镁离子在温 度为10至80°C，优选为20至70°C下反应，生成含碳酸镁的盐沉淀。
[0015] 在实际中，优选提供了一个大的界面面积来增加二氧化碳和碱之间的气液反应速 率，例如通过利用填充床柱。然而还有可替代的选择，如果吸附动力学是缓慢的，可以使用 喷雾器，如果溶液中高浓度的碳酸盐存在阻断填充床的风险，可以选用板塔。之前使用填充 床对氢氧化钠水溶液吸收二氧化碳所进行的研究(Tepe和Dodge，1943)表明气流对反应的 影响是微不足道的，然而吸收速率与L0.28成正比（在此L是液体速率）。整体气相传质系数 取决于氢氧化钠水溶液的浓度。其它研究（Sahay和Sharma，1973)已经证实二氧化碳在碱溶 液中的传质系数取决于二氧化碳的分压。
[0016] 水溶液的pH值可以使用任意合适的碱性物质来调高，诸如氢氧化物，例如，氢氧化 钠就可以用来实现该目的。氨也可以使用，因为原则上它能回收并循环利用。
[0017] 本发明中一种优选的用来调高水溶液pH值的碱性物质是水泥窑灰(Cement KiIn DuSt，CKD)<XKD是一种废弃物，通常是收集起来填埋处理。CKD通常被用作其它碱性物质例 如氢氧化钠的碱的补充来源。
[0018] 水泥厂的运行需要将排出气体在排放之前先经过静电沉淀处理以除去矿物粉尘。 该粉尘在碱中富集，主要是以硫酸盐的形式存在于游离石灰CaO中。一旦和水接触后，硫酸 盐部分作为硫酸钙沉淀，同时碱有效且自发地转变成氢氧化钠和氢氧化钾。因此，CKD与水 的反应提供氢氧根离子。
[0019] CKD主要含有来自水泥厂窑的颗粒物，且矿物学上通常包含游离CaO(石灰）以及方 解石、硫酸钙和硅酸钙，后者主要是硅酸二钙。但是，组成CKD的实际的化学/矿物组分是独 特的且不同厂家不一样。
[0020] 可以将来自窑气相的冷凝物添加至CKD中。这样可以向粉尘中加入氯化钾和其它 挥发物。使用这种方法，粉尘可以包括两类潜在的可溶性盐：（i)例如KC1的冷凝盐和（ii)伴 有硅酸钙的游离石灰。前一类在水中迅速溶解产生高pH值水溶液但是缓冲高pH值的潜力有 限，然而后者有高pH值并且有更好的缓冲能力但是也有遗留固体残渣的潜在缺陷。
[0021] 任何合适的水溶性镁离子的来源均可以用在本发明的方法中。例如，海水含有大 约1.2g/L的镁。但是，一种优选的水溶性镁离子的来源是来自海水淡化工厂的废水，因为其 中富集的镁离子大约为2_5g/L。相比于使用不够富集的镁离子来源例如海水，海水淡化工 厂废水的使用导致的水体积减少能带来经济利益。
[0022] 在本发明中使用海水淡化工厂废水的另一优点是本方法使用之后返回海里的水 比之前含有更少的镁盐，碱性也会降低，因此对环境的危害降低。
[0023] 因此本发明的方法部分适用于固定水泥厂产生的二氧化碳，因为水泥厂产生的 CKD可以用作调高pH值的碱的廉价来源，