CN103002971B - 高效吸收和回收废气中的二氧化碳的水溶液 - Google Patents

高效吸收和回收废气中的二氧化碳的水溶液 Download PDF

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Abstract

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

Description

高效吸收和回收废气中的二氧化碳的水溶液
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，使用该烷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℃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/molCO2，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）1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1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1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，如比较例1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
PTL1：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℃）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1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（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。
项目2、根据项目1的水溶液，其中所述表面活性剂的重量浓度为10至1,500ppm。
项目3、根据项目1或2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。
项目4、根据项目1或2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。
项目5、根据项目1或2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。
项目6、根据项目1至5之一的水溶液，其中所述水溶液在25℃下的表面张力为30mN/m或更低。
项目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项目1至6之一的水溶液接触，以从该气体吸收二氧化碳；及
（2）加热在上述（1）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。
本发明的有利效果
本发明的含有表面活性剂的高浓度烷醇胺水溶液实现了以下效果：在吸收和分离的每次循环中二氧化碳的回收量增加。此外，使用高浓度吸收溶液实现了以下效果：与使用低浓度吸收溶液的情况相比，每摩尔二氧化碳的吸收热下降；因此使单位重量的二氧化碳回收所需的能量消耗下降。因此，本发明的水溶液可以低的能量消耗有效地从气体吸收二氧化碳并分离出所吸收的二氧化碳以回收高纯度二氧化碳。此外，吸收和分离二氧化碳的效率的增加使得在吸收和分离的每次循环中循环流量减少，并使吸收塔、分离塔以及与这些塔相关的装置的小型化成为可能。因此，可以实现在降低投资额和运行成本方面的效果。
此外，用于吸收二氧化碳的单乙醇胺通常对于金属材料例如炭素钢具有强烈的腐蚀性。特别是在高浓度下其腐蚀性增大。然而，在本发明中使用的N-烷基胺的水溶液具有低腐蚀性，而且即使在高浓度下也没有观察到腐蚀性的增大。这是有利的，因为在设施建设时不需要昂贵的高级耐腐蚀钢材。
具体实施方式
下面详细地描述本发明。
用于吸收和回收二氧化碳的水溶液
本发明的用于从含有二氧化碳的气体吸收和回收二氧化碳水溶液的特征在于，其含有50至70重量％和由式（1）表示的仲胺化合物及表面活性剂
其中R代表具有3至5个碳原子的、直链或支链的烷基。
具体而言，R的例子包括正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、正戊基、异戊基等。其中优选为异丙基、正丁基和异丁基，更优选为异丙基和正丁基。化合物（1）可以单独地或者以组合的方式用于本发明的水溶液中。
本发明的水溶液含有通常为50至70重量％、优选52至70重量％、更优选54至66重量％的浓度的由式（1）表示的仲胺化合物。在浓度为71重量％或更大时，降低表面张力的效果不足，并且无法容易地获得在提高吸收速率方面的满意效果。
一般而言，不同于单乙醇胺，位阻胺是具有低的吸收热和高的分离特性的优异的胺。其原因归因于与二氧化碳的反应不同。根据13C-NMR测量，单乙醇与二氧化碳的反应主要伴随着氨基甲酸根键合的形成。然而，已知若使用其中R的碳原子数不受限制的式（1）的位阻胺，则形成氨基甲酸根键合和碳酸氢根键合。例如，若使用其中R代表乙基的乙基氨基乙醇胺，则氨基甲酸根键合的形成表明高达约30％。然而，若使用其中R代表具有3至5个碳原子的、直链或支链的烷基的本发明的化合物（1），则二氧化碳与胺化合物之间的键结方式使得形成最少数量的氨基甲酸根键合；其与二氧化碳的反应通常导致形成具有低的吸收热的碳酸氢根键合。这有利于显示出解决减少用于回收的能量消耗的问题的优异性能。
如上所述，本发明的水溶液的特征还在于，其与低浓度水溶液相比在吸收二氧化碳时具有低的吸收热。例如，若IPAE浓度为30重量％，则从吸收反应的初始时刻直至二氧化碳被吸收至相对于胺的摩尔比为0.6的时刻每摩尔的吸收热为76.6kJ/molCO2，而若IPAE浓度高达60重量％，则低至70.2kJ/molCO2。这是因为以下原因：在本发明的位阻胺结构中，二氧化碳与胺之间的反应主要伴随着碳酸氢根键合的形成，如上所述，而吸收热归因于碳酸氢根离子与质子化的胺之间的离子对的形成，以及被用作溶剂的水的溶剂化作用。因此，推定因为水溶液的浓度变高，水溶液中的各种离子的稳定结构以及溶剂化作用发生变化，导致吸收热降低。
吸收二氧化碳的吸收热对应于分离二氧化碳所需的热量。因此，吸收热的降低可以实现分离二氧化碳所需的能量消耗的降低，从而产生有利于使回收二氧化碳所需的能量消耗降低的效果。
下面描述作为本发明的构成要素的表面活性剂的效果和种类。如上所述，若胺的水溶液具有高浓度，则在吸收和释放的每次循环中单位重量的吸收溶液回收CO2的量增加，产生在提高CO2回收效率和降低回收CO2所需的能量消耗方面的效果；然而，吸收速率降低，因此无法达到预定的二氧化碳吸收量。这可能是因为高浓度的胺的水溶液的使用降低了二氧化碳与吸收溶液的接触效率。
本发明的发明人针对高浓度吸收溶液的各种性能与CO2吸收速率之间的关系进行了详尽的研究。因此，本发明的发明人发现，在吸收溶液的特性中，尤其是表面张力，是一个关键性的控制因素。在使用胺的水溶液的二氧化碳吸收反应，即气体液体接触反应中，在气体与液体的接触界面处的效率发挥重要作用，并推定在高浓度吸收溶液中，表面张力的降低与接触效率的提高相关。
在本发明的位阻胺中，氨基被烷基取代。若烷基具有更长的碳链及更高的分支度，则亲水性进一步降低，在水中的溶解度降低。例如，专利文献2代表了，若在吸收溶液中以高达60重量％的浓度使用其中基团R是异丙基的IPAE，则吸收速率会下降。
若在预定的吸收测试中使用作为本发明的化合物之一的IPAE，则浓度为30重量％的水溶液的吸收速率为5.0g/L/min，而浓度为60重量％的水溶液的吸收速率则降低至2.9g/L/min。针对高浓度吸收溶液的这一吸收速率下降问题，将100ppm重量浓度的非离子表面活性剂添加至每种前述的吸收溶液。因此，30重量％的水溶液的吸收速率为5.2g/L/min，因此表面活性剂的添加并没有显著影响其吸收速率。与此不同，60重量％的吸收溶液的吸收速率上升至4.7g/L/min，因此表面活性剂的添加有效地提高了其吸收速率。在此采用的吸收速率是指在达到在吸收溶液中在40℃下吸收二氧化碳直至饱和点的情况下的二氧化碳饱和吸收量的1/2的时刻每分钟的二氧化碳吸收量。若吸收速率为4.5g/L/min或更高，则该速率被认为是可以在工业上采用的。
推定表面活性剂对高浓度的胺的水溶液的上述影响是出于以下原因获得的：将上述表面活性剂添加至含有IPAE的30或60重量％的水溶液，30重量％的水溶液在常温下的表面张力为45mN/m（不包含IPAE时的表面张力为78mN/m），而60重量％的水溶液的表面张力却大幅下降至24mN/m。这一表面张力的下降使得吸收速率升高。推定润湿性的改善有利于在气液反应中在吸收溶液的表面上二氧化碳与吸收溶液之间的接触效率，使得吸收速率升高。
一般而言，表面活性剂根据显示出表面活性的部分的化合物结构被划分成阴离子、阳离子、两性和非离子表面活性剂。在本发明中，任何这些表面活性剂均可以使用。可使用的阴离子表面活性剂的例子包括烷基苯磺酸、单烷基磷酸等。可使用的阳离子表面活性剂的例子包括烷基三甲基铵盐等。可使用的在同一分子中同时具有阴离子部分和阳离子部分的两性表面活性剂的例子包括烷基二甲基胺氧化物等。可使用的非离子表面活性剂的例子包括聚氧乙烯烷基醚（下面表示为“PEG”）等。在本发明中还可以使用在其化合物中具有氟原子的表面活性剂。该表面活性剂也取决于显示出表面活性的部分的特性被划分成四类。任何种类的这些表面活性剂也均可以使用。含氟表面活性剂化合物的例子包括各种可商购获得的含有全氟烷基醇、全氟烷基磺酸等作为组分的表面活性剂。
例如根据水溶液中的胺的种类和浓度以及在使用时的温度确定在本发明中使用的表面活性剂。优选为含氟的化合物和基于聚氧乙烯烷基醚的化合物。作为含氟的化合物，具有全氟烷基的非离子或两性的化合物是特别优选的。具有全氟烷基的非离子化合物的例子包括SurflonS-141（由AGCSeimiChemicalCo.,Ltd.制得）。具有全氟烷基的两性化合物的例子包括SurflonS-131（由AGCSeimiChemicalCo.,Ltd.制得）。
在本发明的水溶液中表面活性剂的含量最佳地例如根据使用的胺和表面活性剂的种类加以确定。以少量使用表面活性剂一般是足够的。基于重量，基于水溶液，表面活性剂的使用量优选为10至1,500ppm，更优选为20至1,000ppm，特别优选为20至800ppm，尤其优选为30至700ppm。表面活性剂的最佳的量可以通过实施其中将不同的量的表面活性剂添加至含有不同浓度不同种类的胺的吸收溶液的测试加以确定。过量添加表面活性剂会导致问题，例如溶液起泡。表面活性剂可以不影响吸收和分离的溶剂的形式，例如诸如醇的溶液的形式添加。
由式（1）表示的仲胺化合物和上述表面活性剂可以商购获得或者可以通过已知的方法制得。
本发明的水溶液在25℃下的表面张力优选为30mN/m或更低，更优选为28mN/m或更低，特别优选为20至27mN/m。若表面张力在上述范围内，则在本发明的含有高浓度的胺的水溶液中可以提高CO2的吸收速率。在本发明中采用的表面张力涉及通过悬滴法（PendantDropMethod）使用DropMaster300（KyowaInterfaceScienceCo.,Ltd.）在25℃下测量的数值。
含有二氧化碳的气体的例子包括来自以下设施的废气：使用重油、天然气等作为燃料的火力发电厂、工厂锅炉或水泥厂窑炉；其中使用焦炭对氧化铁进行还原的炼铁厂的高炉；其中使生铁中的碳燃烧以生产钢的炼铁厂的转炉等。该气体含有浓度通常约为5至30体积％，特别是约为6至25体积％的二氧化碳。若二氧化碳的浓度在上述范围内，则有利地发挥出本发明的作用效果。含有二氧化碳的气体除了含有二氧化碳还可以含有诸如水蒸汽、CO、H2S、COS、SO2和氢气的气体。
吸收和回收二氧化碳的方法
本发明的用于吸收和回收二氧化碳的方法的特征在于，其包括以下步骤：
（1）使含有二氧化碳的气体与上述水溶液接触，以从该气体吸收二氧化碳；及
（2）加热在上述（1）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。
二氧化碳吸收步骤
本发明的方法包括使含有二氧化碳的气体与上述水溶液接触从而允许该溶液从该气体吸收二氧化碳的步骤。使含有二氧化碳的气体与含有作为位阻胺的由式（1）表示的N-烷基氨基乙醇的水溶液接触的方法没有特别的限制。该方法的例子包括：包括使含有二氧化碳的气体在水溶液中起泡以允许该溶液吸收二氧化碳的方法；包括将水溶液在含有二氧化碳的气体流上喷雾的方法（雾化或喷射法）；包括在包含陶瓷或金属网填料的吸收塔中使含有二氧化碳的气体与水溶液逆流接触的方法等。
在通常为60℃或更低、优选50℃或更低、更优选约为20至45℃的温度下在水溶液中吸收含有二氧化碳的气体。温度越低，则CO2的吸收量越大。根据废气的气体温度、热回收目标及其他因素确定温度应当下降的程度。通常在接近大气压下实施二氧化碳的吸收。为了提高吸收特性，可以将压力升高至更高的水平。为了减少压缩所需的能量消耗，优选在大气压下进行吸收。
含有二氧化碳的气体与前述的相同。
二氧化碳分离步骤
本发明的方法包括加热在二氧化碳吸收步骤中获得的水溶液以分离和回收二氧化碳的步骤。
从吸收有二氧化碳的水溶液分离出二氧化碳以回收高纯度或高浓度的二氧化碳的方法的例子包括：包括使用如同蒸馏时的釜罐对水溶液加热和起泡的分离方法；包括在包含陶瓷或金属网填料的板式塔、喷雾塔或分离塔中加热水溶液以增加液体接触表面的方法等。由此从碳酸氢根离子释放和放出二氧化碳。
在通常为70℃或更高、优选80℃或更高、更优选约为90至120℃的溶液温度下分离二氧化碳。温度越高，则CO2的吸收量越大。然而，升高温度需要增加用于加热该吸收溶液的能量。因此，根据该过程中的气体温度、热回收目标及其他因素确定温度。将已分离出二氧化碳的胺的水溶液送回至二氧化碳吸收步骤以循环使用（再循环）。在循环过程中，通过与输送至二氧化碳分离步骤的水溶液的热交换，将在二氧化碳分离步骤中施加的热量有效地用于升高该水溶液的温度。以此方式，可以实现在整个回收过程中能量消耗的降低。
以此方式回收的二氧化碳的纯度通常为98至99体积％，若更加适当且更加稳定地实施该过程，则具有99.0至99.9体积％的非常高的纯度。回收的二氧化碳例如可以用作化学品、用于合成高分子物质的起始原料及用于冷冻食品产品的制冷剂。还可以在目前尚在进行技术开发的地下设施等之中隔离和储存回收的二氧化碳。
具体实施方式
实施例
下面参考实施例详细地描述本发明。本发明并不限于这些实施例。
实施例1
将气体洗涤玻璃瓶浸入其液体温度被设定为40℃的恒温水浴中。该瓶装有50mL的水溶液（吸收溶液），其含有55重量％的IPAE（试剂，由TokyoChemicalIndustryCo.,Ltd.制得）和作为表面活性剂的100ppm重量浓度的SurflonS-141（由AGCSeimiChemicalCo.,Ltd.制得），其是非离子全氟化合物。作为使用由KyowaInterfaceScienceCo.,Ltd.制造的DropMaster300的测量结果，吸收溶液在实施吸收之前在25℃下的表面张力为25mN/m。将20体积％的二氧化碳与80体积％的氮气的气体混合物作为气泡以0.7L/min的速率通过孔尺寸为100μm且直径为13mm的玻璃滤器在大气压下分散在该溶液中，以进行吸收60分钟。
使用红外线式二氧化碳计（HoribaGasAnalyzerVA-3000）在吸收溶液的入口和出口连续地测量该气体中的CO2浓度。由入口处的CO2流量与出口处的CO2流量之差测定CO2的吸收量。在需要时，使用气相色谱式全有机碳分析器（ShimadzuTOC-VCSH）测量吸收溶液中的无机碳的量，并与使用红外线式二氧化碳计获得的数值比较。饱和吸收量被定义为直至吸收溶液的出口处的CO2浓度变得与入口处相等的CO2吸收量。因为吸收速率根据CO2的吸收量改变，在吸收至饱和吸收量的1/2的时刻基于吸收速率测量吸收速率，并用于比较。
然后，在相同的气体流中使溶液温度历时数分钟上升至70℃，在相同的条件下历时60分钟测量CO2的分离量。在40℃下的CO2饱和吸收量为145.5g/L，在吸收至饱和吸收量的1/2的时刻的CO2吸收速率为4.8g/L/min。在70℃下的CO2的分离量为78.5g/L。回收的二氧化碳的纯度为99.8％。
在均装配有搅拌器的两个相同形状的吸收装置中在40℃下使用示差热量计（DRCEvolution，由Setaram,Inc.制造），通过将预定量的CO2引入仅一个反应器中，并测量在该过程中在两个反应器中的吸收热之差，从而测量吸收热。
实施例2和3
CO2饱和吸收量、CO2吸收速率、CO2的吸收热和CO2的分离量如实施例1中所述进行测量，区别在于使用含有60或70重量％的IPAE以及作为表面活性剂的100或150ppm重量浓度的SurflonS-141的水溶液，分别代替含有55重量％的IPAE和100ppm的S-141的水溶液。这些含有表面活性剂的吸收溶液的表面张力分别为24mN/m和23mN/m。在40℃下的CO2饱和吸收量分别为158.5g/L和162.7g/L，吸收速率分别为4.7g/L/min和4.4g/L/min，在70℃下的CO2的分离量分别为87.5g/L和89.5g/L。
实施例4至6
CO2饱和吸收量、CO2吸收速率、CO2的吸收热和CO2的分离量如实施例2中所述进行测量，区别在于将烷基氨基醇中烷基的种类由异丙基改变为正丁基（n-BAE）、异丁基（IBAE）或正戊基（n-PEAE）。在使用IBAE的实施例5中，使用200ppm重量浓度的非离子聚氧乙烯烷基醚TritonX作为表面活性剂。这些吸收溶液的表面张力分别为22、25和23mN/m。
实施例7和8
CO2饱和吸收量、CO2吸收速率、CO2的吸收热和CO2的分离量如实施例2中所述进行测量，区别在于在实施例7中使用150ppm重量浓度的两性的SurflonS-131，在实施例8中使用250ppm重量浓度的非离子聚氧乙烯烷基醚，作为表面活性剂，代替100ppm的S-141。这些溶液的表面张力分别为26和24mN/m。
实施例9
CO2饱和吸收量、CO2吸收速率、CO2的吸收热和CO2的分离量如实施例2中所述进行测量，区别在于将表面活性剂的量从100ppm重量浓度改变为1,500ppm。该溶液的表面张力为22mN/m。
实施例10
CO2饱和吸收量、CO2吸收速率、CO2的吸收热和CO2的分离量如实施例2中所述进行测量，区别在于将表面活性剂的量从100ppm重量浓度改变为20ppm。该溶液的表面张力为30mN/m。
比较例1至3
CO2饱和吸收量、CO2吸收速率、CO2的吸收热和CO2的分离量如实施例1中所述进行测量，区别在于使用仅含有30、55或60重量％的IPAE的水溶液，代替含有55重量％的IPAE和100ppm的S-141的水溶液。这些溶液的表面张力分别为55、48和40mN/m。
比较例4至6
在比较例4至6中，CO2饱和吸收量、CO2吸收速率、CO2的吸收热和CO2的分离量分别如实施例4至6中所述进行测量，区别在于使用不含表面活性剂的水溶液。这些溶液的表面张力分别为45、49和43mN/m。
比较例7
CO2饱和吸收量、CO2吸收速率、CO2的吸收热和CO2的分离量如实施例1中所述进行测量，区别在于使用通过将3重量％的哌嗪添加至含有52重量％的IPAE的水溶液以使胺的总重量为55重量％从而获得的水溶液，代替含有55重量％的IPAE和100ppm的S-141的水溶液。哌嗪已知是使用烷醇胺水溶液吸收二氧化碳时的反应活化剂，并且具有在提高CO2饱和吸收量及CO2吸收速率方面的效果。
表1和2所示为在实施例1至10以及比较例1至7中获得的结果。在表中，“％”代表“重量％”。
表1
表2
实施例1
如上述结果所示，在使用高浓度水溶液的实施例1中，每单位量的吸收溶液的CO2饱和吸收量和CO2的分离量高于其中使用30重量％的IPAE的比较例1的结果。由于添加了表面活性剂，吸收速率为4.8g/L，高于采用相同的IPAE浓度的比较例2的3.2g/L。这确认了通过添加表面活性剂所实现的效果。此外，每摩尔二氧化碳的吸收热低于比较例1的结果，这确认了通过采用高浓度所实现的效果。
实施例2和3
根据上述结果，在使用70重量％的IPAE的实施例3中，CO2吸收速率获得略微降低的数值；然而，CO2饱和吸收量和CO2的分离量高于实施例2的结果。因此，确认了通过采用高浓度实现的效果，即观察到性能的改善。
在使用高浓度吸收溶液的实施例2和3中CO2的分离量高于其中采用相同的分离条件即在70℃下的比较例3。在吸收和分离的每次循环中的二氧化碳回收也高于比较例3。因此，实施例2和3的溶液发挥出有助于降低回收所需的能量消耗的效果。
实施例4至6
若将烷基的碳链长度调节为4或5，则单位吸收溶液的CO2饱和吸收量由于分子量的影响而下降；然而，关于IPAE、n-BAE、IBAE和n-PEAE，CO2吸收量相对于其分子量已修正的胺的摩尔比获得几乎相等的数值，分别为0.62、0.63、0.62和0.64。因此，确认了可以获得与在使用异丙基时获得的效果相当的效果。此外，确认了与对应于比较例4至6的结果相比，在CO2吸收速率和CO2的分离量方面获得了更高的性能。
实施例7和8
与实施例2（SurflonS-141）的结果相比，虽然CO2饱和吸收量略微低，但是CO2吸收速率和CO2的分离量几乎相等。因此，在实施例7和8中观察到与在使用S-141时获得的效果相等的效果。此外，吸收热与在实施例2中观察到的数值处于相同的水平；并没有特别地观察到其增大的数值。
实施例9
虽然CO2饱和吸收量和CO2吸收速率略微低于实施例2的结果，但是性能高于其中不使用表面活性剂的比较例3的结果。因此，确认了该效果。然而，通过以此量添加表面活性剂，在进行CO2吸收时观察到起泡现象。这表明，进一步增加表面活性剂的添加量由于可操作性所以是困难的。
实施例10
虽然CO2饱和吸收量和CO2吸收速率略微低于实施例2的结果，但是性能高于其中不使用表面活性剂的比较例3的结果。因此，确认了该效果。
比较例1至3
在浓度低至30重量％时，CO2吸收速率高。然而，在浓度为60重量％时，CO2吸收速率大幅下降，这导致CO2饱和吸收量和CO2的分离量的数值均不足。这表明，通过单纯地采用高浓度以改善吸收溶液的性能是困难的。
比较例4至6
比较例4至6的吸收溶液分别对应于实施例4至6的吸收溶液；但是不含有表面活性剂。与在相应的实施例中获得的结果相比，在比较例4至6中获得的CO2饱和吸收量、CO2吸收速率和CO2的分离量的结果差。这确认了即使使用不同于IPAE的位阻胺通过添加表面活性剂所实现的效果。
比较例7
根据上述结果，与在其中使用仅含有IPAE的水溶液的比较例2中获得的结果相比，添加反应活化剂提高了CO2饱和吸收量和CO2吸收速率。因为在25℃下的表面张力为45mN/m，通过添加反应活化剂实现的效果并不是由于表面张力下降实现的。另一方面，使用含有反应活化剂如哌嗪的吸收溶液导致高的吸收热，因此并不有利于降低用于回收二氧化碳所需的能量消耗。由此确认了在实施例中采用的上述方法在CO2饱和吸收量、反应速率、吸收热和CO2的分离量方面均是有利的。

Claims (7)

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(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，其中所述表面活性剂选自以下组中：具有全氟烷基的非离子化合物、具有全氟烷基的两性化合物和非离子聚氧乙烯烷基醚化合物。
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℃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(1)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。
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