JP2011516244A

JP2011516244A - ガス流からのｃｏ２除去のための改善されたアルカノールアミン

Info

Publication number: JP2011516244A
Application number: JP2011502195A
Authority: JP
Inventors: モエタズ・イブラヒム・アッタラ; グレアム・ダグラス・パックスティ; アンドリュー・ウェイン・オルポート; マーク・ボウン; チィ・ヤン; ロバート・キャメロン・ローランド
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 2008-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2011-05-26
Anticipated expiration: 2029-04-01
Also published as: CN102065982B; DK2259863T3; US20110116997A1; WO2009121135A1; EP2259863B1; US8486356B2; EP2259863A1; EP2259863A4; AU2009230879A1; KR101544631B1; CN102065982A; KR20110000684A; AU2009230879B2; JP5243595B2

Abstract

CO₂を含むガス流と水性アルカノールアミン溶液とを接触することを含む、ガス流からのCO₂の捕集のための方法であって、アルカノールアミンは、3-ピペリジンメタノール、トリシン、3-キヌクリジノール、3-ピペリジノ-1,2-プロパンジオール、およびこれらの塩からなる群から選択される。

Description

本発明は、ガス流(gas stream)から二酸化炭素を捕集する目的のための水性アルカノールアミン溶液に関する。アルカノールアミンは、それらのpK_aに基づく予測されたCO₂吸収能力よりも大きい能力を示し、CO₂捕集速度およびCO₂吸収能力の両方において、望ましい能力を有する。

温室効果ガスの固定生産者にとって、劇的にそれらの大気放出を削減する圧力が高まっている。特に懸念されることは、大気中への二酸化炭素(CO₂)の放出である。大気のCO₂放出を削減する1つの方法は、その捕集および続けて地質中または深海貯留層中の貯留である。

発電所または燃焼装置の燃焼排ガス(flue gas)からCO₂を捕集するための方法は、燃焼後捕集と呼ばれる。燃焼後捕集において、燃焼排ガス中のCO₂は、最初に、吸収装置中で好適な溶媒を使用して、窒素および残留酸素から分離される。CO₂はその後、ストリッピング(または再生(regeneration))と呼ばれる方法において溶媒から除去され、こうして溶媒は再利用される。ストリップされたCO₂はその後、水和物の形成を防ぐための適切な乾燥工程を伴い、圧縮および冷却によって液化される。この形態における燃焼後捕集は、発電所、製鉄所、セメント窯、か焼炉および製錬所を含む様々な固定CO₂源に適用することができる。

水性アルカノールアミン溶液は、燃焼後CO₂捕集における溶媒として研究されている。捕集方法には、水、アルカノールアミンおよび二酸化炭素の間で起きる一連の化学反応を含む。アルカノールアミンは弱い塩基であり、酸-塩基反応を受ける。一度アルカノールアミン溶液に溶解すると、水性CO₂は、一般的に認知された以下に記載された式:
に従って、水および中性型のアルカノールアミンと反応して炭酸(H₂CO₃)、水性重炭酸(HCO₃ ^-)イオンおよび水性炭酸(CO₃ ^2-)イオンを生成する。；

アルカノールアミンが第一級(R₁R₂NH、R₂ = H)または第二級アミン(R₁R₂NH、R₂ ≠ H)を含む場合、二酸化炭素と第一級または第二級アルカノールアミンが反応してカルバメート(R₁R₂NCOO^-)を生成する、追加の反応経路が利用可能になる。カルバメートは、その後、一般的に認知された以下に記載された式:
に従って、酸-塩基化学に関与してもよい。第三級アルカノールアミン(R₁R₂R₃N、R₁, R₂, R₃ ≠ H)はカルバメートを形成することができない。

水性アルカノールアミン溶液のモル吸収能力は、溶液中のアミン官能基のモルあたりに吸収されたCO₂のモル数によって測定すると、アルカノールアミン溶液中で作用するpH平衡に依存することが、一般的に認知されている。CO₂吸収能力は、溶液のpHが減少するにつれて減少する。さらに、CO₂がアルカノールアミン溶液に吸収されるように作用する水性平衡の相互関係が複雑になり、水性アルカノールアミン溶液中で作用するpH平衡がアルカノールアミンのアミン官能基のpK_aに大きい程度で依存し、アルカノールアミンがカルバメートを形成する傾向があることが、一般的に受け入れられている。アルカノールアミンのアミンのpK_aが増加すると、その水性溶液は比較的より塩基性になり、全体としてより大きなCO₂吸収能力が得られる。

対照的に、第一級および第二級アルカノールアミンによるカルバメート形成は、水性アルカノールアミン溶液のモルCO₂吸収能力を制限する。低いモル吸収能力は、カルバメート形成が、CO₂モルごとに2モルのアミン官能基を消費するために生じる。1モルは二酸化炭素と反応し、カルバメートを生成するために必要とされ、その後、1モルは生成したカルバメートのカルボン酸官能基から放出されるプロトンを捕集するための塩基として働く。これは、モル吸収能力n_CO2/n_アミンを0.5の値に制限する。必要量のCO₂を吸収するために、より多くの材料、溶媒の流れのより速い速度および脱着のためのより大きいエネルギー必要量を必要とするため、低いモル吸収能力は、工業用のCO₂捕集に水性アルカノールアミン溶液を適用するための問題である。工業用のCO₂捕集において現在用いられている、モノエタノールアミン(MEA、HO-CH₂-CH₂-NH₂)は、約0.5の望ましくないモル吸収能力を有する。

要約すると、アミン官能基が第一級、第二級または第三級であれ、モル吸収能力とアミンのpK_aとの間に制限する関係が存在する。

MEAより大きなCO₂吸収能力を達成する工業用のCO₂捕集のために使用されるアミンは、遅いCO₂吸収速度を有する。遅いCO₂吸収速度は望ましくなく、それはCO₂の必要な吸収を達成するためにより長いガス-液体の接触時間が必要であり、これはより大きな吸収カラムおよびより大きな資本費用を意味するからである。増大した能力を通して得られる利益は、したがって、低下した速度に伴う欠点と相殺する。

McCann, N.; Maeder, M.; Attalla, M.; Simulation of Enthalpy and Capacity of CO2 Absorption by Aqueous Amine Systems; Ind. Eng. Chem. Res.; 47, 2008; 2002-2009 S. Ma’mum, H. F. Svendsen, K. A. Hoff and O. Juliusson, Selection of new absorbents for carbon dioxide capture, Energ. Convers. Manage., 48, 2007, 251-258 S. A. Newman, Acid and Sour Gas Treating Processes, Gulf Publishing Company, Texas, 1995

したがって、CO₂捕集技術において、その水性溶液が、適用するための改善された特性を有するアルカノールアミンを特定する必要性が存在する。

本発明は、上記で記載された問題のうちの少なくとも1つを克服しようとするものである。

本発明は、CO₂を含むガス流と水性アルカノールアミン溶液とを接触させることを含む、ガス流からのCO₂の捕集のための方法を提供し、この溶液には、3-ピペリジンメタノール、N-[トリス(ヒドロキシメチル)メチル]グリシン(トリシン)、3-キヌクリジノール、3-ピペリジノ-1,2-プロパンジオール、およびこれらの塩からなる群から選択されるアルカノールアミンが含まれる。

モル吸収能力および初期吸収速度と、アルカノールアミンの構造およびpK_aとを関連付ける本発明者らの研究の間、数多くのアミンの吸収能力および初期吸収速度が測定された。本発明者らが驚いたことに、上記で記載されたアルカノールアミンは、そのpK_aおよびCO₂とアミンとの間に発生する許容された反応に基づいて予測された能力を大きく上回る吸収能力を示した。これらのアルカノールアミンは、改善した吸収能力を示し、付随する初期吸収速度における許容されない低下の弱点もなかった。

本発明によるアルカノールアミンは、ガス流からの二酸化炭素の除去を特に好適とする吸収特性を有することが分かった。これらの特性は、当業者が通常これらのアルカノールアミンから予測される吸収特性に反している。さらに、これらのアルカノールアミンは、そのモル吸収能力において望ましい性能を有し、一方、改善された吸収能力に伴うアルカノールアミンに典型的な吸収速度の損失を示さない。この予測できない特性の組合せは、資本設備のサイズを大きくすることなく液体の流速および脱着のエネルギー必要量において劇的な低減を可能にするため、工業的な観点から非常に望ましい。さらに、本発明者らによって特定されたアルカノールアミンは、本発明によるアミンが複素環化合物またはアミノ酸のどちらかであるため、工業的用途に好適であると予想される。このように、これらはCO₂捕集用途において酸化および熱分解に対してより抵抗性がある可能性がある。

本発明の一態様によると、アルカノールアミンは、3-ピペリジンメタノールである。

別の態様において、アルカノールアミンは、N-[トリス(ヒドロキシメチル)メチル]グリシン(トリシン)である。

別の態様において、アルカノールアミンは、3-キヌクリジノールである。

別の態様において、アルカノールアミンは、3-ピペリジノ-1,2-プロパンジオールである。

上記で記載されたアルカノールアミンの水性溶液は、アミンのpK_aとモル吸収能力との間の一般的に認知されている関係に従って予測されるモル吸収能力より、大きいモル吸収能力を有し、0.7の値以上のn_CO2/n_アミンのモル吸収能力を有し、許容される初期CO₂吸収速度を示す。

アルカノールアミンが第一級または第二級アミンを含む場合、許容される吸収速度は7×10^-5s^-1の値以上の初期吸収速度として定義される。

アルカノールアミンが第三級アミンを含む場合、許容される吸収速度は2.5×10^-5s^-1の値以上の初期吸収速度として定義される。本発明のさらなる目的、特徴、利点は以下の好ましい実施形態の記載および添付する図ならびに実施例から明らかになるだろう。

図１は、本発明の一実施形態の方法において用いることができる、CO₂捕集装置のフロー図の例を示す。図２は、特定されたアミンおよびMEAのpK_aに対する、実験的に測定されたCO₂吸収能力を示す。図３は、特定されたアミンおよびMEAのpK_aに対する、CO₂の初期吸収速度を示す。図４は、試験したアミンの初期吸収速度に対する吸収能力のプロットを示す。図５は、モノエタノールアミン(◆)、2-アミノ-2-メチル-1,3-プロパンジオール(■)、3-ピペリジンメタノール(A1; ▲)およびN,N-ジメチルエタノールアミン(A2; ●)のCO₂分圧に対する吸収能力のプロットを示す。

モル吸収能力および初期吸収速度と、アルカノールアミンの構造およびpK_aとを関連付ける本発明者らの研究の間、数多くのアミンの吸収能力および初期吸収速度が測定された。本発明者らが驚いたことに、いくつかのアルカノールアミンは、そのpK_aおよびCO₂とアミンとの間に発生する許容された反応に基づいて予測された能力を大きく上回る吸収能力を示した。

本発明によるアルカノールアミンの使用は、驚くべきことに、ガス流からの二酸化炭素の除去を好適にする特性を有することが分かった。これらの特性は、当業者が通常これらのアルカノールアミンから予測される吸収特性に反している。

以下の本発明による方法は、水性アルカノールアミン溶液を使用するCO₂捕集のための方法を提供する。本発明によって選択されるアルカノールアミンは、アミンのpK_aとモル吸収能力との間の一般的に認知されている関係に従って予測されるモル吸収能力よりも、大きいモル吸収能力を示す。

これらは改善した吸収能力を示し、付随する初期吸収速度における許容されない低下の弱点もない。

本発明は、CO₂を含むガス流と水性アルカノールアミン溶液を接触させることを含む、ガス流からのCO₂の捕集のための方法を提供し、この溶液には3-ピペリジンメタノール、N-[トリス(ヒドロキシメチル)メチル]グリシン(トリシン)、3-キヌクリジノール、3-ピペリジノ-1,2-プロパンジオール、およびこれらの塩からなる群から選択されるアルカノールアミンが含まれる。

一実施形態において、アルカノールアミンは、3-ピペリジンメタノールである。

別の実施形態において、アルカノールアミンは、N-[トリス(ヒドロキシメチル)メチル]グリシン(トリシン)である。

別の実施形態において、アルカノールアミンは、3-キヌクリジノールである。

別の実施形態において、アルカノールアミンは、3-ピペリジノ-1,2-プロパンジオールである。

上記で記載されたアルカノールアミンのうち、3-ピペリジンメタノールが好ましい実施形態である。

本明細書で使用される、「水性アルカノールアミン溶液」は、アルカノールアミンおよび水を含む溶液を表すことを意図している。この定義は、他の溶媒(例えばアルコール類)または他の添加剤(例えば腐食および酸化防止剤)の含有を除外することを意図していない。典型的には、溶液は90から約50質量%の水を含んでもよい。

アルカノールアミン化合物は知られており、例えばSigma-Aldrich Pty. Ltd.を含むいくつかの化学品供給業者から、商業的な量で入手可能である。

全てのアルカノールアミンに存在するアミン官能基の塩基度により、これらの化合物は塩としてプロトン化された形態で存在してもよいことが理解される。例えば、本発明によるアルカノールアミンは、塩酸塩または臭酸塩として利用可能または存在してもよい。さらに、トリシンの構造内の酸性基の存在により、この化合物は塩として存在してもよい。典型的には、トリシンはナトリウム塩、カリウム塩またはリチウム塩として利用可能であるが、これらの対イオンの例は限定することを意図していない。ガス流からのCO₂の捕集のための、本発明によるアルカノールアミンの塩の形態の使用は、本発明の範囲内に含まれることを意図している。

アルカノールアミンのアミン官能基のpK_aとその水性溶液のCO₂吸収能力との間の定性的関係は、一般的に認知されている。一実施形態において、本発明のアルカノールアミンは、アミンのpK_aとモル吸収能力との間の一般的に認知されている関係に従って予測されるモル吸収能力よりも、大きいモル吸収能力を示す。

水性アルカノールアミン溶液のモル吸収能力とpK_aとの間の定量的関係を予測することができる、理論的方法が開発されてきた。例えば、McCann, N.; Maeder, M.; Attalla, M.; Simulation of Enthalpy and Capacity of CO₂ Absorption by Aqueous Amine Systems; Ind. Eng. Chem. Res.; 47, 2008; 2002-2009に見られる。別の実施形態において、本発明のアルカノールアミンは、アミンのpK_aとモル吸収能力との間の受け入れられている理論的な関係に従って予測されるモル吸収能力よりも、大きいモル吸収能力を示す。

アミンのpK_aの関数としてのCO₂吸収能力の理論的な計算は、式1から8により定義された化学平衡の化学種を計算することによって決定される。化学種は式1から8の知られている化学平衡定数の値を使用することによって決定され、平衡定数Kは式9に従って定義される。

平衡定数は、非線形連立方程式の系に整えることができる。CO₂の分圧およびアミン濃度が与えられると、これらの式は求根法、例えばNewton-Raphson法を使用して、それぞれの化学種の濃度について解くことができる。一度濃度が得られたら、CO₂吸収能力を容易に決定することができる。いくつかの平衡定数が未知であるアミンについては、これらの値は、特定のpK_aにおけるCO₂吸収能力の制限を決定するための現実的な範囲で変化させることができる。

本明細書に記載されるアルカノールアミンは、許容される初期のCO₂吸収速度を示す。第一級または第二級アミンを含むアルカノールアミンにとって、上記で記載されたアルカノールアミンは、7×10^-5s^-1の値以上、好ましくは1.13×10^-4s^-1以上、および最も好ましくは2.26×10^-4s^-1以上の初期吸収速度を示す。第三級アミンを含むアルカノールアミンにとって、上記で記載されたアルカノールアミンは、2.5×10^-5s^-1の値以上、好ましくは1.13×10^-4s^-1以上、および最も好ましくは2.26×10^-4s^-1以上の初期吸収速度を示す。

当業者は、様々な文献、例えばS. Ma’mum, H. F. Svendsen, K. A. Hoff and O. Juliusson, Selection of new absorbents for carbon dioxide capture, Energ. Convers. Manage., 48, 2007, 251-258に記載された方法を使用して、上記で記載されたアルカノールアミン溶液のCO₂吸収の初期速度を容易に決定することができる。

能力に対する速度の好ましい実施形態に基づく選択は、当業者によって容易にされ、それは本発明による方法が適用される特定の条件に依存するだろう。

上記で定義されたアルカノールアミンのうちの少なくとも1つは、本発明の水性溶液内において、ガス流からCO₂を除去するために効果的な量で存在する。

上記で定義されたアルカノールアミンのうちの1つが以下の発明によって使用された場合、典型的には、水性溶液の全質量に基づき、約5〜30、好ましくは約10〜30、より好ましくは約20〜30質量%の量で存在する。

本発明によるアルカノールアミンの最適な量は、ガス流の組成、排出流体の必要量、および循環速度に依存するだろう。当業者は、上記で定義されたアルカノールアミンから選択されるアルカノールアミンの量を、容易に決定する。

本発明の方法は、反応化学吸収によるガス流からの二酸化炭素の除去のための、任意の従来の装置で実施することができ、詳細な手順は当業者によく知られている。例えば、図１のフロー図、またはS. A. Newman, Acid and Sour Gas Treating Processes, Gulf Publishing Company, Texas, 1995に見られる。

図１により記載された実施形態において、装置は吸収カラム2、熱交換器5、脱着カラム6およびリボイラー(reboiler)9を含む。典型的には1〜15%のCO₂、好ましくは5〜15%のCO₂、およびより好ましくは10〜15%のCO₂を含む燃焼排ガスは、場合によってプレスクラバー(prescrubber)を通過してもよく、その後導管1から充填吸収カラム2を通過し、本発明の水性アルカノールアミン溶液と接触する。吸収カラム2における圧力および温度条件は、典型的には1気圧、および約40から60℃である。CO₂が少ない燃焼排ガスは、導管3を介して吸収装置の上部から放出される。CO₂が豊富なアルカノールアミン溶液は、熱交換器5を介して配管4から脱着カラム6を通る。脱着カラム6において、CO₂が豊富なアルカノールアミン溶液は加熱され、吸着反応を逆行させる。脱着装置の典型的な圧力および温度条件は、1〜2気圧、および100から150℃である。CO₂および水蒸気は脱着カラムの上部から、導管7を介して回収される。脱着カラムはリボイラー9によって加熱され、導管8および10によって脱着装置に接続される。リボイラーの熱源は、105〜135℃の温度における好ましくは低い圧力の蒸気である。CO₂が少ないアルカノールアミン溶液は、その後、熱交換器5を介して配管11から吸収装置2を通る。熱交換器5において、少ないアルカノールアミン溶液からの顕熱は、吸収装置からのCO₂が豊富な溶液を加熱するために使用される。

本発明による方法は、任意の好適な吸収装置内で都合よく行われる。ガス精製操作のために使用される数多くの吸収装置には、充填塔、板塔または噴霧塔が含まれる。これらの吸収装置は、特定の条件が他より1つを好んでもよいが、かなりの量まで交換可能である。従来の充填塔、板塔または噴霧塔に加えて、特殊な吸収塔が特定の方法の必要性を満たすために開発されている。これらの特定の塔の例には、衝突板(impingement-plate)スクラバーおよび乱流接触(turbulent contact)スクラバーが含まれる。

本発明の方法は、充填塔、板塔または噴霧塔、あるいは特定の方法の必要性を満たすために開発された特殊な吸収塔のどちらかにおいて行うことができ、最適な方法の操作のための必要性に応じて、他の周辺装置を含むことができる。このような周辺装置には、これに制限されないが、注入ガス分離機、処理されたガスのコアレッサー(coalescor)、溶媒のフラッシュタンク(flash tank)、特定のフィルターおよび炭素ベッド清浄機(carbon bed purifier)が含まれてもよい。注入ガスの流速は、装置のサイズによって変化するが、典型的には5000から25000m³/sの間である。溶媒の循環速度は、典型的には、10から40m³/CO₂tの間である。吸収装置の操作圧力は、典型的には1気圧である。

本発明の方法において、大気圧における、または大気圧を超える二酸化炭素を含むガス流は、ガス流からのCO₂の吸収に効果的な、室温またはそれより高い温度、好ましくは30℃〜60℃の間、およびより好ましくは35℃〜45℃の間で、上記で定義したアルカノールアミンのいずれかを含む水性溶媒の系に接触される。場合によって、腐食防止剤、スケール防止剤、消泡剤および当業者に知られている、本発明のCO₂捕集方法を助ける他の添加剤が用いられてもよい。

以下の実施例は例示のために示され、本発明を制限するものではない。

(実施例1および比較例C-1)
13%のCO₂(99.5%純度、BOC Australia)と87%のN₂(>99.99%純度、BOC Australia)の混合物を、マスフローコントローラー(Bronkhurst High-Tech El-Flow)を使用して供給した。ガスを、混合チャンバーを通し、加湿し、その後、焼結されたガラスフリット(glass frit)を介して、大気圧でガラス反応器中に30質量%のアミン溶液を通して散布した。1.7L min^-1および300mL、または1.0L min^-1および20mLのそれぞれガスの流速および溶液の体積を、利用可能なアミンの量に応じて使用した。排出ガスのCO₂含有量を、Horiba VS-3001汎用ガスサンプリングユニットおよびHoriba VA-3000 NDIRマルチガスアナライザーを使用して測定した。流入物および流出物の間のCO₂濃度の差を、吸収されたCO₂の量を決定するために使用した。加湿器およびアミン溶液を、温度制御された水浴(Techne)中に浸漬することにより、40℃の温度にした。

実験を、初期に加湿器およびアミン溶液を含む反応器を熱的な平衡にすることによって行った。この期間の間、系を窒素でフラッシュし、CO₂アナライザーの較正を完了した。適切なガスの混合を、反応器にバイパスするおよび直接CO₂アナライザーに通すのではなく、飽和器を通すことでガスのフローを確立した。その後、ガスのフローを、反応器を通るように切り替え、実験を開始した。それぞれの実験は、流出物中の測定されるCO₂濃度が元の値に戻るまで行った。

データを図２に示す。グラフの斜線の領域は、許容される水性相反応およびアミンのpK_aに基づいて、能力が入ると予測される領域である。斜線の領域は、前に記載されたアミンのpK_aの関数として、CO₂吸収を計算するための理論的な方法を使用して決定された。この領域を生成するために、式7で与えられた、カルバメート形成のための平衡定数をカルバメート形成のみが好まれる大きな値と、カルバメート形成が起こらない小さな値との間で変化させた。その結果、これは与えられたpK_aに対するCO₂吸収能力の境界を提供する。

このデータは実施例のアルカノールアミンが、全て0.7の値を超えるn_CO2/n_アミンのモル吸収能力を示すことを明らかにしている。さらに、全てのアルカノールアミンがこれらのpK_aに基づく吸収能力を超えることを明らかにしている。対照的に、MEAの吸収能力は0.7の値よりも小さく、アミンのpK_aに基づいて予測された値の範囲内に入る。

(実施例2)
SetaramのTG-DTA/DSC熱重量アナライザー(Setaram)を、40℃における等温モードで、大気圧で15体積%のCO₂および85体積%のN₂の大気に曝された場合の水性アミン溶液の質量の増加をモニターするために使用した。このCO₂濃度は、石炭火力発電の燃焼排ガスと近いので選択した。2つの別々の等温重量分析(IGA)実験を、アミンの試験溶液の全CO₂吸収を決定するために行った。行った第1の実験は、蒸発による質量損失を決定し、第2は、同じ時間CO₂に曝された場合の試験溶液の質量増加を決定した。それぞれの実験は、100μLのアルミナるつぼ(Setaram)中の新鮮な100μLの分割量の試験溶液で行った。溶解度の制約が許す限り、試験溶液を、脱イオン水中の30質量%のアミン濃度で作った。全ての化学種はSigma-Aldrichから購入し、さらなる精製なしで使用した。使用した全てのアミンの純度は、入手可能な最も高い純度をいつも選択し、95〜99.5%の範囲であった。

IGA機器を、2つのガス流れの入力を伴って設定し、1つは15%のCO₂と85%のN₂(99.9%純度、BOC Australia)の予備混合を提供し、他はN₂(>99.99%純度、BOC Australia)を提供した。両方の流れを、マスフローコントローラー(Bronkhurst High-Tech EI-Flow)を使用して、制御し、全ての実験のために30mL min^-1の全ガスフローを使用した。吸収能力の計算のために、蒸発を行ってから時間tにおける質量を、行った吸収の時間tにおける質量から差し引いた。その後、このデータを時間に対する溶液中のアミン1モルあたりのCO₂モルに変換することによって、吸収曲線を描いた。その後、CO₂吸収能力を、吸収曲線上の最大の点として決定した。

初期吸収速度を、時間に対する測定されたCO₂吸収能力の曲線の、初期の直線範囲の傾きとして計算した。

データを図３に示す。記載された第2級アミンは、MEAより最大でも40%小さい初期吸収速度を有する(最も小さい速度を有するトリシンを除く)。第三級アミンは、MEAより最大70%小さい初期吸収速度を有する。

(実施例3および比較例C-3)
図４は、信頼性のある結果が得られた、試験した全てのアミンの初期吸収速度に対する吸収能力のプロットを示す。灰色の網掛け領域は、0.7以上のモル吸収能力を有するアミンを覆うグラフの領域を表す。網掛け領域内に残っているアミンの能力は、0.7を超えており、初期吸収速度は7×10^-5s^-1より高い。しかし、これらの能力は、一般的に、これらのpK_aに基づいて理論的に予測された領域に入る。図４から、本発明の一実施形態で表されるアルカノールアミンの水性溶液は、高いモル吸収能力と許容されるCO₂吸収の初期速度の両方の望ましい組合せを有する。

(実施例4および比較例C-4)
いくつかのアルカノールアミンのCO₂モル吸収能力を、異なるCO₂の分圧で試験した。試験したアミンは、2-アミノ-2-メチル-1,3-プロパンジオール(AMPD)-立体障害の第一級アルカノールアミン、3-ピペリジンメタノール-複素式第二級アミン、N,N-ジメチルエタノールアミン-短鎖の第三級アルカノールアミン、およびMEAである。

装置を、温度および圧力の範囲における気液平衡(VLE)データを測定するための、攪拌されたガラスのバッチ反応器を使用して開発した。装置は、温度制御およびガス供給系が管で連結した160mLの攪拌されかつ被覆されたガラス反応器からなる。

MEAに加えて3つのアミンの、CO₂吸収能力データを40℃、〜0.3から900kPaの範囲の圧力で、1Mの水性溶液に対して収集した。この方法を、水によるCO₂吸収の測定を文献データと比較すること、およびCO₂の取り込みを決定するためのアミンサンプルの滴定によって実証した。

実験のために、以下の手順を使用した。
・反応器を150mLの水性アミン溶液で満たし、40℃の一定温度にした。
・続けて脱気し、CO₂を高圧ガス容器から反応器に導入した。CO₂を、平衡に達するまで加えた。
・反応器に入ったガスの量を、高圧ガス容器からの質量損失によって決定した。上部の空間におけるガスの量を、ビリアル状態方程式を使用して計算し、ガスの残りが溶液中であると推測した。

上部空間におけるガスの量を計算するために使用したビリアル状態方程式は、以下に記載される。
PV = znRT
ここで、
z = 1 + B/V_m;
B = 137.6 - 87.7e^325.7/T;
V_m = n/V;
P = 絶対圧力;
V = 体積; および
N = モル数

この実験の結果を、図５に示す。

全体の圧力範囲にわたって、3-ピペリジンメタノールは、MEAおよび同等物より大きな、または全てのほかのアミンよりも大きな取り込みを維持した。1から10kPaの圧力範囲にわたって、MEAはAMPDおよびN,N-ジメチルエタノールアミンよりも大きな取り込みを有する。10kPaを超えると、N,N-ジメチルエタノールアミンはMEAおよびAMPDよりも大きな取り込みを有する。MEAおよびAMPDは、15から25kPaの間では同様である。

AMPD、3-ピペリジンメタノールおよびN,N-ジメチルエタノールアミンの全ては、25から900kPaの範囲でMEAよりも大きな吸収能力を示す。100kPaを超えると、起きる吸収は、増加する圧力の関数として、水中で増加したCO₂溶解度に起因する。

3-ピペリジンメタノールのより大きな能力の理由は、おそらく、第二級アミンであり、MEAよりカルバメートを形成しにくいことと組み合わせて、そのより大きな塩基度による。低い分圧におけるMEAの大きな能力は、その速く安定なカルバメートを優先的に形成することによる。それは高いCO₂分圧、およびそれによる大きな溶解CO₂濃度で起こり、重炭酸塩を形成するためのCO₂-MEA-H₂O系を推進するが、高いCO₂分圧においてはほとんど自由なMEAが残らない。他のアミンは、重炭酸塩を優先的に形成しやすく、圧力が増加するにつれてCO₂を吸収し続ける。

この明細書中において開示され、および定義された発明は、文章または図から言及されたまたは明白な、2つ以上の個々の特徴の全ての代替となる組合せに拡張することを理解されたい。これらの異なる組合せの全ては、本発明の様々な代替の態様を構成する。

本明細書で使用したように、文脈が他に必要とする場合を除いて、用語「を含む」(およびその文法的な変形例)は、さらなる添加剤、成分、整数またはステップを除くことを意図していない。

明細者中のいずれの先行技術への参照は、この先行技術がオーストラリアまたは任意の他の区域における共通の一般知識の部分を形成する、またはこの先行技術が当業者により関連すると合理的に確かめられ、理解され、および見なされることができる、認知またはいずれの示唆の形成とされず、見なされるべきではない。

１導管
２吸収カラム
３導管
４配管
５熱交換器
６脱着カラム
７導管
８導管
９リボイラー
１０導管
１１配管

Claims

CO₂を含むガス流と水性アルカノールアミン溶液とを接触することを含む、ガス流からのCO₂の捕集のための方法であって、アルカノールアミンは、3-ピペリジンメタノール、トリシン、3-キヌクリジノール、3-ピペリジノ-1,2-プロパンジオール、およびこれらの塩からなる群から選択される、方法。
アルカノールアミンが、3-ピペリジンメタノールである、請求項１に記載の方法。
アルカノールアミンが、トリシンである、請求項１に記載の方法。
アルカノールアミンが、3-キヌクリジノールである、請求項１に記載の方法。
アルカノールアミンが、3-ピペリジノ-1,2-プロパンジオールである、請求項１に記載の方法。