JP2012011333A - Agent for absorbing carbon dioxide, and method of separating carbon dioxide using the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an agent for absorbing carbon dioxide, for use in stably separating carbon dioxide present in a gas in an energy-saving manner.SOLUTION: The agent for absorbing carbon dioxide comprises a polyalkyleneimine derivative comprising a structure represented by structural formula (I) (in the formula, R, Rand Reach independently represent a hydrogen atom or a 1-3C alkyl group that may contain a substituent, and Rrepresents a hydrogen atom or a 1-2C alkyl group, provided that a substituent constituting R, Rand Ris a hydroxy group, a methoxy group, an ethoxy group, a phenyl group or a methoxycarbonyl group).

Description

本発明は、ガス中に含まれる二酸化炭素を吸収させた後、再度放出させて分離するための二酸化炭素吸収剤に関するものであり、さらに詳しくは、省エネルギーで安定に分離するための二酸化炭素吸収剤に関するものである。また、本発明は、燃焼排ガスのような二酸化炭素を含有するガスからの二酸化炭素の分離方法に関するものである。   The present invention relates to a carbon dioxide absorbent for absorbing and separating carbon dioxide contained in a gas, and more particularly to a carbon dioxide absorbent for separating stably with energy saving. It is about. The present invention also relates to a method for separating carbon dioxide from a gas containing carbon dioxide such as combustion exhaust gas.

従来、ガス中に含まれる二酸化炭素の分離は種々の方法により行なわれてきた。例えば、アンモニア製造過程での二酸化炭素の除去等であり、アルカリの吸収液と接触させて二酸化炭素を吸収除去する方法が一般的に行なわれている。このような方法は、化学吸収法と分類され、吸収塔で化学的に吸収された二酸化炭素は、再生塔で吸収液を加熱することにより吸収液から放出されて回収される。化学吸収法のプロセスでは、高効率な二酸化炭素の除去と高純度の二酸化炭素の回収が可能であることを特徴としている。近年、地球温暖化の原因物質として大気中の二酸化炭素が着目されており、大規模な排出源である、火力発電所又は製鉄所、セメント工場等から排出される排ガス中の二酸化炭素を分離回収する検討がなされている。このような排ガスからの二酸化炭素の分離回収に対して、化学吸収法に代表される従来の分離回収技術を用いた場合、分離に要する付加的なエネルギーの比重が大きく、経済性が非常に大きな問題となる。この分離に要するエネルギーは、化学吸収法の場合、二酸化炭素を吸収させた吸収液を加熱して、二酸化炭素を放出させる工程での熱エネルギーが最も大きい。従来のアルカリ液としては、炭酸カリウム水溶液又はモノエタノールアミン水溶液に代表されるアルカノールアミン水溶液が使われており、これらを基本技術として、より分離エネルギーの小さな吸収液の検討がなされている。特許文献1、特許文献2、特許文献3及び特許文献4では、特定の低分子アミン水溶液を用いた燃焼排ガスからの二酸化炭素の除去方法が提案されている。また、特許文献5では、三級アルカノールアミンとアミン系活性剤とを含有する酸性ガス吸収液体が提案されている。これらの方法は、モノエタノールアミン水溶液より改善はされているものの、さらなる省エネルギー化と高効率化が望まれている。   Conventionally, separation of carbon dioxide contained in a gas has been performed by various methods. For example, carbon dioxide is removed during the ammonia production process, and a method of absorbing and removing carbon dioxide by bringing it into contact with an alkali absorbing solution is generally performed. Such a method is classified as a chemical absorption method, and carbon dioxide chemically absorbed in the absorption tower is released from the absorption liquid and recovered by heating the absorption liquid in the regeneration tower. The chemical absorption process is characterized by high-efficiency carbon dioxide removal and high-purity carbon dioxide recovery. In recent years, carbon dioxide in the atmosphere has attracted attention as a causative agent of global warming, and carbon dioxide in exhaust gas emitted from thermal power plants or steelworks, cement factories, etc., which are large-scale emission sources, is separated and recovered. Consideration has been made. For the separation and recovery of carbon dioxide from such exhaust gas, when the conventional separation and recovery technology represented by the chemical absorption method is used, the specific gravity of the additional energy required for the separation is large, and the economic efficiency is very large. It becomes a problem. In the case of the chemical absorption method, the energy required for this separation is the largest in the process of heating the absorbing solution that has absorbed carbon dioxide and releasing carbon dioxide. As the conventional alkaline solution, an aqueous alkanolamine solution typified by an aqueous potassium carbonate solution or an aqueous monoethanolamine solution is used, and an absorption solution having a smaller separation energy has been studied using these as basic technologies. Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3 and Patent Document 4 propose a method for removing carbon dioxide from combustion exhaust gas using a specific low-molecular amine aqueous solution. Patent Document 5 proposes an acidic gas absorbing liquid containing a tertiary alkanolamine and an amine activator. Although these methods are improved over the monoethanolamine aqueous solution, further energy saving and higher efficiency are desired.

また、これらの吸収液のような低分子のアミンでは、二酸化炭素を吸収させる工程において排ガスと接触させる際に、少量のアミン化合物が蒸発してしまうという問題がある。このためアミン化合物の揮発性を下げることも課題の一つとされている。   In addition, low-molecular amines such as these absorbing solutions have a problem that a small amount of amine compound evaporates when contacting with exhaust gas in the process of absorbing carbon dioxide. For this reason, reducing the volatility of the amine compound is also considered as one of the problems.

一方、高分子のアミンを二酸化炭素の吸収剤として用いることも検討されてきた。特許文献6では、多孔性重合体粒子に多価アミンを付加反応させた炭酸ガス吸着性多孔化樹脂が提案されている。また、特許文献7では、ポリビニル芳香族化合物の重合体をアミノメチル化した単分散球状アミノメチル化重合体を用いた気体の吸着方法が提案されている。しかしながら、これらの技術では分離エネルギーの低減はなされておらず、排ガスからの二酸化炭素の分離回収等のような大規模な分離には適応できない。   On the other hand, the use of polymeric amines as carbon dioxide absorbents has also been investigated. Patent Document 6 proposes a carbon dioxide-adsorbing porous resin obtained by addition reaction of a polyvalent amine with porous polymer particles. Patent Document 7 proposes a gas adsorption method using a monodispersed spherical aminomethylated polymer obtained by aminomethylating a polymer of a polyvinyl aromatic compound. However, these techniques do not reduce separation energy, and cannot be applied to large-scale separation such as separation and recovery of carbon dioxide from exhaust gas.

また、従来の化学吸収法では、吸収させた二酸化炭素を熱エネルギーにより放出させ、吸収液を再生する工程では、110℃〜130℃程度の温度までスチーム加熱を行い、吸収液を沸騰させる条件で行なわれている。そのため、再生工程でアミン化合物が熱分解する懸念があり、再生工程での吸収液の安定性も課題の一つとされている。   In the conventional chemical absorption method, the absorbed carbon dioxide is released by thermal energy, and in the process of regenerating the absorption liquid, steam heating is performed to a temperature of about 110 ° C. to 130 ° C., and the absorption liquid is boiled. It is done. For this reason, there is a concern that the amine compound is thermally decomposed in the regeneration process, and the stability of the absorbing liquid in the regeneration process is also considered as one of the problems.

特許第2871334号公報Japanese Patent No. 2871334 特許第2895325号公報Japanese Patent No. 2895325 特許第3197183号公報Japanese Patent No. 3197183 米国特許出願公開第2008−0050296号公報US Patent Application Publication No. 2008-0050296 特許第2925619号公報Japanese Patent No. 2925619 特公平4−37735号公報Japanese Examined Patent Publication No. 4-37735 特開2002−52340号公報JP 2002-52340 A

本発明は、上記の課題を解決し、省エネルギーでガス中に含まれる二酸化炭素を分離回収するための二酸化炭素吸収剤を提供すること、さらに、アミン化合物の揮発性がなく、安定に使用可能な二酸化炭素吸収剤を提供することを目的とする。また本発明は上記の二酸化炭素吸収剤を用いた、燃焼排ガスのような二酸化炭素含有ガスからの二酸化炭素の分離回収方法を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned problems, provides a carbon dioxide absorbent for separating and recovering carbon dioxide contained in gas with energy saving, and further, the amine compound is not volatile and can be used stably. An object is to provide a carbon dioxide absorbent. Another object of the present invention is to provide a method for separating and recovering carbon dioxide from a carbon dioxide-containing gas such as combustion exhaust gas, using the carbon dioxide absorbent.

すなわち本発明は以下の通りである。   That is, the present invention is as follows.

[1] 下記一般構造式(I):

Figure 2012011333
{式中、R、R及びRは、それぞれ独立に水素原子又は置換基を有していてもよい炭素数1〜3のアルキル基であり、Rは、水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基であり、そしてR、R及びRの置換基は、水酸基、メトキシ基、エトキシ基、フェニル基又はメトキシカルボニル基である。}
で表される構造を含むポリアルキレンイミン誘導体を含む二酸化炭素吸収剤。 [1] The following general structural formula (I):
Figure 2012011333
{Wherein R 1 , R 2 and R 3 are each independently a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms which may have a substituent, and R 4 is a hydrogen atom or 1 carbon atom. And a substituent of R 1 , R 2 and R 3 is a hydroxyl group, a methoxy group, an ethoxy group, a phenyl group or a methoxycarbonyl group. }
The carbon dioxide absorber containing the polyalkyleneimine derivative containing the structure represented by these.

[2] 前記ポリアルキレンイミン誘導体が、ポリエチレンイミンと、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、1,2−エポキシブタン、イソブチレンオキサイド、グリシドール及びスチレンオキサイドから選択される一種以上のエポキシ化合物とを反応させて得られる、[1]に記載の二酸化炭素吸収剤。   [2] The polyalkyleneimine derivative is obtained by reacting polyethyleneimine with one or more epoxy compounds selected from ethylene oxide, propylene oxide, 1,2-epoxybutane, isobutylene oxide, glycidol and styrene oxide. The carbon dioxide absorbent according to [1].

[3] 0.5M酢酸水溶液可溶分のGPCにより算出した前記ポリアルキレンイミン誘導体の重量平均分子量Mwが300以上200,000以下である、[1]又は「2]に記載の二酸化炭素吸収剤。   [3] The carbon dioxide absorbent according to [1] or [2], wherein a weight average molecular weight Mw of the polyalkyleneimine derivative calculated by GPC of a 0.5M acetic acid aqueous solution is 300 or more and 200,000 or less. .

[4] 前記ポリアルキレンイミン誘導体が、水の存在下での親水性−疎水性の転移温度が4.0℃以上96.0℃以下の範囲にある親水−疎水可逆性ポリマーである、[1]〜[3]のいずれか1項に記載の二酸化炭素吸収剤。   [4] The polyalkyleneimine derivative is a hydrophilic-hydrophobic reversible polymer having a hydrophilic-hydrophobic transition temperature in the range of 4.0 ° C. or higher and 96.0 ° C. or lower in the presence of water. ] The carbon dioxide absorbent according to any one of [3] to [3].

[5] 二酸化炭素吸収剤の全質量を基準として、10.0質量%以上90.0質量%以下の請求項1〜4のいずれか1項に記載のポリアルキレンイミン誘導体及び10.0質量%以上90.0質量%以下の水を含む、「1]〜[4]のいずれか1項に記載の二酸化炭素吸収剤。   [5] The polyalkyleneimine derivative according to any one of claims 1 to 4 and 10.0% by mass of 10.0% by mass to 90.0% by mass based on the total mass of the carbon dioxide absorbent. The carbon dioxide absorbent according to any one of [1] to [4], which contains 90.0% by mass or less of water.

[6] [5]に記載の二酸化炭素吸収剤に、二酸化炭素を含有するガスを接触させることにより二酸化炭素を吸収させ、その後に、該吸収剤を加熱することにより二酸化炭素を分離回収する工程を含む、二酸化炭素の分離回収方法。   [6] A step of absorbing carbon dioxide by bringing the carbon dioxide absorbent according to [5] into contact with a gas containing carbon dioxide, and then heating the absorbent to separate and recover the carbon dioxide. A method for separating and recovering carbon dioxide, comprising:

[7] 前記吸収剤を加熱する温度が、60.0℃以上100.0℃以下である、[6]に記載の方法。   [7] The method according to [6], wherein a temperature at which the absorbent is heated is 60.0 ° C. or higher and 100.0 ° C. or lower.

本発明の二酸化炭素吸収剤及び二酸化炭素の分離回収方法によれば、燃焼排ガスのようなガスからの二酸化炭素の分離回収を省エネルギーで可能にすることができる。また、本発明においては、アミン化合物の揮発性がなく、また安定に使用可能な吸収剤を提供することができ、連続して効率の良い二酸化炭素の分離回収方法を提供することができる。   According to the carbon dioxide absorbent and the carbon dioxide separation and recovery method of the present invention, carbon dioxide can be separated and recovered from gas such as combustion exhaust gas with energy saving. Further, in the present invention, an amine compound that is not volatile and can be used stably can be provided, and a continuous and efficient method for separating and recovering carbon dioxide can be provided.

従来の化学吸収法における二酸化炭素分離回収装置の概略図である。It is the schematic of the carbon dioxide separation-and-recovery apparatus in the conventional chemical absorption method. 本発明の評価装置の模式図である。It is a schematic diagram of the evaluation apparatus of this invention.

以下に本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の二酸化炭素吸収剤は、上記一般構造式(I)で表される構造を含むポリアルキレンイミン誘導体を含むことを特徴とする。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The carbon dioxide absorbent of the present invention is characterized by containing a polyalkyleneimine derivative containing a structure represented by the above general structural formula (I).

[ポリアルキレンイミン誘導体の構造]
本発明者らが鋭意検討を行った結果、本発明の二酸化炭素吸収剤に含まれるポリアルキレンイミン誘導体は、二酸化炭素を吸収させた後に、従来のアミン化合物よりも比較的低温で二酸化炭素を放出することが確認された。二酸化炭素を放出する際の温度を下げることは、液を昇温させるための熱エネルギーを減らすことにつながり、また、アミン化合物の熱分解等が抑えられ安定性の向上につながる。この低温における放出能向上の理由としては、ポリアルキレンイミン誘導体の場合、ポリアルキレンイミン誘導体鎖の熱的物性又は二酸化炭素若しくは水との親和性が影響する可能性が考えられる。この熱的物性又は化学的親和性はエポキシ化合物の構造により制御することが可能である。一般的なポリアルキレンイミンは分岐構造を有しており、ポリアルキレンイミン誘導体鎖の末端には第一級アミン、主鎖中には第二級アミン、分岐点では第三級アミンが存在している。このポリアルキレンイミンをエポキシ化合物と反応させると、第一級アミンが第二級アミンへアルキル変性され、第二級アミンが第三級アミンへとアルキル変性される。したがって、エポキシ化合物の反応量に応じて一般構造式(I)で表される第三級アミンを主鎖中に有するユニットを導入することができる。アミンと二酸化炭素の反応は下記のように、カルバメートアニオンを形成する反応と重炭酸塩を形成する反応の二つの平衡反応が知られている。
<カルバメートアニオン生成反応>
2RNH+CO→RNHCOO・RNH
<重炭酸塩生成反応>
RNH+CO+HO→RNH ・HCO
[Structure of polyalkyleneimine derivative]
As a result of intensive studies by the present inventors, the polyalkyleneimine derivative contained in the carbon dioxide absorbent of the present invention releases carbon dioxide at a relatively lower temperature than conventional amine compounds after absorbing carbon dioxide. Confirmed to do. Lowering the temperature at the time of releasing carbon dioxide leads to a decrease in thermal energy for raising the temperature of the liquid, and also prevents thermal decomposition of the amine compound and leads to an improvement in stability. As a reason for the improvement of the release ability at low temperature, in the case of a polyalkyleneimine derivative, the thermal property of the polyalkyleneimine derivative chain or the affinity with carbon dioxide or water may be affected. This thermal property or chemical affinity can be controlled by the structure of the epoxy compound. A general polyalkyleneimine has a branched structure. A primary amine is present at the end of the polyalkyleneimine derivative chain, a secondary amine is present in the main chain, and a tertiary amine is present at the branching point. Yes. When this polyalkyleneimine is reacted with an epoxy compound, the primary amine is alkyl-modified to a secondary amine and the secondary amine is alkyl-modified to a tertiary amine. Therefore, a unit having a tertiary amine represented by the general structural formula (I) in the main chain can be introduced according to the reaction amount of the epoxy compound. As for the reaction of amine and carbon dioxide, two equilibrium reactions are known as follows: a reaction for forming a carbamate anion and a reaction for forming a bicarbonate.
<Carbamate anion formation reaction>
2RNH 2 + CO 2 → RNHCOO · RNH 3 +
<Bicarbonate production reaction>
RNH 2 + CO 2 + H 2 O → RNH 3 + .HCO 3

上記反応の内で、カルバメートアニオンの生成反応は、第一級アミンと第二級アミンで進行し、第三級アミンでは重炭酸塩生成反応しか進行しない。一般的に多くのアミンでは、重炭酸塩を生成する反応は、カルバメートアニオン生成反応に比べ反応熱が低いことが知られており、放出の際の熱エネルギーを削減する上では重炭酸塩生成の方が優れている。反面、吸収速度が遅いという傾向も知られており、両反応のバランスが重要と考えられる。本発明者らが鋭意検討した結果、従来の低分子アミン化合物を混合することではこれら二つの反応の制御は困難であり、ポリアルキレンイミン誘導体のように同一分子内に複数のアミン構造を持たせることが重要であることを見出した。   Among the above reactions, the carbamate anion formation reaction proceeds with a primary amine and a secondary amine, and the tertiary amine proceeds only with a bicarbonate formation reaction. In general, for many amines, the reaction to generate bicarbonate is known to have a lower heat of reaction than the reaction to generate carbamate anions. Is better. On the other hand, there is a known tendency for the absorption rate to be slow, and the balance between the two reactions is considered important. As a result of intensive studies by the present inventors, it is difficult to control these two reactions by mixing conventional low molecular weight amine compounds, and a plurality of amine structures are provided in the same molecule like polyalkyleneimine derivatives. I found it important.

また、本発明におけるポリアルキレンイミン誘導体は、側鎖に水酸基を有している。この水酸基とアミノ基の存在によって、ポリアルキレンイミン誘導体のポリマー鎖同士又は同一分子鎖内での水素結合の影響により、前記した熱的物性又は化学的親和性が顕著に現れるのではないかと推察される。また、水酸基があることによりポリアルキレンイミン誘導体の親水性が高く、特に水の存在下での特性が優れることが分かった。アミンと二酸化炭素の反応では、水分子の存在が大きく関与しており、特に重炭酸塩を生成する反応では水分子が必須となるからである。このような水酸基の特徴を活かす上で、ポリアルキレンイミンとしてポリエチレンイミンを選択することが好ましい。この理由はポリアルキレンイミンのアルキル鎖が長い程、主鎖の疎水性が強くなるためであり、エポキシ化合物の構造選択又は反応量に伴う側鎖部の制御幅が小さくなるためである。このような親水疎水性の制御と反応性の観点から、ポリアルキレンイミンと反応させるエポキシ化合物としては、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、1,2−エポキシブタン、イソブチレンオキサイド、グリシドール、スチレンオキサイドが特に好ましい。   In addition, the polyalkyleneimine derivative in the present invention has a hydroxyl group in the side chain. It is speculated that the presence of the hydroxyl group and amino group may cause the above-mentioned thermal properties or chemical affinity to appear remarkably due to the influence of hydrogen bonds between the polymer chains of the polyalkyleneimine derivative or within the same molecular chain. The Further, it was found that the presence of a hydroxyl group makes the polyalkyleneimine derivative highly hydrophilic and particularly excellent in the presence of water. This is because the presence of water molecules is a major factor in the reaction between amine and carbon dioxide, and water molecules are indispensable particularly in reactions that produce bicarbonate. In order to take advantage of such characteristics of the hydroxyl group, it is preferable to select polyethyleneimine as the polyalkyleneimine. This is because the longer the alkyl chain of the polyalkyleneimine, the stronger the hydrophobicity of the main chain, and the smaller the control range of the side chain part associated with the structure selection or reaction amount of the epoxy compound. From the viewpoints of control of hydrophilicity and hydrophobicity and reactivity, the epoxy compound to be reacted with the polyalkyleneimine is particularly preferably ethylene oxide, propylene oxide, 1,2-epoxybutane, isobutylene oxide, glycidol, or styrene oxide.

さらに、本発明者らは、このポリアルキレンイミン誘導体の水和を制御する点で、ポリアルキレンイミン誘導体の親水−疎水可逆性能を利用することを見出した。本明細書では、用語「親水−疎水可逆性」とは、親水性と疎水性が可逆的に変化する性質又は性能をいう。即ち、アミノ基と二酸化炭素の反応性をポリアルキレンイミン誘導体の親水−疎水可逆性能により制御することができることが分かった。この親水−疎水可逆性能とは、例えば温度又はpHのような環境条件の変化によって、ポリアルキレンイミン誘導体が親水性と疎水性の可逆応答を示すことをいう。このような環境変化に応じた親水疎水性の転移現象を用いて、アミノ基と二酸化炭素の反応性を大きく変えることによって、ポリアルキレンイミン誘導体の二酸化炭素の吸収・放出性能をさらに向上させることが可能となる。前記したポリアルキレンイミン誘導体の親水−疎水可逆性能を二酸化炭素の分離回収に応用する上で、温度環境によって親水疎水性が可逆的に転移するポリアルキレンイミン誘導体が優れている。具体的には、水中で4.0℃以上96.0以下のいずれかの温度に親水性−疎水性の転移温度を有するポリアルキレンイミン誘導体がよい。本明細書では、用語「親水性−疎水性の転移温度を有する」とは、例えば、30℃の転移温度を有するポリアルキレンイミン誘導体であれば、30℃未満では親水性を示し、30℃以上では疎水性を示し、これらの性質が温度環境に応じて可逆的に転移するものを言う。この特性が優れている点は、吸収時と放出時の環境差として、最も容易に制御できる因子が温度であるからであり、従来の化学吸収法による分離回収も大きな温度差の下で吸収と放出を繰り返しているからである。この大きな温度差(例えば40℃で吸収し、120℃で放出する)に対して、温度環境による親水性−疎水性の転移を利用することで、より小さな温度差で吸収と放出を繰り返すことが可能となる。この温度差を実際に二酸化炭素の分離回収に利用し、吸収と放出の温度差を小さくする上では、親水性−疎水性の転移温度を10.0℃以上80.0℃以下にすることがより好ましい。転移温度が低すぎる場合には、吸収時の温度を低く設定しなければ特性が利用できないし、転移温度が高すぎる場合には放出時の温度を高く設定しなければ特性が利用できないからである。   Furthermore, the present inventors have found that the hydrophilic-hydrophobic reversible performance of the polyalkyleneimine derivative is utilized in terms of controlling the hydration of the polyalkyleneimine derivative. As used herein, the term “hydrophilic-hydrophobic reversibility” refers to a property or performance in which hydrophilicity and hydrophobicity reversibly change. That is, it was found that the reactivity between amino groups and carbon dioxide can be controlled by the hydrophilic-hydrophobic reversible performance of the polyalkyleneimine derivative. The hydrophilic-hydrophobic reversible performance means that the polyalkyleneimine derivative exhibits a hydrophilic and hydrophobic reversible response due to a change in environmental conditions such as temperature or pH. By using a hydrophilic-hydrophobic transition phenomenon in response to such environmental changes, the reactivity of amino groups and carbon dioxide can be greatly changed to further improve the carbon dioxide absorption / release performance of polyalkyleneimine derivatives. It becomes possible. In applying the hydrophilic-hydrophobic reversible performance of the polyalkyleneimine derivative described above to separation and recovery of carbon dioxide, a polyalkyleneimine derivative whose hydrophilicity and hydrophobicity reversibly changes depending on the temperature environment is excellent. Specifically, a polyalkyleneimine derivative having a hydrophilic-hydrophobic transition temperature at any temperature between 4.0 ° C. and 96.0 in water is preferable. In the present specification, the term “having a hydrophilic-hydrophobic transition temperature” means, for example, a polyalkyleneimine derivative having a transition temperature of 30 ° C., which exhibits hydrophilicity below 30 ° C., and is 30 ° C. or higher. Refers to those that exhibit hydrophobic properties and reversibly transfer these properties depending on the temperature environment. The superiority of this property is that temperature is the most easily controlled factor in the environmental difference between absorption and release, and separation and recovery by the conventional chemical absorption method can also be absorbed under a large temperature difference. This is because the release is repeated. For this large temperature difference (for example, absorption at 40 ° C. and release at 120 ° C.), absorption and release can be repeated with a smaller temperature difference by utilizing the hydrophilic-hydrophobic transition depending on the temperature environment. It becomes possible. When this temperature difference is actually used for the separation and recovery of carbon dioxide and the temperature difference between absorption and release is reduced, the hydrophilic-hydrophobic transition temperature should be 10.0 ° C. or higher and 80.0 ° C. or lower. More preferred. If the transition temperature is too low, the characteristics cannot be used unless the absorption temperature is set low, and if the transition temperature is too high, the characteristics cannot be used unless the release temperature is set high. .

本発明者らは、前記したポリアルキレンイミン誘導体において、エポキシ化合物の構造と反応量によって任意に親水疎水性の転移現象を発現・制御することが可能であることを見出した。また、水中でのポリアルキレンイミン誘導体の転移温度と二酸化炭素吸収剤としたときの転移温度は水以外の成分の存在によって異なり、それらの成分によって二酸化炭素吸収剤中でのポリアルキレンイミン誘導体の転移温度を調整することも可能である。   The present inventors have found that in the above-described polyalkyleneimine derivatives, it is possible to arbitrarily develop and control a hydrophilic / hydrophobic transition phenomenon depending on the structure and reaction amount of the epoxy compound. In addition, the transition temperature of polyalkyleneimine derivatives in water and the transition temperature when carbon dioxide absorbent is used vary depending on the presence of components other than water, and the transition of polyalkyleneimine derivatives in carbon dioxide absorbent depends on these components. It is also possible to adjust the temperature.

前記した親水疎水性の温度環境による可逆的な転移現象を利用して、二酸化炭素の吸収と放出を連続して繰り返し行なう上では、二酸化炭素の吸収後と放出後のそれぞれのポリアルキレンイミン誘導体の転移温度に着目する必要がある。本発明のポリアルキレンイミン誘導体の熱による親水疎水性の転移現象はpHによって左右され、二酸化炭素の吸収に応じてアミノ基由来のアルカリ性が弱くなるからである。そのため、連続的に繰り返し吸収と放出を行なう場合では、吸収時のポリアルキレンイミン誘導体の性質は放出後に放出しきれずに残る二酸化炭素吸収量の影響を受け、放出時は吸収後の二酸化炭素吸収量の影響を受ける。まず、吸収時のポリアルキレンイミン誘導体に関して言えば、放出後の二酸化炭素吸収量は一般的に、アミノ基に対して2.0モル%以上30.0モル%以下である。この状態のポリアルキレンイミン誘導体が吸収時に親水性であるためには、吸収時の温度よりも高い転移温度を有していればよい。具体的には、アミノ基に対して2.0モル%以上30.0モル%以下のいずれかの量の二酸化炭素を吸収した状態で、転移温度が15.0℃以上であることが望ましく、より好ましくは25℃以上である。一方、放出時のポリアルキレンイミン誘導体に関して言えば、吸収後の二酸化炭素吸収量は一般的に、アミノ基に対して40.0モル%以上90.0モル%以下である。この状態のポリアルキレンイミン誘導体が吸収工程から放出工程へと昇温する過程で親水性と疎水性の転移を発現することで、放出時に疎水化することが可能となる。具体的には、アミノ基に対して40.0モル%以上90.0モル%以下のいずれかの量の二酸化炭素を吸収した状態で、40.0℃以上95.0℃以下のいずれかの温度に転移温度を有することが望ましく、より好ましくは50.0℃以上85.0℃以下である。   Using the above-mentioned reversible transition phenomenon due to the hydrophilic and hydrophobic temperature environment, when carbon dioxide is absorbed and released continuously and repeatedly, each of the polyalkyleneimine derivatives after absorption and release of carbon dioxide It is necessary to pay attention to the transition temperature. This is because the hydrophilic / hydrophobic transition phenomenon due to heat of the polyalkyleneimine derivative of the present invention depends on the pH, and the alkalinity derived from the amino group becomes weak according to the absorption of carbon dioxide. Therefore, in the case of continuous repeated absorption and release, the properties of the polyalkyleneimine derivative at the time of absorption are affected by the amount of carbon dioxide that remains without being released after release, and at the time of release, the amount of carbon dioxide absorbed after absorption Affected by. First, regarding the polyalkyleneimine derivative at the time of absorption, the carbon dioxide absorption after release is generally 2.0 mol% or more and 30.0 mol% or less with respect to the amino group. In order for the polyalkyleneimine derivative in this state to be hydrophilic at the time of absorption, it should have a transition temperature higher than the temperature at the time of absorption. Specifically, it is desirable that the transition temperature is 15.0 ° C. or higher in a state where any amount of carbon dioxide of 2.0 mol% or more and 30.0 mol% or less is absorbed with respect to the amino group, More preferably, it is 25 ° C. or higher. On the other hand, regarding the polyalkyleneimine derivative at the time of release, the carbon dioxide absorption after absorption is generally 40.0 mol% or more and 90.0 mol% or less with respect to the amino group. The polyalkyleneimine derivative in this state develops a transition between hydrophilicity and hydrophobicity in the process of raising the temperature from the absorption process to the release process, so that it can be hydrophobized at the time of release. Specifically, any of 40.0 ° C. or more and 95.0 ° C. or less in a state in which any amount of carbon dioxide of 40.0 mol% or more and 90.0 mol% or less is absorbed with respect to the amino group. It is desirable to have a transition temperature in the temperature, more preferably 50.0 ° C. or higher and 85.0 ° C. or lower.

[ポリアルキレンイミン誘導体の分子量]
本発明の二酸化炭素吸収剤に含まれるポリアルキレンイミン誘導体は、ポリアルキレンイミン誘導体自体の二酸化炭素との反応性を利用することを特徴とする。本発明の「ポリアルキレンイミン誘導体」は重合体であり、ある程度以上の重合度を有するものである。このようなポリアルキレンイミン誘導体を二酸化炭素吸収材料として利用することの利点として、揮発性がないことが挙げられる。つまり、ガスとの接触により、二酸化炭素を吸収させる際に、アミン化合物(本発明でいうポリアルキレンイミン誘導体)が蒸発しないため、吸収剤を分離回収プロセスの系外に出さなくて済む。重合度としては、一般的にオリゴマーと呼ばれる範囲も含めることができ、10以上のユニット単位を有することが望ましい。それに応じて、分子量としても特に限定されないが、一般的に製造が容易な範囲から選択でき、例えば、GPCの測定から換算される重量平均分子量Mwで、500以上200,000以下が好適であり、二酸化炭素吸収剤の形態に応じて任意に選択すればよい。
[Molecular weight of polyalkyleneimine derivative]
The polyalkyleneimine derivative contained in the carbon dioxide absorbent of the present invention is characterized by utilizing the reactivity of the polyalkyleneimine derivative itself with carbon dioxide. The “polyalkyleneimine derivative” of the present invention is a polymer and has a polymerization degree of a certain level or more. An advantage of using such a polyalkyleneimine derivative as a carbon dioxide absorbing material is that it is not volatile. That is, when carbon dioxide is absorbed by contact with the gas, the amine compound (polyalkyleneimine derivative referred to in the present invention) does not evaporate, so that it is not necessary to remove the absorbent out of the system of the separation and recovery process. As the degree of polymerization, a range generally called an oligomer can be included, and it is desirable to have 10 or more unit units. Accordingly, the molecular weight is not particularly limited, but can generally be selected from a range that is easy to produce. For example, the weight average molecular weight Mw converted from GPC measurement is preferably 500 or more and 200,000 or less, What is necessary is just to select arbitrarily according to the form of a carbon dioxide absorber.

尚、GPCによる分子量の測定は、以下の様にして行なえばよい。   In addition, what is necessary is just to perform the measurement of the molecular weight by GPC as follows.

ポリアルキレンイミン誘導体を0.5M酢酸水溶液に加え、室温で24時間静置した溶液を、細孔径が0.45μmの耐水性メンブランフィルターで濾過してサンプル溶液とし、以下の条件で測定する。尚、サンプル調整は、ポリアルキレンイミン誘導体の濃度が0.1乃至0.5質量%になるように調整する。
装置:高速GPC HLC8220GPC(東ソー社製)
カラム:Shodex OHpak SB−806M HQの2連(昭和電工社製)
溶離液:0.5M酢酸及び0.1M硝酸ナトリウム水溶液
流速:1.0ml/分
オーブン温度:40℃
試料注入量:0.10ml
A polyalkyleneimine derivative is added to a 0.5 M aqueous acetic acid solution, and a solution which is allowed to stand at room temperature for 24 hours is filtered through a water-resistant membrane filter having a pore diameter of 0.45 μm to obtain a sample solution, which is measured under the following conditions. The sample is adjusted such that the concentration of the polyalkyleneimine derivative is 0.1 to 0.5% by mass.
Equipment: High-speed GPC HLC8220GPC (manufactured by Tosoh Corporation)
Column: Double of Shodex OHpak SB-806M HQ (Showa Denko)
Eluent: 0.5M acetic acid and 0.1M sodium nitrate aqueous solution Flow rate: 1.0ml / min Oven temperature: 40 ° C
Sample injection volume: 0.10 ml

また、試料の分子量の算出にあたっては、標準ポリエチレングリコール及び標準ポリエチレンオキサイドの分子量スタンダード(GLサイエンス社製、PEG−10及びPEO−10)により作成した分子量校正曲線を使用する。   Moreover, in calculating the molecular weight of the sample, a molecular weight calibration curve prepared using molecular weight standards of standard polyethylene glycol and standard polyethylene oxide (manufactured by GL Science, PEG-10 and PEO-10) is used.

本発明のポリアルキレンイミン誘導体中におけるアミン含有量は特に限定されないが、単位二酸化炭素あたりの吸収剤の使用量に影響するため、多い方がより省エネルギーでの分離に好ましい。ただし、ポリアルキレンイミン誘導体中のアミン含有量は、反応させるエポキシ化合物の構造又は反応量によって決まるものである。本発明におけるポリアルキレンイミン誘導体中のアミン含有量は5.0モル/kg以上15.0モル/kg以下であることが好ましく、より好ましくは6.5モル/kg以上12.0モル/kg以下である。   The amine content in the polyalkyleneimine derivative of the present invention is not particularly limited. However, since it affects the amount of absorbent used per unit carbon dioxide, a larger amount is preferable for energy-saving separation. However, the amine content in the polyalkyleneimine derivative is determined by the structure or reaction amount of the epoxy compound to be reacted. The amine content in the polyalkyleneimine derivative in the present invention is preferably 5.0 mol / kg or more and 15.0 mol / kg or less, more preferably 6.5 mol / kg or more and 12.0 mol / kg or less. It is.

同様の理由で、本発明の二酸化炭素吸収剤中の前記ポリアルキレンイミン誘導体の含有量も多い方が好ましい。しかし、ポリアルキレンイミン誘導体の含有量は吸収剤の物性に大きく関わっており、二酸化炭素との反応性又はプロセスへの適合性に応じて制御しなければならない。好ましい範囲としては、10.0質量%以上90.0質量%以下であり、より好ましくは14.0質量%以上75.0質量%以下である。   For the same reason, it is preferable that the content of the polyalkyleneimine derivative in the carbon dioxide absorbent of the present invention is large. However, the content of the polyalkyleneimine derivative is greatly related to the physical properties of the absorbent and must be controlled according to the reactivity with carbon dioxide or the suitability for the process. As a preferable range, it is 10.0 mass% or more and 90.0 mass% or less, More preferably, it is 14.0 mass% or more and 75.0 mass% or less.

前記したようなポリアルキレンイミン誘導体の製造方法としては、公知の方法が利用できる。簡潔には、ポリアルキレンイミンを必要に応じて水又は有機溶媒に溶解させ、エポキシ化合物を混合させ加熱すればよい。加熱温度はエポキシ化合物によって最適な範囲があるが、一般的には30℃以上100℃以下の範囲である。また、エチレンオキサイドのような沸点の低いエポキシ化合物の場合は、オートクレーブ中で反応させることが好ましい。本発明の前記ポリアルキレンイミン誘導体の製造に使用できるエポキシ化合物としては、例えば、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、1,2−エポキシブタン、2,3−エポキシブタン、イソブチレンオキサイド、グリシジルメチルエーテル、グリシジルエチルエーテル、グリシドール、スチレンオキサイド、シクロヘキセンオキサイド、グリシジルカルボキシレート等を挙げることができる。エポキシ化合物の反応量は、ポリアルキレンイミン中のアミン含有量に応じて決められるが、分岐条件によっても変わってくる。即ち、末端の第一級アミンよりも多くする必要があり、逆に第二級アミンの数よりも多すぎると副反応が起こる恐れもある。一般的な分岐度のポリアルキレンイミンであれば、30モル%以上880モル%以下での反応が好ましい。これらのエポキシ化合物は2種類以上反応させることも可能である。   A known method can be used as a method for producing the polyalkyleneimine derivative as described above. Briefly, polyalkyleneimine may be dissolved in water or an organic solvent as necessary, and an epoxy compound may be mixed and heated. The heating temperature has an optimum range depending on the epoxy compound, but is generally in the range of 30 ° C. or more and 100 ° C. or less. In the case of an epoxy compound having a low boiling point such as ethylene oxide, it is preferable to react in an autoclave. Examples of the epoxy compound that can be used in the production of the polyalkyleneimine derivative of the present invention include ethylene oxide, propylene oxide, 1,2-epoxybutane, 2,3-epoxybutane, isobutylene oxide, glycidyl methyl ether, and glycidyl ethyl ether. Glycidol, styrene oxide, cyclohexene oxide, glycidyl carboxylate and the like. The reaction amount of the epoxy compound is determined according to the amine content in the polyalkyleneimine, but varies depending on the branching conditions. That is, it is necessary to use more than the terminal primary amine, and conversely, if the number is more than the number of secondary amines, side reactions may occur. In the case of a polyalkyleneimine having a general degree of branching, a reaction at 30 mol% or more and 880 mol% or less is preferable. Two or more of these epoxy compounds can be reacted.

また、本発明における前記ポリアルキレンイミン誘導体をさらに2官能以上の反応性基を有する架橋剤と反応させて、架橋性の不溶ゲルとすることも可能である。このような反応性基としては、アミノ基と反応性のあるハロゲン化アルキル基、エポキシ基、アルデヒド基、ケトン基、イソシアネート基、酸クロライド基等が挙げられ、これらを2つ以上有する化合物で架橋させることができる。   In addition, the polyalkyleneimine derivative in the present invention can be further reacted with a crosslinking agent having a bifunctional or higher functional group to form a crosslinkable insoluble gel. Examples of such reactive groups include halogenated alkyl groups that are reactive with amino groups, epoxy groups, aldehyde groups, ketone groups, isocyanate groups, acid chloride groups, and the like. Can be made.

本発明のポリアルキレンイミン誘導体は、2種以上のポリアルキレンイミン誘導体を含んでよいし、さらに、その他の構成成分を含んでいてもよい。本発明では、ポリアルキレンイミン誘導体、及び所望により、その他の構成成分を含む材料を「二酸化炭素吸収剤」と称する。特に、二酸化炭素吸収剤は、アミンと二酸化炭素の反応性に大きな関わりのある水を含むことが好ましい。二酸化炭素吸収剤中におけるアミン含有量に対して1等量以上の水を含む事が好ましいが、多すぎるとポリアルキレンイミン誘導体の含有量が相対的に減ってしまい好ましくない。具体的には、含水量は、二酸化炭素吸収剤の全質量を基準として、10.0質量%以上90.0質量%以下の割合がよく、より好ましくは、25.0質量%以上86.0質量%以下である。   The polyalkyleneimine derivative of the present invention may contain two or more polyalkyleneimine derivatives, and may further contain other components. In the present invention, a material containing a polyalkyleneimine derivative and optionally other constituents is referred to as a “carbon dioxide absorbent”. In particular, it is preferable that the carbon dioxide absorbent contains water that is greatly involved in the reactivity between amines and carbon dioxide. It is preferable to contain 1 equivalent or more of water with respect to the amine content in the carbon dioxide absorbent, but if it is too much, the content of the polyalkyleneimine derivative is relatively reduced, which is not preferable. Specifically, the water content is preferably 10.0% by mass or more and 90.0% by mass or less, more preferably 25.0% by mass or more and 86.0% by mass based on the total mass of the carbon dioxide absorbent. It is below mass%.

他の構成成分として、必要に応じて水以外にも溶媒を含有していてもよい。前記ポリアルキレンイミン誘導体の溶解性又は分散性に応じて適応するものが違うが、蒸気圧又は沸点の低いものは分離回収工程において揮発してしまい好ましくない。また、アミンと反応性の高いものも好ましくない。省エネルギー化の観点では、比熱が低く熱伝導性のよいものが好ましい。含有させてもよい溶媒として具体的には、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール等の多価アルコール類、ブタノール、ペンタノール、シクロヘキサノール等の炭素数4以上のアルコール類、2−ピロリドン、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド等のアミド類、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート等のカーボネート類又はシリコンオイル等を挙げることができる。   As other components, a solvent may be contained in addition to water as necessary. Depending on the solubility or dispersibility of the polyalkyleneimine derivative, different ones are suitable, but those having a low vapor pressure or boiling point are not preferred because they are volatilized in the separation and recovery step. Also, those having high reactivity with amines are not preferred. From the viewpoint of energy saving, those having low specific heat and good thermal conductivity are preferred. Specific examples of the solvent that may be contained include polyhydric alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol, glycerin, 1,3-butanediol, and 1,4-butanediol, and carbon such as butanol, pentanol, and cyclohexanol. Examples thereof include alcohols having a number of 4 or more, amides such as 2-pyrrolidone, N-methylpyrrolidone, and dimethylacetamide, carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, and diethyl carbonate, or silicon oil.

他の構成成分として、必要に応じて公知のアミン化合物を含有させてもよい。二酸化炭素の吸収量又は放出量を補助的に上げる目的で含有させることができる。特に制限はないが、蒸気圧又は沸点の低いものが好ましく、二酸化炭素との反応熱の小さいものがより好ましい。含有させることが可能なアミン化合物として、具体的な例としては、モノエタノールアミン、2−アミノ−2−メチル−1−プロパノール、3−アミノ−1−プロパノール、1−アミノ−2−ブタノール、アニリン、シクロヘキシルアミン等の一級アミン類、2−メチルアミノエタノール、2−エチルアミノエタノール、2−イソプロピルアミノエタノール、2−n−ブチルアミノエタノール、ピペラジン、2−メチルピペラジン、2,5−ジメチルピペラジン、2−ピペリジノエタノール等の二級アミン類、2−ジメチルアミノエタノール、2−ジエチルアミノエタノール、3−ジメチルアミノ−1−プロパノール、4−ジメチルアミノ−1−ブタノール、2−ジメチルアミノ−2−メチル−1−プロパノール、N−エチル−N−メチルエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、エチルジエタノールアミン、トリエタノールアミン、N,N−ジメチルアニリン、ピリジン等の三級アミン類、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、テトラエチレンペンタミン、ポリエチレンイミン、ポリビニルアミン、ポリアリルアミン等が挙げられる。   As other components, a known amine compound may be contained as necessary. It can be contained for the purpose of supplementarily increasing the amount of carbon dioxide absorbed or released. Although there is no restriction | limiting in particular, The thing with a low vapor pressure or boiling point is preferable, and the thing with small heat of reaction with a carbon dioxide is more preferable. Specific examples of amine compounds that can be contained include monoethanolamine, 2-amino-2-methyl-1-propanol, 3-amino-1-propanol, 1-amino-2-butanol, and aniline. Primary amines such as cyclohexylamine, 2-methylaminoethanol, 2-ethylaminoethanol, 2-isopropylaminoethanol, 2-n-butylaminoethanol, piperazine, 2-methylpiperazine, 2,5-dimethylpiperazine, 2 Secondary amines such as piperidinoethanol, 2-dimethylaminoethanol, 2-diethylaminoethanol, 3-dimethylamino-1-propanol, 4-dimethylamino-1-butanol, 2-dimethylamino-2-methyl- 1-propanol, N-ethyl-N-methyl ester Noruamin, methyldiethanolamine, ethyl diethanolamine, triethanolamine, N, N-dimethylaniline, tertiary amines such as pyridine, ethylene diamine, diethylene triamine, tetraethylene pentamine, polyethyleneimine, polyvinylamine, polyallylamine, and the like.

また、他の構成成分として、前記したポリアルキレンイミン誘導体以外の公知のポリマーを添加してもよい。また、ポリアルキレンイミン誘導体の物性を調整する目的で、酸、アルカリ又は塩を添加することも可能である。また、二酸化炭素吸収剤の形態に応じて、公知の消泡剤又は分散安定剤、界面活性剤、粘度調整剤、腐食防止剤等を添加することも可能である。   Moreover, you may add well-known polymers other than an above described polyalkyleneimine derivative as another structural component. Further, for the purpose of adjusting the physical properties of the polyalkyleneimine derivative, it is also possible to add an acid, an alkali or a salt. Further, depending on the form of the carbon dioxide absorbent, it is possible to add a known antifoaming agent or dispersion stabilizer, surfactant, viscosity modifier, corrosion inhibitor and the like.

本発明の二酸化炭素吸収剤の形態としては、溶液状態の他、分散液、エマルジョン、粉体、膨潤ゲル状等の様々な形態を取ることが可能である。粉体として取扱う際に、流動性を付与する目的で微粉末状の無機粒子又は樹脂粒子を添加することができる。また、多孔質状の支持体に担時させて使用することも可能である。   As a form of the carbon dioxide absorbent of the present invention, it is possible to take various forms such as a dispersion, an emulsion, a powder, and a swollen gel in addition to a solution state. When handled as a powder, fine powdery inorganic particles or resin particles can be added for the purpose of imparting fluidity. Moreover, it is also possible to use it by supporting it on a porous support.

<分離回収方法>
本発明の二酸化炭素の分離回収方法について説明する。本発明における二酸化炭素の分離回収方法は前述した二酸化炭素吸収剤を用いることが最大の特徴である。具体的には、本発明における二酸化炭素吸収剤に、二酸化炭素を含有するガスを10℃〜50℃で接触させることにより二酸化炭素を吸収させ、その後に、前記二酸化炭素吸収剤を加熱することにより二酸化炭素を分離回収する方法が最も好ましい。特に、二酸化炭素吸収剤を溶液状態で取り扱う場合には、従来の化学吸収法と同様の装置、設備によって分離回収を行なうことが可能である。従来の化学吸収法における装置の概要を図1に示す。図1において、二酸化炭素を含む混合ガスは必要に応じて加湿冷却された後、ガス供給口14を通って吸収塔11へ供給される。吸収塔11へ押し込められた混合ガスはノズル12から供給される吸収液と下部充填部13で向流接触させられ、混合ガス中の二酸化炭素は吸収液により吸収除去され、脱二酸化炭素ガスは上部の排出口19から排出される。吸収液再生塔117では、再生加熱器110による加熱により下部充填部111で吸収液が再生され、熱交換器18と冷却器16により冷却され吸収塔へ戻される。吸収液から分離された二酸化炭素は、再生塔還流冷却器116により冷却され、気液分離器114にて二酸化炭素に同伴した水蒸気を凝縮分離され、回収二酸化炭素排出ライン115より排出され回収される。
<Separation and recovery method>
The carbon dioxide separation and recovery method of the present invention will be described. The greatest feature of the method for separating and recovering carbon dioxide in the present invention is to use the carbon dioxide absorbent described above. Specifically, carbon dioxide is absorbed by bringing the carbon dioxide absorbent in the present invention into contact with a gas containing carbon dioxide at 10 ° C. to 50 ° C., and then the carbon dioxide absorbent is heated. A method of separating and recovering carbon dioxide is most preferable. In particular, when the carbon dioxide absorbent is handled in a solution state, it can be separated and recovered by the same apparatus and equipment as in the conventional chemical absorption method. An outline of an apparatus in a conventional chemical absorption method is shown in FIG. In FIG. 1, the mixed gas containing carbon dioxide is humidified and cooled as necessary, and then supplied to the absorption tower 11 through the gas supply port 14. The mixed gas pushed into the absorption tower 11 is brought into counter-current contact with the absorbing liquid supplied from the nozzle 12 at the lower filling section 13, carbon dioxide in the mixed gas is absorbed and removed by the absorbing liquid, and the decarbonized gas is in the upper part. It is discharged from the discharge port 19. In the absorption liquid regeneration tower 117, the absorption liquid is regenerated in the lower filling unit 111 by heating by the regeneration heater 110, cooled by the heat exchanger 18 and the cooler 16, and returned to the absorption tower. The carbon dioxide separated from the absorption liquid is cooled by the regeneration tower reflux cooler 116, the water vapor accompanying the carbon dioxide is condensed and separated by the gas-liquid separator 114, and discharged and recovered from the recovered carbon dioxide discharge line 115. .

さらに、本発明の二酸化炭素吸収剤を使用して、二酸化炭素の分離回収を行なう上で、加熱により二酸化炭素を放出させる際の温度を低くすることが可能となる。放出時の温度を低くすることは、再生加熱器の負荷を低減させ、昇温に必要なエネルギーの低減もでき、省エネルギーでの分離回収が可能となる。また、熱交換又はヒートポンプによって未利用の廃熱を利用することも可能となる。ただし、吸収時の温度よりも高くしなければならないため、好ましい放出時の二酸化炭素吸収剤の加熱温度としては、60.0℃以上100.0℃以下である。さらにより好ましい範囲としては、65.0℃以上95.0℃以下である。   Furthermore, when the carbon dioxide absorbent of the present invention is used to separate and recover carbon dioxide, the temperature at which carbon dioxide is released by heating can be lowered. Lowering the temperature at the time of discharge reduces the load on the regenerative heater, reduces the energy required for temperature rise, and enables energy-saving separation and recovery. It is also possible to use unused waste heat by heat exchange or a heat pump. However, since it must be higher than the temperature at the time of absorption, the preferable heating temperature of the carbon dioxide absorbent at the time of release is 60.0 ° C. or higher and 100.0 ° C. or lower. As a still more preferable range, it is 65.0 degreeC or more and 95.0 degreeC or less.

二酸化炭素を含有するガスとしては、特に限定はなく、様々な濃度、圧力、温度条件のガスに適用できる。特に省エネルギーでの分離を求められるものとして、火力発電所排ガス、鉄鋼所排ガス、セメント工場排ガス、化学プラント排ガス、バイオ発酵ガス、天然ガス等が挙げられる。これらのガスの内、二酸化炭素以外の酸性ガスを成分として含有するものにおいては、公知の脱硫及び/又は脱硝工程を組み合わせることが好ましい。   The gas containing carbon dioxide is not particularly limited, and can be applied to gases having various concentrations, pressures, and temperature conditions. Particularly required for energy saving separation are thermal power plant exhaust gas, steel plant exhaust gas, cement factory exhaust gas, chemical plant exhaust gas, biofermentation gas, natural gas, and the like. Of these gases, those containing an acidic gas other than carbon dioxide as a component are preferably combined with known desulfurization and / or denitration processes.

以下に本発明を実施例により詳細に説明する。なお、本発明は実施例により制限されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. In addition, this invention is not restrict | limited by an Example.

<ポリアルキレンイミン誘導体1の製造例>
攪拌機、コンデンサー、温度計を付した反応容器に、ポリエチレンイミン20質量%水溶液(日本触媒社製 SP−200、アミン価18mol/g、第一級アミン:第二級アミン:第三級アミン=35:35:30)40.0gを仕込みオイルバスにて60℃に昇温した。次に、1,2−エポキシブタン5.0gとエタノール20.0gとを混合し、前記反応容器に攪拌しながら20分間かけて滴下し、滴下終了後6時間攪拌しながら反応させた。その後、蒸留を行なって水、エタノールを留去して、減圧下、50℃で乾燥し、ポリアルキレンイミン誘導体1を得た。得られたポリアルキレンイミン誘導体1の全有機炭素TOC及び全窒素TN測定より求められるC/Nの値から、ポリエチレンイミンのアミノ基100モルに対して47.5モル%の変性を確認した。
<Production example of polyalkyleneimine derivative 1>
In a reaction vessel equipped with a stirrer, a condenser and a thermometer, a polyethyleneimine 20% by mass aqueous solution (SP-200, manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd., amine value 18 mol / g, primary amine: secondary amine: tertiary amine = 35 : 35: 30) 40.0 g was charged and heated to 60 ° C. in an oil bath. Next, 5.0 g of 1,2-epoxybutane and 20.0 g of ethanol were mixed and added dropwise to the reaction vessel over 20 minutes with stirring, and the reaction was allowed to proceed with stirring for 6 hours after completion of the addition. Thereafter, distillation was performed to distill off water and ethanol, followed by drying at 50 ° C. under reduced pressure to obtain polyalkyleneimine derivative 1. From the total organic carbon TOC of the obtained polyalkyleneimine derivative 1 and the C / N value determined from the total nitrogen TN measurement, 47.5 mol% modification was confirmed with respect to 100 mol of the amino group of polyethyleneimine.

<ポリアルキレンイミン誘導体2の製造例>
攪拌機、コンデンサー、温度計を付した反応容器に、ポリエチレンイミン20質量%水溶液(日本触媒社製 SP−200、アミン価18mol/g、第一級アミン:第二級アミン:第三級アミン=35:35:30)40.0gを仕込みオイルバスにて60℃に昇温した。次に、1,2−エポキシブタン6.5gとエタノール20.0gとを混合し、前記反応容器に攪拌しながら20分間かけて滴下し、滴下終了後6時間攪拌しながら反応させた。その後、蒸留を行なって水、エタノールを留去して、減圧下、50℃で乾燥し、ポリアルキレンイミン誘導体2を得た。得られたポリアルキレンイミン誘導体2の全有機炭素TOC及び全窒素TN測定より求められるC/Nの値から、ポリエチレンイミンのアミノ基100モルに対して62.0モル%の変性を確認した。
<Production example of polyalkyleneimine derivative 2>
In a reaction vessel equipped with a stirrer, a condenser and a thermometer, a polyethyleneimine 20% by mass aqueous solution (SP-200, manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd., amine value 18 mol / g, primary amine: secondary amine: tertiary amine = 35 : 35: 30) 40.0 g was charged and heated to 60 ° C. in an oil bath. Next, 6.5 g of 1,2-epoxybutane and 20.0 g of ethanol were mixed and added dropwise to the reaction vessel over 20 minutes while stirring. After completion of the dropwise addition, the mixture was reacted for 6 hours with stirring. Thereafter, distillation was performed to distill off water and ethanol, followed by drying at 50 ° C. under reduced pressure to obtain a polyalkyleneimine derivative 2. From the total organic carbon TOC and total nitrogen TN measurement of the obtained polyalkyleneimine derivative 2, 62.0 mol% modification was confirmed with respect to 100 mol of amino groups of polyethyleneimine.

得られたポリアルキレンイミン誘導体1及びポリアルキレンイミン誘導体2を各々表1に記載の組成割合にて水に溶解させ、ポリアルキレンイミン誘導体1と水とから成る吸収剤1、及びポリアルキレンイミン誘導体2と水とから成る吸収剤2とした。ポリアルキレンイミン誘導体の水中での親水性−疎水性の転移温度と水溶液濃度、及び全窒素TN測定より算出されるアミン含有量(mmol/g)を表1に示す。また、比較用の吸収剤として吸収剤3乃至5を調整した。   The obtained polyalkyleneimine derivative 1 and polyalkyleneimine derivative 2 were dissolved in water at the composition ratios shown in Table 1, respectively, and an absorbent 1 comprising polyalkyleneimine derivative 1 and water, and polyalkyleneimine derivative 2 And absorbent 2 composed of water and water. Table 1 shows the hydrophilic-hydrophobic transition temperature and aqueous solution concentration of the polyalkylenimine derivative in water, and the amine content (mmol / g) calculated from the total nitrogen TN measurement. Also, absorbents 3 to 5 were prepared as comparative absorbents.

尚、全有機炭素TOC及び全窒素TN測定は以下の装置にて行なった。
全有機炭素計:TOC−VCP及びTNユニットTNM−1(島津製作所製)
測定は、ポリアルキレンイミン誘導体を水で溶解して行なった。変性率は反応前後の C/Nの差から求め、アミン含有量はNの値から求めた。
The total organic carbon TOC and total nitrogen TN were measured with the following apparatus.
Total organic carbon: TOC-VCP and TN unit TNM-1 (manufactured by Shimadzu Corporation)
The measurement was performed by dissolving the polyalkyleneimine derivative with water. The modification rate was determined from the difference in C / N before and after the reaction, and the amine content was determined from the value of N.

尚、親水性−疎水性の転移温度は水溶液又は吸収剤を4℃から96℃へと1℃/分で昇温させる際に、ポリアルキレンイミン誘導体の析出が発生する温度とした。同時に、pHを測定し、析出と同時にpHが下がり始めることを確認した。   The hydrophilic-hydrophobic transition temperature was a temperature at which precipitation of the polyalkyleneimine derivative occurred when the temperature of the aqueous solution or absorbent was increased from 4 ° C. to 96 ° C. at 1 ° C./min. At the same time, the pH was measured, and it was confirmed that the pH started to decrease simultaneously with the precipitation.

Figure 2012011333
Figure 2012011333

略語の説明
MEA:モノエタノールアミン
EAE:2−エチルアミノエタノール
PEI:ポリエチレンイミン(日本触媒社製 SP−200)
Explanation of abbreviations MEA: monoethanolamine EAE: 2-ethylaminoethanol PEI: polyethyleneimine (SP-200 manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd.)

<二酸化炭素吸収剤の評価方法>
図2に示す装置を作成した。この装置はポンプにより二酸化炭素を含有するガスを密閉系で循環させながら、吸収剤の入ったガス洗浄瓶を通気させることにより二酸化炭素を吸収させ、ガス中の二酸化炭素濃度から吸収量を測定する装置である。評価方法は、まず、25と26のバルブを閉じ、27のバルブを開けた状態で、ポンプ211により1.5L/分の流量でガスを循環させながら、二酸化炭素ボンベ21より供給されるガス用シリンジ22にて二酸化炭素500mlを仕込み、さらに二酸化炭素濃度が17体積%となるように空気を仕込んで調整する。二酸化炭素吸収剤をガス洗浄瓶214に仕込み、内温が任意の温度になるようにオイルバス213により恒温する。次に25と26のバルブを空け、27のバルブを閉め、二酸化炭素含有ガスをガス洗浄瓶214の方へ循環させ、二酸化炭素が吸収剤により吸収される量を二酸化炭素濃度計29にてモニタリングする。吸収性能を評価後、オイルバスの温度を上げ、同様に吸収量を測定し、吸収量の減少分を放出量として評価する。二酸化炭素の吸収量は二酸化炭素濃度と初期の装置内容積から計算される空気量2.85Lとから計算する。初期の装置内容積は、吸収剤を入れずに同様の操作を行い、二酸化炭素濃度から計算した。尚、室内は常圧・常温であった。
<Method for evaluating carbon dioxide absorbent>
The apparatus shown in FIG. 2 was created. This device circulates gas containing carbon dioxide in a closed system with a pump, absorbs carbon dioxide by ventilating a gas cleaning bottle containing absorbent, and measures the amount of absorption from the concentration of carbon dioxide in the gas. Device. The evaluation method is for the gas supplied from the carbon dioxide cylinder 21 while the valves 25 and 26 are closed and the valve 27 is opened and the pump 211 circulates the gas at a flow rate of 1.5 L / min. The syringe 22 is charged with 500 ml of carbon dioxide, and further adjusted with air so that the carbon dioxide concentration is 17% by volume. A carbon dioxide absorbent is charged into the gas cleaning bottle 214, and the temperature is kept constant by the oil bath 213 so that the internal temperature becomes an arbitrary temperature. Next, the valves 25 and 26 are opened, the valve 27 is closed, the gas containing carbon dioxide is circulated toward the gas washing bottle 214, and the amount of carbon dioxide absorbed by the absorbent is monitored by the carbon dioxide concentration meter 29. To do. After evaluating the absorption performance, the temperature of the oil bath is raised, the absorption amount is measured in the same manner, and the decrease in the absorption amount is evaluated as the release amount. The amount of carbon dioxide absorbed is calculated from the concentration of carbon dioxide and the amount of air 2.85 L calculated from the initial internal volume of the apparatus. The initial volume in the apparatus was calculated from the carbon dioxide concentration by performing the same operation without adding the absorbent. The room was at normal pressure and room temperature.

各吸収剤と吸収温度及び放出温度での吸収量と放出量を表2に示す。尚、吸収時間は30分間行い、放出時間は昇温後20分間行なった。吸収量と放出量はアミン100モルに対する二酸化炭素のモル%で示す。   Table 2 shows the amount of absorption and release at each absorption agent, absorption temperature and release temperature. The absorption time was 30 minutes, and the release time was 20 minutes after the temperature was raised. Absorption and release are expressed as mole percent of carbon dioxide relative to 100 moles of amine.

Figure 2012011333
Figure 2012011333

実施例1及び2と比較例1及び2を比較すると、本発明の吸収剤1及び2は30℃での吸収量は低いにもかかわらず、70℃での放出量が多いことが分かる。即ち、70℃という比較的低温での放出性能が高い吸収剤であるといえる。同時に、エポキシと反応させていないポリエチレンイミンを用いた比較例3に比べても同様の傾向を示し、構造の変更と第三級アミンの含有量が放出性能に大きく影響していることが分かる。また、実施例2と3を比較すると、放出温度を70℃から78℃へと変更することで放出量が大きく増加し、同じ条件でのモノエタノールアミン水溶液で行なった比較例4に比べて10モル%以上多いことが確認された。この結果から、100℃未満の温度環境でも二酸化炭素の分離回収を可能にすることが示唆される。尚、本発明で用いたポリアルキレンイミン誘導体は揮発性がなく、150℃以下では熱分解しないことを確認している。   Comparing Examples 1 and 2 with Comparative Examples 1 and 2, it can be seen that the absorbents 1 and 2 of the present invention have a large release amount at 70 ° C., although the absorption amount at 30 ° C. is low. That is, it can be said that the absorbent has a high release performance at a relatively low temperature of 70 ° C. At the same time, the same tendency is shown in Comparative Example 3 using polyethyleneimine not reacted with epoxy, and it can be seen that the change in structure and the content of tertiary amine have a great influence on the release performance. Further, when Examples 2 and 3 are compared, the release amount is greatly increased by changing the release temperature from 70 ° C. to 78 ° C., which is 10% higher than that of Comparative Example 4 performed with a monoethanolamine aqueous solution under the same conditions. It was confirmed that the amount was more than mol%. This result suggests that carbon dioxide can be separated and recovered even in a temperature environment of less than 100 ° C. In addition, it has been confirmed that the polyalkyleneimine derivative used in the present invention is not volatile and is not thermally decomposed at 150 ° C. or lower.

本発明は、ガス中に含まれる二酸化炭素を吸収させた後、再度放出させて分離するための二酸化炭素吸収剤を提供することができ、さらに詳しくは、省エネルギーで安定に分離するための二酸化炭素吸収剤を提供することができる。また、燃焼排ガスのような二酸化炭素を含有するガスからの二酸化炭素の分離方法を提供することができる。   The present invention can provide a carbon dioxide absorbent for absorbing and separating carbon dioxide contained in gas, and more specifically, carbon dioxide for energy-saving and stable separation. An absorbent can be provided. In addition, a method for separating carbon dioxide from a gas containing carbon dioxide such as combustion exhaust gas can be provided.

11 吸収塔
12、112 ノズル
13、111 下部充填部
14 排ガス供給口
15、17 吸収液循環ポンプ
16 冷却器
18 熱交換器
19 脱二酸化炭素排ガス排出口
110 再生加熱器
113 還流水ポンプ
114 気液分離器
115 回収二酸化炭素排出ライン
116 再生塔還流冷却器
117 吸収液再生塔
21 ボンベ
22 ガス用シリンジ
23 三方バルブ
24 逆止弁
25、26、27 ボールバルブ
28 テドラーバッグ
29 赤外線式二酸化炭素濃度計
210 SUS配管
211 ガス循環ポンプ
212 ガス流量計
213 温浴
214 ムエンケ式ガス洗浄瓶(ガラス製、250ml)
215 ガラス容器
216 コンデンサー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Absorption tower 12, 112 Nozzle 13, 111 Lower filling part 14 Exhaust gas supply port 15, 17 Absorption liquid circulation pump 16 Cooler 18 Heat exchanger 19 Decarbonized exhaust gas exhaust port 110 Regeneration heater 113 Reflux water pump 114 Gas-liquid separation 115 Recovery carbon dioxide discharge line 116 Regeneration tower reflux cooler 117 Absorption liquid regeneration tower 21 Cylinder 22 Gas syringe 23 Three-way valve 24 Check valve 25, 26, 27 Ball valve 28 Tedlar bag 29 Infrared carbon dioxide concentration meter 210 SUS piping 211 Gas circulation pump 212 Gas flow meter 213 Warm bath 214 Muenke-type gas cleaning bottle (glass, 250 ml)
215 Glass container 216 Condenser

Claims (7)

下記一般構造式(I):
Figure 2012011333
{式中、R、R及びRは、それぞれ独立に水素原子又は置換基を有していてもよい炭素数1〜3のアルキル基であり、Rは、水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基であり、そしてR、R及びRの置換基は、水酸基、メトキシ基、エトキシ基、フェニル基又はメトキシカルボニル基である。}
で表される構造を含むポリアルキレンイミン誘導体を含む二酸化炭素吸収剤。
The following general structural formula (I):
Figure 2012011333
{Wherein R 1 , R 2 and R 3 are each independently a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms which may have a substituent, and R 4 is a hydrogen atom or 1 carbon atom. And a substituent of R 1 , R 2 and R 3 is a hydroxyl group, a methoxy group, an ethoxy group, a phenyl group or a methoxycarbonyl group. }
The carbon dioxide absorber containing the polyalkyleneimine derivative containing the structure represented by these.
前記ポリアルキレンイミン誘導体が、ポリエチレンイミンと、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、1,2−エポキシブタン、イソブチレンオキサイド、グリシドール及びスチレンオキサイドから選択される一種以上のエポキシ化合物とを反応させて得られる、請求項1に記載の二酸化炭素吸収剤。   The polyalkyleneimine derivative is obtained by reacting polyethyleneimine with one or more epoxy compounds selected from ethylene oxide, propylene oxide, 1,2-epoxybutane, isobutylene oxide, glycidol and styrene oxide. 2. The carbon dioxide absorbent according to 1. 0.5M酢酸水溶液可溶分のGPCにより算出した前記ポリアルキレンイミン誘導体の重量平均分子量Mwが300以上200,000以下である、請求項1又は2に記載の二酸化炭素吸収剤。   The carbon dioxide absorbent according to claim 1 or 2, wherein a weight average molecular weight Mw of the polyalkyleneimine derivative calculated by GPC of a 0.5M acetic acid aqueous solution is 300 or more and 200,000 or less. 前記ポリアルキレンイミン誘導体が、水の存在下での親水性−疎水性の転移温度が4.0℃以上96.0℃以下の範囲にある親水−疎水可逆性ポリマーである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の二酸化炭素吸収剤。   The polyalkyleneimine derivative is a hydrophilic-hydrophobic reversible polymer having a hydrophilic-hydrophobic transition temperature in the range of 4.0 ° C. or higher and 96.0 ° C. or lower in the presence of water. The carbon dioxide absorbent according to any one of the above. 二酸化炭素吸収剤の全質量を基準として、10.0質量%以上90.0質量%以下の請求項1〜4のいずれか1項に記載のポリアルキレンイミン誘導体及び10.0質量%以上90.0質量%以下の水を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の二酸化炭素吸収剤。   The polyalkyleneimine derivative according to any one of claims 1 to 4 and 10.0 mass% or more and 90 mass% or more of 10.0 mass% or less and 90.0 mass% or less based on the total mass of the carbon dioxide absorbent. The carbon dioxide absorbent according to any one of claims 1 to 4, comprising 0% by mass or less of water. 請求項5に記載の二酸化炭素吸収剤に、二酸化炭素を含有するガスを接触させることにより二酸化炭素を吸収させ、その後に、該吸収剤を加熱することにより二酸化炭素を分離回収する工程を含む、二酸化炭素の分離回収方法。   The carbon dioxide absorbent according to claim 5 includes a step of absorbing carbon dioxide by contacting a gas containing carbon dioxide, and then separating and recovering carbon dioxide by heating the absorbent. Carbon dioxide separation and recovery method. 前記吸収剤を加熱する温度が、60.0℃以上100.0℃以下である、請求項6に記載の方法。   The method of Claim 6 that the temperature which heats the said absorber is 60.0 degreeC or more and 100.0 degrees C or less.
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