JP2014503340A - カルボン酸塩物品およびその作製および使用方法 - Google Patents

Abstract

基質、および基質上に配置されたカルボン酸アルカリ塩を含む物品であって、カルボン酸アルカリ塩が５以上の解離定数を少なくとも１つ有するカルボン酸に由来する物品。物品は、例えば、気体からの酸性ガス成分の除去に有用であろう。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２００９年１１月２４日に出願された米国特許出願第１２／６２４，９６８号に米国特許法第１１９条（ｅ）の下で優先権を主張する。

本開示は、例えば気体から酸性ガス成分を除去するのに有用なカルボン酸塩物品に関する。

ＣＯ_２は、地球温暖化（温室効果）の主な原因であると言われている。石炭ガス化、バイオマスガス化、炭化水素の水蒸気改質、天然ガスの部分的酸化等のような多くの工業プロセスによって、大量のＣＯ_２、Ｈ_２Ｓおよび他の酸性ガス含有ガス流が生じる。

したがって、これらの気体混合物から、ＣＯ_２および／またはＨ_２Ｓおよび他の酸性ガスを除去および／または捕捉することが所望である。

本発明者は、例えば、気体からＣＯ_２のような酸性ガス成分を除去するのに有用な新しい物品を開発した。例示的な物品としては、基質および基質上に配置された固体カルボン酸アルカリ塩が挙げられ、固体カルボン酸アルカリ塩は、５以上の解離定数を少なくとも１つ有するカルボン酸に由来する。

ここに記載される物品は、例えば、気体からの酸性ガス成分の除去に有用かもしれない。ある例示的な方法としては、基質および基質上に配置された固体カルボン酸アルカリ塩を含む物品であって、固体カルボン酸アルカリ塩が５以上の解離定数を少なくとも１つ有するカルボン酸に由来する物品を提供する工程；および酸性ガス成分を含む気体を物品に接触させ、気体から酸性ガス成分の少なくとも一部を除去する工程、を含む方法が挙げられる。別の例示的な方法としては、酸性ガス成分を含む気体を固体カルボン酸アルカリ塩に接触させ、気体から酸性ガス成分の少なくとも一部を除去する工程を含み、固体カルボン酸アルカリ塩は、５以上の解離定数を少なくとも１つ有するカルボン酸に由来する方法が挙げられる。

本発明のさらなる特徴および利点が、以下の詳細な説明に記載され、一部はこの記載から当業者に明らかであろう、または、明細書および特許請求の範囲に記載されるように実施の形態を実施することにより認識されるであろう。

上記の一般的な説明および以下の詳細な説明はいずれも、本発明の単なる例示であり、特許請求の範囲の性質および特徴を理解するための概要または骨組みを提供することを意図することが理解されるべきである。

ある実施の形態は、基質および基質上に配置された固体カルボン酸アルカリ塩を含む物品であって、固体カルボン酸アルカリ塩が５以上の解離定数を少なくとも１つ有するカルボン酸に由来する物品である。いくつかの実施の形態において、基質はガラスまたはセラミックを含む。基質は、多孔性または非多孔性でよい。基質は、任意の適切な形態でよい。ある実施の形態において、基質は、ガラスウールのような繊維性物質の形態である。別の実施の形態において、基質は、セラミックハニカムのようなフロースルー基質の形態である。他の実施の形態において、基質は、プレートの形態のように、実質的に平面である。基質は、有機物質、例えば、リグノセルラー（lignocellular）物質（例えば木材粉末）またはポリマー（例えばポリマー・フォーム）を含んでもよい。

ここで用いたように、「フロースルー基質」という用語は、本体に気体の流れを通過させるまっすぐなまたは曲がったチャネルおよび／または多孔性ネットワークのような内部通路を有する造形本体を意味する。フロースルー基質は、入口から出口まで少なくとも１ｃｍ、少なくとも２ｃｍ、少なくとも３ｃｍ、少なくとも４ｃｍ、少なくとも５ｃｍ、少なくとも６ｃｍ、少なくとも７ｃｍ、少なくとも８ｃｍ、少なくとも９ｃｍ、または少なくとも１０ｃｍの流動方向寸法を有する。

ある実施の形態において、フロースルー基質は、入口端、出口端、および入口端から出口端へ伸長する内部チャネルを有するハニカム構造を有する。ある実施の形態において、ハニカムは、入口端から出口端へ伸長する多数のセルを有し、セルは交差するセル壁により定められる。ハニカム基質は、１つ以上の選択的に施栓されたハニカム基質セル端部を必要に応じて有し、気体とセル壁との間のより密接な接触を可能とする壁型フロースルー構造を提供してもよい。

カルボン酸アルカリ塩は、カルボン酸に由来する塩である。カルボン酸アルカリ塩は、５以上の解離定数を少なくとも１つ有するカルボン酸、例えば、コハク酸、アジピン酸、マレイン酸、グルタル酸、イタコン酸、ヘプタン二酸、о−フタル酸、またはメチルコハク酸に由来してもよい。モノ−、ジ−、または他の多価−カルボン酸を使用して、カルボン酸アルカリ塩を調製してもよい。ジ−または他の多価−カルボン酸は、５以上の解離定数を少なくとも１つ、例えば５以上の解離定数を２つまたは３つ有し、５未満の解離定数を１つ以上有してもよい。ある実施の形態において、カルボン酸アルカリ塩は、溶解状態の水酸化カリウムとカルボン酸との間の反応により調製されるカルボン酸カリウム塩である。別の実施の形態において、カルボン酸アルカリ塩は、溶解状態の水酸化ナトリウムとカルボン酸との間の反応により調製されるカルボン酸ナトリウム塩である。

別の実施の形態は、基質および基質上に配置された固体カルボン酸アルカリ塩を含み、固体カルボン酸アルカリ塩が５以上の解離定数を少なくとも１つ有するカルボン酸に由来する物品を作製する方法であって、基質を提供する工程；基質にカルボン酸アルカリ塩溶液を塗布して被覆された基質を形成する工程；および被覆された基質を乾燥する工程、を含む方法である。この方法において、基質および固体カルボン酸アルカリ塩は、例えば、上記の基質および固体カルボン酸アルカリ塩から選択されてもよい。

この方法における固体カルボン酸アルカリ塩は、基質上に被覆を形成する。ここで用いたように、「被覆」という用語は、固体カルボン酸アルカリ塩が、基質の露出表面上に配置されることを意味する。被覆は、基質の表面の全部または一部を被覆してもよく、基質の表面が多孔性である場合、任意の程度まで基質に含浸してもよい。

カルボン酸アルカリ塩溶液は、例えば、カルボン酸および水酸化カリウムの溶液を任意のモル比で、例えば、水のような溶媒中で約１：１ ＣＯＯＨ対ＯＨのモル比で混合することにより調製してもよい。生じた溶液のｐＨは、水酸化カリウム溶液および／またはカルボン酸を使用して８から１４の範囲に入るように調整してもよい。いくつかの実施の形態において、水酸化カリウムの代わりに水酸化ナトリウムを使用してもよい。

カルボン酸アルカリ塩溶液は、任意の適切な方法で、例えば溶射または浸漬により、基質に塗布してもよい。いくつかの実施の形態において、任意の適切な時間、例えば１０−１５秒間、カルボン酸アルカリ塩溶液中に基質を浸す。次に、被覆された基質を室温で乾燥させる。被覆された基質は、加熱環境で、例えばオーブンで乾燥させてもよい。固体カルボン酸アルカリ塩が基質上に形成されるのは、乾燥工程の間である。乾燥工程中に水が完全に蒸発することは必要でない。

上記の実施の形態の任意の組合せを含む物品を、気体から酸性ガス成分の少なくとも一部を除去するために、酸性ガス成分を含む気体を物品に接触させる工程を含む方法において使用してもよい。ある実施の形態は、気体から酸性ガス成分の少なくとも一部を除去するために、酸性ガス成分を含む気体を、基質および基質上に配置された固体カルボン酸アルカリ塩を含む物品であって、固体カルボン酸アルカリ塩が５以上の解離定数を少なくとも１つ有するカルボン酸に由来する物品に接触させる工程を含む方法である。気体は、ガスまたはガス混合物の形態でよい。ガスまたはガス混合物は、気体または液体中の固体粒子、あるいは気体中の液体の液滴のような、別の相を含んでもよい。気体を物品に接触させる工程は、例えば、気体の流れを物品の外面に亘って通過させる、または気体の流れを物品の内容積に亘って通過させることにより行ってもよい。ある実施の形態において、物品との気体の接触は、０℃から１００℃までの温度、例えば２５℃、５０℃、または７５℃で行う。

酸性ガスは、溶媒に溶解した際、７未満のｐＨを有する溶液を生じるものである。例示的な酸性ガスとしては、Ｈ_２ＳおよびＣＯ_２が挙げられる。酸性ガス成分は、処理される気体中に任意の割合で存在してもよい。物理的、化学的、または物理的および化学的に、物品上に酸性ガスを吸着、吸収、または他の捕捉をすることによって、酸性ガスを気体から除去してもよい。酸性ガス成分の少なくとも一部を、気体、例えば酸性気体の一部または全てから除去する。いくつかの実施の形態において、物品は、気体から酸性ガス成分の少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも５０％、少なくとも７０％、または少なくとも９０％を除去する。いくつかの実施の形態において、Ｈ_２Ｓが気体から除去される。他の実施の形態において、ＣＯ_２が気体から除去される。物品は、加湿または乾燥環境で酸性ガス成分を捕捉できる。

別の実施の形態は、酸性ガス成分を含む気体を固体カルボン酸アルカリ塩に接触させ、気体から酸性ガス成分の少なくとも一部を除去する工程を含む方法であり、固体カルボン酸アルカリ塩は、５以上の解離定数を少なくとも１つ有するカルボン酸に由来する。例えば、固体カルボン酸アルカリ塩を使用して、基質を使用せずに、または、上記の任意の基質を含む無機または有機基質上に配置された固体カルボン酸アルカリ塩を使用して、気体から酸性ガス成分を除去してもよい。固体カルボン酸アルカリ塩は、任意の適切な形態、例えば、粉末形態、または、結合剤を加えてまたは加えずに固体カルボン酸アルカリ塩から形成された造形物品の形態でもよい。そのような造形物品の例としては、ペレットまたはフロースルー基質が挙げられる。カルボン酸アルカリ塩は、既述のカルボン酸アルカリ塩から選択されてもよい。任意の適切な技術により、例えばカルボン酸アルカリ塩溶液から沈殿させることにより、固体カルボン酸アルカリ塩を調製してもよい。

さらなる実施の形態は、物品またはカルボン酸アルカリ塩から酸性ガスの少なくとも一部を除去することにより、任意の上記の物品またはカルボン酸アルカリ塩を再生することを含む。ある実施の形態において、物品またはカルボン酸アルカリ塩の再生は、酸性ガスを除去するのに十分な温度まで物品またはカルボン酸アルカリ塩を加熱する工程を含む。酸性ガスを除去するのに十分な温度は、ある程度、存在する酸性ガスの量に依存することが理解されるべきである。ある実施の形態において、十分な温度は、１００℃より高い温度で、例えば１３０℃、１５０℃、または１７０℃で物品またはカルボン酸アルカリ塩を加熱することを含んでもよい。物品またはカルボン酸アルカリ塩の加熱は、任意の適切な手段、例えば、オーブン中での加熱により、または加熱した気体の流れを物品またはカルボン酸アルカリ塩の外面に亘ってまたは物品の内容積に亘って通過させることにより、行ってもよい。

別の実施の形態は、外的加熱をせずに、物品またはカルボン酸アルカリ塩を再生することを含む。物品またはカルボン酸アルカリ塩は、物品またはカルボン酸アルカリ塩を溶媒、例えば水と接触させることにより再生されてもよい。

カルボン酸アルカリ塩は、基質に化学的に結合してもしなくてもよい。いくつかの実施の形態において、カルボン酸アルカリ塩被覆は、任意の適切な技術、例えば洗浄により、基質から除去してもよい。いくつかの実施の形態において、カルボン酸アルカリ塩被覆を基質から除去し、新たなカルボン酸アルカリ塩溶液で基質を再被覆させる。

様々の実施の形態が、以下の実施例によりさらに明瞭になるであろう。

水中で１：１ ＣＯＯＨ対ＯＨのモル比で、シュウ酸および水酸化カリウムの４５％溶液を混合することにより、シュウ酸（ＯＡ）の２０％カリウム塩の溶液を調製した。生じた溶液のｐＨを、ＫＯＨ溶液および／またはカルボン酸を使用して、８から１４の範囲に入るように調整した。ガラスウール濾紙をカリウム塩溶液中に１０−１５秒間浸した後、室温で一晩乾燥させた。ＣＯ_２捕捉試験の前に、被覆されたガラスウール濾紙を、１００℃で１５分間強制空気によりオーブン中で乾燥させた。ガラスウール濾紙に加えられたシュウ酸のカリウム塩の量を、質量差により測定した。ＣＯ_２を捕捉する能力を評価するために、小さい背圧を与えながら、被覆されたガラスウール濾紙を加湿ＣＯ_２雰囲気に３０分間置いた。被覆されたガラスウール濾紙を取り出し、室温で一晩乾燥させた。被覆されたガラスウール濾紙の質量を、ＣＯ_２雰囲気から取り出した直後、一晩の乾燥後、および１００℃で１５分間乾燥させた後に測定した。加湿ＣＯ_２雰囲気への露出後、ガラスウール濾紙の質量の増加が観察された。増加した質量は、１００℃で１５分間の乾燥にさらした後に失われた。加湿窒素または空気雰囲気で対照サンプルを試験した。対照サンプルでは質量の変化は観察されなかった。

テレフタル酸（ＴＰＡ）、ブタンテトラカルボン酸（ＢＴＣＡ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、コハク酸（ＳＡ）およびアジピン酸（ＡＡ）のカリウム塩を使用して、上記の工程を繰り返した。ＣＯ_２質量増加結果が表１に要約される。

ＳＡのカリウム塩およびＡＡのカリウム塩で被覆されたサンプルは、１００℃で１５分間乾燥した後に、捕捉されたＣＯ_２を保持することができた。ＯＡ、ＢＴＣＡ、およびＰＡＡのカリウム塩で被覆されたサンプルは、１００℃で１５分間乾燥した後に試験前の質量に戻った。ＴＰＡのカリウム塩は、ＣＯ_２試験後の質量増加を示さなかった。

水酸化バリウム、Ｂａ（ＯＨ）_２を使用して、ＣＯ_２露出サンプルにおいて定性試験も行った。ＣＯ_２試験直後に得られたサンプルを水中に浸し、手で揺らしてカリウム塩を溶解した。ＳＡおよびＡＡのカリウム塩のサンプルを水に加えた際に泡立ちが観察された。基質からカリウム塩を溶解した後、飽和Ｂａ（ＯＨ）_２溶液の数滴を、溶解カリウム塩を含む水に加え、細かく分散した不溶性ＢａＣＯ_３の形成により濁った様子が観察された。Ｎ_２または空気に露出された対照サンプルを同様に試験した；対照サンプルを含む水は、この試験中透明なままであり、濁らなかった。

本発明は特定の例示的実施の形態に関して詳細に説明されているが、そのようなものに限定して判断されるべきでなく、添付の特許請求の範囲に定められるように、本発明の広い原理および範囲を逸脱せずに、多くの変更が可能であることが理解されるべきである。

他に示されない限り、明細書および請求項で使用される全ての数字は、記載されているか否かに関わらず、全ての場合において「約」なる用語によって修飾されていると理解されるべきである。明細書および請求項で使用される正確な数値は、本発明の追加の実施の形態を形成するものであることもまた理解されるべきである。

Claims (23)

1. 基質、および
   該基質上に配置された固体カルボン酸アルカリ塩、
   を含み、
   前記固体カルボン酸アルカリ塩が、５以上の解離定数を少なくとも１つ有するカルボン酸に由来することを特徴とする物品。
2. 前記基質が、ハニカムの形状であることを特徴とする請求項１記載の物品。
3. 前記基質が、グラスウールを含むことを特徴とする請求項１記載の物品。
4. 前記固体カルボン酸アルカリ塩が、カルボン酸カリウム塩であることを特徴とする請求項１記載の物品。
5. 前記固体カルボン酸アルカリ塩が、カルボン酸ナトリウム塩であることを特徴とする請求項１記載の物品。
6. 前記固体カルボン酸アルカリ塩が、モノカルボン酸に由来することを特徴とする請求項１記載の物品。
7. 前記固体カルボン酸アルカリ塩が、ジカルボン酸または多価カルボン酸に由来することを特徴とする請求項１記載の物品。
8. 前記固体カルボン酸アルカリ塩が、シュウ酸、コハク酸、アジピン酸、マレイン酸、グルタル酸、イタコン酸、ヘプタン二酸、о−フタル酸、ブタンテトラカルボン酸、またはメチルコハク酸に由来することを特徴とする請求項１記載の物品。
9. 基質を提供する工程、
   該基質にカルボン酸アルカリ塩溶液を塗布し、被覆された基質を形成する工程、および
   前記被覆された基質を乾燥する工程、
   を含むことを特徴とする請求項１記載の物品を作製する方法。
10. 酸性ガスを含む気体を、請求項１記載の物品に接触させ、前記気体から前記酸性ガスの少なくとも一部を除去する工程を含む方法。
11. 酸性ガスを含む気体を、固体カルボン酸アルカリ塩に接触させ、前記気体から前記酸性ガスの少なくとも一部を除去する工程を含む方法であって、
    前記固体カルボン酸アルカリ塩が、５以上の解離定数を少なくとも１つ有するカルボン酸に由来することを特徴とする方法。
12. ０℃から１００℃までの温度で前記気体を前記物品に接触させる工程を含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
13. 前記物品から前記酸性ガスの少なくとも一部を除去することにより、前記物品を再生する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
14. 前記物品を再生する工程が、前記物品を水に接触させる工程を含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. １００℃を超える温度で前記物品を再生する工程を含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
16. 外的加熱をせずに、前記物品を再生する工程を含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
17. 前記酸性ガスが二酸化炭素であることを特徴とする請求項１０記載の方法。
18. 前記酸性ガスが硫化水素であることを特徴とする請求項１０記載の方法。
19. 前記固体カルボン酸アルカリ塩を再生する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
20. 前記固体カルボン酸アルカリ塩を再生する工程が、前記固体カルボン酸アルカリ塩を水に接触させる工程を含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
21. 外的加熱をせずに、前記固体カルボン酸アルカリ塩を再生する工程を含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
22. 前記酸性ガスが二酸化炭素であることを特徴とする請求項１１記載の方法。
23. 前記酸性ガスが硫化水素であることを特徴とする請求項１１記載の方法。