JP2014508035A - Ｃｏ２回収に利用される炭素熱分解生成物吸着剤並びにその製造及び使用方法 - Google Patents

Abstract

以下の特性、つまり（ａ）１バールの圧力および２７３°ケルビンの温度で１０５ｃｃ／グラム超のＣＯ_２容量、（ｂ）７．０重量パーセント超のＣＯ_２ワーキングキャパシティ、（ｃ）それぞれが１０から５０ｋＪ／モルの範囲内にあるＣＯ_２吸着熱およびＣＯ_２脱着熱、および（ｄ）５超のＣＯ_２／Ｎ_２ヘンリーの法則分離係数を有する微粒子形の炭素熱分解生成物吸着剤。炭素熱分解生成物材料は、たとえば石炭火力発電所からの燃焼ガスの処理において、二酸化炭素回収用途に役立つ吸着剤を提供するために、ポリ塩化ビニル系のポリマーもしくはコポリマー、または他の適当な樹脂材料から形成できる。
【選択図】図３

Description

「CARBON PYROLYZATE ADSORBENT HAVING UTILITY FOR C0₂ CAPTURE AND METHODS OF MAKING AND USING THE SAME」のために、Melissa A. Petruska、J. Donald Carruthers、 Edward A. Sturm、Shaun M. Wilson、およびJoshua B. Sweeneyの名前で２０１１年１月３１日に出願された米国仮特許出願第６１／４３８，０８１号の合衆国法典特許法１１９条の元での優先権の利益が本書により主張される。米国特許出願第６１／４３８，０８１号の開示は、すべての目的のために、参照により全体を本書に援用する。

本開示は、石炭火力発電所から、石油精製所予熱器から、工業用ボイラー等から排出される、たとえばＣＯ_２を含むガス流からの二酸化炭素回収に役立つ炭素熱分解生成物吸着剤に関する。本開示は、さらに、かかる炭素材を活用するＣＯ_２回収装置、および炭素熱分解生成物吸着剤を作成し、使用する方法にも関する。

化石燃料を燃焼するソースからの温室効果ガス排出量を削減することに対する現在も引き続く多大な関心がある。たとえば、典型的な規模の単一の石炭燃焼式大規模商業用発電所は、年間３,３００万トンのＣＯ_２を発生させることがある。現在、世界中のエネルギーに対するニーズの８０パーセントは、精油燃料の燃焼によって賄われている。これが、大気中のＣＯ_２レベルの上昇および気候変動に対するＣＯ_２の影響のおもな理由になっている。

いま、ＣＯ_２および他の温室効果ガス排出量の抑制には強い関心が寄せられている。電気自動車の使用は、ＣＯ_２排出量を制限する方法を示唆しているが、最近の報告では、原子力発電が電力の６０％も担っている欧州（フランスおよびドイツ）での電気自動車の使用に比較すると、大部分の発電が石炭燃焼式および石油燃焼式の発電所で行われるため、米国および英国でのかかる車両の使用が全体に及ぼす影響は最小限となることが示されている。

したがって、化石燃料燃焼式の発電所からのＣＯ_２排出量を抑制する急務がある。

環境規制および環境への懸念の勢いを受けて、廃棄物流れおよびそれを生じさせる生産工程からの二酸化炭素の回収および隔離のための多様な方法が提案されている。

発電所の廃棄物流れおよびＣＯ_２を含む他の流れからＣＯ_２を取り除く適切な手法を求める上での複雑化要因は、かかる流れの中に、ＣＯ_２除去のために使用される材料および技法によって対処しなければならない他の成分が存在することである。ＣＯ_２を含むガス流には、対象となるＣＯ_２種に加えて、まず第１に燃焼プロセス、または二酸化炭素を生成する他の生産工程から生じる相当量の水分、空気、窒素、および他の大きな気相分子が含まれることがある。したがって、ＣＯ_２除去システムは、たとえば発電所廃棄物流れの昇温特性でのこれらの成分の存在によって悪影響を受けてはならない。

発電所からのＣＯ_２排出量の抑制のために現在研究されている手法は、（ｉ）低温技術、（ｉｉ）アミン系吸収剤、（ｉｉｉ）希アルカリ手法、および（ｉｖ）冷却希釈アンモニア吸収剤を伴うが、これらの方法は、その商業化が確実と言うには程遠いほど十分にエネルギーを大量に消費し、費用がかかる。ゼオライト材料だけではなく、多孔性金属有機構造体（ＭＯＦ）も調査中であるが、ゼロライト材料は、ＣＯ_２よりもＨ_２Ｏに対するその選択性のために、一般にＣＯ_２回収にはあまり適していない。高運転圧でまたは低温でのみ高いＣＯ_２容量を示すＭＯＦ材料は、かかる運転条件と関連する追加の処理コストによって、かかる材料がもつあらゆる能力の優位点の価値が削減されることがあるため、実行可能ではない。同様に、ＣＯ_２に対する高い吸着熱を示すＭＯＦ材料は、非経済的で困難な再生条件（たとえば、過剰に高い温度または過剰に低い圧力）を必要とする。乏しい水熱安定性または高いＨ_２Ｏ摂取量を示すＭＯＦ材料も実行可能な候補ではない。

したがって、実績のある受け入れ可能なＣＯ_２回収材料およびプロセスは欠如している。それに応じて、ＣＯ_２を含む燃焼ガス流からＣＯ_２を可逆的に回収するために経済的かつ効果的に使用できる材料およびプロセスに対する切迫したニーズがある。

本開示は、二酸化炭素回収に役立つ炭素熱分解生成物吸着剤、かかる炭素材を利用するＣＯ_２回収装置、および炭素熱分解生成物吸着剤を作成し、使用する方法に関する。

一態様では、本開示は、以下の特性を有する炭素吸着剤に関する。
（ａ）１バールの圧力および２７３°ケルビンで１０５ｃｃ／グラム超のＣＯ_２容量
（ｂ）７．０重量パーセント超のＣＯ_２ワーキングキャパシティ
（ｃ）それぞれ１０から５０ｋＪ／モルの範囲内にあるＣＯ_２吸着熱およびＣＯ_２脱着熱、および
（ｄ）５超のＣＯ_２／Ｎ_２ヘンリーの法則分離係数

別の態様では、本開示はＣＯ_２回収のために炭素材を作成する方法に関し、該方法は、以下の特性を有する炭素熱分解生成物材料を生じさせるのに有効な条件下でポリマー樹脂またはコポリマー樹脂を熱分解することを含む。
（ａ）１バールの圧力および２７３°ケルビンで１０５ｃｃ／グラム超のＣＯ_２容量
（ｂ）７．０重量パーセント超のＣＯ_２ワーキングキャパシティ
（ｃ）それぞれが１０から５０ｋＪ／モルの範囲内にあるＣＯ_２吸着熱およびＣＯ_２脱着熱、および
（ｄ）５超のＣＯ_２／Ｎ_２ヘンリーの法則分離係数

追加の態様では、本開示は、炭素熱分解生成物材料上でＣＯ_２吸着を達成する条件下で、ＣＯ_２を含む流体に接触するために配置される、本開示の炭素熱分解生成物材料を含むＣＯ_２回収装置に関する。

本開示の追加態様は、炭素熱分解生成物材料上でＣＯ_２吸着を達成する条件下で、本開示の炭素熱分解生成物材料とＣＯ_２を含む流体を接触させることを含む、ＣＯ_２回収方法に関する。

本開示の他の態様、特長、および実施形態は、次の説明および添付される特許請求の範囲からより完全に明らかになるだろう。

図１は、本開示の吸着剤が、ＣＯ_２を含むガスの処理でＣＯ_２回収のために利用され得る圧力スイング吸着／温度スイング吸着システムの概略図である。 図２は、本開示の吸着剤が、ＣＯ_２を含むガスの処理でＣＯ_２回収のために利用できる移動床ＣＯ_２回収システムの概略図である。 図３は、本開示の炭素吸着剤が、ＣＯ_２を含むガス混合物からのＣＯ_２除去を達成するために利用できる統合吸着ストリッパ反応器の概略図である。 図４は、本開示の炭素吸着剤についての、大気中で、ＣＯ_２分圧の関数として、１グラムあたり立法センチメートル単位で吸着されるＣＯ_２のグラフである。 図５は、一連のＣＯ_２−Ａｒガス混合物の温度の関数としてＣＯ_２の熱脱離を示す図である。 図６は、図３に図示されるタイプの統合吸着ストリッパ反応炉の運転中の吸着器およびストリッパの流出ガス流のＣＯ_２濃度のグラフである。 図７は、図３に図示されるタイプの統合吸着ストリッパ反応器内での、１０００サイクルテストを経たＣＯ_２生成ガスのＣＯ_２回収効率およびＣＯ_２純度のグラフである。 図８は、ＣＯ_２を含むガスとの接触前、および１０００サイクルのＣＯ_２の吸着／脱着後の本開示の炭素吸収剤についての、トール単位のＣＯ_２分圧の関数としての、炭素吸着剤の１グラム当たりのＣＯ_２の内のミリリットル単位での吸着ＣＯ_２量のグラフである。

本開示は、炭素吸着剤、より詳細には、二酸化炭素回収に役立つ炭素熱分解生成物吸着剤、およびかかる炭素熱分解生成物吸着剤を作成し、使用する方法だけではなく、それを利用するＣＯ_２回収装置にも関する。

本開示の炭素熱分解生成物吸着剤は、たとえば環境または二酸化炭素を含む燃焼ガス等のガス流からの二酸化炭素の選択的な吸着に役立つ。

炭素熱分解生成物吸着剤は、二酸化炭素の収着摂取および収着保持にきわめて効果的であり、圧力スイングおよび／または温度スイング吸着／脱着装置で実施され得る（吸着条件を基準にした）減圧状態および／または昇温状態等の脱着条件下で、または蒸気、窒素、アルゴン等のストリッピングガスとの炭素熱分解生成物吸着剤の接触によって、二酸化炭素を容易に放散する多孔性非晶質炭素を含む。

炭素吸着剤はどのような適切な形もとることができるが、ＣＯ_２回収の用途のためには好ましくはビーズまたは微粒子の形をとり、この態様において、吸着剤は、ＣＯ_２回収を達成するために、ＣＯ_２を含むガスと接触される床、例えば固定床または流動床に設けられる。あるいは、炭素吸着剤は、たとえばブロック、レンガ、ディスク等の幾何学的に規則正しい形をとることがある、またはふさわしい幾何学的に不規則な形をとることがある、かなりの大きさの単一の固体塊のように、モノリシック形をとることがある。

本明細書および添付される特許請求の範囲で使用されるように、単数形の不定冠詞および定冠詞は、文脈が明示的に別段に決定しない限り複数の指示対象を含む。

本明細書および添付される特許請求の範囲で使用されるように、用語「ＣＯ_２ワーキングキャパシティ」は、３０３°ケルビンというより低温で炭素熱分解生成物材料が吸収するＣＯ_２の量と、３８３°ケルビンというより高温でその炭素熱分解生成物材料から吸着されるＣＯ_２の量の差としての炭素熱分解生成物材料のＣＯ_２ワーキングキャパシティを指す。いずれの量も１大気圧で測定されている。

その特長、態様、および実施形態の点で本書に多様に説明される本開示は、特定の実装形態において、本開示の多様な追加の実装形態を構成するために集められるその要素および構成要素だけではなく、かかる特長、態様および実施形態のいくつかまたはすべてを含む、かかる特長、態様および実施形態のいくつかまたはすべてから成る、またはかかる特長、態様および実施形態のいくつかまたはすべてから基本的に成るとして構成されてよい。本開示は、かかる特長、態様、および実施形態を、本開示の範囲内にあるとして多様な順列および組合せで意図する。したがって、開示される主題は、本開示のあらゆる部分に開示される特長および特徴の任意の組合せまたは集合体について本開示の範囲全体を利用して、これらの特定の特長、態様および実施形態のかかる組合せおよび順列のどれか、またはその１つまたは複数の選択されたものを含む、これらの特定の特長、態様および実施形態のかかる組合せおよび順列のどれか、またはその１つまたは複数の選択されたものから成る、もしくはこれらの特定の特長、態様および実施形態のかかる組合せおよび順列のどれか、またはその１つまたは複数の選択されたものから基本的に成るとして指定されてよい。

本開示の炭素熱分解生成物吸着剤は、ＣＯ_２回収用途で使用するための多くの厳格な基準を満たしている。本開示の炭素熱分解生成物吸着剤は、周囲温度および周囲圧力での高い可逆ＣＯ_２吸着容量、ファーストキネティックス、高い相対湿度および飽和条件でも低いＨ_２Ｏ吸着容量、Ｈ_２ＯおよびＮ_２よりもＣＯ_２に対する高い選択性、中温での容易な再生のための低い吸着熱、多数の吸着／再生サイクルでの安定性、高い摩耗抵抗の良好な水熱安定性、高いかさ密度および低コストを示す。

本開示の炭素熱分解生成物吸着剤を作るために使用される出発原料は、以下により詳しく説明される所望される特性の吸着剤を形成するために熱分解可能である、たとえば天然ポリマーもしくは合成ポリマーまたは天然コポリマーもしくは合成コポリマー、または他の熱分解可能物質を含む任意の適当なタイプであってよい。さらに詳細には、本開示の炭素材は、多様なコモノマーを含む樹脂出発原料を活用することによって大幅に変えることができ、あるいは、任意選択で多様な添加剤を活用してホモポリマーによって構成されてもよく、それにより孔修飾処理、活性化等を受け得る対応の炭素熱分解生成物を提供することができ、特定のＣＯ_２回収用途での二酸化炭素にとって適切な選択性、ワーキングキャパシティ、およびローディングの特性の炭素吸着剤を提供することができる。

例として、炭素吸着剤は、ホモポリマーＰＶＤＣ、またはＰＶＤＣ−ＭＡ子ポリマー、ＰＶＤＣポリ塩化ビニル（ＰＶＤＣ−ＰＶＣ）コポリマー、ポリフリフリルアルコール、ポリアクリロニトリル、炭化処理時に炭素材（たとえば、炭化処理時に炭素マトリックス全体に窒素原子を散乱させた状態で残して、ＣＯ_２コーディネーションのための部位として働き、それによって炭素材のＣＯ_２収着容量を高めるポリアクリロニトリルおよびポリビニルピリジン等のポリマー前駆物質）全体で分散種として残されるヘテロ原子を含むポリマー、または任意の他の適当なポリマーまたはコポリマーの組成物の熱分解によって形成することができる。ここで、コポリマー樹脂が熱分解出発原料として使用される場合、コモノマーの互いに対する率は変えることができ、可塑剤、収着容量促進剤、金属、補強媒体、充填剤、熱分解制御剤等を含む多様な添加剤を、任意選択で利用して、多孔構造、容量、表面積、材料内でのより大きな空洞につながるポータルのサイズに関して所望される性質の生成物炭素吸着剤を提供できる。後者の点では、多孔構造内部の空洞を繋ぐポータルまたは狭窄は、ＣＯ_２の迅速な進入および放出を可能にし、それによって吸着および脱着のキネティックスを強化し、炭素材のかかる孔から所望されない流動種および微粒子を排除する上で重大である。

特定の実施形態では、吸着剤は、ＰＶＤＣホモポリマーの熱分解生成物、またはたとえばメチルアクリレート（ＭＡ）等のアクリル酸エステルのコポリマー等のＰＶＤＣコポリマーの熱分解生成物である。例示的なＰＶＤＣ−ＭＡコポリマーにおいて、ＰＶＤＣ−ＭＡ材料中のＭＡコポリマーの濃度は、かかるコポリマーから熱分解によって形成される熱分解された炭素吸着剤の良好な多孔性、孔径分布、およびＣＯ_２ローディング容量と一貫したレベルにある。多様な実施形態では、ＰＶＤＣ−ＭＡコポリマーは、少なくとも８０，０００、たとえば８０，０００から１００，０００、およびより好ましくは８５，０００から９６，０００の重量平均分子量レベルを有することがある。

本開示の多様な実施形態での炭素熱分解生成物吸着剤は、少なくとも以下の特性を有することがある。
（ａ）１バールの圧力および２７３°ケルビンで１０５ｃｃ／グラム超のＣＯ_２容量
（ｂ）７．０重量パーセント超のＣＯ_２ワーキングキャパシティ
（ｃ）それぞれが１０から５０ｋＪ／モルの範囲内にあるＣＯ_２吸着熱およびＣＯ_２脱着熱、および
（ｄ）５超のＣＯ_２／Ｎ_２ヘンリーの法則分離係数

吸着剤は、上述された特性等の特性と一致した、幅広く変化するタイプである場合がある。特定の実施形態では、吸着剤は、たとえば５０μｍ超の平均粒径を有してよい。特定の実施形態の本開示の吸着剤は、１０から５００μｍの範囲、より好ましくは１５０から５００μｍの範囲の直径の粒子を含む。多様な実施形態の吸着剤は、２００から３５０μｍの範囲の粒径中央値を有する粒子を含む。吸着剤は、さらに他の実施形態で０．５５ｇ／ｍＬ超のかさ密度を有することがある。追加の実施形態では、吸着剤は、それぞれが２０から３０ｋＪ／モルの範囲内にあるＣＯ_２吸着熱およびＣＯ_２脱着熱によって特徴付けられる。

本開示の幅広い範囲内の炭素熱分解生成物吸着剤は、特定の実施形態において、以下の特性の内の任意の１つもしくは複数、またはすべてを有することがある。３０３°ケルビンおよび４０％の相対湿度で、吸着剤の重量当たり５重量％未満の水吸着能、１ｎｍ以下の平均孔径、細孔容積の少なくとも５０％が０．３５から０．７ｎｍの孔径範囲の孔によって構成される孔、１ｎｍ以下の細孔幅中央値で特徴付けられる孔、ＡＳＴＭ Ｄ５７５７の手順によって測定した場合、１ｗｔ％／時未満の摩耗率指数、１グラム当たり少なくとも８００ｍ^２、好ましくは１グラム当たり少なくとも９００ｍ^２、および最も好ましくは１グラム当たり少なくとも１０００ｍ^２のＮ_２ ＢＥＴ表面積、および１グラム当たり少なくとも０．２ｍＬ、たとえば１グラム当たり０．３から０．６ｍＬの範囲のＮ_２ミクロ細孔容積。

本開示の炭素熱分解生成物吸着剤は、優れたＣＯ_２回収回復およびＣＯ_２回収純度を示す。たとえば、特定の実施形態の吸着剤は、１５％のＣＯ_２を含有する空気を含み、水蒸気で飽和した疑似燃焼ガス組成物と、３８３°ケルビンで且つ、吸着剤床１リットル当たり１００Ｌ／分の疑似燃焼ガス組成物の容積流量で接触した場合、少なくとも９０％のＣＯ_２回収回復および少なくとも９０％のＣＯ_２回収純度で特徴付けることができる。

別の態様では、本開示はＣＯ_２回収のために炭素材を作成する方法に関し、かかる方法は、少なくとも以下の特性を有する炭素熱分解生成物材料を生じさせるのに有効な条件下でポリマー樹脂材料またはコポリマー樹脂材料を熱分解することを含む。
（ａ）１バールの圧力および２７３°ケルビンで１０５ｃｃ／グラム超のＣＯ_２容量
（ｂ）７．０重量パーセント超のＣＯ_２ワーキングキャパシティ
（ｃ）それぞれが１０から５０ｋＪ／モルの範囲内にあるＣＯ_２吸着熱およびＣＯ_２脱着熱、および
（ｄ）５超のＣＯ_２／Ｎ_２ヘンリーの法則分離係数

上述の説明と一致して、かかる熱分解操作に活用される樹脂は、熱分解時に上述の特性を生じさせる、幅広く変化するタイプのいずれであってもよい。たとえば、樹脂は、ＰＶＤＣホモポリマーまたはメチルアクリレート等のアクリル酸エステルのコポリマー等のＰＶＤＣコポリマーを含んでよい。一実施形態では、樹脂は、８０，０００から１００，０００の範囲内の重量平均分子量を有するＰＶＤＣ−ＭＡコポリマーを含む。

炭素熱分解生成物吸着剤を作る上述の方法での熱分解は、あらゆる適切な実施条件で行うことができる。炭素熱分解生成物は、４００℃から１２００℃の範囲の温度での熱分解および任意選択の活性化によって形成され得る。一実施形態では、熱分解は、たとえばアルゴンまたは窒素等の不活性雰囲気で６００℃から９００℃の範囲内の温度で実施される。かかる熱分解の後には、その後任意選択で炭素熱分解生成物材料が２５０℃超の温度で酸化性雰囲気に暴露され、吸着剤生成物を生じさせてよい。一実施形態では、熱分解後の炭素材は、６００から１２００℃の範囲の温度等の２５０℃超の温度で、酸化雰囲気、たとえば二酸化炭素、酸素、および／または蒸気を含む酸化雰囲気に暴露される。

多様な実施形態での炭素熱分解生成物は、１立方センチメートル当たり少なくとも０．５５グラムのかさ密度を有し、他の実施形態では、炭素熱分解生成物は、１立方センチメートル当たり少なくとも０．９ｇのかさ密度を有する。さらに他の実施形態では、炭素熱分解生成物吸着剤は、１立方センチメートル当たり約１．０グラムから約２．２グラムのかさ密度を有する。

本開示の追加の態様は、炭素熱分解生成物吸着剤でＣＯ_２の吸着を達成する条件下で、ＣＯ_２を含む流体に接触するために配置される、異なる態様において上文で種々説明した炭素熱分解生成物吸着剤を含むＣＯ_２回収装置に関する。ＣＯ_２回収装置は、圧力スイング吸着システム、温度スイング吸着システム、および／または真空スイング吸着システムを備えることがあり、あるいは、代わりに移動床接触システムを備えていてもよい。ここで、吸着剤の移動床は、ＣＯ_２を含むガス混合物、たとえば石炭火力発電所の廃棄混合物と接触して、ＣＯ_２のガスからの除去を達成する。装置は、炭素熱分解生成物吸着剤が少なくとも部分的にＣＯ_２をローディングされるようになった後に炭素熱分解生成物吸着剤を再生するように有利に構成されており、その結果、吸着剤がその後の吸着操作のために更新されることとなる。

本開示のさらに他の態様は、炭素熱分解生成物吸着剤でＣＯ_２の吸着を達成する条件下で、ＣＯ_２を含む流体を上記の異なる実施形態で多様に説明される炭素熱分解生成物吸着剤と接触させることを含むＣＯ_２回収方法に関する。かかる方法は、相応して、炭素熱分解生成物吸着剤が少なくとも部分的にＣＯ_２をローディングされるようになった後に、炭素熱分解生成物吸着剤を再生することを含む。

炭素熱分解生成物の形は、ＰＶＤＣ−ＭＡ樹脂前駆体物質の形状または形、およびその形状またはコンフォメーション、ならびに以後の熱分解および熱分解後の処理に依存する。炭素熱分解生成物は、適切な大きさの個別の樹脂粒子から形成されてもよく、それにより活性炭粒子、顆粒、ビーズ等を生じさせることができる。他の実施形態の前駆体物質は、熱分解生成物に単一の性質を与える容器または形状構造物で熱分解され、たとえば、それにより、所望とされる最終用途にとって適切なサイズ特性および形状特性の熱分解モノリスとして形成される。特定の例として、かかる炭素モノリスは、所望される大きさおよび性質の円筒形、ブロック、れんが、または他の幾何学的に規則正しいもしくは不規則な形状の形をとってよい。

他の実施形態では、炭素熱分解生成物吸着剤は、非晶質炭素木炭材料のモノリシックディスクの形をとる。一連のかかる熱分解可能なモノリスは、連続で直接接触して積み重ねられて、連続ディスク製品の孔内および表面での吸着のために二酸化炭素を含むガスが流れる容器等の筐体内に置かれてよい複数のディスクの垂直に直立する柱構造物を形成してよい。

形態学的観点から、好ましいポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）出発原料の熱分解は、高度の架橋構造の多孔性の非黒鉛化炭素を生じさせる。本開示の炭素熱分解生成物吸着剤の表面積は、通常、たとえば１グラム当たり８００から１５００ｍ^２の範囲の８００ｍ^２／ｇよりも大きく、ほぼすべての孔は、ミクロ細孔（孔＜直径２ｎｍ）で検出される。結果的に、本開示の炭素熱分解生成物吸着剤は、かかる材料が大量のＣＯ_２を蓄積できるようにする大きさ範囲の収着容量を示す。

本開示の炭素熱分解生成物吸着剤は、たとえば２７３°ケルビンおよび１大気圧で測定した場合、炭素熱分解生成物吸着剤の容積当たり１２０容積超のＣＯ_２という高いＣＯ_２容量を提供し、炭素熱分解生成物吸着剤のいくつかの実施形態は、２７３°ケルビンおよび１大気で１３０Ｖ／Ｖ超のＣＯ_２容量を示すＰＶＤＣホモポリマー出発原料から形成される。たとえば、２７３°ケルビンおよび１大気圧で測定した場合、炭素材の容積当たり８３容積のＣＯ_２
８３容積の高いＣＯ_２容量を有するとして識別されている、代表的なゼオライト様トポロジーを有するイミダゾレート構造体（ＺＩＦ）材料、ＺＩＦ−６９の報告された容量特性によって証明される多孔性吸着剤にとってきわめて顕著であるこれらのレベル。Science 2008、319,939を参照すること。

特定の実施形態では、炭素熱分解生成物吸着剤は、本開示の炭素熱分解生成物吸着剤について本明細書書に多様に説明される特性のどれか、および／または以下の高性能特性、つまり本開示の特定の実施形態で炭素熱分解生成物吸着剤に対して考慮されている、本明細書で多様に説明される特性のかかるすべての組合せおよび順列の内の少なくとも１つを有してよい。
・高いＣＯ_２容量：有利なことに、炭素熱分解生成物吸着剤は、ＣＯ_２吸着についての高い容量（たとえば、１大気ＣＯ_２で少なくとも２０ｗｔ％）、および他の燃焼ガス成分よりもＣＯ_２に対する良好な選択性を有する。
・高速吸着速度および高速脱着速度：有利なことに、ＣＯ_２の吸着は非常に低い活性化エネルギー（＜ｋＪ／モル）の炭素熱分解生成物吸着剤のミクロ細孔で発生し、吸着剤の迅速なサイクリングを可能にする。
・吸着および脱着の低い熱：吸着および脱着の相対的に低い熱（２５から２８ｋＪ／モル）は、再生のための低い熱要求および低い冷却要件を有するＣＯ_２回収プロセスと一貫して、炭素熱分解生成物吸着剤によって提供できる。
・高い水熱安定性：蒸気による炭素熱分解生成物吸着剤の直接的な加熱が、ＣＯ_２脱着を達成するために使用できる。昇温で再生される炭素熱分解生成物吸着剤は、吸着剤で吸着された水分の蒸発冷却によって冷却できる。直接的な加熱および冷却は、気体から固体への熱交換器に対するニーズを制限し、ＣＯ_２回収プロセスを簡略化する。
・長い寿命のための機械的な堅牢性：有利なことに、炭素熱分解生成物吸着剤の寿命は、年間５０，０００吸着／脱着サイクルを活用するＣＯ_２回収プロセスの場合、１年よりもはるかに長い。
・吸着剤顆粒の球面モルホロジー：炭素熱分解生成物吸着剤は、ボールベアリングのような傾斜面での顆粒の円滑な流れを可能にする球面吸着剤顆粒（たとえば、直径１００から３００μｍ）を有効に利用してよい。この自由に流れる液体様の特性は、気体‐固体接触装置としての経済的な構造上のパッキンの適応および使用を可能にして、ＣＯ_２回収システムの簡略で信頼性が高く、効率的な設計を提供する。
・運転温度での塊状化に対する耐性：有利なことに、炭素熱分解生成物吸着剤粒子は、１００℃では互いに付着または焼結せず、したがって吸着剤顆粒の塊状化はＣＯ_２回収用途用の吸着剤の使用では可能性が低い。
・低い熱容量：本開示の炭素熱分解生成物吸着剤は、水の熱容量と比較して低い熱容量（たとえば、１Ｊ／ｇ／Ｋ）を有することがあり、吸着剤を再生温度まで加熱するために要する熱エネルギーを最小限に抑える。
・高い熱伝導率：本開示の炭素熱分解生成物吸着剤は、たとえば０．８ｗ／ｍ−Ｋ等の適当な値の熱伝導率を有して、吸着剤粒子の表面と内部との間の急速な熱平衡を可能にしてよい。
・疎水性：本開示の炭素熱分解生成物吸着剤は本質的に疎水性であり、これは、凝縮水と吸着剤との間の相互作用はほとんど発生しないことを示す。かかる吸着剤から凝縮水を脱着するために必要とされる熱エネルギーは、モレキュラーシーブ（ゼロライト）、アルミナ、およびシリカで検出されるもの等の酸化物表面から水を蒸発させるために必要とされる熱エネルギーよりもはるかに少ない。

本開示は、２７３°ケルビンおよび１大気圧で測定した場合、炭素材の体積当たり少なくとも１００容積のＣＯ_２のＣＯ_２容量を有する炭素熱分解生成物材料を想定している。

かかるＣＯ_２回収用途に役立つ例示的な炭素熱分解生成物吸着剤は、たとえば表面積１グラムあたり１０３０ｍ^２、１グラム当たり０．４ｍＬのミクロ細孔容積、０．６８ｇ／ｍＬのかさ密度、０．２２Ｋｐｓｉの圧縮強さ、＜０．０１％／時の摩耗、および０．８２Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有してよい。

本開示の好ましい炭素吸着剤は、容積当たり＞４０％のミクロ細孔であり、＜０．７ｎｍの孔がかなりの容積を有している。高いミクロ細孔容積と超ミクロ細孔の優位性のかかる組合せは、低分圧でのＣＯ_２の摂取を促進する。本開示の炭素吸着剤は窒素との比較でＣＯ_２の吸着に対する高い選択性を有しており、たとえば、６超の、たとえば６．２から７．５の範囲の、ＣＯ_２／Ｎ_２分離係数を有する。かかる炭素吸着剤の透過性は、９００ｃｃ／ｐｓｉ／ｃｍ^２／分よりも大きくてもよく、たとえば９１０から１２５０ｃｃ／ｐｓｉ／ｃｍ^２／分の範囲であってもよい。

本開示の炭素吸着剤によるＣＯ_２回収の後、その上にＣＯ_２が吸着された吸着剤は、任意の適当な方法で、以後の隔離または他の処分のためにＣＯ_２を放散できるよう脱着できる。たとえば、ＣＯ_２を含む吸着剤は真空スイング吸着（ＶＳＡ）処理によってＣＯ_２を脱着されてもよく、ここでは、ＣＯ_２脱着を達成するために吸着剤に真空が適用される。あるいは、脱着は圧力スイング脱着（ＰＳＡ）処理によって達成されてもよく、ここでは、ＣＯ_２の吸着がより高圧条件下で実施され、ＣＯ_２の脱着がより低圧条件下で実施される。さらに追加の代替策として、脱着は熱入力で実施され、温度スイング吸着(ＰＳＡ)処理によって等、熱的に伝達される脱着を達成してよい。また、脱着は、他の任意の適切な方法でだけではなく、上記脱着モダリティーの多様な組み合わせ、またはその特定のものでも実施されてもよいことが認識される。

ここで図面を参照すると、図１は圧力スイング吸着／温度スイング吸着システム１０の概略図であり、ここでは本開示の吸着剤がＣＯ_２を含むガスの処理でＣＯ_２回収に利用されてもよい。

吸着システム１０は、２つの吸着剤容器１２および１４を備え、そのそれぞれが容器１４の部分的な切取図で示される炭素熱分解生成物吸着剤１８の床を備えている。吸着剤容器１２および１４は、供給ガス導管２２、および吸着剤容器のうちのオフストリームの容器を通る逆流の後にパージガスを放出するためのパージガス排出導管２４を含むバルブ付入口マニホールド２０によって互いにつながれている。一方、他方の吸着剤容器はＣＯ_２を含むフィードガスを処理して、ＣＯ_２のかかるガスからの除去を達成する。

吸着剤容器のオンストリームの容器を通過した後、ＣＯ_２が枯渇したガスはバルブ付き放出マニホールド２６に流れ込み、廃棄物ライン３０でシステムから放出される。バルブ付き放出マニホールド２６はパージガス供給ライン２８を含み、パージガスは、それぞれの吸着剤容器のうちのオフストリームの容器を通る逆流、およびパージガス放出ライン２４でのシステムからの放出のために、パージガス供給ラインを通って吸着剤容器システムに導入される。

入口マニホールドおよび出口マニホールドでのそれぞれのバルブの適切な開放および閉鎖によって、ＣＯ_２を含むガスは、それぞれの吸着剤容器のうちのオンストリームの容器で処理される。一方、他方の容器は、第１の容器のオンストリームでの動作中、再生を受けて、アクティブなオンストリーム操作中に炭素熱分解生成物吸着剤に以前に吸着されたＣＯ_２を取り除く。このようにして、それぞれの吸着剤容器のそれぞれは、プロセスサイクルのそれぞれのセグメントで、周期的に交互に繰り返すオンストリームとオフストリームの操作を受ける。

図１の実施形態の吸着剤容器１２および１４は加熱エレメント３２および３２を備えており、これれは任意の適当なタイプであってもよい。たとえば、かかるエレメントは、かかる加熱エレメントを通る電流フローによって、加熱エレメントが昇温まで抵抗加熱するように、使用中に電気エネルギーの適当な源と結合される電気抵抗エレメントであってよい。かかる加熱エレメントは、次いで再生を受けている容器中の吸着剤に熱を伝え、したがって吸着剤は加熱されて、吸着器内の炭素熱分解生成物吸着剤からのＣＯ_２の脱着を達成する。脱着されたＣＯ_２は、次いで再生されている床から流れ出し、パージガス放出ライン２４から放出される。

あるいは、加熱エレメント３２および３４は、適切な加熱流体が通過する熱交換流体通路であってよく、したがって熱は対応する容器内の吸着剤に流れ、以前に吸着されたＣＯ_２の脱着を達成する。かかる温度スイング動作の後、吸着器を通る加熱流体の流れは中断され、次いで冷却流体が吸着器を通され、その中の吸着器の温度を、加熱ステップの過程で取得する温度以下に削減し、したがって吸着剤はそれによってＣＯ_２を含むガスの以後の継続される処理のために更新される。

図２は移動床ＣＯ_２回収システム５０の概略図であり、ここでは、本開示の吸着剤が、ＣＯ_２を含むガスの処理でＣＯ_２回収のために利用できる。

この移動床システムにおいて、燃焼ガス供給ライン５６は、微粒子炭素熱分解生成物吸着剤を重力送り吸着剤容器５２の上端部の中に導入する。容器内で、図２の切取図に示される炭素熱分解生成物吸着剤５４はＣＯ_２を含む燃焼ガスと接触し、ライン６２の吸着剤容器５２に導入される。この接触の結果として、燃焼ガス中の二酸化炭素は、炭素熱分解生成物吸着剤によって吸着される。

その後、ＣＯ_２を運ぶ吸着剤が重力の力を受けて容器内で降下するにつれて、かかる吸着剤は蒸気と接触し、ライン６４内の吸着剤容器５２に導入される。蒸気は、吸着剤が蒸気によって加熱され、温度が上昇するにつれてＣＯ_２の吸着剤からのストリッピングを達成して、ＣＯ_２の吸着剤からの脱着を達成する。脱着されたＣＯ_２は、次いで収集され、ライン６６で吸着剤容器５２から放出される。

この蒸気ストリッピング動作の結果生じるＣＯ_２が枯渇した吸着剤は、吸着剤容器５２の下部に移動し、出口ライン５８でかかる容器からホッパー６０の中に排出される。

当然ながら、図２の吸着剤容器は、容器高さ対容器直径の縦横比、吸着剤容器とのガス流連通で結合される多様な導管の様式および位置、吸着剤のサイズおよび特性、容器に導入されるガス流の流体特性、ならびにそれぞれの流れの温度、圧力、流量および組成等が大幅に変更され得る。

当然ながら、適宜、図１および図２に図示される使用される容器およびＣＯ_２回収装置のプロセス構成は例示的なものにすぎず、ＣＯ_２回収装置で活用される特定の構成要素、システム、および処理手法が動作のためにきわめて異なって構築され、配置され得る。

本開示のＣＯ_２選択式の炭素熱分解生成物吸着剤は、９８％のＣＯ_２回収効率、および９７％超の純度で生成物ＣＯ_２ガスを生成する対応する能力を有する。通常、かかる吸収剤は、電気を発電するために活用される微粉炭火力発電所の燃焼ガスからのＣＯ_２の少なくとも９０％の回収を可能にする。

本開示は、このようにして、たとえばＣＯ_２を、それを含むガス混合物から取り除くためにＣＯ_２の吸着に役立ち、吸着されたＣＯ_２が、ガス混合物から温度、圧力、真空、および濃度勾配の脱着モダリティーの内の任意の１つまたは複数によって脱着可能である炭素吸着剤を考慮し、炭素吸着剤は以下の特性の内の任意の１つまたは複数の特性によって特徴付けられ、かかる特性の内の複数の特性が適用可能であるとき、かかる複数の特性は互いに相互に互換性がある。
（ａ）１バールの圧力および２７３°ケルビンで１０５ｃｃ／グラム超のＣＯ_２容量
（ｂ）７．０重量パーセント超のＣＯ_２ワーキングキャパシティ
（ｃ）それぞれが１０から５０ｋＪ／モルの範囲内にあるＣＯ_２吸着熱およびＣＯ_２脱着熱、および
（ｄ）５超のＣＯ_２／Ｎ_２ヘンリーの法則分離係数
（ｅ）ホモポリマーＰＶＤＣ、ＰＶＤＣ−ＭＡコポリマー、ＰＶＤＣ−ポリ塩化ビニル（ＰＶＤＣ−ＰＶＣ）コポリマー、ポリフリフリルアルコール、ポリアクリロニトリル、および、炭化処理時に炭素材全体で分散種として残されるヘテロ原子を含むポリマーの熱分解生成物であること
（ｆ）５０μｍ超の平均粒径
（ｇ）１０から５００μｍの範囲の粒径
（ｈ）１５０から５００μｍの範囲の粒径
（ｉ）２００から３５０μｍの範囲の中央粒径値
（ｊ）０．５５ｇ／ｍＬ超のかさ密度
（ｋ）それぞれが２０から３０ｋＪ／モルの範囲内にあるＣＯ_２吸着熱およびＣＯ_２脱着熱
（ｌ）３０３°ケルビンおよび４０％相対湿度で、吸着剤の重量当たり５重量％未満の水吸着容量
（ｍ）１ｎｍ以下の平均孔径
（ｎ）細孔容積の少なくとも５０％が０．３５から０．７ｎｍの孔径範囲の孔によって構成される孔
（ｏ）１ｎｍ以下の細孔幅中央値で特徴付けられる孔
（ｐ）ＡＳＴＭ Ｄ５７５７の手順によって測定した場合１ｗｔ％／時未満の摩耗率指数
（ｑ）１グラム当たり少なくとも８００ｍ^２のＮ_２ ＢＥＴ表面積
（ｒ）１グラム当たり少なくとも９００ｍ^２のＮ_２ ＢＥＴ表面積
（ｓ）１グラム当たり少なくとも１０００ｍ^２のＮ_２ ＢＥＴ表面積
（ｔ）１グラム当たり少なくとも０．２ｍＬのＮ_２ミクロ細孔容積
（ｕ）たとえば１グラム当たり０．３から０．６ｍＬの範囲のＮ_２ミクロ細孔容積
（ｖ）１５％のＣＯ_２を含有する空気を含み、水蒸気で飽和した疑似燃焼ガス組成物と、３８３°ケルビンで且つ、吸着剤床１リットル当たりの当該疑似燃焼ガス組成物の１００Ｌ／分の容積流量で接触した場合、少なくとも９０％のＣＯ_２回収回復および少なくとも９０％のＣＯ_２回収純度
(ｗ)８０，０００から１００，０００の範囲内の重量平均分子量を有するホモポリマーＰＶＤＣ、ＰＶＤＣ−ＭＡコポリマーの熱分解生成物であること
（ｘ）１立方センチメートル当たり０．５５グラム超のかさ密度
（ｙ）１立方センチメートル当たり０．９グラム超のかさ密度
（ｚ）１立方センチメートル当たり約１．０から約２．２グラムの範囲のかさ密度
（ａａ）顆粒の形であること
（ａｂ）ビーズの形であること
（ａｃ）モノリスの形をとること
（ａｄ）円筒形であること
（ａｅ）ディスク形であること
（ａｆ）多孔性非黒鉛化炭素から成ること
（ａｇ）１グラム当たりｔｗ ｍ^２からの範囲内であるＮ_２ ＢＥＴ表面積
（ａｈ）実質的にすべての孔の直径が＜２ ｎｍである、多孔性を有すること
（ａｉ）２７３°ケルビンおよび１大気圧で測定した場合、炭素熱分解生成物吸着剤の容積当たり１２０容積超のＣＯ_２のＣＯ_２容量
（ａｊ）２７３°ケルビンおよび１大気圧で測定した場合、炭素熱分解生成物吸着剤の容積当たり１３０容積超のＣＯ_２のＣＯ_２容量
（ａｋ）吸着剤の重量に基づき、１大気ＣＯ_２で少なくとも２０ ｗｔ％のＣＯ_２容量
（ａｌ）５ｋＪ／モル未満のＣＯ_２吸着活性化エネルギー
（ａｍ）それぞれが２５から２８ｋＪ／モルの範囲内にあるＣＯ_２吸着熱およびＣＯ_２脱着熱
（ａｎ）ＣＯ_２が蒸気で吸着剤から脱着可能であること
（ａｏ）ＣＯ_２の吸着および脱着のための少なくとも５０，０００吸着／脱着サイクルの吸着剤寿命
（ａｐ）球面吸着剤顆粒の形をとること
（ａｑ）直径が１００から３００μｍの球面吸着剤顆粒の形をとること
（ａｒ）１００℃で塊状化可能または焼結可能ではないこと
（ａｓ）疎水性であること
（ａｔ）２７３°ケルビンおよび１大気圧で測定した場合、炭素材の容積当たり少なくとも１００容積のＣＯ_２のＣＯ_２容量
（ａｕ）容積当たり＞４０％のミクロ細孔であること
（ａｖ）＜０．７ ｎｍの孔が少なくとも５０％の細孔容積を有すること
（ａｗ）６超のＣＯ_２／Ｎ_２分離係数
（ａｘ）６．２から７．５の範囲のＣＯ_２／Ｎ_２分離係数
（ａｙ）９００ｃｃ／ｐｓｉ／ｃｍ^２／分超のＣＯ_２透過性
（ａｚ）９１０から１２５０ｃｃ／ｐｓｉ／ｃｍ^２／分の範囲のＣＯ_２透過性、および
（ｃａ）下降流反応器での摩耗率指数毎時＜０．０１ｗｔ％
本開示は、このようにして上記パラメータ（ａ）から（ｃａ）の考えられるすべての順列を考慮する。

多様な実施形態では、本開示の炭素吸着剤は、以下によって特徴付けられる。
（ａ）１バールの圧力および２７３°ケルビンで１０５ｃｃ／グラム超のＣＯ_２容量
（ｂ）７．０重量パーセント超のＣＯ_２ワーキングキャパシティ
（ｃ）それぞれが１０から５０ｋＪ／モルの範囲内にあるＣＯ_２吸着熱およびＣＯ_２脱着熱、および
（ｄ）５超のＣＯ_２／Ｎ_２ヘンリーの法則分離係数、および
上述されたパラメータ（ｅ）−（ｃａ）の任意の１つまたは複数。

本開示の炭素熱分解生成物吸着剤の特長および優位点は、以下の非制限実施例によってさらに詳しく示される。

実施例１

燃焼ガスの進入する流れを分離するために、炭素熱分解生成物吸着剤の顆粒の循環し、降下する流れを使用してＣＯ_２回収プロセスが実施された。本実施例で利用された炭素熱分解生成物吸着剤は、以下の特性を有していた。吸着剤の重量当たり２０重量パーセントのＣＯ_２の１大気圧で測定されたＣＯ_２吸着容量、吸着剤によるＣＯ_２のミクロ細孔吸着のための＜５ｋＪ／モルの活性化エネルギー、それぞれ２５から２８ｋＪ／モルの範囲である吸着熱および脱着熱、高い熱水安定性、少なくとも５０，０００吸着／脱着サイクル超の機械的安定度、顆粒直径が１００から３００μｍの範囲である、炭素熱分解生成物吸着剤の球面顆粒形、１００℃の温度での塊状化抵抗、１Ｊｇ／Ｋの熱容量、０．８ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率、および炭素熱分解生成物材料の疎水性。

ＣＯ_２回収プロセスの燃焼ガスは、９０％以上のＣＯ_２が除去された、ＣＯ_２が乏しい燃焼ガス流、ならびに圧縮および隔離等の処分のための純水なＣＯ_２流、に分離された。

ＣＯ_２回収プロセスは、図３に図示した構成を有する統合吸着ストリッパ反応器を利用した。

図３に示されるように、吸着ストリッパ反応器１００は、縦に細長い形態を有し、反応器の上部１０２は、吸着剤戻りライン１０４から再循環された炭素分解生成物吸着剤を受け取る。反応器の上部は、矢印１０６によって概略で表されるベント、およびＣＯ_２が枯渇した空気排出ライン１０８を有する。

導入された炭素熱分解生成物吸着剤は、上部１０２から吸着器部１１０を通って、柱状の反応器を下方に通過する。燃焼ガスは、燃焼ガスが炭素熱分解生成物吸着剤と接触して、排出ライン１０８で排出されるＣＯ_２が枯渇した空気を生じさせる吸着器部１１０を通る上方への流れのために、入口１１４内で燃焼ガス導入部１２２に導入される。

反応器１００は、さらに遷移部１１６、および吸収剤から脱着されたＣＯ_２が出口ライン１２０で排出されるＣＯ_２排出部１１８をさらに備える。ＣＯ_２脱着質は、蒸気入口部１２４へライン１２６内で導入される蒸気を与えられる再生部１２２内で炭素熱分解生成物吸着剤から放散される。

蒸気入口部１２４の下方には、下方に向かって収束する上部漏斗部、中央円筒部、および下方に向かって分岐する下部漏斗部を含む遷移部１２８がある。遷移部１２８の下方には、炭素熱分解生成物吸着剤が脱水される脱水部１３０がある。脱水部１３０は、下部冷却部分１３２と連通する。下部冷却部分１３２は、入口ライン１３４内に導入される冷却水によって冷却され、ライン１３６で排出される。炭素熱分解生成物吸着剤は、このようにして部分１３０および１３２で脱水、冷却され、反応器の上部へのリサイクルのために吸着剤戻りライン１０４に移る。

かかる反応器設計によって、ＣＯ_２の簡略で効率的な分離は連続プロセスで達成され、燃焼ガスからのＣＯ_２の回収は、炭素熱分解生成物吸着剤の顆粒が、重力逆流によって反応器を通って下方に、反応器の吸着剤部１１０内の上方に流れる燃焼ガスに流れるにつれて、ほぼ周囲温度で実行される。吸着されたＣＯ_２は、反応器の下部の低圧（＜５ｐｓｉｇ）流れと接触して〜摂氏１００度までＣＯ_２がローディングされた吸着剤を加熱することによって取り除かれ、回収された高純度のＣＯ_２流を生じさせる。反応器の上部から下部への吸着剤顆粒の下方流れによって、容易に入手可能な構造パッキン材料が反応器で利用され得る。吸着剤からＣＯ_２を除去するために使用される低圧蒸気は、石炭火力発電所では容易に入手できる。

図３に示される反応器の動作では、約１５％のＣＯ_２を含む燃焼ガスが、吸着器部１１０の基部に供給され、排出され、ＣＯ_２が枯渇した空気排出ライン１０８で吸着器の上部でＣＯ_２を除去される。炭素熱分解生成物吸着剤は、吸着器部１１０を通って下方に移動するにつれ、逆流するＣＯ_２および燃焼ガスの窒素、酸素および他の軽量の成分の小さな部分を吸着する。

吸着剤が遷移部１１６を通って下方に移動するにつれて、吸着剤はＣＯ_２の増加する分圧、および灯用ガスの減少する分圧に遭遇する。これによって、吸着剤はより多くのＣＯ_２を吸着し、窒素および酸素を脱着し、したがって遷移部の基部で、吸着剤は純粋なＣＯ_２で飽和する。

蒸気は、〜１バールの圧力でストリッパの中に導入される。蒸気は吸着され、吸着剤温度を上昇させ、ＣＯ_２の脱着を生じさせる。また、蒸気はＣＯ_２の分圧を削減するためにも働き、ＣＯ_２の追加の除去を促進し、結果として生じる脱着されたＣＯ_２は上方に流れ、ストリッパから流れ出し、ストリッパで、脱着されたＣＯ_２は本来純粋なＣＯ_２の生成物流れとして抽出される。

燃焼ガス処理は、図３に図示したタイプの反応器で上述されたように実施された。ＣＯ_２のための炭素熱分解生成物吸着剤の吸着容量は、圧力の関数として等温条件下、Micromeritics ASAP 2020システムで容積法を使用して測定された。５℃で測定された吸着等温線を図４に示す。吸着は、吸着等温線と脱着等温線との間にヒステリシスがないことによって示されるように可逆であった。吸着されたＣＯ_２の高い量（１００ｃｃ／ｇ）が、吸着剤が５℃で２０ｗｔ％に近づいた高い容量を有していたことを示した。

高いＣＯ_２容量は、吸着剤の相対的に高い表面積に起因していた。炭素熱分解生成物吸着剤の表面積は、２０℃でのＣＯ_２吸着等温線から決定された。ＣＯ_２吸着等温線のDubinin-Polanyi プロットから、吸着剤の表面積は、１３２０ｍ^２／ｇであると決定された。この測定された表面積に基づき、吸着剤でのＣＯ_２の２０ｗｔ％ローディング時も吸着剤表面にはＣＯ_２の単分子層よりも大幅に少ない適用範囲が存在したと結論付けられた。

ＣＯ_２吸着に対する水分の影響は相対的に小さかった。固定床吸着器実験は、多様なレベルの相対湿度を含む空気‐１５％ＣＯ_２を用いて２５℃で実施された。ＣＯ_２容量は、燃焼ガス中の高レベルの水分（たとえば、８０％相対湿度）によって２０％未満減少した。

ＣＯ_２は、加熱されるにつれ、吸着剤から急速に脱着し、脱着の速度はおもにガス中のＣＯ_２の温度の上昇および分圧によって決定された。ＣＯ_２の脱着は、熱重量分析（ＴＧＡ）によって特徴付けられ、吸着剤は、最初に３０℃で各ＣＯ_２分圧の下で釣り合い、その後に温度がアルゴン中のＣＯ_２の示されたレベルを含むガス流で段階的に上昇した。ＣＯ_２の脱着に起因する質量変化は、ＣＯ_２の温度および分圧の関数として測定された。図５は、一連のＣＯ_２−Ａｒガス混合物の温度の関数としてのＣＯ_２の熱脱離を示す。質量の変化は、吸着剤からのＣＯ_２の脱着に起因していた。質量の変化は、各温度上昇後非常に急速であり、すぐに定常状態に達し、吸着剤からのＣＯ_２の急速な脱着を示した。脱着の程度は、ＣＯ_２の低分圧によって促進されたが、ＣＯ_２は１００℃での純粋なＣＯ_２中でも脱着できた。

高い機械強度および摩耗抵抗は、固体吸着剤を使用するどのようなＣＯ_２回収プロセスでも重要な属性である。ＣＯ_２吸着プロセスで活用された吸収剤顆粒の圧縮強度は１８，０００ｐｓｉであり、高度に多孔性の吸着剤にとって非常に高い値であった。降下式顆粒反応器で経験される条件下で、これらの高強度炭素吸着剤顆粒は壊変にきわめて耐性があった。

炭素熱分解生成物吸着剤顆粒の摩耗抵抗は、流動床反応器触媒用に設計されたＡＳＴＭ Ｄ７５７エアジェット試験手順によって測定された。試験の１時間と５時間との間の重量損失の率として定義される摩耗率指数は、毎時＜０．０１ｗｔ％に過ぎなかった。この低い値は、炭素熱分解生成物吸着剤が非常に丈夫であり、通常毎時４％の摩耗指数を示すＦＣＣ触媒よりもはるかに摩耗抵抗が高いことを示している。ＡＳＴＭ試験では、炭素熱分解生成物吸着剤顆粒の５０ｇｍのバッチが、高速エアジェット（〜５００ｍ／秒）として空気が通過した直径０．０３８ｃｍの３つの穴があるディスクの上部にある円錐容器の内部に置かれた。この試験の炭素熱分解生成物吸着剤顆粒は、噴流によって加速され、互いおよび壁と衝突した。摩耗により顆粒から分離した固体粉末は、流れる空気によって運び去られ、飛沫同伴された粉末は摩耗率指数を計算するためにフィルタ内に集められた。降下式顆粒反応器では、このようにして、炭素熱分解生成物吸着剤の摩耗はきわめて低い。

炭素熱分解生成物吸着剤顆粒の高い摩耗抵抗は、直径６インチの統合吸着器ストリッパシステムでの５０時間試験でも実証された。ＣＯ_２が乏しい吸着器排気中の細粒は、細粒フィルタで収集された。微粉の質量は、吸着剤の質量の０．２％であった。それらの微粉の一部は、フィード内に存在し、水簸された微粉である可能性が高かった。収集されたすべての微粉が摩耗によって生じたと仮定されると、吸着器ストリッパシステムの動作寿命は３年以上となるだろう。しかしながら、微粉の顕微鏡検査は、９５％以上が、製造時の損傷を受けていない球面顆粒であったことを示していた。破砕を示す粗い表面は容易に明らかではなかった。したがって、かかる吸着剤ストリッパシステムでの吸着剤の動作寿命は、摩耗効果によって制限されないと結論付けられた。

図６は、図３に示した一般的な構成を有する２インチ（内径）の反応器での典型的なランで吸着器およびストリッパを離れるガスの組成を示す。反応器は、１大気圧で周囲空気と混合された１５％ＣＯ_２で運転された。吸着剤の導入後、吸着器流出ガス中のＣＯ_２濃度は、１４．５％から０．３％に急激に減少した。この減少は、ガスの容積流量の変化の主要因となった後、供給ガスからの９８％のＣＯ_２回収に相当した。ストリッパからのＣＯ_２が豊富な流れの対応する組成トレースも、図６に示される。蒸気がストリッパの中へ導入されると、ＣＯ_２は吸着剤から脱着された。ストリッパ流出ガスのＣＯ_２濃度は増加し、約１分後に＞９０％値を達成した。定常状態条件下、このランで達成されたＣＯ_２純度は９７％であった。

図３に図示したタイプの６インチ（内径）統合反応器で、長期研究が実施された。統合反応器システムは、１５％のＣＯ_２を含む周囲空気を使用して運転された。この上方に流れるガス流は、吸着器柱を下って流れる炭素熱分解生成物吸着剤顆粒に接触し、ＣＯ_２は炭素熱分解生成物吸着剤で吸着された。吸着剤は、重力によって、吸着剤がストリッパの中に直接的に流れ込む蒸気によって〜１１０℃まで加熱された（吸着器部とストリッパ部との間の遷移部とともに）ストリップ部まで下方に流れ続けた。ＣＯ_２は、吸着剤から脱着され、ストリッパの中から流れ出た。吸着剤は、ストリッパから、吸着された水が上方に流れる空気の流れによって取り除かれた脱水器の中に流れ落ちた。この脱水ステップが、吸着剤を１１０℃から６０℃に冷却する。商業的な業務では、放出された水分は水を回収するために凝縮できる。追加の吸着剤冷却は、冷水がコイルを通過して流れた熱交換器内の柱の下部で達成された。３０℃まで冷却された吸着剤顆粒は、スクリューフィーダーを使用して引き抜かれ、追加のＣＯ_２吸着のために吸着器の上部に空気圧で持ち上げられた。このようにして、吸着器の上部への吸着剤の戻りを除き、吸着剤はこのシステムで重力によって下方に流れた。かかる配置がエネルギー消費を最小限に抑え、吸着剤顆粒の摩耗を削減する、または排除する。

本システムは、図７のデータによって示されるように、１０００サイクルテストを経てもなんの重大な困難なく運転できた。反応器の性能は、運転期間中安定したままだった。吸着剤の冷却を改善するための統合反応器システムの若干の修正後、回収効率およびＣＯ_２生成物ガス純度はそれぞれ９５％および９８％であった。システムの起動およびシステムの停止は、円滑に達成された。吸着剤顆粒のＣＯ_２吸着等温線は、１０００サイクルテスト後の炭素熱分解生成物吸着剤顆粒についてだけではなく、新しい炭素熱分解生成物吸着剤顆粒についても測定された。図８に図示したそれぞれの吸着等温線は、ほぼ同一であり、炭素熱分解生成物吸着剤が長期試験中に劣化しなかったことを示す。

その結果、本開示は本明細書で特定の態様、特長、および実例となる実施形態を参照して説明されてきたが、かかる態様、特長および実施形態の有用性はこのようにして制限されるのではなく、むしろ本明細書の説明に基づいて、本開示の分野の当業者に対してそれら自体を示唆するように、多数の他の変形形態、修正形態、および代替実施形態を含むことが理解される。それに応じて、以下に請求される本発明は、かかるすべての変形形態、修正形態および代替実施形態をその精神および範囲内に含むとして幅広く理解され、解釈されることが意図される。

Claims (36)

1. 以下の特性：
   （ａ）１バールの圧力および２７３°ケルビンの温度で１０５ｃｃ／グラム超のＣＯ_２容量；
   （ｂ）７．０重量パーセント超のＣＯ_２ワーキングキャパシティ；
   （ｃ）それぞれが１０から５０ｋＪ／モルの範囲内にあるＣＯ_２吸着熱およびＣＯ_２脱着熱；並びに
   （ｄ）５超のＣＯ_２／Ｎ_２ヘンリーの法則分離係数、
   を有する炭素吸着剤。
2. ５０μｍ超の平均粒径を有する、請求項１に記載の吸着剤。
3. １０から５００μｍの範囲の直径の粒子を備える、請求項１に記載の吸着剤。
4. １５０から５００μｍの範囲の直径の粒子を備える、請求項１に記載の吸着剤。
5. ２００から３５０μｍの範囲の粒径中央値を有する粒子を備える、請求項１に記載の吸着剤。
6. ０．５５ｇ／ｍＬ超のかさ密度を有する、請求項１に記載の吸着剤。
7. ３０３°ケルビンおよび４０％相対湿度で、前記吸着剤の重量当たり５重量％未満の水吸着容量を有する、請求項１に記載の吸着剤。
8. １ｎｍ以下の平均孔径によって特徴付けられる孔を有する、請求項１に記載の吸着剤。
9. 細孔容積の少なくとも５０％が０．３５から０．７ｎｍの孔径範囲の孔によって構成される孔を有する、請求項１に記載の吸着剤。
10. １ｎｍ以下の細孔幅中央値によって特徴付けられる孔を有する、請求項１に記載の吸着剤。
11. ＡＳＴＭ Ｄ５７５７の手順によって測定された場合、１ｗｔ％／時間未満の摩耗率指数（attrition rate index）を有する、請求項１に記載の吸着剤。
12. １グラム当たり少なくとも８００ｍ^２のＮ_２ ＢＥＴ表面積を有する、請求項１に記載の吸着剤。
13. １グラム当たり少なくとも０．２ミリリットルのＮ_２ミクロ細孔容積を有する、請求項１に記載の吸着剤。
14. 前記吸着剤がＰＶＤＣホモポリマーの熱分解生成物である、請求項１に記載の吸着剤。
15. 前記吸着剤がＰＶＤＣコポリマーの熱分解生成物である、請求項１に記載の吸着剤。
16. 前記ＰＶＤＣコポリマーが、アクリル酸エステルのコポリマーを含む、請求項１５に記載の吸着剤。
17. 前記アクリル酸エステルがメチルアクリレートを含む、請求項１６に記載の吸着剤。
18. １５％のＣＯ_２を含有する空気を含み、水蒸気で飽和した疑似燃焼ガス組成物と、３８３°ケルビン且つ、吸着剤床１リットル当たり１００Ｌ／分の当該疑似燃焼ガス組成物の容積流量で接触したときに、少なくとも９０％のＣＯ_２回収回復および少なくとも９０％のＣＯ_２回収純度を特徴とする、請求項１に記載の吸着剤。
19. それぞれが１０から５０ｋＪ／モルの範囲内にあるＣＯ_２吸着熱およびＣＯ_２脱着熱を特徴とする、請求項１に記載の吸着剤。
20. ＣＯ_２回収のために炭素材を作成する方法であって、以下の特性：
    （ａ）１バールの圧力および２７３°ケルビンの温度で１０５ｃｃ／グラム超のＣＯ_２容量；
    （ｂ）７．０重量パーセント超のＣＯ_２ワーキングキャパシティ；
    （ｃ）それぞれが１０から５０ｋＪ／モルの範囲内にあるＣＯ_２吸着熱およびＣＯ_２脱着熱；並びに
    （ｄ）５超のＣＯ_２／Ｎ_２ヘンリーの法則分離係数、
    を有する炭素熱分解生成物吸材料を生じさせるのに有効な条件下でポリマー樹脂材料またはコポリマー樹脂材料を熱分解することを含む前記方法。
21. 前記樹脂がＰＶＤＣホモポリマーを含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記樹脂がＰＶＤＣコポリマーを含む、請求項２０に記載の方法。
23. 前記ＰＶＤＣコポリマーが、アクリル酸エステルのコポリマーを含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記アクリル酸エステルがメチルアクリレートを含む、請求項２３に記載の方法。
25. 前記樹脂が、８０，０００から１００，０００の範囲内の重量平均分子量を有するＰＶＤＣ−ＭＡコポリマーを含む、請求項２０に記載の方法。
26. 前記熱分解が、不活性雰囲気下で６００℃から９００℃の範囲の温度で実施される、請求項２０に記載の方法。
27. 続いて、２５０℃超の温度で酸化性雰囲気へ前記炭素熱分解生成物材料を暴露することを含む、請求項２６に記載の方法。
28. 前記炭素熱分解生成物吸着剤でのＣＯ_２の吸着を達成する条件下でＣＯ_２を含む流体に接触するために配置される、請求項１から１９のいずれか１項に記載の炭素吸着剤を備えるＣＯ_２回収装置。
29. 圧力スイング吸着システムを備える、請求項２８に記載のＣＯ_２回収装置。
30. 温度スイング吸着システムを備える、請求項２８に記載のＣＯ_２回収装置。
31. 真空スイング吸着システムを備える、請求項２８に記載のＣＯ_２回収装置。
32. 移動床接触システムを備える、請求項２８に記載のＣＯ_２回収装置。
33. 前記装置が、前記炭素熱分解生成物吸着剤がＣＯ_２で少なくとも部分的にローディングされるようになった後に前記炭素熱分解生成物吸着剤を再生するように適応される、請求項２８に記載のＣＯ_２回収装置。
34. 請求項１から１９のいずれか１項に記載の炭素吸着剤とＣＯ_２を含む流体とを、前記炭素熱分解生成物吸着剤でＣＯ_２の吸着を達成する条件下で接触させることを含む、ＣＯ_２回収方法。
35. 前記炭素熱分解生成物吸着剤がＣＯ_２で少なくとも部分的にローディングされるようになった後に前記炭素熱分解生成物吸着剤を再生することをさらに含む、請求項３４に記載のＣＯ_２回収方法。
36. 前記吸着剤が：
    （ｅ）ホモポリマーＰＶＤＣ、ＰＶＤＣ−ＭＡコポリマー、ＰＶＤＣ−ポリ塩化ビニル（ＰＶＤＣ−ＰＶＣ）コポリマー、ポリフリフリルアルコール、ポリアクリロニトリル、および、炭化処理時に前記炭素材全体で分散種として残されるヘテロ原子を含むポリマーの熱分解生成物であること；
    （ｆ）５０μｍ超の平均粒径；
    （ｇ）１０から５００μｍの範囲の粒径；
    （ｈ）１５０から５００μｍの範囲の粒径；
    （ｉ）２００から３５０μｍの範囲の粒径中央値；
    （ｊ）０．５５ｇ／ｍＬ超のかさ密度；
    （ｋ）それぞれが２０から３０ｋＪ／モルの範囲内にあるＣＯ_２吸着熱およびＣＯ_２脱着熱；
    （ｌ）３０３°ケルビンおよび４０％相対湿度で、前記吸着剤の重量当たり５重量％未満の水吸着容量；
    （ｍ）１ｎｍ以下の平均孔径；
    （ｎ）前記細孔容積の少なくとも５０％が０．３５から０．７ｎｍの孔径範囲の孔によって構成される孔；
    （ｏ)１ｎｍ以下の細孔幅中央値で特徴付けられる孔；
    （ｐ）ＡＳＴＭ Ｄ５７５７の手順によって測定した場合、１ｗｔ％／時未満の摩耗率指数；
    （ｑ）１グラム当たり少なくとも８００ｍ^２のＮ_２ ＢＥＴ表面積；
    （ｒ）１グラム当たり少なくとも９００ｍ^２のＮ_２ ＢＥＴ表面積；
    （ｓ）１グラム当たり少なくとも１０００ｍ^２のＮ_２ ＢＥＴ表面積；
    （ｔ）１グラム当たり少なくとも０．２ｍＬのＮ_２ミクロ細孔容積；
    （ｕ）１グラム当たり０．３から０．６ｍＬの範囲のＮ_２ミクロ細孔容積；
    （ｖ）３８３°ケルビンで且つ、前記吸着剤床１リットル当たり１００Ｌ／分の疑似燃焼ガス組成物の容積流量で、１５％のＣＯ_２を含有する空気を含み、水蒸気で飽和した疑似燃焼ガス組成物と接触した場合、少なくとも９０％のＣＯ_２回収回復および少なくとも９０％のＣＯ_２回収純度；
    （ｗ）８０，０００から１００，０００の範囲の重量平均分子量を有するホモポリマーＰＶＤＣ、ＰＶＤＣ−ＭＡコポリマーの熱分解生成物であること；
    （ｘ）１立方センチメートル当たり０．５５グラム超のかさ密度；
    （ｙ）１立方センチメートル当たり０．９グラム超のかさ密度；
    （ｚ）１立方センチメートル当たり約１．０から約２．２グラムの範囲のかさ密度；
    （ａａ）顆粒の形をとること；
    （ａｂ）ビーズの形であること；
    （ａｃ）モノリスの形をとること；
    （ａｄ）円筒形であること；
    （ａｅ）ディスク形であること；
    （ａｆ）多孔性非黒鉛化炭素であること；
    （ａｇ）１グラム当たりｔｗ ｍ^２からの範囲内であるＮ_２ ＢＥＴ表面積；
    （ａｈ）実質的にすべての孔の直径が＜２ｎｍである、多孔性を有すること；
    （ａｉ）２７３°ケルビンおよび１大気圧で測定した場合、炭素熱分解生成物吸着剤の容積当たり１２０容積超のＣＯ_２のＣＯ_２容量；
    （ａｊ）２７３°ケルビンおよび１大気圧で測定した場合、炭素熱分解生成物吸着剤の容積当たり１３０容積超のＣＯ_２のＣＯ_２容量；
    （ａｋ）前記吸着剤の重量に基づき、１大気ＣＯ_２で少なくとも２０ｗｔ％のＣＯ_２容量；
    （ａｌ）５ｋＪ／モル未満のＣＯ_２吸着活性化エネルギー；
    （ａｍ）それぞれが２５から２８ｋＪ／モルの範囲内にあるＣＯ_２吸着熱およびＣＯ_２脱着熱；
    （ａｎ）ＣＯ_２が蒸気で前記吸着剤から脱着可能であること；
    （ａｏ）ＣＯ_２の吸着および脱着のための少なくとも５０，０００吸着／脱着サイクルの吸着剤寿命；
    （ａｐ）球面吸着剤顆粒の形をとること；
    （ａｑ）直径が１００から３００μｍの球面吸着剤顆粒の形をとること；
    （ａｒ）１００℃で塊状化可能または焼結可能ではないこと；
    （ａｓ）疎水性であること；
    （ａｔ）２７３°ケルビンおよび１大気圧で測定した場合、炭素材の容積当たり少なくとも１００容積のＣＯ_２のＣＯ_２容量；
    （ａｕ）容積当たり＞４０％のミクロ細孔であること；
    （ａｖ）＜０．７ ｎｍの孔が少なくとも５０％の細孔容積を有すること；
    （ａｗ）６超のＣＯ_２／Ｎ_２分離係数；
    （ａｘ）６．２から７．５の範囲のＣＯ_２／Ｎ_２分離係数；
    （ａｙ）９００ｃｃ／ｐｓｉ／ｃｍ２／分超のＣＯ_２透過性；
    （ａｚ）９１０から１２５０ｃｃ／ｐｓｉ／ｃｍ^２／分の範囲のＣＯ_２透過性、並びに
    （ｃａ）下降流反応器での摩耗率指数毎時＜０．０１ｗｔ％；
    から成る群から選択される少なくとも１つの追加の互換性がある特性を有する、請求項１に記載の炭素吸着剤。

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