JP2023516942A - ヒドロゲルを使用する二酸化炭素捕捉プロセス - Google Patents

ヒドロゲルを使用する二酸化炭素捕捉プロセス Download PDF

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Abstract

本出願は、二酸化炭素（ＣＯ２）を低ＣＯ２濃度ガス流から除去するためのプロセスに関する。このプロセスは、ガス流から少なくともいくらかのＣＯ２を吸収するために、ガス流をヒドロゲルと接触させることを含む。ヒドロゲルは、架橋剤で架橋した親水性ポリマーを含む架橋親水性ポリマーを含む。ヒドロゲルを調製するためのプロセス、ヒドロゲルのタイプ、ヒドロゲルを使用して、ガス流からＣＯ２を除去すること、及びヒドロゲルを再生して、吸収されたＣＯ２をヒドロゲルから回収することも開示される。【選択図】図１１

Description

相互参照
本出願は、２０２０年２月２８日に出願された豪国仮特許出願第２０２０／９００５８２号からの優先権を主張し、この内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、低ＣＯ２濃度ガス流から二酸化炭素（ＣＯ２）を捕捉するためのプロセスに関する。特に、本開示は、ポリアミンヒドロゲルを使用することなどによって、低ＣＯ２濃度ガス流からＣＯ２を吸収するためのヒドロゲルの使用に関する。
液体及び固体系吸収媒の使用を含む、ＣＯ２の直接空気捕捉のための様々な手法が使用されてきた。採用される液体は、典型的には、ＣＯ２と化学的に反応する水酸化物溶液を伴う。しかしながら、材料を再生するための取り込み速度及びエネルギー要件が課題となっている。加えて、高アルカリ性液体によって引き起こされる腐食による問題がある。アミン担持多孔質担体及び金属有機構造体を含む、使用することができる数多くの新たな固体材料がある。これらの材料は、水酸化物溶液と比較して、より低い再生エネルギーを供与するが、合成コストが高い場合があり、これらの材料のいくつかは、水蒸気、又はガスの他の成分の存在に敏感である。
液体の利点（ＣＯ２についての高い選択性、及び低コスト）を固体の利点（低い再生エネルギー及び高い取り込み速度）と組み合わせることができる手法などの代替的な手法を提供する必要性がある。
本発明者らは、ヒドロゲルを使用してガス流から二酸化炭素（ＣＯ２）を除去するためのプロセスについての探究及び開発に取り組んできた。ヒドロゲル組成物は、ＣＯ２吸収効率に対する制御を提供するように調整することができる。特に、ヒドロゲルは、ヒドロゲル内のＣＯ２を吸収することによって、低ＣＯ２濃度ガス流からＣＯ２を除去し、それによってガス流からそれを除去することができる。次いで、吸収されたＣＯ２をヒドロゲルから採取することができ、再生されたヒドロゲルを再利用して、より多くのＣＯ２を吸収することができる（例えば、再循環）。本明細書に記載される本開示は、産業用途にも拡張可能であり得、特に直接空気捕捉での使用を見出すことができる。架橋ヒドロゲルの選択を使用する本プロセスは、液体の利点（ＣＯ２についての高い選択性、及び低コスト）を固体の利点（低い再生エネルギー及び高い取り込み速度）と組み合わせることができる。少なくとも本明細書に記載されるようないくつかの例及び実施形態によれば、ヒドロゲルはまた、水の存在に耐性があることが見出されており、広範囲の条件下（例えば、湿度を含む）でＣＯ２を吸収することができる。
一態様では、約１００，０００ｐｐｍ未満のＣＯ２濃度を有する低ＣＯ２濃度ガス流から二酸化炭素（ＣＯ２）を除去するためのプロセスであって、
ガス流を、ガス流から少なくともいくらかのＣＯ２を吸収するためのヒドロゲルと接触させることを含み、
ヒドロゲルが、架橋剤と架橋した親水性ポリマーを含む架橋親水性ポリマーを含む、プロセスを提供する。
ある実施形態では、架橋親水性ポリマーは、ポリアミン又はそのコポリマーを含む。一実施形態では、ポリアミン又はそのコポリマーは、約０．０１モル％～約５０モル％の架橋剤で架橋される。一実施形態では、親水性ポリマーは、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）である。一実施形態では、ヒドロゲルは、架橋ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）を含む。
別の実施形態では、架橋親水性ポリマーは、ポリアクリルアミド又はそのコポリマーを含む。一実施形態では、ポリアクリルアミド又はそのコポリマーは、約０．０１モル％～約５０モル％の架橋剤で架橋される。一実施形態では、親水性ポリマーは、ポリアクリルアミド、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）部分カリウム塩、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）部分ナトリウム塩、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－メチレンビスアクリルアミド）、又はポリ（アクリルアミド－ｃｏ－エチレングリコールジメタクリレート）である。
ある実施形態では、ヒドロゲルは、複数の粒子として提供される。一実施形態では、ヒドロゲルは、自己支持性ヒドロゲルである（例えば、ヒドロゲルは、支持材料の不在下でその形態及び吸収能力を維持することができる）。ある実施形態では、ヒドロゲルは、液体膨潤剤を含む。液体膨潤剤は、水又は非水性溶媒、例えば、極性溶媒であり得る。極性溶媒はまた、ＣＯ２に結合又は溶解することが可能であり得る。
ある実施形態では、ガス流は、約１，０００ｐｐｍ未満のＣＯ２濃度を有する。別の実施形態では、ガス流は、約５００ｐｐｍ未満のＣＯ２濃度を有する。別の実施形態では、ガス流は、周囲空気中のＣＯ２濃度と本質的に同等のＣＯ２濃度を有する（例えば、現在の大気条件は、約４１５ｐｐｍを提供し、これは、人為的放出によって増加している）。一実施形態では、ガス流は、周囲空気である。ある実施形態では、プロセスは、直接空気捕捉（ＤＡＣ）である。
ヒドロゲル、ガス流、プロセス、及びシステムの他の態様、実施形態、及び例が本明細書に記載されることが認識されよう。
一実施形態による、ＰＥＩヒドロゲルの製造及び構造の図。 （ａ）低い剛性（ｂ）中程度（ｃ）高い剛性を有する粉砕されたＰＥＩヒドロゲル。最も高い剛性構造を有するＰＥＩゲルは、上出来なＰＥＩ雪の製造を可能にする。（ａ）３０．０質量％のＰＥＩ約１，８００／６．０質量％のＢＤＤＥ、（ｂ）３０．０質量％のＰＥＩ約２５，０００／１．０質量％のＢＤＤＥ、（ｃ）３０．０質量％のＰＥＩ約７５０，０００／１．０質量％のＢＤＤＥ 種々の剛性を有する典型的なＰＥＩヒドロゲル雪粒子のＳＥＭ画像。（ａ）６．０質量％のＢＤＤＥを有する３０．０質量％のＰＥＩ約１，８００（低い剛性）、（ｂ）１．０質量％のＢＤＤＥを有する３０．０質量％ＰＥＩ約１０，０００（中程度の剛性）、（ｃ）２．０質量％のＢＤＤＥを有する３０．０質量％のＰＥＩ約２５，０００（高い剛性）、（ｄ）４．０質量％のＢＤＤＥを有する３０．０質量％のＰＥＩ約２５，０００（極めて高い剛性）。 様々な量のＢＤＤＥと反応するＰＥＩのＩＲスペクトル（ＰＥＩ約２５，０００濃度３０．０質量％） 使用されるＢＤＤＥ濃度に対する（Ｃ－Ｎ対Ｃ－Ｈバンド強度の）ピーク面積比の変動。Ｃ－Ｎ及びＣ－Ｈ伸縮振動に対応するピークを積分し、比率（約２９００ｃｍ－１でのＣ－Ｈバンドに対する約１１００ｃｍ－１でのＣ－Ｎバンド）を決定した。Ｃ－Ｈバンドに対して、Ｃ－Ｎバンドの割合が増加し、変化が直線的であることが明らかである（Ｒ２約０．９８）。これにより、ＢＤＤＥがＰＥＩと反応していることが裏付けられる。興味深いことに、当初、約２９００ｃｍ－１でのＣ－Ｈピーク強度は低下したが、より多いクロスリンカー量（１００μＬの後）では顕著に変化しなかったのに対して、Ｃ－Ｎピーク約１１００ｃｍ－１の強度は徐々に増加した。 既知のクロスリンカー濃度（３００μＬ）に曝露した場合の、ＰＥＩのＩＲスペクトルの一過性変化。Ｃ－Ｏ－Ｃ変角振動による９１１ｃｍ－１でのピークが時間とともに低下することは明らかであり、これは１，３－ブタジエン上のエポキシド基のＰＥＩとの反応と一致する。この研究は、反応をその場で監視することができ、ＢＤＤＥのすべてが変換され、ＰＥＩヒドロゲル中に、未反応のＢＤＤＥがほぼ残っていないか、又はごくわずかであることを明確に示している。 （ａ）経時的に乾燥純ＣＯ２（＞９９％）に曝露された、２．０質量％のＢＤＤＥ％及び３０質量％のＰＥＩを有するＰＥＩ雪約２５，０００質量％のＩＲスペクトル。（ｂ）ＣＯ２投入ＰＥＩ雪約２５，０００の質量損失及びＨ２Ｏイオン電流。（ｃ）ＣＯ２投入ＰＥＩ雪約２５，０００（２．０質量％のＢＤＤＥ及び３０質量％のＰＥＩ）の質量損失及びＣＯ２イオン電流 周囲ガス流からのＣＯ２及び残留水分の吸収を示す、乾燥ＰＥＩ雪（例えば、非膨潤）のＤＡＣ結果。 ２つの架橋レベル（３００マイクロリットル及び６００マイクロリットル／１．５ｇのＰＥＩ）でのＰＥＩ雪のＤＡＣ性能の比較（流速は、１０００ｍｌ／分である）。 流速のＤＡＣ性能への影響 １０００ｍｌ／分の流速でグリセロール中に溶解されたＰＥＩ雪（質量比２：１）のＤＡＣ結果 加熱された水槽が、材料を通って流れるスチームを有する充填カラムに接続されている、スチームを使用する脱離 Ａ及びＢ）ＤＡＣ吸収及び脱離ヒドロゲル再生研究の時間に対する排出ＣＯ２濃度のプロット（９回のサイクル）。 （ａ）３．０質量％、（ｂ）６．０質量％のＴＴＥを有するＰＥＩ雪の外観及び剛性。 ＴＴＥ架橋ＰＥＩ雪の合成（第１のステップ）、及びＰＥＩ雪によるＣＯ２のその後の直接空気捕捉（第２のステップ）。 ＰＥＩとＴＴＥとの間の経時的な架橋反応（３０質量％のＰＥＩ－２５，０００、及び６．０質量％のＴＴＥ）のＩＲスペクトル。 ヒドロゲルのＤＡＣ性能を評価するための実験設備の概略図。１．空気圧縮機２．ガス圧力ゲージ３．マスフローコントローラ４．バブラー５．試料カラム６．同位体分析器。 比較的大きい規模でのＰＥＩ雪のＤＡＣ性能を評価するための実験設備。 様々な流速でのＰＥＩ雪カラム（３０質量％のＰＥＩ－２５，０００、及び６．０質量％のＴＴＥ）の出口ＣＯ２濃度、（ｂ）様々な流速でのＰＥＩ雪（３０質量％のＰＥＩ－２５，０００、及び６．０質量％のＴＴＥ）のＣＯ２取り込み及びｔ９０％のまとめ、（ｃ）様々な流速でのＰＥＩ雪カラム（３０質量％のＰＥＩ－２５，０００、及び３．０質量％のＴＴＥ）の出口ＣＯ２濃度、様々な流速でのＰＥＩ雪（３０質量％のＰＥＩ－２５，０００、及び３．０質量％のＴＴＥ）のＣＯ２取り込み及びｔ９０％のまとめ。 （上）スチームで加熱することによるＴＴＥ架橋ＰＥＩ雪の吸収／脱離（再生）。ＣＯ２の取り込み及び材料の外観のどちらも、１０回の吸収－脱離サイクル（３０質量％のＰＥＩ－２５，０００、及び６．０質量％のＴＴＥ、２０００ｍｌ／分）後にほとんど変化しなかった。（下）ＣＯ２が各サイクルにおいて完全に脱離され、ＰＥＩ雪のＤＡＣ能力がスチーム熱によって損なわれなかったことを示す１回目、５回目、及び最後の再生サイクルの吸収曲線。 多数サイクルにおける、ＴＴＥ架橋ＰＥＩ雪によるＣＯ２吸収及び脱離のＩＲスペクトル。 大きいベンチ規模でのＴＴＥ架橋ＰＥＩ雪のＤＡＣ性能。（挿入部）ＤＡＣ実験条件の主な入力及び出力。 ポリアクリルアミドヒドロゲルを使用する直接空気捕捉（ＤＡＣ）。
本開示は、ヒドロゲルを使用してガス流（例えば、大気）から二酸化炭素（ＣＯ２）を除去するためのプロセスを特定するために取り組まれた調査に関する、以下の様々な非限定的な実施形態について記載する。驚くべきことに、ヒドロゲルは、低ＣＯ２濃度ガス流からＣＯ２を吸収するために使用することができることが見出された。ヒドロゲルは、ＣＯ２を吸収及び保持することができる架橋親水性ポリマーを含む。捕捉されたＣＯ２は、ヒドロゲルから除去することができ、再生されたヒドロゲルは、低ＣＯ２濃度環境からＣＯ２を捕捉するための吸着剤材料として再利用することができる。
用語
以下の記載では、本明細書の一部を形成し、例示としていくつかの実施形態を示す添付図面を参照する。他の実施形態を利用することができ、本開示の範囲から逸脱することなく構造的変更を行うことができることが理解される。
本明細書に提供される定義に関して、別段記述されない限り、又は文脈から暗示されない限り、定義された用語及び語句は、提供された意味を含む。別段明示的に記述されない限り、又は文脈から明白でない限り、下記の用語及び語句は、用語又は語句が当業者によって取得された意味を排除しない。定義は、特定の実施形態について記載するのを補助するために提供され、本発明の範囲が請求項によってのみ限定されるため、特許請求される発明を限定することを意図するものではない。さらに、文脈によって別段要求されない限り、単数形の用語は複数形を含むものとし、複数形の用語は単数形を含むものとする。
本明細書で議論及び／又は参照されるすべての刊行物は、それら全体が本明細書に組み込まれる。
本明細書に含まれている文書、行為、材料、デバイス、物品などのあらゆる議論は、本開示についての文脈を提供することのみを目的としている。これら事項のいずれか又はすべては、先行技術の基盤の一部を形成するか、又は本出願の各請求項の優先日以前に存在するように本開示に関する分野において共通の一般知識であったと認めるものではない。
本開示全体を通して、別段具体的に記述されない限り、又は文脈が別段要求しない限り、単一のステップ、事項の組成物、ステップの群、又は事項の組成物の群への言及は、これらのステップ、事項の組成物、ステップの群、又は事項の組成物の群のうちの１つ及び複数（すなわち、１つ以上）を包含するように取られるものとする。したがって、本明細書で使用されるとき、単数形形態の「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が別段明確に指示しない限り、複数の態様を含む。例えば、「ａ」への言及は、単一及び２つ以上を含み、「ａｎ」への言及は、単一及び２つ以上を含み、「ｔｈｅ」への言及は、単一及び２つ以上などを含む。
当業者は、本明細書における開示が、具体的に記載されるもの以外の変形例及び修正例の影響を受けやすいことを認識するであろう。本開示は、すべてのそのような変形例及び修正例を含むことを理解されたい。本開示はまた、本明細書において、個々に若しくは総称して言及又は示される、例、ステップ、特徴、方法、組成物、コーティング、プロセス、及びコーティングされた基材のすべて、並びにいかなる及びすべての組み合わせ、又は上記ステップ若しくは特徴のうちのいずれか２つ以上を含む。
「及び／又は」、例えば「Ｘ及び／又はＹ」という用語は、「Ｘ及びＹ」又は「Ｘ又はＹ」のいずれかを意味すると理解されるものとし、両方の意味又はいずれかの意味についての明示的な支持を提供するように取られるものとする。
別段指示されない限り、「第１の」、「第２の」などという用語は、本明細書では単にラベルとして使用され、これらの用語が指す品目に順序的、位置的、又は階層的な要件を課すことを意図するものではない。さらに、「第２の」品目への言及は、より小さい番号が付いた品目（例えば、「第１の」品目）及び／若しくはより大きい番号が付いた品目（例えば、「第３の」品目）の存在を必要としないか、又は除外しない。
本明細書で使用されるとき、「のうちの少なくとも１つ」という語句は、品目の一覧とともに使用される場合、一覧にされた品目のうちの１つ以上の異なる組み合わせを使用することができ、一覧中の品目のうちの１つのみが必要とされ得ることを意味する。品目は、特定の物体、物、又はカテゴリーであり得る。言い換えれば、「のうちの少なくとも１つ」は、品目のいかなる組み合わせ又は品目の数を一覧から使用することができることを意味するが、一覧中のすべての品目が必要なわけではない。例えば、「品目Ａ、品目Ｂ、及び品目Ｃのうちの少なくとも１つ」は、品目Ａ；品目Ａ及び品目Ｂ；品目Ｂ；品目Ａ、品目Ｂ、及び品目Ｃ；又は品目Ｂ及び品目Ｃを意味し得る。場合によっては、「品目Ａ、品目Ｂ、及び品目Ｃのうちの少なくとも１つ」は、例えば、及び限定されないが、品目Ａのうちの２つ、品目Ｂのうちの１つ、及び品目Ｃのうちの１０個；品目Ｂのうちの４つ及び品目Ｃのうちの７つ、又はいくつかの他の好適な組み合わせを意味し得る。
本明細書で使用されるとき、「約」という用語は、相反する記述がない限り、典型的には、表記された値の＋／－１０％、例えば＋／－５％を指す。
明確にするために、別個の実施形態の文脈において本明細書に記載されるある特定の特徴はまた、単一の実施形態で組み合わせて提供され得ることを認識されたい。逆に、簡潔にするために、単一の実施形態の文脈に記載される様々な特徴はまた、別個に又はいかなるサブ組み合わせで提供され得る。
本明細書全体を通して、本発明の様々な態様及び構成要素は、範囲形式で提示することができる。範囲形式は、便宜のために含まれ、本発明の範囲への柔軟性のない制限として解釈されるべきではない。それに応じて、範囲の記載は、具体的に示されない限り、その範囲内のすべての可能なサブ範囲、及び個々の数値を具体的に開示しているとみなされるべきである。例えば、１～５などの範囲の記載は、整数が必要とされるか、又は文脈から暗示される場合でない限り、１～３、１～４、１～５、２～４、２～５、３～５などのサブ範囲、並びに列挙された範囲内の個々の及び部分的な数字、例えば、１、２、３、４、５、５．５、及び６を具体的に開示しているとみなされるべきである。これは、開示された範囲の広さに関係なく適用する。特定の値が必要とされる場合、これらは、本明細書に示されるであろう。
本明細書全体を通して、「～を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という単語、又は「～を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」若しくは「～を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの変形例は、記述された要素、整数、若しくはステップ、又は要素、整数、若しくはステップの群を含めることを含意するが、いかなる他の要素、整数、若しくはステップ、又は要素、整数、若しくはステップの群を排除するものではないと理解されよう。
「実質的に含まない」への言及は、一般に、存在し得るいかなるわずかな量若しくは不純物以外の組成物中のその化合物又は成分の不在を指し、例えば、これは、約１％、０．１％、０．０１％、０．００１％、又は０．０００１％未満の総組成物中の質量％による量であり得る。本明細書に記載されるような組成物はまた、例えば、約５％、４％、３％、２％、１％、０．５％、０．１％、０．０１％、０．００１％、又は０．０００１％未満の総組成物中の質量％による量の不純物を含み得る。例えば、これは、約０．００１％、又は０．０００１％未満の総ガス流中の体積％による量であり得る。例えば、本明細書に記載されるようなガス流はまた、例えば、約０．０１％、０．００１％、又は０．０００１％未満の総ガス流中の体積％による量の不純物を含み得る。そのような不純物の例は、０．０００５体積％未満の量で存在する、空気中に存在し得るメタン（ＣＨ４）の量である。
「アルキル」又は「アリクレン（ａｌｙｋｌｅｎｅ）」という用語は、直鎖、分岐、及び環状アルキル基を含み、非置換及び置換アルキル基の両方を含む。一例では、アルキル基は、直鎖及び／又は分岐であり、場合によっては、１つ～３つの環状アルキル基によって中断される。別段指示されない限り、アルキル基は、典型的には、１～３０個の炭素原子を含有する。アルキル基は、例えば、１～２０、１～１５、１～１２、１～１０、又は１～８個の炭素原子を含有し得る。本明細書で使用されるときの「アルキル」の例としては、メチル、エチル、ｎ－プロピル。ｎ－ブチル、ｎ－ペンチル、イソブチル、ｔ－ブチル、イソプロピル、ｎ－オクチル、ｎ－ヘプチル、エチルヘキシル、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチル、アダマンチル、及びノルボルニルなどが挙げられるが、これらに限定されない。特に注記されない限り、アルキル基は、一価又は多価であり得る。アルキル基は、場合によっては置換され得、及び／又は場合によっては１つ以上のヘテロ原子によって中断され得る。アルキル基は、二価又は多価の連結基としての使用に関係して、「－アルキル－」と称され得る。
「シクロアルキル」という用語は、約３～約３０個の炭素原子の単環式、二環式、又は三環式炭素環系、例えば、シクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチル、シクロヘキシル、又はシクロヘプチルを表す。シクロアルキル基は、二価又は多価の連結基としての使用に関係して、「－シクロアルキル－」と称され得る。
「ヘテロアルキル」という用語は、１つ以上のヘテロ原子を含む上記で定義されるようなアルキル基を表し、例えば、アルキル基は、１つ以上の（例えば、１～５個、又は１～３個の）ヘテロ原子で中断される。ヘテロ原子は、Ｏ、Ｎ、Ｓ、又はＳｉを含み得ることが認識されよう。一例では、ヘテロ原子はＯである。ヘテロアルキル基は、二価又は多価の連結基としての使用に関係して、「－ヘテロアルキル－」と称され得る。
「アリール」という用語は、単独で使用されるか、又はアリールアルキルなどの化合物単語で使用されるかを問わず、（ｉ）フェニル、ナフチル、若しくはトリフェニルなど、約６～約３０個の炭素原子の場合によっては置換された単環式、二環式、又は三環式芳香族炭素環式部分、あるいは（ｉｉ）アリール及びシクロアルキル若しくはシクロアルケニル基が一緒に融合して、テトラヒドロナフチル環などの環状構造を形成する、場合によっては置換された部分飽和二環式炭素環式芳香族環系を表す。アリール基は、二価又は多価の連結基としての使用に関係して、「－アリール－」と称され得る。
「アリールアルキル」という用語は、－Ｒ－アリール基を表し、ここで、Ｒ基はアルキル基であり、アルキル基及びアリール基は各々、上記で定義される。アリールアルキル基は、二価又は多価の連結基としての使用に関係して、「－アリールアルキル－」と称され得る。
「ヘテロアリールアルキル」という用語は、－Ｒ－アリール基を表し、Ｒ基はアルキル基であり、アルキル基及びアリール基は各々、上記で定義され、これは、１つ以上のヘテロ原子によって中断され、本明細書に記載されるように、場合によっては置換される。ヘテロアリールアルキル基は、二価又は多価の連結基としての使用に関係して、「－ヘテロアリールアルキル－」と称され得る。
本明細書で使用されるとき、「ハロ」又は「ハロゲン」という用語は、単独で採用されるか、又はハロアルキルなどの化合物単語で採用されるかを問わず、フッ素、塩素、臭素、又はヨウ素を意味する。
本明細書で使用されるとき、「ハロアルキル」という用語は、少なくとも１つのハロゲン置換基を有するアルキル基を意味し、「アルキル」及び「ハロゲン」という用語は、上記で概要を述べた意味を有すると理解される。同様に、「モノハロアルキル」という用語は、単一のハロゲン置換基を有するアルキル基を意味し、「ジハロアルキル」という用語は、２つのハロゲン置換基を有するアルキル基を意味し、「トリハロアルキル」という用語は、３つのハロゲン置換基を有するアルキル基を意味する。モノハロアルキル基の例としては、フルオロメチル基、クロロメチル基、ブロモメチル基、フルオロメチル基、フルオロプロピル基、及びフルオロブチル基が挙げられ、ジハロアルキル基の例としては、ジフルオロメチル基及びジフルオロエチル基が挙げられ、トリハロアルキル基の例としては、トリフルオロメチル基及びトリフルオロエチル基が挙げられる。
本明細書で使用されるとき、「シアノ」という用語は、－ＣＮ部分を表す。
本明細書で使用されるとき、「ヒドロキシル」という用語は、－ＯＨ部分を表す。
本明細書で使用されるとき、「アルコキシ」という用語は、アルキル基が上記で定義されるような－Ｏ－アルキル基を表す。例としては、メトキシ、エトキシ、ｎ－プロポキシ、イソ－プロポキシ、並びに異なるブトキシ、ペントキシ、ヘキシルオキシ、及びより高等な異性体が挙げられる。
本明細書で使用されるとき、「カルボキシル」という用語は、Ｃ＝Ｏ部分を表す。
本明細書で使用されるとき、「カルボン酸」という用語は、－ＣＯ２Ｈ部分を表す。
本明細書で使用されるとき、「ニトロ」という用語は、－ＮＯ２部分を表す。
本明細書で使用されるとき、「アルカノールアミン」という用語は、アルカン骨格上にヒドロキシル（－ＯＨ）及びアミノ（例えば、一級－ＮＨ２、二級－ＮＨＲ、及び／又は三級－ＮＲ２）官能基の両方を含有する化学化合物を表す。
本明細書で使用されるとき、「ポリアミン」という用語は、２つ以上のアミン（例えば、一級－ＮＨ２、二級－ＮＨＲ、及び／又は三級－ＮＲ２アミン）官能基を有する化合物を表す。
「ポリアルキレンイミン」という用語は、１つ以上のＨ原子がアミノ（例えば、一級－ＮＨ２、二級－ＮＨＲ、及び／又は三級－ＮＲ２）官能基に置換されるアルキレン骨格を含む化合物を表し、そのコポリマー又は誘導体を含む。
「ポリアクリルアミド」という用語は、２つ以上のアクリルアミドモノマーを含むポリマーを表し、そのコポリマー又は誘導体、例えば、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）を含む。
「アクリルアミド」という用語は、化学式ＣＨ２＝ＣＨＣＮＨ２）を有する化合物を表す。
「アクリル酸」という用語は、式ＣＨ２＝ＣＨＣＯＯＨ）を有する化合物を表す。
「アクリレート」という用語は、アクリル酸の塩、エステル、又は共役塩基を表す。アクリレートイオンは、アニオンＣＨ２＝ＣＨＣＯＯ－である。例としては、アクリル酸メチル、アクリル酸カリウム、及びアクリル酸ナトリウムが挙げられる。
「グリコール」という用語は、２つ以上のヒドロキシル（－ＯＨ）基を含む化合物の一種を表し、ヒドロキシル基は、異なる炭素原子に付着する。
「ポリオール」という用語は、２つ以上のヒドロキシル（－ＯＨ）基を含有する化合物を表す。
「ピペリジン」という用語は、式（ＣＨ２）５ＮＨを有する化合物を表す。
「場合によっては置換された」という用語は、官能基が、いかなる利用可能な位置で置換されるか、又は置換されないかのいずれかであることを意味する。上記又は本明細書で言及される「置換された」という用語は、ハロゲン、ヒドロキシル、アミン、エポキシド、ニトロ、カルボキシル、カルボン酸、シアノ、若しくはアルコキシなどの基又は部分が挙げられ得るが、これらに限定されない。
「場合によっては中断された」という用語は、アルキル鎖などの鎖が、例えばヘテロアルキル基を提供するために、鎖中のいかなる位置で、アミン、エポキシド、カルボキシル、カルボン酸などの１つ以上（例えば１つ～３つ）の官能基、及び／又はＮ、Ｓ、Ｓｉ、若しくはＯなどの１つ以上のヘテロ原子によって中断され得ることを意味する。一例では、「場合によっては中断された」とは、アルキル鎖などの鎖が、Ｎ、Ｓ、又はＯなどの１つ以上（例えば１～３個）のヘテロ原子によって中断されることを意味する。
低ＣＯ２濃度ガス流
本開示のプロセスは、低ＣＯ２濃度ガス流からＣＯ２を除去することができる。例えば、このプロセスは、低ＣＯ２濃度の大気からＣＯ２を除去することができる。低濃度ガス流の例としては、大気（例えば、周囲空気）、換気された空気（例えば、空調ユニット及び建物の換気）、及び呼気を再循環する部分的に閉鎖されたシステム（例えば、潜水艦又はリブリーザ）が挙げられる。いくつかの実施形態では、低ＣＯ２濃度ガス流は、約２００，０００百万分率（ｐｐｍ）未満のＣＯ２濃度を有し得る。一実施形態では、低ＣＯ２濃度ガス流は、１５０，０００、１００，０００、７５，０００、５０，０００、２５，０００、１０，０００、５，０００、１，０００、９００、８００、７００、６００、５００、４００、３００、２００、又は１００ｐｐｍ未満のＣＯ２濃度を有し得る。別の実施形態では、低ＣＯ２濃度ガス流は、約１００ｐｐｍ～１００，０００ｐｐｍ、約１００ｐｐｍ～約１０，０００ｐｐｍ、約１００ｐｐｍ～約１，０００ｐｐｍ、又は約１００ｐｐｍ～約５００ｐｐｍのＣＯ２濃度を有し得る。一実施形態では、低ＣＯ２濃度ガス流は、約４００～４５０ｐｐｍなどの、約２００ｐｐｍ～約５００ｐｐｍのＣＯ２濃度を有し得る。
１ｐｐｍは０．０００１体積％に等しいことが理解されよう。例えば、約１００，０００ｐｐｍ未満のＣＯ２濃度を有するガス流は、ガス流中の１０．０体積％のＣＯ２に等しい。したがって、いくつかの実施形態では、低ＣＯ２濃度ガス流は、約２０、１５、１０、７．５、５、２．５、１、０．５、０．１、０．０９、０．０８、０．０７、０．０６、０．０５、０．０４、０．０３、０．０２、又は０．０１体積％未満のＣＯ２濃度を有し得る。別の実施形態では、低ＣＯ２濃度ガス流は、約０．０１体積％～約１０体積％、約０．０１体積％～約１体積％、約０．０１体積％～約０．１体積％、又は０．０１体積％～約０．０５体積％のＣＯ２濃度を有し得る。一実施形態では、低ＣＯ２濃度ガス流は、約０．０４体積％などの、約０．０２体積％～約０．０５体積％のＣＯ２濃度を有し得る。
一実施形態では、低ＣＯ２濃度ガス流は、周囲空気（例えば、大気）中と同じＣＯ２濃度を有し得る。したがって、一実施形態では、低ＣＯ２濃度ガス流は、世界中のほとんどの場所における周囲空気中のように、約４００ｐｐｍ～４５０ｐｐｍのＣＯ２濃度、例えば、約４００ｐｐｍ～４１５ｐｐｍのＣＯ２濃度を有し得る。それに応じて、一実施形態では、このプロセスは、直接空気捕捉（ＤＡＣ）のためのものである。
一実施形態では、ガス流は、１００ｐｐｍ（すなわち、０．０１体積％）未満の炭化水素ガスを含み得る。例えば、ガス流は、約１００、７５、５０、２５、２０、１５、１０、５、４、３、又は２ｐｐｍ未満の炭化水素ガスを含み得る。「炭化水素ガス」という用語は、メタン、エタン、エチレン、プロパン、及び他のＣ３＋炭化水素が挙げられるが、これらに限定されない、炭化水素化合物のガス混合物を指すと理解されよう。例えば、周囲空気が微量の不純物（例えば、２ｐｐｍ／０．０００２体積％）としてメタンを含み、したがって周囲空気が３ｐｐｍ未満の炭化水素ガスを含み得ることが、当業者によって理解されよう。低ＣＯ２濃度ガス流は、大部分が、ガス流中の主要な体積％の割合を占める窒素で構成され得る。例えば、低ＣＯ２濃度ガス流は、少なくとも約５０体積％の窒素、例えば、少なくとも約７０体積％の窒素を含み得る。一実施形態では、低ＣＯ２濃度ガス流は、約７８体積％の窒素（例えば、周囲空気）を含む。
低ＣＯ２濃度ガス流は、ある量の水を含み得る（例えば、ガス流は、湿った／湿潤した、例えば高湿ガス流である）。例えば、低ＣＯ２濃度ガス流は、約１体積％～約１０体積％の水を含み得る。代替的に、低ＣＯ２濃度ガス流は、乾燥ガス流であり得る。
いくつかの実施形態では、ガス流は、換気システム、例えば、建物の換気又は空調に由来する。他の実施形態では、ガス流は、例えば潜水艦内の呼吸ガスを再循環するように設計された、閉鎖又は少なくとも部分的に閉鎖されたシステムに由来する。本開示のヒドロゲルはまた、より高いＣＯ２濃度を有するガス流からＣＯ２を吸収することができ、幅広い空気捕捉用途のためのヒドロゲルの汎用性を強調することが認識されよう。しかしながら、本発明者らが特に驚くべきことを見出したのは、比較的低い濃度（例えば、４００ｐｐｍ）でＣＯ２を捕捉するためのヒドロゲルの能力である。
低ＣＯ２濃度ガス流は、ヒドロゲルと接触する。ガス流は、ヒドロゲルに接触する（例えば、通過する）ための好適な流速を有し得る。代替的に、ガス流は、いかなる背圧又は流速も加えることなく、ヒドロゲルと接触し得る（例えば、ガス流は、接触するとヒドロゲルの中に有機的に拡散し得る）。いくつかの実施形態では、ガス流は、ヒドロゲルを取り囲む大気、例えば、低ＣＯ２濃度の大気であり得る。いくつかの実施形態では、ガス流は、ヒドロゲルを通過するか（例えば、ヒドロゲルの第１の側面又は面から入り、異なる側面又は面から出る）、又は例えば、ヒドロゲルが周囲空気などの大気中に置かれる場合、単にヒドロゲルの中に拡散し得る。このように、いくつかの実施形態では、ガス流は、背圧を加えて、本質的にヒドロゲルを「通して」ガス流を押し出す必要はないが、いくつかの実施形態では、例えば、ヒドロゲルが建物の換気システムに合わせて構成される場合などに、これが望ましい場合があることが理解されよう。一実施形態では、ガス流（例えば、大気）は、ヒドロゲルと接触すると、ヒドロゲルの中に拡散する。
いくつかの実施形態では、ガス流は、流速を有しない、例えば、０標準立方センチメートル毎分（ｓｃｃｍ）である。いくつかの実施形態では、ガス流は、約１００標準立方センチメートル毎分（ｓｃｃｍ）～約１００，０００ｓｃｃｍの流速を有する。一実施形態では、ガス流は、少なくとも約１００、５００、１０００、１０，０００、又は１００，０００ｓｃｃｍの流速を有する。別の実施形態では、ガス流は、約１００，０００、１０，０００、１０００、５００、又は１００ｓｃｃｍ未満の流速を有する。様々な範囲を形成するために、これらの流速の組み合わせも可能であり、例えば、ガス流は、約１０，０００～約１００，０００ｓｃｃｍの流速を有し得る。単位ｓｃｃｍは、ｃｍ３／分とも称され得ることが認識されよう。
いくつかの実施形態では、ガス流は、より高い流速を有する。いくつかの実施形態では、ガス流は、少なくとも１、５、１０、２０、５０、１００、５００、１，０００、５，０００、７，０００、１０，０００、１５，０００、１７，０００、２０，０００、３０，０００、４０，０００、又は５０，０００立方メートル毎時（ｍ３／時）の流速を有する。いくつかの実施形態では、ガス流は、５０，０００、４０，０００、３０，０００、２０，０００、１７，０００、１５，０００、１０，０００、７，０００、５，０００、１，０００、５００、１００、５０、２０、１０、５、又は１ｍ３／時未満の流速を有する。これらの流速の組み合わせも可能であり、例えば、約５，０００ｍ３／時～約４０，０００ｍ３／時、約７，０００ｍ３／時～約３０，０００ｍ３／時、又は約１０，０００ｍ３／時～約２０，０００ｍ３／時である。上述のより低い流速との他の組み合わせも可能であり、例えば、約１００ｃｍ３／分（０．００６ｍ３／時）～約５０，０００ｍ３／時、又は１００，０００ｃｍ３／分（６ｍ３／時）～約２０，０００ｍ３／時である。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルに接触するときのガス流の流速を上昇させることにより、ヒドロゲルにおけるＣＯ２吸収及び捕捉の速度が速くなる。いくつかの実施形態では、ガス流は、流速を有しない（例えば、周囲大気）。
低ＣＯ２濃度ガス流は、ヒドロゲルと接触する前に、ガス流中に存在する水分（Ｈ２Ｏ）の少なくともいくらかを除去するために少なくとも部分的に乾燥させてもよい。例えば、ガス流は、１０％、８％、６％、４％、若しくは２％未満の湿度、又はこれらの値のうちのいずれか２つの間の湿度、例えば、約１％～約１０％、約１％～約５％、約１％～約３％まで乾燥させてもよい。ガス流は、いかなる従来の手段（例えば、吸湿性材料を通過させるか、又は熱源と接触させる）及び本明細書に記載されるようなプロトコルを介して測定されたその湿度によって乾燥させてもよい。
いくつかの実施形態では、低ＣＯ２濃度ガス流は、ヒドロゲルと接触する前の初期ＣＯ２濃度を有し、ヒドロゲルと接触した後の最終ＣＯ２濃度（本明細書では、排出ガス流及び／又は排出ＣＯ２濃度とも称される）を有する。ＣＯ２がガス流からヒドロゲルの中に吸収されるとき、排出流中のＣＯ２の濃度は、ヒドロゲルとの接触（例えば、通過）前のガス流の初期ＣＯ２濃度よりも低いことが認識されよう。
ガス流中のＣＯ２の濃度は、いかなる好適な手段、例えば、同位体分析器（例えば、Ｇ２２０１－ｉ Ｉｓｏｔｏｐｉｃ Ａｎａｌｙｚｅｒ（ＰＩＣＡＲＲＯ）及び／又は赤外線分光計（例えば、インライン較正キャビティーリングダウンＩＲ分光計）によって測定することができる。
ヒドロゲル
「ヒドロゲル」という用語は、個々の親水性ポリマー鎖の化学的又は物理的な架橋による構造を維持しながら、膨潤し、大量の水及び他の液体を収容することができる架橋親水性ポリマーの３次元（３Ｄ）ネットワークを指す。ヒドロゲルは、架橋親水性ポリマーを含む。吸収された水／液体は、圧搾によって流体を取り除くことができる孔内に含まれるのではなく、水素結合を通してヒドロゲルの架橋親水性ポリマーマトリックスに取り込まれる。ゼオライト又は金属有機構造体（ＭＯＦ）などの他のより複雑な無機足場及び支持体とは異なり、溶媒を除去した後、ヒドロゲルは、測定可能な乾燥状態多孔性を保持しない。
ヒドロゲルは、その質量に対して大量の液体膨潤剤（水又は非水性溶媒など）を吸収及び保持することができる。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、流体中でその自重の少なくとも５倍、流体中でその自重の最大３００倍を吸収することができる。ヒドロゲル内の表面積は、ヒドロゲルの膨潤の程度に依存して増加させることができる。例えば、ヒドロゲルは、ヒドロゲルの親水性ポリマーネットワークを、親水性ポリマー上の反応性官能基へのＣＯ２の接近性を高めることができる、液体で満たされた孔を有するより開いた可動性構造の中に膨潤する液体膨潤剤（水など）を含み得る。ヒドロゲルはまた、ポリマーの膨潤限界を本質的に画定する膨潤能力（最大膨潤能力と称されることがある）を有している。
ヒドロゲルは、標準質量分析を使用して測定した場合、ヒドロゲルのグラム当たり約２０グラムの液体（ｇ／ｇ）～約２００（ｇ／ｇ）の膨潤能力を有し得る（すなわち、吸収することができる）。これを決定するための典型的な方法は、既知の質量の乾燥ヒドロゲルを取り、指定された期間（典型的には、４８時間）過剰な液体中で膨潤させることによるものである。この時間の後、濾過によって過剰な液体を除去し、ヒドロゲル質量を記録して、膨潤比を決定する。例として、ヒドロゲルの膨潤能力を決定するために、乾燥ヒドロゲルの既知の質量（ｇ）を、液体膨潤剤（例えば、水）中に室温で４８時間分散させ、この後に、いかなる吸収されていない遊離液体を除去し、膨潤したヒドロゲルを秤量する。ヒドロゲルの乾燥状態と膨潤状態との間の質量差は、吸収された液体の量に対応し、次いで、吸収された液体は、ヒドロゲルのグラム当たりの液体のグラム（ｇ／ｇ）として計算される。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、少なくとも約１、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１５０、又は２００ｇ／ｇの膨潤能力を有し得る。他の実施形態では、ヒドロゲルは、約２００、１５０、１００、９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、１０、５、又は１ｇ／ｇ未満の膨潤能力を有し得る。様々な範囲を形成するために、これらの膨潤能力値の組み合わせも可能であり、例えば、ヒドロゲルは、約２０ｇ／ｇ～約１００ｇ／ｇの膨潤能力を有し得る。
ヒドロゲルの膨潤能力はまた、液体膨潤剤に依存して変動し得る。例えば、ヒドロゲルは、液体膨潤剤としてのグリセロールと比較して、液体膨潤剤としての水とは異なる膨潤能力を有し得る。例えば、ヒドロゲルは、約１ｇ／ｇ～約２００ｇ／ｇ、例えば、約２０ｇ／ｇ～約２００ｇ／ｇの水の膨潤能力を有し得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、少なくとも約１、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１５０、又は２００ｇ／ｇの水の膨潤能力を有し得る。他の実施形態では、ヒドロゲルは、約２００、１５０、１００、９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、１０、５、又は１ｇ／ｇ未満の水の膨潤能力を有し得る。様々な範囲を形成するために、これらの膨潤能力値の組み合わせも可能であり、例えば、ヒドロゲルは、約２０ｇ／ｇ～約１００ｇ／ｇの水の膨潤能力を有し得る。
別の例では、ヒドロゲルは、約１ｇ／ｇ～約２００ｇ／ｇ、例えば、約２０ｇ／ｇ～約２００ｇ／ｇのグリセロールの膨潤能力を有し得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、少なくとも約１、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１５０、又は２００ｇ／ｇのグリセロールの膨潤能力を有し得る。他の実施形態では、ヒドロゲルは、約２００、１５０、１００、９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、１０、５、又は１ｇ／ｇ未満のグリセロールの膨潤能力を有し得る。様々な範囲を形成するために、これらの膨潤能力値の組み合わせも可能であり、例えば、ヒドロゲルは、約２０ｇ／ｇ～約１００ｇ／ｇのグリセロールの膨潤能力を有し得る。いくつかの実施形態では、本発明者らは、驚くべきことに、より低い膨潤能力（例えば、質量分析を使用して測定した場合の２００ｇ／ｇ未満の水の膨潤能力）を有するヒドロゲルが、低ＣＯ２濃度ガス流からＣＯ２を吸収することができることを見出した。
本発明者らは、いくつかの実施形態では、液体膨潤剤によるその膨潤能力まで（又はその近くまで）膨潤するヒドロゲルが、低ＣＯ２濃度ガス流と接触した場合、増加したＣＯ２吸収を示し得ることを見出した。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、ヒドロゲル膨潤能力の約６０％～約９９％まで液体膨潤剤で膨潤する。例えば、ヒドロゲルは、ヒドロゲル膨潤能力の少なくとも約６０、７０、８０、９０、９５、９８、又は９９％まで膨潤し得る。ヒドロゲルは、ヒドロゲルの膨潤能力の約９９、９８、９５、９０、８０、７０、又は６０％未満まで膨潤し得る。様々な範囲を形成するために、これらの％値の組み合わせも可能であり、例えば、ヒドロゲルは、ヒドロゲル膨潤能力の約７０％～約９８％、例えば、ヒドロゲル膨潤能力の約８０％～約９５％まで膨潤し得る。
ヒドロゲルは、約０．５質量％～約９９質量％の液体膨潤剤を膨潤及び保持することが可能であり得る。液体膨潤剤は、ヒドロゲル内の架橋親水性ポリマーネットワークに強く又は弱く結合し得るか、又は非結合であり得る。ヒドロゲル中の液体膨潤剤の量は、ヒドロゲルの膨潤又は脱水の程度に依存して変動し得る。例えば、ヒドロゲルは、０．５質量％～約９９質量％の液体膨潤剤を含み得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、少なくとも約０．５、１、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、又は９９質量％の液体膨潤剤を含み得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、約９９、９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、１０、５、１、又は０．５質量％未満の液体膨潤剤を含み得る。様々な範囲を形成するために、これらの質量％値の組み合わせも可能であり、例えば、ヒドロゲルは、約３０質量％～約９９質量％の液体膨潤剤、例えば、約４０質量％～約９９質量％の液体膨潤剤を含み得る。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、約５０質量％～約９９質量％の液体膨潤剤を含む。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、少なくとも約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、又は９９質量％の液体膨潤剤を含む。他の実施形態では、ヒドロゲルは、約９９、９５、９０、８５、８０、７５、７０、６５、６０、５５、又は５５質量％未満の液体膨潤剤を含む。様々な範囲を形成するために、これらの質量％値の組み合わせも可能であり、例えば、ヒドロゲルは、約８５質量％～約９８質量％の液体膨潤剤を含む。好適な液体膨潤剤は、本明細書に記載されている。
代替的に、ヒドロゲルは、吸収された液体膨潤剤のいくらかが除去若しくは蒸発される、乾燥又は脱水状態にあり得る。乾燥ヒドロゲル（脱水ヒドロゲルとしても知られている）は、約０．０１％～約２０％の液体膨潤剤、例えば、約０．５質量％～約１０質量％の液体膨潤剤を含み得る。本発明者らは、ヒドロゲル内のＣＯ２の吸収及び捕捉は、液体膨潤剤による膨潤の程度に基づいて制御することができることを見出した。驚くべきことに、いくつかの実施形態では、乾燥又は脱水ポリアミンヒドロゲルが依然としてうまくガス流からＣＯ２を吸収したことが特定された。
ヒドロゲルは、約０．１～５０ｍ２／ｇ、１～２５ｍ２／ｇ、又は２～１０ｍ２／ｇの表面積を有し得る。表面積（ｍ２／ｇ）は、少なくとも約０．１、０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、又は４５であり得る。表面積（ｍ２／ｇ）は、約５０、４５、４０、３５、３０、２５、２０、１５、１０、９、８、７、６、５、４、３、２、又は１未満であり得る。表面積は、これらの上限値及び／又は下限値のうちのいずれか２つによって提供される範囲内にあり得る。表面積は、湿り又は乾燥状態のヒドロゲルについて提供され得る。表面積は粒子サイズに依存することが認識されよう。表面積は、窒素によるガス吸着、又は顕微鏡法を通した粒子サイズ分析を使用して測定することができる。
液体膨潤剤は、水、非水性溶媒、又はそれらの組み合わせであり得る。非水性溶媒は、極性溶媒であり得る。液体膨潤剤は、ＣＯ２に結合することができる１つ以上の官能基、例えば、アミンを含み得る。代替的に、ＣＯ２を溶解させるのに役立ち得る基、例えば、ヒドロキシル基。
液体膨潤剤は、沸点を有する。沸点は少なくとも約１００℃であり得る。例えば、液体膨潤剤は、少なくとも約１００、１２０、１４０、１６０、２００、２２０、２４０、２６０、２８０、又は３００℃の沸点を有し得る。液体膨潤剤は、約３００、２８０、２６０、２４０、２２０、２００、１６０、１４０、１２０、又は１００℃未満の沸点を有し得る。様々な範囲を提供するために、これらの沸点の組み合わせも可能であり、例えば、液体膨潤剤は、約１００℃～約３００℃の沸点を有する。液体膨潤剤の沸点は、液体膨潤剤に依存して変動し得、例えば、水は約１００℃の沸点を有し、グリセロールは約２９０℃の沸点を有し、モノエチレングリコール（ＭＥＧ）は約１９８℃の沸点を有する。本明細書に記載の少なくともいくつかの実施形態又は例によれば、高沸点溶媒は、液体膨潤剤としての溶媒を含むヒドロゲルが再生を受けて（例えば、蒸気で加熱する）、捕捉されたＣＯ２を除去する場合、溶媒が蒸発する前にＣＯ２が選択的に除去される結果として、溶媒のより低い蒸発損失をもたらし得る。
液体膨潤剤は、化学プロセスによって、例えば、液体膨潤剤中に存在する１つ以上の官能基を介してＣＯ２に結合することによって、ＣＯ２を吸収することが可能であり得る。化学プロセスによって酸性ガスを吸収することができる好適な液体としては、本明細書に記載されるように、アルカノールアミン、アルキルアミン、アルキルオキシアミン、ピペリジン及びその誘導体、ピペラジン及びその誘導体、ピリジン及びその誘導体、並びにそれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。
液体膨潤剤は、水、アルコール、ポリオール化合物、グリコール、アミン（例えば、アルカノールアミン、アルキルアミン、アルキルオキシアミン）、ピペリジン、ピペラジン、ピリジン、ピロリドン、及びそれらの誘導体又は組み合わせからなる群から選択され得る。好適なアルカノールアミンとしては、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、Ｎ－エチルモノエタノールアミン、及びアミノエトキシエタノールが挙げられ得る。好適なグリコールとしては、エチレングリコール、モノエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、プロパンジオール、ブチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、及びジグリムが挙げられ得る。好適なアルコールとしては、２－エチオキシエタノール（２－ｅｔｈｙｏｘｙｅｔｈａｎｏｌ）、２－メトキシエタノールが挙げられ得る。好適なポリオール化合物としては、グリセロールが挙げられ得る。好適なピペリジンとしては、ピペリジン、２－メチルピペリジン、３－メチルピペリジン、４－メチルピペリジン、２－ピペリジンエタノール（ＰＥ）、３－ピペリジンムタノール（３－ｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅｍｔｈａｎｏｌ）、及び４－ピペリジンムタノール（４－ｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅｍｔｈａｎｏｌ）が挙げられる。液体膨潤剤は、上記液体のうちのいずれか１つ以上を含み得る。
いくつかの実施形態では、液体膨潤剤は、水、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、Ｎ－エチルモノエタノールアミン、アミノエトキシエタノール、エチレングリコール、トリエチレングリコール、モノエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、プロパンジオール、ブチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセロール、ジグリム、２－エチオキシエタノール（２－ｅｔｈｙｏｘｙｅｔｈａｎｏｌ）、２－メトキシエタノール、グリセロール、２－メチルピペリジン、３－メチルピペリジン、４－メチルピペリジン、２－ピペリジンエタノール（ＰＥ）、３－ピペリジンムタノール（３－ｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅｍｔｈａｎｏｌ）、及び４－ピペリジンムタノール（４－ｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅｍｔｈａｎｏｌ）からなる群から選択され得る。
物理的プロセス（例えば、ＣＯ２に化学的に結合しないが、それを溶解することができる）によってＣＯ２を吸収することができる好適な液体としては、ポリエチレングリコール－ジメチルエーテル（Ｓｅｌｅｘｏｌ）、Ｎ－メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、メタノール、スルホラン、イミダゾール、イオン液体、一級アミン、二級アミン、三級アミン、立体障害アミン、及びそれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。
一実施形態では、液体膨潤剤は、水、グリセロール、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、２－ピペリジンエタノール、エチレングリコール、トリエチレングリコール、若しくはモノエチレングリコール（ＭＥＧ）、又はそれらの組み合わせである。
いくつかの実施形態では、液体膨潤剤は、低ＣＯ２濃度ガス流と接触した場合にＣＯ２を吸収することができる。ＣＯ２を吸収することができる好適な液体膨潤剤としては、本明細書に記載の液体膨潤剤のうちの１つ以上が挙げられる。いくつかの実施形態では、液体膨潤剤は、化学的又は物理的なプロセスによってＣＯ２を吸収することができる。いくつかの実施形態では、液体膨潤剤は、ＣＯ２に結合することができる官能基を含む。例えば、液体膨潤剤は、一級アミン（－ＮＨ２）又は二級アミン基（－ＮＨ－）などの１つ以上のアミン基を含み得る。そのようなアミン基は、親ＣＯ２性であり、ＣＯ２と容易に反応及び結合する。いくつかの実施形態では、液体膨潤剤は、アルカノールアミンなどの１つ以上のアミン基のアミンを含む。別の例では、液体膨潤剤は、ＣＯ２を物理的に溶解することができる２つ以上の（－ＯＨ）基、例えば、本明細書に記載されるようなグリコール、ポリオール、又はジメチルエーテルを含む。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、少なくとも約０．５、１、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、又は９９質量％の水を含み得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、約９９、９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、１０、５、１、又は０．５質量％未満の水を含み得る。様々な範囲を形成するために、これらの質量％値の組み合わせも可能であり、例えば、ヒドロゲルは、約４０質量％～約９９質量％の水を含み得る。水は、ある程度の塩分を有し得、例えば、ブライン又は塩水であり得る。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、少なくとも約０．５、１、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、又は９９質量％のグリセロールを含み得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、約９９、９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、１０、５、１、又は０．５質量％未満のグリセロールを含み得る。様々な範囲を形成するために、これらの質量％値の組み合わせも可能であり、例えば、ヒドロゲルは、約４０質量％～約９９質量％のグリセロールを含み得る。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、少なくとも約０．５、１、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、又は９９質量％のモノエチレングリコール（ＭＥＧ）を含み得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、約９９、９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、１０、５、１、又は０．５質量％未満のモノエチレングリコール（ＭＥＧ）を含み得る。様々な範囲を形成するために、これらの質量％値の組み合わせも可能であり、例えば、ヒドロゲルは、約４０質量％～約９９質量％のモノエチレングリコール（ＭＥＧ）を含み得る。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、少なくとも約０．５、１、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、又は９９質量％のアルカノールアミンを含み得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、約９９、９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、１０、５、１、又は０．５質量％未満のアルカノールアミンを含み得る。様々な範囲を形成するために、これらの質量％値の組み合わせも可能であり、例えば、ヒドロゲルは、約４０質量％～約９９質量％のアルカノールアミンを含み得る。好適なアルカノールアミンは、本明細書に記載されている。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、少なくとも約０．５、１、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、又は９９質量％のグリコールを含み得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、約９９、９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、１０、５、１、又は０．５質量％未満のグリコールを含み得る。様々な範囲を形成するために、これらの質量％値の組み合わせも可能であり、例えば、ヒドロゲルは、約４０質量％～約９９質量％のグリコールを含み得る。好適なグリコールは、本明細書に記載されている。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、少なくとも約０．５、１、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、又は９９質量％のピペリジンを含み得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、約９９、９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、１０、５、１、又は０．５質量％未満のピペリジンを含み得る。様々な範囲を形成するために、これらの質量％値の組み合わせも可能であり、例えば、ヒドロゲルは、約４０質量％～約９９質量％のピペリジンを含み得る。好適なピペリジンは、本明細書に記載されている。
ヒドロゲルの吸収能力は、架橋親水性ポリマーの一部及び／若しくは液体膨潤剤の一部、又はヒドロゲルに吸収される別個の水溶液のいずれかとして、吸湿性塩をヒドロゲルに組み込むことによって強化することができる。吸湿性塩は、塩化リチウム、臭化リチウム、若しくは塩化ナトリウムなどの一価の塩、又は塩化カルシウム、硫酸カルシウムなどの二価の塩であり得る。吸湿性塩は、その飽和までのいかなる量で架橋ポリマーネットワーク中に存在し得る。
ヒドロゲルが非水性溶媒液体膨潤剤を含む場合、ヒドロゲルは、分散媒として非水性溶媒を使用して調製することができる（例えば、親水性ポリマーは、非水性液体膨潤剤中に分散され、その中で架橋されて、ヒドロゲルを形成する）。代替的に、ヒドロゲルは、分散媒として水を使用して調製することができ、その後、乾燥／脱水して、吸収された水を除去し、次いで、非水性溶媒は、ヒドロゲルに添加され、その中に吸収される。例えば、乾燥したヒドロゲルを非水性溶媒中に浸漬し、一定期間放置して、非水性溶媒を注入／吸収させることができる。代替的に、ヒドロゲルは、市販のヒドロゲル（例えば、Ｂｉｏ－Ｇｅｌ（登録商標）Ｐポリアクリルアミドビーズ）であり得、これは、その後、その中に吸収される液体膨潤剤に添加される。
ヒドロゲルは、弾性係数によって特徴付けることができる。例えば、ヒドロゲルは、約０．１Ｐａ～約１２，０００Ｐａの弾性係数を有し得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルの弾性係数は、少なくとも約０．１、１０、３０、５０、１００、２００、５００、１，０００、２，０００、５，０００、８，０００、１０，０００、又は１２，０００Ｐａであり得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルの弾性係数は、約１２，０００、１０，０００、８，０００、５，０００、２，０００、１，０００、５００、２００、１００、５０、３０、１０、又は０．１Ｐａ未満であり得る。様々な範囲を形成するために、これらの弾性係数値の組み合わせも可能であり、例えば、ヒドロゲルの弾性係数は、約１００Ｐａ～約５，０００Ｐａであり得る。ヒドロゲルは、約２，０００～約５，０００の弾性係数を有し得る。他の実施形態では、ヒドロゲルの弾性係数は、少なくとも約０．１、１０、３０、５０、又は１００Ｐａであり得る。様々な実施形態では、ヒドロゲルの弾性係数は、約１２，０００、１０，０００、８０００、又は６，０００Ｐａ未満であり得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルの弾性係数は、約０．２Ｐａ～約１２０００Ｐａ、約０．２Ｐａ～約１００００Ｐａ、約０．２Ｐａ～約５０００Ｐａ、約１Ｐａ～約１２０００Ｐａ、又は約１Ｐａ～約１０，０００Ｐａであり得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルの弾性係数は、約１０Ｐａ～約１２０００Ｐａ、約１０Ｐａ～約１０，０００Ｐａ、又は約１００Ｐａ～約１０，０００Ｐａであり得る。他の実施形態では、ヒドロゲルの弾性率は、約０．１Ｐａ～約１０，０００Ｐａ、約０．１Ｐａ～約５０００Ｐａ、約０．１Ｐａ～約１０００Ｐａ、約１Ｐａ～約１２，０００Ｐａ、約１Ｐａ～約１０，０００Ｐａ、約１００Ｐａ～約１２，０００Ｐａ、約５００Ｐａ～約１２０００Ｐａ、又は約１０００Ｐａ～約１２，０００Ｐａであり得る。他の実施形態では、ヒドロゲルの弾性係数は、約１Ｐａ～約５０００Ｐａ、約１０Ｐａ～約５０００Ｐａ、又は約１００Ｐａ～約５０００Ｐａであり得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルの弾性係数は、約９，０００、５，０００、又は４，０００Ｐａ未満である。
弾性係数は、レオメータ、例えば、ＨＲ－３ Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ Ｈｙｂｒｉｄ Ｒｈｅｏｍｅｔｅｒ（ＴＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を使用することを含む、数多くの好適な技法によって決定することができる。レオメータは、せん断応力若しくはせん断ひずみを制御し、及び／又は伸長応力若しくは伸長ひずみを加え、それによって、その弾性の係数を含むヒドロゲルの機械的特性を決定するために使用され得る。
ヒドロゲルは、幅広い形態で提供され得る。好適な形態の例示的な例としては、粒子、ビーズ、シート／層、キャストブロック、シリンダ、ディスク、多孔質膜、及びモノリスが挙げられ得る。例えば、ヒドロゲルは、フィルム／コーティング層、例えば、ガス流がその上に流れるか、又は層を通って流れるゲル層として提供され得る。そのような層は、圧延シートとして提供され得る。代替的に、ヒドロゲル層はまた、ガス流が通って流れる複数の多孔質チャネルを含むモノリスとして提供され得る。他の層又はコーティング形態及び幾何学形状も適用可能である。
一実施形態では、ヒドロゲルは、複数の粒子を含み得る。「粒子」（「微粒子」とも称される）という用語は、個別の固体ユニットの形態を指す。ユニットは、フレーク、繊維、凝集体、顆粒、粉末、球体、微粉化された材料などの形態、及びそれらの組み合わせを取ることができる。粒子は、立方体、ロッド状、多面体、球形又は半球形、円形又は半円形、角形、不規則などが挙げられるが、これらに限定されない、いかなる所望の形状を有し得る。粒子形態は、光学顕微鏡法などのいかなる好適な手段によって決定することができる。一実施形態では、ヒドロゲルは、複数の球形又は実質的に球形のビーズを含み得る。
ヒドロゲル粒子は、いかなる好適なサイズ及び／又は形状及び／若しくは形態のものであり得る。一実施形態では、ヒドロゲル粒子は、平均粒子サイズを有し得る。球形ヒドロゲル粒子については、粒子サイズは、粒子の直径である。非球形ヒドロゲル粒子については、粒子サイズは、粒子の最長断面寸法である。いくつかの実施形態では、ヒドロゲル粒子は、約１０μｍ～約２０００μｍ、例えば、約１０μｍ～約１０００μｍの範囲の平均粒子サイズを有し得る。ヒドロゲル粒子は、少なくとも約１０、２０、５０、１００、２００、３００、４００、５００、７００、１０００、１５００、又は２０００μｍの平均粒子サイズを有し得る。他の実施形態では、ヒドロゲル粒子は、約２０００、１５００、１０００、７００、５００、４００、３００、２００、１００、５０、２０、又は１０μｍ未満の平均粒子サイズを有し得る。様々な範囲を形成するために、これらの粒子サイズ値の組み合わせも可能であり、例えば、ヒドロゲル粒子は、約１０μｍ～約５００μｍ、約１００μｍ～約４００μｍ、例えば、約２００μｍ～約３００μｍの平均粒子サイズを有し得る。平均粒子サイズは、電子顕微鏡法、動的光散乱法、光学顕微鏡法、又はサイズ排除法（段階的ふるいなど）などの、当業者に既知のいかなる手段によって決定することができる。ヒドロゲル粒子は、制御された平均粒子サイズを有し得、例えば、ガス流及び／又は湿潤若しくは乾燥環境と接触しながら、異なる環境及びせん断条件の範囲内でそれらの形態を維持することができる。
一実施形態では、ヒドロゲルは、自己支持性であり得る。本明細書で使用されるとき、「自己支持性」という用語は、支持材料（例えば、骨格）の不在下でその形態を維持するためのヒドロゲルの能力を指す。例えば、ヒドロゲルは、複数の粒子を含み得、粒子は、足場支持体の不在下でそれらの形態を維持する。ヒドロゲルの自己支持性の性質は、ある特定の利点を提供することができ、例えば、流動床反応器を使用して、ヒドロゲルの粒子がガス流と接触することを可能にする。それに応じて、一実施形態では、ヒドロゲルは、別個の多孔質支持構造などの別個の支持構造を含まない。これは、ヒドロゲル自体が、本来、多孔質であることを除外するものではない。したがって、ヒドロゲルが「自己支持性」である場合、ヒドロゲルに対する外因性の支持材料（例えば、足場）はないことが理解されよう。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、カラム内の層として提供され得、ガス流は、カラムを通って流れ、ヒドロゲル層を通過する。層は、いかなる特定のヒドロゲル形態に限定されない。一例では、好適なカラムは、複数のヒドロゲル粒子で充填されて、隣接する粒子間に十分な間隙空間を有する充填床を形成し、そこを通るガスの流れを可能にし得る。代替的に、ヒドロゲルは、ガス流を有する流れで提供され得る（例えば、流動床反応器）。
本明細書に記載されるように、ヒドロゲルは、ヒドロゲルを調製するための当業者に既知のいかなる好適な方法に従って調製することができる。例えば、ヒドロゲルは、親水性ポリマーを含む溶液に、ヒドロゲルの形成を開始するのに好適な架橋剤を含む溶液を添加することによって調製することができる。代替的に、ヒドロゲルは、フリーラジカルプロセスを使用して、モノマー（例えば、アクリルアミド）を好適なクロスリンカー（例えば、メチレンビスアクリルアミド）と重合させることによって調製することができる。溶液は、水溶液（例えば、水）であり得るか、又は本明細書に記載されるような１つ以上の液体膨潤剤を含み得る。代替的に、ヒドロゲルは、市販のヒドロゲル（例えば、Ｂｉｏ－Ｇｅｌ（登録商標）Ｐポリアクリルアミドビーズ）であり得、これは、場合によっては、その中に吸収される液体膨潤剤に添加され得る。親水性ポリマー及び／又は架橋剤の濃度は、変動し得る（例えば、表１、実施例３を参照されたい）。ヒドロゲルは、その後、複数の粒子に粉砕／微粉化され得る。
親水性ポリマー
親水性ポリマーはまた、好適な機械的及び化学的特性をヒドロゲルに提供するように選択され得る。例えば、いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、ガス流及び／又は乾燥若しくは湿潤／高湿環境と接触する場合など、様々なせん断及び応力環境に耐えることが可能である必要があり得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルはまた、例えば、熱再生を受ける場合に、広い温度範囲に耐える必要があり得る。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルはまた、微粒子材料の流れとして様々なガス流線に導入することができるように、又は微粒子材料が、隣接する粒子間に十分な間隙空間を有する充填床内に提供されて、そこを通るガス（例えば、周囲空気）の流れを可能にするように、物理的に堅牢である必要があり得る。いくつかの実施形態では、架橋親水性ポリマーはまた、化学的に不活性である。それに応じて、これらの特性のうちの１つ以上は、親水性ポリマーの適切な選択によって提供され得る。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、約０．０５質量％～約５０質量％の親水性ポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、少なくとも約０．０１、０．０５、０．１、０．２、０．５、１、２、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、又は５０質量％の親水性ポリマーを含む。他の実施形態では、ヒドロゲルは、約５０、４５、４０、３５、３０、２５、２０、１５、１０、５、２、１、０．５、０．２、０．１、０．０５、又は０．０１質量％未満の親水性ポリマーを含む。様々な範囲を形成するために、これらの親水性ポリマー濃度の組み合わせも可能であり、例えば、ヒドロゲルは、約０．０１質量％～約５０質量％、約０．０５質量％～約５０質量％、約０．０５質量％～約２５質量％、約１０質量％～約５０質量％、又は約３０質量％～約５０質量％の親水性ポリマーを含む。
一実施形態では、ヒドロゲルは、乾燥又は脱水ヒドロゲルであり得る。この実施形態では、乾燥又は脱水ヒドロゲルは、約８０質量％～約９９．９質量％の親水性ポリマーを含み得る。
いくつかの実施形態では、親水性ポリマーは、約１００ｇ／モル～約５００，０００ｇ／モル、例えば、約１，０００ｇ／モル～約２，５００，０００ｇ／モルの範囲の質量平均分子量（ＭＷ）を有する。いくつかの実施形態では、親水性ポリマーは、少なくとも約１，０００、５，０００、１０，０００、５０，０００、１００，０００、１５０，０００、２００，０００、２５０，０００、又は５００，０００ｇ／モルの質量平均分子量（ＭＷ）を有する。他の実施形態では、親水性ポリマーは、約５００，０００、２５０，０００、２００，０００、１５０，０００、１００，０００、５０，０００、１０，０００、５，０００、又は１，０００ｇ／モル未満の質量平均分子量（ＭＷ）を有する。様々な範囲を形成するために、これらの分子量の組み合わせも可能であり、例えば、親水性ポリマーは、約１，０００～約２５０，０００ｇ／モル、約５，０００～約５０，０００ｇ／モル、又は約１０，０００～約３０，０００ｇ／モルの質量平均分子量（ＭＷ）を有する。いくつかの実施形態では、親水性ポリマーは、約２５，０００ｇ／モルの質量平均分子量（ＭＷ）を有する。これらの質量平均分子量は、架橋前の親水性ポリマーについて提供されることが認識されよう。親水性ポリマーの質量平均分子量は、ヒドロゲルを調製するために使用されるタイプに依存して変動し得ることが認識されよう。一実施形態では、親水性ポリマーは、ホモポリマー又はコポリマーを含み得る。質量平均分子量は、当業者に既知の多様な好適な技法、例えば、ゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）、サイズ排除クロマトグラフィー（ＳＥＣ）、及び光散乱を使用して決定することができる。一実施形態では、質量平均分子量は、決定されたサイズ排除クロマトグラフィー（ＳＥＣ）である。
一実施形態では、Ｍｗは、分子サイズ（すなわち、分子量と相関させることができる流体力学的体積）に基づいて親水性ポリマーを分離するゲルを含む好適なカラムに親水性ポリマーの溶液を通過させることによるサイズ排除クロマトグラフィー（ＳＥＣ）を使用して決定され、より大きいサイズの分子（より大きいＭｗ）が最初に溶出し、続いてより小さいサイズの分子（より小さいＭｗ）が溶出する。これは、好適な有機溶媒中又は水性媒体中で実行することができる。Ｍｗは、典型的には、一連の既知のポリマー標準に対して、又はモル質量感受性検出器を使用して決定される。親水性ポリマーの分子量を決定するための好適なプロトコルは、参照により本明細書に組み込まれる“Ｓｉｚｅ－ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ” Ｅｎｃｙｃｌｏｐａｅｄｉａ ｏｆ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０００，ｐｐ ８００８－８０３４に概説されている。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、架橋ポリアミン又は架橋ポリアクリルアミド、それらの誘導体若しくはコポリマーを含む。一実施形態では、ヒドロゲルは、架橋ポリアクリルアミド又は架橋ポリアルキレンイミン、それらの誘導体若しくはコポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、ポリ（メタクリルアミド）、ポリ（ジメチルアクリルアミド）、ポリ（エチルアクリルアミド）、ポリ（ジエチルアクリルアミド）、ポリ（イソプロピルアクリルアミド）、ポリ（メチルメタクリルアミド）、ポリ（エチルメタクリルアミド）、ポリアクリルアミド、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸ナトリウム）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸カリウム）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）部分カリウム塩、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）部分ナトリウム塩、及びポリ（アクリルアミド－ｃｏ－メチレンビスアクリルアミド）、ポリエチレンイミン、ポリプロピレンイミン、並びにポリアリルアミン、又はそれらの誘導体若しくはコポリマーからなる群から選択される架橋親水性ポリマーを含む。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド若しくはポリアクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸、ポリアクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸部分ナトリウム塩、ポリアクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸部分カリウム塩、ポリ（アクリル酸－ｃｏ－マレイン酸）、ポリ（Ｎ－イソプロピルアクリルアミド、ポリエチレングリコール、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、及びビニルピロリドン、又はそれらの誘導体若しくはコポリマーからなる群から選択される架橋親水性ポリマーを含む。代替的に、ヒドロゲルは、架橋天然親水性ポリマー、例えば、多糖類、キチン、ポリペプチド、アルギネート、又はセルロースを含み得る。
他の好適な架橋親水性ポリマー、例えば、ポリアミン又はポリアクリルアミド、それらの誘導体若しくはコポリマーが本明細書に記載されている。
ＣＯ２は、ヒドロゲルに吸収されることによって、ガス流から除去することができる。例えば、ＣＯ２は、化学的又は物理的なプロセスによってヒドロゲルに吸収され得る。いくつかの実施形態では、架橋親水性ポリマーは、結合することができる官能基、及びＣＯ２を含む。例えば、その多孔質の性質のために、ヒドロゲルとの接触時に、低ＣＯ２濃度ガスは、ヒドロゲル内の間隙孔を通過し、親水性ポリマー上の官能基と反応及び結合することができる。いくつかの実施形態では、親水性ポリマーは、ＣＯ２に結合することができる１つ以上の官能基を含み得る。例えば、親水性ポリマーは、一級アミン（－ＮＨ２）又は二級アミン基（－ＮＨ－）などの１つ以上のアミン基を含み得る。そのようなアミン基は、親ＣＯ２性であり、ＣＯ２と容易に反応及び結合する。したがって、いくつかの実施形態では、親水性ポリマーはポリアミンである。
ポリアミン
一実施形態では、親水性ポリマーは、ポリアミン、その誘導体又はコポリマーを含み得る。当技術分野で理解されるように、ポリアミンは、２つ以上のアミン基（例えば、一級－ＮＨ２、二級－ＮＨＲ、及び／又は三級－ＮＲ２アミン基）を有する有機化合物である。
いくつかの実施形態では、親水性ポリマーは、ライナー、分岐、又は樹状ポリアミン、それらの誘導体若しくはコポリマーを含み得る。線状ポリアミンは、一級アミン、二級アミン、又は一級アミン及び二級アミンの両方のみを含有すると定義される。説明例のみとして、架橋前の１つの可能な線状ポリアミンの構造は、式１として下記に提供され、
Figure 2023516942000002
 式中、ｎは、１～１０，０００であり得る。他の例では、ｎは、少なくとも１、１０、１００、２００、５００、又は１０００であり得る。他の例では、ｎは、１０，０００、９，０００、８，０００、７，０００、６，０００、５，０００、４，０００、３，０００、２，０００、１，０００、５００、２００、又は１００未満であり得る。他の例では、ｎは、これらの上限値及び／又は下限値のうちのいずれか２つによって提供される範囲、例えば、１～１０００、１０～５，０００、又は１００～２０００であり得る。
式１の線状ポリアミンにおける二級アミン対一級アミンの比率は、約０．１～１００であり得る。式１の線状ポリアミンにおける二級アミン対一級アミンの比率は、少なくとも約０．１、０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、又は９５であり得る。式１の線状ポリアミンにおける二級アミン対一級アミンの比率は、約１００、９５、９０、８５、８０、７５、７０、６５、６０、５５、５０、４５、４０、３５、３０、２５、２０、１５、１０、９、８、７、６、５、４、３、２、１、又は０．５未満であり得る。比率は、これらの上限値及び／又は下限値のうちのいずれか２つによって提供される範囲であり得る。
分岐ポリアミンは、いかなる数の一級（－ＮＨ２）、二級（－ＮＨ－）、及び三級アミン
Figure 2023516942000003
 を含有するものとして定義される。説明例のみとして、架橋前の１つの可能な分岐ポリアミンの構造は、以下のように式２として下記に提供され、
Figure 2023516942000004
 式中、ｎは、１～１０，０００であり得る。他の例では、ｎは、少なくとも１、１０、１００、２００、５００、又は１０００であり得る。他の例では、ｎは、１０，０００、９，０００、８，０００、７，０００、６，０００、５，０００、４，０００、３，０００、２，０００、１，０００、５００、２００、又は１００未満であり得る。他の例では、ｎは、これらの上限値及び／又は下限値のうちのいずれか２つによって提供される範囲、例えば、１～１０００、１０～５，０００、又は１００～２０００であり得る。
分岐ポリアミンにおける一級アミン基対二級アミン基対三級アミン基の比率は、約１０：８０：１０～６０：１０：３０、約６０：３０：１０～３０：５０：２０、又は約４５：４５：１０～３５：４５：２０であり得る。当業者であれば、分岐ポリアミンの構造が、存在する三級アミン基の数に依存して大きく変動し得ることを理解するであろう。
樹状ポリアミンは、一級（－ＮＨ２）及び三級アミン
Figure 2023516942000005
 のみを含有するものとして定義され、繰り返し単位の基は、ポリアミンの中心（コア）を通る少なくとも１つの平面において必ず対称である様態で配置され、各ポリマー分岐は、一級アミンによって終端され、各分岐点は、三級アミンである。樹状ポリアミン中の一級アミン基対三級アミン基の比率は、約１対３であり得る。説明例のみとして、架橋前の１つの可能な樹状ポリアミンの構造は、以下のように式３として下記に提供され、
Figure 2023516942000006
親水性ポリマーは、超分岐ポリアミン、その誘導体又はコポリマーを含み得る。超分岐ポリアミンは、樹状ポリアミンに似た構造を有するものとして定義されるが、対称樹状構造の代わりにランダム構造を提供するように、二級アミン（－ＮＨ－）（例えば、分岐ポリアミン中に存在するような線状サブセクション）の形態で欠陥を含有する。超分岐構造では、一級アミン対二級アミン対三級アミンアミンの比率は、約６５：５：３０～３０：１０：６０であり得る。
一実施形態では、ポリアミン、その誘導体又はコポリマーは、約１０モル％～７０モル％の一級アミン（－ＮＨ２）基、例えば、少なくとも約１０、２０、３０、４０、５０モル％の一級アミン基を含み得る。ポリアミン、その誘導体又はコポリマーは、約１０モル％～７０モル％の二級アミン（－ＮＨ－）基、例えば、少なくとも約１０、２０、３０、４０、５０モル％の二級アミン基を含み得る。ポリアミン、その誘導体又はコポリマーは、約１モル％～約１０モル％の三級アミン
Figure 2023516942000007
 基、例えば、少なくとも約１、２、５モル％の三級アミン基を含み得る。ポリアミン、その誘導体又はコポリマーにおける一級アミン基対二級アミン基対三級アミン基の比率は、約１０：８０：１０～６０：１０：３０、約６０：３０：１０～３０：５０：２０、又は約４５：４５：１０～３５：４５：２０であり得る。一実施形態では、ポリアミンは、少なくとも１つ以上の脂肪族アミン基（例えば、芳香環基がアミンの窒素原子に直接結合しないアミン）を含み得る。
一実施形態では、親水性ポリマーは、分岐ポリアミン、その誘導体又はコポリマーを含む。ポリアミン、その誘導体又はコポリマーは、本明細書に記載される１つ以上の架橋剤によって架橋することができる。
一実施形態では、ポリアミン、その誘導体又はコポリマーは、ポリアルキレンイミンである。ポリアルキレンイミンは、ポリエチレンイミン、ポリプロピレンイミン、及びポリアリルアミン、それらの誘導体又はコポリマーからなる群から選択され得る。ヒドロゲルを形成するために使用することができる好適なポリアミンとしては、ポリエチレンイミン、ポリプロピレンイミン、及びポリアリルアミンが挙げられ得る。一実施形態では、親水性ポリマーは、ポリエチレンイミン又はそのコポリマーを含む。架橋ポリアミン（ポリエチレンイミンなど）を含むヒドロゲルを使用することにより、ヒドロゲルは、低ＣＯ２濃度ガス流と接触すると、ＣＯ２に反応及び結合することができる複数の一級及び二級アミン官能基を含む。
いくつかの実施形態では、架橋ポリアミンは、本明細書に記載されるような１つ以上の液体膨潤剤、例えば、アルコール、ポリオール化合物、グリコール、アミン（例えば、アルカノールアミン、アルキルアミン、アルキルオキシアミン）、ピペリジン、ピペラジン、ピリジン、ピロリドン、及びそれらの誘導体又は組み合わせで膨潤する。好適なアルカノールアミンとしては、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、Ｎ－エチルモノエタノールアミン、及びアミノエトキシエタノールが挙げられ得る。好適なグリコールとしては、エチレングリコール、トリエチレングリコール、モノエチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、プロパンジオール、ブチレングリコール、ポリエチレングリコール、及びジグリムが挙げられ得る。好適なアルコールとしては、２－エチオキシエタノール（２－ｅｔｈｙｏｘｙｅｔｈａｎｏｌ）、２－メトキシエタノールが挙げられ得る。好適なポリオール化合物としては、グリセロールが挙げられ得る。好適なピペリジンとしては、ピペリジン、２－メチルピペリジン、３－メチルピペリジン、４－メチルピペリジン、２－ピペリジンエタノール（ＰＥ）、３－ピペリジンムタノール（３－ｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅｍｔｈａｎｏｌ）、及び４－ピペリジンメタノールが挙げられる。液体膨潤剤は、上記液体のうちのいずれか１つ以上を含み得る。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、ポリエチレンイミン、ポリプロピレンイミン、及びポリアリルアミン、又はそれらのコポリマーからなる群から選択される架橋ポリアルキレンイミンを含み、水、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、Ｎ－エチルモノエタノールアミン、アミノエトキシエタノール、エチレングリコール、モノエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、プロパンジオール、ブチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセロール、ジグリム、２－エチオキシエタノール（２－ｅｔｈｙｏｘｙｅｔｈａｎｏｌ）、２－メトキシエタノール、グリセロール、２－メチルピペリジン、３－メチルピペリジン、４－メチルピペリジン、２－ピペリジンエタノール（ＰＥ）、３－ピペリジンムタノール（３－ｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅｍｔｈａｎｏｌ）、及び４－ピペリジンムタノール（４－ｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅｍｔｈａｎｏｌ）、又はそれらの混合物からなる群から選択される液体膨潤剤で膨潤する。
ポリアクリルアミド
いくつかの実施形態又は例では、親水性ポリマーは、ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーを含み得る。当該技術分野において理解されるように、ポリアクリルアミド、誘導体又はコポリマーは、２つ以上のアクリルアミド単位を有する有機化合物である。いくつかの実施形態又は例では、ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーは、ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーを形成するために、少なくとも２つのアクリルアミド又はアクリルアミド誘導体を含む共重合可能な親水性モノマーを含み得る。別の実施形態又は例では、ポリアクリルアミドコポリマーは、ポリアクリルアミドコポリマーを形成するために、少なくとも１つのアクリルアミド、又はアクリルアミド誘導体、及び少なくとも１つのカルボン酸誘導体を含む共重合可能な親水性モノマーを含み得る。
アクリルアミド誘導体は、Ｎ－アルキル若しくはＮ、Ｎ－ジアルキル置換アクリルアミド、又はメタクリルアミドから選択され得る。いくつかの実施形態又は例では、ポリアクリルアミド誘導体は、Ｎ－アクリルアミド、メチルアクリルアミド、Ｎ－エチルアクリルアミド、Ｎ－イソプロピルアクリルアミド（ＮｉＰＡＡｍ）、Ｎ－オクチルアクリルアミド、Ｎ－シクロヘキシルアクリルアミド、Ｎ－メチル－Ｎ－エチルアクリルアミド、Ｎ－メチルメタクリルアミド、Ｎ－エチルメタクリルアミド、Ｎ－イソプロピルメタクリルアミド、Ｎ、Ｎ－ジメチルアクリルアミド、Ｎ、Ｎ－ジエチルアクリルアミド、Ｎ、Ｎ－ジメチルメタクリルアミド、Ｎ、Ｎ－ジエチルメタクリルアミド、Ｎ、Ｎ－ジシクロヘキシルアクリルアミド、Ｎ－メチル－Ｎ－シクロヘキシルアクリルアミド、又はそれらの組み合わせを含む群から選択され得る。ある実施形態又は例では、アリールアミド誘導体は、メタクリルアミド、ジメチルアクリルアミド、Ｎ－イソプロピルアクリルアミドから選択され得る。Ｎ、Ｎ’－メチレン－ビス－アクリルアミド、又はそれらの組み合わせ。
カルボン酸誘導体は、アクリル酸、メタクリル酸、メチルメタクリレート、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸カリウム、メタクリル酸ナトリウム、メタクリル酸カリウム、２－ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）、又はそれらの組み合わせを含む群から選択され得る。
一実施形態又は例では、ポリアクリルアミド若しくはポリアクリルアミド誘導体の調製に使用されるアクリルアミド又はアクリルアミド誘導体は、同じであり得る。別の実施形態又は例では、ポリアクリルアミドコポリマーの調製に使用されるアクリルアミド又はアクリルアミド誘導体は、異なり得る。なお別の実施形態では、少なくとも１つのアクリルアミド又はアクリルアミド誘導体、及び少なくとも１つのカルボン酸誘導体は、ポリアクリルアミドコポリマーの調製に使用することができる。
いくつかの実施形態又は例では、ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーは、ポリアクリルアミド、ポリ（メタクリルアミド）、ポリ（ジメチルアクリルアミド）、ポリ（エチルアクリルアミド）、ポリ（ジエチルアクリルアミド）、ポリ（イソプロピルアクリルアミド）、ポリ（メチルメタクリルアミド）、ポリ（エチルメタクリルアミド）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸ナトリウム）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸カリウム）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）部分カリウム塩、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）部分ナトリウム塩、及びポリ（アクリルアミド－ｃｏ－メチレンビスアクリルアミド）を含むか、又はそれからなる群から選択され得る。
いくつかの実施形態又は例では、ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーは、ポリアクリルアミド、ポリ（メタクリルアミド）、ポリ（ジメチルアクリルアミド）、ポリ（イソプロピルアクリルアミド）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）、ポリ（アクリル酸－ｃｏ－マレイン酸）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸ナトリウム）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸カリウム）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）部分カリウム塩、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）部分ナトリウム塩、及びポリ（アクリルアミド－ｃｏ－メチレンビスアクリルアミド）を含むか、又はそれからなる群から選択され得る。いくつかの実施形態又は例では、ポリアクリルアミドコポリマーは、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸ナトリウム）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸カリウム）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）部分カリウム塩、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）部分ナトリウム塩、及びポリ（アクリルアミド－ｃｏ－メチレンビスアクリルアミド）を含むか、又はそれらからなる群から選択され得る。
いくつかの実施形態では、ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーは、以下のように式４として下記に提供されるポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）であり、
Figure 2023516942000008
 式中、
各Ｒは、独立して、水素、ナトリウム、又はカリウムからなる群から選択され、
ｍ及びｎは、ポリマー中の比率で提供され、ｍ対ｎの比率は、約１０：１～１：１０、約８：１～１：８、約６：１～１：６、約４：１～１：４、又は約２：１～約１：２である。いくつかの実施形態では、ｍ対ｎの比率は、約１：２～４：１、例えば、約４：１である。
いくつかの実施形態では、ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーは、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸ナトリウム）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸カリウム）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）部分カリウム塩、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）部分ナトリウム塩、及びポリ（アクリルアミド－ｃｏ－メチレンビスアクリルアミド）である。一実施形態では、ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーは、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）である。
ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーは、本明細書に記載されるような１つ以上の架橋剤によって架橋され得る。例えば、ポリアクリルアミドは、フリーラジカル開始ビニル重合メカニズムを介して、Ｎ、Ｎ－メチレンビスアクリルアミド又はエチレングリコールジメタクリレートと架橋され得る。一実施形態では、架橋親水性ポリマーは、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－メチレンビスアクリルアミド）又はポリ（アクリルアミド－ｃｏ－エチレングリコールジメタクリレート）である。ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーはまた、アルデヒド、例えば、ホルムアルデヒド又はグルタルアルデヒドと架橋され得る。
いくつかの実施形態では、架橋ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーを含むヒドロゲルは、１つ以上の金属塩をさらに含み得る。好適な金属塩としては、ナトリウム塩又はカリウム塩が挙げられる。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、低ＣＯ２濃度ガス流と接触すると、ＣＯ２を反応、結合、又は溶解することができる液体膨潤剤で膨潤する、架橋ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーを含む。例えば、架橋ポリアクリルアミドヒドロゲルは、本明細書に記載されるような１つ以上の液体膨潤剤、例えば、アルコール、ポリオール化合物、グリコール、アミン（例えば、アルカノールアミン、アルキルアミン、アルキルオキシアミン）、ピペリジン、ピペラジン、ピリジン、ピロリドン、及びそれらの誘導体又は組み合わせで膨潤し得る。好適なアルカノールアミンとしては、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、Ｎ－エチルモノエタノールアミン、及びアミノエトキシエタノールが挙げられ得る。好適なグリコールとしては、エチレングリコール、モノエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、プロパンジオール、ブチレングリコール、ポリエチレングリコール、及びジグリムが挙げられ得る。好適なアルコールとしては、２－エチオキシエタノール（２－ｅｔｈｙｏｘｙｅｔｈａｎｏｌ）、２－メトキシエタノールが挙げられ得る。好適なポリオール化合物としては、グリセロールが挙げられ得る。好適なピペリジンとしては、ピペリジン、２－メチルピペリジン、３－メチルピペリジン、４－メチルピペリジン、２－ピペリジンエタノール（ＰＥ）、３－ピペリジンムタノール（３－ｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅｍｔｈａｎｏｌ）、及び４－ピペリジンムタノール（４－ｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅｍｔｈａｎｏｌ）が挙げられる。液体膨潤剤は、上記液体のうちのいずれか１つ以上を含み得る。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、水、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、Ｎ－エチルモノエタノールアミン、アミノエトキシエタノール、エチレングリコール、モノエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、プロパンジオール、ブチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセロール、ジグリム、２－エチオキシエタノール（２－ｅｔｈｙｏｘｙｅｔｈａｎｏｌ）、２－メトキシエタノール、グリセロール、２－メチルピペリジン、３－メチルピペリジン、４－メチルピペリジン、２－ピペリジンエタノール（ＰＥ）、３－ピペリジンムタノール（３－ｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅｍｔｈａｎｏｌ）、及び４－ピペリジンムタノール（４－ｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅｍｔｈａｎｏｌ）、並びにそれらの組み合わせからなる群から選択される液体膨潤剤で膨潤する、架橋ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーを含む。一実施形態では、液体膨潤剤は、水、グリセロール、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、２－ピペリジンエタノール、エチレングリコール、トリエチレングリコール、若しくはモノエチレングリコール（ＭＥＧ）、又はそれらの組み合わせである。
一実施形態では、架橋ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーを含むヒドロゲルは、アルカノールアミン、例えば、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、Ｎ－エチルモノエタノールアミン、及びアミノエトキシエタノールのうちの１つ以上で膨潤する。一実施形態では、架橋ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーを含むヒドロゲルは、ピペリジン、例えば、ピペリジン、２－メチルピペリジン、３－メチルピペリジン、４－メチルピペリジン、２－ピペリジンエタノール（ＰＥ）、３－ピペリジンムタノール（３－ｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅｍｔｈａｎｏｌ）、及び４－ピペリジンムタノール（４－ｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅｍｔｈａｎｏｌ）で膨潤する。一実施形態では、架橋ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーを含むヒドロゲルは、グリコール、例えば、エチレングリコール、モノエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、プロパンジオール、ブチレングリコール、ポリエチレングリコール、及びジグリムで膨潤する。一実施形態では、架橋ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーを含むヒドロゲルは、アルカノールアミン及びグリコール、例えば、ジエタノールアミン及びエチレングリコール、又はピペリジン及びグリコール、例えば、２－ピペリジンエタノール及びエチレングリコールを含む混合物で膨潤する。
一実施形態では、架橋ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーを含むヒドロゲルは、アルカノールアミン及び水、例えば、ジエタノールアミン及び水、又はピペリジン及び水、例えば、２－ピペリジンエタノール及び水を含む混合物で膨潤する。
一実施形態では、ヒドロゲルは、架橋ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーを含み、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸ナトリウム）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸カリウム）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）部分カリウム塩、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）部分ナトリウム塩、及びポリ（アクリルアミド－ｃｏ－メチレンビスアクリルアミド）からなる群から選択され、水、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、Ｎ－エチルモノエタノールアミン、アミノエトキシエタノール、エチレングリコール、モノエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、プロパンジオール、ブチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセロール、ジグリム、２－エチオキシエタノール（２－ｅｔｈｙｏｘｙｅｔｈａｎｏｌ）、２－メトキシエタノール、グリセロール、２－メチルピペリジン、３－メチルピペリジン、４－メチルピペリジン、２－ピペリジンエタノール（ＰＥ）、３－ピペリジンムタノール（３－ｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅｍｔｈａｎｏｌ）、及び４－ピペリジンムタノール（４－ｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅｍｔｈａｎｏｌ）、又はそれらの混合物からなる群から選択される液体膨潤剤で膨潤する。
クロスリンカー及び架橋剤
ヒドロゲルは、架橋親水性ポリマーを含む。親水性ポリマーのある程度の架橋が、ヒドロゲルを形成するために必要であることが理解されよう。ヒドロゲルの剛性及び弾性は、架橋の程度を変更することによって調整することができる。クロスリンカーは、３Ｄポリマーネットワークの形成を促進し、それを不溶性にする。不溶性化された架橋ポリマーネットワークは、水及び他の液体の採用及び保持を可能にする。架橋ヒドロゲルの概要は、参照により本明細書に組み込まれるＭａｉｔｒａ ｅｔ ａｌ．，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１４，４（２），２５－３１で論じられている。
本明細書で使用されるとき、「架橋（ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋ）」、「架橋された（ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋｅｄ）」、又は「架橋すること（ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋｉｎｇ）」という用語は、ヒドロゲル形成ポリマー内又はその間での相互作用の形成を指し、これが、３次元マトリックス、すなわち、ヒドロゲルの形成をもたらす。例えば、ポリアミンを１，３－ブタジエンジエポキシド（ＢＤＤＥ）又はトリグリシジルトリメチロールプロパンエーテル（ＴＴＥ又はＴＭＰＴＧＥ）によって架橋して、架橋ポリアミンヒドロゲルを形成することができる。
いくつかの実施形態では、親水性ポリマーは、約０．０１モル％～約５０モル％の架橋剤を含む。親水性ポリマーは、少なくとも約０．０１、０．１、１、２、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、又は５０モル％の架橋剤を含み得る。親水性ポリマーは、約５０、４５、４０、３５、３０、２５、２０、１５、１０、５、２、１、０．１、又は０．０１モル％未満の架橋剤を含み得る。様々な範囲を形成するために、これらの質量％値の組み合わせも可能であり、例えば、親水性ポリマーは、約０．０１モル％～約５０モル％、約０．０１モル％～約２０モル％、又は約０．０１モル％～約１０モル％の架橋剤を含み得る。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、約１質量％～約２０質量％の架橋剤を含む。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、少なくとも約１、２、３、４、５、６、８、１０、１５、又は２０質量％の架橋剤を含む。他の実施形態では、ヒドロゲルは、約２０、１５、２０、１５、１０、８、６、５、３、２、又は１質量％未満の架橋剤を含む。様々な範囲を形成するために、これらの質量％値の組み合わせも可能であり、例えば、非膨潤状態でのヒドロゲルは、約１質量％～約６質量％の架橋剤を含む。
それに応じて、いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、約０．０５質量％～約５０質量％の架橋親水性ポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、少なくとも約０．０１、０．０５、０．１、０．２、０．５、１、２、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、又は５０質量％の架橋親水性ポリマーを含む。他の実施形態では、ヒドロゲルは、約５０、４５、４０、３５、３０、２５、２０、１５、１０、５、２、１、０．５、０．２、０．１、０．０５、又は０．０１質量％未満の架橋親水性ポリマーを含む。様々な範囲を形成するために、これらの架橋親水性ポリマーの組み合わせも可能であり、例えば、ヒドロゲルは、約０．０１質量％～約５０質量％、約０．０５質量％～約５０質量％、約０．０５質量％～約２５質量％、約１０質量％～約５０質量％、又は約３０質量％～約５０質量％の架橋親水性ポリマーを含む。
ヒドロゲルの膨潤能力は、架橋親水性ポリマー、及びヒドロゲルを膨潤させる溶媒の性質に依存する。例えば、長い親水性架橋を有するヒドロゲルは、より短い疎水性架橋を有する類似の架橋ポリマーネットワークよりも多く膨潤し得る。
架橋剤は、架橋親水性ポリマー中に、アルキルクロスリンカー、ヘテロアルキルクロスリンカー、シクロアルキルクロスリンカー、アリールアルキルクロスリンカー、又はヘテロアリールアルキルクロスリンカーを提供するように選択され得、これらの各々は、本明細書に記載されるように場合によっては置換及び／又は場合によっては中断され得る。架橋剤は、約１～３０個の炭素原子を含み得、本明細書に記載されるように場合によっては置換及び／又は場合によっては中断され得る。
いくつかの実施形態では、架橋剤は、架橋親水性ポリマー中にアルキルクロスリンカーを提供するように選択される。アルキルクロスリンカーは、アルキル、ハロ、ヒドロキシル、又はアミンから選択される１つ以上の官能基で場合によっては置換され、１つ以上のＯ、Ｎ、Ｓｉ、又はＳで場合によっては中断され得る。一例では、クロスリンカーは、１つ以上のヒドロキシル基で置換される。クロスリンカー上の１つ以上のヒドロキシル基の存在は、少なくとも本明細書に記載されるようないくつかの例に従って、ヒドロゲル中のＣＯ２の結合及び吸収をさらに改善することができる。
いくつかの実施形態では、架橋剤は、架橋親水性ポリマー中にＣ１～Ｃ２０アルキルクロスリンカーを提供するように選択され得る。Ｃ１～２０アルキルクロスリンカーは、１～２０個の原子鎖を有する上記又は本明細書に記載されるようないかなるアルキルによって提供され得ることが認識されよう。例えば、Ｃ１～２０アルキルクロスリンカーは、少なくともアルキル、ハロ、ヒドロキシル、又はアミンから選択される１つ以上の官能基で場合によっては置換され、１つ以上のＯ、Ｎ、Ｓｉ、又はＳで場合によっては中断され得る。他の例では、架橋剤は、本明細書に記載されるようないかなる例に従って、Ｃ２～Ｃ２０アルキル、Ｃ５～Ｃ２０アルキル、Ｃ１０～Ｃ２０アルキル、又はＣ１２～Ｃ１０アルキルであり得る。
いくつかの実施形態では、架橋剤は、架橋親水性ポリマー中にＣ１～Ｃ１０アルキルクロスリンカーを提供するように選択され得る。Ｃ１～１０アルキルクロスリンカーは、１～１０個の原子鎖を有する上記又は本明細書に記載されるようないかなるアルキルによって提供され得ることが認識されよう。例えば、Ｃ１～１０アルキルクロスリンカーは、少なくともアルキル、ハロ、ヒドロキシル、又はアミンから選択される１つ以上の官能基で場合によっては置換され、１つ以上のＯ、Ｎ、Ｓｉ、又はＳで場合によっては中断され得る。他の例では、架橋剤は、本明細書に記載されるようないかなる例に従って、Ｃ２～Ｃ１０アルキル、Ｃ３～Ｃ１０アルキル、Ｃ４～Ｃ１０アルキル、又はＣ５～Ｃ１０アルキルであり得る。
架橋剤は、架橋親水性ポリマー中にヘテロアルキルクロスリンカーを提供するように選択され得る。ヘテロアルキル基は、本明細書又はそのいかなる例に記載されるようなアルキルによって提供され得、これは、１個以上のヘテロ原子（例えば、１～３個）によって中断される。ヘテロ原子は、Ｏ、Ｎ、Ｓｉ、Ｓのうちのいずれか１つ以上から選択され得る。
架橋剤は、架橋親水性ポリマー中にシクロアルキルクロスリンカーを提供するように選択され得る。シクロアルキルクロスリンカーは、アルキル、ハロ、ヒドロキシル、又はアミンから選択される１つ以上の官能基で場合によっては置換され、１つ以上のＯ、Ｎ、Ｓｉ、又はＳで場合によっては中断され得る。シクロアルキル基は、例えば、アルキルシクロアルキル基であり得る。シクロアルキル基は、一緒に連結及び／又は融合された１つ～３つの環状基を有し得る。
架橋剤は、架橋親水性ポリマー中にアリールアルキルクロスリンカーを提供するように選択され得る。アリールアルキルクロスリンカーは、ハロ、ヒドロキシル、カルボキシル、又はアミンのうちの１つ以上から選択される１つ以上の官能基で場合によっては置換され、１つ以上のＯ、Ｎ、Ｓｉ、又はＳで場合によっては中断され得る。アリールアルキルクロスリンカーは、１つ～３つのアリール基を有し得、例えば、これらの各々は、一緒に連結及び／又は融合され得る。
架橋剤は、架橋親水性ポリマー中にヘテロアリールアルキルクロスリンカーを提供するように選択され得る。ヘテロアリールアルキルは、１つ以上のヘテロ原子によって中断されるいかなるアリールアルキル基であり得ることが理解されよう。ヘテロ原子は、Ｏ、Ｎ、Ｓｉ、Ｓのうちのいずれか１つ以上から選択され得る。
いくつかの実施形態では、架橋剤は、エポキシド（すなわち、エポキシドクロスリンカー）である。例えば、エポキシドは、架橋親水性ポリマー中に二価又は多価の連結基を提供することができ、これは、エポキシド基の親水性プーリマー（ｐｏｏｌｙｍｅｒ）との反応から生じる１つ以上のヒドロキシル基を含み得る。いくつかの実施形態では、架橋剤は、少なくとも１、２、３、４、又は５つのエポキシドを含む。いくつかの実施形態では、架橋剤は、２つのエポキシドを含む。一実施形態では、架橋剤は、エポキシドである。一実施形態では、エポキシドは、ジエポキシドである（例えば、２つのエポキシド基、例えばＢＤＤＥを含む）。一実施形態では、エポキシドは、トリエポキシドである（例えば、３つのエポキシド基、例えばＴＴＥを含む）。一実施形態では、架橋剤は、１，３－ブタジエンジエポキシド（ＢＤＤＥ）又はトリグリシジルトリメチロールプロパンエーテル（ＴＴＥ又はＴＭＰＴＧＥ）である。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、架橋ポリアミン又はそのコポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、架橋ポリアクリルアミド又はそのコポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、架橋ポリアミン若しくは架橋ポリアクリルアミド、又はそれらのコポリマーを含む。
架橋剤は、トリグリシジルトリメチロールプロパンエーテル（ＴＴＥ又はＴＭＰＴＧＥ）（トリメチロールプロパントリグリシジルエーテルとも称される）、ジグリシジルエーテル、レゾルシノールジグリシジルエーテル（ＣＡＳ番号：１０１－９０－６）、ビスフェノールＡジグリシジルエーテル、１，３－ブタジエンジエポキシド、ジグリシジル１，２－シクロヘキサンジカルボキシレート、ジグリシジルヘキサヒドロフタレート、ポリ（エチレングリコール）ジグリシジルエーテル平均（＜Ｍｎ１０００）、グリセロールジグリシジルエーテル、１，４－ブタンジオールジグリシジルエーテル、ビスフェノールＦジグリシジルエーテル、ビスフェノールＡプロポキシレートジグリシジルエーテル、ビスフェノールＡプロポキシレートジグリシジルエーテルＰＯ／フェノール１、Ｎ、Ｎ－ジグリシジル－４－グリシジルオキシアニリン、Ｎ、Ｎ－ジグリシジル－４－グリシジルオキシアニリン、ポリ（ジメチルシロキサン）、ジグリシジルエーテル末端（Ｍｎ＜１０００）、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、２，２－ビス［４－（グリシジルオキシ）フェニル］プロパン、４，４’－イソプロピリデンジフェノールジグリシジルエーテル、ＢＡＤＧＥ、ビスフェノールＡジグリシジルエーテル、Ｄ．Ｅ．Ｒ．（商標）３３２、ビス［４－（グリシジルオキシ）フェニル］メタン、トリス（４－ヒドロキシフェニル）メタントリグリシジルエーテル、トリス（２，３－エポキシプロピル）イソシアヌレート、４，４’－メチレンビス（２－メチルシクロヘキシルアミン）からなる群から選択され得る。他の好適な架橋剤はまた、１つ以上のイソチオシアネート、イソシアネート、アシルアジド、ＮＨＳエステル、スルホニルクロリド、アルデヒド、グリオキサール、エポキシド、オキシラン、カーボネート、ハロゲン化アリール、イミドエステル、カルボジイミド、無水物、及びフルオロフェニルエステル基を含み得る。
架橋剤は、アルデヒド基、例えば、少なくとも１つ、２つ、若しくは３つのアルデヒド基を含み得る。例えば、架橋剤は、ホルムアルデヒド又はグルタルアルデヒドであり得る。一実施形態では、親水性ポリマーは、アルデヒド、例えば、ホルムアルデヒド又はグルタルアルデヒドと架橋されたポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーである。
架橋剤は、２つ以上のビニル基（－Ｃ＝ＣＨ２）を含み得る。例えば、架橋剤は、Ｎ、Ｎ－メチレンビスアクリルアミド又はエチレングリコールジメタクリレートなどのジビニル架橋剤であり得る。いくつかの実施形態では、親水性ポリマーは、フリーラジカル開始ビニル重合メカニズムを介してＮ、Ｎ－メチレンビスアクリルアミドと架橋されて、例えば、共有結合によって一緒に結び付いているポリ（アクリルアミド－ｃｏ－メチレンビスアクリルアミド）ヒドロゲルを形成する、ポリアクリルアミド、その誘導体又はコポリマーである。
他の好適な架橋剤としては、エチレングリコールジメタクリレート及びピペラジンジアクリルアミドが挙げられる。
一実施形態では、架橋親水性ポリマーは、１－エチル－３－（３－ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド（ＥＤＣ）及びＮ－ヒドロキシスクシンイミド（ＮＨＳ）、並びに多官能性アミンと架橋される、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）、又はその部分ナトリウム若しくはカリウム塩を含む。
親水性ポリマーは、イオン的に架橋され得る（例えば、イオン相互作用（すなわち、逆帯電したイオン間の静電引力）によって連結され得る。例えば、イオン架橋は、親水性ポリマーと、リンカーとして逆帯電した分子との間の電荷相互作用であり得る。この帯電した小分子は、多価カチオン又はアニオンであり得る。逆帯電した分子はまた、ポリマーであり得る。イオン架橋はまた、逆電荷の２つのヒドロゲル形成ポリマー間であり得る。いくつかの実施形態では、親水性ポリマーは、金属架橋剤、例えば、多価カチオンによって架橋される。「多価カチオン」という用語は、＋２以上の正電荷を有するカチオンを指す。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、二価カチオン若しくは三価カチオン、又はそれらの混合物によってイオン的に架橋される。いくつかの実施形態では、多価カチオンは、二価カチオンである。本明細書で使用されるとき、「二価カチオン」という用語は、＋２の価数を有する正に帯電した元素、原子、又は分子を意味することが意図される。二価のカチオンは、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、Ｓｒ２＋、Ｂａ２＋、Ｚｎ２＋、又はＢｅ２＋、及びこれらのカチオンの塩形態（例えば、ＣａＣｌ２）のうちの１つ以上から選択され得る。他の実施形態では、多価カチオンは、三価カチオンである。本明細書で使用されるとき、「三価カチオン」という用語は、＋３の価数を有する正に帯電した元素、原子、又は分子を意味することが意図される。三価カチオンは、Ｆｅ３＋、Ｃｒ３＋、Ａｌ３＋、又はＭｎ３＋、及びこれらのカチオンの塩形態（例えば、ＡｌＣｌ３）のうちの１つ以上から選択され得る。いくつかの実施形態では、架橋剤は、二価カチオン及び三価カチオンの両方の混合物であり、これらの両方とも、本明細書に記載されるようなカチオンから選択され得る。
ヒドロゲルのＣＯ２捕捉／放出及び再生のためのプロセス
ＣＯ２は、ヒドロゲルに吸収されることによって、ガス流から除去することができる。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、ヒドロゲルのｇ当たり約１０ｍｇのＣＯ２（ｍｇ／ｇ）～約３００ｍｇ／ｇのＣＯ２を吸収することができる。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、少なくとも約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１２０、１５０、２００、２５０、又は３００ｍｇ／ｇのＣＯ２を吸収することができる。他の実施形態では、ヒドロゲルは、約３００、２５０、２００、１５０、１２０、１００、９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、又は１０ｍｇ／ｇ未満のＣＯ２を吸収することができる。これらの吸収値の組み合わせが可能であり、例えば、ヒドロゲルは、約１０ｍｇ／ｇ～約８０ｍｇ／ｇのＣＯ２、約２０ｍｇ／ｇ～約７０ｍｇ／ｇのＣＯ２、又は約１００ｍｇ／ｇ～約３００ｍｇ／ｇ、又は約２００ｍｇ／ｇ～約３００ｍｇ／ｇを吸収することができる。
いくつかの実施形態では、少なくとも約５０％のＣＯ２がガス流から除去される（例えば、少なくとも約５０％のＣＯ２がガス流からヒドロゲルへと吸収される）。いくつかの実施形態では、少なくとも約５０％、８５％、９０％、９５％、９９％、又は９９．９％のＣＯ２がガス流から除去される。いくつかの実施形態では、約５０％～約９９％のＣＯ２がガス流から除去される。
ガス流は、ヒドロゲルに接触し（例えば、ヒドロゲルを含む床を通過し）、ヒドロゲルとの接触に続いて排出ガス流をもたらす。上述したように、ヒドロゲルと接触する前に、ガス流は、初期ＣＯ２濃度を有する。ヒドロゲルとの接触後、排出ガス流は、排出ＣＯ２濃度を有する。ヒドロゲルとの接触後の排出ガス流中のＣＯ２の濃度を測定して、ガス流中に残るＣＯ２の濃度を決定することができる。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルとの接触後の排出ガス流中のＣＯ２の濃度が経時的に上昇する場合があり、これは、ガス流のヒドロゲルとの接触時に、ＣＯ２吸収が低減しているか、又はそれ以上行われていないことを示す（例えば、ヒドロゲルが「飽和」（例えば、消耗）しており、ＣＯ２吸収がほとんど発生していない～それ以上発生していないことを示す）。これは、ヒドロゲルを交換及び／又は再生して、ＣＯ２捕捉を継続するための指標として作用し得る。排出ガス流中のＣＯ２の濃度は、例えば、インライン較正キャビティーリングダウンＩＲ分光計を使用する、いかなる好適な手段によって測定することができる。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、好適なチャンバに封入することができ、チャンバは、その中に封入されたヒドロゲルに接触させるためにガス流を流すことができる１つ以上の入口、及びチャンバから排出流を流出させることができる１つ以上の出口を含む。代替的に、ヒドロゲルは、１つ以上の開口部を含む好適なチャンバに封入することができ、この開口部を通って、ガス流が拡散して（例えば、背圧／流速なしで）、その中に封入されたヒドロゲルに接触し得る。ガス流がヒドロゲルに接近することができるという条件で、チャンバは、数多くの形態を取ることができることが認識されよう。一実施形態では、チャンバは、本明細書に記載されるような充填床カラムであり得る。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、床として提供することができ、ガス流をヒドロゲルと接触させることは、ヒドロゲルを含む床にガス流を通過させることを含む。一実施形態では、ヒドロゲルは、充填床反応器として提供される。他の実施形態では、ガス流をヒドロゲルと接触させることは、例えば、流動床反応器を使用して、ヒドロゲルの流れをガス流に導入することを含む。
ヒドロゲルは、いかなる好適な期間、例えば、ヒドロゲルが消耗され、それ以上のＣＯ２吸収が発生しなくなるまで、ガス流と接触させることができる。一実施形態では、ヒドロゲルは、排出ガス流中のＣＯ２の濃度がガス流のＣＯ２の初期濃度と同じになるまで、ガス流と接触する。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、少なくとも約５、１０、３０、６０秒（１分）、１０、１５、２０、３０、４５、６０分（１時間）、２、５、１０、２４、４８、又は３６時間、ガス流と接触する。
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは、様々なＣＯ２吸収速度を提供する。一実施形態では、ＣＯ２吸収速度は、経時的に排出ガス流のＣＯ２濃度を監視することによって測定することができる。例えば、排出ガス流中のＣＯ２の濃度は、ヒドロゲルとの約２０分の接触後、初期ＣＯ２濃度の約５０％未満であり得る。いくつかの例では、排出ガス流中のＣＯ２の濃度は、ヒドロゲルとの約１００秒の接触後、初期ＣＯ２濃度の約５％未満であり得る（言い換えれば、少なくとも約９５％のＣＯ２が１００秒後にガス流から除去される）。他のＣＯ２吸収速度も可能である。
ヒドロゲル中での吸収後のＣＯ２は、ＣＯ２とアミン基との間の結合を破壊することによって放出することができる。これは、温度（加熱による）又は圧力（真空による）を使用することによって達成することができる。これは、ヒドロゲルを含むカラムを加熱すること、又は熱いガス流（例えば、スチーム）若しくは熱い空気を通過させることを伴い得る。そのような脱離は、ヒドロゲル内に吸収されたＣＯ２の少なくともいくらかを脱離することができるヒドロゲルと接触するか、若しくはそれを取り囲む、加熱環境（例えば、温度）又は加圧環境（例えば、真空による）、あるいはそれらの組み合わせを提供することができるいかなる好適な環境によって提供され得る。そのような脱離環境は、「入」又は「切」状態で動作することができる。例えば、ヒドロゲルとの接触に続く排出ガス流中のＣＯ２の濃度が、ＣＯ２吸収が低減しているか、又はそれ以上行われていないことを示すレベルまで増加すると、脱離環境は、ヒドロゲルからＣＯ２を脱離するために「入」に切り替えられ得る。
本明細書に開示されるようなプロセスは、周囲温度、例えば、約１０～３５℃の範囲で実施され得る。このプロセスはまた、一般に、典型的な大気圧（例えば、約９０～１０５ｋＰａ、より典型的には、約１０１ｋＰａ）付近で実施され得る。例えば、周囲温度は、１５～３０℃、又は２０～２５℃であり得る。
本明細書に記載されるようなヒドロゲルを使用するプロセスはまた、低湿度又は高湿度を有する環境での使用に好適である。この場合の低湿度は、約５ｍｂ未満の部分水蒸気圧を意味する。約２１℃では、これは、約２０％以下の相対湿度に対応する。この場合の高湿度は、約５ｍｂを超える部分的な水蒸気圧を意味する。約２１℃では、これは、約２０％超の相対湿度に対応する。相対湿度は、以下のように定義される。
Figure 2023516942000009
水についての飽和蒸気圧はよく知られており、温度に依存して変化する（Ｄｏｎａｌｄ Ａｈｒｅｎｓ，１９９４，Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ Ｔｏｄａｙ－ａｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｗｅａｔｈｅｒ，ｃｌｉｍａｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｆｉｆｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ－Ｗｅｓｔ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏ）。結果として、水蒸気圧は、所与の相対湿度に対する温度とともに変化するであろう。この例示は下記で提供される（ｈｔｔｐ：／／ｗｗ２０１０．ａｔｍｏｓ．ｕｉｕｃ．ｅｄｕ／％２８Ｇｈ％２９／ｇｕｉｄｅｓ／ｍｔｒ／ｃｌｄ／ｄｖｌｐ／ｒｈ．ｒｘｍｌ、２０１４年１２月にダウンロードした）。
Figure 2023516942000010
このプロセスは、低湿度を有する環境での使用に効果的であるが、他の処理が効果的ではない場合、より高い湿度でも効果的である。言い換えれば、本プロセス及びヒドロゲルの利点のうちの１つは、それらが比較的広い適用ウィンドウ（例えば、温度、圧力、及び湿度の広いパラメータの組み合わせ）にわたって、及び特に、広い湿度範囲にわたって使用することができることであるが、さらなる特定の利点は、より高い湿度でのその使用である。
このプロセスは、例えば、約９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、１８％、１６％、１４％、１２％、１０％、８％、６％、４％、又は２％未満の相対湿度で実行され得る。このプロセスは、約１％、２％、４％、６％、８％、１０％、１２％、１４％、１６％、１８％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、又は７０％超の相対湿度で実行され得る。このプロセスは、これらの値のうちのいずれか２つの間の相対湿度、例えば、約１％～約９０％、約２％～約５０％、約１０％～約７０％、約２％～約３０％、約１％～約２０％、又は約４％～約１８％で実行され得る。所与の部分水蒸気圧に対する相対湿度は、温度に依存することが認識されよう。部分水蒸気圧及び温度は独立変数であり、相対湿度（ＲＨ）は従属変数であるが、相対湿度がいかなる特定の温度で１００％を超えることはできないという制約がある。例えば、上記の相対湿度値のうちのいずれか１つ以上は、温度が約１０～４５℃、約１５～４０℃、又は約２０～３５℃である場合に提供され得る。上記の相対湿度値は、例えば、温度が約１５℃、１６℃、１７℃、１８℃、１９℃、２０℃、２１℃、２２℃、２３℃、２４℃、２５℃、２６℃、２７℃、２８℃、２９℃、３０℃、３１℃、３２℃、３３℃、３４℃、３５℃、３６℃、３７℃、３８℃、３９℃、４０℃、４１℃、４２℃、４３℃、４４℃、又は４５℃の値である場合であり得る。現在開示されているようなプロセスの適用ウィンドウは、上記のＲＨ及び温度範囲又は温度値のいかなる組み合わせであり得る。例えば、適用ウィンドウは、ＲＨが約１％～約７０％であり、約１５℃～約４０℃の温度範囲の場合であり得る。
湿度は、約６０、５０、４０、３０、２０、１５、１４、１３、１２、１１、１０、９、８、７、６、５、４、３、又は２未満の部分水蒸気圧（ｍｂ）によって提供され得る。湿度は、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、２０、３０、４０、５０、６０を超える部分水蒸気圧（ｍｂ）によって提供され得る。湿度は、これらの値のうちのいずれか２つの間、例えば、約２～約２５など、そのような約３～約１５、約４～約１０など、約１～約５０の部分水蒸気圧（ｍｂ）によって提供され得る。湿度は、上述のような温度値又は温度範囲に従って、所与の温度によって提供され得るが、温度値は、湿度が１００％相対湿度を超えないか、又はその部分蒸気圧がその飽和蒸気圧を超えないようなものであることが認識されよう。これらの部分水蒸気圧値のいずれかについての所与の温度での相対湿度は、例えば、約９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、又は２０％未満であり得る。
本開示をより明確に理解することができるようにするために、以下の非限定的な実験材料、方法論、及び実施例を参照することによって、本発明の特定の実施形態について下記でさらに詳細に記載する。
一般の材料
すべての化学物質を、商業的な供給業者から購入し、供給されたまま使用している。分岐ＰＥＩ（Ｍｗ約８００）、分岐ＰＥＩ（Ｍｗ約２５，０００）ＰＥＩ溶液（Ｍｗ約７５０，０００、Ｈ２Ｏ中に５０質量％）、モノエチレングリコール（ＭＥＧ）、トリグリシジルトリメチロールプロパンエーテル（ＴＭＰＴＧＥ又はＴＴＥ、クロスリンカー）、１，３－ブタジエンジエポキシド（ＢＤＤＥ、クロスリンカー）は、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈから供給された。分岐ＰＥＩ（Ｍｗ約１，８００）及び分岐ＰＥＩ（Ｍｗ約１０，０００）をＡｌｆａ Ａｅｓａｒから得た。蒸留水をＰＥＩ溶液の調製に使用した。直接空気捕捉研究に周囲空気を使用した。
実施例１：ポリエチレンイミンヒドロゲル粒子（「ＰＥＩ雪」）の製造
ポリエチレンイミンヒドロゲル粒子（「ＰＥＩ雪」）を製造するために、１０質量％～５０質量％の範囲の濃度を有するＰＥＩ水溶液９ｇを２０ｍＬのプラスチック試料バイアルの中に添加した。その後、種々の濃度を有するＢＤＤＥ架橋水溶液１ｇも同じバイアルの中に添加して、周囲温度でＰＥＩ架橋を開始した。架橋反応は、ＰＥＩのタイプ及びクロスリンカー（ＢＤＤＥ）の量に依存して３０分以内に終了し、最終的にバルクＰＥＩゲルを生成した。その後に、ガラス撹拌ロッドを使用して、ＰＥＩゲルを激しく粉砕して、２００～３００μｍの平均粒子サイズを有する雪状材料を得た。
測定の大部分については、ＰＥＩヒドロゲルは、使用前に前処理又は乾燥させることなく、取り込み測定用に調製したまま適用した。その結果、調製したＰＥＩヒドロゲルは、水で膨潤している。ＰＥＩヒドロゲル調製の概略図を図１に見ることができる。
液体膨潤ジェント（ｇｅｎｔ）として水を含有しない材料については、上記の同じ手順に従ったが、（１）真空オーブンを使用して水性ＰＥＩを乾燥させ、目的の溶媒中で再膨潤させること、（２）代替的な溶媒中でポリマーを合成し、そこで出発物質を目的の溶媒中に溶解させること、によって代替的な液体膨潤剤を添加した。
上記で調製した水性ＰＥＩ雪を真空オーブン内で乾燥させて、水液体膨潤剤を除去することによって、乾燥ＰＥＩヒドロゲル（すなわち、液体膨潤ジェントなし）を調製した。
実施例２：膨潤実験
各溶媒中の最大膨潤能力は、以下の方法を使用して決定することができる。ヒドロゲルの取り込み能力を測定するために、正確な質量の乾燥ヒドロゲルを、事前に秤量したポリプレップクロマトグラフィーカラム（Ｂｉｏ－Ｒａｄ）に添加した。過剰な対象溶媒を添加して、各カートリッジ内のヒドロゲルを完全に覆い、試料を２５℃で９６時間膨潤させた。次いで、過剰な溶媒を、圧力下で濾過することによって除去した。カートリッジ、及び膨潤したサンプルを再秤量して、水の取り込みを決定した。
実施例３：直接空気捕捉のための好適なヒドロゲルのスクリーニング
種々の剛性（すなわち、架橋の程度及びＰＥＩ分子量）及び機械的特性を有するＰＥＩ粒子を図２に示す。剛性変動を示すＳＥＭ画像を図３に提供する。ＣＯ２捕捉目的のための最良の可能な配合物を特定するために、周囲条件でのＰＥＩ分子量及びＢＤＤＥレベルの両方の効果を調査するスクリーニング研究を実施した。ＢＤＤＥ濃度は、混合後の溶液の質量に基づいた。３０質量％の濃度を有するＰＥＩ水溶液をすべてのスクリーニング実験に適用した。結果を表１にまとめている。
Figure 2023516942000011
ＢＤＤＥ濃度の上昇量（すなわち、２．０及び４．０質量％）でＰＥＩ約１０，０００を使用した場合、これにより、ゲル化時間が著しく低減され、剛性及び頑強性が改善された。これは、主として、より長いＰＥＩ鎖（すなわち、より高い分子量）及びより高い架橋密度（すなわち、より高いＢＤＤＥレベル）によるものであった。ＰＥＩ分子量をさらに約２５，０００、及びさらに約７５０，０００に増加させた場合、１．０質量％の最小ＢＤＤＥ濃度であっても、粉砕に対する適度な剛性を有するＰＥＩゲルを容易に形成することができる。これにより、ＰＥＩ分子量の影響がＢＤＤＥレベルの影響を上回り得ることが示された。ＰＥＩ約２５，０００及びＰＥＩ約７５０，０００についてのゲル化時間はまた、ＢＤＤＥレベルと負の相関があり、ゲルを１０分未満で容易に生み出すことができた。スクリーニング実験の結果に基づいて、ＰＥＩゲル及びＰＥＩ雪の調製のための原材料として、ＰＥＩ約１０，０００、ＰＥＩ約２５，０００、及びＰＥＩ約７５０，０００を選んだ。Ｍｗ及びクロスリンカー濃度の影響を調査することにより、正しい材料特性を生み出すことができる組成物空間の領域は、他の固体吸着剤と好ましく競合することができる唯一のヒドロゲル材料を提供することを強調した。
実施例４：ＰＥＩヒドロゲルのＦＴＩＲ及びＴＧＡ－ＭＳ特性決定
視覚的証拠に加えて、ＰＥＩ及びＢＤＤＥの架橋反応も詳細なＦＴＩＲ分光法によって確認した。種々の量のＢＤＤＥを３０質量％のＰＥＩ約２５，０００溶液の中に添加し、ＦＴＩＲの結果を図４に示す。それぞれ、Ｏ－Ｈ伸縮、Ｎ－Ｈ伸縮、Ｃ－Ｈ伸縮、ＯＨ変角、ＣＨ２変角、Ｃ－Ｎ伸縮．振動に対応する３３４９ｃｍ－１、３２８９ｃｍ－１、３０００～２８００ｃｍ－１、１６４０ｃｍ－１、１４６７ｃｍ－１、及び１１１１～１０４０ｃｍ－１で、ピークを観察した。約１６００ｃｍ－１でのショルダーピークもまた、－ＮＨ２変角振動に起因することが明らかであり、これは、一級アミン基の存在と一致する。数多くのＩＲバンド（すなわち、Ｎ－Ｈ伸縮、Ｃ－Ｈ伸縮、及びＮＨ２変角）の強度は、一般に、より高いＢＤＤＥレベルで低下し、これは架橋プロセスに関連する化学変化に好ましく合っている。しかしながら、Ｃ－Ｎピーク強度は、一般に、ＢＤＤＥ量とともに増加し、予想されたように、エポキシドがアミン基と実際に反応していたことを示唆している。約１６００ｃｍ－１でのショルダーピークの損失は、ＢＤＤＥのレベルが増加するにつれて、ＰＥＩが、より少量の一級アミンを含有していることを示した。Ｃ－Ｎ及びＣ－Ｈ伸縮振動に対応するピークを積分し、約１１００ｃｍ－１でのＣ－Ｎバンド対約２９００ｃｍ－１でのＣ－Ｈバンドの比率を決定した（図５）。Ｃ－Ｈバンドに対して、Ｃ－Ｎバンドの割合が増加し、変化が直線的であることが明らかであった（Ｒ２約０．９８）。これにより、ＢＤＤＥがＰＥＩと反応したことが裏付けられる。これらのピークの詳細な割り当て、及び所与のＢＤＤＥ濃度に曝露した場合のＰＥＩのＩＲスペクトルにおける一過性変化は、図６及び表２で利用可能である。
Figure 2023516942000012
ＰＥＩ雪によるＣＯ２捕捉を検証するために、ＦＴＩＲ測定及びＴＧ－ＭＳ測定の両方を実行した。図７ａは、乾燥純ＣＯ２（＞９９％）に経時的に曝露した、２．０質量％のＢＤＤＥ及び３０質量％のＰＥＩで作製したＰＥＩ雪約２５，０００のＩＲスペクトルを示す。示されるように、ＣＯ２吸収に対応する数多くのバンドが、前に記載している１６００～１２００ｃｍ－１の間に現れたことは明らかであった。特に、１５５７、１４１５、及び１３５９ｃｍ－１での新しいピークは時間とともに増加し、これは、カルバメート及び炭酸塩／重炭酸塩種の形成と一致する。さらに、ＰＥＩ雪によるＣＯ２吸収もＴＧ－ＭＳによって検証された。ＰＥＩ雪約２５，０００をＣＯ２に３０分間曝露し、周囲温度から２００℃まで加熱した。加熱プロセス中の質量損失を記録した。一方、進化したガスの組成を継続的に監視し、ＭＳによって分析した（図７ｂ及び７ｃ）。ＰＥＩ雪の総質量は初期段階でゆっくりと降下したが、温度が７５℃に達すると、質量損失が顕著になり、これは、ＭＳ分析におけるＨ２Ｏ信号の増加によって示されるようなＨ２Ｏの蒸発に大きく起因していた（図７ｂ）。ＣＯ２の除去は、２段階で完了した（図７ｃ）。最初に、少量のＣＯ２を約７０℃で放出し、これは、主に粒子表面上のＣＯ２吸着によるものであった。ＣＯ２の大部分は、１００～１５０℃の温度範囲内での強烈なＣＯ２／ＰＥＩ相互作用から放出された。ＣＯ２が１７０℃でほぼ完全に除去されることは、注目すべきことであった。この後、ＭＳによってＣＯ２信号を検出しなかった。
実施例５：ＰＥＩヒドロゲルを使用する直接空気捕捉
周囲空気からＣＯ２を捕捉する（ＤＡＣ）ヒドロゲルの能力を調査した。ＰＥＩ雪を使用してＤＡＣのための材料の能力を試験するために、Ｇ２２０１－ｉ Ｉｓｏｔｏｐｉｃ Ａｎａｌｙｚｅｒ（ＰＩＣＡＲＲＯ）を使用して、（排出ＣＯ２濃度を測定することによって）周囲条件下でのＣＯ２吸収剤のＤＡＣ能力を見積もった。同位体分析器は、インライン較正キャビティーリングダウンＩＲ分光計を使用する。ＰＥＩ雪を収容したカラムに周囲空気をポンプで送り込み、同位体分析器を使用して記録した。実験設備の概略図を図１６に提示する。
簡潔に言えば、圧縮機によって周囲空気を継続的に吸い込み、パイプラインに導入した。空気流速を監視し、マスフローコントローラ（Ｂｒｏｎｋｈｏｒｓｔ（登録商標）モデルＦ－２０１ＡＶ）によって制御した。試料カラムの入口にバブラーを設置して、周囲ガスの流れによって引き起こされるＰＥＩ雪の脱水を回避した。各測定については、ＰＥＩ雪を０．５ｍ×１／２インチの寸法を有するＳｗａｇｅｌｏｋカラムに投入した。ろ紙は、ＰＥＩ雪がパイプラインを汚染するのを阻止するために、カラムの入口及び出口の位置であった。一定の流速を有する空気が試料カラムに入り、ＰＥＩ雪と相互作用し、排出ガス中の残留ＣＯ２濃度を、実験全体を通して同位体分析器によって特定した。吸収されたＣＯ２の総量は、破過曲線から容易に決定することができる。
実施例１に従って、ＰＥＩヒドロゲルを調製した（すなわち、水で膨潤したＰＥＩヒドロゲル）。ＳｗａｇｅｌｏｋカラムにＰＥＩヒドロゲルを充填し、次いで、周囲空気を周囲から３バールまでの範囲の圧力の１０標準Ｌ／ｍの流速でカラムを通して流した。
ＣＯ２の濃度は、インライン較正キャビティーリングダウンＩＲ分光計を使用する同位体分析器を使用して測定することができ、ＣＯ２濃度は、当初、排出ガス中で低い１０ｐｐｍと測定され、９５％を超える捕捉効率を示していた。経時的に、材料がＣＯ２と反応するにつれて、排出流中の濃度が周囲レベルまで上昇し、ヒドロゲルは、熱又は熱／蒸気を使用して再生することができる。
一例では、ＰＥＩヒドロゲルは、ガス流から本質的に１００％のＣＯ２を吸収した。図８からわかるように、乾燥ＰＥＩヒドロゲル（例えば、いかなる水又は液体膨潤剤で膨潤していない）を、周囲空気のガス流と接触させ、乾燥ヒドロゲルは、ガス流からＣＯ２及び残留水分の両方を吸収し、初期段階での排出流中のＣＯ２及びＨ２Ｏ濃度における顕著な降下を示した。ヒドロゲルは、２日間（４８時間／１７５，０００秒）にわたって高い捕捉効率を維持し、周囲流からの本質的に約１００％のＣＯ２捕捉を有し、おおよそ０ｐｐｍの排出ＣＯ２濃度が得られた。２日後、排出ＣＯ２濃度が上昇し、ヒドロゲルがその最大ＣＯ２吸収に達し、「消耗済み」になっていることを示した。次いで、ヒドロゲルは、実施例９において下記で概説されるように、熱（例えば、スチーム）又は圧力を加えることによって再生することができた。全体的に、ＰＥＩヒドロゲルは、約０．２２６ｇのＣＯ２及び２．００ｇのＨ２Ｏ（１０．６質量％のＣＯ２、及び９３．４質量％の水）を吸収した。カラムの全体的な質量は２．６ｇだけ増加し、これは、ＣＯ２及びＨ２Ｏの吸収によるヒドロゲルの増加した質量と相関した（８６％一致）。
水及び／又は液体膨潤剤で膨潤したＰＥＩヒドロゲルはまた、周囲空気からのＣＯ２の効果的な吸収及び除去も示した（実施例６～９を参照されたい）。ヒドロゲルを周囲空気の流れの下で試験し、材料は、周囲空気からＣＯ２を効果的に除去することができる。
実施例６：直接空気捕捉に対する架橋濃度の影響
ヒドロゲル中の架橋の程度は、直接空気捕捉を使用するＣＯ２吸収速度に影響を与え、実施例１に従って調製した２つの架橋レベル（３００マイクロリットル及び６００マイクロリットルのＢＤＤＥ／１．５ｇのＰＥＩ）でのＰＥＩヒドロゲルのＤＡＣ性能の比較を評価した。ヒドロゲルを、実施例５に記載されるようなカラム内に置き、周囲空気を１０００ｍＬ／分の流速でヒドロゲルを通して流した。周囲空気が乾燥している場合、１０％の水で湿潤させて、経時的にＰＥＩヒドロゲルからの水のいかなる損失を軽減することができる。
図９に見られるように、両方のヒドロゲルは、当初、周囲空気流から少なくとも約８５％のＣＯ２を吸収した。周囲空気との接触の約２時間後、排出ガス流中のＣＯ２の濃度は、ガス流との長時間の接触後に両方のヒドロゲルで発生するＣＯ２の吸収及び捕捉を示す５０％を下回った（例えば、約２００ｐｐｍを下回った）ままであった。より低い架橋剤密度を有するヒドロゲル（３００マイクロリットルのＢＤＤＥ／１．５ｇのＰＥＩ）は、経時的な排出流中のＣＯ２濃度のより急速な上昇によって示されるように、より低いＣＯ２吸収を有していた。
実施例７：ＤＡＣ性能に対する流速の影響
ＤＡＣ性能に対する周囲空気の流速の影響を調査した。６００マイクロリットルのＢＤＤＥ／１．５ｇのＰＥＩを使用して、実施例１に従ってＰＥＩヒドロゲルを調製した。ヒドロゲルを、実施例５に記載されるようにカラムの中に位置付け、周囲空気を、１０００、２０００、４０００、及び８０００ｍＬ／分（ｓｃｃｍ）の種々の流速でヒドロゲルを通して流した。周囲空気を１０％水で湿潤させて、経時的にＰＥＩヒドロゲルからの水の損失を軽減した。図１０に見られるように、ヒドロゲルのすべては、当初、ガス流から少なくとも約８５％のＣＯ２を吸収した。周囲空気の流速（例えば、４０００及び８０００ｍｌ／分）が速いほど、経時的な排出流中のＣＯ２濃度のより速い上昇で示されるような周囲流からのＣＯ２吸収速度が上昇する。
実施例８：グリセロールで膨潤したＰＥＩ雪を用いた直接空気捕捉
液体膨潤剤としてグリセロールで膨潤したヒドロゲルを使用する直接空気捕捉を調査した。実施例１からの同じ手順に従ったが、グリセロール膨潤溶媒を、（１）真空オーブンを使用して水性ＰＥＩを乾燥させ、対象の溶媒中で再膨潤させるか、又は（２）代替的な溶媒中でＰＥＩ雪を合成し、そこで出発物質を対象の溶媒中に溶解させるかのいずれかによって添加した。
実施例５において概説したように、グリセロール膨潤架橋ポリアミンヒドロゲル（ＰＥＩ雪）をカラムの中に充填し、周囲空気を１０００ｍＬ／分の流速で膨潤ヒドロゲルを通して流した。排出流中のＣＯ２濃度を、実施例５におけるプロトコルに従って測定した。図１１に見られるように、捕捉効率は、周囲空気の流れへの初期曝露で８５％を超えた。
実施例９：ヒドロゲルからのＣＯ２の吸収及び脱離（ヒドロゲル再生）
ヒドロゲル中に吸収されたＣＯ２は、スチームなどの熱を加えることによって脱離することができる。簡潔に言えば、オーブン内の水を蒸発させることによって、スチームを生み出した。「消耗済み」ヒドロゲル（例えば、経時的に、排出流が、これ以上ＣＯ２捕捉が行われていないことを示す周囲レベルまで増加する、ＤＡＣで使用されるヒドロゲル）を、多数のろ紙を上部及び下部に備えたカラム内に充填して、ヒドロゲルをカラム内に留めた。カラムを水槽上に載せ、生み出されたスチームをヒドロゲルに通過させる。スチーミングが完了したときに、カラムを秤量して、ヒドロゲルが吸収又は脱離した水の量を確認した。ヒドロゲルを再生するために使用する装置の概略図を図１２に提供する。
オーブンを１２０℃で１バールに設定して、１００℃超の温度で過熱スチームを生み出し、確実にカラムの内部で濃縮が起こらないようにし、かつ確実にヒドロゲル／ＰＥＩ雪が乾燥したり水を吸収したりしないようにした。４０分の吸収時間（例えば、接触時間）及び１０分のスチーミング時間で、９回のサイクルの吸収及び脱離を実行した。
吸収ステップについては、測定した出口濃度ＣＯ２が再び４０５ｐｐｍに達するまで、空気を吹き込んだ。出口濃度を毎秒記録した。吸収及び脱離条件のまとめを表３に提供する。
Figure 2023516942000013
次いで、濃度を時間に対してプロットし、図１３Ａ及び１３Ｂに示した。１０回のサイクルを２つのグラフに分けた。ＣＯ２濃度の低下及び上昇を見ることができる。図１３Ａでは、最初、濃度は、ほぼ０、およそ平均して２０ｐｐｍ～４０ｐｐｍまで降下する。８～９時間以上かけて、濃度を４００ｐｐｍまで戻し、ＣＯ２捕捉特性を強調する。ヒドロゲルのＣＯ２捕捉効率を、再生実験で使用する少量（１．５グラムのヒドロゲル）によってさらに強調する。図１３Ｂでは、次の５回のサイクルを図示する。
再生実験で吸収されたＣＯ２の量を表４に提供し、その質量増加が各吸収サイクル及び脱離サイクルにわたって概ね一貫していることを強調している。
Figure 2023516942000014
実施例１０：ＴＴＥ架橋ＰＥＩ雪の製造
別のタイプのＰＥＩ雪も、異なるクロスリンカーを使用して調製した。３０．０質量％の質量濃度を有する９．０ｇのＰＥＩ約２５，０００水溶液を、２０ｍＬのプラスチック試料バイアルの中に添加した。その後、種々の量のトリメチロールプロパントリグリシジルエーテル（ＴＴＥ）（トリメチロールプロパントリグリシジルエーテルとしても知られている）を１．０ｇのメタノールに溶解させて、異なるＴＴＥ濃度を有するメタノール溶液を調製した。次いで、２つの溶液を混合し、手動で振盪して、ＰＥＩ架橋反応を周囲温度で開始した。架橋反応をクロスリンカー（ＴＴＥ）濃度に依存して１５分以内に終了し、最終的にバルクＰＥＩゲルを生成した。
その後に、ガラス撹拌ロッドを使用してＰＥＩゲルを激しく粉砕して、２００～３００μｍの平均粒子サイズを有する雪状材料を得た（図１４Ａを参照されたい）。得られた材料生成物を、前処理又は乾燥させることなく、その後の特性決定及びＤＡＣ測定のために調製するように使用し、それらを事実上「乾燥」させる。調製したＴＴＥ架橋ヒドロゲルを表５に提供する。
Figure 2023516942000015
各ＴＴＥ分子は、３つのエポキシド基を含有し、その結果、架橋ＰＥＩヒドロゲルの高密度３Ｄ構造が形成され、ヒドロゲル内の反応部位の空間密度が増加し、より多くの分量のＣＯ２分子を時間の単位内で固定することができ、より高いＣＯ２吸収効率に寄与する（図１４Ｂを参照されたい）。
実施例１１：ＴＴＥ ＰＥＩ架橋反応の赤外分光法
ＰＥＩとＴＴＥとの間の架橋反応の発生を検証するために、ＤＬａＴＧＳ検出器を装備したＶｅｒｔｅｘ－７０ ＦＴＩＲ分光計（Ｂｒｕｋｅｒ）を使用して、中赤外分光法測定を行った。データを、２ｃｍ－１の分解能で４０００～４００ｃｍ－１で記録し、３２回のスキャンを各スペクトルについて平均化した。いかなる測定の前に、ＡＴＲの表面を水及びエタノールで洗浄し、実験室用クリーニングティッシュ（Ｋｉｍｗｉｐｅ）で拭き取った。次いで、新しいバックグラウンドを記録した。ＰＥＩ水溶液及びＴＴＥメタノール溶液を室温の試料バイアル内で混合した。１滴の混合物を素早くＡＴＲ表面上に置き、ＩＲ測定を２０分間続けた。すべての実験を周囲温度（２０±２℃）で実施した。
図１５は、経時的なＴＴＥとＰＥＩとの間の架橋反応のＩＲスペクトルを提示している。２つの特徴的なピークを３３５０～３４００ｃｍ－１及び１６００～１５５０ｃｍ－１で観察し、これらはそれぞれ、－ＮＨ伸縮及び－ＮＨ変角振動に対応していた。別の２つの特徴的なピークを、約１６４０ｃｍ－１及び１０２０～１０２５ｃｍ－１で見出し、これらはそれぞれ、－ＯＨ変角振動及び－ＣＯＣ－伸縮振動に対応していた。特に、－ＣＯＣ－伸縮振動の強度は反応時間とともに死亡し、これはエポキシド基の消費と一致する。特徴的なピークの強度は、１０分後にはほとんど変動せず、速い反応速度、ＰＥＩ雪を調製することの簡単さを示し、これは、大規模生産のための潜在性を示している。これは、世界中で処理される必要がある大量の空気を考慮すると、特に有利である。
実施例１４：ＴＴＥ架橋ＰＥＩ雪を使用するＣＯ２の直接空気捕捉
ＴＴＥ架橋ＰＥＩ雪のＤＡＣ能力を、実施例５に概説されるプロトコルに従って評価した。簡潔に言えば、約１５ｇのＰＥＩ雪（６．０質量％のＴＴＥ及び３０質量％のＰＥＩ）を収容するカラムに周囲をポンプで送り込み、同位体分析器を使用して記録した。
本発明の一実施形態は、空調システムなどの産業流からＣＯ２を除去することに関するため、産業プロセスを模倣するために適度に高い流速（１０００、２０００、４０００ｍｌ／分）を適用しており、空気注入時間の関数としての出口ＣＯ２濃度を図１８（ａ）に示す。空気流速に関係なく、出口ＣＯ２レベルは、空気注入の最初の数分間で低下し、低濃度でのＣＯ２への材料の高い反応性及び捕捉効率を示し、これは、主に、架橋ＰＥＩ雪の粉末性質及び高いアミン基密度に起因していた。
図１８（ｂ）は、ＣＯ２取り込み、及び異なる流速で最大吸収の９０％に達するまでの時間を表すｔ９０％をまとめている。より高い流速は、より短いｔ９０％につながり、これは、いくつかの実施形態では、産業におけるＤＡＣ用途に望ましい。より低い流速では、ＣＯ２取り込み量は、それぞれ、１０００及び２０００ｍｌ／分について、５２．４及び５６．７ｍｇ ＣＯ２／ｇヒドロゲルであった。
図１８（ｃ）及び（ｄ）に示すように、ＰＥＩ雪のＤＡＣ性能に対するＴＴＥ濃度の効果を評価した。ＴＴＥ濃度（例えば、６．０質量％又は３．０質量％）に関係なく、両方のＰＥＩ雪は、低ＣＯ２濃度ガス流との長時間の接触後、すべての流速にわたって周囲空気流からＣＯ２を吸収した。より低いＴＴＥ濃度を有するＰＥＩ雪は、経時的に排出流中のＣＯ２濃度のより急速な上昇によって示されるように、初期のより速いＣＯ２吸収速度を有していたが、より高いＴＴＥ濃度を有するＰＥＩ雪と比較して、より低い全体的なＣＯ２吸収を有していた（１０００ｍｌ／分での３．０質量％及び６．０質量％のＴＴＥのＰＥＩ雪を有するＣＯ２取り込みは、それぞれ、３６．８ｍｇ及び５２．４ｍｇ ＣＯ２／ｇヒドロゲルであった）。
理論に束縛されることを望むものではないが、より低い架橋剤濃度（例えば、ＢＤＤＥ又はＴＴＥ）は、ＰＥＩヒドロゲル内のアルカノールアミンクロスリンカー中に存在するより少ない数のヒドロキシル基をもたらし得、これは、ＤＡＣ中にＣＯ２／アミン相互作用を促進し得る。しかしながら、架橋剤濃度が高すぎる場合、多数のアミン基がＰＥＩヒドロゲルの架橋中に消費され、それによってＣＯ２のための反応部位の数が低減する場合がある。したがって、いくつかの実施形態では、最大ＣＯ２吸収効率を得るために、本発明者らは、驚くべきことに、最適なクロスリンカー濃度がＰＥＩ分子量、ＰＥＩ溶液濃度、クロスリンカー構造、及び／又はＣＯ２／アミン反応メカニズムの関数として決定され得ることを特定した。
架橋ＰＥＩ雪は、大規模にスケールアップしたときに極めて優れたＣＯ２吸収を示した（図２１を参照されたい）。ＣＯ２取り込みは、６３．０２ｍｇ ＣＯ２／ｇ吸収剤であることが特定され、これは、適用した試料質量及び流速を考慮すると極めて優れていた。
実施例１５：ＴＴＥ架橋ＰＥＩ雪からのＣＯ２の吸収及び脱離（再生）
ＴＴＥ架橋ヒドロゲルからのＣＯ２の吸収及び脱離を調査した。簡潔に言えば、実施例１４のとおり、約１５ｇのＴＴＥ架橋ＰＥＩ雪を、ＤＡＣ調査のための試料カラムに投入した。出口ＣＯ２濃度が大気中レベルに等しくなった後、試料を含むカラムをパイプラインから取り出し、実施例９に記載されるように、対流オーブン内に置いた水槽につないだ。加熱温度を１２０℃に設定して、ＣＯ２を脱離した水スチームを生み出した。３０分後、加熱を終了し、カラムを室温に冷却した。その後、スチーミング加熱カラムを再び空気流にさらして、再生ＰＥＩ雪のＤＡＣ能力を評価した。合計で１０回の吸収－脱離サイクルを実行した。
次いで、吸収／脱離サイクルを実行して、ＤＡＣプロセスのためのＴＴＥ架橋ＰＥＩ雪の再循環性を評価した。図１９（上）に示すように、ＰＥＩ雪のＤＡＣ能力は、１０回のサイクル後も一貫したままであり、スチーム再生の有効性を示している。いくつかの代表的な実験の吸収曲線も再生プロセス中に一貫しており（図１９（下））、これは、架橋ＰＥＩの吸収能力が維持されていることを強調している。加えて、ＰＥＩ雪の外観及び粉末性質は良好に維持され、多数サイクル時のＰＥＩ雪の堅牢性を示した（図１９（上）を参照されたい）。
図２０を参照すると、最初に、元のＰＥＩ雪をＩＲによって走査した（「開始」として示される）。１回目のサイクルにおけるＣＯ２吸収（「第１の吸収」として示される）の後、少しの新しいピークが現れ、有効なＣＯ２吸収を示した。次いで、ＣＯ２投入試料をスチーミング熱にさらし、これらのＩＲピークが元の試料のＩＲピークとほぼ重なっていることがわかった。５回目のサイクルは、同じ傾向を繰り返した。１０回目のサイクルにおけるスチーミング熱（「最終」として示される）の後、新たなピークが現れなかったことがわかり、１０回のサイクルで熱分解及び酸化分解が発生しなかったため、ＰＥＩ雪の化学構造が、スチーミング熱による影響を最小限に抑えていることを示している。再生中に通常分解されるいくつかの他の市販のアミン系ＣＯ２吸収剤（例えば、液体アミン）の再循環性とは異なり、これは、架橋ＰＥＩ雪の化学構造が再生プロセスを通じて影響を最小限に抑えたことを示している。
代替的に、架橋ＰＥＩ雪も乾燥熱で再生することができる。本発明者らは、そのような乾燥熱が経時的なヒドロゲルからの少し水損失を誘起し得、熱としてのスチームの導入は、再生中の水分の導入によってヒドロゲルの水含有量を維持し得ることを特定した。しかしながら、乾燥熱及びスチームの両方を、効果的な脱離環境として示している。
実施例１６：ポリアクリルアミド系ヒドロゲルによる直接空気捕捉
ポリアミドとともに、ポリアクリルアミド、それらのコポリマー及び誘導体もＤＡＣに使用することができる。ポリアクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸（ＰＡＭ－ｃｏ－ＡＡ）部分ナトリウム／カリウム塩（Ｄｕｌｕｘ ｇｒｏｕｐ）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－メチレンビスアクリルアミド）ビーズ（Ｂｉｏ－Ｇｅｌ（登録商標）Ｐポリアクリルアミドビーズ）、及び貯水結晶（ｗａｔｅｒ ｓｔｏｒａｇｅ ｃｒｙｓｔａｌ）（ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）部分カリウム塩；Ｅｄｅｎ Ｂｒａｎｄ）を含む、様々なポリアクリルアミドヒドロゲルを使用することができる。
ジエタノールアミン（ＤＥＡ）、又はＤＥＡとエチレングリコール（ＥＧ）との混合物を含む液体膨潤剤をポリアクリルアミドヒドロゲルに吸収させることによって、ヒドロゲルを調製した。ポリアクリルアミドヒドロゲル対液体膨潤剤の正しい比率は変動し得るが、本実施例では、エチレングリコール液体膨潤剤中の３０％のＤＥＡを使用した。ＤＥＡを含む液体膨潤剤約２ｇを、約０．３ｇのポリアクリルアミド系ヒドロゲルと混合した。次いで、ヒドロゲルを、６０℃で３０分間オーブンに入れ、溶液を１５分後に撹拌して、吸収を促進させたポリマーに吸収させた。
ＤＡＣを実施例５に従って測定し、希釈濃度でＣＯ２を効果的に除去することを示した。簡潔に言えば、ＤＡＣ測定を、長さ約１ｍの１／２インチ外径チューブに架橋ポリアクリルアミド含有ポリマーを充填し、次いで、この充填カラムを通る周囲圧から３バールの範囲の圧力で１０標準Ｌ／ｍの空気を流すことによって実行した。
インライン較正キャビティーリングダウンＩＲ分光計を使用して、低い２０ｐｐｍのようなＣＯ２濃度を流出ガス中で測定し、当初、９５％を超えるＣＯ２捕捉効率を強調した（図２２を参照されたい。経時的に、ポリアクリルアミドヒドロゲルがＣＯ２と反応すると、濃度は周囲レベルまで上昇し、次いで、カラムは、上述のような熱又は熱／スチームを使用して再生することができる。
ジエタノールアミン（ＤＥＡ）のみを含む他の液体膨潤剤、又はジエタノールアミン（ＤＥＡ）若しくは２－ピペリジンエタノール（ＰＥ）の、水若しくはエチレングリコール（ＥＧ）のいずれかとの混合物もまた、本明細書に記載のポリアクリルアミドヒドロゲルに組み込み、それらのＣＯ２捕捉効率を試験した。
実施例１７：ＰＥＩ雪膨潤グリコール／ＤＥＡによる直接空気捕捉
グリコール及びＤＥＡ（エチレングリコール中の４０％ＤＥＡ）で膨潤したヒドロゲルを使用する直接空気捕捉 実施例１からの同じ手順に従ったが、グリコール／ＤＥＡ膨潤溶媒を、（１）真空オーブンを使用して水性ＰＥＩを乾燥させ、対象の溶媒中で再膨潤させるか、又は（２）代替的な溶媒（グリコールＤＥＡ）中でＰＥＩ雪を合成し、そこで出発物質を対象の溶媒中に溶解させるかのいずれかによって添加した。
グリコール／ＤＥＡ膨潤架橋ポリアミンヒドロゲル（ＰＥＩ雪）を１．５メートルのカラムの中に充填し、周囲空気を２０Ｌ／分の流速で膨潤ヒドロゲルを通して流した。排出流中のＣＯ２濃度を、実施例５におけるプロトコルに従って測定した。捕捉効率は、液体膨潤剤を調査したときの２～３ミリモルのＣＯ２／ｇアミン（９～１３％ｗ／ｗ）のアミン効率で、ＣＯ２能力４～６％ｗ／ｗ（湿質量基準）を有する周囲空気流への初期曝露に対して８５％を超えた。
多くの変形例及び／又は修正例は、本開示の広範な一般の範囲から逸脱することなく、上述の実施形態に対して行われ得ることが当業者によって認識されよう。したがって、本実施形態は、すべての点において例示するものであり、限定的ではないとみなされるべきである。

Claims (42)

  1. 約１００，０００ｐｐｍ未満のＣＯ２濃度を有する低ＣＯ２濃度ガス流から二酸化炭素（ＣＯ２）を除去するためのプロセスであって、
    前記ガス流を、前記ガス流から少なくともいくらかのＣＯ２を吸収するためのヒドロゲルと接触させることを含み、
    前記ヒドロゲルが、架橋剤と架橋した親水性ポリマーを含む架橋親水性ポリマーを含む、プロセス。
  2. 前記ヒドロゲルが、複数の粒子として提供される、請求項１に記載のプロセス。
  3. 前記ヒドロゲルを調製するために使用される前記親水性ポリマーが、約１，０００ｇ／モル～約２５０，０００ｇ／モルの質量平均分子量（ＭＷ）を有する、請求項１又は２に記載のプロセス。
  4. 前記ヒドロゲルが、約１質量％～約５０質量％の親水性ポリマーを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のプロセス。
  5. 前記ヒドロゲルが、約１０質量％～約４０質量％の親水性ポリマーを含む、請求項１～４のいずれか一項に記載のプロセス。
  6. 前記親水性ポリマーが、ホモポリマーである、請求項１～５のいずれか一項に記載のプロセス。
  7. 前記親水性ポリマーが、ポリアミン又はそのコポリマーを含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のプロセス。
  8. 前記親水性ポリマーが、線状若しくは分岐ポリアミン、又はそのコポリマーを含む、請求項１～７のいずれか一項に記載のプロセス。
  9. 前記親水性ポリマーが、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）である、請求項１～８のいずれか一項に記載のプロセス。
  10. 前記ヒドロゲルが、約０．１質量％～約２０質量％の架橋剤を含む、請求項１～９のいずれか一項に記載のプロセス。
  11. 前記ヒドロゲルが、約１質量％～約１０質量％の架橋剤を含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載のプロセス。
  12. 前記親水性ポリマーが、約０．０１モル％～約５０モル％の架橋剤を含む、請求項１～１１のいずれか一項に記載のプロセス。
  13. 前記架橋剤が、前記架橋親水性ポリマー中にアルキルクロスリンカーを提供するように選択され、前記アルキルが、場合によっては、少なくともハロ、ヒドロキシル、又はアミンから選択される１つ以上の官能基で置換され、場合によっては、１つ以上のＯ、Ｎ、Ｓｉ、又はＳで中断される、請求項１～１２のいずれか一項に記載のプロセス。
  14. 前記架橋剤が、エポキシドである、請求項１～１３のいずれか一項に記載のプロセス。
  15. 前記エポキシドが、ジエポキシドである、請求項１４に記載のプロセス。
  16. 前記エポキシドが、トリエポキシドである、請求項１４に記載のプロセス。
  17. 前記架橋剤が、１，３－ブタジエンジエポキシド（ＢＤＤＥ）又はトリグリシジルトリメチロールプロパンエーテル（ＴＴＥ）である、請求項１４～１６のいずれか一項に記載のプロセス。
  18. 前記親水性ポリマーが、ポリアクリルアミド又はそのコポリマーである、請求項１～５及び１０～１３のいずれか一項に記載のプロセス。
  19. 前記親水性ポリマーが、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸ナトリウム）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸カリウム）、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）カリウム塩、ポリ（アクリルアミド－ｃｏ－アクリル酸）ナトリウム塩、及びポリ（アクリルアミド－ｃｏ－メチレンビスアクリルアミド）からなる群から選択される、請求項１～５、１０～１３、及び１８のいずれか一項に記載のプロセス。
  20. 前記ヒドロゲルが、液体膨潤剤を含む、請求項１～１９のいずれか一項に記載のプロセス。
  21. 前記ヒドロゲルが、液体膨潤剤の約２０ｇ／ｇ～約１００ｇ／ｇの膨潤能力を有する、請求項２０に記載のプロセス。
  22. 前記ヒドロゲルが、約４０質量％～約９９質量％の液体膨潤剤を含む、請求項２０又は２１に記載のプロセス。
  23. 前記液体膨潤剤が、水若しくは非水性溶媒、又はそれらの組み合わせである、請求項２０～２２のいずれか一項に記載のプロセス。
  24. 前記非水性溶媒が、極性溶媒である、請求項２３に記載のプロセス。
  25. 前記液体膨潤剤が、約１００℃超の沸点を有する、請求項２０～２４のいずれか一項に記載のプロセス。
  26. 前記液体膨潤剤が、水、アルコール、ポリオール化合物、グリコール、アルカノールアミン、アルキルアミン、アルキルオキシアミン、ピペリジン、ピペラジン、ピリジン、ピロリドン、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項２０～２５のいずれか一項に記載のプロセス。
  27. 前記液体膨潤剤が、水、モノエチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセロール、２－メトキシエタノール、２－エトキシエタノール、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、及びアミノエトキシエタノール、並びにそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項２０～２６のいずれか一項に記載のプロセス。
  28. 前記グリコールが、モノエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、及びグリセロール、並びにそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項２７に記載のプロセス。
  29. 前記ヒドロゲルが、自己支持性ヒドロゲルである、請求項１～２８のいずれか一項に記載のプロセス。
  30. 前記ガス流が、約１，０００ｐｐｍ未満のＣＯ２濃度を有する、請求項１～２９のいずれか一項に記載のプロセス。
  31. 前記ガス流が、大気である、請求項１～３０のいずれか一項に記載のプロセス。
  32. 前記ガス流が、周囲空気である、請求項１～３１のいずれか一項に記載のプロセス。
  33. 前記プロセスが、直接空気捕捉（ＤＡＣ）である、請求項１～３２のいずれか一項に記載のプロセス。
  34. 前記ガス流を前記ヒドロゲルと前記接触させることが、前記ヒドロゲルを含む床に前記ガス流を通過させることを含む、請求項１～３３のいずれか一項に記載のプロセス。
  35. 前記ガス流を前記ヒドロゲルと前記接触させることが、前記ガス流に前記ヒドロゲルの流れを導入することを含む、請求項１～３４のいずれか一項に記載のプロセス。
  36. 前記ヒドロゲルとの接触に続いて、排出ガス流中のＣＯ２の前記濃度を測定することをさらに含む、請求項１～３５のいずれか一項に記載のプロセス。
  37. ＣＯ２の少なくとも約５０％、７５％、９０％、又は９５％が、前記ガス流から除去される、請求項１～３６のいずれか一項に記載のプロセス。
  38. 前記ガス流が、少なくとも約１００、１，０００、１０，０００、２５，０００、５０，０００、７５，０００、１００，０００、又は２００，０００ｓｃｃｍの流速を有する、請求項１～３７のいずれか一項に記載のプロセス。
  39. 前記ガス流が、少なくとも約１０，０００、１５，０００、１７，０００、２０，０００、３０，０００、４０，０００、又は５０，０００立方メートル毎時（ｍ３／時）の流速を有する、請求項１～３７のいずれか一項に記載のプロセス。
  40. 前記プロセスが、吸収されたＣＯ２を前記ヒドロゲルから脱離するための再生回収プロセスをさらに含む、請求項１～３９のいずれか一項に記載のプロセス。
  41. 前記再生回収プロセスが、前記吸収されたＣＯ２を前記ヒドロゲルから脱離するために、前記ヒドロゲルを加熱すること、若しくは圧力を低減すること、又はそれらの組み合わせを含む、請求項４０に記載のプロセス。
  42. 前記ヒドロゲルが、前記ヒドロゲルをスチームと接触させることによって加熱される、請求項４１に記載のプロセス。
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