JP5700668B2 - Polymer for absorbing carbon dioxide, and method for separating and recovering carbon dioxide using the polymer - Google Patents

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Description

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

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

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

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

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

アミノ基を有する機能性ポリマーとして、ポリアリルアミンのアミノ基をエポキシ化合物でアルキル変性したものが特許文献8で提案されている。この技術では、アミノ基を有するポリマーで親水性−疎水性の熱可逆応答性を示すものが提案されている。しかしながら、このような構造のアミノ基を有する機能性ポリマーを二酸化炭素の吸収材として使用した例は知られていない。   As a functional polymer having an amino group, a polymer obtained by alkyl-modifying an amino group of polyallylamine with an epoxy compound is proposed in Patent Document 8. In this technique, a polymer having an amino group that exhibits a hydrophilic-hydrophobic thermoreversible response has been proposed. However, there is no known example in which a functional polymer having an amino group having such a structure is used as a carbon dioxide absorbent.

特許第2871334号公報Japanese Patent No. 2871334 特許第2895325号公報Japanese Patent No. 2895325 特許第3197183号公報Japanese Patent No. 3197183 米国特許出願公開第2008−0050296号公報US Patent Application Publication No. 2008-0050296 特許第2925619号公報Japanese Patent No. 2925619 特公平4−37735号公報Japanese Examined Patent Publication No. 4-37735 特開2002−52340号公報JP 2002-52340 A 特許第3717021号公報Japanese Patent No. 3717021

本発明は、上記の課題を解決し、省エネルギーでガス中に含まれる二酸化炭素を分離回収するための二酸化炭素吸収材を提供すること、さらに、アミン化合物の揮発性がなく、安定に使用可能な二酸化炭素吸収材を提供することを目的とする。また本発明は上記の二酸化炭素吸収材を用いた、燃焼排ガスのような二酸化炭素含有ガスからの二酸化炭素の分離回収方法を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned problems, provides a carbon dioxide absorbent for separating and recovering carbon dioxide contained in gas with energy saving, and further has no amine compound volatility and can be used stably. It aims at providing a carbon dioxide absorber. Another object of the present invention is to provide a method for separating and recovering carbon dioxide from a carbon dioxide-containing gas such as combustion exhaust gas, using the carbon dioxide absorbent.

すなわち本発明は以下の通りである。
[1] 下記一般構造式(I):

Figure 0005700668
{式中、Rは、置換基を有していてもよい炭素数1〜8のアルキル基であり、Rは、水素原子又は置換基を有していてもよい炭素数1〜8のアルキル基であり、そしてR及びRの置換基は、ヒドロキシル基、メトキシ基、エトキシ基、フェニル基又はメトキシカルボニル基である。}
で表される構造を有する繰り返し単位を有する二酸化炭素吸収用ポリマー。 That is, the present invention is as follows.
[1] The following general structural formula (I):
Figure 0005700668
{Wherein R 1 is an optionally substituted alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and R 2 is a hydrogen atom or optionally having 1 to 8 carbon atoms. It is an alkyl group, and the substituents of R 1 and R 2 are a hydroxyl group, a methoxy group, an ethoxy group, a phenyl group or a methoxycarbonyl group. }
A carbon dioxide-absorbing polymer having a repeating unit having a structure represented by:

[2] 前記繰り返し単位が、下記一般構造式(II):

Figure 0005700668
{式中、R、R及びRは、それぞれ独立に水素原子又は置換基を有していてもよい炭素数1〜3のアルキル基であり、Rは、水素原子又は置換基を有していてもよい炭素数1〜8のアルキル基であり、そしてR、R、R及びRの置換基は、水酸基、メトキシ基、エトキシ基、フェニル基又はメトキシカルボニル基であることができる。}
で表される構造を有する、[1]に記載の二酸化炭素吸収用ポリマー。 [2] The repeating unit is represented by the following general structural formula (II):
Figure 0005700668
{Wherein R 3 , R 4 and R 5 are each independently a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms which may have a substituent, and R 6 represents a hydrogen atom or a substituent. An optionally substituted alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and the substituents of R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are a hydroxyl group, a methoxy group, an ethoxy group, a phenyl group or a methoxycarbonyl group. be able to. }
The polymer for carbon dioxide absorption according to [1], which has a structure represented by:

[3] 前記繰り返し単位が、下記一般構造式(III):

Figure 0005700668
{式中、Xは、上記一般構造式(I)又は(II)であり、nは、1〜10,000の整数である。}
で表される、[1]又は[2]に記載の二酸化炭素吸収用ポリマー。 [3] The repeating unit is represented by the following general structural formula (III):
Figure 0005700668
{In the formula, X is the general structural formula (I) or (II), and n is an integer of 1 to 10,000. }
The polymer for carbon dioxide absorption according to [1] or [2] represented by:

[4] 水の存在下における親水性−疎水性の転移温度が4.0℃以上96.0℃以下の範囲にある親水−疎水可逆性ポリマーである、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の二酸化炭素吸収用ポリマー。   [4] Any one of [1] to [3], which is a hydrophilic-hydrophobic reversible polymer having a hydrophilic-hydrophobic transition temperature in the range of 4.0 ° C. or higher and 96.0 ° C. or lower in the presence of water. The polymer for carbon dioxide absorption according to one item.

[5] 水の存在下で前記ポリマーを構成するアミノ基に対して2.0モル%以上30.0モル%以下のいずれかの量の二酸化炭素を吸収させた状態における前記ポリマーの親水性−疎水性の転移温度が10.0℃以上50.0℃以下の範囲にある親水−疎水可逆性ポリマーである、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の二酸化炭素吸収用ポリマー。   [5] Hydrophilicity of the polymer in a state in which any amount of carbon dioxide of 2.0 mol% or more and 30.0 mol% or less is absorbed with respect to the amino group constituting the polymer in the presence of water- The carbon dioxide-absorbing polymer according to any one of [1] to [3], which is a hydrophilic-hydrophobic reversible polymer having a hydrophobic transition temperature in a range of 10.0 ° C or higher and 50.0 ° C or lower.

[6] 水の存在下で前記ポリマーを構成するアミノ基に対して40.0モル%以上90.0モル%以下のいずれかの量の二酸化炭素を吸収させた状態における前記ポリマーの親水性−疎水性の転移温度が40.0℃以上95.0℃以下の範囲にある親水−疎水可逆性ポリマーである、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の二酸化炭素吸収用ポリマー。   [6] Hydrophilicity of the polymer in a state in which any amount of carbon dioxide of 40.0 mol% or more and 90.0 mol% or less is absorbed with respect to the amino group constituting the polymer in the presence of water- The carbon dioxide-absorbing polymer according to any one of [1] to [3], which is a hydrophilic-hydrophobic reversible polymer having a hydrophobic transition temperature in the range of 40.0 ° C to 95.0 ° C.

[7] 0.5M酢酸水溶液可溶分のゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により算出した重量平均分子量Mwが、1,500以上200,000以下である、[1]〜[6]のいずれか一項に記載の二酸化炭素吸収用ポリマー。   [7] Any one of [1] to [6], wherein a weight average molecular weight Mw calculated by gel permeation chromatography (GPC) of a 0.5M acetic acid aqueous solution is 1,500 or more and 200,000 or less. The carbon dioxide-absorbing polymer described in the item.

[8] 二酸化炭素吸収材の全質量を基準として、15.0質量%以上90.0質量%以下の[1]〜[7]のいずれか一項に記載の二酸化炭素吸収用ポリマー、及び10.0質量%以上85.0質量%以下の水を含有する、二酸化炭素吸収材。   [8] The polymer for absorbing carbon dioxide according to any one of [1] to [7], which is 15.0% by mass to 90.0% by mass based on the total mass of the carbon dioxide absorbent, and 10 Carbon dioxide absorbent containing 0.0 mass% or more and 85.0 mass% or less of water.

[9] [8]に記載の二酸化炭素吸収材に、二酸化炭素を含有するガスを接触させることにより二酸化炭素を吸収させ、その後に、該吸収材を加熱することにより二酸化炭素を分離回収する工程を含む、二酸化炭素の分離回収方法。   [9] A step of allowing carbon dioxide to be absorbed by contacting a carbon dioxide-absorbing material according to [8] with a gas containing carbon dioxide, and then heating and heating the absorbent to separate and recover the carbon dioxide. A method for separating and recovering carbon dioxide, comprising:

[10] 前記吸収材を加熱する温度が、60.0℃以上100.0℃以下である、[9]に記載の方法。   [10] The method according to [9], wherein a temperature at which the absorbent material is heated is 60.0 ° C or higher and 100.0 ° C or lower.

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

従来の化学吸収法における二酸化炭素分離回収装置の概略図である。It is the schematic of the carbon dioxide separation-and-recovery apparatus in the conventional chemical absorption method. 二酸化炭素吸収材の吸収量と放出量の評価装置の模式図である。It is a schematic diagram of the evaluation apparatus of the absorption amount and discharge | release amount of a carbon dioxide absorber. 二酸化炭素吸収材の反応熱の評価装置の模式図である。It is a schematic diagram of the evaluation apparatus of the reaction heat of a carbon dioxide absorber.

以下に本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の二酸化炭素吸収用ポリマーは、特定の構造を有する第二級アミノ基又は第三級アミノ基を有する繰り返し単位を有することを特徴とする。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The polymer for absorbing carbon dioxide of the present invention is characterized by having a repeating unit having a secondary amino group or a tertiary amino group having a specific structure.

[二酸化炭素吸収用ポリマーの構造]
本発明における二酸化炭素吸収用ポリマーは、上記一般構造式(I)で表される構造を有する繰り返し単位を有することを特徴とする。この繰り返し単位の構造は、側鎖に第二級アミン又は第三級アミンを有するポリマーを示している。本発明者らが鋭意検討を行った結果、このようなポリマーは二酸化炭素を吸収させた後に、低分子のアミン化合物よりも比較的低温で二酸化炭素を放出することが確認された。二酸化炭素を放出する際の温度を下げることは、液を昇温させるための熱エネルギーを減らすことにつながり、また、アミン化合物の熱分解等が抑えられ安定性の向上につながる。この低温における二酸化炭素の放出能が向上する理由としては、ポリマーの場合、ポリマー鎖の熱的物性が影響する可能性が考えられる。アミンと二酸化炭素の反応は下記のように、カルバメートアニオンを形成する反応及び重炭酸塩を形成する反応の二つの平衡反応が知られている。
<カルバメートアニオン生成反応>
2RNH+CO→RNHCOO・RNH
<重炭酸塩生成反応>
RNH+CO+HO→RNH ・HCO
[Structure of carbon dioxide absorbing polymer]
The polymer for absorbing carbon dioxide in the present invention is characterized by having a repeating unit having a structure represented by the general structural formula (I). The structure of this repeating unit indicates a polymer having a secondary amine or a tertiary amine in the side chain. As a result of intensive studies by the present inventors, it has been confirmed that such a polymer releases carbon dioxide at a relatively lower temperature than a low-molecular amine compound after absorbing carbon dioxide. Lowering the temperature at the time of releasing carbon dioxide leads to a decrease in thermal energy for raising the temperature of the liquid, and also prevents thermal decomposition of the amine compound and leads to an improvement in stability. The reason why the carbon dioxide releasing ability at a low temperature is improved may be that the thermal physical properties of the polymer chain may affect the polymer. As for the reaction of amine and carbon dioxide, two equilibrium reactions are known as follows: a reaction for forming a carbamate anion and a reaction for forming a bicarbonate.
<Carbamate anion formation reaction>
2RNH 2 + CO 2 → RNHCOO · RNH 3 +
<Bicarbonate production reaction>
RNH 2 + CO 2 + H 2 O → RNH 3 + .HCO 3

上記反応の内で、カルバメートアニオンの形成には、カウンターカチオンとしてもう1分子のアミンが必要とされるが、ポリマー鎖の分子運動の状態によってこのイオン結合の安定性に影響を与えると推察される。また、重炭酸塩の形成反応でも同様にポリマーの分子運動の状態が影響を与えるものと推察される。このような低温での二酸化炭素の高放出特性を発現するために、上記一般式(1)において、Rは、炭素数3〜8のアルキル基であることが好ましく、そして炭素数3又は4のアルキル基であることがより好ましい。この理由は、一般的に、第二級、第三級のアミノ基の反応性が、結合するアルキル基の数によって大きく異なるためであり、また、水酸基のような置換基の効果とのバランスにも影響するためである。 Of the above reactions, the formation of carbamate anion requires another molecule of amine as a counter cation, but it is assumed that the state of molecular motion of the polymer chain affects the stability of this ionic bond. . In addition, it is presumed that the state of molecular motion of the polymer similarly affects the formation reaction of bicarbonate. In order to express such a high-release characteristic of carbon dioxide at a low temperature, in the general formula (1), R 1 is preferably an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms, and 3 or 4 carbon atoms. The alkyl group is more preferably. This is because the reactivity of secondary and tertiary amino groups generally varies greatly depending on the number of alkyl groups to be bonded, and the balance with the effects of substituents such as hydroxyl groups. This is because it also affects.

さらに、上記繰り返し単位が上記一般構造式(II)で表される構造を有することによって、低温での二酸化炭素の放出性能が著しく向上することが分かった。この理由としては、このような構造を構成単位として有するポリマーでは、水酸基とアミノ基の存在によって、ポリマー鎖同士又は同一分子鎖内での水素結合の影響により、前記した熱的物性が顕著に現れるのではないかと推察される。また、水酸基があることによりポリマーの親水性が高く、特に水の存在下での特性が優れることが分かった。アミンと二酸化炭素の反応では、水分子の存在が大きく関与しており、特に重炭酸塩を生成する反応では水分子が必須となる。一般的に多くのアミンでは、重炭酸塩を生成する反応は、カルバメートアニオン生成反応より反応熱が低いことが知られており、二酸化炭素の放出の際の熱エネルギーを削減する上では重炭酸塩生成の方が優れている。反面、重炭酸塩を生成する反応は、吸収速度が遅いという傾向も知られており、両反応のバランスが重要と考えられる。このため、ポリマーの水和が反応性を左右するものと考えられる。尚、本発明中では、上記一般構造式(II)で表される構造は、上記一般構造式(I)で表される構造を満足するものに限られる。   Furthermore, it has been found that when the repeating unit has a structure represented by the general structural formula (II), the carbon dioxide release performance at a low temperature is remarkably improved. The reason for this is that, in a polymer having such a structure as a structural unit, the above-described thermal properties appear remarkably due to the presence of hydroxyl groups and amino groups due to the influence of hydrogen bonds between polymer chains or in the same molecular chain. It is guessed that. It was also found that the presence of a hydroxyl group makes the polymer highly hydrophilic and particularly excellent in the presence of water. In the reaction between amine and carbon dioxide, the presence of water molecules is greatly involved, and water molecules are indispensable particularly in reactions that produce bicarbonate. In general, for many amines, it is known that the reaction to generate bicarbonate has a lower heat of reaction than the reaction to generate carbamate anion, and to reduce the thermal energy when releasing carbon dioxide, bicarbonate is used. Generation is better. On the other hand, the reaction that produces bicarbonate is known to have a slow absorption rate, and the balance between the two reactions is considered important. For this reason, it is considered that the hydration of the polymer affects the reactivity. In the present invention, the structure represented by the general structural formula (II) is limited to a structure satisfying the structure represented by the general structural formula (I).

本発明者らの検討によると、このようなポリマーの効果と二酸化炭素の吸収・放出性能を両立させる点で、特に一般構造式(II)のポリマーの効果と吸収・放出性能が極めて顕著であることから、アミノ基と水酸基の位置関係と親水疎水性のバランスが重要であることが分かった。   According to the study by the present inventors, in particular, the effect of the polymer of the general structural formula (II) and the absorption / release performance are extremely remarkable in terms of achieving both the effect of such a polymer and the absorption / release performance of carbon dioxide. Therefore, it was found that the balance between the positional relationship between the amino group and the hydroxyl group and the hydrophilicity / hydrophobicity is important.

さらに、前記したポリマーの特性は低温での放出性能に加え、反応熱の低減という効果を与えることも分かった。反応熱の低減は、二酸化炭素を加熱することで脱離させ、吸収材を再生するためのエネルギーを削減することに直接的に繋がる。即ち、本発明の二酸化炭素吸収用ポリマーは、二酸化炭素を分離回収するための吸収材として使用した場合に、連続して安定的に、かつ非常に省エネルギーでの分離回収を可能にすることができる。   Furthermore, it has also been found that the above-mentioned polymer characteristics have the effect of reducing the heat of reaction in addition to the release performance at low temperatures. Reduction of the heat of reaction directly leads to reduction of energy for regenerating the absorbent by desorbing carbon dioxide by heating. That is, the polymer for absorbing carbon dioxide of the present invention can be continuously and stably separated and recovered with very low energy consumption when used as an absorbent for separating and recovering carbon dioxide. .

また、上記繰り返し単位は、上記一般構造式(III)であることが好ましい。   The repeating unit is preferably the general structural formula (III).

さらに、本発明者らは、このポリマーの水和を制御する点で、ポリマーの親水−疎水可逆性能を利用することを見出した。本明細書では、用語「親水−疎水可逆性」とは、親水性と疎水性が可逆的に変化する性質又は性能をいう。即ち、アミノ基と二酸化炭素の反応性をポリマーの親水性−疎水性可逆性能により制御することができることが分かった。この親水−疎水可逆性能とは、例えば温度又はpHのような環境条件の変化によって、ポリマーが親水性と疎水性の可逆応答を示すことをいう。このような環境変化に応じた親水性と疎水性の転移現象を用いて、アミノ基と二酸化炭素の反応性を大きく変えることによって、ポリマーの二酸化炭素の吸収・放出性能をさらに向上させることが可能となる。前記したポリマーの親水−疎水可逆性能を二酸化炭素の分離回収に応用する上で、温度環境によって親水性と疎水性が可逆的に転移するポリマーが優れている。具体的には、水中で4.0℃以上96.0以下のいずれかの温度に親水性−疎水性の転移温度を有するポリマーがよい。用語「転移温度を有する」とは、例えば、30℃の転移温度を有するポリマーであれば、30未満では親水性を示し、30℃以上では疎水性を示し、これらの性質が温度環境に応じて可逆的に転移するものを言う。この特性が優れている点は、二酸化炭素の吸収時と放出時の環境差として、最も容易に制御できる因子が温度であるからであり、従来の化学吸収法による分離回収も大きな温度差の下で二酸化炭素の吸収と放出を繰り返しているからである。この大きな温度差(例えば40℃で吸収し、120℃で放出する)に対して、温度環境による親水性−疎水性の転移を利用することで、より小さな温度差で吸収と放出を繰り返すことが可能となる。この温度差を実際に二酸化炭素の分離回収に利用し、二酸化炭素の吸収と放出の温度差を小さくする上では、親水性−疎水性の転移温度を10.0℃以上80.0℃以下にすることがより好ましい。転移温度が低すぎる場合には、吸収時の温度を低く設定しなければ特性が利用できないし、転移温度が高すぎる場合には放出時の温度を高く設定しなければ特性が利用できないからである。前記ポリマーにおける親水性−疎水性の転移温度は、前記繰り返し単位の構造及び含有率を制御することにより任意に発現・制御することが可能である。また、水中での前記ポリマーの転移温度と前記ポリマーから構成された二酸化炭素吸収材の転移温度は水以外の成分の存在によって異なり、それらの成分によって二酸化炭素吸収材中でのポリマーの転移温度を調整することも可能である。   Furthermore, the present inventors have found that the hydrophilic-hydrophobic reversible performance of the polymer is used in controlling the hydration of the polymer. As used herein, the term “hydrophilic-hydrophobic reversibility” refers to a property or performance in which hydrophilicity and hydrophobicity reversibly change. That is, it was found that the reactivity of amino groups and carbon dioxide can be controlled by the hydrophilic-hydrophobic reversible performance of the polymer. The hydrophilic-hydrophobic reversible performance means that the polymer exhibits a hydrophilic and hydrophobic reversible response due to a change in environmental conditions such as temperature or pH. It is possible to further improve the carbon dioxide absorption and release performance of the polymer by changing the reactivity of the amino group and carbon dioxide by using the hydrophilic and hydrophobic transition phenomenon according to the environmental change. It becomes. In applying the hydrophilic-hydrophobic reversible performance of the above-described polymer to the separation and recovery of carbon dioxide, a polymer in which hydrophilicity and hydrophobicity are reversibly transferred depending on the temperature environment is excellent. Specifically, a polymer having a hydrophilic-hydrophobic transition temperature at any temperature between 4.0 ° C. and 96.0 in water is preferable. The term “having a transition temperature” means, for example, that a polymer having a transition temperature of 30 ° C. shows hydrophilicity at less than 30 and hydrophobic at 30 ° C. or more, and these properties depend on the temperature environment. This refers to a reversible transition. This characteristic is superior because temperature is the most easily controlled factor in the environmental difference between carbon dioxide absorption and release, and separation and recovery by conventional chemical absorption methods are also subject to a large temperature difference. This is because the carbon dioxide is repeatedly absorbed and released. For this large temperature difference (for example, absorption at 40 ° C. and release at 120 ° C.), absorption and release can be repeated with a smaller temperature difference by utilizing the hydrophilic-hydrophobic transition depending on the temperature environment. It becomes possible. In order to reduce the temperature difference between absorption and release of carbon dioxide by actually utilizing this temperature difference for carbon dioxide separation and recovery, the hydrophilic-hydrophobic transition temperature is set to 10.0 ° C. or more and 80.0 ° C. or less. More preferably. If the transition temperature is too low, the characteristics cannot be used unless the absorption temperature is set low, and if the transition temperature is too high, the characteristics cannot be used unless the release temperature is set high. . The hydrophilic-hydrophobic transition temperature in the polymer can be arbitrarily expressed and controlled by controlling the structure and content of the repeating unit. Moreover, the transition temperature of the polymer in water and the transition temperature of the carbon dioxide absorbent composed of the polymer differ depending on the presence of components other than water, and the transition temperature of the polymer in the carbon dioxide absorbent depends on these components. It is also possible to adjust.

前記した親水性−疎水性の温度環境による可逆的な転移現象を利用して、二酸化炭素の吸収と放出を連続して繰り返し行なう上では、二酸化炭素の吸収後と放出後のそれぞれのポリマーの転移温度に着目する必要がある。本発明のポリマーの熱による親水性−疎水性の転移現象はpHによって左右され、二酸化炭素の吸収に応じてアミノ基由来のアルカリ性が弱くなるからである。そのため、連続的に繰り返して二酸化炭素の吸収と放出を行なう場合では、吸収時のポリマーの性質は、二酸化炭素の放出後に放出しきれずに残る二酸化炭素吸収量の影響を受け、そして放出時のポリマーの性質は、吸収後の二酸化炭素吸収量の影響を受ける。まず、吸収時のポリマーに関して言えば、放出後の二酸化炭素吸収量は一般的に、アミノ基に対して2.0モル%以上30.0モル%以下である。この状態のポリマーが吸収時に親水性であるためには、吸収時の温度よりも高い転移温度を有していればよい。具体的には、アミノ基に対して2.0モル%以上30.0モル%以下のいずれかの量の二酸化炭素を吸収した状態で、転移温度が15.0℃以上であることが望ましく、より好ましくは25℃以上50.0℃以下である。一方、放出時のポリマーに関して言えば、吸収後の二酸化炭素吸収量は一般的に、アミノ基に対して40.0モル%以上90.0モル%以下である。この状態のポリマーが吸収工程から放出工程へと昇温する過程で親水性と疎水性の転移を発現することで、放出時に疎水化することが可能となる。具体的には、アミノ基に対して40.0モル%以上90.0モル%以下のいずれかの量の二酸化炭素を吸収した状態で、40.0℃以上95.0℃以下のいずれかの温度に転移温度を有することが望ましく、より好ましくは50.0℃以上85.0℃以下である。   By utilizing the above-described reversible transition phenomenon due to the hydrophilic-hydrophobic temperature environment, when carbon dioxide is absorbed and released continuously and repeatedly, the transition of each polymer after absorption and release of carbon dioxide. It is necessary to pay attention to temperature. This is because the heat-induced hydrophilic-hydrophobic transition phenomenon of the polymer of the present invention depends on the pH, and the alkalinity derived from the amino group becomes weak according to the absorption of carbon dioxide. Therefore, when carbon dioxide is absorbed and released continuously and repeatedly, the properties of the polymer at the time of absorption are affected by the amount of carbon dioxide absorbed that cannot be released after the release of carbon dioxide, and the polymer at the time of release The properties of are affected by the amount of carbon dioxide absorbed after absorption. First, regarding the polymer at the time of absorption, the carbon dioxide absorption after release is generally 2.0 mol% or more and 30.0 mol% or less with respect to the amino group. In order for the polymer in this state to be hydrophilic at the time of absorption, it only needs to have a transition temperature higher than the temperature at the time of absorption. Specifically, it is desirable that the transition temperature is 15.0 ° C. or higher in a state where any amount of carbon dioxide of 2.0 mol% or more and 30.0 mol% or less is absorbed with respect to the amino group, More preferably, it is 25 ° C. or more and 50.0 ° C. or less. On the other hand, regarding the polymer at the time of release, the carbon dioxide absorption after absorption is generally 40.0 mol% or more and 90.0 mol% or less with respect to the amino group. The polymer in this state develops a transition between hydrophilicity and hydrophobicity in the process of raising the temperature from the absorption process to the release process, so that the polymer can be hydrophobized at the time of release. Specifically, any of 40.0 ° C. or more and 95.0 ° C. or less in a state in which any amount of carbon dioxide of 40.0 mol% or more and 90.0 mol% or less is absorbed with respect to the amino group. It is desirable to have a transition temperature in the temperature, more preferably 50.0 ° C. or higher and 85.0 ° C. or lower.

[二酸化炭素吸収用ポリマーの分子量]
本発明の二酸化炭素吸収用ポリマーは、ポリマー自体の二酸化炭素との反応性を利用することを特徴とする。本発明の「ポリマー」とは、重合体を意味し、ある程度以上の重合度を有するものである。即ち、重合性単量体の前記繰り返し単位を含むものである。このようなポリマーを二酸化炭素吸収用ポリマーとして利用することの利点として、揮発性がないことが挙げられる。つまり、ガスとの接触により、二酸化炭素を吸収させる際に、アミン化合物(本発明でいうポリマー)が蒸発しないため、吸収材を分離回収プロセスの系外に出さなくて済む。重合度としては、一般的にオリゴマーと呼ばれる範囲も含めることができ、10以上のユニット単位を有することが望ましい。それに応じて、分子量としても特に限定されないが、一般的に製造が容易な範囲から選択でき、例えば、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)の測定から換算される重量平均分子量Mwで、1,500以上200,000以下が好適であり、2,000以上20,000以下がより好適であり、そして二酸化炭素吸収用ポリマーの分子量は、二酸化炭素吸収材の形態に応じて任意に選択すればよい。
[Molecular weight of carbon dioxide absorbing polymer]
The carbon dioxide-absorbing polymer of the present invention is characterized by utilizing the reactivity of the polymer itself with carbon dioxide. The “polymer” of the present invention means a polymer and has a degree of polymerization of a certain level or more. That is, it contains the repeating unit of a polymerizable monomer. An advantage of using such a polymer as a carbon dioxide-absorbing polymer is that it is not volatile. That is, when carbon dioxide is absorbed by contact with the gas, the amine compound (the polymer referred to in the present invention) does not evaporate, so that it is not necessary to take the absorbent out of the system of the separation and recovery process. As the degree of polymerization, a range generally called an oligomer can be included, and it is desirable to have 10 or more unit units. Accordingly, the molecular weight is not particularly limited, but can generally be selected from a range that is easy to produce. For example, the weight average molecular weight Mw converted from the measurement by gel permeation chromatography (GPC) is 1,500 or more and 200 2,000 or less is preferable, 2,000 or more and 20,000 or less is more preferable, and the molecular weight of the carbon dioxide-absorbing polymer may be arbitrarily selected according to the form of the carbon dioxide-absorbing material.

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

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

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

本発明のポリマーにおける、前記繰り返し単位の含有量は特に限定されないが、単位二酸化炭素あたりの吸収材の使用量に影響するため、多い方がより省エネルギーでの分離に好ましい。即ち、ポリマー中のアミン含有量は多い方が好ましいが、前記繰り返し単位の構造及びポリマー組成比によって最適な量が決まる。本発明におけるポリマー中の前記繰り返し単位の含有量は5.0モル/kg以上15.0モル/kg以下であることが好ましく、より好ましくは6.5モル/kg以上10.0モル/kg以下である。   The content of the repeating unit in the polymer of the present invention is not particularly limited. However, since the amount of the absorbent per unit carbon dioxide is affected, a larger amount is more preferable for energy saving separation. That is, it is preferable that the content of amine in the polymer is large, but the optimum amount is determined by the structure of the repeating unit and the polymer composition ratio. The content of the repeating unit in the polymer in the present invention is preferably 5.0 mol / kg or more and 15.0 mol / kg or less, more preferably 6.5 mol / kg or more and 10.0 mol / kg or less. It is.

同様の理由で、本発明の二酸化炭素吸収材中の前記ポリマー含有量も多い方が好ましい。しかし、ポリマー含有量は吸収材の物性に大きく関わっており、二酸化炭素との反応性又はプロセスへの適合性に応じて制御しなければならない。好ましい範囲としては、15.0質量%以上90.0質量%以下であり、より好ましくは20.0質量%以上75.0質量%以下である。   For the same reason, it is preferable that the polymer content in the carbon dioxide absorbent of the present invention is large. However, the polymer content is greatly related to the physical properties of the absorbent and must be controlled depending on the reactivity with carbon dioxide or the suitability for the process. As a preferable range, it is 15.0 mass% or more and 90.0 mass% or less, More preferably, it is 20.0 mass% or more and 75.0 mass% or less.

前記繰り返し単位を有するポリマーの製造方法としては、公知の方法が利用でき、大きく分けて二通りある。一つは予め重合されたポリアリルアミン又はポリビニルアミンのようなアミノ基を有するポリマー(その他のビニル重合性単量体との共重合体であってもよい)の第一級アミンをアルキル置換するポリマー修飾方法である。この方法では、アミノ基と反応性のある化合物とポリマー中のアミノ基とを任意の割合で反応させることにより、第二級アミンまたは第三級アミンにアルキル置換することが可能である。また、アミノ基と反応性のある化合物を2種以上反応させることにより、任意の複数の構造を有するポリマーを製造することが可能である。アミノ基と反応性のある化合物としては、ハロゲン化アルキル、エポキシ化合物、アルデヒド、ケトン等が挙げられる。特に前記繰り返し単位が上記一般構造式(II)で表される構造を有する場合は、エポキシ化合物を選択することによって容易に生成することが可能である。本発明の前記ポリマーの製造に使用できるエポキシ化合物としては、例えば、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、1,2−エポキシブタン、2,3−エポキシブタン、イソブチレンオキサイド、グリシジルメチルエーテル、グリシジルエチルエーテル、グリシドール、スチレンオキサイド、シクロヘキセンオキサイド、グリシジルカルボキシレート等を挙げることができる。エポキシ化合物とアミンとの反応は加熱により容易に進行する。加熱温度はエポキシ化合物によって最適な範囲があるが、一般的には30℃以上100℃以下の範囲である。また、エチレンオキサイドのような沸点の低いエポキシ化合物の場合は、オートクレーブ中で反応させることが好ましい。   As a method for producing the polymer having a repeating unit, a known method can be used, and there are roughly two types. One is a polymer in which a primary amine of a polymer having an amino group such as polyallylamine or polyvinylamine which is polymerized in advance (may be a copolymer with other vinyl polymerizable monomers) is alkyl-substituted. It is a modification method. In this method, a secondary amine or a tertiary amine can be alkyl-substituted by reacting an amino group-reactive compound with an amino group in the polymer at an arbitrary ratio. Moreover, it is possible to produce a polymer having an arbitrary plurality of structures by reacting two or more compounds having reactivity with amino groups. Examples of the compound reactive with an amino group include alkyl halides, epoxy compounds, aldehydes, and ketones. In particular, when the repeating unit has a structure represented by the general structural formula (II), it can be easily generated by selecting an epoxy compound. Examples of the epoxy compound that can be used for producing the polymer of the present invention include ethylene oxide, propylene oxide, 1,2-epoxybutane, 2,3-epoxybutane, isobutylene oxide, glycidyl methyl ether, glycidyl ethyl ether, glycidol, Examples thereof include styrene oxide, cyclohexene oxide, glycidyl carboxylate and the like. The reaction between the epoxy compound and the amine proceeds easily by heating. The heating temperature has an optimum range depending on the epoxy compound, but is generally in the range of 30 ° C. or more and 100 ° C. or less. In the case of an epoxy compound having a low boiling point such as ethylene oxide, it is preferable to react in an autoclave.

もう一方の方法としては、下記一般構造式:

Figure 0005700668
式中、R 、置換基を有していてもよい炭素数1〜8のアルキル基であり、R 、水素原子又は置換基を有していてもよい炭素数1〜8のアルキル基であり、そしてR 及び 置換基は、ヒドロキシル基、メトキシ基、エトキシ基、フェニル基又はメトキシカルボニル基であることができる}
で示される任意のビニル重合性単量体を重合させる方法であり、必要に応じてその他のビニル重合性単量体と共重合することも可能である。
As another method, the following general structural formula:
Figure 0005700668
{In the formula, R 7 is an optionally substituted alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and R 8 is a hydrogen atom or optionally having 1 to 8 carbon atoms. An alkyl group, and the substituent of R 7 and R 8 can be a hydroxyl group, a methoxy group, an ethoxy group, a phenyl group or a methoxycarbonyl group}
Is a method of polymerizing any vinyl polymerizable monomer represented by the formula (1), and can be copolymerized with other vinyl polymerizable monomers as required.

重合方法としては公知の方法が適用でき、例えば、バルク重合、溶液重合、分散重合、沈殿重合、懸濁重合等が挙げられる。また、重合性の悪い単量体の場合、アミノ基を塩酸塩とした状態で重合させた後、ポリマーをアルカリにて中和することも可能である。開始剤としては、公知のラジカル開始剤が利用できる。   As the polymerization method, known methods can be applied, and examples thereof include bulk polymerization, solution polymerization, dispersion polymerization, precipitation polymerization, and suspension polymerization. Further, in the case of a monomer having poor polymerizability, it is possible to neutralize the polymer with an alkali after polymerization in a state where the amino group is in the form of hydrochloride. A known radical initiator can be used as the initiator.

目的の構造及びポリマー組成比に応じて、どちらの方法を選択してもよいし、これら二つの方法を両方組み合わせてもよい。   Either method may be selected depending on the target structure and polymer composition ratio, or both of these two methods may be combined.

前記ポリマーにおいては、前記繰り返し単位以外に構成単位として他のユニットを有していてもよいし、一級アミノ基を有していてもよい。他のビニル重合性単量体ユニットについて、具体的な単量体としては、スチレン、o−メチルスチレン、m−メチルスチレン、p−メチルスチレン、p−エチルスチレン、p−アミノスチレン及びその誘導体、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸−n−ブチル、メタクリル酸−2−エチルヘキシル、メタクリル酸フェニル、メタクリル酸ジメチルアミノエチル、メタクリル酸ジエチルアミノエチル、メタクリル酸−2−ヒドロキシエチル、メタクリル酸−2−ヒドロキシプロピル、メタクリル酸−2−ヒドロキシブチル、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸−n−ブチル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸プロピル、アクリル酸−2−エチルヘキシル、アクリル酸フェニル、アクリル酸−2−ヒドロキシエチル、アクリル酸−2−ヒドロキシプロピル、アクリル酸−2−ヒドロキシブチル等のメタクリル酸又はアクリル酸のエステル、アクリル酸、メタクリル酸、アクリルアミド、メタクリルアミド、マレイン酸、ビニル酢酸、4−ビニルピリジン等が挙げられる。   The polymer may have another unit as a structural unit in addition to the repeating unit, or may have a primary amino group. Regarding other vinyl polymerizable monomer units, specific monomers include styrene, o-methylstyrene, m-methylstyrene, p-methylstyrene, p-ethylstyrene, p-aminostyrene and derivatives thereof, Methyl methacrylate, ethyl methacrylate, propyl methacrylate, methacrylic acid-n-butyl, 2-ethylhexyl methacrylate, phenyl methacrylate, dimethylaminoethyl methacrylate, diethylaminoethyl methacrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate, methacrylic acid 2-hydroxypropyl acid, 2-hydroxybutyl methacrylate, methyl acrylate, ethyl acrylate, -n-butyl acrylate, isobutyl acrylate, propyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, phenyl acrylate, Methacrylic acid or esters of acrylic acid, such as 2-hydroxyethyl toluate, 2-hydroxypropyl acrylate, 2-hydroxybutyl acrylate, acrylic acid, methacrylic acid, acrylamide, methacrylamide, maleic acid, vinyl acetic acid, 4-vinyl pyridine etc. are mentioned.

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

本発明の二酸化炭素吸収用ポリマーは、前述したポリマーを2種以上含有させてもよいし、さらに、その他の構成成分を含んでいてもよい。特に、アミンと二酸化炭素の反応性に大きな関わりのある水を含むことが好ましい。含水量は、二酸化炭素吸収材中における前記繰り返し単位の量(アミン含有量)に対して1等量以上が好ましいが、多すぎると繰り返し単位の含有量が相対的に減ってしまい好ましくない。具体的には10.0質量%以上85.0質量%以下の割合が好ましく、25.0質量%以上70.0質量%以下であることがより好ましい。   The carbon dioxide-absorbing polymer of the present invention may contain two or more kinds of the aforementioned polymers, and may further contain other components. In particular, it is preferable to include water that is greatly related to the reactivity between amine and carbon dioxide. The water content is preferably 1 equivalent or more with respect to the amount of the repeating unit (amine content) in the carbon dioxide absorbent, but if it is too much, the content of the repeating unit is relatively undesirably reduced. Specifically, the ratio is preferably 10.0% by mass or more and 85.0% by mass or less, and more preferably 25.0% by mass or more and 70.0% by mass or less.

尚、本発明において、二酸化炭素吸収用ポリマーとその他の構成成分との組み合わせを「二酸化炭素吸収材」と称する。従って、二酸化炭素吸収用ポリマーと水との組み合わせによる上記の物も本発明における二酸化炭素吸収材に相当する。好ましくは、二酸化炭素吸収材は、その全質量を基準として、15.0質量%以上90.0質量%以下の二酸化炭素吸収用ポリマー、及び10.0質量%以上85.0質量%以下の水を含有する。   In the present invention, a combination of a carbon dioxide-absorbing polymer and other components is referred to as a “carbon dioxide absorbent”. Therefore, the above-mentioned thing by the combination of the carbon dioxide absorbing polymer and water also corresponds to the carbon dioxide absorbent in the present invention. Preferably, the carbon dioxide absorbent is 15.0% by mass or more and 90.0% by mass or less of carbon dioxide absorbing polymer and 10.0% by mass or more and 85.0% by mass or less of water based on the total mass of the carbon dioxide absorbent. Containing.

二酸化炭素吸収材において、他の構成成分として、必要に応じて水以外にも溶媒を含有していてもよい。前記ポリマーの溶解性又は分散性に応じて適応するものが違うが、蒸気圧又は沸点の低いものは分離回収工程において揮発してしまい好ましくない。また、アミンと反応性の高いものも好ましくない。省エネルギー化の観点では、比熱が低く熱伝導性のよいものが好ましい。含有させてもよい溶媒として具体的には、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール等の多価アルコール類、ブタノール、ペンタノール、シクロヘキサノール等の炭素数4以上のアルコール類、2−ピロリドン、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド等のアミド類、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート等のカーボネート類又はシリコンオイル等を挙げることができる。   The carbon dioxide absorbent may contain a solvent other than water as necessary as another component. Depending on the solubility or dispersibility of the polymer, the one to be applied is different, but those having a low vapor pressure or boiling point are not preferable because they are volatilized in the separation and recovery process. Also, those having high reactivity with amines are not preferred. From the viewpoint of energy saving, those having low specific heat and good thermal conductivity are preferred. Specific examples of the solvent that may be contained include polyhydric alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol, glycerin, 1,3-butanediol, and 1,4-butanediol, and carbon such as butanol, pentanol, and cyclohexanol. Examples thereof include alcohols having a number of 4 or more, amides such as 2-pyrrolidone, N-methylpyrrolidone, and dimethylacetamide, carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, and diethyl carbonate, or silicon oil.

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

また、他の構成成分として、前記繰り返し単位を有するポリマー以外の公知のポリマーを添加してもよい。また、前記繰り返し単位を有するポリマーの物性を調整する目的で、酸、アルカリ又は塩を添加することも可能である。また、二酸化炭素吸収材の形態に応じて、公知の消泡剤又は分散安定剤、界面活性剤、粘度調整剤、腐食防止剤等を添加することも可能である。   Moreover, you may add well-known polymers other than the polymer which has the said repeating unit as another structural component. Moreover, it is also possible to add an acid, an alkali, or a salt in order to adjust the physical properties of the polymer having the repeating unit. Further, depending on the form of the carbon dioxide absorbent, it is possible to add a known antifoaming agent or dispersion stabilizer, surfactant, viscosity modifier, corrosion inhibitor and the like.

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

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

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

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

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

<ポリマーの製造例1>
攪拌機、コンデンサー、温度計を付した反応容器に、ポリアリルアミン20質量%水溶液(日東紡績社製 PAA−05)40.0gを仕込みオイルバスにて35℃に昇温した。次に、プロピレンオキサイド9.0gとエタノール20.0gとを混合し、前記反応容器に攪拌しながら20分間かけて滴下し、滴下終了後3時間攪拌しながら反応させた。さらに、50℃に昇温し3時間攪拌しながら反応させた。その後、蒸留を行なって水、エタノールを留去して、減圧下、50℃で乾燥し、アミンポリマー1を得た。得られたアミンポリマー1の全有機炭素TOC及び全窒素TN測定より求められるC/Nの値から、ポリアリルアミンのアミノ基100モルに対して100モル%の変性を確認した。
<Polymer Production Example 1>
A reaction vessel equipped with a stirrer, a condenser and a thermometer was charged with 40.0 g of a 20% polyallylamine aqueous solution (PAA-05 manufactured by Nitto Boseki Co., Ltd.), and the temperature was raised to 35 ° C. in an oil bath. Next, 9.0 g of propylene oxide and 20.0 g of ethanol were mixed, added dropwise to the reaction vessel over 20 minutes with stirring, and reacted with stirring for 3 hours after the completion of the addition. Furthermore, it heated up at 50 degreeC and made it react, stirring for 3 hours. Thereafter, distillation was carried out to distill off water and ethanol, followed by drying at 50 ° C. under reduced pressure to obtain amine polymer 1. From the C / N value determined from the total organic carbon TOC and total nitrogen TN measurement of the obtained amine polymer 1, 100 mol% modification was confirmed with respect to 100 mol of amino groups of polyallylamine.

<ポリマーの製造例2>
攪拌機、コンデンサー、温度計を付した反応容器に、ポリアリルアミン20質量%水溶液(日東紡績社製 PAA−05)40.0gを仕込みオイルバスにて60℃に昇温した。次に、1,2−エポキシブタン8.1gとエタノール20.0gとを混合し、前記反応容器に攪拌しながら20分間かけて滴下し、滴下終了後6時間攪拌しながら反応させた。その後、蒸留を行なって水、エタノールを留去して、減圧下、50℃で乾燥し、アミンポリマー2を得た。得られたアミンポリマー2の全有機炭素TOC及び全窒素TN測定より求められるC/Nの値から、ポリアリルアミンのアミノ基100モルに対して72モル%の変性を確認した。
<Polymer Production Example 2>
A reaction vessel equipped with a stirrer, a condenser, and a thermometer was charged with 40.0 g of a 20% polyallylamine aqueous solution (PAA-05 manufactured by Nitto Boseki Co., Ltd.) and heated to 60 ° C. in an oil bath. Next, 8.1 g of 1,2-epoxybutane and 20.0 g of ethanol were mixed and added dropwise to the reaction vessel over 20 minutes while stirring. After the completion of the dropwise addition, the reaction was performed for 6 hours with stirring. Thereafter, distillation was performed to distill off water and ethanol, followed by drying at 50 ° C. under reduced pressure to obtain amine polymer 2. From the C / N value determined from the total organic carbon TOC and total nitrogen TN measurement of the amine polymer 2 obtained, 72 mol% modification was confirmed with respect to 100 mol of amino groups of polyallylamine.

<ポリマーの製造例3>
攪拌機、コンデンサー、温度計を付した反応容器に、ポリアリルアミン20質量%水溶液(日東紡績社製 PAA−05)40.0gを仕込みオイルバスにて60℃に昇温した。次に、1,2−エポキシブタン4.0gとエタノール10.0gとを混合し、前記反応容器に攪拌しながら20分間かけて滴下し、滴下終了後6時間攪拌しながら反応させた。この際、ごく一部を抜き取り、減圧下、50℃で乾燥したものを用いて全有機炭素TOC及び全窒素TN測定を行なった。C/Nの値から、ポリアリルアミンのアミノ基100モルに対して38モル%の変性を確認した。次に、オイルバスにて35℃にした後に、プロピレンオキサイド4.9gとエタノール10.0gとを混合し、前記反応容器に攪拌しながら20分間かけて滴下し、滴下終了後3時間攪拌しながら反応させた。さらに、50℃に昇温し3時間攪拌しながら反応させた。その後、蒸留を行なって水、エタノールを留去して、減圧下、50℃で乾燥し、アミンポリマー3を得た。得られたアミンポリマー3の全有機炭素TOC及び全窒素TN測定より求められるC/Nの値から、ポリマーのアミノ基100モルに対して58モル%(合計で96モル%)の変性を確認した。
<Polymer Production Example 3>
A reaction vessel equipped with a stirrer, a condenser, and a thermometer was charged with 40.0 g of a 20% polyallylamine aqueous solution (PAA-05 manufactured by Nitto Boseki Co., Ltd.) and heated to 60 ° C. in an oil bath. Next, 4.0 g of 1,2-epoxybutane and 10.0 g of ethanol were mixed, dropped into the reaction vessel over 20 minutes while stirring, and reacted with stirring for 6 hours after completion of dropping. At this time, a total portion of the organic carbon TOC and total nitrogen TN were measured using a portion extracted at 50 ° C. under reduced pressure. From the value of C / N, modification of 38 mol% with respect to 100 mol of amino group of polyallylamine was confirmed. Next, after making 35 degreeC with an oil bath, 4.9 g of propylene oxide and 10.0 g of ethanol are mixed, and it is dripped over 20 minutes, stirring to the said reaction container, stirring for 3 hours after completion | finish of dripping. Reacted. Furthermore, it heated up at 50 degreeC and made it react, stirring for 3 hours. Thereafter, distillation was performed to distill off water and ethanol, followed by drying at 50 ° C. under reduced pressure to obtain amine polymer 3. From the C / N value obtained from the total organic carbon TOC and total nitrogen TN measurement of the resulting amine polymer 3, 58 mol% (96 mol% in total) modification was confirmed with respect to 100 mol of the amino group of the polymer. .

<ポリマーの製造例4>
攪拌機、コンデンサー、温度計を付した反応容器に、ポリアリルアミン20質量%水溶液(日東紡績社製 PAA−05)40.0gを仕込みオイルバスにて60℃に昇温した。次に、1,2−エポキシブタン5.1gとエタノール10.0gとを混合し、前記反応容器に攪拌しながら20分間かけて滴下し、滴下終了後6時間攪拌しながら反応させた。この際、ごく一部を抜き取り、減圧下、50℃で乾燥したものを用いて全有機炭素TOC及び全窒素TN測定を行なった。C/Nの値から、ポリアリルアミンのアミノ基100モルに対して47モル%のアルキル変性を確認した。次に、オイルバスにて35℃にした後に、プロピレンオキサイド6.1gとエタノール10.0gとを混合し、前記反応容器に攪拌しながら20分間かけて滴下し、滴下終了後3時間攪拌しながら反応させた。さらに、50℃に昇温し3時間攪拌しながら反応させた。その後、蒸留を行なって水、エタノールを留去して、減圧下、50℃で乾燥し、アミンポリマー4を得た。得られたアミンポリマー4の全有機炭素TOC及び全窒素TN測定より求められるC/Nの値から、ポリマーのアミノ基100モルに対して69モル%(合計で116モル%)のアルキル変性を確認した。
<Polymer Production Example 4>
A reaction vessel equipped with a stirrer, a condenser, and a thermometer was charged with 40.0 g of a 20% polyallylamine aqueous solution (PAA-05 manufactured by Nitto Boseki Co., Ltd.) and heated to 60 ° C. in an oil bath. Next, 5.1 g of 1,2-epoxybutane and 10.0 g of ethanol were mixed, dropped into the reaction vessel over 20 minutes while stirring, and reacted with stirring for 6 hours after the completion of dropping. At this time, a total portion of the organic carbon TOC and total nitrogen TN were measured using a portion extracted at 50 ° C. under reduced pressure. From the value of C / N, 47 mol% of alkyl modification was confirmed with respect to 100 mol of amino groups of polyallylamine. Next, after making 35 degreeC with an oil bath, 6.1 g of propylene oxide and 10.0 g of ethanol are mixed, and it is dripped over 20 minutes, stirring to the said reaction container, stirring for 3 hours after completion | finish of dripping. Reacted. Furthermore, it heated up at 50 degreeC and made it react, stirring for 3 hours. Thereafter, distillation was performed to distill off water and ethanol, followed by drying at 50 ° C. under reduced pressure to obtain amine polymer 4. From the total organic carbon TOC of the obtained amine polymer 4 and the C / N value determined from the total nitrogen TN measurement, 69 mol% (116 mol% in total) of alkyl modification was confirmed with respect to 100 mol of the amino group of the polymer. did.

<ポリマーの製造例5>
攪拌機、コンデンサー、温度計を付した反応容器に、ポリアリルアミン20質量%水溶液(日東紡績社製 PAA−05)40.0gを仕込みオイルバスにて35℃に昇温した。次に、プロピレンオキサイド16.3gとエタノール20.0gとを混合し、前記反応容器に攪拌しながら20分間かけて滴下し、滴下終了後3時間攪拌しながら反応させた。さらに、50℃に昇温し3時間攪拌しながら反応させた。その後、蒸留を行なって水、エタノールを留去して、減圧下、50℃で乾燥し、アミンポリマー5を得た。得られたアミンポリマー5の全有機炭素TOC及び全窒素TN測定より求められるC/Nの値から、ポリアリルアミンのアミノ基100モルに対して171モル%の変性を確認した。
<Polymer Production Example 5>
A reaction vessel equipped with a stirrer, a condenser and a thermometer was charged with 40.0 g of a 20% polyallylamine aqueous solution (PAA-05 manufactured by Nitto Boseki Co., Ltd.), and the temperature was raised to 35 ° C. in an oil bath. Next, 16.3 g of propylene oxide and 20.0 g of ethanol were mixed, added dropwise to the reaction vessel over 20 minutes with stirring, and reacted with stirring for 3 hours after the completion of the addition. Furthermore, it heated up at 50 degreeC and made it react, stirring for 3 hours. Thereafter, distillation was performed to distill off water and ethanol, followed by drying at 50 ° C. under reduced pressure to obtain amine polymer 5. From the C / N value obtained from the total organic carbon TOC and total nitrogen TN measurement of the obtained amine polymer 5, 171 mol% modification was confirmed with respect to 100 mol of the amino group of polyallylamine.

<ポリマーの製造例6>
攪拌機、コンデンサー、温度計を付した反応容器に、ポリアリルアミン20質量%水溶液(日東紡績社製 PAA−03)40.0gを仕込みオイルバスにて60℃に昇温した。次に、1,2−エポキシブタン11.1gとエタノール20.0gとを混合し、前記反応容器に攪拌しながら20分間かけて滴下し、滴下終了後6時間攪拌しながら反応させた。その後、蒸留を行なって水、エタノールを留去して、減圧下、50℃で乾燥し、アミンポリマー6を得た。得られたアミンポリマー6の全有機炭素TOC及び全窒素TN測定より求められるC/Nの値から、ポリアリルアミンのアミノ基100モルに対して100モル%の変性を確認した。
<Polymer Production Example 6>
A reaction vessel equipped with a stirrer, a condenser, and a thermometer was charged with 40.0 g of a 20% polyallylamine aqueous solution (PAA-03, manufactured by Nitto Boseki Co., Ltd.) and heated to 60 ° C. in an oil bath. Next, 11.1 g of 1,2-epoxybutane and 20.0 g of ethanol were mixed, dropped into the reaction vessel over 20 minutes while stirring, and reacted with stirring for 6 hours after completion of dropping. Thereafter, distillation was carried out to distill off water and ethanol, followed by drying at 50 ° C. under reduced pressure to obtain amine polymer 6. From the C / N value determined from the total organic carbon TOC and total nitrogen TN measurement of the amine polymer 6 obtained, 100 mol% modification was confirmed with respect to 100 mol of the amino group of polyallylamine.

得られたアミンポリマー1〜6の前記繰り返し単位の構造と、全窒素TN測定より算出されるアミン含有量(mmol/g)と、水中での親水性−疎水性の転移温度を表1に示す。   Table 1 shows the structure of the repeating units of the obtained amine polymers 1 to 6, the amine content (mmol / g) calculated from the total nitrogen TN measurement, and the hydrophilic-hydrophobic transition temperature in water. .

尚、全有機炭素TOC及び全窒素TN測定は以下の装置にて行なった。
全有機炭素計:TOC−VCP及びTNユニットTNM−1(島津製作所製)
測定は、ポリマーを水で溶解して行なった。室温で溶解しないものは1N塩酸水溶液を添加して溶解させた。変性率は反応前後の C/Nの差から求め、アミン含有量はNの値から求めた。
The total organic carbon TOC and total nitrogen TN were measured with the following apparatus.
Total organic carbon: TOC-VCP and TN unit TNM-1 (manufactured by Shimadzu Corporation)
The measurement was performed by dissolving the polymer with water. Those not dissolved at room temperature were dissolved by adding a 1N hydrochloric acid aqueous solution. The modification rate was determined from the difference in C / N before and after the reaction, and the amine content was determined from the value of N.

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

Figure 0005700668
Figure 0005700668

<吸収材の調製>
作成したアミンポリマー1乃至6と水又は溶媒を表2の配合で混合溶解させ、二酸化炭素吸収材1乃至7を得た。また、比較用の吸収材として吸収材8乃至11を調製した。吸収材中のアミン含有量及び吸収材中でのポリマーの転移温度も合わせて表2に示す。
<Preparation of absorbent material>
The prepared amine polymers 1 to 6 and water or a solvent were mixed and dissolved with the composition shown in Table 2 to obtain carbon dioxide absorbents 1 to 7. Absorbents 8 to 11 were prepared as comparative absorbents. Table 2 also shows the amine content in the absorbent and the polymer transition temperature in the absorbent.

Figure 0005700668
Figure 0005700668

<略語の説明>
BD:1,4−ブタンジオール
MEA:モノエタノールアミン
EAE:2−エチルアミノエタノール
AMP:2−アミノ−2−メチル−1−プロパノール
PAA:ポリアリルアミン(日東紡績社製 PAA−05)
<Explanation of abbreviations>
BD: 1,4-butanediol MEA: monoethanolamine EAE: 2-ethylaminoethanol AMP: 2-amino-2-methyl-1-propanol PAA: polyallylamine (PAA-05 manufactured by Nittobo Co., Ltd.)

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

各吸収材と吸収温度及び放出温度での吸収量と放出量を表3に示す。尚、二酸化炭素の吸収は30分間行い、二酸化炭素の放出は昇温後20分間行なった。吸収量と放出量はアミン100モルに対する二酸化炭素のモル%で示す。   Table 3 shows the amount of absorption and release at each absorption material, absorption temperature and release temperature. Carbon dioxide was absorbed for 30 minutes, and carbon dioxide was released for 20 minutes after the temperature was raised. Absorption and release are expressed as mole percent of carbon dioxide relative to 100 moles of amine.

Figure 0005700668
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実施例1乃至4と比較例1乃至3を比較すると、本発明の吸収材1乃至4は30℃での吸収量は低いにもかかわらず、70℃での放出量が多いことが分かる。即ち、70℃という比較的低温での二酸化炭素の放出性能が高い吸収材であるといえる。また、比較例4の変性していないポリアリルアミンでは、吸収量は高いものの放出量が非常に低く、ポリマーにおける構造の相違が放出量に非常に大きく影響していることが分かる。実施例5では、実施例1と比べて吸収性能が落ちているが、低温での二酸化炭素の放出性能は向上していることが確認される。実施例6では比較例5のモノエタノールアミン水溶液に比べ同程度の吸収量があり、78℃での放出量では顕著な差が見られた。実施例7では、アミンポリマー6が30℃では水に不溶で析出していたが、二酸化炭素の吸収に伴い溶解し、吸収過程で水和することが確認された。実施例6及び7では、放出温度まで昇温する過程で析出することが確認され、二酸化炭素を吸収した状態で相転移(脱水和)を起こすことが確認された。実施例8では、1,4−ブタンジオールの添加によって、ポリマーの析出は見られなかったが、70℃での二酸化炭素の放出性能は優れたものであった。以上の結果から、本発明の吸収材は比較的低温での放出性能に優れ、100℃未満での分離回収が可能なものであることが確認された。尚、本発明で用いたアミンポリマーは揮発性がなく、150℃以下では熱分解しないことを確認している。   Comparing Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3, it can be seen that the absorbent materials 1 to 4 of the present invention have a large amount of release at 70 ° C., although the amount of absorption at 30 ° C. is low. That is, it can be said that the absorbent material has high carbon dioxide release performance at a relatively low temperature of 70 ° C. In addition, in the unmodified polyallylamine of Comparative Example 4, although the absorption amount is high, the release amount is very low, and it can be seen that the difference in structure in the polymer greatly affects the release amount. In Example 5, although the absorption performance has fallen compared with Example 1, it is confirmed that the discharge | release performance of the carbon dioxide in low temperature is improving. In Example 6, the amount of absorption was comparable to that of the monoethanolamine aqueous solution of Comparative Example 5, and a significant difference was observed in the amount released at 78 ° C. In Example 7, the amine polymer 6 was precipitated insoluble in water at 30 ° C., but it was confirmed that it was dissolved along with the absorption of carbon dioxide and hydrated in the absorption process. In Examples 6 and 7, it was confirmed that precipitation occurred in the process of raising the temperature to the release temperature, and it was confirmed that phase transition (dehydration) occurred in a state where carbon dioxide was absorbed. In Example 8, no polymer was precipitated by the addition of 1,4-butanediol, but the carbon dioxide release performance at 70 ° C. was excellent. From the above results, it was confirmed that the absorbent material of the present invention has excellent release performance at a relatively low temperature and can be separated and recovered at less than 100 ° C. It is confirmed that the amine polymer used in the present invention is not volatile and does not thermally decompose at 150 ° C. or lower.

実施例用吸収材1及び4と、比較例用吸収材8及び11について、以下の方法で二酸化炭素との反応熱の測定を行った。   About the absorbers 1 and 4 for an Example and the absorbers 8 and 11 for a comparative example, the heat of reaction with a carbon dioxide was measured with the following method.

<二酸化炭素吸収材の反応熱の評価方法>
反応熱の測定はリアクションカロリーメーターC−80(SETARAM社製)を用いて行った。セルとしてはガス循環常圧(Gas circulation normal pressure)タイプ(ステンレス鋼(Stainless steel) 31/1415)を使用し、セルのガス入口及び出口に図3のように機器を接続した。測定方法は、各吸収材4gをセルに入れ、C−80にセットした。温度を30℃に調節し、安定させた。ボールバルブ34を閉じ、二酸化炭素ボンベ31から供給される二酸化炭素をガス用シリンジ32にて二酸化炭素100mlを注入し、ボールバルブ34を空けた。C−80によって、発熱量を計測しながら、圧力計35により内圧の減少により吸収量を計測した。発熱量及び吸収量は、予め試料を入れずに測定した圧縮熱及び内圧の検量線を用いて算出した。反応熱は、二酸化炭素の吸収量がアミン100モルに対して25モル%に達した値を吸収した二酸化炭素1モル当りに換算し、平均反応熱量を算出した。
<Evaluation method of reaction heat of carbon dioxide absorbent>
The reaction heat was measured using a reaction calorimeter C-80 (manufactured by SETARAM). As the cell, a gas circulation normal pressure type (stainless steel 31/1415) was used, and devices were connected to the gas inlet and outlet of the cell as shown in FIG. The measuring method put each absorbent material 4g in the cell, and set it to C-80. The temperature was adjusted to 30 ° C. and stabilized. The ball valve 34 was closed, carbon dioxide supplied from the carbon dioxide cylinder 31 was injected with 100 ml of carbon dioxide with the gas syringe 32, and the ball valve 34 was opened. While measuring the amount of heat generated by C-80, the amount of absorption was measured by the pressure gauge 35 by the decrease in internal pressure. The calorific value and absorption amount were calculated using a calibration curve of compression heat and internal pressure measured without putting a sample in advance. The reaction heat was calculated by converting the value at which the amount of carbon dioxide absorbed reached 25 mol% with respect to 100 mol of amine per 1 mol of absorbed carbon dioxide, and calculating the average amount of reaction heat.

反応熱測定の結果、実施例に使用した吸収材1では76.5kJ/モルCO、そして吸収材4では72.0kJ/モルCOであった。一方、比較例に使用した吸収材8では、89.1kJ/モルCOであり、吸収材11では91.4kJ/モルCOであった。この結果から、本発明の二酸化炭素吸収用ポリマー及び吸収材は反応熱が低いことが確認できた。 Result of the heat of reaction measurement, absorber 1, 76.5KJ / mol CO 2 were used in the examples and was absorbent 4, 72.0KJ / mol CO 2. On the other hand, the absorbent material 8 used in Comparative Example, a 89.1KJ / mol CO 2, was 91.4KJ / mol CO 2 in the absorbent member 11. From this result, it was confirmed that the polymer for absorbing carbon dioxide and the absorbent of the present invention had low reaction heat.

本発明の実施例に用いたアミンポリマー1〜6、及び原料に用いたポリアリルアミンPAA−03及びPAA−05の重量平均分子量(Mw)を測定した結果を表4に示す。尚、重量平均分子量(Mw)は、前記した方法によりGPCで測定し、ポリエチレングリコール換算の値で示す。   Table 4 shows the results of measuring the weight average molecular weights (Mw) of the amine polymers 1 to 6 used in Examples of the present invention and the polyallylamine PAA-03 and PAA-05 used as raw materials. In addition, a weight average molecular weight (Mw) is measured by GPC by the above-mentioned method, and is shown as a value in terms of polyethylene glycol.

Figure 0005700668
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<その他の参考例用ポリマーの製造例>
攪拌機、コンデンサー、温度計を付した反応容器に、ポリアリルアミン20質量%水溶液(日東紡績社製 PAA−03)25.0gを仕込みオイルバスにて40℃に昇温した。次に、パラホルムアルデヒド1.6gと水20.0gとを混合し、前記反応容器に攪拌しながら20分間かけて滴下し、滴下終了後6時間攪拌しながら反応させた。その後、蒸留を行なって水を留去して、減圧下、50℃で乾燥し、アミンポリマー7を得た。得られたアミンポリマー7の全有機炭素TOC及び全窒素TN測定より求められるC/Nの値から、ポリアリルアミンのアミノ基100モルに対して60.5モル%のメチロール変性を確認した。即ち、CHOHが付加した第二級アミン60.5モル%と第一級アミン39.5モル%で構成されたアミンポリマーが得られた。
<Examples of production of polymers for other reference examples>
A reaction vessel equipped with a stirrer, a condenser and a thermometer was charged with 25.0 g of a 20% polyallylamine aqueous solution (PAA-03 manufactured by Nitto Boseki Co., Ltd.), and the temperature was raised to 40 ° C. in an oil bath. Next, 1.6 g of paraformaldehyde and 20.0 g of water were mixed, dropped into the reaction vessel over 20 minutes while stirring, and reacted with stirring for 6 hours after the completion of dropping. Thereafter, distillation was performed to distill off water, followed by drying at 50 ° C. under reduced pressure to obtain amine polymer 7. From the C / N value determined from the total organic carbon TOC and total nitrogen TN measurement of the amine polymer 7 obtained, 60.5 mol% methylol modification was confirmed with respect to 100 mol of the amino group of polyallylamine. That is, an amine polymer composed of 60.5 mol% of a secondary amine to which CH 2 OH was added and 39.5 mol% of a primary amine was obtained.

得られたアミンポリマー7を30質量%の割合で水と混合させたところ、溶解しなかった。得られたアミンポリマー7と水との混合物を前記した二酸化炭素吸収材の評価方法により、吸収温度30℃、放出温度88℃において二酸化炭素の吸収放出性能を評価した。その結果、30℃での吸収量は18.3モル%であった。また、88℃での放出量は2.9モル%であった。   When the obtained amine polymer 7 was mixed with water at a ratio of 30% by mass, it did not dissolve. The obtained mixture of the amine polymer 7 and water was evaluated for carbon dioxide absorption / release performance at an absorption temperature of 30 ° C. and a release temperature of 88 ° C. by the carbon dioxide absorbent evaluation method described above. As a result, the absorbed amount at 30 ° C. was 18.3 mol%. The amount released at 88 ° C. was 2.9 mol%.

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

11 吸収塔
12、112 ノズル
13、111 下部充填部
14 排ガス供給口
15、17 吸収液循環ポンプ
16 冷却器
18 熱交換器
19 脱二酸化炭素排ガス排出口
110 再生加熱器
113 還流水ポンプ
114 気液分離器
115 回収二酸化炭素排出ライン
116 再生塔還流冷却器
117 吸収液再生塔
21 ボンベ
22 ガス用シリンジ
23 三方バルブ
24 逆止弁
25、26、27 ボールバルブ
28 テドラーバッグ
29 赤外線式二酸化炭素濃度計
210 ステンレス鋼(SUS)配管
211 ガス循環ポンプ
212 ガス流量計
213 温浴
214 ムエンケ式ガス洗浄瓶(ガラス製、250ml)
215 ガラス容器
216 コンデンサー
31 ボンベ
32 ガス用シリンジ
33 三方バルブ
34 ボールバルブ
35 圧力計
36 ねじ口瓶(250ml)
37 SUS配管(φ6mm)
38 C−80セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Absorption tower 12, 112 Nozzle 13, 111 Lower filling part 14 Exhaust gas supply port 15, 17 Absorption liquid circulation pump 16 Cooler 18 Heat exchanger 19 Decarbonized exhaust gas exhaust port 110 Regeneration heater 113 Reflux water pump 114 Gas-liquid separation 115 Recovery carbon dioxide discharge line 116 Regeneration tower reflux cooler 117 Absorption liquid regeneration tower 21 Cylinder 22 Gas syringe 23 Three-way valve 24 Check valve 25, 26, 27 Ball valve 28 Tedlar bag 29 Infrared carbon dioxide concentration meter 210 Stainless steel (SUS) piping 211 gas circulation pump 212 gas flow meter 213 warm bath 214 muenke-type gas cleaning bottle (made of glass, 250 ml)
215 Glass container 216 Condenser 31 Cylinder 32 Gas syringe 33 Three-way valve 34 Ball valve 35 Pressure gauge 36 Screw cap bottle (250 ml)
37 SUS piping (φ6mm)
38 C-80 cells

Claims (10)

下記一般構造式(IIIA):
Figure 0005700668
{式中、R 、R 及びR は、水素原子又は置換基を有していてもよい炭素数1〜3のアルキル基であり、R は、水素原子又は置換基を有していてもよい炭素数1〜8のアルキル基であり、R 、R 、R 及びR の置換基は、水酸基、メトキシ基、エトキシ基、フェニル基又はメトキシカルボニル基であることができ、かつnは、10〜10,000の整数である。}
で表される繰り返し単位を有する二酸化炭素吸収用ポリマー。
The following general structural formula (IIIA):
Figure 0005700668
{In formula, R < 3 >, R < 4 > and R < 5 > are the C1-C3 alkyl groups which may have a hydrogen atom or a substituent, and R < 6 > has a hydrogen atom or a substituent. Which may be an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and the substituents of R 3 , R 4 , R 5 and R 6 may be a hydroxyl group, a methoxy group, an ethoxy group, a phenyl group or a methoxycarbonyl group, And n is an integer of 10 to 10,000. }
A carbon dioxide-absorbing polymer having a repeating unit represented by:
前記一般構造式(IIIA)において、RIn the general structural formula (IIIA), R 3 がメチル基又はエチル基であり、かつRIs a methyl group or an ethyl group, and R 4 、R, R 5 及びRAnd R 6 が水素原子である繰り返し単位を有する、請求項1に記載の二酸化炭素吸収用ポリマー。The carbon dioxide-absorbing polymer according to claim 1, which has a repeating unit in which is a hydrogen atom. ポリアリルアミンと、プロピレンオキサイド及び/又は1,2−エポキシブタンとを反応させることにより得られる、請求項2に記載の二酸化炭素吸収用ポリマー。The polymer for absorbing carbon dioxide according to claim 2, which is obtained by reacting polyallylamine with propylene oxide and / or 1,2-epoxybutane. 水の存在下における親水性−疎水性の転移温度が4.0℃以上96.0℃以下の範囲にある親水−疎水可逆性ポリマーである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の二酸化炭素吸収用ポリマー。   The hydrophilic-hydrophobic reversible polymer according to any one of claims 1 to 3, which is a hydrophilic-hydrophobic reversible polymer having a hydrophilic-hydrophobic transition temperature in the range of 4.0 ° C to 96.0 ° C in the presence of water. Carbon dioxide absorbing polymer. 水の存在下で前記ポリマーを構成するアミノ基に対して2.0モル%以上30.0モル%以下のいずれかの量の二酸化炭素を吸収させた状態における前記ポリマーの親水性−疎水性の転移温度が10.0℃以上50.0℃以下の範囲にある親水−疎水可逆性ポリマーである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の二酸化炭素吸収用ポリマー。   The hydrophilic-hydrophobic property of the polymer in a state in which any amount of carbon dioxide of 2.0 mol% or more and 30.0 mol% or less is absorbed with respect to the amino group constituting the polymer in the presence of water. The polymer for absorbing carbon dioxide according to any one of claims 1 to 3, which is a hydrophilic-hydrophobic reversible polymer having a transition temperature in a range of 10.0 ° C or higher and 50.0 ° C or lower. 水の存在下で前記ポリマーを構成するアミノ基に対して40.0モル%以上90.0モル%以下のいずれかの量の二酸化炭素を吸収させた状態における前記ポリマーの親水性−疎水性の転移温度が40.0℃以上95.0℃以下の範囲にある親水−疎水可逆性ポリマーである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の二酸化炭素吸収用ポリマー。   The hydrophilic-hydrophobic property of the polymer in a state in which any amount of carbon dioxide of 40.0 mol% or more and 90.0 mol% or less is absorbed with respect to the amino group constituting the polymer in the presence of water. The polymer for carbon dioxide absorption according to any one of claims 1 to 3, which is a hydrophilic-hydrophobic reversible polymer having a transition temperature in a range of 40.0 ° C or higher and 95.0 ° C or lower. 0.5M酢酸水溶液可溶分のゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により算出した重量平均分子量Mwが、1,500以上200,000以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の二酸化炭素吸収用ポリマー。   The weight average molecular weight Mw calculated by gel permeation chromatography (GPC) of a 0.5M acetic acid aqueous solution soluble component is 1,500 or more and 200,000 or less, The dioxide dioxide as described in any one of Claims 1-6. Carbon absorbing polymer. 二酸化炭素吸収材の全質量を基準として、15.0質量%以上90.0質量%以下の請求項1〜7のいずれか一項に記載の二酸化炭素吸収用ポリマー、及び10.0質量%以上85.0質量%以下の水を含有する、二酸化炭素吸収材。   The polymer for absorbing carbon dioxide according to any one of claims 1 to 7, which is 15.0 mass% to 90.0 mass% based on the total mass of the carbon dioxide absorbent, and 10.0 mass% or more. A carbon dioxide absorbent containing 85.0% by mass or less of water. 請求項8に記載の二酸化炭素吸収材に、二酸化炭素を含有するガスを接触させることにより二酸化炭素を吸収させ、その後に、該吸収材を加熱することにより二酸化炭素を分離回収する工程を含む、二酸化炭素の分離回収方法。   The carbon dioxide absorbing material according to claim 8 includes a step of absorbing carbon dioxide by contacting a gas containing carbon dioxide, and then separating and recovering carbon dioxide by heating the absorbing material. Carbon dioxide separation and recovery method. 前記吸収材を加熱する温度が、60.0℃以上100.0℃以下である、請求項9に記載の方法。   The method of Claim 9 whose temperature which heats the said absorber is 60.0 degreeC or more and 100.0 degrees C or less.
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