JP5916219B2 - 酸性ガス吸収液及び該酸性ガス吸収液を用いる酸性ガスの選択的分離回収法 - Google Patents
酸性ガス吸収液及び該酸性ガス吸収液を用いる酸性ガスの選択的分離回収法 Download PDFInfo
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Description
また、イオン液体を用いて二酸化炭素を分離、回収する技術も知られている。例えば、一級アミノ基又は二級アミノ基を導入したイオン液体を利用する技術が報告されている(特許文献4)。この技術は、二酸化炭素等の酸性ガスを含む混合ガスから二酸化炭素等の酸性ガスを化学反応により分離させ、次いで分解反応により酸性ガスを回収することを特徴とする技術であり、複雑な操作が求められるうえ、酸性ガスの回収等の点でコストも高く、効率的な酸性ガスの分離、回収技術とは言い難いとの問題点がある。
上記問題点を解消する技術として、化学反応によらず、物理的に二酸化炭素等の酸性ガスを含む混合ガスから二酸化炭素等の酸性ガスをイオン液体に吸収させる技術が知られている(特許文献5、6)。この技術では、前記問題点は改善されているといえるが、イオン液体に吸収される二酸化炭素等の酸性ガスの量は多いとはいえないとの問題点が残されている。
また、カチオンに大きなアルキル鎖を導入して調製したイオン液体は、二酸化炭素等の酸性ガスの吸収量が改善されるとの報告があるが(非特許文献1)、その吸収量は依然として満足できる程度ではなく、そのうえに、イオン液体の粘性率が高く二酸化炭素等の酸性ガスの吸収速度が遅いとの不都合さも指摘されており、さらに二酸化炭素等の酸性ガスの吸収量や粘性率の点が改善される技術の開発が待たれている。
請求項1の発明は、下記式(e)又は下記式(f)で表わされるイオン液体を少なくとも含むことを特徴とする酸性ガスの吸収量が向上した酸性ガス吸収液である。
[NR5R6R7(CH2CH2OCOCH3)]+・(R8SO2)2N− (e)
[NR5R6R7(CH2CH2OCH2CH2OCH3)]+・(R8SO2)2N− (f)
(式中、R5、R6、R7は同一又は異なっており、炭素数が1〜4の炭化水素基を示し、互いに末端で結合して環を形成していてもよい。R8はフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示す。)
ここで、酸性ガスの吸収量が向上したとは、代表的なイオン液体である[N(C6H13)(CH3)2(C3H7)]+[N(SO2CF3)2]−を基準としたときに酸性ガスの吸収量がほぼ25%以上向上するということであり、さらに、好ましくは酸性ガスの吸収量がほぼ30%以上向上するということである。また、ヘンリー定数は本発明でいうイオン液体の酸性ガスの吸収量の大小を表す指標であり、ヘンリー定数が小さいほど酸性ガスの吸収量は大きいので、酸性ガスの吸収量が向上したとは、上記代表的なイオン液体を基準としたときにヘンリー定数がほぼ25%以上小さくなるということであり、さらに、好ましくはヘンリー定数がほぼ30%以上小さくなるということである。なお、エーテル基及び/又はエステル基を有するとは、エーテル基を有する、エステル基を有する、エーテル基及びエステル基を有する、のいずれかをいう(以下、同様)。
請求項2の発明は、[NR51R61R71(CH2CH2OCH2CH2OCH3)]+・(R8SO2)2N− (g)で表わされるイオン液体を少なくとも含むことを特徴とする酸性ガスの吸収量が向上した酸性ガス吸収液である。
(式中、[NR51R61R71(CH2CH2OCH2CH2OCH3)]+は下式で表されるカチオンから選ばれる一つのカチオンであり、R8はフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示す。
[N(CH3)3(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C2H5)3(C2H4OC2H4OCH3)]+、、[N(C3H7)3(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C4H9)3(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(CH3)2(C2H5)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(CH3)2(C3H7)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(CH3)2(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C2H5)2(CH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C2H5)2(C3H7)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C2H5)2(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C3H7)2(CH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C3H7)2(C2H5)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C3H7)2(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C4H9)2(CH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C4H9)2(C2H5)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C4H9)2(C3H7)(C2H4OC2H4OCH3)]+)
請求項3の発明は、ジメチルエチル(メトキシエトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド又はジメチルエチル(アセトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドからなるイオン液体を少なくとも含むことを特徴とする酸性ガスの吸収量が向上した酸性ガス吸収液である。
ここで、酸性ガスの吸収速度が向上したとは、代表的なイオン液体である上記[N(C6H13)(CH3)2(C3H7)]+[N(SO2CF3)2]−を基準としたときに酸性ガスの吸収速度が向上するということである。また、本発明でいうイオン液体の酸性ガスの吸収速度はイオン液体の粘性率に依存するといえるし、イオン液体の粘性率が小さいほど酸性ガスの吸収速度は大きいので、酸性ガスの吸収速度が向上したとは、上記代表的なイオン液体を基準としたときにイオン液体の粘性率がほぼ20%以上低下するということであり、さらに、好ましくは粘性率がほぼ30%以上低下するということでもある。酸性ガスを吸収した上記酸性ガス吸収液の当該酸性ガスを放出する速度も向上するので、上記酸性ガス吸収液は酸性ガス吸放出速度が向上した吸収液でもある。
請求項1から4のいずれかに記載の酸性ガス吸収液の発明において、酸性ガスが二酸化炭素である発明が請求項5の発明であり、請求項5に記載の酸性ガス吸収液の発明において、二酸化炭素の吸収量が体積濃度で、25℃、2MPaの雰囲気下において2.0mol・dm−3以上であるか、または、25℃、4MPaの雰囲気下において体積濃度が4.0mol・dm−3以上である発明が請求項6の発明である。ここで、請求項6の発明は、請求項5に記載の酸性ガス吸収液の発明において、二酸化炭素の吸収量が体積濃度で25℃、2MPaの雰囲気下において2.0mol・dm−3以上である発明であるといえるし、また、二酸化炭素の吸収量が体積濃度で25℃、4MPaの雰囲気下において、4.0mol・dm−3以上である発明ともいえる。
前記酸性ガスの吸収量は、前記のとおりである。
請求項7に記載の酸性ガス分離回収法の発明において、酸性ガスが二酸化炭素である発明が請求項8の発明である。
前記エーテル基及び/又はエステル基としては −CH2CH2−O−CH2−、−CH2−O−CH2−、−CH2CH2−CO−O−CH2−、−CH2CH2−O−CO−CH2−、−CH2CH2OCOCH3等が好ましいが、それらに限定されない。
本発明は、下記式(a)及び/又は下記式(b)で表わされる有機基を有するカチオンを用いる点が、一つの大きな特徴でもある。
−(R1−O−)nR2− ・・ (a)
−(R3−CO−O−)mR4− ・・ (b)
(式中、R1、R2、R3、R4は同一又は異なっており、炭素数が1〜5の2価の炭化水素基を示し、nは1、2、3のいずれかであり、mは1、又は2である。また、式(b)において、R3−CO−O−はR3−O−CO−でもよい)。
ここで、本発明は、上記式(a)又は上記式(b)で表わされる有機基を一つ以上有し、上記式(a)及び/又は上記式(b)で表わされる有機基を四つ以下有するカチオンを用いる点が特徴であるともいえる。
好ましい−(R1−O−)nR2−としては、−(R1−O−)2R2−、−(R1−O−)3R2−を例示でき、さらに好ましくは、−(R1P−O−)2R2P、−(R1P−O−)3R2Pを例示できる(上記式中、R1Pはメチレン基、エチレン基、又はプロピレン基であり、R2Pは炭素数が1〜4の炭化水素基を意味する。)。好ましい−(R3−CO−O−)mR4−としては、−(R3−CO−O−)1R4−、−(R3−O−CO−)1R4−、−(R3−CO−O−)2R4−、−(R3−O−CO−)2R4−を例示でき、さらに好ましくは、−(R3P−CO−O−)1R4P又は−(R3P−O−CO−)1R4Pを例示できる(上記式中、R3Pはメチレン基、エチレン基、又はプロピレン基であり、R4Pは炭素数が1〜4の炭化水素基を意味する。)。
本発明は、−CH2CH2OCOCH3を有するカチオンを用いる点が、一つの大きな特徴でもある。
上記カチオンの中で、エーテル基を有するカチオンを用いることが好ましい。
本発明では好ましいカチオンの具体例は下記カチオンである。
エーテル基を有するアルキルアンモニウム系カチオンとしては、例えば、[N(CH3)3(C2H4OCH3)]+、[N(CH3)3(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(CH3)3(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C2H5)3(C2H4OCH3)]+、[N(C2H5)3(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C2H5)3(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C3H7)3(C2H4OCH3)]+、[N(C3H7)3(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C3H7)3(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C4H9)3(C2H4OCH3)]+、[N(C4H9)3(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C4H9)3(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(CH3)2(C2H5)(C2H4OCH3)]+、[N(CH3)2(C2H5)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(CH3)2(C2H5)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(CH3)2(C3H7)(C2H4OCH3)]+、[N(CH3)2(C3H7)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(CH3)2(C3H7)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(CH3)2(C4H9)(C2H4OCH3)]+、[N(CH3)2(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(CH3)2(C4H9)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C2H5)2(CH3)(C2H4OCH3)]+、[N(C2H5)2(CH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C2H5)2(CH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C2H5)2(C3H7)(C2H4OCH3)]+、[N(C2H5)2(C3H7)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C2H5)2(C3H7)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C2H5)2(C4H9)(C2H4OCH3)]+、[N(C2H5)2(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C2H5)2(C4H9)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C3H7)2(CH3)(C2H4OCH3)]+、[N(C3H7)2(CH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C3H7)2(CH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C3H7)2(C2H5)(C2H4OCH3)]+、[N(C3H7)2(C2H5)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C3H7)2(C2H5)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C3H7)2(C4H9)(C2H4OCH3)]+、[N(C3H7)2(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C3H7)2(C4H9)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C4H9)2(CH3)(C2H4OCH3)]+、[N(C4H9)2(CH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C4H9)2(CH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C4H9)2(C2H5)(C2H4OCH3)]+、[N(C4H9)2(C2H5)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C4H9)2(C2H5)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C4H9)2(C3H7)(C2H4OCH3)]+、[N(C4H9)2(C3H7)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C4H9)2(C3H7)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C2H5)2(C2H4OCH3)2]+、[N(C2H5)2(C2H4OC2H4OCH3)2]+、[N(C2H5)2(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)2]+、
[N(C3H7)2(C2H4OCH3)2]+、[N(C3H7)2(C2H4OC2H4OCH3)2]+、[N(C3H7)2(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)2]+、
[N(C4H9)2(C2H4OCH3)2]+、[N(C4H9)2(C2H4OC2H4OCH3)2]+、[N(C4H9)2(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)2]+、
[N(CH3)(C2H5)(C2H4OCH3)2]+、[N(CH3)(C2H5)(C2H4OC2H4OCH3)2]+、[N(CH3)(C2H5)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)2]+、
[N(CH3)(C3H7)(C2H4OCH3)2]+、[N(CH3)(C3H7)(C2H4OC2H4OCH3)2]+、[N(CH3)(C3H7)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)2]+、
[N(CH3)(C4H9)(C2H4OCH3)2]+、[N(CH3)(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)2]+、[N(CH3)(C4H9)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)2]+、
[N(C2H5)(C3H7)(C2H4OCH3)2]+、[N(C2H5)(C3H7)(C2H4OC2H4OCH3)2]+、[N(C2H5)(C3H7)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)2]+、
[N(C2H5)(C4H9)(C2H4OCH3)2]+、[N(C2H5)(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)2]+、[N(C2H5)(C4H9)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)2]+、
[N(C3H7)(C4H9)(C2H4OCH3)2]+、[N(C3H7)(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)2]+、[N(C3H7)(C4H9)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)2]+、
[N(CH3)(C2H4OCH3)3]+、[N(CH3)(C2H4OC2H4OCH3)3]+、[N(CH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)3]+、
[N(C2H5)(C2H4OCH3)3]+、[N(C2H5)(C2H4OC2H4OCH3)3]+、[N(C2H5)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)3]+、
[N(C3H7)(C2H4OCH3)3]+、[N(C3H7)(C2H4OC2H4OCH3)3]+、[N(C3H7)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)3]+、
[N(C4H9)(C2H4OCH3)3]+、[N(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)3]+、[N(C4H9)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)3]+、
[N(CH3)2(C2H4OCH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(CH3)2(C2H4OCH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、[N(CH3)2(C2H4OC2H4OCH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C2H5)2(C2H4OCH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C2H5)2(C2H4OCH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C2H5)2(C2H4OC2H4OCH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C3H7)2(C2H4OCH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C3H7)2(C2H4OCH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C3H7)2(C2H4OC2H4OCH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C4H9)2(C2H4OCH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C4H9)2(C2H4OCH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C4H9)2(C2H4OC2H4OCH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[N(C2H4OCH3)4]+、[N(C2H4OC2H4OCH3)4]+、[N(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)4]+等が挙げられる。
[P(C4H9)3(C2H4OCH3)]+、[P(C4H9)3(C2H4OC2H4OCH3)]+、[P(C4H9)3(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+、
[P(C6H13)3(C2H4OCH3)]+、[P(C6H13)3(C2H4OC2H4OCH3)]+、[P(C6H13)3(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+等が挙げられる。
[N(CH3)2(C2H5)(C2H4OCOCH3)]+、[N(CH3)2(C3H7)(C2H4OCOCH3)]+、[N(CH3)2(C4H9)(C2H4OCOCH3)]+、
[N(C2H5)2(CH3)(C2H4OCOCH3)]+、[N(C2H5)2(C3H7)(C2H4OCOCH3)]+、[N(C2H5)2(C4H9)(C2H4OCOCH3)]+、
[N(C3H7)2(CH3)(C2H4OCOCH3)]+、[N(C3H7)2(C2H5)(C2H4OCOCH3)]+、[N(C3H7)2(C4H9)(C2H4OCOCH3)]+、
[N(C4H9)2(CH3)(C2H4OCOCH3)]+、[N(C4H9)2(C2H5)(C2H4OCOCH3)]+、[N(C4H9)2(C3H7)(C2H4OCOCH3)]+、
[N(CH3)2(C2H4OCOCH3)2]+、[N(C2H5)2(C2H4OCOCH3)2]+、[N(C3H7)2(C2H4OCOCH3)2]+、[N(C4H9)2(C2H4OCOCH3)2]+、
[N(CH3)(C2H5)(C2H4OCOCH3)2]+、[N(CH3)(C3H7)(C2H4OCOCH3)2]+、[N(CH3)(C4H9)(C2H4OCOCH3)2]+、[N(C2H5)(C3H7)(C2H4OCOCH3)2]+、[N(C2H5)(C4H9)(C2H4OCOCH3)2]+、[N(C3H7)(C4H9)(C2H4OCOCH3)2]+、
[N(CH3)(C2H4OCOCH3)3]+、[N(C2H5)(C2H4OCOCH3)3]+、[N(C3H7)(C2H4OCOCH3)3]+、[N(C4H9)(C2H4OCOCH3)3]+、[N(C2H4OCOCH3)4]+等が挙げられる。
[N(CH3)3(C2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(CH3)3(C2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(CH3)3(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、
[N(C2H5)3(C2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(C2H5)3(C2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(C2H5)3(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、
[N(C3H7)3(C2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(C3H7)3(C2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(C3H7)3(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、
[N(C4H9)3(C2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(C4H9)3(C2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(C4H9)3(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、
[N(CH3)2(C2H5)(C2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(CH3)2(C2H5)(C2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(CH3)2(C2H5)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、
[N(CH3)2(C3H7)(C2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(CH3)2(C3H7)(C2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(CH3)2(C3H7)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、
[N(CH3)2(C4H9)(C2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(CH3)2(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(CH3)2(C4H9)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、
[N(C2H5)2(CH3)(C2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(C2H5)2(CH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(C2H5)2(CH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、
[N(C2H5)2(C3H7)(C2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(C2H5)2(C3H7)(C2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、[N(C2H5)2(C3H7)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[N(SO2CF3)2]−、
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[N(C2H5)(C4H9)(C2H4OCH3)2]+[CH3COO]−、[N(C2H5)(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)2]+[CH3COO]−、[N(C2H5)(C4H9)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)2]+[CH3COO]−、
[N(C3H7)(C4H9)(C2H4OCH3)2]+[CH3COO]−、[N(C3H7)(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)2]+[CH3COO]−、[N(C3H7)(C4H9)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)2]+[CH3COO]−、
[N(CH3)(C2H4OCH3)3]+[CH3COO]−、[N(CH3)(C2H4OC2H4OCH3)3]+[CH3COO]−、[N(CH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)3]+[CH3COO]−、
[N(C2H5)(C2H4OCH3)3]+[CH3COO]−、[N(C2H5)(C2H4OC2H4OCH3)3]+[CH3COO]−、[N(C2H5)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)3]+[CH3COO]−、
[N(C3H7)(C2H4OCH3)3]+[CH3COO]−、[N(C3H7)(C2H4OC2H4OCH3)3]+[CH3COO]−、[N(C3H7)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)3]+[CH3COO]−、
[N(C4H9)(C2H4OCH3)3]+[CH3COO]−、[N(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)3]+[CH3COO]−、[N(C4H9)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)3]+[CH3COO]−、
[N(CH3)2(C2H4OCH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、[N(CH3)2(C2H4OCH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、[N(CH3)2(C2H4OC2H4OCH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、
[N(C2H5)2(C2H4OCH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、[N(C2H5)2(C2H4OCH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、[N(C2H5)2(C2H4OC2H4OCH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、
[N(C3H7)2(C2H4OCH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、[N(C3H7)2(C2H4OCH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、[N(C3H7)2(C2H4OC2H4OCH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、
[N(C4H9)2(C2H4OCH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、[N(C4H9)2(C2H4OCH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、[N(C4H9)2(C2H4OC2H4OCH3)(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、
[N(C2H4OCH3)4]+[CH3COO]−、[N(C2H4OC2H4OCH3)4]+[CH3COO]−、[N(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)4]+[CH3COO]−、
[P(C2H5)3(C2H4OCH3)]+[CH3COO]−、[P(C2H5)3(C2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、[P(C2H5)3(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、
[P(C4H9)3(C2H4OCH3)]+[CH3COO]−、[P(C4H9)3(C2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、[P(C4H9)3(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、
[P(C6H13)3(C2H4OCH3)]+[CH3COO]−、[P(C6H13)3(C2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、[P(C6H13)3(C2H4OC2H4OC2H4OCH3)]+[CH3COO]−、
[N(CH3)2(C2H5)(C2H4OCOCH3)]+[CH3COO]−、[N(CH3)2(C3H7)(C2H4OCOCH3)]+[CH3COO]−、[N(CH3)2(C4H9)(C2H4OCOCH3)]+[CH3COO]−、
[N(C2H5)2(CH3)(C2H4OCOCH3)]+[CH3COO]−、[N(C2H5)2(C3H7)(C2H4OCOCH3)]+[CH3COO]−、[N(C2H5)2(C4H9)(C2H4OCOCH3)]+[CH3COO]−、
[N(C3H7)2(CH3)(C2H4OCOCH3)]+[CH3COO]−、[N(C3H7)2(C2H5)(C2H4OCOCH3)]+[CH3COO]−、[N(C3H7)2(C4H9)(C2H4OCOCH3)]+[CH3COO]−、
[N(C4H9)2(CH3)(C2H4OCOCH3)]+[CH3COO]−、[N(C4H9)2(C2H5)(C2H4OCOCH3)]+[CH3COO]−、[N(C4H9)2(C3H7)(C2H4OCOCH3)]+[CH3COO]−、
[N(CH3)2(C2H4OCOCH3)2]+[CH3COO]−、[N(C2H5)2(C2H4OCOCH3)2]+[CH3COO]−、[N(C3H7)2(C2H4OCOCH3)2]+[CH3COO]−、[N(C4H9)2(C2H4OCOCH3)2]+[CH3COO]−、
[N(CH3)(C2H5)(C2H4OCOCH3)2]+[CH3COO]−、[N(CH3)(C3H7)(C2H4OCOCH3)2]+[CH3COO]−、[N(CH3)(C4H9)(C2H4OCOCH3)2]+[CH3COO]−、[N(C2H5)(C3H7)(C2H4OCOCH3)2]+[CH3COO]−、[N(C2H5)(C4H9)(C2H4OCOCH3)2]+[CH3COO]−、[N(C3H7)(C4H9)(C2H4OCOCH3)2]+[CH3COO]−、
[N(CH3)(C2H4OCOCH3)3]+[CH3COO]−、[N(C2H5)(C2H4OCOCH3)3]+[CH3COO]−、[N(C3H7)(C2H4OCOCH3)3]+[CH3COO]−、[N(C4H9)(C2H4OCOCH3)3]+[CH3COO]−、[N(C2H4OCOCH3)4]+[CH3COO]−、
[P(C2H5)3(C2H4OCOCH3)]+[CH3COO]−、[P(C4H9)3(C2H4OCOCH3)]+[CH3COO]−、[P(C6H13)3(C2H4OCOCH3)]+[CH3COO]−等が挙げられる。
好ましい具体的な条件は次のとおりである。
アニオンがアミド系アニオンである上記イオン液体を製造するには、カチオンが上記カチオンであり、アニオンが塩素イオン、臭素イオン又はヨウ素イオンであるハロゲン化オニウム塩(以下、ハロゲン化オニウム塩類という。)に、上記アニオンのアミド酸アルカリ金属塩を作用させればよい。ハロゲン化オニウム塩類に水又は/及び有機溶媒中、0〜60℃、好ましくは10〜40℃で、ハロゲン化オニウム塩類1モルに対して0.9〜2.0モル、好ましくは0.95〜1.1モルのアミド酸アルカリ金属塩を添加して反応させればよい。アミド系アニオンのイオン液体は有機溶媒に、未反応のハロゲン化オニウム塩類及びアミド酸アルカリ金属塩は水に分配されるので、反応終了後、分液、水洗し、有機層から有機溶媒を留去すれば、アミド系アニオンのイオン液体を得ることができる。
また、アミド系アニオンのイオン液体を製造するには、カチオンが上記カチオンであり、アニオンが水酸化物イオンである水酸化オニウム塩(以下、水酸化オニウム塩類という。)に、上記アニオンのアミド酸を作用させても製造することができる。水酸化オニウム塩類に水又は/及び有機溶媒中、0〜40℃、好ましくは10〜30℃で、水酸化オニウム塩類1モルに対して0.9〜1.5モル、好ましくは0.95〜1.1モルのアミド酸を添加すればよい。反応終了後、前記と同様の操作により、アミド系アニオンのイオン液体を得ることができる。
アニオンがカルボン酸系アニオンである上記イオン液体を製造するには、水酸化オニウム塩類に、上記アニオンのカルボン酸を作用させればよい。水酸化オニウム塩類に水又は/及び有機溶媒中、0〜40℃、好ましくは10〜30℃で、水酸化オニウム塩類1モルに対して0.9〜1.5モル、好ましくは0.95〜1.1モル、より好ましくは0.98〜1.02モルのカルボン酸を添加すればよい。反応液を濃縮、乾燥すれば、カルボン酸系アニオンのイオン液体を得ることができる。必要に応じて有機溶剤で抽出、洗浄等の操作を行えば精製することができる。尚、低級カルボン酸がアニオンになるイオン液体は水溶性が高いので、水の使用は極力控えた方がよい。
また、カルボン酸系アニオンのイオン液体を製造するには、カチオンが上記カチオンであり、アニオンが炭酸エステルイオンである炭酸エステルオニウム塩(以下、炭酸エステルオニウム塩類という。)に、上記アニオンのカルボン酸を作用させても製造することができる。炭酸エステルオニウム塩類に、有機溶媒中、0〜40℃、好ましくは10〜30℃で、炭酸エステルオニウム塩類1モルに対して0.9〜1.5モル、好ましくは0.95〜1.1モル、より好ましくは0.98〜1.02モルのカルボン酸を添加すればよい。反応液を濃縮、乾燥すれば、カルボン酸系アニオンのイオン液体を得ることができる。必要に応じて有機溶剤で抽出、洗浄等の操作を行えば精製することができる。
ハロゲン化オニウム塩類は、N−アルキルイミダゾール類、ピリジン類、三級アミン類、又はホスフィン類に、エーテル基及び/又はエステル基を有していてもよいハロゲン化アルキルを反応させれば製造することができる。
水酸化オニウム塩類は、前記ハロゲン化オニウム塩類に、水又はアルコール溶媒中、酸化銀(I)、水酸化アルカリ金属、又は強塩基性イオン交換樹脂を作用させれば製造することができる。
炭酸エステルオニウム塩類は、N−アルキルイミダゾール類、ピリジン類、三級アミン類、又はホスフィン類に、炭酸ジメチルや炭酸ジエチルなどの炭酸ジエステル類を反応させれば製造することができる。
エーテル基及び/又はエステル基を導入したイオン液体において、二酸化炭素の吸収量は、例えば25℃、2MPaにおいてモル分率で0.38あるいは体積濃度で1.8mol・dm−3以上、同じく25℃、4MPaにおいてモル分率で0.56あるいは体積濃度で3.7mol・dm−3以上であり、好ましくは25℃、2MPaにおいてモル分率で0.40あるいは体積濃度で2.0mol・dm−3以上、同じく25℃、4MPaにおいてモル分率で0.60あるいは体積濃度で4.0mol・dm−3以上であり、さらに好ましくは25℃、2MPaにおいてモル分率で0.42あるいは体積濃度で2.1mol・dm−3以上、同じく25℃、4MPaにおいてモル分率で0.62あるいは体積濃度で4.2mol・dm−3以上である。また、常圧における粘性率(以下、粘度ということがある)は、例えば25℃で210 mPas、40℃で90 mPas、60℃で40 mPas未満であり、好ましくは25℃で120 mPas、40℃で70 mPas、60℃で30 mPas未満であり、より好ましくは25℃で60 mPas、40℃で35 mPas、60℃で20 mPas未満である。
二酸化炭素の吸収量は、例えば、下記式(1)又は(2)に基づいて知ることができるが、この方法に限定されるわけではない。
上記式(1)は下記のように記載してもよい。
xCO2=n2/(nIL+n2) 式(1)
上記式中、xCO2は二酸化炭素を吸収したイオン液体における二酸化炭素のモル分率を意味し、n2はイオン液体に吸収された二酸化炭素の物質量を意味し、nILはイオン液体の物質量を意味する。
式(2)は下記のように記載してもよい。
CCO2= n2 / [VIL(T)×(1+ΔV(T,p))] 式(2)
上記式中、CCO2は二酸化炭素を吸収したイオン液体における二酸化炭素の体積濃度を意味し、VIL(T)はガスを吸収する前のイオン液体の体積を意味し、ΔV(T,p)はイオン液体の体積膨張率を意味し、Tは温度、pは圧力を意味し、n2は上記と同じである。
前記イオン液体を混合ガスと接触する条件はとくに限定されないが、強いて記載すると、0MPa以上で50MPa以下、好ましくは常圧以上10MPa以下の加圧条件下で、−30℃以上200℃以下、好ましくは0℃以上100℃以下の温度条件下で、30秒以上2時間以下、好ましくは1分以上1時間以下接触させ、前記混合ガスから前記酸性ガスをイオン液体に選択的に吸収することができる。
ガスの吸収液への溶解は「エンタルピー効果」と「エントロピー効果」に支配される。エンタルピー効果とは、ガスと吸収液の間に働く相互作用の強さを示す指標である。一般的にDHで表され、値が小さいほど、ガスと吸収液が強く相互作用し、ガスの溶解量が多くなる。エントロピー効果とは、ガスの溶解に伴い変化する吸収液の構造の乱雑さを示す指標である。一般的にDSで表され、値が大きいほど、吸収液の構造は乱雑になっており、ガスの溶解量が多くなる。
本発明のイオン液体が優れた酸性ガス吸収能を示す理由は、比較例2に示すように、カチオンがエーテル基及び/又はエステル基を有することで、エンタルピー効果もしくはエントロピー効果が改善されたためと推測される。
前記ガス中に含まれる酸性ガスの含有量もとくに限定されない。
酸性ガスとしては二酸化炭素が好ましい。
本発明でいう酸性ガスを含有するイオン液体から酸性ガスを分離、回収させる手段はとくに限定されない。
上記吸収液を用いた、二酸化炭素等の酸性ガスを高効率で分離・回収する新規な方法を提供することができる。本発明が提供するイオン液体は化学的かつ熱的安定性に優れ、蒸気圧が極めて低く、ガス相に揮発しないため、低温はもとより高温領域でも利用でき、長期間に渡り吸収液の損失を抑えた、ランニングコストを低減したプロセスを達成可能である。さらに、所定の条件において、従来の吸収液より酸性ガスの吸収量に優れるため、それらのガスの分離回収に必要なエネルギーを大幅に削減し、プロセスの高効率化を図ることが可能である。また、吸収液の粘性率が低く、ガス吸放出速度を向上可能なため、吸収塔や放散塔のサイズをコンパクト化でき、ひいては初期設備費の軽減や駆動力の最小化によりエネルギーコストの低減が可能となる。
1−ブロモ−2−(2−メトキシエトキシ)エタン128.1g(0.70モル)、N,N−ジメチルエチルアミン51.2g(0.70モル)及びアセトニトリル102gの混合物を、80℃で24時間撹拌した。その後、得られた反応混合物を濃縮し、残渣を減圧下に乾燥してジメチルエチル(メトキシエトキシエチル)アンモニウムブロミド179.3g(0.70モル)を得た。
上記で得たジメチルエチル(メトキシエトキシエチル)アンモニウムブロミド179.3g(0.70モル)にイオン交換水359g及び活性炭2gを加えて室温で1時間撹拌し、濾過した。濾液にビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド酸リチウム[(CF3SO2)2NLi]203.83g(0.71モル)を加え室温で1時間撹拌し、得られた混合物に塩化メチレン359gを加えて混合した後、分液して得られた有機層をイオン交換水359gで3回洗浄した。その後、有機層から塩化メチレンを留去して油状のジメチルエチル(メトキシエトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド264.7g(0.58モル、収率83%)を得た。
得られたジメチルエチル(メトキシエトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドのNMRの分析結果を次に示す。なお、ジメチルエチル(メトキシエトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを、以降、[N112A][NTf2]と表記する。
得られたイオン液体のNMRデータを下記する。なお、用いたNMRは日本ブルカー株式会社製「AVANCE400」である(以下同様)。
図2に示される装置の所定容器に実施例1のイオン液体を収容させ、所定圧力、所定温度下、気液平衡状態を確認できるまで二酸化炭素をイオン液体に接触させた。
上記気液平衡確認後のイオン液体に吸収された二酸化炭素を、イオン液体における二酸化炭素のモル分率として評価した。前記二酸化炭素のモル分率(xCO2)を上記式(1)から決定した。
測定結果を図3に示した。図3は40℃で測定したときの結果である。
式(3)は下記のように記載してもよい。
n2=n1−[V3−VIL(T)×(1+ΔV(T,p))]/ v2(T,p) 式(3)
上記式中、n1はガスチャンバーに導入された二酸化炭素の物質量を意味し、v2(T,p)は二酸化炭素のモル体積を意味し、ΔV(T,p)はイオン液体の体積膨張率を意味し、V3はガスチャンバー部と高圧セル部3(容積:V2)の容積の合計であり、n1は下式(4)から求めた。
式(4)は下記のように記載してもよい。
n1=V1/ v1(T,p) (式4)
上記式中、V1はガスチャンバーの容積、v1(T,p)は二酸化炭素のモル体積。なお、モル体積はガスの種類、温度、圧力のみで決定される。Tは温度、pは圧力である。
(式(5))
式(5)は下記のように記載してもよい。
VIL(T)=wIL /ρ(T)
式(5)
上記式中、wIL はイオン液体の仕込み量であり、下記操作(1)(下記段落番号0050の(1))で決定したものであり、ρ(T)はイオン液体の密度であり、温度のみの関数であり、密度の測定結果から決定し、Tは温度、pは圧力である。ΔV(T,p)はイオン液体の体積膨張率であり、温度と圧力の関数であり、体積膨張率の測定結果から決定した。
(二酸化炭素の溶解に伴うイオン液体の体積膨張率の測定)
体積膨張率(ΔV)は以下の式(6)で定義される。
式(6)は下記のように記載してもよい。
ΔV=(V(p,T)−V(p0,T))/V(p0,T) 式(6)
上記式中、V(p,T)は平衡圧力p、測定温度Tにおける液相の体積、V(p0,T)は大気圧(0.1
MPa(すなわち、二酸化炭素が存在しない))、測定温度Tにおける液相の体積である。
(平衡圧力における液相の体積の算出)
(1)十分に露点が低いグローブボックス内で、サファイア製チューブセル4に、事前に十分に乾燥したイオン液体を所定量(約0.6
cc)仕込み、セルのバルブ8を閉じた。仕込み量を電子天秤で正確に測定した。
(2)セルをガス導入ラインに接続し、恒温水槽6内部に設置し、バルブ9とバルブ10を開け、ガス導入ライン内を十分に脱気した。その後、バルブ10を閉じた。
(3)バルブ9を開けてガス導入ラインに0.2 MPa程度の二酸化炭素を導入し、バルブ9を閉じた。
(4)バルブ8を開けてセル内部に二酸化炭素を導入し、イオン液体を撹拌子3で1分撹拌した後、バルブ10を開けて0.1
MPa程度まで減圧した。
(5)バルブ8を閉じ、ガス導入ラインを再び脱気した後、バルブ10を閉じた。
(6)(2)から(5)の作業を5回繰り返した。
(7)バルブ9を開けて、ガス導入ラインに1.0 MPa程度の二酸化炭素を導入した。
(8)バルブ9を閉じ、バルブ8を開けて、セル4内に二酸化炭素を導入した。
(9)セル4外部の永久磁石5をモーター(図1に示していない)で上下に動かし、セル4内部の撹拌子3を上下振動させ、イオン液体相を撹拌した。
(10)この際、撹拌子3が液面から出ないよう、永久磁石5の位置を調整した。
(11)恒温水槽6の温度を40℃(精度 0.01℃)に保ち、撹拌を継続しつつ、セル4内の圧力を圧力計12にて測定した。
(12)気液平衡状態に到達したことは、圧力変化が1時間あたり0.0001 MPa以下になったことで判断した。
(13)気液平衡状態に到達した後、カセトメーター2による目視で液相の高さ(H)を計測した。
液相の高さ(H)と液相の体積(V)には直線関係があり、実験前に作成した検量線と液相の高さ(H)から液相の体積(V)を求めた。
(14)体積膨張率(ΔV)は上記式(6)で定義される。体積膨張率(ΔV)は温度と圧力に依存する関数であり、ガスとイオン液体の種類に依存するが、仕込んだイオン液体の量には全く影響されない。
上記体積(V)の値を基にし、上記式(6)から体積膨張率(ΔV)を算出した。V(p0,T)は予め決定されていた。
(15)1時間ごとに(13)と(14)を、合計3回以上行い、その平均を体積膨張率(ΔV)として採用した。
上記と異なる圧力又は温度の基に体積(V)の値を算出し、該体積(V)の値を基にし、上記式(6)から体積膨張率(ΔV)を算出した。
(16)バルブ8を閉じ、バルブ9を開けて、2.0 MPa程度まで二酸化炭素で加圧した。
(17)バルブ9を閉じ、バルブ8を開けて、セル内に二酸化炭素を導入し、加圧した。
(18)(9)から(15)を行った。
(19)バルブ8を閉じ、バルブ9を開けて、3.0 MPa程度まで二酸化炭素で加圧した。
(20)バルブ9を閉じ、バルブ8を開けて、セル内に二酸化炭素を導入し、加圧した。
(21)(9)から(15)を行った。
(22)バルブ8を閉じ、バルブ9を開けて、4.0 MPa程度まで二酸化炭素で加圧した。
(23)バルブ9を閉じ、バルブ8を開けて、セル内に二酸化炭素を導入し、加圧した。
(24)(9)から(15)を行った。
(25)バルブ8を閉じ、バルブ9を開けて、5.0 MPa程度まで二酸化炭素で加圧した。
(26)バルブ9を閉じ、バルブ8を開けて、セル内に二酸化炭素を導入し、加圧した。
(27)(9)から(15)を行った。
(28)バルブ8を閉じ、バルブ9を開けて、5.5 MPa程度まで二酸化炭素で加圧した。
(29)バルブ9を閉じ、バルブ8を開けて、セル内に二酸化炭素を導入し、加圧した。
(30)(9)から(15)を行った。
(31)バルブ10を開け、ガス導入ラインおよびセル内を0.1 MPaまで徐々に減圧した。
(32)セルをガス導入ラインから取り外し、セルの洗浄と乾燥を十分に行った。
(33)(1)から(10)の作業を行った。
(34)恒温水槽の温度を60 ℃(精度 0.01℃)に保ち、撹拌を継続しつつ、セル内の圧力を圧力計にて測定した。
(35)(12)から(32)の作業を行った。
(36)(1)から(10)の作業を行った。
(37)恒温水槽の温度を25 ℃(精度 0.01℃)に保ち、撹拌を継続しつつ、セル内の圧力を圧力計にて測定した。
(38)(12)から(32)の作業を行った。
次いで、上記式(1)に基づき、イオン液体における二酸化炭素のモル分率として評価した。
(イオン液体に吸収された二酸化炭素の物質量の決定)
(1)十分に露点が低いグローブボックス内で、窓付き高圧セル15に、事前に十分に乾燥したイオン液体を所定量(約15cc)仕込み、セル15を閉じ、さらにバルブ6を閉じ、電子天秤でイオン液体の仕込み量を正確に測定した。
(2)セル15を装置に接続し、バルブ6、7、8、9、10を開け、真空ポンプ1で系内を脱気した。系内の圧力は圧力計12と真空計2で計測し、圧力計の表示が0.0000
MPa、真空計の指示が2
Pa以下に到達した後、さらに6時間以上脱気操作を続けた。
(3)バルブ8と10を閉じ、12時間以上放置し、圧力計の表示値の変化が0.0001
MPa/12 h以下であることを確認した。
(4)バルブ6と9を閉じ、バルブ8を開けて二酸化炭素を6.0 MPa程度導入した。
(5)バルブ8を閉じ、恒温水槽5の温度を40℃(精度 0.01℃)に保ち、圧力を圧力計12で計測した。また、セル15内部を、撹拌子(図2に示していない)を回転させ、撹拌した。撹拌子の回転にはマグネチックスターラー16を使用した。以降、撹拌は測定終了まで継続した。
(7)温度と圧力から二酸化炭素のモル体積(v1)を決定した。モル体積(v1)の決定にNIST REFPROP
Ver. 9.0を利用した。
(8)ガスチャンバー部の容積(V1)は事前に決定しており、上記式(4)に基づき、ガスチャンバー部の容積(V1)をモル体積(v1)で除することで、ガスチャンバー部に導入された二酸化炭素の物質量(n1)を求めた。
(9)1時間ごとに(7)と(8)を、合計3回以上繰り返し、その平均値を物質量(n1)として採用した。
(11)圧力変化が1時間あたり0.0001MPa以下になった際、気液平衡状態に到達したと見なし、圧力を圧力計12で測定した。
(12)温度と圧力から二酸化炭素のモル体積(v2)を決定した。モル体積(v2)の決定にNIST REFPROP
Ver. 9.0を利用した。モル体積はガスの種類、温度、圧力のみで決定される。
(13)イオン液体に吸収された二酸化炭素の物質量(n2)は上記式(4)より決定した。
なお、V3はガスチャンバー部4と高圧セル部3(容積:V2)の容積の合計である。ここで、ΔV(T,p)はイオン液体の体積膨張率であり、温度と圧力の関数であり、体積膨張率の測定結果から決定した。また、VIL(T)はガスを吸収する前のイオン液体の体積であり、上記式(5)で求められる。
(14)1時間ごとに(11)から(13)を、合計3回以上繰り返し、その平均値をイオン液体に吸収された二酸化炭素の物質量(n2)として採用した。
(15)二酸化炭素のモル分率(xCO2)は上記式(1)から決定した。xCO2は温度と圧力のみの関数であり、イオン液体とガスの種類に依存する。
上記イオン液体に吸収された二酸化炭素の物質量(n2)及びwIL/MILから決定されたnILから、二酸化炭素を吸収したイオン液体における二酸化炭素のモル分率を算出した。なお、wILはイオン液体の仕込み量を意味し、MILはイオン液体のモル質量である。
(16)以下、イオン液体相の密度の算出について具体的に説明する。イオン液体相中の二酸化炭素の濃度(CCO2)は上記式(2)で表され、温度と圧力の関数であり、イオン液体とガスの種類に依存する。
(17)イオン液体相の密度(ρIL)は温度と圧力のみの関数であり、イオン液体とガスの種類に依存し、下記式(7)から決定した。
式(7))
前記式(7)は下式のように記載してもよい。
ρIL=[wIL+n2×MCO2]/ [VIL(T)×(1+ΔV(T,p)] 式(7)
上記式中、ρILは温度と圧力のみの関数であり、イオン液体とガスの種類に依存する。ここで、MCO2は二酸化炭素のモル質量である。wIL 、n2 、VIL(T)、ΔV(T,p)は上記と同じである。
(18)バルブ9を閉じ、バルブ10を徐々に開け、高圧セル部3の圧力を0.1 MPaまで徐々に減圧した。
(19)バルブ10を完全に開放し、真空ポンプにて高圧セル部3を脱気した。真空計2の指示値が2
Pa以下に到達した後、さらに3時間以上脱気を継続し、二酸化炭素を十分に取り除いた。
(20)バルブ6および10を閉じた。
(22)バルブ6、7、9、10を開け、真空ポンプ1にて高圧セル部3およびガスチャンバー部4を脱気した。真空計2の指示値が2
Pa以下に到達した後、さらに3時間以上脱気を継続し、二酸化炭素を十分に取り除いた。
(23)バルブ6、9、10を閉じ、バルブ8を開けて二酸化炭素を5.5 MPa程度導入した。
(24)(5)から(19)を4回繰り返し、各圧力にて二酸化炭素のモル分率(xCO2)とイオン液体相の密度(ρIL)を決定した。
(25) ヘンリー定数は、下式(8)に基づいて決定される。
(式(8))
式中、フガシティ(f(T,p))は温度と圧力の関数であり、ガスの種類に依存する。二酸化炭素のフガシティ(f(T,p))はNIST REFPROP Ver. 9.0により決定した。xCO2は二酸化炭素のモル分率である。ヘンリー定数(kH)は温度のみの関数であり、イオン液体とガスの種類に依存する。一定温度におけるヘンリー定数の大小でガス吸収能を比較でき、ガスの溶解量が多いほど値は小さい。
ヘンリー定数の具体的な決定法は以下のとおりである。
横軸を圧力(p)、縦軸を(f(T,p)/xCO2)とするグラフを作成し、プロットを二次関数でフィッティングした際、二次関数曲線と縦軸の交点がkHである。
(26)(2)から(4)の作業を行った。
(27)バルブ8を閉じ、恒温水槽5の温度を60 °C(精度
0.01 °C)に保ち、圧力を圧力計12で計測した。また、セル15内部を、撹拌子を回転させ、撹拌した。撹拌子の回転にはマグネチックスターラー16を使用した。以降、撹拌は測定終了まで継続した。
(28)(6)から(19)を5回繰り返し、各圧力にて二酸化炭素のモル分率(xCO2)、二酸化炭素の濃度(CCO2)とイオン液体相の密度(ρIL)を決定した。
(29)(22)から(25)を行った。
60°Cにおける[N112A][NTf2]の二酸化炭素に対するヘンリー定数は5.09
MPaであった。
(30)(2)から(4)の作業を行った。
(31)バルブ8を閉じ、恒温水槽5の温度を25℃精度0.01℃)に保ち、圧力を圧力計12で計測した。また、セル15内部を、撹拌子を回転させ、撹拌した。撹拌子の回転にはマグネチックスターラー16を使用した。以降、撹拌は測定終了まで継続した。
(32)(6)から(19)を5回繰り返し、各圧力にて二酸化炭素のモル分率(xCO2)、二酸化炭素の濃度(CCO2)とイオン液体相の密度(ρIL)を決定した。
(33)(22)から(25)を行った。
25°Cにおける[N112A][NTf2]の二酸化炭素に対するヘンリー定数は2.90MPaであった。
(34)[N112A][NTf2]の二酸化炭素の吸収量(xCO2)、二酸化炭素の濃度(CCO2)、イオン液体相の密度(rIL)を表1に示す。
以下、熱力学パラメータの決定について具体的に説明する。
(35)40、60、25 °Cで決定したヘンリー定数より、以下の式を用いて、熱力学パラメータを決定した。なお、ギブスエネルギー(ΔG)、エンタルピー(ΔH)、エントロピー(ΔS)は、いずれも温度のみの関数であり、イオン液体とガスの種類に依存する。
式(9)は下記のように記載してもよい。
ΔG=RTln(kH(T,p)/ p0) 式(9)
式(10)は下記のように記載してもよい。
ΔH=- RT2(∂/∂T)[(ln(kH(T)/p0)]、 式(10)
式(11)は下記のように記載してもよい。
ΔS=- RT(∂/∂T)[(ln(kH(T)/p0)]−R[ln(kH(T,p)/p0)] 式(11)
上記式(9)、(10)、(11)において、p0は圧力、kH(T)は各温度におけるヘンリー定数を意味する。また、縦軸にln(kH/p0)を、横軸にTをとり、プロットを二次関数でフィッティングすることでln(kH(T)/p0)を求める。さらに、二次関数を微分することで、(∂/∂T)[ln(kH(T)/p0)]を得る。ΔGが小さいほど、ガスの溶解量は大きくなる。なお、p0は0.1 MPaである。
40℃において、[N112A][NTf2]の熱力学パラメータは次のとおりであった。ΔG=9.48kJ mol-1, ΔH=-13.6 kJ mol-1, ΔS=-73.7Jmol-1 K-1
大気圧にて、イオン液体の密度(ρ)を、振動管式密度計(Anton
Paar,DMA 5000M)を用いて測定した。試料の封入は十分に露点が低いグローブボックス内で行った。また、装置定数は乾燥空気と超純水(Millipore
SimpliLab Purification Pack)で決定した。
SVM3000)で測定した。試料の封入は十分に露点が低いグローブボックス内で行った。粘度計の健全性は、標準試料(Cannon
InstrumentCompany)で確認した。
[N112A][NTf2]の密度、粘性率を表2に示す。
酢酸2−ブロモエチル133.6g(0.80モル)、N,N−ジメチルエチルアミン70.2g(0.96モル)及びアセトニトリル401gの混合物を、75℃で24時間撹拌した。その後、得られた反応混合物を濃縮、乾燥し、残渣184.0gを得た。この残渣にイオン交換水184g及びトルエン364gを加えて撹拌し、分液した。分液して得た水層をトルエン364gで洗浄し、ジメチルエチル(アセトキシエチル)アンモニウムブロミド水溶液365.1gを得た。
上記で得たジメチルエチル(アセトキシエチル)アンモニウムブロミド水溶液365.1gに、塩化メチレン551g及び73.4%ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド酸リチウム[(CF3SO2)2NLi]水溶液314.7g(0.80モル)を加え室温で9時間撹拌し、分液した。分液して得られた有機層をイオン交換水185gで2回洗浄した。その後、有機層から塩化メチレンを留去して油状のジメチルエチル(アセトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド328.7g(0.75モル、収率93%)を得た。得られたジメチルエチル(アセトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドのNMRの分析結果を次に示す。なお、ジメチルエチル(アセトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを、以降、[N112B][NTf2]と表記する。
実施例1と同様に操作し、二酸化炭素を[N112B][NTf2]に接触させた。
実施例1と同様に操作を行い、[N112B][NTf2]の二酸化炭素のモル分率(xCO2)、二酸化炭素の濃度(CCO2)とイオン液体相の密度(rIL)を求めた。その結果を図3及び表3に示した。また、40℃、60℃、25℃における[N112B][NTf2]の二酸化炭素に対するヘンリー定数は、それぞれ、4.41MPa、6.01MPa、3.38MPaであった。
実施例1と同様に操作を行い、[N112B][NTf2]の熱力学パラメータを決定した。
その結果、40℃において、[N112B][NTf2]の熱力学パラメータは次のとおりであった。
ΔG=9.86kJmol-1,ΔH=-13.7kJmol-1,ΔS=-75.3Jmol-1K-1
実施例1と同様に操作を行い、[N112B][NTf2]の密度、粘性率を決定した。
その結果を表4に示す。
(表4)
イオン液体として、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド、及びジメチルホルムアミドビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを選んだ。なお、前者を[bmim][NTf2]、後者を[DMFH][NTf2]と表記する。
[bmim][NTf2]を、実施例1と同様に操作し、[bmim][NTf2]の二酸化炭素のモル分率(xCO2)を求めた。また、[DMFH][NTf2]については、特許文献6に記載の情報より、[DMFH][NTf2]の二酸化炭素のモル分率(xCO2)を求めた。
その結果を図3に示した。
[N112A][NTf2]と[N112B][NTf2]は、[DMFH][NTf2]と比較して、エンタルピーが大きく、エントロピーが小さい。
すなわち、[DMFH][NTf2]と比較して、エンタルピー効果に優れるため、優れたCO2吸収能を示すと考えられる。また、[N112A][NTf2]のエンタルピーは[bmim][NTf2]と同程度であるが、エントロピーは[bmim][NTf2]よりも大きい。すなわち、エントロピー効果により、[bmim][NTf2]と比較して、二酸化炭素吸収能が改善されていると考えられる。
比較例3〜8として表6に記載のイオン液体のヘンリー定数及び粘性率は、表6のとおりである(非特許文献6)。 [NWXYZ]は炭素数がW、X、Y、Zの直鎖炭化水素基を有するアンモニウムカチオンを意味する。例えば、[N1136]はメチル基が2つ、プロピル基が1つ、ヘキシル基が1つの四級アンモニウムである。なお、分かりやすいように、実施例1の結果も表6に記載した。
番号 イオン液体 ヘンリー定数 粘性率 温度
(MPa) (mPas) (K)
比較例3 [N1134][NTf2] 6.5 85 303.15
比較例4 [N1136][NTf2] 5.5 126 303.15
比較例5 [N113(10)][NTf2] 4.4 183 303.15
比較例6 [N1114][NTf2] 6.2 71 303.15
比較例7 [N111(10)][NTf2] 4.5 173 303.15
比較例8 [N2226][NTf2] 6.1 167 303.15
実施例1 [N112A][NTf2] 3.22 47.2 303.15
%に留まるのに対し、エステルを導入した[N112B][NTf2]では約30
%、エーテルを2つ導入した[N112A][NTf2]は約40
%の低下が認めらる。[N112B][NTf2]および[N112A][NTf2]の鎖長は[N113(10)][NTf2]よりも短く、エーテル基及び/又はエステル基を導入することで、非常に長いアルキル鎖を導入することなく、二酸化炭素吸収能を改善できた。
(ア)イオン液体の合成[N(C2H5)(CH3)2(C7H15)] + [N(SO2CF3)2] −(ジメチルエチルヘプチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド)の合成
1−ブロモヘプタン124.8g(0.70モル)及びアセトニトリル377gの混合物を60℃に加熱し、N,N−ジメチルエチルアミン65.7g(0.90モル)を1.5時間かけて滴下し、その後70℃で24時間撹拌した。その後、得られた反応混合物を濃縮、乾燥し、残渣173.9gを得た。この残渣にイオン交換水180g及びトルエン366gを加えて撹拌し、分液した。分液して得た水層をトルエン340gで洗浄し、ジメチルエチルヘプチルアンモニウムブロミド水溶液364.7gを得た。
上記で得たジメチルエチルヘプチルアンモニウムブロミド水溶液364.7gに、塩化メチレン527g及び74.9%ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド酸リチウム[(CF3SO2)2NLi]水溶液278.0g(0.73モル)を加え室温で9時間撹拌し、分液した。分液して得られた有機層をイオン交換水175gで2回洗浄した。その後、有機層から塩化メチレンを留去して油状のジメチルエチルヘプチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド305.2g(0.67モル、収率96%)を得た。得られたジメチルエチルヘプチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドのNMRの分析結果を次に示す。なお、ジメチルエチルヘプチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを、以降、[N1127][NTf2]と表記する。
(ア)イオン液体の合成[N(C2H5)(CH3)2(C5H11)] + [N(SO2CF3)2] −(ジメチルエチルペンチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド)の合成
1−ブロモペンタン98.2g(0.65モル)及びアセトニトリル295gの混合物を60℃に加熱し、N,N−ジメチルエチルアミン58.2g(0.80モル)を2時間かけて滴下し、その後70℃で24時間撹拌した。その後、得られた反応混合物を濃縮、乾燥し、残渣144.6gを得た。この残渣にイオン交換水146g及びトルエン328gを加えて撹拌し、分液した。分液して得た水層をトルエン299gで洗浄し、ジメチルエチルペンチルアンモニウムブロミド水溶液287.9gを得た。
上記で得たジメチルエチルペンチルアンモニウムブロミド水溶液287.9gに、塩化メチレン446g及び74.9%ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド酸リチウム[(CF3SO2)2NLi]水溶液261.3g(0.68モル)を加え室温で9時間撹拌し、分液した。分液して得られた有機層をイオン交換水145gで2回洗浄した。その後、有機層から塩化メチレンを留去して油状のジメチルエチルペンチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド266.3g(0.63モル、収率97%)を得た。得られたジメチルエチルペンチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドのNMRの分析結果を次に示す。なお、ジメチルエチルペンチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを、以降、[N1125][NTf2]と表記する。
番号 イオン液体 T/K η/mPa s p/MPa CCO2/mol dm-3
比較例9 [N1127][NTf2] 298.15 167.6 0.5468 0.522
1.4159 1.359
2.3687 2.289
3.7019 3.619
4.5914 4.529
比較例10 [N1125][NTf2] 298.15 127.6 0.5468 0.549
1.4159 1.410
2.3687 2.347
3.7019 3.670
4.5914 4.575
実施例1 [N112A][NTf2] 298.15 32.03 0.5468 0.577
1.4159 1.501
2.3687 2.522
3.7019 3.959
4.5914 4.925
(1)(i)エーテル基及び/又はエステル基を有するカチオン及び(ii)アニオンから構成されるイオン液体を含む酸性ガス吸収液であって、カチオンが下記一般式(c)又は(d)にて表わされるカチオンから選ばれる1種又は2種以上であることを特徴とする酸性ガス吸収液。
[N(R11R21R31R41)] + (c)
[P(R12R22R32R42)] + (d)
式中、R11、R12は同一又は異なってもよく、エーテル基及び/又はエステル基を有する炭素数が2〜8の炭化水素基を示し、R21、R31、R41、R22、R32、R42は同一又は異なっており、水素原子又はエーテル基及び/又はエステル基を有してもよい炭素数が1〜8の炭化水素基を意味する。なお、エーテル基及び/又はエステル基を有さないR21、R31、R41から選ばれる二つが相互に結合して環状の化合物を形成してもよく、エーテル基及び/又はエステル基を有さないR22、R32、R42から選ばれる二つが相互に結合して環状の化合物を形成してもよい。R21、R31、R41、R22、R32、R42は同一又は異なっており、エーテル基及び/又はエステル基を有してもよい炭素数が1〜8の炭化水素基が好ましい。
(2)(1)記載のイオン液体又は酸性ガス吸収液を酸性ガスと接触させて、前記酸性ガスを前記イオン液体に吸収させることを特徴とする酸性ガス吸収方法。
[N(R11R21R31R41)] + (c)
[P(R12R22R32R42)] + (d)
式中、R11、R12は同一又は異なってもよく、エーテル基及び/又はエステル基を有する炭素数が2〜8の炭化水素基を示し、R21、R31、R41、R22、R32、R42は同一又は異なっており、水素原子又はエーテル基及び/又はエステル基を有してもよい炭素数が1〜8の炭化水素基を意味する。なお、エーテル基及び/又はエステル基を有さないR21、R31、R41から選ばれる二つが相互に結合して環状の化合物を形成してもよく、エーテル基及び/又はエステル基を有さないR22、R32、R42から選ばれる二つが相互に結合して環状の化合物を形成してもよい。R21、R31、R41、R22、R32、R42は同一又は異なっており、エーテル基及び/又はエステル基を有してもよい炭素数が1〜8の炭化水素基が好ましい。
(4)(i)エーテル基及び/又はエステル基を有するカチオン及び(ii)アニオンから構成されるイオン液体と酸性ガスを含有する混合ガスと接触させ、前記混合ガスから前記酸性ガスを選択的に前記イオン液体に吸収させ、分離回収する酸性ガス分離回収法であって、前記カチオンは、下記一般式(c)又は(d)にて表わされるカチオンから選ばれる1種又は2種以上でことを特徴とする酸性ガス分離回収法。
[N(R11R21R31R41)] + (c)
[P(R12R22R32R42)] + (d)
式中、R11、R12は同一又は異なってもよく、エーテル基及び/又はエステル基を有する炭素数が2〜8の炭化水素基を示し、R21、R31、R41、R22、R32、R42は同一又は異なっており、水素原子又はエーテル基及び/又はエステル基を有してもよい炭素数が1〜8の炭化水素基を意味する。なお、エーテル基及び/又はエステル基を有さないR21、R31、R41から選ばれる二つが相互に結合して環状の化合物を形成してもよく、エーテル基及び/又はエステル基を有さないR22、R32、R42から選ばれる二つが相互に結合して環状の化合物を形成してもよい。R21、R31、R41、R22、R32、R42は同一又は異なっており、エーテル基及び/又はエステル基を有してもよい炭素数が1〜8の炭化水素基が好ましい。
1 真空ポンプ
2 カセトメーター
3 撹拌子
4 サファイヤ製チューブセル
5 永久磁石
6 恒温水槽
7 液相高さ(H)
8 バルブ
9 バルブ
10 バルブ
11 温度計
12 圧力計
13 恒温水槽温度制御器
14 ガスボンベ
図2で
1 真空ポンプ
2 真空計
3 高圧セル部(容積V2)
4 ガスチャンバー部(容積V1)
5 恒温水槽
6 バルブ1
7 バルブ2
8 バルブ3
9 バルブ4
10 バルブ5
11 温度計
12 圧力計
13 恒温水槽温度制御器
14 ガスボンベ
15 高圧セル
16 マグネチックスターラー
Claims (8)
- 下記式(e)又は下記式(f)で表わされるイオン液体を少なくとも含むことを特徴とする酸性ガスの吸収量が向上した酸性ガス吸収液。
[NR5R6R7(CH2CH2OCOCH3)]+・(R8SO2)2N− (e)
[NR5R6R7(CH2CH2OCH2CH2OCH3)]+・(R8SO2)2N− (f)
(式中、R5、R6、R7は同一又は異なっており、炭素数が1〜4の炭化水素基を示し、互いに末端で結合して環を形成していてもよい。R8はフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示す。) - [NR51R61R71(CH2CH2OCH2CH2OCH3)]+・(R8SO2)2N− (g)で表わされるイオン液体を少なくとも含むことを特徴とする酸性ガスの吸収量が向上した酸性ガス吸収液。
(式中、[NR51R61R71(CH2CH2OCH2CH2OCH3)]+は下式で表されるカチオンから選ばれる一つのカチオンであり、R8はフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示す。
[N(CH3)3(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C2H5)3(C2H4OC2H4OCH3)]+、、[N(C3H7)3(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C4H9)3(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(CH3)2(C2H5)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(CH3)2(C3H7)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(CH3)2(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C2H5)2(CH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C2H5)2(C3H7)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C2H5)2(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C3H7)2(CH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C3H7)2(C2H5)(C2H4OC2H4○CH3)]+、[N(C3H7)2(C4H9)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C4H9)2(CH3)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C4H9)2(C2H5)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(C4H9)2(C3H7)(C2H4OC2H4OCH3)]+) - ジメチルエチル(メトキシエトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド又はジメチルエチル(アセトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドからなるイオン液体を少なくとも含むことを特徴とする酸性ガスの吸収量が向上した酸性ガス吸収液。
- 混合ガスから酸性ガスを選択的に分離回収するための吸収液であって、前記吸収液は請求項1から3のいずれかに記載のイオン液体であることを特徴とする酸性ガスの吸収速度が向上した酸性ガス吸収液。
- 酸性ガスが二酸化炭素である請求項1から4のいずれかに記載の酸性ガス吸収液。
- 二酸化炭素の吸収量が、25℃、2MPaの雰囲気下において2.0mol・dm−3以上であるか、または、25℃、4MPaの雰囲気下において4.0mol・dm−3以上である請求項5に記載の酸性ガス吸収液。
- 請求項1から3のいずれかに記載の酸性ガス吸収液を、酸性ガスを含有する混合ガスと接触させ、前記混合ガスから前記酸性ガスを選択的に分離回収することを特徴とする酸性ガス分離回収法。
- 酸性ガスが二酸化炭素である請求項7に記載の酸性ガス分離回収法。
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