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CN114849440B - 用于吸收co2的c1-c8羧酸盐溶液 - Google Patents

用于吸收co2的c1-c8羧酸盐溶液 Download PDF

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Abstract

一种用于吸收CO2的C1‑C8羧酸盐溶液。本发明提供了一种用于在组合物中捕获至少一种酸性气体、从所述组合物中释放所述气体以及随后使所述组合物再生以再利用的方法。该方法包括通过将所述酸性气体与捕获组合物接触来捕获酸性气体的步骤，所述捕获组合物包含至少一种溶解在基本上由水组成的溶剂体系中的羧酸盐。

Description

用于吸收CO2的C1-C8羧酸盐溶液
本申请是申请号为201880061914.5、申请日为2018年8月2日、发明名称为“用于吸收CO2的C1-C8羧酸盐溶液”的发明专利申请(国际申请号：PCT/GB2018/052209)的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于捕获以及随后释放酸性气体(如，二氧化碳)的方法。捕获涉及使气体与羧酸盐的水溶液接触。
背景技术
由于越来越多地使用化石燃料，大气中二氧化碳的浓度已从工业化前时期的280ppm上升至2013年的近400ppm，导致全球平均温度升高。预计在短期到中期会进一步增加，直到建立不会导致大量CO2排放的能源供应。根据国际能源署世界能源展望(2002年)，燃烧产生的二氧化碳排放量预计每年增加约1.8％，如果继续以该速度增长，则到2030年，二氧化碳排放量将比2000年增加70％。
当前捕获CO2和其他酸性气体的方法昂贵且远非大规模应用的理想选择，因此，本发明试图通过提供一种技术方案来解决该问题，该技术方案相对简单且使用廉价的方法和消耗品，旨在尽量减少大规模部署对整体环境的影响。
WO2015/092427公开了使用溶解在质子性溶剂(例如，水)和非水有机溶剂的混合物中的羧酸盐来捕获和释放CO2和其他酸性气体的方法。发明人发现，非水溶剂环境的存在使得碳酸的pKa(或更具体地说，含水CO2)增加程度小于羧酸的pKa，这意味着羧酸根离子变成了有效的捕获剂。这允许在非常规条件下开发非常规捕获剂，以消除或改善与当前最先进捕获技术相关的许多次要缺点，但最关键的是，这将整个捕获和释放周期的能量输入需求降低到目前认为不可能的水平。
从实际的角度来看，非水溶剂的使用带来的问题可能会限制该技术的效用。溶剂倾向于具有适度的挥发性，这意味着需要补给，溶剂倾向于可燃，从而导致额外的安全措施，并且由于溶剂暴露于杂质(例如，氧气，在含酸性气体的气体中)中而可能会出现少量降解。然而，据了解，如果没有非水溶剂，则羧酸盐作为捕获剂是无效的，因为共轭酸的pKa太低，以至于它们无法与含水二氧化碳和碳酸反应以取代二氧化碳水合平衡。
发明内容
在本发明的第一方面，提供一种有效捕获酸性气体的方法。该方法包括：
a、通过使所述酸性气体与捕获组合物接触来捕获酸性气体，所述捕获组合物包含至少一种溶解在基本上由水组成的溶剂体系中的羧酸盐。
该方法还可以包括：
b、通过加热加载的捕获组合物，和/或通过使加载的捕获组合物置于汽提气流中(例如，空气)，和/或通过降低加载的捕获组合物上的压力，来释放所述至少一种酸性气体。
该方法还可以包括：
c、通过冷却和/或增加所述捕获组合物上的压力，使所述捕获组合物再生。
本发明源于发明者对给定化合物的pKa值的认识，即给定化合物的pKa值是其共轭碱稳定性的函数，可以依赖于测量pKa的溶剂环境的总特性。
项目 溶剂 pKa
1 水 4.76
2 甲醇 9.7
3 乙醇 10.3
4 二甲基亚砜 12.3
5 二甲基甲酰胺 13.3
6 t-叔丁醇 14.2
7 1,2-二氯乙烷 15.5
8 乙腈 23.51
表1不同溶剂中乙酸pKa的变化
公认的原则是，在不同溶剂中测量时，给定化合物的pKa值可能会发生显著变化(表1)。数据表中给出的pKa值假定为在“无限稀释”下，因此可以忽略待测化合物分子之间的分子间相互作用以及溶质对整体溶剂特性的影响。实际上，所测量化合物的稀释取决于测量技术的灵敏度，毫摩尔浓度和微摩尔浓度是典型的。
当考虑化合物的溶液浓度比数据表中用于测量引用的pKa值的溶液浓度高几个数量级时，必须考虑化合物对整个溶剂环境的影响。对于高度可溶的化合物，最终混合物的比例可使其更合适地被视为“在X中的溶剂”而不是“在溶剂中的X”(表2，来自https://en.wikipedia.org/wiki/Solubility_table的溶解度数据，访问日期：2017年7月14日)。
表2高溶解性化合物在20℃的饱和水溶液的质量百分比
因此，给定化合物的pKa值可以看作是一个动态特性，除其他因素外，还取决于该化合物在溶液中的浓度。严格来说，数据表中引用的pKa值仅对于指定的溶剂以及在测量该值的浓度下才是准确的。对于更浓缩的溶液，可以观察到不同的pKa值以及相应的不同酸碱反应性性能。
本申请通过采用羧酸盐的水溶液作为二氧化碳和其他酸性气体的捕获剂来利用这种现象。羧酸盐通常不会被视为有效的捕获剂，因为其共轭酸的pKa值较低(通常为～5)。但是，对于浓溶液，羧酸盐的pKa可能足够高，可以实现有效的酸性气体捕获。
对这些制剂至关重要的是，将其与其他二氧化碳捕获体系进行比较时，捕获反应的产物是碳酸氢盐和相应的羧酸(方案1)。从热力学上讲，与更传统的捕获体系相比，这代表了一个更精细的平衡体系，该体系可以显著降低有效释放所需的温度，从而降低能量输入。
方案1
原则上，碳酸氢盐和其他酸性气体盐(以及相应的酸性气体)也会根据溶液的组成改变pKa值，但令人惊讶的是，不会发生与羧酸盐相同的程度。酸性气体和羧酸盐的pKa值的相对变化之间的差异使得可以通过这些浓缩溶液有效捕获。
与WO2015/092427中描述的捕获组合物相比，酸性气体可以在较低的温度下从本发明的捕获组合物中释放出来，从而减少了该过程中消耗的能量。通常，WO2015/092427中描述的组合物需要加热至超过100℃以释放已捕获的大部分CO2。相反，当加热到80℃或甚至更低时，本发明的组合物可以释放大量的CO2。
羧酸盐可能是金属盐、铵盐、鏻盐(phosphonium salt)或锍盐(sulfonium salt)。羧酸盐可能是金属盐。羧酸盐可能是碱金属(例如，锂、钠或钾)的盐。羧酸盐可能是钾盐。羧酸盐可能是烷基铵盐或芳基铵盐，例如，三乙基铵、四甲基铵、四丁基铵、苄基三甲基铵、胆碱盐或胍盐。羧酸盐可能是两个或更多个阳离子的组合。
脂族羧酸盐、芳族羧酸盐或杂芳族羧酸盐(例如，脂族羧酸盐或芳族羧酸盐)可用于本发明的目的。合适的脂族羧酸可以选自直链的、支链的或环状的羧酸，其可以是饱和或不饱和的，可以是被取代基、杂原子、芳族或杂芳环系统取代的或未取代的。羧酸或每种羧酸可包含单个羧酸基团。多元羧酸(例如，二、三或四元羧酸)，与聚合酸(例如，聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸)以及天然衍生的生物聚合羧酸(例如，藻酸(来自海藻)和果胶(来自植物细胞壁))一样，也是合适的。芳族羧酸盐或杂芳族羧酸盐(例如苯甲酸)，与两性离子羧酸盐(包括甜菜碱以及相关的衍生物和同系物)一样，也适合本发明的目的。这样的盐可以在溶液、浆液或分散液中。
所述羧酸可能不是氨基酸，或者每种羧酸都不是氨基酸。可能是该羧酸不包含氮或每种羧酸不包含氮。捕获组合物可能基本上不含氨基酸。捕获组合物可能基本上不含任何包含氮的有机化合物。术语“基本上不含”可被认为是指不超过25％的捕获组合物是氨基酸或包含氮的有机化合物。这可能意味着不超过10％的捕获组合物是氨基酸或包含氮的有机化合物。这可能意味着不超过5％的捕获组合物是氨基酸或包含氮的有机化合物。这可能意味着不超过2％的捕获组合物是氨基酸或包含氮的有机化合物。这可能意味着不超过1％的捕获组合物是氨基酸或包含氮的有机化合物。
通常，所述盐是C1-20脂族羧酸的盐，更通常是C1-8脂族羧酸的盐。所述脂族羧酸可以是直链的或支链的。示例性的酸包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊醛酸和己酸。在某些特定的实施方式中，所述盐是脂族羧酸的钾盐，例如，直链的或支链的C1-8脂族羧酸的钾盐。
相对于整个组合物，所述羧酸盐在最终组合物中的存在量可能≤80％w/w。
至少一种羧酸盐可能是羧酸的单盐。可以是两种或多种羧酸盐的混合物。当盐以两种或多种盐的混合物形式存在时，所述两种或多种盐可能包含相同的阳离子平衡离子但源自不同的羧酸和/或所述两种或多种盐可能源自相同的羧酸但含有各种阳离子平衡离子。它可能是至少一种直链的或支链的C1-C4脂族羧酸盐与至少一种直链的或支链的C5-C6脂族羧酸盐的混合物。两种盐都可能是所示羧酸的钾盐。
脂族羧酸，可以是直链的或支链的，可以未被包括杂原子(例如，选自O、N、S和P的原子)的取代基基团取代。然而，脂族羧酸可以被包含O的取代基基团(例如，羟基)取代。一个说明性的例子是乳酸。
所述至少一种羧酸盐通常最初以相对于初始溶剂组合物0.1M至14M的水平存在于所述组合物中，最通常在4M至10M的范围内。当至少一种盐是两种或更多种羧酸盐的混合物时，显示的浓度是两种或更多种盐的浓度之和。
所述至少一种羧酸盐(例如，羧酸的单盐)可能以大于4M的浓度存在。所述至少一种羧酸盐(例如，羧酸的单盐)可能以大于5M的浓度存在。所述至少一种羧酸盐(例如，羧酸的单盐)可能以大于6M的浓度存在。在这些实施方式中，所述羧酸盐可能是直链的或支链的C1-4脂族羧酸盐。所述羧酸盐可能是直链的或支链的C1-4脂族羧酸的钾盐。
捕获组合物可能还包含碱性添加剂。碱性添加剂是能够使羧酸脱质子而衍生为盐的化学物质。因此，碱性添加剂是具有共轭酸的物质，该共轭酸的pKa比衍生该盐的羧酸的pKa高。在稀水溶液中测得，所述碱性添加剂的pKa可为5至14。在这些实施方式中，羧酸盐可以是直链的或支链的C5-8脂族羧酸盐。羧酸盐可以是直链的或支链的C5-8脂族羧酸的钾盐。
碱性添加剂可以相对于全部组合物≤70％w/w的含量存在于组合物中。
在所述至少一种羧酸盐与碱性添加剂组合使用的情况下，所述至少一种羧酸盐通常以相对于初始溶剂0.1M至5M的水平存在于制剂中，最通常在0.1M和3M范围内。
碱性添加剂可以是盐。因此，碱性添加剂可以不是氮碱(例如，不包含胺)。
碱性添加剂可以是苯酚的盐，所述苯酚任选地被1至5个基团取代，所述基团选自卤素、C1-C4-烷基、硝基、氰基、C1-C4-卤代烷基、O-C1-C4-卤代烷基或额外的芳族环以形成多环酚。苯酚的盐可以是未取代的苯酚的盐。
碱性添加剂可以为碳酸盐。碳酸盐可以为碳酸钾、碳酸钠、碳酸锂、碳酸镁、碳酸钙或其组合。
在碱性添加剂是盐(例如，碳酸盐或酚盐)的情况下，该盐可包含与羧酸盐(或先前描述的第一种羧酸)相同的阳离子平衡离子，或可包含替代的阳离子平衡离子。因此，碱性添加剂可以是钾盐。
碱性添加剂可以是胺碱。合适的碱性添加剂，例如，可以选自脂族或脂环族氨基衍生物，包括伯胺、仲胺或叔胺。合适的脂族或脂环族氨基化合物，例如，可以选自脂族胺，如四甲基乙二胺(TMEDA)、四乙基甲二胺(TEMDA)、四甲基甲二胺(TMMDA)、四甲基1,3-二氨基丙烷(TMPDA)或三乙胺(TEA)，羟基取代的脂族或脂环族氨基化合物，如单乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、N-甲基二乙醇胺(MDEA)、2-二乙基氨基乙醇(DEAE)、3-(二乙基氨基)-1,2-丙二醇(DAPD)或2-氨基-2-甲基丙-1-醇(AMP)，脂环族胺，如哌嗪(PZ)、吗啉、哌啶、吡咯烷或1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)，或氨基酸，如甘氨酸或相关化合物。
所述碱性添加剂可以＜15M的浓度存在于所述组合物中。所述碱性添加剂可以＜10M的浓度存在。所述碱性添加剂可以＜5M的浓度存在。所述碱性添加剂可以>0.1M或>1M的浓度存在。例如，所述碱性添加剂可以相对于初始溶剂组合物0.1M至15M的浓度存在于所述组合物中，最通常在4M至10M的范围内。
发明人已经发现，较短链羧酸(例如，C1-C4-脂族羧酸)的盐能够在溶液中保持大量的CO2。这是由于较短链羧酸的盐在水中的溶解度较高。较长链羧酸(例如，C5-C8-脂族羧酸)的盐具有较低的溶解度，因此提供较低的将CO2保持在溶液中的能力。但是，与较短链羧酸相比，较长链羧酸的盐可提供更快的CO2吸收速率。发明人已经发现，在不过度降低摄取速率的情况下可以增加较长链羧酸的盐溶液的容量，并且这可以通过掺入较短链羧酸的盐或通过掺入碱性添加剂来实现。
溶剂体系可以是水。
所述羧酸盐可以由固体基底支撑或固定在固体基底上。
水对于酸性气体的捕获机理至关重要，它既是将反应物聚集在一起的介质，又是在捕获二氧化碳的情况下作为试剂。但是，过量的水会降低捕获能力和效率。通常，捕获组合物中水的含量为≤70％w/w，最通常为≤50％w/w。
通常，所述酸性气体是二氧化碳。二氧化碳可以包含在含有废气流(例如，来自燃烧过程的烟道气)的二氧化碳中，或者可以包含在含有原料气体流(例如，来自厌氧消化过程的产物气)的二氧化碳中。其他酸性气体可包括含硫气体，例如硫化氢或二氧化硫，或通常称为NOx的氧化氮气体。
所述捕获组合物通常为液体形式，并且可以任选地包含，例如浆液、分散液或悬浮液。所述捕获组合物的粘度通常低于50cP。然而，通常，所述组合物包含通常总浓度至少为1M的溶液。通常，至少一种酸性气体与所述组合物的接触可以方便地通过使含酸性气体的气流经过所述组合物来实现，例如，用泡盘塔，在所述组合物旁边，例如在填充塔中，或使用任何本领域技术人员已知的其他方法。
本发明的方法通常应用于二氧化碳的捕获和释放，并且最方便地通过初始将气体(通常为二氧化碳)与该组合物在水溶液中通常在-20℃至100℃，最通常为10℃至50℃下接触而进行。这些是接触的初始温度，并且由于捕获反应的放热，温度随后可能升高。
可以在压力范围0到300Bara下实现气体捕获。在特定的实施方式中，气体的捕获通常可以在大约1至2Bara的压力下实现。在使用加压系统的替代实施方式中，气体的捕获通常在压力范围0至30Bara发生，最通常为20Bara。
气体的释放通常发生在0℃至200℃范围的温度下，最通常地是在40℃至140℃的范围，例如60℃至100℃。
气体的释放可在0至150Bara范围的压力下方便地实现。在特定的实施方式中，通常可以在约1至3.5Bara的压力下实现气体的释放；在使用加压系统的替代实施方式中，气体的释放通常在1至30Bara范围的压力下发生，最通常在约20Bara的压力下发生。在一些实施方式中，气体的释放在0至1Bara范围的压力下发生。
该技术的一个特别有用的方面是，释放过程将在封闭系统和/或允许增加压力的加压系统中产生二氧化碳或其他的释放气体，并且这将减少存储应用中的进一步压缩要求，对降低整个捕获和存储过程的总体能耗具有重要意义。
通过施加热量将捕获的气体从组合物中释放促进组合物的再生，使其可以用于在冷却时对其他酸性气体的进一步捕获和释放的操作。
通过应用一股汽提气流(例如，空气)，从该组合物中释放被捕获的气体，在它可以被回收用于进一步的捕获和释放操作之前，不需要对溶剂进行进一步的再生。通过汽提气流释放捕获的气体可以通过施加热量来进一步增强。
通过降低解吸装置中的压力，将捕获的气体从组合物中释放出来，除了使溶剂返回到吸收压力，不需要再对溶剂进行再生即可回收。通过降低解吸装置中的压力来释放捕获的气体可以通过施加热量来进一步增强。
本发明的方法利用了既可用作物理溶剂又可用作化学溶剂的组合物。因此，实施方式中使用了物理和化学两种CO2吸收机制，两者协同作用。这可以通过在给定的吸收压力下增加组合物的CO2容量或通过降低达到给定CO2容量所需的工作吸收压力来降低CO2分离过程的总能量强度。
本发明的方法操作简单且使用经济，并且在捕获效率和总过程能量需求方面提供了相对于现有技术方法的重大改进，同时通过在较温和的条件下使用较少的危险试剂来显著改善环境概貌，从而极大减少排放和降解问题。
本发明还可以如以下编号的段落中所述：
1.一种用于在组合物中捕获至少一种酸性气体、从所述组合物中释放所述气体以及随后使所述组合物再生以再利用的方法，所述方法包括依次进行以下步骤：
a、通过将所述酸性气体与包含至少一种溶解在基本上由水组成的溶剂体系中的羧酸盐的捕获组合物接触来捕获酸性气体；
b、通过加热加载的捕获组合物和/或通过使加载的捕获组合物置于汽提气流中和/或通过施加比吸收所用压力更低的压力，来释放所述至少一种酸性气体；
c、通过冷却和/或增加压力使所述捕获组合物再生。
2.如段落1所述的方法，其中，至少一种羧酸盐为羧酸的单盐。
3.如段落2所述的方法，其中，所述单盐以大于4M，任选地5M，进一步任选地6M的浓度存在。
4.如段落3所述的方法，其中，所述单盐为直链的或支链的C1-C4-脂族羧酸盐。
5.如段落1所述的方法，其中，至少一种羧酸盐为两种或更多种羧酸盐的混合物。
6.如段落5所述的方法，其中，所述混合物为至少一种直链的或支链的C1-C4脂族羧酸盐与至少一种直链的或支链的C5-C6脂族羧酸盐的混合物。
7.如段落5或段落6所述的方法，其中，所述混合物为两种或更多种衍生自单一羧酸的盐的混合物或羧酸与不同阳离子平衡离子的混合物。
8.如段落1或段落2所述的方法，其中，所述捕获组合物还包含碱性添加剂。
9.如段落8所述的方法，其中，所述羧酸盐为直链的或支链的C5-8脂族羧酸盐。
10.如段落8或段落9所述的方法，其中，所述碱性添加剂为苯酚的盐，所述苯酚任选地被1至5个基团取代，所述基团选自卤素、C1-C4-烷基、硝基、氰基、C1-C4-卤代烷基、O-C1-C4-卤代烷基或额外的芳族环以形成多环酚。
11.如段落8或段落9所述的方法，其中，所述碱性添加剂为胺碱。
12.如段落8或段落9所述的方法，其中，所述碱性添加剂为碳酸盐，可选地为碳酸锂、碳酸钾、碳酸钠、碳酸镁、碳酸钙或其组合。
13.如任一前述段落所述的方法，其中，所述羧酸盐为金属盐。
14.如段落12所述的方法，其中，所述羧酸盐为钾盐。
15.如任一前述段落所述的方法，其中，所述至少一种酸性气体包括二氧化碳气体。
16.如任一前述段落所述的方法，其中，所述至少一种酸性气体的所述释放在60℃至100℃的温度范围发生。
17.如任一前述段落所述的方法，其中，所述至少一种酸性气体的所述释放在0至1Bara的压力范围发生。
附图的简要说明
在下文中，将参考附图进一步描述本发明的实施方式，其中：
图1示出了在1Bar CO2分压下的浓羧酸盐溶液的最大捕获容量(the maximumcapture capacity)与在所述溶液中发现的水:盐摩尔比之间的关系。
图2示出了与单独使用每种组分相比，通过混合己酸钾和乙酸钾在CO2捕获速率与获得容量(capacity garnered)的提高。
图3示出了在1bar CO2分压下各种羧酸盐中的碳原子数与二氧化碳吸收的最大观测速率之间的关系。
图4示出了通过添加2M己酸钾，二氧化碳在2M碳酸钾溶液中吸收速率的改善。
具体实施方式
术语“基本上由水组成”是指其中溶解有羧酸盐和任何其他组分的溶剂体系基本上不含有机溶剂。因此，可能溶解有羧酸盐和任何其他组分的溶剂体系包含至少50％的水，例如，至少75％的水、90％的水、95％的水或98％的水，例如至少99％的水。因此，在捕获组合物仅包含羧酸盐的情况下，将羧酸盐溶解在包含至少50％水，例如，至少75％的水、至少90％的水、至少95％的水、98％的水或至少99％的水的溶剂体系中。当捕获组合物包含碱性添加剂时，将羧酸盐和碱性添加剂溶解在包含至少50％水，例如，至少75％的水、至少90％的水、至少95％的水、至少98％的水或至少99％的水的溶剂体系中。
术语“溶剂体系”是指其中溶解有羧酸盐和任何碱性添加剂或其他成分的液体混合物。术语“捕获组合物”是指总组合物，即包括溶剂体系和羧酸盐以及任何碱性添加剂或其他组分。由于羧酸盐的浓度可能很高，因此“捕获组合物”可能仅包含少量的“溶剂体系”，因此也仅包含少量的水。然而，其中溶解有羧酸的液体(即溶剂体系)将基本上由水组成。
本发明人提供了一种酸性气体捕获组合物的新体系，该体系提供了优于现有技术方法的显著优点，并且在诸如电站、水泥制造、铁和钢制造、玻璃制造、酿造、合成气工艺、天然气和沼气净化和其他化学过程(例如，氨气生产、氢气生产、电力制气(例如，Sabatier反应)过程)以及任何其他产生酸性气体的工业、商业或家用过程等领域中找到了潜在的应用。在特定的应用中，所定义的方法可以应用于直接从大气中捕获二氧化碳。
除了这些应用之外，本发明提供的组合物还适用于较小规模的专业应用，例如，在潜艇、航天器和其他封闭环境中。
本发明的一个具体实施方式设想了所公开的方法在二氧化碳的捕获以及随后释放中的应用。将二氧化碳结合到底物中被称为羧化；去除二氧化碳称为脱羧。该羧化/脱羧过程是有效捕获二氧化碳和捕获制剂再生的关键。
本发明还设想了所公开的制剂在捕获以及随后释放其他酸性气体(例如，硫化氢或二氧化硫)中的用途，在诸如天然气脱硫、沼气提纯净化和脱硫的应用。从例如燃烧过程的废气中去除NOx物质可以是额外的应用。
在本发明的特定实施方式中，提供了通过使用包含在水中的乙酸钾、丙酸钾、异丁酸钾和己酸钾的制剂来捕获二氧化碳的体系，所述制剂单独或彼此组合或与例如碳酸钾或酚钾组合使用。这种体系的使用有助于在环境温度和压力下高效捕获气体。
因此，发明人利用适于测量气液平衡(VLE)的设备进行了一系列试验。具体而言，提供了一种系统，该系统包括带夹套的不锈钢容器，该容器的夹套连接至温度受控的循环浴，该容器配备有两个温度探头(一个用于监测蒸汽温度，一个用于监测溶剂温度)、一个0-7Bara压力传感器、安全释放阀和紧急破裂盘、用于除去内部大气的真空口、二氧化碳入口、空气入口和夹带气体的机械搅拌。经由调节器从温度和压力监控的高压滴定管供应二氧化碳，以控制VLE容器的内部压力，从而控制二氧化碳的分压。
在20℃的初始温度下、1Bar的CO2下，VLE容器中的150mL水溶液
表3羧酸盐的最大吸收速率和容量
根据收集的数据(在20℃的初始温度、1Bar的CO2下，VLE容器中的150mL水溶液，表3)，对于给定的制剂，可以确定二氧化碳吸收的绝对速率，二氧化碳吸收速率与二氧化碳分压的关系，总二氧化碳容量与温度和/或二氧化碳分压的关系。结合某一特定制剂的一系列实验数据，可以预测该制剂在实际过程中的性能。
为了证明该体系的高效性，该实验是在水溶液中使用各种单羧酸盐、混合羧酸盐和其他被羧酸盐加速的捕获剂进行的。
根据VLE收集的数据，可以绘制最大溶液容量与水:盐摩尔比的关系图(图1)。可以看出，一旦水:盐的摩尔比下降到约小于6，这些制剂的容量就会显著增加。这支持了盐对该制剂的总体溶剂特性的贡献是确定此类制剂中羧酸盐的表观pKa的一个重要因素的说法。
通过酸性气体吸收的机理提高了从这些制剂中汽提的效果。在这些条件下，水合二氧化碳和羧酸盐反应的热力学比传统的捕集剂平衡得更好，使得再生的能耗更低。VLE中，使用7M乙酸钾于水中在各种温度下进行的实验证明是这种情况。吸收器和解吸器之间的ΔT仅为20℃，原则上循环二氧化碳的容量接近0.6molCO2/L是有可能的(在1Bar CO2下，于VLE中的150mL 7MKOAc溶液，表4)。
项目 温度(℃) 最大容量(mol/L)
1 10 1.01
2 20 0.69
3 30 0.43
在1Bar CO2下，于VLE中的150mL 7M KOAc溶液
表4不同吸收温度下7M KOAc溶液的最大CO2容量
吸收过程中二氧化碳压力的变化会影响二氧化碳吸收的绝对速率以及溶液的最大容量。为了确保本文公开的方法普遍适用，已经在高于和低于1Bar的二氧化碳分压下进行了实验(在20℃、CO2压力下，于VLE中的150mL溶液，表5)。
在20℃、CO2压力下于VLE中加入150mL溶液
表5CO2压力对绝对吸收速率和容量的影响
这些制剂的CO2容量随CO2分压的变化表明，这些制剂既可用作物理溶剂，也可用作化学溶剂。这种体系配置的优点是有两种CO2吸收机制，一种是物理的，另一种是化学的，协同工作。这将通过在给定的吸收压力下增加工作流体在给定吸收压力下的CO2容量或通过降低实现给定的CO2容量所需工作吸收压力来降低CO2分离过程的总能量强度。
在同一溶液中结合两种或更多种盐会产生意想不到的效果。例如，包含1.5M己酸钾和4M异丁酸钾的溶液的最大容量为1.3molCO2/L，明显大于单个组分或单个容量之和。类似地，2M己酸钾与4M乙酸钾的共混物显示出比任一组分或其部分总和更大的容量，吸收速率高于任一组分的预期吸收速率。如图2所示。从图2可以推断出，预计2M己酸钾的容量约为0.2至0.25M CO2，而4M乙酸钾的容量约为0.1至0.15M。而图2表明，2M己酸钾与4M乙酸钾的共混物的容量至少为1M CO2。
羧酸盐中的碳原子总数与最大观测速率之间存在关系。可以看出，羧酸盐中的碳原子数在5到6个左右达到峰值(图3)。
这可以通过将羧酸盐与第二种组分较快的混合来利用，该第二种组分的碱性足以在形成羧酸时使羧酸去质子化并将捕获的二氧化碳作为碳酸氢盐保持在溶液中。具体的例子包括例如，锂、钠、钾、钙或镁的碳酸盐和酚盐。在2M碳酸钾溶液中添加2mol/L己酸钾对溶液的总容量影响不大，但二氧化碳吸收速率增加了两倍以上(图4)。
类似地，与单独的2.5M己酸钾溶液相比，由2.5M己酸钾和1M酚钾组成的溶液显示出更快的吸收速率(+25％)和更大的容量(+100％)。
这种加速效应扩展到其他捕获剂，否则它们可能被认为是“缓慢的”。将1M己酸钾添加到2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)的5M溶液中可使二氧化碳吸收速率提高约30％。在完整的吸收和释放周期后，第二次吸收仍保持这种效果。
羧酸盐溶液本身可以通过本领域技术人员已知的常规促进剂来加速其二氧化碳吸收速率。例如，在7M乙酸钾溶液中包含250mg/L碳酸酐酶，会使二氧化碳吸收速率提高约15％。

Claims (22)

1.一种用于在组合物中捕获至少一种酸性气体的方法，所述方法包括：
a、通过将所述酸性气体与包含至少一种溶解在溶剂体系中的羧酸盐的捕获组合物接触以形成加载的捕获组合物来捕获酸性气体，所述溶剂体系是水；
其中，所述溶剂体系为其中溶解有羧酸盐的液体混合物，所述羧酸盐为烷基铵盐、芳基铵盐、胆碱盐或胍盐；
所述捕获组合物包含不超过1%的氨基酸或氨基酸盐；以及
所述至少一种酸性气体为二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括依次进行以下步骤：
b、通过加热加载的捕获组合物和/或通过使加载的捕获组合物置于汽提气流中和/或通过施加比吸收所用压力更低的压力，来释放所述至少一种酸性气体；
c、通过冷却和/或增加压力使所述捕获组合物再生。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一种羧酸盐为羧酸的单盐。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述单盐以大于4M的浓度存在。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述单盐以大于6M的浓度存在。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述单盐为直链的或支链的C1-C20-脂族羧酸盐。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述单盐为直链的或支链的C1-C8-脂族羧酸盐。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述单盐为直链的或支链的C1-C4-脂族羧酸盐。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一种羧酸盐为两种或更多种羧酸盐的混合物。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述混合物为至少一种直链的或支链的C1-C4脂族羧酸盐与至少一种直链的或支链的C5-C6脂族羧酸盐的混合物。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述混合物为两种或更多种衍生自单一羧酸但含有不同的阳离子平衡离子的盐的混合物，或为两种或更多种含有相同的阳离子平衡离子但衍生自两种或更多种不同的羧酸的盐的混合物。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述捕获组合物还包含碱性添加剂。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述羧酸盐为直链的或支链的C5-8脂族羧酸盐。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述碱性添加剂为苯酚的盐，所述苯酚任选地被1至5个基团取代，所述基团选自卤素、C1-C4-烷基、硝基、氰基、C1-C4-卤代烷基、O-C1-C4-卤代烷基或额外的芳族环以形成多环酚。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述碱性添加剂为碳酸盐。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述碱性添加剂为碳酸锂、碳酸钾、碳酸钠、碳酸镁、碳酸钙或其组合。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述羧酸盐为烷基铵盐。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述羧酸盐为三乙基铵盐、四甲基铵盐或四丁基铵盐。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述羧酸盐为芳基铵盐。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述羧酸盐为苄基三甲基铵盐。
21.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一种酸性气体的所述释放在60℃至100℃的温度范围发生。
22.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一种酸性气体的所述释放在0到1 Bara的压力范围发生。
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