JP7806977B2 - Carbon dioxide absorbent, carbon dioxide capture method, and carbon dioxide separation and capture device - Google Patents
Carbon dioxide absorbent, carbon dioxide capture method, and carbon dioxide separation and capture deviceInfo
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Description
本発明は、二酸化炭素吸収剤、二酸化炭素の回収方法、及び二酸化炭素分離回収装置に関する。 The present invention relates to a carbon dioxide absorbent, a carbon dioxide recovery method, and a carbon dioxide separation and recovery device.
地球温暖化問題の観点から、二酸化炭素の削減が求められている。
二酸化炭素の削減方法の一つとして、火力発電所等から排出される排ガスから高濃度(約10~30体積%)の二酸化炭素を効率的に回収し、地中や海中に埋めて貯蔵する技術(CCS:Carbon dioxide Capture and Storage)が挙げられる。CCSで用いられる二酸化炭素吸収剤に関する技術としては、例えば、特許文献1、2に記載の技術が挙げられる。
特許文献1には、二酸化炭素吸収剤として特定のアルカノールアミン類を用いた、二酸化炭素の回収方法が記載されている。特許文献2には、二酸化炭素吸収剤として、窒素-水素結合を有する二酸化炭素化学吸収性アミンと、窒素-水素結合を有さない3級アミン溶媒とを含む二酸化炭素吸収液を用いることが記載されている。
From the perspective of global warming, there is a need to reduce carbon dioxide emissions.
One method for reducing carbon dioxide emissions is carbon dioxide capture and storage (CCS), a technology that efficiently captures high-concentration (approximately 10 to 30% by volume) carbon dioxide from exhaust gases emitted from thermal power plants and stores the carbon dioxide by burying it underground or in the sea. Technologies related to carbon dioxide absorbents used in CCS include those described in Patent Documents 1 and 2, for example.
Patent Document 1 describes a method for recovering carbon dioxide using specific alkanolamines as a carbon dioxide absorbent. Patent Document 2 describes the use of a carbon dioxide absorbing solution containing a carbon dioxide chemically absorbing amine having a nitrogen-hydrogen bond and a tertiary amine solvent having no nitrogen-hydrogen bond as a carbon dioxide absorbent.
特許文献1、2に記載のように、CCSで用いられる二酸化炭素吸収剤に関してはアルカノールアミンを用いる技術が多く知られている。
これに対し近年、空気中の低濃度の二酸化炭素(約0.04体積%)を直接回収する技術(DAC:Direct Air Capture)が注目されている。DACで使用される二酸化炭素吸収剤には、CCSで用いられる二酸化炭素吸収剤よりも高い二酸化炭素吸収能力が求められる。
As described in Patent Documents 1 and 2, many techniques using alkanolamines as carbon dioxide absorbents for use in CCS are known.
In response to this, a technology called Direct Air Capture (DAC) that directly captures low-concentration carbon dioxide (approximately 0.04% by volume) in the air has recently been attracting attention. The carbon dioxide absorbent used in DAC is required to have a higher carbon dioxide absorption capacity than the carbon dioxide absorbent used in CCS.
DACに関する技術も種々検討されている。例えば特許文献3には、ヒドロキシ基又は置換されていてもよいアミノ基で置換されたアルキルアミンを含有してなる、空気中の二酸化炭素を吸収するための吸収剤が開示されている。
特許文献4には、脂環式炭化水素構造を有するポリアミン化合物を所定量以上含む二酸化炭素吸収剤が開示されている。
特許文献5には、所定の複素環構造を有するアミン化合物を所定量以上含む二酸化炭素吸収剤が開示されている。
また特許文献6には、特定の環式アミン化合物及び多孔質材料を含む二酸化炭素吸収剤が開示されている。
Various techniques relating to DAC have also been investigated. For example, Patent Document 3 discloses an absorbent for absorbing carbon dioxide in the air, which contains an alkylamine substituted with a hydroxy group or an optionally substituted amino group.
Patent Document 4 discloses a carbon dioxide absorbent containing a predetermined amount or more of a polyamine compound having an alicyclic hydrocarbon structure.
Patent Document 5 discloses a carbon dioxide absorbent containing a predetermined amount or more of an amine compound having a predetermined heterocyclic structure.
Furthermore, Patent Document 6 discloses a carbon dioxide absorbent containing a specific cyclic amine compound and a porous material.
特許文献6に開示された二酸化炭素吸収剤は、アミン化合物を多孔質材料に担持させた固体の吸収剤である。
通常、固体吸収剤を再利用する際に、二酸化炭素を吸収させた後の吸収剤から二酸化炭素を脱離させるには水蒸気ストリッピング法などが用いられる。しかしながら特許文献1~6に開示されたアミン化合物を用いた場合、水蒸気ストリッピング時に多孔質材料からアミン化合物が溶出したり、水蒸気ストリッピング時の加熱によってアミン化合物が揮発したりするおそれがある。このように従来公知の二酸化炭素吸収剤は、繰り返し使用性の点では更なる改善の余地があった。
本発明の課題は、二酸化炭素の吸収性及び繰り返し使用性に優れる二酸化炭素吸収剤、これを用いた二酸化炭素の回収方法、及び二酸化炭素分離回収装置を提供することにある。
The carbon dioxide absorbent disclosed in Patent Document 6 is a solid absorbent in which an amine compound is supported on a porous material.
When reusing a solid absorbent, a method such as steam stripping is usually used to desorb carbon dioxide from the absorbent after absorbing carbon dioxide. However, when the amine compounds disclosed in Patent Documents 1 to 6 are used, there is a risk that the amine compound will elute from the porous material during steam stripping or that the amine compound will volatilize due to heating during steam stripping. As such, there is room for further improvement in the reusability of conventionally known carbon dioxide absorbents.
An object of the present invention is to provide a carbon dioxide absorbent that is excellent in carbon dioxide absorption properties and reusability, a carbon dioxide recovery method using the same, and a carbon dioxide separation and recovery apparatus.
本発明者らは、特定の固体アミン化合物を含む二酸化炭素吸収剤により、上記課題を解決できることを見出した。
すなわち本発明は、下記に関する。
[1]芳香環を2以上有し、且つ第一級アミノ基を2以上有する非アゾ系固体アミン化合物(A)を含む、二酸化炭素吸収剤。
[2]前記アミン化合物(A)が非ポリマー化合物である、[1]に記載の二酸化炭素吸収剤。
[3]前記アミン化合物(A)が下記一般式(1)で示されるアミン化合物である、[1]又は[2]に記載の二酸化炭素吸収剤。
式(1)中、X及びYはそれぞれ独立に、単結合又は酸素原子を表す。n、mはそれぞれ独立に1~6の数を表し、pは0~2の数を表す。
[4]前記一般式(1)で示されるアミン化合物が下記式(1-1)~(1-3)で示されるいずれかの化合物である、[3]に記載の二酸化炭素吸収剤。
[5]前記二酸化炭素吸収剤が前記アミン化合物(A)及び多孔質材料(B)を含み、前記アミン化合物(A)の少なくとも一部が前記多孔質材料(B)に担持されている、[1]~[4]のいずれか1項に記載の二酸化炭素吸収剤。
[6]前記多孔質材料(B)が多孔質シリカ及び多孔質アルミナからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む、[5]に記載の二酸化炭素吸収剤。
[7][1]~[6]のいずれか1項に記載の二酸化炭素吸収剤を用いる、二酸化炭素の回収方法。
[8]前記方法が、前記二酸化炭素吸収剤と、二酸化炭素を含むガスとを接触させて、該二酸化炭素吸収剤に二酸化炭素を吸収させる吸収工程、及び、該吸収工程で二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素を脱離させる脱離工程を含み、該脱離工程が下記(I)~(III)からなる群から選ばれる少なくとも1つの工程を含む、[7]に記載の方法。
(I)前記二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤を減圧条件に供する工程
(II)前記二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤に、二酸化炭素を含まない不活性ガスを接触させる工程
(III)前記二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤を加熱する工程
[9][1]~[6]のいずれか1項に記載の二酸化炭素吸収剤と、二酸化炭素を含むガスとを接触させて、該二酸化炭素吸収剤に二酸化炭素を吸収させる機構を備えた吸収装置と、前記二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素を脱離させる機構を備えた脱離装置とを有する、二酸化炭素分離回収装置。
The present inventors have found that the above problems can be solved by using a carbon dioxide absorbent containing a specific solid amine compound.
That is, the present invention relates to the following.
[1] A carbon dioxide absorbent comprising a non-azo solid amine compound (A) having two or more aromatic rings and two or more primary amino groups.
[2] The carbon dioxide absorbent according to [1], wherein the amine compound (A) is a non-polymer compound.
[3] The carbon dioxide absorbent according to [1] or [2], wherein the amine compound (A) is an amine compound represented by the following general formula (1):
In formula (1), X and Y each independently represent a single bond or an oxygen atom, n and m each independently represent a number from 1 to 6, and p represents a number from 0 to 2.
[4] The carbon dioxide absorbent according to [3], wherein the amine compound represented by the general formula (1) is any one of compounds represented by the following formulas (1-1) to (1-3):
[5] The carbon dioxide absorbent according to any one of [1] to [4], wherein the carbon dioxide absorbent comprises the amine compound (A) and a porous material (B), and at least a part of the amine compound (A) is supported on the porous material (B).
[6] The carbon dioxide absorbent according to [5], wherein the porous material (B) contains at least one selected from the group consisting of porous silica and porous alumina.
[7] A method for recovering carbon dioxide using the carbon dioxide absorbent according to any one of [1] to [6].
[8] The method according to [7], comprising: an absorption step of contacting the carbon dioxide absorbent with a gas containing carbon dioxide to cause the carbon dioxide absorbent to absorb carbon dioxide; and a desorption step of desorbing carbon dioxide from the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide in the absorption step, wherein the desorption step comprises at least one step selected from the group consisting of the following (I) to (III):
(I) a step of subjecting the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide to reduced pressure conditions; (II) a step of bringing an inert gas that does not contain carbon dioxide into contact with the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide; and (III) a step of heating the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide. [9] A carbon dioxide separation and capture system comprising: an absorption device equipped with a mechanism for bringing the carbon dioxide absorbent according to any one of [1] to [6] into contact with a gas containing carbon dioxide, thereby causing the carbon dioxide absorbent to absorb carbon dioxide; and a desorption device equipped with a mechanism for desorbing carbon dioxide from the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide.
本発明によれば、二酸化炭素の吸収性及び繰り返し使用性に優れる二酸化炭素吸収剤、これを用いた二酸化炭素の回収方法、及び二酸化炭素分離回収装置を提供できる。 The present invention provides a carbon dioxide absorbent that has excellent carbon dioxide absorption properties and reusability, a carbon dioxide recovery method using the same, and a carbon dioxide separation and recovery device.
[定義]
本発明を実施するための形態(以下、単に「本実施形態」ともいう。)について詳細に説明する。以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明の内容を限定しない。本発明は、その要旨の範囲内で適宜に変形して実施できる。本実施形態において、好ましいとされている規定は任意に採用することができ、好ましいもの同士の組み合わせはより好ましいといえる。本実施形態において、「XX~YY」の記載は、「XX以上YY以下」を意味する。
[Definition]
A mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as "the present embodiment") will be described in detail. The following present embodiment is an example for explaining the present invention, and does not limit the content of the present invention. The present invention can be carried out by appropriately modifying it within the scope of its gist. In the present embodiment, the preferred definitions can be adopted arbitrarily, and it can be said that a combination of preferred definitions is more preferred. In the present embodiment, the description "XX to YY" means "XX or more and YY or less."
本明細書において、「良好な二酸化炭素吸収性」とは、二酸化炭素吸収剤の二酸化炭素吸収量が多いことを意味する。また、「空気中における良好な二酸化炭素吸収性」とは、空気中の低濃度(約0.04体積%)の二酸化炭素の吸収量が多いことを意味する。
本明細書において、「繰り返し使用性に優れる」とは、二酸化炭素の吸収-脱離のサイクル試験を行った際の、二酸化炭素吸収剤の質量保持率、及び、二酸化炭素吸収量の保持率がともに高いことを意味する。
In this specification, "good carbon dioxide absorbency" means that the carbon dioxide absorbent has a large carbon dioxide absorption amount. Also, "good carbon dioxide absorbency in air" means that the absorbent has a large absorption amount of carbon dioxide at a low concentration (about 0.04% by volume) in air.
In this specification, "excellent repetitive usability" means that when a carbon dioxide absorption-desorption cycle test is conducted, the mass retention rate of the carbon dioxide absorbent and the retention rate of the carbon dioxide absorption amount are both high.
[二酸化炭素吸収剤]
本発明の二酸化炭素吸収剤は、芳香環を2以上有し、且つ第一級アミノ基を2以上有する非アゾ系固体アミン化合物(A)(以下、単に「アミン化合物(A)」ともいう)を含む。
本発明の二酸化炭素吸収剤は上記構成を有することにより、二酸化炭素の吸収性及び繰り返し使用性に優れる。特に本発明の二酸化炭素吸収剤は、二酸化炭素を吸収させた後の吸収剤から二酸化炭素を脱離させる際に水蒸気ストリッピング法を用いた場合でも繰り返し使用性に優れる。
また、本発明の二酸化炭素吸収剤は、二酸化炭素濃度が約0.04体積%と低濃度である空気中においても良好な二酸化炭素吸収性を示す。よって、空気中の二酸化炭素を直接回収する技術(DAC)に好適に用いることができる。
また、本発明の二酸化炭素吸収剤は、例えば、二酸化炭素濃度が0.01体積%以上1体積%以下の低濃度のガス中から二酸化炭素を回収する場合に好適に用いることができる。
[Carbon dioxide absorbent]
The carbon dioxide absorbent of the present invention contains a non-azo solid amine compound (A) (hereinafter, also simply referred to as "amine compound (A)") having two or more aromatic rings and two or more primary amino groups.
The carbon dioxide absorbent of the present invention has the above-mentioned configuration, and is therefore excellent in carbon dioxide absorption property and repeated usability. In particular, the carbon dioxide absorbent of the present invention is excellent in repeated usability even when a steam stripping method is used to desorb carbon dioxide from the absorbent after carbon dioxide absorption.
Furthermore, the carbon dioxide absorbent of the present invention exhibits good carbon dioxide absorption properties even in air with a low carbon dioxide concentration of about 0.04% by volume, and can therefore be suitably used in a technology for directly capturing carbon dioxide from air (DAC).
Furthermore, the carbon dioxide absorbent of the present invention can be suitably used, for example, when recovering carbon dioxide from gas having a low carbon dioxide concentration of 0.01% by volume or more and 1% by volume or less.
本発明の二酸化炭素吸収剤が上記効果を奏する理由は定かではないが、以下のように考えられる。
二酸化炭素吸収剤に含まれるアミン化合物(A)は、芳香環を有し、且つ第一級アミノ基を2以上有する構造であることで、該アミノ基が二酸化炭素と反応して炭酸塩を形成しやすくなり、優れた二酸化炭素吸収性を発現すると考えられる。
アミン化合物(A)が芳香環を2以上有することにより、アミン化合物(A)の融点が上昇し固体アミンとなりやすくなるとともに、水への溶解性が低下する。これにより二酸化炭素吸収剤の繰り返し使用性が向上し、特に、二酸化炭素を吸収させた後、二酸化炭素を脱離させる際に水蒸気ストリッピング法を用いた場合でもアミン化合物(A)が溶出し難く、繰り返し使用性に優れる二酸化炭素吸収剤となると考えられる。さらにアミン化合物(A)は、二酸化炭素を脱離させる際に、水蒸気ストリッピング法等の加熱手段を用いる方法に適用すること、及び、光反応による変性を避ける観点から、非アゾ系化合物であることを要する。
The reason why the carbon dioxide absorbent of the present invention exhibits the above-mentioned effects is not clear, but is thought to be as follows.
The amine compound (A) contained in the carbon dioxide absorbent has a structure having an aromatic ring and two or more primary amino groups, and it is thought that the amino groups react with carbon dioxide to easily form a carbonate, thereby exhibiting excellent carbon dioxide absorbency.
When the amine compound (A) has two or more aromatic rings, the melting point of the amine compound (A) increases, making it more likely to become a solid amine, and its solubility in water decreases. This improves the reusability of the carbon dioxide absorbent, and in particular, even when a steam stripping method is used to desorb carbon dioxide after absorbing carbon dioxide, the amine compound (A) is less likely to elute, resulting in a carbon dioxide absorbent with excellent reusability. Furthermore, the amine compound (A) must be a non-azo compound in order to be applicable to a method using a heating means, such as a steam stripping method, when desorbing carbon dioxide, and to avoid denaturation due to photoreaction.
<アミン化合物(A)>
アミン化合物(A)は、芳香環を2以上有し、且つ第一級アミノ基を2以上有する非アゾ系固体アミン化合物である。
本明細書において「第一級アミノ基」とは、窒素原子上に水素原子を2つ有するアミノ基であり、すなわち-NH2基を意味する。
本明細書において「非アゾ系化合物」とは、分子内にアゾ結合(-N=N-)を含まない化合物を意味する。
本明細書において「固体アミン化合物」とは、融点が25℃を超える、25℃において固体のアミン化合物を意味する。
<Amine Compound (A)>
The amine compound (A) is a non-azo solid amine compound having two or more aromatic rings and two or more primary amino groups.
As used herein, the term "primary amino group" refers to an amino group having two hydrogen atoms on the nitrogen atom, ie, an --NH.sub.2 group.
In this specification, the term "non-azo compound" refers to a compound that does not contain an azo bond (-N=N-) in the molecule.
As used herein, the term "solid amine compound" refers to an amine compound that has a melting point of more than 25°C and is solid at 25°C.
アミン化合物(A)の融点は、繰り返し使用性向上の観点から、好ましくは50℃以上、より好ましくは80℃以上、更に好ましくは100℃以上、より更に好ましくは110℃以上、より更に好ましくは120℃以上である。上限は特に制限されないが、二酸化炭素吸収性向上の観点、後述する多孔質材料(B)への担持性向上の観点から、好ましくは300℃以下であり、より好ましくは280℃以下、更に好ましくは250℃以下、より更に好ましくは200℃以下、より更に好ましくは180℃以下、より更に好ましくは160℃以下、より更に好ましくは150℃以下である。
アミン化合物(A)の融点は、具体的には実施例に記載の方法により測定できる。
From the viewpoint of improving reusability, the melting point of the amine compound (A) is preferably 50° C. or higher, more preferably 80° C. or higher, even more preferably 100° C. or higher, still more preferably 110° C. or higher, and still more preferably 120° C. or higher. There is no particular upper limit, but from the viewpoint of improving carbon dioxide absorption ability and improving supportability on the porous material (B) described below, the melting point is preferably 300° C. or lower, more preferably 280° C. or lower, even more preferably 250° C. or lower, still more preferably 200° C. or lower, still more preferably 180° C. or lower, still more preferably 160° C. or lower, and still more preferably 150° C. or lower.
The melting point of the amine compound (A) can be measured specifically by the method described in the Examples.
アミン化合物(A)は、二酸化炭素吸収性及び繰り返し使用性向上の観点から、芳香環を2以上有する。アミン化合物(A)中の芳香環の数は、二酸化炭素吸収性及び繰り返し使用性向上の観点、並びに二酸化炭素の脱離容易性の観点から、好ましくは2以上10以下、より好ましくは2以上6以下、更に好ましくは2以上4以下、より更に好ましくは2以上3以下であり、より更に好ましくは2である。From the viewpoints of improving carbon dioxide absorption and reusability, the amine compound (A) has two or more aromatic rings. From the viewpoints of improving carbon dioxide absorption and reusability, and of facilitating carbon dioxide desorption, the number of aromatic rings in the amine compound (A) is preferably 2 to 10, more preferably 2 to 6, even more preferably 2 to 4, still more preferably 2 to 3, and even more preferably 2.
アミン化合物(A)のアミノ基の数は、二酸化炭素吸収性向上の観点から、2以上であり、また、水溶性を低下させて繰り返し使用性を向上させる観点から、好ましくは8以下、より好ましくは6以下、更に好ましくは4以下、より更に好ましくは3以下である。
また、アミン化合物(A)の第一級アミノ基の数は、二酸化炭素吸収性向上の観点から、2以上であり、また、水溶性を低下させて繰り返し使用性を向上させる観点から、好ましくは8以下、より好ましくは6以下、更に好ましくは4以下、より更に好ましくは3以下である。
The number of amino groups in the amine compound (A) is 2 or more from the viewpoint of improving carbon dioxide absorbency, and is preferably 8 or less, more preferably 6 or less, even more preferably 4 or less, and still more preferably 3 or less from the viewpoint of reducing water solubility and improving repeated useability.
The number of primary amino groups in the amine compound (A) is 2 or more from the viewpoint of improving carbon dioxide absorbency, and is preferably 8 or less, more preferably 6 or less, even more preferably 4 or less, and still more preferably 3 or less from the viewpoint of reducing water solubility and improving repeated useability.
アミン化合物(A)は、二酸化炭素吸収性向上の観点から、該アミン化合物(A)に含まれる全アミノ基に対して、第一級アミノ基を好ましくは30モル%以上、より好ましくは40モル%以上、更に好ましくは50モル%以上、より更に好ましくは60モル%以上、より更に好ましくは70モル%以上、より更に好ましくは80モル%以上、より更に好ましくは90モル%以上有し、100モル%以下有する。 From the viewpoint of improving carbon dioxide absorption, amine compound (A) preferably contains primary amino groups in an amount of 30 mol% or more, more preferably 40 mol% or more, even more preferably 50 mol% or more, even more preferably 60 mol% or more, even more preferably 70 mol% or more, even more preferably 80 mol% or more, and even more preferably 90 mol% or more, but not more than 100 mol%, relative to the total amino groups contained in amine compound (A).
アミン化合物(A)は、二酸化炭素吸収性及び繰り返し使用性向上の観点、及び、後述する多孔質材料(B)への担持性向上の観点から、非ポリマー化合物であることが好ましい。
本明細書において「非ポリマー化合物」とは、低分子化合物を意味し、具体的には分子量1,000以下の化合物を意味する。アミン化合物(A)の分子量は、二酸化炭素吸収性向上の観点、及び、多孔質材料(B)への担持性向上の観点から、好ましくは800以下、より好ましくは700以下、更に好ましくは600以下、より更に好ましくは500以下、より更に好ましくは400以下、より更に好ましくは350以下であり、また、繰り返し使用性向上の観点から、好ましくは212以上である。
The amine compound (A) is preferably a non-polymer compound from the viewpoint of improving carbon dioxide absorption and reusability, and from the viewpoint of improving supportability on the porous material (B) described below.
As used herein, the term "non-polymer compound" refers to a low-molecular-weight compound, and specifically refers to a compound having a molecular weight of 1,000 or less. From the viewpoint of improving carbon dioxide absorption and supporting ability in the porous material (B), the molecular weight of the amine compound (A) is preferably 800 or less, more preferably 700 or less, even more preferably 600 or less, still more preferably 500 or less, still more preferably 400 or less, and still more preferably 350 or less, and from the viewpoint of improving reusability, it is preferably 212 or more.
アミン化合物(A)の二酸化炭素最大解離温度は、二酸化炭素の脱離性を向上させ、繰り返し使用性をより向上させる観点から、好ましくは280℃以下、より好ましくは250℃以下、更に好ましくは200℃以下、より更に好ましくは180℃以下、より更に好ましくは150℃以下である。上記二酸化炭素最大解離温度の下限値は特に限定されないが、例えば40℃以上、好ましくは80℃以上、更に好ましくは100℃以上である。
二酸化炭素最大解離温度は、下記方法により測定される値である。
二酸化炭素を吸収させたアミン化合物(A)を、昇温速度10℃/分で23℃から250℃まで加熱し、二酸化炭素の脱離に伴う吸熱量が最大になる温度を測定し、この温度を二酸化炭素最大解離温度とする。ここで、二酸化炭素を吸収させたアミン化合物(A)は、例えば、アミン化合物(A)5mmolを23℃、50%RHの空気中に24時間静置することにより調製できる。
From the viewpoint of improving the carbon dioxide desorption property and further improving the reusability, the maximum carbon dioxide dissociation temperature of the amine compound (A) is preferably 280° C. or lower, more preferably 250° C. or lower, even more preferably 200° C. or lower, still more preferably 180° C. or lower, and still more preferably 150° C. or lower. The lower limit of the maximum carbon dioxide dissociation temperature is not particularly limited, but is, for example, 40° C. or higher, preferably 80° C. or higher, and more preferably 100° C. or higher.
The maximum carbon dioxide dissociation temperature is a value measured by the following method.
The amine compound (A) having absorbed carbon dioxide is heated from 23°C to 250°C at a temperature increase rate of 10°C/min, and the temperature at which the amount of heat absorbed due to desorption of carbon dioxide becomes maximum is measured, and this temperature is defined as the maximum carbon dioxide dissociation temperature. Here, the amine compound (A) having absorbed carbon dioxide can be prepared, for example, by leaving 5 mmol of the amine compound (A) to stand in air at 23°C and 50% RH for 24 hours.
アミン化合物(A)は、二酸化炭素吸収性及び繰り返し使用性向上の観点から、好ましくは下記一般式(1)で示されるアミン化合物である。
式(1)中、X及びYはそれぞれ独立に、単結合又は酸素原子を表す。n、mはそれぞれ独立に1~6の数を表し、pは0~2の数を表す。
From the viewpoint of improving carbon dioxide absorption and reusability, the amine compound (A) is preferably an amine compound represented by the following general formula (1):
In formula (1), X and Y each independently represent a single bond or an oxygen atom, n and m each independently represent a number from 1 to 6, and p represents a number from 0 to 2.
式(1)中のX及びYは同一でもよく異なっていてもよいが、製造容易性の観点から、同一であることが好ましい。すなわち、式(1)中のX及びYは、好ましくはともに単結合であるか、ともに酸素原子である。 X and Y in formula (1) may be the same or different, but from the perspective of ease of production, they are preferably the same. That is, X and Y in formula (1) are preferably both single bonds or both oxygen atoms.
式(1)中のn及びmは同一でもよく異なっていてもよいが、製造容易性の観点から、同一であることが好ましい。n及びmは、二酸化炭素吸収性向上の観点から、好ましくは1~4、より好ましくは1~3、更に好ましくは1~2、より更に好ましくは1である。
式(1)中のpは、二酸化炭素吸収性及び繰り返し使用性向上の観点から、好ましくは0又は1であり、より好ましくは0である。
なお、pが2である場合には、式(1)中のX及びYは、好ましくは酸素原子である。
In formula (1), n and m may be the same or different, but are preferably the same from the viewpoint of ease of production. From the viewpoint of improving carbon dioxide absorption, n and m are preferably 1 to 4, more preferably 1 to 3, even more preferably 1 or 2, and still more preferably 1.
In formula (1), p is preferably 0 or 1, and more preferably 0, from the viewpoint of improving carbon dioxide absorption capacity and reusability.
When p is 2, X and Y in formula (1) are preferably oxygen atoms.
前記一般式(1)で示されるアミン化合物としては、二酸化炭素吸収性及び繰り返し使用性向上の観点、並びに製造容易性の観点から、好ましくは下記式(1-1)~(1-3)で示されるいずれかの化合物であり、二酸化炭素吸収性向上の観点から、より好ましくは下記式(1-1)又は(1-2)で示される化合物であり、更に好ましくは下記式(1-2)で示される化合物である。
アミン化合物(A)は、1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
アミン化合物(A)は公知の方法により製造することができ、市販品を用いることもできる。
The amine compound (A) may be used alone or in combination of two or more.
The amine compound (A) can be produced by a known method, and commercially available products can also be used.
本発明の二酸化炭素吸収剤中の全アミン化合物中のアミン化合物(A)の含有量は、二酸化炭素吸収性及び繰り返し使用性向上の観点から、好ましくは50質量%以上、より好ましくは60質量%以上、更に好ましくは70質量%以上、より更に好ましくは80質量%以上、より更に好ましくは90質量%以上、より更に好ましくは95質量%以上、より更に好ましくは98質量%以上であり、100質量%以下である。 From the viewpoint of improving carbon dioxide absorption and repeated use, the content of amine compound (A) in all amine compounds in the carbon dioxide absorbent of the present invention is preferably 50% by mass or more, more preferably 60% by mass or more, even more preferably 70% by mass or more, still more preferably 80% by mass or more, even more preferably 90% by mass or more, still more preferably 95% by mass or more, and even more preferably 98% by mass or more, but not more than 100% by mass.
また、本発明の二酸化炭素吸収剤中のアミン化合物(A)の含有量は、二酸化炭素吸収性向上の観点から、好ましくは10質量%以上、より好ましくは20質量%以上、更に好ましくは30質量%以上、より更に好ましくは40質量%以上、より更に好ましくは45質量%以上、より更に好ましくは50質量%以上であり、100質量%以下である。また、二酸化炭素吸収剤が後述する多孔質材料(B)を含む場合には、二酸化炭素吸収剤中のアミン化合物(A)の含有量は、二酸化炭素吸収性向上の観点から、好ましくは90質量%以下、より好ましくは80質量%以下、更に好ましくは70質量%以下である。From the viewpoint of improving carbon dioxide absorbency, the content of amine compound (A) in the carbon dioxide absorbent of the present invention is preferably 10% by mass or more, more preferably 20% by mass or more, even more preferably 30% by mass or more, still more preferably 40% by mass or more, even more preferably 45% by mass or more, and still more preferably 50% by mass or more, but not more than 100% by mass. Furthermore, when the carbon dioxide absorbent contains a porous material (B) described below, from the viewpoint of improving carbon dioxide absorbency, the content of amine compound (A) in the carbon dioxide absorbent is preferably 90% by mass or less, more preferably 80% by mass or less, and even more preferably 70% by mass or less.
本発明の二酸化炭素吸収剤は、二酸化炭素吸収性をより向上させる観点、及び、二酸化炭素吸収後により低エネルギーでの二酸化炭素の脱離が可能となる観点から、アミン化合物(A)及び多孔質材料(B)を含み、アミン化合物(A)の少なくとも一部が多孔質材料(B)に担持されていることが好ましい。
二酸化炭素吸収剤がアミン化合物(A)及び多孔質材料(B)を含み、アミン化合物(A)の少なくとも一部が多孔質材料(B)に担持されていることにより二酸化炭素吸収性が向上する理由は、固体であるアミン化合物(A)の、二酸化炭素と接触し得る部分の表面積が広くなるためであると推察される。また、アミン化合物(A)の種類によっては、アミン化合物(A)-二酸化炭素間の結合状態が変化し、アミン化合物(A)単独の場合よりも二酸化炭素吸収剤の二酸化炭素最大解離温度が低下するため、二酸化炭素の脱離をより低エネルギー条件で行うことができると考えられる。
From the viewpoint of further improving carbon dioxide absorbency and enabling carbon dioxide desorption with lower energy after carbon dioxide absorption, the carbon dioxide absorbent of the present invention preferably contains an amine compound (A) and a porous material (B), and at least a part of the amine compound (A) is supported on the porous material (B).
The reason why the carbon dioxide absorbency is improved when the carbon dioxide absorbent contains an amine compound (A) and a porous material (B) and at least a portion of the amine compound (A) is supported on the porous material (B) is presumably because the surface area of the portion of the solid amine compound (A) that can come into contact with carbon dioxide is increased. Also, depending on the type of amine compound (A), the bonding state between the amine compound (A) and carbon dioxide changes, and the maximum carbon dioxide dissociation temperature of the carbon dioxide absorbent is lower than when the amine compound (A) is used alone. This is thought to enable carbon dioxide desorption under lower energy conditions.
<多孔質材料(B)>
多孔質材料(B)としては、アミン化合物(A)を担持することができ、二酸化炭素の回収の条件に耐えうるものが好ましく、例えば、シリカ、アルミナ、シリカアルミナ、マグネシア、ジルコニア、ゼオライト、ゼオライト類縁化合物、粘土鉱物、天然鉱物、活性炭、カーボンモレキュラーシーブ(多孔質炭素)、多孔性樹脂(合成吸着剤)、金属有機構造体、及び廃棄物固体からなる群から選ばれる少なくとも1種が挙げられる。これらの中でも、二酸化炭素吸収性をより向上させる観点、及び、二酸化炭素吸収後により低エネルギーでの二酸化炭素の脱離が可能となる観点から、多孔質材料(B)は、シリカ及びアルミナからなる群から選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましく、シリカを含むことがより好ましく、メソポーラスシリカを含むことが更に好ましい。
多孔質材料(B)中のシリカ及びアルミナ、好ましくはシリカ、より好ましくはメソポーラスシリカの含有量は、二酸化炭素吸収性をより向上させる観点、及び、二酸化炭素吸収後により低エネルギーでの二酸化炭素の脱離が可能となる観点から、好ましくは50質量%以上、より好ましくは60質量%以上、更に好ましくは70質量%以上、より更に好ましくは80質量%以上、より更に好ましくは90質量%以上、より更に好ましくは95質量%以上、より更に好ましくは98質量%以上であり、100質量%以下である。
<Porous material (B)>
The porous material (B) is preferably one that can support the amine compound (A) and can withstand the conditions for carbon dioxide recovery, and examples thereof include at least one selected from the group consisting of silica, alumina, silica alumina, magnesia, zirconia, zeolite, zeolite-related compounds, clay minerals, natural minerals, activated carbon, carbon molecular sieves (porous carbon), porous resins (synthetic adsorbents), metal-organic frameworks, and solid waste. Among these, from the viewpoint of further improving carbon dioxide absorbency and enabling carbon dioxide desorption with lower energy after carbon dioxide absorption, the porous material (B) preferably contains at least one selected from the group consisting of silica and alumina, more preferably contains silica, and even more preferably contains mesoporous silica.
The content of silica and alumina, preferably silica, more preferably mesoporous silica, in the porous material (B) is preferably 50% by mass or more, more preferably 60% by mass or more, even more preferably 70% by mass or more, still more preferably 80% by mass or more, still more preferably 90% by mass or more, still more preferably 95% by mass or more, and still more preferably 98% by mass or more, but 100% by mass or less, from the viewpoint of further improving carbon dioxide absorbency and enabling carbon dioxide to be desorbed with less energy after carbon dioxide absorption.
多孔質材料(B)の形状は粒子状であることが好ましい。これにより、多孔質材料(B)の比表面積が増大し、アミン化合物(A)の担持量を向上させることができるため、二酸化炭素吸収剤の二酸化炭素吸収量をより向上させることができる。 The porous material (B) is preferably in a particulate form. This increases the specific surface area of the porous material (B) and improves the amount of amine compound (A) supported, thereby further improving the carbon dioxide absorption capacity of the carbon dioxide absorbent.
レーザー回折/散乱式粒子径分布測定による多孔質材料(B)の体積中位粒子径(D50)は、取り扱い性を向上させる観点から、好ましくは1μm以上、より好ましくは5μm以上、更に好ましくは10μm以上であり、アミン化合物(A)の担持量をより向上させる観点から、好ましくは500μm以下、より好ましくは300μm以下、更に好ましくは200μm以下、より更に好ましくは180μm以下、より更に好ましくは160μm以下である。 The volume median particle diameter (D 50 ) of the porous material (B) as measured by laser diffraction/scattering particle size distribution measurement is preferably 1 μm or more, more preferably 5 μm or more, and even more preferably 10 μm or more from the viewpoint of improving handleability, and is preferably 500 μm or less, more preferably 300 μm or less, even more preferably 200 μm or less, still more preferably 180 μm or less, and still more preferably 160 μm or less from the viewpoint of further improving the amount of the amine compound (A) supported.
BET法による多孔質材料(B)の比表面積は、アミン化合物(A)の担持量をより向上させる観点から、好ましくは2m2/g以上、より好ましくは10m2/g以上、更に好ましくは100m2/g以上、より更に好ましくは200m2/g以上、より更に好ましくは400m2/g以上、より更に好ましくは600m2/g以上であり、取り扱い性を向上させる観点から、好ましくは3000m2/g以下、より好ましくは1500m2/g以下、更に好ましくは1200m2/g以下、より更に好ましくは1000m2/g以下である。 The specific surface area of the porous material (B) measured by the BET method is preferably 2 m 2 /g or more, more preferably 10 m 2 /g or more, even more preferably 100 m 2 /g or more, still more preferably 200 m 2 /g or more, still more preferably 400 m 2 /g or more, and still more preferably 600 m 2 /g or more, from the viewpoint of further improving the amount of amine compound (A) supported, and is preferably 3000 m 2 /g or less, more preferably 1500 m 2 /g or less, still more preferably 1200 m 2 /g or less, and still more preferably 1000 m 2 /g or less, from the viewpoint of improving handleability.
多孔質材料(B)の細孔容積は、アミン化合物(A)の担持量をより向上させる観点から、好ましくは0.1cm3/g以上、より好ましくは0.3cm3/g以上、更に好ましくは0.5cm3/g以上であり、繰り返し使用性を向上させる観点から、好ましくは5.0cm3/g以下、より好ましくは3.0cm3/g以下、更に好ましくは2.5cm3/g以下、より更に好ましくは2.0cm3/g以下、より更に好ましくは1.5cm3/g以下、より更に好ましくは1.0cm3/g以下である。
比表面積及び細孔容積は、例えば、定容法を用いて比表面積・細孔径分布測定装置(例えば、株式会社島津製作所製「ASAP2020」)によって測定することができる。より具体的な比表面積・細孔径分布測定装置を用いたガス吸着測定方法としては、例えば、加熱真空排気により、試料の前処理を行い、サンプル管に測定試料を0.1g入れる。その後、40℃まで加熱し、真空排気を6時間行った後、室温まで冷却し、サンプル質量を測定する。測定では液体窒素温度を設定し、圧力範囲を指定して測定を行い、比表面積、細孔容積及び細孔径は得られた窒素吸着等温線から解析し、算出することができる。
The pore volume of the porous material (B) is preferably 0.1 cm 3 /g or more, more preferably 0.3 cm 3 /g or more, and even more preferably 0.5 cm 3 /g or more, from the viewpoint of further improving the amount of amine compound (A) supported, and is preferably 5.0 cm 3 /g or less, more preferably 3.0 cm 3 /g or less, even more preferably 2.5 cm 3 /g or less, still more preferably 2.0 cm 3 /g or less, still more preferably 1.5 cm 3 /g or less, and even more preferably 1.0 cm 3 /g or less, from the viewpoint of improving repeated usability.
The specific surface area and pore volume can be measured, for example, using a constant volume method with a specific surface area/pore size distribution measuring device (e.g., "ASAP2020" manufactured by Shimadzu Corporation). A more specific gas adsorption measurement method using a specific surface area/pore size distribution measuring device involves, for example, pretreating the sample by heating and evacuating, and then placing 0.1 g of the measurement sample in a sample tube. The sample is then heated to 40°C and evacuated for 6 hours, after which it is cooled to room temperature and the sample mass is measured. The liquid nitrogen temperature is set and the pressure range is specified for measurement, and the specific surface area, pore volume, and pore size can be analyzed and calculated from the resulting nitrogen adsorption isotherm.
多孔質材料(B)は、前記粒子状の多孔質材料を公知の方法により造粒成型し、ペレット、タブレット等の造粒物としたものでもよい。造粒成型法としては、例えば、圧縮成型機を用いた乾式造粒法、バインダーを用いた湿式造粒法が挙げられる。粒子状の多孔質材料を造粒成型して用いることにより、耐振性や耐摩耗性を付与することができ、物理的な安定性を向上させることができる。 Porous material (B) may be obtained by granulating the particulate porous material using a known method to form pellets, tablets, or other granulated products. Examples of granulation methods include dry granulation using a compression molding machine and wet granulation using a binder. Granulating and using particulate porous material can impart vibration resistance and abrasion resistance, and improve physical stability.
二酸化炭素吸収剤がアミン化合物(A)及び多孔質材料(B)を含む場合、該二酸化炭素吸収剤中のアミン化合物(A)の含有量は、二酸化炭素吸収性をより向上させる観点、及び、二酸化炭素吸収後により低エネルギーでの二酸化炭素の脱離が可能となる観点から、多孔質材料(B)100質量部に対して、好ましくは10質量部以上、より好ましくは20質量部以上、更に好ましくは30質量部以上、より更に好ましくは40質量部以上、より更に好ましくは50質量部以上、より更に好ましくは70質量部以上、より更に好ましくは80質量部以上であり、また、好ましくは1000質量部以下、より好ましくは500質量部以下、更に好ましくは250質量部以下、より更に好ましくは200質量部以下、より更に好ましくは150質量部以下、より更に好ましくは120質量部以下である。When the carbon dioxide absorbent comprises an amine compound (A) and a porous material (B), the content of the amine compound (A) in the carbon dioxide absorbent is, from the viewpoint of further improving carbon dioxide absorbency and enabling carbon dioxide desorption with less energy after carbon dioxide absorption, preferably 10 parts by mass or more, more preferably 20 parts by mass or more, even more preferably 30 parts by mass or more, even more preferably 40 parts by mass or more, even more preferably 50 parts by mass or more, even more preferably 70 parts by mass or more, even more preferably 80 parts by mass or more, per 100 parts by mass of the porous material (B); and is preferably 1,000 parts by mass or less, more preferably 500 parts by mass or less, even more preferably 250 parts by mass or less, even more preferably 200 parts by mass or less, even more preferably 150 parts by mass or less, and even more preferably 120 parts by mass or less.
二酸化炭素吸収剤がアミン化合物(A)及び多孔質材料(B)を含む場合、該二酸化炭素吸収剤中のアミン化合物(A)及び多孔質材料(B)の合計含有量は、二酸化炭素吸収性をより向上させる観点、及び、二酸化炭素吸収後により低エネルギーでの二酸化炭素の脱離が可能となる観点から、二酸化炭素吸収剤の全量を100質量%としたとき、好ましくは60質量%以上、より好ましくは70質量%以上、更に好ましくは80質量%以上、より更に好ましくは90質量%以上、より更に好ましくは95質量%以上、より更に好ましくは98質量%以上であり、100質量%以下である。When the carbon dioxide absorbent contains an amine compound (A) and a porous material (B), the total content of the amine compound (A) and the porous material (B) in the carbon dioxide absorbent is, from the viewpoint of further improving carbon dioxide absorbency and enabling carbon dioxide desorption with less energy after carbon dioxide absorption, preferably 60% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, even more preferably 80% by mass or more, even more preferably 90% by mass or more, even more preferably 95% by mass or more, and even more preferably 98% by mass or more, but not more than 100% by mass, when the total amount of the carbon dioxide absorbent is taken as 100% by mass.
<その他の成分>
二酸化炭素吸収剤は、発明の効果を損なわない範囲で、アミン化合物(A)及び多孔質材料(B)以外の成分を適宜含有することができる。アミン化合物(A)及び多孔質材料(B)以外の成分としては、例えば、劣化抑制剤、消泡剤、酸化防止剤、水分を除去するための乾燥剤(硫酸マグネシウム、モレキュラーシーブス等)等が挙げられる。
<Other ingredients>
The carbon dioxide absorbent may contain appropriate components other than the amine compound (A) and the porous material (B) within a range that does not impair the effects of the invention. Examples of the components other than the amine compound (A) and the porous material (B) include a deterioration inhibitor, an antifoaming agent, an antioxidant, and a desiccant for removing moisture (magnesium sulfate, molecular sieves, etc.).
二酸化炭素吸収剤中の水の含有量は、二酸化炭素吸収性及び繰り返し使用性向上の観点から、好ましくは10質量%以下、より好ましくは5質量%以下、更に好ましくは1質量%以下、より更に好ましくは0.5質量%以下、より更に好ましくは0.1質量%以下、より更に好ましくは0.01質量%以下であり、水を実質的に含まないことが更に好ましい。ここで、「水を実質的に含まない」とは、意図的に水を添加しないという意味であり、不純物として少量の水が存在することを排除するものではない。From the perspective of improving carbon dioxide absorption capacity and reusability, the water content in the carbon dioxide absorbent is preferably 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, even more preferably 1% by mass or less, even more preferably 0.5% by mass or less, even more preferably 0.1% by mass or less, and even more preferably 0.01% by mass or less, and it is even more preferable that the absorbent is substantially free of water. Here, "substantially free of water" means that water is not intentionally added, and does not exclude the presence of small amounts of water as an impurity.
二酸化炭素吸収剤がアミン化合物(A)及び多孔質材料(B)を含む場合、該二酸化炭素吸収剤の融点は、繰り返し使用性向上の観点から、好ましくは50℃以上、より好ましくは80℃以上、更に好ましくは100℃以上、より更に好ましくは110℃以上、より更に好ましくは120℃以上である。上限は特に制限されないが、二酸化炭素吸収性向上の観点から、好ましくは300℃以下であり、より好ましくは280℃以下、更に好ましくは250℃以下、より更に好ましくは200℃以下、より更に好ましくは180℃以下、より更に好ましくは160℃以下、より更に好ましくは150℃以下である。
二酸化炭素吸収剤の融点は、前記と同様の方法により測定できる。
When the carbon dioxide absorbent contains the amine compound (A) and the porous material (B), the melting point of the carbon dioxide absorbent is, from the viewpoint of improving repeated use, preferably 50° C. or higher, more preferably 80° C. or higher, even more preferably 100° C. or higher, still more preferably 110° C. or higher, and still more preferably 120° C. or higher. There is no particular upper limit, but, from the viewpoint of improving carbon dioxide absorbency, it is preferably 300° C. or lower, more preferably 280° C. or lower, even more preferably 250° C. or lower, still more preferably 200° C. or lower, still more preferably 180° C. or lower, still more preferably 160° C. or lower, and still more preferably 150° C. or lower.
The melting point of the carbon dioxide absorbent can be measured by the same method as above.
二酸化炭素吸収剤がアミン化合物(A)及び多孔質材料(B)を含む場合、該二酸化炭素吸収剤の二酸化炭素最大解離温度は、二酸化炭素の脱離性を向上させ、繰り返し使用性をより向上させる観点から、好ましくは200℃以下、より好ましくは180℃以下、更に好ましくは160℃以下、より更に好ましくは150℃以下である。上記二酸化炭素最大解離温度の下限値は特に限定されないが、例えば40℃以上、好ましくは80℃以上、更に好ましくは100℃以上である。
二酸化炭素最大解離温度は、前記と同様の方法により測定できる。
When the carbon dioxide absorbent contains the amine compound (A) and the porous material (B), from the viewpoint of improving the carbon dioxide desorption property and further improving the reusability, the maximum carbon dioxide dissociation temperature of the carbon dioxide absorbent is preferably 200° C. or lower, more preferably 180° C. or lower, even more preferably 160° C. or lower, and still more preferably 150° C. or lower. The lower limit of the maximum carbon dioxide dissociation temperature is not particularly limited, but is, for example, 40° C. or higher, preferably 80° C. or higher, and more preferably 100° C. or higher.
The maximum carbon dioxide dissociation temperature can be measured by the same method as above.
二酸化炭素吸収剤の融点よりも低い温度での二酸化炭素の脱離を可能にする観点から、二酸化炭素吸収剤の融点は、該二酸化炭素吸収剤の二酸化炭素最大解離温度を超える温度であることが好ましい。
また、二酸化炭素吸収剤の融点と、二酸化炭素吸収剤の二酸化炭素最大解離温度との差は大きいことが好ましい。二酸化炭素吸収剤の融点と二酸化炭素最大解離温度の差が小さいと、二酸化炭素の脱離と同時に二酸化炭素吸収剤が融解、凝集して表面積が小さくなり、二酸化炭素の吸収性が低下するおそれがある。しかしながら、二酸化炭素吸収剤の二酸化炭素最大解離温度との差が大きいと、二酸化炭素吸収剤の融点よりも低い温度での二酸化炭素の脱離が可能で、且つ二酸化炭素吸収剤の融解に起因する二酸化炭素吸収性の低下を回避することができるためである。
二酸化炭素吸収剤の融点と二酸化炭素最大解離温度との差(二酸化炭素吸収剤の融点-二酸化炭素吸収剤の二酸化炭素最大解離温度)は、二酸化炭素吸収性をより向上させる観点、及び、二酸化炭素吸収後により低エネルギーでの二酸化炭素の脱離が可能となる観点から、好ましくは5℃以上、より好ましくは10℃以上であり、更に好ましくは20℃以上である。
From the viewpoint of enabling carbon dioxide desorption at a temperature lower than the melting point of the carbon dioxide absorbent, the melting point of the carbon dioxide absorbent is preferably a temperature higher than the maximum carbon dioxide dissociation temperature of the carbon dioxide absorbent.
Furthermore, it is preferable that the difference between the melting point of the carbon dioxide absorbent and the maximum carbon dioxide dissociation temperature of the carbon dioxide absorbent is large. If the difference between the melting point of the carbon dioxide absorbent and the maximum carbon dioxide dissociation temperature is small, the carbon dioxide absorbent may melt and aggregate simultaneously with desorption of carbon dioxide, reducing the surface area and decreasing the carbon dioxide absorbency. However, if the difference between the melting point of the carbon dioxide absorbent and the maximum carbon dioxide dissociation temperature is large, carbon dioxide desorption at a temperature lower than the melting point of the carbon dioxide absorbent is possible, and a decrease in carbon dioxide absorbency due to melting of the carbon dioxide absorbent can be avoided.
The difference between the melting point of the carbon dioxide absorbent and the maximum carbon dioxide dissociation temperature (melting point of the carbon dioxide absorbent - maximum carbon dioxide dissociation temperature of the carbon dioxide absorbent) is preferably 5°C or more, more preferably 10°C or more, and even more preferably 20°C or more, from the viewpoint of further improving carbon dioxide absorbability and enabling carbon dioxide to be desorbed with lower energy after carbon dioxide absorption.
二酸化炭素吸収剤がアミン化合物(A)及び多孔質材料(B)を含む場合、該二酸化炭素吸収剤の調製方法は特に制限されず、公知の方法を用いることができる。例えば、アミン化合物(A)と多孔質材料(B)とを配合し、公知の装置を用いて混合することにより調製できる。
二酸化炭素吸収剤が、アミン化合物(A)の少なくとも一部が多孔質材料(B)に担持されている態様である場合には、該二酸化炭素吸収剤は、好ましくは次の方法で調製することができる。
まず、アミン化合物(A)を有機溶媒に溶解させた後、多孔質材料(B)を添加し、好ましくは5~60℃の温度下で1~24時間攪拌して混合物を調製する。次に、得られた混合物から有機溶媒を蒸留等により除去し、残留した固形分を減圧乾燥させて、二酸化炭素吸収剤を得る。
前記有機溶媒としては、アミン化合物(A)の溶解性の観点、及び、二酸化炭素吸収剤からの除去しやすさの観点から、ジクロロメタン又は炭素数4以下の1価アルコールが好ましく、ジクロロメタン、メタノール、エタノール、及びイソプロピルアルコールからなる群から選ばれる少なくとも1種がより好ましい。
When the carbon dioxide absorbent contains the amine compound (A) and the porous material (B), the method for preparing the carbon dioxide absorbent is not particularly limited, and a known method can be used. For example, the carbon dioxide absorbent can be prepared by blending the amine compound (A) and the porous material (B) and mixing them using a known device.
When the carbon dioxide absorbent is an embodiment in which at least a part of the amine compound (A) is supported on the porous material (B), the carbon dioxide absorbent can be preferably prepared by the following method.
First, an amine compound (A) is dissolved in an organic solvent, and then a porous material (B) is added thereto, followed by stirring for 1 to 24 hours at a temperature preferably from 5 to 60° C. Next, the organic solvent is removed from the resulting mixture by distillation or the like, and the remaining solid content is dried under reduced pressure to obtain a carbon dioxide absorbent.
As the organic solvent, from the viewpoint of the solubility of the amine compound (A) and the ease of removal from the carbon dioxide absorbent, dichloromethane or a monohydric alcohol having 4 or less carbon atoms is preferable, and at least one selected from the group consisting of dichloromethane, methanol, ethanol, and isopropyl alcohol is more preferable.
[二酸化炭素の回収方法]
本発明の二酸化炭素の回収方法(以下、単に「本発明の方法」ともいう)は、前記二酸化炭素吸収剤を用いることを特徴とする。
本発明の方法によれば、二酸化炭素を含むガス中からの二酸化炭素の吸収量を高めることができ、特に、空気中の二酸化炭素を直接回収する技術(DAC)に好適に用いることができる。
また、より低エネルギーでの二酸化炭素の回収が可能となり、更に、二酸化炭素を吸収させた後の吸収剤から二酸化炭素を脱離させる際に水蒸気ストリッピング法を用いた場合でも二酸化炭素吸収剤の繰り返し使用性を向上させることができる。
[Method for capturing carbon dioxide]
The carbon dioxide recovery method of the present invention (hereinafter also simply referred to as "the method of the present invention") is characterized by using the carbon dioxide absorbent.
According to the method of the present invention, the amount of carbon dioxide absorbed from a gas containing carbon dioxide can be increased, and the method can be particularly suitably used in a technology for directly capturing carbon dioxide from air (DAC).
In addition, it becomes possible to recover carbon dioxide with lower energy, and further, even when a steam stripping method is used to desorb carbon dioxide from the absorbent after absorbing carbon dioxide, the reusability of the carbon dioxide absorbent can be improved.
本発明に係る二酸化炭素の回収方法は、前記二酸化炭素吸収剤と、二酸化炭素を含むガスとを接触させて、該二酸化炭素吸収剤に二酸化炭素を吸収させる工程(吸収工程)を含むことが好ましい。 The carbon dioxide recovery method of the present invention preferably includes a step (absorption step) of contacting the carbon dioxide absorbent with a gas containing carbon dioxide to allow the carbon dioxide absorbent to absorb carbon dioxide.
<吸収工程>
吸収工程は、前記二酸化炭素吸収剤と、二酸化炭素を含むガスとを接触させることにより、二酸化炭素吸収剤に二酸化炭素を吸収させる工程である。二酸化炭素吸収剤とガスとの接触方法は、二酸化炭素吸収剤の形態に応じて適したものを選択することができ、特に限定されない。例えば、二酸化炭素を含むガスを二酸化炭素吸収剤中に通過させる、二酸化炭素を含むガス中に二酸化炭素吸収剤を散布する、又は二酸化炭素を含むガス中に二酸化炭素吸収剤を設置することにより、二酸化炭素吸収剤と二酸化炭素を含むガスとを接触させることができる。
<Absorption process>
The absorption step is a step of bringing the carbon dioxide absorbent into contact with a gas containing carbon dioxide, thereby causing the carbon dioxide absorbent to absorb carbon dioxide. The method of bringing the carbon dioxide absorbent into contact with the gas can be selected appropriately depending on the form of the carbon dioxide absorbent, and is not particularly limited. For example, the carbon dioxide absorbent can be brought into contact with the gas containing carbon dioxide by passing the gas containing carbon dioxide through the carbon dioxide absorbent, spraying the carbon dioxide absorbent in the gas containing carbon dioxide, or placing the carbon dioxide absorbent in the gas containing carbon dioxide.
二酸化炭素を含むガスとしては、特に限定されないが、例えば、空気、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。これらのガスからは、特に省エネルギーで二酸化炭素を回収することが求められており、本発明が特に有効である。なお、ガス中の二酸化炭素の濃度、ガスの圧力、及びガスの温度は特に制限されず、広い範囲の条件のガスにおいて本発明の方法を適用することができる。
また、二酸化炭素を含むガスは、二酸化炭素以外の酸性ガス等を含有してもよい。該酸性ガスとしては、排ガス中のCO、NOx、SOx、メタノール燃料発電において発生するホルムアルデヒド、その他、塩化水素、硫化水素等が挙げられる。上記二酸化炭素を含むガスが二酸化炭素以外の酸性ガス等を含有する場合、その他の酸性ガスを除去する公知の工程を組み合わせることが好ましい。具体的には、二酸化炭素以外の酸性ガス等を含有するガスに対して本発明の二酸化炭素の回収方法を適用する態様、又は、二酸化炭素以外の酸性ガス等を含有するガスから公知手段によりその他の酸性ガスを除去した後、本発明の二酸化炭素の回収方法を適用する態様が挙げられる。
また、この二酸化炭素を含むガスの相対湿度(RH)は、二酸化炭素の分離回収効率向上の観点から、好ましくは30%RH以上、より好ましくは35%RH以上、更に好ましくは40%RH以上であり、好ましくは70%RH以下、より好ましくは65%RH以下、更に好ましくは60%RH以下である。本明細書においては、30%RH未満のガスを乾燥状態のガスと定義する。
Gases containing carbon dioxide are not particularly limited, but examples include air, exhaust gas from thermal power plants, steel mills, cement factories, chemical plants, biofermentation gas, and natural gas. There is a particular need to recover carbon dioxide from these gases in an energy-saving manner, and the present invention is particularly effective for this purpose. The carbon dioxide concentration in the gas, the gas pressure, and the gas temperature are not particularly limited, and the method of the present invention can be applied to gases under a wide range of conditions.
Furthermore, the carbon dioxide-containing gas may contain acidic gases other than carbon dioxide. Examples of such acidic gases include CO, NOx, and SOx in exhaust gas, formaldehyde generated in methanol-fueled power generation, and hydrogen chloride and hydrogen sulfide. When the carbon dioxide-containing gas contains acidic gases other than carbon dioxide, it is preferable to combine a known process for removing other acidic gases. Specifically, examples include an embodiment in which the carbon dioxide recovery method of the present invention is applied to a gas containing acidic gases other than carbon dioxide, or an embodiment in which the other acidic gases are removed from a gas containing acidic gases other than carbon dioxide by known means and then the carbon dioxide recovery method of the present invention is applied.
From the viewpoint of improving the efficiency of separating and recovering carbon dioxide, the relative humidity (RH) of the carbon dioxide-containing gas is preferably 30% RH or higher, more preferably 35% RH or higher, and even more preferably 40% RH or higher, and is preferably 70% RH or lower, more preferably 65% RH or lower, and even more preferably 60% RH or lower. In this specification, a gas with a RH of less than 30% is defined as a dry gas.
吸収工程において、二酸化炭素吸収剤と、二酸化炭素を含むガスとを接触させる際の温度は特に制限されないが、二酸化炭素吸収量を向上させる観点から、好ましくは0℃以上60℃未満であり、より好ましくは20℃以上60℃未満である。 In the absorption process, the temperature at which the carbon dioxide absorbent is brought into contact with the gas containing carbon dioxide is not particularly limited, but from the viewpoint of improving the amount of carbon dioxide absorbed, it is preferably at least 0°C and less than 60°C, and more preferably at least 20°C and less than 60°C.
より好ましくは、本発明の方法は、前記二酸化炭素吸収剤と、二酸化炭素を含むガスとを接触させて、該二酸化炭素吸収剤に二酸化炭素を吸収させる吸収工程、及び、該吸収工程で二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素を脱離させる脱離工程を含み、該脱離工程が下記(I)~(III)からなる群から選ばれる少なくとも1つの工程を含む。該方法により、二酸化炭素を含むガスから、二酸化炭素を容易に分離回収することができる。
(I)前記二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤を減圧条件に供する工程
(II)前記二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤に、二酸化炭素を含まない不活性ガスを接触させる工程
(III)前記二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤を加熱する工程
More preferably, the method of the present invention comprises an absorption step of bringing the carbon dioxide absorbent into contact with a gas containing carbon dioxide to cause the carbon dioxide absorbent to absorb carbon dioxide, and a desorption step of desorbing carbon dioxide from the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide in the absorption step, wherein the desorption step comprises at least one step selected from the group consisting of the following (I) to (III): By this method, carbon dioxide can be easily separated and recovered from a gas containing carbon dioxide.
(I) a step of subjecting the carbon dioxide absorbent having absorbed carbon dioxide to reduced pressure conditions; (II) a step of contacting the carbon dioxide absorbent having absorbed carbon dioxide with an inert gas not containing carbon dioxide; and (III) a step of heating the carbon dioxide absorbent having absorbed carbon dioxide.
<脱離工程>
脱離工程は、吸収工程において二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収剤から、二酸化炭素を脱離させる工程である。二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素を脱離させる方法としては、好ましくは前記(I)~(III)からなる群から選ばれる少なくとも1つの工程を含む方法が挙げられる。(I)~(III)の工程は、2以上を組み合わせてもよい。
また、本発明の二酸化炭素吸収剤を用いることの有効性の観点から、前記脱離工程は、前記工程(III)を含むことが好ましい。本発明の二酸化炭素吸収剤は固体のアミン化合物(A)を含むことから、脱離工程において加熱を行っても、二酸化炭素吸収剤の質量保持率及び二酸化炭素吸収量の保持率を高い範囲に維持することができる。
<Desorption step>
The desorption step is a step of desorbing carbon dioxide from the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide in the absorption step. A method for desorbing carbon dioxide from a carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide is preferably a method including at least one step selected from the group consisting of the steps (I) to (III). Two or more of the steps (I) to (III) may be combined.
Furthermore, from the viewpoint of the effectiveness of using the carbon dioxide absorbent of the present invention, the desorption step preferably includes the step (III). Since the carbon dioxide absorbent of the present invention includes a solid amine compound (A), even when heating is performed in the desorption step, the mass retention rate and the retention rate of the carbon dioxide absorption amount of the carbon dioxide absorbent can be maintained within a high range.
(I)二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤を減圧条件に供する工程(以下「工程(I)」ともいう)において、該減圧条件は、二酸化炭素の分離回収効率向上の観点から、好ましくは10kPa以下、より好ましくは5kPa以下、更に好ましくは1kPa以下である。
工程(I)において、二酸化炭素吸収剤を減圧条件に供する際の温度は特に制限されないが、二酸化炭素の分離回収効率向上の観点から、好ましくは0℃以上、より好ましくは10℃以上である。また、二酸化炭素吸収剤中のアミン化合物(A)の熱劣化を抑制する観点から、好ましくは50℃未満であり、より好ましくは45℃以下である。
(I) In the step of subjecting the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide to reduced pressure conditions (hereinafter also referred to as "step (I)"), the reduced pressure conditions are preferably 10 kPa or less, more preferably 5 kPa or less, and even more preferably 1 kPa or less, from the viewpoint of improving the efficiency of separation and recovery of carbon dioxide.
In step (I), the temperature when the carbon dioxide absorbent is subjected to reduced pressure conditions is not particularly limited, but from the viewpoint of improving the efficiency of separating and recovering carbon dioxide, the temperature is preferably 0° C. or higher, more preferably 10° C. or higher. Furthermore, from the viewpoint of suppressing thermal degradation of the amine compound (A) in the carbon dioxide absorbent, the temperature is preferably lower than 50° C., more preferably 45° C. or lower.
(II)二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤に、二酸化炭素を含まない不活性ガスを接触させる工程(以下「工程(II)」ともいう)において、二酸化炭素の分圧を下げることにより、二酸化炭素の脱離を促進させることができる。二酸化炭素を含まない不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴン等が挙げられ、これらのうち一種又は二種以上を用いることができる。中でも、二酸化炭素の分離回収効率向上の観点から、二酸化炭素を含まない不活性ガスは、好ましくは窒素及びアルゴンからなる群から選ばれる少なくとも1種である。
工程(II)において、二酸化炭素吸収剤に二酸化炭素を含まない不活性ガスを接触させる方法としては、前記吸収工程に記載した接触方法と同様の方法が挙げられる。
工程(II)において、二酸化炭素吸収剤に、二酸化炭素を含まない不活性ガスを接触させる際の温度は特に制限されず、工程(II)において工程(III)で規定する加熱を同時に行ってもよく、室温以下の温度でもよい。該温度は、二酸化炭素吸収剤中のアミン化合物(A)の熱劣化を抑制する観点からは、好ましくは50℃未満であり、より好ましくは45℃以下である。また、二酸化炭素の分離回収効率向上の観点からは、好ましくは0℃以上、より好ましくは10℃以上である。
(II) In the step of contacting a carbon dioxide absorbent having carbon dioxide absorbed therein with an inert gas not containing carbon dioxide (hereinafter also referred to as "step (II)"), desorption of carbon dioxide can be promoted by lowering the partial pressure of carbon dioxide. Examples of the inert gas not containing carbon dioxide include nitrogen, helium, argon, etc., and one or more of these can be used. Among these, from the viewpoint of improving the efficiency of separation and recovery of carbon dioxide, the inert gas not containing carbon dioxide is preferably at least one selected from the group consisting of nitrogen and argon.
In the step (II), examples of the method for contacting the carbon dioxide absorbent with the inert gas not containing carbon dioxide include the same contact methods as those described in the absorption step.
In step (II), the temperature at which the carbon dioxide-free inert gas is brought into contact with the carbon dioxide absorbent is not particularly limited, and the heating specified in step (III) may be carried out simultaneously in step (II), or the temperature may be room temperature or lower. From the viewpoint of suppressing thermal degradation of the amine compound (A) in the carbon dioxide absorbent, the temperature is preferably less than 50°C, more preferably 45°C or lower. Furthermore, from the viewpoint of improving the efficiency of separation and recovery of carbon dioxide, the temperature is preferably 0°C or higher, more preferably 10°C or higher.
(III)二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤を加熱する工程(以下「工程(III)」ともいう)における加熱温度は、二酸化炭素吸収剤の融点及び二酸化炭素最大解離温度に応じて適宜選択することができるが、二酸化炭素の分離回収効率向上の観点から、好ましくは50℃以上、より好ましくは55℃以上、更に好ましくは60℃以上、より更に好ましくは70℃以上、より更に好ましくは80℃以上である。また、二酸化炭素吸収剤の繰り返し使用性向上の観点から、好ましくは250℃以下、より好ましくは230℃以下、更に好ましくは220℃以下、より更に好ましくは200℃以下、より更に好ましくは180℃以下である。(III) The heating temperature in the step of heating the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide (hereinafter also referred to as "step (III)") can be selected appropriately depending on the melting point and maximum carbon dioxide dissociation temperature of the carbon dioxide absorbent, but from the viewpoint of improving the efficiency of carbon dioxide separation and recovery, it is preferably 50°C or higher, more preferably 55°C or higher, even more preferably 60°C or higher, still more preferably 70°C or higher, and even more preferably 80°C or higher. Furthermore, from the viewpoint of improving the reusability of the carbon dioxide absorbent, it is preferably 250°C or lower, more preferably 230°C or lower, even more preferably 220°C or lower, still more preferably 200°C or lower, and even more preferably 180°C or lower.
工程(III)における加熱は、加熱手段を備えた装置を用いて、公知の方法により行うことができる。加熱方式としては、例えば、スチームや熱媒による加熱、熱風加熱、電磁波加熱、超音波加熱、誘導加熱等が挙げられる。The heating in step (III) can be carried out by a known method using an apparatus equipped with a heating means. Examples of heating methods include heating with steam or a heat medium, hot air heating, electromagnetic wave heating, ultrasonic heating, and induction heating.
本発明の方法においては、固体で且つ水溶性の低いアミン化合物(A)を含む二酸化炭素吸収剤を用いることから、工程(III)において、水蒸気ストリッピング法を用いることが好ましい。水蒸気ストリッピング法は、二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤を水蒸気雰囲気下で加熱することにより行うことができる。水蒸気ストリッピング法における加熱温度は、好ましくは80℃以上、より好ましくは90℃以上であり、二酸化炭素吸収剤の繰り返し使用性向上の観点から、好ましくは250℃以下、より好ましくは230℃以下、更に好ましくは220℃以下、より更に好ましくは200℃以下、より更に好ましくは180℃以下である。In the method of the present invention, a carbon dioxide absorbent containing a solid, low-water-soluble amine compound (A) is used, and therefore a steam stripping method is preferably used in step (III). The steam stripping method can be carried out by heating the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide in a steam atmosphere. The heating temperature in the steam stripping method is preferably 80°C or higher, more preferably 90°C or higher. From the viewpoint of improving the reusability of the carbon dioxide absorbent, the heating temperature is preferably 250°C or lower, more preferably 230°C or lower, even more preferably 220°C or lower, still more preferably 200°C or lower, and even more preferably 180°C or lower.
脱離工程において分離された二酸化炭素吸収剤と二酸化炭素は、個別に回収され、再利用することができる。 The carbon dioxide absorbent and carbon dioxide separated in the desorption process can be recovered separately and reused.
[二酸化炭素分離回収装置]
本発明の二酸化炭素分離回収装置(以下、「本発明の装置」ともいう)は、前記二酸化炭素吸収剤と、二酸化炭素を含むガスとを接触させて、該二酸化炭素吸収剤に二酸化炭素を吸収させる機構を備えた吸収装置と、二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素を脱離させる機構を備えた脱離装置と、を有する。
[Carbon dioxide capture equipment]
The carbon dioxide separation and capture apparatus of the present invention (hereinafter also referred to as "the apparatus of the present invention") comprises an absorption device equipped with a mechanism for bringing the carbon dioxide absorbent into contact with a gas containing carbon dioxide, causing the carbon dioxide absorbent to absorb carbon dioxide, and a desorption device equipped with a mechanism for desorbing carbon dioxide from the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide.
本発明の装置について、図1を参照して説明する。図1は本発明の二酸化炭素分離回収装置100の一実施形態を示す模式図であり、図1において、1は吸収装置、2は脱離装置である。The device of the present invention will be described with reference to Figure 1. Figure 1 is a schematic diagram showing one embodiment of the carbon dioxide separation and capture device 100 of the present invention, in which 1 is an absorption device and 2 is a desorption device.
<吸収装置>
二酸化炭素分離回収装置100における吸収装置1は、前記二酸化炭素吸収剤を備え、二酸化炭素吸収剤と二酸化炭素を含むガスとを接触させて、二酸化炭素吸収剤に二酸化炭素を吸収させる機構である。
<Absorption device>
The absorption device 1 in the carbon dioxide separation and capture system 100 is a mechanism that includes the carbon dioxide absorbent and brings the carbon dioxide absorbent into contact with a gas containing carbon dioxide, thereby causing the carbon dioxide absorbent to absorb carbon dioxide.
吸収装置1は、二酸化炭素吸収剤の形態に応じて、二酸化炭素吸収剤と二酸化炭素を含むガスとを接触させる構成を有するものであれば特に制限されない。例えば吸収装置1は、図1に示すように、反応塔11の内部に、二酸化炭素吸収剤12aを保持する吸収剤保持部12を備え、更に、当該吸収剤保持部12に対して二酸化炭素を含むガスを供給するガス供給部13を備えることができる。また、吸収装置1は、二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収剤を吸収剤保持部12から排出し、新たな二酸化炭素吸収剤を供給する観点から、吸収剤保持部12に保持された二酸化炭素吸収剤12aを排出する吸収剤排出部(非図示)と、吸収剤保持部12に新しい二酸化炭素吸収剤を供給する吸収剤供給部(非図示)と、を備えることもできる。The absorption device 1 is not particularly limited as long as it has a configuration that allows contact between the carbon dioxide absorbent and a gas containing carbon dioxide, depending on the form of the carbon dioxide absorbent. For example, as shown in FIG. 1, the absorption device 1 may include an absorbent holding unit 12 that holds carbon dioxide absorbent 12a inside a reaction tower 11, and a gas supply unit 13 that supplies a gas containing carbon dioxide to the absorbent holding unit 12. Furthermore, from the perspective of discharging the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide from the absorbent holding unit 12 and supplying new carbon dioxide absorbent, the absorption device 1 may also include an absorbent discharge unit (not shown) that discharges the carbon dioxide absorbent 12a held in the absorbent holding unit 12, and an absorbent supply unit (not shown) that supplies new carbon dioxide absorbent to the absorbent holding unit 12.
吸収装置1は、二酸化炭素吸収剤と二酸化炭素を含むガスとを接触させる際の温度を調整するために、更に加熱冷却機構を備えていてもよい。また、ガス中の二酸化炭素濃度を測定できるように、二酸化炭素濃度測定機構を備えていてもよい。更に、二酸化炭素吸収剤と二酸化炭素を含むガスとを接触させる際の圧力を調整するために、吸収装置1は、加圧減圧機構を備えていてもよい。 The absorption device 1 may further include a heating/cooling mechanism to adjust the temperature when the carbon dioxide absorbent is brought into contact with the carbon dioxide-containing gas. It may also include a carbon dioxide concentration measurement mechanism to measure the carbon dioxide concentration in the gas. Furthermore, the absorption device 1 may also include a pressurization/depressurization mechanism to adjust the pressure when the carbon dioxide absorbent is brought into contact with the carbon dioxide-containing gas.
二酸化炭素分離回収装置100は、吸収装置1で二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤を脱離装置2に供給するための連結部3を有していてもよい。
二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収剤を吸収装置1から脱離装置2へ供給する手段は特に制限されず、一定時間運転した吸収装置1を一度停止して、吸収装置1が備える反応塔11内の二酸化炭素吸収剤を脱離装置2へまとめて供給してもよい。あるいは、吸収装置1の吸収剤保持部12から、連結部3を利用して、連続的又は断続的に、脱離装置2へ二酸化炭素吸収剤を供給してもよい。
The carbon dioxide separation and capture system 100 may have a connection section 3 for supplying the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide in the absorption device 1 to the desorption device 2 .
There are no particular limitations on the means for supplying the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide from the absorption device 1 to the desorption device 2, and the absorption device 1 may be stopped once after operating for a certain period of time, and the carbon dioxide absorbent in the reaction tower 11 provided in the absorption device 1 may be supplied all at once to the desorption device 2. Alternatively, the carbon dioxide absorbent may be supplied continuously or intermittently from the absorbent holding unit 12 of the absorption device 1 to the desorption device 2 using the connection unit 3.
<脱離装置>
二酸化炭素分離回収装置100における脱離装置2は、吸収装置1において二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素を脱離させる機構である。脱離装置2は、吸収装置1で二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素を脱離させる機構を有するものであれば特に制限されないが、前記(I)~(III)のうち少なくとも1つの工程を行うための機構を備えたものであることが好ましい。該機構としては、減圧機構、不活性ガス供給機構、加熱機構等が挙げられる。
<Desorption device>
The desorption device 2 in the carbon dioxide separation and capture system 100 is a mechanism that desorbs carbon dioxide from the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide in the absorption device 1. The desorption device 2 is not particularly limited as long as it has a mechanism that desorbs carbon dioxide from the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide in the absorption device 1, but it is preferable that the desorption device 2 is equipped with a mechanism for performing at least one of the steps (I) to (III) above. Examples of such a mechanism include a pressure reduction mechanism, an inert gas supply mechanism, and a heating mechanism.
例えば、脱離装置2は、図1に示すように、反応塔21の内部に、二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収剤22aを保持する吸収剤保持部22を備え、更に当該二酸化炭素吸収剤から脱離した二酸化炭素を排出するガス排出部23を備えることができる。また脱離装置2は、反応塔21内を減圧条件にするための減圧機構、吸収剤保持部22に対して不活性ガスを供給するための不活性ガス供給機構、及び、吸収剤保持部22を加熱するための加熱機構から選ばれる少なくとも一種の機構(非図示)を備える。
脱離装置2は、上記減圧機構、不活性ガス供給機構、及び加熱機構以外に、吸収装置1と同様に、二酸化炭素濃度測定機構等を備えていてもよい。
1 , the desorption device 2 can include, inside the reaction tower 21, an absorbent holding section 22 that holds a carbon dioxide absorbent 22a that has absorbed carbon dioxide, and can further include a gas discharge section 23 that discharges the carbon dioxide desorbed from the carbon dioxide absorbent. The desorption device 2 also includes at least one mechanism (not shown) selected from a decompression mechanism for creating a decompression condition inside the reaction tower 21, an inert gas supply mechanism for supplying an inert gas to the absorbent holding section 22, and a heating mechanism for heating the absorbent holding section 22.
The desorption device 2 may be equipped with a carbon dioxide concentration measurement mechanism and the like, similar to the absorption device 1, in addition to the pressure reduction mechanism, inert gas supply mechanism, and heating mechanism.
脱離装置2において二酸化炭素を脱離させた後の二酸化炭素吸収剤は、二酸化炭素を脱離させた後の二酸化炭素吸収剤を吸収装置1に供給するための吸収剤排出部24から再度吸収装置1に供給し、再利用することも可能である。 The carbon dioxide absorbent after desorption of carbon dioxide in the desorption device 2 can be supplied again to the absorption device 1 from the absorbent discharge section 24, which is used to supply the carbon dioxide absorbent after desorption of carbon dioxide to the absorption device 1, and can be reused.
二酸化炭素分離回収装置100は、さらに、脱離した二酸化炭素を回収するための回収装置を有していてもよい。なお、ここで、回収した二酸化炭素は、石油増進回収法や植物工場などの農業用途;飲料や溶接などの産業ガス用途;化学合成用途;二酸化炭素貯留(CCS)用途に用いることができる。また、これら用途に用いる前に、回収した二酸化炭素を濃縮してもよい。The carbon dioxide capture system 100 may further include a capture device for capturing the desorbed carbon dioxide. The captured carbon dioxide can be used for agricultural purposes, such as enhanced oil recovery and plant factories; industrial gas applications, such as beverages and welding; chemical synthesis; or carbon dioxide capture and storage (CCS). The captured carbon dioxide may also be concentrated before being used for these purposes.
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明は実施例の範囲に限定されない。なお本実施例において、各種測定及び評価は以下の方法により行った。 The present invention will be described below using examples, but the present invention is not limited to the scope of the examples. In these examples, various measurements and evaluations were performed using the following methods.
(多孔質材料の比表面積及び細孔容積)
多孔質材料の比表面積及び細孔容積は、比表面積・細孔径分布測定装置(株式会社島津製作所製「ASAP2020」)により測定した。
(Specific surface area and pore volume of porous material)
The specific surface area and pore volume of the porous material were measured using a specific surface area/pore size distribution measuring device ("ASAP2020" manufactured by Shimadzu Corporation).
(多孔質材料の体積中位粒子径(D50))
レーザー回折/散乱式粒子径分布測定器(マルバーン社製「LMS-200e」)を用いて、多孔質材料の粒子分布を測定した。
そして、粒子分布の粒子径の小さい方から計算した累積体積頻度が50%に相当する粒子径を、多孔質材料の体積中位粒子径(D50)とした。
(Volume Median Particle Diameter ( D50 ) of Porous Material)
The particle size distribution of the porous material was measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer ("LMS-200e" manufactured by Malvern Instruments).
The particle size corresponding to a cumulative volume frequency of 50%, calculated from the smaller particle size in the particle distribution, was taken as the volume median particle size (D 50 ) of the porous material.
(二酸化炭素吸収剤の二酸化炭素(CO2)吸収性)
23℃、50%RHの空気環境下で、開閉可能なデシケーター(内寸:370mm×260mm×272mm)内に二酸化炭素濃度計とシャーレを配置した。その後、二酸化炭素吸収剤を、該二酸化炭素吸収剤に含まれるアミン化合物中のアミノ基数が10mmol(本実施例においては、アミン化合物として5mmol)となる量をデシケーター内のシャーレに加え、すぐに扉を閉め、デシケーター内に二酸化炭素吸収剤を静置した。
一定時間経過後のデシケーター内の二酸化炭素濃度(ppm)をCO2濃度計(株式会社ティアンドデイ製「CO2・温度・湿度データロガーTR-76Ui」)により測定し、該濃度により二酸化炭素吸収剤の二酸化炭素吸収性を評価した。デシケーター内の二酸化炭素濃度(ppm)を縦軸、経過時間(min)を横軸にとってプロットしたグラフを図2に示した。二酸化炭素濃度の減少量が大きいほど、二酸化炭素吸収剤の二酸化炭素吸収性が高いことを意味する。
(Carbon dioxide (CO 2 ) absorption ability of carbon dioxide absorbent)
A carbon dioxide concentration meter and a petri dish were placed in an openable desiccator (inner dimensions: 370 mm × 260 mm × 272 mm) in an air environment of 23°C and 50% RH. Thereafter, a carbon dioxide absorbent was added to the petri dish in the desiccator in an amount such that the number of amino groups in the amine compound contained in the carbon dioxide absorbent was 10 mmol (5 mmol of the amine compound in this example), and the door was immediately closed, and the carbon dioxide absorbent was left to stand in the desiccator.
The carbon dioxide concentration (ppm) in the desiccator after a certain time had elapsed was measured using a CO2 concentration meter ("CO2/Temperature/Humidity Data Logger TR-76Ui" manufactured by T&D Corporation), and the carbon dioxide absorption ability of the carbon dioxide absorbent was evaluated based on this concentration. Figure 2 shows a graph plotting the carbon dioxide concentration (ppm) in the desiccator on the vertical axis and the elapsed time (min) on the horizontal axis. The greater the decrease in carbon dioxide concentration, the higher the carbon dioxide absorption ability of the carbon dioxide absorbent.
(二酸化炭素吸収剤の二酸化炭素(CO2)最大解離温度)
23℃、50%RHの空気環境下で、開閉可能なデシケーター(内寸:370mm×260mm×272mm)内に二酸化炭素濃度計とシャーレを配置した。その後、二酸化炭素吸収剤を、該二酸化炭素吸収剤に含まれるアミン化合物中のアミノ基数が10mmol(本実施例においては、アミン化合物として5mmol)となる量をデシケーター内のシャーレに加え、すぐに扉を閉め、デシケーター内に二酸化炭素吸収剤を24時間静置した。なお、二酸化炭素の初期濃度は、約400ppmに調整した。
次いで、デシケーター内から二酸化炭素吸収剤を取り出し、二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤を得た。二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤に対して、次のようにしてDSC測定を行い、二酸化炭素吸収剤の二酸化炭素最大解離温度を測定した。
まず、二酸化炭素吸収剤に対し、測定温度範囲23~250℃、昇温速度10℃/分、窒素雰囲気の条件下で、示差熱重量測定計(株式会社島津製作所製「DTG-60」)を用いて示差走査熱量測定を行った。これにより得られたDSC曲線から、二酸化炭素の脱離に伴う吸熱量が最大になる温度を二酸化炭素吸収剤の二酸化炭素最大解離温度とした。
(Maximum carbon dioxide (CO 2 ) dissociation temperature of carbon dioxide absorbent)
A carbon dioxide concentration meter and a petri dish were placed in an openable desiccator (internal dimensions: 370 mm x 260 mm x 272 mm) under an air environment of 23°C and 50% RH. Then, a carbon dioxide absorbent was added to the petri dish in an amount such that the number of amino groups in the amine compound contained in the carbon dioxide absorbent was 10 mmol (5 mmol of amine compound in this example). The door was immediately closed, and the carbon dioxide absorbent was left to stand in the desiccator for 24 hours. The initial carbon dioxide concentration was adjusted to approximately 400 ppm.
Next, the carbon dioxide absorbent was taken out from the desiccator to obtain a carbon dioxide absorbent having absorbed carbon dioxide. The carbon dioxide absorbent having absorbed carbon dioxide was subjected to DSC measurement as follows to measure the maximum carbon dioxide dissociation temperature of the carbon dioxide absorbent.
First, differential scanning calorimetry was performed on the carbon dioxide absorbent using a differential thermogravimeter ("DTG-60" manufactured by Shimadzu Corporation) under conditions of a measurement temperature range of 23 to 250°C, a temperature rise rate of 10°C/min, and a nitrogen atmosphere. From the DSC curve obtained, the temperature at which the endothermic heat associated with carbon dioxide desorption was maximized was determined to be the maximum carbon dioxide dissociation temperature of the carbon dioxide absorbent.
(二酸化炭素吸収剤の融点)
示差熱熱重量同時測定装置((株)日立製作所製「STA200RV」)を用いてDSC測定を実施した。測定条件は、窒素流量50mL/分、昇温速度10℃/分、測定温度範囲を40-350℃に設定し、二酸化炭素吸収剤を約16mg秤量し測定を実施した。得られたDSCチャートにおける最大吸熱ピーク温度を融点とした。
(Melting point of carbon dioxide absorbent)
DSC measurement was carried out using a thermogravimetric differential scanning calorimeter ("STA200RV" manufactured by Hitachi, Ltd.). The measurement conditions were set as follows: nitrogen flow rate 50 mL/min, temperature rise rate 10°C/min, measurement temperature range 40-350°C, and measurement was carried out by weighing out approximately 16 mg of carbon dioxide absorbent. The maximum endothermic peak temperature in the obtained DSC chart was taken as the melting point.
(二酸化炭素吸収剤の二酸化炭素吸収後の水分率)
オートサンプラー型水分計(日東精工アナリテック(株)製「CA-310」)を用いて測定した。サンプル量は0.1g、測定条件は気化温度105℃、加熱時間は20分とし、(サンプル重量減少量)/(測定前サンプル重量)×100(%)の値を水分率とした。
(Moisture content of carbon dioxide absorbent after carbon dioxide absorption)
Measurement was performed using an autosampler moisture meter ("CA-310" manufactured by Nitto Seiko Analytech Co., Ltd.) The sample weight was 0.1 g, and the measurement conditions were a vaporization temperature of 105°C and a heating time of 20 minutes. The moisture content was calculated by dividing the sample weight by the sample weight before measurement × 100 (%).
(アミン化合物の水への溶解性)
アミン化合物の濃度が0.1質量%となるように水溶液を調整し、25℃においてアミン化合物が溶解しているか否かを目視観察した。アミン化合物の溶け残りが見られなかったものを溶解性「あり」、溶け残りが見られたものを溶解性「なし」と判断し、表2の実施例1~3に示した。
(Solubility of amine compounds in water)
An aqueous solution was prepared so that the concentration of the amine compound was 0.1% by mass, and whether or not the amine compound was dissolved was visually observed at 25° C. A solution in which no residual amine compound was found was judged to be soluble, and a solution in which residual amine compound was found was judged to be soluble. These results are shown in Table 2 for Examples 1 to 3.
(サイクル試験)
TG-DTA装置((株)日立製作所製「STA200RV」)を用いて、表1に示す温度プログラムにより、二酸化炭素吸収剤のCO2吸収-脱離のサイクル試験を行った。深型アルミパンに二酸化炭素吸収剤約16mgを入れ、TG-DTA装置にセットして、表1に記載の温度プログラムNo.1~11の温度履歴を施し、CO2吸収-脱離のサイクル試験を行った。各プログラムのRun中の測定雰囲気を表1中の「ガス」欄に、該ガスの流量を「ガス流量」欄に示した。表1中の吸湿Airとは、乾燥処理を行った乾燥空気を水に潜らせて調湿した空気(30~70%RH)を意味する。
なお表1中のX(℃)は、後述のサイクル試験における再生温度(℃)に相当する。
(Cycle test)
Using a TG-DTA device ("STA200RV" manufactured by Hitachi, Ltd.), a CO2 absorption-desorption cycle test of the carbon dioxide absorbent was conducted using the temperature program shown in Table 1. Approximately 16 mg of carbon dioxide absorbent was placed in a deep aluminum pan, which was then set in the TG-DTA device. The temperature history of temperature programs No. 1 to 11 shown in Table 1 was applied, and a CO2 absorption-desorption cycle test was conducted. The measurement atmosphere during each program run is shown in the "Gas" column in Table 1, and the flow rate of the gas is shown in the "Gas Flow Rate" column. "Moisture-absorbing Air" in Table 1 refers to air (30-70% RH) that has been subjected to a drying process and then immersed in water to adjust the humidity.
In Table 1, X (°C) corresponds to the regeneration temperature (°C) in the cycle test described below.
〔2サイクル目のCO2吸収量(mg/g)〕
表1中のプログラムNo.6終了時の吸収剤の重量増加量(mg)を、プログラムNo.6開始時の吸収剤の重量(g)で除した値を2サイクル目のCO2吸収量(mg/g)とした。値が大きいほど二酸化炭素吸収性に優れることを意味する。
[ CO2 absorption amount in the second cycle (mg/g)]
The CO2 absorption amount (mg/g) in the second cycle was determined by dividing the weight increase (mg) of the absorbent at the end of Program No. 6 in Table 1 by the weight (g) of the absorbent at the start of Program No. 6. A larger value indicates better carbon dioxide absorption.
〔CO2吸収-脱離2サイクル目の再生率(%)〕
表1中のプログラムNo.6開始時の吸収剤の重量(g)を、プログラムNo.8終了時の吸収剤の重量(g)で除した値×100を、CO2吸収-脱離2サイクル目の再生率(%)とした。再生率が高いほど繰り返し使用性に優れることを意味する。
[Regeneration rate (%) of the second cycle of CO2 absorption-desorption]
The weight (g) of the absorbent at the start of Program No. 6 in Table 1 divided by the weight (g) of the absorbent at the end of Program No. 8 was multiplied by 100 to obtain the regeneration rate (%) of the second CO2 absorption-desorption cycle. A higher regeneration rate indicates better reusability.
〔質量保持率(2サイクル目/3サイクル目)(%)〕
表1中のプログラムNo.11終了時の吸収剤の重量(g)を、プログラムNo.8終了時の吸収剤の重量(g)で除した値×100を、質量保持率(2サイクル目/3サイクル目)(%)とした。質量保持率が高いほど繰り返し使用性に優れることを意味する。
[Mass retention rate (2nd cycle/3rd cycle) (%)]
The mass retention rate (second cycle/third cycle) (%) was calculated by dividing the weight (g) of the absorbent at the end of Program No. 11 in Table 1 by the weight (g) of the absorbent at the end of Program No. 8 x 100. A higher mass retention rate indicates better reusability.
〔CO2吸収量保持率(2サイクル目/3サイクル目)(%)〕
表1中のプログラムNo.6終了時の吸収剤の重量増加量(mg)を、プログラムNo.6開始時の吸収剤の重量(g)で除した値を2サイクル目のCO2吸収量Y(mg/g)とした。また、表1中のプログラムNo.9終了時の吸収剤の重量増加量(mg)を、プログラムNo.9開始時の吸収剤の重量(g)で除した値を3サイクル目のCO2吸収量Z(mg/g)とした。Z/Y×100を、CO2吸収量保持率(2サイクル目/3サイクル目)(%)とした。該保持率が高いほど繰り返し使用性に優れることを意味する。
[ CO2 absorption retention rate (2nd cycle/3rd cycle) (%)]
The weight increase (mg) of the absorbent at the end of Program No. 6 in Table 1 divided by the weight (g) of the absorbent at the start of Program No. 6 was used as the CO2 absorption amount Y (mg/g) in the second cycle. The weight increase (mg) of the absorbent at the end of Program No. 9 in Table 1 divided by the weight (g) of the absorbent at the start of Program No. 9 was used as the CO2 absorption amount Z (mg/g) in the third cycle. Z/Y x 100 was used as the CO2 absorption amount retention rate (second cycle/third cycle) (%). A higher retention rate indicates better reusability.
実施例及び比較例において、アミン化合物及び多孔質材料としては以下のものを用いた。 In the examples and comparative examples, the following amine compounds and porous materials were used.
(アミン化合物)
HQ-BA:下記式(1-1)で示される化合物(C20H20N2O2、Mw:320.4)。後述する製造例1に記載の方法により製造した。
HQ-BA: A compound represented by the following formula (1-1) (C 20 H 20 N 2 O 2 , Mw: 320.4) Produced by the method described in Production Example 1 below.
DAMB:下記式(1-2)で示される化合物(C14H16N2、Mw:212.3)。後述する製造例2に記載の方法により製造した。
TP-DMA:下記式(1-3)で示される化合物(C20H20N2、Mw:288.4)。J.Am.Chem.Soc.,No.136,Vol.22,p7899-7906(2014)に記載の方法に従って合成した。
製造例1(HQ-BAの製造)
Polymer Degradation and Stability,Vol.95,p2445-2452(2010)に記載の方法に従って、ヒドロキノンと4-クロロベンゾニトリル(4CBN)とを反応させ、下記構造式で示されるジニトリル化合物(HQ-BEN)を合成した。次いで、HQ-BENを以下の方法により水添し、HQ-BAを製造した。
According to the method described in Polymer Degradation and Stability, Vol. 95, pp. 2445-2452 (2010), hydroquinone and 4-chlorobenzonitrile (4CBN) were reacted to synthesize a dinitrile compound (HQ-BEN) represented by the following structural formula. HQ-BEN was then hydrogenated by the following method to produce HQ-BA.
粒状のラネーコバルト触媒2.99gを水中で秤量した後、容量200ccのオートクレーブに移し、イソプロピルアルコールで3回置換を行った。置換したイソプロピルアルコールを取り除いた後、溶媒であるメタキシレン15g、及びHQ-BEN 6gを添加した。オートクレーブを気密後、オートクレーブ内を窒素(1MPaG)及び水素(5MPaG)でそれぞれ3回置換した。
さらに、液体アンモニア15gを仕込み、水素を5MPaG(液体アンモニアの自圧含む)封入した。約750rpmで撹拌しながら加熱を開始し、80℃で反応させた。反応時間は、加熱開始から3時間とした。反応終了後、氷水で冷却し、水素及びアンモニアをパージして系内圧力を下げ、オートクレーブを開放した。反応液をメタノールで洗浄して触媒を除去した後、エバポレーターで溶媒を留去して、目的物であるHQ-BAを得た。
2.99 g of granular Raney cobalt catalyst was weighed in water and transferred to a 200 cc autoclave, where it was purged with isopropyl alcohol three times. After the substituted isopropyl alcohol was removed, 15 g of meta-xylene (solvent) and 6 g of HQ-BEN were added. After the autoclave was airtight, the pressure inside the autoclave was purged with nitrogen (1 MPaG) and hydrogen (5 MPaG) three times each.
Furthermore, 15 g of liquid ammonia was charged, and hydrogen was sealed in at 5 MPaG (including the self-pressure of the liquid ammonia). Heating was started while stirring at about 750 rpm, and the reaction was carried out at 80°C. The reaction time was set to 3 hours from the start of heating. After completion of the reaction, the mixture was cooled with ice water, and the hydrogen and ammonia were purged to reduce the pressure inside the system, and the autoclave was opened. The reaction liquid was washed with methanol to remove the catalyst, and then the solvent was distilled off using an evaporator to obtain the target product, HQ-BA.
製造例2(DAMBの製造)
4,4’-ジシアノビフェニル(DCB、試薬)を以下の方法により水添し、4,4-ジ(アミノメチル)ビフェニル(DAMB)を製造した。
粒状のラネーコバルト触媒 3.0gを水中で秤量した後、容量100mLのオートクレーブに移し、常圧、水素流通下、270℃で2時間還元した。次に、アルゴン置換した容量200mLのオートクレーブに前記触媒を移し入れ、触媒固定用のパンチングメタルを設置した。ここに、溶媒であるメタキシレン10g、及び、基質であるDCB1.5gを添加し、オートクレーブを気密後、オートクレーブ内を窒素(1MPaG)及び水素(10MPaG)でそれぞれ3回置換した。
さらに、液体アンモニア10gを仕込み、水素を10MPaG(液体アンモニアの自圧含む)封入した。約750rpmで撹拌しながら加熱を開始し、内温が80℃に到達してから1.5時間反応させた。反応終了後、氷水で冷却し、水素及びアンモニアをパージして系内圧力を下げ、オートクレーブを開放した。反応液をメタノールで洗浄して触媒を除去した後、エバポレーターで溶媒を留去して、目的物であるDAMBを得た。
Production Example 2 (Production of DAMB)
4,4'-Dicyanobiphenyl (DCB, reagent) was hydrogenated by the following method to produce 4,4-di(aminomethyl)biphenyl (DAMB).
3.0 g of granular Raney cobalt catalyst was weighed in water and transferred to a 100 mL autoclave, where it was reduced at atmospheric pressure under a hydrogen flow at 270°C for 2 hours. The catalyst was then transferred to a 200 mL autoclave whose atmosphere had been purged with argon, and a punched metal for catalyst fixation was installed. 10 g of meta-xylene (solvent) and 1.5 g of DCB (substrate) were added thereto, and the autoclave was airtight. The pressure inside the autoclave was then purged with nitrogen (1 MPaG) and hydrogen (10 MPaG) three times each.
Furthermore, 10 g of liquid ammonia was charged, and hydrogen was sealed in at 10 MPaG (including the liquid ammonia's own pressure). Heating was started while stirring at about 750 rpm, and the reaction was carried out for 1.5 hours after the internal temperature reached 80°C. After completion of the reaction, the autoclave was cooled with ice water, and hydrogen and ammonia were purged to reduce the pressure inside the system, and the autoclave was opened. The reaction liquid was washed with methanol to remove the catalyst, and the solvent was then distilled off using an evaporator to obtain the target product, DAMB.
MXDA:メタキシリレンジアミン(三菱瓦斯化学株式会社製)、下記式で示される、25℃において液状のジアミン
スピロビスアミン:国際公開第2022/255037号の実施例1に記載の方法で製造された、下記式で示される2,2’-(2,4,8,10-テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン-3,9-ジイル)ビス(2-メチルプロパン-1-アミン)
Spirobisamine: 2,2'-(2,4,8,10-tetraoxaspiro[5.5]undecane-3,9-diyl)bis(2-methylpropan-1-amine) represented by the following formula, produced by the method described in Example 1 of WO 2022/255037.
(多孔質材料)
メソポーラスシリカ SBA15(メルク社製)
BET法による比表面積:800m2/g、体積中位粒子径(D50):100μm、細孔容積:0.8cm3/g
ペレットシリカ(下記原料シリカを成形して得られたペレット)
BET法による比表面積:253m2/g、平均ペレット径:1.90mm、平均ペレット長:10.86mm
・原料シリカ(富士シリシア化学株式会社製「キャリアクトG-10」、比表面積:300m2/g、粒子径:10μm、細孔容積:1.3mL/g、平均細孔径:10nm)
(Porous material)
Mesoporous silica SBA15 (Merck)
BET specific surface area: 800 m 2 /g, volume median particle diameter (D 50 ): 100 μm, pore volume: 0.8 cm 3 /g
Pellet silica (pellets obtained by molding the raw silica below)
BET specific surface area: 253 m 2 /g, average pellet diameter: 1.90 mm, average pellet length: 10.86 mm
Raw material silica ("CARIACT G-10" manufactured by Fuji Silysia Chemical Ltd., specific surface area: 300 m 2 /g, particle size: 10 μm, pore volume: 1.3 mL/g, average pore size: 10 nm)
実施例1~3(二酸化炭素吸収剤の評価)
表2に示すアミン化合物を二酸化炭素吸収剤として用いて、前記方法で二酸化炭素吸収性を評価した結果を図2に示す。また、前記方法で二酸化炭素最大解離温度、融点、及び水への溶解性について評価した結果を表2に示す。
Examples 1 to 3 (Evaluation of carbon dioxide absorbents)
The amine compounds shown in Table 2 were used as carbon dioxide absorbents, and the carbon dioxide absorbency was evaluated by the above method. The results are shown in Figure 2. The maximum carbon dioxide dissociation temperature, melting point, and solubility in water were also evaluated by the above method.
実施例4~6(二酸化炭素吸収剤の作製及び評価)
(二酸化炭素吸収剤の作製)
窒素置換したガラス容器に、表2に記載のアミン化合物(A)1.5g、及び、大過剰のメタノール(実施例5、6においてはジクロロメタン)を仕込み、室温(23℃)下、スターラーで撹拌して、アミン化合物(A)を溶解させた。次いで、多孔質材料1.5gを添加して再度窒素置換を行い、3時間攪拌し均一化させた。得られた混合物から、40℃、50hPaの減圧下でメタノール又はジクロロメタンを留去し、次いで、80℃で3時間真空乾燥させ、アミン化合物(A)を多孔質材料(B)に担持させた二酸化炭素吸収剤を得た。
Examples 4 to 6 (Preparation and Evaluation of Carbon Dioxide Absorbents)
(Preparation of carbon dioxide absorbent)
A nitrogen-purged glass container was charged with 1.5 g of the amine compound (A) shown in Table 2 and a large excess of methanol (dichloromethane in Examples 5 and 6), and the mixture was stirred with a stirrer at room temperature (23 ° C.) to dissolve the amine compound (A). Next, 1.5 g of the porous material was added, and the mixture was again purged with nitrogen, followed by stirring for 3 hours to achieve homogenization. Methanol or dichloromethane was distilled off from the resulting mixture at 40 ° C. under a reduced pressure of 50 hPa, and then the mixture was vacuum-dried at 80 ° C. for 3 hours to obtain a carbon dioxide absorbent in which the amine compound (A) was supported on the porous material (B).
(二酸化炭素吸収剤の評価)
得られた二酸化炭素吸収剤を用いて、前記方法で二酸化炭素(CO2)吸収性を評価した結果を図2に示す。また、前記方法で二酸化炭素(CO2)最大解離温度、融点、及び、二酸化炭素吸収後の水分率を測定した結果を表2に示す。
(Evaluation of carbon dioxide absorbents)
The carbon dioxide (CO 2 ) absorbency of the obtained carbon dioxide absorbent was evaluated by the above-mentioned method, and the results are shown in Figure 2. In addition, the carbon dioxide (CO 2 ) maximum dissociation temperature, melting point, and moisture content after carbon dioxide absorption were measured by the above-mentioned method, and the results are shown in Table 2.
比較例1
実施例1において、アミン化合物(A)に替えて、MXDA(メタキシリレンジアミン)を二酸化炭素吸収剤として用いて、前記方法で二酸化炭素最大解離温度、融点、及び水への溶解性について評価した。二酸化炭素最大解離温度は135℃、融点は14℃であり、水への溶解性は「あり」という結果になった。比較例1の二酸化炭素吸収剤は25℃において液体であり、且つ、水に溶解するため、吸収剤の再生時に水蒸気ストリッピング法を適用するとMXDAが水蒸気中に溶出しやすく、良好な繰り返し使用性が得られないと考えられる。
Comparative Example 1
In Example 1, MXDA (metaxylylenediamine) was used as the carbon dioxide absorbent instead of the amine compound (A), and the maximum carbon dioxide dissociation temperature, melting point, and solubility in water were evaluated using the above method. The maximum carbon dioxide dissociation temperature was 135°C, the melting point was 14°C, and the solubility in water was determined to be "yes." The carbon dioxide absorbent of Comparative Example 1 is a liquid at 25°C and dissolves in water, so if a steam stripping method is applied during regeneration of the absorbent, MXDA is likely to dissolve in steam, and it is thought that good repeated use is not possible.
比較例2
実施例1において、アミン化合物(A)に替えて、前記スピロビスアミンを二酸化炭素吸収剤として用いて、前記方法で二酸化炭素(CO2)吸収性を評価した。しかしながら、前記スピロビスアミンは二酸化炭素吸収性を示さなかった。
Comparative Example 2
The carbon dioxide (CO 2 ) absorption ability was evaluated by the above method using the spirobisamine as the carbon dioxide absorbent instead of the amine compound (A) in Example 1. However, the spirobisamine did not exhibit carbon dioxide absorption ability.
比較例3
実施例4において、アミン化合物(A)に替えて、前記スピロビスアミンを用いたこと以外は、実施例4と同様の方法で、スピロビスアミンを多孔質材料(B)に担持させた二酸化炭素吸収剤の作製を試みた。しかしながら、前記スピロビスアミンは溶剤溶解性がほとんどないため、多孔質材料(B)に担持させることができなかった。
Comparative Example 3
An attempt was made to prepare a carbon dioxide absorbent in which the spirobisamine was supported on the porous material (B) in the same manner as in Example 4, except that the spirobisamine was used instead of the amine compound (A) in Example 4. However, since the spirobisamine had almost no solubility in solvents, it was not possible to support it on the porous material (B).
図2より、本実施例品の二酸化炭素吸収剤は、二酸化炭素が低濃度(0.04~0.05質量%)である系内であっても二酸化炭素吸収性を示した。また実施例1~3と実施例4~6との対比によれば、実施例1~3で使用したアミン化合物(A)は、多孔質材料(B)に担持させることで二酸化炭素吸収性がより向上することがわかる。この理由は、二酸化炭素吸収性を有するアミン化合物(A)において、二酸化炭素と接触し得る部分の表面積が広くなるためであると推察される。 Figure 2 shows that the carbon dioxide absorbent of this example exhibited carbon dioxide absorption properties even in a system with a low carbon dioxide concentration (0.04 to 0.05% by mass). Furthermore, a comparison of Examples 1 to 3 with Examples 4 to 6 reveals that the carbon dioxide absorption properties of the amine compound (A) used in Examples 1 to 3 were further improved by supporting it on a porous material (B). This is presumably because the surface area of the portion of the amine compound (A) that can come into contact with carbon dioxide, which has carbon dioxide absorption properties, is increased.
表2より、実施例1と4との対比、実施例3と6との対比によれば、実施例1、3で使用したアミン化合物(A)は、多孔質材料(B)に担持させることでCO2最大解離温度が大きく低下し、CO2最大解離温度と融点との差も大きくなることがわかる。これにより、二酸化炭素吸収剤の融点よりも低い温度での二酸化炭素の脱離が容易になり、且つ二酸化炭素吸収剤の融解に起因する二酸化炭素吸収性の低下も回避することができる。
また本実施例品の二酸化炭素吸収剤はいずれも水への溶解性が低く、又は、低吸水性であるため、吸収剤の再生時に水蒸気ストリッピング法を適用してもアミン化合物(A)が水蒸気中に溶出し難く、良好な繰り返し使用性が期待される。
Table 2 shows that, by comparing Examples 1 and 4 and Examples 3 and 6, the amine compound (A) used in Examples 1 and 3 significantly reduces the CO2 maximum dissociation temperature and increases the difference between the CO2 maximum dissociation temperature and the melting point when supported on the porous material (B). This facilitates desorption of carbon dioxide at a temperature lower than the melting point of the carbon dioxide absorbent, and also makes it possible to avoid a decrease in carbon dioxide absorbency due to melting of the carbon dioxide absorbent.
Furthermore, since the carbon dioxide absorbents of the present examples all have low solubility in water or low water absorption, the amine compound (A) is unlikely to elute into steam even when a steam stripping method is applied to regenerate the absorbent, and good repeated usability is expected.
さらに、実施例1~3のアミン化合物(A)を含む実施例4~6の二酸化炭素吸収剤について、前記方法でサイクル試験を行った。結果を表3に示す。Furthermore, a cycle test was conducted using the above method on the carbon dioxide absorbents of Examples 4 to 6, which contained the amine compounds (A) of Examples 1 to 3. The results are shown in Table 3.
表3より、本実施例品の二酸化炭素吸収剤は、二酸化炭素の吸収-加熱による二酸化炭素の脱離というサイクルを繰り返した後であっても、二酸化炭素吸収剤の質量保持率、及び二酸化炭素吸収量の保持率がともに高いことがわかる。 Table 3 shows that the carbon dioxide absorbent of this embodiment has high mass retention and carbon dioxide absorption capacity retention, even after repeated cycles of carbon dioxide absorption and carbon dioxide desorption by heating.
実施例7及び8(二酸化炭素吸収剤の作製及び評価)
(二酸化炭素吸収剤の作製)
窒素置換したガラス容器に、アミン化合物(A)としてHQ-BAを8g、及び、メタノールを500g仕込み、室温(23℃)下、スターラーで撹拌して、アミン化合物(A)を溶解させた。次いで、多孔質材料(B)としてペレットシリカ12gを添加して再度窒素置換を行い、3時間攪拌し均一化させた。得られた混合物から、40℃、50hPaの減圧下でメタノールを留去し、次いで、80℃で3時間真空乾燥させ、アミン化合物(A)を多孔質材料(B)に担持させ、アミン化合物(A)の含有量が40質量%の二酸化炭素吸収剤Aを得た。
Examples 7 and 8 (Preparation and Evaluation of Carbon Dioxide Absorbents)
(Preparation of carbon dioxide absorbent)
In a nitrogen-purged glass container, 8 g of HQ-BA as the amine compound (A) and 500 g of methanol were charged, and the mixture was stirred with a stirrer at room temperature (23 ° C.) to dissolve the amine compound (A). Next, 12 g of pelleted silica was added as the porous material (B), and the mixture was again purged with nitrogen, and the mixture was stirred for 3 hours to homogenize. From the resulting mixture, methanol was distilled off under a reduced pressure of 40 ° C. and 50 hPa, and then the mixture was vacuum dried at 80 ° C. for 3 hours to support the amine compound (A) on the porous material (B), and a carbon dioxide absorbent A having a content of 40% by mass of the amine compound (A) was obtained.
(二酸化炭素吸収剤の評価)
得られた二酸化炭素吸収剤Aを用いて、後述する二酸化炭素の吸収操作を行った後、後述する二酸化炭素吸収剤Aの再生操作を行うサイクルを、合計3サイクル繰り返し、二酸化炭素吸収剤のCO2吸収-脱離のサイクル試験を行った。得られた二酸化炭素の吸収量について、結果を表4に示す。
(Evaluation of carbon dioxide absorbents)
Using the obtained carbon dioxide absorbent A, a carbon dioxide absorption operation described below was performed, followed by a regeneration operation of the carbon dioxide absorbent A described below. This cycle was repeated three times in total to perform a CO2 absorption-desorption cycle test of the carbon dioxide absorbent. The results of the obtained carbon dioxide absorption amounts are shown in Table 4.
〔二酸化炭素の吸収操作〕
実施例7では、まず、空気ボンベガス及びCO2/N2ボンベガスを用いて、CO2濃度が400ppmの乾燥模擬空気(0%RH)を調製した。この乾燥模擬空気を、二酸化炭素吸収剤A 10gを充填したカラム(直径30mm、長さ10cm)に5L/分で流通させ、このカラムの乾燥模擬空気の入口と出口のそれぞれにおいて、二酸化炭素濃度(ppm)をNDIR式(赤外線非分散方式)CO2濃度計(VAISARA社製)により測定した。乾燥模擬空気を流通させた所定時間内(300分)における前記カラムの入口と出口において測定された二酸化炭素の濃度差の積算量から二酸化炭素吸収剤Aの二酸化炭素吸収量を算出した。
実施例8では、まず、空気ボンベガスを水中に流通させて湿度100%RHの高湿ガスと、CO2/N2ボンベガスと空気ボンベガスとを混合してCO2濃度を800ppm濃度に調整した高CO2ガスとを用意し、さらに、これらのガスを体積比1:1で混合して、CO2濃度が400ppmの調湿模擬空気(50%RH)を調製した。この調湿模擬空気を、二酸化炭素吸収剤A 10gを充填したカラム(直径30mm、長さ10cm)に5L/分で流通させ、このカラムの調湿模擬空気の入口と出口のそれぞれにおいて、二酸化炭素濃度(ppm)をNDIR式(赤外線非分散方式)CO2濃度計(VAISARA社製)により測定した。調湿模擬空気を流通させた所定時間内(300分)における前記カラムの入口と出口において測定された二酸化炭素の濃度差の積算量から二酸化炭素吸収剤Aの二酸化炭素吸収量を算出した。
[Carbon dioxide absorption operation]
In Example 7, dry simulated air (0% RH) with a CO2 concentration of 400 ppm was first prepared using air cylinder gas and CO2 / N2 cylinder gas. This dry simulated air was passed through a column (diameter 30 mm, length 10 cm) packed with 10 g of carbon dioxide absorbent A at 5 L/min, and the carbon dioxide concentration (ppm) was measured at each of the inlet and outlet of the dry simulated air in the column using an NDIR (non-dispersive infrared) CO2 concentration meter (manufactured by VAISARA). The carbon dioxide absorption amount of carbon dioxide absorbent A was calculated from the integrated amount of the difference in carbon dioxide concentration measured at the inlet and outlet of the column within a predetermined time (300 minutes) during which the dry simulated air was passed.
In Example 8, first, high-humidity gas with a humidity of 100% RH was prepared by passing air cylinder gas through water, and high- CO2 gas was prepared by mixing CO2 / N2 cylinder gas and air cylinder gas to adjust the CO2 concentration to 800 ppm. These gases were then mixed at a volume ratio of 1:1 to prepare humidity-conditioned simulated air (50% RH) with a CO2 concentration of 400 ppm. This humidity-conditioned simulated air was passed through a column (diameter 30 mm, length 10 cm) packed with 10 g of carbon dioxide absorbent A at a rate of 5 L/min, and the carbon dioxide concentration (ppm) was measured at the inlet and outlet of the humidity-conditioned simulated air of this column using an NDIR (non-dispersive infrared) CO2 concentration meter (manufactured by VAISARA). The carbon dioxide absorption amount of the carbon dioxide absorbent A was calculated from the integrated difference in carbon dioxide concentration measured at the inlet and outlet of the column during a predetermined time (300 minutes) during which the humidity-controlled simulated air was circulated.
〔二酸化炭素吸収剤の再生操作〕
前記吸収操作を行った後、カラム全体を47.4kPaに減圧し、カラム内に80℃の水蒸気を10分間流通させ、二酸化炭素吸収剤Aに吸着した二酸化炭素を脱離させた。その後、カラム内の温度を80℃に保持した状態で乾燥窒素ガスを5L/分で30分流通させ、二酸化炭素吸収剤Aを乾燥させた。
[Regeneration operation of carbon dioxide absorbent]
After the absorption operation, the pressure in the entire column was reduced to 47.4 kPa, and water vapor at 80°C was passed through the column for 10 minutes to desorb the carbon dioxide adsorbed in the carbon dioxide absorbent A. Thereafter, dry nitrogen gas was passed through the column at 5 L/min for 30 minutes while the temperature inside the column was maintained at 80°C, to dry the carbon dioxide absorbent A.
表4より、本実施例品の二酸化炭素吸収剤は、二酸化炭素を含有するガスが乾燥しているよりも、湿度の高い方が二酸化炭素の吸収量が高いことがわかる。 Table 4 shows that the carbon dioxide absorbent of this embodiment absorbs a higher amount of carbon dioxide when the humidity is high than when the carbon dioxide-containing gas is dry.
本発明によれば、二酸化炭素の吸収性及び繰り返し使用性に優れる二酸化炭素吸収剤、これを用いた二酸化炭素の回収方法、及び二酸化炭素分離回収装置を提供できる。 The present invention provides a carbon dioxide absorbent that has excellent carbon dioxide absorption properties and reusability, a carbon dioxide recovery method using the same, and a carbon dioxide separation and recovery device.
100 二酸化炭素分離回収装置
1 吸収装置
2 脱離装置
3 連結部
11、21 反応塔
12、22 吸収剤保持部
12a 二酸化炭素吸収剤
13 ガス供給部
21 反応塔
22a 二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収剤
23 ガス排出部
24 吸収剤排出部
100 Carbon dioxide separation and capture apparatus 1 Absorption device 2 Desorption device 3 Connection section 11, 21 Reaction tower 12, 22 Absorbent holding section 12a Carbon dioxide absorbent 13 Gas supply section 21 Reaction tower 22a Carbon dioxide absorbent 23 that has absorbed carbon dioxide Gas discharge section 24 Absorbent discharge section
Claims (7)
前記非アゾ系固体アミン化合物(A)が下記一般式(1)で示されるアミン化合物である、二酸化炭素吸収剤。
式(1)中、X及びYはそれぞれ独立に、単結合又は酸素原子を表す。n、mはそれぞれ独立に1~6の数を表し、pは0~2の数を表す。 A carbon dioxide absorbent comprising a non-azo solid amine compound (A) having two or more aromatic rings and two or more primary amino groups,
The carbon dioxide absorbent, wherein the non-azo solid amine compound (A) is an amine compound represented by the following general formula (1):
In formula (1), X and Y each independently represent a single bond or an oxygen atom, n and m each independently represent a number from 1 to 6, and p represents a number from 0 to 2.
(I)前記二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤を減圧条件に供する工程
(II)前記二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤に、二酸化炭素を含まない不活性ガスを接触させる工程
(III)前記二酸化炭素を吸収させた二酸化炭素吸収剤を加熱する工程 The method according to claim 5, comprising: an absorption step of contacting the carbon dioxide absorbent with a gas containing carbon dioxide to cause the carbon dioxide absorbent to absorb carbon dioxide; and a desorption step of desorbing carbon dioxide from the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide in the absorption step, wherein the desorption step comprises at least one step selected from the group consisting of the following (I) to (III):
(I) a step of subjecting the carbon dioxide absorbent having absorbed carbon dioxide to reduced pressure conditions; (II) a step of contacting the carbon dioxide absorbent having absorbed carbon dioxide with an inert gas not containing carbon dioxide; and (III) a step of heating the carbon dioxide absorbent having absorbed carbon dioxide.
5. A carbon dioxide separation and capture system comprising: an absorption device equipped with a mechanism for bringing the carbon dioxide absorbent according to claim 1 into contact with a gas containing carbon dioxide, thereby causing the carbon dioxide absorbent to absorb carbon dioxide; and a desorption device equipped with a mechanism for desorbing carbon dioxide from the carbon dioxide absorbent that has absorbed the carbon dioxide.
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