(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-09-10
(54)【発明の名称】炭素捕捉のための方法及び組成物
(51)【国際特許分類】
B01D 53/62 20060101AFI20240903BHJP
B01D 53/78 20060101ALI20240903BHJP
B01D 53/96 20060101ALI20240903BHJP
B01D 53/14 20060101ALI20240903BHJP
F01N 3/04 20060101ALI20240903BHJP
【ＦＩ】
B01D53/62
B01D53/78 ZAB
B01D53/96
B01D53/14 210
B01D53/14 220
F01N3/04 J
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024510530
(86)(22)【出願日】2022-08-17
(85)【翻訳文提出日】2024-04-18
(86)【国際出願番号】 CA2022000044
(87)【国際公開番号】W WO2023023837
(87)【国際公開日】2023-03-02
(31)【優先権主張番号】63/235,802
(32)【優先日】2021-08-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】524064575
【氏名又は名称】エントロピー インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】イデム、ラファエル
(72)【発明者】
【氏名】スパプ、ティーラデット
(72)【発明者】
【氏名】ナーク － テッテー、ジェシカ
(72)【発明者】
【氏名】ムチャン、パイリン
(72)【発明者】
【氏名】ナテウォン、パウエースダ
【テーマコード（参考）】
3G091
4D002
4D020
【Ｆターム（参考）】
3G091AB15
3G091BA13
3G091HB01
4D002AA09
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4D020CB01
4D020DA03
4D020DB07
4D020DB20
(57)【要約】
炭素捕捉のための溶媒組成物が提供される。好ましい実施形態によれば、炭素捕捉に使用される溶媒は、ジエチルアミノエタノール（ＤＥＡＥ）、ヘキサメチレンジアミン（ＨＭＤＡ）、及びポリエチレンイミン（ＰＥＩ）のうちの少なくとも２つを含む。本明細書に記載の炭素捕捉溶媒組成物を使用して炭素捕捉を実行する方法も提供される。本明細書に記載の炭素捕捉組成物及び／又は本明細書に記載の炭素捕捉方法を使用して炭素捕捉を実行するための装置も提供される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガス状混合物から二酸化炭素を抽出するための溶媒であって、ジエチルアミノエタノール（ＤＥＡＥ）、ヘキサメチレンジアミン（ＨＭＤＡ）、及び水を含む、溶媒。
【請求項2】
ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）をさらに含む、請求項１に記載の溶媒。
【請求項3】
以下：ＤＥＡＥが２．０Ｍ～４．０Ｍの範囲のモル濃度で存在する、ＨＭＤＡが０．１Ｍ～１．０Ｍの範囲のモル濃度で存在する、又はＰＥＩが０．００１Ｍ～０．５Ｍの範囲のモル濃度で存在する、のうちのいずれか１つ以上が存在する請求項１又は２に記載の溶媒。
【請求項4】
前記溶媒の総モル濃度が２．１０Ｍ～５．５Ｍの範囲である、請求項１から３のいずれか一項に記載の溶媒。
【請求項5】
ジエチルアミノエタノール（ＤＥＡＥ）、ヘキサメチレンジアミン（ＨＭＤＡ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）及び水から本質的になる、請求項１から４のいずれか一項に記載の溶媒。
【請求項6】
ＤＥＡＥが３．６Ｍのモル濃度で存在し、ＨＭＤＡが０．４Ｍのモル濃度で存在し、ＰＥＩが０．０１Ｍのモル濃度で存在する、請求項５に記載の溶媒。
【請求項7】
以下の特性：１６０ｋＪ／ｍｏｌ ＣＯ２未満の熱負荷、【数1】
より大きい初期吸収速度、
【数2】
より大きい初期脱着速度、
【数3】
より大きいサイクル容量、１１０℃で０のリーン負荷、３０℃で１０ｍＰａ・ｓ未満の粘度、及び室温で９．５～１１．０ｐＫａの範囲のアルカリ度、のうちのいずれか１つ以上を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の溶媒。
【請求項8】
以下の特性：１３８．９ｋＪ／ｍｏｌ ＣＯ２未満の熱負荷、【数4】
より大きい初期吸収速度、
【数5】
より大きい初期脱着速度、
【数6】
より大きいサイクル容量、１１０℃で０のリーン負荷、３０℃で１０ｍＰａ・ｓ未満の粘度、及び室温で９．５～１１．０ｐＫａの範囲のアルカリ度のうちのいずれか１つ以上を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の溶媒。
【請求項9】
ガス状混合物から二酸化炭素を抽出するための溶媒であって、ジエチルアミノエタノール（ＤＥＡＥ）、ヘキサメチレンジアミン（ＨＭＤＡ）、及びポリエチレンイミン（ＰＥＩ）を含み、ＤＥＡＥが３．６Ｍ～４．５Ｍの範囲のモル濃度で存在し、ＨＭＤＡが０．１５Ｍ～０．５Ｍの範囲のモル濃度で存在する、溶媒。
【請求項10】
ＤＥＡＥが３．３Ｍ～３．９Ｍの範囲のモル濃度で存在し、ＨＭＤＡが０．３Ｍ～０．５Ｍの範囲のモル濃度で存在し、ＰＥＩが０．００５Ｍ～０．０１５Ｍの範囲のモル濃度で存在する、請求項９に記載の溶媒。
【請求項11】
ＰＥＩが０．０１Ｍのモル濃度で存在する、請求項９又は１０に記載の溶媒。
【請求項12】
ガス状混合物から二酸化炭素を抽出するための溶媒であって、（ａ）化学式（Ｒ１）（Ｒ２）Ｎ（ＣｎＨ２ｎ－ＯＨ）（式中、Ｒ１及びＲ２は独立して、炭素数１～６の直鎖又は分岐鎖アルキル基であり、ｎは１～６の整数である）を有する第三級アミンである、２．０Ｍ～４．０Ｍの範囲のモル濃度の化合物Ｉと、
（ｂ）化学式ＮＨ２－（ＣｍＨ２ｍ）－ＮＨ２（式中、ｍは２～１０の整数である）を有する２つの第一級アミノ基を含む、０．１Ｍ～１．０Ｍの範囲のモル濃度の化合物ＩＩと、
（ｃ）０．００１Ｍ～０．５Ｍの範囲のモル濃度のポリエチレンイミン（ＰＥＩ）と、
（ｄ）水と
を含む、溶媒。
【請求項13】
化合物Ｉが、化学式（Ｒ１）（Ｒ２）Ｎ（ＣｎＨ２ｎ－ＯＨ）（式中、Ｒ１及びＲ２は独立して、２～４の炭素数を有する直鎖又は分岐鎖アルキル基である）を有する第三級アミンである、請求項１２に記載の溶媒。
【請求項14】
化合物Ｉが、化学式（Ｒ１）（Ｒ２）Ｎ（ＣｎＨ２ｎ－ＯＨ）（式中、Ｒ１及びＲ２は独立して、１～６の炭素数を有する直鎖又は分岐鎖アルキル基であり、ｎは２～４の整数である）を有する第三級アミンである、請求項１２又は１３に記載の溶媒。
【請求項15】
化合物ＩＩが、化学式ＮＨ２－（ＣｍＨ２ｍ）－ＮＨ２（式中、ｍは４～８の整数である）を有する２つの第一級アミノ基を含む、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の溶媒。
【請求項16】
炭素捕捉を行う方法であって、（ａ）煙道ガス排出源から二酸化炭素を含む煙道ガスを収集するステップと、
（ｂ）前記収集された煙道ガスを、前記煙道ガス中に存在する前記二酸化炭素ガスの少なくとも一部を除去するのに十分な期間、請求項１から１５のいずれか一項に記載の溶媒に曝露するステップと
を含む、方法。
【請求項17】
煙道ガス排出源から二酸化炭素を含む煙道ガスを収集し、前記収集された煙道ガスを、前記煙道ガス中に存在する前記二酸化炭素ガスの少なくとも一部を除去するのに十分な期間、前記溶媒に曝露することによって炭素捕捉を実行するための、請求項１から１５のいずれか一項に記載の溶媒の使用。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般に、炭素捕捉のための方法及び組成物に関し、より具体的には、炭素捕捉に使用される様々な溶媒及びそのような溶媒を使用する方法が開示される。
【背景技術】
【0002】
化学反応を伴うアミン水溶液を使用する炭素捕捉は、工業プロセスから放出される希薄かつ低圧の煙道ガスを処理するために適合されている。しかしながら、現在のアミン系の炭素捕捉プロセスにはいくつかの欠点がある。１つの欠点は、ＣＯ２の高い吸収及び脱着速度を提供することができないことである。別の欠点は、非常に小さい熱負荷を消費しながら高いＣＯ２捕捉能力を達成することができないことである。他の欠点は、使用されるアミンの種類に特有である。
【0003】
例えば、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）などの第一級アミンは、その破壊プロセスにおいて高い再生エネルギーを必要とするＣＯ２と非常に安定なカルバマートを形成する。別の例として、ジエタノールアミン（ＤＥＡ）などの第二級アミンは、化石燃料燃焼煙道ガス中の一般的な不純物であるＮＯＸと直接反応し、オフガスと共に潜在的に有毒なニトロソアミンを排出することがある。メチルジエタノールアミンなどの第三級アミンは、他のアミンと比較して再生に必要な熱が少ないが、依然としてＣＯ２との反応速度が遅いため、速度論に関して捕捉性能に影響を及ぼす。ピペラジン（ＰＺ）などのポリアミンは、ニトロソアミン排出物を形成し得る第二級アミンであるため、脅威をもたらす。これらの欠点は全て、炭素捕捉プロセスを妨げる可能性がある。
【0004】
さらに、劣化によるアミン損失、オフガス排出、アミン揮発、アミン腐食、及びアミン発泡などの問題は、しばしば炭素捕捉プロセスの課題となる。これらの動作上の問題は、捕捉プラントが元の設計条件及び性能目標を達成するのを妨げる可能性がある。分解生成物の排出は、予定外の停止時間の可能性を生じさせたり、プラントが動作を継続するには毒性が強すぎるためにプラントを不必要に停止させたりすることによって、アミンベースのＣＯ２捕捉プラント自体を危険にさらす可能性がある。
【0005】
したがって、特に工業プロセスから放出される希薄かつ低圧の煙道ガスを処理するための、炭素捕捉におけるアミン及び／又はアミン系溶液の使用に関連する効率を改善する必要がある。特に、以下の望ましいＣＯ２捕捉特性：高吸収、高サイクル容量、高速反応速度論、低腐食、低分解、及び溶媒再生のための満足できる熱負荷要件のうちの１つ以上を有する新しいアミン溶媒を開発する必要がある。
【発明の概要】
【0006】
本発明の一態様によれば、炭素捕捉のための方法及び組成物が記載される。いくつかの実施形態では、方法及び組成物は、炭化水素燃焼エミッタの排気流から二酸化炭素を捕捉するために適用され得る。
【0007】
本発明の一態様によれば、ガス状混合物から二酸化炭素を抽出するための溶媒であって、ジエチルアミノエタノール（ＤＥＡＥ）、ヘキサメチレンジアミン（ＨＭＤＡ）、及び水を含む溶媒が提供される。
【0008】
本発明の一態様によれば、ガス状混合物から二酸化炭素を抽出するための溶媒であって、ＤＥＡＥ、ＨＭＤＡ、及びポリエチレンイミン（ＰＥＩ）を含む溶媒が提供される。
【0009】
本発明の好ましい実施形態によれば、ＤＥＡＥは、２．０Ｍ～４．０Ｍの範囲のモル濃度で存在する。
【0010】
本発明の好ましい実施形態によれば、ＨＭＤＡは、０．１Ｍ～１．０Ｍの範囲のモル濃度で存在する。
【0011】
本発明の好ましい実施形態によれば、ＰＥＩは、０．００１Ｍ～０．５Ｍの範囲のモル濃度で存在する。
【0012】
本発明の好ましい実施形態によれば、溶媒の総モル濃度は、２．１０Ｍ～５．５Ｍの範囲である。
【0013】
本発明の好ましい実施形態によれば、溶媒は、ジエチルアミノエタノール（ＤＥＡＥ）、ヘキサメチレンジアミン（ＨＭＤＡ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、及び水から本質的になる。
【0014】
最も好ましくは、本発明において、ＤＥＡＥは３．６Ｍのモル濃度で存在し、ＨＭＤＡは０．４Ｍのモル濃度で存在し、ＰＥＩは０．０１Ｍのモル濃度で存在する。
【0015】
本発明の好ましい実施形態によれば、溶媒は、１６０ｋＪ／ｍｏｌ ＣＯ２未満の熱負荷を有する。
【0016】
より好ましくは、本発明において、溶媒は、１３８．９ｋＪ／ｍｏｌ ＣＯ２未満の熱負荷を有する。
【0017】
本発明の好ましい実施形態によれば、溶媒は、
より大きい初期吸収速度を有する。
【数1】
より大きい初期吸収速度を有する。
【0018】
より好ましくは、本発明において、溶媒は、
より大きい初期吸収速度を有する。
【数2】
より大きい初期吸収速度を有する。
【0019】
本発明の好ましい実施形態によれば、溶媒は、
より大きい初期脱着速度を有する。
【数3】
より大きい初期脱着速度を有する。
【0020】
より好ましくは、本発明において、溶媒は、
より大きい初期脱着速度を有する。
【数4】
より大きい初期脱着速度を有する。
【0021】
本発明の好ましい実施形態によれば、溶媒は、
より大きいサイクル容量を有する。
【数5】
より大きいサイクル容量を有する。
【0022】
より好ましくは、本発明において、溶媒は、
より大きいサイクル容量を有する。
【数6】
より大きいサイクル容量を有する。
【0023】
本発明の好ましい実施形態によれば、溶媒は、１１０℃で０のリーン負荷（ｌｅａｎ ｌｏａｄｉｎｇ）を有する。
【0024】
本発明の好ましい実施形態によれば、溶媒は、３０℃で１０ｍＰａ・ｓ未満の粘度を有する。
【0025】
本発明の好ましい実施形態によれば、溶媒は、室温で９．５～１１．０ｐＫａの範囲のアルカリ度を有する。
【0026】
本発明の一態様によれば、ガス状混合物から二酸化炭素を抽出するための溶媒であって、ＤＥＡＥ、ＨＭＤＡ、及びＰＥＩを含み、ＤＥＡＥが３．６Ｍ～４．５Ｍの範囲のモル濃度で存在し、ＨＭＤＡが０．１５Ｍ～０．５Ｍの範囲のモル濃度で存在する、溶媒が提供される。
【0027】
より好ましくは、本発明において、ＤＥＡＥは３．３Ｍ～３．９Ｍの範囲のモル濃度で存在し、ＨＭＤＡは０．３Ｍ～０．５Ｍの範囲のモル濃度で存在し、ＰＥＩは０．００５Ｍ～０．０１５Ｍの範囲のモル濃度で存在する。
【0028】
最も好ましくは、本発明では、ＰＥＩは０．０１Ｍのモル濃度で存在する。
【0029】
本発明の一態様によれば、炭素捕捉を実行する方法であって、煙道ガス排出源から二酸化炭素を含む煙道ガスを収集するステップと、収集された煙道ガスを、当該煙道ガス中に存在する当該二酸化炭素ガスの少なくとも一部を除去するのに十分な期間、本発明の好ましい実施形態による溶媒に曝露するステップとを含む、方法が提供される。
【0030】
本発明の一態様によれば、炭素捕捉を実行する方法を実行するように構成された構成要素を含む炭素捕捉を実行するための装置であって、煙道ガス排出源からの二酸化炭素を含む煙道ガスを収集するステップと、収集された煙道ガスを、当該煙道ガス中に存在する当該二酸化炭素ガスの少なくとも一部を除去するのに十分な期間、本発明の好ましい実施形態による溶媒に曝露するステップとを含む装置が提供される。
【0031】
本発明の一態様によれば、炭素捕捉を実行する方法を実行するように構成された構成要素を含む炭素捕捉を実行するためのシステムであって、煙道ガス排出源から二酸化炭素を含む煙道ガスを収集するステップと、収集された煙道ガスを、当該煙道ガス中に存在する当該二酸化炭素ガスの少なくとも一部を除去するのに十分な期間、本発明の好ましい実施形態による溶媒に曝露するステップとを含む、システムが提供される。
【0032】
本発明の一態様によれば、炭素捕捉を実行するための本発明の好ましい実施形態による溶媒の使用が提供される。
【0033】
本発明の一態様によれば、ガス状混合物から二酸化炭素を抽出するための溶媒であって、
（ａ）化学式（Ｒ１）（Ｒ２）Ｎ（ＣｎＨ２ｎ－ＯＨ）（式中、Ｒ１及びＲ２は独立して、炭素数１～６の直鎖又は分岐鎖アルキル基であり、ｎは１～６の整数である）を有する第三級アミンである、２．０Ｍ～４．０Ｍの範囲のモル濃度の化合物Ｉと、
（ｂ）化学式ＮＨ２－（ＣｍＨ２ｍ）－ＮＨ２（式中、ｍは２～１０の整数である）を有する２つの第一級アミノ基を含む、０．１Ｍ～１．０Ｍの範囲のモル濃度の化合物ＩＩと、
（ｃ）０．００１Ｍ～０．５Ｍの範囲のモル濃度のポリエチレンイミン（ＰＥＩ）と、
（ｄ）水と
を含む、溶媒が提供される。
（ａ）化学式（Ｒ１）（Ｒ２）Ｎ（ＣｎＨ２ｎ－ＯＨ）（式中、Ｒ１及びＲ２は独立して、炭素数１～６の直鎖又は分岐鎖アルキル基であり、ｎは１～６の整数である）を有する第三級アミンである、２．０Ｍ～４．０Ｍの範囲のモル濃度の化合物Ｉと、
（ｂ）化学式ＮＨ２－（ＣｍＨ２ｍ）－ＮＨ２（式中、ｍは２～１０の整数である）を有する２つの第一級アミノ基を含む、０．１Ｍ～１．０Ｍの範囲のモル濃度の化合物ＩＩと、
（ｃ）０．００１Ｍ～０．５Ｍの範囲のモル濃度のポリエチレンイミン（ＰＥＩ）と、
（ｄ）水と
を含む、溶媒が提供される。
【0034】
本発明の好ましい実施形態によれば、化合物Ｉは、化学式（Ｒ１）（Ｒ２）Ｎ（ＣｎＨ２ｎ－ＯＨ）（式中、Ｒ１及びＲ２は独立して、２～４の炭素数を有する直鎖又は分岐鎖アルキル基である）を有する第三級アミンである。
【0035】
本発明の好ましい実施形態によれば、化合物Ｉは、化学式（Ｒ１）（Ｒ２）Ｎ（ＣｎＨ２ｎ－ＯＨ）（式中、Ｒ１及びＲ２は独立して、１～６の炭素数を有する直鎖又は分岐鎖アルキル基であり、ｎは２～４の整数である）を有する第三級アミンである。
【0036】
本発明の好ましい実施形態によれば、化合物ＩＩは、化学式ＮＨ２－（ＣｍＨ２ｍ）－ＮＨ２（式中、ｍは４～８の整数である）を有する２つの第一級アミノ基を含む。
【0037】
本発明の一態様によれば、ガス状混合物から二酸化炭素を抽出するために使用することができる溶媒が提供される。本発明の好ましい実施形態によれば、溶媒は、ジエチルアミノエタノール（ＤＥＡＥ）、ヘキサメチレンジアミン（ＨＭＤＡ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、及び水の１つ以上を含む。
【0038】
いくつかの好ましい実施形態では、ＤＥＡＥのモル濃度は２．０Ｍ～４．０Ｍの範囲である。いくつかの好ましい実施形態では、ＨＭＤＡのモル濃度は０．１Ｍ～１．０Ｍの範囲である。いくつかの好ましい実施形態では、ＰＥＩのモル濃度は０．００１Ｍ～０．５Ｍの範囲である。いくつかの好ましい実施形態では、溶媒の総モル濃度は、２．１０１Ｍ～５．５Ｍの範囲である。当業者が理解するように、溶媒の総モル濃度は、水を除いて溶媒を形成する化合物の濃度を指す。
【0039】
いくつかの好ましい実施形態では、溶媒は、ジエチルアミノエタノール（ＤＥＡＥ）、ヘキサメチレンジアミン（ＨＭＤＡ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、及び水から本質的になる。いくつかの好ましい実施形態では、ＤＥＡＥのモル濃度は３．６Ｍであり、ＨＭＤＡのモル濃度は０．４Ｍであり、ＰＥＩのモル濃度は０．０１Ｍである。
【0040】
本発明の好ましい実施形態によれば、ＰＥＩは分岐鎖ＰＥＩである。本発明の好ましい実施形態によれば、ＰＥＩのモル質量は、４００ｇ／ｍｏｌ～１２００ｇ／ｍｏｌの範囲である。好ましくは、ＰＥＩのモル質量は、６００ｇ／ｍｏｌ～１０００ｇ／ｍｏｌの範囲である。いくつかの好ましい実施形態では、ＰＥＩのモル質量は約８００ｇ／ｍｏｌである。
【0041】
いくつかの好ましい実施形態では、ＰＥＩは、ＣＡＳ登録番号ＣＡＳ＃２５９８７－０６－８を有する。
【0042】
いくつかの好ましい実施形態では、溶媒は、３０℃で１０ｍＰａ・ｓ未満の粘度を有する。いくつかの好ましい実施形態では、溶媒は、室温で９．５～１１．０ｐＫａの範囲のアルカリ度を有する。
【0043】
有利には、溶媒のいくつかの好ましい実施形態は、ＭＥＡの熱負荷よりも約３．８５倍低い熱負荷を有し得る。例えば、溶媒のいくつかの好ましい実施形態は、約１６０ｋＪ／ｍｏｌ ＣＯ２（例えば、約１３８．９ｋＪ／ｍｏｌ ＣＯ２未満）未満の熱負荷を有し得る。これにより、溶媒を使用する炭素捕捉方法、システム及び／又は装置のエネルギー投入コスト及び運転コストを大幅に削減することができる。
【0044】
有利には、溶媒のいくつかの好ましい実施形態は、ＭＥＡの初期吸収速度よりも約３７％高い初期吸収速度を有し得る。例えば、溶媒のいくつかの好ましい実施形態は、
より大きい初期吸収速度を有し得る。これにより、溶媒を使用する炭素捕捉システム及び／又は装置のサイズ及び／又はコストを低減することができる。
【数7】
より大きい初期吸収速度を有し得る。これにより、溶媒を使用する炭素捕捉システム及び／又は装置のサイズ及び／又はコストを低減することができる。
【0045】
有利には、溶媒のいくつかの好ましい実施形態は、ＭＥＡの初期脱着速度よりも約３．８５倍大きい初期脱着速度を有し得る。例えば、溶媒のいくつかの好ましい実施形態は、
より大きい初期脱着速度を有し得る。これにより、溶媒を使用する炭素捕捉システム及び／又は装置のサイズ及び／又はコストを低減することができる。
【数8】
より大きい初期脱着速度を有し得る。これにより、溶媒を使用する炭素捕捉システム及び／又は装置のサイズ及び／又はコストを低減することができる。
【0046】
有利には、溶媒のいくつかの好ましい実施形態は、ＭＥＡのサイクル容量よりも８５％高いサイクル容量を有し得る。例えば、溶媒のいくつかの好ましい実施形態は、
より大きいサイクル容量を有し得る。これにより、炭素捕捉プロセスに必要な溶媒の体積を減少させ、溶媒を使用する炭素捕捉システム及び／又は装置のサイズ及び／又はコストを減少させることができる。
【数9】
より大きいサイクル容量を有し得る。これにより、炭素捕捉プロセスに必要な溶媒の体積を減少させ、溶媒を使用する炭素捕捉システム及び／又は装置のサイズ及び／又はコストを減少させることができる。
【0047】
有利には、溶媒のいくつかの好ましい実施形態は、１１０℃で約０のリーン負荷を有し得る。これは、より低い相対温度で捕捉されたＣＯ２のほぼ完全な放出を達成するのに役立つことができ、これは、溶媒を使用するエネルギー要求システム及び／又は装置をさらに低減することが予想される。
【0048】
本発明の好ましい実施形態によれば、溶媒は、以下の特性：１６０ｋＪ／ｍｏｌ ＣＯ２未満の熱負荷、
より大きい初期吸収速度、
より大きい初期脱着速度、
より大きいサイクル容量、１１０℃で０のリーン負荷、３０℃で１０ｍＰａ・ｓ未満の粘度、及び室温で９．５～１１．０ｐＫａの範囲のアルカリ度、のうちのいずれか１つ以上を有し得る。
【数10】
より大きい初期吸収速度、
【数11】
より大きい初期脱着速度、
【数12】
より大きいサイクル容量、１１０℃で０のリーン負荷、３０℃で１０ｍＰａ・ｓ未満の粘度、及び室温で９．５～１１．０ｐＫａの範囲のアルカリ度、のうちのいずれか１つ以上を有し得る。
【0049】
本発明の好ましい実施形態によれば、溶媒は、以下の特性：１３８．９ｋＪ／ｍｏｌ ＣＯ２未満の熱負荷、
より大きい初期吸収速度、
より大きい初期脱着速度、
より大きいサイクル容量、１１０℃で０のリーン負荷、３０℃で１０ｍＰａ・ｓ未満の粘度、及び室温で９．５～１１．０ｐＫａの範囲のアルカリ度、のうちのいずれか１つ以上を有し得る。
【数13】
より大きい初期吸収速度、
【数14】
より大きい初期脱着速度、
【数15】
より大きいサイクル容量、１１０℃で０のリーン負荷、３０℃で１０ｍＰａ・ｓ未満の粘度、及び室温で９．５～１１．０ｐＫａの範囲のアルカリ度、のうちのいずれか１つ以上を有し得る。
【0050】
本発明の別の態様は、炭素捕捉を実行する方法に関する。この方法は、煙道ガス排出源から煙道ガスを収集することと、収集された煙道ガスを本明細書に記載の溶媒と反応させることとを含む。
【0051】
本発明の他の態様は、炭素捕捉を実行するためのシステムに関する。好ましくは、そのようなシステムは、本明細書に記載の溶媒を使用して炭素捕捉を実行する方法を実行するように構成された構成要素を含む。本発明の他の態様は、炭素捕捉を実行するための装置に関する。好ましくは、そのような装置は、本明細書に記載の溶媒を使用して炭素捕捉を実行する方法を実行するように構成された構成要素を含む。
【0052】
本発明の別の態様は、煙道ガス排出源から二酸化炭素を含む煙道ガスを収集し、収集された煙道ガスを、当該煙道ガス中に存在する当該二酸化炭素ガスの少なくとも一部を除去するのに十分な期間、当該溶媒に曝露することによって炭素捕捉を実行するための、本発明の好ましい実施形態による溶媒の使用に関する。
【0053】
本発明のさらなる態様は、以下の説明を考慮すると明らかになるであろう。
本発明の実施形態の特徴及び利点は、添付の図面と組み合わせて以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
本発明の実施形態の特徴及び利点は、添付の図面と組み合わせて以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】本発明の好ましい実施形態による炭素捕捉の方法を示すフローチャートである。
【図2】本発明の様々な例示的な溶媒の吸収及び脱着特性を測定するために本発明者らによって使用される実験設定を示す図である。
【図4】ベースラインＭＥＡ溶媒と比較した、本発明の様々な例示的溶媒の吸収性能及び脱着性能のプロットである。
【図5】本発明の様々な例示的溶媒のアミン分解及びＮＨ３排出を評価するために使用される実験設定を示す図である。
【図6】本発明の様々な例示的溶媒の実験的に測定されたＮＨ３排出プロファイルを示す図である。
【図7】１８０時間分解後の様々な溶媒の時間平均ＮＨ３排出量を示す図である。
【図8】本発明の様々な例示的溶媒の実験的に測定された分解対時間プロファイルを示す図である。
【図9】本発明の様々な例示的溶媒の分解速度を比較する棒グラフである。
【図10A】１１０℃での３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒及びＭＥＡ溶媒の温度プロファイルの比較を示すグラフである。
【図10B】１２０℃での３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒及びＭＥＡ溶媒の温度プロファイルの比較を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0055】
以下の説明及びそこに記載される実施形態は、本発明の原理の特定の実施形態の例（複数可）の例示として提供される。本発明の以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、限定ではなく説明の目的で、多数の例が提供され、特定の詳細が記載される。当業者は、周知の方法、手順及び／又は構成要素が、問題の発明に焦点を合わせて説明されないことを容易に理解するであろう。したがって、場合によっては、本発明を不明瞭にしないために、特定の構造及び技術は詳細に記載又は示されていない。
【0056】
炭素捕捉プロセスにおけるアミンの性能（例えば、アミン分解に対する耐性及びその結果生じる排出）は、アミンの官能基及びそれらがアミン構造中にどのように配置されるかに大きく依存し得ることが判明した。異なるアミン中の異なる官能基の化学構造的位置及びＣＯ２吸収及び脱着速度、ＣＯ２サイクル容量、熱負荷、アミン分解、オフガス排出（具体的にはＮＨ３）、腐食及び発泡に対するそれらの効果を記録し、評価した。所与の溶媒中の成分の相互作用は、溶媒の全体的な性能に影響を及ぼし得ることに留意されたい。炭素捕捉に使用される既知の溶媒よりも優れた新規溶媒系を開発するために、可能性のある相互作用に基づく所与の炭素捕捉溶媒の様々な成分の慎重な選択を試みた。
【0057】
上記の知識に照らして、本明細書の他の箇所でより詳細に説明するように、本発明者らは、炭素捕捉用途で使用される従来の溶媒（例えば５Ｍ ＭＥＡ）よりも実質的に優れた溶媒組成物を実行するために、配合し、減量した。文脈がそうでないことを指示しない限り、そのような溶媒組成物は、本明細書において溶媒と称され得る。本明細書で使用される場合、溶媒という用語は、化合物、又は複数の化合物のブレンドもしくは混合物（すなわち、「溶媒ブレンド」もしくは「溶媒混合物」）であり得る。本明細書に記載の炭素捕捉溶媒は、典型的には、本明細書で「化合物Ｉ」と呼ばれ得る第１の化合物及び／又は本明細書で「化合物ＩＩ」と呼ばれ得る第２の化合物を含む。当業者はまた、溶媒が液体、より好ましくは均質な液体を指すことを意味することを理解するであろう。
【0058】
本発明の好ましい実施形態によれば、化合物Ｉは、化学式（Ｒ１）（Ｒ２）Ｎ（ＣｎＨ２ｎ－ＯＨ）（式中、Ｒ１及びＲ２は独立して、１～６、好ましくは２～４の炭素数を有する直鎖又は分岐鎖アルキル基であり、ｎは１～６、好ましくは２～４の整数である）を有する第三級アミンである。本発明の好ましい実施形態によれば、化合物Ｉは、例えば、ジエチルアミノエタノールであり得る。
【0059】
本明細書で使用される場合、「ジエチルアミノエタノール」又は「ＤＥＡＥ」という用語は、そのアミノ窒素が２個のエチル基及び１個のエチル－アミノ基に結合している第三級アミンを指す。具体的には、２つのエチル置換基は、分子のアミノ窒素に追加の電子密度を提供する電子供与特性を有する。アミノ基反応中心上の電子が豊富であると、ＣＯ２及びアミンの反応性を高めることができる。したがって、ＤＥＡＥのアミノ窒素に供給される追加の電子は、ＣＯ２とのその反応吸収速度を増加させる。有利には、ＤＥＡＥの吸収速度は、分子がより弱い電子供与性メチル置換基のみを含有するＭＤＥＡなどの従来の第三級アミンの吸収速度よりも速い。
【0060】
有利には、ＤＥＡＥはまた、速いＣＯ２脱着速度を有する。速い脱着速度はまた、アミン構造上の２つのエチル置換基に起因し得る。ＤＥＡＥは第三級アミンであるため、ビカルボナート（ＨＣＯ３
－）及びカルボナート（ＣＯ３
２－）は吸収反応からのみ形成される。２つのアニオン性生成物の負電荷のために、それらはまた、溶液中でも生成されたプロトン化アミンにも引き付けられる。このような引力は、アミンの脱着能力を決定し、帯電した化学種間の静電引力が弱いほど、脱着速度が良好かつ速くなる。ＤＥＡＥの場合、電子供与特性を有する２つのエチル置換基の存在は、イオン引力を弱める。２つのエチル置換基によってプロトン化アミンの窒素に供給された電子は、ＨＣＯ３
－及びＣＯ３
２を反発させる。反発は、２つのイオン種の分子破壊をもたらし、その後ＣＯ２を放出する。対照的に、ＭＤＥＡなどの従来の第三級アミンは、そのプロトン化構成成分と２つのカルボナートとの間の引力を弱める同じ能力を有さない（すなわち、メチル基が窒素に同じ電子密度をあまり効率的に提供することができないために、脱着プロセスはあまり効果的でない）。
【0061】
本発明の好ましい実施形態によれば、化合物ＩＩは、化学式ＮＨ２－（ＣｍＨ２ｍ）－ＮＨ２（式中、ｍは２～１０、好ましくは４～８の整数である）を含有する２つの第一級アミノ基を含有する。本発明の好ましい実施形態によれば、化合物ＩＩは、例えば、ヘキサメチレンジアミンであり得る。
【0062】
本明細書で使用される場合、「ヘキサメチレンジアミン」又は「ＨＭＤＡ」という用語は、その分子が６個の炭素によって互いに接続された２つの第一級アミノ基を含むジアミンを指す。ＨＭＤＡ構造中の両方の第一級アミノ基は、ＣＯ２吸収反応が起こるための最大２つの活性部位を提供することができる。これはまた、１分子のＨＭＤＡが最大２分子のＣＯ２をとることができることを意味する。ＭＥＡなどの従来の第一級アミンと比較して、ＭＥＡ分子上の反応の反応部位の数へのＣＯ２アクセスは１つに制限され、したがって吸収反応は１分子のＣＯ２あたり１分子のＭＥＡベースでのみ起こる。したがって、ＨＭＤＡは、ＭＥＡから得られたものからサイクルあたりのＣＯ２吸収量を増加させるのに役立つ。
【0063】
本発明の好ましい実施形態によれば、本明細書に記載の炭素捕捉溶媒はまた、上記の化合物Ｉ及び／又は化合物ＩＩに加えて１つ以上の追加の化合物を含んでもよい。例えば、本明細書に記載の炭素捕捉溶媒は、ポリエチレンイミンを含み得る。
【0064】
本明細書で使用される場合、「ポリエチレンイミン」又は「ＰＥＩ」という用語は、その構造が（ａ）分岐鎖ポリマー構造に包まれた第一級、第二級及び第三級アミンの複数の基、（ｂ）分岐鎖ポリマー構造に包まれた第一級及び第三級アミンの複数の基、又は（ｃ）直鎖ポリマー構造中の第二級アミンの複数の基を含有するポリマーアミンを指す。本発明のいくつかの実施形態では、第一級、第二級、第三級アミノ基の全てを有する分岐鎖ポリエチレンイミンが好ましい。ＰＥＩの吸収特性は、その第一級及び第二級アミノ基から利益を得るが、第二級及び第三級アミノ基はＣＯ２の脱着を促進する。本発明の好ましい実施形態によれば、ＰＥＩは、吸収反応においてＣＯ２に対して親和性を有する最大１５個の活性アミノ基を有する。これは、ＰＥＩのアミン１分子当たりに捕捉されるＣＯ２量が、ＣＯ２容量がそれぞれ０．５及び１に制限されることが知られているＭＥＡ及びＭＤＥＡのような従来のアミンのＣＯ２量をはるかに超えることができることを意味する。したがって、ＰＥＩのＣＯ２捕捉能力は、単一アミンのＣＯ２捕捉能力よりも数倍大きくなり得る。
【0065】
本発明の好ましい実施形態によれば、炭素捕捉溶媒は、ジエチルアミノエタノール（ＤＥＡＥ）、ヘキサメチレンジアミン（ＨＭＤＡ）、及びポリエチレンイミン（ＰＥＩ）のうちの１つ以上を含む。例えば、炭素捕捉溶媒ブレンドは、ジエチルアミノエタノール（ＤＥＡＥ）、ヘキサメチレンジアミン（ＨＭＤＡ）、及びポリエチレンイミン（ＰＥＩ）のうちの１つ以上を含む水溶液であり得る。
【0066】
いくつかの実施形態では、溶媒は、２．０Ｍ～４．０Ｍ（例えば、２．０Ｍ、２．０５Ｍ、２．１０Ｍ、２．１５Ｍ、２．２０Ｍ、２．２５Ｍ、２．３０Ｍ、２．３５Ｍ、２．４０Ｍ、２．４５Ｍ、２．５０Ｍ、２．５５Ｍ、２．６０Ｍ、２．６５Ｍ、２．７０Ｍ、２．７５Ｍ、２．８０Ｍ、２．８５Ｍ、２．９０Ｍ、２．９５Ｍ、３．００Ｍ、３．０５Ｍ、３．１０Ｍ、３．１５Ｍ、３．２０Ｍ、３．２５Ｍ、３．３０Ｍ、３．３５Ｍ、３．４０Ｍ、３．４５Ｍ、３．５０Ｍ、３．５５Ｍ、３．６０Ｍ、３．６５Ｍ、３．７０Ｍ、３．７５Ｍ、３．８０Ｍ、３．８５Ｍ、３．９０Ｍ、３．９５Ｍ、４．００Ｍ、又はそれらの間の任意の値）の範囲のモル濃度のＤＥＡＥを含む。
【0067】
いくつかの実施形態では、溶媒は、０．１０Ｍ～１．００Ｍ（例えば、０．１０Ｍ、０．１５Ｍ、０．２０Ｍ、０．２５Ｍ、０．３０Ｍ、０．３５Ｍ、０．４０Ｍ、０．４５Ｍ、０．５０Ｍ、０．５５Ｍ、０．６０Ｍ、０．６５Ｍ、０．７０Ｍ、０．７５Ｍ、０．８０Ｍ、０．８５Ｍ、０．９０Ｍ、０．９５Ｍ、１．００Ｍ、又はそれらの間の任意の値）の範囲のモル濃度のＨＭＤＡを含む。
【0068】
いくつかの実施形態では、溶媒は、０．００５Ｍ～０．５０Ｍ（例えば、０．００５Ｍ、０．０１Ｍ、０．０１５Ｍ、０．０２Ｍ、０．０２５Ｍ、０．０３Ｍ、０．０３５Ｍ、０．０４Ｍ、０．０４５Ｍ、０．０５Ｍ、０．１０Ｍ、０．１５Ｍ、０．２０Ｍ、０．２５Ｍ、０．３０Ｍ、０．３５Ｍ、０．４０Ｍ、０．４５Ｍ、０．５０Ｍ、又はそれらの間の任意の値）の範囲のモル濃度のＰＥＩを含む。
【0069】
いくつかの実施形態では、溶媒は、約７５０Ｄａ～約８５０Ｄａ（例えば、８００Ｄａ）の分子量を有するＰＥＩを含む。いくつかの実施形態では、溶媒中のＰＥＩの繰り返し単位の数は、約１．５である。場合によっては、ＰＥＩのモル質量が高すぎると、溶媒が粘性になりすぎ、場合によっては炭素捕捉用途に最適でなくなる可能性がある。
【0070】
いくつかの実施形態では、溶媒は、５．５Ｍ以下の総モル濃度を有する（すなわち、それを超えると沈殿の問題及び相分離の問題が発生する可能性がある）。いくつかの実施形態では、溶媒は、約４．０Ｍ（例えば、±０．０１Ｍ以内）の総モル濃度を有する。いくつかの実施形態では、溶媒は、３．６Ｍ ＤＥＡＥ、０．４Ｍ ＨＭＤＡ、及び０．０１Ｍ ＰＥＩ（例えば、ＤＥＡＥ、ＨＭＤＡ及びＰＥＩの各々について±０．００１Ｍ以内）を含む。
【0071】
いくつかの実施形態では、溶媒は、１１０℃で約０のリーン負荷を有する（すなわち、０に近いリーン負荷を達成しながら、溶媒を比較的低い温度で使用できることを意味する）。
【0072】
いくつかの実施形態では、溶媒は、３０℃で１０ｍＰａ・ｓ未満（例えば、３０℃で９．５ｍＰａ・ｓ、９．０ｍＰａ・ｓ、８．５ｍＰａ・ｓ、８．０ｍＰａ・ｓ、７．５ｍＰａ・ｓ、７．０ｍＰａ・ｓ、６．５ｍＰａ・ｓ、６．０ｍＰａ・ｓ、５．５ｍＰａ・ｓ、５．０ｍＰａ・ｓ、４．５ｍＰａ・ｓ、４．０ｍＰａ・ｓ、３．５ｍＰａ・ｓ、３．０ｍＰａ・ｓ、２．５ｍＰａ・ｓ、２．０ｍＰａ・ｓ、１．５ｍＰａ・ｓ、１．０ｍＰａ・ｓ、又はそれらの間の任意の値）の粘度を有する。
【0073】
いくつかの実施形態では、溶媒は、室温で９．５～１１．０ｐＫａの範囲（例えば、室温で９．５５ｐＫａ、９．６０ｐＫａ、９．６５ｐＫａ、９．７０ｐＫａ、９．７５ｐＫａ、９．８０ｐＫａ、９．８５ｐＫａ、９．９０ｐＫａ、９．９５ｐＫａ、１０．００ｐＫａ、１０．０５ｐＫａ、１０．１０ｐＫａ、１０．１５ｐＫａ、１０．２０ｐＫａ、１０．２５ｐＫａ、１０．３０ｐＫａ、１０．３５ｐＫａ、１０．４０ｐＫａ、１０．４５ｐＫａ、１０．５０ｐＫａ、１０．５５ｐＫａ、１０．６０ｐＫａ、１０．６５ｐＫａ、１０．７０ｐＫａ、１０．７５ｐＫａ、１０．８０ｐＫａ、１０．８５ｐＫａ、１０．９０ｐＫａ、１０．９５ｐＫａ、又はそれらの間の任意の値）のアルカリ度を有する。
【0074】
窒素反応部位の周りの電子密度を増加させる官能基は、ＣＯ２吸収速度を増加させることができることに留意されたい。場合によっては、利用可能な窒素反応部位の数が増加したため、複数のアミン基を有するアミンもＣＯ２吸収速度を増加させることが認められた。さらに、アミノ基の数が多いと、アミンのＣＯ２吸収能力が増加することが認められた。この知識に基づいて、溶媒ブレンド中にＨＭＤＡなどのジアミンを含めると、速いＣＯ２吸収速度論の利点を提供することができると評価された。
【0075】
驚くべきことに、予想外にも、複数のアミンポリマーであるＰＥＩが、溶媒ブレンドに含まれる場合、炭素捕捉及び隔離に使用するための溶媒品質を実質的に改善することが発見された。本発明の好ましい実施形態によれば、約１５個のアミン基を有する分岐鎖ＰＥＩは、溶媒ブレンドのＣＯ２吸収速度論及びＣＯ２担持能力を増加させた。ＰＥＩは非常に粘性の高いアミンであり、好ましくは約０．３Ｍ以下の濃度で使用することができる。
【0076】
本発明の好ましい実施形態によれば、溶媒ブレンドの脱着態様に取り組むために、脱着能力が高い成分を溶媒に組み込んだ。一般的に高い脱着性能を有することが知られている第三級アミンは、中心窒素原子上に水素原子が存在しないため、吸収性能が低いことが認められた。これを考慮して、その構造が従来の第三級アミンよりも速くＣＯ２を吸収することを可能にすることができる第三級アミンを溶媒に組み込んだ。中心窒素原子上に置換された２つのエチル基の存在は、その電子密度、したがってＣＯ２に対するその反応性を増加させることが判明した。これを達成するために、非常に高い剥離能力及び適切な構造を有する化合物であるＤＥＡＥを溶媒ブレンドの一部として組み込んだ。一つにはその比較的粘性が低い性質のために、ＤＥＡＥを比較的高濃度で使用して、その固有の特性に基づいて混合物全体に相乗的利益を提供することができる。
【0077】
本発明の好ましい実施形態によれば、本明細書に記載の溶媒は、炭素捕捉プロセスで使用される従来の溶媒よりも改善された性能を提供する。例えば、本明細書に記載のいくつかの溶媒ブレンドは、従来のＭＥＡ溶媒よりも最大約３７％高い初期ＣＯ２吸収速度を提供する（例えば、以下に記載される溶媒２３は、５Ｍ ＭＥＡよりも高い初期ＣＯ２吸収速度を有した）。別の例として、本明細書に記載のいくつかの溶媒ブレンドは、従来のＭＥＡ溶媒の初期ＣＯ２脱着速度よりも最大約３．８５倍高い初期ＣＯ２脱着速度を提供する。別の例として、本明細書に記載のいくつかの溶媒ブレンドは、従来のＭＥＡ溶媒よりも最大約８５％高いサイクル容量を提供する。別の例として、本明細書に記載のいくつかの溶媒ブレンドは、従来のＭＥＡ溶媒よりもはるかに低いＮＨ３排出速度を有する。
【0078】
本明細書に記載の好ましい溶媒によって提供される他の追加の非限定的な利点は、他の既知の組成物の特定の特性を参照して以下により詳細に記載される。
・ＨＭＤＡがその混合物において遭遇する溶解度の問題を解決し、それによってＰＺがより多くのＣＯ２を吸収するためのモル濃度を広げるのに役立つＨＭＤＡ－ＰＺ溶媒と比較して、本明細書に記載の溶媒は、促進剤としてＨＭＤＡを使用し、それによって吸収速度を増加させる。
・ＤＥＡＥを促進剤として使用した他の溶媒配合物と比較して、ＤＥＡＥを本明細書に記載の溶媒ブレンドの主成分として使用して、ＣＯ２取り込み容量を増加させ、脱着性能を高めて、低温で０に近いリーン負荷を達成した。
・ＤＥＡＥが果たす役割が明確に定義されていない他の溶媒配合物と比較して、本明細書に記載の溶媒中のＤＥＡＥの役割は、ＣＯ２取り込み容量を増加させ、粘度低下剤として作用し、優れた脱着性能を提供して、低温で０に近いリーン負荷を達成する役割を果たす。
・吸収プロセスが１ｂａｒ以上で提供されること、及び／又は脱着プロセスが０．０１ｂａｒ以上で提供されることを必要とする他の溶媒配合物（すなわち、他の溶媒配合物は、加圧ＣＯ２捕捉システムを必要とし得る）と比較して、本明細書に記載の溶媒は、大気圧及び加圧ＣＯ２吸収システムの両方で使用することができる。
・ＣＯ２取り込み速度を増加させるための促進剤としてＤＥＡＥを使用した他の溶媒配合物（例えば、ＤＥＡＥ、ＰＺ又はその誘導体、及びアルカリ塩を含む溶媒組成物）と比較して、本明細書に記載の溶媒は、それらの固有の特性に基づいて混合物全体に相乗的利益を提供するＨＭＤＡ及び／又はＰＥＩを含み得る（すなわち、従来の溶媒混合物に対するＤＥＡＥの寄与、ならびに他の成分、ＰＺ及び／又はアルカリ塩とのその相互作用は、従来使用されているものとは全く異なる２つの溶媒を含有する本明細書に記載の溶媒混合物におけるものとは異なる）。
・ＨＭＤＡがその混合物において遭遇する溶解度の問題を解決し、それによってＰＺがより多くのＣＯ２を吸収するためのモル濃度を広げるのに役立つＨＭＤＡ－ＰＺ溶媒と比較して、本明細書に記載の溶媒は、促進剤としてＨＭＤＡを使用し、それによって吸収速度を増加させる。
・ＤＥＡＥを促進剤として使用した他の溶媒配合物と比較して、ＤＥＡＥを本明細書に記載の溶媒ブレンドの主成分として使用して、ＣＯ２取り込み容量を増加させ、脱着性能を高めて、低温で０に近いリーン負荷を達成した。
・ＤＥＡＥが果たす役割が明確に定義されていない他の溶媒配合物と比較して、本明細書に記載の溶媒中のＤＥＡＥの役割は、ＣＯ２取り込み容量を増加させ、粘度低下剤として作用し、優れた脱着性能を提供して、低温で０に近いリーン負荷を達成する役割を果たす。
・吸収プロセスが１ｂａｒ以上で提供されること、及び／又は脱着プロセスが０．０１ｂａｒ以上で提供されることを必要とする他の溶媒配合物（すなわち、他の溶媒配合物は、加圧ＣＯ２捕捉システムを必要とし得る）と比較して、本明細書に記載の溶媒は、大気圧及び加圧ＣＯ２吸収システムの両方で使用することができる。
・ＣＯ２取り込み速度を増加させるための促進剤としてＤＥＡＥを使用した他の溶媒配合物（例えば、ＤＥＡＥ、ＰＺ又はその誘導体、及びアルカリ塩を含む溶媒組成物）と比較して、本明細書に記載の溶媒は、それらの固有の特性に基づいて混合物全体に相乗的利益を提供するＨＭＤＡ及び／又はＰＥＩを含み得る（すなわち、従来の溶媒混合物に対するＤＥＡＥの寄与、ならびに他の成分、ＰＺ及び／又はアルカリ塩とのその相互作用は、従来使用されているものとは全く異なる２つの溶媒を含有する本明細書に記載の溶媒混合物におけるものとは異なる）。
【0079】
ＨＭＤＡは炭素捕捉に関連する用途での使用が提案されているが、既存の技術は、固体吸着剤と組み合わせてＨＭＤＡを使用すること、二相洗浄液中でＨＭＤＡを使用すること、及びＨＭＤＡをクラスタ安定剤（ｃｌｕｓｔｅｒ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ）として使用することに限定されている。
【0080】
ＰＥＩは、炭素捕捉に関連する用途での使用が提案されているが、既存の技術は、ＣＯ２吸着のためのアミン固体吸着剤におけるＰＥＩの使用に限定されている（例えば、炭素捕捉層の一部としてＰＥＩを使用し、アミンが酸化グラフェン又は非多孔質炭素などの固体材料に官能化される）。
【0081】
本発明の別の態様は、本明細書に記載の溶媒を使用する炭素捕捉の方法を提供する。図１は、好ましい実施形態による炭素捕捉を実行する方法１００を示すフローチャートである。方法１００は、ステップ１０００で開始し、そこで煙道ガスが１つ以上のＣＯ２源（例えば、産業施設、プラント、機械、エンジンなど）から収集される。煙道ガスは、ステップ１０００において任意の適切な方法を使用して収集することができる。ステップ１０００で煙道ガスを収集した後、方法１００はステップ１１００に進む。ステップ１１００において、溶媒を収集された煙道ガスと反応させて、ＣＯ２を煙道ガスの残りから分離する。溶媒は、本発明による好ましい溶媒のいずれか１つであると理解される。いくつかの実施形態では、ステップ１１００は、収集された煙道ガスを、ジエチルアミノエタノール（ＤＥＡＥ）、ヘキサメチレンジアミン（ＨＭＤＡ）、及びポリエチレンイミン（ＰＥＩ）のうちの１つ以上を含む溶媒ブレンドと反応させることを含む。いくつかの実施形態では、ステップ１１００は、収集された煙道ガスを、ジエチルアミノエタノール（ＤＥＡＥ）、ヘキサメチレンジアミン（ＨＭＤＡ）、及びポリエチレンイミン（ＰＥＩ）を含む溶媒ブレンドと反応させることを含む。いくつかの実施形態では、ステップ１１００は、収集された煙道ガスを、ジエチルアミノエタノール（ＤＥＡＥ）、ヘキサメチレンジアミン（ＨＭＤＡ）、及びポリエチレンイミン（ＰＥＩ）を含む水溶液と反応させることを含む。ステップ１１００は、収集された煙道ガスを、ジエチルアミノエタノール（ＤＥＡＥ）、ヘキサメチレンジアミン（ＨＭＤＡ）、及び／又はポリエチレンイミン（ＰＥＩ）を含む溶媒と反応させることを含むことができ、各化合物は任意の適切な濃度（例えば、本明細書に記載の任意の濃度）を有することができる。
【0082】
ステップ１１００で収集された煙道ガスを溶媒と反応させた後、方法１００は、いくつかの実施形態では、以下の任意選択のステップ（図示せず）：捕捉されたＣＯ２をリッチ溶媒から剥離除去することによって溶媒ブレンドを再生するステップ、清浄な煙道ガスを大気中に放出するステップ、剥離されたＣＯ２を地層に注入するステップなどのうちの１つ以上に進むことができる。
【0083】
本発明の他の態様は、上述の種類の炭素捕捉方法を実施するように構成され得るシステム及び／又は装置を含む。
【0084】
上記の例示的な態様に加えて、本発明を以下の例でさらに説明するが、これらは本発明の理解を助けるために記載され、その後の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲を決して限定すると解釈されるべきではない。
【0085】
例
炭素捕捉プロセスで使用するための異なる溶媒の実行可能性を評価した。実験では、所定質量のアミン／アミン類を脱イオン水と混合することによって、様々なアミン水溶液を所望の条件に調製した。アミン／アミン類は、以下の化合物：２－ジエチルアミノエタノール（ＤＥＡＥ）、ヘキサメチレンジアミン（ＨＭＤＡ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ、分岐鎖）、２－ジメチルアミノエタノール（ＤＭＡＥ）、及びモノエタノールアミン（ＭＥＡ）の１つ以上を含んでいた。
炭素捕捉プロセスで使用するための異なる溶媒の実行可能性を評価した。実験では、所定質量のアミン／アミン類を脱イオン水と混合することによって、様々なアミン水溶液を所望の条件に調製した。アミン／アミン類は、以下の化合物：２－ジエチルアミノエタノール（ＤＥＡＥ）、ヘキサメチレンジアミン（ＨＭＤＡ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ、分岐鎖）、２－ジメチルアミノエタノール（ＤＭＡＥ）、及びモノエタノールアミン（ＭＥＡ）の１つ以上を含んでいた。
【0086】
実験では、１Ｍ塩酸（ＨＣｌ、Ｆｉｓｈｅｒ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）をメチルオレンジを指示薬として滴定に使用して、アミン溶液の濃度及び溶液のＣＯ２負荷を確認した。実験では、硫酸（Ｈ２ＳＯ４、＞６７％、Ｆｉｓｈｅｒ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）を使用して、アミン分解反応から放出されたオフガス中のＮＨ３を収集するためのインピンジャー溶液を調製した。１００％ ＣＯ２、１００％ Ｏ２、空気、及び１００％ Ｎ２の研究グレードは全て工業グレードであり、Ｌｉｎｄｅ（Ｒｅｇｉｎａ、Ｓａｓｋａｔｃｈｅｗａｎ、カナダ）から供給された。実験で使用された所望の供給ガス濃度は、質量流量計（Ｃｏｌｅ－Ｐａｒｍｅｒ、カナダ）によって調整及び制御された、そのような実験に必要な個々のガスの所定の体積流量を混合することによって本発明者らによって得られた。混合ガス流中の全ての成分の最終濃度は、赤外線ベースのマルチガス分析器（Ｎｏｖａ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、カナダ）を使用して本発明者らによって確認された。
【0087】
実験で使用した溶媒の組成を以下の表１に示す：
【表1】
【0088】
例１－吸収実験
溶媒のＣＯ２吸収速度を評価し、表１に列挙した。図２に示す装置を用いて実験を行い、ＣＯ２吸収速度を評価した。装置は、中央首部に設置された凝縮器、アミン溶液温度測定のための一方の首部の温度計、及びガスを供給するための他方の首部のガス分散管を備えた３つ口丸底フラスコを有する。
溶媒のＣＯ２吸収速度を評価し、表１に列挙した。図２に示す装置を用いて実験を行い、ＣＯ２吸収速度を評価した。装置は、中央首部に設置された凝縮器、アミン溶液温度測定のための一方の首部の温度計、及びガスを供給するための他方の首部のガス分散管を備えた３つ口丸底フラスコを有する。
【0089】
各吸収実験の開始時に、アミン溶液が４０±℃の温度に達するように、フラスコに含有される１５０ｍｌの調製アミン溶液を油浴に完全に浸漬した。次いで、ガス（４％ ＣＯ２及び９６％ Ｎ２）を、３００ｍｌ／分（±２の精度）の一定流量でガス分散管を通して溶液にバブリングした。次いで、試料を最初の１時間は１０分の一定間隔で採取し、次いで９時間の最後まで３０分間隔で採取した。９時間目に記録された最終負荷をリッチ負荷（ｒｉｃｈ ｌｏａｄｉｎｇ）とした。試料を、各期間におけるＣＯ２負荷を得るためにＣｈｉｔｔｉｃｋ装置を使用して分析し、ＣＯ２負荷対時間のプロットをデータに基づいて生成した。
【0090】
吸収プロファイルの線形部分の勾配を使用して初期吸収速度（ｍｏｌ ＣＯ２／溶液のＬ）を確立し、これは本質的に勾配に総アミン濃度を乗算したものである。初期吸収速度は、勾配にアミン濃度を乗算することにより計算される。例えば、５Ｍ ＭＥＡの吸収プロファイルを図３Ａに示し、そのような溶液の初期吸収速度を以下の式（１）に示すように計算する。
【数16】
【0091】
様々な異なる溶媒のＣＯ２吸収速度及びリッチ負荷を以下の表２に列挙する。
【0092】
例２－脱着実験
溶媒のＣＯ２脱着速度も評価し、表１に列挙した。脱着実験では、吸収実験から得られたリッチアミン溶液から既知の体積（７６ｍｌ）を測定した。吸収実験に使用したのと同じ設定をこの実験に使用した。しかし、この実験では、図１に示すガス分散管を取り外し、首部を密封した。脱着実験の開始時に、フラスコを予熱した油浴に完全に浸漬し、１１０±２℃の脱着温度に到達させた。加熱時間は約５分であった。約４、５、７、９、１２及び２０分でフラスコから試料を採取した。その後、１１０℃で平衡に達するまで１０分間隔で試料を採取し、リーン負荷を得た。
溶媒のＣＯ２脱着速度も評価し、表１に列挙した。脱着実験では、吸収実験から得られたリッチアミン溶液から既知の体積（７６ｍｌ）を測定した。吸収実験に使用したのと同じ設定をこの実験に使用した。しかし、この実験では、図１に示すガス分散管を取り外し、首部を密封した。脱着実験の開始時に、フラスコを予熱した油浴に完全に浸漬し、１１０±２℃の脱着温度に到達させた。加熱時間は約５分であった。約４、５、７、９、１２及び２０分でフラスコから試料を採取した。その後、１１０℃で平衡に達するまで１０分間隔で試料を採取し、リーン負荷を得た。
【0093】
除去可能なＣＯ２の大部分がその部分内で除去されたため、脱着の線形部分の勾配を決定することによって初期脱着速度を計算した。例えば、５Ｍ ＭＥＡの脱着プロファイルを図３Ｂに示し、初期脱着速度を、勾配に下記式（２）に示されるアミン濃度を乗算することによって計算した：
【数17】
【0094】
様々な異なる溶媒のＣＯ２脱着速度を以下の表２に列挙する。
【0095】
例３－熱負荷決定
表１に列挙した様々な溶媒のそれぞれについて、加熱速度及びＣＯ２脱着速度に基づく溶媒の熱負荷を決定した。５分間にわたる脱着中に除去されたＣＯ２の量に対する定常状態熱伝達の比（すなわち、脱着速度論プロファイルの線形部分）を決定することによって、熱負荷を計算した。フーリエの分子熱輸送方程式（Ｆｏｕｒｉｅｒ’ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）を使用して、式（３）に示すように油浴から供給される熱を計算する。
（式中、ｑは定常状態での熱伝達速度（Ｊ／ｓ）、ｋはフラスコ材料に使用されるパイレックス（登録商標）ガラスの熱伝導速度（Ｗ／ｍ Ｋ）、Ａは熱流の方向に垂直な断面積（ｍ２）、ｄＴ／ｄｘは温度勾配（Ｋ－１ｍ－１）である）温度差ｄＴをフラスコの油温と内壁温度との差とし、ｄｘをガラス壁厚とした。次いで、式（４）を使用して熱負荷を計算した。
表１に列挙した様々な溶媒のそれぞれについて、加熱速度及びＣＯ２脱着速度に基づく溶媒の熱負荷を決定した。５分間にわたる脱着中に除去されたＣＯ２の量に対する定常状態熱伝達の比（すなわち、脱着速度論プロファイルの線形部分）を決定することによって、熱負荷を計算した。フーリエの分子熱輸送方程式（Ｆｏｕｒｉｅｒ’ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）を使用して、式（３）に示すように油浴から供給される熱を計算する。
【数18】
（式中、ｑは定常状態での熱伝達速度（Ｊ／ｓ）、ｋはフラスコ材料に使用されるパイレックス（登録商標）ガラスの熱伝導速度（Ｗ／ｍ Ｋ）、Ａは熱流の方向に垂直な断面積（ｍ２）、ｄＴ／ｄｘは温度勾配（Ｋ－１ｍ－１）である）温度差ｄＴをフラスコの油温と内壁温度との差とし、ｄｘをガラス壁厚とした。次いで、式（４）を使用して熱負荷を計算した。
【数19】
【0096】
例えば、ベースライン５Ｍ ＭＥＡの熱負荷は以下のように計算される。
【数20】
【0097】
様々な異なる溶媒の熱負荷を以下の表２に列挙する。
【0098】
例４－サイクル容量決定
表１に記載の各溶媒について、リッチ負荷、リーン負荷及びアミンのモル濃度に基づく溶媒のサイクル容量を決定した。サイクル容量とは、サイクル中にＣＯ２がどれだけ除去されたかを指す。サイクル容量は、式（５）を使用して計算される。
表１に記載の各溶媒について、リッチ負荷、リーン負荷及びアミンのモル濃度に基づく溶媒のサイクル容量を決定した。サイクル容量とは、サイクル中にＣＯ２がどれだけ除去されたかを指す。サイクル容量は、式（５）を使用して計算される。
【数21】
【0099】
例えば、５Ｍ ＭＥＡのサイクル容量は以下のように計算される。
【数22】
【0100】
様々な異なる溶媒ブレンドのサイクル容量を以下の表２に列挙する。
【表2】
【0101】
これらの実験で使用される主要な性能指標は、初期吸収速度、サイクル容量、初期脱着速度及び熱負荷である。試験の過程で、２つの他の因子、すなわちＣＯ２を負荷した後のアミン溶液の沈殿及び相分離を添加した。これらの２つの追加の因子は、それぞれがＣＯ２捕捉プロセス中に配管の詰まり、機器の付着物、及びポンプ電力要件の増加などの動作上の問題を引き起こす可能性があるため、非常に重要である。
【0102】
実験から、溶媒１、３及び４は、ベースラインＭＥＡよりも高い吸収性能（吸収速度及びリッチ負荷）、ならびに高い脱着速度及び低い熱負荷を有することが観察された。全体として、これらの溶媒は、ベースラインＭＥＡよりも良好な性能を有する。しかし、ＣＯ２を負荷し、１日静置した後、溶媒１、３及び４が沈殿した。
【0103】
溶媒１０、１１、１２、１４及び１５は、全ての態様においてベースラインＭＥＡよりも優れていたことも観察された。表２に示すように、これらの溶媒は、ＭＥＡと比較して、より高い吸収速度、より高いリッチ負荷、より高い脱着速度、より高いサイクル容量及びより低い熱負荷を有していた。これらの溶媒は良好な性能を有していたが、吸収実験の終了後にリッチ負荷溶液の相分離が観察された。
【0104】
溶媒２、５、６、７及び８について、このカテゴリーの溶媒の吸収速度は、本発明者らによって、ＭＥＡの吸収速度より低いか又は同様であることが観察された。溶媒６を除いて、これらの溶媒のリッチ負荷はＭＥＡのリッチ負荷と同様又はそれより高かった。これらの溶媒の脱着速度、サイクル容量及び熱負荷は、ＭＥＡよりも高い脱着速度及びサイクル容量ならびに低い熱負荷を有する溶媒５を除いて、全てＭＥＡよりも低かった（例えば、表２を参照されたい）。このカテゴリーの溶媒は、沸点が１３３℃であるＤＭＡＥを含有した。この実験に使用される脱着温度ならびに典型的な脱着の動作温度範囲（１１０℃～１２０℃）を考慮すると、ＤＭＡＥの使用は、その沸点に起因して高いアミン損失をもたらし得ると仮定された。
【0105】
溶媒９は、ＭＥＡよりも比較的低い性能を有することが観察された。一方、溶媒１３は、表２に示すように、ベースラインＭＥＡよりも良好な性能を有することが観察された。この群の溶媒は、２Ｍ～３Ｍの範囲の総濃度を有していた。低アミン濃度を使用すると、より高い溶媒循環速度が必要となる。
【0106】
ＭＥＡよりも低いリッチ負荷を有することとは別に、溶媒２０及び２１は、ＭＥＡよりも著しく高い脱着速度、サイクル容量及び著しく低い熱負荷を有することが観察された（例えば、表２を参照されたい）。アミンがかなりの量のＣＯ２を容易に脱着することができる場合、高いリッチ負荷が有用になる。この群の溶媒がＭＥＡよりも低いリッチ負荷を有していたとしても、それらの高い剥離能力に起因して、除去されるＣＯ２の量は、リッチ負荷が高いがＣＯ２脱着速度／剥離能力が低いＭＥＡよりも多いことは言及する価値がある。
【0107】
溶媒１６は、ＭＥＡよりも低いリッチ負荷を有することが観察された。しかし、他の性能指標に関しては、この溶媒はＭＥＡよりも優れていた。吸収速度に関して、溶媒１６は、ＭＥＡよりも３７％高い吸収速度を有した。サイクル容量については、溶媒１６はＭＥＡより６６％高かった。脱着速度に関して、溶媒１６はＭＥＡの約３．７倍であったが、この溶媒の熱負荷はＭＥＡより約３．７倍低かった（例えば、表２を参照されたい。）。この溶媒について得られたリーン負荷は、ＭＥＡの場合とは異なり、ゼロに非常に近い。
【0108】
溶媒１７は、吸収速度を高めるために、配合物中のＨＭＤＡの寄与を増加させるように調整した。ＰＥＩを添加して、吸収容量及び吸収速度を増加させた。結果は、この溶媒の吸収速度がＭＥＡよりも１４％高いことを示している。しかし、そのリッチ負荷はＭＥＡよりも低かった。脱着に関して、その脱着速度はＭＥＡの脱着速度の約３．８倍であった。熱負荷に関して、その熱負荷はＭＥＡの熱負荷より約３．８倍低かった。リーン負荷がほぼ０である場合、そのサイクル容量はＭＥＡのサイクル容量よりも７６％高かった（例えば、表２を参照されたい）。ＨＭＤＡ及びＰＥＩの寄与は、主に濃度がより高く、それによって物質移動制限も増加するという事実のために、明確には目立たなかった。しかしながら、配合物中のＤＥＡＥの濃度を増加させると、脱着速度ならびにサイクル容量が向上した。
【0109】
溶媒１８を、５Ｍの総濃度及び９のＤＥＡＥ／ＨＭＤＡ比を維持しながら、ＰＥＩの濃度を増加させるように調整した。この調整は吸収を助けず、溶媒１７と比較して脱着性能を低下させたことに留意した。この溶媒の結果は、ベースライン溶媒ＭＥＡよりも依然として高い性能を示す。吸収速度に関して、溶媒１８はＭＥＡより１４％高く、脱着速度はＭＥＡの約３．５倍であり、その熱負荷はＭＥＡより約３．５倍低く、そのサイクル容量はＭＥＡより７６％高い（例えば、表２を参照されたい）。
【0110】
溶媒１９を、５Ｍの総濃度及び９のＤＥＡＥ／ＨＭＤＡ比を維持しながら、ＰＥＩの濃度をさらに増加させるように調整した。この調整は吸収を助けず、溶媒１７と比較して脱着性能を低下させたことに留意した。この溶媒の結果は、ベースライン溶媒ＭＥＡよりも依然として高い性能を示す。一方、サイクル容量は、溶媒１８と比較してわずかに増加した。吸収速度に関して、溶媒１９はＭＥＡより１４％高く、脱着速度はＭＥＡの約３．６倍であり、その熱負荷はＭＥＡより約３．６倍低く、そのサイクル容量はＭＥＡより８５％高い（例えば、表２を参照されたい）。
【0111】
溶媒２２は、３．８５Ｍ ＤＥＡＥ、０．１５Ｍ ＨＭＤＡ及び０．０１５Ｍ ＰＥＩを含んでいた。有意な改善はなかった。結果は、溶媒２２の吸収速度がＭＥＡより１４％高く、脱着速度がＭＥＡの約３．６倍であり、熱負荷がＭＥＡの約３．６倍低く、サイクル容量がＭＥＡより６６％高いことを示している（例えば、表２を参照されたい）。
【0112】
溶媒２３は、３．６Ｍ ＤＥＡＥ、０．４Ｍ ＨＭＤＡ及び０．０１Ｍ ＰＥＩを含んでいた。この溶媒中で確立されたＤＥＡＥ／ＨＭＤＡ比は、溶媒１７、１８及び１９中の比と同様である。物質移動制限を減らし、ブレンド中の成分の相乗的な利益を認めることができるように、濃度を４Ｍに下げた。結果は、溶媒２３が、全ての他の溶媒ならびにベースラインＭＥＡと比較して、全ての態様において最高の性能を有したことを示している。溶媒２３は、初期吸収速度がＭＥＡより３７％高く、初期脱着速度がＭＥＡの約３．８５倍であり、サイクル容量がＭＥＡより８５％高く、熱負荷がＭＥＡより約３．８５倍低かった（例えば、表２を参照されたい）。
【0113】
溶媒２４は、３．６Ｍ ＤＥＡＥ、０．４Ｍ ＨＭＤＡ及び０．０１５Ｍ ＰＥＩを含んでいた。ブレンド中のＰＥＩの濃度は、溶媒２３と比較して０．０１Ｍから０．０１５Ｍに増加した。結果は、ＰＥＩの濃度を増加させても性能は改善されなかったことを示している。溶媒２４は、初期吸収速度がＭＥＡより３７％高く、初期脱着速度がＭＥＡの約３．６４倍であり、サイクル容量がＭＥＡより８５％高く、熱負荷がＭＥＡより約３．６４倍低かった（例えば、表２を参照されたい）。
【0114】
溶媒２５は、３．６Ｍ ＤＥＡＥ及び０．４Ｍ ＨＭＤＡを含んでいた。溶媒２５は、初期吸収速度がＭＥＡより２６％高く、初期脱着速度はＭＥＡの約３．７７倍であり、サイクル容量はＭＥＡより８５％高く、熱負荷はＭＥＡより約３．７７倍低かった（例えば、表２を参照されたい）。
【0115】
様々な溶媒の性能を測定する方法を開発した。この方法は、様々な性能基準を、吸収性能ならびに脱着性能を説明することができる吸収パラメータ及び脱着パラメータに組み合わせることを含んでいた。吸収パラメータを吸収速度（１０－２ｍｏｌ ＣＯ２／Ｌ．ｓｏｌｔｎ）と定義した。脱着パラメータは、式（６）に示すように、脱着速度、サイクル容量、及び熱負荷の組み合わせとして定義した。
【数23】
【0116】
図４は、表１に列挙された溶媒についての脱着性能に対して（すなわち、吸収パラメータ及び脱着パラメータに基づいて）プロットされた吸収性能を示す。右上隅の溶媒は、高い吸収性能と高い脱着性能の両方を有する溶媒である。チャートは、試験した全てのアミンの吸収及び脱着性能を要約したものである。チャートから、溶媒２３は最も高い吸収及び脱着性能を有する。これら２つのパラメータに基づいて、この溶媒を、実用的なＣＯ２捕捉条件下でのパイロットプラントにおけるさらなる分解及び排出試験のために選択した。
【0117】
例５－アミン分解及びアンモニア（ＮＨ３）排出試験
表１に列挙したいくつかの溶媒のアンモニア排出量を評価するために実験を行った。図５は、アミン分解及びＮＨ３排出を評価するための実験設定を示す概略図である。図５に示す実験設定を使用して行われた実験では、所望の濃度及びＣＯ２負荷の２５０ｍＬの所望のアミン溶液を、所望のアミン成分の所定の質量を脱イオン水と混合することによって調製した。所望のＣＯ２負荷（各アミン溶液の所望のＣＯ２負荷は、リッチ及びリーンＣＯ２負荷の平均であった）が得られるまで、ＣＯ２ガスをアミン溶液にバブリングした。アミンのＣＯ２負荷値の確認を、１ｋｍｏｌ／ｍ３ ＨＣｌの標準溶液に対する滴定によって行い、ＣＯ２を遊離させ、ＮＡＣｌ／ＮＡＨＣＯ３／メチルオレンジ混合物の置換によってその量を測定した。負荷は、アミン１ｍｏｌ当たりのｍｏｌ ＣＯ２に基づいて計算した。２５０ｍＬのアミン溶液を反応フラスコに入れ、制御された温度の水浴中で６０±２℃まで加温した。その出口の温度を入口供給ガスの温度に等しくなるように制御するように設計された凝縮器を反応フラスコ開口部の１つに接続した。これは、アミン／水が蒸発及び供給ガスのキャリーオーバによって失われるのを防ぐのに役立った。溶液が設定温度に達したら、ロータメータ（ＡａＬＢＯＲＧ、モデルＧＦＣ－１７、０～５００ｍｌ／分±１．５％の誤差の範囲を有する）により流量２００±２ｍＬ／分に設定された１０％ Ｏ２（残りはＮ２）を含有するように予備混合した供給ガスを水飽和器に順次バブリングし、最後にガス拡散器を介して反応フラスコ内の溶液をバブリングした。反応を４週間継続して行い、分解したアミン試料を毎日収集し、ＧＣ／ＭＳ及びＨＰＬＣ（両方ともＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、カナダから購入）によるアミン濃度分析に送って、分解について試験した。
表１に列挙したいくつかの溶媒のアンモニア排出量を評価するために実験を行った。図５は、アミン分解及びＮＨ３排出を評価するための実験設定を示す概略図である。図５に示す実験設定を使用して行われた実験では、所望の濃度及びＣＯ２負荷の２５０ｍＬの所望のアミン溶液を、所望のアミン成分の所定の質量を脱イオン水と混合することによって調製した。所望のＣＯ２負荷（各アミン溶液の所望のＣＯ２負荷は、リッチ及びリーンＣＯ２負荷の平均であった）が得られるまで、ＣＯ２ガスをアミン溶液にバブリングした。アミンのＣＯ２負荷値の確認を、１ｋｍｏｌ／ｍ３ ＨＣｌの標準溶液に対する滴定によって行い、ＣＯ２を遊離させ、ＮＡＣｌ／ＮＡＨＣＯ３／メチルオレンジ混合物の置換によってその量を測定した。負荷は、アミン１ｍｏｌ当たりのｍｏｌ ＣＯ２に基づいて計算した。２５０ｍＬのアミン溶液を反応フラスコに入れ、制御された温度の水浴中で６０±２℃まで加温した。その出口の温度を入口供給ガスの温度に等しくなるように制御するように設計された凝縮器を反応フラスコ開口部の１つに接続した。これは、アミン／水が蒸発及び供給ガスのキャリーオーバによって失われるのを防ぐのに役立った。溶液が設定温度に達したら、ロータメータ（ＡａＬＢＯＲＧ、モデルＧＦＣ－１７、０～５００ｍｌ／分±１．５％の誤差の範囲を有する）により流量２００±２ｍＬ／分に設定された１０％ Ｏ２（残りはＮ２）を含有するように予備混合した供給ガスを水飽和器に順次バブリングし、最後にガス拡散器を介して反応フラスコ内の溶液をバブリングした。反応を４週間継続して行い、分解したアミン試料を毎日収集し、ＧＣ／ＭＳ及びＨＰＬＣ（両方ともＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、カナダから購入）によるアミン濃度分析に送って、分解について試験した。
【0118】
アミンのオフガス排出量を評価するために、反応から発生するガス状ＮＨ３も、起こり得る分解反応から生成されたオフガスから収集した。反応フラスコに直接取り付けられた凝縮器の出口を、５０ｍＬの０．０５Ｍ Ｈ２ＳＯ４を充填したインピンジャー瓶の入口に接続して、アミン分解反応から形成されたＮＨ３を捕捉した。放出された全てのＮＨ３を確実にインピンジ溶液中に完全に収集するために、インピンジャー瓶をサンプリング中ずっと氷浴中に保った。インピンジャーの出口もロータメータに接続し、次いで真空ポンプを供給ガス流量の設定と同様に２００±２ｍＬ／分に設定した。ＮＨ３がアンダーサンプリング／オーバーサンプリングされるのを防ぐために、２つの流量の一致が必要であった。サンプリングを１時間継続し、その後、インピンジャーを凝縮器出口から完全に切り離した。次いで、インピンジャー溶液を１００ｍＬメスフラスコに移した。新鮮な０．０５Ｍ Ｈ２ＳＯ４溶液も使用してインピンジャー瓶をすすぎ、次いでこれを１００ｍＬフラスコに注ぎ戻した。最後に、フラスコにＨ２ＳＯ４を１００ｍＬの印までつぎ足した。ＮＨ３を、１時間から開始し、３時間、５時間、２４時間及び２７時間の異なる時間間隔で収集し、その後、収集を１４日間にわたって１日に１回行った。収集した試料を冷蔵庫に入れてから、アンモニア／硝酸塩分析計（Ｔｉｍｂｅｒｌｉｎｅ モデルＴＬ－２８００）を用いた分析に送った。
【0119】
図６は、以下の溶媒ブレンド：５ｍｏｌ／Ｌ ＭＥＡ、３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ＋０．０１ｍｏｌ／Ｌ ＰＥＩ、３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ＋０．０１５ｍｏｌ／Ｌ ＰＥＩ、３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ、１ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ、及び１ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥのＮＨ３排出プロファイルを示す。
【0120】
図６は、Ｏ２分解の結果として、最大排出量のＮＨ３がＭＥＡ溶液からであったことを示す。図６に基づくと、ＭＥＡは、溶液がＯ２によって７２０時間（３０日間）分解された後、１１２～３６０ｐｐｍｖの範囲でＮＨ３を排出した。３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ＋０．０１ｍｏｌ／Ｌ ＰＥＩ混合溶媒（溶媒２３）の分解反応に由来するＮＨ３排出量も図６に示した。混合溶媒（溶媒２３）は、７２０時間の間に８～２２ｐｐｍｖの範囲のＮＨ３を排出した。混合溶媒（溶媒２３）の排出量は、ＭＥＡの排出量よりも少なくとも１桁少なかったことは明らかである。これは、溶媒が良好な分解耐性を有し、及び／又は液相中の酸化分解から生成されたＮＨ３を維持することができることを示している。３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ＋０．０１５ｍｏｌ／Ｌ ＰＥＩ混合溶媒は、図６にも示す溶媒２３混合物（０．０１ｍｏｌ／Ｌ ＰＥＩを含む）と同様の範囲のＮＨ３排出を示した。
【0121】
３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡのみを含有する混合物は、４～２２ｐｐｍｖのＮＨ３を排出し、これもこの実験で試験したブレンドされたアミンと同じであった。１ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ及び１ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥを含む単一アミンも試験し、それらのＮＨ３排出プロファイルを図６に含めた。２つの単一アミンの排出範囲は、それぞれ１３～１３４ｐｐｍｖ及び２～１０ｐｐｍｖであった。
【0122】
図７は、図６の溶媒ブレンドの時間平均ＮＨ３排出量を示す。ブレンドされたアミンの場合、３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ、３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ＋０．０１０ｍｏｌ／Ｌ ＰＥＩ、及び３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ＋０．０５ｍｏｌ／Ｌ ＰＥＩの排出量は同じであり、平均排出量はそれぞれ１０、１２、及び１１ｐｐｍｖである。全てのブレンドされたアミンは、１時間当たりに排出される平均ＮＨ３が２３３ｐｐｍｖである５ｍｏｌ／Ｌ ＭＥＡよりも低い排出量を有していた。１ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ及び１ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥも試験し、それらのＮＨ３排出プロファイルを図７に含めた。図７にも含まれる１ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ及び１ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥの平均排出量は、それぞれ７３ｐｐｍｖ及び４ｐｐｍｖであった。
【0123】
図８は、５Ｍ ＭＥＡ、１Ｍ ＨＭＤＡ、１Ｍ ＤＥＡＥ、３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ、３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ＋０．０１０ｍｏｌ／Ｌ ＰＥＩ、及び３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ＋０．０５ｍｏｌ／Ｌ ＰＥＩである、試験した全ての溶媒の分解－時間プロファイルを示す。図８に基づくと、グラフの勾配は、ＭＥＡが最も速い速度で分解され、その濃度が７２０時間の分解時間内に５Ｍから約３．４Ｍに減少することを示す。３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ、３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ＋０．０１０ｍｏｌ／Ｌ ＰＥＩ、及び３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ＋０．０５ｍｏｌ／Ｌ ＰＥＩの全てのブレンドされたアミンは、分解－時間プロファイル勾配がそれほど急でないことから明らかに分かるように、はるかに遅い速度で分解した。１Ｍ ＤＥＡＥはブレンドの速度と同様の速度で分解したが、１Ｍ ＨＭＤＡはこの研究で試験した全てのアミンと比較して最も遅い速度で分解した。
【0124】
図９は、Ｏ２ガスと７２０時間接触させた後の全ての溶媒の全体的な分解速度を比較している。ブレンドされた溶媒は、全てがＭＥＡの速度よりも６０～７５％遅い速度で分解したため、基準ＭＥＡよりも優れていたことは明らかである。図９に基づくと、ＭＥＡ、３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ、３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ＋０．０１０ｍｏｌ／Ｌ ＰＥＩ、及び３．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＥＡＥ＋０．４ｍｏｌ／Ｌ ＨＭＤＡ＋０．０５ｍｏｌ／Ｌ ＰＥＩの分解速度は、それぞれ０．００３２、０．０００８、０．００１３、及び０．００１１Ｍ／ｈである。１Ｍ ＨＭＤＡ及び１Ｍ ＤＥＡＥの分解速度も比較のために同じ図に含める。１Ｍ ＨＭＤＡ及び１Ｍ ＤＥＡＥの速度は、それぞれ０．０００２及び０．００１３Ｍ／ｈである。
【0125】
例６－粘度、密度、熱伝導率、熱容量
粘度、密度、熱伝導率及び熱容量は、以下の表３～５に示すように、３０℃～５０℃の温度範囲で、無負荷、負荷及び中負荷試料について、異なる溶媒（すなわち、高性能溶媒）について測定した。
粘度、密度、熱伝導率及び熱容量は、以下の表３～５に示すように、３０℃～５０℃の温度範囲で、無負荷、負荷及び中負荷試料について、異なる溶媒（すなわち、高性能溶媒）について測定した。
【0126】
Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｎｔｏｎ Ｐａａｒマイクロ粘度計モデル（Ｌｏｖｉｓ－２０００ Ｍ／ＭＥ）を使用して、ｍＰａｓで粘度を測定した。このマイクロ粘度計は、ボールが液体充填毛細管を通って移動するのにかかる時間を測定するために３つの誘導センサを使用する、転がるボールの原理を使用することによって機能する。高品質の脱イオン水を使用して、各運転後に機器を較正した。各測定の前に、設定温度が平衡条件に達するまで、試料を粘度計の内部に保った。精度は、粘度については０．５％以内、温度については±０．０２℃以内であった。
【0127】
密度は、Ａｎｔｏｎ Ｐａａｒ製のＤＭＡ ４５００Ｍを使用して、密度については０．００００１ ｇ／ｃｍ３、温度については０．０１℃の精度で測定した。測定に装置を使用する前に、装置を検証及び較正するために、空気及び水のチェックを行った。高品質の脱イオン水を使用して、各運転後に機器を較正した。各測定の前に、設定温度が平衡条件に達するまで、試料を粘度計の内部に保った。
【0128】
薄い白金線をアミン試料に浸漬し、線材の耐熱プロファイルを時間に対して測定した。アミン試料の温度－時間プロファイルを生成した。これらのプロットを使用して、熱伝導率、熱拡散率、及び熱容量を決定した。熱伝導率及び拡散率は、特に温度が安定になった最初に測定し、次に熱拡散率と熱容量との相関（Ｄ＝Ｋ／（ρ Ｃｐ））を使用して、熱容量を異なる時間間隔で計算する。熱容量の測定は、ソフトウェアが異なる温度での熱容量の後の計算のために密度－温度プロファイルをプロットできるように、３～４種の温度での試料の所定の密度値の入力を必要としたことに留意されたい。これらは、密度測定から得られた密度データを使用して提供された。熱特性の少なくとも３回の反復測定を各試料について行い、それらの平均値を使用し、報告した。
【0129】
以下の表３は、３０℃、４０℃及び５０℃での様々なアミン溶媒の密度を示す。
【表3】
【0130】
表４は、３０℃、４０℃及び５０℃での様々なアミン溶媒の粘度を示す。
【表4】
【0131】
表５は、３０℃、４０℃及び５０℃での様々な溶媒の熱伝導率、拡散率及び熱容量を示す。
【表5】
【0132】
例７－物質移動係数
パイロットプラント試験は、一般的に使用される溶媒ＭＥＡに対する本発明の好ましい実施形態による溶媒の性能を評価することができるように実施された。溶媒２３（３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ）及びＭＥＡをパイロットプラントでフルサイクルで実行し、実際の条件に近いものを模倣した。
パイロットプラント試験は、一般的に使用される溶媒ＭＥＡに対する本発明の好ましい実施形態による溶媒の性能を評価することができるように実施された。溶媒２３（３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ）及びＭＥＡをパイロットプラントでフルサイクルで実行し、実際の条件に近いものを模倣した。
【0133】
フル吸脱着サイクルパイロットプラントから得られた３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒のＣＯ２捕捉性能の結果。３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒についての実行を１１０℃及び１２０℃で行い、同様に３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒について使用したのと同じパイロットプラント及び条件を使用して実行した５ＭＥＡ溶媒と比較した。ＭＥＡのこの試験は、その性能を同じ温度で３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒と比較するために使用できるように行った。
【0134】
各運転の開始時に、所望の濃度及び流量のアミン溶液が貯蔵タンクから可変速ギヤポンプを介して吸収器の頂部に圧送される。一方、ヒータがオンにされ、脱着器に入る前に吸収器からのリッチアミンを加熱するために使用される所望の設定点温度に設定される。アミン溶媒循環が設定されると、次いで、選択されたＣＯ２分圧及び濃度のＣＯ２、Ｎ２及び空気ガスの混合物が、ガス流量計を介して吸収器カラムの底部に導入され、ガス流量を個別に制御する。
【0135】
これにより、ガスは、下方に流れる液体アミンと逆流して接触することができる。処理されたガスはカラムの頂部から出、一方、リッチアミン溶媒は吸収器の底部から出て、ＣＯ２の脱着のために脱着器に再び入る前に（脱着器の底部から来る）高温のリーンなアミン流によって予熱される。ＣＯ２は、ヒータ（リボイラ）から供給される熱により、脱着器内のリッチアミンから脱着する。ここで脱着器の底部を出るリーンアミンは、リーン－リッチ熱交換器及び冷却器によって冷却され、サイクルを継続するために吸収器カラムに供給される。
【0136】
脱着器の頂部のＣＯ２生成ガスは、凝縮器によって冷却されて同伴する水／アミンを除去し、乾燥してから空気に排出される。系が定常状態に達したら、滴定及びＣＯ２置換技術を用いたＣＯ２負荷分析のために、リッチなアミン試料とリーンなアミン試料の両方を採取する。温度プロファイル読み取り値はまた、カラムの高さに沿って設置されたＪ型熱電対を使用して吸収器カラムの高さに沿って取得される。実行で使用される溶媒の性能は、ＣＯ２生成速度、吸収効率、熱負荷、ガス及び液体の物質移動係数に関して示される。
【0137】
プラントは、１５％ ＣＯ２を含有する供給ガスの２５ＳＬＰＭの流量用に設計された。アミンの液体流量を５０ｍＬ／分に設定した。両方の実行温度に使用した条件は、供給ガス流量２５ＳＬＰＭ及び液体アミン流量５０ｍＬ／分であった。煙道ガス中のＣＯ２濃度は４％であり、これはプラントを設計するために使用されたＣＯ２濃度の４分の１であった。これは、利用可能なアミンの体積が、カラムの高さに基づいて４％で全てのＣＯ２を吸収することができることを意味する。そのため、いくつかの基準では、ＭＥＡと３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒の性能を明確に分けることは容易ではない場合がある（オフガス濃度などのほとんどの気相パラメータ及び吸収効率が影響を受ける）。設定及び熱媒体などの様々な制限を考慮するために、実験を、１１０℃の脱着温度で実行するときに脱着器内で５ｐｓｉの圧力で、１２０℃で実行するときに脱着器内で１０ｐｓｉの圧力で行った。２つの再生温度の動作圧力が異なるため、加えられた追加のパラメータである圧力に起因して、各溶媒の性能に対する温度の真の効果を比較することは不適切である。より高い脱着圧力で動作すると、脱着プロセスが制限され、その結果、この効果は、１１０℃と比較した場合、１２０℃でのより高い圧力での３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒及びＭＥＡの両方で観察される全体的に低い性能をもたらす。したがって、この作業範囲内で、比較は、同じ温度での３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒とＭＥＡとの間の比較に限定された。表６は、試験に使用した運転条件を示す。
【0138】
表６は、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ及びＭＥＡ溶媒の実行条件の要約を示す。
【表6】
【0139】
表７は、１１０℃で３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ及びＭＥＡ溶媒を比較するために使用した性能実行パラメータを要約したものである。この温度での３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒の値は、２回の繰り返し実行からの平均値であったが、ＭＥＡの値は１回の試験から得た。３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒についての１２０℃での結果も表８に示す。
【0140】
各試験は２４時間を超えて行った。これは、測定を行う前に実行が安定して平衡に達することを確実にするためであった。この条件は、両方の溶媒について保証された。表７及び８はそれぞれ、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ及びＭＥＡ溶媒についての１１０℃及び１２０℃の性能実行パラメータを要約したものである。
【0141】
表７は、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ及びＭＥＡについての１１０℃での性能実行パラメータの要約を示す。
【表7】
【0142】
表８は、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ及びＭＥＡについての１２０℃での性能実行パラメータの要約を示す。
【表8】
【0143】
吸収効率は、ガス及び液体の両方の測定値に基づいて正確に計算することができる。ガス側効率は、吸収器に出入りするＣＯ２の量のパーセント差によって示される。一方、液体側効率は、吸収器に入る供給ガスからの総ＣＯ２量と比較した、アミン溶媒から吸収及び放出されたＣＯ２の量（リッチ及びリーンＣＯ２負荷）に基づいて決定される。２つの計算方法を使用することができたが、１１０℃及び１２０℃での全ての３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒及びＭＥＡの実行の吸収効率は、正確であった液体側測定からのみ得られた。吸収器から出るＣＯ２の量を得るために使用されるオフガスＣＯ２濃度のデータポイントが計算に不十分であるため、両溶媒のガス側効率からの直接測定は含めなかった。そのようなデータを使用して吸収効率を決定した場合、得られた値に非常に高い不確実性があった。したがって、直接ガス測定に基づいて決定された吸収効率は使用しなかった。式（７）を用いて吸収効率を計算した。
（式中、
∝ｒ、リッチ負荷、ｍｏｌ ＣＯ２／ｍｏｌアミン
∝ｌ、リーン負荷、ｍｏｌ ＣＯ２／ｍｏｌアミン
［アミン］、アミン濃度、ｍｏｌアミン／Ｌ．ｓｏｌｔｎ
アミン、アミン循環／流量、Ｌ／分
、
ＣＯ２濃度、％
Ｇ、供給ガス流量、Ｌ／分）
表７に基づくと、１１０℃での３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ及びＭＥＡの吸収効率は９３．９０％及び８３．７１％である。これは、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒をＭＥＡ溶媒と比較した場合の吸収効率の１２％の増加を表す。３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒について得られたより高い吸収効率は、ＭＥＡよりも短い吸収体を使用する大きな機会を有することを意味する。表８から、１２０℃での３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒及びＭＥＡの吸収効率は８６．３２％及び７６．１１％である。これは、ＭＥＡ溶媒と比較して、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒を使用した場合の吸収効率の１３％の増加を表す。
【数24】
（式中、
∝ｒ、リッチ負荷、ｍｏｌ ＣＯ２／ｍｏｌアミン
∝ｌ、リーン負荷、ｍｏｌ ＣＯ２／ｍｏｌアミン
［アミン］、アミン濃度、ｍｏｌアミン／Ｌ．ｓｏｌｔｎ
アミン、アミン循環／流量、Ｌ／分
【数25】
、
ＣＯ２濃度、％
Ｇ、供給ガス流量、Ｌ／分）
表７に基づくと、１１０℃での３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ及びＭＥＡの吸収効率は９３．９０％及び８３．７１％である。これは、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒をＭＥＡ溶媒と比較した場合の吸収効率の１２％の増加を表す。３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒について得られたより高い吸収効率は、ＭＥＡよりも短い吸収体を使用する大きな機会を有することを意味する。表８から、１２０℃での３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒及びＭＥＡの吸収効率は８６．３２％及び７６．１１％である。これは、ＭＥＡ溶媒と比較して、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒を使用した場合の吸収効率の１３％の増加を表す。
【0144】
物質移動係数は、液相及び気相の両方に基づいて計算した。気相物質移動係数（ＫＧａｖ）計算は、吸収器カラムに入る（供給ガス濃度からの）及び吸収器カラムから出る（吸収器オフガスからの）ＣＯ２の２つのＣＯ２濃度データポイントに基づいて行われる。他方、液相物質移動係数（ＫＬａｖ）は、アミン溶媒から吸収及び脱着されたＣＯ２の量に基づいて（リッチ及びリーンＣＯ２負荷から）決定される。前述のように、吸収器オフガスＣＯ２濃度データは、ＫＧａｖを直接正確に計算できるほど十分に高くはなかった。３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒及びＭＥＡの両方のＫＧａｖ値を正確に計算するために、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ及びＭＥＡについてそれぞれ決定された液相吸収効率を最初に使用して、両方の溶媒の吸収オフガス中の対応する平均ＣＯ２濃度を得た。次いで、オフガスＣＯ２濃度を、試験から直接測定された他の全てのデータと共にさらに使用して、ＫＧａｖの値を計算した。
【0145】
表７に見られるように、液体側効率に基づいて決定された３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒及びＭＥＡ溶媒のＫＧａｖは、１１０℃でそれぞれ０．７９及び０．４７ｋｍｏｌ／時間．ｍ３．ｋＰａである。これは、ＭＥＡと比較して、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒の６８％の向上を示す。表８から、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒及びＭＥＡのＫＧａｖは、１２０℃でそれぞれ０．５５及び０．３８ｋｍｏｌ／時間．ｍ３．ｋＰａである。これは、ＭＥＡと比較して、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒の４５％の向上を表す。ミニプラント試験からの向上はまた、（以前の報告で与えられた）スクリーニング試験においてＭＥＡに対して３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒を評価するために以前に使用された吸収パラメータの向上と一致する。３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒のＫＧａｖがＭＥＡのＫＧａｖよりも高いことは、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒のＣＯ２をより効果的かつ迅速に除去する能力を示す。これはまた、吸収塔の所与の高さに対して、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒は、ＭＥＡよりも迅速により多くのＣＯ２を除去することができるはずであることを意味する。これはまた、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒は、ＭＥＡがより長い吸収器カラムで行うのと同じ量のＣＯ２を除去するために、より短い吸収器カラムを必要とすることを示唆している。
【0146】
一方、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒のＫＬａｖは、ＭＥＡより圧倒的に大きく、その値は、表７及び８から分かるように、１１０℃で２．７２時間及び０．５２時間、ならびに２．３３時間及び０．４９時間である。ＭＥＡに対して３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒から得られたＫＬａｖ向上は著しく高く、１１０℃及び１２０℃でそれぞれ４２６％及び３２５％である。ＫＧａｖと同様に、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒によって生じた同じ程度のＫＬａｖ向上もスクリーニング試験から観察された。これは、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒の優れたＣＯ２吸収及び脱着能力を明らかに示しており、ＭＥＡは同程度のものを有していない。この結果は、ＣＯ２プラントが、ＭＥＡ系について１つの脱着器あたり４つの吸収器で設計されている場合、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒を用いると、同じ１つの脱着器が、ＭＥＡが処理した４倍の数の吸収器を処理できることを示唆しており、同じ１単位の脱着器を用いた３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒が、代わりに１６個の吸収器を処理できることを示唆している。ＫＧａｖ及びＫＬａｖに用いた式を以下の式（８）及び式（９）に示す。
（式中、Ｇ１はモル不活性ガス流量（ｋｍｏｌ／時間）であり、
Ｐはカラム圧力（ｋＰａ）であり、
ｙＣＯ２、バルクガス中のＣＯ２のモル分率
ｙ＊ＣＯ２、液体バルクと平衡状態にあるバルクガス中のＣＯ２のモル分率
ＹＣＯ２ｉｎ、ＣＯ２ｉｎのモル比
ＹＣＯ２ｏｕｔ、ＣＯ２ｏｕｔのモル比
（式中、
は平均液体モル流束（ｋｍｏｌ／ｍ２時間）であり、
ｘＡＬ＿Ｔは、脱着器頂部に入る液体バルク中のＣＯ２のモル分率であり、
ｘＡＬ＿Ｂは、脱着器底部を出る液体バルク中のＣＯ２のモル分率であり、
Ｚは、カラム高さｍであり、
ＣＡＬ、液体バルク中の平均ＣＯ２濃度、ｋｍｏｌ／ｍ３
ｘＡＬは、液体バルク中のＣＯ２の平均モル分率であり、
ＣＡ＊、バルクガスと平衡状態にある液体中のＣＯ２濃度）
【数26】
（式中、Ｇ１はモル不活性ガス流量（ｋｍｏｌ／時間）であり、
Ｐはカラム圧力（ｋＰａ）であり、
ｙＣＯ２、バルクガス中のＣＯ２のモル分率
ｙ＊ＣＯ２、液体バルクと平衡状態にあるバルクガス中のＣＯ２のモル分率
ＹＣＯ２ｉｎ、ＣＯ２ｉｎのモル比
ＹＣＯ２ｏｕｔ、ＣＯ２ｏｕｔのモル比
【数27】
（式中、
【数28】
は平均液体モル流束（ｋｍｏｌ／ｍ２時間）であり、
ｘＡＬ＿Ｔは、脱着器頂部に入る液体バルク中のＣＯ２のモル分率であり、
ｘＡＬ＿Ｂは、脱着器底部を出る液体バルク中のＣＯ２のモル分率であり、
Ｚは、カラム高さｍであり、
ＣＡＬ、液体バルク中の平均ＣＯ２濃度、ｋｍｏｌ／ｍ３
ｘＡＬは、液体バルク中のＣＯ２の平均モル分率であり、
ＣＡ＊、バルクガスと平衡状態にある液体中のＣＯ２濃度）
【0147】
ＣＯ２生成は、ガス及び液体の測定に基づいて計算することができる。ガス側の計算は、通常、供給ガスと吸収器オフガスのＣＯ２濃度差、及びガスの流量に基づいて計算される。吸収効率及びガス側物質移動分析と同様に、ガス側での直接測定は十分なデータを有していなかった。したがって、液体側効率を使用して、吸収器オフガス中の平均ＣＯ２濃度を最初に取得し、次いでこれをＣＯ２生成計算に使用した。液体側のＣＯ２生成の計算は、単純明快であり、リッチ及びリーンＣＯ２負荷の間の差、及びアミン流量を使用して決定される。３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ及びＭＥＡ溶媒のガス側及び液体側からのＣＯ２生成は、１１０℃でそれぞれ１３１ｇ／時間及び１１７ｇ／時間であり、１２０℃で１１２．５ｇ／時間及び９９．４ｇ／時間であり、１２％の向上を表す。これもまた、脱着プロセス中に溶媒がほぼ完全にＣＯ２を放出することを可能にする３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒の脱着能力によるものである。注目すべきことに、１１０℃の温度でさえ、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒はほぼゼロに近いリーン負荷を有した。より高い温度、１２０℃での動作は、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒のリーン負荷に何ら影響を及ぼさなかった。したがって、１１０℃で動作することが推奨され、エネルギーの節約を示唆している。
【0148】
リボイラ負荷は、リボイラに出入りするシリコーン油温の差、熱容量（ＣＰ）、及び流量から決定した。２つの溶媒の実行に基づくと、それらのリボイラ負荷はほぼ同じであり、したがって、平均を取って両溶媒の熱負荷計算に使用した。表７及び８において熱負荷（液体側に基づく）として報告された熱損失のない熱負荷は、リボイラ負荷を液体分析から得られた供給ガスから除去された各アミンのＣＯ２量（リッチ及びリーンＣＯ２負荷）で割ったものに基づいて計算した。３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒及びＭＥＡの熱負荷は、１１０℃でそれぞれ１５．１及び１６．９３ＧＪ／トンＣＯ２であり、１２０℃で２０．４１及び１８．０３ＧＪ／トンＣＯ２である。これらの値は、ＭＥＡの代わりに３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒を使用した場合の熱負荷の１１％～１２％の減少（２つの温度について）に相当する。ガス側の熱負荷（直接測定に基づく）は、前述のＣＯ２オフガス濃度データが不十分であるため報告されなかった。
【0149】
実験中の熱損失を測定する試みは、各アミンが実際の商業的捕捉プロセスにおいて実際に提供することができる実際の熱負荷値に値がより近く反映されるように、前述の熱負荷を調整することができるように行われた。しかし、試験のこの段階では、リボイラ周辺の熱損失のみを許容可能な精度で推定することができた。熱損失の他の領域は実施されなかった。表７及び表８からも分かるように、リボイラに関連する熱損失は、１１０℃及び１２０℃でそれぞれ１０７９ｋＪ／時間及び２１１１ｋＪ／時間と推定された。次いで、熱損失を使用して、３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒及びＭＥＡ溶媒の熱負荷要件を適宜調整した。他の領域からの熱損失も熱負荷計算に含まれた場合、２つのアミンの熱負荷はさらに小さくなり、実際の値に近くなるであろう。リボイラ負荷及び熱負荷は、以下の式、式（１０）及び式（１１）に基づいて計算した。
リボイラ負荷、ｋＪ／時間＝ｍ＊Ｃｐ＊（Ｔｏｉｌ ｉｎ－Ｔｏｉｌ ｏｕｔ）、 （１０）
（式中、
ｍは油の質量流量、ｋｇ／時間であり、
Ｃｐは、油の熱容量、ｋＪ／ｋｇ℃であり、
Ｔｏｉｌ ｉｎは、オイル入口温度、℃であり、
Ｔｏｉｌ ｉｎはオイル入口温度、℃である）
熱負荷、
リボイラ負荷、ｋＪ／時間＝ｍ＊Ｃｐ＊（Ｔｏｉｌ ｉｎ－Ｔｏｉｌ ｏｕｔ）、 （１０）
（式中、
ｍは油の質量流量、ｋｇ／時間であり、
Ｃｐは、油の熱容量、ｋＪ／ｋｇ℃であり、
Ｔｏｉｌ ｉｎは、オイル入口温度、℃であり、
Ｔｏｉｌ ｉｎはオイル入口温度、℃である）
熱負荷、
【数29】
【0150】
図１０Ａは、１１０℃での３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒及びＭＥＡ溶媒の温度プロファイルの比較を示す。３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒プロファイルは、２回の繰り返し実行の平均に基づいて得られたが、ＭＥＡのものは１回の実行から得られた。両方の溶媒の温度上昇によって示されるように、反応は主にカラムの下半分で起こったことは明らかである。３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒とＭＥＡとの間には反応温度にわずかな差しかなく、後者の方が数度高いことが認められた。これは、ＭＥＡの反応熱が３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒よりも高いためである可能性がある。
【0151】
図１０Ｂは、１２０℃での３．６Ｍ ＤＥＡＥ＋０．４Ｍ ＨＭＤＡ＋０．０１Ｍ ＰＥＩ溶媒の温度プロファイルを示す。１１０℃での実行と同様に、主にカラムの後ろ半分で依然として反応が起こったことが注目に値する。しかしながら、温度上昇の最高点が約３８～３９℃に現れるという差があり、これは１１０℃の実行で観察されたものよりも低い。
【0152】
本明細書で使用される例及び対応する図は、例示のみを目的としている。平衡解離定数の決定を参照して本明細書で説明される原理は、他のシステム及び装置で実施することができる。本明細書で表現される原理から逸脱することなく、異なる構成及び用語を使用することができる。例えば、ステップ、機器、構成要素、及びモジュールは、これらの原理から逸脱することなく、追加、削除、修正、又は再配置することができる。
【0153】
文脈上明らかに他の意味に解釈すべき場合を除き、明細書及び特許請求の範囲を通して、「含む、」、「を含み、」などは、排他的又は網羅的な意味とは対照的に、包括的な意味で、すなわち、「含むが、それに限定されない」という意味で解釈されるべきである。「ここで、」、「上記」、「以下、」、及び同様の意味の単語は、本明細書を説明するために使用される場合、本明細書全体を参照するものとし、本明細書の特定の部分を参照しないものとする。２つ以上の項目の列挙に関連する「又は」は、単語の以下の解釈の全て、すなわち、列挙内の項目のいずれか、列挙内の項目の全て、及び列挙内の項目の任意の組み合わせを網羅する。単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、任意の適切な複数形の意味も含む。
【0154】
構成要素が上記で言及される場合、別段の指示がない限り、その構成要素への言及は、その構成要素の等価物として、記載された構成要素の機能を実行する任意の構成要素を含む（すなわち、機能的に等価である）と解釈されるべきであり、本発明の図示された例示的な実装形態において機能を実行する開示された構造又は組成物と構造的又は組成的に同等ではない構成要素を含む。
【0155】
組成物、システム、方法及び装置の具体例は、例示の目的で本明細書に記載されている。これらは単なる例である。本発明の実施において、多くの変更、修正、追加、省略及び置換が可能である。本発明は、特徴、要素及び／又は化学化合物を同等の特徴、要素及び／又は化学化合物で置き換えること；異なる例からの特徴、要素及び／又は化合物を混合及びマッチングすること；本明細書に記載の例からの特徴、要素及び／又は化学化合物を他の技術の特徴、要素及び／又は化学化合物と組み合わせること；記載された例からの特徴、要素及び／又は化学化合物を省略及び／又は組み合わせることによって得られる変形を含む、当業者には明らかであろう記載された組成物の変形を含む。
【0156】
したがって、以下の添付の特許請求の範囲及び以下に導入される特許請求の範囲は、合理的に推測され得るような全てのそのような修正、置換、追加、省略及び部分的組み合わせを含むと解釈されることが意図される。特許請求の範囲は、例に記載された好ましい実施形態によって限定されるべきではなく、全体として明細書と一致する最も広い解釈が与えられるべきである。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【国際調査報告】