用于下一代二氧化碳捕集的电化学增强方法技术

本文公开了电化学增强的基于胺的

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于下一代二氧化碳捕集的电化学增强方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于
2021
年4月
16
日提交的美国临时专利申请
No.63/175,761
的优先权，其全部内容以引入方式并入本文
。

技术介绍

[0003]需要管理现有的大气二氧化碳和正在排放的二氧化碳，以限制全球平均气温的升高并减少气候变化的影响
。
为了切实实现这一点，在下个世纪内，每年需要从大气中除去
10Gt
至
20Gt
的
CO2，这就需要能够大规模实施的碳管理策略
。CO2捕集技术中的现有技术使用基于胺的吸收来除去
CO2。
但是这些基于胺的方法每捕集一吨
CO2要使用
0.8MWh
至
5.0MWh
的热能才能解吸饱和胺中不到
50
％的
CO2。
这种高热负荷导致
(1)
使用大规模蒸馏设备，
(2)
胺溶液的工作
CO2吸收容量低
(
例如，小于
0.3mol CO2/mol
单乙醇胺
(MEA))
，以及
(3)
经由化学降解和蒸发而损失溶剂
。
释放
CO2和再生胺的现有方法是热方法，其中将溶液加热至高温
(
＞
140℃)。
在这些温度下，氨基甲酸酯分解产生原始胺分子，并释放出作为浓缩蒸气的
CO
23
，5‑6。
然而，大的热负荷
(
例如，对于
DAC
应用，工作容量为
0.05mol/mol
时，＞
5MWh/
吨
CO2)3使得此类热方法在经济上不具有吸引力
。
此外，胺再生所需的高温可通过化学降解和蒸发导致溶剂损失3。
这些因素可导致资本支出
(CAPEX)
高达
50
％的增加和运行费用
(OPEX)
高达
25
％的增加，这导致碳捕集的高成本
(
＞
$100/
吨
CO2)7‑8并限制基于胺的方法用于点源排放者，诸如化石燃料发电厂
。
[0004]这些因素还限制了包括石油化工
、
炼钢
、
水泥和直接空气捕集
(DAC)
在内的其他行业采用基于胺的
CO2捕集，这些行业需要较小规模和
/
或更节能的方法来实现经济一体化
。
[0005]已经尝试了将铜电化学用于基于胺的
CO2捕集9‑
16
，其使用金属
(
即
Cu
2+
离子
)
与胺之间的络合反应，该反应分解氨基甲酸根离子并释放
CO2°
11
‑
12
，
14
‑
16
该络合反应在阳极被电化学驱动，其中
Cu
2+
离子由
Cu
金属的氧化产生，
Cu
‑
胺络合物重新生成胺，
Cu
2+
在阴极被还原成
Cu
金属
。
将上述系统扩展到固体聚蒽醌上的
CO2电化学捕集
。9，
13
在上述系统中，使用法拉第电摆法通过与醌的羧化反应
(
还原
)(
其中聚乙烯基二茂铁被氧化
)
捕集
CO2，随后逆转电池的极性以分解羧基
‑
醌化合物
(
并还原聚乙烯基二茂铁
)
，从而解吸
CO2并再生聚蒽醌
。
虽然这些先前的电化学方法已经表现出高工作容量
(
对于
12
％
v/v CO2流，多达
0.62mol CO2/
摩尔胺
)
和低能量需求
(
理论最低需求为～
0.60MWh/tCO2)
，但是它们还需要复杂的基于
Cu
的氧化还原化学以及昂贵的二胺或醌
。
此外，电化学直接作用于胺
。
这些特征可导致高程度的胺或电极降解和更昂贵的
CAPEX/OPEX。
17
[0006]因此，需要可解决基于胺的二氧化碳捕集方法的这些容量
、
能量和再循环能力限制的方法和系统
。
本公开解决了这些需要
。

技术实现思路

[0007]本文提供了用于电化学增强的基于胺的碳捕集的方法和系统
。
在一些实施方案中，本公开提供了捕集
CO2的方法，其包括：
[0008]i)
使
CO2源气体与水溶液中化学计量过量的胺反应，以形成胺
‑
CO2络合物，从而形成包含所述胺
‑
CO2络合物的溶液；
[0009]ii)
将包含胺
‑
CO2络合物的溶液的
pH
电化学调节至小于7，从而从胺
‑
CO2络合物释放
CO2；以及
[0010]iii)
收集作为浓缩蒸气的释放的
CO2。
[0011]在一些实施方案中，胺
‑
CO2络合物包含氨基甲酸根离子
。
[0012]在一些实施方案中，调节
pH
的步骤使用水电解进行
。
[0013]在一些实施方案中，调节后的溶液的
pH
为约
0.5
至约7，约
0.5
至约6，约
0.5
至约5，约
0.5
至约4，约
0.5
至约3，约
0.5
至约，或优选地
。
在其他优选的实施方案中，将
pH
调节至约5至约
6。
[0014]胺可以是伯胺
、
仲胺
、
叔胺或它们的混合物
。
在优选的实施方案中，胺为伯胺或仲胺
。
更特别地，胺具有式
I
的结构：
[0015]R
x
NH3‑
x
，
(I)
；
[0016]其中
R
选自任选取代的烷基
、
醚和羟烷基；
[0017]x
是
1、2
或3，并且；
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
一种捕集
CO2的方法，其包括：
i)
使
CO2源气体与水溶液中化学计量过量的胺反应，以形成胺
‑
CO2络合物，从而形成包含所述胺
‑
CO2络合物的溶液；
ii)
将包含所述胺
‑
CO2络合物的所述溶液的
pH
电化学调节至小于7，从而从所述胺
‑
CO2络合物释放
CO2；以及
iii)
收集作为浓缩蒸气的释放的
CO2。2.
如权利要求1所述的方法，其中所述胺
‑
CO2络合物包含氨基甲酸根离子
。3.
如权利要求1或2所述的方法，其中调节所述
pH
通过水电解进行
。4.
如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中调节后的所述溶液的
pH
为约
0.5
至约
6。5.
如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中调节后的所述溶液的
pH
为约
0.5
至约
5。6.
如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中调节后的所述溶液的
pH
为约
0.5
至约
4。7.
如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中调节后的所述溶液的
pH
为约
0.5
至约
3。8.
如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中调节后的所述溶液的
pH
为约
0.5
至约
2。9.
如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中调节后的所述溶液的
pH
为约
0.5
至约
1.5。10.
如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中调节后的所述溶液的
pH
为约5至约
6。11.
如权利要求1至
10
中任一项所述的方法，其中所述胺为伯胺
、
仲胺
、
叔胺或它们的混合物
。12.
如权利要求
11
所述的方法，其中所述胺为伯胺或仲胺
。13.
如权利要求
11
或
12
所述的方法，其中所述胺具有式
I
的结构：
R
x
NH3‑
x
，
(I)
；其中
R
选自任选取代的烷基
、
醚和羟烷基；
x
是
1、2
或3，并且；一个或多个
R
与每个
N
一起任选地形成含氮杂环
。14.
如权利要求1至
13
中任一项所述的方法，其中所述胺选自单乙醇胺
、2
‑
乙氨基乙醇
、2
‑
甲氨基乙醇
、
乙二胺
、
苄胺
、
二乙醇胺
、
吡咯烷
、
吗啉
、2
，6‑
二甲基吗啉
、
单异丙醇胺
、
哌嗪2‑
(
二甲氨基
)
乙醇
、N
‑
叔丁基二乙醇胺
、3
‑
二甲氨基
‑1‑
丙醇
、3
‑
(
二甲氨基
)
‑1，2‑
丙二醇
、2
‑
二乙氨基乙醇
、3
‑
二乙氨基
‑1，2‑
丙二醇
、3
‑
二乙氨基
‑1‑
丙醇
、
三乙醇胺
、1
‑
二甲氨基
‑2‑
丙醇
、1
‑
(2
‑
羟乙基
)
吡咯烷
、1
‑
二乙氨基
‑2‑
丙醇
、3
‑
吡咯烷子基
‑1，2‑
丙二醇
、2
‑
(
二异丙基氨基
...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：加州大学评议会，
类型：发明
国别省市：