[发明专利]一种固定二氧化碳的方法

说明书

本发明涉及一种固定(sequestering)二氧化碳的方法。

碳氢化合物的燃烧产生了不可接受水平的二氧化碳，空气中增长的二氧化碳含量和它对气候的影响可以证明这一点。

为了阻止或降低二氧化碳的累积已经做了很多的努力，但是这些努力太昂贵或是长期效果不确定，或者两者兼具。

碳捕获和储存就是例子；二氧化碳从组成正常空气80％的氮气中的物理分离是昂贵的，而由于二氧化碳部分保持液体形式，二氧化碳的地质固定的效果和安全性是不确定的。该方法利用溶剂萃取二氧化碳，因此可能会导致二次污染。通过光合作用生物转化成生物质也是一种可能性，但是可能并不会生产有用的产品或达到永久的固定。

现有方法围绕二氧化碳捕获和固定。目前可用的方法需要(i)气体处理步骤，将二氧化碳从例如来自于燃煤电厂出口气体中较高含量的氮气和水蒸气中分离出来(ii)二氧化碳液化然后在地下储藏中固定，也可以是在废弃的油或是气层中。然而工厂和工艺设备需要大量的投资，因此，永久固定的成功依靠很多不易评估的因素，包括储层的完整性和密封性，还有不存在破坏事件。

本发明意在提供一种改进的固定二氧化碳的方法。

根据本发明，本发明提供了一种固定二氧化碳的方法，该方法包括将二氧化碳与水溶性镁离子在高pH值下反应形成含碳酸镁的盐。

本发明一种优选的方法包括将二氧化碳与碱在高pH值下反应形成碳酸根和/或碳酸氢根阴离子，随后将碳酸根和/或碳酸氢根阴离子与水溶性镁离子反应形成含碳酸镁的盐。这个两步反应比一步反应(即二氧化碳和碱以及水溶性镁离子一起反应)的优势在于可以优化碱的用量，因为过量的碱可能会将碱度升高至一个限制或阻碍处理的水平。二氧化碳的固定和沉淀步骤可以有差异并且独立地控制，这样会导致更有效的碱的使用以及温度检测和控制。

将二氧化碳或者含有碳酸根和/或碳酸氢根的水溶液与水溶性镁离子在高pH值下反应，例如pH值为8至12，优选为10至12，或者是9至11。水溶液的pH值可以在水溶性镁离子与二氧化碳反应之前或反应过程中调高，但是优选为在水溶性镁离子与二氧化碳反应之前调高。pH值的升高(i)增加了二氧化碳在水中的溶解性，(ii)增加了以二氧化碳-氢氧化物为催化剂的盐水的饱和速率，(iii)沉淀在高pH值下溶解性降低的镁离子，伴随着含有碳酸根的镁盐的沉淀的生成。

二氧化碳优选与高浓度的碱反应，例如，每升二氧化碳使用1至3倍摩尔当量的碱，优选为1.5至2倍。碳酸盐和碳酸氢盐的混合物按照以下反应形成：

CO₂(g)+2OH^-(aq)→CO₃^2-(aq)+H₂O(l)[1]

CO₂(g)+CO₃^2-(aq)+H₂O(l)→2HCO₃^-(aq)[2]

根据反应[1]和[2]，相对于每摩尔所固定的二氧化碳，碱的摩尔当量可以是1至2之间，优选为1.5至2。

将源自二氧化碳和碱反应生成的含碳酸根和/或碳酸氢根的水溶液与镁离子在温度为10至80℃，优选为20至70℃下反应，生成含碳酸镁的盐沉淀。

在实际中，优选提供了一个大的界面面积来增加二氧化碳和碱之间的气液反应速率，例如通过利用填充床柱。然而还有可替代的选择，如果吸附动力学是缓慢的，可以使用喷雾器，如果溶液中高浓度的碳酸盐存在阻断填充床的风险，可以选用板塔。之前使用填充床对氢氧化钠水溶液吸收二氧化碳所进行的研究(Tepe和Dodge，1943)表明气流对反应的影响是微不足道的，然而吸收速率与L0.28成正比(在此L是液体速率)。整体气相传质系数取决于氢氧化钠水溶液的浓度。其它研究(Sahay和Sharma，1973)已经证实二氧化碳在碱溶液中的传质系数取决于二氧化碳的分压。

水溶液的pH值可以使用任意合适的碱性物质来调高，诸如氢氧化物，例如，氢氧化钠就可以用来实现该目的。氨也可以使用，因为原则上它能回收并循环利用。

本发明中一种优选的用来调高水溶液pH值的碱性物质是水泥窑灰(CementKilnDust，CKD)。CKD是一种废弃物，通常是收集起来填埋处理。CKD通常被用作其它碱性物质例如氢氧化钠的碱的补充来源。