[发明专利]使用碳酸盐和生物催化剂捕获CO2的制剂和方法

说明书

发明领域

本发明总体上涉及CO₂捕获，并且更具体地涉及使用碳酸盐和生物催化剂捕获CO₂的制剂和方法。

发明背景

全世界科学界对气候变化危险的越来越急迫的警告以及对该问题的更多的公众意识和关心已经促进了对以减少人为温室气体(GHGs)排放，最值得注意的是二氧化碳为目标的全局调控的增加的动力。最终，北美和全球CO₂排放的显著削减将需要来自全世界CO₂的最大单一来源电力生产行业的缩减。根据国际能源署(IEA)的GHG计划，到2006为止，全世界有近5,000家化石燃料发电厂，产生近110亿吨CO₂，占全球总人为CO₂排放的近40％。在来自发电行业的这些排放中，61％来自燃煤发电厂。尽管政府提倡的长期议事日程是用可再生能源代替生产化石燃料，但不断增加的能量需求结合中短期对火力发电的巨大依赖决定了这种基于化石燃料的发电厂仍然运行。因此，为实现有效的GHG缩减体系将需要减少由此行业产生的CO₂排放，而碳捕获和封存(CCS)提供了最广为人知的解决方案之一。

CCS方法从含CO₂烟气去除CO₂，能够产生高度浓缩的CO₂气体流，所述CO₂气体流被压缩并被运输至封存场所。此场所可以是衰竭油田或盐水层。在海洋中封存和矿物碳酸盐化是处在研究阶段的封存的两种替代方式。捕获的CO₂还可以用于提高石油回收。

当前用于CO₂捕获的技术主要基于胺溶液的使用，所述胺溶液通过两个主要的不同单元循环：与解吸(或汽提)塔连接的吸收塔。

大规模采用碳捕获技术的一个极大障碍是捕获的成本。采用主要基于胺溶剂使用的现有技术的传统CO₂捕获是一个能量密集过程，该过程涉及将溶剂加热至高温以汽提CO₂(并且再生所述溶剂)用于地下封存。传统的胺溶剂的使用所涉及的与捕获相关的成本为大约每吨CO₂(IPCC)60美元，这占碳捕获和封存(CCS)的总成本的大约80％，剩余的20％归属于CO₂压缩、管道铺设、储存和监测。到目前为止，捕获部分的这种巨大成本已经使得大规模CCS变得不可行；基于来自IPCC的数据，例如，对于每年产生400万公吨CO₂的700兆瓦(MW)粉煤发电厂，以翻新计传统CO₂捕获设备的基建费用为差不多8亿美元，且年度营运成本和工厂能源消耗为近2.4亿美元。就此而言，存在对减小工艺成本以及开发解决该问题的新的和改进的措施的需求。

由于与胺体系相关的高成本，已经完成了一些基于碳酸盐溶液工作。在这种碳酸盐体系中，在高于10的pH下，CO₂吸收的主要机理为：

在低于8的pH下，主要机理为：

碳酸盐溶液相对于基于胺的溶液的主要优势是较高的生产能力、对氧和高温的较高稳定性以及对于解吸的较低能量需求。然而，此类已知的碳酸盐溶液的特征是低的CO₂吸收速率，导致大型捕获设备和相应的基建费用。

基于碳酸盐的溶液的另一特征是，当CO₂与该化合物反应时，产物可以形成沉淀物。当溶液的载量增加时，在吸收溶液中固体的存在能够使化学反应平衡发生移动，产生恒定的CO₂压力。

生物催化剂也已经用于CO₂吸收的目的。更具体地，CO₂转化可以由酶碳酸酐酶如下催化：

在最佳条件下，该反应的催化转换率可以达到1 x 10⁶分子/秒。

碳酸酐酶已经用作基于胺的溶液中的吸收促进剂以增加CO₂吸收速率。事实上，已经对胺溶液在CO₂捕获工艺中与碳酸酐酶的结合使用给予了特别的关注。偏好胺溶液的一个原因是它们具有相对低的离子强度，这是被认为对于碳酸酐酶水合活性很重要的特性，因为高离子强度可能对蛋白质的稳定性和功能不利。

存在对于以下技术的需求：克服已经公知的工艺和技术的至少一些缺点，并且提供CO₂捕获领域中的改进。

发明概述