專利名稱：二氧化碳移除和可用于其中的離子液體化合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可用作離子液體的N-取代的吡啶織化合物，以及它們可用于二氧化碳移除的方法。
背景技術(shù)：
人們?nèi)找骊P(guān)注如何減少或從許多不同的氣體混合物中捕集(X)2的方法。CO2是存在于許多氣體流如天然氣和流出物氣體中的不期望組分，并且為了防止全球變暖，如何減少尾氣中的(X)2的排放也受到大量的全球關(guān)注。可通過(guò)許多方法，如通過(guò)液體或固體的物理或化學(xué)吸收所述氣體來(lái)移除co2?，F(xiàn)在，從工業(yè)復(fù)合物中的加工流中捕集二氧化碳的常見(jiàn)方法涉及鏈烷醇胺水溶液的使用，但通常為小規(guī)模。所述方法從上個(gè)世紀(jì)30年代早期就已得到商業(yè)性應(yīng)用(參見(jiàn)例如 Kohl 和 Nielsen 的 Gas Purification，第 5 版，Gulf Publishing, Houston TX, 1997 年)，并且基于弱堿(鏈烷醇胺)與弱酸(CO2)的反應(yīng)以制備水溶性鹽。該反應(yīng)為可逆的， 并且所述平衡為溫度依賴性的。使用鏈烷醇胺作為對(duì)于CO2(例如，來(lái)自發(fā)電廠的煙道氣體)的吸收劑有其不利之處，原因在于處理富含CO2的溶劑需要一定量的能量，CO2捕集工廠要有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，并且鏈烷醇胺將流失到環(huán)境中。在常規(guī)的鏈烷醇胺中，單乙醇胺(MEA)在CO2的低分壓上被認(rèn)為是有吸引力的溶劑，因?yàn)槠湟钥斓乃俾史磻?yīng)，并且原材料的成本與仲胺和叔胺的成本相比較低。然而由于在再生時(shí)高能量消耗，并且由于操作問(wèn)題，如腐蝕、溶劑損失和溶劑降解，使用MEA吸收過(guò)程的成本是高的。此外，由于形成了穩(wěn)定的碳酸鹽，MEA可被加載至多僅0.5 摩爾的CO2/摩爾的MEA，或33摩爾％。物理吸收體系具有超過(guò)化學(xué)吸收的優(yōu)點(diǎn)，如較低的能量成本，但也具有缺點(diǎn)，如溶劑損失和低ω2容量。因此，仍需要能夠提供低成本、高容量的(X)2捕集方法的體系和材料。發(fā)明概述本發(fā)明提供由下式I的結(jié)構(gòu)表示的化合物式I其中(a) Z 為-(CH2)n_，其中 η 為 2 至 12 的整數(shù)，或 Z 為-[(CH2)b_0]。- (CH2) d_，其中 b 和 d各自獨(dú)立地為1至4的整數(shù)，并且c為1至8的整數(shù)；(b) R2和R3各自獨(dú)立地為H或C1至C6直鏈或支鏈的烷基；(c) R4 為 H、C1 至 C6 直鏈或支鏈的烷基，或-[(CH2) p_X] q- (CH2) r_Y_R6，其中 X 禾Π Y 各自獨(dú)立地為0或NR6，p和r各自獨(dú)立地為1至4的整數(shù)，q為0至8的整數(shù)，并且R6為H或 C1至C6直鏈或支鏈的烷基；以及
(d)A—為選自下列的陰離子乙酰丙酸根、[BF4r、[PF6]\ [SbF6]\ [CH3CO2] \ [HSO4] \ [CF3SO3] \ [HCF2CF2SO3] \ [CF3HFCCF2SO3] \ [CF3-O-CFHCF2SO3] \ [CF3CF20CFHCF2S03r、[CF3CF2CF20CFHCF2S03]\ [HCC1FCF2S03]\ [ (CF3SO2)2N]\ [A1C14]\ [CF3CO2]\ [NO3]\ [S04]2\Cr、Bf、Γ、和 Γ。本發(fā)明還提供用于從氣體混合物中移除(X)2的方法，所述方法為使氣體混合物與一種或多種由下式I的結(jié)構(gòu)表示的化合物接觸式I其中(a) Z 為-(CH2)n_，其中 η 為 2 至 12 的整數(shù)，或 Z 為-[(CH2)b_0]。- (CH2) d_，其中 b 和 d各自獨(dú)立地為1至4的整數(shù)，并且c為1至8的整數(shù)；(b) R2和R3各自獨(dú)立地為H或C1至C6直鏈或支鏈的烷基； (c) R4為IC1至C6直鏈或支鏈的烷基，或-[(CH2) p_X] q- (CH2) r_Y-R6，其中X禾Π Y各自獨(dú)立地為0或NR6，p和r各自獨(dú)立地為1至4的整數(shù)，q為0至8的整數(shù)，并且R6為H或 C1至C6直鏈或支鏈的烷基；以及(d)A—為選自下列的陰離子乙酰丙酸根、[BF4r、[PF6]\ [SbF6]\ [CH3CO2] \ [HSO4] \ [CF3SO3] \ [HCF2CF2SO3] \ [CF3HFCCF2SO3] \ [CF3-O-CFHCF2SO3] \ [CF3CF20CFHCF2S03r、[CF3CF2CF20CFHCF2S03]\ [HCC1FCF2S03]\ [ (CF3SO2)2N]\ [A1C14]\ [CF3CO2]\ [NO3]\ [S04]2\Cr、Bf、Γ、和 Γ。由于多種原因，包括由于它們不可測(cè)得的低蒸汽壓(這基本上消除了溶劑釋放到大氣中的可能性)而被認(rèn)為是潛在的環(huán)保溶劑的事實(shí)，所以離子液體(IL)非常適合用于 CO2-捕集體系。發(fā)明詳述本發(fā)明涉及部分由N-取代的吡咯烷酮衍生的化合物。這些化合物包括陰離子和陽(yáng)離子，其中有側(cè)銨陽(yáng)離子通過(guò)可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的連接子與吡咯烷酮環(huán)間隔。如本文所示，該連接子在式I中用Z表示。這些化合物可用作離子液體，并可例如用作溶劑、用作各種類型反應(yīng)的催化劑(如烷化反應(yīng))，以及用作對(duì)于各種氣體(如CO2)的吸收劑。這些化合物還具有以下優(yōu)點(diǎn)所述陽(yáng)離子部分以及一些相關(guān)的陰離子可易于由乙酰丙酸或乙酰丙酸衍生物制備，所述乙酰丙酸可由廉價(jià)的可再生的生物質(zhì)原料的水解獲得。在本文組合物的描述中，對(duì)于多次用于說(shuō)明書中的某些術(shù)語(yǔ)提供了下列定義結(jié)構(gòu)“烷基”為一價(jià)(即具有一個(gè)化學(xué)價(jià))的基團(tuán)，具有通式CnH2n+1。生物質(zhì)指任何纖維質(zhì)或木質(zhì)纖維質(zhì)材料，并包括包含纖維素的材料，以及任選地還包含半纖維素、木質(zhì)素、淀粉、低聚糖和/或單糖的材料。生物質(zhì)還可包括附加組分，如蛋白質(zhì)和/或類脂。適用于本文的生物質(zhì)可衍生自單一來(lái)源，或可為衍生自一種以上來(lái)源的混合物。此類來(lái)源無(wú)限制地包括生物能作物、農(nóng)業(yè)殘余物、市政固體垃圾、工業(yè)固體垃圾、來(lái)自造紙業(yè)的淤渣、庭院垃圾、木材和林業(yè)垃圾。生物質(zhì)的實(shí)例無(wú)限制地包括玉米粒、玉米芯、 作物殘余如玉米殼、玉米秸稈、草、小麥、小麥秸稈、干草、稻稈、柳枝稷、廢紙、蔗渣、高粱、大豆、從谷物的研磨物的殘余、樹、枝、根、葉、木屑、鋸末、灌木和灌叢、蔬菜、水果、花和動(dòng)物糞肥。
“催化劑”為可影響反應(yīng)速率而不是反應(yīng)平衡并且化學(xué)上無(wú)變化地存在于所述反應(yīng)中的物質(zhì)。“轉(zhuǎn)化率”是指在反應(yīng)中轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物的特定反應(yīng)物的重量％。“烴基”為僅包含碳和氫的單價(jià)基團(tuán)。“離子液體”是在等于或低于約100°C下為流體的有機(jī)鹽?！耙阴１岣彪x子為由下式的結(jié)構(gòu)表示的陰離子
權(quán)利要求
1.用于從氣體混合物中移除(X)2的方法，所述方法包括使氣體混合物與一種或多種由下式I的結(jié)構(gòu)表示的化合物接觸式I其中(a)Z 為-(CH2)n-，其中 η 為 2 至 12 的整數(shù)，或 Z 為-[(CH2)b_0]。- (CH2) d-，其中 b 和(!各自獨(dú)立地為1至4的整數(shù)，并且c為1至8的整數(shù)；(b)R2和R3各自獨(dú)立地為H或C1至C6直鏈或支鏈的烷基；(c)R4為H、C1至C6直鏈或支鏈的烷基、或-[(CH2) P-X] q- (CH2) r-Y_R6，其中X和Y各自獨(dú)立地為0或NR6，p和r各自獨(dú)立地為1至4的整數(shù)，q為0至8的整數(shù)，并且R6為H或C1 至(6直鏈或支鏈的烷基；以及(d)A—為選自下列的陰離子乙酰丙酸f艮、[BF4]\[PF6]\ [SbF6]\ [CH3CO2]\ [HSO4]\ [CF3SO3] \ [HCF2CF2SO3] \ [CF3HFCCF2SO3] \ [CF3-O-CFHCF2SO3] \ [CF3CF20CFHCF2S03] \ [CF3CF2CF20CFHCF2S03r、[HCC1FCF2S03]\ [(CF3SO2)2N]\ [A1C14]\ [CF3CO2]\ [NO3]\ [SO4] Cl\ Br\ Γ、禾口 Γ。
2.權(quán)利要求1的方法，其中Z為-(CH2)n-。
3.權(quán)利要求2的方法，其中η為2至6的整數(shù)。
4.權(quán)利要求2的方法，其中η為2。
5.權(quán)利要求1的方法，其中R4為IC1至C6直鏈或支鏈的一價(jià)烷基。
6.權(quán)利要求5的方法，其中R2、R3和R4獨(dú)立地為H、-CH3>-CH2CH3、或-CH2CH2CH3。
7.權(quán)利要求1的方法，其中A—為乙酰丙酸根。
8.權(quán)利要求1 的方法，其中 A_ 為[BF4]\ [PF6]\ [SbF6]\ [CH3CO2]\ [HSO4]\ [CF3SO3] \ [HCF2CF2SO3] \ [CF3HFCCF2SO3] \ [CF3-O-CFHCF2SO3] \ [CF3CF20CFHCF2S03] \ [CF3CF2CF20CFHCF2S03r、[HCC1FCF2S03]\ [(CF3SO2)2N]\ [A1C14]\ [CF3CO2]\ [NO3]\ [SO4] Cl\ Br\ Γ、禾口 Γ。
9.權(quán)利要求1的方法，其中Z為-[(CH2)b-OJc-(CH2)d-.
10.權(quán)利要求9的方法，其中c為1，并且b和d為2。
11.權(quán)利要求9的方法，其中c為2，并且b和d為2。
12.權(quán)利要求1 的方法，其中 R4 為 _[ (CH2)p-X],-(CH2)^Y-R6。
13.權(quán)利要求12的方法，其中X和Y為0。
14.權(quán)利要求12的方法，其中X和Y為NR6。
15.權(quán)利要求12的方法，其中r和ρ為2至4。
16.權(quán)利要求12的方法，其中r和ρ為2。
17.權(quán)利要求12的方法，其中q為0至4。
18.權(quán)利要求12 的方法，其中 R4 為-(CH2)2-0-(C2H5)、-(CH2)2_0_(CH3)、或-(CH2)2_0H。
19.權(quán)利要求1的方法，其中從氣體混合物中移除CO2在移除設(shè)備中進(jìn)行；其中，在所述移除設(shè)備中，CO2溶解于式(I)的一種或多種化合物中以形成(i)C02含量已耗盡的純化部分和(ii)CO2含量富集的溶劑部分；并且其中將所述溶劑部分從移除設(shè)備中分離。
20.權(quán)利要求19的方法，其中將CO2從溶劑部分中分離以形成精餾的溶劑部分，并且所述精餾的溶劑部分被返回到所述移除設(shè)備中。
全文摘要
本發(fā)明涉及可用作離子液體的化合物，所述化合物基于N-取代的吡咯烷酮并且引入通過(guò)可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的連接子與吡咯烷酮環(huán)間隔的側(cè)銨陽(yáng)離子；以及它們可用于二氧化碳移除的方法。
文檔編號(hào)B01D53/94GK102307647SQ200980156122
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月4日
發(fā)明者A·明特, B·R·梅萊恩, C·P·永克, K·W·哈欽森, M·A·哈默, M·B·施夫萊特, T·富 申請(qǐng)人:納幕爾杜邦公司