Brevet FR3123809A1 — publié le 20221216

La présente invention concerne un procédé qui utilise des liquides ioniques (LIs) tensioactifs ayant une affinité pour l'eau pour capter du CO2, en particulier les LIs dérivés de tensioactifs, à faible coût de fabrication, exempt de fluor, provoquant un faible impact environnemental dans son utilisation et une haute performance de sorption de CO2. Le procédé de sorption de CO2 consiste en la mise en contact d'un mélange gazeux avec au moins un des LIs décrits, à la température, pression et pression partielle du CO2 de travail. L'élimination de CO2 se fait par réduction de pression. Les LIs peuvent être réutilisés sans perte d'efficacité. PROCÉDÉ DE CAPTURE DE CO2 Domaine de l’invention La présente invention concerne un procédé qui utilise des liquides ioniques (LIs) tensioactifs ayant une affinité pour l'eau appliqués dans les processus de captage de gaz acides dans des mélanges gazeux, particulièrement le dioxyde de carbone (CO2), même à haute concentration. Il vise à remplacer les technologies actuelles de captage de CO2 fournissant un faible coût de production, une haute performance de sorption du CO2 et avec l'avantage d'être exempt de fluor, ce qui provoque un faible impact environnemental. Description de l'état de l'art La séparation de CO2 des courants gazeux est un processus de grand intérêt dans les technologies de captage du carbone, particulièrement applicable dans les gaz d'échappement provenant de la combustion et de l’épuration du gaz naturel (GN). Pour cela, les principales technologies impliquent la perméation membranaire (PM), absorption chimique (AC) et absorption physique (AP). Dans le cas de la séparation de CO2 d'hydrocarbures (HC), le principal avantage de l'AC est sa sélectivité, puisqu'elle fonctionne par réaction chimique entre le CO2 et les dérivés d'amines. L'élimination du CO2 par AP a pour principal avantage le plus faible coût énergétique du processus de désorption du CO2, produit par réduction de pression. Néanmoins, outre la plus faible sélectivité de AP par rapport à AC, la pression de vapeur du solvant physique entraîne des pertes de matière dans les processus de désorption du CO2. La technologie de référence pour l'AC de CO2 est la sorption avec des solutions d'alcanolamines. Son principal avantage est l'applicabilité efficace à la fois dans les processus avec de faibles pressions de gaz d'entrée, comme gaz d'échappement, comme pour les gaz à haute pression, comme le gaz naturel. Ce processus, bien qu'efficace dans la capture, nécessite une grande quantité d'énergie pendant le processus de régénération, ce qui augmente le coût du processus de captage des gaz dans son ensemble. Les autres inconvénients de l'AC à base d'amines sont la nécessité d’un appoint d’amines, la corrosion dans l'équipement, la toxicité des amines et des produits de dégradation, et une perte d'efficacité significative si utilisé dans des mélanges à haute pression partielle de CO2. Ce dernier devient important dans le cas de l’épuration du GN à forte teneur en CO2, ce qui est observé dans plusieurs gisements pré-salifères. L'affinité sélective des LIs pour le CO2 par rapport aux HC et bonne capacité de sorption du CO2 avec des pressions partielles élevées présentées par certains LI, font que les LIs soient des matériaux attractifs pour remplacer les amines. Néanmoins, la plupart des LIs ont des coûts de production élevés et beaucoup d'entre eux ont une faible affinité pour l'eau, généralement présents dans les flux gazeux à purifier. Il existe des demandes de brevet qui introduisent des LIs dans les processus de sorption du CO2, comme les documents US2013/0012699 ou US2005/0129598. C'est également le cas du brevet US9186618 qui révèle la dissolution des amines dans les LIs et l'utilisation directe dans les AC. Les solutions d'amines modifiées sont la base de la technologie utilisée pour la sorption chimique du CO2. Ces processus ont une forte demande énergétique, des taux élevés de remplacement (make-up) de la solution, une dégradation à haute température qui génère des produits volatils toxiques et une corrosion marquée des équipements en présence de CO2. Les amines sont toxiques et leur processus d'élimination n'est pas anodin. Donc, de nombreux LIs ont été testés pour capturer le CO2. Les LIs sont des sels généralement liquides à température ambiante. Ils ont une faible pression de vapeur, faible volatilité, faible inflammabilité, haute stabilité chimique, électrochimique et thermique et sont réutilisables. Les LIs aident à prévenir la corrosion de l'équipement. Les coûts des LIs commerciaux sont élevés, ce qui la rend difficile la mise en œuvre de ceux-ci dans les processus de captage de CO2 et les gaz acides. Il existe peu de LIs disponibles à l'échelle industrielle, ce qui rend difficile leur utilisation à grande échelle. L'article de VIEIRA, M. O. et al. (2017) “Ionic liquids composed of linear amphiphilic anions: synthesis, physicochemical characterization, hydrophilicity and interaction with carbon dioxide”, Journal of Molecular Liquids, v. 241, p. 64-73 décrit la synthèse et les caractérisations physicochimiques de quatre liquides ioniques, qui montre une étude théorique de l'interaction moléculaire des liquides ioniques avec le CO2, montrant qu'il y a une affinité ; néanmoins, un processus de captage de CO2 n'est pas mentionné. L'étude de SOUZA, A. L. A. et al. (2018) “Sorção de CO2 utilizando Líquido Iônico aditivado com extensores de área superficial”, Química Nova, v. 41, n. 6, p. 656-661 fait référence à une étude de l'interaction entre les microsphères de verre et les liquides ioniques ([bmim][BF4] et [bmim][NTf2]) dans le processus de sorption du CO2 à haute pression (27 bars) à des températures de 30, 40 et 50 °C. Cette étude utilise des liquides ioniques structurellement très distincts avec des extenseurs de surface pour capturer le CO2. La thèse de NASCIMENTO, M. V. C. (2017) “Equilíbrio de CO2 em misturas aquosas de aminas e líquidos iônicos”, (Disertación) – Universidad Federal de Rio de Janeiro, Escuela de Química, 226p, décrit une étude et un développement de modèles d'absorption de CO2, utilisant des liquides ioniques comme solvants, pur ou en mélange avec de l'eau et de l'amine, cohérent aux fins de conception et de simulation des processus de captage des gaz acides. Néanmoins, elle aborde une étude théorique de la sorption du CO2 en utilisant de liquides ioniques, faisant des comparaisons avec des données de la littérature et non une étude expérimentale. Le brevet US9233339 divulgue une structure composite pour capter une espèce électrophile gazeuse, la structure étant composée de particules sorbantes réfractaires mésoporeuses auxquelles un liquide ionique est lié de manière covalente, dans lequel ledit liquide ionique inclut un groupe fonctionnel accessible qui est capable de lier ladite espèce électrophile gazeuse. Néanmoins, il se concentre sur les structures en fibres réfractaires, où des liquides ioniques fonctionnalisés avec des groupes silane sont attachés. Pour cela, la silice est utilisée comme support. Donc, il n'y a aucune possibilité que cette structure soit utilisée pour capter des gaz polluants. Ainsi, il faut souligner que les liquides ioniques sont une large classe de composés, synthétisés et appliqués dans les domaines les plus variés, dans lesquels de nombreuses structures moléculaires de liquides ioniques sont présentes dans la littérature. Pour résoudre ces problèmes, la présente invention a été développée, qui présente un procédé de capture de CO2 par le biais des liquides ioniques dérivés de tensioactifs dans le but de remplacer les matériaux couramment utilisés dans le processus de captage du CO2 traditionnel. Les liquides ioniques proposés peuvent être utilisés dans les unités de processus de capture de CO2 préexistant. Le procédé de capture de CO2 utilisant de liquides ioniques (solvants physiques) est idéal lorsque les pressions partielles sont élevées, contrairement au processus de capture avec les amines qui nécessite des pressions partielles plus faibles. Les LIs sont des solvants faciles à réutiliser et n'ont pas les problèmes opérationnels des amines, comme une forte dégradation, haute énergie de régénération et corrosion des équipements. En outre, les LIs sont des matériaux à faible valeur ajoutée car leur produit de départ est un produit commercial, très abondant sur le marché et à faible coût. Ils ont une capacité de sorption du CO2 compétitif, des avantages opérationnels par rapport aux amines, moindre toxicité, ils fonctionnent dans des conditions plus défavorables que les produits commerciaux existants et peuvent être utilisés à la fois pour les flux à faible concentration de CO2 et pour les flux à forte teneur en ce gaz. Les LIs décrits dans l'invention peuvent être appliqués à basse pression, comme dans la purification des gaz d'échappement ou à des pressions élevées et des teneurs élevées en dioxyde de carbone, comme dans la purification du gaz naturel. La stabilité de ces liquides ioniques apporte un avantage économique supplémentaire, permettant leur réutilisation, réduisant les frais de remplacement (make-up) et la gestion des déchets. Contrairement aux solutions d'amines et à leurs produits de dégradation, les liquides ioniques ont une stabilité électrochimique élevée et ne sont pas potentiellement corrosifs, ce qui augmente la durée de vie utile de l'infrastructure et réduit les coûts d'exploitation et de maintenance. La réutilisation de ces LIs réduit le besoin de gestion des déchets du processus. Brève description de l’invention La présente invention concerne un procédé de capture de CO2 qui consiste à mettre le mélange gazeux contenant du CO2 en contact avec les liquides ioniques, dans les conditions de traitement des gaz d'échappement ou du gaz naturel, à haute ou basse pression, dans une colonne d'absorption. La désorption se produit par décompression, ce qui peut se faire en une ou plusieurs phases. La volatilité négligeable, la stabilité chimique et électrochimique des LIs réduisent le potentiel de corrosion de l'équipement et le besoin constant de remplacer le sorbant. Les liquides ioniques proposés pour le procédé de capture de CO2 de cette invention remplissent le même rôle que les solutions d'amines en termes de sélectivité dans la capture de CO2 et sont miscibles à l'eau, sauf pour [TBA][C12SO4]. Leur grande différence est qu'ils ont une chaîne latérale avec une surface active, puisqu'ils sont des dérivés de tensioactif, ce qui en fait des tensioactifs avec une grande affinité pour l'eau. Ils ne sont pas dégradables à haute température, en plus d'avoir un faible coût de synthèse et d'être exempts de fluor. Ils peuvent également être adaptés pour une utilisation dans des structures de captage de CO2 préexistant. Description brève des dessins La présente invention sera décrite plus en détail ci-dessous, en référence aux figures ci-jointes qui, schématiquement et non limitativement la portée de l'invention, représentent des exemples de réalisation. Les dessins incluent : qui illustre les structures des liquides ioniques utilisés dans la présente invention ; qui illustre un graphique des résultats de sorption de CO2 dans les LIs à une température de 30 °C et des pressions variables ; qui illustre un graphique des résultats de sorption de CO2 dans les LIs à une température de 50 °C et des pressions variables ; qui illustre un graphique des cycles de sorption et de désorption de CO2 dans [TBA][C12ESO4] à une température de 50 °C et des pressions variables. Procédé de capture de CO2, caractérisé en ce qu'il comprend la mise en contact d’un mélange gazeux contenant du CO2 avec des liquides ioniques dans une colonne d'absorption. Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les liquides ioniques sont exempts de fluor et ont une affinité pour l'eau. Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les liquides ioniques sont choisis parmi le lauryl sulfate de 1-butyl-3-méthylimidazolium ([bmim][C12SO4) ; le lauryl éther sulfate de 1-butyl-3-méthylimidazolium ([bmim][C12ESO4]) ; le lauryl benzène sulfonate de 1-butyl-3-méthylimidazolium ([bmim][C12BSO3]) ; le lauroyl sarcosinate de 1-butyl-3-méthylimidazolium ([bmim][C12SAR]) ; le lauryl sulfate de tétra-n-butylammonium ([TBA][C12SO4]) ; le lauryl éther sulfate de tétra-n-butylammonium ([TBA][C12ESO4]) ; le lauryl benzène sulfonate de tétra-n-butylammonium ([TBA][C12BSO3]) et le lauroyl sarcosinate de tétra-n-butylammonium ([TBA][C12SAR]). Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’une désorption s'effectue par décompression en une ou plusieurs étapes.