(57)【要約】  煙道ガスおよび他の工業ガス源からの二酸化炭素捕捉のためのシステムは、非常に薄いポリマーシェルを有するマイクロカプセルを使用する。マイクロカプセルの内容物は、液体または液体と固体との混合物であってもよい。マイクロカプセルは、煙道ガスおよび他の工業ガスに曝露され、煙道ガスおよび他の工業ガスから二酸化炭素を取り込み、結果として、をカプセル中で固体を沈殿させる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
煙道ガス煙道ガスおよび他の工業ガス源からの二酸化炭素捕捉のためのマイクロカプセルであって、
マイクロカプセル体、
二酸化炭素に対して透過性がある前記マイクロカプセル体上の表面層、および
前記マイクロカプセル体中に封入されたストリッピング溶媒を含み、
前記ストリッピング溶媒は、前記二酸化炭素に対して可溶性であり、前記二酸化炭素は前記表面層を通過し、前記ストリッピング溶媒によって取り込まれて、二酸化炭素を煙道ガスおよび他の工業ガスから分離する煙道ガスマイクロカプセル。
【請求項２】
請求項１に記載の煙道ガスおよび他の工業ガス源からの二酸化炭素捕捉のためのマイクロカプセルであって、
前記マイクロカプセル体上またはその中に、触媒または酵素の層をさらに含む煙道ガスマイクロカプセル。
【請求項３】
請求項１に記載の煙道ガスおよび他の工業ガス源からの二酸化炭素捕捉のためのマイクロカプセルであって、
前記ストリッピング溶媒が、第一級、第二級、第三級、およびヒンダードアミン、苛性溶液、イオン性緩衝液、アンモニア、または二酸化炭素の溶解性を有する他の溶媒である煙道ガスマイクロカプセル。
【請求項４】
請求項１に記載の煙道ガスおよび他の工業ガス源からの二酸化炭素捕捉のためのマイクロカプセルであって、
前記表面層が、多孔質固体から作られている煙道ガスマイクロカプセル。
【請求項５】
請求項１に記載の煙道ガスおよび他の工業ガス源からの二酸化炭素捕捉のためのマイクロカプセルであって、
前記表面層が炭素繊維を含む煙道ガスマイクロカプセル。
【請求項６】
請求項１に記載の煙道ガスおよび他の工業ガス源からの二酸化炭素捕捉のためのマイクロカプセルであって、
前記表面層がナノチューブを含む煙道ガスマイクロカプセル。
【請求項７】
請求項１に記載の煙道ガスおよび他の工業ガス源からの二酸化炭素捕捉のためのマイクロカプセルであって、
前記表面層が、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびナイロンを含む、ポリマーのいくつかのファミリーの何れかから作られている煙道ガスマイクロカプセル。
【請求項８】
二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガス源から二酸化炭素を捕捉するための装置であって、
コーティング、およびマイクロカプセル中にカプセル化されたストリッピング材料を有するマイクロカプセルを、二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガスに曝露するためのシステムであって、前記コーティングは、前記二酸化炭素に対して透過性があり、前記二酸化炭素は前記コーティングを通過して、前記ストリッピング材料によって取り込まれるシステムと、
前記マイクロカプセルから前記二酸化炭素を追い出して、これによって、前記二酸化炭素を煙道ガスおよび他の工業ガスから分離するためのシステムと
を含む煙道ガス装置。
【請求項９】
請求項８に記載の二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガスから二酸化炭素を捕捉するための装置であって、
前記ストリッピング溶媒が、第一級、第二級、第三級、およびヒンダードアミン、苛性溶液、イオン性緩衝液、アンモニア、または二酸化炭素の溶解性を有する他の溶媒である煙道ガス装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガスから二酸化炭素を捕捉するための装置であって、
前記ストリッピング溶媒がアミンである煙道ガス装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガスから二酸化炭素を捕捉するための装置であって、
前記コーティングが多孔質固体から作られている煙道ガス装置。
【請求項１２】
請求項８に記載の二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガスから二酸化炭素を捕捉するための装置であって、
前記コーティングが炭素繊維を含む煙道ガス装置。
【請求項１３】
請求項８に記載の二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガスから二酸化炭素を捕捉するための装置であって、
前記コーティングがナノチューブを含む煙道ガス装置。
【請求項１４】
請求項８に記載の二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガスから二酸化炭素を捕捉するための装置であって、
前記コーティングが、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびナイロンを含む、ポリマーのいくつかのファミリーの何れかから作られている煙道ガス装置。
【請求項１５】
二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガスからの二酸化炭素捕捉の方法であって、
コーティングおよびマイクロカプセル中に封入されたストリッピング材料を有するマイクロカプセルを提供する工程、ここで、前記コーティングは二酸化炭素に対して透過性がある；
コーティングおよびマイクロカプセル中に封入されたストリッピング材料を有する前記マイクロカプセルを、二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガスに曝露する工程、ここで、前記二酸化炭素は、前記コーティングを通過して、前記ストリッピング材料によって取り込まれる；煙道ガス及び、
前記二酸化炭素を前記マイクロカプセルから追い出すことによって、二酸化炭素を含有する前記煙道ガスおよび他の工業ガスから前記二酸化炭素を分離する工程と
を含む煙道ガス方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガスからの二酸化炭素捕捉の方法であって、
コーティングおよびマイクロカプセル中に封入されたストリッピング材料を有するマイクロカプセルを提供する前記工程が、コーティング、ならびに前記マイクロカプセル中に封入された、第一級、第二級、第三級、およびヒンダードアミン、苛性溶液、イオン性緩衝液、アンモニア、または二酸化炭素の溶解性を有する他の溶媒であるストリッピング溶媒を有するマイクロカプセルを提供することを含む煙道ガス方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガスからの二酸化炭素捕捉の方法であって、
コーティングおよびマイクロカプセル中に封入されたストリッピング材料を有するマイクロカプセルを提供する前記工程が、コーティング、および前記マイクロカプセル中に封入されたアミンであるストリッピング溶媒を有するマイクロカプセルを提供することを含む煙道ガス方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガスからの二酸化炭素捕捉の方法であって、
コーティングおよびマイクロカプセル中に封入されたストリッピング材料を有するマイクロカプセルを提供する前記工程が、多孔質固体から作られているコーティングおよび前記マイクロカプセル中にカプセル化されたストリッピング材料を有するマイクロカプセルを提供することを含む、請求項１５に記載の二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガスからの二酸化炭素捕捉の方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガスからの二酸化炭素捕捉の方法であって、
コーティングおよびマイクロカプセル中に封入されたストリッピング材料を有するマイクロカプセルを提供する前記工程が、炭素繊維を含むコーティングおよび前記マイクロカプセル中に封入されたストリッピング材料を有するマイクロカプセルを提供することを含む煙道ガス方法。
【請求項２０】
請求項１５に記載の二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガスからの二酸化炭素捕捉の方法であって、
コーティングおよびマイクロカプセル中に封入されたストリッピング材料を有するマイクロカプセルを提供する前記工程が、カーボンナノチューブを含むコーティングおよび前記マイクロカプセル中に封入されたストリッピング材料を有するマイクロカプセルを提供することを含む煙道ガス方法。
【請求項２１】
請求項１５に記載の二酸化炭素を含有する煙道ガスおよび他の工業ガスからの二酸化炭素捕捉の方法であって、
コーティングおよびマイクロカプセル中に封入されたストリッピング材料を有するマイクロカプセルを提供する前記工程が、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびナイロンを含む、ポリマーのいくつかのファミリーのいずれかから作られているコーティング、ならびに前記マイクロカプセル中に封入されたストリッピング材料を有するマイクロカプセルを提供することを含む煙道ガス方法。
【請求項２２】
二酸化炭素を含有するガス混合物から二酸化炭素を分離する方法であって、
コーティングおよびマイクロカプセル中に封入されたストリッピング溶媒を有するマイクロカプセルを提供する工程であって、前記コーティングが、二酸化炭素に対して透過性がある工程と、
コーティングおよびマイクロカプセル中に封入されたストリッピング溶媒を有する前記マイクロカプセルを、二酸化炭素を含有するガス混合物に曝露する工程であって、前記二酸化炭素が、前記コーティング中を通して、前記ストリッピング溶媒によって取り込まれる工程と、
前記二酸化炭素を前記マイクロカプセルから追い出すことによって、前記ガス混合物から前記二酸化炭素を分離する工程と
を含む方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の二酸化炭素を含有するガス混合物から二酸化炭素を分離する方法であって、
前記ストリッピング溶媒が、第一級、第二級、第三級、およびヒンダードアミン、苛性溶液、イオン性緩衝液、アンモニア、または二酸化炭素の溶解性を有する他の溶媒である方法。
【請求項２４】
請求項２２に記載の二酸化炭素を含有するガス混合物から二酸化炭素を分離する方法であって、
前記コーティングが、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびナイロンを含む、ポリマーのいくつかのファミリーの何れかから作られている方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
関連出願への相互参照
本願は、その開示がすべての目的のために参照により全体的にここで援用される、「ｐｏｌｙｍｅｒ−ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ  ｃａｒｂｏｎ  ｃａｐｔｕｒｅ  ｌｉｑｕｉｄｓ  ｔｈａｔ  ｔｏｌｅｒａｔｅ  ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｏｌｉｄｓ  ｆｏｒ  ｉｎｃｒｅａｓｅｄ  ｃａｐａｃｉｔｙ」という名称の、１０／２８／２０１１に出願した米国仮特許出願第６１／５５２，８７０号の３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．第１１９（ｅ）条の下の利益を主張する。
【０００２】
カプセル化された吸収剤を用いて、流体または混合物から対象物質を分離するための、Ｒｏｇｅｒ  Ｄ．Ａｉｎｅｓ、Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ  Ｍ．Ｓｐａｄａｃｃｉｎｉ、Ｊｏｓｈｕａｈ  Ｋ．Ｓｔｏｌａｒｏｆｆ、Ｗｉｌｌｉａｍ  Ｌ．Ｂｏｕｒｃｉｅｒ、Ｊｅｎｎｉｆｅｒ  Ａ．Ｌｅｗｉｓ、Ｅｒｉｃ  Ｂ．Ｄｕｏｓｓ、およびＪｏｈｎ  Ｊ．ＶｅｒｉｃｅｌｌａによってＤｅｃｅｍｂｅｒ６、２０１１に出願された米国特許出願第１３／３１２，４１８号は、本発明と関連したシステムを開示している。Ｒｏｇｅｒ  Ｄ．Ａｉｎｅｓ、Ｗｉｌｌｉａｍ  Ｌ．Ｂｏｕｒｃｉｅｒ、Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ  Ｍ．Ｓｐａｄａｃｃｉｎｉ、およびＪｏｓｈｕａｈ  Ｋ．Ｓｔｏｌａｒｏｆｆは、この出願に挙げられている発明者である。カプセル化された吸収剤を用いて、流体または混合物から対象物質を分離するための、Ｒｏｇｅｒ  Ｄ．Ａｉｎｅｓ、Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ  Ｍ．Ｓｐａｄａｃｃｉｎｉ、Ｊｏｓｈｕａｈ  Ｋ．Ｓｔｏｌａｒｏｆｆ、Ｗｉｌｌｉａｍ  Ｌ．Ｂｏｕｒｃｉｅｒ、Ｊｅｎｎｉｆｅｒ  Ａ．Ｌｅｗｉｓ、Ｅｒｉｃ  Ｂ．Ｄｕｏｓｓ、Ｊｏｈｎ  Ｊ．ＶｅｒｉｃｅｌｌａによってＤｅｃｅｍｂｅｒ６、２０１１に出願された米国特許出願第１３／３１２，４１８号の開示は、この参照によりすべての目的のために全体的にここで援用される。
【０００３】
連邦政府支援の研究開発の下で行われた発明に関する権利についての記載
米国政府は、ローレンスリバモア国立研究所の運営に関する、米国エネルギー省とＬａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ＬＬＣとの間の契約書番号ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４により、本発明における権利を有する。
【０００４】
背景
努力の分野
本発明は、炭素捕捉に関し、特に、容量の増加のために固体の沈殿を許容するポリマーでカプセル化された炭素捕捉カプセルに関する。
【０００５】
技術の現況
煙道ガスおよび他の工業ガス源からの二酸化炭素捕捉は、今日では、塩基（例えばＭＥＡ、炭酸カリウム、緩衝剤、例えばリン酸塩もしくはホウ酸塩、またはアンモニア）が高濃度で水に溶解された液体吸収剤を用いて最適に実施されている。これらのシステムの効率は、溶解することができる塩基の量によって限定され、生じた流体の保持容量を制限する。二酸化炭素は液体吸収剤に溶解するので、増加した炭酸塩濃度の結果として固体沈殿が生じる場合、さらなる限界に達し得る。沈殿した固体が存在すると、システムの目詰まり、不安定な捕捉挙動、および液体吸収剤の再生（通常、液体と水蒸気との均一な接触を必要とする水蒸気ストリッパーで実施される）の困難さをもたらす。
【０００６】
発明の概要
本発明の特徴および利点は、以下の説明から明らかになる。本出願者らは、本発明の広範な提示を示すために、具体的な態様の図面および例を含むこの説明を提供する。この説明からおよび本発明の実施によって、本発明の精神および範囲内の様々な変更および修正が当業者に明らかになろう。本発明の範囲は、開示された特定の形態に限定されるものではなく、本発明は、特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲内に該当するすべての修正、等価物、および代替物を包含する。
【０００７】
本発明は、液体吸収剤を薄いポリマーシェル中に取り込んで、液体が充填された、直径が典型的には１００μｍ〜１ｍｍのビーズを形成することによって、従来技術の沈殿の制約を取り除く。本願において、このビーズは、ガス充填段階の間における固体の沈殿を許容することが可能であり、再生（例えば水蒸気ストリッピング）段階の間に均一な物理的存在となる自己独立式のシステムである。このようにして、取り入れられる液体溶媒の保持容量および効率を２５％以上増加させることができる。
【０００８】
本発明は、煙道ガスおよび他の工業ガス源からの二酸化炭素捕捉のためのシステムを提供する。本発明は、非常に薄いポリマーシェルを有するマイクロカプセルを使用する。マイクロカプセルの内容物は、液体または液体と固体の混合物であってもよい。マイクロカプセルは、煙道ガスおよび他の工業ガスに曝露され、煙道ガスおよび他の工業ガスから二酸化炭素を取り込み、次第にカプセル中に固体を沈殿させる。一態様において、二酸化炭素を純粋な形態で回収するために、カプセルを７０〜２００℃の温度に加熱して、二酸化炭素を気化させてマイクロカプセルから離れさせる方法が使用される。他の態様は、化学的変化または適用する圧力の変化を使用する。本発明は、煙道ガス、工業用ガス状排出物、水性溶液、溶媒、および空気からの二酸化炭素捕捉において用途を有する。
【０００９】
本発明は、修正および代替の形態を受け入れることができる。具体的な態様は、例として示されている。本発明は、開示された特定の形態に限定されものではないと理解される。本発明は、特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲内に該当するすべての修正、等価物、および代替物を包含する。
【００１０】
本明細書に援用され、その一部を構成する添付の図面は、本発明の具体的な態様を例示し、上記に示した本発明の概要および具体的な態様の詳細な説明と一緒になって、本発明の原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、ガス混合物から二酸化炭素を分離するためのシステムの図解である。
【図２】図２は、図１に示されたカプセルの１個の態様を図示する。
【図３】図３は、ガス混合物から二酸化炭素を分離するためのシステムの態様を図示する。
【図４】図４は、ガス混合物から二酸化炭素を分離するためのシステムの別の態様を図示する。
【図５】図５は、ガス混合物から二酸化炭素を分離するためのシステムのさらに別の態様を図示する。
【図６】図６は、ポリマーで被覆されたカプセルを作製するためのシステムを図示する。
【図７】図７は、カプセル性能を改良するための、触媒およびポリマー添加剤の使用を図示する。
【図８】図８は、煙道ガス（例えば、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ、Ｎ2、ＳＯx、ＮＯx）および／または他のガス混合物が、ポリマーで被覆されたカプセルの懸濁液と接触されながら、吸収塔中を上方に通過させることによって処理されることを図示する。
【００１２】
具体的な態様の詳細な説明
図面、以下の詳細な説明、および援用されている資料を参照して、具体的な態様の説明を含めて、本発明の詳細な情報を提供する。詳細な説明は、本発明の原理を説明するのに役立つ。本発明は、修正および代替の形態を受け入れることができる。本発明は、開示されている特定の形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲で定義される本発明の精神および範囲に該当するすべての修正、等価物、および代替物を包含する。
【００１３】
煙道ガスおよび他の工業ガス源からの二酸化炭素捕捉は、今日では、塩基（例えばＭＥＡ、炭酸カリウム、緩衝剤、例えばリン酸塩もしくはホウ酸塩、またはアンモニア）が水に高濃度で溶解されている液体吸収剤を用いて最適に実施されている。これらのシステムの効率は、溶解することができる塩基の量によって限定され、生じた流体の保持容量を制限する。二酸化炭素は液体吸収剤に溶解するので、増加した炭酸塩濃度の結果として固体沈殿が生じる場合、さらなる限界に達し得る。沈殿した固体が存在すると、システムの目詰まり、不安定な捕捉挙動、および液体吸収剤の再生（通常、液体と水蒸気との均一な接触を必要とする水蒸気ストリッパーで実施される）の困難さをもたらす。本発明は、液体吸収剤を薄いポリマーシェル中に取り込んで、直径が典型的には１００μｍ〜１ｍｍの液体で充填されたビーズを形成することによって沈殿の制約を取り除く。本願発明では、このビーズは、ガス充填段階の間における固体の沈殿を許容でき、再生（例えば水蒸気ストリッピング）段階の間に均一な物理的存在となる自己独立式のシステムである。このようにして、取り入れられる液体溶媒の保持容量および効率は、２５％以上増加させることができる。
【００１４】
本発明は、非常に薄いポリマーシェルを有する液体が充填されたマイクロカプセルを作製するのにカプセル化法を使用する。本発明は、具体的には、カプセルの内容物に関し、この内容物は、液体または液体と固体の混合物であってもよい。ポリマーシェルが内部流体の化学的性質の変化に非常に厳密な制限を強いるという事実は、流体が、二酸化炭素を有するガスとの反応の間に、二酸化炭素の取込みがカプセル内に固体沈殿を形成させることができるような組成からなることを可能にする。典型的な捕捉方法では、こうしたカプセルをガスに曝露し、それに伴って、二酸化炭素が取り込まれ、次第に固体の沈殿がカプセル中で生じる。二酸化炭素を純粋な形態で回収する１つの方法は、カプセルを７０〜２００℃の温度に加熱して、二酸化炭素を気化させ、カプセルから離れさせる。他の方法、例えば、化学的変化、または適用する圧力の変化を使用し得る。
【００１５】
具体的な例は、捕捉媒体としてのＫ2ＣＯ3の使用である。今日では、３０〜４０％Ｋ2ＣＯ3水溶液が、石炭からの合成ガスの製造を含めて、いくつかの工業プロセスからの二酸化炭素を捕捉するために使用されている。低温において、ＫＨＣＯ3の固体沈殿が沈殿して、容量を制限する。今日では、この方法は、ほとんど高温でのみ使用される（それゆえ、ホットポットプロセスと呼ばれる）。しかし、ここに記載されている本発明において、カプセルは、ＫＨＣＯ3の沈殿を含めてすべてのＫ2ＣＯ3が反応
Ｋ2ＣＯ3＋Ｈ2０＋ＣＯ2＝＝＞＞２ＫＨＣＯ3  ［式１］
に従って反応される時点まで、低温でガス充填され得る。
【００１６】
これは、システムの保持容量のかなりの増加をもたらす。今日では、低温（１００℃未満）では、２０％の溶液しか使用することができないが、本発明の限界では、溶液は５０％のＫ2ＣＯ3であり得、総ＣＯ2保持容量では１５０％の増加となり得る。次いで、この溶液を１４５℃で加熱した場合、開始時の二酸化炭素回収捕捉圧力は２５ｐｓｉであり、回収が完了するとき２ｐｓｉまで低下する。サイクルを完了するために、この溶液を４０℃まで戻すことができる。この例の保持容量は、グレイボックス（沈殿領域）が回避され、開始時の回収圧力が４倍高い場合に可能になるはずのものの２倍である。
【００１７】
利点は、カプセル中に最小量の水を保持し得、これが回収の間に水の気化およびその気化に起因する付随したエネルギー損失を最小限に抑えることである。高いＣＯ2圧力（これは、後の貯留のためのＣＯ2の圧縮を軽減する）と少ない水の気化との二重の利点は、これを低エネルギーのシステムにする。これらの利点は、本発明の前に知られていたが、このような高い水準では得られなかった。
【００１８】
本発明は、沈殿をカプセル内部に閉じ込めること、およびカプセル内部に拘束される全体的な化学的性質を維持することを介して、容量の増加および操作の問題の軽減を可能にする。水およびＣＯ2は、ポリマーを横切って自由に交換および移動することができ、捕捉反応を可能にするが、カチオンは、ポリマーを横切って移動することができない。
【００１９】
次に、図面、特に図１を参照して、本発明のシステムの態様を図示する。システムは、全体的に参照番号１００で示される。システム１００は、煙道ガスおよび他の工業ガス源からの二酸化炭素捕捉のためのシステムを提供する。図１に例示されるように、煙道ガス１０２は、水１０４およびマイクロカプセル１０６のスラリー中を通してバブリングされる。水は、この方法において任意であるが、たとえ液体の形態でなくとも、煙道ガスには常に存在する。
【００２０】
システム１００は、非常に薄いポリマーシェルを有するマイクロカプセル１０６を使用する。マイクロカプセル１０６の内容物は、液体または液体と固体の混合物であってもよい。マイクロカプセル１０６は、煙道ガスおよび他の工業ガス１０２に曝露され、煙道ガスおよび他の工業ガスから二酸化炭素を取り込み、および結果としてカプセル１０６中に固体を沈殿させる。
【００２１】
マイクロカプセル１０６は、ポリマーコーティングおよびマイクロカプセル１０６内に封入されたストリッピング溶媒を含む。ポリマー表面層は、二酸化炭素に対して透過性がある。マイクロカプセル内に封入されたストリッピング溶媒は、以下のいずれかのものまたは混合物であってもよい：第一級、第二級、第三級、およびヒンダードアミン、苛性溶液、イオン性緩衝液、イオン液体、アンモニア、および二酸化炭素の高い溶解性を有する他の溶媒。
【００２２】
二酸化炭素は、二酸化炭素がそれから分離される煙道ガス１０２が、水１０４およびマイクロカプセル１０６から構成されているスラリー中を通過することによって吸収される。二酸化炭素は、マイクロカプセル１０６のポリマーコーティングを通過し、ストリッピング溶媒によって取り込まれる。二酸化炭素は、マイクロカプセルから二酸化炭素を追い出すことによって分離される。二酸化炭素は、任意の様々な適切な地層中での隔離および長期貯留のために、注入場所まで輸送され得る。
【００２３】
次に、図２を参照して、図１に示されたマイクロカプセル１０６として使用することができる、マイクロカプセルの態様。マイクロカプセルをより詳細に例示する。マイクロカプセルは、全体的に参照番号２００で示される。マイクロカプセル２００は、ポリマーコーティング２０２およびマイクロカプセル２００内に封入されたストリッピング溶媒２０４を含む。ポリマー表面層２０２は、最適には厚さ１０ミクロン未満であり、二酸化炭素に対して非常に透過性がある。ポリマー表面層２０２は、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、およびその他を含む、ポリマーのいくつかのファミリーのいずれかのものから作られている。
【００２４】
マイクロカプセル２００内に封入されたストリッピング溶媒２０４は、以下のいずれかのものまたは混合物であってもよい：第一級、第二級、第三級、およびヒンダードアミン、苛性溶液、イオン性緩衝液、アンモニア、イオン液体、および二酸化炭素の高い溶解性を有する他の溶媒。
【００２５】
マイクロカプセル２００は、ガス混合物から二酸化炭素を捕捉するために使用される。接触デバイスは、流動床、向流フロー、水性液体中の懸濁等を含めて、いくつかの形態の１つであってもよい。ガス充填後、カプセルは、通常、制御された環境において熱的に再生され、ここで、二酸化炭素は、圧縮および地表下への注入に適している純粋な形態で放出される。この環境は、カプセル内部の水と平衡にあって、水の、カプセルの内部または外部への移動を阻止するような分圧の水蒸気の環境であり得る。熱交換器または油浴からの乾式加熱が、この段階で任意に使用されていてもよい。
【００２６】
本発明は、新しい領域のプロセス条件および工業用ＣＯ2捕捉方法（既存の方法の短期的な改良から、使用溶媒がポリマー被覆中に封入されて腐食および溶媒分解の問題を最小化し、一方、溶媒の含水量を減少させることによって総エネルギー必要量を大幅に削減する新しい方法をより長期に可能にすることまでにわたる）を開発するための触媒の有効な使用を提供する。
【００２７】
本発明による球状ポリマーシェル中へのアミンの封入（内包することによるカプセル化）は、コンベンショナルなアミン捕捉システムに比較して利点を有する。第１に、アミンをポリマーシェル中に隔離することは、溶媒の分解を制限することができ、形成された如何なる分解生成物の移動をも阻止して、これによって捕捉システムの腐食を低減する。これは、溶媒のより高い濃度、およびそれによってＣＯ2のより高い充填量を可能にして、再生に必要なエネルギーを低減する。装置は、より小さくてもよく、腐食生成物がカプセル中に含まれており、捕捉デバイスと反応することができない場合、より安価な材料、例えば、ステンレス鋼の代わりに炭素鋼から構成されていてもよい。第２に、カプセル化は、新規なプロセス設計を可能にする。例えば、カプセル化されたアミンベースの捕捉システムは、コンベンショナルな充填塔とは対照的に流動床のように見える。ビーズは、煙道ガスによって（またはストリッピングガス）またはバッチプロセスとしての操作のいずれかで撹拌され得る。この新しい方法の概念は、水より低い沸点および気化熱を有するストリッピング（例えばメタノール）を用いることによって、再生の間にカプセル化状態を巧みに利用することができる。このような代替のガスは、露出したアミン溶液では使用することはできないが、カプセル化されたシステムでは、真空下でのストリッパーの操作の金銭的コストおよびエネルギーの要求を必要とせず、低温再生を可能にする。
【００２８】
本発明は、製造および生産性の利益を提供する。ビーズを、効率的な物質移動のためには十分小さく、取扱いの容易さのためには十分大きなサイズで製造することができる。本発明は、５〜１０ミクロンの壁厚を有する、１００ミクロン〜１ｍｍの範囲のサイズで液体が充填されたシェルを製造する方法を提供する。
【００２９】
本発明は、残存性および堅牢性の利益を提供する。本発明は、１００〜１２０℃の典型的な再生温度に耐え得るいくつかのポリマーを特定する。さらに、選択されたポリマーは、ＣＯ2および水の吸収、脱着に起因するわずかな容量変化に耐えることが可能である。本出願者らは、一般的なＣＯ2溶媒の密度に関するデータから、ガスの充填および除去のサイクルにより、マイクロカプセルが破裂する可能性が高いような体積増加がもたらされないと判断している。
【００３０】
図２に示されたマイクロカプセル２００は、本発明の他の態様を図示するのに使用することができる。マイクロカプセル２００は、コーティング２０２、および対象物質を流体または混合物中に捕捉する、マイクロカプセル中に封入されたストリッピング材料２０４を有するマイクロカプセルを使用するシステムの実例となる。コーティング２０２は、対象物質に対して透過性があり、対象物質は前記コーティング２０２中を通過し、ストリッピング材料２０４によって取り込まれる。対象物質は、マイクロカプセル２００から対象物質を追い出すことにより捕捉され、これによって流体または混合物から対象物質を分離する。
【００３１】
一態様において、コーティング２０２は、多孔質固体から作られている。別の態様において、コーティング２０２は、炭素繊維を含む。さらに別の態様において、コーティング２０２は、カーボンナノチューブを含む。マイクロカプセル２００に強度および反発弾性率を与えるために、炭素を使用してもよい。カーボンナノチューブは、コーティング２０２の透過性を改良し、制御するために配列され得る。別の態様において、コーティング２０２は、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびナイロンを含む、ポリマーのいくつかのファミリーのいずれかのものから作られている。表面層２０２は、最適には厚さ１０ミクロン未満であり、対象物質に対して非常に透過性がある。
【００３２】
一態様において、マイクロカプセル２００中に封入されたストリッピング溶媒２０４は、第一級、第二級、第三級、およびヒンダードアミン、苛性溶液、イオン性緩衝液、アンモニア、またはマイクロカプセル中に封入された二酸化炭素の溶解性を有する他の溶媒であってもよい。別の態様において、マイクロカプセル２００中に封入されたストリッピング溶媒２０４は、亜酸化窒素であってもよく、この場合、亜酸化窒素はコーティング２０２中を通過し、ストリッピング材料２０４によって取り込まれる。さらに別の態様において、マイクロカプセル２００中に封入されたストリッピング溶媒２０４は、硫酸塩であってもよく、この場合、硫酸塩は、コーティング２０２中を通過し、ストリッピング材料２０４によって取り込まれる。別の態様において、マイクロカプセル２００中に封入されたストリッピング溶媒２０４は、硫化水素であってもよく、この場合、硫化水素は、コーティング２０２中を通過し、ストリッピング材料２０４によって取り込まれる。
【００３３】
本発明をいくつかの例によってさらに説明する。例は、ガス混合物から二酸化炭素を分離するための本出願者らのシステムをさらに例示する。例において、ガス混合物および二酸化炭素は水中に溶解して、溶解したガスおよび二酸化炭素を有する水を提供する。マイクロカプセルは、ポリマーコーティングおよびマイクロカプセル中に封入されたストリッピング溶媒を有する。ストリッピング溶媒を含有するマイクロカプセルは、溶解したガスおよび二酸化炭素を有する水に曝露される。二酸化炭素は、ポリマーコーティング中を通過し、ストリッピング溶媒に取り込まれる。二酸化炭素は、マイクロカプセルから二酸化炭素を追い出すことによって分離される。
【００３４】
例１
例１において、ガス混合物からの二酸化炭素の除去のためのシステムを説明し、図示する。例１は、ＣＯ2を分離する方法を示す図３によって図示される。方法は全体的に参照番号３００で示される。方法３００の工程を以下に説明する。
【００３５】
方法工程図３
工程１（参照番号３０２）−煙道ガス（例えば、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ、Ｎ2ＳＯx、ＮＯx）および／または他のガス混合物３０１は、水洗浄３０３中で処理される。したがって、システム／プロセス３００は、採取されたＣＯ2をそれから製造することができる濃縮物を生成する前に、先ず、水洗浄３０３によって導入された弱アルカリ性の水中に煙道ガスおよび／または他のガス混合物を溶解することが意図される。水洗浄３０３システムそれ自体は、当業者に使用されている公知のシステムから取り入れられていてもよい。専ら例示として、一般的なシステムは、複数のスプレーレベルを含んでいてもよく、スプレーは、このような水洗浄３０３中を所定の一定の速度で流れるように設計されている煙道ガスに接触させるように液体を噴射する。スプレーレベルの数は、有効な液体対ガス（Ｌ／Ｇ）の比に応じて変化させてもよい。さらに、異なる流量、スプレーパターン、および液滴サイズを生じさせる、異なるサイズのスプレーノズルを使用してもよい。
【００３６】
工程２（参照番号３０４）−煙道ガスを含有する水は、水洗浄３０３から、マイクロカプセル３０５が加えられて、水、マイクロカプセル３０５、ＣＯ2、および不純物のスラリー３０７を形成する領域まで進む。二酸化炭素は、二酸化炭素がそれから分離されるガスを、バブリング、吸収塔の使用、または液体中にガスを吸収するのに適したいずれもの他の手段よって、スラリー３０７中を通過させることによって吸収される。二酸化炭素または他の酸性ガスを吸収する方法は、アミンストリッピングで使用される方法と類似している。
【００３７】
混合ガスを、マイクロカプセル３０５を含む水溶液中またはその上を通過させる。水は、脱着工程の間に精製されることが望ましい任意の水である。これは、海水、ブライン、任意の低揮発性塩または他の溶解した成分によって損なわれた水であってもよい。水は、脱着段階の間に１００％再循環される（精製されない）プロセス流体であってもよいが、これは決して最適でない。ＣＯ2または他の酸性ガスは、水に溶解し、次いでマイクロカプセル３０５によって吸収されて、飽和に達するまではより多くが水中に溶解されることを可能にする。
【００３８】
工程３（参照番号３０８、３０９、３１０、および３１１）−次いで、ＣＯ2を含有するマイクロカプセルの混合物は、水の沸点（通常１００℃）まで加熱されて３０９、マイクロカプセル３０５からＣＯ2を放出する。加熱３０９工程の間に水蒸気３１１が生成される。二酸化炭素を脱着するために、同じアミンを溶液中においてフリーで使用する場合よりはるかに低温が必要である。二酸化炭素は、純粋な水中において１００℃よりわずかに低温で自由に放出される。これは、水中に比較的わずかな二酸化炭素ガスしか存在しない（その分圧（フガシティー）がより低い）からである。
【００３９】
工程４（参照番号３１２および３１３）−水蒸気３１１は、冷却３１３によって凝縮される。
【００４０】
工程５（参照番号３１４および３１５）−水蒸気３１１を凝縮させると、新鮮な水３１５が生成する。使用液体媒体から（ろ過によって）容易に分離可能である緩衝剤媒体により、ブラインまたは他の損なわれた水を供給原料として使用することが可能になる。再生工程の間に必然的に生成されなければならない水蒸気は、新鮮な水として凝縮することができて、ＣＯ2を再生するのに必要なエネルギーに対して二重の利益をもたらす。現在使用されている極めて揮発性のアミンとは異なり、いずれの緩衝剤物質も留出物に持ち越すものはない。最も重要なことには、プロセス水の望ましくない成分（例えば塩）が、蒸留プロセスの底に蓄積したとき、これらを定期的に除去し、プロセスに戻すために、緩衝剤物質を廃棄成分から容易にろ過して取り出してもよい。これは現在使用されている溶解した緩衝剤物質のいずれでも容易に実施され得ない。１つの利点は、低温化および緩衝剤物質の酸素からの隔離による緩衝剤のより長い寿命である。
【００４１】
工程６（参照番号３１６および３１９）−水蒸気３１１を凝縮させると、プロセスから生じるガスストリームをほぼ純粋なＣＯ2３１７に精製する。ＣＯ2３１７は、使用されるか、または隔離され得る。ＣＯ2３１７は、任意の様々な適切な地層中での隔離および長期貯留のために、注入場所まで輸送され得る。
【００４２】
例２
例２において、同時に水の精製およびガス混合物からの二酸化炭素の除去をするためのシステムが、説明されており、図示されている。例２は図４に図示された方法によって例示される。方法は全体的に参照番号４００で示される。方法４００の工程を以下に説明する。
【００４３】
方法工程図４
工程１（参照番号４０２）−煙道ガス（例えば、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ、Ｎ2ＳＯx、ＮＯx）および／または他のガス混合物４０１は、水洗浄４０３中で処理される。したがって、システム／プロセス４００は、採取されたＣＯ2をそれから製造することができる濃縮物を生成する前に、先ず、水洗浄４０３によって導入された弱アルカリ性の水中に煙道ガスおよび／または他のガス混合物を溶解することが意図される。水洗浄４０３システムそれ自体は、当業者に使用されている公知のシステムから取り入れられていてもよい。専ら例示として、一般的なシステムは、複数のスプレーレベルを含んでいてもよく、スプレーは、このような水洗浄４０３中を所定の一定の速度で流れるように設計されている煙道ガスに接触させるように液体を噴射する。スプレーレベルの数は、有効な液体対ガス（Ｌ／Ｇ）の比に応じて変化させてもよい。さらに、異なる流量、スプレーパターン、および液滴サイズを生じさせる、異なるサイズのスプレーノズルを使用してもよい。
【００４４】
工程２（参照番号４０４）−煙道ガスを含有する水は、水洗浄４０３から、マイクロカプセル４０５を加えて、水、マイクロカプセル４０５、ＣＯ2、および不純物のスラリー４０７を形成する領域まで進む。二酸化炭素は、二酸化炭素がそれから分離されるガスを、バブリング、吸収塔の使用、または液体中にガスを吸収するのに適したいずれもの他の手段によって、スラリー４０７中を通過させることによって吸収される。二酸化炭素または他の酸性ガスを吸収する方法は、アミンストリッピングで使用される方法と類似している。
【００４５】
混合ガスを、マイクロカプセル４０５を含む水溶液中またはその上を通過させる。水は、脱着工程の間に精製されることが望ましい任意の水である。これは、海水、ブライン、任意の低揮発性塩または他の溶解した成分によって損なわれた水であってもよい。水は、脱着段階の間に１００％再循環される（精製されない）プロセス流体であってもよいが、これは決して最適でない。ＣＯ2または他の酸性ガスは、水に溶解し、次いでマイクロカプセル４０５によって吸収されて、飽和に達するまでは水中により多くが溶解されることを可能にする。
【００４６】
工程３（参照番号４０８、４０９、４１０、および４１１）−次いで、ＣＯ2を含有するマイクロカプセルの混合物は、水の沸点（通常１００℃）まで加熱されて４０９、マイクロカプセル４０５からＣＯ2を放出する。加熱４０９工程の間に水蒸気４１１が生成される。二酸化炭素を脱着するために、同じアミンを溶液中においてフリーで使用する場合よりはるかに低温が必要である。二酸化炭素は、純粋な水中において１００℃よりわずかに低温で自由に放出される。これは、水中に比較的少量の二酸化炭素ガスしか存在しない（その分圧（フガシティー）がより低い）からである。
【００４７】
工程４（参照番号４１２および４１３）−水蒸気４１１は、冷却４１３によって凝縮される。
【００４８】
工程５（参照番号４１４および４１５）−水蒸気４１１を凝縮させると、新鮮な水４１５が生成する。使用液体媒体から（ろ過によって）容易に分離可能である緩衝剤媒体により、ブラインまたは他の損なわれた水を供給原料として使用することが可能になる。再生工程の間に必然的に生成されなければならない水蒸気は、新鮮な水として凝縮することができて、ＣＯ2を再生するのに必要なエネルギーに対して二重の利益をもたらす。現在使用されている極めて揮発性のアミンとは異なり、いずれの緩衝剤物質も留出物に持ち越すものはない。最も重要なことには、プロセス水の望ましくない成分（例えば塩）が、蒸留プロセスの底に蓄積したとき、これらを定期的に除去し、プロセスに戻すために、緩衝剤物質を廃棄成分から容易にろ過して取り出してもよい。これは現在使用されている溶解した緩衝剤物質のいずれでも容易に実施され得ない。１つの利点は、プロセスの低温化および緩衝剤物質の酸素からの単離による緩衝剤のより長い寿命である。
【００４９】
工程６（参照番号４１６および４１７）−水蒸気４１１を凝縮させると、プロセスから生じるガスストリームをほぼ純粋なＣＯ2４１７に精製する。ＣＯ2４１７は、使用されるか、または隔離され得る。ＣＯ2４１７は、任意の様々な適切な地層中での隔離および長期貯留のために、注入場所まで輸送され得る。
【００５０】
工程７（参照番号４１６および４１７）−水蒸気４１１を凝縮させると、ＣＯ2４１７および水４１５の除去と共に、不純物４１９を有する水を残す。
【００５１】
例３
例３において、同時に水の精製およびガス混合物からの二酸化炭素の除去をするシステムが説明され、図示される。例３は図５に図示された方法によって例示される。方法は全体的に参照番号５００で示される。方法５００の工程を以下に説明する。
【００５２】
方法工程図５
工程１（参照番号５０２）−煙道ガス（例えば、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ、Ｎ2ＳＯx、ＮＯx）および／または他のガス混合物５０１は、水洗浄５０３中で処理される。したがって、システム／プロセス５００は、採取されたＣＯ2をそれから製造することができる濃縮物を生成する前に、先ず、水洗浄５０３によって導入された弱アルカリ性の水中に煙道ガスおよび／または他のガス混合物を溶解することが意図される。水洗浄５０３システムそれ自体は、当業者に使用されている公知のシステムから取り入れられていてもよい。専ら例示として、一般的なシステムは、複数のスプレーレベルを含んでいてもよく、スプレーは、このような水洗浄５０３中を所定の一定の速度で流れるように設計されている煙道ガスに接触させるように液体を噴射する。スプレーレベルの数は、有効な液体対ガス（Ｌ／Ｇ）の比に応じて変化させてもよい。さらに、異なる流量、スプレーパターン、および液滴サイズを生じさせる、異なるサイズのスプレーノズルを使用してもよい。
【００５３】
工程２（参照番号５０４）−煙道ガスを含有する水は、水洗浄５０３から、マイクロカプセル５０５を加えて、水、マイクロカプセル５０５、ＣＯ2、および不純物のスラリー５０７を形成する領域まで進む。二酸化炭素は、二酸化炭素がそれから分離されるガスを、バブリング、吸収塔の使用、または液体中にガスを吸収するのに適したいずれもの他の手段によって、スラリー５０７中を通過させることによって吸収される。二酸化炭素または他の酸性ガスを吸収する方法は、アミンストリッピングで使用される方法と類似している。
【００５４】
混合ガスを、マイクロカプセル５０５を含む水溶液中またはその上を通過させる。水は、脱着工程の間に精製されることが望ましい任意の水である。これは、海水、ブライン、任意の低揮発性塩または他の溶解した成分によって損なわれた水であってもよい。水は、脱着段階の間に１００％再循環される（精製されない）プロセス流体であってもよいが、これは決して最適でない。ＣＯ2または他の酸性ガスは、水に溶解し、次いでマイクロカプセル５０５によって吸収されて、飽和に達するまでは水中により多くが溶解されることを可能にする。
【００５５】
工程３（参照番号５０８、５０９、５１０、および５１１）−次いで、ＣＯ2を含有するマイクロカプセルの混合物は、水の沸点（通常１００℃）まで加熱されて５０９、マイクロカプセル５０５からＣＯ2を放出する。加熱５０９工程の間に水蒸気５１１が生成される。二酸化炭素を脱着するために、同じアミンを溶液中においてフリーで使用する場合よりはるかに低温が必要である。二酸化炭素は、純粋な水中において１００℃よりわずかに低温で自由に放出される。これは、水中に比較的わずかな二酸化炭素ガスしか存在しない（その分圧（フガシティー）がより低い）からである。
【００５６】
工程４（参照番号５１２よび５１３）−水蒸気５１１は、冷却５１３によって凝縮される。
【００５７】
工程５（参照番号５１４および５１５）−水蒸気５１１を凝縮させると、新鮮な水５１５が生成する。使用液体媒体から（ろ過によって）容易に分離可能である緩衝剤媒体と共に、ブラインまたは他の損なわれた水を供給原料としてここに使用することが可能である。再生工程の間に必然的に生成されなければならない水蒸気は、新鮮な水として凝縮することができて、ＣＯ2を再生するのに必要なエネルギーに対して二重の利益をもたらす。現在使用されている極めて揮発性のアミンとは異なり、いずれの緩衝剤物質も留出物に持ち越すものはない。最も重要なことには、プロセス水の望ましくない成分（例えば塩）が、蒸留プロセスの底に蓄積したとき、これらを定期的に除去し、プロセスに戻すために、緩衝剤物質を廃棄成分から容易にろ過して取り出してもよい。これは現在使用されている溶解した緩衝剤物質のいずれでも容易に実施され得ない。１つの利点は、低温化および緩衝剤物質の酸素からの単離による緩衝剤のより長い寿命である。
【００５８】
工程６（参照番号５１８および５１９）−水蒸気５１１を凝縮させると、プロセスから生じるガスストリームをほぼ純粋なＣＯ2５１７に精製する。ＣＯ2５１７は、使用されるか、または隔離され得る。ＣＯ2５１７は、任意の様々な適切な地層中での隔離および長期貯留のために、注入場所まで輸送され得る。
【００５９】
工程７（参照番号５１６および５１７）−水蒸気５１１を凝縮させると、ＣＯ2５１７および水５１５の除去と共に、不純物５１９を有する水を残す。
【００６０】
工程８（参照番号５２０）−不純物５１９を有する水は、矢印５２０によって図示されるように、水洗浄１０３まで移動される。
【００６１】
マイクロカプセル作製システム
図６は、ポリマーで被覆されたマイクロカプセルを作製するためのシステムを図示する。図６は、二重エマルジョンマイクロカプセルを製造するステムおよび方法を図示する。概略的に図示された方法６００は、以下の品目からなる。内径（μm）および外径１０００（μm）を有する注入チューブ６０２、内径５００（μm）および外径１０００（μm）を有する収集チューブ６０４ならびに内径１０００（μm）および内径１２００（μm）を有する正方形の横断面の外側チューブ６０６。
【００６２】
操作において、１０〜５０（ｃＰ）の粘度および２００〜８００（Ｕｌｈ−１）の流量を有する内部流体６０８（ＭＥＡ／Ｈ２Ｏ）は、注入チューブ６０２中を矢印６１０で示した方向に流れる。この流体が進行するとき、液滴形成ノズル６１２を通過する。形成された液滴は、ノズルから放出され、１０〜５０（ｃＰ）の粘度および２００〜８００（ｕＬｈ−１）の流量を有する中間流体６１４（ＮＯＡプレポリマー）中に包まれ、中間流体６１４は、矢印６１６で示した方向に流れている。内部流体液滴６０８は、中間流体６１４を中に包まれて、薄いＣＯ2透過性の外部シェルを伴うＣＯ2捕捉溶媒コアを有するカプセル化されたマイクロカプセル６１８を形成する。１０〜５０（ｃＰ）の粘度および２００〜８００（ｕＬｈ−１）の流量を有する外部流体（ＰＶＡ安定剤）は、外側チューブ６０６中を矢印６２２で示した方向に流れている。この外部流体６２０は、製造されたマイクロカプセル６１８を収集チューブ６０４中に運ぶ。中間流体６１４および外部流体６２０は、これらの粘度と流量の両方が大幅な差異を有するので、これらが混合するのを防止する境界層６２４が存在する。上記方法は、ＣＯ2透過性のポリマーシェルに封入された内部流体（溶媒／触媒）を有する、制御されたサイズのマイクロカプセルを製造する。
【００６３】
マイクロカプセルを製造するシステムは、米国特許第７，７７６，９２７号ならびに米国特許出願公開第２００９／００１２１８７号および同第２００９／０１３１５４３号に記載されている。Ｌｉａｎｇ−Ｙｉｎ  Ｃｈｕらの米国特許第７，７７６，９２７号（Ｐｒｅｓｉｄｅｎｔ  ａｎｄ  Ｆｅｌｌｏｗｓ  ｏｆ  Ｈａｒｖａｒｄ  Ｃｏｌｌｅｇｅに譲渡された）には、多重エマルジョンおよび多重エマルジョンを製造するためのマイクロ流体システムを含めて、エマルジョンおよびエマルジョンの製造が開示されている。多重エマルジョンは、一般に、その中に１個以上のより小さな液滴を含み、場合によってはその中にさらに小さな液滴を含んでいてもよい等の、より大きな液滴を表す。エマルジョンは、多重エマルジョンを含めて、特定の態様において、全体的に正確な繰返し精度で形成され得て、単一の外部液滴中に任意の所望の入れ子式配置で、任意の数の内部液滴を含むように調製され得る。さらに、本発明のいくつかの側面において、１個以上の液滴が、取り囲んだ液滴から制御下で放出されてもよい。Ｌｉａｎｇ−Ｙｉｎ  Ｃｈｕらの米国特許出願公開第２００９／００１２１８７号（Ｐｒｅｓｉｄｅｎｔ  ａｎｄ  Ｆｅｌｌｏｗｓ  ｏｆ  Ｈａｒｖａｒｄ  Ｃｏｌｌｅｇｅに譲渡された）には、多重エマルジョン、およびエマルジョンを作製する方法および装置、ならびにエマルジョンを用いた技術が開示されている。多重エマルジョンは、一般に、その中に１個以上のより小さな液滴を含み、場合によってはその中にさらに小さな液滴を含んでいてもよい等の、より大きな液滴を表す。エマルジョンは、多重エマルジョンを含めて、特定の態様において、全体的に正確な繰返し精度で形成され得て、単一の外部液滴中に任意の所望の入れ子式配置で、任意の数の内部液滴を含むように調製され得る。さらに、本発明のいくつかの側面において、１個以上の液滴が、取り囲んだ液滴から制御可能に放出されてもよい。Ｄａｖｉｄ  Ａ．Ｗｅｉｔｚの米国特許出願公開第２００９／０１３１５４３号には、多重エマルジョン、および多重エマルジョンを作製する方法および装置が開示されている。多重エマルジョンは、ここで使用される場合、１個以上のより小さな液滴をその中に含む、より大きな液滴を表す。より大きな１つまたは複数の液滴は、場合によって第３の流体中に懸濁されていてもよい。特定の態様において、多重エマルジョン中のエマルジョンの入れ子の階層が可能である。例えば、エマルジョンは、より小さな液滴をその中に含んでいる液滴を含んでいてもよく、この場合、より小さな液滴の少なくともあるものは、さらにより小さな液滴をその中に含んでいる等。多重エマルジョンは、種、例えば、医薬品、細胞、薬品、等をカプセル化するのに有用であり得る。場合によって、１個以上の液滴（例えば、内部液滴および／または外部液滴）は、形態を変えてもよく、例えば、マイクロカプセル、リポソーム、ポリメロソーム、またはコロイドソームを形成するために固化される。以下に説明するように、多重エマルジョンは、特定の態様において一工程で、全体的に正確な繰返し精度で形成され得て、単一の外部液滴中に１個、２個、３個以上の内部液滴を含むように調製され得る（これらの液滴���、場合によってすべて入れ子にされていてもよい）。「流体」という用語は、ここで使用される場合、一般に、液体または気体の状態の物質を意味する。しかし、流体は、固体、例えば懸濁またはコロイド粒子も含んでいてもよい。米国特許第７，７７６，９２７号および米国特許出願公開第２００９／００１２１８７号および同第２００９／０１３１５４３号をこの参照によってここに援用する。
【００６４】
物質移動
カプセル化された溶媒は、発電所煙道ガスからの二酸化炭素を捕捉するために使用してもよい。物質移動における制限段階は、おそらくポリマー膜を横切る拡散である。この結果として、物質移動速度は、膜の透過性に比例する。透過性は、様々なポリマーに対して幅広い範囲の値を有する。１００バーラーのＣＯ2に対する透過性をベンチマークとして選択する。なぜなら、これは大部分のポリマーより高いが、いくつかの異なる化合物で達成することができるからである。透過性１００バーラー、直径２００μｍ、および壁厚５μｍにおいて、カプセル化された溶媒は、コンベンショナルな液体溶媒より約２桁遅い単位表面積当たりの吸収を有する。
【００６５】
システムデザインとして、球状ビーズ床を調査する。直径２００μｍのビーズおよび最密球状充填により、このような床は、液体溶媒を用いたコンベンショナルな充填塔より、２桁高い単位吸収剤体積当たりの表面積を有する。高い圧力低下がこの構成の主な欠点のように見え、コンベンショナルな充填塔より数桁高いと推定される。高い圧力損失は、密着充填球体中の空隙の低い割合（商業的な塔充填における９０〜９７％と比較して、３６％〜４０％）に主に起因する。
【００６６】
ビーズの充填床ベースのシステムは、より高い透過性を達成することができた場合（約１０００バーラー）、またはシステムにより多くの空隙を導入することができる（例えば倍加）場合は実行可能である。原理的には、ＣＯ2のビーズ中への（または外への）物質移動に対する抵抗は、以下の３種のゾーンで生じる：（１）バルクガスからポリマーシェルの表面まで（気相抵抗）、（２）ポリマーシェル中（膜抵抗）、および（３）シェルの内部表面から内部流体のバルクまで（液相抵抗）。この計算に対して、本出願者らは、膜抵抗は、圧倒的に最も遅い工程であり、したがって物質移動を制御すると仮定する。この場合、膜を横切る流束Ｊは、
【数１】
2015501216.tif 000003
【００６７】
［式中、Δｐは膜の横切りの圧力損失であり、Ｌは膜の厚さであり、Ｐはポリマーの透過性である］で与えられる。我々の目的のために、シェルの外側のＣＯ2圧力は、煙道ガス中の気相分圧である。本出願者らは、内部流体は速溶媒(fast solvent)であると想定するので、シェルの内壁上の有効ＣＯ2圧力は、適当な温度および炭素充填における溶媒上のＣＯ2の平衡分圧である。これは、一般に、煙道ガス中の分圧に比較して小さい。例えば、煙道ガスは典型的には、１５％ＣＯ2＝０．１５気圧＝１５２００Ｐａで開始する。４０℃および０．３モルＣＯ2／モルアミンにおける５Ｍモノエタノールアミン（ＭＥＡ）に対するＣＯ2の平衡分圧は２２Ｐａである。それゆえ我々の目的のために、Δｐは、煙道ガス中のＣＯ2の分圧に等しい。
【００６８】
透過性は、温度および圧力にわずかに依存するが、主に膜を構成しているポリマーの関数である。透過性は、少なくとも４桁の範囲である。膜によるガスの分離に関する文献は、透過性と「選択性」の間のトレードオフ、即ち、ＣＯ2およびＮ2の相対的な透過性を重視している。より高い透過性は、通常、より低い選択性により達成され、逆の場合も同様である。しかし、本出願者らは、ＣＯ2と反応し、Ｎ2とは反応しない溶媒を介して選択性を達成し、これは、我々を構造上の要求事項を満たす最も透過性のあるポリマーに駆り立て得る。あるいは、本出願者らは、溶媒に勝るＣＯ2に対する膜の相対的な選択性により限定され得る。
【００６９】
測定された、最大の透過性を有する合成ポリマーは、ポリ（１−トリメチルシリルプロピン）である。このポリマーは、２８，０００バーラーの二酸化炭素透過性および４９７０バーラーの窒素透過性を有する。これらの非常に大きな透過性は、非常に大きな自由体積分率と関連する。これらの透過性は、ポリマーの遅い結晶化のために、時間と共に低下する傾向にある。この影響は、ある種の添加剤の添加によって対抗され得る。
【００７０】
しかし、差し当たり、本出願者らは、非常に高い自由体積分率を有する膜の可能性は脇に置き、より典型的なポリマーを検討する。カプセル化のためのポリマーの選択に関する制約を知ることなく、本出願者らは、基本的なケースとして１００バーラーを選択する。なぜなら、様々な異なる化合物（ポリイミド、ポリアセチレン、ポリカーボナート）で達成可能なようであるからである。本出願者らは、これは保守的な選択であり得ることは留意している。考察のために、本出願者らは、１００バーラーの透過性を、ＣＯ2捕捉システムのいくつかの代表的な物質移動係数と比較してもよい。式１は、界面境界を通しての古典的な物質移動式
Ｊ＝ＫΔＣ
［式中、Ｋは、全体的な物質移動係数であり、ΔＣは、我々の場合、バルク煙道ガスと溶媒上のＣＯ2平衡分圧との間の濃度差である］と類似している。本出願者らがＰおよびΔｐを濃度の単位（ＳＴＰを仮定して）として導出すると、本出願者らは、Ｐ／Ｌ⇔Ｋ（時間当たりの長さの単位）を得る。これらの単位において、両方の係数は、物理学者が「ピストン速度」と称し得るものである。即ち、界面上にピストンが在ると仮定して、ピストン速度で絶え間なく作動し、境界を通して煙道ガスを押し出しているとすると、ＣＯ2の物質移動速度に相当するものを得る。これらの数値を比較するには多数の断り書きが存在する（１つは、Ｐは単一ガスを用いて経験的に測定され、物理的な圧力損失と膜とは同等な濃度勾配に対して異なる反応をすることがあり得ることである）が、本出願者らは、膜を横切る物質移動は、液体溶媒の界面を横切るよりも約２桁遅いということは、我々の仮定の下で間違いのない結論であると考える。
【００７１】
しかし、物質移動速度は表面積に比例し、カプセル化は、標準的な液体−ガス系に比較して多くの表面積を提供する可能性を持つ。等しい直径、ｄおよび充填密度（ビーズの体積／バルク体積）のランダムに充填された球状ビーズ床を考察する。吸収剤のバルク体積当たりの表面積は、
【数２】
2015501216.tif 000004
【００７２】
である。
【００７３】
球体の最密ランダム充填では、典型的な値は０．６０〜０．６４の範囲である。比較のために、ガス／液体吸収部材用の充填剤は、１００〜１０００ｍ２／ｍ３の範囲の固体表面積を有する。有効界面面積は通常、より少ない。なぜなら、すべての表面が濡れるとは限らず、一部の液体のたまりは停滞し、飽和するからである。ＭＥＡ系に対する典型的な値は、約８０％面積の利用での充填に対して２５０ｍ２／ｍ３である。そこで、本出願者らは、充填されたビーズ床において、典型的な液体吸収剤より約２桁大きな表面積を得る。それゆえ、我々の２桁遅い物質移動係数でも、ビーズの物質移動性能は充填塔と同等である。ｓｅｍｉｃｏｓｉｌ（登録商標）で得られているように、透過性が高いほど、性能を改良する。
【００７４】
ベンチマークとして、本出願者らは、ビーズがＭＥＡで充填されて、飽和に達するのにかかる最短時間を検討してもよい。式１から推し進めると、ＣＯ2の液体飽和濃度、Ｃｓａｔに達するためのビーズに対する充填時間、τは、
【数３】
2015501216.tif 000005
【００７５】
で与えられる。
【００７６】
ＭＥＡに対する理論上のＣｓａｔは、０．５モルＣＯ2／モルＭＥＡであり、これは３０重量％ＭＥＡ溶液に対して、ビーズ直径および壁厚の関数として、約１０重量％ＣＯ2または２．４Ｍになる。これは、透過性についての違う仮定に起因しているように思える。
【００７７】
捕捉システムに関する２つの重要なパラメーターは、ガス流量および吸収剤高さである。２つが共に煙道ガスからの捕捉有効性ε＝（１−ＣＯ2ｏｕｔ／ＣＯ2ｉｎ）を決定する。また、ガス流量の減速は、（ガスの滞留時間を増加させることによって）有効性を増加させる一方で、これは金銭面での利用も低下させる。例えば、半分のガス流量において、同じスループットのためには、２倍多くの吸収塔（または、２倍の横断面を有する１つの塔）が必要である。吸収剤高さとガス流量の両方は、吸収剤の横切りの圧力損失も決定し、これは、今度はエネルギー消費の一因となる。したがって、ガス流量および吸収剤高さの有意義な選択は、エネルギーのコストに対する金銭的コストを考慮しないで行うことはできない。しかし、本出願者らが論証可能なデザインスペースにいるかどうかを確かめるために、本出願者らは何らかのおおよその仮定を行うことができる。
【００７８】
本出願者らが、直径ｄおよび充填密度ｐのランダムに充填されたビーズの床を有すると再び想定されたい。物質移動速度が式１に従う場合、物質移動は、煙道ガス中のＣＯ2濃度について１次である。ガスの塊が吸収剤を通過するとき、ＣＯ2濃度は１次の減衰に従う：
Ｃ（ｔ）＝Ｃinｅ-Kgast
式中、Ｃ（ｔ）は、時間ｔにおけるガス塊中のＣＯ2の濃度であり、Ｋｇａｓは、時間の逆数単位のＣＯ2損失の速度定数である。本出願者らはまた、Ｋｇａｓを単位濃度当たりの塊における物質移動速度：
【数４】
2015501216.tif 000006
【００７９】
と考えることができる。式１および２を組み合わせると、本出願者らは、吸収剤の単位体積当たりの物質移動速度を得る。
【００８０】
および、単位体積吸収剤当たりのガスの体積は、
【数５】
2015501216.tif 000007
【００８１】
である。
【００８２】
本出願者らは、Ｋｇａｓを知るために、もう少しで上記３つの式を組み合わせることができるが、本出願者らは、Ｐが、濃度の逆数ではなく、圧力の逆数の単位を含むように定義されているという小さな潜在的問題を有する。表１のように、本出願者らは、ＳＴＰを仮定することによって、Ｐを濃度の逆数の単位を含む形として導出する。
【００８３】
この結果として、本出願者らは、ΔｐをＣで置きかえ、
【数６】
2015501216.tif 000008
【００８４】
を得ることができる。
【００８５】
これで、本出願者らは、個々の捕捉有効性に必要な煙道ガスの滞留時間、τｇａｓを計算することができる。
【００８６】
発電所からのＣＯ2捕捉のために、本出願者らは、捕捉システムは少なくとも９０％効果的であることが必須であると一般に仮定する。我々のＰ＝１００バーラー、壁厚＝５μｍ、およびｄ＝１００μｍの基本的なケースに対して、本出願者らは、１．６秒の滞留時間であると計算する。再度、塔中のガスの流量は、調節可能なパラメーターであるが、尺度の意味では、本出願者らは、大規模な充填塔中の見かけの速度は、通常約１ｍ／ｓの桁であると考えることができる。これから、我々の基本ケースにおいて、吸収剤の高さを約４ｍと見積もることになる。これは、十分、充填塔に対する工業的慣行の領域内である。しかし、これらの塔に使用される充填剤のタイプは、我々の３８％に比較すると、はるかに多い空隙（物理的充填において９０〜９７％）を有する。
【００８７】
充填された球体の床の横切りの圧力損失は、十分研究された問題である。圧力損失は、半経験的なＥｒｇｕｎ式から推定することができ、この式は、運動エネルギーと摩擦損失とのエネルギーバランスから導かれる。
【数７】
2015501216.tif 000009
【００８８】
式中、
ΔＰは、床の横切りの圧力損失であり［Ｐａ］、
Ｈは床の高さであり［ｍ］、
ｐはまた、ビーズのバルク充填密度であり、０．６２とみなされる。
【００８９】
μは、流体の動的粘度であり、２．０×１０−５ｋｇ／（ｍ・ｓ）と仮定される（４０℃における空気の動的粘度）。
【００９０】
充填塔に関して、前の節において、本出願者らは、所与の捕捉有効性のために要求される塔高さは、見かけのガス速度、Ｖｓに比例することを見出した：
【数８】
2015501216.tif 000010
【００９１】
しかし、煙道ガスの所与の流量のために要求される塔の断面積は、速度に反比例する：
【数９】
2015501216.tif 000011
【００９２】
これは、充填体積（Ｈ×面積）は、実際はＶｓによって変化しないことを意味する。本出願者らはまた、圧力損失は、Ｖｓによって大きく減少することを知っている。したがって、非常に幅が広く、非常に短い塔がある場合、必ずしもより多くのビーズを必要とすることなく、コンベンショナルな充填塔の圧力損失の問題を克服することが可能であり得る。コンベンショナルな構成において、これは実際的でない。なぜなら、フローディストリビューターのために必要な空間および資金は、圧倒的であり、エッジ効果は物質移動効率を減少させるからである。しかし、これらの問題は、可能なら、塔を横倒しにすることによって多分克服することができる。
【００９３】
大量の顆粒状固体を熱風と接触させる、穀物乾燥システムは、カプセル化された溶媒との良好なアナロジーを提供する。穀物および同様の乾燥応用分野のための、流動床、回転トレイ、および典型的な充填床に酷似している多くのものを含めて、多くのタイプのシステムが存在する。本出願者らは、煙道ガスがそれを通して流れる穴が開けられたプレートとして、移動床システムの壁をモデルにすることができる。穴はガスが通過するが、ビーズの運動を妨げることなくそれを保持することを可能にするべきである。本出願者らは、プレートは、ワイヤメッシュまたは布地とは対照的に、固体鋼または同様の合金から作製されるものと想定する。これらの前者の選択肢は、より低い圧力損失をもたらし、おそらく金銭的な出費を低減させるが、多量の総圧力に耐えることができず、ビーズが磨り減る可能性がある。この節の結論は、適切なプレートの横切りの圧力損失は、通常１ｋＰａ未満であり、ビーズ自体を横切ることで起こる可能性のある圧力損失に比較して小さい。しかし、プレートの強度、および厚いプレートに比較的小さい穴を作製する容易さは、十分に考慮すべき事項である可能性がある。
【００９４】
開口面積および空気速度だけに依存する、穴が開けられたプレートの横切りの圧力損失に対する経験的相関関係は、広く入手可能である。しかし、これらは、本出願者らが要求するものよりはるかに大きな穴を有するプレートに基づいており、これは、穴の内側のフローの摩擦、およびそれによるプレートの厚さを無視することを可能にする。
【００９５】
一般に、穴が開けられたプレートの横切りの圧力損失ΔＰplateは、穴中ヘのガスの圧縮による損失、穴の通過における摩擦、および次いで、反対側における膨張からなる。以下の式は、乾燥した穴が開けられたプレートの横切りの圧力損失を計算するために使用することができる。角括弧内の項は、それぞれこれらの３種の損失に対応する：
【数１０】
2015501216.tif 000012
【００９６】
式中、
【数１１】
2015501216.tif 000013
【００９７】
は、穴の面積対総プレート面積の比［］であり、
Ｔはプレートの厚さ［ｍ］であり、
ｄhは穴の直径［ｍ］であり、
Ｖhは、穴の内側のガスの速度［ｍ／秒］であり、これは
【数１２】
2015501216.tif 000014
【００９８】
によって、見かけの速度と関係しており、
ｆは、以下に考察される、ファニングの摩擦係数［］であり、
ｋは、ＭｃＡｌｌｉｓｔｅｒらによって与えられた、Ｔ／Ｄhの複雑な関数としての経験的補正である。これは、約０．８５〜１．９［］の範囲である。
【００９９】
ファニングの摩擦係数（ダルシーの摩擦係数の１／４に等しい）は、システムのレイノルズ数、Ｒｅの関数であり、レイノルズ数は、滑らかな、円形パイプ中の流れ、及び見かけの速度からの穴の内部の速度への補正については
【数１３】
2015501216.tif 000015
【０１００】
により定義されている。
【０１０１】
我々の合理的なパラメーター空間において、Ｒｅは、０．３２〜３２の範囲であり、これは完全に層流領域にある（管中の流れに対して、Ｒｅ＜２３００は通常層状である）。層流領域において、本出願者らは、ファニングの摩擦係数を
【数１４】
2015501216.tif 000016
【０１０２】
によって計算することができる。
【０１０３】
次に、本出願者らは、プレートの穴サイズおよび厚さについて何らかの仮定をしなければならない。穴はビーズより小さい（ｄｈ＜ｄ）が、それほど小さくなくあるべきであることはいくぶんか明らかであると思われる。本出願者らは、基本ケースではｄｈ＝７５μｍであると仮定する。プレートの所要の厚さは、構造上の工学技術の問題であり、詳細なシステム設計がないと実際答えることはできない。しかし、鋼圧力容器の壁厚により、いくつかの指針が提供され得る。前述の充填床に関する考察から、本出願者らは、約１００ｋＰａの庄の横切りの圧力損失を予期できる。この圧力における、典型的な鋼の大きな（直径＝２ｍ）、円筒形容器に対する所要の壁厚は１．２ｍｍである。曲率、圧力、ならびに鋼強度についての仮定を使用し、＋／−３単位ほどを確保することができる。ここに、我々の穴のサイズに対して、１．２ｍｍは実際には、ＭｃＡｌｌｉｓｔｅｒらのデータの範囲から２単位外のＴ／ｄｈ比をもたらし、そこで、本出願者らは、ｋに関して何を使用するかをまったくわからない（ｋ＝２と仮定する）。なぜなら、範囲の端においてｋ＝１．５であり、上昇の傾向にあるからである。製造の観点からも、難があるかもしれない。本出願者らは、これだけ小さい穴を用いた応用例、ましてやこのような厚いプレートを用いたものにはあまりなじみがない。一方、構造上のデザインスペースは非常に開かれており、より厚いプレートが使用可能のはずである。
【０１０４】
検討する最後のパラメーターは、開口面積の割合、Ａｈ／Ａｃである。穴が開けられた金属は、一般に最大６０％の開口面積で（ＩＰＡ、１９９３）利用可能であるが、強度の低下が犠牲になる。開口面積２０％で、強度は約５０％低下し、開口面積６０％では、強度は、密なプレート強度の１５〜２０％まで低下する。本出願者らは、開口面積２０％と想定している。
【０１０５】
これらの結果から心に留めるべき最も重要な事は、おそらく、ｙ軸は、ｋＰａではなくＰａにあり、これらの圧力損失は、ビーズ床間の圧力損失に比較して小さいことである。
【０１０６】
本出願者らは、９０％のＣＯ2の煙道ガスからの捕捉有効性を仮定する。高さを固定して、ガス速度、Ｖｓを９０％の捕捉を達成するために調整する。これで、圧力損失を計算することができる。このパラメーター空間の大部分は、本出願者らが１４０ｋＰａの圧力損失のために提案した、おおよその上限内に入るように思え、これは励みになる。移動床の構成の興味深い特徴は、より高い透過性のビーズに対して、圧力損失はより高いことである。なぜなら、ガスは、より速く推し進められるからである。このトレードオフは金銭的コストであり、透過性がより高いほど、所与の規模の発電所のために必要な壁面積はより小さい。
【０１０７】
次に、例において情報を統合する。本出願者らが、透過性４００バーラーを有する２００μｍビーズを有すると想定されたい。９０％の捕捉を達成するのに必要な見かけの速度は、０．１８ｍ／秒である。この速度において、本出願者らは、４３０ＭＷｅの石炭プラントを処理するのに４９個の市販の穀物ドライヤーサイズのユニットが必要である。それぞれは、庄の横切りの３４．７ｋＰａおよび内側及び外側の壁の横切りの０．２５ｋＰａ（１．２ｍｍの壁厚と仮定して）の圧力損失で作動する。エネルギーという観点からは、本出願者らは、この圧力損失は完全に管理可能であると予期する。特に、圧力損失に起因する力は、外部壁によっておよびビーズ、特に外部壁に最も近いものによって物理的に抵抗されねばならず、３５ｋＮ／ｍ２が実質的な力であり、約１２ｆｔの水カラムの底に存在するのと等価である。図の左側にあるビーズの左側は、その力により外部壁に対して押し付けられ、力はビーズ当たり約２ｍＮに換算できる。ナノインデンター圧縮試験は、この状況に類似している。本出願者らは、我々自身のビーズを今のところ確証的に試験していないが、文献およびポリマー特性に基づいて、ビーズは、破壊する前に数十ｍＮの力に耐えることが可能であると推定する。このことが正しく、ビーズが破壊するリスクはないと仮定しても、ビーズは、それでも実質的に変形してしまう可能性があり、これが空隙を減少させ、圧力損失を増加させることになる。これで、ビーズの変形特性の調査は、正常であるように思える。別の問題は、圧力がビーズを定位置に押し留めて、穀物乾燥システムでは重力によって発生する流れを妨げることである。最も左側のビーズ上の左方向の圧力は、重力を４×１０５倍も圧倒し、これはビーズのいかなる重力沈降も妨げるように思われる。これを本出願者らは、ガスフローに下方の成分を与えること、例えば外部壁の底の方へより多くの穴を有することによって克服し得る。
【０１０８】
触媒作用および使用溶媒の選択
実用モデルは、ＣＯ2がポリマーシェルを物理的な拡散により通過し、次いで、内部流体中で反応して、炭酸塩または複合体を形成する。このアプローチは、触媒は、使用される場合、内部流体に溶解されるまたはシェルの内部表面に固定されるべきであることを意味する。触媒は、溶媒中の反応が、さもなければ物質移動を遅くする場合のみ有益である。先の計算において、本出願者らは、溶媒中の反応は、速溶媒(fast solvent)の使用によってまたは触媒で反応を促進することのいずれかによって、有意に反応を遅くしないものと想定する。
【０１０９】
一連の媒体中を通る物質移動は、電気抵抗モデルによって説明され、ここで、抵抗、Ｒは物質移動係数、Ｋの逆数である。本出願者らがガス側の抵抗を無視する（これは、おそらく適切な仮定である）場合、本出願者らは、
【数１５】
2015501216.tif 000017
【０１１０】
を得る。
【０１１１】
一方の物質移動係数が、他方のものよりかなり小さい場合は、全体を支配する傾向にあり、より大きい方は無視することができる。これらの溶媒の１つで充填されたビーズにおいて、「等価の透過性」(equivalent permeability)は、シェルおよび溶媒が物質移動抵抗に対して同等に寄与する透過性である。例えば、０．３３Ｍ  ＮａＯＨで充填された５μｍの壁厚を有するビーズに関して、等価のシェル透過性は１０，０００バーラーである。本出願者らが１，０００バーラーの透過性を有するシェルを有した場合、溶媒は総抵抗の９％しか寄与していないことになり、つまり、触媒の添加は、物質移動の速度を最大でも９％だけ速め得る。本出願者らが１０，０００の透過性を有するシェルを有した場合、触媒は、最大５０％まで物質移動の速度を速め得る。
【０１１２】
Ｋは、いくつかの要因、例えば、測定系中の乱流、温度、および溶液の厳密な組成に依存し、それゆえこれらの値は、概算指針としてのみ理解すべきであることに留意されたい。しかし、ポリマー膜に対して測定された最も高い透過性は２８，０００バーラーであることを考慮すると、触媒は、速く反応する溶媒、例えばＭＥＡで充填されビーズ中では、さほど有益ではないことは明らかのように思える。しかし、触媒は、数１００バーラー以上の透過性を有する膜との組み合わせにおいて、より遅い溶媒、例えば重炭酸ナトリウムには有益であるべきである。
【０１１３】
これらの結論は、依然として触媒は、内部流体に溶解されるか、またはシェルの内部表面に固定されるものと想定する。代替のアプローチは、ポリマーシェル中にまたはシェルの外部表面上に触媒を埋め込む。このアプローチは、ＣＯ2は、外部表面上でまたはシェル材料内部のどこかで加水分解され、次いで炭酸塩として内部流体に拡散することを意味する。この場合、本出願者らは、シェルを固定化された液体膜として、モデルを作ることができる。シェル材料は、溶媒が毛細管圧によって保持されるミクロ−またはナノ細孔を有する。ＣＯ2は、マイクロカプセルの外側から、細孔液体中を通過して内側のバルク流体まで拡散する。ビーズ内への物質移動は、ＣＯ2（ａｑ）、ＨＣＯ-3ならびにプロトン化および非プロトン化緩衝剤を含めて、細孔チャネル中の種の拡散および反応によって制御される。触媒は、効果的であるためには、細孔チャネル中に存在しなければならない。
【０１１４】
層状マイクロカプセル
図７に図示されているシステム７００は、マイクロカプセル７０２の横断面を示す。図７において、７０４は、二酸化炭素の溶解された炭酸塩への反応速度を高めるために添加された触媒または酵素の層である。これは、ビーズ作製の間にポリマー、溶媒、または別個の層（３種のエマルジョン）のいずれかに溶解されていてもよい。図７は、カプセルの透過性またはその強度または耐磨耗性を改良する、繊維、ナノチューブ、または他の透過性を向上する要素７−６の追加を示す。これらには、カーボンナノチューブ、炭化ケイ素、ナイロン、またはポリマーシェルの基本的機能を向上させる様々な他の材料が含まれ得る。７０６の場合、繊維は、強度改良または耐磨耗性の目的で、シェル半径に沿って配向される。
【０１１５】
例５
例５において、ガス混合物からの二酸化炭素除去のためのシステムを説明し、図示する。例５は、ＣＯ2を分離する方法を示す図８によって図示される。方法は全体的に参照番号８００で示される。方法８００の工程を以下に説明する。
【０１１６】
方法工程図８
工程１（参照番号８００）−煙道ガス（例えば、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ、Ｎ2、ＳＯx、ＮＯx）および／または他のガス混合物は、ポリマーで被覆されたカプセルの懸濁液と接触させながら、吸収塔中を上方に通過させることによって処理される。カプセルは、これらが上方に流動するガスストリーム中で流動床のように動く、十分な浮揚性があるような直径および密度を有する。システムは、ガス反応が行われてガス混合物からＣＯ2が分離するのに、適切な接触時間が得られるように運転される。ガス混合物との接触の間に、カプセル中に含まれた溶媒がＣＯ2に対して強い親和性を有することから、カプセルは経時的にＣＯ2で濃厚になる。最初はガス混合物中にあったＣＯ2の一部または大部分は、今やカプセル中に含まれている。
【０１１７】
溶媒は、ＣＯ2を取り込む高い能力を有する、アミン、無機塩基、または任意の他の溶媒であってもよい。ＣＯ2のカプセル中への優先的な分配は、カプセル化された溶媒中への混合ガスストリームの他の成分、例えば、窒素または酸素に対するＣＯ2の相対的により高い溶解性に起因する。カプセルは、含まれているＣＯ2が除去される再生器に輸送するために、ガス接触装置から取り出す準備のできた状態になるまで、即ち十分なＣＯ2を含有するまでガスストリーム中に留まる。
【０１１８】
一態様において、カプセルは、ある期間システム中に留まった後、全体がシステムから取り出される。したがって、システムはバッチ式で運転される。
【０１１９】
別の態様において、カプセルは、平均滞留時間が要求事項を満たすのに十分なＣＯ2回収を可能にするような速度で、連続的に供給および除去される。この場合、すべてのカプセルが一杯になるまでガス充填されるとは限らないが、平均的な充填量は、所望のＣＯ2の除去の流動を提供するのに十分である。したがって、システムは連続式で運転される。
【０１２０】
別の態様において、カプセル溶媒は、カプセルがＣＯ2で充填されるにつれて、充填されていないカプセルより次第に高密度になり、その結果充填されたカプセルが自己離間し、塔の底に降下して、ここで、工程２で説明された再生器に輸送するために取り出される。したがって、システムは連続式で運転される。
【０１２１】
別の態様において、カプセルは、回転する傾斜シリンダー中で、カプセルが回転シリンダーの低部表面上に存在する床を形成し、シリンダー上を長手方向に滝のように流れ落ちる一方で、ガスストリームが、シリンダー中を上方に通過して、斜面を滑り落ちるカプセルと接触するようにして、混合ガスストリームと接触する。底において、カプセルは取り出され、さらなるガス充填ために頂部に戻され、循環される。この態様において、システムをバッチ式または連続式のいずれで運転してもよい。この接触法の利点は、カプセルは、他の接触の筋書きの場合のように、もはやガス塔中で流動床を形成するのに十分な浮揚性である必要はない。
【０１２２】
カプセル中に含まれる溶媒は、溶媒が優先的に高いＣＯ2の溶解性および他のガスストリーム成分、例えば、窒素および酸素の低い溶解性を有するように選択される。アルカリ性の溶媒はこの特性を有する。なぜなら、ＣＯ2がその中でイオン化して、炭酸水素塩（ＨＣＯ3-）および炭酸塩（ＣＯ3--）種を形成し、これが水溶液中でおよびアミンの水溶液中で高溶解性であるからである。最適な溶媒は、アミン、例えば、メチルエタノールアミン（ＭＥＡ）または、ＣＯ2に対して高い溶解性を有する他のアミンベースの溶媒であってもよい。溶媒は、無機塩基、例えば、水酸化ナトリウム、炭酸カリウム、ホウ酸ナトリウム、もしくはリン酸ナトリウムまたは酸−塩基反応の意味における塩基の溶液であり、二酸化炭素の高い溶解性を有するいずれのものであってもよい。ＣＯ2に対する選択性を提供するものは溶媒である。カプセル壁は、水を含めてすべてのガス成分に対して透過性があり、ＣＯ２に対する選択性は提供しない。
【０１２３】
工程２（参照番号８００）−工程１からのガス充填された「富んだ」カプセルは、今や濃厚なＣＯ2ストリームを生じさせるためのＣＯ2抽出「再生」の準備ができている。目標は、輸送または貯留のために液体の形態に圧縮することができるように、ＣＯ2の比較的純粋なストリームを生じさせることである。したがって、生じたＣＯ2ストリームは、相当の量の非凝縮性ガス、例えば、窒素、酸素またはアルゴンを含んでいてはならない。
【０１２４】
含まれているＣＯ2を取り出すための再生は、カプセルを高温に加熱することによって実施され、この場合のＣＯ2の平衡含量は、混合ガスストリームからの収集の間のＣＯ2の平衡含量よりはるかに低い。温度は、およそ１００℃であってもよく、またはずっと高い温度であってもよい。再生の最適温度は、カプセル中に含まれている溶媒のタイプおよびＣＯ2の充填量に依存する。
【０１２５】
カプセルは、それを熱水蒸気に接触させることによって再生してもよく、熱水蒸気は、主にＣＯ2およびＨ2Ｏを含有するガスを生成し、これは、冷却すると主にＣＯ2からなるガス相と液体の水に自己分離する（工程３）。
【０１２６】
カプセルを加圧された液体の水中で加熱することによって再生してもよく、水は、含有する圧力を低下させると、比較的純粋なＣＯ2のストリームを生成する。
【０１２７】
加熱の間に、ＣＯ2および水は、カプセルから周囲のガス相中に逸散する。溶媒は、再生の温度において揮発性ではないように選択され、したがって、ＣＯ2および水と共にカプセルから優先的に離れることはないが、一部の溶媒では少量がカプセルを離れてもよく、一部の用途では許容される可能性がある。さらに、揮発性が乏しい溶媒、例えばアミンでは、カプセルシェルは、カプセルから外への溶媒の流束を低下させる。これは、カプセル化された溶媒に対する再生の運転温度を、アミン溶媒がカプセル化されていないシステムに対して可能であるものより高いことを可能にする。より高い相対的な温度における再生は、より高いＣＯ2の分圧を生じさせて、これはＣＯ2の圧縮および液化に必要なエネルギーを低下させて、ＣＯ2収集全体のコストを低下させ得る。
【０１２８】
アミン溶媒のカプセル化の別の利点は、液体アミンは、再生器に使用される材料、例えば金属と直接接触せず、これは腐食を低減し、潜在的により安価な建設材料を可能にする。例えば、ステンレス鋼に置きかえて、炭素鋼を使用することができる。関連した利益は、溶媒の熱分解が起こる場合、分解生成物はカプセル中に留まる傾向にあり、収納ハウジングと接触して、その際、腐食またはスケーリングに起因する損傷を引き起こさないことである。
【０１２９】
工程３（参照番号８００）−熱的に処理された再生カプセルは、今度は低いＣＯ2含量（「乏しい」）を有し、ＣＯ2捕捉の別サイクルに適している。カプセルは、任意の様々なタイプおよび設計の機械的フィルターを用いて、ガスまたは液体の水から取り出すことができる。次いで、分離されたカプセルは、別のサイクルを開始するために工程１に戻される。
【０１３０】
水からのＣＯ2の分離は、熱ガスを冷却して液体の水および分離したＣＯ2ガス相を生成することによって実施される。この工程および全体的なプロセスにおいて、熱交換器を使用して、水蒸気の凝縮からの熱を捕捉して（熱が発生した場合）、流入する封入されたＣＯ2の「富んだ」ストリームを加熱するために使用することが有利である。
【０１３１】
ガス混合物から分離されている二酸化炭素は、販売する、貯留する、隔離する、またはさもなければ処分することができる。
【０１３２】
本発明は、様々な修正および代替の形態を受け入れることができるが、具体的な態様が、図面中の例によって示されており、ここで詳細に説明されている。しかし、本発明は、開示されている特定の形態に限定されるものではないものと理解すべきである。というよりは、本発明は、以下の付属する特許請求の範囲で定義される本発明の精神および範囲に該当するすべての修正、等価物、および代替物を包含するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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