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DE102004030513A1 - Absorbent for carbon dioxide, useful for promoting carbon monoxide shift conversion, comprises a lithium silicate that has been doped and/or thermally/chemically pretreated - Google Patents

Absorbent for carbon dioxide, useful for promoting carbon monoxide shift conversion, comprises a lithium silicate that has been doped and/or thermally/chemically pretreated Download PDF

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DE102004030513A1
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absorbent
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Wolfgang Heschel
Cornelius Gauer
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Original Assignee
Bergakademie Freiberg
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Absorptionsmittel für CO2, insbesondere zur Ausführung gleichgewichtslimitierter Prozesse, bei denen CO2 entsteht. Das Absorptionsmittel für CO2 basiert auf einem lithiumhaltigen Silikat, welches durch Dotierung und thermisch/chemische Vorbehandlung oder eines der beiden genannten Verfahren CO2 besonders schnell aufnehmen und abgeben kann, wobei die Silikatstruktur vorwiegend aus SiO4-Tetraedern und LiOn-Polyedern (n = 3, 4, 5, 6) besteht und das lithiumhaltige Silikat bevorzugt als Li4SiO4 vorliegt. Das lithiumhaltige Silikat enthält eines oder mehrere der Dotierelemente Mg, Ca, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Ti, Ge, Zr, V, Ta, P, Mo, W, Ga, In, Y, Cu, Mn. Dabei geht das Dotierelement mit Li und/oder O oder optional mit Si Verbindungen ein, die mit Li4SiO4 Feststofflösungen bilden und dabei ein molares Li/O-Verhältnis zwischen 0,85 und 1 aufweisen.The invention relates to an absorbent for CO 2 , in particular for carrying out equilibrium-limited processes in which CO 2 is formed. The absorption medium for CO 2 is based on a lithium-containing silicate, which can absorb and release CO 2 particularly quickly by doping and thermal / chemical pretreatment or one of the two processes mentioned, the silicate structure consisting predominantly of SiO 4 tetrahedra and LiOn polyhedra (n = 3, 4, 5, 6) and the lithium-containing silicate is preferably present as Li 4 SiO 4 . The lithium-containing silicate contains one or more of the doping elements Mg, Ca, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Ti, Ge, Zr, V, Ta, P, Mo, W, Ga, In, Y, Cu, Mn , In this case, the doping element with Li and / or O or optionally with Si compounds, which form with Li 4 SiO 4 solid solutions and thereby have a molar Li / O ratio between 0.85 and 1.

Description

Die Erfindung betrifft Absorptionsmittel für CO2, insbesondere zur Ausführung gleichgewichtslimitierter Prozesse, bei denen CO2 entsteht.The invention relates to absorbents for CO 2 , in particular for carrying out equilibrium-limited processes in which CO 2 is formed.

In der chemischen Industrie wird eine Reihe von Reaktionen ausgeführt, bei denen die Limitierung durch das thermodynamische Gleichgewicht zu einer unvollständigen Umsetzung der Reaktionskomponenten und damit zu geringer Wirtschaftlichkeit der Prozesse führt. Für diese Reaktionen ist das Überwinden der Gleichgewichtslimitierung sehr erstrebenswert. Bei chemischen Gleichgewichtsprozessen, die CO2 generieren, wie z. B. die Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen oder die Dampfkonvertierung von CO, kann dieses Reaktionsprodukt abgeführt werden und damit das Gleichgewicht günstig in Richtung Eduktverbrauch mit einem höheren Umsatz verschoben werden. Die Abtrennung von CO2 aus Produktgasgemischen gewinnt darüber hinaus wachsende Bedeutung im Zusammenhang mit der Reduzierung von Emissionen klimarelevanter Gase (Göttlicher,G.: in: VGB Power Tech 2003, 96-101).In the chemical industry, a series of reactions is carried out in which the limitation by the thermodynamic equilibrium leads to an incomplete reaction of the reaction components and thus to low cost of the processes. For these reactions, overcoming equilibrium limitation is very desirable. In chemical equilibrium processes that generate CO 2 , such as. As the steam reforming of hydrocarbons or the steam conversion of CO, this reaction product can be dissipated and thus the equilibrium shifted favorably towards Eduktverbrauch with a higher turnover. The separation of CO 2 from product gas mixtures is also gaining in importance in connection with the reduction of emissions of climate-relevant gases (Göttlicher, G .: in: VGB Power Tech 2003, 96-101).

Für die Abtrennung von CO2 aus Gasen werden Absorptionsverfahren, die mit flüssigen Waschlösungen arbeiten, eingesetzt. Diese Wäschen arbeiten auf Grund der physikochemischen Wirkprinzipien bei der Absorption nur bei niedrigen Temperaturen (< 40°C) zufriedenstellend und stehen damit für die meisten Reaktionen nicht zum Abzug des CO2 aus dem Reaktionsraum zur Verfügung. Damit entfällt die Einflussnahme auf das chemische Gleichgewicht (s. z.B.: Kohl, A. u. Nielsen, R.: Gas Purification. Gulf Publ. Comp., Houston 1997).For the separation of CO 2 from gases absorption processes are used, which work with liquid washing solutions. Due to the physico-chemical principles of action, these washes work satisfactorily only at low temperatures (<40 ° C.) and are therefore not available for most reactions to remove the CO 2 from the reaction space. This eliminates the influence on the chemical equilibrium (see, for example: Kohl, A. and Nielsen, R .: Gas Purification, Gulf Publ. Comp., Houston 1997).

Es gibt eine Reihe von Prozessen, bei denen CO2 an poröse Feststoffe adsorbiert (physikalisch gebunden) werden kann. Nachteil aller bekannten Adsorbentien ist die geringe CO2-Aufnahmekapazität bei erhöhten Temperaturen. Diese beträgt normalerweise weniger als 1mmol/g, sobald die Temperatur 200°C überschreitet (Sircar,S. et al.: in Carbon 34 (1996), 1-12) Durch Absorption von CO2 (chemische Bindung) an Feststoffe können wesentlich höhere CO2-Beladungen des Sorbents erreicht werden, was den Sorptionsmittelverbrauch minimiert und zu höherer Prozesseffizienz führen kann. Bekannte Absorbentien für CO2 sind Kalziumoxid und kalzinierter Dolomit. Diese können CO2 über einen weiten Temperaturbereich aufnehmen, müssen jedoch bei sehr hohen Temperaturen oder mit erheblichem Spülgasverbrauch regeneriert werden (Silaban, A. et al.: in Chem. Eng. Comm.146 (1996),149-162). Unter anderem wegen des hohen Regenerieraufwandes konnten sich Prozesse mit diesen Sorbentien nicht durchsetzen.There are a number of processes in which CO 2 can be adsorbed (physically bound) to porous solids. Disadvantage of all known adsorbents is the low CO 2 uptake capacity at elevated temperatures. This is normally less than 1mmol / g as soon as the temperature exceeds 200 ° C (Sircar, S. et al .: in Carbon 34 (1996), 1-12). Absorption of CO 2 (chemical bonding) to solids can be much higher CO 2 loadings of the sorbent can be achieved, which minimizes sorbent consumption and can lead to higher process efficiency. Known absorbents for CO 2 are calcium oxide and calcined dolomite. These can absorb CO 2 over a wide temperature range, but must be regenerated at very high temperatures or with a considerable purge gas consumption (Silaban, A. et al .: in Chem. Eng. Comm.146 (1996), 149-162). Partly because of the high regeneration effort, processes with these sorbents could not prevail.

Lithiumzirkonat-basierte Absorbentien, wie z. Bsp. in DE 198 42 228 A1 und EP 1145755 offenbart, können schon bei deutlich geringeren Temperaturen regeneriert werden, nehmen CO2 aber vergleichsweise langsam auf. Absorbentien aus Lithiumsilikat ( EP 1038576 ) nehmen CO2 deutlich schneller auf und können bei Temperaturen regeneriert werden, die geringfügig über denen von Lithiumzirkonat liegen. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Geschwindigkeit der CO2-Aufnahme erst oberhalb von 600°C befriedigende Werte erreicht.Lithium zirconate-based absorbents, such as. Eg in DE 198 42 228 A1 and EP 1145755 can be regenerated even at significantly lower temperatures, but absorb CO 2 comparatively slowly. Absorbents of lithium silicate ( EP 1038576 ) absorb CO 2 much faster and can be regenerated at temperatures slightly above those of lithium zirconate. Investigations have shown that the rate of CO 2 uptake reaches satisfactory levels only above 600 ° C.

EP 1038576 offenbart Absorptionsmaterialien, die Lithiumsilikate der allgemeinen Formel LixSiyOz mit der Bedingung x + 4y – 2z = 0 und x ≥ 4 enthalten und zur Absorption von CO2 bei der Konvertierung von CO mit H2O zu CO2 und H2 eingesetzt werden können. Weiterhin können die Absorptionsmaterialien Lithiumzirkonat und K2CO3 enthalten. Bevorzugte Sorbentien enthalten Lithiumorthosilikat Li4SiO4 und K2CO3, wobei eine oberhalb 500°C entstehende eutektische Schmelze die CO2-Aufnahme bis hin zu dieser Temperatur beschleunigen soll. Nachteil von eutektischen Dotierungen mit Kalium oder Natrium ist ein zu erwartender Alkalienaustrag aus der Schmelzphase von z.B. K2CO3 – Li2CO3, was zu erheblicher Korrosion an Anlagenteilen führen kann. EP 1038576 discloses absorption materials containing lithium silicates of the general formula Li x Si y O z with the condition x + 4y - 2z = 0 and x ≥ 4 and for the absorption of CO 2 in the conversion of CO with H 2 O to CO 2 and H 2 can be used. Furthermore, the absorption materials lithium zirconate and K 2 CO 3 may contain. Preferred sorbents contain lithium orthosilicate Li 4 SiO 4 and K 2 CO 3 , wherein a eutectic melt formed above 500 ° C should accelerate CO 2 up to this temperature. Disadvantage of eutectic doping with potassium or sodium is an expected alkali discharge from the melt phase of, for example, K 2 CO 3 - Li 2 CO 3 , which can lead to considerable corrosion of system components.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung ein Absorptionsmittel zu schaffen, welches eine hohe CO2-Beladung bei hohen Temperaturen aufweist, eine Regeneration bei noch vertretbaren Temperaturen ohne übermäßigen Spülgaseinsatz zulässt, eine hohe Geschwindigkeit für die CO2-Absorption zeigt sowie eine für Anlagenteile verträgliche Zusammensetzung besitzt. Mit dem erfindungsgemäßen Sorbent soll die Prozessführung gleichgewichtslimitierter Reaktionen durch Sorption des in statu nascendi entstehenden CO2 an das erfindungsgemäße Sorbent wesentlich verbessert werden. Darüber hinaus soll von dem erfindungsgemäßen Absorptionsmittel auch eine gezielte katalytische Wirkung auf die mit der CO2-Sorption gekoppelte CO2-bildende Reaktion ausgehen.It is therefore an object of the invention to provide an absorbent, which has a high CO 2 loading at high temperatures, allows regeneration at still reasonable temperatures without excessive Spülgaseinsatz, shows a high speed for CO 2 absorption and a tolerable for plant components composition has. With the sorbent according to the invention, the process control of equilibrium-limited reactions should be substantially improved by sorption of the CO 2 produced in statu nascendi to the sorbent according to the invention. In addition to going out to the coupled to the CO 2 sorption of CO 2 -forming reaction of the novel absorbent also targeted catalytic effect.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Absorptionsmittel für CO2 gelöst, das auf einem lithiumhaltigen Silikat basiert, welches durch Dotierung und thermisch/chemische Vorbehandlung oder eines der beiden genannten Verfahren CO2 besonders schnell aufnehmen und abgeben kann, wobei die Silikatstruktur vorwiegend aus SiO4-Tetraedern und LiOn-Polyedern (n = 3, 4, 5, 6) besteht und das lithiumhaltige Silikat bevorzugt als Li4SiO4 vorliegt. Das lithiumhaltige Silikat enthält eines oder mehrere der Dotierelemente Mg, Ca, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Ti, Ge, Zr, V, Ta, P, Mo, W, Ga, In, Y, Cu, Mn.. Dabei geht das Dotierelement mit Li und/oder O oder optional mit Si Verbindungen ein, die mit Li4SiO4 Feststofflösungen bilden und dabei ein molares Li/O-Verhältnis zwischen 0,85 und 1 aufweisen (0,85 < Stoffmenge (Li)/Stoffmenge (0) ≤ 1).According to the invention, the object is achieved by an absorption medium for CO 2 which is based on a lithium-containing silicate which can take up and release CO 2 particularly quickly by doping and thermal / chemical pretreatment or one of the two processes mentioned, the silicate structure consisting predominantly of SiO 4 - Tetrahedra and LiOn polyhedra (n = 3, 4, 5, 6) and the lithium-containing silicate is preferably present as Li 4 SiO 4 . The lithium-containing silicate contains one or more the doping elements Mg, Ca, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Ti, Ge, Zr, V, Ta, P, Mo, W, Ga, In, Y, Cu, Mn .. The doping element goes with it Li and / or O or optionally with Si compounds which form solid solutions with Li 4 SiO 4 and have a molar Li / O ratio between 0.85 and 1 (0.85 <molar amount (Li) / molar amount (0) ≤ 1).

Vorteilhaft enthält das lithiumhaltige Silikat eine Feststofflösung der allgemeinen Formel
Li(4–3α)XαSiO4 bzw. (1–α)Li4SiO4+(α)LiXSiO4, wobei „X" z.B. Al, Fe oder Cr
oder eine Feststofflösung der allgemeinen Formel
Li(4–2α)XαSiO4 bzw. (1–α)Li4SiO4+(α)Li2XSiO4, wobei „X" z.B. Mg, Ca, Zn, Ni
oder eine Feststofflösung der allgemeinen Formel
Li4XαSi(1–α)O4 bzw. (1–α)Li4SiO4+(α)Li4XO4, wobei „X" z.B. Ti, Ge, Zr
oder eine Feststofflösung der allgemeinen Formel
Li(4–α)XαSi(1–α)O4 bzw. (1–α)Li4SiO4+(α)Li3XO4, wobei „X" z.B. V, Ta oder P
oder eine Feststofflösung der allgemeinen Formel
Li(4–2α)XαSi(1–α)O4 bzw. (1–α)Li4SiO4+(α)Li2XO4, wobei „X" z.B. Mo oder W
oder eine Feststofflösung der allgemeinen Formel
Li(4–3α)XαSi(1–α)O(4–2α) bzw. (1–α)Li4SiO4+(α)LiXO2, wobei „X" z.B. Ni oder Co
oder Mischungen der vorgenannten Feststofflösungen und der Parameter „α" Werte von 0 bis 0,2 annimmt (0 ≤ α ≤ 0,2).
Advantageously, the lithium-containing silicate contains a solid solution of the general formula
Li (4-3α) X α SiO 4 or (1-α) Li 4 SiO 4 + (α) LiXSiO 4 , where "X" eg Al, Fe or Cr
or a solid solution of the general formula
Li (4-2α) X α SiO 4 or (1-α) Li 4 SiO 4 + (α) Li 2 XSiO 4 , where "X" eg Mg, Ca, Zn, Ni
or a solid solution of the general formula
Li 4 X α Si (α 1) O 4 or (1-α) Li 4 SiO 4 + (α) Li 4 XO 4, wherein "X" for example, Ti, Ge, Zr
or a solid solution of the general formula
Li (4-α) X α Si (1-α) O 4 or (1-α) Li 4 SiO 4 + (α) Li 3 XO 4 , where "X" eg V, Ta or P
or a solid solution of the general formula
Li (4-2α) X α Si (1-α) O 4 or (1-α) Li 4 SiO 4 + (α) Li 2 XO 4 , where "X" is Mo or W, for example
or a solid solution of the general formula
Li (4-3α) X α Si (1-α) O (4-2α) and (1-α) Li 4 SiO 4 + (α) lixo 2, wherein "X" for example, Ni or Co
or mixtures of the aforementioned solid solutions and the parameter "α" assumes values of 0 to 0.2 (0 ≤ α ≤ 0.2).

Zusätzlich kann das Absorptionsmittel K2CO3 und/oder Na2CO3 enthalten.In addition, the absorbent K 2 CO 3 and / or Na 2 CO 3 may contain.

Vorteilhaft ist das lithiumhaltige Silikat auf einem inerten Trägermaterial fixiert.Advantageous is the lithium-containing silicate on an inert carrier material fixed.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass:

  • 1) ein lithiumhaltiges Silikat bei Dotierung mit Fremdelementen (im Vergleich zum nicht dotierten Material) CO2 im relevanten Temperaturbereich (ca. 400...600°C) mit wesentlich erhöhter Geschwindigkeit absorbiert werden kann. Insbesondere bei Feststofflösungen der Art (1-α)Li4SiO4+(α)LiAlSiO4 (α = 0...0,2) bzw. (Li(4–3α)Al(α)SiO4) stellen sich stark erhöhte CO2-Aufnahmegeschwindigkeiten schon um die 500°C als auch etwas darunter ein. Gleiches gilt, wenn man Fe oder Cr anstelle von Al einsetzt, wobei es sich nicht zwangsweise (auch) um Feststofflösungen handeln muss.
  • 2) ein lithiumhaltiges Silikat nach einer thermischen oder thermisch/chemischen Vorbehandlung CO2 in einem engen Temperaturbereich besonders schnell aufnehmen und wieder abgeben kann. Der Bereich liegt etwa zwischen 670°C und 800°C. Bei atmosphärischem Druck wird CO2 besonders schnell zwischen 690°C und 740°C aufgenommen (mit ca. 3 Ma.%/min) und zwischen 720°C und 770°C wieder abgegeben (mit ca. 6 Ma.%/min).
  • 3) das lithiumhaltige Silikat katalytische Eigenschaften hinsichtlich einer CO-Umsetzung mit Wasserdampf zu CO2 und H2 (CO-Shift) besitzt. Der katalytische Effekt verstärkt sich wesentlich bei Verwendung des mit Fremdelementen dotierten Lithiumsilikates, besonders in Verbindung mit Eisen.
Surprisingly, it has been shown that:
  • 1) a lithium-containing silicate when doping with foreign elements (compared to the non-doped material) CO 2 in the relevant temperature range (about 400 ... 600 ° C) can be absorbed at a significantly increased speed. Especially in solid solutions of the type (1-α) Li 4 SiO 4 + (α) LiAlSiO 4 (α = 0 ... 0.2) or (Li (4-3α ) Al (α) SiO 4 ) are strong increased CO 2 uptake rates already around 500 ° C as well as slightly below. The same applies if one uses Fe or Cr instead of Al, which does not necessarily have to be (also) solid solutions.
  • 2) a lithium-containing silicate after a thermal or thermal / chemical pretreatment CO 2 in a narrow temperature range very quickly absorb and release. The range is approximately between 670 ° C and 800 ° C. At atmospheric pressure, CO 2 is absorbed very rapidly between 690 ° C and 740 ° C (at about 3 Ma.% / Min) and released again between 720 ° C and 770 ° C (at about 6 Ma.% / Min). ,
  • 3) the lithium-containing silicate has catalytic properties with respect to CO conversion with water vapor to CO 2 and H 2 (CO shift). The catalytic effect increases significantly with the use of the impurity doped lithium silicate, especially in conjunction with iron.

Mit dem erfindungsgemäßen Absorptionsmittel wird die Prozessführung gleichgewichtslimitierter Reaktionen durch Sorption des in statu nascendi entstehenden CO2 mit dem erfindungsgemäßen Sorbent wesentlich verbessert. Erreicht wird dies durch das simultane Ablaufen der CO2-Sorption während einer CO2-bildenden Reaktion in ein und demselben Prozessraum (keine räumliche Trennung wie bei einer Wäsche). Die Abfuhr von CO2 aus dem Reaktionsraum sorgt dabei für die Verschiebung des chemischen Gleichgewichtes zugunsten der Produkte (durch ständiges Entziehen der Produktkomponente CO2 aus der Reaktionsmischung). Die Gleichgewichtslimitierung wird umso besser über- wunden, je schneller CO2 vom Sorbent aufgenommen werden kann.With the absorbent according to the invention, the process control of equilibrium-limited reactions is substantially improved by sorption of the CO 2 produced in statu nascendi with the sorbent according to the invention. This is achieved by the simultaneous elimination of CO 2 sorption during a CO 2 -forming reaction in the same process space (no spatial separation as in a laundry). The removal of CO 2 from the reaction space ensures the shift of the chemical equilibrium in favor of the products (by constantly removing the product component CO 2 from the reaction mixture). Equilibrium limitation is better overcome the faster CO 2 can be absorbed by the sorbent.

Eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Absorptionsmittel ist eine sorptionsunterstützte CO-Konvertierung (CO-Shift) zur Erzeugung von Synthesegas oder Wasserstoff aus Vergasungsgasen (z.B. Kohle, Erdölfraktionen, Biomasse etc.) oder Erdgas. Eine CO-Umsetzung wird bevorzugt katalytisch unterstützt, wenn das lithiumhaltige Silikat eines oder mehrere der Elemente Fe, Al, Cr, Zn, Mg und/oder Cu enthält.A preferred application of the absorbents of the invention is a sorptionsunterstützte CO conversion (CO shift) to produce synthesis gas or hydrogen from gasification gases (e.g., coal, petroleum fractions, biomass, etc.) or Natural gas. A CO conversion is preferably supported catalytically, if the lithium-containing silicate of one or more of the elements Fe, Al, Contains Cr, Zn, Mg and / or Cu.

Durch Prozesskoppelung von Sorption und Reaktion kann insbesondere der CO-Umsatz bei gleichzeitig vermindertem Wasserdampfverbrauch erhöht werden. Bei Verwendung von dotiertem Li4SiO4 (z.B. mit Eisen) kann gegebenenfalls auf den Einsatz zusätzlicher bzw. konventioneller CO-Shift-Katalysatoren (z.B. Fe/Cr-Oxide) verzichtet werden.Through process coupling of sorption and reaction, in particular the CO conversion can be increased with simultaneously reduced water vapor consumption. When using doped Li 4 SiO 4 (eg with iron) may optionally be dispensed with the use of additional or conventional CO shift catalysts (eg Fe / Cr oxides).

Die Regenerierung des mit CO2 beladenen Absorptionsmittels kann entweder durch Erhöhung der Temperatur (Temperatur-Swing) oder durch Druckabsenkung (Druck-Swing) oder durch Kombination beider Prinzipien (Optimierung) erfolgen. Die Temperaturerhöhung bzw. die Druckabsenkung kann unter technischem Vakuum durchgeführt oder mit einer Spülung des Sorptionsmittels (z.B. Wasserdampf oder andere geeignete Gase) kombiniert werden.The regeneration of the CO 2 -loaded absorbent can take place either by increasing the temperature (temperature swing) or by lowering the pressure (pressure swing) or by combining both principles (optimization). The increase in temperature or the pressure reduction can be carried out under a technical vacuum or combined with a rinse of the sorbent (eg water vapor or other suitable gases).

Zur Herstellung des Sorbents dienen z.B. bekannte Lithium-Quellen wie Li2CO3 oder LiOH oder LiNO3 und Silizium-Quellen wie SiO2 oder Kieselsol. Die dotierten Heteroelemente können z.B. in Form von Oxiden, Nitraten oder Acetaten in die Synthesemischung eingebracht werden. Bei Verwendung von Li2CO3, SiO2 und Fremdelementen in oxidischer Form werden die Pulver mischend gemahlen und z.B. bei 800-900°C (in Luft oder Inertgas) über mehrere Stunden kalziniert. Das Molverhältnis der Einsatzstoffe wird dabei so gewählt, dass ein Stoffgemisch mit dem Verhältnis von Li4SiO4 zur Fremdelementverbindung (z.B. LiXSiO4, LiiXO4 etc.) von mindestens 4 : 1 resultiert.For example, known lithium sources such as Li 2 CO 3 or LiOH or LiNO 3 and silicon sources such as SiO 2 or silica sol are used to produce the sorbent. The doped hetero elements can be in the form of oxides, nitrates or acetates in the synthesis, for example be introduced mixture. When Li 2 CO 3 , SiO 2 and foreign elements in oxidic form are used, the powders are mixed-ground and, for example, calcined at 800-900 ° C. (in air or inert gas) for several hours. The molar ratio of the starting materials is chosen so that a mixture with the ratio of Li 4 SiO 4 to the foreign element compound (eg LiXSiO 4 , Li i XO 4, etc.) of at least 4: 1 results.

Lithiumhaltiges Silikat wird thermisch oder thermisch/chemisch in Gasatmosphären bestehend aus Inertgas z.B. N2, He, Ar, etc. und/oder CO2 bei Temperaturen zwischen 650°C und 1300°C vorbehandelt. Dabei kann ein mehrfacher Gaswechsel zwischen Inertgas und CO2 erfolgen.Lithium-containing silicate is thermally or thermally / chemically pretreated in gas atmospheres consisting of inert gas such as N 2 , He, Ar, etc. and / or CO 2 at temperatures between 650 ° C and 1300 ° C. In this case, a multiple gas exchange between inert gas and CO 2 take place.

Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Absorptionsmittel zur Absorption von CO2 bei der Konvertierung von CO mit H2O zu CO2 und H2 bei einer Temperatur zwischen 450°C und 800°C eingesetzt. Der Vorteil besteht darin, dass das Gleichgewicht trotz erhöhter Temperatur auf die Produktseite verschoben wird, ganz im Gegensatz zur klassischen CO-Konvertierung, die bei möglichst niedrigen Temperaturen durchgeführt werden muss und einen Katalysator erfordert.Advantageously, the absorbent according to the invention is used for the absorption of CO 2 in the conversion of CO with H 2 O to CO 2 and H 2 at a temperature between 450 ° C and 800 ° C. The advantage is that the balance is shifted to the product side despite the increased temperature, in contrast to the classic CO conversion, which must be carried out at the lowest possible temperatures and requires a catalyst.

Anhand nachfolgender Beispiele wird die Erfindung näher erläutert:Based The following examples illustrate the invention:

Beispiel 1 (Negativbeispiel):Example 1 (negative example):

Dotierung mit Fremdelementen:Doping with foreign elements:

Es wird eine Mischung mit einem Molverhältnis von Li/Al/Si/O = 4,1/0,1/0,9/4 hergestellt. Hierzu werden 6,17 g Li2CO3, 0,21 g Al2O3 und 2,20 g SiO2 1 Minute lang in der Schwingmühle zwecks Homogenisierung aufgemahlen. Anschließend wird die Mischung bei 850 °C über 8 Stunden lang in Luft kalziniert. Die kalzinierte Probe wird im Mörser aufgerieben, um Versinterungen zu beseitigen. Im Ergebnis hat sich eine Feststofflösung gebildet, bestehend aus (1–α)Li4SiO4 und αLi5AlO4 mit einem Molanteil α = 0,1 und einem Li/O-Molverhältnis von 1,025. Eine Teilprobe wurde in einer Thermowaage bezüglich ihrer Beladungsgeschwindigkeit für Kohlendioxid untersucht (100 Vol.-% CO2, 1 bar, Aufheizung 1K/min linear). Es zeigte sich, dass nur eine unzureichende Erhöhung der Beladungsgeschwindigkeit (0,05 Ma.-%/min) gegenüber reinem Li4SiO4 zu erreichen ist.A mixture is prepared with a molar ratio of Li / Al / Si / O = 4.1 / 0.1 / 0.9 / 4. For this purpose, 6.17 g of Li 2 CO 3 , 0.21 g of Al 2 O 3 and 2.20 g of SiO 2 are ground for 1 minute in the vibrating mill for the purpose of homogenization. Subsequently, the mixture is calcined at 850 ° C for 8 hours in air. The calcined sample is reamed in a mortar to remove any sintering. As a result, a solid solution consisting of (1-α) Li 4 SiO 4 and αLi 5 AlO 4 having a mole fraction α = 0.1 and a Li / O molar ratio of 1.025 has been formed. A subsample was tested in a thermobalance with respect to its loading rate for carbon dioxide (100 vol .-% CO 2 , 1 bar, heating 1K / min linear). It was found that only an insufficient increase in the loading rate (0.05% by mass / min) can be achieved compared to pure Li 4 SiO 4 .

Beispiel 2 (Negativbeispiel):Example 2 (negative example):

Li4SiO4 ohne thermische Vorbehandlung:Li 4 SiO 4 without thermal pretreatment:

10 g Li2CO3 und 4,1 g SiO2 werden 1 Minute lang in der Schwingmühle aufgemahlen und bei 850°C 14 Stunden in Luft kalziniert. Das kalzinierte Material wird im Mörser aufgerieben, um Versinterungen aufzubrechen. Nach Aufheizung in Inertgas (Helium) erfolgte die Beladung mit CO2 bei konstanten 700°C in der Thermowaage. Im Ergebnis zeigte sich, dass CO2 erst nach einer Haltezeit von mehr als 90 Minuten beschleunigt aufgenommen wird. (700°C)10 g of Li 2 CO 3 and 4.1 g of SiO 2 are ground for 1 minute in the vibrating mill and calcined at 850 ° C for 14 hours in air. The calcined material is rubbed in a mortar to break up sintering. After heating in inert gas (helium), the loading was carried out with CO 2 at a constant 700 ° C in the thermobalance. As a result, CO 2 was only accelerated after a holding time of more than 90 minutes. (700 ° C)

Beispiel 3:Example 3:

Dotierung mit Fremdelementen:Doping with foreign elements:

Es wird eine Mischung mit einem Molverhältnis von Li/Al/Si/O = 3,7/0,1/1/4 hergestellt. Zu diesem Zweck werden 4,42 g Li2CO3, 0,16 g Al2O3 und 1,94 g SiO2 1 Minute lang in der Schwingmühle aufgemahlen und anschließend mindestens 8 Stunden bei 850°C in Luft kalziniert. Das kalzinierte Material wird im Mörser aufgerieben. Es entsteht eine Feststofflösung mit (1–α)Li4SiO4 und αLiAlSiO4 mit einem Molanteil α = 0,1 und einem Li/O-Molverhältnis von 0,925. Im Ergebnis zeigte sich eine beschleunigte CO2-Aufnahme bei linearer Aufheizung mit 1 K/min bereits ab 500 °C (0,11 Ma.-%/min) im Vergleich zu reinem Li4SiO4 (0,01 Ma.-%/min).A mixture is prepared with a molar ratio of Li / Al / Si / O = 3.7 / 0.1 / 1/4. For this purpose, 4.42 g of Li 2 CO 3 , 0.16 g of Al 2 O 3 and 1.94 g of SiO 2 are ground for 1 minute in the vibrating mill and then calcined at 850 ° C in air for at least 8 hours. The calcined material is rubbed in a mortar. The result is a solid solution with (1-α) Li 4 SiO 4 and αLiAlSiO 4 with a mole fraction α = 0.1 and a Li / O molar ratio of 0.925. The result was an accelerated CO 2 uptake with linear heating at 1 K / min already from 500 ° C. (0.11% by weight / min) in comparison to pure Li 4 SiO 4 (0.01% by mass ) . / min).

Beispiel 4:Example 4:

Dotierung mit Fremdelementen:Doping with foreign elements:

Es wird eine Mischung mit einem Molverhältnis von Li/Cr/Si/O = 3,7/0,1/1/4 hergestellt. Hierzu werden 4,53 g Li2CO3, 0,25 g Cr2O3 und 2,0 g SiO2 miteinander gemischt. Die Mischung wird 1 Minute lang in der Schwingmühle aufgemahlen und mindestens 8 Stunden bei 850°C in Luft kalziniert. Das kalzinierte Material wird im Mörser aufgerieben. Es entsteht eine Feststofflösung mit (1–α)Li4SiO4 und αLiCrSiO4 mit einem Molanteil α = 0,1 und einem Li/O-Verhältnis von 0,925. Die Beladungsgeschwindigkeit liegt mit 0,13 Ma.-%/min bei 500 °C wesentlich über dem entsprechenden Wert für Li4SiO4 (0,01 Ma.-%/min).A mixture is prepared with a molar ratio of Li / Cr / Si / O = 3.7 / 0.1 / 1/4. For this purpose, 4.53 g of Li 2 CO 3 , 0.25 g of Cr 2 O 3 and 2.0 g of SiO 2 are mixed together. The mixture is ground in the vibratory mill for 1 minute and calcined in air at 850 ° C for at least 8 hours. The calcined material is rubbed in a mortar. The result is a solid solution with (1-α) Li 4 SiO 4 and αLiCrSiO 4 with a mole fraction α = 0.1 and a Li / O ratio of 0.925. The loading rate of 0.13 mass% / min at 500 ° C is significantly above the corresponding value for Li 4 SiO 4 (0.01 mass% / min).

Beispiel 5:Example 5:

Dotierung mit Fremdelementen:Doping with foreign elements:

Es wird eine Mischung mit einem Molverhältnis von Li/Fe/Si/O = 3,7/0,1/1/4, z.B. aus 4,4 g Li2CO3, 0,26 g Fe2O3 und 1,93 g SiO2 hergestellt. Die Mischung wird 1 Minute lang in der Schwingmühle aufgemahlen und anschließend mindestens 8 Stunden bei 850°C in Luft kalziniert. Das kalzinierte Material wird im Mörser aufgerieben. Es entsteht eine Feststofflösung mit (1–α)Li4SiO4 und αLiFeSiO4 mit einem Molanteil α = 0,1 und einem Li/O-Verhältnis von 0,925. Die Probe wies bei 500 °C eine Beladungsgeschwindigkeit von 0,14 Ma.-%/min auf.It is a mixture with a molar ratio of Li / Fe / Si / O = 3.7 / 0.1 / 1/4, eg from 4.4 g Li 2 CO 3 , 0.26 g Fe 2 O 3 and 1, 93 g of SiO 2 produced. The mixture is ground for 1 minute in the vibratory mill and then calcined at 850 ° C in air for at least 8 hours. The calcined mate rial is rubbed in a mortar. The result is a solid solution with (1-α) Li 4 SiO 4 and αLiFeSiO 4 with a mole fraction α = 0.1 and a Li / O ratio of 0.925. The sample had a loading rate of 0.14 mass% / min at 500 ° C.

Beispiel 6:Example 6:

Li4SiO4 mit thermischer Vorbehandlung:Li 4 SiO 4 with thermal pretreatment:

Es wird eine Mischung aus 28,9 g Li2CO3 und 11,7 g SiO2 hergestellt. Die Mischung wird 1 Minute lang in der Schwingmühle aufgemahlen und anschließend bei 850 °C 14 Stunden in Luft kalziniert. Das kalzinierte Material wird im Mörser aufgerieben und bei 700°C über mindestens drei Zyklen abwechselnd mit einer Atmosphäre von CO2 und Helium behandelt. (Zyklus: 1 Stunde mit 100 Vol.-% CO2 beladen, anschließend 1 Stunde lang im Heliumstrom desorbieren, Druck 1 bar) Im Ergebnis setzte eine beschleunigte CO2-Aufnahme (3 – 5 Ma.-%/min) sofort bei 700°C ein.A mixture of 28.9 g of Li 2 CO 3 and 11.7 g of SiO 2 is produced. The mixture is ground for 1 minute in the vibratory mill and then calcined in air at 850 ° C for 14 hours. The calcined material is rubbed in a mortar and treated alternately at 700 ° C for at least three cycles with an atmosphere of CO 2 and helium. (Cycle: 1 hour loaded with 100 vol .-% CO 2 , then desorb for 1 hour in helium stream, pressure 1 bar) As a result, an accelerated CO 2 uptake (3-5 Ma .-% / min) immediately set at 700 ° C.

Beispiel 7:Example 7:

Li4SiO4 mit thermischer Vorbehandlung:Li 4 SiO 4 with thermal pretreatment:

Es wird eine Mischung aus 27,6 g Li2CO3 und 11,2 g SiO2 hergestellt. Die Mischung wird 1 Minute lang in der Schwingmühle aufgemahlen und anschließend bei 850 °C 14 Stunden in Luft kalziniert. Das kalzinierte Material wird im Mörser aufgerieben und bei 1000 °C über 5 Stunden im Heliumstrom vorbehandelt. Im Ergebnis setzte unverzüglich eine beschleunigte CO2-Aufnahme zwischen 700°C und 730°C ein.A mixture of 27.6 g of Li 2 CO 3 and 11.2 g of SiO 2 is produced. The mixture is ground for 1 minute in the vibratory mill and then calcined in air at 850 ° C for 14 hours. The calcined material is rubbed in a mortar and pretreated at 1000 ° C for 5 hours in a helium stream. The result was an accelerated CO 2 uptake of between 700 ° C and 730 ° C.

Beispiel 8:Example 8:

Katalytisch aktives Sorbentmaterial (Fe-dotiertes Li4SiO4):Catalytically active sorbent material (Fe-doped Li 4 SiO 4 ):

Es wird eine Mischung aus 11,1 g Li2CO3, 0,65 g Fe2O3 und 4,9 g SiO2 hergestellt. Die Mischung wird 1 Minute lang in der Schwingmühle aufgemahlen und anschließend mindestens 8 Stunden bei 850°C in Luft kalziniert. Das kalzinierte Material wird in der Schwingmühle aufgemahlen (1 min). Es entsteht eine Feststofflösung aus (1–α)Li4SiO4 und αLiFeSiO4 mit einem Molanteil α = 0,1 und einem Li/O-Molverhältnis von 0,925. Das Material wurde als Schüttung in einen Strömungsreaktor (Querschnitt 5 cm2) eingebracht und bei 500 °C von einem Gasgemisch, bestehend aus 800 ppmv CO in N2 bei 500°C durchströmt. Der CO-Umsatz war bei Gasvolumenströmen von 30 l/h und 15 l/h für das Fe-dotierte Li4SiO4 doppelt so hoch wie bei dem undotierten Li4SiO4 und war zehnmal höher als im leeren Reaktor.A mixture of 11.1 g of Li 2 CO 3 , 0.65 g of Fe 2 O 3 and 4.9 g of SiO 2 is prepared. The mixture is ground for 1 minute in the vibratory mill and then calcined at 850 ° C in air for at least 8 hours. The calcined material is ground in the vibratory mill (1 min). The result is a solid solution of (1-α) Li 4 SiO 4 and αLiFeSiO 4 with a mole fraction α = 0.1 and a Li / O molar ratio of 0.925. The material was introduced as a bed in a flow reactor (cross section 5 cm 2 ) and at 500 ° C by a gas mixture consisting of 800 ppmv CO in N 2 at 500 ° C flows through. The CO conversion was twice as high for the Fe-doped Li 4 SiO 4 at gas volume flows of 30 l / h and 15 l / h as for the undoped Li 4 SiO 4 and was ten times higher than in the empty reactor.

Claims (10)

Absorptionsmittel für CO2, basierend auf einem lithiumhaltigen Silikat, welches durch Dotierung und thermisch/chemische Vorbehandlung oder eines der beiden genannten Verfahren CO2 besonders schnell aufnehmen und abgeben kann, wobei die Silikatstruktur vorwiegend aus SiO4-Tetraedern und LiOn-Polyedern (n = 3, 4, 5, 6) besteht und das lithiumhaltige Silikat bevorzugt als Li4SiO4 vorliegt.Absorbent for CO 2 , based on a lithium-containing silicate, which can take up and release CO 2 particularly quickly by doping and thermal / chemical pretreatment or one of the two methods mentioned, wherein the silicate structure predominantly of SiO 4 tetrahedra and LiOn polyhedra (n = 3, 4, 5, 6) and the lithium-containing silicate is preferably present as Li 4 SiO 4 . Absorptionsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das lithiumhaltige Silikat eines oder mehrere der Dotierelemente Mg, Ca, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Ti, Ge, Zr, V, Ta, P, Mo, W, Ga, In, Y, Cu, Mn enthält, wobei das Dotierelement mit Li und/oder O oder mit Si Verbindungen eingeht, die mit Li4SiO4 Feststofflösungen bilden und dabei ein molares Li/O-Verhältnis zwischen 0,85 und 1 aufweisen.Absorbent according to claim 1, characterized in that the lithium-containing silicate one or more of the doping Mg, Ca, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Ti, Ge, Zr, V, Ta, P, Mo, W, Ga , In, Y, Cu, Mn, wherein the doping element with Li and / or O or Si forms compounds which form with Li 4 SiO 4 solid solutions and thereby have a molar Li / O ratio between 0.85 and 1. Absorptionsmittel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das lithiumhaltige Silikat eine Feststofflösung der allgemeinen Formel Li(4–3α)XαSiO4 bzw. (1–α)Li4SiO4+(α)LiXSiO4 wobei „X" = Al, Fe oder Cr oder eine Feststofflösung der allgemeinen Formel Li(4–2α)XαSiO4 bzw. (1–α)Li4SiO4+(α)Li2XSiO4, wobei „X" = Mg, Ca, Zn oder Ni oder eine Feststofflösung der allgemeinen Formel Li4XαSi(1–α)O4 bzw. (1–α)Li4SiO4+(α)Li4XO4, wobei „X" = Ti, Ge oder Zr oder eine Feststofflösung der allgemeinen Formel Li(4–α)XαSi(1–α)O4 bzw. (1–α)Li4SiO4+(α)Li3XO4, wobei „X" = V, Ta oder P oder eine Feststofflösung der allgemeinen Formel Li(4–2α)XαSi(1–α)O4 bzw. (1–α)Li4SiO4+(α)Li2XO4, wobei „X" = Mo oder W oder eine Feststofflösung der allgemeinen Formel Li(4–3α)XαSi(1–α)O(4–2α) bzw. (1–α)Li4SiO4+(α)LiXO2, wobei „X" = Ni oder Co oder Mischungen der vorgenannten Feststofflösungen enthält und der Parameter „α" Werte von 0 bis 0,2 annimmt.Absorbent according to claim 2, characterized in that the lithium-containing silicate is a solid solution of the general formula Li (4-3α) X α SiO 4 or (1-α) Li 4 SiO 4 + (α) LiXSiO 4 where "X" = Al , Fe or Cr or a solid solution of the general formula Li (4-2α) X α SiO 4 or (1-α) Li 4 SiO 4 + (α) Li 2 XSiO 4 , where "X" = Mg, Ca, Zn or Ni or a solid solution of the general formula Li 4 X α Si (1-α) O 4 or (1-α) Li 4 SiO 4 + (α) Li 4 XO 4, wherein "X" = Ti, Ge or Zr or a solid solution of the general formula Li (4-α) X α Si (1-α) O 4 or (1-α) Li 4 SiO 4 + (α) Li 3 XO 4, wherein "X" = V, Ta or P or a solid solution of the general formula Li (4-2α) X α Si (1-α) or O 4 (1-α) Li 4 SiO 4 + (α) Li 2 XO 4, wherein "X" = Mo or W or solid solution of the general formula Li (4-3α) X α Si (1-α) O (4-2α) and (1-α) Li 4 SiO 4 + (α) lixo 2, wherein "X" = Ni or Co or mixtures of vo contains mentioned solid solutions and the parameter "α" assumes values from 0 to 0.2. Absorptionsmittel nach jeweils einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das lithiumhaltige Silikat zusätzlich K2CO3 und/oder Na2CO3 enthält.Absorbent according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the lithium-containing silicate additionally contains K 2 CO 3 and / or Na 2 CO 3 . Absorptionsmittel nach jeweils einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das das lithiumhaltige Silikat auf einem Trägermaterial aufgebracht ist.Absorbent according to any one of claims 1 to 4, characterized in that on the lithium-containing silicate applied to a substrate is. Absorptionsmittel nach jeweils einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das das lithiumhaltige Silikat thermisch oder thermisch/chemisch in Gasatmosphären bestehend aus Inertgas z.B. N2, He, Ar, etc. und/oder CO2 bei Temperaturen zwischen 650°C und 1300°C vorbehandelt wird.Absorbent according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the lithium-containing silicate thermally or thermally / chemically in gas atmospheres consisting of inert gas such as N 2 , He, Ar, etc. and / or CO 2 at temperatures between 650 ° C and Pretreated at 1300 ° C becomes. Absorptionsmittel nach jeweils einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das lithiumhaltige Silikat eine CO-Umsetzung katalytisch unterstützt.Absorbent according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the lithium-containing silicate a Catalytically supported CO conversion. Absorptionsmittel Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das lithiumhaltige Silikat eines oder mehrerer der Elemente Fe, Al, Cr, Zn, Mg und/oder Cu enthält.Absorbent according to claim 7, characterized that the lithium-containing silicate of one or more of the elements Fe, Al, Cr, Zn, Mg and / or Cu. Verwendung des Absorptionsmittels nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Absorption von CO2 zur Unterstützung gleichgewichtslimitierter, CO2-generierender chemischer Reaktionen.Use of the absorbent according to any one of claims 1 to 6 for the absorption of CO 2 to support equilibrium-limited, CO 2 -generating chemical reactions. Verwendung des Absorptionsmittels nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Absorption von CO2 bei der Konvertierung von CO mit H2O zu H2 und CO2 bei einer Temperatur zwischen 400°C und 800°C.Use of the absorbent according to one of claims 1 to 6 for the absorption of CO 2 in the conversion of CO with H 2 O to H 2 and CO 2 at a temperature between 400 ° C and 800 ° C.
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