イオン液体による二酸化炭素回収

アミン類は、二酸化炭素の燃焼後回収技術において、最も一般的な吸収剤である。特に、モノエタノールアミン（MEA）は、二酸化炭素燃焼後回収や天然ガスの「スイートニング」など、他の二酸化炭素分離プロセスにおいて、産業規模で使用されている^[1]。しかし、アミンは腐食性があり、時間の経過とともに分解するため、大規模な産業設備が必要である。一方、イオン液体は低い蒸気圧を持っている。この特性は、強いクーロン引力によるものである。蒸気圧は、物質の熱分解点（通常、300 ℃以上）まで低いままである^[2]。原則として、この低い蒸気圧はそれらの使用を単純化するため、「グリーン」な代替手段となる。また、これにより、二酸化炭素ガス流の汚染や環境への漏洩リスクも低減する^[3]。

二酸化炭素の、イオン液体への溶解度は、主にアニオンによって支配され、カチオンの影響はそれほど大きくない^[4]。また、ヘキサフルオロリン酸塩（PF−
6）およびテトラフルオロホウ酸塩（BF−
4）は、特に二酸化炭素の回収に適していることが示されている^[4]。

イオン液体は、さまざまな液液抽出プロセスの溶媒として検討されてきたが、商品化されることはなかった^[5]。一方、イオン液体は、気体の吸収や抽出蒸留（英語版）などの産業において、従来の揮発性溶媒の代替品として使用されている。さらに、イオン液体は、水性二相系の生成や生体分子の精製のための共溶媒としても使用されている。

代表的な二酸化炭素回収プロセスは、供給ガス、吸収塔、放散塔、大気と隔離するための、高濃度二酸化炭素ガス流の出力部、および大気に放出するための、低濃度二酸化炭素ガス流の出力部から構成される。イオン液体を用いたプロセスは、二酸化炭素が高温で放散塔で再生されるアミンガス処理と同様のプロセス使用する可能性がある。ただし、イオン液体は、圧力変動や不活性ガスを使用して二酸化炭素を剥離できるため、プロセスの必要エネルギー量を削減できる^[3]。

イオン液体による二酸化炭素回収に関する現在の課題は、アミンよりも作業能率が低いことである。そこで、化学吸着や物理吸着を利用した特異的なイオン液体が開発され、作業能率を向上させる試みが行われている。これらの例としては、テトラフルオロホウ酸1-ブチル-3-プロピルアミンイミダゾリウムが挙げられる^[2]。

二酸化炭素回収において、効果的な吸収剤は、二酸化炭素が他の気体成分よりも優先的に吸収剤に溶解し、高い選択性を示すものである。燃焼後二酸化炭素回収では、最も顕著な分離は二酸化炭素と窒素であるが、予燃焼分離では、一酸化炭素は主に水素から分離される。また、煙道ガスには、炭化水素、二酸化硫黄、硫化水素など、他の成分や不純物がなどが含まれる場合がある。したがって、二酸化炭素回収に、適切な溶媒を選択する前に、特定のプロセス条件と煙道ガス組成において、溶媒中で二酸化炭素が他の成分よりもはるかに高い溶解度を維持し、高い選択性を持つことを確認することが重要である。

イオン液体の二酸化炭素の選択性は、研究者によって広く研究されている。一般的に、極性分子や電気四重極モーメントを持つ分子は、液体のイオン性物質中で高い溶解性を示す^[6]。高温のプロセス条件では、二酸化炭素の溶解度が低下する一方で、メタンや水素などの他の成分の溶解度は温度の上昇とともに増加するため、溶媒の効果が低下することが判明している。しかし、イオン液体中の窒素の溶解度は比較的低く、温度上昇とともに増加しないため、燃焼後回収におけるイオン液体の使用は、二酸化炭素/窒素選択性が一貫して高いことが適切である^[7]。煙道ガスの一般的な不純物である硫化水素の存在は、イオン液体への二酸化炭素の溶解を著しく抑制するため、技術者は、特定の煙道ガスに適した溶媒を選択する際には、慎重に考慮する必要がある^[8]。

イオン液体を二酸化炭素の吸収に使用する際の主な懸念は、市販の溶媒と比較して粘度が高いことである。化学吸着を利用するイオン液体は、二酸化炭素分離のために、溶質-溶媒間の化学反応に依存している。この反応の反応速度は、二酸化炭素の溶媒内での拡散率に依存するため、粘度と反比例の関係にある。イオン液体中の二酸化炭素の自己拡散率は、一般的に10^・10m²/s程であり^[9]、二酸化炭素回収に使用される市販の溶媒よりも約1桁小さい。イオン液体の粘度は、アニオンとカチオンの種類、アルキル鎖の長さ、および溶媒中の水やその他の不純物の量に応じて大きく変化する^[10][11]。これらの溶媒は「設計」することができ、これらの特性を選択できるため、低粘度のイオン液体を開発することが、現在の研究テーマとなっている。また、担持イオン液体相（SILPs）は、この問題の解決策の一つとして提案されている^[5]。

全ての分離技術で必要とされるように、イオン液体は混合物の1つまたは複数の相に対して選択性を示す。 ヘキサフルオロリン酸1-ブチル-3-メチルイミダゾリウム（BMIM-PF₆）は、液液分離における揮発性有機溶媒の代替として早期に特定された室温のイオン液体である^[12]。他のヘキサフルオロリン酸塩（PF−
6）およびテトラフルオロホウ酸塩（BF−
4）を含むイオン液体や、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム（EMIM）や、トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウム（[P₆₆₆₁₄]）などの、非従来型カチオンを含むイオン液体の二酸化炭素吸収特性についても研究されている^[3]。イオン液体での異なるアニオンとカチオンの組み合わせの選択は、それらの選択性や物理的特性に影響を与える。また、イオン液体中の有機カチオンは、鎖長を変えたり、置換基を変えることで「調整」することができる^[5]。最後に、イオン液体は、他のイオン液体、水、またはアミンと混合することで、吸収容量や吸収熱などの面で異なる特性を得ることができる。よって、イオン液体は、このような調整可能性から、「デザイナー溶媒」と呼ばれる^[13]。

テトラフルオロホウ酸1-ブチル-3-プロピルアミンイミダゾリウムは、二酸化炭素の吸収に特化して開発されたもので、化学吸着を利用して二酸化炭素を吸収し、吸収／再生サイクルを繰り返しても効率を維持するように設計されている^[2]。他のイオン液体についても、二酸化炭素吸収剤としての利用のためにシミュレーションされたり実験的に試験されている。

現在、二酸化炭素回収には、主にエネルギーと溶剤を大量に消費するアミンをベースとした吸収技術が使用されている。化学プロセスにおける揮発性有機化合物のみでも、数十億ドルの産業規模を占めている^[12]。したがって、イオン液体は、その他の欠点が解決されれば、魅力的な代替手段になり得る。

二酸化炭素回収プロセスにおいて、アニオンとカチオンは重要な役割を果たす。分光学的な結果から、二酸化炭素分子がアニオンに好適に結合するという好ましい相互作用が示唆されている。さらに、水素結合やファンデルワールス結合、静電引力などの分子間力が、イオン液体への二酸化炭素の溶解度に寄与している。このため、イオン液体は二酸化炭素の溶解度を、規則溶解度理論（RST）によって正確にモデル化できるため、より高度なモデルを開発するためのコストを削減できる。