OA22076A - Use of alkaline amino acid salt for carbonation of mineral matrix. - Google Patents

Use of alkaline amino acid salt for carbonation of mineral matrix.

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OA22076A
OA22076A OA1202400472 OA22076A OA 22076 A OA22076 A OA 22076A OA 1202400472 OA1202400472 OA 1202400472 OA 22076 A OA22076 A OA 22076A
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earth metal
alkaline earth
amino acid
silicate
oxide
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OA1202400472
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Inventor
Laury Barnes-Davin
Emmanuel SCHMITT
Clara TOSI
Julien Leclaire
Original Assignee
Vicat
Institut National Des Sciences Appliquees De Lyon
Ecole Superieure De Chimie Physique Electronique De Lyon
Universite Claude Bernard Lyon 1
Centre National De La Recherche Scientifique
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Abstract

Utilisation d’un sel alcalin d'acide aminé protéinogène choisi parmi l'alanine (Ala), l’arginine (Arg), l’asparagine (Asn), l’aspartate (Asp), la cystéine (Cys), le glutamate (Glu), la glutamine (Gln), l’histidine (His), l’isoleucine (Ile), la leucine (Leu), la lysine (Lys), la méthionine (Met), la phénylalanine (Phe), la proline (Pro), la pyrrolysine (Pyl), la sélénocystéine (Sec), la sérine (Ser), la thréonine (Thr), le tryptophane (Trp), la tyrosine (Tyr) et la valine (Val), ainsi que leurs isomères optiques, pour la carbonatation d'un oxyde, d'un silicate, d'un aluminate, d'un phosphate, d'un chlorure ou d'un sulfate de métal alcalino-terreux ou d'un matériau contenant un oxyde, un silicate, un aluminate, un phosphate, un chlorure ou un sulfate de métal alcalino-terreux.Use of an alkali salt of a proteinogenic amino acid selected from alanine (Ala), arginine (Arg), asparagine (Asn), aspartate (Asp), cysteine (Cys), glutamate (Glu), glutamine (Gln), histidine (His), isoleucine (Ile), leucine (Leu), lysine (Lys), methionine (Met), phenylalanine (Phe), proline (Pro), pyrrolysine (Pyl), selenocysteine (Sec), serine (Ser), threonine (Thr), tryptophan (Trp), tyrosine (Tyr), and valine (Val), and their optical isomers, for the carbonation of an oxide, silicate, aluminate, phosphate, or chloride or of an alkaline earth metal sulfate or of a material containing an oxide, silicate, aluminate, phosphate, chloride or sulfate of an alkaline earth metal.

Description

DESCRIPTIONDESCRIPTION

TITRE : UTILISATION DE SEL ALCALIN D’ACIDE AMINÉ POUR LA CARBONATATION DE MATRICE MINÉRALETITLE: USE OF ALKALINE AMINO ACID SALT FOR MINERAL MATRIX CARBONATION

La présente invention a pour objet l’utilisation de sel alcalin d’acide aminé pour la carbonatation de matrice minérale.The present invention relates to the use of an alkaline salt of an amino acid for the carbonation of a mineral matrix.

La fabrication des liants hydrauliques, et notamment celle des ciments, consiste essentiellement en une calcination d’un mélange de matières premières judicieusement choisies et dosées, aussi désigné par le terme de « cru ». La cuisson de ce cru donne un produit intermédiaire, le clinker, qui, broyé avec du sulfate de calcium et d’éventuels ajouts minéraux, donnera du ciment. Le type de ciment fabriqué dépend de la nature et des proportions des matières premières ainsi que du procédé de cuisson. On distingue plusieurs types de ciments : les ciments Portland (qui représentent la très grande majorité des ciments produits dans le monde), les ciments alumineux (ou d’aluminate de calcium), les ciments prompts naturels, les ciments sulfo-alumineux, les ciments sulfo-bélitiques et d’autres variétés intermédiaires.The manufacture of hydraulic binders, and in particular cements, essentially consists of calcining a mixture of carefully selected and measured raw materials, also known as "raw material." Firing this raw material produces an intermediate product, clinker, which, when ground with calcium sulfate and possibly added minerals, yields cement. The type of cement produced depends on the nature and proportions of the raw materials as well as the firing process. Several types of cement are distinguished: Portland cements (which represent the vast majority of cements produced worldwide), aluminous cements (or calcium aluminate cements), natural quick-setting cements, sulfoaluminate cements, sulfobelic cements, and other intermediate varieties.

Les ciments les plus répandus sont les ciments de type Portland. Les ciments Portland sont obtenus à partir de clinker Portland, obtenus après clinkérisation à une température de l’ordre de 1450°C d’un cru riche en carbonate de calcium dans un four. La production d’une tonne de clinker Portland s’accompagne de l’émission d’importantes quantités de CO? (environ 0,8 à 0,9 tonne de CO? par tonne de ciment dans le cas d’un clinker).The most common cements are Portland cements. Portland cements are obtained from Portland clinker, which is produced by clinkerizing a raw material rich in calcium carbonate in a kiln at a temperature of around 1450°C. The production of one tonne of Portland clinker is accompanied by the emission of significant quantities of CO₂ (approximately 0.8 to 0.9 tonnes of CO₂ per tonne of cement in the case of clinker).

Or, en 2014, la quantité de ciment vendu dans le monde avoisinait les 4.2 milliards de tonnes (source : Syndicat Français de l’Industrie Cimentière - SFIC). Ce chiffre, en constante augmentation, a plus que doublé en 15 ans.However, in 2014, the quantity of cement sold worldwide was around 4.2 billion tons (source: French Cement Industry Association - SFIC). This figure, which is constantly increasing, has more than doubled in 15 years.

Lors de la production du clinker, principal constituant du ciment Portland, le dégagement de CO? est lié :During the production of clinker, the main component of Portland cement, CO₂ emissions are linked to:

- à hauteur de 40% au chauffage du four de cimenterie, au broyage et au transport ;- up to 40% for heating the cement kiln, grinding and transport;

- à hauteur de 60% au CO? dit chimique, ou de décarbonatation.- up to 60% of CO? said chemical, or decarbonation.

La décarbonatation est une réaction chimique qui a lieu lorsque l’on chauffe du calcaire, principale matière première pour la fabrication du ciment Portland, à haute température. Le calcaire se transforme alors en chaux vive et en CO? selon la réaction chimique suivante :Decarbonation is a chemical reaction that occurs when limestone, the main raw material for the manufacture of Portland cement, is heated to a high temperature. The limestone is then transformed into quicklime and CO₂ according to the following chemical reaction:

CaCO3 -» CaO + CO2 CaCO3 → CaO + CO2

Pour réduire les émissions de CO2 liées à la production du ciment Portland, plusieurs approches ont été envisagées jusqu’à présent :To reduce CO2 emissions related to Portland cement production, several approaches have been considered so far:

- l’adaptation ou la modernisation des procédés cimentiers afin de maximiser le rendement des échanges thermiques ;- the adaptation or modernization of cement processes in order to maximize the efficiency of heat exchange;

- le développement de nouveaux liants « bas carbone » tels que les ciments sulfo-alumineux préparés à partir de matières premières moins riches en calcaire et à une température de cuisson moins élevée, ce qui permet une diminution des émissions CO2 de 35% environ ;- the development of new "low carbon" binders such as sulfo-aluminous cements prepared from raw materials less rich in limestone and at a lower firing temperature, which allows a reduction in CO2 emissions of approximately 35%;

- ou encore la substitution (partielle) du clinker dans les ciments par des matériaux permettant de limiter les émissions de CO2.- or even the (partial) substitution of clinker in cements by materials that limit CO2 emissions.

Des technologies de captage et de stockage du carbone ont par ailleurs été développées pour limiter les émissions de CO2 par exemple des cimenteries, des aciéries à hauts fourneaux ou des centrales électriques au charbon. Le stockage de profondeur est envisageable mais très limité par exemple par le contexte géologique. D’autres possibilités et méthodes de stockage, par exemple par minéralisation, doivent donc être explorées.Carbon capture and storage technologies have also been developed to limit CO2 emissions from sources such as cement plants, blast furnace steel mills, and coal-fired power plants. Deep geological storage is a possibility but is severely limited by factors such as geological conditions. Therefore, other storage options and methods, such as mineralization, must be explored.

Parmi les différentes techniques permettant la captation et le stockage du CO2, la voie dite de « minéralisation par absorption intégrée », également désignée par « Integrated Absorption Minéralisation » ou « IAM », a fait l’objet de nombreux travaux, tels que par exemple ceux de Meishen Liu et al., « Integrated CO2 Capture, Conversion, and Storage To Produce Calcium Carbonate Using an Amine Looping Strategy », Energy Fuels, 2019, 33, 1722—1733, et « Integrated CO2 Capture and Removal via Carbon Mineralization with Inhérent Régénération of Aqueous Solvents », Energy Fuels, 2021, 35, 8051-8068.Among the various techniques for capturing and storing CO2 , the so-called "integrated absorption mineralization" or "IAM" route has been the subject of numerous studies, such as those by Meishen Liu et al., "Integrated CO2 Capture, Conversion, and Storage To Produce Calcium Carbonate Using an Amine Looping Strategy", Energy Fuels, 2019, 33, 1722–1733, and "Integrated CO2 Capture and Removal via Carbon Mineralization with Inherent Regeneration of Aqueous Solvents", Energy Fuels, 2021, 35, 8051–8068.

Cette voie peut être résumée par le schéma réactionnel suivant :This pathway can be summarized by the following reaction scheme:

X + CO2 X-CO2 puisX + CO2 X-CO2 then

X-CO2 MO 4 MCO3 + X dans lequel X désigne le capteur de CO? et M désigne un minéral, notamment un minéral riche en calcium ou magnésium.X-CO2 MO 4 MCO3 + X where X designates the CO2 sensor and M designates a mineral, in particular a mineral rich in calcium or magnesium.

Elle consiste principalement à capter le CO? à l’aide d’un solvant puis à mettre en contact la solution ainsi obtenue avec un accepteur minéral tel que CaO ou MgO afin de le carbonater et ainsi obtenir un carbonate insoluble et stable. Le procédé généralement mis en œuvre consiste en un procédé « one-pot » en système fermé dans lequel l’accepteur minéral est mis en suspension dans une solution d’absorbant de CO? contenue dans un réacteur sous une atmosphère à pCO? = I atm constante, la dépression induite par l’absorption du CO? étant compensée par l’apport constant de gaz contenant du CO?. Une fois la réaction terminée, solide (accepteur minéral carbonate) et liquide sont séparés par filtration, le solide lavé et les phases liquides réunies pour réutilisation.The process primarily involves capturing CO₂ using a solvent and then contacting the resulting solution with a mineral acceptor such as CaO or MgO to carbonate it, thus obtaining a stable, insoluble carbonate. The process generally implemented is a closed-system, one-pot process in which the mineral acceptor is suspended in a CO₂ absorbent solution contained in a reactor under a constant pCO₂ atmosphere (pCO₂ = I atm). The pressure drop induced by CO₂ absorption is compensated by a constant supply of CO₂-containing gas. Once the reaction is complete, the solid (carbonate mineral acceptor) and liquid are separated by filtration, the solid is washed, and the liquid phases are recombined for reuse.

Les absorbants de CO? principalement utilisés jusqu’à présent ont été des amines industrielles, en particulier la monoéthanolamine (MEA), la diéthanolamine (DEA), la N-méthyldiéthanolamine (MDEA), le 2-amino-2méthylpropanol (AMP), la pipérazine et le l,8-diazabicyclo[5.4.0]undec7-ène (DBU). Cependant, dans la stratégie IAM, un point crucial pour le développement industriel concerne la perte de l’amine dans la matrice carbonate minérale formée. En effet, cette séquestration induit une double pénalité économique pour un procédé potentiel :The CO₂ absorbers primarily used to date have been industrial amines, particularly monoethanolamine (MEA), diethanolamine (DEA), N-methyldiethanolamine (MDEA), 2-amino-2-methylpropanol (AMP), piperazine, and 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec7-ene (DBU). However, in the IAM strategy, a crucial point for industrial development concerns the loss of the amine in the resulting mineral carbonate matrix. Indeed, this sequestration induces a double economic penalty for a potential process:

consommation de l’absorbant au cours de cycles IAM et réapprovisionnement nécessaire ; et - réduction de la valeur marchande du carbonate formé.consumption of the absorbent during IAM cycles and necessary replenishment; and - reduction in the market value of the carbonate formed.

En outre, l’eco-toxicité des amines industrielles utilisées réduit fortement les possibilités d’utilisation du carbonate finalement formé.Furthermore, the eco-toxicity of the industrial amines used greatly reduces the possibilities of using the carbonate that is ultimately formed.

De ce fait, les recherches se sont également orientées vers l’utilisation d’un sel alcalin d’acide aminé, le glycinate de sodium (NaGly), pour capter le CO?, notamment du fait de son innocuité environnementale.As a result, research has also focused on the use of an alkaline amino acid salt, sodium glycinate (NaGly), to capture CO₂, particularly because of its environmental safety.

Bien que le glycinate de sodium soit plus acceptable d’un point de vue environnemental que les amines industrielles utilisées jusqu’à présent, l’utilisation de cet acide aminé présente un certain nombre d’inconvénients, notamment en termes de rendement et de cinétique de réaction, mais également en termes de taux de régénération, ce qui limite l’application industrielle du procédé IAM mettant en œuvre ce capteur de CO2.Although sodium glycinate is more environmentally acceptable than the industrial amines used until now, the use of this amino acid has a number of disadvantages, particularly in terms of yield and reaction kinetics, but also in terms of regeneration rate, which limits the industrial application of the IAM process implementing this CO2 sensor.

II serait donc intéressant d’identifier de nouveaux agents capteurs de CO2 permettant la mise en œuvre industrielle de la voie « IAM » en améliorant le rendement et la cinétique de la réaction.It would therefore be interesting to identify new CO2 capture agents enabling the industrial implementation of the "IAM" pathway by improving the yield and kinetics of the reaction.

Dans « Efficient CO2 Séquestration by a Solid-Gas Reaction Enabled by Mechanochcmistry: The Case of L-Lysine », ACS Sustainable Chem. Eng. 2020, 8, 13159-13166, El-Terkawi et al. décrivent Tutilisation de la L-lysine pour capter le CO2. Cependant, cette publication ne décrit pas Tutilisation de cet acide aminé dans un procédé de type IAM pour la carbonatation d’un oxyde ou d’un silicate de métal alcalino-terreux. En outre, dans la mesure où un acide aminé protéinogène (et non un sel alcalin de celui-ci) est utilisé, la captation de CO2 implique la formation de carbamates (et non de carbonates) selon la réaction suivante :In “Efficient CO2 Sequestration by a Solid-Gas Reaction Enabled by Mechanochemical Engineering: The Case of L-Lysine,” ACS Sustainable Chem. Eng. 2020, 8, 13159–13166, El-Terkawi et al. describe the use of L-lysine for CO2 capture. However, this publication does not describe the use of this amino acid in an IAM-type process for the carbonation of an alkali-earth metal oxide or silicate. Furthermore, since a proteinogenic amino acid (and not an alkali salt thereof) is used, CO2 capture involves the formation of carbamates (and not carbonates) according to the following reaction:

2Lys + CO2 -> LysH+ + LysCGh'.2Lys + CO2 -> LysH + + LysCGh'.

Or, la formation de carbamates rend difficile la carbonatation de métaux.However, the formation of carbamates makes the carbonation of metals difficult.

Dans « CO2 absorption into aqueous potassium salts of lysine and proline: Density, viscosity and solubility of CO2 », Fluid Phase Equilibria, 399 (2015) pages 40-49, Shen et al. décrivent Tutilisation de sels de potassium de lysine ou de proline pour capter le CO2.In “CO2 absorption into aqueous potassium salts of lysine and proline: Density, viscosity and solubility of CO2”, Fluid Phase Equilibria, 399 (2015) pages 40-49, Shen et al. describe the use of potassium salts of lysine or proline to capture CO2.

Cependant, là encore, cette publication ne décrit pas Tutilisation de ces acides aminés dans un procédé de type IAM pour la carbonatation d’un oxyde ou d’un silicate de métal alcali no-terreux.However, again, this publication does not describe the use of these amino acids in an IAM-type process for the carbonation of a non-earth alkali metal oxide or silicate.

Or, il a maintenant été trouvé de façon tout à fait surprenante que le remplacement de la glycine par d’autres acides aminés protéinogènes permettait d’améliorer le rendement et la cinétique de la réaction IAM.However, it has now been found, quite surprisingly, that replacing glycine with other proteinogenic amino acids improves the yield and kinetics of the IAM reaction.

Ainsi, la présente invention a pour objet l’utilisation d’un sel alcalin d’acide aminé protéinogène choisi parmi l’alanine (Ala), l’arginine (Arg), l’asparagine (Asn), l’aspartate (Asp), la cystéine (Cys), le glutamate (Glu), la glutamine (Gin), l’histidine (His), l’isoleucine (Ile), la leucine (Leu), la lysine (Lys), la méthionine (Met), la phénylalanine (Phe), la proline (Pro), la pyrrolysine (Pyl), la sélénocystéine (Sec), la sérine (Ser), la thréonine (Thr), le tryptophane (Trp), la tyrosine (Tyr) et la valine (Val), ainsi que leurs isomères optiques, pour la carbonatation d’un oxyde, d’un silicate, d’un aluminate, d’un phosphate, d’un chlorure ou d’un sulfate de métal alcalino-terreux ou d’un matériau contenant un oxyde, un silicate, un aluminate, un phosphate, un chlorure ou un sulfate de métal alcalino-terreux.Thus, the present invention relates to the use of an alkali salt of a proteinogenic amino acid selected from alanine (Ala), arginine (Arg), asparagine (Asn), aspartate (Asp), cysteine (Cys), glutamate (Glu), glutamine (Gin), histidine (His), isoleucine (Ile), leucine (Leu), lysine (Lys), methionine (Met), phenylalanine (Phe), proline (Pro), pyrrolysine (Pyl), selenocysteine (Sec), serine (Ser), threonine (Thr), tryptophan (Trp), tyrosine (Tyr) and valine (Val), as well as their optical isomers, for the carbonation of an oxide, a silicate, an aluminate, of an alkaline earth metal phosphate, chloride or sulfate or of a material containing an alkaline earth metal oxide, silicate, aluminate, phosphate, chloride or sulfate.

L’utilisation d’un sel alcalin d’acide aminé protéinogène selon l’invention à la place de de la glycine permet d’améliorer le rendement et la cinétique de la réaction IAM.The use of an alkaline salt of proteinogenic amino acid according to the invention instead of glycine improves the yield and kinetics of the IAM reaction.

Dans le cadre de la présente invention :Within the scope of the present invention:

- on entend par « utilisation pour la carbonatation d’un oxyde, d’un silicate, d’un aluminate, d’un phosphate, d’un chlorure ou d’un sulfate de métal alcalino-terreux ou d’un matériau contenant un oxyde, un silicate, un aluminate, un phosphate, un chlorure ou un sulfate de métal alcalinoterreux » toute utilisation dans un procédé permettant de carbonater un oxyde, un silicate, un aluminate, un phosphate, un chlorure ou un sulfate de métal alcalino-terreux ou un matériau contenant un oxyde, un silicate, un aluminate, un phosphate, un chlorure ou un sulfate de métal alcalino-terreux , en particulier toute utilisation dans un procédé de type « IAM » supposant une étape de captation du CO2 et une étape de carbonatation d’un l’oxyde ou d’un silicate de métal alcalino-terreux ; et- "Use for the carbonation of an oxide, silicate, aluminate, phosphate, chloride or sulfate of an alkaline earth metal or of a material containing an oxide, silicate, aluminate, phosphate, chloride or sulfate of an alkaline earth metal" means any use in a process for carbonated to produce an oxide, silicate, aluminate, phosphate, chloride or sulfate of an alkaline earth metal or a material containing an oxide, silicate, aluminate, phosphate, chloride or sulfate of an alkaline earth metal, in particular any use in an "IAM" type process involving a CO2 capture step and a carbonation step of an oxide or silicate of an alkaline earth metal; and

- on entend par « sel alcalin » tout sel d’addition obtenu avec une base minérale ou organique par action d’une telle base au sein d’un solvant organique ou aqueux tel qu’un alcool, une cétone, un éther ou un solvant chloré. Comme exemple de tels sels on peut notamment citer les sels d’ammonium (NH4 +), de calcium (Ca2+), de fer (II) (Fe2+) ou (III) (Fe3+), de magnésium (Mg2+), de potassium (K+), de sodium (Na+) ou de lithium (Li+). De préférence, on entend par « sel alcalin » un sel de potassium ou de sodium.- The term "alkaline salt" refers to any addition salt obtained with a mineral or organic base by the action of such a base in an organic or aqueous solvent such as an alcohol, ketone, ether, or chlorinated solvent. Examples of such salts include ammonium (NH₄⁺ ) , calcium ( Ca²⁺ ), iron(II) ( Fe²⁺ ) or (III) ( Fe³⁺ ), magnesium ( Mg²⁺ ), potassium ( K⁺ ), sodium ( Na⁺ ), and lithium ( Li⁺ ). Preferably, an "alkaline salt" refers to a potassium or sodium salt.

La présente invention a donc pour objet l’utilisation d’un sel alcalin d’acide aminé protéinogène pour la carbonatation d’un oxyde, d’un silicate, d’un aluminate, d’un phosphate, d’un chlorure ou d’un sulfate de métal alcalino-terreux ou d’un matériau contenant un oxyde, un silicate, un aluminate, un phosphate, un chlorure ou un sulfate de métal alcalino-terreux. De préférence, la présente invention présente les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :The present invention therefore relates to the use of an alkali salt of a proteinogenic amino acid for the carbonation of an oxide, silicate, aluminate, phosphate, chloride, or sulfate of an alkaline earth metal, or of a material containing an oxide, silicate, aluminate, phosphate, chloride, or sulfate of an alkaline earth metal. Preferably, the present invention has the following characteristics, taken alone or in combination:

l’acide aminé protéinogène est choisi comme étant l’arginine (Arg), l’asparagine (Asn), l’aspartate (Asp), la cystéine (Cys), l’histidine (His) ou la lysine (Lys), ainsi que leurs isomères optiques. De préférence, l’acide aminé protéinogène est choisi comme étant la Larginine (Z-Arg), la Z-asparagine (Z-Asn), la Z-aspartate (Z-Asp), la Z-cystéine (Z-Cys), ou la Z-lysine (Z-Lys). De façon tout à fait préférée, l’acide aminé est choisi comme étant la Llysine (Z-Lys) ;The proteinogenic amino acid is chosen to be arginine (Arg), asparagine (Asn), aspartate (Asp), cysteine (Cys), histidine (His), or lysine (Lys), as well as their optical isomers. Preferably, the proteinogenic amino acid is chosen to be arginine (Z-Arg), Z-asparagine (Z-Asn), Z-aspartate (Z-Asp), Z-cysteine (Z-Cys), or Z-lysine (Z-Lys). Most preferably, the amino acid is chosen to be L-lysine (Z-Lys);

le sel alcalin d’acide aminé protéinogène est utilisé pour la carbonatation d’un oxyde ou d’un silicate de métal alcalino-terreux ou d’un matériau contenant un oxyde ou un silicate de métal alcalino-terreux ;the alkali salt of proteinogenic amino acid is used for the carbonation of an oxide or silicate of an alkaline earth metal or of a material containing an oxide or silicate of an alkaline earth metal;

le métal alcalino-terreux est choisi comme étant le calcium (Ca) ou le magnésium (Mg) ; l’oxyde de métal alcalino-terreux est choisi comme étant CaO ou MgO ; et/ou le silicate de métal alcalino-terreux est choisi comme étant CaSiOs ou MgSiOj.the alkaline earth metal is chosen to be calcium (Ca) or magnesium (Mg); the alkaline earth metal oxide is chosen to be CaO or MgO; and/or the alkaline earth metal silicate is chosen to be CaSiOs or MgSiOj.

Les carbonates de métal alcalino-terreux obtenus grâce aux acides aminés protéinogènes selon invention sont insolubles et stables et permettent donc de stocker le CO2 de manière durable. Ils sont en outre réutilisables de diverses façons, par exemple comme filler dans le cadre de la production de ciment, comme charge minérale dans divers produits ou comme amendement.The alkaline earth metal carbonates obtained using proteinogenic amino acids according to the invention are insoluble and stable, thus enabling the long-term storage of CO2. Furthermore, they can be reused in various ways, for example as a filler in cement production, as a mineral filler in various products, or as a soil amendment.

La présente invention peut être illustrée de façon non limitative par les exemples suivants.The present invention can be illustrated in a non-limiting way by the following examples.

Exemple 1 - Procédé « IAM » de carbonatation d’oxyde de métal alcalino-terreuxExample 1 - "IAM" process for the carbonation of alkaline earth metal oxide

1.1 — Procédé mis en œuvre1.1 — Procedure implemented

Préparation des adduits acide aminé-CO?Preparation of amino acid-CO adducts?

1g d’acide aminé et un équivalent de KOH sont dissous dans 6 ml d’un mélange d’eau distillée et méthanol avec un ratio 1:5. Le CO2 est introduit dans la solution à 200 mg/min pendant 1 heure.1g of amino acid and an equivalent of KOH are dissolved in 6 ml of a mixture of distilled water and methanol with a ratio of 1:5. CO2 is introduced into the solution at 200 mg/min for 1 hour.

On observe la formation d’un précipité blanc.The formation of a white precipitate is observed.

A la fin de la réaction le précipité est filtré sur fritté, lavé à froid avec un mélange d’eau/méthanol avec un ratio 1:5 et séché sous rampe à vide pendant 12h.At the end of the reaction the precipitate is filtered on sintered, cold washed with a water/methanol mixture with a ratio of 1:5 and dried under vacuum ramp for 12h.

Carbonatation (broyage voie sèche)Carbonation (dry grinding)

La carbonatation de l’oxyde de métal alcalino-terreux est ensuite conduite avec un ratio molaire oxyde de métal:CO2 d’environ 1:1. Les broyages se font dans un réacteur en WC de 20 ml avec 60 billes de 5 mm de diamètre à 500 rpm pendant 30 minutes.The carbonation of the alkaline earth metal oxide is then carried out with a metal oxide:CO2 molar ratio of approximately 1:1. The grindings are carried out in a 20 ml WC reactor with 60 balls of 5 mm diameter at 500 rpm for 30 minutes.

Le solide obtenu est récupéré à l’aide de 5 ml d’eau distillée, puis centrifugé et lavé encore deux fois avec 5 ml d’eau distillé.The solid obtained is recovered using 5 ml of distilled water, then centrifuged and washed twice more with 5 ml of distilled water.

Les phases liquides et solides sont séparées et les phases liquides sont rassemblées.The liquid and solid phases are separated and the liquid phases are combined.

Les solides sont ensuite séchés via un lyophilisateur.The solids are then dried using a freeze dryer.

1.2 - Acides aminés / oxyde de métal alcalino-terreux testés [Tableau 1]1.2 - Amino acids / alkaline earth metal oxide tested [Table 1]

Acide aminéAmino acid Oxyde de métal alcalino-terreuxAlkaline earth metal oxide Ratio molaire oxyde de métakCOiMolar ratio of metakCOi oxide GlyKGlyK CaOCaO 1:0.981:0.98 LysKLysK CaOCaO 1:1.471:1.47 CysKCysK CaOCaO 1:1.081:1.08 GlyKGlyK MgOMgO 1:0.941:0.94 LysKLysK MgOMgO 1:1.021:1.02 CysKCysK MgOMgO 1:0.941:0.94

Tableau 1 - Acides aminés /oxyde de métal alcalino-terreux testésTable 1 - Amino acids / alkaline earth metal oxide tested

1.3 - Résultats1.3 - Results

Taux de carbonatation de l'oxyde de métal alcalino-terreuxCarbonation rate of alkaline earth metal oxide

Le taux de carbonatation de l’oxyde de métal alcalino-terreux (rapport mole de CO2 fixé dans la phase solide par mole d’oxyde de métal alcalino-terreux) est déterminé :The carbonation rate of the alkaline earth metal oxide (ratio of moles of CO2 fixed in the solid phase per mole of alkaline earth metal oxide) is determined:

par titration volumétrique du CO2 expulsé lors de la digestion acide du solide obtenu (dosage du carbonate dit « inorganique ») sur un appareillage Chittick avec une burette de 3 ml : une aliquote de solide sec d’environ 10 mg est titré avec 1 ml d’acide H2SO4 IM. La calibration de l’appareil est faite auparavant avec NaHCOs titrée avec H2SO4 IM, obtenant ainsi une courbe de calibration de y=13.225 avec R2=0.9943 ;by volumetric titration of the CO2 expelled during the acid digestion of the solid obtained (determination of the so-called "inorganic" carbonate) on a Chittick apparatus with a 3 ml burette: an aliquot of dry solid of approximately 10 mg is titrated with 1 ml of H2SO4 IM acid. The calibration of the apparatus is done beforehand with NaHCOs titrated with H2SO4 IM, thus obtaining a calibration curve of y=13.225 with R2=0.9943;

et par analyse élémentaire de la teneur en carbone (dit total) déduction faite de l’éventuelle contribution de l’amine piégée : la teneur en azote du solide permet de remonter à la quantité d'amine et donc de carbone provenant de l’amine dans le solide. Retranché à la quantité de carbone total dans le solide, on déduit la quantité de carbone provenant du CO2 fixéBy elemental analysis of the carbon content (total carbon), after deducting the potential contribution of the trapped amine, the nitrogen content of the solid allows us to determine the amount of amine, and therefore the amount of carbon originating from the amine in the solid. Subtracting this from the total carbon content in the solid, we can deduce the amount of carbon originating from the fixed CO2.

Ces deux mesures sont confirmées par la RMN ql3C sur les phases liquides pour confirmer la quantité d’amine : une aliquote de la phase liquide est analysée par RMN en présence d’une référence interne pour permettre la quantification de l’amine en solution.These two measurements are confirmed by ql3C NMR on the liquid phases to confirm the quantity of amine: an aliquot of the liquid phase is analyzed by NMR in the presence of an internal reference to allow the quantification of the amine in solution.

Le taux de carbonatation est calculé selon les équations suivantes :The carbonation rate is calculated according to the following equations:

%C / 100 = g C en 1 g d’échantillon solide (1)%C / 100 = g C in 1 g of solid sample (1)

Eq. (1) x masse exacte de l’échantillon = g C dans l’échantillon étudié (2)Eq. (1) x exact mass of the sample = g C in the sample studied (2)

Eq.(2)/ 12.011 (masse atomique du carbone) = moles de C (3)Eq.(2)/ 12.011 (atomic mass of carbon) = moles of C (3)

Le nombre de moles de CO? dans la phase solide est calculé en soustrayant le nombre de moles d’acide aminé/d’amme au nombre de moles de carbone :The number of moles of CO₂ in the solid phase is calculated by subtracting the number of moles of amino acid/amyl from the number of moles of carbon:

Moles de CO? — moles de C — (moles d’acide aminé/amine x #C dans l’acide aminé/amine) (4)Moles of CO? — moles of C — (moles of amino acid/amine x #C in the amino acid/amine) (4)

Pour calculer le nombre de moles d’acide aminé/amine, on utilise les équations 5 à 7 suivantes : %N / 100 = g N en 1 g d’échantillon solide (5)To calculate the number of moles of amino acid/amine, we use the following equations 5 to 7: %N / 100 = g N in 1 g of solid sample (5)

Eq. (5) x masse exacte de l’échantillon = g N dans l’échantillon étudié (6) Eq . (6) / 14.008 (masse atomique de l’azote) = moles de N (7)Eq. (5) x exact mass of the sample = g N in the sample studied (6) Eq. (6) / 14.008 (atomic mass of nitrogen) = moles of N (7)

Après avoir obtenu le nombre de moles de N dans l’échantillon, le nombre de mole d’acide aminé/d’amine est obtenu en divisant le nombre de moles d’azote par le nombre d’azote présents sur l’amine (e.g. 3 pour la DETA et 2 pour la lysine) :After obtaining the number of moles of N in the sample, the number of moles of amino acid/amine is obtained by dividing the number of moles of nitrogen by the number of nitrogen atoms present on the amine (e.g., 3 for DETA and 2 for lysine):

Moles de N (3) / #azotes présents sur l’acide aminé/amine = moles d’acide aminé/amine (8)Moles of N (3) / #nitrogens present on the amino acid/amine = moles of amino acid/amine (8)

Le taux de carbonatation (TC) est alors calculé comme :The carbonation rate (TR) is then calculated as follows:

TC (%) = moles de CO? / moles de CO? initial (9)TC (%) = moles of CO? / moles of CO? initial (9)

RésultatsResults

[Tableau 2][Table 2]

Acide aminéAmino acid OxydeOxide Quantité de CO2 capté par l’acide aminéAmount of CO2 captured by the amino acid Taux de carbonatation de l’oxyde de métal alcalino-terreuxCarbonation rate of alkaline earth metal oxide GlyKGlyK CaOCaO 0.610.61 45%45% Lys KLys K CaOCaO 0.770.77 82%82% CysKCysK CaOCaO 0.520.52 52%52% GlyKGlyK MgOMgO 0.610.61 8.9%8.9% LysKLysK MgOMgO 0.570.57 21%21% CysKCysK MgOMgO 0.610.61 16%16%

Tableau 2 — Taux de carbonatation de l'oxyde de métal et taux de régénération de l’acide aminéTable 2 — Carbonation rate of metal oxide and amino acid regeneration rate

Dans ce Tableau, la quantité de CO2 capté par l’acide aminé correspond au rapport mole de CO2 par mole d’azote.In this table, the amount of CO2 captured by the amino acid corresponds to the ratio of moles of CO2 to moles of nitrogen.

1.4 - Conclusion1.4 - Conclusion

Selon les résultats expérimentaux obtenus, Γutilisation de sel basique de lysine ou de cystéine permettent d’améliorer sensiblement le taux de carbonatation de l’oxyde de métal alcalino-terreux dans le cadre d’un procédé IAM en comparaison d’un sel basique de glycine.According to the experimental results obtained, the use of basic lysine or cysteine salts significantly improves the carbonation rate of alkaline earth metal oxides in the context of an IAM process compared to a basic glycine salt.

L’amélioration du rendement de la réaction IAM permet d’envisager son utilisation au niveau 15 industriel.Improving the yield of the IAM reaction makes it possible to consider its use at industrial level 15.

Claims (9)

1. Utilisation d’un sel alcalin d’acide aminé protéinogène choisi parmi l’alanine (Ala), l’arginine (Arg), l’asparagine (Asn), l’aspartate (Asp), la cystéine (Cys), le glutamate (Glu), la glutamine (Gin), 1 ’histidine (His), l’isoleucine (Ile), la leucine (Leu), la lysine (Lys), la méthionine (Met), la phénylalanine (Phe), la proline (Pro), la pyrrolysine (Pyl), la sélénocystéine (Sec), la sérine (Ser), la thréonine (Thr), le tryptophane (Trp), la tyrosine (Tyr) et la valine (Val), ainsi que leurs isomères optiques, pour la carbonatation d’un oxyde, d’un silicate, d’un aluminate, d’un phosphate, d’un chlorure ou d’un sulfate de métal alcalino-terreux ou d’un matériau contenant un oxyde, un silicate, un aluminate, un phosphate, un chlorure ou un sulfate de métal alcalino-terreux.1. Use of an alkali salt of a proteinogenic amino acid selected from alanine (Ala), arginine (Arg), asparagine (Asn), aspartate (Asp), cysteine (Cys), glutamate (Glu), glutamine (Gin), histidine (His), isoleucine (Ile), leucine (Leu), lysine (Lys), methionine (Met), phenylalanine (Phe), proline (Pro), pyrrolysine (Pyl), selenocysteine (Sec), serine (Ser), threonine (Thr), tryptophan (Trp), tyrosine (Tyr) and valine (Val), and their optical isomers, for the carbonation of an oxide, a silicate, an aluminate, a phosphate, of an alkaline earth metal chloride or sulfate or of a material containing an oxide, silicate, aluminate, phosphate, chloride or sulfate of an alkaline earth metal. 2. Utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le sel alcalin est un sel d’ammonium (NHV), de calcium (Ca2+), de fer (II) (Fe2+) ou (III) (Fe3+), de magnésium (Mg2+), de potassium (K+), de sodium (Na+) ou de lithium (Li+)2. Use according to claim 1, characterized in that the alkali salt is a salt of ammonium (NHV), calcium (Ca 2+ ), iron (II) (Fe 2+ ) or (III) (Fe 3+ ), magnesium (Mg 2+ ), potassium (K + ), sodium (Na + ) or lithium (Li + ) 3. Utilisation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l’acide aminé protéinogène est choisi comme étant l’arginine (Arg), l’asparagine (Asn), l’aspartate (Asp), la cystéine (Cys), rhistidine (His) ou la lysine (Lys), ainsi que leurs isomères optiques3. Use according to claim 1 or 2, characterized in that the proteinogenic amino acid is chosen to be arginine (Arg), asparagine (Asn), aspartate (Asp), cysteine (Cys), rhistidine (His) or lysine (Lys), as well as their optical isomers 4. Utilisation selon la revendication 3, caractérisée en ce que l’acide aminé protéinogène est choisi comme étant la L-arginine (L-Arg), la Λ-asparagine (L-Asn), la £-aspartate (A-Asp), la L~ cystéine (A-Cys), ou la A-lysine (A-Lys).4. Use according to claim 3, characterized in that the proteinogenic amino acid is chosen as L-arginine (L-Arg), Λ-asparagine (L-Asn), Σ-aspartate (A-Asp), L-cysteine (A-Cys), or A-lysine (A-Lys). 5. Utilisation selon la revendication 4, caractérisée en ce que l’acide aminé est choisi comme étant la A-lysine (A-Lys).5. Use according to claim 4, characterized in that the amino acid is chosen as A-lysine (A-Lys). 6. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 pour la carbonatation d’un oxyde ou d’un silicate de métal alcalino-terreux ou d’un matériau contenant un oxyde ou un silicate de métal alcalino-terreux.6. Use according to any one of claims 1 to 5 for the carbonation of an oxide or silicate of an alkaline earth metal or of a material containing an oxide or silicate of an alkaline earth metal. 7. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le métal alcalino-terreux est choisi comme étant le calcium (Ca) ou le magnésium (Mg).7. Use according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the alkaline earth metal is chosen to be calcium (Ca) or magnesium (Mg). 8. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l’oxyde de métal alcalino-terreux est choisi comme étant CaO ou MgO.8. Use according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the alkaline earth metal oxide is chosen to be CaO or MgO. 9. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le silicate de métal alcalino-terreux est choisi comme étant CaSiCh ou MgSiCh.9. Use according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the alkaline earth metal silicate is chosen to be CaSiCh or MgSiCh.
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