JP2019166514A - 二酸化炭素分離装置及び二酸化炭素分離方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素を含有する混合ガスから二酸化炭素を短時間且つ低コストで分離することが可能な二酸化炭素分離装置を提供する。【解決手段】二酸化炭素分離装置は、温度差によって二酸化炭素の吸着及び脱着が可能な二酸化炭素吸着剤と、二酸化炭素吸着剤に電磁波を照射して加熱する電磁波照射部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素分離装置及び二酸化炭素分離方法に関する。

混合ガス中の二酸化炭素をゼオライト等の吸着剤に吸着させた後に、吸着剤を加熱することにより二酸化炭素を脱着させて、混合ガスから二酸化炭素を分離する熱スイング式の分離方法が知られている。例えば特許文献１には、高温のガスを用いた加熱や伝導性フィラメントの電気抵抗加熱により吸着剤を加熱して二酸化炭素を脱着させる熱スイング式の分離方法が開示されている。しかしながら、特許文献１に開示の方法は、吸着剤の加熱に時間を要するため、エネルギーの消費量が多く高コストとなるおそれがあった。

特許第５９０４４２０号公報

本発明は、二酸化炭素を含有する混合ガスから二酸化炭素を短時間且つ低コストで分離することが可能な二酸化炭素分離装置及び二酸化炭素分離方法を提供することを課題とする。

本発明の一態様に係る二酸化炭素分離装置は、温度差によって二酸化炭素の吸着及び脱着が可能な二酸化炭素吸着剤と、二酸化炭素吸着剤に電磁波を照射して加熱する電磁波照射部と、を備えることを要旨とする。

本発明の他の態様に係る二酸化炭素分離方法は、温度差によって二酸化炭素の吸着及び脱着が可能な二酸化炭素吸着剤に、二酸化炭素を含有する混合ガスを接触させて、二酸化炭素吸着剤に二酸化炭素を吸着させる吸着工程と、吸着工程で二酸化炭素を吸着した二酸化炭素吸着剤に電磁波を照射して加熱し、二酸化炭素吸着剤から二酸化炭素を脱着させる脱着工程と、を備えることを要旨とする。

本発明によれば、二酸化炭素を含有する混合ガスから二酸化炭素を短時間且つ低コストで分離することができる。

本発明に係る二酸化炭素分離装置の一実施形態の構造を模式的に示す概念図である。 図１の二酸化炭素分離装置が備えるゼオライト及び吸着剤容器の図であり、（ａ）が、ゼオライトを収容した吸着剤容器の平面図であり、（ｂ）が、ゼオライトを収容した吸着剤容器の断面図である。 ゼオライトに二酸化炭素を吸着させる吸着工程を説明する図である。 ゼオライトから二酸化炭素を脱着させる脱着工程を説明する図である。 脱着させた二酸化炭素を含有する濃縮二酸化炭素を濃縮二酸化炭素保管室に送る送気工程を説明する図である。

本発明の一実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１の二酸化炭素分離装置は、温度差によって二酸化炭素の吸着及び脱着が可能な二酸化炭素吸着剤１と、二酸化炭素吸着剤１に電磁波を照射して加熱する電磁波照射部１０と、二酸化炭素吸着剤１を収容する吸着剤容器２０と、吸着剤容器２０が内部に配されて二酸化炭素吸着剤１における二酸化炭素の吸着及び脱着が行われる吸脱着室３０と、を備えている。

二酸化炭素吸着剤１の種類は、温度差によって二酸化炭素の吸着及び脱着が可能であれば特に限定されるものではなく、例えば、ゼオライト（人工ゼオライト、天然ゼオライト）、活性炭、黒鉛、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、分子篩、金属酸化物（例えばアルミナ、シリカ）が挙げられる。これらの二酸化炭素吸着剤の中では、ゼオライトがより好ましい。また、これらの二酸化炭素吸着剤は、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて併用してもよい。
二酸化炭素吸着剤１の形状は特に限定されるものではなく、例えば、粉状、粒状、塊状、繊維状、棒状、ペレット形状が挙げられるが、これらの形状の中ではペレット形状がより好ましい。

二酸化炭素吸着剤１を収容する吸着剤容器２０の形状は、二酸化炭素吸着剤１を収容可能であれば特に限定されるものではなく、例えば、円筒形、角筒形が挙げられる。ただし、吸着剤容器２０の少なくとも一部が、気体透過性を有する素材で構成されていることがより好ましい。気体透過性を有する素材としては、例えば、多孔質材料、網状材料が挙げられる。

また、吸着剤容器２０の材質は特に限定されるものではないが、照射される電磁波に対して耐性を有するものであることがより好ましい。例えば、照射される電磁波がマイクロ波である場合には、吸着剤容器２０の材質をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とすることがより好ましい。
図２は、二酸化炭素吸着剤１としてペレット形状のゼオライトを収容した吸着剤容器２０の図であるが、この吸着剤容器２０はＰＴＦＥ製の円筒形容器であり、その底部２０ａは網目状に形成されていて気体透過性を有している。

吸着剤容器２０は、吸脱着室３０内に設置されたターンテーブル２２上に、スペーサー２４を介して載置されている。図１に示すように、スペーサー２４によってターンテーブル２２の上面と吸着剤容器２０の底部２０ａとの間にスペースが形成されるので、吸着剤容器２０の底部２０ａの気体透過性が保たれる。吸脱着室３０は気密性を有するとともに、電磁波に対して耐性を有する。

電磁波の種類は、照射することにより二酸化炭素吸着剤１を加熱することができるならば、特に限定されるものではなく、ガンマ線、X 線、紫外線、可視光線、赤外線、電波、マイクロ波、超短波、短波、中波、長波が挙げられるが、これらの電磁波の中ではマイクロ波がより好ましい。
マイクロ波とは、一般に、波長が１ｍから１００μｍ、周波数が３００ＭＨｚから３ＴＨｚの電波を指し、この範囲には、デシメートル波、センチメートル波、ミリメートル波、サブミリ波が含まれる。

吸脱着室３０には電磁波照射部１０が接続されており、電磁波照射部１０から発せられた電磁波が二酸化炭素吸着剤１に照射可能とされている。電磁波の照射により、二酸化炭素吸着剤１が加熱される。
以下、電磁波がマイクロ波である場合を例にして、電磁波照射部１０を説明する。電磁波照射部１０は、マイクロ波を発生させるマグネトロンを有するマイクロ波電源１２と、マグネトロンを保護する装置であるアイソレーター１４と、入射波及び反射波の方向を制御する整合器１６と、マイクロ波を伝送する導波管１８と、を備えている。

図１に示すように、マイクロ波電源１２、アイソレーター１４、整合器１６、導波管１８の順で並んでおり、導波管１８の一端部が吸脱着室３０に接続されている。そして、マイクロ波電源１２で発生させたマイクロ波は導波管１８を通って吸脱着室３０に入り、吸脱着室３０内の吸着剤容器２０に収容された二酸化炭素吸着剤１に照射されるようになっている。

なお、二酸化炭素吸着剤１に電磁波を照射して二酸化炭素吸着剤１を加熱する際には、ターンテーブル２２を回転させてもよい。モーター２６を用いてターンテーブル２２を回転させながら電磁波を照射することによって、二酸化炭素吸着剤１をより均一に加熱することができる。

吸脱着室３０は、吸脱着室３０内の気体を撹拌する撹拌機３２を備えている。また、吸脱着室３０には複数（図１の例では３本）の配管４２、４４、４６が接続されており、それぞれの配管４２、４４、４６にはバルブ４２ａ、４４ａ、４６ａ、４６ｂが設けられている。そして、モーター３４を用いた撹拌機３２の駆動とバルブ４２ａ、４４ａ、４６ａ、４６ｂの開閉を組み合わせることにより、外気を吸脱着室３０内に導入したり、吸脱着室３０内の気体を室外に排出したりすることが可能となっている。

二酸化炭素分離装置に濃縮二酸化炭素保管室４０を設けて、複数の配管４２、４４、４６のうち１本の配管４６を濃縮二酸化炭素保管室４０に接続させてもよい。詳細は後述するが、濃縮二酸化炭素保管室４０を設ければ、吸脱着室３０内で製造した濃縮二酸化炭素を配管４６を介して濃縮二酸化炭素保管室４０に送気して、濃縮二酸化炭素保管室４０に保管することができる。

次に、図１の二酸化炭素分離装置を用いて、二酸化炭素を含有する混合ガスから二酸化炭素を分離して濃縮二酸化炭素を製造する方法について説明する。なお、電磁波がマイクロ波であり、二酸化炭素吸着剤１がゼオライトであり、二酸化炭素を含有する混合ガスが空気（大気）であり、吸脱着室３０に接続された配管の数が３本である場合を例にして、説明を行う。

吸脱着室３０に接続された３本の配管４２、４４、４６のうち１本の配管４６は、濃縮二酸化炭素保管室４０に接続しており、吸脱着室３０内で製造した濃縮二酸化炭素を濃縮二酸化炭素保管室４０に送気し、さらに濃縮二酸化炭素保管室４０から濃縮二酸化炭素を室外に取り出すための配管４６である。残りの２本の配管４２、４４は外気に接続しており、室外から吸脱着室３０に空気を導入するための配管４２と、吸脱着室３０内の気体を室外に排出するための配管４４である。

まず、濃縮二酸化炭素を濃縮二酸化炭素保管室４０に送気するための配管４６のバルブ４６ａ（吸脱着室３０と濃縮二酸化炭素保管室４０の間に配置されたバルブ４６ａ）を閉状態とするとともに、室外から吸脱着室３０に空気を導入するための配管４２のバルブ４２ａと、吸脱着室３０内の気体を室外に排出するための配管４４のバルブ４４ａを開状態とする。また、吸脱着室３０に接続された導波管１８の一端部（吸脱着室３０と導波管１８の接続部分）に設けられた開閉シャッター３６を、閉状態とする。

モーター３４により撹拌機３２を駆動して、吸脱着室３０内に気流を生じさせる。これにより、室外の空気が配管４２を介して吸脱着室３０内に流れ込み、図３に示すように、空気が二酸化炭素吸着剤１に接触する。このとき、空気中の二酸化炭素の一部又は全部が二酸化炭素吸着剤１に吸着される（吸着工程）。すなわち、空気から二酸化炭素が分離される。二酸化炭素吸着剤１に接触し二酸化炭素が分離された後の空気は、配管４４を介して吸脱着室３０外に排出される。なお、図３において矢印は空気の流れを示している。

次に、撹拌機３２の回転を停止させるとともに、配管４２のバルブ４２ａと配管４４のバルブ４４ａを閉状態とする。また、開閉シャッター３６を開状態とする。そして、電磁波照射部１０のマイクロ波電源１２を立ち上げてマイクロ波を発生させる。マイクロ波電源１２の運転条件は、周波数２４５０ＭＨｚ、出力５００〜１０００Ｗである。図４に示すように、発生したマイクロ波５０は、アイソレーター１４、整合器１６、導波管１８を通って吸脱着室３０に入り、二酸化炭素吸着剤１に照射される。

なお、撹拌機３２を回転させながらマイクロ波５０を照射すれば、吸脱着室３０内にマイクロ波５０をより均一に拡散させることができる。そして、撹拌機３２の回転と同時にターンテーブル２２も回転させながらマイクロ波５０を照射すれば、二酸化炭素吸着剤１にマイクロ波５０をより均一に照射することができる。

マイクロ波５０が照射された二酸化炭素吸着剤１は、二酸化炭素吸着剤１自身及び二酸化炭素吸着剤１が含有する水分がマイクロ波５０により振動するので、温度が上昇する。加熱温度は、二酸化炭素吸着剤１の種類等によっても異なるが、例えばゼオライトの場合には、二酸化炭素吸着剤１の温度が６０℃以上１８０℃以下になるように加熱することがより好ましい。

所定の温度まで昇温した後に、その温度で例えば１分間以上５分間以下の時間保持することにより、二酸化炭素吸着剤１に吸着されていた二酸化炭素が脱着され、吸脱着室３０内に放出される（脱着工程）。その結果、大気よりも二酸化炭素濃度の高い空気である濃縮二酸化炭素が、吸脱着室３０内に製造される。

マイクロ波５０の照射が完了したら、開閉シャッター３６を閉状態としてマイクロ波５０を遮断する。そして、吸脱着室３０と濃縮二酸化炭素保管室４０の間に配置されたバルブ４６ａを開状態とするとともに、撹拌機３２を回転させる。すると、図５に示すように、吸脱着室３０内の濃縮二酸化炭素が配管４６を介して濃縮二酸化炭素保管室４０に送られ、濃縮二酸化炭素保管室４０内に貯蔵される（送気工程）。濃縮二酸化炭素の濃縮二酸化炭素保管室４０への送気が終了したら、バルブ４６ａを閉状態とする。

このとき、吸脱着室３０内の二酸化炭素吸着剤１は加熱された状態であるので、加熱された二酸化炭素吸着剤１を冷却して、二酸化炭素を再び吸着可能な状態とする。冷却方法は特に限定されるものではなく、自然放冷で冷却してもよいし、冷却装置により冷却してもよい。すなわち、本実施形態の二酸化炭素分離装置は、吸脱着室３０内の二酸化炭素吸着剤１を冷却する冷却装置を備えていてもよい。

濃縮二酸化炭素保管室４０内の濃縮二酸化炭素の二酸化炭素濃度を、二酸化炭素濃度計等を用いて測定し、所望の二酸化炭素濃度となるまで、上記の吸着工程、脱着工程、及び送気工程を繰り返し実施して、二酸化炭素の濃縮を行う。大気の二酸化炭素濃度は約４００ｐｐｍであるが、濃縮二酸化炭素保管室４０内の濃縮二酸化炭素の二酸化炭素濃度が例えば１０００〜２０００ｐｐｍになるまで、上記の吸着工程、脱着工程、及び送気工程を繰り返し実施する。

濃縮二酸化炭素保管室４０内の濃縮二酸化炭素の二酸化炭素濃度が所望の濃度となったら、配管４６のうち濃縮二酸化炭素保管室４０よりも下流側の部分に設置されたバルブ４６ｂを開状態として、濃縮二酸化炭素保管室４０内の濃縮二酸化炭素を室外に取り出す。濃縮二酸化炭素の取り出しは、濃縮二酸化炭素保管室４０内の二酸化炭素濃度が例えば大気の二酸化炭素濃度と同程度となるまで行う。取り出し時間は数分程度である。

このように、本実施形態の二酸化炭素分離装置を用いれば、吸脱着室３０内の二酸化炭素吸着剤１を短時間で加熱することができるので、エネルギーの消費量が少ない。よって、熱スイング式により、二酸化炭素を含有する混合ガスから二酸化炭素を短時間且つ低コストで分離して、濃縮二酸化炭素を製造することが可能である。

製造した濃縮二酸化炭素の用途は特に限定されるものではないが、例えば、農作物の栽培用途に用いることができる。すなわち、ビニールハウス等の農業用ハウス内に濃縮二酸化炭素を供給して植物の光合成に利用することにより、農作物の収率や品質を向上させることができる。あるいは、製造した濃縮二酸化炭素は、例えばドライアイスの原料として利用することもできる。

さらに、本実施形態の二酸化炭素分離装置の用途は、濃縮二酸化炭素の製造用途に限定されるものではなく、他の用途に使用してもよい。例えば、自動車、工場、焼却炉等から排出される各種の排ガスから二酸化炭素を除去する排ガス処理装置として使用することもできる。また、建築物（住宅、ビルディング等）、自動車、列車、船舶、航空機等の室内の空気から二酸化炭素を除去する空気浄化装置として使用することもできる。

１ 二酸化炭素吸着剤
１０ 電磁波照射部
２０ 吸着剤容器
２０ａ 底部
３０ 吸脱着室
４０ 濃縮二酸化炭素保管室
５０ マイクロ波

Claims (9)

1. 温度差によって二酸化炭素の吸着及び脱着が可能な二酸化炭素吸着剤と、前記二酸化炭素吸着剤に電磁波を照射して加熱する電磁波照射部と、を備える二酸化炭素分離装置。
2. 前記二酸化炭素吸着剤がゼオライトである請求項１に記載の二酸化炭素分離装置。
3. 前記電磁波がマイクロ波である請求項１又は請求項２に記載の二酸化炭素分離装置。
4. 前記二酸化炭素吸着剤がペレット形状をなしている請求項１〜３のいずれか一項に記載の二酸化炭素分離装置。
5. 前記二酸化炭素吸着剤を収容する吸着剤容器と、前記吸着剤容器が内部に配されて前記二酸化炭素吸着剤における二酸化炭素の吸着及び脱着が行われる吸脱着室と、をさらに備え、前記電磁波照射部は、前記二酸化炭素吸着剤に電磁波を照射可能に前記吸脱着室に接続されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の二酸化炭素分離装置。
6. 前記吸着剤容器の少なくとも一部が、気体透過性を有する素材で構成されている請求項５に記載の二酸化炭素分離装置。
7. 温度差によって二酸化炭素の吸着及び脱着が可能な二酸化炭素吸着剤に、二酸化炭素を含有する混合ガスを接触させて、前記二酸化炭素吸着剤に前記二酸化炭素を吸着させる吸着工程と、
   前記吸着工程で二酸化炭素を吸着した前記二酸化炭素吸着剤に電磁波を照射して加熱し、前記二酸化炭素吸着剤から二酸化炭素を脱着させる脱着工程と、
   を備える二酸化炭素分離方法。
8. 前記二酸化炭素吸着剤がゼオライトである請求項７に記載の二酸化炭素分離方法。
9. 前記電磁波がマイクロ波である請求項７又は請求項８に記載の二酸化炭素分離方法。

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