二酸化炭素吸着材及びこれを用いた二酸化炭素回収装置
【課題】二酸化炭素の吸着能力が高い吸着材を提供するとともに、この吸着材を用いて二酸化炭素回収装置の効率を向上する。
【解決手段】Ａｌ、Ｃａ、Ｙ及びＣｅからなる群から選択される少なくとも一種類の元素の酸化物を含む二酸化炭素吸着材を用い、二酸化炭素を含有するガスから二酸化炭素を吸着・分離する。酸化物の表面は、還元状態であることが望ましい。
【解決手段】Ａｌ、Ｃａ、Ｙ及びＣｅからなる群から選択される少なくとも一種類の元素の酸化物を含む二酸化炭素吸着材を用い、二酸化炭素を含有するガスから二酸化炭素を吸着・分離する。酸化物の表面は、還元状態であることが望ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素吸着材及びこれを用いた二酸化炭素回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
温室効果ガスの排出による地球温暖化の問題が広く認識されてきている。温室効果ガスとしては、二酸化炭素（ＣＯ２）、メタン（ＣＨ４）、フロン類（ＣＦＣｓ）等が挙げられるが、排出量が多く、実質的に影響が大きいものは二酸化炭素であり、その排出量の削減が緊急の課題となっている。
【０００３】
特許文献１には、吸収塔と、再生塔とを含み、ＣＯ２吸収液を再生して再利用するＣＯ２回収装置の一例が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、ＣＯ２またはＣＯ２含有ガスを約２０〜１００℃において遷移金属担持ゼオライトと接触させるＣＯ２の吸着方法が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、ＣＯ２と水分を含有する排ガスを、シランカップリング剤を化学結合させた支持体と接触せしめ、ＣＯ２と選択的に吸着させ、脱着する排ガスの処理方法が開示されている。
【０００６】
特許文献４には、ＣＯ２またはＣＯ２含有ガスを約３００〜５００℃において酸化マグネシウムを主成分とした吸着材と接触させるＣＯ２吸着方法が開示されている。
【０００７】
特許文献５には、空孔内に炭酸カリウム水和物を担持して乾燥させた多孔質物質に、水蒸気と二酸化炭素とを含むガスを通過させる二酸化炭素の回収方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２８４２７２号公報
【特許文献２】特開平５−１３１１１６号公報
【特許文献３】特開２００４−２６１６７０号公報
【特許文献４】特開２００１−７０７２６号公報
【特許文献５】特開平８−４０７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、二酸化炭素の吸着能力が高い吸着材を提供するとともに、この吸着材を用いて二酸化炭素回収装置の効率を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の二酸化炭素吸着材は、二酸化炭素を含有するガスから二酸化炭素を吸着・分離するためのものであって、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｙ（イットリウム）及びＣｅ（セリウム）からなる群から選択される少なくとも一種類の元素の酸化物を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、二酸化炭素吸着材の二酸化炭素に対する吸着エネルギーを高め、二酸化炭素の吸着量を増大させることができ、二酸化炭素回収装置の効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例に係る温度操作を利用した二酸化炭素回収装置を示す概略構成図である。
【図２】実施例に係る圧力操作を利用した二酸化炭素回収装置を示す概略構成図である。
【図３】実施例に係る温度操作及び圧力操作を利用した二酸化炭素回収装置を示す概略構成図である。
【図４】実施例に係る二酸化炭素吸着材の交換を制御する制御部を有する二酸化炭素回収装置を示す概略構成図である。
【図５】実施例に係る多段式の二酸化炭素回収装置を示す概略構成図である。
【図６ａ】第一原理計算によって求めたシリカの分子構造を示す模式図である。
【図６ｂ】第一原理計算によって求めた二酸化炭素のシリカへの吸着状態を示す模式図である。
【図７ａ】第一原理計算によって求めたアミン修飾シリカの分子構造を示す模式図である。
【図７ｂ】第一原理計算によって求めた二酸化炭素のアミン修飾シリカへの吸着状態を示す模式図である。
【図８ａ】第一原理計算によって求めた酸化マグネシウムの分子構造を示す模式図である。
【図８ｂ】第一原理計算によって求めた二酸化炭素の酸化マグネシウムへの吸着状態を示す模式図である。
【図９ａ】第一原理計算によって求めたγ−アルミナの分子構造を示す模式図である。
【図９ｂ】第一原理計算によって求めた二酸化炭素のγ−アルミナへの吸着状態を示す模式図である。
【図１０ａ】第一原理計算によって求めた酸化カルシウムの分子構造を示す模式図である。
【図１０ｂ】第一原理計算によって求めた二酸化炭素の酸化カルシウムへの吸着状態を示す模式図である。
【図１１ａ】第一原理計算によって求めた還元状態における酸化イットリウムの分子構造を示す模式図である。
【図１１ｂ】第一原理計算によって求めた還元状態における酸化イットリウムへの二酸化炭素の吸着状態を示す模式図である。
【図１２ａ】第一原理計算によって求めた還元状態におけるセリアの分子構造を示す模式図である。
【図１２ｂ】第一原理計算によって求めた還元状態におけるセリアへの二酸化炭素の吸着状態を示す模式図である。
【図１３ａ】第一原理計算によって求めた酸化状態における酸化イットリウムの分子構造を示す模式図である。
【図１３ｂ】第一原理計算によって求めた酸化状態における酸化イットリウムへの二酸化炭素の吸着状態を示す模式図である。
【図１４ａ】第一原理計算によって求めた酸化状態におけるセリアの分子構造を示す模式図である。
【図１４ｂ】第一原理計算によって求めた酸化状態におけるセリアへの二酸化炭素の吸着状態を示す模式図である。
【図１５】比較例１〜３及び実施例１〜４における二酸化炭素吸着エネルギーを示すグラフである。
【図１６ａ】二酸化炭素のパルス吸着試験装置（準備工程）を示す概略構成図である。
【図１６ｂ】図１６ａのパルス吸着試験装置におけるパルス発生工程を示す部分拡大図である。
【図１７】比較例６及び実施例５の二酸化炭素飽和吸着量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態に係る二酸化炭素吸着材及びこれを用いた二酸化炭素回収装置について説明する。
【００１４】
前記二酸化炭素吸着材は、二酸化炭素を含有するガス（二酸化炭素含有ガス）から二酸化炭素を吸着・分離するためのものである。
【００１５】
前記二酸化炭素吸着材は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｙ（イットリウム）及びＣｅ（セリウム）からなる群から選択される少なくとも一種類の元素の酸化物を含む。
【００１６】
前記二酸化炭素吸着材において、酸化物は、Ｙ２Ｏ３（三酸化二イットリウム）又はＣｅＯ（酸化セリウム）である。
【００１７】
前記二酸化炭素吸着材において、ＣｅＯの表面は（１、１、１）面を有する。
【００１８】
前記二酸化炭素吸着材において、酸化物の表面は還元状態である。
【００１９】
前記二酸化炭素回収装置は、二酸化炭素吸着材を用い、吸着部と、この吸着部で二酸化炭素吸着材に吸着させた二酸化炭素を脱着・回収するための脱着部とを含む。
【００２０】
前記二酸化炭素回収装置において、脱着部は、二酸化炭素吸着材を加熱するための加熱装置を有する。
【００２１】
前記二酸化炭素回収装置は、脱着部を減圧するための減圧部を含む。
【００２２】
前記二酸化炭素回収装置は、吸着部に送る二酸化炭素含有ガスの圧力を増加させるための加圧部を含む。
【００２３】
前記二酸化炭素回収装置は、吸着部と脱着部との間で二酸化炭素吸着材を交換可能としたものである。
【００２４】
前記二酸化炭素回収装置において、吸着部及び／又は脱着部は、二酸化炭素吸着材の重量を測定するための重量測定部を有する。
【００２５】
前記二酸化炭素回収装置は、重量測定部の出力信号の変化量を用いて二酸化炭素吸着材の交換時期の制御を行う制御部を含む。
【００２６】
前記二酸化炭素回収装置は、吸着部及び脱着部のうち少なくとも１つが複数段に分割されている。
【００２７】
前記二酸化炭素吸着材は、５０℃程度の低温では二酸化炭素の吸着によっても炭酸塩を生成しないため、前記二酸化炭素吸着材の再生のためのエネルギーを少なくすることができる。
【００２８】
従来の二酸化炭素吸着材及び実施例の二酸化炭素吸着材について、二酸化炭素の吸着能力を比較するために、第一原理計算により二酸化炭素吸着エネルギーを算出した。
【００２９】
第一原理計算の手法は、表１に示す通りである。
【００３０】
ここで、二酸化炭素吸着エネルギーの算出方法は、下記式（１）によるものとする。下記式（１）は、吸着エネルギーの値が大きいほど二酸化炭素吸着時に安定になることを表している。
【００３１】
（二酸化炭素吸着エネルギー）＝−〔（二酸化炭素吸着後のエネルギー）−｛（二酸化炭素吸着前のエネルギー）＋（二酸化炭素のエネルギー）｝〕 （１）
【００３２】
【表１】
【００３３】
以下、比較例及び実施例の分子構造について説明する。
【００３４】
（比較例１）
ＡＭＣＳＤ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｍｉｎｅｒａｌｏｇｉｓｔ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄａｔａｂａｓｅ）より、Ｓｉ（ケイ素）にＯ（酸素）が四配位しているシリカ（ＳｉＯ２）の構造を入手して担体とした。さらに、シリカの表面に水酸基（ＯＨ基）を導入し、第一原理計算による構造最適化計算を行った（図６ａ）。
【００３５】
（比較例２）
比較例１の二酸化炭素吸着材（以下、単に「吸着材」とも呼ぶ。）において、２つの水酸基の水素の代わりにエチルアミン（−ＣＨ２−ＣＨ２−ＮＨ２）を化学結合させた構造を作成し、構造最適化計算を行った（図７ａ）。これは、特許文献３の吸着材を模したものである。
【００３６】
（比較例３）
Ｍｇ（マグネシウム）とＯ（酸素）との元素の組成比が１：１である酸化マグネシウムの（１００）面を表面とする構造を作製し、構造最適化計算を行った（図８ａ）。これは、特許文献４の吸着材を模したものである。
【実施例１】
【００３７】
γアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の表面について構造最適化計算を行った（図９ａ）。
【実施例２】
【００３８】
酸化カルシウム（ＣａＯ）の表面について構造最適化計算を行った（図１０ａ）。
【実施例３】
【００３９】
酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）の表面について構造最適化計算を行った（図１１ａ）。
【００４０】
本実施例においては、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）の表面の酸素を還元して除去した条件（酸化イットリウムの還元表面）で計算を行った。
【実施例４】
【００４１】
セリア（ＣｅＯ２）の（１、１、１）面について構造最適化計算を行った（図１２ａ）。
【００４２】
本実施例においては、セリア（ＣｅＯ２）の表面の酸素を還元して除去した条件（セリアの還元表面）で計算を行った。
【００４３】
（比較例４）
酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）の表面について構造最適化計算を行った（図１３ａ）。
【００４４】
本比較例においては、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）の表面の酸素を除去していない（大気中に置かれた）条件（酸化イットリウムの酸化表面）で計算を行った。
【００４５】
（比較例５）
セリア（ＣｅＯ２）の（１、１、１）面について構造最適化計算を行った（図１４ａ）。
【００４６】
本比較例においては、セリア（ＣｅＯ２）の表面の酸素を除去していない（大気中に置かれた）条件（セリアの酸化表面）で計算を行った。
【００４７】
上記の比較例１〜５及び実施例１〜４の吸着材について、二酸化炭素が吸着した構造及びエネルギーを求めるため、表１に示す条件で第一原理計算による構造最適化を行った。
【００４８】
各比較例及び各実施例の吸着材への二酸化炭素の吸着状態を示す構造図を図６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂ、１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ及び１４ｂに示す。
【００４９】
図６ｂ（比較例１）において、二酸化炭素は、シリカと化学結合を形成せず、静電気的な力によって物理吸着している。このことから、シリカにおける二酸化炭素の吸着エネルギーは小さいことがわかる。
【００５０】
図７ｂ（比較例２）において、二酸化炭素は、二つのアミンに挟まれるように吸着している。これは、−ＮＨ２＋−ＮＨ２＋ＣＯ２→−ＮＨＣＯ２（−）＋−ＮＨ３（＋）の反応により安定している状態を示している。
【００５１】
図８ｂ（比較例３）においては、二酸化炭素の二つの酸素原子（Ｏ）が酸化マグネシウムのマグネシウム原子（Ｍｇ）と結合し、二酸化炭素の炭素原子（Ｃ）が酸化マグネシウムの酸素原子（Ｏ）と結合して安定している状態を示している。
【００５２】
図９ｂ（実施例１）においては、二酸化炭素の二つの酸素原子（Ｏ）がγアルミナのアルミニウム原子（Ａｌ）と結合して安定している状態を示している。
【００５３】
図１０ｂ（実施例２）においては、二酸化炭素の二つの酸素原子（Ｏ）が酸化カルシウムのアルミニウム原子（Ｃａ）と結合して安定している状態を示している。
【００５４】
図１１ｂ（実施例３）においては、二酸化炭素の二つの酸素原子（Ｏ）が酸化イットリウムのイットリウム原子（Ｙ）と結合し、二酸化炭素の炭素原子（Ｃ）が酸化イットリウムの酸素原子（Ｏ）と結合して安定している状態を示している。
【００５５】
図１２ｂ（実施例４）においては、二酸化炭素の二つの酸素原子（Ｏ）がセリアのセリウム原子（Ｃｅ）と結合して安定している状態を示している。
【００５６】
図１３ｂ（比較例４）においては、二酸化炭素の一つの酸素原子（Ｏ）が酸化イットリウムのイットリウム原子（Ｙ）と結合している。図１１ｂと比較すると、二酸化炭素と酸化イットリウムの表面との距離が大きくなっている。このことから、酸化イットリウムにおける二酸化炭素の吸着エネルギーは小さいことがわかる。
【００５７】
図１４ｂ（比較例５）においては、二酸化炭素の一つの酸素原子（Ｏ）がセリアのセリウム原子（Ｃｅ）と結合している。図１２ｂと比較すると、二酸化炭素とセリアの表面との距離が大きくなっている。このことから、セリアにおける二酸化炭素の吸着エネルギーは小さいことがわかる。
【００５８】
表２は、比較例１〜３及び実施例１〜４の吸着材について二酸化炭素吸着エネルギーを示したものである。
【００５９】
【表２】
【００６０】
図１５は、表２の値をグラフに示したものである。
【００６１】
表２及び図１５に示す通り、アミンで修飾したシリカ（比較例２）及び酸化マグネシウム（比較例３）による二酸化炭素吸着エネルギーと比べ、実施例１〜４においては、二酸化炭素吸着エネルギーが大きくなっており、二酸化炭素吸着能力が向上している。
【００６２】
吸着材を構成する結晶の吸着サイトの二酸化炭素吸着能力が高ければ、二酸化炭素吸着サイトへ二酸化炭素が吸着する確率が向上し、二酸化炭素吸着量は増加することは明らかである。このことから、二酸化炭素吸着材の材料成分としては、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｙ（イットリウム）及びＣｅ（セリウム）からなる群から選択される少なくとも一種類の元素を含む酸化物が好適であることがわかる。
【００６３】
表３は、実施例４（セリアの還元表面）、実施例３（酸化イットリウムの還元表面）、比較例５（セリアの酸化表面）及び比較例４（酸化イットリウムの酸化表面）について二酸化炭素吸着エネルギーを示したものである。
【００６４】
【表３】
【００６５】
本表から、還元表面の方が酸化表面に比べて二酸化炭素吸着エネルギーが一桁大きいことがわかる。
【００６６】
下記の比較例６及び実施例５は、二酸化炭素の吸着量を調べるために比較例２及び実施例４の二酸化炭素吸着材を実際に作製したものである。これらの二酸化炭素吸着材について二酸化炭素吸着量を測定した。
【００６７】
（比較例６）
特許文献３に記載された方法に準拠して、ＡＥＡＰＳ（Ｎ−（２−アミノエチル）−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、ＮＨ２（ＣＨ２）２ＮＨ（ＣＨ２）３Ｓｉ（ＯＣＨ３）３）で修飾したメソポーラスシリカ（ＳＢＡ−１５、細孔径３〜１０ｎｍ）を作製した。この吸着材は、アミン修飾メソポーラスシリカと呼ぶことができる。
【００６８】
この吸着材を二酸化炭素吸着試験の前に１５０℃のＨｅ雰囲気中で不純物の脱離処理を１時間実施した。
【実施例５】
【００６９】
セリア（ＣｅＯ２）（第一稀元素化学工業（株）製）を用いて二酸化炭素吸着材とした。二酸化炭素吸着試験前に５００℃のＨｅ雰囲気中で不純物の脱離処理を１時間実施した。
【００７０】
比較例６及び実施例５で作製した二酸化炭素吸着材について、５０℃における二酸化炭素パルス吸着試験を実施し、二酸化炭素吸着量を測定した。
【００７１】
図１６ａは、二酸化炭素パルス吸着試験装置を示す全体構成図である。本図は、パルス試験に用いる１０ｃｃのＣＯ２含有ガスを溜めておくための準備工程を示したものである。
【００７２】
二酸化炭素パルス吸着試験装置は、反応部３０にガスクロマトグラフィ２５及びオートサンプラー２９を接続した構成としてある。
【００７３】
反応部３０は、二酸化炭素吸着材２１を充填する反応管２２を電気炉２３の内部に設けた構成としたものである。反応管２２の周囲には、ヒータ２４（加熱装置）を設けてある。また、二酸化炭素吸着材２１には、熱電対２７が設置してある。
【００７４】
本図に示す準備工程においては、オートサンプラー２９及び配管２６を介してヘリウム（Ｈｅ）ガスを反応管２２に流入させるようにしてある。また、ヘリウム（Ｈｅ）をベースガスとした４％の二酸化炭素を１０ｃｃのサンプル管２８に流通させ、定常的に排気してサンプル管２８の内部を濃度４％の二酸化炭素で置換する。
【００７５】
この準備工程は、熱電対２７により測定される温度が５０℃で安定するまで継続される。
【００７６】
図１６ｂは、図１６ａのオートサンプラー２９をパルス発生工程に切り替えた状態を示したものである。
【００７７】
このパルス発生工程においては、４％の二酸化炭素を含むＣＯ２含有ガスを１０ｃｃ反応管２２に流入させて二酸化炭素のパルスを二酸化炭素吸着材２１に接触させる。そして、反応管２２を通過したガスを後段のガスクロマトグラフィ２５によって二酸化炭素の累積排出量を測定する。
【００７８】
上記の準備工程及びパルス発生工程をそれぞれ２分及び６分で交互に繰り返して、二酸化炭素吸着材への飽和吸着量を求めた。
【００７９】
比較例６及び実施例５の二酸化炭素飽和吸着量を図１７に示す。
【００８０】
比較例６及び実施例５の二酸化炭素吸着材１ｍｏｌ（モル）当たりの二酸化炭素吸着量は、それぞれ１２ｍｍｏｌ（ミリモル）及び２３ｍｍｏｌであり、実施例５の方が比較例６に比べて吸着量が多いことを確認した。
【実施例６】
【００８１】
図１は、実施例１〜５の二酸化炭素吸着材を用いた二酸化炭素回収装置の例を示す概略構成図である。
【００８２】
本図において、二酸化炭素回収装置は、二酸化炭素を含有するガス（ＣＯ２含有ガス）を導入するための流路１と、二酸化炭素吸着前の二酸化炭素吸着材２と、二酸化炭素吸着材２によって二酸化炭素が除去されたＣＯ２除去ガスが流れる流路３とを接続した吸着部、及び、ヒータ５、６を有し、二酸化炭素吸着後の二酸化炭素吸着材４と、二酸化炭素吸着材４から流出する高濃度ＣＯ２ガスを流し、二酸化炭素回収部１６に接続するための流路７と、循環流路１７とを接続した脱着部を含む構成である。流路１、７にはそれぞれ、バルブ８、１０が設けられ、循環流路１７には、バルブ９が設けられ、二酸化炭素の流量を調整することができるようにしてある。
【００８３】
吸着部の二酸化炭素吸着前の二酸化炭素吸着材２と脱着部の二酸化炭素吸着材４とは、それぞれの設置位置を交換できるように配置されている。
【００８４】
吸着部及び脱着部をそれぞれ半円筒形とし、二酸化炭素吸着材２及び二酸化炭素吸着材４を、空隙を有する一つの円柱形とし、円柱の中心軸を回転軸として回転可能としたロータとすることにより、二酸化炭素吸着材２及び二酸化炭素吸着材４が吸着部及び脱着部それぞれに所定時間滞留するように所定の速度で回転させるようにしてもよい。この場合、二酸化炭素吸着材２及び二酸化炭素吸着材４の温度変化の速度を検知して、ロータの回転速度を変動又は停止させてもよい。
【００８５】
流路１には、その上流側で温度を十分に下げたガスを流し、吸着部の二酸化炭素吸着材２に二酸化炭素を吸着させる。二酸化炭素を吸着・分離されたガスは、流路３から排出される。流路３から排出されるガスは、二酸化炭素濃度が低くなる。
【００８６】
脱着部においては、ヒータ５、６によって加熱された二酸化炭素吸着材４から、二酸化炭素が排出され、二酸化炭素回収部１６で二酸化炭素が回収される。流路１７を介して流路７を流れる高濃度ＣＯ２ガスの一部を二酸化炭素吸着材４に循環させることができるようになっている。
【００８７】
本実施例の二酸化炭素回収装置を用いることにより、流路１から導入されるガスの二酸化炭素濃度よりも、流路７の二酸化炭素濃度を高くすることができ、二酸化炭素の回収を促進することができる。
【００８８】
また、流路１に流入するガスが、二酸化炭素だけでなく、水蒸気を含有する場合、二酸化炭素に比べて水蒸気を選択的に吸着（吸収）する吸着材（乾燥材）を流路１に設置してこのガスに含まれる水蒸気を除去した後、そのガスを吸着部の二酸化炭素吸着材２に二酸化炭素を吸着させることが望ましい。これにより、二酸化炭素の吸着分離による回収を更に促進することができる。
【実施例７】
【００８９】
図２は、実施例１〜５の二酸化炭素吸着材を用いた二酸化炭素回収装置の他の例を示す概略構成図である。
【００９０】
本図において図１と異なる点は、流路１に加圧部１１を設けることにより、ＣＯ２含有ガスを加圧して二酸化炭素吸着前の二酸化炭素吸着材２に導入し、二酸化炭素吸着材２における二酸化炭素の吸着量を増加させる点、及び、流路７に減圧部１８を設けることにより、二酸化炭素吸着後の二酸化炭素吸着材４に導入される高濃度ＣＯ２ガスを減圧し、二酸化炭素吸着材４における二酸化炭素の脱着量を増加させる点である。
【００９１】
吸着部及び脱着部をそれぞれ半円筒形とし、二酸化炭素吸着材２及び二酸化炭素吸着材４を、空隙を有する一つの円柱形とし、円柱の中心軸を回転軸として回転可能としたロータとすることにより、二酸化炭素吸着材２及び二酸化炭素吸着材４が吸着部及び脱着部それぞれに所定時間滞留するように所定の速度で回転させるようにしてもよい。この場合、吸着部と脱着部とで内部の圧力が異なるため、ロータの密閉性を確保することが望ましい。ロータの内部に所定の圧力を維持するための仕切り板を放射状に設けてもよい。
【００９２】
本実施例の二酸化炭素回収装置において、二酸化炭素を吸着した二酸化炭素吸着材４は、脱着部において吸着平衡が急激に変化するため、二酸化炭素が急速に脱着し、流路１から導入されるガスの二酸化炭素濃度よりも、流路７の二酸化炭素濃度を高くすることができる。また、流路３を設けることにより、二酸化炭素濃度が低くなったガスを排出することができる。
【００９３】
なお、流路１に流入するガスが、二酸化炭素だけでなく、水蒸気を含有する場合の手段については、実施例６と同様である。
【実施例８】
【００９４】
図３は、実施例１〜５の二酸化炭素吸着材を用いた二酸化炭素回収装置の他の例を示す概略構成図である。
【００９５】
本図に示す二酸化炭素回収装置は、実施例７の吸着部と実施例６の脱着部とを組み合わせたものである。
【実施例９】
【００９６】
図４は、実施例１〜５の二酸化炭素吸着材を用いた二酸化炭素回収装置の他の例を示す概略構成図である。
【００９７】
本図に示す二酸化炭素回収装置は、二酸化炭素吸着材２の重量を測定するための重量計１２（重量測定部）と、二酸化炭素吸着材４の重量を測定するための重量計１３（重量測定部）と、制御部１４とを有する。吸着部の二酸化炭素吸着前の二酸化炭素吸着材２と脱着部の二酸化炭素吸着材４とは、それぞれの設置位置を交換できるように配置されている。
【００９８】
重量計１２及び重量計１３のデータは制御部１４に送られ、制御部１４は、これらのデータを元に二酸化炭素吸着材２と二酸化炭素吸着材４の交換時期を算出し、吸着材を交換する装置（吸着材交換部）に指令信号を発する。
【００９９】
二酸化炭素吸着材２と二酸化炭素吸着材４との交換は、重量計１２から制御部１４に送信されたデータから二酸化炭素吸着量を算出し、二酸化炭素吸着材２の二酸化炭素吸着量が飽和に近くなると、制御部１４から二酸化炭素吸着材２と二酸化炭素吸着材４との交換を指示する信号を発する。
【０１００】
また、流量調整部１５は、減圧部を内蔵していることが望ましい。減圧部を内蔵することにより、二酸化炭素吸着材４の脱着を促進することができる。
【０１０１】
本実施例によれば、二酸化炭素吸着材２の交換を適切な時期に行うことができるため、二酸化炭素の回収効率を向上させることができる。
【０１０２】
本実施例においては、吸着部及び脱着部に重量測定部を設けているが、これに限定されるものではなく、制御部１４は、吸着部又は脱着部に重量測定部を設けて吸着部又は脱着部のいずれかの重量測定部の出力信号の変化量のみを用いて制御を行ってもよい。
【実施例１０】
【０１０３】
図５は、実施例９の二酸化炭素回収装置において、二酸化炭素吸着材２ａ〜２ｃ及び二酸化炭素吸着材４ａ〜４ｃのそれぞれの段数を複数にした構成（二酸化炭素吸着材２ａ〜２ｃ及び二酸化炭素吸着材４ａ〜４ｃを複数段に分割した構成）である。各二酸化炭素吸着材２ａ〜２ｃの重量を測定する重量計１２ａ〜１２ｃ及び二酸化炭素吸着材４ａ〜４ｃの重量を測定する重量計１３ａ〜１３ｃから制御部１４にデータ（出力信号）を送信し、実施例１３と同様、二酸化炭素吸着材２ａ〜２ｃのうち二酸化炭素吸着飽和に近くなるものがあれば、二酸化炭素吸着材４ａ〜４ｃのうち重量が減り、二酸化炭素の脱着が最も進んでいるものと交換を指示する信号を発する。
【０１０４】
本実施例によれば、実施例９と同様の効果が得られるとともに、二酸化炭素を含むガスの流れを止めず、効率良く二酸化炭素吸着材２ａ〜２ｃと二酸化炭素吸着材４ａ〜４ｃの交換を実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明は、二酸化炭素を含む排ガスから二酸化炭素を吸着分離して回収する装置に利用することができる。
【符号の説明】
【０１０６】
１：流路、２：二酸化炭素吸着材、３：流路、４：二酸化炭素吸着材、５、６：ヒータ、７：流路、８、９、１０：バルブ、１１：加圧部、１２、１３：重量計、１４：制御部、１５：流量調整部、１６：二酸化炭素回収部、１７：流路、１８：減圧部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素吸着材及びこれを用いた二酸化炭素回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
温室効果ガスの排出による地球温暖化の問題が広く認識されてきている。温室効果ガスとしては、二酸化炭素（ＣＯ２）、メタン（ＣＨ４）、フロン類（ＣＦＣｓ）等が挙げられるが、排出量が多く、実質的に影響が大きいものは二酸化炭素であり、その排出量の削減が緊急の課題となっている。
【０００３】
特許文献１には、吸収塔と、再生塔とを含み、ＣＯ２吸収液を再生して再利用するＣＯ２回収装置の一例が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、ＣＯ２またはＣＯ２含有ガスを約２０〜１００℃において遷移金属担持ゼオライトと接触させるＣＯ２の吸着方法が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、ＣＯ２と水分を含有する排ガスを、シランカップリング剤を化学結合させた支持体と接触せしめ、ＣＯ２と選択的に吸着させ、脱着する排ガスの処理方法が開示されている。
【０００６】
特許文献４には、ＣＯ２またはＣＯ２含有ガスを約３００〜５００℃において酸化マグネシウムを主成分とした吸着材と接触させるＣＯ２吸着方法が開示されている。
【０００７】
特許文献５には、空孔内に炭酸カリウム水和物を担持して乾燥させた多孔質物質に、水蒸気と二酸化炭素とを含むガスを通過させる二酸化炭素の回収方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２８４２７２号公報
【特許文献２】特開平５−１３１１１６号公報
【特許文献３】特開２００４−２６１６７０号公報
【特許文献４】特開２００１−７０７２６号公報
【特許文献５】特開平８−４０７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、二酸化炭素の吸着能力が高い吸着材を提供するとともに、この吸着材を用いて二酸化炭素回収装置の効率を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の二酸化炭素吸着材は、二酸化炭素を含有するガスから二酸化炭素を吸着・分離するためのものであって、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｙ（イットリウム）及びＣｅ（セリウム）からなる群から選択される少なくとも一種類の元素の酸化物を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、二酸化炭素吸着材の二酸化炭素に対する吸着エネルギーを高め、二酸化炭素の吸着量を増大させることができ、二酸化炭素回収装置の効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例に係る温度操作を利用した二酸化炭素回収装置を示す概略構成図である。
【図２】実施例に係る圧力操作を利用した二酸化炭素回収装置を示す概略構成図である。
【図３】実施例に係る温度操作及び圧力操作を利用した二酸化炭素回収装置を示す概略構成図である。
【図４】実施例に係る二酸化炭素吸着材の交換を制御する制御部を有する二酸化炭素回収装置を示す概略構成図である。
【図５】実施例に係る多段式の二酸化炭素回収装置を示す概略構成図である。
【図６ａ】第一原理計算によって求めたシリカの分子構造を示す模式図である。
【図６ｂ】第一原理計算によって求めた二酸化炭素のシリカへの吸着状態を示す模式図である。
【図７ａ】第一原理計算によって求めたアミン修飾シリカの分子構造を示す模式図である。
【図７ｂ】第一原理計算によって求めた二酸化炭素のアミン修飾シリカへの吸着状態を示す模式図である。
【図８ａ】第一原理計算によって求めた酸化マグネシウムの分子構造を示す模式図である。
【図８ｂ】第一原理計算によって求めた二酸化炭素の酸化マグネシウムへの吸着状態を示す模式図である。
【図９ａ】第一原理計算によって求めたγ−アルミナの分子構造を示す模式図である。
【図９ｂ】第一原理計算によって求めた二酸化炭素のγ−アルミナへの吸着状態を示す模式図である。
【図１０ａ】第一原理計算によって求めた酸化カルシウムの分子構造を示す模式図である。
【図１０ｂ】第一原理計算によって求めた二酸化炭素の酸化カルシウムへの吸着状態を示す模式図である。
【図１１ａ】第一原理計算によって求めた還元状態における酸化イットリウムの分子構造を示す模式図である。
【図１１ｂ】第一原理計算によって求めた還元状態における酸化イットリウムへの二酸化炭素の吸着状態を示す模式図である。
【図１２ａ】第一原理計算によって求めた還元状態におけるセリアの分子構造を示す模式図である。
【図１２ｂ】第一原理計算によって求めた還元状態におけるセリアへの二酸化炭素の吸着状態を示す模式図である。
【図１３ａ】第一原理計算によって求めた酸化状態における酸化イットリウムの分子構造を示す模式図である。
【図１３ｂ】第一原理計算によって求めた酸化状態における酸化イットリウムへの二酸化炭素の吸着状態を示す模式図である。
【図１４ａ】第一原理計算によって求めた酸化状態におけるセリアの分子構造を示す模式図である。
【図１４ｂ】第一原理計算によって求めた酸化状態におけるセリアへの二酸化炭素の吸着状態を示す模式図である。
【図１５】比較例１〜３及び実施例１〜４における二酸化炭素吸着エネルギーを示すグラフである。
【図１６ａ】二酸化炭素のパルス吸着試験装置（準備工程）を示す概略構成図である。
【図１６ｂ】図１６ａのパルス吸着試験装置におけるパルス発生工程を示す部分拡大図である。
【図１７】比較例６及び実施例５の二酸化炭素飽和吸着量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態に係る二酸化炭素吸着材及びこれを用いた二酸化炭素回収装置について説明する。
【００１４】
前記二酸化炭素吸着材は、二酸化炭素を含有するガス（二酸化炭素含有ガス）から二酸化炭素を吸着・分離するためのものである。
【００１５】
前記二酸化炭素吸着材は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｙ（イットリウム）及びＣｅ（セリウム）からなる群から選択される少なくとも一種類の元素の酸化物を含む。
【００１６】
前記二酸化炭素吸着材において、酸化物は、Ｙ２Ｏ３（三酸化二イットリウム）又はＣｅＯ（酸化セリウム）である。
【００１７】
前記二酸化炭素吸着材において、ＣｅＯの表面は（１、１、１）面を有する。
【００１８】
前記二酸化炭素吸着材において、酸化物の表面は還元状態である。
【００１９】
前記二酸化炭素回収装置は、二酸化炭素吸着材を用い、吸着部と、この吸着部で二酸化炭素吸着材に吸着させた二酸化炭素を脱着・回収するための脱着部とを含む。
【００２０】
前記二酸化炭素回収装置において、脱着部は、二酸化炭素吸着材を加熱するための加熱装置を有する。
【００２１】
前記二酸化炭素回収装置は、脱着部を減圧するための減圧部を含む。
【００２２】
前記二酸化炭素回収装置は、吸着部に送る二酸化炭素含有ガスの圧力を増加させるための加圧部を含む。
【００２３】
前記二酸化炭素回収装置は、吸着部と脱着部との間で二酸化炭素吸着材を交換可能としたものである。
【００２４】
前記二酸化炭素回収装置において、吸着部及び／又は脱着部は、二酸化炭素吸着材の重量を測定するための重量測定部を有する。
【００２５】
前記二酸化炭素回収装置は、重量測定部の出力信号の変化量を用いて二酸化炭素吸着材の交換時期の制御を行う制御部を含む。
【００２６】
前記二酸化炭素回収装置は、吸着部及び脱着部のうち少なくとも１つが複数段に分割されている。
【００２７】
前記二酸化炭素吸着材は、５０℃程度の低温では二酸化炭素の吸着によっても炭酸塩を生成しないため、前記二酸化炭素吸着材の再生のためのエネルギーを少なくすることができる。
【００２８】
従来の二酸化炭素吸着材及び実施例の二酸化炭素吸着材について、二酸化炭素の吸着能力を比較するために、第一原理計算により二酸化炭素吸着エネルギーを算出した。
【００２９】
第一原理計算の手法は、表１に示す通りである。
【００３０】
ここで、二酸化炭素吸着エネルギーの算出方法は、下記式（１）によるものとする。下記式（１）は、吸着エネルギーの値が大きいほど二酸化炭素吸着時に安定になることを表している。
【００３１】
（二酸化炭素吸着エネルギー）＝−〔（二酸化炭素吸着後のエネルギー）−｛（二酸化炭素吸着前のエネルギー）＋（二酸化炭素のエネルギー）｝〕 （１）
【００３２】
【表１】
【００３３】
以下、比較例及び実施例の分子構造について説明する。
【００３４】
（比較例１）
ＡＭＣＳＤ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｍｉｎｅｒａｌｏｇｉｓｔ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄａｔａｂａｓｅ）より、Ｓｉ（ケイ素）にＯ（酸素）が四配位しているシリカ（ＳｉＯ２）の構造を入手して担体とした。さらに、シリカの表面に水酸基（ＯＨ基）を導入し、第一原理計算による構造最適化計算を行った（図６ａ）。
【００３５】
（比較例２）
比較例１の二酸化炭素吸着材（以下、単に「吸着材」とも呼ぶ。）において、２つの水酸基の水素の代わりにエチルアミン（−ＣＨ２−ＣＨ２−ＮＨ２）を化学結合させた構造を作成し、構造最適化計算を行った（図７ａ）。これは、特許文献３の吸着材を模したものである。
【００３６】
（比較例３）
Ｍｇ（マグネシウム）とＯ（酸素）との元素の組成比が１：１である酸化マグネシウムの（１００）面を表面とする構造を作製し、構造最適化計算を行った（図８ａ）。これは、特許文献４の吸着材を模したものである。
【実施例１】
【００３７】
γアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の表面について構造最適化計算を行った（図９ａ）。
【実施例２】
【００３８】
酸化カルシウム（ＣａＯ）の表面について構造最適化計算を行った（図１０ａ）。
【実施例３】
【００３９】
酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）の表面について構造最適化計算を行った（図１１ａ）。
【００４０】
本実施例においては、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）の表面の酸素を還元して除去した条件（酸化イットリウムの還元表面）で計算を行った。
【実施例４】
【００４１】
セリア（ＣｅＯ２）の（１、１、１）面について構造最適化計算を行った（図１２ａ）。
【００４２】
本実施例においては、セリア（ＣｅＯ２）の表面の酸素を還元して除去した条件（セリアの還元表面）で計算を行った。
【００４３】
（比較例４）
酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）の表面について構造最適化計算を行った（図１３ａ）。
【００４４】
本比較例においては、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）の表面の酸素を除去していない（大気中に置かれた）条件（酸化イットリウムの酸化表面）で計算を行った。
【００４５】
（比較例５）
セリア（ＣｅＯ２）の（１、１、１）面について構造最適化計算を行った（図１４ａ）。
【００４６】
本比較例においては、セリア（ＣｅＯ２）の表面の酸素を除去していない（大気中に置かれた）条件（セリアの酸化表面）で計算を行った。
【００４７】
上記の比較例１〜５及び実施例１〜４の吸着材について、二酸化炭素が吸着した構造及びエネルギーを求めるため、表１に示す条件で第一原理計算による構造最適化を行った。
【００４８】
各比較例及び各実施例の吸着材への二酸化炭素の吸着状態を示す構造図を図６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂ、１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ及び１４ｂに示す。
【００４９】
図６ｂ（比較例１）において、二酸化炭素は、シリカと化学結合を形成せず、静電気的な力によって物理吸着している。このことから、シリカにおける二酸化炭素の吸着エネルギーは小さいことがわかる。
【００５０】
図７ｂ（比較例２）において、二酸化炭素は、二つのアミンに挟まれるように吸着している。これは、−ＮＨ２＋−ＮＨ２＋ＣＯ２→−ＮＨＣＯ２（−）＋−ＮＨ３（＋）の反応により安定している状態を示している。
【００５１】
図８ｂ（比較例３）においては、二酸化炭素の二つの酸素原子（Ｏ）が酸化マグネシウムのマグネシウム原子（Ｍｇ）と結合し、二酸化炭素の炭素原子（Ｃ）が酸化マグネシウムの酸素原子（Ｏ）と結合して安定している状態を示している。
【００５２】
図９ｂ（実施例１）においては、二酸化炭素の二つの酸素原子（Ｏ）がγアルミナのアルミニウム原子（Ａｌ）と結合して安定している状態を示している。
【００５３】
図１０ｂ（実施例２）においては、二酸化炭素の二つの酸素原子（Ｏ）が酸化カルシウムのアルミニウム原子（Ｃａ）と結合して安定している状態を示している。
【００５４】
図１１ｂ（実施例３）においては、二酸化炭素の二つの酸素原子（Ｏ）が酸化イットリウムのイットリウム原子（Ｙ）と結合し、二酸化炭素の炭素原子（Ｃ）が酸化イットリウムの酸素原子（Ｏ）と結合して安定している状態を示している。
【００５５】
図１２ｂ（実施例４）においては、二酸化炭素の二つの酸素原子（Ｏ）がセリアのセリウム原子（Ｃｅ）と結合して安定している状態を示している。
【００５６】
図１３ｂ（比較例４）においては、二酸化炭素の一つの酸素原子（Ｏ）が酸化イットリウムのイットリウム原子（Ｙ）と結合している。図１１ｂと比較すると、二酸化炭素と酸化イットリウムの表面との距離が大きくなっている。このことから、酸化イットリウムにおける二酸化炭素の吸着エネルギーは小さいことがわかる。
【００５７】
図１４ｂ（比較例５）においては、二酸化炭素の一つの酸素原子（Ｏ）がセリアのセリウム原子（Ｃｅ）と結合している。図１２ｂと比較すると、二酸化炭素とセリアの表面との距離が大きくなっている。このことから、セリアにおける二酸化炭素の吸着エネルギーは小さいことがわかる。
【００５８】
表２は、比較例１〜３及び実施例１〜４の吸着材について二酸化炭素吸着エネルギーを示したものである。
【００５９】
【表２】
【００６０】
図１５は、表２の値をグラフに示したものである。
【００６１】
表２及び図１５に示す通り、アミンで修飾したシリカ（比較例２）及び酸化マグネシウム（比較例３）による二酸化炭素吸着エネルギーと比べ、実施例１〜４においては、二酸化炭素吸着エネルギーが大きくなっており、二酸化炭素吸着能力が向上している。
【００６２】
吸着材を構成する結晶の吸着サイトの二酸化炭素吸着能力が高ければ、二酸化炭素吸着サイトへ二酸化炭素が吸着する確率が向上し、二酸化炭素吸着量は増加することは明らかである。このことから、二酸化炭素吸着材の材料成分としては、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｙ（イットリウム）及びＣｅ（セリウム）からなる群から選択される少なくとも一種類の元素を含む酸化物が好適であることがわかる。
【００６３】
表３は、実施例４（セリアの還元表面）、実施例３（酸化イットリウムの還元表面）、比較例５（セリアの酸化表面）及び比較例４（酸化イットリウムの酸化表面）について二酸化炭素吸着エネルギーを示したものである。
【００６４】
【表３】
【００６５】
本表から、還元表面の方が酸化表面に比べて二酸化炭素吸着エネルギーが一桁大きいことがわかる。
【００６６】
下記の比較例６及び実施例５は、二酸化炭素の吸着量を調べるために比較例２及び実施例４の二酸化炭素吸着材を実際に作製したものである。これらの二酸化炭素吸着材について二酸化炭素吸着量を測定した。
【００６７】
（比較例６）
特許文献３に記載された方法に準拠して、ＡＥＡＰＳ（Ｎ−（２−アミノエチル）−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、ＮＨ２（ＣＨ２）２ＮＨ（ＣＨ２）３Ｓｉ（ＯＣＨ３）３）で修飾したメソポーラスシリカ（ＳＢＡ−１５、細孔径３〜１０ｎｍ）を作製した。この吸着材は、アミン修飾メソポーラスシリカと呼ぶことができる。
【００６８】
この吸着材を二酸化炭素吸着試験の前に１５０℃のＨｅ雰囲気中で不純物の脱離処理を１時間実施した。
【実施例５】
【００６９】
セリア（ＣｅＯ２）（第一稀元素化学工業（株）製）を用いて二酸化炭素吸着材とした。二酸化炭素吸着試験前に５００℃のＨｅ雰囲気中で不純物の脱離処理を１時間実施した。
【００７０】
比較例６及び実施例５で作製した二酸化炭素吸着材について、５０℃における二酸化炭素パルス吸着試験を実施し、二酸化炭素吸着量を測定した。
【００７１】
図１６ａは、二酸化炭素パルス吸着試験装置を示す全体構成図である。本図は、パルス試験に用いる１０ｃｃのＣＯ２含有ガスを溜めておくための準備工程を示したものである。
【００７２】
二酸化炭素パルス吸着試験装置は、反応部３０にガスクロマトグラフィ２５及びオートサンプラー２９を接続した構成としてある。
【００７３】
反応部３０は、二酸化炭素吸着材２１を充填する反応管２２を電気炉２３の内部に設けた構成としたものである。反応管２２の周囲には、ヒータ２４（加熱装置）を設けてある。また、二酸化炭素吸着材２１には、熱電対２７が設置してある。
【００７４】
本図に示す準備工程においては、オートサンプラー２９及び配管２６を介してヘリウム（Ｈｅ）ガスを反応管２２に流入させるようにしてある。また、ヘリウム（Ｈｅ）をベースガスとした４％の二酸化炭素を１０ｃｃのサンプル管２８に流通させ、定常的に排気してサンプル管２８の内部を濃度４％の二酸化炭素で置換する。
【００７５】
この準備工程は、熱電対２７により測定される温度が５０℃で安定するまで継続される。
【００７６】
図１６ｂは、図１６ａのオートサンプラー２９をパルス発生工程に切り替えた状態を示したものである。
【００７７】
このパルス発生工程においては、４％の二酸化炭素を含むＣＯ２含有ガスを１０ｃｃ反応管２２に流入させて二酸化炭素のパルスを二酸化炭素吸着材２１に接触させる。そして、反応管２２を通過したガスを後段のガスクロマトグラフィ２５によって二酸化炭素の累積排出量を測定する。
【００７８】
上記の準備工程及びパルス発生工程をそれぞれ２分及び６分で交互に繰り返して、二酸化炭素吸着材への飽和吸着量を求めた。
【００７９】
比較例６及び実施例５の二酸化炭素飽和吸着量を図１７に示す。
【００８０】
比較例６及び実施例５の二酸化炭素吸着材１ｍｏｌ（モル）当たりの二酸化炭素吸着量は、それぞれ１２ｍｍｏｌ（ミリモル）及び２３ｍｍｏｌであり、実施例５の方が比較例６に比べて吸着量が多いことを確認した。
【実施例６】
【００８１】
図１は、実施例１〜５の二酸化炭素吸着材を用いた二酸化炭素回収装置の例を示す概略構成図である。
【００８２】
本図において、二酸化炭素回収装置は、二酸化炭素を含有するガス（ＣＯ２含有ガス）を導入するための流路１と、二酸化炭素吸着前の二酸化炭素吸着材２と、二酸化炭素吸着材２によって二酸化炭素が除去されたＣＯ２除去ガスが流れる流路３とを接続した吸着部、及び、ヒータ５、６を有し、二酸化炭素吸着後の二酸化炭素吸着材４と、二酸化炭素吸着材４から流出する高濃度ＣＯ２ガスを流し、二酸化炭素回収部１６に接続するための流路７と、循環流路１７とを接続した脱着部を含む構成である。流路１、７にはそれぞれ、バルブ８、１０が設けられ、循環流路１７には、バルブ９が設けられ、二酸化炭素の流量を調整することができるようにしてある。
【００８３】
吸着部の二酸化炭素吸着前の二酸化炭素吸着材２と脱着部の二酸化炭素吸着材４とは、それぞれの設置位置を交換できるように配置されている。
【００８４】
吸着部及び脱着部をそれぞれ半円筒形とし、二酸化炭素吸着材２及び二酸化炭素吸着材４を、空隙を有する一つの円柱形とし、円柱の中心軸を回転軸として回転可能としたロータとすることにより、二酸化炭素吸着材２及び二酸化炭素吸着材４が吸着部及び脱着部それぞれに所定時間滞留するように所定の速度で回転させるようにしてもよい。この場合、二酸化炭素吸着材２及び二酸化炭素吸着材４の温度変化の速度を検知して、ロータの回転速度を変動又は停止させてもよい。
【００８５】
流路１には、その上流側で温度を十分に下げたガスを流し、吸着部の二酸化炭素吸着材２に二酸化炭素を吸着させる。二酸化炭素を吸着・分離されたガスは、流路３から排出される。流路３から排出されるガスは、二酸化炭素濃度が低くなる。
【００８６】
脱着部においては、ヒータ５、６によって加熱された二酸化炭素吸着材４から、二酸化炭素が排出され、二酸化炭素回収部１６で二酸化炭素が回収される。流路１７を介して流路７を流れる高濃度ＣＯ２ガスの一部を二酸化炭素吸着材４に循環させることができるようになっている。
【００８７】
本実施例の二酸化炭素回収装置を用いることにより、流路１から導入されるガスの二酸化炭素濃度よりも、流路７の二酸化炭素濃度を高くすることができ、二酸化炭素の回収を促進することができる。
【００８８】
また、流路１に流入するガスが、二酸化炭素だけでなく、水蒸気を含有する場合、二酸化炭素に比べて水蒸気を選択的に吸着（吸収）する吸着材（乾燥材）を流路１に設置してこのガスに含まれる水蒸気を除去した後、そのガスを吸着部の二酸化炭素吸着材２に二酸化炭素を吸着させることが望ましい。これにより、二酸化炭素の吸着分離による回収を更に促進することができる。
【実施例７】
【００８９】
図２は、実施例１〜５の二酸化炭素吸着材を用いた二酸化炭素回収装置の他の例を示す概略構成図である。
【００９０】
本図において図１と異なる点は、流路１に加圧部１１を設けることにより、ＣＯ２含有ガスを加圧して二酸化炭素吸着前の二酸化炭素吸着材２に導入し、二酸化炭素吸着材２における二酸化炭素の吸着量を増加させる点、及び、流路７に減圧部１８を設けることにより、二酸化炭素吸着後の二酸化炭素吸着材４に導入される高濃度ＣＯ２ガスを減圧し、二酸化炭素吸着材４における二酸化炭素の脱着量を増加させる点である。
【００９１】
吸着部及び脱着部をそれぞれ半円筒形とし、二酸化炭素吸着材２及び二酸化炭素吸着材４を、空隙を有する一つの円柱形とし、円柱の中心軸を回転軸として回転可能としたロータとすることにより、二酸化炭素吸着材２及び二酸化炭素吸着材４が吸着部及び脱着部それぞれに所定時間滞留するように所定の速度で回転させるようにしてもよい。この場合、吸着部と脱着部とで内部の圧力が異なるため、ロータの密閉性を確保することが望ましい。ロータの内部に所定の圧力を維持するための仕切り板を放射状に設けてもよい。
【００９２】
本実施例の二酸化炭素回収装置において、二酸化炭素を吸着した二酸化炭素吸着材４は、脱着部において吸着平衡が急激に変化するため、二酸化炭素が急速に脱着し、流路１から導入されるガスの二酸化炭素濃度よりも、流路７の二酸化炭素濃度を高くすることができる。また、流路３を設けることにより、二酸化炭素濃度が低くなったガスを排出することができる。
【００９３】
なお、流路１に流入するガスが、二酸化炭素だけでなく、水蒸気を含有する場合の手段については、実施例６と同様である。
【実施例８】
【００９４】
図３は、実施例１〜５の二酸化炭素吸着材を用いた二酸化炭素回収装置の他の例を示す概略構成図である。
【００９５】
本図に示す二酸化炭素回収装置は、実施例７の吸着部と実施例６の脱着部とを組み合わせたものである。
【実施例９】
【００９６】
図４は、実施例１〜５の二酸化炭素吸着材を用いた二酸化炭素回収装置の他の例を示す概略構成図である。
【００９７】
本図に示す二酸化炭素回収装置は、二酸化炭素吸着材２の重量を測定するための重量計１２（重量測定部）と、二酸化炭素吸着材４の重量を測定するための重量計１３（重量測定部）と、制御部１４とを有する。吸着部の二酸化炭素吸着前の二酸化炭素吸着材２と脱着部の二酸化炭素吸着材４とは、それぞれの設置位置を交換できるように配置されている。
【００９８】
重量計１２及び重量計１３のデータは制御部１４に送られ、制御部１４は、これらのデータを元に二酸化炭素吸着材２と二酸化炭素吸着材４の交換時期を算出し、吸着材を交換する装置（吸着材交換部）に指令信号を発する。
【００９９】
二酸化炭素吸着材２と二酸化炭素吸着材４との交換は、重量計１２から制御部１４に送信されたデータから二酸化炭素吸着量を算出し、二酸化炭素吸着材２の二酸化炭素吸着量が飽和に近くなると、制御部１４から二酸化炭素吸着材２と二酸化炭素吸着材４との交換を指示する信号を発する。
【０１００】
また、流量調整部１５は、減圧部を内蔵していることが望ましい。減圧部を内蔵することにより、二酸化炭素吸着材４の脱着を促進することができる。
【０１０１】
本実施例によれば、二酸化炭素吸着材２の交換を適切な時期に行うことができるため、二酸化炭素の回収効率を向上させることができる。
【０１０２】
本実施例においては、吸着部及び脱着部に重量測定部を設けているが、これに限定されるものではなく、制御部１４は、吸着部又は脱着部に重量測定部を設けて吸着部又は脱着部のいずれかの重量測定部の出力信号の変化量のみを用いて制御を行ってもよい。
【実施例１０】
【０１０３】
図５は、実施例９の二酸化炭素回収装置において、二酸化炭素吸着材２ａ〜２ｃ及び二酸化炭素吸着材４ａ〜４ｃのそれぞれの段数を複数にした構成（二酸化炭素吸着材２ａ〜２ｃ及び二酸化炭素吸着材４ａ〜４ｃを複数段に分割した構成）である。各二酸化炭素吸着材２ａ〜２ｃの重量を測定する重量計１２ａ〜１２ｃ及び二酸化炭素吸着材４ａ〜４ｃの重量を測定する重量計１３ａ〜１３ｃから制御部１４にデータ（出力信号）を送信し、実施例１３と同様、二酸化炭素吸着材２ａ〜２ｃのうち二酸化炭素吸着飽和に近くなるものがあれば、二酸化炭素吸着材４ａ〜４ｃのうち重量が減り、二酸化炭素の脱着が最も進んでいるものと交換を指示する信号を発する。
【０１０４】
本実施例によれば、実施例９と同様の効果が得られるとともに、二酸化炭素を含むガスの流れを止めず、効率良く二酸化炭素吸着材２ａ〜２ｃと二酸化炭素吸着材４ａ〜４ｃの交換を実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明は、二酸化炭素を含む排ガスから二酸化炭素を吸着分離して回収する装置に利用することができる。
【符号の説明】
【０１０６】
１：流路、２：二酸化炭素吸着材、３：流路、４：二酸化炭素吸着材、５、６：ヒータ、７：流路、８、９、１０：バルブ、１１：加圧部、１２、１３：重量計、１４：制御部、１５：流量調整部、１６：二酸化炭素回収部、１７：流路、１８：減圧部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を含有するガスから二酸化炭素を吸着・分離するための二酸化炭素吸着材であって、Ａｌ、Ｃａ、Ｙ及びＣｅからなる群から選択される少なくとも一種類の元素の酸化物を含むことを特徴とする二酸化炭素吸着材。
【請求項２】
前記酸化物は、Ｙ２Ｏ３又はＣｅＯであることを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素吸着材。
【請求項３】
前記ＣｅＯの表面が（１、１、１）面を有することを特徴とする請求項２記載の二酸化炭素吸着材。
【請求項４】
前記酸化物の表面が還元状態であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の二酸化炭素吸着材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の二酸化炭素吸着材を用い、吸着部と、この吸着部で前記二酸化炭素吸着材に吸着させた二酸化炭素を脱着・回収するための脱着部とを含むことを特徴とする二酸化炭素回収装置。
【請求項６】
前記脱着部は、前記二酸化炭素吸着材を加熱するための加熱装置を有することを特徴とする請求項５記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項７】
前記脱着部を減圧するための減圧部を含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項８】
前記吸着部に送る前記ガスの圧力を増加させるための加圧部を含むことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項９】
前記吸着部と前記脱着部との間で前記二酸化炭素吸着材を交換可能としたことを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項１０】
前記吸着部及び／又は前記脱着部は、前記二酸化炭素吸着材の重量を測定するための重量測定部を有することを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項に記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項１１】
前記重量測定部の出力信号の変化量を用いて前記二酸化炭素吸着材の交換時期の制御を行う制御部を含むことを特徴とする請求項１０記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項１２】
前記吸着部及び前記脱着部のうち少なくとも１つが複数段に分割されていることを特徴とする請求項５〜１１のいずれか一項に記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項１】
二酸化炭素を含有するガスから二酸化炭素を吸着・分離するための二酸化炭素吸着材であって、Ａｌ、Ｃａ、Ｙ及びＣｅからなる群から選択される少なくとも一種類の元素の酸化物を含むことを特徴とする二酸化炭素吸着材。
【請求項２】
前記酸化物は、Ｙ２Ｏ３又はＣｅＯであることを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素吸着材。
【請求項３】
前記ＣｅＯの表面が（１、１、１）面を有することを特徴とする請求項２記載の二酸化炭素吸着材。
【請求項４】
前記酸化物の表面が還元状態であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の二酸化炭素吸着材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の二酸化炭素吸着材を用い、吸着部と、この吸着部で前記二酸化炭素吸着材に吸着させた二酸化炭素を脱着・回収するための脱着部とを含むことを特徴とする二酸化炭素回収装置。
【請求項６】
前記脱着部は、前記二酸化炭素吸着材を加熱するための加熱装置を有することを特徴とする請求項５記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項７】
前記脱着部を減圧するための減圧部を含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項８】
前記吸着部に送る前記ガスの圧力を増加させるための加圧部を含むことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項９】
前記吸着部と前記脱着部との間で前記二酸化炭素吸着材を交換可能としたことを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項１０】
前記吸着部及び／又は前記脱着部は、前記二酸化炭素吸着材の重量を測定するための重量測定部を有することを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項に記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項１１】
前記重量測定部の出力信号の変化量を用いて前記二酸化炭素吸着材の交換時期の制御を行う制御部を含むことを特徴とする請求項１０記載の二酸化炭素回収装置。
【請求項１２】
前記吸着部及び前記脱着部のうち少なくとも１つが複数段に分割されていることを特徴とする請求項５〜１１のいずれか一項に記載の二酸化炭素回収装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１１ａ】
【図１１ｂ】
【図１２ａ】
【図１２ｂ】
【図１３ａ】
【図１３ｂ】
【図１４ａ】
【図１４ｂ】
【図１５】
【図１６ａ】
【図１６ｂ】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１１ａ】
【図１１ｂ】
【図１２ａ】
【図１２ｂ】
【図１３ａ】
【図１３ｂ】
【図１４ａ】
【図１４ｂ】
【図１５】
【図１６ａ】
【図１６ｂ】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−１７３０５９（Ｐ２０１１−１７３０５９Ａ）
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３８５７４（Ｐ２０１０−３８５７４）
【出願日】平成２２年２月２４日（２０１０．２．２４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２４日（２０１０．２．２４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]