(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉される空間に配置される炭酸ガス吸収材の生物存在下の温度での使用方法であって、
炭酸ガス吸収材として炭酸ガスと反応して炭酸リチウムを生成するリチウムシリケートを用いることを特徴とする密閉空間用炭酸ガス吸収方法。
【請求項２】
密閉される空間に配置される炭酸ガス吸収材の生物存在下の温度での使用方法であって、
炭酸ガス吸収材として、炭酸ガスと反応して炭酸リチウムを生成する、平均粒径が０．１〜２．０μｍの範囲内にあるリチウムシリケートを用いることを特徴とする密閉空間用炭酸ガス吸収方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉空間用炭酸ガス吸収材に係り、特に、生物が居住し、実質的に密閉された空間に配置される密閉空間用炭酸ガス吸収方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙船や、潜水艦など外部環境から隔離された密閉された部屋においては、人間など部屋に存在する生物から吐き出される炭酸ガスの除去が必要である。
【０００３】
従来、このような密閉された室内の炭酸ガスの除去は、アルカノールアミン系溶液、水酸化リチウムなどによる化学吸収材、あるいはゼオライト、活性炭、シリカゲルなどによる物理吸着が知られている。
【０００４】
しかしながら、アルカノールアミン、ゼオライト、活性炭、シリカゲルなどは、素材の体積当たりの炭酸ガス吸収能力が小さいために、吸収装置としての容積が大きくなり、密閉空間の有効利用が阻害されるという問題があった。
【０００５】
水酸化リチウムは、比較的軽量で素材の体積当たりの炭酸ガス吸収能力も高いが、炭酸ガスを放出する逆反応が、１０００℃以上の高温下でないと進行しないため、実質的に使い捨ての吸収材になってしまうという問題があった。
【０００６】
一方、特開平９−９９２１４号公報には、炭酸ガス吸収材としてリチウムを含有する複合酸化物が開示されている。これには５００℃以上の高温下で、高濃度の炭酸ガスを吸収することが記載されているが、生物が排出する程度の低濃度下、室温下における炭酸ガス吸収能については何等言及されていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、室温下で利用する従来の炭酸ガス吸収材は、炭酸ガス吸収能力が小さいために、吸収装置の容積が大きくなり、限られた密閉空間の有効利用が損なわれるという問題や、炭酸ガス吸収能力が高いものにおいては、再利用が困難であるという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みて為されたものであり、生物が居住する、実質的に密閉された空間に配置され、炭酸ガスの吸収能が高く、さらに繰り返し使用可能な密閉空間用炭酸ガス吸収方法を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の密閉空間用炭酸ガス吸収方法は、密閉される空間に配置される炭酸ガス吸収材の生物存在下の温度での使用方法であって、炭酸ガス吸収材として炭酸ガスと反応して炭酸リチウムを生成するリチウムシリケートを用いることを特徴とする。
【００１０】
本発明者らは、リチウムシリケート、リチウム化ジルコニアなどのリチウム含有複合酸化物が、単位体積当たりの炭酸ガス吸収量が多い材料であるだけでなく、高温下での使用に比べ吸収速度は遅いものの室温、低炭酸ガス濃度下においても炭酸ガスを吸収できることを確認し本発明に至った。
【００１１】
また、これらのリチウム含有複合酸化物は、加熱することで炭酸ガスを放出するため、繰り返し炭酸ガス吸収材として利用できる。
【００１２】
特に、前記リチウムを含有する複合酸化物は、リチウムシリケートであることが望ましい。
【００１３】
さらに、前記リチウムシリケートは、平均粒径は０．１〜２．０μｍの範囲内であることが望ましい。
前述したリチウムを含有する炭酸ガス吸収材のうち、特にリチウムシリケートは低温（生物が生存し得る温度）での炭酸ガス吸収速度が早い。またその粒径を小さくすることでより炭酸ガス吸収速度を速めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関わる炭酸ガス吸収材および炭酸ガス吸収方法を詳細に説明する。
【００１５】
図１は密閉空間での炭酸ガス吸収方法を示す図である。
【００１６】
生物１が居住する部屋２は、宇宙船や潜水艦などの人間が居住可能な空間であり、例えば実質的に密閉され、内部が０〜５０℃程度に保持されている。また、部屋２に居住する生物１は、人間に限らず動植物、あるいは微生物であっても良い。本発明に係る密閉される空間とは、宇宙船や潜水艦などのように厳密に密閉された空間に限られず、トンネルなど換気性の低い空間であっても良いし、醗酵性の食品などをパッキングした容器内としてもよい。
【００１７】
このような部屋２内に、炭酸ガス吸収材３が配置されており、生物１が排出した密閉空間内の炭酸ガスを吸収・除去する。
【００１８】
部屋２内に、容器に収容された粉末、あるいはこの粉末を成形した炭酸ガス吸収材３ａを放置するだけでも炭酸ガスを吸収し、部屋２内の炭酸ガスを除去することができる。特に効率の良い炭酸ガス除去を期待する場合には、部屋２内の汚染された空気を送気ファン４などを用いて強制的に炭酸ガス吸収材からなる成形体３ｂに当て、成形体３ｂの細孔を通過した空気を室内に供給することが好ましい。
【００１９】
また、本発明の炭酸ガス吸収材は、水酸化リチウムなどの既知の炭酸ガス吸収材との併用を否定するものではなく、例えば本発明の炭酸ガス吸収材により炭酸ガス濃度を低下させた空気を、さらに既知の炭酸ガス吸収材と接触させてより炭酸ガス濃度の低い空気を供給することも可能である。なお、図中炭酸ガス濃度の高い空気の流れを黒の矢印で、炭酸ガス吸収材によって炭酸ガス濃度が薄くなった空気の流れを白の矢印で示す。
【００２０】
次に、本発明の炭酸ガス吸収材について説明する。
【００２１】
本発明の炭酸ガス吸収材は、炭酸ガスとの反応によって炭酸リチウムを生成するリチウムを含有する複合酸化物であればどのような物質でも使用できる。例えば、鉄、ニッケル、ジルコニウム、珪素などと、リチウムを含有する複合酸化物を使用できる。
【００２２】
これらの炭酸ガス吸収材は、以下に示す（１）〜（４）式の反応によって炭酸ガスを吸収し、その逆反応によって炭酸ガスを放出する。
Ｌｉ２ＮｉＯ２（ｓ）＋ＣＯ２（ｇ）→ＮｉＯ（ｓ）＋Ｌｉ２ＣＯ３（ｌ）…（１）
２ＬｉＦｅＯ２（ｓ）＋ＣＯ２（ｇ）→Ｆｅ２Ｏ３（ｓ）＋Ｌｉ２ＣＯ３（ｌ）…（２）
Ｌｉ２ＺｒＯ３（ｓ）＋ＣＯ２（ｇ）→ＺｒＯ２（ｓ）＋Ｌｉ２ＣＯ３（ｌ）…（３）
Ｌｉ４ＳｉＯ４（ｓ）＋２ＣＯ２（ｇ）→ＳｉＯ２（ｓ）＋２Ｌｉ２ＣＯ３（ｌ）…（４）
ここで、（３）式、（４）式に示されるリチウムジルコネート、リチウムシリケートの炭酸ガスとの反応は、特に人間などの呼気に含まれるレベルの薄い濃度、室温下での反応速度（吸収速度）が高い。
【００２３】
また、式（１）〜（４）から分かるように、リチウムを含有する複合酸化物の炭酸ガス吸収量は、理論値でＬｉ２ＮｉＯ２、  ＬｉＦｅＯ２  、  Ｌｉ２ＺｒＯ３  、  Ｌｉ４ＳｉＯ４それぞれ１モルに対し、炭酸ガス１モル、０．５モル、１モル、２モルであり、最大炭酸ガス吸収量を考慮した際にはＬｉ４ＳｉＯ４などのリチウムシリケート使用することが望ましい。なお、リチウムシリケートは、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ６Ｓｉ２Ｏ７、Ｌｉ８ＳｉＯ６なども存在するが、炭酸ガス吸収能と製造性の簡略化とを考慮すると、  Ｌｉ４ＳｉＯ４が最も使用に適している。
【００２４】
また、その粒径も解砕・粉砕のプロセスなどにより平均粒径を２．０μｍ以下に制御することが好ましく、さらには０．７μｍ以下とすることが望ましい。また、製造性の面から、通常０．１μｍ以上のものが用いられる。リチウム含有複合酸化物と炭酸ガスとは、リチウム含有酸化物表面にリチウムが拡散し、その表面で炭酸ガスと反応する。そのため炭酸ガス吸収材の粒径が大きいと炭酸ガス吸収材中のリチウムの移動距離が大きくなるために、速度論的な制約が大きくなり、室温付近における炭酸ガスとの反応性が急激に低下してしまう。
【００２５】
本発明の炭酸ガス吸収材の形態は特に限定されるものではない。前述したように平均粒径２．０μｍ以下の粉末形状のまま用いても良いが、例えば円筒状、円盤状、シート状など、この粉末を任意の形状に成形した成形体として使用することができる。
【００２６】
成形方法は、炭酸ガス吸収材粉末を単にプレス成形したものから、有機もしくは無機バインダーを添加して焼成してものでもよい。
【００２７】
また、成形体内部の炭酸ガス吸収材と炭酸ガスとの接触面積を大きくするために、成形体の気孔率は３０％以上６０％以下、さらには４０％以上５０％以下であることが望ましい。
【００２８】
また、本発明の炭酸ガス吸収材は可逆反応を示し、温度制御によって例えば式（１）〜（４）に示す反応の逆反応をさせることができる。すなわち、例えば酸化鉄、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素などの酸化物粉末と、炭酸リチウム粉末とを式（１）〜（４）に示す組成比で混合し、空気中で約６８０℃以上、量産性を考慮すれば１０００℃以上に加熱することで本発明の炭酸ガス吸収材を作ることが可能である。
【００２９】
また、本発明の炭酸ガス吸収材は、通気性のある樹脂性の容器や、紙、布製の容器に収納して使用することで、粉末を所望の形状に維持したり、あるい成形体の保護を図ることもできる。また、使用後の炭酸ガス吸収材を再生する際に、容器ごと加熱する場合には、炭酸ガスが流通できる程度の細孔を持つセラミック多孔質板などの耐熱性の高い材料を容器として使用する必要がある。
【００３０】
ただし、容器に用いるセラミック多孔質板に、炭酸リチウムと反応しやすい材料を選択することが望ましい。例えば、リチウム化ジルコニアを炭酸ガス吸収材として用い、酸化ケイ素からなる容器を使用した場合、使用後の炭酸ガス吸収材を再生する際に、炭酸リチウムと容器の酸化ケイ素とが反応してしまう恐れがある。したがって、炭酸ガス吸収材の反応生成物よりも、炭酸リチウムとの反応速度の遅い材料を選択する必要がある。例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などは、炭酸リチウムとの反応速度が遅く、容器として好ましい材料である。またリチウムアルミネート（ＬｉＡｌＯ２）など炭酸ガスと反応してアルミナに変質する材料を用いることもできる。例えば炭酸ガス吸収材としてリチウムシリケートを使用する場合には酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を使用することもできる。
【００３１】
次に、本発明の炭酸ガス吸収材を用いた炭酸ガス吸収方法について図１を用いて説明する。
【００３２】
次に、炭酸ガス吸収材の再生方法について説明する。
【００３３】
炭酸ガスを吸収した後の炭酸ガス吸収材を密閉空間から取り出し、空気中であれば約６８０℃以上、炭酸ガス中であれば約７８０℃以上の温度で３０分程度以上加熱すれば、式（１）〜（４）に示す反応の逆反応が生じ、リチウムを含有する複合酸化物が再生される。
【００３４】
また、炭酸ガス吸収材の使用前の重量と、使用中の重量を計測することで、炭酸ガス吸収量を知ることができ、ひいては炭酸ガス吸収材の炭酸ガス吸収能力を容易に把握できる。
【００３５】
このように、本発明の密閉空間用炭酸ガス吸収材によれば、低濃度の炭酸ガスを室温で吸収・除去できるために、生物などが居住する空間においても炭酸ガス吸収材として使用可能である。また、使用した炭酸ガス吸収材を簡単な作業で再生することができる。
【００３６】
【実施例】
実施例１
平均粒径１μｍの炭酸リチウム粉末と平均粒径０．８μｍの二酸化珪素粉末をモル比で２：１となるように秤量し、メノウ乳鉢にて１０ｍｉｎ乾式混合した。得られた混合粉末を箱型電気炉にて、大気中９００℃で８ｈ熱処理し、リチウムシリケート（Ｌｉ４ＳｉＯ４）粉末を得た。続いてこのリチウムシリケート粉末を遊星ボールミルにて１６ｈ粉砕し、リチウムシリケート粉末の平均粒径を０．３μｍとした。
【００３７】
平均粒径０．３μｍのリチウムシリケート粉末を金型内に充填し、加圧成形することにより、直径６ｍｍ、厚さ１０ｍｍの大きさで、気孔率４０％の成形体を作製した。
【００３８】
この成形体を５００ｍｌの容器で計り取り、１５ｃｍ角のステンレス板の上に出来るだけ平らになるように広げた。
【００３９】
成形体を載せたステンレス板を１２６ｃｍ立方（気積２ｍ３）の密閉容器に封入した。この密閉容器内には、全体の空気を攪拌する直径２０ｃｍのプロペラが配置されると共に、毎時１２リットルのＣＯ２ガスが中央上部から流入した。
【００４０】
５時間経過後にプロペラ直下でＣＯ２濃度を測定し、炭酸ガス吸収能力を調べた。その結果を表１に示す。
【００４１】
なお、本実施例は１５℃の室温下において行った。
【表１】
0003571987.tif 000002
実施例２、３
二酸化珪素粉末に代えて、酸化ジルコニウム粉末（実施例２）、酸化鉄粉末（実施例３）を用い、リチウムジルコネートからなる成形体、リチウム化フェライトからなる成形体を作成したことを除き、実施例１と同様にして炭酸ガス吸収能力を調べた。その結果を表１に併記する。
【００４２】
実施例４
平均粒径２μｍのリチウムジルコネートから成形体を作成したことを除き実施例１と同様にして炭酸ガス吸収能を調べた。その結果を表１に併記する。
【００４３】
比較例１
炭酸ガス吸収材を封入しなかったことを除き、実施例１と同様にして密閉容器内の炭酸ガス濃度を測定した。その結果を表１に示す。
【００４４】
比較例２
リチウムジルコネートに代えて、ゼオライトを封入したことを除き、実施例１と同様にして炭酸ガス吸収能を調べた。その結果を表１に併記する。
【００４５】
比較例１との比較で、実施例１〜４、比較例２では密閉容器内の炭酸ガスが除去されていることが分かる。
【００４６】
実施例１〜４と比較例２との比較から、本発明の炭酸ガス吸収材の炭酸ガス吸収能力が高いことが分かる。
【００４７】
また、特にリチウムシリケート、リチウムジルコネートの炭酸ガス吸収能が高いことが分かる。
【００４８】
実施例２と実施例４との比較から、平均粒径の小さな炭酸ガス吸収材を使用することで、炭酸ガス吸収能が高まることが分かる。
【００４９】
実施例５
まず、実施例２と同様にして密閉容器中に成形体を封入後、密閉容器中にＣＯ２４％を含む空気を充填し、その後５時間放置することで炭酸ガス吸収材に炭酸ガスを吸収させた。
【００５０】
その後、大気中７００℃で１時間加熱し、炭酸ガス吸収材から炭酸ガスを放出した。
【００５１】
この炭酸ガス吸収材が冷却した後に、実施例２と同様の実験を行い、炭酸ガス吸収能評価を行った。その結果を表２に示す。
【００５２】
また、比較の為に、リチウムシリケートに代えて水酸化リチウムからなる炭酸ガス吸収材を用いて同様の評価を行った。その結果を表２に併記する。
【表２】
0003571987.tif 000003
表２より、リチウムシリケートにおいては繰り返し炭酸ガス吸収ができるのに対し、水酸化リチウムでは再利用ができないことが分かる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、生物存在下の温度の実質的に密閉された空間内において、微量の炭酸ガス吸収材で、低濃度の炭酸ガスを吸収・除去することが可能である。さらに、本発明に用いる炭酸ガス吸収材は、使用した炭酸ガス吸収材を簡単な作業で再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の炭酸ガス吸収材の使用方法を説明するための図。
【符号の説明】
１……生物
２……密閉空間
３ａ……炭酸ガス吸収材
【図１】
0003571987.tif 000004