(57)【要約】  二酸化炭素を含有する処理対象ガスから二酸化炭素を除去するために用いられる吸着剤であって、金属酸化物を含む芯部３と、芯部３の少なくとも一部を被覆する多孔質部５と、を備える粒子１を含む、吸着剤。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を含有する処理対象ガスから二酸化炭素を除去するために用いられる吸着剤であって、
金属酸化物を含む芯部と、当該芯部の少なくとも一部を被覆する多孔質部と、を備える粒子を含む、吸着剤。
【請求項２】
前記金属酸化物がセリウムを含む、請求項１に記載の吸着剤。
【請求項３】
前記多孔質部が炭素材料を含む、請求項１又は２に記載の吸着剤。
【請求項４】
前記吸着剤中のセリウムに対する炭素のモル比が１．３〜１１．０である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の吸着剤。
【請求項５】
金属酸化物を含む芯部と、当該芯部の少なくとも一部を被覆する多孔質部と、を備える粒子を含む吸着剤であって、
前記吸着剤中の金属元素に対する炭素のモル比が１．３〜１１．０である、吸着剤。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の吸着剤を備える、反応容器。
【請求項７】
請求項６に記載の反応容器を備える、二酸化炭素除去装置。
【請求項８】
請求項７に記載の二酸化炭素除去装置を備える、二酸化炭素除去システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸着剤、反応容器、二酸化炭素除去装置及び二酸化炭素除去システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化の原因の一つとして、温室効果ガスの排出が挙げられる。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）などが挙げられる。温室効果ガスの中でも、二酸化炭素の影響が最も大きく、二酸化炭素（火力発電所、製鉄所等のプラントから排出される二酸化炭素など）の除去システムの構築が緊急の課題となっている。【０００３】
上記課題の解決策としては、例えば、化学吸収法、物理吸収法、膜分離法、吸着分離法、深冷分離法等により二酸化炭素を除去する方法が挙げられる。例えば、固体の二酸化炭素吸着剤を用いて二酸化炭素を分離及び回収する方法（ＣＯ２分離回収法）が挙げられる。【０００４】
吸着剤を用いた二酸化炭素除去システムでは、吸着剤を充填した反応容器に、二酸化炭素を含有する処理対象ガスを導入し、吸着剤と処理対象ガスとを大気圧下又は加圧下で接触させることで二酸化炭素を吸着剤に吸着させる。その後、例えば、吸着剤を加熱すること、又は、反応容器内を減圧することで吸着剤から二酸化炭素を脱離させる。二酸化炭素を脱離させた吸着剤は、冷却又は加圧することにより再度二酸化炭素の除去に使用することができる。【０００５】
このような二酸化炭素除去システムにおいては、吸着剤としてゼオライトが主に用いられている。例えば下記特許文献１には、二酸化炭素を含有するガスをゼオライト系の吸着剤に接触させることで吸着剤に二酸化炭素を吸着させた後、吸着剤を加熱することで二酸化炭素を脱離させる二酸化炭素の除去方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１０−５２７７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、プラント等から排出される排出ガスは、二酸化炭素の他に、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含有する場合があり、排出ガスを脱硝工程に供したとしても数十ｐｐｍのＮＯｘが残存し得る。本発明者らの検討の結果、このように微量のＮＯｘと共に水分（水蒸気、Ｈ２Ｏ）を含有する処理対象ガスを用いる場合、ゼオライト等の吸着剤（固体系二酸化炭素捕捉材）が被毒し、ＣＯ２吸着性が低下することが見出された。特許文献１においては、吸着剤のこのような被毒に関する議論はされておらず、また、このような事情を加味した二酸化炭素除去装置の構成について記載がない。【０００８】
そこで、本発明は、二酸化炭素を含有する処理対象ガスが窒素酸化物（ＮＯｘ）及び水分を更に含有する場合であっても、繰り返しの使用におけるＣＯ２吸着性の低下を抑制可能な吸着剤を提供することを目的とする。また、本発明は、前記吸着剤を備える反応容器、当該反応容器を備える二酸化炭素除去装置、及び、当該二酸化炭素除去装置を備える二酸化炭素除去システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、二酸化炭素を含有する処理対象ガスから二酸化炭素を除去するために用いられる吸着剤であって、金属酸化物を含む芯部と、当該芯部の少なくとも一部を被覆する多孔質部と、を備える粒子を含む、吸着剤を提供する。【００１０】
本発明に係る吸着剤によれば、二酸化炭素を含有する処理対象ガスが窒素酸化物（ＮＯｘ）及び水分を更に含有する場合であっても、繰り返しの使用におけるＣＯ２吸着性の低下を抑制することができる。つまり、本発明に係る吸着剤によれば、二酸化炭素を含有する処理対象ガスがＮＯｘ及び水分を更に含有する場合であっても、優れたサイクル特性を得ることができる。【００１１】
ところで、プラント等から排出される排出ガスは、二酸化炭素の他に、硫黄酸化物（ＳＯｘ）を含有する場合があり、排出ガスを脱硫工程に供したとしても数十ｐｐｍのＳＯｘが残存し得る。本発明者らの検討の結果、このように微量のＳＯｘと共に水分を含有する処理対象ガスを用いる場合、ゼオライト等の吸着剤（固体系二酸化炭素捕捉材）が被毒し、ＣＯ２吸着性が低下することが見出されている。一方、本発明に係る吸着剤によれば、二酸化炭素を含有する処理対象ガスがＳＯｘ及び水分を更に含有する場合であっても、繰り返しの使用におけるＣＯ２吸着性の低下を抑制することができる。つまり、本発明に係る吸着剤によれば、二酸化炭素を含有する処理対象ガスがＳＯｘ及び水分を更に含有する場合であっても、優れたサイクル特性を得ることができる。【００１２】
前記金属酸化物は、セリウムを含んでもよい。この場合、繰り返しの使用におけるＣＯ２吸着性の低下を更に抑制することができる。【００１３】
前記多孔質部は、炭素材料を含んでもよい。この場合、繰り返しの使用におけるＣＯ２吸着性の低下を更に抑制することができる。【００１４】
前記吸着剤中のセリウムに対する炭素のモル比は、１．３〜１１．０であってもよい。この場合、繰り返しの使用におけるＣＯ２吸着性の低下を更に抑制することができる。【００１５】
また、本発明は、金属酸化物を含む芯部と、当該芯部の少なくとも一部を被覆する多孔質部と、を備える粒子を含む吸着剤であって、前記吸着剤中の金属元素に対する炭素のモル比が１．３〜１１．０である、吸着剤を提供する。【００１６】
本発明に係る反応容器は、前記吸着剤を備える。前記吸着剤は、ＮＯｘ又はＳＯｘを含有する処理対象ガスからの二酸化炭素の除去を繰り返し行った場合でも吸着剤のＣＯ２吸着性が低下しにくい。そのため、本発明に係る反応容器によれば、二酸化炭素の除去効率を向上させることができる。また、繰り返しの使用によって吸着剤のＣＯ２吸着性が低下した場合には、吸着剤を交換する、吸着剤に吸着したＮＯｘ、ＳＯｘ等を除去するなどの作業が必要となるが、本発明に係る反応器によれば、このような作業負担を低減することができる。【００１７】
本発明に係る二酸化炭素除去装置は、前記反応容器を備える。本発明に係る二酸化炭素除去装置は、二酸化炭素の除去効率に優れる。【００１８】
本発明に係る二酸化炭素除去システムは、前記二酸化炭素除去装置を備える。本発明に係る二酸化炭素除去システムは、二酸化炭素の除去効率に優れる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、二酸化炭素を含有する処理対象ガスが窒素酸化物（ＮＯｘ）及び水分を更に含有する場合であっても、繰り返しの使用によるＣＯ２吸着性の低下を抑制することができる。また、本発明によれば、二酸化炭素を含有する処理対象ガスが硫黄酸化物（ＳＯｘ）及び水分を更に含有する場合であっても、繰り返しの使用におけるＣＯ２吸着性の低下を抑制することができる。本発明によれば、二酸化炭素、水分及び被毒成分（ＮＯｘ及び／又はＳＯｘ）を含有する処理対象ガスからの二酸化炭素の除去への、吸着剤の応用を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、吸着剤粒子の一実施形態の断面を示す模式図である。
【図２】図２は、二酸化炭素除去システムの一実施形態を示す模式図である。
【図３】図３は、二酸化炭素除去システムの他の一実施形態を示す模式図である。
【図４】図４は、実施例及び比較例の吸着剤のＣＯ２吸着量維持率を示すグラフである。
【図５】図５は、実施例及び比較例の吸着剤のセリウム／炭素比（モル比）とＣＯ２吸着量維持率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本明細書において、「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。本明細書中に段階的に記載されている数値範囲において、ある段階の数値範囲の上限値又は下限値は、他の段階の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。本明細書に例示する材料は、特に断らない限り、１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。本明細書において、組成物中の各成分の含有量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００２３】
＜吸着剤＞
本実施形態に係る吸着剤（二酸化炭素捕捉剤）は、二酸化炭素を含有する処理対象ガス（処理の対象となるガス）から二酸化炭素を除去（例えば回収）するために用いられる吸着剤であって、金属酸化物を含む芯部と、当該芯部の少なくとも一部を被覆する多孔質部（多孔質状の被覆部）と、を備える粒子（吸着剤粒子）を含む。
【００２４】
芯部は、ＣＯ２吸着性を有する。そのため、二酸化炭素を含有する処理対象ガスを吸着剤に接触させることで、多孔質部に設けられた細孔を通って二酸化炭素が芯部に接触し、二酸化炭素が芯部に吸着される。これにより、処理対象ガスから二酸化炭素が除去される。
【００２５】
本実施形態に係る吸着剤は、二酸化炭素を含有する処理対象ガスが窒素酸化物（ＮＯｘ）及び水分を更に含有する場合であっても、繰り返しの使用におけるＣＯ２吸着性の低下を抑制することができる（優れたサイクル特性を得ることができる）。また、本実施形態に係る吸着剤は、二酸化炭素を含有する処理対象ガスが硫黄酸化物（ＳＯｘ）及び水分を更に含有する場合であっても、繰り返しの使用におけるＣＯ２吸着性の低下を抑制することができる（優れたサイクル特性を得ることができる）。本実施形態に係る吸着剤は、二酸化炭素、ＮＯｘ、ＳＯｘ及び水分を含有する処理対象ガスから二酸化炭素を除去する場合に特に有用である。本発明者らは、本実施形態に係る吸着剤が前記のような処理対象ガスを用いる場合にも、繰り返しの使用におけるＣＯ２吸着性の低下を抑制することができる理由について次のように推察している。
【００２６】
まず、二酸化炭素、被毒成分（ＮＯｘ又はＳＯｘ）及び水分を含有する処理対象ガスを用いた際の吸着剤の劣化（ＣＯ２吸着性の低下）は、吸着剤表面への水分の吸着に起因すると考えられる。すなわち、前記処理対象ガスが吸着剤に接触した場合、被毒成分が吸着剤粒子の表面に吸着した後、水分がその表面に共吸着することで水分と被毒成分とが反応して酸（硝酸又は硫酸）が生成する（一例として、ＮＯｘと水分とにより硝酸が生成する反応を下記式に示す）。次いで、この酸と、吸着剤に含まれる金属酸化物とが反応することで金属塩（硝酸塩又は硫酸塩）が生成する。そして、この金属塩によって吸着剤のＣＯ２吸着性が低下すると考えられる。一方、本実施形態では、吸着剤粒子の芯部が多孔質部によって被覆されており、当該多孔質部によって芯部表面への水分の吸着が抑制されている。そのため、繰り返しの使用におけるＣＯ２吸着性の低下を抑制することができると推察される。
ＮＯ  ＋  １／２Ｏ２  →  ＮＯ２
３ＮＯ２  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ２ＨＮＯ３  ＋  ＮＯ
【００２７】
本実施形態に係る吸着剤は、芯部と、層状の多孔質部とを有するコアシェル構造を備える粒子を含んでいてもよい。芯部の全表面積に占める多孔質部の被覆率は、１０％以上であってもよく、５０％以上であってもよい。多孔質部の被覆率は、図１に示すように、１００％以下であってもよい。図１に示される吸着剤は、金属酸化物を含む芯部３と、芯部３の少なくとも一部を被覆する多孔質部５と、を備える粒子を含んでおり、芯部３の全体は多孔質部５により被覆されている。
【００２８】
（芯部）
芯部は、少なくとも金属酸化物を含む。金属酸化物は、１種の金属元素を含有する金属酸化物であってもよく、複数種の金属元素を含有する複合金属酸化物であってもよい。金属酸化物は、１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。芯部は、多孔質状であってもよい。
【００２９】
金属酸化物を構成する金属元素としては、特に限定されず、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）等の希土類元素；イットリウム（Ｙ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、Ｉｎ（インジウム）等の遷移金属元素；ナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ケイ素（Ｓｉ）等の典型金属元素などが挙げられる。金属酸化物は、サイクル特性に更に優れる観点から、希土類金属元素及び遷移金属元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属元素を含むことが好ましく、セリウムを含むことがより好ましい。セリウムを含む金属酸化物としては、ＣｅＯｘ（ｘ＝１．５〜２．０）等が挙げられ、具体的には、ＣｅＯ２、Ｃｅ２Ｏ３等が挙げられる。金属酸化物は、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ゼオライト等であってもよい。金属酸化物は、比表面積の向上、耐熱性の向上、使用金属量の低減等の観点から、シリカ、アルミナ又はゼオライトに、稀土類金属（例えばセリウム）及びジルコニウムからなる群より選択される少なくとも１種の金属を含む酸化物（複合酸化物等）が担持されていてもよい。
【００３０】
ところで、ゼオライトは、水分を含有する処理対象ガスに接触すると、二酸化炭素の吸着性が低下する。そのため、処理対象ガスを吸着剤に接触させる前段で、処理対象ガスから水分を除去することが一般的である。例えば、前記特許文献１に記載の二酸化炭素の除去方法においては、処理対象ガスが水分を含有する場合には、処理対象ガスにおける水分の濃度を４００ｐｐｍ以下に低減することが好ましく、２０ｐｐｍ以下に低減することがより好ましいとされている。一方、セリウムを含む金属酸化物は、処理対象ガスが水分を含有する場合であっても優れたＣＯ２吸着性を有する。
【００３１】
金属酸化物は、例えば、多孔質状の金属酸化物（多孔質金属酸化物）又は層状の金属酸化物（層状金属酸化物）であってもよい。金属酸化物としては、比表面積の大きい金属酸化物が好ましく、このような観点では、多孔質状の金属酸化物が好ましい。
【００３２】
層状金属酸化物は、例えば、層状複水酸化物を焼成して得られる酸化物であってもよい。層状複水酸化物は、ハイドロタルサイト状化合物とも呼ばれ、２種類以上の金属元素を含み、その組成は下記式（１）で表すことができる。
［Ｍ（２＋）１−ｘＭ（３＋）ｘ（ＯＨ）２］［Ａ（ｎ−）ｘ／ｎ・ｙＨ２Ｏ］・・・（１）
【００３３】
上記式においてＭ（２＋）は２価の金属イオンであり、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）イオン、マンガン（Ｍｎ）イオン、鉄（Ｆｅ）イオン、コバルト（Ｃｏ）イオン、ニッケル（Ｎｉ）イオン、銅（Ｃｕ）イオン及び亜鉛（Ｚｎ）イオンからなる群より選択される少なくとも１種の金属イオンを表す。Ｍ（３＋）は３価の金属イオンであり、例えば、アルミニウム（Ａｌ）イオン、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）イオン、コバルト（Ｃｏ）イオン、及びインジウム（Ｉｎ）イオンからなる群より選択される少なくとも１種のイオンを表す。Ａ（ｎ−）はｎ価の陰イオンであり、例えば、炭酸イオン、硝酸イオン及び硫酸イオンからなる群より選択される少なくとも１種のイオンを表す。上記式（１）において、Ｍ（２＋）、Ｍ（３＋）及びＡ（ｎ−）は、それぞれ単一のイオンであってもよく、複数種のイオンであってもよい。
【００３４】
金属酸化物を合成する方法としては、含浸法、混練法、共沈法、ゾルゲル法等の調製方法が挙げられる。例えば、セリウムを含む金属酸化物を合成する方法では、セリウムの酸性塩（例えば硝酸塩）を含む溶液に、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム等の塩基性の化合物を加えることでｐＨを７〜１０に調整して沈殿させてもよい。沈殿により酸化物が形成される場合には、沈殿物をそのまま用いてもよく、沈殿物を焼成することにより更に酸化させてもよい。
【００３５】
層状複水酸化物を合成する方法としては、含浸法、混練法、共沈法、ゾルゲル法等の調製方法が挙げられる。例えば、層状複水酸化物を合成する方法では、Ｍｇを含む硝酸塩及びＡｌを含む硝酸塩を含有する溶液に炭酸ナトリウムを添加した後、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム等の塩基性の化合物を加えることでｐＨを８〜１１に調整して沈殿させてもよい。得られる沈殿物は層状複水酸化物であり、沈殿物を焼成することで金属酸化物又は複合金属酸化物を得ることができる。焼成温度は、特に限定されず、例えば２００℃以上であってもよい。
【００３６】
芯部は、金属酸化物以外の成分を含んでいてもよい。このような成分としては、金属酸化物の前駆体（例えば金属塩）由来の成分、固体の有機化合物等が挙げられる。固体の有機化合物としては、塩基性を有する有機化合物が好ましく、例えば、アミノ基を有する有機化合物が挙げられる。
【００３７】
芯部における金属酸化物の含有量は、芯部の全質量を基準として、８０質量％以上であってもよく、９０質量％以上であってもよく、９５質量％以上であってもよい。金属酸化物の含有量は、芯部の全質量を基準として１００質量％以下であってもよい。
【００３８】
（多孔質部）
多孔質部は、芯部の少なくとも一部を被覆している。多孔質部は、例えば、層状である。多孔質部は、吸着剤粒子の外部から芯部に通じる複数の細孔を有している。前記細孔は、例えば、二酸化炭素を透過可能な大きさを有しており、例えば、０．００１〜１μｍの細孔径を有する。
【００３９】
多孔質部は、例えば、金属単体、金属酸化物、炭素材料及び有機化合物（樹脂等）からなる群より選択される少なくとも１種を含む。多孔質部は、炭素材料を含むことが好ましい。多孔質部が炭素材料を含む場合、処理対象ガス中の水分が多孔質部に吸着されやすいため、サイクル特性に更に優れる。多孔質部が炭素材料を含む場合、多孔質部は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、酸素、窒素、ホウ素及び水素からなる群より選択される少なくとも１種の元素を更に含むことが好ましい。これらの元素は、炭素材料とは別に多孔質部に含まれていてもよく、炭素材料中に組み込まれていてもよい。ただし、金属単体及び金属酸化物が被毒成分（ＮＯｘ又はＳＯｘ）及び水分を含む処理対象ガスと接触した場合、上述のメカニズムによって金属塩（金属硝酸塩又は金属硫酸塩）が生成すると考えられるため、吸着剤粒子の表面は、サイクル特性に更に優れる観点から、金属単体及び金属酸化物を含まないことが好ましい。
【００４０】
炭素材料としては、グラファイト、アモルファスカーボン、カーボンファイバー及びカーボンナノチューブからなる群より選択される少なくとも１種を用いることができる。炭素材料は、１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００４１】
炭素材料は、炭素材料の前駆体の焼成物であってもよい。炭素材料の前駆体としては、フェノール樹脂、ナフタリンスルホン酸樹脂、ポリ塩化ビニリデン、カルボキシルメチルセルロース、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリ塩化ビニル、ギルソナイトコークス、石油系又は石炭系メソフェーズピッチ、ピロール、ポリピロール、ポリビニルピロール、３−メチルポリピロール、ビニルピリジン、ポリビニルピリジン、イミダゾール、２−メチルイミダゾ−ル、アニリン、ポリアニリン、ポリアミノビスマレイミド、ポリイミド、ベンゾイミダゾ−ル、ポリベンゾイミダゾ−ル、ポリアミド、アクリロニトリル、ポリアクリロニトリル、キチン、キトサン、絹、毛、ポリアミノ酸、核酸、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ヒドラジン、ヒドラジド、尿素、サレン、ポリカルバゾール、ポリビスマレイミド、トリアジン、メラミン、メラミン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸カリウム、フタロシアニン、フェナントロリン、リボフラビン等が挙げられる。炭素材料の前駆体は、１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００４２】
多孔質部における炭素材料の含有量は、多孔質部の全質量を基準として、８０質量％以上であってもよく、９０質量％以上であってもよく、９５質量％以上であってもよい。炭素材料の含有量は、多孔質部の全質量を基準として１００質量％以下であってもよい。
【００４３】
多孔質部の厚さは、１ｎｍ〜１００μｍが好ましい。多孔質部の厚さが１ｎｍ以上であれば、優れたサイクル特性が得られやすい。多孔質部の厚さが１００μｍ以下であれば、充分なＣＯ２吸着性が得られやすい。
【００４４】
芯部の少なくとも一部を多孔質部で被覆する方法としては、含浸法、混練法、共沈法、ゾルゲル法、イオン交換法、蒸着法等の物理的調製方法；化学反応を利用した調製方法などが挙げられる。例えば、含浸法では、焼成後に吸着剤粒子の芯部を構成する材料（芯材）を溶媒中に分散させた後、多孔質部の前駆体をその溶媒へ添加し、さらに、溶媒を除去することにより吸着剤の前駆体（吸着剤粒子の前駆体）を得る。次いで、吸着剤の前駆体（吸着剤粒子の前駆体）を焼成することで吸着剤（吸着剤粒子）を製造できる。焼成温度は、例えば２００℃以上であってもよい。溶媒は、多孔質部の前駆体を溶解し得るものであれば特に限定されない。上記方法では、芯材及び多孔質部の前駆体の添加量、多孔質部の前駆体の種類等を調整することにより、吸着剤中の金属元素（例えばセリウム）に対する炭素のモル比、多孔質部における炭素材料の含有量、多孔質部の被覆率及び厚さ等を調整することができる。
【００４５】
多孔質部の前駆体は、例えば、上述の炭素材料の前駆体を含む。この場合、炭素材料の前駆体が焼成されることで炭素材料が得られる。多孔質部の前駆体は、炭素材料の前駆体の他に、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の塩（例えば、硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩及び酢酸塩）；酸素、窒素、ホウ素、水素等の元素を有する無機化合物などを更に含んでいてもよい。多孔質部の前駆体がアルカリ金属又はアルカリ土類金属の塩を含む場合、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を含む多孔質部が得られる。また、多孔質部の前駆体が酸素、窒素、ホウ素、水素等の元素を有する無機化合物を含む場合、これらの元素を含む多孔質部が得られる。なお、酸素、窒素、ホウ素、水素等の元素を含む多孔質部を得る方法としては、上記の他に、これらの元素を含むガス（例えば、酸素ガス、アンモニアガス及び水素ガス）を用いて焼成を行う方法、炭素材料の前駆体として、これらの元素を有する有機化合物を用いる方法等が挙げられる。本実施形態では、これらの方法を組み合わせてもよい。
【００４６】
本実施形態に係る吸着剤粒子は、芯部及び多孔質部のみからなっていてもよく、芯部及び多孔質部以外の部分を更に備えていてもよい。
【００４７】
吸着剤粒子の形状は、特に限定されず、例えば、粉状、ペレット状、粒状、ハニカム状等であってもよい。吸着剤粒子の形状は、必要となる反応速度、圧力損失、吸着剤に吸着されるガス（吸着ガス）の純度（ＣＯ２純度）等を勘案して決定すればよい。
【００４８】
吸着剤粒子の平均粒径は、例えば、０．１〜１０ｍｍであってもよい。平均粒径は、レーザ回折計、走査電子顕微鏡等により測定できる。
【００４９】
吸着剤粒子の比表面積は、１０〜５００ｍ２／ｇが好ましい。吸着剤粒子の比表面積が１０ｍ２／ｇ以上であれば、ＣＯ２吸着量が高く、吸着剤として所望の性能が得られやすい。吸着剤粒子の比表面積が５００ｍ２／ｇ以下であれば、多孔質部の割合が高くなりすぎず、体積あたりのＣＯ２吸着量が高くなり、吸着剤として所望の性能が得られやすい。比表面積は、窒素吸着法を用いたＢＥＬＳＯＲＰ−ｍｉｎｉ（日本ベル株式会社製）によりＢＥＴ多点法で測定できる。具体的には、吸着温度を７７Ｋとし、飽和蒸気圧Ｐ０は実測値を用い、吸着ガス圧ＰはＰ０に対するＰを０．００５〜０．５の範囲で変化させる。なお、窒素の吸着断面積は０．１６２ｎｍ２とする。
【００５０】
吸着剤粒子の含有量は、吸着剤の全質量を基準として、８０質量％以上であってもよく、９０質量％以上であってもよく、９５質量％以上であってもよい。炭素材料の含有量は、多孔質部の全質量を基準として１００質量％以下であってもよい。
【００５１】
吸着剤中の金属元素に対する炭素のモル比（炭素／金属元素。炭素成分の合計量／金属元素の合計量）は、下記の範囲であることが好ましい。前記モル比（炭素／金属元素）は、多孔質部による充分な被覆量が得られやすく、優れたサイクル特性が得られやすい観点から、１．３以上が好ましく、１．３より大きいことがより好ましく、１．４以上が更に好ましく、１．５以上が特に好ましい。前記モル比（炭素／金属元素）は、多孔質部の内部における水分残存量が多くなりすぎず、二酸化炭素の吸着が阻害されにくいことから、ＣＯ２の吸脱着サイクルを繰り返した場合であってもＣＯ２吸着性が低下しにくい観点から、１１．０以下が好ましく、１１．０未満がより好ましく、１０．０以下が更に好ましく、８．０以下が特に好ましい。前記モル比（炭素／金属元素）は、高いＣＯ２吸着量が得られやすい観点から、９．０以下が好ましく、８．０以下がより好ましく、７．０以下が更に好ましく、６．０以下が特に好ましく、４．０以下が極めて好ましく、３．０以下が非常に好ましく、２．０以下がより一層好ましい。これらの観点から、前記モル比（炭素／金属元素）は、１．３〜１１．０が好ましい。
【００５２】
吸着剤中のセリウムに対する炭素のモル比（炭素／セリウム）は、下記の範囲であることが好ましい。前記モル比（炭素／セリウム）は、多孔質部による充分な被覆量が得られやすく、優れたサイクル特性が得られやすい観点から、１．３以上が好ましく、１．３より大きいことがより好ましく、１．４以上が更に好ましく、１．５以上が特に好ましい。前記モル比（炭素／セリウム）は、多孔質部の内部における水分残存量が多くなりすぎず、二酸化炭素の吸着が阻害されにくいことから、ＣＯ２の吸脱着サイクルを繰り返した場合であってもＣＯ２吸着性が低下しにくい観点から、１１以下が好ましく、１１．０未満がより好ましく、１０．０以下が更に好ましく、８．０以下が特に好ましい。前記モル比（炭素／セリウム）は、高いＣＯ２吸着量が得られやすい観点から、９．０以下が好ましく、８．０以下がより好ましく、７．０以下が更に好ましく、６．０以下が特に好ましく、４．０以下が極めて好ましく、３．０以下が非常に好ましく、２．０以下がより一層好ましい。これらの観点から、前記モル比（炭素／セリウム）は、１．３〜１１．０が好ましい。
【００５３】
前記モル比は、蛍光Ｘ線分析装置（ＺＳＸ  Ｐｒｉｍｕｓ２、株式会社リガク製）を用いた吸着剤の組成分析により測定できる。測定条件及び測定方法は、以下のとおりである。
Ｘ線管：Ｒｈターゲット
Ｘ線出力：３ｋＷ
測定室雰囲気：真空
分析径：１０ｍｍΦ
測定方法：感度ライブラリーを用いたファンダメンタルパラメーター法により定量
【００５４】
＜二酸化炭素の除去方法＞
次に、本実施形態に係る吸着剤を用いた二酸化炭素の除去方法について説明する。二酸化炭素の除去方法は、二酸化炭素を含有する処理対象ガスを吸着剤に接触させて二酸化炭素を吸着剤に吸着させる吸着工程を備える。
【００５５】
処理対象ガスは、例えば、少なくとも二酸化炭素（ＣＯ２）及び水分（水蒸気、Ｈ２Ｏ）を含有する。処理対象ガスは、二酸化炭素以外の成分を含有してもよく、例えば、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、揮発性有機物（ＶＯＣ）等を含有していてもよい。本実施形態に係る吸着剤は、処理対象ガスが、二酸化炭素と、水分と、ＮＯｘ及び／又はＳＯｘとを含有する場合に優れたサイクル特性を発揮できる。このような処理対象ガスの具体例としては、プラント（特に大規模プラント）等から排出されるガスなどが挙げられる。
【００５６】
処理対象ガスにおけるＣＯ２濃度は、特に限定されず、例えば、０．０００１〜０．０１体積％であってもよく、０．０１１〜０．１体積％であってもよく、０．１１〜１０体積％であってもよい。一方、セリウムを含む金属酸化物を吸着剤が含む場合、ＣＯ２濃度は、処理対象ガスの全体積基準で、１０００ｐｐｍ以下であってもよく、７５０ｐｐｍ以下であってもよく、５００ｐｐｍ以下であってもよい。セリウムを含む金属酸化物は、ＣＯ２濃度が１０００ｐｐｍ以下である場合に優れたＣＯ２吸着性を発揮できる。そのため、セリウムを含む金属酸化物を吸着剤が含む場合にＣＯ２濃度が上記範囲であれば、優れたＣＯ２吸着性が確認されやすい。また、セリウムを含む金属酸化物を吸着剤が含む場合、ＣＯ２濃度は、二酸化炭素の除去量が多くなりやすい観点から、処理対象ガスの全体積基準で、１００ｐｐｍ以上であってもよく、２００ｐｐｍ以上であってもよく、４００ｐｐｍ以上であってもよい。
【００５７】
処理対象ガスがＮＯｘを含有する場合、処理対象ガスにおけるＮＯｘ濃度は、優れたサイクル特性が確認されやすい観点から、処理対象ガスの全体積基準で、０．０００１体積％以上であってもよく、０．００１体積％以上であってもよく、０．０１体積％以上であってもよい。ＮＯｘ濃度は、ＣＯ２吸着性が維持されやすい観点から、処理対象ガスの全体積基準で、１０体積％以下であってもよく、１体積％以下であってもよく、０．１体積％以下であってもよい。
【００５８】
処理対象ガスがＳＯｘを含有する場合、処理対象ガスにおけるＳＯｘ濃度は、優れたサイクル特性が確認されやすい観点から、処理対象ガスの全体積基準で、０．０００１体積％以上であってもよく、０．００１体積％以上であってもよく、０．０１体積％以上であってもよい。ＳＯｘ濃度は、ＣＯ２吸着性が維持されやすい観点から、処理対象ガスの全体積基準で、１０体積％以下であってもよく、１体積％以下であってもよく、０．１体積％以下であってもよい。
【００５９】
処理対象ガスにおける水分濃度は、優れたサイクル特性が確認されやすい観点から、処理対象ガスの全体積基準で、０．０００１体積％以上であってもよく、０．００１体積％以上であってもよく、０．０１体積％以上であってもよい。水分濃度は、ＣＯ２吸着性が維持されやすい観点から、処理対象ガスの全体積基準で、１０体積％以下であってもよく、１体積％以下であってもよく、０．１体積％以下であってもよい。特に、セリウムを含む金属酸化物を吸着剤が含む場合、水分濃度は上記範囲であることが好ましい。
【００６０】
吸着工程において処理対象ガスを吸着剤に接触させる際の吸着剤の温度Ｔ１を調整することにより、ＣＯ２吸着量を調整することができる。温度Ｔ１が高いほど吸着剤のＣＯ２吸着量が少なくなりやすい。温度Ｔ１は、−２０〜１００℃であってもよく、１０〜４０℃であってもよい。
【００６１】
吸着剤の温度Ｔ１は、吸着剤を加熱又は冷却することにより調整されてもよく、加熱及び冷却を併用してもよい。また、処理対象ガスを加熱又は冷却することにより間接的に吸着剤の温度Ｔ１を調整してもよい。吸着剤を加熱する方法としては、熱媒（例えば、加熱されたガス又は液体）を直接吸着剤に接触させる方法；伝熱管等に熱媒（例えば、加熱されたガス又は液体）を流通させ、伝熱面からの熱伝導により吸着剤を加熱する方法；電気的に発熱させた電気炉等により吸着剤を加熱する方法などが挙げられる。吸着剤を冷却する方法としては、冷媒（例えば、冷却されたガス又は液体）を直接吸着剤に接触させる方法；伝熱管等に冷媒（例えば、冷却されたガス又は液体）を流通させ、伝熱面からの熱伝導により冷却する方法などが挙げられる。
【００６２】
吸着工程において、吸着剤の存在する雰囲気の全圧（例えば、吸着剤を含む反応容器内の全圧）を調整することにより、ＣＯ２吸着量を調整することができる。全圧が高いほど吸着剤のＣＯ２吸着量が多くなりやすい。全圧は、二酸化炭素の除去効率が更に向上する観点から、０．１気圧以上が好ましく、１気圧以上がより好ましい。全圧は、省エネルギーの観点から、１０気圧以下であってもよく、２気圧以下であってもよく、１．３気圧以下であってもよい。全圧は、５気圧以上であってもよい。
【００６３】
吸着剤の存在する雰囲気の全圧は、加圧又は減圧することにより調整されてもよく、加圧及び減圧を併用してもよい。全圧を調整する方法としては、ポンプ、コンプレッサー等により機械的に圧力を調整する方法；吸着剤の周辺雰囲気の圧力とは異なる圧力を有するガスを導入する方法などが挙げられる。
【００６４】
本実施形態に係る二酸化炭素の除去方法は、前記吸着工程後に、二酸化炭素を吸着剤から脱着（脱離）させる脱着工程を更に備えていてもよい。
【００６５】
二酸化炭素を吸着剤から脱着させる方法としては、吸着量の温度依存性を利用する方法（温度スイング法。温度変化に伴う吸着剤のＣＯ２吸着量の差を利用する方法）；吸着量の圧力依存性を利用する方法（圧力スイング法。圧力変化に伴う吸着剤のＣＯ２吸着量の差を利用する方法）等が挙げられ、これらの方法を併用してもよい（温度・圧力スイング法）。
【００６６】
吸着量の温度依存性を利用する方法では、例えば、脱着工程における吸着剤の温度を吸着工程よりも高くする。吸着剤を加熱する方法としては、上述した吸着工程において吸着剤を加熱する方法と同様の方法；周辺の排熱を利用する方法等が挙げられる。加熱に要するエネルギーを抑える観点からは、周辺の排熱を利用することが好ましい。
【００６７】
吸着工程における吸着剤の温度Ｔ１と、脱着工程における吸着剤の温度Ｔ２との温度差（Ｔ２−Ｔ１）は、省エネルギーの観点から、２００℃以下であってもよく、１００℃以下であってもよく、５０℃以下であってもよい。温度差（Ｔ２−Ｔ１）は、吸着剤に吸着した二酸化炭素を脱着しやすい観点から、１０℃以上であってもよく、２０℃以上であってもよく、３０℃以上であってもよい。脱着工程における吸着剤の温度Ｔ２は、例えば、４０〜３００℃であってもよく、５０〜２００℃であってもよく、８０〜１２０℃であってもよい。
【００６８】
吸着量の圧力依存性を利用する方法では、吸着剤の存在する雰囲気の全圧（例えば、吸着剤を含む容器内の全圧）が高いほどＣＯ２吸着量が多くなることから、吸着工程の全圧よりも脱着工程の全圧が低圧となるように変化させることが好ましい。全圧は、加圧又は減圧することにより調整されてもよく、加圧及び減圧を併用してもよい。全圧を調整する方法としては、例えば、上述した吸着工程と同様の方法が挙げられる。脱着工程における全圧は、ＣＯ２脱離量が多くなる観点から、周辺大気の圧力（例えば１気圧）であってもよく、１気圧未満であってもよい。
【００６９】
脱着工程により脱着して回収された二酸化炭素は、二酸化炭素を利用する分野において再利用してもよい。例えば、温室栽培向けハウス等では、ＣＯ２濃度を高めることで植物の成長が促進されることから、ＣＯ２濃度を１０００ｐｐｍレベルに高める場合がある。そのため、回収された二酸化炭素を、ＣＯ２濃度を高めることに再利用してもよい。
【００７０】
脱着工程後の吸着剤は、再度、吸着工程に用いることができる。本実施形態に係る二酸化炭素の除去方法では、脱着工程後、吸着工程及び脱着工程を繰り返し行ってもよい。脱着工程において吸着剤を加熱した場合、上述の方法により吸着剤を冷却して吸着工程に用いてもよい。二酸化炭素を含有するガス（例えば、二酸化炭素を含有する処理対象ガス）を吸着剤に接触させることにより吸着剤を冷却してもよい。
【００７１】
処理対象ガスがＳＯｘ、ＮＯｘ、煤塵等を含有する場合（例えば、処理対象ガスが、石炭火力発電所等から排出される排ガスである場合）、本実施形態に係る二酸化炭素の除去方法は、吸着剤のＣＯ２吸着性を維持しやすい観点から、吸着工程の前に、処理対象ガスからＳＯｘ、ＮＯｘ、煤塵等の不純物を除去する不純物除去工程を更に備えてもよい。不純物除去工程は、脱硝装置、脱硫装置、脱塵装置等の除去装置を用いて行うことが可能であり、これらの装置の下流側において、処理対象ガスを吸着剤に接触させることができる。また、吸着剤にＳＯｘ、ＮＯｘ、煤塵等の不純物が吸着した場合には、吸着剤を交換することの他、吸着剤を加熱することによって、吸着剤に吸着した不純物を除去することもできる。
【００７２】
本実施形態に係る二酸化炭素の除去方法では、前記吸着剤をハニカム状の基材に担持して用いてもよく、反応容器に充填して用いてもよい。また、吸着剤を担持したハニカム状の基材を反応容器内に配置して用いてもよい。吸着剤の使用方法は、必要となる反応速度、圧力損失、吸着剤に吸着されるガス（吸着ガス）の純度（ＣＯ２純度）等を勘案して決定すればよい。
【００７３】
吸着剤の使用時には、吸着剤粒子間の空隙が少ない（空隙率が低い）ほど、空隙内に残留する二酸化炭素以外のガス量が少なくなるため、吸着ガス中の二酸化炭素の純度を高めることができる。一方、吸着剤粒子間の空隙が多い（空隙率が高い）ほど、圧力損失を小さくすることができる。吸着剤をハニカムに担持して用いる場合、空隙率を高めることができることから圧力損失を小さくすることができる。
【００７４】
＜反応容器＞
次に、本実施形態に係る反応容器について説明する。本実施形態に係る反応容器は、本実施形態に係る吸着剤を備える。反応容器において、吸着剤は反応容器の内部に配置（例えば充填）されている。吸着剤の充填量及び配置位置は特に限定されない。吸着剤は、例えば、反応容器の中央部に充填されていてもよく、内壁面の一部に配置されていてもよい。
【００７５】
反応容器は、固定床式であってもよく、ローター式であってもよく、流動床式であってもよい。ローター式及び流動床式は、反応容器に流通させるガス（流通ガス）等の切り替えを行わず、吸着剤そのものを移動させる方式である。
【００７６】
固定床式の反応容器は、例えば、吸着剤（例えば粒状の吸着剤）を反応容器内に充填し、吸着剤自体は移動させずに処理対象ガス又は反応容器内の温度及び圧力を変化させることで二酸化炭素の吸着及び脱着を行うように構成されている。この方式では、吸着剤の移動が少ないため、吸着剤同士、又は吸着剤と反応容器との接触による吸着剤の摩耗を低減でき、吸着剤の性能の低下を抑えることができる。また、充填密度を高めることができるため、空隙率が低く、反応容器の容積あたりの二酸化炭素除去量を高めることができる。
【００７７】
ローター式の反応容器としては、例えば、容器と、容器内部に設けられた吸着剤充填部と、容器内に流通するガスを仕切るための仕切り板と、を備える反応容器が挙げられる。吸着剤充填部には吸着剤が充填されている。この反応容器は、内部が仕切り板によって複数の領域に仕切られており、流通するガスの種類によって、二酸化炭素吸着領域、吸着剤加熱領域（ＣＯ２脱離領域）、吸着剤冷却領域等に分けられている。そのため、この方式では、吸着剤充填部を回転させることで、吸着剤を二酸化炭素吸着領域、吸着剤加熱領域（ＣＯ２脱離領域）、吸着剤冷却領域等に移動させることができ、ＣＯ２の吸着、吸着剤の加熱（ＣＯ２の脱離）、吸着剤の冷却等の吸脱着サイクルを実施できる。この方式では、加熱用ガスを流通させて吸着剤を加熱し、ＣＯ２を脱離させる温度スイング法を行う場合等であっても、反応容器に流通させるガスの切り替えが不要であるため、配管、弁等の構成が簡潔になる。また、仕切り板を設置する位置を変化させることにより、各領域の大きさを決定できるため、処理対象ガスの流通時間（二酸化炭素を吸着させる時間）、吸着剤の加熱時間（二酸化炭素を脱離させる時間）、吸着剤の冷却時間等の比を容易に決めることができる。
【００７８】
上記ローター式では、吸着剤が担持されたハニカム（例えばハニカムローター）を反応容器内に配置してもよい。この場合、吸着剤がハニカムに担持されているため、吸着剤自体の摩耗を低減でき、吸着剤の性能の低下を抑えることができる。
【００７９】
また、上記ローター方式において２種以上の吸着剤を用いる場合には、２つ以上の反応容器を設置し、それぞれに異なる吸着剤を配置してもよく、１つの反応容器において、反応容器内の異なる箇所に吸着剤を配置してもよい。例えば、反応容器内の上流側と下流側にそれぞれ異なる吸着剤を配置してもよい。この場合、例えば、上流側にセリウム酸化物を含む吸着剤を配置し、下流側にゼオライトを含む吸着剤を配置してもよい。このような構成とすることにより、例えば、処理対象ガスは上流側から下流側の方向へ流通させ、加熱用ガスは下流側から上流側の方向へ流通させることで、ゼオライトに水分が接触してゼオライトのＣＯ２吸着性が低減することを抑制できる。また、吸着剤をハニカム（ハニカムローター）に担持させる場合、ハニカム内で各吸着剤の担持する場所を分けてもよい。
【００８０】
流動床式の反応容器は、例えば、吸着剤の充填量を少なくすることで、動力（コンベヤ、ブロア等）によって吸着剤が流動可能なように構成されている。流動床式の反応容器を用いる場合、例えば、処理対象ガスが流通する反応容器と、加熱用のガスが流通する加熱用容器を設置し、動力（コンベヤ、ブロア等）を用いて、吸着剤（例えば、粒状又は粉状の吸着剤）を反応容器と加熱用容器の間で移動させることで、二酸化炭素の吸着と脱着を繰り返してもよい。この方式では、反応容器に流通させるガスの切り替えが不要であるため、配管、弁等の構成が簡潔になる。また、二酸化炭素の吸着時と脱着時において異なる空隙率を設定できる。例えば、脱着時には空隙率が低くなるよう設定し、吸着剤に吸着されるガス（吸着ガス）の純度（ＣＯ２純度）を高めてもよい。ガス流量が非常に大きいガス（ボイラ排ガス等）を処理対象ガスとする場合には、コンベヤの代わりにガスにより吸着剤を吹き上げる方式で二酸化炭素の除去を行ってもよい。コンベヤと比較して機械部品が減るために簡潔な構成とできる。
【００８１】
本実施形態に係る反応容器によれば、ＣＯ２の吸脱着サイクルを繰り返した場合であっても吸着剤のＣＯ２吸着性が低下しにくいため、二酸化炭素の除去効率を向上させることができる。また、繰り返しの使用によって吸着剤のＣＯ２吸着性が低下した場合には、吸着剤を交換する、吸着剤に吸着したＮＯｘ、ＳＯｘ等を除去する等の作業が必要となるが、この反応器によれば、このような作業負担を低減することができる。
【００８２】
＜二酸化炭素除去装置及び二酸化炭素除去システム＞
本実施形態に係る二酸化炭素除去システムは、本実施形態に係る二酸化炭素除去装置と、当該二酸化炭素除去装置を統括的に制御するための制御手段と、を備える。本実施形態に係る二酸化炭素除去システム（空調システム等）は、本実施形態に係る二酸化炭素除去装置（空調装置等）を複数備えていてもよい。本実施形態に係る二酸化炭素除去システムは、複数の二酸化炭素除去装置の運転を統括的に制御する制御部を備えていてもよい。本実施形態に係る二酸化炭素除去装置は、本実施形態に係る反応容器を備えている。
【００８３】
本実施形態に係る二酸化炭素除去システム及び二酸化炭素除去装置では、反応容器内に導入された処理対象ガスが、反応容器内に配置された吸着剤に接触することで、二酸化炭素が吸着剤に吸着する。本実施形態に係る二酸化炭素除去システム及び二酸化炭素除去装置は、空調対象空間における二酸化炭素濃度を下げるために用いられてもよく、プラント等から外気に排出されるガス中の二酸化炭素濃度を下げるために用いられてもよい。空調対象空間は、例えば、ビル；車輛；自動車；宇宙ステーション；潜水艇；食品又は化学製品の製造プラント等であってもよい。
【００８４】
本実施形態に係る二酸化炭素除去装置は、空調装置であってもよい。本実施形態に係る空調装置は、二酸化炭素を含有する処理対象ガスを含む空調対象空間に用いられる空調装置である。本実施形態に係る空調装置は、空調対象空間に接続された流路を備え、本実施形態に係る反応容器として、処理対象ガスに含まれる二酸化炭素を除去する除去部（二酸化炭素除去部）が流路に配置されている。本実施形態に係る空調装置において、本実施形態に係る吸着剤が除去部に配置されており、吸着剤が処理対象ガスに接触して二酸化炭素が吸着剤に吸着する。本実施形態によれば、空調対象空間の処理対象ガスを吸着剤に接触させて二酸化炭素を吸着剤に吸着させる吸着工程を備える空調方法が提供される。なお、二酸化炭素を含有する処理対象ガスの詳細は、上述した二酸化炭素の除去方法における処理対象ガスと同様である。
【００８５】
以下、図２及び図３を用いて、二酸化炭素除去システム及び二酸化炭素除去装置の例として、空調装置及び空調システムについて説明する。
【００８６】
図２に示すように、空調システム２００は、空調装置１００と、制御装置（制御部）１１０と、を備えている。空調装置１００は、流路１０と、排気ファン（排気手段）２０と、濃度測定器（濃度測定部）３０と、電気炉（温度制御手段）４０と、コンプレッサー（圧力制御手段）５０と、を備えている。
【００８７】
流路１０は、二酸化炭素を含有する処理対象ガス（室内ガス）を含む空調対象空間Ｒに接続されている。流路１０は、流路部１０ａと、流路部１０ｂと、除去部（流路部。二酸化炭素除去部）１０ｃと、流路部１０ｄと、流路部（循環流路）１０ｅと、流路部（排気流路）１０ｆとを有しており、除去部１０ｃは、流路１０に配置されている。空調装置１００は、反応容器として除去部１０ｃを備えている。流路１０には、除去部１０ｃにおける処理対象ガスの流入の有無を調整するバルブ７０ａと、処理対象ガスの流れ方向を調整するバルブ７０ｂとが配置されている。
【００８８】
流路部１０ａの上流端は、空調対象空間Ｒに接続されており、流路部１０ａの下流端は、バルブ７０ａを介して流路部１０ｂの上流端に接続されている。除去部１０ｃの上流端は、流路部１０ｂの下流端に接続されている。除去部１０ｃの下流端は、流路部１０ｄの上流端に接続されている。流路１０における流路部１０ｄより下流側は、流路部１０ｅ及び流路部１０ｆに分岐している。流路部１０ｄの下流端は、バルブ７０ｂを介して流路部１０ｅの上流端及び流路部１０ｆの上流端に接続されている。流路部１０ｅの下流端は、空調対象空間Ｒに接続されている。流路部１０ｆの下流端は、外気に接続されている。
【００８９】
除去部１０ｃには、本実施形態に係る吸着剤である吸着剤８０が配置されている。吸着剤８０は、除去部１０ｃの中央部に充填されている。除去部１０ｃには、吸着剤８０を介して２つの空間が形成されており、除去部１０ｃは、上流側の空間Ｓ１と、吸着剤８０が充填された中央部Ｓ２と、下流側の空間Ｓ３とを有している。空間Ｓ１は、流路部１０ａ，１０ｂ及びバルブ７０ａを介して空調対象空間Ｒに接続されており、二酸化炭素を含有する処理対象ガスが空調対象空間Ｒから除去部１０ｃの空間Ｓ１に供給される。除去部１０ｃに供給された処理対象ガスは、中央部Ｓ２を経由して空間Ｓ１から空間Ｓ３へ移動した後、除去部１０ｃから排出される。
【００９０】
空調対象空間Ｒから排出された処理対象ガスは、除去部１０ｃにおいて二酸化炭素の少なくとも一部が除去される。二酸化炭素が除去された処理対象ガスは、バルブ７０ｂを調整することにより、空調対象空間Ｒに戻されてもよく、空調装置１００の外部における外気へ排出されてもよい。例えば、空調対象空間Ｒから排出された処理対象ガスは、上流から下流にかけて、流路部１０ａ、流路部１０ｂ、除去部１０ｃ、流路部１０ｄ及び流路部１０ｅを経由して空調対象空間Ｒに流入することができる。また、空調対象空間Ｒから排出された処理対象ガスは、上流から下流にかけて、流路部１０ａ、流路部１０ｂ、除去部１０ｃ、流路部１０ｄ及び流路部１０ｆを経由して外気に排出されてもよい。
【００９１】
排気ファン２０は、空調対象空間Ｒにおける処理対象ガスの排出位置に配置されている。排気ファン２０は、処理対象ガスを空調対象空間Ｒから排出して除去部１０ｃへ供給する。
【００９２】
濃度測定器３０は、空調対象空間Ｒの二酸化炭素濃度を測定する。濃度測定器３０は、空調対象空間Ｒ内に配置されている。
【００９３】
電気炉４０は、空調装置１００の除去部１０ｃの外部に配置されており、吸着剤８０の温度を昇温させることができる。コンプレッサー５０は、空調装置１００の除去部１０ｃに接続されており、除去部１０ｃ内の圧力を調整することができる。
【００９４】
制御装置１１０は、空調装置１００の統括的な運転制御を行うことが可能であり、例えば、濃度測定器３０で測定される二酸化炭素濃度に基づいて、除去部１０ｃにおける処理対象ガスの流入の有無を制御することができる。具体的には、呼気等により空調対象空間Ｒ内の二酸化炭素濃度が上昇して所定濃度に達したことが濃度測定器３０により検出された場合、濃度測定器３０から制御装置１１０に濃度情報が送信される。濃度情報を受信した制御装置１１０は、バルブ７０ａを開放すると共に、除去部１０ｃから排出されるガスが流路部１０ｄ及び流路部１０ｅを介して空調対象空間Ｒに流入するように調整する。そして、制御装置１１０は、排気ファン２０を稼働させて、空調対象空間Ｒから処理対象ガスを除去部１０ｃへ供給する。さらに、制御装置１１０は、必要に応じて、電気炉４０及び／又はコンプレッサー５０を稼働させて、吸着剤８０の温度、除去部１０ｃ内の圧力等を調整する。
【００９５】
除去部１０ｃに供給された処理対象ガスが中央部Ｓ２を経由して空間Ｓ１から空間Ｓ３へ移動するに際して、処理対象ガスが吸着剤８０に接触し、処理対象ガス中の二酸化炭素が吸着剤８０に吸着する。これにより、処理対象ガスから二酸化炭素が除去される。この場合、二酸化炭素が除去されたガスは、流路部１０ｄ及び流路部１０ｅを介して空調対象空間Ｒに供給される。
【００９６】
吸着剤８０に吸着した二酸化炭素は、吸着剤８０から脱着させることなく、吸着剤８０に吸着した状態で回収されてもよく、吸着剤８０から脱着させて回収してもよい。脱着工程においては、電気炉４０及び／又はコンプレッサー５０を稼働させて吸着剤８０の温度、除去部１０ｃ内の圧力等を調整することにより、上述した温度スイング法、圧力スイング法等により、吸着剤８０から二酸化炭素を脱着させることができる。この場合、例えば、バルブ７０ｂは、除去部１０ｃから排出されるガス（脱着した二酸化炭素を含有するガス）が流路部１０ｆを介して外気に排出されるように調整されており、必要に応じて、排出される二酸化炭素を回収することができる。
【００９７】
図３に示すように、空調システム２１０は、第１の空調装置１００ａと、第２の空調装置１００ｂと、制御装置（制御部）１１０と、制御装置（制御部）１２０と、を備えている。制御装置１２０は、第１の空調装置１００ａ及び第２の空調装置１００ｂにおける上述の制御装置１１０を制御することにより、第１の空調装置１００ａ及び第２の空調装置１００ｂの空調運転を統括的に制御する。例えば、制御装置１２０は、第１の空調装置１００ａ及び第２の空調装置１００ｂの空調運転を同条件で行うように調整してもよく、第１の空調装置１００ａ及び第２の空調装置１００ｂの空調運転を異なる条件で行うように調整してもよい。制御装置１２０は、除去部１０ｃにおける処理対象ガスの流入の有無等に関する情報を制御装置１１０に送信することができる。
【００９８】
二酸化炭素除去装置及び二酸化炭素除去システムは、前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を行ってもよい。例えば、二酸化炭素除去装置の制御部の制御内容は、反応容器における処理対象ガスの流入の有無を制御することに限られず、制御部は、反応容器における処理対象ガスの流入量を調整してもよい。
【００９９】
空調装置において、排気ファンに代えて送風機を用いて処理対象ガスを反応容器へ供給してもよく、自然対流により処理対象ガスが反応容器へ供給される場合には、排気手段を用いなくてもよい。また、温度制御手段及び圧力制御手段は、電気炉及びコンプレッサーに限定されるものでなく、吸着工程及び脱着工程において上述した各種の手段を用いることができる。温度制御手段は、加熱手段に限られず、冷却手段であってもよい。
【０１００】
空調装置において、空調対象空間、二酸化炭素除去部、排気手段、温度制御手段、圧力制御手段、濃度測定部等のそれぞれは、一つに限られるものではなく、複数配置されていてもよい。空調装置は、処理対象ガスの露点及び相対湿度を調整するための調湿器；空調対象空間の湿度を測定する湿度測定器；脱硝装置、脱硫装置、脱塵装置等の除去装置などを備えていてもよい。
【実施例】
【０１０１】
以下、実施例及び比較例を用いて本発明の内容を更に詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。【０１０２】
＜吸着剤の製造＞
（実施例１）
１．０ｇのセリウム酸化物（ＣｅＯ２）と、０．０７２ｇのポリアクリル酸と、を１０ｍＬの純水中に添加した後、３０分間室温で撹拌して混合液を得た。前記混合液を石英ボートに流し込み、これをボックス型電気炉に投入した。大気中、１０℃／ｍｉｎで３００℃まで昇温した後、３００℃で１時間維持して焼成した。その後、得られた焼成物を自然冷却した後、ボックス型電気炉から取り出した。乳鉢及び乳棒を用いて焼成物を粉砕することにより吸着剤粉末を得た。【０１０３】
前記の方法を複数回繰り返して必要量の吸着剤粉末を得た。その後、直径４０ｍｍの金型を使用して、プレス機により５００ｋｇｆで吸着剤粉末をペレット化した。次いで、ペレットを破砕した後、篩を用いて粒状（粒径：０．５〜１．０ｍｍ）に整粒して粒状の吸着剤粒子（芯部と、当該芯部を被覆する多孔質部と、を備える粒子）を含む吸着剤（以下、単に「吸着剤」という）を得た。吸着剤中のセリウムに対する炭素のモル比（炭素／セリウム）は、１．３であった。なお、本実施例では、蛍光Ｘ線分析装置（ＺＳＸ  Ｐｒｉｍｕｓ２、株式会社リガク製）を用いた吸着剤の組成分析によりモル比（炭素／セリウム）を測定した。測定条件及び測定方法は、以下のとおりとした。
Ｘ線管：Ｒｈターゲット
Ｘ線出力：３ｋＷ
測定室雰囲気：真空
分析径：１０ｍｍΦ
測定方法：感度ライブラリーを用いたファンダメンタルパラメーター法により定量【０１０４】
（実施例２）
ポリアクリル酸の使用量を０．１４３ｇに変えたことを除いて、実施例１と同様の手順で吸着剤を製造した。【０１０５】
（実施例３）
ポリアクリル酸の使用量を０．２８６ｇに変えたことを除いて、実施例１と同様の手順で吸着剤を製造した。【０１０６】
（実施例４）
ポリアクリル酸の使用量を０．４２９ｇに変えたことを除いて、実施例１と同様の手順で吸着剤を製造した。【０１０７】
（実施例５）
ポリアクリル酸の使用量を０．５００ｇに変えたことを除いて、実施例１と同様の手順で吸着剤を製造した。【０１０８】
（実施例６）
ポリアクリル酸の使用量を０．５７２ｇに変えたことを除いて、実施例１と同様の手順で吸着剤を製造した。【０１０９】
（比較例１）
ポリアクリル酸を加えなかったことを除いて、実施例１と同様の手順で吸着剤を製造した。【０１１０】
＜評価＞
以下の方法によりＣＯ２吸着試験及びサイクル試験を実施し、実施例及び比較例の吸着剤のＣＯ２吸着量及びＣＯ２吸着量維持率を求めた。なお、ＣＯ２吸着試験及びサイクル試験における処理対象ガスは、火力発電所の排ガスを模擬したものである。【０１１１】
（ＮＯｘ存在下の評価）
［ＣＯ２吸着試験］
まず、メスシリンダーを用いて吸着剤２０．０ｍＬを量りとり、ＳＵＳ製の反応管中に固定した。次いで、電気炉を用いて吸着剤の温度を５０℃まで昇温させた後、電気炉で吸着剤の温度を５０℃に保ちながら、１５体積％のＣＯ２と、５体積％のＯ２と、１５０ｐｐｍのＮＯと、約５０℃での飽和水蒸気を含んだ８０体積％のＮ２とを含有する混合ガスを反応管に流通させた。混合ガスの流量は２０００ｍＬ／ｍｉｎとした。反応管の出口のＣＯ２濃度をガスクロマトグラフ（キャリアガス：Ｈｅ）により測定し、反応管の出口で測定されるＣＯ２濃度が飽和するまでガスの導入を継続した。ＣＯ２濃度が飽和するまでの反応管の入口側と出口側とのＣＯ２濃度の差分からＣＯ２吸着量を測定した。なお、ＣＯ２吸着量は、比較例１におけるＣＯ２吸着量を１．００とする相対値により評価した。【０１１２】
［サイクル試験］
前記ＣＯ２吸着試験と同様の方法により吸着剤にＣＯ２を吸着させた。次いで、電気炉で吸着剤の温度を２００℃まで昇温させることにより吸着剤からＣＯ２を脱離させた。その後、反応管にＮ２ガスのみを流通させながら吸着剤の温度を５０℃まで冷却した。この一連の工程（ＣＯ２の吸着、ＣＯ２の脱離及び冷却）を２４サイクル繰り返し、下記式に基づきＣＯ２吸着量維持率を算出した。評価結果を表１、図４及び図５に示す。
ＣＯ２吸着量維持率（％）＝（初回サイクル時のＣＯ２吸着量）／（２４サイクル時のＣＯ２吸着量）×１００【０１１３】
（ＳＯｘ存在下の評価）
実施例２及び比較例１の吸着剤について、前記混合ガスとして、１５体積％のＣＯ２と、５体積％のＯ２と、３００ｐｐｍのＳＯ２と、約５０℃での飽和水蒸気を含んだ約８０体積％のＮ２とを含有する混合ガスを用いたこと以外は、ＮＯｘ存在下の吸着性能評価と同様の手順でＣＯ２吸着量及びＣＯ２吸着量維持率を求めた。【０１１４】
【表１】
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【０１１５】
ポリアクリル酸を用いて、金属酸化物を含む芯部を被覆する多孔質部を形成した実施例では、サイクル試験後のＣＯ２吸着量維持率が高く、高いサイクル特性を有することが確認された。一方で、ポリアクリル酸を用いていない比較例では、サイクル試験後のＣＯ２吸着量維持率が実施例に比べて低かった。
【符号の説明】
【０１１６】
１…吸着剤粒子（粒子）、３…芯部、５…多孔質部、１０ｃ…除去部（反応容器）、８０…吸着剤、１００，１００ａ，１００ｂ…空調装置（二酸化炭素除去装置）、２００，２１０…空調システム（二酸化炭素除去システム）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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