(57)【要約】【課題】低コストの金属廃材などの原材料を用い、工程の過程で得られる材料を再利用することで、外部からの資源の投入を抑える省資源型であり、二酸化炭素の固定化の結果得られる物質が有効利用可能な、二酸化炭素固定化方法および二酸化炭素固定化装置を提供すること。【解決手段】塩酸中に鉄を入れて、塩化鉄を得る第1工程と、前記塩化鉄の水溶液を電気分解して、塩酸と水酸化鉄を得る第２工程と、食塩水を電気分解して、水酸化ナトリウムを得る第３工程と、前記水酸化ナトリウムの水溶液に二酸化炭素を注入して、炭酸水素ナトリウムを得る第４工程と、前記炭酸水素ナトリウムと前記水酸化鉄を反応させて、炭酸鉄を得る第5工程からなる二酸化炭素固定化方法及び二酸化炭素固定化装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
塩酸中に鉄を入れて、塩化鉄を得る第1工程と、
前記塩化鉄の水溶液を電気分解して、塩酸と水酸化鉄を得る第２工程と、
食塩水を電気分解して、水酸化ナトリウムを得る第３工程と、
前記水酸化ナトリウムの水溶液に二酸化炭素を注入して、炭酸水素ナトリウムを得る第４工程と、
前記炭酸水素ナトリウムと前記水酸化鉄を反応させて、炭酸鉄を得る第5工程からなることを特徴とする二酸化炭素固定化方法。
【請求項２】
前記第1工程で使われる塩酸が、前記第２工程で得られる塩酸を含み、
前記第４工程で使われる水酸化ナトリウムが前記第３工程で得られる水酸化ナトリウムを含み、
前記第5工程で使われる炭酸水素ナトリウムが前記第４工程で得られる炭酸水素ナトリウムを含み、
前記第1工程、前記第2工程および前記第３工程で得られる水素ガスを外部で利用可能な形で取り出すことを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素固定化方法。
【請求項３】
前記外部へ取り出した水素ガスを燃料電池の燃料極へ供給し、該燃料電池で発生した電力が前記第2工程と前記第３工程の電気分解に用いられることを特徴とする請求項２に記載の二酸化炭素固定化方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の何れか1項に記載の二酸化炭素固定化方法を使用して、二酸化炭素を固定化することを特徴とする二酸化炭素固定化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気分解を利用して鉄を炭酸鉄に変化させて二酸化炭素を固定化する方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年世界各地で二酸化炭素濃度の正確な測定が行われてきており、最近の傾向としては確実に毎年二酸化炭素濃度が上昇している。二酸化炭素は赤外線の2.5〜3μm、4〜5μmの波長帯域に強い吸収帯を持つため地上からの熱が宇宙へと拡散することを防ぐいわゆる温室効果ガスとして働く。二酸化炭素の温室効果は同じ体積あたりではメタンやフロンにくらべ小さいものの、その排出量が莫大であることから、地球温暖化の最大の原因とされている。この大気中の二酸化炭素の温室効果により平均気温の上昇、それに伴う種々の問題の発生が危惧され、国際的に緊急の課題とされるようになった。
【０００３】
地球温暖化対策の一環として、二酸化炭素の分離・回収および固定化に関する研究が幅広く盛んに行われている。二酸化炭素の固定化技術としては、主として、（ａ）化学的固定化法、（ｂ）生物的固定化法および（ｃ）隔離貯留法、に基づいて研究が進められている。（ａ）の方法は、人工光合成を利用したり、工業用原料として再生したり、または炭酸塩化して二酸化炭素を固定化する方法であるが、反応効率が悪い、多大のエネルギーの投入が必要、または反応速度が小さいなどの問題点がある。特に地球に多産するケイ酸カルシウム（ＣａＳｉＯ3）により、二酸化炭素を炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）として固定する方法は、炭酸塩が安定で無害であるので大変有望な固定化法であるとされており研究事例が多い（特許文献１を参照）。
【０００４】
（ｂ）の生物的固定化方法としては、植林、細菌藻類利用等によるものであるが、この方法も効率が悪いという問題点を有している。（ｃ）の隔離貯留法は、二酸化炭素を地中や海中に投棄する方法である。海中への投棄法は、火力発電所、製鉄所、セメント工場等の二酸化炭素大量発生源から二酸化炭素を分離回収し、これを５００ｍ以上の深海にパイプラインで送り込むことにより、二酸化炭素を液体のまま閉じ込めるというものである。しかし、この方法は環境に与える影響等が未検討であり、また巨額な設備費を必要とする等の問題点を有する。海中投棄、地中への圧入のいずれの場合も、二酸化炭素がその後漏れ出してくるという懸念がある。
【０００５】
ここで有力な、二酸化炭素の固定化技術として、単体金属に二酸化炭素を結合させて後日利用可能な金属の炭化物を生成することにより二酸化炭素を固定化することが開示されている（特許文献２を参照）。具体的には、水中の金属微粒子に二酸化炭素を反応させて高原子価金属の炭酸塩として二酸化炭素を固定化するものである。しかしながら、この方法は、反応を高めるために金属を微粒子化する必要があり、微粒子化の過程に伴うエネルギーの損失、二酸化炭素の発生が懸念される
【０００６】
世界的な二酸化炭素削減の要請の中で、日本でも国レベルで削減目標が設定され、それに倣って各自治体でも二酸化炭素の削減が現実的な課題となってきた。また自治体ではごみ焼却場での二酸化炭素発生などの環境対策上の問題を抱えており、ごみの有効利用も模索している。利用可能な資源ごみの中で金属ごみについては、従来は民間業者に引き取ってもらい対価を受け取ることに留まっていたが、資源ごみを使って、二酸化炭素の削減ができれば、自治体としての環境対策に対する施策として効果が大きい。しかし、従来の二酸化炭素の固定化技術では、ごみのような純度が低く、その形態も不定な材料では適用が難しかった。
【０００７】
上記したように、従来の二酸化炭素固定化技術では自治体で採用可能な簡便な二酸化炭素の固定化技術としては実用化には到っていない。今後、二酸化炭素の固定化技術が広く使われるためには、簡便で低コストであること、省資源であること、化学的に安定な物質として固定化できること、固定化の結果得られる物質が有効利用できること等が重要であり、特に専門職員が不在の自治体でも採用可能な簡便な二酸化炭素の固定化技術が強く求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−９８３０７号公報
【特許文献２】特開２００７−７５７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記に説明した従来の固定化技術は、自治体などで簡単に利用できるように、自治体などで発生する廃物を利用して、簡便で低コストであること、省資源であること、化学的に安定な物質として固定化できること、固定化の結果得られる物質が有効利用できることという条件を必ずしも満たしていない。
【００１０】
上記課題を解決するべく、本発明は、低コストの金属廃材などの原材料を用い、工程の過程で得られる材料を再利用することで、外部からの資源の投入を抑える省資源型であり、二酸化炭素の固定化の結果得られる物質が有効利用可能な、二酸化炭素固定化方法および二酸化炭素固定化装置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】
【００１１】
上記課題を解決するために、発明者は鋭意研究を重ねた結果、自治体などで回収される空き缶などの金属材料、特に鉄を原材料として電気分解を用いて二酸化炭素を固定する二酸化炭素固定化方法を見出した。以下に、本発明の内容を説明する。
【００１２】
請求項１に記載された発明は、塩酸中に鉄を入れて、塩化鉄を得る第1工程と、前記塩化鉄の水溶液を電気分解して、塩酸と水酸化鉄を得る第２工程と、食塩水を電気分解して、水酸化ナトリウムを得る第３工程と、前記水酸化ナトリウムの水溶液に二酸化炭素を注入して、炭酸水素ナトリウムを得る第４工程と、前記炭酸水素ナトリウムと前記水酸化鉄を反応させて、炭酸鉄を得る第5工程からなることを特徴とする二酸化炭素固定化方法である。第1工程では、塩酸と鉄が反応して水素ガスを発生すると共に塩化鉄が生成される。昇温すると反応が促進される。また、第2工程の塩化鉄の水溶液を電気分解では、陽極側に発生する塩素ガスが水と反応して次亜塩素酸水および塩化水素水（塩酸）になり、陰極側には鉄イオンが水酸イオンと反応して水酸化鉄ができる。第３工程の食塩水の電気分解では、陰極に水酸化ナトリウム、陽極に塩化水素が生成される。第４工程では、水酸化ナトリウムの水溶液に過剰に二酸化炭素を反応させると水に難溶な炭酸水素ナトリウム（NaHCO3）が沈殿する。そして、第５工程で、水酸化鉄と炭酸水素ナトリウムを反応させることで炭酸鉄が得られ、二酸化炭素が固定化される。
【００１３】
各工程は、常温で進行が可能であり、各工程で使われる化合物は特別に人体に危険なものは無いので、各工程を実施する装置も簡便なものが使える。
【００１４】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の二酸化炭素固定化方法において、前記第1工程で使われる塩酸が、前記第２工程で得られる塩酸を含み、前記第４工程で使われる水酸化ナトリウムが前記第３工程で得られる水酸化ナトリウムを含み、前記第5工程で使われる炭酸水素ナトリウムが前記第４工程で得られる炭酸水素ナトリウムを含み、前記第1工程、前記第2工程および前記第３工程で得られる水素ガスを外部で利用可能な形で取り出すことを特徴としている。
【００１５】
上記発明の各工程で使用される材料が、他の工程で得られるようになっており、外部からの材料の供給がなるべく少なくて済むようになる。
【００１６】
請求項３に記載された発明は、請求項２に記載の二酸化炭素固定化方法において、前記外部へ取り出した水素ガスを燃料電池の燃料極へ供給し、該燃料電池で発生した電力が前記第2工程と前記第３工程の電気分解に用いられることを特徴としている。
【００１７】
本発明の工程で発生する水素ガスを燃料として、燃料電池へ供給すると燃料電池は空気中の酸素を使って水を生成すると共に電力を発生する。この電力を第2工程と第３工程の電気分解をするための電力として使用することができるので、外部からの電力供給が少なくてすむ。
【００１８】
請求項４に記載された発明は、請求項１ないし請求項３の何れか1項に記載の二酸化炭素固定化方法を使用して、二酸化炭素を固定化することを特徴とする二酸化炭素固定化装置である。
【００１９】
本装置は、各工程で使用する材料が他の工程で得られるように構成されており、装置の外部からの材料供給が少なくて済む。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載された発明によれば、塩酸中に鉄を入れて、塩化鉄を得る第1工程と、前記塩化鉄の水溶液を電気分解して、塩酸と水酸化鉄を得る第２工程と、食塩水を電気分解して、水酸化ナトリウムを得る第３工程と、前記水酸化ナトリウムの水溶液に二酸化炭素を注入して、炭酸水素ナトリウムを得る第４工程と、前記炭酸水素ナトリウムと前記水酸化鉄を反応させて、炭酸鉄を得る第5工程からなることを特徴とする二酸化炭素固定化方法であるので、二酸化炭素を固定化するために用意する材料は、塩酸、食塩、廃材としての鉄材や鉄の空き缶などがあればよく、しかも、各工程は常温・常圧で進行可能であり、堅牢な反応装置が不要なので、安価に各工程を実施することができる。また、二酸化炭素が固定化された炭酸鉄はそのまま貯留が可能であり、フェライトの原材料などに利用することもできる。
【００２１】
請求項２に記載された発明によれば、前記第２工程で得られる塩酸を含み、前記第４工程で使われる水酸化ナトリウムが前記第３工程で得られる水酸化ナトリウムを含み、前記第5工程で使われる炭酸水素ナトリウムが前記第４工程で得られる炭酸水素ナトリウムを含み、前記第1工程、前記第2工程および前記第３工程で得られる水素ガスを外部で利用可能な形で取り出すことを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素固定化方法なので、外部からの資源の投入の少ない省資源型の安価な二酸化炭素固定化方法を提供することができる。
【００２２】
請求項３に記載された二酸化炭素固定化方法によれば、前記外部へ取り出した水素ガスを燃料電池の燃料極へ供給し、該燃料電池で発生した電力が前記第2工程と前記第３工程の電気分解に用いられることを特徴とする請求項２に記載の二酸化炭素固定化方法なので、請求項３に記載された発明によって、外部からの電力供給の少なくて済む省資源型の二酸化炭素固定化方法を提供することができる。
【００２３】
請求項４に記載された二酸化炭素固定化装置によれば、請求項１ないし請求項３の何れか1項に記載の二酸化炭素固定化方法を使用して、二酸化炭素を固定化することを特徴とする二酸化炭素固定化装置なので、外部からの投入資源の少ない、省資源型の二酸化炭素固定化装置を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の主要な構成である、塩化鉄の電気分解槽、食塩の電気分解槽そして、その間に置かれた混合槽の内容を説明する図である。
【図２】各工程を説明する図である。（Ａ）塩酸の容器に鉄を入れて溶解して塩化鉄を得る様子を説明する図である。（Ｂ）３槽式の塩化鉄の電気分解槽の様子を説明する図である。（Ｃ）３槽式の食塩の電気分解槽の様子を説明する図である。（Ｄ）水酸化鉄と炭酸水素ナトリウムから炭酸鉄を得る様子を説明する図である。
【図３】電気分解による二酸化炭素固定化方法を使用する装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明の構成を示す図１を使って本発明の内容を説明する。本発明は、２つの電気分解槽と２つの電気分解槽の間に置かれた混合槽で主な工程が行われる。図1の左側にあるのが塩化鉄の水溶液の電気分解槽２０であり、右側にあるのが食塩の電気分解槽である。２つの電気分解槽の間には、最終生成物である炭酸鉄の沈殿を生じる混合槽が置かれている。
【００２６】
本発明の第1工程は、塩酸中に鉄を入れて塩化鉄の水溶液を得るものである。従来は、水素の発生が止まるのを待って上澄み液を取り出し、それを濃縮する方法が採られているが、本発明の図２（A)に示すように、耐酸性の容器１０中に塩酸２を入れておき外部から鉄くず３などを塩酸中に投入して連続的に動作させることもできる。塩化水素溶液である塩酸２の溶液中では、塩化水素は水素イオンと塩素イオンに分かれており、水素イオンよりもイオン化傾向の大きい鉄３は塩酸中に鉄イオンとして溶出し、塩化水素中の水素は単体となり水素ガスになって溶液中から外部へ放出される。ここで、鉄は、特に粒子状にするなどの形状を問わないので時間を掛ければ反応が進み鉄は塩化鉄として溶液中に溶け出す。
【００２７】
次に、第２工程では、得られた塩化鉄の水溶液を図２（B)に示すような構成で電気分解する。塩化鉄水溶液電気分解槽２０はいわゆる３槽式の構成をしており、中間槽へ、電気分解される塩化鉄の水溶液を送り込む。水溶液中で、塩化鉄はFe++イオンとCl-イオンに分かれており、Fe++イオンは、マイナス極２４側へ隔壁を通過して移動し、水が分解した水酸イオンOH-と反応して、水酸化鉄Fe(OH)2を生じ、同時に水素ガスH2が発生するる。また、Cl-イオンは隔壁を通過して陽極側に移動して水が分解した水素イオンH+と反応して、次亜塩素酸HCｌOおよび塩化水素HCｌになる。なお、同時に塩素ガスと酸素ガスも発生する。陽極側で得られた塩酸と陰極側で得れた水酸化鉄は別の工程で利用される。
【００２８】
次に、第３工程の食塩水の電気分解の様子を図２（C)に示す。塩化鉄の水溶液の電気分解と同様に、３槽式の電気分解槽３０を使い、中間槽には、食塩水が外部から供給される。食塩NaClは解離して、Na+イオンとCl-イオンとなる。Na+イオンは、陰極３４の側へ隔壁を通過して移動する。そこで、水が解離した水酸化イオンOH-と出会い、水酸化ナトリウムNaOHとなる。陰極側では同時に水素ガスH2が発生する。また、Cl-イオンは隔壁を通過して陽極側に移動して水が分解した水素イオンH+と反応して、次亜塩素酸HClOおよび塩化水素HClになる。なお、陽極側では同時に塩素ガスと酸素ガスも発生する。
【００２９】
次に、図２（D)に示す様に食塩水電気分解槽３０の陰極側の水酸化ナトリウムNaOHの溶液中に、固定化対象の二酸化炭素を送り込むと、炭酸水素ナトリウムとして沈殿する。
反応が進んで水酸化ナトリウムに二酸化炭素を反応させるとまず水溶性の炭酸ナトリウム（Na2CO3）が発生し、過剰に反応 させると水に難溶な炭酸水素ナトリウム（NaHCO3）が沈殿する。
反応式は以下の通りである。
沈殿を生じない反応
2NaOH  +  CO2  →  Na2CO3  +  H2O
沈殿を生じる反応
Na2CO3  +  CO2  +  H2O  →    2NaHCO3
【００３０】
次に図２（Ｄ）に示すように、炭酸水素ナトリウムＮａＨＣＯ3と水酸化鉄Ｆｅ（ＯＨ）2を反応させると、以下の反応式によって炭酸鉄ＦｅＣＯ3が沈殿する。
Ｆｅ（ＯＨ）2＋ＮａＨＣＯ3→  ＦｅＣＯ3＋ＮａＯＨ＋Ｈ2Ｏ
炭酸鉄は乾燥した雰囲気では安定な材料であり、フェライトの原料など幅広く使うことができる。
【００３１】
次に、図３を使って、上記の第１工程ないし第５工程を使用する二酸化炭素固定化装置を説明する。塩酸中入れが容器１０に鉄が投入されると鉄が塩酸に溶解して塩化鉄が得られるので、それを、ポンプ８０で塩化鉄の電気分解槽２０へ送る。電気分解槽２０の陰極側からは、水素ガスと共に水酸化鉄Ｆｅ（ＯＨ）2が得られ、混合槽４０へ送られる。水素ガスは燃料電池の燃料として燃料電池６０へ送られる。また、陽極側で得られた塩酸はポンプ９０により鉄が投入される容器１０へ送られて再利用される。
【００３２】
また、外部から食塩を溶かした食塩水をポンプ７０で食塩の電気分解槽３０へ送り電気分解をする。陽極側では塩化水素（塩酸）が得られるので、それをポンプ９１で塩酸容器１０へ送って再利用する。また、陰極側では水酸化ナトリウムの生成と共に水素ガスが発生するのでそれを、燃料電池６０の燃料として送る。
【００３３】
塩化鉄水溶液の電気分解槽の陰極側で得られる水酸化鉄Ｆ２（ＯＨ）2と食塩水の電気分解槽の陰極側で得られる水酸化ナトリウムを混合槽４０で反応させると、二酸化炭素が鉄により固定化された炭酸鉄を得ることができる。
【００３４】
なお、本発明で使用する鉄は、鉄を含む合金でも使え、その形状を問わないので、空き缶、鉄の廃材など様々なごみを収集する自治体には重要な特徴である。本発明では、酸として塩酸を用いたが、硫酸や硝酸を使っても同じようなことができる。また、食塩の代わりに、塩化カリウム、塩化リチウムなどもしようが可能である。本発明においては、電気分解を活用することで、外部からの資源の投入を削減して、且つ、発生した水素を燃料電池の燃料としてつかうことで、周囲への環境負荷を減らす方策への発展が可能なものとなっている。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、自治体のごみ焼却場で発生する二酸化炭素を、ごみとして収集する金属、特に鉄を利用して、炭酸鉄として固定化することで、主に自治体の環境対策に大きく貢献するものでありその利用価値は高い。
【符号の説明】
【００３６】
１  投入された鉄
２  塩酸
１０  塩酸の容器
２０  塩化鉄の電気分解槽
２１、２２  隔壁（イオン交換膜）
２３  陽極
２４  陰極
３０  食塩水の電気分解槽
３１、３２  隔壁（イオン交換膜）
３３  陽極
３４  陰極
４０  混合槽
５０  制御器
６０  燃料電池
７０、８０、９０、９１  ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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