(57)【要約】【課題】単一の化学物質を用いて、ＣＯ２の吸収と炭素への分解の両方を行うことができ、しかも、反応効率を落とさずに、ＣＯ２の吸収と炭素への分解を繰り返すことができる方法、及びこれに用いられるＣＯ２吸収材を提供する。【解決手段】ＣＯ２を含んだＣＯ２含有ガスをｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２に接触させてＣＯ２を吸収させる工程Ａと、該ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を非酸化性雰囲気中で５００℃以上１０００℃以下に加熱してＣＯ２を炭素に分解し、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２から分離された状態で炭素を回収する工程Ｂとを有する方法であり、また、この方法で用いられるＣＯ２吸収材である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ２を含んだＣＯ２含有ガスをｎが３．４〜５．４のｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２に接触させて、ＣＯ２を吸収させる工程Ａと、該ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を非酸化性雰囲気中で５００℃以上１０００℃以下に加熱してＣＯ２を炭素に分解し、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２から分離された状態で炭素を回収する工程Ｂとを有することを特徴とする、ＣＯ２を吸収して炭素に分解する方法。
【請求項２】
ＣＯ２を吸収したｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２が装入される収容体と、装入されたｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２と対向する位置に配される蓋体とを備えた反応装置を用いて、該ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を５００℃以上１０００℃以下に加熱してＣＯ２を炭素に分解すると共に、収容体と蓋体との間に温度勾配を形成して、収容体に比べて低温側である蓋体に炭素を析出させて回収する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２から分離された状態で炭素を回収する工程Ｂの後、再び、該ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２にＣＯ２を吸収させる工程Ａと、非酸化性雰囲気中で５００℃以上１０００℃以下に加熱して炭素を回収する工程Ｂとを繰り返すようにする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の方法に用いられて、ｎが３．４〜５．４のｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２からなるＣＯ２吸収材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ２を吸収して炭素に分解する方法、及びＣＯ２吸収材に係るものであり、詳しくは、Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物であるｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２にＣＯ２を吸収させて加熱し、炭素に分解する方法、及び、この方法に用いられるＣＯ２吸収材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大気中のＣＯ２は増加の一途を辿っており、これが地球温暖化の一因であると言われて久しい。簡便な方法で大気中のＣＯ２をＣ（炭素）に分解することができれば、工業材料や燃料等の炭素源として使用することができ、工業的にも極めて有利であるが、単一の化学物質を用いてＣＯ２の吸収と分解の両方を簡便に行い、ＣＯ２をＣに分解する具体的な方法はこれまでに報告されていない。
【０００３】
例えば、特許文献１には、アルカリ元素の炭酸化物及び／又はアルカリ土類元素の炭酸化物を、水ガラス又はアルカリ珪酸化物と混合し、この混合物を非酸化性雰囲気中で７００℃以上１６００℃以下に加熱することで、炭酸化物から遊離炭素を製造する方法が開示されている。また、特許文献２には、水ガラスと、アルカリ元素の炭酸化物及び／又はアルカリ土類元素の炭酸化物を混合した混合物をシリカアルミナ系セラミックス焼結体の表面に塗布し、非酸化性雰囲気中で７００℃以上１６００℃以下に加熱して、膜状の遊離炭素を製造する方法が開示されている。
【０００４】
これらの方法に関して、生石灰ＣａＯは効率良くＣＯ２を吸収して炭酸カルシウムＣａＣＯ３を生成することから、特許文献１や特許文献２では、このような方法を利用することで、トータルとしてＣＯ２をＣに転化することができるとし、また、ＣａＯのかわりにＮａ２Ｏを用いることでも同様であるとしている（特許文献１の段落0008、0009、特許文献２の段落0009、0010を参照）。つまり、これらの方法によれば、アルカリ珪酸化物を用いることで、ＣＯ２を吸収させて得られた炭酸化物から炭素を分離することが可能であることから、結果的にＣＯ２を炭素に分解できることになる。
【０００５】
しかしながら、これら特許文献１及び２の方法では、アルカリ珪酸化物として珪酸ナトリウムであったり、水ガラス（珪酸ナトリウムの水溶液）を用いて、炭酸化物と混合し、非酸化性雰囲気中で所定の温度に加熱するが、珪酸ナトリウムや水ガラスが加熱により一旦全て溶融し、炭酸化物等と一体化してしまうため、繰り返しの使用が困難であるといった問題がある。また、ＣＯ２の回収と分解を繰り返すと、珪酸ナトリウム自身に析出した炭素が触媒毒として作用し、反応回数に制限がある点でも改良の余地がある。更には、これらの方法では、炭素源としてアルカリ元素の炭酸化物やアルカリ土類元素の酸化物を必要とするが、ＣａＯやＮａ２Ｏは強アルカリ化合物であり、なかでも、Ｎａ２Ｏに代表されるアルカリ金属の酸化物は非常に不安定であって、装置を構成する各種材質とも反応し易い。加えて、使用する化学物質を少なくしたり、ＣＯ２の回収と分解をなるべく簡便に済ますことができる方が、当然のことながら経済的にも有利である。
【０００６】
一方、特許文献３には、導電性マイエナイト化合物にＣＯ２を吸着させ、それを加熱してＣＯに還元する方法が開示されている。また、特許文献４には、ジルコニウム含有酸化セリウムとＣＯ２を加熱下で接触させ、化学量論反応によってＣＯへ還元する方法が開示されている。しかしながら、これらの方法では、ＣＯ２を分解して得られる生成物はＣＯであり、炭素自体を得るには、更に還元工程が必要となる。勿論、ＣＯは各種合成反応の原料として有用ではあるが、生成物がＣであればより直接的に熱エネルギー源として利用できるので、より好ましいと言える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−１８７０５９号公報
【特許文献２】特開２０１７−０４８１０１号公報
【特許文献３】特開２０１２−０２５６３６号公報
【特許文献４】特許第５８５８９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明者らは、単一の化学物質を用いて、ＣＯ２の吸収と炭素への分解の両方を行うことができる方法について鋭意検討を行った。その結果、アルカリ珪酸化物のなかでもＫ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物であるｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を用いることで、上記課題を解決できることを見出した。加えて、このｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２であれば、先の特許文献１や特許文献２に記載の方法における加熱温度よりも低い温度で炭素への分解を行うことができると共に、その加熱により炭素はｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２に析出するのではなく、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２から分離した状態で回収され、いわゆる触媒被毒の問題がなく、しかも、そのｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２は、珪酸ナトリウムや水ガラスの場合のように溶融一体化されずに形状変化が抑えられることから、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を何度も繰り返して使用することができることを併せて見出し、本発明を完成させた。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、単一の化学物質を用いて、ＣＯ２の吸収と炭素への分解の両方を行うことができ、しかも、反応効率を落とさずに、かつ溶融一体化することが無く、ＣＯ２の吸収と炭素への分解を繰り返すことができる方法を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、このような方法に用いられるＣＯ２吸収材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本発明の要旨は次の通りである。
（１）ＣＯ２を含んだＣＯ２含有ガスをｎが３．４〜５．４のｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２に接触させて、ＣＯ２を吸収させる工程Ａと、該ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を非酸化性雰囲気中で５００℃以上１０００℃以下に加熱してＣＯ２を炭素に分解し、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２から分離された状態で炭素を回収する工程Ｂとを有することを特徴とする、ＣＯ２を吸収して炭素に分解する方法。
（２）ＣＯ２を吸収したｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２が装入される収容体と、装入されたｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２と対向する位置に配される蓋体とを備えた反応装置を用いて、該ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を５００℃以上１０００℃以下に加熱してＣＯ２を炭素に分解すると共に、収容体と蓋体との間に温度勾配を形成して、収容体に比べて低温側である蓋体に炭素を析出させて回収する、（１）に記載の方法。
（３）前記ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２から分離された状態で炭素を回収する工程Ｂの後、再び、該ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２にＣＯ２を吸収させる工程Ａと、非酸化性雰囲気中で５００℃以上１０００℃以下に加熱して炭素を回収する工程Ｂとを繰り返すようにする、（１）又は（２）に記載の方法。
（４）（１）〜（３）のいずれかに記載の方法に用いられて、ｎが３．４〜５．４のｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２からなるＣＯ２吸収材。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物であるｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を単独で用いて、ＣＯ２の吸収と炭素への分解を行うことができる。しかも、反応効率を落とさずに、ＣＯ２の吸収と炭素への分解を繰り返すことができると共に、従来法に比べて、ＣＯ２から炭素への分解をより低温度で行うことが可能になる。このように、簡便な方法によりＣＯ２の吸収と炭素への分解を繰り返して行うことができることから、炭素源として使用できる炭素をＣＯ２の有効利用によって効率良く製造することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、Ｋ２Ｏ−ＳｉＯ２の２成分系相平衡状態図である。
【図２】図２は、本発明により炭素を回収するのに用いられる反応装置の一例を示した模式説明図である。
【図３】図３は、本発明により炭素を回収するのに用いられる反応装置の他の一例を示した模式説明図である。
【図４】図４は、Ｎａ２Ｏ−ＳｉＯ２の２成分系相平衡状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明について詳しく説明する。
本発明は、ＣＯ２を含んだＣＯ２含有ガスをＫ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物であるｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２（ｎ＝3.4〜5.4）に接触させて、ＣＯ２を吸収させる工程Ａと、このｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を非酸化性雰囲気中で５００℃以上１０００℃以下に加熱して、ＣＯ２を炭素に分解し、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２から分離された状態で炭素を回収する工程Ｂとを有して、ＣＯ２を吸収して炭素に分解する方法に関する。
【００１４】
本発明で使用するＫ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物について、図１には、Ｋ２Ｏ−ＳｉＯ２の２成分系相平衡状態図が示されている。また、図４には、参考として、先の特許文献１や特許文献２に記載の従来法で使用する珪酸ナトリウム（Ｎａ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物）について、Ｎａ２Ｏ−ＳｉＯ２の２成分系相平衡状態図が示されている。これらの状態図から分かるように、従来法で使用されるＮａ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物は、Ｎａ成分の比率が大きい高アルカリ比である方が高融点であるのに対して、本発明で使用するＫ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物は、Ｋ成分の比率が大きい高アルカリ比でも低融点であるという特徴を有する。なお、図１及び図４において各化合物の組成を示す横軸は、いずれもアルカリ元素のモル分率を表すものである。
【００１５】
Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物であるｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２は、ＣＯ２の吸収という観点から高アルカリ比のものが有利であり、また、本発明のような反応が起こり易くするという観点から、低融点であるのが有利である。つまり、後者については未だ推測の域を出ないが、反応の際にｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２が溶融状態になれば、もしくは、融点近くの温度となれば、酸素イオン（Ｏ２−）の移動が容易となって反応が進み易く、また、電導度も大きくなるため、Ｏ２が離脱した後にエレクトロン（ｅ−）が拡散して、炭素（Ｃ）の生成が起こり易くなると考えられる。そのため、同じ反応温度であれば、融点が低い化合物である方が有利である。このような理由から、本発明では、Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物であるｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を用いたところ、特許文献１や特許文献２に記載の従来法のように、水ガラスやアルカリ珪酸化物と共にＣａＯやＮａ２Ｏを使用しなくても、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２単独でＣＯ２を吸収させることができ、そのｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を加熱することでＣＯ２を炭素（Ｃ）に分解できて、しかも、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２から分離された状態で炭素が回収できることを新たに見出した。
【００１６】
このｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２については、上述したように、ＣＯ２吸収の観点から高アルカリ比の化合物であるのがよく、また、吸収したＣＯ２を加熱により炭素に分解する反応が進み易いといった観点から、ｎが３．４〜５．４のｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を用いるようにする。好ましくは、ｎが４〜４．８のｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２であり、最も好ましくは４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２である。なお、係数ｎはＳｉＯ２に対するＫ２Ｏの比を表す正の数である。
【００１７】
また、このｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２は、気体吸収性に優れる方が望ましいことから、その形状については、塊状のものよりは粉末状であるか又は粒状のものであるのがよい。好ましくは、個々の粒子の粒径が０．１μｍ〜５ｍｍ程度であるのがよく、より好ましくは１μｍ〜１ｍｍであるのがよい。なお、粒径を小さくし過ぎると粉砕の過程で不純物が混入することなどが懸念されるため、粉砕したとしても１μｍ程度までとするのがよい。ただし、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２の粒径や形状については特に制限されない。
【００１８】
本発明の方法では、先ず、ＣＯ２を含んだＣＯ２含有ガスをｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２に接触させて、ＣＯ２を吸収させる（工程Ａ）。ここで、ＣＯ２含有ガスをｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２に接触させる手段については特に制限されない。例えば、大気中のＣＯ２をｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２に吸収させる場合には、ＣＯ２吸収材として用いるｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を大気中に一定時間放置するようにしてもよい。また、ＣＯ２含有ガスとしては、空気のほか、例えば、石炭、重油、天然ガス等を燃料とする火力発電所や、製造所のボイラー、コークスで酸化鉄を還元する製鉄所の高炉等から排出されるような排ガスを用いることもできる。この場合、例えば、排ガスの出入り口を有した密閉容器内にＣＯ２吸収材であるｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を入れておき、この密閉容器内に排ガスを送り込み流通させて、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２にＣＯ２を吸収させることができる。
【００１９】
ところで、Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物であるｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２がＣＯ２を吸収することは、一般的には知られていない。そのメカニズムは不明であるが、ＣＯ２を吸収することにより、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２のＫ２Ｏの一部が、Ｋ２ＣＯ３類似の構造を有する化合物へ変化するのではないかと推測している。
【００２０】
次に、ＣＯ２を吸収させたｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２は、非酸化性雰囲気中、５００℃以上１０００℃以下で加熱して、ＣＯ２を炭素に分解させる（工程Ｂ）。この加熱の際には、生成した炭素の酸化を防止するために、非酸化性雰囲気とする必要がある。非酸化性雰囲気としては、例えば、アルゴン雰囲気等の不活性ガスの雰囲気や窒素雰囲気等を挙げることができる。ちなみに、使用する非酸化性ガスの純度としては、一般的なガスボンベの純度、例えば、９９．９９％程度で十分である。この純度があれば、加熱する際に用いる加熱炉などの一般的な加熱装置に収容される反応装置内において、生成した炭素が酸化することを実質的に無視することができる。また、非酸化性ガスの流量としては特に制限はなく、経済的な観点から少量でよい。加熱による反応装置内での圧力の上昇・破損を防ぐ目的から、ガスフロー系にて本発明を実施する場合は、排気管から非酸化性ガスが逆流しない流量であればよい。この流量として、例えば、数１０ｍＬ〜数１０Ｌ／分程度、好ましくは、１００ｍＬ〜２Ｌ／分程度の流量を示すことができる。
【００２１】
また、加熱温度については、炭素を生成させるために５００℃以上が必要である。Ｋ２Ｏ−ＳｉＯ２の２成分系化合物であるｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２は、先に示した図１の状態図から分かるように、４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２が相図の谷の位置に相当し、高アルカリであるにも関わらず、各成分の気化が生じ難く組成が安定である。この４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２の融点が最も低く（645℃）、この組成に近いｎ＝３．４〜５．４のｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２であれば、仮に各成分の気化が生じても低融点の４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２に組成が近づく変化が優勢である。結果、大きく組成変動することが無く、少なくとも５００℃の温度での加熱により、吸収したＣＯ２を炭素に分解させることができる。その際、ＣＯ２を炭素に分解する反応効率を高める観点から、好ましくは、６００℃以上で加熱するのがよい。一方で、加熱温度が高くなれば反応効率を高める点では有利であるが、１０００℃より高くなると、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２の溶融一体化が急速に進行するので再使用には粉砕等の手間が必要となってしまう。そのため、好ましくは７５０℃以下であるのがよく、この温度であればｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２の状態はほとんど変化せず、多数回使用しても粉末が軽く凝結した多孔体構造を維持することができるので、そのままの状態で再使用することができる。なお、ｎ＝３．４〜５．４のｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２は工業製品としてはもちろん、試薬としてもほとんど市販されていないため、主な入手方法は合成に依らざるを得ない。
【００２２】
また、加熱時の昇温速度については特に制限がなく、例えば、一般に使用される通常の加熱炉の昇温速度である１〜４０℃／分を選択でき、好ましくは、１０〜２０℃／分であるのがよい。更には、最高温度到達後の保持時間も特に制限はない。経済的な観点から短時間の保持時間を選択して、例えば、１〜１８０分、好ましくは、１０〜６０分程度で十分である。最高温度到達後の冷却速度についても同様に制限されず、最高到達温度での保持時間が終了した後、直ちに加熱を止めて、装置の自然冷却に任せてよく、もし、装置の構造上から冷却速度に制約があれば、それに従ってよい。
【００２３】
本発明の方法により、ＣＯ２を吸収したｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２から炭素（Ｃ）が生成する反応メカニズムについては未だ明らかになっていないが、今のところ以下のように推測される。
Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物であるｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２は最大量の酸素原子を有しており、還元物質としては作用できない。したがって、反応の進行に還元物質は関与しておらず、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２は触媒として作用すると考えられる。また、前述したように、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２がＣＯ２を吸収すると、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２のＫ２Ｏの一部が、Ｋ２ＣＯ３類似の構造を有する化合物へ変化するのではないかと推測している。このことから、加熱中の推測されるメカニズムとしては、Ｋ２ＣＯ３類似の化合物中の酸素原子がｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２中を拡散し、その結果、炭素（Ｃ）が取り残されるというものである。なお、このメカニズムでは酸素原子が酸素分子として溶融状態のｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２から離脱せねばならないが、今のところ、この現象が確認できているわけではなく、推定である。ただ、このメカニズムから推測すると、５００℃未満ではｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２中の酸素拡散速度が十分でなく、したがって、本発明では、加熱温度は５００℃以上が必要であると考えられる。また、１０００℃より高温ではｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２の溶融一体化が急速に進行することは、上述したとおりである。
【００２４】
また、本発明では、ＣＯ２を吸収したｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を非酸化性雰囲気中で加熱すると、分解した炭素はｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２に析出されるのではなく、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２から分離した状態で回収することができる。加えて、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２は、ＣＯ２分解のための加熱によって、それ自身が全て溶融してしまうのではなく、せいぜい粉末状のものが粒子同士で結合する程度に抑えられる。これらに関し、特に、前者についてはメカニズムが未だ十分に解明されていないが、炭素はわずかにプラスに帯電している可能性があるものの、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２は融点が低いのでＯ２が離脱した後のエレクトロン（ｅ−）が十分に拡散し、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２表面は中性電位となり、両者の間に電気的な吸引力は作用せず、結果、微細な生成炭素は系内で低温部分に自然に移動すると推測している。また、後者については、本組成のｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２が相図の谷付近に位置しており、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２自身の融点低下はこれ以上生じ難く、また、ＣＯ２吸収により生成すると考えられるＫ２ＣＯ３類似の化合物についても、Ｋ２ＣＯ３の融点が８９１℃であることから、１０００℃以下では溶融一体化は進行しないと考えている。
【００２５】
そのため、ＣＯ２から分解された炭素を回収するにあたり、本発明では特に制限されないが、分解した炭素を効率良く回収する観点から、好ましくは、ＣＯ２を吸収したｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２が装入される収容体と、装入されたｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２と対向する位置に配される蓋体とを備えた反応装置を用いるようにするのがよい。すなわち、収容体に装入されたｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を５００℃以上１０００℃以下に加熱してＣＯ２を炭素に分解するが、その際、収容体に比べて蓋体が低温となるように、収容体と蓋体との間に温度勾配を形成して、低温側である蓋体に炭素を析出させて回収することができる。
【００２６】
図２には、上記のような反応装置を使った炭素回収の一例が示されている。この例は、坩堝本体２とこの坩堝本体２の上端開口部を閉塞する坩堝上蓋３とを有した坩堝４を用いたものであり、坩堝本体２がｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２（K2O・SiO2系化合物）１の装入される収容体として使用され、坩堝上蓋３が炭素を析出させる蓋体として使用される。すなわち、坩堝本体２には、予め、大気中に放置するなどしてＣＯ２を吸収させたＫ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物１が装入される。ＣＯ２を吸収したＫ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物１は、坩堝４ごと反応容器５に入れられ、この反応容器５の上端開口部は容器蓋６で閉塞されて、反応装置９が構成される。また、反応容器５には、不活性ガスや窒素等を導入するガス導入管７とガス排気管８とが備え付けられており、反応容器５内を非酸化性雰囲気で維持することができるようになっている。
【００２７】
そして、この反応装置９を使って、坩堝４が収容された反応容器５の底側を加熱炉等の加熱装置１０で加熱し、坩堝本体２に装入されたＫ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物１を５００℃以上１０００℃以下にしてＣＯ２を炭素に分解する。その際、まわりが加熱装置１０で取り囲まれていない坩堝上蓋３側が坩堝本体２側に比べて低温となるため、分解された炭素は、坩堝４内でＫ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物１と対向する位置に配された坩堝上蓋３の内面に析出する。
【００２８】
また、図３には、反応装置の別の例が示されている。この例では、坩堝上蓋３を用いない点で先の図２の反応装置９と違いがあり、図３に係る反応装置１９では、容器蓋６が炭素を析出させる蓋体として使用される。すなわち、この反応装置１９の場合には、少なくとも、Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物１が装入されて収容体として使用される坩堝本体２の全体が加熱装置１０で取り囲まれるようにして反応容器５を加熱し、ＣＯ２を炭素に分解する。その際、まわりが加熱装置１０で取り囲まれていない容器蓋６側が坩堝本体２側に比べて低温となるため、分解された炭素は、反応容器５内でＫ２Ｏ・ＳｉＯ２系化合物１と対向する位置に配された容器蓋６の内面に析出する。なお、図３の例では、反応容器５にガス導入管７やガス排気管８が備え付けられていないが、このような場合には、予め反応容器５内を不活性ガスや窒素等で置換して、非酸化性雰囲気に維持されるようにすればよい。
【００２９】
本発明における方法では、炭素がｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２に析出するのではなく、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２から分離した状態で回収され、しかも、ＣＯ２分解のための加熱によっても、そのｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２の形状変化は抑えられることから、一旦、炭素を回収した後、再び、そのｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２にＣＯ２を吸収させる工程Ａと、非酸化性雰囲気中で５００℃以上１０００℃以下に加熱して炭素を回収する工程Ｂとを繰り返して行うようにしてもよい。その際、炭素はｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２に析出しないため、いわゆる触媒被毒の問題がなく、反応効率を落とさずに、ＣＯ２の吸収と炭素への分解を何度も繰り返すことが可能であり、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２を効率良く使用することができる。
【００３０】
また、本発明においては、ＣａＯ、Ｎａ２Ｏ等のアルカリ元素の酸化物やアルカリ土類元素の酸化物をｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２と共に用いるようにしてもよい。すなわち、ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２は、それ単独でＣＯ２の吸収と炭素への分解を行うことができるが、ＣａＯやＮａ２Ｏ等を併用することを妨げるものではない。ＣａＯやＮａ２Ｏ等を併用する場合でも、炭素はｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２から分離した状態で回収され、また、ＣＯ２を分解させる加熱によってもｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２がＣａＯやＮａ２Ｏ等と溶融一体化はほとんど進行せず、特にＣａＯ併用の場合には、形状変化が抑えられる。
【００３１】
本発明の方法によって得られた炭素は、工業材料や燃料等として用いられる通常の炭素源として使用することができる。特に、本発明によれば、簡便な方法でＣＯ２の吸収と炭素への分解を繰り返して行うことができることから、ＣＯ２の有効活用と地球温暖化対策を同時に達成できる点で有意義なものであると言える。
【実施例】
【００３２】
以下、実施例等に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの内容に制限されるものではない。
【００３３】
（実験例１：発明例）
４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２は一般には市販されておらず、以下の工程により合成した。
市販の水酸化カリウム（粒状の特級試薬）とケイ砂（ＳｉＯ２）（２００〜３００メッシュ）を、Ｋ２Ｏ：ＳｉＯ２比が４．４：１となり、水酸化カリウムとケイ砂が反応して４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２が生成した場合に約２０ｇとなる量を各々秤量し、上部内径が約３６ｍｍ、深さが約３６ｍｍのニッケルルツボに装入した。これをニッケルルツボごと内径約４１ｍｍ、深さ約１１５ｍｍの石英ルツボへ入れた。石英ルツボにアルミナ製の蓋をし、Ａｒ雰囲気の加熱炉で１０５０℃まで１０℃／分で昇温し、３０分間保持後、室温まで自然冷却した。冷却後、ニッケルルツボの中にはほぼ無色透明の均一なガラス状物質が生成していた。この生成物の質量減少を測定すると、水酸化カリウムが完全に脱水し、ケイ砂と反応して４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２が生成した場合の質量減少と一致し、４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２が生成したことが確認された。
【００３４】
ニッケルルツボにはテーパーが付いているが、ニッケルルツボを伏せて底を軽く叩くと生成したガラス状の４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２を取り出すことができた。４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２のニッケルルツボとの接触部分は、所々わずかに薄い黄色を帯びていたので、この部分をステンレス製のスクレーパーで削り落とし、無色の４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２塊を得た。この塊をアルミナ乳鉢にて１ｍｍ以下に粉砕し、そのうちの約１０ｇを坩堝本体２と坩堝上蓋３とを有する坩堝（シリカアルミナルツボ）４の坩堝本体２へ装入した。
【００３５】
上記シリカアルミナルツボを加熱炉へ入れ、乾燥空気を２Ｌ／分で流しながら、１０℃／分で昇温して７００℃とし、その温度で１２時間保持した後、室温まで自然冷却した。この酸化処理により、４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２粉中の有機物及び炭素を完全除去した。また、これによって４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２粉は完全に無水物となったと考えられる。
【００３６】
上記で得られた約１０ｇの４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２を坩堝本体２に入れた状態で、真空デシケータ内に入れ、真空デシケータを真空排気した後、１００％濃度のＣＯ２ガスを導入して、室温で４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２に１００％濃度のＣＯ２ガスを約１５時間接触させた。その結果、このようなＣＯ２接触処理により４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２は約２３％の質量増加が認められた。
【００３７】
上記のようにしてＣＯ２を吸収させた４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２（K2O・SiO2系化合物）１が装入された坩堝本体２を坩堝上蓋３で蓋をし、これを石英ガラスからなる反応容器５に入れて、反応容器５の上端開口部を容器蓋６で塞いで、図２に示したような反応装置９を準備した。そして、この反応容器５の底側部分を加熱炉（加熱装置）１０に入れ、反応容器５のガス導入管７とガス排気管８を使ってアルゴンガスを流通させながら、１０℃／分で加熱炉１０を昇温して坩堝本体２を６００℃に加熱し、３０分間保持する加熱処理を行った。次いで、加熱炉１０による加熱を止めて反応容器５内を自然冷却した後、反応容器５から坩堝４を取り出したところ、シリカアルミナ多孔体板からなる坩堝上蓋３の内面が黒く変色して、黒色物が析出していた。
【００３８】
この坩堝上蓋３の内面を熱水で洗浄したところ、粉状の黒色物が分離して熱水表面に浮上したので、これを濾過分離し、更に、加熱した純水で洗浄して、乾燥させた。乾燥した粉状の黒色物を燃焼赤外線吸収法で炭素分析したところ、ほぼ１００％の炭素であった。この実験系内の炭素源は先のＣＯ２接触処理で４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２が吸収したＣＯ２しかなく、ＣＯ２がＣに還元されたと考えられる。また、その際に、回収された炭素量から、４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２が吸収したＣＯ２のＣへの転化効率は５％程度であった。
【００３９】
一方、坩堝本体２に装入された４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２は、粒子同士の結合は認められたものの、加熱処理によって一旦全て溶融し再固化したような状態ではなく、多孔体形状が維持されていた。また、全体的に加熱処理前と同じ白色であり、黒色物の析出は確認されなかった。そこで、特に手を加えることなく、そのまま先に行ったＣＯ２接触処理と加熱処理を同様にして繰り返し、ＣＯ２の吸収とＣへの分解の一連の処理を合計１２回実施した。その結果、いずれも坩堝上蓋３の内面でのＣの析出が確認され、各々の加熱処理において４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２が吸収したＣＯ２のＣへの転化効率は３％程度以上を維持できた。坩堝本体２内の４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２は形状、色ともに、最初の処理の時と変わりはなかった。
【００４０】
（実験例２：発明例）
ＣＯ２ガス吸収後の炭素を生成させる加熱処理の際の加熱温度を５００℃としたこと以外は、実験例１と同様の実験を行った。本実験では、回収された炭素量から、４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２が吸収したＣＯ２のＣへの転化効率は３％程度であった。また、実験後の４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２は、実験例１の場合と同様に、粒子同士の結合は認められたものの、加熱処理によって一旦全て溶融し再固化したような状態ではなく、多孔体形状が維持されていた。更には、全体的に加熱処理前と同じ白色であり、黒色物の析出は確認されなかった。
【００４１】
（実験例３：発明例）
ＣＯ２ガス吸収後の炭素を生成させる加熱処理の際の加熱温度を１０００℃としたこと以外は、実験例１と同様の実験を行った。本実験では、回収された炭素量から、４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２が吸収したＣＯ２のＣへの転化効率は５．５％程度であった。また、実験後の４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２は、粒子同士の結合は認められたものの、加熱処理によって一旦全て溶融し再固化したような状態ではなく、多孔体形状が維持されていた。しかし、全体的にわずかに収縮が認められた。更には、全体的に加熱処理前と同じ白色であり、黒色物の析出は確認されなかった。
【００４２】
（実験例４：発明例）
実験例１と同様に１ｍｍ以下の４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２粉末を調整した後、４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２粉末１０ｇと、市販の塊状のＣａＯ試薬（純度９９．９％以上）をアルミナ乳鉢で粉砕したＣａＯ粉末３ｇとを、アルミナ乳鉢にて混合した。その後、実験例１と同様の実験を行ったところ、ＣＯ２接触処理により、４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２とＣａＯの混合粉末全体で約２５％の質量増加が認められた。また、混合粉末が吸収したＣＯ２のＣへの転化効率は６％程度であった。
【００４３】
（比較例１）
ＣＯ２ガス吸収後の炭素を生成させる加熱処理の際の加熱温度を４５０℃としたこと以外は、実験例１と同様の実験を行った。本実験では、炭素はほとんど回収できず、４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２が吸収したＣＯ２のＣへの転化効率は１％以下と推定された。また、実験後の４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２は、粒子同士の結合は無く、ほぼ加熱前の粉末状のままであった。更には、全体的に加熱処理前と同じ白色であり、黒色物の析出は確認されなかった。
【００４４】
（比較例２）
ＣＯ２ガス吸収後の炭素を生成させる加熱処理の際の加熱温度を１０５０℃としたこと以外は、実験例１と同様の実験を行った。本実験後の４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２は、加熱処理によって一旦全て溶融し、再固化した状態であり、そのままではＣＯ２の再吸収を実施できない状態であった。ただ、色調は、全体的に加熱処理前と同じ白色であり、黒色物の析出は確認されなかった。また、そのままでは再使用できないものの、４．４Ｋ２Ｏ・ＳｉＯ２が吸収したＣＯ２のＣへの転化効率は５．５％程度であった。
【符号の説明】
【００４５】
１：ｎＫ２Ｏ・ＳｉＯ２（K2O・SiO2系化合物）、２：坩堝本体、３：坩堝上蓋、４：坩堝、５：反応容器、６：容器蓋、７：ガス導入管、８：ガス排気管、９，１９：反応装置、１０：加熱装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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