(57)【要約】【課題】大規模な装置を用いて大量の超臨界二酸化炭素中で含浸操作を行って、大量の基材に対して含浸処理する場合に、工程トラブルを発生させずに、効率的に二酸化炭素を回収再使用すること。【解決手段】含浸処理槽１０内において超臨界二酸化炭素中で含浸物質を基材に含浸させた後に、含浸処理後の流体を含浸処理槽１０から減圧バルブ２０を介してガス分離槽３０に導入し、ガス分離槽３０で液体あるいは固体成分を除去し、得られた二酸化炭素ガスを圧縮して液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素にしてから貯蔵タンク６０に保存し、貯蔵タンク６０から導出した液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を必要に応じて加熱又は圧縮してから含浸処理槽１０内に供給し、含浸処理槽１０内を超臨界二酸化炭素で満たす、二酸化炭素を回収再使用する含浸処理方法において、各種の改善を施す。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
含浸処理槽内において超臨界二酸化炭素中で含浸物質を基材に含浸させた後に、含浸処理後の流体を含浸処理槽から減圧バルブを介してガス分離装置に導入し、ガス分離装置で液体あるいは固体成分を除去し、得られた二酸化炭素ガスを圧縮して液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素にしてから貯蔵タンクに保存し、貯蔵タンクから導出した液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を必要に応じて加熱又は圧縮してから含浸処理槽内に供給し、含浸処理槽内を超臨界二酸化炭素で満たす、二酸化炭素を回収再使用する含浸処理方法において；
含浸処理槽から導出された流体を減圧してガス分離装置に導入するに際し、減圧バルブ前後の少なくともいずれかにおいて加熱操作を施すことを特徴とする含浸処理方法。
【請求項２】
含浸処理槽内において超臨界二酸化炭素中で含浸物質を基材に含浸させた後に、含浸処理後の流体を含浸処理槽から減圧バルブを介してガス分離装置に導入し、ガス分離装置で液体あるいは固体成分を除去し、得られた二酸化炭素ガスを圧縮して液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素にしてから貯蔵タンクに保存し、貯蔵タンクから導出した液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を必要に応じて加熱又は圧縮してから含浸処理槽内に供給し、含浸処理槽内を超臨界二酸化炭素で満たす、二酸化炭素を回収再使用する含浸処理方法において；
含浸処理槽内の流体の残存量が減少するにしたがって、減圧バルブの開度を徐々に大きくすることを特徴とする含浸処理方法。
【請求項３】
含浸処理槽内において超臨界二酸化炭素中で含浸物質を基材に含浸させた後に、含浸処理後の流体を含浸処理槽から減圧バルブを介してガス分離装置に導入し、ガス分離装置で液体あるいは固体成分を除去し、得られた二酸化炭素ガスを圧縮して液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素にしてから貯蔵タンクに保存し、貯蔵タンクから導出した液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を必要に応じて加熱又は圧縮してから含浸処理槽内に供給し、含浸処理槽内を超臨界二酸化炭素で満たす、二酸化炭素を回収再使用する含浸処理方法において；
ガス分離装置内にフィルターを設けることを特徴とする含浸処理方法。
【請求項４】
含浸処理槽と減圧バルブの間にストレーナを設ける請求項１〜３のいずれか記載の含浸処理方法。
【請求項５】
含浸処理槽内において超臨界二酸化炭素中で含浸物質を基材に含浸させた後に、含浸処理後の流体を含浸処理槽から減圧バルブを介してガス分離装置に導入し、ガス分離装置で液体あるいは固体成分を除去し、得られた二酸化炭素ガスを圧縮して液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素にしてから貯蔵タンクに保存し、貯蔵タンクから導出した液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を必要に応じて加熱又は圧縮してから含浸処理槽内に供給し、含浸処理槽内を超臨界二酸化炭素で満たす、二酸化炭素を回収再使用する含浸処理方法において；
ガス分離装置から導出された二酸化炭素ガスを圧縮するに際して、複数のコンプレッサーを使用して多段階で圧縮し、これら複数のコンプレッサーの間にバッファタンク及び冷却装置を配置することを特徴とする含浸処理方法。
【請求項６】
含浸処理槽内において超臨界二酸化炭素中で含浸物質を基材に含浸させた後に、含浸処理後の流体を含浸処理槽から減圧バルブを介してガス分離装置に導入し、ガス分離装置で液体あるいは固体成分を除去し、得られた二酸化炭素ガスを圧縮して液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素にしてから貯蔵タンクに保存し、貯蔵タンクから導出した液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を必要に応じて加熱又は圧縮してから含浸処理槽内に供給し、含浸処理槽内を超臨界二酸化炭素で満たす、二酸化炭素を回収再使用する含浸処理方法において；
貯蔵タンクに導入される前の液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素、あるいは貯蔵タンクから導出された後の液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を乾燥剤に接触させて水分を減少させることを特徴とする含浸処理方法。
【請求項７】
含浸処理槽内において超臨界二酸化炭素中で含浸物質を基材に含浸させた後に、含浸処理後の流体を含浸処理槽から減圧バルブを介してガス分離装置に導入し、ガス分離装置で液体あるいは固体成分を除去し、得られた二酸化炭素ガスを圧縮して液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素にしてから貯蔵タンクに保存し、貯蔵タンクから導出した液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を必要に応じて加熱又は圧縮してから含浸処理槽内に供給し、含浸処理槽内を超臨界二酸化炭素で満たす、二酸化炭素を回収再使用する含浸処理方法において；
貯蔵タンクから導出された液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を、並列配置された複数のポンプヘッドを使用して加圧して含浸処理槽に供給することを特徴とする含浸処理方法。
【請求項８】
含浸処理槽内において超臨界二酸化炭素中で含浸物質を基材に含浸させた後に、含浸処理後の流体を含浸処理槽から減圧バルブを介してガス分離装置に導入し、ガス分離装置で液体あるいは固体成分を除去し、得られた二酸化炭素ガスを圧縮して液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素にしてから貯蔵タンクに保存し、貯蔵タンクから導出した液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を必要に応じて加熱又は圧縮してから含浸処理槽内に供給し、含浸処理槽内を超臨界二酸化炭素で満たす、二酸化炭素を回収再使用する含浸処理方法において；
二酸化炭素を加圧する前後のいずれかにおいて熱交換器を用いて二酸化炭素を冷却する操作を施し、冷却操作によって得られた熱量を二酸化炭素の加熱操作において消費することを特徴とする含浸処理方法。
【請求項９】
含浸処理槽内において超臨界二酸化炭素中で含浸物質を基材に含浸させた後に、含浸処理後の流体を含浸処理槽から減圧バルブを介してガス分離装置に導入し、ガス分離装置で液体あるいは固体成分を除去し、得られた二酸化炭素ガスを圧縮して液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素にしてから貯蔵タンクに保存し、貯蔵タンクから導出した液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を必要に応じて加熱又は圧縮してから含浸処理槽内に供給し、含浸処理槽内を超臨界二酸化炭素で満たす、二酸化炭素を回収再使用する含浸処理方法において；
１つの貯蔵タンクから導出された液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を、複数の含浸処理槽に供給し、複数の含浸処理槽から１つのガス分離装置に導入することを特徴とする含浸処理方法。
【請求項１０】
貯蔵タンクから導出された液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を加熱又は圧縮し、得られた超臨界二酸化炭素を超臨界ストックタンクに供給し、超臨界ストックタンクから複数の含浸処理槽内に超臨界二酸化炭素を供給する請求項９記載の含浸処理方法。
【請求項１１】
含浸処理する際の超臨界二酸化炭素が共溶媒を含有し、ガス分離装置内で共溶媒と二酸化炭素ガスとを分離する請求項１〜１０のいずれか記載の含浸処理方法。
【請求項１２】
含浸処理槽内において超臨界二酸化炭素中で含浸物質を基材に含浸させた後に、含浸処理後の流体を含浸処理槽から減圧バルブを介してガス分離装置に導入し、ガス分離装置で液体あるいは固体成分を除去し、得られた二酸化炭素ガスを圧縮して液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素にしてから貯蔵タンクに保存し、貯蔵タンクから導出した液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を必要に応じて加熱又は圧縮してから含浸処理槽内に供給し、含浸処理槽内を超臨界二酸化炭素で満たす、二酸化炭素を回収再使用する含浸処理方法において；
含浸処理する際の超臨界二酸化炭素が共溶媒を含有し、ガス分離装置内で共溶媒と二酸化炭素ガスとを分離し、貯蔵タンク内あるいはその前後の配管において液化二酸化炭素中に含まれる共溶媒の含有量を分析し、その分析結果に基づいて共溶媒の添加量を調整することを特徴とする含浸処理方法。
【請求項１３】
前記含浸物質が染料である請求項１〜１２のいずれか記載の含浸処理方法。
【請求項１４】
前記含浸物質が芳香性物質、薬効性物質、抗菌剤、防虫剤、防かび剤、防臭剤、消臭剤、柔軟剤、硬化剤、防しわ剤、収縮防止剤、ピリング防止剤、防水剤、撥水剤、吸汗剤、蛍光増白剤、濃色化剤、防汚剤、帯電防止剤、防火剤、酸化防止剤、老化防止剤、紫外線吸収剤、耐光安定剤、形状記憶加工剤及び電磁波シールド加工剤からなる群から選択される少なくとも一種である請求項１〜１３のいずれか記載の含浸処理方法。
【請求項１５】
前記基材が繊維製品、皮革、木材、フィルム及びプラスチック成形品から選択される少なくとも一種である請求項１〜１４のいずれか記載の含浸処理方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか記載の含浸処理方法により含浸処理された製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、含浸処理槽内において超臨界二酸化炭素中で含浸物質を基材に含浸させた後に、含浸処理後の流体を含浸処理槽から減圧バルブを介してガス分離装置に導入し、ガス分離装置で液体あるいは固体成分を除去し、得られた二酸化炭素ガスを圧縮して液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素にしてから貯蔵タンクに保存し、貯蔵タンクから導出した液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を必要に応じて加熱又は圧縮してから含浸処理槽内に供給し、含浸処理槽内を超臨界二酸化炭素で満たす、二酸化炭素を回収再使用する含浸処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
繊維製品の染色は水を大量に使用するため、染色後に未固着染料や染色助剤などを含む廃水が大量に排出されることが避けられない。この廃水は水質汚濁の原因ともなることから、その浄化が必要であり、染色加工を行う企業にとって大きな負担になっている。これに対し、最近廃水を排出しない染色方法として超臨界二酸化炭素中で染色を行う方法が提案されている。また、繊維製品に限らず、各種の基材に、超臨界二酸化炭素中で含浸物質を含浸させる方法も提案されている。このとき、使用する二酸化炭素は回収して再使用することができる。
【０００３】
超臨界二酸化炭素中で染色する際に、二酸化炭素を回収再使用する方法に関しては、特表２０００−５００１９２号公報（特許文献１）や、特表２００２−５１７６１９号公報（特許文献２）に記載されている。これらの特許公報においては、染色が終了した後の二酸化炭素流体は、減圧弁を介して染色槽から分離槽に供給され、そこで残留物質と二酸化炭素ガスとに分離される。分離された二酸化炭素ガスは、凝縮器によって液化され、加熱操作や加圧操作を加えて超臨界状態にされて、再度染色槽に供給される。このとき、液化後に液化炭酸ガスを一旦タンクに保存しても良い。
【０００４】
染料の溶解性や染色性を改善するために、共溶媒を含有する超臨界二酸化炭素中で染色する方法が提案されている。このように共溶媒を使用する場合に、二酸化炭素を回収再使用する方法については特開２００２−１２９４６４号公報（特許文献３）や特開２００２−３７１４８３号公報（特許文献４）に記載されている。これら特許文献３及び４においても、上記特許文献１及び２に記載された工程とほぼ同様の回収工程が採用されている。このとき、超臨界流体を背圧弁で減圧して、分離槽内で０．２ＭＰａあるいは０．５ＭＰａになるようにすることによって、未染着染料および共溶媒を二酸化炭素ガスから分離することが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特表２０００−５００１９２号公報（第１１〜１３頁、図１）
【特許文献２】
特表２００２−５１７６１９号公報（第２６〜３４頁、図１）
【特許文献３】
特開２００２−１２９４６４号公報（第２〜３頁、図１）
【特許文献４】
特開２００２−３７１４８３号公報（第４〜６頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記各特許公報には、二酸化炭素を回収再使用するための基本的な操作方法が記載されている。しかしながら、工業生産に際しては、大規模な装置を用いて大量の超臨界二酸化炭素中で含浸操作を行って、大量の基材に対して含浸処理することが必要である。このような場合に、工程トラブルを発生させずに、効率的に二酸化炭素を回収再使用することは、各特許公報に記載された方法のみでは困難である。本発明は、このような問題を解決し、工業生産に際して、工程トラブルの発生の少ない、効率的な二酸化炭素の回収再使用方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本出願は、含浸処理槽内において超臨界二酸化炭素中で含浸物質を基材に含浸させた後に、含浸処理後の流体を含浸処理槽から減圧バルブを介してガス分離装置に導入し、ガス分離装置で液体あるいは固体成分を除去し、得られた二酸化炭素ガスを圧縮して液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素にしてから貯蔵タンクに保存し、貯蔵タンクから導出した液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を必要に応じて加熱又は圧縮してから含浸処理槽内に供給し、含浸処理槽内を超臨界二酸化炭素で満たす、二酸化炭素を回収再使用する含浸処理方法における、下記第１〜第９の発明を包含するものである。これらの各発明は、単独で採用してもそれぞれに効果を発揮するものであるが、複合して採用することによって、より効率的で、より安定に生産することが可能なプロセスを提供できるものである。
【０００８】
第１の発明は、上記含浸処理方法において、含浸処理槽から導出された流体を減圧してガス分離装置に導入するに際し、減圧バルブ前後の少なくともいずれかにおいて加熱操作を施すことを特徴とするものである。大量の二酸化炭素が減圧バルブ付近で気化する際に吸収される大量の潜熱によって配管が冷却されて、バルブ周辺にドライアイスが発生することを防ぐためのものである。
【０００９】
第２の発明は、上記含浸処理方法において、含浸処理槽内の流体の残存量が減少するにしたがって、減圧バルブの開度を徐々に大きくすることを特徴とするものである。含浸処理槽内の二酸化炭素をガス分離槽に送り込むに際して、ガス分離槽へ送り込まれる二酸化炭素の流速をできるだけ一定にして、分離工程を安定化させ、後の圧縮工程におけるコンプレッサーの運転操作との連携も安定なものにするためのものである。
【００１０】
第３の発明は、上記含浸処理方法において、ガス分離装置内にフィルターを設けることを特徴とするものである。ガス分離装置で液体あるいは固体成分を除去する際に分離効率を向上させるためのものである。
【００１１】
上記第１〜第３の発明において、含浸処理槽と減圧バルブの間にストレーナを設けることが好適である。こうすることによって含浸処理槽から導出される流体中に含まれる糸屑などの固形分を捕捉することができ、減圧弁が閉塞したり閉じなくなったりするのを防止することができる。
【００１２】
第４の発明は、上記含浸処理方法において、ガス分離装置から導出された二酸化炭素ガスを圧縮するに際して、複数のコンプレッサーを使用して多段階で圧縮し、これら複数のコンプレッサーの間にバッファタンク及び冷却装置を配置することを特徴とするものである。二酸化炭素を貯蔵タンク中に保存するには、液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素にする必要があるが、大量の二酸化炭素を比較的低圧のガスから圧縮するためには、複数のコンプレッサーを使用する方がむしろ効率が良いからである。
【００１３】
第５の発明は、上記含浸処理方法において、貯蔵タンクに導入される前の液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素、あるいは貯蔵タンクから導出された後の液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を乾燥剤に接触させて水分を減少させることを特徴とするものである。二酸化炭素を回収再使用する場合には、回収された二酸化炭素中に水分が混入することを完全に防止することは困難であるが、本発明によって、混入した水分を除去して含浸処理時の超臨界流体中の不純物量を低減させることができる。
【００１４】
第６の発明は、上記含浸処理方法において、貯蔵タンクから導出された液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を、並列配置された複数のポンプヘッドを使用して加圧して含浸処理槽に供給することを特徴とするものである。並列配置したポンプヘッドを使用することによって、超臨界流体の圧力の脈動を抑制することができる。
【００１５】
第７の発明は、上記含浸処理方法において、二酸化炭素を加圧する前後のいずれかにおいて熱交換器を用いて二酸化炭素を冷却する操作を施し、冷却操作によって得られた熱量を二酸化炭素の加熱操作において消費することを特徴とするものである。大量の二酸化炭素の加圧操作に伴って発生する熱量を、回収プロセス中で、二酸化炭素の加熱を要する部分で使用して、回収系全体としてのエネルギー消費量を抑制するためのものである。
【００１６】
第８の発明は、上記含浸処理方法において、１つの貯蔵タンクから導出された液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を、複数の含浸処理槽に供給し、複数の含浸処理槽から１つのガス分離装置に導入することを特徴とするものである。回収処理のためのラインを複数の含浸処理槽で共有して、単位生産量当たりの設備コストを低減するためのものである。このとき、貯蔵タンクから導出された液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を加熱又は圧縮し、得られた超臨界二酸化炭素を超臨界ストックタンクに供給し、超臨界ストックタンクから複数の含浸処理槽内に超臨界二酸化炭素を供給することが好ましい。こうすることによって、含浸処理槽への超臨界流体の供給を迅速に行い、サイクルタイムを短縮することができ、生産効率がさらに向上する。
【００１７】
含浸処理する際の超臨界二酸化炭素が共溶媒を含有することによって、含浸物質の溶解性や、含浸性を改善することができる。このとき、ガス分離装置内で共溶媒と二酸化炭素ガスとを分離する場合に、上記第１〜第８の発明を採用する実益が大きい。共溶媒を効率良く分離して純度の高い二酸化炭素を回収再使用することができるからである。
【００１８】
第９の発明は、上記含浸処理方法において、含浸処理する際の超臨界二酸化炭素が共溶媒を含有し、ガス分離装置内で共溶媒と二酸化炭素ガスとを分離し、貯蔵タンク内あるいはその前後の配管において液化二酸化炭素中に含まれる共溶媒の含有量を分析し、その分析結果に基づいて共溶媒の添加量を調整することを特徴とするものである。共溶媒量は、含浸物質の溶解性や、含浸させやすさに大きく影響を与えるものであるから、均一な製品を得るためにこのような調整を行うことが好ましい。
【００１９】
上記第１〜第９の発明において、含浸物質が染料であることが好適な実施態様である。含浸物質が芳香性物質、薬効性物質、抗菌剤、防虫剤、防かび剤、防臭剤、消臭剤、柔軟剤、硬化剤、防しわ剤、収縮防止剤、ピリング防止剤、防水剤、撥水剤、吸汗剤、蛍光増白剤、濃色化剤、防汚剤、帯電防止剤、防火剤、酸化防止剤、老化防止剤、紫外線吸収剤、耐光安定剤、形状記憶加工剤及び電磁波シールド加工剤からなる群から選択される少なくとも一種であることも好適な実施態様である。基材が繊維製品、皮革、木材、フィルム及びプラスチック成形品から選択される少なくとも一種であることも好適な実施態様である。また、本発明の好適な実施態様はこれらの含浸方法により含浸処理された製品である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明は、含浸処理槽内において超臨界二酸化炭素中で含浸物質を基材に含浸させた後に、含浸処理後の流体を含浸処理槽から減圧バルブを介してガス分離装置に導入し、ガス分離装置で液体あるいは固体成分を除去し、得られた二酸化炭素ガスを圧縮して液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素にしてから貯蔵タンクに保存し、貯蔵タンクから導出した液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を必要に応じて加熱又は圧縮してから含浸処理槽内に供給し、含浸処理槽内を超臨界二酸化炭素で満たす、二酸化炭素を回収再使用する含浸処理方法に関するものである。
【００２１】
以下、含浸処理を行った後に含浸処理槽１０から導出された二酸化炭素が、回収されて再度含浸処理槽１０に導入されるまでの工程を、図面を参照しながら順に説明する。図１は、本発明の実施態様の一例を示す含浸処理装置を示した図である。
【００２２】
まず、含浸処理操作について説明する。本発明では、含浸処理槽１０内において超臨界二酸化炭素中で含浸物質を基材に含浸させる。二酸化炭素の臨界点は温度３１．３℃、圧力７．４ＭＰａであり、これを超える超臨界流体とすることが比較的容易である。
【００２３】
共溶媒を含有することによって、染料等の含浸物質の超臨界二酸化炭素中への溶解性を向上させられる場合が多い。また、繊維製品等の基材が親水性のものであっても、その中に含浸物質を効率的に含浸させることが容易になる。さらに、染料等の含浸物質を共溶媒中に溶解あるいは分散させておいてから、超臨界二酸化炭素中へ導入することも可能となる。
【００２４】
本発明で使用される共溶媒としては、水又は極性有機溶媒が好ましい。極性有機溶媒としては、アルコール、ケトン、環状エーテル、アミド及びスルホキシドが挙げられる。アルコールとしてはメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ウンデカノール、グリコール（エチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール）、グリコール誘導体、エチルグリコール類、ブチルグリコール類、グリセリン、ペンタエリスリトールなどの脂肪族アルコールが例示され、ケトンとしてはアセトン、メチルエチルケトン、メチルイソプロピルケトン、メチルイソブチルケトン、ジブチルケトンが例示される。そして環状エーテルとしてはテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、アミドとしてはジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、スルホキシドとしてはジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）が、それぞれ好適なものとして例示される。
【００２５】
なかでも回収再使用を考慮すれば、比較的低沸点、例えば沸点が１５０℃以下であることが好適であり、１００℃以下であることがより好適である。一方、沸点が低すぎる場合には、回収される二酸化炭素ガス中に共溶媒が混入しやすくなるため、沸点は好適には４０℃以上であり、より好適には６０℃以上である。メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、アセトン、メチルエチルケトン、ＴＨＦなどが挙げられる。さらに作業者の安全性まで考慮した場合にはエタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、アセトンが好適であり、エタノールが最適である。これらの共溶媒は１種のみならず、２種以上を同時に使用しても良く、特に水は単独で使用した場合には超臨界二酸化炭素に均質に溶解しない場合があるために他の有機溶媒と併せて使用することが好ましい。
【００２６】
超臨界二酸化炭素中に添加する共溶媒の量は０．０１〜１０％であることが好適である。０．０１％よりも少ない場合には共溶媒添加の効果が減少し、親水性の有効成分の抽出操作、含浸操作が効率的に行えない場合がある。より好適には０．１％以上であり、さらに好適には０．２％以上である。一方、共溶媒の量が１０％を超える場合には含浸性が低下するばかりでなく、含浸操作後の繊維等に溶媒が残存し、溶媒除去のための後処理が別途必要になり好ましくない。より好適には５％以下、さらに好適には２％以下である。ここでいう「％」とは超臨界流体で満たされる容器中へ投入する共溶媒の常圧下での体積の、前記容器容積に対する割合に、１００を掛けたものであり、
［（添加した共溶媒の体積）／（超臨界流体の体積）］×１００
で示されるものである。
【００２７】
本発明で使用される含浸物質は、超臨界二酸化炭素中に溶解し、基材中に含浸させられるものであれば特に限定されない。好適なものとして染料が挙げられる。使用される染料は特に限定されるものではなく合成染料と天然染料のいずれを使用することもできる。
【００２８】
合成染料は、特に限定されるものではない。分散染料、油溶性染料、反応染料、反応分散染料、直接染料、酸性染料、塩基性染料、スレン染料、硫化染料、インジゴ染料及び含金染料を例示することができる。これらのうちでも、超臨界流体中での染色性が良好であることから、分散染料、油溶性染料、直接染料及び反応分散染料が好適に使用される。なかでも分散染料、油溶性染料及び直接染料がより好適に使用され、分散染料及び油溶性染料がさらに好適に使用される。
【００２９】
また、動植物抽出成分からなる天然染料を使用することもできる。草木染料や食用色素など、既に抽出された染料成分を使用して超臨界流体中で染色しても良いし、動植物から超臨界流体中で抽出して、そのまま染色しても良い。染料成分が抽出される動植物は、被染色物、特に繊維を染色することの可能な成分を含有するものであれば特に限定されない。一般的には植物が、いわゆる草木染めとして好んで使用される。動植物は、そのままでも抽出操作に供することが可能であるが、保存性や品質の均質性を担保することが容易であることから、乾燥したものが好適に用いられる。この場合には、超臨界流体で抽出するための槽を別途準備することもできるが、含浸処理槽内で抽出と含浸とを同時に行うことが好ましい。
【００３０】
染料以外に、含浸物質として好適に使用されるものとしては、基材に対して各種の機能を付与することのできる物質（機能加工剤）がある。そのような含浸物質としては、例えば、芳香性物質、薬効性物質、抗菌剤、防虫剤、防かび剤、防臭剤、消臭剤、柔軟剤、硬化剤、防しわ剤、収縮防止剤、ピリング防止剤、防水剤、撥水剤、吸汗剤、蛍光増白剤、濃色化剤、防汚剤、帯電防止剤、防火剤（防燃剤、難燃剤、防炎剤など）、酸化防止剤、老化防止剤、紫外線吸収剤、耐光安定剤、形状記憶加工剤及び電磁波シールド加工剤が挙げられる。これらのものの中には、揮発したり、水に溶解あるいは分散しにくかったり、含浸処理後に水中に溶出したり、高温で劣化したりし易いものが多く、温水中で含浸させるよりも超臨界二酸化炭素中で含浸させる方が好ましい場合が多い。中でも、好適なものとしては、芳香性物質、薬効性物質、抗菌剤、防虫剤及び防かび剤が挙げられる。これらのものは、特に揮発したり、水中で溶出したり、高温で劣化したりし易いものが多いからである。動植物から抽出される成分が芳香性物質、薬効性物質、抗菌剤、防虫剤及び防かび剤を含有する場合には、抽出と同時にこれらを基材に含浸させることも好ましい。また、これらの物質と同時に、染料成分を含浸させることもできる。
【００３１】
本発明の含浸処理方法によって含浸される基材は特に限定されるものではないが、主として高分子化合物からなる基材であることが好ましい。ここでいう高分子化合物は合成高分子化合物又は天然高分子化合物のいずれであっても良い。そのようなものとしては、繊維製品、皮革、木材、フィルム、プラスチック成形品などが例示される。これらのうちでも、繊維製品、皮革、木材、フィルムなどは、その表面積が大きいために、含浸処理を効率的に行うことができて好ましい。
【００３２】
なかでも、繊維製品が最も有用である。繊維製品としては、糸、布帛、紙などが例示される。布帛としては、織布、編布、不織布などを使用することができ、縫製加工されたものに対して含浸させることも好ましい。例えば揮発性の芳香成分などを含浸させる場合には、含浸処理後に芳香成分が揮発するおそれのある状態で縫製加工などを行うことは必ずしも好ましくないので、縫製加工後の最終工程で含浸処理操作を行うのが好ましい。
【００３３】
繊維の素材としては、綿、レーヨン、ナイロン（６、６６）、ポリエステル、アクリル、ポリプロピレン、絹、羊毛、アセテート（トリアセテートを含む）、ポリエチレン、アラミド（メタ系及びパラ系）、ポリウレタン、ビニロン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどを例示することができる。また、紙に対して含浸処理を施すことも好ましい。紙は通常水中では形態を保持することが困難であるが、超臨界二酸化炭素中では形態を保持することが可能だからである。紙の種類は特に限定されないが、通常、パルプなどのセルロース系の短繊維を交絡させたものである。
【００３４】
皮革や木材に対して含浸処理を行うことも好ましい。これらの材質は水中で含浸処理する場合には変形したり風合いを損なったりすることが多いからである。また、フィルムやプラスチック成形品などへの含浸処理も可能である。フィルムは厚みが薄く表面積が比較的大きいので、含浸させやすくて好ましい基材である。また、プラスチック成形品などに対し、例えばその表面だけに抗菌剤を含浸させることなども可能であり、子供向け玩具の抗菌化などにも有効である。ここでいうプラスチック成形品とは、フィルムや繊維よりも、厚みや径の大きい成形品のことを意味し、三次元的な立体成形品のみならず、厚いシートや径の大きい棒状体も含むものである。
【００３５】
含浸処理条件は、含浸処理槽１０の内部が超臨界状態であればよいが、含浸物質や基材などによって適当に調製される。好適な圧力は７〜３５ＭＰａである。７ＭＰａ未満では有効成分の抽出や含浸がされにくくなる場合が多く、より好適には１０ＭＰａ以上である。一方３５ＭＰａを超えると装置が大掛かりになって、抽出に要するエネルギーも多くなってしまい、より好適には３０ＭＰａ、さらに好適には２５ＭＰａ以下である。また、超臨界二酸化炭素中で含浸処理する場合の好適な温度は３０〜２５０℃である。３０℃未満の場合には含浸処理がスムーズでなく、操作時間も長くなる場合がある。より好適には５０℃以上であり、さらに好適には７０℃以上である。一方２５０℃を超えると有効成分が劣化する場合があり、要するエネルギーも大きくなる。より好適には１５０℃以下である。また、特に加熱に弱い含浸物質を含浸させる場合には１００℃以下にすることが好ましい場合もある。
【００３６】
含浸処理に要する時間は、通常５〜２００分である。２００分を超えると作業効率が低下することがあり、処理温度によっては有効成分が劣化することもある。より好適には１２０分以下である。一方、５分未満の時間では、十分に含浸されない場合が多いし、含浸ムラも発生しやすくなる。より好適には１０分以上である。
【００３７】
含浸処理槽１０は耐圧容器からなり、通常１０ＭＰａ以上の耐圧性が要求され、好適には１５ＭＰａ以上、より好適には２０ＭＰａ以上の耐圧性が要求される。含浸処理槽１０の内容量は、工業的生産を考慮すると、１００リットル以上であることが好ましく、より好適には２００リットル以上であり、さらに好適には３００リットル以上である。図１に示される含浸処理槽１０は、内容積が４５０リットルであり、肉厚のステンレス製である。含浸処理槽１０の内部には回転カゴ１１が設けられている。この中に処理される基材を投入し、回転させながら含浸させることによって、ムラのない均質な含浸操作を行うことができる。
【００３８】
含浸物質は、予め含浸処理槽１０内に投入しておいても良いし、超臨界二酸化炭素の満たされた含浸処理槽１０内に後から導入しても良い。含浸処理槽１０内で、含浸物質を動植物から抽出する場合には、動植物をいれるカゴなどを配置することもできる。別途、超臨界二酸化炭素中で含浸物質を溶解させるための槽を設けて、そこから配管を介して含浸処理槽１０に溶液を導入しても構わない。また、共溶媒を使用する場合には、共溶媒槽１２から共溶媒供給ポンプ１３を介して含浸処理槽１０内に導入することができる。
【００３９】
含浸処理が終了したところで、減圧バルブ２０を開けて含浸処理後の流体を含浸処理槽１０からガス分離槽３０に導入する。このとき、減圧バルブ２０前後の配管において加熱操作を施すことが重要である。図１の例では減圧バルブ２０の手前に熱交換器からなるヒーター２１を設けて、二酸化炭素流体を加熱してから減圧バルブ２０に送り込む。また、減圧バルブ２０手前の配管２２にリボンヒーター２３を巻き付けて、配管の温度が低くなり過ぎないようにしている。さらに、減圧バルブ２０通過後の配管２４にも同様にリボンヒーター２５を巻きつけている。このように、減圧バルブ２０周辺の温度が低くなり過ぎないように工夫することによって、二酸化炭素が減圧バルブ２０付近で気化する際に吸収される潜熱によって配管が冷却されて、減圧バルブ２０周辺にドライアイスが発生することを防ぐことができる。ドライアイスの発生は、減圧バルブ２０の閉塞を引き起こすだけでなく、流体の流量調節を困難にするために望ましくない。工業的生産の場合には、大量の流体を迅速に気化させることが必要であるが、そのときに吸収される大量の潜熱を的確に供給することが特に重要である。
【００４０】
配管を加熱するタイミングは特に限定されず、減圧バルブ２０を開いて含浸処理槽１０からガス分離槽３０に二酸化炭素流体を流しているときであっても良いし、減圧バルブ２０を開く前に予め配管を加熱しても良い。なかでも、減圧バルブ２０を開く前後のいずれにおいても加熱を施すことが好ましい。減圧バルブ２０を開く前から配管を加熱する場合には、含浸処理操作が終了する少なくとも１分前から、より好適には少なくとも５分前から配管の加熱を行うことが好ましい。このような加熱条件は、含浸処理槽内の温度や圧力などに対応して適当に調整されるべきであり、プログラム制御されることが好ましい。
【００４１】
含浸処理槽１０内の流体の残存量が減少するにしたがって、減圧バルブ２０の開度を徐々に大きくすることが重要である。含浸処理槽１０内の流体の残存量が減少すれば、含浸処理槽１０内の圧力は低下する。そのため、減圧バルブ２０の開度を一定のままにしていたのでは、ガス分離槽３０へ送り込まれる二酸化炭素の流速が徐々に低下することになる。二酸化炭素の流速が変化したのでは、ガス分離槽３０内の温度、圧力あるいは流速が変動しやすくなって、ガス分離槽３０における分離性能が変動してしまう。また、ガス分離槽３０を経た後の圧縮工程におけるコンプレッサーの運転操作との連携も不安定になりやすい。減圧バルブ２０にプログラム可能なコントロールバルブを採用して、一定流量となるように調製することが好ましい。
【００４２】
減圧バルブ２０を経て減圧された二酸化炭素はクーラー２６で冷却されてからガス分離槽３０に導入される。クーラー２６は熱交換器から構成されている。ガス分離槽３０に供給される流体の温度を低く保つことで、ガス分離槽３０内での二酸化炭素ガスと、液体あるいは固体成分との分離効率が向上することができる。特に、二酸化炭素ガスから共溶媒を分離する場合にこの点は重要である。
【００４３】
以上のように、含浸処理槽１０から導出され、ガス分離槽３０に導入されるまでの工程において、減圧バルブ２０の開度、加熱操作及び冷却操作を組み合わせて調製することによって、一定の流量、温度、圧力の二酸化炭素をガス分離槽３０に供給することができる。これらの条件は、含浸処理条件や、含浸処理槽１０内の流体の残量などに対応して調製されることが好ましい。
【００４４】
また、含浸処理槽１０と減圧バルブ２０の間にストレーナ２７を設けることも好ましい。こうすることによって、含浸処理槽１０から導出される流体中に含まれる糸屑などの固形分を捕捉することができる。ストレーナ２７は、耐圧容器中に取り外し可能な金網が配置された構成からなり、流体が金網を通過するように構成されている。好適には１０〜２００メッシュ程度の金網が使用される。金網が細かすぎると流速の低下が起こりやすく、金網の交換や清掃の頻度が上昇する。ストレーナ２７が配置される位置は、減圧バルブ２０の手前であり、耐圧性が要求される位置であることから、金網の交換や清掃の作業は必ずしも容易ではない。より好適には１５０メッシュ以下である。一方、金網が粗すぎると、固形分の捕捉が十分でなく、減圧バルブ２０に固形分が詰まるおそれがある。上述のように、減圧バルブ２０の開度調整は、安定な運転を維持するために重要であることから、減圧バルブ２０の開度調整に悪影響を与えるおそれのある固形分を予め除去する手段を設けるものである。
【００４５】
このようにして、含浸処理後の流体が含浸処理槽１０から減圧バルブ２０を介してガス分離槽３０に導入される。ガス分離装置の形態は、図１に示したように槽の形態である必要はないが、一般的には槽の形態であることが好ましい。また、単一のガス分離装置のみから構成されるのではなく、複数のガス分離装置を、直列又は並列に配置しても構わない。複数のガス分離装置を直列に配置する場合にはそのうちの一つをコンプレッサーで加圧した後に配置することも可能である。複数のガス分離装置を並列に配置する場合には、バルブ操作によって切り替えて、一方のガス分離装置のフィルター交換や清掃の際に、他方のガス分離装置で分離操作を行うことが可能である。
【００４６】
ガス分離槽３０の容積は特に限定されないが、大きい方が好ましい。容積が大きいことによって、ガス分離槽３０内の温度や圧力が一定になりやすいし、後の圧縮工程に送り込む二酸化炭素の流量も安定しやすい。また、二酸化炭素ガスの滞留時間を長くすることができるので、気相と液相との相分離が容易である。しかも、後述するフィルター３１の接触面積も大きくでき、フィルター３１を通過する際の流速も小さくできるので分離効率が向上する。また、ガス分離槽３０の容量を大きくすることで、二酸化炭素を冷却する場合に冷却効率が向上する。好適には５０リットル以上であり、より好適には１００リットル以上である。図１の例ではガス分離槽３０は２００リットルの容積を有していて、効率的な分離をしながら、安定な二酸化炭素回収が可能である。このとき、二酸化炭素ガスの流路を長くすることも好ましい。流路を長くすることによって冷却効率をさらに向上させることができる。
【００４７】
また、ガス分離槽３０内にフィルター３１を設けることによって、ガス分離槽３０で液体あるいは固体成分を除去する際に分離効率を向上させることができる。フィルター３１が除去する固体成分としては、未溶解の含浸物質や、微細な繊維屑が例示される。また、固体成分を除去するだけではなく、共溶媒を含む場合には、液体成分を除去するためにも有効である。この場合には、フィルター３１がミストトラップのような働きをすることになる。フィルター３１の素材は特に限定されるものではないが、不織布や織布などを使用することができる。フィルター３１の孔径は０．１〜２０μｍ程度が好適である。ガス分離効率を向上させるためには、前記フィルター３１の接触面積が大きいことが好ましい。プリーツを有するフィルター３１を円筒状に配置して、その外側から内側に向かって二酸化炭素ガスを通過させることが好適な手法として例示される。
【００４８】
共溶媒を使用する場合など、ガス分離槽３０で二酸化炭素ガスから除去された液体はガス分離槽３０の底部に設けられたバルブ３２を介して取り除かれる。このとき、一定量の液体が溜まったところで、自動的にバルブ３２を開いて液体を除去するようにすることも好ましい。このようにして、共溶媒を含有する液体がバルブ３２から排出された場合には、この液体を蒸留して共溶媒を回収して再使用することが好ましい。
【００４９】
ガス分離槽３０内は、通常温度−１０〜１５０℃、圧力０．１〜５ＭＰａ程度程度に設定される。ここで、圧力が０．１ＭＰａとは、大気圧と同じ圧力であって、周辺環境と比べたときの差圧がゼロであるときのことである。この圧力において二酸化炭素は気体として存在し、固体成分や液体成分と分離される。共溶媒を使用する際には、二酸化炭素ガスと液体の共溶媒とを分離することが必要になることから、液体の気化を抑制するために、ガス分離槽３０内の温度を低くするほうが好ましく、好適には６０℃以下、より好適には４０℃以下、さらに好適には２０℃以下である。一方、温度を低くするには冷却のためにエネルギーを消費することもあり、通常０℃以上である。図１に示す装置を用いて、エタノールを共溶媒に用いて運転する際の推奨される温度は１０℃である。したがって、ガス分離槽３０を冷却する手段を有することが好ましく、図１の例では、ガス分離槽３０の周囲をジャケット３３で覆い、その中に冷媒を流して冷却している。
【００５０】
また、共溶媒を使用する際には、ガス分離槽３０内の圧力を低く保ったほうが、分離効率が良い。この理由は必ずしも明確ではないが、圧力が高すぎる場合には、二酸化炭素ガスの中に含まれる共溶媒（代表的にはエタノール）や、それに溶解して付随すると考えられる含浸物質（代表的には染料）が、後の圧縮工程に流入してしまうことが実験的に確かめられている。したがって、共溶媒を使用する場合のガス分離槽３０内の圧力は、好適には１ＭＰａ以下であり、より好適には０．５ＭＰａ以下であり、さらに好適には０．３ＭＰａ以下である。このように、ガス分離槽３０内の圧力を低くする場合には、ガス分離槽３０に要求される耐圧性能を低下させることもできて装置コストが低減できるし、フィルター３１の交換操作も容易になる。
【００５１】
ガス分離槽３０で液体あるいは固体成分を除去して得られた二酸化炭素ガスは、圧縮工程に導入されて、液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素にされ、貯蔵タンク６０に保存される。超臨界二酸化炭素を貯蔵タンク６０で保存する場合には、以下のような利点がある。第一に、貯蔵タンク６０から導出される超臨界二酸化炭素をそのまま含浸処理槽１０に導入することも可能であり、含浸処理槽へ超臨界二酸化炭素を導入する時間を短縮できる。第二に、圧縮時に発生した潜熱によって温度上昇した二酸化炭素を冷却する必要がない。一方、液化二酸化炭素を貯蔵タンク６０で保存する場合には、以下のような利点がある。第一に、貯蔵タンク６０に要求される耐圧性能が低くてよい。第二に、液化二酸化炭素は超臨界二酸化炭素よりも密度が高いので、同じ容積でより大量の二酸化炭素を貯蔵できる。第三に、室温に近い温度に維持する方が温度管理が容易で    ある。第四に、未使用の二酸化炭素は通常液化二酸化炭素の形で購入して受入タンク６５に保存してあるから、これを回収した二酸化炭素に加えて混合使用する際のプロセス制御が容易である。
【００５２】
図１の例では、液化二酸化炭素を貯蔵タンク６０で保存しており、この場合の圧縮工程を以下に説明する。ガス分離槽３０から導出された二酸化炭素ガスは、配管を経て第１バッファタンク４０に導入される。第１バッファタンク４０は１００リットルの容積を有していて、ガス分離槽３０と同等の圧力の二酸化炭素が収容される。この第１バッファタンク４０によって、第１コンプレッサー４３に導入される二酸化炭素の圧力や流量が大きく変動することを防止できる。このような目的を達成するために、第１バッファタンク４０の容量は５０リットル以上であることが好ましい。第１バッファタンク４０の底部にはバルブ４１が設けられており、共溶媒などの液体成分が溜まった時には抜き取ることができる。
【００５３】
第１バッファタンク４０はバルブ４２を介して第１コンプレッサー４３に接続されていて、ここで二酸化炭素ガスが圧縮される。圧縮された二酸化炭素ガスは圧縮に伴う発熱で高温になっていることから、第１クーラー４４で冷却される。第１クーラー４４で冷却された後の二酸化炭素の温度は、好適には４０℃以下であり、さらに好適には２０℃以下である。冷却された二酸化炭素ガスは、逆止弁４５、第２バッファタンク４６、バルブ４８を順に介して第２コンプレッサー４９に導入される。第２コンプレッサー４９でさらに圧縮された二酸化炭素は逆止弁５０を介して第２クーラー５１で冷却され、バルブ５２を介して貯蔵タンク６０に導入され、液化二酸化炭素として貯蔵される。第２クーラー５１で冷却された後の二酸化炭素の温度は、好適には４０℃以下であり、さらに好適には２０℃以下である。
【００５４】
このように、ガス分離槽３０から導出された二酸化炭素ガスを圧縮するに際しては、複数のコンプレッサーを使用して多段階で圧縮することが好ましい。前述のように、共溶媒を用いて含浸処理する場合には、ガス分離槽３０内の圧力を低くしたほうが共溶媒の分離効率が良好であるが、低圧力の二酸化炭素ガスを一度の圧縮操作で、液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素にまで圧縮するのは、コンプレッサーの負担が大きく、発熱も著しい。したがって、複数のコンプレッサーを使用して多段階で圧縮する方が、装置コストの面からも、安定運転の面からも有利な場合が多い。
【００５５】
２台のコンプレッサーを使用する場合に好適な圧縮条件は以下のとおりである。まず、第１コンプレッサー４３では、二酸化炭素の圧力を１．５〜５倍上昇させることが好ましい。この倍率が１．５倍未満の場合には圧縮の効率が悪くなるおそれがあり、より好適には２倍以上である。一方、５倍を超える場合には第１コンプレッサー４３の負担が大きくなるとともに、二酸化炭素が発熱し過ぎるおそれがあり、より好適には４倍以下である。また、第２コンプレッサー４９では、二酸化炭素の圧力を３〜２０倍上昇させることが好ましい。この倍率が３倍未満の場合には圧縮の効率が悪くなるおそれがあり、より好適には５倍以上である。一方、２０倍を超える場合には、第２コンプレッサー４９の負担が大きくなるとともに、二酸化炭素が発熱し過ぎるおそれがある。このように、第１コンプレッサー４３の圧縮比に比べて第２コンプレッサー４９の圧縮比を大きくすることが好ましい。したがって、第１コンプレッサー４３としては、圧縮比が比較的小さく圧縮可能体積の大きいものが好適に使用され、第２コンプレッサー４９としては、圧縮比が大きく圧縮可能体積の比較的小さいものが好適に使用される。
【００５６】
コンプレッサーを３台以上使用する場合には、最後の一台では上記第２コンプレッサー４９で同じ条件で圧縮し、それ以外のコンプレッサーでは上記第１コンプレッサー４３と同じ条件で圧縮することが好ましい。また、複数のコンプレッサーを使用して二酸化炭素を圧縮する場合には、圧縮工程全体として、二酸化炭素の圧力を５〜１００倍上昇させることが好ましい。より好適には１０倍以上であり、また５０倍以下である。
【００５７】
これら複数のコンプレッサーの間には、バッファタンク及び冷却装置を配置することが重要である。図１の例では、第１コンプレッサー４３と第２コンプレッサー４９の間に第１クーラー４４と第２バッファタンク４６を配置している。第１コンプレッサー４３で圧縮された二酸化炭素は、断熱圧縮操作によって高温になっているので、第１クーラー４４で冷却される。第１クーラー４４は、熱交換器からなり、高温の二酸化炭素から熱量を受け取って、それを冷却することができる。冷却された二酸化炭素は第２バッファタンク４６を介して、第２コンプレッサー４９に導入される。第２バッファタンク４６を介在させることにより、流量や圧力の変動を小さくできるから、第２コンプレッサー４９の運転を安定化させることができる。第２バッファタンク４６の容量は１６０リットルである。この容量は好適には５０リットル以上、より好適には１００リットル以上とすることが推奨される。第２バッファタンク４６の底部にはバルブ４７が設けられており、共溶媒などの液体成分が溜まった時には抜き取ることができる。第２コンプレッサー４９から導出された二酸化炭素は、断熱圧縮操作によって再度高温になっているので、第２クーラー５１で再度冷却され、液化二酸化炭素として貯蔵タンク６０に導入される。第２クーラー５１も、熱交換器からなり、高温の二酸化炭素から熱量を受け取って、それを冷却することができる。
【００５８】
上記２台のコンプレッサーを運転する場合には、第２コンプレッサー４９を連続運転しながら、第１コンプレッサー４３の運転を断続的に行うことが好ましい。第１コンプレッサー４３に流入する二酸化炭素の圧力は変動しやすいけれども、第１コンプレッサー４３の運転を断続的に行えば、第２バッファタンク４６内の圧力を一定範囲に保つことができる。こうすることによって、第２コンプレッサー４９の運転を連続的に行うことができる。
【００５９】
貯蔵タンク６０に、液化炭酸ガスが貯蔵される。貯蔵される液化二酸化炭素の温度は特に限定されるものではないが、通常４０℃以下であり、３０℃以下であることが好ましい。また、通常０℃以上である。このように、室温に近い温度に維持することによって、貯蔵時の温度変化を小さくできるし、管理が容易である。貯蔵タンク６０の周囲には冷却の可能なジャケット６１を設けて、温度制御ができるようになっている。温度を一定に保つことによって、貯蔵量の管理が容易になるとともに、後工程での条件設定も容易になる。貯蔵される液化二酸化炭素の圧力は特に限定されるものではないが、通常３〜１０ＭＰａである。貯蔵タンク６０の容量は、含浸処理槽１０の容量などに応じて適当に設定されるが、安定的に二酸化炭素を供給できる容量を確保するには、２００リットル以上であることが好ましく、５００リットル以上であることがより好ましい。図１の例では８００リットルである。
【００６０】
超臨界二酸化炭素に共溶媒を添加して含浸処理を行う場合には、貯蔵タンク６０の出口側の配管に設けられたサンプリングバルブ６２から試料をサンプリングして、共溶媒の含有量を測定する。こうすることによって、回収再使用される二酸化炭素中に含有される共溶媒量を考慮して、含浸処理槽１０に投入する共溶媒量を調整することができる。共溶媒の含有量は、例えば染色操作を行う場合であれば、染色濃度に大きな影響を与えるものであるから、厳密な管理をすることが、均一な品質の製品を安定的に得るのに役立つ。試料をサンプリングする場所は、貯蔵タンク６０の出口側の配管に限らず、入り口側の配管であっても良いし、貯蔵タンク６０から直接サンプリングしても良い。必要であれば、これらの内、複数の場所からサンプリングしても構わない。
【００６１】
貯蔵タンク６０から導出された液化二酸化炭素はバルブ６３とバルブ６４を介してその後の工程へ送られる。バルブ６３とバルブ６４の間には受入タンク６５と接続された配管が分岐している。受入タンク６５には、購入した未使用の液化二酸化炭素が保管されており、これから、搬送ポンプ６６及びバルブ６７を介して液化二酸化炭素が供給される。搬送ポンプ６６の運転と、バルブ６３，６４，６７の切り替え操作によって、回収再使用する二酸化炭素に、適宜未使用の液化二酸化炭素を追加して使用することができる。
【００６２】
貯蔵タンク６０から導出され、バルブ６３とバルブ６４を通過した液化二酸化炭素は、フィルター６８及びドライヤー６９を経て、その後の工程に送られる。フィルター６８は、その後の高圧プロセスに入る前に固形不純物を除去するためのものである。ポアサイズが１０〜１００μｍ程度のフィルターが好適に使用される。フィルター６８の素材は特に限定されないが、セラミックス焼結フィルターなどが好適に使用される。フィルター６８の前後に圧力計を設けて、その差圧を監視しながら交換の時期を確認することが好ましい。
【００６３】
フィルター６８の後にはドライヤー６９が配置され、液化二酸化炭素中の水分が除去される。ドライヤー６９の配置は、このように貯蔵タンク６０を出たところでも良いし、貯蔵タンク６０に入る前に配置しても構わない。ドライヤー６９の中には吸水剤としてモレキュラーシーブが充填されている。超臨界二酸化炭素中に溶解できる水の量は僅かであるが、例えば染色加工するときなどには、微量の水であっても染料や基材によっては染色濃度に影響を与える場合がある。特に、共溶媒を含有する超臨界二酸化炭素中は水分を溶解しやすくなるので、回収した二酸化炭素中に水分が存在したのでは、染色加工するときの染色濃度の調整が困難になる。また、水分を除去することによって、加水分解されやすい基材や含浸物質を使用する場合に、加水分解を防止することもできる。
【００６４】
ドライヤー６９を通過した液化二酸化炭素は、クーラー７０で冷却されてから並列加圧ポンプ７１で加圧されて含浸処理槽１０に供給される。加圧前に冷却することによって、ポンプ内で二酸化炭素が気化して圧縮操作が困難になるのを防止することができる。クーラー７０は熱交換器で構成されており、冷媒が二酸化炭素から熱を奪うことができる。クーラー７０で冷却された液化二酸化炭素の温度は、好適には１０℃以下であり、より好適には０℃以下である。一方、あまり低温にするのはエネルギー的に損失が大きいために、好適には−１０℃以上であり、より好適には−５℃以上である。
【００６５】
並列加圧ポンプ７１は、ポンプヘッド３基が並列に配置された構成になっている。すなわち、モーターを共有する３基のポンプヘッドから構成されており、圧縮タイミングをずらしながら交互に圧縮操作を行う。こうすることによって、ポンプの圧縮サイクルに由来する圧力の脈動を抑制することができる。このとき並列に配置する台数は２基であっても、４基以上であってもよい。圧力の脈動は、含浸処理槽１０内での圧力変動につながるため、含浸処理槽１０や周辺配管の耐圧性能を、脈動分まで考慮して高める必要が生じる。含浸処理槽１０の耐圧性能を向上させることは設備コスト負担を大きくすることから、能力の大きいポンプを１台使用するよりも、能力の小さいポンプを複数台使用するほうが経済的である。また、圧力の変動を小さくすることができるから、含浸処理条件の変動も小さくでき、均質な製品を得ることができる。並列加圧ポンプ７１は、含浸処理槽１０が所定の圧力になったところで、運転を停止する。ここで、並列加圧ポンプ７１を使用する代わりに、モーターの独立した複数台の別個の加圧ポンプを使用して、圧縮タイミングをずらしながら交互に圧縮操作を行っても構わない。
【００６６】
並列加圧ポンプ７１に使用される加圧ポンプとしては、ダイヤフラムポンプやプランジャーポンプが使用できるが、液漏れがない点からダイヤフラムポンプが好適に使用される。しかしながら、ダイヤフラムポンプは、内部に気泡が発生することによって性能が低下しやすいので、前述のように加圧前に冷却することが特に好ましい。
【００６７】
並列加圧ポンプ７１で加圧された二酸化炭素は、コントロールバルブ７２を介してヒーター７３へ送られ、そこで加熱されて含浸処理槽１０へ導入される。ヒーター７３の種類は特に限定されず、熱媒を使用した熱交換器、電気ヒーター、スチームなどを使用することができる。図１の例では、熱媒にオイルを使用しており、そのオイルの温度は、蒸気、電気を併用して微調整が可能なようになっている。
【００６８】
ヒーター７３から、バルブ７４を介して含浸処理槽１０へと繋がる配管は、リボンヒーターで加熱されており、超臨界二酸化炭素の温度が低下しないようにされている。また、含浸処理槽１０の周囲もジャケット１４で覆い、ここに前記ヒーター７３に用いたものと同じ熱媒を流して超臨界二酸化炭素の温度を調整できるようにしている。こうして、加圧、加熱された二酸化炭素が供給されて、所望の条件の超臨界二酸化炭素で含浸処理槽１０が満たされ、含浸処理が行われる。
【００６９】
以上、含浸処理後の二酸化炭素から不純物を除去して、効率的に回収再使用するための、一連の操作を図１を用いて説明した。以下では、図１には示されていない、いくつかの好適な実施態様について説明する。
【００７０】
一つの好適な実施態様は、二酸化炭素回収プロセス中のエネルギー消費量を抑制するためのものである。すなわち、上記含浸処理方法において、二酸化炭素を加圧する前後のいずれかにおいて熱交換器を用いて二酸化炭素を冷却する操作を施し、冷却操作によって得られた熱量を二酸化炭素の加熱操作において消費するものである。
【００７１】
上述のように、ガス分離装置では、液体あるいは固体成分からなる不純物から二酸化炭素ガスを分離させる。したがって、二酸化炭素を回収、再使用する際には、超臨界状態の二酸化炭素と、気体状態の二酸化炭素との相変化が必要である。さらに、貯蔵する際に液化二酸化炭素とするのであれば、それらと液化二酸化炭素の間での相変化も必要である。相変化に伴っては大きな潜熱が発生したり、吸収されたりする。また、圧力の変動に伴って、いわゆる断熱圧縮や断熱膨張によって温度が上昇したり低下したりする。このような現象が上記回収プロセス中でしばしば発生することは、既に説明したとおりである。このとき、相状態や、温度、圧力を適切な状態に保つためには、適当な場所で加熱及び冷却することが必要である。
【００７２】
すなわち、図１の例に従えば、二酸化炭素を加圧する際には、断熱圧縮あるいは相変化によって大量の熱量が発生するので、これを第１クーラー４４、第２クーラー５１あるいはクーラー７０によって冷却する。一方、二酸化炭素を加熱する場合、例えば、ヒーター２１，７３あるいはジャケット１４などでは大量の熱量を要する。したがって、冷却操作及び加熱操作を熱交換器を用いて行い、冷却操作で得られた熱量を加熱操作で消費することが可能である。特に、共溶媒を使用した場合のように、二酸化炭素ガスと共溶媒との分離効率を向上させるためにガス分離装置内の圧力を低くするような場合には、断熱圧縮や断熱膨張に伴う熱量が特に大きくなるために、この点はより重要である。
【００７３】
冷却操作で加熱された媒体をそのまま加熱操作に使用することも可能であるが、一旦別の媒体と熱交換して、その媒体を必要に応じて温度調整してから加熱操作に用いることが好ましい。また、図１の例のように含浸処理槽１０が１つだけの回収ラインではなく、図２の例のように複数の含浸処理槽８１，８２，８３が同一敷地内に配置されて二酸化炭素を回収再使用するような場合にも、冷却操作で得られた熱量を加熱操作で消費することが好ましい。複数の含浸処理槽８１，８２，８３での含浸処理操作のタイミングのずれを利用して、発生した熱量を受け取るタイミングを調整することができるからである。
【００７４】
工業的規模で二酸化炭素を回収再使用する場合には、これらの熱量は膨大であるので、それを回収再使用することは極めて重要である。染色操作を例に取れば、超臨界二酸化炭素中で繊維製品を染色する場合には、水を媒体として染色する場合に比べて、排水を排出しないために、元々環境に優しいプロセスである。これに加えて、染色後の繊維製品を乾燥するエネルギーを要さない点で、エネルギー的に優れている。しかも、このように系内で発生する熱量を系内で消費する場合には、さらにエネルギー消費を抑制することもできるから、環境保護の面から極めて意義深い。
【００７５】
また、別の好適な実施態様は、図２に示すように、超臨界ストックタンク８０を使用し、複数の含浸処理槽８１，８２，８３で含浸処理する例である。すなわち、貯蔵タンク６０から導出された液化二酸化炭素又は超臨界二酸化炭素を加熱又は圧縮し、得られた超臨界二酸化炭素を超臨界ストックタンク８０に供給し、超臨界ストックタンク８０から複数の含浸処理槽８１，８２，８３内に超臨界二酸化炭素を供給するものである。
【００７６】
本発明のように、超臨界流体中で含浸処理操作を行なう場合には、加圧密閉系内で含浸処理する必要がある。したがって、通常、いわゆるバッチ処理を行うことになるから、工業的規模で効率的に含浸処理を行うためには、バッチごとのサイクルタイムを短縮することが重要である。また、設備コストの負担を軽減するためには、回収ラインを共有する複数の含浸処理槽８１，８２，８３を設けることが好ましい。回収処理のためのラインを複数の含浸処理槽８１，８２，８３で共有することで、単位生産量当たりの設備コストを低減することができる。またこのとき、一旦超臨界ストックタンク８０に超臨界二酸化炭素をストックすることによって、含浸処理槽８１，８２，８３への超臨界流体の供給を迅速に行い、サイクルタイムを短縮することができる。
【００７７】
図２には、第１含浸処理槽８１、第２含浸処理槽８２及び第３含浸処理槽８３の３つの含浸処理槽を使用する例を示している。貯蔵タンク６０から導出された液化二酸化炭素は、並列加圧ポンプ７１及びヒーター７３を介して、超臨界ストックタンク８０へ導かれ、超臨界ストックタンク８０を超臨界二酸化炭素で満たすことができる。ヒーター７３から超臨界ストックタンク８０を介して含浸処理槽８１，８２，８３へと繋がる配管は、リボンヒーターで加熱されており、超臨界二酸化炭素の温度が低下しないようにされている。また、超臨界ストックタンク８０の周囲もジャケット８４で覆い、ここに熱媒を流して超臨界二酸化炭素の温度を調整できるようにしている。こうして、加圧、加熱された二酸化炭素が供給されて、所望の条件の超臨界二酸化炭素で超臨界ストックタンク８０が満たされる。超臨界ストックタンク８０の容量は、１つの含浸処理槽の容量以上の容量にすることが好ましく、その容量はより好適には１つの含浸処理槽の容量の１．５倍以上、さらに好適には２倍以上である。この容量を大きくすることによって、超臨界ストックタンク８０から含浸処理槽８１，８２，８３へ、高圧の二酸化炭素を導入するのが容易になる。
【００７８】
超臨界ストックタンク８０に満たされた超臨界二酸化炭素は、バルブ８５を介して供給ポンプ８６に送られ、バルブ８７，８８，８９のいずれかを開いて、いずれかの含浸処理槽８１，８２，８３に送られる。このとき、超臨界ストックタンク８０に満たされる超臨界二酸化炭素を含浸処理条件よりも高い圧力にしておくことが好ましい。低圧の状態にある含浸処理槽８１，８２，８３に超臨界二酸化炭素が導入される際に、圧力低下する分を予め高くしておくためである。具体的には、０．１〜５ＭＰａ程度高い圧力にしておくことが好ましい。また、超臨界ストックタンク８０に満たされた超臨界二酸化炭素を含浸処理条件よりも高い温度にしておくことも好ましい。含浸処理が終わって超臨界二酸化炭素を導出した含浸処理槽８１，８２，８３は、二酸化炭素の気化による潜熱が奪われて低温になっているので、これによって温度低下する分を予め高くしておくためである。具体的には、１〜２０℃程度高い温度にしておくことが好ましい。したがって、超臨界ストックタンク８０に満たされる超臨界二酸化炭素を、含浸処理条件よりも高い温度かつ高い圧力にしておくことがより好ましい。
【００７９】
超臨界ストックタンク８０を設置することによって、供給ポンプ８６で移送するだけで迅速に含浸処理槽８１，８２，８３を所望の条件の超臨界二酸化炭素で満たすことができる。超臨界ストックタンク８０を配置せず、並列加圧ポンプ７１及びヒーター７３を直接含浸処理槽８１，８２，８３と接続したのでは、並列加圧ポンプ７１及びヒーター７３の能力に依存して、含浸処理槽８１，８２，８３を超臨界二酸化炭素で満たすのに相当の時間を要することになり、含浸処理操作のサイクルタイムが増加することになる。含浸処理が終了したところで、バルブ９０，９１，９２のいずれかを開いて含浸処理後の二酸化炭素流体をガス分離槽３０へ導出する。
【００８０】
含浸処理槽８１，８２，８３へ超臨界二酸化炭素を満たす「導入」工程、含浸処理を行う「含浸」工程、及び含浸処理槽８１，８２，８３から二酸化炭素を排出する「導出」工程のうち、前工程と繋がっているのは「導入」工程のみであり、後工程と繋がっているのは「導出」工程のみである。したがって、例えば３つの含浸処理槽８１，８２，８３を使用した場合であっても、前後の工程は共有することが可能である。
【００８１】
例えば、図２のように３つの含浸処理槽８１，８２，８３を使用した場合の作業工程の一例を以下に示す。
2004249175.tif 000003
【００８２】
上記作業工程において、まず、第１工程について説明する。第１工程では、第１含浸処理槽８１内で含浸処理が行われている。この間に、バルブ８５とバルブ８８が開かれ、供給ポンプ８６が運転されて、超臨界ストックタンク８０から第２含浸処理槽８２に超臨界二酸化炭素が導入される。導入後には、超臨界ストックタンク８０には、新たな二酸化炭素が供給される。また、第３含浸処理槽８３では、バルブ９２が開かれ、含浸処理後の二酸化炭素流体が、ガス分離槽３０へ導出される。二酸化炭素流体の導出後には、第３含浸処理槽８３を開いて、含浸処理後の製品を取り出して、基材を投入する作業が行われる。第２工程では、第２含浸処理槽８２内で含浸処理が行われ、第３含浸処理槽８３に超臨界二酸化炭素が導入され、第１含浸処理槽８１から二酸化炭素流体が導出される。第３工程では、第３含浸処理槽８３内で含浸処理が行われ、第１含浸処理槽８１に超臨界二酸化炭素が導入され、第２含浸処理槽８２から二酸化炭素流体が導出される。このようにして、３つの含浸処理槽８１，８２，８３を運転しながら、回収ラインは共有し、効率的に含浸処理操作を行うことが可能である。
【００８３】
【発明の効果】
本発明の含浸処理方法によれば、工業生産に際して大規模な装置を用いて大量の超臨界二酸化炭素中で含浸操作を行って、大量の基材に対して含浸処理する場合にも、工程トラブルを発生させずに、効率的に二酸化炭素を回収再使用することができる。そして、周辺環境への排出物量の低減された、エネルギー消費量の少ない、しかも設備コスト負担の低減された含浸処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施態様の一例を示す含浸処理装置を示した図である。
【図２】超臨界ストックタンクを使用し、複数の含浸処理槽で含浸処理する含浸処理装置の例を示した図である。
【符号の説明】
１０  含浸処理槽
１２  共溶媒槽
２０  減圧バルブ
２１  ヒーター
２６  クーラー
２７  ストレーナ
３０  ガス分離槽
４０  第１バッファタンク
４３  第１コンプレッサー
４４  第１クーラー
４６  第２バッファタンク
４９  第２コンプレッサー
５１  第２クーラー
６０  貯蔵タンク
６５  受入タンク
６９  ドライヤー
７０  クーラー
７１  並列加圧ポンプ
７３  ヒーター
８０  超臨界ストックタンク
８１、８２、８３  含浸処理槽
８６  供給ポンプ
【図１】
2004249175.tif 000004
【図２】
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