(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）  吸収剤のアミン成分の主な割合が第二級アミン基から形成されかつ吸収剤には少なくとも１つのニトリル官能基が存在する、組み合わせアミン／ニトリルＣＯ2吸収剤、を含むＣＯ2吸収剤床と、
ｂ）  呼吸に適した空気の流れを前記吸収剤床内へ導入する手段と、
ｃ）  前記呼吸に適した空気の流れを前記吸収剤床内から排出する手段と、
を含む、呼吸に適した空気の流れから二酸化炭素（ＣＯ2）を除去する装置であって、
前記吸収剤は、テトラエチレンペンタミンとアクリロニトリルの反応生成物であることを特徴とする、呼吸に適した空気の流れから二酸化炭素（ＣＯ2）を除去する装置。
【請求項２】
前記吸収剤は、少なくとも６０％の第二級アミン基、１０％以下の第一級アミン基、２０％以下の第三級アミン基から構成されるアミン成分を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記吸収剤には、複数のニトリル官能基が存在することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
ａ）  主に第二級のアミン官能基と少なくとも１つのニトリル官能基を含む、アミン／ニトリルＣＯ2吸収床を設け、
ｂ）  呼吸に適した空気の流れを前記吸収床を通して流す、
ことを含み、前記吸収床は、テトラエチレンペンタミン（ＴＥＰＡ）とアクリロニトリル（ＡＮ）の反応生成物（ＴＥＰＡＮ）を含むことを特徴とする、呼吸に適した空気の流れの中のＣＯ2レベルをより低くするように呼吸に適した空気の流れから二酸化炭素（ＣＯ2）を除去する方法。
【請求項５】
１モルのＴＥＰＡと２．３モルのＡＮが反応してＴＥＰＡＮを形成し、このＴＥＰＡＮは、主に第二級アミン官能基とニトリル官能基から１．５アミン／２．０ニトリルの比で構成されることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
主に第二級のアミン官能基と少なくとも１つのニトリル官能基を含む吸収剤を備える二酸化炭素吸着床であって、前記吸収剤は、テトラエチレンペンタミンとアクリロニトリルの反応生成物であることを特徴とする二酸化炭素吸着床。
【請求項７】
主に第二級のアミン官能基と少なくとも１つのニトリル官能基を含む二酸化炭素吸収剤であって、前記吸収剤は、テトラエチレンペンタミンとアクリロニトリルの反応生成物であることを特徴とする二酸化炭素吸収剤。
【請求項８】
１モルのテトラエチレンペンタミン（ＴＥＰＡ）と３モルのアクリロニトリル（ＡＮ）の反応から生じることを特徴とする二酸化炭素（ＣＯ2）吸収剤。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、改良された再生可能な（ｒｅｇｅｎｅｒａｂｌｅ）吸収剤、居住可能な環境から二酸化炭素（ＣＯ2）を吸収する方法および装置に関する。特に、本発明は、高い湿度環境または低い湿度環境において同様によく機能するＣＯ2吸収剤に関する。
【０００２】
【背景技術】
約７．６ｍｍＨｇ（ミリメートル水銀、約１％の分圧）を超える二酸化炭素分圧に長時間曝されると、ヒトまたは他の哺乳動物には、健康上の問題が生じる。その結果、潜水艦、宇宙船、宇宙服などに存在する密閉環境においては、二酸化炭素分圧は、一般に、ソーダ石灰、ゼオライト、炭素分子ふるい、固体酸化物、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属水酸化物、アミン、これらの吸収剤の組み合わせ、などの二酸化炭素固体吸収剤を用いることによって、約１％より下に維持されている。
【０００３】
上述したＣＯ2吸収剤の方法は、それらが使用される環境の相対湿度に敏感であり、一般に、より高い相対湿度においてより高い効率で作用し、より低い相対湿度においてより低い効率で作用するものである。従来のＣＯ2吸収剤は、約２℃を超える雰囲気露点が必要である。ＣＯ2が脱着される環境の相対湿度に敏感でない、ＣＯ2吸収剤と、環境からＣＯ2を吸収する方法と、を提供することが、非常に望まれるであろう。
【０００４】
【発明の開示】
本発明は、吸収剤の再生可能なＣＯ2吸着能力（ｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｃａｐａｃｉｔｙ）を、上述した従来技術のＣＯ2吸収剤の能力の２倍を超えて向上させる、二酸化炭素吸着装置および方法に関する。さらに、本発明の装置および方法に使用される再生可能なＣＯ2吸収剤は、密閉環境雰囲気中の相対湿度に敏感でない。吸収剤は、密閉環境中の雰囲気から連続的にＣＯ2を除去する、再生可能な高い能力のアミン吸収剤である。吸収剤は、主に第二級のアミンと１つまたは複数のニトリル官能基を含む、分子的実体（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｅｎｔｉｔｙ）から構成される。好ましい吸収剤は、テトラエチレンペンタミン（ＴＥＰＡ）とアクリロニトリル（ＡＮ）の反応生成物である。ＡＮは、次のような分子構造：  Ｈ2Ｃ＝ＣＨＣ＝Ｎ  を有する。ＴＥＰＡのＡＮとの反応は、ＴＥＰＡの第一級アミンを第二級アミンに実質的に変換させる。この変換は、再生可能な繰り返し（ｃｙｃｌｉｃ）ＣＯ2吸着能力を２．５倍を超えて向上させるとともに、アミンの揮発性を実質的に測定できないレベルにまで大幅に低減する。ＴＥＰＡとＡＮの１つの反応生成物は、ＴＥＰＡＮと以下に呼ぶが、以下に示すＴＥＰＡＮの枝分かれした非環式形（ｂｒａｎｃｈｅｄ  ａｃｙｃｌｉｃ  ｆｏｒｍ）を形成する、１．０モルのＴＥＰＡと３モルのＡＮとの組み合わせから生じる反応生成物である。
【０００５】
【化１】
0004766822.tif 000002
【０００６】
ＴＥＰＡとＡＮの別の反応生成物は、１．０モルのＴＥＰＡと２モルのＡＮとの組み合わせから生じる化合物であり、枝分かれしていない非環式形（以下に示す）を形成する。
【０００７】
【化２】
0004766822.tif 000003
【０００８】
ＴＥＰＡと１から約３モルのＡＮとの反応は、枝分かれまたは直鎖の環式および非環式反応生成物を形成するが、これらは一般にＴＥＰＡＮと呼ばれる。留意されることには、ＴＥＰＡは、いくつかの非環式および環式アミン成分を含み、全体で約４０％の第一級アミン、４５％の第二級アミン、１５％の第三級アミンを含む。ＴＥＰＡ中の非環式および環式アミン基は、含有量がほぼ等しい。１モルのＴＥＰＡと２．３モルのＡＮを反応させると、ＡＮ反応物は、優先的にＴＥＰＡ中の第一級アミンと反応し、それによって、約１／１の比から約１０／１の比まで第二級アミン対第一級アミンの比を実質的に増加させる、ことが決定された。従って、結果として生じたＴＥＰＡＮ分子の組み合わせは、約８％の第一級アミン基、７８％の第二級アミン基、１４％の第三級アミン基を含む。このように、１モルのＴＥＰＡと２．３モルのＡＮから形成されたＴＥＰＡＮは、主に第二級アミン官能基とニトリル官能基から約１．５／２．０（アミン／ニトリル）の比で構成される。
【０００９】
ＴＥＰＡＮ吸収剤は、高分子支持構造（ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ  ｓｕｐｐｏｒｔ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）に付着させる。アクリル酸エステルを含む高分子支持構造が特に好ましい。上述したアミン吸収剤の安定性によって、密閉環境からＣＯ2を除去するのにアミン吸収剤を長期間使用することが可能となる。本発明者らは、本発明のＴＥＰＡＮ吸収剤が、実質的な分解および特性の低下なしにほぼ一年近くの期間ＣＯ2を除去できることを実証した。本発明に従って形成された吸収剤床（ｓｏｒｂｅｎｔ  ｂｅｄ）は、使用中に実質的にアミンや吸収剤床の分解生成物の放出を全く示さない。高い湿度条件および低い湿度条件の両方で同様に効率よく機能するこの吸収剤床の能力は、類をみないものである。
【００１０】
従って、本発明の目的は、非常に安定でかつ長期の作動寿命を有する、二酸化炭素（ＣＯ2）吸収剤装置および方法を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、高い湿度環境または低い湿度環境においてＣＯ2を吸収するには同様に効率のよい、記載された特徴を有する装置および方法を提供することである。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、吸収剤を現場で（ｉｎ  ｓｉｔｕ）再生できる、記載された特徴を有する装置および方法を提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、吸収剤が、１つまたは複数のニトリル官能基を有する主に第二級のアミンから構成される分子的実体である、記載された特徴を有する装置および方法を提供することである。
【００１４】
本発明のこれらと他の目的は、添付の図面と併せることで本発明の以下の説明から、より容易に明らかになるであろう。
【００１５】
【発明を実施するための最良の形態】
図面をここで参照すると、図１は、全体が番号１０により示されているＣＯ2吸着装置の概略図であり、この装置は、上述した種類の第二級アミン／ニトリル官能基吸収剤を含む。装置１０は、一対のＣＯ2吸着床１２、１８を含み、これらの吸着床のそれぞれは、連続気泡金属発泡体マトリックス（ｏｐｅｎ  ｃｅｌｌ  ｍｅｔａｌｌｉｃ  ｆｏａｍ  ｍａｔｒｉｘ）１６、１６’にそれぞれ含まれる吸収剤１４、１４’を備える。入口ライン２０が、ＣＯ2が取り除かれる環境中の雰囲気から吸着床１２、１８のそれぞれへ延びる。弁２２が、入口ライン２０のどちらが、浄化される環境から空気を受け取るかを選択的に制御し、それによって、常に一度には床１２、１８の一方だけが、空気の流れからＣＯ2を除去するのに使用される。出口ライン３４が、空気を床１２、１８から処理される環境中へ戻す。弁２４、２６が、浄化された空気の流れの通路へライン３４の一方を選択的に開くように作動できる。前もってプログラムされたプロセッサコントローラ３２が、好ましくは、弁２２、２４、２６の作動を制御するように装置１０内に含まれる。
【００１６】
装置１０の上述した説明から、常に一度には床１２または１８の一方だけが、空気の流れからＣＯ2を除去するように作用できること、さらに、一方の床が空気の流れからＣＯ2を吸着しているときは、もう一方の床が再生されていることは、明らかであろう。上述したように、コントローラ３２は、どちらの床１２または１８が、吸着床として使用され、どちらの床が再生されるかを決定する。
【００１７】
床１２または１８からのＣＯ2の脱着は、以下のように生じる。ＣＯ2を吸収剤１４または１４’と反応させることで吸着過程中に吸着床１２または１８において発生した熱は、脱着されるもう一方の床１２または１８に移動され、それによって、もう一方の床１２または１８内における吸熱脱着過程を推進するか、あるいは、床１２または１８は、真空による減圧（ｒｅｄｕｃｅｄ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）に曝すことで脱着され、この真空は、床１２または１８へのライン２０の一方をそれぞれライン２１、２１’を介して真空源に接続する弁２８を用いて、脱着される床に適用される。弁２８も、コントローラ３２によって選択的に作動される。留意されることには、図１に示す実施態様においては、熱と真空の両方が、床１２、１８を脱着するのに使用される。図１は、脱着サイクル中の床１８を示しており、弁２８が、床１８を真空源にライン２１’を介して接続するとともに、弁２６が、放出されるＣＯ2が装置１０の出口端部を通って流れるのを防止するように閉じられる。
【００１８】
図２は、ＴＥＰＡＮ吸収剤ペレット１４を一方の吸着床１２内の連続気泡マトリックス１６中に充填（ｐａｃｋ）する一つの方法を示す。
【００１９】
アミン／ニトリル吸収剤中の第二級アミン基の割合を高めることで、結果として、処理される雰囲気の相対湿度に敏感でない高度に再生可能な吸収剤が得られる。上述した主に第二級のアミン化合物は、−４０℃と同じほど低い露点において効果的であることが示された。居住可能な密閉環境中の雰囲気からＣＯ2を吸収する際に起こり得る３つの化学反応がある。これらの反応のうち２つは、水の存在を必要とし、従って、湿気のある環境においてのみ起こり得る。これらの反応は以下の通りである。
【００２０】
【化３】
0004766822.tif 000004
【００２１】
水が存在しない場合、第１の反応が、主なＣＯ2吸収反応である。水が存在する場合、これら３つの反応全てが生じるであろうが、依然として第１の反応が主反応であろう。
【００２２】
呼吸に適した雰囲気からＣＯ2を吸収するために主に第二級のアミン／ニトリル吸収剤を使用することは、処理される雰囲気の相対湿度が吸収剤に悪影響を及ぼさないという事実があるので、吸収剤を用いる吸着装置および吸収剤の効果を大幅に向上させることになる。この事実は、吸収剤を使用するどのような装置および吸収剤の耐用寿命を延ばすことにもなる。吸着サイクルおよび脱着サイクルの切り換えは、時間基準に基づくように装置のコントローラに前もってプログラムすることができ、あるいは、装置からの出口気体の流れを分析するＣＯ2センサによって作動させることができる。
【００２３】
本発明の概念から逸脱せずに本発明の開示した実施態様にさまざまな変更、変形を行うことができるので、添付した特許請求の範囲により請求する以外の発明に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従って形成された二酸化炭素吸収剤床装置の概略図。
【図２】  本発明に従って形成された吸収剤床の部分斜視図。
【図１】
0004766822.tif 000005
【図２】
0004766822.tif 000006