(57)【要約】【課題】  根本的なＣＯ2の削減技術として実現していないこれまでのＣＯ2の発生源対策及びグローバル対策に対し、大気中に放出され蓄積しているＣＯ2を海洋を利用してグローバルに削減することによって、地球温暖化問題そのものを根本的に解決する。【解決手段】  海洋表層海水を電解処理し、海水中に含まれる重炭酸イオン及び炭酸イオンとカルシウム及びマグネシウムを化合させて不溶性炭酸塩を生成させ深海へ自重で沈降させ海底に堆積させる。表層の炭酸濃度が低下した海水が大気中のＣＯ2を吸収するため、地球温暖化問題が解決できる。【選択図】      図１
2005021870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気中の二酸化炭素の削減方法として、海洋表層の海水中に含まれる重炭酸イオン及び炭酸イオンの炭酸を除去処理して生成する炭酸濃度が低下した除炭酸海水が大気と接触することによって、大気と海洋表層間の化学平衡効果により大気中の二酸化炭素が吸収され大気中から削減されることを特徴とする大気中の二酸化炭素の削減方法。
【請求項２】
海洋表層海水の除炭酸処理方法として、海水に含まれる炭酸を不溶性炭酸塩として生成させるために、海水に何らの添加物を加えることなく、海水に共存するカルシウム及びマグネシウムと炭酸を化合させることを特徴とする海水中の炭酸の回収除去方法。
【請求項３】
海水に溶解する炭酸の回収方法として、炭酸を不溶性炭酸塩として沈殿分離させ、その炭酸塩沈殿を深海ならびに海底に沈降させ堆積処分することを特徴とする海水中の炭酸の処分方法。
【請求項４】
海洋表層海水の中に含まれる炭酸を除去した除炭酸海水が大気と接触することによって大気と海洋表層間の化学平衡効果により大気中の二酸化炭素を吸収すること、海水中の炭酸と共存するカルシウム及びマグネシウム等を化合して不溶性炭酸塩として沈殿回収すること、さらにその不溶性炭酸塩を固体の状態で深層へ沈降させ海底に堆積させること、それらを一連のプロセスとすることを特徴とする大気中の二酸化炭素の削減方法。
【請求項５】
前記請求項１または４に記載の大気中の二酸化炭素の削減方法により海水中の炭酸を不溶性炭酸塩として回収し海洋表層海水中の炭酸濃度を低下させて大気?海洋間の化学平衡効果により大気中の二酸化炭素を削減する方法において、海水に何らの添加物を加えることなく直接電解処理して不溶性炭酸塩を生成させることを特徴とする大気中の二酸化炭素の削減方法。
【請求項６】
大気中の二酸化炭素の削減を目的とする海洋表層海水の炭酸を除去するための電解処理において、電解処理後の海水の水素イオン濃度が処理前の海水に比べ低くなり、そのためさらに二酸化炭素の吸収能力が増大することを特徴とする記請求項５に記載の大気中の二酸化炭素の削減方法。
【請求項７】
大気中の二酸化炭素の削減を目的とする海洋表層海水の炭酸を除去するための前記請求項５の電解処理において、海水の電解処理の際に同時に生成する水素ガスを回収し資源化することを特徴とする海水中の炭酸の処分方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地球温暖化問題となっている温室効果ガスの中で特にその人為的放出量が最も多いため温室効果が大きい二酸化炭素（ＣＯ2）の地球規模の削減方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＯ2の大量発生源である火力発電所やセメント製造工場などから排出されるＣＯ2の削減方法としては、アミン化合物による化学的吸収回収法、その回収したＣＯ2を処分するために海洋へ注入処分する方法、ＣＯ2を化学的にメタンに変換して資源化する方法、その他の多くの大気中の二酸化炭素の削減方法が研究されている。さらに、大気中に放出され蓄積しているＣＯ2をグローバルに削減する方法として、植林、藻類の育成、海洋への施肥（特に鉄散布）、サンゴ礁育成などの自然のＣＯ2固定プロセスの利用が考えられ試みられている。しかし、これら従来の発生源でのＣＯ2削減対策やグローバル削減対策は、コストやエネルギーの問題を抱え、環境への悪影響、海洋へ注入処分したＣＯ2が将来再放出される懸念、あるいは削減効果そのものが期待できないなどの問題があり、ＣＯ2による地球温暖化問題を根本的に解決できる具体的な解決策はまだ見出されていない。
【特許文献１】特開平１１−２９３１４号公報
【特許文献２】特開２００−２６２８８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、根本的なＣＯ2の削減技術として実現していないこれまでのＣＯ2 発生源対策及びグローバル対策に対し、大気中に放出され蓄積しているＣＯ2を海洋を利用してグローバルに削減することによって、地球温暖化問題そのものを根本的に解決しようとするものである。
【０００４】
本発明は、地球規模でＣＯ2の削減が可能な実用的なＣＯ2の除去方法であり、これまで放出され蓄積されしかも今後放出されるＣＯ2をグローバルに削減することが可能であり、ＣＯ2の除去量を制御でき、大気中に蓄積されている余剰のＣＯ2を生物圏から安定に隔離でき、制御可能で暴走しない技術であり、処理による新たなＣＯ2や無用な廃棄物が発生せず、低コストで省エネ型であり、環境への化学的・生物的な添加物を必要とせず、環境に優しく環境生態系のバランスを乱さない方法である。本発明は、ＣＯ2の削減のための社会的問題を解消することが可能でしかも経済的負担が少ない方法であり、さらに経済発展を抑制する考えを必要としない。
【０００５】
本発明は、実用的なグローバル大気中の二酸化炭素の削減方法に関するものであり、本発明によれば、経済抑制すること無く、しかも過去に放出され大気圏に蓄積されているＣＯ2のみならず今後増え続けるＣＯ2までも除去することが可能であり、生物圏に無理強いすること無くＣＯ2を制御しながら適度に除去し、余剰に蓄積されている大気中のＣＯ2を生物圏から安定に隔離することによって、地球大気環境を適正に保つことが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による大気中の二酸化炭素の削減方法は、海洋表層の海水中に含まれる重炭酸イオン及び炭酸イオンの炭酸を除去処理して生成する炭酸濃度が低下した除炭酸海水が大気と接触することによって、大気と海洋表層間の化学平衡効果により大気中の二酸化炭素が吸収され大気中から削減するものである。
【０００７】
このようにして大気中の二酸化炭素を吸収した海洋表層海水から炭酸を除去する処理方法は、海水に含まれる炭酸を不溶性炭酸塩として生成させるために、海水に何らの添加物を加えることなく、海水に共存するカルシウム及びマグネシウムと炭酸を化合させるこものである。
さらに海水に溶解する炭酸の回収方法としては、炭酸を不溶性炭酸塩として沈殿分離させ、その炭酸塩沈殿を深海ならびに海底に沈降させ堆積処分することをあげることが出来る。
【０００８】
海洋表層海水の中に含まれる炭酸を除去した除炭酸海水が大気と接触することによって大気、海洋表層間の化学平衡効果により大気中の二酸化炭素を吸収すること、海水中の炭酸と共存するカルシウム及びマグネシウム等を化合して不溶性炭酸塩として沈殿回収すること、さらにその不溶性炭酸塩を固体の状態で深層へ沈降させ海底に堆積させること、それらを一連のプロセスとする。
【０００９】
この場合に、大気中の二酸化炭素の削減方法により海水中の炭酸を不溶性炭酸塩として回収し海洋表層海水中の炭酸濃度を低下させて大気と海洋間の化学平衡効果により大気中の二酸化炭素を削減するに当たり、海水に何らの添加物を加えることなく直接電解処理して不溶性炭酸塩を生成させる。
【００１０】
大気中の二酸化炭素の削減を目的とする海洋表層海水の炭酸を除去するための前記の電解処理においては、電解処理後の海水の水素イオン濃度が処理前の海水に比べ低くなり、そのためさらに二酸化炭素の吸収能力が増大する。また電解処理において、海水の電解処理の際に同時に生成する副産物としての水素ガスを回収し資源化する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によればグローバルに大気ＣＯ2を削減できるため、実現が危ぶまれているＣＯ2の発生源における削減対策が不要となるため社会的に経済的に大きな効果をもたらす。本発明によるグローバルＣＯ2 の削減対策によれば、今後の開発途上国を中心とする人口の激増、それに伴う経済発展、さらにそれに伴うＣＯ2の放出量の増大を抑制する考えを必要としない。そのため本発明は、経済発展を抑制する考えを必要としない。なお、京都メカニズムにおける放出ＣＯ2の削減の義務化に関しては、本発明による海水の除炭酸量をＣＯ2 の削減量とするための国際的な合意を得る必要がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、このような本発明の実施例について、図面を参照しながら具体例を挙げて詳細に説明する。
本発明の大気中のＣＯ2を地球規模で削減する方法として、海洋表層海水中に重炭酸イオン及び炭酸イオン（以下、「炭酸」と記す）として平均２．０〜２．２ｍｍｏｌ／ｋｇ含まれる炭酸を海水中に共存するカルシウム（Ｃａ：１０ｍｍｏｌ／ｋｇ含まれる）ならびにマグネシウム（Ｍｇ：５３ｍｍｏｌ／ｋｇ含まれる）と反応させて、不溶性のＣａ−Ｍｇ炭酸塩を形成させる。これによって、沈殿物として炭酸を除去する。その除炭酸した海水が大気と海洋表層の化学平衡効果によって大気中のＣＯ2を吸収し削減する。
【００１３】
具体的な除炭酸処理の方法としては、海水に溶解している塩類のほとんどは電離あるいはイオン対の状態で存在しており、そのため海水は電気伝導度の高い電解質溶液である。この海水の性質を利用して、海水を直接電解して、その中に含まれる炭酸を不溶性の炭酸塩とする方法である。海水の電解反応としては、多孔質隔膜を有する２極式フロー型（流通型）電解槽で行うことにより、まずカソード（陰極）では水の分解反応式（１）の反応で生成したＯＨ- によって式（２）の反応が進行し、海水に溶解している炭酸が不溶性の炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）として沈殿する。なお、実際の沈殿物はＭｇを含む塩基性炭酸塩［ＣａＣＯ3・Ｍｇ（ＯＨ）2］である。カソードでは、先に示した水分解反応式（１）によって水素ガスが同時に生成する。一方、アノード（陽極）においては水分解反応に比べ式（３）の反応が主に進行し、さらに式（４）の加水分解反応が進行する。以上の海水電解の全反応は式（５）となり、この反応式及び実験結果から電解反応に伴うＣＯ2ガスの発生は無い。以上のカソード反応及びアノード反応それぞれの処理後の海水を混合するとその水素イオン濃度は処理前の海水に比べアルカリ化しており、そのためその除炭酸海水のＣＯ2の吸収能力は処理前の海水に比べさらに上昇している。
【００１４】
（１）２Ｈ2Ｏ＋２ｅ-→Ｈ2＋ＯＨ-
（２）Ｃａ2+＋Ｍｇ2+＋ＨＣＯ3-＋ＯＨ-→Ｃａ（Ｍｇ）ＣＯ3↓＋Ｈ2Ｏ
（３）２Ｃｌ-→Ｃｌ2＋２ｅ-
（４）Ｃｌ2＋Ｈ2Ｏ→２Ｈ+＋ＣｌＯ-＋Ｃｌ-
（５）２Ｈ2Ｏ＋２Ｃｌ-＋（２Ｎａ+＋４Ｃｌ-）＋Ｃａ2-＋ｘＭｇ2+＋２ＨＣＯ3-
→２Ｈ2↑＋ＣａＣＯ3・ｘＭｇ（ＯＨ）2↓＋ＣＯ3 2-＋２ＨＣｌＯ（＋２ＮａＣｌ）
【００１５】
さて、サンゴ礁における炭酸固定化反応は式（６）に示すようにＣａＣＯ3の生成の際に同量のＣＯ2の放出が起こるため、サンゴ礁に大気中のＣＯ2ガスを吸収する削減することをサンゴ礁に期待できないとされている。一方、本発明の場合は式（５）に示すように、海水電解反応に伴うＣＯ2ガスの放出は起らず、そのためサンゴ礁における炭酸固定化反応とは異なるものである。
（６）Ｃａ2+＋２ＨＣＯ3-→ＣａＣＯ3↓＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ
【００１６】
海水電解処理によって生成する固体の塩基性炭酸塩をフロー型電解槽内部で海流の流れを利用して集め、固体の状態で処分地とする海底へ自重で沈降させる。この結果、海洋表層から炭酸が除去され、大気ＣＯ2の海洋への吸収速度の律速因子であった表層から深層への炭酸成分の移動速度を速めることが可能となる。
【００１７】
以上のプロセスにより、海洋表層海水中に溶解している炭酸が、不溶性の炭酸塩化合物となり自重で深海へ沈降し海底に堆積する。この一連のプロセスによって、電解して生成する除炭酸海水が大気中のＣＯ2を吸収する結果、温室効果をもたらしている大気中に蓄積された余剰のＣＯ2の削減が促進される。本発明の原理を図１に示す。
【００１８】
上記したように、本発明による大気中の余剰ＣＯ2の削減方法は、化学的なあるいは生物的な添加物が不要であること、そのＣＯ2の処分量が把握できることなど人為的な制御が可能であり、海水の電解処理によって海水の水素イオンがわずかに低下する程度であるため環境に優しい方法である。この方法によれば、従来提案されている火力発電所やセメント製造工場などの大量発生源からＣＯ2を回収ししかもそのＣＯ2をガス状やドライアイスとして処分する方法と違い、ＣＯ2の回収と処分に大きいエネルギーを必要としないこと、さらにそのようにして回収したＣＯ2を直接海洋へ投入処分した場合に起る海水の酸性化の問題が無い。本発明による海水の除炭酸処理処分に必要となる電力を太陽光発電、太陽熱発電、風力発電、酸水素型燃料電池、海洋深層水利用温度差発電などの非化石燃料による発電でまかなった場合は、ＣＯ2の削減処分に伴う新たなＣＯ2の排出は少なくＣＯ2の放出量と固定削減量の比率は１／１０〜１／２０となる。
【実施例１】
【００１９】
本発明を下記の実施例により、さらに詳細に説明する。
海水の電解処理としては、筒型電解槽（内径９６ｍｍ、長さ５００ｍｍ）の中に円筒状のチタン網上に白金コーティングした径の異なる２種類の筒型電極を約２０ｍｍの電極間距離でセットし、その電極の間に外径７０ｍｍφ、内径５５ｍｍφの円筒状の多孔質膜（ポリプロピレン製、孔径５０−３００μｍ）の隔膜をセットし、この電解槽に１〜４Ｌ／ｍｉｎ．の範囲で一定の流量で海水を通液し、２枚の電極間に直流電圧を印加し電解処理を行った。
【００２０】
電解処理の実験結果から、海水中の炭酸が不溶性の炭酸塩として沈殿除去されており、本発明の有効性が確認できた。なお、海水の電解処理の条件として、電解電流密度が約６〜８ｍＡ／ｃｍ2以上で白色沈殿物の生成が始まり、約２０〜３０ｍＡ／ｃｍ2の電解条件で沈殿物生成が盛んとなった。この沈殿物は、ＣａＣＯ3とＭｇ（ＯＨ）2を含む塩基性炭酸塩であった。なお、電解処理の際の電解電流密度を制御させることによって、カソード処理海水中の炭酸を２０〜７０％の効率で炭酸塩に変換することが可能であった。これらの結果から、海水に何らの添加物を加えることなく、海水中の成分だけで不溶性の炭酸塩生成反応が進行し、本発明の目的とする海水の除炭酸処理の確証が得られた。この固体炭酸塩は、海水に対する溶解度が低いため深海へ沈降させ海底に堆積させれば大気中の余剰ＣＯ2を生物圏から完全に隔離でき、しかも長期間の堆積によって岩石化する期待がもてる。このことから、本発明は、これまで提案されている海水中へＣＯ2ガス注入処分やドライアイス処分することに比べ、大気へのＣＯ2の再放出の心配が無い。
【実施例２】
【００２１】
前記実施例１と同様の条件で海水の電解処理を行い、その際カソードから生成する水素ガスの回収を行った。その結果、電解によってカソードから盛んと非常に細かいガスが生成するが、そのガスが水素であること、さらにその水素ガスは電解処理のクーロン量にほぼ比例して生成し、電力投入量に対する水素ガス生成量は２〜４ｍｏｌ／ｋＷｈであった。なお、その生成水素ガスは容易にガス分離膜を透過するため回収は容易であり、回収した水素ガスの純度は９５％以上と高く、そのままでも酸水素燃料電池用の原料ガスとして充分に利用できる。
【実施例３】
【００２２】
海水の電解処理によって生成した不溶性炭酸塩は、その電解処理条件によって組成や形状が異なる。その傾向としては、電流密度が低い弱い電解処理の場合には塩基度の低い炭酸カルシウム含有率の高い炭酸塩（低塩基性炭酸塩）が生成し、電流密度が高く強い電解処理の場合には塩基度の高い炭酸カルシウム含有率の低い炭酸塩（高塩基性炭酸塩）が生成する。これら炭酸塩の形態やその粒径などによってその物性は異なるが、大気圧状態における生成炭酸塩の海水中の沈降速度は概算１〜１０ｍ／時間であり、表層海水中の成分の深海への移動速度（１年間で１ｃｍオーダー）に比べはるかに速い。しかも、生成した炭酸塩を３００〜５００気圧の高圧海水で加圧処理した結果、高圧海水状態でその炭酸塩に含まれるＭｇ（ＯＨ）2の溶脱が時間とともに起るが、この溶脱によって炭酸塩のＣａＣＯ3の含有率が高まり比重が増大するため、深海への自重による沈降性はさらに増大ししかもその岩石化も進み易い状態となる。
【実施例４】
【００２３】
先の式（３）?式（４）で示した海水のアノード電解によって２０〜３０ｐｐｍ程度のＣｌＯ-が生成するが、この物質は海洋生物にとって有害な物質であり、そのためこれを含む除炭酸海水は放流できない。しかし、このＣｌＯ-は活性炭と接触させることによって完全に分解することが可能であり、活性炭による分解処理に伴う一酸化炭素ＣＯやＣＯ2の生成や放出は無い。ＣｌＯ-を含む除炭酸海水を活性炭処理すると、式（７）に示す反応によってさらにアルカリ化が促進されるが、この現象はＣｌＯ-の分解反応に伴う水素イオンの消失が起ったためである。
式（７）  ＣｌＯ-＋２Ｈ+−２ｅ-→活性炭処理→Ｃｌ-＋Ｈ2Ｏ
【実施例５】
【００２４】
海水中の炭酸を不溶性炭酸塩として分離回収する処理とその固体炭酸塩を深海へ沈降処分するための具体策が必要となる。さて、炭酸２ｍｍｏｌ／ｋｇ濃度の表層海水を大量に処分しなければならないが、その機能をもつ図２に示すフロー型電解槽を、海流が常時流れている処に設置してその流れを利用して電解槽へ導入し処理を行う。この電解処理で不溶性の炭酸塩が電解槽の内部に生成するが、これが海流の流れで電解槽内部を流動し集まりながら深海へ沈降する管へ導かれる構造にしておく。このシステムを、例えば日本近海の黒潮の流れ（平均１ｍ／ｓの流速とする）の中に設置すると仮定した場合、海水中の炭酸１ＧｔｏｎＣ（ＧｔｏｎＣギガトン炭素  Ｇ＝１０9；１ＧｔｏｎＣは化石燃料の消費によって大気中に排出されている量の１／６に相当し、大気中の蓄積を防ぐための削減すべきＣＯ2の排出量の１／３相当）を１年間で処理するのに、除炭酸効率を２５〜５０％とした場合、海流の取入れ有効面積として２．２８〜４．５６ｘ１０6ｍ2が必要となる。海深１００ｍまでの大気海洋平衡層を使う場合、海流取入れ口のサイズは１００ｍ（深さ）ｘ  ２２，８００〜４５，６００ｍ（幅）に相当する。海水除炭酸システムを図３に示す。
【００２５】
このシステムの主なものとしては電解槽と電解に必要な電力を得るための発電設備であるが、このシステムが必要とする電力を得る方法としては、太陽光発電、風力発電、電解によって生成する水素ガスを原料ガスとする酸水素型燃料電池あるいは温度差発電などのＣＯ2の放出が少ないクリーンな発電が望ましい。海水中の炭酸を電解処理し炭酸塩に変換するための電力量としては、１年間の炭酸処理量１ＧｔｏｎＣ当り約１〜４ｘ１０9ｋＷ程度の電力（除炭酸効率を２５〜５０％と仮定）が必要となる。ＣＯ2による地球温暖化をグローバルに解決するための世界全体でのＣＯ2の削減量として１年に３ＧｔｏｎＣとした場合、前記した除炭酸能力を有するシステムの必要数は３つあれば良いことになる。なお、このシステムは、海流の流れの大きな力と風・雨・波に常時曝され、しかも非常に長期間にわたり稼働させることが必要なため、このシステムは強度的にも材質的にも高い堅牢さが要求される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態として海水電解除炭酸処理による大気ＣＯ2のグローバル削減方法の原理を示す概念図である。
【図２】本発明の実施形態としてフロー型電解槽による海水電解の原理を示す概念図である。
【図３】本発明の実施形態として海水炭酸除去システムによる海水炭酸除去処理のプロセスを示す概念図である。
【図１】
2005021870.tif 000003
【図２】
2005021870.tif 000004
【図３】
2005021870.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成15年7月7日(2003.7.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
前記請求項１または４に記載の大気中の二酸化炭素の削減方法により海水中の炭酸を不溶性炭酸塩として回収し海洋表層海水中の炭酸濃度を低下させて大気・海洋間の化学平衡効果により大気中の二酸化炭素を削減する方法において、海水に何らの添加物を加えることなく直接電解処理して不溶性炭酸塩を生成させることを特徴とする大気中の二酸化炭素の削減方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
先の式（３）・式（４）で示した海水のアノード電解によって２０〜３０ｐｐｍ程度のＣｌＯ-が生成するが、この物質は海洋生物にとって有害な物質であり、そのためこれを含む除炭酸海水は放流できない。しかし、このＣｌＯ-は活性炭と接触させることによって完全に分解することが可能であり、活性炭による分解処理に伴う一酸化炭素ＣＯやＣＯ2の生成や放出は無い。ＣｌＯ-を含む除炭酸海水を活性炭処理すると、式（７）に示す反応によってさらにアルカリ化が促進されるが、この現象はＣｌＯ-の分解反応に伴う水素イオンの消失が起ったためである。
式（７）  ＣｌＯ-＋２Ｈ+−２ｅ-→活性炭処理→Ｃｌ-＋Ｈ2Ｏ