(57)【要約】本発明は、化石および非化石燃料の燃焼からの温室効果ガスの捕獲の間に作製された炭素ベースの肥料および土壌改質剤の経済的製造を提供するための一連の工程に関する。本発明は、バイオマスおよび他の炭素質源をガスおよびチャコールへ熱分解変換することを利用し、水素およびアンモニアのような副産物のさらなる製造を可能とする。また、本発明は、水和アンモニア、燃焼燃焼ガス廃棄物、およびチャコールの組合せに関し、必須の微量ミネラルおよび植物栄養素を土壌に戻すための、チャコールから付加価値のある土壌改質剤への変換を提供する。強制的排出物を除去し、再生可能ベースの水素を製造しつつ、大容量の炭素副産物を生じさせる能力は、非常に多数の大小のビジネスに経済的利益を与え、温室効果ガス排出物の有意な低下を達成するチャンスを増加させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
揮発性有機化合物中で高い熱分解ガスを放出し、固体炭素チャコール残渣を生じさせることを特徴とするバイオマスおよび他の炭素質系物質を熱分解する方法。
【請求項２】
その前記チャコールの温度を２分間より長く３５０Ｃ〜５００Ｃの温度範囲を超えないように管理し、表面酸基の形成、およびアンモニアを含む塩基の優先的な吸着を最大化させる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
得られたチャー粒子の温度が５００Ｃを超え、１０分間よりも長く６００Ｃを超えた温度のままでさらに加熱し酸化して表面酸基の生成を最小化する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
その前記残渣を、限定されるものではないが、加圧、機械的作用、熱、蒸気、酸素、酸、二酸化炭素、カリウム、マグネシウムおよび硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム等の肥料成分、鉄モリブデンミネラルのような微量ミネラル栄養物の添加を含めた種々の条件下でさらに処理して、それを、他の物質の吸着剤および担体として特定の用途において最適化させる請求項１、２または３に記載の方法。
【請求項５】
精製された水素流を変換し抽出するためのセラミック膜を用いるか、水素、一酸化炭素、メタンおよび二酸化炭素を含む混合ガスを生成するために、熱分解または合成ガスの蒸気改質または触媒改質を用いることによってその前記ガスをさらに処理し、ここで生じた前記一酸化炭素は、高温または低温の触媒ＣＯ水シフト反応を介して水素へ変換され、水素および二酸化炭素がガスの主成分となる請求項１に記載の方法。
【請求項６】
圧力スイング吸着または膜分離等の標準的な産業技術を用い、二酸化炭素、窒素または他の寄生ガスから任意の未精製水素を分離する請求項５に記載の方法。
【請求項７】
水素および空気の組合せを、標準的な産業として認められた技術で用いて、産業上典型的なアンモニアまたは硝酸アンモニウムまたは他の窒素化合物を生成する請求項１、５または６に記載の方法。
【請求項８】
前記固体チャコールおよびアンモニアの全てまたは一部、および水を、燃焼または他の方法のオフガス流に注入または緊密に接触させる請求項２または４に記載の方法であって、前記ガス流は二酸化炭素、二酸化硫黄および亜酸化窒素のある濃度を有し、これらの物質の環境への排出を低下させることが望まれる方法。
【請求項９】
前記固体チャコールの全てまたは一部、およびアンモニア、および水を、燃焼または他の方法のオフガス流に注入または緊密に接触させる請求項３または４に記載の方法であって、前記ガス流は二酸化炭素、二酸化硫黄および亜酸化窒素のある濃度を有し、これらの物質の環境への排出を低下させることが望まれる方法。
【請求項１０】
前記チャコール残渣、およびアンモニア、水、並びにオフガスが少なくとも５秒間緊密に接触される請求項８または９記載の方法。
【請求項１１】
前記化学反応は、炭酸水素アンモニウム（ＮＨ４ＨＣＯ３）がチャコールポア中およびその表面に形成され、ＮＨ４ＨＣＯ−チャコール肥料を生成することを許容する請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記化学反応が、窒素酸化物および二酸化硫黄のアンモニウム塩がＮＨ４ＨＣＯ３−チャコール肥料と接触して形成されることを許容する請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
植物成長に用いられる物質と組み合わされる徐放性隔離土壌改質肥料の製造であって、それらの物質を炭素残渣の内部ポア構造内に沈積させ、大規模な農業用途に好適な固体粉末およびまたは顆粒物質の製造。
【請求項１４】
植物成長に有益な化合物を製造し、または炭素残渣の内部ポア構造に吸着させ、化合物の徐放性を提供する物質を製造する請求項１、２、３、４、５、６、７、８，９，１０、１１、１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
コーティングを用いて、化合物の取扱い性、流動性を容易にし、およびその放出速度の制御を付加する方法であって、限定されるものではないが、通常そのような物質は、土壌に置かれた場合に、溶解、または浸透層を生じる石膏、プラスター、硫黄またはポリマーのような物質を用いてコーティングされる請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１〜１１に記載された方法で作製された土壌改質剤および肥料としての物質の使用、および請求項１１、１２または１３に記載された物質の製造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
出願人らは、本明細書に全体を参照して組み込む、「水素の製造、隔離された炭素、および二酸化炭素を含有するオフガスの利用の組み合わせによる土壌改質剤の製造および使用」と題された、２００２年１０月２２日に出願された米国特許仮出願第６０／４２０，７６６号の米国特許法第１１９条（ｅ）下の利益を主張する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、窒素富化炭素ベース肥料、並びにチャコールを製造する炭素質物質の熱分解変換の間、および前記チャコールとアンモニア、二酸化炭素、水、および燃焼ガス排出に一般にみられる他の成分との反応によって作製される土壌改質剤の製造および使用に関する。また、本発明は、土壌改質剤および肥料としての組合せ物質を製造し使用するため、ミネラルおよび植物栄養素を伴うチャコールの最適化に関する。また、本発明は、土壌中の炭素および捕獲された温室効果ガスを経済的に貯蔵する方法としての物質の使用に関する。
【０００３】
（発明の背景）
増大する人為的ＣＯ２排出および地球温暖化の可能性は、合衆国および他の国に、エネルギーについての世界の要求の増大に適合する新しくかつ良好な方法を見出し、同時に、温室効果ガス排出を減少させるよう喚起してきた。最近の証拠は、氷河の融解、淡水の大洋への流入、および北極における氷の薄化は、地球の温暖化によりもたらされるようであることを示している。急速な気候の変化に関する２００２年における全米科学アカデミー（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ａｃａｃｅｍｙ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）の報告は、地球の気候の変化は過去に非常に急速に起こったという証拠を詳細に説明している。地球温暖化の証拠が増加したため、諸国は、賢明にも、折衝による合意とりわけ京都議定書を通じて温室効果ガス排出の潜在的効果を低下させるために協力することを求めてきた。地球上の国家の大部分によって現在署名された議定書は、温室効果ガス排出を１９９０年のレベルに制限するよう求めている。しかしながら、多くはより大きな低下を求めている。２００３年２月２４日に、合衆国の友好国の一つのトニー・ブレア（Ｔｏｎｙ  Ｂｌａｉｒ）首相は、演説において、「京都議定書は基本的に十分でないことは明らかである」および「我々は、今日、さらなる研究および証拠から、気候に対しさらなるダメージを防止するためには世界中で６０％の削減が必要であることを確信する」と述べた。この数は、事業による排出を通して産生される品物、サービスおよびエレクトロンが数兆ドルであることを表し、そのような削減の結果、リスクと所得喪失を生じることが理解される。しかしながら、迅速に実行する経路が必要であるという証拠は増大しつつあり、世界規模での解決の一部を実行する最も迅速な方法は、リスクおよび潜在的な喪失を削減させる経済と環境の相乗効果を開発することである。世界の事業団体についての潜在的な利益を安定化させ、食物を成長させる維持可能な方法を確立し、経済発展する社会のエネルギー要求を満たすことを助ける解決は、隔離以外の対応する価値がほとんどない解決よりは抵抗がかなり低いであろう。
【０００４】
人類が直面する課題は、いかにして我々の回復不能な温室効果ガス排出を著しく低下させることである。森林再生の使用は１つの解決であるが、これは、森林およびバイオマスが利用可能な土壌栄養物、主として窒素を利用するため制限されている。
【０００５】
デューク大学ニコラス校の環境地球科学学部長のＷｉｌｌｉａｍ  Ｓｃｈｌｅｓｉｎｇｅｒは２００１年に記載している。
【０００６】
「しかしながら、森林中の炭素貯蔵率はそれが成熟するに従い減少し、従って、森林再生プログラムが継続して長期にわたって炭素を隔離できる唯一の方法は、それらが商業的バイオマス燃料を製造するプログラムに移行するかである；すなわち、我々は、化石燃料をバイオマス燃料で置き換えなければならない。それには、毎年化石燃料の燃焼から放出される量である６ＰｇＣ／年を貯蔵するために、現在は農業に使用されている土地、または市街地を含めた、地球上の全てのかつて森林であった土地の森林再生が必要であろう」（Ｖｉｔｏｕｓｅｋ  １９９１）。
【０００７】
これらの要求の増大を満足させるために、いくつかの方法が提案され、肥沃化および二酸化炭素摂取を通じた炭素の大洋への隔離（米国特許第６，２００，５３０号）、およびＣＯ２の大洋へのポンピングを通じた炭素の大洋への隔離（米国特許第６，５９１，４０７号）が研究されている。石炭層または地下貯蔵庫への注入のような他の方法も盛んに研究されつつある。これらのすべての方法は、促進された石油回収にＣＯ２が利用できる特殊な領域を除いて費用がかかる。
【０００８】
化石燃料の燃焼ガスの排気から生じる窒素および二酸化硫黄等の他の温室効果ガスおよび空気汚染物を除去する多くの方法が開発されてきた。これらのプロセスのいくつかは副産物肥料をもたらし、これは、物質の利用を通じて利益センターを作り出す。発明の背景を示す目的で、このアプローチを支持するいくつかの関連特許についてここで議論する。米国特許第５，６２４，６４９号は、燃焼ガスから二酸化硫黄を除去しつつ硫酸カリウムを製造する方法を教示する。米国特許第６，６０５，２６３号は、同様に燃焼ガスから硫酸アンモニウムを製造する方法を記載する。米国特許第４，５４０，５５４号は、二酸化硫黄および窒素酸化物を洗浄しつつカリ肥料を製造するためのカリウム化合物の使用を記載する。米国特許第４，０２８，０８７号は、バグハウス、スラッジ−アンモニア−酸塩からの肥料の製造を記載する。米国特許第５，６９５，６１６号は、電子線およびアンモニアの使用を介する硫酸アンモニウムおよび硝酸アンモニウムの製造を教示する。米国特許第６，３６３，８６９号において、水酸化カリウムは、燃焼ガスから硝酸カリウムおよび硫酸カリウムを製造するものである。
【０００９】
硫黄および窒素ガスの捕獲および肥料への変換は役立つ。それらは強力な温室効果ガスを作り出すが、二酸化炭素の影響に比べて小さい。しかしながら、肥料として、それらは植物の成長を増大させ、天然の隔離を増大させるのに役立つ。環境中の増大したおよび増大しつつある炭素の容量が意味するのは、最も直接的な経路は、炭素および炭素化合物を長期間にわたって捕獲し利用することによって、二酸化炭素の貯蔵規模を直接的に低下させるということである。炭素ベースの肥料／土壌改質剤を付加することで価値を作り出しつつ炭素を捕獲することは、バイオマス隔離に関連する問題を解決することに役立つであろう。それは、積極的な収穫を介して除去された栄養物を回復し、必須栄養素を植物に供給し、大気中でより高いレベルとなったＣＯ２を植物に利用させる助けとなる。それは、何百万トンもの天然および合成化合物を世界中の農場に移動させる、現存する少ない流通チャンネルの１つでもある（すなわち、農場／農業化学産業）。しかしながら、最も迅速な採用は恩恵と収益をもたらす。従って、この解決は、我々が現在達成することができるよりも多くの食料、繊維およびエネルギーを生ずるはずであり、それを環境を劣化させることなく数千年もの間維持できるようになすべきである。
【００１０】
開墾および耕作のような伝統的な農業業務は、土地の衰退、土壌有機炭素（ＳＯＣ）の鉱化、および大気に排出された二酸化炭素（ＣＯ２）などによって、結果としてＳＯＣの喪失を導いた（Ｌａｌら，  １９９８；Ｈａｏら，  ２００１）。これらの活動は、植物生命を豊富に育てるという土壌の天然の能力を低下させてきた。加えて、土壌からの微量ミネラルの枯渇は、我々の生態圏の健康状態に影響を与え、および増大する世界人口を支える成分の領域が徐々に少なくなることに依存する種としての人類を作り出す危険性に影響を与える。成分の多様性の低下は、我々の種の将来の健康および発展に対して長期間影響するであろう。
【００１１】
炭素の長期貯蔵を行い、大気中二酸化炭素を除去するための炭素−ベースの肥料の使用は、炭素が安定でなければならず、および／または土壌中で安定な物質に変換されなければならない。地球には、これらの要件に適合する炭素がある。その炭素はチャコールである。チャコールは土壌のかなりのパーセンテージを占める。５つの代表的な土壌試料において、ＵＳＤＡ土壌化学者であるＤｏｎ  Ｒｅｉｃｏｓｋｙは、土壌炭素の３５％までがチャコールよりなると報告した。素晴らしいことに、チャコールがかなり豊富に土壌で見出されることばかりか、それは実質的な価値を提供することである。
【００１２】
土壌改質剤としてのチャコールの歴史的な使用の報告は２０００年以上も前のアマゾン雨林に遡る（Ｇｌａｓｅｒ，１９９９）。“Ｔｅｒｒａ  Ｐｒｅｔａ”（黒土）として知られた人造土壌用地は、チャコールを添加することによって貧弱な質の土壌を克服することができる先住民によって作り出されたとされている。これらの用地は、壊れた陶磁器およびヒトの住んでいたことを示す他の指標を伴い、千年後の今日になって評価されている。なぜならば、それらは非人造土壌の３倍の生産能力があるからである（Ｍａｎｎ，  ２００２）。作物収率を増加させる能力は、古いチャコールにはそのまま適用されない。Ｓｔｅｉｎｅｒ（未公表）は、地元の供給者からの新鮮なチャコールでブラジルのＴｅｒｒａ  Ｐｒｅｔａ土壌を再現し、肥料単独よりもバイオマス収率の２８０％増大を報告した。彼の作物収率はさらに高かった。Ｇｌａｓｅｒ（１９９９）は、チャコール添加により、対照よりも米収率の１７％増加を報告している。Ｈｏｓｈｉは、１年当たり１平方メートルにつき１００ｇ（ヘクタール当たり１トンまたは８９０ｌｂｓ／エーカー）の竹のチャコールの適量添加によって、植物の高さおよび容量の２０〜４０％増加を報告している。木の皮から作製された商業的チャコールを用いて研究中のＮｉｓｈｉｏは、肥料単独よりも１．７〜１．９倍のアルファルファ成長増大を見出した。
【表１】
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【００１３】
チャコールは、迅速に分解されず、大気中にＣＯ２を戻さない隔離された炭素の形態である。これは微生物腐敗に対して非常に抵抗性が高い（Ｇｌａｓｅｒ  １９９９；Ｇｌａｓｅｒら  ２００１ａ）。研究は、Ｔｅｒｒａ  Ｐｒｅｔａ土壌が周囲の土壌よりも７０倍まで多い火成Ｃ（チャコール）を含有することを示した。仮説は、芳香族構造によって引き起こされた化学的安定性のためチャコールが数世紀の間、土壌中に存在するということである（Ｇｌａｓｅｒら  ２００２）。その物質の化学的構造は微生物分解に対して抵抗性が高い（Ｇｏｌｄｂｅｒｇ  １９８５；Ｓｃｈｍｉｄｔら  １９９９；ＳｅｉｌｅｒおよびＣｒｕｔｚｅｎ１９８０）。Ｇｌａｓｅｒは、土壌チャコールの１４Ｃ年代測定によって安定性を確認し、結果は１，０００〜２，０００年であった（Ｇｌａｓｅｒら  ２０００）。他の報告は、チャコールが高度に風化した環境においてさえ見出すことができ、炭素年代測定はそれを数千年前まで遡らせることを示す（Ｇａｖｉｎ，２００２；Ｓａｌｄａｒｒｉａｇａら１９８６）。
【００１４】
チャコールは特有の物理的構造および化学的特性を有し、これは、最適化されれば、土壌改質剤としてかなりの価値を提供する。その開かれた多孔性構造は多くの天然に生じる化合物を容易に吸着する。この特性はチャコールが天然スポンジとして作用することを可能とする。作物耕作において、適用された栄養素は、一年生作物の根域より下に迅速に浸出する（Ｃａｈｎら，１９９３；  Ｍｅｌｇａｒら，１９９２）が、チャコールは植物の根のレベルにおいて栄養素を吸着し、それを保持し、浸出を減少させることができる（Ｌｅｈｎａｎｎ，２０００）。チャコールは土壌の保水容量を増加させ、カチオン交換容量を増加させるように作用する（Ｇｌａｓｅｒ，１９９９）。Ｔｅｒｒａ  Ｐｒｅｔａ土壌における証拠は、これらの特性が経時的に有意に減少せず、従って、新たに交換される用地は作り出されるとしても速度は遅い。チャコールは、非生物酸化を通じて元素ＣからＣＯ２への分解されるが、環境条件下では、このプロセスは極端に低速である（Ｓｈｎｅｏｕｒ  １９６６）。菌類および細菌は、褐炭のような低ランクの石炭を分解できることが知られている（ＦａｋｏｕｓｓａおよびＨｏｆｒｉｃｈｔｅｒ  １９９９）。細胞外マンガンペルオキシダーゼは、褐炭（亜炭）の高分子画分を分解することができる木材腐朽（ｗｏｏｄ−ｒｏｔｔｉｎｇ）およびリーフリター腐朽（ｌｅａｆｌｉｔｔｅｒ−ｄｅｃａｙｉｎｇ）担子菌類の酵素であることが示されている（Ｈｏｆｒｉｃｈｔｅｒら  １９９９）。そのような腐朽の結果、フェノキシ、ペルオキシおよびＣ−中心ラジカル等の反応性生成物が形成され、引き続き、非−酵素反応によって芳香族環の分裂を含む共有結合の切断が起こる（Ｇｌａｓｅｒら  ２００２）。
【００１５】
チャコールは、オルガノ−ミネラル複合体を形成する能力を有し（Ｍａら  １９７９）、これは、Ｔｅｒｒａ  Ｐｒｅｔａ土壌で見出される（Ｇｌａｓｅｒら  ２０００）。この仮定は、カルボキシル基を形成するチャコールの芳香族骨格の端におけるゆっくりとした酸化（生物的および／または非生物的）が、オルガノ−ミネラル複合体を形成する能力およびＣＥＣの維持可能な増加の双方に関与することである（Ｇｌａｓｅｒ  １９９９；Ｇｌａｓｅｒら  ２０００，２００１ａ）。炭素隔離の観点から、これは、それが永久的な除去ではなく、土壌改質の有利な点からのものであり、それは今日価値を有し、Ｔｅｒｒａ  Ｐｒｅｔａ土壌に加えられたチャコールがここ数千年の間、ちょうど成してきたように土壌に対して継続的に価値を付け加えることを意味する。
【００１６】
開いたポア構造は、必須の共生微生物群に捕食動物からの安全な避難所を提供することができる（Ｐｉｅｔｋｉｅｎ，Ｚａｃｋｒｉｓｓｏｎら（１９９６））。彼女の研究において、彼女は、森林火災後の土地に再度棲み付く微生物群を調べた。実験において、彼女は４つの吸着剤、軽石（Ｐｕｍ）、活性炭（ＡｃｔＣ）、ガンコウラン（Ｅｍｐｅｔｒｕｍ  ｎｉｇｒｕｍ）の小枝からのチャコール（ＥｍｐＣｈ）、および腐葉土（４５０Ｃで熱分解する）からのチャコール（ＨｕＣｈ）を調製した。未処理腐葉土の２５グラムの微小生態系は、２５グラムの前記吸着剤によって被覆され、有機Ｃの合計濃度（７３０ｍｇｌ−１）の、１７０ｍｇｌ−１グルコースを含有するリター（ｌｉｔｔｅｒ）抽出物で規則的に湿気を与えた。吸着剤は異なる親和性で有機化合物に結合し、吸着能力はＰｕｍ＜ＨｕＣｈ＜ＥｍｐＣｈ＜ＡｃｔＣの順番で増加した。一ヶ月のインキュベーションの後、吸着剤中の微生物バイオマスのサイズはＥｍｐＣｈ＞ＨｕＣｈ＞ＡｃｔＣ＞Ｐｕｍの順序に従った（Ｖ，図１）。基礎呼吸および細菌成長速度として測定された活性は、ＡｃｔＣまたはＰｕｍにおけるよりもＥｍｐＣｈ、ＨｕＣｈにおいてより高かった。彼女の分析において、彼女は、微生物自体はチャコール粒子に付着し、生物学的活性炭床として、吸着された基質を優先的に分解したことを述べている（Ｄｅ  Ｌａａｔら  １９８５，Ｋｉｎら  １９９７）。彼女は、基質−豊富リター抽出物で湿らせた場合の燃焼によって形成されたチャコールは、微生物社会を支えることができると結論づけた。
【００１７】
土壌の肥沃さの重要性、および繁栄する共生微生物群に対する必要性を低く評価することはできない。我々はそれらの機能を理解しないが、何百万種という菌類、細菌および他の微生物は地球上の全ての種の１５％を超える。植物防御を提供する窒素固定の役割から、地下の生命は数千〜数十万の相互作用種を持つ生態系を表す（Ｈａｎｋｓｗｏｒｔｈら，１９９２；（Ｔｒｕｐｅｒ  １９９２））。炭素ベースの肥料の開発は、土壌微生物活性を容易とする態様を有するべきである。チャコールの製造において、揮発性有機種は温度上昇の間に発生する。２８０Ｃ〜４５０Ｃの発熱プロセスは、チャコール製造における当業者によく知られているように酸素飢餓環境で継続することができる。これらのガス（ＲｕｎｋｅｌおよびＷｉｌｋｅ，１９５１）は、炭素化しつつある物質を通じて移動するにつれ、より短いおよびより長い鎖分子の双方を形成する他の分子と共に蒸留される。より長い鎖分子はより高い露点を有する。これらの新しい化合物は、次いで、凝縮して粒子内凝縮物を形成する。発熱相の間の継続した温度上昇は、このプロセスを多数回反復し、しかる後、蒸気相分子はチャー粒子を残す。増加した圧力および引き続く高い露点下で、これらの化合物はさらなるチャーとして残るであろう（米国特許第５，５５１，９５８号）。凝縮物がチャコール熱分解からの微生物活性のための栄養素の源を提供する証拠は、ＵＳ  Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｓｕｒｖｅｙによって示された（Ｍｉｃｈｅｌ，１９９９）。最高露点未満の温度で特定の化合物は必ず凝縮されるであろう。活性炭を製造する当業者によく知られているように、これらの残存する分子を除去するにはより高い温度を必要とし、チャコールをより低い温度に保持した場合、これらの化合物はそのままである。この証拠は、チャー化された木質が、不完全な燃焼および利用可能な栄養素の源によって、微生物群のための宿主用地として良好に働くというＰｉｔｉｋｅｉｎからの結果を裏付ける。現在未知の他の因子も存在するであろう。
【００１８】
４２５Ｃを超える熱分解の分野における当業者には、パイプおよびリアクターはタール沈積がないままであることはよく知られている。この温度近くまで加熱された環境からチャーを除去することによって、我々は、物質を炭素の安定な形態に変換しつつ、ある量の揮発性有機物をチャーに残すことができる。大部分は構造ユニットとしての多核芳香族およびヘテロ芳香族環系に変換されるであろう。これらは、化学および微生物学的抵抗性をチャコールに提供することが示されている（ＨａｕｍａｉｅｒおよびＺｅｃｈ  １９９５；Ｇｌａｓｅｒら，１９９８）が、全ての免疫性を提供しない。
【００１９】
土壌改質剤として用いられるチャコール製造を最適化する、限られた研究が公表されている。Ｂｉｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ｆｅｒｔｉｌｉｔ  ｏｆ  Ｓｏｉｌｓ，  ２００２；３５：２１９−２３０におけるＧｌａｓｅｒ、ＬｅｈｍａｎｎおよびＺｅｃｈの研究は、公表された物質の優れた審査を提示している。この研究は、チャコール製造および土壌改質剤としての効果の調査における証拠及び過去の研究を審査している。Ｔｈｅ  Ｆｏｏｄ  ａｎｄ  Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｅｎｔｅｒ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ａｓｉａｎ  ａｎｄ  Ｐａｃｉｆｉｃ  Ｒｅｇｅｏｎは、チャコールの使用についての農業者のための小冊子において、１０〜４０％増加を経験し、肥沃化単独に比べチャコールと肥料とで１３８％増加した研究結果を示している。その小冊子は、土塁チャー化システムにおけるもみ殻チャーの製法を示す。説明書は、「燻されて黒くなり」、灰にはならないまで物質をチャー化することと限定している。
【００２０】
肥料および土壌改質剤のためのチャコールおよび活性炭の使用はよく知られており、米国特許第２６８４２９５号、米国特許第４５２９４３４号、米国特許第４６７００３９号、米国特許第５１２７１８７号、米国特許第５２２５６１号、米国特許第５９２１０２４号、米国特許第６２７３９２７号、および米国特許第６３０２３９６号によって言及されている。これら各々は、チャコールまたは活性炭が肥料の成分であることを教示しているが、この目的のための製造または最適化についての指示はない。
【００２１】
他の特許はより詳細に示している。米国特許第３２５９５０１号は、肥料のためのアンモニア処理したおよびチャー化もみ殻の使用を教示しており、米国特許第２１７１４０８号は、高イオン交換能による肥料のための硫酸活性化炭素の使用を教示している。チャコールの製造に対して指示はない。米国特許第３１４６０８７号は、木質からの水不溶性窒素を含有する肥料を調製する方法について述べており、高圧および長い持続時間を利用する、しかしながら炭素捕獲の指示または最適化を提供しない。
【００２２】
ＢＲ４０９６５８は、リン酸、硝酸カリウムおよびアンモニアとチャコールとの併用を指示する、しかし、繰り返すが炭素捕獲を指示していない。
【００２３】
ＢＲ４２２０６１は、塩素処理によってチャコールに生じた酸性基が窒素化合物の吸着を許容し、２０％までの利用可能な窒素を許容することを教示する。しかしその発明者らは、炭素化の温度プロファイルの状態によってこれを発展できることを伝えていない。彼は、湿潤炭素化物質に対する塩素ガス処理、およびアンモニアガスまたはアンモニア水による同様な処理、これに続く空気吹込によって良好な炭酸水素アンモニウム肥料を生じることを提示しているが、この生成物を達成するためのＣＯ２または捕獲メカニズムについて言及していない。
【００２４】
これは、５００Ｃで生じた低温チャコールがアンモニアの９５％を吸着したのに対し、より高い表面積を有する７００Ｃおよび１０００Ｃで生じたチャコールが４０％を吸着したに過ぎないことを示す研究に対応する（Ａｓｓａｄａら、２００２）。その研究は、カルボキシルのような酸性官能基が、４００〜５００Ｃでリグニンおよびセルロースから形成されたことを述べている（Ｍａｔｓｕｉら  ２０００；Ｎｉｓｈｉｍｙａら、１９９８）。これらの温度において酸性官能基を形成するチャコールは、源にかかわらず、アンモニアのような塩基性化合物を選択的に吸着し、化学的吸着は表面積よりも重要な役割を演じると結論している。この研究は、栄養素担体として作用するチャコール；炭素化条件の最適化において鍵となる成分を論点としている。
【００２５】
米国特許第５６７６７２７号は、バイオマスからの徐放性窒素有機肥料を製造する方法を教示する。このプロセスにおいて、バイオマスの熱分解から得られた熱分解生成物は、−ＮＨサブ２（−ＮＨ．  ｓｕｂ．２）基を含有する窒素化合物を熱分解性生物と組合わせて混合物を形成するために化学反応に使用する。
【００２６】
このプロセスは参照のために含めるが、ＣＯ２隔離については言及されておらず、また、燃焼ガス清浄化のためのプロセスを利用する能力についても言及していない。
【００２７】
米国特許第５５８７１３６号は、硫黄および窒素燃焼ガス除去のプロセスにおけるアンモニアと炭素質吸着剤との併用について示している。活性コークスについて言及されているが、その製造と二酸化炭素の除去については言及されていない。
【００２８】
米国特許第５６３０３６７号は、タイヤを、肥料として用いられる活性炭へ変換することについての教示している。それは、空気、ＣＯ２および水蒸気を伴い、４００〜９００Ｃ、好ましくは７００〜８００Ｃの温度での燃焼プロセスを用いることを提示している。収率については特段の言及はなく、そのプロセスは灰分の除去を詳細に記載し、従って、チャーの温度は７００よりも高いようであり、タイヤのほとんどは二酸化炭素に変換されているであろう。その高いカチオン交換能に基づいた栄養素用の良好な担体としての物質の意味は、一見すると合理的な仮定であるが、（Ｔｒｙｏｎ１９４８）によって示されているように、カチオン交換はカチオン利用性に変換されるべきである。なぜならば、チャコールにおける測定されたカチオンの合計はＣＥＣの約３倍を超えたからである。Ｇｌａｓｅｒは、チャコールに含まれる灰分中のカチオンは静電力によって結合しないが、溶解性の塩として存在しているため、植物の摂取に容易に利用可能であると説明している。「交換可能」カチオンのこの増加は、チャコールＣＥＣ測定の決定を導くが、１つの要素にすぎない。チャコールに含まれ、今や濃縮されたミネラル灰分パーセンテージは、チャコールがそれ自体肥料として作用することを可能とする。事実、我々のチャコールにおける植物の成長の顕微鏡的研究では、根毛がチャー粒子にまでおよび包み込むことが明らとなった。恐らくは、共生微生物群と調和してこれらの栄養素を抽出するように作用している。どの程度まで、燃焼の間に放出されたタイヤチャー粒子が微量ミネラルを有するかは説明されていないが、収穫を介してそれから除かれる土壌へ微量ミネラルを戻す利点は、チャコールベースの肥料の重要な特性である。前記特許は、その物質が硫黄および窒素燃焼ガス除去において吸着剤として用いることができることを提示しているが、その使用、またはこの目的におけるその物質の特別な利点に関する方法論は何ら提示されていない。
【００２９】
米国特許第５，０６１，４６７号は、二酸化硫黄の洗浄からの乾燥方法を教示する。活性化されたチャコールは言及されているが、アンモニア吸着のための、あるいは肥料副産物としてその価値を開発するためのチャーを最適化することは言及されていない。石膏は単なる副産物として言及されている。
【００３０】
米国特許第６，４０５，６６４号は、有機物質の分解から放出されたアンモニアの使用を提示する。土壌改質剤またはさらなる燃料としての乾燥された有機残留物と混合されるべきフライアッシュについては言及されている、しかし、アンモニアを含む乾燥廃棄物の取込については言及されていない。
【００３１】
米国特許第５，５８７，１３６号は、アンモニアと炭素吸着剤との併用を教示するが、ＣＯ２除去についての使用を特定している。さらに、選択された温度範囲は炭素ベースの肥料のいずれの実質的形成も裏付けず、添加されたアンモニアの濃度はこの用途に必要な転換率を生じない。教示されているのは、チャコールとは異なる物理的特性を有するカーボンブラックを選択することであり、その開発または肥料としての使用については情報が教示されていない。
【００３２】
米国特許第６，４３９，１３８号は、チャコールが水銀および重い有機物の捕獲ことが示されている。ＣＯ２の捕獲のためのチャーの利用は言及されておらず、その発明は、チャーが、好ましくは１２００Ｆ（６４８Ｃ）〜１５００Ｆ（８１５Ｃ）で形成されることを教示する。小さな粒子サイズ１０，０００ミクロン〜１，０００ミクロンを考えると、このサイズにおけるその温度は、アンモニア吸着用の物質を最適には生じさせず、肥料としてのその物質の有効性を増加させず、従って使い捨ての問題を示す。
【００３３】
米国特許第６，２２４，８３９号は、アルカリおよびアルカリ土類金属の存在下における炭素によるＮＯｘの吸着に対する役割を広く言及する。この研究はここに引用して援用する。その発明は、吸着剤としてのチャーの価値を開示するが、吸着は用地が満たされるに従い降下することを提示している。用地が満たされるにつれ置き換えられる炭素を示したり、付加価値化合物を作り出したりする試みは成されなかった。事実、肥料へのプロセスより、むしろ炭素のリサイクルを意図するものであった。
【００３４】
米国特許第６，５９９，１１８号において、熱分解ガスが燃焼ガスに加えられて、ＮＯｘを除去するが、チャーは燃焼されて肥料は生じない。
【００３５】
米国特許第４，９１５，９２１号は、１００〜１８０Ｃで硫黄酸化物および窒素酸化物の除去のためのアンモニア注入を伴う、石炭ベースの活性炭を用いる能力を教示するものであり、二酸化炭素についてではない。炭素は、肥料として用いられることは仮定されておらず、またそれは最適化もされなかった。
【００３６】
米国特許第５，５８４，９０５号は、燃焼ガス排出を肥料に変換するための家庭ごみの使用を教示する。彼の努力は、肥料としての物質の価値を高める方法を教示するので評価すべきである。彼は、アンモニア肥料を形成するための、二酸化炭素と二酸化硫黄と組み合わせる、家庭ごみの肉、蛋白質および脂肪酸の分解に由来するアンモニアを教示する。そのような系を想定することは可能であるが、商業的実用性および環境上の許可を獲得する潜在的な問題については難しいであろう。彼は、チャーの使用、またそのような系における添加されたアンモニアの直接的使用も教示していない。
【００３７】
ほとんど全ての先行技術の発明において、生じる肥料の量は余りにも小さいので、焦点は専ら洗浄性能であった。しかしながら、依然として、二酸化炭素を含めた実質的排出物除去を実行しつつ、隔離する副産物の価値を増加させることを求める概念の構成は明らかにされていない。
【００３８】
（発明の要約）
従って、本発明の目的は、窒素源を含有するか１つ以上の土壌栄養素を含む、効果的な土壌改質剤を提供することにある。加えて、この物質は、カチオン交換を増加させ、コース土壌に対する保水容量を増加させ、栄養素浸出速度を減少させ、土壌炭素含有量を増加させることによってユーザーに長期間利点を供する特性を有し、その乾燥重量の大部分は隔離された炭素を表す。もう１つの目的は、この物質が、ＣＯ２流の捕獲の間に、または天然に生じる元素および化合物、二酸化硫黄、亜酸化窒素、水銀、鉛および／または重金属の１つ以上と共にＣＯ２を捕獲するプロセスの間に作製されることである。さらなる目的は、バイオマスおよび他の炭素質系物質の熱分解、ガス化および／または部分的酸化からのチャコールが、本特許の条件下で生成し、アンモニアを吸着し、栄養素浸出速度を減少させる増強された能力を提供することである。また、本発明の目的は肥料を生じさせるＣＯ２排出コストを低下させることであり、そして電力を生じさせるのに用いられる、または水素に変換され次いでアンモニアに変換され、それにより系によって隔離された全炭素を高めるための熱分解ガスの利用の選択肢を含む。米国特許第６，４４７，４３７Ｂ１号は、発電所および二酸化炭素の他の源のオフガスをアンモニアで洗浄して、炭酸水素アンモニウムまたは尿素を生じさせることによって炭素を隔離する経路を提供する。この発明は、それがこれらの炭素−窒素化合物の製造を採用し、炭素チャー構造内でそれらを生じさせ、隔離された炭素の合計量を３〜８倍引き上げる点で改良である。
【化１】
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【００３９】
（実施例の詳細な説明）
バイオマス物質の熱分解およびオフガスおよび／または熱分解液体の蒸気改質は、かなりの量の水素および固体チャー生成物を生じさせる。水素は、分離の後、同一温度範囲で２つの反応を行う産業標準のハーバー−ボッシュ法を用いてアンモニアに変換される。アンモニアは、二酸化炭素（ＣＯ２）と組み合わされると炭酸水素アンモニウム（ＮＨ４ＨＣＯ３）を形成し、二酸化硫黄または亜酸化窒素と白金およびニッケル触媒はＨＮＯ３およびＨ２ＳＯ４を形成する。これらはＮＨ３と組み合わされて、ＮＨ４ＨＣＯ３および（ＮＨ２）２ＣＯ生成プロセスの中間体として形成されて、さらなる肥料種（ＮＨ４）ＮＯ３および（ＮＨ４）２ＳＯ４を形成する。本明細書中に記載された発明は、水素の同時生成、そのアンモニアへの変換、多孔性チャー、アンモニアの組み合わせ、および燃焼の燃焼ガスまたは二酸化炭素の他の高パーセンテージ源、および炭素質系物質のポア構造中に窒素富化合物の沈積させるための多孔性チャーに関するものである。本発明は、多孔質吸着剤チャーと豊富化された窒素化合物を組み合わせた使用を提供し、それは大気中からの多量の炭素を隔離する新規な方法伴う徐放性肥料／土壌改質剤となる。チャーは、かなりの量の化合物を貯蔵するための完全な媒体を形成する。炭素中および炭素上に作り出された窒素化合物の組合せは、伝統的な硝酸アンモニウム、尿素または液体アンモニアよりも多くの利点を持つ徐放性窒素肥料を生じさせることができる。これらの１つは、それが反応性が低く、爆発物を作るための化合物としてそれが用いられる危険性を低下させる。
【００４０】
ＮＨ４ＨＣＯ３の炭酸水素塩ＨＣＯ３およびチャー物質の元素炭素（Ｃ）は、共に土壌細菌が消化できないので、長年の間隔離された炭素として土壌および下層土地層に貯蔵することができる。従って、組合されたＮＨ４ＨＣＯ３−チャー生成物は植物成長用の栄養素（ＮＨ４＋のような）を提供することができるのみならず、無機炭素（ＨＣＯ３のような）および有機元素炭素（Ｃ）を共に貯蔵する土壌および下層土地層の容量を十分に利用する能力も有する。また、尿素（ＮＨ２）２ＣＯとチャー物質と組合わせて、同様な生成物を形成することもできる。しかしながら、尿素製造プロセスは一般により多くのエネルギーを費やし、ＣＯ２−固化ＮＨ４ＨＣＯ３製造プロセスよりもＣＯ２を固化する容量は小さい（米国特許第６，４４７，４３７Ｂ１号）。また、チャー物質はＮＨ４ＮＯ３および（ＮＨ４）ＳＯ４のような他の窒素肥料種と混合することもできるが、それらの混合物は土壌に対して炭酸水素塩（ＨＣＯ３）を供給する利点を有さない。従って、組合されたＮＨ４ＨＣＯ３−チャー生成物は、土壌および下層土地層において最大炭素−隔離能力を実現するのに好ましい。
【００４１】
さらに、組合されたＮＨ４ＨＣＯ３−チャー生成物は相乗効果を有する。第一に、チャー粒子はＣＯ２−固化ＮＨ４ＨＣＯ３製造プロセスにおいて固体ＮＨ４ＨＣＯ３粒子の形成を加速するための触媒（より効果的な核形成サイトを供する）として用いることができ、従って、ＣＯ２−固化技術の効率を高める。第二に、チャー物質は、灰分生成物における特定のミネラル酸化物が存在するため、ｐＨが一般にアルカリ性である。典型的なチャー物質のｐＨ値は約９．８である。このアルカリ性物質は合衆国西部のようなアルカリ性土壌で用いるのに好都合ではなく、他方、それは合衆国東部のような酸性土壌で用いるのに非常に適している。しかしながら、ＮＨ４ＨＣＯ３の使用はチャー物質のアルカリを中和することができる。チャー物質を同重量のＮＨ４ＨＣＯ３と混合する場合、生成物のｐＨはかなり良好となる（中性ｐＨ７に近く）。表１に示すように、ＮＨ４ＨＣＯ３−チャー混合物のｐＨ値は７．８９であり、これは、チャー物質のｐＨ（ｐＨ９．８５）よりもかなり低い（良好である）。従って、ＮＨ４ＨＣＯ３−チャー組合せたこのタイプの肥料は、ｐＨ中性および酸性土壌に加えて、アルカリ性土壌でも用いることができる。このＮＨ４ＨＣＯ３−チャータイプの肥料は、チャー粒子−増強ＮＨ３−ＣＯ２−固化ＮＨ４ＨＣＯ３製造プロセス、またはＮＨ４ＨＣＯ３をチャー物質と物理的に混合することによって製造することができる。図１は、チャー粒子−増強ＮＨ３−ＣＯ２−固化ＮＨ４ＨＣＯ３製造プロセスで「“処理されたチャー”と記す」によって、およびＮＨ４ＨＣＯ３とチャーの物理的混合「“ＮＨ４ＨＣＯ３−チャー混合物（５０％／５０％Ｗ）”と記す」によって作り出されたＮＨ４ＨＣＯ３−チャー肥料試料の写真を表す。チャー粒子−増強ＮＨ３−ＣＯ２−固化ＮＨ４ＨＣＯ３製造プロセスによってチャー粒子に沈積したＮＨ４ＨＣＯ３の量に依存して、処理されたチャーはこの特定の試料中で８．７６のｐＨ値を有する。生成物のｐＨは、そのプロセスによってより多くのＮＨ４ＨＣＯ３をチャー粒子に沈積させることによってさらに改良することができる。
【００４２】
ＮＨ４ＨＣＯ３−チャー生成物を土壌に適用すると、さらに相乗効果を生じることができる。例えば、土壌がかなり多量のアルカリ土類ミネラルを含有し、土壌のｐＨ値が一般に８を超える中国の西部および合衆国では、ＮＨ４ＨＣＯ３を単独で用いると、そのＨＣＯ３は［Ｃａ（ＯＨ）］＋および／またはＣａ＋＋のようなある種のアルカリ土類ミネラルを中和して、炭素の永久的隔離を行うことができるＣａＣＯ３のような安定な炭酸化ミネラル生成物を形成することができる。ＮＨ４ＨＣＯ３が反復して何十年もの間肥料として用いられる場合、より多くの炭酸化土類ミネラル生成物が形成されるにつれ、土壌のいくらかは徐々に硬くなる。このタイプの「土壌硬化」は、ＮＨ４ＨＣＯ３が３０年以上の間肥料として用いられてきた中国の西部の土壌のいくつかで認められている。また、このタイプの土壌「硬化」の問題は、腐葉土を含めた有機肥料の適用によって克服されることも知られている。チャーは、その柔軟で多孔質の吸収剤特性のため「土壌硬化」問題を克服できるもう１つの理想的な有機物質である。従って、ＮＨ４ＨＣＯ３およびチャー物質の併用は、ＣａＣＯ３および／またはＭｇＣＯ３のような炭酸化ミネラル生成物の形成を継続し、植物成長のための良好な土壌特性を依然として維持しつつ、最大量の炭素を土壌および下層土領域に隔離することを可能とする。
【００４３】
本発明のもう１つの実施形態では、他の栄養素を炭素に加えることができる。その物質自体が植物成長に必要な微量ミネラルを含有する。リン、カルシウムおよびマグネシウムの添加は性能を増加させ、産業標準コーティングは徐放性ミクロ栄養素送達系を作り出すことができる。
【００４４】
本発明のもう１つの実施形態は、炭素を処理して非常に大きなポア構造を作り出すことを含むことができる。その物質は、殺虫剤および除草剤の分水界流出を捕獲するための薬剤として用いることができる。種々の物質の沈積（例えば：ガス状酸化鉄（ｇａｓｅｏｕｓ  ｉｒｏｎ  ｏｘｉｄｅ））を加えることによって、その物質を用いて、そのような化合物を動物飼育用地からのリンとして捕獲することができる。
【００４５】
本発明のもう１つの実施形態は、当業者によく知られた標準産業プロセスを用い、製造した水素と製造プロセスに存在する空気および他の遊離窒素と組み合わせて、窒素源物質として用いられるアンモニアを作り出すことである。
【００４６】
市場の要求に基づき、これらの生成物はカリウム、マグネシウム、硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウムのような他の肥料、およびより栄養素として完成した複合肥料を作るための鉄およびモリブデンのようなミクロミネラル栄養素とさらに組合わせることができる。
【００４７】
（実施例１）
低酸素環境において、異なる温度（９００℃、６００℃、５００℃、４５０℃および４００℃）で、落花生殻から５つの異なるチャーを製造した。各々の場合において、試料を１分間で目標温度とした。試料を常温とし、次いで冷却した。次に、物質を粉砕し、３０ＵＳメッシュ未満と４５ＵＳメッシュを超える粒子サイズに分級し、２０．０グラムの試料を調製した。４８％ＮＨ４ＮＯ３（硝酸アンモニウム）の水溶液を混合した。各試料を５分間浸漬し、次いで、コーンフィルターを通じて注ぎ、２４時間風乾した。次いで、コーンフィルターを通じて１００ｍｌの洗浄用水道水（ｐＨ８）を注入した。各洗液のｐＨを測定したところ、各物質の溶出率に見合ったｐＨの低下が認められた。
【００４８】
４００℃において調製した１つを除いて試料間にほとんど差はなかった。３回または４回の洗浄後、より高い温度で炭化した物質は洗浄剤（現地の水道水）のｐＨ８で安定化するであろう。４００℃のチャーはほとんど変化を示さず、９回目の洗浄後に少し低下し始めたが、１２回の洗浄後でさえ安定化しなかった。
【表２】
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【００４９】
竹チャコールにおけるＡｓａｄａの研究は、アンモニア吸着に対する同様な効果を示した。
【００５０】
（実施例２）
このプロセスは多くの形態に適用することができるが、本実施例は比較的単純な製造技術を用いる。この場合、任意のガス流、および注入ＣＯ２、および水和アンモニアに容易に適合させることができる機械的流動床を用いた。３０〜４５メッシュ（０．４ｍｍ〜０．６ｍｍ）の２５０ｇ充填量の４００℃チャーを、１５分〜３０分変化させて規則的間隔で供給した。より高いロータースピードは流動化を増加させ、粒子がＮＨ４ＨＣＯ３の沈積によって重くなり、流動化ガス流によって支えられなくなるまで懸濁させた。より長い持続は有意により大きな粒子を生じた。１０〜１５分では、粒子は１．０ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲となり、２０および３０分の間では、粒子は３．０〜６．００ｍｍの範囲となった。次いで、走査型電子顕微鏡下で粒子の内部を調べた。内部ポア構造は、１０〜１５分においてＮＨ４ＨＣＯ３の構造のかなりの形成を示した。２０〜３０分の間に生じた物質は、完全に充填された内部ポアおよび空洞を有した。
【化２】
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【００５１】
世界的可能性
このチャートは、各タイプの燃料の１００万ＢＴＵ当たりのＣＯ２のｋｇ数を示す。化石燃料はかなりの炭素コストを有する。炭素利用と共に燃料として用いられる水素は、用いたエネルギーのＧＪ当たりＣＯ２を１１２ｋｇ除去することができる。現在のエネルギー使用は６．１Ｇｔ／年だけＣＯ２を増大させつつある（ＩＰＣＣ）。炭素利用およびＣＯ２捕獲に伴う再生可能な水素は、ネガティブな炭素成分と共にエネルギーを供給することができる。どのくらい多くのネガティブなエネルギーが、１ＧＪ当たり捕獲され利用されるＣＯ２の１１２ｋｇを使用するのに必要であるかを計算し、毎年の過剰分である世界の６．１ギガトンＣＯ２に匹敵させるため、我々は６．１Ｇｔ／１１２ｋｇで割って、５４Ｅｊを得た。これは、世界の現在の毎年の培養エネルギー消費として報告されているものとほぼ等しい（５５ＥＪ−Ｈａｌｌ）。
【化３】
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【００５２】
ＣＯ２の増加の大部分は、その急速に発展する企業家集団が工業化するにつれて経済的な発展途上国から生じるであろう。維持可能な技術は、その集団の大きな割合で成長する要求に適合するようなスケールが必要である。採算のとれる基盤を提供する経済的サイズの開発は、ある最小の制限を必要とし、それは、経済的製造のより低い限界は、典型的なバイオマス変換系よりも大きいかもしれない。１〜２ＭＷの施設はより低い限界であるが、注意すべき重要な２つの因子がある。第一は、水素分離およびアンモニア製造の双方の避けられない低い相対的効率が、新しい技術の使用によって、より小さな設置面積のシステムが開発可能となることである。分離技術およびアンモニア触媒における将来の研究努力は、非常に小さな農業社会のためのシステム導く開発を提供できるであろう。
【００５３】
第二の点は、水素の総計は１つの施設で利用できる最大のほぼ３倍であり、従って、各３番目の施設は、２つの単独エネルギーシステムによって生じるチャコールを許容するように設計することができよう。この特殊な施設は、その水素と２つの他の場所からの炭素の全てを処理し、現存の工業的アンモニア製造技術を用いて、炭素−肥料を作り出すことができる。全ての水素が肥料に変換される場合、外部ＣＯ２（処理される各１００ｋｇバイオマスにつき必要な３４ｋｇ）を獲得する機会があり、ＳＯｘ、ＮＯｘ除去から利益を獲得する機会は別の所得の流れを提供し、経済的に役に立つ。それは、振興地域の戦略に適合し、ＧＨＧ放出製造を魅力的なものとする。
【００５４】
システム全体の見地から、エネルギーは、ＩＩＡＳＡ  ｆｏｃｕｓ  ｏｎ  ｂｉｏｅｎｅｒｇｙ  ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ＣＯ２  Ｃａｐｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ（ＢＥＣＳ）（ＣＯ２捕獲および隔離に伴うバイオエネルギー利用についてのＩＩＡＳＡ焦点）に詳細に記載されているような、炭素ネガティブエネルギーへの実行可能な経路を作り出すであろう。（用いるエネルギーの各ＧＪに対する１１２ｋｇのＣＯ２除去を供する）先行技術のグラフ（図１６）に示された効果は、主な製造業者がその炭素コストを相殺することを可能とする。図１７中のグラフは、自動製造で用いる種々の物質およびキログラム当たりの炭素排出の寿命サイクル分析を示す。ストライプの第二の棒は、その炭素コストを相殺するのに必要なこのプロセスを用いるバイオマスの重量を表す。市松模様の下へ伸びる第三の棒は、もしそのプロセスを用いて製造に必要な全てのエネルギーを生じさせるならば作り出されるであろう隔離された炭素の量を示し、最後の棒は、自動車用の物質を製造するのに必要なエネルギーを満たすのに必要なバイオマスの量を表す。いくつかの物質において、エネルギー製造に必要な量は炭素相殺に必要な量よりも小さい。これは、エネルギーが物質製造に関連するＧＨＧ製造の丁度１つの態様であり、ＣＯ２排出を相殺する方法が必須であることを示す。
【化４】
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【００５５】
バイオマスで地域を経済的に開発するための機会は、資源を利用して、炭素−ネガティブ状態に製造業者が到達することを助けることである。もし物質が正味の炭素ネガティブ運営の工場から出発するならば、消費者の行為は気候緩和の因子となり、化石燃料経路を避ける経済を支えることになる。
【００５６】
どれくらい多くこの方法を適用できるか、および世界のどの領域が共同努力を利用して、浸食された土地を改善し現在の農地生産物を増加させるかは、将来の研究分野である。増大した土壌炭素含有量のポジティブな効果は、結局は、増大した食品および植物の収量を導き、さらにＣＯ２形成を低下させることを助ける。最大の利用率についてはほとんど情報がないが、１０，０００ｋｇ／ｈａのチャーが非常にポジティブな結果を伴って用いられており、研究者は、最低２０００ｋｇ／ｈａが植物成長に役に立つことが判明すると提唱している（Ｇｌａｓｅｒら，２００２；ＩＣＦＡＣ，２００２）。
【００５７】
合理的で迅速なテストのために、前述のように、生産され利用された水素１ＧＪは、１１２ｋｇの利用し貯蔵された二酸化炭素を表すと考えた。従って、６．１ＧＴの大気中の上昇を採用し、割り算して、１１２ｋｇ／Ｇｊ＝５４．５ＥＪとなる。この数は、驚くべきことに、今日の世界でエネルギーとして用いられるバイオマスの現行量の５５ＥＪという見積もりに沿ったものである（Ｈａｌｌら、１９８３）。潜在能力はバイオマスの将来の利用の何倍にも達するが、これは、我々が積極的にアプローチできるチャンスがあることを示す。
【００５８】
（技術／経済の概観および世界的効果）
化石燃料洗浄からＮＨ４ＨＣＯ３製造のためのＯＲＮＬプロセスの経済的研究は、２００１年にテネシー大学によって行われた（「ＵＴ研究」）。また、ＵＳ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙからの再生可能水素製造の継続した経済学的評価もある。それらの研究は、予備的な経済的見積もりのための外部骨格を提供することができる。このＵＴでは、化石燃料燃焼の排気流中における炭酸水素アンモニウムの生成の経済上の調査を行った。それは、アンモニアを製造するための天然ガスの使用、および引き続く炭酸水素アンモニウムへの変換を想定した。これはチャコール含有の使用に先立っていたので、それはチャコールに起因するいずれの経済学的利益も含まなかった。いくつかの利益は化石燃料の使用者に役立つ。これらは、ＣＯ２、ＳＯｘおよびＮＯｘの除去における単一のシステムで、最終生成物の乾燥が必要でなく、肥料販売からの相殺収入を含んでいる。好ましくは、化石燃料の使用者は肥料製造業者と協力して、その現行市場浸透度を用いる。商品販売に関連してきた肥料製造会社は、その製品提供を新たに考案し直して、サービスに基づく地力の送達および土壌炭素含有量の管理を含めることができる。
【００５９】
遠隔および人工衛星による監視技術における進歩、ならびに特定地域管理技術の徹底したローカル配信を利用し、これらのサービスは、世界的な汎用化学品製造ができない競合に耐えることができる地域的な利点を提供するであろう。
【００６０】
肥料は土壌炭素含有量を回復でき、微量ミネラルを荒れた土地に戻し、カチオン交換、保水容量、微生物活性を増加させ、栄養素浸出を減少させ、これらは全て作物の収率の増加を導くので、より多くの利益が農業者に生じる。これらの増加および得られる収入の仮定は、利用するＥＣＯＳＳの量、代表的な土壌に対する特定の作物の収率、灌漑のタイプ、および農業収入を決定するのに必須の他の因子の、より詳細な収率とコスト分析を行うまではなすことができない。エネルギー作物（辺境で育つことができる）、森林の間伐、および他のバイオマスの源を長期間供給する契約を結ぶ農業経営者によって閉じたサイクルが開始され、それはこの土壌−食料−エネルギー−炭素管理価値連鎖によって必要とされるであろう。これらの契約は、効果的な土地、森林および作物管理戦略を裏付ける収入源を確立するのを助けるであろう。
【００６１】
世界的観点から見ると、この技術は、我々が自然界の有機種の間で見出す相互依存をシミュレートする。各役割は必須であり、報酬は市場メカニズムを介して発展する。経済的利益におけるこの多様性は、農業、林業および小さな地方のビジネスの成長機会を回復するのを助けるように提供する。富の移動に代えて、これは、過去２世紀の間、文字通り煙と消えた収益の根本的発展である。それを支える企業家の活動、農作業並びにビジネスにおける機会と広域的成長の発展は、多国籍企業、中小規模のビジネスにおいてより安定で予測可能な収益を導き、地方の税金ベースの増加をもたらす。これは完全な解決策ではないが、世界を維持可能な成長戦略にまでかきたてる。
【００６２】
ＵＴ研究の経済的予測は、最終製品の市場価値に基づくものであり、１９９９年の窒素肥料の価格に基づき、窒素元素あたり２．６３ドル／ｌｂであった。今日の価格は、天然ガス価格高騰のためかなり高い。しかしながら、２０％ＣＯ２除去の目標のもとでは、その研究は、７００ＭＷの施設が、肥料の経済的製造のためには最適なサイズであり、０．３３ドルの税引きＲＯＩを生じると結論した。このレベルのＣＯ２捕獲に適合することが要求される投資は２２９万ドルと計算された。ＥＣＯＳＳで捕獲される同量の炭素は、目標の８８％はチャーに含有された炭素によって満たされ、１／５以下の製造ユニットを必要とするに過ぎないであろう。加えて、そのシステムは、生じた水素の１００％をアンモニアに変換するのに必要なものよりもかなり単純であり得る。この方法では、土木建設コストをかなり削減できる。経済および規模の点から、アンモニア製造装置は典型的にはより大きなものが好都合であるが、京都削減目標は、効率において炭素利用におけるものより小さな施設で満たすことができる。
【００６３】
そのＵＴ研究は、窒素の世界的消費および要求は、どれくらい多くの炭素を捕獲できるかにおいて制限的な因子となる。１９９９年における窒素に対する全市場は８０９５万トンであり、次いで、これはＣＯ２の２０％低下を標的とする発電所において変換され、２３７ＭＷの３３７の化石燃料プラントが、各々、世界の肥料要求を満足するであろうという判断に至る。それらの計算は、これは石炭燃焼からの世界的Ｃ放出を３．１５％だけ低下させることを示した。この研究は、アンモニアを製造するための天然ガスの使用も仮定した。天然ガスからのアンモニアについての全化学量論的計算、および８ｌｂ−モルのＮＨ３のＮＨ４ＨＣＯ３の変換、これは、５ｌｂモルのＣＯ２を捕獲する。アンモニアを製造するための再生可能な水素で、化石燃料ベースのＣＯ３は大気中に放出されず、以下が見出される：８ＮＨ３＋８ＣＯ２＋８Ｈ２Ｏ＞８ＮＨ４ＨＣＯ３。
【００６４】
従って、再生可能な水素は、生産したＮＨ４ＨＣＯ３ｌｂ−モル当たり、１．６倍のＣＯ２捕獲の増加を可能にする。前記研究を利用し、再生可能な水素への切換は炭素捕獲を増加させるであろう：３．１５×１．６＝５．０４％。バイオマスエネルギーの炭素閉じ込めはゼロではないが、９５％で計算されてきた（Ｓｐａｔｈ＆Ｍａｎｎ−１９９７）。より正確な数字は、再生可能なＨ２がアンモニアを製造する源となり、そして全世界のＮ要求が、発電所排気から洗浄されたＮＨ４ＨＣＯ３で満たされるとすると、世界規模の石炭燃焼からＣを５．０４×９５％＝４．７９％削減することとなろう。
【００６５】
前述したように、組合されたＥＣＯＳＳ物質に捕獲された全Ｃは、肥料から１２％、チャーから８８％であった。４．７９％の理論的数字を採用し、それがＥＣＯＳＳの１２％の部分に等しいとすると、１９９９年のＮレベルにおける全炭素捕獲は１００／１２＝８．３倍に増加するか、利用されるか、あるいは石炭燃焼からの全Ｃを３９．９％削減させるであろう。この利用された合計は理論的可能性としてみるべきである。Ｍａｎｎ（２００２）、Ｈｏｓｈｉ（２００２）、Ｇｌａｓｅｒ（２００２）、Ｎｉｓｈｉｏ（１９９９）およびＯｇａｗａ（１９８３）によって見出されたチャコールの添加に伴う増大したバイオマス成長因子は、非−最適化チャーの場合に比べ１７％〜２８０％のバイオマス成長の増加を示す。最適化されたチャーと徐放性窒素／栄養素の直接的利用は、世界的なバイオマス成長標的の増加を可能とするであろう。この増大したバイオマス成長の一部は土壌有機物に変換され、（特に、もし不耕起栽培管理業務を採用すれば）さらに、Ｃ捕獲を増加させるであろう。従って、括弧で括られたもう一つのプロセスの評価は、利用された合計に加えて、バイオマス成長による非−化石燃料ＣＯ２捕獲の増加である。
【００６６】
土壌中でのアンモニアの放出を遅くする能力は、植物がその窒素摂取を増大させることを可能とする。これはＮＯ２の大気中への放出の低下を導くであろう。この有力な温室効果ガスはＣＯ２の効果の３１０倍に等しい。肥料産業は、メタンからアンモニアを製造する間にＣＯ２を放出する。４Ｎ２＋３ＣＨ４＋６Ｈ２Ｏ−＞３ＣＯ２＋８ＮＨ３。この方程式は、生じた窒素各トンにつき、０．３２トンのＣが放出され、８０９５万トンの利用される窒素は２６００万トンのＣを表すことを示す。これは、石炭の燃焼によって放出される量（２４億２７００万トン−ＥＩＡ，  ２００１）の相対語に対して小さな数である。
【００６７】
バイオマスからの窒素の経済学はＳｐａｔｈらによる２００１年の報告（２００１）で述べられている。彼らの結論は、バイオマスの熱分解変換が、部分的には、副産物の製造の機会および低下した資本コストのため最良な経済学を提供したことであった。しかしながら、この評価は、改質のためのバイオ−オイルの使用、および副産物についての価格決定で認められた不確実性に基づいていた。２０％ＩＲＲにおける彼らの分析は、９．７９ドル〜１１．４１ドル／ＧＪの水素のプラント引き渡し価格（ｇａｔｅ  ｐｒｉｃｉｎｇ）を提供した。ＵＴ研究においては、水素製造設備は合計資本設備コストの２３％に相当し、メタンについては４ドル／ＧＪ経費を利用した。このコストは、合計出費のほぼ５０％、および課税前利益のほぼ４５％に相当した。もし我々が他の運転コストが同一であると仮定すれば、増加した天然ガスのコストによると、再生可能な水素の内部プラントコストはメタンからのコストのもはや２．４〜２．８倍ではなく、１．６〜１．９倍に近づきつつある。正味の利益は窒素の市場価格に基づくので、天然ガス価格の増加はそのモデルにおける全収入を都合良く変化させるであろう。単純化するために、７ドル／ＧＪを用いれば、合計収入は１．７５倍増加し、再生可能水素に関連する出費は大まかに課税前利益のほぼ５０％に等しい。再生可能水素のプラント内使用（すなわち、貯蔵または輸送出費無し）は、我々の現在の天然ガス価格においてかなり競争力をもつ。
【００６８】
もう１つの利点は、伝統的なアンモニア処理方法の評価、およびどのようにしてそれらをＥＣＯＳＳプロセスと比較するかに由来する。ＵＴ研究は、ＮＨ３変換に固有の不都合な平衡条件のため、水素の２０〜３０％のみが単一パスで変換されることを記載する。生産化学計算（Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ）についてのこの論文中のセクションから、我々は、ＥＣＯＳＳプロセスが水素の３１．６％を利用するに過ぎないと判断し、これは我々が生じたチャーの合計量および標的１０％窒素負荷によって制限されたためであった。これは、単一パスＮＨ３コンバーターを用いることができ、未変換水素を分離、リサイクルする費用が削除可能であることを意味する。次いで、６８．４％の水素が、電力会社／肥料業者の協力関係によって販売または使用できる。これは、ＥＣＯＳＳプロセスが、アンモニア製造の不効率に対して有利であり、水素の高い変換率を達成することを試みることに固有のコストを低下させることを示す。
【００６９】
エネルギーについての増大したバイオマスの利用および食料生産についての増大する要求に伴い、肥沃化に対する要求は増大するであろう。微量栄養素の回復および返還は、総じての土壌改質剤適用を実質的に増加し、窒素に対する潜在的要求はＵＴ研究で考えられたような限定要素ではないであろう。世界的システムの観点から、表土の回復、砂漠の再生、およびバイオマス成長関連増加の組合せは、Ｃ捕獲によってではなく、むしろ増大した土壌／作物生産性の価値の創生によって、経済を押し進めることを可能にする。
【００７０】
炭素利用を伴うバイオマスエネルギー製造の概念は、捕獲されたＣを利用して有益な土壌炭素含有量を回復しつつ、産業排出物から除去される数百万トンのＣＯ２に対して門戸を開くであろう。このプロセスは、同時に、農業機械を運転し、地方のユーザー、農業灌漑ポンプ、および地方の工業団地に電力を供給することができるゼロ排出燃料を生じさせる。世界的研究団体による将来の発展は、バイオマスからの副産物を含有する、ある範囲の付加価値を加えられた炭素を生じるであろう。この発展およびこのような発明の将来の使用に伴い、二酸化炭素の製造業者および農業団体は、共に、産業化された経済的に発展する社会において農業地域のために維持可能な経済発展プログラムを形成しつつ、温室効果ガス排出の世界的上昇に対する解決のかなりの部分となる能力を有する。
【００７１】
図１に示されるように、熱分解器のタイプによって決定されるサイズに乾燥チップ化、ペレット化または切断されたバイオマス、および利用されたバイオマス１００または炭素質系物質（再生可能が炭素の信用を創生するのに最良である）の流が、熱分解、部分的ガス化または熱分解リアクター１０２に加えられる。これらのリアクターは、速い熱分解を行うことが可能である（従って、より小さな粒子を要求し、あるいはより大きな粒子サイズを許容するが、同一スループットを行うためにより大きな寸法を有する遅い熱分解を必要とする）。これらはダウンドラフト、アップドラフト、クロスドラフト、流動床またはロータリーキルンであり得る。これらのシステムは多くの商業デザインで提供され、当業者によく知られている。良好な温度制御を維持し、チャー除去温度を制御する能力が重要である。不活性な熱源１０３は、リアクターを動かすための熱源を提供し、物質の発熱範囲内に操作温度を十分維持することに役立つ。各バイオマスには差があるので、決まったルールはないが、きちんと設計された熱分解ユニットは起動後にはほとんど外部熱が無く、かつ酸素の存在を制限して作動することができる。チャー除去は、チャーを所望の物質のための最適温度範囲で排出する自動ゲートまたはスターバルブによって、最良に行われるであろう。より高温のチャーは、より低温のチャーよりも速く栄養素を放出する、このことは肥料の使用および適用に従う。しかしながら、最大アンモニア摂取を保証する範囲は５００Ｃ未満および３５０Ｃ超であろう。任意の新しいバイオマスを取り扱う場合、吸着速度をテストして性能基準を確立するべきである。これは、小さな炉を用い、ある熱分解温度範囲にわたる、新しい物質の熱分解によって行うことができる。当業者であれば、チャーの標準濃度のアンモニアのサンプリングバッグ（テドラーバッグ）、チャー、および分析用のアンモニア検出器を用いて、アンモニアのチャーへの吸着を測定することができる。原料は変化するので、これらのテストは肥料性能はもとより洗浄におけるベースライン性能を保証することができる。不活性な熱源が多くのガス、燃焼ガス、窒素、二酸化炭素のうちの１つであり得るが、ガスは水素製造システムに適合するように選択されるべきである。水素水蒸気改質の場合には、リフォーマー１０６から回収された熱を用いることができ、次いで、リフォーマーは水素製造のために熱分解ガス１０５と蒸気を転用するであろう。チャーが最適温度に到達するにつれ、それは非酸化的チャンバーまたは移動ユニット１０８に排出される。チャーはゆっくりと冷却することができるか、排出されるにつれ水を軽く噴霧することができる。次いで、チャーを０．５〜３ｍｍに粉砕する（１１１）。これはチャー物質によって変化する。草および軽量バイオマスから作製されたチャーは容易に破砕され、大部分は小さくなる。これらは後により大きな粒子に凝集し、従って、それらは依然として適当なバグハウスを用いることができる。より大きな粒子は小さな粒子と同程度に効率的に働く証拠がある。この理由は知られていない。
【００７２】
ＣＯシフトに続く蒸気改質として示される水素製造システム１０６では、このシステムは、継続するアンモニアへの加工に適した水素を製造するいずれのユニットであっても良い。最大限大気中の炭素を削減するための好ましいシステムは、バイオマスまたは再生可能に誘導された燃料、カーボンニュートラルまたはカーボンネガティブな源からのエネルギーによって駆動する。主として水素およびＣＯ２を含有するガス１０９は、圧力スイング吸着１１０および他の産業的に許容される方法を用いて分離される。二酸化炭素１１４はこの時点では温室効果は中性であり、放出されるか、化石燃料ベースの二酸化炭素１２３が利用できなければ燃焼ガス１１５と置き換えて使用することができる。このようにして操作した場合、誘導されたエネルギーはより高効率的な炭素ネガティブな会計となる。アンモニア製造１１７は、ハーバー法、またはアンモニア製造についての他の経済的、産業的に許容される方法の使用が示されている。ヘクタール当たり０．７５〜１．５トンの炭素を隔離し、十分なチャコールを提供して、実質的なプラント応答を供するのに必要な条件では、１０％の窒素含有量が望ましい。その結果として、差し引き６０〜６７％の水素生産を示し、これは販売することができる。これは、３ヶ所の捕獲および肥料製造センターを供給する形態を与える。水素およびまたはエネルギーおよびチャコールを製造する他のものは、次いで、その水素の全てが利用される１つの位置に送られる。
【００７３】
生じたアンモニア１１８は、水１１９にバブリングすることによって水に飽和する。この反応は熱を生じ、水のレベルは自動的にモニターされ維持される必要がある。次いで、ガス相水和アンモニア１２０はチャコールとともにチャンバー１２１に入れられる。この飽和は粒子サイズに応じて３〜１０秒以内に十分に完了する。チャーに加えられる濃度は、ＮＨ４ＨＣＯ３として捕獲されることが求められる燃焼ガス中のＣＯ２のモル当たり、１．１〜１．５モルのＮＨ３と等しい。チャー１１２は、所望の窒素比を達成するように加えられる。
【００７４】
チャコール重量＝（１−（標的窒素％＊７９／１４））＊捕獲ＣＯ２モル＊７９
ＳＯｘおよびＮＯｘの量は、これらの温度において求められるＣＯ２のモル数よりもかなり低く、硫酸アンモニウムおよび硝酸アンモニウムの製造は強制的排出レベルまで低下し、その価値を増大させるＥＣＯＳＳマトリックスの一部となるであろう。
【００７５】
飽和チャー１２２は、変換サイクロン１２４と呼ばれるシステムに供給され、燃料ガス（フライアッシュを伴ったあるいは伴わない）１２３（常温、常圧で）と粒子が完全かつ均一に混合でき、吸着されたＮＨ３からＮＨ４ＨＣＯ３への変換が一旦完了すれば、粒子は、それらの全てのＮＨ３を変換するのが完了していない粒子から分離される。洗浄された廃ガス１２５およびフライアッシュのほとんどは最終粒子洗浄のために送られる。チャコール肥料顆粒は、窒素パーセントによって設定された所望の密度に到達すると排出される１２６。任意に、チャコール肥料１２６は、他の栄養素１３１、微量ミネラルと混合することができ、任意に、当業者に知られているように顆粒を、前記栄養素、またはプラスター、またはポリマー、または硫黄で被覆して１３２、より長くかつより正確な排出速度の粒子１３３を得るか、または価格は低いが効果的な土壌改質剤１３４を得る。
【００７６】
図２は、記載した特徴を示すための単純な変換サイクロンシステムの設計を示す。最適化されたチャコール１３６を、チャンバー１３７を閉じる２つのバルブ１３８の間のパイプに重力供給し、このバルブは水和アンモニア１３５のガス流が入って物質を飽和することを可能とする。次いで、チャンバーをシールする２つの底部バルブを開いて、飽和したチャーを１．５メートルの高さで５０ｃｍの直径の機械的パワーサイクロンに入れる。ステンレスシリンダーは、ガスおよび粒子を浮遊したまま保持するプラスティックファン／ローターを駆動する可変スピードモーター１４５を有する。下向の２／３は、サイクロンを通じてガス流を制御するための回転ゲート１４１を備えた排出サイクロン１４２である。計量されたＣＯ２豊富ガス流１４０はサイクロンに入り、ガラスサンプリング容器１４６が位置する底を通って実際に排出される。第二のガラスサンプリング容器１４３は排出サイクロン下に位置する。ガスサンプリングおよび排出ポート１３９はシステムの頂部に位置した。プレキシガラス観察ポート１４７は、懸濁した粒子が排出サイクロンに向かって下方へ移動するにつれ見えるようにするものであった。
【００７７】
図３は、本発明に記載した共働プロセスの柔軟な組合せ：バイオマスまたは炭素質系物質の熱分解およびアンモニア洗浄による、石炭火力発電所のような工業燃焼施設においてＣＯ２排出を除去する概念設計を示す。このＣＯ２−除去技術は、ＮＨ４ＨＣＯ３−チャーのような価値ある土壌改質剤肥料生成物を生じ、それらは販売可能であり、優れた農業実務を通じて土壌および下層土領域に入ることができる。従って、本発明は、化石エネルギー産業のための潜在的に有用な炭素−管理技術として役立つことができ、世界的炭素隔離に大いに寄与することができよう。
【００７８】
図４は、バイオマス熱分解とＮＨ３−ＣＯ２−固化ＮＨ４ＨＣＯ３−製造の組み合わせを、炭素管理用のより強力な技術に移行させた発明の使用から予測される利点を示す。本発明は、バイオマスおよび産業燃焼ガスＣＯ２および他の排出物を、主としてＮＨ４ＨＣＯ３−チャー生成物に変換することによって、炭素隔離および清浄な空気保護の利点を提供する。ＮＨ４ＨＣＯ３−チャー生成物は肥料として販売することができ、隔離された炭素として土壌および下層土地層にいれることができ、そこで、それらは土壌の特性を改良し、大気中からのＣＯ２の緑色植物光合成固定を増強させ、そして、バイオマスの生産性および経済的利益を増加させる。
【００７９】
バイオマス物質の熱分解およびオフガスおよび／または熱分解液体の蒸気改質により、かなりの量の水素および固体チャー生成物を生じる。水素は、分離の後に、２つの反応が同じ温度範囲で起こるので、産業標準ハーバーボッシュ法を用いて、アンモニアに変換することができる。アンモニアは、二酸化炭素（ＣＯ２）と組合わせると炭酸水素アンモニウム（ＮＨ４ＨＣＯ３）を形成し、二酸化硫黄または亜酸化窒素と白金およびニッケル触媒とからＨＮＯ３およびＨ２ＳＯ４を形成する。ＮＨ３と組合されたこれらは、ＮＨ４ＨＣＯ３および（ＮＨ２）２ＣＯ製造プロセスの中間体として形成されて、さらなる肥料種（ＮＨ４）ＮＯ３および（ＮＨ４）２ＳＯ４を形成する。ここに記載された発明は、水素の同時生成、そのアンモニアへの変換、多孔性チャー、炭素質系物質のポア構造における窒素富化合物を沈積させるためのアンモニア、および燃焼の燃焼ガスまたは二酸化炭素の高パーセンテージ源および多孔性チャーとの組合せである。本発明は、窒素化合物が富化された多孔性吸着剤チャー、徐放肥料／土壌改質剤のためにプラスター、ポリマーおよび／または硫黄のコーティングする徐放性の設計と、大気中からのかなりの量の炭素を隔離するための新規な方法の組み合わせを提供する。チャーは、かなりの量の化合物を貯蔵するための完全な媒体を形成する。炭素の中および上に形成された窒素化合物の組合せは、伝統的な硝酸アンモニウム、尿素または液体アンモニアよりも、優れた多くの利点を持つ徐放性窒素肥料を製造することができる。これらのうちの１つは、その反応性が低いため、それを爆発物を作製するための化合物として用いられる危険性を低下させることである。
【００８０】
ＮＨ４ＨＣＯ３の炭酸水素塩ＨＣＯ３およびチャー物質の元素炭素（Ｃ）は、共に土壌細菌が消化できないので、それらは長年の間隔離された炭素として土壌および下層土地層に貯蔵することができる。従って、組合されたＮＨ４ＨＣＯ３−チャー生成物は植物成長用の栄養素（ＮＨ４＋等の）を提供するのみならず、無機炭素（ＨＣＯ３等の）および有機元素炭素（Ｃ）を共に貯蔵するための土壌および下層土地層の容量を十分に利用する能力も有する。尿素（ＮＨ２）２ＣＯはチャー物質と組合せて、同様な生成物を形成することもできる。しかしながら、尿素製造プロセスは、ＣＯ２−固定ＮＨ４ＨＣＯ３製造プロセスよりも、一般により多くのエネルギーを費やしＣＯ２を固定するための容量が低い（米国特許第６，４４７，４３７Ｂ１号）。また、チャー物質は、ＮＨ４ＮＯ３および（ＮＨ４）ＳＯ４のような他の窒素肥料種と混合することができるが、それらの混合物は土壌に炭酸水素塩（ＨＣＯ３）を提供した場合の利点を有しないであろう。従って、組合わせたＮＨ４ＨＣＯ３−チャー生成物は、土壌および下層土地層において最大炭素−隔離能力を実現するのに好ましい（図１および２）。
【００８１】
さらに、組合わせたＮＨ４ＨＣＯ３−チャー生成物は相乗効果を有する。第一に、チャー粒子は触媒（より効果的な核形成サイトを提供する）として用いて用いることができ、ＣＯ２−固定ＮＨ４ＨＣＯ３製造プロセスにおいて固体ＮＨ４ＨＣＯ３粒子の形成を加速し、そしてＣＯ２−固化技術の効率を増強させることができる。第二に、チャー物質は、灰分生成物におけるある種のミネラル酸化物の存在のため、ｐＨが一般的にアルカリ性である。典型的なチャー物質のｐＨ値は約９．８である。このアルカリ性物質は、合衆国西部のようなアルカリ性土壌で用いるのに好都合ではなく、他方、合衆国東部のような酸性土壌で用いるのに非常に適している。しかしながら、ＮＨ４ＨＣＯ３の使用はチャー物質のアルカリを中和することができる。チャー物質は、同重量のＮＨ４ＨＣＯ３と混合すると、生成物のｐＨはかなり良好となる（中性ｐＨ７により近い）。表１に示したように、ＮＨ４ＨＣＯ３−チャー混合物のｐＨ値は７．８９であり、これはチャー物質のｐＨ（ｐＨ９．８５）よりもかなり低い（良好）。従って、このタイプのＮＨ４ＨＣＯ３−チャーの組合せ肥料は、ｐＨが中性および酸性の土壌に加えて、アルカリ性土壌でも用いることができる。このタイプのＮＮＨ４ＨＣＯ３−チャー肥料は、チャー粒子−増強ＮＨ３−ＣＯ２−固化ＮＨ４ＨＣＯ３製造プロセス（図３）によって製造することができ、あるいはＮＨ４ＨＣＯ３とチャー物質とを物理的に混合することによって製造することができる。図４は、チャー粒子−増強ＮＨ３−ＣＯ２−固化ＮＨ４ＨＣＯ３製造プロセス［“処理されたチャー”と記す］によって、およびＮＨ４ＨＣＯ３とチャーの物理的混合によって［“ＮＨ４ＨＣＯ３−チャー混合物（５０％／５０％Ｗ）”と記す］作製したＮＨ４ＨＣＯ３−チャー肥料試料の写真を表す。チャー粒子−増強ＮＨ３−ＣＯ２−固化ＮＨ４ＨＣＯ３製造プロセスによって、チャー粒子に沈積させたＮＨ４ＨＣＯ３の量に依存して、処理されたチャーはこの特別な試料において８．７６のｐＨ値を有する。生成物のｐＨは、そのプロセスによるチャー粒子へより多くのＮＨ４ＨＣＯ３を沈積することによってさらに改良することができる。
【００８２】
ＮＨ４ＨＣＯ３−チャー生成物を土壌に適応する場合、それはさらにもう１つの相乗効果を生じることができる。例えば、土壌がかなり多量のアルカリ土類ミネラルを含み、土壌ｐＨ値が一般に８を超える中国の西部および合衆国において、ＮＨ４ＨＣＯ３を単独で用いた場合、そのＨＣＯ３は、［Ｃａ（ＯＨ）］＋および／またはＣａ＋＋のようなある種のアルカリ土類ミネラルを中和して、炭素の永久的隔離として働くことができるＣａＣＯ３のような安定した炭化ミネラル生成物を形成することができる。ＮＨ４ＨＣＯ３が数十年の間反復して肥料として用いられた場合、より多くの炭化土類ミネラル生成物が形成されにつれて、土壌のいくらかは徐々に硬化する。このタイプの「土壌硬化」は、ＮＨ４ＨＣＯ３が３０年以上の間肥料として用いられてきた中国西部の土壌のいくつかで認められている。また、このタイプの土壌「硬化」問題は、腐葉土を含めた有機肥料の適用によって克服できることも知られている。チャーは、その柔軟で多孔質で吸着剤としての特性によって「土壌硬化」問題を克服することができるもう１つの理想的な有機物質である。従って、ＮＨ４ＨＣＯ３とチャー物質の併用は、ＣａＣＯ３および／またはＭｇＣＯ３のような炭化ミネラル生成物の継続した形成を可能にし、植物成長用の良好な土壌特性を依然として維持しつつ、最大量の炭素を土壌および下層土領域に隔離することを可能とすることができる。
【００８３】
また、本発明のもう１つの実施形態は、他の栄養素を炭素に加えることが可能である。物質それ自体は植物成長に必要な微量ミネラルを含有する。リン、カルシウムおよびマグネシウムを加えることによって性能を増加させることができ、徐放微量栄養素送達系を作り出すことができる。
【００８４】
本発明のもう１つの実施形態は、非常に大きなポア構造を生じさせるための炭素の処理を含むことができる。その物質を、殺虫剤および除草剤の分水界流出を捕獲するための薬剤として用いることができる。種々の物質の沈積（例えば：ガス状酸化鉄）を加えることによって、その物質を用いて、動物飼育用地からリンとしてそのような化合物を捕獲することができる。
【００８５】
本発明についてのもう１つの実施形態は、当業者によく知られた標準工業プロセスを用い、製造したた水素を用い、製造プロセスに存在する空気および他の遊離窒素と組合わせて、窒素源物質として用いられるアンモニアを生じさせることができる。
【００８６】
市場の要求に基づき、これらの生成物は、カリウム、マグネシウム、硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウムのような他の肥料種、およびより栄養素的に完成した複合肥料を作製するために鉄およびモリブデンのような微量ミネラル栄養素とさらに組合わせることができる。
【００８７】
本発明の典型的実施形態の範囲についての当業者による認識を助けるために、出願人らは、この技術的明細事項の主体の範囲内で、本発明の技術分野に関連する刊行物を確認した。出願人らは、これらの文献用の容易に認識できる識別子を提供するために、様式「著者／発行年」の識別子を用いた。確認した文献の完全なリストを以下の表３に示す。
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の例示的実施形態による、アンモニア製造、洗浄および肥料製造プロセスにおける再生可能水素の製造方法およびその使用を示す。
【図２】本発明の例示的実施形態による、シミュレートされた燃焼ガス成分が製造する隔離肥料を洗浄するのにアンモニアを利用する単純な変換サイクロンシステムの設計を示す。
【図３】本発明の例示的実施形態による、共働プロセス、バイオマスおよび／または炭素質系物質の熱分解、およびアンモニア洗浄の柔軟な組合せによって、石炭火力発電所のような工業燃焼施設においてＣＯ２排出物を除去するための設計を示す。
【図４】本発明の例示的実施形態による、肥料への炭素捕獲および再生可能エネルギーの製造を伴う、ＣＯ２排出物を利用によって誘導された環境的、社会的および技術的利点の説明を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年5月21日(2004.5.21)
【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】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３５０℃〜５００℃の間の温度でバイオマスまたは他の炭素質物質を熱分解することによって、揮発性有機化合物を含む熱分解ガスおよび固体炭素チャコール残渣を生成し；
前記固体炭素チャコール残渣の全部または一部、アンモニア、および水を、燃焼または他のプロセスのオフガス流と接触させ、二酸化炭素、二酸化硫黄または亜酸化窒素の大気中への排出を低下させることを含み、
前記ガス流は二酸化炭素、二酸化硫黄または亜酸化窒素を含むことを特徴とする固体炭素チャコール残渣の調製方法。
【請求項２】
３５０℃〜５００℃の間の温度範囲でバイオマスまたは他の炭素質物質を２分間以下の間熱分解させて、表面酸基の形成、および任意にアンモニアである塩基の優先的吸着を、最大化させることを特徴とする固体炭素チャコール残渣の調製方法。
【請求項３】
前記固体炭素チャコール残渣の温度が５００℃を超え、前記温度は１０分間以上６００℃を超えた状態であって、表面酸基の形成を最少化する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記残渣を、限定されるものではないが、加圧、機械的作用、熱、蒸気、酸素、酸、二酸化炭素、所望によりカリウム、マグネシウム、硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、または鉄モリブデンミネラルを含む微量ミネラル栄養素である肥料成分の添加、を含む種々の条件下でさらに処理して、吸着剤および他の物質の担体として特定用途のために残渣を最適化する請求項１、２または３に記載の方法。
【請求項５】
セラミック膜、蒸気改質または触媒改質を用いて、前記ガスをさらに処理して精製された水素流を抽出する請求項１記載の方法。
【請求項６】
さらに、二酸化炭素、窒素または他の寄生ガスから未精製水素を分離することを含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
さらに、前記水素流を窒素と組合わせて、アンモニアまたは硝酸アンモニウムまたは他の窒素化合物を製造することを含む請求項１、５または６に記載の方法。
【請求項８】
固体炭素チャコール残渣の全部または一部、アンモニア、および水を、燃焼または他のプロセスのオフガス流に注入、または密接に接触させる、請求項１、２、３または４に記載の方法であって、前記ガス流は、これらの物質の大気中への排出を低下させるような二酸化硫黄または亜酸化窒素の濃度を有する。
【請求項９】
３５０℃〜５００℃の間の温度でバイオマスまたは他の炭素質物質を熱分解することによって、揮発性有機化合物を含む熱分解ガス、および固体炭素チャコール残渣を生成し；
かつ、前記固体炭素チャコール残渣の全部または一部、アンモニア、および水を、二酸化炭素と接触させることを特徴とする固体炭素チャコール残渣の調製方法。
【請求項１０】
前記チャコール残渣、およびアンモニア、水、並びにオフガスとを少なくとも５秒間密接に接触させる請求項１または８に記載の方法。
【請求項１１】
化学反応が起こって、炭酸水素アンモニウム（ＮＨ４ＨＣＯ３）が、チャコールポア中、およびその表面に形成されて、ＮＨ４ＨＣＯ３−チャコール肥料が生成する請求項１、８、９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
化学反応がさらに起こって、窒素酸化物および二酸化硫黄のアンモニウム塩が、ＮＨ４ＨＣＯ３−チャコール肥料との接触で形成される請求項１または８記載の方法。
【請求項１３】
大規模農業適用に適した固体粉末および／または顆粒物質の形態の、前記炭素残渣の内部ポア構造内に沈積した植物成長に用いられる物質と組合された徐放性隔離土壌改質剤肥料を含む固体炭素チャコール残渣。
【請求項１４】
植物成長に有益な化合物が、前記炭素チャコール残渣の内部ポア構造に吸着されて、化合物の徐放性を提供する物質を形成する請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１または１２に記載の方法。
【請求項１５】
コーティングを用いて化合物の放出速度を制御する請求項１４に記載の方法であって、前記コーティングは任意に石膏、プラスター、硫黄、並びに土壌に入れた場合に溶解または浸透層を生成することができるポリマーよりなる群から選択される。
【請求項１６】
請求項１〜１１、または１４〜１５に記載された方法によって作製される土壌改質剤および肥料としての物質の使用。
【請求項１７】
請求項１〜１１、または１４〜１５記載の方法によって製造された固体炭素残渣。
【請求項１８】
固体炭素チャコール残渣、アンモニア、および水を前記ガス流と接触させる前記工程が、さらに、二酸化炭素の炭酸水素アンモニウムへの変換、二酸化硫黄の硫酸アンモニウムへの変換、および亜酸化窒素の硝酸アンモニウムへの変換のうちの少なくとも１つを含む請求項１記載の方法。
【請求項１９】
ポア中に炭酸水素アンモニウムを含む多孔性固体炭素チャコール残渣を含む肥料。
【請求項２０】
固体粉末または顆粒物質の形態である請求項１９に記載の肥料。