(57)【要約】【課題】電力などのエネルギーコストをかけることなく、より簡便に二酸化炭素が分離・回収できるようにする。【解決手段】イミノジエタノールを溶媒に溶解した溶液に、多孔質ガラスを浸漬して溶液を多孔質ガラスに含浸させ、多孔質ガラスの孔内にイミノジエタノールが担持した吸着材１０３ａを作製し、吸着材１０３ａを、ＣＯ2の回収対象となる雰囲気１０４の中に配置する。吸着材１０３ａにおいては、この孔内に進入したＣＯ2が、イミノジエタノールに吸収される。【選択図】  図１Ｄ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イミノジエタノールを溶解した溶液を多孔質ガラスに含浸させて前記多孔質ガラスの孔内にイミノジエタノールが担持した吸着材を作製する第１ステップと、
対象とする雰囲気に前記吸着材を配置して前記雰囲気中の二酸化炭素を前記孔内に担持されている前記イミノジエタノールに吸着させて前記雰囲気より二酸化炭素を分離する第２ステップと
を少なくとも備えることを特徴とする二酸化炭素の分離方法。  
【請求項２】
請求項１記載の二酸化炭素の分離方法において、
前記溶液は、水溶液であり、イミノジエタノールの体積濃度が２０〜４０％の範囲とされていることを特徴とする二酸化炭素の分離方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の二酸化炭素の分離方法において、
前記孔内に担持されている前記イミノジエタノールが二酸化炭素を吸収した後、前記吸着材を加熱して前記イミノジエタノールより二酸化炭素を放出させる第３ステップを備えることを特徴とする二酸化炭素の分離方法。
【請求項４】
透明な多孔体ガラスと、
前記多孔体ガラスの孔内に担持されたイミノジエタノールと
を備えることを特徴とする二酸化炭素吸着材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気などの雰囲気中に含まれる二酸化炭素を雰囲気より分離する二酸化炭素の分離方法および二酸化炭素吸着材に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素は地球温暖化の原因ガスのひとつであり、二酸化炭素の減少は長期的および火急の課題である。二酸化炭素の発生源は、化石燃料を燃焼させるあらゆる分野に及ぶ。大量の化石燃料を使用する火力発電所などの動力発生設備を対象に、ボイラの燃焼排ガスをアルカノールアミン水溶液と接触させ、燃焼排ガス中より二酸化炭素を吸収して分離し、回収する方法、および回収した二酸化炭素を大気へ放出することなく貯蔵する方法が精力的に研究されている。
【０００３】
上述したアルカノールアミンとしては、モノエタノールアミン、トリエタノールアミン、Ｎ−メチルジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、ジグリコールアミンなどがある。また、これらのアルカノールアミンに吸収助剤としてピペリジンなどを用いることが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、燃焼ガスからの酸性ガス成分を分離回収する方法としてイオン液体からなる回収液を用いて回収する方法において、流通式装置を用いた連続プロセスが提案されている（非特許文献１参照）。
【０００５】
また、効率的かつ低いエネルギー消費量で、ガス中の二酸化炭素を吸収および脱離して二酸化炭素を回収する方法において、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノール、Ｎ−メチルジエタノールアミン、Ｎ−エチル−２−アミノエタノールを用いる方法が提案されている（特許文献２参照）。
【０００６】
また、火力発電所などの動力発生設備から排出される燃焼排ガス中の二酸化炭素を分離するための吸収液および除去装置および方法として、リン酸化合物を用いる方法が提案されている（特許文献３参照）。リン酸化合物は、水溶液の単位体積あたりの二酸化炭素吸収量および吸収速度が大きく、再生させるのに必要な熱エネルギーが少ない吸収液であり、水によく溶ける物質である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３２３３８０９号公報
【特許文献２】特開２００８−１６８２２７号公報
【特許文献３】特開２００７−０００７０２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】http://unit.aist.go.jp/tohoku/newsletter/newsletter22/2007_11_no22/newsletter_05.html
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、二酸化炭素はガスであり、一方で、吸収剤は液体であるため、二酸化炭素を吸収させるためには、バブリング装置や、吸収剤を噴射する噴射装置の使用が必要となり、電力を用いる動力が必要となっている。二酸化炭素の除去対象のガスが、動力発生設備からの排ガス、工場プロセスからの排出ガスなどの場合、近設する設備から動力を得ることが容易である。また、排出源が商業的な大規模設備である場合、動力を用いることにより発生するコストを回収することも可能である。
【００１０】
一方で、二酸化炭素の排出源は、上述したような大型の商用設備に限るものではなく、一般家庭や小規模設備などの小型の分散排出源がある。これらの分散排出源では、排出される二酸化炭素の濃度は多様であり、排出量も少ない。また、例えば家庭の場合などは、発生するコストを回収する手段がほとんどない。従って、これらの分散排出源からの二酸化炭素の分離・回収では、電力などのエネルギーを用いることなくより低コストで簡便に行えることが要求される。しかしながら、上述した技術ではこの要求に応えられないという問題がある。
【００１１】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、電力などのエネルギーコストをかけることなく、より簡便に二酸化炭素が分離・回収できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る二酸化炭素の分離方法は、イミノジエタノールを溶解した溶液を多孔質ガラスに含浸させて多孔質ガラスの孔内にイミノジエタノールが担持した吸着材を作製する第１ステップと、対象とする雰囲気に吸着材を配置して雰囲気中の二酸化炭素を孔内に担持されているイミノジエタノールに吸着させて雰囲気より二酸化炭素を分離する第２ステップとを少なくとも備える。
【００１３】
上記二酸化炭素の分離方法において、溶液は、水溶液であり、イミノジエタノールの体積濃度が２０〜４０％の範囲とされていればよい。
【００１４】
上記二酸化炭素の分離方法において、孔内に担持されているイミノジエタノールが二酸化炭素を吸収した後、吸着材を加熱してイミノジエタノールより二酸化炭素を放出させる第３ステップを備えるようにしてもよい。
【００１５】
また、本発明に係る二酸化炭素吸着材は、多孔体ガラスと、多孔体ガラスの孔内に担持されたイミノジエタノールとを備える。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、イミノジエタノールを溶解した溶液を多孔質ガラスに含浸させて多孔質ガラスの孔内にイミノジエタノールが担持した吸着材を、対象とする雰囲気に配置するようにしたので、電力などのエネルギーコストをかけることなく、より簡便に二酸化炭素が分離・回収できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態における二酸化炭素の分離方法を説明する説明図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態における二酸化炭素の分離方法を説明する説明図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の実施の形態における二酸化炭素の分離方法を説明する説明図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、本発明の実施の形態における二酸化炭素の分離方法を説明する説明図である。
【図２】図２は、吸着材１０３ａの構成を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、イミノジエタノールの濃度を１０，２０，３０，４０％とした水溶液を用いて作製した吸着材試料を用いた場合の、各々の吸着材試料のＣＯ2減少の状態を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の実施の形態における二酸化炭素の分離方法を説明する説明図である。まず、図１Ａに示すように、イミノジエタノールを溶媒に溶解した溶液１０１を、容器１０２の中に作製する。例えば、体積濃度で２０％のイミノジエタノール水溶液とすればよい。なお、イミノジエタノールは、大気圧下においては、融点が２８℃程度、沸点が２６８℃程度の物質である。
【００１９】
次に、図１Ｂに示すように、溶液１０１に、平均孔径４ｎｍの多孔質ガラス１０３を浸漬し、溶液１０１を多孔質ガラス１０３に含浸させる。多孔質ガラス１０３は、例えば、平均孔径４ｎｍであり、表面積に対して２８％の気孔率となっているものであり、技研科学株式会社製より入手可能である。また、コーニング社製のバイコール＃７９３０でもよい。また、多孔質ガラス１０３は、例えば、８（ｍｍ）×８（ｍｍ）で厚さ１（ｍｍ）のチップサイズである。なお、多孔質ガラス１０３は、平均孔径が、溶液１０１や二酸化炭素（ＣＯ2）の分子より大きくなければならない。従って、平均孔径の下限は、溶液１０１やＣＯ2分子が浸入可能な２ｎｍ程度である。なお、本実施の形態における多孔質ガラス１０３の比表面積は、１ｇ当たり１００ｍ2以上である。
【００２０】
上述した多孔質ガラス１０３を溶液１０１に、例えば４時間浸漬し、多孔質ガラス１０３の孔内に溶液１０１を含浸させた後、溶液１０１が含浸した多孔質ガラス１０３を風乾し、図１Ｃに示すように、窒素ガス気流中に２４時間放置して乾燥する。これにより、多孔質ガラス１０３の孔内にイミノジエタノールが担持した吸着材（二酸化炭素吸着材）１０３ａが作製できる（第１ステップ）。ここで、イミノジエタノールは、粘性があるため、所定の範囲の濃度の溶液１０１として粘性を低下させることで、多孔質ガラス１０３に含浸させることが可能となる。また、上述したように乾燥処理をすることで、含浸した溶液１０１中の溶媒が乾燥して減少し、多孔質ガラス１０３（吸着材１０３ａ）の孔内においては、イミノジエタノールの濃度が上昇した状態となる。
【００２１】
次に、図１Ｄに示すように、ＣＯ2の回収対象となる雰囲気１０４の中に、吸着材１０３ａを配置する。上述したように、孔内にイミノジエタノールが担持されている多孔質ガラスから構成された吸着材１０３ａによれば、孔内に進入したＣＯ2が、イミノジエタノールに吸収される。従って、雰囲気１０４中のＣＯ2が、吸着材１０３ａにより吸収されて雰囲気より分離される（第２ステップ）。このように、本実施の形態によれば、動力を用いることなく、電力などのエネルギーコストをかけることなく、より簡便にＣＯ2が回収できるようになる。
【００２２】
なお、吸着材１０３ａに吸収されたＣＯ2は、吸着材１０３ａを加熱することで、吸着材１０３ａより放出させることができる（第３ステップ）。ＣＯ2を吸収したイミノジエタノールは、５０℃程度に加熱することで、ＣＯ2を放出させることができる。このように、対象の雰囲気のＣＯ2を吸着材１０３ａに吸着させ、この後、吸着材１０３ａを加熱して吸着したＣＯ2を放出させれば、対象の雰囲気より、ＣＯ2を分離して回収することができる。
【００２３】
ここで、吸着材１０３ａについて説明する。まず、吸着材１０３ａを構成する多孔質ガラス１０３は、図２に示すように、複数の細孔１３２を備え、また、細孔１３２は、表面の開口部１３１から内部にまで連結した貫通細孔の構造となっている。このような構造となっている多孔質ガラス１０３に溶液１０１を含浸させると、溶液１０１に溶解していたイミノジエタノールが細孔１３２に導入され、細孔１３２にイミノジエタノール１３４が担持されているものとなる。なお、担持とは、イミノジエタノール１３４が、化学的，物理的，または電気的に、細孔１３２の内壁と結合している状態を示し、例えば、細孔１３２内の壁面がイミノジエタノール１３４で被覆され、および／または、細孔１３２内の側壁にイミノジエタノール１３４が被着したような状態を示す。
【００２４】
次に、溶液１０１をイミノジエタノールの水溶液とした場合の、イミノジエタノールの濃度について説明する。
【００２５】
まず、イミノジエタノールの濃度を体積分率で１０％、２０％、３０％、および４０％とした試料水溶液（４種類）を各々作製する。ここで、イミノジエタノール水溶液の体積濃度が４０％を超えると、乾燥までに時間がかかり実用的でないこと、また乾燥が不十分であると、イミノジエタノールが多孔質ガラスから漏れだして周りを汚染し、また、特性が変わるなどのことが発生するので、上記水溶液の体積濃度の上限は４０％とした。
【００２６】
次に、平均孔径４μｍ，８（ｍｍ）×８（ｍｍ）で厚さ１（ｍｍ）のチップサイズの多孔質ガラスを４個用意する。次に、用意した多孔質ガラスを、各試料水溶液に４時間浸漬し、この後、窒素気流中で２４時間乾燥させ、４種類の吸着材試料を作製する。
【００２７】
次に、ガスセルを４個用意し、上述した４種類の吸着材試料を、各々個別のガスセル内に収容する。なお、各ガスセルの内部には、室内環境と同じ空気が収容され、ＣＯ2の初期濃度は５００ｐｐｍである。また、各ガスセルの内部温度は２０℃、湿度は５０％である。これは、一般的な室内環境と同等である。
【００２８】
次に、上述した各ガスセル内のＣＯ2濃度を、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）により測定する。ＦＴ−ＩＲによれば、ガスセル内のＣＯ2に起因する吸収の吸光度の変化が測定できる。また、測定においては、各ガスセルに各吸着材試料を配置してからの時間経過（１８０分）に対する上記吸光度の変化を測定した。この実験の結果、各吸着材試料の使用に対する各ガスセル内のＣＯ2の濃度は、図３に示すように変化（減少）した。
【００２９】
図３において、測定を開始してから最初の３分間の急激な減少は、ＦＴ−ＩＲ内におけるガスセルの外部にあった空気中のＣＯ2が窒素に置換されることが原因で起こっている。水溶液濃度１０％では、ＣＯ2の吸着によるガスセル内の吸光度の減少はほとんど測定されていないが、２０％、３０％、４０％の水溶液から作製した吸着材試料では、ＣＯ2の吸着によるガスセル内の吸光度の減少が計測された。また、水溶液２０％の条件では、６０分内に吸着平衡が起こり、吸光度の減少は６０分以降は測定されなかった。
【００３０】
前述したように、一般家庭などの分散排出源からのＣＯ2の回収には、電力などのエネルギーを用いることなくより低コストで行えることが要求される。また、ＣＯ2は、自然発生により大気中にも存在し、大気中のＣＯ2を電力などのコストをかけることなく回収する技術が存在すれば、利用価値は高いものと考えられる。
【００３１】
本発明は、これらの要求に対応すべく、電力を用いる動力を使用せずにＣＯ2を吸収する吸収材を用いたＣＯ2回収方法を鋭意検討した結果、イミノジエタノールの溶液を多孔質の孔中に含浸させることで、動力を用いることなく大気中のＣＯ2が回収可能であることを見出したことによりなされたものである。
【００３２】
イミノジエタノールは、沸点２６８℃に対し、吸収したＣＯ2の放出温度が５０℃付近と非常に低く、ＣＯ2を分離して回収するという観点から、取り扱いが容易な物質である。しかしながら、イミノジエタノールは、融点が２８℃であり、一般的な環境温度において、冬期などの低温状態では固化するため、単独ではＣＯ2の吸収剤として利用しにくいものとなっている。これに対し、本発明によれば、多孔質ガラスの孔内にイミノジエタノールを担持させるようにしたので、上述したような固化する低温状態であっても、雰囲気の気体との接触面積が大きい状態とすることが可能であり、効率的にＣＯ2の吸収が行えるものと考えられる。
【００３３】
また、イミノジエタノールは、一般にＣＯ2吸着に用いられているアミンである２−アミノエタノールより蒸気圧が小さい。このため、多孔質ガラス内に担持させた状態において、蒸発による損失が小さくでき、より長期にわたり、吸着と分離とのサイクルをより多く繰り返して使用することが可能になるものと考えられる。
【００３４】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述では、イミノジエタノールを水に溶解した水溶液を用いるようにしたが、これに限るものではない。溶液の溶媒としては、エタノールなど、イミノジエタノールが溶解して粘性を低下させることが可能なものであればよい。また、上述では、窒素ガス気流中で乾燥するようにしたが、これに限るものではない。例えば、窒素ガスに限らずアルゴンなどの不活性なガス中で乾燥すればよい。
【符号の説明】
【００３５】
１０１…溶液、１０２…容器、１０３…多孔質ガラス、１０３ａ…吸着材（二酸化炭素吸着材）、１０４…雰囲気。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図３】
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【図２】
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