JP2021069963A - Carbon dioxide decomposition apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】触媒としてアルカリ珪酸化物を用いた熱処理により、連続的に二酸化炭素を分解すること。【解決手段】本発明に係る二酸化炭素分解装置は、触媒としてアルカリ珪酸化物を用い、アルカリ珪酸化物が保持された部分である触媒保持部を加熱することで、触媒保持部を通過する二酸化炭素を炭素と酸素とに分解する分解処理に用いられる装置であって、アルカリ珪酸化物を少なくとも含む、触媒が保持された領域である触媒保持領域と、アルカリ珪酸化物の表面に生成される炭素を、表面から剥離させる炭素剥離機構と、内部に触媒保持領域及び炭素剥離機構が収容されており、少なくとも触媒保持領域が加熱設備により所定の温度まで加熱されるとともに、生成した炭素及び酸素が排出口から排出されるチャンバーと、チャンバー内の触媒保持領域に対して二酸化炭素含有ガスを導入する二酸化炭素含有ガス導入部と、排出口から排出された炭素を回収する集塵機と、を備える。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To continuously decompose carbon dioxide by heat treatment using an alkali silicic oxide as a catalyst. SOLUTION: The carbon dioxide decomposition apparatus according to the present invention uses an alkali siliceous oxide as a catalyst and heats a catalyst holding portion which is a portion where the alkali siliceous oxide is retained to remove carbon dioxide passing through the catalyst holding portion. A device used for decomposition treatment that decomposes into carbon and oxygen, in which a catalyst holding region, which is a region in which a catalyst is held, containing at least an alkali siliceous oxide, and carbon generated on the surface of the alkali siliceous oxide are surfaced. A carbon peeling mechanism for peeling from the carbon and a catalyst holding region and a carbon peeling mechanism are housed inside. At least the catalyst holding region is heated to a predetermined temperature by a heating facility, and the generated carbon and oxygen are discharged from the discharge port. A carbon dioxide-containing gas introduction unit for introducing carbon dioxide-containing gas into the catalyst holding region in the chamber, and a dust collector for collecting carbon discharged from the discharge port are provided. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、二酸化炭素分解装置に関する。 The present invention relates to a carbon dioxide decomposition apparatus.
近年、大気中の二酸化炭素(CO2)は、増加の一途を辿っており、かかる大気中のCO2が地球温暖化の一因であると言われている。そのため、簡便な方法で大気中のCO2を回収し、かつ、炭素(C)へと分解する方法が希求されており、従来、各種の提案がなされている。 In recent years, carbon dioxide (CO 2 ) in the atmosphere has been increasing steadily, and it is said that such CO 2 in the atmosphere contributes to global warming. Therefore, there is a demand for a method of recovering CO 2 in the atmosphere by a simple method and decomposing it into carbon (C), and various proposals have been made so far.
例えば以下の特許文献1には、アルカリ珪酸化物に対して、水分(H2O)の存在下でCO2を吸収させ、CO2を吸収したアルカリ珪酸化物を所定温度で加熱することでCO2を分解し、Cを分離する方法が提案されている。 For example, Patent Document 1 below, an alkali silicate compound, water in the presence of (H 2 O) to absorb the CO 2, CO 2 by heating an alkali silicate product that has absorbed CO 2 at a predetermined temperature A method of decomposing and separating C has been proposed.
上記特許文献1で提案されている方法に即して大気中のCO2を分解した場合、分解によって生成されるCは、アルカリ珪酸化物の表面に蓄積されていき、徐々にアルカリ珪酸化物の触媒活性が失活していく。そのため、CO2の分解反応を継続して進行させるためには、一旦CO2の分解反応を停止させて、アルカリ珪酸化物の表面からCを剥離させなければならず、連続的なCO2の分解処理は未だ実現できていなかった。 When CO 2 in the atmosphere is decomposed according to the method proposed in Patent Document 1, C generated by the decomposition is accumulated on the surface of the alkaline silicic acid oxide and gradually becomes a catalyst for the alkaline silicic acid oxide. The activity is deactivated. Therefore, in order to continue the decomposition reaction of CO 2 , it is necessary to temporarily stop the decomposition reaction of CO 2 and exfoliate C from the surface of the alkali silicic acid oxide, and continuous decomposition of CO 2 is required. The process has not been realized yet.
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、触媒としてアルカリ珪酸化物を用いた熱処理により、連続的に二酸化炭素を分解することが可能な、二酸化炭素分解装置を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is that carbon dioxide can be continuously decomposed by heat treatment using an alkali silicic oxide as a catalyst. The purpose is to provide a carbon dioxide decomposition device.
上記課題を解決するために、本発明者が鋭意検討した結果、触媒であるアルカリ珪酸化物の表面に生成される炭素を表面から剥離させるための炭素剥離機構を設けることで、アルカリ珪酸化物の表面に蓄積していく炭素を剥離させながら、二酸化炭素の分解反応を継続させることが可能であることを知見した。
本発明は、かかる知見に基づき完成されたものであり、その要旨は以下の通りである。
As a result of diligent studies by the present inventor in order to solve the above problems, the surface of the alkali silicic acid oxide is provided with a carbon exfoliation mechanism for exfoliating carbon generated on the surface of the alkali silicic acid oxide as a catalyst. It was found that it is possible to continue the carbon dioxide decomposition reaction while exfoliating the carbon that accumulates in the alkali.
The present invention has been completed based on such findings, and the gist thereof is as follows.
(1)触媒としてアルカリ珪酸化物を用い、当該アルカリ珪酸化物が保持された部分である触媒保持部を加熱することで、当該触媒保持部を通過する二酸化炭素を炭素と酸素とに分解する分解処理に用いられる装置であって、前記アルカリ珪酸化物を少なくとも含む、触媒が保持された領域である触媒保持領域と、前記アルカリ珪酸化物の表面に生成される前記炭素を、前記表面から剥離させる炭素剥離機構と、内部に前記触媒保持領域及び前記炭素剥離機構が収容されており、少なくとも前記触媒保持領域が加熱設備により所定の温度まで加熱されるとともに、生成した前記炭素及び前記酸素が排出口から排出されるチャンバーと、前記チャンバー内の前記触媒保持領域に対して二酸化炭素含有ガスを導入する二酸化炭素含有ガス導入部と、前記排出口から排出された前記炭素を回収する集塵機と、を備える、二酸化炭素分解装置。
(2)前記チャンバーは、鉛直方向上方に向かうに従って内部領域が広がるテーパー部を有しており、前記触媒保持領域は、前記テーパー部、又は、前記テーパー部の下方に設けられており、前記炭素剥離機構として、前記触媒保持領域の鉛直方向上方側の端部及び鉛直方向下方側の端部にそれぞれ位置し、前記アルカリ珪酸化物の粒子の平均粒径よりも小さい孔径を有する孔部の設けられた一対の多孔部材を有する、(1)に記載の二酸化炭素分解装置。
(3)前記触媒保持領域では、導入される前記二酸化炭素含有ガスにより、前記アルカリ珪酸化物の流動層が形成される、(2)に記載の二酸化炭素分解装置。
(4)前記触媒保持領域の体積は、前記触媒保持領域が収納する前記アルカリ珪酸化物の嵩の2倍以上100倍以下であり、前記二酸化炭素含有ガスにより、前記アルカリ珪酸化物の粒子が鉛直方向上方側に位置する前記多孔部材に衝突する、(2)又は(3)に記載の二酸化炭素分解装置。
(5)前記テーパー部が有するテーパー形状により、前記触媒保持領域から飛散した前記アルカリ珪酸化物の粒子を、前記触媒保持領域まで沈降させる、(2)〜(4)の何れか1つに記載の二酸化炭素分解装置。
(6)前記触媒保持領域は、アルミナ及びシリカを主成分とする非晶質のファイバー、アルミナ及びシリカを主成分とする結晶質のファイバー、又は、石英ウールの少なくとも何れかを更に含む、(2)〜(5)の何れか1つに記載の二酸化炭素分解装置。
(7)前記触媒保持領域は、前記炭素剥離機構として機能する石英ウールを更に含む、(1)に記載の二酸化炭素分解装置。
(8)前記触媒保持領域では、前記石英ウールが前記アルカリ珪酸化物におけるガスの流れ方向の上流側及び下流側の端部にそれぞれ位置することで、前記アルカリ珪酸化物が保持されている、(7)に記載の二酸化炭素分解装置。
(9)前記触媒保持領域では、前記アルカリ珪酸化物の粒子と前記石英ウールとが混合された状態で、前記アルカリ珪酸化物が保持されている、(7)又は(8)に記載の二酸化炭素分解装置。
(10)前記触媒保持領域は、前記アルカリ珪酸化物の粒子の平均粒径よりも小さい孔径を有する孔部の設けられた一対の多孔部材によって、前記チャンバーの内部に保持されている、(7)〜(9)の何れか1つに記載の二酸化炭素分解装置。
(11)前記触媒保持領域は、アルミナ及びシリカを主成分とする非晶質のファイバー、又は、アルミナ及びシリカを主成分とする結晶質のファイバーの少なくとも何れかを更に含む、(7)〜(10)の何れか1つに記載の二酸化炭素分解装置。
(12)前記チャンバー内におけるガスの流れ方向は、鉛直方向下方から上方に向かう方向であり、かつ、前記チャンバーの上流側には、鉛直方向上方に向かうに従って内部領域が広がるテーパー部が設けられており、前記触媒保持領域は、前記テーパー部に該当する部位に設けられており、前記テーパー部が有するテーパー形状により、前記触媒保持領域から飛散した前記アルカリ珪酸化物の粒子を、前記触媒保持領域まで沈降させる、(7)〜(11)の何れか1つに記載の二酸化炭素分解装置。
(13)前記加熱設備は、太陽光を集光することで加熱対象を加熱する横型のトラフ型太陽炉であり、当該トラフ型太陽炉の水平に保持された直線状集光部分に、前記触媒保持領域が設けられる、(7)〜(11)の何れか1つに記載の二酸化炭素分解装置。
(14)前記加熱設備は、太陽光を集光することで加熱対象を加熱する太陽炉である、(1)〜(12)の何れか1つに記載の二酸化炭素分解装置。
(15)前記加熱設備の加熱能力に応じて、前記二酸化炭素含有ガス導入部から導入される前記二酸化炭素含有ガスの流量が制御される、(1)〜(14)の何れか1つに記載の二酸化炭素分解装置。
(16)前記二酸化炭素含有ガス導入部の上流側に、前記二酸化炭素含有ガス中の水分を除去する脱水装置が設けられる、(1)〜(15)の何れか1つに記載の二酸化炭素分解装置。
(1) A decomposition treatment in which an alkali siliceous oxide is used as a catalyst and carbon dioxide passing through the catalyst holding portion is decomposed into carbon and oxygen by heating the catalyst holding portion which is a portion where the alkali siliceous oxide is retained. The catalyst holding region, which is a region where the catalyst is held, which contains at least the alkali siliceous oxide, and the carbon dioxide generated on the surface of the alkaline siliceous oxide are peeled off from the surface. The mechanism and the catalyst holding region and the carbon exfoliation mechanism are housed therein, and at least the catalyst holding region is heated to a predetermined temperature by a heating facility, and the generated carbon and the oxygen are discharged from the discharge port. A carbon dioxide-containing gas introduction unit for introducing carbon dioxide-containing gas into the catalyst holding region in the chamber, and a dust collector for collecting the carbon discharged from the discharge port. Carbon dioxide decomposition equipment.
(2) The chamber has a tapered portion whose internal region expands in the vertical direction upward, and the catalyst holding region is provided in the tapered portion or below the tapered portion, and the carbon. As a peeling mechanism, pores are provided at the upper end in the vertical direction and the lower end in the vertical direction of the catalyst holding region, respectively, and have a pore diameter smaller than the average particle size of the alkali siliceous oxide particles. The carbon dioxide decomposition apparatus according to (1), which has a pair of porous members.
(3) The carbon dioxide decomposition apparatus according to (2), wherein a fluidized bed of the alkali silicic acid oxide is formed by the carbon dioxide-containing gas introduced in the catalyst holding region.
(4) The volume of the catalyst holding region is twice or more and 100 times or less the volume of the alkali siliceous oxide contained in the catalyst holding region, and the carbon dioxide-containing gas causes the alkali siliceous oxide particles to be vertically oriented. The carbon dioxide decomposition apparatus according to (2) or (3), which collides with the porous member located on the upper side.
(5) The taper shape of the tapered portion, according to any one of (2) to (4), wherein the alkali silicic acid particles scattered from the catalyst holding region are settled to the catalyst holding region. Carbon dioxide decomposition device.
(6) The catalyst holding region further contains at least one of amorphous fibers containing alumina and silica as main components, crystalline fibers containing alumina and silica as main components, and quartz wool (2). )-(5). The carbon dioxide decomposition apparatus according to any one of (5).
(7) The carbon dioxide decomposition apparatus according to (1), wherein the catalyst holding region further contains quartz wool that functions as the carbon peeling mechanism.
(8) In the catalyst holding region, the alkali silicic acid is retained by locating the quartz wool at the upstream and downstream ends of the alkaline silicic oxide in the gas flow direction, respectively (7). ). The carbon dioxide decomposition apparatus.
(9) The carbon dioxide decomposition according to (7) or (8), wherein the alkali silicic acid oxide is retained in the catalyst holding region in a state where the alkali silicic acid oxide particles and the quartz wool are mixed. apparatus.
(10) The catalyst holding region is held inside the chamber by a pair of porous members provided with pores having a pore diameter smaller than the average particle size of the alkali silicic acid particles (7). The carbon dioxide decomposition apparatus according to any one of (9).
(11) The catalyst holding region further contains at least one of an amorphous fiber containing alumina and silica as main components and a crystalline fiber containing alumina and silica as main components (7) to (1). The carbon dioxide decomposition apparatus according to any one of 10).
(12) The gas flow direction in the chamber is from the lower side to the upper side in the vertical direction, and a tapered portion whose internal region expands toward the upper side in the vertical direction is provided on the upstream side of the chamber. The catalyst holding region is provided at a portion corresponding to the tapered portion, and the tapered shape of the tapered portion allows the alkali siliceous oxide particles scattered from the catalyst holding region to reach the catalyst holding region. The carbon dioxide decomposition apparatus according to any one of (7) to (11), which is settled.
(13) The heating facility is a horizontal trough-type solar furnace that heats a heating target by condensing sunlight, and the catalyst is placed on a horizontally held linear condensing portion of the trough-type solar furnace. The carbon dioxide decomposition apparatus according to any one of (7) to (11), wherein a holding region is provided.
(14) The carbon dioxide decomposition apparatus according to any one of (1) to (12), wherein the heating facility is a solar furnace that heats a heating target by condensing sunlight.
(15) The method according to any one of (1) to (14), wherein the flow rate of the carbon dioxide-containing gas introduced from the carbon dioxide-containing gas introduction unit is controlled according to the heating capacity of the heating equipment. Carbon dioxide decomposition equipment.
(16) The carbon dioxide decomposition according to any one of (1) to (15), wherein a dehydrator for removing water in the carbon dioxide-containing gas is provided on the upstream side of the carbon dioxide-containing gas introduction unit. apparatus.
以上説明したように本発明によれば、触媒としてアルカリ珪酸化物を用いた熱処理により、連続的に二酸化炭素を分解することが可能となる。 As described above, according to the present invention, carbon dioxide can be continuously decomposed by heat treatment using an alkaline silicic oxide as a catalyst.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration are designated by the same reference numerals, so that duplicate description will be omitted.
(二酸化炭素分解装置の全体構成)
まず、図1を参照しながら、本発明の各実施形態に係る二酸化炭素分解装置の全体構成について説明する。図1は、本発明の各実施形態に係る二酸化炭素分解装置の全体構成の一例を模式的に示した説明図である。
(Overall configuration of carbon dioxide decomposition device)
First, the overall configuration of the carbon dioxide decomposition apparatus according to each embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing an example of the overall configuration of the carbon dioxide decomposition apparatus according to each embodiment of the present invention.
本発明の各実施形態に係る二酸化炭素分解装置は、触媒としてアルカリ珪酸化物粒子を用い、かかるアルカリ珪酸化物粒子が保持された部分である触媒保持部を加熱することで、触媒保持部を通過する二酸化炭素(CO2)を炭素(C)と酸素(O2)とに分解する分解処理に用いられる装置である。 The carbon dioxide decomposition apparatus according to each embodiment of the present invention uses alkaline siliceous oxide particles as a catalyst and passes through the catalyst holding portion by heating the catalyst holding portion which is a portion where the alkaline siliceous oxide particles are held. This device is used for decomposition treatment that decomposes carbon dioxide (CO 2 ) into carbon (C) and oxygen (O 2).
<アルカリ珪酸化物>
ここで、触媒として用いるアルカリ珪酸化物については、CO2の分解処理に用いることが可能なものであれば特に限定されるものではなく、各種のアルカリ珪酸化物を使用することが可能である。
<Alkaline silicic acid>
Here, the alkali silicic acid oxide used as a catalyst is not particularly limited as long as it can be used for the decomposition treatment of CO 2, and various alkaline silicic acid oxides can be used.
このようなアルカリ珪酸化物として、例えば、一般式mM2O・SiO2(M=Li、Na、K、m=正の実数)で表されるアルカリ珪酸化物を挙げることができる。このようなアルカリ珪酸化物には、CO2の吸収特性が高いものや低いものが存在したり、吸収したCO2のCへの分解特性が高いものや低いものが存在したりして、特性がそれぞれ異なる。特に、アルカリ金属M(第1族元素)の種類における傾向に着目すると、CO2の吸収特性は、高い方から順にLi、Na、Kであり、CO2のCへの分解特性(CO2の分解特性)は、吸収特性とは逆に、高い方から順にK、Na、Liとなる。CO2の吸収に関しては、アルカリ元素の有効核電荷の大きい順であり、CO2吸収時にOを吸引すると考えると理解できる。また、CO2の分解特性に関しては、ギブスエネルギーから考えたアルカリ炭酸化物の分解し易さの順となっている。 As such an alkaline silicic acid oxide, for example, an alkaline silicic acid oxide represented by the general formula mM 2 O · SiO 2 (M = Li, Na, K, m = positive real number) can be mentioned. Some of these alkaline silicic oxides have high or low CO 2 absorption characteristics, and some have high or low CO 2 decomposition characteristics into C. Each is different. In particular, when attention is focused on the trend in the type of alkali metal M (alkali metal), the absorption properties of CO 2 is high Li in order of, Na, K, degradation characteristics (CO 2 to the CO 2 C Decomposition characteristics) are K, Na, and Li in order from the highest, contrary to the absorption characteristics. Regarding the absorption of CO 2 , it can be understood that O is sucked at the time of CO 2 absorption, in descending order of the effective nuclear charge of the alkaline element. Regarding the decomposition characteristics of CO 2 , the order of ease of decomposition of alkaline coal oxide is considered from the viewpoint of Gibbs energy.
このようなアルカリ珪酸化物として、例えば、mLi2O・SiO2(m=2.4〜4.6)、mNa2O・SiO2(m=0.3〜4.0)、mK2O・SiO2(m=3.4〜5.4)等を挙げることができる。アルカリ金属元素Mの割合を示す係数mについて、M=Liの場合には、mは、より好ましくは3.0〜3.8の範囲内であり、更に好ましくは、3.4である。また、M=Naの場合には、mは、より好ましくは2.0〜3.8の範囲内であり、更に好ましくは、3.6である。また、M=Kの場合には、mは、より好ましくは、4.0〜4.8の範囲内であり、更に好ましくは、m=4.4である。なお、このような各種のアルカリ珪酸化物は、工業製品又は試薬等として市販されているものを用いてもよいし、市販の工業製品又は試薬を用いて合成したものを用いてもよい。アルカリ珪酸化物の合成方法の一例について、以下で改めて簡単に説明する。 Examples of such an alkali silicic oxide include mLi 2 O · SiO 2 (m = 2.4 to 4.6), mNa 2 O · SiO 2 (m = 0.3 to 4.0), mK 2 O ·. SiO 2 (m = 3.4 to 5.4) and the like can be mentioned. Regarding the coefficient m indicating the ratio of the alkali metal element M, when M = Li, m is more preferably in the range of 3.0 to 3.8, and further preferably 3.4. Further, in the case of M = Na, m is more preferably in the range of 2.0 to 3.8, and further preferably 3.6. Further, in the case of M = K, m is more preferably in the range of 4.0 to 4.8, and further preferably m = 4.4. As the various alkaline silicic oxides, those commercially available as industrial products or reagents may be used, or those synthesized using commercially available industrial products or reagents may be used. An example of a method for synthesizing an alkali silicic acid oxide will be briefly described below.
着目する二酸化炭素分解反応では、アルカリ珪酸化物にCO2を吸着させ、加熱することによりCO2をCとO2とに分解するため、アルカリ珪酸化物は、気体吸着性に優れるような形状を有していることが好ましい。このため、アルカリ珪酸化物の形状は、塊状であるよりも、粉末状又は粒状であることが好ましく、平均粒径が0.1μm〜5mm程度である粒状であることがより好ましく、平均粒径が1μm〜2mm程度である粒径であることが更に好ましい。ここで、アルカリ珪酸化物の平均粒径は、レーザー回折・散乱法又は振動式ふるい分け法によって求めた粒度分布における積算値50%での粒径を意味する。なお、アルカリ珪酸化物の粒径を小さくしすぎると、粉砕の過程で不純物が混入することが懸念されるため、粉砕したとしても、平均粒径は0.1μm程度とするのがよい。 In the focused carbon dioxide decomposition reaction, to adsorb CO 2 in an alkaline silicate compound, to decompose the CO 2 in the C and O 2 by heating, alkali silicate compound may have a shape such as excellent gas absorptive It is preferable to do so. Therefore, the shape of the alkali silicic oxide is preferably powdery or granular rather than lumpy, and more preferably granular with an average particle size of about 0.1 μm to 5 mm, and the average particle size is It is more preferable that the particle size is about 1 μm to 2 mm. Here, the average particle size of the alkaline silicic oxide means the particle size at an integrated value of 50% in the particle size distribution obtained by the laser diffraction / scattering method or the vibration type sieving method. If the particle size of the alkali silicic oxide is made too small, impurities may be mixed in during the pulverization process. Therefore, even if the alkali silicate is pulverized, the average particle size is preferably about 0.1 μm.
また、本発明の各実施形態に係る二酸化炭素分解装置1では、上記のようなアルカリ金属元素を用いたアルカリ珪酸化物のうち、アルカリ金属元素M又は係数mの少なくとも何れかが異なる複数種類のアルカリ珪酸化物を、互いに組み合わせて用いてもよい。これらアルカリ珪酸化物の組み合わせ方及び配合比等を調整することによって、吸着反応と分解反応のどちらに重きを置くかを調整したり、アルカリ珪酸化物の触媒活性温度域を所望の温度域に調整したりすることが可能となる。この際、CO2の吸着効率及びCへの分解効率の双方を総合的に鑑みて、CO2の吸着特性に優れるLi系のアルカリ珪酸化物と、Cへの分解特性に優れるK系のアルカリ珪酸化物と、を組み合せて用いることが好ましく、3.4Li2O・SiO2と、4.4K2O・SiO2と、を組み合わせて用いることが、より好ましい。 Further, in the carbon dioxide decomposition apparatus 1 according to each embodiment of the present invention, among the alkali silicic oxides using the alkali metal elements as described above, a plurality of types of alkalis having at least one of the alkali metal element M and the coefficient m different from each other Silicic acids may be used in combination with each other. By adjusting the combination method and compounding ratio of these alkaline silicic oxides, it is possible to adjust whether the adsorption reaction or the decomposition reaction is emphasized, or to adjust the catalytically active temperature range of the alkaline silicic acid oxide to a desired temperature range. It becomes possible to do. At this time, considering both the adsorption efficiency of CO 2 and the decomposition efficiency into C, a Li-based alkaline silicic acid having excellent CO 2 adsorption characteristics and a K-based alkaline silicic acid having excellent decomposition characteristics into C It is preferable to use a compound and a combination, and it is more preferable to use a combination of 3.4Li 2 O · SiO 2 and 4.4K 2 O · SiO 2 .
また、複数種類のアルカリ珪酸化物を混合して用いる場合には、その混合比率は、特に限定されるものではなく、所望の特性及び所望の触媒活性温度域が得られるように、適宜調整すればよい。 When a plurality of types of alkali silicic oxides are mixed and used, the mixing ratio is not particularly limited, and may be appropriately adjusted so as to obtain desired characteristics and a desired catalytically active temperature range. Good.
[アルカリ珪酸化物:mLi2O・SiO2の合成例]
アルカリ珪酸化物であるmLi2O・SiO2は、例えば市販の水酸化リチウム(又は水酸化リチウムの水和物)及びケイ砂を出発原料として、以下のようにして合成することが可能である。
すなわち、市販の水酸化リチウム(粒状の特級試薬)とケイ砂(SiO2)(200〜300メッシュ)のそれぞれを、Li2O:SiO2比がm:1となり、水酸化リチウムとケイ砂が反応しmLi2O・SiO2が生成した場合に所望の合成量となる量を各々秤量し、秤量に見合う大きさのニッケルルツボに装入する。このニッケルルツボを、そのまま石英ルツボへ収納する。石英ルツボにアルミナ製の蓋をし、Ar雰囲気の加熱炉で1050℃まで10℃/分で昇温し、30分間保持後、室温まで自然冷却する。これにより、冷却後のニッケルルツボの中には、ほぼ無色透明の均一なガラス状物質が生成している。本発明者が、3.4Li2O・SiO2について上記と同様にして合成し、得られた生成物の質量減少を測定したところ、水酸化リチウムが完全に脱水しケイ砂と反応し3.4Li2O・SiO2が生成した場合の質量減少と一致し、3.4Li2O・SiO2が生成したことが確認できた。上記の合成方法を用いることで、所望のmLi2O・SiO2を合成することが可能である。
[Synthesis example of alkali silicic acid: mLi 2 O · SiO 2]
The alkali siliceous oxide mLi 2 O · SiO 2 can be synthesized as follows, using, for example, commercially available lithium hydroxide (or hydrate of lithium hydroxide) and silica sand as starting materials.
That is, each of the commercially available lithium hydroxide (granular special grade reagent) and silica sand (SiO 2 ) (200 to 300 mesh) has a Li 2 O: SiO 2 ratio of m: 1, and lithium hydroxide and silica sand are formed. When the reaction produces mLi 2 O · SiO 2, the amount that becomes the desired synthetic amount is weighed, and the mixture is charged into a nickel rut pot having a size commensurate with the weighed amount. This nickel crucible is stored in the quartz crucible as it is. The quartz crucible is covered with an alumina lid, and the temperature is raised to 1050 ° C. at 10 ° C./min in an Ar atmosphere heating furnace, held for 30 minutes, and then naturally cooled to room temperature. As a result, a uniform glass-like substance that is almost colorless and transparent is generated in the nickel crucible after cooling. When the present inventor synthesized 3.4 Li 2 O · SiO 2 in the same manner as above and measured the mass loss of the obtained product, lithium hydroxide was completely dehydrated and reacted with silica sand. consistent with mass reduction when 4Li 2 O · SiO 2 was formed, it was confirmed that the 3.4Li 2 O · SiO 2 was formed. By using the above synthesis method, it is possible to synthesize desired mLi 2 O · SiO 2.
[アルカリ珪酸化物:mNa2O・SiO2の合成例]
アルカリ珪酸化物であるmNa2O・SiO2は、例えば市販の水酸化ナトリウム及びケイ砂を出発原料として、以下のようにして合成することが可能である。
すなわち、市販の水酸化ナトリウム(粒状の特級試薬)とケイ砂(SiO2)(200〜300メッシュ)のそれぞれを、Na2O:SiO2比がm:1となり、水酸化ナトリウムとケイ砂が反応しmNa2O・SiO2が生成した場合に所望の合成量となる量を各々秤量し、秤量に見合う大きさのニッケルルツボに装入する。このニッケルルツボを、そのまま石英ルツボへ収納する。石英ルツボにアルミナ製の蓋をし、Ar雰囲気の加熱炉で1100℃まで10℃/分で昇温し、30分間保持後、室温まで自然冷却する。これにより、冷却後のニッケルルツボの中には、ほぼ無色透明の均一なガラス状物質が生成している。本発明者が、3.6Na2O・SiO2について上記と同様にして合成し、得られた生成物の質量減少を測定したところ、水酸化ナトリウムが完全に脱水しケイ砂と反応し3.6Na2O・SiO2が生成した場合の質量減少と一致し、3.6Na2O・SiO2が生成したことが確認できた。上記の合成方法を用いることで、所望のmNa2O・SiO2を合成することが可能である。
[Synthesis example of alkali silicic acid: mNa 2 O · SiO 2]
The alkali siliceous oxide mNa 2 O · SiO 2 can be synthesized as follows, for example, using commercially available sodium hydroxide and silica sand as starting materials.
That is, each of the commercially available sodium hydroxide (granular special grade reagent) and silica sand (SiO 2 ) (200 to 300 mesh) has a Na 2 O: SiO 2 ratio of m: 1, and sodium hydroxide and silica sand are formed. When mNa 2 O and SiO 2 are produced by the reaction, the amount of synthesis desired is weighed, and the mixture is charged into a nickel rut pot having a size commensurate with the weighing. This nickel crucible is stored in the quartz crucible as it is. The quartz crucible is covered with an alumina lid, and the temperature is raised to 1100 ° C. at 10 ° C./min in an Ar atmosphere heating furnace, held for 30 minutes, and then naturally cooled to room temperature. As a result, a uniform glass-like substance that is almost colorless and transparent is generated in the nickel crucible after cooling. When the present inventor synthesized 3.6 Na 2 O · SiO 2 in the same manner as above and measured the mass loss of the obtained product, sodium hydroxide was completely dehydrated and reacted with silica sand. consistent with mass reduction when 6Na 2 O · SiO 2 was formed, it was confirmed that the 3.6Na 2 O · SiO 2 was formed. By using the above synthesis method, it is possible to synthesize desired mNa 2 O · SiO 2.
[アルカリ珪酸化物:mK2O・SiO2の合成例]
アルカリ珪酸化物であるmK2O・SiO2は、例えば市販の水酸化カリウム及びケイ砂を出発原料として、以下のようにして合成することが可能である。
すなわち、市販の水酸化カリウム(粒状の特級試薬)とケイ砂(SiO2)(200〜300メッシュ)のそれぞれを、K2O:SiO2比がm:1となり、水酸化カリウムとケイ砂が反応しmK2O・SiO2が生成した場合に所望の合成量となる量を各々秤量し、秤量に見合う大きさのニッケルルツボに装入する。このニッケルルツボを、そのまま石英ルツボへ収納する。石英ルツボにアルミナ製の蓋をし、Ar雰囲気の加熱炉で1050℃まで10℃/分で昇温し、30分間保持後、室温まで自然冷却する。これにより、冷却後のニッケルルツボの中には、ほぼ無色透明の均一なガラス状物質が生成している。本発明者が、4.4K2O・SiO2について上記と同様にして合成し、得られた生成物の質量減少を測定したところ、水酸化カリウムが完全に脱水しケイ砂と反応し4.4K2O・SiO2が生成した場合の質量減少と一致し、4.4K2O・SiO2が生成したことが確認できた。上記の合成方法を用いることで、所望のmK2O・SiO2を合成することが可能である。
[Synthesis example of alkali silicic acid: mK 2 O · SiO 2]
The alkali siliceous oxide mK 2 O · SiO 2 can be synthesized as follows, for example, using commercially available potassium hydroxide and silica sand as starting materials.
That is, each of the commercially available potassium hydroxide (special grade reagent granular) and silica sand (SiO 2) (200 to 300 [mesh), K 2 O: SiO 2 ratio of m: 1, and the potassium hydroxide and silica sand When mK 2 O · SiO 2 is produced by the reaction, the amount to be a desired synthetic amount is weighed and charged into a nickel rut pot having a size commensurate with the weighed amount. This nickel crucible is stored in the quartz crucible as it is. The quartz crucible is covered with an alumina lid, and the temperature is raised to 1050 ° C. at 10 ° C./min in an Ar atmosphere heating furnace, held for 30 minutes, and then naturally cooled to room temperature. As a result, a uniform glass-like substance that is almost colorless and transparent is generated in the nickel crucible after cooling. When the present inventor synthesized 4.4K 2 O · SiO 2 in the same manner as above and measured the mass loss of the obtained product, potassium hydroxide was completely dehydrated and reacted with silica sand. It was confirmed that 4.4K 2 O · SiO 2 was formed, which coincided with the mass reduction when 4K 2 O · SiO 2 was formed. By using the above synthesis method, it is possible to synthesize desired mK 2 O · SiO 2.
<二酸化炭素含有ガス>
本発明の各実施形態に係る二酸化炭素分解装置1で用いられる二酸化炭素含有ガスについては、CO2を含有するものであれば、特に限定されるものではない。このような二酸化炭素含有ガスとして、例えば、空気を挙げることができる。また、二酸化炭素含有ガスとして、空気以外にも、石炭、重油、天然ガス等を燃料とする火力発電所や、各種製造プラント等のボイラーや、コークスで酸化鉄を還元する製鉄プラントの高炉等から排出されるような、各種の排ガスを用いることが可能である。
<Carbon dioxide-containing gas>
The carbon dioxide-containing gas used in the carbon dioxide decomposition apparatus 1 according to each embodiment of the present invention is not particularly limited as long as it contains CO 2. As such a carbon dioxide-containing gas, for example, air can be mentioned. In addition to air, carbon dioxide-containing gas is used in thermal power plants that use coal, heavy oil, natural gas, etc. as fuel, boilers in various manufacturing plants, and blast furnaces in steelmaking plants that reduce iron oxide with coke. It is possible to use various types of exhaust gas that are emitted.
上記のような二酸化炭素の分解処理に用いられる、本発明の各実施形態に係る二酸化炭素分解装置1は、図1に模式的に示したように、チャンバー部10と、二酸化炭素含有ガス導入部20と、集塵機30と、を備える。また、かかる二酸化炭素分解装置1は、チャンバー部10、二酸化炭素含有ガス導入部20及び集塵機30に加えて、脱水装置40を有していることが好ましい。
The carbon dioxide decomposition apparatus 1 according to each embodiment of the present invention used for the carbon dioxide decomposition treatment as described above includes a
<チャンバー部10>
チャンバー部10は、アルカリ珪酸化物による二酸化炭素の分解反応の反応場となる空間を提供する部分である。かかるチャンバー部10の内部に、触媒であるアルカリ珪酸化物が保持された部分である触媒保持部11と、アルカリ珪酸化物の表面に生成される炭素をアルカリ珪酸化物の表面から剥離させるための炭素剥離機構(図示せず。)と、が設けられている。チャンバー部10のうち少なくとも触媒保持部11は、所定の加熱手段により所定の温度領域(例えば、触媒であるアルカリ珪酸化物の触媒活性化温度領域)まで加熱され、加熱された状態にある触媒保持部11に対して、後述する二酸化炭素含有ガス導入部20から、二酸化炭素含有ガスが供給される。触媒保持部11に二酸化炭素含有ガスが供給されると、アルカリ珪酸化物が触媒として機能して、二酸化炭素含有ガスに含まれる二酸化炭素が、炭素と酸素ガスとに分解される。この際、炭素は、触媒であるアルカリ珪酸化物の粒子表面に生成していく。また、アルカリ珪酸化物の粒子表面に生成した炭素は、以下で詳述する炭素剥離機構が機能することにより、アルカリ珪酸化物の粒子表面から剥離していく。
<
The
本発明の各実施形態に係るチャンバー部10を構成するチャンバーの内部には、上記のような触媒保持部11及び炭素剥離機構が特定の位置に保持されている。これにより、アルカリ珪酸化物の粒子表面に生成した炭素は、触媒表面から剥離して炭素粒子となり、酸素ガスの流れに乗って、チャンバー部10の外部へと排出される。
The
かかるチャンバー部10については、以下で改めて詳細に説明する。
The
<二酸化炭素含有ガス導入部20>
二酸化炭素含有ガス導入部20は、チャンバー部10に設けられる触媒保持部11に対して、所定の流量で二酸化炭素含有ガスを導入する部分である。かかる二酸化炭素含有ガス導入部20の詳細な構成については、特に限定されるものではなく、二酸化炭素含有ガスを、所定の流量及び流速でチャンバー部10内の触媒保持部11に供給可能な構成であれば、公知の各種の構成を適用することが可能である。例えば、公知の各種のガス供給配管、及び、公知の各種の調節バルブ等で構成されるガス供給経路を、二酸化炭素含有ガス導入部20として使用することができる。
<Carbon dioxide-containing
The carbon dioxide-containing
また、本発明の各実施形態に係る二酸化炭素含有ガス導入部20は、二酸化炭素含有ガスと、触媒であるアルカリ珪酸化物とを、チャンバー10の触媒保持部11において所望の雰囲気化で反応させるために、チャンバー10内の触媒保持部11に供給される二酸化炭素ガスに対して、二酸化炭素の分解反応に影響を与えないガスを混合させてもよい。このようなガスの一例として、以下に示すような非酸化性雰囲気化とするためのAr等の不活性ガスや窒素ガスを挙げることができる。
Further, the carbon dioxide-containing
このような二酸化炭素含有ガス導入部20は、二酸化炭素分解装置1の使用者によって手動で制御されてもよいし、二酸化炭素分解装置1の稼働状態を統括的に管理するプロセスコンピュータ等によって自動で制御されてもよい。
Such a carbon dioxide-containing
<集塵機30>
集塵機30には、チャンバー部10に設けられた排出口から排出される炭素粒子と酸素ガスの混合物が供給され、かかる混合物について炭素粒子と酸素ガスとを分離して、炭素粒子を回収する機構である。回収された炭素は、その後、燃料等の通常の炭素源として使用することが可能である。また、混合物から分離された酸素ガスは、そのまま大気中に放出することも可能であるし、別途回収して様々な用途に利用することが可能である。
<
A mixture of carbon particles and oxygen gas discharged from a discharge port provided in the
このような集塵機30の具体的な構造については、特に限定されるものではなく、チャンバー部10の容量等に応じて、例えばバグフィルター集塵機、サイクロン集塵機、湿式集塵機等といった各種の設備を適宜利用することが可能である。
The specific structure of such a
<脱水装置40>
本発明の各実施形態に係る二酸化炭素分解装置1では、アルカリ珪酸化物による二酸化炭素の分解反応をより促進させるために、装置に導入される二酸化炭素含有ガスは、過剰な水分を含有していないことが好ましい。そのため、本実施形態に係る二酸化炭素分解装置1では、図1に模式的に示したように、二酸化炭素含有ガス導入部20の上流側に、脱水装置40を設けることが好ましい。かかる脱水装置40を設けることで、二酸化炭素含有ガス導入部20を経てチャンバー部10の触媒保持部11に導入される二酸化炭素含有ガスの水分量を、より好ましい状態とすることが可能となる。このような脱水装置40については、特に限定されるものではなく、二酸化炭素分解装置1の規模等に応じて、例えば吸着・吸収式除湿機、冷却式除湿機、圧縮式除湿機等といった各種のガス脱水設備を用いることが可能である。
<
In the carbon dioxide decomposition apparatus 1 according to each embodiment of the present invention, the carbon dioxide-containing gas introduced into the apparatus does not contain excess water in order to further promote the decomposition reaction of carbon dioxide by the alkaline silicic oxide. Is preferable. Therefore, in the carbon dioxide decomposition device 1 according to the present embodiment, it is preferable to provide the
以上、図1を参照しながら、本発明の各実施形態に係る二酸化炭素分解装置1の全体的な構成について、詳細に説明した。 As described above, the overall configuration of the carbon dioxide decomposition apparatus 1 according to each embodiment of the present invention has been described in detail with reference to FIG.
(第1の実施形態)
まず、本発明の第1の実施形態に係る二酸化炭素分解装置について説明する。本実施形態に係る二酸化炭素分解装置は、上記炭素剥離機構の一例として、特定の孔径を有する孔部の設けられた一対の多孔部材が用いられており、また、チャンバー部10が特定の形状を有している。
(First Embodiment)
First, the carbon dioxide decomposition apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described. In the carbon dioxide decomposition apparatus according to the present embodiment, as an example of the carbon peeling mechanism, a pair of porous members provided with holes having a specific pore diameter are used, and the
<チャンバー部10の構成について>
以下では、図2A〜図3を参照しながら、本実施形態に係る二酸化炭素分解装置1が備えるチャンバー部10の一例について、より詳細に説明する。図2A及び図2Bは、本実施形態に係る二酸化炭素分解装置のチャンバー部の構成の一例を模式的に示した説明図であり、図3は、本実施形態に係るチャンバー部における触媒保持部の構成の一例を模式的に示した説明図である。
<About the configuration of the
Hereinafter, an example of the
なお、以下では、便宜的に、図2A及び図2Bに示した座標軸を適宜利用して、説明を行うものとする。この座標軸は、図2A及び図2Bに示したように、鉛直方向上向きをZ軸正方向とし、X軸及びY軸で規定される平面が水平面に対応するような座標軸である。 In the following, for convenience, the coordinate axes shown in FIGS. 2A and 2B will be appropriately used for explanation. As shown in FIGS. 2A and 2B, the coordinate axes are such that the vertical upward direction is the Z-axis positive direction and the plane defined by the X-axis and the Y-axis corresponds to the horizontal plane.
本実施形態に係るチャンバー部10は、触媒保持部11が設けられているチャンバー100と、チャンバー100の少なくとも触媒保持部11を所望の温度域まで加熱する加熱設備50と、で構成されている。
The
ここで、加熱設備50は、チャンバー100内の触媒保持部11に存在するアルカリ珪酸化物を少なくとも加熱可能なものであれば、特に限定されるものではなく、各種の加熱炉、電気炉、加熱装置等を適宜使用することが可能である。この際、図2では、触媒保持部11が加熱設備50の内部に存在する場合を示しているが、触媒保持部11に存在するアルカリ珪酸化物を所望の温度まで加熱可能であれば、触媒保持部11は加熱設備50の内部に存在していなくともよい。また、本実施形態に係る加熱設備50として、様々な高温プロセスから排出される排熱についても、触媒活性化温度の範囲内であれば使用することが可能であり、排熱利用の加熱装置を利用することも可能である。
Here, the
更に、本実施形態に係る加熱設備50として、再生可能エネルギーを用いた加熱装置を使用することも可能であり、このような再生可能エネルギーを用いた加熱装置として、太陽光を集光する太陽炉を例示することができる。太陽炉は気象条件により加熱温度が変動することが多いが、本発明においては、二酸化炭素分解反応に要する温度域が広いため、使用可能である。また、本発明による二酸化炭素分解は吸熱反応であるため、分解するために流通させる二酸化炭素の量を制御することにより、触媒保持部11の温度を制御することが可能である。すなわち、加熱設備50として用いる太陽炉の加熱能力が不足すれば二酸化炭素の導入量を減らし、逆に、太陽炉の加熱能力が過剰となれば二酸化炭素の導入量を増加させることで、触媒保持部11の温度制御を行えばよい。更に、加熱設備50として、太陽光を集光する太陽炉を用いることで、より環境に配慮した二酸化炭素分解装置1を実現することが可能となる。
Further, as the
チャンバー部10に用いられるチャンバー100は、図2A及び図2Bに模式的に示したように、ガスの流路方向の上流側に位置するテーパー部101と、テーパー部101の下流側に位置する非テーパー部103を有している。また、非テーパー部103の更に下流側には、図2A及び図2Bに模式的に示したように、逆テーパー部105が設けられていてもよい。
The
ここで、チャンバー100の素材は、特に限定されるものではなく、処理したい二酸化炭素含有ガスの量や、チャンバー100に求められる強度等に応じて、適宜選択すればよい。また、チャンバー100の容量についても、特に限定されるものではなく、処理したい二酸化炭素含有ガスの量等に応じて、適宜決定すればよい。
Here, the material of the
テーパー部101は、チャンバー100における二酸化炭素含有ガスの供給口107の後段に設けられており、鉛直方向上方(図2A及び図2BにおけるZ軸正方向側)に向かうに従って内部領域が広がる部分となっている。本実施形態に係る二酸化炭素分解装置1では、触媒保持部11は、図2Aに示したように、テーパー部101の下方(例えば、テーパー部101の直下)に設けられていてもよいし、図2Bに示したように、テーパー部101の内部空間に設けられていてもよい。この際、少なくとも触媒保持部11は、加熱設備50の内部に位置するように設けられる。これにより、触媒保持部11に保持されているアルカリ珪酸化物が触媒活性温度域まで加熱され、所望の温度に保持される。
The tapered
供給口107から触媒保持部11に供給された二酸化炭素含有ガスは、テーパー部101の下方(図2A)又はテーパー部101の内部空間(図2B)に設けられた触媒保持部11を通過することで、触媒保持部11内に位置するアルカリ珪酸化物を触媒として二酸化炭素の分解反応が進行する。その結果、二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素から、炭素粒子と酸素ガスとが生成する。生成した炭素粒子及び酸素ガスは、テーパー部101の下流側に位置する非テーパー部103、又は、非テーパー部103及び逆テーパー部105を通過して、排出口109より、チャンバー100の外部へと排出される。
The carbon dioxide-containing gas supplied from the
図3は、テーパー部101の下方に設けられた、図2Aに示したような触媒保持部11の部分を拡大して示した模式図である。本実施形態に係る触媒保持部11は、図3に模式的に示したように、触媒であるアルカリ珪酸化物が保持された領域である触媒保持領域111と、触媒保持領域111の鉛直方向上方側の端部及び鉛直方向下方側の端部にそれぞれ位置する、炭素剥離機構として機能する一対の多孔部材113と、で構成されている。ここで、触媒保持領域111の鉛直方向下方側(図3におけるZ軸負方向側)に位置する多孔部材を、下部多孔部材113Aと称し、触媒保持領域111の鉛直方向上方側(図3におけるZ軸正方向側)に位置する多孔部材を、上部多孔部材113Bと称することとする。
FIG. 3 is a schematic view showing an enlarged portion of the
ここで、触媒保持領域111に保持されるアルカリ珪酸化物の量については、特に限定されるものではなく、チャンバー100の大きさや、処理すべき二酸化炭素含有ガスの量(例えば、単位時間当たりの二酸化炭素含有ガスの導入量)等に応じて、適宜設定すればよい。ただし、アルカリ珪酸化物は、触媒保持領域111の内部において、アルカリ珪酸化物の粒子の移動が困難なほどに、きっちりと多孔部材113によって保持されているのではなく、粒子がガスの流れに乗って移動可能なような状態で保持されていることが好ましい。
Here, the amount of the alkaline silicic oxide retained in the
また、本実施形態に係る触媒保持領域111には、上記アルカリ珪酸化物に加えて、アルカリ珪酸化物の過度の飛散を防止するための触媒飛散防止材が含有されていてもよい。このような触媒飛散防止材として、例えば、アルミナ及びシリカを主成分とする非晶質のファイバー、アルミナ及びシリカを主成分とする結晶質のファイバー、石英ウールの少なくとも何れかを挙げることができる。触媒飛散防止材の含有量については、特に限定されるものではなく、二酸化炭素分解反応の進行を妨げない範囲で適宜調整することが可能である。
Further, in addition to the alkaline silicic acid oxide, the
上記のような触媒保持領域111の鉛直方向の両端部には、炭素剥離機構として機能する下部多孔部材113A及び上部多孔部材113Bが設けられており、各多孔部材113A、113Bのそれぞれには、アルカリ珪酸化物の平均粒径よりも小さい孔径を有する孔部(図示せず。)が設けられている。より詳細には、上部多孔部材113Bには、アルカリ珪酸化物の平均粒径よりも小さく、かつ、生成する炭素粒子の平均粒径よりも大きな孔部が設けられている。このような孔部が設けられることで、ガスは、下部多孔部材113A、触媒保持領域111、及び、上部多孔部材113Bで構成される触媒保持部11の全体を透過可能となり、触媒であるアルカリ珪酸化物は、下部多孔部材113Aによって保持される。また、反応によって生成した炭素粒子が表面に付着したアルカリ珪酸化物は、供給されるガスの流れに乗って、上部多孔部材113Bに衝突することで、生成した炭素粒子がアルカリ珪酸化物の表面から剥離され、上部多孔部材113Bを通り抜けて、非テーパー部103の方向へと飛散していく。
Lower
下部多孔部材113A及び上部多孔部材113Bの素材については、特に限定されるものではなく、触媒保持部11が保持される温度であっても十分な強度を有するような素材であれば各種の素材を用いることが可能であり、非金属製の素材を用いてもよいし、金属製の素材を用いてもよい。このような素材として、例えば、ガラス板の多孔体や各種セラミックスの多孔体のような各種の多孔体や、ステンレス製の金網のような各種の網状物等を挙げることができる。
The materials of the lower
なお、下部多孔部材113A及び上部多孔部材113Bに設けられる孔部の密度は、触媒保持領域111に導入したい二酸化炭素含有ガスの量や圧力、触媒保持領域111における二酸化炭素含有ガスの滞留時間等に応じて、適宜設定すればよい。また、孔部の大きさや孔部の存在密度等は、下部多孔部材113Aと上部多孔部材113Bとで同じ値としてもよいし、異なる値としてもよい。
The density of the pores provided in the lower
上記のような触媒保持部11及び多孔部材113の構成により、本実施形態に係る二酸化炭素分解装置1では、アルカリ珪酸化物の表面に生成する炭素粒子を剥離させることで、触媒であるアルカリ珪酸化物の失活を抑制し、連続的に二酸化炭素を分解することが可能となる。
With the configuration of the
また、アルカリ珪酸化物と、生成した炭素粒子とでは、比重が大きく異なる。また、触媒保持部11がテーパー部101の下方(図2A)又はテーパー部101の内部空間(図2B)に設けられていることから、テーパー部101を通過するガスは、鉛直方向上方(Z軸正方向側)に向かうに従って、徐々に流速が低下していく。そのため、アルカリ珪酸化物が時間と共に粉砕され、たとえ上部多孔部材113Bに設けられた孔部を通り抜けたとしても、アルカリ珪酸化物は比重分離され、触媒保持部11に向かって沈降していく。すなわち、本実施形態に係るテーパー部101では、テーパー部101が有するテーパー形状によって、触媒保持領域111から飛散したアルカリ珪酸化物の粒子を、触媒保持領域111まで沈降させることが可能である。
Further, the specific gravities of the alkaline silicic oxide and the produced carbon particles are significantly different. Further, since the
なお、本実施形態において、触媒保持部11の形状は特に限定されるものではなく、上方(例えば、直上)のテーパー部101となだらかにつながるテーパー形状であってもよいし、単純な円柱形状等といった各種の非テーパー形状であってもよい。
In the present embodiment, the shape of the
更に、触媒保持領域111は、本実施形態に係る二酸化炭素分解装置1が稼働状態となった際に、固定床となるように設けられていてもよいが、導入される二酸化炭素含有ガスによってアルカリ珪酸化物の流動層が形成されるように設けられることが好ましい。これにより、触媒であるアルカリ珪酸化物の反応断面積が増加して、二酸化炭素の分解反応の反応効率をより向上させることが可能となる。また、流動層が形成されることで、表面に炭素粒子が付着したアルカリ珪酸化物は、上部多孔部材113Bにより激しく衝突するようになり、アルカリ珪酸化物の表面から、より確実に炭素粒子を剥離させることが可能となる。
Further, the
また、触媒保持領域111の体積は、触媒保持領域111が収納するアルカリ珪酸化物の嵩の2倍以上100倍以下であることが好ましい。ここで、アルカリ珪酸化物の嵩とは、稼働状態にある二酸化炭素分解装置1の内部におけるアルカリ珪酸化物の嵩ではなく、二酸化炭素含有ガスが供給されておらずに、触媒保持領域111が静置された状態におけるアルカリ珪酸化物の嵩とする。触媒保持領域111の体積が上記のような関係を満足することで、触媒保持領域111において、流動層をより好ましい状態で実現させることが可能となる。触媒保持領域111の体積は、より好ましくは、アルカリ珪酸化物の嵩の5倍以上20倍以下である。
Further, the volume of the
以上説明したような触媒保持部11において、反応時の雰囲気は、非酸化性雰囲気とすることが好ましい。このような雰囲気とすることで、生成した炭素が酸化されることを、より確実に防止することが可能となる。このような非酸化性雰囲気として、例えば、Ar雰囲気等の不活性ガスの雰囲気や、窒素雰囲気等を挙げることができる。使用する非酸化性ガスの純度としては、一般的なガスボンベの純度(例えば、99.99%)とすればよい。この程度の純度があれば、生成した炭素が酸化することを実質的に無視することができる。非酸化性ガスの流量としては、特に規定されるものではなく、経済的な観点から少量でよい。加熱によるチャンバー100内圧力の上昇・破損を防ぐ目的で、排気口から非酸化性ガスが逆流しない程度の流量とすればよい。このような流量として、例えば、数10mL/分〜数10L/分の流量、好ましくは100mL/分〜10L/分の流量、更に好ましくは2L/分〜9L/分の流量を挙げることができる。
In the
また、チャンバー100内を減圧状態としたうえで、二酸化炭素の分解反応を進行させてもよい。これにより、アルカリ珪酸化物からの酸素ガスの脱離を、より確実に促進させることが可能となる。
Further, the carbon dioxide decomposition reaction may proceed after the inside of the
また、触媒保持部11の加熱温度は、用いるアルカリ珪酸化物の触媒活性温度に応じて適宜設定すればよいが、例えば、350℃以上1000℃以下に保持することが好ましい。加熱温度(保持温度)を350℃以上1000℃以下とすることで、アルカリ珪酸化物による二酸化炭素の分解反応を、より確実に進行させることが可能となる。触媒保持部11の加熱温度(保持温度)は、より好ましくは400℃以上600℃以下であり、更に好ましくは450℃以上550℃以下である。
The heating temperature of the
本実施形態に係る触媒保持部11では、チャンバー100や触媒保持領域111の大きさ等を考慮し、十分に二酸化炭素の分解反応を進行させることが可能な程度の滞留時間が確保できるように、触媒保持部11に導入される二酸化炭素含有ガスの流量を定めることが好ましい。この際、上部多孔部材113Bを通り抜けたアルカリ珪酸化物は沈降し、かつ、炭素粒子は流れに乗って飛散するように、流量を考慮することがより好ましい。
In the
例えば、二酸化炭素含有ガス導入部20は、アルカリ珪酸化物の表面に生成した炭素が剥離する程度の流速となるように、二酸化炭素含有ガスの流速を調整することが好ましい。また、二酸化炭素含有ガス導入部20は、触媒保持部11のガス導入面におけるガス流速が、0.5m/分以上20m/分以下となるように、触媒保持部11に対して二酸化炭素含有ガスを導入することが、より好ましい。触媒保持部11のガス導入面におけるガス流速が、上記の範囲内となることで、二酸化炭素の分解反応を、より好ましい状態で進行させることが可能となる。触媒保持部11のガス導入面におけるガス流速は、より好ましくは、1m/分以上10m/分以下であり、更に好ましくは、3m/分以上9m/分以下である。
For example, the carbon dioxide-containing
以上、図2A〜図3を参照しながら、本実施形態に係るチャンバー部10について、詳細に説明した。
As described above, the
以上、本実施形態に係る二酸化炭素分解装置1について、詳細に説明した。以上説明したような本実施形態に係る二酸化炭素分解装置1によれば、触媒としてアルカリ珪酸化物を用いた熱処理により、連続的に二酸化炭素を分解することが可能となる。 The carbon dioxide decomposition apparatus 1 according to the present embodiment has been described in detail above. According to the carbon dioxide decomposition apparatus 1 according to the present embodiment as described above, carbon dioxide can be continuously decomposed by heat treatment using an alkali silicic oxide as a catalyst.
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態に係る二酸化炭素分解装置について説明する。本実施形態に係る二酸化炭素分解装置では、上記炭素剥離機構として機能する石英ウールが、特定の状態となるようにチャンバー部10に設けられている。
(Second Embodiment)
Next, the carbon dioxide decomposition apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described. In the carbon dioxide decomposition apparatus according to the present embodiment, quartz wool that functions as the carbon peeling mechanism is provided in the
(チャンバー部10の構成について)
続いて、図4〜図6を参照しながら、本実施形態に係る二酸化炭素分解装置1が備えるチャンバー部10の一例について、より詳細に説明する。図4は、本実施形態に係る二酸化炭素分解装置のチャンバー部の構成の一例を模式的に示した説明図である。図5A及び図5Bは、本実施形態に係るチャンバー部における触媒保持部の構成の一例を模式的に示した説明図である。図6は、本実施形態に係る二酸化炭素分解装置のチャンバー部の構成の他の一例を模式的に示した説明図である。
(About the configuration of the chamber portion 10)
Subsequently, an example of the
なお、以下では、便宜的に、図4に示した座標軸を適宜利用して、説明を行うものとする。この座標軸は、図4に示したように、鉛直方向上向きをZ軸正方向とし、X軸及びY軸で規定される平面が水平面に対応するような座標軸である。 In the following, for convenience, the coordinate axes shown in FIG. 4 will be appropriately used for explanation. As shown in FIG. 4, the coordinate axes are such that the vertical upward direction is the Z-axis positive direction, and the plane defined by the X-axis and the Y-axis corresponds to the horizontal plane.
本実施形態に係るチャンバー部10は、触媒保持部11が設けられているチャンバー200と、チャンバー200の少なくとも触媒保持部11を所望の温度域まで加熱する加熱設備50と、で構成されている。
The
ここで、加熱設備50は、チャンバー200内の触媒保持部11に存在するアルカリ珪酸化物を少なくとも加熱可能なものであれば、特に限定されるものではなく、各種の加熱炉、電気炉、加熱装置等を適宜使用することが可能である。この際、図4では、触媒保持部11が加熱設備50の内部に存在する場合を示しているが、触媒保持部11に存在するアルカリ珪酸化物を所望の温度まで加熱可能であれば、触媒保持部11は加熱設備50の内部に存在していなくともよい。また、本実施形態に係る加熱設備50として、様々な高温プロセスから排出される排熱についても、触媒活性化温度の範囲内であれば使用することが可能であり、排熱利用の加熱装置を利用することも可能である。
Here, the
更に、本実施形態に係る加熱設備50として、再生可能エネルギーを用いた加熱装置を使用することも可能であり、このような再生可能エネルギーを用いた加熱装置として、太陽光を集光する太陽炉を例示することができる。太陽炉は気象条件により加熱温度が変動することが多いが、本発明においては、二酸化炭素分解反応に要する温度域が広いため、使用可能である。また、本発明による二酸化炭素分解は吸熱反応であるため、分解するために流通させる二酸化炭素の量を制御することにより、触媒保持部11の温度を制御することが可能である。すなわち、加熱設備50として用いる太陽炉の加熱能力が不足すれば二酸化炭素の導入量を減らし、逆に、太陽炉の加熱能力が過剰となれば二酸化炭素の導入量を増加させることで、触媒保持部11の温度制御を行えばよい。更に、加熱設備50として、太陽光を集光する太陽炉を用いることで、より環境に配慮した二酸化炭素分解装置1を実現することが可能となる。
Further, as the
チャンバー部10に用いられるチャンバー200は、図4に模式的に示したように、ガスの流路方向に沿った一部の領域に触媒保持部11が設けられている。ここで、図4では、チャンバー200内におけるガスの流路方向が鉛直方向上向き(図4におけるZ軸方向正方向側)である場合を図示しているが、チャンバー100内におけるガスの流路方向は特に限定されるものではなく、水平方向(図4におけるX軸方向又はY軸方向)であってもよいし、斜め方向であってもよい。上述したように、本発明の各実施形態においては、加熱設備50として太陽炉の使用が可能であり、このような太陽炉として、横向きのトラフ型太陽炉を使用することも可能である。横向きのトラフ型太陽炉を用いる場合、太陽光の集光部は、トラフ型太陽炉の水平に保持された直線部分となり、図4に示したチャンバー部は、この直線部分に横向きに、チューブのような形状として設置されることとなる。
As shown schematically in FIG. 4, the
図4に示したようなチャンバー200の少なくとも触媒保持部11は、加熱設備50の内部に位置するように設けられる。これにより、触媒保持部11に保持されているアルカリ珪酸化物が触媒活性温度域まで加熱され、所望の温度に保持される。
At least the
供給口201からチャンバー200内に供給された二酸化炭素含有ガスは、チャンバー200内に設けられた触媒保持部11を通過することで、触媒保持部11内に位置するアルカリ珪酸化物を触媒として二酸化炭素の分解反応が進行する。その結果、二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素から、炭素粒子と酸素ガスとが生成する。生成した炭素粒子及び酸素ガスは、チャンバー200内を通過して、排出口203よりチャンバー200の外部へと排出される。
The carbon dioxide-containing gas supplied into the
ここで、本実施形態に係る触媒保持部11は、触媒が保持された領域である触媒保持領域を有しており、かかる触媒保持領域は、触媒であるアルカリ珪酸化物と、炭素剥離機構として機能する石英ウールと、を含む。
Here, the
ここで、本実施形態における石英ウールについては、特に限定するものではなく、一般に市販されているものをそのまま使用することができる。このような石英ウールとして、例えば、直径が2〜6μm程度であり、長さが数10mm程度である市販品を挙げることができる。 Here, the quartz wool in the present embodiment is not particularly limited, and generally commercially available quartz wool can be used as it is. Examples of such quartz wool include commercially available products having a diameter of about 2 to 6 μm and a length of about several tens of mm.
本実施形態に係る二酸化炭素分解装置1において、アルカリ珪酸化物と石英ウールとが、ともに反応系内に存在することで、石英ウールを存在させない場合に比べて、CO2からCへの分解効率をより高めることができると共に、Cの分解温度をより低温にすることができる。この理由については現時点で十分に解明されていないが、反応系内材料が吸収したCO2をCに分解するにあたり、石英ウールが存在することで、その分解を助ける働きをするものと考えられる。その際のメカニズム等については不明であるが、石英ウールが存在することで、アルカリ珪酸化物と石英ウールとの接触界面がCO2分解反応の場を提供しているのではないかと推測している。 In the carbon dioxide decomposition apparatus 1 according to the present embodiment, the alkali silicic acid oxide and the quartz wool are both present in the reaction system, so that the decomposition efficiency from CO 2 to C can be improved as compared with the case where the quartz wool is not present. At the same time, the decomposition temperature of C can be lowered. The reason for this has not been fully elucidated at this time, but it is considered that the presence of quartz wool assists the decomposition of CO 2 absorbed by the material in the reaction system into C. The mechanism at that time is unknown, but it is speculated that the presence of quartz wool may provide a field for CO 2 decomposition reaction at the contact interface between the alkali silicic oxide and quartz wool. ..
ここで、アルカリ珪酸化物と石英ウールとが反応系内に存在するとは、これらの反応系内材料が所定の温度に加熱された状態で、二酸化炭素含有ガスがアルカリ珪酸化物及び石英ウールに同時又は略同時に接触して、反応系内材料にCO2が吸収される形態をいう。 Here, the presence of the alkali silicic acid oxide and the quartz wool in the reaction system means that the carbon dioxide-containing gas is simultaneously present in the alkali silicic acid oxide and the quartz wool in a state where the materials in the reaction system are heated to a predetermined temperature. It refers to a form in which CO 2 is absorbed by the material in the reaction system when they come into contact with each other substantially at the same time.
また、アルカリ珪酸化物と石英ウールとの混合比率については、特に限定するものではなく、所望のCへの分解温度が実現できるように、混合比率を適宜調整すればよい。 The mixing ratio of the alkali silicic acid oxide and the quartz wool is not particularly limited, and the mixing ratio may be appropriately adjusted so that the desired decomposition temperature to C can be realized.
このような触媒保持領域では、アルカリ珪酸化物と石英ウールとは、互いに混合された状態で存在していてもよいし、混合されていない状態で存在していてもよい。 In such a catalyst holding region, the alkali silicic acid oxide and the quartz wool may exist in a mixed state with each other, or may exist in an unmixed state.
図5Aは、チャンバー200内に設けられた触媒保持部11の部分を拡大して示した模式図である。図5Aに示した例では、アルカリ珪酸化物と石英ウールとは、混合されていない状態で触媒保持領域211を構成している。
FIG. 5A is an enlarged schematic view showing a portion of the
すなわち、図5Aでは、アルカリ珪酸化物からなる領域(以下、アルカリ珪酸化物領域ともいう。)213における、ガスの流れ方向(図5Aでは、Z軸正方向)の上流側及び下流側の端部のそれぞれに、石英ウールからなる層(以下、石英ウール層ともいう。)が位置している。これにより、触媒保持部11内にアルカリ珪酸化物領域213が保持されている。以下では、ガスの流れ方向の上流側に位置する石英ウール層を、上流側石英ウール層215Aと称し、ガス流れ方向の下流側に位置する石英ウール層を、下流側石英ウール層215Bと称することとする。
That is, in FIG. 5A, the upstream and downstream ends of the gas flow direction (Z-axis positive direction in FIG. 5A) in the region composed of alkaline silicic acid oxide (hereinafter, also referred to as alkaline silicic acid oxide region) 213. A layer made of quartz wool (hereinafter, also referred to as a quartz wool layer) is located in each of them. As a result, the alkali
また、アルカリ珪酸化物領域213、上流側石英ウール層215A及び下流側石英ウール層215Bを有する触媒保持領域211は、図5Aに模式的に示したように、一対の多孔部材217によって挟持されていることが好ましい。ここで、触媒保持領域211の上流側に位置する多孔部材を、上流側多孔部材217Aと称し、触媒保持領域211の下流側に位置する多孔部材を、下流側多孔部材217Bと称することとする。
Further, the
一方、図5Bでは、触媒保持部11には、アルカリ珪酸化物と石英ウールとが互いに混合された状態で存在する触媒保持領域221が設けられている。
On the other hand, in FIG. 5B, the
また、触媒保持領域221は、図5Bに模式的に示したように、一対の多孔部材223によって挟持されていることが好ましい。ここで、触媒保持領域221の上流側に位置する多孔部材を、上流側多孔部材223Aと称し、触媒保持領域221の下流側に位置する多孔部材を、下流側多孔部材223Bと称することとする。
Further, the
ここで、触媒保持領域211,221に保持されるアルカリ珪酸化物の量については、特に限定されるものではなく、チャンバー200の大きさや、処理すべき二酸化炭素含有ガスの量(例えば、単位時間当たりの二酸化炭素含有ガスの導入量)等に応じて、適宜設定すればよい。ただし、アルカリ珪酸化物は、触媒保持領域211,221の内部において、アルカリ珪酸化物の粒子の移動が困難なほどに、きっちりと保持されているのではなく、粒子がガスの流れに乗って移動可能なような状態で保持されていることが好ましい。
Here, the amount of the alkaline silicic oxide retained in the
図5Aに示したような本実施形態に係る触媒保持領域211では、二酸化炭素の分解反応によって、触媒であるアルカリ珪酸化物の粒子表面に生成した炭素粒子は、下流側石英ウール層217Bを構成する石英ウールの繊維と複数回衝突しながら、下流側石英ウール層217Bを通過していく。このような衝突により、アルカリ珪酸化物の粒子表面に生成した炭素粒子は、アルカリ珪酸化物の粒子表面から剥離し、ガスの流れにのって、チャンバー200の排出口203へと飛散していく。
In the
また、図5Bに示したような本実施形態に係る触媒保持領域221では、二酸化炭素の分解反応によって、触媒であるアルカリ珪酸化物の粒子表面に生成した炭素粒子は、層内に存在する石英ウールの繊維と複数回衝突しながら、触媒保持領域221を通過していく。このような衝突により、アルカリ珪酸化物の粒子表面に生成した炭素粒子は、アルカリ珪酸化物の粒子表面から剥離し、ガスの流れにのって、チャンバー200の排出口203へと飛散していく。
Further, in the
上記のような触媒保持領域211,221の構成により、本実施形態に係る二酸化炭素分解装置1では、アルカリ珪酸化物の表面に生成する炭素粒子を剥離させることで、触媒であるアルカリ珪酸化物の失活を抑制し、連続的に二酸化炭素を分解することが可能となる。
With the configuration of the
なお、本実施形態に係る触媒保持領域211,221には、上記アルカリ珪酸化物及び石英ウールに加えて、アルカリ珪酸化物の過度の飛散を防止するための触媒飛散防止材が含有されていてもよい。このような触媒飛散防止材として、例えば、アルミナ及びシリカを主成分とする非晶質のファイバー、アルミナ及びシリカを主成分とする結晶質のファイバーの少なくとも何れかを挙げることができる。触媒飛散防止材の含有量については、特に限定されるものではなく、二酸化炭素分解反応の進行を妨げない範囲で適宜調整することが可能である。
In addition to the alkaline silicic acid oxide and quartz wool, the
また、図5A及び図5Bにそれぞれ示したように、触媒保持領域211は、一対の多孔部材217で保持されていることが好ましく、触媒保持領域221は、一対の多孔部材223で保持されていることが好ましい。これにより、触媒保持領域211,221は、チャンバー200内により安定して位置することが可能となる。
Further, as shown in FIGS. 5A and 5B, the
これら多孔部材217,223のそれぞれには、アルカリ珪酸化物の平均粒径よりも小さい孔径を有する孔部(図示せず。)が設けられている。より詳細には、下流側多孔部材217B,223Bには、アルカリ珪酸化物の平均粒径よりも小さく、かつ、生成する炭素粒子の平均粒径よりも大きな孔部が設けられている。このような孔部が設けられることで、ガスは、触媒保持領域211,221の全体を透過可能となり、触媒であるアルカリ珪酸化物は、上流側多孔部材217A,223Aによって、より安定的に触媒保持領域211,221内に保持される。また、反応によって生成した炭素粒子が表面に付着したアルカリ珪酸化物が、下流側石英ウール層215Bや触媒保持領域221を通り抜けたとしても、供給されるガスの流れに乗って、下流側多孔部材217B,223Bに衝突することで、生成した炭素粒子がアルカリ珪酸化物の表面からより確実に剥離され、下流側多孔部材217B,223Bを通り抜けて、チャンバー200の排出口203の方向へと飛散していく。
Each of these porous members 217 and 223 is provided with pores (not shown) having a pore diameter smaller than the average particle diameter of the alkali silicic oxide. More specifically, the downstream
なお、多孔部材217,223の素材については、特に限定されるものではなく、触媒保持部11が保持される温度であっても十分な強度を有するような素材であれば各種の素材を用いることが可能であり、非金属製の素材を用いてもよいし、金属製の素材を用いてもよい。このような素材として、例えば、ガラス板の多孔体や各種セラミックスの多孔体のような各種の多孔体や、ステンレス製の金網のような各種の網状物等を挙げることができる。
The materials of the porous members 217 and 223 are not particularly limited, and various materials may be used as long as they have sufficient strength even at the temperature at which the
また、多孔部材217,223に設けられる孔部の密度は、触媒保持領域211,221に導入したい二酸化炭素含有ガスの量や圧力、触媒保持領域211,221における二酸化炭素含有ガスの滞留時間等に応じて、適宜設定すればよい。また、孔部の大きさや孔部の存在密度等は、上流側多孔部材と下流側多孔部材とで同じ値としてもよいし、異なる値としてもよい。
Further, the density of the pores provided in the porous members 217 and 223 is determined by the amount and pressure of the carbon dioxide-containing gas to be introduced into the
以上説明したような触媒保持領域211,221を有する触媒保持部11において、反応時の雰囲気は、非酸化性雰囲気とすることが好ましい。このような雰囲気とすることで、生成した炭素が酸化されることを、より確実に防止することが可能となる。このような非酸化性雰囲気として、例えば、Ar雰囲気等の不活性ガスの雰囲気や、窒素雰囲気等を挙げることができる。使用する非酸化性ガスの純度としては、一般的なガスボンベの純度(例えば、99.99%)とすればよい。この程度の純度があれば、生成した炭素が酸化することを実質的に無視することができる。非酸化性ガスの流量としては、特に規定されるものではなく、経済的な観点から少量でよい。加熱によるチャンバー200内圧力の上昇・破損を防ぐ目的で、排気口から非酸化性ガスが逆流しない程度の流量とすればよい。このような流量として、例えば、数10mL/分〜数10L/分の流量、好ましくは100mL/分〜10L/分の流量、更に好ましくは2L/分〜9L/分の流量を挙げることができる。
In the
また、チャンバー200内を減圧状態としたうえで、二酸化炭素の分解反応を進行させてもよい。これにより、アルカリ珪酸化物からの酸素ガスの脱離を、より確実に促進させることが可能となる。
Further, the carbon dioxide decomposition reaction may proceed after the inside of the
また、触媒保持部11の加熱温度は、用いるアルカリ珪酸化物の触媒活性温度に応じて適宜設定すればよいが、例えば、350℃以上1000℃以下に保持することが好ましい。加熱温度(保持温度)を350℃以上1000℃以下とすることで、アルカリ珪酸化物による二酸化炭素の分解反応を、より確実に進行させることが可能となる。触媒保持部11の加熱温度(保持温度)は、より好ましくは400℃以上600℃以下であり、更に好ましくは450℃以上550℃以下である。
The heating temperature of the
本実施形態に係る触媒保持部11では、チャンバー200や触媒保持領域211,221の大きさ等を考慮し、十分に二酸化炭素の分解反応を進行させることが可能な程度の滞留時間が確保できるように、触媒保持部11に導入される二酸化炭素含有ガスの流量を定めることが好ましい。
In the
例えば、二酸化炭素含有ガス導入部20は、アルカリ珪酸化物の表面に生成した炭素が剥離する程度の流速となるように、二酸化炭素含有ガスの流速を調整することが好ましい。また、二酸化炭素含有ガス導入部20は、触媒保持部11のガス導入面におけるガス流速が、0.5m/分以上20m/分以下となるように、触媒保持部11に対して二酸化炭素含有ガスを導入することが、より好ましい。触媒保持部11のガス導入面におけるガス流速が、上記の範囲内となることで、二酸化炭素の分解反応を、より好ましい状態で進行させることが可能となる。触媒保持部11のガス導入面におけるガス流速は、より好ましくは、1m/分以上10m/分以下であり、更に好ましくは、3m/分以上9m/分以下である。
For example, the carbon dioxide-containing
<変形例>
続いて、図6を参照しながら、本実施形態に係るチャンバー部10の変形例について、簡単に説明する。図6は、本実施形態に係る二酸化炭素分解装置のチャンバー部の構成の他の一例を模式的に示した説明図である。
<Modification example>
Subsequently, a modified example of the
本変形例に係るチャンバー部10は、図6に模式的に示したように、テーパー部205を有するチャンバー200’で構成されていてもよい。この場合、チャンバー200’内におけるガスの流れ方向は、以下で説明するような、テーパー部205によるアルカリ珪酸化物の沈降機能を実現するために、鉛直方向下方から上方に向かう方向(図6におけるZ軸正方向)とすることが好ましい。
As shown schematically in FIG. 6, the
かかるチャンバー200’において、チャンバー200’の上流側(図6におけるZ軸負方向側)に、鉛直方向上方(Z軸正方向)に向かうに従って内部領域が広がるテーパー部205が設けられている。また、図5A又は図5Bに示したような構造を有する触媒保持部11は、このテーパー部205に該当する部位に設けられている。
In such a chamber 200', a tapered
アルカリ珪酸化物と、生成した炭素粒子とでは、比重が大きく異なる。また、触媒保持部11がテーパー部205に設けられているために、テーパー部205を通過するガスは、鉛直方向上方(Z軸正方向側)に向かうに従って、徐々に流速が低下していく。そのため、アルカリ珪酸化物がたとえ触媒保持領域211,221を通り抜けたとしても、アルカリ珪酸化物は比重分離され、触媒保持部11に向かって沈降していく。すなわち、本実施形態に係るテーパー部205では、テーパー部205が有するテーパー形状によって、触媒保持領域211,221から飛散したアルカリ珪酸化物の粒子を、触媒保持領域211,221まで沈降させることが可能である。
The specific gravities of the alkaline silicic oxide and the produced carbon particles are significantly different. Further, since the
以上、図4〜図6を参照しながら、本実施形態に係るチャンバー部10について、詳細に説明した。
As described above, the
以上、本実施形態に係る二酸化炭素分解装置1について、詳細に説明した。以上説明したような本実施形態に係る二酸化炭素分解装置1によれば、触媒としてアルカリ珪酸化物を用いた熱処理により、連続的に二酸化炭素を分解することが可能となる。 The carbon dioxide decomposition apparatus 1 according to the present embodiment has been described in detail above. According to the carbon dioxide decomposition apparatus 1 according to the present embodiment as described above, carbon dioxide can be continuously decomposed by heat treatment using an alkali silicic oxide as a catalyst.
以下に、実施例及び比較例を示しながら、本発明に係る二酸化炭素分解装置について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明に係る二酸化炭素分解装置のあくまでも一例にすぎず、本発明に係る二酸化炭素分解装置が下記の例に限定されるものではない。 Hereinafter, the carbon dioxide decomposition apparatus according to the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples. The examples shown below are merely examples of the carbon dioxide decomposition apparatus according to the present invention, and the carbon dioxide decomposition apparatus according to the present invention is not limited to the following examples.
(実験例1)
以下に示す実験例1では、本発明の第1の実施形態に係る二酸化炭素分解装置について検証を行った。
(Experimental Example 1)
In Experimental Example 1 shown below, the carbon dioxide decomposition apparatus according to the first embodiment of the present invention was verified.
<実施例>
前述したアルカリ珪酸化物合成方法により、触媒物質として3.4Li2O・SiO2及び4.4K2O・SiO2を合成した。塊状の3.4Li2O・SiO2と4.4K2O・SiO2とを乳鉢にて粉砕し、篩を用いて、粒径を0.30mm〜0.85mmに調整した。この3.4Li2O・SiO2及び4.4K2O・SiO2を各々約3g混合したところ、これらの嵩は、約5cm3であった。
<Example>
By the above-mentioned alkali silicate synthesis method, 3.4 Li 2 O · SiO 2 and 4.4 K 2 O · SiO 2 were synthesized as catalyst substances. The massive 3.4 Li 2 O · SiO 2 and 4.4 K 2 O · SiO 2 were pulverized in a mortar and the particle size was adjusted to 0.30 mm to 0.85 mm using a sieve. When about 3 g of each of the 3.4 Li 2 O · SiO 2 and the 4.4 K 2 O · SiO 2 were mixed, the bulk of these was about 5 cm 3 .
次に、触媒保持部の一例である触媒保持ケースとして、目開き0.15mmのステンレス製金網を用い、外径約37mm、高さ約47mmの円筒を製作した。この触媒保持ケースの体積は、約50.5cm3であり、触媒の嵩の約10.1倍の嵩であった。この触媒保持ケースの中へ上記触媒を装入し、触媒保持部とした。3.4Li2O・SiO2粒子及び4.4K2O・SiO2粒子の各々は、触媒保持ケースの中で動く状態であった。 Next, as a catalyst holding case, which is an example of the catalyst holding portion, a stainless steel wire mesh having an opening of 0.15 mm was used to manufacture a cylinder having an outer diameter of about 37 mm and a height of about 47 mm. The volume of this catalyst holding case was about 50.5 cm 3 , which was about 10.1 times the bulk of the catalyst. The catalyst was charged into the catalyst holding case to form a catalyst holding portion. Each of the 3.4 Li 2 O · SiO 2 particles and the 4.4K 2 O · SiO 2 particles were in a moving state in the catalyst holding case.
このようにして得られた触媒保持部を、内径約38mm、肉厚約2.3mm、全長300mmの垂直に固定した石英管の中央部に固定した。固定方法としては、内径約29mm肉厚約2mmの石英管を上記石英管の内側に挿入し、上下から挟み込み固定する構造とした。触媒保持部の高さ47mmの部分と上下26.5mmの全長100mmの領域には、開閉式の抵抗式加熱炉を設置し、触媒部分を加熱可能とした。触媒保持部を有する石英管の上方に対し、ステンレス製のテーパーを有するチャンバーを取り付けた。すなわち、本実施例では、図2Aに模式的に示したような概形を有するチャンバー部10を製造した。
The catalyst holding portion thus obtained was fixed to the central portion of a vertically fixed quartz tube having an inner diameter of about 38 mm, a wall thickness of about 2.3 mm, and a total length of 300 mm. As a fixing method, a quartz tube having an inner diameter of about 29 mm and a wall thickness of about 2 mm was inserted inside the quartz tube and sandwiched and fixed from above and below. An openable and closable resistance heating furnace was installed in the area of the catalyst holding portion having a height of 47 mm and a region having a total length of 26.5 mm and a total length of 100 mm to enable heating of the catalyst portion. A chamber having a stainless steel taper was attached above the quartz tube having the catalyst holding portion. That is, in this embodiment, the
チャンバーは、下面が内径38mmであり、300mm上方において内径200mmとなる上広がりのテーパー形状を有し、その上方100mm部分は、内径200mmの円柱で、更にその上方200mmで内径38mmとなる上絞りのテーパー形状(すなわち、逆テーパー形状)を有し、ここがチャンバーの上面となる。 The lower surface of the chamber has an inner diameter of 38 mm, and the chamber has an upwardly expanding tapered shape having an inner diameter of 200 mm above 300 mm. It has a tapered shape (that is, a reverse tapered shape), and this is the upper surface of the chamber.
このチャンバー上面に、内径約38mm、肉厚約2.3mm、全長100mmの垂直に固定した上部石英管を取り付けた。この上部石英管の中央部に、市販の2〜6μm径の石英ウール約1gを、外径約37mm、16メッシュの円盤状ステンレス製金網で上下から挟み込んだ、厚さ約10mmの円盤状部品を取り付け、この部品の石英ウールにて生成した炭素粒子を捕集することとした。固定方法は、上記と同様である。これらの部品で構成される部分が、集塵機として機能する。 A vertically fixed upper quartz tube having an inner diameter of about 38 mm, a wall thickness of about 2.3 mm, and a total length of 100 mm was attached to the upper surface of this chamber. In the center of this upper quartz tube, a disk-shaped part with a thickness of about 10 mm is formed by sandwiching about 1 g of commercially available quartz wool with a diameter of 2 to 6 μm with a disk-shaped stainless steel wire mesh with an outer diameter of about 37 mm and 16 mesh from above and below. It was decided to attach and collect the carbon particles generated from the quartz wool of this part. The fixing method is the same as described above. The part composed of these parts functions as a dust collector.
触媒保持領域を有する石英管の下面に、アルミニウムで製作した下方フランジを取り付け、炭素粒子捕集部を有する石英管の上面には、上方フランジを取り付けた。下方フランジには、ガス導入口を取り付けるとともに、上方フランジには、ガス排出口を取り付け、ガス導入口に対し、ガス配管を経由し所定の流量計及びガスボンベを接続した。以上のように、石英ウールを固定した炭素粒子捕集部は、石英管が外壁であり、また、加熱炉の外部に位置しているので、実験中、常に目視することが可能であった。 A lower flange made of aluminum was attached to the lower surface of the quartz tube having a catalyst holding region, and an upper flange was attached to the upper surface of the quartz tube having a carbon particle collecting portion. A gas inlet was attached to the lower flange, a gas outlet was attached to the upper flange, and a predetermined flow meter and a gas cylinder were connected to the gas inlet via a gas pipe. As described above, since the quartz tube is the outer wall and the carbon particle collecting portion where the quartz wool is fixed is located outside the heating furnace, it can be always visually observed during the experiment.
上記反応装置下部のガス導入口からヘリウムガスを流量6L/分で導入し、加熱炉へ通電し、15℃/分で触媒部分を500℃まで加熱した。この際の触媒部分のガス流速は、計算上5.3m/分である。500℃到達後、ヘリウムガスから、ヘリウムバランスの5%CO2ガスに切り替えた。流量は6L/分のままであり、ガス流速に変化はない。5%CO2ガスへ切り替え後、2分程度経過したあたりから、炭素粒子捕集部の石英ウールが黒くなりだし、黒さは、時間経過と共に増していった。30分経過したところで再度ヘリウムガスへ切り替え、加熱炉の通電を中止して室温まで冷却し、ヘリウムガスを停止した。 Helium gas was introduced from the gas inlet at the bottom of the reactor at a flow rate of 6 L / min, the heating furnace was energized, and the catalyst portion was heated to 500 ° C. at 15 ° C./min. The gas flow velocity of the catalyst portion at this time is calculated to be 5.3 m / min. After reaching 500 ° C., the helium gas was switched to a helium-balanced 5% CO 2 gas. The flow rate remains at 6 L / min and there is no change in the gas flow rate. About 2 minutes after switching to 5% CO 2 gas, the quartz wool in the carbon particle collection part began to turn black, and the blackness increased with the passage of time. After 30 minutes had passed, the gas was switched to helium gas again, the energization of the heating furnace was stopped, the mixture was cooled to room temperature, and the helium gas was stopped.
炭素粒子捕集部の石英ウールを取り出したところ、黒色物が付着していた。黒色物0.1gを回収し、燃焼赤外線吸収法で炭素分析したところ、98%以上が炭素であった。反応容器内の炭素源は、導入したCO2しかなく、触媒によりCO2が炭素へ還元されたと考えられる。なお、石英ウールに付着した炭素を定量するため、0.1g以外の残量を石英ウールごと空気中500℃で酸化処理を行ったところ、黒色物は消失し、約0.5gの重量減少があった。これらの値から、炭素粒子捕集部へのトータルの黒色物付着量は、約0.6gであった。流通したCO2はトータルで9Lであるので、炭素粒子捕集部での炭素回収効率は、黒色物が全て生成炭素とすると、CO2に含まれる炭素量の約12.4%であった。また、触媒保持部の触媒粒子にもわずかに黒色物が付着しており、この黒色物0.03gを回収し燃焼赤外線吸収法で炭素分析したところ、同じく98%以上が炭素であった。更に、触媒保持部全体を空気中500℃で酸化処理を行ったところ、黒色物は消失し、約0.05gの重量減少があり、触媒保持部へのトータルの黒色物付着量は、0.08gであった。流通したCO2はトータルで9Lであるので、触媒保持部への炭素付着率は、黒色物が全て生成炭素とすると、CO2に含まれる炭素量の約1.7%であった。 When the quartz wool in the carbon particle collection part was taken out, black matter was attached. When 0.1 g of black matter was recovered and carbon-analyzed by the combustion infrared absorption method, 98% or more was carbon. The only carbon source in the reaction vessel is the introduced CO 2 , and it is considered that CO 2 was reduced to carbon by the catalyst. In order to quantify the carbon adhering to the quartz wool, when the remaining amount other than 0.1 g was oxidized together with the quartz wool at 500 ° C. in the air, the black matter disappeared and the weight was reduced by about 0.5 g. there were. From these values, the total amount of black matter adhered to the carbon particle collecting part was about 0.6 g. Since the total amount of CO 2 circulated was 9 L, the carbon recovery efficiency at the carbon particle collection section was about 12.4% of the amount of carbon contained in CO 2, assuming that all black substances were produced carbon. In addition, a slight amount of black matter was attached to the catalyst particles of the catalyst holding portion, and when 0.03 g of this black matter was recovered and carbon-analyzed by the combustion infrared absorption method, 98% or more was also carbon. Further, when the entire catalyst holding portion was oxidized in air at 500 ° C., the black matter disappeared and the weight was reduced by about 0.05 g, and the total amount of the black matter adhering to the catalyst holding portion was 0. It was 08 g. Since the total amount of CO 2 circulated was 9 L, the carbon adhesion rate to the catalyst holding portion was about 1.7% of the amount of carbon contained in CO 2, assuming that all black substances were produced carbon.
また、触媒保持ケースの外側上面には、触媒粒子がわずかに付着していた。触媒保持部内の触媒粒子は、ステンレス製金網に衝突することでわずかに砕けたようで、0.3mm以下のものもあり、中には触媒保持ケースの目開き0.1mmよりも小さくなった粒子もあった。しかし、上方のステンレスチャンバーのテーパー部分の流速低下の効果で、触媒保持ケースから飛び出した触媒粒子は、触媒保持ケースの上面又は触媒保持ケース内へ落下したらしく、ステンレスチャンバー内壁及び炭素粒子捕集部には、触媒粒子は付着していなかった。 Further, the catalyst particles were slightly adhered to the outer upper surface of the catalyst holding case. The catalyst particles in the catalyst holding part seemed to be slightly crushed by colliding with the stainless steel wire mesh, and some of them were 0.3 mm or less, and some of them were smaller than the opening of 0.1 mm of the catalyst holding case. There was also. However, due to the effect of lowering the flow velocity of the tapered portion of the upper stainless chamber, the catalyst particles protruding from the catalyst holding case seem to fall into the upper surface of the catalyst holding case or into the catalyst holding case, and the inner wall of the stainless chamber and the carbon particle collecting portion. No catalyst particles were attached to the surface.
以上のように、加熱した触媒へCO2を流通させる1工程のみで、CO2を炭素へ分解できることが判明した。また、炭素粒子捕集部の石英ウールへの黒色物付着が時間経過と共に増していったことから、連続的にCO2が分解することも明らかとなった。 As described above, it was found that CO 2 can be decomposed into carbon by only one step of distributing CO 2 to the heated catalyst. It was also clarified that CO 2 was continuously decomposed because the adhesion of black matter to the quartz wool of the carbon particle collecting part increased with the passage of time.
<比較例>
触媒保持部を有する石英管の上方に取り付けたステンレス製のチャンバー形状が、内径38mm、長さ600mmの円柱形状である点を除いては上記実施例と同様にして、反応装置を製造し、上記実施例と全く同様の実験を行った。上記実施例と同様に、石英ウールを固定した炭素粒子捕集部は、石英管が外壁であり、また、加熱炉の外部に位置しているため、実験中、常に目視することが可能であった。
<Comparison example>
A reactor was manufactured in the same manner as in the above embodiment except that the stainless steel chamber attached above the quartz tube having the catalyst holding portion had a cylindrical shape with an inner diameter of 38 mm and a length of 600 mm. An experiment exactly the same as in the examples was performed. Similar to the above embodiment, the carbon particle collecting portion to which the quartz wool is fixed can always be visually observed during the experiment because the quartz tube is the outer wall and is located outside the heating furnace. It was.
上記反応装置下部のガス導入口から、ヘリウムガスを流量6L/分で導入し、加熱炉へ通電し、触媒部分を、昇温速度15℃/分で500℃まで加熱した。この際の触媒部分のガス流速は、計算上5.3m/分であった。温度が500℃に到達した後、ヘリウムガスから、ヘリウムバランスの5%CO2ガスに切り替えた。流量は6L/分のままであり、ガス流速に変化はなかった。5%CO2ガスへ切り替えた後、2分程度経過したあたりから、炭素粒子捕集部の石英ウールがわずかに灰色になりだしたが、すぐに色の変化がなくなり、逆に、細かく粉砕された白色の触媒粒子の付着が始まった。この触媒粒子の付着量は、時間経過と共に増していった。30分経過したところで再度ヘリウムガスへ切り替え、加熱炉の通電を中止して室温まで冷却し、ヘリウムガスを停止した。 Helium gas was introduced at a flow rate of 6 L / min from the gas inlet at the bottom of the reactor, the heating furnace was energized, and the catalyst portion was heated to 500 ° C. at a heating rate of 15 ° C./min. The gas flow velocity of the catalyst portion at this time was calculated to be 5.3 m / min. After the temperature reached 500 ° C., helium gas was switched to helium-balanced 5% CO 2 gas. The flow rate remained at 6 L / min and there was no change in gas flow rate. About 2 minutes after switching to 5% CO 2 gas, the quartz wool in the carbon particle collection part began to turn slightly gray, but the color did not change immediately, and on the contrary, it was finely crushed. Adhesion of white catalyst particles began. The amount of the catalyst particles attached increased with the passage of time. After 30 minutes had passed, the gas was switched to helium gas again, the energization of the heating furnace was stopped, the mixture was cooled to room temperature, and the helium gas was stopped.
炭素粒子捕集部の石英ウールを取り出したところ、微量の灰色の部分が生成したのみであった。念のため、この部分全てを燃焼赤外線吸収法により炭素分析したが、炭素は検出されなかった。燃焼赤外線吸収法の炭素分析下限は5μgであり、仮に炭素が生成していたとしても、生成量は5μgより少ない量である。最大量で考えて炭素が5μg生成していたとしても、反応容器に流通したCO2はトータルで9Lであるので、CO2に含まれる炭素量の約0.0001%程度でしかなく、CO2分解としては非実用的な値であった。 When the quartz wool of the carbon particle collecting part was taken out, only a trace amount of gray part was formed. As a precaution, all of this part was carbon-analyzed by the combustion infrared absorption method, but no carbon was detected. The lower limit of carbon analysis in the combustion infrared absorption method is 5 μg, and even if carbon is produced, the amount of carbon produced is less than 5 μg. Even carbon believe in the greatest amount was produced 5 [mu] g, since CO 2 was circulated in the reaction vessel is a 9L total, rather only about 0.0001% of the amount of carbon contained in the CO 2, CO 2 It was an impractical value for decomposition.
このようにCO2分解が進行しなかった原因としては、触媒保持部の上部にテーパー構造が無く、ガス流速が低下しないので、細かくなり飛散した触媒を触媒保持部へ戻す働きが無く、触媒物質の3.4Li2O・SiO2と4.4K2O・SiO2が広く飛散し、両者が接触する機会が失われ、触媒性能を発揮できなかったものと考えられる。 The reason why the CO 2 decomposition did not proceed in this way is that there is no tapered structure at the top of the catalyst holding part and the gas flow velocity does not decrease, so there is no function to return the finely scattered catalyst to the catalyst holding part, and the catalyst substance. It is probable that the 3.4 Li 2 O · SiO 2 and the 4.4 K 2 O · SiO 2 were widely scattered, the opportunity for contact between the two was lost, and the catalytic performance could not be exhibited.
(実験例2)
以下に示す実験例2では、本発明の第2の実施形態に係る二酸化炭素分解装置について検証を行った。
(Experimental Example 2)
In Experimental Example 2 shown below, the carbon dioxide decomposition apparatus according to the second embodiment of the present invention was verified.
<実施例>
前述したアルカリ珪酸化物合成方法により、触媒物質として3.4Li2O・SiO2及び4.4K2O・SiO2を合成した。塊状の3.4Li2O・SiO2と4.4K2O・SiO2とを乳鉢にて粉砕し、篩を用いて、粒径を0.30mm〜0.85mmに調整した。この3.4Li2O・SiO2及び4.4K2O・SiO2を各々約3g混合し、市販の2μm〜6μm径の石英ウールで上下から軽く挟み込んだ。使用した石英ウールは、上下各々約0.5gである。これらを、外径約37mm、16メッシュの円盤状ステンレス製金網で、上下から軽く挟み込み、上下のステンレス製金網の周囲を、ステンレス製針金で結びつけた。これら全体の厚みは、円盤状ステンレス製金網の中央部で約20mmである。3.4Li2O・SiO2粒子及び4.4K2O・SiO2粒子の各々は、上下から挟み込まれた石英ウールの間で動く状態であった。
<Example>
By the above-mentioned alkali silicate synthesis method, 3.4 Li 2 O · SiO 2 and 4.4 K 2 O · SiO 2 were synthesized as catalyst substances. The massive 3.4 Li 2 O · SiO 2 and 4.4 K 2 O · SiO 2 were pulverized in a mortar and the particle size was adjusted to 0.30 mm to 0.85 mm using a sieve. About 3 g of each of the 3.4 Li 2 O · SiO 2 and the 4.4 K 2 O · SiO 2 were mixed and lightly sandwiched from above and below with commercially available quartz wool having a diameter of 2 μm to 6 μm. The quartz wool used is about 0.5 g each on the top and bottom. These were lightly sandwiched from above and below with a disc-shaped stainless steel wire mesh having an outer diameter of about 37 mm and 16 mesh, and the periphery of the upper and lower stainless steel wire mesh was connected with a stainless wire. The total thickness of these is about 20 mm at the central portion of the disc-shaped stainless steel wire mesh. Each of the 3.4 Li 2 O · SiO 2 particles and the 4.4K 2 O · SiO 2 particles were in a state of moving between the quartz wool sandwiched from above and below.
このようにして得られた触媒保持部を、内径約38mm、肉厚約2.3mm、全長640mmの垂直に固定した石英管の中央部に固定した。固定方法としては、内径約29mm、肉厚約2mmの石英管を上記石英管の内側に挿入し、上下から挟み込み固定する構造とした。 The catalyst holding portion thus obtained was fixed to the central portion of a vertically fixed quartz tube having an inner diameter of about 38 mm, a wall thickness of about 2.3 mm, and a total length of 640 mm. As a fixing method, a quartz tube having an inner diameter of about 29 mm and a wall thickness of about 2 mm was inserted inside the quartz tube and sandwiched and fixed from above and below.
更に、触媒粒子の上方約200mmの位置に、石英ウール約1gを、外径約37mm、16メッシュの円盤状ステンレス製金網で上下から挟み込んだ、厚さ約10mmの円盤状部品を取り付け、この部品の石英ウールにて、生成した炭素粒子を捕集することとした。固定方法は、上記と同様である。これらの部品で構成される部分が、集塵機として機能する。 Further, a disk-shaped part having a thickness of about 10 mm, which is obtained by sandwiching about 1 g of quartz wool from above and below with a disk-shaped stainless steel wire mesh having an outer diameter of about 37 mm and 16 mesh, is attached to a position about 200 mm above the catalyst particles. It was decided to collect the generated carbon particles with the quartz wool of. The fixing method is the same as described above. The part composed of these parts functions as a dust collector.
垂直に固定した外側石英管の上下には、アルミニウムで製作したフランジを取り付け、下側フランジには、ガス導入口を取り付けるとともに、上側フランジには、ガス排出口を取り付け、ガス導入口に対し、ガス配管を経由し所定の流量計及びガスボンベを接続した。触媒固定部の上下150mm、全長300mmの領域には、開閉式の抵抗式加熱炉を設置し、触媒部分を加熱可能とした。石英ウールのみ固定した炭素粒子捕集部は、加熱炉の外部に位置しており、実験中、常に目視することが可能であった。 Flange made of aluminum is attached to the top and bottom of the vertically fixed outer quartz tube, a gas inlet is attached to the lower flange, and a gas outlet is attached to the upper flange. A predetermined flow meter and gas cylinder were connected via the gas pipe. An openable and closable resistance heating furnace was installed in a region 150 mm above and below the catalyst fixing portion and a total length of 300 mm so that the catalyst portion could be heated. The carbon particle collector, in which only quartz wool was fixed, was located outside the heating furnace and was always visible during the experiment.
上記反応装置下部のガス導入口からヘリウムガスを流量6L/分で導入し、加熱炉へ通電し、15℃/分で触媒部分を500℃まで加熱した。この際の触媒部分のガス流速は、計算上5.3m/分である。500℃到達後、ヘリウムガスから、ヘリウムバランスの5%CO2ガスに切り替えた。流量は6L/分のままであり、ガス流速に変化はない。5%CO2ガスへ切り替え後、2分程度経過したあたりから、炭素粒子捕集部の石英ウールが黒くなりだし、黒さは、時間経過と共に増していった。30分経過したところで再度ヘリウムガスへ切り替え、加熱炉の通電を中止して室温まで冷却し、ヘリウムガスを停止した。 Helium gas was introduced from the gas inlet at the bottom of the reactor at a flow rate of 6 L / min, the heating furnace was energized, and the catalyst portion was heated to 500 ° C. at 15 ° C./min. The gas flow velocity of the catalyst portion at this time is calculated to be 5.3 m / min. After reaching 500 ° C., the helium gas was switched to a helium-balanced 5% CO 2 gas. The flow rate remains at 6 L / min and there is no change in the gas flow rate. About 2 minutes after switching to 5% CO 2 gas, the quartz wool in the carbon particle collection part began to turn black, and the blackness increased with the passage of time. After 30 minutes had passed, the gas was switched to helium gas again, the energization of the heating furnace was stopped, the mixture was cooled to room temperature, and the helium gas was stopped.
炭素粒子捕集部の石英ウールを取り出したところ、黒色物が付着していた。黒色物0.1gを回収し、燃焼赤外線吸収法で炭素分析したところ、98%以上が炭素であった。反応容器内の炭素源は、導入したCO2しかなく、触媒によりCO2が炭素へ還元されたと考えられる。なお、石英ウールに付着した炭素を定量するため、0.1g以外の残量を石英ウールごと空気中500℃で酸化処理を行ったところ、黒色物は消失し、約0.45gの重量減少があった。これら値から、炭素粒子捕集部へのトータルの黒色物付着量は、約0.55gであった。流通したCO2はトータルで9Lであるので、炭素粒子捕集部での炭素回収効率は、黒色物が全て生成炭素とすると、CO2に含まれる炭素量の約11.4%であった。また、触媒を挟んでいる石英ウールも少し黒くなっており、この黒色物0.05gを回収し、燃焼赤外線吸収法で炭素分析したところ、同じく98%以上が炭素であった。この部分の石英ウールも上記と同様の方法で酸化処理を行ったところ、黒色物は消失し、約0.1gの重量減少があり、触媒保持部へのトータルの黒色物付着量は、0.15gであった。流通したCO2はトータルで9Lであるので、触媒保持部への炭素付着率は、黒色物が全て生成炭素とすると、CO2に含まれる炭素量の約3.1%であった。 When the quartz wool in the carbon particle collection part was taken out, black matter was attached. When 0.1 g of black matter was recovered and carbon-analyzed by the combustion infrared absorption method, 98% or more was carbon. The only carbon source in the reaction vessel is the introduced CO 2 , and it is considered that CO 2 was reduced to carbon by the catalyst. In order to quantify the carbon adhering to the quartz wool, when the remaining amount other than 0.1 g was oxidized together with the quartz wool at 500 ° C. in the air, the black matter disappeared and the weight was reduced by about 0.45 g. there were. From these values, the total amount of black matter adhered to the carbon particle collecting portion was about 0.55 g. Since the total amount of CO 2 circulated was 9 L, the carbon recovery efficiency at the carbon particle collection section was about 11.4% of the amount of carbon contained in CO 2, assuming that all black substances were produced carbon. In addition, the quartz wool sandwiching the catalyst was also slightly blackened, and when 0.05 g of this black material was recovered and carbon-analyzed by the combustion infrared absorption method, 98% or more was also carbon. When the quartz wool in this part was also oxidized by the same method as above, the black matter disappeared and the weight was reduced by about 0.1 g, and the total amount of the black matter adhered to the catalyst holding portion was 0. It was 15 g. Since the total amount of CO 2 circulated was 9 L, the carbon adhesion rate to the catalyst holding portion was about 3.1% of the amount of carbon contained in CO 2, assuming that all black substances were produced carbon.
以上のように、加熱した触媒へCO2を流通させる1工程のみで、CO2を炭素へ分解できることが判明した。また、炭素粒子捕集部の石英ウールへの黒色物付着が時間経過と共に増していったことから、連続的にCO2が分解することも明らかとなった。 As described above, it was found that CO 2 can be decomposed into carbon by only one step of distributing CO 2 to the heated catalyst. It was also clarified that CO 2 was continuously decomposed because the adhesion of black matter to the quartz wool of the carbon particle collecting part increased with the passage of time.
<比較例>
触媒保持部に石英ウールを使用しない点、及び、触媒保持部のステンレス製金網の目開きを変更した点以外は上記実施例と同様にして、反応装置を製造した。すなわち、粒径が0.30mm〜0.85mmの3.4Li2O・SiO2及び4.4K2O・SiO2を各々約3g混合し、触媒保持部に石英ウールを使用せず、外径約37mm、165メッシュ、目開き0.104mmの円盤状ステンレス製金網のみで上下から軽く挟み込み、上下のステンレス製金網の周囲を、ステンレス製針金で結びつけた。これら全体の厚みは、円盤状ステンレス製金網の中央部で約10mmである。3.4Li2O・SiO2粒子及び4.4K2O・SiO2粒子の各々は、上下から挟み込まれた円盤状ステンレス製金網の間で動く状態であった。また、上記実施例と同様に、石英ウールを固定した炭素粒子捕集部は、石英管が外壁であり、更に、加熱炉の外部に位置しているため、実験中、常に目視することが可能であった。
<Comparison example>
A reactor was manufactured in the same manner as in the above-mentioned Examples except that quartz wool was not used for the catalyst holding portion and the opening of the stainless steel wire mesh of the catalyst holding portion was changed. That is, about 3 g of each of 3.4 Li 2 O · SiO 2 and 4.4 K 2 O · SiO 2 having a particle size of 0.30 mm to 0.85 mm are mixed, and quartz wool is not used for the catalyst holding portion, and the outer diameter is not used. It was lightly sandwiched from above and below only with a disc-shaped stainless steel wire mesh of about 37 mm, 165 mesh, and a mesh size of 0.104 mm, and the circumference of the upper and lower stainless steel wire mesh was tied with a stainless wire. The total thickness of these is about 10 mm at the central portion of the disc-shaped stainless steel wire mesh. Each of the 3.4 Li 2 O · SiO 2 particles and the 4.4K 2 O · SiO 2 particles were in a state of moving between the disk-shaped stainless steel wire mesh sandwiched from above and below. Further, as in the above embodiment, the carbon particle collecting portion to which the quartz wool is fixed has a quartz tube as an outer wall and is located outside the heating furnace, so that it can always be visually observed during the experiment. Met.
上記反応装置下部のガス導入口から、ヘリウムガスを流量6L/分で導入し、加熱炉へ通電し、触媒部分を、昇温速度15℃/分で500℃まで加熱した。この際の触媒部分のガス流速は、計算上5.3m/分であった。温度が500℃に到達した後、ヘリウムガスから、ヘリウムバランスの5%CO2ガスに切り替えた。流量は6L/分のままであり、ガス流速に変化はなかった。5%CO2ガスへ切り替えた後、2分程度経過したあたりから、炭素粒子捕集部の石英ウールがわずかに灰色になりだしたが、すぐに色の変化がなくなり、逆に、細かく粉砕された白色の触媒粒子の付着が始まった。この触媒粒子の付着量は、時間経過と共に増していった。30分経過したところで再度ヘリウムガスへ切り替え、加熱炉の通電を中止して室温まで冷却し、ヘリウムガスを停止した。 Helium gas was introduced at a flow rate of 6 L / min from the gas inlet at the bottom of the reactor, the heating furnace was energized, and the catalyst portion was heated to 500 ° C. at a heating rate of 15 ° C./min. The gas flow velocity of the catalyst portion at this time was calculated to be 5.3 m / min. After the temperature reached 500 ° C., helium gas was switched to helium-balanced 5% CO 2 gas. The flow rate remained at 6 L / min and there was no change in gas flow rate. About 2 minutes after switching to 5% CO 2 gas, the quartz wool in the carbon particle collection part began to turn slightly gray, but the color did not change immediately, and on the contrary, it was finely crushed. Adhesion of white catalyst particles began. The amount of the catalyst particles attached increased with the passage of time. After 30 minutes had passed, the gas was switched to helium gas again, the energization of the heating furnace was stopped, the mixture was cooled to room temperature, and the helium gas was stopped.
炭素粒子捕集部の石英ウールを取り出したところ、微量の灰色の部分が生成したのみであった。念のため、この部分全てを燃焼赤外線吸収法により炭素分析したが、炭素は検出されなかった。燃焼赤外線吸収法の炭素分析下限は5μgであり、仮に炭素が生成していたとしても、生成量は5μgより少ない量である。最大量で考えて炭素が5μg生成していたとしても、反応容器に流通したCO2はトータルで9Lであるので、CO2に含まれる炭素量の約0.0001%程度でしかなく、CO2分解としては非実用的な値であった。 When the quartz wool of the carbon particle collecting part was taken out, only a trace amount of gray part was formed. As a precaution, all of this part was carbon-analyzed by the combustion infrared absorption method, but no carbon was detected. The lower limit of carbon analysis in the combustion infrared absorption method is 5 μg, and even if carbon is produced, the amount of carbon produced is less than 5 μg. Even carbon believe in the greatest amount was produced 5 [mu] g, since CO 2 was circulated in the reaction vessel is a 9L total, rather only about 0.0001% of the amount of carbon contained in the CO 2, CO 2 It was an impractical value for decomposition.
このようにCO2分解が進行しなかった原因としては、触媒保持部に石英ウールが存在しなかったため、細かくなった触媒粒子が飛散してしまい、加熱部で両者が接触する機会が失われ、触媒性能を発揮できなかったためと考えられる。 The reason why the CO 2 decomposition did not proceed in this way is that the quartz wool was not present in the catalyst holding part, so that the finer catalyst particles were scattered and the opportunity for the two to come into contact with each other in the heating part was lost. It is probable that the catalytic performance could not be exhibited.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to such examples. It is clear that a person having ordinary knowledge in the field of technology to which the present invention belongs can come up with various modifications or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. , These are also naturally understood to belong to the technical scope of the present invention.
1 二酸化炭素分解装置
10 チャンバー部
20 二酸化炭素含有ガス導入部
30 集塵機
40 脱水装置
50 加熱設備
100 チャンバー
101 テーパー部
103 非テーパー部
105 逆テーパー部
107 供給口
109 排出口
111 触媒保持領域
113 多孔部材
113A 下部多孔部材
113B 上部多孔部材
200,200’ チャンバー
201 供給口
203 排出口
205 テーパー部
211,221 触媒保持領域
213 アルカリ珪酸化物領域
215 石英ウール層
215A 上流側石英ウール層
215B 下流側石英ウール層
217,223 多孔部材
217A,223A 上流側多孔部材
217B,223B 下流側多孔部材
251 穴あき部材
251A 上流側穴あき部材
251B 下流側穴あき部材
1 Carbon
Claims (16)
前記アルカリ珪酸化物を少なくとも含む、触媒が保持された領域である触媒保持領域と、
前記アルカリ珪酸化物の表面に生成される前記炭素を、前記表面から剥離させる炭素剥離機構と、
内部に前記触媒保持領域及び前記炭素剥離機構が収容されており、少なくとも前記触媒保持領域が加熱設備により所定の温度まで加熱されるとともに、生成した前記炭素及び前記酸素が排出口から排出されるチャンバーと、
前記チャンバー内の前記触媒保持領域に対して二酸化炭素含有ガスを導入する二酸化炭素含有ガス導入部と、
前記排出口から排出された前記炭素を回収する集塵機と、
を備える、二酸化炭素分解装置。 Alkaline silicic acid is used as a catalyst, and by heating the catalyst holding part, which is the part where the alkaline silicic oxide is held, it is used for the decomposition treatment of decomposing carbon dioxide passing through the catalyst holding part into carbon and oxygen. It ’s a device,
A catalyst holding region which is a region where the catalyst is held, which contains at least the alkali silicic acid oxide, and a catalyst holding region.
A carbon peeling mechanism for peeling the carbon generated on the surface of the alkali silicic acid oxide from the surface,
A chamber in which the catalyst holding region and the carbon peeling mechanism are housed, at least the catalyst holding region is heated to a predetermined temperature by a heating facility, and the generated carbon and the oxygen are discharged from the discharge port. When,
A carbon dioxide-containing gas introduction unit that introduces carbon dioxide-containing gas into the catalyst holding region in the chamber, and a carbon dioxide-containing gas introduction unit.
A dust collector that collects the carbon discharged from the discharge port, and
A carbon dioxide decomposition device equipped with.
前記炭素剥離機構として、前記触媒保持領域の鉛直方向上方側の端部及び鉛直方向下方側の端部にそれぞれ位置し、前記アルカリ珪酸化物の粒子の平均粒径よりも小さい孔径を有する孔部の設けられた一対の多孔部材を有する、請求項1に記載の二酸化炭素分解装置。 The chamber has a tapered portion whose internal region expands toward the upper side in the vertical direction, and the catalyst holding region is provided in the tapered portion or below the tapered portion.
As the carbon exfoliation mechanism, the pores are located at the upper end in the vertical direction and the lower end in the vertical direction of the catalyst holding region, respectively, and have a pore diameter smaller than the average particle diameter of the alkali siliceous oxide particles. The carbon dioxide decomposition apparatus according to claim 1, further comprising a pair of porous members provided.
前記二酸化炭素含有ガスにより、前記アルカリ珪酸化物の粒子が鉛直方向上方側に位置する前記多孔部材に衝突する、請求項2又は3に記載の二酸化炭素分解装置。 The volume of the catalyst holding region is 2 times or more and 100 times or less the volume of the alkaline silicic oxide housed in the catalyst holding region.
The carbon dioxide decomposition apparatus according to claim 2 or 3, wherein the carbon dioxide-containing gas causes the alkali silicic acid particles to collide with the porous member located on the upper side in the vertical direction.
前記触媒保持領域は、前記テーパー部に該当する部位に設けられており、
前記テーパー部が有するテーパー形状により、前記触媒保持領域から飛散した前記アルカリ珪酸化物の粒子を、前記触媒保持領域まで沈降させる、請求項7〜11の何れか1項に記載の二酸化炭素分解装置。 The gas flow direction in the chamber is from the lower side to the upper side in the vertical direction, and the upstream side of the chamber is provided with a tapered portion whose internal region expands toward the upper side in the vertical direction.
The catalyst holding region is provided at a portion corresponding to the tapered portion.
The carbon dioxide decomposition apparatus according to any one of claims 7 to 11, wherein the alkali silicic acid particles scattered from the catalyst holding region are settled to the catalyst holding region due to the tapered shape of the tapered portion.
The carbon dioxide decomposition device according to any one of claims 1 to 15, wherein a dehydrator for removing water in the carbon dioxide-containing gas is provided on the upstream side of the carbon dioxide-containing gas introduction unit.
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