JP7521593B2 - 二酸化炭素回収装置及びこれを用いた二酸化炭素回収システム並びに二酸化炭素回収方法 - Google Patents

Description

本開示は、二酸化炭素回収装置及びこれを用いた二酸化炭素回収システム並びに二酸化炭素回収方法に関する。

近年、バイオマスのような再生可能エネルギーの利用が促進されており、バイオマスをメタン発酵して得られたメタンをエネルギー源として利用することが知られている。しかしながら、メタン発酵により得られるバイオガスにはメタンだけでなく、通常、十～数十パーセント程度の二酸化炭素も含まれている。

そこで、特許文献１のように、メタンと二酸化炭素とを含む混合ガスから二酸化炭素を取り除いてメタンのみのガスとする分離方法が提案されている。この方法では、２種類のガスを水和物化しない第１の状態から、一方のガスのみを水和物化する第２の状態へ遷移することにより、一方のガスのみを水和物として両者を分離している。

特開２００３－１３５９２１号公報

特許文献１では、バイオガスからメタンを抽出してエネルギー源とすることが開示されているが、バイオガスからメタンを抽出した後に残る二酸化炭素については着目されていない。二酸化炭素は、近年、地球温暖化の原因として問題視されており、大気への排出量を低減する必要がある。

そこで、本開示は、二酸化炭素を低エネルギーで回収可能な二酸化炭素回収装置及びこれを用いた二酸化炭素回収システム並びに二酸化炭素回収方法を提供することを目的とする。

本開示に係る二酸化炭素回収装置は、二酸化炭素と吸収液に含まれるアミンとの化合物を生成する吸収部を備える。二酸化炭素回収装置は、化合物から二酸化炭素を脱離させてアミンの錯化合物を生成するアノードと、アノードと電気的に接続され、錯化合物からアミンを再生するカソードとを含む再生部を備える。

吸収部はバイオガスに含まれる二酸化炭素と吸収液に含まれるアミンとの化合物を生成してもよい。上記化合物はカルバメートであってもよい。上記錯化合物は、二酸化炭素とアミンとの化合物と、アノードに含まれる金属との配位化合物であってもよい。上記金属は銅であってもよい。再生部は、アノードが設けられるアノード室と、カソードが設けられるカソード室とを区画するセパレータを含んでもよい。再生部は、アノード室から送られ、アノードで脱離した二酸化炭素とアミンの錯化合物を含む吸収液とを分離する気液分離部を含み、アミンの錯化合物を含む吸収液は気液分離部からカソード室に送られてもよい。

本開示に係る二酸化炭素回収システムは、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを生成するバイオリアクタと、二酸化炭素回収装置とを備える。

本開示に係る二酸化炭素回収システムは、二酸化炭素回収装置と、二酸化炭素回収装置で回収された二酸化炭素と水素とを含む原料を反応させる反応装置とを備える。

本開示に係る二酸化炭素回収システムは、二酸化炭素回収装置と、二酸化炭素回収装置で回収された二酸化炭素と水とを共電解して一酸化炭素と水素とを生成する共電解装置を備える。二酸化炭素回収システムは、共電解装置で生成された一酸化炭素と水素とを含む原料を反応させる反応装置を備える。

反応装置は炭化水素を生成してもよい。

二酸化炭素回収方法は、二酸化炭素と吸収液に含まれるアミンとの化合物を生成する工程と、化合物から二酸化炭素を脱離させてアミンの錯化合物を生成する工程と、錯化合物からアミンを再生する工程とを含む。

本開示によれば、二酸化炭素を低エネルギーで回収可能な二酸化炭素回収装置及びこれを用いた二酸化炭素回収システム並びに二酸化炭素回収方法を提供することができる。

図１は、一実施形態に係る二酸化炭素回収装置を示す概略図である。 図２は、一実施形態に係る二酸化炭素回収システムを示す概略図である。 図３は、別の実施形態に係る二酸化炭素回収システムを示す概略図である。 図４は、本実施形態に係るＳＯＥＣ（固体酸化物形電解セル）の例を示す概略図である。

以下、いくつかの例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

［二酸化炭素回収装置］
まず、図１を用いて本実施形態に係る二酸化炭素回収装置１について説明する。二酸化炭素回収装置１は、バイオガスＧから二酸化炭素を回収する。二酸化炭素回収装置１は、具体的には、回収対象となる二酸化炭素を含有するバイオガスＧから、回収対象となるバイオガスＧよりも高い二酸化炭素濃度のガスを生成する。また、二酸化炭素回収装置１は、バイオガスＧから二酸化炭素を回収することにより、高濃度のメタンガスを生成する。二酸化炭素回収装置１の再生部７は、ＥＭＡＲ（Electrochemically-Mediated Amine Regeneration）法を利用する装置である。二酸化炭素回収装置１は、吸収部２と、供給配管５と、ポンプ６と、再生部７と、還流配管１７とを含んでいる。

吸収部２は、バイオガスＧに含まれる二酸化炭素と吸収液に含まれるアミンとの化合物を生成する。バイオガスＧは、例えば、バイオマスを原料としてメタン発酵により生成されるガスである。バイオガスＧは、原料や発酵条件によっても異なるが、約６０％のメタンと、約４０％の二酸化炭素を含んでいる。メタンは、都市ガスの燃料用ガスとして知られている。吸収部２は、二酸化炭素とアミンとの化合物を生成することで、バイオガスＧから二酸化炭素を除去し、バイオガスＧよりもメタン濃度が高いガスを生成することができる。また、このような化合物が生成されることにより、二酸化炭素が吸収された吸収液を容易に再生部７に送液することができる。

吸収液は、例えばアミンと水とを含むアミン系水溶液である。アミンとしては、例えば、ジアミン、トリアミン及びテトラミンを含むポリアミンなどが挙げられる。アミンは、安定した錯化合物を形成しやすいことから、エチレンジアミン（ＥＤＡ）、アミノエチルエタノールアミン（ＡＥＥＡ）、ジエチレントリアミン（ＤＥＴＡ）、及びトリエチレンテトラミン（ＴＥＴＡ）からなる群より選択される少なくとも一種のアミンを含むことが好ましい。吸収液におけるアミンの含有量はバイオガスＧに含まれる二酸化炭素量や処理速度等に応じて適宜設定することができ、１０質量％～７０質量％であることが好ましい。

二酸化炭素とアミンとの化合物は、再生部７で錯化合物が生成されて二酸化炭素が脱離されれば特に限定されないが、例えばカルバメートである。カルバメートは安定した化合物であり、二酸化炭素が脱離しにくいため、二酸化炭素をカルバメートとして吸収部２から再生部７に容易に送液することができる。

吸収部２は、例えば向流型気液接触装置である。吸収部２は、吸収槽３と、吸収槽３の内部に設けられた充填材４とを含んでいる。吸収槽３の充填材４より下方には、バイオガスＧが供給される供給口が設けられている。供給口から供給されたバイオガスＧは、充填材４の上方から供給される吸収液と気液接触しながら吸収槽３内を上昇し、充填材４を通過することにより、吸収液との気液接触が促進される。充填材４は、供給された気体と液体との接触面積を大きくするために設けられる。充填材４は、ステンレス鋼及び炭素鋼等の鉄系金属材料製のものが用いられるが、特に限定されず、処理温度における耐久性及び耐腐食性を有する素材で、所望の接触面積を提供し得る形状のものを適宜選択して使用できる。

吸収液内では二酸化炭素とアミンとが反応した化合物が生成され、バイオガスＧに含まれる二酸化炭素が吸収液に吸収される。バイオガスＧから二酸化炭素が除去され、メタンを主成分とするガスは、吸収槽３の充填材４よりも上方に設けられた排出口から排出される。メタンを主成分とするガスは、図示しない配管を通じて燃料として直接使用してもよく、貯蔵タンクなどに貯蔵してもよい。

二酸化炭素を吸収した吸収液は、充填材４から吸収槽３の底部に滴り落ち、吸収槽３の底部に滞留する。吸収槽３の底部と再生部７のアノード室９とは供給配管５を介して接続されている。吸収槽３の底部に滞留する吸収液は、供給配管５に設けられたポンプ６によって、供給配管５を通じ、再生部７へ送られる。

再生部７は、吸収部２で二酸化炭素が吸収された吸収液であるリッチ溶液から二酸化炭素を分離してリーン溶液として吸収液を再生する。再生部７は、アノード８と、アノード室９と、気液分離部１１と、カソード１３と、カソード室１４と、セパレータ１５と、電源１６とを含む。

アノード８は、二酸化炭素とアミンとの化合物から二酸化炭素を脱離させてアミンの錯化合物を生成する。錯化合物は、例えば、二酸化炭素とアミンとの化合物と、アノード８に含まれる金属との配位化合物である。アノード８に含まれる金属は、アミンと錯化合物を形成することが可能な金属であれば特に限定されないが、アミンと錯化合物を形成しやすく、入手が容易であることから、銅であることが好ましい。アノード８は、アミンと錯化合物を形成可能であれば、特に限定されず、上記金属の金属塊、上記金属の多孔質体、又は、基体の表面に上記金属をめっきした物体であってもよい。

アノード８はアノード室９に設けられる。アノード室９には、二酸化炭素とアミンとの化合物を含む吸収液が吸収部２から送られる。アノード８に含まれる金属が銅である場合、アノード８では、下記反応式（１）に示すように、二酸化炭素とアミンとの化合物（Ａｍ（ＣＯ_２）_ｍ）に銅（Ｃｕ）が配位結合する。そして、アミンと銅との錯化合物（ＣｕＡｍ_{（２／ｍ）} ^２＋）が生成されて二酸化炭素（ＣＯ_２）が脱離する。なお、反応式（１）中、ｍは正の整数を表す。

（２／ｍ）Ａｍ（ＣＯ_２）_ｍ（ａｑ）＋Ｃｕ（ｓ）→ＣｕＡｍ_{（２／ｍ）} ^２＋（ａｑ）＋２ＣＯ_２（ｇ）＋２ｅ^－ （１）

気液分離部１１は、配管１０を介してアノード室９に接続され、配管１２を介してカソード室１４に接続される。気液分離部１１は、アノード室９から送られ、アノード８で脱離した二酸化炭素とアミンの錯化合物を含む吸収液とを分離する。アミンの錯化合物を含む吸収液は気液分離部１１からカソード室１４に送られる。気液分離部１１は、気体の二酸化炭素と液体の吸収液とを分離することができるため、アノード８で放出された二酸化炭素が吸収液に再度吸収されることを抑制することができる。分離されたアミン吸収液は気液分離部１１で気泡が除去され、カソード１３への気泡の付着も少なくなるため、カソード１３との接触面積が大きくなり、カソードでの反応効率も高くなる。分離された二酸化炭素は、例えば、後述する反応装置１３０又は反応装置１６０の原料として利用したり、貯蔵したりすることができる。気液分離部１１は、例えばフラッシュタンクであってもよい。

カソード室１４にはカソード１３が設けられる。カソード室１４には、アミンの錯化合物を含む吸収液がアノード室９から送られる。カソード１３は、アノード８と電気的に接続され、錯化合物からアミンを再生する。カソード１３に含まれる金属は、特に限定されないが、銅であることが好ましい。カソード１３は、特に限定されず、上記金属の金属塊、上記金属の多孔質体、又は、基体の表面に上記金属をめっきした物体であってもよい。カソード１３では、下記反応式（２）に示すように、錯化合物（ＣｕＡｍ_{（２／ｍ）} ^２＋）が電子を受け取り、錯化合物の銅（Ｃｕ）が析出してアミン（Ａｍ）が再生される。なお、反応式（２）中、ｍは正の整数を表す。

ＣｕＡｍ_{（２／ｍ）} ^２＋（ａｑ）＋２ｅ^－→Ｃｕ（ｓ）＋（２／ｍ）Ａｍ（ａｑ） （２）

セパレータ１５は、アノード室９とカソード室１４とを区画する。これにより、アノード室９を通過する吸収液と、カソード室１４を通過する吸収液とが混ざらないように隔てられる。セパレータ１５は、アノード室９とカソード室１４との間のイオンの移動が可能であり、アノード室９内の吸収液とカソード室１４内の吸収液とが混ざらなければ特に限定されない。セパレータ１５は、例えば、多孔質ポリオレフィン膜及びイオン交換膜の少なくともいずれか一方であってもよい。多孔質ポリオレフィン膜は安価であり、物理的耐久性に優れている。多孔質ポリオレフィン膜は、濡れ性を向上させるため、表面に界面活性剤をコーティングしてもよい。イオン交換膜は、複数の空孔を設ける必要がないことからアノード室９内の吸収液とカソード室１４内の吸収液との分離能力が高く、イオン伝導性にも優れていることから好ましい。イオン交換膜は、陽イオン交換膜又は陰イオン交換膜であってもよいが、陽イオン交換膜であることが好ましい。

電源１６は、アノード８及びカソード１３に電気的に接続されており、アノード８とカソード１３との間に電圧を印加することができる。電源１６は、アノード８及びカソード１３間に直流電流を直接流してもよく、交流電流を直流電流に変換してアノード８及びカソード１３間に直流電流を流してもよい。

アノード８のセパレータ１５とは反対側の面、及びカソード１３のセパレータ１５とは反対側の面には図示しないエンドプレートが設けられていてもよい。また、図では再生部７が単一のアノード８と単一のカソード１３とを含む単セルを備える例について説明したが、再生部７は複数のセルを備えていてもよい。複数のセルは直列に積層されていてもよく、共通のエンドプレートを介して複数のセルが積層されてもよい。

再生部７のカソード室１４と、吸収部２の充填材４よりも上方の吸収槽３の上部とは、還流配管１７を介して接続されている。再生部７のカソード室１４の吸収液は、還流配管１７を通じ、吸収部２の充填材４より上方へ送られる。吸収液は充填材４より上方から再び供給され、バイオガスＧと気液接触し、吸収液に二酸化炭素が吸収される。

以上の通り、本実施形態に係る二酸化炭素回収装置１は、二酸化炭素と吸収液に含まれるアミンとの化合物を生成する吸収部２を備える。二酸化炭素回収装置１は、上記化合物から二酸化炭素を脱離させてアミンの錯化合物を生成するアノード８と、アノード８と電気的に接続され、錯化合物からアミンを再生するカソード１３とを含む再生部７を備える。

また、二酸化炭素回収方法は、二酸化炭素と吸収液に含まれるアミンとの化合物を生成する工程と、上記化合物から二酸化炭素を脱離させてアミンの錯化合物を生成する工程と、上記錯化合物から上記アミンを再生する工程とを含む。

例えば、バイオガスＧは、バイオマスを原料として微生物を利用して生成されるが、微生物の発酵温度は高くても５０℃～６０℃程度である。そのため、従来の二酸化炭素回収装置のように、吸収塔において４０℃～６０℃で燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液で吸収し、放散塔において１００℃以上で吸収液から二酸化炭素を放散する場合、放散塔に熱エネルギーを供給する必要がある。従来の二酸化炭素回収装置であっても、発電所のように熱エネルギーを供給可能なボイラーなどがあれば、システム全体のエネルギー効率を低減することができる。

しかしながら、上述のように、例えばバイオガスは低温で生成される。そのため、ボイラーのような熱エネルギーを利用することはできず、従来の二酸化炭素回収装置によってバイオガスの二酸化炭素を回収する場合、放散塔を加熱するための専用の加熱装置、及び放散塔を加熱するためのエネルギーが必要になる。

一方、本実施形態に係る二酸化炭素回収装置１は、二酸化炭素とアミンとの化合物から二酸化炭素を脱離させてアミンの錯化合物を生成するアノード８と、錯化合物からアミンを再生するカソード１３とを含む再生部７を備える。そのため、アノード８及びカソード１３によって電気化学的に二酸化炭素を放散することができる。したがって、本実施形態に係る二酸化炭素回収装置１では、従来のような熱によって二酸化炭素を放散する二酸化炭素回収装置と異なり、低エネルギーで例えばバイオガスＧに含まれる二酸化炭素を回収することができる。

例えば、従来の二酸化炭素回収装置で一般的に使用されるモノエタノールアミン（ＭＥＡ）又はエチレンジアミン（ＥＤＡ）のようなアミンを加熱して再生する場合、例えば４０～４５ｋＪ／ｍｏｌＣＯ_２程度のエネルギーを必要とする。一方、本実施形態に係る二酸化炭素回収装置１のようにＥＭＡＲ法によってアミンを再生する場合、供給ガスの圧力を１バールとすると、約３０ｋＪ／ｍｏｌＣＯ_２程度のエネルギーを必要とする。そのため、本実施形態に係る二酸化炭素回収装置１は、従来の二酸化炭素回収装置と比較して約６６～７５％のエネルギーで吸収液を再生することができる。したがって、本実施形態に係る二酸化炭素回収装置１及び二酸化炭素回収方法は、二酸化炭素を低エネルギーで回収することができる。

二酸化炭素回収装置１では、二酸化炭素とアミンとの化合物はカルバメートであってもよい。カルバメートは安定した化合物であり、二酸化炭素が脱離しにくいため、二酸化炭素をカルバメートとして吸収部２から再生部７に容易に送液することができる。

二酸化炭素回収装置１では、錯化合物は、二酸化炭素とアミンとの化合物と、アノード８に含まれる金属との配位化合物であってもよい。このような錯化合物が生成されることによって、アノード８で二酸化炭素が放出され、カソード１３にアノード８に含まれる金属を析出させることができるため、吸収液が効率よく再生される。

アノード８に含まれる金属は銅であってもよい。銅はアミンと錯化合物を形成しやすく、二酸化炭素とアミンとの化合物と、銅との配位化合物がアノード８で生成されやすい。また、銅は入手が容易であることから、低コストでアノード８を形成することができる。

再生部７は、アノード８が設けられるアノード室９と、カソード１３が設けられるカソード室１４とを区画するセパレータ１５を含んでもよい。セパレータ１５は、アノード室９を通過する吸収液と、カソード室１４を通過する吸収液とが混ざらないように隔てることができる。そのため、アノード８で放出された二酸化炭素が吸収液に再度吸収されることを抑制することができる。

再生部７は、アノード室９から送られ、アノード８で脱離した二酸化炭素とアミンの錯化合物を含む吸収液とを分離する気液分離部１１を含み、アミンの錯化合物を含む吸収液は気液分離部１１からカソード室１４に送られてもよい。気液分離部１１は、気体の二酸化炭素と液体の吸収液とを分離することができるため、アノード８で放出された二酸化炭素が吸収液に再度吸収されることを抑制することができる。また、分離されたアミン吸収液は気液分離部１１で気泡が除去され、カソード１３への気泡の付着も少なくなるため、カソード１３との接触面積が大きくなり、カソード１３での反応効率も高くなる。

［二酸化炭素回収システム］
（第１実施形態）
次に、図２を用いて本実施形態に係る二酸化炭素回収システム１００について説明する。本実施形態に係る二酸化炭素回収システム１００は、バイオリアクタ１１０と、上述した二酸化炭素回収装置１と、水電解装置１２０と、反応装置１３０とを備える。

バイオリアクタ１１０は、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを生成する。バイオガスは、バイオマスを原料として生成することができる。バイオマスは、動植物に由来する資源であり、化石資源に代えてこのような再生可能エネルギーを利用することにより、地球温暖化の一因とされている二酸化炭素の排出を抑制することができる。バイオマスは、例えば、木材、草本、紙、家畜排せつ物、下水汚泥及び浄化槽汚泥などの生活排水、並びに食品廃棄物などの有機物を含む。バイオリアクタ１１０は、例えば、飲料工場、下水処理場などに設置される。バイオガスを効率的に生成するため、必要に応じ、供給される原料の粉砕及び希釈、並びに供給される原料中の異物の除去などの前処理が実施されたバイオマスがバイオリアクタ１１０に供給されてもよい。

バイオリアクタ１１０は、原料の供給、発酵及び排出を一単位として繰り返す回分式であってもよく、原料の供給、発酵及び排出を、連続的に同時に行う連続式であってもよい。バイオリアクタ１１０は、メタン発酵処理を行う発酵槽を含んでいてもよい。バイオリアクタ１１０は、単一の発酵槽のみを含んでいてもよく、複数の発酵槽を含んでいてもよい。バイオリアクタ１１０は、発酵温度が最適な温度となるように発酵槽内の温度を所定の温度に加温する加温部を含んでいてもよい。

発酵槽には、メタン発酵を行うための微生物が保持されていてもよい。微生物の保持方法としては特に限定されないが、固定床法、流動床法、又はＵＡＳＢ（上向流嫌気性汚泥床）法などが挙げられる。固定床法では、通常、微生物を担持させた担体が発酵槽内に充填される。流動床法では、通常、微生物を担持させた担体が発酵槽内に収容され、発酵槽内で流動する。ＵＡＳＢ法では、通常、担体に担持させずに微生物を凝集させたグラニュールが発酵槽内に収容される。グラニュールの粒子径は、例えば０．５～２ｍｍ程度である。

メタン発酵では、多くの嫌気性微生物により、バイオマスからメタンが生成される。具体的には、タンパク質、炭水化物及び脂質を含む有機物が加水分解され、アミノ酸、糖類及び脂肪酸が生成される。アミノ酸、糖類及び脂肪酸は、酢酸、二酸化炭素及び水素に分解される。そして、メタン生成菌によって、酢酸、二酸化炭素及び水素からメタンが生成される。バイオリアクタ１１０ではバイオガスが生成され、バイオガスにはメタンだけでなく二酸化炭素も含まれる。

メタン生成菌は、５０℃～６０℃のような高温度で活性を示す高温メタン生成菌を含んでいてもよく、３５℃～３８℃のような中温度で活性を示す中温メタン生成菌を含んでいてもよい。高温メタン生成菌を用いた場合には、メタン発酵の時間を短くすることができる。低温メタン菌を用いた場合には、発酵槽の加温に要する温度を低減することができる。

バイオガスには、メタン及び二酸化炭素以外にも、原料となるバイオマスに含まれる成分によって硫化水素及びメチルメルカプタンなどの硫黄成分、有機ポリシロキサン並びにアンモニアなどの不純物が含まれている場合がある。そのため、二酸化炭素回収装置１及び配管への不純物の付着などを抑制するため、上記のような不純物を除去してもよい。

水電解装置１２０は水を電気分解して水素を生成する。水電解装置１２０は、水を電気分解して水素を生成することができれば特に限定されない。例えば、水電解装置１２０は、アルカリ形電解セル、固体高分子形電解セル、又は、ＳＯＥＣ（固体酸化物形電解セル）を含んでいてもよい。

反応装置１３０は、二酸化炭素回収装置１で回収された二酸化炭素と水素とを含む原料を反応させる。反応装置１３０に供給される水素は、水電解装置１２０で生成された水素が供給されてもよい。二酸化炭素回収装置１は電気化学的に吸収液を再生することができ、二酸化炭素の回収と水電解の負荷を合わせやすいため、二酸化炭素回収システム１００全体の制御性を向上させることができる。反応装置１３０は、二酸化炭素と水素とを含む原料を反応させて生成することが可能な生成物を生成することができる。反応装置１３０は、エネルギー源及び化学品の原料として用いることができ、利用価値が高いため、炭化水素を生成することが好ましい。

炭化水素は、例えば、パラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方を含んでいる。パラフィンはアルカンを意味し、オレフィンはアルケンを意味する。これらの炭化水素は、フィッシャー－トロプシュ法によって生成することができる。パラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方は、炭素数が１から４の炭化水素を含んでいることが好ましい。炭素数が１から４のパラフィンとしては、例えば、メタン、エタン、プロパン及びブタンが挙げられる。炭素数が１から４のオレフィンとしては、例えば、エチレン、プロピレン、１－ブテン、２－ブテン、イソブテン及び１，３－ブタジエンが挙げられる。なお、これらの中でも、メタン、エタン及びプロパンは、都市ガスの燃料とすることができる。また、炭素数が２以上４以下のオレフィンは、プラスチックの原料にもなるため有用である。なお、反応装置１３０から排出された排出ガスは、上記以外の化合物を含んでいてもよい。

反応装置１３０は、公知の反応器を用いることができ、例えば、シェルアンドチューブ型、又は、平板型のリアクター、又は流動層型のリアクターを使用することができる。シェルアンドチューブ型のリアクターは、構造が簡易であるため、安価であり、チューブ数を増やすことで大容量化にも容易に対応することができる。一方、平板型のリアクターは熱交換効率が高いため、反応熱を除去し、反応効率を向上させる点において優れている。

反応装置１３０には、原料が通過する流路内に触媒が配置されており、原料が触媒に接触することによって炭化水素を生成することができる。反応装置１３０に設けられる触媒は、原料から炭化水素を生成することができれば特に限定されない。触媒は、生成する炭化水素の種類の観点から選択され、例えば鉄触媒又はコバルト触媒などの公知の触媒を使用することができる。鉄触媒の場合は軽質炭化水素を主に生成することができ、コバルト触媒の場合はワックスを含む重質炭化水素を主に生成することができる。また、鉄触媒の場合はオレフィン及びパラフィンを主として生成することができ、コバルト触媒の場合はパラフィンを主として生成することができる。なお、鉄触媒は鉄を活性成分として含む触媒であり、コバルト触媒はコバルトを活性成分として含む触媒である。活性成分の含有量は、触媒全体の２０質量％以上であることが好ましい。鉄触媒は、炭素数が２以上の炭化水素を生成することが好ましい。これにより、プラスチックの原料にもなる軽質オレフィン（低級オレフィン）を生成することができる。反応装置１３０での反応条件は特に限定されないが、例えば、反応温度が２００℃～４００℃であり、圧力が０．１ＭＰａ～２ＭＰａである。

以上の通り、本実施形態に係る二酸化炭素回収システム１００は、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを生成するバイオリアクタ１１０と、二酸化炭素回収装置１とを備えていてもよい。二酸化炭素回収装置１は、上述の通り、熱源がなくても、バイオガスに含まれる二酸化炭素を低エネルギーで回収することができる。そのため、飲料工場及び下水処理場などのような大きな熱源を持たないような事業所であっても、バイオリアクタ１１０で生成されるバイオガスから二酸化炭素を低エネルギーで回収することができる。

また、二酸化炭素回収システム１００は、二酸化炭素回収装置１と、二酸化炭素回収装置１で回収された二酸化炭素と水素とを含む原料を反応させる反応装置１３０とを備えていてもよい。二酸化炭素回収システム１００がこのような反応装置１３０を備えることにより、二酸化炭素回収装置１で回収された二酸化炭素を有価物に変換させることができ、二酸化炭素を有効利用することができる。

（第２実施形態）
次に、図３を用いて本実施形態に係る二酸化炭素回収システム１００について説明する。本実施形態に係る二酸化炭素回収システム１００は、上述したバイオリアクタ１１０と、上述した二酸化炭素回収装置１と、共電解装置１４０と、反応装置１６０とを備える。

共電解装置１４０は、二酸化炭素回収装置１で回収された二酸化炭素と水とを共電解して一酸化炭素と水素とを生成する。共電解装置１４０は、例えばＳＯＥＣ１４１を含んでいる。共電解装置１４０は、単一のＳＯＥＣ１４１を含んでいてもよく、複数のＳＯＥＣ１４１が積層されたセルスタックを含んでいてもよい。

ＳＯＥＣ１４１は、電解質層１４２と、電解質層１４２の一方の面に設けられた水素極１４３と、電解質層１４２のもう一方の面に設けられた酸素極１４４とを含む。水素極１４３の電解質層１４２とは反対側には、水素極側流路１４５が設けられており、水素極側流路１４５には水素極側流路入口１４６及び水素極側流路出口１４７が設けられる。酸素極１４４の電解質層１４２とは反対側には、酸素極側流路１４８が設けられており、酸素極側流路１４８には酸素極側流路入口１４９及び酸素極側流路出口１５０が設けられる。水素極１４３及び酸素極１４４には電圧印加部１５１が電気的に接続され、電圧印加部１５１によって水素極１４３と酸素極１４４との間に電圧が印加される。

電解質層１４２は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）などの酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物を含む。水素極１４３は、例えば、Ｎｉ及びＮｉＯのようなＮｉ化合物の少なくともいずれか一方を含む。酸素極１４４は、例えば、ＬＳＭ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３）、ＬＳＣ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３）、又は、ＬＳＣＦ（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３）などの電子伝導性を示す酸化物を含む。

共電解装置１４０では、水素極側流路入口１４６から水素極側流路１４５に水蒸気及び二酸化炭素が供給され、水素極１４３で水蒸気及び二酸化炭素から水素及び一酸化炭素がそれぞれ生成される。生成された水素及び一酸化炭素は水素極側流路出口１４７から排出される。水素極１４３で生じた酸素イオンは電解質層１４２を通じて酸素極１４４へと移動し、酸素極１４４で酸素が生成される。酸素極側流路入口１４９から酸素極側流路１４８へはスイープガスが供給される。酸素極１４４で生成された酸素は、スイープガスと共に酸素極側流路出口１５０から排出される。

反応装置１６０は、共電解装置１４０で生成された一酸化炭素と水素とを含む原料を反応させる。反応装置１６０に供給される水素は、水電解装置１２０で生成された水素が供給されてもよい。反応装置１６０は、一酸化炭素と水素とを含む原料を反応させて生成することが可能な生成物を生成することができる。反応装置１６０は、エネルギー源及び化学品の原料として用いることができ、利用価値が高いため、反応装置１３０と同様に、炭化水素を生成することが好ましい。反応装置１６０は、反応装置１３０と同様のものを使用することができる。

以上の通り、本実施形態に係る二酸化炭素回収システム１００は、二酸化炭素回収装置１と、二酸化炭素回収装置１で回収された二酸化炭素と水とを共電解して一酸化炭素と水素とを生成する共電解装置１４０とを備える。二酸化炭素回収システム１００は、共電解装置１４０で生成された一酸化炭素と水素とを含む原料を反応させる反応装置１６０を備える。二酸化炭素回収システム１００がこのような反応装置１６０を備えることにより、二酸化炭素回収装置１で回収された二酸化炭素を有価物に変換させることができ、二酸化炭素を有効利用することができる。また、二酸化炭素回収装置１は電気化学的に吸収液を再生することができ、二酸化炭素の回収と共電解の負荷を合わせやすいため、二酸化炭素回収システム１００全体の制御性を向上させることができる。

なお、特に限定されないが、二酸化炭素回収装置１の電源１６、水電解装置１２０の電気分解、共電解装置１４０の電気分解には、太陽光、風力及び水力などの再生可能エネルギーを電気エネルギーとして利用してもよい。このような再生エネルギーを利用することで、システム全体の二酸化炭素排出量をさらに低減することができる。

特願２０２０－１８０１４９号（出願日：２０２０年１０月２８日）の全内容は、ここに援用される。

いくつかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正または変形をすることが可能である。上記実施形態のすべての構成要素、及び請求の範囲に記載されたすべての特徴は、それらが互いに矛盾しない限り、個々に抜き出して組み合わせてもよい。

１ 二酸化炭素回収装置
２ 吸収部
７ 再生部
８ アノード
９ アノード室
１１ 気液分離部
１３ カソード
１４ カソード室
１５ セパレータ
１００ 二酸化炭素回収システム
１１０ バイオリアクタ
１２０ 水電解装置
１３０ 反応装置
１４０ 共電解装置
１６０ 反応装置

Claims (8)

1. 二酸化炭素回収装置と、
   前記二酸化炭素回収装置で回収された二酸化炭素と水とを共電解して一酸化炭素と水素とを生成する共電解装置と、
   前記共電解装置で生成された一酸化炭素と水素とを含む原料を反応させる反応装置と、
   バイオリアクタと、
   を備える、二酸化炭素回収システムであって、
   前記二酸化炭素回収装置は、
   二酸化炭素と吸収液に含まれるアミンとの化合物を生成する吸収部と、
   前記化合物から二酸化炭素を脱離させて前記アミンの錯化合物を生成するアノードと、前記アノードと電気的に接続され、前記錯化合物から前記アミンを再生するカソードと、前記アノードが設けられるアノード室と、前記カソードが設けられるカソード室とを区画するセパレータとを含む再生部と、
   を備え、
   前記バイオリアクタは、飲料工場に設置され、食品廃棄物を含むバイオマスから、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを生成し、
   前記吸収部は前記バイオガスに含まれる二酸化炭素と前記吸収液に含まれるアミンとの化合物を生成する、二酸化炭素回収システム。
2. 前記化合物はカルバメートである、請求項１に記載の二酸化炭素回収システム。
3. 前記錯化合物は、前記二酸化炭素と前記アミンとの前記化合物と、前記アノードに含まれる金属との配位化合物である、請求項１又は２に記載の二酸化炭素回収システム。
4. 前記金属は銅である、請求項３に記載の二酸化炭素回収システム。
5. 前記再生部は、前記アノード室から送られ、前記アノードで脱離した二酸化炭素と前記アミンの錯化合物を含む吸収液とを分離する気液分離部を含み、
   前記アミンの錯化合物を含む吸収液は前記気液分離部から前記カソード室に送られる、請求項１～４のいずれか一項に記載の二酸化炭素回収システム。
6. 前記反応装置は炭化水素を生成する、請求項１～５のいずれか一項に記載の二酸化炭素回収システム。
7. 前記反応装置はフィッシャー－トロプシュ法によって炭素数が２以上４以下のオレフィンを含む炭化水素を生成する、請求項１～６のいずれか一項に記載の二酸化炭素回収システム。
8. 吸収部と、アノードと、前記アノードと電気的に接続されたカソードと、前記アノードが設けられるアノード室と、前記カソードが設けられるカソード室とを区画するセパレータとを含む再生部とを備える二酸化炭素回収装置と、
   共電解装置と、
   反応装置と、
   バイオリアクタと、を備える二酸化炭素回収システムで二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収方法であって、
   二酸化炭素と吸収液に含まれるアミンとの化合物を前記吸収部で生成する工程と、
   前記化合物から二酸化炭素を脱離させて前記アミンの錯化合物を前記アノードで生成する工程と、
   前記錯化合物から前記アミンを前記カソードで再生する工程と、
   前記二酸化炭素回収装置で回収された二酸化炭素と水とを共電解して一酸化炭素と水素とを生成する工程と、
   前記共電解装置で生成された一酸化炭素と水素とを含む原料を前記反応装置で反応させる工程と、
   を含み、
   前記バイオリアクタは、飲料工場に設置され、食品廃棄物を含むバイオマスから、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを生成し、
   前記吸収部は前記バイオガスに含まれる二酸化炭素と前記吸収液に含まれるアミンとの化合物を生成する、二酸化炭素回収方法。

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