特許 6188085 硝酸製造方法および硝酸製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6188085

(24)【登録日】2017年8月10日

(45)【発行日】2017年8月30日

(54)【発明の名称】硝酸製造方法および硝酸製造装置

(51)【国際特許分類】

   C01B 21/38 20060101AFI20170821BHJP

   B01D 53/56 20060101ALI20170821BHJP

   B01J 19/12 20060101ALI20170821BHJP

【ＦＩ】

   C01B21/38

   B01D53/56 400

   B01J19/12 Z

【請求項の数】7

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-30507(P2015-30507)

(22)【出願日】2015年2月19日

(65)【公開番号】特開2016-150888(P2016-150888A)

(43)【公開日】2016年8月22日

【審査請求日】2016年2月1日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年度、独立行政法人科学技術振興機構、研究成果最適展開支援事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】304019399

【氏名又は名称】国立大学法人岐阜大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000659

【氏名又は名称】特許業務法人広江アソシエイツ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】神原 信志

(72)【発明者】

【氏名】菱沼 宣是

【審査官】 磯部 香

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−２５６０５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／１３２８４２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−２４３２８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２０７５３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２６７４２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 川原将史他，172nmXe2エキシマーランプによるNO2の除去に関する研究，化学反応討論会講演要旨集，日本，２００７年 ６月１２日，Vol.23，p.59

【文献】 Masaharu TSUJI et al.，Efficient Conversion of NO2 into N2 and O2 in N2 or into N2O5 in Air by 172-nm Xe2 Excimer Lamp at Atmospheric Pressure，Chemistry Letters，日本，社団法人日本化学会，２００７年 ２月 ３日，Vol.36, No.3，p.376-377，doi:10.1246/cl.2007.376

【文献】 K.UENO et al.，NOx Treatment in Diesel Engine Combustion Exhaust Gases by Vacuum Ultra-Violet Irradiation，Annual report - Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena，米国，２００７年，Vol.2，p.521-524

【文献】 J. YE et al.，The use of vacuum ultraviolet irradiation to oxidize SO2 and NOx for simultaneous desulfurization and denitrification，Journal of Hazardous Materials，２０１４年，Vol.271，p.89-97，doi: 10.1016/j.jhazmat.2014.02.011

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０１Ｂ ２１／３８

Ｂ０１Ｄ ５３／５６

Ｂ０１Ｊ １９／１２

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒素酸化物から硝酸を製造する硝酸製造方法であって、
窒素酸化物と水と酸素とを含む被処理ガスに１７５ｎｍよりも短い波長の紫外線を含む光を照射する光照射工程を備えており、
前記被処理ガス中の水と酸素とに前記光を照射することによりＯラジカルおよびＯＨラジカルを生成し、このＯラジカルおよびＯＨラジカルを窒素酸化物と反応させて硝酸を製造する硝酸製造方法であって、
前記被処理ガス中の窒素酸化物の濃度に対する水分濃度の比が１：５以上であることを特徴とする硝酸製造方法。

【請求項2】

前記被処理ガス中の窒素酸化物の濃度に対する酸素濃度の比が１：４以上であることを特徴とする請求項１に記載の硝酸製造方法。

【請求項3】

前記被処理ガスに照射する光が、中心波長１７２ｎｍの光を放出するエキシマ光源からの光であることを特徴とする請求項１または２に記載の硝酸製造方法。

【請求項4】

前記窒素酸化物と水と酸素を含む被処理ガスが燃焼器の排ガスであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の硝酸製造方法。

【請求項5】

窒素酸化物から硝酸を製造する硝酸製造装置であって、
光反応器と、当該光反応器に窒素酸化物と水と酸素とを含む被処理ガスを供給する被処理ガス供給手段と、前記光反応器内に配置されており１７５ｎｍよりも短い波長の紫外線を含む光を発生させる光源と、を備えており、
前記被処理ガス供給手段は、窒素酸化物の濃度に対する水分濃度の比が１：５以上である被処理ガスを供給し、供給された前記被処理ガスに前記光を照射して前記被処理ガス中の水および酸素からＯラジカルおよびＯＨラジカルを生成し、さらに生成したＯラジカルおよびＯＨラジカルを窒素酸化物と反応させることによって硝酸を製造することを特徴とする硝酸製造装置。

【請求項6】

前記光源が、中心波長が１７２ｎｍである光を放出するエキシマ光源であることを特徴とする請求項５に記載の硝酸製造装置。

【請求項7】

前記被処理ガス供給手段が燃焼器に接続されており、燃焼器の排ガスを光反応器に供給する排ガス供給手段であることを特徴とする請求項５または６に記載の硝酸製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、硝酸製造方法および硝酸製造装置に関する。特に、水素キャリアエネルギーとなるアンモニアの原料とすべく、硝酸を高効率かつ安価に製造する硝酸製造技術に関する。

【背景技術】

【0002】

太陽光、風力等の再生可能エネルギーは、自然現象に由来するため季節や時間による変動が大きく、電力需要と供給のピークが一致しないという本質的な課題がある。また、大規模太陽光発電は広大な土地面積を必要とすること、風力発電は適する地域が洋上であったり沿岸部であることから、両者ともにエネルギー消費地と距離的に離れており、その送電線の敷設もコスト面で課題を有する。

【0003】

これらの課題を解決するために、最近、エネルギーキャリアシステムが提案されている。ここでいうエネルギーキャリアシステムとは、再生可能エネルギーによって生産される電力を用いて水素を含有する化学物質であるアンモニアを製造し、液化アンモニアとして貯蔵する工程と、液化アンモニアを電力消費地に輸送し、必要に応じて液化アンモニアを水素に転換して燃料電池車に供給したり、燃料電池で発電する工程とで構成される。

【0004】

このエネルギーキャリアシステムは、再生可能エネルギーによって生産される電力をその場で液化アンモニアとして貯留できる。このため送電線が不要であり、また電力の不安定さを解消する方法を容易に構築でき、上記の再生可能エネルギーの本質的課題を解決することができる。

【0005】

エネルギーキャリアシステムを具現化する技術として、例えば特許文献１では、太陽光で発電した電力で水素を製造する方法が示されている。また例えば特許文献２では、水素と窒素からアンモニアを合成するための方法が示されている。特許文献１の方法と特許文献２の方法を組み合わせることによって、太陽光で発電した電力を水素に変換し、その水素を原料としてアンモニアを合成して貯留することができる。しかしながら特許文献１と特許文献２の技術を組み合わせた場合、電力からアンモニアへの総合変換効率は１０パーセント程度である。そこで、より総合変換効率の高いアンモニア合成法が望まれている。

【0006】

本発明者らは、硝酸を原料とすればアンモニアを高い変換効率で合成できることに着眼し、その第一段階として硝酸の製造方法についての検討を進めた。硝酸を製造する方法として、たとえば特許文献３の方法が知られている。特許文献３は、ガス中のＮＯｘの分離除去を解決すべき課題とした技術であって、ＮＯｘを含むガスに水蒸気を供給して加湿ガスを作成し、この加湿ガスに紫外線を照射することでＮＯｘから硝酸を生成し、結果として脱硝を行うことを特徴とする。

【0007】

特許文献３は、一酸化窒素または二酸化窒素の濃度が１０〜１００ｐｐｍのガスを、硝酸化による脱硝処理を行う被処理ガスとして用いている。特許文献３では、この被処理ガスに１０％の水蒸気を添加して得た加湿ガスを気密チャンバに導入する。気密チャンバでは、圧力を２．６７ｋＰａに減圧し、加湿ガスに低圧水銀ランプから発生する紫外線を照射して、硝酸を生成する。特許文献３では、常温で約３０分間、紫外線を照射する反応時間を経過させると、一酸化窒素と二酸化窒素がほぼ除去され、硝酸が生成されることが開示されている。

【0008】

特許文献３の脱硝装置に用いられている低圧水銀ランプの主な発光スペクトルは１８５ｎｍと２５４ｎｍの紫外線であることが知られている。特許文献３の脱硝装置では、波長が１８５ｎｍと２５４ｎｍの紫外線の照射が、以下の式１から式４に示される反応をおこし、ＮＯｘから硝酸が生成されると考えられる。

【数1】

【0009】

式１から式３の反応速度は比較的速いが、式４の反応には温度依存性があり、常温での反応速度は遅くなる。このため、特許文献３の技術を硝酸の製造に適用した場合には、硝酸転化率９８％とするために、バッチ処理で毎回３０分程度の長い反応時間を要することになる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１４−２０３２７４号公報

【特許文献2】特開２０１３−２０９６８５号公報

【特許文献3】特開２００４−２４３２８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

特許文献３に開示される脱硝技術を硝酸の製造技術に適用する場合、比較的低濃度のＮＯｘガスを原料に用いる必要があり、また減圧条件下で長時間反応を行う必要がある。このため、より高濃度のＮＯｘを含むガスを用いて大量の硝酸を製造するための、より効率良く連続的な硝酸製造技術が求められている。高濃度のＮＯｘを含むガスから、高効率で連続的に硝酸を製造する技術は、エネルギーキャリアシステムに好適に適用可能となる。

【0012】

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、硝酸を従来よりも短時間の反応時間で、連続的に、高効率かつ安価に製造する硝酸製造方法及び硝酸製造装置を提供することを解決すべき課題としている。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明者は、窒素酸化物と水と酸素を含むガスに、従来紫外線の光源として用いられてきた低圧水銀ランプから発生するよりも波長の短い紫外線を照射することによって上記課題を解決できることを見いだして、本発明を完成させるに至った。請求項１記載の硝酸製造方法は、窒素酸化物から硝酸を製造する硝酸製造方法であって、窒素酸化物と水と酸素とを含む被処理ガスに１７５ｎｍよりも短い波長の紫外線を含む光を照射する光照射工程を備えており、被処理ガス中の水と酸素とにこの光を照射することにより、ＯラジカルおよびＯＨラジカルを生成し、このＯラジカルおよびＯＨラジカルを窒素酸化物と反応させて硝酸を製造することを特徴とする。

【0014】

請求項１にかかる硝酸製造方法は、被処理ガス中の窒素酸化物の濃度に対する水分濃度の比が１：５以上であることを特徴とする。

【0015】

請求項２にかかる硝酸製造方法は、被処理ガス中の窒素酸化物の濃度に対する酸素濃度の比が１：４以上であることを特徴とする。

【0016】

請求項３にかかる硝酸製造方法は、被処理ガスに照射する光が、中心波長１７２ｎｍの光を放出するエキシマ光源からの光であることを特徴とする。

【0017】

請求項４にかかる硝酸製造方法は、窒素酸化物と水と酸素を含む被処理ガスが燃焼器の排ガスであることを特徴とする。

【0018】

本発明はまた、窒素酸化物から硝酸を製造する硝酸製造装置を提供する。請求項５記載の硝酸製造装置は、光反応器と、この光反応器に窒素酸化物と水と酸素とを含む被処理ガスを供給する被処理ガス供給手段と、光反応器内に配置されており１７５ｎｍよりも短い波長の紫外線を含む光を発生させる光源と、を備えている。本発明の硝酸製造装置の被処理ガス供給手段は、窒素酸化物の濃度に対する水分濃度の比が１：５以上である被処理ガスを供給する。供給された前記被処理ガスに前記光を照射して前記被処理ガス中の水および酸素からＯラジカルおよびＯＨラジカルを生成し、さらに生成したＯラジカルおよびＯＨラジカルを窒素酸化物と反応させることによって硝酸を製造することを特徴とする。

【0019】

請求項６にかかる硝酸製造装置は、被処理ガス供給手段が燃焼器に接続されており、燃焼器の排ガスを光反応器に供給する排ガス供給手段であることを特徴とする。

【0020】

請求項７にかかる硝酸製造装置は、光源が中心波長が１７２ｎｍである光を放出するエキシマ光源であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0021】

本発明の硝酸製造装置および硝酸製造方法は、窒素酸化物と水と酸素を含む被処理ガスに１７５ｎｍよりも短い波長の光を照射することで、短時間の反応時間で連続的に高効率かつ安価に硝酸を製造する方法を提供する。

【0022】

本発明の硝酸製造方法および硝酸製造装置は、硝酸製造の原料となる窒素酸化物と水と酸素を含む被処理ガスを燃焼器の排ガスから得ることによって、硝酸を一層安価に製造することができる。

【0023】

本発明の硝酸製造方法は、被処理ガス中の窒素酸化物に対する水の濃度比を５以上とすることで、ＯＨラジカルを十分に生成させ、硝酸を一層高効率に製造することができる。同様に、被処理ガス中の窒素酸化物に対する酸素との濃度比を４以上とすることで、Ｏラジカルを十分に生成させ、硝酸を一層高効率に製造することができる。水と酸素とを十分に供給することで、高濃度のＮＯｘを含む被処理ガスから効率よく硝酸を製造することができる。

【0024】

本発明の硝酸製造方法は、被処理ガスに、中心波長１７２ｎｍの光を放出するエキシマ光源からの光を照射するのが特に好ましい。中心波長１７２ｎｍの光によって、ＯラジカルとＯＨラジカルを十分に生成させ、被処理ガス中の窒素酸化物をラジカル気相反応によってより短時間の反応時間で連続的且つ高効率に硝酸を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の硝酸製造装置を模式的に示す図である。

【図2】実施例１の被処理ガスに含まれる水分濃度と硝酸転化率との関係を示すグラフである。

【図3】実施例２の被処理ガスに含まれる酸素濃度と硝酸転化率との関係を示すグラフである。

【図4】参考例の被処理ガスに含まれる水分濃度と硝酸転化率との関係を示すグラフである。

【図5】実施例における一酸化窒素流量と硝酸転化率の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る好適な硝酸製造方法と硝酸製造装置の実施形態について列記する。本実施形態における硝酸製造装置１０は、窒素酸化物と水と酸素とを含む燃焼器からの排ガスを被処理ガスとして用いている。

【0027】

図１は、本発明の硝酸製造装置１０の構成を模式的に示すブロック図である。硝酸製造装置１０は、一端側にガス供給口２を備えており且つ他端側にガス排出口３を備えている円筒状の光反応器１と、光反応器１の中心に設けられる光源４と、光源用の電源５とを備えている。これに加えて本実施形態の硝酸製造装置１０は、図示されない燃焼器に接続されて燃焼器から排出される排ガスを光反応器１に供給する被処理ガス供給手段６を備えている。

【0028】

ここでいう燃焼器とは、ガス燃焼器、油燃焼器、石炭燃焼器、廃棄物燃焼器、バイオマス燃焼器、ガスエンジン、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、炭化炉、セメントキルンなど、排ガスが発生する任意の燃焼器が対象となる。

【0029】

燃焼器の排ガスは、通常、窒素酸化物と水と酸素を含むため、被処理ガス供給手段６を経由して、そのままガス供給口２から光反応器１の内部に供給することができる。例えば、石炭火力発電に利用される石炭燃焼器の排ガスは、窒素酸化物濃度２００ｐｐｍ、水分濃度１２ｖｏｌ％、酸素濃度５ｖｏｌ％程度を含み、窒素酸化物と水と酸素を含む被処理ガスとして適している。もし、水や酸素を含まない排ガスを被処理ガスとして用いる場合には、被処理ガス供給手段６に水と空気を供給して混合比を調整する調整部を設けることで、容易に窒素酸化物と水と酸素とを含むガスを供給することができる。

【0030】

排ガス中のダストは、光源４に付着して光の照射を妨げる可能性があるため、事前に除去しておくことが望ましい。燃焼器からの排ガスは、通常は、電気集塵機やバグフィルター、セラミックフィルターなどで除塵されているためダストを事前除去する必要がなく、そのまま被処理ガス供給手段６を経由してガス供給口２から光反応器１の内部に供給できる。排ガスにダストが多く含まれる場合には、被処理ガス供給手段６に除塵部を設け、容易にダストの少ない排ガスを供給することができる。

【0031】

本実施形態では、光反応器１内の中心部に配置される光源４として、１７５ｎｍよりも短い波長の紫外線を放射する光源４を用いている。光源４の具体例として、重水素ランプ（中心波長１２０〜１７０ｎｍ）、ＡｒＢｒエキシマランプ（中心波長１６５ｎｍ）、Ｘｅエキシマランプ（中心波長１７２ｎｍ）、ＡｒＣｌエキシマランプ（中心波長１７５ｎｍ）などが適用可能である。

【0032】

発明者らは、１７５ｎｍよりも短い波長の光のエネルギー（以下、フォトンエネルギーとも言う）が、被処理ガスに含まれる酸素と水とに吸収されたとき、以下に示す特有の反応でＯラジカルとＯＨラジカルとを生成し、このＯラジカルとＯＨラジカルとが硝酸の生成反応の反応速度に大きく寄与することを見いだして、光源として最適な光の波長を特定するにいたった。

【0033】

【数2】

【0034】

１７５ｎｍより短い波長の紫外線のフォトンエネルギーは７．１ｅＶより大きい。酸素分子は、１７５ｎｍより短い波長の紫外線を吸収したとき、式５に示すように解離して、非常に活性度の高いＯ（１Ｄ）ラジカル（一重項酸素原子）を高濃度で生成する。

【0035】

一方、水は、従来多用される波長１８５ｎｍと２５４ｎｍの紫外線よりも、１７５ｎｍ未満の波長の紫外線をより高い比率で吸収する。１５０ｎｍ以上１７５ｎｍ未満の波長の紫外線を照射された水は、式６に示すＯＨラジカル（ヒドロキシラジカル）を、従来より高濃度で生成する。

【0036】

１７５ｎｍよりも短い波長の紫外線を照射することで、酸素と水とからそれぞれ高濃度で生成されるＯ（１Ｄ）ラジカルとＯＨラジカルとは以下に示す硝酸生成反応を著しく加速する。すなわち、Ｏ（１Ｄ）ラジカルとＯＨラジカルは、以下の式７〜式１０のラジカル気相反応によって、窒素酸化物、特に一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ_２）とを硝酸に転化させる。ラジカル気相反応の反応速度は常温においても著しく速い。このためガス供給口２から供給された排ガスが光反応器１を通過する間に、排ガスに含まれる窒素酸化物は瞬時に硝酸に転化し、結果、連続的に硝酸を高効率に製造することができる。ＮＯとＮＯ_２の濃度に対して、Ｏ（１Ｄ）ラジカルおよびＯＨラジカルの濃度が十分に高ければ式７〜式１０の反応速度が増す。そこで、Ｏ（１Ｄ）ラジカルおよびＯＨラジカルの濃度を高めるために、排ガス中の水分濃度と酸素濃度とを、窒素酸化物の濃度に対して十分に高くなるように制御することが好ましい。

【0037】

【数3】

【0038】

なお、１７５ｎｍよりも短い波長の紫外線が酸素に照射された場合、上記したように、Ｏ（１Ｄ）酸素原子を高濃度に生成されるが、Ｏ（３Ｐ）酸素原子も生成される。よって、式２〜式４の硝酸を生成する反応も発生する。しかしながら、上記したように、Ｏ（１Ｄ）ラジカル、ＯＨラジカルによる反応からなる硝酸生成反応は急速に発生するため、結果的に１７５ｎｍよりも短い波長の紫外線を用いる場合、式７〜式１０による硝酸生成反応が支配的となる。

【0039】

光源４の電源５には、再生可能エネルギーによって生産される電力を利用することができる。したがって、本発明の硝酸製造方法は、再生可能エネルギーによって生産される電力を硝酸という化学物質に変換する方法とも言える。また、排ガス中の窒素酸化物を硝酸として除去することにもなるため、本発明の硝酸製造方法は、排ガスの脱硝装置としても利用できる。

【0040】

光源４の放射照度を調節したり、光源４の長さと光反応器１の長さを変更したり光源４を複数設置することによって、式５と式６でそれぞれ生成するＯ（１Ｄ）ラジカルとＯＨラジカルの生成量を変化させることで、硝酸の生成量を調整することができる。

【0041】

光反応器１に供給される排ガスの温度は、光源４の材質に悪影響を及ぼさない温度範囲とするために、常温から２００℃であることが望ましい。通常、燃焼器から排出される排ガスは、大気に排出される前に１５０℃以下に調整されている。このような排ガスは、調温することなくそのまま被処理ガス供給手段６を経由してガス供給口２に供給できる。もし排ガス温度が２００℃を超えている場合は、被処理ガス供給手段６にガス冷却部を設けることで、容易に２００℃以下とすることができる。排ガスの温度は、式７〜式１０の硝酸を生成するラジカル気相反応速度に影響を及ぼさないため、室温であってもよい。

【0042】

光反応器１のガス排出口３の下流に、ガス冷却手段を付加することによって、生成した硝酸を液体で回収することができる。

【実施例】

【0043】

以下、本発明の実施形態を具現化した硝酸製造方法と硝酸製造装置とを用いた実施例について、図面を参照しつつ説明する。

【0044】

（実施例１）
内径（Ｒ１）８０ｍｍ、長さ（Ｌ１）１００ｍｍの光反応器１の中央に、１台のＸｅエキシマランプ４を配置した硝酸製造装置１０を用いて、硝酸を製造した。使用したＸｅエキシマランプ４は、中心波長が１７２ｎｍの光を発生するランプである。ここでは、ランプ径（Ｒ２）４０ｍｍ、発光長（Ｌ２）１００ｍｍ、ランプ面出力３６ｍｍＷ／ｃｍ^２のＸｅエキシマランプを用いている。

【0045】

本実施例において硝酸製造装置１０に供給した被処理ガスは、一酸化窒素１５００ｐｐｍと酸素８．３ｖｏｌ％とを含んでおり、且つ水分濃度を０ｖｏｌ％から９ｖｏｌ％までの４水準で変化させた４種類のガスである。これら４種類の室温の被処理ガスを、それぞれ流量１．０Ｌ／ｍｉｎで硝酸製造装置１０に供給し、Ｘｅエキシマランプ４の光を照射した。図２に、それぞれの被処理ガスの一酸化窒素が硝酸（ＨＮＯ_３）に転化した割合、すなわちＨＮＯ_３転化率を示す。ここで、ＨＮＯ_３転化率は、以下の式１１で計算される。

【0046】

【数4】

【0047】

図２に示したとおり、被処理ガスに含まれる水分濃度が高まるにつれて硝酸転化率が高くなり、水分濃度４．２ｖｏｌ％の被処理ガスで硝酸転化率は最大（９７．２％）となった。そしてそれ以上水分濃度の高い被処理ガスを供給しても、硝酸転化率の変化はみられなかった。また、水分濃度が０ｖｏｌ％のとき、硝酸転化率は０％であった。これは、ＮＯを硝酸に転化するにはＯＨラジカルが必要であること、および効率良く硝酸を得るにはＮＯ濃度よりも高い濃度の水が必要であることを示している。

【0048】

硝酸転化率の実用上の目安は５０％以上とされており、図２に示した結果から、実施例２の被処理ガスに必要な水分濃度は０．７５％以上となる。以上の結果から、ＮＯ濃度に対するＨ_２Ｏ濃度の好ましい比は、５以上であることが明らかとなった。

【0049】

（実施例２）
実施例１と同一の硝酸製造装置１０を用いて、硝酸製造時のＮＯ濃度に対するＯ_２濃度の好ましい比を検証した。本実施例において硝酸製造装置１０に供給した被処理ガスは、一酸化窒素１５００ｐｐｍと水９．５ｖｏｌ％とを含み、且つ酸素濃度を０ｖｏｌ％から１６ｖｏｌ％までの７水準で変化させた７種類のガスである。これら７種類の室温の被処理ガスを、それぞれ流量２．０Ｌ／ｍｉｎで硝酸製造装置１０に供給し、Ｘｅエキシマランプ４の光を照射した。図３に、それぞれの被処理ガスのＨＮＯ_３転化率を示す。

【0050】

図３に示したとおり、供給する被処理ガスの酸素濃度が高まるにつれて、硝酸転化率は急激に増加する。その後酸素濃度４．０ｖｏｌ％以上の被処理ガスを供給すると、酸素濃度の上昇に対する硝酸転化率の変化が微増に転じた。また、酸素濃度０ｖｏｌ％のとき、硝酸転化率は２６％と低かった。これは、ＮＯを効率良く硝酸に転化するにはＯラジカルが必要であること、および効率良く硝酸を得るためにＮＯ濃度よりも高い濃度の酸素が必要であることを示している。
実施例１と同様に、硝酸転化率の実用上の目安を５０％以上とすると、図３に示した結果から、被処理ガスに必要な酸素濃度は０．６％以上となる。以上の結果から、ＮＯ濃度に対するＯ_２濃度の好ましい比は、４以上であることが明らかとなった。

【0051】

（参考例）
実施例１、２と同一の硝酸製造装置１０を用いて、酸素濃度０ｖｏｌ％として水分濃度を変化させた時の硝酸転化率を検証した。これはすなわち、式１０の反応効率の検証である。参考例において硝酸製造装置１０に供給した被処理ガスは、一酸化窒素１５００ｐｐｍ、且つ水分濃度を０ｖｏｌ％から９ｖｏｌ％までの４水準で変化させた４種類のガスである。これら４種類の室温の被処理ガスを、それぞれ流量１．０Ｌ／ｍｉｎで硝酸製造装置１０に供給し、Ｘｅエキシマランプ４の光を照射した。図４に、それぞれの被処理ガスのＨＮＯ_３転化率を示す。

【0052】

図４に示したとおり、４水準のガスの硝酸転化率は概ね２６％で変化がなかった。すなわち、式１０の反応効率は２６％程度であり、ＯＨラジカルだけでは効率良く硝酸を得られないことを示している。したがって、効率良く硝酸を得るためには、一酸化窒素に酸素と水分を共存させることによって、式５と式６のラジカル生成反応と、式７〜式９の逐次ラジカル気相反応と、式１０のラジカル気相反応とを併発させることが好ましい。

【0053】

（実施例３）
内径（Ｒ１）４３ｍｍ、長さ（Ｌ１）１２００ｍｍの光反応器の中央に１台のＸｅエキシマランプ４を配置した硝酸製造装置１０を用いて、硝酸を製造した。本実施例で使用したＸｅエキシマランプ４は、中心波長が１７２ｎｍの光を発生する、ランプ径（Ｒ２）１９ｍｍ、発光長（Ｌ２）８５０ｍｍ、ランプ面出力４０ｍｍＷ／ｃｍ^２のランプである。

【0054】

本実施例において硝酸製造装置１０に供給した被処理ガスは、水分６．５ｖｏｌ％と酸素８．３ｖｏｌ％とを含んでおり、且つ一酸化窒素の濃度を７０ｐｐｍから３５００ｐｐｍまでの７水準で変化させた７種類のガスである。これら７種類の室温の被処理ガスを、それぞれ流量２０．０Ｌ／ｍｉｎで硝酸製造装置１０に供給し、Ｘｅエキシマランプ４の光を照射した。光反応器１にガスが滞留する時間は３．３秒である。

【0055】

図５に、それぞれの被処理ガスのＨＮＯ_３転化率を示す。図５では、硝酸製造装置の処理能力を確認するために横軸を一酸化窒素流量（ｇ／ｈ）で示してある。本実施例の硝酸製造方法によると、一酸化窒素流量１．９ｇ／ｈの時、硝酸転化率は９８．４％となり、高効率に一酸化窒素から硝酸を製造できることが明らかとなった。このとき、一酸化窒素濃度は１２００ｐｐｍ、圧力は１０１．３ｋＰａであった。また、このときの被処理ガスの光反応器１内の滞留時間すなわち反応時間が３．３秒と極めて短かった。以上のことから、本実施例の硝酸製造装置１０を用いることで、連続的に硝酸を製造できることが明らかとなった。なお、本実施例の硝酸製造装置１０では、一酸化窒素の流量がさらに増加すると、硝酸転化率は徐々に減少する。しかしながら、Ｘｅエキシマランプ４のフォトンエネルギーを調節したり、Ｘｅエキシマランプ４の長さと光反応器１の長さを変更したり、Ｘｅエキシマランプ４を複数設置することによって、生成するＯラジカルとＯＨラジカルの生成量を変化させて硝酸の生成量を調整することが可能である。

【0056】

実施例３の硝酸製造方法は、ラジカル気相反応式７〜式１０により、常温・常圧で極めて短い時間で硝酸の生成反応を進行させることができる。この方法は、従来の低圧水銀ランプによって２５４ｎｍと１８５ｎｍの波長の光を照射する硝酸製造方法と比較すると、有意に短時間かつ高効率な硝酸の製造方法である。

【産業上の利用可能性】

【0057】

本発明に係る硝酸製造方法及び硝酸製造装置は、ガス燃焼器、油燃焼器、石炭燃焼器、廃棄物燃焼器、バイオマス燃焼器、ガスエンジン、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、炭化炉、セメントキルンなど、排ガスが発生する任意の燃焼器に適用して、硝酸を製造することが可能である。また、エキシマ光源の電源に、再生可能エネルギーによって生産される電力を利用することにより、再生可能エネルギーを硝酸として貯留することに利用可能である。さらに、排ガス中の窒素酸化物を硝酸として除去することで排ガスの脱硝装置として利用可能である。

【符号の説明】

【0058】

１ 光反応器
２ ガス供給口
３ ガス排出口
４ 光源（Ｘｅエキシマランプ）
５ 電源
６ 被処理ガス供給手段
１０ 硝酸製造装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】