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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023141360
(43)【公開日】2023-10-05
(54)【発明の名称】二酸化炭素分離・変換装置
(51)【国際特許分類】
C01B 32/50 20170101AFI20230928BHJP
B01D 53/22 20060101ALI20230928BHJP
B01D 71/70 20060101ALI20230928BHJP
B01D 53/14 20060101ALI20230928BHJP
【ＦＩ】
C01B32/50
B01D53/22
B01D71/70 500
B01D53/14 100
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022047646
(22)【出願日】2022-03-23
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り （１）ｈｔｔｐｓ：／／ｐｕｂｓ．ａｃｓ．ｏｒｇ／ｄｏｉ／１０．１０２１／ａｃｓｃａｔａｌ．１ｃ０５３３９ ２０２２年２月８日公開
【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）令和２年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「ムーンショット型研究開発事業／地球環境再生に向けた持続可能な資源循環を実現」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】504145342
【氏名又は名称】国立大学法人九州大学
(71)【出願人】
【識別番号】504173471
【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学
(74)【代理人】
【識別番号】100165179
【弁理士】
【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡
(74)【代理人】
【識別番号】100188558
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 雅人
(74)【代理人】
【識別番号】100175824
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100152272
【弁理士】
【氏名又は名称】川越 雄一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100181722
【弁理士】
【氏名又は名称】春田 洋孝
(72)【発明者】
【氏名】藤川 茂紀
(72)【発明者】
【氏名】セリャンチン ロマン
(72)【発明者】
【氏名】清水 研一
【テーマコード（参考）】
4D006
4D020
4G146
【Ｆターム（参考）】
4D006GA41
4D006HA41
4D006JA03A
4D006JA53Z
4D006JA54Z
4D006JA58Z
4D006KA67
4D006KA72
4D006KB12
4D006KB30
4D006MA03
4D006MA07
4D006MA31
4D006MB04
4D006MC03
4D006MC05
4D006MC54
4D006MC58
4D006MC65
4D006PA02
4D006PB17
4D006PB64
4D020AA03
4D020BA01
4D020BA02
4D020BB01
4D020BC04
4D020CA05
4G146JA02
4G146JB09
4G146JC11
4G146JC12
(57)【要約】
【課題】分離膜モジュールの拡張性に優れ、酸素を含有した場合であっても、二酸化炭素を変換可能な、二酸化炭素分離・変換装置を提供する。
【解決手段】二酸化炭素分離・変換装置は、二酸化炭素を含有する気体から二酸化炭素を分離し二酸化炭素濃縮気体を得る、１以上の分離部１０と、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収および変換する触媒を備え、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を触媒に吸収させ、触媒に吸収させた二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る、反応部３０と、反応部３０に水素を送る水素送出部４０と、を備え、分離部１０は、
二酸化炭素を含有する気体から二酸化炭素を分離する分離膜を備える、１以上の分離膜モジュールと、各分離膜モジュールと接続され、二酸化炭素濃縮気体が排出される二酸化炭素送出口と、を備える分離膜モジュール接続部と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】二酸化炭素分離・変換装置は、二酸化炭素を含有する気体から二酸化炭素を分離し二酸化炭素濃縮気体を得る、１以上の分離部１０と、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収および変換する触媒を備え、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を触媒に吸収させ、触媒に吸収させた二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る、反応部３０と、反応部３０に水素を送る水素送出部４０と、を備え、分離部１０は、
二酸化炭素を含有する気体から二酸化炭素を分離する分離膜を備える、１以上の分離膜モジュールと、各分離膜モジュールと接続され、二酸化炭素濃縮気体が排出される二酸化炭素送出口と、を備える分離膜モジュール接続部と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
二酸化炭素を含有する気体から前記二酸化炭素を分離し二酸化炭素濃縮気体を得る、１以上の分離部と、
前記二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収および変換する触媒を備え、前記二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を前記触媒に吸収させ、前記触媒に吸収させた前記二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る、反応部と、
前記反応部に前記水素を送る水素送出部と、
を備え、
前記分離部は、
前記二酸化炭素を含有する気体から前記二酸化炭素を分離する分離膜を備える、１以上の分離膜モジュールと、
前記各分離膜モジュールと接続され、前記二酸化炭素濃縮気体が排出される二酸化炭素送出口と、を備える分離膜モジュール接続部と、
前記各分離膜モジュールおよび前記分離膜モジュール接続部の外側と前記各分離膜モジュールおよび前記分離膜モジュール接続部の内側との間に圧力差を形成する圧力差形成部と、
を備え、
前記分離膜モジュールは、
開口部と、前記分離膜モジュール接続部に前記二酸化炭素濃縮気体を排出する排出口とを備える容器と、
前記開口部を覆い、かつ、前記開口部の周囲に沿って固定され、前記二酸化炭素を含有する気体から前記二酸化炭素を分離する分離膜と、
を備え、
前記反応部は、
前記触媒を有する、１以上の反応器と、
前記各反応器において、前記二酸化炭素濃縮気体中の前記二酸化炭素を前記触媒に吸収させた後の気体である吸収後気体を排出する吸収後気体排出口と、
前記変換後気体を送出する変換後気体送出口と、
前記水素送出部、前記各反応器、および前記二酸化炭素送出口と直接または間接的に接続される第１ガス切換部と、
前記吸収後気体排出口、前記各反応器、および前記変換後気体送出口と直接または間接的に接続される第２ガス切換部と、
を備え、
前記触媒に前記二酸化炭素を吸収させるときは、前記第１ガス切換部は、前記各反応器の少なくとも１つと前記二酸化炭素送出口と接続し、前記第２ガス切換部は、前記二酸化炭素送出口と接続された前記反応器と前記吸収後気体排出口と接続し、
前記触媒に吸収させた前記二酸化炭素と前記水素とを反応させるときは、前記第１ガス切換部は、前記各反応器の少なくとも１つと前記水素送出部とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記水素送出部と接続された前記反応器と前記変換後気体送出口とを接続する、二酸化炭素分離・変換装置。
前記二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収および変換する触媒を備え、前記二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を前記触媒に吸収させ、前記触媒に吸収させた前記二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る、反応部と、
前記反応部に前記水素を送る水素送出部と、
を備え、
前記分離部は、
前記二酸化炭素を含有する気体から前記二酸化炭素を分離する分離膜を備える、１以上の分離膜モジュールと、
前記各分離膜モジュールと接続され、前記二酸化炭素濃縮気体が排出される二酸化炭素送出口と、を備える分離膜モジュール接続部と、
前記各分離膜モジュールおよび前記分離膜モジュール接続部の外側と前記各分離膜モジュールおよび前記分離膜モジュール接続部の内側との間に圧力差を形成する圧力差形成部と、
を備え、
前記分離膜モジュールは、
開口部と、前記分離膜モジュール接続部に前記二酸化炭素濃縮気体を排出する排出口とを備える容器と、
前記開口部を覆い、かつ、前記開口部の周囲に沿って固定され、前記二酸化炭素を含有する気体から前記二酸化炭素を分離する分離膜と、
を備え、
前記反応部は、
前記触媒を有する、１以上の反応器と、
前記各反応器において、前記二酸化炭素濃縮気体中の前記二酸化炭素を前記触媒に吸収させた後の気体である吸収後気体を排出する吸収後気体排出口と、
前記変換後気体を送出する変換後気体送出口と、
前記水素送出部、前記各反応器、および前記二酸化炭素送出口と直接または間接的に接続される第１ガス切換部と、
前記吸収後気体排出口、前記各反応器、および前記変換後気体送出口と直接または間接的に接続される第２ガス切換部と、
を備え、
前記触媒に前記二酸化炭素を吸収させるときは、前記第１ガス切換部は、前記各反応器の少なくとも１つと前記二酸化炭素送出口と接続し、前記第２ガス切換部は、前記二酸化炭素送出口と接続された前記反応器と前記吸収後気体排出口と接続し、
前記触媒に吸収させた前記二酸化炭素と前記水素とを反応させるときは、前記第１ガス切換部は、前記各反応器の少なくとも１つと前記水素送出部とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記水素送出部と接続された前記反応器と前記変換後気体送出口とを接続する、二酸化炭素分離・変換装置。
【請求項2】
前記反応部が第１反応器と第２反応器とを備え、
前記第１ガス切換部が前記第１反応器と前記二酸化炭素送出口とを接続したときは、前記第１ガス切換部は、前記第２反応器と前記二酸化炭素送出口とに接続されていない状態で前記第２反応器と前記水素送出部とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記第１反応器と前記吸収後気体排出口とを接続するとともに、前記第２反応器と前記吸収後気体排出口とに接続されていない状態で前記第２反応器と前記変換後気体送出口とを接続し、
前記第１ガス切換部が前記第２反応器と前記二酸化炭素送出口とを接続したときは、前記第１ガス切換部は、前記第１反応器と前記二酸化炭素送出口とに接続されていない状態で前記第１反応器と前記水素送出部とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記第２反応器と前記吸収後気体排出口とを接続するとともに、前記第１反応器と前記吸収後気体排出口とに接続されていない状態で前記第１反応器と前記変換後気体送出口とを接続する、請求項１に記載の二酸化炭素分離・変換装置。
前記第１ガス切換部が前記第１反応器と前記二酸化炭素送出口とを接続したときは、前記第１ガス切換部は、前記第２反応器と前記二酸化炭素送出口とに接続されていない状態で前記第２反応器と前記水素送出部とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記第１反応器と前記吸収後気体排出口とを接続するとともに、前記第２反応器と前記吸収後気体排出口とに接続されていない状態で前記第２反応器と前記変換後気体送出口とを接続し、
前記第１ガス切換部が前記第２反応器と前記二酸化炭素送出口とを接続したときは、前記第１ガス切換部は、前記第１反応器と前記二酸化炭素送出口とに接続されていない状態で前記第１反応器と前記水素送出部とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記第２反応器と前記吸収後気体排出口とを接続するとともに、前記第１反応器と前記吸収後気体排出口とに接続されていない状態で前記第１反応器と前記変換後気体送出口とを接続する、請求項１に記載の二酸化炭素分離・変換装置。
【請求項3】
前記反応部が第１反応器を備え、
前記触媒に前記二酸化炭素を吸収させるときは、前記第１ガス切換部は、前記水素送出部に接続されていない状態で前記第１反応器と前記二酸化炭素送出口とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記変換後気体送出口に接続されていない状態で前記第１反応器と前記吸収後気体排出口とを接続し、
前記触媒に吸収させた前記二酸化炭素と前記水素とを反応させるときは、前記第１ガス切換部は、前記二酸化炭素送出口に接続されていない状態で前記第１反応器と前記水素送出部とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記吸収後気体排出口に接続されていない状態で前記第１反応器と前記変換後気体送出口とを接続する、請求項１に記載の二酸化炭素分離・変換装置。
前記触媒に前記二酸化炭素を吸収させるときは、前記第１ガス切換部は、前記水素送出部に接続されていない状態で前記第１反応器と前記二酸化炭素送出口とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記変換後気体送出口に接続されていない状態で前記第１反応器と前記吸収後気体排出口とを接続し、
前記触媒に吸収させた前記二酸化炭素と前記水素とを反応させるときは、前記第１ガス切換部は、前記二酸化炭素送出口に接続されていない状態で前記第１反応器と前記水素送出部とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記吸収後気体排出口に接続されていない状態で前記第１反応器と前記変換後気体送出口とを接続する、請求項１に記載の二酸化炭素分離・変換装置。
【請求項4】
前記各分離部のうち第１分離部から排出された前記二酸化炭素濃縮気体を、前記各分離部のうち第２分離部に、投入する、請求項１～３のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離・変換装置。
【請求項5】
前記分離膜がポリジメチルシロキサン系材料を主成分とする分離膜である、請求項１～４のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離・変換装置。
【請求項6】
前記各分離膜モジュールに前記二酸化炭素を含有する気体を送る送風部を
さらに備える、請求項１～５のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離・変換装置。
さらに備える、請求項１～５のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離・変換装置。
【請求項7】
前記二酸化炭素濃縮気体中の水分を除去する水分除去部をさらに備える、請求項１～６のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離・変換装置。
【請求項8】
前記変換後気体を再度、前記各分離膜モジュールに投入する再投入部をさらに備える、請求項１～７のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離・変換装置。
【請求項9】
前記変換生成物が一酸化炭素である、請求項１～８のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離・変換装置。
【請求項10】
前記変換生成物がメタンである、請求項１～８のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離・変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、二酸化炭素分離・変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
火力発電などから排出される二酸化炭素（ＣＯ２）は、地球温暖化の原因となることから、二酸化炭素の削減が求められている。従来、二酸化炭素排出問題に対応するために、様々な技術が開発されている。その中で、大気中の二酸化炭素を直接回収するダイレクトエアキャプチャー（ＤＡＣ）技術が注目されている。
【0003】
ＤＡＣ技術として、特許文献１には、分離膜を有し、取り込んだ混合気体における二酸化炭素濃度を高めて二酸化炭素濃縮混合気体を生成する二酸化炭素濃縮混合気体生成装置と、二酸化炭素濃縮混合気体生成装置から受け取った濃縮混合気体中の二酸化炭素を化学的に安定な化合物に変換する二酸化炭素変換装置と、吸収材を備え、吸収材が二酸化炭素を吸収することにより該二酸化炭素を他の気体成分から分離する最終処理装置と、周囲環境に含まれる空気を取り込み、二酸化炭素捕捉処理システムの最終処理装置又はそれより上流側に供給する二酸化炭素直接捕捉装置とからなる二酸化炭素捕捉処理システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】国際公開第２０２１／２３００４５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、特許文献１のように分離膜を用いて二酸化炭素を濃縮すると、酸素（Ｏ２）が混入する。酸素と二酸化炭素とを含んだ気体と水素（Ｈ２）とを原料にして、触媒を用いてメタン（ＣＨ４）および一酸化炭素（ＣＯ）を生成する場合、酸素が二酸化炭素よりも優先的に水素と反応するため、二酸化炭素と水素とを反応させることは技術的に困難であった。
【0006】
また、一般に、分離膜を使用した分離システムでは、中空糸を束ねた中空糸型分離膜モジュール、または長尺分離膜を円筒状にしたスパイラル型分離膜モジュールが用いられている。しかし、中空糸型分離膜モジュールの場合は、中空糸の形状で製造しなければならず、製造上の制約が多い。また、スパイラル型分離膜モジュールの場合は、一度に大面積の分離膜を用いるため、大面積で膜の無欠陥を維持しなければならない。そのため、従来の分離膜を用いたシステムでは、分離膜モジュールの拡張がしにくいという問題があった。
【0007】
本発明は、上記の事情を鑑みなされた発明であり、分離膜モジュールの拡張性に優れ、酸素を含有した場合であっても、二酸化炭素を変換可能な、二酸化炭素分離・変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
（１）本発明の一態様に係る二酸化炭素分離・変換装置は、
二酸化炭素を含有する気体から前記二酸化炭素を分離し二酸化炭素濃縮気体を得る、１以上の分離部と、
前記二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収および変換する触媒を備え、前記二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を前記触媒に吸収させ、前記触媒に吸収させた前記二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る、反応部と、
前記反応部に前記水素を送る水素送出部と、
を備え、
前記分離部は、
前記二酸化炭素を含有する気体から前記二酸化炭素を分離する分離膜を備える、１以上の分離膜モジュールと、
前記各分離膜モジュールと接続され、前記二酸化炭素濃縮気体が排出される二酸化炭素送出口と、を備える分離膜モジュール接続部と、
前記各分離膜モジュールおよび前記分離膜モジュール接続部の外側と前記各分離膜モジュールおよび前記分離膜モジュール接続部の内側との間に圧力差を形成する圧力差形成部と、
を備え、
前記分離膜モジュールは、
開口部と、前記分離膜モジュール接続部に前記二酸化炭素濃縮気体を排出する排出口とを備える容器と、
前記開口部を覆い、かつ、前記開口部の周囲に沿って固定され、前記二酸化炭素を含有する気体から前記二酸化炭素を分離する分離膜と、
を備え、
前記反応部は、
前記触媒を有する、１以上の反応器と、
前記各反応器において、前記二酸化炭素濃縮気体中の前記二酸化炭素を前記触媒に吸収させた後の気体である吸収後気体を排出する吸収後気体排出口と、
前記変換後気体を送出する変換後気体送出口と、
前記水素送出部、前記各反応器、および前記二酸化炭素送出口と直接または間接的に接続される第１ガス切換部と、
前記吸収後気体排出口、前記各反応器、および前記変換後気体送出口と直接または間接的に接続される第２ガス切換部と、
を備え、
前記触媒に前記二酸化炭素を吸収させるときは、前記第１ガス切換部は、前記各反応器の少なくとも１つと前記二酸化炭素送出口と接続し、前記第２ガス切換部は、前記二酸化炭素送出口と接続された前記反応器と前記吸収後気体排出口と接続し、
前記触媒に吸収させた前記二酸化炭素と前記水素とを反応させるときは、前記第１ガス切換部は、前記各反応器の少なくとも１つと前記水素送出部とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記水素送出部と接続された前記反応器と前記変換後気体送出口とを接続する。
（２）上記（１）に記載の二酸化炭素分離・変換装置は、
前記反応部が第１反応器と第２反応器とを備え、
前記第１ガス切換部が前記第１反応器と前記二酸化炭素送出口とを接続したときは、前記第１ガス切換部は、前記第２反応器と前記二酸化炭素送出口とに接続されていない状態で前記第２反応器と前記水素送出部とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記第１反応器と前記吸収後気体排出口とを接続するとともに、前記第２反応器と前記吸収後気体排出口とに接続されていない状態で前記第２反応器と前記変換後気体送出口とを接続し、
前記第１ガス切換部が前記第２反応器と前記二酸化炭素送出口とを接続したときは、前記第１ガス切換部は、前記第１反応器と前記二酸化炭素送出口とに接続されていない状態で前記第１反応器と前記水素送出部とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記第２反応器と前記吸収後気体排出口とを接続するとともに、前記第１反応器と前記吸収後気体排出口とに接続されていない状態で前記第１反応器と前記変換後気体送出口とを接続してもよい。
（３）上記（１）に記載の二酸化炭素分離・変換装置は、
前記反応部が第１反応器を備え、
前記触媒に前記二酸化炭素を吸収させるときは、前記第１ガス切換部は、前記水素送出部に接続されていない状態で前記第１反応器と前記二酸化炭素送出口とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記変換後気体送出口に接続されていない状態で前記第１反応器と前記吸収後気体排出口とを接続し、
前記触媒に吸収させた前記二酸化炭素と前記水素とを反応させるときは、前記第１ガス切換部は、前記二酸化炭素送出口に接続されていない状態で前記第１反応器と前記水素送出部とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記吸収後気体排出口に接続されていない状態で前記第１反応器と前記変換後気体送出口とを接続してもよい。
（４）上記（１）～（３）のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離・変換装置は、
前記各分離部のうち第１分離部から排出された前記二酸化炭素濃縮気体を、前記各分離部のうち第２分離部に、投入してもよい。
（５）上記（１）～（４）のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離・変換装置は、前記分離膜がポリジメチルシロキサン系材料を主成分とする分離膜であってもよい。
（６）上記（１）～（５）のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離・変換装置は、前記各分離膜モジュールに前記二酸化炭素を含有する気体を送る送風部をさらに備えてもよい。
（７）上記（１）～（６）のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離・変換装置は、前記二酸化炭素濃縮気体中の水分を除去する水分除去部をさらに備えてもよい。
（８）上記（１）～（７）のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離・変換装置は、前記変換後気体を再度、前記各分離膜モジュールに投入する再投入部をさらに備えてもよい。
（９）上記（１）～（８）のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離・変換装置は、前記変換生成物が一酸化炭素であってもよい。
（１０）上記（１）～（８）のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離・変換装置は、前記変換生成物がメタンであってもよい。
（１）本発明の一態様に係る二酸化炭素分離・変換装置は、
二酸化炭素を含有する気体から前記二酸化炭素を分離し二酸化炭素濃縮気体を得る、１以上の分離部と、
前記二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収および変換する触媒を備え、前記二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を前記触媒に吸収させ、前記触媒に吸収させた前記二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る、反応部と、
前記反応部に前記水素を送る水素送出部と、
を備え、
前記分離部は、
前記二酸化炭素を含有する気体から前記二酸化炭素を分離する分離膜を備える、１以上の分離膜モジュールと、
前記各分離膜モジュールと接続され、前記二酸化炭素濃縮気体が排出される二酸化炭素送出口と、を備える分離膜モジュール接続部と、
前記各分離膜モジュールおよび前記分離膜モジュール接続部の外側と前記各分離膜モジュールおよび前記分離膜モジュール接続部の内側との間に圧力差を形成する圧力差形成部と、
を備え、
前記分離膜モジュールは、
開口部と、前記分離膜モジュール接続部に前記二酸化炭素濃縮気体を排出する排出口とを備える容器と、
前記開口部を覆い、かつ、前記開口部の周囲に沿って固定され、前記二酸化炭素を含有する気体から前記二酸化炭素を分離する分離膜と、
を備え、
前記反応部は、
前記触媒を有する、１以上の反応器と、
前記各反応器において、前記二酸化炭素濃縮気体中の前記二酸化炭素を前記触媒に吸収させた後の気体である吸収後気体を排出する吸収後気体排出口と、
前記変換後気体を送出する変換後気体送出口と、
前記水素送出部、前記各反応器、および前記二酸化炭素送出口と直接または間接的に接続される第１ガス切換部と、
前記吸収後気体排出口、前記各反応器、および前記変換後気体送出口と直接または間接的に接続される第２ガス切換部と、
を備え、
前記触媒に前記二酸化炭素を吸収させるときは、前記第１ガス切換部は、前記各反応器の少なくとも１つと前記二酸化炭素送出口と接続し、前記第２ガス切換部は、前記二酸化炭素送出口と接続された前記反応器と前記吸収後気体排出口と接続し、
前記触媒に吸収させた前記二酸化炭素と前記水素とを反応させるときは、前記第１ガス切換部は、前記各反応器の少なくとも１つと前記水素送出部とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記水素送出部と接続された前記反応器と前記変換後気体送出口とを接続する。
（２）上記（１）に記載の二酸化炭素分離・変換装置は、
前記反応部が第１反応器と第２反応器とを備え、
前記第１ガス切換部が前記第１反応器と前記二酸化炭素送出口とを接続したときは、前記第１ガス切換部は、前記第２反応器と前記二酸化炭素送出口とに接続されていない状態で前記第２反応器と前記水素送出部とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記第１反応器と前記吸収後気体排出口とを接続するとともに、前記第２反応器と前記吸収後気体排出口とに接続されていない状態で前記第２反応器と前記変換後気体送出口とを接続し、
前記第１ガス切換部が前記第２反応器と前記二酸化炭素送出口とを接続したときは、前記第１ガス切換部は、前記第１反応器と前記二酸化炭素送出口とに接続されていない状態で前記第１反応器と前記水素送出部とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記第２反応器と前記吸収後気体排出口とを接続するとともに、前記第１反応器と前記吸収後気体排出口とに接続されていない状態で前記第１反応器と前記変換後気体送出口とを接続してもよい。
（３）上記（１）に記載の二酸化炭素分離・変換装置は、
前記反応部が第１反応器を備え、
前記触媒に前記二酸化炭素を吸収させるときは、前記第１ガス切換部は、前記水素送出部に接続されていない状態で前記第１反応器と前記二酸化炭素送出口とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記変換後気体送出口に接続されていない状態で前記第１反応器と前記吸収後気体排出口とを接続し、
前記触媒に吸収させた前記二酸化炭素と前記水素とを反応させるときは、前記第１ガス切換部は、前記二酸化炭素送出口に接続されていない状態で前記第１反応器と前記水素送出部とを接続し、前記第２ガス切換部は、前記吸収後気体排出口に接続されていない状態で前記第１反応器と前記変換後気体送出口とを接続してもよい。
（４）上記（１）～（３）のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離・変換装置は、
前記各分離部のうち第１分離部から排出された前記二酸化炭素濃縮気体を、前記各分離部のうち第２分離部に、投入してもよい。
（５）上記（１）～（４）のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離・変換装置は、前記分離膜がポリジメチルシロキサン系材料を主成分とする分離膜であってもよい。
（６）上記（１）～（５）のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離・変換装置は、前記各分離膜モジュールに前記二酸化炭素を含有する気体を送る送風部をさらに備えてもよい。
（７）上記（１）～（６）のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離・変換装置は、前記二酸化炭素濃縮気体中の水分を除去する水分除去部をさらに備えてもよい。
（８）上記（１）～（７）のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離・変換装置は、前記変換後気体を再度、前記各分離膜モジュールに投入する再投入部をさらに備えてもよい。
（９）上記（１）～（８）のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離・変換装置は、前記変換生成物が一酸化炭素であってもよい。
（１０）上記（１）～（８）のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離・変換装置は、前記変換生成物がメタンであってもよい。
【発明の効果】
【0009】
本発明の上記態様によれば、分離膜モジュールの拡張性に優れ、酸素を含有した場合であっても、二酸化炭素を変換可能な、二酸化炭素分離・変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】第１実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置の概略図である。
【図3】分離膜モジュールの平面図である。
【図6】第１実施形態の二酸化炭素変換方法のフローチャートである。
【図7】本発明の第２実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置の概略図である。
【図9】第２実施形態の二酸化炭素変換方法のフローチャートである。
【図10】第３実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置の概略図である。
【図11】第４実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置の概略図である。
【図12】第５実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置の概略図である。
【図13】二酸化炭素濃縮性試験における二酸化炭素の濃度、相対湿度および温度と時間との関係を示す図である。
【図14】水分除去を行った二酸化炭素濃縮性試験における二酸化炭素の濃度、相対湿度および温度と時間との関係を示す図である。
【図15】分離膜に送風した二酸化炭素濃縮性試験における二酸化炭素の濃度、相対湿度および温度と時間との関係を示す図である。
【図16】二酸化炭素の変換反応によって生成したメタンと時間との関係を示す図である。
【図17】二酸化炭素の変換反応によって生成した一酸化炭素と時間との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
＜第１実施形態＞
以下、図面を参照して、第１実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置について説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法などは一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
以下、図面を参照して、第１実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置について説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法などは一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【0012】
図１は、第１実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００の概略図である。二酸化炭素分離・変換装置１００は、二酸化炭素を含有する気体から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素濃縮気体を得る、１以上の分離部１０と、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収および変換（還元）する触媒を備え、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を触媒に吸収させ、触媒に吸収させた二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る、反応部３０と、反応部３０に水素を送る水素送出部４０と、を備える。第１実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００は、必要に応じてさらに二酸化炭素濃縮気体から水分を除去する水分除去部２０を備えることができる。水分除去部２０を接続する場合は、分離部１０と水分除去部２０とは流路Ｌ２を介し、接続される。水分除去部２０と反応部３０とは流路Ｌ３を介し、接続される。水分除去部２０を用いない場合は、分離部１０と反応部３０とが流路Ｌ２を介して接続される。反応部３０と水素送出部４０とは、流路Ｌ５を介し接続される。反応部３０で生成された変換後気体は、流路Ｌ６を通り図示しない回収部に送られる。吸収後気体は、流路Ｌ４を通り排出される。以下、各部について説明する。
【0013】
（分離部１０）
図２は、分離部１０の概略図である。分離部１０は二酸化炭素を含有する気体から二酸化炭素を分離する分離膜を備える、１以上の分離膜モジュール１１と、各分離膜モジュール１１と接続され、二酸化炭素濃縮気体が排出される二酸化炭素送出口１６と、を備える分離膜モジュール接続部１３と、各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の外側と各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の内側との間に圧力差を形成する圧力差形成部１４と、を備える。第1実施形態では、二酸化炭素送出口１６は、流路Ｌ７を介し、圧力差形成部１４と接続され、圧力差形成部１４は流路Ｌ２と接続されている。分離膜モジュール１１から入ってきた二酸化炭素濃縮気体は、二酸化炭素送出口１６、流路Ｌ７、圧力差形成部１４を通り、反応部３０に送られる。本発明は、分離膜モジュール１１を用い、大気から二酸化炭素を分離し、反応部３０に二酸化炭素濃縮気体を送ることができれば、この構成に限定されない。
図２は、分離部１０の概略図である。分離部１０は二酸化炭素を含有する気体から二酸化炭素を分離する分離膜を備える、１以上の分離膜モジュール１１と、各分離膜モジュール１１と接続され、二酸化炭素濃縮気体が排出される二酸化炭素送出口１６と、を備える分離膜モジュール接続部１３と、各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の外側と各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の内側との間に圧力差を形成する圧力差形成部１４と、を備える。第1実施形態では、二酸化炭素送出口１６は、流路Ｌ７を介し、圧力差形成部１４と接続され、圧力差形成部１４は流路Ｌ２と接続されている。分離膜モジュール１１から入ってきた二酸化炭素濃縮気体は、二酸化炭素送出口１６、流路Ｌ７、圧力差形成部１４を通り、反応部３０に送られる。本発明は、分離膜モジュール１１を用い、大気から二酸化炭素を分離し、反応部３０に二酸化炭素濃縮気体を送ることができれば、この構成に限定されない。
【0014】
「分離膜モジュール１１」
図３は、分離膜モジュール１１の平面図である。図４は、図３の分離膜モジュール１１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。図３および４において、Ｘ方向およびＹ方向は、容器１の表面１ｃに沿う方向である。Ｙ方向は、Ｘ方向と直交する方向である。Ｚ方向は、Ｘ方向およびＹ方向と直交する方向である。分離膜モジュール１１は、開口部１ａと、分離膜モジュール接続部１３に二酸化炭素濃縮気体を排出する排出口１ｂとを備える容器１を備える。また、分離膜モジュール１１は、開口部１ａを覆い、かつ、開口部１ａの周囲に沿って固定され、二酸化炭素を含有する気体から二酸化炭素を分離する分離膜２を備える。二酸化炭素分離・変換装置１００は、分離膜モジュール１１の数を増やすことで、容易に分離膜を拡張することができる。分離膜モジュール１１の数は２以上が好ましい。分離膜モジュール１１は、図示しない圧力センサなどを備えて、リークの有無を監視してもよい。
図３は、分離膜モジュール１１の平面図である。図４は、図３の分離膜モジュール１１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。図３および４において、Ｘ方向およびＹ方向は、容器１の表面１ｃに沿う方向である。Ｙ方向は、Ｘ方向と直交する方向である。Ｚ方向は、Ｘ方向およびＹ方向と直交する方向である。分離膜モジュール１１は、開口部１ａと、分離膜モジュール接続部１３に二酸化炭素濃縮気体を排出する排出口１ｂとを備える容器１を備える。また、分離膜モジュール１１は、開口部１ａを覆い、かつ、開口部１ａの周囲に沿って固定され、二酸化炭素を含有する気体から二酸化炭素を分離する分離膜２を備える。二酸化炭素分離・変換装置１００は、分離膜モジュール１１の数を増やすことで、容易に分離膜を拡張することができる。分離膜モジュール１１の数は２以上が好ましい。分離膜モジュール１１は、図示しない圧力センサなどを備えて、リークの有無を監視してもよい。
【0015】
容器１は、開口部１ａと、空洞部３と、排出口１ｂと、を備える。分離膜２および開口部１ａを通った二酸化炭素は、容器１の空洞部３を通り、排出口１ｂから分離膜モジュール接続部１３に送られる。なお開口部１aは分離膜２を支持するために、メッシュ等の多孔性支持材があってもよい。
【0016】
開口部１ａの大きさは、特に限定されない。
【0017】
容器１の形状は、二酸化炭素が分離膜２を透過し、排出口１ｂから二酸化炭素送出口１６を通ることができれば、特に限定されない。容器１の形状は、並列に設置できる分離膜モジュール１１の数を増やすことができるので、平板状であることが好ましい。
【0018】
容器１のＸ方向の長さＸ１およびＹ方向の長さＸ２は、特に限定されない。容器１の長さＸ１および長さＸ２が長いほうが、開口部１ａを大きくすることができる。
【0019】
容器１の厚さＸ３は、特に限定されない。容器１の厚さが薄いほうが多数の分離膜モジュール１１を並列して分離膜モジュール接続部１３に接続することができるので、容器１の厚さＸ３は、薄いほうが好ましい。容器１の厚さは、例えば、０．１ｍｍ～１０ｍｍである。
【0020】
分離膜２は、大気中の二酸化炭素を優先して透過させる機能を有する。分離膜２は、大気中の二酸化炭素を優先して透過するので、分離膜２を通った気体は、大気中よりも二酸化炭素の濃度が高くなる。この分離膜２を通り、二酸化炭素の濃度が上がった気体が二酸化炭素濃縮気体である。
分離膜２の材質としては、大気中の二酸化炭素を優先して透過し、大気中の二酸化炭素以外の成分の透過を抑制できれば、特に限定されない。分離膜２の材質としては、例えば、ゼオライト、アモルファスシリカ、金属をドープしたシリカ、金属有機構造体（ＭＯＦ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ）、カーボン、ポリイミド、ポリアミド、ポリジメチルシロキサン系材料などが挙げられる。特に好ましくは、分離膜２としては、ポリジメチルシロキサン系材料を主成分とする分離膜が好ましい。なお、「ポリジメチルシロキサン系材料を主成分とする」とは、分離膜２の全質量中、ポリジメチルシロキサン系材料の含有量が６０質量％以上であることをいう。
分離膜２の材質としては、大気中の二酸化炭素を優先して透過し、大気中の二酸化炭素以外の成分の透過を抑制できれば、特に限定されない。分離膜２の材質としては、例えば、ゼオライト、アモルファスシリカ、金属をドープしたシリカ、金属有機構造体（ＭＯＦ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ）、カーボン、ポリイミド、ポリアミド、ポリジメチルシロキサン系材料などが挙げられる。特に好ましくは、分離膜２としては、ポリジメチルシロキサン系材料を主成分とする分離膜が好ましい。なお、「ポリジメチルシロキサン系材料を主成分とする」とは、分離膜２の全質量中、ポリジメチルシロキサン系材料の含有量が６０質量％以上であることをいう。
【0021】
分離膜２は、容器１の開口部１ａを覆い、かつ、開口部１ａの周囲に沿って固定される。固定方法は、圧力差を形成した際に大気が分離膜２を通らず、直接容器１に入らないようにできれば、特に限定されない。例えば、分離膜２を粘着テープで容器１に固定してもよいし、接着剤を用いて分離膜２を容器１に固定してもよい。
【0022】
分離膜２の厚さは、特に限定されない。分離膜２の厚さが薄いほどガス透過性が高くなるので、分離膜２は薄いことが好ましい。分離膜２の厚さとしては、例えば、１０ｎｍ～１μｍである。
【0023】
「分離膜モジュール接続部１３」
分離膜モジュール接続部１３は、分離膜モジュール１１と接続される接続部１５と二酸化炭素送出口１６とを備える。分離膜モジュール接続部１３は、１以上の分離膜モジュール１１と接続される。第１実施形態では、分離膜モジュール接続部１３は、接続部１５を介し分離膜モジュール１１と接続される。また、分離膜モジュール接続部１３の二酸化炭素送出口１６は流路Ｌ７と接続される。分離膜モジュール接続部１３は図示しない流路を内部に備える。二酸化炭素濃縮気体は、排出口１ｂおよび接続部１５を通り、二酸化炭素送出口１６から排出される。
分離膜モジュール接続部１３は、分離膜モジュール１１と接続される接続部１５と二酸化炭素送出口１６とを備える。分離膜モジュール接続部１３は、１以上の分離膜モジュール１１と接続される。第１実施形態では、分離膜モジュール接続部１３は、接続部１５を介し分離膜モジュール１１と接続される。また、分離膜モジュール接続部１３の二酸化炭素送出口１６は流路Ｌ７と接続される。分離膜モジュール接続部１３は図示しない流路を内部に備える。二酸化炭素濃縮気体は、排出口１ｂおよび接続部１５を通り、二酸化炭素送出口１６から排出される。
【0024】
接続部１５は、分離膜モジュール１１を着脱可能であることが好ましい。接続部１５が分離膜モジュール１１を着脱可能であることで、分離膜２に穴が開くなどによって、二酸化炭素変換中に分離膜モジュール１１が破損した場合に、破損した分離膜モジュール１１のみを交換すればよい。そのため、着脱可能な接続部１５を有することでメンテナンス性を向上できる。
【0025】
「圧力差形成部１４」
圧力差形成部１４は、各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の外側と各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の内側との間に圧力差を形成する。各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の外側と各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の内側との間に圧力差があることで、大気中の二酸化炭素が分離膜２を通り、各分離膜モジュール１１内部に入る。各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の外側の圧力を増圧してもよいし、各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の内側の圧力を減圧してもよい。
圧力差形成部１４は、各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の外側と各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の内側との間に圧力差を形成する。各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の外側と各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の内側との間に圧力差があることで、大気中の二酸化炭素が分離膜２を通り、各分離膜モジュール１１内部に入る。各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の外側の圧力を増圧してもよいし、各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の内側の圧力を減圧してもよい。
【0026】
圧力差形成部１４は、各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の外側と各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の内側との間に圧力差を形成することができれば、特に限定されない。圧力差形成部１４は、例えばダイアフラムポンプ、ドライポンプ、コンプレッサーなどである。
【0027】
（反応部）
図５に反応部３０の概略図を示す。反応部３０は、触媒３２を有する、１以上の反応器３１と、触媒３２に吸収させた後の気体である吸収後気体を排出する吸収後気体排出口３３と、変換後気体を送出する変換後気体送出口３５と、水素送出部４０、各反応器３１、および二酸化炭素送出口１６と直接または間接的に接続される第１ガス切換部３７と、吸収後気体排出口３３、各反応器３１、および変換後気体送出口３５と直接または間接的に接続される第２ガス切換部３９と、を備える。
図５に反応部３０の概略図を示す。反応部３０は、触媒３２を有する、１以上の反応器３１と、触媒３２に吸収させた後の気体である吸収後気体を排出する吸収後気体排出口３３と、変換後気体を送出する変換後気体送出口３５と、水素送出部４０、各反応器３１、および二酸化炭素送出口１６と直接または間接的に接続される第１ガス切換部３７と、吸収後気体排出口３３、各反応器３１、および変換後気体送出口３５と直接または間接的に接続される第２ガス切換部３９と、を備える。
【0028】
触媒３２に二酸化炭素を吸収させるときは、第１ガス切換部３７は、各反応器３１の少なくとも１つと二酸化炭素送出口１６と接続し、第２ガス切換部３９は、二酸化炭素送出口１６と接続された反応器３１と吸収後気体排出口３３と接続する。第１実施形態では、触媒３２に二酸化炭素を吸収させるときは、第１ガス切換部３７は、水素送出部４０に接続されていない状態で、第１反応器３１Ａと二酸化炭素送出口１６とを接続し、第２ガス切換部３９は、変換後気体送出口３５に接続されていない状態で、第１反応器３１Ａと吸収後気体排出口３３とを接続する。このように反応器３１等を接続し、二酸化炭素濃縮気体を反応器３１内に流すことで、二酸化炭素を触媒３２に吸収させることができる。二酸化炭素を吸収させた後の吸収後気体は、吸収後気体排出口３３を通り、流路Ｌ４から排出される。吸収後気体には、酸素などが含まれている。このように吸収後気体を排出することで、二酸化炭素以外の成分（例えば、酸素）を除くことができる。
【0029】
触媒３２に吸収させた二酸化炭素と水素とを反応させるときは、第１ガス切換部３７は、各反応器３１の少なくとも１つと水素送出部４０とを接続し、第２ガス切換部３９は、水素送出部４０と接続された反応器３１と変換後気体送出口３５とを接続する。
第１実施形態では、触媒３２に吸収させた二酸化炭素と水素とを反応させるときは、第１ガス切換部３７は、二酸化炭素送出口１６に接続されていない状態で第１反応器３１Ａと水素送出部４０とを接続し、第２ガス切換部３９は、吸収後気体排出口３３に接続されていない状態で第１反応器３１Ａと変換後気体送出口３５とを接続する。このように反応器３１等を接続し、二酸化炭素を触媒３２に吸収させた反応器３１内に水素を流すことで、二酸化炭素を変換し、変換生成物を得ることができる。二酸化炭素の変換で得られた変換生成物を含有する変換後気体は、変換後気体送出口３５を通り、流路Ｌ６から送出される。送出された変換後気体は、図示しない回収部に送られる。
第１実施形態では、触媒３２に吸収させた二酸化炭素と水素とを反応させるときは、第１ガス切換部３７は、二酸化炭素送出口１６に接続されていない状態で第１反応器３１Ａと水素送出部４０とを接続し、第２ガス切換部３９は、吸収後気体排出口３３に接続されていない状態で第１反応器３１Ａと変換後気体送出口３５とを接続する。このように反応器３１等を接続し、二酸化炭素を触媒３２に吸収させた反応器３１内に水素を流すことで、二酸化炭素を変換し、変換生成物を得ることができる。二酸化炭素の変換で得られた変換生成物を含有する変換後気体は、変換後気体送出口３５を通り、流路Ｌ６から送出される。送出された変換後気体は、図示しない回収部に送られる。
【0030】
「反応器」
反応器３１は、収納容器３４と収納容器３４内に触媒３２を備える。第１実施形態では、反応器３１の数は１つである。即ち、第１実施形態において、反応器３１は第１反応器３１Ａのみであるが、本発明はこれに限定されない。本発明では、複数の反応器３１を用いてもよい。第１反応器３１Ａは、流路Ｌ８を介し第１ガス切換部３７と接続される。第１反応器３１Ａは、流路Ｌ９を介し、第２ガス切換部３９と接続される。第１ガス切換部３７から流れてきた二酸化炭素濃縮気体は、第１反応器３１Ａを通る際、触媒３２に接触して、二酸化炭素が吸収される。二酸化炭素が触媒３２に吸収された後、水素送出部４０から送られた水素を用いて、二酸化炭素を変換して変換生成物を生成する。
反応器３１は、収納容器３４と収納容器３４内に触媒３２を備える。第１実施形態では、反応器３１の数は１つである。即ち、第１実施形態において、反応器３１は第１反応器３１Ａのみであるが、本発明はこれに限定されない。本発明では、複数の反応器３１を用いてもよい。第１反応器３１Ａは、流路Ｌ８を介し第１ガス切換部３７と接続される。第１反応器３１Ａは、流路Ｌ９を介し、第２ガス切換部３９と接続される。第１ガス切換部３７から流れてきた二酸化炭素濃縮気体は、第１反応器３１Ａを通る際、触媒３２に接触して、二酸化炭素が吸収される。二酸化炭素が触媒３２に吸収された後、水素送出部４０から送られた水素を用いて、二酸化炭素を変換して変換生成物を生成する。
【0031】
触媒３２は、二酸化炭素を吸収および変換することができれば特に限定されない。触媒３２は、目的とする変換生成物に応じて選択することができる。触媒３２は、例えば、担体と担体上に担持される塩基性物質および遷移金属とを備える。
【0032】
触媒３２の担体は、塩基性物質および遷移金属を担持できれば特に限定されない。より具体的には、二酸化炭素吸収、および変換反応には関与しない材質であることが好ましく、担体として必要とされる耐久性を有する材質であることが好ましい。形状としては反応の効果を高めるべく、多孔質であることが好ましい。担体の材質としては、金属酸化物であることが好ましく、より具体的には、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、マグネシア（ＭｇＯ）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）、セリア（ＣｅＯ２）などである。これらのうち、触媒としての特性を考慮すると、担体としては、特にアルミナが好ましい。
【0033】
塩基性物質は、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属である。塩基性物質は、二酸化炭素の吸収と、変換生成物の生成に寄与する。塩基性物質としては、ナトリウム（Ｎａ），カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）である。塩基性物質は二酸化炭素と反応し、炭酸塩を形成する。すなわち、触媒３２は、二酸化炭素との反応物を形成することで、二酸化炭素を吸収する。塩基性物質は、目的とする変換生成物および担体に担持される遷移金属によって適宜選択される。二酸化炭素からメタンを生成する場合は、塩基性物質として、カルシウムが好ましい。二酸化炭素から一酸化炭素を生成する場合は、塩基性物質として、ナトリウムが好ましい。
【0034】
遷移金属は、変換生成物の生成に寄与する。遷移金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）などである。二酸化炭素からメタンを生成する場合は、遷移金属として、Ｎｉが好ましい。二酸化炭素から一酸化炭素を生成する場合は、遷移金属として、Ｐｔが好ましい。
【0035】
例えば、二酸化炭素を変換し、メタンを生成する場合は、触媒３２は、アルミナにＮｉナノ粒子とカルシウムとを担持させた触媒が好ましい。二酸化炭素を変換し、一酸化炭素を生成する場合は、触媒３２は、アルミナにＰｔナノ粒子とナトリウムとを担持させた触媒が好ましい。
【0036】
遷移金属は粒子状に存在することが好ましい。また、遷移金属からなる粒子の粒径は、例えば、１～３０ｎｍである。粒子の粒径は、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）の観察で得られた観察像から確認することができる。
【0037】
「第１ガス切換部３７」
第１実施形態に係る第１ガス切換部３７は、流路Ｌ３を介し、二酸化炭素送出口１６と接続される。第１ガス切換部３７は、流路Ｌ５を介し、水素送出部４０と接続される。第１ガス切換部３７は、流路Ｌ８を介し、第１反応器３１Ａと接続される。第１ガス切換部３７は、例えば、三方弁である。
第１実施形態に係る第１ガス切換部３７は、流路Ｌ３を介し、二酸化炭素送出口１６と接続される。第１ガス切換部３７は、流路Ｌ５を介し、水素送出部４０と接続される。第１ガス切換部３７は、流路Ｌ８を介し、第１反応器３１Ａと接続される。第１ガス切換部３７は、例えば、三方弁である。
【0038】
「第２ガス切換部３９」
第１実施形態に係る第２ガス切換部３９は、流路Ｌ９を介し第１反応器３１Ａと接続される。第２ガス切換部３９は、吸収後気体排出口３３および変換後気体送出口３５を備える。吸収後気体排出口３３は流路Ｌ４と接続される。変換後気体送出口３５は、流路Ｌ６と接続される。第２ガス切換部３９は、例えば、三方弁である。
第１実施形態に係る第２ガス切換部３９は、流路Ｌ９を介し第１反応器３１Ａと接続される。第２ガス切換部３９は、吸収後気体排出口３３および変換後気体送出口３５を備える。吸収後気体排出口３３は流路Ｌ４と接続される。変換後気体送出口３５は、流路Ｌ６と接続される。第２ガス切換部３９は、例えば、三方弁である。
【0039】
（水分除去部）
水分除去部２０は、分離部１０で得られた二酸化炭素濃縮気体中の水分を除去する。水分除去部２０は、流路Ｌ２を介し、分離部１０と接続される。また、水分除去部２０は、流路Ｌ３を介し、反応部３０と接続される。第１実施形態では、反応部３０で用いられる二酸化炭素濃縮気体は、水分を除去したものとなる。水分の除去方法は、公知の方法を用いることができる。水分除去部２０としては、例えば、冷却式水トラップ、モレキュラーシーブを備えたモレキュラーシーブユニットなどが挙げられる。水分除去部２０は、例えば、冷却式水トラップおよびモレキュラーシーブなど複数の水分除去部２０を備えていてもよい。
水分除去部２０は、分離部１０で得られた二酸化炭素濃縮気体中の水分を除去する。水分除去部２０は、流路Ｌ２を介し、分離部１０と接続される。また、水分除去部２０は、流路Ｌ３を介し、反応部３０と接続される。第１実施形態では、反応部３０で用いられる二酸化炭素濃縮気体は、水分を除去したものとなる。水分の除去方法は、公知の方法を用いることができる。水分除去部２０としては、例えば、冷却式水トラップ、モレキュラーシーブを備えたモレキュラーシーブユニットなどが挙げられる。水分除去部２０は、例えば、冷却式水トラップおよびモレキュラーシーブなど複数の水分除去部２０を備えていてもよい。
【0040】
（水素送出部）
水素送出部４０は、反応部３０に水素を送る。具体的には、流路Ｌ５、第１ガス切換部３７を介し、第１反応器３１Ａに送られる。水素送出部４０は、反応部３０に水素を送ることができれば、特に限定されない。水素送出部４０は、例えば、水素を貯蔵する水素ボンベである。
水素送出部４０は、反応部３０に水素を送る。具体的には、流路Ｌ５、第１ガス切換部３７を介し、第１反応器３１Ａに送られる。水素送出部４０は、反応部３０に水素を送ることができれば、特に限定されない。水素送出部４０は、例えば、水素を貯蔵する水素ボンベである。
【0041】
以上、第１実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００を説明した。第１実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００によれば、分離膜モジュール１１の拡張性に優れ、酸素を含有した場合であっても、二酸化炭素を変換することができる。
【0042】
第１実施形態では、二酸化炭素分離・変換装置１００は、水分除去部２０を備えていたが、水分除去部２０は無くてもよい。
【0043】
＜二酸化炭素変換方法＞
次に本実施形態に係る二酸化炭素変換方法について説明する。本実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００を用いた例を説明するが、本実施形態に係る二酸化炭素変換方法は、下記の方法に限定されない。図６は、第１実施形態に係る二酸化炭素変換方法のフローチャートである。第１実施形態の二酸化炭素変換方法は、大気中から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素の濃度を上げることで、二酸化炭素濃縮気体を得る分離工程Ｓ１と、二酸化炭素濃縮気体から水分を除去する水分除去工程Ｓ２と、触媒３２に二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収させる二酸化炭素吸収工程Ｓ３、触媒３２に吸収した二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る二酸化炭素変換工程Ｓ４を有する。
次に本実施形態に係る二酸化炭素変換方法について説明する。本実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００を用いた例を説明するが、本実施形態に係る二酸化炭素変換方法は、下記の方法に限定されない。図６は、第１実施形態に係る二酸化炭素変換方法のフローチャートである。第１実施形態の二酸化炭素変換方法は、大気中から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素の濃度を上げることで、二酸化炭素濃縮気体を得る分離工程Ｓ１と、二酸化炭素濃縮気体から水分を除去する水分除去工程Ｓ２と、触媒３２に二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収させる二酸化炭素吸収工程Ｓ３、触媒３２に吸収した二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る二酸化炭素変換工程Ｓ４を有する。
【0044】
（分離工程）
分離工程Ｓ１では、大気中から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素の濃度を上げることで、二酸化炭素濃縮気体を得る。具体的には、分離膜モジュール１１の分離膜２を用い、大気中の二酸化炭素を分離し、濃縮する。分離膜２を透過した二酸化炭素濃縮気体は、分離膜モジュール１１と分離膜モジュール接続部１３の内部を通り、二酸化炭素送出口１６から水分除去部２０に送出される。
分離工程Ｓ１では、大気中から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素の濃度を上げることで、二酸化炭素濃縮気体を得る。具体的には、分離膜モジュール１１の分離膜２を用い、大気中の二酸化炭素を分離し、濃縮する。分離膜２を透過した二酸化炭素濃縮気体は、分離膜モジュール１１と分離膜モジュール接続部１３の内部を通り、二酸化炭素送出口１６から水分除去部２０に送出される。
【0045】
大気中の二酸化炭素が分離膜２を透過できるようにするために、圧力差形成部１４は、各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の外側と各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１４の内側との間に圧力差を形成する。
【0046】
例えば、ダイアフラムポンプで、各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の内部を１０ｋＰａ以下まで減圧することで、分離膜２から各分離膜モジュール１１および分離膜モジュール接続部１３の内部に二酸化炭素を透過させてもよい。
【0047】
（水分除去工程）
水分除去工程Ｓ２では、二酸化炭素濃縮気体から水分を除去する。具体的には、流路Ｌ２を通り、水分除去部２０に入った二酸化炭素濃縮気体から水分を除去し、水分を除去した後の二酸化炭素濃縮気体を、流路Ｌ３を介して、反応部３０に送る。水分除去工程Ｓ２では、例えば、冷却式水トラップおよびモレキュラーシーブを用いて二酸化炭素濃縮気体中の水分を除去してもよい。
水分除去工程Ｓ２では、二酸化炭素濃縮気体から水分を除去する。具体的には、流路Ｌ２を通り、水分除去部２０に入った二酸化炭素濃縮気体から水分を除去し、水分を除去した後の二酸化炭素濃縮気体を、流路Ｌ３を介して、反応部３０に送る。水分除去工程Ｓ２では、例えば、冷却式水トラップおよびモレキュラーシーブを用いて二酸化炭素濃縮気体中の水分を除去してもよい。
【0048】
（二酸化炭素吸収工程）
二酸化炭素吸収工程Ｓ３では、触媒３２に二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収させる。具体的には、水分除去部２０で水分が除去された後の二酸化炭素濃縮気体を第１反応器３１Ａに流す。これによって、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素が触媒３２と接触し、触媒３２に吸収される。触媒３２に二酸化炭素が吸収された後の吸収後気体は、第１反応器３１Ａから流路Ｌ９を通り、吸収後気体排出口３３から排出される。吸収後気体には、酸素などの不要な成分が含まれている。この吸収後気体を排出することで、酸素などの二酸化炭素以外の成分を除去する。吸収後気体排出口３３から排出された後の吸収後気体は、流路Ｌ４を通り、例えば、大気中に排出される。
二酸化炭素吸収工程Ｓ３では、触媒３２に二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収させる。具体的には、水分除去部２０で水分が除去された後の二酸化炭素濃縮気体を第１反応器３１Ａに流す。これによって、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素が触媒３２と接触し、触媒３２に吸収される。触媒３２に二酸化炭素が吸収された後の吸収後気体は、第１反応器３１Ａから流路Ｌ９を通り、吸収後気体排出口３３から排出される。吸収後気体には、酸素などの不要な成分が含まれている。この吸収後気体を排出することで、酸素などの二酸化炭素以外の成分を除去する。吸収後気体排出口３３から排出された後の吸収後気体は、流路Ｌ４を通り、例えば、大気中に排出される。
【0049】
二酸化炭素吸収工程Ｓ３において、第１ガス切換部３７は、各反応器３１の少なくとも１つと二酸化炭素送出口１６と接続し、第２ガス切換部３９は、二酸化炭素送出口１６と接続された反応器３１と吸収後気体排出口３３と接続する。第１実施形態の二酸化炭素吸収工程Ｓ３では、第１ガス切換部３７は、水素送出部４０に接続されていない状態で、第１反応器３１Ａと二酸化炭素送出口１６とを接続し、第２ガス切換部３９は、変換後気体送出口３５に接続されていない状態で、第１反応器３１Ａと吸収後気体排出口３３とを接続する。
【0050】
二酸化炭素吸収工程Ｓ３では、第１反応器３１Ａを加熱することが好ましい。加熱することで、その後の二酸化炭素の変換反応を速やかに行うことができる。用いる触媒の種類、変換生成物の種類に応じて、第１反応器３１Ａの温度は適宜設定することができる。第１反応器３１Ａの温度を３００℃～４５０℃に保持することが好ましい。
【0051】
（二酸化炭素変換工程）
二酸化炭素変換工程Ｓ４では、触媒３２に吸収した二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る。具体的には、二酸化炭素吸収工程Ｓ３が終了した後の第１反応器３１Ａに水素送出部４０から送られた水素を流す。第１反応器３１Ａ中の触媒３２上において、吸着した二酸化炭素と、水素とから二酸化炭素が変換（還元）され、変換生成物が生成される。変換生成物は例えば、メタン、一酸化炭素などである。変換反応後の変換生成物を含有する変換後気体は、流路Ｌ９を通り、第２ガス切換部３９の変換後気体送出口３５から送出される。変換後気体は、例えば、図示しない回収部に運ばれるが、変換後気体をそのまま別のシステムに投入してもよい。
二酸化炭素変換工程Ｓ４では、触媒３２に吸収した二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る。具体的には、二酸化炭素吸収工程Ｓ３が終了した後の第１反応器３１Ａに水素送出部４０から送られた水素を流す。第１反応器３１Ａ中の触媒３２上において、吸着した二酸化炭素と、水素とから二酸化炭素が変換（還元）され、変換生成物が生成される。変換生成物は例えば、メタン、一酸化炭素などである。変換反応後の変換生成物を含有する変換後気体は、流路Ｌ９を通り、第２ガス切換部３９の変換後気体送出口３５から送出される。変換後気体は、例えば、図示しない回収部に運ばれるが、変換後気体をそのまま別のシステムに投入してもよい。
【0052】
二酸化炭素変換工程Ｓ４において、第１ガス切換部３７は、各反応器３１の少なくとも１つと、水素送出部４０とを接続し、第２ガス切換部３９は、水素送出部４０と接続された反応器３１と、変換後気体送出口３５とを接続する。第１実施形態の二酸化炭素変換工程Ｓ４では、触媒３２に吸収させた二酸化炭素と、水素とを反応させるときは、第１ガス切換部３７は、二酸化炭素送出口１６に接続されていない状態で、第１反応器３１Ａと、水素送出部４０とを接続し、第２ガス切換部３９は、吸収後気体排出口３３に接続されていない状態で、第１反応器３１Ａと変換後気体送出口３５とを接続する。このように反応器３１等を接続し、二酸化炭素を触媒３２に吸収させた反応器３１内に水素を流すことで、二酸化炭素を変換し、変換生成物を得ることができる。
【0053】
触媒３２は、上記に記載したものを用いることができる。例えば、二酸化炭素を変換し、メタンを生成する場合は、触媒３２は、アルミナにＮｉナノ粒子とカルシウムとを担持させた触媒が好ましい。二酸化炭素を変換し、一酸化炭素を生成する場合は、触媒３２は、アルミナにＰｔナノ粒子とナトリウムとを担持させた触媒が好ましい。
【0054】
二酸化炭素変換工程Ｓ４では、第１反応器３１Ａを加熱することが好ましい。加熱することで、二酸化炭素の変換反応を促進することができる。用いる触媒の種類、変換生成物の種類に応じて、第１反応器３１Ａの温度は適宜設定することができる。第１反応器３１Ａの温度を３００℃～４５０℃に保持することが好ましい。
【0055】
以上、第１実施形態に係る二酸化炭素変換方法を説明した。第１実施形態に係る二酸化炭素変換方法によれば、分離膜モジュール１１の拡張性に優れ、酸素を含有した場合であっても、二酸化炭素を変換することができる。
【0056】
（触媒の製造方法）
触媒は、公知の方法で製造することができる。触媒の製造方法は、例えば、湿式含侵法である。塩基性物質からなる化合物の水溶液を担体（例えば、アルミナ）に含侵させて、乾燥し、焼成する。次に、この焼成後の固形物に遷移金属の化合物の水溶液を含侵させ、乾燥および焼成する。これによって、触媒３２が得られる。
触媒は、公知の方法で製造することができる。触媒の製造方法は、例えば、湿式含侵法である。塩基性物質からなる化合物の水溶液を担体（例えば、アルミナ）に含侵させて、乾燥し、焼成する。次に、この焼成後の固形物に遷移金属の化合物の水溶液を含侵させ、乾燥および焼成する。これによって、触媒３２が得られる。
【0057】
＜第２実施形態＞
次に、本発明に係る第２実施形態の二酸化炭素分離・変換装置１００Ｂを、図７を参照して説明する。なお、この第２実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
次に、本発明に係る第２実施形態の二酸化炭素分離・変換装置１００Ｂを、図７を参照して説明する。なお、この第２実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【0058】
図７は、第２実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｂの概略図である。二酸化炭素分離・変換装置１００Ｂは、二酸化炭素を含有する気体から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素濃縮気体を得る、１以上の分離部１０と、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収および変換する触媒を備え、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を触媒に吸収させ、触媒に吸収させた二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る、反応部３０Ｂと、反応部３０Ｂに水素を送る水素送出部４０と、を備える。第２実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｂは、さらに二酸化炭素濃縮気体から水分を除去する水分除去部２０を備える。分離部１０と水分除去部２０とは流路Ｌ２を介し、接続される。水分除去部２０と反応部３０Ｂとは流路Ｌ３を介し、接続される。反応部３０Ｂと水素送出部４０とは、流路Ｌ５を介し接続される。反応部３０Ｂで生成された変換後気体は、流路Ｌ６を通り図示しない回収部に送られる。吸収後気体は、流路Ｌ４を通り排出される。以下、各部について説明する。
【0059】
（反応部）
図８に反応部３０Ｂの概略図を示す。反応部３０Ｂは、触媒３２を有する、１以上の反応器３１と、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を触媒３２に吸収させた後の気体である吸収後気体を排出する吸収後気体排出口３３Ｂと、変換後気体を送出する変換後気体送出口３５Ｂと、水素送出部４０、各反応器３１、および二酸化炭素送出口１６と直接または間接的に接続される第１ガス切換部３７Ｂと、吸収後気体排出口３３Ｂ、各反応器３１、および変換後気体送出口３５Ｂと直接または間接的に接続される第２ガス切換部３９Ｂと、を備える。第２実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｂの反応部３０Ｂは、第１反応器３１Ａと第２反応器３１Ｂとを備える。
図８に反応部３０Ｂの概略図を示す。反応部３０Ｂは、触媒３２を有する、１以上の反応器３１と、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を触媒３２に吸収させた後の気体である吸収後気体を排出する吸収後気体排出口３３Ｂと、変換後気体を送出する変換後気体送出口３５Ｂと、水素送出部４０、各反応器３１、および二酸化炭素送出口１６と直接または間接的に接続される第１ガス切換部３７Ｂと、吸収後気体排出口３３Ｂ、各反応器３１、および変換後気体送出口３５Ｂと直接または間接的に接続される第２ガス切換部３９Ｂと、を備える。第２実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｂの反応部３０Ｂは、第１反応器３１Ａと第２反応器３１Ｂとを備える。
【0060】
第１ガス切換部３７Ｂが第１反応器３１Ａと二酸化炭素送出口１６とを接続したときは、第１ガス切換部３７Ｂは、第２反応器３１Ｂと二酸化炭素送出口１６とに接続されていない状態で第２反応器３１Ｂと水素送出部４０とを接続し、第２ガス切換部３９Ｂは、第１反応器３１Ａと吸収後気体排出口３３Ｂとを接続するとともに、第２反応器３１Ｂと吸収後気体排出口３３Ｂとに接続されていない状態で第２反応器３１Ｂと変換後気体送出口３５Ｂとを接続する。このように接続し、第１反応器３１Ａに二酸化炭素濃縮気体を流し、第２反応器３１Ｂに水素を流すことで、第１反応器３１Ａでは触媒３２に二酸化炭素の吸収を行い、同時に第２反応器３１Ｂでは二酸化炭素の変換反応を行うことができる。第１反応器３１Ａにおいて二酸化炭素を吸収させた後の吸収後気体は、吸収後気体排出口３３Ｂを通り、流路Ｌ４から排出される。吸収後気体には、酸素などが含まれている。このように吸収後気体を排出することで、二酸化炭素以外の成分（例えば、酸素）を除くことができる。第２反応器３１Ｂにおいて二酸化炭素の変換で得られた変換生成物を含有する変換後気体は、変換後気体送出口３５Ｂを通り、流路Ｌ６から送出される。送出された変換後気体は、図示しない回収部に送られる。
【0061】
第１ガス切換部３７Ｂが第２反応器３１Ｂと二酸化炭素送出口１６とを接続したときは、第１ガス切換部３７Ｂは、第１反応器３１Ａと二酸化炭素送出口１６とに接続されていない状態で第１反応器３１Ａと水素送出部４０とを接続し、第２ガス切換部３９Ｂは、第２反応器３１Ｂと吸収後気体排出口３３Ｂとを接続するとともに、第１反応器３１Ａと吸収後気体排出口３３Ｂとに接続されていない状態で第１反応器３１Ａと変換後気体送出口３５Ｂとを接続する。第１反応器３１Ａでは二酸化炭素の変換反応を行い、同時に第２反応器３１Ｂでは二酸化炭素の触媒３２への吸収を行うことができる。第２反応器３１Ｂにおいて二酸化炭素を吸収させた後の吸収後気体は、吸収後気体排出口３３Ｂを通り、流路Ｌ４から排出される。吸収後気体には、酸素などが含まれている。このように吸収後気体を排出することで、二酸化炭素以外の成分（例えば、酸素）を除くことができる。第１反応器３１Ａにおいて二酸化炭素の変換で得られた変換生成物を含有する変換後気体は、変換後気体送出口３５Ｂを通り、流路Ｌ６から送出される。送出された変換後気体は、図示しない回収部に送られる。
【0062】
「反応器」
反応器３１は、収納容器３４と収納容器３４内に触媒３２を備える。第２実施形態では、反応器３１の数は２つである。即ち、第２実施形態において、反応器３１は第１反応器３１Ａおよび第２反応器３１Ｂの２つとなるが、本発明はこれに限定されない。本発明では、２以上の反応器３１を用いてもよい。第１反応器３１Ａは、流路Ｌ８Ａを介し第１ガス切換部３７Ｂと接続される。第１反応器３１Ａは、流路Ｌ９Ａを介し、第２ガス切換部３９と接続される。第２反応器３１Ｂは、流路Ｌ８Ｂを介し第１ガス切換部３７Ｂと接続される。第２反応器３１Ｂは、流路Ｌ９Ｂを介し、第２ガス切換部３９Ｂと接続される。第１ガス切換部３７Ｂから流れてきた二酸化炭素濃縮気体は、第１反応器３１Ａまたは第２反応器３１Ｂを通る際、触媒３２に接触して、二酸化炭素が吸収される。二酸化炭素が触媒３２に吸収された後、水素送出部４０から送られた水素を用いて、二酸化炭素を変換して変換生成物を生成する。変換反応は、例えば、還元反応である。
反応器３１は、収納容器３４と収納容器３４内に触媒３２を備える。第２実施形態では、反応器３１の数は２つである。即ち、第２実施形態において、反応器３１は第１反応器３１Ａおよび第２反応器３１Ｂの２つとなるが、本発明はこれに限定されない。本発明では、２以上の反応器３１を用いてもよい。第１反応器３１Ａは、流路Ｌ８Ａを介し第１ガス切換部３７Ｂと接続される。第１反応器３１Ａは、流路Ｌ９Ａを介し、第２ガス切換部３９と接続される。第２反応器３１Ｂは、流路Ｌ８Ｂを介し第１ガス切換部３７Ｂと接続される。第２反応器３１Ｂは、流路Ｌ９Ｂを介し、第２ガス切換部３９Ｂと接続される。第１ガス切換部３７Ｂから流れてきた二酸化炭素濃縮気体は、第１反応器３１Ａまたは第２反応器３１Ｂを通る際、触媒３２に接触して、二酸化炭素が吸収される。二酸化炭素が触媒３２に吸収された後、水素送出部４０から送られた水素を用いて、二酸化炭素を変換して変換生成物を生成する。変換反応は、例えば、還元反応である。
【0063】
「第１ガス切換部」
第２実施形態に係る第１ガス切換部３７Ｂは、流路Ｌ３を介し、二酸化炭素送出口１６と接続される。第１ガス切換部３７Ｂは、流路Ｌ５を介し、水素送出部４０と接続される。第１ガス切換部３７Ｂは、流路Ｌ８Ａを介し、第１反応器３１Ａと接続される。第１ガス切換部３７Ｂは、流路Ｌ８Ｂを介し、第２反応器３１Ｂと接続される。第１ガス切換部３７Ｂは、例えば、四方弁である。
第２実施形態に係る第１ガス切換部３７Ｂは、流路Ｌ３を介し、二酸化炭素送出口１６と接続される。第１ガス切換部３７Ｂは、流路Ｌ５を介し、水素送出部４０と接続される。第１ガス切換部３７Ｂは、流路Ｌ８Ａを介し、第１反応器３１Ａと接続される。第１ガス切換部３７Ｂは、流路Ｌ８Ｂを介し、第２反応器３１Ｂと接続される。第１ガス切換部３７Ｂは、例えば、四方弁である。
【0064】
「第２ガス切換部」
第２実施形態に係る第２ガス切換部３９Ｂは、流路Ｌ９Ａを介し第１反応器３１Ａと接続される。第２ガス切換部３９Ｂは、流路Ｌ９Ｂを介し第２反応器３１Ｂと接続される。第２ガス切換部３９Ｂは、吸収後気体排出口３３Ｂおよび変換後気体送出口３５Ｂを備える。吸収後気体排出口３３Ｂは流路Ｌ４と接続される。変換後気体送出口３５Ｂは、流路Ｌ６と接続される。第２ガス切換部３９Ｂは、例えば、四方弁である。
第２実施形態に係る第２ガス切換部３９Ｂは、流路Ｌ９Ａを介し第１反応器３１Ａと接続される。第２ガス切換部３９Ｂは、流路Ｌ９Ｂを介し第２反応器３１Ｂと接続される。第２ガス切換部３９Ｂは、吸収後気体排出口３３Ｂおよび変換後気体送出口３５Ｂを備える。吸収後気体排出口３３Ｂは流路Ｌ４と接続される。変換後気体送出口３５Ｂは、流路Ｌ６と接続される。第２ガス切換部３９Ｂは、例えば、四方弁である。
【0065】
以上、第２実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｂを説明した。第２実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｂによれば、分離膜モジュール１１の拡張性に優れ、酸素を含有した場合であっても、二酸化炭素を変換することができる。また、二酸化炭素の吸収と変換反応とを同時に行うことができる。
【0066】
第２実施形態では、二酸化炭素分離・変換装置１００は、水分除去部２０を備えていたが、水分除去部２０は無くてもよい。
【0067】
＜二酸化炭素変換方法＞
次に第２実施形態に係る二酸化炭素変換方法について説明する。第２実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｂを用いた例を説明するが、本実施形態に係る二酸化炭素変換方法は、下記の方法に限定されない。図９は、第２実施形態に係る二酸化炭素変換方法のフローチャートである。第２実施形態の二酸化炭素変換方法は、大気中から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素の濃度を上げることで、二酸化炭素濃縮気体を得る分離工程Ｓ１と、二酸化炭素濃縮気体から水分を除去する水分除去工程Ｓ２と、１つの反応器３１中で触媒３２に二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収し、同時に、別の反応器３１中で、二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る、二酸化炭素連続変換工程Ｓ３Ｂを有する。
次に第２実施形態に係る二酸化炭素変換方法について説明する。第２実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｂを用いた例を説明するが、本実施形態に係る二酸化炭素変換方法は、下記の方法に限定されない。図９は、第２実施形態に係る二酸化炭素変換方法のフローチャートである。第２実施形態の二酸化炭素変換方法は、大気中から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素の濃度を上げることで、二酸化炭素濃縮気体を得る分離工程Ｓ１と、二酸化炭素濃縮気体から水分を除去する水分除去工程Ｓ２と、１つの反応器３１中で触媒３２に二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収し、同時に、別の反応器３１中で、二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る、二酸化炭素連続変換工程Ｓ３Ｂを有する。
【0068】
（二酸化炭素連続変換工程）
二酸化炭素連続変換工程Ｓ３Ｂでは、１つの反応器３１（例えば、第１反応器３１Ａ）の触媒３２に二酸化炭素を吸収させると同時に、別の反応器３１（例えば、第２反応器３１Ｂ）の触媒３２上で、二酸化炭素と水素とから変換生成物を生成する。以下、第１反応器３１Ａと第２反応器３１Ｂの例で説明する。第１反応器３１Ａの触媒３２への二酸化炭素の吸収は、第１ガス切換部３７Ｂが第１反応器３１Ａと二酸化炭素送出口１６とを接続して二酸化炭素濃縮気体を流す。同時に第１ガス切換部３７Ｂは、二酸化炭素濃縮気体が流れないように、二酸化炭素送出口１６と第２反応器３１Ｂとを接続しない状態で水素送出部４０と第２反応器３１Ｂとを接続し、水素を流す。これによって、第１反応器３１Ａでは、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素が触媒３２と接触し、触媒３２に吸収される。同時に第２反応器３１Ｂでは、二酸化炭素と水素とから変換生成物が生成される。１つの水素の流路Ｌ５と１つの二酸化炭素濃縮気体の流路Ｌ３において、第１ガス切換部３７Ｂおよび第２ガス切換部３９Ｂで各流路の接続先の反応器３１を変えることで、連続的に二酸化炭素の変換を行うことができる。なお、第１反応器３１Ａの触媒３２に二酸化炭素が吸収された後の吸収後気体は、第１反応器３１Ａから流路Ｌ９Ａを通り、吸収後気体排出口３３Ｂから排出される。吸収後気体には、酸素などの不要な成分が含まれている。この吸収後気体を排出することで、酸素などの二酸化炭素以外の成分を除去する。吸収後気体排出口３３Ｂから排出された後の吸収後気体は、流路Ｌ４を通り、例えば、大気中に排出される。変換生成物を含有する変換後気体は、第２反応器３１Ｂから流路Ｌ９Ｂ、流路Ｌ６を通り、回収部に送られる。
二酸化炭素連続変換工程Ｓ３Ｂでは、１つの反応器３１（例えば、第１反応器３１Ａ）の触媒３２に二酸化炭素を吸収させると同時に、別の反応器３１（例えば、第２反応器３１Ｂ）の触媒３２上で、二酸化炭素と水素とから変換生成物を生成する。以下、第１反応器３１Ａと第２反応器３１Ｂの例で説明する。第１反応器３１Ａの触媒３２への二酸化炭素の吸収は、第１ガス切換部３７Ｂが第１反応器３１Ａと二酸化炭素送出口１６とを接続して二酸化炭素濃縮気体を流す。同時に第１ガス切換部３７Ｂは、二酸化炭素濃縮気体が流れないように、二酸化炭素送出口１６と第２反応器３１Ｂとを接続しない状態で水素送出部４０と第２反応器３１Ｂとを接続し、水素を流す。これによって、第１反応器３１Ａでは、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素が触媒３２と接触し、触媒３２に吸収される。同時に第２反応器３１Ｂでは、二酸化炭素と水素とから変換生成物が生成される。１つの水素の流路Ｌ５と１つの二酸化炭素濃縮気体の流路Ｌ３において、第１ガス切換部３７Ｂおよび第２ガス切換部３９Ｂで各流路の接続先の反応器３１を変えることで、連続的に二酸化炭素の変換を行うことができる。なお、第１反応器３１Ａの触媒３２に二酸化炭素が吸収された後の吸収後気体は、第１反応器３１Ａから流路Ｌ９Ａを通り、吸収後気体排出口３３Ｂから排出される。吸収後気体には、酸素などの不要な成分が含まれている。この吸収後気体を排出することで、酸素などの二酸化炭素以外の成分を除去する。吸収後気体排出口３３Ｂから排出された後の吸収後気体は、流路Ｌ４を通り、例えば、大気中に排出される。変換生成物を含有する変換後気体は、第２反応器３１Ｂから流路Ｌ９Ｂ、流路Ｌ６を通り、回収部に送られる。
【0069】
触媒３２は、上記に記載したものを用いることができる。第１反応器３１Ａおよび第２反応器３１Ｂの触媒３２は同じであることが好ましい。例えば、二酸化炭素を変換し、メタンを生成する場合は、第１反応器３１Ａおよび第２反応器３１Ｂの触媒３２は、アルミナにＮｉナノ粒子とカルシウムとを担持させた触媒が好ましい。二酸化炭素を変換し、一酸化炭素を生成する場合は、第１反応器３１Ａおよび第２反応器３１Ｂの触媒３２は、アルミナにＰｔナノ粒子とナトリウムとを担持させた触媒が好ましい。
【0070】
二酸化炭素連続変換工程Ｓ３Ｂでは、第１反応器３１Ａおよび第２反応器３１Ｂを加熱することが好ましい。加熱することで、二酸化炭素の吸着および変換反応を促進することができる。用いる触媒の種類、変換生成物の種類に応じて、第１反応器３１Ａおよび第２反応器３１Ｂの温度は適宜設定することができる。第１反応器３１Ａおよび第２反応器３１Ｂの温度を同じであることが好ましい。第１反応器３１Ａおよび第２反応器３１Ｂの温度は、例えば、３００℃～４５０℃に保持することが好ましい。
【0071】
以上、第２実施形態に係る二酸化炭素変換方法を説明した。第２実施形態に係る二酸化炭素変換方法によれば、分離膜モジュール１１の拡張性に優れ、酸素を含有した場合であっても、二酸化炭素を変換することができる。また、第２実施形態に係る二酸化炭素変換方法によれば、連続的に二酸化炭素の変換を行うことができる。
【0072】
＜第３実施形態＞
次に、本発明に係る第３実施形態の二酸化炭素分離・変換装置１００Ｃを、図１０を参照して説明する。なお、この第３実施形態においては、第１実施形態および第2実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
次に、本発明に係る第３実施形態の二酸化炭素分離・変換装置１００Ｃを、図１０を参照して説明する。なお、この第３実施形態においては、第１実施形態および第2実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【0073】
図１０は、第３実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｃの概略図である。二酸化炭素分離・変換装置１００Ｃは、二酸化炭素を含有する気体から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素濃縮気体を得る、第１分離部１０Ａおよび第２分離部１０Ｂと、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収および変換する触媒を備え、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を触媒に吸収させ、触媒に吸収させた二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る、反応部３０Ｂと、反応部３０Ｂに水素を送る水素送出部４０と、を備える。第３実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｃは、さらに二酸化炭素濃縮気体から水分を除去する水分除去部２０を備える。第１分離部１０Ａと第２分離部１０Ｂとは、流路Ｌ１を介し接続される。第２分離部１０Ｂと水分除去部２０とは流路Ｌ２を介し、接続される。水分除去部２０と反応部３０Ｂとは流路Ｌ３を介し、接続される。反応部３０Ｂと水素送出部４０とは、流路Ｌ５を介し接続される。反応部３０Ｂで生成された変換後気体は、流路Ｌ６を通り図示しない回収部に送られる。吸収後気体は、流路Ｌ４を通り排出される。以下、各部について説明する。
【0074】
二酸化炭素分離・変換装置１００Ｃにおいて、第１分離部１０Ａと第２分離部１０Ｂとは、直列に接続される。ここで「直列に接続される」とは、一方の分離部１０（例えば、第１分離部１０Ａ）から排出された二酸化炭素濃縮気体をもう１つの分離部１０(例えば第２分離部１０Ｂ）の分離膜モジュール１１に投入できるように接続することをいう。第１分離部１０Ａと第２分離部１０Ｂとを直列に接続することで、一度濃縮した二酸化炭素濃縮気体から二酸化炭素を分離するのでより二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素濃度を上げることができる。
【0075】
以上、第３実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｃを説明した。第３実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｃによれば、分離膜モジュール１１の拡張性に優れ、酸素を含有した場合であっても、二酸化炭素を変換することができる。また、二酸化炭素の吸収と変換反応とを同時に行うことができる。加えて、第１分離部１０Ａと第２分離部１０Ｂとが直列で接続されているので、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素濃度をより高くすることができる。
【0076】
第３実施形態では、二酸化炭素分離・変換装置１００Ｃは、第１分離部１０Ａと第２分離部１０Ｂとが直列で接続されていたが、第１分離部１０Ａと第２分離部１０Ｂとは並列で接続されていてもよい。ここで、「並列で接続される」とは、第１分離部１０Ａおよび第２分離部１０Ｂにおいて、二酸化炭素分離前の気体が同じであり、かつ、第１分離部１０Ａと第２分離部１０Ｂそれぞれにおいて分離した後二酸化炭素濃縮気体が１つに合流するように接続することを言う。並列に接続することで、１度に分離処理できる気体の量を増やすことができる。
【0077】
＜第４実施形態＞
次に、本発明に係る第４実施形態の二酸化炭素分離・変換装置１００Ｄを、図１１を参照して説明する。なお、この第４実施形態においては、第１実施形態、第２実施形態、および第３実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
次に、本発明に係る第４実施形態の二酸化炭素分離・変換装置１００Ｄを、図１１を参照して説明する。なお、この第４実施形態においては、第１実施形態、第２実施形態、および第３実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【0078】
図１１は、第４実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｄの概略図である。二酸化炭素分離・変換装置１００Ｄは、二酸化炭素を含有する気体から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素濃縮気体を得る、１以上の分離部１０と、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収および変換する触媒を備え、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を触媒に吸収させ、触媒に吸収させた二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る、反応部３０Ｂと、反応部３０Ｂに水素を送る水素送出部４０と、を備える。第４実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｄは、さらに二酸化炭素濃縮気体から水分を除去する水分除去部２０と、各分離膜モジュール１１に二酸化炭素を含有する気体を送る送風部５０を備える。分離部１０と水分除去部２０とは流路Ｌ２を介し、接続される。水分除去部２０と反応部３０Ｂとは流路Ｌ３を介し、接続される。反応部３０Ｂと水素送出部４０とは、流路Ｌ５を介し接続される。反応部３０Ｂで生成された変換後気体は、流路Ｌ６を通り図示しない回収部に送られる。吸収後気体は、流路Ｌ４を通り排出される。以下、各部について説明する。
【0079】
分離部１０で二酸化炭素を含有する気体（例えば大気）から二酸化炭素を分離すると、分離膜２周辺の二酸化炭素を含有する気体中の二酸化炭素の濃度が低下する。そのため、分離部１０で二酸化炭素を含有する気体（例えば大気）から二酸化炭素を分離し続けた場合、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素の濃度の増加が抑制される。送風部５０は、分離膜モジュール１１に、二酸化炭素を含有する気体（例えば大気）を送ることで、分離膜２周辺の二酸化炭素の濃度を一定に保つことができる。これによって、分離部１０で二酸化炭素を分離して得られた二酸化炭素濃縮気体の濃度をさらに高めることができる。
【0080】
以上、第４実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｄを説明した。第４実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｄによれば、分離膜モジュール１１の拡張性に優れ、酸素を含有した場合であっても、二酸化炭素を変換することができる。また、二酸化炭素の吸収と変換反応とを同時に行うことができる。加えて、送風部５０によって、二酸化炭素を含有する気体（例えば大気）を送ることで、分離膜２周辺の二酸化炭素の濃度を一定に保つことができる。これによって、分離部１０で二酸化炭素を分離して得られた二酸化炭素濃縮気体の濃度をさらに高めることができる。
【0081】
＜第５実施形態＞
次に、本発明に係る第５実施形態の二酸化炭素分離・変換装置１００Ｅを、図１２を参照して説明する。なお、この第５実施形態においては、第１実施形態、第２実施形態、第3実施形態および第４実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
次に、本発明に係る第５実施形態の二酸化炭素分離・変換装置１００Ｅを、図１２を参照して説明する。なお、この第５実施形態においては、第１実施形態、第２実施形態、第3実施形態および第４実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【0082】
図１２は、第５実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｅの概略図である。二酸化炭素分離・変換装置１００Ｅは、二酸化炭素を含有する気体から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素濃縮気体を得る、１以上の分離部１０と、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を吸収および変換する触媒を備え、二酸化炭素濃縮気体中の二酸化炭素を触媒に吸収させ、触媒に吸収させた二酸化炭素と水素とから変換生成物を含有する変換後気体を得る、反応部３０Ｂと、反応部３０Ｂに水素を送る水素送出部４０と、を備える。第５実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｅは、さらに二酸化炭素濃縮気体から水分を除去する水分除去部２０と、変換後気体を再度、各分離部１０に投入する再投入部６０を備える。分離部１０と水分除去部２０とは流路Ｌ２を介し、接続される。水分除去部２０と反応部３０Ｂとは流路Ｌ３を介し、接続される。反応部３０Ｂと水素送出部４０とは、流路Ｌ５を介し接続される。反応部３０Ｂで生成された変換後気体は、流路Ｌ６Ｅを通り再投入部６０に送られる。再投入部６０は、流路Ｌ１０を介し、変換後気体を分離部１０の分離膜モジュール１１に再度投入する。吸収後気体は、流路Ｌ４を通り排出される。以下、各部について説明する。
【0083】
再投入部６０は、変換後気体を分離部１０の分離膜モジュール１１に再度投入する。再投入部６０は、反応部３０Ｂの変換後気体送出口３５Ｂと流路Ｌ６Ｅを介し接続される。流路Ｌ６Ｅを介し、送られた変換後気体を再投入部６０は、流路Ｌ１０を介し、分離膜モジュール１１に再度投入する。変換後気体中にある未反応の二酸化炭素についても二酸化炭素の変換反応に用いることができる。そのため、変換生成物の収率を上げることができる。
【0084】
以上、第５実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｅを説明した。第５実施形態に係る二酸化炭素分離・変換装置１００Ｅによれば、分離膜モジュール１１の拡張性に優れ、酸素を含有した場合であっても、二酸化炭素を変換することができる。また、二酸化炭素の吸収と変換反応とを同時に行うことができる。加えて、再投入部６０によって、変換後気体を分離膜モジュール１１に再度投入することで、変換生成物の収率をさらに向上することができる。
【0085】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した要素を適宜組み合わせてもよい。
【実施例0086】
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
【0087】
（触媒の製造１）
触媒は、湿式含侵法を用いて製造した。水酸化アルミニウムを９００℃３時間で焼成してＡｌ２Ｏ３を得た。次に、適切な量の硝酸ナトリウム水溶液をＡｌ２Ｏ３に含侵させ懸濁液を得た。室温で懸濁液を３時間攪拌した後、減圧条件で５０℃真空中で懸濁液を蒸発させ、１００℃で一晩乾燥した。得られた固形物を６００℃で２時間加熱し、ナトリウムを担持したＮａ－Ａｌ２Ｏ３を得た。次に、硝酸ナトリウムの場合と同様の方法で（ＮＨ３）２Ｐｔ（ＮＯ３）２をＮａ－Ａｌ２Ｏ３に含侵させ、乾燥および焼成した。得られた固形物を３５０℃で水素処理し、白金を担持したＰｔ／Ｎａ－Ａｌ２Ｏ３を得た。Ｐｔは、ナノ粒子の状態で担持され、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）で確認された粒径は１～２ｎｍであった。触媒の全質量に対するＰｔの含有量は、１ｗｔ％であり、Ｃａの含有量は１０ｗｔ％であった。
触媒は、湿式含侵法を用いて製造した。水酸化アルミニウムを９００℃３時間で焼成してＡｌ２Ｏ３を得た。次に、適切な量の硝酸ナトリウム水溶液をＡｌ２Ｏ３に含侵させ懸濁液を得た。室温で懸濁液を３時間攪拌した後、減圧条件で５０℃真空中で懸濁液を蒸発させ、１００℃で一晩乾燥した。得られた固形物を６００℃で２時間加熱し、ナトリウムを担持したＮａ－Ａｌ２Ｏ３を得た。次に、硝酸ナトリウムの場合と同様の方法で（ＮＨ３）２Ｐｔ（ＮＯ３）２をＮａ－Ａｌ２Ｏ３に含侵させ、乾燥および焼成した。得られた固形物を３５０℃で水素処理し、白金を担持したＰｔ／Ｎａ－Ａｌ２Ｏ３を得た。Ｐｔは、ナノ粒子の状態で担持され、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）で確認された粒径は１～２ｎｍであった。触媒の全質量に対するＰｔの含有量は、１ｗｔ％であり、Ｃａの含有量は１０ｗｔ％であった。
【0088】
（触媒の製造２）
触媒は、湿式含侵法を用いて製造した。水酸化アルミニウムを９００℃３時間で焼成してＡｌ２Ｏ３を得た。次に、適切な量の硝酸カルシウム水溶液をＡｌ２Ｏ３に含侵させ懸濁液を得た。室温で懸濁液を３時間攪拌した後、５０℃真空中で懸濁液を蒸発させ、１００℃で一晩乾燥した。得られた固形物を６００℃で２時間加熱し、カルシウムを担持したＣａ－Ａｌ２Ｏ３を得た。次に、硝酸カルシウム水溶液の場合と同様の方法でＣａ－Ａｌ２Ｏ３をＣａ－Ａｌ２Ｏ３に含侵させ、乾燥および焼成を行った。得られた固形物を３５０℃で水素処理し、Ｎｉを担持したＮｉ／Ｃａ－Ａｌ２Ｏ３を得た。Ｎｉは、ナノ粒子の状態で担持され、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）で確認された粒径は１～２ｎｍであった。触媒の全質量に対するＮｉの含有量は、１０ｗｔ％であり、Ｃａの含有量は３０ｗｔ％であった。
触媒は、湿式含侵法を用いて製造した。水酸化アルミニウムを９００℃３時間で焼成してＡｌ２Ｏ３を得た。次に、適切な量の硝酸カルシウム水溶液をＡｌ２Ｏ３に含侵させ懸濁液を得た。室温で懸濁液を３時間攪拌した後、５０℃真空中で懸濁液を蒸発させ、１００℃で一晩乾燥した。得られた固形物を６００℃で２時間加熱し、カルシウムを担持したＣａ－Ａｌ２Ｏ３を得た。次に、硝酸カルシウム水溶液の場合と同様の方法でＣａ－Ａｌ２Ｏ３をＣａ－Ａｌ２Ｏ３に含侵させ、乾燥および焼成を行った。得られた固形物を３５０℃で水素処理し、Ｎｉを担持したＮｉ／Ｃａ－Ａｌ２Ｏ３を得た。Ｎｉは、ナノ粒子の状態で担持され、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）で確認された粒径は１～２ｎｍであった。触媒の全質量に対するＮｉの含有量は、１０ｗｔ％であり、Ｃａの含有量は３０ｗｔ％であった。
【0089】
（分離膜モジュールの二酸化炭素濃縮性）
分離膜としてポリジメチルシロキサン系高分子膜（厚さ：約１５０ｎｍ）を用いた。平板状の容器に設けられた円状の開口部（直径約５ｃｍ）に分離膜を配置して開口部の周囲に沿って分離膜をテープで固定して、分離膜モジュールを作製した。この分離膜モジュールを１０個並列に並べて分離膜モジュール接続部に接続した。分離膜モジュール接続部の二酸化炭素送出口とダイアフラムポンプ（圧力差形成部）と二酸化炭素濃度測定用の容器とを接続し、分離膜モジュールおよび分離膜モジュール接続部の内部を減圧して、ポンプ開始から測定用の容器を開けるまで二酸化炭素濃度、相対湿度および温度を測定した。二酸化炭素濃度、湿度、及び温度は、測定用の容器内に配置した。
分離膜としてポリジメチルシロキサン系高分子膜（厚さ：約１５０ｎｍ）を用いた。平板状の容器に設けられた円状の開口部（直径約５ｃｍ）に分離膜を配置して開口部の周囲に沿って分離膜をテープで固定して、分離膜モジュールを作製した。この分離膜モジュールを１０個並列に並べて分離膜モジュール接続部に接続した。分離膜モジュール接続部の二酸化炭素送出口とダイアフラムポンプ（圧力差形成部）と二酸化炭素濃度測定用の容器とを接続し、分離膜モジュールおよび分離膜モジュール接続部の内部を減圧して、ポンプ開始から測定用の容器を開けるまで二酸化炭素濃度、相対湿度および温度を測定した。二酸化炭素濃度、湿度、及び温度は、測定用の容器内に配置した。
【0090】
得られた結果を図１３に示す。横軸は、時間（ｍｉｎ）を示し、第１縦軸は二酸化炭素濃度（ｐｐｍ）、第２縦軸は相対湿度（％）、第３縦軸は温度（℃）を示す。時間経過とともに、二酸化炭素濃度と相対湿度が増加することが確認された。また、相対湿度が上がると、濃縮水分による二酸化炭素の濃度の低下が確認された。
【0091】
（水分除去を行った場合の分離膜モジュールの二酸化炭素濃縮性）
次に、分離膜モジュールの二酸化炭素濃縮性を評価した装置において、測定用容器とダイアフラムポンプの出側との間に、水分トラップ（水分除去部）を接続し、同様の二酸化炭素の濃縮性評価測定を行った。得られた結果を図１４に示す。横軸は、時間（ｍｉｎ）を示し、第１縦軸は二酸化炭素濃度（ｐｐｍ）、第２縦軸は相対湿度（％）、第３縦軸は温度（℃）を示す。時間経過とともに、二酸化炭素濃度が増加することが確認された。また、水分トラップがあることで相対湿度は上昇せず、二酸化炭素の濃度は安定して増加した。以上の結果より、水分トラップを設けることで、安定した二酸化炭素濃縮ができることが確認された。
次に、分離膜モジュールの二酸化炭素濃縮性を評価した装置において、測定用容器とダイアフラムポンプの出側との間に、水分トラップ（水分除去部）を接続し、同様の二酸化炭素の濃縮性評価測定を行った。得られた結果を図１４に示す。横軸は、時間（ｍｉｎ）を示し、第１縦軸は二酸化炭素濃度（ｐｐｍ）、第２縦軸は相対湿度（％）、第３縦軸は温度（℃）を示す。時間経過とともに、二酸化炭素濃度が増加することが確認された。また、水分トラップがあることで相対湿度は上昇せず、二酸化炭素の濃度は安定して増加した。以上の結果より、水分トラップを設けることで、安定した二酸化炭素濃縮ができることが確認された。
【0092】
（二酸化炭素濃縮性への送風の影響）
分離部を多段で連携すれば、より多くの回収が期待されるが、分離膜のガス透過量が高い場合、分離膜モジュールへの気体の供給も重要となる。そこで、分離膜モジュールの二酸化炭素濃縮性を評価した装置において、送風システム（送風部）で分離膜モジュールに気体を送った場合の二酸化炭素濃縮性を評価した。得られた結果を図１５に示す。横軸は、時間（ｍｉｎ）を示し、第１縦軸は二酸化炭素濃度（ｐｐｍ）、第２縦軸は相対湿度（％）、第３縦軸は温度（℃）を示す。送風システム作動までは、上記と同様に二酸化炭素濃度は１０００ｐｐｍ近傍で、濃縮後の二酸化炭素（分離膜透過後の二酸化炭素濃度）の濃度上昇が緩やかになった。送風システムを作動させると、濃縮後の二酸化炭素濃度の更なる上昇がみられ、約３０％に近い濃縮効果が得られた。
分離部を多段で連携すれば、より多くの回収が期待されるが、分離膜のガス透過量が高い場合、分離膜モジュールへの気体の供給も重要となる。そこで、分離膜モジュールの二酸化炭素濃縮性を評価した装置において、送風システム（送風部）で分離膜モジュールに気体を送った場合の二酸化炭素濃縮性を評価した。得られた結果を図１５に示す。横軸は、時間（ｍｉｎ）を示し、第１縦軸は二酸化炭素濃度（ｐｐｍ）、第２縦軸は相対湿度（％）、第３縦軸は温度（℃）を示す。送風システム作動までは、上記と同様に二酸化炭素濃度は１０００ｐｐｍ近傍で、濃縮後の二酸化炭素（分離膜透過後の二酸化炭素濃度）の濃度上昇が緩やかになった。送風システムを作動させると、濃縮後の二酸化炭素濃度の更なる上昇がみられ、約３０％に近い濃縮効果が得られた。
【0093】
図８の反応部を用いて二酸化炭素の変換（還元）評価を行った。反応器としては、固定床流通式反応器を２つ用い、同一組成の固体（ペレット状の触媒）を用いた。二酸化炭素の触媒への吸収（炭酸塩生成）と、吸収された二酸化炭素に水素を流し、変換生成物の生成とを同一温度、同一タイプの反応器によって、交互に行った。図８のように並列させた２つの固定床流通式反応器（第１反応器および第２反応器）に同一組成の固体（ペレット状の触媒）を入れ、片方の反応器にＣＯ２／空気（二酸化炭素を含む気体）、もう片方の反応器に水素を流通させ、装置の上流と下流に設置した四方弁を周期的に切り替えることで連続的にＣＯ２吸収（Ｏ２除去）と変換生成物の生成（ＣＯ２吸収能の回復）が可能である。
【0094】
一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）作り分けは適切な触媒選択することで行った。ガス分析には、赤外分光装置と質量分析器を用い、図７の二酸化炭素分離・変換装置の還元性能を評価した。圧力差形成部１４にダイアフラムポンプ、冷却部に冷却式水トラップとモレキュラーシーブを用いた。分離部として、上記の分離膜モジュールの二酸化炭素濃縮性で評価したものを用いた。
【0095】
（メタン製造性）
触媒にはγアルミナにＮｉナノ粒子（１０ｗｔ％）とカルシウム（３０ｗｔ％）を担持させた触媒（０．５ｇ）を用いた（Ｎｉ／Ｃａ－Ａｌ２Ｏ３）。反応器の温度は４５０℃、濃縮ＣＯ２／空気と水素のガス切り替え間隔は３０秒とし、メタン製造性を評価した。二酸化炭素濃縮気体（濃縮ＣＯ２／空気）（流速は約１００ｍＬ／ｍｉｎ）と水素（流速は１００ｍＬ／ｍｉｎ）とを反応部に流してメタン製造性を評価した。得られた結果を図１６に示す。図１６（ａ）は、吸収後気体（ＣＯ２吸収）側のガス濃度の時間変化を示す。図１６（ａ）の横軸は時間（ｈ）、縦軸は濃度（ｐｐｍ）を示す。図１６（ｂ）は、変換後気体（メタン生成）側の結果を示す。図１６（ｂ）の横軸は時間（ｈ）、縦軸は濃度（ｐｐｍ）を示す。図１６に示すように二酸化炭素分離・変換装置連続的なＣＯ２吸収・メタン製造を達成した。
触媒にはγアルミナにＮｉナノ粒子（１０ｗｔ％）とカルシウム（３０ｗｔ％）を担持させた触媒（０．５ｇ）を用いた（Ｎｉ／Ｃａ－Ａｌ２Ｏ３）。反応器の温度は４５０℃、濃縮ＣＯ２／空気と水素のガス切り替え間隔は３０秒とし、メタン製造性を評価した。二酸化炭素濃縮気体（濃縮ＣＯ２／空気）（流速は約１００ｍＬ／ｍｉｎ）と水素（流速は１００ｍＬ／ｍｉｎ）とを反応部に流してメタン製造性を評価した。得られた結果を図１６に示す。図１６（ａ）は、吸収後気体（ＣＯ２吸収）側のガス濃度の時間変化を示す。図１６（ａ）の横軸は時間（ｈ）、縦軸は濃度（ｐｐｍ）を示す。図１６（ｂ）は、変換後気体（メタン生成）側の結果を示す。図１６（ｂ）の横軸は時間（ｈ）、縦軸は濃度（ｐｐｍ）を示す。図１６に示すように二酸化炭素分離・変換装置連続的なＣＯ２吸収・メタン製造を達成した。
【0096】
（一酸化炭素製造性）
触媒にはγアルミナにＰｔナノ粒子（１ｗｔ％）とナトリウム（１０ｗｔ％）を担持させた触媒（０．３ｇ）を用いた（Ｐｔ／Ｎａ－Ａｌ２Ｏ３）。反応器の温度は３００℃、濃縮ＣＯ２／空気と水素のガス切り替え間隔は６０秒とした。二酸化炭素濃縮気体（濃縮ＣＯ２／空気）（流速は約１００ｍＬ／ｍｉｎ）と水素（流速は１００ｍＬ／ｍｉｎ）とを反応部に流して一酸化炭素製造性を評価した。得られた結果を図１７に示す。図１７（ａ）は、吸収後気体（ＣＯ２吸収）側のガス濃度の時間変化を示す。図１７（ａ）の横軸は時間（ｈ）、縦軸は濃度（ｐｐｍ）を示す。図１７（ｂ）は、変換後気体（一酸化炭素生成）側の結果を示す。図１７（ｂ）の横軸は時間（ｈ）、縦軸は濃度（ｐｐｍ）を示す。図１７に示すように二酸化炭素分離・変換装置によって、連続的なＣＯ２吸収・一酸化炭素製造を達成した。
触媒にはγアルミナにＰｔナノ粒子（１ｗｔ％）とナトリウム（１０ｗｔ％）を担持させた触媒（０．３ｇ）を用いた（Ｐｔ／Ｎａ－Ａｌ２Ｏ３）。反応器の温度は３００℃、濃縮ＣＯ２／空気と水素のガス切り替え間隔は６０秒とした。二酸化炭素濃縮気体（濃縮ＣＯ２／空気）（流速は約１００ｍＬ／ｍｉｎ）と水素（流速は１００ｍＬ／ｍｉｎ）とを反応部に流して一酸化炭素製造性を評価した。得られた結果を図１７に示す。図１７（ａ）は、吸収後気体（ＣＯ２吸収）側のガス濃度の時間変化を示す。図１７（ａ）の横軸は時間（ｈ）、縦軸は濃度（ｐｐｍ）を示す。図１７（ｂ）は、変換後気体（一酸化炭素生成）側の結果を示す。図１７（ｂ）の横軸は時間（ｈ）、縦軸は濃度（ｐｐｍ）を示す。図１７に示すように二酸化炭素分離・変換装置によって、連続的なＣＯ２吸収・一酸化炭素製造を達成した。
【符号の説明】
【0097】
１ 容器、２ 分離膜、１０ 分離部、１１ 分離膜モジュール、１３ 分離膜モジュール接続部、１４ 圧力差形成部、１６ 二酸化炭素送出口、２０ 水分除去部、３０ 反応部、３１ 反応器、３２ 触媒、３３ 吸収後気体排出口、３５ 変換後気体送出口、４０ 水素送出部、５０ 送風部、６０ 再投入部、１００ 二酸化炭素分離・変換装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】