特開 2023-165385 ＣＯ２又はＣＯの分解方法及び分解装置

(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】P2023165385

(43)【公開日】2023-11-15

(54)【発明の名称】ＣＯ２又はＣＯの分解方法及び分解装置

(51)【国際特許分類】

   C01B 32/05 20170101AFI20231108BHJP

   B01D 53/62 20060101ALI20231108BHJP

   B01D 53/32 20060101ALI20231108BHJP

【ＦＩ】

C01B32/05

B01D53/62 ZAB

B01D53/62 100

B01D53/32

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022109574

(22)【出願日】2022-07-07

(31)【優先権主張番号】P 2022075639

(32)【優先日】2022-05-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】502030271

【氏名又は名称】石川 泰男

(71)【出願人】

【識別番号】522157055

【氏名又は名称】株式会社イシカワＬＡＢＯ

(74)【代理人】

【識別番号】110000958

【氏名又は名称】弁理士法人インテクト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石川 泰男

(72)【発明者】

【氏名】伊東 昭典

【テーマコード（参考）】

4D002

4G146

【Ｆターム（参考）】

4D002AA08

4D002AA09

4D002AC01

4D002AC04

4D002BA09

4G146AA01

4G146BA08

4G146BA09

4G146BC08

4G146BC15

4G146DA47

4G146DA50

(57)【要約】

【課題】エネルギーの大なる電磁波でＣＯ₂のＣとＯとを分離し、ＣとＯとを別々に排出する。
【解決手段】ケーシング１の内壁にカーボン層２を形成し、ケーシング１の外周面を加熱して複数の周波数からなる定常波を発生せしめ、この定常波によりケーシング１内に供給されるＣＯ２をＣとＯとに分離し、このＣとＯとを電気的又は磁気的に分流化して排出装置６から別個に排出する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

導電性の表面でＣＯ₂又はＣＯのＣとＯとを分離する分離空間を形成し、少なくとも導電性の表面の一部を加熱することにより複数の周波数を有する電極波を発生せしめ、前記導電性の表面を放射された電磁波が定常波となるように配置し、放射した電磁波のエネルギーが分離空間内に供給されたＣとＯとの結合エネルギーより大きくなるようにして、それらを電離した状態で分離し、この分離したＣとＯとを別個に排出するようにしたＣＯ₂又はＣＯの分解方法。

【請求項2】

導電性の表面で区画され、ＣＯ₂又はＣＯが供給される分離空間と、少なくとも導電性の表面の一部を加熱する加熱装置と、前記分離空間内で電離状態で分離されたＣプラスイオンとＯマイナスイオンを電気的に分離して排出するようにした分離排出装置とを有し、前記導電性の表面は加熱により多数の周波数の混合した電磁波を放射するとともに定常波を生じるように配置され、これによりＣとＯとの結合エネルギーより大なるエネルギーを放出するＣＯ₂又はＣＯの分解装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＣＯ₂又はＣＯをＣとＯとに分解し、無害化するための分解方法及び分解装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一酸化炭素又は二酸化炭素の分解については、誘導結合プラズマ発生用高周波コイルによりプラズマを発生させて分解し分離した後に、一組の電極でＣとＯとを別々に排出するようにしたもの（特公平７－５１２１５号）あるいは、棒状の陽極と陰極を対向配置してプラズマ雰囲気を形成し、両極間でＣＯ₂のＣとＯとを分離するものが知られている（特表２０１１－５００３０９号）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特公平７－５１２１５号

【特許文献2】特表２０１１－５００３０９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、特許文献１には、電磁波でＣＯ又はＣＯ₂を分解し、分解したＣとＯとを分離させ、それぞれ別個に電気的に分離して取出すという概念は開示されているが、電磁波の発生手段が高周波コイルであり、特許文献２では電磁波の発生手段が棒状の電極であり、いずれもこのような定まった周波数の電流からは、多数の周波数が混在した電磁波は発生せず、反応空間内で定常波が発生するような考慮がなされておらず、このような手段により発生した電磁波のエネルギーは大きくないので、ＣとＯとの分離は十分行われていない。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明のＣＯ又はＣＯ₂の分解方法は、導電性の表面でＣとＯとを分離する分離空間を形成し、少なくとも導電性の表面の一部を加熱することにより複数の周波数を有する電極波を発生せしめ、前記導電性の表面を放射された電磁波が定常波となるように配置し、放射した電磁波のエネルギーが分離空間内に供給されたＣとＯとの結合エネルギーより大になるようにしてＣとＯとを電離した状態で分離し、この分離した各元素を別個に取出すようにした。

【0006】

更に、本発明のＣＯ₂又はＣＯの分解装置は導電性の表面で区画され、ＣＯ₂又はＣＯが供給される分離空間と、少なくとも導電性の表面の一部を加熱する加熱装置と、前記分離空間内で分離されて電離したＣプラスイオンとＯマイナスイオンを電気的に分離して排出するようにした分離排出装置とを有し、前記導電性の表面は加熱により多数の周波数の混合した電磁波を放射するとともに定常波を生じるように配置され、これによりＣとＯとの結合エネルギーより大きなエネルギーを発生せしめる。

【発明の効果】

【0007】

本発明においては、エネルギーの大きな電磁波を発生させるための工夫がなされている。すなわち、電磁波のエネルギーを大きくするためには、多数の周波数を含む波束を生じるものである必要があり、そのためには加熱により結晶格子内の元素の原子核、電子（電荷を備える）を熱振動させて多数の周波数を有する電磁波を発生させている。分離空間の表面の配置が、発生した電磁波が対向する分離空間の表面で表面の電子を振動させて同一経路を反射進行して往路波と復路波が重なって定常波を生じるように形成されているので、エネルギーの大きな電磁波を生じさせ、ＣＯ₂、ＣＯのＣとＯとを確実に切離すことができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明のＣＯ₂（ＣＯ）の分解装置の縦断面である。

【図2】電磁波の波束がパルス波を発生することの説明図である。

【図3】定常波の説明図である。

【図4】図１のＣＯ₂分解装置の横断面図である。

【図5】電気的分流装置の他の実施例を示す図である。

【図6】黒体放射のエネルギー曲線図である。

【図7】カーボン層からの電磁波の放射状態を示す図である。

【図8】カーボン層での電磁波の反射状態説明図である。

【図9】本発明のＣＯ₂の分解装置の他の実施例を示す縦断面図である。

【図10】図９のＣＯ₂の分離装置の横断面図である。

【図11】炭化水素ガス製造装置の概略構成図である。

【図12】回収箱内の活性炭粒子とその周面に付着された原子状炭素との付着状態説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

【0010】

図１において、本発明のＣＯ₂（ＣＯ）の分解装置Ｍは、筒状のＳＵＳ３０４製のケーシング１を有し、このケーシング１内にはカーボン材からなるカーボン層２が付着形成されている。前記ケーシング１の外周には電気ヒータ３が設けられ、この電気ヒータ３によりケーシング１及びカーボン層２が２００～６００℃に加熱され、ケーシング１及びカーボン層２からは加熱によって電磁波が放射され、この電磁波によりＣＯ又はＣＯ₂のＣとＯとを分離する分離空間Ｐが１００～３００℃に加熱される。前記分離空間Ｐ内においては、その中に供給されるＣＯ又はＣＯ₂のＣとＯとが分離空間Ｐ内で電磁波により分離されるが、電磁波のエネルギーを大きくするためには開発者による１０年以上の実験の結果、以下の条件が必要となることが判明している。

【0011】

１．結晶格子を有する材料であって、加熱することにより結晶格子が振動し、これとともに格子を構成する各原子も振動する。すなわち、電荷を有する原子内の電子、原子核をも振動させて電磁波を発生させると、種々の周波数を備えた電磁波が放射され、これらが波束を形成し、この波束がエネルギーの大なるパルスを生じさせる（図２）。

【0012】

２．導電性の材料であって、電磁波を放射し易く放射された電磁波が当たったときに、そのエネルギーを吸収した電子が振動し、これにより放射された電磁波に対応した電磁波を放射すること。

【0013】

図３において定常波とは、カーボン層２間の直径Ｄ内において、電磁波ｒの両端がカーボン層２内壁の一点に固定され、往路の電磁波と復路のそれとが重なり、それら半波長の整数倍が直径Ｄに等しくなるものをいい、そのエネルギーは量子力学上周波数の二乗に等しくなる。

【0014】

３．電磁波を放射する放射部分と放射された電磁波を吸収して反射する反射部分間で定常波が生じるように構成されていること（図３）。

【0015】

これらの条件を満足する材料としては、ステンレス材、鉄材、カーボン材が好ましくケーシング２としては、ステンレス材（ＳＵＳ３０４）、鉄材が使用される。

【0016】

前記ケーシング１の周面側壁には、図４に示すように直径方向に対向して細長の永久磁石からなる磁気的分流装置４（４ａ、４ｂ）が固着され、図において左側にはＮ極磁石４ａが右側にはＳ極磁石４ｂが固着され、磁石線ｍがＮ極からＳ極に放射されている。

【0017】

前記ケーシング（図１）の左側には処理すべき気体、例えば、空気（Ｎ₂、Ｏ₂）の中に混入しているＣＯ₂が混入せしめる流入口５が形成され、前記ケーシング１の出口側には処理気体に含まれる原子の電気的性質に応じて分離された分流を別個に排出するための排出装置６が形成されている。前記処理気体は、分離空間Ｐ内において、前記永久磁石４からなる磁気的分流装置によって、上下に分けられ上分流Ｕと下分流Ｄは仕切板７によって分けられ、上分流Ｕは上分岐排出管８を通って、下分流Ｄは下分流排出管９を通って外部に排出される。

【0018】

前記分離空間Ｐ内には、処理気体の原子の電離を助長するための放電装置１０の電極１０ａ、１０ｂが臨まされ、電極１０ａ、１０ｂの先端には高電圧が付加されて、放電時に多数の電子ｅ^-が分離空間Ｐ内に供給される。また、磁気的分流装置４の代わりに、図５に示すように電気的分流装置２０が形成されてもよい。

【0019】

前記電気的分流装置２０において、ケーシング１の上側外側面には、＋電極板２１が、これに対向してその下側外側面には、－電極板２２がケーシング１に絶縁状態で設けられ、前記両電極板２１、２２には、直流電源２３によりそれぞれ電圧がかけられている。

【0020】

次に、空気とＣＯ₂とが混合している焼却炉等の排気ガスを処理するための分流作用について説明する。

【0021】

前記カーボン層２が２００～６００℃に加熱されると、その内壁からは温度に応じて図６に示すように、同一周波数、例えば１０¹⁰ＨｚのエネルギーＥ（光子数）は、加熱温度が高くなる程大きくなり、各温度におけるエネルギーＥのピークＰは、次第に周波数の大きい方に移動し、温度が高くなればなる程ピーク値における周波数は高くなる。前記カーボン層２はPlanckの黒体放射をなし、カーボン層２の内壁からは、図７に示すように互いに直径方向に周波数の異なる多数の電磁波ｒ₀が放射され、これらの電磁波ｒ₀は、図３に示すように円筒形のカーボン層２の直径Ｄ間を往復動する波の両端が固定され、半波長の整数倍（ｎ倍…量子数ｎ）が、その直径Ｄに等しい定常波である。一般に、カーボン材を２００～５００℃に加熱すると、図６に示すように、低周波数のものから高周波数の無数の周波数を有する電磁波が形成され、すなわち、１、２…ｎ次の定常波が形成されることとなる。

【0022】

なお、カーボン材２の表面は、導電性が維持され電子ｅ^-が自由に振動できることが必要であり、放射された電磁波ｒ₀は対向カーボン壁の電子ｅ^-を振動せしめ、この振動が反射電磁波ｒ₁を放射せしめ、もとの壁面の電子ｅ^-を振動させて同一経路を電磁波が往復動して定常波が形成される（図８）。

【0023】

また、図１２に示すように、周波数の異なる多数の電磁波が重なると波束ｗ・ｂが生じ、出力の大きなパルス波ｐ・ｗが形成されることも知られている。このように、円筒形のカーボン層を２００～６００℃に加熱すると、主としてマイクロ波から赤外線領域（１０⁹Ｈｚ～１０¹³Ｈｚ）の電磁波が発生し、しかもその電磁波は定常波であり波束も生じるので、ＣＯ₂のＣとＯとの結合エネルギーより大きなエネルギーを生じさせることも出来る。更に詳しく説明すると、Ｏ＝Ｃ＝Ｏ（ＣＯ₂）のＣ＝Ｏ結合エネルギーは、１７３ｋｃａｌ／ｍｏｌである。また、ＣＯ₂の結合エネルギーは、Ｃ＝Ｏ結合が２個であるので、２×１７３×１０００×４．１８Ｊ（１ｃａｌ）であり、ＣＯ₂の１分子の結合エネルギーは、
３４６×１０００×４．１８÷６×１０²³
≒２．４×１０^-18Ｊ …（１）
であり、このエネルギー（Ｅ）は、どの程度の電磁波の周波数に相当するかを求めると電磁波のエネルギーは、
Ｅ＝ｈν（ｈ：プランク定数、ν：周波数）…（２）
であり、式（１）から
ν＝２．４×１０^-18Ｊ／ｈ（６．６３×１０^-34）
≒３．６×１０¹⁵…（３）
であり、この周波数は紫外線領域に属する。前記カーボン層から放射される電磁波の中に
は、数は少ないが紫外線が含まれるのでＣＯ₂のＣとＯへの分解は僅かながら生じ得る。
しかしながら定常波と波束を考慮すると、ＣＯ₂のＣとＯへの分解は容易に生じ得ること
となる。

【0024】

定常波のエネルギーについては、シュレジンが－の波動方程式の電子の物質波について
の式によれば量子数ｎ次のエネルギーＥｎは、電子の質量をｍとすると、

【0025】

【数1】

ｈ：プランク定数 Ｄ：カーボン筒層の直径
となり、

【0026】

【数2】

であるので、
Ｅｎ＝ｎ²Ｅ₁ …（５）
となり、エネルギーＥｎは量子数ｎの２乗、すなわち、周波数（ν）の2乗に比例するので、紫外線よりも周波数の少ない赤外線、マイクロ波でもＣとＯとの結合エネルギーの大なる電磁波となり得るし、これらの電磁波の波束により更にエネルギーが増大するので、確実にＣＯ₂の結合エネルギーより大なる電磁波が発生し得る。

【0027】

次にケーシング１内にＣＯ₂を供給した場合のＣＯ₂の挙動について説明する。

【0028】

前記流入口５から分離空間Ｐ内に入ったＣＯ₂は先ず、カーボン材から放射される電磁波によりＣとＯとＯに分離され、次いで、分離したＣとＯに電磁波が当たり、電気的に陽性のＣは帯電してプラスのイオン（Ｃ¹⁺、2⁺、³⁺…ⁿ⁺）となる。すなわちＣ原子から弾き出される電子の数により電荷数の異なるプラスイオンの混合となる。また、電気的に陰性のＯは、Ｃから弾き出された電子を吸収してマイナスに帯電してマイナスのイオン（Ｏ^2-…Ｏ^n-）となる。プラス電荷のＣイオンとマイナス電荷のＯイオンは、図４に示す磁力線ｍによりフレミングの左手の法則により上下に分離され、Ｏは流路Ｐ内で上分流を形成し、Ｃは下分流を形成し、これらは仕切板７によって仕切られ、Ｏは上分岐排気管８を通って排気され、Ｃは下分岐排気管９を通ってその先端に取り付けられた回収箱４０によって回収される。この回収箱４０には、例えば活性炭が交換可能に設けられ、Ｃがこれに付着して回収される。なお、ＣＯ₂が空気と混合して供給された場合には、空気のＮはプラスに、Ｏはマイナスに帯電し、この時ＣはＮとともに下分流を形成する。また、図３に示すように、ケーシング１の上側にプラス電極を下側にマイナス電極を設置すれば同様の作用をさせることが出来る。更に、流通路Ｐ内の電子不足を補うために放電装置１０が作動される。更に、また、予備的にＮａＯＨ、Ｎａｃｌ、ＣａＣＯ₃の粉体を入口５近くから混入させてＣＯ₂の分離効率を向上させてもよい。

【0029】

前記Ｃの回収箱４０は、図１１、１２に示すように炭化水素ガス、例えばメタンＣＨ₄、エタンＣ₂Ｈ₆、プロパンＣ₃Ｈ₈等の燃料ガスの製造に使われる。前記回収箱４０内の活性炭の粒子４１、４１…４１が多数収納され、これら粒子４１の周面には多数の原子状の炭素４２、４２…４２が付着されている。前記回収箱４０はステンレス製であり、その壁面は多孔に形成されて気体が内部に流入し得るようになっている。

【0030】

前記回収箱４０は炭化水素ガス製造装置４２内に設置され、装置４２はステンレス製のケーシング４３を有し、このケーシング４３の入口４４からは、ここから水素ガスＨ₂が供給され、その出口４５からはメタン、プロパン、ブタン等の炭化水素ガスＣ_XＨ_Yが取出される。前記ケーシング４３内には、カーボン筒４６が収納され、前記ケーシング４３の外周壁にはヒータ４６が設けられ、このヒータ４６を３００～５００℃に加熱することにより、カーボン筒４６からは、定常波からなる電磁波が放射され、このエネルギーの大なる電磁波が、前記回収箱４０内の活性炭素粒子４１の周面からの原子状の炭素４２をカーボン筒内に飛散せしめ、この原子状炭素４２とケーシング４３内に供給された水素Ｈ₂とが電磁波の雰囲気の中で結合してＣ原子１個のメタン（ＣＨ₄）が先ず発生する。Ｃ原子が複数のエタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）、ブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）の採集を希望する場合には、前記入口４４の近傍から、所望の種ガスＣ_XＨ_Yガスを供給すれば、この種ガスに応じたＣ_XＨ_Yガスが得られる。なお、種ガスを流すときには、真空ポンプ４７でケーシング４３内を負圧状態に引きながら行えば、種ガスの流れがスムーズになり好ましい。

【0031】

次に、本発明の他の実施例について説明する。

【0032】

ＣＯ₂（ＣＯ）の分解装置５０は、ステンレス製の筒状ケーシング５１を有し、このケーシング５１内にはカーボン筒５２が収納され、ケーシング５１の中心部にはヒータ管５３が収納され、このヒータ管５３内には棒状のヒータ５４が収納され、前記ヒータ管５３からは定常波ｓ・ｗが前記カーボン筒５２に対して放射され、この定常波ｓ・ｗはヒータ管５３とカーボン筒５２間で反射を繰り返す。

【0033】

前記ケーシング５１の左側には、ＣＯ₂入口５５が取付けられ、ケーシング５１の右側端にはその上方にＯ₂出口５６が、その下方にＣ出口５７が設けられ、それら出口５６、５７間に斜めにアニオンからなるイオン交換膜５８が設けられ、このイオン交換膜５８は電気的にマイナスのＯ^2-イオンのみを通過せしめ、電気的にプラスのＣ⁴⁺イオンはイオン交換膜５８を通過できずにＣ出口５７から外部に排出される。

【産業上の利用可能性】

【0034】

ＣＯ２を多量に排出する火力発電、焼却炉分野に応用できる。

【符号の説明】

【0035】

１…ケーシング
２…カーボン層
３…電気ヒータ
４…磁気的分流装置
６…排出装置
７…仕切板
８…上分岐排出管
９…下分岐排出管
２０…電気的分流装置
４０…回収箱

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】