特開 2023-45473 二酸化炭素処理方法

(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】P2023045473

(43)【公開日】2023-04-03

(54)【発明の名称】二酸化炭素処理方法

(51)【国際特許分類】

   C25B 3/26 20210101AFI20230327BHJP

   B01D 53/14 20060101ALI20230327BHJP

   C25B 3/05 20210101ALI20230327BHJP

   C25B 3/07 20210101ALI20230327BHJP

   C25B 3/09 20210101ALI20230327BHJP

   C25B 15/023 20210101ALI20230327BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20230327BHJP

   C25B 11/046 20210101ALI20230327BHJP

【ＦＩ】

C25B3/26

B01D53/14 200

C25B3/05

C25B3/07

C25B3/09

C25B15/023

C25B15/08 302

C25B11/046

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021153902

(22)【出願日】2021-09-22

(71)【出願人】

【識別番号】504399853

【氏名又は名称】廣田 武次

(71)【出願人】

【識別番号】521233563

【氏名又は名称】株式会社Ｅプラス

(74)【代理人】

【識別番号】100127764

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 泰州

(72)【発明者】

【氏名】廣田 武次

【テーマコード（参考）】

4D020

4K011

4K021

【Ｆターム（参考）】

4D020AA03

4D020BA01

4D020BA11

4D020BA16

4D020BA19

4D020BB03

4D020BC03

4D020CB01

4D020CC14

4D020DA03

4D020DB08

4D020DB20

4K011AA15

4K011DA10

4K021AC04

4K021AC11

4K021AC17

4K021AC21

4K021BA02

4K021BA18

4K021BB03

4K021BC01

4K021CA06

4K021CA08

4K021DC15

(57)【要約】

【課題】本発明は、二酸化炭素を別の物質に変性させる新規な二酸化炭素処理方法を提供することを目的とする。
【解決手段】二酸化炭素をアルカリ性水溶液に接触させることによって、前記アルカリ性水溶液中に二酸化炭素を溶存させる二酸化炭素吸収工程と、二酸化炭素を溶存させた前記アルカリ性水溶液を電気分解する電気分解工程と、を実行し、前記電気分解工程の実行時、電解電流の値が４００Ａ以下となるように電極間電圧を印加する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

二酸化炭素を変性させる二酸化炭素処理方法であって、
アルカリ性水溶液中に二酸化炭素を溶存させる二酸化炭素吸収工程と、
前記二酸化炭素吸収工程の実行時又は実行後、前記アルカリ性水溶液を電気分解する電気分解工程と、
を実行し、
前記電気分解工程の実行時、電解電流の値が４００Ａ以下となるように電極間電圧を印加することを特徴とする二酸化炭素処理方法。

【請求項2】

請求項１に記載の二酸化炭素処理方法において、
前記アルカリ性水溶液として、
ケイ酸塩を溶質とする水溶液、アミン系化合物を溶質とする水溶液、又はアミン系化合物及びケイ酸塩を溶質とする水溶液を用いる二酸化炭素処理方法。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の二酸化炭素処理方法において、
前記電気分解工程の実行時、銅電極を陽極に用いる二酸化炭素処理方法。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか１項に記載の二酸化炭素処理方法において、
前記分解工程の実行時、銅電極以外の電極を陽極に用いる二酸化炭素処理方法。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれか１項に記載の二酸化炭素処理方法において、
前記二酸化炭素吸収工程と前記電気分解工程とを繰り返し実行する二酸化炭素処理方法。

【請求項6】

請求項５に記載の二酸化炭素処理方法において、
二回目以降の二酸化炭素吸収工程の実行前又は実行時、前記アルカリ性水溶液を補充する二酸化炭素処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、二酸化炭素を別の物質に変性させる二酸化炭素処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

地球温暖化現象は様々な要因が重なって引き起こされている現象であるが、人間の産業活動に伴って大気中に排出された二酸化炭素（ＣＯ_２）などの温室効果ガスを大きな要因とする説が主流となっている。そのため、二酸化炭素の排出量の削減が国際的な課題とされている。又、排出された二酸化炭素を回収する手段についても研究が進められている。

【0003】

二酸化炭素を回収する手段としては、例えば、アルカリ性の水溶液に二酸化炭素を接触させて前記水溶液中に二酸化炭素を溶存させる方法（化学吸着法）が開発されている。そして、この化学吸着法では二酸化炭素を溶存させた水溶液を加熱処理することによって二酸化炭素を選択的に回収し、液化炭酸ガスの状態で地下に埋設するものとされている。

【0004】

しかしながら、前記化学吸着法では二酸化炭素を溶存させた水溶液から二酸化炭素を分離する際に消費される熱エネルギーが大きく、処理コストが高くなる。この点につき下記特許文献１では、二酸化炭素をモノエタノールアミンの水溶液中に溶存させた後、前記水溶液中に水酸化カルシウムなどのカルシウム塩を添加することによって炭酸カルシウムを生成させ、もって前記水溶液中に二酸化炭素を固定化する方法を提案している。

【0005】

又、下記特許文献２では、二酸化炭素をアルカリ性水溶液中に溶存させた後、電気分解処理することによって二酸化炭素を変性させる手段を提案している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１２‐１３１６９７号公報

【特許文献2】特開２０１７‐２０５７１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

前記特許文献１に記載の方法（二酸化炭素の固定化方法）は二酸化炭素を炭酸カルシウムの形態で水溶液中に固定化するものである。しかしながら、炭酸カルシウムは実質的な発熱量を有するものではない。そのため、前記特許文献１に記載の方法によって得られた処理物は炭酸カルシウムを抽出してセメントとして再利用するくらいしか利用価値が見出せていない。

【0008】

一方、前記特許文献２に記載の方法（二酸化炭素処理方法）では、電気分解処理によって二酸化炭素をメタンやエタン等のＣ_１～Ｃ_２程度の有機化合物に変性させている。これらの有機化合物は材料や燃料としての再利用も可能であるが、常温において気体であることから回収時や輸送時にある程度のロスが生じる。

【0009】

本発明は前記技術的課題を解決するために開発されたものであって、二酸化炭素を別の物質に変性させると共に液体として回収することができる新規な二酸化炭素処理方法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】

【0010】

前記技術的課題を解決する本発明の二酸化炭素処理方法は、二酸化炭素を変性させる二酸化炭素処理方法であって、アルカリ性水溶液中に二酸化炭素を溶存させる二酸化炭素吸収工程と、前記二酸化炭素吸収工程の実行時又は実行後、前記アルカリ性水溶液を電気分解する電気分解工程と、を実行し、前記電気分解工程の実行時、電解電流の値が４００Ａ以下となるように電極間電圧を印加することを特徴とする（以下、「本発明方法」と称する。）。

【0011】

前記本発明方法においては、前記アルカリ性水溶液として、ケイ酸塩を溶質とする水溶液、アミン系化合物を溶質とする水溶液、又はアミン系化合物及びケイ酸塩を溶質とする水溶液を用いることが好ましい多様となる。

【0012】

前記本発明方法においては、前記電気分解工程の実行時、銅電極を陽極に用いることが好ましい態様となる。

【0013】

前記本発明方法においては、前記分解工程の実行時、銅電極以外の電極を陽極に用いることが好ましい多様となる。

【0014】

前記本発明方法においては、前記二酸化炭素吸収工程と前記電気分解工程とを繰り返し実行することが好ましい多様となる。

【0015】

前記本発明方法においては、二回目以降の二酸化炭素吸収工程の実行前又は実行時、前記アルカリ性水溶液を補充することが好ましい態様となる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、二酸化炭素を別の物質に変性させると共に液体として回収することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１（ａ）は、本発明方法における二酸化炭素吸収工程の実行を示す模式図であり、図１（ｂ）は、本発明方法における電気分解工程の実行を示す模式図である。

【図2】図２（ａ）、（ｂ）は、本発明方法の実行によって得られた化合物を示す構造式である。

【図3】図３は、本発明方法の実行によって得られた化合物を示すクロマトグラム（ａ）と、構造式（ｂ）である。

【図4】図４は、本発明方法の実行によって得られた化合物を示すクロマトグラム（ａ）と、構造式（ｂ）である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

【0019】

＜本発明方法＞
本発明方法では、「二酸化炭素吸収工程」と、「電気分解工程」と、を実行する。

【0020】

‐二酸化炭素吸収工程‐
前記二酸化炭素吸収工程では、アルカリ性水溶液中に二酸化炭素を溶存させる。アルカリ性水溶液に二酸化炭素を含むガスを吹き込むことによって前記ガス中の二酸化炭素を前記アルカリ性水溶液中に溶存させることは既に公知の手段となっている。例えば、ＲＮＨ_２の化学式（Ｒ：アルキル基又はアルカノール基）からなるアミン系化合物を溶質とするアルカリ性水溶液中に二酸化炭素を導入すると、まずアミン系化合物と二酸化炭素との結合形成反応（ＲＮＨ_２＋ＣＯ_２→ＲＮＨ_２ＣＯ_２）が起こり、続くプロトン脱離反応（ＲＮＨ_２ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ→ＲＮＨＣＯ_２ ^－＋Ｈ_３Ｏ^＋）によって前記アルカリ性水溶液中に二酸化炭素が溶存する。二酸化炭素の溶存に伴い、前記アルカリ性水溶液のｐＨは中性付近にシフトする。

【0021】

本発明処理方法において前記アルカリ性水溶液は特に限定されるものではないが、水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムなどの強塩基を溶質とする水溶液よりも取り扱い上の安全性が高いアミン系化合物又はケイ酸塩などの弱塩基を溶質とする水溶液を用いることが好ましい。又、前記アルカリ性水溶液の塩基性は、ｐＨ１０～１４の範囲内に調整することが好ましい。

【0022】

前記アミン系化合物としては、例えばアンモニアの水素基がアルキル基やアルカノール基によって置換されたアルキルアミン（モノアルキルアミン、ジアルキルアミン、トリアルキルアミン）や、アルカノールアミン（モノアルカノールアミン、ジアルカノールアミン、トリアルカノールアミン）を挙げることができる。一方、前記ケイ酸塩としては、例えばケイ酸ナトリウムやケイ酸カリウム等を挙げることができる。

【0023】

なお、前記アルカリ性水溶液としてアミン系化合物及びケイ酸塩を溶質とする水溶液を用いれば、二酸化炭素の溶存量が向上することが確認されている。この場合、アミン系化合物とケイ酸塩との配合割合は特に限定されないが、アミン系化合物１００重量部に対してケイ酸塩１～１０重量部（好ましくは、２～５重量部）とすることが好ましい。

【0024】

‐電気分解工程‐
前記電気分解工程では、二酸化炭素を溶存させた前記アルカリ性水溶液を電気分解する（前記アルカリ性水溶液に二つの電極（陽極と陰極）を接触させて電極間に電圧を印加する。）。なお、前記電気分解工程は前記二酸化炭素吸収工程の実行中に行っても良いし、前記二酸化炭素吸収工程の実行後に行っても良い。

【0025】

そして、本発明方法においては前記電気分解工程の実行時、電解電流の値が４００Ａ以下（好ましくは１５０～３００Ａ）となるように電極間電圧を印加する。電解電流の値が４００Ａ以下となるようにして前記電気分解工程を実行すれば、前記アルカリ性水溶液中に溶存する二酸化炭素が前記アルカリ性水溶液中に残存し得る物質に変性することが確認されている。一方、前記電気分解工程の実行時に電解電流の値が４００ｍＡを超えると、前記アルカリ性水溶液中に溶存する二酸化炭素がメタンやエタン等のＣ_１～Ｃ_２程度の有機化合物に変性することが確認されている。但し、現段階において、この二酸化炭素の変性のメカニズムの詳細は明らかになっていない。

【0026】

なお、前記電気分解工程を実行する際、電極間電圧が同じであっても前記アルカリ性水溶液の処方や電極間距離、電解槽のサイズなどによって電解電流の値は変わる。言い換えれば、電極間電圧を増減することによって電解電流の値を４００Ａ以下に制御することができる。そのため、本発明方法では前記電気分解工程の実行時における電極間電圧は特に限定されない。又、本発明方法の実行中に電極間電圧を増減させても良い。但し、電極間電圧を高くすれば、本発明方法を実行するための電気的エネルギーの消費量が多くなるため、本発明方法においては電極間電圧を６Ｖ未満（好ましくは２．５～５Ｖ）とすることが好ましい。

【0027】

＜実施例＞
‐アルカリ性水溶液‐
下記表１に実施例１～３に係るアルカリ性水溶液の処方（２５℃の温度条件）を示す。なお、表中「ＭＥＡ」はモノエタノールアミン、「ＤＥＡ」はジエタノールアミン、「ＴＥＡ」はトリエタノールアミンを意味し、「ＣＧ」は、ケイ酸塩水溶液（ケイ酸ナトリウム１．０％、植物系界面活性剤０．５％、水９８．５％）を意味する。

【0028】

【表1】

【0029】

‐二酸化炭素吸収工程‐
高濃度二酸化炭素ガス（９９．９％）をアルミニウムバッグＢに封入し、図１（ａ）に示すように、チュービングポンプＰを用いて各実施例に係るアルカリ性水溶液１に導入（バブリング）した。なお、二酸化炭素ガスの導入は、１３．０ｍｌ／分の導入量で９０分間行った。

【0030】

‐電気分解工程‐
下記表２に前記電気分解工程を実行した際の条件を示す。図１（ｂ）に示すように、前記電気分解工程は、二本の電極（陽極（ＰＰ）、陰極（ＮＰ））の各端部をアルカリ性水溶液に浸し、電解電流が４００Ａを超えないようにして電極間電圧を印加することによって行った。又、比較例として、電解電流が５００Ａとなるように電極間電圧を印加した場合も行った。更に、実施例４、５では、陰極（ＮＰ）をステンレス電極としたうえで、陽極（ＰＰ）を銅電極とした場合についての電気分解手工程も実行した。

【0031】

【表2】

【0032】

その結果、電解電流の値が４００Ａを超える条件で電気分解を行った比較例（比較例１、２）については、いずれも電気分解の実行中に気体が発生していることが確認された。この気体を回収してガスクロマトグラフィー（ＧＣ‐ＴＣＤ）による成分分析を行った結果、メタン（ＣＨ_４）、一酸化炭素（ＣＯ）、酸化エチレン（Ｃ_２Ｈ_４Ｏ）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、及びエタン（Ｃ_２Ｈ_５）の存在が確認された。

【0033】

一方、電解電流の値が４００Ａ以下となる条件で前記電気分解工程をおこなった各実施例については、いずれも時間経過とともにアルカリ性水溶液が黒ずんでいき、この黒ずみの原因となる何らかの物質が反応系に発生してアルカリ性水溶液中に溶け込んでいるのが確認された。アルカリ性水溶液の水分濃度が２０±５％になるまで前記電気分解工程を行った後に火を近づけると引火して燃焼が継続したため、アルカリ性水溶液中に発生した黒ずみは何らかの燃焼カロリーを有する物質であることが確認された。

【0034】

そこで、実施例１～３の条件で本発明方法を行ったものについてＴＩＣ（全イオン電流）クロマトグラムによる成分分析を行ったところ、図１（ａ）に示す構造の化合物（２‐モルホリノエタノール）や、図１（ｂ）に示す化合物（オキサゾリジン‐２‐オン）など、比較的低分子量の化合物の存在が確認された。

【0035】

又、陽極（ＰＰ）に銅電極を用いた場合（実施例４‐２、実施例５‐２）についても、では、図１（ａ）に示す構造の化合物（２‐モルホリノエタノール）や、図１（ｂ）に示す化合物（オキサゾリジン‐２‐オン）など、比較的低分子量の化合物の存在が確認された。

【0036】

なお、参考として、アルカリ性水溶液に二酸化炭素を溶存させなかった場合（反応系に二酸化炭素が存在しない場合）について電気分解を行ったところ、前述の化合物の生成は確認されなかった。

【0037】

一方、陽極（ＰＰ）にステンレス電極を用いた反応系（実施例４‐１、実施例５‐１）では、図２（ａ）、図３（ａ）に示すマスクロマトグラムを示す物質が得られた。各マスクロマトグラムから化学構造を解析したところ、それぞれ図２（ｂ）に示す構造の化合物(１‐メトキシ‐２，８，９‐トリオキサ‐５‐アザ‐１‐シラビシクロ［３，３，３］ウンデカン)や、図３（ｂ）に示す構造の化合物（１‐イソブチルスルファニメチル‐２，８，９‐トリオキサ‐５‐アザ‐１‐シラビシクロ［３，３，３］ウンデカン)であることが確認された。

【0038】

即ち、反応系にケイ酸塩が存在する場合において、陽極（ＰＰ）に銅電極以外の電極を用いるとシラビシクロウンデカンを基本骨格とする化合物が生成することが確認された。この結果は、陽極（ＰＰ）につき銅電極以外の電極（炭素電極等）を使用しても同様であった。

【0039】

一方、陽極（ＰＰ）に銅電極を用いれば、シリカを構造骨格に含まない比較的低分子量の化合物が生成することが確認された。この結果は、反応系にケイ酸塩が存在していても同様であった。

【0040】

これより、本発明方法の実行の結果、二酸化炭素を別の物質に変性させると共に液体として回収することができることが認められた。

【0041】

ところで、前記各実施例では、アルカリ性水溶液として弱塩基を溶質とする水溶液を用いたが、水酸化ナトリウム等の強塩基を用いて行った場合にあっても同様の結果が得られることが確認されている。

【0042】

又、前記各実施例では、陰極（ＮＰ）としてステンレス電極を用いたが、炭素電極や銅電極等のその他の電極を用いて行った場合にあっても同様の結果が得られることが確認されている。

【0043】

更に、本実施形態においては、前記二酸化炭素吸収工程の実行後に前記電気分解工程を実行しているが、前記電気分解工程は前記二酸化炭素吸収工程の実行中に行っても良い。又、前記二酸化炭素吸収工程と前記電気分解工程とを繰り返し行っても良い。

【0044】

この際、二回目以降の二酸化炭素吸収工程の実行前又は実行時に、前記アルカリ性水溶液を補充すれば、より効率的に二酸化炭素を処理できることが確認されている。

【0045】

なお、本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

【産業上の利用可能性】

【0046】

本発明は、二酸化炭素を変性させる手段として好適に用いることができる。

【符号の説明】

【0047】

１ アルカリ性水溶液

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】