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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】P2025017930
(43)【公開日】2025-02-06
(54)【発明の名称】一酸化炭素製造装置、及び一酸化炭素の製造方法
(51)【国際特許分類】
C01B 32/40 20170101AFI20250130BHJP
【ＦＩ】
C01B32/40
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023121282
(22)【出願日】2023-07-26
(71)【出願人】
【識別番号】520486638
【氏名又は名称】株式会社アビット・テクノロジーズ
(74)【代理人】
【識別番号】100108419
【弁理士】
【氏名又は名称】大石 治仁
(74)【代理人】
【識別番号】100201949
【弁理士】
【氏名又は名称】齊藤 久美
(74)【代理人】
【識別番号】100227097
【弁理士】
【氏名又は名称】橋本 幸治
(74)【代理人】
【識別番号】100180334
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 洋美
(74)【代理人】
【識別番号】100177149
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 浩義
(72)【発明者】
【氏名】中川 清和
(72)【発明者】
【氏名】宇佐美 由久
【テーマコード（参考）】
4G146
【Ｆターム（参考）】
4G146JA01
4G146JB03
4G146JC01
4G146JC21
4G146JC34
(57)【要約】 （修正有）
【課題】マイクロ波プラズマを用いて二酸化炭素から一酸化炭素を製造するに当たり、反応室へのマイクロ波導波路にアイソレータ及びインピーダンス整合器を有しない製造装置、及びそれを用いた製造方法を提供する。
【解決手段】反応室１は、マイクロ波プラズマを内壁面に沿って発生させる誘電体製筒状容器４と、誘電体製の筒状容器の外側に、筒状容器に接触しないように設けられた導電体製の筒状チャンバー５と、誘電体製の筒状容器と導電体製の筒状チャンバーとの間の領域であって、１種又は２種以上の誘電体を含む筒状導波領域６と、誘電体製の筒状容器内に二酸化炭素ガスを供給する供給口７と、誘電体を含む筒状導波領域の側方に設けられたマイクロ波導入口８とを有するものであり、導波路３は、アイソレータ及びインピーダンス整合器を有しないものである、一酸化炭素製造装置と、この一酸化炭素製造装置を用いて一酸化炭素を製造する方法。
【選択図】図１
【解決手段】反応室１は、マイクロ波プラズマを内壁面に沿って発生させる誘電体製筒状容器４と、誘電体製の筒状容器の外側に、筒状容器に接触しないように設けられた導電体製の筒状チャンバー５と、誘電体製の筒状容器と導電体製の筒状チャンバーとの間の領域であって、１種又は２種以上の誘電体を含む筒状導波領域６と、誘電体製の筒状容器内に二酸化炭素ガスを供給する供給口７と、誘電体を含む筒状導波領域の側方に設けられたマイクロ波導入口８とを有するものであり、導波路３は、アイソレータ及びインピーダンス整合器を有しないものである、一酸化炭素製造装置と、この一酸化炭素製造装置を用いて一酸化炭素を製造する方法。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
反応室と、
マイクロ波を発生させるマイクロ波発振器と、
前記マイクロ波発振器で発生したマイクロ波を、前記反応室に導く導波路と、
を有する一酸化炭素製造装置であって、
前記反応室は、マイクロ波プラズマを内壁面に沿って発生させる誘電体製の筒状容器と、
前記誘電体製の筒状容器の外側に、前記誘電体製の筒状容器と接触しない状態で設けられた導電体製の筒状チャンバーと、
前記誘電体製の筒状容器と前記導電体製の筒状チャンバーとの間の領域であって、１種又は２種以上の誘電体を含む筒状導波領域と、
前記誘電体製の筒状容器内に二酸化炭素ガスを供給する二酸化炭素ガス供給口と、
前記誘電体を含む筒状導波領域の側方に設けられたマイクロ波導入口とを有するものであり、
前記導波路は、アイソレータ及びインピーダンス整合器を有しないものである、一酸化炭素製造装置。
マイクロ波を発生させるマイクロ波発振器と、
前記マイクロ波発振器で発生したマイクロ波を、前記反応室に導く導波路と、
を有する一酸化炭素製造装置であって、
前記反応室は、マイクロ波プラズマを内壁面に沿って発生させる誘電体製の筒状容器と、
前記誘電体製の筒状容器の外側に、前記誘電体製の筒状容器と接触しない状態で設けられた導電体製の筒状チャンバーと、
前記誘電体製の筒状容器と前記導電体製の筒状チャンバーとの間の領域であって、１種又は２種以上の誘電体を含む筒状導波領域と、
前記誘電体製の筒状容器内に二酸化炭素ガスを供給する二酸化炭素ガス供給口と、
前記誘電体を含む筒状導波領域の側方に設けられたマイクロ波導入口とを有するものであり、
前記導波路は、アイソレータ及びインピーダンス整合器を有しないものである、一酸化炭素製造装置。
【請求項2】
前記誘電体製の筒状容器を構成する誘電体の比誘電率が、３．０～１０．０である、請求項１に記載の一酸化炭素製造装置。
【請求項3】
前記誘電体製の筒状容器の内径が、１２～３００ｍｍである、請求項１に記載の一酸化炭素製造装置。
【請求項4】
前記誘電体製の筒状容器の壁厚が、２～１００ｍｍである、請求項１に記載の一酸化炭素製造装置。
【請求項5】
前記誘電体を含む筒状導波領域に含まれる誘電体の少なくとも１種が、前記誘電体製の筒状容器を構成する誘電体の比誘電率とは異なる値の比誘電率を有するものである、請求項１に記載の一酸化炭素製造装置。
【請求項6】
前記誘電体を含む筒状導波領域に含まれる誘電体の少なくとも１種が、前記誘電体製の筒状容器を構成する誘電体の比誘電率より高い値の比誘電率を有するものである、請求項１に記載の一酸化炭素製造装置。
【請求項7】
前記誘電体を含む筒状導波領域に含まれる誘電体の少なくとも１種の比誘電率が、１．５以上である、請求項１に記載の一酸化炭素製造装置。
【請求項8】
前記誘電体製の筒状容器と前記導電体製の筒状チャンバーの間の最短距離が、２～２００ｍｍである、請求項１に記載の一酸化炭素製造装置。
【請求項9】
前記誘電体製の筒状容器の数をａで表し、前記導電体製の筒状チャンバーの数をｂで表し、前記マイクロ波導入口の数をｃで表したときに、ａ≧２、ｂ＝１、及び、ａ≧ｃである、請求項１に記載の一酸化炭素製造装置。
【請求項10】
前記誘電体製の筒状容器を複数有し、かつ、複数の誘電体製の筒状容器の下流側に位置するガス集積室を有する、請求項１に記載の一酸化炭素製造装置。
【請求項11】
請求項１に記載の一酸化炭素製造装置を用いて、一酸化炭素を製造する方法であって、
誘電体製の筒状容器内に二酸化炭素ガスを供給しながらマイクロ波導入口からマイクロ波を照射して、誘電体製の筒状容器内にマイクロ波プラズマを発生させるステップを有する、一酸化炭素の製造方法。
誘電体製の筒状容器内に二酸化炭素ガスを供給しながらマイクロ波導入口からマイクロ波を照射して、誘電体製の筒状容器内にマイクロ波プラズマを発生させるステップを有する、一酸化炭素の製造方法。
【請求項12】
前記マイクロ波プラズマを発生させるステップが、二酸化炭素を一酸化炭素に還元する還元触媒の存在下で行われるものである、請求項１１に記載の一酸化炭素の製造方法。
【請求項13】
前記マイクロ波プラズマを発生させるステップが、誘電体製の筒状容器内に水素ガスを供給しながら行われるものである、請求項１１に記載の一酸化炭素の製造方法。
【請求項14】
さらに、反応後のガスから一酸化炭素を分離するステップを有する、請求項１１に記載の一酸化炭素の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一酸化炭素製造装置、及び一酸化炭素の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、地球温暖化問題等の観点から、二酸化炭素から一酸化炭素やメタノールを製造する技術が注目されている。
二酸化炭素から一酸化炭素を製造する技術としては、マイクロ波プラズマを利用して、二酸化炭素から一酸化炭素を製造する方法が知られている。
二酸化炭素から一酸化炭素を製造する技術としては、マイクロ波プラズマを利用して、二酸化炭素から一酸化炭素を製造する方法が知られている。
【0003】
特許文献１の請求項１には、「マイクロ波プラズマを用いるガス変換システムであって、マイクロ波を伝搬させるためのマイクロ波導波管、該マイクロ波導波管を通り抜けるガス流管であって、当該ガス流管を通過してマイクロ波を伝搬させるように構成された、ガス流管、前記マイクロ波導波管の温度を制御するための第一の温度制御手段、前記ガス流管の近傍に配置され、前記マイクロ波導波管の温度を測定するように構成された温度センサー、前記ガス流管の近傍に位置付けられ、前記ガス流管内でプラズマを生起させ、動作中に前記プラズマが前記ガス流管内を流れるガスを変換するように構成された、生起器、及び、前記ガス流管の近傍に配置され、プラズマを監視するように構成された、プラズマ検出器、を有するガス変換システム」が記載されている。
特許文献１の段落〔００１１〕には、そのガス変換システムは、二酸化炭素の一酸化炭素及び酸素への変換に使用し得ることも記載されている。
特許文献１の段落〔００１１〕には、そのガス変換システムは、二酸化炭素の一酸化炭素及び酸素への変換に使用し得ることも記載されている。
【0004】
特許文献２の請求項１には、「減圧した系内にマイクロ波を照射し、該マイクロ波の照射位置に二酸化炭素単体を投入することにより、投入した二酸化炭素を電離して一酸化炭素を得ることを特徴とするマイクロ波非平衡プラズマによる二酸化炭素の分解方法」が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特表２０１４－５２０６６３号公報
【特許文献2】特開２０１５－１５５３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
一般に、反応容器内にマイクロ波プラズマを発生させる場合、マイクロ波発振器で発生させたマイクロ波を、導波路により反応容器のマイクロ波導入口まで導き、反応容器のマイクロ波導入口から反応容器内にマイクロ波が照射される。
しかしながら、マイクロ波エネルギーが反応容器で十分に消費されない場合、発生した反射波が導波路を伝わってマイクロ波発振器に到達し、マイクロ波発振器の故障を引き起こすおそれがあった。
このため、通常、導波路には、反射波を吸収するアイソレータや反射波を抑制するインピーダンス整合器等の反射波対策用の装置が設けられ、反射波がマイクロ波発振器に到達するのを防いでいる。
例えば、特許文献１の段落〔０００８〕～〔０００９〕には、反射波対策用の装置として、ダミーロード１６及びサーキュレーター１８を有する断路器１５が記載され、特許文献２の段落〔００１９〕には、アイソレータ７やスタブチューナ９が記載されている。
しかしながら、マイクロ波エネルギーが反応容器で十分に消費されない場合、発生した反射波が導波路を伝わってマイクロ波発振器に到達し、マイクロ波発振器の故障を引き起こすおそれがあった。
このため、通常、導波路には、反射波を吸収するアイソレータや反射波を抑制するインピーダンス整合器等の反射波対策用の装置が設けられ、反射波がマイクロ波発振器に到達するのを防いでいる。
例えば、特許文献１の段落〔０００８〕～〔０００９〕には、反射波対策用の装置として、ダミーロード１６及びサーキュレーター１８を有する断路器１５が記載され、特許文献２の段落〔００１９〕には、アイソレータ７やスタブチューナ９が記載されている。
【0007】
しかしながら、反射波対策用のこれらの装置を設けることは、反応装置の小型化や簡略化の観点からは好ましくない。
また、エネルギー効率の観点からも、反射波対策用のこれらの装置を使用することなく、マイクロ波プラズマを安定的に発生させることが好ましい。
また、エネルギー効率の観点からも、反射波対策用のこれらの装置を使用することなく、マイクロ波プラズマを安定的に発生させることが好ましい。
【0008】
本発明はこのような状況下においてなされたものであり、反応室と、マイクロ波発振器と、導波路とを有し、マイクロ波プラズマを利用して二酸化炭素から一酸化炭素を製造する一酸化炭素製造装置であって、導波路にアイソレータ及びインピーダンス整合器を有しない一酸化炭素製造装置と、この一酸化炭素製造装置を用いて一酸化炭素を製造する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】
【0009】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、マイクロ波プラズマを利用して二酸化炭素から一酸化炭素を製造する一酸化炭素製造装置について鋭意検討を重ねた。
その結果、誘電体製の筒状容器の外側に誘電体を含む筒状導波領域を設け、この誘電体を含む筒状導波領域にマイクロ波を照射することで、誘電体製の筒状容器の内壁面に沿ってマイクロ波プラズマを効率よく発生させることができ、さらに、導波路にアイソレータ及びインピーダンス整合器を設けなくても、マイクロ波発振器に悪影響を与えることなく、マイクロ波プラズマを安定的に発生させ得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
その結果、誘電体製の筒状容器の外側に誘電体を含む筒状導波領域を設け、この誘電体を含む筒状導波領域にマイクロ波を照射することで、誘電体製の筒状容器の内壁面に沿ってマイクロ波プラズマを効率よく発生させることができ、さらに、導波路にアイソレータ及びインピーダンス整合器を設けなくても、マイクロ波発振器に悪影響を与えることなく、マイクロ波プラズマを安定的に発生させ得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0010】
かくして本発明によれば、下記〔１〕～〔１０〕の一酸化炭素製造装置、及び〔１１〕～〔１４〕の一酸化炭素の製造方法が提供される。
〔１〕反応室と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発振器と、前記マイクロ波発振器で発生したマイクロ波を、前記反応室に導く導波路と、を有する一酸化炭素製造装置であって、前記反応室は、マイクロ波プラズマを内壁面に沿って発生させる誘電体製の筒状容器と、前記誘電体製の筒状容器の外側に、前記誘電体製の筒状容器と接触しない状態で設けられた導電体製の筒状チャンバーと、前記誘電体製の筒状容器と前記導電体製の筒状チャンバーとの間の領域であって、１種又は２種以上の誘電体を含む筒状導波領域と、前記誘電体製の筒状容器内に二酸化炭素ガスを供給する二酸化炭素ガス供給口と、前記誘電体を含む筒状導波領域の側方に設けられたマイクロ波導入口とを有するものであり、前記導波路は、アイソレータ及びインピーダンス整合器を有しないものである、一酸化炭素製造装置。
〔２〕前記誘電体製の筒状容器を構成する誘電体の比誘電率が、３．０～１０．０である、〔１〕に記載の一酸化炭素製造装置。
〔３〕前記誘電体製の筒状容器の内径が、１２～３００ｍｍである、〔１〕又は〔２〕に記載の一酸化炭素製造装置。
〔４〕前記誘電体製の筒状容器の壁厚が、２～１００ｍｍである、〔１〕～〔３〕のいずれかに記載の一酸化炭素製造装置。
〔５〕前記誘電体を含む筒状導波領域に含まれる誘電体の少なくとも１種が、前記誘電体製の筒状容器を構成する誘電体の比誘電率とは異なる値の比誘電率を有するものである、〔１〕～〔４〕のいずれかに記載の一酸化炭素製造装置。
〔６〕前記誘電体を含む筒状導波領域に含まれる誘電体の少なくとも１種が、前記誘電体製の筒状容器を構成する誘電体の比誘電率より高い値の比誘電率を有するものである、〔１〕～〔５〕のいずれかに記載の一酸化炭素製造装置。
〔７〕前記誘電体を含む筒状導波領域に含まれる誘電体の少なくとも１種の比誘電率が、１．５以上である、〔１〕～〔６〕のいずれかに記載の一酸化炭素製造装置。
〔８〕前記誘電体製の筒状容器と前記導電体製の筒状チャンバーの間の最短距離が、２～２００ｍｍである、〔１〕～〔７〕のいずれかに記載の一酸化炭素製造装置。
〔９〕前記誘電体製の筒状容器の数をａで表し、前記導電体製の筒状チャンバーの数をｂで表し、前記マイクロ波導入口の数をｃで表したときに、ａ≧２、ｂ＝１、及び、ａ≧ｃである、〔１〕～〔８〕のいずれかに記載の一酸化炭素製造装置。
〔１０〕前記誘電体製の筒状容器を複数有し、かつ、複数の誘電体製の筒状容器の下流側に位置するガス集積室を有する、〔１〕～〔９〕のいずれかに記載の一酸化炭素製造装置。
〔１１〕前記〔１〕～〔１０〕のいずれかに記載の一酸化炭素製造装置を用いて、一酸化炭素を製造する方法であって、誘電体製の筒状容器内に二酸化炭素ガスを供給しながらマイクロ波導入口からマイクロ波を照射して、誘電体製の筒状容器内にマイクロ波プラズマを発生させるステップを有する、一酸化炭素の製造方法。
〔１２〕前記マイクロ波プラズマを発生させるステップが、二酸化炭素を一酸化炭素に還元する還元触媒の存在下で行われるものである、〔１１〕に記載の一酸化炭素の製造方法。
〔１３〕前記マイクロ波プラズマを発生させるステップが、誘電体製の筒状容器内に水素ガスを供給しながら行われるものである、〔１１〕又は〔１２〕に記載の一酸化炭素の製造方法。
〔１４〕さらに、反応後のガスから一酸化炭素を分離するステップを有する、〔１１〕～〔１３〕のいずれかに記載の一酸化炭素の製造方法。
〔１〕反応室と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発振器と、前記マイクロ波発振器で発生したマイクロ波を、前記反応室に導く導波路と、を有する一酸化炭素製造装置であって、前記反応室は、マイクロ波プラズマを内壁面に沿って発生させる誘電体製の筒状容器と、前記誘電体製の筒状容器の外側に、前記誘電体製の筒状容器と接触しない状態で設けられた導電体製の筒状チャンバーと、前記誘電体製の筒状容器と前記導電体製の筒状チャンバーとの間の領域であって、１種又は２種以上の誘電体を含む筒状導波領域と、前記誘電体製の筒状容器内に二酸化炭素ガスを供給する二酸化炭素ガス供給口と、前記誘電体を含む筒状導波領域の側方に設けられたマイクロ波導入口とを有するものであり、前記導波路は、アイソレータ及びインピーダンス整合器を有しないものである、一酸化炭素製造装置。
〔２〕前記誘電体製の筒状容器を構成する誘電体の比誘電率が、３．０～１０．０である、〔１〕に記載の一酸化炭素製造装置。
〔３〕前記誘電体製の筒状容器の内径が、１２～３００ｍｍである、〔１〕又は〔２〕に記載の一酸化炭素製造装置。
〔４〕前記誘電体製の筒状容器の壁厚が、２～１００ｍｍである、〔１〕～〔３〕のいずれかに記載の一酸化炭素製造装置。
〔５〕前記誘電体を含む筒状導波領域に含まれる誘電体の少なくとも１種が、前記誘電体製の筒状容器を構成する誘電体の比誘電率とは異なる値の比誘電率を有するものである、〔１〕～〔４〕のいずれかに記載の一酸化炭素製造装置。
〔６〕前記誘電体を含む筒状導波領域に含まれる誘電体の少なくとも１種が、前記誘電体製の筒状容器を構成する誘電体の比誘電率より高い値の比誘電率を有するものである、〔１〕～〔５〕のいずれかに記載の一酸化炭素製造装置。
〔７〕前記誘電体を含む筒状導波領域に含まれる誘電体の少なくとも１種の比誘電率が、１．５以上である、〔１〕～〔６〕のいずれかに記載の一酸化炭素製造装置。
〔８〕前記誘電体製の筒状容器と前記導電体製の筒状チャンバーの間の最短距離が、２～２００ｍｍである、〔１〕～〔７〕のいずれかに記載の一酸化炭素製造装置。
〔９〕前記誘電体製の筒状容器の数をａで表し、前記導電体製の筒状チャンバーの数をｂで表し、前記マイクロ波導入口の数をｃで表したときに、ａ≧２、ｂ＝１、及び、ａ≧ｃである、〔１〕～〔８〕のいずれかに記載の一酸化炭素製造装置。
〔１０〕前記誘電体製の筒状容器を複数有し、かつ、複数の誘電体製の筒状容器の下流側に位置するガス集積室を有する、〔１〕～〔９〕のいずれかに記載の一酸化炭素製造装置。
〔１１〕前記〔１〕～〔１０〕のいずれかに記載の一酸化炭素製造装置を用いて、一酸化炭素を製造する方法であって、誘電体製の筒状容器内に二酸化炭素ガスを供給しながらマイクロ波導入口からマイクロ波を照射して、誘電体製の筒状容器内にマイクロ波プラズマを発生させるステップを有する、一酸化炭素の製造方法。
〔１２〕前記マイクロ波プラズマを発生させるステップが、二酸化炭素を一酸化炭素に還元する還元触媒の存在下で行われるものである、〔１１〕に記載の一酸化炭素の製造方法。
〔１３〕前記マイクロ波プラズマを発生させるステップが、誘電体製の筒状容器内に水素ガスを供給しながら行われるものである、〔１１〕又は〔１２〕に記載の一酸化炭素の製造方法。
〔１４〕さらに、反応後のガスから一酸化炭素を分離するステップを有する、〔１１〕～〔１３〕のいずれかに記載の一酸化炭素の製造方法。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、反応室と、マイクロ波発振器と、導波路とを有し、マイクロ波プラズマを利用して二酸化炭素から一酸化炭素を製造する一酸化炭素製造装置であって、導波路にアイソレータ及びインピーダンス整合器を有しない一酸化炭素製造装置と、この一酸化炭素製造装置を用いて一酸化炭素を製造する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図5】参考例１～１４で用いたモデルを表す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明を、１）一酸化炭素製造装置、及び、２）一酸化炭素の製造方法、に項分けして詳細に説明する。
【0014】
１）一酸化炭素製造装置
本発明の一酸化炭素製造装置は、反応室と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発振器と、前記マイクロ波発振器で発生したマイクロ波を、前記反応室に導く導波路と、を有する。前記反応室は、マイクロ波プラズマを内壁面に沿って発生させる誘電体製の筒状容器と、前記誘電体製の筒状容器の外側に、前記誘電体製の筒状容器と接触しない状態で設けられた導電体製の筒状チャンバーと、前記誘電体製の筒状容器と前記導電体製の筒状チャンバーとの間の領域であって、１種又は２種以上の誘電体を含む筒状導波領域と、前記誘電体製の筒状容器内に二酸化炭素ガスを供給する二酸化炭素ガス供給口と、前記誘電体を含む筒状導波領域の側方に設けられたマイクロ波導入口とを有する。前記導波路は、アイソレータ及びインピーダンス整合器を有しない。
本発明の一酸化炭素製造装置は、反応室と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発振器と、前記マイクロ波発振器で発生したマイクロ波を、前記反応室に導く導波路と、を有する。前記反応室は、マイクロ波プラズマを内壁面に沿って発生させる誘電体製の筒状容器と、前記誘電体製の筒状容器の外側に、前記誘電体製の筒状容器と接触しない状態で設けられた導電体製の筒状チャンバーと、前記誘電体製の筒状容器と前記導電体製の筒状チャンバーとの間の領域であって、１種又は２種以上の誘電体を含む筒状導波領域と、前記誘電体製の筒状容器内に二酸化炭素ガスを供給する二酸化炭素ガス供給口と、前記誘電体を含む筒状導波領域の側方に設けられたマイクロ波導入口とを有する。前記導波路は、アイソレータ及びインピーダンス整合器を有しない。
【0015】
本明細書において、誘電体とは、比誘電率が空気と同じかそれより大きいもの、すなわち、比誘電率が１以上の物質をいうものとする。
本明細書において、導電体とは、電気抵抗率が１０３Ω・ｍ以下の物質をいうものとする。
本明細書において、導電体とは、電気抵抗率が１０３Ω・ｍ以下の物質をいうものとする。
【0016】
以下、本発明の一酸化炭素製造装置について、図１を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一酸化炭素製造装置の実施の形態の一例を示す図である。図１（ａ）は、一酸化炭素製造装置１００の模式断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面を上方から見た図である。
図１は、本発明の一酸化炭素製造装置の実施の形態の一例を示す図である。図１（ａ）は、一酸化炭素製造装置１００の模式断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面を上方から見た図である。
【0017】
一酸化炭素製造装置１００は、反応室１と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発振器２と、マイクロ波発振器２で発生したマイクロ波を、反応室１に導く導波路３と、を有する。反応室１は、マイクロ波プラズマを内壁面に沿って発生させる誘電体製の筒状容器４と、誘電体製の筒状容器４の外側に、誘電体製の筒状容器４と接触しない状態で設けられた導電体製の筒状チャンバー５と、誘電体製の筒状容器４と導電体製の筒状チャンバー５との間の領域であって、１種又は２種以上の誘電体を含む筒状導波領域６と、誘電体製の筒状容器４内に二酸化炭素ガスを供給する二酸化炭素ガス供給口７と、誘電体を含む筒状導波領域６の側方に設けられたマイクロ波導入口８とを有する。
また、一酸化炭素製造装置１００の反応室１は、本発明の一酸化炭素製造装置の任意の構成要素である生成ガスの排出口９を有する。生成ガスの排出口９を利用して、反応後に生成したガスを反応室１外に取り出すことができる。生成ガスの排出口９の下流部には、通常、排気ポンプ（図示を省略）が接続される。この排気ポンプにより、誘電体製の筒状容器４の内部が減圧状態に保たれる。反応室１の上流端と下流端は、少なくとも誘電体製の筒状容器４の内部が減圧状態に保たれるように、耐圧材料により閉じられている。
導波路３は、アイソレータ及びインピーダンス整合器を有しない。このため、一酸化炭素製造装置の小型化、簡略化が達成される。
また、一酸化炭素製造装置１００の反応室１は、本発明の一酸化炭素製造装置の任意の構成要素である生成ガスの排出口９を有する。生成ガスの排出口９を利用して、反応後に生成したガスを反応室１外に取り出すことができる。生成ガスの排出口９の下流部には、通常、排気ポンプ（図示を省略）が接続される。この排気ポンプにより、誘電体製の筒状容器４の内部が減圧状態に保たれる。反応室１の上流端と下流端は、少なくとも誘電体製の筒状容器４の内部が減圧状態に保たれるように、耐圧材料により閉じられている。
導波路３は、アイソレータ及びインピーダンス整合器を有しない。このため、一酸化炭素製造装置の小型化、簡略化が達成される。
【0018】
反応室１を構成する誘電体製の筒状容器４は、内部が減圧状態に保たれ、二酸化炭素ガスが供給された状態でマイクロ波が照射されたときに、内壁面に沿ってマイクロ波プラズマを発生させるものである。
【0019】
誘電体製の筒状容器４は、プラズマに対する耐腐食性に優れたものが好ましい。
誘電体製の筒状容器４を構成する誘電体の比誘電率は、好ましくは３．０～１０．０、より好ましくは３．０～５．０である。
誘電体製の筒状容器４を構成する誘電体としては、例えば、石英（比誘電率：３．９）、アルミナ（比誘電率：９．０）、窒化ホウ素（比誘電率：４）、窒化アルミニウム（比誘電率：８．５）等が挙げられる。
これらの中でも、プラズマを効率よく発生させることができることから、誘電体製の筒状容器４を構成する誘電体としては、石英が好ましい。
誘電体製の筒状容器４を構成する誘電体の比誘電率は、好ましくは３．０～１０．０、より好ましくは３．０～５．０である。
誘電体製の筒状容器４を構成する誘電体としては、例えば、石英（比誘電率：３．９）、アルミナ（比誘電率：９．０）、窒化ホウ素（比誘電率：４）、窒化アルミニウム（比誘電率：８．５）等が挙げられる。
これらの中でも、プラズマを効率よく発生させることができることから、誘電体製の筒状容器４を構成する誘電体としては、石英が好ましい。
【0020】
マイクロ波プラズマは、誘電体製の筒状容器４の内壁面に沿って円筒状に発生する。したがって、誘電体製の筒状容器４内のある横断面に注目したときに、ドーナツ形状（円環形状）の空洞部分のように、誘電体製の筒状容器４内の中心部にマイクロ波プラズマが発生しない領域が生じる場合がある。マイクロ波プラズマが発生しない領域内の二酸化炭素分子は一酸化炭素分子に変換されないため、そのような領域の割合が高まると一酸化炭素の生成効率が低下する。
したがって、誘電体製の筒状容器４の内壁面付近だけでなく、誘電体製の筒状容器４内の中心部付近にもマイクロ波プラズマが発生するように、誘電体製の筒状容器４内の中心部までマイクロ波エネルギーを届かせることが好ましい。
したがって、誘電体製の筒状容器４の内壁面付近だけでなく、誘電体製の筒状容器４内の中心部付近にもマイクロ波プラズマが発生するように、誘電体製の筒状容器４内の中心部までマイクロ波エネルギーを届かせることが好ましい。
【0021】
一方で、誘電体製の筒状容器４が極端に細い場合は、誘電体製の筒状容器４の内部全体にマイクロ波プラズマを発生させる量を遙かに超える量のマイクロ波エネルギーが反応室１に供給されることになるため、そのような誘電体製の筒状容器４を使用することは、エネルギー効率の観点から好ましくない。
【0022】
上記のように、一酸化炭素の生成効率の観点、及びエネルギー効率の観点から、誘電体製の筒状容器４の内径は、マイクロ波の波長の０．１０～２．４倍の長さが好ましく、０．１５～１．６倍の長さがより好ましく、０．２０～１．０倍の長さがより好ましい。
【0023】
実施例（参考例１～７）で示すように、例えば、マイクロ波の周波数が２．４ＧＨｚの場合、マイクロ波の波長は１２５ｍｍであるため、誘電体製の筒状容器４の内径は、好ましくは１２～３００ｍｍ、より好ましくは１９～２００ｍｍ、さらに好ましくは２５～１２５ｍｍである。
【0024】
同様の方法により、誘電体製の筒状容器４の好ましい長さ（図１（ａ）中、縦方向の長さ）も導かれる。
すなわち、誘電体製の筒状容器４の縦断面に注目すると、マイクロ波導入口８と同じ高さの地点が、マイクロ波プラズマの発生量が最大の地点であり、そこから上下に離れるにつれて、マイクロ波プラズマの発生量が低下する。
上部及び下部にマイクロ波プラズマがほとんど発生しないような空間を有する誘電体製の筒状容器４を使用することは、一酸化炭素製造装置１００の小型化の観点から好ましくない。また、生成した一酸化炭素分子が、ラジカルや活性化された分子と衝突する機会が増えるため、他の分子に変わることにより、一酸化炭素の生成効率が低下するおそれがある。
すなわち、誘電体製の筒状容器４の縦断面に注目すると、マイクロ波導入口８と同じ高さの地点が、マイクロ波プラズマの発生量が最大の地点であり、そこから上下に離れるにつれて、マイクロ波プラズマの発生量が低下する。
上部及び下部にマイクロ波プラズマがほとんど発生しないような空間を有する誘電体製の筒状容器４を使用することは、一酸化炭素製造装置１００の小型化の観点から好ましくない。また、生成した一酸化炭素分子が、ラジカルや活性化された分子と衝突する機会が増えるため、他の分子に変わることにより、一酸化炭素の生成効率が低下するおそれがある。
【0025】
一方で、誘電体製の筒状容器４が極端に短い場合は、誘電体製の筒状容器４の内部全体にマイクロ波プラズマを発生させる量を遙かに超える量のマイクロ波エネルギーが反応室１に供給されることになるため、そのような誘電体製の筒状容器４を使用することは、エネルギー効率の観点から好ましくない。
【0026】
上記のように、一酸化炭素の生成効率の観点、及びエネルギー効率の観点から、誘電体製の筒状容器４の長さは、マイクロ波の波長の０．２０～５．０倍の長さが好ましく、０．３０～４．０倍の長さがより好ましく、０．５０～３．０倍の長さがより好ましい。
【0027】
実施例（参考例８～１４）で示すように、例えば、マイクロ波の周波数が２．４ＧＨｚの場合、マイクロ波の波長は１２５ｍｍであるため、誘電体製の筒状容器４の長さは、好ましくは２５～６２５ｍｍ、より好ましくは３７～５００ｍｍ、さらに好ましくは６２～３７５ｍｍである。
【0028】
誘電体製の筒状容器４の壁厚は、好ましくは２～１００ｍｍ、より好ましくは２～５０ｍｍである。
【0029】
反応室１を構成する導電体製の筒状チャンバー５は、誘電体製の筒状容器４の外側に、誘電体製の筒状容器４と接触しない状態で設けられている。導電体製の筒状チャンバー５を有することで、マイクロ波を導電体製の筒状チャンバー５内に閉じ込めることができる。このため、マイクロ波プラズマを安全に、かつ、効率よく発生させることができる。
【0030】
マイクロ波を閉じ込めることができる限り、導電体製の筒状チャンバー５の素材は特に限定されない。導電体製の筒状チャンバー５の素材としては、例えば、ステンレス、銅、ニッケル、アルミニウム等が挙げられる。
【0031】
反応室１を構成する誘電体を含む筒状導波領域６は、誘電体製の筒状容器４と導電体製の筒状チャンバー５との間の領域である。この領域は、１種又は２種以上の誘電体を含むため、マイクロ波導入口８から導入されたマイクロ波は、誘電体を含む筒状導波領域６を伝って円筒状に拡散する。このため、一酸化炭素製造装置１００においては、上記のようにマイクロ波プラズマは誘電体製の筒状容器４の内壁面に沿って円筒状に発生する。
【0032】
誘電体を含む筒状導波領域６に含まれる誘電体としては、マイカ（６～８）、アクリル樹脂（２．７～４．５）、ウレタン（６．５～７．１）、ガラス（３．７～１０．０）、ガラス・エポキシ積層板（４．５～５．２）、三フッ化エチレン樹脂（２．４～２．５）、シリコン樹脂（３．５～５）、シリコンゴム（３．０～３．５）、スチレンブタジェンゴム（３．０～７．０）、石英ガラス（３．５～４．０）、スチレン樹脂（２．３～３．４）、四フッ化エチレン樹脂（２．０）、ナイロン（３．５～５．０）、ネオプレン（６．０～９．０）、パラフィン（１．９～２．５）、フッ素樹脂（４．０～８．０）、不飽和ポリエステル樹脂（２．８～５．２）、ポリアミド（２．５～２．６）、ポリエステル樹脂（２．８～８．１）、ポリエチレン（２．３～２．４）、ポリブチレン（２．２～２．３）、ポリプロピレン（２．０～２．３）、フェノール樹脂（３．０～１２．０）、ポリアセタール樹脂（３．６～３．７）、ポリウレタン（５．０～５．３）、ポリエチレンテレフタレート（２．９～３．０）、ポリカーボネート（２．９～３．０）、ポリスチレン（２．４～２．６）、ポリスチロール（２．０～２．６）、ポリビニールアルコール（２．０）、ポリブチレン樹脂（２．２５）、ポリプロピレン樹脂（２．２～２．６）、ポリメチルアクリレート（４．０）、メラミン樹脂（４．７～１０．２）、メタクリル樹脂（２．２～３．２）、木材（２．０～６．０）、ワセリン（２．２～２．９）、空気（１．０）等が挙げられる。なお各誘電体の後に記載した括弧内の数値は比誘電率を示す。
【0033】
誘電体を含む筒状導波領域６は、誘電体を１種含んでいてもよいし、２種以上含んでいてもよい。
誘電体を含む筒状導波領域６に含まれる誘電体の少なくとも１種は、誘電体製の筒状容器４を構成する誘電体の比誘電率とは異なる値の比誘電率を有するものであることが好ましい。
さらに、誘電体を含む筒状導波領域６に含まれる誘電体の少なくとも１種は、誘電体製の筒状容器４を構成する誘電体の比誘電率より高い値の比誘電率を有するものであることが好ましい。
誘電体を含む筒状導波領域６に含まれる誘電体の少なくとも１種が、誘電体製の筒状容器４を構成する誘電体の比誘電率より高い値の比誘電率を有することで、マイクロ波エネルギーをプラズマ発生により効率よく利用することができる。
同様の理由により、誘電体を含む筒状導波領域６に含まれる誘電体の少なくとも１種の比誘電率は、１．５以上であることが好ましく、３．０以上であることがより好ましく、５．０以上であることがさらに好ましい。
誘電体を含む筒状導波領域６に含まれる誘電体の少なくとも１種は、誘電体製の筒状容器４を構成する誘電体の比誘電率とは異なる値の比誘電率を有するものであることが好ましい。
さらに、誘電体を含む筒状導波領域６に含まれる誘電体の少なくとも１種は、誘電体製の筒状容器４を構成する誘電体の比誘電率より高い値の比誘電率を有するものであることが好ましい。
誘電体を含む筒状導波領域６に含まれる誘電体の少なくとも１種が、誘電体製の筒状容器４を構成する誘電体の比誘電率より高い値の比誘電率を有することで、マイクロ波エネルギーをプラズマ発生により効率よく利用することができる。
同様の理由により、誘電体を含む筒状導波領域６に含まれる誘電体の少なくとも１種の比誘電率は、１．５以上であることが好ましく、３．０以上であることがより好ましく、５．０以上であることがさらに好ましい。
【0034】
誘電体を含む筒状導波領域６の厚み（誘電体製の筒状容器４の外壁と導電体製の筒状チャンバー５の内壁との間の距離）は、好ましくは２～２００ｍｍ、より好ましくは２～１００ｍｍである。
【0035】
反応室１を構成する二酸化炭素ガス供給口７は、誘電体製の筒状容器４内に二酸化炭素ガスを供給するために用いられる。
本発明の一酸化炭素製造装置は、二酸化炭素ガス供給口以外のガス供給口を有していてもよい。また二酸化炭素ガス供給口から、二酸化炭素ガスとその他のガスとを含む混合ガスを誘電体製の筒状容器内に供給してもよい。
本発明の一酸化炭素製造装置は、二酸化炭素ガス供給口以外のガス供給口を有していてもよい。また二酸化炭素ガス供給口から、二酸化炭素ガスとその他のガスとを含む混合ガスを誘電体製の筒状容器内に供給してもよい。
【0036】
反応室１を構成するマイクロ波導入口８は、誘電体を含む筒状導波領域６の側方に設けられる。
一酸化炭素製造装置１００を使用する際は、マイクロ波導入口８からマイクロ波が照射される。
一酸化炭素製造装置１００は、上記のように誘電体を含む筒状導波領域６を有するため、マイクロ波は誘電体を含む筒状導波領域６を伝わり、誘電体製の筒状容器４の内壁面に沿ってマイクロ波プラズマが発生する。
一酸化炭素製造装置１００を使用する際は、マイクロ波導入口８からマイクロ波が照射される。
一酸化炭素製造装置１００は、上記のように誘電体を含む筒状導波領域６を有するため、マイクロ波は誘電体を含む筒状導波領域６を伝わり、誘電体製の筒状容器４の内壁面に沿ってマイクロ波プラズマが発生する。
【0037】
マイクロ波発振器２はマイクロ波を発生させる装置である。マイクロ波電源（図示を省略）の高電圧によって、マイクロ波発振器２は所定の高周波電磁波を励起発振する。マイクロ波発振器２としては、公知のものを適宜利用することができる。
【0038】
導波路３はマイクロ波発振器２で発生したマイクロ波を反応室１に導くものである。導波路３としては、矩形導波管が挙げられる。
【0039】
導波路３は、アイソレータ及びインピーダンス整合器を有しない。
一般に、マイクロ波プラズマ発生装置においては、発生した反射波が導波路を伝わってマイクロ波発振器に到達し、マイクロ波発振器が故障するのを避けるために、導波路には、反射波を吸収するアイソレータや反射波を抑制するインピーダンス整合器が設けられる。
特に、マイクロ波プラズマ発生装置の稼働前後（プラズマが発生していない状態からプラズマを発生させるとき）と、マイクロ波プラズマ発生装置の稼働中（プラズマ発生状態を維持するとき）では、プラズマ発生部のインピーダンスが大きく異なるため、導波路に設けたインピーダンス整合器を調整して、反射波を継続的に抑制する必要がある。
一般に、マイクロ波プラズマ発生装置においては、発生した反射波が導波路を伝わってマイクロ波発振器に到達し、マイクロ波発振器が故障するのを避けるために、導波路には、反射波を吸収するアイソレータや反射波を抑制するインピーダンス整合器が設けられる。
特に、マイクロ波プラズマ発生装置の稼働前後（プラズマが発生していない状態からプラズマを発生させるとき）と、マイクロ波プラズマ発生装置の稼働中（プラズマ発生状態を維持するとき）では、プラズマ発生部のインピーダンスが大きく異なるため、導波路に設けたインピーダンス整合器を調整して、反射波を継続的に抑制する必要がある。
【0040】
一方、一酸化炭素製造装置１００においては、マイクロ波は誘電体を含む筒状導波領域６内を拡散しながら誘電体製の筒状容器４内にマイクロ波プラズマを発生させるため、プラズマ発生部のインピーダンス変動がマイクロ波発振器に与える影響は、マイクロ波導入口から直接反応容器内にマイクロ波を照射するときに比べて小さい。
【0041】
さらに、一酸化炭素製造装置１００を使用する場合、誘電体製の筒状容器４内にほぼ均一なマイクロ波プラズマを発生させることができるため、反応容器内に局所的にマイクロ波プラズマが発生するときに比べて、マイクロ波エネルギーをプラズマ発生に効率よく利用することができる。このため、マイクロ波エネルギーが十分に消費され、反射波が抑制される。
【0042】
このように、一酸化炭素製造装置１００は誘電体を含む筒状導波領域６を有するため、一酸化炭素製造装置１００の稼働時にマイクロ波発振器２を故障させるような反射波が発生し難い。このため、一酸化炭素製造装置１００においては、マイクロ波発振器２で発生したマイクロ波を反応室１に導く導波路３として、アイソレータ及びインピーダンス整合器を有しないものを使用することができる。
【0043】
図２～４は、本発明の一酸化炭素製造装置の実施の形態の他の例を示す図である。以下においては、それぞれの一酸化炭素製造装置について説明するが、他の一酸化炭素製造装置と共通する事項は説明を省略する場合がある。
【0044】
【0045】
一酸化炭素製造装置２００は、反応室１０と、マイクロ波発振器１１と、導波路１２とを有する。反応室１０は、誘電体製の筒状容器１３と、導電体製の筒状チャンバー１４と、１種又は２種以上の誘電体を含む筒状導波領域１５と、二酸化炭素ガス供給口１６と、マイクロ波導入口１７とを有する。
一酸化炭素製造装置２００は、反応室１０の下流側に、ガス集積室１８と排気ポンプ１９を有する。反応室１０とガス集積室１８とは、隔壁２０により区分けされている。
隔壁２０の素材としては、導電体製の筒状チャンバー１４の素材と同様のものが挙げられる。
一酸化炭素製造装置２００は、反応室１０の下流側に、ガス集積室１８と排気ポンプ１９を有する。反応室１０とガス集積室１８とは、隔壁２０により区分けされている。
隔壁２０の素材としては、導電体製の筒状チャンバー１４の素材と同様のものが挙げられる。
【0046】
本発明の一酸化炭素製造装置は、一酸化炭素製造装置２００のように、全体が導電体製の筒状チャンバーで覆われていてもよい。
【0047】
【0048】
一酸化炭素製造装置３００は、一酸化炭素製造装置２００と同様、反応室とガス集積室とを有し、かつ、全体が導電体製の筒状チャンバーで覆われている。しかしながら、以下に説明するように、導電体製の筒状チャンバー内に誘電体製の筒状容器が２本収容されている点で、一酸化炭素製造装置３００は一酸化炭素製造装置２００とは異なる。
【0049】
一酸化炭素製造装置３００は、反応室２１と、マイクロ波発振器２２と、導波路２３とを有する。反応室２１は、誘電体製の筒状容器２４、２５と、導電体製の筒状チャンバー２６と、１種又は２種以上の誘電体を含む筒状導波領域２７と、二酸化炭素ガス供給口２８、２９と、マイクロ波導入口３０とを有する。
一酸化炭素製造装置３００は、反応室２１の下流側に、ガス集積室３１と排気ポンプ３２を有する。反応室２１とガス集積室３１とは、隔壁３３により区分けされている。
一酸化炭素製造装置３００は、反応室２１の下流側に、ガス集積室３１と排気ポンプ３２を有する。反応室２１とガス集積室３１とは、隔壁３３により区分けされている。
【0050】
一酸化炭素製造装置３００においては、誘電体製の筒状容器２４、２５と導電体製の筒状チャンバー２６間の最短距離（誘電体を含む筒状導波領域２７の最も薄い部分）は、好ましくは２～２００ｍｍ、より好ましくは２～１００ｍｍである。
【0051】
一酸化炭素製造装置３００のように、本発明の一酸化炭素製造装置は、誘電体製の筒状容器の数が１、導電体製の筒状チャンバーの数が１、マイクロ波導入口の数が１のものに限られない。
例えば、誘電体製の筒状容器の数をａで表し、導電体製の筒状チャンバーの数をｂで表し、マイクロ波導入口の数をｃで表したときに、一酸化炭素製造装置３００は、ａが２、ｂが１、ｃが１である。
このように、本発明の一酸化炭素製造装置の一例として、ａ≧２、ｂ＝１、及び、ａ≧ｃのものが挙げられる。このような一酸化炭素製造装置においては、誘電体製の筒状容器の内壁面の表面積を広くすることができるため、マイクロ波エネルギーをプラズマ発生により効率よく利用することができる。
例えば、誘電体製の筒状容器の数をａで表し、導電体製の筒状チャンバーの数をｂで表し、マイクロ波導入口の数をｃで表したときに、一酸化炭素製造装置３００は、ａが２、ｂが１、ｃが１である。
このように、本発明の一酸化炭素製造装置の一例として、ａ≧２、ｂ＝１、及び、ａ≧ｃのものが挙げられる。このような一酸化炭素製造装置においては、誘電体製の筒状容器の内壁面の表面積を広くすることができるため、マイクロ波エネルギーをプラズマ発生により効率よく利用することができる。
【0052】
ｂの値（導電体製の筒状チャンバーの数）が１のときのａの値（誘電体製の筒状容器の数）は、好ましくは２～１０、より好ましくは２～５である。
【0053】
一酸化炭素製造装置３００のように、誘電体製の筒状容器を複数有する一酸化炭素製造装置においては、複数の誘電体製の筒状容器の下流側にガス集積室を設けることで、生成したガスから一酸化炭素を効率よく分離することができる。
【0054】
【0055】
一酸化炭素製造装置４００は、一酸化炭素製造装置３００と同様、誘電体製の筒状容器を２つ有する。しかしながら、以下に説明するように、誘電体製の筒状容器がそれぞれ異なる反応室を構成している点で、一酸化炭素製造装置４００は一酸化炭素製造装置３００とは異なる。
【0056】
一酸化炭素製造装置４００は、反応室３４、３５と、マイクロ波発振器３６、３７と、導波路３８、３９とを有する。反応室３４、３５は、それぞれ、誘電体製の筒状容器４０、４１と、導電体製の筒状チャンバー４２、４３と、１種又は２種以上の誘電体を含む筒状導波領域４４、４５と、二酸化炭素ガス供給口４６、４７と、マイクロ波導入口４８、４９とを有する。
一酸化炭素製造装置４００は、反応室３４、３５の下流側に、ガス集積室５０と排気ポンプ５１を有する。
ガス集積室５０は、ガス集積容器５２の内部空間である。ガス集積容器５２の素材としては、導電体製の筒状チャンバー４２、４３の素材と同様のものが挙げられる。
一酸化炭素製造装置４００は、反応室３４、３５の下流側に、ガス集積室５０と排気ポンプ５１を有する。
ガス集積室５０は、ガス集積容器５２の内部空間である。ガス集積容器５２の素材としては、導電体製の筒状チャンバー４２、４３の素材と同様のものが挙げられる。
【0057】
２）一酸化炭素の製造方法
本発明の一酸化炭素の製造方法は、本発明の一酸化炭素製造装置を用いて、一酸化炭素を製造する方法であって、誘電体製の筒状容器内に二酸化炭素ガスを供給しながらマイクロ波導入口からマイクロ波を照射して、誘電体製の筒状容器内にマイクロ波プラズマを発生させるステップを有するものである。
本発明の一酸化炭素の製造方法は、本発明の一酸化炭素製造装置を用いて、一酸化炭素を製造する方法であって、誘電体製の筒状容器内に二酸化炭素ガスを供給しながらマイクロ波導入口からマイクロ波を照射して、誘電体製の筒状容器内にマイクロ波プラズマを発生させるステップを有するものである。
【0058】
二酸化炭素ガスは、二酸化炭素ガス供給口から、誘電体製の筒状容器内に供給される。
二酸化炭素ガスの供給量は、通常０．１～１００，０００ｓｃｃｍ、好ましくは１～１０，０００ｓｃｃｍ、より好ましくは１０～１，０００ｓｃｃｍである。
二酸化炭素ガスの供給量は、通常０．１～１００，０００ｓｃｃｍ、好ましくは１～１０，０００ｓｃｃｍ、より好ましくは１０～１，０００ｓｃｃｍである。
【0059】
本発明の一酸化炭素の製造方法においては、二酸化炭素ガス以外のガス成分を誘電体製の筒状容器内に供給してもよい。
二酸化炭素ガス以外のガス成分は、二酸化炭素ガス供給口とは別のガス供給口から誘電体製の筒状容器内に供給してもよいし、二酸化炭素ガスと混合した状態で、二酸化炭素ガス供給口から誘電体製の筒状容器内に供給してもよい。
二酸化炭素ガス以外のガス成分は、二酸化炭素ガス供給口とは別のガス供給口から誘電体製の筒状容器内に供給してもよいし、二酸化炭素ガスと混合した状態で、二酸化炭素ガス供給口から誘電体製の筒状容器内に供給してもよい。
【0060】
二酸化炭素ガス以外のガス成分としては、水素ガスが挙げられる。
水素ガスを誘電体製の筒状容器内に供給する場合、水素ガスの供給量は、二酸化炭素ガスに対して体積基準で、通常０．００１～２倍、好ましくは０．０１～１倍、より好ましくは０．１～０．６倍である。
水素ガスの供給量が上記範囲内であることで、一酸化炭素の生成効率が向上する。
水素ガスを誘電体製の筒状容器内に供給する場合、水素ガスの供給量は、二酸化炭素ガスに対して体積基準で、通常０．００１～２倍、好ましくは０．０１～１倍、より好ましくは０．１～０．６倍である。
水素ガスの供給量が上記範囲内であることで、一酸化炭素の生成効率が向上する。
【0061】
本発明の一酸化炭素の製造方法においては、通常、誘電体製の筒状容器内は減圧状態に保たれている。
誘電体製の筒状容器の内部の圧力は、通常０．０１～１，０００Ｐａ、好ましくは０．１～２００Ｐａ、より好ましくは１～５０Ｐａである。
誘電体製の筒状容器の内部の圧力は、通常０．０１～１，０００Ｐａ、好ましくは０．１～２００Ｐａ、より好ましくは１～５０Ｐａである。
【0062】
上記の減圧状態を保つための排気ポンプの排気能力は、通常０．１～１００，０００ｍ３／ｈ、好ましくは１～１０，０００ｍ３／ｈ、より好ましくは１００～１，０００ｍ３／ｈである。
【0063】
使用するマイクロ波は、通常、周波数が２．４～２．５ＧＨｚであり、照射出力が、通常５０～３，０００Ｗ、好ましくは１００～２，０００Ｗ、より好ましくは２００～１，０００Ｗである。
【0064】
前記マイクロ波プラズマを発生させるステップは、二酸化炭素を一酸化炭素に還元する還元触媒の存在下で行われてもよい。還元触媒の存在下でマイクロ波プラズマを発生させることで、一酸化炭素の生成効率が向上する場合がある。
【0065】
還元触媒としては、周期表第４周期以降の金属元素を１種又は２種以上を含有するものが挙げられる。
周期表第４周期以降の金属元素としては、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、タンタル、タングステン、白金、金、ガドリニウム等が挙げられる。
周期表第４周期以降の金属元素としては、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、タンタル、タングステン、白金、金、ガドリニウム等が挙げられる。
【0066】
還元触媒の形状は特に限定されない。
還元触媒の形状としては、粒子状、繊維状、板状、箔状等が挙げられる。
還元触媒の形状としては、粒子状、繊維状、板状、箔状等が挙げられる。
【0067】
本発明の一酸化炭素の製造方法は、さらに、反応後のガスから一酸化炭素を分離するステップを有するものであってもよい。
反応後のガスからの一酸化炭素の分離は、例えば、多孔性材料に一酸化炭素を吸着させることにより行うことができる。
反応後のガスからの一酸化炭素の分離は、例えば、多孔性材料に一酸化炭素を吸着させることにより行うことができる。
【実施例0068】
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。但し、本発明は、以下の実施例になんら限定されるものではない。
【0069】
〔実施例１〕
内径１９４ｍｍ、外径２００ｍｍ、及び軸方向長さ１５８ｍｍの石英管（比誘電率：３．９）と、内径２１４ｍｍ、外径２２０ｍｍ、及び軸方向長さ１５８ｍｍの石英管に雲母を厚さ３ｍｍで巻き付けて得られた外径２２６ｍｍの２層管と、内径２３６ｍｍ、軸方向長さ１５８ｍｍのステンレス製の筒状のチャンバー（一部にマイクロ波導入口用の開口部を有する）とを同心状に配置し、上部と下部とをステンレス板で覆った。次いで、最内部の石英管内にガスを供給するためのガス供給口と、最内部の石英管からガスを排出するためのガス排出口を設けて、反応室を製造した。
この反応室に、導波路（アイソレータ及びインピーダンス整合器を有しない）と、マイクロ波発振器とを接続し、一酸化炭素製造装置を得た。
内径１９４ｍｍ、外径２００ｍｍ、及び軸方向長さ１５８ｍｍの石英管（比誘電率：３．９）と、内径２１４ｍｍ、外径２２０ｍｍ、及び軸方向長さ１５８ｍｍの石英管に雲母を厚さ３ｍｍで巻き付けて得られた外径２２６ｍｍの２層管と、内径２３６ｍｍ、軸方向長さ１５８ｍｍのステンレス製の筒状のチャンバー（一部にマイクロ波導入口用の開口部を有する）とを同心状に配置し、上部と下部とをステンレス板で覆った。次いで、最内部の石英管内にガスを供給するためのガス供給口と、最内部の石英管からガスを排出するためのガス排出口を設けて、反応室を製造した。
この反応室に、導波路（アイソレータ及びインピーダンス整合器を有しない）と、マイクロ波発振器とを接続し、一酸化炭素製造装置を得た。
【0070】
一酸化炭素製造装置の反応室内の圧力が１２Ｐａの状態で、反応室内にＣＯ２を５ＳＣＣＭの流量で供給しながら、排出ガスの成分をマススペクトルメータで調べた。
反応室にマイクロ波を印加する前は、排出ガス中のＣＯ／ＣＯ２の値は０だったが、反応室に５００Ｗのマイクロ波を印加したところ、排出ガス中のＣＯ／ＣＯ２の値は７．１になった。
反応室にマイクロ波を印加する前は、排出ガス中のＣＯ／ＣＯ２の値は０だったが、反応室に５００Ｗのマイクロ波を印加したところ、排出ガス中のＣＯ／ＣＯ２の値は７．１になった。
【0071】
〔実施例２～８〕
実施例１において、反応室内に供給するＣＯ２とＨ２の量を第１表に記載したものに変更したことを除き、実施例１と同様にして反応室にマイクロ波を印加して一酸化炭素の製造を行った。排出ガス中のＣＯ／ＣＯ２の値を第１表に示す。
実施例１において、反応室内に供給するＣＯ２とＨ２の量を第１表に記載したものに変更したことを除き、実施例１と同様にして反応室にマイクロ波を印加して一酸化炭素の製造を行った。排出ガス中のＣＯ／ＣＯ２の値を第１表に示す。
【0072】
【表1】
【0073】
〔比較例１〕
内径８０ｍｍ、外径１００ｍｍ及び軸方向長さ１００ｍｍの石英（比誘電率：３．９）からなる筒状の容器と、内径１００ｍｍ、外径２００ｍｍ及び軸方向長さ１００ｍｍのステンレス製の筒状のチャンバーとを同心状に配置し、上部と下部とをステンレス板で覆って構成したマイクロ波プラズマ発生装置のモデルを作製した。このモデルを用いて、ＯｐｅｎＦＤＴＤ（株式会社ＥＥＭ製）により、石英製の筒状容器内の最大プラズマ強度を求めた。
内径８０ｍｍ、外径１００ｍｍ及び軸方向長さ１００ｍｍの石英（比誘電率：３．９）からなる筒状の容器と、内径１００ｍｍ、外径２００ｍｍ及び軸方向長さ１００ｍｍのステンレス製の筒状のチャンバーとを同心状に配置し、上部と下部とをステンレス板で覆って構成したマイクロ波プラズマ発生装置のモデルを作製した。このモデルを用いて、ＯｐｅｎＦＤＴＤ（株式会社ＥＥＭ製）により、石英製の筒状容器内の最大プラズマ強度を求めた。
【0074】
〔実施例９〕
内径８０ｍｍ、外径１００ｍｍ及び軸方向長さ１００ｍｍの石英（比誘電率：３．９）からなる筒状の容器と、内径１８０ｍｍ、外径２００ｍｍ及び軸方向長さ１００ｍｍのステンレス製の筒状のチャンバーとを同心状に配置し、上部と下部とをステンレス板で覆って構成したマイクロ波プラズマ発生装置のモデルを作製した。このモデルを用いて、比較例１と同様の方法により、石英製の筒状容器内の最大プラズマ強度を求めた。比較例１における最大プラズマ強度との差を第２表に示す。
内径８０ｍｍ、外径１００ｍｍ及び軸方向長さ１００ｍｍの石英（比誘電率：３．９）からなる筒状の容器と、内径１８０ｍｍ、外径２００ｍｍ及び軸方向長さ１００ｍｍのステンレス製の筒状のチャンバーとを同心状に配置し、上部と下部とをステンレス板で覆って構成したマイクロ波プラズマ発生装置のモデルを作製した。このモデルを用いて、比較例１と同様の方法により、石英製の筒状容器内の最大プラズマ強度を求めた。比較例１における最大プラズマ強度との差を第２表に示す。
【0075】
〔実施例１０～１６〕
実施例９で作製したモデルにおいて、石英製の筒状容器とステンレス製の筒状チャンバーの間の各領域（中心から１００～１２０ｍｍの範囲の領域〔領域１〕、中心から１２０～１４０ｍｍの範囲の領域〔領域２〕、中心から１４０～１６０ｍｍの範囲の領域〔領域３〕、中心から１６０～１８０ｍｍの範囲の領域〔領域４〕）に、第２表に示す誘電体を配置して、実施例１０～１６のマイクロ波プラズマ発生装置のモデルを作製した。これらのモデルを用いて、比較例１と同様の方法により、石英製の筒状容器内の最大プラズマ強度を求めた。比較例１における最大プラズマ強度との差を第２表に示す。
実施例９で作製したモデルにおいて、石英製の筒状容器とステンレス製の筒状チャンバーの間の各領域（中心から１００～１２０ｍｍの範囲の領域〔領域１〕、中心から１２０～１４０ｍｍの範囲の領域〔領域２〕、中心から１４０～１６０ｍｍの範囲の領域〔領域３〕、中心から１６０～１８０ｍｍの範囲の領域〔領域４〕）に、第２表に示す誘電体を配置して、実施例１０～１６のマイクロ波プラズマ発生装置のモデルを作製した。これらのモデルを用いて、比較例１と同様の方法により、石英製の筒状容器内の最大プラズマ強度を求めた。比較例１における最大プラズマ強度との差を第２表に示す。
【0076】
【表2】
【0077】
〔参考例１～７、参考例８～１４〕
本発明の一酸化炭素製造装置においては、マイクロ波プラズマは誘電体製の筒状容器の内壁面に沿って発生する。
このため、誘電体製の筒状容器の内径や長さによっては、マイクロ波プラズマが十分に発生しない空間が生じたり、必要以上のエネルギーを誘電体製の筒状容器内に供給することになったりするおそれがある。
このため、２．４ＧＨｚのマイクロ波を使用する場合に適する石英管の形状について検討した。参考例１～７は、石英管の内径の違いが、一酸化炭素の生成効率やエネルギー効率に与える影響を示すものであり、参考例８～１４は、石英管の長さの違いが、一酸化炭素の生成効率やエネルギー効率に与える影響を示すものである。
本発明の一酸化炭素製造装置においては、マイクロ波プラズマは誘電体製の筒状容器の内壁面に沿って発生する。
このため、誘電体製の筒状容器の内径や長さによっては、マイクロ波プラズマが十分に発生しない空間が生じたり、必要以上のエネルギーを誘電体製の筒状容器内に供給することになったりするおそれがある。
このため、２．４ＧＨｚのマイクロ波を使用する場合に適する石英管の形状について検討した。参考例１～７は、石英管の内径の違いが、一酸化炭素の生成効率やエネルギー効率に与える影響を示すものであり、参考例８～１４は、石英管の長さの違いが、一酸化炭素の生成効率やエネルギー効率に与える影響を示すものである。
【0078】
参考例１～７では、図６（ａ）に示すモデルを用いて検討した。図６（ａ）は、内径Ｄ（図６（ａ）中の５３）を有する石英管５４の横断面図である。マイクロ波プラズマは、石英管５４の内壁５５から中心に向かって一定の距離５６（以下、この距離を「有効厚」と記載する）の範囲の領域５７（以下、この領域を「有効電界領域」と記載する）で発生する。
有効厚は、プラズマの観察から経験的に（マイクロ波の波長）×０．２により算出される。２．４ＧＨｚのマイクロ波の波長は１２５ｍｍであるため、今回の検討における有効厚は２５ｍｍである。
有効厚は、プラズマの観察から経験的に（マイクロ波の波長）×０．２により算出される。２．４ＧＨｚのマイクロ波の波長は１２５ｍｍであるため、今回の検討における有効厚は２５ｍｍである。
【0079】
次いで、「（有効電界領域の断面積）／（石英管内の断面積）」により、有効電界領域比率を求めた。有効電界領域比率は、石英管内の横断面に注目したときに、マイクロ波プラズマが十分に発生し、反応に使用される領域の割合を表すものである。なお、有効電界領域の断面積が石英管内の断面積を超える場合、その有効電界領域比率は１とした。
結果を第３表に示す。
結果を第３表に示す。
【0080】
次いで、「｛（半径が有効厚の値の円の直径）－（石英管の内径）｝／（半径が有効厚の値の円の直径）」により、非有効割合１を求めた。非有効割合１は、石英管の横断面に注目したときに、マイクロ波エネルギーが本来有するプラズマ発生能力が十分に発揮されているかを表す指標である。
すなわち、その横断面の半径が有効厚の値の円筒状の反応管は、マイクロ波エネルギーを無駄に使用することなく、その横断面内の全ての領域でマイクロ波プラズマを発生させることができる理想的な反応管であるため、この理想的な反応管と使用する石英管とを対比することで、その石英管が、マイクロ波エネルギーが本来有するプラズマ発生能力を十分に発揮させ得るものなのかを判断することができる。
石英管の内径が、半径が有効厚の値の円の直径と等しいとき、その石英管は、理想的な反応管であり、非有効割合１の値は０である。
一方、非有効割合１の値が大きいときは、マイクロ波エネルギーが無駄に使用されている状態を表し、エネルギー効率が悪い。
なお、石英管内の内径が、半径が有効厚の値の円の直径を超える場合、その非有効割合１は０とした。
結果を第３表に示す。
すなわち、その横断面の半径が有効厚の値の円筒状の反応管は、マイクロ波エネルギーを無駄に使用することなく、その横断面内の全ての領域でマイクロ波プラズマを発生させることができる理想的な反応管であるため、この理想的な反応管と使用する石英管とを対比することで、その石英管が、マイクロ波エネルギーが本来有するプラズマ発生能力を十分に発揮させ得るものなのかを判断することができる。
石英管の内径が、半径が有効厚の値の円の直径と等しいとき、その石英管は、理想的な反応管であり、非有効割合１の値は０である。
一方、非有効割合１の値が大きいときは、マイクロ波エネルギーが無駄に使用されている状態を表し、エネルギー効率が悪い。
なお、石英管内の内径が、半径が有効厚の値の円の直径を超える場合、その非有効割合１は０とした。
結果を第３表に示す。
【0081】
【表3】
【0082】
参考例８～１４では、図６（ｂ）に示すモデルを用いて検討した。図６（ｂ）は、長さＬ（図６（ｂ）中の５８）を有する石英管５４の縦断面図である。マイクロ波プラズマは、マイクロ波導入口の高さ５９を中心に上下方向の一定の距離６０（以下、この距離を「有効長」と記載する）の範囲の領域６１で発生する。
有効長は、プラズマの観察から経験的に（マイクロ波の波長）／２により算出される。２．４ＧＨｚのマイクロ波の波長は１２５ｍｍであるため、今回の検討における有効厚は６２．５ｍｍである。
有効長は、プラズマの観察から経験的に（マイクロ波の波長）／２により算出される。２．４ＧＨｚのマイクロ波の波長は１２５ｍｍであるため、今回の検討における有効厚は６２．５ｍｍである。
【0083】
次いで、「（有効長）／（石英管の長さ）」により、有効強度比率を求めた。有効強度比率は、石英管内の縦断面に注目したときに、マイクロ波プラズマが十分に発生し、反応に使用される領域の割合を表すものである。なお、有効長が石英管の長さを超える場合、その有効強度比率は１とした。
結果を第４表に示す。
結果を第４表に示す。
【0084】
次いで、「｛（有効長）－（石英管の長さ）｝／（有効長）」により、非有効割合２を求めた。非有効割合２は、石英管の縦断面に注目したときに、マイクロ波エネルギーが本来有するプラズマ発生能力が十分に発揮されているかを表す指標である。
すなわち、長さが有効長と一致する反応管は、マイクロ波エネルギーを無駄に使用することなく、その縦断面内の全ての領域でマイクロ波プラズマを発生させることができる理想的な反応管であるため、この理想的な反応管と使用する石英管とを対比することで、その石英管が、マイクロ波エネルギーが本来有するプラズマ発生能力を十分に発揮させ得るものなのかを判断することができる。
石英管の長さが有効長と等しいとき、その石英管は、理想的な反応管であり、非有効割合２の値は０である。
一方、非有効割合２の値が大きいときは、マイクロ波エネルギーが無駄に使用されている状態を表し、エネルギー効率が悪い。
なお、石英管の長さが有効長を超える場合、その非有効割合２は０とした。
結果を第４表に示す。
すなわち、長さが有効長と一致する反応管は、マイクロ波エネルギーを無駄に使用することなく、その縦断面内の全ての領域でマイクロ波プラズマを発生させることができる理想的な反応管であるため、この理想的な反応管と使用する石英管とを対比することで、その石英管が、マイクロ波エネルギーが本来有するプラズマ発生能力を十分に発揮させ得るものなのかを判断することができる。
石英管の長さが有効長と等しいとき、その石英管は、理想的な反応管であり、非有効割合２の値は０である。
一方、非有効割合２の値が大きいときは、マイクロ波エネルギーが無駄に使用されている状態を表し、エネルギー効率が悪い。
なお、石英管の長さが有効長を超える場合、その非有効割合２は０とした。
結果を第４表に示す。
【0085】
【表4】
【0086】
参考例１～１４の結果から、誘電体製の筒状容器の大きさ等が、一酸化炭素の生成効率やエネルギー効率に与える影響が分かる。
またこの結果は、照射したマイクロ波のエネルギーを十分に消費し、反射波を効率よく抑制するために利用することもできる。
またこの結果は、照射したマイクロ波のエネルギーを十分に消費し、反射波を効率よく抑制するために利用することもできる。
【符号の説明】
【0087】
１、１０、２１、３４、３５・・・反応室
２、１１、２２、３６、３７・・・マイクロ波発振器
３、１２、２３、３８、３９・・・導波路
４、１３、２４、２５、４０、４１・・・誘電体製の筒状容器
５、１４、２６、４２、４３・・・導電体製の筒状チャンバー
６、１５、２７、４４、４５・・・誘電体を含む筒状導波領域
７、１６、２８、２９、４６、４７・・・二酸化炭素ガス供給口
８、１７、３０、４８、４９・・・マイクロ波導入口
９・・・生成ガスの排出口
１８、３１、５０・・・ガス集積室
１９、３２、５１・・・排気ポンプ
２０、３３・・・隔壁
５２・・・ガス集積用容器
５３・・・石英管の内径Ｄ
５４・・・石英管
５５・・・石英管の内壁
５６・・・有効厚
５７・・・有効電界領域
５８・・・石英管の長さＬ
５９・・・マイクロ波導入口の高さ
６０・・・有効長
６１・・・マイクロ波導入口の高さと有効長で規定される領域
１００、２００、３００、４００・・・一酸化炭素製造装置
２、１１、２２、３６、３７・・・マイクロ波発振器
３、１２、２３、３８、３９・・・導波路
４、１３、２４、２５、４０、４１・・・誘電体製の筒状容器
５、１４、２６、４２、４３・・・導電体製の筒状チャンバー
６、１５、２７、４４、４５・・・誘電体を含む筒状導波領域
７、１６、２８、２９、４６、４７・・・二酸化炭素ガス供給口
８、１７、３０、４８、４９・・・マイクロ波導入口
９・・・生成ガスの排出口
１８、３１、５０・・・ガス集積室
１９、３２、５１・・・排気ポンプ
２０、３３・・・隔壁
５２・・・ガス集積用容器
５３・・・石英管の内径Ｄ
５４・・・石英管
５５・・・石英管の内壁
５６・・・有効厚
５７・・・有効電界領域
５８・・・石英管の長さＬ
５９・・・マイクロ波導入口の高さ
６０・・・有効長
６１・・・マイクロ波導入口の高さと有効長で規定される領域
１００、２００、３００、４００・・・一酸化炭素製造装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】