特許 7515151 二酸化炭素の回収装置及び二酸化炭素の回収方法

(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】

(24)【登録日】2024-07-04

(45)【発行日】2024-07-12

(54)【発明の名称】二酸化炭素の回収装置及び二酸化炭素の回収方法

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/22 20060101AFI20240705BHJP

   B01D 53/26 20060101ALI20240705BHJP

   B01D 53/04 20060101ALI20240705BHJP

   B01D 53/14 20060101ALI20240705BHJP

   C01B 32/50 20170101ALI20240705BHJP

【ＦＩ】

B01D53/22

B01D53/26

B01D53/04

B01D53/14 100

C01B32/50

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020034105

(22)【出願日】2020-02-28

(65)【公開番号】P2021133354

(43)【公開日】2021-09-13

【審査請求日】2023-02-17

【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、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】523089623

【氏名又は名称】株式会社ＪＣＣＬ

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100145012

【弁理士】

【氏名又は名称】石坂 泰紀

(74)【代理人】

【識別番号】100212026

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 真生

(72)【発明者】

【氏名】星野 友

(72)【発明者】

【氏名】小玉 聡

【審査官】中村 泰三

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／０４９６２９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１２／０１４９００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－００４５２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表平０４－５０３７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０８６２９３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０１Ｄ ５３／００－２２、２６－２８

Ｃ０１Ｂ ３２／５０

Ｈ０１Ｍ ８／０６－０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１供給空間と第１処理空間とを隔てるように配置され、前記第１供給空間に供給される原料ガスに含まれる二酸化炭素を前記原料ガスのうちの二酸化炭素以外の成分を含む夾雑ガスから分離する第１分離部を有し、前記原料ガスに含まれる二酸化炭素の少なくとも一部を取り出して、前記原料ガスよりも前記夾雑ガスに対する二酸化炭素の割合が大きい第１処理ガスを前記第１処理空間から放出する第１処理部と、
前記第１処理部によって放出された前記第１処理ガスが供給される第２供給空間と、第２処理空間とを隔てるように配置され、前記第１処理ガスに含まれる水蒸気を吸着、吸収又は透過のいずれかによって低減する第２分離部を有し、前記第１処理ガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部を取り除いて、前記第１処理ガスよりも二酸化炭素の純度が高い第２処理ガスを放出する第２処理部と、
前記第１処理空間内のガスを吸引する吸引部と、を備え、
前記第１分離部は、前記原料ガスに含まれる二酸化炭素を選択的に透過する分離膜を含み、
前記第２処理部は、前記第１処理ガスよりも水蒸気圧が低い再生ガスを前記第２処理空間に供給する再生ガス供給部を更に有する、二酸化炭素の回収装置。

【請求項2】

前記吸引部は、前記第２供給空間を介して、前記第１処理空間内のガスを吸引し、
前記回収装置は、
前記吸引部によって吸引された前記第２処理ガスが供給される第３供給空間と、第３処理空間とを隔てるように配置され、前記第２処理ガスに含まれる水蒸気を吸着、吸収又は透過のいずれかによって低減する第３分離部を有し、前記第２処理ガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部を取り除いて、前記第２処理ガスよりも二酸化炭素の純度が高い第３処理ガスを放出する第３処理部と、
前記第３処理ガスを吸引する第２吸引部と、
を更に備える、請求項１に記載の回収装置。

【請求項3】

前記吸引部は、前記第１処理空間と前記第２供給空間との間に設けられており、
前記回収装置は、
前記第２処理ガスを吸引する第２吸引部と、
前記第２吸引部によって吸引された前記第２処理ガスが供給される第３供給空間と、第３処理空間とを隔てるように配置され、前記第２処理ガスに含まれる水蒸気を吸着、吸収又は透過のいずれかによって低減する第３分離部を有し、前記第２処理ガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部を取り除いて、前記第２処理ガスよりも二酸化炭素の純度が高い第３処理ガスを放出する第３処理部と、
を更に備える、請求項１に記載の回収装置。

【請求項4】

前記第１処理部は、前記第１処理空間に水蒸気を含む水蒸気含有ガスを供給する水蒸気供給部を更に有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の回収装置。

【請求項5】

前記再生ガスの温度は、前記水蒸気含有ガスの温度よりも低い、請求項４に記載の回収装置。

【請求項6】

前記再生ガスは空気である、請求項１～５のいずれか一項に記載の回収装置。

【請求項7】

前記第２処理ガスの水蒸気圧は、当該第２処理ガスの飽和水蒸気圧よりも小さい、請求項１～６のいずれか一項に記載の回収装置。

【請求項8】

前記第２分離部は、前記第１処理ガスに含まれる水蒸気を選択的に透過する分離膜を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の回収装置。

【請求項9】

第１供給空間と第１処理空間とを隔てるように配置され、原料ガスに含まれる二酸化炭素を前記原料ガスのうちの二酸化炭素以外の成分を含む夾雑ガスから分離する第１分離部を用いて、前記第１供給空間に供給される前記原料ガスに含まれる二酸化炭素の少なくとも一部を取り出すことで、前記原料ガスよりも前記夾雑ガスに対する二酸化炭素の割合が大きい第１処理ガスを前記第１処理空間に生成する第１工程と、
前記第１処理ガスに含まれる水蒸気を吸着、吸収又は透過のいずれかによって低減する第２分離部を用いて、前記第１処理ガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部を取り除くことで、前記第１処理ガスよりも二酸化炭素の純度が高い第２処理ガスを生成する第２工程と、
前記第１処理空間内のガスを吸引部により吸引する吸引工程と、を含み、
前記第１分離部は、前記原料ガスに含まれる二酸化炭素を選択的に透過する分離膜を含み、
前記第２工程では、前記第１処理ガスよりも水蒸気圧が低い再生ガスを更に用いて前記第２処理ガスを生成する、二酸化炭素の回収方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、二酸化炭素の回収装置及び二酸化炭素の回収方法に関する。

【背景技術】

【0002】

二酸化炭素を含むガスから二酸化炭素を分離する装置が知られている（例えば、特許文献１～３）。特許文献１には、二酸化炭素及び水蒸気を主成分ガスとして含む混合ガスから二酸化炭素と水蒸気とを分離するガス分離装置が開示されている。特許文献２には、二酸化炭素と不活性ガスを主成分とする混合ガスから、二酸化炭素と不活性ガスを個別に分離するガス回収装置が開示されている。特許文献３には、二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜と、二酸化炭素が分離されたガス中の水蒸気を除去する水蒸気除去手段とを備えるガス分離システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０１２／０８６８３６号

【文献】国際公開第２０１７／０８６２９３号

【文献】特開２０１７－２２１８６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、夾雑ガスに対する二酸化炭素の割合が上昇したガスを簡便に回収することが可能な二酸化炭素の回収装置及び二酸化炭素の回収方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一側面に係る二酸化炭素の回収装置は、第１供給空間と第１処理空間とを隔てるように配置され、第１供給空間に供給される原料ガスに含まれる二酸化炭素を吸着、吸収又は透過のいずれかによって原料ガスのうちの二酸化炭素以外の成分を含む夾雑ガスから分離する第１分離部を有し、原料ガスに含まれる二酸化炭素の少なくとも一部を取り出して、原料ガスよりも夾雑ガスに対する二酸化炭素の割合が大きい第１処理ガスを第１処理空間から放出する第１処理部と、第１処理部によって放出された第１処理ガスが供給される第２供給空間と、第２処理空間とを隔てるように配置され、第１処理ガスに含まれる水蒸気を吸着、吸収又は透過のいずれかによって低減する第２分離部を有し、第１処理ガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部を取り除いて、第１処理ガスよりも二酸化炭素の純度が高い第２処理ガスを放出する第２処理部と、を備える。第２処理部は、第１処理ガスよりも水蒸気圧が低い再生ガスを第２処理空間に供給する再生ガス供給部を更に有する。

【0006】

この二酸化炭素の回収装置では、原料ガスに含まれる二酸化炭素の夾雑ガスに対する割合が上昇した第１処理ガスが第１処理部から第２処理部の第２供給空間に送り出される。そして、第２処理部において、第２供給空間とは第２分離部によって隔てられる第２処理空間に第１処理ガスよりも水蒸気圧が低い再生ガスが供給される。これにより、第２分離部によって第１処理ガス内から水蒸気が除去されつつ、第２処理ガスの水蒸気圧が低下する。水蒸気の少なくとも一部が除去された第２処理ガスを吸引するための装置の負荷は、第２処理ガスに含まれる水蒸気の量に依存する。上記の回収装置では、第２処理ガスの水蒸気圧が低下しているので、第２処理ガスを吸引するための装置の要求性能を下げることができる。従って、原料ガスに含まれる二酸化炭素の夾雑ガスに対する割合が上昇したガスを簡便に回収することが可能となる。

【0007】

第１処理部は、第１処理空間に水蒸気を含む水蒸気含有ガスを供給する水蒸気供給部を更に有してもよい。第１分離部は、原料ガスに含まれる二酸化炭素を選択的に透過する分離膜を含んでもよい。この場合、水蒸気含有ガスによって、第１分離部の分離膜による二酸化炭素の透過が促進される。そのため、原料ガスから二酸化炭素を効率的に分離することが可能となる。

【0008】

第１処理部は、第１供給空間に水蒸気を含む水蒸気含有ガスを供給する水蒸気供給部を更に有してもよい。第１分離部は、原料ガスに含まれる二酸化炭素の吸着又は吸収を選択的に行う材料を含んでもよい。この場合、水蒸気含有ガスによって、第１分離部の上記材料に貯留された二酸化炭素の放出が促進される。そのため、原料ガスから二酸化炭素を効率的に分離することが可能となる。

【0009】

再生ガスの温度は、水蒸気含有ガスの温度よりも低くてもよい。この場合、第２処理ガスの温度が再生ガスの温度と同程度まで下げられる。そのため、第２処理ガスを吸引するための装置の要求性能をより低下させることができ、二酸化炭素の夾雑ガスに対する割合が上昇したガスをより簡便に回収することが可能となる。

【0010】

再生ガスは空気であってもよい。この場合、第２処理空間への再生ガスの供給が容易である。

【0011】

第２処理ガスの水蒸気圧は、当該第２処理ガスの飽和水蒸気圧よりも小さくてもよい。この場合、第２処理ガスが飽和水蒸気圧の水蒸気を含む場合に比べて、第２処理ガスを吸引するための装置の要求性能を低下させることが可能となる。

【0012】

上記回収装置は、第１処理空間内のガスを吸引する吸引部を更に備えてもよい。この構成では、第２処理ガスの水蒸気圧が第２処理部において下げられているので、水蒸気圧を低下させない場合に比べて、吸引部の要求性能を低下させることができる。そのため、吸引部を簡素化することが可能となる。

【0013】

第２分離部は、第１処理ガスに含まれる水蒸気を選択的に透過する分離膜を含んでもよい。この場合、第１処理ガス内の水蒸気を簡便に除去することが可能となる。

【0014】

本開示の他の側面に係る二酸化炭素の回収方法は、原料ガスに含まれる二酸化炭素を吸着、吸収又は透過のいずれかによって原料ガスのうちの二酸化炭素以外の成分を含む夾雑ガスから分離する第１分離部を用いて、原料ガスに含まれる二酸化炭素の少なくとも一部を取り出すことで、原料ガスよりも夾雑ガスに対する二酸化炭素の割合が大きい第１処理ガスを生成する第１工程と、第１処理ガスに含まれる水蒸気を吸着、吸収又は透過のいずれかによって低減する第２分離部を用いて、第１処理ガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部を取り除くことで、第１処理ガスよりも二酸化炭素の純度が高い第２処理ガスを生成する第２工程とを含む。第２工程では、第１処理ガスよりも水蒸気圧が低い再生ガスを更に用いて第２処理ガスを生成する。

【0015】

この二酸化炭素の回収方法では、第１分離部が用いられて、原料ガスに含まれる二酸化炭素の夾雑ガスに対する割合が上昇した第１処理ガスが生成される。そして、第１処理ガスに含まれる水蒸気を低減する第２分離部と、第１処理ガスよりも水蒸気圧が低い再生ガスとが利用されて第２処理ガスが生成される。水蒸気圧が低い再生ガスを利用することで、第２分離部によって第１処理ガス内から水蒸気を除去しつつ、第２処理ガスの水蒸気圧を下げることができる。水蒸気の少なくとも一部が除去された第２処理ガスを吸引するための装置の負荷は、第２処理ガスに含まれる水蒸気の量に依存する。上記の回収方法では、第２処理ガスの水蒸気圧を下げることができるので、第２処理ガスを吸引するための装置の要求性能を下げることができる。従って、原料ガスに含まれる二酸化炭素の夾雑ガスに対する割合が上昇したガスを簡便に回収することが可能となる。

【発明の効果】

【0016】

本開示によれば、夾雑ガスに対する二酸化炭素の割合が上昇したガスを簡便に回収することが可能な二酸化炭素の回収装置及び二酸化炭素の回収方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、二酸化炭素の回収装置の一例を示す模式図である。

【図2】図２は、二酸化炭素の回収装置の別の例を示す模式図である。

【図3】図３は、二酸化炭素の回収装置の別の例を示す模式図である。

【図4】図４は、二酸化炭素の回収装置の別の例を示す模式図である。

【図5】図５（ａ）は、実施例における計算対象の二酸化炭素の分離プロセスのフローを示す図である。図５（ｂ）は、実施例での計算の前提条件を示す表である。

【図6】図６（ａ）は、モジュール内の供給側及び処理側のガスの圧力と温度と計算結果を示すグラフである。図６（ｂ）は、フラッシュ法と膜分離法との水蒸気濃度の比較結果を示す表である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照して一実施形態について説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0019】

［二酸化炭素の回収装置］
図１は、二酸化炭素の回収装置の一例を示す模式図である。図１に示される二酸化炭素の回収装置１は、二酸化炭素を含むガスから二酸化炭素を回収する装置である。具体的には、回収装置１は、供給されるガス（以下、「原料ガスＧ０」という。）に含まれる二酸化炭素を分離することで、原料ガスＧ０よりも二酸化炭素の純度（濃度）が高いガスを生成する。原料ガスＧ０として、例えば、工場、農業用加温機、自動車等のエンジン、ガスヒートポンプ、ボイラー、燃焼式給湯器、又は発電所等において燃料を燃焼させた後に排出される排ガス、室内又は室外の空気、あるいは、水蒸気により改質された化石燃料が利用される。

【0020】

このような原料ガスには、二酸化炭素と、二酸化炭素以外の成分を含む夾雑ガスとが含まれる。夾雑ガスには、例えば窒素、酸素、又は水素が含まれる。あるいは、原料ガスには、二酸化炭素と水蒸気とに加えて、上記夾雑ガスが含まれる場合がある。以下では、原料ガスに、二酸化炭素及び水蒸気と、二酸化炭素及び水蒸気以外の成分を含む夾雑ガスとが含まれる場合を例に説明し、夾雑ガスに含まれる成分を「夾雑ガス成分」と称する。

【0021】

燃焼排ガスを原料ガスＧ０として利用する場合に、原料ガスに含まれる二酸化炭素（原料ガス内の二酸化炭素）の濃度は、４０％未満であってもよい。一例として、燃焼排ガス内の二酸化炭素の濃度は、３％～３０％であってもよく、４％～２５％であってもよく、５％～２０％であってもよい。回収装置１によって二酸化炭素が分離されて得られるガス（以下、「分離ガスＧｃ」という。）に含まれる二酸化炭素の濃度は、例えば、４０％以上であってもよい。一例として、分離ガスＧｃ内の二酸化炭素の濃度は、６０％以上であってもよく、７０％以上であってもよく、８０％以上であってもよい。本開示において、二酸化炭素の濃度は、標準状態（０℃、１気圧）における体積基準の濃度である。回収装置１は、例えば、第１処理部１０と、第２処理部３０と、吸引部５０とを備える。

【0022】

第１処理部１０は、原料ガスＧ０内の二酸化炭素の少なくとも一部を取り出して、原料ガスＧ０よりも二酸化炭素の夾雑ガスに対する割合が大きい（以下、「第１処理ガスＧ１」という。）を生成する。すなわち、第１処理ガスＧ１における二酸化炭素の夾雑ガスに対する割合は、原料ガスＧ０における二酸化炭素の夾雑ガスに対する割合よりも大きい。第１処理部１０は、生成した第１処理ガスＧ１を第２処理部３０に向けて放出する。第１処理部１０は、例えば、第１分離モジュール１２と、原料ガス供給部２２とを有する。

【0023】

第１分離モジュール１２は、原料ガスＧ０に含まれる二酸化炭素を、原料ガスＧ０に含まれる夾雑ガスから分離する。第１分離モジュール１２は、例えば、筐体１４と、第１分離部１６とを含む。筐体１４は、第１分離部１６を収容すると共に、内部空間を形成する。第１分離部１６は、原料ガスＧ０に含まれる二酸化炭素を吸着、吸収又は透過のいずれかによって夾雑ガスから二酸化炭素を分離する部材である。第１分離部１６は、筐体１４内の内部空間を二つの空間に区画するように配置されている。以下、第１分離部１６によって隔てられる一対の空間のうちの原料ガスＧ０が供給される空間を「供給空間Ｖｓ１」と称し、他方の空間を「処理空間Ｖｄ１」と称する。すなわち、第１分離部１６は、供給空間Ｖｓ１（第１供給空間）と処理空間Ｖｄ１（第１処理空間）とを隔てるように配置されている。

【0024】

第１分離部１６は、原料ガスＧ０内の二酸化炭素を選択的に透過する分離膜１８を含んでいてもよい。本開示において、一の成分を選択的に透過するとは、供給されるガス内に含まれる各種成分のうちの当該一の成分の透過量が夾雑ガス成分の透過量よりも大きくなるように、ガスの一部を透過することである。分離膜１８は、原料ガスＧ０内に含まれる各種成分のうちの二酸化炭素を夾雑ガス成分に比べて透過させやすい性質を有する膜である。分離膜１８として、原料ガスＧ０内に含まれる各種成分のうちの二酸化炭素及び水蒸気を、夾雑ガス成分（例えば、窒素、酸素、及び水素等）に比べて透過させやすい性質を有する膜が用いられてもよい。分離膜１８は、アルカリ性の材料によって構成されていてもよい。

【0025】

分離膜１８は、例えば、塩基性官能基を有するゲル化性高分子粒子を含む単層膜を含んでいる。ゲル化性高分子粒子とは、水中または極性溶媒中にて膨潤してゲル状の微粒子となる性質を有する高分子粒子である。ゲル化性高分子粒子は、例えば、塩基性分子が含浸した中性、アルカリ性又は酸性の高分子化合物の粒子であってもよい。ゲル化性高分子粒子を含む上記単層膜の厚さは、５０μｍ未満であってもよい。ゲル化性高分子粒子に含まれる官能基は、アミノ基、アンモニウム基、カルボン酸、及び硫酸からなる群より選択される１以上の官能基であってもよい。ゲル化性高分子粒子を構成する高分子化合物は、塩基性官能基又は酸性官能基を有するモノマーを含むモノマー成分の重合体であってもよい。含浸する塩基性分子は、分子量が６１～１００００のアミン含有化合物を含んでいてもよく、上記アミン含有化合物の共役酸のｐＫａが５～１０であってもよい。含浸する塩基性分子は、水酸基、カルボン酸基、又はスルホン酸基を有していてもよい。あるいは、含浸する塩基性分子は、複数のアミノ基又は複数の水酸基を有していてもよい。

【0026】

上記モノマーは、置換アクリルアミドモノマーを含んでもよく、Ｎ－（アミノアルキル）アクリルアミドを含んでもよく、カルボン酸又はスルホン酸を含んでいてもよい。上記モノマー成分において、カルボン酸又はスルホン酸を有するモノマーの割合が１～９５モル％であってもよく、５～９５モル％であってもよい。上記モノマー成分は、カルボン酸又はスルホン酸を有するモノマーと疎水性基を有するモノマーを含んでいてもよい。この場合、カルボン酸又はスルホン酸を有するモノマーと疎水性基を有するモノマーとのモル比が、１：９５～９５：５であってもよい。カルボン酸を有するモノマーがメタクリル酸又はアクリル酸であり、疎水性基を有するモノマーがＮ－アルキルアクリルアミドであってもよい。あるいは、スルホン酸を有するモノマーがアクリルアミドｔ－ブチルスルホン酸又はビニルスルホン酸であり、疎水性基を有するモノマーがＮ－アルキルアクリルアミドであってもよい。

【0027】

第１分離部１６は、分離膜１８を支持する担体１８ａを更に含んでもよい。この担体１８ａは、多孔質の材料（例えば、多孔質のフィルム）であってもよい。ゲル化性高分子粒子を含む上記単層膜は、ゲル化性高分子粒子を含む水溶液が多孔質のフィルムの表面に塗布され、当該水溶液を乾燥させる工程を経て形成されてもよい。ゲル化性高分子粒子は、多孔質の担体１８ａに含まれる表面細孔を閉塞する程度の大きさを有していてもよい。ゲル化性高分子粒子の粒子径は、多孔質の担体１８ａの表面細孔よりも大きくてもよい。多孔質の担体１８ａは、互いに逆向きの第１面と第２面とを有しており、第１面において表面細孔が上記高分子粒子で閉塞され、第２面において表面細孔が上記高分子粒子で閉塞されていなくてもよい。この場合、第１面が供給空間Ｖｓ１を向き、第２面が処理空間Ｖｄ１を向くように分離膜１８と担体１８ａとが配置されていてもよい。担体１８ａは、その表面に上記表面細孔よりも十分大きく規則的な凹凸構造を有していてもよい。

【0028】

原料ガス供給部２２は、第１分離モジュール１２の供給空間Ｖｓ１に原料ガスＧ０を供給する。原料ガス供給部２２は、上述したように、工場等から排出される燃焼後排ガスを原料ガスＧ０として供給空間Ｖｓ１に供給してもよい。原料ガス供給部２２から原料ガスＧ０が供給される供給空間Ｖｓ１の圧力は、１００ｋＰａ程度（１気圧と同程度）であってもよい。一方、処理空間Ｖｄ１の圧力は、供給空間Ｖｓ１の圧力よりも低い圧力に維持されていてもよい。例えば、処理空間Ｖｄ１の圧力は５０ｋＰａ以下であってもよく、２０ｋＰａ以下であってもよい。処理空間Ｖｄ１が実質的に真空状態に維持されていてもよい。分離膜１８に含まれる高分子粒子の径が、多孔質の担体１８ａが有する孔径よりも大きい場合、第１分離部１６は、処理空間Ｖｄ１と供給空間Ｖｓ１との間の圧力差によっても破損し難くなる。

【0029】

第１処理部１０は、水蒸気供給部２４を更に有する。水蒸気供給部２４は、処理空間Ｖｄ１に水蒸気を含むガスを供給する。水蒸気供給部２４によって水蒸気を含むガス（以下、「水蒸気含有ガスＧｓ」という。）が処理空間Ｖｄ１に供給されることで、第１分離部１６による二酸化炭素の分離（分離膜１８での二酸化炭素の透過）が促進される。具体的には、水蒸気含有ガスＧｓの供給によって、処理空間Ｖｄ１において二酸化炭素が希釈化され、処理空間Ｖｄ１における二酸化炭素の分圧が、供給空間Ｖｓ１における二酸化炭素の分圧に比べて低くなる。その結果、水蒸気含有ガスＧｓを供給しない場合に比べて、第１分離部１６によって、より多くの量の二酸化炭素が分離される。なお、分離膜１８での二酸化炭素の透過を促進するために用いられる水蒸気含有ガスは、スイープガスとも称される。

【0030】

水蒸気供給部２４から供給される水蒸気含有ガスＧｓの温度は、２５℃～８０℃であってもよい。あるいは、水蒸気含有ガスＧｓの温度は、３０℃～７０℃であってもよく、３５℃～６５℃であってもよい。水蒸気含有ガスＧｓの相対湿度は、５０％以上であってもよく、６０％以上であってもよく、７０％以上であってもよい。水蒸気供給部２４から供給される水蒸気含有ガスＧｓは、工場等において発生する排熱を利用して生成されてもよい。

【0031】

第１分離モジュール１２は、原料ガスＧ０から二酸化炭素が取り出された後の残りのガスＧｄ１を供給空間Ｖｓ１から放出する。第１分離モジュール１２は、供給空間Ｖｓ１から外部にガスＧｄ１を放出してもよい。第１分離モジュール１２は、処理空間Ｖｄ１に分離された（供給空間Ｖｓ１から処理空間Ｖｄ１に透過した）二酸化炭素を含むガス（第１処理ガスＧ１）を処理空間Ｖｄ１から、第２処理部３０に向けて放出する。この第１処理ガスＧ１には、二酸化炭素に加えて、第１分離部１６の分離膜１８を透過した原料ガスＧ０内の水蒸気と、水蒸気供給部２４からの水蒸気含有ガスＧｓ内の水蒸気とが含まれている。第１処理ガスＧ１の相対湿度は、例えば、５０％以上であってもよく、６０％以上であってもよく、７０％以上であってもよい。

【0032】

第２処理部３０は、第１処理ガスＧ１内の水蒸気の少なくとも一部を取り除いて、第１処理ガスＧ１よりも二酸化炭素の純度が高いガスを生成する。以下、第２処理部３０によって生成され、第１処理ガスＧ１よりも二酸化炭素の純度が高いガスを「第２処理ガスＧ２」と称する。第２処理部３０は、第２分離モジュール３２を有する。

【0033】

第２分離モジュール３２は、第１処理ガスＧ１に含まれる水蒸気の少なくとも一部を取り除くことで、第１処理ガスＧ１に含まれる二酸化炭素を分離する。第２分離モジュール３２は、例えば、筐体３４と、第２分離部３６とを含む。筐体３４は、第２分離部３６を収容すると共に、内部空間を形成する。第２分離部３６は、第１処理ガスＧ１に含まれる水蒸気を吸着、吸収又は透過のいずれかによって低減する部材である。第２分離部３６は、筐体３４内の内部空間を二つの空間に区画するように配置されている。以下、第２分離部３６によって隔てられる一対の空間のうちの第１処理ガスＧ１が供給される空間を「供給空間Ｖｓ２」と称し、他方の空間を「処理空間Ｖｄ２」と称する。すなわち、第２分離部３６は、供給空間Ｖｓ２（第２供給空間）と処理空間Ｖｄ２（第２処理空間）とを隔てるように配置されている。

【0034】

第２分離部３６は、第１処理ガスＧ１内の水蒸気を選択的に透過する分離膜３８を含んでいてもよい。分離膜３８は、第１処理ガスＧ１内に含まれる各種成分のうちの水蒸気を他の成分よりも透過させやすい性質を有する膜である。分離膜３８は、イオン性の材料によって構成されていてもよい。

【0035】

分離膜３８は、例えば、酸性官能基を有するゲル化性高分子粒子を含む単層膜を含んでいる。ゲル化性高分子粒子を含む上記単層膜の厚さは、５００μｍ未満であってもよい。ゲル化性高分子粒子に含まれる酸性官能基が、カルボキシル基、及び硫酸基からなる群より選択される１以上の官能基、又は当該官能基とカチオンとの塩であってもよい。ゲル化性高分子粒子を構成する高分子化合物が、酸性官能基を有するモノマーを含むモノマー成分の重合体であってもよい。カルボキシル基を有する高分子化合物として、アクリル酸、メタクリル酸、アクリルアミドｔ－ブチルスルホン酸、又はビニルスルホン酸を構成モノマーに含む高分子化合物が挙げられる。カチオンとしては、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、及びマグネシウムイオン等が挙げられる。

【0036】

第２分離部３６は、分離膜３８を支持する担体３８ａを更に含んでいてもよい。この担体３８ａは、分離膜１８を支持する担体１８ａ（多孔質の担体１８ａ）と同様に構成されていてもよい。担体３８ａのうちの分離膜３８が設けられた表面が、供給空間Ｖｓ２と処理空間Ｖｄ２とのうちの圧力が低い方の空間を向くように、分離膜３８及び担体３８ａが配置されてもよい。なお、供給空間Ｖｓ２と処理空間Ｖｄ２との圧力差に基づいて、分離膜３８と担体３８ａとの配置、及び分離膜３８と担体３８ａとのそれぞれの面の構成が変更されてもよい。例えば、供給空間Ｖｓ２の圧力が処理空間Ｖｄ２の圧力よりも低い場合、分離膜３８が、担体３８ａよりも供給空間Ｖｓ２側に配置されてもよい。

【0037】

第２処理部３０は、再生ガス供給部４２を更に有する。再生ガス供給部４２は、第１処理ガスＧ１よりも水蒸気圧が低い再生ガスＧｒを処理空間Ｖｄ２に供給する。再生ガスＧｒの温度は、第１処理部１０の水蒸気供給部２４によって供給される水蒸気含有ガスＧｓの温度よりも低くてもよい。再生ガスＧｒの相対湿度は、例えば、３０％～８０％であってもよく、３５％～７５％であってもよく、４０％～７０％であってもよい。再生ガスＧｒの温度は、例えば、０℃～４５℃であってもよく、５℃～４０℃であってもよく、１０℃～３５℃であってもよい。

【0038】

再生ガス供給部４２は、再生ガスＧｒとして空気を処理空間Ｖｄ２に供給してもよい。再生ガス供給部４２が再生ガスＧｒとして空気を処理空間Ｖｄ２に供給する場合、上述した再生ガスＧｒの温度及び相対湿度は、所定の期間（例えば、１日、１週間、１月又は１年）における平均値で表される。第２分離モジュール３２は、第１処理ガスＧ１から取り除いた水蒸気を含むガスＧｄ２を処理空間Ｖｄ２から放出する。第２分離モジュール３２は、ガスＧｄ２を外部に放出してもよい。第２分離モジュール３２は、供給空間Ｖｓ２において水蒸気が除去された後のガス（第２処理ガスＧ２）を吸引部５０に放出する。

【0039】

吸引部５０は、第１処理部１０の処理空間Ｖｄ１内のガスを吸引する。吸引部５０は、供給空間Ｖｓ２を介して処理空間Ｖｄ１内のガスを吸引してもよい。この場合、処理空間Ｖｄ１、供給空間Ｖｓ２、及び吸引部５０は、ガスの流路を介して互いに接続されていてもよい。吸引部５０は、処理空間Ｖｄ１を減圧させるコンプレッサ（圧縮機）又はポンプ（例えば、真空ポンプ）であってもよい。この場合、処理空間Ｖｄ１及び供給空間Ｖｓ２の圧力が低下する。吸引部５０によって処理空間Ｖｄ１の圧力が、供給空間Ｖｓ１の圧力よりも低い値（例えば、上述した５０ｋＰａ以下）に維持されてもよい。

【0040】

吸引部５０によるガスの吸引によって、処理空間Ｖｄ１からの第１処理ガスＧ１の放出、及び供給空間Ｖｓ１からの第２処理ガスＧ２の放出が促進される。吸引部５０は、第２処理ガスＧ２を吸引すると共に、吸引した第２処理ガスＧ２を分離ガスＧｃとして回収装置１の外部に送り出してもよい。また、吸引部５０は、処理空間Ｖｄ１を介して水蒸気供給部２４内の圧力を低い値に維持してもよい。これにより、水蒸気供給部２４において、水蒸気を効率的に生成することが可能である。処理空間Ｖｄ１への水蒸気の供給量を調整するために、水蒸気供給部２４と処理空間Ｖｄ１との間に圧力調整弁又は流量調整弁が設けられてもよい。あるいは、水蒸気供給部２４に投入される熱量が制御されてもよい。この制御により、水蒸気供給部２４における水蒸気の生成量（処理空間Ｖｄ１への水蒸気の供給量）が調節されてもよい。

【0041】

［二酸化炭素の回収方法］
続いて、二酸化炭素の回収方法の一例として、上述の回収装置１を用いる場合の回収方法を説明する。回収装置１を用いた回収方法は、少なくとも、原料ガスＧ０に含まれる二酸化炭素を透過によって夾雑ガスから分離する第１分離部１６を用いて、原料ガスＧ０内の二酸化炭素の少なくとも一部を取り出すことで、原料ガスＧ０よりも夾雑ガスに対する二酸化炭素の割合が大きい第１処理ガスＧ１を生成する工程（第１工程）を含む。また、上記回収方法は、第１処理ガスＧ１に含まれる水蒸気を透過によって低減させる第２分離部３６を用いて、第１処理ガスＧ１内の水蒸気の少なくとも一部を取り除くことで、第１処理ガスＧ１よりも二酸化炭素の純度が高い第２処理ガスＧ２を生成する工程（第２工程）を含む。第２処理ガスＧ２を生成する工程では、第１処理ガスＧ１よりも水蒸気圧が低い再生ガスＧｒが更に利用される。

【0042】

詳細に説明すると、まず、第１処理部１０において、第１分離モジュール１２の供給空間Ｖｓ１に原料ガス供給部２２から原料ガスＧ０が供給される。原料ガスＧ０の供給と合わせて、第１分離モジュール１２の処理空間Ｖｄ１は、吸引部５０によって減圧されていると共に、処理空間Ｖｄ１には水蒸気供給部２４から水蒸気含有ガスＧｓが供給されている。そのため、供給空間Ｖｓ１と処理空間Ｖｄ１とにおいて、二酸化炭素の分圧の差が生じ、供給空間Ｖｓ１に供給された原料ガスＧ０内に含まれる二酸化炭素の少なくとも一部が、第１分離部１６（分離膜１８）を透過して処理空間Ｖｄ１に送り出される。

【0043】

処理空間Ｖｄ１は吸引部５０によって吸引されているので、第１分離部１６を透過した二酸化炭素と水蒸気とを含む第１処理ガスＧ１が処理空間Ｖｄ１から第２処理部３０に向けて流通する。第１処理ガスＧ１には、第１分離部１６の分離膜１８によって選択的に分離された二酸化炭素が含まれるので、第１処理ガスＧ１の夾雑ガスに対する二酸化炭素の割合は、原料ガスＧ０の夾雑ガスに対する二酸化炭素の割合よりも大きくなる。第２処理部３０に流通した第１処理ガスＧ１は、第２処理部３０において、第２分離モジュール３２の供給空間Ｖｓ２に供給される。

【0044】

供給空間Ｖｓ２への第１処理ガスＧ１の供給と合わせて、第２分離モジュール３２の処理空間Ｖｄ２には再生ガス供給部４２から再生ガスＧｒが供給されている。これにより、第２分離モジュール３２の第２分離部３６（分離膜３８）によって、供給空間Ｖｓ２に供給された第１処理ガスＧ１から水蒸気が取り除かれる。具体的には、供給空間Ｖｓ２に供給された第１処理ガスＧ１内の水蒸気の一部が、第２分離部３６（分離膜３８）を透過して処理空間Ｖｄ２に送り出される。この際、再生ガスＧｒの水蒸気圧が第１処理ガスＧ１の水蒸気圧よりも低いので、供給空間Ｖｓ２内のガスの水蒸気圧が、処理空間Ｖｄ２内の水蒸気圧と同程度まで低下し得る。すなわち、供給空間Ｖｓ２内のガスの相対湿度が１００％未満になり得る。また、再生ガスＧｒの温度は、水蒸気含有ガスＧｓの温度よりも低いので、第１処理ガスＧ１の温度よりも低くなり得る。この場合、供給空間Ｖｓ２内のガスが、再生ガスＧｒによって冷却されるので、供給空間Ｖｓ２内のガスの温度が再生ガスＧｒと同程度の温度まで低下する。

【0045】

供給空間Ｖｓ２は吸引部５０によって吸引されているので、第２分離部３６によって温度が低下し、且つ水蒸気が除去された後の残りの第２処理ガスＧ２が供給空間Ｖｓ２から吸引部５０に向けて送り出される。第２処理ガスＧ２内の水蒸気量は、第２分離部３６による水蒸気の除去によって、当該第２処理ガスＧ２の飽和水蒸気量よりも低い値に低下している。また、第２処理ガスＧ２の温度は、再生ガスＧｒが処理空間Ｖｄ２に供給されることで第１処理ガスＧ１の温度よりも低下する。吸引部５０によって吸引された第２処理ガスＧ２は、分離ガスＧｃとして回収装置１の外部に送り出される。第２処理ガスＧ２の二酸化炭素の濃度（純度）は、第２分離部３６による水蒸気の除去によって、第１処理ガスＧ１の二酸化炭素の濃度（純度）よりも高くなる。以上により、吸引部５０から放出される分離ガスＧｃの二酸化炭素の濃度は、回収装置１に供給される原料ガスＧ０の二酸化炭素の濃度よりも高くなる。すなわち、二酸化炭素が濃縮されたガス（夾雑ガスに対する二酸化炭素の割合が上昇したガス）が回収装置１によって回収される。

【0046】

［変形例１］
二酸化炭素の回収装置は、原料ガスＧ０内の二酸化炭素の夾雑ガスに対する二酸化炭素の割合を上昇させるために、二酸化炭素を選択的に透過する分離膜に代えて、二酸化炭素の吸収又は吸着と放出とを行う材料を用いてもよい。図２は、二酸化炭素の回収装置の別の例を示す模式図である。図２に示される二酸化炭素の回収装置１Ａでは、第１分離モジュール１２の第１分離部１６が、分離膜１８に代えて、原料ガスＧ０内の二酸化炭素の吸着又は吸収を選択的に行う材料１８Ａを含んでいる。

【0047】

材料１８Ａを含む第１分離部１６は、分離膜１８を含む第１分離部１６と同様に、供給空間Ｖｓ１（第１供給空間）と処理空間Ｖｄ１（第１処理空間）とを隔てるように配置されている。本開示において、一の成分の吸収（吸着）を選択的に行うとは、供給されるガスに含まれる各種成分のうちの当該一の成分の吸収（吸着）量が他の成分の吸収量よりも多くなるように、ガスの一部を吸収（吸着）することである。材料１８Ａは、原料ガスＧ０内に含まれる各種成分のうちの二酸化炭素を他の成分に比べて吸着しやすい性質を有する吸着材であってもよく、二酸化炭素を他の成分に比べて吸収しやすい性質を有する吸収材であってもよい。材料１８Ａが吸着材である場合、材料１８Ａは、活性炭又はシリカゲルから構成されていてもよい。

【0048】

材料１８Ａが吸収材である場合、材料１８Ａは、分離膜１８と同様に、アルカリ性の材料によって構成されてもよい。材料１８Ａは、例えば、アミノ基を有する高分子化合物粒子を含む。この高分子化合物粒子は、ヒドロゲル粒子であってもよい。高分子化合物粒子を構成する高分子化合物は、アミノ基を有するモノマーを含むモノマー成分の重合体であってもよい。上記モノマーは、置換アクリルアミドモノマーを含んでもよく、Ｎ－（アミノアルキル）アクリルアミドを含んでもよく、３級アミノ基を含んでいてもよい。上記モノマー成分において、アミノ基を有するモノマーの割合が５～９９モル％であってもよい。

【0049】

上記モノマー成分が、アミノ基を有するモノマーと疎水性基を有するモノマーを含んでいてもよい。この場合、アミノ基を有するモノマーと疎水性基を有するモノマーのモル比が、１：９９～９９：１であってもよい。アミノ基を有するモノマーがＮ－（アミノアルキル）アクリルアミドであり、疎水性基を有するモノマーがＮ－アルキルアクリルアミドであってもよい。第１分離部１６は、担体１８ａに代えて、材料１８Ａを支持する担体１９Ａを含んでいてもよい。この場合、材料１８Ａは、担体１９Ａ上に設けられ、アミノ基を有する高分子化合物のゲル粒子を含む膜であってもよい。あるいは、材料１８Ａは、担体１９Ａ上に、層状に形成されたゲル粒子を含む複数の膜であってもよい。担体１９Ａは、平板上の板、シート、箔、繊維集合体であってもよい。担体１９Ａは、多孔質体又はハニカム構造体であってもよい。担体１９Ａは、高分子化合物微粒子の粉末であってもよく、当該粉末を造粒した粒子であってもよい。当該粉末および粒子は、カーボン又はシリカ等の１次粒子径が１００ナノメートル以下のフィラーを含んでいてもよい。

【0050】

回収装置１Ａでは、水蒸気供給部２４は、水蒸気を含む水蒸気含有ガスＧｓを供給空間Ｖｓ１に供給する。処理空間Ｖｄ１内のガスは、回収装置１と同様に、吸引部５０によって吸引される。供給空間Ｖｓ１と原料ガス供給部２２との間のガスの流路、及び供給空間Ｖｓ１と水蒸気供給部２４との間のガスの流路には、それぞれバルブ（不図示）が設けられてもよい。処理空間Ｖｄ１から外部にガスＧｄ１が排出されるガスの流路、及び処理空間Ｖｄ１と第２処理部３０の供給空間Ｖｓ２との間のガスの流路には、それぞれバルブ（不図示）が設けられてもよい。不図示の制御装置によって、これらのバルブの開閉状態がそれぞれ切り替えられてもよい。

【0051】

以上に例示した回収装置１Ａを用いた二酸化炭素の回収方法を説明すると、まず、原料ガス供給部２２から第１分離モジュール１２の供給空間Ｖｓ１に原料ガスＧ０が供給される。この際、水蒸気供給部２４からの水蒸気含有ガスＧｓの供給、及び吸引部５０による処理空間Ｖｄ１内の吸引は停止している。供給空間Ｖｓ１に供給された原料ガスＧ０に含まれる二酸化炭素の少なくとも一部は、材料１８Ａに吸収される（吸着される）。原料ガスＧ０は、材料１８Ａによって二酸化炭素が吸収されつつ処理空間Ｖｄ１に送り込まれ、材料１８Ａによって二酸化炭素が吸収された後の残りのガスが、ガスＧｄ１として処理空間Ｖｄ１から排出される。以上の状態が所定期間継続されることで、材料１８Ａに二酸化炭素が貯留される。

【0052】

材料１８Ａに二酸化炭素を貯留させた後に、原料ガス供給部２２からの原料ガスＧ０の供給、及び処理空間Ｖｄ１からの外部へのガスＧｄ１の排出を停止し、水蒸気供給部２４から供給空間Ｖｓ１に水蒸気含有ガスＧｓを供給させると共に、処理空間Ｖｄ１と第２処理部３０の供給空間Ｖｓ２との間の流路を開放する。これにより、供給空間Ｖｓ１に供給された水蒸気含有ガスＧｓが、材料１８Ａに貯留されている二酸化炭素を処理空間Ｖｄ１に送り出し、処理空間Ｖｄ１に送り出された後の二酸化炭素を含むガスが、第１処理ガスＧ１として供給空間Ｖｓ２に向けて供給される。第１処理ガスＧ１は、材料１８Ａに貯留されていた二酸化炭素を含むので、原料ガスＧ０よりも夾雑ガスに対する二酸化炭素の割合が大きくなる。第２処理部３０及び吸引部５０では、上述の回収装置１と同様に第２処理ガスＧ２及び分離ガスＧｃが生成及び送り出される。

【0053】

［変形例２］
二酸化炭素の回収装置は、第１処理ガスＧ１内の水蒸気の少なくとも一部を除去するために、複数の第２処理部及び複数の吸引部を備えてもよい。図３は、二酸化炭素の回収装置の別の例を示す模式図である。図３に示される二酸化炭素の回収装置１Ｂは、第２処理部３０に代えて、第２処理部３０ａと第２処理部３０ｂとを備え、吸引部５０に代えて、吸引部５０ａと吸引部５０ｂとを備える。第２処理部３０ａ，３０ｂはそれぞれ第２処理部３０と同様に構成されており、吸引部５０ａ，５０ｂはそれぞれ吸引部５０と同様の機能を有する。回収装置１Ｂにおいて、吸引部５０ｂによって減圧される供給空間Ｖｓ２の圧力は、吸引部５０ａによって減圧される供給空間Ｖｓ２の圧力よりも高くてもよい。

【0054】

この回収装置１Ｂを用いた二酸化炭素の回収方法を説明すると、図１に例示の回収装置１と同様に、第１処理部１０（第１分離モジュール１２）から第１処理ガスＧ１が第２処理部３０ａの供給空間Ｖｓ２に供給される。第２処理部３０ａの第２分離モジュール３２において、第２分離部３６によって第１処理ガスＧ１内の水蒸気の少なくとも一部が除去されることで、第２処理ガスＧ２１が生成される。第２処理ガスＧ２１の二酸化炭素の純度は、第１処理ガスＧ１の二酸化炭素の純度よりも高い。第２処理部３０ａの供給空間Ｖｓ２内のガスが吸引部５０ａによって吸引、圧縮され、二酸化炭素分圧及び水蒸気圧が上昇した第２処理ガスＧ２１となる。当該第２処理ガスＧ２１が第２処理部３０ｂの供給空間Ｖｓ２に供給される。

【0055】

第２処理部３０ｂの第２分離モジュール３２において、第２分離部３６によって第２処理ガスＧ２１内の水蒸気の少なくとも一部が除去されることで、第２処理ガスＧ２２が生成される。第２処理ガスＧ２２の二酸化炭素の純度は、第２処理ガスＧ２１の二酸化炭素の純度よりも高い。第２処理部３０ｂの供給空間Ｖｓ２から第２処理ガスＧ２２が吸引部５０ｂによって吸引され、当該ガスが分離ガスＧｃとして回収装置１Ｂの外部に送り出される。

【0056】

回収装置１Ｂは、１以上の別の第２処理部３０と、１以上の別の吸引部５０とを更に備えていてもよい。図２に例示の回収装置１Ａにおいて、第２処理部３０及び吸引部５０に代えて、第２処理部３０ａ，３０ｂと吸引部５０ａ，５０ｂとが設けられてもよい。以上の回収装置１Ｂでは、回収装置１，１Ａと比べて、第１処理ガスＧ１から除去される水蒸気の量を多くすることができる。あるいは、回収装置１，１Ａに比べて、吸引部（例えば、コンプレッサ）の１個あたりの性能を小さくすることができる。

【0057】

［その他の変形例］
上述の回収装置１，１Ａでは、第２処理部３０は、分離膜３８によって第１処理ガスＧ１に含まれる水蒸気を低減するが、分離膜３８に代えて、第１処理ガスＧ１に含まれる水蒸気の吸着又は吸収を選択的に行う材料（吸収材又は吸着材）を有してもよい。この場合においても、再生ガス供給部４２が、第２処理部３０において吸収材（吸着材）によって隔てられる一対の空間のうちの一方の空間（処理空間）に再生ガスＧｒを供給してもよい。このような吸収材は、酸性官能基を有するゲル化性高分子粒子を含む膜、粉体、又は粒子を含んでいてもよく、酸性官能基を有するゲル化性高分子粒子の塩と塩基性官能基を有するゲル化性高分子微粒子の塩の両方を含む膜、粉体、又は粒子を含んでいてもよい。上記吸収材は、多孔質材料等の担体に支持されていてもよく、カーボンブラック又はフュームドシリカ等のフィラーを含んでいてもよい。

【0058】

［実施形態の効果］
以上に説明した二酸化炭素の回収装置１では、原料ガスＧ０に含まれる夾雑ガスの割合が低下すると共に二酸化炭素の割合が上昇した第１処理ガスＧ１が第１処理部１０から第２処理部３０の供給空間Ｖｓ２に送り出される。そして、供給空間Ｖｓ２とは第２分離部３６によって隔てられる処理空間Ｖｄ２に第１処理ガスＧ１よりも水蒸気圧が低い再生ガスＧｒが供給される。これにより、第２分離部３６によって第１処理ガスＧ１内から水蒸気が除去されつつ、第２処理ガスＧ２の水蒸気圧が飽和水蒸気圧以下に低下する。第２処理ガスＧ２を吸引するための装置にかかる負荷は、第２処理ガスＧ２に含まれる水蒸気圧（水蒸気の量）に依存する。上記の回収装置１では、第２処理ガスＧ２の水蒸気圧が低下しているので、第２処理ガスＧ２を吸引するための装置の要求性能を下げることができる。従って、原料ガスＧ０に含まれる二酸化炭素の夾雑ガスに対する割合が上昇したガスを簡便に回収することが可能となる。

【0059】

以上の実施形態では、回収装置１の第１処理部１０は、処理空間Ｖｄ１に水蒸気を含む水蒸気含有ガスＧｓを供給する水蒸気供給部２４を更に有する。第１分離部１６は、原料ガスＧ０に含まれる二酸化炭素を選択的に透過する分離膜１８を含む。この場合、水蒸気含有ガスＧｓによって、第１分離部１６の分離膜１８による二酸化炭素の透過が促進される。そのため、原料ガスＧ０から二酸化炭素を効率的に分離することが可能となる。

【0060】

以上の実施形態では、回収装置１Ａの第１処理部１０は、供給空間Ｖｓ１に水蒸気を含む水蒸気含有ガスＧｓを供給する水蒸気供給部２４を更に有する。第１分離部１６は、原料ガスＧ０に含まれる二酸化炭素の吸着又は吸収を選択的に行う材料１８Ａを含む。この場合、水蒸気含有ガスＧｓによって、第１分離部１６の材料１８Ａに貯留された二酸化炭素の放出（離脱）が促進される。そのため、原料ガスＧ０から二酸化炭素を効率的に分離することが可能となる。

【0061】

以上の実施形態では、再生ガスＧｒの温度は、水蒸気含有ガスＧｓの温度よりも低い。この場合、第２処理ガスＧ２の温度が再生ガスＧｒの温度と同程度まで下げられる。そのため、第２処理ガスＧ２を吸引するための装置の要求性能をより低下させることができ、夾雑ガスに対する二酸化炭素の割合が上昇したガスをより簡便に回収することが可能となる。

【0062】

以上の実施形態では、再生ガスＧｒは空気である。この場合、処理空間Ｖｄ２への再生ガスＧｒの供給が容易である。

【0063】

以上の実施形態では、第２処理ガスＧ２の水蒸気圧は、当該第２処理ガスＧ２の飽和水蒸気圧よりも小さい。この場合、第２処理ガスＧ２が飽和水蒸気圧の水蒸気を含む場合に比べて、第２処理ガスＧ２を吸引するための装置の要求性能を低下させることが可能となる。

【0064】

以上の実施形態に係る回収装置１，１Ａは、処理空間Ｖｄ１内のガスを吸引する吸引部５０を備える。この構成では、第２処理ガスＧ２の水蒸気圧が第２処理部３０において下げられているので、水蒸気圧を低下させない場合に比べて、吸引部５０の要求性能を低下させることができる。そのため、吸引部５０を簡素化することが可能となる。

【0065】

以上の実施形態では、第２分離部３６は、第１処理ガスＧ１に含まれる水蒸気を選択的に透過する分離膜３８を含む。この場合、第１処理ガスＧ１内の水蒸気を簡便に除去することが可能となる。

【0066】

以上の実施形態に係る回収装置１，１Ａ，１Ｂを用いた二酸化炭素の回収方法では、第１分離部１６が用いられて原料ガスＧ０に含まれる二酸化炭素の夾雑ガスに対する割合が上昇することで（二酸化炭素が分離又は濃縮されることで）、第１処理ガスＧ１が生成される。そして、第１処理ガスＧ１に含まれる水蒸気を低減する第２分離部３６と、第１処理ガスＧ１よりも水蒸気圧が低い再生ガスＧｒとが利用されて第２処理ガスＧ２が生成される。水蒸気圧が低い再生ガスＧｒを利用することで、第２分離部３６によって第１処理ガスＧ１内から水蒸気を除去しつつ、第２処理ガスＧ２の水蒸気圧を低下させることができる。第２処理ガスＧ２を吸引するための装置の負荷は、第２処理ガスＧ２に含まれる水蒸気の量に依存する。上記の回収方法では、第２処理ガスＧ２の水蒸気圧を下げることができるので、第２処理ガスＧ２を吸引するための装置の要求性能を下げることができる。従って、原料ガスＧ０に含まれる二酸化炭素の夾雑ガスに対する割合が上昇したガスを簡便に回収することが可能となる。

【0067】

二酸化炭素を分離したうえで（例えば濃縮したうえで）回収する別の装置又は方法として、第１処理部１０において二酸化炭素が分離された（例えば濃縮された）処理ガスを熱交換器、気液分離器、及びコンプレッサを介して回収する装置又は方法が考えられる。この装置又は方法では、熱交換器、気液分離器、及びコンプレッサがこの順で上流から配置され、熱交換器において処理ガスが冷却されることで、当該処理ガス内の水蒸気の一部が液化する。そして、気液分離器によって、液化した水蒸気の一部（水分）と残りの二酸化炭素を含むガスとが分離され、コンプレッサによって、分離された二酸化炭素を含むガスが吸引される。

【0068】

この装置又は方法においては、熱交換器によって冷却ガスと同程度の温度まで処理ガスが冷却され得るが、冷却後のガスは飽和水蒸気量の水蒸気を含んでいる。コンプレッサによって吸引しようとするガス内の水蒸気量に応じて、コンプレッサに要求される性能が増すので、気液分離器によって分離される二酸化炭素を含むガス（飽和水蒸気量のガス）を吸引するためのコンプレッサでは高い性能及び大きな動力が必要となる。これに対して、上記実施形態の回収装置１及び回収方法では、第２処理部３０の第２分離部３６において相対湿度が低い（飽和水蒸気量以下の）ガスが生成されるので、コンプレッサの要求性能を低下させることができる。

【0069】

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に何ら限定されるものではない。上述した別の装置又は方法において用いられる熱交換器及び気液分離器と、１又は複数の第２処理部（第２分離モジュール）とが併用されてもよい。図４は、二酸化炭素の回収装置の別の例を示す模式図である。図４に示される回収装置１Ｃは、第１処理部１０と第２処理部３０ａとの間に設けられる熱交換器６２及び気液分離器６４を更に備える点で、図３に示される回収装置１Ｂと相違する。また、回収装置１Ｃは、吸引部５０ａが、第１処理部１０と第２処理部３０ａとの間（気液分離器６４の下流側）に配置され、吸引部５０ｂが、第２処理部３０ａと第２処理部３０ｂとの間に配置される点においても回収装置１Ｂと相違する。なお、下流側の第２分離モジュール３２の更に下流に別の吸引部（不図示）が設けられてもよい。図４に示される回収装置１Ｃにおいても、１個あたりの吸引部の負荷を下げることが可能となる。図１及び図２に示される回収装置１，１Ａにおいても、吸引部５０（熱交換器６２及び気液分離器６４）が、第１処理部１０と第２処理部３０との間に配置されてもよい。

【0070】

上述の回収装置１，１Ａでは、水蒸気供給部２４によって第１処理部１０の処理空間Ｖｄ１又は供給空間Ｖｓ１に水蒸気含有ガスＧｓが供給されるが、第１処理部１０が水蒸気供給部２４を有していなくてもよい。この場合、ガス内の水蒸気を除去する第２処理部３０に送り込まれる第１処理ガスＧ１には、原料ガスＧ０に含まれ、且つ第１分離部１６（分離膜１８又は材料１８Ａ）を通過した水蒸気が含まれる。

【0071】

再生ガス供給部４２によって供給される再生ガスＧｒの温度は、第１処理部１０において水蒸気供給部２４から供給される水蒸気含有ガスＧｓの温度と同程度であってもよく、水蒸気含有ガスＧｓの温度よりも高くてもよい。再生ガス供給部４２は、空気とは異なるガスを供給してもよい。例えば、再生ガス供給部４２は、湿度を調節可能な湿度調節器を含み、当該湿度調節器によって調節された湿度を有するガスを、再生ガスＧｒとして処理空間Ｖｄ２に供給してもよい。

【0072】

［評価結果］
次に実施例を参照して本開示の内容をより詳細に説明するが、本開示は下記の実施例に限定されるものではない。以下の実施例では、水蒸気を選択的に分離できる分離膜モジュール（上述の第２分離モジュール３２）を使用した場合の除去性能を、計算により評価している。

【0073】

（計算方法）
水蒸気除去を行う対象ガスは、これまでの二酸化炭素分離膜の計算の基準ケースとしていた条件の透過側ガス（処理空間側のガス）とした。図５（ａ）は、計算対象としたプロセスフローを示し、図５（ｂ）の表は、計算に用いた水蒸気分離膜の特性、ガス流量などの計算の前提条件を示す。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示される「Case 1」（ケース１）は、二酸化炭素分離膜の透過側ガスを直接水蒸気分離膜に導入した条件を示し、「Case 2」（ケース２）は透過側ガスを４０℃でフラッシュし、圧縮後のガスを水蒸気分離膜に導入した条件を示す。組成膜分離モジュール内の物質収支は膜の透過流速を設定した微分方程式により、エネルギー収支は膜内のガス透過と膜を介した熱移動によるエンタルピー変化を考慮した微分方程式により、それぞれを同時にMatlabにより解き、水蒸気の除去量を算出した。

【0074】

（結果）
図６（ａ）は、ケース２におけるモジュール内の供給側及び透過側のそれぞれのガス分圧とガス温度の計算例を示す。膜の透過及び非透過側の水蒸気分圧差により除去されており、ガス温度は約３４３Ｋから３０５Ｋまで下がることが確認されており、熱交換器および気液分離器を省略できることがわかる。図６（ｂ）は、水蒸気除去率のフラッシュ操作との比較を示す。ケース１では処理対象ガスに水蒸気が多く含まれるものの、全圧が低いためにスイープガス（再生ガス）との水蒸気の分圧差が小さく、水蒸気を除去できていないことがわかる。それに対してケース２では、全圧が２倍程度であるが膜分離により水蒸気が除去され、フラッシュ法よりも水蒸気濃度を低くすることができ、さらにスイープガス流量を２００ｍｏｌ／ｓから３００ｍｏｌ／ｓへ増やすことで、水蒸気濃度は２１％から１４％へ低下した。このことから、ある程度加圧されたガスに対しては膜モジュールによる脱水が有効であり、フラッシュ法と比較して所要エネルギー及びコストを大幅に削減できる可能性が示された。

【産業上の利用可能性】

【0075】

本開示によれば、二酸化炭素の夾雑ガスに対する割合が上昇したガスを簡便に回収することが可能な二酸化炭素の回収装置及び回収方法が提供される。

【符号の説明】

【0076】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…二酸化炭素の回収装置、１０…第１処理部、１６…第１分離部、１８…分離膜、１８Ａ…材料、２４…水蒸気供給部、３０…第２処理部、３６…第２分離部、３８…分離膜、４２…再生ガス供給部、５０…吸引部、Ｖｓ１，Ｖｓ２…供給空間、Ｖｄ１，Ｖｄ２…処理空間、Ｇ０…原料ガス、Ｇ１…第１処理ガス、Ｇ２…第２処理ガス、Ｇｓ…水蒸気含有ガス、Ｇｒ…再生ガス。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】