JP7780281B2

JP7780281B2 - 分離構造体及び分離方法

Info

Publication number: JP7780281B2
Application number: JP2021147936A
Authority: JP
Inventors: 博史菅; 剛佑中川; 淳史鳥井; 和希飯田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2025-12-04
Anticipated expiration: 2041-09-10
Also published as: JP2023040779A

Description

本発明は、分離方法に関する。

地球温暖化の一要因と考えられている二酸化炭素（ＣＯ_２）を含むガス（例えば、空気）から二酸化炭素を直接取り除く技術（ＤＡＣ：ＤｉｒｅｃｔＡｉｒＣａｐｔｕｒｅ）が開発されている。

例えば、特許文献１には、二酸化炭素の吸収液としてアミン水溶液を用いたＤＡＣについて言及されている。アミン水溶液に二酸化炭素を溶解させると、中性アミン及び二酸化炭素が反応してカルバメートイオン及びプロトン化アミンが生成されることで二酸化炭素が吸収される。一方、カルバメートイオン及びプロトン化アミンを加熱すると、中性アミン及び二酸化炭素が生成されることで二酸化炭素が回収される。

特表２０２０－５２１６２５号公報

しかしながら、二酸化炭素の吸収液としてアミン水溶液を用いたＤＡＣでは、二酸化炭素を吸収した吸収液の全部を加熱する必要があるため煩雑である。

本発明は、簡便に二酸化炭素を回収可能な分離方法を提供することを目的とする。

本発明に係る分離方法は、析出工程と分離工程とを備える。析出工程では、溶媒と溶媒に溶解したアミンとを含む吸収液に二酸化炭素を供給することによって、二酸化炭素がアミンと結合した生成物が溶媒中に析出した混合物を生成する。分離工程では、析出工程において生成された混合物に含まれる溶媒と生成物とを分離する。

本発明によれば、効率的に二酸化炭素を回収可能な分離方法を提供することができる。

本実施形態に係る分離方法を説明するためのフロー図調製工程を説明するための模式図析出工程を説明するための模式図第１分離工程を説明するための模式図第１加熱工程を説明するための模式図第２分離工程を説明するための模式図第２加熱工程を説明するための模式図

本実施形態に係る分離方法は、二酸化炭素を回収するために用いられる。図１は、本実施形態に係る分離方法を説明するためのフロー図である。図２乃至図７は、本実施形態に係る分離方法を説明するための模式図である。

図１に示すように、本実施形態に係る分離方法は、調製工程、析出工程、第１分離工程、第１加熱工程、第２分離工程及び第２加熱工程を備える。析出工程から第２加熱工程までの工程は、繰り返し実施されうる。

１．調製工程
図２に示すように、溶媒１０とアミンＡとを混合することによって、溶媒１０と溶媒１０に溶解したアミンＡとを含む吸収液１０Ａを調製する。

溶媒１０としては、例えば、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、エーテル、アセトン、アルコールなどを用いることができる。蒸気圧が低いこと、環境負荷が低いことを考慮すると、ＤＭＳＯが特に好適である。

アミンＡは、二酸化炭素と結合したときに、溶媒１０における溶解度が当該アミンＡより小さい生成物Ｂを生成する。アミンＡとしては、オルトフェニレンジアミン（ｏ－フェニレンジアミン）、シクロヘキシルアミン、エチレンジアミン、スチレンオキシドなどを用いることができる。特に、ｏ－フェニレンジアミンは、アルコールやエーテルなど幅広い溶媒に溶解しやすい点で好適である。シクロヘキシルアミンは、ＣＯ_２を吸収すると分子鎖の立体構造が長い１，３－ジシクロヘキシル尿素を形成するので、第１及び第２分離工程で固体分離しやすい。同様に、エチレンジアミンは、ＣＯ_２を吸収すると分子鎖の立体構造が長いカルバミン酸アンモニウム塩を形成するので、第１及び第２分離工程で固体分離しやすい。

吸収液１０Ａにおける溶媒１０の含有率は、７０ｗｔ％以上９５ｗｔ％以下とすることができる。吸収液１０ＡにおけるアミンＡの含有率は、５ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下とすることができる。

２．析出工程
図３に示すように、調製した吸収液１０Ａに二酸化炭素を供給することによって、二酸化炭素がアミンＡと結合して生成される生成物Ｂを溶媒中に析出させる。溶媒１０における生成物Ｂの溶解度は溶媒１０におけるアミンＡの溶解度より小さいため、生成物Ｂは固体となって溶媒１０中に析出する。これによって、溶媒１０と生成物Ｂとの混合物１０Ｂが生成される。

例えば、溶媒１０がＤＳＭＯであり、かつ、アミンＡがｏ－フェニレンジアミンである場合、二酸化炭素がｏ－フェニレンジアミンと結合して１，３－Ｄｉｈｙｄｒｏ－２Ｈ－ｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌ－２－ｏｎｅ（２－ベンズイミダゾールオン）が生成される。ＤＳＭＯにおける２－ベンズイミダゾールオンの溶解度はＤＳＭＯにおけるｏ－フェニレンジアミンの溶解度より小さいため、２－ベンズイミダゾールオンが固体となってＤＳＭＯ中に析出する。この際、二酸化炭素は９５％を超える高回収率で回収されうる。

このように、二酸化炭素とアミンＡから生成物Ｂが生成されることによって、見かけ上、二酸化炭素が吸収液１０Ａに吸収される。本工程は、室温（例えば、２０℃以上２５℃以下）、常圧下において実施することができる。

３．第１分離工程
析出工程において生成された混合物１０Ｂに含まれる液体の溶媒１０と固体の生成物Ｂとを固液分離することによって生成物Ｂを捕集する。

溶媒１０と生成物Ｂとの固液分離には、第１空間と第２空間とが隔壁によって仕切られたＰＦ（パティキュレートフィルタ）を用いることができる。ＰＦは、いわゆるハニカム構造体を有することが好ましい。ハニカム構造体を有するＰＦとしては、ＧＰＦ（ガソリンパティキュレートフィルタ）やＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）を用いることができ、これらの詳細は、例えば特開２０１４－１９３７８２号公報、特許第４１３６３１９号公報、国際公開第２０１１／０４３４３４号などに開示されている。

本実施形態では、図４に示されたＰＦ２０が固液分離に用いられる。ＰＦ２０は、第１空間２１、第２空間２２及び隔壁２３を有する。第１空間２１と第２空間２２は、隔壁２３によって仕切られている。隔壁２３は、液体の溶媒１０を通過させ、かつ、固体の生成物Ｂを通過させない程度の細孔を有する。隔壁２３は、例えばセラミック材料によって構成することができる。隔壁２３は、第１空間２１側の第１表面Ｓ１と、第２空間２２側の第２表面Ｓ２とを有する。

図４に示すように、第１空間２１に混合物１０Ｂを供給すると、溶媒１０は隔壁２３を通過する一方で、生成物Ｂは隔壁２３の第１表面Ｓ１に付着する。

このように、本実施形態によれば、析出工程において生成物Ｂを溶媒１０中に析出させているため、本工程では周知の固液分離法によって生成物Ｂを溶媒１０から簡便に分離できる。

ここで、隔壁２３の第１表面Ｓ１に生成物Ｂが付着すると、流体の圧力損失が徐々に大きくなる。生成物Ｂの付着量が所定の閾値を超えた場合には、第１空間２１への混合物１０Ｂの供給を停止させて、次の第１加熱工程に進む。なお、生成物Ｂの付着量は、流体の圧力損失値に基づいて推定することができる。

４．第１加熱工程
第１分離工程において分離され、隔壁２３の第１表面Ｓ１に付着した生成物Ｂを加熱することによって、アミンと二酸化炭素を生成する。これによって、図５に示すように、生成物Ｂから二酸化炭素が遊離するとともに、固体のアミンＡが生成（再生）される。アミンＡは、隔壁２３の第１表面Ｓ１に付着したまま残される。

例えば、生成物Ｂが２－ベンズイミダゾールオンである場合、常圧下において５０℃以上６０℃以下の温度に加熱することによって、２－ベンズイミダゾールオンはｏ－フェニレンジアミンと二酸化炭素とに解離する。

このように、本実施形態では、液体の溶媒１０から分離された固体の生成物Ｂだけを加熱すればよいため、簡便に二酸化炭素を回収することができる。

本工程では、ＰＦ２０を外部から加熱することによって生成物Ｂを加熱してもよいし、生成物Ｂに温風を供給することによって生成物Ｂを加熱してもよい。図５では、第１空間２１側から温風を供給した場合が図示されている。

５．第２分離工程
本工程では、第１分離工程と同様、混合物１０Ｂに含まれる溶媒１０と生成物Ｂとを固液分離しながら、分離された溶媒１０に対して第１加熱工程において生成されたアミンＡを溶解させる。このように、本工程では、生成物Ｂの捕集とアミンＡの除去（回収）とが同時進行する。

本実施形態では、図６に示すように、析出工程において生成した混合物１０Ｂを第２空間２２に供給する。すると、溶媒１０は隔壁２３を通過する一方で、生成物Ｂは隔壁２３の第２表面Ｓ２に付着する。また、第１加熱工程において隔壁２３の第１表面Ｓ１に残されたアミンＡは、隔壁２３を通過して第１空間２１に流入する溶媒１０に溶解する。アミンＡが溶媒１０に溶解することによって、吸収液１０Ａ’が新たに調製される。新たに調製された吸収液１０Ａ’は、第１空間２１から外部に回収されて析出工程に供される。

このように、混合物１０Ｂに含まれる溶媒１０を利用することによって、第１加熱工程で生成されたアミンＡを簡便に除去できる。特に、本実施形態では、混合物１０Ｂが第２空間２２に供給されるため、隔壁２３を通過する溶媒１０によってアミンＡをスムーズに逆洗することができる。

ここで、第１分離工程と同様、隔壁２３の第２表面Ｓ２に生成物Ｂが付着すると、流体の圧力損失が徐々に大きくなる。生成物Ｂの付着量が所定の閾値を超えた場合には、第２空間２２への混合物１０Ｂの供給を停止させて、次の第２加熱工程に進む。

６．第２加熱工程
第２分離工程において分離され、隔壁２３の第２表面Ｓ２に付着した生成物Ｂを加熱することによって、アミンと二酸化炭素を生成する。これによって、図７に示すように、生成物Ｂから二酸化炭素が遊離するとともに、固体のアミンＡが生成（再生）される。アミンＡは、隔壁２３の第２表面Ｓ２に付着したまま残される。

本工程では、ＰＦ２０を外部から加熱することによって生成物Ｂを加熱してもよいし、生成物Ｂに温風を供給することによって生成物Ｂを加熱してもよい。図７では、第２空間２２側から温風を供給した場合が図示されている。

７．第２加熱工程以降
第２加熱工程が完了すると、処理は第１分離工程に戻る。すなわち、第１空間２１に混合物１０Ｂが供給されることによって、混合物１０Ｂが溶媒１０と生成物Ｂとに固液分離される。

ただし、２回目以降の第１分離工程では、混合物１０Ｂに含まれる溶媒１０と生成物Ｂとを固液分離しながら、分離された溶媒１０に対して第２加熱工程において生成されたアミンＡが溶解する。このように、２回目以降の第１分離工程では、第２分離工程で説明したように、生成物Ｂの捕集とアミンＡの除去（回収）とが同時進行する。

（実施形態の変形例）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

［変形例１］
上記実施形態において、分離方法は、調製工程、析出工程、第１分離工程、第１加熱工程、第２分離工程及び第２加熱工程を備えることとしたが、調製工程、第１加熱工程、第２分離工程及び第２加熱工程は任意の工程である。分離方法は、析出工程と第１分離工程とを少なくとも備えていればよい。

［変形例２］
上記実施形態において、第２分離工程では、混合物１０Ｂを第２空間２２に供給することとしたが、混合物１０Ｂを第１空間２１に供給してもよい。

この場合、生成物Ｂは隔壁２３の第１表面Ｓ１に付着する一方で、第１表面Ｓ１に付着しているアミンＡは溶媒１０に溶解して隔壁２３を通過する。このように、第２分離工程において混合物１０Ｂを第１空間２１に供給したとしても、生成物Ｂの捕集とアミンＡの除去とを同時進行させることができる。

ただし、アミンＡが溶媒１０に溶解すると粘度が高くなって隔壁２３を通過しにくくなるおそれがある。よって、本変形例のようにアミンＡを順洗するよりも、上記実施形態のようにアミンＡを逆洗する方が好ましい。

なお、第２分離工程において混合物１０Ｂを第１空間２１に供給した場合、第２加熱工程では、隔壁２３の第１表面Ｓ１にアミンＡが残され、２回目以降の第１分離工程では、生成物Ｂは隔壁２３の第１表面Ｓ１に付着する一方で、第１表面Ｓ１に付着しているアミンＡは溶媒１０に溶解して隔壁２３を通過する。

Ａアミン
Ｂ生成物
１０溶媒
１０Ａ吸収液
１０Ｂ混合物
２０ＰＦ（パティキュレートフィルタ）
２１第１空間
２２第２空間
２３隔壁
Ｓ１第１表面
Ｓ２第２表面

Claims

溶媒と前記溶媒に溶解したアミンとを含む吸収液に二酸化炭素を供給することによって、二酸化炭素が前記アミンと結合した生成物が前記溶媒中に析出した混合物を生成する析出工程と、
前記析出工程において生成された前記混合物に含まれる前記溶媒と前記生成物とを分離する第１分離工程と、
前記第１分離工程の後に、前記第１分離工程において分離された前記生成物を加熱することによって、アミンと二酸化炭素を生成する第１加熱工程と、
前記第１加熱工程の後に、前記析出工程において生成された前記混合物に含まれる前記溶媒と前記生成物とを分離しながら、分離された前記溶媒に対して前記第１加熱工程において生成された前記アミンを溶解させる第２分離工程と、
を備える分離方法。
前記第１及び第２分離工程では、第１空間と第２空間とが隔壁によって仕切られたパティキュレートフィルタが用いられ、
前記第１分離工程では、前記第１空間に前記混合物が供給され、
前記第２分離工程では、前記第２空間に前記混合物が供給される、
請求項１に記載の分離方法。
前記第２分離工程の後に、前記第２分離工程において分離された前記生成物を加熱することによって、アミンと二酸化炭素を生成する第２加熱工程をさらに備える、
請求項１又は２に記載の分離方法。
溶媒と前記溶媒に溶解したアミンとを含む吸収液に二酸化炭素を供給することによって、二酸化炭素が前記アミンと結合した生成物が前記溶媒中に析出した混合物を生成する析出工程と、
前記析出工程において生成された前記混合物に含まれる前記溶媒と前記生成物とを分離する第１分離工程と、
を備え、
前記溶媒は、ジメチルスルホキシドであり、
前記アミンは、オルトフェニレンジアミンであり、
前記生成物は、２－ベンズイミダゾールオンである、
分離方法。