JPH0733697A

JPH0733697A - メタノール合成装置

Info

Publication number: JPH0733697A
Application number: JP5185234A
Authority: JP
Inventors: Takatoshi Ogawa; 孝寿小川; Kenichi Unno; 健一海野; Hidehiko Nakasaki; 英彦中崎; Takeshi Hiromatsu; 猛広松; Norio Igawa; 憲男井川; Shigetaka Magara; 栄毅真柄; Toshio Saito; 俊夫斉藤; Akira Fujishima; 昭藤嶋; Kazuhito Hashimoto; 和仁橋本
Original assignee: Takenaka Komuten Co Ltd
Current assignee: Takenaka Komuten Co Ltd
Priority date: 1993-07-27
Filing date: 1993-07-27
Publication date: 1995-02-03

Abstract

(57)【要約】【目的】大掛かりな設備を必要とせず、電気エネルギ
ーを使用することなく、太陽光等を用いて、効率的に炭
酸ガスからメタノールを合成することができるメタノー
ル合成装置を提供する。【構成】供給口１８と排出口２２を備えた被処理材料
を収納しうる処理槽の、上面１２が光透過性材料で構成
され、該処理槽内面の少なくとも１面に、太陽光１４に
よって光触媒機能を示す、例えば、酸化チタン製の薄膜
材料１６を敷設する。好ましくは、該装置底面の下部に
太陽電池受光部材を設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、メタノールの合成装
置、詳しくは、光触媒機能を有する薄膜材料を用いるこ
とにより、電気エネルギー等を供給することなく、太陽
光によって炭酸ガスからメタノールを効率よく合成する
ことのできるメタノールの合成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、エネルギー問題の解決と、地球温
暖化の原因である炭酸ガスの排出量の抑制の２つの目的
を達成する方法として、ニューサンシャイン計画のＷＥ
−ＮＥＴ（World Energy Network）構想が注目されてい
る。これは、排出された炭酸ガスを回収し、濃縮、液化
して、太陽エネルギーの豊富な国に移送し、太陽電池に
より得られた電力を用いて、水の電気分解により水素を
発生させ、該水素と炭酸ガス水溶液を用いて、水素と二
酸化炭素を反応させてメタノールを合成し、石油に替わ
るエネルギー源とするものである。

【０００３】しかしながら、従来の技術では、太陽電池
により、光エネルギーを電気エネルギーに変換する発電
効率が低く、さらに、その電気エネルギーにより、水を
水素に変換して、メタノールを合成するため、メタノー
ルへの変換率は約３％であり、エネルギー変換効率が低
く、また、電力の送電設備、水の電解設備、水素の貯蔵
・移送設備、メタノール反応設備等の付随設備が必要と
なり、システム全体が大型化するという問題があった。
また、太陽電池は、比較的エネルギーレベルの低い太陽
光の可視光線のみを利用し、エネルギーレベルの高い紫
外線部分は、太陽電池に用いる半導体材料を劣化させる
ことから、利用されていなかった。さらに、メタノール
合成法として一般的な、水素と一酸化炭素を含む水性ガ
スから、触媒を用いて一段階でメタノールを得る方法に
おいても、１００〜３５０ａｔｍの高圧と、３００〜４
００℃の高温条件が必要なため、エネルギー効率のよい
合成方法とは言い難かった。

【０００４】近年、半導体の光触媒機能を利用すること
が注目され、酸化チタン等の半導体は、特定の波長の光
により光触媒機能を発現し、強力な酸化・還元作用を有
することが知られ、例えば、特公平２−９８５０号に
は、酸化チタン等の半導体に金属または金属酸化物を担
持したものを用いた廃棄物の浄化方法が記載されてい
る。この機能を利用し、炭酸ガス水溶液から、光触媒機
能による酸化・還元作用により直接メタノールを合成す
る方法も試みられているが、該方法は、光触媒機能を有
する物質の微粒子を炭酸ガス水溶液に分散させて、反応
を行うものであるため、反応後に、得られたメタノール
と微粒子を分離しなければならず、ロスが大きく、作業
効率も低いものであった。このように、前記光触媒機能
の利用は、実験的な段階であるか、一過性のものであ
り、未だ実用的に有効な利用には至っていなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、大掛
かりな設備を必要とせず、電気エネルギーを使用するこ
となく、太陽光等を用いて、効率的に炭酸ガスからメタ
ノールを合成することができる装置を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本出願に係わる請求項１
記載の発明は、被処理材料を投入しうる処理槽の、少な
くとも１面が光透過性材料で構成され、該処理槽内面の
少なくとも１面に光触媒機能を有する薄膜材料を敷設し
てなるメタノール合成装置に関する。

【０００７】本出願に係わる請求項２記載の発明は、前
記処理槽の対抗する１組の面がそれぞれ光透過性材料で
構成され、前記光触媒機能を有する薄膜材料が光透過性
薄膜であり、該薄膜を敷設した面の下部に位置するよう
に、太陽電池の受光部材を備えた請求項１記載のメタノ
ール合成装置に関する。

【０００８】

【作用】本発明の光触媒機能を有する薄膜材料に、波長
が約４００ｎｍ以下の紫外線が当たると、電子（ｅ^-）
が安定な基底状態から活性な励起状態に励起され、電子
が抜けたあとにはホール（ｈ⁺）が形成される。これら
の励起電子とホールはそれぞれ非常に強い還元力と酸化
力を有し、薄膜材料表面にある二酸化炭素と水に作用し
て、以下の一般式で表されるような酸化・還元反応が生
じて、メタノールが合成されると考えられる。

【０００９】

【化１】ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-→ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂ＯＨ₂Ｏ＋２ｈ⁺→１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺ 本発明の装置は、光透過性処理槽の１面に前記光触媒機
能を有する薄膜材料を用いているため、前記反応機構に
より、太陽光のエネルギーを供給するのみで、メタノー
ルが一段階で合成できる。また、第２の態様において
は、光透過性の光触媒機能を有する薄膜材料により紫外
線が吸収され、太陽電池の受光部には、紫外線が除かれ
た太陽光が到達するため、受光部の材料を劣化すること
なく、しかも、太陽光のエネルギーをロスなく効率的に
利用できるものである。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を更に詳しく説明する。

【００１１】（実施例１）図１は、本発明のメタノール
合成装置の１態様を示す概略図である。

【００１２】メタノール合成装置１０の受光面に当たる
上面１２は、光透過性材料で構成されており、太陽光１
４が照射される。装置底面の内面には、厚さ約１μｍの
酸化チタン製の薄膜１６が敷設されている。炭酸ガス水
溶液は供給口１８から供給され、処理槽内において、酸
化チタン製の薄膜１６との接触部分で、水溶液中の二酸
化炭素と水の太陽光中の紫外線のエネルギーによる酸化
・還元反応によって、メタノールが合成される。処理槽
内には、薄膜と水溶液の接触面積向上のため、じゃま板
２０が設けられている。水溶液はじゃま板２０により構
成された液体移動経路を反応を継続しながら移動し、得
られたメタノールは、排出口２２から回収される。

【００１３】本実施例のメタノール合成装置を用いるこ
とにより、炭酸ガス水溶液を太陽エネルギーを用いて、
電気エネルギーや、水素等の中間媒体を経由することな
く、直接メタノールに変換できるため、太陽光エネルギ
ーのメタノールへの変換効率は、従来の方法に比べ、大
幅に上昇する。

【００１４】該メタノール合成装置１０は、少なくとも
太陽光の受光部が光透過性材料で構成されていることが
必要であるが、全体が同じ光透過性材料によって一体的
に構成されていてもよい。また、受光部の対向面の内面
が光触媒機能を有する薄膜で構成されていることが反応
効率的に好ましい。

【００１５】前記酸化チタン製の薄膜１６からなる薄膜
は、厚さを１μｍ程度にすることにより光透過性とする
ことができる。薄膜の厚さを薄くしても、光触媒機能に
関与する表面の状態は変化しないことから、薄膜の厚さ
を薄くすることは、材料コスト的にも好ましく、さら
に、薄膜が光透過性になることにより、設置場所の制限
が緩和される等の面においても好ましい。

【００１６】（実施例２）図２は、太陽電池の受光面を
設けた本発明のメタノール合成装置の別の態様を示す概
略断面図である。

【００１７】メタノール合成装置３０においては、受光
面に当たる上面３２及び底面３４が光透過性材料で構成
されている。装置底面の内面には、膜厚約１μｍの光透
過性の酸化チタン製の薄膜３６が敷設されており、その
下部には、太陽電池受光部３８が設置されている。炭酸
ガス水溶液は供給口４０から供給さる。太陽光が照射さ
れると、波長約４００ｎｍ以下の紫外線４２部分は、酸
化チタン製の薄膜３６に吸収され、処理槽内において、
酸化チタン製の薄膜３６との接触部分で、水溶液中の二
酸化炭素と水の太陽光中の紫外線のエネルギーによる酸
化・還元反応によって、メタノールが合成され、得られ
たメタノールは、排出口４４から回収される。太陽光の
うち、可視光４６部分は、光透過性の酸化チタン製の薄
膜３６を透過し、太陽電池受光部３８に到達し、光エネ
ルギーが太陽電池により、電気エネルギーに変換され
る。

【００１８】図３は、太陽光のエネルギー密度を表すグ
ラフである。従来の太陽電池では、斜線の可視光線部分
しか使用されていなかった。

【００１９】本実施例によれば、太陽光中の波長約４０
０ｎｍ以下の紫外線は、メタノール合成に使用され、波
長約４００〜約９００ｎｍの可視光線は、酸化チタン薄
膜及び透明な処理槽底部を透過して太陽電池受光部に吸
収されて発電に使用されるため、図３に示される格子部
分と斜線部分の両方が利用されることになり、トータル
のエネルギー変換効率はさらに向上する。また、太陽電
池の受光部に使用されるシリコン系の半導体は、紫外線
によって劣化するため、本実施例の如く、紫外線を選択
的に吸収した後の可視光線のみを光源として用いること
により、太陽電池の寿命を向上させる優れた効果を示
す。

【００２０】本発明のメタノール合成装置の処理槽に用
いられる光透過性材料としては、ガラスが一般的である
が、紫外線領域の波長の光が透過するものであれば、合
成樹脂類を用いることができる。合成樹脂類としては、
ポリメチルメタクリレート等のアクリル樹脂、ポリカー
ボネート樹脂、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリフェ
ニレンオキサイド、ポリ塩化ビニル、スチレン−マレイ
ン酸系共重合体等及びこれらの混合物が挙げられる。合
成樹脂類は、成形性及び強度に優れ、容易に任意の処理
槽形状を成形することができるが、特に、耐候性、耐久
性に優れたものを選択する必要がある。

【００２１】本発明のメタノール合成装置の形状は、受
光部面積を広くしてなる直方体が一般的であるが、受光
面積を充分に取れるものであれば、形状は任意である。
また、実施例１の如く、処理槽内にじゃま板を設け、炭
酸ガス水溶液の液体移動経路を構成することが、水溶液
と光触媒機能を有する薄膜材料との接触面積を向上させ
るうえで好ましい。

【００２２】前記実施例は、いずれも、連続的にメタノ
ールを合成するよう形成されているが、処理槽内に一定
時間炭酸ガス水溶液を保持して反応を進行させ、得られ
たメタノールを排出口から取り出すバッチ法で合成する
こともできる。この場合、処理槽内の水溶液を攪拌する
手段、例えば、攪拌翼、ポンプを連結した液循環装置等
を設けることが好ましい。

【００２３】実施例１及び２においては、光触媒機能を
有する酸化チタン薄膜は、平面状をなすが、接触面積を
向上させるため、受光しない部分（影）を形成しない範
囲で、波型の如き曲面をなしていてもよい。また、前記
じゃま板表面にも酸化チタン製薄膜が形成されていても
よい。

【００２４】本発明のメタノール合成装置に用いられる
光触媒機能を発現する物質としては、酸化チタン等の金
属酸化物半導体が挙げられる。具体的には、特公平２−
９８５０号に記載の如き物質が挙げられ、特に、酸化チ
タン、酸化鉄、酸化銅、酸化タングステン、酸化亜鉛、
チタン酸ストロンチウム等、さらに炭化ケイ素等がひろ
く知られている。本発明のメタノール合成装置に使用す
る半導体はこれらの何れであってもよいが、反応効率及
び入手の容易さから、特に酸化チタン、酸化銅、炭化ケ
イ素が好ましい。

【００２５】酸化チタン等の触媒機能を向上させるため
に前記金属酸化物を修飾する金属又は他の金属酸化物
も、光触媒反応を更に促進させるため好適に用いられる
が、例えば、白金、金、パラジウム、銀、銅、ニッケ
ル、コバルト、ロジウム、ニオブ、スズ、酸化ルテニウ
ム、酸化ニッケルからなる群から選択される金属を併用
することが好ましく、なかでも、効果の点から白金、
金、パラジウム、銀が、さらに、加工の容易さ、価格の
点からパラジウムが好ましい。この修飾量としては、本
発明における金属酸化物に対して、０．０１〜２０重量
％の範囲内で用いることが望ましい。

【００２６】前記金属酸化物の調製法としては、例えば
金属の高温焼成、電解酸化、化学的蒸着法、真空蒸着
法、共沈法、金属ハロゲン化法等の蒸発酸化法、無機金
属塩の中和や加水分解、金属アルコキシドの加水分解、
ゾルゲル法等により調製することができる。また、市販
品を使用してもよい。また前記金属又はその他の金属酸
化物の修飾法は、含浸法、沈澱法、イオン交換法、光電
析法、練成法等の従来より用いられている方法でよい。

【００２７】装置内面への薄膜の被覆方法としては、平
面、曲面あるいは複雑な形状面を有する部材の表面の一
部又は全部に前記金属酸化物を、例えばスプレーコーテ
ィング法、ディップコーティング法、スピンコーティン
グ法、スパッタリング法等の少なくとも１つ以上の方法
によって、固定する方法、金属酸化物薄膜を予め作製
し、部材表面に接着する方法、修飾した金属酸化物等の
光触媒機能を有する材料を粉末化し、該粉体を接着剤と
ともにスプレーする方法等が挙げられる。

【００２８】本発明においては、前記装置は光に暴露さ
れていることが必要であるが、該光エネルギーは、光触
媒を励起させるのに対応した波長を有するものであっ
て、光触媒反応に寄与する約４００nm以下の紫外線波長
を多く含む光エネルギーが好ましい。該光エネルギー源
としては、太陽光の自然光光源が、最も容易に用いられ
るが、水銀灯より発する光、蛍光灯より発する光、ハロ
ゲンランプ系のフィラメントランプより生ずる光、ショ
ートアークキセノン光、レーザー光線等の人工光光源等
を用いることもできる。また、太陽光線の補助光源とし
て、人工光源を同時に使用することもできるが、本発明
の目的である、電気エネルギーを供給することなく、効
率的にメタノールを合成するという点からは、太陽光の
自然光光源が特に好ましい。

【００２９】

【発明の効果】本発明のメタノール合成装置を用いるこ
とにより、大掛かりな設備を必要とせず、電気エネルギ
ーを使用することなく、太陽光等を用いて、効率的に炭
酸ガスからメタノールを合成することができ、さらに、
太陽電池と組み合わせることにより、太陽光エネルギー
を効率的に使用し、しかも、太陽電池の耐久性を向上す
ることができる優れた効果を示す。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のメタノール合成装置の１態様を示す概
略図である。

【図２】図２は、太陽電池の受光面を設けた本発明のメ
タノール合成装置の別の態様を示す概略断面図である。

【図３】図３は、太陽光のエネルギー密度を表すグラフ
である。

【符号の説明】

１０、３０メタノール合成装置１４太陽光１６、３６酸化チタン製の薄膜３８太陽電池の受光面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者広松猛東京都江東区南砂２丁目５番14号株式会社竹中工務店技術研究所内 (72)発明者井川憲男東京都江東区南砂２丁目５番14号株式会社竹中工務店技術研究所内 (72)発明者真柄栄毅東京都江東区南砂２丁目５番14号株式会社竹中工務店技術研究所内 (72)発明者斉藤俊夫東京都江東区南砂２丁目５番14号株式会社竹中工務店技術研究所内 (72)発明者藤嶋昭神奈川県川崎市中原区中丸子710の５ (72)発明者橋本和仁神奈川県横浜市栄区小菅ケ谷町2000番地10 号南小菅ケ谷住宅２棟506号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理材料を投入しうる処理槽の、少な
くとも１面が光透過性材料で構成され、該処理槽内面の
少なくとも１面に光触媒機能を有する薄膜材料を敷設し
てなるメタノール合成装置。
【請求項２】前記処理槽の対抗する１組の面がそれぞ
れ光透過性材料で構成され、前記光触媒機能を有する薄
膜材料が光透過性薄膜であり、該薄膜を敷設した面の下
部に位置するように、太陽電池の受光部材を備えた請求
項１記載のメタノール合成装置。