JP2005087941A - Oxygen adsorbent and oxygen/nitrogen separating method using the same - Google Patents

Oxygen adsorbent and oxygen/nitrogen separating method using the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen adsorbent adsorbing oxygen selectively from an oxygen-containing gas flow and an oxygen/nitrogen separating method using the same. <P>SOLUTION: The adsorbent contains a perovskite type oxide of the formula: A<SB>1-x</SB>A'<SB>x</SB>B<SB>1-y</SB>B'<SB>y</SB>O<SB>3-z</SB>(wherein A is a lanthanoid or an alkaline earth metal element, A' is a lanthanoid, an alkaline earth metal or an alkali metal element dopant, B is one or a mixture of titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel and zinc, B' is one or a mixture of titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper and zinc and different from B). The use of the adsorbent in a PSA (pressure swing adsorption) process is also claimed. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、酸素含有ガス流から酸素を選択的に吸着する酸素吸着剤及びそれを使用した酸素と窒素の分離方法に関する。更に詳しくは、本発明は、空気のような酸素含有ガス流から酸素を選択的に吸着する酸素吸着剤及びそれを使用して酸素を分離し、除去し又は濃縮する方法に関する。   The present invention relates to an oxygen adsorbent that selectively adsorbs oxygen from an oxygen-containing gas stream and a method for separating oxygen and nitrogen using the same. More particularly, the present invention relates to an oxygen adsorbent that selectively adsorbs oxygen from an oxygen-containing gas stream such as air and a method for separating, removing or concentrating oxygen using it.

空気のような酸素含有ガス流から酸素を分離し、除去し又は濃縮するプロセスは、重要な工業的技術である。かかるプロセスでは、通常原料を空気に求めるため原料コストがかからないことから、酸素に付加される価格は、(a)分離、濃縮するのに必要な装置等の設備費、(b)装置を稼動させるに必要な諸動力費、(c)分離媒体が必要な場合、その価格及び補充費用等の要因に依存するのが普通である。   The process of separating, removing or concentrating oxygen from an oxygen-containing gas stream such as air is an important industrial technique. In such a process, since the raw material cost is usually not required because the raw material is required for air, the price added to oxygen is (a) equipment cost required for separation and concentration, (b) operating the apparatus. Usually, it depends on factors such as various power costs required for the separation, and (c) when a separation medium is required, its price and replenishment cost.

これらの要因に鑑みて経済的な見地から、従来実施されてきた酸素、窒素分離プロセスの代表的なものとして、空気を極低温に冷却して酸素、窒素の沸点の違いにより酸素と窒素とを分離する深冷分離プロセスを挙げることができる。このプロセスは、かかる動力費が少なくてすむが、大規模な設備を要する。そのため、深冷分離プロセスは、必然的に大きな投下資本を要することになり、大容量及び高純度の酸素、窒素を必要とする製鉄、化学工業等において操業する場合にのみ競合できるが、比較的小さい容量の酸素製造を所望する場合には適しないという欠点がある。   Considering these factors, from an economic point of view, as a typical example of the conventional oxygen and nitrogen separation process, air is cooled to a very low temperature, and oxygen and nitrogen are separated by the difference in boiling points of oxygen and nitrogen. A cryogenic separation process that separates may be mentioned. This process requires less power costs, but requires extensive equipment. For this reason, the cryogenic separation process inevitably requires a large investment capital, and can compete only when operating in the iron and chemical industries that require large volumes and high purity oxygen and nitrogen, There is a disadvantage that it is not suitable when small volume oxygen production is desired.

他には、近年ユニオンカーバイド社等により開発、実用化されている酸素と窒素とを分離するプロセスに、アルミノシリケート系高分子吸着剤を使用したものがある。これらのアルミノシリケート系高分子吸着剤の内で、モレキュラーシーブス5A、13X(ユニオンカーバイド社製、商品名)と称されるものは、窒素に対して極めて大きな吸着能(標準温度及び圧力においてN21.2g/吸着剤100g)を有し、窒素吸着剤として優れているため、これらの吸着剤を使用して原料空気から窒素を選択的に吸着して酸素を分離、濃縮するプロセスが実用化されている。実際には、5A、13X型モレキュラーシーブは、その吸着能がラングミュア型吸着等温線に従い、圧力が1.5ata(152kPa)に達すると圧力の増加に比しあまり吸着能が増大しないこと、また、空気のN2/O2モル比が4であるため、生産する酸素に対して極めて多量の窒素を吸着剤に吸着させて除去することが必要となる。そのため、アルミノシリケート系高分子吸着剤を使用した酸素と窒素とを分離するプロセスは、装置の大容量化に伴うスケールメリットが小さいことから、大容量設備に適合せず、小容量設備に限定されて採用されているのが実状である。 In addition, there is a method using an aluminosilicate polymer adsorbent in a process for separating oxygen and nitrogen, which has been developed and put to practical use by Union Carbide and others in recent years. Among these aluminosilicate polymer adsorbents, those called molecular sieves 5A and 13X (trade name, manufactured by Union Carbide) have an extremely large adsorption capacity for nitrogen (N 2 at standard temperature and pressure). 1.2g / 100g adsorbent) and is excellent as a nitrogen adsorbent, so a process for separating and concentrating oxygen by selectively adsorbing nitrogen from raw air using these adsorbents is put into practical use. Has been. Actually, the 5A, 13X type molecular sieve follows the Langmuir type adsorption isotherm, and when the pressure reaches 1.5 ata (152 kPa), the adsorption capacity does not increase as much as the increase in pressure. Since the N 2 / O 2 molar ratio of air is 4, it is necessary to adsorb and remove an extremely large amount of nitrogen with respect to the produced oxygen. For this reason, the process of separating oxygen and nitrogen using an aluminosilicate polymer adsorbent is not suitable for large-capacity facilities and limited to small-capacity facilities because the scale merit associated with the increased capacity of the equipment is small. The actual situation is adopted.

以上のように、酸素の分離、濃縮、除去に関しては、従来、実用上、大容量酸素製造プロセスでは、空気の極低温冷却による深冷分離プロセスが採用され、他方、小容量酸素製造プロセスでは、モレキュラーシーブスを吸着剤として用いた圧力スイング吸着(PSA)プロセスが採用されている。PSAプロセスでは、吸着工程で、空気を高い圧力で供給して窒素を吸着させて酸素を回収し、脱着工程で、減圧して吸着された窒素を脱着させて回収する方法がよく行われている。大容量及び小容量酸素製造プロセスのいずれもが動力費、設備費の低減に関しては殆ど限界に到達したと考えられる。   As described above, regarding the separation, concentration, and removal of oxygen, conventionally, in a large-capacity oxygen production process, a cryogenic separation process by cryogenic cooling of air is adopted, while in a small-capacity oxygen production process, A pressure swing adsorption (PSA) process using molecular sieves as an adsorbent is employed. In the PSA process, a method is often used in which air is supplied at a high pressure to adsorb nitrogen to recover oxygen in the adsorption process, and in the desorption process, the adsorbed nitrogen is desorbed and recovered by reducing the pressure. . Both large-capacity and small-capacity oxygen production processes are considered to have almost reached their limits in terms of reducing power costs and equipment costs.

PSAプロセスは、前述した通りに、深冷分離プロセスに比べて、用いる装置がコンパクトであることから、容易に設置でき、しかも保全も比較的容易であることから、近年広い分野に普及している。しかし、PSAプロセスは、深冷分離プロセスに比べて、製品回収率が低く、エネルギー消費が高い。そのため、PSAプロセスの一層の普及を図るには、吸着性能の高い吸着剤を見出すことが当分野で望まれている。   As described above, the PSA process is widely used in recent years because the equipment used is compact compared to the cryogenic separation process, so that it can be easily installed and is relatively easy to maintain. . However, the PSA process has a lower product recovery rate and higher energy consumption than the cryogenic separation process. Therefore, in order to further spread the PSA process, it is desired in the art to find an adsorbent with high adsorption performance.

一方、ペロブスカイト型化合物が、酸素分離用膜として用いることが教示されている(例えば、特許文献1、特許文献2及び特許文献3を参照)。これらの特許文献においては、ペロブスカイト型酸化物は、450°〜1200℃の高い温度でイオン透過膜として用いられ、酸素分圧が高い方の膜の一端側に酸素を吸着させ、吸着された酸素イオンを膜を透過させて酸素分圧が低い方の膜の他端側で酸素を脱離させる酸素選択透過膜として用いることが教示されている。ペロブスカイト型酸化物が酸素イオン透過膜として使用される場合に、要求される性能は、高い温度で高い酸素流束を有すること、すなわち膜を透過する酸素の輸送量が大きいことである。特許文献1〜3には、ペロブスカイト型酸化物を、酸素を選択的に吸着する酸素吸着剤として用いることは教示も示唆もされていない。
特開平7−172803号公報 特開2000−233120号公報 特開2000−351665号公報
On the other hand, it is taught that a perovskite type compound is used as an oxygen separation membrane (see, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3). In these patent documents, the perovskite oxide is used as an ion permeable membrane at a high temperature of 450 ° C. to 1200 ° C., and oxygen is adsorbed on one end side of the membrane having a higher oxygen partial pressure. It is taught to use as an oxygen selective permeable membrane that allows ions to permeate through the membrane and desorb oxygen at the other end of the membrane having the lower oxygen partial pressure. When a perovskite oxide is used as an oxygen ion permeable membrane, the required performance is to have a high oxygen flux at a high temperature, that is, a large amount of oxygen transported through the membrane. Patent Documents 1 to 3 do not teach or suggest that a perovskite oxide is used as an oxygen adsorbent that selectively adsorbs oxygen.
Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-172803 JP 2000-233120 A JP 2000-351665 A

また、ストロンチウム−コバルト酸化物について、酸素吸着特性を空気中温度スイング条件下で調べた結果が報告されている(例えば、非特許文献1を参照)。非特許文献1は、ストロンチウム−コバルトペロブスカイト型酸化物が、酸化物の格子の酸化物イオン空孔の中に酸素を多量に収着することができると言う従来の知見に基づいて、一部置換された該酸化物を温度変化に暴露することにより酸素の吸着及び脱着を行なわせることができることを見出した。すなわち、従来の知見に従えば、ストロンチウム−コバルトペロブスカイト型酸化物では、酸素の収着が化学吸着によって行われることから、非特許文献1は、一部置換された該酸化物が温度変化により酸素の吸着及び脱着を有効に行うため、それらが酸素富化方法に適合性を有することを提案した。非特許文献1には、ペロブスカイト構造を有する酸化物が、単に圧力を上下させることによって酸素の吸着及び脱着が容易に行われる物理吸着に優れることは開示も示唆もされていない
Solid State Ionics,2002、152−153巻、689−694頁
Moreover, the result of having investigated the oxygen adsorption | suction characteristic about the strontium cobalt oxide under the temperature swing condition in the air has been reported (for example, refer nonpatent literature 1). Non-Patent Document 1 shows that strontium-cobalt perovskite oxide is partially substituted based on the conventional knowledge that a large amount of oxygen can be sorbed into oxide ion vacancies in the oxide lattice. It has been found that oxygen adsorption and desorption can be carried out by exposing the resulting oxide to temperature changes. That is, according to the conventional knowledge, in the strontium-cobalt perovskite type oxide, the sorption of oxygen is performed by chemical adsorption. It was proposed that they are compatible with oxygen enrichment methods in order to effectively adsorb and desorb them. Non-Patent Document 1 does not disclose or suggest that an oxide having a perovskite structure is excellent in physical adsorption in which adsorption and desorption of oxygen can be easily performed by simply raising and lowering pressure.
Solid State Ionics, 2002, 152-153, 689-694

本発明は、上述した酸素製造プロセスの欠点を改善し、酸素吸着量が大きく、酸素選択性の優れた酸素吸着剤を提供し、かつ該吸着剤を用いて少ない動力原単位で酸素を容易に製造することができる酸素・窒素を分離するプロセスを提供するものである。   The present invention improves the above-described drawbacks of the oxygen production process, provides an oxygen adsorbent with a large oxygen adsorption amount and excellent oxygen selectivity, and easily uses the adsorbent to reduce oxygen with a small power unit. The present invention provides a process for separating oxygen and nitrogen that can be produced.

本発明者等は、上記の課題を達成するために、鋭意研究した結果、特定のペロブスカイト類似酸化物が、驚くべきことに酸素を物理吸着によって多量に吸着することを見出し、単に圧力を上下させることによって酸素の吸着及び脱着を容易に行うことを知見した。しかも、特定のペロブスカイト類似酸化物は、従来使用されてきた酸素吸着剤に比べて、大きな酸素吸着量及び高い酸素分離係数を有し、酸素吸着剤として使用した場合に、極めて低い動力原単位で高純度の酸素を容易に製造することができることを見出して本発明をなすに至った。
本発明において、ペロブスカイト類似酸化物とは、立方晶、六方晶及び斜方晶ペロブスカイト構造を有する酸化物、ブラウンミラライト構造を有する酸化物、及び2H−BaNiO3構造を有する酸化物を総称して言う。
As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned problems, the present inventors have found that a specific perovskite-like oxide surprisingly adsorbs a large amount of oxygen by physical adsorption, and simply raises or lowers the pressure. Thus, it has been found that oxygen can be easily adsorbed and desorbed. In addition, certain perovskite-like oxides have a large oxygen adsorption amount and a high oxygen separation coefficient compared to conventionally used oxygen adsorbents, and when used as oxygen adsorbents, they have a very low power unit. The inventors have found that high-purity oxygen can be easily produced, and have made the present invention.
In the present invention, the perovskite-like oxide is a generic term for an oxide having a cubic, hexagonal and orthorhombic perovskite structure, an oxide having a brown mirrorite structure, and an oxide having a 2H—BaNiO 3 structure. say.

かくして、本発明によれば、下記を提供する:
1.構造式A1-xA’x1-yB’y3-z(式中、Aはランタニド元素又はアルカリ土類金属元素であり、A’はランタニド元素又はアルカリ土類金属元素又はアルカリ金属元素ドーパントであり、Bはチタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛及びこれらの混合物からなる群より選定され、B’はチタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛及びこれらの混合物からなる群より選定され且つBとは異なり、xは0.0〜1.0であり、yは0.0〜1.0であり、そしてZは>0であって化学量論から決定される)によって表されるペロブスカイト類似酸化物を含む、PSAプロセスにおいて用いるための酸素吸着剤。
2.ペロブスカイト類似酸化物が構造式La1-xSrxCo1-yFey3-z(式中、xは0.05〜1.0であり、yは0.0〜0.95であり、そしてZは>0である)によって表される立方晶ペロブスカイト型酸化物である1に記載の酸素吸着剤。
3.ペロブスカイト類似酸化物が構造式La1-xSrxCo1-yFey3-z(式中、xは0.5〜1.0であり、yは0.0〜0.5であり、そしてZは9>0である)によって表される立方晶ペロブスカイト型酸化物である1又は2に記載の酸素吸着剤。
4.ペロブスカイト類似酸化物が基本構造式Sr1-xA’xCoO3-z(A’はアルカリ土類金属元素であり、xは0.0〜0.5であり、Zは>0である)によって表される2H−BaNiO3型酸化物である1に記載の酸素吸着剤。
5.酸素及び窒素を含有する混合ガスを、1〜4のいずれか一に記載の酸素吸着剤に温度室温以上及び圧力大気圧以上で流過させて酸素を該吸着剤に選択的に吸着させ、窒素を排出させて回収し、次いで圧力を下げて吸着された酸素を該吸着剤から脱着させる圧力スイングによって酸素と窒素とを分離する方法。
6.温度が200°〜700℃の範囲である5に記載の方法。
Thus, according to the present invention, the following is provided:
1. Structural formula A 1-x A ′ x B 1-y B ′ y O 3-z (where A is a lanthanide element or alkaline earth metal element, and A ′ is a lanthanide element, alkaline earth metal element or alkali B is a metal element dopant, B is selected from the group consisting of titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, zinc and mixtures thereof; B ′ is titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel Selected from the group consisting of copper, zinc and mixtures thereof and unlike B, x is 0.0 to 1.0, y is 0.0 to 1.0, and Z is> 0 An oxygen adsorbent for use in a PSA process, comprising a perovskite-like oxide represented by:
2. Perovskite-like oxide has the structural formula La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3-z (wherein x is 0.05 to 1.0 and y is 0.0 to 0.95) The oxygen adsorbent according to 1, which is a cubic perovskite oxide represented by:
3. The perovskite-like oxide has the structural formula La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3-z (wherein x is 0.5 to 1.0 and y is 0.0 to 0.5) And Z is 9> 0). 3. The oxygen adsorbent according to 1 or 2, which is a cubic perovskite oxide represented by:
4). Perovskite-like oxide has the basic structural formula Sr 1-x A ′ x CoO 3-z (A ′ is an alkaline earth metal element, x is 0.0 to 0.5, and Z is> 0) 2. The oxygen adsorbent according to 1, which is a 2H—BaNiO 3 type oxide represented by:
5). A mixed gas containing oxygen and nitrogen is passed through the oxygen adsorbent according to any one of 1 to 4 at a temperature of room temperature or higher and a pressure of atmospheric pressure or higher to selectively adsorb oxygen to the adsorbent, and nitrogen And then separating oxygen and nitrogen by a pressure swing in which the pressure is lowered and the adsorbed oxygen is desorbed from the adsorbent.
6). 6. The method according to 5, wherein the temperature is in the range of 200 ° C to 700 ° C.

本発明のペロブスカイト類似酸化物を含む酸素吸着剤は、可逆的な物理吸着による酸素吸着量が、既存の酸素吸着剤で最も酸素吸着量の大きな活性炭系酸素吸着剤に比べて大きい。従って、本発明の酸化剤を酸素、窒素分離のための圧力スイング吸着(PSA)プロセスにおいて用いた場合に、動力原単位の低減を可能にし、また装置の小型化・酸素濃縮の低廉化を可能にする。このようなペロブスカイト類似酸化物の優れた酸素の物理吸着特性に関する報告は、これまで何ら開示されていない。本発明の酸素吸着剤は、従来の既文献にいかなる示唆もされていない酸素選択型の全く新しい吸着剤であり、非常に大きな酸素吸着量と高い酸素分離係数という優れた利点を有する。   The oxygen adsorbent containing the perovskite-like oxide of the present invention has a larger amount of oxygen adsorbed by reversible physical adsorption than an activated carbon-based oxygen adsorbent having the largest oxygen adsorption amount among existing oxygen adsorbents. Therefore, when the oxidizer of the present invention is used in a pressure swing adsorption (PSA) process for separating oxygen and nitrogen, it is possible to reduce the power consumption, and to reduce the size of the apparatus and the oxygen concentration. To. No report has been disclosed so far regarding the excellent oxygen physisorption properties of such perovskite-like oxides. The oxygen adsorbent of the present invention is a completely new adsorbent of oxygen selection type which has not been suggested in any conventional literature, and has excellent advantages such as a very large oxygen adsorption amount and a high oxygen separation coefficient.

本発明の酸素吸着剤は、ペロブスカイト類似構造を有するセラミック組成物である。本発明の酸素吸着剤は、ABOタイプのものであり、そして特定のドーパントを含有する。   The oxygen adsorbent of the present invention is a ceramic composition having a perovskite-like structure. The oxygen adsorbent of the present invention is of the ABO type and contains specific dopants.

本発明の酸素吸着剤は、構造式A1-xA’x1-yB’y3-z(式中、Aはランタニド元素又はアルカリ土類金属元素であり、A’は適当なランタニド元素又はアルカリ土類金属元素又はアルカリ金属元素ドーパントであり、Bはチタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛及びこれらの混合物からなる群より選定され、B’はチタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛及びこれらの混合物からなる群より選定され且つBとは異なり、xは0.0〜1.0であり及びyは0.0〜1.0であり、好ましくはxは0.05〜1.0であり及びyは0.0〜0.95であり、一層好ましくはxは0.5〜1.0であり及びyは0.0〜0.5であり、そしてZは>0であって化学量論から決定される)によって表されるペロブスカイト類似酸化物を含む。 The oxygen adsorbent of the present invention has the structural formula A 1-x A ′ x B 1-y B ′ y O 3-z (wherein A is a lanthanide element or an alkaline earth metal element, and A ′ is an appropriate one) A lanthanide element or an alkaline earth metal element or an alkali metal element dopant, wherein B is selected from the group consisting of titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, zinc and mixtures thereof; B ′ is titanium, vanadium; , Chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc and mixtures thereof and unlike B, x is 0.0 to 1.0 and y is 0.0 to 1. 0, preferably x is 0.05 to 1.0 and y is 0.0 to 0.95, more preferably x is 0.5 to 1.0 and y is 0.0. ~ 0.5 and Z is> 0 from stoichiometry A perovskite-like oxide represented by

Sr1-xA’xCoO3-z(A’はアルカリ土類金属元素、例えばカルシウムであり、xは0.0〜0.5であり、Zは>0である)を基本構造として有する酸化物は、2H−BaNiO3構造を有するものである。ブラウンミラライト構造を有する酸化物は、ABO2.5式で表わされるのが典型的である。立方晶ペロブスカイト型酸化物は、空気中において25〜950℃の温度域で実質上安定である。ペロブスカイト類似酸化物が有する構造は、CuKα放射線を用いたX線回折分析(XRD)によって同定することができる。これらの構造を有する酸化物の形成、同定方法は、知られており、例えばIonics,2000、6巻、47−56頁に記載されている。 Sr 1-x A ′ x CoO 3-z (A ′ is an alkaline earth metal element such as calcium, x is 0.0 to 0.5, and Z is> 0) as a basic structure The oxide has a 2H—BaNiO 3 structure. The oxide having a brown mirrorite structure is typically represented by the ABO 2.5 formula. The cubic perovskite oxide is substantially stable in the temperature range of 25 to 950 ° C. in air. The structure of the perovskite-like oxide can be identified by X-ray diffraction analysis (XRD) using CuKα radiation. Methods for forming and identifying oxides having these structures are known and described, for example, in Ionics, 2000, Vol. 6, pp. 47-56.

本発明において酸素吸着剤として使用するペロブスカイト類似酸化物は、下記のようにして調製することができる。その一つとして、A、A’、B、B’の酸化物の混合粉末を焼成する固相プロセスを挙げることができる。   The perovskite-like oxide used as an oxygen adsorbent in the present invention can be prepared as follows. One of them is a solid-phase process in which a mixed powder of oxides of A, A ′, B, and B ′ is fired.

また、A、A’、B、B’の塩、例えばリン酸塩、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩等の無機酸塩;酢酸塩、シュウ酸塩、クエン酸塩等の有機酸塩;塩化物、臭化物、沃化物等のハロゲン化物;水酸化物;オキシハロゲン化物を所定の割合で混合して焼成するプロセスを挙げることができる。   A salt of A, A ′, B, B ′, for example, an inorganic acid salt such as phosphate, carbonate, nitrate, sulfate, etc .; an organic acid salt such as acetate, oxalate, citrate; chloride , Bromides, iodides and other halides; hydroxides; oxyhalides mixed at a predetermined ratio and calcined.

また、水に可溶な上記の塩を所定の割合で水に溶解し、蒸発乾固させる、又は凍結乾燥、スプレー乾燥法によって乾固させた後に焼成するプロセスによっても得ることができる。   It can also be obtained by a process in which the above-mentioned salt soluble in water is dissolved in water at a predetermined ratio and evaporated to dryness, or dried by freeze drying or spray drying and then baked.

また、水に可溶な上記の塩を水に溶解した後に、生成した水溶液をアンモニア水、苛性アルカリ溶液、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドのようなアルカリ性液中に添加するか或は生成した水溶液に上記のようなアルカリ性液を添加して水酸化物として沈殿させ、得られた沈殿を焼成するプロセスによっても得ることもできる。   Further, after dissolving the above-mentioned water-soluble salt in water, the resulting aqueous solution is added to an alkaline solution such as aqueous ammonia, caustic solution, or tetramethylammonium hydroxide, or the above-mentioned aqueous solution is added to the produced solution. It can also be obtained by a process of adding an alkaline solution such as to precipitate as a hydroxide and baking the resulting precipitate.

また、金属カチオンを加水分解するか、又は金属アルコキシドを加水分解して含水酸化物ゾルを調製する。異なるゾル溶液を混合するか、他の金属イオンを添加することにより多成分酸化物を調製する。生成した多成分酸化物のゾルを室温で風乾する、又は相互に溶解しない有機溶媒にゾル液滴を入れ、更にアンモニアガス等で処理するか、又は化学的に脱水する等によってゾルからゲルに転化させ、得られたゲルを焼成するゾル−ゲル法によっても得ることもできる。   Further, a hydrous oxide sol is prepared by hydrolyzing a metal cation or hydrolyzing a metal alkoxide. Multicomponent oxides are prepared by mixing different sol solutions or by adding other metal ions. The resulting sol of multi-component oxide is air-dried at room temperature, or sol droplets are placed in an organic solvent that does not dissolve in each other, then treated with ammonia gas, or chemically dehydrated to convert from sol to gel. The obtained gel can also be obtained by a sol-gel method of baking.

本発明において酸素吸着剤として使用するペロブスカイト類似酸化物は、粒子が小さくて比表面積が大きいのが望ましいことから、ゾルゲル法、凍結乾燥法、上記の塩を水に溶解した後に、生成した水溶液をアルカリ性液中に添加するプロセスによって調製するのが好ましい。   Since the perovskite-like oxide used as an oxygen adsorbent in the present invention preferably has small particles and a large specific surface area, a sol-gel method, a freeze-drying method, or the above-mentioned aqueous solution formed after dissolving the salt in water. It is preferable to prepare it by the process of adding in an alkaline liquid.

上記のペロブスカイト類似酸化物を調製するプロセスにおいて、焼成温度は650°〜1400℃の範囲であり、850°〜1250℃の範囲が好ましい。焼成時間は、焼成温度によっても異なるが、数時間から数十時間を要するのが普通である。   In the process of preparing the perovskite-like oxide, the firing temperature is in the range of 650 ° to 1400 ° C, preferably in the range of 850 ° to 1250 ° C. Although the firing time varies depending on the firing temperature, it usually takes several hours to several tens of hours.

実施に際しては、上述したようにして得られたペロブスカイト類似酸化物を成形して使用する。成形は、例えば酸化物を加圧下に成形し、次いで加熱焼結させることによって実施することができる。   In practice, the perovskite-like oxide obtained as described above is molded and used. The molding can be performed, for example, by molding an oxide under pressure and then sintering by heating.

また、成形体を更に加圧しながら加熱、焼結させる方法もある。   There is also a method of heating and sintering the compact while further pressing it.

焼結温度は1000°〜1500℃の範囲であり、1150°〜1350℃の範囲が好ましい。   The sintering temperature is in the range of 1000 ° C to 1500 ° C, and the range of 1150 ° C to 1350 ° C is preferable.

成形体の形状は、シート、チューブ等の任意の形状にすることができる。また、成形体を切断、切り出し、研磨、粉砕等の加工を施すことによってペレット、顆粒、球等の粒子、粉末等の所望の形状にすることも可能である。   The shape of the molded body can be any shape such as a sheet or a tube. In addition, the molded body can be formed into a desired shape such as pellets, granules, particles such as spheres, and powders by cutting, cutting, polishing, pulverization and the like.

このようにして得られたペロブスカイト類似酸化物は、従来酸素吸着剤として使用されてきた吸着剤と比べた場合に、下記に示す通りの優れた酸素吸着挙動を示す。吸着剤を再生する回数が増大しても可逆な酸素吸着量が大きく減少しないことから、酸素の有効な吸着量が大きく保たれる。酸素吸着量が、既存酸素吸着剤で最も酸素吸着量の大きな活性炭系酸素吸着剤の酸素吸着量に比べてはるかに大きい。また、酸素−窒素2成分系から酸素を吸着する場合には、殆ど窒素を吸着しないので酸素分離係数がα>100以上と、極めて高い酸素分離係数を示す。更に、構造式がLa1-xSrxCo1-yFey3-zペロブスカイト系酸化物では、x=0.9、y=0.1の時に、それぞれ可逆酸素吸着量が最大値を示す。 The perovskite-like oxide thus obtained exhibits excellent oxygen adsorption behavior as shown below when compared with adsorbents conventionally used as oxygen adsorbents. Even if the number of times the adsorbent is regenerated is increased, the reversible oxygen adsorption amount does not decrease greatly, so that the effective oxygen adsorption amount is kept large. The oxygen adsorption amount is much larger than the oxygen adsorption amount of the activated carbon oxygen adsorbent having the largest oxygen adsorption amount among the existing oxygen adsorbents. Further, when oxygen is adsorbed from an oxygen-nitrogen two-component system, since nitrogen is hardly adsorbed, the oxygen separation coefficient is α> 100 or more, indicating a very high oxygen separation coefficient. Furthermore, in the La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 -z perovskite oxide, the reversible oxygen adsorption amount is maximum when x = 0.9 and y = 0.1, respectively. Show.

上述した通りに、本発明において用いるペロブスカイト類似酸化物は、優れた酸素吸着性能を有することから、酸素含有ガス流から酸素を選択的に吸着する酸素吸着剤として使用するのに最適である。ペロブスカイト類似酸化物を酸素吸着剤として使用するプロセスの例として、上述した圧力スイング吸着(PSA)プロセス、脱着を真空下で行う真空スイング吸着(VSA)プロセス、温度をスイングさせて吸着及び脱着を行う温度スイング吸着(TSA)プロセスを挙げることができる。   As described above, the perovskite-like oxide used in the present invention has an excellent oxygen adsorption performance, and is optimal for use as an oxygen adsorbent that selectively adsorbs oxygen from an oxygen-containing gas stream. Examples of processes using perovskite-like oxides as oxygen adsorbents include the pressure swing adsorption (PSA) process described above, the vacuum swing adsorption (VSA) process in which desorption is performed under vacuum, and adsorption and desorption by swinging the temperature. A temperature swing adsorption (TSA) process may be mentioned.

本発明の酸素吸着剤を、一例として、PSAプロセスにおいて使用する場合について説明する。2つ以上の吸着塔に本発明の酸素吸着剤を顆粒、ペレット等の適当な形状で充填する。一方の吸着塔に、空気のような酸素含有ガスを圧縮器で圧力3ata(304kPa)程度以下に圧縮して吸着塔の供給端に供給する。塔に供給された酸素含有ガスは塔内を流れて吸着剤床に入り、そこで酸素が吸着剤によって選択的に吸着されて分離され、吸着されないガス、例えば窒素は床を通過して吸着塔の排出端から出、これを回収する。一方の吸着塔における酸素の吸着工程が終了したら、酸素含有ガスの供給を停止して他の吸着塔に切り替えて供給する。次に、酸素含有ガスの供給を停止した吸着塔を0.5ata(51kPa)程度以下に減圧したり、真空ポンプで吸引することにより吸着剤に吸着された酸素を脱着させて吸着剤を再生させると共に高純度酸素として回収する。吸着及び脱着操作を繰り返して連続的に酸素と窒素のような他のガスとを分離して回収する。
以下に、本発明を実施例によって一層具体的に例示するが、本発明は実施例によって制限されない。
A case where the oxygen adsorbent of the present invention is used in a PSA process will be described as an example. Two or more adsorption towers are filled with the oxygen adsorbent of the present invention in a suitable shape such as granules or pellets. In one of the adsorption towers, an oxygen-containing gas such as air is compressed by a compressor to a pressure of about 3 ata (304 kPa) or less and supplied to the supply end of the adsorption tower. The oxygen-containing gas supplied to the tower flows through the tower and enters the adsorbent bed, where oxygen is selectively adsorbed and separated by the adsorbent, and non-adsorbed gas, such as nitrogen, passes through the bed and passes through the adsorption tower. Get out of the discharge end and collect it. When the adsorption process of oxygen in one adsorption tower is completed, the supply of the oxygen-containing gas is stopped and switched to another adsorption tower. Next, the adsorption tower in which the supply of the oxygen-containing gas is stopped is depressurized to about 0.5 ata (51 kPa) or less, or sucked with a vacuum pump to desorb the adsorbed oxygen to regenerate the adsorbent. And recovered as high-purity oxygen. The adsorption and desorption operations are repeated to continuously separate and collect oxygen and other gases such as nitrogen.
Hereinafter, the present invention will be more specifically illustrated by examples, but the present invention is not limited by the examples.

本発明者等は下記のような手順でペロブスカイト類似酸化物を得た。
硝酸ランタン、硝酸ストロンチウム、硝酸コバルト、硝酸鉄の粉末をLa:Sr:Co:Fe=1:9:9:1になるように混合し、ホットプレート上80℃で、純水にて溶解した後、空気中200℃/時で350℃に昇温して30分保持した後、同じく空気中200℃/時で1000℃に昇温して10時間保持してペロブスカイト型酸化物粉末を調製した。酸化物粉末がペロブスカイト型構造を有することは、CuKα放射線を用いたX線回折分析(XRD)によって確認した。この粉末16gにカオリン4g、セルロース4g、純水2gを加えてペロブスカイト系酸化物原料ケーキを調製し、これを押し出し成形機に荷重100kgを加えて直径1.6mmφのペレットを得た。このペレットを空気中200℃/時で800℃に昇温して1時間保持して活性化したペロブスカイト型酸化物ペレットを調製した。(以下LSCFペレットと記述する。)
The inventors obtained a perovskite-like oxide by the following procedure.
After mixing powders of lanthanum nitrate, strontium nitrate, cobalt nitrate, and iron nitrate so that La: Sr: Co: Fe = 1: 9: 9: 1 and dissolving in pure water at 80 ° C. on a hot plate Then, the temperature was raised to 350 ° C. at 200 ° C./hour in the air and held for 30 minutes, and similarly, the temperature was raised to 1000 ° C. at 200 ° C./hour in the air and held for 10 hours to prepare a perovskite oxide powder. It was confirmed by X-ray diffraction analysis (XRD) using CuKα radiation that the oxide powder had a perovskite structure. A perovskite oxide raw material cake was prepared by adding 4 g of kaolin, 4 g of cellulose, and 2 g of pure water to 16 g of this powder, and a load of 100 kg was applied to an extruder to obtain pellets having a diameter of 1.6 mmφ. The pellets were heated to 800 ° C. at 200 ° C./hour in the air and held for 1 hour to prepare activated perovskite oxide pellets. (Hereinafter referred to as LSCF pellets.)

以下図1にて酸素−窒素2成分からの酸素吸着性能の評価法について説明する。   Hereinafter, an evaluation method of oxygen adsorption performance from two components of oxygen-nitrogen will be described with reference to FIG.

図1はLSCFの酸素吸着特性を計測するために本発明者等が試作した装置の概略説明図である。   FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of an apparatus experimentally manufactured by the present inventors in order to measure the oxygen adsorption characteristics of LSCF.

1aは酸素ボンベ、1bはヘリウムボンベである。ボンベ1a、1bを出た酸素、ヘリウムは減圧器2、2’を経て質量流量計3、3’で任意の酸素濃度になるように流量調整されてバルブ4に至る。減圧器2、2’とバルブ4との間にブルドン管式圧力計5が設置され圧力の測定が可能であり、本試験では減圧器2、2’とブルドン管式圧力計5により入口圧力を120kPaに設定した。内径10mmφ、長さ300mmの石英ガラス製の吸着塔6には15gのLSCFペレット7が充填されており、吸着塔6の温度は温度制御装置9で制御されたヒーター8の中に設置されているため、吸着温度を室温から1000℃の間で変更可能である。バルブ4、バルブ10を開き、任意の酸素濃度の酸素−ヘリウム混合ガスを100mlN/分で供給し、出口酸素濃度の経時変化をジルコニア酸素濃淡電池式の酸素濃度計11で計測した。出口酸素濃度が入口酸素濃度に等しくなる破過条件に達すると、バルブ4、10を閉じ、バルブ12、13を開いて、吸着塔6の後方から前方に減圧器2”、質量流量計3”を介してヘリウム1bを流して吸着された酸素の中の可逆成分の脱着を行ない脱着ガス中の酸素濃度の検出を行う。脱着ヘリウムに酸素が検出されなくなると、バルブ4、10を開き、バルブ12、13を閉じて酸素−ヘリウム混合ガスを100mlN/分で供給し、出口酸素濃度の経時変化をジルコニア酸素濃淡電池式の酸素濃度計11で計測した。   1a is an oxygen cylinder and 1b is a helium cylinder. Oxygen and helium that have exited the cylinders 1a and 1b pass through the decompressors 2 and 2 ', and the flow rate is adjusted by the mass flow meters 3 and 3' so that an arbitrary oxygen concentration is obtained. A Bourdon tube pressure gauge 5 is installed between the pressure reducers 2, 2 ′ and the valve 4 to measure the pressure. In this test, the inlet pressure is reduced by the pressure reducers 2, 2 ′ and the Bourdon tube pressure gauge 5. Set to 120 kPa. An adsorption tower 6 made of quartz glass having an inner diameter of 10 mmφ and a length of 300 mm is filled with 15 g of LSCF pellets 7, and the temperature of the adsorption tower 6 is set in a heater 8 controlled by a temperature controller 9. Therefore, the adsorption temperature can be changed between room temperature and 1000 ° C. The valve 4 and the valve 10 were opened, an oxygen-helium mixed gas having an arbitrary oxygen concentration was supplied at 100 ml N / min, and the change with time in the outlet oxygen concentration was measured with a zirconia oxygen concentration cell type oxygen concentration meter 11. When a breakthrough condition in which the outlet oxygen concentration becomes equal to the inlet oxygen concentration is reached, the valves 4 and 10 are closed, the valves 12 and 13 are opened, the decompressor 2 ″ and the mass flow meter 3 ″ from the rear of the adsorption tower 6 to the front. The reversible component in the adsorbed oxygen is desorbed by flowing helium 1b through the gas, and the oxygen concentration in the desorbed gas is detected. When oxygen is no longer detected in the desorbed helium, the valves 4 and 10 are opened, the valves 12 and 13 are closed, and an oxygen-helium mixed gas is supplied at 100 ml N / min, and the change in the outlet oxygen concentration with time is measured with a zirconia oxygen concentration cell type. It measured with the oxygen concentration meter 11.

LSCFの酸素吸着挙動の一例として本発明で得られたLa:Sr:Co:Fe=1:9:9:1の組成を有するペロブスカイト類似化合物の入口酸素濃度4vol%、吸着温度400℃における第1回、第2回の酸素濃度の経時変化(破過曲線)及びブランク試験(吸着剤を入れずに試験をしたときの破過曲線)を図2に示す。   As an example of the oxygen adsorption behavior of LSCF, the first perovskite-like compound having a composition of La: Sr: Co: Fe = 1: 9: 9: 1 obtained in the present invention has an inlet oxygen concentration of 4 vol% and an adsorption temperature of 400 ° C. FIG. 2 shows the first and second oxygen concentration changes over time (breakthrough curve) and a blank test (breakthrough curve when the test was performed without an adsorbent).

図2において横軸は、経過時間であり、1目盛は1分である。縦軸はO2濃度であり単位はvol%である。なお、入口側酸素濃度を示すため、入口酸素濃度C0のところに基準線を記し、第1回の破過曲線を二点鎖線で、第2回の破過曲線を破線で、ブランク試験を一点鎖線で示す。
ここで入口ガス量G0(mlN/min)、酸素濃度C0(−)、出口ガス量G1(t)(mlN/min)、酸素濃度C1(t)(−)、吸着剤7の充填量をw(g)とすると第1回の酸素吸着量q(mlN/g)は、
1(t)=G0(1−C0)/(1−C1(t)) (1)
q=∫G00−G1(t)C1(t)dt/W (2)
で与えられ図2の面積ABCDに比例する。第1回破過曲線計測ではLSCFは酸素を全く吸着していないため可逆(物理)吸着成分qrevも不可逆(化学)吸着成分qirevも吸着するので全吸着量qtot(=qrev+qirev)が計測される。
In FIG. 2, the horizontal axis represents elapsed time, and one scale is 1 minute. The vertical axis represents the O 2 concentration and the unit is vol%. In order to indicate the oxygen concentration on the inlet side, a reference line is written at the inlet oxygen concentration C 0 , the first breakthrough curve is indicated by a two-dot chain line, the second breakthrough curve is indicated by a broken line, and a blank test is performed. Shown with a dashed line.
Here, the inlet gas amount G 0 (mlN / min), the oxygen concentration C 0 (−), the outlet gas amount G 1 (t) (mlN / min), the oxygen concentration C 1 (t) (−), the adsorbent 7 When the filling amount is w (g), the first oxygen adsorption amount q (mlN / g) is
G 1 (t) = G 0 (1-C 0 ) / (1-C 1 (t)) (1)
q = ∫G 0 C 0 -G 1 (t) C 1 (t) dt / W (2)
Is proportional to the area ABCD in FIG. In the first breakthrough curve measurement, since LSCF does not adsorb oxygen at all, reversible (physical) adsorbed component q rev and irreversible (chemical) adsorbed component q irev are adsorbed, so total adsorbed amount q tot (= q rev + q irev ) Is measured.

次にLSCFの第2回目の破過曲線は第1回目の破過曲線よりも短時間で入口酸素濃度に戻った。第2回目の破過曲線と第3回目以降はほぼ同一の形状であったので可逆吸着成分に対応する吸着量が計測されたと判断した。従来使用されてきた吸着剤は、回数が多くなるにつれて、破過曲線が現れる時間が早くなる、つまり不可逆な酸素吸着量が多くなり、可逆な酸素吸着量が少なくなるのが普通であった。このことは、従来使用されてきた吸着剤では、回数が多くなるにつれて、酸素の有効な吸着量が少なくなくなり、吸着性能が低下するのが普通であった。   Next, the second breakthrough curve of LSCF returned to the inlet oxygen concentration in a shorter time than the first breakthrough curve. Since the second breakthrough curve and the third and subsequent rounds had almost the same shape, it was determined that the adsorption amount corresponding to the reversible adsorption component was measured. In conventional adsorbents, as the number of times increases, the time for the breakthrough curve to appear becomes earlier, that is, the amount of irreversible oxygen adsorption increases, and the amount of reversible oxygen adsorption usually decreases. This is because, with the adsorbents that have been used in the past, as the number of times increases, the effective adsorption amount of oxygen does not decrease, and the adsorption performance usually decreases.

LSCFの酸素吸着性能を示すと、ここで入口ガス量GO(mlN/min)、酸素濃度C0(−)、出口ガス量G1’(t)(mlN/min)、酸素濃度C1’(t)(−)、吸着剤7の充填量をw(g)とすると第2回の酸素吸着量q’(mlN/g)は、
1’(t)=G0(1−C0)/(1−Cl’(t)) (3)
q=∫G00−G1’(t)C1’(t)dt/W (4)
で与えられ図2の面積AEFDに比例する。第2回破過曲線計測ではLSCFは不可逆な酸素吸着成分を有しているため、可逆吸着成分qrevが計測される。従って第1回の破過曲線の全吸着量qtotと第2回の破過曲線qrevから不可逆吸着成分qirev(=qtot−qrev)が求められる。
The oxygen adsorption performance of LSCF is shown here. Inlet gas amount G O (mlN / min), oxygen concentration C 0 (−), outlet gas amount G 1 ′ (t) (ml N / min), oxygen concentration C 1 ′ (T) When (−) and the filling amount of the adsorbent 7 is w (g), the second oxygen adsorption amount q ′ (mlN / g) is
G 1 ′ (t) = G 0 (1−C 0 ) / (1−C 1 ′ (t)) (3)
q = ∫G 0 C 0 -G 1 '(t) C 1 ' (t) dt / W (4)
Is proportional to the area AEFD of FIG. In the second breakthrough curve measurement, since the LSCF has an irreversible oxygen adsorption component, the reversible adsorption component q rev is measured. Therefore, the irreversible adsorption component q irev (= q tot −q rev ) is obtained from the total adsorption amount q tot of the first breakthrough curve and the second breakthrough curve q rev .

図2から判るように酸素濃度4vol%、吸着温度400℃におけるLSCF(La:Sr:Co:Fe=1:9:9:1)の可逆酸素吸着量qrevは9mlN/gであり、これは既存酸素吸着剤で最も酸素吸着量の大きな活性炭系酸素吸着剤MSC−3Aの25℃、4vol%の可逆酸素吸着量の30倍になる。MSC−3Aを酸素−窒素2成分系からの酸素吸着剤に使用する場合には酸素分離係数α(同一酸素、窒素分圧における酸素、窒素吸着量比(qo2/Co2)/(qn2/Cn2))が3程度と窒素の共吸着による性能低下が避けられなかったが、LSCFでは殆ど窒素を吸着しないのでα>100以上と完全な酸素吸着性を示す。 As can be seen from FIG. 2, the reversible oxygen adsorption amount q rev of LSCF (La: Sr: Co: Fe = 1: 9: 9: 1) at an oxygen concentration of 4 vol% and an adsorption temperature of 400 ° C. is 9 ml N / g. This is 30 times the reversible oxygen adsorption amount at 25 ° C. and 4 vol% of the activated carbon-based oxygen adsorbent MSC-3A having the largest oxygen adsorption amount among existing oxygen adsorbents. When MSC-3A is used as an oxygen adsorbent from an oxygen-nitrogen binary system, the oxygen separation coefficient α (same oxygen, oxygen at nitrogen partial pressure, nitrogen adsorption amount ratio (qo 2 / Co 2 ) / (qn 2 / Cn 2 )) is about 3 and performance degradation due to co-adsorption of nitrogen is unavoidable, but LSCF hardly adsorbs nitrogen, so α> 100 or more and complete oxygen adsorption property is exhibited.

図3はLSCF(La:Sr:Co:Fe=1:9:9:1)の吸着温度400℃、酸素分圧0〜100kPaにおける可逆、不可逆酸素吸着量の吸着等温線である。酸素分圧の上昇に伴い酸素吸着量は増大するが高酸素分圧側で吸着量は鈍化する。また、可逆酸素吸着量は窒素吸着量の100倍以上であり空気分離に適用する場合には圧力スイング法(以下PSA)への適用が考えられる。   FIG. 3 is an adsorption isotherm of LSCF (La: Sr: Co: Fe = 1: 9: 9: 1) at an adsorption temperature of 400 ° C. and an oxygen partial pressure of 0 to 100 kPa. As the oxygen partial pressure increases, the amount of oxygen adsorption increases, but the amount of adsorption decreases on the high oxygen partial pressure side. Further, the reversible oxygen adsorption amount is 100 times or more the nitrogen adsorption amount, and when applied to air separation, application to the pressure swing method (hereinafter referred to as PSA) is conceivable.

図4はペロブスカイト型酸化物LSCF(La:Sr:Co:Fe=1:9:9:1)の吸着温度50°〜700℃、酸素分圧4kPaにおける可逆、不可逆酸素吸着量の吸着等圧線であり、流通法に従って得たものである。吸着温度の室温から250℃近辺迄の上昇に対しては不可逆な酸素吸着量は上昇するがそれ以上の高い温度では酸素吸着量は減少する。これに対し、可逆な酸素吸着量は、室温から200℃近辺迄は不安定な挙動を取るが、200℃近辺から400℃近辺にかけて増大し、400℃近辺を超える高い温度では減少する。このため、全吸着量は、300℃近辺迄は増大するが、300℃近辺を超えると減少する。尚、可逆酸素吸着量は、200℃近辺で、約1mlN/g(4vol%)の最小値を示すが、この値でも現状で最も酸素吸着量の大きなMSC−3Aの0.3mlN/g(4vol%)を大きく上回る。   FIG. 4 is an adsorption isobaric line of a reversible, irreversible oxygen adsorption amount of perovskite oxide LSCF (La: Sr: Co: Fe = 1: 9: 9: 1) at an adsorption temperature of 50 ° to 700 ° C. and an oxygen partial pressure of 4 kPa. , Obtained according to the distribution law. When the adsorption temperature increases from room temperature to around 250 ° C., the irreversible oxygen adsorption amount increases, but at higher temperatures, the oxygen adsorption amount decreases. On the other hand, the reversible oxygen adsorption amount exhibits an unstable behavior from room temperature to around 200 ° C., but increases from around 200 ° C. to around 400 ° C., and decreases at a high temperature exceeding around 400 ° C. For this reason, the total adsorption amount increases up to around 300 ° C., but decreases when it exceeds around 300 ° C. The reversible oxygen adsorption amount shows a minimum value of about 1 ml N / g (4 vol%) at around 200 ° C. Even at this value, 0.3 ml N / g (4 vol) of MSC-3A having the largest oxygen adsorption amount at present. %).

本発明のペロブスカイト類似酸化物をPSAプロセスにおいて酸素吸着剤として用いる場合、温度が200°〜700℃の範囲で作動させるのが好ましい。温度が200℃よりも低いと、安定した吸着性能が得られない恐れがあり、また、温度が700℃よりも高いと、温度を高くするための運転コストが増大し、好ましくない。   When the perovskite-like oxide of the present invention is used as an oxygen adsorbent in the PSA process, it is preferably operated at a temperature in the range of 200 ° C to 700 ° C. If the temperature is lower than 200 ° C., stable adsorption performance may not be obtained, and if the temperature is higher than 700 ° C., the operation cost for increasing the temperature increases, which is not preferable.

上に比較して示した通りに、ペロブスカイト類似酸化物(La:Sr:Co:Fe=1:9:9:1)の優れた酸素吸着特性が確認できたので、酸素吸着性能とLSCFの組成の関係を把握した。   As shown above, since the excellent oxygen adsorption characteristics of the perovskite-like oxide (La: Sr: Co: Fe = 1: 9: 9: 1) were confirmed, the oxygen adsorption performance and the composition of LSCF Grasped the relationship.

図5はLa:Sr:Co:Feの組成を10(1−x):10x:9:1(0≦x≦1.0)で変更した際の吸着温度400℃、酸素分圧4kPaにおける可逆酸素吸着量を示す。x=0.9の時に、可逆酸素吸着量が最大値を示す。   FIG. 5 shows reversibility at an adsorption temperature of 400 ° C. and an oxygen partial pressure of 4 kPa when the composition of La: Sr: Co: Fe is changed to 10 (1-x): 10x: 9: 1 (0 ≦ x ≦ 1.0). Indicates the oxygen adsorption amount. When x = 0.9, the reversible oxygen adsorption amount shows the maximum value.

図6はLa:Sr:Co:Feの組成を1:9:10(1−y):10y(0≦y≦1.0)で変更した際の吸着温度400℃、酸素分圧4kPaにおける可逆酸素吸着量を示す。y=0.1の時に、可逆酸素吸着量が最大値を示す。   FIG. 6 shows reversibility at an adsorption temperature of 400 ° C. and an oxygen partial pressure of 4 kPa when the composition of La: Sr: Co: Fe is changed to 1: 9: 10 (1-y): 10y (0 ≦ y ≦ 1.0). Indicates the oxygen adsorption amount. When y = 0.1, the reversible oxygen adsorption amount shows the maximum value.

以上説明したように、本発明の酸素吸着剤は、従来の既文献にいかなる示唆もされていない酸素選択型の全く新しい吸着剤であり、非常に大きな酸素吸着量と高い分離係数という優れた利点を有する。   As described above, the oxygen adsorbent of the present invention is a completely new adsorbent of oxygen selection type that has not been suggested in any conventional literature, and has the excellent advantage of a very large oxygen adsorption amount and a high separation factor. Have

本発明の酸素吸着剤は、その適用する範囲が極めて広く例えば酸素吸着剤を利用した酸素濃縮装置に適用する場合、PSAに適用することが可能であり、従来のN2吸着型モレキュラーシーブスの吸着性能をはるかに凌駕し装置の小型化・酸素濃縮の低廉化への道を開くものである。
また、本発明酸素吸着剤を酸素除去に利用するならば極めて安価な窒素製造を提供することとなる。
いずれにしても、図3〜図6の酸素吸着等温線、酸素吸着等圧線、最適LSCF組成条件の把握でPSA、TSA条件における酸素濃縮装置、窒素濃縮装置の設計、製作が可能となる。
The oxygen adsorbent of the present invention has a very wide application range, and can be applied to PSA when applied to, for example, an oxygen concentrator using an oxygen adsorbent. Adsorption of a conventional N 2 adsorption type molecular sieve This will far outperform the performance and open the way to downsizing the equipment and reducing the oxygen concentration.
Further, if the oxygen adsorbent of the present invention is used for oxygen removal, extremely inexpensive nitrogen production can be provided.
In any case, it becomes possible to design and manufacture an oxygen concentrator and a nitrogen concentrator under the PSA and TSA conditions by grasping the oxygen adsorption isotherm, oxygen adsorption isobaric line, and optimum LSCF composition conditions of FIGS.

以下、本発明の酸素吸着剤を、酸素を選択的に吸着し、分離する圧力スイング式酸素製造装置に適用する実施例について説明する。   Hereinafter, an embodiment in which the oxygen adsorbent of the present invention is applied to a pressure swing type oxygen production apparatus that selectively adsorbs and separates oxygen will be described.

図7は本発明の圧力スイング式酸素製造装置の概略説明図である。図7において、111〜118は自動切換弁、119、120は本発明酸素吸着剤を充填した吸着塔、122、123は脱湿、脱炭酸ガス用吸着塔、125は空気−窒素熱交換器、126は空気−酸素熱交換器、127は空気加熱器、129は絞り弁であり、自動切換弁等を制御するための制御装置等は図示を省略した。   FIG. 7 is a schematic explanatory view of the pressure swing type oxygen production apparatus of the present invention. In FIG. 7, 111 to 118 are automatic switching valves, 119 and 120 are adsorption towers filled with the oxygen adsorbent of the present invention, 122 and 123 are dehumidification and decarbonation gas adsorption towers, 125 is an air-nitrogen heat exchanger, 126 is an air-oxygen heat exchanger, 127 is an air heater, 129 is a throttle valve, and a control device for controlling an automatic switching valve or the like is not shown.

今、吸着塔119が吸着工程にあり、吸着塔120が再生工程にある。原料空気を空気ブロワー121によって加圧してから、吸着塔122で脱湿、脱炭酸を行ってから、窒素熱交換器125、空気−酸素熱交換器126、空気加熱器127で250℃に加熱して弁114を通して吸着塔119に供給する。吸着塔119内の吸着剤に加圧空気中の酸素が選択的に吸着され、窒素富化空気が弁111を通って同塔から送出される。この時、吸着塔119に付設した弁111、114は開、弁112、117は閉となっている。
他方、吸着塔120は吸着塔119において吸着操作を行っている間に、まず吸着塔120内の吸着剤の減圧再生を行う。即ち、この時吸着塔120に付設した弁115〜118のうち弁115、116、118は閉、弁117は開とし吸着塔120内を脱着圧力(真空圧力)になるまで真空ポンプ128で減圧して、吸着工程において吸着していた吸着成分の一部を脱着し、酸素富化空気が弁17を通って同塔から回収される。
Now, the adsorption tower 119 is in the adsorption process, and the adsorption tower 120 is in the regeneration process. The raw material air is pressurized by the air blower 121, dehumidified and decarboxylated by the adsorption tower 122, and then heated to 250 ° C. by the nitrogen heat exchanger 125, the air-oxygen heat exchanger 126, and the air heater 127. Then, it is supplied to the adsorption tower 119 through the valve 114. Oxygen in the pressurized air is selectively adsorbed by the adsorbent in the adsorption tower 119, and nitrogen-enriched air is sent from the tower through the valve 111. At this time, the valves 111 and 114 attached to the adsorption tower 119 are open, and the valves 112 and 117 are closed.
On the other hand, while the adsorption tower 120 is performing the adsorption operation in the adsorption tower 119, the adsorbent in the adsorption tower 120 is first regenerated under reduced pressure. That is, among the valves 115 to 118 attached to the adsorption tower 120 at this time, the valves 115, 116, and 118 are closed, the valve 117 is opened, and the inside of the adsorption tower 120 is depressurized by the vacuum pump 128 until the desorption pressure (vacuum pressure) is reached. Thus, part of the adsorbed components adsorbed in the adsorption step is desorbed, and oxygen-enriched air is recovered from the tower through the valve 17.

減圧工程が終了すると同時に弁118が開となり、窒素を送風手段(図示省略)により絞り弁129及び弁118を通して吸着塔120内に送入し、吸着圧に等しい圧力迄昇圧する。
上記の工程が終了すると同時に、吸着塔120は吸着工程に移り、同時に吸着塔119は再生工程に移る。
Simultaneously with the completion of the decompression step, the valve 118 is opened, and nitrogen is sent into the adsorption tower 120 through the throttle valve 129 and the valve 118 by a blowing means (not shown), and the pressure is increased to a pressure equal to the adsorption pressure.
At the same time as the above steps are completed, the adsorption tower 120 moves to the adsorption process, and at the same time, the adsorption tower 119 moves to the regeneration process.

上記のように、吸着工程と再生工程を連続的に繰り返すことにより酸素富化空気及び(又は)窒素富化空気を取出すものである。
この実施例では、内径50mmφ、長さ600mmの吸着塔に直径約1.6mmの球状に成型したLSCF(La:Sr:Co:Fe=1:9:9:1)を1Kg充填し、供給空気圧力を120kPa、再生圧力50kPa間でスイングし、入口空気流量を6.6 l(リットル)N/分、温度250℃の高温条件で吸着分離した。
As described above, oxygen-enriched air and / or nitrogen-enriched air is taken out by continuously repeating the adsorption step and the regeneration step.
In this embodiment, 1 kg of LSCF (La: Sr: Co: Fe = 1: 9: 9: 1) formed into a spherical shape having a diameter of about 1.6 mm is packed in an adsorption tower having an inner diameter of 50 mmφ and a length of 600 mm, and supplied air Swing was performed between a pressure of 120 kPa and a regeneration pressure of 50 kPa, and the adsorption separation was performed under high temperature conditions of an inlet air flow rate of 6.6 l (liter) N / min and a temperature of 250 ° C.

この時の図7における、バルブ111、116後方の製品窒素濃度、同窒素分離量、バルブ13、17後方の製品酸素濃度、同酸素回収量を表1に記す。本発明のLSCFを使用したPSAによる空気からの酸素、窒素分離では吸着工程出口の窒素濃度は99vo1%を越えその回収率は90%を越える。また、脱着工程における酸素濃度は70vol%に達しその回収率は95%を越える。本装置の実用規模(入口空気量1,000m3N/h程度)における酸素、窒素製造における消費電力は0.25kWh/m3NN2、0.08kWh/m3NN2と酸素で従来法(深冷法)の75%、窒素で50%への消費電力低減が可能と予想される。 Table 1 shows the product nitrogen concentration and the nitrogen separation amount behind the valves 111 and 116, the product oxygen concentration and the oxygen recovery amount behind the valves 13 and 17 in FIG. In the separation of oxygen and nitrogen from air by PSA using the LSCF of the present invention, the nitrogen concentration at the adsorption process outlet exceeds 99 vol. 1% and the recovery rate exceeds 90%. In addition, the oxygen concentration in the desorption process reaches 70 vol%, and the recovery rate exceeds 95%. The power consumption in the production of oxygen and nitrogen on the practical scale of this equipment (inlet air volume of about 1,000 m 3 N / h) is 0.25 kWh / m 3 NN 2 , 0.08 kWh / m 3 NN 2 and oxygen in the conventional method ( It is expected that power consumption can be reduced to 75% of the deep cooling method) and 50% with nitrogen.

表1
吸着塔形状 内径50mm×高さ600mm
吸着剤充填量 1kg/塔
塔数 2
吸着圧力 120kPa
再生圧力 5kPa
吸着温度 250℃
サイクル時間 2分(吸着時間1分、再生時間1分)
入口ガス量 396 lN/時
入口酸素濃度 20.8vol%
出口ガス量 282 lN/時
出口酸素濃度 1vol%
脱着ガス量 114 lN/時
脱着酸素濃度 70vol%
Table 1
Adsorption tower shape Inner diameter 50mm x Height 600mm
Adsorbent filling amount 1kg / number of towers 2
Adsorption pressure 120kPa
Regeneration pressure 5kPa
Adsorption temperature 250 ℃
Cycle time 2 minutes (adsorption time 1 minute, regeneration time 1 minute)
Inlet gas amount 396 lN / hour Inlet oxygen concentration 20.8 vol%
Outlet gas amount 282 lN / hour Outlet oxygen concentration 1 vol%
Desorbed gas volume 114 lN / hour Desorbed oxygen concentration 70 vol%

本発明の酸素吸着剤は、その適用する範囲が極めて広く例えば酸素吸着剤を利用した酸素濃縮装置に適用する場合、PSAへの適用可能であり、従来のN2吸着型モレキュラーシーブスの吸着性能をはるかに凌駕し装置の小型化・酸素濃縮の低廉化への道を開くものである。
また、本発明の酸素吸着剤を酸素除去に利用するならば極めて安価な窒素製造を提供することとなる。
The oxygen adsorbent of the present invention has a very wide range of application, for example, when applied to an oxygen concentrator using an oxygen adsorbent, it can be applied to PSA, and the adsorption performance of conventional N 2 adsorption type molecular sieves is improved. By far surpassing, it opens the way to downsizing of equipment and cost reduction of oxygen concentration.
Further, if the oxygen adsorbent of the present invention is used for oxygen removal, extremely inexpensive nitrogen production can be provided.

本発明に関しその効果を確認するために使用した実験装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the experimental apparatus used in order to confirm the effect regarding this invention. LSCF(La:Sr:Co:Fe=1:9:9:1)の破過曲線である。It is a breakthrough curve of LSCF (La: Sr: Co: Fe = 1: 9: 9: 1). LSCF(La:Sr:Co:Fe=1:9:9:1)の酸素吸着等温線である。It is an oxygen adsorption isotherm of LSCF (La: Sr: Co: Fe = 1: 9: 9: 1). LSCF(La:Sr:Co:Fe=1:9:9:1)の酸素吸着等圧線である。It is an oxygen adsorption isobaric line of LSCF (La: Sr: Co: Fe = 1: 9: 9: 1). LSCFの組成を10(1−x):10x:9:1(0≦x≦1.0)で変更した際の酸素吸着性能を示す。The oxygen adsorption performance when the composition of LSCF is changed at 10 (1-x): 10x: 9: 1 (0 ≦ x ≦ 1.0) is shown. LSCFの組成を1:9:10(1−y):10y(0≦y≦1.0)で変更した際の酸素吸着性能を示す。The oxygen adsorption performance when the composition of LSCF is changed by 1: 9: 10 (1-y): 10y (0 ≦ y ≦ 1.0) is shown. 本発明の実施態様のフローを示す図である。It is a figure which shows the flow of the embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1a 酸素ボンベ
1b ヘリウムボンベ
2、2’、2” 減圧器
3、3’、3” 質量流量計
5 ブルドン管式圧力計
6 吸着塔
7 吸着剤
9 温度制御装置
11 酸素濃度計
119、120 吸着塔
122、123 脱湿、脱炭酸ガス用吸着塔
129 絞り弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a Oxygen cylinder 1b Helium cylinder 2, 2 ', 2 "Pressure reducer 3, 3', 3" Mass flow meter 5 Bourdon tube pressure gauge 6 Adsorption tower 7 Adsorbent 9 Temperature control apparatus 11 Oxygen concentration meter 119, 120 Adsorption tower 122, 123 Adsorption tower for dehumidification and decarbonation gas 129 Throttle valve

Claims (6)

構造式A1-xA’x1-yB’y3-z(式中、Aはランタニド元素又はアルカリ土類金属元素であり、A’はランタニド元素又はアルカリ土類金属元素又はアルカリ金属元素ドーパントであり、Bはチタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛及びこれらの混合物からなる群より選定され、B’はチタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛及びこれらの混合物からなる群より選定され且つBとは異なり、xは0.0〜1.0であり、yは0.0〜1.0であり、そしてZは>0であって化学量論から決定される)によって表されるペロブスカイト類似酸化物を含む、PSAプロセスにおいて用いるための酸素吸着剤。 Structural formula A 1-x A ′ x B 1-y B ′ y O 3-z (where A is a lanthanide element or alkaline earth metal element, and A ′ is a lanthanide element, alkaline earth metal element or alkali B is a metal element dopant, B is selected from the group consisting of titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, zinc and mixtures thereof; B ′ is titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel Selected from the group consisting of copper, zinc and mixtures thereof and unlike B, x is 0.0 to 1.0, y is 0.0 to 1.0, and Z is> 0 An oxygen adsorbent for use in a PSA process, comprising a perovskite-like oxide represented by: ペロブスカイト類似酸化物が構造式La1-xSrxCo1-yFey3-z(式中、xは0.05〜1.0であり、yは0.0〜0.95であり、そしてZは>0である)によって表される立方晶ペロブスカイト型酸化物である請求項1記載の酸素吸着剤。 Perovskite-like oxide has the structural formula La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3-z (wherein x is 0.05 to 1.0 and y is 0.0 to 0.95) And oxygen is a cubic perovskite oxide represented by: Z is> 0. ペロブスカイト類似酸化物が構造式La1-xSrxCo1-yFey3-z(式中、xは0.5〜1.0であり、yは0.0〜0.5であり、そしてZは>0である)によって表される立方晶ペロブスカイト型酸化物である請求項1又は請求項2記載の酸素吸着剤。 The perovskite-like oxide has the structural formula La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3-z (wherein x is 0.5 to 1.0 and y is 0.0 to 0.5) The oxygen adsorbent according to claim 1 or 2, which is a cubic perovskite oxide represented by: ペロブスカイト類似酸化物が基本構造式Sr1-xA’xCoO3-z(A’はアルカリ土類金属元素であり、xは0.0〜0.5であり、Zは>0である)によって表される2H−BaNiO3型酸化物である請求項1記載の酸素吸着剤。 Perovskite-like oxide has the basic structural formula Sr 1-x A ′ x CoO 3-z (A ′ is an alkaline earth metal element, x is 0.0 to 0.5, and Z is> 0) The oxygen adsorbent according to claim 1, which is a 2H—BaNiO 3 type oxide represented by: 酸素及び窒素を含有する混合ガスを、請求項1〜請求項4のいずれか一記載の酸素吸着剤に温度室温以上及び圧力大気圧以上で流過させて酸素を該吸着剤に選択的に吸着させ、窒素を排出させて回収し、次いで圧力を下げて吸着された酸素を該吸着剤から脱着させる圧力スイングによって酸素と窒素とを分離する方法。 A mixed gas containing oxygen and nitrogen is passed through the oxygen adsorbent according to any one of claims 1 to 4 at a temperature of room temperature or higher and a pressure of atmospheric pressure or higher to selectively adsorb oxygen to the adsorbent. And then draining and recovering nitrogen, and then reducing the pressure to separate oxygen and nitrogen by a pressure swing that desorbs adsorbed oxygen from the adsorbent. 温度が200°〜700℃の範囲である請求項5記載の方法。 The method of claim 5, wherein the temperature is in the range of 200 ° C to 700 ° C.
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