JP2005238160A - Gas adsorption method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a more efficient gas adsorption method employing a gas adsorption material. <P>SOLUTION: The gas adsorption method comprises the use of the gas adsorption material, where an absorption and desorption isotherm to at least one kind of gases shows a hysteresis loop, to allow a gas in which the absorption and desorption isotherm to the gas adsorption material shows the hysteresis loop to be absorbed by the gas adsorption material. When the gas is adsorbed by the gas adsorption material, the temperature of the gas adsorption material is controlled. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明はガス吸着材を用いたガス吸着方法に関する。より詳しくは、ガスに関する吸着等温線と脱着等温線とが異なる挙動を示す吸着材に関する。これらのガス吸着材は、ガス貯蔵装置に好適に使用される。   The present invention relates to a gas adsorption method using a gas adsorbent. More specifically, the present invention relates to an adsorbent in which an adsorption isotherm and a desorption isotherm relating to gas exhibit different behaviors. These gas adsorbents are suitably used for gas storage devices.

ガス吸着材は、加圧貯蔵や液化貯蔵に比べて、低圧で大量のガスを貯蔵しうる特性を有する。このため、近年、ガス吸着材を用いたガス貯蔵装置の開発が盛んである。   The gas adsorbent has a characteristic of storing a large amount of gas at a low pressure as compared with pressurized storage and liquefied storage. For this reason, in recent years, development of gas storage devices using a gas adsorbent has been active.

ガス吸着材としては、活性炭や金属錯体などが知られている。金属錯体としては、例えば、[Co(4,4’−bpy)1.5(NOの組成を有する金属錯体が提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、近年においては、カーボンナノチューブ等のファインカーボンが水素ガス貯蔵能力を有することが見出され、実用化が検討されている。 As the gas adsorbent, activated carbon, metal complex, and the like are known. As a metal complex, for example, a metal complex having a composition of [Co (4,4′-bpy) 1.5 (NO 3 ) 2 ] n has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In recent years, it has been found that fine carbon such as carbon nanotubes has a hydrogen gas storage capacity, and its practical application has been studied.

しかしながら、従来提案されているガス吸着材は、ガス吸着量や作業性などの点で充分に満足できるものとはいえなかった。
特開平9−227571号公報
However, conventionally proposed gas adsorbents have not been sufficiently satisfactory in terms of gas adsorption amount and workability.
Japanese Patent Laid-Open No. 9-227571

そこで、本発明の目的は、より効率的なガス吸着方法を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a more efficient gas adsorption method.

本発明者らは、少なくとも1種のガスに関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す化合物をガス吸着材として用いることによって、非常に優れたガス吸着が実現できることを見出した。また、吸着時の温度を制御することによって、より効率的な吸着が実現可能であることを見出した。   The inventors of the present invention have found that excellent gas adsorption can be realized by using, as a gas adsorbent, a compound whose adsorption / desorption isotherm relating to at least one gas exhibits a hysteresis loop. Moreover, it discovered that more efficient adsorption | suction was realizable by controlling the temperature at the time of adsorption | suction.

本発明は、これらの知見に基づいて完成された。具体的には、少なくとも1のガスに対する吸脱着等温線がヒステリシスループを示すガス吸着材を用いて、前記ガス吸着材に対する吸脱着等温線がヒステリシスループを示すガスを前記ガス吸着材に吸着させる、ガス吸着方法であって、前記ガスを前記ガス吸着材に吸着させる際に、前記ガス吸着材の温度を制御することを特徴とするガス吸着方法である。   The present invention has been completed based on these findings. Specifically, by using a gas adsorbent whose adsorption / desorption isotherm for at least one gas exhibits a hysteresis loop, the gas adsorbent adsorbs a gas whose adsorption / desorption isotherm for the gas adsorbent exhibits a hysteresis loop, A gas adsorption method, wherein the temperature of the gas adsorbent is controlled when the gas is adsorbed on the gas adsorbent.

ガス吸着特性が特異的なガス吸着材を用いると、効率的なガス吸着が可能である。その上、ガス吸着材の温度を制御すると、より効率的にガスを吸着させうる。   If a gas adsorbent having a specific gas adsorption characteristic is used, efficient gas adsorption is possible. In addition, the gas can be adsorbed more efficiently by controlling the temperature of the gas adsorbent.

本発明のガス吸着方法に用いられるガス吸着材は、少なくとも1種のガスに関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す。即ち、図1に示すように、吸着時のガス圧力−ガス吸着量カーブと、脱着時のガス圧力−ガス吸着量カーブとが異なる材料である。   In the gas adsorbent used in the gas adsorption method of the present invention, the adsorption / desorption isotherm relating to at least one gas exhibits a hysteresis loop. That is, as shown in FIG. 1, the gas pressure-gas adsorption amount curve at the time of adsorption is different from the gas pressure-gas adsorption amount curve at the time of desorption.

吸脱着等温線がヒステリシスループを示すガス吸着材の特異性を、図面を参照しながら説明する。図1は、ヒステリシスループを示すガス吸着材における、ガス圧力とガス吸着量の関係を示すグラフである。図2は、一般のガス吸着材における、ガス圧力とガス吸着量の関係を示すグラフである。図中、横軸はガス圧力を示し、縦軸は吸着材の単位質量あたりのガス吸着量を示す。なお、ガス圧力−ガス吸着量カーブは、本願において吸脱着等温線とも呼ばれる。   The peculiarity of the gas adsorbent in which the adsorption / desorption isotherm shows a hysteresis loop will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a graph showing the relationship between gas pressure and gas adsorption amount in a gas adsorbent showing a hysteresis loop. FIG. 2 is a graph showing the relationship between gas pressure and gas adsorption amount in a general gas adsorbent. In the figure, the horizontal axis indicates the gas pressure, and the vertical axis indicates the gas adsorption amount per unit mass of the adsorbent. The gas pressure-gas adsorption amount curve is also referred to as an adsorption / desorption isotherm in the present application.

従来のガス吸着材においては、ガス圧力の増加に従ってガス吸着量も増加し、吸着の際の圧力−吸着量カーブと、脱着の際の圧力−吸着量カーブとは一致する(図2)。例えば、従来のガス吸着材に吸着させる吸着量をGにする場合には、ガス圧力をPにまで加圧する必要があり、吸着量をGに保持するためには圧力をPに保持する必要がある。吸着量Gの95%である吸着量G以上を保持するためには、圧力をP以上に保たねばならない。 In the conventional gas adsorbent, the gas adsorption amount increases as the gas pressure increases, and the pressure-adsorption amount curve during adsorption coincides with the pressure-adsorption amount curve during desorption (FIG. 2). For example, the amount of adsorption adsorbed to conventional gas adsorbent when in G 1, it is necessary to pressurize the gas pressure to the P 1, the pressure to hold the adsorption amount to the G 1 to P 1 Need to hold. To hold the adsorption amount G 2 or more is 95% of the adsorption amount G 1 is must be kept pressure on P 5 or more.

これに対し、本発明で用いられるガス吸着材においては、吸脱着等温線がヒステリシスループを示す(図1)。圧力Pにおけるガス吸着量がGである化合物を想定して説明する。ガス吸着量をGにするためには、ガス吸着材に加える圧力をPにまで上昇させる必要がある。しかしながら、圧力−吸着量カーブがヒステリシスループを描くため、圧力をPから減少させた場合であっても急激にガス吸着量が減少しない。例えばガス吸着量Gの95%を維持すればよいとすると、ガス圧力をPからPへと大きく低下させることが可能である。 On the other hand, in the gas adsorbent used in the present invention, the adsorption / desorption isotherm shows a hysteresis loop (FIG. 1). Description will be made assuming a compound having a gas adsorption amount G 1 at the pressure P 1 . To the gas adsorption amount of G 1, it is necessary to increase the pressure applied to the gas adsorbent to a P 1. However, the pressure - adsorption amount curve is to draw a hysteresis loop, rapidly gas adsorption even when reduced pressure from P 1 is not reduced. For example, the may be maintained 95% of the gas adsorption amount G 1, it is possible to greatly reduce the gas pressure from P 1 to P 3.

このような、吸脱着等温線がヒステリシスカーブを示すガス吸着材は、特殊な性質を活用して各種用途に適用されうる。   Such a gas adsorbent whose adsorption / desorption isotherm exhibits a hysteresis curve can be applied to various uses by utilizing special properties.

用途の1つとしては、ガス貯蔵装置が挙げられる。吸脱着等温線がヒステリシスを示すガス吸着材は、ガス圧力が下がっても、ガスの吸着量が減少しにくい。このため、業務用ガスタンク、民生用ガスタンク、車両用燃料タンクなどのガス貯蔵装置の、搬送中や保存中の圧力を劇的に減少させうる。搬送時や保存中のガス圧力を減少によってもたらされる効果としては、形状自由度の向上がまず挙げられる。従来のガス貯蔵装置においては、保存中の圧力を維持しなくてはガス吸着量を高く維持できない。しかしながら、本発明のガス貯蔵装置においては、圧力を低下させても充分なガス吸着量を維持できる。このため、ガス貯蔵装置の耐圧性を低くすることができ、ガス貯蔵装置の形状をある程度自由に設計することができる。この効果は、例えば自動車などの車両用燃料ガスタンクとして本発明のガス貯蔵装置を用いた場合には絶大である。燃料タンクとして本発明のガス貯蔵装置を用いた場合には、上述のように耐圧性に関する制約が緩くなるため、形状をある程度自由に設計できる。具体的には、車両における車輪やシートなどの形状にフィットするようにガス貯蔵装置の形状を調節することが可能となる。その結果、車両の小型化、荷物スペースの確保、車両の軽量化による燃費向上などの各種実利が得られる。   One application is a gas storage device. A gas adsorbent whose adsorption / desorption isotherm exhibits hysteresis is less likely to reduce the amount of gas adsorbed even when the gas pressure decreases. For this reason, the pressure during conveyance and preservation | save of gas storage apparatuses, such as a business gas tank, a consumer gas tank, and a vehicle fuel tank, can be reduced dramatically. As an effect brought about by reducing the gas pressure during transportation or storage, an improvement in the degree of freedom in shape is first mentioned. In the conventional gas storage device, the gas adsorption amount cannot be maintained high unless the pressure during storage is maintained. However, in the gas storage device of the present invention, a sufficient gas adsorption amount can be maintained even if the pressure is lowered. For this reason, the pressure | voltage resistance of a gas storage apparatus can be made low and the shape of a gas storage apparatus can be designed to some extent freely. This effect is great when the gas storage device of the present invention is used as a fuel gas tank for vehicles such as automobiles. When the gas storage device of the present invention is used as a fuel tank, restrictions on pressure resistance are relaxed as described above, and the shape can be designed freely to some extent. Specifically, the shape of the gas storage device can be adjusted so as to fit the shape of wheels, seats, and the like in the vehicle. As a result, it is possible to obtain various benefits such as miniaturization of the vehicle, securing of luggage space, and improvement of fuel consumption by reducing the weight of the vehicle.

ガス貯蔵装置に適用する場合における、形状や材質、ガスバルブの種類などに関しては、特に特別の装置を用いなくてもよく、ガス貯蔵装置に用いられているものを用いることが可能である。ただし、各種装置の改良を排除するものではない。なお、本発明のガス吸着方法が適用される用途は、ガス貯蔵装置に限定されず、他のガス吸着を利用する用途に適用されてもよい。   In the case of application to a gas storage device, the shape, material, type of gas valve, and the like do not have to be particularly used, and those used in the gas storage device can be used. However, improvements of various devices are not excluded. The application to which the gas adsorption method of the present invention is applied is not limited to the gas storage device, and may be applied to an application using other gas adsorption.

本発明のガス吸着方法においては、ガスをガス吸着材に吸着させる際の、ガス吸着材の温度を制御することによって、ガス吸着材の、ガス圧力とガス吸着量の関係を変化させて、より効率的なガス吸着を可能とする。一般的には、ガス吸着材の温度を低下させると、図3に示すように、低ガス圧力・多ガス吸着量側に、ヒステリシスカーブがシフトする(Hys1→Hys2)。ヒステリシスカーブがシフトした結果、ガスを低圧で吸着させうる。一般に高圧ガスを取り扱う際には、設備面や法規面などの点に留意する必要があり、コストが増加する。本発明の方法を用いれば、ガスの吸着を低圧で行いうるので、コストが低下する。   In the gas adsorption method of the present invention, by controlling the temperature of the gas adsorbent when adsorbing the gas to the gas adsorbent, the relationship between the gas pressure and the gas adsorption amount of the gas adsorbent is changed, and more Enables efficient gas adsorption. Generally, when the temperature of the gas adsorbent is lowered, as shown in FIG. 3, the hysteresis curve shifts to the low gas pressure / multiple gas adsorption amount side (Hys1 → Hys2). As a result of the shift of the hysteresis curve, gas can be adsorbed at a low pressure. In general, when handling high-pressure gas, it is necessary to pay attention to the aspects of equipment and regulations, which increases costs. If the method of the present invention is used, the gas can be adsorbed at a low pressure, thereby reducing the cost.

ガス吸着材の温度は、ガス吸着材の種類およびガスの種類によって、図3に示したヒステリシスループが異なるため、予め用いるガスのヒステリシスループを調査して、最適な温度を決定することが合理的である。具体的には、好ましくは15℃以下、より好ましくは5℃以下に、ガス吸着材の温度を低下させると、ガスを吸着させる上で、好適なヒステリシスカーブが得られやすい。ガス温度の下限は、特に限定されないが、温度を大きく低下させるために必要な装置やエネルギーを考慮すると、ガス吸着材の温度は、好ましくは−70℃以上である。ガス吸着材の温度は、熱電対温度計などの、一般的な温度測定手段を用いて測定される。   Since the hysteresis loop shown in FIG. 3 differs depending on the type of gas adsorbent and the type of gas, it is reasonable to determine the optimum temperature by investigating the hysteresis loop of the gas used in advance. It is. Specifically, when the temperature of the gas adsorbent is lowered to preferably 15 ° C. or less, more preferably 5 ° C. or less, a suitable hysteresis curve can be easily obtained for gas adsorption. The lower limit of the gas temperature is not particularly limited, but the temperature of the gas adsorbent is preferably −70 ° C. or higher in consideration of equipment and energy necessary for greatly reducing the temperature. The temperature of the gas adsorbent is measured using a general temperature measuring means such as a thermocouple thermometer.

ガス吸着材の温度の制御手段は、特に限定されない。ガス吸着材の温度を冷却するには、ガス吸着材周辺に冷媒を通過させて、ガス吸着材を冷却してもよいし、低温のガスをガス吸着材に供給し、ガス吸着材に吸着させるガスによって、ガス吸着材を冷却してもよい。   The means for controlling the temperature of the gas adsorbent is not particularly limited. In order to cool the temperature of the gas adsorbent, a refrigerant may be passed around the gas adsorbent to cool the gas adsorbent, or a low-temperature gas is supplied to the gas adsorbent and adsorbed to the gas adsorbent. The gas adsorbent may be cooled by the gas.

ガス吸着材を冷媒によって直接的に冷却する場合には、ガス吸着材が配置されている吸着タンクなどの内部に、冷媒を通過させるための配管を配置し、冷凍器などから供給される冷媒を通過させるとよい。ただし、このような態様に、本発明の技術的範囲が限定されるわけではない。   When the gas adsorbent is directly cooled by the refrigerant, a pipe for allowing the refrigerant to pass therethrough is disposed inside the adsorption tank or the like where the gas adsorbent is arranged, and the refrigerant supplied from the refrigerator or the like is disposed. It is good to let it pass. However, the technical scope of the present invention is not limited to such an embodiment.

低温のガスをガス吸着材に供給する場合、ガス源としてLNG(−162℃)などの非常に沸点が低い材料を用いる場合には、ガス自体の冷熱を利用してもよい。LNG等の冷熱を利用できない場合には、吸着させるガスを冷却して導入することによって、ガス吸着材周辺を冷却してもよい。冷却する場合には、外部雰囲気を用いたヒートポンプによって、効率よく冷却できる温度領域を設定すると、経済的である。   When supplying a low-temperature gas to the gas adsorbent, when using a material having a very low boiling point such as LNG (−162 ° C.) as a gas source, the cold heat of the gas itself may be used. When cold heat such as LNG cannot be used, the periphery of the gas adsorbent may be cooled by cooling and introducing the gas to be adsorbed. In the case of cooling, it is economical to set a temperature region that can be efficiently cooled by a heat pump using an external atmosphere.

図3を用いて、低温における具体的なガス吸着方法について、説明する。ガス吸着材を低温Tに制御すると、比較的低圧のガス圧力Pで、多量のガスGが吸着される。高温Tにおいては、高圧のPまで加圧しても、ガス吸着量はGに留まるのと対照的である。 A specific gas adsorption method at a low temperature will be described with reference to FIG. Controlling the gas adsorbent low T 2, a relatively low pressure of the gas pressure P 6, a large amount of gas G 4 is adsorbed. In contrast to the high temperature T 1 , the gas adsorption amount remains at G 3 even if the pressure is increased to P 8 , which is a high pressure.

吸着材を低温Tに保持することが困難である場合、または経済的でない場合は、ガス吸着材にガスを吸着させた後に、ガス吸着材の温度を上昇させて吸着したガスの一部を脱着させ、ガス吸着材周辺の雰囲気圧力を上昇させてもよい。上昇させる温度には特に限定はないが、ガス吸着材が配置されているガス貯蔵装置周辺の雰囲気温度まで上昇させると、温度制御のためのコストが削減できるため好ましい。例えば、吸着材が配置されたガス貯蔵装置の圧力を制御しながら、ガス貯蔵装置周辺の温度であるTまで昇温させる。この時、低温Tで吸着したガスは高温になるために放出され、ガス貯蔵装置内の圧力が上昇する。ガス貯蔵装置内の圧力を、P以上になるように制御すれば、高温Tにおけるガス吸着量Gは、P以上の圧力で保持されることが実験で確認されている。 If it is difficult to hold the adsorbent at a low temperature T 2, or if it is not economical, after adsorbing the gas in the gas adsorbent, a part of the adsorbed gas by increasing the temperature of the gas adsorbent The atmospheric pressure around the gas adsorbent may be increased by desorption. There is no particular limitation on the temperature to be raised, but it is preferable to raise the temperature to the ambient temperature around the gas storage device in which the gas adsorbent is disposed because the cost for temperature control can be reduced. For example, while controlling the pressure of the gas storage device adsorbent is disposed, is heated to T 1 is a temperature around the gas storage apparatus. At this time, gas adsorbed at low temperature T 2 are released to a high temperature, the pressure in the gas storage device is increased. It has been experimentally confirmed that if the pressure in the gas storage device is controlled to be P 7 or more, the gas adsorption amount G 3 at the high temperature T 1 is maintained at a pressure of P 7 or more.

これは、低温において、より多くのガスが吸着される性質を利用したもので、温度が上昇すれば吸着できなかったガスが、吸着材から放出される。このとき、タンク内部の圧力をリリースバルブなどによって制御すれば、放出されたガスによってタンク内部の圧力は設定した圧力まで上昇する。つまり、低温Tの状態におけるエネルギーが、自圧として圧力エネルギーで回収される。この点が、本実施形態のポイントの一つである。 This utilizes the property that more gas is adsorbed at a low temperature, and if the temperature rises, the gas that could not be adsorbed is released from the adsorbent. At this time, if the pressure inside the tank is controlled by a release valve or the like, the pressure inside the tank rises to a set pressure by the released gas. In other words, the energy in the state of low temperature T 2 is recovered by the pressure energy as a self pressure. This is one of the points of this embodiment.

図3の制御においては、A点からB点に状態が変わる。B点においては、冷却エネルギーがA点よりも必要でなく、冷却のためのエネルギーを省略できるため、ガス貯蔵装置が効率よく使用される。ガスを吸着させる際に、低温によるガス吸着圧力の低下(P→P)を利用することによって、ガスの圧力を高めるための圧縮機を省略できることも利点である。例えば、20℃で所定量のメタンを吸着するためには55気圧の圧力にまで昇圧させることが必要な吸着材を用いる場合を想定してみる。同様の吸着材を用いる場合であっても、0℃で吸着させ、その後、ガス貯蔵装置を昇温させて吸着材からメタンを放出させる過程を経れば、ガス貯蔵装置に供給する前に、予めメタンを55気圧まで昇圧させる必要がない。特に、LNG(−162℃)からガス化した都市ガスは、容易に−30〜0℃に制御することができるので、大きな昇圧装置を用いることなく、容易にガスタンクへの吸着貯蔵させることが可能である。 In the control of FIG. 3, the state changes from point A to point B. At point B, cooling energy is not required as compared to point A, and energy for cooling can be omitted, so the gas storage device is used efficiently. When the gas is adsorbed, it is also advantageous that the compressor for increasing the gas pressure can be omitted by utilizing the decrease in the gas adsorption pressure due to the low temperature (P 8 → P 6 ). For example, assume that an adsorbent that needs to be increased to a pressure of 55 atm to adsorb a predetermined amount of methane at 20 ° C. is assumed. Even if the same adsorbent is used, if it is adsorbed at 0 ° C. and then the gas storage device is heated to release methane from the adsorbent, before being supplied to the gas storage device, There is no need to increase the pressure of methane up to 55 atm in advance. In particular, city gas gasified from LNG (−162 ° C.) can be easily controlled at −30 to 0 ° C., and can be easily adsorbed and stored in a gas tank without using a large booster. It is.

続いて、本発明に用いられる、ガス吸着材の吸着特性、組成および構造について説明する。   Next, the adsorption characteristics, composition, and structure of the gas adsorbent used in the present invention will be described.

ガス吸着の際の圧力−吸着力カーブがヒステリシスループを示す機構については、未だ完全な理解はなされていない。考えられるメカニズムとしては、分子レベルでの配位子の結合が磁石の継手弁のようにくっついたり離れたりする構造を有していて、所定の運動エネルギーを有する分子のみが通過できる分子レベルでの弁構造が存在するため、ある特定の圧力になると突然吸着量が増大するとするメカニズムである。分子レベルの弁構造としては結合力が緩い水素結合または水素結合同様の結合エネルギーを有する弁が挙げられ、これは小さな磁石のようにくっついたり離れたりすることが可能であるため、所定の運動エネルギーを持つガス分子のみが弁を通過する。水素結合は、配位結合、共有結合、イオン結合に比べて、一桁弱い結合であるので、分子レベルの弁構造として機能しうる。分子レベルの弁構造は、水素結合のみに限定されるのではなく、水素結合と結合エネルギーにおいて±30%以内の範囲内に入る他の弱い結合であってもよい。かような結合であっても、水素結合と同様に、「弁」として作用することが可能であると考えられる。   The mechanism by which the pressure-adsorption force curve during gas adsorption exhibits a hysteresis loop has not yet been fully understood. As a possible mechanism, the ligand binding at the molecular level has a structure that sticks and leaves like a joint valve of a magnet, and only a molecule having a predetermined kinetic energy can pass through. Since the valve structure exists, the adsorption amount suddenly increases when a certain pressure is reached. Examples of the valve structure at the molecular level include a hydrogen bond with a loose bond force or a valve having a bond energy similar to that of a hydrogen bond, which can be attached and separated like a small magnet, and therefore has a predetermined kinetic energy. Only gas molecules with a pass through the valve. A hydrogen bond is a bond that is an order of magnitude weaker than a coordination bond, a covalent bond, or an ionic bond, and thus can function as a valve structure at a molecular level. The molecular level valve structure is not limited to hydrogen bonds alone, but may be other weak bonds that fall within a range of ± 30% in hydrogen bonds and bond energy. Even such a bond is thought to be able to act as a “valve”, similar to a hydrogen bond.

また、別の機構としては、錯体層のずれが考えられる。錯体として、金属イオンを交点として、配位子が配位して構成される、いわゆる2Dスクエアグリッド層を有する錯体が知られている(Zawarotoko,M.J.Crystal Engineering 2(1999),37)。このような錯体では、各層の重なり位置が相対的にずれることで、格子の空隙率が大きくなったり小さくなったりし、ガス吸着量の増大や減少、急激なガスの吸収や放出を伴うヒステリシス現象が生じると考えられる。   Another mechanism is considered to be a shift of the complex layer. As a complex, a complex having a so-called 2D square grid layer constituted by coordination of a ligand with a metal ion as an intersection is known (Zawarotoko, MJ Crystal Engineering 2 (1999), 37). . In such a complex, the relative position of each layer overlaps to increase or decrease the porosity of the lattice, increasing or decreasing the amount of gas adsorption, and the hysteresis phenomenon with sudden gas absorption and release. Is considered to occur.

ただし、これらは単なるメカニズムの推定である。つまり、前記メカニズムに従っていない場合でも、所定のガスに関してヒステリシスループを示すのであれば、本発明の技術的範囲に包含されうる。   However, these are merely mechanism estimates. That is, even if the mechanism is not followed, it can be included in the technical scope of the present invention as long as a hysteresis loop is exhibited with respect to a predetermined gas.

本発明で用いられるガス吸着材は、ガスに関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す材料であるが、少なくとも1種のガスに関してヒステリシスループを発現すればよく、全てのガスに対してヒステリシスループを示さずともよい。   The gas adsorbent used in the present invention is a material in which the adsorption / desorption isotherm relating to the gas exhibits a hysteresis loop, but it is sufficient that a hysteresis loop is exhibited for at least one kind of gas, and the hysteresis loop is exhibited for all gases. It is not necessary.

ガス吸着材がヒステリシスループを示す必要があるガスは、本発明のガス吸着材の適用用途によって異なる。例えば、ガス吸着材をメタンガス貯蔵装置に用いる場合には、メタンガスに対してヒステリシスループを示す必要がある。一般的にいえば、本発明のガス吸着材を各種用途に利用されるガスの貯蔵に用いるのであれば、本発明のガス吸着材がヒステリシスループを示すガスは、水素、炭化水素(メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタンなど)、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素、窒素などであることが好ましい。LNGなどのように複数の炭化水素ガスの混合物を貯蔵できるように、これらの2種以上のガスに対してヒステリシスループを示しても勿論よい。   The gas that the gas adsorbent needs to exhibit a hysteresis loop varies depending on the application of the gas adsorbent of the present invention. For example, when a gas adsorbent is used in a methane gas storage device, it is necessary to show a hysteresis loop for methane gas. Generally speaking, if the gas adsorbent of the present invention is used for storing gas used in various applications, the gas in which the gas adsorbent of the present invention exhibits a hysteresis loop is hydrogen, hydrocarbon (methane, ethane). , Propane, butane, isobutane, etc.), carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen, nitrogen and the like. Of course, a hysteresis loop may be shown for these two or more gases so that a mixture of a plurality of hydrocarbon gases such as LNG can be stored.

ガス吸着材として使用する具体的材料は、貯蔵させるガスや吸着時に必要となる圧力に応じて選択すればよい。特に制限されるものではないが、遷移金属を有する金属錯体が挙げられる。   What is necessary is just to select the specific material used as a gas adsorbent according to the pressure to be stored and the gas to be stored. Although it does not restrict | limit in particular, The metal complex which has a transition metal is mentioned.

金属錯体は、ガス吸着量や分子構造の制御のし易さを考慮すると、周期的結晶構造を有する金属錯体であることが好ましい。周期的結晶構造の態様としては、ガス吸着特性を考慮すると、二次元シートが配位子を介して積層した構造が好ましいと考えられる。即ち、所定の配位子を媒介とした結合によって形成された二次元シートが、ピラジン、4,4’−ビピリジン、トランス−1,2−ビス(4−ピリジル)エチレンのような配位子をピラー配位子(Pillar Ligand)として積み重なった構造であることが好ましい。ガス吸着材を構成する金属錯体が、二次元シートが配位子を介して積層した周期的結晶構造構造を有する場合、分子レベルの弁構造は、格子状二次元シート内ばかりでなく、積層する配位子に存在していてもよい。   The metal complex is preferably a metal complex having a periodic crystal structure in consideration of ease of control of gas adsorption amount and molecular structure. As an aspect of the periodic crystal structure, a structure in which a two-dimensional sheet is laminated through a ligand is considered preferable in consideration of gas adsorption characteristics. That is, a two-dimensional sheet formed by a bond mediated by a predetermined ligand has a ligand such as pyrazine, 4,4′-bipyridine, trans-1,2-bis (4-pyridyl) ethylene. A stacked structure as a pillar ligand (Piller Ligand) is preferable. When the metal complex constituting the gas adsorbent has a periodic crystal structure in which the two-dimensional sheet is laminated via a ligand, the molecular level valve structure is laminated not only within the lattice-like two-dimensional sheet. It may be present in the ligand.

ピラー配位子を介した積層構造の具体的態様としては、二次元シートが2D、2D、2D、2Dの順で積層しており、隣接する二次元シートがピラー配位子(PL)によって接合されている態様が挙げられる。即ち、接合順序は、2D−PL−2D−PL−2D−PL−2Dである。 As a specific aspect of the laminated structure via the pillar ligand, the two-dimensional sheet is laminated in the order of 2D 1 , 2D 2 , 2D 3 , 2D 4 , and the adjacent two-dimensional sheet is a pillar ligand ( (PL) and the aspect joined. That is, the junction sequence is 2D 1 -PL-2D 2 -PL- 2D 3 -PL-2D 4.

二次元シートが配位子を介して積層されている構造を有する場合、配位子の少なくとも一部が、隣接する二次元シート間ではなく、1層以上離れた二次元シート間を介在し、2つの二次元シートを結合させていてもよい。少なくとも1層離れた二次元シートが配位子によって結合されている構造を有する場合、二次元シート間の距離が小さくなる。このため、より分子レベルの弁構造が密に存在し、ヒステリシスループがより発現しやすい構造になることが、種々の金属錯体の合成実験によって判明した。3次元の構造を有する当該金属錯体において分子レベルの弁構造の総数は多いほど、ガス吸着特性においてヒステリシスループを発現しやすいと考えられる。   When the two-dimensional sheet has a structure laminated via a ligand, at least a part of the ligand is not between adjacent two-dimensional sheets but between two-dimensional sheets separated by one or more layers, Two two-dimensional sheets may be combined. When the two-dimensional sheet separated by at least one layer has a structure bonded by a ligand, the distance between the two-dimensional sheets becomes small. For this reason, it has been found by synthetic experiments of various metal complexes that a valve structure at a molecular level is densely present and a hysteresis loop is more easily developed. In the metal complex having a three-dimensional structure, it is considered that the larger the total number of valve structures at the molecular level, the easier it is to develop a hysteresis loop in gas adsorption characteristics.

例えば、二次元シートが2D、2D、2D、2Dの順で積層されている場合において、二次元シートが1つ置きにピラー配位子によって接合されていると、接合順序は、「2D−PL−2D」および「2D−PL−2D」となる。二次元シートが1つ置きにピラー配位子によって接合されている場合には、2Dと2Dとを接合するPLは、2Dの分子内部を挿通することとなる。また、別の積層構造の態様としては、前述の2Dスクエアグリッド層構造が挙げられる(Zawarotoko,M.J.Crystal Engineering 2(1999),37)。2Dスクエアグリッド層構造は、格子内および層間に、ガスを吸蔵することが可能であり、層間のずれによって、ヒステリシスループが発現すると推測される。ただし、これらの構造に限定されるものではない。本発明のガス吸着材の特徴である、所定のガスに関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す限りにおいて、本発明の技術的範囲に包含される。メカニズムは定かではないが、かような二次元シートが1つ置きにピラー配位子によって接合されている場合や、2Dスクエアグリッド層構造を有する場合に、本発明のガス吸着材のガス貯蔵能が有意に高まる。 For example, in the case where two-dimensional sheets are laminated in the order of 2D 1 , 2D 2 , 2D 3 , 2D 4 , if every two-dimensional sheets are joined by pillar ligands, the joining order is: “2D 1 -PL-2D 3 ” and “2D 2 -PL-2D 4 ”. When every other two-dimensional sheet is joined by a pillar ligand, the PL joining 2D 1 and 2D 3 passes through the inside of the 2D 2 molecule. Further, as another aspect of the laminated structure, the 2D square grid layer structure described above can be given (Zawarotoko, MJ Crystal Engineering 2 (1999), 37). In the 2D square grid layer structure, gas can be occluded in the lattice and between layers, and it is assumed that a hysteresis loop appears due to the displacement between layers. However, it is not limited to these structures. As long as the adsorption / desorption isotherm relating to a predetermined gas, which is a characteristic of the gas adsorbent of the present invention, exhibits a hysteresis loop, it is included in the technical scope of the present invention. Although the mechanism is not clear, the gas storage capacity of the gas adsorbent of the present invention when such two-dimensional sheets are joined by pillar ligands every other or when it has a 2D square grid layer structure. Increases significantly.

[ガス吸着材の製造]
ガス吸着材の調製方法はガス吸着材の種類によって異なるものであり、一義的に決定できるものではないが、ここでは、[Cu(bpy)(BF(HO)・(bpy)]を合成する場合を例にとり説明する。
[Manufacture of gas adsorbent]
The method for preparing the gas adsorbent differs depending on the type of the gas adsorbent and cannot be uniquely determined. Here, however, [Cu (bpy) (BF 4 ) 2 (H 2 O) 2. (Bpy) )] A case where n is synthesized will be described as an example.

まず、4,4’−bipyridine(以下bpyと略記)のアセトニトリル溶液を還流しながら、銅(II)テトラフルオロボレート水和物を含む水溶液を添加する。生じた析出物を濾過し、ジエチルエーテルの蒸気を、窒素気流を用いて母液中に拡散させ、母液を室温で数日間保存する。続いて、濾過により析出物を得て、減圧下で数時間乾燥させる。このような作業により、目的物を得ることができる。しかしながら、上記方法に限定されるものでは勿論なく、各種方法を用いて合成してもよいことは言うまでもない。   First, an aqueous solution containing copper (II) tetrafluoroborate hydrate is added while refluxing an acetonitrile solution of 4,4'-bipyridine (hereinafter abbreviated as bpy). The resulting precipitate is filtered, the vapor of diethyl ether is diffused into the mother liquor using a nitrogen stream, and the mother liquor is stored at room temperature for several days. Subsequently, the precipitate is obtained by filtration and dried under reduced pressure for several hours. The object can be obtained by such work. However, it is needless to say that the method is not limited to the above method, and it may be synthesized using various methods.

<合成例1>
テトラフルオロホウ酸銅(II)6水和物(Aldrich社製;0.674g)を純水(50ml)に溶解させ、テトラフルオロホウ酸銅(II)の0.04M溶液(A液)を準備した。別途、4,4’−ビピリジン(和光純薬工業株式会社製特級;0.625g)をアセトニトリル(50ml)に溶解させて、4,4’−ビピリジンの0.08M溶液(B液)を準備した。357Kの水浴を用いて還流させながら、B液にA液を1時間かけて滴下した。これにより、僅かにグレーがかった析出物を含む溶液を得た。滴下終了後、副反応物である沈殿を濾過して除去した。
<Synthesis Example 1>
Copper (II) tetrafluoroborate hexahydrate (Aldrich; 0.674 g) was dissolved in pure water (50 ml), and a 0.04 M solution of copper (II) tetrafluoroborate (A 3 solution) was added. Got ready. Separately, 4,4′-bipyridine (special grade manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd .; 0.625 g) was dissolved in acetonitrile (50 ml) to prepare a 0.08M solution (B 3 solution) of 4,4′-bipyridine. did. Under reflux using a water bath of 357K, it was added dropwise over 1 hour A 3 solution B 3 solution. This gave a solution containing a slightly grayish precipitate. After completion of the dropwise addition, the precipitate as a side reaction product was removed by filtration.

次に、撹拌しながら、ジエチルエーテルの蒸気を、体積が150mlになるまで窒素気流を用いて母液中に拡散させた。続いて、この母液を2日間室温で保存し、353Kに加熱することによって溶媒(アセトニトリル、ジエチルエーテル)を蒸発させた。   Next, while stirring, the vapor of diethyl ether was diffused into the mother liquor using a nitrogen stream until the volume reached 150 ml. Subsequently, the mother liquor was stored at room temperature for 2 days and the solvent (acetonitrile, diethyl ether) was evaporated by heating to 353K.

残存物を濾過し、10−3Pa以下の減圧下において4時間乾燥することによって水を除去し、本発明のガス吸着材である[Cu(bpy)(BF(HO)・(bpy)](0.3g)を得た。 The residue is filtered, and water is removed by drying under reduced pressure of 10 −3 Pa or less for 4 hours, and [Cu (bpy) (BF 4 ) 2 (H 2 O) 2 that is the gas adsorbent of the present invention. -(Bpy)] n (0.3g) was obtained.

<実施例1>
図4Aのシステムを用いて、吸着ガスとして天然ガスの吸着を試みた。内容量100リットルの、ガス貯蔵装置としての吸着タンクに、あらかじめ110℃で減圧乾燥処理を施したガス吸着材[Cu(bpy)(BF(HO)(bpy)]130kgの粒子(1〜2mm径)を投入し、ガス吸着材の間に、3mmΦの熱交換用Cuパイプをラセン状に配置した。冷凍器から送り出される−5℃の冷媒(R−500)によって、ガス吸着材周辺を約0℃に冷却し、ここに天然ガスを8atmに昇圧して導入した。メタンガスを主成分とした天然ガスは、約5分間で内容量100リットルの吸着タンクに19m吸着された。次に、圧力バルブを30気圧に制御して冷凍器の運転を停止すると、タンク内の雰囲気温度は外気の温度である20℃まで昇温し、タンク圧力30atmで、タンク内容積100リットルの約180倍である18mのメタンガスがタンク内に充填された。
<Example 1>
Using the system in FIG. 4A, an attempt was made to adsorb natural gas as an adsorbed gas. Gas adsorbent [Cu (bpy) (BF 4 ) 2 (H 2 O) 2 (bpy)] n 130 kg previously subjected to a vacuum drying treatment at 110 ° C. in an adsorption tank having a capacity of 100 liters as a gas storage device Particles (1 to 2 mm in diameter) were placed, and a heat exchange Cu pipe with a diameter of 3 mm was arranged in a spiral shape between the gas adsorbents. The periphery of the gas adsorbent was cooled to about 0 ° C. with a −5 ° C. refrigerant (R-500) delivered from the freezer, and natural gas was boosted to 8 atm and introduced therein. 19 m 3 of natural gas mainly composed of methane gas was adsorbed in an adsorption tank having an internal capacity of 100 liters in about 5 minutes. Next, when the operation of the refrigerator is stopped by controlling the pressure valve to 30 atm, the atmospheric temperature in the tank rises to 20 ° C., which is the temperature of the outside air, and the tank pressure is 30 atm and the tank internal volume is about 100 liters. The tank was filled with 18 m 3 methane gas which is 180 times larger.

<実施例2>
図4Bのシステムを用いて、吸着ガスとして天然ガスの吸着を試みた。内容量100リットルの、ガス貯蔵装置としての吸着タンクに、あらかじめ110℃で減圧乾燥処理を施したガス吸着材[Cu(bpy)(BF(HO)(bpy)]130kgの粒子(1〜2mm径)を投入した。吸着タンクの前に冷却用熱交換器を設置し、冷凍器から−5℃の冷媒(R−500)を循環させて、吸着タンクに供給される天然ガスを冷却できる構造とした。天然ガスは8atmに昇圧され、前記冷却器を通過する間に約0℃に冷却され、吸着タンクに導入された。
<Example 2>
Using the system of FIG. 4B, an attempt was made to adsorb natural gas as an adsorbed gas. Gas adsorbent [Cu (bpy) (BF 4 ) 2 (H 2 O) 2 (bpy)] n 130 kg previously subjected to a vacuum drying treatment at 110 ° C. in an adsorption tank having a capacity of 100 liters as a gas storage device Particles (1 to 2 mm diameter). A cooling heat exchanger was installed in front of the adsorption tank, and a refrigerant (R-500) at −5 ° C. was circulated from the freezer to cool the natural gas supplied to the adsorption tank. The natural gas was pressurized to 8 atm, cooled to about 0 ° C. while passing through the cooler, and introduced into the adsorption tank.

約5分間で天然ガス19mが吸着された。次に、冷凍器の運転を止め、圧力制御弁を30atmに設定して、吸着タンクの温度が外気の温度である20℃まで上昇するのを待った。吸着タンク内には、18mの天然ガスが残存して吸着していた。 In about 5 minutes, 19 m 3 of natural gas was adsorbed. Next, the operation of the refrigerator was stopped, the pressure control valve was set to 30 atm, and the temperature of the adsorption tank was waited to rise to 20 ° C., which is the temperature of the outside air. In the adsorption tank, 18 m 3 of natural gas remained and was adsorbed.

<実施例3>
図4Cのシステムを用いて、吸着ガスとして天然ガスの吸着を試みた。液化天然ガス(LNG)タンクよりLNGを、気化器に導入し、熱媒によって約−70℃の天然ガスに気化させた。熱媒は温水を利用し、温度調整器として電熱ヒーターを用いた。5atmで、−70℃の天然ガスを実施例2と同じ吸着タンクに導入したら、ほぼ同等の19mの天然ガスが、吸着タンクに充填された。次に、圧力制御弁を30atmに設定して、吸着タンクの温度が外気の温度である20℃まで上昇するのを待った。吸着タンクには、18mの天然ガスが残存して吸着していた。
<Example 3>
Using the system of FIG. 4C, an attempt was made to adsorb natural gas as an adsorbed gas. LNG was introduced from a liquefied natural gas (LNG) tank into a vaporizer, and was vaporized into natural gas at about -70 ° C by a heat medium. Hot water was used as a heating medium, and an electric heater was used as a temperature regulator. When natural gas at −70 ° C. was introduced into the same adsorption tank as in Example 2 at 5 atm, approximately 19 m 3 of natural gas was filled in the adsorption tank. Next, the pressure control valve was set to 30 atm and waited for the temperature of the adsorption tank to rise to 20 ° C., which is the temperature of the outside air. In the adsorption tank, 18 m 3 of natural gas remained and was adsorbed.

実施例1〜3に示すように、ガス吸着材を冷却することによって、低圧でも多量のガスを吸着させることができる。ガス吸着材は、実施例1に示すように、冷媒によってガス吸着材を直接冷却してもよいし、実施例2に示すように、ガス吸着材に供給される吸着ガスを介して、間接的に冷却してもよいし、実施例3に示すようにLNGの冷熱を利用してもよい。低温でガスを吸着させた後は、圧力制御しながら、外気と同じ雰囲気温度まで温度を上昇させると、脱着したガスによって所定の圧力までタンク内の圧力が上昇し、その圧力によってガス吸着が保持される。このような機構を利用すれば、従来のように高圧用の圧縮機を必要とせずとも、ガス吸着材からの脱着により上昇する自圧によって、多量のガスの貯蔵が可能である。また、外気と同じ温度においても使用されうる。   As shown in Examples 1 to 3, by cooling the gas adsorbent, a large amount of gas can be adsorbed even at a low pressure. As shown in Example 1, the gas adsorbent may be directly cooled by a refrigerant, or indirectly through an adsorbed gas supplied to the gas adsorbent as shown in Example 2. It may be cooled to LNG, or the cold energy of LNG may be used as shown in the third embodiment. After the gas is adsorbed at a low temperature, if the temperature is raised to the same atmospheric temperature as the outside air while controlling the pressure, the pressure in the tank rises to the predetermined pressure by the desorbed gas, and the gas adsorption is maintained by that pressure. Is done. If such a mechanism is used, a large amount of gas can be stored by the self-pressure rising due to desorption from the gas adsorbent, without requiring a high-pressure compressor as in the prior art. It can also be used at the same temperature as the outside air.

ヒステリシスループを示すガス吸着材における、ガス圧力とガス吸着量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the gas pressure and gas adsorption amount in the gas adsorbent which shows a hysteresis loop. 一般のガス吸着材における、ガス圧力とガス吸着量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the gas pressure and gas adsorption amount in a common gas adsorbent. 低温雰囲気下におけるガス圧力とガス吸着量との関係と、高温雰囲気下におけるガス圧力とガス吸着量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the gas pressure and gas adsorption amount in a low temperature atmosphere, and the relationship between the gas pressure and gas adsorption amount in a high temperature atmosphere. 本発明の実施例において用いられたシステムの概略図である。図4Aは、実施例1において用いられたシステムの概略図であり、図4Bは、実施例2において用いられたシステムの概略図であり、図4Cは、実施例3において用いられたシステムの概略図である。1 is a schematic diagram of a system used in an embodiment of the present invention. 4A is a schematic diagram of the system used in the first embodiment, FIG. 4B is a schematic diagram of the system used in the second embodiment, and FIG. 4C is a schematic diagram of the system used in the third embodiment. FIG.

Claims (5)

少なくとも1のガスに対する吸脱着等温線がヒステリシスループを示すガス吸着材を用いて、前記ガス吸着材に対する吸脱着等温線がヒステリシスループを示すガスを前記ガス吸着材に吸着させる、ガス吸着方法であって、
前記ガスを前記ガス吸着材に吸着させる際に、前記ガス吸着材の温度を制御することを特徴とするガス吸着方法。
The gas adsorption method uses a gas adsorbent in which an adsorption / desorption isotherm for at least one gas exhibits a hysteresis loop, and adsorbs a gas in which the adsorption / desorption isotherm for the gas adsorbent exhibits a hysteresis loop on the gas adsorbent. And
A gas adsorption method comprising controlling the temperature of the gas adsorbent when adsorbing the gas to the gas adsorbent.
前記ガスを吸着させる際に、前記ガス吸着材が15℃以下に冷却される、請求項1に記載のガス吸着方法。   The gas adsorption method according to claim 1, wherein the gas adsorbent is cooled to 15 ° C. or lower when the gas is adsorbed. 前記ガス吸着材は、前記ガス吸着材周辺に冷媒を通過させることによって冷却される、請求項2に記載のガス吸着方法。   The gas adsorption method according to claim 2, wherein the gas adsorbent is cooled by passing a refrigerant around the gas adsorbent. 前記ガス吸着材は、前記ガス吸着材に吸着させるガスによって冷却される、請求項2に記載のガス吸着方法。   The gas adsorption method according to claim 2, wherein the gas adsorbent is cooled by a gas adsorbed on the gas adsorbent. 前記ガス吸着材に前記ガスを吸着させた後に、前記ガス吸着材の温度を上昇させて前記ガスの一部を脱着させ、前記ガス吸着材周辺の雰囲気圧力を上昇させる、請求項2〜4のいずれか1項に記載のガス吸着方法。   The gas adsorbent is made to adsorb the gas, and then the temperature of the gas adsorbent is increased to desorb a part of the gas to increase the atmospheric pressure around the gas adsorbent. The gas adsorption method according to any one of the above.
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