JP2009220101A - Method for producing gas adsorbing material and carbon dioxide, and method for recovering carbon dioxide - Google Patents

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万佐司 後藤
Masahiro Furukawa
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the sorptive property of carbon dioxide and to recover carbon dioxide efficiently. <P>SOLUTION: A gas adsorbing material 10 is composed of a stacked unit wherein a plurality of monomers 20 provided with four complex nuclear metals 22 (for example, Zn) combined in a tetrahedron shape by oxygen, and a plurality of monocarboxylic acids 24 that are coordinated in the complex nuclear metals 22 so as to have interaction parts 25 (e.g., benzene ring) stacked with other structures by uncombined interaction and to surround the complex nuclear metals 22. When an adsorption gas (carbon dioxide) is present, the gas adsorbing material 10 undergoes phase transition to a structure having spaces each of which is larger in molecular size than the gas, so as to incorporate the adsorbed gas. When the pressure of adsorbed gas is further increased, it undergoes even greater structural phase transition to a structure capable of incorporating a larger amount of the adsorbed gas. The gas adsorbing material 10 undergoes such structural phase transition reversibly, so that it can achieve adsorption and desorption of carbon dioxide while exerting a high adsorption amount compared with methane, nitrogen, steam, or the like. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、ガス吸着材料、二酸化炭素の製造方法及び二酸化炭素の回収方法に関する。   The present invention relates to a gas adsorbing material, a carbon dioxide production method, and a carbon dioxide recovery method.

近年、地球温暖化問題の対策として、火力発電所や石油化学工業などから排出される排ガス中の二酸化炭素の除去・貯蓄が注目されている。このガス吸着材料としては、乾燥した原料ガスを複数のPSA(Pressure Swing Adsorption)装置に導入して吸着工程を行い、回収した二酸化炭素の一部をパージガスとして利用すると共に、吸着工程と逆方向に乾燥空気を流通させて脱着工程で得られた二酸化炭素を圧縮するPSA工程を繰り返し行うというPSA装置に配設され、二酸化炭素を吸着するものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このガス吸着材料は、活性炭やゼオライトを用いることができるとされている。   In recent years, as a countermeasure against global warming, removal and storage of carbon dioxide in exhaust gas discharged from thermal power plants and petrochemical industries have attracted attention. As this gas adsorbing material, the dried raw material gas is introduced into a plurality of PSA (Pressure Swing Adsorption) apparatuses to perform an adsorption process, and a part of the recovered carbon dioxide is used as a purge gas and in the opposite direction to the adsorption process. An apparatus that adsorbs carbon dioxide has been proposed that is disposed in a PSA apparatus that repeatedly performs a PSA process of compressing carbon dioxide obtained in a desorption process by circulating dry air (see, for example, Patent Document 1). As this gas adsorbing material, activated carbon or zeolite can be used.

また、エネルギーの有効利用という観点から、下水汚泥の嫌気性消化ガスあるいは、ランドフィルガスから二酸化炭素を除去する、いわゆるメタン精製も注目されている。この二酸化炭素の除去についても、小規模のプラントにおいては吸着材料を用いたPSA工程により行うことが適しているとされる。このガス吸着材料としては、活性炭やゼオライトが主として用いられている。   From the viewpoint of effective use of energy, so-called methane refining, in which carbon dioxide is removed from anaerobic digestion gas or landfill gas of sewage sludge, has also attracted attention. It is considered that this carbon dioxide removal is also suitable for a small-scale plant by a PSA process using an adsorbent material. As this gas adsorbing material, activated carbon or zeolite is mainly used.

特開2003−93836号公報JP 2003-93836 A

しかしながら、この特許文献1に記載されたガス吸着材料では、二酸化炭素以外にも水蒸気を強く吸着することがあり、原料ガスから水蒸気を取り除いた乾燥状態の原料ガスを用いることや、乾燥状態ではない原料ガスを用いてPSA工程を行いあとからガス吸着材料に吸着した水分を取り除く工程などが必要であり、二酸化炭素の回収が効率的とはいえなかった。また、例えば選択的に二酸化炭素をより吸着するような二酸化炭素の吸着特性の高いガス吸着材料が望まれていた。   However, in the gas adsorbing material described in Patent Document 1, water vapor may be strongly adsorbed in addition to carbon dioxide, and a dry raw material gas obtained by removing water vapor from the raw material gas is used or is not in a dry state. A process of removing the moisture adsorbed on the gas adsorbing material after the PSA process using the raw material gas is necessary, and the recovery of carbon dioxide was not efficient. In addition, for example, a gas adsorbing material having high carbon dioxide adsorption characteristics that selectively adsorbs carbon dioxide has been desired.

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、二酸化炭素の吸着特性が高いガス吸着材料を提供することを目的の1つとする。また、効率的に二酸化炭素を回収することができるガス吸着材料、二酸化炭素の製造方法及び二酸化炭素の回収方法を提供することを目的の1つとする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a gas adsorbing material having high carbon dioxide adsorption characteristics. Another object of the present invention is to provide a gas adsorbing material, a carbon dioxide production method, and a carbon dioxide recovery method that can efficiently recover carbon dioxide.

上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、複数の構造体が移動してこの複数の構造体の間に空間が設けられるような、複数の構造体が集積した集積体により構成されるガス吸着材料を用いるものとすると、二酸化炭素のガス吸着特性の高いものが得られ、効率的に二酸化炭素を回収することができることを見いだし、本発明を完成するに至った。   As a result of diligent research in order to achieve the above-described object, the present inventors have found that a plurality of structures are integrated such that a plurality of structures move and spaces are provided between the plurality of structures. Assuming that a gas adsorbing material constituted by a body is used, a material having high carbon dioxide gas adsorption characteristics is obtained, and it has been found that carbon dioxide can be efficiently recovered, and the present invention has been completed.

即ち、本発明のガス吸着材料は、
複数の構造体が集積した集積体により構成されるガス吸着材料であって、
前記構造体は、酸素により四面体状に結合した4つの錯体核金属と、非結合性相互作用により他の構造体と集積する相互作用部を有し前記錯体核金属を取り囲むように該錯体核金属に配位する複数のモノカルボン酸と、を備えており、
前記集積体は、前記複数の構造体の間に設けられた空間及び/又は前記相互作用部を介して前記複数の構造体が移動して該複数の構造体の間に設けられる空間へ二酸化炭素ガスを吸着する、ものである。
That is, the gas adsorption material of the present invention is
A gas adsorbing material composed of an integrated body in which a plurality of structures are integrated,
The structure has four complex nucleus metals bonded in a tetrahedral form by oxygen and an interaction part that accumulates with other structures by non-binding interaction so as to surround the complex nucleus metal. A plurality of monocarboxylic acids coordinated to the metal,
The integrated body is configured such that the plurality of structures move through the space provided between the plurality of structures and / or the interaction unit, and the carbon dioxide enters the space provided between the plurality of structures. It adsorbs gas.

本発明の二酸化炭素の製造方法は、
原料ガスを精製することにより二酸化炭素を製造する方法であって、
上述したガス吸着材料に所定の吸着温度で前記原料ガスに含まれる二酸化炭素ガスを吸着させるガス吸着工程、を含むものである。
The method for producing carbon dioxide of the present invention comprises:
A method for producing carbon dioxide by refining a raw material gas,
A gas adsorption step of adsorbing carbon dioxide gas contained in the raw material gas at a predetermined adsorption temperature to the gas adsorbing material described above.

本発明の二酸化炭素を回収する方法は、
上述したガス吸着材料に所定の吸着温度で前記原料ガスに含まれる二酸化炭素ガスを吸着させるガス吸着工程、を含むものである。
The method for recovering carbon dioxide of the present invention comprises:
A gas adsorption step of adsorbing carbon dioxide gas contained in the raw material gas at a predetermined adsorption temperature to the gas adsorbing material described above.

このガス吸着材料では、二酸化炭素の高い吸着特性が得られる。また、二酸化炭素を吸着することによって二酸化炭素の回収をより容易とし、効率的に二酸化炭素を製造することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように推測される。例えば、酸素により四面体状に結合した4つの錯体核金属と、非結合性相互作用により他の構造体と集積する相互作用部を有しこの錯体核金属を取り囲むように錯体核金属に配位する複数のモノカルボン酸とを備える複数の構造体が集積した集積体により構成されるガス吸着材料では、複数の構造体が移動することにより空間が生じたり、ガス吸着に適した形状の空間を元来有するなどし、この空間にガスを吸着することがある。このガス吸着材料では、これらの空間が二酸化炭素に適したものであるため、二酸化炭素の吸着性が高いものであると推察される。   With this gas adsorbing material, high carbon dioxide adsorption characteristics can be obtained. Further, by adsorbing carbon dioxide, carbon dioxide can be recovered more easily and carbon dioxide can be produced efficiently. The reason why such an effect is obtained is presumed as follows. For example, it has four complex nuclear metals bonded in a tetrahedral form by oxygen and an interaction part that accumulates with other structures by non-bonding interaction and coordinates to the complex nuclear metal so as to surround this complex nuclear metal In a gas adsorbing material composed of an integrated body in which a plurality of structures including a plurality of monocarboxylic acids are integrated, a space is created by moving the plurality of structures, or a space having a shape suitable for gas adsorption is formed. The gas may be adsorbed in this space, for example, because it originally exists. In this gas adsorbing material, since these spaces are suitable for carbon dioxide, it is presumed that the adsorptivity of carbon dioxide is high.

ガス吸着材料を構成するモノマー20の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the monomer 20 which comprises a gas adsorption material. ガス吸着材料10の二酸化炭素吸着機構の説明図である。3 is an explanatory diagram of a carbon dioxide adsorption mechanism of the gas adsorption material 10. FIG. 二酸化炭素製造装置30の一例を表す構成図である。2 is a configuration diagram illustrating an example of a carbon dioxide production apparatus 30. FIG. メタン精製装置40の一例を示す構成図である。2 is a configuration diagram showing an example of a methane purification apparatus 40. FIG. 実施例の二酸化炭素、窒素及びメタンの吸着等温線測定結果の図である。It is a figure of the adsorption isotherm measurement result of the carbon dioxide of an Example, nitrogen, and methane. 実施例の水蒸気の吸着等温線測定結果の図である。It is a figure of the adsorption isotherm measurement result of the water vapor | steam of an Example.

本発明のガス吸着材料は、複数の構造体が集積した集積体により構成されている。この構造体は、複数の錯体核金属と、非結合性相互作用により他の構造体と集積する相互作用部を有し錯体核金属を取り囲むように錯体核金属に配位する複数のモノカルボン酸と、を備えている。ここで、「非結合性相互作用」とは、π−πスタッキング、CH−π相互作用や水素結合等の、個々の結合エネルギーが10kcal/mol以下の弱い結合又は分子間相互作用をいう。例えば、このガス吸着材料は、四配位の酸素(μ4−O)により四面体状に結合した4つの錯体核金属Mと、相互作用部としての官能基R1を有する6つのモノカルボン酸と、を備える次式(1)で表されるモノマーを構造体とし、集積体は、官能基R1によって3次元構造となるようモノマーを集積して構成されているものとしてもよい。官能基R1は、モノカルボン酸の置換基である。このモノマーは、隣接するモノマーの置換基R1間に生じる非結合性相互作用によって3次元的に集積化することで、ガス吸着材料を構成する。このように構成されたガス吸着材料は、吸着対象である所定のガス種(吸着ガスとも称する)に対して相互作用部により複数のモノマー間に空間を設けるようこの複数のモノマーが移動して吸着ガスを吸脱着する(後述図2参照)。若しくは、元来有するガス吸着に適した形状の空間に吸着ガスを吸脱着する。ここでは、説明の便宜のため、この複数のモノマーの移動を構造相転移と称するものとする。この構造相転移は、モノマー間の非結合性相互作用の柔軟性に起因して起こり、吸着ガスが接近することにより、吸着ガスを取り込んだ、より安定な構造へ変化する場合に起こる。非結合性相互作用は、構造相転移を起こしやすいという観点から、π−πスタッキング、CH−π相互作用及び水素結合のうち少なくとも1以上であることが好ましい。 The gas adsorbing material of the present invention is composed of an integrated body in which a plurality of structures are integrated. This structure is composed of a plurality of complex nucleus metals and a plurality of monocarboxylic acids coordinated to the complex nucleus metal so as to surround the complex nucleus metal having an interaction part that accumulates with other structures by non-bonding interaction. And. Here, the “non-bonding interaction” means a weak bond or an intermolecular interaction having an individual bond energy of 10 kcal / mol or less, such as π-π stacking, CH-π interaction, and hydrogen bond. For example, this gas adsorbing material includes four complex core metals M bonded tetrahedrally by tetracoordinate oxygen (μ 4 -O), six monocarboxylic acids having a functional group R 1 as an interaction part, and The monomer represented by the following formula (1) including the structure may be a structure, and the aggregate may be configured by accumulating monomers so as to have a three-dimensional structure by the functional group R1. The functional group R1 is a monocarboxylic acid substituent. This monomer constitutes a gas adsorbing material by being three-dimensionally integrated by non-bonding interaction generated between substituents R1 of adjacent monomers. The gas adsorbing material configured in this way is adsorbed by moving the plurality of monomers so that a space is provided between the plurality of monomers by the interaction unit with respect to a predetermined gas species (also referred to as adsorption gas) to be adsorbed. Gas is absorbed and desorbed (see FIG. 2 described later). Alternatively, the adsorbed gas is adsorbed and desorbed in a space having a shape suitable for gas adsorption. Here, for convenience of explanation, the movement of the plurality of monomers is referred to as a structural phase transition. This structural phase transition occurs due to the flexibility of the non-bonding interaction between the monomers, and occurs when the adsorbed gas approaches and changes to a more stable structure that incorporates the adsorbed gas. The non-bonding interaction is preferably at least one of π-π stacking, CH-π interaction, and hydrogen bonding from the viewpoint of easily causing a structural phase transition.

Figure 2009220101
Figure 2009220101

ガス吸着材料は、モノマーと有機分子とからなる集積体を加熱処理して有機分子を除去することにより得られたものであることが好ましい。この理由は、有機分子を一度取り込んだ後、除去することにより、ガス吸着材料の結晶内に多数の気孔や亀裂などが形成され、吸着ガスが取り込まれやすくなるためであると推察される。形成される気孔は、閉気孔、又は入口径が吸着するガス分子よりも小さい気孔であることが好ましい。こうすれば、吸着ガス以外を吸着しにくくなると考えられる。この除去される有機分子は、アセトニトリル、アセトン、メタノール、ジメチルホルムアミド、ジエチルホルムアミドであることが好ましい。このうち、揮発性が高く除去しやすく、取り扱いが容易なことから、アセトンとするのが好ましい。有機分子を除去する加熱処理は、真空条件下によって行われることが好ましい。このガス吸着材料は、有機分子を除去する処理(活性化処理)を行った場合は、構造を変化させて安定構造に相転移し、目的以外のガスを吸着しにくい特性を示す。一方、吸着ガスが接近した場合は、構造を変化させて(構造相転移して)この吸着ガスをその構造内に取り込む。よって、本発明のガス吸着材料は、活性化処理を行っても目的以外のガスを吸着しにくく、また構造相転移によって構造の歪みを緩和し、安定化しているため、構造が崩壊しにくい。   The gas adsorbing material is preferably obtained by heat-treating an aggregate composed of monomers and organic molecules to remove the organic molecules. The reason for this is presumed that the organic molecules are once taken in and then removed, whereby a large number of pores and cracks are formed in the crystal of the gas adsorbing material, and the adsorbed gas is easily taken in. The formed pores are preferably closed pores or pores whose inlet diameter is smaller than the gas molecules to be adsorbed. In this way, it is considered that it is difficult to adsorb other than the adsorbed gas. The organic molecule to be removed is preferably acetonitrile, acetone, methanol, dimethylformamide, or diethylformamide. Of these, acetone is preferred because it is highly volatile and easy to remove and easy to handle. The heat treatment for removing the organic molecules is preferably performed under vacuum conditions. When this gas adsorbing material is subjected to a process for removing organic molecules (activation process), the structure is changed to cause a phase transition to a stable structure, and the gas adsorbing material has a characteristic that it is difficult to adsorb gases other than the intended one. On the other hand, when the adsorbed gas approaches, the adsorbed gas is taken into the structure by changing the structure (with structural phase transition). Therefore, the gas adsorbing material of the present invention is less likely to adsorb gases other than the target even when the activation treatment is performed, and the structure is less likely to collapse because the structural distortion is relaxed and stabilized by the structural phase transition.

このガス吸着材料において、集積体は、複数の構造体の間に設けられた空間及び相互作用部を介して複数の構造体が移動してこの複数の構造体の間に設けられる空間のうち少なくとも一方へ二酸化炭素ガスを吸着するものである。このガス吸着材料では、おそらく後者の空間へ主として二酸化炭素が吸着しているものと考えられる。また、このガス吸着材料は、窒素ガス、水蒸気、炭化水素ガス、及び二酸化炭素のうち、二酸化炭素の吸着性がより高いものが好ましい。即ち、二酸化炭素を選択的に吸着するものとすれば、例えば二酸化炭素を含む排ガスや、二酸化炭素を含む炭化水素ガスなどの原料ガスから二酸化炭素を選択的に回収しやすい。ここで、炭化水素ガスとしては、例えばメタンやエタンなどの飽和炭化水素、エチレンなどの不飽和炭化水素などが挙げられるが、このうちメタンとしてもよい。なお、二酸化炭素を含む原料ガスに、二酸化炭素よりも吸着性が高いガスが含まれているときには、この吸着性の高いガスを何らかの方法によって除去したガスを原料ガスとするものとしてもよい。あるいは、二酸化炭素よりも吸着性が高いガスが含まれた状態でガス吸着材料によりガス吸着を行ったのちこのガスを二酸化炭素から分離するものとしてもよい。   In this gas adsorbing material, the integrated body includes at least one of a space provided between the plurality of structures and a space provided between the plurality of structures by moving the plurality of structures through the interaction portion. One side adsorbs carbon dioxide gas. In this gas adsorbing material, carbon dioxide is probably adsorbed mainly in the latter space. Further, the gas adsorbing material is preferably one having higher carbon dioxide adsorbability among nitrogen gas, water vapor, hydrocarbon gas, and carbon dioxide. That is, if carbon dioxide is selectively adsorbed, it is easy to selectively recover carbon dioxide from a raw material gas such as an exhaust gas containing carbon dioxide or a hydrocarbon gas containing carbon dioxide. Here, examples of the hydrocarbon gas include saturated hydrocarbons such as methane and ethane, and unsaturated hydrocarbons such as ethylene. Of these, methane may be used. Note that when the raw material gas containing carbon dioxide contains a gas having a higher adsorptivity than carbon dioxide, a gas obtained by removing this highly adsorbable gas by some method may be used as the raw material gas. Alternatively, the gas may be separated from the carbon dioxide after the gas is adsorbed by the gas adsorbing material in a state in which the gas having higher adsorptivity than the carbon dioxide is contained.

構造体に含まれる錯体核金属は、所望のガス吸着材料が得られやすいという観点から、Zn、Cu、Mg、Al、Mn、Fe、Co及びNiのうちいずれかであることが好ましく、このうちZnがより好ましい。また、構造体に含まれる相互作用部は、非結合性相互作用を作用させるという観点から、モノカルボン酸に結合した官能基である、芳香環、アルキル基、水酸基、アミノ酸、ニトリル基、ハロゲン基のうちいずれかであることが好ましく、このうち芳香環であることがより好ましい。また官能基の構成は、官能基1つのみが含まれていてもよく、同一又は異種の官能基が複数含まれていてもよい。また、芳香環に関しては、単環であってもよく、多環であってもよく、それぞれが複素環であってもよい。さらに、オルト位、メタ位、パラ位等の置換位置が上述したような置換基によって置換されていてもよく、その置換位置が1箇所であっても複数箇所であってもよい。   The complex core metal contained in the structure is preferably any one of Zn, Cu, Mg, Al, Mn, Fe, Co and Ni from the viewpoint that a desired gas adsorbing material can be easily obtained. Zn is more preferable. In addition, the interaction part included in the structure is a functional group bonded to a monocarboxylic acid, from the viewpoint of causing a non-binding interaction, an aromatic ring, an alkyl group, a hydroxyl group, an amino acid, a nitrile group, a halogen group Of these, an aromatic ring is more preferable. Moreover, the structure of the functional group may include only one functional group, or may include a plurality of the same or different functional groups. In addition, the aromatic ring may be monocyclic, polycyclic, or heterocyclic. Furthermore, substitution positions such as ortho-position, meta-position and para-position may be substituted by the substituents as described above, and the substitution position may be one place or plural places.

図1は、ガス吸着材料を構成するモノマー20の一例を示す説明図であり、図2は、モノマー20により構成されたガス吸着材料10の二酸化炭素の吸着機構の説明図である。ここでは、図1に示すように、ガス吸着材料10を構成するモノマー20は、錯体核金属22がZnであり、モノカルボン酸24が有する相互作用部25がベンゼン環により構成されている。モノカルボン酸24は、モノカルボン酸24が有するカルボキシル基(−COO)と錯体核金属22とによる配位結合を介して2つの錯体核金属22と結合され、図1に示すような単分子のモノマーを形成する。   FIG. 1 is an explanatory view showing an example of the monomer 20 constituting the gas adsorbing material, and FIG. 2 is an explanatory view of the carbon dioxide adsorption mechanism of the gas adsorbing material 10 constituted by the monomer 20. Here, as shown in FIG. 1, in the monomer 20 constituting the gas adsorbing material 10, the complex nucleus metal 22 is Zn, and the interaction part 25 of the monocarboxylic acid 24 is constituted by a benzene ring. The monocarboxylic acid 24 is bonded to the two complex nucleus metals 22 through a coordinate bond between the carboxyl group (—COO) of the monocarboxylic acid 24 and the complex nucleus metal 22, and the monocarboxylic acid 24 is a single molecule as shown in FIG. Form monomers.

このガス吸着材料10の吸着機構は、定かではないが、図2に示すように構造を変化させながら吸着するものと推測される。ガス吸着材料10は、図2の1段目に示すように、複数のモノマー20が各々の相互作用部25により非結合性相互作用により集積した構造を有している。そして、吸着ガス(ここでは二酸化炭素)が存在すると、吸着ガスの分子サイズより大きく開口させて吸着ガスを取り込んだ構造へ相転移する(図2の2段目)。更に吸着ガスの圧力が高くなると、より大きな構造相転移が起き、より多くの吸着ガスを取り込む(図2の3,4段目)。ガス吸着材料10では、これらの構造相転移が可逆的に行われることにより吸着ガスの吸脱着が行われるものと考えられる。このガス吸着材料10では、メタン、窒素、水蒸気などに比して高い二酸化炭素の吸着特性を示す。なお、水蒸気において、ガス吸着材料10は、水蒸気圧P/P0が0.9以下の範囲で用いることが好ましく、P/P0が0.8以下の範囲で用いることがより好ましい。こうすれば、水蒸気の吸着を抑制可能であり、より選択的に二酸化炭素をガス吸着材料10が吸着しやすい。   Although the adsorption mechanism of the gas adsorbing material 10 is not clear, it is presumed that the gas adsorbing material 10 adsorbs while changing the structure as shown in FIG. As shown in the first stage of FIG. 2, the gas adsorbing material 10 has a structure in which a plurality of monomers 20 are accumulated by non-bonding interactions by the interaction portions 25. When the adsorbed gas (carbon dioxide in this case) exists, the phase transitions to a structure in which the adsorbed gas is taken in by opening larger than the molecular size of the adsorbed gas (second stage in FIG. 2). When the pressure of the adsorbed gas is further increased, a larger structural phase transition occurs, and more adsorbed gas is taken in (third and fourth stages in FIG. 2). In the gas adsorbing material 10, it is considered that adsorption / desorption of the adsorbed gas is performed by reversibly performing these structural phase transitions. The gas adsorbing material 10 exhibits higher carbon dioxide adsorption characteristics than methane, nitrogen, water vapor, and the like. In addition, in water vapor | steam, it is preferable to use the gas adsorption material 10 in the range whose water vapor pressure P / P0 is 0.9 or less, and it is more preferable to use it in the range whose P / P0 is 0.8 or less. If it carries out like this, adsorption | suction of water vapor | steam can be suppressed and the gas adsorption material 10 will adsorb | suck carbon dioxide more selectively.

次に、本発明のガス吸着材料を用いた二酸化炭素の製造方法について説明する。図3は、二酸化炭素製造装置30の一例を示す説明図である。二酸化炭素製造装置30は、ガス吸着材料10を配設し原料ガス中に含まれる二酸化炭素ガスを回収する複数のPSA塔32と、PSA塔32へ原料ガスを供給する原料弁33と、PSA塔32から二酸化炭素ガスを回収する精製弁34と、二酸化炭素以外のガスを排出する排出弁35と、PSA塔32へパージガスを供給するパージ弁36と、によって構成されている。各弁は、各PSA塔32にそれぞれ設けられている。ここでは、窒素、水蒸気及び二酸化炭素を含む排ガスを原料ガスとして説明する。なお、ガス吸着材料10の再生を図るパージガスは、窒素を用いるものとした。まず、原料弁33を開放してPSA塔32へ原料ガスを加圧して供給し、ガス吸着材料10に二酸化炭素を吸着させるガス吸着工程を行う。この吸着温度は、273K以上333K以下の温度とすることができる。また、吸着圧は、0.1MPa以上10MPa以下の範囲とすることができる。このとき、ガス吸着材料10は、窒素や水蒸気の吸着が不活性であるため、高選択的に二酸化炭素を吸着する。次に、排出弁35を開放して吸着しない窒素や水蒸気を排出する排出工程を行う。続いて、精製弁34のみを開放し、精製口側を減圧することにより、ガス吸着材料10に吸着した二酸化炭素を回収する回収工程を行う。また、これらの工程を繰り返す所定のタイミングで、パージ弁36及び排出弁35を開放して、いずれかのPSA塔32に設けられたガス吸着材料10の再生を図る再生工程を行う。ここで、ガス吸着材料10は、窒素や水蒸気の吸着が不活性であるから、活性炭やゼオライトなどの水蒸気を強く吸着するものに比して再生処理はより少ない回数で足りる。なお、排出ガスを原料ガス側に供給することにより排出ガスに含まれる二酸化炭素を更に回収することによって回収率を高めることができる。このように、原料ガスから精製することにより、二酸化炭素を製造することができる。   Next, the manufacturing method of the carbon dioxide using the gas adsorption material of this invention is demonstrated. FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating an example of the carbon dioxide production apparatus 30. The carbon dioxide production apparatus 30 includes a plurality of PSA towers 32 that are provided with the gas adsorbing material 10 and collect carbon dioxide gas contained in the raw material gas, a raw material valve 33 that supplies the raw material gas to the PSA tower 32, and a PSA tower. A purifying valve 34 that recovers carbon dioxide gas from 32, a discharge valve 35 that discharges gas other than carbon dioxide, and a purge valve 36 that supplies purge gas to the PSA tower 32 are configured. Each valve is provided in each PSA tower 32. Here, the exhaust gas containing nitrogen, water vapor, and carbon dioxide will be described as a raw material gas. Note that nitrogen was used as the purge gas for regenerating the gas adsorbing material 10. First, a gas adsorption process is performed in which the raw material valve 33 is opened and the raw material gas is pressurized and supplied to the PSA tower 32 to adsorb carbon dioxide to the gas adsorbing material 10. This adsorption temperature can be set to a temperature of 273K to 333K. The adsorption pressure can be in the range of 0.1 MPa to 10 MPa. At this time, since the adsorption of nitrogen or water vapor is inactive, the gas adsorbing material 10 adsorbs carbon dioxide with high selectivity. Next, the discharge valve 35 is opened to perform a discharge process for discharging non-adsorbed nitrogen and water vapor. Subsequently, the recovery step of recovering carbon dioxide adsorbed on the gas adsorbing material 10 is performed by opening only the purification valve 34 and reducing the pressure on the purification port side. In addition, at a predetermined timing for repeating these steps, the purge valve 36 and the discharge valve 35 are opened, and a regeneration step for regenerating the gas adsorbing material 10 provided in any PSA tower 32 is performed. Here, since the adsorption of nitrogen or water vapor is inactive, the gas adsorbing material 10 requires fewer regenerating treatments than those that strongly adsorb water vapor such as activated carbon and zeolite. Note that the recovery rate can be increased by further recovering carbon dioxide contained in the exhaust gas by supplying the exhaust gas to the raw material gas side. Thus, carbon dioxide can be produced by refining from the raw material gas.

次に、本発明のガス吸着材料を用いたメタンの精製方法について説明する。図4は、メタン精製装置40の一例を示す説明図である。メタン精製装置40は、ガス吸着材料10を配設し原料ガス中に含まれる二酸化炭素ガスを回収する複数のPSA塔42と、PSA塔42へ原料ガスを供給する原料弁43と、PSA塔42からメタンガスを回収する精製弁44と、メタンに含まれる二酸化炭素をPSA塔42から排出する排出弁45と、PSA塔42へパージガスを供給するパージ弁46と、によって構成されている。各弁は、各PSA塔42にそれぞれ設けられている。ここでは、メタン及び二酸化炭素を含む嫌気性ガスを原料ガスとして説明する。なお、ガス吸着材料10の再生を図るパージガスは、窒素を用いるものとした。まず、原料弁43を開放してPSA塔42へ原料ガスを加圧して供給し、ガス吸着材料10に二酸化炭素を吸着させるガス吸着工程を行う。この吸着温度は、273K以上333K以下の温度とすることができる。また、吸着圧は、0.1MPa以上10MPa以下の範囲とすることができる。このとき、ガス吸着材料10は、メタンの吸着が不活性であるため、高選択的に二酸化炭素を吸着する。次に、精製弁44を開放して精製口側を減圧し、吸着しないメタンを精製ガスとして取り出す精製工程を行う。続いて、所定のタイミングで、パージ弁46及び排出弁45を開放し、排出口側を減圧することにより、ガス吸着材料10に吸着した二酸化炭素を回収し、いずれかのPSA塔42に設けられたガス吸着材料10の再生を図る回収再生工程を行う。ここで、ガス吸着材料10は、メタンの吸着が不活性であるから、効率よく二酸化炭素を回収し、メタンの濃度を高めることができる。このように、原料ガスから精製することにより、メタンを製造することができる。   Next, a method for purifying methane using the gas adsorbing material of the present invention will be described. FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of the methane purification device 40. The methane refining device 40 includes a plurality of PSA towers 42 for disposing the gas adsorbing material 10 and collecting carbon dioxide gas contained in the raw material gas, a raw material valve 43 for supplying the raw material gas to the PSA tower 42, and the PSA tower 42. A purifying valve 44 for recovering methane gas from the exhaust gas, a discharge valve 45 for discharging carbon dioxide contained in methane from the PSA tower 42, and a purge valve 46 for supplying purge gas to the PSA tower 42. Each valve is provided in each PSA tower 42. Here, an anaerobic gas containing methane and carbon dioxide will be described as a raw material gas. Note that nitrogen was used as the purge gas for regenerating the gas adsorbing material 10. First, a gas adsorption process is performed in which the raw material valve 43 is opened and the raw material gas is pressurized and supplied to the PSA tower 42 to cause the gas adsorbing material 10 to adsorb carbon dioxide. This adsorption temperature can be set to a temperature of 273K to 333K. The adsorption pressure can be in the range of 0.1 MPa to 10 MPa. At this time, since the adsorption of methane is inactive, the gas adsorbing material 10 adsorbs carbon dioxide with high selectivity. Next, a purification step is performed in which the purification valve 44 is opened and the purification port side is depressurized so that non-adsorbed methane is extracted as a purified gas. Subsequently, at a predetermined timing, the purge valve 46 and the discharge valve 45 are opened, and the discharge port side is decompressed to recover the carbon dioxide adsorbed on the gas adsorbing material 10, which is provided in any PSA tower 42. Then, a recovery / regeneration step for regenerating the gas adsorbing material 10 is performed. Here, since the adsorption of methane is inactive, the gas adsorbing material 10 can efficiently recover carbon dioxide and increase the concentration of methane. Thus, methane can be manufactured by refine | purifying from source gas.

以上詳述した本実施形態のガス吸着材料10によれば、二酸化炭素の吸着特性が高く、二酸化炭素をより選択的に吸着することによって二酸化炭素の回収をより容易とし、効率的に二酸化炭素の製造やメタンガスの精製を行うことができる。   According to the gas adsorbing material 10 of the present embodiment described in detail above, the carbon dioxide adsorption property is high, and the carbon dioxide can be recovered more easily by more selectively adsorbing the carbon dioxide. Manufacture and purification of methane gas can be performed.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.

例えば、上述した実施形態では、PSA工程で本発明のガス吸着材料10を用いるものとしたが、二酸化炭素ガスを吸着させる工程であれば、特に限定されることなく用いることができる。例えば、TSA(Temperature Swing Adsorption)工程において二酸化炭素ガスを吸着分離するものとし、この工程にガス吸着材料10を用いるものとしてもよい。また、上述した実施形態では、二酸化炭素とメタン、あるいは二酸化炭素と窒素と水蒸気との分離にガス吸着材料10を用いるものとしたが、二酸化炭素ガスと他の1以上のガスとの分離にガス吸着材料10を用いるものとしてもよい。     For example, in the above-described embodiment, the gas adsorbing material 10 of the present invention is used in the PSA process. However, any process can be used as long as it is a process for adsorbing carbon dioxide gas. For example, carbon dioxide gas may be adsorbed and separated in a TSA (Temperature Swing Adsorption) process, and the gas adsorbing material 10 may be used in this process. In the above-described embodiment, the gas adsorbing material 10 is used to separate carbon dioxide and methane, or carbon dioxide, nitrogen, and water vapor. However, a gas is used to separate carbon dioxide gas and one or more other gases. The adsorbing material 10 may be used.

上述した実施形態では、ガス吸着材料10を二酸化炭素の製造及びメタンガスの製造に用いるものとしたが、特にこれに限定されず、二酸化炭素の吸着に使用するものとすれば、どのような用途に用いてもよい。   In the above-described embodiment, the gas adsorbing material 10 is used for the production of carbon dioxide and the production of methane gas. However, the present invention is not particularly limited to this, and if it is used for the adsorption of carbon dioxide, it can be used for any purpose. It may be used.

以下には、ガス吸着材料を具体的に製造した例を説明する。市販の安息香酸亜鉛(Zn(C65COO)2)(関東化学製)の1.0gを、無水硫酸マグネシウム(MgSO4)で乾燥したアセトン70mLに溶解させたあと、この溶液を50℃で30分加熱したところ、白色の析出物が沈殿した。この白色の析出物を吸引濾過により濾別し、濾別した析出物を常温により真空乾燥した。析出物の収量は、0.71gであった。得られた析出物を化学分析、赤外吸収スペクトル、X線回折などの測定を行い、図1に示したアセトンを含有した[Zn4O(C65COO)6](以下、Zbzと称する)であることが確認された。次に、得られたアセトン含有Zbzを150℃、4時間真空下で加熱処理することによりアセトンを除去し、実施例のガス吸着材料を得た。なお、このアセトンの除去後のZbzの重量は、5.6重量%の減少があり、その収量は、0.67gであった。この重量減少は、モノマーZbzあたり1分子のアセトンが失われた値(5.5重量%)と略一致した。 Below, the example which manufactured the gas adsorption material concretely is demonstrated. After dissolving 1.0 g of commercially available zinc benzoate (Zn (C 6 H 5 COO) 2 ) (manufactured by Kanto Chemical) in 70 mL of acetone dried over anhydrous magnesium sulfate (MgSO 4 ), this solution was cooled to 50 ° C. When heated for 30 minutes, a white precipitate precipitated. The white precipitate was filtered off by suction filtration, and the filtered precipitate was vacuum dried at room temperature. The yield of the precipitate was 0.71 g. The obtained precipitate was measured by chemical analysis, infrared absorption spectrum, X-ray diffraction and the like, and [Zn 4 O (C 6 H 5 COO) 6 ] (hereinafter referred to as Zbz) containing acetone shown in FIG. It was confirmed that Next, acetone was removed by heat-treating the obtained acetone-containing Zbz under vacuum at 150 ° C. for 4 hours to obtain a gas adsorbing material of the example. Note that the weight of Zbz after the removal of acetone was reduced by 5.6% by weight, and the yield was 0.67 g. This weight reduction was approximately in agreement with the value of loss of one molecule of acetone per monomer Zbz (5.5% by weight).

[X線回折測定]
定性用X線回折装置(理学電機製RAD−1B)を用いて実施例の粉末X線回折パターンを測定した。ガス吸着等温線の測定前後においてX線回折を測定したところ、二酸化炭素を取り込む前と取り込み放出した後でX線回折の測定結果に大きな変化は見られなかった。また、二酸化炭素を取り込み放出した後の実施例の窒素吸着特性を測定したところ、窒素吸着量は、変化しなかった。以上のことから、このガス吸着材料は二酸化炭素を取り込む前と取り込み放出した後で構造が変化しないと考えられた。
[X-ray diffraction measurement]
The powder X-ray diffraction patterns of the examples were measured using a qualitative X-ray diffraction apparatus (RAD-1B manufactured by Rigaku Corporation). When X-ray diffraction was measured before and after the measurement of the gas adsorption isotherm, there was no significant change in the measurement result of the X-ray diffraction before carbon dioxide was captured and after carbon dioxide was captured and released. Moreover, when the nitrogen adsorption characteristic of the Example after taking in and releasing carbon dioxide was measured, the nitrogen adsorption amount did not change. From the above, it was considered that the structure of this gas adsorbing material did not change before capturing and releasing carbon dioxide.

[比表面積測定及びガス吸着特性測定]
実施例のガス吸着材料について、比表面積/細孔分布測定装置ASAP2020(マイクロメリティクス製)を用いて、窒素の77Kでの吸着等温線測定を行った。死体積の測定にはヘリウムを用いた。その結果を用いてBET比表面積を算出したところ、比表面積は、1m2/gであった。次に、同じ装置を用いて、二酸化炭素、窒素及びメタンの303Kでの吸着等温線測定を行った。死体積の測定にはヘリウムを用いた。図5は、実施例の二酸化炭素、窒素及びメタンの吸着等温線測定結果である。ガス吸着等温線測定は、吸着温度を303Kとし、ガス吸着材料を0.1g用い、30秒間に亘って測定圧力に0.01%以上の変化がなかったときに吸着平衡であると判定して差圧目標を38mmHgとする次の測定点の吸着を実行する測定条件で行った。この結果、実施例のガス吸着材料は、二酸化炭素の吸着量が他のガスに比して大きいことが明らかとなった。次に、実施例のガス吸着材料について、石英スプリング(幕張理化学硝子製作所製)を用いた重量法気体吸着測定装置を用いて、水蒸気吸着測定を行った。図6は、実施例の水蒸気の吸着等温線測定結果である。水蒸気の吸着については、実施例のガス吸着材料は、水蒸気圧P/P0が0.8以下の範囲では若干の吸着がみられたが、水蒸気圧P/P0が0.7以下の範囲ではほとんど水蒸気を吸着しないことがわかった。また、水蒸気を吸着した後に、200℃にて12時間真空加熱処理を行ったところ、このガス吸着材料の重量は、水蒸気吸着前の値に戻った。このように、実施例のガス吸着材料では、二酸化炭素ガス、ヘリウムガス、窒素ガス、メタンガス、水蒸気のうち、二酸化炭素の吸着量が最も大きく、他のガスの吸着はほとんど起きないことが明らかとなった。したがって、これらの混合ガスを用いたときには、二酸化炭素をより選択的に吸着することができ、二酸化炭素の回収に有効な材料であるということが明らかとなった。
[Specific surface area measurement and gas adsorption characteristics measurement]
The adsorption isotherm of nitrogen at 77K was measured using the specific surface area / pore distribution measuring device ASAP2020 (manufactured by Micromeritics) for the gas adsorption material of the example. Helium was used to measure the dead volume. When the BET specific surface area was calculated using the result, the specific surface area was 1 m 2 / g. Next, using the same apparatus, adsorption isotherm measurements of carbon dioxide, nitrogen, and methane at 303K were performed. Helium was used to measure the dead volume. FIG. 5 shows the measurement results of adsorption isotherms for carbon dioxide, nitrogen and methane in the examples. In the gas adsorption isotherm measurement, the adsorption temperature is set to 303K, 0.1 g of the gas adsorbing material is used, and it is determined that the adsorption equilibrium is obtained when the measurement pressure does not change by 0.01% or more over 30 seconds. The measurement was performed under the measurement conditions for performing adsorption at the next measurement point where the differential pressure target was 38 mmHg. As a result, the gas adsorbing materials of the examples were found to have a larger amount of carbon dioxide adsorption than other gases. Next, with respect to the gas adsorbing material of the example, water vapor adsorption measurement was performed using a gravimetric gas adsorption measuring device using a quartz spring (manufactured by Makuhari Chemical Glass Manufacturing Co., Ltd.). FIG. 6 is a measurement result of the adsorption isotherm of water vapor in the example. Regarding the adsorption of water vapor, the gas adsorbing materials of the examples showed slight adsorption in the range where the water vapor pressure P / P0 was 0.8 or less, but almost in the range where the water vapor pressure P / P0 was 0.7 or less. It was found that water vapor is not adsorbed. Further, after the water vapor was adsorbed, a vacuum heat treatment was performed at 200 ° C. for 12 hours. As a result, the weight of the gas adsorbing material returned to the value before the water vapor adsorption. Thus, in the gas adsorbing materials of the examples, among carbon dioxide gas, helium gas, nitrogen gas, methane gas, and water vapor, it is clear that the amount of carbon dioxide adsorption is the largest, and the adsorption of other gases hardly occurs. became. Therefore, it has been clarified that when these mixed gases are used, carbon dioxide can be adsorbed more selectively and is an effective material for collecting carbon dioxide.

本発明は、ガス吸着材に関する分野に利用可能である。   The present invention can be used in the field related to gas adsorbents.

10 ガス吸着材料、20 モノマー、22 錯体核金属、24 モノカルボン酸、25 相互作用部、30 二酸化炭素製造装置、32,42 PSA塔、33,43 原料弁、34,44 精製弁、35,45 排出弁、36,46 パージ弁、40 メタン精製装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Gas adsorption material, 20 Monomer, 22 Complex nucleus metal, 24 Monocarboxylic acid, 25 Interaction part, 30 Carbon dioxide production apparatus, 32,42 PSA tower, 33,43 Raw material valve, 34,44 Purification valve, 35,45 Drain valve, 36, 46 Purge valve, 40 Methane purifier.

Claims (9)

複数の構造体が集積した集積体により構成されるガス吸着材料であって、
前記構造体は、酸素により四面体状に結合した4つの錯体核金属と、非結合性相互作用により他の構造体と集積する相互作用部を有し前記錯体核金属を取り囲むように該錯体核金属に配位する複数のモノカルボン酸と、を備えており、
前記集積体は、前記複数の構造体の間に設けられた空間及び/又は前記相互作用部を介して前記複数の構造体が移動して該複数の構造体の間に設けられる空間へ二酸化炭素ガスを吸着する、
ガス吸着材料。
A gas adsorbing material composed of an integrated body in which a plurality of structures are integrated,
The structure has four complex nucleus metals bonded in a tetrahedral form by oxygen and an interaction part that accumulates with other structures by non-binding interaction so as to surround the complex nucleus metal. A plurality of monocarboxylic acids coordinated to the metal,
The integrated body is configured such that the plurality of structures move through the space provided between the plurality of structures and / or the interaction unit, and the carbon dioxide enters the space provided between the plurality of structures. Adsorb gas,
Gas adsorption material.
前記錯体核金属は、Zn、Cu、Mg、Al、Mn、Fe、Co及びNiのうちいずれかである、請求項1に記載のガス吸着材料。   The gas adsorption material according to claim 1, wherein the complex core metal is any one of Zn, Cu, Mg, Al, Mn, Fe, Co, and Ni. 前記相互作用部は、前記モノカルボン酸に結合した官能基である、芳香環、アルキル基、水酸基、アミノ酸、ニトリル基、ハロゲン基のうちいずれかである、請求項1又は2に記載のガス吸着材料。   3. The gas adsorption according to claim 1, wherein the interaction unit is any one of an aromatic ring, an alkyl group, a hydroxyl group, an amino acid, a nitrile group, and a halogen group, which is a functional group bonded to the monocarboxylic acid. material. 前記構造体は、次式(1)で表されるモノマーであり、
前記集積体は、前記官能基R1を前記相互作用部として3次元構造となるよう前記構造体を集積して構成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガス吸着材料。
Figure 2009220101
The structure is a monomer represented by the following formula (1):
The gas adsorption material according to any one of claims 1 to 3, wherein the aggregate is configured by accumulating the structures so as to have a three-dimensional structure with the functional group R1 as the interaction part.
Figure 2009220101
前記ガス吸着材料は、水蒸気圧P/P0が0.8までは水蒸気を吸着しない特性を有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載のガス吸着材料。   The gas adsorbing material according to any one of claims 1 to 4, wherein the gas adsorbing material has a characteristic of not adsorbing water vapor until the water vapor pressure P / P0 is 0.8. 原料ガスを精製することにより二酸化炭素を製造する方法であって、
請求項1〜5のいずれか1項に記載のガス吸着材料に所定の吸着温度で前記原料ガスに含まれる二酸化炭素ガスを吸着させるガス吸着工程、を含む、二酸化炭素の製造方法。
A method for producing carbon dioxide by refining a raw material gas,
A method for producing carbon dioxide, comprising: a gas adsorption step for adsorbing carbon dioxide gas contained in the raw material gas at a predetermined adsorption temperature to the gas adsorbing material according to any one of claims 1 to 5.
前記ガス吸着工程では、圧力変動式吸着法により二酸化炭素ガスを吸着させる、請求項6に記載の二酸化炭素の製造方法。   The method for producing carbon dioxide according to claim 6, wherein in the gas adsorption step, carbon dioxide gas is adsorbed by a pressure fluctuation type adsorption method. 二酸化炭素を回収する方法であって、
請求項1〜5のいずれか1項に記載のガス吸着材料に所定の吸着温度で前記原料ガスに含まれる二酸化炭素ガスを吸着させるガス吸着工程、を含む、二酸化炭素の回収方法。
A method for recovering carbon dioxide,
A method for recovering carbon dioxide, comprising: a gas adsorption step of adsorbing carbon dioxide gas contained in the raw material gas at a predetermined adsorption temperature to the gas adsorbing material according to any one of claims 1 to 5.
前記ガス吸着工程では、圧力変動式吸着法により二酸化炭素ガスを吸着させる、請求項8に記載の二酸化炭素の回収方法。   The carbon dioxide recovery method according to claim 8, wherein in the gas adsorption step, carbon dioxide gas is adsorbed by a pressure fluctuation type adsorption method.
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