JP2011500309A - 二酸化炭素のプラズマ分解装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

二酸化炭素を非熱プラズマ雰囲気中で炭素と酸素に分解する二酸化炭素のプラズマ分解装置及び方法が開示されており、当該装置は、二酸化炭素の流入口及び炭素と酸素の排出口を有する二酸化炭素分解反応器と；前記反応器内に配置されて長さ方向に伸長する棒状の複数の陽極と；前記反応器内の複数の陽極内に配置されて長さ方向に伸長する棒状の複数の陰極と；前記複数の陽極と前記複数の陰極との間に所定の電圧を印加する電源と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素のプラズマ分解装置及び方法に関し、特には、二酸化炭素を非熱プラズマ雰囲気中で炭素と酸素に分解する装置及び方法に関する。
現在、ほとんどのエネルギーは炭素と水素が結合した石油、石炭、及び天然ガスなどの化石燃料を燃焼させることにより放出される熱から得られ、燃焼する化石燃料は燃焼過程で酸素と反応して二酸化炭素を排出し、排出された酸化炭素は大気中に蓄積されて地球温暖化をもたらす。
二酸化炭素は分解が困難な非常に安定した物質であることから、現在、二酸化炭素を分離貯蔵する方法が提案されている。つまり、二酸化炭素が大量に生成される石炭火力発電所などの施設では、二酸化炭素を捕捉して深い地層や海洋に埋設する方法が研究されている。
しかしながら、この方法では二酸化炭素量が根本的に低減されず、コスト高であるという欠点がある。
そこで、本発明の目的は、二酸化炭素を非熱プラズマ雰囲気中で炭素と酸素に分解する二酸化炭素のプラズマ分解装置及び方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、二酸化炭素を分解して再生利用可能な炭素と酸素を得るプラズマ分解の装置及び方法を提供することにあり、その得られた炭素は炭素ナノチューブの原料として使用することもできる。
これら目的及び他の目的を達成するため、本発明の態様に係る二酸化炭素分解装置は、二酸化炭素の流入口及び炭素と酸素の排出口を有する二酸化炭素分解反応器と；前記反応器内に配置されて長さ方向に伸長する棒状の複数の陽極と；前記反応器内の複数の陽極内に配置されて長さ方向に伸長する棒状の複数の陰極と；前記複数の陽極と前記複数の陰極との間に所定の電圧を印加する電源と、を含む。
二酸化炭素容器が前記反応器の入口に接続するように配置されて二酸化炭素を貯蔵し、二酸化炭素を前記反応器に提供することもできる。
さらに、当該装置は、前記反応器の出口に接続して排出ガスから炭素を分離する炭素分離装置を有することが好ましく、前記炭素分離装置はサイクロン分離式で炭素を分離し、当該装置は、前記排出ガス中の二酸化炭素から酸素を分離する二酸化炭素／酸素分離装置を有し、前記二酸化炭素／酸素分離装置から排出される二酸化炭素は前記二酸化炭素容器に復帰するか、あるいは直接に前記反応器に復帰する。
本発明の別の態様に係る二酸化炭素のプラズマ分解法は、陽極と陰極を有する反応器内に二酸化炭素を流入させるステップと；前記陽極と陰極が所定の電圧に維持されると二酸化炭素を非熱プラズマ雰囲気中で炭素と酸素に分解するステップと；分解された炭素と酸素及び分解されていない二酸化炭素を排出するステップと、を含む。この時点で、分解されていない二酸化炭素は（装置外に）排出される。
二酸化炭素が前記反応器内に流入する前に二酸化炭素を精製するステップを行ってもよく、炭素と酸素の排出後にガスから炭素を分離するステップを行ってもよい。さらに、二酸化炭素を前記排出ガスから分離してから前記反応器に復帰させてもよい。
本発明に係る二酸化炭素分解装置は二酸化炭素を非熱プラズマ状態にさせることにより二酸化炭素を分解することができるので、地球温暖化の主な原因である二酸化炭素を根本的に減少させる。
さらに、その分解された炭素と酸素を再生利用することもでき、特に、純粋な二酸化炭素から得られた炭素を炭素ナノチューブの材料として使用することもできるという利点がある。
本発明の一実施形態に係る二酸化炭素プラズマ分解装置の概略図を示すものである。 反応器の内部断面図を示すものである。
以下、本発明の例示的実施形態が示されている添付図面を参照して本発明をより明確に説明する。
まず、図１を参照して本発明の一実施形態に係る二酸化炭素プラズマ分解装置を説明する。前記二酸化炭素プラズマ分解装置は二酸化炭素容器１００、反応器２００、炭素分離装置３００、及び二酸化炭素／酸素分離装置４００を含む。
前記二酸化炭素容器１００は石炭火力発電所などで捕捉される二酸化炭素を貯蔵し、前記二酸化炭素容器１００内に貯蔵される二酸化炭素は高効率膜によって精製される純粋な二酸化炭素であることが好ましい。あるいは、精製装置を設けて二酸化炭素が前記反応器２００内に流入する前にそれを精製することもできる。
二酸化炭素がその中で分解される前記反応器２００は、二酸化炭素が流入するように前記二酸化炭素容器１００に接続される入口２１０と、分解された炭素と酸素を排出する出口２４０とを含み、複数の陽極２２０と複数の陰極２３０は、長さ方向に伸長して前記反応器２００の内部に配置され、電源２５０は、前記反応器の外側に接続されて前記複数の陽極２２０と前記複数の陰極２３０との間に所定の電圧を供給する。
前記各陽極２２０は、長さ方向に伸長する円筒状の陽極棒２２１と、前記陽極棒を囲む絶縁体２２２とを有し、前記陽極棒２２１は導電性材料、好ましくは二酸化チタンからなり、前記絶縁体２２２は好ましくはセラミックスからなる。
各陰極２２３は、長さ方向に伸長する円筒状の陰極棒２３１と、前記陰極棒を包囲する絶縁体２３２とを有し、前記陰極棒２３１は銅、銀、白金、または二酸化チタンなどの高い導電性を有する導電性材料からなる。
特に、二酸化チタンは、３８０ｎｍ未満の波長を有する電磁波に応答して３ｅＶエネルギーを有する自由電子を生成し、３ｅＶの自由電子エネルギーは二酸化炭素の解離エネルギー２．８２ｅＶを超えるので、二酸化チタンを陰極棒２３１として使用することが好ましい。
前記絶縁体２３２はセラミックス、クォーツ／石英、パイレックス（登録商標）など、好ましくはセラミックスからなる。
前記複数の陽極２２０と前記複数の陰極２３０の数量は特定の設計に応じて適宜決定され、前記複数の陰極２３０が前記複数の陽極２２０を長さ方向から見て包囲するように配置されると、二酸化炭素の分解が行われるが、前記複数の陰極２３０の数量は前記複数の陽極２２０の数量以上であることが好ましい。図２は前記陽極２２０と前記陰極２３０の例示的な配置を示すものである。
前記電源２５０は前記陽極２２０と前記陰極２３０に接続され、それらに直流加速電圧Ｖを供給するが、前記電源２５０には、例えば２２０Ｖの交流を生成し、かつ、変換整流されて二酸化炭素の分解に必要な加速電圧として高直流電圧を生成する一般的な交流電源を採用することもできる。
前記二酸化炭素容器１００内に貯蔵された二酸化炭素は入口３２０を介して前記反応器２００の内部に提供され、二酸化炭素の流入のために入口ポンプを前記反応器２００内に別設することも可能であり、あるいは、後述する流入装置３１０を用いて二酸化炭素の前記反応器への流入に対応することもできる。前記反応器に入る二酸化炭素は前記陽極２２０と前記陰極２３０間の加速電圧によって非熱プラズマ雰囲気中に入るようになり、次いで前記陰極２３０から生成される電子によって炭素と酸素に分解される。
この時点で、前記陰極２３０から生成された電子のエネルギーＥは、好ましくは０．５〜４ＫｅＶの範囲、より好ましくは０．５〜１ＫｅＶの範囲を有する。
この範囲の電子エネルギーの場合、前記陽極２２０と陰極２３０との間に印加される加速電圧Ｖａｃｃは以下のように求められる。
電子のエネルギーＥが０．５ＫｅＶの場合、電子運動量は以下のように計算される。
Figure 2011500309
 上式でｍは電子質量を示す。
ｅＶａｃｃ＝ｈＶであるので、加速電圧Ｖａｃｃは、
Ｖａｃｃ＝ｃｘｐ／ｅとなる。
上式でｅは電子の電荷量、ｈはプランクの定数、及びｃは光の速度である。
前記加速電圧Ｖａｃｃは上記電子運動量を代入することｐによって求められる。
Ｖａｃｃ=２２．６ｋＶ
同様に、電子のエネルギーＥが４．０ＫｅＶの場合、前記陽極２２０と前記陰極２３０との間に印加される加速電圧Ｖａｃｃは６３．６ｋＶとなる。
従って、前記陽極２２０と前記陰極２３０との間に印加される加速電圧は好ましくは２２．５〜６３．６ｋＶの範囲、より好ましくは２５〜５０ｋＶの範囲となる。
前記陽極２２０と前記陰極２３０との間の加速電圧は２２．５〜６３．６ｋＶなどの高電圧に保持されるので、二酸化炭素の解離エネルギーである２．８２ｅＶを超えるエネルギーを有する電子が放射されて二酸化炭素を炭素と酸素に分解する。
前記反応器２００の出口２４０は炭素分離装置３００に接続され、前記炭素分離装置３００は流入装置３１０とサイクロン分離器３２０を有し、前記流入装置３１０は前記分解された炭素と酸素を吸入し、非分解の二酸化炭素を前記反応器２００の出口２４０から排出する。この実施形態では、前記流入装置３１０が前記炭素分離装置３００に配置されているが、前記流入装置は所望の設計に応じて前記二酸化炭素／酸素分離装置４００に設けることも、前記二酸化炭素／酸素分離装置４００背後の任意部に設けることも可能である。
前記出口２４０から排出された炭素と酸素及び排出されていない二酸化炭素は前記サイクロン分離器３２０に入り、前記サイクロン分離器３２０で固体炭素を酸素ガスと二酸化炭素ガスに分離する。前記サイクロン分離器３２０では固体炭素のガスからの分離に公知のサイクロン分離方法を用いる。
前記サイクロン分離器３２０から分離された炭素は炭素貯蔵部３３０に排出されてその中に貯蔵される。前記炭素貯蔵部３３０内に貯蔵される炭素は、精留された純粋な二酸化炭素に由来することから純粋な炭素であるので、かかる分解炭素は炭素ナノチューブの材料として使用することもできる。
前記サイクロン分離器３２０から排出された酸素と二酸化炭素は前記二酸化炭素/酸素分離器４００に入り、次いで互いから分離され、前記二酸化炭素／酸素分離器４００はそれらのガスを圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法により分離する。
前記二酸化炭素／酸素分離器４００から排出された酸素は、図示していない酸素タンク内に貯蔵してもよく、または外気に排出してもよい。前記二酸化炭素／酸素分離器４００から排出された二酸化炭素は、前記二酸化炭素容器１００内に再び貯蔵されてから再び分解工程を通過する。あるいは、前記二酸化炭素/酸素分離器４００から排出された二酸化炭素は前記反応器２００に直接復帰してから再び分解工程を通過する。
従って、前記二酸化炭素分解装置は二酸化炭素を炭素と酸素に完全に分解する。
本発明は、現時点で最も実用的かつ好適な実施形態を参照して説明したが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、むしろ、添付の請求項の趣旨及び範囲内に含めまれた種々の変更形態及び等価形態を包含することを意図するものである。

Claims (18)

  1. 二酸化炭素の流入口と二酸化炭素から分解された炭素と酸素の排出口とからなる二酸化炭素分解反応器と；
    前記反応器内に配置されて長さ方向に伸長する棒状の複数の陽極と；
    前記反応器内の複数の陽極内に配置されて長さ方向に伸長する棒状の複数の陰極と；
    前記複数の陽極と前記複数の陰極との間に電圧を印加する電源と、を具備することを特徴とする二酸化炭素分解装置。
  2. 二酸化炭素を貯蔵し、かつ、前記反応器に二酸化炭素を提供するために前記反応器の入口に接続される二酸化炭素容器をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 前記二酸化炭素容器内に貯蔵した二酸化炭素は精製されているものであることを特徴とする請求項２に記載の装置。
  4. ガスから炭素を分離するために前記反応器の出口に接続される炭素分離装置をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の装置。
  5. 前記炭素分離装置により分離された炭素が炭素ナノチューブの材料として使用されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
  6. 前記炭素分離装置がサイクロン分離式で炭素を分離することを特徴とする請求項４に記載の装置。
  7. 二酸化炭素から酸素を分離するために前記炭素分離装置に接続される二酸化炭素／酸素分離装置をさらに具備することを特徴とする請求項４に記載の装置。
  8. 前記二酸化炭素／酸素分離装置から排出される二酸化炭素が前記反応器に復帰することを特徴とする請求項７に記載の装置。
  9. 前記二酸化炭素／酸素分離装置が圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法により酸素を二酸化炭素から分離することを特徴とする請求項７に記載の装置。
  10. 前記複数の陽極または陰極のそれぞれが、導電性材料からなる円筒状の棒と；
    前記円筒状の棒を包囲する絶縁体と、を具備することを特徴とする請求項１に記載の装置。
  11. 前記導電性材料が二酸化チタンであり、前記絶縁体がセラミックスからなることを特徴とする請求項１0に記載の装置。
  12. 前記複数の陰極が前記陽極を長さ方向から見て包囲するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  13. 前記複数の陰極の数量が前記複数の陽極の数量以上であることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
  14. 陽極と陰極を有する反応器内に二酸化炭素を流入させるステップと；
    前記陽極と陰極が所定の電圧に維持されると二酸化炭素を非熱プラズマ雰囲気中で炭素と酸素に分解するステップと；
    分解された炭素と酸素及び分解されていない二酸化炭素を排出するステップと、を含むことを特徴とする二酸化炭素分解方法。
  15. 陽極と陰極を有する反応器内に二酸化炭素を流入させる前に、その二酸化炭素を精製するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  16. 分解された炭素と酸素及び分解されていない二酸化炭素を排出後に炭素を分離するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  17. 前記分離された炭素が炭素ナノチューブの材料として使用されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
  18. 分解された炭素と酸素及び分解されていない二酸化炭素を排出後に、前記二酸化炭素を分離するステップと；
    前記分離された二酸化炭素を前記反応器に復帰させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
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