JP2013010653A

JP2013010653A - 酸素欠乏型マグネタイト製造装置

Info

Publication number: JP2013010653A
Application number: JP2011143534A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Nakano; 邦彦中野; Noritaka Nakamura; 至高中村; Masaya Okuno; 真也奥野
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2013-01-17

Abstract

【課題】高温場を利用せずとも、簡易な構成で、酸素欠乏型マグネタイトを容易に製造することが可能となる。
【解決手段】酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００は、受光した光１０を内部１１８に透過させる受光面部１１２ａを有する反応容器１１０と、反応容器１１０に収容されるマグネタイト１２０と、反応容器１１０に収容される光触媒１３０と、反応容器１１０に収容され、還元剤としての機能を有する気体である還元ガス１４０と、を備え、マグネタイト１２０は、光触媒１３０によって還元ガス１４０との反応が促進されて、酸素欠乏型マグネタイト１５０に変換される。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素を還元して炭素に変換する酸素欠乏型マグネタイト製造装置に関する。

近年問題となっている地球温暖化は、人間の産業活動に伴って大気中に排出される温室効果ガスによって引き起こされている。つまり、大気中の温室効果ガス量が増加することで、地球温暖化が促進されてしまう。

温室効果ガスとして、特に量が多い二酸化炭素を大気中から除去する技術として、酸素欠乏型マグネタイトに二酸化炭素を接触させることにより、二酸化炭素を還元して炭素に変換する技術が知られている。このような酸素欠乏型マグネタイトを製造する技術として、例えば、３５０℃の水素下でマグネタイトを保持しておく技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２００７−８３１５９号公報

上述したような特許文献１の技術では、高温の水素を利用するため、耐熱性を有する専用の容器が必要となり、コスト高となってしまっていた。また、水素を高温にするために利用されるエネルギーを生成する際に化石燃料を燃焼させると、その燃焼にコストを要するばかりか、二酸化炭素が発生してしまい本末転倒となってしまう。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、高温場を利用せずとも、簡易な構成で、酸素欠乏型マグネタイトを容易に製造することが可能な酸素欠乏型マグネタイト製造装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の酸素欠乏型マグネタイト製造装置は、受光した光を内部に透過させる受光面部を有する反応容器と、反応容器に収容されるマグネタイトと、反応容器に収容される光触媒と、反応容器に収容され、還元剤としての機能を有する気体である還元ガスと、を備え、マグネタイトは、光触媒によって還元ガスとの反応が促進されて、酸素欠乏型マグネタイトに変換されることを特徴とする。上記還元ガスは、水素または窒素であってもよい。

上記酸素欠乏型マグネタイト製造装置は、反応容器を回転する回転装置をさらに備え、回転装置は、反応容器の回転処理によって、反応容器に収容されたマグネタイトおよび光触媒を撹拌するとしてもよい。

本発明によれば、高温場を利用せずとも、簡易な構成で、酸素欠乏型マグネタイトを容易に製造することが可能となる。

酸素欠乏型マグネタイト製造装置の斜視図である。酸素欠乏型マグネタイト製造装置の概略的な構造を説明するための説明図である。変形例の酸素欠乏型マグネタイト製造装置の概略的な構造を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００）
図１は、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００の斜視図であり、図２は、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００の概略的な構造を説明するための説明図である。図１に示すように、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００は、反応容器１１０と、マグネタイト１２０と、光触媒１３０と、還元ガス１４０とを含んで構成される。本実施形態では、説明の便宜上、マグネタイト１２０および光触媒１３０を反応容器１１０に対して大きく表現しているが、実際は、例えば、反応容器１１０の底面積が１ｍ^２程度であり、マグネタイト１２０および光触媒１３０は粒径が１ｍｍ程度の粒子である。

反応容器１１０は、図１、図２中Ｙ軸方向に対向配置された受光面部１１２ａおよび底面部１１２ｂと、図１、図２中Ｘ軸方向に対向配置された右側面部１１４ａおよび左側面部１１４ｂと、図１中Ｚ軸方向に対向配置された正面部１１６ａおよび背面部１１６ｂとを備えている。

受光面部１１２ａは、アクリル樹脂や、ガラス等で構成されており、受光した光１０（太陽光や紫外線）を内部１１８に透過させる。受光面部１１２ａは、少なくとも、後述する光触媒１３０を活性化させることができる波長（例えば、３５０ｎｍ）を含む光１０を内部１１８に透過させることができればよい。

なお、本実施形態において、底面部１１２ｂ、右側面部１１４ａ、左側面部１１４ｂ、正面部１１６ａ、背面部１１６ｂも、受光面部１１２ａと同様に光触媒１３０を活性化させることができる波長を含む光１０を内部１１８に透過させる、アクリル樹脂やガラス等の材質で形成されている。

反応容器１１０の内部１１８には、マグネタイト１２０および光触媒１３０が収容されるとともに、還元ガス１４０が収容（充填）される。ここで、マグネタイト１２０と光触媒１３０とは、これら両者が好適に接触するように、満遍なく混合された状態で反応容器１１０に収容される。また、反応容器１１０に収容されるマグネタイト１２０と光触媒１３０との混合物の、図１、図２中Ｙ軸方向の深さは、受光面部１１２ａを通過した光１０が、底面部１１２ｂに位置する光触媒１３０に十分到達する程度であるとよい。

マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）１２０は、磁鉄鉱とも呼ばれる化合物である（図１、図２中、黒い丸で示す）。

光触媒１３０は、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_２）を含んで構成される（図１、図２中、白い丸で示す）。酸化チタンの結晶形や結晶系に限定はなく、アナターゼ型（正方晶系）、ルチル型（正方晶系）、ブルカイット型（斜方晶系）のいずれであってもよく、これらの混合物であってもよい。

還元ガス１４０は、還元剤としての機能を有する気体であって、例えば、水素（Ｈ_２）、窒素（Ｎ_２）、一酸化窒素（ＮＯ）、一酸化炭素（ＣＯ）、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）であり、好ましくは、水素または窒素である。

そして、図２（ａ）に示すように、反応容器１１０に、マグネタイト１２０および光触媒１３０を収容するとともに、還元ガス１４０を充填した状態で、受光面部１１２ａから光１０が入射されると、光触媒１３０によって、マグネタイト１２０と還元ガス１４０との還元反応が促進される。例えば、還元ガス１４０が水素である場合、以下の式（１）に示すように、マグネタイト１２０と還元ガス１４０との還元反応が進行する。

…式（１）
そうすると、図２（ｂ）に示すように、マグネタイト１２０は、酸素欠乏型マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４-ｎ）１５０に変換される（図２中、ハッチングの丸で示す）。なお、酸素欠乏型マグネタイト１５０は、酸素不足型マグネタイト、酸素欠陥型マグネタイト、酸素欠損型マグネタイト、または、金属過剰型マグネタイトと呼ばれることもある。

以上説明したように、本実施形態にかかる酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００によれば、光１０を照射するだけで、マグネタイト１２０を還元して酸素欠乏型マグネタイト１５０に変換することができる。したがって、低コストで大量の酸素欠乏型マグネタイト１５０を製造することが可能となる。また、高温場を利用する必要がない、すなわち、何らの加熱を必要としないため、化石燃料を燃焼させる事態を回避することができ、新たな二酸化炭素の発生を抑制することが可能となる。

（変形例：酸素欠乏型マグネタイト製造装置２００）
図３は、変形例の酸素欠乏型マグネタイト製造装置２００の概略的な構造を説明するための説明図である。図３に示すように、酸素欠乏型マグネタイト製造装置２００は、反応容器２１０と、回転装置３００と、マグネタイト１２０と、光触媒１３０と、還元ガス１４０とを含んで構成される。なお、上述した酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００と実質的に機能が等しい構成については、上述の実施形態で既に述べているので、同一の符号を付して説明を省略する。

反応容器２１０は、円筒形状を有する受光面部２１２と、図３中Ｘ軸方向に対向配置された右側面部２１４ａおよび左側面部２１４ｂとを備えている。

受光面部２１２は、アクリル樹脂や、ガラス等で構成されており、受光した光１０（太陽光や紫外線）を内部２１８に透過させる。受光面部２１２は、少なくとも、光触媒１３０を活性化させることができる波長（例えば、３５０ｎｍ）を含む光１０を内部２１８に透過させることができればよい。また、右側面部２１４ａおよび左側面部２１４ｂも、受光面部２１２と同様に光触媒１３０を活性化させることができる波長を含む光１０を内部２１８に透過させる、アクリル樹脂やガラス等の材質で形成されている。

変形例においても、反応容器２１０にマグネタイト１２０および光触媒１３０が収容されるとともに、還元ガス１４０が収容（充填）されることになる。

回転装置３００は、モータ３１０と、第１プーリ３１２と、ベルト３１４と、第２プーリ３１６と、軸固定ローラ３１８と、フリーローラ３２０と、を含んで構成され、受光面部２１２すべてにおいて満遍なく光を受光するように反応容器２１０の長軸を回転軸として反応容器２１０を回転させる（図３中白抜き矢印で示す）。

具体的に説明すると、モータ３１０によって第１プーリ３１２が回転すると、ベルト３１４を通じて第１プーリ３１２に接続された第２プーリ３１６が回転するとともに、その回動力を受けて、第２プーリ３１６と同軸で連結された軸固定ローラ３１８が回転する。ここで、反応容器２１０は、軸固定ローラ３１８およびフリーローラ３２０に当接支持されているため、第２プーリ３１６の回転によって、反応容器２１０が回転することになる。

酸素欠乏型マグネタイト製造装置２００は、回転装置３００を備えることにより、反応容器２１０が回転し、反応容器２１０の内部２１８に収容されたマグネタイト１２０および光触媒１３０が攪拌されることになる。そうすると、反応容器２１０に収容されるマグネタイト１２０と光触媒１３０との混合物の、図３中Ｙ軸方向の深さが、受光面部２１２を透過した光１０が到達しない程度であったとしても、回転装置３００によって攪拌されるため、いずれは光触媒１３０に光１０が到達することになる。したがって、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００と比較して、大量のマグネタイト１２０を効率よく酸素欠乏型マグネタイト１５０に変換することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態および変形例にかかる酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００、２００によれば、光１０を照射するだけといった簡易な構成で、マグネタイト１２０を還元して酸素欠乏型マグネタイト１５０に変換することができる。したがって、低コストで大量の酸素欠乏型マグネタイト１５０を製造することが可能となる。

酸素欠乏型マグネタイト１５０は、以下の式（２）、（３）に示すように、二酸化炭素を還元して炭素に変換する機能を有する。したがって、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００、２００を利用して、酸素欠乏型マグネタイト１５０を製造することで、大気中の二酸化炭素を炭素に変換できる、すなわち、大気中の二酸化炭素を除去することができ、地球温暖化を抑制することが可能となる。
ＣＯ_２＋Ｆｅ_３Ｏ_{（４−ｎ）}→ＣＯ＋Ｆｅ_３Ｏ_４
…式（２）
ＣＯ＋Ｆｅ_３Ｏ_{（４−ｎ）}→Ｃ＋Ｆｅ_３Ｏ_４
…式（３）

また、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００、２００は、光１０以外のエネルギーを利用せずとも酸素欠乏型マグネタイト１５０を製造することができるため、化石燃料を燃焼させる必要がなく、さらなる二酸化炭素の発生を抑制することが可能となる。

なお、酸素欠乏型マグネタイト１５０に二酸化炭素を接触させることで得られた炭素は、別途燃料として利用することができる。例えば、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００、２００で製造した酸素欠乏型マグネタイト１５０と光触媒１３０の混合物にそのまま二酸化炭素を接触させる場合、これによって得られた、炭素が析出したマグネタイトと、光触媒１３０との混合物をそのまま燃料として利用することができる。この場合、炭素が析出したマグネタイトと、光触媒１３０との混合物を燃焼させると、マグネタイト１２０と光触媒１３０との混合物に戻るため、マグネタイト１２０と光触媒１３０との混合物を、還元ガス１４０とともに反応容器１１０、２１０に収容して光１０を受光させれば、酸素欠乏型マグネタイト１５０と光触媒１３０の混合物を繰り返し製造することが可能となる。

また、磁力選別機を利用することで、酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００、２００で製造した酸素欠乏型マグネタイト１５０と光触媒１３０の混合物を分離することも可能である。この場合、酸素欠乏型マグネタイト１５０のみを二酸化炭素に接触させることができ、これによって得られた、炭素が析出したマグネタイトをそのまま燃料として利用することができる。こうすることで、炭素が析出したマグネタイトと光触媒１３０との混合物を燃焼させる場合と比較して、燃焼効率を向上させることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した酸素欠乏型マグネタイト製造装置１００では、マグネタイト１２０と光触媒１３０とを混合して反応容器１１０に収容する例について説明したが、混合せずともよい。例えば、塗料状の光触媒１３０を底面部１１２ｂに塗布しておき、その上にマグネタイト１２０を分散させてもよい。

また、反応容器１１０、２１０に収容するマグネタイト１２０や光触媒１３０は、両者が接触して、酸素欠乏型マグネタイト１５０に変換できれば、その粒径は限定されない。

さらに、上述した回転装置３００は、一例であって、反応容器２１０内のマグネタイト１２０および光触媒１３０に満遍なく光１０を到達させるように、マグネタイト１２０および光触媒１３０を攪拌できれば、どのような機構であってもよい。

本発明は、二酸化炭素を還元して炭素に変換する酸素欠乏型マグネタイト製造装置に利用することができる。

１００、２００ …酸素欠乏型マグネタイト製造装置
１１０、２１０ …反応容器
１１２ａ、２１２ …受光面部
１１８、２１８ …内部
１２０ …マグネタイト
１３０ …光触媒
１４０ …還元ガス
１５０ …酸素欠乏型マグネタイト
３００ …回転装置

Claims

受光した光を内部に透過させる受光面部を有する反応容器と、
前記反応容器に収容されるマグネタイトと、
前記反応容器に収容される光触媒と、
前記反応容器に収容され、還元剤としての機能を有する気体である還元ガスと、
を備え、
前記マグネタイトは、前記光触媒によって前記還元ガスとの反応が促進されて、酸素欠乏型マグネタイトに変換されることを特徴とする酸素欠乏型マグネタイト製造装置。
前記還元ガスは、水素または窒素であることを特徴とする請求項１に記載の酸素欠乏型マグネタイト製造装置。
前記反応容器を回転する回転装置をさらに備え、
前記回転装置は、前記反応容器の回転処理によって、該反応容器に収容されたマグネタイトおよび光触媒を撹拌することを特徴とする請求項１または２に記載の酸素欠乏型マグネタイト製造装置。