JP2015107456A - 水溶性ガスを除去する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】水分を多く含む水溶性ガスを効率よく除去できる、水溶性ガスから水溶性ガスを除去する方法およびシステムを提供する。
【解決手段】本発明の水溶性ガスを除去する方法は、メンブレン式除湿装置を使用して水溶性ガスを除湿する工程（４０）および除湿した水溶性ガスを吸着剤に吸着させる工程（６１〜６３）を含む。本発明の水溶性ガスを除去するシステムは、水溶性ガスを除湿するメンブレン式除湿装置（４０）、およびメンブレン式除湿装置（４０）により除湿した水溶性ガスを吸着する吸着剤を有する吸着カラム（６１〜６３）を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、水溶性ガスを除去する方法およびシステムに関し、とくにアンモニアガスを除去する方法およびシステムに関する。

人類の産業活動の結果として、有害であったり、地球の環境に悪影響を与えたりする様々な水溶性ガスが排出されている。たとえば、下水処理場や畜産糞尿処理場で発生する汚泥や畜産糞尿をコンポスト化（堆肥化）するときには、湿度の高い雰囲気の中、多量のアンモニアガスが発生し、悪臭の原因となっている。このアンモニアガスを除去する方法として、ヤシ殻活性炭に２価の銅化合物を担持させたアンモニアガス用吸着剤を充填した吸着塔にアンモニアガスを通す方法が従来技術として知られている（たとえば、特許文献１参照）。このアンモニアガスを除去する方法によれば、高濃度アンモニアガスに対しても、吸着剤を長期間交換しないでアンモニアガスを除去できる。また、吸着剤に付着する微生物、たとえばカビの増殖を抑制できる。さらに、吸着操作に必要な装置は、吸着塔があればよく、運転管理も容易である。

特開２００３−２３６３７２号公報

しかしながら、水分を多く含むアンモニアガスの量がかなり多い場合もあり、特許文献１に記載されているようなアンモニアガスを除去する方法よりも、水分を多く含むアンモニアガスをさらに効率よく除去できる方法が望まれている。

本発明は、アンモニアガスに限らず、アンモニアガス以外の水溶性ガスについても、水分を多く含む水溶性ガス（たとえば、相対湿度が７０％以上の水溶性ガス）中の水溶性ガスを効率よく除去できる、水溶性ガスを除去する方法およびシステムを提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を行った結果、水溶性ガスを吸着剤に吸着させる前に、メンブレン式除湿装置を使用して水溶性ガスを除湿することによって、水分を多く含む水溶性ガスを効率よく除去できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は下記のとおりである。
［１］メンブレン式除湿装置を使用して水溶性ガスを除湿する工程、および除湿した水溶性ガスを吸着剤に吸着させる工程を含む、水溶性ガスを除去する方法。
［２］水溶性ガスを除湿する工程の前に、水溶性ガスを冷却する工程をさらに含む、上記［１］に記載の水溶性ガスを除去する方法。
［３］水溶性ガスはアンモニアであり、吸着剤は、酸処理により多孔質化された後、塩基処理された汚泥焼却灰およびシリカゲルの混合物と活性炭との少なくとも一種を含む、上記［１］または［２］に記載の水溶性ガスを除去する方法。
［４］水溶性ガスを除湿するメンブレン式除湿装置、およびメンブレン式除湿装置により除湿した水溶性ガスを吸着する吸着剤を有する吸着カラムを含む、水溶性ガスを除去するシステム。
［５］水溶性ガスを冷却する冷却装置をさらに含み、メンブレン式除湿装置は、冷却装置により冷却された水溶性ガスを除湿する、上記［４］に記載のシステム。
［６］水溶性ガスはアンモニアであり、吸着剤は、酸処理により多孔質化された後、塩基処理された汚泥焼却灰およびシリカゲルの混合物と活性炭との少なくとも一種を含む、上記［４］または［５］に記載のシステム。
［７］システムは、複数の吸着カラムを含み、複数の吸着カラムの中で、水溶性ガスを吸着する吸着カラムを切り替える切り替え手段をさらに含む、上記［４］〜［６］のいずれかに記載のシステム。

本発明によれば、水分を多く含む水溶性ガスを効率よく除去できる、水溶性ガスを除去する方法およびシステムを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態の水溶性ガスを除去するシステムの概略図である。 図２は、メンブレン式除湿装置の一例により水溶性ガスを除湿する原理を説明するための図である。

本発明の水溶性ガスを除去する方法は、メンブレン式除湿装置を使用して水溶性ガスを除湿する工程（Ａ）および除湿した水溶性ガスを吸着剤に吸着させる工程（Ｂ）を含む。以下、本発明の水溶性ガスを除去する方法を詳細に説明する。なお、本発明では、主に、空気に含まれている水溶性ガスを、水溶性ガスを含んでいる空気から除去する。

［工程（Ａ）］
工程（Ａ）では、メンブレン式除湿装置を使用して水溶性ガスを除湿する。なお、工程（Ａ）では、水溶性ガスは、主に、空気に含まれている状態で除湿される。

（水溶性ガス）
水溶性ガスは、水に溶解しやすい気体であり、たとえば、２０℃の１ｃｍ³の水に対して、０℃および１気圧の気体に換算して２ｃｍ³以上溶解することができる気体である。水溶性ガスには、たとえばアンモニア（溶解度：７０２ｃｍ³）、塩化水素（溶解度：４４２ｃｍ³）、二酸化硫黄（溶解度：３９ｃｍ³）、硫化水素（溶解度：２．５８ｃｍ³）および塩素（溶解度：２．３０ｃｍ³）などが挙げられる。相互に反応しない限り、水溶性ガスは、これらの水溶性ガスのうち、２種以上を含んでいてもよい。とくに水に溶解しやすい水溶性ガスはアンモニアである。

（メンブレン式除湿装置）
図１を参照してメンブレン式除湿装置の一例を説明する。図１の符号４０は、メンブレン式除湿装置の一例を示す。メンブレン式除湿装置４０は、メンブレン式除湿装置４０に水溶性ガスを導入する水溶性ガス入口４１、水溶性ガス入口４１から導入された水溶性ガスを内部に流通させ除湿する中空糸膜４２、中空糸膜４２を流通した水溶性ガスをメンブレン式除湿装置４０から排出させる水溶性ガス出口４３、中空糸膜４２の周囲に乾燥ガスを流すために中空糸膜４２の周囲に設けられた乾燥ガス室４４、乾燥ガス室４４に乾燥ガスを導入する乾燥ガス入口４５および乾燥ガス室４４から乾燥ガスを排出させる乾燥ガス出口４６を備える。中空糸膜４２は、水蒸気を透過するフッ素系非多孔膜で構成される。フッ素系非多孔膜に使用されるフッ素系樹脂には、たとえば、旭硝子（株）製のフレミオン（登録商標）などがある。

次に、図２を参照して、メンブレン式除湿装置４０が水溶性ガスを除湿する原理を説明する。水溶性ガス入口４１（図１参照）から導入された水溶性ガス７１は、中空糸膜４２の内部に入る。一方、中空糸膜４２の周囲には乾燥ガス（温度：２０℃、相対湿度：３５％、流量：９Ｌ／分）が流れている（矢印７２参照）。このため、中空糸膜４２の内部と外部とでは、水分濃度差が生じる。そして、この水分濃度差が駆動力となり、中空糸膜４２の内部に流通している水溶性ガスから水分７３が中空糸膜４２を通過して中空糸膜４２の外部に排出される。これにより、水溶性ガスは除湿される。中空糸膜４２の外部に排出され水分は、乾燥ガスの流れ７２によりメンブレン式除湿装置４０から速やかに排出される。このため、中空糸膜４２の周囲は常に乾燥した状態になる。また、水溶性ガスから除去された水分が水溶性ガスに再び入り込むことはない。そして、除湿された水溶性ガス７４は中空糸膜４２から排出される。

このようなメンブレン式除湿装置には、たとえば、ＡＧＣエンジニアリング（株）製のサンセップ（登録商標）などがある。

なお、工程（Ａ）では、他のタイプのメンブレン式除湿装置を使用することができる。たとえば、ポリイミド製の多孔質膜の中空糸膜を使用するメンブレン式除湿装置（たとえば、宇部興産（株）製の「ＵＢＥメンブレインドライヤーなど）を使用してもよい。

水溶性ガスを除湿するときに使用するメンブレン式除湿装置の台数は、除湿する水溶性ガスの量により適宜選択することができる。たとえば、１台のメンブレン式除湿装置を使用して水溶性ガスを除湿してもよいし、複数台のメンブレン式除湿装置を使用して水溶性ガスを除湿してもよい。

水溶性ガスがメンブレン式除湿装置を通過できるほどの圧力を有していない場合、メンブレン式除湿装置に水溶性ガスを導入するとき、ブロアーおよび吸引ポンプなどを使用して、水溶性ガスを加圧してもよい。たとえば、加圧した水溶性ガスの圧力は約０．５ＭＰａである。

［工程（Ｂ）］
工程（Ｂ）では、除湿した水溶性ガスを吸着剤に吸着させる。

（吸着剤）
本発明の方法に使用される吸着剤は、水溶性ガスを吸着する吸着剤であればとくに限定されない。たとえば、水溶性ガスがアンモニアの場合、好ましい吸着剤は、たとえば酸処理により多孔質化された後、塩基処理された汚泥焼却灰およびシリカゲルの混合物と活性炭との少なくとも一種を含む。水溶性ガスが塩化水素の場合、好ましい吸着剤には、たとえば消石灰（Ｃａ（ＯＨ）₂）、アルミン酸ナトリウムおよび活性炭などが挙げられる。

水溶性ガスが二酸化硫黄の場合、好ましい吸着剤には、たとえば過マンガン酸カリウム、過マンガン酸ナトリウムおよび活性炭などが挙げられる。水溶性ガスが硫化水素の場合、好ましい吸着剤には、たとえば水酸化第二鉄、過マンガン酸カリウムおよび活性炭などが挙げられる。水溶性ガスが塩素の場合、好ましい吸着剤には、たとえば活性炭およびゼオライトなどが挙げられる。水溶性ガスがアンモニア、塩化水素、二酸化硫黄、塩化水素および水素からなる群から選ばれる２種以上である場合、水溶性ガスの成分に応じて、上述の吸着剤を組み合わせてもよい。

吸着剤の例として、水溶性ガスがアンモニアの場合に使用される吸着剤を挙げて、以下、詳細に説明する。

上述したように、水溶性ガスがアンモニアの場合、好ましい吸着剤は、たとえば酸処理により多孔質化された後、塩基処理された汚泥焼却灰およびシリカゲルの混合物と活性炭との少なくとも一種を含む。より好ましい吸着剤は、酸処理により多孔質化された後、塩基処理された汚泥焼却灰およびシリカゲルの混合物である。

吸着剤の原料として使用される、酸処理および塩基処理前の汚泥焼却灰、すなわち、原料の汚泥焼却灰は、下水処理場で発生する汚泥、ならびに、し尿、家庭用雑排水および産業用排水などの処理によって発生した汚泥などを焼却した焼却灰である。汚泥焼却灰は、シリカ、リン酸カルシウム、アルミナおよび酸化鉄などを含む。これらの汚泥は、一般に処理場で含水率６０〜９０質量％程度まで脱水処理された後、焼却される。下水処理場で発生する汚泥（以下、下水汚泥と呼ぶ）の量は、下水道の普及とともに増加しており、下水汚泥量の増加への対策が急がれている。したがって、下水汚泥の再資源化は有用であるので、本発明の一実施形態で使用する汚泥焼却灰は、好ましくは下水汚泥焼却灰である。

汚泥焼却灰には、高分子凝集剤を使用した汚泥を焼却したものと、石灰系凝集剤を使用した汚泥を焼却したものとがある。汚泥の減容化対策から最近では高分子凝集剤を使用した汚泥焼却灰が多い。本発明においては両者とも利用可能であるが、石灰系凝集剤を使用した場合は、汚泥焼却灰に中和塩（たとえば塩化カルシウムなど）が多量に生成されるため、高分子凝集剤を使用した汚泥焼却灰の方が好ましい。汚泥焼却灰の形態は、とくに制限されず、粉体状の汚泥焼却灰のみならず、ペレット状、板状および錠剤状などに成形された汚泥焼却灰も使用できる。

上述の原料の汚泥焼却灰を多孔質化するために、原料の汚泥焼却灰は、たとえば、原料の汚泥焼却灰に酸水溶液を添加することによって、酸処理される。酸水溶液は、酸の水溶液であればとくに限定されず、無機酸の水溶液であってもよいし、有機酸の水溶液であってもよい。吸着剤において、アンモニアガスが主に吸着すると予想される孔径の小さい孔（たとえば、２ｎｍ以下の孔）の細孔容積を大きくできることから、酸水溶液は、好ましくは無機酸の水溶液であり、より好ましくは塩酸水溶液、硫酸水溶液および硝酸水溶液からなる群から選択される１種または２種以上のものであり、さらに好ましくは塩酸水溶液である。塩酸水溶液、硫酸水溶液または硝酸水溶液には、市販品のもの、金属精錬工業などから発生する廃塩酸、廃硫酸および廃硝酸の水溶液などを使用することができる。酸水溶液の濃度は、通常、０．１〜１３規定程度である。また、酸水溶液が塩酸水溶液、硫酸水溶液または硝酸水溶液である場合、原料の汚泥焼却灰に添加される酸水溶液の添加量は、原料の汚泥焼却灰１００質量部に対し、１００％の硫酸、塩酸および硝酸などに換算して、好ましくは０．５質量部以上、より好ましくは４．０〜２５質量部である。

酸処理により、原料の汚泥焼却灰中の酸可溶性成分が溶解除去されて、汚泥焼却灰は多孔質化する。たとえば、原料の汚泥焼却灰のＢＥＴ比表面積は３ｍ²／ｇ程度であるのに対し、酸処理後の汚泥焼却灰のＢＥＴ比表面積は、好ましくは６．５ｍ²／ｇ以上であり、より好ましくは１０〜５０ｍ²／ｇである。ここで、汚泥焼却灰のＢＥＴ比表面積は、Ｎ₂ガスを使用したＢＥＴ法で測定した汚泥焼却灰の比表面積である。汚泥焼却灰のＢＥＴ比表面積は、たとえば、比表面積測定装置（日本ベル社製、ＢＥＬＳＯＲＰ−ＭＩＮＩ）で測定した値である。

酸処理後の汚泥焼却灰は、たとえば、酸処理後の汚泥焼却灰に塩基性添加剤を添加することによって塩基処理される。塩基性添加剤は、塩基性を有する化合物であればとくに限定されない。好ましい塩基性添加剤には、たとえば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）₂）、ＣａＣＯ₃を主成分とするライムストーン（石灰岩）、およびコーラルサンドなどのアルカリ性薬剤などが挙げられる。より好ましい塩基性添加剤は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムおよび水酸化カルシウムである。

酸処理後の汚泥焼却灰は酸性である。したがって、塩基処理により汚泥焼却灰の酸性度は低くなる。汚泥焼却灰が中和する量までは、酸処理後の汚泥焼却灰に塩基性添加剤を添加してもよいが、汚泥焼却灰が中和する量までは、酸処理後の汚泥焼却灰に塩基性添加剤を添加しないことが好ましい。すなわち、塩基処理後の汚泥焼却灰は依然として酸性であることが好ましい。酸処理および塩基処理した汚泥焼却灰を乾燥して作製した乾燥汚泥焼却灰１０ｇと水１００ｍＬとを混合したものを１分間撹拌して混合物含有水を作製した場合、この混合物含有水のｐＨが２．５〜５．５、好ましくは３．０〜５．１になるような量の塩基添加剤を酸処理後の汚泥焼却灰に添加することが好ましい。混合物含有水のｐＨが２．５〜５．５であると、吸着剤はアンモニアガスを効率よく吸収できる。たとえば、塩基性添加剤が、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムまたは水酸化カルシウムである場合、原料の汚泥焼却灰の１００質量部に対して１〜６質量部の塩基性添加剤を酸処理後の汚泥焼却灰に添加することが好ましい。なお、塩基性添加剤を酸処理後の汚泥焼却灰に添加して汚泥焼却灰を中和した場合、混合物含有水のｐＨは７程度の値になる。また、酸処理後の汚泥焼却灰のｐＨは１になる。これより、塩基処理を行わない汚泥焼却灰は、酸性度が非常に高いものであることがわかる。このような酸性度が高い汚泥焼却灰は、取り扱いが難しくなる。

塩基処理後の汚泥焼却灰は、周知の方法で乾燥される。たとえば、回転ドラム式乾燥機、パドル式乾燥機、流動層式乾燥機、気流乾燥機および遠心薄膜式乾燥機などの乾燥機を使用して、塩基処理後の汚泥焼却灰は乾燥される。乾燥温度は、たとえば、９０〜３００℃である。乾燥後の塩基処理後の汚泥焼却灰の含水率は５質量％以下が好ましい。乾燥が不十分であると、水により吸着剤の細孔が塞がれて吸着剤の細孔容積が減少し、アンモニアガスの吸着性能が低下する場合がある。

上述の乾燥の前に、塩基処理後の汚泥焼却灰を所定の形状に成形してもよい。たとえば、押出成形、圧縮成形、転動成形、振動成形、混合成形、流動成形および解砕成形などの成形方法で、塩基処理後の汚泥焼却灰を成形することができる。とくに、塩基処理後の汚泥焼却灰は、押出成形により成形することが好ましい。押出成形は、半乾式低水分造粒機（ディスクペレッター）、スクリュー型成形機およびペレットミル型成形機などの成形機を用いて行うのが好ましい。とくに、塩基処理後の汚泥焼却灰の押出成形には、半乾式低水分造粒機が最適である。

塩基処理後の汚泥焼却灰と混合するシリカゲルは球状の形状を有していることが好ましい。これにより、上記混合物中にシリカゲルを均一に分布させることができる。シリカゲルの粒径は、好ましくは０．３ｍｍ以上であり、より好ましくは１．４ｍｍ以上であり、さらに好ましくは１．４〜４．０ｍｍである。また、シリカゲルは、好ましくは２．０〜３．０ｎｍの平均細孔径を有する。さらに、シリカゲルは、好ましくは６５０〜８００ｍ²／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。シリカゲルの粒径は、たとえば、ＪＩＳ篩（５〜１２ｍｅｓｈ）を使用して測定した値である。また、シリカゲルの平均細孔径は、たとえば、水銀圧入式ポロシメータ（Ｑｕａｎｔａｃｈｒｏｍｅ社製、ＰｏｒｅＭａｓｔｅｒ ６０ＧＴ）を使用して測定した値であり、シリカゲルのＢＥＴ比表面積は、たとえば、比表面積測定装置（日本ベル社製、日本ベル社製、ＢＥＬＳＯＲＰ−ＭＩＮＩ）を使用して測定した値である。

酸処理により多孔質化された後、塩基処理された汚泥焼却灰およびシリカゲルの混合物合物中のシリカゲルの割合は、酸処理および塩基処理後の汚泥焼却灰の乾燥質量およびシリカゲルの質量の合計質量に対して、好ましくは５０〜９０質量％である。ここで汚泥焼却灰の乾燥質量とは、５質量％以下の含水率になるまで乾燥した汚泥焼却灰の質量である。

酸処理により多孔質化された後、塩基処理された汚泥焼却灰およびシリカゲルの混合物の代わりに、または一緒に、アンモニアガスの吸着剤として活性炭を使用することができる。アンモニアガスの吸着剤として使用する活性炭は、比表面積が非常に大きな黒色の炭素系物質である。活性炭の主成分はアモルファス炭素であり、活性炭は原料に由来する微量の無機成分をさらに含む。活性炭は、例えば、木材、木炭、ヤシ殻および石炭などを炭化した後、活性化し精製することにより作製される。好ましい活性炭は、アンモニアガスを吸着できるものであればとくに限定されない。市販されている活性炭も、吸着剤として使用することができる。

（吸着剤による水溶性ガスの吸着）
吸着剤を吸着カラムなどの容器に充填して、吸着剤を使用することが好ましい。これにより、吸着剤の交換などの取り扱いが容易になる。

［水溶性ガスを冷却する工程］
工程（Ａ）の前に、水溶性ガスを冷却する工程を実施してもよい。これにより、メンブレン式除湿装置に直接使用できないほど高い温度のガスを、メンブレン式除湿装置を使用して除湿することができる。なお、水溶性ガスを冷却する工程では、水溶性ガスは、主に、空気に含まれている状態で冷却される。

（冷却）
水溶性ガスを冷却する温度は、メンブレン式除湿装置に使用可能な気体の温度であればとくに限定されない。たとえば、水溶性ガスを冷却する温度は、好ましくは５５℃以下の温度である。また、メンブレン式除湿装置に導入する水溶性ガスを予め除湿するために、露点以下の温度で水溶性ガスを冷却してもよい。これにより、メンブレン式除湿装置を通過した水溶性ガスはさらに乾燥したものとなる。

水溶性ガスを冷却するための冷却手段は、水溶性ガスを冷却できればとくに限定されない。たとえば、リービッヒ式冷却管、アイリーン式冷却管、グラハム式冷却管、ジムロート式冷却管およびフリードリヒ式冷却管などの冷却管を使用した冷却装置を使用して、好ましくはグラハム式冷却管を使用した冷却装置を使用して、水溶性ガスを冷却してもよい。たとえば、冷却管の冷却のために冷却管を流通させる媒体には、水、鉱物油、窒素および乾燥空気などが挙げられる。また、冷却管の冷却のために冷却管を流通させる媒体に、乾燥空気としてメンブレン式除湿装置に導入されメンブレン式除湿装置から排出された空気を使用してもよい。これにより、メンブレン式除湿装置に乾燥空気として使用した空気を冷却管の冷却に再利用できるので、水溶性ガスを冷却するための費用を低減することができる。

水溶性ガスを冷却するときに発生する凝縮水は、冷却装置から速やかに除去されることが好ましい。凝縮水の一部が蒸発して冷却された水溶性ガスに混入すると、水溶性ガスの湿度が上昇し、次の工程（Ａ）で除去しなければならない水分量が大きくなるからである。また、水溶性ガスが凝縮水に溶解することを抑制できる。

水溶性ガスの発生量が大きい場合、冷却部の水溶性ガスとの接触面積が大きい、ラジエター式冷却装置などの冷却装置を使用して、水溶性ガスを冷却してもよい。

［水溶性ガスを除去するシステム］
本発明の方法は、たとえば、本発明の一実施形態における水溶性ガスを除去するシステムを使用して実施することができる。以下、図１を参照して、本発明の一実施形態における水溶性ガスを除去するシステムを説明する。図１は、本発明の一実施形態の水溶性ガスを除去するシステムの概略図である。なお、本発明のシステムは、本発明の一実施形態における水溶性ガスを除去するシステムに限定されない。

本発明の一実施形態における水溶性ガスを除去するシステム１は、冷却装置２０、吸引ポンプ３０、メンブレン式除湿装置４０、切り替え手段５０および吸着カラム６１〜６３を含む。

（冷却装置）
冷却装置２０は、グラハム式冷却管を使用した冷却装置であり、上述の水溶性ガスを冷却する工程で使用される。冷却装置２０は、水溶性ガス入口２１、水溶性ガス冷却室２２、水溶性ガス出口２３、冷媒入口２４，冷却管２５、冷媒出口２６および凝縮水排出口２７を備える。

水溶性ガスは、水溶性ガス入口２１から冷却装置２０に導入される。水溶性ガス入口２１から導入された水溶性ガスは水溶性ガス却室２２内を流通する。水溶性ガス冷却室２２内には冷却管２５が設けられている。冷却管２５には、水及び空気などの冷媒が流通している。これにより、冷却管２５に接触した水溶性ガスは、冷却管２５により冷却される。冷却した水溶性ガスは、水溶性ガス出口２３から排出される。排出された水溶性ガスは、吸引ポンプ３０に導入される。

冷却管２５を流通している冷媒は、冷媒入口２４から冷却管２５に導入され、冷媒出口２６から排出される。冷却管２５を流通する冷媒として、たとえば、乾燥空気としてメンブレン式除湿装置４０に導入され、メンブレン式除湿装置４０から排出される空気を使用してもよい。これにより、メンブレン式除湿装置に乾燥空気として使用した空気を冷却管の冷却に再利用できるので、水溶性ガスを冷却するための費用を低減することができる。

冷却装置２０のグラハム式冷却管は、好ましくは水平に対して傾けて配置される。これにより、水溶性ガスを冷却するときに水溶性ガス冷却室２２内に発生する凝縮水は、グラハム式冷却管の下側に設けられた凝縮水排出口２７に集まり、凝縮水排出口２７から冷却装置２０の外部に速やかに排出される。

冷却装置２０は、水溶性ガスを冷却することができれば、上述の冷却装置に限定されない。たとえば、リービッヒ式冷却管、アイリーン式冷却管、ジムロート式冷却管およびフリードリヒ式冷却管などの他の冷却管を使用した冷却装置ならびにラジエター式冷却装置などを冷却装置として使用できる。

水溶性ガスの温度が、メンブレン式除湿装置に使用可能である温度範囲内である場合、水溶性ガスを冷却する必要はないので、システム１は冷却装置２０を含まなくてもよい。

（吸引ポンプ）
吸引ポンプ３０は、メンブレン式除湿装置４０に導入される水溶性ガスを加圧する。これにより、水溶性ガスはメンブレン式除湿装置４０内を確実に流通することができる。吸引ポンプ３０は、水溶性ガスを、たとえば約０．５ＭＰａに加圧する。なお、メンブレン式除湿装置４０に導入される水溶性ガスを加圧することができれば、吸引ポンプ３０の代わりにブロアーなどを使用してもよい。また、メンブレン式除湿装置に導入される水溶性ガスが、メンブレン式除湿装置４０内を流通するのに十分な圧力を有している場合、システム１は吸引ポンプ３０を含まなくてもよい。

（メンブレン式除湿装置）
メンブレン式除湿装置４０は水溶性ガスを除湿する。上述の工程（Ａ）の説明でメンブレン式除湿装置を説明したので、メンブレン式除湿装置４０の説明は省略する。

（切り替え手段）
切り替え手段５０は、水溶性ガスを吸着するために使用される吸着カラム６１を他の吸着カラム（吸着カラム６２または吸着カラム６３）に切り替える。切り替え手段５０は、複数のバルブ５１〜５３を有し、複数のバルブ５１〜５３の開閉を組み合わせることにより、水溶性ガスを吸着するために使用される吸着カラム６１〜６３を切り替えることができる。たとえば、バルブ５１を開き、バルブ５２，５３を閉じることにより、吸着カラム６１が水溶性ガスを吸着する。また、バルブ５２を開き、バルブ５１，５３を閉じることにより、吸着カラム６２が水溶性ガスを吸着する。さらに、バルブ５３を開き、バルブ５１，５２を閉じることにより、吸着カラム６３が水溶性ガスを吸着する。なお、切り替え手段５０が有するバルブの数は、吸着カラムの数に基づいて適宜選択することができる。

システム１は１つの吸着カラムのみを有する場合、水溶性ガスを吸着する吸着カラムを切り替える必要はないので、システム１は切り替え手段５０を含まなくてもよい。また、システム１が複数の吸着カラムを同時に全部使用する場合も、水溶性ガスを吸着する吸着カラムを切り替える必要はないので、システム１は切り替え手段５０を含まなくてもよい。

（吸着カラム）
吸着カラム６１〜６３は、メンブレン式除湿装置４０により除湿した水溶性ガスを吸着する吸着剤を有する。これにより、吸着カラム６１〜６３は水溶性ガスを除去する。吸着カラム６１〜６３の数は、３つに限定されず、１つ、２つまたは４つ以上でもよい。なお、上述の工程（Ｂ）の説明で水溶性ガスおよび吸着剤を説明したので、水溶性ガスおよび吸着剤の説明は省略する。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、実施例は、本発明を限定するものではない。

［評価方法］
実施例および比較例のシステムを次の評価方法で評価した。
（アンモニア吸着量）
アンモニア濃度が１０００ｐｐｍである乾燥空気を圧縮してガスボンベ（容量：７ｍ³）に充填した。このアンモニア濃度は、畜糞堆肥化設備から発生するアンモニアの濃度に相当する。

上記ガスボンベから供給したアンモニア含有空気（アンモニア濃度：１０００ｐｐｍ）を、６０℃の温度に設定した、ウォーターバス（東京理化器械（株）社製、型番ＮＣＢ２６００）の水上に通過させて、アンモニア含有空気を加熱および加湿した。なお、ウォーターバスの開口部にフードを設置して、ガスボンベから供給したアンモニア含有空気がウォーターバスの外部に漏れることを防いだ。そして、加熱および加湿したアンモニア含有空気中のアンモニア濃度を、ＮＨ₃濃度測定器（新コスモス電機（株）製、ＸＰ−３１６０）を使用して測定し、アンモニア含有ガス中のアンモニア濃度が９００〜１０００ｐｐｍであることを確認した。アンモニア濃度を測定したアンモニア含有空気を３Ｌ／分の流量で実施例および比較例のシステムに１２時間供給し、実施例および比較例のシステムの吸着カラムの中の吸着剤にアンモニアを吸着させた。なお、ウォーターバスに通過させたアンモニア含有空気の温度は５８℃であり、相対湿度は９５％であった。

次に、アンモニアを吸着させた吸着剤を含む吸着カラムを１００℃の温度の設定した熱風循環式乾燥機（アズワン（株）製、型番ＤＯ−６００ＦＰＡ）の中に配置した。そして、乾燥機の中に配置した吸着カラムに窒素ガスを３Ｌ／分の流量で１２時間供給して吸着剤からアンモニアを脱離させた。吸着カラムから排出される窒素ガスを、氷水により０℃に冷却した１００ｍＬのホウ酸溶液（ホウ酸の濃度：５ｇ／Ｌ）に通過させ、ホウ酸溶液を通過した窒素ガスを、氷水により０℃に冷却した１００ｍＬのホウ酸溶液（ホウ酸の濃度：５ｇ／Ｌ）にさらに通過させ、吸着剤から離脱した、窒素ガス中のアンモニアをホウ酸溶液に全て吸収させた。そして、イオンクロマトグラフ（日本ダイオネクス（株）製、型番ＤＸ−１００）を用いてホウ酸溶液中のアンモニア濃度を測定した。ホウ酸溶液中のアンモニア濃度からホウ酸溶液に吸収されたアンモニアの質量（Ｗ１）を算出した。また、吸着カラム中のアンモニアを脱離した後の吸着剤の質量（Ｗ２）を測定した。そして、次の式からアンモニア吸着量（Ａｄ）を算出した。
Ａｄ（質量％）＝Ｗ１／Ｗ２×１００

［システムの構築］
以下のようにして、実施例および比較例のシステムを構築した。

（実施例１）
実施例１のシステムは、グラハム式冷却管（（株）三商製、管長さ３６０ｍｍ、商品コード：８２−１０４１）、吸引ポンプ（柴田科学（株）製ミニポンプ、型番ＭＰ−Σ５００Ｎ）、メンブレン式除湿装置（旭硝子（株）製、サンセップ（登録商標）ＳＷＢ−０１−１００）および吸着カラムから構成される。吸着カラムの容量は６０ｍＬであり、吸着カラムには、吸着剤Ａ（住友大阪セメント（株）製、床下調湿材「マジカルファイン」）が３０ｇ配置される。以下のようにして、実施例１のシステムの吸着カラムの吸着剤Ａにアンモニアを吸着させた。なお、吸着剤Ａは、水酸化カルシウムの添加量を後述の吸着剤Ｂよりも増やして、酸処理した下水汚泥焼却灰をｐＨ７付近に中和させた点およびシリカゲルを含まない点で後述の吸着剤Ｂと異なる。

ＮＨ₃濃度測定器によりアンモニア濃度を測定したアンモニア含有空気を３Ｌ／分の流量でグラハム式冷却管に通過させ、アンモニア含有空気を４０℃に冷却した。グラハム式冷却管の冷却には、メンブレン式除湿装置から排出された乾燥空気（温度：約２３℃）を使用した。吸引ポンプを使用して、冷却したアンモニア含有空気を０．５ＭＰａに加圧し、加圧したアンモニア含有空気をメンブレン式除湿装置に導入した。アンモニア含有空気を除湿するためにメンブレン式除湿装置に供給した乾燥空気の温度は２０℃であり、相対湿度は３５％であり、流量は９Ｌ／分であった。そして、除湿したアンモニア含有空気を吸着カラムに１２時間導入し、吸着カラムの吸着剤にアンモニアを吸着させた。

（実施例２）
実施例２のシステムは、吸着剤Ａの代わりに後述の吸着剤Ｂを吸着カラムの吸着剤として使用した点を除いて、実施例２のシステムは、実施例１のシステムと同じ構成であった。また、実施例１のシステムと同様な方法で吸着カラムの吸着剤Ｂにアンモニアを吸着させた。

吸着カラムに設置された吸着剤Ｂは以下のようにして作製した。下水汚泥焼却灰１００ｇを攪拌機（ホバートミキサー（（株）共和技研製）に入れた。工業用塩酸（３５％）水溶液（１１．２Ｎ）２０ｇ（下水汚泥焼却灰１００質量部に対して２０質量部に相当）を攪拌機に入れた。そして、攪拌機を使用して下水汚泥焼却灰および工業用塩酸（３５％）溶液の混合物を３分間混合した。さらに、水酸化カルシウム１ｇ（下水汚泥焼却灰１００質量部に対して１質量部に相当）を混合物に添加した。そして、３分間混合して酸処理および塩基処理後の汚泥焼却灰を作製した。その後、半乾式低水分造粒機（ディスクペレッター）（不二パウダル（株）製、型番Ｆ−５）を使用して、直径３ｍｍおよび平均長さ８ｍｍを有する円柱形状になるように、酸処理および塩基処理後の汚泥焼却灰を造粒し、熱風循環式乾燥機（アズワン（株）製、型番ＤＯ−６００ＦＰＡ）を使用して１００℃の乾燥温度で８時間乾燥し、酸処理および塩基処理後の汚泥焼却灰の造粒成形物を得た。なお、乾燥する前の処理混合物１の造粒成形物の含水率は２６質量％であるのに対し、乾燥後の含水率は１．５質量％であり、５質量％以下であった。

４０ｇの酸処理および塩基処理後の汚泥焼却灰の造粒成形物および６０ｇの球状シリカゲル（関東化学（株）製、青（中粒）、ＣＡＳ番号７６３１−８６−９、粒度１．６８〜４．００ｍｍ（８０%以上）、比表面積：７００ｍ²／ｇ、平均細孔径：２．５ｎｍ、密度：２．２ｇ／ｃｍ³（２０℃））（酸処理および塩基処理後の汚泥焼却灰の造粒成形物と球状シリカゲルとの質量比は４０：６０）を撹拌機ホバートミキサー（（株）共和技研製）に入れ、５分間混合して、酸処理および塩基処理後の汚泥焼却灰と球状シリカゲルとの混合物からなる吸着剤Ｂを作製した。

（実施例３）
実施例３のシステムは、吸着剤Ａの代わりに吸着剤Ｃ（活性炭（関東化学製、CAS番号7440-44-0、平均直径：４ｍｍ、平均長さ：６ｍｍ、比表面積：１０００ｍ²／ｇ、平均細孔径：１０ｎｍ、密度：２．１ｇ／ｍｌ（２０℃））を吸着カラムも吸着剤として使用した点を除いて、実施例３のシステムは、実施例１のシステムと同じ構成であった。また、実施例１のシステムと同様な方法で吸着カラムの吸着剤Ｃにアンモニアを吸着させた。

（比較例１）
グラハム式冷却管およびメンブレン式除湿装置の代わりに、低温恒温水槽（東京理化器械（株）、型番ＮＣＢ２６００）から冷却水を流量１Ｌ／分で流したラジエター（クーリングラボ社製、Ｍａｇｉｃｏｏｌ １２０Ｄ Ｒａｄｉａｔｏｒ）を冷却および除湿装置として使用した点、および吸引ポンプを含まない点を除いて、比較例１のシステムは、実施例１のシステムと同じ構成であった。また、実施例１のシステムと同様な方法で吸着カラムの吸着剤Ａにアンモニアを吸着させた。なお、コンプレッサーにより冷却された媒体が冷却フィンを冷却し、冷却した冷却フィンにアンモニア含有空気が接触することにより、アンモニア含有空気は冷却されるとともに除湿される。

（比較例２）
グラハム式冷却管およびメンブレン式除湿装置の代わりに、低温恒温水槽（東京理化器械（株）、型番ＮＣＢ２６００）から冷却水を流量１Ｌ／分で流したラジエター（クーリングラボ社製、Ｍａｇｉｃｏｏｌ １２０Ｄ Ｒａｄｉａｔｏｒ）を冷却および除湿装置として使用した点、および吸引ポンプを含まない点を除いて、比較例２のシステムは、実施例２のシステムと同じ構成であった。また、実施例２のシステムと同様な方法で吸着カラムの吸着剤Ｂにアンモニアを吸着させた。

（比較例３）
グラハム式冷却管およびメンブレン式除湿装置の代わりに、低温恒温水槽（東京理化器械（株）、型番ＮＣＢ２６００）から冷却水を流量１Ｌ／分で流したラジエター（クーリングラボ社製、Ｍａｇｉｃｏｏｌ １２０Ｄ Ｒａｄｉａｔｏｒ）を冷却および除湿装置として使用した点、および吸引ポンプを含まない点を除いて、比較例３のシステムは、実施例３のシステムと同じ構成であった。また、実施例３のシステムと同様な方法で吸着カラムの吸着剤Ｃにアンモニアを吸着させた。

（比較例４）
グラハム式冷却管およびメンブレン式除湿装置を含まない点を除いて、比較例４のシステムは、実施例１のシステムと同じ構成であった。また、実施例１のシステムと同様な方法で吸着カラムの吸着剤Ａにアンモニアを吸着させた。

（比較例５）
グラハム式冷却管およびメンブレン式除湿装置を含まない点を除いて、比較例５のシステムは、実施例２のシステムと同じ構成であった。また、実施例２のシステムと同様な方法で吸着カラムの吸着剤Ｂにアンモニアを吸着させた。

（比較例６）
グラハム式冷却管およびメンブレン式除湿装置を含まない点を除いて、比較例６のシステムは、実施例３のシステムと同じ構成であった。また、実施例３のシステムと同様な方法で吸着カラムの吸着剤Ｃにアンモニアを吸着させた。

［結果］
実施例および比較例のシステムの吸着カラムにおける吸着剤のアンモニア吸着量を表１〜表３に示す。

［結果］
実施例１では、吸着剤のアンモニア吸着量は大きかった。一方、比較例１では吸着剤のアンモニア吸着量は実施例１に比べて少なくなっていた。また、比較例４では吸着剤のアンモニア吸着量は実施例１に比べて非常に少なくなっていた。これより、本発明よれば、吸着剤における水溶性ガスの吸着量を大きくすることができ、水溶性ガスを効率的に除去できることがわかった。比較例１では、吸着剤のアンモニア吸着量が実施例１に比べて少なくなっていたのは、比較例１では、冷却フィンにより水溶性ガスから除去された水分の一部が水溶性ガスに吸収されたため、吸着カラムに導入される水溶性ガスの湿度が、実施例１に比べて高かったためであると予測される。一方、実施例１では、水溶性ガスから除去された水分は、乾燥ガス室４４（図１参照）の中を流れる乾燥空気によりメンブレン式除湿装置から速やかに排出されるので、水溶性ガスから除去された水分の一部が水溶性ガスに吸収されることはない。

同様に、実施例２と、比較例２および比較例５とを比較することにより、および実施例３と、比較例３および比較例６とを比較することにより、本発明よれば、吸着剤における水溶性ガスの吸着量を大きくすることができ、水溶性ガスを効率的に除去できることがわかった。

本発明の水溶性ガスを除去する方法およびシステムは、養鶏畜産業で発生する臭気および糞尿堆肥処理で発生する臭気などの原因になる、高温で湿度の高い雰囲気中のアンモニアガスの除去に対してとくに有用である。

１ 水溶性ガスを除去するシステム
２０ 冷却装置
２２ 水溶性ガス冷却室
２５ 冷却管
３０ 吸引ポンプ
４０ メンブレン式除湿装置
４２ 中空糸膜
５０ 切り替え手段
６１〜６３ 吸着カラム

Claims (7)

1. メンブレン式除湿装置を使用して水溶性ガスを除湿する工程、および
   除湿した前記水溶性ガスを吸着剤に吸着させる工程を含む、水溶性ガスを除去する方法。
2. 前記水溶性ガスを除湿する工程の前に、水溶性ガスを冷却する工程をさらに含む、請求項１に記載の水溶性ガスを除去する方法。
3. 前記水溶性ガスはアンモニアであり、
   前記吸着剤は、酸処理により多孔質化された後、塩基処理された汚泥焼却灰およびシリカゲルの混合物と活性炭との少なくとも一種を含む、請求項１または２に記載の水溶性ガスを除去する方法。
4. 水溶性ガスを除湿するメンブレン式除湿装置、および
   前記メンブレン式除湿装置により除湿した前記水溶性ガスを吸着する吸着剤を有する吸着カラムを含む、水溶性ガスを除去するシステム。
5. 水溶性ガスを冷却する冷却装置をさらに含み、
   前記メンブレン式除湿装置は、前記冷却装置により冷却された水溶性ガスを除湿する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記水溶性ガスはアンモニアであり、
   前記吸着剤は、酸処理により多孔質化された後、塩基処理された汚泥焼却灰およびシリカゲルの混合物と活性炭との少なくとも一種を含む、請求項４または５に記載のシステム。
7. 前記システムは、複数の吸着カラムを含み、
   前記複数の吸着カラムの中で、前記水溶性ガスを吸着する吸着カラムを切り替える切り替え手段をさらに含む、請求項４〜６のいずれか１項に記載のシステム。

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