JP2018008871A - 酸素過剰型金属酸化物及びその製造方法と再生方法、並びに、酸素濃縮装置及び酸素吸脱着装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)下記一般式(1):
Aj Dk Em Gn O7+δ ・・・(1)
(式中、
Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
で表されるストイキオメトリを有し、昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g未満である、酸素過剰型金属酸化物。
(3)前記一般式(1)中のDがBaを含む、上記(1)又は(2)に記載の酸素過剰型金属酸化物。
(4)前記一般式(1)中のEがCoを含む、上記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物。
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g未満である、酸素過剰型金属酸化物。
(7)350℃未満で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、350℃以上で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させる、上記(6)に記載の酸素吸脱着装置。
(8)200℃以上400℃以下において、酸素存在下で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、酸素吸着時より酸素分圧が低い圧力下で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させる、
上記(6)に記載の酸素吸脱着装置。
(9)上記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用い、350℃未満で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、350℃以上で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させることにより、酸素を濃縮する、酸素濃縮装置。
(10)上記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用い、200℃以上400℃以下において、酸素存在下で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、酸素吸着時より酸素分圧が低い圧力下で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させることにより、酸素を濃縮する、酸素濃縮装置。
(12)上記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を備え、貯蔵した酸素を用いて酸化反応を行うことを特徴とする、酸化反応装置。
(13)上記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を備え、酸素の貯蔵、分離及び/又は濃縮によって発生する温熱を用いて加熱を行うことを特徴とする、加熱装置。
(14)上記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を備え、酸素の貯蔵、分離及び/又は濃縮によって発生する冷熱を用いて冷却を行うことを特徴とする、冷却装置。
(15)上記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を備え、酸素の貯蔵、分離及び/又は濃縮によって発生する温熱及び/又は冷熱を用いて熱交換を行うことを特徴とする、熱交換装置。
(17)昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g以上である酸素過剰型金属酸化物を得ることを特徴とする、上記(16)記載の酸素過剰型金属酸化物の製造方法。
(18) 下記一般式(1):
Aj Dk Em Gn O7+δ ・・・(1)
(式中、Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
で表されるストイキオメトリを有する酸素過剰型金属酸化物を、酸素分圧10kPa以下で、400℃以上、950℃未満で加熱することを特徴とする、酸素過剰型金属酸化物の再生方法。
(19)Y、Ba及びCoを少なくとも0.8〜1.2:0.8〜1.2:3.2〜4.8の化学量論比で含有し、
粉末X線回折測定において、下記(a)〜(d)のすべてを有する回折パターンで特徴付けられるLuBa(Zn,Al)4O7型の結晶構造を有し、
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g未満である、酸素過剰型金属酸化物。
(20)下記一般式(1):
Aj Dk Em Gn O7+δ ・・・(1)
(式中、
Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)で表されるストイキオメトリを有し、上記(16)に記載の方法により製造された酸素過剰型金属酸化物。
Aj Dk Em Gn O7+δ ・・・(1)
(式中、
Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
昇温脱離法における二酸化炭素の脱離量の定量方法は、特に限定されないが、シュウ酸カルシウム1水和物を同一条件で昇温した際に得られる発生ガスのパルス面積との比較から算出することが好ましい。昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g以上であると、酸素放出速度、酸素吸着速度がともに遅くなるため、450μmol/g未満であることが好ましく、より好ましくは300μmol/g以下、さらに好ましくは150μmol/g以下である。
処理時間は、処理温度及び酸素分圧等に依存するが、設備負荷や生産性等を考慮すると、通常1〜5時間が好ましい。同様に、真空度は、10kPa以下が好ましく、より好ましくは100Pa以下、さらに好ましくは10Pa以下である。真空度の下限値は、酸素過剰型金属酸化物が還元分解されない真空度であれば特に限定されないが、通常0.01Pa以上が好ましい。置換に使用するガスは、酸素分圧が10kPa以下であれば特に限定されないが、不活性ガス、例えばN2ガス、Arガス等が好ましい。また同様に、処理温度は、400℃以上、950℃未満が好ましく、より好ましくは600℃以上、850℃以下、さらに好ましくは650℃以上、800℃以下である。上述の下限値以上の温度で処理することにより、二酸化炭素が速やかに脱離するため好ましい。一方上限値以下とすることにより、粒子の成長が促進され、表面積が減少して吸着速度の低下が抑制されるため好ましい。
また、X線の検出器としては、半導体検出器を用いることが、高感度である点から好ましい。また半導体検出器を用いることは、検出精度の点で、CuKβ線のカットに比較的シンプルなNiフィルターを使用しても検出精度が確保できる点からも好ましい。
そして、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、粉末X線回折測定において、下記(a)〜(d)のすべてを有する回折パターンで特徴付けられるLuBa(Zn,Al)4O7型の結晶構造を有し、昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g未満である、酸素過剰型金属酸化物としても定義可能である。
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
このとき、Y、Ba及びCoを少なくとも0.8〜1.2:0.8〜1.2:3.2〜4.8の化学量論比で含有することが好ましい。このY、Ba及びCoの比の意味するところは、化学量論組成から、20%程度の範囲で欠損や他の元素での置換などによる変動を許容しうるということである。
また絶対値でいえば、110ピークの半値幅が0.3°未満であることが好ましく、より好ましくは0.25°以下である。なお、110ピークの半値幅の下限値は、特に限定されない。従来の酸素過剰型酸化物と同様に、0.05°以上が好ましい。
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
次に酸素分圧を変化させることで制御する場合を説明する。200℃以上400℃以下において、酸素分圧を変化させると、酸素分圧の高い側で酸素を吸着(吸収)し、吸着時より低い側で酸素を脱着(放出)する。吸脱着の最適な酸素分圧は吸脱着時の酸素過剰型金属酸化物の温度に依存する。吸脱着時の温度が低いほど、低い酸素分圧で酸素を吸収する傾向を有し、高いほど、酸素分圧を増加させても、吸着する酸素量が減少する傾向を有する。典型的には、吸着時は大気圧(酸素分圧20kPa)下で行えばよいが、加圧条件下で行うこともでき、脱着時は吸着時より低い酸素分圧下で行えばよく、減圧条件下で行うこともできる。本実施形態の酸素過剰型金属酸化物では、酸素分圧が高いほど、吸着する酸素量が増加する傾向を有するため、酸素分圧の高低を繰り返すことで、酸素濃度を大気中より高めた気体を作ることもできるし、酸素濃度を下げることに使用することもできる。
また、温度と圧力の両方を変化させて制御しても良い。
また、処理時間も特に限定されない。一般的には、5〜24時間程度が目安とされる。なお、一定の処理温度で保持している間の時間を、上記の低温焼成プロセスにおける処理時間(焼成時間)とする。
さらに焼成温度で処理中の炉内雰囲気ガス中に二酸化炭素が存在すると、酸素過剰型金属酸化物に吸着し、酸素の吸脱着能力が低下するため、降温開始直前には炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度は0.01vol%未満が好ましく、0vol%がより好ましい。前駆体から二酸化炭素が発生する場合、特に原料に炭酸塩が含まれている場合には、その吸着を防ぐ点からは減圧下で焼成することが好ましい。
通常、酸素過剰型金属酸化物に吸着する二酸化炭素としては、炉外からの流入によるもの、または前駆体が反応して酸素過剰型金属酸化物となる過程で発生するものが挙げられる。なかでも前駆体から発生する二酸化炭素濃度の調整は困難であるが、本発明者らの検討により、降温開始直前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度を低く保つことができれば、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物を得られることが明らかとなった。よって、低温焼成プロセスの昇温中、及び/又は焼成時間中に、二酸化炭素濃度が高くなったとしても、降温開始直前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度が0.01vol%未満とすることで本発明の効果を得ることができる。降温開始直前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度を0.01vol%未満とするためには、具体的には、処理時間、処理温度、前駆体の量、供給する雰囲気ガスの流量、減圧時の真空度等を適宜調整して、降温開始直前までに発生した二酸化炭素を十分に炉外へ排気すればよい。
(1)ヨウ素滴定法でCoの平均価数を求める。
(2)ICP発光分析法により、Y、Ba及びCoのモル比を求める。
(3)前記モル比から、前記(1)式におけるj、k、m、nの値を、j+k+m+n=6を満たすように規格化する。
(4)Coの平均価数及び(3)で規格化したj、k、m、nの値から、電荷バランスを考慮して、酸素原子の数を求める。
(5)以上の計算結果から、化学組成を決定する。
このような再生処理は、例えば酸素濃縮装置の単位時間当たりの酸素の濃縮量が、予め決めておいた量以下になった時、或いは濃縮回数がある一定の回数以上に達したときに行うことができ、酸素吸脱着能力を元のレベルに戻すことができるため好ましい。この再生処理時の好ましい条件は、製造方法の欄で説明した条件と同じである。
出発原料として、Y(CH3COO)3・4H2O、Ba(CH3COO)2、Co(CH3COO)2・4H2Oを、Y:Ba:Co=1:1:4のモル比になるように秤量した。次に、これらを純水に溶解し、酢酸塩水溶液を作製した。作製した水溶液をスプレードライし、粉末とした。得られた粉末を空気中600℃で7時間仮焼成し、前駆体を作製した。得られた前駆体を窒素気流中800℃で12時間焼成した。800℃からの降温開始時の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度は0.44vol%であった。その後、メノウ乳鉢中で粉砕及び混合し、比較例1の酸素過剰型金属酸化物(YBaCo4 O7+δ)を得た。
比較例1の酸素過剰型金属酸化物(YBaCo4 O7+δ)をロータリーポンプで真空引き下(酸素分圧30Pa以下)、700℃で2時間熱処理を実施し、酸素過剰型金属酸化物の再生を行って実施例1の酸素過剰型金属酸化物(YBaCo4 O7+δ)を得た。
比較例1の酸素過剰型金属酸化物(YBaCo4 O7+δ)をロータリーポンプで真空引き下(酸素分圧30Pa以下)、750℃で4時間熱処理を実施し、酸素過剰型金属酸化物の再生を行って実施例2の酸素過剰型金属酸化物(YBaCo4 O7+δ)を得た。
比較例1で得られた前駆体を窒素気流中(酸素分圧0.1kPa以下)800℃で15時間焼成した。800℃からの降温開始時の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度は0vol%であった。その後、メノウ乳鉢中で粉砕及び混合し、実施例3の酸素過剰型金属酸化物(YBaCo4 O7+δ)を得た。
得られた比較例1及び実施例1,2,3の酸素過剰型金属酸化物の粉末X線回折測定を行った。図1に、各酸素過剰型金属酸化物の粉末X線回折パターンを示す。図1中、上から順に、比較例1(作製時、降温開始前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度が0.01vol%以上)、実施例1(作製後に真空引き下700℃の加熱処理あり)、実施例2(作製後に真空引き下750℃の加熱処理あり)、実施例3(作製時、降温開始直前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度が0.01vol%未満)の粉末X線回折パターンをそれぞれ示す。
測定範囲は2θが10°から65°の範囲で行った。ただし、主要なピークは60°までに存在するため、図面には60°までを示している。測定の間隔は0.02°、使用した装置と条件は、以下のとおりである。
装置:オランダ PANalytical社製X‘Pert Pro MPD
加速電圧:45kV
電流:30mA
比較例1及び実施例3の前駆体焼成時に、炉内の中央付近に吸気管を挿入し、理研計器株式会社製のポータブルマルチガス測定器(RX−515)にて、昇温開始からサンプル取り出しまでの間、5分間隔で二酸化炭素濃度を測定した。
得られた比較例1及び実施例1の酸素過剰型金属酸化物を、直ちに測定装置にセットし、室温から1000℃まで昇温時発生ガス種及びその量の測定を行った。表1に発生ガス種とその量を示す。表1より、CO2発生量は、比較例1では460μmol/gであるのに対し、実施例1では94μmol/gとなっている。すなわち、実施例1では、CO2発生量が、約1/5まで大きく減少していることがわかる。
測定手法及び使用装置は以下のとおりである。試料を白金ボートに入れ、石英加熱管にセット後、He 80ccmフロー下、40℃/分で1000℃まで昇温した。その間の出口ガスを質量分析計に導入してガス成分を測定した。定量はO2については空気中のO2の検量線から、H2Oについては空気中のN2の検量線及び、N2との相対感度係数を用いて計算した。CO,CO2についてはN2と感度が同等と仮定してN2の検量線を用いて計算した。なお、O2は2つのピークが検出されたため、低温域で発生したガス量,高温域で発生したガス量の順で表中に記した。
装置:キャノンアネルバ製:AGS−7000
得られた比較例1及び実施例1,2,3の酸素過剰型金属酸化物を、直ちに測定装置にセットし、室温から1000℃まで昇温時発生ガス種及びその量の測定を行った。表2に発生ガス種とその量を示す。表2より、CO2発生量は、比較例1では543μmol/gであるのに対し、実施例1では69μmol/g、実施例2では10μmol/g、実施例3では73μmol/gとなっている。すなわち、実施例1、2、3では、CO2発生量が、約1/5〜1/50まで大きく減少していることがわかる。
測定手法及び使用装置は以下のとおりである。試料を白金ボートに入れ、石英加熱管にセット後、He 80ccmフロー下、40℃/分で1000℃まで昇温した。その間の出口ガスを質量分析計に導入してガス成分を測定した。O2については空気中のO2の検量線から、H2O,CO,CO2についてはシュウ酸カルシウム1水和物を同一条件で昇温した際に得られる発生ガスピーク面積と比較して定量した。なお、O2は2つのピークが検出されたため、低温域で発生したガス量,高温域で発生したガス量の順で表中に記した。
装置:キャノンアネルバ製:AGS−7000
得られた比較例1及び実施例1、2、3の酸素過剰型金属酸化物を、直ちに測定装置にセットし、酸素吸着量及び酸素放出速度の測定を行った。ここでは、比較例1及び実施例1、2、3の酸素過剰型金属酸化物を、窒素気流中350℃で保持し、ガス雰囲気を酸素に切り換えた際の重量変化を計測した。図2、3、4、5は、比較例1及び実施例1、2、3の酸素過剰型金属酸化物の熱重量変化を示すグラフである。図2、3、4、5に示すとおり、比較例1及び実施例1、2、3のいずれにおいても、ガス切換直後から酸素吸収に伴う急激な重量増加を示した。このとき、酸素吸着時の飽和重量は、比較例1及び実施例1,2,3で大きな差異は認められず2wt%程度であった。続いて、酸素から窒素にガス切り替えをしたところ、酸素放出に伴う急激な重量減少が見られた。酸素吸着量を1.5wt%から0.5wt%にする際の酸素放出速度は、比較例1では0.25wt%/分であるのに対し、実施例1、2、3ではそれぞれ0.59wt%/分、0.60wt%/分、0.87wt%/分と約2.4から3.5倍に向上していることがわかる。
以上のことから、実施例1、2、3の酸素過剰型金属酸化物は、酸素放出速度は0.5wt%/分以上という優れた酸素吸収放出能力を有し、これらの酸素放出速度は、比較例1に対して、約2〜4倍にも向上していることがわかる。
次いで、得られた比較例1及び実施例1、2,3の酸素過剰型金属酸化物のサイクル特性をTG熱重量測定で評価した。その結果を、図6、7、8,9に示す。ここでは、空気中(酸素濃度21%)、9分間470−480℃に保って酸素を放出させた後、470℃→230℃を7分で降温させ、230℃→470℃を5分で昇温させることを3回繰り返した。温度と重量の測定間隔は1秒おきに行った。その際の酸素吸着脱着に伴う重量変化を測定した。図6、7、8、9中、温度変化は点線で示し、重量変化は実線で示す。
また、上記サイクル特性の結果から、比較例1と実施例1,2,3とで各サイクルにおける酸素吸着速度に大きな差が有ることは図から明らかであるが、特にその差が顕著に表れているデータとして、酸素吸着量を0.4wt%から0.9wt%にする際の酸素吸着速度に着目して、対比説明する。
Claims (12)
- 下記一般式(1):
Aj Dk Em Gn O7+δ ・・・(1)
(式中、Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
で表されるストイキオメトリを有し、昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g未満である、酸素過剰型金属酸化物。 - 前記一般式(1)中のAがYを含む、
請求項1に記載の酸素過剰型金属酸化物。 - 前記一般式(1)中のDがBaを含む、
請求項1又は2に記載の酸素過剰型金属酸化物。 - 前記一般式(1)中のEがCoを含む、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物。 - 粉末X線回折測定において、下記(a)〜(d)のすべてを有する回折パターンで特徴付けられるLuBa(Zn,Al)4O7型の結晶構造を有し、
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g未満である、
酸素過剰型金属酸化物。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用いた
酸素吸脱着装置。 - 350℃未満で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、350℃以上で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させる
請求項6に記載の酸素吸脱着装置。 - 200℃以上400℃以下において、酸素存在下で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、酸素吸着時より酸素分圧が低い圧力下で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させる
請求項6に記載の酸素吸脱着装置。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用い、
350℃未満で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、350℃以上で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させることにより、酸素を濃縮する
酸素濃縮装置。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用い、
200℃以上400℃以下において、酸素存在下で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、酸素吸着時より酸素分圧が低い圧力下で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させることにより、酸素を濃縮する
酸素濃縮装置。 - 下記一般式(1):
Aj Dk Em Gn O7+δ ・・・(1)
(式中、
Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
で表されるストイキオメトリを有する酸素過剰型金属酸化物の前駆体を酸素分圧10kPa以下で、700℃以上、950℃未満、降温開始直前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度が0.01vol%未満で加熱処理することを特徴とする
酸素過剰型金属酸化物の製造方法。 - 下記一般式(1):
Aj Dk Em Gn O7+δ ・・・(1)
(式中、
Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
で表されるストイキオメトリを有する酸素過剰型金属酸化物を、酸素分圧10kPa以下で、400℃以上、950℃未満で加熱することを特徴とする、
酸素過剰型金属酸化物の再生方法。
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