JP2021017409A - メタン製造装置、メタン製造方法、二酸化炭素回収装置、および、二酸化炭素回収方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】温度上昇を抑制して、メタンを製造する。【解決手段】メタン製造装置２００は、クロム、銅、および、マグネシウムのうちのいずれか１または複数を含み二酸化炭素を吸蔵した金属有機構造体、ならびに、炭酸水素カリウムのいずれか一方または両方を保持する保持部１１０と、保持部１１０に水素を供給する水素供給部１４０と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、メタン製造装置、メタン製造方法、二酸化炭素回収装置、および、二酸化炭素回収方法に関する。
近年、二酸化炭素と水素とを反応させてメタンを製造する技術が開発されている。例えば、特許文献１には、触媒が収容された第１反応器と、二酸化炭素を多く含む原料ガスを第１反応器に供給する原料ガス供給ラインと、水素を第１反応器に供給する水素供給ラインとを備えるメタネーション反応装置が記載されている。
上記二酸化炭素と水素とをメタンに変換させるメタネーション反応は、発熱反応である。このため、反応器内において局所的に温度が上昇する場合がある。そうすると、反応器に収容された触媒が劣化したり、反応器自体が破損したりするおそれがある。
本発明は、このような課題に鑑み、温度上昇を抑制して、メタンを製造することが可能なメタン製造装置、メタン製造方法、二酸化炭素回収装置、および、二酸化炭素回収方法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、本発明に係るメタン製造装置は、クロム、銅、および、マグネシウムのうちのいずれか１または複数を含み二酸化炭素を吸蔵した金属有機構造体、ならびに、炭酸水素カリウムのいずれか一方または両方を保持する保持部と、保持部に水素を供給する水素供給部と、を備える。
上記課題を解決するために、本発明に係るメタン製造方法は、クロム、銅、および、マグネシウムのうちのいずれか１または複数を含み二酸化炭素を吸蔵した金属有機構造体、ならびに、炭酸水素カリウムのいずれか一方または両方に水素を供給する工程を含む。
上記課題を解決するために、本発明に係る二酸化炭素回収装置は、クロム、銅、および、マグネシウムのうちのいずれか１または複数を含む金属有機構造体、炭酸カリウム、ならびに、水酸化カリウムの群から選択される１または複数を保持する保持部と、二酸化炭素および水を少なくとも含む被処理ガスを保持部に供給する被処理ガス供給部と、保持部に水素を供給する水素供給部と、を備える。
上記課題を解決するために、本発明に係る二酸化炭素回収方法は、クロム、銅、および、マグネシウムのうちのいずれか１または複数を含む金属有機構造体、炭酸カリウム、ならびに、水酸化カリウムの群から選択される１または複数に、二酸化炭素および水を少なくとも含む被処理ガスを供給する工程と、被処理ガスを供給することで生成される、二酸化炭素を吸蔵した金属有機構造体、および、炭酸水素カリウムのいずれか一方または両方に水素を供給する工程と、を含む。
本発明によれば、温度上昇を抑制して、メタンを製造することが可能となる。
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、本明細書および図面において、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。
二酸化炭素（ＣＯ２）は、地球温暖化の要因となっている。このため、二酸化炭素は、気候変動に関する国際連合枠組条約等において大気への排出量が規制されている。そこで、二酸化炭素を含むガス（例えば、空気）から二酸化炭素を直接取り除く技術（ＤＡＣ（CO2 direct air capture））が開発されている（例えば、非特許文献１ Mahdi Fasihi et al., Journal of Cleaner Production 224 (2019) 957-980）。
非特許文献１では、まず、空気と吸収材（例えば、炭酸カリウム）とを接触させて空気中の二酸化炭素と炭酸カリウムとを反応させ、炭酸水素カリウムとする。こうして、空気から二酸化炭素が取り除かれる。一方、炭酸水素カリウムは２００℃程度に加熱され、炭酸カリウムと二酸化炭素とに熱分解される。こうして、高濃度の二酸化炭素が回収されるとともに、炭酸水素カリウムが炭酸カリウムに再生される。
上記非特許文献１に記載された従来のＤＡＣでは、吸収材を再生するために２００℃程度の吸熱反応を行わなければならず、高いエネルギーが必要となるという課題がある。
そこで、本実施形態では、従来のＤＡＣと比較して、低エネルギーで二酸化炭素を回収することが可能な二酸化炭素回収装置について説明する。
［二酸化炭素回収装置１００］
図１は、本実施形態に係る二酸化炭素回収装置１００を説明する図である。図１に示すように、二酸化炭素回収装置１００は、保持部１１０と、被処理ガス供給部１２０と、第１排気部１３０と、水素供給部１４０と、第２排気部１５０と、中央制御部１６０とを含む。図１中、破線の矢印は、信号の流れを示す。なお、図を簡明化するために、図１中、中央制御部１６０から開閉弁１３４、１５６への信号の流れを示す破線の図示を省略する。
図１は、本実施形態に係る二酸化炭素回収装置１００を説明する図である。図１に示すように、二酸化炭素回収装置１００は、保持部１１０と、被処理ガス供給部１２０と、第１排気部１３０と、水素供給部１４０と、第２排気部１５０と、中央制御部１６０とを含む。図１中、破線の矢印は、信号の流れを示す。なお、図を簡明化するために、図１中、中央制御部１６０から開閉弁１３４、１５６への信号の流れを示す破線の図示を省略する。
保持部１１０は、吸収材と、触媒とを保持する。本実施形態において、保持部１１０は、ハニカム構造の本体と、本体に担持された吸収材および触媒と、本体を所定温度（例えば、２００℃）に保温する保温部とを含む。吸収材は、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）、および、水酸化カリウム（ＫＯＨ）のうちのいずれか一方または両方を含む。触媒は、二酸化炭素および水素（Ｈ２）のメタネーション反応を促進する触媒である。触媒は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）系触媒である。
被処理ガス供給部１２０は、被処理ガスを保持部１１０に供給する。被処理ガスは、二酸化炭素および水（Ｈ２Ｏ、水蒸気）を少なくとも含む。ここでは、被処理ガスが空気である場合を例に挙げる。本実施形態において、被処理ガス供給部１２０は、被処理ガス供給管１２２と、ブロワ１２４と、開閉弁１２６とを含む。被処理ガス供給管１２２は、一端が大気開放され、他端が保持部１１０の一端側に接続される。ブロワ１２４は、被処理ガス供給管１２２に設けられる。ブロワ１２４は、吸入側が開放端に接続され、吐出側が保持部１１０に接続される。開閉弁１２６は、被処理ガス供給管１２２におけるブロワ１２４と保持部１１０との間に設けられる。開閉弁１２６は、被処理ガス供給管１２２に形成される流路を開放したり、遮断したりする。
第１排気部１３０は、保持部１１０から第１排気ガスを排気する。第１排気ガスは、空気（被処理ガス）から二酸化炭素が除去されたガスである。本実施形態において、第１排気部１３０は、第１排気管１３２と、開閉弁１３４とを含む。第１排気管１３２は、一端が大気開放され、他端が保持部１１０の他端側に接続される。開閉弁１３４は、第１排気管１３２に設けられる。開閉弁１３４は、第１排気管１３２に形成される流路を開放したり、遮断したりする。
水素供給部１４０は、水素を保持部１１０に供給する。本実施形態において、水素供給部１４０は、水素供給管１４２と、ブロワ１４４と、開閉弁１４６とを含む。水素供給管１４２は、水素の供給源と保持部１１０の一端側とを接続する。ブロワ１４４は、水素供給管１４２に設けられる。ブロワ１４４は、吸入側が水素の供給源に接続され、吐出側が保持部１１０に接続される。開閉弁１４６は、水素供給管１４２におけるブロワ１４４と、保持部１１０との間に設けられる。開閉弁１４６は、水素供給管１４２に形成される流路を開放したり、遮断したりする。
第２排気部１５０は、保持部１１０から第２排気ガスを排気する。第２排気ガスは、メタン（ＣＨ４）、および、水（水蒸気）を含む。本実施形態において、第２排気部１５０は、第２排気管１５２と、メタン貯留部１５４と、開閉弁１５６とを含む。第２排気管１５２は、保持部１１０の他端側とメタン貯留部１５４とを接続する。メタン貯留部１５４は、第２排気ガスを貯留する。開閉弁１５６は、第２排気管１５２における保持部１１０とメタン貯留部１５４との間に設けられる。開閉弁１５６は、第２排気管１５２に形成される流路を開放したり、遮断したりする。
中央制御部１６０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。中央制御部１６０は、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。中央制御部１６０は、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して二酸化炭素回収装置１００全体を管理および制御する。本実施形態において、中央制御部１６０は、開閉弁１２６、１３４、１４６、１５６を開閉制御し、ブロワ１２４、１４４を駆動制御する。
［二酸化炭素回収方法］
続いて、二酸化炭素回収装置１００を用いた二酸化炭素回収方法について説明する。図２は、本実施形態にかかる二酸化炭素回収方法の処理の流れを示すフローチャートである。図２に示すように、二酸化炭素回収方法は、二酸化炭素回収工程Ｓ１１０と、メタン製造工程Ｓ２１０とを含み、二酸化炭素回収工程Ｓ１１０とメタン製造工程Ｓ２１０とが交互に遂行される。また、本実施形態において、二酸化炭素回収方法は、所定の時間間隔毎に生じる割込によって繰り返し遂行される。
以下、二酸化炭素回収工程Ｓ１１０およびメタン製造工程Ｓ２１０について詳述する。
続いて、二酸化炭素回収装置１００を用いた二酸化炭素回収方法について説明する。図２は、本実施形態にかかる二酸化炭素回収方法の処理の流れを示すフローチャートである。図２に示すように、二酸化炭素回収方法は、二酸化炭素回収工程Ｓ１１０と、メタン製造工程Ｓ２１０とを含み、二酸化炭素回収工程Ｓ１１０とメタン製造工程Ｓ２１０とが交互に遂行される。また、本実施形態において、二酸化炭素回収方法は、所定の時間間隔毎に生じる割込によって繰り返し遂行される。
以下、二酸化炭素回収工程Ｓ１１０およびメタン製造工程Ｓ２１０について詳述する。
［二酸化炭素回収工程Ｓ１１０］
図３は、二酸化炭素回収工程Ｓ１１０の処理の流れを示すフローチャートである。図４は、二酸化炭素回収工程Ｓ１１０における中央制御部１６０による開閉弁１２６、１３４、１４６、１５６、および、ブロワ１２４、１４４の制御を説明する図である。なお、図４中、開閉弁１４６、１５６の閉弁状態を黒い塗りつぶしで示す。また、図４中、実線の矢印は、ガスの流れを示す。
図３は、二酸化炭素回収工程Ｓ１１０の処理の流れを示すフローチャートである。図４は、二酸化炭素回収工程Ｓ１１０における中央制御部１６０による開閉弁１２６、１３４、１４６、１５６、および、ブロワ１２４、１４４の制御を説明する図である。なお、図４中、開閉弁１４６、１５６の閉弁状態を黒い塗りつぶしで示す。また、図４中、実線の矢印は、ガスの流れを示す。
図３に示すように、二酸化炭素回収工程Ｓ１１０は、被処理ガス供給開始工程Ｓ１１０−１と、第１所定時間経過判定工程Ｓ１１０−２と、被処理ガス供給終了工程Ｓ１１０−３とを含む。
［被処理ガス供給開始工程Ｓ１１０−１］
中央制御部１６０は、開閉弁１２６、１３４を開弁して、ブロワ１２４を駆動する。これにより、被処理ガス供給管１２２を通じて空気が保持部１１０に導かれる。そうすると、下記式（１）に示す反応が進行する。なお、保持部１１０が水酸化カリウムを保持する場合、下記式（２）に示す反応に加えて下記式（１）に示す反応が進行する。
Ｋ２ＣＯ３ ＋ ＣＯ２ ＋ Ｈ２Ｏ → ２ＫＨＣＯ３ …式（１）
２ＫＯＨ ＋ ＣＯ２ ＋ Ｈ２Ｏ → Ｋ２ＣＯ３ ＋ ２Ｈ２Ｏ …式（２）
中央制御部１６０は、開閉弁１２６、１３４を開弁して、ブロワ１２４を駆動する。これにより、被処理ガス供給管１２２を通じて空気が保持部１１０に導かれる。そうすると、下記式（１）に示す反応が進行する。なお、保持部１１０が水酸化カリウムを保持する場合、下記式（２）に示す反応に加えて下記式（１）に示す反応が進行する。
Ｋ２ＣＯ３ ＋ ＣＯ２ ＋ Ｈ２Ｏ → ２ＫＨＣＯ３ …式（１）
２ＫＯＨ ＋ ＣＯ２ ＋ Ｈ２Ｏ → Ｋ２ＣＯ３ ＋ ２Ｈ２Ｏ …式（２）
したがって、被処理ガス供給開始工程Ｓ１１０−１を遂行することで、保持部１１０に保持された吸収材（炭酸カリウム）によって空気から二酸化炭素が取り除かれることになる。こうして、二酸化炭素が取り除かれた空気は、第１排気管１３２を通じて外部に排気される。
［第１所定時間経過判定工程Ｓ１１０−２］
中央制御部１６０は、第１所定時間が経過したか否かを判定する。その結果、第１所定時間が経過したと判定した場合（Ｓ１１０−２におけるＹＥＳ）、中央制御部１６０は、被処理ガス供給終了工程Ｓ１１０−３に処理を移す。一方、第１所定時間が経過していないと判定した場合（Ｓ１１０−２におけるＮＯ）、中央制御部１６０は、第１所定時間経過判定工程Ｓ１１０−２を繰り返す。なお、第１所定時間は、被処理ガス供給開始工程Ｓ１１０−１を開始してから吸収材が二酸化炭素を吸収しきれなくなるまでの時間に基づいて決定される。
中央制御部１６０は、第１所定時間が経過したか否かを判定する。その結果、第１所定時間が経過したと判定した場合（Ｓ１１０−２におけるＹＥＳ）、中央制御部１６０は、被処理ガス供給終了工程Ｓ１１０−３に処理を移す。一方、第１所定時間が経過していないと判定した場合（Ｓ１１０−２におけるＮＯ）、中央制御部１６０は、第１所定時間経過判定工程Ｓ１１０−２を繰り返す。なお、第１所定時間は、被処理ガス供給開始工程Ｓ１１０−１を開始してから吸収材が二酸化炭素を吸収しきれなくなるまでの時間に基づいて決定される。
［被処理ガス供給終了工程Ｓ１１０−３］
中央制御部１６０は、ブロワ１２４を停止して、開閉弁１２６、１３４を閉弁する。
中央制御部１６０は、ブロワ１２４を停止して、開閉弁１２６、１３４を閉弁する。
［メタン製造工程Ｓ２１０（メタン製造方法）］
図５は、メタン製造工程Ｓ２１０の処理の流れを示すフローチャートである。図６は、メタン製造工程Ｓ２１０における中央制御部１６０による開閉弁１２６、１３４、１４６、１５６、および、ブロワ１２４、１４４の制御を説明する図である。なお、図６中、開閉弁１２６、１３４の閉弁状態を黒い塗りつぶしで示す。また、図６中、実線の矢印は、ガスの流れを示す。
図５は、メタン製造工程Ｓ２１０の処理の流れを示すフローチャートである。図６は、メタン製造工程Ｓ２１０における中央制御部１６０による開閉弁１２６、１３４、１４６、１５６、および、ブロワ１２４、１４４の制御を説明する図である。なお、図６中、開閉弁１２６、１３４の閉弁状態を黒い塗りつぶしで示す。また、図６中、実線の矢印は、ガスの流れを示す。
図５に示すように、メタン製造工程Ｓ２１０は、水素供給開始工程Ｓ２１０−１と、第２所定時間経過判定工程Ｓ２１０−２と、水素供給終了工程Ｓ２１０−３とを含む。
［水素供給開始工程Ｓ２１０−１］
中央制御部１６０は、開閉弁１４６、１５６を開弁して、ブロワ１４４を駆動する。これにより、水素供給管１４２を通じて水素が保持部１１０に導かれる。そうすると、下記式（３）に示す反応が進行する。
２ＫＨＣＯ３ ＋ ４Ｈ２ → Ｋ２ＣＯ３ ＋ＣＨ４ ＋ ３Ｈ２Ｏ …式（３）
中央制御部１６０は、開閉弁１４６、１５６を開弁して、ブロワ１４４を駆動する。これにより、水素供給管１４２を通じて水素が保持部１１０に導かれる。そうすると、下記式（３）に示す反応が進行する。
２ＫＨＣＯ３ ＋ ４Ｈ２ → Ｋ２ＣＯ３ ＋ＣＨ４ ＋ ３Ｈ２Ｏ …式（３）
つまり、水素供給開始工程Ｓ２１０−１を遂行することで、保持部１１０に保持された触媒によって上記式（３）の反応が進行し、二酸化炭素を吸収した吸収材（炭酸水素カリウム）からメタンおよび水（水蒸気）が生成されることになる。また、上記式（３）の反応が進行することで、二酸化炭素を吸収した吸収材は、吸収材（炭酸カリウム）に再生される。こうして、生成されたメタンおよび水蒸気は、第２排気管１５２を通じてメタン貯留部１５４に導かれる。
［第２所定時間経過判定工程Ｓ２１０−２］
中央制御部１６０は、第２所定時間が経過したか否かを判定する。その結果、第２所定時間が経過したと判定した場合（Ｓ２１０−２におけるＹＥＳ）、中央制御部１６０は、水素供給終了工程Ｓ２１０−３に処理を移す。一方、第２所定時間が経過していないと判定した場合（Ｓ２１０−２におけるＮＯ）、中央制御部１６０は、第２所定時間経過判定工程Ｓ２１０−２を繰り返す。なお、第２所定時間は、水素供給開始工程Ｓ２１０−１を開始してから、二酸化炭素を吸収した吸収材からメタンが生成されなくなるまでの時間に基づいて決定される。
中央制御部１６０は、第２所定時間が経過したか否かを判定する。その結果、第２所定時間が経過したと判定した場合（Ｓ２１０−２におけるＹＥＳ）、中央制御部１６０は、水素供給終了工程Ｓ２１０−３に処理を移す。一方、第２所定時間が経過していないと判定した場合（Ｓ２１０−２におけるＮＯ）、中央制御部１６０は、第２所定時間経過判定工程Ｓ２１０−２を繰り返す。なお、第２所定時間は、水素供給開始工程Ｓ２１０−１を開始してから、二酸化炭素を吸収した吸収材からメタンが生成されなくなるまでの時間に基づいて決定される。
［水素供給終了工程Ｓ２１０−３］
中央制御部１６０は、ブロワ１４４を停止して、開閉弁１４６、１５６を閉弁する。
中央制御部１６０は、ブロワ１４４を停止して、開閉弁１４６、１５６を閉弁する。
以上説明したように、本実施形態にかかる二酸化炭素回収装置１００およびこれを用いた二酸化炭素回収方法は、二酸化炭素を吸収した吸収材（炭酸水素カリウム）を再生する際に、保持部１１０に水素を供給する。これにより、上記式（３）の反応を遂行させることができる。したがって、従来のＤＡＣと比較して低エネルギーで吸収材を再生する（二酸化炭素を回収する）ことが可能となる。
具体的に説明すると、従来のＤＡＣは、炭酸水素カリウムを加熱して、下記式（Ａ）に示す熱分解反応を遂行することで、炭酸水素カリウムを炭酸カリウムに再生する。
２ＫＨＣＯ３ → Ｋ２ＣＯ３ ＋ ＣＯ２ ＋ Ｈ２Ｏ …式（Ａ）
上記式（Ａ）の反応エンタルピーｄＨは、ｄＨ＝＋１３９．４ｋＪ（吸熱反応）である。
２ＫＨＣＯ３ → Ｋ２ＣＯ３ ＋ ＣＯ２ ＋ Ｈ２Ｏ …式（Ａ）
上記式（Ａ）の反応エンタルピーｄＨは、ｄＨ＝＋１３９．４ｋＪ（吸熱反応）である。
一方、本実施形態の二酸化炭素回収装置１００は、炭酸水素カリウムに含まれる炭素原子（Ｃ）および酸素原子（２Ｏ）と、水素供給部１４０によって供給された水素（Ｈ２）とからメタンを生成することで、炭酸水素カリウムを炭酸カリウムに再生する（上記式（３））。つまり、二酸化炭素回収装置１００は、炭酸水素カリウムから炭酸カリウムへの分解反応と、メタンの生成反応とを並行して行う。
二酸化炭素および水素からメタンを生成する場合、下記式（Ｂ）のメタネーション反応が進行する。
ＣＯ２ ＋ ４Ｈ２ → ＣＨ４ …式（Ｂ）
上記式（Ｂ）の反応エンタルピーｄＨは、ｄＨ＝−１７３．３ｋＪ（発熱反応）である。
ＣＯ２ ＋ ４Ｈ２ → ＣＨ４ …式（Ｂ）
上記式（Ｂ）の反応エンタルピーｄＨは、ｄＨ＝−１７３．３ｋＪ（発熱反応）である。
したがって、二酸化炭素回収装置１００は、二酸化炭素を吸収した吸収材（炭酸水素カリウム）を再生する際に、保持部１１０に水素を供給して、上記式（３）の反応を遂行することで、式（Ａ）の吸熱反応に要するエネルギーを上記式（Ｂ）の発熱反応で生じるエネルギーで補うことができる。
これにより、二酸化炭素回収装置１００は、炭酸水素カリウムの再生に要するエネルギーを、上記式（３）の反応エンタルピーｄＨ＝−３４．０ｋＪ（発熱反応）に低減することが可能となる。
つまり、二酸化炭素回収装置１００は、従来のＤＡＣの反応エンタルピーｄＨ＝＋１３９．４ｋＪと比較して、低エネルギー（反応エンタルピーｄＨ＝−３４．０ｋＪ）で吸収材を再生することが可能となる。
また、メタン製造装置２００として機能する、二酸化炭素を吸収した吸収材（炭酸水素カリウム）を保持した保持部１１０、水素供給部１４０、および、第２排気部１５０は、上記式（３）の反応を遂行する。したがって、上記式（Ｂ）の従来のメタネーション反応のみを遂行する場合と比較して、メタン製造装置２００は、上記式（Ｂ）の発熱反応で生じるエネルギーを、上記式（Ａ）の吸熱反応に要するエネルギーで吸収させることができる。これにより、メタン製造装置２００は、メタンを生成する際に保持部１１０内において局所的に温度が上昇する事態を回避することが可能となる。したがって、メタン製造装置２００は、保持部１１０に収容された触媒が劣化したり、保持部１１０自体が破損したりする事態を回避することができる。
また、二酸化炭素回収装置１００は、空気中の二酸化炭素からメタンを生成（製造）することができる。したがって、二酸化炭素回収装置１００は、カーボンニュートラルのメタンを製造す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内において、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、上記実施形態において、保持部１１０がハニカム構造の本体を備える構成を例に挙げた。しかし、保持部１１０は、吸収材および触媒を保持し、ガスが通過可能であれば構成に限定はない。例えば、保持部１１０は、筒形状の本体と、本体の下部に設けられる網部と、網部の上方に収容される吸収材および触媒と、本体を保温する保温部とを含んでもよい。なお、この場合、網部には、複数の孔が形成される。そして、吸収材および触媒は、網部の孔より大きい粒子である。
また、上記実施形態において、被処理ガスとして空気を例に挙げて説明した。しかし、被処理ガスは、二酸化炭素および水を少なくとも含んでいればよい。被処理ガスは、例えば、燃焼排ガスであってもよい。
また、上記実施形態において、吸収材として炭酸カリウムを例に挙げた。しかし、吸収材は、二酸化炭素を吸収する（二酸化炭素と反応する）物質であって、二酸化炭素の脱離反応の温度範囲が、メタネーションの温度範囲と重複するものであれば、物質に限定はない。例えば、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、および、マグネシウム（Ｍｇ）のうちのいずれか１または複数を含む金属有機構造体（ＭＯＦ（Metal Organic Frameworks））であってもよい。金属有機構造体（多孔性配位高分子）は、金属カチオンとこれを架橋する多座配位子によって構成される物質である。
吸収材としてＭＯＦが採用される場合、二酸化炭素回収工程Ｓ１１０では、下記式（４）に示す反応が進行する。
ＭＯＦ ＋ ＣＯ２ → ＭＯＦ：ＣＯ２ …式（４）
なお、上記式（４）および下記式（５）において、ＭＯＦ：ＣＯ２は、二酸化炭素を吸蔵したＭＯＦを示す。
ＭＯＦ ＋ ＣＯ２ → ＭＯＦ：ＣＯ２ …式（４）
なお、上記式（４）および下記式（５）において、ＭＯＦ：ＣＯ２は、二酸化炭素を吸蔵したＭＯＦを示す。
そして、メタン製造工程Ｓ２１０では、下記式（５）に示す反応が進行する。式（５）に示す反応は、上記式（３）に示す反応と同様に発熱反応である。
ＭＯＦ：ＣＯ２ ＋ ４Ｈ２ → ＭＯＦ ＋ＣＨ４ ＋ ２Ｈ２Ｏ …式（５）
ＭＯＦ：ＣＯ２ ＋ ４Ｈ２ → ＭＯＦ ＋ＣＨ４ ＋ ２Ｈ２Ｏ …式（５）
一方、ＭＯＦ−ＣＯ２を加熱して二酸化炭素を脱離させる下記式（Ｃ）は、上記式（Ａ）に示す反応と同様に吸熱反応である。
ＭＯＦ：ＣＯ２ → ＭＯＦ ＋ ＣＯ２ …式（Ｃ）
ＭＯＦ：ＣＯ２ → ＭＯＦ ＋ ＣＯ２ …式（Ｃ）
したがって、二酸化炭素回収装置１００は、クロム、銅、および、マグネシウムのうちのいずれか１または複数を含むＭＯＦを吸収材として採用する場合であっても、二酸化炭素を吸収した吸収材（ＭＯＦ：ＣＯ２）を再生する際に、保持部１１０に水素を供給して、上記式（５）の反応を遂行することで、式（Ｃ）の吸熱反応に要するエネルギーを上記式（Ｂ）の発熱反応で生じるエネルギーで補うことができる。
また、メタン製造装置２００は、保持部１１０が、クロム、銅、および、マグネシウムのうちのいずれか１または複数を含み二酸化炭素を吸蔵したＭＯＦを保持する場合であっても、上記式（Ｂ）の発熱反応で生じるエネルギーを、上記式（Ｃ）の吸熱反応に要するエネルギーで吸収させることができる。
本発明は、メタン製造装置、メタン製造方法、二酸化炭素回収装置、および、二酸化炭素回収方法に利用することができる。
１００ 二酸化炭素回収装置
１１０ 保持部
１２０ 被処理ガス供給部
１４０ 水素供給部
２００ メタン製造装置
１１０ 保持部
１２０ 被処理ガス供給部
１４０ 水素供給部
２００ メタン製造装置
上記課題を解決するために、本発明に係るメタン製造装置は、本体、本体に担持された吸収材、および、本体に担持された触媒を有する保持部と、保持部に水素を供給する水素供給部と、を備え、吸収材は、クロム、銅、および、マグネシウムのうちのいずれか１または複数を含み二酸化炭素を吸蔵した金属有機構造体、ならびに、炭酸水素カリウムのいずれか一方または両方を含み、触媒は、メタネーション反応を促進する触媒である。
上記課題を解決するために、本発明に係るメタン製造方法は、本体、本体に担持された吸収材、および、本体に担持された触媒を有する保持部に水素を供給する工程を含み、吸収材は、クロム、銅、および、マグネシウムのうちのいずれか１または複数を含み二酸化炭素を吸蔵した金属有機構造体、ならびに、炭酸水素カリウムのいずれか一方または両方を含み、触媒は、メタネーション反応を促進する触媒である。
上記課題を解決するために、本発明に係る二酸化炭素回収装置は、本体、本体に担持された吸収材、および、本体に担持された触媒を有する保持部と、二酸化炭素および水を少なくとも含む被処理ガスを保持部に供給する被処理ガス供給部と、保持部に水素を供給する水素供給部と、を備え、吸収材は、クロム、銅、および、マグネシウムのうちのいずれか１または複数を含む金属有機構造体、炭酸カリウム、ならびに、水酸化カリウムの群から選択される１または複数を含み、触媒は、メタネーション反応を促進する触媒である。
上記課題を解決するために、本発明に係る二酸化炭素回収方法は、本体、本体に担持された吸収材、および、本体に担持された触媒を有する保持部に、二酸化炭素および水を少なくとも含む被処理ガスを供給する工程と、被処理ガスを供給する工程の後に、保持部に水素を供給する工程と、を含み、吸収材は、クロム、銅、および、マグネシウムのうちのいずれか１または複数を含む金属有機構造体、炭酸カリウム、ならびに、水酸化カリウムの群から選択される１または複数を含み、触媒は、メタネーション反応を促進する触媒である。
Claims (4)
- クロム、銅、および、マグネシウムのうちのいずれか１または複数を含み二酸化炭素を吸蔵した金属有機構造体、ならびに、炭酸水素カリウムのいずれか一方または両方を保持する保持部と、
前記保持部に水素を供給する水素供給部と、
を備えるメタン製造装置。 - クロム、銅、および、マグネシウムのうちのいずれか１または複数を含み二酸化炭素を吸蔵した金属有機構造体、ならびに、炭酸水素カリウムのいずれか一方または両方に水素を供給する工程を含むメタン製造方法。
- クロム、銅、および、マグネシウムのうちのいずれか１または複数を含む金属有機構造体、炭酸カリウム、ならびに、水酸化カリウムの群から選択される１または複数を保持する保持部と、
二酸化炭素および水を少なくとも含む被処理ガスを前記保持部に供給する被処理ガス供給部と、
前記保持部に水素を供給する水素供給部と、
を備える二酸化炭素回収装置。 - クロム、銅、および、マグネシウムのうちのいずれか１または複数を含む金属有機構造体、炭酸カリウム、ならびに、水酸化カリウムの群から選択される１または複数に、二酸化炭素および水を少なくとも含む被処理ガスを供給する工程と、
前記被処理ガスを供給することで生成される、二酸化炭素を吸蔵した金属有機構造体、および、炭酸水素カリウムのいずれか一方または両方に水素を供給する工程と、
を含む二酸化炭素回収方法。
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