JP2024080540A - Carbon dioxide reduction apparatus and carbon dioxide reduction method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二酸化炭素還元装置及び二酸化炭素還元方法に関するものである。 The present invention relates to a carbon dioxide reduction device and a carbon dioxide reduction method.
近年、地球温暖化などの環境問題に対して大きな影響を与えるとされる二酸化炭素について、環境への排出を抑制することが早急に対応すべき課題となっている。この課題に対し、二酸化炭素の排出量自体の削減や排出された二酸化炭素の回収・固定化に係る研究のほか、二酸化炭素を有用な化学物質に変換する研究が進められている。 In recent years, reducing carbon dioxide emissions into the environment, which is believed to have a major impact on environmental issues such as global warming, has become an issue that requires immediate attention. In response to this issue, research is being conducted on reducing carbon dioxide emissions themselves, capturing and fixing emitted carbon dioxide, and converting carbon dioxide into useful chemicals.
例えば、特許文献１には、金属－ポルフィリン錯体化合物を導電性材料に担持した二酸化炭素還元触媒を電極として用い、二酸化炭素を電気化学的に還元して一酸化炭素を生成する二酸化炭素還元装置及び二酸化炭素還元方法が記載されている。 For example, Patent Document 1 describes a carbon dioxide reduction device and method that uses a carbon dioxide reduction catalyst, in which a metal-porphyrin complex compound is supported on a conductive material, as an electrode to electrochemically reduce carbon dioxide to produce carbon monoxide.
特許文献１に記載されるように、触媒を用いた二酸化炭素の電気化学的還元反応では、二酸化炭素の還元反応と競合する形で水素の発生反応が進行するため、二酸化炭素を十分反応させることが困難であるという課題がある。 As described in Patent Document 1, in the electrochemical reduction reaction of carbon dioxide using a catalyst, the hydrogen generation reaction proceeds in competition with the carbon dioxide reduction reaction, making it difficult to sufficiently react carbon dioxide.
ここで、電気化学的な酸化還元反応を利用した技術の一つとして、微生物による酸化還元反応を利用した発電を行う微生物燃料電池が知られている。微生物燃料電池とは、微生物の代謝能力を利用して電気エネルギーを得るものである。より具体的には、微生物燃料電池とは、微生物によって有機物などの基質が酸化分解する過程で生じた電子をアノード側で回収し、カソード側に電子を移動させることで電流を得る構成を有するものである。一般的な微生物燃料電池としては、アノード側の電極表面に微生物を付着させるものが知られているが、カソード側の電極表面に微生物を付着させ、電気化学的な還元反応の触媒として微生物を利用することについての研究も行われている。 Here, as one technology that utilizes electrochemical redox reactions, microbial fuel cells are known that generate electricity using redox reactions caused by microorganisms. Microbial fuel cells generate electrical energy by utilizing the metabolic capabilities of microorganisms. More specifically, microbial fuel cells are configured to generate electric current by collecting electrons generated during the process of oxidative decomposition of substrates such as organic matter by microorganisms on the anode side and transferring the electrons to the cathode side. A typical microbial fuel cell is known to have microorganisms attached to the electrode surface on the anode side, but research is also being conducted on attaching microorganisms to the electrode surface on the cathode side and using microorganisms as catalysts for electrochemical reduction reactions.
しかし、微生物燃料電池による発電は、エネルギー変換効率が低く、実用化に際しては発電出力の向上が大きな課題となっている。これは、微生物を直接電極に接触あるいは担持させるため、電極への物質移動が微生物により阻害されることや、微生物の代謝速度が律速となることに起因しているものと推察される。 However, power generation by microbial fuel cells has low energy conversion efficiency, and improving the power output is a major challenge for practical use. This is thought to be because the microorganisms are in direct contact with or supported on the electrodes, inhibiting the transfer of substances to the electrodes and the metabolic rate of the microorganisms being rate-limiting.
また、近年、被処理物の各種処理を行う処理システムの設備駆動電力を抑え、省エネルギー化に優れるものとするために、処理システムに付随させる技術として、効率的なエネルギーの回収・利用が可能な技術が求められている。このような技術の一つとして、被処理物の処理システムに微生物燃料電池を適用し、被処理物の処理と発電を同時に行うことに係る技術が検討されているが、上記したように、十分な発電出力を得ることが困難であるという課題がある。 In addition, in recent years, there has been a demand for technology that can efficiently recover and utilize energy as a technology to be attached to a treatment system that performs various treatments of the material to be treated in order to reduce the equipment operating power of the treatment system and to make it energy-efficient. One such technology that has been considered is a technology that applies a microbial fuel cell to the treatment system of the material to be treated and simultaneously treats the material to be treated and generates electricity, but as mentioned above, there is an issue that it is difficult to obtain sufficient power output.
特に、嫌気的な環境下での生物処理（以下、「嫌気処理」と呼ぶ）は、曝気動力が不要で、余剰汚泥がほとんど発生しないことなど、導入のメリットが高いことから広く用いられているが、嫌気処理後の排出物を再度嫌気処理に供することや、嫌気処理後の排出物に対する別処理が必要となることがある。このとき、嫌気処理後に発生する排出物（生成物）を活用し、発電や脱硫処理を行うことで、被処理物の処理に係るランニングコストの低減や、処理全体に係る処理能力の向上が期待される。 In particular, biological treatment in an anaerobic environment (hereafter referred to as "anaerobic treatment") is widely used due to the many benefits of its introduction, such as the lack of need for aeration power and the fact that it produces almost no excess sludge. However, there are cases where the wastewater from anaerobic treatment needs to be subjected to anaerobic treatment again, or where separate treatment of the wastewater from anaerobic treatment is required. In such cases, it is expected that the running costs associated with treating the material to be treated can be reduced and the overall treatment capacity can be improved by using the wastewater (products) generated after anaerobic treatment to generate electricity or perform desulfurization treatment.
本発明者らは、嫌気処理を含む被処理物の処理工程上に電極を設け、電極反応により直接電気エネルギーを回収することについて検討を重ね、電極反応に供する電子供与体として嫌気処理で生成した還元性物質を用いることで、電極反応によるエネルギー回収と同時に、被処理物に対する電気化学処理を行うことができ、被処理物の処理効率向上と省エネルギー化の実現が可能となることを既に見出している。
したがって、二酸化炭素を電気化学的に還元させる触媒として微生物を利用することと併せ、嫌気処理で生成した生成物を利用した電極反応を行うことで、二酸化炭素還元の高効率化と併せて、エネルギーの回収・利用についても実現可能となることが期待される。
The inventors have conducted extensive research into installing electrodes on the treatment process of the material to be treated, including anaerobic treatment, and directly recovering electrical energy through electrode reactions, and have already discovered that by using a reducing substance produced by anaerobic treatment as an electron donor for the electrode reaction, it is possible to recover energy through the electrode reaction and simultaneously perform electrochemical treatment of the material to be treated, thereby making it possible to improve the treatment efficiency of the material to be treated and achieve energy savings.
Therefore, by using microorganisms as catalysts for the electrochemical reduction of carbon dioxide, and by performing an electrode reaction using the products produced by anaerobic treatment, it is expected that it will be possible to not only increase the efficiency of carbon dioxide reduction, but also to recover and utilize energy.
すなわち、本発明の課題は、二酸化炭素の効率的な還元とともに、被処理物の嫌気処理後の生成物を活用した効率的なエネルギーの回収・利用を可能とする二酸化炭素還元装置及び二酸化炭素還元方法を提供することである。 In other words, the objective of the present invention is to provide a carbon dioxide reduction device and a carbon dioxide reduction method that enable efficient reduction of carbon dioxide as well as efficient recovery and utilization of energy by utilizing the products produced after anaerobic treatment of the material to be treated.
本発明者は、上記の課題について鋭意検討した結果、アノード側では嫌気処理で生成した生成物に含まれる還元性物質を電子供与体とした電極反応を進行させる一方、カソード側では二酸化炭素還元反応の触媒として微生物を用いた電極反応を進行させることで、二酸化炭素の効率的な還元とともに、被処理物の嫌気処理後の生成物を活用した効率的なエネルギーの回収・利用が可能となることを見出して、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の二酸化炭素還元装置及び二酸化炭素還元方法である。
As a result of extensive research into the above-mentioned problems, the inventors discovered that by proceeding with an electrode reaction on the anode side in which a reducing substance contained in the product produced by anaerobic treatment serves as an electron donor, while proceeding with an electrode reaction on the cathode side in which a microorganism is used as a catalyst for a carbon dioxide reduction reaction, it is possible to efficiently reduce carbon dioxide and also to efficiently recover and utilize energy by utilizing the product produced after anaerobic treatment of the material to be treated, and thus completed the present invention.
That is, the present invention relates to the following carbon dioxide reduction device and carbon dioxide reduction method.
上記課題を解決するための本発明の二酸化炭素還元装置は、電極反応を行う反応部と、反応部のアノード側に、還元性物質を供給する還元性物質供給手段と、反応部のカソード側に、二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段と、を備え、カソード側は、嫌気性雰囲気下にあり、還元性物質供給手段は、嫌気処理で生成した生成物を供給するという特徴を有する。
本発明の二酸化炭素還元装置は、電極反応を行う反応部において、アノード側には嫌気処理で生成した生成物を供給することで、生成物に含まれる還元性物質を電子供与体とした電極反応が進行する一方、カソード側には嫌気性雰囲気下で二酸化炭素を供給することで、二酸化炭素還元反応の触媒として微生物を用いた電極反応が進行し、二酸化炭素の効率的な還元とともに、被処理物の嫌気処理後の生成物を活用した効率的なエネルギーの回収・利用が可能となる。
また、本発明の二酸化炭素還元装置は、カソード側では酸素の還元反応ではなく、二酸化炭素の還元反応が進行するため、酸素の還元反応による水酸化物イオン生成に基づくｐＨ上昇が進行しない。これにより、電極反応の低下、すなわちエネルギー回収効率の低下を抑制できるという効果を併せて奏するものとなる。
In order to solve the above problems, the carbon dioxide reduction device of the present invention comprises a reaction section which performs an electrode reaction, a reducing substance supplying means which supplies a reducing substance to the anode side of the reaction section, and a carbon dioxide supplying means which supplies carbon dioxide to the cathode side of the reaction section, and is characterized in that the cathode side is under an anaerobic atmosphere, and the reducing substance supplying means supplies a product produced by anaerobic treatment.
In the carbon dioxide reduction device of the present invention, in the reaction section where the electrode reaction takes place, the product produced by anaerobic treatment is supplied to the anode side, and an electrode reaction proceeds in which the reducing substance contained in the product acts as an electron donor. Meanwhile, by supplying carbon dioxide in an anaerobic atmosphere to the cathode side, an electrode reaction proceeds using microorganisms as a catalyst for the carbon dioxide reduction reaction, thereby enabling efficient reduction of carbon dioxide as well as efficient recovery and utilization of energy using the product after anaerobic treatment of the material to be treated.
Furthermore, in the carbon dioxide reduction device of the present invention, since the reduction reaction of carbon dioxide, not that of oxygen, proceeds on the cathode side, the pH does not increase due to the generation of hydroxide ions caused by the reduction reaction of oxygen, which also provides the effect of suppressing the decrease in the electrode reaction, i.e., the decrease in the energy recovery efficiency.
また、本発明の二酸化炭素還元装置の一実施態様としては、二酸化炭素供給手段は、アノード側での処理を経たアノード処理物を供給するという特徴を有する。
この特徴によれば、系内で発生した二酸化炭素を外部に放出することなく、有用な物質に変換（還元）することが可能となる。また、系外から別途二酸化炭素を供給する必要がないため、二酸化炭素還元装置のランニングコストを低減することも可能となる。
In one embodiment of the carbon dioxide reduction device of the present invention, the carbon dioxide supplying means supplies an anode treated product that has been treated on the anode side.
This feature makes it possible to convert (reduce) carbon dioxide generated within the system into useful substances without releasing it to the outside. In addition, since there is no need to separately supply carbon dioxide from outside the system, it is also possible to reduce the running costs of the carbon dioxide reduction device.
また、本発明の二酸化炭素還元装置の一実施態様としては、二酸化炭素供給手段は、二酸化炭素を溶解した水溶液を供給するという特徴を有する。
気体状態の二酸化炭素を直接カソード側に供給すると、気流によりカソード表面に付着した微生物が剥離するおそれがある。一方、この特徴によれば、カソード表面に付着した微生物が剥離することを抑制し、かつ微生物による二酸化炭素の還元に必要な成分との接触効率を高め、二酸化炭素還元に係る電極反応をより効率的に進行させることが可能となる。
In one embodiment of the carbon dioxide reduction device of the present invention, the carbon dioxide supply means supplies an aqueous solution having carbon dioxide dissolved therein.
When gaseous carbon dioxide is directly supplied to the cathode side, there is a risk that the microorganisms attached to the cathode surface may be detached by the airflow. On the other hand, this feature makes it possible to suppress the detachment of the microorganisms attached to the cathode surface, increase the contact efficiency with the components necessary for the reduction of carbon dioxide by the microorganisms, and make it possible to more efficiently proceed with the electrode reaction related to the reduction of carbon dioxide.
また、上記課題を解決するための本発明の二酸化炭素還元方法としては、電極反応を行う反応工程と、反応工程におけるアノード側に、還元性物質を供給する還元性物質供給工程と、反応工程におけるカソード側に、二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給工程と、を備え、カソード側は、嫌気性雰囲気下にあり、還元性物質供給工程は、嫌気処理で生成した生成物を供給するという特徴を有する。
本発明の二酸化炭素還元方法は、電極反応を行う反応工程において、アノード側には嫌気処理で生成した生成物を供給することで、生成物に含まれる還元性物質を電子供与体とした電極反応が進行する一方、カソード側には嫌気性雰囲気下で二酸化炭素を供給することで、二酸化炭素還元反応の触媒として微生物を用いた電極反応が進行し、二酸化炭素の効率的な還元とともに、被処理物の嫌気処理後の生成物を活用した効率的なエネルギーの回収・利用が可能となる。
また、本発明の二酸化炭素還元方法は、カソード側では酸素の還元反応ではなく、二酸化炭素の還元反応が進行するため、酸素の還元反応による水酸化物イオン生成に基づくｐＨ上昇が進行しない。これにより、電極反応の低下、すなわちエネルギー回収効率の低下を抑制できるという効果を併せて奏するものとなる。
In addition, the carbon dioxide reduction method of the present invention for solving the above problems comprises a reaction step in which an electrode reaction is performed, a reducing substance supply step in which a reducing substance is supplied to the anode side in the reaction step, and a carbon dioxide supply step in which carbon dioxide is supplied to the cathode side in the reaction step, wherein the cathode side is under an anaerobic atmosphere, and the reducing substance supply step supplies a product produced by anaerobic treatment.
In the carbon dioxide reduction method of the present invention, in the reaction step in which an electrode reaction is carried out, the product produced by anaerobic treatment is supplied to the anode side, and an electrode reaction proceeds in which the reducing substance contained in the product serves as an electron donor, while carbon dioxide is supplied to the cathode side in an anaerobic atmosphere, and an electrode reaction proceeds using microorganisms as catalysts for the carbon dioxide reduction reaction, thereby enabling efficient reduction of carbon dioxide and efficient recovery and utilization of energy by utilizing the product after anaerobic treatment of the material to be treated.
Furthermore, in the carbon dioxide reduction method of the present invention, since the reduction reaction of carbon dioxide, not that of oxygen, proceeds on the cathode side, the pH does not increase due to the generation of hydroxide ions caused by the reduction reaction of oxygen, which also has the effect of suppressing the decrease in the electrode reaction, i.e., the decrease in the energy recovery efficiency.
本発明によれば、二酸化炭素の効率的な還元とともに、被処理物の嫌気処理後の生成物を活用した効率的なエネルギーの回収・利用を可能とする二酸化炭素還元装置及び二酸化炭素還元方法を提供することができる。 The present invention provides a carbon dioxide reduction device and method that enable efficient reduction of carbon dioxide and efficient recovery and utilization of energy by utilizing the products produced after anaerobic treatment of the material to be treated.
以下、図面を参照しつつ本発明に係る二酸化炭素還元装置及び二酸化炭素還元方法の実施態様を詳細に説明する。本発明における二酸化炭素還元方法は、本発明における二酸化炭素還元装置の作動の説明に置き換えるものとする。
なお、実施態様に記載する二酸化炭素還元装置及び二酸化炭素還元方法については、本発明に係る二酸化炭素還元装置及び二酸化炭素還元方法を説明するために例示したにすぎず、これに限定されるものではない。
Hereinafter, embodiments of the carbon dioxide reduction device and carbon dioxide reduction method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The carbon dioxide reduction method in the present invention is replaced with the description of the operation of the carbon dioxide reduction device in the present invention.
The carbon dioxide reduction device and carbon dioxide reduction method described in the embodiments are merely examples for the purpose of explaining the carbon dioxide reduction device and carbon dioxide reduction method according to the present invention, and are not limited thereto.
本発明において、反応部のアノード側に供給される還元性物質とは、嫌気処理で生成した生成物であって、電子供与体として機能するものであればよく、特に限定されない。また、本発明において、嫌気処理で生成した生成物（還元性物質）は、気体状態であってもよく、液体状態であってもよい。なお、液体状態の還元性物質とは、溶液に溶解または分散した状態のものも含まれる。
本発明における嫌気処理で生成した生成物の一例としては、嫌気処理を行った後の処理水（以下、「嫌気処理水」と呼ぶ）のほか、嫌気処理によって発生したバイオガスなどが挙げられる。
In the present invention, the reducing substance supplied to the anode side of the reaction section is not particularly limited as long as it is a product produced by anaerobic treatment and functions as an electron donor. In addition, in the present invention, the product (reducing substance) produced by anaerobic treatment may be in a gaseous state or a liquid state. Note that the reducing substance in a liquid state also includes a state in which it is dissolved or dispersed in a solution.
Examples of products produced by anaerobic treatment in the present invention include treated water after anaerobic treatment (hereinafter referred to as "anaerobic treated water"), as well as biogas generated by anaerobic treatment.
ここで、ある物質が電子供与体として機能するか否かは、一般には電子受容体として機能する物質（以下、単に「電子受容体」と呼ぶ）との組み合わせによって相対的に決まるものである。つまり、本発明における還元性物質は、電子受容体よりも電子を放出しやすい（酸化還元電位が低い）、あるいはカソード側における電極反応によって電子の放出（酸化反応）が容易に進行するものとすることが挙げられる。なお、本発明においては、後述するように、カソード側で微生物を介した二酸化炭素の還元反応が進行するため、本発明における還元性物質は、微生物を介した二酸化炭素の電気化学的な還元反応により、電子を放出する酸化反応が進行するものであればよく、このような還元性物質の具体例としては、硫化水素、水素、アンモニアなどが挙げられる。 Here, whether or not a substance functions as an electron donor is generally determined relatively by its combination with a substance that functions as an electron acceptor (hereinafter simply referred to as an "electron acceptor"). In other words, the reducing substance in the present invention is one that is more likely to release electrons than the electron acceptor (has a low redox potential), or one that easily releases electrons (oxidation reaction) due to an electrode reaction on the cathode side. In the present invention, as described below, a reduction reaction of carbon dioxide mediated by microorganisms proceeds on the cathode side, so the reducing substance in the present invention may be one that proceeds with an oxidation reaction that releases electrons due to an electrochemical reduction reaction of carbon dioxide mediated by microorganisms. Specific examples of such reducing substances include hydrogen sulfide, hydrogen, and ammonia.
また、本発明において、嫌気処理を行う処理対象物については、嫌気処理が可能であり、嫌気処理で生成した生成物に還元性物質が含まれるものであれば特に限定されず、固体あるいは液体のいずれであってもよい。具体的な処理対象物の例としては、例えば、食品工場、化学工場、紙パルプ工場等の各種工場から排出される工業排水や、下水などの生活排水などのような排水（廃水）が挙げられる。また、処理対象物の他の例としては、例えば、家庭や各種工場から排出する生ごみや食品廃棄物、木などバイオマスのほか、各種工場から排出される工業排水や下水などの生活排水を処理した後の余剰汚泥などのような固体廃棄物が挙げられる。なお、処理対象物が固体である場合、嫌気処理水とは、固体分を除去した濾液を指すものである。
なお、以下の実施態様においては、嫌気処理を行う処理対象物として、処理を経ることでバイオガスが発生し、かつ嫌気処理水中に還元性物質が生成するものについて主に説明するが、これに限定されるものではない。
In the present invention, the object to be treated by anaerobic treatment is not particularly limited as long as it can be treated anaerobically and the product produced by the anaerobic treatment contains a reducing substance, and may be either a solid or a liquid. Specific examples of the object to be treated include wastewater (wastewater) such as industrial wastewater discharged from various factories such as food factories, chemical factories, and paper and pulp factories, and domestic wastewater such as sewage. Other examples of the object to be treated include solid waste such as excess sludge after treating industrial wastewater discharged from various factories and domestic wastewater such as sewage. When the object to be treated is a solid, the anaerobically treated water refers to the filtrate from which the solids have been removed.
In the following embodiment, the treatment target for anaerobic treatment will be mainly described as a material that generates biogas and produces reducing substances in the anaerobically treated water through the treatment, but is not limited to this.
〔第１の実施態様〕
［二酸化炭素還元装置］
図１は、本発明の第１の実施態様における二酸化炭素還元装置の構造を示す概略説明図である。
本実施態様における二酸化炭素還元装置１Ａは、図１に示すように、電極反応を行う反応部３と、反応部３のアノード側に接続して設けられる還元性物質供給手段４と、反応部３のカソード側に接続して設けられる二酸化炭素供給手段５とを備えるものである。また、本実施態様における二酸化炭素還元装置１Ａには、還元性物質供給手段４で供給する嫌気処理で生成した生成物として、嫌気処理水及び／又はバイオガスを生成する嫌気処理部２が接続されている。
[First embodiment]
[Carbon dioxide reduction device]
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram showing the structure of a carbon dioxide reduction device in a first embodiment of the present invention.
1, the carbon dioxide reduction device 1A in this embodiment includes a reaction section 3 that performs an electrode reaction, a reducing substance supply means 4 that is connected to the anode side of the reaction section 3, and a carbon dioxide supply means 5 that is connected to the cathode side of the reaction section 3. Also, an anaerobic treatment section 2 that produces anaerobically treated water and/or biogas as products produced by anaerobic treatment and supplied by the reducing substance supply means 4 is connected to the carbon dioxide reduction device 1A in this embodiment.
本実施態様における二酸化炭素還元装置１Ａは、電極反応を行う反応部３において、アノード側には嫌気処理で生成した生成物を供給することで、生成物に含まれる還元性物質を電子供与体とした電極反応が進行する一方、カソード側には嫌気性雰囲気下で二酸化炭素を供給することで、二酸化炭素還元反応の触媒として微生物を用いた電極反応が進行する。これにより、二酸化炭素の効率的な還元と併せて、嫌気処理によって生成する生成物を活用した効率的なエネルギーの回収・利用が可能となるものである。
以下、各構成について説明する。
In the carbon dioxide reduction device 1A of this embodiment, in the reaction section 3 where the electrode reaction takes place, a product produced by anaerobic treatment is supplied to the anode side, whereby an electrode reaction proceeds with a reducing substance contained in the product as an electron donor, while carbon dioxide is supplied to the cathode side in an anaerobic atmosphere, whereby an electrode reaction proceeds using microorganisms as catalysts for the carbon dioxide reduction reaction. This enables efficient reduction of carbon dioxide as well as efficient recovery and utilization of energy utilizing the product produced by anaerobic treatment.
Each component will be described below.
（嫌気処理部）
嫌気処理部２は、被処理物Ｓに対して嫌気処理を行うためのものである。また、嫌気処理部２は、本実施態様における二酸化炭素還元装置１Ａと接続され、後述する還元性物質供給手段４により反応部３に供給される還元性物質となる嫌気処理で生成する生成物を得るためのものである。
(Anaerobic treatment unit)
The anaerobic treatment section 2 is for performing anaerobic treatment on the material to be treated S. The anaerobic treatment section 2 is connected to the carbon dioxide reduction device 1A in this embodiment, and is for obtaining a product produced by the anaerobic treatment, which becomes a reducing substance supplied to the reaction section 3 by a reducing substance supply means 4 described later.
嫌気処理部２で行う処理は、被処理物Ｓ中に含まれる処理対象に合った処理であり、処理後の嫌気処理水Ｗ１及び／又はバイオガスＧ１中に還元性物質を含むものであれば、特に制限されない。例えば、酸生成菌及びメタン生成菌によるメタン発酵や、脱窒菌により硝酸・亜硝酸の還元を行う脱窒処理や、硫酸還元菌により硫酸の還元を行う硫酸還元処理等が挙げられるが、処理コストや生成ガスの有用性の観点から、メタンを生成するメタン発酵が特に好ましい。 The treatment carried out in the anaerobic treatment unit 2 is not particularly limited as long as it is suitable for the treatment target contained in the material to be treated S and contains reducing substances in the anaerobically treated water W1 and/or biogas G1 after treatment. For example, methane fermentation using acid-producing bacteria and methanogenic bacteria, denitrification treatment in which nitrate and nitrite are reduced by denitrifying bacteria, and sulfate reduction treatment in which sulfate is reduced by sulfate-reducing bacteria are included, but methane fermentation that produces methane is particularly preferred from the standpoint of treatment costs and the usefulness of the generated gas.
嫌気処理部２は、メタン発酵処理において公知の構造を用いることができ、例えば、酸生成槽とメタン発酵槽の組み合わせとして公知の構造を有するものや、消化槽として公知の構造を有するものが好ましく、具体的な構造については特に限定されない。 The anaerobic treatment section 2 may have a structure known in the art for methane fermentation treatment, and is preferably, for example, a structure known as a combination of an acid production tank and a methane fermentation tank, or a structure known as a digestion tank, but there are no particular limitations on the specific structure.
嫌気処理部２においてメタン発酵を行う場合、主にメタンガスからなり、硫化水素を含有するバイオガスＧ１が発生するほか、被処理物Ｓを処理した後の排出物（嫌気処理水Ｗ１）中には、メタンのほか、硫化水素、水素、アンモニア等の生成物が存在する。なお、これら生成物は、本発明における還元性物質に相当するものである。 When methane fermentation is carried out in the anaerobic treatment section 2, biogas G1 is generated, which is mainly composed of methane gas and contains hydrogen sulfide. In addition, in the discharge (anaerobic treatment water W1) after treatment of the material to be treated S, products such as hydrogen sulfide, hydrogen, and ammonia are present in addition to methane. These products correspond to the reducing substances in this invention.
嫌気処理部２で生成した嫌気処理水Ｗ１及び／又はバイオガスＧ１は、二酸化炭素還元装置１Ａの反応部３（アノード側）に導入される。 The anaerobically treated water W1 and/or biogas G1 produced in the anaerobic treatment section 2 is introduced into the reaction section 3 (anode side) of the carbon dioxide reduction device 1A.
（反応部）
反応部３は、電気化学的な酸化還元反応を行うためのものであり、アノード側では還元性物質を電子供与体とした電極反応を進行させ、カソード側では微生物を用いた二酸化炭素還元に係る電極反応を進行させるためのものである。また、反応部３では、この電極反応によって二酸化炭素の還元と併せて、発電や脱硫処理を行うことができる。
(Reaction Section)
The reaction section 3 is for carrying out an electrochemical oxidation-reduction reaction, and for proceeding with an electrode reaction using a reducing substance as an electron donor on the anode side, and for proceeding with an electrode reaction related to carbon dioxide reduction using microorganisms on the cathode side. In addition to carbon dioxide reduction through this electrode reaction, the reaction section 3 can also generate electricity and perform desulfurization treatment.
本実施態様の反応部３は、アノード側とカソード側で独立した電極反応を行うことができる構造を有するものであればよく、例えば、図１に示すように、イオン交換体３５で仕切られた第１のセル３１ａ及び第２のセル３１ｂと、それぞれのセル（セル３１ａ及び３１ｂ）に配置された一対の電極（電極３３ａ及び３３ｂ）を備えているものが挙げられる。 The reaction section 3 in this embodiment may have a structure capable of performing independent electrode reactions on the anode side and the cathode side, and may, for example, as shown in FIG. 1, have a first cell 31a and a second cell 31b separated by an ion exchanger 35, and a pair of electrodes (electrodes 33a and 33b) arranged in each cell (cells 31a and 31b).
（還元性物質供給手段）
還元性物質供給手段４は、反応部３のアノード側に対して、還元性物質を供給するためのものである。
還元性物質供給手段４としては、嫌気処理で生成した生成物を反応部３のアノード側に供給することができるものであればよく、詳細な構造については特に限定されない。
本実施態様における還元性物質供給手段４の具体例としては、例えば、図１に示すように、嫌気処理部２と反応部３のアノード側とを接続する配管４１（配管４１ａ及び４１ｂ）からなるものが挙げられる。これにより、配管４１を介して、嫌気処理部２で生成した嫌気処理水Ｗ１及び／又はバイオガスＧ１が反応部３のアノード側に供給することが可能となる。
なお、図１においては、配管４１ａを介して嫌気処理水Ｗ１が反応部３のアノード側に供給され、配管４１ｂを介してバイオガスＧ１が反応部３のアノード側に供給されるものを示している。
また、嫌気処理水Ｗ１を供給する配管４１ａと反応部３の接続箇所は特に限定されないが、バイオガスＧ１を供給する配管４１ｂは、反応部３の下方と接続し、バイオガスＧ１を反応部３の下方から上方に向かって供給させることが好ましい。これにより、バイオガスＧ１の成分を反応部３内で拡散させることが容易となり、アノード側における電極反応効率を向上させることが容易となる。
(Reducing substance supply means)
The reducing substance supplying means 4 is for supplying a reducing substance to the anode side of the reaction section 3 .
The reducing substance supply means 4 may be any means capable of supplying the product produced by the anaerobic treatment to the anode side of the reaction section 3, and there are no particular limitations on the detailed structure.
1, a specific example of the reducing substance supply means 4 in this embodiment is one consisting of a pipe 41 (pipes 41a and 41b) connecting the anaerobic treatment section 2 and the anode side of the reaction section 3. This makes it possible to supply the anaerobically treated water W1 and/or biogas G1 produced in the anaerobic treatment section 2 to the anode side of the reaction section 3 via the pipe 41.
In FIG. 1, anaerobically treated water W1 is supplied to the anode side of the reaction section 3 via a pipe 41a, and biogas G1 is supplied to the anode side of the reaction section 3 via a pipe 41b.
In addition, the location of connection between the pipe 41a for supplying the anaerobically treated water W1 and the reaction unit 3 is not particularly limited, but it is preferable that the pipe 41b for supplying the biogas G1 be connected to the lower part of the reaction unit 3 so that the biogas G1 is supplied from the lower part to the upper part of the reaction unit 3. This makes it easy to diffuse the components of the biogas G1 within the reaction unit 3, and makes it easy to improve the electrode reaction efficiency on the anode side.
このとき、還元性物質供給手段４としては、嫌気処理部２で生成した嫌気処理水Ｗ１及び／又はバイオガスＧ１が流通可能なものであればよい。例えば、還元性物質供給手段４としては、図１に示すように、嫌気処理水Ｗ１とバイオガスＧ１とをそれぞれ独立して流通させるために複数の配管４１ａ及び４１ｂを備えるものに限定されるものではない。例えば、還元性物質供給手段４として、１つの配管を備え、嫌気処理水Ｗ１あるいはバイオガスＧ１を選択して流通させるものであってもよく、嫌気処理水Ｗ１とバイオガスＧ１の混合物を流通させるものであってもよい。
さらに、還元性物質供給手段４としては、アノード側に供給する還元性物質の供給量を制御するための制御機構として、バルブなどの流量調整機構を配管４１上に設けるものとしてもよい。これにより、反応部３内で進行する電極反応における反応効率を制御することが可能となる。
In this case, the reducing substance supplying means 4 may be any means capable of distributing the anaerobically treated water W1 and/or the biogas G1 produced in the anaerobic treatment unit 2. For example, the reducing substance supplying means 4 is not limited to the means having a plurality of pipes 41a and 41b for distributing the anaerobically treated water W1 and the biogas G1 independently, as shown in Fig. 1. For example, the reducing substance supplying means 4 may be provided with a single pipe and selectively distribute either the anaerobically treated water W1 or the biogas G1, or may be a means for distributing a mixture of the anaerobically treated water W1 and the biogas G1.
Furthermore, the reducing substance supply means 4 may be a control mechanism for controlling the amount of reducing substance supplied to the anode side, and a flow rate adjustment mechanism such as a valve may be provided on the pipe 41. This makes it possible to control the reaction efficiency of the electrode reaction proceeding in the reaction section 3.
（二酸化炭素供給手段）
二酸化炭素供給手段５は、反応部３のカソード側に対して、二酸化炭素を供給するためのものである。
二酸化炭素供給手段５としては、二酸化炭素を反応部３のカソード側に供給することができるものであればよく、詳細な構造については特に限定されない。
本実施態様における二酸化炭素供給手段５の具体例としては、例えば、図１に示すように、二酸化炭素供給源５１と、反応部３のアノード側と二酸化炭素供給源５１とを接続する配管５２を備えるものが挙げられる。
ここで、二酸化炭素供給源５１としては、特に限定されない。二酸化炭素供給源５１の具体例としては、例えば、生活・産業活動に伴い、各種施設（発電施設・工場・一般家庭等）や運輸手段から排出される二酸化炭素を含むガスのほか、大気や火山ガス等、天然に存在する二酸化炭素を含むガスなどが挙げられる。
さらに、二酸化炭素供給手段５としては、カソード側に供給する二酸化炭素の供給量を制御するための制御機構として、バルブなどの流量調整機構を配管５２上に設けるものとしてもよい。これにより、反応部３内で進行する電極反応における反応効率を制御することが可能となる。
(Carbon Dioxide Supply Means)
The carbon dioxide supplying means 5 is for supplying carbon dioxide to the cathode side of the reaction section 3 .
The carbon dioxide supplying means 5 may be any means capable of supplying carbon dioxide to the cathode side of the reaction section 3, and there are no particular limitations on the detailed structure.
A specific example of the carbon dioxide supplying means 5 in this embodiment is, for example, one equipped with a carbon dioxide supply source 51 and a pipe 52 connecting the anode side of the reaction section 3 and the carbon dioxide supply source 51, as shown in FIG.
Here, there is no particular limitation on the carbon dioxide supply source 51. Specific examples of the carbon dioxide supply source 51 include gases containing carbon dioxide emitted from various facilities (power generation facilities, factories, general households, etc.) and transportation means in association with daily life and industrial activities, as well as gases containing carbon dioxide that exist naturally, such as the atmosphere and volcanic gases.
Furthermore, the carbon dioxide supplying means 5 may be a control mechanism for controlling the amount of carbon dioxide supplied to the cathode side, and a flow rate adjusting mechanism such as a valve may be provided on the piping 52. This makes it possible to control the reaction efficiency of the electrode reaction proceeding in the reaction section 3.
以下、本実施態様の反応部３に係る構造の一例について、二酸化炭素の還元と発電に係る観点から詳細に説明する。なお、本実施態様の反応部３における脱硫処理の詳細については後述する。 Below, an example of the structure of the reaction section 3 of this embodiment will be described in detail from the perspective of carbon dioxide reduction and power generation. Details of the desulfurization process in the reaction section 3 of this embodiment will be described later.
本実施態様の反応部３は、図１に示すように、第１のセル３１ａ及び第２のセル３１ｂと、セル３１ａ、３１ｂの間を仕切るように設けられたイオン交換体３５と、セル３１ａ、３１ｂにそれぞれ配置された電極３３ａ、３３ｂとを備えている。ここで、第１のセル３１ａは、還元性物質供給手段４を介して嫌気処理部２から供給された嫌気処理水Ｗ１及びバイオガスＧ１が電極３３ａに接触するように形成されており、第１のセル３１ａに配置された電極３３ａはアノードとして機能する。一方、第２のセル３１ｂは、嫌気性雰囲気下にあるとともに、二酸化炭素供給手段５を介して供給された二酸化炭素が電極３３ｂに接触するように形成されており、第２のセル３１ｂに配置された電極３３ｂ表面には微生物が付着するとともに、電極３３ｂがカソードとして機能する。また、電極３３ａ、３３ｂは導線により外部回路と接続されている。 As shown in FIG. 1, the reaction section 3 of this embodiment includes a first cell 31a and a second cell 31b, an ion exchanger 35 provided to separate the cells 31a and 31b, and electrodes 33a and 33b arranged in the cells 31a and 31b, respectively. Here, the first cell 31a is formed so that the anaerobically treated water W1 and the biogas G1 supplied from the anaerobic treatment section 2 via the reducing substance supply means 4 come into contact with the electrode 33a, and the electrode 33a arranged in the first cell 31a functions as an anode. On the other hand, the second cell 31b is in an anaerobic atmosphere and is formed so that the carbon dioxide supplied via the carbon dioxide supply means 5 comes into contact with the electrode 33b, and microorganisms are attached to the surface of the electrode 33b arranged in the second cell 31b, and the electrode 33b functions as a cathode. In addition, the electrodes 33a and 33b are connected to an external circuit by a conductor.
第１のセル３１ａは、電極３３ａを備え、還元性物質供給手段４から供給された還元性物質（嫌気処理水Ｗ１及び／又はバイオガスＧ１）が電極３３ａに接触するように形成されているものであればよく、特に素材や形状は問わない。例えば、図１に示すように、還元性物質供給手段４の配管４１（配管４１ａ及び４１ｂ）を介して還元性物質導入口３２ａ及び３２ｂから導入された嫌気処理水Ｗ１及びバイオガスＧ１を一時的に貯留可能なスペースを有し、電極３３ａに接触した後の処理物である処理水Ｗ２及び処理ガスＧ２を、系外に排出するための処理物排出口３２ｃ及び３２ｄと、排出配管Ｌ１及びＬ２を備えること等が挙げられる。これにより、嫌気処理水Ｗ１及びバイオガスＧ１中の還元性物質は電子供与体として電極３３ａに電子を供与した後、排出配管Ｌ１及びＬ２を介して速やかに排出される。
なお、還元性物質供給手段４における配管４１と併せて、排出配管Ｌ１にもバルブ等の流量調整機構を設けるものとしてもよい。これにより、電極３３ａに接触させる嫌気処理水Ｗ１の量及び流速を調整し、電極３３ａに対する物質移動速度を制御することが可能となる。
The first cell 31a may be any material or shape as long as it is provided with an electrode 33a and is formed so that the reducing substances (anaerobically treated water W1 and/or biogas G1) supplied from the reducing substance supply means 4 come into contact with the electrode 33a. For example, as shown in FIG. 1, the first cell 31a may have a space capable of temporarily storing the anaerobically treated water W1 and the biogas G1 introduced from the reducing substance inlets 32a and 32b via the pipe 41 (pipes 41a and 41b) of the reducing substance supply means 4, and may be provided with treated product outlets 32c and 32d and discharge pipes L1 and L2 for discharging the treated water W2 and the treated gas G2, which are treated products after contacting the electrode 33a, out of the system. As a result, the reducing substances in the anaerobically treated water W1 and the biogas G1 donate electrons to the electrode 33a as electron donors, and are then promptly discharged via the discharge pipes L1 and L2.
In addition, a flow rate adjustment mechanism such as a valve may be provided in the discharge pipe L1 in addition to the pipe 41 in the reducing substance supply means 4. This makes it possible to adjust the amount and flow rate of the anaerobically treated water W1 brought into contact with the electrode 33a and control the mass transfer rate to the electrode 33a.
ここで、処理水Ｗ２及び処理ガスＧ２は、アノード側での電極反応後に残存した成分を指すものであり、電極反応により生成した生成物のほか、嫌気処理水Ｗ１及びバイオガスＧ１に元々含有されている成分のうち、未反応のまま残存した成分を含むものである。なお、処理水Ｗ２及び処理ガスＧ２を総称して「アノード処理物」とも呼ぶ。 Here, the treated water W2 and treated gas G2 refer to the components remaining after the electrode reaction on the anode side, and include not only the products produced by the electrode reaction, but also unreacted components that were originally contained in the anaerobic treated water W1 and biogas G1. The treated water W2 and treated gas G2 are collectively referred to as the "anode treated product."
排出配管Ｌ１を介して排出された処理水Ｗ２は、河川などへの放流が可能な水質を満たすものであれば、そのまま放流することが可能である。また、排出配管Ｌ１の後段に、処理水Ｗ２を更に処理するための処理設備を設け、処理水Ｗ２を処理した後、系外へ排出するものとしてもよい。このような処理設備としては、処理水Ｗ２が系外あるいは河川への放流が可能な水質となるように処理できるものであれば特に限定されない。例えば、曝気槽やｐＨ調整槽などが挙げられる。 The treated water W2 discharged through the discharge pipe L1 can be discharged as is if it meets the water quality requirements for discharge into a river or the like. In addition, a treatment facility for further treating the treated water W2 may be provided downstream of the discharge pipe L1, and the treated water W2 may be discharged outside the system after being treated. Such treatment facilities are not particularly limited as long as they can treat the treated water W2 to a water quality suitable for discharge outside the system or into a river. Examples include an aeration tank and a pH adjustment tank.
排出配管Ｌ２を介して排出された処理ガスＧ２は、空気中への放出が可能な性質を満たすものであれば、そのまま放出することが可能である。ただし、嫌気処理部２から供給されるバイオガスＧ１は、水に溶解あるいは電極反応における還元性物質として機能する成分以外にも、水に不溶（溶けにくい）、かつ電極反応しない性質を有する有用な成分（例えば、メタンガス、二酸化炭素など）を含んでいる。このため、排出配管Ｌ２と接続したガス回収設備を設け、処理ガスＧ２の回収・利用を可能とすることが好ましい。 The treated gas G2 discharged through the discharge pipe L2 can be discharged as is if it satisfies the properties that allow it to be discharged into the air. However, the biogas G1 supplied from the anaerobic treatment unit 2 contains useful components that are insoluble (hardly soluble) in water and do not undergo electrode reactions, in addition to components that dissolve in water or function as reducing substances in electrode reactions (e.g., methane gas, carbon dioxide, etc.). For this reason, it is preferable to provide a gas recovery facility connected to the discharge pipe L2 to enable the recovery and utilization of the treated gas G2.
第２のセル３１ｂは、電極３３ｂを備え、嫌気性雰囲気下を維持することが可能であり、二酸化炭素供給手段５から供給された二酸化炭素が電極３３ｂに接触するように形成されているものであればよく、特に素材や形状は問わない。 The second cell 31b is equipped with an electrode 33b, is capable of maintaining an anaerobic atmosphere, and is configured so that the carbon dioxide supplied from the carbon dioxide supply means 5 comes into contact with the electrode 33b. There are no particular restrictions on the material or shape of the second cell 31b.
ここで、第２のセル３１ｂ内は、二酸化炭素以外に、嫌気性雰囲気下を維持することができる気体で満たすものとしてもよいが、酸素を脱気した電子受容体の溶液（電解質溶液）によって満たすものとすることが好ましい。なお、本実施態様において使用する電子受容体の溶液の具体的な例としては、例えば、フェリシアン化カリウム水溶液のような酸化剤の水溶液等が挙げられる。
第２のセル３１ｂ内を満たすものとして、電子受容体の溶液（電解質溶液）を用いた場合、電子受容体として効果の高い化合物（酸化剤）の取り扱いが容易となるため、電極反応効率をより向上させることができるという利点がある。
また、第２のセル３１ｂ内には、嫌気性微生物の生育に必要な栄養源（金属塩など）を添加するものとしてもよい。なお、嫌気性微生物生育の栄養源としての薬品が電子受容体としての機能を兼ねるものであってもよい。
Here, the second cell 31b may be filled with a gas capable of maintaining an anaerobic atmosphere other than carbon dioxide, but it is preferable to fill it with an electron acceptor solution (electrolyte solution) from which oxygen has been degassed. Specific examples of the electron acceptor solution used in this embodiment include an aqueous solution of an oxidizing agent such as an aqueous solution of potassium ferricyanide.
When a solution of an electron acceptor (electrolyte solution) is used to fill the second cell 31b, there is an advantage in that the electrode reaction efficiency can be further improved because it becomes easier to handle a compound (oxidant) that is highly effective as an electron acceptor.
In addition, a nutrient source (such as a metal salt) necessary for the growth of anaerobic microorganisms may be added to the second cell 31b. The chemical as the nutrient source for the growth of anaerobic microorganisms may also function as an electron acceptor.
第２のセル３１ｂとしては、例えば、図１に示すように、酸素を脱気した電子受容体の溶液を貯留可能、かつ嫌気性雰囲気下を維持するために酸素（空気）の出入りができないように構築（設計）されたスペースを設け、二酸化炭素供給手段５の配管５２を介して二酸化炭素の供給を行う二酸化炭素導入口３４ａと、電極３３ｂに接触した後の処理物Ｍを、系外に排出するための処理物排出口３４ｂ及び排出配管Ｌ３を備えること等が挙げられる。これにより、電極３３ｂの表面には嫌気性雰囲気下で活動可能な微生物が付着することになる。また、この微生物は、電極３３ｂを介して電極３３ａからの電子を受け取るとともに、二酸化炭素の還元に係る触媒として機能する。この結果、二酸化炭素の電気化学的な還元反応が進行することと併せて、電極３３ａと電極３３ｂの間に電流が流れて発電が行われる。また、反応後の処理物Ｍは、処理物排出口３４ｂを介して速やかに反応部３の外部に排出される。なお、処理物Ｍは、後述する二酸化炭素還元反応により生成する有用な物質（メタンやギ酸など）が含まれるものであり、気体及び液体状態のいずれであってもよい。また、処理物Ｍは、回収して分離・精製等の処理を行うことが好ましい。 As the second cell 31b, for example, as shown in FIG. 1, a space is provided that can store a solution of an electron acceptor from which oxygen has been degassed, and that is constructed (designed) so that oxygen (air) cannot enter or leave in order to maintain an anaerobic atmosphere, and a carbon dioxide inlet 34a is provided to supply carbon dioxide through the pipe 52 of the carbon dioxide supply means 5, and a treated product outlet 34b and an exhaust pipe L3 are provided to discharge the treated product M after contacting the electrode 33b to the outside of the system. As a result, microorganisms capable of activity in an anaerobic atmosphere are attached to the surface of the electrode 33b. In addition, the microorganisms receive electrons from the electrode 33a through the electrode 33b, and function as a catalyst for the reduction of carbon dioxide. As a result, an electric current flows between the electrodes 33a and 33b as the electrochemical reduction reaction of carbon dioxide proceeds, and electricity is generated. In addition, the treated product M after the reaction is quickly discharged to the outside of the reaction section 3 through the treated product outlet 34b. The treated product M contains useful substances (such as methane and formic acid) generated by the carbon dioxide reduction reaction described later, and may be in either a gaseous or liquid state. It is also preferable to recover the treated product M and perform processes such as separation and purification.
イオン交換体３５は、イオンを透過することのできる公知の構成であればよく、特に限定するものではない。特に、電極３３ａ（アノード側）で発生する水素イオンを透過することのできる陽イオン交換膜とすることが挙げられる。これにより、電極３３ａ（アノード側）から電極３３ｂ（カソード側）へ水素イオンが移動することで、電極３３ｂでの電子受容体の反応効率を高めることができ、電極反応効率を向上させることができる。また、イオン交換体３５は、酸素透過性が低いものとすることがより好ましい。これにより、電極３３ａ側（アノード側）から酸素（空気）が電極３３ｂ側（カソード側）に移動することを抑制し、カソード側を嫌気性雰囲気下に維持することがより確実に可能となる。
なお、図１において、イオン交換体３５は、電極３３ａ及び電極３３ｂと別体として設けるものを示しているが、これに限定されるものではない。例えば、イオン交換能を有する材料と電極３３ａ及び／又は電極３３ｂを一体とすること等が挙げられる。これにより、反応部３全体を小型化することが可能となるとともに、メンテナンス作業に係る時間短縮が可能となる。
The ion exchanger 35 may have a known structure that allows ions to pass through it, and is not particularly limited. In particular, it may be a cation exchange membrane that allows hydrogen ions generated at the electrode 33a (anode side) to pass through it. This allows hydrogen ions to move from the electrode 33a (anode side) to the electrode 33b (cathode side), thereby increasing the reaction efficiency of the electron acceptor at the electrode 33b and improving the electrode reaction efficiency. In addition, it is more preferable that the ion exchanger 35 has low oxygen permeability. This makes it possible to more reliably maintain the cathode side under an anaerobic atmosphere by suppressing the movement of oxygen (air) from the electrode 33a side (anode side) to the electrode 33b side (cathode side).
1, the ion exchanger 35 is shown as being provided separately from the electrodes 33a and 33b, but is not limited thereto. For example, a material having ion exchange ability may be integrated with the electrodes 33a and/or 33b. This allows the entire reaction section 3 to be made smaller and the time required for maintenance work to be shortened.
電極３３ａは、還元性物質から電子を回収する電極であり、いわゆるアノードとして機能するものである。また、本実施態様における電極３３ａは、嫌気処理部２で生成した嫌気処理水Ｗ１及び／又はバイオガスＧ１と接触するように第１のセル３１ａ内に配置されている。 The electrode 33a is an electrode that collects electrons from reducing substances and functions as a so-called anode. In this embodiment, the electrode 33a is disposed in the first cell 31a so as to come into contact with the anaerobically treated water W1 and/or biogas G1 produced in the anaerobic treatment section 2.
電極３３ａとしては、アノードとして機能するものであればよく、材質及び形状については特に限定されない。電極３３ａの材質及び形状については、材料調達や加工に係るコスト、電極３３ａにおける還元性物質の反応効率などを鑑みて、適宜選択することができる。電極３３ａの材質の例としては、例えば、電気化学分野で電極材料として広く用いられている炭素や金属（ステンレス、白金、銅等）が挙げられる。また、電極３３ａの形状の例としては、例えば、平板状、棒状、メッシュ状などが挙げられる。
特に、本実施態様の電極３３ａとしては、電極反応効率を鑑み、多孔質体からなるものを用いることが好ましい。例えば、電極３３ａとしては、多孔質体であるカーボンペーパーやカーボンクロスのような炭素繊維を用いることのほか、発泡金属、多孔質金属、金属メッシュを用いることが挙げられる。
The electrode 33a may be any material that functions as an anode, and there are no particular limitations on the material and shape. The material and shape of the electrode 33a can be appropriately selected in consideration of the costs involved in material procurement and processing, and the reaction efficiency of the reducing substance in the electrode 33a. Examples of the material of the electrode 33a include carbon and metals (stainless steel, platinum, copper, etc.) that are widely used as electrode materials in the field of electrochemistry. Examples of the shape of the electrode 33a include a flat plate, a rod, a mesh, etc.
In particular, in consideration of the electrode reaction efficiency, it is preferable to use a porous material as the electrode 33a in this embodiment. For example, the electrode 33a may be made of a porous material such as carbon fiber, such as carbon paper or carbon cloth, as well as a metal foam, a porous metal, or a metal mesh.
電極３３ｂは、電極３３ａの対極であって、電子受容体や微生物へ電子を受け渡す電極であり、いわゆるカソードとして機能するものである。また、本実施態様における電極３３ｂは、第２のセル３１ｂ内に配置されている。 Electrode 33b is the counter electrode of electrode 33a, and is an electrode that transfers electrons to electron acceptors and microorganisms, and functions as a so-called cathode. In this embodiment, electrode 33b is disposed in the second cell 31b.
電極３３ｂとしては、カソードとして機能するものであればよく、材質及び形状については特に限定されない。電極３３ｂの材質及び形状については、材料調達や加工に係るコスト、電極３３ｂにおける電子受容体の反応効率などを鑑みて、適宜選択することができる。電極３３ｂの材質の例としては、例えば、電気化学分野で電極材料として広く用いられている炭素や金属（ステンレス、白金、銅等）が挙げられる。また、電極３３ｂの形状の例としては、例えば、平板状、棒状、メッシュ状などが挙げられる。
特に、本実施態様の電極３３ｂとしては、電極反応効率を鑑み、多孔質体からなるものを用いることが好ましい。例えば、電極３３ｂとしては、多孔質体であるカーボンペーパーやカーボンクロスのような炭素繊維を用いることのほか、発泡金属、多孔質金属、金属メッシュを用いることが挙げられる。
また、電極３３ｂの表面は、嫌気性雰囲気下で発生し、二酸化炭素の還元における触媒として機能する嫌気性微生物が付着しやすい構造としてもよい。これにより、電極３３ｂ表面において、大量の二酸化炭素を効率よく還元させることが容易となる。あるいは、電極３３ｂ表面は、微生物が容易に剥離可能な構造を有するものとしてもよい。これにより、電極３３ｂ表面全体が微生物で被覆され、電極３３ｂに対する物質移動が妨げられることによる反応効率低下を容易に解消することが可能となる。
The electrode 33b may be any material that functions as a cathode, and there are no particular limitations on the material and shape. The material and shape of the electrode 33b can be appropriately selected in consideration of the costs involved in material procurement and processing, and the reaction efficiency of the electron acceptor in the electrode 33b. Examples of the material of the electrode 33b include carbon and metals (stainless steel, platinum, copper, etc.) that are widely used as electrode materials in the field of electrochemistry. Examples of the shape of the electrode 33b include a flat plate, a rod, a mesh, etc.
In particular, in consideration of the electrode reaction efficiency, it is preferable to use a porous material as the electrode 33b in this embodiment. For example, the electrode 33b may be made of a porous material such as carbon fiber, such as carbon paper or carbon cloth, as well as a metal foam, a porous metal, or a metal mesh.
The surface of the electrode 33b may have a structure that allows anaerobic microorganisms that are generated in an anaerobic atmosphere and function as catalysts in the reduction of carbon dioxide to easily adhere thereto. This makes it easy to efficiently reduce a large amount of carbon dioxide on the surface of the electrode 33b. Alternatively, the surface of the electrode 33b may have a structure that allows the microorganisms to be easily peeled off. This makes it possible to easily eliminate a decrease in reaction efficiency caused by the entire surface of the electrode 33b being covered with microorganisms and preventing material transfer to the electrode 33b.
以下、図１に基づき、本発明の第１の実施態様の二酸化炭素還元装置における電極反応に係る反応及び工程を説明する。
本実施態様の二酸化炭素還元装置１Ａにおける電極反応に係る反応及び工程とは、アノード側における還元性物質を電子供与体として用いる電極反応と、カソード側における微生物を介した二酸化炭素の還元反応に係る電極反応に係るものである。
なお、図１に基づく反応及び工程に係る説明は、本実施態様における二酸化炭素還元に関連する各種反応の一例について示すものであり、これに限定されるものではない。また、反応Ｒ１～Ｒ４及び工程Ｓ１～Ｓ３の表記については、説明のために番号を付したものであり、反応及び工程順序を特定するものではない。
Hereinafter, reactions and steps relating to the electrode reactions in the carbon dioxide reduction device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The reactions and steps relating to the electrode reactions in the carbon dioxide reduction device 1A of this embodiment are those relating to an electrode reaction on the anode side using a reducing substance as an electron donor, and an electrode reaction relating to a carbon dioxide reduction reaction mediated by microorganisms on the cathode side.
1 shows an example of various reactions related to carbon dioxide reduction in this embodiment, and is not limited thereto. In addition, the notations of reactions R1 to R4 and steps S1 to S3 are numbered for the purpose of explanation, and do not specify the order of the reactions and steps.
図１に示すように、嫌気処理部２に導入された被処理物Ｓは、嫌気処理部２内の嫌気性微生物（酸生成菌及びメタン生成菌）により嫌気処理される（工程Ｓ１）。このとき、メタンのほかに、還元性物質（水素、硫化水素、アンモニア等）を含む嫌気処理水Ｗ１及びバイオガスＧ１が生成する。 As shown in FIG. 1, the material S introduced into the anaerobic treatment unit 2 is anaerobically treated by anaerobic microorganisms (acid-producing bacteria and methanogens) in the anaerobic treatment unit 2 (step S1). At this time, in addition to methane, anaerobically treated water W1 and biogas G1 containing reducing substances (hydrogen, hydrogen sulfide, ammonia, etc.) are produced.
還元性物質を含む嫌気処理水Ｗ１及びバイオガスＧ１は、還元性物質供給手段４における配管４１（配管４１ａ及び４１ｂ）を介して反応部３における第１のセル３１ａ内に導入される（工程Ｓ２）。ここで、還元性物質（水素、硫化水素、アンモニア等）が電極３３ａに接触することで、還元性物質が電子供与体として機能し、電極３３ａへ電子が供与される。このとき、電子供与体として機能する還元性物質として、硫化水素を例にとると、電極３３ａにおける反応（反応Ｒ１）は、以下の反応式（式１）で示される。
また、硫化水素の一部は硫化水素イオンとして反応する。このときの反応は、以下の反応式（式２）で示される。
式１及び式２で示されるように、反応Ｒ１において、嫌気処理部２で処理された後の処理水Ｗ１に含まれる硫化水素は電極３３ａに電子を供与するとともに、硫化水素自身は酸化処理されることで無害化、無臭化する。このため、本実施態様の二酸化炭素還元装置１Ａは、二酸化炭素の還元及び発電とともに、脱硫処理・脱臭処理が可能となる。なお、硫化水素以外の有害物質・臭気物質である還元性物質（アンモニア等）についても、同様に電子供与体として機能し、反応が進行することで、無害化・無臭化が可能になる。 As shown in Equations 1 and 2, in reaction R1, hydrogen sulfide contained in treated water W1 after treatment in the anaerobic treatment unit 2 donates electrons to electrode 33a, and hydrogen sulfide itself is oxidized to become harmless and odorless. Therefore, the carbon dioxide reduction device 1A of this embodiment is capable of desulfurization and deodorization in addition to reducing carbon dioxide and generating electricity. Note that reducing substances (such as ammonia), which are harmful substances and odorous substances other than hydrogen sulfide, also function as electron donors in the same way, and as the reaction progresses, they can be rendered harmless and odorless.
式１及び式２に示された反応式に基づき、電極３３ａにおける反応が進行した後、電子は電極３３ａから導線を介して電極３３ｂへ移動する（反応Ｒ２）。なお、このとき、電極３３ａにおける反応で生成した水素イオンは、イオン交換体３５を介して第２のセル３１ｂ側へ移動する（反応Ｒ３）。 After the reaction at electrode 33a proceeds based on the reaction formulas shown in Equation 1 and Equation 2, electrons move from electrode 33a to electrode 33b via the conductor (reaction R2). At this time, hydrogen ions generated by the reaction at electrode 33a move to the second cell 31b side via the ion exchanger 35 (reaction R3).
一方、第２のセル３１ｂには、あらかじめ酸素を脱気した電子受容体の溶液を満たし、二酸化炭素供給手段５を介して二酸化炭素導入口３４ａから二酸化炭素を供給する（工程Ｓ３）。ここで、反応Ｒ２により、電極３３ａから電極３３ｂに移動した電子を、電極３３ｂを介して微生物が受け取り、二酸化炭素の還元反応が進行する（反応Ｒ４）。また、このとき、反応Ｒ３により、イオン交換体３５を介して第２のセル３１ｂ側に移動した水素イオンも二酸化炭素の還元反応に用いられる。 Meanwhile, the second cell 31b is filled with a solution of an electron acceptor from which oxygen has been degassed in advance, and carbon dioxide is supplied from the carbon dioxide inlet 34a via the carbon dioxide supply means 5 (step S3). Here, the electrons that have moved from electrode 33a to electrode 33b as a result of reaction R2 are received by the microorganisms via electrode 33b, and the reduction reaction of carbon dioxide proceeds (reaction R4). At this time, the hydrogen ions that have moved to the second cell 31b side via the ion exchanger 35 as a result of reaction R3 are also used in the reduction reaction of carbon dioxide.
このときの電極３３ｂにおける還元反応（反応Ｒ４）の一例は、以下の反応式（式３及び式４）で示される。
式３及び式４に示すように、嫌気性微生物を介した二酸化炭素の電気化学的な還元反応では、二酸化炭素の還元反応以外の競合反応（水素発生反応など）が起こりにくく、メタン（式３）やギ酸（式４）のような有用な物質を効率的に生成することが可能となる。 As shown in Equations 3 and 4, in the electrochemical reduction of carbon dioxide mediated by anaerobic microorganisms, competing reactions other than the reduction of carbon dioxide (such as hydrogen generation reactions) are unlikely to occur, making it possible to efficiently produce useful substances such as methane (Equation 3) and formic acid (Equation 4).
上述した反応Ｒ１～Ｒ４及び工程Ｓ１～Ｓ３に基づき、電極３３ａと電極３３ｂの間に電流が流れる。これにより、還元性物質（嫌気処理で生成した生成物）を電子供与体とする反応が進行するとともに、二酸化炭素の還元反応が進行し、本実施態様の二酸化炭素還元装置１Ａにおける二酸化炭素の還元及び発電が行われる。また、還元性物質として、硫化水素やアンモニアを含む場合、さらに脱硫・脱臭処理が行われる。
また、発電により得られた電気エネルギーは、電極３３ａ及び電極３３ｂに接続した外部回路を通じて回収・利用することができる。なお、電気エネルギーの利用については、特に限定されない。例えば、二酸化炭素還元装置の設備駆動に用いるものであってもよく、二酸化炭素還元装置外で利用するものであってもよい。
Based on the above-mentioned reactions R1 to R4 and steps S1 to S3, a current flows between the electrodes 33a and 33b. As a result, a reaction in which the reducing substance (a product produced by anaerobic treatment) serves as an electron donor proceeds, and a reduction reaction of carbon dioxide proceeds, whereby reduction of carbon dioxide and power generation are performed in the carbon dioxide reduction device 1A of this embodiment. Furthermore, when hydrogen sulfide or ammonia is included as a reducing substance, desulfurization and deodorization treatments are further performed.
In addition, the electric energy obtained by the power generation can be recovered and used through an external circuit connected to the electrodes 33a and 33b. The use of the electric energy is not particularly limited. For example, the electric energy may be used to drive the equipment of the carbon dioxide reduction device, or may be used outside the carbon dioxide reduction device.
なお、アノード側における電子供与体として還元性物質を用いた発電において、カソード側における電子受容体として酸素（空気）を用いたエアカソードとした場合、以下の式５に示すように、水酸化物イオンが発生することで、カソード側のｐＨが上昇し、発電効率が低下するおそれがあった。
しかし、本実施態様の二酸化炭素還元装置１Ａにおいては、カソード側を嫌気性雰囲気下とし、二酸化炭素の還元反応を行うことで、電極反応が進行してもｐＨ上昇が生じない。これにより、電極反応の低下、すなわちエネルギー回収効率の低下を抑制できるという効果を併せて奏するものとなる。 However, in the carbon dioxide reduction device 1A of this embodiment, the cathode side is placed in an anaerobic atmosphere and the carbon dioxide reduction reaction is carried out, so that the pH does not increase even if the electrode reaction proceeds. This also has the effect of suppressing the decrease in the electrode reaction, i.e., the decrease in energy recovery efficiency.
本実施態様における二酸化炭素還元装置１Ａは、還元性物質を電子供与体として用い、電気化学反応（電極反応）により発電を行い、エネルギーを回収・利用するものである。一般に、電気化学反応を行う場合、実際に電気化学反応を行う箇所（反応部３）以外へ電子が移動することで、電気化学反応の効率が低下するという問題が生じる。したがって、本実施態様における二酸化炭素還元装置１Ａは電気化学反応を行う箇所（反応部３）以外を絶縁処理することが好ましい。絶縁処理の具体例としては、例えば、嫌気処理部２を絶縁体の上部に設置することのほか、嫌気処理部２の外壁あるいは内壁を絶縁体で構成することや、嫌気処理部２の外壁あるいは内壁を絶縁材料でコーティングすることなどが挙げられる。また、還元性物質供給手段４及び二酸化炭素供給手段５における各配管や、排出配管Ｌ１～Ｌ３の絶縁処理としては、例えば、それぞれの配管を絶縁体からなるものとすることや、それぞれの配管に絶縁材料をコーティングすること等が挙げられる。 The carbon dioxide reduction device 1A in this embodiment uses a reducing substance as an electron donor, generates electricity through an electrochemical reaction (electrode reaction), and recovers and utilizes the energy. In general, when an electrochemical reaction is performed, the efficiency of the electrochemical reaction decreases due to the movement of electrons to a location other than the location where the electrochemical reaction actually occurs (reaction section 3). Therefore, in the carbon dioxide reduction device 1A in this embodiment, it is preferable to insulate the location other than the location where the electrochemical reaction occurs (reaction section 3). Specific examples of insulation treatment include, for example, placing the anaerobic treatment section 2 on top of an insulator, constructing the outer wall or inner wall of the anaerobic treatment section 2 from an insulator, or coating the outer wall or inner wall of the anaerobic treatment section 2 with an insulating material. In addition, examples of insulation treatment of each pipe in the reducing substance supply means 4 and the carbon dioxide supply means 5 and the discharge pipes L1 to L3 include making each pipe from an insulator, coating each pipe with an insulating material, etc.
以上のように、本実施態様の二酸化炭素還元装置１Ａ及び二酸化炭素還元装置１Ａを用いた二酸化炭素還元方法により、二酸化炭素の効率的な還元とともに、被処理物の嫌気処理後の生成物を活用した効率的なエネルギーの回収・利用が可能となる。
特に、二酸化炭素還元装置１Ａと嫌気処理部とを直接接続することで、嫌気処理に係る一連の処理過程の中で反応部における電極反応を実施することが可能となる。これにより、設備を大型化することなく、効率的な発電を実施し、エネルギーの回収・利用が可能となる。また、脱硫処理のための設備を別途設けることなく、効率的な脱硫処理を実施することが可能となる。
As described above, the carbon dioxide reduction device 1A and the carbon dioxide reduction method using the carbon dioxide reduction device 1A of this embodiment enable efficient reduction of carbon dioxide as well as efficient recovery and utilization of energy by utilizing the products produced after anaerobic treatment of the material to be treated.
In particular, by directly connecting the carbon dioxide reduction device 1A and the anaerobic treatment section, it becomes possible to carry out an electrode reaction in the reaction section during a series of treatment processes related to anaerobic treatment. This makes it possible to efficiently generate electricity and recover and utilize energy without enlarging the size of the equipment. In addition, it becomes possible to efficiently carry out desulfurization without providing a separate facility for desulfurization.
〔第２の実施態様〕
図２は、本発明の第２の実施態様における二酸化炭素還元装置を示す概略説明図である。
第２の実施態様に係る二酸化炭素還元装置１Ｂは、第１の実施態様における二酸化炭素還元装置１Ａにおける二酸化炭素供給手段が、アノード側での処理を経たアノード処理物を供給するものとなっている。なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。
[Second embodiment]
FIG. 2 is a schematic explanatory diagram showing a carbon dioxide reduction device in a second embodiment of the present invention.
In the carbon dioxide reduction device 1B according to the second embodiment, the carbon dioxide supply means in the carbon dioxide reduction device 1A in the first embodiment supplies an anode treated product that has been treated on the anode side. Note that a description of the same configuration as in the first embodiment will be omitted.
本実施態様の二酸化炭素還元装置１Ｂは、反応部３のアノード側での処理を経たアノード処理物（処理水Ｗ２及び／又は処理ガスＧ２）を、二酸化炭素供給手段５における二酸化炭素供給源５１として利用するものである。より具体的には、図２に示すように、処理水Ｗ２を移送する配管（排出配管Ｌ１）と、処理ガスＧ２を移送する配管（排出配管Ｌ２）とを、二酸化炭素供給手段５における配管５２に接続するものが挙げられる。 The carbon dioxide reduction device 1B of this embodiment uses the anode treated product (treated water W2 and/or treated gas G2) that has been treated on the anode side of the reaction section 3 as the carbon dioxide supply source 51 in the carbon dioxide supply means 5. More specifically, as shown in FIG. 2, a pipe for transporting the treated water W2 (discharge pipe L1) and a pipe for transporting the treated gas G2 (discharge pipe L2) are connected to a pipe 52 in the carbon dioxide supply means 5.
上述したように、アノード処理物には、第１のセル３１ａ内における電極反応で生成した生成物以外に、嫌気処理部２からの嫌気処理水Ｗ１及びバイオガスＧ１中に元々含有されており、第１のセル３１ａ内における電極反応では未反応であった成分が含まれる。
すなわち、バイオガスＧ１由来のアノード処理物（処理ガスＧ２）には、二酸化炭素のほかに、脱硫後のメタンガスなどが含まれている。したがって、アノード処理物（主に処理ガスＧ２）をカソード側に供給することで、二酸化炭素と併せて、メタンも供給されることになる。これにより、系内で発生した二酸化炭素を有効活用することと併せて、カソード側で二酸化炭素の還元反応により生成したメタンと、アノード処理物として供給されたメタンとを合わせて処理物Ｍとして回収することが可能となり、高濃度・高純度メタンガスとしての回収が可能となるという利点も奏する。
また、嫌気処理水Ｗ１由来のアノード処理物（処理水Ｗ２）には、嫌気処理部２における嫌気性微生物のほか、嫌気性微生物の栄養源となり得る成分も含有されている。したがって、アノード処理物（主に処理水Ｗ２）をカソード側に供給することで、処理水Ｗ２中の二酸化炭素を有効活用することと併せて、カソード側における嫌気性微生物の増加・維持を容易に行うことが可能となる。
As described above, the anode treatment product includes, in addition to the products produced by the electrode reaction in the first cell 31a, components that were originally contained in the anaerobic treated water W1 and biogas G1 from the anaerobic treatment section 2 and that did not react in the electrode reaction in the first cell 31a.
That is, the anode treated product (treated gas G2) derived from the biogas G1 contains, in addition to carbon dioxide, methane gas after desulfurization, etc. Therefore, by supplying the anode treated product (mainly the treated gas G2) to the cathode side, methane is also supplied in addition to carbon dioxide. This makes it possible to effectively utilize the carbon dioxide generated in the system, and to recover the methane generated by the reduction reaction of carbon dioxide on the cathode side together with the methane supplied as the anode treated product as the treated product M, which has the advantage of enabling recovery as high-concentration, high-purity methane gas.
Furthermore, the anode treatment product (treated water W2) derived from the anaerobically treated water W1 contains components that can serve as a nutrient source for the anaerobic microorganisms in the anaerobic treatment section 2, in addition to the anaerobic microorganisms in the anaerobic treatment section 2. Therefore, by supplying the anode treatment product (mainly the treated water W2) to the cathode side, it is possible to effectively utilize the carbon dioxide in the treated water W2 and easily increase and maintain the anaerobic microorganisms on the cathode side.
また、本実施態様の二酸化炭素還元装置１Ｂにおいては、第１の実施態様と同様の工程により二酸化炭素の還元及び発電、並びに脱硫・脱臭処理を行うことが可能である。 In addition, in the carbon dioxide reduction device 1B of this embodiment, it is possible to reduce carbon dioxide, generate electricity, and perform desulfurization and deodorization processes using the same processes as in the first embodiment.
以上のように、本実施態様における二酸化炭素還元装置１Ｂ及び二酸化炭素還元装置１Ｂを用いた二酸化炭素還元方法は、系内で発生した二酸化炭素を外部に放出することなく、有用な物質に変換（還元）することが可能となる。また、系外から別途二酸化炭素を供給する必要がないため、二酸化炭素還元装置のランニングコストを低減することも可能となる。 As described above, the carbon dioxide reduction device 1B and the carbon dioxide reduction method using the carbon dioxide reduction device 1B in this embodiment make it possible to convert (reduce) the carbon dioxide generated within the system into a useful substance without releasing it to the outside. In addition, since there is no need to separately supply carbon dioxide from outside the system, it is also possible to reduce the running costs of the carbon dioxide reduction device.
〔第３の実施態様〕
図３は、本発明の第３の実施態様における二酸化炭素還元装置を示す概略説明図である。
第３の実施態様に係る二酸化炭素還元装置１Ｃは、第１の実施態様における二酸化炭素還元装置１Ａにおける二酸化炭素供給手段が、二酸化炭素を溶解した水溶液を供給するものとなっている。なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。
[Third embodiment]
FIG. 3 is a schematic explanatory diagram showing a carbon dioxide reduction device in a third embodiment of the present invention.
In the carbon dioxide reduction device 1C according to the third embodiment, the carbon dioxide supply means in the carbon dioxide reduction device 1A in the first embodiment supplies an aqueous solution in which carbon dioxide is dissolved. Note that the description of the same components as those in the first embodiment will be omitted.
本実施態様の二酸化炭素還元装置１Ｃは、二酸化炭素供給手段５によって、気体状態の二酸化炭素を直接反応部３のアノード側に供給するのではなく、二酸化炭素を溶解した水溶液を供給するものである。より具体的には、図３に示すように、二酸化炭素を溶解した水溶液を供給するために、配管５２上に気液混合部５３を設けるものが挙げられる。 The carbon dioxide reduction device 1C of this embodiment does not directly supply gaseous carbon dioxide to the anode side of the reaction section 3, but supplies an aqueous solution in which carbon dioxide is dissolved, by the carbon dioxide supply means 5. More specifically, as shown in FIG. 3, a gas-liquid mixer 53 is provided on a pipe 52 to supply an aqueous solution in which carbon dioxide is dissolved.
気体状態の二酸化炭素を直接カソード側に供給すると、電極３３ｂの表面に付着した微生物が二酸化炭素の気流によって電極３３ｂ表面から剥離するおそれがある。したがって、二酸化炭素が溶解した水溶液の状態でカソード側に供給することで、電極３３ｂ表面からの微生物の剥離を抑制するとともに、水溶液中で二酸化炭素の還元を進行させることになるため、微生物による二酸化炭素の還元反応に必要となる水素イオン等の成分との接触効率を高めることが容易となる。 If gaseous carbon dioxide is supplied directly to the cathode side, there is a risk that the microorganisms attached to the surface of the electrode 33b will be detached from the surface of the electrode 33b by the carbon dioxide airflow. Therefore, by supplying carbon dioxide to the cathode side in the form of an aqueous solution in which carbon dioxide is dissolved, it is possible to suppress the detachment of the microorganisms from the surface of the electrode 33b and to promote the reduction of carbon dioxide in the aqueous solution, which makes it easier to increase the contact efficiency with components such as hydrogen ions that are necessary for the reduction reaction of carbon dioxide by the microorganisms.
気液混合部５３は、二酸化炭素供給源５１から供給される二酸化炭素（気体）と水とを混合することができるものであればよく、例えば、気液混合装置として公知のものを用いることができる。また、二酸化炭素供給源５１から気体状態の二酸化炭素を直接供給するよりも、気液混合部５３において二酸化炭素を高濃度化した水溶液として調製した後、配管５２を介して供給することで、反応部３における反応効率向上を図ることも可能となる。 The gas-liquid mixing section 53 may be any device capable of mixing the carbon dioxide (gas) supplied from the carbon dioxide supply source 51 with water, and may be, for example, a known gas-liquid mixing device. In addition, rather than directly supplying gaseous carbon dioxide from the carbon dioxide supply source 51, it is possible to improve the reaction efficiency in the reaction section 3 by preparing a highly concentrated aqueous solution of carbon dioxide in the gas-liquid mixing section 53 and then supplying it via the pipe 52.
また、気液混合部５３で混合する二酸化炭素と水については、特に限定されない。例えば、系外から二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給源５１と系外から移送した純水、工水等の水を用いることのほか、上述したアノード処理物（処理水Ｗ２及び処理ガスＧ２）を気液混合部５３で一時貯留かつ混合したものを、二酸化炭素が溶解した水溶液として取り扱うものとしてもよい。 The carbon dioxide and water mixed in the gas-liquid mixing section 53 are not particularly limited. For example, a carbon dioxide supply source 51 that supplies carbon dioxide from outside the system and water such as pure water or industrial water transferred from outside the system may be used, or the above-mentioned anode treatment product (treated water W2 and treated gas G2) may be temporarily stored and mixed in the gas-liquid mixing section 53 and treated as an aqueous solution in which carbon dioxide is dissolved.
また、本実施態様の二酸化炭素還元装置１Ｃにおいては、第１の実施態様と同様の工程により二酸化炭素の還元及び発電、並びに脱硫・脱臭処理を行うことが可能である。 In addition, in the carbon dioxide reduction device 1C of this embodiment, it is possible to reduce carbon dioxide, generate electricity, and perform desulfurization and deodorization processes using the same processes as in the first embodiment.
以上のように、本実施態様における二酸化炭素還元装置１Ｃ及び二酸化炭素還元装置１Ｃを用いた二酸化炭素還元方法は、気体状態の二酸化炭素を直接カソード側に供給するのではなく、二酸化炭素を溶解した水溶液を調製して供給することで、気流によりカソード表面に付着した微生物が剥離することを抑制し、かつ微生物による二酸化炭素の還元に必要な成分との接触効率を高め、二酸化炭素還元に係る電極反応をより効率的に進行させることが可能となる。 As described above, the carbon dioxide reduction device 1C and the carbon dioxide reduction method using the carbon dioxide reduction device 1C in this embodiment do not directly supply gaseous carbon dioxide to the cathode side, but prepare and supply an aqueous solution in which carbon dioxide is dissolved. This prevents the microorganisms attached to the cathode surface from being detached by the airflow, increases the contact efficiency with the components necessary for the reduction of carbon dioxide by the microorganisms, and makes it possible to more efficiently proceed with the electrode reaction related to carbon dioxide reduction.
なお、上述した実施態様は、二酸化炭素還元装置及び二酸化炭素還元方法の一例を示すものである。本発明に係る二酸化炭素還元装置及び二酸化炭素還元方法は、上述した実施態様に限られるものではなく、請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、上述した実施態様に係る二酸化炭素還元装置及び二酸化炭素還元方法を変形してもよい。 The above-mentioned embodiment shows an example of a carbon dioxide reduction device and a carbon dioxide reduction method. The carbon dioxide reduction device and the carbon dioxide reduction method according to the present invention are not limited to the above-mentioned embodiment, and the carbon dioxide reduction device and the carbon dioxide reduction method according to the above-mentioned embodiment may be modified within the scope of the gist of the claims.
例えば、本実施態様における二酸化炭素還元装置は、複数の反応部３を備えるものとしてもよい。例えば、還元性物質供給手段として嫌気処理水Ｗ１のみが供給される反応部と、バイオガスＧ１のみが供給される反応部とを備えること等が挙げられる。これにより、嫌気処理で生成する生成物を有効活用した電極反応を複数箇所で行うことが可能となるとともに、各アノード処理物（嫌気処理水由来・バイオガス由来）の分離回収・利用が容易となる。 For example, the carbon dioxide reduction device in this embodiment may be provided with multiple reaction sections 3. For example, it may be provided with a reaction section to which only anaerobically treated water W1 is supplied as a reducing substance supply means, and a reaction section to which only biogas G1 is supplied. This makes it possible to carry out electrode reactions that effectively utilize the products generated by anaerobic treatment at multiple locations, and also makes it easy to separate, recover, and use each anode treatment product (derived from anaerobically treated water and biogas).
また、例えば、本実施態様における二酸化炭素還元装置は、別途絶縁機構を設けるものとしてもよい。絶縁機構は、反応部３で反応する嫌気処理水Ｗ１以外の処理水（処理水Ｗ２）を絶縁することができるものであればよく、特に限定されない。
絶縁機構による絶縁手段としては、例えば、反応部３の電極３３ａと処理水Ｗ２との電気的な接触（液絡）の解消あるいは液絡時間の短縮が挙げられる。このような液絡解消手段又は液絡時間の短縮手段の例としては、処理水Ｗ２の流れを不連続（断続的）とする手段や、処理水Ｗ２に空気などの絶縁体を介在させる手段、あるいはこれらの手段を組み合わせるもの等が挙げられる。これにより、反応部３で生成した電子が電極３３ａ及び電極３３ｂの間以外に流れることを防ぎ、電極反応効率を向上させるものである。
なお、本実施態様における二酸化炭素還元装置は、第１の実施態様に示したような二酸化炭素還元装置を構成する構造物（配管）や二酸化炭素還元装置に接続する設備（嫌気処理部）に係る絶縁を併せて行うものとしてもよい。これにより、より一層の絶縁効果を得ることができ、反応部３における電極反応効率を向上させることが可能となる。
In addition, for example, the carbon dioxide reduction device in this embodiment may be provided with a separate insulating mechanism. The insulating mechanism is not particularly limited as long as it can insulate treated water (treated water W2) other than the anaerobically treated water W1 reacting in the reaction section 3.
Examples of the insulating means using the insulating mechanism include eliminating electrical contact (liquid junction) between the electrode 33a of the reaction unit 3 and the water to be treated W2 or shortening the liquid junction time. Examples of such liquid junction eliminating means or shortening the liquid junction time include a means for making the flow of the water to be treated W2 discontinuous (intermittent), a means for interposing an insulator such as air in the water to be treated W2, or a combination of these means. This prevents electrons generated in the reaction unit 3 from flowing anywhere other than between the electrodes 33a and 33b, improving the electrode reaction efficiency.
The carbon dioxide reduction device in this embodiment may also be configured to insulate the structures (pipes) constituting the carbon dioxide reduction device and the equipment (anaerobic treatment section) connected to the carbon dioxide reduction device as shown in the first embodiment. This makes it possible to obtain a stronger insulation effect and improve the electrode reaction efficiency in the reaction section 3.
本発明の二酸化炭素還元装置及び二酸化炭素還元方法は、二酸化炭素を還元し、有用な物質（メタンやギ酸など）を得ると同時に、発電によるエネルギー回収・利用を可能とするものとして利用される。特に、嫌気処理により還元性物質が発生する嫌気処理設備・施設と組み合わせて、好適に利用されるものである。 The carbon dioxide reduction device and carbon dioxide reduction method of the present invention are used to reduce carbon dioxide to obtain useful substances (such as methane and formic acid), while at the same time enabling the recovery and use of energy through power generation. In particular, they are preferably used in combination with anaerobic treatment equipment and facilities that generate reducible substances through anaerobic treatment.
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 二酸化炭素還元装置、２ 嫌気処理部、３ 反応部、３１ａ 第１のセル、３１ｂ 第２のセル、３２ａ，３２ｂ 還元性物質導入口、３２ｃ，３２ｄ 処理物排出口、３３ａ，３３ｂ 電極、３４ａ 二酸化炭素導入口、３４ｂ 処理物排出口、３５ イオン交換体、４ 還元性物質供給手段、４１，４１ａ，４１ｂ 配管、５ 二酸化炭素供給手段、５１ 二酸化炭素供給源、５２ 配管、５３ 気液混合部、Ｌ１～Ｌ３ 排出配管、Ｇ１ バイオガス、Ｇ２ 処理ガス、Ｍ 処理物、Ｓ 被処理物、Ｗ１ 嫌気処理水、Ｗ２ 処理水 1A, 1B, 1C carbon dioxide reduction device, 2 anaerobic treatment section, 3 reaction section, 31a first cell, 31b second cell, 32a, 32b reducing substance inlet, 32c, 32d treated product outlet, 33a, 33b electrodes, 34a carbon dioxide inlet, 34b treated product outlet, 35 ion exchanger, 4 reducing substance supply means, 41, 41a, 41b piping, 5 carbon dioxide supply means, 51 carbon dioxide supply source, 52 piping, 53 gas-liquid mixing section, L1-L3 exhaust piping, G1 biogas, G2 treated gas, M treated product, S treated product, W1 anaerobic treated water, W2 treated water
Claims (4)
前記反応部のアノード側に、還元性物質を供給する還元性物質供給手段と、
前記反応部のカソード側に、二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段と、を備え、
前記カソード側は、嫌気性雰囲気下にあり、
前記還元性物質供給手段は、嫌気処理で生成した生成物を供給することを特徴とする、二酸化炭素還元装置。 A reaction section in which an electrode reaction is performed;
a reducing substance supplying means for supplying a reducing substance to the anode side of the reaction section;
a carbon dioxide supplying means for supplying carbon dioxide to the cathode side of the reaction section,
The cathode side is under an anaerobic atmosphere,
A carbon dioxide reduction device, wherein the reducing substance supply means supplies a product produced by anaerobic treatment.
前記反応工程におけるアノード側に、還元性物質を供給する還元性物質供給工程と、
前記反応工程におけるカソード側に、二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給工程と、を備え、
前記カソード側は、嫌気性雰囲気下にあり、
前記還元性物質供給工程は、嫌気処理で生成した生成物を供給することを特徴とする、二酸化炭素還元方法。
A reaction step in which an electrode reaction is carried out;
a reducing substance supplying step of supplying a reducing substance to an anode side in the reaction step;
A carbon dioxide supplying step of supplying carbon dioxide to the cathode side in the reaction step,
The cathode side is under an anaerobic atmosphere,
A carbon dioxide reduction method, wherein the reducing substance supply step supplies a product produced by anaerobic treatment.
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