JP5630629B2 - 炭酸ガス処理装置及び炭酸ガスの処理方法 - Google Patents
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Description
したがって、本構成の炭酸ガス処理装置を用いれば、炭酸ガスを安価で簡便に処理することができる。
したがって、本手段の炭酸ガスの処理方法によれば、炭酸ガスを安価で簡便に処理することができる。
本実施形態に係る炭酸ガス処理装置は、図1に示すように、水または水溶液(以下、「水等」と称する場合がある。)を貯留する炭酸塩生成槽1と、炭酸塩生成槽1に対して炭酸ガスを供給する炭酸ガス供給手段としてのノズル4と、マグネシウムを含む粉体(以下、「Mg粉体」と称する場合がある。)を酸素を構成元素として含むガスの雰囲気中で酸化させて、酸化マグネシウムを生成する酸化容器5とを備える。尚、本実施形態においては、酸素を構成元素として含むガスとしても炭酸ガスを用いるため、炭酸ガスの供給路に三方弁6を設けて、炭酸ガスの供給先を炭酸塩生成槽1と酸化容器5とに切り換えることができるようにしてある。
このような場合には、Mg粉体は、例えば、図2(a)に示すような保管容器で保管することが好ましい。この保管容器は、水や切削油混合液等の保存液を入れる保管容器本体11と、保管容器本体11を覆う蓋部材12とを備える。保管容器本体11内には、少なくとも底面に複数の細孔を有し、Mg粉体を収容する内容器13と、内容器13に収容したMg粉体を上方から押さえてMg粉体が液面に浮上することを抑制する落し蓋14とが設けてある。落し蓋14は、蓋部材12とスポンジ等の緩衝部材15を介して固定可能に構成してあり、Mg粉体の内容量に応じて落し蓋14の位置が変えられるようにしてある。また、落し蓋14には、複数の細孔が設けてあり、Mg粉体の表面から脱離した気泡のみが落し蓋14を通過して液外に放出できるようにしてある。蓋部材12には、放出された気体により容器内の圧力が上昇しないようにガス抜き機構16が設けてある。
具体的には、例えば、500mlの水(pH7)に水酸化カリウム(KOH)を溶解して所望のpHに調整した溶液に、90vol%N2−10vol%CO2ガスを1L/分で導入する。
この時の溶液から導出するガス中の炭酸ガス濃度の経時変化を、例えばCO2ガス分析装置(testo350S (株)テストー製)等で測定すると共に、溶液のpHの変化を測定し、それぞれの測定値を図5に示すようにグラフにプロットする。このように作成したグラフから、同一時間のpHと炭酸ガス濃度とを読み取ると、図6に示すようなグラフが作成できる。ここで、炭酸ガス吸収率は、導入する炭酸ガスの濃度が10%であることから、(10−炭酸ガス濃度)/10で求めることができる。このため、図6に示すグラフからpH−炭酸ガス吸収率のグラフを作成し、プロットしたデータを対数近似すると、炭酸ガス吸収率=1.46Ln(pH)−2.87、すなわち、pH=EXP[(炭酸ガス吸収率+2.87)/1.4]を求めることができる。
一方、pHと重炭酸イオン率との関係は、炭酸の一次解離定数(Ka1)、二次解離定数(Ka2)から計算できる。このため、例えば、図7に示すような文献値と、Ka1Ka2/(Ka1Ka2+Ka1[H+]+[H+]2)の式とからpHと重炭酸イオン率との関係
を求めることができる。
以上により、重炭酸イオン率、pH、炭酸ガス吸収率の関係が成り立つため、図8に示すように、炭酸ガス吸収率−重炭酸イオン率の関係をグラフにプロットすることができる。したがって、炭酸ガスの一定流速下において、図8に示すような炭酸ガス濃度−重炭酸イオン率の関係を用いて、重炭酸イオン濃度を算出することができる。尚、図8において、重炭酸イオン率の実験結果を実験値としてプロットすると、計算値とよく一致することが確認できる。
炭酸ガスの処理は、図1に示す本実施形態の炭酸ガス処理装置を用いて行った。すなわち、炭酸塩生成槽1に水を500ml入れ、攪拌機2を用いて400rpmで攪拌しながら、予め酸化容器5において生成させた酸化マグネシウム(MgO)を、[Mg2+]が0.05mol/Lとなるように所定量投入した。そして、ノズル4を用いて、100%の炭酸ガス(CO2)を1リットル/分の流量で水中にバブリングにより導入した。炭酸塩生成槽1の水は、導入当初は白く懸濁したが、一定時間経過後には透明になった。
炭酸マグネシウム析出までの潜伏期間では、炭酸マグネシウムの生成(Mg2++CO3 2-→MgCO3)と炭酸水素イオンへの反応(CO3 2-+H2O→HCO3 -+OH-)との2つの反応が起こり得る。この時のpHが一定であることから、重炭酸イオンはマグネシウムイオンとの反応に消費され、炭酸水素イオンへの反応にはほとんど消費されていないことが分かる。すなわち、炭酸マグネシウムが生成するまでの時間が潜伏時間となる。
炭酸マグネシウム析出開始後の保持時間では、炭酸水素イオンは重炭酸イオンへの反応が優勢となる。この時のpHとORPとはほとんど変化しないにも関わらず、導電率は小さくなっている。これは、OH-や電子に関与しない反応が起こっていることが考えられる。pHの範囲は、正炭酸マグネシウムと塩基性炭酸マグネシウムとの境界であると予想され、正炭酸マグネシウムが塩基性マグネシウムに置換していると考えられる。すなわち、初期に析出した正炭酸マグネシウムが凝集し、溶液内の固体数が減少することで導電率が低くなり、凝集した正炭酸マグネシウムが、逐次、塩基性炭酸マグネシウムに変化するプロセスが保持時間となる。
実施例1において、溶液中のマグネシウムイオンの濃度と重炭酸イオン濃度とを変えた時の炭酸マグネシウムが析出するまでの潜伏時間及び炭酸マグネシウムの粒径の変化を調べた。その結果、図11に示すように、マグネシウムイオン濃度/重炭酸イオン濃度を調整することにより、炭酸マグネシウムが析出するまでの潜伏時間と炭酸マグネシウムの粒径とを制御できることが分かった。このため、溶液中に混在する炭酸マグネシウムと残渣とを容易に分離することができる。
実施例2で得られた沈殿物の粒度分布を測定した。その結果、図12に示すように、炭酸マグネシウムの粒径とその他の残渣の粒径とでは、大きく異なっており、分離し易いことが分かった。
図1に示す炭酸ガス処理装置を用い、炭酸塩生成槽1に水と水酸化マグネシウムとを[Mg2+]が0.1mol/Lとなるように入れ、攪拌機2を用いて300〜400rpmで攪拌し、必要に応じて加熱しながら、90%N2−10%CO2ガスを5L/分で一定時間導入した。その後、30分間保持し、溶液をろ過・乾燥した後、生成物をX線回折によって同定し、定量分析を行った。その結果、図13示すように、溶液の温度によって生成する生成物の種類が異なることが確認できた。この条件においては、正炭酸マグネシウムを選択的に生成させる場合には、溶液の温度を50〜70℃に設定することが好ましい。
500mlの水に、[Mg2+]が0.1mol/LとなるようにMgOを入れ、所望の初期pHで加熱した時の析出物を調べた。その結果、図14で示すような領域で炭酸マグネシウムが析出することが分かった。また、このグラフを図8のpH−重炭酸イオン率により換算して、重炭酸イオン率と温度との関係を求めると、図15に示す通りであった。
酸素を構成元素として含むガスとしては、空気や酸素等を用いることもできる。例えば、Mg粉体に空気や酸素等を供給しながら着火することで、Mg粉体を燃焼させることができる。
この場合、Mg粉体としては、水を含有させたものや水溶性クーラントを含有させたものを用いることが好ましい。すなわち、燃焼の際に、Mg粉体に水分が存在すると反応して水素を発生し、この水素が激しく燃焼する。このため、Mg粉体の燃焼を加速させることができる。尚、過剰の水分が付着していると、着火性が悪く、安定して燃焼できなくなる恐れがある。
条件1:熱容量の大きなセラミックス皿上で乾燥したMg粉体を燃焼させる。
条件2:パンチングメタル(♯120)上で乾燥したMg粉体を燃焼させる。
条件3:パンチングメタル(♯120)上でクーラントを50wt%含有するMg粉体を燃焼させる。
その結果、図17に示すように、条件1,2,3における燃焼時の最高到達温度は、それぞれ892℃、1162℃、1300℃であった。また、燃焼による生成物は、条件1,2による生成物は表面は酸化物であるものの内部は窒化物や炭化物であったのに対し、条件3による生成物は酸化物のみであった。
したがって、クーラントを含有するMg粉体に対し、全体に亘って酸素を十分に供給しながら燃焼することで、最高到達温度を1300℃以上にすることができ、効率よく酸化マグネシウムを生成することができる。
4 ノズル(炭酸ガス供給手段)
5 酸化容器
Claims (3)
- 酸素を構成元素として含むガスの雰囲気中で、マグネシウムを含む粉体を酸化させて、酸化マグネシウムを生成する酸化容器と、
前記酸化容器で生成した酸化マグネシウムを投入する、水または水溶液を貯留した炭酸塩生成槽と、
当該炭酸塩生成槽に対して炭酸ガスを供給する炭酸ガス供給手段と、
前記水または水溶液の温度とマグネシウムイオン濃度と重炭酸イオン濃度とを制御して、炭酸マグネシウムを生成させる際に、前記炭酸ガスの流速を一定に保ちながら前記水または水溶液の温度及びpHを制御して、正炭酸マグネシウムを塩基性炭酸マグネシウムより多く生成させる制御部とを備えた炭酸ガス処理装置。 - 酸素を構成元素として含むガスの雰囲気中で、マグネシウムを含む粉体を酸化させて、酸化マグネシウムを生成する工程と、生成した酸化マグネシウムを水または水溶液に添加する工程と、当該水または水溶液に炭酸ガスを接触させる工程とを備え、前記水または水溶液の温度とマグネシウムイオン濃度と重炭酸イオン濃度とを制御して、炭酸マグネシウムを生成する際に、前記炭酸ガスの流速を一定に保ちながら前記水または水溶液の温度及びpHを制御して、正炭酸マグネシウムを塩基性炭酸マグネシウムより多く生成させることで炭酸ガスを炭酸マグネシウムとして固定化する炭酸ガスの処理方法。
- 前記重炭酸イオン濃度は、前記水または水溶液のpHと前記炭酸ガスの流量とを用いて算出される請求項2に記載の炭酸ガスの処理方法。
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