JP6834066B1 - 炭酸ガス、およびその他ガスの回収方法 - Google Patents

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Abstract

排ガスと、炭酸アルカリを含む水溶液とを接触させることにより、該排ガス中の炭酸ガスを反応させて、炭酸水素アルカリを含む水溶液とするガス吸収工程、前記ガス吸収工程から排出された窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスを回収するガス回収工程、前記ガス吸収工程で得られた炭酸水素アルカリを少なくとも一部を、炭酸アルカリおよび炭酸ガスに分解する分解工程、前記分解工程で得られた炭酸アルカリの少なくとも一部を前記ガス吸収工程へ循環する循環工程、並びに、前記分解工程で得られた炭酸ガスを回収するに際し、該分解工程で排出された炭酸ガスを含むガスと水溶液とを接触させた後、炭酸ガスを回収する炭酸ガス回収工程を含むことを特徴とする方法。

Description

本発明は、炭酸ガス、さらには窒素ガスや酸素ガスを、排ガスから分離回収する新規な方法に関する。具体的には、安価な無機化合物を利用して、高純度の炭酸ガス、さらには純度の高い窒素ガスを効率よく分離回収する新規な方法に関する。
これまで人類の生活を豊かにしてきた化石燃料であるが、このままでは炭酸ガスを代表とする温暖化ガスの過剰排出により、該燃料の使用は地球環境を破壊することは明白である。そのため、全人類の直面した最重要課題として世界のあらゆる地域において脱炭酸ガス（炭酸ガス量の低減化）が検討されている。そして、省エネルギーの推進、再生エネルギーの普及、炭酸ガス固定化など、様々な方面からこの難題は論じられている。特に、絶対的な量として多くの炭酸ガスが排出されている工場や発電所等から排出されるガスを処理する方法が、炭酸ガスの低減化には、必要となっている。当該排ガスに含まれる炭酸ガスを安全かつ安定的に、また合理的に濃縮出来れば様々な炭素製品としての再利用や近年注目され技術的にも目覚ましい回収・貯槽に役立てることが可能である。
以上のような問題があるなか、様々な工場、発電所から排出されるガスにおいて、それに含まれる炭酸ガスを低減させる方法が種々検討されている。
具体的には、アルカノールアミン等のアミン類を吸収剤とする方法が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。これらアミン類の多くは液体であり、また水にもよく溶ける。そのため、炭酸ガスを吸収するにおいて効果的である。
しかしながら、アミン類のみからなる吸収剤を使用した場合、臭気が発生するという問題がある。また、炭酸ガス回収時にアミン類の除去操作性が煩雑になるおそれがあり、安全・安心性の確保が困難という点でも改善の余地があった。さらに、安全性を高めるためには、密閉の防爆構造を必要とするが、この場合、不活性ガス等が必要となる場合があり、アミン類の種類によっては、炭酸ガスの回収効率を低下させるという問題があった。これら問題点を改善するためには、高い設備投資等が必要となり、加えて、使用するアミン類によっては、得られる炭酸ガス濃度に対して、安定性向上のため、およびその分離除去に、多くのエネルギーを消費する場合があり、経済性という点でも改善の余地があった。
これに対して、無機化合物、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液と炭酸ガスを含む排ガスとを接触させることにより、炭酸塩・炭酸水素塩等を製造して、炭酸ガスを回収する方法も数多く提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。
特許文献２に記載の方法は、炭酸ガスを、炭酸カリウム、重炭酸カリウムの形で回収している。そして、特許文献２には、重炭酸カリウムとして炭酸ガスを回収した溶液から、水蒸気を利用したストリッピング法により、炭酸ガスを回収し、さらに炭酸カリウムを循環使用することが示されている。特許文献２には、炭酸ガス、および硫化水素ガスの回収について記載されている。
しかしながら、この方法においては、水蒸気ストリッピング法により炭酸ガスを回収しているため、該炭酸ガスに水分が含まれ易く、高純度の炭酸ガスを回収するという点で改善の余地があった。
また、特許文献３に記載の方法は、水酸化ナトリウム、および炭酸ナトリウムの水溶液に炭酸ガスを吸収させる方法である。
しかしながら、特許文献３には、水酸化ナトリウム水溶液を準備する工程から示されており、例えば、食塩の電解工程を含むことが必須の発明となっている。そのため、どうしても大規模工場での実施が必要となり、工程の簡略化という点で改善の余地があった。
特許第３６６３１１７号公報 英国特許第７２５０００号明細書 特許第４７８０７３０号公報
加えて、炭酸ガスの従来の回収方法においては、炭酸ガス以外のその他のガス成分の回収については記載されていない。すなわち、前記従来技術においては、排ガスから炭酸ガスを分離したガスの取扱いについては記載されていない。
近年、技術の多様化が進むとともに、排出物の低減・再利用化をより一層推し進める必要がある。そのため、炭酸ガスのみならず、それを分離したガスについても、その利用方法を検討することが必要となっている。
したがって、本発明の目的は、制御が容易であり、安全かつ安価な無機化合物を利用して、排ガスから、高純度の炭酸ガスを効率よく回収すること、および炭酸ガスが分離されたガスを有効利用することにある。
さらに、以上のようなガスの回収、分離、精製等を行うに際し、それらの反応等で生じる熱を有効活用する方法を提供する。このような各工程で生じる熱の有効利用については、特許文献２、３には記載されていない。
本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討した。そして、無機アルカリを用いた炭酸ガスの回収方法について検討した。そして、炭酸アルカリを出発物質とすることにより、高純度の炭酸ガスを回収した後、再度、炭酸アルカリを再利用することにより、工程を簡略できることを見出した。さらには、この方法によれば、炭酸ガスを炭酸アルカリで分離回収できるため、処理する排ガスによっては、該炭酸ガスを分離したガスも工業的に利用可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。
また、このような利点に加えて、炭酸アルカリと、アミン類、特に好ましくはアンモニアとを組み合わせて使用した場合、炭酸ガスをより効率よく吸収することができ、さらには、炭酸ガスの高純度化も容易であり、かつアミン類の有効利用がし易いことを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
（１）炭酸ガス、窒素ガスおよび酸素ガスを含む排ガスから、炭酸ガス、並びに窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスにそれぞれ分離して回収する方法であって、
該排ガスと、炭酸アルカリを含む水溶液とを接触させることにより、該排ガス中の炭酸ガスを反応させて、炭酸水素アルカリを含む水溶液とするガス吸収工程、
前記ガス吸収工程から排出された窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスを回収するガス回収工程、
前記ガス吸収工程で得られた炭酸水素アルカリの少なくとも一部を、炭酸アルカリおよび炭酸ガスに分解する分解工程、
前記分解工程で得られた炭酸アルカリの少なくとも一部を前記ガス吸収工程へ循環する循環工程、
前記分解工程で得られた炭酸ガスを回収するに際し、該分解工程で排出された炭酸ガスを含むガスと水溶液とを接触させた後、炭酸ガスを回収する炭酸ガス回収工程、並びに、
前記ガス回収工程で得られた窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスと、水素ガスとを、白金系触媒存在下で反応させて、該ガス中の酸素ガスを低減する第一精製工程を含み、
前記分解工程において、該第一精製工程で生じた熱を用いて炭酸水素アルカリの少なくとも一部を炭酸アルカリおよび炭酸ガスに分解することを特徴とする方法である。
また、本発明は、以下の態様をとることもできる。
（２）前記炭酸アルカリが炭酸カリウムであり、前記炭酸水素アルカリが炭酸水素カリウムであること。
（３）前記ガス吸収工程において、炭酸アルカリを含む水溶液が、さらにアミン類を含む水溶液であること。
（４）前記アミン類が、アンモニアであること。
（５）前記ガス吸収工程へ供給する前の排ガスの組成を確認する工程をさらに含むこと。
（６）前記排ガスにおける酸素ガスに対する窒素ガスの体積比（窒素ガス／酸素ガス）が１０／１以上１００／１以下とすること。
（７）第一精製工程を行う前の窒素ガスおよび酸素ガスを含むガス、又は第一精製工程後の窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスと、アルカリ水溶液とを接触させる第二精製工程を含むこと。
本発明に従えば、炭酸アルカリにより排ガスから大部分の炭酸ガスを除去できる。そのため、予め処理する前の排ガスの組成を確認しておけば、該排ガスから炭酸ガスを分離したガスの組成が予測できる。そのため、炭酸ガスを分離したガスの有効活用がし易くなる。特に、（６）、（１）、および（７）の態様とすることにより、高濃度の窒素ガスを含むガスを得ることができる。そして、（１）の態様とすることにより、回収等で生じる熱を有効活用することができる。
本発明によれば、安価で安全な方法で効率よく、排ガスから高純度の炭酸ガスを分離することができる。すなわち、無理なく、容易に、安価な材料で排ガスを処理することができる。なお、本発明の方法は、排ガスを準備できれば、本発明の工程のみを実施することもできるし、大規模工場での循環に組み入れることもできる。
排ガスを排出する工場が、例えば、炭酸アルカリの製造工場、および／又はアンモニアソーダ法を実施している工場であれば、炭酸ガス回収工程で得られる炭酸ガスは、これら工場の原料ガスとして使用できる。その結果、これら工場において本発明を適用すれば、炭酸ガスを外部に一切放出しないこともできる。
また、アミン類と炭酸アルカリとを併用して使用することにより、より効率よく、炭酸ガスを回収できる。特にアミン類としてアンモニアを使用した場合には、炭酸ガスとの分離が容易い、例えば、水溶液（水）と接触させるだけで、簡単に分離することができる。加えて、このアンモニアは、アンモニアソーダ法を実施している工場であれば、例えば、水酸化カルシウムと塩化アンモニウムとから塩化カルシウムを製造している工程から容易に得ることができる。一方、分離したアンモニアは、循環使用することもできるが、アンモニアソーダ法の原料としても、利用できる。
また、該炭酸ガス回収工程で得られる炭酸ガスは、高純度の炭酸ガスであるため、上記工場に供給できない場合には、アルコール等の有機化合物原料、ドライアイスの原料、および消化器用のガス等として、工業的な利用価値が高くなる。また、高濃度の炭酸ガスを得ることができるため、液化炭酸ガスとすることも容易となる。
加えて、本発明によれば、炭酸ガスが低減された窒素ガス・酸素ガスを含むガスを得ることができる。
中でも、炭酸カリウムを含む水溶液と、炭酸ガスを含む排ガスとを最初に接触させることにより、他の炭酸アルカリと比較して高濃度の水溶液とすることができる。その結果、炭酸ガスの回収（吸収）率を高めることができる。また、純度の高い、酸素ガス、および窒素ガスを含むガスを回収することができる。また、炭酸カリウムを循環使用することができる。
さらに、処理する排ガスにおいて、予めその組成を調整することにより、本発明によれば、該排ガスから炭酸ガスを除いたガスの有効利用が可能となる。本発明によれば、効率よく炭酸ガスを分離回収できる。そのため、例えば、酸素ガスに対する窒素ガスの体積比（窒素ガス／酸素ガス）を１０／１以上１００／１以下に調整した排ガスを処理することにより、ガス回収工程で得られるガスは、酸素ガスに対する窒素ガスの体積比（窒素ガス／酸素ガス）が１０／１以上１００／１以下のガスを得られることとなる。その結果、高濃度の工業的に利用価値の高い、例えば、不活性ガスに適用できるガス、アンモニアの原料に使用できるガス、等の窒素ガスを含むガスを得ることができる。特に、処理する排ガスの酸素ガスに対する窒素ガスの体積比を例えば、不活性ガスに適用できるガス、アンモニアの原料に使用できるガス、等の窒素ガスを含むガスを得ることができる。特に、処理する排ガスの酸素ガスに対する窒素ガスの体積比を２０／１以上とすることにより、得られるガスは、酸素ガスに対する窒素ガスの体積比が２０／１以上のガスとなり、防爆用ガスとしても利用可能である。
本発明によれば、前記の通り、高濃度の窒素ガスを得ることもできる。特に、下記に詳述する第一精製工程を施せば、より高濃度の窒素ガスを得ることができる。そのため、得られる窒素ガスは、窒化物、例えば、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等のセラミックスの原料としても利用できる。さらには、高濃度の窒素ガスを得ることができるため、液化窒素ガスとすることも容易である。
また、酸素ガスに対する窒素ガスの体積比（窒素ガス／酸素ガス）を１０／１〜１００／１の範囲に調整した排ガスを処理した場合、前記の通り、窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスを得ることができる。ここで、この得られたガスと、水素ガスとを、白金系触媒存在下で反応させて、該ガス中の酸素ガスを低減する第一精製工程を行えば、以下のように、第一精製工程で発せられる熱をも有効活用できる。つまり、該第一精製工程は、発熱反応であるが、得られた熱を、前記分解工程の炭酸水素アルカリの分解に利用できる。
本発明によれば、比較的、炭酸ガスを多く含む排ガスを、先ずは炭酸アルカリを含む水溶液（好ましくは、水）と接触させるため、温度制御が容易で、安定した状態で炭酸ガスを吸収・分離することができる。
さらに、第一精製工程の前後で得られる、窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスが炭酸ガスを含む場合には、アルカリ水溶液と該ガスを接触させることにより、より炭酸ガスが低減されたガスを得ることができる。そして、前記ガス回収工程で回収した窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスは、排ガスと比較して、炭酸ガスが低減されており、アルカリ水溶液と接触させたとしても、反応条件の制御が容易となる。
本発明は、今まで廃棄されており、かつ環境破壊ガスと言われている排ガスから、高濃度ガス（炭酸ガス、および窒素ガス）を取り出し、有用な原料として再利用できるという点で、極めて工業的利用価値の高い新しい回収方法である。本発明によれば、条件を最適化すれば、高濃度の炭酸ガス、および高濃度の窒素ガスの両方を併産することができるため、極めて経済的に有利となる。
本発明の好適な態様を説明する工程図である。 本発明におけるアミン類を使用した場合の好適な態様を説明する工程図である。
本発明は、炭酸ガス、窒素ガスおよび酸素ガスを含む排ガスから、炭酸ガス、並びに窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスにそれぞれ分離して回収する方法である。そして
該排ガスと、炭酸アルカリを含む水溶液とを接触させることにより、該排ガス中の炭酸ガスを反応させて、炭酸水素アルカリを含む水溶液とするガス吸収工程、
前記ガス吸収工程から排出された窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスを回収するガス回収工程、
前記ガス吸収工程で得られた炭酸水素アルカリの少なくとも一部を、炭酸アルカリおよび炭酸ガスに分解する分解工程
前記分解工程で得られた炭酸アルカリの少なくとも一部を前記ガス吸収工程へ循環する循環工程、並びに、
前記分解工程で得られた炭酸ガスを回収するに際し、該分解工程で排出された炭酸ガスを含むガスと水溶液とを接触させた後、炭酸ガスを回収する炭酸ガス回収工程
を含むことを特徴とする方法である。
以下、順を追って説明する。
＜処理の対象となる排ガス＞
本発明において、処理の対象となる排ガスは、特に制限されるものではなく、炭酸ガス、窒素ガスおよび酸素ガスを含むものであればよい。具体的には、様々な工場から排出される排ガス、例えば、発電所、ボイラー、焼却炉、セメント工場、炭酸ガスを原料として使用する工場（アンモニアソーダ法を使用する工場、炭酸ガスと水酸化アルカリとの反応による炭酸アルカリの製造工場）、燃焼反応を伴う工場等から排出される排ガスが挙げられる。中でも、空気中の酸素ガスを支燃ガスとして用いる工場から排出されるガスは、結果として、窒素ガスが濃縮されている状況である。そのため、このような排ガスを処理することにより、高濃度の炭酸ガスだけでなく、高濃度の窒素ガスを回収することもできる。
本発明おいて、前記排ガスは、酸素ガスに対する窒素ガスの体積比（窒素ガス／酸素ガス）が１０／１〜１００／１の範囲にあることが好ましい。なお、上記表記は、排ガスに含まれる酸素ガスの体積割合を１とした時の窒素ガスの体積割合を示す。本発明によれば、先ず、高度に炭酸ガスのみを分離することができる。そのため、上記範囲の排ガスであれば、ガス回収工程において、酸素ガスに対する窒素ガスの体積比（窒素ガス／酸素ガス）が１０／１〜１００／１の範囲にあるガスを得ることができる。
このように得られるガスは、窒素ガスの濃度が高いものとなる。そのため、ガス回収工程で得られたガスは、不活性ガスに適用できるガス、アンモニアの原料に使用できるガス等に利用できる。さらには、他の不純物ガスとの兼ね合いにもなるが、より窒素ガスの割合の高い排ガスを処理することにより、得られるガスを防爆用ガスとしても使用可能とできる。例えば、酸素ガスに対する窒素ガスの体積比（窒素ガス／酸素ガス）が２０／１以上の排ガスを処理することにより、得られるガスは、酸素ガスに対する窒素ガスの体積比が２０／１以上となり、防爆ガスに使用することもできる。
そのため、前記排ガスは、下記に詳述するガス吸収工程にかける前に、該排ガスの組成を確認する工程を設けることが好ましい。そして、処理する排ガスの組成が、酸素ガスに対する窒素ガスの体積比（窒素ガス／酸素ガス）が１０／１〜１００／１の範囲を外れる場合には、この範囲を満足するように、該排ガス以外の別のガスを混合する、排ガス調整工程を設けることが好ましい。別のガスは、工場で排出される様々なガスを用いることができる。
以上の通り、本発明において、排ガスは、特に制限されるものではない。そのため、炭酸ガスが数体積％含まれる排ガスであっても、効率よく、炭酸ガスを処理できる。中でも、工場等から排出されるガスの一般性、下記に詳述するガス吸収工程の規模、炭酸アルカリの循環使用等を考慮すると、以下の組成範囲を満足するガスであることが好ましい。具体的には、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計を１００体積％とした場合、炭酸ガスが３〜４９．９体積％、窒素ガスが５０〜９５体積％、酸素ガスが０．１〜１０体積％であることが好ましく、炭酸ガスが３〜４５体積％、窒素ガスが５０〜８７体積％、酸素ガスが０．１〜１０体積％であることがより好ましく、炭酸ガスが１０〜４５体積％、窒素ガスが５０〜８０体積％、酸素ガスが０．１〜１０体積％であることがさらに好ましい。本発明の方法は、ある程度、炭酸ガスの濃度が高い排ガスを処理する方が効率的である。
なお、前記排ガスには、炭素ガス、窒素ガス、および酸素ガス以外のガス（その他ガス）が不可避的に混入される可能性がある。この場合、その他ガスが下記に詳述する各工程で悪影響を及ぼさなければ、その他のガスを除去せずにそのまま処理することができる。何らかの悪影響を及ぼすのであれば、予めその他のガスを除去した後、処理することもできる。前記排ガスに含まれるその他のガスは、炭素ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計１００体積部としたとき、その他のガスが１０体積部以下、好ましくは５体積部以下であれば、そのまま処理することができる。その他のガスの最も好適な割合は、０体積部である。その他のガスとしては、一酸化炭素ガス等が挙げられる。
本発明においては、前記排ガスを下記に詳述するガス吸収工程で処理することにより、該排ガスから炭酸ガスを吸収する。次に、ガス吸収工程について説明する。
＜ガス吸収工程＞
本発明において、ガス吸収工程は、前記排ガスと炭酸アルカリを含む水溶液とを接触させて、前記排ガスに含まれる炭酸ガスを炭酸アルカリと反応させる。そして、炭酸水素アルカリを製造して炭酸ガスを吸収する工程である。反応式で記載すると以下の通りである。次の式は、アルカリがカリウムである場合の例である。
Ｋ２ＣＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ → ２ＫＨＣＯ３
本発明において、比較的、炭酸ガスを多く含む排ガスから炭酸ガスを分離・除去するために、該ガス吸収工程において、炭酸アルカリを含む水溶液と該排ガスとを最初に接触させる。該排ガスは、比較的、炭酸ガスの割合が多いが、炭酸アルカリを含む水溶液と最初に接触させるため、温度制御等が容易となり、比較的、安定（一定）の割合で炭酸ガスを除去できる。
従来技術のように、先ず、水酸化アルカリの水溶液と排ガスとを接触させる方が炭酸ガスを吸収・分離する量が多くできる。しかしながら、逆に、水酸化アルカリの水溶液を使用すると、反応が急激に進み、条件等にもよるが、かなり発熱してしまう。さらには、反応により、炭酸ガスが吸収されて、水酸化アルカリが炭酸アルカリになると、急に、炭酸ガスの吸収量が低減してしまう。そのため、最初に、排ガスと水酸化アルカリの水溶液とを反応させる従来技術では、運転の制御が難しくなる場合があった。
これに対して、本発明は、前記の通り、排ガスと最初に炭酸アルカリを含む水溶液を接触させるため、従来技術と比較して、制御が容易となる。
本発明において、使用する炭酸アルカリは、特に制限されるものではなく、市販の物を使用することができる。具体的には、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムが挙げられる。中でも、水溶液中に溶解性が高く、効率よく炭酸ガスを分離・吸収できるという点で、炭酸カリウムを使用することが好ましい。炭酸ナトリウムを使用する場合、水に対する溶解度が低いため、炭酸ガスをより多く吸収するためには、水酸化ナトリウム水溶液に炭酸ガスを吸収させて炭酸ナトリウムを製造する工程を設けることが好ましい。一方、炭酸カリウムを使用する場合においても、水酸化カリウム水溶液に炭酸ガスを吸収させて炭酸カリウムを製造する工程を設けることもできる。ただし、炭酸カリウムは、炭酸ナトリウムの約３倍、水に対する溶解度が高いため、炭酸ナトリウムよりも効果的に炭酸ガスを分離・吸収できる。そのため、炭酸カリウムを使用した場合には、炭酸カリウム水溶液と前記排ガスとを接触させる工程から始めることが可能となる。
ガス吸収工程は、充填塔に炭酸アルカリを含む水溶液を充填しておき、そこに前記排ガスを該水溶液と接触させればよい。接触させる方法は、水溶液を充填した棚段塔であり、下段・中断より排ガス吹き込ませるバブリング方式である。吸収熱により反応速度が抑制される為、外冷却装置を含む吸収塔である。
また、ガス吸収工程において、連続式で反応を進める場合には、炭酸水素アルカリを抜き出すか、又は炭酸アルカリを追加することもできる。
さらに、ガス吸収工程における、炭酸アルカリを含む水溶液の炭酸アルカリの濃度は、特に制限されるものではない。中でも、操作性等を考慮すると、炭酸アルカリが１０〜６５質量％の濃度範囲となる水溶液を使用することが好ましい。より具体的には、炭酸ナトリウムの場合には、炭酸ナトリウムが１０〜３５質量％となる濃度の水溶液を使用することが好ましい。また、炭酸カリウムを使用した場合には、炭酸カリウムが１０〜６５質量％となる濃度の水溶液を使用することが好ましい。当然のことながら、上記濃度範囲とするために、水溶液を加熱することもできる。
なお、炭酸アルカリを含む水溶液には、水酸化アルカリおよび／又は炭酸水素アルカリが不可避的に混入される場合がある。水酸化アルカリは、炭酸アルカリを製造する際の原料であり、元来、炭酸アルカリに含まれる場合がある。一方、炭酸水素アルカリは、下記に詳述する分解工程で得られる炭酸アルカリを循環使用する際に、混入される場合がある。ただし、水酸化アルカリ、および炭酸水素アルカリとも、ガス吸収工程に悪影響は与えない。そのため、特に、工業的な循環を考慮した場合、下記に詳述する分解工程においては、比較的低い温度で分解する方が工場等の廃熱を利用し易いため、炭酸水素アルカリが炭酸アルカリを含む前記水溶液に含まれていてもよい。そのため、ガスを吸収させる前の炭酸アルカリを含む水溶液は、以下の範囲で水酸化アルカリおよび／又は炭酸水素アルカリを含むことが好ましい。
具体的には、ガスを吸収する前において、炭酸アルカリ１００質量部に対して、水酸化アルカリは１０質量部以下であることが好ましく、炭酸水素アルカリは１０質量部以下であることが好ましく、さらには、水酸化アルカリは３質量部以下であることが好ましく、炭酸水素アルカリは３質量部以下であることが好ましい。下限値は、水酸化アルカリ、および炭酸水素アルカリ共に０質量部である。
ただし、下記に詳述するが、工場廃熱が利用し易く、１５０℃未満の比較的低温で分解工程を行う場合には、循環して使用する炭酸アルカリを含む水溶液は、以下の組成であってもよい。すなわち、該水溶液は、炭酸アルカリ１００質量部に対して、炭酸水素アルカリを０質量部以上３００質量部以下含有することが好ましい。当然、循環使用する前（最初の状態）は、炭酸水素アルカリが０質量部であることが好ましい。循環使用する場合、廃熱の有効活用、および循環使用時の効率（時間短縮等）を向上するためには、該水溶液は、炭酸アルカリ１００質量部に対して、炭酸水素アルカリを３０質量部以上２４０質量部以下とすることが好ましく、４０質量部以上２２０質量部以下含有することがより好ましく、５０質量部以上２００質量部以下含有することがさらに好ましい。下記に詳述する循環工程から供給される炭酸アルカリを含む水溶液が上記範囲であればそのまま使用することもできるし、該水溶液に、必要に応じて、炭酸アルカリおよび／又は炭酸水素アルカリを追加することもできる。
本発明において、前記炭酸アルカリを含む水溶液と接触させる場合、前記排ガスと該水溶液とを接触させる条件は、装置の大きさ、装置の仕様、排ガス組成、および炭酸アルカリの濃度等によって最適条件が変るため、炭酸ガスが炭酸アルカリと十分に反応できる。
前記炭酸アルカリ水溶液と前記排ガスとを接触させる際の温度は、特に制限されるものではないが、炭酸ガスを十分に吸収させるためには１０℃以上７０℃以下の範囲が好ましく、２０℃以上６０℃以下の範囲がより好ましい。
前記炭酸アルカリを含む水溶液と接触させるその他の条件は、炭酸ガスが十分、分離・吸収できるように、適宜決定すればよい。
本発明においては、このガス吸収工程で使用する炭酸アルカリを含む水溶液には、アミン類を含むことができる。本発明において、このアミン類には、アンモニアが含まれる。具体的なアミン類は、アルカノールアミン、アルキルアミン、又はアンモニア等の公知の炭酸ガスの吸収に使用されるものが例示できる。これらアミン類を併用することにより、アミン類が炭酸ガスと反応して、水溶液に炭酸ガスを吸収するものと考えられる。さらには、炭酸ガスが水と反応し、イオンとなり易くなり、炭酸アルカリと反応し易くなるものと考えられる。その結果、短時間で炭酸ガスが吸収できるようになるものと考えられる。
これら効果を発揮するためには、上記のアミン類の中でも、炭酸ガスとの分離、入手のし易さ等も考慮すると、アンモニアを使用することが好ましい。特に、アンモニアソーダ法を利用する工場においては、アンモニアの入手も容易であり、また、アンモニアの回収先も確保できることになる。アンモニアを使用した場合には、炭酸アルカリが炭酸水素アルカリとなる際（ガスを吸収させる場合）、炭酸アンモニウム、および／又は炭酸水素アンモニウムとして存在している場合があるが、これら化合物は、炭酸水素アルカリを分解する際、炭酸ガスとアンモニアとに分離（分解）するため、悪影響を及ぼすことはない。
本発明において、アミン類を使用する場合には、効率よく炭酸ガスを吸収することができる。簡易的な操作で、かつその除去が容易なものとするためには、以下の範囲とすることが好ましい。すなわち、ガスを吸収する前において、炭酸アルカリを含む水溶液中に、炭酸アルカリ１モルに対して、アミン類を０．００１モル以上１モル以下配合することが好ましく、０．００５モル以上０．８モル以下配合することがより好ましく、０．０１モル以上０．５モル以下配合することが好ましい。アミン類の濃度が高くなれば、炭酸ガスの吸収は早くなる傾向にある。一方、アミン類の濃度が高くなり過ぎると、後処理が煩雑となったり、臭気の問題が生じるおそれがある。そのため、アミン類は、除去が容易であり、入手も、回収も、再利用も可能であるアンモニアを使用することが好ましい。上記の通り、特に、アンモニアソーダ法を利用する工場においては、アンモニアを使用することの利用価値が高くなる。
アミン類を使用する場合には、その都度、アミン類を、炭酸アルカリを含む水溶液に配合することができる。また、下記に詳述する炭酸ガス回収工程において、水と接触させた際、アミン類が水に溶解するため、このアミン類を含む水を、炭酸アルカリを含む前記水溶液と混合することにより、循環使用することもできる。また、下記に詳述するガス回収工程において、アミン類がその他ガスとともに回収される場合には、ガス吸収工程で処理したガスを、水と接触させて、アミン類を水に取り込ませることもできる。当然のことながら、このアミン類を含む水も循環使用できる。
なお、アミン類を使用した場合であっても、炭酸ガスを十分に吸収させるためには１０℃以上７０℃以下の温度範囲とすることが好ましく、２０℃以上６０℃以下の温度範囲とすることがより好ましい。
本発明において、ガスを吸収させた後には、炭酸アルカリを含む水溶液は、以下の構成となることが好ましい。すなわち、含まれる炭酸アルカリの４５質量％以上が炭酸水素アルカリとなることが好ましく、６０質量％以上が炭酸水素アルカリとなることがより好ましく、７０質量％以上が炭酸水素アルカリとなることがさらに好ましい。炭酸水素アルカリとなる割合の最も好ましい値の上限は１００質量％である。ただし、工業的な運転、回収を考慮すると、該上限値は、９９質量％であってもよい。炭酸アルカリが残存していたとしても悪影響を与えることはない。また、アミン類を使用した場合であっても、炭酸アルカリが炭酸水素アルカリとなる割合は、上記範囲が好ましい。この際、アミン類は、アミン類のまま（アンモニアの場合には、アンモニアのまま）、炭酸アミン類（アンモニアの場合には、炭酸アンモニウム）、および／又は炭酸水素アミン類（アンモニアの場合には、炭酸水素アンモニウム）として存在すればよい。
＜ガス回収工程＞
本発明において、ガス回収工程とは、前記ガス吸収工程で処理されたガス、すなわち、炭酸アルカリを含む水溶液と接触させた後のガスを回収するものである。該ガス回収工程は、特に制限されるものではなく、通常の回収設備を使用すればよい。
なお、前記の通り、アミン類を使用した場合には、このガス回収工程にアミン類を含むガスが回収される場合がある。この場合には、前記ガス吸収工程で処理されたガスと水とを接触させることにより、アミン類を水に溶解させて分離することもできる。このアミン類を含む水は、循環使用することができる。中でも、アンモニアを使用した場合には、循環使用の他、アンモニアソーダ法で使用する原料にすることもできる。処理されたガスと水との接触は、含まれるアミン類が十分に除去できるような条件で実施すればよい。
このガス回収工程で得られるガスは、炭酸ガスが低減されたガスとなる。そして、前記の通り、酸素ガスに対する窒素ガスの体積比（窒素ガス／酸素ガス）が１０／１〜１００／１の範囲にある排ガスを処理することにより、酸素ガスに対する窒素ガスの体積比（窒素ガス／酸素ガス）が１０／１〜１００／１の範囲のガスを得ることができる。中でも、酸素ガスに対する窒素ガスの体積比（窒素ガス／酸素ガス）を２０／１となるように、処理する排ガスの各成分を調製することが好ましい。
本発明において、このガス回収工程で得られるガスは、処理するガスの組成にもよるが、本発明によれば効率よく炭酸ガスを低減できるため、以下の組成のガスを得ることができる。具体的には、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計を１００体積％とした場合、炭酸ガスが０〜３０体積％、窒素ガスが６５〜９０体積％、酸素ガスが０．１〜１０体積％であることが好ましい。
当然のことながら、ガス回収工程で得られるガスは、炭酸ガスの割合が、処理前の排ガスよりも低下している。なお、このガス回収工程で得られたガスは、さらに炭酸ガスを低減するために、排ガスとして循環使用することもできる。また、他排ガスと混合した処理する排ガスとして循環使用できる。
前記ガス回収工程で得られる、窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスは、処理する排ガスの濃度を調整してやることにより、様々な用途に使用できる。ただし、各成分の純度がより高くなる、特に、窒素ガスの濃度をより高くし、かつ熱を有効利用するためには、以下の第一精製工程を実施することが好ましい。
＜第一精製工程＞
前記ガス回収工程で得られるガスは、そのまま回収して利用できるが、該ガスに含まれる酸素ガスをより低減するために、以下のような第一精製工程を採用ができる。なお、当然のことであるが、この第一精製工程は、一旦、前記ガス回収工程で回収したガスを処理することもできるが、ガス吸収工程で排出されるガスをそのまま処理することもできる。また、ガス回収工程後、下記に詳述する第二精製工程で処理したガスを、この第一精製工程で処理することもできる。
なお、アミン類を使用した場合には、この第一精製工程を実施する前に、アミン類を処理するガスから除去しておくことが好ましい。
前記ガス回収工程で回収したガス（ガス吸収工程で排出されるガスと同じ組成のガス）は、不活性のガスとしても使用できるため、以下の方法で容易に、かつ安全に酸素ガスを低減できる。つまり、ガス回収工程で得られるガスと水素とを混合し、白金触媒を用いて酸素ガスと水素ガスから水を製造することにより、高濃度の窒素ガスを得ることもできる。この得られた水は、窒素ガスに含まれる不純物を低減するのに利用することができる。
混合する水素ガスは、前記回収されたガスの酸素ガスの濃度に応じて、適宜決定すればよい。用いる白金触媒は、例えば、特許５３８９７５３号公報、特許６４３０７７２号公報等に記載されたものを使用できる。
この第一精製工程は、発熱反応である。処理するガスに含まれる酸素ガスの量にもよるが、高い発熱量を有する。反応自体は、白金触媒存在下、ガス回収工程で得られた窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスと、水素ガスとを５０〜４５０℃の温度となる範囲で接触させることが好ましい。そのため、この第一精製工程では、冷却する必要がある。この冷却する際に得られる熱を、下記に詳述する分解工程で使用することにより、熱の有効利用もできる。
その他の条件は、処理するガスに含まれる酸素ガスの量、白金触媒の活性維持という点を考慮し、適宜決定すればよい。そのため、この第一精製工程は、多段階で実施することもできる。
このような酸素ガス低減処理を施したガスは、そのまま高濃度の窒素ガスとして使用できる。さらには、酸素ガス低減処理を施した該ガスは、処理の対象となる排ガスとして、他排ガスと混合できる。そして、この混合した排ガスは、酸素ガスに対する窒素ガスの体積比（窒素ガス／酸素ガス）が１００／１〜１０００／１の範囲に調整できる。
なお、この第一精製工程のみを実施して得られるガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計を１００体積％とした場合、炭酸ガスが１〜３５体積％、窒素ガスが６５〜９９体積％、酸素ガスが０〜１体積％であることが好ましい。
また、第二精製工程後のガスをこの第一精製工程で処理した場合には、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計を１００体積％とした場合、炭酸ガスが０〜１体積％、窒素ガスが９９〜１００体積％、酸素ガスが０〜１体積％であることが好ましい。
このような高濃度の窒素ガスは、前記の用途に加え、窒化物等のセラミックス原料としても利用可能である。また、本発明によれば、高濃度の窒素ガスを得ることができるため、容易に液化することができ、物流においても有利となる。
本発明においては、以上の方法であっても十分に濃度の高い、窒素ガスを回収できる。中でも、より炭酸ガスを除去したものを製造する場合には、ガス回収工程で得られた、窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスを、以下の第二精製工程で処理することが好ましい。
なお、前記第一精製工程は、ガス回収工程で得られるガス（ガス吸収工程で排出されるガス）であればよく、下記に詳述する、第二精製工程を先に実施して得られるガスを前記第一精製工程で処理することもできる。
＜第二精製工程＞
本発明においては、より高度に炭酸ガスを除去するためには、前記第一精製工程を行う前の窒素ガスおよび酸素ガスを含むガス、又は前記第一精製工程後の窒素ガスおよび酸素ガスを含むガス（以下、まとめて単に「回収ガス」とする場合もある）と、アルカリ水溶液とを接触させる第二精製工程を実施することが好ましい。すなわち、該回収ガスを、水酸化アルカリを含む水溶液と接触させることが好ましい。接触させる方法等は、ガス吸収工程と同じ方法を採用できる。
なお、前記ガス回収工程においてアミン類を使用して、かつ、第一精製工程を行う前の窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスをこの第二精製工程で処理する場合には、予め、アミン類を水により除去した回収ガスであってもよいし、アミン類を含む回収ガスであってもよい。工程をより簡略化するためには、アミン類を含む回収ガスをそのまま処理することが好ましい。
本発明においては、前記水酸化アルカリは、水酸化ナトリウム、及び／又は水酸化カリウムであることが好ましい。該水溶液の水酸化アルカリの濃度は、１０〜４８質量％であることが好ましい。また、該回収ガスと水酸化アルカリを含む水溶液とを接触させる際の温度は、１０℃〜７０℃の温度範囲とすることが好ましく、２０℃〜６０℃の温度範囲とすることがより好ましい。
本発明においては、排ガスからある程度炭酸ガスを分離・除去した回収ガスを、水酸化アルカリを含む水溶液と接触させる。すなわち、炭酸ガスの濃度が低減されているため、反応速度が速く、発熱反応である、水酸化アルカリの水溶液と炭酸ガスとの反応であっても、容易に、安全に制御できる。従来の技術とは、この点においても相違している。
この第二精製工程において、水酸化アルカリと反応して得られる炭酸アルカリは、製品と抜き出すこともできし、ガス吸収工程に循環することもできる。また、炭酸アルカリをそのまま炭酸ガスと反応させて、炭酸水素アルカリの製品として抜き出すこともできるし、下記に詳述する分解工程で処理することもできる。さらに、アミン類を含む場合であっても、循環使用できる。
第二精製工程で得られるガスは、処理するガスの組成にもよるが、本発明によれば効率よく炭酸ガスを低減できるため、以下の組成のものを得ることができる。具体的には、第一精製工程後に得られる窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスを処理した場合には、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計を１００体積％とした場合、炭酸ガスが０〜１体積％、窒素ガスが９９〜１００体積％、酸素ガスが０〜１体積％であることが好ましい。
また、第一精製工程を行う前のガス回収工程から得られるガスを第二精製工程で処理した場合には、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計を１００体積％とした場合、炭酸ガスが０〜１体積％、窒素ガスが９０〜９９．５体積％、酸素ガスが０．５〜１０体積％であることが好ましい。
当然のことながら、回収ガス精製工程で得られるガスは、炭酸ガスの割合が、ガス回収工程で得られる回収ガスよりも低下している。
なお、前記第一精製工程で説明したが、第一精製工程、および第二精製工程は、何れか一方の実施だけであってもよい。また、両工程を実施する場合には、どちらを先に実施してもよい。より高純度な窒素ガスを得るためには、両工程を実施することが好ましい。
＜分解工程＞
次に、分解工程について説明する。
本発明において、分解工程とは、前記ガス吸収工程で得られた炭酸水素アルカリを少なくとも一部を、炭酸アルカリおよび炭酸ガスに分解する工程である。アルカリがカリウムである場合の反応式を示すと、以下の通りとなる。
２ＫＨＣＯ３ → Ｋ２ＣＯ３＋ ＣＯ２ ＋ Ｈ２Ｏ
この分解工程においては、炭酸水素アルカリから炭酸ガスを回収した溶液（炭酸アルカリを含む水溶液）とする。該分解には、工場等の廃熱で加熱して炭酸ガスを回収し、その一方で、得られた炭酸アルカリを循環工程に供給するものである。
本発明において、分解工程で分解する炭酸水素アルカリは、前記ガス吸収工程で得られた炭酸水素アルカリの少なくとも一部である。炭酸ガスを効率よく回収するためには、前記ガス吸収工程で得られた炭酸水素アルカリの全量を分解することが好ましい。ただし、仮に全量の炭酸水素アルカリが分解されずに、下記に詳述する循環工程で炭酸アルカリと共にガス吸収工程に供されたとしても、悪影響は生じない。そのため、この分解工程で分解する炭酸水素アルカリの量は、ガス吸収工程で製造した全炭酸水素アルカリに対して、５０質量％以上が分解されることが好ましく、さらには７０質量％以上が分解されることが好ましい。なお、前記の通り、最も好適には、１００質量％の炭酸水素アルカリが分解されることである。
分解工程で分解する炭酸水素アルカリは、ガス吸収工程で得られた炭酸水素アルカリを一旦固体として取出し、得られた固体の炭酸水素アルカリを分解できる。固体の炭酸水素アルカリを分解する場合には、分解工程で使用する装置を縮小化できる。また、炭酸水素アルカリの一部が溶解し、一部が固体として存在するスラリー状態のものを分解できる。さらには、炭酸水素アルカリを含む水溶液のものを分解できる。中でも、操作性・炭酸ガスの回収率等を考慮すると、スラリー又は水溶液であることが好ましい。
炭酸水素アルカリがスラリー、又は水溶液の状態で分解される場合、炭酸水素アルカリの濃度は、特に制限されるものではない。中でも、操作性等を考慮すると、炭酸水素アルカリが５〜４５質量％の濃度範囲となるスラリー又は水溶液を使用することが好ましい。より具体的には、炭酸水素ナトリウムの場合には、炭酸水素ナトリウムが５〜２５質量％となる濃度のスラリー又は水溶液を使用することが好ましい。また、炭酸水素カリウムを使用した場合には、炭酸水素カリウムが２５〜４５質量％となる濃度のスラリー又は水溶液を使用することが好ましい。中でも、炭酸水素カリウムは、水に対する溶解度が高いため、２５〜５５質量％となる濃度のスラリー又は水溶液であっても、十分に処理できる。
本発明において、分解に供する水溶液は、前記のガス回収工程において、炭酸アルカリを含む水溶液から炭酸水素アルカリを含む水溶液となったものである。そのため、ガス回収工程で使用した水溶液に含まれる炭酸アルカリの４５質量％以上が炭酸水素アルカリとなっているものが好ましく、６０質量％以上が炭酸水素アルカリとなっているものがより好ましく、７０質量％以上が炭酸水素アルカリとなっているものがさらに好ましい。炭酸水素アルカリとなる割合の最も好ましい値の上限は１００質量％である。ただし、工業的な運転、回収を考慮すると、該上限値は、９９質量％であってもよい。炭酸アルカリが残存していたとしても悪影響を与えることはない。また、アミン類を使用した場合であっても、上記範囲が好ましい。この際、アミン類は、アミン類のまま、炭酸アミン類および／又は炭酸水素アミン類として存在すればよい。
そのため、分解に供する炭酸水素アルカリには、水酸化アルカリおよび／又は炭酸アルカリが混入される場合がある。水酸化アルカリは、炭酸アルカリを製造する際の原料由来のものである。炭酸アルカリは、前記の通り、ガス吸収工程で炭酸ガスと反応せずに残ったものである。ただし、水酸化アルカリ、および炭酸アルカリとも、分解工程で悪影響は与えない。そのため、分解工程において、炭酸水素アルカリに含まれるこれら不純物は、炭酸水素アルカリ１００質量部に対して、水酸化アルカリは１０質量部以下であることが好ましく、さらには、水酸化アルカリは３質量部以下であることが好ましい。下限値は、水酸化アルカリ０質量部である。一方、炭酸水素アルカリ１００質量部に対して、炭酸アルカリは８５質量部以下であることが好ましく、４５質量部以下であることがより好ましく、３０質量部以下であることがさらに好ましい。下限値は、炭酸アルカリ０質量部である。ただし、工業的な運転、回収を考慮すると、炭酸水素アルカリ１００質量部に対して、炭酸アルカリは１質量部以上であることが好ましい。さらに、分解に供する炭酸水素アルカリは、前記の通り、アミン類を使用した場合には、アミン類のまま、炭酸アミン類および／又は炭酸水素アミン類として存在してもよい。
本発明では、前記炭酸水素アルカリを分解する場合、固体の炭酸水素アルカリを分解するためには、固体を拡散・分散させながら、加熱してやればよい。そして、系内の温度を該炭酸水素アルカリが分解する温度とすればよい。また、スラリー状態ものを攪拌、加熱しながら該炭酸アルカリが分解する温度とすればよい。
炭酸水素アルカリを分解する温度は、５０〜２００℃であることが好ましく、１００〜１８０℃がより好ましく、さらに１２０〜１７０℃が好ましい。この温度範囲であれば、炭酸水素アルカリを分解することができ、炭酸ガスの回収、および炭酸アルカリの循環使用が容易となる。この場合、加圧下、具体的には、０〜９Ｋｇ／ｃｍ２Ｇの加圧下で、５０〜２００℃の温度範囲とすることが好ましく、１００〜１８０℃の温度とすることがより好ましい。
なお、この炭酸水素アルカリの分解に要する熱は、前記第一精製工程で発する熱を利用できる。すなわち、第一精製工程の精製あるいは中間ガスは反応熱よって高温化され、その熱源を直接分解工程の熱交換器に送り炭酸水素アルカリを分解する熱源として回収する。
＜高温での分解＞
中でも、１３０℃を超え２００℃以下、好ましくは１２０℃以上１８０℃以下、さらに好ましくは１２０℃以上１７０℃以下の温度範囲で分解した場合には、分解後に得られる水溶液は、炭酸アルカリ１００質量部に対して、水酸化アルカリは１０質量部以下であることが好ましく、および炭酸水素アルカリは１０質量部以下であることが好ましい。さらには、水酸化アルカリは３質量部以下であることが好ましく、および炭酸水素アルカリは３質量部以下であることが好ましい。下限値は、水酸化アルカリ、および炭酸水素アルカリ共に０質量部である。
＜低温での分解＞
当然のことながら、この分解は、必ずしも第一精製工程の熱を利用しなくても実施できる。例えば、他の工場等が近隣で稼働しているのであれば、そこからの熱も利用できる。工業的な運転、回収、および工場廃熱を有効利用するためには、比較的低温での分解を実施することが好ましい。この場合、５０℃以上１２０℃未満の温度範囲で炭酸水素アルカリを分解することが好ましく、７０℃以上１２０℃未満の温度範囲で分解することがより好ましく、８０℃以上１１０℃以下の温度範囲で分解することが好ましい。このような比較的低温で炭酸水素アルカリの分解を行った場合には、分解後には、炭酸アルカリと炭酸水素アルカリとは以下の割合で存在する水溶液となることが好ましい。すなわち、循環工程により、ガス吸収工程へ循環される炭酸アルカリを含む水溶液は、以下の組成であってもよい。具体的には、炭酸アルカリ１００質量部に対して、炭酸水素アルカリは、０質量部以上３００質量部未満とすることが好ましく、３０質量部以上２４０質量部以下とすることが好ましく、４０質量部以上２２０質量部以下とすることがより好ましく、５０質量部以上２００質量部以下とすることがさらに好ましい。
また、アミン類を使用した場合には、この分解工程において、一部はアミン類と、炭酸ガスとに分解するため、回収することができる。
本発明において、前記炭酸水素アルカリを分解させるその他の条件は、炭酸水素アルカリが分解できるように適宜決定すればよい。
すなわち、本発明によれば、この分解工程で得られるガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計を１００体積％とした場合、炭酸ガスが９８〜１００体積％、窒素ガスが０〜１．５体積％、酸素ガスが０〜０．５体積％であることが好ましく、さらに、炭酸ガスが１００体積％、窒素ガスが０体積％、酸素ガスが０体積％であること最も好ましい。
以上の分解工程を実施することにより、炭酸アルカリと炭酸ガスとを製造できる。
＜循環工程＞
次に、得られた炭酸アルカリを循環使用する循環工程について説明する。
循環工程は、前記分解工程で得られた炭酸アルカリを、前記ガス吸収工程へ循環する工程である。
ここで循環する炭酸アルカリは、固体、スラリー、および水溶液の状態何れであってもよい。固体の場合、装置の縮小化が可能となる。スラリー、および水溶液の状態であれば、容易に循環することができる。
前記ガス吸収工程へ循環する炭酸アルカリは、炭酸アルカリ以外に、水酸化アルカリ、および／又は炭酸水素アルカリが含まれていてもよい。水酸化アルカリは、当初から存在する原料由来のものと考えられる。炭酸水素アルカリは、分解工程で分解されずに残ったものである。ただし、水酸化アルカリ、および炭酸水素アルカリとも、ガス吸収工程で悪影響は与えない。そのため、循環工程においては、前記分解工程において、高温で分解、低温で分解の項で説明した炭酸アルカリ、水酸化アルカリ、および炭酸水素アルカリをそれぞれ含む水溶液をガス吸収工程へ循環すればよい。アミン類を使用した場合には、水溶液に含まれるアミン類をそのまま循環使用すればよい。
循環工程からガス吸収工程に炭酸アルカリが循環されるに際し、ガス吸収工程における炭酸アルカリの濃度が一定となるように、その濃度を調整し循環させることが好ましい。この場合、必要に応じて、炭酸アルカリを追加することもできるし、必要に応じて、アミン類を追加することもできる。
＜炭酸ガス回収工程＞
次に、炭酸ガス回収工程について説明する。
炭酸ガス回収工程は、前記分解工程で得られた炭酸ガスを回収する方法であり、該分解工程で排出された炭酸ガスを含むガスと水溶液、好ましくは水とを接触させた後、炭酸ガスを回収する工程である。
分解工程において排出される炭酸ガスは、一度、水溶液と接触させた後、回収することが好ましい。特に、該水溶液は、水であることが好ましく、例えば、一般的に工場で使用する工業用水を用いることもできる。本発明においては、ガス吸収工程において、炭酸アルカリを含む水溶液を使用する。そのため、どうしても炭酸水素アルカリを分解して炭酸ガスを回収する際に、水を含む状態で回収されるが場合ある。特に、分解工程において、炭酸水素アルカリのスラリー又は水溶液を使用した場合には、水と一緒に炭酸ガスが回収させる。従来の方法においては、水蒸気ストリッピング法で該水溶液に含まれるガス成分を回収していたが、この方法ではより一層、ガス中に水分が含まれることになる。これに対して、分解工程で得られたガス（炭酸ガスを主成分とするガス）を一旦、水と接触させることにより、乾燥した炭酸ガスを容易に得ることができる。
加えて、この工程において、分解工程において排出される炭酸ガスと水溶液とを接触させることにより、アミン類を使用した場合において、容易に該アミン類と炭酸ガスを含むガスとを分離できる。すなわち、炭酸ガス等と比較して、アミン類は水に溶解し易いため、容易に分離できる。分離したアミン類を含む水は、循環使用することができる。
分解工程で排出された炭酸ガスを含むガスと水溶液との接触方法は、特に制限されるものではない。具体的には、飽和水蒸気を含む炭酸ガスと冷却水を直接混合させ炭酸ガスを冷却することで乾燥した炭酸ガスを得る。接触時の水溶液の温度も、特に制限されるものではなく、１０〜４０℃であることが好ましい。さらに、接触時の条件は、水溶液１Ｌ当たり、１０００Ｌ／時間〜２０００Ｌ時間、より具体的には１６００Ｌ／時間程度の炭酸ガスを含むガスを供給することが好ましい。
このような方法により得られた炭酸ガスは、条件を調整すれば、炭酸ガス１００質量部としたとき、水分量が１０質量部以下とすることができる。最も好適な水分量は０質量部である。
また、炭酸ガス回収工程で得られるガスは、分解工程で得られる組成のものと同じであり、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計を１００体積％とした場合、炭酸ガスが９８〜１００体積％、窒素ガスが０〜１．５体積％、酸素ガスが０〜０．５体積％であることが好ましく、さらに、炭酸ガスが１００体積％、窒素ガスが０体積％、酸素ガスが０体積％であること最も好ましい
本発明によれば、高純度の炭酸ガスを得ることができる。そして、得られた炭酸ガスは、有機高分子、メタノール・エタノール等のアルコール等の原料として使用できる。また、ドライアイス等にも使用することができ、工業的利用価値が高い。また、本発明によれば、高濃度の炭酸ガスを得ることができるため、容易に液化することができ、物流においても有利となる。
なお、本発明において、排ガスを排出する工場が、炭酸ガスを原料とする製品の製造手段を有する場合、以下のように炭酸ガスを循環使用することにより、一工場内で炭酸ガスを排出しないこともできる。つまり、該工場において、例えば、炭酸アルカリ・炭酸水素アルカリ（炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム）等の製造手段、又はアンモニアソーダ法を用いる製造手段を有する工場においては、炭酸ガス回収工程から得られる炭酸ガスを、該製造手段の原料として使用することにより、一工場内で炭酸ガスを排出しないようにすることもできる。なお、当然のことながら、該工場において、炭酸アルカリ・炭酸水素アルカリ製造手段、アンモニアソーダ法を利用する製造手段から排出される排ガスであってもよいし、その他の製造手段から排出される排ガスであってもよい。
次に、実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明は本実施例に限定されるものではない。以下の実施例及び比較例において、評価方法等は、以下のとおりである。
＜実施例１＞
ガス吸収工程；
炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス４２．５体積％、窒素ガス５７体積％および酸素ガス０．５体積％を含む組成に調整した排ガスを６０，０００ｃｍ３／時間の供給量で、炭酸カリウムの濃度が６０質量％の水溶液に供給した。この時、炭酸カリウム水溶液の温度（反応温度）は７０℃であり、該水溶液は攪拌を続けた。
１時間、排ガスを供給した後、得られた水溶液を分解工程（第一精製工程）へ移行させた。
ガス回収工程；
前記ガス吸収工程において、炭酸カリウム水溶液と接触した後に排出されたガスを回収したところ、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス２６体積％、窒素ガス７３．４体積％、および酸素ガス０．６体積％であった。
第二精製工程；
前記ガス回収工程で得られたガスを、水酸化カリウムが１０質量％濃度の水溶液（該水溶液の温度は４０℃とした）と、６０，０００ｃｍ３／時間の供給量で接触させた。
接触後のガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．１体積％、および酸素ガス０．９体積％であった。
第一精製工程；
第二精製工程で得られたガスを６０，０００ｃｍ３／時間の供給量、および水素ガスを４２００ｃｍ３／時間の供給量で混合し、白金触媒存在下で４２０℃の温度で両者を接触混合させた。この第一精製工程から排出されたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．９体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。
分解工程；
第一精製工程の反応は発熱反応であり、冷却媒体として、前記ガス吸収工程で得られた炭酸水素カリウムを含む水溶液を使用した。そして、冷却を行うと同時に分解工程を実施した。分解時の該水溶液の温度も１５０℃となるように、加圧下で循環させた。
得られた水溶液を確認したところ、炭酸カリウムの水溶液となっていることが分かった。さらに、分解工程で排出されたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９９．４体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。
循環工程；
分解工程で得られた炭酸カリウムの水溶液を前記ガス吸収工程へ循環させた。
炭酸ガス回収工程；
分解工程で排出されたガスを、水と接触させた。最終的に得られたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９９．４体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。そして、このガスの水分量は、炭酸ガスの質量を１００質量部としたとき、７．２質量部であった。
得られたガスは、炭酸ガス濃度が高く、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウムの製造に効率的に利用できる。
＜実施例２＞
ガス吸収工程；
炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス４２．５体積％、窒素ガス５７体積％および酸素ガス０．５体積％を含む組成に調整した排ガスを２６，０００ｃｍ３／時間の供給量で、炭酸カリウムの濃度が１７．５質量％の水溶液に供給した。この時、炭酸カリウム水溶液の温度は２５℃であり、該水溶液は攪拌を続けた。
５０分間、排ガスを供給した後、得られた水溶液を分解工程（第一精製工程）へ移行させた。
ガス回収工程；
前記ガス吸収工程において、炭酸カリウム水溶液と接触した後に排出されたガスを回収したところ、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス２６体積％、窒素ガス７３．４体積％、および酸素ガス０．６体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
第二精製工程；
前記ガス回収工程で得られたガスを、水酸化カリウムが１０質量％濃度の水溶液（該水溶液の温度は４０℃とした）と、６０，０００ｃｍ３／時間の供給量で接触させた。
接触後のガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．１体積％、および酸素ガス０．９体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
第一精製工程；
第二精製工程で得られたガスを６０，０００ｃｍ３／時間の供給量、および水素ガスを４２００ｃｍ３／時間の供給量で混合し、白金触媒存在下で４２０℃の温度で両者を接触させた。この第一精製工程から排出されたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．９体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
分解工程；
ガス吸収工程で得られた水溶液を常圧下で１００℃に加熱した。該水溶液は攪拌を続けた。
得られた水溶液を確認したところ、炭酸カリウム１０質量％、炭酸水素カリウム１０質量％の水溶液となっていることが分かった。さらに、分解工程で排出されたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９９．４体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
循環工程；
分解工程で得られた炭酸カリウムを含む水溶液を前記ガス吸収工程へ循環させた。
炭酸ガス回収工程；
分解工程で排出されたガスを、水と接触させた。最終的に得られたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９９．４体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。そして、このガスの水分量は、炭酸ガスの質量を１００質量部としたとき、７．２質量部であった。実施例１と同等の結果であった。
＜実施例３＞
ガス吸収工程；
炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス４２．５体積％、窒素ガス５７体積％および酸素ガス０．５体積％を含む組成に調整した排ガスを２６，０００ｃｍ３／時間の供給量で、炭酸カリウム１０質量％、炭酸水素カリウム１０質量％の水溶液に供給した。この時、水溶液の温度は２５℃であり、該水溶液は攪拌を続けた。
３０分間、排ガスを供給した後、得られた水溶液を分解工程へ移行させた。
ガス回収工程；
前記ガス吸収工程において、炭酸カリウムを含む水溶液と接触した後に排出されたガスを回収したところ、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス２６体積％、窒素ガス７３．４体積％、および酸素ガス０．６体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
第二精製工程；
前記ガス回収工程で得られたガスを、水酸化カリウムが１０質量％濃度の水溶液（該水溶液の温度は４０℃とした）と、６０，０００ｃｍ３／時間の供給量で接触させた。
接触後のガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．１体積％、および酸素ガス０．９体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
第一精製工程；
第二精製工程で得られたガスを６０，０００ｃｍ３／時間の供給量、および水素ガスを４２００ｃｍ３／時間の供給量で混合し、白金触媒存在下で４２０℃の温度で両者を接触させた。この第一精製工程から排出されたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．９体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
分解工程；
ガス吸収工程で得られた水溶液を常圧下で１００℃に加熱した。該水溶液は攪拌を続けた。
得られた水溶液を確認したところ、炭酸カリウム１０質量％、炭酸水素カリウム１０質量％の水溶液となっていることが分かった。さらに、分解工程で排出されたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９９．４体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
循環工程；
分解工程で得られた炭酸カリウムを含む水溶液を前記ガス吸収工程へ循環させた。
炭酸ガス回収工程；
分解工程で排出されたガスを、水と接触させた。最終的に得られたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９９．４体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。そして、このガスの水分量は、炭酸ガスの質量を１００質量部としたとき、７．２質量部であった。実施例１と同等の結果であった。
＜実施例４＞
ガス吸収工程；
炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス４２．５体積％、窒素ガス５７体積％および酸素ガス０．５体積％を含む組成に調整した排ガスを２６，０００ｃｍ３／時間の供給量で、炭酸カリウム１７．５質量％、アンモニア０．２質量％（炭酸カリウム１モルに対してアンモニア０．０９３モル）の水溶液に供給した。この時、水溶液の温度は２５℃であり、該水溶液は攪拌を続けた。
４０分間、排ガスを供給した。得られた水溶液を分解工程へ移行させた。
ガス回収工程；
前記ガス吸収工程において、炭酸カリウム水溶液を含む水溶液と接触した後に排出されたガスを回収したところ、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス２０．３体積％、窒素ガス７９．０体積％、および酸素ガス０．７体積％であった。また、アンモニアが若干含まれていた。
水との接触；
前記ガス回収工程で排出されたガスを水２ｌと接触させた。得られたガスには、アンモニアが含まれておらず、炭酸ガス２０．３体積％、窒素ガス７９．０体積％、および酸素ガス０．７体積％であった。
第二精製工程；
前記水との接触で得られたガスを、水酸化カリウムが１０質量％濃度の水溶液（該水溶液の温度は４０℃とした）と、６０，０００ｃｍ３／時間の供給量で接触させた。
接触後のガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．１体積％、および酸素ガス０．９体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
第一精製工程；
第二精製工程で得られたガスを６０，０００ｃｍ３／時間の供給量、および水素ガスを４２００ｃｍ３／時間の供給量で混合し、白金触媒存在下で４２０℃の温度で両者を接触させた。この第一精製工程から排出されたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．９体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
分解工程；
ガス吸収工程で得られた水溶液を常圧下で１００℃に加熱した。該水溶液は攪拌を続けた。
得られた水溶液を確認したところ、炭酸カリウム１０質量％、炭酸水素カリウム１０質量％、アンモニア０．１質量％の水溶液となっていることが分かった。さらに、分解工程で排出されたガスは、炭酸ガス、アンモニア、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９５．８体積％、アンモニア３．６体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。
循環工程；
分解工程で得られた炭酸カリウムを含む水溶液を前記ガス吸収工程へ循環させた。
炭酸ガス回収工程；
分解工程で排出されたガスを、水と接触させた。最終的に得られたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９９．４体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。そして、このガスの水分量は、炭酸ガスの質量を１００質量部としたとき、７．２質量部であった。実施例１と同等の結果であった。
＜実施例５＞
ガス吸収工程；
炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス４２．５体積％、窒素ガス５７体積％および酸素ガス０．５体積％を含む組成に調整した排ガスを２６，０００ｃｍ３／時間の供給量で、炭酸ナトリウムの濃度が１４質量％の水溶液に供給した。この時、炭酸ナトリウム水溶液の温度は２５℃であり、該水溶液は攪拌を続けた。
７０分間、排ガスを供給した。得られた水溶液を分解工程へ移行させた。
ガス回収工程；
前記ガス吸収工程において、炭酸ナトリウム水溶液と接触した後に排出されたガスを回収したところ、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス３１．６体積％、窒素ガス６７．８体積％、および酸素ガス０．６体積％であった。
第二精製工程；
前記ガス回収工程で得られたガスを、水酸化カリウムが１０質量％濃度の水溶液（該水溶液の温度は４０℃とした）と、６０，０００ｃｍ３／時間の供給量で接触させた。
接触後のガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．１体積％、および酸素ガス０．９体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
第一精製工程；
第二精製工程で得られたガスを６０，０００ｃｍ３／時間の供給量、および水素ガスを４２００ｃｍ３／時間の供給量で混合し、白金触媒存在下で４２０℃の温度で両者を接触させた。この第一精製工程から排出されたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．９体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
分解工程；
ガス吸収工程で得られた水溶液（一部、炭酸水素ナトリウムと見られる固形分が存在した）を常圧下で１００℃に加熱した。該水溶液は攪拌を続けた。
得られた水溶液を確認したところ、炭酸ナトリウム９質量％、炭酸水素ナトリウム７質量％の水溶液となっていることが分かった。さらに、分解工程で排出されたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９９．４体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
循環工程；
分解工程で得られた炭酸ナトリウムを含む水溶液を前記ガス吸収工程へ循環させた。
炭酸ガス回収工程；
分解工程で排出されたガスを、水と接触させた。最終的に得られたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９９．４体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。そして、このガスの水分量は、炭酸ガスの質量を１００質量部としたとき、７．２質量部であった。実施例１と同等の結果であった。
＜実施例６＞
ガス吸収工程；
炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス８．０体積％、窒素ガス９１．５体積％および酸素ガス０．５体積％を含む組成に調整した排ガスを１３８，１２５ｃｍ３／時間の供給量で、炭酸カリウムの濃度が１７．５質量％の水溶液に供給した。この時、炭酸カリウム水溶液の温度は２５℃であり、該水溶液は攪拌を続けた。
１２５分間、排ガスを供給した後、得られた水溶液を分解工程（第一精製工程）へ移行させた。
ガス回収工程；
前記ガス吸収工程において、炭酸カリウム水溶液と接触した後に排出されたガスを回収したところ、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス６．４体積％、窒素ガス９３．１体積％、および酸素ガス０．５体積％であった。
第二精製工程；
前記ガス回収工程で得られたガスを、水酸化カリウムが１０質量％濃度の水溶液（該水溶液の温度は４０℃とした）と、６０，０００ｃｍ３／時間の供給量で接触させた。
接触後のガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．１体積％、および酸素ガス０．９体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
第一精製工程；
第二精製工程で得られたガスを６０，０００ｃｍ３／時間の供給量、および水素ガスを４２００ｃｍ３／時間の供給量で混合し、白金触媒存在下で４２０℃の温度で両者を接触させた。この第一精製工程から排出されたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．９体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
分解工程；
ガス吸収工程で得られた水溶液を常圧下で１００℃に加熱した。該水溶液は攪拌を続けた。
得られた水溶液を確認したところ、炭酸カリウム１０質量％、炭酸水素カリウム１０質量％の水溶液となっていることが分かった。さらに、分解工程で排出されたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９９．４体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
循環工程；
分解工程で得られた炭酸カリウムを含む水溶液を前記ガス吸収工程へ循環させた。
炭酸ガス回収工程；
分解工程で排出されたガスを、水と接触させた。最終的に得られたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９９．４体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。そして、このガスの水分量は、炭酸ガスの質量を１００質量部としたとき、７．２質量部であった。実施例１と同等の結果であった。
＜実施例７＞
ガス吸収工程；
炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス４２．５体積％、窒素ガス５７体積％および酸素ガス０．５体積％を含む組成に調整した排ガスを２６，０００ｃｍ３／時間の供給量で、炭酸カリウム１７．５質量％、アンモニア０．０４質量％（炭酸カリウム１モルに対してアンモニア０．０１９モル）の水溶液に供給した。この時、水溶液の温度は２５℃であり、該水溶液は攪拌を続けた。
４５分間、排ガスを供給した。得られた水溶液を分解工程へ移行させた。
ガス回収工程；
前記ガス吸収工程において、炭酸カリウム水溶液を含む水溶液と接触した後に排出されたガスを回収したところ、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス２３．５体積％、窒素ガス７５．８体積％、および酸素ガス０．７体積％であった。また、アンモニアが若干含まれていた。
水との接触；
前記ガス回収工程で排出されたガスを水２ｌと接触させた。得られたガスには、アンモニアが含まれておらず、炭酸ガス２３．５体積％、窒素ガス７５．８体積％、および酸素ガス０．７体積％であった。
第二精製工程；
前記水との接触で得られたガスを、水酸化カリウムが１０質量％濃度の水溶液（該水溶液の温度は４０℃とした）と、６０，０００ｃｍ３／時間の供給量で接触させた。
接触後のガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．１体積％、および酸素ガス０．９体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
第一精製工程；
第二精製工程で得られたガスを６０，０００ｃｍ３／時間の供給量、および水素ガスを４２００ｃｍ３／時間の供給量で混合し、白金触媒存在下で４２０℃の温度で両者を接触させた。この第一精製工程から排出されたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．９体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
分解工程；
ガス吸収工程で得られた水溶液を常圧下で１００℃に加熱した。該水溶液は攪拌を続けた。
得られた水溶液を確認したところ、炭酸カリウム１０質量％、炭酸水素カリウム１０質量％、アンモニア０．０２質量％の水溶液となっていることが分かった。さらに、分解工程で排出されたガスは、炭酸ガス、アンモニア、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９８．４体積％、アンモニア1．０体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。
循環工程；
分解工程で得られた炭酸カリウムを含む水溶液を前記ガス吸収工程へ循環させた。
炭酸ガス回収工程；
分解工程で排出されたガスを、水と接触させた。最終的に得られたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９９．４体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。そして、このガスの水分量は、炭酸ガスの質量を１００質量部としたとき、７．２質量部であった。実施例１と同等の結果であった。
＜実施例８＞
ガス吸収工程；
炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス４２．５体積％、窒素ガス５７体積％および酸素ガス０．５体積％を含む組成に調整した排ガスを２６，０００ｃｍ３／時間の供給量で、炭酸カリウム１７．５質量％、アンモニア０．４質量％（炭酸カリウム１モルに対してアンモニア０．１８５モル）の水溶液に供給した。この時、水溶液の温度は２５℃であり、該水溶液は攪拌を続けた。
３５分間、排ガスを供給した。得られた水溶液を分解工程へ移行させた。
ガス回収工程；
前記ガス吸収工程において、炭酸カリウム水溶液を含む水溶液と接触した後に排出されたガスを回収したところ、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス１５．６体積％、窒素ガス８３．７体積％、および酸素ガス０．７体積％であった。また、アンモニアが若干含まれていた。
水との接触；
前記ガス回収工程で排出されたガスを水２ｌと接触させた。得られたガスには、アンモニアが含まれておらず、炭酸ガス１５．６体積％、窒素ガス８３．７体積％、および酸素ガス０．７体積％であった。
第二精製工程；
前記水との接触で得られたガスを、水酸化カリウムが１０質量％濃度の水溶液（該水溶液の温度は４０℃とした）と、６０，０００ｃｍ３／時間の供給量で接触させた。
接触後のガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．１体積％、および酸素ガス０．９体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
第一精製工程；
第二精製工程で得られたガスを６０，０００ｃｍ３／時間の供給量、および水素ガスを４２００ｃｍ３／時間の供給量で混合し、白金触媒存在下で４２０℃の温度で両者を接触させた。この第一精製工程から排出されたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．９体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
分解工程；
ガス吸収工程で得られた水溶液を常圧下で１００℃に加熱した。該水溶液は攪拌を続けた。
得られた水溶液を確認したところ、炭酸カリウム１０質量％、炭酸水素カリウム１０質量％、アンモニア０．２質量％の水溶液となっていることが分かった。さらに、分解工程で排出されたガスは、炭酸ガス、アンモニア、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９０．４体積％、アンモニア９．０体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。
循環工程；
分解工程で得られた炭酸カリウムを含む水溶液を前記ガス吸収工程へ循環させた。
炭酸ガス回収工程；
分解工程で排出されたガスを、水と接触させた。最終的に得られたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９９．４体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。そして、このガスの水分量は、炭酸ガスの質量を１００質量部としたとき、７．２質量部であった。実施例１と同等の結果であった。
＜実施例９＞
ガス吸収工程；
炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス４２．５体積％、窒素ガス５７体積％および酸素ガス０．５体積％を含む組成に調整した排ガスを２６，０００ｃｍ３／時間の供給量で、炭酸カリウム１７．５質量％、アンモニア２．０質量％（炭酸カリウム１モルに対してアンモニア０．９２７モル）の水溶液に供給した。この時、水溶液の温度は２５℃であり、該水溶液は攪拌を続けた。
３０分間、排ガスを供給した。得られた水溶液を分解工程へ移行させた。
ガス回収工程；
前記ガス吸収工程において、炭酸カリウム水溶液を含む水溶液と接触した後に排出されたガスを回収したところ、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス８．５体積％、窒素ガス９０．７体積％、および酸素ガス０．８体積％であった。また、アンモニアが若干含まれていた。
水との接触；
前記ガス回収工程で排出されたガスを水２ｌと接触させた。得られたガスには、アンモニアが含まれておらず、炭酸ガス８．５体積％、窒素ガス９０．７体積％、および酸素ガス０．８体積％であった。
第二精製工程；
前記水との接触で得られたガスを、水酸化カリウムが１０質量％濃度の水溶液（該水溶液の温度は４０℃とした）と、６０，０００ｃｍ３／時間の供給量で接触させた。
接触後のガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．１体積％、および酸素ガス０．９体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
第一精製工程；
第二精製工程で得られたガスを６０，０００ｃｍ３／時間の供給量、および水素ガスを４２００ｃｍ３／時間の供給量で混合し、白金触媒存在下で４２０℃の温度で両者を接触させた。この第一精製工程から排出されたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス０体積％、窒素ガス９９．９体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。実施例１と同等の結果であった。
分解工程；
ガス吸収工程で得られた水溶液を常圧下で１００℃に加熱した。該水溶液は攪拌を続けた。
得られた水溶液を確認したところ、炭酸カリウム１０質量％、炭酸水素カリウム１０質量％、アンモニア１．０質量％の水溶液となっていることが分かった。さらに、分解工程で排出されたガスは、炭酸ガス、アンモニア、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス６６．４体積％、アンモニア３３．２体積％、窒素ガス０．３体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。
循環工程；
分解工程で得られた炭酸カリウムを含む水溶液を前記ガス吸収工程へ循環させた。
炭酸ガス回収工程；
分解工程で排出されたガスを、水と接触させた。最終的に得られたガスは、炭酸ガス、窒素ガス、および酸素ガスの合計量を１００体積％としたとき、炭酸ガス９９．４体積％、窒素ガス０．５体積％、および酸素ガス０．１体積％であった。そして、このガスの水分量は、炭酸ガスの質量を１００質量部としたとき、７．２質量部であった。実施例１と同等の結果であった。
なお、アンモニアを配合したことによる効果について、実施例２、実施例４、および実施例７〜９の結果を表１にまとめた。

Claims (7)

  1. 炭酸ガス、窒素ガスおよび酸素ガスを含む排ガスから、炭酸ガス、並びに窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスにそれぞれ分離して回収する方法であって、
    該排ガスと、炭酸アルカリを含む水溶液とを接触させることにより、該排ガス中の炭酸ガスを反応させて、炭酸水素アルカリを含む水溶液とするガス吸収工程、
    前記ガス吸収工程から排出された窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスを回収するガス回収工程、
    前記ガス吸収工程で得られた炭酸水素アルカリの少なくとも一部を、炭酸アルカリおよび炭酸ガスに分解する分解工程、
    前記分解工程で得られた炭酸アルカリの少なくとも一部を前記ガス吸収工程へ循環する循環工程、
    前記分解工程で得られた炭酸ガスを回収するに際し、該分解工程で排出された炭酸ガスを含むガスと水溶液とを接触させた後、炭酸ガスを回収する炭酸ガス回収工程、並びに、
    前記ガス回収工程で得られた窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスと、水素ガスとを、白金系触媒存在下で反応させて、該ガス中の酸素ガスを低減する第一精製工程を含み、
    前記分解工程において、該第一精製工程で生じた熱を用いて炭酸水素アルカリの少なくとも一部を炭酸アルカリおよび炭酸ガスに分解することを特徴とする方法。
  2. 前記炭酸アルカリが炭酸カリウムであり、前記炭酸水素アルカリが炭酸水素カリウムである、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ガス吸収工程において、
    炭酸アルカリを含む前記水溶液が、さらにアミン類を含む水溶液である、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記アミン類が、アンモニアである、請求項３に記載の方法。
  5. 前記ガス吸収工程へ供給する前の排ガスの組成を確認する工程をさらに含む請求項１〜４の何れかに記載の方法。
  6. 前記排ガスにおける酸素ガスに対する窒素ガスの体積比（窒素ガス／酸素ガス）が１０／１以上１００／１以下となる請求項１〜５の何れかに記載の方法。
  7. 第一精製工程を行う前の窒素ガスおよび酸素ガスを含むガス、又は第一精製工程後の窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスと、アルカリ水溶液とを接触させる第二精製工程を含む請求項１〜６の何れかに記載の方法。
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