JP7075062B2 - 組み合わされた生成方法を使用して、ｃｏ２から再生可能または部分再生可能に生成され得る炭素繊維 - Google Patents
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Description
２０１５年１２月のパリ協定は、国際社会に２１００年までに、およびそれ以降、平均地球温度上昇を２℃未満に保持するように要求している。この目的で、プロセス技術への努力を強化している（が）、ＣＯ２の使用可能な再生可能に生成される材料への変換の効率を有意に高める基準が必要である。材料は、世界経済を主導する２つのカテゴリーの材料から本質的になる。１つのカテゴリーは、ガスタービンの動作、ディーゼルパワープラント、航空機、車両、および船舶の推進、ならびに建物の加熱または調理器具の動作のための燃料、潤滑油、および他の液体またはガス燃料などの材料を含む。
第２のカテゴリーは、ＣＯ２から製作され得る建築および建設材料の製作を伴う。
気候研究の計算は、平均地球大気温度の上昇の観点から、大気中のＣＯ２の濃度と地球温暖化との間の準線形関係があることを示す。この科学的知見は、大気中のＣＯ２のさらなる濃度が防止されなければならず、理想的にはまた、産業革命前のレベルまで低減されなければならないことを示唆する。
これを達成するために、様々な基準が考察されている。一方で、風力、水力、および太陽エネルギーなどの再生可能なエネルギー源の導入が、エネルギー生成のための化石燃料に取って代わるべきである。例えば、ドイツにおける風力および太陽光発電システムの導入による経験は、これらの基準が有効である一方で、地球の温度を制御下に保つのには十分ではないという見識をもたらした。現況技術は、バイオディーゼルまたはケロシンなどの燃料が、隔離または天然ＣＯ２を用いた、例えば藻の繁殖などのバイオマスの生成、またはこれらの産業関連物質が隔離ＣＯ２および水素からフィッシャー－トロプシュ合成を用いて回収されること、のいずれかを介して得られる方法を記載する。両方の方法が技術的に可能であるが、異なる効率および関連コストを有する。しかしながら、両方の方法がまた、特に例えば、電解により得られた水素が副生成物として酸素を放出する場合、異なる出発物質および異なる有益な副生成物を有する。
地球温暖化を制限する別の目標は、ＰＣＴ／ＥＰ２００９／００８４９７に記載されるような化石源または天然源からのＣＯ２の建設および建築材料への変換である。したがって、ＣＯ２隔離基準は、そのような新しい材料生成プロセス連鎖の開始時に必要であり、それは、これらの供給源から必要とされるＣＯ２が、比較的低いＣＯ２濃度のみを有する空気から直接よりも、はるかに安価に入手または隔離することができるためである。大気源または隔離源からのＣＯ２の吸着および結合のためのエネルギー効率および質量効率の高い方法は、藻類バイオマスの精製であり、それは、生物の高い増殖速度により、陸上植物との同等のＣＯ２結合よりも約２０倍良好である。藻類バイオマスの大規模生成は、低コストの工業規模である技術的に単純な開放培養流域における経済的理由のために推奨される。天然ＣＯ２の抽出の代替手段は、天然藻類マスの発電、ガス化、または他のエネルギー利用、特にＣＯ２のそれらの煙道ガスからの隔離である。エネルギー生成プロセスを可能な限り早く再生可能な状態にすること、および化石燃料発電システムのスイッチを切ることが現在、世界経済を危険にさらすことがなければ可能ではないが、一方で可能な限り迅速にＣＯ２排出を停止するという事実を説明することは、ＣＯ２を可能な限り迅速に固体で安定した凝集体状態の炭素化合物に転換する完全に新しい方法が、導入されなければならないことを意味する。理想的には、そのような物質は、建築材料および建設材料として使用可能であるべきである。
この目的で、炭素繊維系材料、いわゆる前駆体は、ＣＯ２からいくつかの異なる代替経路またはプロセス連鎖を通した合理的な空間要件を伴うコスト効率が良い様式で生成され、次いで、それから、炭化（熱分解を通した）を用いて、伸張性かつ特に非常に剛性の炭素繊維が生成され、それは、何百年にもわたって凝集の固体状態を有する。最初に、例えば、二酸化炭素隔離ＣＯ２は、空気から吸収されたＣＯ２の量に加えて藻類タンクに導入されて、それが大気に入ることを防止する。本明細書に記載のプロセスにおいて、例えば、グリセロール（グリセロール）は、藻類バイオマスの脂肪および油から得られ、初期には、比較的大量のバイオディーゼルも、ケロシンまたはトラックおよび船舶燃料などの燃料のための基礎原料として生成される。この燃料は、隔離ＣＯ２が藻類タンクに戻され、したがって循環される発電のために、または例えば、前駆体生成に全体的もしくは部分的に供給されるためのガス化によってのいずれかで、バイオディーゼルパワープラントにおけるプラントの設置の後の段階で燃焼され得る。目的は、必要に応じて、工業用の有益な建築材料ならびに工業用の有益な燃料の生成の比率を制御することである。この必要性は、例えば、将来と比較して今日、非常に異なり得る。隔離ＣＯ２に加えて、好ましくは日照の良い地域に設置される藻類培養タンクは、空気が好ましくは、高圧下の、かつ最細ノズルを用いた適切な技術を使用して、藻類タンクに直接送り込まれたときに、周囲空気から遊離ＣＯ２を吸収する。
しかしながら、新規性は、ＣＯ２からすでに得ることができる燃料に加えて、ポリアクリロニトリルまたは他の有用な出発物質などの基本的な化学物質も、上記のプロセスから得ることができ、それらは、炭素繊維生成のための出発物質であるという知識に基づく。炭素繊維がすでに未来の材料として取引されているが、それらは、気候問題の観点からはこれまでほとんど考察されておらず、その理由は、それらが材料生成においてあまりにエネルギー集約的であり、したがって気候に関連したものになるには質量があまりに低いためである。それは、本発明で変化するであろう。油含有藻類バイオマスならびにそれらの脂肪および油からの炭素繊維の生成は、ある程度すでに記載されているが、許容できる面積での必要量の藻類バイオマスが可能であるのかどうかすら、これまで不明確なままである。
可能性のうちの１つは、藻類バイオマスの脂肪、脂肪油、または油からのアクリロニトリルの生成である。トリグリセリド、トリグリセリド、またグリセロールトリエステルは、もはや用いられないがより稀に中性脂肪と称され、３つの酸分子を有する三価アルコールグリセロールのトリプルエステルであり、もっぱらトリアシルグリセロール、短縮してＴＡＧ（または正確にはトリ－Ｏ－アシルグリセロール）と称されるＩＵＰＡＣ推奨に従うべきである。接頭語のトリは、グリセロールでエステル化された３つのアシル酸残基を指す。
３つの脂肪酸を有するトリアシルグリセロールは、脂肪および脂肪油中の化合物である。天然脂肪は大部分が３つの長鎖脂肪酸を有するトリグリセロールからなり、それは通常、４～２６個、典型的には１２～２２個の炭素原子を有する非分岐鎖からなる。これらは、室温で液体であり、油とも称されるか、またはそれらを鉱油もしくは精油と区別するために脂肪油と称される。脂肪酸の純トリアシルグリセロールはまた、中性脂肪とも称される。塩水藻類を含む好適な藻類株は、大量のこれらの脂肪油を生成することが可能である。
加えて、これらのプロセスが、気候的にかなり寒い工業地域にあるように、ＣＯ２排出がほとんどまたは全く生成されない日照の良い地域のみにおいて示され得るかどうかに関して、疑問が生じる。適切な計算を用いて、藻類バイオマス生成および副生成物グリセロールを用いたその再生可能な化学原料（バイオディーゼルまたはバイオケロシンなど）への変換の両方、ならびにメタノール生成を介したフィッシャー－トロプシュ合成が、炭素繊維の生成のための基材としてアクリロニトリルを生成することが可能であるという実現が生じている。メタノールは、最初にこの目的でプロペンに変換され、それは、アクリロニトリル、次いでポリアクリロニトリルを次のステップで生成可能なものにする。これらのプロセスの組み合わせは、現在ほとんど産業を経験していない日照の良い国々および日照がほとんどなく高い二酸化炭素排出量の産業を有する国々の両方において、ＣＯ２からの炭素繊維の生成を促進する手段として本出願に記載されている。これらのプロセスのうちの全てが同じ効率を有するとは限らないが、材料、つまり隔離ＣＯ２および建築材料の輸送経路およびコストもまた、全体的なバランスシートを見たときに重要な役割を果たす。したがって、本出願の合成プロセスは、藻類バイオマスよりもはるかにエネルギー効率の高い経路と同じくらい重要なものとして扱われる。両方のプロセスが、対応する地域に関連した気候変化との闘いで同じ社会政治学的状態を有し、各地域は、本発明を使用して核状況において最善を尽くすことができる。
両方の方法が、利点および不利点を有する。藻類合成の利点は、コストである。グリセロールの生成においては、多くのバイオディーゼルを蓄積し、それは燃料、発電、および加熱の形態でエネルギー供給のために使用され得、かつ再生可能なエネルギー担体としてのその高価値により、グリセロール生成のコスト、したがってアクリロニトリルのコストを小さく抑えるため、方法は、比較的広い面積の消費がこのプロセスと関連していという不利点を有する。
中間ステップのメタノールを介したプロペンからのアクリロニトリルの生成のための基礎としてのフィッシャー－トロプシュ合成は、従来技術では記載されておらず、藻類バイオマスの生成と比較して比較的小さい面積の消費という利点を有するが、同等により高いコストという不利点も有するが、しかしながらそれは、初期にそれに応じて高いＣＯ２排出取引価格によって補われ得る。しかしながら、最後には、長期的に排出権なしで進めていきたいであろうし、したがって生産価格を低減したいであろう。
これは、プロセスの組み合わせによって、すなわち必要な産業転換に従って、これらの新しいプロセスに適応され得る混合比によって達成され得る。計算に従って、各場合における５０パーセントの混合比が、この比率の最適基準として長期的であるように思われ、それは確実に、技術を一方および他方に最適化することによって変化し得、したがって時間の関数である。最初に、ＣＯ２を北アフリカへの長旅に送る代わりに、フィッシャー－トロプシュを用いて、安価な風力を活用して産業大都市圏におけるＣＯ２をただちに処理することは、理にかなっている。しかしながら、万が一藻類効率が北アフリカにおいて経時的に高まれば、この目的意識は、将来変化し得、藻類含有量は押し上げられて、同じ空間消費においてポリアクリロニトリル繊維の価格を低下させ続けることができる。
フィッシャー－トロプシュ法のために必要とされる量の水素を生成するための電解は、藻類マスからアクリロニトリルを生成するプロセスに必要とされる量の酸素を放出する。これは、全体的な効率の高まり、したがってポリアクリロニトリル繊維の価格の低減をもたらす。方法の組み合わせは、副生成物としてのさらなる利点をもたらす。
すでに工業化された国における産業に対する炭素繊維生成に最初に利用可能である、本明細書に記載の藻類系炭素繊維生成およびフィッシャー－トロプシュ法の組み合わせの主要な利点のうちの１つは、太陽光が豊富な、したがって一般により貧しい国への技術の漸進的でなだらかな移行、および今日まだ経済的に不利である地域へのプロセスの移転であり、一方で、気候交渉は、現在の不均衡な北から南への減少の漸進的調節によって次第に決定されている。
以下のプロセスは、バイオ炭素繊維の生成のために藻類バイオマスを介してＣＯ２からポリアクリロニトリルを生成するために、本出願の特許請求の範囲に記載される新しいプロセス連鎖のためのビルディングブロックを形成する。図１～８に例示されるように、８つのプロセス連鎖が以下に記載され、関連した質量流量を有するプロセスの配列が、以下の通り記載される。
１．第１のプロセス連鎖１、藻類→バイオディーゼルプロセス→ＧｔＭ→モービル（ＭｔＰ）→ソハイオ→ＤＲＡＬＯＮ
ａ）ＭｅＯＨサイクルなし、かつバイオディーゼルのエネルギー使用なし
ｂ）ＭｅＯＨサイクルなし、エネルギー的バイオディーゼル使用あり
ｃ）ＭｅＯＨサイクルあり、かつバイオディーゼルのエネルギー使用なし
ｄ）ＭｅＯＨサイクルあり、かつエネルギー的バイオディーゼル使用あり
２．プロセス連鎖２、藻類→バイオディーゼルプロセス→ＧｔＡＮ→ＤＲＡＬＯＮ
ａ）エネルギー的バイオディーゼル使用なし
ｂ）エネルギー的バイオディーゼル使用あり
３．プロセス連鎖３、藻類→ＢｔＬ／ＭｅＯＨ合成プロセス→モービル（ＭｔＰ）→ソハイオ→ＤＲＡＬＯＮ
４．プロセス連鎖４、１と同様であるが、ＢｔＬ／ＭｅＯＨ合成を介した上流のＭｅＯＨ生成あり
ａ）エネルギー的バイオディーゼル使用なし
ｂ）エネルギー的バイオディーゼル使用あり
５．プロセス連鎖５、ＣＯ２→ＦＴＳ＋ＭｅＯＨ合成→モービル（ＭｔＰ）→ソハイオ→ＤＲＡＬＯＮ
ａ）Ｈ２供給のための上流の電解なし
ｂ）Ｈ２供給のための上流の電解あり
６．プロセス連鎖６、１と同様であるが、ＦＴＳ／ＭｅＯＨ合成を介した上流のＭｅＯＨ生成あり
ａ）エネルギー的バイオディーゼル使用なし
ｂ）エネルギー的バイオディーゼル使用あり
７．プロセス連鎖７、６と同様であるが、部分的バイオディーゼル酸化を用いたバイオディーゼルの自己熱改質（ＡＴＲ）およびＦＴＳ／ＭｅＯＨ合成あり
ａ）高温ＡＴＲ、空気供給、最大合成ガス
ｂ）低温ＡＴＲ、空気の排除、最大プロピレン
ｃ）ａ）と同様であるが、ＦＴＳに向けた＋９％のＣＯ２供給あり
ｄ）ａ）と同様であるが、ＦＴＳに向けた＋５０％のＣＯ２供給あり
８．プロセス連鎖８、７ａと同様であるが、合成ガス使用のための上流のＢｔＬ／ＭｅＯＨ合成あり
ａ）ＢｔＬに向けた全バイオマスの６０％の供給
ｂ）ＢｔＬに向けた全バイオマスの９０％の供給
９．図面中のラベル付けに関する上記に記載のプロセスのための凡例が、以下の図に示される。
ａ）ＭｅＯＨサイクルなし、かつバイオディーゼルのエネルギー使用なし
ｂ）ＭｅＯＨサイクルなし、エネルギー的バイオディーゼル使用あり
ｃ）ＭｅＯＨサイクルあり、かつバイオディーゼルのエネルギー使用なし
ｄ）ＭｅＯＨサイクルあり、かつエネルギー的バイオディーゼル使用あり
２．プロセス連鎖２、藻類→バイオディーゼルプロセス→ＧｔＡＮ→ＤＲＡＬＯＮ
ａ）エネルギー的バイオディーゼル使用なし
ｂ）エネルギー的バイオディーゼル使用あり
３．プロセス連鎖３、藻類→ＢｔＬ／ＭｅＯＨ合成プロセス→モービル（ＭｔＰ）→ソハイオ→ＤＲＡＬＯＮ
４．プロセス連鎖４、１と同様であるが、ＢｔＬ／ＭｅＯＨ合成を介した上流のＭｅＯＨ生成あり
ａ）エネルギー的バイオディーゼル使用なし
ｂ）エネルギー的バイオディーゼル使用あり
５．プロセス連鎖５、ＣＯ２→ＦＴＳ＋ＭｅＯＨ合成→モービル（ＭｔＰ）→ソハイオ→ＤＲＡＬＯＮ
ａ）Ｈ２供給のための上流の電解なし
ｂ）Ｈ２供給のための上流の電解あり
６．プロセス連鎖６、１と同様であるが、ＦＴＳ／ＭｅＯＨ合成を介した上流のＭｅＯＨ生成あり
ａ）エネルギー的バイオディーゼル使用なし
ｂ）エネルギー的バイオディーゼル使用あり
７．プロセス連鎖７、６と同様であるが、部分的バイオディーゼル酸化を用いたバイオディーゼルの自己熱改質（ＡＴＲ）およびＦＴＳ／ＭｅＯＨ合成あり
ａ）高温ＡＴＲ、空気供給、最大合成ガス
ｂ）低温ＡＴＲ、空気の排除、最大プロピレン
ｃ）ａ）と同様であるが、ＦＴＳに向けた＋９％のＣＯ２供給あり
ｄ）ａ）と同様であるが、ＦＴＳに向けた＋５０％のＣＯ２供給あり
８．プロセス連鎖８、７ａと同様であるが、合成ガス使用のための上流のＢｔＬ／ＭｅＯＨ合成あり
ａ）ＢｔＬに向けた全バイオマスの６０％の供給
ｂ）ＢｔＬに向けた全バイオマスの９０％の供給
９．図面中のラベル付けに関する上記に記載のプロセスのための凡例が、以下の図に示される。
Ａ 塩水中の藻類増殖、ＣＯ２からの藻類バイオマスの生成
Ｂ 藻類プロセス１：栄養素およびトリグリセリドへの分離
Ｃ 藻類プロセス２：トリグリセリドのグリセロールならびに藻類軽油および脂質への分割
Ｄ バイオディーゼルプロセス：藻類油のエステル化
Ｅ ＧｔＭプロセス：グリセロールのメタノールへの変換
Ｆ ＭｔＰプロセス（モービルプロセス）：メタノールのプロピレン（プロペン）への変換
Ｇ ソハイオ法：プロピレンからのアクリロニトリル合成
Ｈ ＤＲＡＬＯＮプロセス：ポリアクリロニトリル繊維へのアルクリロニトリル（Ａｌｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）の重合（紡糸浴槽中の紡糸溶液がＰＡＮ繊維になる）
Ｘ ＧｔＡＮプロセス（Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ特許）：グリセロールからの直接アクリロニトリル合成
Ｙ ＢｔＬ／ＭｅＯＨプロセス：藻類バイオマスの液化およびメタノール合成
Ｚ ＦＴＳ／ＭｅＯＨプロセス：フィッシャー－トロプシュ合成およびメタノール合成によるＣＯ２開裂
ＡＴＲ バイオディーゼルの自己熱改質および部分的酸化
ＣＨＰ バイオディーゼル燃焼を通した組み合わされた熱および電気生成のためのＣＨＰユニット
Ｂ 藻類プロセス１：栄養素およびトリグリセリドへの分離
Ｃ 藻類プロセス２：トリグリセリドのグリセロールならびに藻類軽油および脂質への分割
Ｄ バイオディーゼルプロセス：藻類油のエステル化
Ｅ ＧｔＭプロセス：グリセロールのメタノールへの変換
Ｆ ＭｔＰプロセス（モービルプロセス）：メタノールのプロピレン（プロペン）への変換
Ｇ ソハイオ法：プロピレンからのアクリロニトリル合成
Ｈ ＤＲＡＬＯＮプロセス：ポリアクリロニトリル繊維へのアルクリロニトリル（Ａｌｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）の重合（紡糸浴槽中の紡糸溶液がＰＡＮ繊維になる）
Ｘ ＧｔＡＮプロセス（Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ特許）：グリセロールからの直接アクリロニトリル合成
Ｙ ＢｔＬ／ＭｅＯＨプロセス：藻類バイオマスの液化およびメタノール合成
Ｚ ＦＴＳ／ＭｅＯＨプロセス：フィッシャー－トロプシュ合成およびメタノール合成によるＣＯ２開裂
ＡＴＲ バイオディーゼルの自己熱改質および部分的酸化
ＣＨＰ バイオディーゼル燃焼を通した組み合わされた熱および電気生成のためのＣＨＰユニット
添付の図面１～８に概説され、したがって明確に記載されるプロセス連鎖は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）に基づくバイオ炭素繊維の生成のための基礎であり、以下の特許請求の範囲のための土台を形成する。
Claims (6)
- 藻類バイオマスを介して、ＣＯ ２ からポリアクリロニトリルを生成するためのプロセスであって、
－ 炭素繊維の生成に必要とされるポリアクリロニトリルが、藻類バイオマストリグリセリドから得られ、それからグリセロールを介して、メタノールが得られ、次いで、プロピレンが前記メタノールから得られ、次いで、前記プロピレンから、アクリロニトリルがソハイオ法を介して得られ、最後にポリアクリロニトリルが得られるプロセス、
－ または前記ポリアクリロニトリルが、ＣＯ ２ からメタノールを合成し、メタノールから、プロペンが得られ、かつ前記ソハイオ法を介してプロペンからアクリロニトリルを形成し、続いてポリアクリロニトリルに重合するプロセス、
－ または炭素繊維生成に必要とされる前記ポリアクリロニトリルが、これら２つのプロセスの組み合わせによって得られるプロセス、を含むことを特徴とする、炭素繊維の製造方法。 - 前記ポリアクリロニトリル合成プロセスに必要とされるプロセスは、前記ＣＯ ２ からメタノールの合成のために必要とされる量の水素を生成するための電解から、藻類マスからアクリロニトリルを生成するプロセスに必要な酸素が供給されることを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維の製造方法。
- 前記ポリアクリロニトリル合成に必要とされる前記ＣＯ２が、化石燃料パワープラントからの煙道ガスから、鋼、セメント、およびアルミニウム生成からのプロセス関連ＣＯ２排出から、または空気などの天然源から生じることを特徴とする、請求項１または２に記載の炭素繊維の製造方法。
- 前記ポリアクリロニトリル合成に必要とされる前記ＣＯ２が、再生可能バイオディーゼルパワープラントの煙道ガスから生じ、したがって１００％天然源からのものであることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の炭素繊維の製造方法。
- 前記ポリアクリロニトリルの合成に必要とされる前記ＣＯ２が、天然バイオマスベースの発電からの煙道ガスから生じることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の炭素繊維の製造方法。
- 前記ＣＯ ２ からメタノールの合成のために必要とされる電気が、発電のために使用されるバイオマス、または風力などの他の再生可能電力源から生じることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の炭素繊維の製造方法。
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