JP7148460B2 - Ｃｏ２濃縮方法及びｃｏ２濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＯ_２濃縮方法及びＣＯ_２濃縮装置に関する。

従来より、二酸化炭素（ＣＯ_２）を濃縮する方法及び装置が知られている（例えば、特許公報１、特許公報２参照）。特許公報１におけるシステムでは、二酸化炭素を選択分離可能な膜を空気が通過することにより、空気から二酸化炭素が選択分離する。また、特許公報２におけるシステムでは、複数の二酸化炭素分離膜が用いられて、二酸化炭素が濃縮される。

特開２００１－３３３６３９号公報 特開２０１２－２３６１２３号公報

上述した特許公報１に記載のシステムでは、膜モジュール部に空気を導入するために、エアーコンプレッサー等を用いて空気を大気圧よりも高い圧力に圧縮する。また、特許公報２に記載のシステムでは、コンプレッサーを用いて大気圧よりも高い圧力の排ガスをさらに加圧する。このため、これらのシステムにおいては、圧縮、加圧に係る多大なエネルギーが浪費される。

本発明は、二酸化炭素を濃縮する際に浪費されるエネルギーを抑えることが可能なＣＯ_２濃縮方法及びＣＯ_２濃縮装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、第１の側と第２の側とを隔てるＣＯ_２分離膜（例えば、後述のＣＯ_２分離膜１１）を用いてＣＯ_２を濃縮するＣＯ_２濃縮方法であって、前記第１の側を大気圧環境下の第１のＣＯ_２濃度のガスに曝された状態とし、前記第２の側を減圧し、前記ＣＯ_２分離膜を通して前記第１の側から前記第２の側へ流入し減圧された前記第１のＣＯ_２濃度よりも高い第２のＣＯ_２濃度のＣＯ_２リッチガスを第１の捕集器（例えば、後述の導入用タンクＴ１）に捕集する第１の捕集工程と、前記捕集されたＣＯ_２リッチガスを第２の捕集器（例えば、後述の一時貯留用タンクＴ２）に移送する移送工程と、前記第１の捕集工程及び前記移送工程を複数回繰り返し行うことにより、前記第２の捕集器に大気圧近傍の圧力のＣＯ_２リッチガスを捕集する第２の捕集工程と、を備えるＣＯ_２濃縮方法を提供する。

本発明によれば、コンプレッサー等を用いてＣＯ_２を含むガスを高圧とせずに、大気圧環境下のガスから任意の濃度にまで濃縮されたＣＯ_２リッチガスを捕集することができる。このため、ＣＯ_２を濃縮する際に浪費されるエネルギーを抑えることが可能なＣＯ_２濃縮方法を提供することができる。

特に、ＣＯ_２分離膜を透過後のガスを第２の捕集器に捕集するため、ＣＯ_２分離膜を透過後のガスが、逆流拡散することを抑えることが可能であり、また、陰圧（負圧）引きによりＣＯ_２を濃縮したガスを、常圧で取り出すことが可能となる。また、第１の捕集工程及び移送工程を複数回繰り返し行う第２の捕集工程により、任意の濃度にまでＣＯ_２を濃縮することが可能となる。また、陰圧引きでＣＯ_２を大気圧環境下のガスから分離濃縮を行うため、ＣＯ_２以外の分子に与えるエネルギーを削減でき、低エネルギーでのＣＯ_２リッチガスの捕集が可能となる。

そして、前記移送工程では、前記第１の捕集器を減圧しながら前記第１の捕集器に捕集されたＣＯ_２リッチガスを前記第２の捕集器に移送する。このため、第１の捕集器から第２の捕集器への移送を低エネルギーで行うことが可能である。

また、前記第１の捕集工程は、前記第１の捕集器の圧力が大気圧よりも低く、絶対真空よりも高い第１の所定の圧力に達した時に、前記移送工程に移行する。

このため、ＣＯ_２分離膜によって濃縮されたＣＯ_２が逆拡散しない範囲で最大の圧力となったときに、第１の捕集器の内部のＣＯ_２リッチガスを第２の捕集器に移送することが可能であり、効率よく移送を行うことが可能である。

また、前記第２の捕集工程は、前記第２の捕集器の圧力が大気圧近傍の第２の所定の圧力に達した時に捕集を完了する。このため、第２の捕集器の内部から圧力が大気圧近傍であるＣＯ_２リッチガスを取り出すことが可能となる。

また、本発明は、ＣＯ_２を濃縮するＣＯ_２濃縮装置（例えば、後述のＣＯ_２濃縮装置１）であって、大気圧環境下の第１のＣＯ_２濃度のガスに曝された第１の側と、第２の側とを隔てるＣＯ_２分離膜（例えば、後述のＣＯ_２分離膜１１）と、前記第２の側と連通され絶対真空近傍とされる第１の捕集器（例えば、後述の導入用タンクＴ１）と、前記第１の捕集器と連通された第２の捕集器（例えば、後述の一時貯留用タンクＴ２）と、前記第１の捕集器に捕集された前記第１のＣＯ_２濃度よりも高い第２のＣＯ_２濃度のＣＯ_２リッチガスを前記第２の捕集器に移送する移送器（例えば、後述の真空ポンプ１６）と、を備え、前記移送器は、前記第１の捕集器を減圧しながら前記第１の捕集器に捕集されたＣＯ_２リッチガスを前記第２の捕集器に移送するＣＯ_２濃縮装置を提供する。

本発明によれば、コンプレッサー等を用いてＣＯ_２を含むガスを高圧とせずに、大気圧環境下のガスから任意の濃度にまで濃縮されたＣＯ_２リッチガスを捕集することができる。このため、ＣＯ_２を濃縮する際に浪費されるエネルギーを抑えることが可能なＣＯ_２濃縮方法を提供することができる。

特に、ＣＯ_２分離膜を透過後のガスを第２の捕集器に捕集するため、ＣＯ_２分離膜を透過後のガスが、逆流拡散することを抑えることが可能であり、また、陰圧（負圧）引きによりＣＯ_２を濃縮したガスを、常圧で取り出すことが可能となる。また、第１の捕集工程及び移送工程を複数回繰り返し行う第２の捕集工程により、任意の濃度にまでＣＯ_２を濃縮することが可能となる。また、陰圧引きでＣＯ_２を大気圧環境下のガスから分離濃縮を行うため、ＣＯ_２以外の分子に与えるエネルギーを削減でき、低エネルギーでのＣＯ_２リッチガスの捕集が可能となる。

そして、前記第１の捕集器の圧力を検出する第１の圧力センサ（例えば、後述の圧力センサ１３）を備え、前記第１の捕集器にＣＯ_２リッチガスが捕集されることにより前記第１の捕集器の圧力が、大気圧よりも低く、絶対真空よりも高い第１の所定の圧力に達した時に、前記移送器の駆動を開始する。

このため、ＣＯ_２分離膜によって濃縮されたＣＯ_２が逆拡散しない範囲で最大の圧力となったときに、第１の捕集器の内部のＣＯ_２リッチガスを第２の捕集器に移送することが可能であり、効率よく移送を行うことが可能である。

また、前記第１の捕集器の圧力が絶対真空近傍の第３の所定の圧力に達した時に前記移送器の駆動を停止する。このため、再び第１の捕集工程を行う際に、改めて第１の捕集器の内部に対して真空ポンプ等を用いて減圧することを行わずに済み、効率よく第１の捕集工程、移送工程、及び、第２の捕集工程を繰り返すことが可能となる。

本発明によれば、二酸化炭素を濃縮する際に浪費されるエネルギーを抑えることが可能なＣＯ_２濃縮方法及びＣＯ_２濃縮装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態によるＣＯ_２濃縮装置の１段目の濃縮部を示す模式図である。 本発明の実施形態によるＣＯ_２濃縮装置を示す模式図である。 本発明の実施形態によるＣＯ_２濃縮装置の１段目の濃縮部の導入用タンク、一時貯留用タンク、２段目の濃縮部の入力用タンク、導入用タンク、一時貯留用タンクにおける圧力の変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、ＣＯ_２濃縮装置１の１段目の濃縮部１０を示す模式図である。図２は、ＣＯ_２濃縮装置１を示す模式図である。

ＣＯ_２濃縮装置１は、大気圧環境下のガス（空気中）のＣＯ_２を濃縮して大気圧とほぼ同一の圧力のガスにするために用いられる装置であり、１段目の濃縮部１０（濃縮１段目）、２段目の濃縮部２０（濃縮２段目）、３段目の濃縮部３０（濃縮３段目）、・・・、２０段目の濃縮部２００（濃縮１段目）の２０の濃縮部を備えている。ここで、大気圧環境下とは、大気圧と同程度の圧力であることを意味し、大気圧よりも大きくても小さくても良い。これらの２０の濃縮部の構成はほぼ同一であるため、１段目の濃縮部１０についてのみ説明し、他の段目の濃縮部については、１段目の濃縮部１０の構成と異なる部分についてのみ説明する。

濃縮部１０は、ＣＯ_２分離膜１１と、入力用タンクＴ０と、導入用タンクＴ１と、一時貯留用タンクＴ２と、真空ポンプ１６と、制御装置１７とを備えている。
ＣＯ_２分離膜１１は、空気から二酸化炭素（ＣＯ_２）を選択分離可能な膜を空気が通過することにより、空気から二酸化炭素が選択分離する。ＣＯ_２分離膜１１としては、例えば、ポリジメチルシロキサン（シリコーン）膜、ポリエチレン膜、ポリ塩化ビニル膜、酢酸セルロース膜、ポリスルホン膜、ポリイミド膜等の有機膜、シリカ膜、アルミナ膜、ジルコニア膜、チタニア膜等の無機膜を用いることが可能であり、本実施形態においては、ＣＯ_２分離膜１１は、例えば、シリコーン系のゴムであるポリジメチルシロキサン膜（ＰＤＭＳ膜）が用いられる。このＣＯ_２分離膜１１は、窒素を通しにくい特性を有しており、ＣＯ_２分離膜１１に空気を通過させることにより、通過後のガス中におけるＣＯ_２の濃度を、通過前の空気中のＣＯ_２の濃度の略５倍にまで濃縮することが可能である。

ＣＯ_２分離膜１１は、直径が異なる複数の略円筒形状のアルミメッシュ筒１２の周面に張られて設けられている。複数の略円筒形状のアルミメッシュ筒１２は、軸心位置が一致する同軸的な位置関係で配置されている。複数のアルミメッシュ筒１２は、それぞれアルミメッシュ筒１２の周方向に沿って、アルミメッシュ筒１２の内方と外方とに向かって波を打つように、蛇腹状に形成されている。最外周に位置するアルミメッシュ筒１２の外側第１の側（図１におけるアルミメッシュ筒１２に張られているＣＯ_２分離膜１１の外周側）は、大気圧環境下の空気に曝された状態とされる。最内周に位置するアルミメッシュ筒１２の内側第２の側（図１においてアルミメッシュ筒１２の右方向へ突出している部分の内側）は、所定の圧力に減圧される。従ってＣＯ_２分離膜１１は、大気圧環境下の空気に曝された、最外周に位置するアルミメッシュ筒１２の外側と、最内周に位置するアルミメッシュ筒１２の内側とを隔てる。このようなＣＯ_２分離膜１１、及び、アルミメッシュ筒１２は、それぞれ入力用タンクＴ０に、大気に曝された状態で収容されている。

導入用タンクＴ１は、途中に弁Ｖ１が設けられた管部材を介して、最内周に位置するアルミメッシュ筒１２の内側の空間に連通している。また、導入用タンクＴ１には、途中に弁Ｖ２が設けられた管部材を介して真空ポンプ１６のインレット部が接続されている。また、真空ポンプ１６の他のインレット部には、途中に弁Ｖ３が設けられた管部材を介して一時貯留用タンクＴ２が接続されている。真空ポンプ１６のアウトレット部には、途中に弁Ｖ４が設けられた管部材を介して一時貯留用タンクＴ２が接続されている。即ち、導入用タンクＴ１の内部空間と一時貯留用タンクＴ２の内部空間とは、弁Ｖ２が設けられた管部材、及び、弁Ｖ４が設けられた管部材を介して連通可能である。また、真空ポンプ１６の他のアウトレット部には、途中に弁Ｖ５が設けられた管部材を介して大気に連通している。

真空ポンプ１６が駆動することにより、導入用タンクＴ１の内部のガスを大気に排気して、導入用タンクＴ１の内部の圧力を減圧することが可能である。また、真空ポンプ１６が駆動することにより、導入用タンクＴ１の内部のガスを一時貯留用タンクＴ２に移送させることが可能である。また、真空ポンプ１６が駆動することにより、一時貯留用タンクＴ２の内部のガスを大気に排気して、一時貯留用タンクＴ２の内部の圧力を減圧することが可能である。

導入用タンクＴ１の内部と、一時貯留用タンクＴ２の内部とには、それぞれ圧力センサ１３、圧力センサ１４が設けられている。圧力センサ１３、圧力センサ１４は、それぞれ制御装置１７に電気的に接続されており、導入用タンクＴ１の内部との圧力と、一時貯留用タンクＴ２の内部の圧力とをそれぞれ検出し、制御装置１７へ出力する。
制御装置１７は、弁Ｖ１～弁Ｖ６及び後述のチェックバルブＶ７にそれぞれ電気的に接続されており、制御装置１７による制御により、弁Ｖ１～弁Ｖ６、チェックバルブＶ７は開閉されるように構成されている。

ＣＯ_２濃縮装置１は、以上のような濃縮部を計２０備えているが、２段目、３段目、・・・、２０段目の濃縮部２０、３０、・・・、２００のＣＯ_２分離膜１１、及び、アルミメッシュ筒１２については、それぞれ入力用タンクＴ０に、大気に対して気密の状態で収容されている。また、２段目、３段目、・・・、２０段目の濃縮部２０、３０、・・・、２００の入力用タンクＴ０は、途中に弁Ｖ６が設けられた管部材を介して、それぞれの一段前の濃縮部の一時貯留用タンクＴ２に接続されている。弁Ｖ６を開くことにより、前段の濃縮部の一時貯留用タンクＴ２の内部のガスを、後段の濃縮部の入力用タンクＴ０に移送させることが可能である。

また、１段目、２段目、・・・、１９段目の濃縮部１０、２０、・・・、１９０の一時貯留用タンクＴ２は、途中に弁Ｖ６が設けられた管部材を介して、２段目、３段目、・・・、２０段目の濃縮部２０、３０、・・・、２００の入力用タンクＴ０に接続されていたが、２０段目の濃縮部２００の一時貯留用タンクＴ２は、後段の濃縮部は無いため後段の濃縮部の入力用タンクＴ０に接続されておらず、ＣＯ_２を利用する利用先へ濃縮れさたＣＯ_２を含むガスを供給するための、二酸化炭素供給ラインに接続されている。また、２段目、３段目、・・・、２０段目の濃縮部２０、３０、・・・、２００の一時貯留用タンクＴ２は、１つ前段の１段目、２段目、・・・、１９段目の濃縮部１０、２０、・・・、１９０の入力用タンクＴ０に、途中にチェックバルブＶ７が設けられた管部材により接続されている。

次に、上記ＣＯ_２濃縮装置１を用いて行うＣＯ_２濃縮方法について説明する。図３は、ＣＯ_２濃縮装置１の１段目の濃縮部１０の導入用タンクＴ１、一時貯留用タンクＴ２、２段目の濃縮部２０の入力用タンクＴ０、導入用タンクＴ１、一時貯留用タンクＴ２における圧力の変化を示すグラフである。グラフにおいては、１段目の濃縮部１０の導入用タンクＴ１の圧力をＴ１－１とし、１段目の濃縮部１０の一時貯留用タンクＴ２の圧力をＴ２－１とし、２段目の濃縮部２０の入力用タンクＴ０の圧力をＴ０－２とし、２段目の濃縮部２０の導入用タンクＴ１の圧力をＴ１－２とし、２段目の濃縮部２０の一時貯留用タンクＴ２における圧力をＴ２－２として示している。

先ず、第１の捕集工程を行う。第１の捕集工程では、ＣＯ_２分離膜１１を通して、最外周に位置するアルミメッシュ筒１２の外側から、最内周に位置するアルミメッシュ筒１２の内側へ流入し、減圧されたＣＯ_２リッチガスを、第１の捕集器としての導入用タンクＴ１に捕集する。

具体的には、先ず制御装置１７は、全ての弁Ｖ１～弁Ｖ６を閉じる制御を弁Ｖ１～弁Ｖ６に対して行う。次に、制御装置１７は、弁Ｖ３及び弁Ｖ５を開き、真空ポンプ１６を駆動させる制御を行うことにより、一時貯留用タンクＴ２の内部の圧力を絶対真空近傍まで、より具体的には、第３の所定の圧力Ｂ Ｐａ（パスカル）まで減圧する。次に、制御装置１７は、弁３を閉じ、弁Ｖ２及び弁Ｖ５を開き、真空ポンプ１６を駆動させる制御を行うことにより、導入用タンクＴ１の内部の圧力を絶対真空近傍まで、より具体的には、第１の所定の圧力Ａ Ｐａ（パスカル）まで減圧する。ここで絶対真空近傍とは、大気圧よりも充分低く、圧力が０ Ｐａである絶対真空に十分近い低い圧力を意味し、具体的には、圧力の絶対値が４０ Ｐａ（パスカル）よりも小さいことを意味する。

次に、制御装置１７は、弁Ｖ２及び弁Ｖ５を閉じ、弁Ｖ１を開き、導入用タンクＴ１の内部の圧力を、大気圧よりも低く絶対真空よりも高いＺ／Ｘ Ｐａ（パスカル）まで復圧する制御を行い、この圧力に達したことを圧力センサ１３が検出したときに、制御装置１７は、移送工程に移行する制御を行う。以上が第１の捕集工程であり、これにより、減圧されたＣＯ_２リッチガスが導入用タンクＴ１に捕集される。

ここで、Ｚは、大気圧である１０１３２５ Ｐａ（パスカル）であり、Ｘは、ＣＯ_２分離膜１１によるＣＯ_２の濃度の濃縮可能な倍数である５である。また、Ａは、
Ａ Ｐａ（パスカル）＜｜４０ Ｐａ（パスカル）｜＜Ｚ／Ｘ （パスカル）
を満たす値である。また、Ｂは、
Ｂ Ｐａ（パスカル）＜｜４０ Ｐａ（パスカル）｜
を満たす値である。
Ａ Ｐａ（パスカル）＜Ｚ／Ｘ （パスカル）
としたのは、Ａの値がＺ／Ｘ以上の場合には、ＣＯ_２分離膜１１によって濃縮されたＣＯ_２が逆拡散するためである。また、
Ａ Ｐａ（パスカル）＜｜４０ Ｐａ（パスカル）｜
としたのは、大気中のＣＯ_２分圧よりも低い圧力とする必要があるためである。また、
Ｂ Ｐａ（パスカル）＜｜４０ Ｐａ（パスカル）｜
としたのは、大気中のＣＯ_２分圧よりも低い圧力とする必要があるためである。

次に、移送工程を行う。移送工程では、導入用タンクＴ１の内部を減圧しながら、導入用タンクＴ１に捕集されたＣＯ_２リッチガスを第２の捕集器としての一時貯留用タンクＴ２に移送する。
具体的には、先ず、制御装置１７は、弁Ｖ１を閉じ、弁Ｖ２及び弁Ｖ４を開く制御を行い、（（Ｚ／Ｘ）－Ａ）Ｓ ｌ（リットル）分の導入用タンクＴ１の内部のガスを、一時貯留用タンクＴ２に移送する。ここで、Ｓ ｌ（リットル）は、導入用タンクＴ１の容積である。

これにより、導入用タンクＴ１に捕集されたＣＯ_２リッチガスは、一時貯留用タンクＴ２に移送される。また、導入用タンクＴ１の内部の圧力は、Ａ Ｐａ（パスカル）になる。導入用タンクＴ１の内部の圧力が、絶対真空近傍のＡ Ｐａ（パスカル）に達したときに、制御装置１７は、真空ポンプ１６の駆動を停止すると共に、弁Ｖ２及び弁Ｖ４を閉じる制御を行い、導入用タンクＴ１から一時貯留用タンクＴ２へのＣＯ_２リッチガスの移送を停止する。以上が移送工程である。

そして、上記の第１の捕集工程及び移送工程を数回、例えば、図３のＴ１－１のグラフにおいて４つの波形を示すように、３回～５回程度繰り返す第２の捕集工程を行う。第２の捕集工程は、一時貯留用タンクＴ２の内部の圧力が大気圧近傍のＣ Ｐａ（パスカル）まで上昇したことを圧力センサが検知したときに（図３におけるＴ２－１のグラフの左端から右へ向かってゆくと圧力値が落ち込んだ後に段階的に３段上がった後に僅かに上がりピークとなったときに）、ＣＯ_２の捕集を完了する。これにより、一時貯留用タンクＴ２の内部において常圧（大気圧）に近い圧力の、濃縮されたＣＯ_２リッチガスが、一時的に貯留された状態となっている。ここで、大気圧近傍とは、大気圧と同程度の圧力であることを意味し、大気圧よりも大きくても小さくても良い。

ここで、Ｃは、
１０００００ Ｐａ（パスカル）＜Ｃ Ｐａ（パスカル）＜Ｚ Ｐａ（パスカル）
を満たす値である。
１０００００ Ｐａ（パスカル）＜Ｃ
としたのは、１０００００ Ｐａ（パスカル）以下では、大気圧から離れた低い圧力の値となるためである。また、
Ｃ Ｐａ（パスカル）＜Ｚ Ｐａ（パスカル）
としたのは、大気圧よりも低い圧力の方が貯留するときに浪費されるエネルギーを抑えることができるためである。
ただし、Ｃ Ｐａ（パスカル）を大気圧よりもわずかに高い圧力とすることも可能である。Ｃ Ｐａ（パスカル）が大気圧よりも高い圧力の場合は、一時貯留用タンクＴ２の内部の濃度が高いＣＯ_２リッチガスを使用するときに浪費されるエネルギーを抑えることができる。

以上の工程は、１段目の濃縮部１０において行われる。これにより得られた、濃縮された第１のＣＯ_２濃度のＣＯ_２リッチガスは、２段目の濃縮部２０、３段目の濃縮部３０、・・・、２０段目の濃縮部２００のそれぞれにおいて、更に濃縮されて、第１のＣＯ_２濃度よりも高い第２のＣＯ_２濃度のＣＯ_２リッチガスとされる。なお、１段目の濃縮部１０においては、ＣＯ_２分離膜１１に通される大気圧環境下の空気が、第１のＣＯ_２濃度に相当し、ＣＯ_２分離膜１１を通過した後のＣＯ_２リッチガスが、第２のＣＯ_２濃度のＣＯ_２リッチガスに相当する。

具体的には、１段目の濃縮部１０の一時貯留用タンクＴ２の内部の圧力がＣ Ｐａ（パスカル）まで上昇したことを圧力センサが検知したときに、これと同時に制御装置１７は、２段目の濃縮部２０の真空ポンプ１６を駆動させて、導入用タンクＴ１の内部の圧力、一時貯留用タンクＴ２の内部の圧力を、前述のように１段目の濃縮部１０における第１の捕集工程を行う前の状態、即ち、それぞれＡ Ｐａ（パスカル）、Ｂ Ｐａ（パスカル）とする。そして制御装置１７は、弁Ｖ１及び弁Ｖ６を開く制御を行う。これにより、１段目の濃縮部１０において濃縮され一時貯留用タンクＴ２の内部において常圧（大気圧）に近い圧力とされたＣＯ_２リッチガスは、図３において、Ｔ０－２のグラフにおいて一時的に減圧している状態として示すように、弁Ｖ１が開かれることにより減圧された２段目の濃縮部２０の入力用タンクＴ０に流入し、常圧（大気圧）に近い圧力で貯留され、この後に、制御装置１７は、弁Ｖ６を閉じる制御を行う。

そして、これ以降に、２段目の濃縮部２０において、前述の第１の捕集工程、移送工程、第２の捕集工程を行い、２段目の濃縮部２０の一時貯留用タンクＴ２の内部において常圧（大気圧）に近い圧力の、１段目の濃縮部１０により濃縮されたＣＯ_２リッチガスよりも更に濃縮されたＣＯ_２リッチガスが貯留される。この際、１段目の濃縮部１０においては、２段目の濃縮部２０におけるＣＯ_２濃縮の工程と同時並行して、ＣＯ_２濃縮の工程が行われる。以下、同様に、３段目の濃縮部３０、４段目の濃縮部４０、・・・、２０段目の濃縮部２００においても、ＣＯ_２濃縮の工程（第１の捕集工程、移送工程、第２の捕集工程）が行われる。ここで、各入力用タンクＴ０において、大気圧を上回る余剰のガスが存在する場合には、制御装置１７は、チェックバルブＶ７を開く制御を行い、余剰分のガスを１つ前段の入力用タンクＴ０に移送する。そして、最終的には、最も濃縮されたＣＯ_２リッチガスが、２０段目の濃縮部２００の一時貯留用タンクＴ２から、弁Ｖ６が開かれることにより、二酸化炭素供給ラインへ供給される。

本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態によるＣＯ_２濃縮方法は、第１の側を、大気圧環境下の第１のＣＯ_２濃度のガスに曝された状態とし、第２の側を減圧し、ＣＯ_２分離膜１１を通して第１の側から第２の側へ流入し減圧された第１のＣＯ_２濃度よりも高い第２のＣＯ_２濃度のＣＯ_２リッチガスを第１の捕集器としての導入用タンクＴ１に捕集する第１の捕集工程と、捕集されたＣＯ_２リッチガスを第２の捕集器としての一時貯留用タンクＴ２に移送する移送工程と、第１の捕集工程及び移送工程を複数回繰り返し行うことにより、一時貯留用タンクＴ２に大気圧近傍の圧力のＣＯ_２リッチガスを捕集する第２の捕集工程と、を備える。

また、本実施形態によるＣＯ_２濃縮装置１は、大気圧環境下の第１のＣＯ_２濃度のガスに曝された第１の側と第２の側とを隔てるＣＯ_２分離膜１１と、第２の側と連通され絶対真空近傍とされる第１の捕集器としての導入用タンクＴ１と、導入用タンクＴ１と連通された第２の捕集器としての一時貯留用タンクＴ２と、導入用タンクＴ１に捕集された第１のＣＯ_２濃度よりも高い第２のＣＯ_２濃度のＣＯ_２リッチガスを一時貯留用タンクＴ２に移送する移送器としての真空ポンプ１６と、を備える。

これにより、コンプレッサー等を用いてＣＯ_２を含むガスを高圧とせずに、大気中の空気や大気圧環境下の第１のＣＯ_２濃度のガスから、任意の濃度にまで濃縮されたＣＯ_２リッチガスを捕集することができる。このため、ＣＯ_２を濃縮する際に浪費されるエネルギーを抑えることが可能なＣＯ_２濃縮方法及びＣＯ_２濃縮装置１を提供することができる。

特に、ＣＯ_２分離膜１１を透過後のガスを一時貯留用タンクＴ２に捕集するため、ＣＯ_２分離膜１１を透過後のガスが、逆流拡散することを抑えることが可能であり、また、陰圧（負圧）引きによりＣＯ_２を濃縮したガスを、常圧で取り出すことが可能となる。また、第１の捕集工程及び移送工程を複数回繰り返し行う第２の捕集工程により、任意の濃度にまでＣＯ_２を濃縮することが可能となる。また、陰圧引きでＣＯ_２を空気中や大気圧環境下の第１のＣＯ_２濃度のガスから分離濃縮を行うため、ＣＯ_２以外の分子に与えるエネルギーを削減でき、低エネルギーでのＣＯ_２リッチガスの捕集が可能となる。

また、移送工程では、導入用タンクＴ１を減圧しながら導入用タンクＴ１に捕集されたＣＯ_２リッチガスを一時貯留用タンクＴ２に移送する。このため、導入用タンクＴ１から一時貯留用タンクＴ２への移送、及び、導入用タンクＴ１の減圧を低エネルギーで行うことが可能である。

また、第１の捕集工程は、導入用タンクＴ１の内部の圧力が大気圧よりも低く、絶対真空よりも高い第１の所定の圧力Ｚ／Ｘ Ｐａ（パスカル）に達した時に、移送工程に移行する。このため、ＣＯ_２分離膜１１によって濃縮されたＣＯ_２が逆拡散しない範囲で最大の圧力となったときに、導入用タンクＴ１の内部のＣＯ_２リッチガスを一時貯留用タンクＴ２に移送することが可能であり、効率よく移送を行うことが可能である。

また、第２の捕集工程は、一時貯留用タンクＴ２の圧力が大気圧近傍の第２の所定の圧力Ｃ Ｐａ（パスカル）に達した時に捕集を完了する。このため、一時貯留用タンクＴ２の内部から、圧力が大気圧近傍であるＣＯ_２リッチガスを取り出すことが可能となる。

また、導入用タンクＴ１の内部の圧力が絶対真空近傍の第３の所定の圧力Ａ Ｐａ（パスカル）に達した時に移送器の駆動を停止し移送工程を完了する。このため、再び第１の捕集工程を行う際に、改めて導入用タンクＴ１の内部に対して真空ポンプ１６を用いて減圧することを行わずに済み、効率よく第１の捕集工程、移送工程、及び、第２の捕集工程を繰り返すことが可能となる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、第１の捕集器、第２の捕集器、移送器等は、本実施形態による導入用タンクＴ１、一時貯留用タンクＴ２、真空ポンプ１６等に限定されない。例えば、第２の捕集器はタンクに代えて変形可能な袋により構成されてもよい。

また、ＣＯ_２濃縮装置１は、１段目の濃縮部１０（濃縮１段目）、２段目の濃縮部２０（濃縮２段目）、３段目の濃縮部３０（濃縮３段目）、・・・、２０段目の濃縮部２００（濃縮２０段目）の２０の濃縮部を備えていたが、この構成に限定されない。例えば、段数については、必要とされるＣＯ_２濃度に応じた段数とすればよく、２０段ではなくてもよい。

また、本実施形態においては、空気中のＣＯ_２の濃度の略５倍にまで濃縮することが可能なＣＯ_２分離膜１１が用いられたが、これに限定されない。ＣＯ_２分離膜としては、空気中のＣＯ_２の濃度の何倍にまで濃縮することができるＣＯ_２分離膜を用いてもよい。
また、本実施形態においては、窒素を通しにくい特性を有するＣＯ_２分離膜１１を用いたが、これに限定されない。例えば、後段の濃縮部においては、酸素を通しにくい特性を有するＣＯ_２分離膜を用いてもよい。また、本実施形態においては、ＣＯ_２分離膜１１は、直径が異なる複数の略円筒形状のアルミメッシュ筒１２の周面に張られて設けられていたが、この構成に限定されない。

１…ＣＯ_２濃縮装置
１１…ＣＯ_２分離膜
１３…圧力センサ（第１の圧力センサ）
１６…真空ポンプ（移送器）
Ｔ１…導入用タンク（第１の捕集器）
Ｔ２…一時貯留用タンク（第２の捕集器）

Claims (7)

1. 第１の側と第２の側とを隔てるＣＯ_２分離膜を用いてＣＯ_２を濃縮するＣＯ_２濃縮方法であって、
   前記第１の側を大気圧環境下の第１のＣＯ_２濃度のガスに曝された状態とし、前記第２の側を減圧し、前記ＣＯ_２分離膜を通して前記第１の側から前記第２の側へ流入し減圧された前記第１のＣＯ_２濃度よりも高い第２のＣＯ_２濃度のＣＯ_２リッチガスを第１の捕集器に捕集する第１の捕集工程と、
   前記捕集されたＣＯ_２リッチガスを第２の捕集器に移送する移送工程と、
   前記第１の捕集工程及び前記移送工程を複数回繰り返し行うことにより、前記第２の捕集器に大気圧近傍の圧力のＣＯ_２リッチガスを捕集する第２の捕集工程と、を備えるＣＯ_２濃縮方法。
2. 前記移送工程では、前記第１の捕集器を減圧しながら前記第１の捕集器に捕集されたＣＯ_２リッチガスを前記第２の捕集器に移送する請求項１に記載のＣＯ_２濃縮方法。
3. 前記第１の捕集工程は、前記第１の捕集器の圧力が大気圧よりも低く、絶対真空よりも高い第１の所定の圧力に達した時に、前記移送工程に移行する請求項１又は請求項２に記載のＣＯ_２濃縮方法。
4. 前記第２の捕集工程は、前記第２の捕集器の圧力が大気圧近傍の第２の所定の圧力に達した時に捕集を完了する請求項１～請求項３のいずれかに記載のＣＯ_２濃縮方法。
5. ＣＯ_２を濃縮するＣＯ_２濃縮装置であって、
   大気圧環境下の第１のＣＯ_２濃度のガスに曝された第１の側と、第２の側とを隔てるＣＯ_２分離膜と、
   前記第２の側と連通され絶対真空近傍とされる第１の捕集器と、
   前記第１の捕集器と連通された第２の捕集器と、
   前記第１の捕集器に捕集された前記第１のＣＯ_２濃度よりも高い第２のＣＯ_２濃度のＣＯ_２リッチガスを前記第２の捕集器に移送する移送器と、を備え、
   前記移送器は、前記第１の捕集器を減圧しながら前記第１の捕集器に捕集されたＣＯ_２リッチガスを前記第２の捕集器に移送するＣＯ_２濃縮装置。
6. 前記第１の捕集器の圧力を検出する第１の圧力センサを備え、
   前記第１の捕集器にＣＯ_２リッチガスが捕集されることにより前記第１の捕集器の圧力が、大気圧よりも低く、絶対真空よりも高い第１の所定の圧力に達した時に、前記移送器の駆動を開始する請求項５に記載のＣＯ_２濃縮装置。
7. 前記第１の捕集器の圧力が絶対真空近傍の第３の所定の圧力に達した時に前記移送器の駆動を停止する請求項６に記載のＣＯ_２濃縮装置。

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