JP7367809B2 - Carbon and hydrogen production methods, carbon materials, reducing agents, carbon dioxide decomposition methods - Google Patents

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Description

この発明は、二酸化炭素および水を用いて、炭素と水素とを製造する炭素および水素の製造方法、炭素材料、還元剤、および二酸化炭素の分解方法に関する。 The present invention relates to a method for producing carbon and hydrogen using carbon dioxide and water, a carbon material, a reducing agent, and a method for decomposing carbon dioxide.

例えば、製鉄所、火力発電所、セメント工場、ゴミ焼却施設などでは、多量の二酸化炭素(CO)が排出されている。このため、地球温暖化防止の観点から、二酸化炭素を大気中に放出させずに回収することが重要になっている。
一方、燃料電池自動車(FCV)や水素発電など水素需要の増大に伴って、低コストで大量に供給が可能な水素が求められている。
For example, large amounts of carbon dioxide (CO 2 ) are emitted in steel plants, thermal power plants, cement factories, garbage incineration facilities, and the like. Therefore, from the perspective of preventing global warming, it has become important to recover carbon dioxide without releasing it into the atmosphere.
On the other hand, with the increasing demand for hydrogen from fuel cell vehicles (FCVs) and hydrogen power generation, there is a need for hydrogen that can be supplied in large quantities at low cost.

従来、二酸化炭素を分離回収する技術として、化学吸収法,物理吸収法,膜分離法などが知られている。また、回収した二酸化炭素を分解する技術として、半導体光触媒法、金属コロイド触媒,金属錯体,触媒等を用いた光化学的還元法、電気化学的還元法、化学的固定変換反応、例えば、塩基との反応,転移反応,脱水反応,付加反応などを用いる分解方法などが知られている。しかしながら、これらの二酸化炭素の分解方法は、何れも反応効率、コスト、消費エネルギーなどの面から実用的ではないという課題があった。 Conventionally, chemical absorption methods, physical absorption methods, membrane separation methods, and the like are known as techniques for separating and recovering carbon dioxide. In addition, techniques for decomposing the recovered carbon dioxide include semiconductor photocatalytic method, photochemical reduction method using metal colloid catalysts, metal complexes, catalysts, etc., electrochemical reduction method, chemical fixation conversion reaction, etc. Decomposition methods using reactions, transfer reactions, dehydration reactions, addition reactions, etc. are known. However, all of these carbon dioxide decomposition methods have problems in that they are not practical in terms of reaction efficiency, cost, energy consumption, etc.

このため、例えば、特許文献1では、格子中に酸素欠陥部位である空孔のあるマグネタイト、即ち酸素欠陥鉄酸化物を用いて二酸化炭素を還元して炭素を生成し、炭素からメタンやメタノールを得る方法が開示されている。こうした特許文献1の発明では、酸素欠陥鉄酸化物によって二酸化炭素を分解(還元反応)し、酸化されて生じた鉄酸化物を水素で還元して再び酸素欠陥鉄酸化物に戻すことによって、連続的かつ効率的に二酸化炭素を分解可能なクローズドシステムを実現できるとされている。 For this reason, for example, in Patent Document 1, carbon dioxide is reduced using magnetite with vacancies that are oxygen defect sites in the lattice, that is, oxygen-deficient iron oxide, and carbon is produced, and methane and methanol are produced from the carbon. A method for obtaining the information is disclosed. In the invention of Patent Document 1, carbon dioxide is decomposed (reduction reaction) by oxygen-deficient iron oxide, and the oxidized iron oxide is reduced with hydrogen to return it to oxygen-deficient iron oxide, thereby continuously decomposing carbon dioxide (reduction reaction). It is said that a closed system that can decompose carbon dioxide efficiently and efficiently can be realized.

一方、高純度の水素を製造する方法として、例えば、特許文献2では、塩化鉄と水とを410℃以上で反応させ、マグネタイト、塩化水素、および水素を生成し、生成した水素を分離膜を用いて回収する方法が開示されている。こうした特許文献2の発明では、各種プラントから排出されるプロセス廃熱を有効利用し、水を原料として、クリーンなエネルギー燃料である水素を、熱化学分解技術によって得ることができるとされている。 On the other hand, as a method for producing high-purity hydrogen, for example, in Patent Document 2, iron chloride and water are reacted at 410°C or higher to generate magnetite, hydrogen chloride, and hydrogen, and the generated hydrogen is passed through a separation membrane. Disclosed is a method for using and recovering the material. In the invention of Patent Document 2, it is said that hydrogen, which is a clean energy fuel, can be obtained by thermochemical decomposition technology by effectively utilizing process waste heat discharged from various plants and using water as a raw material.

特開平5-184912号公報Japanese Patent Application Publication No. 5-184912 特開2001-233601号公報Japanese Patent Application Publication No. 2001-233601

しかしながら、特許文献1で開示された反応条件では、酸素欠陥鉄酸化物の酸素欠陥度が小さく(酸素欠陥鉄酸化物をFe4-δで示した場合に、δは最大で0.16程度)、二酸化炭素の分解能力が低いため、効率的に二酸化炭素を分解処理できないという課題があった。また、特許文献1の方法で二酸化炭素を連続して分解する場合、マグネタイトを酸素欠陥鉄酸化物に還元するための水素を外部から供給する必要があり、水素供給に係るコストが大きいという課題もあった。
更に、特許文献1では、高価なナノサイズのマグネタイトを使用しているため、二酸化炭素の分解コストが高い。また、生成した炭素は付加価値の高いナノ炭素ではないため(>1μm)、二酸化炭素分解プラントの経済性が低いという課題がある。
However, under the reaction conditions disclosed in Patent Document 1, the degree of oxygen deficiency of the oxygen-deficient iron oxide is small (when the oxygen-deficient iron oxide is represented by Fe 3 O 4-δ , δ is at most 0.16 degree), and its ability to decompose carbon dioxide was low, so there was a problem that it was not possible to decompose carbon dioxide efficiently. In addition, when carbon dioxide is continuously decomposed using the method of Patent Document 1, it is necessary to supply hydrogen from outside to reduce magnetite to oxygen-deficient iron oxide, and there is also the problem that the cost associated with hydrogen supply is high. there were.
Furthermore, since Patent Document 1 uses expensive nano-sized magnetite, the cost of decomposing carbon dioxide is high. Furthermore, since the carbon produced is not nanocarbon with high added value (>1 μm), there is a problem that the economic efficiency of the carbon dioxide decomposition plant is low.

特許文献2では、水素製造反応に関与する物質が多く(鉄化合物であるマグネタイト以外にマグネシウム化合物もある)、反応機構が複雑である。また、反応に必要な温度が高いため(~1000℃程度)、エネルギー消費量が多く、製造コストが高くなるという課題がある。
また、特許文献2では、エネルギーを多量に消費する各種プラントから排出される排熱の有効利用だけに着目したものであり、こうしたプラントの多くから排熱と共に排出される二酸化炭素も有効利用することが求められている。
In Patent Document 2, there are many substances involved in the hydrogen production reaction (there are also magnesium compounds in addition to magnetite, which is an iron compound), and the reaction mechanism is complicated. Furthermore, since the temperature required for the reaction is high (approximately 1000° C.), there is a problem that energy consumption is large and manufacturing costs are high.
Furthermore, Patent Document 2 focuses only on the effective use of exhaust heat emitted from various plants that consume large amounts of energy, and also focuses on the effective use of carbon dioxide that is emitted along with the exhaust heat from many of these plants. is required.

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、二酸化炭素と水から、炭素と水素とを効率的に生成するとともに、反応に用いる還元剤を繰り返し生成、利用することが可能な炭素および水素の製造方法、これにより得られる炭素材料、還元剤、および二酸化炭素の分解方法を提供することを目的とする。 This invention was made in view of the above-mentioned circumstances, and it is possible to efficiently generate carbon and hydrogen from carbon dioxide and water, and to repeatedly generate and use the reducing agent used in the reaction. The present invention aims to provide a method for producing carbon and hydrogen, a carbon material obtained thereby, a reducing agent, and a method for decomposing carbon dioxide.

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
(1)本発明の態様1の炭素および水素の製造方法は、二酸化炭素と還元剤とを反応させて、表面に炭素を付着させたマグネタイトを生成する二酸化炭素分解工程と、前記二酸化炭素分解工程で得られた表面に炭素を付着させたマグネタイトと、塩酸、または塩化水素ガスとを反応させて、炭素と、塩化鉄とを生成する炭素分離工程と、前記炭素分離工程で得られた塩化鉄に含まれる塩化鉄(III)を塩化鉄(II)に還元する塩化鉄還元工程と、前記炭素分離工程および前記塩化鉄還元工程で得られた塩化鉄(II)と、水とを反応させて、マグネタイトと、水素と、塩化水素ガスとを生成する水素製造工程と、前記水素製造工程で得られたマグネタイトおよび水素を互いに反応させて、前記二酸化炭素分解工程で用いる前記還元剤を生成する還元剤再生工程と、を有し、前記還元剤は、マグネタイトの結晶構造を維持したままマグネタイトを還元することで得られるFe4-δ(但し、δは1以上4未満)で表される酸素欠陥鉄酸化物、またはマグネタイトを完全に還元することで得られる酸素完全欠陥鉄(δ=4)、またはヘマタイトや使用済みカイロを還元することで得られる酸素欠陥鉄酸化物、またはヘマタイトや使用済みカイロを完全に還元することで得られる酸素完全欠陥鉄であることを特徴とする。
(2)本発明の態様2の炭素および水素の製造方法は、二酸化炭素と還元剤とを反応させて、表面に炭素を付着させたマグネタイトを生成する二酸化炭素分解工程と、前記二酸化炭素分解工程で得られた表面に炭素を付着させたマグネタイトと、塩酸、または塩化水素ガスとを反応させて、炭素と、塩化鉄とを生成する炭素分離工程と、前記炭素分離工程で得られた塩化鉄と、水とを反応させて、マグネタイトと、水素と、塩化水素ガスとを生成する水素製造工程と、前記水素製造工程で得られたマグネタイトおよび水素を互いに反応させて、前記二酸化炭素分解工程で用いる前記還元剤を生成する還元剤再生工程と、を有し、前記還元剤は、マグネタイトの結晶構造を維持したままマグネタイトを還元することで得られるFe 4-δ (但し、δは1以上4未満)で表される酸素欠陥鉄酸化物、またはマグネタイトを完全に還元することで得られる酸素完全欠陥鉄(δ=4)、またはヘマタイトや使用済みカイロを還元することで得られる酸素欠陥鉄酸化物、またはヘマタイトや使用済みカイロを完全に還元することで得られる酸素完全欠陥鉄であり、前記炭素分離工程において、炭素の付着のないマグネタイトを追加投入することを特徴とする
(3)本発明の態様3の炭素および水素の製造方法は、二酸化炭素と還元剤とを反応させて、表面に炭素を付着させたマグネタイトを生成する二酸化炭素分解工程と、前記二酸化炭素分解工程で得られた表面に炭素を付着させたマグネタイトと、塩酸、または塩化水素ガスとを反応させて、炭素と、塩化鉄とを生成する炭素分離工程と、前記炭素分離工程で得られた塩化鉄に含まれる塩化鉄(III)を塩化鉄(II)に還元する塩化鉄還元工程と、前記炭素分離工程および前記塩化鉄還元工程で得られた塩化鉄(II)と、水とを反応させて、マグネタイトと、水素と、塩化水素ガスとを生成する水素製造工程と、前記水素製造工程で得られたマグネタイトおよび水素を互いに反応させて、前記二酸化炭素分解工程で用いる前記還元剤を生成する還元剤再生工程と、を有し、前記還元剤は、マグネタイトの結晶構造を維持したままマグネタイトを還元することで得られるFe 4-δ (但し、δは1以上4未満)で表される酸素欠陥鉄酸化物、またはマグネタイトを完全に還元することで得られる酸素完全欠陥鉄(δ=4)、またはヘマタイトや使用済みカイロを還元することで得られる酸素欠陥鉄酸化物、またはヘマタイトや使用済みカイロを完全に還元することで得られる酸素完全欠陥鉄であり、前記炭素分離工程において、炭素の付着のないマグネタイトを追加投入することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
(1) The method for producing carbon and hydrogen according to Aspect 1 of the present invention includes a carbon dioxide decomposition step of reacting carbon dioxide with a reducing agent to produce magnetite with carbon attached to the surface, and the carbon dioxide decomposition step. A carbon separation step in which the magnetite with carbon attached to the surface obtained in step 1 is reacted with hydrochloric acid or hydrogen chloride gas to produce carbon and iron chloride, and iron chloride obtained in the carbon separation step. An iron chloride reduction step in which iron chloride (III) contained in , a hydrogen production step of producing magnetite, hydrogen, and hydrogen chloride gas; and a reduction of reacting the magnetite and hydrogen obtained in the hydrogen production step with each other to produce the reducing agent used in the carbon dioxide decomposition step. the reducing agent is represented by Fe 3 O 4-δ (where δ is 1 or more and less than 4) obtained by reducing magnetite while maintaining the crystal structure of magnetite. Oxygen-deficient iron oxide, or oxygen-deficient iron (δ = 4) obtained by completely reducing magnetite, or oxygen-deficient iron oxide obtained by reducing hematite or used body warmers, or hematite or used It is characterized by being completely oxygen-deficient iron obtained by completely reducing used body warmer.
(2) The method for producing carbon and hydrogen according to Aspect 2 of the present invention includes a carbon dioxide decomposition step of reacting carbon dioxide with a reducing agent to produce magnetite with carbon attached to the surface, and the carbon dioxide decomposition step. A carbon separation step in which the magnetite with carbon attached to the surface obtained in step 1 is reacted with hydrochloric acid or hydrogen chloride gas to produce carbon and iron chloride, and iron chloride obtained in the carbon separation step. and water to produce magnetite, hydrogen, and hydrogen chloride gas; and the carbon dioxide decomposition step, in which the magnetite and hydrogen obtained in the hydrogen production step are reacted with each other. and a reducing agent regeneration step of generating the reducing agent to be used, wherein the reducing agent is Fe 3 O 4-δ obtained by reducing magnetite while maintaining the crystal structure of magnetite (where δ is 1 Oxygen-deficient iron oxide represented by (above and less than 4), or oxygen-completely deficient iron (δ = 4) obtained by completely reducing magnetite, or oxygen-deficient iron obtained by reducing hematite or used body warmers. It is oxygen-completely defective iron obtained by completely reducing iron oxide, hematite, and used hand warmers, and is characterized by additionally adding magnetite, which does not have carbon adhesion, in the carbon separation process.
(3) The method for producing carbon and hydrogen according to Aspect 3 of the present invention includes a carbon dioxide decomposition step of reacting carbon dioxide with a reducing agent to produce magnetite with carbon attached to the surface, and the carbon dioxide decomposition step. A carbon separation step in which the magnetite with carbon attached to the surface obtained in step 1 is reacted with hydrochloric acid or hydrogen chloride gas to produce carbon and iron chloride, and iron chloride obtained in the carbon separation step. An iron chloride reduction step in which iron chloride (III) contained in , a hydrogen production step of producing magnetite, hydrogen, and hydrogen chloride gas; and a reduction of reacting the magnetite and hydrogen obtained in the hydrogen production step with each other to produce the reducing agent used in the carbon dioxide decomposition step. the reducing agent is represented by Fe 3 O 4-δ (where δ is 1 or more and less than 4) obtained by reducing magnetite while maintaining the crystal structure of magnetite. Oxygen-deficient iron oxide, or oxygen-deficient iron (δ = 4) obtained by completely reducing magnetite, or oxygen-deficient iron oxide obtained by reducing hematite or used body warmers, or hematite or used It is oxygen-completely deficient iron obtained by completely reducing used body warmer, and is characterized by additionally adding magnetite, which does not have carbon adhesion, in the carbon separation process.

本発明によれば、マグネタイトの結晶構造が維持され、かつ酸素原子の離脱による原子空孔の多い酸素欠陥鉄酸化物または酸素完全欠陥鉄を還元剤として用いて、二酸化炭素を還元することにより、低コストで効率的に二酸化炭素から炭素を製造することができる。 According to the present invention, by reducing carbon dioxide using oxygen-deficient iron oxide or oxygen-completely deficient iron, which maintains the crystal structure of magnetite and has many atomic vacancies due to the detachment of oxygen atoms, as a reducing agent, Carbon can be efficiently produced from carbon dioxide at low cost.

また、炭素分離工程で得られた塩化鉄と水とを反応させることによって、低コストで効率的に水を分解して、高純度な水素を製造することができる。こうした水素製造では、マグネタイト、或いは塩化鉄の循環量を増やすだけで、容易に水素の生成量を増加させることができる。 Furthermore, by reacting iron chloride obtained in the carbon separation step with water, water can be decomposed efficiently at low cost to produce highly pure hydrogen. In such hydrogen production, the amount of hydrogen produced can be easily increased simply by increasing the amount of magnetite or iron chloride circulated.

(4)本発明の態様4は、態様1から態様3のいずれか1つの炭素および水素の製造方法において、前記二酸化炭素分解工程は、反応温度を300℃以上、450℃以下の範囲にしてもよい。 (4) Aspect 4 of the present invention is that in the method for producing carbon and hydrogen according to any one of Aspects 1 to 3 , the carbon dioxide decomposition step may be performed at a reaction temperature of 300°C or more and 450°C or less. good.

(5)本発明の態様5は、態様1から態様4のいずれか1つの炭素および水素の製造方法において、前記二酸化炭素分解工程は、反応圧力を0.01MPa以上、5MPa以下の範囲にしてもよい。 (5) Aspect 5 of the present invention is that in the method for producing carbon and hydrogen according to any one of Aspects 1 to 4 , the carbon dioxide decomposition step may be performed at a reaction pressure of 0.01 MPa or more and 5 MPa or less. good.

(6)本発明の態様6は、態様1から5のいずれか1つの炭素および水素の製造方法において、前記炭素分離工程は、反応温度を10℃以上、300℃以下の範囲にしてもよい。 (6) Aspect 6 of the present invention is the method for producing carbon and hydrogen according to any one of aspects 1 to 5 , in which the carbon separation step may have a reaction temperature in a range of 10° C. or more and 300° C. or less.

(7)本発明の態様7は、態様1から6のいずれか1つの炭素および水素の製造方法において、前記水素製造工程は、反応温度を10℃以上、800℃以下の範囲にしてもよい。 (7) Aspect 7 of the present invention is the method for producing carbon and hydrogen according to any one of Aspects 1 to 6 , in which the reaction temperature in the hydrogen production step may be set in a range of 10°C or more and 800°C or less.

(8)本発明の態様8は、態様1から7のいずれか1つの炭素および水素の製造方法において、前記還元剤再生工程は、反応温度を300℃以上、450℃以下の範囲にしてもよい。 (8) Aspect 8 of the present invention is that in the method for producing carbon and hydrogen according to any one of Aspects 1 to 7 , in the reducing agent regeneration step, the reaction temperature may be set in a range of 300°C or more and 450°C or less. .

(9)本発明の態様9は、態様1から8のいずれか1つの炭素および水素の製造方法において、前記還元剤再生工程で用いる水素の濃度は5体積%以上、100体積%以下の範囲にしてもよい。 (9) Aspect 9 of the present invention is that in the method for producing carbon and hydrogen according to any one of Aspects 1 to 8 , the concentration of hydrogen used in the reducing agent regeneration step is in a range of 5% by volume or more and 100% by volume or less. It's okay.

(10)本発明の態様10は、態様1から9のいずれか1つの炭素および水素の製造方法において、前記還元剤再生工程において、前記マグネタイトは、BET法による比表面積が0.1m/g以上、10m/g以下の範囲であってもよい。 (10) Aspect 10 of the present invention is the method for producing carbon and hydrogen according to any one of Aspects 1 to 9 , wherein in the reducing agent regeneration step, the magnetite has a specific surface area of 0.1 m 2 /g by the BET method. It may be in the range of 10 m 2 /g or less.

(11)本発明の態様11は、態様1から10のいずれか1つの炭素および水素の製造方法において、前記還元剤再生工程において、前記マグネタイトは、平均粒子径(体積累積平均径(50%径)以下同様)が1μm以上、1000μm以下の範囲であってもよい。 (11) Aspect 11 of the present invention is that in the method for producing carbon and hydrogen according to any one of aspects 1 to 10, in the reducing agent regeneration step, the magnetite has an average particle diameter (volume cumulative average diameter (50% diameter ) may be in the range of 1 μm or more and 1000 μm or less.

(12)本発明の態様12は、態様1から11のいずれか1つの炭素および水素の製造方法において、前記還元剤再生工程において、前記マグネタイトは、かさ密度が0.3g/cm以上、3g/cm以下の範囲であってもよい。 (12) Aspect 12 of the present invention is that in the method for producing carbon and hydrogen according to any one of Aspects 1 to 11 , in the reducing agent regeneration step, the magnetite has a bulk density of 0.3 g/cm 3 or more, and 3 g /cm 3 or less.

本発明によれば、二酸化炭素と水から、炭素と水素とを効率的に生成するとともに、反応に用いる還元剤を繰り返し生成、利用することが可能な炭素および水素の製造方法、これにより得られる炭素材料、還元剤、および還元能力の高い還元剤を用いて二酸化炭素を高い反応効率で分解することができる二酸化炭素の分解方法を提供することが可能となる。 According to the present invention, a method for producing carbon and hydrogen that can efficiently produce carbon and hydrogen from carbon dioxide and water, and can repeatedly produce and use a reducing agent used in the reaction, and a method for producing carbon and hydrogen, which can be obtained thereby. It becomes possible to provide a carbon dioxide decomposition method that can decompose carbon dioxide with high reaction efficiency using a carbon material, a reducing agent, and a reducing agent with high reducing ability.

マグネタイトの1/4単位格子の結晶構造を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the crystal structure of a 1/4 unit lattice of magnetite. 本発明の一実施形態の炭素および水素の製造方法を示すフローチャートである。1 is a flowchart showing a method for producing carbon and hydrogen according to an embodiment of the present invention. 実施例1の結果を示すグラフである。3 is a graph showing the results of Example 1. 実施例2の結果を示すグラフである。3 is a graph showing the results of Example 2. 実施例3の結果を示すグラフである。3 is a graph showing the results of Example 3. 実施例4の結果を示すグラフである。3 is a graph showing the results of Example 4. 実施例5の結果を示すグラフである。3 is a graph showing the results of Example 5. 実施例6の結果を示すグラフである。7 is a graph showing the results of Example 6. 実施例7の酸素欠陥度δの測定結果を示すグラフである。7 is a graph showing the measurement results of the degree of oxygen deficiency δ in Example 7. 実施例7の酸素欠陥消費率の測定結果を示すグラフである。7 is a graph showing the measurement results of the oxygen defect consumption rate in Example 7. 実施例8の酸素欠陥度δの測定結果を示すグラフである。12 is a graph showing the measurement results of the degree of oxygen deficiency δ in Example 8. 実施例8の酸素欠陥消費率の測定結果を示すグラフである。12 is a graph showing the measurement results of the oxygen defect consumption rate in Example 8. 実施例9のナノ粒子マグネタイトを用いた結果を示すグラフである。7 is a graph showing the results using nanoparticle magnetite of Example 9. 実施例9の微粒子マグネタイトを用いた結果を示すグラフである。12 is a graph showing the results using fine particle magnetite of Example 9. 実施例9の粉末マグネタイトを用いた結果を示すグラフである。12 is a graph showing the results using powdered magnetite of Example 9. 実施例10の水素還元後の試料のXRD分析結果である。3 is an XRD analysis result of a sample after hydrogen reduction in Example 10. 実施例10の二酸化炭素分解後の試料のXRD分析結果である。3 is an XRD analysis result of a sample after carbon dioxide decomposition in Example 10. 実施例11の水素還元後の試料のXRD分析結果である。3 is an XRD analysis result of a sample after hydrogen reduction in Example 11. 実施例11の二酸化炭素分解後の試料のXRD分析結果である。3 is an XRD analysis result of a sample after carbon dioxide decomposition in Example 11. 還元剤を二酸化炭素と反応させた後の生成物のSEM写真である。Figure 2 is an SEM photograph of the product after reacting the reducing agent with carbon dioxide.

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態の炭素および水素の製造方法、炭素材料、還元剤、および二酸化炭素の分解方法について説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 Hereinafter, a method for producing carbon and hydrogen, a carbon material, a reducing agent, and a method for decomposing carbon dioxide according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the embodiments shown below are specifically explained in order to better understand the gist of the invention, and unless otherwise specified, the embodiments are not intended to limit the invention. Furthermore, in order to make the features of the present invention easier to understand, the drawings used in the following explanation may show important parts enlarged for convenience, and the dimensional ratio of each component may be the same as the actual one. Not necessarily.

まず最初に、本実施形態の炭素および水素の製造方法で用いる還元剤について説明する。
還元剤は、後述する二酸化炭素分解工程S1において、二酸化炭素と反応させることによって、二酸化炭素を還元して炭素と酸素に分解する材料である。本実施形態で用いる還元剤は、Fe4-δ(但し、δは1以上4未満)で表されるマグネタイト(四酸化三鉄)の酸素欠陥鉄酸化物、ヘマタイトや使用済みカイロ(主成分は水酸化鉄)の酸素欠陥鉄酸化物、または酸素完全欠陥鉄を用いる。
First, the reducing agent used in the carbon and hydrogen production method of this embodiment will be explained.
The reducing agent is a material that reduces carbon dioxide and decomposes it into carbon and oxygen by reacting with carbon dioxide in the carbon dioxide decomposition step S1 described below. The reducing agent used in this embodiment is an oxygen-deficient iron oxide of magnetite (triiron tetroxide) represented by Fe 3 O 4-δ (where δ is 1 or more and less than 4), hematite, and used body warmers (mainly The component used is oxygen-deficient iron oxide (iron hydroxide) or oxygen-completely deficient iron.

図1は、マグネタイトの1/4単位格子の結晶構造を示す模式図である。
マグネタイトは、結晶学的に、スピネル型結晶格子構造を有し、酸素イオン(O2-)が立方最密充填配置にされ、その隙間(Asite、Bsite)に、+3価の鉄(Fe+3)、+2価の鉄(Fe2+)が2:1の割合で配置されている。マグネタイトは、一般式としてFeで表される。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the crystal structure of a quarter unit cell of magnetite.
Crystallographically, magnetite has a spinel-type crystal lattice structure, in which oxygen ions (O 2- ) are arranged in a cubic close-packed arrangement, and +trivalent iron (Fe +3 ) is present in the gaps (Asite, Bsite). , +2-valent iron (Fe 2+ ) are arranged at a ratio of 2:1. Magnetite is represented by the general formula Fe 3 O 4 .

本実施形態で用いる還元剤は、このようなマグネタイトの結晶構造、即ちスピネル型結晶格子構造を保った状態で、図1に示す任意の位置の酸素イオンを離脱させることで得られる酸素欠陥鉄酸化物(1≦δ<4未満)、またはマグネタイトを完全に還元することで得られる酸素完全欠陥鉄(δ=4)、またはヘマタイトや使用済みカイロを還元することで得られる酸素欠陥鉄酸化物、またはヘマタイトや使用済みカイロを完全に還元することで得られる酸素完全欠陥鉄である。こうした還元剤は、後述する還元剤再生工程S4において生成される。 The reducing agent used in this embodiment is an oxygen-deficient iron oxidation agent obtained by removing oxygen ions at arbitrary positions shown in FIG. 1 while maintaining the crystal structure of magnetite, that is, the spinel crystal lattice structure. (1≦δ<4), or oxygen-completely defective iron (δ=4) obtained by completely reducing magnetite, or oxygen-deficient iron oxide obtained by reducing hematite or used hand warmers, Or it is oxygen-completely deficient iron obtained by completely reducing hematite or used hand warmers. Such a reducing agent is generated in a reducing agent regeneration step S4, which will be described later.

マグネタイトを還元することで得られる酸素欠陥鉄酸化物は、Fe4-δで表され、マグネタイトから離脱させた酸素イオン(O2-)の離脱割合によって、δが1以上4未満の範囲にされる。また、マグネタイトから酸素イオンを全て離脱させた(即ち、δ=4)ものが、上述した酸素完全欠陥鉄となる。 Oxygen-deficient iron oxide obtained by reducing magnetite is represented by Fe 3 O 4-δ , and δ is in the range of 1 or more and less than 4 depending on the ratio of oxygen ions (O 2- ) released from magnetite. be made into Moreover, magnetite in which all oxygen ions are removed (ie, δ=4) becomes the above-mentioned oxygen completely defective iron.

δは酸素欠陥度とされ、マグネタイトの結晶構造、即ちスピネル型結晶格子構造を保った状態の酸素欠陥鉄酸化物のマグネタイトに対する酸素の欠陥割合である。こうした酸素欠陥度δは、還元剤再生工程S4においてマグネタイトが水素と反応する前の質量と、反応後の質量との差分を計測し、質量の減少量(差分)がマグネタイトから離脱した酸素量(この離脱した酸素の格子中の配置位置が原子空孔、即ち欠陥となる)と等しいことから、この質量の減少量から酸素欠陥度δ(δ=1~4)を算出することができる。 δ is defined as the degree of oxygen vacancy, which is the ratio of oxygen vacancies to magnetite in the oxygen-deficient iron oxide while maintaining the crystal structure of magnetite, that is, the spinel crystal lattice structure. The degree of oxygen deficiency δ is determined by measuring the difference between the mass of magnetite before it reacts with hydrogen and the mass after the reaction in the reducing agent regeneration step S4, and the amount of decrease in mass (difference) is determined by the amount of oxygen released from magnetite ( Since the location of this released oxygen in the lattice is the same as that of an atomic vacancy (that is, a defect), the degree of oxygen deficiency δ (δ = 1 to 4) can be calculated from the amount of mass decrease.

そして、マグネタイトから酸素イオンが離脱した部位は、スピネル型結晶格子構造を保った状態で原子空孔となり、離脱分だけカチオンが結晶格子内に多く閉じ込められ、格子間隔が拡がった状態になる。このような酸素離脱による原子空孔が、還元剤として二酸化炭素の脱酸素反応(還元反応)を生じさせる。 Then, the sites where oxygen ions are removed from magnetite become atomic vacancies while maintaining the spinel crystal lattice structure, and more cations are trapped in the crystal lattice by the amount of removed cations, resulting in an expanded lattice spacing. The atomic vacancies caused by such oxygen elimination cause a deoxygenation reaction (reduction reaction) of carbon dioxide as a reducing agent.

本実施形態の還元剤(酸素欠陥鉄酸化物、酸素完全欠陥鉄)は、平均粒子径が1μmよりも大きければよく、1μm以上20μm未満であることが好ましく、また、50μmを超え200μm未満であることも好ましい。 The reducing agent (oxygen-deficient iron oxide, oxygen-completely deficient iron) of this embodiment only needs to have an average particle diameter larger than 1 μm, preferably 1 μm or more and less than 20 μm, and more than 50 μm and less than 200 μm. It is also preferable.

還元剤の平均粒子径が1μmよりも小さいものにした場合は、実験結果によれば、二酸化炭素を分解する際に一酸化炭素の生成割合が高くなり、炭素の回収率が低くなる。平均粒子径が1μm以上の還元剤を用いることで、高い炭素回収率が維持できると同時に、還元剤粒子の凝集性が低くなるため、反応器の壁面への固着現象などのトラブルが回避でき、ロータリーキルンなどの工業用反応装置への適用が可能となる。 According to experimental results, when the average particle size of the reducing agent is smaller than 1 μm, the rate of carbon monoxide production increases when carbon dioxide is decomposed, and the carbon recovery rate decreases. By using a reducing agent with an average particle diameter of 1 μm or more, a high carbon recovery rate can be maintained, and at the same time, the agglomeration of the reducing agent particles is reduced, so problems such as sticking to the reactor wall can be avoided. Application to industrial reactors such as rotary kilns becomes possible.

更に、還元剤の平均粒子径を20μm未満にすることで、高い反応速度を維持することができる。また、還元剤の平均粒子径を50μmを超え200μm以下にする場合、粒子の飛散性が下がり、流動化性能が良くなるため、流動層などの工業用の反応装置への適用が可能となる。この場合、ロータリーキルン式の反応装置と比べて、固-気接触性や伝熱性が良く、設備費が低く、反応装置のサイズをコンパクトにすることができる。 Furthermore, by setting the average particle size of the reducing agent to less than 20 μm, a high reaction rate can be maintained. In addition, when the average particle diameter of the reducing agent is more than 50 μm and less than 200 μm, particle scattering is reduced and fluidization performance is improved, making it possible to apply it to industrial reactors such as fluidized beds. In this case, compared to a rotary kiln type reactor, solid-gas contact and heat transfer properties are better, equipment costs are lower, and the size of the reactor can be made more compact.

図2は、本発明の一実施形態に係る二酸化炭素の分解方法を含む、炭素および水素の製造方法を段階的に示したフローチャートである。
本実施形態の炭素および水素の製造方法は、表面に炭素を付着させたマグネタイトを生成する二酸化炭素分解工程S1と、炭素と、塩化鉄とを生成する炭素分離工程S2と、マグネタイトと、水素と、塩化水素ガスとを生成する水素製造工程S3と、還元剤を生成する還元剤再生工程S4と、を有する。また、本実施形態の二酸化炭素の分解方法は、二酸化炭素分解工程S1を有する。こうした各工程で、マグネタイトやこれを還元させた還元剤を循環利用して、外部から供給される二酸化炭素及び水から、炭素および水素を製造する。
FIG. 2 is a flowchart showing step-by-step a method for producing carbon and hydrogen, including a method for decomposing carbon dioxide, according to an embodiment of the present invention.
The method for producing carbon and hydrogen according to the present embodiment includes a carbon dioxide decomposition step S1 for producing magnetite with carbon attached to its surface, a carbon separation step S2 for producing carbon and iron chloride, and a carbon dioxide decomposition step S2 for producing magnetite with carbon attached to its surface. , a hydrogen production step S3 for producing hydrogen chloride gas, and a reducing agent regeneration step S4 for producing a reducing agent. Further, the carbon dioxide decomposition method of this embodiment includes a carbon dioxide decomposition step S1. In each of these steps, carbon and hydrogen are produced from carbon dioxide and water supplied from the outside by recycling magnetite and a reducing agent obtained by reducing magnetite.

(二酸化炭素分解工程S1)
二酸化炭素分解工程S1は、ロータリーキルンや気泡流動層などの反応装置(二酸化炭素分解炉)を用いて、例えば、平均粒子径が1μm~500μm程度の粉末状の還元剤を攪拌しつつガス状の二酸化炭素に接触させることによって、二酸化炭素を分解(還元)する。そして、表面に炭素を付着させたマグネタイトを生成する。
(Carbon dioxide decomposition step S1)
The carbon dioxide decomposition step S1 uses a reaction device (carbon dioxide decomposition furnace) such as a rotary kiln or a bubbling fluidized bed, for example, to convert gaseous dioxide while stirring a powdery reducing agent with an average particle size of about 1 μm to 500 μm. Carbon dioxide is decomposed (reduced) by contacting it with carbon. Then, magnetite with carbon attached to its surface is produced.

二酸化炭素分解工程S1に用いる反応装置としては、循環流動層を用いることもできるが、気泡流動層と比較して、反応器全体の高さが高い、設備費が高い、粒子再循環ループの設計と操作が複雑、粒子の滞留時間が短い(反応装置内での滞留時間は秒のオーダー)、使用できる還元剤の粒子径が限られる、粒子の摩耗を促進される、高いガス流速の維持や粉体の循環に必要なエネルギーコストが大きい、などのデメリットがある。 A circulating fluidized bed can be used as the reaction device used in the carbon dioxide decomposition step S1, but compared to a bubble fluidized bed, the height of the entire reactor is higher, the equipment cost is higher, and the design of the particle recirculation loop is and the operation is complicated, the residence time of particles is short (residence time in the reactor is on the order of seconds), the particle size of the reducing agent that can be used is limited, particle abrasion is accelerated, and it is difficult to maintain a high gas flow rate. There are disadvantages such as the high energy cost required to circulate the powder.

この二酸化炭素分解工程S1に用いる二酸化炭素の供給源としては、例えば、二酸化炭素を多量に排出する施設、例えば製鉄所、火力発電所、セメント工場、ゴミ焼却施設、バイオガス生成施設、天然ガス井戸などから排出される二酸化炭素を用いればよい。また、還元剤は、後述する還元剤再生工程S4から供給される。 Sources of carbon dioxide used in this carbon dioxide decomposition step S1 include, for example, facilities that emit a large amount of carbon dioxide, such as steel plants, thermal power plants, cement factories, garbage incineration facilities, biogas generation facilities, and natural gas wells. Carbon dioxide emitted from sources such as carbon dioxide may be used. Further, the reducing agent is supplied from the reducing agent regeneration step S4, which will be described later.

二酸化炭素分解工程S1における反応温度は、300℃以上、450℃以下、好ましくは350℃以上、400℃以下の範囲であればよい。
このように、反応温度を300℃以上、450℃以下といった温度範囲にすることで、還元剤がスピネル型結晶格子構造を維持することができる。反応温度が例えば500℃以上といった高温であると、マグネタイトの繰り返し利用により、還元剤がスピネル型結晶格子構造を維持できなくなる懸念がある。かつ反応する時の消費エネルギーが増える懸念がある。
The reaction temperature in the carbon dioxide decomposition step S1 may be in the range of 300°C or higher and 450°C or lower, preferably 350°C or higher and 400°C or lower.
In this way, by controlling the reaction temperature to a temperature range of 300° C. or higher and 450° C. or lower, the reducing agent can maintain the spinel crystal lattice structure. If the reaction temperature is high, such as 500° C. or higher, there is a concern that the reducing agent may not be able to maintain the spinel crystal lattice structure due to repeated use of magnetite. In addition, there is a concern that energy consumption during reaction will increase.

二酸化炭素分解工程S1では、こうした反応温度範囲に昇温させるために、二酸化炭素供給源である製鉄所、火力発電所、セメント工場、ゴミ焼却施設などの稼働に伴って発生した熱(排熱)、再生可能エネルギー、及び高温の熱を取り出せる原子炉である高温ガス炉の熱エネルギーを熱源として有効利用することも好ましい。 In the carbon dioxide decomposition step S1, in order to raise the temperature to such a reaction temperature range, heat (exhaust heat) generated from the operation of carbon dioxide supply sources such as steel plants, thermal power plants, cement factories, and garbage incineration facilities is used. It is also preferable to effectively utilize renewable energy and the thermal energy of a high-temperature gas reactor, which is a nuclear reactor capable of extracting high-temperature heat, as a heat source.

二酸化炭素分解工程S1における反応圧力は、0.01MPa以上、5MPa以下、好ましくは0.1MPa以上、1MPa以下の範囲であればよい。
反応圧力が0.01MPa以上であれば、実用プロセスとして必要な反応速度を得ることができ、更に、0.1MPa以上であれば、二酸化炭素濃度が低い実際の排気ガスへの直接対応も可能となる。また、反応圧力が5MPa以下であれば、装置の製作コストを抑えることができる。
The reaction pressure in the carbon dioxide decomposition step S1 may be in the range of 0.01 MPa or more and 5 MPa or less, preferably 0.1 MPa or more and 1 MPa or less.
If the reaction pressure is 0.01 MPa or higher, the reaction rate required for a practical process can be obtained, and if the reaction pressure is 0.1 MPa or higher, it is possible to directly respond to actual exhaust gas with a low carbon dioxide concentration. Become. Further, if the reaction pressure is 5 MPa or less, the manufacturing cost of the device can be suppressed.

二酸化炭素分解工程S1では、反応温度、反応圧力を高めることによって、二酸化炭素の分解速度が高まり、二酸化炭素の処理効率を高めることができる。一方、反応温度が高すぎると、還元剤のスピネル構造が破壊されるおそれがある。 In the carbon dioxide decomposition step S1, by increasing the reaction temperature and reaction pressure, the decomposition rate of carbon dioxide can be increased and the processing efficiency of carbon dioxide can be increased. On the other hand, if the reaction temperature is too high, the spinel structure of the reducing agent may be destroyed.

二酸化炭素分解工程S1での二酸化炭素の分解には、以下の式(1)、(2)の2段階と式(3)の1段階の反応が生じる。
CO→CO(中間生成物)+O2-・・・(1)
CO→C+O2-・・・(2)
CO→C+2O2-・・・(3)
そして、上述した式(1)、(2)、(3)で生じた酸素は、以下の式(4)、(5)で酸素欠陥鉄酸化物(式(4))や酸素完全欠陥鉄(式(5))の原子空孔に挿入される。
Fe4-δ+δO2-→Fe(但し、δ=1以上4未満)・・・(4)
3Fe+4O2-→Fe・・・(5)
In the decomposition of carbon dioxide in the carbon dioxide decomposition step S1, the following two-stage reactions of formulas (1) and (2) and one-stage reaction of formula (3) occur.
CO 2 → CO (intermediate product) + O 2 -...(1)
CO→C+O 2 -...(2)
CO 2 →C+2O 2 -...(3)
The oxygen generated in the above formulas (1), (2), and (3) can be converted into oxygen-deficient iron oxide (formula (4)) or oxygen-completely deficient iron (formula (4)) in the following formulas (4) and (5). It is inserted into the atomic vacancy of formula (5)).
Fe 3 O 4-δ + δO 2- → Fe 3 O 4 (however, δ=1 or more and less than 4)...(4)
3Fe+4O 2- →Fe 3 O 4 ...(5)

なお、本実施形態の二酸化炭素の分解方法では、二酸化炭素分解工程S1において、上記の式(1)だけを行うこともできる。得られた一酸化炭素(CO)は、水素添加によって、メタン、メタノールなどの炭化水素や各種樹脂などの有用な化成品を得るための原料として用いることができる。 In addition, in the carbon dioxide decomposition method of this embodiment, only the above equation (1) can be performed in the carbon dioxide decomposition step S1. The obtained carbon monoxide (CO) can be used as a raw material for obtaining hydrocarbons such as methane and methanol and useful chemical products such as various resins by hydrogenation.

二酸化炭素分解工程S1での上述した反応で、すべての二酸化炭素を式(2)まで、または式(3)で反応させた場合には、最終的な生成物としてガスの発生を伴わない。即ち、二酸化炭素中の酸素は、酸素欠陥鉄酸化物、または酸素完全欠陥鉄に全て取り込まれると考えられる。これを考慮して二酸化炭素と酸素欠陥鉄酸化物の反応は、式(6)、二酸化炭素と酸素完全欠陥鉄の反応は、式(7)で表される。
2Fe4-δ+δCO→2Fe・δC(炭素付着マグネタイト。但し、δ=1以上4未満)・・(6)
3Fe+2CO→Fe・2C(炭素付着マグネタイト)・・・(7)
In the above-mentioned reaction in the carbon dioxide decomposition step S1, when all the carbon dioxide is reacted up to formula (2) or according to formula (3), no gas is generated as a final product. That is, it is considered that all the oxygen in carbon dioxide is taken into oxygen-deficient iron oxide or oxygen-completely deficient iron. Taking this into consideration, the reaction between carbon dioxide and oxygen-deficient iron oxide is expressed by equation (6), and the reaction between carbon dioxide and oxygen-completely defective iron is expressed by equation (7).
2Fe 3 O 4-δ + δCO 2 → 2Fe 3 O 4・δC (carbon-adhered magnetite. However, δ = 1 or more and less than 4)... (6)
3Fe+2CO 2 →Fe 3 O 4.2C (carbon-attached magnetite)...(7)

二酸化炭素分解工程S1で還元剤として用いる酸素欠陥鉄酸化物や酸素完全欠陥鉄が、二酸化炭素を炭素まで分解できるのは、これらの還元剤が非平衡状態で形成される準安定な結晶構造であるスピネル型結晶格子構造を有しており、室温においても酸素と徐々に反応し、酸素イオンを取り組み、より安定なFeに変化しようとするためである。即ち、格子中に原子空孔を有する不安定なスピネル型結晶格子構造がより安定な原子空孔のないスピネル型結晶格子構造に変化しようとすることから生じるものと考えられる。 The reason why oxygen-deficient iron oxide and oxygen-completely deficient iron used as reducing agents in the carbon dioxide decomposition step S1 can decompose carbon dioxide to carbon is due to the metastable crystal structure of these reducing agents formed in a non-equilibrium state. This is because it has a certain spinel-type crystal lattice structure and gradually reacts with oxygen even at room temperature, and attempts to convert oxygen ions into more stable Fe 3 O 4 . That is, it is thought that this occurs because an unstable spinel-type crystal lattice structure having atomic vacancies in the lattice attempts to change to a more stable spinel-type crystal lattice structure without atomic vacancies.

こうした酸素欠陥鉄酸化物や酸素完全欠陥鉄の安定化(マグネタイト化)の過程で、酸素イオンが結晶中に取り込まれると結晶は電気的に中性を維持しようとするために、電子を結晶表面から放出しようとする。酸素欠陥鉄酸化物や酸素完全欠陥鉄では+2価のFe(Fe2+)が電子を放出し得る原子として存在するが、酸素欠陥鉄酸化物や酸素完全欠陥鉄の結晶の不安定性のために、通常と異なる還元ポテンシャルを生じているものと考えられる。 In the process of stabilizing oxygen-deficient iron oxides and oxygen-completely deficient iron (making them magnetite), when oxygen ions are incorporated into the crystal, the crystal tries to maintain electrical neutrality, so electrons are transferred to the crystal surface. try to release it from In oxygen-deficient iron oxide and oxygen-completely deficient iron, +2-valent Fe (Fe 2+ ) exists as an atom that can emit electrons, but due to the instability of the crystals of oxygen-deficient iron oxide and oxygen-completely deficient iron, This is thought to be due to a reduction potential different from normal.

二酸化炭素分解工程S1では、還元剤として用いる酸素欠陥鉄酸化物や酸素完全欠陥鉄による二酸化炭素の分解能力を最大限にするため、反応環境における酸素濃度を5体積%以下に保つようにすることが好ましい。 In the carbon dioxide decomposition step S1, in order to maximize the carbon dioxide decomposition ability of the oxygen-deficient iron oxide or oxygen-completely deficient iron used as a reducing agent, the oxygen concentration in the reaction environment should be kept at 5% by volume or less. is preferred.

二酸化炭素分解工程S1における反応環境で酸素濃度が5体積%よりも高いと、二酸化炭素を構成する酸素が還元剤(酸素欠陥鉄酸化物、または酸素完全欠陥鉄)に取り込まれる前に、この還元剤の酸素欠陥部位に、反応雰囲気中の酸素が取り込まれて、還元剤の二酸化炭素分解能力が低下する懸念がある。 If the oxygen concentration in the reaction environment in the carbon dioxide decomposition step S1 is higher than 5% by volume, this reduction occurs before the oxygen constituting carbon dioxide is incorporated into the reducing agent (oxygen-deficient iron oxide or oxygen-completely deficient iron). There is a concern that oxygen in the reaction atmosphere may be taken into the oxygen-deficient sites of the reducing agent, reducing the carbon dioxide decomposition ability of the reducing agent.

二酸化炭素分解工程S1で二酸化炭素の分解によって生じた炭素は、粒子径が1μm以下のナノサイズの炭素として生成される。二酸化炭素分解工程S1において、同一温度条件では、上述した式(1)の反応速度は、式(2)の反応速度よりも遅いが、式(1)の反応速度を高めることによって式(2)の反応が迅速に進行するようになり、微細なナノサイズの炭素粒子を生成できる。式(1)と式(2)の反応速度は、酸素欠陥度δを大きくすることと、反応温度、反応圧力を高くすることにより、高めることができる。 Carbon produced by decomposition of carbon dioxide in the carbon dioxide decomposition step S1 is produced as nano-sized carbon with a particle size of 1 μm or less. In the carbon dioxide decomposition step S1, under the same temperature conditions, the reaction rate of formula (1) described above is slower than the reaction rate of formula (2), but by increasing the reaction rate of formula (1), formula (2) The reaction proceeds quickly, producing fine nano-sized carbon particles. The reaction rates of formulas (1) and (2) can be increased by increasing the degree of oxygen vacancy δ and by increasing the reaction temperature and reaction pressure.

こうしたナノサイズの炭素は、酸素欠陥鉄酸化物や酸素完全欠陥鉄が酸化されて生じたマグネタイトの表面に付着する、あるいは表面を覆うように生成される。こうした表面に炭素を付着させたマグネタイトは、次の炭素分離工程S2に送られる。 Such nano-sized carbon is generated so as to adhere to or cover the surface of magnetite produced by oxidation of oxygen-deficient iron oxide or oxygen-completely deficient iron. The magnetite with carbon attached to its surface is sent to the next carbon separation step S2.

一方、本実施形態では、二酸化炭素分解工程S1で二酸化炭素の分解によって、還元剤はマグネタイト(Fe)になり、ヘマタイト(Fe)が生じることは無い。
本実施形態では、炭素は、マグネタイトの表面に比較的強固に付着した状態で生じる。
On the other hand, in this embodiment, the reducing agent becomes magnetite (Fe 3 O 4 ) due to the decomposition of carbon dioxide in the carbon dioxide decomposition step S1, and hematite (Fe 2 O 3 ) is not generated.
In this embodiment, carbon is produced in a state in which it is relatively firmly attached to the surface of magnetite.

(炭素分離工程S2)
炭素分離工程S2は、マグネタイトの塩化反応(マグネタイトから塩化鉄(III)(FeCl)と塩化鉄(II)(FeCl)への転換)と炭素回収操作より構成される。
マグネタイトの塩化反応は、塩酸溶解による湿式塩化法と塩化水素ガスによる乾式塩化法がある。
(Carbon separation step S2)
The carbon separation step S2 includes a magnetite chlorination reaction (conversion of magnetite to iron(III) chloride (FeCl 3 ) and iron(II) chloride (FeCl 2 )) and a carbon recovery operation.
The chlorination reaction of magnetite includes a wet chlorination method using hydrochloric acid dissolution and a dry chlorination method using hydrogen chloride gas.

(湿式塩化)
マグネタイトの塩化反応を湿式塩化で行う場合、二酸化炭素分解工程S1で得られた表面に炭素を付着させたマグネタイトと、塩酸(塩化水素の水溶液)とを反応させることにより、マグネタイトを塩酸に溶解させ、塩酸に不溶な炭素をマグネタイトから分離する。塩酸に溶解したマグネタイトは、塩化水素との反応によって塩化鉄(塩化鉄(III)と塩化鉄(II))と水とを生成する。
(Wet chlorination)
When the chlorination reaction of magnetite is carried out by wet chlorination, the magnetite obtained in the carbon dioxide decomposition step S1 with carbon attached to its surface is reacted with hydrochloric acid (aqueous solution of hydrogen chloride), thereby dissolving the magnetite in the hydrochloric acid. , to separate carbon insoluble in hydrochloric acid from magnetite. Magnetite dissolved in hydrochloric acid generates iron chloride (iron(III) chloride and iron(II) chloride) and water by reaction with hydrogen chloride.

塩酸に溶解させたマグネタイトと炭素の分離は、例えば、濾過などの固液分離によって行えばよい。また、生成した塩化鉄(塩化鉄(III)と塩化鉄(II)の混合物)は、次の水素製造工程S3に送られる。こうした湿式塩化の場合、生成する酸化鉄が全て溶解されて炭素を分離することができる。 Magnetite dissolved in hydrochloric acid and carbon may be separated by, for example, solid-liquid separation such as filtration. Further, the produced iron chloride (a mixture of iron (III) chloride and iron (II) chloride) is sent to the next hydrogen production step S3. In the case of such wet chlorination, all the iron oxide produced is dissolved and carbon can be separated.

炭素分離工程S2(湿式塩化)で用いる塩酸は、塩化水素濃度が例えば5質量%~37質量%の範囲のものを用いればよい。
塩酸の塩化水素濃度が5質量%未満では反応が遅くなる懸念がある。また、37質量%を超える濃塩酸は塩化水素の揮発が速く取り扱いが難しい。
炭素分離工程S2(湿式塩化)における反応温度は、10℃以上、150℃以下、好ましくは50℃以上、100℃以下の範囲であればよい。
10℃未満では反応速度が遅く、また冷却設備が必要となる。150℃を超えると消費エネルギーが多く、かつ溶液の蒸発が起きてしまって効率が悪い。
炭素分離工程S2(湿式塩化)では、こうした反応温度範囲に昇温させるために、例えば、二酸化炭素分解工程S1と同様の熱源を有効利用することも好ましい。
Hydrochloric acid used in the carbon separation step S2 (wet chlorination) may have a hydrogen chloride concentration in the range of, for example, 5% by mass to 37% by mass.
If the hydrogen chloride concentration of hydrochloric acid is less than 5% by mass, there is a concern that the reaction will be slow. Further, concentrated hydrochloric acid exceeding 37% by mass is difficult to handle because hydrogen chloride evaporates quickly.
The reaction temperature in the carbon separation step S2 (wet chlorination) may be in the range of 10°C or higher and 150°C or lower, preferably 50°C or higher and 100°C or lower.
If the temperature is less than 10°C, the reaction rate is slow and cooling equipment is required. If the temperature exceeds 150°C, a large amount of energy is consumed and the solution evaporates, resulting in poor efficiency.
In the carbon separation step S2 (wet chlorination), it is also preferable to effectively utilize, for example, the same heat source as in the carbon dioxide decomposition step S1 in order to raise the temperature to such a reaction temperature range.

炭素分離工程S2(湿式塩化)でのマグネタイトの塩化反応は、以下の式(8)~(9)で表される。
2Fe・δC+16HCl→4FeCl+2FeCl+8HO+δC(湿式塩化:10~150℃)(但し、δ=1~4)・・・(8)
2Fe+16HCl→4FeCl+2FeCl+8HO(湿式塩化:10℃~150℃)・・・(9)
The chlorination reaction of magnetite in the carbon separation step S2 (wet chlorination) is expressed by the following formulas (8) to (9).
2Fe 3 O 4・δC+16HCl→4FeCl 3 +2FeCl 2 +8H 2 O+δC (wet chlorination: 10 to 150°C) (however, δ = 1 to 4)...(8)
2Fe 3 O 4 +16HCl → 4FeCl 3 +2FeCl 2 +8H 2 O (wet chlorination: 10°C to 150°C) (9)

(乾式塩化)
マグネタイトの塩化反応を乾式塩化で行う場合、二酸化炭素分解工程S1で得られた表面に炭素を付着させたマグネタイト、または水素製造工程S3で得られたマグネタイトと、塩化水素ガスとを反応させることによって塩化鉄(塩化鉄(III)と塩化鉄(II))と水とを生成する。
(dry chlorination)
When the chlorination reaction of magnetite is carried out by dry chlorination, the magnetite obtained in the carbon dioxide decomposition step S1 with carbon attached to its surface or the magnetite obtained in the hydrogen production step S3 is reacted with hydrogen chloride gas. It produces iron chloride (iron(III) chloride and iron(II) chloride) and water.

炭素分離工程S2(乾式塩化)で用いる塩化水素ガスは、塩化水素濃度が例えば50質量%~100質量%の範囲のものを用いればよい。
塩化水素の濃度が50質量%未満では反応が遅くなる懸念がある。
炭素分離工程S2(乾式塩化)における反応温度は、50℃以上、300℃以下、好ましくは80℃以上、200℃以下の範囲であればよい。
50℃未満では反応速度が遅く、また300℃を超えると消費エネルギーが多く効率が悪くなると同時に、塩化反応が発熱反応であるため高温では反応の進行に不利となる。
炭素分離工程S2(乾式塩化)では、こうした反応温度範囲に昇温させるために、例えば、二酸化炭素分解工程S1と同様の熱源を有効利用することも好ましい。
The hydrogen chloride gas used in the carbon separation step S2 (dry chlorination) may have a hydrogen chloride concentration in the range of, for example, 50% by mass to 100% by mass.
If the concentration of hydrogen chloride is less than 50% by mass, there is a concern that the reaction will be slow.
The reaction temperature in the carbon separation step S2 (dry chlorination) may be in the range of 50°C or higher and 300°C or lower, preferably 80°C or higher and 200°C or lower.
If it is less than 50°C, the reaction rate is slow, and if it exceeds 300°C, it consumes a lot of energy and becomes inefficient, and at the same time, since the chlorination reaction is an exothermic reaction, high temperatures are disadvantageous to the progress of the reaction.
In the carbon separation step S2 (dry chlorination), in order to raise the temperature to such a reaction temperature range, it is also preferable to effectively utilize, for example, the same heat source as in the carbon dioxide decomposition step S1.

炭素分離工程S2(乾式塩化)でのマグネタイトの塩化反応は、以下の式(8)~(9)で表される。
2Fe・δC+16HCl→4FeCl+2FeCl+8HO+δC(乾式塩化:50~300℃)(但し、δ=1~4)・・・(8)
2Fe+16HCl→4FeCl+2FeCl+8HO(乾式塩化:50℃~300℃)・・・(9)
The chlorination reaction of magnetite in the carbon separation step S2 (dry chlorination) is expressed by the following formulas (8) to (9).
2Fe 3 O 4・δC+16HCl→4FeCl 3 +2FeCl 2 +8H 2 O+δC (dry chlorination: 50 to 300°C) (however, δ = 1 to 4)...(8)
2Fe 3 O 4 +16HCl → 4FeCl 3 +2FeCl 2 +8H 2 O (dry chlorination: 50°C to 300°C) (9)

消費エネルギーを低減するため、炭素が付着されていないマグネタイト(水素製造工程S3で得られた単なる水素製造のために循環されているマグネタイト)は、こうした塩化水素ガスによる乾式塩化を用いることが好ましい。乾式塩化の場合、炭素付着マグネタイトを塩化水素ガスによって塩化鉄に転換した後、生成物を水に溶解させることによって、不溶成分として炭素を分離することができる。 In order to reduce energy consumption, it is preferable to use such dry chlorination with hydrogen chloride gas for magnetite to which no carbon is attached (magnetite obtained in the hydrogen production step S3 and circulated simply for hydrogen production). In the case of dry chlorination, carbon can be separated as an insoluble component by converting carbon-attached magnetite to iron chloride with hydrogen chloride gas and then dissolving the product in water.

炭素分離工程S2でマグネタイトから分離された炭素(炭素材料)は、粒子径が1μm以下のナノサイズの炭素であり、粒子径が1μmを超えるものは殆ど生成しない。こうしたナノサイズの炭素粉末は、純度が例えば99%以上の高純度の炭素であり、カーボンブラック、活性炭として、ゴム補強用添加剤、電池材料、トナー、着色剤、導電材料、触媒、吸着剤などの機能性の炭素材料に、または還元剤として、製鉄用コークス代替などに直接用いることができる。また、人造黒鉛、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素材料の製造原料として用いることができる。 The carbon (carbon material) separated from magnetite in the carbon separation step S2 is nano-sized carbon with a particle size of 1 μm or less, and carbon with a particle size exceeding 1 μm is hardly produced. These nano-sized carbon powders are highly pure carbon with a purity of, for example, 99% or higher, and can be used as carbon black, activated carbon, additives for rubber reinforcement, battery materials, toners, colorants, conductive materials, catalysts, adsorbents, etc. It can be used directly as a functional carbon material, as a reducing agent, or as a substitute for coke in steelmaking. Furthermore, it can be used as a raw material for producing carbon materials such as artificial graphite, carbon fiber, and carbon nanotubes.

(水素製造工程S3)
水素製造工程S3は、ロータリーキルンや流動層などの固気反応装置を用いて、炭素分離工程S2で得られた塩化鉄(III)の還元反応(塩化鉄(III)から塩化鉄(II)への還元)と、塩化鉄(II)溶液の濃縮、乾燥、造粒等の操作と、塩化鉄(II)と水とを反応させることによって、マグネタイトと水素と塩化水素とを生成する反応と、を含んでいる。この水素製造工程S3で生じたマグネタイトは、次の還元剤再生工程S4に送られる。また、塩化水素は、炭素分離工程S2で用いる塩酸の製造原料として用いることができる。
なお、塩化鉄(II)溶液の濃縮、乾燥、造粒等の操作は膜分離装置、蒸発装置、晶析装置、スプレードライヤー等の装置を用いて、所定の粒子径を持った塩化鉄(II)粒子にした後、水素、マグネタイト製造反応に送ることもある。
(Hydrogen production process S3)
Hydrogen production step S3 involves a reduction reaction of iron(III) chloride obtained in carbon separation step S2 (from iron(III) chloride to iron(II) chloride) using a solid-gas reactor such as a rotary kiln or a fluidized bed. operations such as concentration, drying, and granulation of an iron(II) chloride solution; and a reaction of producing magnetite, hydrogen, and hydrogen chloride by reacting iron(II) chloride with water. Contains. The magnetite produced in this hydrogen production step S3 is sent to the next reducing agent regeneration step S4. Further, hydrogen chloride can be used as a raw material for producing hydrochloric acid used in the carbon separation step S2.
Operations such as concentration, drying, and granulation of the iron(II) chloride solution are carried out using devices such as a membrane separator, evaporator, crystallizer, and spray dryer. ) After being made into particles, it may be sent to hydrogen and magnetite production reactions.

塩化鉄(III)の還元は、例えば、高温での塩化鉄(III) の熱分解による熱還元法と、低温での還元剤(CuCl、Fe等)の添加による還元法とがある。 Reduction of iron (III) chloride includes, for example, a thermal reduction method in which iron (III) chloride is thermally decomposed at a high temperature, and a reduction method in which a reducing agent (CuCl, Fe, etc.) is added at a low temperature.

(熱還元法)
水素製造工程S3での塩化鉄(III)の熱還元法による還元反応の詳細を以下の式(10)~(11)に示す。
4FeCl→4FeCl+2Cl(塩化鉄(III)の還元:300℃~600℃)・・・(10)
2Cl+2HO→4HCl+O(逆ディーコン反応:400℃~800℃)・・・(11)
なお、式(11)の逆ディーコン反応は、必ずしも行わなくてもよい。
(thermal reduction method)
Details of the reduction reaction of iron(III) chloride by the thermal reduction method in the hydrogen production step S3 are shown in the following equations (10) to (11).
4FeCl 3 →4FeCl 2 +2Cl 2 (reduction of iron(III) chloride: 300°C to 600°C)...(10)
2Cl 2 + 2H 2 O → 4HCl + O 2 (reverse Deacon reaction: 400°C to 800°C) (11)
Note that the reverse Deacon reaction of formula (11) does not necessarily have to be performed.

(CuClを用いた還元法)
水素製造工程S3での塩化鉄(III)のCuClを用いた還元法による還元反応の詳細を以下の式(12)~(14)に示す。
4FeCl+4CuCl→4FeCl+4CuCl(塩化鉄(III)の還元:10℃~100℃)・・・(12)
4CuCl→4CuCl+2Cl(CuClの還元:300℃~600℃)・・・(13)
2Cl+2HO→4HCl+O(逆ディーコン反応:400℃~800℃)・・・(14)
なお、式(14)の逆ディーコン反応は、必ずしも行わなくてもよい。
(Reduction method using CuCl)
Details of the reduction reaction of iron(III) chloride in the hydrogen production step S3 by the reduction method using CuCl are shown in the following equations (12) to (14).
4FeCl 3 +4CuCl→4FeCl 2 +4CuCl 2 (reduction of iron(III) chloride: 10°C to 100°C)...(12)
4CuCl 2 → 4CuCl+2Cl 2 (Reduction of CuCl 2 : 300°C to 600°C) (13)
2Cl 2 + 2H 2 O → 4HCl + O 2 (reverse Deacon reaction: 400°C to 800°C) (14)
Note that the reverse Deacon reaction of formula (14) does not necessarily have to be performed.

(Feを用いた還元法)
水素製造工程S3での塩化鉄(III)のFeを用いた還元法による還元反応の詳細を以下の式(15)に示す。
4FeCl+2Fe→6FeCl(塩化鉄(III)の還元:10℃~100℃)・・・(15)
(Reduction method using Fe)
The details of the reduction reaction of iron(III) chloride in the hydrogen production process S3 by the reduction method using Fe are shown in the following equation (15).
4FeCl 3 +2Fe→6FeCl 2 (reduction of iron(III) chloride: 10°C to 100°C)...(15)

(各還元法で生じた塩化鉄(II)と水との反応:水素、マグネタイト製造反応)
上述したそれぞれの還元法によって、塩化鉄(III)の還元反応で生じた塩化鉄(II)と水とを反応させる水素、マグネタイト製造反応における反応温度は、300℃以上、800℃以下、好ましくは400℃以上、600℃以下の範囲であればよい。水素製造工程S3では、こうした反応温度範囲に昇温させるために、例えば、二酸化炭素分解工程S1と同様の熱源を有効利用することも好ましい。
(Reaction between iron(II) chloride produced by each reduction method and water: Hydrogen, magnetite production reaction)
The reaction temperature in the hydrogen and magnetite production reaction in which iron (II) chloride produced in the reduction reaction of iron (III) chloride is reacted with water by each of the above-mentioned reduction methods is 300°C or more and 800°C or less, preferably It may be within the range of 400°C or higher and 600°C or lower. In the hydrogen production step S3, it is also preferable to effectively utilize the same heat source as in the carbon dioxide decomposition step S1, for example, in order to raise the temperature to such a reaction temperature range.

水素製造工程S3での塩化鉄(II)と水との反応では、以下の式(16)の反応が生じる。
3FeCl+4HO→Fe+6HCl+H・・・(16)
こうした反応によって得られる水素は、例えば、純度が99%以上といった高純度水素であり、燃料電池自動車(FCV)用の水素ステーション、水素発電、各種工業用水素源として用いることができる。
In the reaction between iron(II) chloride and water in the hydrogen production process S3, a reaction expressed by the following formula (16) occurs.
3FeCl2 + 4H2OFe3O4 + 6HCl + H2 ...(16)
The hydrogen obtained by such a reaction is highly pure hydrogen, for example, with a purity of 99% or more, and can be used as a hydrogen station for fuel cell vehicles (FCV), hydrogen power generation, and various industrial hydrogen sources.

なお、水素製造工程S3で生じた水素は、次の還元剤再生工程S4でもその一部が用いられるが、外部に取り出す水素量を増やすには、炭素分離工程S2でマグネタイト(炭素付着の無いマグネタイト)を追加投入したり、或いは水素製造工程S3で塩化鉄(FeCl)を追加投入したりして、還元剤再生工程S4で必要な水素よりも水素を多く生成することができ、高純度で低コストな水素源として利用することができる。 A portion of the hydrogen generated in the hydrogen production step S3 is also used in the next reducing agent regeneration step S4, but in order to increase the amount of hydrogen extracted to the outside, magnetite (magnetite without carbon adhesion) is used in the carbon separation step S2. ), or by additionally adding iron chloride (FeCl 2 ) in the hydrogen production process S3, it is possible to generate more hydrogen than is required in the reducing agent regeneration process S4, resulting in high purity hydrogen. It can be used as a low-cost hydrogen source.

ただし、追加投入された鉄化合物(マグネタイト、塩化鉄)から水素製造工程S3で生じるマグネタイトを還元剤再生工程S4に供給すると、マグネタイトが過剰となって還元剤再生工程S4の工程負荷が増大する。そのため、水素製造工程S3で生成したマグネタイトから、追加投入した鉄化合物に由来する量は抜き出して、炭素付着の無い状態で炭素分離工程S2に投入することがよい。すなわち、二酸化炭素分解工程S1に必要な量のマグネタイトのみを還元剤再生工程S4に供給し、残りは炭素分離工程S2と水素製造工程S3を循環させることで、二酸化炭素分解工程S1と還元剤再生工程S4に影響を与えることなく、水素製造工程S3で生成する水素の量を増やすことができる。
例えば、本実施形態では、水素製造工程S3で生じたマグネタイトのうち、25質量%を還元剤再生工程S4に供給し、残りの75質量%を炭素分離工程S2に供給している。
However, if the magnetite generated in the hydrogen production step S3 from the additionally input iron compound (magnetite, iron chloride) is supplied to the reducing agent regeneration step S4, magnetite becomes excessive and the process load of the reducing agent regeneration step S4 increases. Therefore, it is preferable to extract the amount derived from the additionally introduced iron compound from the magnetite produced in the hydrogen production process S3 and input it into the carbon separation process S2 in a state without carbon adhesion. That is, by supplying only the amount of magnetite required for the carbon dioxide decomposition step S1 to the reducing agent regeneration step S4, and circulating the remainder through the carbon separation step S2 and the hydrogen production step S3, the carbon dioxide decomposition step S1 and the reducing agent regeneration step are performed. The amount of hydrogen produced in the hydrogen production step S3 can be increased without affecting the step S4.
For example, in this embodiment, 25% by mass of the magnetite produced in the hydrogen production step S3 is supplied to the reducing agent regeneration step S4, and the remaining 75% by mass is supplied to the carbon separation step S2.

(還元剤再生工程S4)
還元剤再生工程S4は、水素製造工程S3で生成させた水素とマグネタイトとを反応させることで、マグネタイトに含まれる酸素イオンを離脱(脱酸素(還元)反応)させて、マグネタイトの結晶構造、即ちスピネル型結晶格子構造を保った状態で、マグネタイトの酸素原子の任意の位置が空孔となった酸素欠陥鉄酸化物(Fe4-δ(但し、δは1以上4未満))、または酸素完全欠陥鉄を生成する。
(Reducing agent regeneration step S4)
In the reducing agent regeneration step S4, the hydrogen produced in the hydrogen production step S3 is reacted with magnetite to remove oxygen ions contained in the magnetite (deoxygenation (reduction) reaction) and change the crystal structure of the magnetite, i.e. Oxygen-deficient iron oxide (Fe 3 O 4-δ (however, δ is 1 or more and less than 4)) in which oxygen atoms in magnetite have vacancies at any position while maintaining a spinel-type crystal lattice structure, or Generates oxygen-completely defective iron.

なお、還元剤再生工程S4に導入されるマグネタイトは、水素製造工程S3で得られたマグネタイトを用いるが、各工程の開始初期段階、および各工程の実施中に減量したマグネタイトの補充は、純粋なマグネタイトに限らず、他の物質を含むものでもよい。 Note that the magnetite introduced in the reducing agent regeneration step S4 is the magnetite obtained in the hydrogen production step S3, but the magnetite reduced during the initial stage of each step and during the implementation of each step is supplemented with pure magnetite. It is not limited to magnetite, and may contain other substances.

外部からマグネタイトを導入する場合のマグネタイトの原料(マグネタイト材)としては、例えば、天然鉱物である砂鉄、製鉄所などで用いられる鉄鉱石に含まれる砂鉄を用いることができる。これらの砂鉄をマグネタイトとして用いることによって、マグネタイトを安価で容易に入手することができる。
また、マグネタイト材としては、ヘマタイト(赤鉄鉱:Fe)、鉄酸化方式の使用済みカイロ(主成分は水酸化鉄)などを用いることもできる。
As a raw material for magnetite (magnetite material) in the case of introducing magnetite from the outside, for example, iron sand, which is a natural mineral, or iron sand contained in iron ore used in iron works, etc. can be used. By using these iron sands as magnetite, magnetite can be easily obtained at low cost.
Further, as the magnetite material, hematite (hematite: Fe 2 O 3 ), used iron oxidation type hand warmer (main component is iron hydroxide), etc. can also be used.

本実施形態のマグネタイトは、BET法による比表面積が0.1m/g以上、10m/g以下の範囲、好ましくは0.3m/g以上、8m/g以下の範囲、より好ましくは1m/g以上、6m/g以下の範囲である。 The magnetite of this embodiment has a specific surface area measured by the BET method of 0.1 m 2 /g or more and 10 m 2 /g or less, preferably 0.3 m 2 /g or more and 8 m 2 /g or less, more preferably The range is 1 m 2 /g or more and 6 m 2 /g or less.

マグネタイトの比表面積が0.1m/g以上であれば、固気反応に必要な固体と気体の接触面積を確保でき、実用プロセスとして必要な反応速度が得られる。また、マグネタイトの比表面積が10m/g以下であれば、速い反応速度を確保できると共に、二酸化炭素を分解する時の一酸化炭素の生成割合が低くなり、炭素の回収率を向上させることができる。 If the specific surface area of magnetite is 0.1 m 2 /g or more, the contact area between solid and gas necessary for solid-gas reaction can be secured, and the reaction rate required for a practical process can be obtained. In addition, if the specific surface area of magnetite is 10 m 2 /g or less, a fast reaction rate can be ensured, and the rate of carbon monoxide generated when carbon dioxide is decomposed will be low, improving the carbon recovery rate. can.

なお、本実施形態の還元剤再生工程S4によってマグネタイトを還元して得られる還元剤は、還元前のマグネタイトよりも比表面積が大きい。還元剤の比表面積は、0.1m/g以上、30m/g以下、好ましくは0.3m/g以上、25m/g以下、より好ましくは1m/g以上、18m/g以下である。また、還元剤の比表面積は、マグネタイトの比表面積の1倍以上、3倍以下、好ましくは1倍以上、2.5倍以下、より好ましくは1倍以上、2.0倍以下である。 Note that the reducing agent obtained by reducing magnetite in the reducing agent regeneration step S4 of the present embodiment has a larger specific surface area than the magnetite before reduction. The specific surface area of the reducing agent is 0.1 m 2 /g or more and 30 m 2 /g or less, preferably 0.3 m 2 /g or more and 25 m 2 /g or less, more preferably 1 m 2 /g or more and 18 m 2 /g. It is as follows. Further, the specific surface area of the reducing agent is 1 time or more and 3 times or less, preferably 1 time or more and 2.5 times or less, and more preferably 1 time or more and 2.0 times or less than the specific surface area of magnetite.

また、本実施形態のマグネタイトは、平均粒子径が1μm以上、1000μm以下の範囲、好ましくは1μm以上、20μm未満の範囲、または50μm超え、200μm以下の範囲である。 Moreover, the magnetite of this embodiment has an average particle diameter in the range of 1 μm or more and 1000 μm or less, preferably in the range of 1 μm or more and less than 20 μm, or in the range of more than 50 μm and 200 μm or less.

マグネタイトの平均粒子径が1μm以上であれば、二酸化炭素を分解する時の一酸化炭素の生成割合が低くなり、炭素の回収率を向上させることができる。更に、平均粒子径が1μmよりも大きいものにすることで、粒子の凝集性、飛散性が低くなり、流動性、ハンドリング性が良くなるため、反応器壁面への固着現象やクリンカーの形成などのトラブルが回避でき、ロータリーキルンや流動層などの工業用反応装置への適用が可能となる。
また、マグネタイトの平均粒子径が1000μm以下であれば、固気反応に必要な固体と気体の接触面積を確保でき、実用プロセスとして必要な反応速度を得ることができる。
If the average particle diameter of magnetite is 1 μm or more, the rate of carbon monoxide generated when carbon dioxide is decomposed becomes low, and the carbon recovery rate can be improved. Furthermore, by making the average particle size larger than 1 μm, particle agglomeration and scattering properties are reduced, and fluidity and handling properties are improved, which reduces problems such as sticking to the reactor wall and clinker formation. Trouble can be avoided and it can be applied to industrial reactors such as rotary kilns and fluidized beds.
Moreover, if the average particle diameter of magnetite is 1000 μm or less, the contact area between the solid and gas necessary for the solid-gas reaction can be secured, and the reaction rate required for a practical process can be obtained.

また、本実施形態のマグネタイトは、かさ密度が0.3g/cm以上、3g/cm以下の範囲、好ましくは0.4g/cm以上、2g/cm以下の範囲、より好ましくは0.5g/cm以上、1g/cm以下の範囲である。 In addition, the magnetite of this embodiment has a bulk density of 0.3 g/cm 3 or more and 3 g/cm 3 or less, preferably 0.4 g/cm 3 or more and 2 g/cm 3 or less, and more preferably 0. The range is .5 g/cm 3 or more and 1 g/cm 3 or less.

マグネタイトのかさ密度が0.3g/cm以上であれば、粒子の凝集性、飛散性が低くなり、流動性が良くなるため、ロータリーキルンや流動層などの工業用反応装置への適用が可能となる。また、マグネタイトのかさ密度が3g/cm以下であれば、粒子間、粒子内の空隙率が確保でき、反応気体が粒子内へ拡散し易くなり、実用プロセスとして必要な反応速度が得られる。 If the bulk density of magnetite is 0.3 g/ cm3 or more, particle agglomeration and scattering properties will be low, and fluidity will be improved, making it possible to apply it to industrial reactors such as rotary kilns and fluidized beds. Become. Further, if the bulk density of magnetite is 3 g/cm 3 or less, the porosity between and within the particles can be ensured, the reaction gas can easily diffuse into the particles, and the reaction rate required for a practical process can be obtained.

還元剤再生工程S4では、例えば、ロータリーキルンや流動層などの固気反応装置を用いて、粉末状のマグネタイトを攪拌しつつ、水素製造工程S3で生成させた水素に接触させることによって、マグネタイトを構成する酸素原子が離脱して水素と反応して水(水蒸気)が生じる。また、酸素原子が離脱したマグネタイトは、マグネタイトの結晶構造、即ちスピネル型結晶格子構造を保った状態で、離脱した酸素原子の位置が空孔となった酸素欠陥鉄酸化物、または酸素完全欠陥鉄となる。 In the reducing agent regeneration step S4, for example, using a solid-gas reactor such as a rotary kiln or a fluidized bed, powdered magnetite is stirred and brought into contact with the hydrogen produced in the hydrogen production step S3, thereby forming magnetite. Oxygen atoms are released and react with hydrogen to produce water (steam). In addition, magnetite from which oxygen atoms have been removed is oxygen-deficient iron oxide, which maintains the crystal structure of magnetite, that is, a spinel crystal lattice structure, and has vacancies at the positions of the removed oxygen atoms, or oxygen-completely defective iron. becomes.

還元剤再生工程S4において、マグネタイト材がヘマタイトを含む場合、ヘマタイトは還元されてマグネタイトとなり、さらに還元されて酸素欠陥鉄酸化物または酸素完全欠陥鉄となる。 In the reducing agent regeneration step S4, when the magnetite material contains hematite, hematite is reduced to magnetite, and further reduced to oxygen-deficient iron oxide or oxygen-completely defective iron.

還元剤再生工程S4の反応温度は、300℃以上、450℃以下、好ましくは350℃以上、400℃以下の範囲であればよい。
反応温度が300℃以上であれば、実用プロセスとして必要な反応速度が得られる。また、反応温度が450℃以下であれば、反応する時に還元剤の結晶構造が壊れることなく、高い反応性が維持でき、還元剤が繰り返し使用することができる。かつ反応する時の消費エネルギーを抑えることができる。
還元剤再生工程S4では、こうした反応温度範囲に昇温させるために、例えば、二酸化炭素分解工程S1と同様の熱源を有効利用することも好ましい。
The reaction temperature in the reducing agent regeneration step S4 may be in the range of 300°C or higher and 450°C or lower, preferably 350°C or higher and 400°C or lower.
When the reaction temperature is 300° C. or higher, a reaction rate required for a practical process can be obtained. Further, if the reaction temperature is 450° C. or lower, the crystal structure of the reducing agent is not destroyed during the reaction, high reactivity can be maintained, and the reducing agent can be used repeatedly. Moreover, the energy consumption during reaction can be suppressed.
In the reducing agent regeneration step S4, in order to raise the temperature to such a reaction temperature range, it is also preferable to effectively utilize, for example, the same heat source as in the carbon dioxide decomposition step S1.

還元剤再生工程S4の反応圧力は、0.1MPa以上、5MPa以下、好ましくは0.1MPa以上、1MPa以下の範囲であればよい。
反応圧力が0.1MPa以上であれば、実用プロセスとして必要な反応速度を得ることができ、反応装置のサイズをコンパクトにすることができる。また、反応圧力が5MPa以下であれば、装置の製作コストを抑えることができる。
The reaction pressure in the reducing agent regeneration step S4 may be in the range of 0.1 MPa or more and 5 MPa or less, preferably 0.1 MPa or more and 1 MPa or less.
When the reaction pressure is 0.1 MPa or more, a reaction rate necessary for a practical process can be obtained, and the size of the reaction apparatus can be made compact. Further, if the reaction pressure is 5 MPa or less, the manufacturing cost of the device can be suppressed.

還元剤再生工程S4で用いる水素ガスの濃度は、5体積%以上、100体積%以下の範囲、好ましくは10体積%以上、90体積%以下の範囲であればよい。水素ガスの濃度が例えば90体積%程度であっても、実質的に濃度100体積%の水素ガスと還元能力に大きな差は無い。よって、濃度が100体積%の水素ガスよりもコストが低い濃度が90体積%程度の水素ガスを用いれば、マグネタイトから低コストに還元剤を生成することができる。 The concentration of the hydrogen gas used in the reducing agent regeneration step S4 may be in a range of 5% by volume or more and 100% by volume or less, preferably 10% by volume or more and 90% by volume or less. Even if the concentration of hydrogen gas is, for example, about 90% by volume, there is substantially no significant difference in reducing ability from hydrogen gas having a concentration of 100% by volume. Therefore, by using hydrogen gas with a concentration of about 90 volume %, which is lower in cost than hydrogen gas with a concentration of 100 volume %, a reducing agent can be produced from magnetite at a low cost.

還元剤再生工程S4でのマグネタイトの水素による還元では、以下の式(17)、(18)のように還元剤が生成される。
Fe+δH→Fe4-δ+δHO(但し、δ=1以上4未満)・・・(17)
Fe+4H→3Fe+4HO・・・(18)
In the reduction of magnetite with hydrogen in the reducing agent regeneration step S4, a reducing agent is generated as shown in the following equations (17) and (18).
Fe 3 O 4 +δH 2 →Fe 3 O 4−δ +δH 2 O (however, δ=1 or more and less than 4)...(17)
Fe3O4 + 4H2 →3Fe + 4H2O ...(18)

ここで、得られた還元剤の活性を維持するため、還元剤再生工程S4から二酸化炭素分解工程S1までのあいだは、還元剤への空気混入等による酸化を防止することが好ましい。例えば、還元剤再生工程S4から二酸化炭素分解工程S1に向けて還元剤を移送する際に、密閉状態として空気混入を防ぎつつ、還元剤を移送可能な構成とすれば、還元剤再生工程S4で得られた還元剤を酸化させることなく二酸化炭素分解工程S1に供給することができる。 Here, in order to maintain the activity of the obtained reducing agent, it is preferable to prevent oxidation due to mixing of air into the reducing agent, etc. from the reducing agent regeneration step S4 to the carbon dioxide decomposition step S1. For example, when transferring the reducing agent from the reducing agent regeneration step S4 to the carbon dioxide decomposition step S1, if the structure is such that the reducing agent can be transferred while being in a sealed state to prevent air from entering, the reducing agent may be transferred in the reducing agent regeneration step S4. The obtained reducing agent can be supplied to the carbon dioxide decomposition step S1 without being oxidized.

なお、炭素分離工程S2で生成される炭素の生成効率を高めるために、二酸化炭素分解工程S1と還元剤再生工程S4とを2回以上繰り返し行い、二酸化炭素分解工程S1で生成される炭素付着マグネタイトの炭素濃度を高めてから、炭素分離工程S2および水素製造工程S3を行うこともできる。これにより、より低コストにナノサイズの炭素を製造することができる。 In addition, in order to increase the production efficiency of carbon produced in the carbon separation step S2, the carbon dioxide decomposition step S1 and the reducing agent regeneration step S4 are repeated two or more times, and the carbon-attached magnetite produced in the carbon dioxide decomposition step S1 is It is also possible to perform the carbon separation step S2 and the hydrogen production step S3 after increasing the carbon concentration. Thereby, nano-sized carbon can be produced at lower cost.

以上のような本実施形態の炭素材料および水素の製造方法によれば、マグネタイトの結晶構造が維持され、かつ酸素原子の離脱による原子空孔の多い酸素欠陥鉄酸化物(Fe4-δ(但し、δ=1以上4未満))、またはマグネタイトを完全に還元することで得られる、酸素完全欠陥鉄(δ=4)を還元剤として用いて、二酸化炭素を還元することにより、低コストで効率的に二酸化炭素から炭素材料を製造することができる。 According to the carbon material and hydrogen production method of the present embodiment as described above, the crystal structure of magnetite is maintained and oxygen-deficient iron oxide (Fe 3 O 4-δ (However, δ = 1 or more and less than 4)) or oxygen-completely deficient iron (δ = 4), which is obtained by completely reducing magnetite, is used as a reducing agent to reduce carbon dioxide at low cost. Carbon materials can be efficiently produced from carbon dioxide.

また、炭素分離工程S2で得られた塩化鉄と水とを反応させることによって、低コストで効率的に水を分解して、高純度な水素を製造することができる。こうした水素製造では、マグネタイトの循環量を増やすだけで、容易に水素の生成量を増加させることができ、例えば、次世代製鉄所の水素還元製鉄プロセス、製油所の水素化精製プロセス、二酸化炭素回収・再利用(CCU)技術、水素燃料電池用の水素源、水素発電用の水素源などに幅広く用いることができる。 Furthermore, by reacting the iron chloride obtained in the carbon separation step S2 with water, water can be decomposed efficiently at low cost to produce highly pure hydrogen. In such hydrogen production, the amount of hydrogen produced can be easily increased simply by increasing the amount of magnetite circulated. - Can be widely used in recycling (CCU) technology, hydrogen sources for hydrogen fuel cells, hydrogen sources for hydrogen power generation, etc.

そして、水素製造工程S3で生成したマグネタイトを還元剤再生工程に供給して、水素製造工程で生成させた水素を用いて還元剤を再生することによって、外部からの供給は二酸化炭素と水だけで、二酸化炭素を分解して炭素材料を製造し、また、水を分解して水素を製造するクローズドシステムを構築することができる。 Then, by supplying the magnetite produced in the hydrogen production process S3 to the reducing agent regeneration process and regenerating the reducing agent using the hydrogen produced in the hydrogen production process, only carbon dioxide and water are supplied from the outside. , it is possible to construct a closed system that decomposes carbon dioxide to produce carbon materials and also decomposes water to produce hydrogen.

こうした各工程の途上で発生する水素と酸素は、それぞれ生成する工程が異なっており、互いに1つの工程内で接触することが無い。例えば、水素は水素製造工程S3で生成され、酸素は炭素分離工程S2で生成され、これらが互いに同一の反応槽などで混在することが無い。これにより、酸素と水素とが接触して爆発的に反応するといった懸念もなく、安定的に各工程の反応を行うことができる。 Hydrogen and oxygen generated during each of these steps are generated in different steps, and do not come into contact with each other within one step. For example, hydrogen is generated in the hydrogen production step S3, and oxygen is generated in the carbon separation step S2, and these do not coexist in the same reaction tank or the like. Thereby, there is no fear that oxygen and hydrogen will come into contact with each other and cause an explosive reaction, and the reactions in each step can be carried out stably.

こうした炭素材料および水素の製造方法に用いるマグネタイトは、処理の過程で還元されて還元剤となるなど、その物質形態を変えながら循環利用されるので、ロス分以外外部からマグネタイトを供給しなくても、低コストに炭素および水素の製造を行うことができる。 The magnetite used in these carbon materials and hydrogen production methods is recycled while changing its material form, such as being reduced during the treatment process and becoming a reducing agent, so there is no need to supply magnetite from outside except for loss. , carbon and hydrogen can be produced at low cost.

また、炭素分離工程S2において、表面に炭素が付着したマグネタイトを塩酸(塩化水素の水溶液)で溶解して塩酸に不溶性の炭素を分離させることで、粒子径が1μm以下のナノサイズの炭素材料を得ることができる。 In addition, in the carbon separation step S2, nano-sized carbon materials with a particle size of 1 μm or less are obtained by dissolving magnetite with carbon attached to its surface in hydrochloric acid (aqueous solution of hydrogen chloride) and separating carbon that is insoluble in hydrochloric acid. Obtainable.

また、二酸化炭素分解工程S1、炭素分離工程S2、水素製造工程S3、還元剤再生工程S4において、例えば、製鉄所、火力発電所、セメント工場、ゴミ焼却施設などの稼働に伴って発生した熱(排熱)を、反応時の熱源として有効利用することで、排熱の大気中への放出量を抑制でき、温暖化防止に寄与する。また、再生可能エネルギー由来の電気・蓄熱、及び高温の熱を取り出せる原子炉である高温ガス炉の熱エネルギーを有効利用することで、COの発生を抑制でき、カーボンニュートラルや脱炭素社会の実現に寄与する。 In addition, in the carbon dioxide decomposition process S1, carbon separation process S2, hydrogen production process S3, and reducing agent regeneration process S4, for example, heat generated due to the operation of steel plants, thermal power plants, cement factories, garbage incineration facilities, etc. By effectively using waste heat) as a heat source during reactions, the amount of waste heat released into the atmosphere can be suppressed, contributing to the prevention of global warming. In addition, by effectively utilizing electricity and heat storage derived from renewable energy, as well as thermal energy from high-temperature gas reactors, which are nuclear reactors that can extract high-temperature heat, it is possible to suppress CO2 emissions and realize a carbon-neutral and decarbonized society. Contribute to

以上、本発明の実施形態を説明したが、こうした実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and changes can be made without departing from the gist of the invention. This embodiment and its modifications are included within the scope and gist of the invention as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents.

例えば、上述した実施形態では、マグネタイトの一般的な組成をFeとしているが、こうしたマグネタイトは、他の物質、例えば、チタン(Ti)などが含まれている砂鉄であってもよい。こうした他の物質、例えば、チタンは、触媒として二酸化炭素の還元に寄与している可能性がある。 For example, in the embodiments described above, the general composition of magnetite is Fe 3 O 4 , but such magnetite may also be iron sand containing other substances, such as titanium (Ti). These other materials, such as titanium, may contribute to the reduction of carbon dioxide as a catalyst.

以下、本発明の効果を検証した。
最初に、以下の実施例1~11で使用した各マグネタイト材の性状を纏めて表1に示す。
Below, the effects of the present invention were verified.
First, Table 1 summarizes the properties of each magnetite material used in Examples 1 to 11 below.

Figure 0007367809000001
Figure 0007367809000001

(実施例1)
還元剤再生工程における反応温度と酸素欠陥度δとの関係を調べる実験を行った。
反応装置として固定床反応器を用い、1gのマグネタイト(粒径分布は50~100nm)と水素とを反応させて、マグネタイトの結晶構造を維持したままマグネタイトを還元することで還元剤を生成した。
(Example 1)
An experiment was conducted to investigate the relationship between the reaction temperature and the degree of oxygen deficiency δ in the reducing agent regeneration process.
Using a fixed bed reactor as a reaction device, 1 g of magnetite (particle size distribution is 50 to 100 nm) was reacted with hydrogen to reduce the magnetite while maintaining the crystal structure of the magnetite, thereby producing a reducing agent.

反応時間1時間、水素流量1.0L/min、水素濃度100体積%として、反応温度を280℃,300℃,320℃,350℃,360℃,370℃にそれぞれ設定し、マグネタイトを水素で還元(脱酸素反応)させることで、それぞれの反応温度での試料(還元剤)を得た。そして、それぞれの反応温度で得られた還元剤(酸素欠陥鉄酸化物、酸素完全欠陥鉄)から、還元剤の酸素欠陥度δを算出した。
実施例1の結果を図3にグラフで示す。なお、図3中の酸素欠陥度δが4を超えている点は測定誤差であり、実質的にδ=4である。
The reaction time was 1 hour, the hydrogen flow rate was 1.0 L/min, the hydrogen concentration was 100% by volume, and the reaction temperatures were set at 280°C, 300°C, 320°C, 350°C, 360°C, and 370°C, respectively, and magnetite was reduced with hydrogen. (deoxygenation reaction) to obtain samples (reducing agents) at each reaction temperature. Then, the degree of oxygen deficiency δ of the reducing agent was calculated from the reducing agent (oxygen-deficient iron oxide, oxygen-completely deficient iron) obtained at each reaction temperature.
The results of Example 1 are shown graphically in FIG. Note that the point in FIG. 3 where the degree of oxygen deficiency δ exceeds 4 is due to a measurement error, and δ is substantially 4.

図3に示す結果によれば、上述した反応条件で反応温度を350℃~360℃の範囲にすることによって、酸素欠陥度δを最大に高めることができ、δ=4、即ち、マグネタイトの結晶構造を維持したまま全ての酸素イオンが離脱した、酸素完全欠陥鉄が得られることが確認できた。 According to the results shown in FIG. 3, by setting the reaction temperature in the range of 350°C to 360°C under the above-mentioned reaction conditions, the degree of oxygen vacancy δ can be maximized, and δ = 4, that is, the magnetite crystal It was confirmed that oxygen-completely defective iron was obtained in which all oxygen ions were removed while maintaining the structure.

(実施例2)
還元剤再生工程における反応時間と酸素欠陥度δとの関係を調べる実験を行った。
反応装置として固定床反応器を用い、1gのマグネタイト(粒径分布は50~100nm)と水素とを反応させて、マグネタイトの結晶構造を維持したままマグネタイトを還元することで還元剤を生成した。
(Example 2)
An experiment was conducted to investigate the relationship between the reaction time and the degree of oxygen deficiency δ in the reducing agent regeneration process.
Using a fixed bed reactor as a reaction device, 1 g of magnetite (particle size distribution is 50 to 100 nm) was reacted with hydrogen to reduce the magnetite while maintaining the crystal structure of the magnetite, thereby producing a reducing agent.

反応温度280℃,310℃,330℃,350℃、水素流量1.0L/min、水素濃度100体積%として、上述したそれぞれの反応温度で反応時間(還元時間)を30分,60分,180分にそれぞれ設定し、マグネタイトを水素で還元(脱酸素反応)させることで、それぞれの反応温度と反応時間での試料(還元剤)を得た。そして、それぞれ得られた還元剤(酸素欠陥鉄酸化物、酸素完全欠陥鉄)から、還元剤の酸素欠陥度δを算出した。
実施例2の結果を図4にグラフで示す。なお、図4中の酸素欠陥度δが4を超えている点は測定誤差であり、実質的にδ=4である。
Assuming that the reaction temperature is 280°C, 310°C, 330°C, and 350°C, the hydrogen flow rate is 1.0 L/min, and the hydrogen concentration is 100% by volume, the reaction time (reduction time) is 30 minutes, 60 minutes, and 180 minutes at each of the above-mentioned reaction temperatures. Samples (reducing agents) were obtained at each reaction temperature and reaction time by reducing magnetite with hydrogen (deoxygenation reaction). Then, the degree of oxygen deficiency δ of the reducing agent was calculated from each of the obtained reducing agents (oxygen-deficient iron oxide, oxygen-completely defective iron).
The results of Example 2 are shown graphically in FIG. Note that the point in FIG. 4 where the degree of oxygen deficiency δ exceeds 4 is due to a measurement error, and δ is substantially 4.

図4に示す結果によれば、上述した反応条件で反応温度が330℃~350℃の範囲であれば、反応時間(還元時間)が60分を超えるようにすれば、酸素欠陥度δを最大に高めることができ、δ=4、即ち、マグネタイトの結晶構造を維持したまま全ての酸素イオンが離脱した、酸素完全欠陥鉄が得られることが確認できた。また、330℃~350℃の範囲であれば、反応時間(還元時間)が30分程度であっても、δ=2~2.8のマグネタイトの結晶構造を維持した酸素欠陥鉄酸化物が得られることが確認できた。 According to the results shown in Figure 4, if the reaction temperature is in the range of 330°C to 350°C under the above reaction conditions, the degree of oxygen deficiency δ can be maximized by making the reaction time (reduction time) exceed 60 minutes. It was confirmed that δ=4, that is, completely oxygen-deficient iron in which all oxygen ions were removed while maintaining the magnetite crystal structure was obtained. In addition, if the temperature is in the range of 330°C to 350°C, oxygen-deficient iron oxide that maintains the crystal structure of magnetite with δ = 2 to 2.8 can be obtained even if the reaction time (reduction time) is about 30 minutes. It was confirmed that

(実施例3)
還元剤再生工程における水素流量と酸素欠陥度δとの関係を調べる実験を行った。
反応装置として固定床反応器を用い、1gのマグネタイト(粒径分布は50~100nm)と水素とを反応させて、マグネタイトの結晶構造を維持したままマグネタイトを還元することで還元剤を生成した。
(Example 3)
An experiment was conducted to investigate the relationship between hydrogen flow rate and oxygen defect degree δ in the reducing agent regeneration process.
Using a fixed bed reactor as a reaction device, 1 g of magnetite (particle size distribution is 50 to 100 nm) was reacted with hydrogen to reduce the magnetite while maintaining the crystal structure of the magnetite, thereby producing a reducing agent.

反応温度330℃、水素濃度100体積%、反応時間60分として、水素流量を0.1L/min,0.25L/min,0.5L/min,0.75L/min,1.0L/minにそれぞれ設定し、マグネタイトを水素で還元(脱酸素反応)させることで、それぞれの水素流量での試料(還元剤)を得た。そして、それぞれ得られた還元剤(酸素欠陥鉄酸化物、酸素完全欠陥鉄)から、還元剤の酸素欠陥度δを算出した。
実施例3の結果を図5にグラフで示す。なお、図5中の酸素欠陥度δが4を超えている点は測定誤差であり、実質的にδ=4である。
The reaction temperature was 330°C, the hydrogen concentration was 100% by volume, and the reaction time was 60 minutes, and the hydrogen flow rate was 0.1 L/min, 0.25 L/min, 0.5 L/min, 0.75 L/min, and 1.0 L/min. Samples (reducing agents) were obtained at each hydrogen flow rate by reducing magnetite with hydrogen (deoxygenation reaction). Then, the degree of oxygen deficiency δ of the reducing agent was calculated from each of the obtained reducing agents (oxygen-deficient iron oxide, oxygen-completely defective iron).
The results of Example 3 are shown graphically in FIG. Note that the point in FIG. 5 where the degree of oxygen deficiency δ exceeds 4 is due to a measurement error, and δ is substantially 4.

図5に示す結果によれば、上述した反応条件で水素流量が0.75L/min以上であれば、酸素欠陥度δを最大に高めることができ、δ=4、即ち、マグネタイトの結晶構造を維持したまま全ての酸素イオンが離脱した、酸素完全欠陥鉄が得られることが確認できた。また、水素流量が0.5L/min程度であっても、δ=3.5を超えるマグネタイトの結晶構造を維持した酸素欠陥鉄酸化物が得られることが確認できた。 According to the results shown in FIG. 5, if the hydrogen flow rate is 0.75 L/min or more under the above reaction conditions, the oxygen defect degree δ can be increased to the maximum, and δ = 4, that is, the crystal structure of magnetite is It was confirmed that oxygen-completely defective iron was obtained in which all oxygen ions were removed while maintaining the oxygen content. Furthermore, it was confirmed that even if the hydrogen flow rate was about 0.5 L/min, an oxygen-deficient iron oxide that maintained a magnetite crystal structure with δ exceeding 3.5 could be obtained.

(実施例4)
還元剤再生工程における水素濃度と酸素欠陥度δとの関係を調べる実験を行った。
反応装置として固定床反応器を用い、1gのマグネタイト(粒径分布は50~100nm)と水素とを反応させて、マグネタイトの結晶構造を維持したままマグネタイトを還元することで還元剤を生成した。
(Example 4)
An experiment was conducted to investigate the relationship between hydrogen concentration and oxygen defect degree δ in the reducing agent regeneration process.
Using a fixed bed reactor as a reaction device, 1 g of magnetite (particle size distribution is 50 to 100 nm) was reacted with hydrogen to reduce the magnetite while maintaining the crystal structure of the magnetite, thereby producing a reducing agent.

反応温度330℃、水素流量1.0L/min、反応時間60分として、水素濃度を50体積%,75体積%,90体積%,100体積%にそれぞれ設定し、マグネタイトを水素で還元(脱酸素反応)させることで、それぞれの水素濃度での試料(還元剤)を得た。そして、それぞれ得られた還元剤(酸素欠陥鉄酸化物、酸素完全欠陥鉄)から、還元剤の酸素欠陥度δを算出した。
実施例4の結果を図6にグラフで示す。なお、図6中の酸素欠陥度δが4を超えている点は測定誤差であり、実質的にδ=4である。
At a reaction temperature of 330°C, a hydrogen flow rate of 1.0 L/min, and a reaction time of 60 minutes, the hydrogen concentrations were set to 50 vol%, 75 vol%, 90 vol%, and 100 vol%, respectively, and magnetite was reduced (deoxidized) with hydrogen. Samples (reducing agents) were obtained at each hydrogen concentration. Then, the degree of oxygen deficiency δ of the reducing agent was calculated from each of the obtained reducing agents (oxygen-deficient iron oxide, oxygen-completely defective iron).
The results of Example 4 are shown graphically in FIG. Note that the point in FIG. 6 where the degree of oxygen deficiency δ exceeds 4 is due to a measurement error, and δ is substantially 4.

図6に示す結果によれば、上述した反応条件で水素濃度が90体積%以上であれば、酸素欠陥度δを最大に高めることができ、δ=4、即ち、マグネタイトの結晶構造を維持したまま全ての酸素イオンが離脱した、酸素完全欠陥鉄が得られることが確認できた。水素ガスの濃度が90体積%程度であっても、実質的に濃度100体積%の水素ガスと還元能力に差は殆ど無く、濃度が100体積%の水素ガスよりもコストが低い濃度が90体積%程度の水素ガスを用いれば、低コストに酸素欠陥度δを最大に高めた還元剤を生成することができる。また、水素ガスの濃度が75体積%程度であっても、δ=3.5を超えるマグネタイトの結晶構造を維持した酸素欠陥鉄酸化物が得られることが確認できた。 According to the results shown in Figure 6, when the hydrogen concentration is 90% by volume or more under the above reaction conditions, the degree of oxygen vacancy δ can be increased to the maximum, and δ = 4, that is, the crystal structure of magnetite is maintained. It was confirmed that oxygen-completely defective iron, in which all oxygen ions were removed, was obtained. Even if the concentration of hydrogen gas is around 90% by volume, there is virtually no difference in reducing ability from hydrogen gas with a concentration of 100% by volume, and the concentration of hydrogen gas with a concentration of 90% is lower in cost than hydrogen gas with a concentration of 100% by volume. % of hydrogen gas, it is possible to produce a reducing agent with the maximum oxygen defect degree δ at low cost. Furthermore, it was confirmed that even if the concentration of hydrogen gas was about 75% by volume, an oxygen-deficient iron oxide that maintained the crystal structure of magnetite with δ exceeding 3.5 could be obtained.

(実施例5)
二酸化炭素分解工程における反応温度と酸素欠陥消費率との関係を調べる実験を行った。
酸素欠陥消費率は、一定量の還元剤に二酸化炭素を反応させた際に、還元剤のスピネル型結晶格子構造の格子中にある原子空孔に、二酸化炭素中の酸素イオンが取り込まれた割合であり、0~100%の範囲で、この数値が100%に近いほど、その還元剤の二酸化炭素分解(還元)能力が高いことを示している。
(Example 5)
An experiment was conducted to investigate the relationship between reaction temperature and oxygen defect consumption rate in the carbon dioxide decomposition process.
Oxygen defect consumption rate is the rate at which oxygen ions in carbon dioxide are taken into atomic vacancies in the lattice of the reducing agent's spinel crystal lattice structure when carbon dioxide reacts with a certain amount of reducing agent. In the range of 0 to 100%, the closer this value is to 100%, the higher the carbon dioxide decomposition (reduction) ability of the reducing agent.

反応装置として固定床反応器を用い、酸素欠陥度δがおおよそ4である還元剤(酸素完全欠陥鉄、粒径分布は50~100nm)を用いて、反応温度315℃~390℃の範囲で二酸化炭素と反応させて炭素を生成させた。そして、反応前の還元剤の質量、酸素欠陥度δと、反応後の酸化された還元剤(マグネタイト)の質量、酸素欠陥度δとの差分に基づいて、酸素欠陥消費率を算出した。
実施例5の結果を図7にグラフで示す。
A fixed bed reactor was used as the reaction device, and a reducing agent with an oxygen defect degree δ of approximately 4 (oxygen completely defective iron, particle size distribution 50 to 100 nm) was used to conduct carbon dioxide at a reaction temperature of 315°C to 390°C. Reacted with carbon to produce carbon. Then, the oxygen defect consumption rate was calculated based on the difference between the mass of the reducing agent before the reaction, the oxygen defect degree δ, and the mass of the oxidized reducing agent (magnetite) after the reaction, the oxygen defect degree δ.
The results of Example 5 are shown graphically in FIG.

図7に示す結果によれば、上述した反応条件で反応温度が360℃以上であれば、酸素欠陥消費率は40%以上となる。特に、反応温度が370℃以上では、酸素欠陥消費率は50%以上となり、還元剤のスピネル型結晶格子構造の格子中にある原子空孔の総数の50%以上に、二酸化炭素中の酸素イオンを取り込むことができる。よって、二酸化炭素分解工程における反応温度を360℃以上にすることで、還元剤を効率的に利用して二酸化炭素を分解(還元)して炭素を生成できることが確認された。 According to the results shown in FIG. 7, when the reaction temperature is 360° C. or higher under the above-mentioned reaction conditions, the oxygen defect consumption rate is 40% or higher. In particular, when the reaction temperature is 370°C or higher, the oxygen defect consumption rate is 50% or more, and oxygen ions in carbon dioxide account for 50% or more of the total number of vacancies in the lattice of the spinel crystal lattice structure of the reducing agent. can be taken in. Therefore, it was confirmed that by setting the reaction temperature in the carbon dioxide decomposition step to 360° C. or higher, carbon dioxide can be decomposed (reduced) using a reducing agent efficiently to generate carbon.

(実施例6)
マグネタイト材の種類と、二酸化炭素分解工程における酸素欠陥消費率および還元剤再生工程における酸素欠陥度δとの関係を調べる実験を行った。
(Example 6)
An experiment was conducted to investigate the relationship between the type of magnetite material, the oxygen vacancy consumption rate in the carbon dioxide decomposition process, and the oxygen vacancy degree δ in the reducing agent regeneration process.

マグネタイト材として、平均粒子径が800nm程度のナノ粒子マグネタイト1g、0.5g、平均粒子径が1.1μm程度の微粒子マグネタイト0.5g、日本産の砂鉄1g、ニュージーランド産の砂鉄1gを用意した。そして、それぞれのマグネタイト材を用いて、反応装置として固定床反応器を用い、反応温度350℃、反応時間1時間、水素流量1.0L/min、水素濃度100体積%の条件でそれぞれのマグネタイト材を還元して還元剤を生成し、これら還元剤の酸素欠陥度δを算出した。 As magnetite materials, 1 g and 0.5 g of nanoparticle magnetite with an average particle size of about 800 nm, 0.5 g of fine particle magnetite with an average particle size of about 1.1 μm, 1 g of iron sand from Japan, and 1 g of iron sand from New Zealand were prepared. Using each magnetite material, using a fixed bed reactor as a reaction device, each magnetite material was reduced to produce reducing agents, and the degree of oxygen deficiency δ of these reducing agents was calculated.

また、微粒子マグネタイトを還元した還元剤について、比表面積を測定したところ、9.36m/gであった。還元前の5.28m/gから、比表面積が約1.77倍に増大していることがわかる。 Further, the specific surface area of the reducing agent that reduced particulate magnetite was measured and found to be 9.36 m 2 /g. It can be seen that the specific surface area has increased approximately 1.77 times from 5.28 m 2 /g before reduction.

次に、それぞれの還元剤を用いて、反応装置として固定床反応器を用い、反応温度360℃で二酸化炭素を反応させて、反応前の還元剤の質量、酸素欠陥度δと、反応後の酸化された還元剤の質量、酸素欠陥度δとの差分に基づいて、酸素欠陥消費率を算出した。
実施例6の結果を図8にグラフで示す。
Next, using each reducing agent, a fixed bed reactor is used as a reaction device, and carbon dioxide is reacted at a reaction temperature of 360°C, and the mass of the reducing agent before the reaction, the degree of oxygen deficiency δ, and the The oxygen defect consumption rate was calculated based on the difference between the mass of the oxidized reducing agent and the oxygen defect degree δ.
The results of Example 6 are shown graphically in FIG.

図8に示す結果によれば、ナノ粒子マグネタイトおよび微粒子マグネタイトを用いて、水素による還元で生成した還元剤の殆どは、酸素欠陥度δが4となり、マグネタイト中の酸素がほぼ全て離脱して原子空孔となった、酸素完全欠陥鉄が得られることが確認できた。一方、ニュージーランド産砂鉄は、水素還元後の酸素欠陥度δが1未満で、還元剤としての二酸化炭素分解(還元)能力は低いことが分かった。 According to the results shown in Figure 8, most of the reducing agents produced by reduction with hydrogen using nanoparticle magnetite and fine particle magnetite have an oxygen defect degree δ of 4, and almost all the oxygen in magnetite is released and atoms It was confirmed that oxygen-completely defective iron with vacancies was obtained. On the other hand, it was found that New Zealand iron sand had an oxygen deficiency degree δ of less than 1 after hydrogen reduction, and its ability to decompose (reduce) carbon dioxide as a reducing agent was low.

また、これら還元剤の酸素欠陥消費率は、微粒子マグネタイトを用いて作成した還元剤が60%~80%程度になり、二酸化炭素分解能力が特に優れていることが確認できた。
これらの結果から、マグネタイト材として、平均粒子径が1.1μm程度の微粒子マグネタイトを用いることが特に好ましいことが分かった。
Furthermore, the oxygen defect consumption rate of these reducing agents was approximately 60% to 80% for the reducing agent prepared using fine particle magnetite, and it was confirmed that the reducing agent had particularly excellent carbon dioxide decomposition ability.
From these results, it was found that it is particularly preferable to use fine particle magnetite having an average particle diameter of about 1.1 μm as the magnetite material.

(実施例7)
マグネタイト材の粒子サイズと、還元剤再生工程における酸素欠陥度δ、二酸化炭素分解工程における酸素欠陥消費率を調べる実験を行った。
マグネタイト材として、平均粒子径が800nm程度のナノ粒子マグネタイト、平均粒子径が1.1μm程度の微粒子マグネタイト、平均粒子径が40μm程度の粉末マグネタイト、および平均粒子径が70μm程度の大粒子径粉末マグネタイトを用意した。そして、それぞれのマグネタイト材を反応温度330℃の条件で還元して還元剤を生成し、これら還元剤の酸素欠陥度δを算出した。なお、反応温度以外の条件は実施例6と同様である。
(Example 7)
Experiments were conducted to investigate the particle size of the magnetite material, the degree of oxygen vacancies δ in the reducing agent regeneration process, and the oxygen vacancy consumption rate in the carbon dioxide decomposition process.
Magnetite materials include nanoparticle magnetite with an average particle size of about 800 nm, fine particle magnetite with an average particle size of about 1.1 μm, powder magnetite with an average particle size of about 40 μm, and large particle size powder magnetite with an average particle size of about 70 μm. prepared. Then, each magnetite material was reduced at a reaction temperature of 330° C. to produce a reducing agent, and the degree of oxygen deficiency δ of these reducing agents was calculated. Note that the conditions other than the reaction temperature were the same as in Example 6.

次に、それぞれの還元剤を用いて、反応温度380℃で二酸化炭素を反応させ、酸素欠陥消費率を算出した。なお、反応温度以外の条件は実施例6と同様である。
実施例7の酸素欠陥度δの測定結果を図9に、また、酸素欠陥消費率の測定結果を図10に、それぞれ示す。
Next, using each reducing agent, carbon dioxide was reacted at a reaction temperature of 380° C., and the oxygen defect consumption rate was calculated. Note that the conditions other than the reaction temperature were the same as in Example 6.
The measurement results of the oxygen defect degree δ of Example 7 are shown in FIG. 9, and the measurement results of the oxygen defect consumption rate are shown in FIG. 10, respectively.

図9に示す結果によれば、水素による還元で得られる還元剤は、原料のマグネタイトの粒子サイズによる差異は殆どない。一方で図10に示す結果によれば、これら還元剤を二酸化炭素に反応させた後の酸素欠陥消費率は、微粒子マグネタイトを原料にした還元剤が特に優れている。よって、微粒子マグネタイトを原料にして還元剤を生成することが好ましいことが分かった。 According to the results shown in FIG. 9, there is almost no difference in the reducing agent obtained by reduction with hydrogen depending on the particle size of the raw material magnetite. On the other hand, according to the results shown in FIG. 10, reducing agents made from fine particle magnetite are particularly excellent in oxygen defect consumption rate after reacting these reducing agents with carbon dioxide. Therefore, it has been found that it is preferable to generate the reducing agent using fine particle magnetite as a raw material.

(実施例8)
還元剤の原料と、還元剤再生工程における酸素欠陥度δおよび二酸化炭素分解工程における酸素欠陥消費率の関係を調べる実験を行った。
マグネタイト材として、平均粒子径が800nm程度のナノ粒子マグネタイト、平均粒子径が1μm程度の微粒子マグネタイト、平均粒子径が40μm程度の粉末マグネタイト、日本産の砂鉄、ニュージーランド産の砂鉄、銅スラグ、鉄粉を用意した。そして、実施例6と同様の条件で、これら還元剤の酸素欠陥度δを算出した。なお、鉄粉は完全に還元された状態であるため、便宜的にδ=4とした。
(Example 8)
An experiment was conducted to investigate the relationship between the raw material of the reducing agent, the oxygen defect degree δ in the reducing agent regeneration process, and the oxygen defect consumption rate in the carbon dioxide decomposition process.
Magnetite materials include nanoparticle magnetite with an average particle size of about 800 nm, fine particle magnetite with an average particle size of about 1 μm, powder magnetite with an average particle size of about 40 μm, iron sand from Japan, iron sand from New Zealand, copper slag, iron powder. prepared. Then, under the same conditions as in Example 6, the oxygen deficiency degree δ of these reducing agents was calculated. Note that since the iron powder is in a completely reduced state, δ = 4 for convenience.

次に、それぞれの還元剤を用いて、実施例6と同様の条件で二酸化炭素を反応させて、酸素欠陥消費率を算出した。
実施例8の酸素欠陥度δの測定結果を図11に、また、酸素欠陥消費率の測定結果を図12に、それぞれ示す。
Next, using each reducing agent, carbon dioxide was reacted under the same conditions as in Example 6, and the oxygen defect consumption rate was calculated.
The measurement results of the oxygen defect degree δ of Example 8 are shown in FIG. 11, and the measurement results of the oxygen defect consumption rate are shown in FIG. 12, respectively.

図11に示す結果によれば、水素による還元で得られる還元剤は、マグネタイトを原料とするものはいずれも3.5以上で優れている。一方、銅スラグの酸素欠陥度δはほぼ0である。 According to the results shown in FIG. 11, all of the reducing agents obtained by hydrogen reduction using magnetite as a raw material are excellent with a value of 3.5 or more. On the other hand, the oxygen defect degree δ of copper slag is approximately 0.

一方で図12に示す結果によれば、これら還元剤を二酸化炭素に反応させた後の酸素欠陥消費率は、微粒子マグネタイトを原料にした還元剤が特に優れている。また、銅スラグや鉄粉は酸素欠陥消費率がほぼ0%であり、二酸化炭素の分解(還元)能力が無いことが分かった。なお、国産砂鉄とNZ産砂鉄との酸素欠陥消費率の差は、国産砂鉄に含まれている微量のチタンによる触媒効果が原因と考えられる。 On the other hand, according to the results shown in FIG. 12, reducing agents made from fine particle magnetite are particularly excellent in oxygen defect consumption rate after reacting these reducing agents with carbon dioxide. In addition, it was found that copper slag and iron powder had an oxygen defect consumption rate of almost 0%, and had no ability to decompose (reduce) carbon dioxide. The difference in oxygen defect consumption rate between domestic iron sand and NZ iron sand is thought to be caused by the catalytic effect of the trace amount of titanium contained in domestic iron sand.

(実施例9)
マグネタイト材の粒子サイズ別に、還元剤再生工程と二酸化炭素分解工程とを繰り返し行った場合の還元剤の劣化の有無、炭素の生成量を調べる実験を行った。
実施例7と同様のマグネタイト材と反応条件で還元剤を生成して質量を測定した(還元剤再生工程)。
(Example 9)
An experiment was conducted to examine whether the reducing agent deteriorates and the amount of carbon produced when the reducing agent regeneration process and carbon dioxide decomposition process are repeated for each particle size of the magnetite material.
A reducing agent was produced under the same magnetite material and reaction conditions as in Example 7, and its mass was measured (reducing agent regeneration step).

次に、それぞれの還元剤を用いて、反応温度380℃で二酸化炭素を分解させて、反応後の還元剤+生成物(炭素)の質量を測定した。なお、二酸化炭素分解工程後に炭素分離工程は行わず、生成した炭素はそのままの状態にした。こうしたそれぞれの還元剤での還元剤再生工程と二酸化炭素分解工程とを3回繰り返し、各工程で試料の質量を測定した。
実施例9において、ナノ粒子マグネタイトを用いた結果を図13に、微粒子マグネタイトを用いた結果を図14に、粉末マグネタイトを用いた結果を図15に、それぞれ示す。
Next, carbon dioxide was decomposed using each reducing agent at a reaction temperature of 380° C., and the mass of the reducing agent + product (carbon) after the reaction was measured. Note that the carbon separation step was not performed after the carbon dioxide decomposition step, and the generated carbon was left as it was. The reducing agent regeneration step and carbon dioxide decomposition step using each reducing agent were repeated three times, and the mass of the sample was measured at each step.
In Example 9, the results using nanoparticle magnetite are shown in FIG. 13, the results using fine particle magnetite are shown in FIG. 14, and the results using powder magnetite are shown in FIG. 15, respectively.

図13~図15に示す結果によれば、いずれの粒子サイズのマグネタイトを還元剤の原料として用いた場合でも、還元剤再生工程と二酸化炭素分解工程とを繰り返し行うごとに燃焼-赤外線吸収法により測定した炭素の質量がほぼ線形的に増加しており、還元剤の劣化がなく、還元剤を繰り返し利用して複数回の還元剤再生工程と二酸化炭素分解工程とを行うことができることが確認された。また、特に微粒子マグネタイトや粉末マグネタイトを還元剤の原料として用いた場合、ナノ粒子マグネタイトを用いた場合と比較して炭素質量の増加量が大きくなっており、増加分は炭素の蓄積によるものであることを考慮すると、還元剤の原料として微粒子マグネタイトや粉末マグネタイトを用いることが好ましいことが確認された。 According to the results shown in Figures 13 to 15, no matter which particle size of magnetite is used as the raw material for the reducing agent, the combustion-infrared absorption method is It was confirmed that the measured mass of carbon increased almost linearly, that there was no deterioration of the reducing agent, and that the reducing agent could be used repeatedly to perform the reducing agent regeneration process and carbon dioxide decomposition process multiple times. Ta. In addition, especially when fine particle magnetite or powder magnetite is used as the raw material for the reducing agent, the amount of increase in carbon mass is greater than when nano particle magnetite is used, and the increase is due to carbon accumulation. Taking this into consideration, it was confirmed that it is preferable to use fine particle magnetite or powder magnetite as the raw material for the reducing agent.

一方、還元剤の原料としてナノ粒子マグネタイトを用いた場合、二酸化炭素分解工程後に還元剤再生工程を行った際に炭素の質量がほぼ半減しており、生成した炭素がガス化して系外に除去されたと考えられる。一方、微粒子マグネタイトや粉末マグネタイトでは、こうした生成した炭素の反応によるロスが見られない。こうしたことから、ナノ粒子マグネタイトでは反応活性が高く表面積も大きいために、生成、付着した炭素が還元剤中の酸素、もしくは還元剤再生工程での水素と反応しやすく、繰り返し使用で炭素のロスが生じやすいことが分かった。こうした炭素のガス化によるロスといった観点からも、還元剤の原料として微粒子マグネタイトや粉末マグネタイトを用いることが好ましいことが確認された。 On the other hand, when nanoparticle magnetite is used as a raw material for the reducing agent, the mass of carbon is almost halved when the reducing agent regeneration process is performed after the carbon dioxide decomposition process, and the generated carbon is gasified and removed from the system. It is thought that it was done. On the other hand, with fine particle magnetite and powder magnetite, no loss due to such reaction of generated carbon is observed. For this reason, nanoparticle magnetite has a high reaction activity and a large surface area, so the generated and attached carbon easily reacts with oxygen in the reducing agent or hydrogen in the reducing agent regeneration process, and carbon loss occurs with repeated use. It was found that this is easy to occur. It has been confirmed that it is preferable to use fine particle magnetite or powdered magnetite as a raw material for the reducing agent, also from the viewpoint of loss due to carbon gasification.

(実施例10)
マグネタイト材としてヘマタイト(Fe)を用いた場合の二酸化炭素の分解性能を調べる実験を行った。
試料として、粉末状のα-Fe(平均粒子径1μm、純度99.9質量%(高純度化学研究所製))を用い、前処理として、アルゴンガスフロー状態にて110℃まで昇温した後、10分間保持したのち、吸気して真空状態にして更に10分間保持した。
(Example 10)
An experiment was conducted to examine the carbon dioxide decomposition performance when hematite (Fe 2 O 3 ) was used as the magnetite material.
Powdered α-Fe 2 O 3 (average particle size 1 μm, purity 99.9% by mass (manufactured by Kojundo Kagaku Kenkyujo)) was used as a sample, and the temperature was heated to 110°C under an argon gas flow as a pretreatment. After warming, the chamber was held for 10 minutes, and then air was drawn into the chamber to create a vacuum state, and the chamber was held for another 10 minutes.

こうして得られた前処理後の試料を用いて、反応装置として固定床反応器を用い、反応温度330℃、反応時間1時間、水素流量1.0L/min、水素濃度100体積%の条件で試料を還元して還元剤を生成して質量を測定した。
前処理前と前処理後、および水素還元後の試料の質量変化を表2に示す。なお、参考としてマグネタイトを原料に用いた場合の質量変化を記載する。
また、水素還元後の試料のXRD分析結果を図16、二酸化炭素分解後の試料のXRD分析結果を図17に示す。
Using the pretreated sample obtained in this way, a fixed bed reactor was used as the reaction device, and the sample was heated under the conditions of a reaction temperature of 330°C, a reaction time of 1 hour, a hydrogen flow rate of 1.0 L/min, and a hydrogen concentration of 100% by volume. was reduced to produce a reducing agent and its mass was measured.
Table 2 shows the mass changes of the sample before and after pretreatment, and after hydrogen reduction. For reference, the mass change when magnetite is used as a raw material is described.
Further, the XRD analysis results of the sample after hydrogen reduction are shown in FIG. 16, and the XRD analysis results of the sample after carbon dioxide decomposition are shown in FIG.

Figure 0007367809000002
Figure 0007367809000002

表2に示す結果によれば、水素還元による重量変化から、ヘマタイトは酸素完全欠陥鉄の状態まで完全に還元されていると考えられる。 According to the results shown in Table 2, it is considered that hematite has been completely reduced to the state of oxygen-completely deficient iron, based on the weight change due to hydrogen reduction.

また、XRD分析結果によれば、生成物は殆どFeであり、こうしたXRD分析結果からも、ヘマタイトは酸素完全欠陥鉄の状態まで完全に還元されていると考えられる。 Moreover, according to the XRD analysis results, the product is mostly Fe, and these XRD analysis results also indicate that the hematite is completely reduced to the state of oxygen-completely deficient iron.

次に、得られたヘマタイト由来の還元剤を用いて、反応温度370℃で二酸化炭素を圧力変化が無くなるまで分解させて、反応器内の圧力、温度を用いて、理想気体の状態方程式による気相部の物質量の変化を計算し、燃焼-赤外線吸収法による生成物(炭素)の質量を測定した(二酸化炭素分解工程)。
二酸化炭素の分解後の気相部物質量の変化、生成物(炭素)の質量、還元剤中の鉄1モル当たりの気相部物質量の変化を表3に示す。なお、参考としてマグネタイトを原料に用いた場合も記載する。
Next, using the obtained hematite-derived reducing agent, carbon dioxide is decomposed at a reaction temperature of 370°C until there is no pressure change, and using the pressure and temperature inside the reactor, gas is generated according to the ideal gas equation of state. The change in the amount of material in the phase was calculated, and the mass of the product (carbon) was measured by combustion-infrared absorption method (carbon dioxide decomposition process).
Table 3 shows the changes in the amount of substances in the gas phase after decomposition of carbon dioxide, the mass of the product (carbon), and the changes in the amount of substances in the gas phase per mole of iron in the reducing agent. For reference, the case where magnetite is used as a raw material is also described.

Figure 0007367809000003
Figure 0007367809000003

表3に示す結果によれば、ヘマタイトを水素還元して得られた還元剤を用いて、二酸化炭素を分解できることが確認された。なお、二酸化炭素を分解した後のヘマタイト由来の還元剤の色調が黒色であったことと、XRDの分析結果から、ヘマタイト由来の還元剤であっても、二酸化炭素を分解後はマグネタイトまでしか酸化されない(ヘマタイトに戻らない)と考えられる。 According to the results shown in Table 3, it was confirmed that carbon dioxide can be decomposed using a reducing agent obtained by reducing hematite with hydrogen. Furthermore, from the fact that the color tone of the reducing agent derived from hematite after decomposing carbon dioxide was black, and from the XRD analysis results, even if the reducing agent derived from hematite, after decomposing carbon dioxide, only magnetite was oxidized. It is thought that it will not change (will not return to hematite).

(実施例11)
還元剤を生成するための原料として、使用済みカイロから取り出された水酸化鉄を含む粉末を用いて、二酸化炭素の分解性能を調べる実験を行った。
使用済みカイロとして、アイリスオーヤマ株式会社製の「ぽかぽか家族 レギュラー 10個入り(PKN-10R)」を用い、前処理として、アルゴンガスフロー状態にて110℃まで昇温した後、10分間保持したのち、吸気して真空状態にして更に10分間保持した。
(Example 11)
An experiment was conducted to examine the carbon dioxide decomposition performance using powder containing iron hydroxide extracted from used body warmers as a raw material for producing a reducing agent.
As a used hand warmer, "Poka Poka Kazoku Regular 10 pieces (PKN-10R)" manufactured by Iris Ohyama Co., Ltd. was used, and as a pretreatment, the temperature was raised to 110 °C under an argon gas flow state, and then held for 10 minutes. Then, a vacuum was applied and maintained for an additional 10 minutes.

こうして得られた前処理後の使用済みカイロ(粉末状)を、反応装置として固定床反応器を用い、反応温度330℃、反応時間1時間、水素流量1.0L/min、水素濃度100体積%の条件で還元して還元剤を生成して質量を測定した。
前処理前と前処理後、および水素還元前と水素還元後の試料の質量変化を表4に示す。
なお、参考としてヘマタイトを原料に用いた場合の質量変化を記載する。
また、水素還元後の試料のXRD分析結果を図18、二酸化炭素分解後の試料のXRD分析結果を図19に示す。
The pretreated used hand warmers (powder) thus obtained were processed using a fixed bed reactor as a reaction device at a reaction temperature of 330°C, a reaction time of 1 hour, a hydrogen flow rate of 1.0 L/min, and a hydrogen concentration of 100% by volume. The product was reduced under the following conditions to produce a reducing agent and its mass was measured.
Table 4 shows the mass changes of the samples before and after pretreatment, and before and after hydrogen reduction.
For reference, the mass change when hematite is used as a raw material is described.
Further, the XRD analysis results of the sample after hydrogen reduction are shown in FIG. 18, and the XRD analysis results of the sample after carbon dioxide decomposition are shown in FIG.

Figure 0007367809000004
Figure 0007367809000004

水素還元後の使用済みカイロ由来の還元剤の色調がマグネタイトやヘマタイト由来の還元剤と同じく、黒色であったことから、使用済みカイロは、酸素完全欠陥鉄の状態まで還元されていると考えられる。
また、XRD分析結果によれば、生成物は殆どFeであり、こうしたXRD分析結果からも、使用済みカイロ中の水酸化鉄は酸素完全欠陥鉄の状態まで還元されていると考えられる。
The color tone of the reducing agent derived from the used body warmer after hydrogen reduction was black, the same as the reducing agent derived from magnetite and hematite, so it is thought that the used body warmer has been reduced to the state of completely oxygen-deficient iron. .
Further, according to the XRD analysis results, the product is mostly Fe, and from these XRD analysis results, it is considered that the iron hydroxide in the used body warmer has been reduced to the state of oxygen-completely deficient iron.

次に、得られた使用済みカイロ由来の還元剤を用いて、反応温度370℃で二酸化炭素を圧力変化が無くなるまで分解させて、質量を測定した。二酸化炭素分解前と二酸化炭素分解後の試料の質量変化を上記表4に示す。 Next, using the obtained reducing agent derived from the used hand warmer, carbon dioxide was decomposed at a reaction temperature of 370° C. until there was no pressure change, and the mass was measured. The mass change of the sample before and after carbon dioxide decomposition is shown in Table 4 above.

表4に示す結果によれば、使用済みカイロを水素還元して得られた還元剤を用いて、二酸化炭素を分解できることが確認された。なお、二酸化炭素を分解した後の還元剤の色調が黒色であったことと、XRDの分析結果から、使用済みカイロ由来の還元剤であっても、二酸化炭素を分解後はマグネタイトまでしか酸化されない(水酸化鉄に戻らない)と考えられる。 According to the results shown in Table 4, it was confirmed that carbon dioxide can be decomposed using a reducing agent obtained by reducing used body warmers with hydrogen. In addition, the color tone of the reducing agent after decomposing carbon dioxide was black, and the XRD analysis results showed that even if the reducing agent was derived from used body warmers, it would only oxidize to magnetite after decomposing carbon dioxide. (It does not return to iron hydroxide).

(実施例12)
二酸化炭素分解工程で還元剤に二酸化炭素を反応させることで生成した、表面に炭素が付着したマグネタイトの様子を観察した。観察には電子顕微鏡(SEM)を用いた。
図20に、表面に炭素が付着したマグネタイトのSEM写真を示す。
図20に示すSEM写真では、不定形の生成物の白い部分が酸化された還元剤(マグネタイト)、黒い部分がナノサイズの炭素粒子を示しており、二酸化炭素を還元剤によって還元させることによって、表面に炭素が付着したマグネタイトが生成されることが確認できた。
(Example 12)
We observed the appearance of magnetite with carbon attached to its surface, which was produced by reacting carbon dioxide with a reducing agent during the carbon dioxide decomposition process. An electron microscope (SEM) was used for observation.
FIG. 20 shows a SEM photograph of magnetite with carbon attached to its surface.
In the SEM photograph shown in Figure 20, the white part of the amorphous product shows the oxidized reducing agent (magnetite), and the black part shows the nano-sized carbon particles.By reducing carbon dioxide with the reducing agent, It was confirmed that magnetite with carbon attached to the surface was produced.

(実施例13)
水素製造工程において、水素、およびマグネタイトを実際に製造し、塩化鉄と水との反応による転化率(反応転化率)を調べた。
実験は、塩化鉄(II)を充填した反応管に、水蒸気を通すことで、下記の式(19)に示す反応を行った。
3FeCl+4HO→Fe+6HCl+H・・・(19)
本発明例1~4の実施条件を表5に示す。そして、表5の条件でそれぞれ行った式(19)に示す反応の反応転化率を表6に示す。
(Example 13)
In the hydrogen production process, hydrogen and magnetite were actually produced, and the conversion rate (reaction conversion rate) due to the reaction between iron chloride and water was investigated.
In the experiment, water vapor was passed through a reaction tube filled with iron(II) chloride to carry out the reaction shown in the following formula (19).
3FeCl2 + 4H2OFe3O4 + 6HCl + H2 ...(19)
Table 5 shows the conditions for implementing Examples 1 to 4 of the present invention. Table 6 shows the reaction conversion rates of the reactions shown in formula (19), which were carried out under the conditions shown in Table 5.

Figure 0007367809000005
Figure 0007367809000005

Figure 0007367809000006
Figure 0007367809000006

表6に示す実施例13の結果によれば、いずれの条件においても反応転化率が90%以上で、塩化鉄(II)と水蒸気とを反応させることで、効率的にマグネタイトおよび水素を製造可能であることが確認できた。 According to the results of Example 13 shown in Table 6, the reaction conversion rate was 90% or more under all conditions, making it possible to efficiently produce magnetite and hydrogen by reacting iron(II) chloride and steam. It was confirmed that this was the case.

本発明は、二酸化炭素および水を用いて、炭素材料と水素とを低コストで効率的に生成することができる。例えば、製鉄プラント、火力発電所、セメント製造プラント、ゴミ焼却施設など、二酸化炭素、および排熱を多く排出するプラント等に適用することで、二酸化炭素の排出削減、水素の有効利用と、これに付随してナノサイズの炭素などの高付加価値の炭素材料の製造を行うことができる。したがって、産業上の利用可能性を有する。 INDUSTRIAL APPLICATION This invention can produce|generate a carbon material and hydrogen efficiently at low cost using carbon dioxide and water. For example, by applying it to plants that emit a lot of carbon dioxide and waste heat, such as steel plants, thermal power plants, cement manufacturing plants, and garbage incineration facilities, it can reduce carbon dioxide emissions, effectively use hydrogen, and Concomitantly, high value-added carbon materials such as nano-sized carbon can be produced. Therefore, it has industrial applicability.

S1…二酸化炭素分解工程
S2…炭素分離工程
S3…水素製造工程
S4…還元剤再生工程
S1...Carbon dioxide decomposition process S2...Carbon separation process S3...Hydrogen production process S4...Reducing agent regeneration process

Claims (12)

二酸化炭素と還元剤とを反応させて、表面に炭素を付着させたマグネタイトを生成する二酸化炭素分解工程と、
前記二酸化炭素分解工程で得られた表面に炭素を付着させたマグネタイトと、塩酸、または塩化水素ガスとを反応させて、炭素と、塩化鉄とを生成する炭素分離工程と、
前記炭素分離工程で得られた塩化鉄に含まれる塩化鉄(III)を塩化鉄(II)に還元する塩化鉄還元工程と、
前記炭素分離工程および前記塩化鉄還元工程で得られた塩化鉄(II)と、水とを反応させて、マグネタイトと、水素と、塩化水素ガスとを生成する水素製造工程と、
前記水素製造工程で得られたマグネタイトおよび水素を互いに反応させて、前記二酸化炭素分解工程で用いる前記還元剤を生成する還元剤再生工程と、を有し、
前記還元剤は、マグネタイトの結晶構造を維持したままマグネタイトを還元することで得られるFe4-δ(但し、δは1以上4未満)で表される酸素欠陥鉄酸化物、またはマグネタイトを完全に還元することで得られる酸素完全欠陥鉄(δ=4)、またはヘマタイトや使用済みカイロを還元することで得られる酸素欠陥鉄酸化物、またはヘマタイトや使用済みカイロを完全に還元することで得られる酸素完全欠陥鉄であることを特徴とする炭素および水素の製造方法。
a carbon dioxide decomposition step in which carbon dioxide and a reducing agent are reacted to produce magnetite with carbon attached to the surface;
a carbon separation step of reacting the magnetite obtained in the carbon dioxide decomposition step with carbon attached to its surface and hydrochloric acid or hydrogen chloride gas to generate carbon and iron chloride;
an iron chloride reduction step of reducing iron chloride (III) contained in the iron chloride obtained in the carbon separation step to iron chloride (II);
a hydrogen production step in which iron (II) chloride obtained in the carbon separation step and the iron chloride reduction step is reacted with water to produce magnetite, hydrogen, and hydrogen chloride gas;
a reducing agent regeneration step in which the magnetite and hydrogen obtained in the hydrogen production step are reacted with each other to generate the reducing agent used in the carbon dioxide decomposition step,
The reducing agent is an oxygen-deficient iron oxide represented by Fe 3 O 4-δ (where δ is 1 or more and less than 4) obtained by reducing magnetite while maintaining its crystal structure, or magnetite. Oxygen-deficient iron (δ = 4) obtained by complete reduction, or oxygen-deficient iron oxide obtained by reducing hematite and used hand warmers, or by completely reducing hematite and used hand warmers. A method for producing carbon and hydrogen, characterized in that the obtained oxygen-completely defective iron is obtained.
二酸化炭素と還元剤とを反応させて、表面に炭素を付着させたマグネタイトを生成する二酸化炭素分解工程と、
前記二酸化炭素分解工程で得られた表面に炭素を付着させたマグネタイトと、塩酸、または塩化水素ガスとを反応させて、炭素と、塩化鉄とを生成する炭素分離工程と、
前記炭素分離工程で得られた塩化鉄と、水とを反応させて、マグネタイトと、水素と、塩化水素ガスとを生成する水素製造工程と、
前記水素製造工程で得られたマグネタイトおよび水素を互いに反応させて、前記二酸化炭素分解工程で用いる前記還元剤を生成する還元剤再生工程と、を有し、
前記還元剤は、マグネタイトの結晶構造を維持したままマグネタイトを還元することで得られるFe4-δ(但し、δは1以上4未満)で表される酸素欠陥鉄酸化物、またはマグネタイトを完全に還元することで得られる酸素完全欠陥鉄(δ=4)、またはヘマタイトや使用済みカイロを還元することで得られる酸素欠陥鉄酸化物、またはヘマタイトや使用済みカイロを完全に還元することで得られる酸素完全欠陥鉄であり、
前記炭素分離工程において、炭素の付着のないマグネタイトを追加投入することを特徴とする炭素および水素の製造方法。
a carbon dioxide decomposition step in which carbon dioxide and a reducing agent are reacted to produce magnetite with carbon attached to the surface;
a carbon separation step of reacting the magnetite obtained in the carbon dioxide decomposition step with carbon attached to its surface and hydrochloric acid or hydrogen chloride gas to generate carbon and iron chloride;
a hydrogen production step of reacting iron chloride obtained in the carbon separation step with water to produce magnetite, hydrogen, and hydrogen chloride gas;
a reducing agent regeneration step in which the magnetite and hydrogen obtained in the hydrogen production step are reacted with each other to generate the reducing agent used in the carbon dioxide decomposition step,
The reducing agent is an oxygen-deficient iron oxide represented by Fe 3 O 4-δ (where δ is 1 or more and less than 4) obtained by reducing magnetite while maintaining its crystal structure, or magnetite. Oxygen-deficient iron (δ = 4) obtained by complete reduction, or oxygen-deficient iron oxide obtained by reducing hematite and used hand warmers, or by completely reducing hematite and used hand warmers. The resulting oxygen-completely defective iron ,
A method for producing carbon and hydrogen, characterized in that , in the carbon separation step, magnetite to which carbon does not adhere is additionally added .
二酸化炭素と還元剤とを反応させて、表面に炭素を付着させたマグネタイトを生成する二酸化炭素分解工程と、
前記二酸化炭素分解工程で得られた表面に炭素を付着させたマグネタイトと、塩酸、または塩化水素ガスとを反応させて、炭素と、塩化鉄とを生成する炭素分離工程と、
前記炭素分離工程で得られた塩化鉄に含まれる塩化鉄(III)を塩化鉄(II)に還元する塩化鉄還元工程と、
前記炭素分離工程および前記塩化鉄還元工程で得られた塩化鉄(II)と、水とを反応させて、マグネタイトと、水素と、塩化水素ガスとを生成する水素製造工程と、
前記水素製造工程で得られたマグネタイトおよび水素を互いに反応させて、前記二酸化炭素分解工程で用いる前記還元剤を生成する還元剤再生工程と、を有し、
前記還元剤は、マグネタイトの結晶構造を維持したままマグネタイトを還元することで得られるFe4-δ(但し、δは1以上4未満)で表される酸素欠陥鉄酸化物、またはマグネタイトを完全に還元することで得られる酸素完全欠陥鉄(δ=4)、またはヘマタイトや使用済みカイロを還元することで得られる酸素欠陥鉄酸化物、またはヘマタイトや使用済みカイロを完全に還元することで得られる酸素完全欠陥鉄であり、
前記炭素分離工程において、炭素の付着のないマグネタイトを追加投入することを特徴とする炭素および水素の製造方法。
a carbon dioxide decomposition step in which carbon dioxide and a reducing agent are reacted to produce magnetite with carbon attached to the surface;
a carbon separation step of reacting the magnetite obtained in the carbon dioxide decomposition step with carbon attached to its surface and hydrochloric acid or hydrogen chloride gas to generate carbon and iron chloride;
an iron chloride reduction step of reducing iron chloride (III) contained in the iron chloride obtained in the carbon separation step to iron chloride (II);
a hydrogen production step in which iron (II) chloride obtained in the carbon separation step and the iron chloride reduction step is reacted with water to produce magnetite, hydrogen, and hydrogen chloride gas;
a reducing agent regeneration step in which the magnetite and hydrogen obtained in the hydrogen production step are reacted with each other to generate the reducing agent used in the carbon dioxide decomposition step,
The reducing agent is an oxygen-deficient iron oxide represented by Fe 3 O 4-δ (where δ is 1 or more and less than 4) obtained by reducing magnetite while maintaining its crystal structure, or magnetite. Oxygen-deficient iron (δ = 4) obtained by complete reduction, or oxygen-deficient iron oxide obtained by reducing hematite and used hand warmers, or by completely reducing hematite and used hand warmers. The resulting oxygen-completely defective iron ,
A method for producing carbon and hydrogen, characterized in that , in the carbon separation step, magnetite to which carbon does not adhere is additionally added .
前記二酸化炭素分解工程は、反応温度を300℃以上、450℃以下の範囲にすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の炭素および水素の製造方法。 The method for producing carbon and hydrogen according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon dioxide decomposition step is performed at a reaction temperature of 300°C or higher and 450°C or lower. 前記二酸化炭素分解工程は、反応圧力を0.01MPa以上、5MPa以下の範囲にすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の炭素および水素の製造方法。 The method for producing carbon and hydrogen according to any one of claims 1 to 3, wherein in the carbon dioxide decomposition step, the reaction pressure is set in a range of 0.01 MPa or more and 5 MPa or less. 前記炭素分離工程は、反応温度を10℃以上、300℃以下の範囲にすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の炭素および水素の製造方法。 The method for producing carbon and hydrogen according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in the carbon separation step, the reaction temperature is set in a range of 10°C or higher and 300°C or lower. 前記水素製造工程は、反応温度を10℃以上、800℃以下の範囲にすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の炭素および水素の製造方法。 The method for producing carbon and hydrogen according to any one of claims 1 to 3, wherein in the hydrogen production step, the reaction temperature is set in a range of 10°C or higher and 800°C or lower. 前記還元剤再生工程は、反応温度を300℃以上、450℃以下の範囲にすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の炭素および水素の製造方法。 The method for producing carbon and hydrogen according to any one of claims 1 to 3, wherein the reducing agent regeneration step sets the reaction temperature to a range of 300°C or higher and 450°C or lower. 前記還元剤再生工程で用いる水素の濃度は5体積%以上、100体積%以下の範囲であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の炭素および水素の製造方法。 The method for producing carbon and hydrogen according to any one of claims 1 to 3, wherein the concentration of hydrogen used in the reducing agent regeneration step is in a range of 5% by volume or more and 100% by volume or less. . 前記還元剤再生工程において、前記マグネタイトは、BET法による比表面積が0.1m/g以上、10m/g以下の範囲であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の炭素および水素の製造方法。 In the reducing agent regeneration step, the magnetite has a specific surface area of 0.1 m 2 /g or more and 10 m 2 /g or less according to the BET method. The method for producing carbon and hydrogen as described in Section . 前記還元剤再生工程において、前記マグネタイトは、平均粒子径が1μm以上、1000μm以下の範囲であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の炭素および水素の製造方法。 The method for producing carbon and hydrogen according to any one of claims 1 to 3, wherein in the reducing agent regeneration step, the magnetite has an average particle size in a range of 1 μm or more and 1000 μm or less. . 前記還元剤再生工程において、前記マグネタイトは、かさ密度が0.3g/cm以上、3g/cm以下の範囲であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の炭素および水素の製造方法。 According to any one of claims 1 to 3, in the reducing agent regeneration step, the magnetite has a bulk density in a range of 0.3 g/cm 3 or more and 3 g/cm 3 or less. carbon and hydrogen production method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001233601A (en) 2000-02-22 2001-08-28 Hitachi Zosen Corp Method for producing hydrogen
US20200317526A1 (en) 2019-04-04 2020-10-08 Cvmr Energy Metals Inc. Processes for converting carbon dioxide
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Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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吉田 崇 ほか,酸素欠陥マグネタイトによる二酸化炭素の分解(16)高い反応容量を有する水素処理マグネタイト,日本化学会第63春季大会 講演予稿集I,1992年03月16日

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