JP7463323B2 - 海水電解による二酸化炭素固定システムおよび方法 - Google Patents

海水電解による二酸化炭素固定システムおよび方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、海水電解による二酸化炭素固定システムおよび方法に関する。
近年、地球温暖化による気象災害が頻発し、温室効果ガスであるＣＯ２の削減は人類にとって急務である。ＣＯ２の削減に関し、既に種々の方法が提案され、実行されているが、いずれも十分なものとは言えない。
例えばＣＣＳ（Carbon Capture and Storage）は、火力発電所などで排出されるＣＯ２をアミン水溶液で吸収している。しかし、アミン水溶液は加熱されてＣＯ２を放出し、放出したＣＯ２は利用されるか、地中奥深くで放出して地層に貯留することが検討されている。この方式で貯留できる地層はそう多くはない。また電気化学的にＣＯ２を還元して、有価物にして回収しようという研究も進められている。
特許文献１では、鉄炭酸塩でＣＯ２を固定化する技術も発表されている。この技術はボールミルで鉄スクラップを粉砕してＣＯ２と反応させるものだが、工程で使用するエネルギーの大きさが莫大なものとなることが予想される。
また特許文献２では、最初からマグネシウムイオンを添加する方法も提案されている。
また非特許文献１では、ＮａＯＨを用いて、海水から炭酸マグネシウム（塩基性炭酸マグネシウム）を沈殿させる方式も提案されている。
非特許文献２では、電解を利用してＭｇ（ＯＨ）２の生成を狙ったシミュレーションの研究では、海水淡水化のＲＯ（逆浸透）膜の濃厚排水を電解することで、海水淡水化全体の効率を著しく上げられる見込みが述べられている。
一方、非特許文献３および非特許文献４では、海水を直接電解してＮａＯＨを発生させ、ＣＯ２など排ガスを吸収しようという研究がなされている。
ＣＯ２を効率よく捕捉するには、アルカリ性の強い吸収液、もしくは吸収個体が必要であることが知られている。このうち、苛性ソーダ（ＮａＯＨ）は最も強いアルカリ性の物質として知られている。ＮａＯＨは、良く精製された塩（ＮａＣｌ）と真水を用いて作った塩水の電解で製造される。純度の高いＮａＯＨを得るために純度の良いＮａＣｌが使用される。
非特許文献５では、隔膜を使用しないと、ｐＨの上昇が止まることが示されている。この原因は共存するマグネシウムによることが考えられている。
非特許文献６では、隔膜が存在すれば、水酸化マグネシウムの生成が生じるが、ＣＯ２の捕捉に必要な条件であるｐＨ＝９以上のアルカリ性にすることができることが述べられている。
以上のように、海水の直接電解で陽イオン交換膜の隔膜を使えばＮａＯＨが生成することが知られている。またＮａＯＨがＣＯ２と反応してＮａ２ＣＯ３ができることも知られている。さらに、Ｎａ２ＣＯ３とＭｇＣｌ２が水中で反応して塩基性炭酸マグネシウムができることも知られている。特に後者は、塩基性炭酸マグネシウムの製造方法として知られている。
ＣＯ２の削減に関しては、十分な検討をすることなく実施すると、かえってエネルギーを消費して、その結果、ＣＯ２を放出してしまうというリスクがある。従って、これらの問題を最小にし、かつＣＣＳとしても有効な技術の提供が望まれる。
空気中から直接ＣＯ２を回収しようとするのがＤＡＣ（Direct Air Capture）であるが、ＤＡＣ方式では、非特許文献７に開示されているものがある。
非特許文献８に示されるように、この方式では、ＮａＯＨに吸収させたＣＯ２を水酸化Ｃａと反応させ、炭酸Ｃａにして、この炭酸Ｃａを９００℃の加熱でＣａＯにして、これを水に反応させて水酸化Ｃａに戻すというものである。最終的にＣＯ２が生成して、この純度が高いということで、コンプレッサーで圧縮して一時的に高圧容器に蓄えることが考えられている。
特開2010-012392号公報 特開2019-30840号公報
Jun-Hwan Bang, Yeongsuk Yoo, Lee Seung Woo, Kyungsun Song、Minerals 2017, 7, 207 P.A.Davies, Q.Yuan and R. de Richter, Water Res. Technol., 2018,4, 839-850 西田修身、安淑憲、藤田広嗣、原野亘、田代正憲；日本マリンエンジニアリング学会誌，37,（9），728-736, 2002.、海水の電解水による船用排煙ＳＯｘ、ＮＯｘ、ＣＯｘとＰＭの処理システムの開発 西田修身、細田茂、藤田広嗣、安淑憲、井原淳、原野亘、広井正男、佐藤正昭、綾威男、田代正憲；日本マリンエンジニアリング学会誌，38,（2），81-86, 2003.、海水電解法を用いた船用機関のＣＯｘ後処理システムの開発 乾貴誌ら、環境技術 Vol.44、No.2,ｐ41、（2015）、電気分解による海水のアルカリ上昇に及ぼす海水成分の影響─海水による湿式スクラバの性能向上に関して─ 緒方英世、日本塩学会誌 第12巻 第2号（1958）ｐ85、海水、かん水中に溶存するマグネシウムおよびカルシウムの直接電解分離に関する研究（第1報） Keith, D.W., Holmes, G., St. Angelo, D., Heidel, K., 2018. A process for capturing CO2 from the atmosphere. Joule 2, 1～22. M. M. de Jonge, J. Daemen, J. M. Loriaux, Z. J. Steinmann and M. A. Huijbregts, Int. J. Greenhouse Gas Control, 2019, 80, 25～31. G. Holmes, D. W. KEITH, Phil. Trans. R. Soc. A （2012） 370, 4380～4403
以上説明したように、ＤＡＣでは、アルカリの手配と、その後の二酸化炭素固定に関する問題が懸念される。
本発明が解決しようとする課題は、海水を利用することによって、アルカリの手配と、効率的な二酸化炭素固定との両方を実現する、二酸化炭素固定システムおよび方法を提供することである。
実施形態の二酸化炭素固定システムは、電解槽と、沈殿槽と、送風機とを備えている。電解槽は、海水を電気分解して水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を発生させる。沈殿槽は、電解槽において発生したＮａＯＨと、濃縮海水と、二酸化炭素（ＣＯ２）とを混合させることによって、濃縮海水に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）にＣＯ２が固定された炭酸マグネシウムを沈殿させる。送風機は、電解槽において発生した水酸化ナトリウムに、沈殿槽において混合される二酸化炭素を同伴させるために、沈殿槽へ供給される前の前記水酸化ナトリウムに向けて、空気を送風する。
図１は、第１の実施形態の二酸化炭素固定方法が適用された二酸化炭素固定システムの構成例を示す概念図である。 図２Ａは、第１の実施形態の二酸化炭素固定システムの電解槽における反応の流れを示すフローチャートである。 図２Ｂは、第１の実施形態の二酸化炭素固定システムの沈殿槽における反応の流れを示すフローチャートである。 図３は、第２の実施形態の二酸化炭素固定方法が適用された二酸化炭素固定システムの構成例を示す概念図である。 図４は、第３の実施形態の二酸化炭素固定方法が適用された二酸化炭素固定システムの構成例を示す概念図である。 図５は、実施例における実験に使用した装置の構成を示す概念図である。 図６は、経時的な実験条件を示す表である。 図７は、陰極側におけるｐＨの経時的な変化を示すグラフである。 図８は、結晶から得られたＩＲスペクトルを示す図である。
以下に、本発明の各実施形態の二酸化炭素固定システムおよび方法を、図面を参照して説明する。
なお、以下の実施形態の説明において、同一部分については、同一符号を用いて示し、重複説明を避ける。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の二酸化炭素固定方法が適用された二酸化炭素固定システムの構成例を示す概念図である。
二酸化炭素固定システム１０は、電解槽２０と、沈殿槽３０と、海水濃縮装置４０と、沈殿回収装置５０とを備える。
海の水である海水Ｗは、水を主成分とし、３．５ｗｔ％程度の塩分、および微量金属から構成されている。電解槽２０は、このような海水Ｗを電気分解して水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を発生させる。
そのために、電解槽２０には、海水Ｗを導入するための海水導入部２１が設けられ、電解槽２０の内部には、陽極２２ａおよび陰極２２ｂからなる一対の電極が配置されている。さらに、陽極２２ａが配置された陽極側２３ａと、陰極２２ｂが配置された陰極側２３ｂとを仕切るように陽イオン交換膜２４が設けられている。
海水導入部２１から電解槽２０の内部に導入された海水Ｗは、電解槽２０内に貯えられる。
電解槽２０には、過剰に導入された過剰海水Ｗ’を、電解槽２０の外部へ排出するための過剰水排出配管２５も設けられている。過剰水排出配管２５の設置は任意である。
過剰水排出配管２５を設けることで、電解槽２０に貯液される海水Ｗの液位を、過剰水排出配管２５が設けられた高さ以下に維持できる。
陽極２２ａおよび陰極２２ｂからなる電極は、導電性の物質であればその材質は特に限定されず、例えば、鉄（Ｆｅ）、炭素（Ｃ）、あるいは合金を適用することができる。
電極の下端よりも高い液位まで海水Ｗを貯液した状態で、電源７０から電極に電流を流すと、陽極２２ａ側では、以下の反応式（１）に示す反応が生じる。なお、電源７０には、風量や太陽光などで得た再生可能エネルギーを用いることが望ましい。特に、グリッド上で余剰となった再生可能エネルギーを用いることで、ＣＯ２の発生を伴う発電をせずに済む。
陽極反応 ２Ｃｌ－→Ｃｌ２＋２ｅ－ （１）
このように塩素ガスが発生するので、電解槽２０の陽極側２３ａの上部には、逃がし穴２６ａが設けられており、塩素ガスは、逃がし穴２６ａから、電解槽２０の外部に出る。
一方、陰極２２ｂ側では、以下の反応式（２）に示す反応が生じる。
陰極反応 ２Ｎａ＋＋２Ｈ２０＋２ｅ－→２ＮａＯＨ＋Ｈ２ （２）
このように水素ガスが発生するので、電解槽２０の陰極側２３ｂの上部には、逃がし穴２６ｂが設けられており、水素ガスは、逃がし穴２６ｂから、電解槽２０の外部に出る。
逃がし穴２６ａ、２６ｂから電解槽２０の外部に出た塩素ガスおよび水素ガスは、有価物として既存方法および設備で適切に処理することができる。
上述した反応式（１）、（２）を考慮すると、電解槽２０内部では、以下の反応式（３）、（４）に示す反応が生じる。
電解槽内反応 ２ＮａＯＨ＋Ｃｌ２→ＮａＣｌ＋ＮａＣｌＯ＋Ｈ２０ （３）
トータル反応 ＮａＣｌ＋２Ｈ２０→ＮａＣｌＯ＋Ｈ２↑ （４）
上記のように、海水Ｗを電解槽２０で単に電解すると、生成した塩素（Ｃｌ）とＮａＯＨとが反応して、次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ）ができる。
このままでは発生したＮａＯＨが消費されてしまい、溶液がアルカリ性にならないので、ＣＯ２を補足できなくなってしまう。
このようなことが起きないように、電解槽２０には、陽イオン交換膜２４が設けられている。これによって、溶液がアルカリ性に維持され、陽イオンであるＮａ＋のみが、陽イオン交換膜２４を通過し、陽極側２３ａから陰極側２３ｂへ移動でき、陰極側２３ｂにおいて、陰極２２ｂにおいて発生した水酸化イオン（ＯＨ－）と結合して、陽極と陰極の生成物が混じることなく、ＮａＯＨが生成される。
電解槽２０には、生成したＮａＯＨの水溶液（以下、「ＮａＯＨ水溶液」と称する）を、沈殿槽３０へ移送するための移送配管２７も設けられている。このようにして、ＮａＯＨ水溶液Ｂは、移送配管２７を通って沈殿槽３０へ導入される。
電解槽２０では、海水導入部２１から導入する海水Ｗの量と、移送配管２７から排出されるＮａＯＨ水溶液Ｂの量が同一となるように運転することが望ましい。さらに、電解槽２０に、図示しないｐＨ計を備え、ｐＨ計によって、電解槽２０内に貯液されている水溶液のｐＨが、１０以上であることをモニタしながら電解槽２０を運転することが望ましい。
沈殿槽３０には、電解槽２０からＮａＯＨ水溶液Ｂが導入されることに加えて、海水濃縮装置４０から、濃縮海水Ｄも導入される。
このため、沈殿槽３０には、海水濃縮装置４０からの濃縮海水Ｄを導入するための濃縮海水導入管３２が接続されている。
海水濃縮装置４０は、例えば、塩析装置や、ＲＯ膜（逆浸透膜）を使ったＲＯ装置（第２の実施形態参照）によって実現することができるが、海水Ｗを濃縮できる機能を備えていれば、他の任意の装置であってもよい。このような海水濃縮装置４０は、沈殿槽３０に、ＣＯ２の固定に十分な量のマグネシウム（Ｍｇ）を供給するために、例えば、海水を２倍に濃縮した濃縮海水Ｄを生成する。ちなみに、通常の海水中のマグネシウム濃度は、海水重量の平均３．５％である溶質重量の３．７％程度であり、ナトリウムの３０．６％よりもはるかに小さい。なおカルシウムは、溶質重量の１．２％程度である。海水濃縮装置４０として、塩析装置を使うことができる。例えば膜などで簡単に水と分離できるならば、アルコール類を添加して塩類を塩析沈殿で濃縮することができる。この場合スラリー状の濃縮塩類を用いて電解することができる。
沈殿槽３０にはさらに、二酸化炭素供給部３１からＣＯ２ガスＴも導入される。このため、沈殿槽３０には、二酸化炭素供給部３１から供給されるＣＯ２ガスＴを導入するためのＣＯ２導入管３１ａも設けられている。二酸化炭素供給部３１からのＣＯ２ガスＴは、ＣＯ２導入管３１ａの先端から出る。したがって、ＣＯ２導入管３１ａの先端を、ＮａＯＨ水溶液Ｂと濃縮海水Ｄとの混合水に液浸させることによって、ＣＯ２ガスＴを、混合水内でバブリングさせながら、混合水に供給することができる。
二酸化炭素供給部３１は、例えば、ゴミ焼却炉や火力発電所から排気されたＣＯ２ガスＴを供給することが好ましい。
沈殿槽３０にはさらに撹拌器３３が設けられているので、沈殿槽３０内では、撹拌器３３を使って、ＮａＯＨ水溶液Ｂ、濃縮海水Ｄ、およびＣＯ２ガスＴを撹拌することができる。沈殿槽３０は撹拌器３３を備えていても、備えていなくてもよい。
このように、沈殿槽３０において、ＮａＯＨ水溶液Ｂ、濃縮海水Ｄ、およびＣＯ２ガスＴを撹拌すると、以下の反応式（５）に示すように、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）が生成し、さらに反応式（６）に示すように、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）は、濃縮海水Ｄ中のマグネシウムイオンと塩素イオンが結合したＭｇＣｌ２と反応して、塩基性炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ３）の沈殿が生じ、炭酸ガスが固定される。
２ＮａＯＨ＋ＣＯ２→Ｎａ２ＣＯ３＋Ｈ２Ｏ （５）
Ｎａ２ＣＯ３＋ＭｇＣｌ２→２ＮａＣｌ＋ＭｇＣＯ３↓ （６）
以上のように、沈殿槽３０では、ＮａＯＨ水溶液Ｂと、濃縮海水Ｄと、ＣＯ２との混合により、濃縮海水Ｄに含まれるマグネシウム（Ｍｇ）に、ＣＯ２が固定された炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ３）の沈殿Ｅが生成する。
上記（５）および（６）に示す反応は、２６％のＮａＣｌの飽和塩濃度でも生じるので、ＮａＣｌの濃度に依存せずに生じる。
なお上記（６）では沈殿Ｅとして、ＭｇＣＯ３のように、単純化した炭酸マグネシウムで示しているが、沈殿Ｅは、実際には以下の式に示すように、水酸化マグネシウムや水の結晶を巻き込んだ、塩基性炭酸マグネシウムが生成すると考えられる。
３ＭｇＣＯ３・Ｍｇ（ＯＨ）２・３Ｈ２０（hydromagnesite）
４ＭｇＣＯ３・Ｍｇ（ＯＨ）２・４Ｈ２０（hydromagnesite）
ＭｇＣＯ３・Ｍｇ（ＯＨ）２・３Ｈ２０（artinite）
４ＭｇＣＯ３・Ｍｇ（ＯＨ）２・５Ｈ２０（dypingite）
４ＭｇＣＯ３・Ｍｇ（ＯＨ）２・５Ｈ２０（giorgiosite）
４ＭｇＣＯ３・Ｍｇ（ＯＨ）２・８Ｈ２０
沈殿槽３０の底部近傍には、生成した沈殿Ｅを沈殿回収装置５０へ排出するための沈殿排出配管３４が設けられており、生成した沈殿Ｅは、沈殿排出配管３４を介して沈殿回収装置５０へ排出され、沈殿回収装置５０によって回収される。
次に、以上のように構成した第１の実施形態の二酸化炭素固定方法が適用された二酸化炭素固定システムの動作例について説明する。
図２Ａは、第１の実施形態の二酸化炭素固定システムの電解槽における反応の流れを示すフローチャートである。
二酸化炭素固定システム１０は、海水の直接電解によりＮａＯＨ水溶液Ｂを生成することにより、アルカリ環境を実現し、このアルカリ環境の下で、濃縮海水Ｄに含まれるＭｇと、Ｎａ２ＣＯ３との反応によって生成される塩基性炭酸マグネシウムによって、ＣＯ２を安定に固定化する。
これを実現するために、先ず、電解槽２０に、海水導入部２１から、海水Ｗが導入される（Ｓ１）。これによって、電解槽２０内に海水Ｗが貯えられる。海水Ｗの導入は、断続的でもよいが、ムラのない電解処理のためには、連続的の方が好ましい。電解槽２０には、過剰水排出配管２５も設けることができる。過剰水排出配管２５を設けることで、液位が過剰水排出配管２５に達すると、電解槽２０内の過剰海水Ｗ’は、過剰水排出配管２５から電解槽２０の外部へ排出されるので、電解槽２０に貯液される海水Ｗの液位は、過剰水排出配管２５が設けられた高さ以下に維持することができる。
電解槽２０の内部には、陽極２２ａおよび陰極２２ｂからなる一対の電極が配置されている。さらに、陽極２２ａが配置された陽極側２３ａと、陰極２２ｂが配置された陰極側２３ｂとを仕切るように陽イオン交換膜２４が設けられている。
電解槽２０に海水Ｗが貯液された状態で、例えば、風量や太陽光などの再生可能エネルギー電源７０から電極２２ａ、２２ｂに電流を供給する（Ｓ２）。
これによって、陽極２２ａ側では、前述した反応式（１）に従って塩素ガスが発生する（Ｓ３）。塩素ガスは、逃がし穴２６ａから、電解槽２０の外部に排出される（Ｓ４）。
一方、陰極２２ｂ側では、前述した反応式（２）に従って水素ガスおよびＮａＯＨ水溶液Ｂが生成する（Ｓ５）。水素ガスは、逃がし穴２６ｂから、電解槽２０の外部に排出される。
つまり、電解槽２０内部では、前述した反応式（３）、（４）に示す反応が生じる。ここで、反応式（３）によれば、ＮａＯＨが消費され、次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ）が生成するので、アルカリ性の維持の観点からは好ましくはない。
これを補うために、電解槽２０では、以下に説明するように、陽イオン交換膜２４の導入により、ＮａＯＨの生成が促進されるので、反応式（３）によるＮａＯＨの消費を補い、電解槽２０内の溶液をアルカリ性に維持することができる。
すなわち、陽イオン交換膜２４を通過できるのは、海水Ｗに含まれる陽イオンであるＮａ＋のみであるので、陽極側２３ａから陰極側２３ｂへのＮａ＋の移動が起こる（Ｓ６）。Ｎａ＋は、陰極側２３ｂにおいて、陰極２２ｂにおいて発生した水酸化イオン（ＯＨ－）と結合して、ＮａＯＨが生成する（Ｓ７）。これによって、反応式（３）によるＮａＯＨの消費が補われ、電解槽２０内の溶液のアルカリ性が維持される。
このようにして生成されたＮａＯＨ水溶液Ｂは、移送配管２７を通って沈殿槽３０へ導入される（Ｓ８）。
図２Ｂは、第１の実施形態の二酸化炭素固定システムの沈殿槽における反応の流れを示すフローチャートである。
沈殿槽３０には、電解槽２０からＮａＯＨ水溶液Ｂが、海水濃縮装置４０から濃縮海水Ｄが、二酸化炭素供給部３１からＣＯ２ガスが導入され、撹拌器３３によって撹拌されることにより混合が促進される（Ｓ１１）。
これによって、前述した反応式（５）に従って炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）が生成する（Ｓ１２）。
さらに反応式（６）に従って、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）は、濃縮海水Ｄ中のマグネシウムイオンと塩素イオンが結合したＭｇＣｌ２と反応して、塩基性炭酸マグネシウムの沈殿Ｅが生じ、炭酸ガスが固定される（Ｓ１３）。
上記（５）および（６）に示す反応は、２６％の飽和塩濃度でも生じるので、ＮａＣｌの濃度に依存せずに生じる。
一方、マグネシウム濃度がどれだけ希薄なところから沈殿Ｅが目視できるか実験した。目視できないということは、沈殿Ｅがほとんど生じていない、あるいは、生じているにしても有意な量ではないことを意味する。実験の結果、塩化マグネシウム６水塩で２ｗｔ％のところまでは目視できた。これはマグネシウム（Ｍｇ２＋）換算で０．２４ｗｔ％である。海水中には０．１３ｗｔ％のＭｇ２＋が存在するので、０．２４ｗｔ％であるマグネシウム濃度は、海水中のマグネシウム濃度の約２倍に相当する。濃縮海水Ｄの濃度を海水濃度の２倍以上としたのは、このような根拠に基づく。
沈殿槽３０の底部近傍には、生成した沈殿Ｅを沈殿回収装置５０へ排出するための沈殿排出配管３４が設けられており、生成した沈殿Ｅは、沈殿排出配管３４を介して沈殿回収装置５０へ排出され、沈殿回収装置５０によって回収される（Ｓ１４）。
なお、上記では、説明の容易のために、図２Ａおよび図２Ｂの２図に分けたフローチャートを用い、さらに、各ステップを別個に表しているが、図２Ａおよび図２Ｂに示すすべてのステップは、独立的に別個に行われるのではなく、同時連続的に行われてもよい。図２Ａおよび図２Ｂに記載されたステップ順の通りに進めばよいので、連続しても、例えばステップ同士の間に時間が生じて断続的になってもよい。
上述したように、第１の実施形態の二酸化炭素固定方法が適用された二酸化炭素固定システムによれば、海水の直接電解によりＮａＯＨを生成することにより、ＮａＯＨ製造時に発生するＣＯ２の発生を未然に防ぐことができるとともに、アルカリ環境を実現することができる。
さらに、このアルカリ環境の下で、濃縮海水に含まれるＭｇと、Ｎａ２ＣＯ３との反応によって、塩基性炭酸マグネシウムを生成することができる。塩基性炭酸マグネシウムは、沈殿するので、ＣＯ２を安定に固定化することができることに加えて、湿った状態で放置することで、空気中のＣＯ２を固定化して炭酸マグネシウムに変化することもできる。
このように、本実施形態の二酸化炭素固定方法が適用された二酸化炭素固定システムは、海水の直接電解の適用と、既存の反応の利用とによって、アルカリの手配と、効率的な二酸化炭素固定との両方を、容易に実現することが可能となる。
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態の二酸化炭素固定方法が適用された二酸化炭素固定システムの構成例を示す概念図である。
図３に例示する第２の実施形態の二酸化炭素固定システム１２は、図１に例示する第１の実施形態の二酸化炭素固定システム１０における海水濃縮装置４０に、複数段の海水淡水化逆浸透膜（ＲＯ膜）設備４０ｂが適用された例を示している。
複数段の海水淡水化逆浸透膜（ＲＯ膜）設備４０ｂは、ＲＯ膜を適用した海水淡水化プラントとすることができる。
この種の海水淡水化プラントでは、高圧をかけられた海水が、複数段のＲＯ膜を通過する。海水は、ＲＯ膜を通過する毎に薄められ、最終的には真水が生成されるが、それと同時に、リジェクト水として濃縮海水Ｄも生成される。
海水淡水化プラントでは、リジェクト水として生成された濃縮海水Ｄをそのまま海に流すのは環境上好ましくないとされている。
そこで、本実施形態では、海水淡水化プラントでリジェクト水として生成された濃縮海水Ｄを活用して、沈殿槽３０へ導入する。濃縮海水Ｄは、第１の実施形態で説明したように、マグネシウム濃度が海水Ｗ中の場合の２倍以上になるように、海水Ｗを２倍以上に濃縮したものとする。したがって、海水淡水化逆浸透膜（ＲＯ膜）設備４０ｂの段数は、海水Ｗを２倍以上に濃縮できる段数であればよい。
このようにしても、マグネシウムが沈殿槽３０に供給されるようになるので、沈殿槽３０では、炭酸マグネシウムが沈殿する。
したがって、第２の実施形態の二酸化炭素固定方法が適用された二酸化炭素固定システムでもまた、第１の実施形態と同様に、海水の直接電解の適用と、既存の反応の利用とによって、アルカリの手配と、効率的な二酸化炭素固定との両方を、容易に実現することが可能となる。
（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態の二酸化炭素固定方法が適用された二酸化炭素固定システムの構成例を示す概念図である。
図４に例示する第３の実施形態の二酸化炭素固定システム１３は、図１に例示する第１の実施形態の二酸化炭素固定システム１０における電解槽２０と沈殿槽３０との間に、エアコンタクター６０を設ける一方、二酸化炭素供給部３１およびＣＯ２導入管３１ａを削除した構成としている。
エアコンタクター６０は、導入配管６１と、ポンプ６２と、円筒部６３と、送風機６４とを備える。
導入配管６１は、移送配管２７と、直立型の円筒部６３の上端との間を接続する配管である。
導入配管６１にはポンプ６２が設けられている。
ポンプ６２は、移送配管２７から排出されたＮａＯＨ水溶液Ｂを、導入配管６１内を上昇させ、円筒部６３の上端から、円筒部６３の内部へ導入する。
円筒部６３の内筒表面は、円筒の長尺方向（すなわち、図中上下方向）に沿って波打つような波板形状となっており、円筒部６３の上端から円筒内部へ導入されたＮａＯＨ水溶液Ｂは、波板６３ａの表面を辿りながら、自重によって、円筒部６３内部をゆっくりと降下する。円筒部６３の表面には、多くの貫通穴６５が開けられている。
送風機６４は、円筒部６３の近傍に配置され、円筒部６３の内部を波板６３ａの表面を辿りながらゆっくりと降下するＮａＯＨ水溶液Ｂに対して、空気中に４００ｐｐｍの割合で存在するＣＯ２を効率的に直接捕捉させるために、円筒部６３の全高にわたって、円筒部６３に向けて空気を送風できるほうが好ましい。したがって、送風機６４は、円筒部６３よりも高い有効高さを有するほうが好ましく、円筒部６３と同様に直立型であることが好ましい。
円筒部６３の表面には、多くの貫通穴６５が設けられているので、送風機６４によって送風された空気は、これら貫通穴６５から円筒部６３の内側に入り込み、円筒部６３の内側を降下するＮａＯＨ水溶液Ｂと接触する。円筒部６３の内側では、ＮａＯＨ水溶液Ｂは、波板６３ａの表面を辿りながら降下するので、波板６３ａによってＮａＯＨ水溶液Ｂの表面積率が高められ、空気との接触効率が向上する。このように、波板６３ａは、ＮａＯＨ水溶液Ｂをゆっくりと降下させる効果に加えて、ＮａＯＨ水溶液Ｂの表面積率を高める効果もある。これら２つの効果によって、円筒部６３では、ＮａＯＨ水溶液Ｂと空気との接触効率が高められる。なお、円筒部６３の構成としては、波板６３ａを備えた構成には限定されず、ＮａＯＨ水溶液Ｂと空気との接触効率を高めることができるのであれば、他の構成でも構わない。
エアコンタクターではＮａＯＨ水溶液Ｂを降下させられる部材を備えていればよいので、円筒部や波型に限らない。鎖樋のような部材にＮａＯＨ水溶液Ｂを伝わらせ、直接送風機から送られた風があたるような形状でもよい。
ポンプ６２および送風機６４の電源にもまた、再生可能エネルギー電源７０を利用することが好ましい。
前述したように、ＮａＯＨ水溶液Ｂは、円筒部６３において、空気と効率よく接触するので、ＣＯ２を十分同伴した状態で、沈殿槽３０へ移行する。そして、沈殿槽３０では、前述した（５）式に示す化学反応に従って炭酸ナトリウム水溶液が生成され、さらに前述した（６）に示す化学反応が生じ、ＣＯ２が固定化される。
二酸化炭素固定システム１３では、このように、ＣＯ２が同伴されたＮａＯＨ水溶液Ｂが沈殿槽３０へ供給されるので、二酸化炭素固定システム１０，１２において沈殿槽３０へＣＯ２を供給するために備えられていた二酸化炭素供給部３１およびＣＯ２導入管３１ａは不要となる。

なお、海水濃縮装置４０としては、前述したように、海水Ｗを濃縮できる機能を備えていれば特定の装置に限定されず、例えば、塩析装置や、図３に示す複数段の海水淡水化逆浸透膜（ＲＯ膜）設備４０ｂを適用することもできる。
また、図４において、電解槽２０には、他の実施形態と同様に、過剰に導入された海水Ｗを、電解槽２０の外部へ排出するための過剰水排出配管２５も設けられているので、ポンプ６２によって回収されるＮａＯＨ水溶液Ｂの量よりも多くの海水Ｗを、海水導入部２１から電解槽２０に導入することによって、電解槽２０内の海水Ｗの水位を一定に維持し、円筒部６３へＮａＯＨ水溶液Ｂを安定的に供給することができる。
また、図４に例示する構成に対する変形例として、電解槽２０に過剰水排出配管２５を設けず、代わりに図示しない水位計を電解槽２０内に設置し、水位計によって電解槽２０内の水位が一定であることを確認しながら、海水導入部２１からの海水Ｗの供給量と、ポンプ６２の吐出量とを制御するようにしてもよい。
以上説明したように、第３の実施形態の二酸化炭素固定方法が適用された二酸化炭素固定システムでもまた、第１の実施形態と同様に、海水の直接電解の適用と、既存の反応の利用とによって、アルカリの手配と、効率的な二酸化炭素固定との両方を、容易に実現することが可能となる。
第１乃至第３の実施形態で説明した効果を確認するために、第１乃至第３の実施形態で説明した原理を適用した簡易的な装置を使って実施した実験の結果を、実施例として以下に示す。
図５は、本実施例における実験に使用した装置の構成を示す概念図である。
図５でもまた、第１乃至第３の実施形態の何れかで説明されたものと同一部分については、同一符号を用いて示し、重複説明を避ける。
まず、１６ｇの食塩と、５０ｇの塩化マグネシウム６水塩を、２００ｇの水に溶解し、電解液モデルとした。この溶液を、陽イオン交換膜２４で分離されたＨ型セル８０の左側セル８１ａおよび右側セル８１ｂにそれぞれ入れた。
次に、左側セル８１ａおよび右側セル８１ｂにそれぞれ炭素棒を、溶液に浸漬するように入れた。
左側セル８１ａの炭素棒が陽極２２ａとなり、右側セル８１ｂの炭素棒が陰極２２ｂとなるように、両炭素棒に電源７１を接続した。そして、電源７１から電力を供給することによって、左側セル８１ａは、陽極側２３ａとなり、右側セル８１ｂは、陰極側２３ｂとなる。
図６は、経時的な実験条件を示す表である。
図６に示すように、電源７１からは、６４ｍＡに固定された電流を供給し、電圧がほぼ一定であることを確認しながら電解を行い、陽極側２３ａおよび陰極側２３ｂの両方におけるｐＨを測定した。なお、電解によって、陰極側２３ｂから塩素が発生するので、実験は、Ｈ型セル８０をドラフト内に配置して実施した。
図７は、陰極側におけるｐＨの経時的な変化を示すグラフである。
実験開始から３６分後に、陽極側２３ａがｐＨ＝３付近の酸性になり、陰極側２３ｂがｐＨ＝１０付近のアルカリ性になったことを確認して、陰極側２３ｂの溶液内にＣＯ２導入管３１ａの先端を沈め、二酸化炭素供給部３１からＣＯ２導入管３１ａ介して、陰極側２３ｂの溶液にＣＯ２ガスＴをゆっくりと供給することによって、ＣＯ２ガスＴによるバブルを開始した。バブル速度が速いと、陰極側２３ｂのｐＨが酸性になるので、陰極側２３ｂのｐＨが９以下にならないように、ゆっくりとした速度でバブルを行った。
その後、実験開始から２００分を過ぎたところで、電源７１からの電力供給を停止し、電解を終了した。そして、陰極２２ｂである炭素棒に付着した結晶を掻き落とし、乾燥後、結晶の重量およびＩＲスペクトルを測定した。この重量測定で得られた重量は１５５ｍｇであった。
図８は、結晶から得られたＩＲスペクトルを示す図である。
図８より、この結晶は、ＩＲスペクトルで１６３１ｃｍ－１から１４３８ｃｍ－１の強いピークを有しており、塩基性炭酸マグネシウムが生成されていることが確認された。
このように、第１乃至第３の実施形態で説明した原理によって、電解によりアルカリ環境を実現し、このアルカリ環境の下で、ＣＯ２を固定化できる塩基性炭酸マグネシウムを生成できることを実証することができた。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、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。
１０、１２、１３・・二酸化炭素固定システム、２０・・電解槽、２１・・海水導入部、２２ａ・・陽極、２２ｂ・・陰極、２３ａ・・陽極側、２３ｂ・・陰極側、２４・・陽イオン交換膜、２５・・過剰水排出配管、２６ａ、２６ｂ・・逃がし穴、２７・・移送配管、３０・・沈殿槽、３１・・二酸化炭素供給部、３１ａ・・ＣＯ２導入管、３２・・濃縮海水導入管、３３・・撹拌器、３４・・沈殿排出配管、４０・・海水濃縮装置、５０・・沈殿回収装置、６０・・エアコンタクター、６１・・導入配管、６２・・ポンプ、６３・・円筒部、６３ａ・・波板、６４・・送風機、６５・・・貫通穴、７０・・再生可能エネルギー電源、７１・・電源、８０・・Ｈ型セル、８１ａ・・左側セル、８１ｂ・・右側セル、Ｂ・・ＮａＯＨ水溶液、Ｄ・・濃縮海水、Ｅ・・沈殿、Ｔ・・ＣＯ２ガス、Ｗ・・海水、Ｗ’・・過剰海水

Claims (8)

  1. 海水を電気分解して水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を発生させる電解槽と、
    前記電解槽において発生した前記水酸化ナトリウムと、濃縮海水と、二酸化炭素（ＣＯ２）とを混合させることによって、前記濃縮海水に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）に前記二酸化炭素が固定された炭酸マグネシウムを沈殿させる沈殿槽と、
    前記電解槽において発生した水酸化ナトリウムに、前記沈殿槽において混合される二酸化炭素を同伴させるために、前記沈殿槽へ供給される前の前記水酸化ナトリウムに向けて、空気を送風する送風機とを備える、二酸化炭素固定システム。
  2. 前記電解槽の内部に、陽極側と陰極側とを仕切るように陽イオン交換膜を設け、
    前記電解槽では、前記海水の電気分解によって前記陽極側に発生したナトリウムイオン（Ｎａ＋）が、前記陽イオン交換膜を通過して、前記陰極側へ移動し、前記陰極側において発生した水酸化イオン（ＯＨ－）と結合して、前記水酸化ナトリウムが発生する、請求項１に記載の二酸化炭素固定システム。
  3. 前記濃縮海水を前記沈殿槽に供給する海水濃縮部をさらに備える、請求項１または２に記載の二酸化炭素固定システム。
  4. 前記海水濃縮部は、逆浸透膜を使って海水を濃縮する、請求項３に記載の二酸化炭素固定システム。
  5. 前記海水濃縮部は、塩析装置である、請求項３に記載の二酸化炭素固定システム。
  6. 前記水酸化ナトリウムと混合される二酸化炭素を、前記沈殿槽へ供給する二酸化炭素供給部をさらに備える、請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の二酸化炭素固定システム。
  7. 前記沈殿槽に沈殿した炭酸マグネシウムを回収する沈殿回収部をさらに備える、請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の二酸化炭素固定システム。
  8. 電解槽において、海水を電気分解して水酸化ナトリウムを発生させる工程と、
    沈殿槽において、前記水酸化ナトリウムと、濃縮海水と、二酸化炭素とを混合させることによって、前記濃縮海水に含まれるマグネシウムに二酸化炭素が固定された塩基性炭酸マグネシウムを沈殿させる工程と、
    前記電解槽において発生した水酸化ナトリウムに、前記沈殿槽において混合される二酸化炭素を同伴させるために、前記沈殿槽へ供給される前の前記水酸化ナトリウムに向けて、空気を送風する工程とを含む、二酸化炭素固定方法。
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