JPH04200742A - 炭酸ガス吸着剤 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は炭酸ガス吸着剤に関するもので、更に詳しく述
べると、密閉空間に蓄積する炭酸ガスを吸着除去して空
気を連続的に浄化するのに有効な吸着剤である。

〔従来の技術〕

宇宙ステーションや潜水艦等の密閉空間における空気浄
化法の一つとして、炭酸ガス吸着剤を充填した充填層に
炭酸ガスを含んだ空気を導入して炭酸ガスを吸着除去す
る方法が、従来から研究されている。吸着剤としては固
体アミンが主として使用され、特にポリマーに化学的に
アミン類を結合させた、弱塩基叫イオン交換樹脂が多く
開示されている。

例えば特開昭６３−２５２５２８号公報には、炭酸ガス
吸着剤としてアミン系イオン交換樹脂を使用して空気中
の炭酸ガスの吸着とスチームによる再生を交互に繰り返
し、長期間にわたって密閉空間の生活環境を維持する方
法が記載されている。

また、柴田憲司、加藤宏夫、中島義雄、磯辺明彦；化学
装置（１９９０年５月号、７５〜８０頁）にアミン系イ
オン交換樹脂としてアンバーライトＩＲＡ　−４５及び
スミトモアニオニックレジン５ＡＲ−８７を使用して実
施した同様な研究の結畢について記載されている。

吸着剤は通常加熱により再生し、繰り返し使用される。

アミン系弱塩基性イオン交換樹脂の再牢には水蒸気が用
いられる。即ち、炭酸ガスを吸着して飽和した吸着剤に
本蒸気が導入され、吸着剤は加熱されて炭酸ガスを脱着
する。

脱着したガスは冷却され、脱着された炭酸ガス及び凝縮
した水蒸気は、廃棄又は次の工程で有効利用される。性
能を回復した吸着剤は再度吸着に使用される。このよう
に吸脱着工程を連続的に繰り返して使用される。

〔発明が解決しようとする開題点〕

上記の弱塩基性イオン交換何脂は製法的な制約のため粒
子径を０．５ｍｍ程度以上に大きくすることが困難であ
る。従って、充率層に空気を通した雫の圧損失が大きく
、線速度（Ｌ、　Ｖ、　）を０．１ｍ／秒以上にするこ
とが困難である。そのため、吸着剤単位体積あたりの処
理空気量を大きくすることが出来ない問題があった。

また、弱塩基性イオン交換樹脂は炭酸ガスを有効に吸着
するためにｌＯ〜３０％程度の水分の存在が必要である
。常に適量の水分を補給してやる必要があり、その含水
率が変動すると吸着剤の性能が大幅に低下する欠点が指
摘されていた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者等は、活性炭やシリカゲル、アルミナ、ゼオラ
イトにアミン化合物を吸着させたものは、空気中の炭酸
ガスの吸着性が高く、また吸着後の加熱空気による再生
が容易で、常に適当量の水分を吸着保持する性質を有す
るため殆ど水分をコントロールする必要が無いことを見
場し、それに基づいて研究した結果本発明に到達した。

すなわち、活性炭、シリカゲル、アルミナ及びゼオライ
トからなる群より選ばれた少なくとも１つの吸着剤にア
ミン及び水を含有せしめてなる、低温で炭酸ガスを吸着
し、高温で放出し、繰り返し使用可能な炭酸ガス吸着剤
である。更に、アミン化合物はＮ原子１個当たりの分子
量が１１０以下で、沸点が１００°Ｃ以上であることが
好ましい。

以下本発明について詳しく説明する。

本発明に使用する吸着剤は活性炭、シリカゲル、アルミ
ナ及びゼオライトからなる群より選ばれた少なくとも１
つの吸着剤を使用する必要がある。

活性炭はヤシ殻その他木炭系、石炭系の炭化物を水蒸気
または炭酸ガスで賦活して得られた物質で５００〜２５
００　ｒ１１′／Ｈの表面積を有し、多くの物質に対し
て気相中でも、液相中でも高い吸着性を持っている。ま
た、石油系、コールタール系その他の炭素材料から作ら
れたものでもよい。その形状や粒度は特に限定せず、破
砕状、円柱状、球状等広範囲のものが使用できるが、圧
損失の関係から５０メツシユ（０，３Ｉｎ）以上の粒子
径のものが好ましい。またアミン化合物を充分に添着さ
せるためには活性炭の細孔容積は０．３ｍｊ／ｇ以上゛
であることが好ましい。

本発明に使用されるシリカゲルはケイ酸コロイド溶液を
凝固させて製造された吸着剤である。主成分は二酸化ケ
イ素で細孔構造を有し、２００〜５００　ｉ／ｇの表面
積を有し、高い吸着性を有する。

その細孔容積、粒度、形状は特に限定しないが、アミン
化合物の吸着量及び圧損失の関係から細孔容積が０．３
ｄ／ｇ以上で、粒度は５０メツシユ（粒子径約０．３＋
ｎｍ）以上が好ましい。

本発明に使用されるアルミナは酸化アルミナを主成分と
したもので、多孔構造を有し、高い吸着性を有する。そ
の細孔容積、粒度、形状は特に限定しないが、アミン化
合物の吸着量及び圧損失の関係から細孔容積が０．５ｒ
ｒｄ！／ｇ以上で粒度は５０メツシユ（粒子径約３ｍｍ
）以上が好ましい。

本発明に使用されるゼオライトはアルミノケイ酸塩で、
三次元骨格とその間に形成された細孔構造を有する物質
である。５００　ｒｄ／ｇ以上に達する大きな表面積と
それに基づく高い吸着性を有する。

その組成、構造は特に限定せず、天然品、合成品の何れ
も使用できる。また細孔容積、粒度、形状は特に限定し
ないが、アミン化合物の吸着量及び圧損失の関係から細
孔容積が０．３ｄ／ｇ以上で粒度は５０メツシユ（粒子
径約０．３ｍｍ）以上が好ましい。

これらの吸着剤は単独で使用してもよいし、或いはまた
２以上複数の吸着剤を混合使用してもよい。

これらの吸着剤はいずれも細孔構造を有し、それに基づ
いて、数１００〜２０００　ｒｌ／ｇに達する表面積を
持っている。このファンデルバールス力による高い吸着
力と界面活性で空気中の炭酸ガス、アミン類、水分を吸
着するため、細孔表面の反応性が著しく高められている
。従って、アミン化合物の担体としての役割のみならず
、発達した細孔構造と吸着性によって空気中の炭酸ガス
を表面に吸着してアミン類との反応を促進させる機能を
持っている。これは本発明の重要な要素の一つである。

更に、アミン化合物と炭酸ガスが反応する場合触媒とし
て水分が必要で、その共存により反応速度が著しく高め
られている。これらの吸着剤はその充填層に空気を通す
と、空気中に含まれている水分を吸着して自動的にかな
り高い含水率に保持する性質を有するため、細孔構造に
基づく吸着性と相まって一層反応を促進させる効果があ
る。

本発明において、アミン化合物と反応して吸着剤に固定
された炭酸ガスは高温にすると、分解して遊離される。

また高温では物理吸着による吸着剤の吸着容量が急激に
低下するため、遊離された炭酸ガスは容易に外部に放出
される。

本発明に使用されるアミン化合物は特に限定しない。ア
ミン基は炭酸ガスと反応するため全てのアミン化合物が
使用出来る。特に炭酸ガスとの反応性が高いものが好ま
しく、例えば一つの分子中に一級、二級、三級アミン基
が出来るだけ多く含まれているものがより好ましい。

また、本発明ではアミン化合物は炭酸ガスを吸着した後
温度を上げて炭酸ガスを分解放出させ、繰り返し使用す
る必要があるので、熱再生時アミン化合物が脱離するの
を防ぐため、成る程度以上沸点が高い化合物が好ましい
。

これらの点から、Ｎ原子１側当たりの分子量が１１０以
下で、沸点が１００℃以上であるアミン化合物が好適で
ある。沸点が１００℃以下でＮ原子１側当たりの分子量
が１１０以下のアミン化合物は例えば、エチルアミン（
沸点３８°Ｃ，Ｎ原子１側当たりの分子量４５．１）　
、）−リエチルアミン（沸点８９．７℃Ｎ原子１個当た
りの分子量１０１）、イソプロピルアミン（沸点３２．
４°Ｃ，Ｎ原子１側当たりの分子量５９．４）　、ｔ−
ブチルアミン（沸点４５．０°Ｃ，Ｎ原子１側当たりの
分子量７３．１）等のように臭気が強くまた毒性がある
ものが多く本発明には不適当なものが多い。

これらの点から、本発明の目的にはＮ原子１側当たりの
分子量がｌＩＯ以下で且つ、沸点が１００　”Ｃ以上で
あるアミン化合物が好ましく例えば、アルカノールアミ
ン類では、モノエタノールアミン、ジェタノールアミン
、βアミノエチルエタノールアミン等が良く、エチレン
アミン類では、トリエチレンジアミン、テトラエチレン
ペンタミン、ポリエチレンイミン等が好適である。

その他、脂肪族アミン類では、ヘキサメチレンジアミン
、イミノビスプロピルアミン等、脂環式アミン類では、
イミダゾール、ピペラジン等が好適である。

これらのアミン化合物は単独で使用してもよいし、ある
いはまた、２以上複数の化合物を混合使用してもよい。

アミン化合物の添着量は、吸着剤の吸着容量によっでも
異なるが、通常吸着剤１００部に対し３０〜２００部が
好ましい。

本発明の吸着剤において、水は炭酸ガスを吸着する反応
の触媒として作用するため、水の存在は極めて重要であ
る。水を全く含有しない系または含有率が非常に低い系
では炭酸ガスの吸着速度は極めて遅くなるため実用的に
は使用出来ない。−力水の含有率が高過ぎると吸着剤自
体の機能が阻害されるため充分炭酸ガスを吸着すること
が出来ない。適当な水の含有量は吸着剤の種類及び添着
したアミン化合物によって変わるが通常吸着剤１００部
に対し、水０〜４０部が好ましい。

アミン化合物及び水を吸着剤に添着するには、例えば、
アミン化合物及び水を適当な溶媒に溶解した溶液を吸着
剤に噴霧状でふりかける方法、または吸着剤をアミン化
合物の水溶液に浸漬して充分吸着させた後、濾過・乾燥
して調製することが出来る。

またこれらの吸着剤は一般に水に対する親和性が大きく
、一方吸着量容量には限界があるため、炭酸ガスを吸着
するときそのガス中に水分が含まれていると水分も同時
に吸着し、また水分が過剰であれば放出する調節作用を
有する。従って、殆ど水分含有率を調節する必要がない
。これは本発明の重要な要素の一つである。

〔作用〕

空気中の炭酸ガスを吸着除去するためには、単なる物理
吸着のみでは吸着容量が低く、実用的に不十分である。

従って、化学反応を利用した化学吸着をさせることが必
要である。炭酸ガスは酸性であるから、アルカリ性の物
質と中和反応を起こす。従ってアルカリ性物質に炭酸ガ
スを含む空気を通すことにより炭酸ガスと反応して吸着
除去出来る。本発明においては、吸着剤は再生して繰り
返し使用することが必要であるから、反応生成物は容易
に分解して炭酸ガスを放出して再生出来るものでなくて
はならない。強アルカリ性物質例えば、力性ソーダ、炭
酸ソーダ、等の無機アルカリは炭酸ガスとの反応が強く
、温度１５０℃以上の高温に加熱しないと炭酸ガスを分
解放出させることが出来ない。

本発明に用いるアミン類は７０℃以上に加熱すれば、炭
酸ガスを分解放出させることが出来る。

加熱再生方法は吸着剤への水分の補給も考慮すれば、水
蒸気の吹き込みが最も適している。吸着再生の循環サイ
クルを効率良く行うためには、アミン化合物は固体状態
で使用することが好ましくまた、空気との接触面積を出
来るだけ大きくする必要がある。本発明では、表面積が
大きい活性炭、アルミナ、シリカゲル、ゼオライトの１
つまたは複数の吸着剤にアミン化合物を添着させること
によりこれらの問題を解決した。

これらの吸着剤の粒度は従来使用されているアミン系弱
塩基性イオン交換樹脂に比べ、どのような粒度や形状に
することも極めて容易であるから使用目的に応じて最適
な圧損失となるような粒度形状を選択することが出来る
。

従って、吸着剤単位体積当たりの処理空気量をアミン系
弱塩基性イオン交換樹脂に比べて遥かに大きくすること
も出来る。

炭酸ガスとアミン化合物は水が共存していないと反応速
度が非常に遅く、アミン系弱塩基性交換樹脂に炭酸ガス
を効率良く吸着させるためには常に水分含有率を調節す
る必要があった。

活性炭、アルミナ、シリカゲル、ゼオライトは多孔性で
水分との親和性が高いので空気中の水分が多いときには
吸着し、少ないときには放出するが、担体中には水分が
一定量以上残存しているので、本発明では炭酸ガス吸着
時に水分をコントロールする必要がない。更に、吸着剤
は炭酸ガスをその細孔の表面に吸着してアミン化合物と
の反応を促進する機能を有することは既に述べた通りで
ある。

〔実施例〕

以下実施例を挙げて具体的に本発明を説明するが、これ
らの実施例は本発明を何等限定するものではない。

実施例１ 活性炭（クラレコール４ＧＳ細孔容積０．８５ｍｊ／　
ｇ粒径３〜５ｍｎ）１００グラムを攪拌槽に入れ、ゆっ
くり攪拌しながら上から各種のアミン化合物及び水を噴
霧状にして均一に３０分〜１時間かけて振りかけ、その
後さらに３０分攪拌を続けて吸着剤を作成した。得られ
た吸着剤を直径４ａＩ］のガラスカムに１００−充填し
、炭酸ガスの濃度を１１０００ｐＩ）に調整した空気を
１．５１／分の流量で通気し、入口と出口の炭酸ガスの
濃度が同じになる迄吸着させ、出口ガスの濃度が１１０
００ｐｐになったときの炭酸ガス吸着量を求めた。比較
例としてアミン系弱塩基性イオン交換樹脂ｉｏｏ　ｍｌ
を同じカラムに充填し、同様に炭酸ガス濃度１１０００
ｐｐの空気を使用して吸着量を求めた。

その結果を第１表に示す。

以下余白 第　　　　　１　　　　　表 ネ１）、沸、句７４°Ｃ／３１１ＩｍＨｇアミン化合ｆ
ｉわＩま吸着剤１００部に対し河凧μ上であれば、比較
例の吸着量より高い炭酸ガス吸着能力を示しＬＮＮ原子
側個当りの分子量が１０以上のＮｏ　９、ＩＯは吸着性
能が低い。

実施例２ 吸着剤をシリカゲルＡ（細孔容積０．８ｍｌ／ｇ粒径０
，７〜５罷）、シリカゲルＢ（細孔容積１．２０ｍ１／
ｇ　　粒径０．８〜２．５　ｍ）　、アルミナ（細孔容
積０．８Ｊ／ｇ　　粒径２．５〜５ＩＩｍ）、ゼオライ
ト（細孔容積０．４ｄ／ｇ　　粒径０．８〜２．５　ｍ
ｍ）に変え、その他は実施例１と同様にして吸着剤を作
成して空気中の炭酸ガス濃度１１０００ｐｐにおける吸
着量を求めた。

その結果を第１表に示す。

以下余白 第　　　　　２　　　　　表 シリカゲル、アルミナ、ゼオライト共に比較例に比べ優
れた炭酸ガス吸着能力を示し九実施例３ Ｎα２４の処方で作成した炭酸ガス吸着剤を直径１０の
ガラスカラムに１０〇−充填し、炭酸ガス濃度１１００
０ｐｐに調整した空気を流量り、５１／分で通し入口と
出口の炭酸ガスの濃度が同じになるまで吸着させたとき
のカラムの炭酸ガスの吸着量を求めた。その後加熱空気
を流量１．５１！／分で通し第３表３示す条件で再生し
た。

再生後同様にして炭酸ガス濃度１１０００ｐｐの空気を
通して炭酸ガス吸着量を求めた。比較例としてアミン系
弱塩基性イオン交換樹脂についても同様に試験を行った
。イオン交換樹脂の場合は吸着前に重量で１０％分の水
分を担持させた。

以下余白 第　　　　　３　　　　　表 水分の添加の必要がない。

〔発明の効果〕

本発明の炭酸ガス吸着剤は、空気中の炭酸ガスとの反応
性が高く、再生も容易であり、また特別な操作を要する
ことなく常に必要な水分が保持される特徴がある。従っ
て、吸着・再生を連続的に繰り返して空気中の炭酸ガス
を除去する目的に好適である。

また、アミン系弱塩基性イオン交換樹脂に較べて、粒子
の大きさを適宜選択することが容易であるから、圧損失
を小さくして大量の空気を処理することも可能である。

出　願　人　　　クラレケミカル株式会社三菱重工業株
式会社 代　理　人　　弁理士　小出中　壽雄

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）活性炭、シリカゲル、アルミナ及びゼオライトか
   らなる群より選ばれた少なくとも１つの吸着剤にアミン
   及び水を含有せしめてなる、低温で炭酸ガスを吸着し、
   高温で放出し、繰り返し使用可能な炭酸ガス吸着剤。
2. （２）アミン化合物のＮ原子１個当たりの分子量が１１
   ０以下で、沸点が１００℃以上である特許請求の範囲第
   １項記載の炭酸ガス吸着剤。