JPWO2017199920A1 - 空調装置、空調システム、二酸化炭素の除去方法、吸着剤及び二酸化炭素除去器 - Google Patents

空調装置、空調システム、二酸化炭素の除去方法、吸着剤及び二酸化炭素除去器 Download PDF

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Abstract

二酸化炭素濃度が５０００ｐｐｍ以下である処理対象ガスを含む空調対象空間Ｒに用いられる空調装置１００であって、空調対象空間Ｒに接続された流路１０を備え、処理対象ガスに含まれる二酸化炭素を除去する除去部１０ｃが流路１０に配置されており、セリウム酸化物を含有する吸着剤８０が除去部１０ｃに配置されており、吸着剤８０が処理対象ガスに接触して二酸化炭素が吸着剤８０に吸着する、空調装置１００。

Description

本発明は、空調装置、空調システム、二酸化炭素の除去方法、吸着剤及び二酸化炭素除去器に関する。
近年、温室効果ガスの排出による地球温暖化が世界的な問題となっている。温室効果ガスとしては、二酸化炭素（ＣＯ２）、メタン（ＣＨ４）、フロン類（ＣＦＣｓ等）などが挙げられる。温室効果ガスの中でも二酸化炭素の影響が最も大きく、二酸化炭素（例えば、火力発電所、製鉄所等から排出される二酸化炭素）の除去方法の構築が求められている。
また、二酸化炭素は人体に影響を与えることが知られており、例えば、二酸化炭素を高濃度に含むガスを吸引した場合には、眠気、健康被害等を引き起こす。人の密度が高い空間（ビル、車輛等）においては、人の呼気により室内の二酸化炭素濃度（以下、場合により「ＣＯ２濃度」という）が上昇しやすく、労働安全衛生法の事務所衛生基準規則において室内のＣＯ２濃度は、５０００ｐｐｍ以下に調整されるべきことが規定されている。そのため、ＣＯ２濃度が５０００ｐｐｍを超過しないように換気することでＣＯ２濃度を調整する場合がある。
室内空気と外気とを素早く換気するためには、ブロア等の送風装置を稼働させる必要がある。また、外から取り込む空気（外気）は温度及び湿度が調整されていないため、夏季には冷房を稼働させ、冬季には暖房を稼働させる必要がある。これらの理由から、室内のＣＯ２濃度上昇は、空調に伴う消費電力の増加の要因となっている。
換気による室内の二酸化炭素の減少量（ＣＯ２減少量）は、下記式で表される。下記式において、左辺のＣＯ２減少量が、人の呼気によるＣＯ２増加量と同等であればＣＯ２濃度を一定に保つことができる。
ＣＯ２減少量＝（室内のＣＯ２濃度−外気のＣＯ２濃度）×換気量
しかしながら、近年では、外気のＣＯ２濃度が増加しているため、室内とのＣＯ２濃度差が小さくなっている。そのため、ＣＯ２濃度を調整するために必要な換気量も増加している。今後、外気のＣＯ２濃度が更に増加した場合、換気によるＣＯ２濃度の調整では消費電力が増加すると考えられる。
前記課題は、外気との換気により生じるものである。そのため、換気以外の方法を用いて二酸化炭素を選択的に除去できれば、換気量を低減でき、結果として、空調に伴う消費電力を低減できる可能性がある。
また、空気の存在する外気から遮蔽された空間（宇宙ステーション、潜水艇等）においては、外気と室内空気との換気が困難であるため、換気以外の方法により二酸化炭素を選択的に除去する必要がある。
前記課題の解決策としては、例えば、化学吸収法、物理吸収法、膜分離法、吸着分離法、深冷分離法等により二酸化炭素を除去する方法が挙げられる。例えば、ＣＯ２吸着剤（以下、単に「吸着剤」という。）を用いて二酸化炭素を分離及び回収する方法（ＣＯ２分離回収法）が挙げられる。吸着剤としては、例えば、ゼオライトが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。
特開２０００−１４０５４９号公報
しかしながら、ゼオライト等の吸着剤を用いる方法では、処理の対象となるガス（処理対象ガス）のＣＯ２濃度が低い場合において、二酸化炭素の除去効率が低下する傾向がある。
本発明は、前記事情に鑑みなされたものであり、処理対象ガスのＣＯ２濃度が低い場合において、効率的に二酸化炭素を除去することが可能な空調装置を提供することを目的とする。また、本発明は、前記空調装置を備える空調システムを提供することを目的とする。さらに、本発明は、処理対象ガスのＣＯ２濃度が低い場合において、効率的に二酸化炭素を除去することが可能な二酸化炭素の除去方法、及び、当該方法に用いられる吸着剤を提供することを目的とする。本発明は、処理対象ガスのＣＯ２濃度が低い場合において、効率的に二酸化炭素を除去することが可能な二酸化炭素除去器を提供することを目的とする。
本発明に係る空調装置は、二酸化炭素濃度が５０００ｐｐｍ以下である処理対象ガスを含む空調対象空間に用いられる空調装置であって、空調対象空間に接続された流路を備え、処理対象ガスに含まれる二酸化炭素を除去する除去部が流路に配置されており、セリウム酸化物を含有する吸着剤が除去部に配置されており、吸着剤が処理対象ガスに接触して二酸化炭素が吸着剤に吸着する。
本発明に係る空調装置では、二酸化炭素濃度が５０００ｐｐｍ以下である処理対象ガスを空調対象空間が含む場合において、セリウム酸化物を含有する吸着剤が二酸化炭素に対する優れた吸着性（ＣＯ２吸着性）を有するため、吸着剤が処理対象ガスに接触して二酸化炭素が吸着剤に吸着することにより、効率的に二酸化炭素を除去することができる。
前記処理対象ガスにおける二酸化炭素濃度は、１０００ｐｐｍ以下であってもよく、４００〜１０００ｐｐｍであってもよい。
本発明に係る空調装置は、空調対象空間の二酸化炭素濃度を測定する濃度測定部と、濃度測定部で測定される二酸化炭素濃度に基づいて、除去部における処理対象ガスの流入の有無を制御する制御部と、を更に備えていてもよい。
本発明に係る空調システムは、前記空調装置を複数備える。
本発明に係る二酸化炭素の除去方法は、二酸化炭素を含有する処理対象ガスを吸着剤に接触させて二酸化炭素を吸着剤に吸着させる吸着工程を備え、吸着剤がセリウム酸化物を含有し、処理対象ガスにおける二酸化炭素濃度が５０００ｐｐｍ以下である。
本発明に係る二酸化炭素の除去方法では、二酸化炭素濃度が５０００ｐｐｍ以下である処理対象ガスを空調対象空間が含む場合において、セリウム酸化物を含有する吸着剤が二酸化炭素に対する優れた吸着性（ＣＯ２吸着性）を有するため、吸着剤が処理対象ガスに接触して二酸化炭素が吸着剤に吸着することにより、効率的に二酸化炭素を除去することができる。
本発明に係る二酸化炭素の除去方法において、前記処理対象ガスにおける二酸化炭素濃度は、１０００ｐｐｍ以下であってもよく、４００〜１０００ｐｐｍであってもよい。
本発明に係る二酸化炭素の除去方法は、前記吸着工程後に、二酸化炭素を吸着剤から脱着させる工程を更に備えていてもよい。
本発明に係る吸着剤は、前記二酸化炭素の除去方法に用いられる吸着剤であって、セリウム酸化物を含有する。
本発明に係る二酸化炭素除去器は、二酸化炭素を含有する処理対象ガスから二酸化炭素を除去するために用いられる二酸化炭素除去器であって、セリウム酸化物を含有する吸着剤を備え、前記処理対象ガスにおける二酸化炭素濃度が５０００ｐｐｍ以下である。
本発明に係る二酸化炭素除去器では、二酸化炭素濃度が５０００ｐｐｍ以下である処理対象ガスから二酸化炭素を除去する場合において、セリウム酸化物を含有する吸着剤が二酸化炭素に対する優れた吸着性（ＣＯ２吸着性）を有するため、吸着剤が処理対象ガスに接触して二酸化炭素が吸着剤に吸着することにより、効率的に二酸化炭素を除去することができる。
本発明によれば、処理対象ガスのＣＯ２濃度が低い場合において、効率的に二酸化炭素を除去することができる。本発明によれば、セリウム酸化物を含有する吸着剤の、二酸化炭素の除去への応用を提供できる。本発明によれば、二酸化炭素を含有する処理対象ガスからの二酸化炭素の除去への、吸着剤の応用を提供することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る空調装置を示す模式図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る空調システムを示す模式図である。 図３は、ＣＯ２吸着破過試験の結果を示す図である。 図４は、ＣＯ２及びＨ２Ｏ脱着試験の結果を示す図である。 図５は、吸着等温線の測定結果を示す図である。
本明細書において、「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。本明細書中に段階的に記載されている数値範囲において、ある段階の数値範囲の上限値又は下限値は、他の段階の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
＜二酸化炭素の除去方法及び吸着剤＞
本実施形態に係る二酸化炭素の除去方法は、二酸化炭素を含有する処理対象ガスを吸着剤（二酸化炭素捕捉剤）に接触させて二酸化炭素を吸着剤に吸着させる吸着工程を備え、吸着剤がセリウム酸化物（酸化セリウム）を含有し、処理対象ガスにおける二酸化炭素濃度（二酸化炭素の含有量）が５０００ｐｐｍ以下である。
本実施形態に係る二酸化炭素の除去方法によれば、二酸化炭素濃度が５０００ｐｐｍ以下である場合において、効率的に二酸化炭素を除去することができる。このような効果が奏される理由は、明らかでないが、以下の通りであると本発明者らは推察している。吸着工程では、二酸化炭素がセリウム酸化物の表面に物理吸着するのではなく、二酸化炭素がセリウム酸化物の表面と化学結合することにより二酸化炭素が吸着剤に吸着されると考えられる。この場合、本実施形態に係る二酸化炭素の除去方法では、吸着剤への吸着における二酸化炭素の分圧依存性が小さく、処理対象ガスのＣＯ２濃度が５０００ｐｐｍ以下であっても、効率的に二酸化炭素を除去することが可能であると推察される。吸着剤を用いて、処理対象ガスに含まれる二酸化炭素の少なくとも一部が除去されればよい。
本実施形態に係る吸着剤は、本実施形態に係る二酸化炭素の除去方法に用いられる吸着剤であって、セリウム酸化物を含有する。セリウム酸化物としては、ＣｅＯｘ（ｘ＝１．５〜２．０）等が挙げられ、具体的には、ＣｅＯ２、Ｃｅ２Ｏ３等が挙げられる。セリウム酸化物は、公知の方法により作製することができる。
吸着剤におけるセリウム酸化物の含有量は、吸着剤の全質量基準で、３０質量％以上であってもよく、７０質量％以上であってもよく、９０質量％以上であってもよい。吸着剤は、セリウム酸化物からなる態様（セリウム酸化物の含有量が吸着剤の全質量基準で実質的に１００質量％である態様）であってもよい。セリウム酸化物の含有量が多いほど、ＣＯ２吸着性が向上しやすい。
吸着剤の比表面積は、ＣＯ２吸着性が更に向上する観点から、１００ｍ２／ｇ以上であってもよく、１２０ｍ２／ｇ以上であってもよく、１３０ｍ２／ｇ以上であってもよく、１５０ｍ２／ｇ以上であってもよく、２００ｍ２／ｇ以上であってもよい。吸着剤の比表面積は、細孔の容積が大きくなりすぎず、吸着剤の密度が小さくなりすぎない観点から、５００ｍ２／ｇ以下であってもよく、４００ｍ２／ｇ以下であってもよい。吸着剤の比表面積は、例えば、−１９６℃での窒素の吸着等温線を測定し、ＢＥＴ（Ｂｒｕｎａｕｅｒ−Ｅｍｍｅｔｔ−Ｔｅｌｌｅｒ）法を用いて測定することができる。吸着剤は、化学処理されていてもよく、例えば、フィラー（アルミナ、シリカ等）をバインダーとして混合することなどによって高比表面積化されていてもよい。
吸着剤の形状としては、粉状、ペレット状、粒状、ハニカム状等が挙げられる。吸着剤は、ハニカム状の基材に担持されていてもよく、容器に充填されていてもよい。吸着剤の形状及び使用方法は、必要となる反応速度、圧力損失、吸着剤の吸着量、吸着剤に吸着されるガス（吸着ガス）の純度（ＣＯ２純度）等を勘案して決定すればよい。
吸着剤を容器に充填して用いる場合、吸着ガス中の二酸化炭素の純度を高める場合には、空隙率が小さいほど好ましい。この場合、空隙内に残留する二酸化炭素以外のガス量が少なくなるため、吸着ガス中の二酸化炭素の純度を高めることができる。一方、圧力損失を小さくする場合には、空隙率が大きいほど好ましい。
処理対象ガスにおけるＣＯ２濃度は、処理対象ガスの全体積基準で５０００ｐｐｍ以下（０．５体積％以下）である。ＣＯ２濃度は、ＣＯ２濃度が低い場合であっても効率的に二酸化炭素を除去する効果が確認されやすい観点から、処理対象ガスの全体積基準で、２０００ｐｐｍ以下であってもよく、１５００ｐｐｍ以下であってもよく、１０００ｐｐｍ以下であってもよく、７５０ｐｐｍ以下であってもよく、５００ｐｐｍ以下であってもよい。ＣＯ２濃度は、二酸化炭素の除去量が多くなりやすい観点から、処理対象ガスの全体積基準で、１００ｐｐｍ以上であってもよく、２００ｐｐｍ以上であってもよく、４００ｐｐｍ以上であってもよい。これらの観点から、ＣＯ２濃度は、処理対象ガスの全体積基準で、１００〜５０００ｐｐｍであってもよく、１００〜２０００ｐｐｍであってもよく、１００〜１５００ｐｐｍであってもよく、１００〜１０００ｐｐｍであってもよく、２００〜１０００ｐｐｍであってもよく、４００〜１０００ｐｐｍであってもよく、４００〜７５０ｐｐｍであってもよく、４００〜５００ｐｐｍであってもよい。建築物環境衛生管理基準において二酸化炭素濃度は、１０００ｐｐｍ以下に調整されるべきことが規定されている。処理対象ガスにおけるＣＯ２濃度は、前記範囲に限られず、５００〜５０００ｐｐｍであってもよく、７５０〜５０００ｐｐｍであってもよい。
処理対象ガスは、二酸化炭素を含有するガスであれば特に限定されず、二酸化炭素以外のガス成分を含有していてもよい。二酸化炭素以外のガス成分としては、水（水蒸気、Ｈ２Ｏ）、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、ＳＯｘ、ＮＯｘ、揮発性有機物（ＶＯＣ）等が挙げられる。処理対象ガスの具体例としては、ビル、車輛等の室内における空気が挙げられる。吸着工程において、処理対象ガスが水、一酸化炭素、ＳＯｘ、ＮＯｘ、揮発性有機物等を含有する場合、これらのガス成分は吸着剤に吸着される場合がある。
ところで、ゼオライト等の吸着剤では、処理対象ガスが水を含有する場合にＣＯ２吸着性が大幅に低下する傾向がある。そのため、ゼオライト等の吸着剤を用いる方法において吸着剤のＣＯ２吸着性を向上させるためには、処理対象ガスを吸着剤に接触させる前に処理対象ガスから水分を取り除く除湿工程を行う必要がある。除湿工程は、例えば、除湿装置を用いて行われるため、設備の増加及びエネルギー消費量の増加につながる。一方、本実施形態に係る吸着剤は、処理対象ガスが水を含有する場合であっても、優れたＣＯ２吸着性を有する。そのため、本実施形態に係る二酸化炭素の除去方法では、除湿工程が不要であり、処理対象ガスが水を含有する場合であっても効率的に二酸化炭素を除去することができる。
処理対象ガスの露点は、０℃以上であってもよい。処理対象ガスの露点は、セリウム酸化物表面の水酸基を増加させ、ＣＯ２との反応性を高める観点から、−４０℃以上５０℃以下であってもよく、０℃以上４０℃以下であってもよく、１０℃以上３０℃以下であってもよい。
処理対象ガスの相対湿度は、０％以上であってもよく、３０％以上であってもよく、５０％以上であってもよく、８０％以上であってもよい。処理対象ガスの相対湿度は、除湿によるエネルギー消費を低減する観点から、１００％以下である（すなわち、吸着剤上で結露しない）ことが好ましく、０．１％以上９０％以下がより好ましく、１０％以上８０％以下が更に好ましい。処理対象ガスの相対湿度は、０％以上であってもよい。前記相対湿度は、例えば３０℃における相対湿度である。
吸着工程において処理対象ガスを吸着剤に接触させる際の吸着剤の温度Ｔ１を調整することにより、二酸化炭素の吸着量を調整することができる。温度Ｔ１が高いほど吸着剤のＣＯ２吸着量が少なくなる傾向がある。温度Ｔ１は、−２０〜１００℃であってもよく、１０〜４０℃であってもよい。
吸着剤の温度Ｔ１は、吸着剤を加熱又は冷却することにより調整されてもよく、加熱及び冷却を併用してもよい。また、処理対象ガスを加熱又は冷却することにより間接的に吸着剤の温度Ｔ１を調整してもよい。吸着剤を加熱する方法としては、熱媒（例えば、加熱されたガス又は液体）を直接吸着剤に接触させる方法；伝熱管等に熱媒（例えば、加熱されたガス又は液体）を流通させ、伝熱面からの熱伝導により吸着剤を加熱する方法；電気的に発熱させた電気炉等により吸着剤を加熱する方法などが挙げられる。吸着剤を冷却する方法としては、冷媒（例えば、冷却されたガス又は液体）を直接吸着剤に接触させる方法；伝熱管等に冷媒（例えば、冷却されたガス又は液体）を流通させ、伝熱面からの熱伝導により冷却する方法などが挙げられる。
吸着工程において、吸着剤の存在する雰囲気の全圧（例えば、吸着剤を含む容器内の全圧）を調整することにより、二酸化炭素の吸着量を調整することができる。全圧が高いほど吸着剤のＣＯ２吸着量が多くなる傾向がある。全圧は、二酸化炭素の除去効率が更に向上する観点から、０．１気圧以上が好ましく、１気圧以上がより好ましい。全圧は、省エネルギーの観点から、１０気圧以下であってもよく、２気圧以下であってもよく、１．３気圧以下であってもよい。全圧は、５気圧以上であってもよい。
吸着剤の存在する雰囲気の全圧は、加圧又は減圧することにより調整されてもよく、加圧及び減圧を併用してもよい。全圧を調整する方法としては、ポンプ、コンプレッサー等により機械的に圧力を調整する方法；吸着剤の周辺雰囲気の圧力とは異なる圧力を有するガスを導入する方法などが挙げられる。
本実施形態に係る二酸化炭素の除去方法は、前記吸着工程後に、二酸化炭素を吸着剤から脱着（脱離）させる脱着工程を更に備えていてもよい。
二酸化炭素を吸着剤から脱着させる方法としては、吸着量の温度依存性を利用する方法（温度スイング法。温度変化に伴う吸着剤の吸着量差を利用する方法）；吸着量の圧力依存性を利用する方法（圧力スイング法。圧力変化に伴う吸着材の吸着量差を利用する方法）等が挙げられ、これらの方法を併用してもよい（温度・圧力スイング法）。
吸着量の温度依存性を利用する方法では、例えば、脱着工程における吸着剤の温度を吸着工程よりも高くする。吸着剤を加熱する方法としては、上述した吸着工程において吸着剤を加熱する方法と同様の方法；周辺の排熱を利用する方法等が挙げられる。加熱に要するエネルギーを抑える観点からは、周辺の排熱を利用することが好ましい。
吸着工程における吸着剤の温度Ｔ１と、脱着工程における吸着剤の温度Ｔ２との温度差（Ｔ２−Ｔ１）は、省エネルギーの観点から、２００℃以下であってもよく、１００℃以下であってもよく、５０℃以下であってもよい。温度差（Ｔ２−Ｔ１）は、吸着剤に吸着した二酸化炭素を脱着しやすい観点から、１０℃以上であってもよく、２０℃以上であってもよく、３０℃以上であってもよい。脱着工程における吸着剤の温度Ｔ２は、例えば、４０〜３００℃であってもよく、５０〜２００℃であってもよく、８０〜１２０℃であってもよい。
吸着量の圧力依存性を利用する方法では、吸着剤の存在する雰囲気の全圧（例えば、吸着剤を含む容器内の全圧）が高いほどＣＯ２吸着量が多くなることから、吸着工程の全圧よりも脱着工程の全圧が低圧となるように変化させることが好ましい。全圧は、加圧又は減圧することにより調整されてもよく、加圧及び減圧を併用してもよい。全圧を調整する方法としては、例えば、上述した吸着工程と同様の方法が挙げられる。脱着工程における全圧は、ＣＯ２脱離量が多くなる観点から、周辺大気の圧力（例えば１気圧）であってもよく、１気圧未満であってもよい。
脱着工程により脱着して回収された二酸化炭素は、そのまま外気に排出してもよいが、二酸化炭素を利用する分野において再利用してもよい。例えば、温室栽培向けハウス等では、ＣＯ２濃度を高めることで植物の成長が促進されることから、ＣＯ２濃度を１０００ｐｐｍレベルに高める場合があるため、回収された二酸化炭素を、ＣＯ２濃度を高めることに再利用してもよい。
吸着剤にＳＯｘ、ＮＯｘ、煤塵等が吸着した場合、吸着工程における吸着剤のＣＯ２吸着性が低下する可能性があるため、処理対象ガスはＳＯｘ、ＮＯｘ、煤塵等を含有しないことが好ましい。処理対象ガスがＳＯｘ、ＮＯｘ、煤塵等を含有する場合（例えば、処理対象ガスが、石炭火力発電所等から排出される排ガスである場合）、本実施形態に係る二酸化炭素の除去方法は、吸着剤のＣＯ２吸着性を保持しやすい観点から、吸着工程の前に、処理対象ガスからＳＯｘ、ＮＯｘ、煤塵等の不純物を除去する不純物除去工程を更に備えることが好ましい。不純物除去工程は、脱硝装置、脱硫装置、脱塵装置等の除去装置を用いて行うことが可能であり、これらの装置の下流側において、処理対象ガスを吸着剤に接触させることができる。また、吸着剤にＳＯｘ、ＮＯｘ、煤塵等の不純物が吸着した場合には、吸着剤を交換することの他、吸着剤を加熱することによって、吸着剤に吸着した不純物を除去することもできる。
脱着工程後の吸着剤は、再度、吸着工程に用いることができる。本実施形態に係る二酸化炭素の除去方法では、脱着工程後、吸着工程及び脱着工程を繰り返し行ってもよい。脱着工程において吸着剤を加熱した場合、上述の方法により吸着剤を冷却して吸着工程に用いてもよい。二酸化炭素を含有するガス（例えば、二酸化炭素を含有する処理対象ガス）を吸着剤に接触させることにより吸着剤を冷却してもよい。
本実施形態に係る二酸化炭素の除去方法は、ＣＯ２濃度の管理が必要な密閉された空間において好適に実施することができる。ＣＯ２濃度の管理が必要な空間としては、例えば、ビル；車輛；自動車；宇宙ステーション；潜水艇；食品又は化学製品の製造プラント等が挙げられる。本実施形態に係る二酸化炭素の除去方法は、特に、ＣＯ２濃度が５０００ｐｐｍ以下に制限される空間（例えば、ビル、車輛等の人の密度が高い空間）において好適に実施することができる。また、食品又は化学製品等の製造時において二酸化炭素が悪影響を与える可能性があることから、本実施形態に係る二酸化炭素の除去方法は、食品又は化学製品の製造プラント等において好適に実施することができる。
＜二酸化炭素除去器、二酸化炭素除去装置及び二酸化炭素除去システム＞
本実施形態に係る二酸化炭素除去器は、二酸化炭素を含有する処理対象ガスから二酸化炭素を除去するために用いられる二酸化炭素除去器であって、セリウム酸化物を含有する吸着剤を備え、前記処理対象ガスにおける二酸化炭素濃度が５０００ｐｐｍ以下である。
本実施形態に係る二酸化炭素除去装置は、本実施形態に係る二酸化炭素除去器（反応容器）を備える。本実施形態に係る二酸化炭素除去装置は、例えば、二酸化炭素濃度が５０００ｐｐｍ以下である処理対象ガスを含む空調対象空間に用いられる空調装置である。本実施形態に係る空調装置は、空調対象空間に接続された流路を備え、処理対象ガスに含まれる二酸化炭素を除去する除去部（二酸化炭素除去器、二酸化炭素除去部）が流路に配置されている。本実施形態に係る空調装置において、セリウム酸化物を含有する吸着剤が除去部に配置されており、吸着剤が処理対象ガスに接触して二酸化炭素が吸着剤に吸着する。本実施形態によれば、空調対象空間の処理対象ガスを吸着剤に接触させて二酸化炭素を吸着剤に吸着させる吸着工程を備える空調方法が提供される。なお、二酸化炭素を含有する処理対象ガスの詳細は、上述した二酸化炭素の除去方法における処理対象ガスと同様である。以下、図１を用いて、二酸化炭素除去装置の例として、空調装置について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る空調装置１００は、流路１０と、排気ファン（排気手段）２０と、濃度測定器（濃度測定部）３０と、電気炉（温度制御手段）４０と、コンプレッサー（圧力制御手段）５０と、制御装置（制御部）６０と、を備えている。
流路１０は、二酸化炭素を含有する処理対象ガス（室内ガス）を含む空調対象空間Ｒに接続されている。流路１０は、流路部１０ａと、流路部１０ｂと、除去部（流路部。二酸化炭素除去部）１０ｃと、流路部１０ｄと、流路部（循環流路）１０ｅと、流路部（排気流路）１０ｆとを有しており、除去部１０ｃは、流路１０に配置されている。空調装置１００は、二酸化炭素除去器として除去部１０ｃを備えている。流路１０には、除去部１０ｃにおける処理対象ガスの流入の有無を調整するバルブ７０ａと、処理対象ガスの流れ方向を調整するバルブ７０ｂとが配置されている。
流路部１０ａの上流端は、空調対象空間Ｒに接続されており、流路部１０ａの下流端は、バルブ７０ａを介して流路部１０ｂの上流端に接続されている。除去部１０ｃの上流端は、流路部１０ｂの下流端に接続されている。除去部１０ｃの下流端は、流路部１０ｄの上流端に接続されている。流路１０における流路部１０ｄより下流側は、流路部１０ｅ及び流路部１０ｆに分岐している。流路部１０ｄの下流端は、バルブ７０ｂを介して流路部１０ｅの上流端及び流路部１０ｆの上流端に接続されている。流路部１０ｅの下流端は、空調対象空間Ｒに接続されている。流路部１０ｆの下流端は、外気に接続されている。
除去部１０ｃには、セリウム酸化物を含有する吸着剤８０が配置されている。吸着剤８０は、除去部１０ｃの中央部に充填されている。除去部１０ｃには、吸着剤８０を介して２つの空間が形成されており、除去部１０ｃは、上流側の空間Ｓ１と、吸着剤８０が充填された中央部Ｓ２と、下流側の空間Ｓ３とを有している。空間Ｓ１は、流路部１０ａ，１０ｂ及びバルブ７０ａを介して空調対象空間Ｒに接続されており、二酸化炭素を含有する処理対象ガスが空調対象空間Ｒから除去部１０ｃの空間Ｓ１に供給される。除去部１０ｃに供給された処理対象ガスは、中央部Ｓ２を経由して空間Ｓ１から空間Ｓ３へ移動した後、除去部１０ｃから排出される。
空調対象空間Ｒから排出された処理対象ガスは、除去部１０ｃにおいて二酸化炭素の少なくとも一部が除去される。二酸化炭素が除去された処理対象ガスは、バルブ７０ｂを調整することにより、空調対象空間Ｒに戻されてもよく、空調装置１００の外部における外気へ排出されてもよい。例えば、空調対象空間Ｒから排出された処理対象ガスは、上流から下流にかけて、流路部１０ａ、流路部１０ｂ、除去部１０ｃ、流路部１０ｄ及び流路部１０ｅを経由して空調対象空間Ｒに流入することができる。また、空調対象空間Ｒから排出された処理対象ガスは、上流から下流にかけて、流路部１０ａ、流路部１０ｂ、除去部１０ｃ、流路部１０ｄ及び流路部１０ｆを経由して外気に排出されてもよい。
排気ファン２０は、空調対象空間Ｒにおける処理対象ガスの排出位置に配置されている。排気ファン２０は、処理対象ガスを空調対象空間Ｒから排出して除去部１０ｃへ供給する。
濃度測定器３０は、空調対象空間Ｒの二酸化炭素濃度を測定する。濃度測定器３０は、空調対象空間Ｒ内に配置されている。
電気炉４０は、空調装置１００の除去部１０ｃの外部に配置されており、吸着剤８０の温度を昇温させることができる。コンプレッサー５０は、空調装置１００の除去部１０ｃに接続されており、除去部１０ｃ内の圧力を調整することができる。
制御装置６０は、空調装置１００の運転制御を行うことが可能であり、例えば、濃度測定器３０で測定される二酸化炭素濃度に基づいて、除去部１０ｃにおける処理対象ガスの流入の有無を制御することができる。具体的には、呼気等により空調対象空間Ｒ内の二酸化炭素濃度が上昇して所定濃度に達したことが濃度測定器３０により検出された場合、濃度測定器３０から制御装置６０に濃度情報が送信される。濃度情報を受信した制御装置６０は、バルブ７０ａを開放すると共に、除去部１０ｃから排出されるガスが流路部１０ｄ及び流路部１０ｅを介して空調対象空間Ｒに流入するように調整する。そして、制御装置６０は、排気ファン２０を稼働させて、空調対象空間Ｒから処理対象ガスを除去部１０ｃへ供給する。さらに、制御装置６０は、必要に応じて、電気炉４０及び／又はコンプレッサー５０を稼働させて、吸着剤８０の温度、除去部１０ｃ内の圧力等を調整する。
除去部１０ｃに供給された処理対象ガスが中央部Ｓ２を経由して空間Ｓ１から空間Ｓ３へ移動するに際して、処理対象ガスが吸着剤８０に接触し、処理対象ガス中の二酸化炭素が吸着剤８０に吸着する。これにより、処理対象ガスから二酸化炭素が除去される。この場合、二酸化炭素が除去されたガスは、流路部１０ｄ及び流路部１０ｅを介して空調対象空間Ｒに供給される。
吸着剤８０に吸着した二酸化炭素は、吸着剤８０から脱着させることなく、吸着剤８０に吸着した状態で回収されてもよく、吸着剤８０から脱着させて回収してもよい。脱着工程においては、電気炉４０及び／又はコンプレッサー５０を稼働させて吸着剤８０の温度、除去部１０ｃ内の圧力等を調整することにより、上述した温度スイング法、圧力スイング法等により、吸着剤８０から二酸化炭素を脱着させることができる。この場合、例えば、バルブ７０ｂは、除去部１０ｃから排出されるガス（脱着した二酸化炭素を含有するガス）が流路部１０ｆを介して外気に排出されるように調整されており、必要に応じて、排出される二酸化炭素を回収することができる。
本実施形態に係る二酸化炭素除去システムは、本実施形態に係る二酸化炭素除去装置を複数備える。本実施形態に係る二酸化炭素除去システムは、例えば、本実施形態に係る空調装置を複数備える空調システムである。本実施形態に係る二酸化炭素除去システムは、複数の二酸化炭素除去装置の運転（例えば、空調装置の空調運転）を制御する制御部を備えていてもよい。例えば、本実施形態に係る二酸化炭素除去システムは、複数の二酸化炭素除去装置の運転（例えば、空調装置の空調運転）を統括的に制御する。以下、図２を用いて、二酸化炭素除去システムの例として、空調システムについて説明する。
図２に示すように、本実施形態に係る空調システム１は、第１の空調装置１００ａと、第２の空調装置１００ｂと、制御装置（制御部）６２と、を備えている。制御装置６２は、第１の空調装置１００ａ及び第２の空調装置１００ｂにおける上述の制御装置６０を制御することにより、第１の空調装置１００ａ及び第２の空調装置１００ｂの空調運転を制御する。例えば、制御装置６２は、第１の空調装置１００ａ及び第２の空調装置１００ｂの空調運転を同条件で行うように調整してもよく、第１の空調装置１００ａ及び第２の空調装置１００ｂの空調運転を異なる条件で行うように調整してもよい。制御装置６２は、除去部１０ｃにおける処理対象ガスの流入の有無等に関する情報を制御装置６０に送信することができる。
二酸化炭素除去器、二酸化炭素除去装置（空調装置等）及び二酸化炭素除去システム（空調システム等）は、前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を行ってもよい。例えば、二酸化炭素除去器、二酸化炭素除去装置及び二酸化炭素除去システムは、空調のために用いられることに限られず、二酸化炭素を含有するガスから二酸化炭素を除去する全ての用途に用いることができる。
空調装置において吸着剤は、除去部に配置されていればよく、除去部の中央部に充填されることなく、内壁面の一部に配置されている態様であってもよい。空調装置の制御部の制御内容は、除去部における処理対象ガスの流入の有無を制御することに限られず、制御部は、除去部における処理対象ガスの流入量を調整してもよい。
空調装置において、排気ファンに代えて送風機を用いて処理対象ガスを二酸化炭素除去部へ供給してもよく、自然対流により処理対象ガスが二酸化炭素除去部へ供給される場合には、排気手段を用いなくてもよい。また、温度制御手段及び圧力制御手段は、電気炉及びコンプレッサーに限定されるものでなく、吸着工程及び脱着工程において上述した各種の手段を用いることができる。温度制御手段は、加熱手段に限られず、冷却手段であってもよい。
空調装置において、空調対象空間、二酸化炭素除去部、排気手段、温度制御手段、圧力制御手段、濃度測定部、制御装置等のそれぞれは、一つに限られるものではなく、複数配置されていてもよい。空調装置は、処理対象ガスの露点及び相対湿度を調整するための調湿器；空調対象空間の湿度を測定する湿度測定器；脱硝装置、脱硫装置、脱塵装置等の除去装置などを備えていてもよい。
以下、実施例及び比較例を用いて本発明の内容を更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
＜吸着剤の準備＞
（実施例１）
直径４０ｍｍの金型を使用してプレス機によりＣｅＯｘ（ｘ＝１．５〜２．０）を２００ｋｇｆでペレット化した。次いで、得られたペレットを破砕した後、篩を用いて粒状（粒径：０．５〜１．０ｍｍ）に整粒することにより実施例１の吸着剤を得た。
（比較例１）
ゼオライト（和光純薬工業株式会社製、商品名：モレキュラーシーブス１３Ｘ）を吸着剤として準備した。なお、ゼオライトは、篩を用いて粒状（粒径：０．５〜１．０ｍｍ）に整粒した。
＜ＣＯ２吸着破過試験＞
水分非共存下（処理対象ガスが水を含有しない場合）及び水分共存下（処理対象ガスが水を含有する場合）のそれぞれにおける吸着剤のＣＯ２吸着量を、以下に示すＣＯ２吸着破過試験により算出した。
［水分非共存下］
まず、メスシリンダーを用いて吸着剤を１．０ｍＬ量りとり、石英ガラス製の反応管中に固定した。次いで、前処理として、当該反応管に６０ｍＬ／分でＨｅガス（第１の流通ガス）を流通させながら、電気炉を用いて吸着剤の温度を２００℃まで昇温させた後に１時間保持した。これにより、不純物、及び、吸着剤に吸着したガスを除去した。次いで、室温（２５℃）まで冷却した後、流通ガスを、Ｈｅガスから、ＣＯ２とＨｅとの混合ガス（第２の流通ガス、ＣＯ２濃度：４００ｐｐｍ）に切替えた。その後、反応管の出口のＣＯ２濃度をガスクロマトグラフで測定した。吸着剤の温度は２５℃に調整し、反応管内の全圧は１気圧に調整した。反応管の出口のＣＯ２濃度が１００ｐｐｍを超えた時点を吸着破過と見なし、吸着破過までのＣＯ２吸着量を算出した。実施例１のＣＯ２吸着量は１９．４４８ｇ／Ｌであり、比較例１のＣＯ２吸着量は３．２５６ｇ／Ｌであった。結果を図３に示す。
［水分共存下］
第１の流通ガスとして、Ｈｅに約３．１体積％（第１の流通ガスの全体積基準）の水分を導入したガスを用いたこと、及び、第２の流通ガスとして、ＣＯ２とＨｅとの混合ガス（ＣＯ２濃度：４００ｐｐｍ）に、約３体積％（第２の流通ガスの全体積基準）の水分を導入したガスを用いたこと以外は、前記水分非共存下でのＣＯ２吸着破過試験と同様の操作により、水分共存下でのＣＯ２吸着破過試験を行った。水分の導入は、２５℃に保持した水に、Ｈｅ、又は、ＣＯ２とＨｅとの混合ガス（ＣＯ２濃度：４００ｐｐｍ）をバブリングさせることで行った。実施例１のＣＯ２吸着量は９．０２ｇ／Ｌであり、比較例１のＣＯ２吸着量は０．０８８ｇ／Ｌであった。結果を図３に示す。
＜ＣＯ２及びＨ２Ｏ脱着試験＞
水分共存下で行った前記ＣＯ２吸着破過試験後の吸着剤を取り出し、吸着剤を５℃／分で２００℃まで加熱し、質量分析により二酸化炭素及び水分（Ｈ２Ｏ）の分子の脱着量を測定した。結果を図４に示す。
＜ＣＯ２濃度に対するＣＯ２吸着量の依存性の評価＞
吸着剤（粒状のＣｅＯｘ。ｘ＝１．５〜２．０、粒径：０．５〜１．０ｍｍ）を２００℃、真空下で１時間以上前処理した。その後、吸着剤の温度を５０℃に保ちながら、各ＣＯ２分圧におけるＣＯ２吸着量を測定してＣＯ２吸着等温線（図５参照）を得た。なお、図５に示す吸着等温線の横軸は、下記式を用いてＣＯ２分圧を大気圧（１．０ａｔｍ）におけるＣＯ２濃度に換算した値を示す。
ＣＯ２濃度（ｐｐｍ）＝ＣＯ２分圧（ａｔｍ）／１．０（ａｔｍ）×１０６
＜測定結果＞
実施例１の吸着剤は、水分非共存下において、比較例１のゼオライトよりも約６倍のＣＯ２吸着量を示した（図３参照）。さらに、水分共存下において、比較例１のゼオライトはほとんどＣＯ２を吸着しなかったのに対し、実施例１の吸着剤は水分非共存下でのＣＯ２吸着量に対して約５０％の吸着量を保持した。これらの結果から、セリウム酸化物を含有する実施例１の吸着剤は、水分の有無に関わらず、低いＣＯ２濃度において充分な量の二酸化炭素を吸着可能な材料であることがわかる。
また、比較例１のゼオライトは、ＣＯ２及びＨ２Ｏの脱着量がピークを示す温度（脱着ピーク温度）が大きく異なり、ＣＯ２の脱着ピーク温度が約８０℃であるのに対し、Ｈ２Ｏの脱着量のピークは２００℃までは現れなかった（図４参照）。一方、実施例１の吸着剤における、ＣＯ２の脱着ピーク温度及びＨ２Ｏの脱着ピーク温度は、いずれも約１２０℃であり、且つ、２００℃までにＣＯ２及びＨ２Ｏの脱着がほぼ完了した。本結果から、比較例１のゼオライトは、ＣＯ２よりもＨ２Ｏの吸着力が強く、Ｈ２Ｏ存在下ではＨ２Ｏを優先的に吸着するため、水分共存下では充分なＣＯ２吸着量が得られないのに対し、実施例１の吸着剤は、ＣＯ２とＨ２Ｏの吸着力にほぼ差がないため、ＣＯ２吸着性に優れるものと推察される。また、比較例１のゼオライトは、一旦Ｈ２Ｏが吸着するとＨ２Ｏを脱着することが困難であるのに対し、実施例１の吸着剤は、比較例１のゼオライトよりも容易にＨ２Ｏを脱着することができ、再生能に優れることがうかがえる。
１…空調システム、１０…流路、１０ａ，１０ｂ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ…流路部、１０ｃ…除去部（二酸化炭素除去器）、２０…排気ファン、３０…濃度測定器（濃度測定部）、４０…電気炉、５０…コンプレッサー、６０，６２…制御装置（制御部）、７０ａ，７０ｂ…バルブ、８０…吸着剤、１００，１００ａ，１００ｂ…空調装置、Ｒ…空調対象空間、Ｓ１，Ｓ３…空間、Ｓ２…中央部。

Claims (11)

  1. 二酸化炭素濃度が５０００ｐｐｍ以下である処理対象ガスを含む空調対象空間に用いられる空調装置であって、
    前記空調対象空間に接続された流路を備え、
    前記処理対象ガスに含まれる二酸化炭素を除去する除去部が前記流路に配置されており、
    セリウム酸化物を含有する吸着剤が前記除去部に配置されており、
    前記吸着剤が前記処理対象ガスに接触して前記二酸化炭素が前記吸着剤に吸着する、空調装置。
  2. 前記処理対象ガスにおける二酸化炭素濃度が１０００ｐｐｍ以下である、請求項１に記載の空調装置。
  3. 前記処理対象ガスにおける二酸化炭素濃度が４００〜１０００ｐｐｍである、請求項１に記載の空調装置。
  4. 前記空調対象空間の二酸化炭素濃度を測定する濃度測定部と、
    前記濃度測定部で測定される前記二酸化炭素濃度に基づいて、前記除去部における前記処理対象ガスの流入の有無を制御する制御部と、を更に備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の空調装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の空調装置を複数備える、空調システム。
  6. 二酸化炭素を含有する処理対象ガスを吸着剤に接触させて二酸化炭素を前記吸着剤に吸着させる吸着工程を備え、
    前記吸着剤がセリウム酸化物を含有し、
    前記処理対象ガスにおける二酸化炭素濃度が５０００ｐｐｍ以下である、二酸化炭素の除去方法。
  7. 前記処理対象ガスにおける二酸化炭素濃度が１０００ｐｐｍ以下である、請求項６に記載の二酸化炭素の除去方法。
  8. 前記処理対象ガスにおける二酸化炭素濃度が４００〜１０００ｐｐｍである、請求項６に記載の二酸化炭素の除去方法。
  9. 前記吸着工程後に、二酸化炭素を前記吸着剤から脱着させる工程を更に備える、請求項６〜８のいずれか一項に記載の二酸化炭素の除去方法。
  10. 請求項６〜９のいずれか一項に記載の二酸化炭素の除去方法に用いられる吸着剤であって、セリウム酸化物を含有する、吸着剤。
  11. 二酸化炭素を含有する処理対象ガスから二酸化炭素を除去するために用いられる二酸化炭素除去器であって、
    セリウム酸化物を含有する吸着剤を備え、
    前記処理対象ガスにおける二酸化炭素濃度が５０００ｐｐｍ以下である、二酸化炭素除去器。
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