TW201815465A - 吸附劑、二氧化碳的去除方法、二氧化碳去除器及空調裝置 - Google Patents

吸附劑、二氧化碳的去除方法、二氧化碳去除器及空調裝置 Download PDF

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Abstract

本發明是一種吸附劑，其用於自含有二氧化碳之處理對象氣體去除二氧化碳，其中，該吸附劑含有鈰氧化物，並且，在根據Horvath-Kawazoe法測得的細孔分佈中，於細孔徑為7Å以下的區域內具有微分細孔容積為0.0085cm3 /g-Å以上的細孔徑。

Description

吸附劑、二氧化碳的去除方法、二氧化碳去除器及空調裝置
本發明有關一種吸附劑、二氧化碳的去除方法、二氧化碳去除器及空調裝置。
近年來，因排放溫室效應氣體導致地球暖化已成為世界性的問題。作為溫室效應氣體，可列舉：二氧化碳(CO2 )、甲烷(CH4 )、氯氟烴類(CFCs等)等。在溫室效應氣體中，二氧化碳的影響最大，因而謀求建構二氧化碳(例如由火力發電廠、煉鐵廠等所排出的二氧化碳)的去除方法。
又，已知二氧化碳會對人體造成影響，例如，當吸入包含高濃度二氧化碳之氣體時，會引起嗜睡、健康危害等。在人口密度較高的空間中，因人的呼氣導致室內的二氧化碳濃度(以下根據情況而稱為「CO2 濃度」)容易上升，有時藉由換氣來調整CO2 濃度。
為了將室內空氣與外氣迅速地換氣，需要使送風機等送風裝置運轉。又，自外部導入的空氣(外氣)的溫度和濕度尚未經調整，因此，在夏季時需要使冷氣運轉，在冬季時需要使暖氣運轉。由於這些理由，室內的CO2 濃度上升成為由空調所引起的電力消耗增加的主要原因。
藉由換氣而達成的室內二氧化碳的減少量(CO2 減少量)，是由下述公式表示。在下述公式中，若左邊的CO2 減少量與基於人的呼氣所導致的CO2 增加量相同，則能夠將CO2 濃度保持在固定值。 CO2 減少量＝(室內CO2 濃度－外氣的CO2 濃度) ×換氣量
然而，近年來，外氣的CO2 濃度增加，因此與室內的CO2 濃度差異變小。因此，為了調整CO2 濃度，所需的換氣量亦增加。今後，在外氣的CO2 濃度進一步增加的情況下，藉由換氣來進行的CO2 濃度的調整，被認為電力消耗會增加。
前述問題，是由於與外氣進行換氣而產生。因此，若使用換氣以外的方法來選擇性地去除二氧化碳，則能夠減少換氣量，作為結果，可能可以減少由空調所引起的電力消耗。
又，在與外氣(存在有空氣)隔絕之空間(太空站、潛水艇等)中，難以進行外氣與室內空氣的換氣，因此需要藉由換氣以外的方法來選擇性地去除二氧化碳。
作為前述問題的解決方案，可列舉例如藉由下述方法來去除二氧化碳的方法：化學吸收法、物理吸收法、膜分離法、吸附分離法、低溫分離法等。可列舉例如，使用CO2 吸附劑(以下僅稱為「吸附劑」)來將二氧化碳分離並回收的方法(CO2 分離回收法)。作為吸附劑，已知例如沸石(例如參照下述專利文獻1)。 [先前技術文獻] (專利文獻)
專利文獻1：日本特開2000-140549號公報
[發明所欲解決的問題] 然而，從提升二氧化碳的去除效率的觀點而言，對於使用吸附劑來進行的二氧化碳的去除方法，要求提升吸附劑對二氧化碳的吸附量。
本發明是有鑑於前述情況而完成，其目的在於提供一種吸附劑，該吸附劑能夠提升二氧化碳的吸附量。又，本發明的目的在於提供一種二氧化碳的去除方法、二氧化碳去除器及空調裝置，該二氧化碳的去除方法使用前述吸附劑。 [解決問題的技術手段]
本發明的吸附劑，是一種用於自含有二氧化碳之處理對象氣體去除二氧化碳之吸附劑，其中，該吸附劑含有鈰氧化物，並且，在根據Horvath-Kawazoe法測得的細孔分佈中，於細孔徑為7Å以下的區域內具有微分細孔容積為0.0085cm3 /g-Å以上的細孔徑。
根據本發明的吸附劑，能夠提升吸附劑對二氧化碳的吸附量。這種吸附劑的CO2 吸附性(二氧化碳的吸附性、捕捉二氧化碳的能力)優異。
然而，在使用沸石等吸附劑的方法中，在處理對象氣體的CO2 濃度較低的情況下，有去除二氧化碳的效率降低的傾向。另一方面，根據本發明的吸附劑，能夠在處理對象氣體的CO2 濃度較低的情況下，提升吸附劑對二氧化碳的吸附量。根據這種吸附劑，能夠在處理對象氣體的CO2 濃度較低的情況下，有效率地去除二氧化碳。
本發明的吸附劑，較佳是：在前述細孔分佈中，於細孔徑為6Å以上且7Å以下的區域內具有微分細孔容積為0.0085cm3 /g-Å以上的細孔徑。此時，能夠進一步提升二氧化碳的吸附量。
前述鈰氧化物的含量，較佳是：以吸附劑的總質量作為基準計，為90質量%以上。此時，能夠進一步提升二氧化碳的吸附量。
本發明的二氧化碳的去除方法，其具備使二氧化碳吸附於吸附劑上的步驟，該步驟中使上述吸附劑與含有二氧化碳之處理對象氣體接觸，而使二氧化碳吸附於吸附劑上。根據本發明的二氧化碳的去除方法，能夠提升吸附劑對二氧化碳的吸附量，且能夠提升二氧化碳的去除效率。
本發明的二氧化碳去除器，其具備上述吸附劑。根據本發明的二氧化碳去除器，能夠提升吸附劑對二氧化碳的吸附量，且能夠提升二氧化碳的去除效率。
本發明的空調裝置，其用於包含處理對象氣體之空調對象空間，該處理對象氣體含有二氧化碳，其中，該空調裝置具備流路，該流路連接至空調對象空間；流路上配置有去除部，該去除部用以去除處理對象氣體中包含的二氧化碳；去除部中配置有上述吸附劑；並且，吸附劑與處理對象氣體接觸，而使二氧化碳吸附於吸附劑上。根據本發明的空調裝置，能夠提升吸附劑對二氧化碳的吸附量，且能夠提升二氧化碳的去除效率。
前述處理對象氣體的CO2 濃度，可以是5000ppm以下，亦可以是1000ppm以下。 [發明的功效]
根據本發明，能夠提升吸附劑對二氧化碳的吸附量。尤其，根據本發明，能夠在處理對象氣體的CO2 濃度較低的情況下，提升吸附劑對二氧化碳的吸附量。根據本發明，能夠提供一種吸附劑的應用，該應用是自含有二氧化碳之處理對象氣體去除二氧化碳。
在本說明書中，使用「～」來表示的數值範圍，是表示包含「～」前後所述的數值分別作為最小值及最大值之範圍。又，在本說明書中以階段性記載的數值範圍中，某一階段的數值範圍的上限值或下限值，可置換為另一階段的數值範圍的上限值或下限值。又，本說明書中所記載的數值範圍中，該數值範圍的上限值或下限值，可置換為實施例所示的數值。
在本說明書中，所謂「步驟」的用語，不僅是獨立的步驟，即使無法明確與其他步驟區分時，只要能夠達成該步驟所期望的目的，亦包含在本用語內。本說明書中例示的材料，只要未特別說明，可單獨使用1種或將2種加以組合來使用。在本說明書中，當複數種符合各成分的物質存在於組成物中時，組成物中的各成分的含量，只要未特別說明，意指存在於組成物中的該複數種物質的合計量。
以下，詳細地說明用以實施本發明的形態。但是，本發明不限定於以下實施形態。
＜吸附劑＞ 本實施形態的吸附劑(二氧化碳捕捉劑)，含有鈰氧化物，並且，在根據Horvath-Kawazoe法測得的細孔分佈中，於細孔徑為7Å以下的區域內具有微分細孔容積為0.0085cm3 /g-Å以上的細孔徑。本實施形態的吸附劑，用於自含有二氧化碳之處理對象氣體(成為處理對象的氣體)去除(例如回收)二氧化碳。只要可使用吸附劑來去除處理對象氣體中包含的至少一部份的二氧化碳即可。
本發明人專心研究，結果發現一種含有鈰氧化物之吸附劑，當在根據Horvath-Kawazoe法測得的細孔分佈中，於細孔徑為7Å以下的區域內具有微分細孔容積為0.0085cm3 /g-Å以上的細孔徑時，該吸附劑具有優異的CO2 吸附性。
本實施形態的吸附劑具有優異的CO2 吸附性的原因雖然尚未明瞭，但推測藉由吸附劑具有前述特定的微分細孔容積的細孔徑，能夠提升在細孔內的二氧化碳與細孔壁的接觸頻率、提升由細孔壁的曲率所導致的二氧化碳的吸附能等，藉此促進二氧化碳的吸附，因此能夠獲得優異的CO2 吸附性。本實施形態的吸附劑，尤其在處理對象氣體的CO2 濃度較低的情況下具有優異的CO2 吸附性。
作為鈰氧化物，可列舉CeOx(x＝1.5～2.0)等，具體而言，可列舉CeO2 、Ce2 O3 等。
吸附劑中的鈰氧化物的含量，以吸附劑的總質量作為基準計，可以是30質量%以上，亦可以是70質量%以上，亦可以是90質量%以上。吸附劑，可以是由鈰氧化物所組成之態樣(以吸附劑的總質量作為基準計，鈰氧化物的含量實質上為100質量%之態樣)。鈰氧化物的前述含量愈多，愈能夠進一步提升二氧化碳的吸附量。鈰氧化物的含量，例如，可根據用以獲得吸附劑的原料中的鈰鹽的含量來進行調整。
從提升二氧化碳的吸附量的觀點而言，吸附劑，在根據Horvath-Kawazoe法測得的細孔分佈中，於細孔徑7Å以下的區域具有微分細孔容積(differential pore volume)為0.0085cm3 /g-Å以上的細孔徑。從進一步提升二氧化碳的吸附量的觀點而言，吸附劑，較佳是：在根據Horvath-Kawazoe法測得的細孔分佈中，於細孔徑7Å以下的區域具有微分細孔容積為0.01cm3 /g-Å以上的細孔徑；更佳是具有微分細孔容積為0.012cm3 /g-Å以上的細孔徑。從進一步提升二氧化碳的吸附量的觀點而言，吸附劑，較佳是：在根據Horvath-Kawazoe法測得的細孔分佈中，於細孔徑6Å以上且7Å以下的區域，具有微分細孔容積為0.0085cm3 /g-Å以上的細孔徑；更佳是具有微分細孔容積為0.01cm3 /g-Å以上的細孔徑；進一步較佳是具有微分細孔容積為0.012cm3 /g-Å以上的細孔徑。吸附劑的細孔分佈，可依照實施例所記載的方法來進行測定。又，微分細孔容積，可根據對用以獲得吸附劑的原料進行焙燒時的焙燒溫度、氧濃度等來進行調整。
可對吸附劑進行化學處理，例如，可藉由將填料(氧化鋁、二氧化矽等)作為黏結劑並與吸附劑混合等，來使吸附劑高比表面積化。
從進一步提升CO2 吸附性的觀點而言，吸附劑的布厄特(BET)比表面積s1，可以是100m2 /g以上，亦可以是120m2 /g以上，亦可以是130m2 /g以上。從細孔的容積不會變過大且吸附劑的密度不會變過小的觀點而言，BET比表面積s1，可以是500m2 /g以下，亦可以是400m2 /g以下，亦可以是300m2 /g以下。BET比表面積s1，可依照實施例所記載的方法來進行測定。BET比表面積s1，可根據對用以獲得吸附劑的原料進行焙燒時的焙燒溫度、氧濃度等來進行調整。
從進一步提升CO2 吸附性的觀點而言，吸附劑中的細孔徑小於17Å的細孔(微孔)的比表面積s2，較佳是50m2 /g以上，更佳是70m2 /g以上，進一步較佳是80m2 /g以上。另一方面，當前述微小的細孔較大時，有可能因熱量等的影響而阻塞，因此，從CO2 吸附性穩定化的觀點而言，比表面積s2，較佳是120m2 /g以下，更佳是110m2 /g以下，進一步較佳是100m2 /g以下。比表面積s2，可依照實施例所記載的方法來進行測定。微孔的比表面積s2，可根據對用以獲得吸附劑的原料進行焙燒時的焙燒溫度、氧濃度等來進行調整。
從進一步提升CO2 吸附性的觀點而言，微孔的比例(微孔的比表面積s2相對於BET比表面積s1的比值)s2/s1，較佳是0.3以上，更佳是0.4以上，進一步較佳是0.5以上。從進一步提升CO2 吸附性的觀點而言，微孔的比例s2/s1，較佳是1.0以下，更佳是0.9以下，進一步較佳是0.8以下。
作為吸附劑的形狀，可列舉：粉狀、圓粒(pellet)狀、粒狀、蜂巢狀等。吸附劑的形狀，只要考量所需的反應速率、壓力損失、吸附劑的吸附量、被吸附劑吸附的氣體(吸附氣體)的純度(CO2 純度)等來決定即可。吸附劑的形狀，可與原料的形狀相同。
＜吸附劑的製造方法＞ 本實施形態的吸附劑的製造方法，具備例如焙燒步驟，該焙燒步驟是對包含鈰鹽之原料進行焙燒，該鈰鹽選自由鈰的碳酸鹽和鈰的碳酸氫鹽所組成之群組中的至少一種。在這樣的吸附劑的製造方法中，對包含鈰鹽之原料進行焙燒，該鈰鹽選自由鈰的碳酸鹽和鈰的碳酸氫鹽所組成之群組中的至少一種，藉此分解該鈰鹽，並且使鈰氧化。
根據前述吸附劑的製造方法，能夠容易獲得本實施形態的吸附劑。雖然該原因尚未明瞭，但本發明人推測如下所述。在前述吸附劑的製造方法中，由於鈰的碳酸鹽及/或鈰的碳酸氫鹽在焙燒時分解，而排出二氧化碳(CO2 )和水(H2 O)。推測藉由此二氧化碳和水，容易獲得具有利於二氧化碳吸附的細孔之吸附劑。
鈰鹽，例如，可以是包含下述離子之化合物：鈰離子；及，選自由碳酸根離子和碳酸氫根離子所組成之群組中的至少一種離子。鈰的碳酸鹽，例如是包含鈰離子與碳酸根離子之化合物。鈰的碳酸氫鹽，例如是包含鈰離子與碳酸氫根離子之化合物。
作為鈰的碳酸鹽，可列舉碳酸鈰、碳酸氧鈰等。作為鈰的碳酸氫鹽，可列舉碳酸氫鈰等。從進一步提升二氧化碳的吸附量的觀點而言，鈰鹽，可以是選自由碳酸鈰、碳酸氫鈰及碳酸氧鈰所組成之群組中的至少一種鹽。亦可將鈰的碳酸鹽及/或鈰的碳酸氫鹽與除了碳酸鹽和碳酸氫鹽以外的鈰鹽併用。
原料，可包含除了鈰鹽以外的其他化合物。作為其他化合物，可列舉例如包含鑭系元素(鈰除外。鑭、釹、鐠等)、鐵、鈉等之化合物。鈰鹽，可根據公知的方法來製作。又，作為鈰鹽，可使用市售的鈰的碳酸鹽及/或鈰的碳酸氫鹽。
鈰鹽的含量，以原料的總質量作為基準計，可以是90質量%以上，亦可以是99質量%以上。包含鈰鹽之原料，可以是由鈰鹽所組成之態樣(以原料的總質量作為基準計，鈰鹽的含量實質上為100質量%之態樣)。鈰鹽的前述含量愈多，愈能夠進一步提升二氧化碳的吸附量。
焙燒步驟中的焙燒溫度，只要是能夠分解鈰鹽的溫度，並無特別限定。從鈰鹽的分解易於進展，因而能夠縮短吸附劑的製造時間的觀點而言，焙燒溫度，可以是150℃以上，亦可以是200℃以上，亦可以是225℃以上。從不易引起鈰氧化物燒結，因而吸附劑的比表面積容易變大的觀點而言，焙燒溫度，可以是400℃以下，亦可以是350℃以下，亦可以是300℃以下，亦可以是275℃以下。從這些觀點而言，焙燒溫度，可以是150～400℃，亦可以是200～350℃，亦可以是225～300℃，亦可以是225～275℃。
焙燒步驟中的焙燒時間，例如，可以是10分鐘以上。焙燒時間，例如，可以是10小時以下，亦可以是3小時以下，亦可以是1小時以下。
焙燒步驟，可利用一階段來實行，亦可利用二階段以上的多階段來實行。再者，當實行多階段的焙燒時，較佳是至少一個階段為前述焙燒溫度及/或焙燒時間。焙燒步驟，例如，可在空氣氣氛下或氧氣氣氛下實行。
在焙燒步驟中，可對乾燥後的原料進行焙燒。又，在焙燒步驟中，可藉由對包含原料之溶液(例如溶有鈰鹽之溶液)進行加熱，來去除溶劑並且對原料進行焙燒。
本實施形態的吸附劑的製造方法，可具備將焙燒前的原料成形為特定形狀(例如後述的吸附劑的形狀)的步驟，亦可具備將焙燒後的原料成形為特定形狀的步驟。
＜二氧化碳的去除方法＞ 本實施形態的二氧化碳的去除方法，具備吸附步驟，該吸附步驟使本實施形態的吸附劑與含有二氧化碳之處理對象氣體接觸，而使二氧化碳吸附於該吸附劑上。
處理對象氣體中的CO2 濃度，以處理對象氣體的總體積作為基準計，可以是5000ppm以下(0.5體積%以下)。根據本實施形態的二氧化碳的去除方法，能夠在CO2 濃度為5000ppm以下的情況下，有效率地去除二氧化碳。雖然能夠發揮這樣的功效的理由尚未明瞭，但本發明人推測如下所述。在吸附步驟中，二氧化碳被認為並不是物理性地吸附於鈰氧化物的表面，而是二氧化碳與鈰氧化物的表面化學性地鍵結，藉此而使二氧化碳被吸附劑吸附。推測此時在本實施形態的二氧化碳的去除方法中，對吸附劑吸附時的二氧化碳的分壓依存性較小，即便處理對象氣體的CO2 濃度為5000ppm以下，亦能夠有效率地去除二氧化碳。
從易於確認即便在CO2 濃度較低的情況下亦能夠有效率地去除二氧化碳的功效的觀點而言，CO2 濃度，以處理對象氣體的總體積作為基準計，可以是2000ppm以下，亦可以是1500ppm以下，亦可以是1000ppm以下，亦可以是750ppm以下，亦可以是500ppm以下。從二氧化碳的去除量易於變多的觀點而言，CO2 濃度，以處理對象氣體的總體積作為基準計，可以是100ppm以上，亦可以是200ppm以上，亦可以是400ppm以上。從這些觀點而言，CO2 濃度，以處理對象氣體的總體積作為基準計，可以是100～5000ppm，亦可以是100～2000ppm，亦可以是100～1500ppm，亦可以是100～1000ppm，亦可以是200～1000ppm，亦可以是400～1000ppm，亦可以是400～750ppm，亦可以是400～500ppm。再者，在勞動安全衛生法的事務所衛生基準規則中，規定室內的CO2 濃度應調整成5000ppm以下。又，已知當CO2 濃度超過1000ppm時會引起嗜睡，在建築物環境衛生管理基準中，規定CO2 濃度應調整成1000ppm以下。因此，有時藉由以CO2 濃度不超過5000ppm或1000ppm的方式進行換氣，來調整CO2 濃度。處理對象氣體中的CO2 濃度，並不限定於前述範圍，可以是500～5000ppm，亦可以是750～5000ppm。
處理對象氣體，只要是含有二氧化碳之氣體，並無特別限定，可含有除了二氧化碳以外的氣體成分。作為除了二氧化碳以外的氣體成分，可列舉：水(水蒸氣、H2 O)、氧(O2 )、氮(N2 )、一氧化碳(CO)、SOx、NOx、揮發性有機物(VOC)等。作為處理對象氣體的具體例，可列舉大樓、車輛等室內的空氣。在吸附步驟中，當處理對象氣體含有水、一氧化碳、SOx、NOx、揮發性有機物等時，這些氣體成分有時會被吸附劑吸附。
然而，在沸石等吸附劑中，於處理對象氣體含有水的情況下，有CO2 吸附性大幅降低的傾向。因此，在使用沸石等吸附劑的方法中，為了提升吸附劑的CO2 吸附性，需要實行除濕步驟，該除濕步驟是在使處理對象氣體與吸附劑接觸前，自處理對象氣體去除水分。除濕步驟，例如，是使用除濕裝置來實行，因此導致設備增加和能量消耗量增加。另一方面，本實施形態的吸附劑，即便在處理對象氣體含有水的情況下，與沸石等吸附劑相比，仍具有優異的CO2 吸附性。因此，在本實施形態的二氧化碳的去除方法中，不需要除濕步驟，即便在處理對象氣體含有水的情況下，仍能夠有效率地去除二氧化碳。
處理對象氣體的露點(dew point)，可以是0℃以上。從使鈰氧化物表面的羥基增加而提高與CO2 的反應性的觀點而言，處理對象氣體的露點，可以是－40℃以上且50℃以下，亦可以是0℃以上且40℃以下，亦可以是10℃以上且30℃以下。處理對象氣體的相對濕度，可以是0%以上，亦可以是30%以上，亦可以是50%以上，亦可以是80%以上。從減少因除濕而導致的能量消耗的觀點而言，處理對象氣體的相對濕度，較佳是100%以下(亦即不會在吸附劑上凝結)，更佳是0.1%以上且90%以上，進一步較佳是10%以上且80%以上。前述相對濕度，例如是在30℃時的相對濕度。
在吸附步驟中，於使處理對象氣體與吸附劑接觸時，藉由調整吸附劑的溫度T1 ，能夠調整二氧化碳的吸附量。有溫度T1 愈高，吸附劑的CO2 吸附量變愈少的傾向。溫度T1 ，可以是－20～100℃，亦可以是10～40℃。
吸附劑的溫度T1 ，可藉由加熱或冷卻吸附劑進行來調整，亦可將加熱和冷卻併用。又，可藉由加熱或冷卻處理對象氣體，來間接地調整吸附劑的溫度T1 。作為加熱吸附劑的方法，可列舉下述方法：使加熱介質(heating medium，例如經加熱後的氣體或液體)直接與吸附劑接觸的方法；使加熱介質(例如經加熱後的氣體或液體)在傳熱管等中流通，藉由源自傳熱面的熱傳導來加熱吸附劑的方法；利用經通電加熱後的電爐等來加熱吸附劑的方法等。作為冷卻吸附劑的方法，可列舉下述方法：使冷卻介質(cooling medium，例如經冷卻後的氣體或液體)直接與吸附劑接觸的方法；使冷卻介質(例如經冷卻後的氣體或液體)在傳熱管等中流通，藉由源自傳熱面的熱傳導來進行冷卻的方法等。
在吸附步驟中，藉由調整存在有吸附劑之氣氛的總壓力(例如包含吸附劑之容器內的總壓力)，能夠調整二氧化碳的吸附量。有總壓力愈高，則吸附劑的CO2 吸附量變愈高的傾向。從進一步提升二氧化碳的去除效率的觀點而言，總壓力，較佳是0.1大氣壓以上，更佳是1大氣壓以上。從節約能源的觀點而言，總壓力，可以是10大氣壓以下，亦可以是2大氣壓以下，亦可以是1.3大氣壓以下。總壓力，亦可以是5大氣壓以上。
存在有吸附劑之氣氛的總壓力，可藉由加壓或減壓來調整，亦可將加壓和減壓併用。作為調整總壓力的方法，可列舉下述方法：利用泵、壓縮機等來機械性地調整壓力的方法；導入具有與吸附劑周圍的氣氛的壓力不同之壓力的氣體的方法等。
在本實施形態的二氧化碳的去除方法中，可將吸附劑承載於蜂巢狀的基材上來使用，亦可將吸附劑填充於容器中來使用。吸附劑的使用方法，只要考量所需的反應速率、壓力損失、吸附劑的吸附量、被吸附劑吸附的氣體(吸附氣體)的純度(CO2 純度)等來決定即可。
當將吸附劑填充於容器中來使用時，如果要提高吸附氣體中的二氧化碳的純度，則孔隙率愈小愈佳。此時，殘留於孔隙內的除了二氧化碳以外的氣體量變少，因此能夠提升吸附氣體中的二氧化碳的純度。另一方面，如果要縮小壓力損失，則孔隙率愈大愈佳。
本實施形態的二氧化碳的去除方法，在前述吸附步驟後，可進一步具備脫附步驟，該脫附步驟使二氧化碳自吸附劑脫附(脫離)。
作為使二氧化碳自吸附劑脫附的方法，可列舉下述方法：利用吸附量的溫度依存性的方法(溫變吸附(temperature swing adsorption)法，利用由溫度變化所引起的吸附劑的吸附量差異的方法)；利用吸附量的壓力依存性的方法(壓變吸附(pressure swing adsorption)法，利用由壓力變化所引起的吸附劑的吸附量差異的方法)等。可將這些方法併用(溫變/壓變吸附法)。
在利用吸附量的溫度依存性的方法中，例如，使脫附步驟中的吸附劑的溫度高於吸附步驟。作為加熱吸附劑的方法，可列舉下述方法：與上述吸附步驟中加熱吸附劑的方法相同的方法；利用周圍的排熱的方法等。從將加熱所需的能量加以抑制的觀點而言，較佳是利用周圍的排熱。
從節約能源的觀點而言，吸附步驟中的吸附劑的溫度T1 與脫附步驟中的吸附劑的溫度T2 的溫度差值(T2 －T1 )，可以是200℃以下，亦可以是100℃以下，亦可以是50℃以下。從易於將吸附於吸附劑上的二氧化碳脫附的觀點而言，溫度差值(T2 －T1 )，可以是10℃以上，亦可以是20℃以上，亦可以是30℃以上。脫附步驟中的吸附劑的溫度T2 ，例如，可以是40～300℃，亦可以是50～200℃，亦可以是80～120℃。
在利用吸附劑的壓力依存性的方法中，由於存在有吸附劑之氣氛的總壓力(例如包含吸附劑之容器內的總壓力)愈高，CO2 吸附量變愈多，因此，較佳是以脫附步驟的總壓力成為比吸附步驟的總壓力更低壓的方式來加以變化。總壓力，可藉由加壓或減壓來調整，亦可將加壓和減壓併用。作為調整總壓力的方法，可列舉例如與上述吸附步驟相同的方法。從CO2 脫離量變多的觀點而言，脫附步驟中的總壓力，可以是周圍大氣的壓力(例如1大氣壓)，亦可以小於1大氣壓。
藉由脫附步驟來脫附並加以回收的二氧化碳，可直接排出至外氣中，亦可再利用於利用二氧化碳的領域中。例如，在專為溫室栽培的溫室等中，是藉由提高CO2 濃度來促進植物生長，因而有時會將CO2 濃度提高至1000ppm等級，因此可將所回收的二氧化碳再利用於提高CO2 濃度。
當吸附劑上吸附有SOx、NOx、煤煙(soot)等時，吸附步驟中的吸附劑的CO2 吸附性可能降低，因此處理對象氣體較佳是不含有SOx、NOx、煤煙等的情況。當處理對象氣體含有SOx、NOx、煤煙等的情況(例如，當處理對象氣體是由燃煤火力發電廠等所排出的廢氣時)，從易於保持吸附劑的CO2 吸附性的觀點而言，本實施形態的二氧化碳的去除方法，較佳是：在吸附步驟前，進一步具備雜質去除步驟，該雜質去除步驟是自處理對象氣體去除SOx、NOx、煤煙等雜質。雜質去除步驟，能夠使用脫硝裝置、脫硫裝置、除塵裝置等去除裝置來實行，且可在這些裝置的下游側使處理對象氣體與吸附劑接觸。又，當吸附劑上吸附有SOx、NOx、煤煙等的情況，除了更換吸附劑以外，亦可藉由加熱吸附劑，來將吸附於吸附劑上的雜質去除。
脫附步驟後的吸附劑，能夠再次使用於吸附步驟。在本實施形態的二氧化碳的去除方法中，可於吸附步驟後，反覆實行吸附步驟和脫附步驟。當在脫附步驟中加熱吸附劑時，可藉由上述方法將吸附劑冷卻並使用於吸附步驟。可藉由使含有二氧化碳之氣體(例如含有二氧化碳之處理對象氣體)與吸附劑接觸來冷卻吸附劑。
能夠在需要管理CO2 濃度的密閉空間內，適當地實施本實施形態的二氧化碳的去除方法。作為需要管理CO2 濃度的空間，可列舉例如：大樓、車輛、汽車、太空站、潛水艇、食品或化學產品的製造工廠等。尤其，能夠在CO2 濃度被限制在5000ppm以下的空間(例如大樓、車輛等人口密度較高的空間)內，適當地實施本實施形態的二氧化碳的去除方法。又，在製造食品或化學產品等的時候，二氧化碳可能造成不良影響，因此能夠在食品或化學產品等的製造工廠內，適當地實施本實施形態的二氧化碳的去除方法。
＜二氧化碳去除器、二氧化碳去除裝置及二氧化碳去除系統＞ 本實施形態的二氧化碳去除器，具備本實施形態的吸附劑。本實施形態的二氧化碳去除裝置，具備本實施形態的二氧化碳去除器(反應容器)。本實施形態的二氧化碳去除裝置，例如是一種空調裝置，其用於包含處理對象氣體之空調對象空間，該處理對象氣體含有二氧化碳。本實施形態的空調裝置，具備流路，該流路連接至空調對象空間，且流路上配置有去除部(二氧化碳去除器、二氧化碳去除部)，該去除部用以去除處理對象氣體中包含的二氧化碳。在本實施形態的空調裝置中，去除部中配置有本實施形態的吸附劑，且吸附劑與處理對象氣體接觸，而使二氧化碳吸附於吸附劑上。根據本實施形態，提供一種空調方法，該空調方法具備吸附步驟，該吸附步驟使空調對象空間的處理對象氣體與吸附劑接觸，而使二氧化碳吸附於吸附劑上。再者，含有二氧化碳之處理對象氣體的詳細內容，與上述二氧化碳的去除方法中的處理對象氣體相同。以下，使用第1圖作為二氧化碳去除裝置的例子，來說明空調裝置。
如第1圖所示，本實施形態的空調裝置100，具備：流路10、排氣扇(排氣手段)20、濃度測定器(濃度測定部)30、電爐(溫度控制手段)40、壓縮機(壓力控制手段)50、及控制裝置(控制部)60。
流路10，連接至包含處理對象氣體(室內氣體)之空調對象空間R，該處理對象氣體含有二氧化碳。流路10，具有：流路部10a、流路部10b、去除部(流路部，二氧化碳去除部)10c、流路部10d、流路部(循環流路)10e、及流路部(排氣流路)10f；去除部10c，配置於流路10上。空調裝置100，具備作為二氧化碳去除器之去除部10c。流路10上，配置有：閥70a，其用以調整是否使處理對象氣體流入去除部10c；及，閥70b，其用以調整處理對象氣體的流動方向。
流路部10a的上游端，連接至空調對象空間R；流路部10a的下游端，隔著閥70a而連接至流路部10b的上游端。去除部10c的上游端，連接至流路部10b的下游端。去除部10c的下游端，連接至流路部10d的上游端。流路10中的比流路部10d更下游的一側，分支成流路部10e和流路部10f。流路部10d的下游端，隔著閥70b而連接至流路部10e的上游端和流路部10f的上游端。流路部10e的下游端，連接至空調對象空間R。流路部10f的下游端，連接至外氣。
去除部10c中，配置有本實施形態的吸附劑也就是吸附劑80。吸附劑80，填充於去除部10c的中央部。去除部10c中，隔著吸附劑80而形成有2個空間，因而去除部10c具有上游側的空間S1、填充有吸附劑80之中央部S2、及下游側的空間S3。空間S1，隔著流路部10a、10b及閥70a來連接至空調對象空間R，自空調對象空間R供給含有二氧化碳之處理對象氣體至去除部10c的空間S1。被供給至去除部10c後的處理對象氣體，經由中央部S2，自空間S1移動至空間S3後，自去除部10c排出。
自空調對象空間R排出的處理對象氣體，在去除部10c中被去除至少一部分的二氧化碳。去除二氧化碳後的處理對象氣體，可藉由調整閥70b而回到空調對象空間R中，亦可排出至空調裝置100外部的外氣中。例如，自空調對象空間R排出的處理對象氣體，能夠從上游至下游，經由流路部10a、流路部10b、除去部10c、流路部10d及流路部10e，而流入空調對象空間R中。又，自空調對象空間R排出的處理對象氣體，能夠從上游至下游，經由流路部10a、流路部10b、除去部10c、流路部10d及流路部10f，而排出至外氣中。
排氣風扇20，配置於空調對象空間R中的處理對象氣體的排出位置。排氣風扇20，將處理對象氣體自空調對象空間R排出，並供給至去除部10c。
濃度測定器30，能夠測定空調對象空間R的二氧化碳濃度。濃度測定器30，配置空調對象空間R內。
電爐40，配置於空調裝置100的去除部10c的外部，能夠使吸附劑80的溫度升溫。壓縮機50，連接至空調裝置100的去除部10c，能夠調整去除部10c內的壓力。
控制裝置60，能夠實行空調裝置100的運轉控制，例如，能夠根據由濃度測定器30測得的二氧化碳濃度，來控制是否使處理對象氣體流入去除部10c。具體而言，當由濃度測定器30檢測到因呼氣等而導致空調對象空間R內的二氧化碳濃度上升並達到特定濃度時，能夠由濃度測定器30向控制裝置60發送濃度資訊。接收到濃度資訊之控制裝置60，能夠打開閥70a，並且調整成可使自去除部10c排出的氣體經由流路10d和流路10e而流入空調對象空間R。而且，控制裝置60，能夠使排氣風扇20運轉，來將處理對象氣體自空調對象空間R供給至去除部10c。進一步，控制裝置60，能夠根據需要而使電爐40及/或壓縮機50運轉，來調整吸附劑80的溫度、去除部10c內的壓力等。
當被供給至去除部10c的處理對象氣體經由中央部S2而自空間S1移動至空間S3時，處理對象氣體與吸附劑80接觸，且處理對象氣體中的二氧化碳吸附於吸附劑上。藉此，自處理對象氣體去除二氧化碳。此時，去除二氧化碳後的氣體，經由流路10d和流路10e而被供給至空調對象空間R。
吸附於吸附劑80上的二氧化碳，可在不使其自吸附劑80脫附的情況下，以吸附於吸附劑80上的狀態來加以回收，亦可使其自吸附劑80脫附來進行回收。在脫附步驟中，使電爐40及/或壓縮機50運轉來調整吸附劑80的溫度、去除部10c內的壓力等，藉此能夠利用溫變吸附法、壓變吸附法等來使二氧化碳自吸附劑80脫附。此時，閥70b，例如是調整成可使自去除部10c排出的氣體(含有脫附後的二氧化碳之氣體)經由流路部10f而被排出至外氣中，且可根據需要而回收所排出的二氧化碳。
本實施形態的二氧化碳去除系統，具備複數個本實施形態的二氧化碳去除裝置。本實施形態的二氧化碳去除系統，例如是一種空調系統，其具備複數個本實施形態的空調裝置。本實施形態的二氧化碳去除系統，可具備控制部，該控制部用以控制複數個二氧化碳去除裝置的運轉(例如空調裝置的空調運轉)。例如，本實施形態的二氧化碳去除系統，能夠總括地控制複數個二氧化碳去除裝置的運轉(例如空調裝置的空調運轉)。以下，使用第2圖作為二氧化碳去除系統的例子，來說明空調系統。
如第2圖所示，本實施形態的空調系統1，具備：第1空調裝置100a、第2空調裝置100b、及控制裝置(控制部)62。控制裝置62，是藉由控制第1空調裝置100a和第2空調裝置100b中的上述控制裝置60，來控制第1空調裝置100a和第2空調裝置100b的空調運轉。例如，控制裝置62，可調整成以相同條件來實行第1空調裝置100a和第2空調裝置100b的空調運轉，亦可調整成以不同條件來實行第1空調裝置100a和第2空調裝置100b的空調運轉。控制裝置62，能夠向控制裝置60發送關於是否使處理對象氣體流入去除部10c等的資訊。
二氧化碳去除器、二氧化碳去除裝置(空調裝置等)及二氧化碳去除系統(空調系統等)，並不限定於前述實施形態，可在不超出其主旨的範圍內適當地實行變更。例如，二氧化碳去除器、二氧化碳去除裝置及二氧化碳去除系統，並不限定於用在空調，能夠用於自含有二氧化碳之氣體去除二氧化碳的所有用途。
空調裝置中的吸附劑，只要配置於去除部中即可，可以是下述態樣：在不填充於去除部的中央部的情況下，配置於一部分的內壁面上。空調裝置的控制部的控制內容，並不限定於控制是否使處理對象氣體流入；控制部，亦可調整去除部中的處理對象氣體的流入量。
在空調裝置中，可使用送風機取代排氣風扇，來將處理對象氣體供給至二氧化碳去除部，當藉由自然對流來將處理對象氣體供給至二氧化碳去除部時，可不使用排氣手段。又，溫度控制手段和壓力控制手段，並不限定於電爐和壓縮機，可使用吸附步驟和脫附步驟中的上述各種手段。溫度控制手段，並不限定於加熱手段，也可以是冷卻手段。
在空調裝置中，空調對象空間、二氧化碳去除部、排氣手段、溫度控制手段、壓力控制手段、濃度測定部、控制裝置等，各自不限定於一個，亦可配置複數個。空調裝置，可具備：調濕器，其用以調整處理對象氣體的露點和相對濕度；濕度測定器，其用以測定空調對象空間的濕度；脫硝裝置、脫硫裝置、除塵裝置等去除裝置等。 [實施例]
以下，使用實施例和比較例來進一步詳細地說明本發明的內容，但本發明並不限定於以下實施例。
＜準備吸附劑＞ (實施例1) 根據以下程序來在空氣中焙燒5g碳酸氫鈰(Ce2 (HCO3 )3 )。首先，利用電爐並以5℃/分鐘來升溫至120℃為止後，將溫度保持在120℃1小時。之後，以5℃/分鐘來將焙燒溫度升溫至250℃為止後，將溫度保持在該溫度(250℃)1小時。藉此，獲得實施例1的吸附劑。吸附劑為黃白色的粉末。
(比較例1) 使用第一稀元素化學工業股份有限公司製造的氧化鈰，來作為比較例1的吸附劑。
＜吸附劑的物性測定＞ (BET比表面積) 使用實施例1和比較例1的吸附劑，並測定BET比表面積。首先，作為前處理，一面實行抽真空一面以200℃加熱吸附劑。繼而，測定在－196℃時的氮的吸附等溫線。繼而，使用BET(Brunauer-Emmett-Teller)法來測定BET比表面積s1。將測定結果表示於表1中。
(微孔的比表面積) 使用實施例1和比較例1的吸附劑，並測定微孔的比表面積。首先，作為前處理，一面實行抽真空一面以200℃加熱吸附劑。繼而，測定在－196℃時的氮的吸附等溫線。繼而，使用BJH(Barrett-Joyner -Halenda)法來測定細孔徑為17Å以上的區域的細孔的比表面積。然後，使用下述公式來求得微孔(細孔徑小於17Å的細孔)的比表面積s2和微孔的比例。將測定結果表示於表1中。 微孔的比表面積s2＝(BET比表面積s1)－(根據BJH法求得的比表面積) 微孔的比例＝微孔的比表面積s2／BET比表面積s1
(細孔分佈) 使用實施例1和比較例1的吸附劑，並依以下程序來測定微分細孔容積，作為細孔徑為17Å以上的區域中的細孔分佈。首先，作為前處理，一面實行抽真空一面以200℃加熱吸附劑。繼而，測定在－196℃時的氮的吸附等溫線後，使用BJH法來測定微分細孔容積。
使用實施例1和比較例1的吸附劑，並依以下程序來測定微分細孔容積，作為細孔徑小於17Å的區域中的細孔分佈。首先，作為前處理，一面實行抽真空一面以200℃加熱吸附劑。繼而，測定在液態氬的溫度(－185.7℃)時的氬的吸附等溫線後，使用HK(Horvath-Kawazoe)法來測定微分細孔容積。
將根據上述方法測得的實施例1和比較例1的吸附劑的細孔分佈表示於第3圖中。第3圖(a)是表示100Å以下的區域中的細孔分佈的圖，第3圖(b)是第3圖(a)中的在細孔徑為4～10Å的範圍內的擴大圖。
＜測定二氧化碳的吸附量＞ 使用實施例1和比較例1的吸附劑，來測定二氧化碳的吸附量。
首先，使用直徑40mm的金屬模具，並利用壓製機以200kgf來使吸附劑圓粒化。繼而，將圓粒破碎後，使用篩來整粒(sizing)成粒狀(粒徑：0.5～1.0mm)。之後，使用量筒來量取1.0mL吸附劑，並固定於石英玻璃製的反應管中。
繼而，作為前處理，一面以150mL/分鐘來使氦(He)在反應管中流通，一面使用電爐來使吸附劑的溫度升溫至200℃為止後，保持在200℃1小時。藉此，去除雜質和吸附於吸附劑上的氣體。
繼而，將吸附劑的溫度冷卻至50℃為止後，一面以電爐來將吸附劑的溫度保持在50℃，一面藉由CO2 脈衝吸附試驗來測定CO2 吸附量。CO2 脈衝吸附試驗，具體而言，是根據下述方法來實行。
[CO2 脈衝吸附試驗] 作為試樣氣體，是使用10mL包含12體積%的CO2 與88體積%的He之混合氣體(相對濕度：0%)。以脈衝式每隔4分鐘導入該試樣氣體2分鐘。此時，將反應管內的總壓力調整成1大氣壓。繼而，藉由氣相層析(載氣：He)來測定反應管的出口的CO2 濃度。持續導入試樣氣體，直到在反應管的出口測得的CO2 濃度飽和為止。由在CO2 濃度飽和之前所吸附的二氧化碳量(單位：g)，求得CO2 吸附量(單位：g/L)。
將測定結果表示於表1中。由表1中的實施例1與比較例1的對比可知，在實施例1中， BET比表面積小於比較例1，但CO2 吸附量多於比較例1。
由第3圖可知，在實施例1中，相較於比較例1，細孔徑為17Å以上的細孔較少(細孔徑為17Å以上的區域的微分細孔容積較小)，但細孔徑為5Å以上且小於17Å的細孔較多(細孔徑為5Å以上且小於17Å的區域的微分細孔容積較大)。尤其，在根據Horvath-Kawazoe法測得的細孔分佈(細孔徑小於17Å的區域中的細孔分佈)中，比較例1的吸附劑，於細孔徑為7Å以下的區域不具有微分細孔容積為0.0085cm3 /g-Å以上的細孔徑，相對於此，實施例1的吸附劑，於細孔徑為7Å以下的區域具有微分細孔容積為0.0085cm3 /g-Å以上的細孔徑。亦即，由實施例1與比較例1的對比可認為，當含有鈰氧化物之吸附劑於細孔徑為7Å以下的區域具有微分細孔容積為0.0085cm3 /g-Å以上的細孔徑時，能夠獲得具有優異CO2 吸附性的功效。
[表1]
1‧‧‧空調系統
10‧‧‧流路
10a、10b、10d、10e、10f‧‧‧流路部
10c‧‧‧去除部(二氧化碳去除器)
20‧‧‧排氣風扇
30‧‧‧濃度測定器(濃度測定部)
40‧‧‧電爐
50‧‧‧壓縮機
60、62‧‧‧控制裝置(控制部)
70a、70b‧‧‧閥
80‧‧‧吸附劑
100、100a、100b‧‧‧空調裝置
R‧‧‧空調對象空間
S1、S3‧‧‧空間
S2‧‧‧中央部
第1圖是表示本發明的一實施形態的空調裝置的概略圖。 第2圖是表示本發明的一實施形態的空調系統的概略圖。 第3圖是表示實施例和比較例的吸附劑的細孔分佈的圖。
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Claims (10)

  1. 一種吸附劑，其用於自含有二氧化碳之處理對象氣體去除二氧化碳，其中， 該吸附劑含有鈰氧化物， 並且，在根據Horvath-Kawazoe法測得的細孔分佈中，於細孔徑為7Å以下的區域內具有微分細孔容積為0.0085cm3 /g-Å以上的細孔徑。
  2. 如請求項1所述之吸附劑，其中，在前述細孔分佈中，於細孔徑為6Å以上且7Å以下的區域內具有微分細孔容積為0.0085cm3 /g-Å以上的細孔徑。
  3. 如請求項1或2所述之吸附劑，其中，前述鈰氧化物的含量，以吸附劑的總質量作為基準計，為90質量%以上。
  4. 一種二氧化碳的去除方法，其具備使二氧化碳吸附於吸附劑上的步驟，該步驟中使請求項1～3中任一項所述之吸附劑與含有二氧化碳之處理對象氣體接觸，而使二氧化碳吸附於前述吸附劑上。
  5. 如請求項4所述之二氧化碳的去除方法，其中，前述處理對象氣體的二氧化碳濃度為5000ppm以下。
  6. 如請求項4所述之二氧化碳的去除方法，其中，前述處理對象氣體的二氧化碳濃度為1000ppm以下。
  7. 一種二氧化碳去除器，其具備請求項1～3中任一項所述之吸附劑。
  8. 一種空調裝置，其用於包含處理對象氣體之空調對象空間，該處理對象氣體含有二氧化碳，其中，該空調裝置具備流路，該流路連接至前述空調對象空間； 前述流路上配置有去除部，該去除部用以去除前述處理對象氣體中包含的二氧化碳； 前述去除部中配置有請求項1～3中任一項所述之吸附劑； 並且，前述吸附劑與前述處理對象氣體接觸，而使前述二氧化碳吸附於前述吸附劑上。
  9. 如請求項8所述之空調裝置，其中，前述處理對象氣體的二氧化碳濃度為5000ppm以下。
  10. 如請求項8所述之空調裝置，其中，前述處理對象氣體的二氧化碳濃度為1000ppm以下。
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