WO2022172488A1 - 空気調和用の二酸化炭素吸着材、吸着デバイス、及び空気調和装置 - Google Patents
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- the amine group may be located at the end of a branched chain in the chemical structure. As a result, it is possible to prevent the amine group from becoming difficult to adsorb carbon dioxide molecules due to steric hindrance caused by the chemical structure of the polymer compound. Therefore, carbon dioxide can be adsorbed on the carbon dioxide adsorbent more efficiently.
- the chemical structure may contain an aromatic ring directly or indirectly bonded to the amine group. This makes it easier to arrange the aromatic ring in the vicinity of the amine group. Therefore, the hydrophobicity of the aromatic ring can suppress adsorption of water molecules contained in the air to the hydrophilic amine group. Therefore, the carbon dioxide adsorption selectivity of the carbon dioxide adsorbent can be improved. In addition, since the reaction between the amine group and the water molecule can be suppressed, the heating temperature for heating the carbon dioxide adsorbent can be lowered when the carbon dioxide adsorbent is regenerated.
- the amine-supported amount may be a value in the range of 2.0 mmol/g or more.
- Functional group 7b in this embodiment includes a CH 2 —NH 2 group as an example.
- the functional group 7b is bonded as a side chain to the main chain of the base material 7a.
- the base material 7a includes a resin skeleton composed of one or more resins.
- the base material 7a of the present embodiment includes at least a polystyrene (PS) resin skeleton as the resin skeleton.
- PS polystyrene
- the carbon dioxide adsorbent 5 is a powder having an average particle size in the range of 300 ⁇ m or more and 1.3 mm or less. Thereby, the specific surface area of the carbon dioxide adsorbent 5 can be further increased. Therefore, the carbon dioxide adsorbent 5 can be easily brought into contact with carbon dioxide. As a result, the carbon dioxide adsorption performance of the carbon dioxide adsorbent 5 can be favorably improved.
- the average particle size of the carbon dioxide adsorbent 5 can be set to a relatively large value, for example, when the adsorption device 4 is configured by holding the powdery carbon dioxide adsorbent 5 in a holder, ventilation of the holder It is possible to reduce the falling of the carbon dioxide adsorbent 5 through the part. Therefore, the handleability of the carbon dioxide adsorbent 5 can be improved.
- the present disclosure is not limited to the above embodiments, and the configuration can be changed, added, or deleted without departing from the scope of the present disclosure.
- Applications of carbon dioxide adsorbents for air conditioning and air conditioners are not limited to indoor applications, and may be other applications such as factory exhaust gas treatment applications, agricultural facility applications, vehicle-mounted applications, and the like.
- the adsorbent is a powder, the particles of the adsorbent need not be uniform in shape and size.
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Abstract
空気調和用の二酸化炭素吸着材は、少なくとも１級アミン基であるアミン基を含む官能基が結合した化学構造を有し、繰り返し二酸化炭素を吸着し且つ加熱されることにより放出する高分子化合物を含む。多孔質状に形成され、二酸化炭素放出量のピーク温度が、１００℃以下の範囲の値である。
Description
本開示は、空気調和用の二酸化炭素吸着材、吸着デバイス、及び空気調和装置に関する。
二酸化炭素を吸着又は放出する二酸化炭素吸着材が知られている。特許文献１に開示されるように、二酸化炭素吸着材は、例えば空気調和装置に備えられ、空気中の二酸化炭素濃度を制御する目的で用いられる。この空気調和装置では、室内の空気を取り込み、二酸化炭素吸着材により二酸化炭素を除去して空気を清浄化する。二酸化炭素吸着材は、所定のタイミングで二酸化炭素を放出させて再生される。
特許文献１に開示される二酸化炭素吸着材は、再生するために加熱が必要である。この加熱の際、二酸化炭素吸着材が収縮等の変質（以下、単に変質とも称する。）を生じると、吸着性能が低下するおそれがある。また二酸化炭素吸着材には、二酸化炭素吸着量の更なる増大が望まれている。
そこで本開示は、繰り返し二酸化炭素を吸着及び放出する空気調和用の二酸化炭素吸着材において、二酸化炭素吸着量を増大させると共に、二酸化炭素吸着材を加熱により再生する際に二酸化炭素吸着材が変質するのを防止することを目的とする。
本願発明者らの検討結果により、少なくとも１級アミン基であるアミン基を含む官能基が結合した化学構造を有する高分子化合物により多孔質状の二酸化炭素吸着材を構成した場合、気体に含まれる二酸化炭素を豊富に吸着できると共に、比較的低温で当該高分子化合物が吸着した二酸化炭素を放出できることが確認された。本開示は、このような知見に基づくものである。
即ち、上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る空気調和用の二酸化炭素吸着材は、少なくとも１級アミン基であるアミン基を含む官能基が結合した化学構造を有し、繰り返し二酸化炭素を吸着し且つ加熱されることにより放出する高分子化合物を含み、多孔質状に形成され、二酸化炭素放出量のピーク温度が、１００℃以下の範囲の値である。
上記構成を有する二酸化炭素吸着材によれば、少なくとも１級アミン基であるアミン基を含む官能基が結合した化学構造を有する高分子化合物により、二酸化炭素を豊富に吸着できる。また、二酸化炭素吸着材が多孔質状に形成されているため、二酸化炭素吸着材の二酸化炭素に対する接触面積を増大させることができる。これにより、二酸化炭素吸着材は、豊富な二酸化炭素を吸着できる。また、この高分子化合物は、二酸化炭素放出量のピーク温度が、１００℃以下の範囲の値であるため、比較的低温で二酸化炭素を放出できる。このため、二酸化炭素吸着材を再生する際、二酸化炭素吸着材が加熱されることにより変質して、吸着性能が低下するのを防止できる。
前記官能基は、前記アミン基が前記化学構造における分枝鎖の末端に位置していてもよい。これにより、高分子化合物の化学構造に起因する立体障害により、アミン基が二酸化炭素分子を吸着しにくくなるのを抑制できる。よって、二酸化炭素吸着材に二酸化炭素を更に効率よく吸着させることができる。
前記化学構造は、前記アミン基に直接又は間接的に結合した芳香環を含んでいてもよい。これにより、アミン基の近傍に芳香環を配置し易くできる。このため、芳香環の疎水性によって、親水性のアミン基に空気に含まれる水分子が吸着されるのを抑制できる。従って、二酸化炭素吸着材の二酸化炭素吸着選択性を向上できる。また、アミン基と水分子の反応を抑制できるため、二酸化炭素吸着材の再生時に二酸化炭素吸着材を加熱する加熱温度を低温にできる。
前記化学構造が前記芳香環を含む場合、前記官能基の分子量が、７０以上２００以下の範囲の値であってもよい。これにより、芳香環による疎水性をアミン基に対して発揮し易くできる。また、二酸化炭素吸着材中におけるアミン基の密度を適度に保持できる。
前記高分子化合物は、少なくともポリスチレン系樹脂の骨格を含んでいてもよい。前記高分子化合物がポリスチレン系樹脂の骨格を含むことにより、二酸化炭素吸着材の吸着性能を更に向上できる。また、ポリスチレンは比較的融点が高いため、高分子化合物がポリスチレン系樹脂の骨格を含むことで、二酸化炭素吸着材が空気調和装置で用いられる温度範囲において、二酸化炭素吸着材を固体の状態で使用できる。これにより、例えば二酸化炭素吸着材が液体等である場合に比べて、二酸化炭素吸着材の取扱性を向上できる。また、例えば二酸化炭素吸着材が使用中に揮発するのを抑制できる。また、二酸化炭素吸着材の表面形状を変化させ、二酸化炭素吸着材の二酸化炭素に対する接触面積を増大し易くできる。
アミン担持量が２．０ｍｍｏｌ／ｇ以上の範囲の値であってもよい。これにより、二酸化炭素吸着材中に豊富なアミン基を存在させることができる。よって、二酸化炭素吸着材の二酸化炭素の吸着性能を一層向上できる。
平均粒径が３００μｍ以上１．３ｍｍ以下の範囲の値である粉体であってもよい。これにより、二酸化炭素吸着材の比表面積を更に増大できる。よって、二酸化炭素吸着材を二酸化炭素に接触し易くできる。結果として、二酸化炭素吸着材の二酸化炭素の吸着性能を良好に向上できる。また、二酸化炭素吸着材の平均粒径を比較的大きい値に設定できるので、例えば、粉体状の二酸化炭素吸着材をホルダで保持して吸着デバイスを構成する場合に、ホルダの通気部分を通って二酸化炭素吸着材が脱落するのを低減できる。よって、二酸化炭素吸着材の取扱性を向上できる。
１０％変形時応力が、５×１０６Ｐａ以上１４×１０６Ｐａ以下の範囲の値であってもよい。これにより、二酸化炭素吸着材に適度な強度を付与できる。よって、例えば二酸化炭素吸着材を用いて吸着デバイスを構成する際に、二酸化炭素吸着材の割れや欠け等による脱落を防止できる。また、当該変形時応力を上記範囲の値に設定することで、適度な密度を有するように二酸化炭素吸着材を構成できる。その結果、二酸化炭素吸着材の多孔性を良好に維持できる。
本開示の一態様における吸着デバイスは、上記したいずれかの二酸化炭素吸着材を備える。また、本開示の一態様における空気調和装置は、上記吸着デバイスと、前記吸着デバイスを通過する気流を発生させる送風機構と、前記吸着デバイス内の前記二酸化炭素吸着材に二酸化炭素を放出させて前記二酸化炭素吸着材を再生させる再生機構と、を備える。
以下、図面を参照して各実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る空気調和装置１の室内機１０の斜視図である。図１に示される空気調和装置１は、室内の空気中の二酸化炭素濃度を制御する。即ち、空気調和装置１は、室内の空気中の二酸化炭素濃度を増減させる。空気調和装置１は、一例として、室内機１０と、不図示の室外機とを備える。空気調和装置１では、冷媒が室内機１０と室外機との間を循環する。室内機１０は、冷媒と室内の空気とを熱交換する熱交換器２と、室内の空気を取り込んで熱交換器２により熱交換した後に排出する送風機構３とを備える。
図１は、第１実施形態に係る空気調和装置１の室内機１０の斜視図である。図１に示される空気調和装置１は、室内の空気中の二酸化炭素濃度を制御する。即ち、空気調和装置１は、室内の空気中の二酸化炭素濃度を増減させる。空気調和装置１は、一例として、室内機１０と、不図示の室外機とを備える。空気調和装置１では、冷媒が室内機１０と室外機との間を循環する。室内機１０は、冷媒と室内の空気とを熱交換する熱交換器２と、室内の空気を取り込んで熱交換器２により熱交換した後に排出する送風機構３とを備える。
また室内機１０は、空気調和用の二酸化炭素吸着材５を備える吸着デバイス４と、吸着デバイス４内の二酸化炭素吸着材５に二酸化炭素を放出させて二酸化炭素吸着材５を再生させる再生機構６とを備える。室内機１０は、後述するように、二酸化炭素吸着材５により、室内の空気中から二酸化炭素を吸着して除去する。また室内機１０は、再生機構６により、二酸化炭素吸着材５に吸着した二酸化炭素を放出させることで、二酸化炭素吸着材５を再生する。これにより空気調和装置１は、二酸化炭素吸着材５を繰り返し使用しながら再生させる。
再生機構６は、二酸化炭素吸着材５を加熱することで二酸化炭素吸着材５に吸着した二酸化炭素を放出させる。本実施形態の空気調和装置１では、一例として熱交換器２と送風機構３とが再生機構６を兼ねる。このため空気調和装置１は、二酸化炭素吸着材５を再生するために別途の再生機構を備える必要がない。二酸化炭素吸着材５を再生する際、熱交換器２は、冷媒と空気との間で熱交換して空気を加熱する。送風機構３は、加熱された空気を吸着デバイス４に送風する。
一例として、吸着デバイス４は、室内機１０内に設けられた空気流通路の途中に配置される。送風機構３は、空気流通路を流通する空気により、吸着デバイス４を通過する気流を発生させる。吸着デバイス４は、二酸化炭素吸着材５を担持する。吸着デバイス４は、二酸化炭素吸着材５を空気と接触可能に保持するホルダを有する。吸着デバイス４は、空気中の二酸化炭素を除去するフィルターである。
二酸化炭素吸着材５は、繰り返し二酸化炭素を吸着し且つ加熱されることにより放出する高分子化合物７（図２参照）を含む。二酸化炭素吸着材５は、多孔質状に形成されている。二酸化炭素吸着材５は、化学吸着により二酸化炭素を吸着する。二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素吸着量は、一例として０．０６ｍｏｌ／ｋｇ以上３．９１ｍｏｌ／ｋｇ以下の範囲の値である。また別の例では、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素吸着量は、２．０ｍｏｌ／ｋｇ以上３．９１ｍｏｌ／ｋｇ以下の範囲の値である。また別の例では、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素吸着量は、２．７９ｍｏｌ／ｋｇ以上３．９１ｍｏｌ／ｋｇ以下の範囲の値である。
二酸化炭素吸着材５は、低温域から高温域まで加熱温度を徐々に高めた際に二酸化炭素放出量が最大値となるピーク温度を有する。二酸化炭素吸着材５は、二酸化炭素放出量のピーク温度が、１００℃以下の範囲の値である。ここで図２は、図１の二酸化炭素吸着材５の第１実施例についての発生ガス分析法（ＥＧＡ）による二酸化炭素放出量の測定データを示す図である。図３は、図１の二酸化炭素吸着材５の第２実施例についてのＥＧＡによる二酸化炭素放出量の測定データを示す図である。図２及び３の縦軸は、基準値に対する相対値のスケールで示している。図２及び３に例示するように、２０℃以上１００℃以下の範囲における二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素放出量を示す曲線は、例えば緩やかな放物線状の曲線であり、単一のピークを有する。二酸化炭素吸着材５は、２０℃での二酸化炭素放出量が、１００℃での二酸化炭素放出量よりも大きい。このピーク温度は、例えば図２及び３に示すように、ＥＧＡにより確認できる。二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素放出量が最大値となるピーク温度は、例えば、後述する二酸化炭素吸着材５の細孔容積や比表面積を変化させることで調整可能である。二酸化炭素吸着材５は、比較的低温（一例として、４０℃以上１００℃以下の範囲の温度）で加熱されることで、吸着した二酸化炭素を放出する。このように二酸化炭素吸着材５は、低温で再生できるため、再生に必要なエネルギーを低減できる。また、加熱により二酸化炭素吸着材５の吸着性能が低下するのを防止できる。また、二酸化炭素吸着材５を加熱する加熱温度により室内機１０が影響を受けるのを抑制できる。
一例として、二酸化炭素吸着材５は、複数の球状粒子を含む粉体である。本実施形態の二酸化炭素吸着材５は、平均粒径が３００μｍ以上１．３ｍｍ以下の範囲の値である粉体である。例えば、二酸化炭素吸着材５は、平均粒径が大きいほど取扱性が向上する。また例えば、平均粒径が小さいほど二酸化炭素吸着材５の比表面積が向上する。ここで平均粒径は、コールターカウンター法、レーザ回折法、画像解析法等により測定できる。例えば、コールターカウンター法によれば、平均粒径は、５０％体積平均粒径として算出される。
また二酸化炭素吸着材５は、細孔容積が０．２ｍｌ／ｇ以上の範囲の値である。これにより、細孔容積をある程度大きく確保し、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素吸着量を２ｍｏｌ／ｋｇ以上の豊富な量に設定し易くできる。また、この細孔容積の上限値は、例えば２ｍｌ／ｇである。また二酸化炭素吸着材５の細孔径は、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲の値である。また二酸化炭素吸着材５の嵩密度は、０．３ｇ／ｃｍ３以上０．９ｇ／ｃｍ３以下の範囲の値である。また二酸化炭素吸着材５の比表面積は、６ｍ２／ｇ以上１００ｍ２／ｇ以下の範囲の値である。
また本実施形態の二酸化炭素吸着材５は、１０％変形時応力が、５×１０６Ｐａ以上１４×１０６Ｐａ以下の範囲の値である。ここで言う１０％変形時応力とは、粒子径の１０％の圧縮変位に対する変形強度を指す。二酸化炭素吸着材５の１０％変形時応力は、例えば以下の方法で測定できる。測定に際し、湿度２０％以下に保たれたデシケータ内で常温乾燥させて乾燥状態とし、このデシケータから取り出して５日以内の二酸化炭素吸着材５の粒子を測定対象とする。微小粒圧壊力測定装置（（株）ナノシーズ製「ＮＡ－Ａ１００型」）、を用い、二酸化炭素吸着材５の粒子をステージ上に散布し、圧壊針で粒子を押し潰して粒子の圧縮変位と試験力とを計測する。このとき、ＪＩＳ Ｚ ８８４４：２０１９に準拠する方法に基づき、二酸化炭素吸着材５の粒子の粒径が１０％変化したときの試験力を測定する。その後、この測定値を用いて、以下の式１に基づいて１０％変形時応力を求める。
［式１］
１０％変形時応力（Ｐａ）＝粒子の粒径が１０％変化したときの試験力（Ｎ）／圧縮前に計測した粒子の粒子径によって求めた相当円の面積（ｍ２）
二酸化炭素吸着材５は、１０％変形時応力が、５×１０６Ｐａ以上１４×１０６Ｐａ以下の範囲の値であることにより、粉体状に構成される際に吸着デバイス４から粉落ちしにくく、且つ、多孔性が低下しにくい密度となるように構成される。
１０％変形時応力（Ｐａ）＝粒子の粒径が１０％変化したときの試験力（Ｎ）／圧縮前に計測した粒子の粒子径によって求めた相当円の面積（ｍ２）
二酸化炭素吸着材５は、１０％変形時応力が、５×１０６Ｐａ以上１４×１０６Ｐａ以下の範囲の値であることにより、粉体状に構成される際に吸着デバイス４から粉落ちしにくく、且つ、多孔性が低下しにくい密度となるように構成される。
ここで言う乾燥状態とは、上記したように、湿度２０％以下に保たれたデシケータ内で常温乾燥させ、このデシケータから取り出して５日以内の状態を指す。言い換えると乾燥状態とは、デシケータ内で常温且つ湿度２０％の雰囲気下で乾燥させた二酸化炭素吸着材５の状態を指す。また常温とは、ＪＩＳ Ｚ ８７０３：１９８３に規定される５℃以上３５℃以下の範囲の温度を指す。
図４は、図１の二酸化炭素吸着材５が含む高分子化合物７を示す図である。図４では、高分子化合物７の構造を部分的な化学構造を含めて模式的に図示している。図４に示すように、二酸化炭素吸着材５は、少なくとも１級アミン基であるアミン基を含む官能基７ｂが結合した化学構造を有する高分子化合物７を含む。具体的にこの高分子化合物７は、分子骨格をなす基材７ａと、基材７ａに化学結合してアミン基を含む官能基７ｂとを有する。アミン基は、例えば、１級アミン基であることが望ましいが、２級アミン基であってもよい。本実施形態の官能基７ｂは、一例としてＣＨ２－ＮＨ２基を含む。本実施形態では、基材７ａの主鎖に対し、官能基７ｂが側鎖として結合している。基材７ａは、１種以上の樹脂により構成される樹脂骨格を含む。本実施形態の基材７ａは、この樹脂骨格として、少なくともポリスチレン（ＰＳ）系樹脂の骨格を含む。上記の通り、二酸化炭素吸着材５は多孔質状に形成されているため、その細孔内にも官能基７ｂが存在している。これにより、二酸化炭素吸着材５は、細孔内でも二酸化炭素を吸着する。
本実施形態の官能基７ｂは、アミン基が、高分子化合物７の化学構造における分枝鎖の末端に位置している。また高分子化合物７の化学構造は、アミン基に直接又は間接的に結合した芳香環（一例としてベンゼン環）を含む。二酸化炭素吸着材５では、芳香環の疎水性により、アミン基に水分子が近づきにくくなるように図られている。例えば、芳香環とアミン基との距離は、近い方が望ましい。上記した分枝鎖は、高分子化合物７の化学構造が有する主鎖（例えば基材７ａの主鎖）又は側鎖のいずれに由来するものでもよい。図４に示す本実施形態の高分子化合物７は、言い換えると基材７ａにベンジルアミン（ＢＺＡ）が結合した固体高分子である。この高分子化合物７を用いた二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素吸着量は、２．７９ｍｏｌ／ｋｇ以上３．９１ｍｏｌ／ｋｇ以下の範囲の値である。
高分子化合物７は、分子骨格をなす基材７ａに、アミン基よりも高い疎水性を有する疎水性基（一例として芳香環）を介してアミン基が結合された構造を有する。よって二酸化炭素吸着材５は、この疎水基の作用により、比較的低温にて再生できる。また二酸化炭素吸着材５は、空気調和装置１の駆動温度範囲内において固体に保たれる。従って、二酸化炭素吸着材５が再生時に加熱されても、アミン基の分解や揮発が防止される。また、空気調和装置１の駆動温度範囲内において二酸化炭素吸着材５が固体に保たれるため、例えば高分子化合物７を結合して保持するためのバインダが不要である。これにより、二酸化炭素吸着材５の細孔がバインダにより閉塞して二酸化炭素吸着材５の吸着性能が低下するのを回避できる。
本実施形態の二酸化炭素吸着材５は、アミン担持量が、２．０ｍｍｏｌ／ｇ以上の範囲の値である。また別の例では、二酸化炭素吸着材５は、アミン担持量が、２．５ｍｍｏｌ／ｇ以上の範囲の値である。これにより、二酸化炭素吸着材５は、二酸化炭素吸着量の向上が図られている。二酸化炭素吸着材５のアミン担持量は、例えば、滴定等の定量分析法や、ＣＨＮ元素分析法により測定可能である。
具体的にＣＨＮ元素分析法では、測定対象を酸素で燃焼させ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、及びＮＯｘを発生させる。また、ＮＯｘをＮ２に還元する。そして、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、Ｎ２の各ガスをカラムにより分離して検出器（ＴＣＤ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ））に導入する。これにより、測定対象の炭素、水素、及び窒素の含有量を測定し、アミン担持量を算出する。ここでＣＨＮ元素分析法では、アミン基がＮＨ２基である場合、以下の式２及び式３に基づいてアミン担持量が算出される。
［式２］
測定対象の１級アミン含有量（質量％）＝測定対象の窒素含有量（質量％）×１６（ＮＨ２分子量）／｛１４（窒素原子量）×官能基中の窒素原子数｝
［式３］
アミン担持量（ｍｍｏｌ／ｇ）＝測定対象の１級アミン含有量（質量％）／｛１６（ＮＨ２分子量）×１００｝×１０００
二酸化炭素吸着材５は、広い面積で気体と接触するように吸着デバイス４により保持されることが望ましい。このため吸着デバイス４には、二酸化炭素吸着材５に気体（空気）を連続的に接触させるように気体を流通させる流路が形成されていてもよい。
測定対象の１級アミン含有量（質量％）＝測定対象の窒素含有量（質量％）×１６（ＮＨ２分子量）／｛１４（窒素原子量）×官能基中の窒素原子数｝
［式３］
アミン担持量（ｍｍｏｌ／ｇ）＝測定対象の１級アミン含有量（質量％）／｛１６（ＮＨ２分子量）×１００｝×１０００
二酸化炭素吸着材５は、広い面積で気体と接触するように吸着デバイス４により保持されることが望ましい。このため吸着デバイス４には、二酸化炭素吸着材５に気体（空気）を連続的に接触させるように気体を流通させる流路が形成されていてもよい。
空気調和装置１は、一例として、室内の空気中の二酸化炭素濃度を低減する第１モードと、室内の空気中の二酸化炭素濃度を増大させる第２モードのいずれかで駆動される。第１モードでの駆動時には、室内機１０において、室内の空気が送風機構３により二酸化炭素吸着材５に向けて送風される。これにより、二酸化炭素吸着材５は、空気に含まれる二酸化炭素を吸着する。二酸化炭素吸着材５が室内の二酸化炭素を吸着することで、室内の二酸化炭素濃度は、例えば１０００ｐｐｍ以下に減少する。また第２モードでの駆動時には、二酸化炭素吸着材５が再生機構６により再生させられ、二酸化炭素を放出する。これにより、室内の二酸化炭素濃度が上昇する。
以上に説明したように、繰り返し二酸化炭素を吸着及び放出する空気調和用の二酸化炭素吸着材において、二酸化炭素吸着量を増大できると共に、二酸化炭素吸着材を加熱により再生する際に二酸化炭素吸着材が変質するのを防止できる。上記構成を有する空気調和用の二酸化炭素吸着材５によれば、少なくとも１級アミン基であるアミン基を含む官能基７ｂが結合した化学構造を有する高分子化合物７により、二酸化炭素を豊富に吸着できる。また、二酸化炭素吸着材５が多孔質状に形成されているため、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素に対する接触面積を増大させることができる。これにより、二酸化炭素吸着材５は、豊富な二酸化炭素を吸着できる。また、この高分子化合物７は、二酸化炭素放出量のピーク温度が、１００℃以下の範囲の値であるため、比較的低温で二酸化炭素を放出できる。このため、二酸化炭素吸着材５を再生する際、二酸化炭素吸着材５が加熱されることにより変質して、吸着性能が低下するのを防止できる。
また高分子化合物７の官能基７ｂは、アミン基が高分子化合物７の化学構造における分枝鎖の末端に位置している。これにより、高分子化合物７の化学構造に起因する立体障害により、アミン基が二酸化炭素分子を吸着しにくくなるのを抑制できる。よって、二酸化炭素吸着材５に二酸化炭素を更に効率よく吸着させることができる。
また高分子化合物７の化学構造は、アミン基に直接又は間接的に結合した芳香環を含む。これにより、アミン基の近傍に芳香環を配置し易くできる。このため、芳香環の疎水性によって、親水性のアミン基に空気に含まれる水分子が吸着されるのを抑制できる。従って、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素吸着選択性を向上できる。また、アミン基と水分子の反応を抑制できるため、二酸化炭素吸着材５の再生時に二酸化炭素吸着材５を加熱する加熱温度を低温にできる。
また高分子化合物７は、官能基７ｂの分子量が、７０以上２００以下の範囲の値である。これにより、芳香環による疎水性をアミン基に対して発揮し易くできる。また、二酸化炭素吸着材５中におけるアミン基の密度を適度に保持できる。また、官能基７ｂの分子量の下限値を７０以上とすることで、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素吸着量を２ｍｏｌ／ｋｇ以上の豊富な量に設定し易くできる。
また高分子化合物７は、少なくともポリスチレン系樹脂の骨格を含んでいる。これにより、二酸化炭素吸着材５の吸着性能を更に向上できる。また、ポリスチレンは比較的融点が高いため、高分子化合物７がポリスチレン系樹脂の骨格を含むことで、二酸化炭素吸着材５が空気調和装置１で用いられる温度範囲において、二酸化炭素吸着材５を固体の状態で使用できる。これにより、例えば二酸化炭素吸着材５が液体等である場合に比べて、二酸化炭素吸着材５の取扱性を向上できる。また、例えば二酸化炭素吸着材５が使用中に揮発するのを抑制できる。また、二酸化炭素吸着材５の表面形状を変化させ、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素に対する接触面積を増大し易くできる。
また本実施形態の二酸化炭素吸着材５は、アミン担持量が２．０ｍｍｏｌ／ｇ以上の範囲の値である。これにより、二酸化炭素吸着材５中に豊富なアミン基を存在させることができる。よって、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素の吸着性能を一層向上できる。
また一例として、二酸化炭素吸着材５は、平均粒径が３００μｍ以上１．３ｍｍ以下の範囲の値である粉体である。これにより、二酸化炭素吸着材５の比表面積を更に増大できる。よって、二酸化炭素吸着材５を二酸化炭素に接触し易くできる。結果として、二酸化炭素吸着材５の二酸化炭素の吸着性能を良好に向上できる。また、二酸化炭素吸着材５の平均粒径を比較的大きい値に設定できるので、例えば、粉体状の二酸化炭素吸着材５をホルダで保持して吸着デバイス４を構成する場合に、ホルダの通気部分を通って二酸化炭素吸着材５が脱落するのを低減できる。よって、二酸化炭素吸着材５の取扱性を向上できる。
また二酸化炭素吸着材５は、一例として、１０％変形時応力が、５×１０６Ｐａ以上１４×１０６Ｐａ以下の範囲の値である。これにより、二酸化炭素吸着材５に適度な強度を付与できる。よって、例えば二酸化炭素吸着材５を用いて吸着デバイス４を構成する際に、二酸化炭素吸着材５の割れや欠け等による脱落を防止できる。また、当該変形時応力を上記範囲の値に設定することで、適度な密度を有するように二酸化炭素吸着材５を構成できる。その結果、二酸化炭素吸着材５の多孔性を良好に維持できる。
なお、空気調和装置１により室内の二酸化炭素濃度を低濃度で維持し続ける場合には、二酸化炭素吸着材５の再生時に発生する二酸化炭素は、室外に排出されてもよい。以下、二酸化炭素吸着材５が含む高分子化合物に係る他の実施形態を例示する。
（その他の実施形態）
図５は、第２実施形態に係る高分子化合物１７を示す図である。図５に示される高分子化合物１７は、分子骨格をなす基材１７ａと、官能基１７ｂを含む直鎖状の側鎖とを有する。基材１７ａは、樹脂骨格として、少なくともポリスチレン（ＰＳ）系樹脂の骨格を含む。高分子化合物１７は、少なくとも１級アミン基であるアミン基が、高分子化合物１７の化学構造における分枝鎖の末端に位置している。従って、高分子化合物１７は、高分子化合物７と同様に、化学構造の立体障害により、二酸化炭素分子がアミン基に近づきにくくなるのが抑制され、二酸化炭素の吸着性能を発揮し易くできる。
図５は、第２実施形態に係る高分子化合物１７を示す図である。図５に示される高分子化合物１７は、分子骨格をなす基材１７ａと、官能基１７ｂを含む直鎖状の側鎖とを有する。基材１７ａは、樹脂骨格として、少なくともポリスチレン（ＰＳ）系樹脂の骨格を含む。高分子化合物１７は、少なくとも１級アミン基であるアミン基が、高分子化合物１７の化学構造における分枝鎖の末端に位置している。従って、高分子化合物１７は、高分子化合物７と同様に、化学構造の立体障害により、二酸化炭素分子がアミン基に近づきにくくなるのが抑制され、二酸化炭素の吸着性能を発揮し易くできる。
図６は、第３実施形態に係る高分子化合物２７を示す図である。図７は、第４実施形態に係る高分子化合物３７を示す図である。図８は、第５実施形態に係る高分子化合物４７を示す図である。高分子化合物２７、３７、４７は、それぞれの官能基２７ｂ、３７ｂ、４７ｂが、３級アミン基であるアミン基を含む。
図９は、第６実施形態に係る高分子化合物５７を示す図である。図１０は、第７実施形態に係る高分子化合物６７を示す図である。高分子化合物５７、６７は、それぞれの官能基５７ｂ、６７ｂが、１級アミン基であるアミン基を含むが、高分子化合物５７、６７の化学構造は、芳香環を含まない。高分子化合物５７、６７は、それぞれのアミン基が、高分子化合物５７、６７の化学構造における分枝鎖の末端に位置している。
図１１は、第８実施形態に係る高分子化合物７７を示す図である。高分子化合物７７は、一部に図９に示す化学構造を含む。高分子化合物７７の官能基７７ｂは、１級アミン基であるアミン基を含むが、アミン基は高分子化合物７７の化学構造における分枝鎖の途中に位置している。この分枝鎖は、直鎖状でもよいし、更に別の分枝鎖に分岐していてもよい。
図１２は、第９実施形態に係る高分子化合物８７を示す図である。図１３は、第１０実施形態に係る高分子化合物９７を示す図である。高分子化合物８７、９７は、ポリウレタン（ＰＵ）系樹脂を含む樹脂骨格を有する。高分子化合物８７の官能基８７ｂは、１級アミン基であるアミン基を含む。高分子化合物９７の官能基９７ｂは、２級アミン基であるアミン基を含む。高分子化合物９７のように、官能基９７ｂは、アミン基の窒素原子を含む複素環構造を有していてもよい。
本開示は、上記各実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、その構成を変更、追加、又は削除できる。空気調和用の二酸化炭素吸着材、及び、空気調和装置の各用途は、室内用途に限定されず、例えば、工場の排ガス処理用途、農業施設用途、車載用途等、他の用途でもよい。吸着材が粉体である場合、吸着材の粒子は、形状やサイズが同一でなくてもよい。
１ 空気調和装置
３ 送風機構
４ 吸着デバイス
５ 二酸化炭素吸着材
６ 再生機構
７、１７、２７、３７、４７、５７、６７、７７、８７、９７ 高分子化合物
７ｂ、１７ｂ、２７ｂ、３７ｂ、４７ｂ、５７ｂ、６７ｂ、７７ｂ、８７ｂ、９７ｂ 官能基
３ 送風機構
４ 吸着デバイス
５ 二酸化炭素吸着材
６ 再生機構
７、１７、２７、３７、４７、５７、６７、７７、８７、９７ 高分子化合物
７ｂ、１７ｂ、２７ｂ、３７ｂ、４７ｂ、５７ｂ、６７ｂ、７７ｂ、８７ｂ、９７ｂ 官能基
Claims (10)
- 少なくとも１級アミン基であるアミン基を含む官能基が結合した化学構造を有し、繰り返し二酸化炭素を吸着し且つ加熱されることにより放出する高分子化合物を含み、
多孔質状に形成され、二酸化炭素放出量のピーク温度が、１００℃以下の範囲の値である、空気調和用の二酸化炭素吸着材。 - 前記官能基は、前記アミン基が前記化学構造における分枝鎖の末端に位置している、請求項１に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材。
- 前記化学構造は、前記アミン基に直接又は間接的に結合した芳香環を含む、請求項１又は２に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材。
- 前記官能基の分子量が、７０以上２００以下の範囲の値である、請求項１～３のいずれか１項に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材。
- 前記高分子化合物は、少なくともポリスチレン系樹脂の骨格を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材。
- アミン担持量が２．０ｍｍｏｌ／ｇ以上の範囲の値である、請求項１～５のいずれか１項に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材。
- 平均粒径が３００μｍ以上１．３ｍｍ以下の範囲の値である粉体である、請求項１～６のいずれか１項に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材。
- １０％変形時応力が、５×１０６Ｐａ以上１４×１０６Ｐａ以下の範囲の値である、請求項１～７のいずれか１項に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材。
- 請求項１～８のいずれか１項に記載の空気調和用の二酸化炭素吸着材を備える、吸着デバイス。
- 請求項９に記載の吸着デバイスと、
前記吸着デバイスを通過する気流を発生させる送風機構と、
前記吸着デバイス内の前記二酸化炭素吸着材に二酸化炭素を放出させて前記二酸化炭素吸着材を再生させる再生機構と、を備える、空気調和装置。
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