WO2023238467A1

WO2023238467A1 - 吸着材料および吸着装置

Info

Publication number: WO2023238467A1
Application number: PCT/JP2023/009237
Authority: WO
Inventors: 侑也谷田; 璃奈近藤; 真子宇佐見
Original assignee: 愛三工業株式会社
Priority date: 2022-06-08
Filing date: 2023-03-10
Publication date: 2023-12-14
Also published as: JP2023179891A

Abstract

被吸着物質（１４）を吸着可能な吸着材料（１０）は、核（１１）と有機配位子（１２）で構成される周期構造を備える多孔質材料である。多孔質材料の吸着材料（１０）は、電磁波で発熱する官能基（１３）を分子として含む。電磁波を受けることで多孔質材料の吸着材料（１０）が発熱し、吸着した被吸着物質（１４）を離脱する。

Description

吸着材料および吸着装置

　本発明は、吸着材料を用いた吸着装置に関する。

　例えば自動車等の車両の蒸発燃料処理装置には、蒸発燃料を吸着して脱離するための吸着器が設けられる。吸着器には、燃料タンク内で発生した蒸発燃料を吸着する多孔質の吸着材が充填される。吸着材に吸着された蒸発燃料は、車両の走行時、すなわち内燃機関の稼働時にパージ通路へと脱離され、内燃機関へ通じる吸気通路に供給される。

　多孔質の吸着材は、例えば金属有機構造体（ＭＯＦ：Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｆｒａｍｅｗоｒｋｓ）等の有機無機物、ゼオライト等の無機物、活性炭等の有機物を吸着材料として含む。多孔質の吸着材は、加熱されることで吸着した被吸着物質を脱離する。これにより吸着機能が再生して繰り返し被吸着物質を吸着することができる。例えばマイクロ波等の電磁波を照射することで吸着材を加熱する技術が従来考案されている。従来用いられていたゼオライト等は、電磁波を照射される際に発熱し難い。従来、電磁波を照射される際の発熱効率が高いセラミックス、金属塩、金属等の電磁波発熱材を準備し、電磁波発熱材と吸着材を共に利用する技術が考案されていた。

　特許第５２０７０４３号公報には、マイクロ波の照射による発熱効率が高い電磁波発熱材（ＳｉＣ）を吸着材（ゼオライト）と混錬させ、混錬物を硬化させた繊維状または粒子状の吸着体が開示される。図７は、従来の吸着装置５０を模式的に示す図である。吸着装置５０は、被吸着物質を吸着するための吸着容器５１を有する。吸着容器５１には、粒子状の吸着材料５２と粒子状の電磁波発熱材５３が混錬されて充填される。吸着容器５１は、供給口５４と排出口５５を有する。供給口５４から吸着容器５１内へと被吸着物質を含むガスが供給される。被吸着物質は、吸着材料５２によって吸着容器５１内で吸着される。排出口５５から被吸着物質が取り除かれたガスが排出される。

　図７に示すように吸着装置５０は、吸着容器５１へ電磁波を照射する電磁波発生機５６を有する。電磁波発生機５６から吸着容器５１へ電磁波を照射すると、先ず電磁波発熱材５３が発熱する。その後、電磁波発熱材５３と接触している吸着材料５２に熱が伝わる。吸着材料５２が熱伝導で加熱されると、吸着材料５２に吸着されていた被吸着物質が吸着材料５２から脱離する。従来の吸着装置５０では、電磁波発熱材５３と吸着材料５２の接触面積が小さいため、電磁波発熱材５３から吸着材料５２への熱伝導が阻害されるおそれがある。また、電磁波発熱材５３と吸着材料５２は、吸着容器５１内でランダムに分布する。そのため吸着容器５１の領域毎に吸着材料５２の加熱にばらつきが生じる。加熱が促進されない領域の吸着材料５２は、脱離効率が低下する場合がある。さらに加熱のばらつきによって吸着容器５１内で熱膨張差が生じ、吸着装置５０の破損に繋がる場合がある。

　本明細書に開示の技術が解決しようとする課題は、電磁波を照射することで発熱する吸着材料において、吸着材料の発熱効率を向上させて吸着材料の脱離効率を向上させることにある。

　本開示の一つの態様によると被吸着物質を吸着可能な吸着材料は、核と有機配位子で構成される周期構造を備える多孔質材料である。多孔質材料は、電磁波で発熱する官能基を分子として含む。電磁波を受けることで多孔質材料が発熱し、吸着した被吸着物質を離脱する。

　したがって電磁波を照射することで官能基が発熱する。これにより官能基を分子として含む吸着材料が直に加熱される。そのため吸着材料の発熱効率が向上する。これにより吸着材料に吸着された被吸着物質を加熱する効率が上がり、被吸着物質が脱離し易くなる。かくして吸着材料の脱離効率を向上させることができる。

　本明細書に開示の技術によれば、電磁波を照射することで発熱する吸着材料において、吸着材料の発熱効率を向上させて吸着材料の脱離効率を向上させることができる。

本開示の吸着材料を備える吸着装置の概略図である。第１実施形態に係る吸着材料の分子構造を模式的に示した図である。第２実施形態に係る吸着材料の分子構造を模式的に示した図である。第１実施例に係る有機配位子と官能基の構造式を示す図である。第２実施例に係る有機配位子と官能基の構造式を示す図である。被吸着物質の比誘電率を示すグラフである。従来の吸着体を示す斜視図である。

　本開示の好ましい第１の実施形態を、図１，２，６に基づいて説明する。説明中の同じ参照番号は、重複する説明をしないが、同じ機能を有する同じ要素を意味する。図１は本開示の吸着材料を備える吸着装置の概略図である。図２は第１実施形態に係る吸着材料の分子構造を模式的に示した図である。図６は被吸着物質の比誘電率を示すグラフである。

　図１に示すように吸着装置３０は、被吸着物質を吸着するための吸着容器３１を有する。吸着容器３１には、粒子状の吸着材料１０が充填される。吸着容器３１は、一端に供給口３２を有する。吸着容器３１は、供給口３２の反対側の端部に排出口３３を有する。供給口３２から被吸着物質を含むガスが吸着容器３１内に供給される。吸着容器３１内では、吸着材料１０によって被吸着物質が吸着される。排出口３３からは、被吸着物質を取り除かれたガスが排出される。

　図１に示すように吸着装置３０は、吸着容器３１内の吸着材料１０へ電磁波を照射する電磁波発生機３４を有する。電磁波発生機３４からは、例えば３００ＭＨｚ～３０ＧＨｚ、より好ましくは例えば２．４５ＧＨｚの周波数の電磁波が照射される。吸着容器３１内の吸着材料１０は、例えば４００℃以下、より好ましくは２０～３５℃の常温の温度条件において電磁波発生機３４から電磁波の照射を受ける。吸着材料１０は、電磁波の照射によって加熱され、加熱によって吸着した被吸着物質を脱離して再生する。

　図１に示すように吸着容器３１は、供給口３２に近い供給口側領域３１ａと、排出口３３に近い排出口側領域３１ｂを有する。被吸着物質の吸着量は、供給口側領域３１ａで多く、特に供給口３２に近いほど多い。被吸着物質の吸着量は、排出口側領域３１ｂで少なく、特に排出口３３に近いほど少ない。仮に被吸着物質が電磁波の照射を受けて発熱する場合、供給口側領域３１ａの発熱量が多くなり、排出口側領域３１ｂの発熱量が少なくなる。そのため供給口側領域３１ａの吸着材料１０と排出口側領域３１ｂの吸着材料１０の熱膨張差が大きくなる。この熱膨張差により吸着材料１０や吸着容器３１が、例えば供給口側領域３１ａと排出口側領域３１ｂの間で破損する恐れがある。そのため吸着装置３０は、電磁波の照射による発熱量が少ない被吸着物質、例えば極性が小さい被吸着物質を対象にして吸着する。

　図２に示すように吸着材料１０は、いわゆる金属有機構造体（ＭＯＦ）あるいは共有結合性有機構造体（ＣＯＦ）と呼ばれる多孔質構造体である。吸着材料１０は、格子状に配列する核１１の間に有機配位子１２が結合する構造で構成される。核１１は、ＭＯＦの場合、例えばマグネシウム、カルシウム、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ロジウム、ニッケル、パラジウム、銅、亜鉛、カドミウム、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、クロム、モリブデン、スカンジウム等の金属原子である。例えば亜鉛等がより好ましい。核１１は、ＣＯＦの場合、例えばベンゼン環等の共有結合で結合される分子である。隣接する核１１同士は、有機配位子１２によって結合される。

　図２に示すように有機配位子１２は、例えば２以上の配位性の官能基を芳香環、不飽和結合等の剛直構造を有する骨格に置換した構造である。有機配位子１２が含む配位性の官能基は、例えばカルボキシル基、イミダゾール基、水酸基、スルホン酸基、ピリジン基、三級アミン基、アミド基、チオアミド基等である。有機配位子１２には、官能基１３が直接、結合する。官能基１３は、官能基１３自体あるいは官能基１３が結合した有機配位子１２に極性を持たせる官能基である。官能基１３は、例えばニトロ基、ニトロソ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基等の電子吸引性基、あるいはヒドロキシ基、アミノ基等の極性官能基である。官能基１３は、吸着材料１０の格子構造に対して所定の周期の間隔で結合する。官能基１３は、吸着材料１０において略均一に分布する。

　図２に示すように有機配位子１２で連結される核１１の格子構造の中には、例えば炭酸ガス、ブタンガス等の非極性、あるいはガソリン、エタノール、アンモニア等の極性が比較的小さい被吸着物質１４を収容可能な空間が形成される。収容可能な被吸着物質１４は、有機配位子１２に結合した官能基１３と干渉しない大きさである。吸着材料１０は、被吸着物質１４を多孔質の格子構造に収容することで被吸着物質１４を吸着できる。

　図２に示す吸着材料１０に電磁波を照射すると、電荷の偏りがある官能基１３が発熱する。そのため官能基１３を直接結合させた有機配位子１２が加熱される。そのため吸着材料１０が概ね一様に加熱される。これにより吸着材料１０に吸着された被吸着物質１４が加熱される。加熱された被吸着物質１４は、吸着材料１０の格子構造から脱離する。被吸着物質１４は、誘電率の低い物質であり、電磁波が照射される際に直接は発熱しない。そのため被吸着物質１４の吸着率の差に依らず吸着材料１０が一様に加熱される。しかも吸着材料１０が一様に加熱されることにより、直接発熱しない被吸着物質１４を効率良く加熱できる。

　本開示の吸着材料１０で吸着可能な被吸着物質１４の種類について検討した。図６は、２．４５ＧＨｚ、２０～３５℃の条件における各種物質の比誘電率を示す。比誘電率は、電磁波の周波数と加熱前の温度によって変化する。本開示においては吸着装置３０（図１参照）を使用する条件を含むように上記条件を設定した。上記条件においてアンモニアの比誘電率を２５として、水の比誘電率が７７、アセトンの比誘電率が２６、エタノールの比誘電率が８、ガソリンの比誘電率が２である。本開示では、２．４５ＧＨｚ、２０～３５℃の条件において比誘電率がアンモニア以下の物質を誘電率の低い物質と定義した。誘電率の低い物質が、吸着材料１０で吸着可能な被吸着物質１４に相当する。例えば炭酸ガス、ブタンガスは、２．４５ＧＨｚ、２０～３５℃の条件において誘電率がアンモニア以下である。

　上述するように被吸着物質１４を吸着可能な吸着材料１０は、図２に示すように核１１と有機配位子１２で構成される周期構造を備える多孔質材料である。多孔質材料の吸着材料１０は、電磁波で発熱する官能基１３を分子として含む。電磁波を受けることで多孔質材料の吸着材料１０が発熱し、吸着した被吸着物質１４を離脱する。

　したがって電磁波を照射することで官能基１３が発熱する。これにより官能基１３を分子として含む吸着材料１０が直に加熱される。そのため吸着材料１０の発熱効率が向上する。これにより吸着材料１０に吸着された被吸着物質１４を加熱する効率が上がり、被吸着物質１４が脱離し易くなる。かくして吸着材料１０の脱離効率を向上させることができる。

　図２に示すように官能基１３は、有機配位子１２に直接、結合している。したがって有機配位子１２は、官能基１３を発熱させた時に官能基１３から直に加熱される。そのため吸着材料１０の加熱特性を向上させることができる。これにより吸着材料１０から被吸着物質１４が脱離する脱離効率をさらに高めることができる。

　図２に示す官能基１３は、好ましくはニトロ基またはヒドロキシ基である。したがって極性が大きく電磁波の照射による発熱量の多い官能基１３を吸着材料１０に結合させる。これにより吸着材料１０の発熱効率をさらに高めることができる。

　図１に示すようにガスを吸着する吸着装置３０は、吸着材料１０が充填される吸着容器３１を有する。吸着装置３０は、吸着容器３１に形成された供給口３２と排出口３３を有する。吸着装置３０は、吸着材料１０に電磁波を照射する電磁波発生機３４を有する。供給口３２から吸着容器３１に供給されるガスは、非極性ガスを含む。ガスが吸着材料１０に吸着され、電磁波発生機３４が発生する電磁波により吸着材料１０が発熱し、吸着材料１０からガスが脱離して排出口３３から排出される。

　したがって電磁波を照射する際、非極性のガス自体はほとんど発熱しない。そのため吸着容器３１内の吸着量の差に依らず、吸着材料１０を一様に発熱させることができる。例えば、吸着容器３１内において供給口３２に近いほどガスの吸着量が多く、排出口３３に近いほどガスの吸着量が少ない。ガスの吸着量の差に依らず、吸着容器３１内の吸着材料１０を一様に発熱させることにより、吸着材料１０を一様に熱膨張させることができる。これにより吸着材料１０や吸着容器３１が熱膨張差で破損してしまうことを抑制できる。

　本開示の第２の実施形態を、図１，３に基づいて説明する。図３は第２実施形態に係る吸着材料の分子構造を模式的に示した図である。吸着材料２０は、粒子状であり、図１に示す吸着装置３０において吸着材料１０に代えて吸着容器３１に収容される。吸着材料２０は、供給口３２から供給されたガスの中から被吸着物質を吸着し、被吸着物質を取り除かれたガスを排出口３３へ排出する。吸着材料２０が吸着した被吸着物質は、電磁波発生機３４から電磁波の照射を受けることで吸着材料２０から脱離する。

　図３に示すように吸着材料２０は、いわゆる金属有機構造体（ＭＯＦ）あるいは共有結合性有機構造体（ＣＯＦ）と呼ばれる多孔質構造体である。吸着材料２０は、格子状に配列する核２１の間に有機配位子２２が結合する構造で構成される。核２１は、ＭＯＦの場合、例えばマグネシウム、カルシウム、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ロジウム、ニッケル、パラジウム、銅、亜鉛、カドミウム、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、クロム、モリブデン、スカンジウム等の金属原子である。例えば亜鉛等がより好ましい。核２１は、ＣＯＦの場合、例えばベンゼン環等の共有結合で結合される分子である。隣接する核２１同士は、有機配位子２２によって結合される。

　図３に示すように核２１には、官能基２３が直接、結合する。官能基２３は、官能基２３自体あるいは官能基２３が結合した核２１に極性を持たせる官能基である。官能基２３は、例えばニトロ基、ニトロソ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基等の電子吸引性基、あるいはヒドロキシ基、アミノ基等の極性官能基である。官能基２３は、吸着材料２０の格子構造に対して所定の周期の間隔で結合する。官能基２３は、吸着材料２０において略均一に分布する。有機配位子２２は、例えば２以上の配位性の官能基を芳香環、不飽和結合等の剛直構造を有する骨格に置換した構造である。有機配位子２２が含む配位性の官能基は、例えばカルボキシル基、イミダゾール基、水酸基、スルホン酸基、ピリジン基、三級アミン基、アミド基、チオアミド基等である。

　図３に示すように有機配位子２２で連結される核２１の格子構造の中には、例えば炭酸ガス、ブタンガス等の非極性、あるいはガソリン、エタノール、アンモニア等の極性が比較的小さい被吸着物質２４を収容可能な空間が形成される。吸着材料２０が吸着可能な被吸着物質２４の対象は、２．４５ＧＨｚ、２０～３５℃の条件において誘電率がアンモニア以下の誘電率の低い物質である（図６参照）。吸着材料２０の格子構造の空間には、被吸着物質１４（図２参照）よりも大きいサイズの被吸着物質２４を収容できる。吸着材料２０は、被吸着物質２４を多孔質の格子構造に収容することで被吸着物質２４を吸着できる。

　図３に示す吸着材料２０に電磁波を照射すると、電荷の偏りがある官能基２３が発熱する。そのため官能基２３を直接結合させた核２１が加熱される。そのため吸着材料２０が概ね一様に加熱される。これにより吸着材料２０に吸着された被吸着物質２４が加熱される。加熱された被吸着物質２４は、吸着材料２０の格子構造から脱離する。被吸着物質２４は、誘電率の低い物質であり、電磁波が照射される際に直接は発熱しない。そのため被吸着物質２４の吸着率の差に依らず吸着材料２０が一様に加熱される。しかも吸着材料２０が一様に加熱されることにより、直接発熱しない被吸着物質２４を効率良く加熱できる。

　上述するように官能基２３は、図３に示すように核２１に直接、結合している。したがって吸着材料２０の多孔質の分子構造において、被吸着物質２４が吸着される空間の大きさを、官能基２３を設けない場合と略同じにできる。そのため官能基２３を設けない場合と略同等のガスを吸着でき、かつ脱離効率については官能基２３を設けない場合より向上させることができる。

　以下に本開示に係る実施例について具体的に説明する。本開示はこれらの実施例に何ら限定されることはない。図４は第１実施例に係る有機配位子と官能基の構造式を示す図である。図５は第２実施例に係る有機配位子と官能基の構造式を示す図である。

　図４に示すように吸着材料は、亜鉛を核とし、有機配位子１２を２－エチルイミダゾールとするＭＯＦである。有機配位子１２には、官能基１３が直接、結合される。官能基１３は、ニトロ基である。そのため吸着材料は、既存のＭＯＦ（ＭＡＦ－６（Ｚｎ））と異なる新たな構造のＭＯＦである。２０～３５℃の温度条件で２．４５ＧＨｚの電磁波を照射する。電磁波によって電荷に偏りのあるニトロ基の官能基１３が発熱する。これにより官能基１３を直接結合された有機配位子１２が直に加熱される。

　図５に示すように吸着材料は、亜鉛を核とし、有機配位子１２を２－エチルイミダゾールとするＭＯＦである。有機配位子１２には、官能基１３が直接、結合される。官能基１３は、ヒドロキシ基である。そのため吸着材料は、既存のＭＯＦ（ＭＡＦ－６（Ｚｎ））と異なる新たな構造のＭＯＦである。２０～３５℃の温度条件で２．４５ＧＨｚの電磁波を照射する。電磁波によって電荷に偏りのあるヒドロキシ基の官能基１３が発熱する。これにより官能基１３を直接結合された有機配位子１２が直に加熱される。

　以上、具体的な実施形態について説明したが、本願で開示する技術はその他各種変更を加えた形態でも実施可能なものである。２０～３５℃の温度条件で２．４５ＧＨｚの電磁波を吸着材料に照射する吸着装置を例示した。電磁波の照射によって官能基が顕著に発熱し、かつ被吸着物質が直接発熱しない状態になるのであれば、温度条件や電磁波の周波数の条件は例示したものに限定されない。

　核、有機配位子、官能基それぞれが１種類である場合を例示した。これに代えて２種類以上の核、または２種類以上の有機配位子、または２種類以上の官能基を含む構成としても良い。官能基は、所定の周期間隔で一部の有機配位子または核に結合していても良く、全ての有機配位子または核に結合していても良い。核と有機配位子のいずれか一方に官能基が直接結合される場合を例示した。これに代えて、核と有機配位子の両方に官能基を直接結合させる構成としても良い。

　本開示の他の態様によると官能基は、核に直接、結合している。したがって吸着材料の多孔質の分子構造において、被吸着物質が吸着される空間の大きさを、官能基を設けない場合と略同じにできる。そのため官能基を設けない場合と略同等のガスを吸着でき、かつ脱離効率については官能基を設けない場合より向上させることができる。

　本開示の他の態様によると官能基は、有機配位子に直接、結合している。したがって有機配位子は、官能基を発熱させた時に官能基から直に加熱される。そのため吸着材料の加熱特性を向上させることができる。これにより吸着材料から被吸着物質が脱離する脱離効率をさらに高めることができる。

　本開示の他の態様によると官能基は、ニトロ基またはヒドロキシ基である。したがって極性が大きく電磁波の照射による発熱量の多い官能基を吸着材料に結合させる。これにより吸着材料の発熱効率をさらに高めることができる。

　本開示の他の態様によるとガスを吸着する吸着装置は、吸着材料が充填される吸着容器を有する。吸着装置は、吸着容器に形成された供給口と排出口を有する。吸着装置は、吸着材料に電磁波を照射する電磁波発生機を有する。供給口から吸着容器に供給されるガスは、非極性ガスを含む。ガスが吸着材料に吸着され、電磁波発生機が発生する電磁波により吸着材料が発熱し、吸着材料からガスが脱離して排出口から排出される。

　したがって電磁波を照射する際、非極性のガス自体はほとんど発熱しない。そのため吸着容器内の吸着量の差に依らず、吸着材料を一様に発熱させることができる。例えば、吸着容器内において供給口に近いほどガスの吸着量が多く、排出口に近いほどガスの吸着量が少ない。ガスの吸着量の差に依らず、吸着容器内の吸着材料を一様に発熱させることにより、吸着材料を一様に熱膨張させることができる。これにより吸着材料や吸着容器が熱膨張差で破損してしまうことを抑制できる。

　添付の図面を参照して詳細に上述した種々の実施例は、本発明の代表例であって本発明を限定するものではありません。詳細な説明は、本教示の様々な態様を作成、使用および／または実施するために、当業者に教示するものであって、本発明の範囲を限定するものではありません。更に、上述した各付加的な特徴および教示は、改良された吸着材料および吸着装置および／またはその製造方法と使用方法を提供するため、別々にまたは他の特徴および教示と一緒に適用および／または使用され得るものです。

Claims

　被吸着物質を吸着可能な吸着材料であって、
　核と有機配位子で構成される周期構造を備える多孔質材料であり、
　前記多孔質材料は、電磁波で発熱する官能基を分子として含み、前記電磁波を受けることで前記多孔質材料が発熱し、吸着した前記被吸着物質を離脱する吸着材料。
　請求項１に記載の吸着材料であって、
　前記官能基は、前記核に直接、結合している吸着材料。
　請求項１に記載の吸着材料であって、
　前記官能基は、前記有機配位子に直接、結合している吸着材料。
　請求項１に記載の吸着材料であって、
　前記官能基は、ニトロ基またはヒドロキシ基である吸着材料。
　ガスを吸着する吸着装置であって、
　請求項１～４のいずれか１つに記載の吸着材料が充填される吸着容器と、
　前記吸着容器に形成された供給口と排出口と、
　前記吸着材料に前記電磁波を照射する電磁波発生機を有し、
　前記供給口から前記吸着容器に供給される前記ガスは、非極性ガスを含み、前記ガスが前記吸着材料に吸着され、前記電磁波発生機が発生する前記電磁波により前記吸着材料が発熱し、前記吸着材料から前記ガスが脱離して前記排出口から排出される吸着装置。