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公開番号2024043557
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-04-01
出願番号2022148660
出願日2022-09-19
発明の名称CO2ガス選択透過ユニットおよびCO2回収装置
出願人個人
代理人
主分類B01D 71/70 20060101AFI20240325BHJP(物理的または化学的方法または装置一般)
要約【課題】大気中および排気ガス中のCO2を削減するための低コストで低消費電力である装置を提供する。
【解決手段】新たに発見したCO2とPDMSの相互作用によりCO2ガス透過度が増大する現象を利用することにより、取り扱いが容易な50～100ミクロンの厚さのPDMSシートの使用が可能となった。本発明はCO2ガス分離膜として厚いPDMSシートを使ったCO2ガス選択透過ユニットの構造とその応用装置に関するものである。CO2排出削減を低コストで実現し地球温暖化対策に貢献するのが目的である。
【選択図】図5-1
特許請求の範囲【請求項１】
５０ミクロン～１００ミクロンの厚さのポリジメチルシロキサン(ＰＤＭＳ)系高分子シートを炭酸ガス(ＣＯ２)選択分離透過膜として使用したＣＯ２ガス選択透過ユニット。
続きを表示（約 710 文字）【請求項２】
ＣＯ２透過量増大のために、５０ミクロン～１００ミクロンの厚さのポリジメチルシロキサン(ＰＤＭＳ)系高分子シートを1軸または2軸方向に引張り延伸することにより薄層化および大面積化した後、元の形状に戻るのを防止するためにシートの周辺部を枠で固定したＣＯ２ガス選択透過ユニット。
【請求項３】
１、２の高分子シートの支持板として開口率４０%以上のパンチングメタルまたはメッシュメタルを使用したＣＯ２ガス選択透過ユニット。
【請求項４】
請求項１，２、３のＣＯ２選択透過ユニットの表面に接する気体がＣＯ２濃度５００ppm以上の汚染された空気であり、裏面へ選択的に透過してくるＣＯ２ガスを室外に排出する室内ＣＯ２清浄機。
【請求項５】
請求項１，２、３のＣＯ２ガス選択透過ユニットの表面に接する気体がＣＯ２濃度５００ppm以上、1気圧以上の汚染された空気であり、裏面へ選択的に透過してくるＣＯ２を1気圧以下の交換可能な容器に導入することを特長とするＣＯ２ガス回収装置。
【請求項６】
請求項１，２、３のＣＯ２ガス選択透過ユニットを円筒状にして連結することにより排気管内に設置できるようにしたＣＯ２ガス回収管。
【請求項７】
請求項１，２、３のＣＯ２ガス選択透過ユニットを透過してくるＣＯ２をPH７以上のアルカリ溶液の容器内に吸収蓄積するＣＯ２ガス回収装置。
【請求項８】
請求項１～７のいずれかを採用することによりＣＯ２ガス排出量を減少させることができる火力発電所、鉄鋼所などの施設、および輸送用の車両。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、地球温暖化の原因となっている温室効果ガスであるＣＯ２ガス排出量を低減する様々な対策の中の分離膜法において、ＣＯ２選択分離シートを利用したＣＯ２選択透過ユニットおよびＣＯ２回収装置に関するものである。
続きを表示（約 3,000 文字）【背景技術】
【０００２】
大気中のＣＯ２ガス回収装置の低コスト化のために、選択分離膜としての各種高分子シートが各所で開発が進行中である。中でもポリジメチルシロキサン(以後ＰＤＭＳと記す)系高分子は有望な材料である。一般的にはダウ・コーニング社のシリコンゴム封止材（商標名SYLGARD 184）を原料としてスピンコート法によって薄膜が製造されている。ＰＤＭＳ膜へのＣＯ２ガスの透過の原理として、ＣＯ２分子の拡散が考えられている。従って、厚さを出来る限り薄くする必要があると考えられおり、50ミクロン以上の厚いＰＤＭＳ膜はＣＯ２選択分離膜としての候補から除外されている。ＣＯ２選択分離膜の指標はＣＯ２の透過度、およびＣＯ２とN2の透過度の比すなわち選択比である。現状では膜厚1ミクロンの時、透過度は4000GPU程度、選択比は膜厚に依存せず１０～１２程度である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
２０１３－０１０６９７公開
【非特許文献】
【０００４】
仲川勤, Vol.14, No.155, 107-114 高分子学会, 高分子シートの気体透過性
Shigenori Fujikawa, et al. Chem. Lett. 2019, 48, 1351-1354
津山高専紀要第40号（1998）47-53
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献２によれば、ＰＤＭＳ膜の厚さ1ミクロンおよび１０ミクロンの時、ＣＯ２の透過度はそれぞれ４０００GPU、４００GPU程度である。すなわち厚さが１０倍になると、透過度は１/１０になる。従って、厚みを1ミクロンの５０倍の５０ミクロンにするとＣＯ２の透過度は１/５０の８０GPU程度が予想されるため実用的でなく、ＣＯ２の透過膜の候補として厚さ５０ミクロン以上のＰＤＭＳ膜は対象外とされてきた。これは、高分子膜中のガスの透過原理がガス分子の拡散とされているからである。ここで１GPUとは透過してくる標準状態における単位面積、単位時間、単位差圧でのガスの体積のことであり、換算係数７.５×１０
－１２
を掛けたものである。非特許文献２ではＣＯ２ガスの透過度を大きくするために、０.１ミクロン以下の極薄膜にすればＣＯ２の透過度が１００００GPU以上となることが記載されている。しかしながら、０.１ミクロン以下の面積が大きい極薄膜を多孔質支持体の上に貼り付ける複雑な工程が必要であり、ほこりや不純物の混入による欠陥によりガスが局部的に漏れる問題が発生する。従って、1ミクロン以下の欠陥のない大面積ＰＤＭＳ極薄膜を利用することは、歩留まり、コスト上困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明ではＰＤＭＳシートの厚さ５０～１００ミクロンにおいて、差圧２０ｋＰａ以上でＣＯ２ガスの透過度１０００～５００GPUが得られた。この値は非特許文献２に記載されているＰＤＭＳ膜０.８～４ミクロンの場合に相当する。５０～１００ミクロンの厚さのＰＤＭＳシートはスピンコート法で製造が容易であり、欠陥のない大面積のＰＤＭＳシート製品が化学・生化学分野、マイクロ流体デバイスなどの用途として販売されており安価である。１例としてCSTEC社のＰＤＭＳシートがある。本発明ではこのＰＤＭＳシートを使用した。
【０００７】
ＰＤＭＳシートのガス透過度（単位GPU）は2室構造チャンバーを用いた密閉ガス圧力センサ法により測定した。単位GPUとは標準状態(STP)で単位面積(１ｍ
２
)、単位時間(1秒)、単位差圧(１Pa)に換算した透過ガスの体積(ｍ
３
)に換算係数７.５×１０
－１２
を掛けたものである。差圧とはガス供給室とガス透過室の圧力センサの圧力差のことである。ガスの透過部の形状は直径１ｃｍの円とした。またＰＤＭＳシートは差圧によって湾曲するので、ステンレス支持体として直径３００ミクロンの孔が４００ミクロンピッチで開いた商品名Support Screen KS-25を使用して湾曲を防いだ。５０ミクロン厚ＰＤＭＳシートのガス透過度を測定したところ、供給室と透過室の圧力センサ差圧が２０ｋPa以上の時５００～１０００GPUであったが、２０ｋPa以下で急激に増加し差圧０.５ｋPaの時５００００GPU以上となった。透過室がＣＯ２分圧の小さい気体の場合、例えば空気、N2ガスの場合に、圧力センサ差圧が小さくてもＣＯ２分圧差が大きいことから起こる現象である。膜厚１５０ミクロンと２００ミクロンのＰＤＭＳシートのＣＯ２透過度を測定したところ、差圧２０ｋPa以上の時２００GPU以下と小さかったので本発明からは除外した。
【０００８】
ＰＤＭＳ膜厚を５０～１００ミクロンとしてもＣＯ２透過度が予測値よりも5～１０倍大きい理由を説明するために、本発明者が製作したＣＯ２ガス透過中のリアルタイム測定できるラマン分光装置を使用して実験を行った。その結果、ＰＤＭＳフィルム直上ではＣＯ２ガスのラマンバンド（ピーク波数１２８８ｃｍ
－１
、１３９２ｃｍ
－１
が観測されるが、ＣＯ２透過中のＰＤＭＳ内部では新しいラマンバンドのピーク波数１２８０ｃｍ
－１
、１３８４ｃｍ
－１
が厚さ方向に均一に発生することを発見した。
【０００９】
これらの新しいバンドピークはＣＯ２分子のラマン散乱波数よりも８ｃｍ
―１
だけ低波数（高エネルギー、短波長）側である。この新しいラマンバンドについては文献等に報告例がない。本発明者はこの新しいラマンバンドはＰＤＭＳとＣＯ２との相互作用によって発生すると考えている。この新しいラマンピークはＣＯ２のエネルギー準位よりも高い新しいエネルギー準位が発生したことを示しており、この準位を介してＣＯ２がトンネル効果に似た現象により透過するという仮定が考えられる。この相互作用が発生する高分子膜として、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のほかに、ポリカーボネート系、アクリル系があることを実験により分かったが、ＣＯ２ガスの透過度はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）が最も大きかった。このようにして、高分子との相互作用を引き起こすガスは厚い高分子膜においても透過しやすく、高分子との相互作用を引き起こさないガス（N2ガス、O2ガス等）は透過しにくいという現象を利用することによって、ＣＯ２ガスと他の空気中成分ガスとを分離することができる。
【００１０】
また、薄いＰＤＭＳシートは引っ張って伸ばしても破断しないという特徴がある。本発明のＣＯ２選択透過ユニットに用いるＰＤＭＳシートを1軸または2軸方向に引っ張った後、元の形状に戻らないように周辺部を固定することにより元の厚さよりも薄く、元の面積よりも広くして大型のＣＯ２選択透過ユニットとして使用することができる。厚さが薄いほどＣＯ２の透過度は増加し、汚染空気と接する面積が大きいほどＣＯ２透過量は大きくなる。
（【００１１】以降は省略されています）

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