JP2020029483A

JP2020029483A - 液体炭化水素の製造方法及び装置

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Publication number: JP2020029483A
Application number: JP2018154166A
Authority: JP
Inventors: 忠行今中; Tadayuki Imanaka; 竹本　正; Tadashi Takemoto; 正竹本
Original assignee: It Giken Co Ltd
Current assignee: It Giken Co Ltd
Priority date: 2018-08-20
Filing date: 2018-08-20
Publication date: 2020-02-27

Abstract

【課題】二酸化炭素から所望の種別の炭化水素を選択的に合成する。【解決手段】液体炭化水素の製造装置１は、二酸化炭素を含んだ水に活性酸素を生じさせる水活性化装置１０と、その活性酸素が生じた水に生成すべき雛形となる液体炭化水素を混合する炭化水素混合装置１１と、その混合液を、混合時よりも自然増量した液体炭化水素と自然減量した水とに分離する炭化水素分離装置１２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素から液体炭化水素を合成する方法及び装置に関する。

二酸化炭素から炭化水素を合成する従来技術の例として、次の特許文献１には、二酸化炭素を溶解させた液体もしくは水にキャビテーションを発生させ、キャビテーション気泡崩壊時の高温高圧場により二酸化炭素を還元して炭化水素を生成させることが記載されている。また特許文献２には、Ｆｅ等を含む触媒の作用によって、水素ガスと二酸化炭素ガスとからなる原料ガスを炭化水素に変換することが記載されている。

特開2009-126794号公報特開2015-077575号公報

しかしながら前記のような炭化水素の合成方法では、所望の種別の炭化水素を得ることは困難であった。これに対して本発明は、所望の種別の炭化水素を選択的に合成できる方法及び装置を提供することを目的としている。

本発明による液体炭化水素の製造方法は、二酸化炭素を含んだ水に活性酸素を生じさせ、
その活性酸素が生じた水に生成すべき雛形となる液体炭化水素を混合し、その混合液を、混合時よりも自然増量した液体炭化水素と自然減少した水とに分離することを特徴とする。

また本発明による液体炭化水素の製造装置は、二酸化炭素を含んだ水に活性酸素を生じさせる水活性化装置と、その活性酸素が生じた水に液体炭化水素を混合する炭化水素混合装置と、その混合液を、混合時よりも自然増量した液体炭化水素と自然減量した水とに分離する炭化水素分離装置とを備えることを特徴とする。

本発明では、水に混合する液体炭化水素と略同一組成の炭化水素が構成される。すなわち水に混合する炭化水素を予め選択するだけで、その種別の炭化水素を選択的に合成できる。

本発明による液体炭化水素製造装置の一例の基本構成図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、混合前の水、炭化水素の容積、水と炭化水素との混合液の容積、混合液が炭化水素と水とに分離したあとの水、炭化水素の容積を示す模式図である。本発明による液体炭化水素製造装置の他例の基本構成図である。本発明による液体炭化水素製造装置の更なる他例の基本構成図である。雛形炭化水素の成分と、合成された炭化水素（雛形炭化水素を含む）の成分との比較を示す分布グラフである。混合液が炭化水素、不純物、水に分離した状態を示す模式図である。

以下、本発明による液体炭化水素製造装置の基本構成を説明する。
図１は、本発明による液体炭化水素製造装置の一例の基本構成図である。
炭化水素製造装置１は、二酸化炭素を含んだ水に活性酸素を生じさせる水活性化装置１０と、その活性酸素が生じた水に雛形となるべき液体炭化水素を混合する炭化水素混合装置１１と、その混合液を、混合時よりも自然増量した炭化水素と自然減少した水とに分離する炭化水素分離装置１２とを備えている。

水活性化装置１０は、例えば光触媒の作用によって水に活性酸素を生じさせる光触媒装置として構成してもよい。光触媒装置は、酸化チタンや酸化タングステン等の光触媒活性物質の微粒子を多孔質セラミックやゼオライト等の担体に固定した光触媒を、透明なパイプ中に封じ、この光触媒に対してＵＶランプ等から紫外線を照射するようにして構成できる。この場合、パイプに水を通じさせれば、光触媒の作用によって水に活性酸素が生じる。

光触媒装置に供給される水は、例えばＲＯ膜で処理された純水（超純水）であるが、光触媒装置に供給される前に、二酸化炭素及び酸素が溶解されている。この二酸化炭素、酸素は空気中から自然溶解したものでもよい。あるいは炭化水素の収量を増やすために、他の方法で高濃度に溶解、あるいは気泡として含有させたものでもよい。

炭化水素混合装置１１は、例えば１：１の所定比率で水に炭化水素を混合する装置である。炭化水素混合装置１１は、水タンクから導いた管路、炭化水素タンクから導いた管路のそれぞれに計量ポンプ等を設けて、その下流側でこれらの管路を合流させるような構成としてもよい。また炭化水素混合装置１１は、水と炭化水素との混合液を貯めるタンクを更に設けて、そこで混合液を一定時間撹拌してもよい。

炭化水素混合装置１１に供給される炭化水素は、製造すべき炭化水素の雛形（以下、雛形炭化水素という）であり、常温では液相になっている。本発明では、この雛形炭化水素と略同一組成の炭化水素が、水と二酸化炭素とから活性酸素の作用によって合成されることが特徴である。すなわち結果的に雛形炭化水素が自然増量することになるから、雛形炭化水素としては、特定種別の炭化水素、あるいは不純物が除去された高品位な軽油等が適している。つまり雛形炭化水素は、一種類の炭化水素、あるいは複数種類の炭化水素の特定比率の混合物から自由に選択できるが、不純物等は含んでいないものがよい。なお雛形炭化水素は、混合された水と基本的に反応することはなく、二酸化炭素から新たな炭化水素が合成される一連の反応のための環境（雰囲気）を形成するものである。

炭化水素分離装置１２は、水と炭化水素との混合液を貯めるタンクであって、混合液が時間経過によって、炭化水素と水とに二層分離したあと、その炭化水素の部分を取り出すことが可能なように構成されている。あるいは遠心分離によって炭化水素と水とを分離してもよい。分離したあとの炭化水素の取出し方に特に制限はないが、タンクの底から比重の重い水のみを排水して炭化水素を残してもよい。

次いで炭化水素製造装置１の基本動作を説明する。
光触媒装置に供給される水には二酸化炭素及び酸素が含まれているのであるが、この水の一部は、光触媒の作用によって分解されて、いわゆる活性酸素が生じる。そしてこの活性酸素の作用によって二酸化炭素が還元されて一酸化炭素が生じる。このようにして生じた水素及び一酸化炭素からラジカル重合等によって新たな炭化水素が合成される。

炭化水素混合装置１１では、前記反応が生じつつある水と炭化水素とが混合されるのであるが、ここで合成された炭化水素は、更に水素及び一酸化炭素との反応によって鎖状構造を伸ばしていく。このとき周囲には多数の雛形炭化水素が存在しているため、炭化水素の鎖状構造の伸びは雛形炭化水素と同じ長さとなった段階で実質的に停止する。これは雛形炭化水素が非常に多数であるため、その内の極一部の鎖錠構造が伸びたとしても、それが観察し難くなることが理由であると考えられる。このような反応によって雛形炭化水素と略同一組成の炭化水素が合成され、結果として雛形炭化水素が自然増量し、水は自然減少することになる。この炭化水素の増量は理想的な条件では雛形炭化水素の約１０％に達することが実験によって確認されている。

炭化水素分離装置１２では、炭化水素と水との混合液をタンクに貯めて静止状態に保持する。すると時間経過によって混合液が炭化水素と水とに二層分離するので、その分離したあとの炭化水素を取り出せばよい。

更に前記反応における水、炭化水素の容積変化を、模式図を使って説明する。
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、混合前の水、炭化水素の容積、水と炭化水素との混合液の容積、混合液が炭化水素と水とに分離したあとの水、炭化水素の容積を示す模式図である。
図２（ａ）に示すように同容積の水と炭化水素（炭化水素：水＝１０：１０）とを混合すると、図２（ｂ）に示すようにそれらの容積を合わせただけの混合液（容積２０）になる。炭化水素が合成されたあとの混合液は図２（ｃ）に示すように時間経過によって炭化水素と水とに二層分離する。このとき炭化水素は自然増量しており、水は自然減量している（例えば炭化水素：水＝１１：９）。

図３は、本発明による液体炭化水素製造装置の他例の基本構成図である。
この炭化水素製造装置１は、水活性化装置１０の構成が前記の例とは異なっている。すなわちこの例の水活性化装置１０は、光触媒装置とキャビテーション装置とを直列接続した構成になっている。
キャビテーション装置は、水にキャビテーションを生じさせて活性化させる装置である。例えばキャビテーション発生装置は、水を加圧して流通させる管路の中間部内側に複数の突起を設ける、あるいはオリフィスを設けることで構成できる。そのような管路に水を圧送付すると、複数の突起あるいはオリフィスを設けた部分でその水が加速されて減圧沸騰し、蒸気バブルが生じる。このバブルが加圧によって消滅するときに局所的に高温高圧場が形成され、そこで水が熱分解されて活性酸素が生じる。
この例では、光触媒装置とキャビテーション発生装置とを組み合わせることで水活性化装置１０を構成している。しかし水活性化装置１０はキャビテーション装置のみで構成することも可能である。

図４は、本発明による液体炭化水素製造装置の更なる他例の基本構成図である。
この炭化水素製造装置１は、水活性化装置１０、炭化水素混合装置１１、炭化水素分離装置１２を適温に保つための温度管理設備１３を備えている点が特徴である。すなわち温度管理設備１３は、水及び、水と炭化水素との混合液の温度を所定の温度範囲に管理する。
温度管理設備１３は、水活性化装置１０、炭化水素混合装置１１、炭化水素分離装置１２を囲う恒温槽として構成してもよい。あるいは水活性化装置１０、炭化水素混合装置１１、炭化水素分離装置１２が設置された部屋空間のための空調設備であってもよい。
このような温度管理設備１３によって、水活性化装置１０、炭化水素混合装置１１、炭化水素分離装置１２の温度を、摂氏２０〜４５度、望ましくは３０〜４０度、更に望ましくは３７〜３８度に保つとよい。一般に温度が上がれば光触媒の活性は上昇するが、二酸化炭素や酸素などの溶解度が低下する。また温度が１５℃以下になると水のクラスターが大きくなるため、ＲＯ膜（逆浸透膜）の性能が低下する。よって、摂氏２０〜４５度でも反応は起こるものの、摂氏３７〜３８度が最適である。
温度による炭化水素の収量の変化について次のような実験結果が得られている。
温度が摂氏２０度のときの炭化水素の収量（自然増量分）は４％、摂氏２５度のときの炭化水素の収量は６％、摂氏３０度のときの炭化水素の収量は８％、摂氏３７〜３８度のときの炭化水素の収量は１０％、摂氏４０度のときの炭化水素の収量は６％であった。

またこの例の炭化水素製造装置１は、水にオゾンガスを供給するオゾン供給装置１４を更に備えている。オゾン供給装置１４は、水活性化装置１０に供給される前の水に、オゾンを溶解させる。すなわちこの例では、二酸化炭素を含んだ水にオゾンを更に含ませてから活性酸素を生じさせるようにしている。このようにすると活性酸素が効率的に生成されるので、結果として炭化水素の収量が増すという効果が得られる。

（実施例）
以下、本発明の実験例を具体的に説明する。
図５は、雛形炭化水素の成分と、合成された炭化水素（雛形炭化水素も混じっている）の成分との比較を示す分布グラフである。この分布グラフは、雛形炭化水素、合成後の炭化水素のクロマトグラムに基づくものである。分布グラフでは、雛形炭化水素の成分と、合成後の炭化水素の成分は概ね同一であるが、合成後の炭化水素の成分は、全体的に鎖状構造の長い方にシフトしているようである。これは前記の鎖状構造の伸びが雛形炭化水素と同じ長さとなった段階で実質的に停止するという現象をサポートしている。

なお、図１、図３又は図４に示したような炭化水素製造装置１は、石油系燃料精製装置としても利用可能である。この場合、雛形炭化水素の替わりに、例えば灯油、軽油等を水と混合すればよい。すると、図６に示すように、前記反応のあとの混合液は、時間経過にしたがって、不純物を含まない炭化水素、不純物、水に分離し、底部にミネラル等が沈殿した状態になる。これにより不純物を含まない高品位な炭化水素が得られる。

１炭化水素製造装置
１０水活性化装置
１１炭化水素混合装置
１２炭化水素分離装置
１３温度管理設備
１４オゾン供給装置

Claims

二酸化炭素を含んだ水に活性酸素を生じさせ、
その活性酸素が生じた水に生成すべき雛形となる液体炭化水素を混合し、
その混合液を、混合時よりも自然増量した液体炭化水素と自然減少した水とに分離することを特徴とする液体炭化水素の製造方法。
光触媒によって前記活性酸素を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の液体炭化窒素の製造方法。
キャビテーションによって前記活性酸素を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の液体炭化水素の製造方法。
水及び、水と炭化水素との混合液の温度を所定の温度範囲に管理することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液体炭化水素の製造方法。
前記温度範囲は、摂氏２０〜４５度であることを特徴とする請求項４に記載の液体炭化水素の製造方法。
活性酸素を生じさせる前の水にオゾンを更に含ませてから活性酸素を生じさせることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液体炭化水素の製造方法。
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法を繰り返す方法であって、
前記活性酸素が生じた水に、前回混合液から分離された液体炭化水素を混合することを特徴とする液体炭化水素の製造方法。
二酸化炭素を含んだ水に活性酸素を生じさせる水活性化装置と、
その活性酸素が生じた水に液体炭化水素を混合する炭化水素混合装置と、
その混合液を、混合時よりも自然増量した液体炭化水素と自然減量した水とに分離する炭化水素分離装置とを備えることを特徴とする液体炭化水素の製造装置。
前記水活性化装置は、光触媒によって活性酸素を生じさせることを特徴とする請求項８に記載の液体炭化水素の製造装置。
前記水活性化装置は、キャビテーションによって活性酸素を生じさせることを特徴とする請求項８に記載の液体炭化水素の製造装置。
前記水活性化装置、炭化水素混合装置及び炭化水素分離装置を所定の温度範囲に管理する温度管理設備を更に備えることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の液体炭化水素の製造装置。
前記温度管理設備は、前記前記水活性化装置、炭化水素混合装置及び炭化水素分離装置を摂氏２０〜４５度に保つことを特徴とする請求項１１に記載の液体炭化水素の製造装置。
活性酸素を生じさせる前の水にオゾンを含ませるオゾン供給装置を更に備えることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載の液体炭化水素の製造装置。