JP2787196B2 - セラミックスを分離材とした窒素と二酸化炭素の分離方法 - Google Patents

セラミックスを分離材とした窒素と二酸化炭素の分離方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】今日、地球的規模の温暖化が大き
な社会問題となりつつあり、その主要原因物質のひとつ
は、生産活動の結果、工場等から排出される二酸化炭素
であると言われている。地球温暖化を解決するには、既
に排出された二酸化炭素を回収して固定したり、排ガス
発生源での高濃度かつ高温二酸化炭素の分離・回収等の
技術開発が必要かつ急務である。高温二酸化炭素の分離
・回収には有機系分離材料では耐熱性に問題があり、使
用することができない。したがって、熱的に安定なセラ
ミックスが分離材料の有力候補に挙がる。しかるに、本
発明は、粘土鉱物のセピオライトによる窒素と二酸化炭
素の分離方法を提供するものであり、地球的規模の環境
保全に大いに貢献するものと考えられる。
【０００２】
【従来の技術】セラミック分離材を用いて、工場等の排
ガス中の高温二酸化炭素を分離・回収する方法として、
本発明者等によりセピオライトや亜鉛でイオン交換した
セピオライトを分離材として用いる方法が出願されてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】工場等の固定発生源か
ら排出される高温状態の窒素と二酸化炭素を分離するた
めには、熱的に安定なセラミックス分離材の開発が必要
かつ急務である。しかるに本発明は、高温状態の窒素と
二酸化炭素を分離することのできるセラミックスを提供
することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、排ガス中の高
温状態の窒素と二酸化炭素を分離することのできるセラ
ミックスを提供することにある。窒素と二酸化炭素の分
子径はほぼ同じ大きさであるので、分子ふるい効果で両
者を分けることは非常に困難である。したがって、分子
ふるい以外の方法で分離することが求められる。窒素と
二酸化炭素の化学的性質を比べてみると、窒素は酸点お
よび塩基点のいずれにも吸着しないが、二酸化炭素は酸
性ガスで塩基点に吸着することが知られている。これか
ら窒素と二酸化炭素を分離する方法は、それぞれのガス
のセラミックスへの吸着現象を利用して行うことが考え
られる。
【０００５】本発明のセラミックス分離材は、粘土鉱物
の一種であるセピオライトを硝酸溶液で処理した後、マ
グネシウムイオンでイオン交換し、８００℃以下の温度
で加熱したものである。ここでセピオライトについて説
明する。セピオライトの結晶構造モデルのａｂ面投影図
（Ｂｒａｕｎｅｒ，Ｋ．ａｎｄ Ｐｒｅｉｓｉｎｇｅ
ｒ，Ａ．，Ｍｉｎｅｒ．Ｐｅｔｒｏ．Ｍｉｔｔ．，Ｖｏ
ｌ．６，ｐｐ．１２０−１４０（１９５６））によれ
ば、セピオライトは、ａｂ面の垂直方向、すなわちｃ軸
方向に伸びる繊維状形態をとる。この構造は、六配位八
面体のＭｇの上下をＳｉ−Ｏ四面体に挟まれた２：１型
層のリボンが反転して６．７×１３．４オングストロー
ムのトンネルを形成している。反転の結果できたトンネ
ル壁のＭｇは酸素の代わりに２分子の水を配位して六配
位八面体を保っている。このトンネル壁のＭｇは２価陽
イオンと交換可能である。（大塚良平、下田 右、下坂
康哉、永田洋、篠原也寸志、清水雅浩、坂本尚史、粘土
科学、第３２巻、第３号、ｐｐ．１５４−１７２（１９
９２））。
【０００６】セピオライトは、吸着水、沸石水、２：１
型層の八面体層のＭｇに配位する結合水および構造水の
４種類の水分子を含んでいる。これらの水分子は、加熱
により脱離挙動を示し、次いで脱水にともなう構造変化
が生じる。セピオライトの熱重量曲線を調べると、１０
０℃以下（ステップ１）、２００〜３５０℃（ステップ
２）、４００〜６００℃（ステップ３）、７５０〜８２
０℃（ステップ４）の４段階の脱水による減量が認めら
れる。また、示差熱分析曲線にはこれらの減量に対応す
る吸熱ピークと、８３０℃付近の鋭い発熱ピークが認め
られる。ステップ１の減量は吸着水と沸石水の脱水に、
ステップ２および３の減量はそれぞれ結合水の１／２量
の脱水に、ステップ４の減量は構造水の脱水に対応する
ものである。なお、８３０℃付近の発熱ピークは頑火輝
石への転移によるものである。
【０００７】セピオライトを乾燥状態の３００℃程度以
上で加熱すると、フォ−ルディング現象が起き、２：１
型層が回転して折れ曲がった構造に変化する。なお、フ
ォ−ルディングが起きる温度は、セピオライトの産地等
により異なり、２００℃でも起きる場合がある。
【０００８】セピオライトの表面は、３種類の表面が存
在する。一つは通常のフィロシリケートの表面と同じシ
リカ四面体シートの酸素面である。これはほとんど活性
がなく、物理吸着表面としてのみ働く。次は、結合が切
れた外表面にのみある−Ｓｉ−ＯＨであり、これはシリ
カゲルの表面に似ている。あと一つは、チャンネル面に
あるＭｇ、あるいはそれに結合した水分子の存在する表
面である。これは、フィロシリケートの結晶端に存在す
るであろう表面と同じ状態の表面であるが、セピオライ
トではこれがチャンネルに沿って無数にある。この活性
点が無数にある点が、他の鉱物にはないセピオライトの
特徴である（福嶋喜章、北山淑江、卜部和夫、粘土科
学、第３２巻、第３号、ｐｐ．１７７−１８３（１９９
２））。
【０００９】次に、本発明の硝酸で処理した後、マグネ
シウムでイオン交換したセピオライトの調製法について
説明する。なお、以下に示す化学処理の条件は一例を示
すものであり、必要に応じて変えることもでき、本発明
を限定するものではない。０．５Ｍ硝酸溶液１００ｍＬ
にセピオライト５．０ｇを添加し、よく撹拌して室温で
３時間静置する。遠心分離あるいはろ別等でセピオライ
トを回収する。次に、回収したセピオライトを１Ｍ硝酸
マグネシウム水溶液１００ｍＬ中によく分散させイオン
交換処理を行う。なお、硝酸マグネシウム水溶液の濃度
および液量は、セピオライトのチャンネル壁の交換可能
なマグネシウムイオン量は１．５７ｍｍｏｌ／ｇである
ので、それ以上のマグネシウムイオン量が含まれる濃度
および液量を選ぶのが望ましい。イオン交換後、遠心分
離あるいはろ別等でセピオライトを回収し、水洗、乾燥
した後８００℃以下の温度で２時間加熱する。水洗およ
び乾燥は省略しても差し支えない。また、加熱温度およ
び加熱時間で決められるセピオライトの加熱条件は、セ
ピオライトが頑火輝石に転移しない範囲で選べばよい。
【００１０】セラミックスの窒素と二酸化炭素の分離能
評価方法について説明する。セラミックスに窒素あるい
は二酸化炭素を接触させるとそれらはセラミックスの表
面に吸着し、しばらくしてから脱離する。吸着はセラミ
ックスの温度が低いときは物理吸着と化学吸着の両方が
生じるが、温度が高くなると化学吸着のみが生じること
になる。これを換言すれば、物理吸着は弱い吸着であ
り、化学吸着は強い吸着である。ガスがセラミックスの
表面に吸着してから脱離するまでの時間をリテンション
タイムと定義すると、リテンションタイムはガスのセラ
ミックスに対する吸着能および脱離能が強く影響する。
すなわち、リテンションタイムが長い場合はガスがセラ
ミックス表面に強く吸着し、容易に脱離しない状態であ
ることを示唆している。一方、リテンションタイムが短
い場合はガスとセラミックス表面との相互作用は弱く、
ガスは容易にセラミックス表面から脱離することを示唆
している。したがって、セラミックスに対する窒素と二
酸化炭素のそれぞれのリテンションタイムを測定し、そ
れらの差を求め、その差が大きいほど窒素と二酸化炭素
の分離能は優れていることになる。リテンションタイム
の測定は、ガス注入後脱離するまでの時間が測定できる
方法であれば何れの方法でも構わないが、ヘリウムをキ
ャリア−ガスに用いたＴＣＤ付ガスクロマトグラフィで
行えば簡単である。
【００１１】本発明の硝酸処理−マグネシウムイオン交
換セピオライトの窒素／二酸化炭素分離能評価に用いた
測定装置は、試料充填カラム（１）、加熱炉（２）、温
度制御装置（３）、ガスクロマトグラフィ（４）、ペン
レコーダ（５）、窒素／二酸化炭素注入口（６）から成
る。測定法は、最初に内径３ｍｍφ、長さ５０〜１００
ｃｍ程度のステンレス製パイプから成る試料充填カラム
に硝酸処理−マグネシウムイオン交換セピオライト０．
２〜５．０ｇを充填する。次にキャリアーガスとしてヘ
リウムを２０ｍＬ／ｍｉｎ流しながら、８００℃以下の
温度で１〜２時間加熱処理する。その後、試料を測定温
度にして、窒素と二酸化炭素の混合ガス２ｍＬをマイク
ロシリンジにて窒素／二酸化炭素注入口から打ち込み、
同時に記録を開始する。窒素と二酸化炭素のリテンショ
ンタイムを測定し、その差が大きいほど窒素／二酸化炭
素分離能が高いものと結論できる。
【００１２】窒素／二酸化炭素分離能を各種の加熱処理
を施した硝酸処理−マグネシウムイオン交換セピオライ
トについて調べたところ、窒素と二酸化炭素は高温状態
のままで硝酸処理−マグネシウムイオン交換セピオライ
トにより分離できることが判明し、しかも原料又は未処
理のセピオライトよりも分離能の向上することが見出さ
れた。以下、実施例および比較例にて詳しく説明する。
【００１３】
【実施例】
【００１４】実施例１ 空気雰囲気の電気炉で５００℃、２時間加熱した硝酸処
理−マグネシウムイオン交換セピオライト２．０ｇを試
料充填カラムに詰め、ヘリウムを２０ｍＬ／ｍｉｎ流し
ながら５００℃、２時間加熱処理した。加熱処理後、試
料温度（分離温度）を３００℃として窒素／二酸化炭素
混合ガス０．２ｍＬを打ち込んだ。窒素と二酸化炭素の
リテンションタイムは、前者が４７秒、後者が１６４秒
であり、その差は１１７秒であった。
【００１５】実施例２ 分離温度のみ３６０℃として、その他の条件は実施例１
と同じ試料および測定条件で窒素と二酸化炭素のリテン
ションタイムを測定したところ、前者は４６秒、後者は
７３秒であり、その差は２７秒であった。
【００１６】実施例３ 分離温度のみ４００℃として、その他の条件は実施例１
と同じ試料および測定条件で窒素と二酸化炭素のリテン
ションタイムを測定したところ、前者は４６秒、後者は
６０秒であり、その差は１４秒であった。
【００１７】実施例４ 分離温度のみ４６０℃として、その他の条件は実施例１
と同じ試料および測定条件で窒素と二酸化炭素のリテン
ションタイムを測定したところ、前者は４６秒、後者は
５１秒であり、その差は５秒であった。
【００１８】実施例５ 空気雰囲気の電気炉で５００℃、２時間加熱した硝酸処
理−マグネシウムイオン交換セピオライト２．０ｇを試
料充填カラムに詰め、ヘリウムを２０ｍＬ／ｍｉｎ流し
ながら６００℃、２時間加熱処理した。加熱処理後、試
料温度（分離温度）を３００℃として窒素／二酸化炭素
混合ガス０．２ｍＬを打ち込んだ。窒素と二酸化炭素の
リテンションタイムは、前者が４６秒、後者が１６３秒
であり、その差は１１７秒であった。
【００１９】実施例６ 分離温度のみ３４０℃として、その他の条件は実施例５
と同じ試料および測定条件で窒素と二酸化炭素のリテン
ションタイムを測定したところ、前者は４６秒、後者は
９４秒であり、その差は４８秒であった。
【００２０】実施例７ 分離温度のみ４００℃として、その他の条件は実施例５
と同じ試料および測定条件で窒素と二酸化炭素のリテン
ションタイムを測定したところ、前者は４５秒、後者は
６２秒であり、その差は１７秒であった。
【００２１】実施例８ 分離温度のみ４６０℃として、その他の条件は実施例５
と同じ試料および測定条件で窒素と二酸化炭素のリテン
ションタイムを測定したところ、前者は４５秒、後者は
５２秒であり、その差は７秒であった。
【００２２】実施例９ 空気雰囲気の電気炉で４００℃、２時間加熱した硝酸処
理−マグネシウムイオン交換セピオライト０．２ｇを試
料充填カラムに詰め、ヘリウムを２０ｍＬ／ｍｉｎ流し
ながら５００℃、２時間加熱処理した。加熱処理後、試
料温度（分離温度）を２００℃として窒素／二酸化炭素
混合ガス０．２ｍＬを打ち込んだ。窒素と二酸化炭素の
リテンションタイムは、前者が２７秒、後者が１３９秒
であり、その差は１１２秒であった。
【００２３】実施例１０ 分離温度のみ２６０℃として、その他の条件は実施例９
と同じ試料および測定条件で窒素と二酸化炭素のリテン
ションタイムを測定したところ、前者は２７秒、後者は
４７秒であり、その差は２０秒であった。
【００２４】実施例１１ 空気雰囲気の電気炉で５００℃、２時間加熱した硝酸処
理−マグネシウムイオン交換セピオライト０．２ｇを試
料充填カラムに詰め、ヘリウムを２０ｍＬ／ｍｉｎ流し
ながら６００℃、２時間加熱処理した。加熱処理後、試
料温度（分離温度）を２２０℃として窒素／二酸化炭素
混合ガス０．２ｍＬを打ち込んだ。窒素と二酸化炭素の
リテンションタイムは、前者が２７秒、後者が１２７秒
であり、その差は１００秒であった。
【００２５】実施例１２ 分離温度のみ２４０℃として、その他の条件は実施例１
１と同じ試料および測定条件で窒素と二酸化炭素のリテ
ンションタイムを測定したところ、前者は２７秒、後者
は４７秒であり、その差は２０秒であった。
【００２６】実施例１３ 分離温度のみ３００℃として、その他の条件は実施例１
１と同じ試料および測定条件で窒素と二酸化炭素のリテ
ンションタイムを測定したところ、前者は２７秒、後者
は３４秒であり、その差は７秒であった。
【００２７】実施例１４ 空気雰囲気の電気炉で５００℃、２時間加熱した硝酸処
理−マグネシウムイオン交換セピオライト０．２ｇを試
料充填カラムに詰め、ヘリウムを２０ｍＬ／ｍｉｎ流し
ながら７００℃、２時間加熱処理した。加熱処理後、試
料温度（分離温度）を２００℃として窒素／二酸化炭素
混合ガス０．２ｍＬを打ち込んだ。窒素と二酸化炭素の
リテンションタイムは、前者が２７秒、後者が１０５秒
であり、その差は７８秒であった。
【００２８】実施例１５ 分離温度のみ２６０℃として、その他の条件は実施例１
４と同じ試料および測定条件で窒素と二酸化炭素のリテ
ンションタイムを測定したところ、前者は２６秒、後者
は４２秒であり、その差は１６秒であった。
【００２９】実施例１６ 分離温度のみ３００℃として、その他の条件は実施例１
４と同じ試料および測定条件で窒素と二酸化炭素のリテ
ンションタイムを測定したところ、前者は２６秒、後者
は３２秒であり、その差は６秒であった。
【００３０】比較例１ 空気雰囲気の電気炉で５００℃、２時間加熱したセピオ
ライト５．０ｇを試料充填カラムに詰め、ヘリウムを２
０ｍＬ／ｍｉｎ流しながら５００℃、２時間加熱処理し
た。加熱処理後、試料温度（分離温度）を２４０℃とし
て窒素／二酸化炭素混合ガス０．２ｍＬを打ち込んだ。
窒素と二酸化炭素のリテンションタイムは、前者が２１
秒、後者が７６秒であり、その差は５５秒であった。
【００３１】比較例２ 分離温度のみ３００℃として、その他の条件は比較例１
と同じ試料および測定条件で窒素と二酸化炭素のリテン
ションタイムを測定したところ、前者は２０秒、後者は
３６秒であり、その差は１６秒であった。
【００３２】比較例３ 空気雰囲気の電気炉で５００℃、２時間加熱したセピオ
ライト５．０ｇを試料充填カラムに詰め、ヘリウムを２
０ｍＬ／ｍｉｎ流しながら６００℃、２時間加熱処理し
た。加熱処理後、試料温度（分離温度）を２２０℃とし
て窒素／二酸化炭素混合ガス０．２ｍＬを打ち込んだ。
窒素と二酸化炭素のリテンションタイムは、前者が２１
秒、後者が１０９秒であり、その差は８８秒であった。
【００３３】比較例４ 分離温度のみ２８０℃として、その他の条件は比較例３
と同じ試料および測定条件で窒素と二酸化炭素のリテン
ションタイムを測定したところ、前者は２１秒、後者は
５５秒であり、その差は３４秒であった。
【００３４】比較例５ 空気雰囲気の電気炉で５００℃、２時間加熱したセピオ
ライト０．４ｇを試料充填カラムに詰め、ヘリウムを２
０ｍＬ／ｍｉｎ流しながら５００℃、２時間加熱処理し
た。加熱処理後、試料温度（分離温度）を２００℃とし
て窒素／二酸化炭素混合ガス０．２ｍＬを打ち込んだ。
窒素と二酸化炭素のリテンションタイムは、前者が２７
秒、後者が６０秒であり、その差は３３秒であった。
【００３５】比較例６ 分離温度のみ２６０℃として、その他の条件は比較例５
と同じ試料および測定条件で窒素と二酸化炭素のリテン
ションタイムを測定したところ、前者は２６秒、後者は
３４秒であり、その差は８秒であった。
【００３６】比較例７ 空気雰囲気の電気炉で５００℃、２時間加熱したセピオ
ライト０．４ｇを試料充填カラムに詰め、ヘリウムを２
０ｍＬ／ｍｉｎ流しながら６００℃、２時間加熱処理し
た。加熱処理後、試料温度（分離温度）を１８０℃とし
て窒素／二酸化炭素混合ガス０．２ｍＬを打ち込んだ。
窒素と二酸化炭素のリテンションタイムは、前者が２７
秒、後者が９３秒であり、その差は６６秒であった。
【００３７】比較例８ 分離温度のみ２８０℃として、その他の条件は比較例８
と同じ試料および測定条件で窒素と二酸化炭素のリテン
ションタイムを測定したところ、前者は２６秒、後者は
３２秒であり、その差は６秒であった。
【００３８】
【発明の効果】本発明は、粘土鉱物の硝酸処理−マグネ
シウムイオン交換セピオライトによる窒素と二酸化炭素
の分離法を提供するものであり、地球的規模の環境保全
に大いに貢献するものと考えられる。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−19722（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−33824（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B01D 53/02 B01J 20/10

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 セラミックスを分離材とした排ガス中の
    高温状態の窒素と二酸化炭素の分離方法であって、該セ
    ラミックスは硝酸で処理した後、マグネシウムでイオン
    交換し、８００℃以下の温度で加熱処理したセピオライ
    トであることを特徴とする高温状態の窒素と二酸化炭素
    の分離方法。
JP7091695A 1995-03-24 1995-03-24 セラミックスを分離材とした窒素と二酸化炭素の分離方法 Expired - Lifetime JP2787196B2 (ja)

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