JP7041083B2

JP7041083B2 - Ｓｏ２ガスの処理方法

Info

Publication number: JP7041083B2
Application number: JP2019004448A
Authority: JP
Inventors: 圭祐磯村; 雄貴内野; 裕子鬼頭; 由竹村
Original assignee: SANWAYUKA INDUSTRY CORPORATION; Toyota Motor Corp
Current assignee: SANWAYUKA INDUSTRY CORPORATION; Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2022-03-23
Anticipated expiration: 2039-01-15
Also published as: JP2020111694A

Description

本発明は、ＳＯ_２ガスの処理方法に関する。

炭素繊維を含有するＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics：炭素繊維強化プラスチック）は、軽量かつ高強度であることから、金属に代わる新しい素材として注目されている。一方、炭素繊維は製造にコストがかかるという側面があり、炭素繊維を安価に製造する方法の開発が求められている。

本発明者らは、廃棄されたＣＦＲＰの樹脂を濃硫酸溶液に溶解させることで、当該ＣＦＲＰに含有された炭素繊維を安価に取り出すことができることを見出した。しかしながら、ＣＦＲＰと濃硫酸溶液とが接触すると、硫酸が分解して、有毒なＳＯ_２（二酸化硫黄）ガスが発生してしまうことがわかった。このため、ＣＦＲＰの樹脂を濃硫酸溶液に溶解させて炭素繊維を取り出す際に、ＳＯ_２ガスを効率よく処理する必要があった。

特許文献１には、ＳＯ_２を含む硫黄酸化物ガス中に過剰量のアンモニアを注入し、当該硫黄酸化物ガスを中和処理させた後、さらに余剰分のアンモニアを炭酸と反応させる方法が開示されている。

特開２０１２－２２３７１８号公報

特許文献１の方法では、アルカリ性物質を過剰量必要とし、さらに当該アルカリ性物質を中和させるための装置も必要となるため、ランニングコストが過大にかかるという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、炭素繊維強化プラスチックを濃硫酸溶液に投入した際に発生するＳＯ_２ガスを安価に処理できる、ＳＯ_２ガスの処理方法を提供するものである。

本発明に係るＳＯ_２ガスの処理方法は、炭素繊維強化プラスチックと濃硫酸溶液が接触することで発生するＳＯ_２ガスを、気相中でオゾン酸化させてＳＯ_３ガスを生成するステップと、前記ＳＯ_３ガスを前記濃硫酸溶液に接触させるステップと、を含むことを特徴としたものである。

本発明に係るＳＯ_２ガスの処理方法は、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）と濃硫酸溶液とが接触することで発生するＳＯ_２ガスを気相中でオゾン酸化させてＳＯ_３ガスを生成し、当該ＳＯ_３ガスを元の濃硫酸溶液に接触させる。このような方法においては、アルカリ性物質や、当該アルカリ性物質を更に処理するための装置が不要であるため、安価にＳＯ_２ガスを処理することができる。

本発明により、炭素繊維強化プラスチックを濃硫酸溶液に投入した際に発生するＳＯ_２ガスを安価に処理できる、ＳＯ_２ガスの処理方法を提供することができる。

本発明に係るＳＯ_２ガスの処理方法において用いる処理装置の概略図である。本発明に係るＳＯ_２ガスの処理方法のフローチャートである。ＳＯ_２とＯ_３が容易に反応し得ることを確認するための実験の構成を示す概略図である。ＳＯ_２ガスを水に吹き込んだ場合の、ＳＯ_２の捕集濃度の時間変化を示すグラフである。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載および図面は、適宜、簡略化されている。

まず、図１を参照して、本実施形態に係るＳＯ_２ガスの処理方法において用いる処理装置１の概略について説明する。図１は処理装置１の概略図である。図１に示すように、処理装置１は、溶解槽１１と、反応槽１２と、オゾン発生器１３と、流路１４～１６と、を備える。

溶解槽１１は、ＣＦＲＰ２０と濃硫酸溶液３０とを接触させてＣＦＲＰ２０の樹脂を溶解させる槽である（図１・左下）。具体的には、例えば溶解槽１１内に満たされた濃硫酸溶液３０内にＣＦＲＰ２０を投入することで、ＣＦＲＰ２０に使用される一般的な樹脂（例えば、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ナイロン樹脂など）を溶解させる。その後、濃硫酸溶液３０内に残留した炭素繊維を取り出して洗浄することによって、炭素繊維を再生することができる。

ＣＦＲＰ２０と濃硫酸溶液３０とが接触すると、ＣＦＲＰ２０の樹脂に含まれる炭素（Ｃ）と濃硫酸溶液３０（Ｈ_２ＳＯ_４）とが下式（１）のように反応し、ＳＯ_２ガスが発生する。
Ｈ_２ＳＯ_４＋Ｃ→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ＋ＳＯ_２・・・（１）
発生したＳＯ_２ガスは、流路１４を介して反応槽１２に導入される。

オゾン発生器１３は、Ｏ_２（酸素）ガスに紫外線を照射したり、Ｏ_２ガス中で放電したりすることによって、Ｏ_３（オゾン）ガスを生成する装置である。生成されたＯ_３ガスは、流路１６を介して反応槽１２に導入される。

反応槽１２は、ＳＯ_２ガスとＯ_３ガスを気相中で反応させてＳＯ_３（三酸化硫黄）ガスを生成する槽である。反応槽１２の内部は、溶解槽１１の内部と流路１４及び流路１５を介して連通しているとともに、オゾン発生器１３から流路１６を介してＯ_３ガスを導入できるように形成されている。図１に示すように、反応槽１２には、溶解槽１１から流路１４を介してＳＯ_２ガスが導入され、オゾン発生器１３から流路１６を介してＯ_３ガスが導入される。このため、ＳＯ_２ガスはＯ_３ガスによってオゾン酸化され、下式（２）に示すようにＳＯ_３ガスが生成される。
ＳＯ_２＋Ｏ_３→ＳＯ_３＋Ｏ_２・・・（２）
このようにして生成されたＳＯ_３ガスは、流路１５を介して、再び溶解槽１１に導入される。
なお、反応槽１２は、流路１４及び流路１６内のガスを吸引する吸気構造や、流路１５内にガスを排出する排気構造を備えていてもよい。

溶解槽１１に導入されたＳＯ_３ガスは、溶解槽１１内の濃硫酸溶液３０と接触する。ここで、下式（３）に示すように、ＳＯ_３は水と反応して速やかに硫酸へと変化する性質があるため、導入されたＳＯ_３ガスは濃硫酸溶液３０内の水と速やかに反応して溶解する。
ＳＯ_３＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２ＳＯ_４・・・（３）
以上のように、ＳＯ_２ガスを気相中でオゾン酸化させて濃硫酸溶液３０と接触することで、ＳＯ_２ガスを安価に処理することができる。

なお、本実施形態に係るＳＯ_２ガスの処理方法においては、ＳＯ_２とＯ_３を気相中で反応させるため、ＳＯ_２を効率よく酸化させることができる。すなわち、例えばＯ_３を濃硫酸溶液３０内に直接導入すると、濃硫酸溶液３０内に残留するＣＦＲＰ２０とＯ_３とが反応してしまい、Ｏ_３が過剰に消費されてしまうが、濃硫酸溶液３０から離れた場所でＳＯ_２とＯ_３を反応させることで、そのような消費を防ぐことができる。したがって、より安価にＳＯ_２ガスを処理することができる。

また、本実施形態に係るＳＯ_２ガスの処理方法では、濃硫酸溶液３０にＳＯ_３ガスを溶解させるため、ＣＦＲＰ２０が溶解した後の廃液は硫酸濃度の高いものとなる。このような硫酸濃度の高い廃液は、蒸留等の処理によって新たな濃硫酸溶液に再生させることが可能である。したがって、本実施形態に係るＳＯ_２ガスの処理方法は、廃液を容易に再生可能とする方法であるともいえる。

次に、図２を用いて、本実施形態に係るＳＯ_２ガスの処理方法のフローについて説明する。図２は、本実施形態に係るＳＯ_２ガスの処理方法のフローチャートである。図２に示すように、本実施形態に係るＳＯ_２ガスの処理方法は、ステップＳ１～Ｓ３を備える。

ステップＳ１においては、ＣＦＲＰ２０と濃硫酸溶液３０が接触することで発生するＳＯ_２ガスを収集する。具体的には、溶解槽１１で発生したＳＯ_２ガスを反応槽１２に導入する。
なお、反応槽１２が吸気構造を備えている場合は、反応槽１２は本工程で流路１４内のＳＯ_２ガスを吸引するようにしてもよい。このような場合、反応槽１２内に当該ＳＯ_２ガスを効率よく導入することができる。

ステップＳ２においては、ステップＳ１で収集したＳＯ_２ガスとＯ_３ガスを気相中で反応させて、ＳＯ_３ガスを生成する。具体的には、反応槽１２にＯ_３ガスを導入し、ＳＯ_２ガスとＯ_３ガスを気相中で反応させる。
なお、反応槽１２が吸気構造を備えている場合は、反応槽１２は本工程で流路１６内のＯ_３ガスを吸引するようにしてもよい。このような場合、反応槽１２内に当該Ｏ_３ガスを効率よく導入することができる。

ステップＳ３においては、ＳＯ_３ガスを濃硫酸溶液に接触させる。具体的には、溶解槽１１内にＳＯ_３ガスを導入し、溶解槽１１内の濃硫酸溶液３０と接触させる。このとき、ＳＯ_３ガスが濃硫酸溶液３０内の水と反応して溶解する。
なお、反応槽１２が排気構造を備えている場合、反応槽１２は本工程で流路１５にＳＯ_３ガスを排出するようにしてもよい。このようにして、溶解槽１１内に当該ＳＯ_３ガスを効率よく導入することができる。

ここで、図３及び図４を用いて、ＳＯ_２ガスとＯ_３ガスの反応の容易性について説明する。図３は、ＳＯ_２とＯ_３が容易に反応し得ることを確認するための実験の構成を示す概略図である。当該実験では、図３に示すように、ＳＯ_２ボンベ１００からＳＯ_２ガスを、オゾン発生器２００からＯ_３ガスを、それぞれビーカーの水３００内に吹き込み、ＳＯ_２ガスが水３００内に回収されるか否かを調べた。
なお、この実験において、ＳＯ_２の濃度は９９．９％、流量は０．２～０．６Ｌ／ｍｉｎの範囲とし、Ｏ_３の濃度は４４ｇ／ｍ^３、流量は０．０６Ｌ／ｍｉｎとした。オゾン発生器２００には、関西オートメ社のＡＵＤ－０５ＡＰを用いた。

図４は、ＳＯ_２ガスを水に吹き込んだ場合の、ＳＯ_２の捕集濃度の時間変化を示すグラフである。図４の縦軸は水中のＳＯ_２の捕集濃度（ｇ／Ｌ）、横軸はＳＯ_２ガスの吹込み時間（ｈ）を表している。図４において、三角印（△）は、ＳＯ_２ガスとＯ_３ガスの両方を吹き込み続けた場合の溶解度の時間変化、丸印（○）は、ＳＯ_２ガスのみを吹き込み続けた場合の溶解度の時間変化を表している。なお、図４の横軸は、水中にＳＯ_２ガスを吹き込んでからＳＯ_２の濃度が飽和に達した時点を基準としている。

図４に示すように、ＳＯ_２ガスとＯ_３ガスの両方を吹き込んだ場合（△）は、ＳＯ_２の吹き込み時間に比例して、ＳＯ_２の捕集濃度が高くなることがわかった。これは、ＳＯ_２ガスがオゾン酸化されたことでＳＯ_３に変化し、当該ＳＯ_３が速やかに水に溶解したからであると考えられる。

一方、Ｏ_３ガスを吹き込まなかった場合（○）は、吹き込み時間を長くしても、ＳＯ_２の捕集濃度は変わらなかった。これは、ＳＯ_２ガスがオゾン酸化されないため、飽和濃度以上に水に溶け込むことができなかったからであると考えられる。
これらの実験結果から、ＳＯ_２とＯ_３は容易に反応し得ることが分かった。また、ＳＯ_２ガスをオゾン酸化することで、実際にＳＯ_２の捕集濃度を高めることができると確かめられた。

以上で説明したように、本発明に係るＳＯ_２ガスの処理方法では、ＣＦＲＰを濃硫酸溶液に投入した際に発生するＳＯ_２ガスを安価に処理することができる。
なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

例えば、上記の実施形態では、処理装置１が反応槽１２、流路１４、及び流路１５を有する構成について説明したが、処理装置１は必ずしも反応槽１２、流路１４、及び流路１５を有していなくてもよい。
この場合、処理装置１は、溶解槽１１、オゾン発生器１３、及び流路１６を有し、流路１６と、溶解槽１１の上部の空間、すなわち濃硫酸溶液３０よりも上部の空間とが連通しするように構成することができる。このような装置構成であっても、ＳＯ_２ガスとＯ_３ガスとを気相中で反応させ、さらにＳＯ_３ガスを濃硫酸溶液３０に接触させることができる。したがって、ＣＦＲＰを濃硫酸溶液に投入した際に発生するＳＯ_２ガスを安価に処理できる。

また、上記の実施形態において、反応槽１２内に、ＳＯ_２ガスとＯ_３ガスとの反応を促進する触媒を設けていてもよい。この場合、ＳＯ_２とＯ_３との反応がより速やかに進行するため、さらに効率よくＳＯ_２をオゾン酸化させることができる。
また、反応槽１２内に、ＣＯガスとＯ_３ガスとの反応を促進する触媒を設けていてもよい。この場合、ＣＦＲＰの溶解に伴って発生した有害なＣＯガスもＯ_３と反応し、無毒なＣＯ_２ガスを生成することができる。したがって、有毒な排ガスを有効に処理することができる。

また、上記の実施形態において、特に溶解槽１１、反応槽１２、及び流路１４～１６の内壁は、ＳＯ_２及びＳＯ_３に対して耐食性の高い材質で形成されていることが好ましい。例えば、これらは鉄鋼やプラスチックで形成されているか、不動態の酸化皮膜に覆われていることが好ましい。上記の材質で形成することで、溶解槽１１、反応槽１２、及び流路１４～１６の耐食性を向上することができる。

以上で説明した複数の構成例は、適宜組み合わせて実施されることもできる。これら複数の構成は、互いに異なる新規な特徴を有している。したがって、これら複数の構成は、互いに異なる目的又は課題を解決することに寄与し、互いに異なる効果を奏することに寄与する。

１処理装置
１１溶解槽
１２反応槽
１３オゾン発生器
１４～１６流路
３０濃硫酸溶液
１００ＳＯ_２ボンベ
２００オゾン発生器
３００水

Claims

炭素繊維強化プラスチックと濃硫酸溶液が接触することで発生するＳＯ_２ガスを、気相中でオゾン酸化させてＳＯ_３ガスを生成するステップと、
前記ＳＯ_３ガスを前記濃硫酸溶液に接触させるステップと、を含む、
ＳＯ_２ガスの処理方法。