JPS602086B2 - 二酸化炭素の除去方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガス流から二酸化炭素ないいま炭酸ガスを吸収
する方法、特に閉鎖された雰囲気から炭酸ガスを吸収す
ることによってこのような雰囲気中で呼吸する人間およ
び動物にとって健康で安全な環境を維持する方法に関す
る。

更に詳しくは、本発明は例えば宇宙船、潜水艦水中循環
呼吸装置（皿ｄｅｒ肌ｔｅｒ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉ
ｎｇｂｒｅａｔｈｉ増ａｐｐａｒａｔ船）などの閉鎖さ
れたあるいは一部閉鎖された環境、および消火活動のよ
うな危険な状況下で使用する例えばガスマスクのような
閉回路呼吸装置（ｃｌｏｓｅｄｃｉｒｃｕｉｔｂｒｅａ
ｔｈｉｎｇａｐｐａｒａｔ聡）などを呼気中の炭酸ガス
を吸収することによって呼吸可能な雰囲気を維持する方
法に関する。

更に本発明は二酸化炭素の吸収ならびに発熱および水蒸
気の減少を可能にした新規で非常に優れた吸収媒体（ａ
広ｏｒｐｔｉｖｅｍｅｄｉｕｍ）、およびこの種の吸収
媒体を用いてガス流から二酸化炭素を吸収する方法に関
する。

本発明は更に広範囲にわたる種々の条件において作用し
、閉鎖された環境の中で容易にかつ安全に利用し取り扱
うことのできる吸収媒体に関する。

潜水艦や宇宙船におけるような限られた呼吸雰囲気から
二酸化炭素を除去する方法および物質はこれまで知られ
ている。

この種の代表的な技術としては活性炭、特別に作られた
ケイ酸アルミニウムナトリウム化合物および水酸化アリ
カｌｊを用いるものがある。しかし、このような従来の
方法は多くの不利な点や制限がある。例えば活性炭は低
圧（５岬ｓｊ沙〆下）では吸収能力が比較的低く、また
その吸収能力は温度の低下に従って増加するので、吸着
以前にベッドを予め冷却するとともに、除去さるべき炭
酸ガスを含流入混合ガスを継続的に予め冷却する必要が
ある。

ケイ酸アルミニウムナトリウム化合物は炭酸ガスの吸収
能力を減ずる水蒸気に対して高い親和力を有している。
水酸化アルカリは水分によって固り、吸収能力を非常に
低下させる。

また相当量のアルカリの微粒子が空気の流れの中に混入
し、これを吸入する者に対して相当な危険を与える。更
に固体の水酸化アルカリを用いると相当量の熱を発生し
、取り扱いが厄介である。一定の雰囲気中から二酸化炭
素を除去する従来の方法として二酸化炭素を含む雰囲気
をカセィ溶液（ｃａｕｓｔｉｃｓｏｌ山ｉｏｎｓ）によ
って洗浄する方法があるが、これは金属炭酸塩を生じる
。

このような溶液はきわめて容易に作ることができ、比較
的安くまた効果がある。これらのシステムは運転の費用
が安く、生成された金属炭酸塩は普通副産物として使用
されるか、あるいは単なる廃棄物として捨てられる。試
薬の使用、エネルギー源、炭酸ガスを含む雰囲気の処理
を行うスペースに実用上制限がない場合、従来のシステ
ムは満足すべきものであった。

当該技術の議題は炭酸ガスや水蒸気のような呼吸作用に
よる副産物を（例えば顔面マスクのレンズのくもりを防
止するために）最少のスペースと童量の装置によって熱
の発生を最少にして除去することである。従って、本発
明の目的は閉鎖された呼吸雰囲気から二酸化炭素を収着
除去するための改良された物質を提供するにある。

本発明の他の目的は、前記二酸化炭素収着物質（ｓｏｒ
ｂｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌ）を作る方法を提供するにあ
る。

上述の目的および他の目的は多くの優れた特性を有する
新規で乾燥した二酸化炭素の収着剤を提供することによ
って達成される。

乾燥炭酸ガス除去システムにおいて、収着ベッド（ｓｏ
ｒｂｅｎｔｂｅｄ）は炭酸ガスを含む湿った空気に接触
するときに炭酸ガスを吸収あるいは吸着する物質で充た
されている。

炭酸ガスの除去において収着剤が効果的であればあるほ
ど、実際上最小の容積と重量中に含まれる炭酸ガスの量
がそれだけ多くなる。

収着ベッドの容積の問題は、潜水艦、宇宙船あるいは使
用者自身が持ち運ぶ呼吸装置等においては、装置の全容
積および重さに制限があるために、特に重要である。ベ
ッドが大きければ大きいほど、使用サイクルはそれだけ
長くなるが、装置自体の大きさと重量も増えることにな
る。前述の目的は、熱の発生が非常に少なくて炭酸ガス
を吸収する優れた能力を有する物質の組み合わせによっ
て達成することができる。

本発明は、水酸化リチウムのベッドとこのベッドの下流
に配備された特別に処理された分子ふるいないいまモレ
キユラーシーブのベッド（ｍｏｌｅｃ山ａｒｓｉｅｖｅ
ｂｅｄ）を適当なシーケンスで組合わせると、おどろく
ほど効果的な炭酸ガス吸収剤として作用するという発見
に基づいている。その結果はこの吸収剤の吸収能力が自
由な水酸化リチウムの吸収能力よりも分子ふるいの存在
から期待される以上に増加している点で極めて優れてい
る。炭酸ガスと水酸化リチウムの反応に基づく従来の炭
酸ガス吸収システムは次式によって表わされる反応に基
づくものであった。

山ｉＯＨ＋Ｃ０２→Ｌｉ２Ｃ０３十日２０ …
（１）この反応は強い発熱反応で、１モル当り２９０キ
ロカロリーの熱を発生する。

更にこの反応には反応される１モルの炭酸ガスに対して
２モルの水酸化リチウムを必要とし、かなりの量の水が
生成される。これらすべてのことがらは当該技術におい
て重大な問題であった。本発明の吸収剤を用いることに
よって、ガス流から炭酸ガスをより効果的に吸収するこ
とができ炭酸ガスと水酸化リチウムの反応は分子ふるい
と組合わされた水の作用によって次式で示される反応に
変えられる。

Ｌｉ。

Ｈ＋Ｃ。２手当≧≧ＬｉＨＣ。

３ ”‐（ｎ）重炭酸塩へ向う反応は強い吸熱反
応であり１モル当り４６５キロカロリーを要し、水を生
成せず消費される水酸化リチウム１モル当り１モルの炭
酸ガスを吸収する。

炭酸ガスの吸収剤への流入を実質上一定のレベルおよび
実質上連続した流量に維持し、これによって平衡状態を
保持すると、操作の最大の効率と経済性とが達成される
ことは明らかである。

水酸化リチウムとこれに続く制御された量の水と組合わ
された分子ふるいのベッドの組合わせになる本発明の吸
収装置は充分な熱が得られるときは前記反応（０）に対
して本質的に有利に作用する。連続した組成の相対的な
比率は重要であり、ケイ酸アルミニウムナトリウム１モ
ル当り約４５乃至５５モル、好ましくは５０モルの水を
必要とする。最初の含水量は分子ふるい１モル当り約４
０乃至６０好ましくは５１乃至５５モルとすべきである
。分子ふるいは三次元結晶のアルミノケィ酸塩でその外
面からシリカとアルミナの四面体の相互結合 （ ｉｎ
にｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｉｌｉｃａ ａｎｄ ａｉｍ
ｍｉｎｉｔｅｔｒａｈｅｄｒａ）によって形成された内
部の三次元のかご構造（ｃａｇｅｗｏｒｋ）に及ぶ均一
な小孔によって特徴づけられる。分子ふるいの利用可能
な表面のほんの１％程度のみが外側にあり、従って吸着
作用の大部分の分子が、この孔を通って内部のかご構造
に入って吸着されることによって行われる。この点が内
部に広い吸着領域を有せず従って吸着能力が低いシリカ
ゲルや活性炭のような従釆の吸収剤とは箸るしく異る点
である。分子ふるいは不飽和分子や極性をもつ （ｐｏｌａｒ）分子または極性化可能な（ｐｏｌａｒｉ
ｚａｂｌｅ）分子に対して著しく強い親和力を有してい
る。

従ってエチレン（不飽和分子）、水および炭酸ガス（極
性分子）に対して適している。吸収剤は粘士の結合剤を
含む圧縮べレットの形で用いるのが好ましい。ゼオラィ
ト×（ｚｅｏｌｊに×）は合成結晶フツ石型分子ふるい
（モレキュラーシーブ）で０．９十〇，狐士ｏ：ＡＩ２
ｏ３：２．５±ｏ．＄ｉ０２：ｙＨ２０の式で示される
。

ここでＭは金属、好ましくはアルカリおよびアルカリ士
類金属、ｎは金属Ｍの原子価、ｙは約８までの任意の値
であって、この値は金属Ｍの種類と結晶ゼオラィトの水
和度に依存する。ナトリウムゼオラィトＸは約１０△の
みかけの孔を有している。ゼオラィト×、そのＸ線回折
パターン、特性および調製の方法については、１９５＄
王４月１４日発行の米国特許第２８８２２４４号に詳し
い。他の分子ふるいを用いることができるがゼオラィト
Ｘ、特にゼオラィト１球として知られている形態のもの
が本発明の実施に適している。次に本発明の作用につい
て説明すると、水酸化リチウムが吸収ゾーンに置かれ、
その直後の流れの中に分子ふるいと水の組合わせが配置
される。

この一連のベッドを通してガスの流れを循環させると、
炭酸ガスが実質上完全に除去される。附加的な効果とし
て、相対湿度が非常に低いレベルにまで減少させられる
。このシステムで得られる条件のもとでは、熱の発生が
著しく減少され、初期の水酸化リチウムのダストが実質
上完全に除去される。発熱の相当な減少、吸収べッド‘
こおけるｐＨの監視（モニター）および使用後の吸収剤
の分析結果のいずれによってもＬｉＨＣＱの存在が確認
される。今のところこの重炭酸塩がどのようにしてある
し・はなぜ生成されるのか、あるいはこのプロセスの重
炭酸塩に対する適合性は何に基づくのかは明らかではな
い。しかし、ＬｉＯＨと水和された分子ふるいを混合し
たり、あるいは分子ふるいをＬｉＯＨベッドの上流に配
置したりすれば、反応は測定できるほど進行しない。実
際には両媒体を例えばワイヤメッシュあるいは特殊なフ
ィルタ媒体によって分離した単一の容器内に配置するの
が都合がよい。

この容器には両端にそれぞれ入口と出口を設け、ＬｉＯ
Ｈが入口側にそしてその直ぐ下流に水和された（ｈｙｄ
ｒａにｄ）分子ふるいが置かれるように、この容器をシ
ステムに接続する。

本発明の最もよい実施様態を次に示すが、これらの実施
例は本発明の理解のためのものであって、本発明の範囲
を何ら限定するものではない。

実施例 １入口と出口を備えた容器に４０メッシュのワ
イヤースクリーンを取付けてこの容器を二つの室に分離
した。

第１の入口側の室は第２室の容積の２。で、第１の室を
乾燥した粒状の水酸化リチウムで満した。第２の室には
次の方法で形成した水和された分子ふるいを満した。ケ
イ酸アルミニウムナトリウム、ゼオラィト１松を水銀柱
２９インチ（約７３．７センチ）の真空で６０００Ｆ（
約３１５ｑｏ）で２時間加熱し、乾燥器中で冷却し、こ
の乾燥された分子ふるいをゼオラィト１モル当り５１モ
ルの蒸留水と混合し、この混合物を気密容器に入れ、約
２４時間放置して平衡させてから、前記金属製容器の第
２の出口側の室に入れた。

０２を山ＰＭでフィルタ循環システムを介して室に供給
し、この室に湿度１００％のＣ０２を１．７ＬＰＭで供
給した。

この室には安全弁を取付け室内の蓄積圧力を水中で１〜
２に調整し、Ｃ０２含有量、水蒸気含有量、ガス温度、
フィルターベッドの温度を監視した。酸素はわずか山Ｐ
Ｍで供給したが、循環システム（この場合、このシステ
ムは酸素の流れによって駆動される）は室からのガスを
吸収ベッドを通して約３山ＰＭの割合で循環させた。容
器内の温度は約９８Ｔ（約３６．７℃）まで上昇し、そ
こで安定し、他方浄化されたガス流の温度は周囲温度（
約７？Ｆ（約２０℃））から１８分後に最高８８０Ｆ（
約３１．１００）まで徐々に上昇した。実施例 ロ分子
ふるいの水和の度合の重要性を示すために実施例１の操
作を分子ふるいの水和の水の量を変えて繰返し行った。

各工程中のゼオラィトの含水量、並びに１８分工程の終
りにおける容器および排出ガスの温度を次表に示す。

表 水、モル 容器温度 ガス温度 。

Ｆ（ ℃） ＯＦ（ ℃）無 水 ２０
８Ｇ７８） １６２（７２２）３０一３６ １
８２後３．３ １５２俗６．７）５１−５５
９８（３６．７） ８８ＧＩ．１）７１−７５
１８０後２．２） １５１６６．１）１２５
−１３０ １９０（８７．８） １５８０ｏ．ｏ
）２００−２５０ １９３後９４） １６００１
．１）上の表に示されるように特定範囲外の水和のレベ
ルでは分子ふるいの全く存在しない水酸化リチウムによ
る吸収と実質上同機に動作する。

以上のように本発明によれば熱の発生が比較的少なく、
従って開回路の呼吸システムにおいて高い熱の蓄積に伴
う諸問題を避けることができる。吸熱反応とモレキュラ
ーシープによって呼吸系中の水蒸気含有量が非常に低く
なり凝結とくもりを避けることができる。ＬｉＯＨのダ
ストは強い刺激性を有しているが、分子ふるいによって
循環ガスの流れの中に入ることが効果的に阻止される。
以下本発明の実施の態様を要約する。【１’二酸化炭素
と水分を含むガスを水酸化リチウム中を通過させ、その
直後に水和されたモレキュラーシープ中を通過させ、前
記ガス中の二酸化炭素と水酸化リチウムとを少くとも部
分的に反応式ＬｉＯＨ＋Ｃ０２些空ＬｉＨＣ０３ に従って反応させて前記ガスの流れ中より二酸化炭素を
除去することを特徴とする二酸化炭素の除去方法。

‘２１ 呼吸ゾーンから二酸化炭素吸収ゾーンに到り再
び前記呼吸ゾーンに戻る循環するガスの流れを形成し、
前記呼吸ゾーンに二酸化炭素を含む呼気を導入し、この
呼気を前記呼吸ゾーンから移送しこの呼気を前記循環す
るガスの流れとともに流通せしめ、前記二酸化炭素吸収
ゾーンにおいて、循環するガスの流れを、水酸化リチウ
ムを収容した第１の室と、その直後に配備され１モルの
モレキュラーシーブに対して約４０乃至６０モルの水和
したモレキュラーシーフ（ｈｙｄｒａにｄｍｏｌｅｃ山
ａｒｓｉｅｖｅ）を収容した第２の室とを通過させ、前
記二酸化炭素と水酸化リチウムとを少くとも部分的に反
応式ＬｉＯＨ十Ｃ０２些単ＬｉＨＣ０３ に従って反応させて前記呼吸ガス中から二酸化炭素を除
去することを特徴とする循環呼吸装置における二酸化炭
素除去方法。

‘３’ 前記モレキュラーシーブが結晶ゼオライトであ
る■項の方法。

｛４｝ 前記ゼオラィトがゼオライトＸである‘３｝項
の方法。

｛５｝ 前記ゼオラィトがゼオラィト１球である■項の
方法。

‘６｝ 前記水酸化リチウムと水和したモレキュラーシ
ーブの容積比（ｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏ）が約２：１で
ある‘５’項の方法。

｛７｝ 前記ガスの流れが前記吸収媒体中を連続的に流
通せしめられるようにした■項の方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 二酸化炭素と水分を含むガスを水酸化リチウム中を
   通過させ、その直後に水和されたモレキユラーシーブ中
   を通過させ、前記ガス中の二酸化炭素と水酸化リチウム
   とを少くとも部分的に式▲数式、化学式、表等がありま
   す▼に従って反応させて前記ガス中より二酸化炭素を除
   去することを特徴とする二酸化炭素の除去方法。 ２ 呼吸ゾーンから二酸化炭素吸収ゾーンへ到り再び呼
   吸ゾーンへ戻る循環ガスの流れの中に二酸化炭素を含む
   呼気を前記呼吸ゾーンにおいて導入し、この呼気を前記
   循環ガスの流れとともに前記呼吸ゾーンから前記吸収ゾ
   ーンへ送り、この吸収ゾーンにおいて前記循環ガスを、
   水酸化リチウムを収容した第一の室と、その直後に配置
   され１モルのモレキユラーシーブ当り約４０乃至６０モ
   ルの水を含む水和されたモレキユラーシーブを収容した
   第二の室とを通過させ、前記二酸化炭素と水酸化リチウ
   ムとを少くとも部分的に式▲数式、化学式、表等があり
   ます▼ に従って反応させて前記呼気中から二酸化炭素を除去す
   ることを特徴とする循環呼吸装置における二酸化炭素の
   除去方法。