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二酸化炭素スクラバーは、二酸化炭素(CO 2 )を吸収する装置です。工業プラントからの排気ガスや、リブリーザーなどの生命維持システム、宇宙船、潜水艇、気密室での呼気を処理するために使用されます。二酸化炭素スクラバーは、制御雰囲気(CA) 貯蔵や炭素回収貯蔵プロセスにも使用されます。
テクノロジー
アミン洗浄
CO 2スクラビングの主な用途は、石炭火力発電所やガス火力発電所の排気からCO 2を除去することです。現在、真剣に評価されている唯一の技術は、モノエタノールアミンなどのさまざまなアミンを使用するものです。これらの有機化合物の冷たい溶液は CO 2と結合しますが、高温になると結合が逆転します。
- CO 2 + 2 HOCH
2中国語
2NH
2↔ホッホ
2中国語
2NH+
3+ホッホ
2中国語
2NHCO−
2
2009年現在[アップデート]、この技術は、施設の設置にかかる資本コストとそれを利用する際の運用コストのため、ほとんど導入されていません。[1]
鉱物とゼオライト
いくつかの鉱物や鉱物のような物質は、CO2と可逆的に結合します。 [ 2] ほとんどの場合、これらの鉱物は酸化物または水酸化物であり、CO2は炭酸塩として結合しています。二酸化炭素は生石灰（酸化カルシウム）と反応して石灰岩（炭酸カルシウム）を形成します。 [3]このプロセスは炭酸ルーピングと呼ばれます。その他の鉱物には、蛇紋岩、マグネシウム ケイ酸塩 水酸化物、およびオリビンがあります。[4] [5] 分子ふるいもこの機能で機能します。
空気または排気ガスからCO 2 を除去し、制御された環境で放出して、洗浄剤を戻すためのさまざまな（循環的な）洗浄プロセスが提案されています。これらには通常、水酸化ナトリウムをベースにしたクラフト法の変形が使用されます。[6] [7] CO 2はそのような溶液に吸収され、（苛性化と呼ばれるプロセスを介して）石灰に移行し、窯の使用によって再び放出されます。既存のプロセスにいくつかの変更を加えると（主に酸素燃焼窯への変更[要出典] ）、結果として生じる排気は濃縮された CO 2の流れになり、貯蔵または燃料での使用が可能になります。この熱化学プロセスの代替手段は、炭酸塩溶液を電気分解してCO 2 を放出する電気プロセスです。 [8]この電気プロセスはより単純ですが、電気分解では水も分解されるため、より多くのエネルギーを消費します。環境を動機とした初期のCO2回収では、電力をエネルギー源として使用していたため、グリーンエネルギーに依存していました。一部の熱CO2回収システムは、現場で生成された熱を使用して、オフサイトの電力生産から生じる非効率性を軽減しますが、それでも原子力や集光型太陽熱発電が提供できる（グリーン）熱源が必要です。[9]
水酸化ナトリウム
ゼーマンとラックナーは空気捕獲の具体的な方法を概説した。[10]
まず、CO 2がアルカリ性のNaOH溶液に吸収され、溶解した炭酸ナトリウムが生成されます。吸収反応は気液反応であり、強い発熱を伴います。
- 2NaOH(水溶液) + CO 2 (g) → Na
2CO の
3(水溶液) + H 2 O (l)
- ナ
2CO の
3(水溶液) + Ca(OH)
2(s) → 2NaOH(水溶液) + CaCO
3（秒）
- ΔH° = −114.7 kJ/モル
苛性化はパルプ・製紙業界で広く行われており、炭酸イオンの94%をナトリウムからカルシウムカチオンに容易に移動させます。[10]その後、炭酸カルシウム沈殿物を溶液から濾過し、熱分解してガス状のCO2を生成します。焼成反応はプロセス中の唯一の吸熱反応であり、以下に示すとおりです。
- 炭酸カルシウム
3(s) → CaO(s) + CO 2 (g)
- ΔH° = +179.2 kJ/モル
方解石の熱分解は、追加のガス分離ステップを避けるために、酸素で燃焼する石灰窯で行われます。石灰 (CaO) の水和によりサイクルが完了します。石灰の水和は、水または蒸気で実行できる発熱反応です。水を使用すると、次に示すように液体/固体反応になります。
- ΔH° = −64.5 kJ/モル
水酸化リチウム
ソーダ石灰、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウムなどの他の強塩基は、二酸化炭素と化学反応を起こして除去することができます。特に、水酸化リチウムは、アポロ計画などの宇宙船で大気から二酸化炭素を除去するために使用されました。これは二酸化炭素と反応して炭酸リチウムを形成します。[11]最近、水酸化リチウム吸収技術は麻酔器 での使用に採用されています。手術中に生命維持と吸入剤を提供する麻酔器は、通常、患者が吐き出す二酸化炭素を除去する必要がある閉回路を採用しています。水酸化リチウムは、従来のカルシウムベースの製品に比べて、安全性と利便性の点でいくつかの利点がある可能性があります。
全体的な反応は次の通りです。
過酸化リチウムは、単位重量あたりのCO2吸収量が多く、酸素を放出するという利点もあるため、使用することもできます。 [12]
近年、リチウムオルトケイ酸塩はCO2回収やエネルギー貯蔵の分野で大きな注目を集めています。 [8]この材料は炭酸塩の形成に高温が必要ですが、性能面で大きな利点があります。
再生二酸化炭素除去システム
スペースシャトルの軌道船に搭載された再生式二酸化炭素除去システム (RCRS) は、消耗品を使わずに二酸化炭素を継続的に除去する 2 ベッド システムを採用していました。再生可能なシステムにより、シャトル ミッションは吸着剤キャニスターを補充することなく、より長い宇宙滞在が可能になりました。再生不可能な古い水酸化リチウム(LiOH) ベースのシステムは、再生可能な金属酸化物ベースのシステムに置き換えられました。金属酸化物ベースのシステムは、主に金属酸化物吸着剤キャニスターと再生器アセンブリで構成されていました。このシステムは、吸着剤を使用して二酸化炭素を除去し、その後吸着剤を再生することで機能しました。金属酸化物吸着剤キャニスターは、約 200 °C (392 °F) の空気を 3.5 L/s (7.4 cu ft/min) の標準流量で 10 時間ポンプで送り込むことで再生されました。[13]
活性炭
活性炭は二酸化炭素スクラバーとして使用できます。果物の貯蔵場所からの空気など、二酸化炭素含有量の高い空気を活性炭層に吹き込むと、二酸化炭素が活性炭に付着します [吸着]。層が飽和状態になったら、周囲空気などの二酸化炭素含有量の低い空気を層に吹き込むことで「再生」する必要があります。これにより層から二酸化炭素が放出され、再びスクラビングに使用できるようになります。空気中の二酸化炭素の正味量は、プロセス開始時と同じになります。[引用が必要]
金属有機構造体（MOF）
金属有機構造体は、吸着による二酸化炭素の捕捉と隔離について十分に研究されている。[14]大規模な商業技術は存在しない。[15]ある一連のテストでは、真空圧力スイングプロセスを使用して、MOFが排気ガス流からCO2の90％を分離することができた。捕捉剤としてアミンを使用した場合のエネルギーコストは81％増加するのに対し、MOFを使用した場合は65％増加すると推定されている。[16]
エアカートリッジを延長する
延長エアカートリッジ（EAC）は、適切に設計された再呼吸器の受容腔に装着できる、事前に充填された使い捨ての吸収剤カートリッジの一種です。[17]
その他の方法
二酸化炭素を除去するための他の多くの方法や材料が議論されてきました。
参照
- 炭素回収・貯留 – 産業排ガスから二酸化炭素を回収して貯留するプロセス
- 二酸化炭素除去 – 人間の活動による大気中の二酸化炭素の除去
- 温室効果ガス – 特定の吸収特性を持つ大気中のガス
- リブリーザー – 呼吸ガスをリサイクルする携帯型装置
- サバティエ反応 – 二酸化炭素と水素のメタン化反応
参考文献
- ^ Gary T. Rochelle (2009). 「アミンスクラビングによるCO2回収」. Science . 325 (5948): 1652–4. Bibcode :2009Sci...325.1652R. doi :10.1126/science.1176731. PMID 19779188. S2CID 206521374.
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新しい金属酸化物ベースのシステムは、EMU のプライマリ生命維持システムにある既存の非再生可能な水酸化リチウム (LiOH) 二酸化炭素 (CO2) 除去システムに代わるものです。
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