JP7699796B2 - How to remove carbon dioxide from the air - Google Patents
How to remove carbon dioxide from the air Download PDFInfo
- Publication number
- JP7699796B2 JP7699796B2 JP2021075533A JP2021075533A JP7699796B2 JP 7699796 B2 JP7699796 B2 JP 7699796B2 JP 2021075533 A JP2021075533 A JP 2021075533A JP 2021075533 A JP2021075533 A JP 2021075533A JP 7699796 B2 JP7699796 B2 JP 7699796B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- carbon dioxide
- rock
- calcium
- air
- rocks
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
- Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
- Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
Landscapes
- Gas Separation By Absorption (AREA)
- Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
Description
特許法第30条第2項適用 英国物理学会(Institute of Physics:IOP)の出版部門であるIOP Publishingが発行する学術文献のオンラインサービスであるIOP SCIENCEで開示された、「Environmental Research Letters,Volume15,Number 12(Environ.Res.Lett.15 124018)」によるウェブサイト、令和2(2020)年11月27日公開 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abc217 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abc217/pdf https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abc217/epubApplication of
本発明は、空気中の二酸化炭素を除去する方法に関する。さらに詳しくは、大気中の二酸化炭素を炭酸塩として鉱物化することにより、有用で無害の状態に変換することを可能とする空気中の二酸化炭素を除去する方法に関する。 The present invention relates to a method for removing carbon dioxide from the air. More specifically, the present invention relates to a method for removing carbon dioxide from the air, which enables carbon dioxide in the air to be converted into a useful and harmless state by mineralizing it as carbonate.
大気中に排出される二酸化炭素は、近年問題とされている地球温暖化の原因であることは自明である。かかる二酸化炭素の排出量を削減することが地球環境の保護の大きな課題となっている。 It is self-evident that carbon dioxide emitted into the atmosphere is the cause of global warming, which has become a problem in recent years. Reducing carbon dioxide emissions is a major issue in protecting the global environment.
二酸化炭素は、陸上及び海洋の植物生活による光合成等の生物学的プロセスを通じて大気から自然に捕捉されるものの、大気中の二酸化炭素の濃度は依然上昇し続けている。また、二酸化炭素は、海洋生態系に脅威を引き起こしている世界の海の酸性化の要因にもなるといわれている。これに対し、工場等の排煙や大気中の二酸化炭素(CO2)ガスを固定化して除去するためのシステムが種々提案されている(例えば、特許文献1等を参照。)。
Although carbon dioxide is naturally captured from the atmosphere through biological processes such as photosynthesis by terrestrial and marine plant life, the concentration of carbon dioxide in the atmosphere continues to rise. Carbon dioxide is also said to be a factor in the acidification of the world's oceans, which poses a threat to marine ecosystems. In response to this, various systems have been proposed for fixing and removing carbon dioxide (CO 2 ) gas from factory exhaust gases and the atmosphere (see, for example,
世界の二酸化炭素(CO2)濃度を正味に削減して大気中の二酸化炭素を除去ないし削減することは、負の排出技術(NET:Negative Emission Technology)または二酸化炭素除去(CDR:Carbon Dioxide Removal)と呼ばれ、種々の技術が提供されている(例えば、非特許文献1ないし非特許文献3等を参照。)。
Removing or reducing carbon dioxide from the atmosphere by reducing the net concentration of carbon dioxide (CO 2 ) in the world is called negative emission technology (NET) or carbon dioxide removal (CDR), and various technologies have been provided (see, for example, non-patent
放出された二酸化炭素は、現代文明と互換性のある範囲内で地球の気候を安定させるために、大気から除去する必要がある。また、一般に、前記の文献に記載された技術は、生物学的システム(例えば、土壌、植物、または海洋における二酸化炭素の貯留等。)に依存するか、または空気から二酸化炭素をろ過し、液化し、地下に貯留する高度に工業化された機械等に依存する。そして、かかる機械等に依存する工業プロセスにあっては、化学薬品、高温、及び特殊な反応器が必要となる傾向があった。 The released carbon dioxide needs to be removed from the atmosphere to stabilize the Earth's climate within ranges compatible with modern civilization. Generally, the techniques described in the above documents rely on biological systems (e.g., storing carbon dioxide in soil, plants, or oceans) or highly industrialized machinery to filter the carbon dioxide from the air, liquefy it, and store it underground. Industrial processes that rely on such machinery tend to require chemicals, high temperatures, and specialized reactors.
岩石への二酸化炭素の鉱化は,数十万年の間に自然に生じるが、反応を促進させる従来の方法は,高温・高圧,または薬品の添加等による方法がある。一方、このような方法は,エネルギーの負荷や、付随する二酸化炭素の排出量が大きく、温室効果ガスの削減にはならなかった。 The mineralization of carbon dioxide into rocks occurs naturally over hundreds of thousands of years, but conventional methods for promoting the reaction include high temperature and pressure, or the addition of chemicals. However, these methods require a large amount of energy and result in large amounts of carbon dioxide emissions, and have not reduced greenhouse gas emissions.
具体的には、前記した非特許文献1に開示される技術にあっては、高温・高圧の条件で二酸化炭素と反応させているため、実質的な二酸化炭素の削減量が減ってしまうという問題があった。また、非特許文献2に開示される技術は、薬品の添加が必要であり,その製造時のバックグラウンドエミッション(例えば、薬品や添加物の作成、輸送、終了処理・処分に関連する二酸化炭素の排出。)によって、非特許文献1で開示される技術と同様に、実質的な二酸化炭素の削減量が少なくなっていた。
Specifically, the technology disclosed in the above-mentioned
さらには、非特許文献3に開示された方法は、破砕した岩石を土壌表面に単純に分散させる方法であるが、二酸化炭素の鉱化量を見積もることが難しいとともに、環境に悪影響を与える可能性があるため、好ましくなかった。
Furthermore, the method disclosed in
なお、大気からの二酸化炭素の直接除去は、気候変動抑制目標に見合った既放出の二酸化炭素除去(CDR)の全体量からみれば一部でしかない。除去された二酸化炭素は、処分のために適切な場所に輸送され、特定の地質構造物の地下深くに貯留する必要がある。かかる輸送及び貯留システムは、個々の企業が製造及び運用するには大規模すぎるとともにコストがかかり、地下に二酸化炭素を貯留するシステムに依存するCDRを達成するには政治的、経済的、社会的等の種々のリスクが発生するという問題もあった。 However, the direct removal of carbon dioxide from the atmosphere is only a part of the total amount of carbon dioxide removal (CDR) of released carbon dioxide that is consistent with climate change reduction goals. The removed carbon dioxide needs to be transported to a suitable location for disposal and stored deep underground in specific geological structures. Such transportation and storage systems are too large and costly for individual companies to manufacture and operate, and there are also problems with achieving CDR that relies on underground carbon dioxide storage systems, such as various political, economic, and social risks.
本発明は、前記に鑑みてなされたものであって、低コストで実施可能であり、実質的な二酸化炭素の削減を図ることができるとともに、二酸化炭素の貯留のリスクもなく、環境にも優しい空気中の二酸化炭素を除去する方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and aims to provide a method for removing carbon dioxide from the air that can be implemented at low cost, can achieve substantial carbon dioxide reduction, does not pose the risk of carbon dioxide accumulation, and is environmentally friendly.
前記の課題を解決するために、本発明に係る空気中の二酸化炭素を除去する方法は、
空気中の二酸化炭素を除去する方法であって、
Ca(カルシウム)またはMg(マグネシウム)のうち少なくとも1種を含む化合物(炭酸塩を除く。)を含む岩石を粉砕して前記岩石の微粒子を得る微粒子化工程と、
得られた前記岩石の微粒子を、温度が15~50℃、相対湿度が50~100%の空間で空気と接触させ、前記岩石の微粒子に炭酸塩を形成する炭酸塩形成工程と、
を含み、
前記岩石の非晶化された部分が全体の30質量%以下であり、
前記岩石の微粒子の粒径が1~100μmであり、
前記岩石の微粒子が、トレイの底面全体に層状に広げた状態で当該トレイに入れられ、前記空間内に前記トレイを載置することにより前記空気と接触され、
前記層状に広げた前記岩石の微粒子の厚さが、1~50mmであることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the method for removing carbon dioxide from air according to the present invention comprises the steps of:
1. A method for removing carbon dioxide from air, comprising the steps of:
a microparticulation step of crushing a rock containing a compound (excluding carbonates ) containing at least one of Ca (calcium) and Mg (magnesium) to obtain fine particles of the rock;
a carbonate formation step of contacting the obtained rock particles with air in a space having a temperature of 15 to 50° C. and a relative humidity of 50 to 100% to form carbonates in the rock particles;
Including,
The amorphized portion of the rock is 30 mass% or less of the total,
The particle size of the rock particles is 1 to 100 μm ;
The rock particles are placed in a tray in a layer spread across the entire bottom surface of the tray, and the tray is placed in the space to contact the air;
The thickness of the rock particles spread in layers is 1 to 50 mm .
本発明に係る空気中の二酸化炭素を除去する方法は、前記した本発明において、前記岩石が、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、カルシウム・鉄酸化物、アルミン酸カルシウム及びケイ酸カルシウムからなる群の化合物のうち少なくとも1種を含むことを特徴とする。 The method for removing carbon dioxide from the air according to the present invention is characterized in that the rock contains at least one compound selected from the group consisting of calcium oxide, magnesium oxide, calcium-iron oxide, calcium aluminate, and calcium silicate.
本発明に係る空気中の二酸化炭素を除去する方法は、前記した本発明において、前記岩石が、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、カルシウム・鉄酸化物、アルミン酸カルシウム及びケイ酸カルシウムからなる群の化合物のうち少なくとも1種を、合計量で、前記岩石全体の5質量%以上含むことを特徴とする。 The method for removing carbon dioxide from the air according to the present invention is characterized in that the rock contains at least one compound selected from the group consisting of calcium oxide, magnesium oxide, calcium-iron oxide, calcium aluminate, and calcium silicate in a total amount of 5% by mass or more of the entire rock.
本発明に係る空気中の二酸化炭素を除去する方法は、前記した本発明において、前記岩石が超塩基性岩、塩基性岩、スラグ及び廃コンクリートのうち少なくとも1種を含むことを特徴とする。 The method for removing carbon dioxide from the air according to the present invention is characterized in that, in the present invention described above, the rocks include at least one of ultrabasic rock, basic rock, slag, and waste concrete.
本発明は、アルカリ土類金属を含む岩石を微粒子化し、得られた微粒子を所定の環境とした空間内で空気と接触させることにより、空気中の二酸化炭素を炭酸塩として鉱物化することにより、二酸化炭素を岩石に固定して、空気中の二酸化炭素を除去するようにしている。 The present invention works by microparticulating rocks containing alkaline earth metals, and then bringing the resulting microparticulates into contact with air in a space with a specified environment, thereby mineralizing the carbon dioxide in the air as carbonate, thereby fixing the carbon dioxide in the rocks and removing it from the air.
よって、本発明は、薬品を使用せず、また、大掛かりな設備等も使用しないで低コストで空気中の二酸化炭素の除去を簡便に実施することができ、付随する二酸化炭素の発生量も少ないので、実質的な二酸化炭素の削減を図ることができる。加えて、本発明は、二酸化炭素の貯留の必要もなく、かかる貯留におけるリスクもないとともに、固定化された二酸化炭素は環境に無害な炭酸塩となり、岩石とともに再利用も可能であるため、環境にも優しいものである。 Therefore, the present invention can easily remove carbon dioxide from the air at low cost without using chemicals or large-scale equipment, and since the amount of carbon dioxide generated is small, it is possible to substantially reduce carbon dioxide. In addition, the present invention is environmentally friendly because it does not require the storage of carbon dioxide and there are no risks associated with such storage, and the fixed carbon dioxide becomes carbonate, which is harmless to the environment, and can be reused together with rocks.
以下、本発明の一態様について説明する。本発明に係る空気中の二酸化炭素を除去する方法は、アルカリ土類金属を含む岩石を微粒子化し((I)微粒子化工程)、かかる微粒子を特定の環境とした空間内で空気と接触させることにより、空気中の二酸化炭素を炭酸塩とすることで鉱物化して固定する((II)炭酸塩形成工程)ことによりかかる二酸化炭素を空気中から除去するようにしている。 One embodiment of the present invention will be described below. The method of removing carbon dioxide from the air according to the present invention involves microparticulating rocks containing alkaline earth metals ((I) Microparticulation step), and then bringing the microparticulates into contact with air in a space with a specific environment, thereby converting the carbon dioxide in the air into carbonates, thereby mineralizing and fixing the carbon dioxide ((II) Carbonate formation step), thereby removing the carbon dioxide from the air.
(A)微粒子化工程:
微粒子化工程では、岩石を粉砕して微粒子を得る工程である。
(A) Micronization step:
The microparticulation process is a process in which rocks are crushed to obtain fine particles.
(A-1)岩石について:
まず、使用可能な岩石について説明する。岩石は、下記に例示した化合物等から形成されていれば、天然岩石、人工岩石のいずれも使用することができる。なお、本発明では、「化合物」は「鉱物」も含む概念である。
(A-1) About rocks:
First, we will explain the rocks that can be used. Both natural and artificial rocks can be used as long as they are made of the compounds listed below. In the present invention, the term "compound" is a concept that includes "minerals."
使用可能な岩石は、例えば、0~100℃の温度、適当な湿気(例えば、反応環境の相対湿度が50~100%等。)、大気圧の環境下で、気相二酸化炭素と反応して炭酸塩を形成することが熱力学的に可能であることを必要とする。また、「熱力学的に」とは、0次元の計算条件を考慮し、メソ(meso)スケール構造を考慮しないものと解する。 For a rock to be usable, it must be thermodynamically possible for it to react with gas-phase carbon dioxide to form carbonates under conditions of, for example, a temperature of 0-100°C, appropriate humidity (e.g., relative humidity of the reaction environment of 50-100%), and atmospheric pressure. In addition, "thermodynamically" is understood to take into account zero-dimensional calculation conditions and not meso-scale structures.
本発明で使用可能な岩石としては、アルカリ土類金属を含む化合物を含む岩石として、鉱石から金属を製錬する際等に、冶金対象である金属から溶融によって分離した鉱石母岩の鉱物成分等を含む物質からなる、いわゆるスラグ(鉄鋼スラグ、製鉄スラグ等。)や、元来は建築物等に用いられていたコンクリートであって、この建築物等自体が不要になったり、建築物等が使用された建物等を解体することによって生じた解体コンクリートや、建築物等が建設される際等に発生する余剰となったコンクリート自体等、将来的に廃棄することが想定されるコンクリート等である廃コンクリート(コンクリート廃棄物)も含み、これらスラグや廃コンクリートを用いることが好ましい。なお、炭酸塩は、空気中の二酸化炭素と反応してさらに炭酸塩となることもないので、アルカリ土類金属を含む化合物からは除かれる。 Rocks that can be used in the present invention include rocks containing compounds containing alkaline earth metals, such as so-called slag (steel slag, iron and steel slag, etc.), which is made of a substance containing mineral components of the ore parent rock separated by melting from the metal to be metallurgically produced when smelting metal from ore, and concrete that was originally used in buildings, but which is expected to be disposed of in the future, such as dismantled concrete generated by dismantling buildings that were used for buildings, and surplus concrete generated when buildings are constructed. It is preferable to use these slags and waste concrete. Carbonates do not react with carbon dioxide in the air to become further carbonates, so they are excluded from compounds containing alkaline earth metals.
岩石は、アルカリ土類金属を含む化合物を含む。つまり、アルカリ土類金属であるCa(カルシウム)、Mg(マグネシウム)、Be(ベリリウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)、Ra(ラジウム)等の化合物が挙げられるが、天然岩石に多く含まれる、Ca(カルシウム)、Mg(マグネシウム)の化合物を採用することが好ましい。 Rocks contain compounds that contain alkaline earth metals. That is, compounds of alkaline earth metals such as Ca (calcium), Mg (magnesium), Be (beryllium), Sr (strontium), Ba (barium), and Ra (radium) are examples, but it is preferable to use compounds of Ca (calcium) and Mg (magnesium), which are abundant in natural rocks.
以下、アルカリ土類金属を含む化合物の例を挙げる。まず、単独のアルカリ土類金属の酸化物が挙げられる。例えば、カルシウムの酸化物である酸化カルシウム(CaO)、マグネシウムの酸化物である酸化マグネシウム(MgO)等を使用することができる。 Below are examples of compounds containing alkaline earth metals. First, there are oxides of a single alkaline earth metal. For example, calcium oxide (CaO), which is an oxide of calcium, and magnesium oxide (MgO), which is an oxide of magnesium, can be used.
その他、バリウムとの酸化物である酸化バリウム(BaO)、ストロンチウムとの酸化物である酸化ストロンチウム(SrO)等が挙げられるが、酸化カルシウム(CaO)、マグネシウムの酸化物である酸化マグネシウム(MgO)等を使用することが好ましい。 Other examples include barium oxide (BaO), which is an oxide of barium, and strontium oxide (SrO), which is an oxide of strontium, but it is preferable to use calcium oxide (CaO) and magnesium oxide (MgO), which is an oxide of magnesium.
酸化物としては、他にも、マグネシウム・鉄酸化物(MgFe2O4等)、カルシウム・鉄酸化物(Ca2Fe2O5等)、アルミン酸マグネシウム(アルミナ酸化マグネシウム)(MgAl2O4等)等の酸化物や、アルミン酸カルシウム、鉄アルミン酸カルシウム等の酸化物を使用することができる。例えば、Ca3Al2O6、Ca12Al14O33等のアルミン酸カルシウム、Ca4Al2Fe2O10等の鉄アルミン酸カルシウムを使用することができる。 Other oxides that can be used include magnesium-iron oxide ( MgFe2O4 , etc. ), calcium-iron oxide ( Ca2Fe2O5 , etc. ), magnesium aluminate ( magnesium alumina oxide) ( MgAl2O4 , etc.), calcium aluminate, calcium iron aluminate , etc. For example, calcium aluminates such as Ca3Al2O6 and Ca12Al14O33 , and calcium iron aluminates such as Ca4Al2Fe2O10 can be used.
化合物としては、例えば、ケイ酸カルシウムを使用することができる。例えば、Ca2SiO4、Ca3Si2O7、Ca3SiO5、CaSiO3等のケイ酸カルシウムを移用することができる。 As the compound, for example , calcium silicate can be used, such as Ca2SiO4 , Ca3Si2O7 , Ca3SiO5 , CaSiO3 , etc.
化合物としては、例えば、ケイ酸マグネシウムやアルミノケイ酸マグネシウムを使用することができる。例えば、MgSiO3、Mg2SiO4等のケイ酸マグネシウムや、Mg3Al2Si3O12等のアルミノケイ酸マグネシウムを使用することができる。 As the compound, for example, magnesium silicate or magnesium aluminosilicate can be used. For example, magnesium silicate such as MgSiO 3 or Mg 2 SiO 4 , or magnesium aluminosilicate such as Mg 3 Al 2 Si 3 O 12 can be used.
化合物としては、例えば、ケイ酸カルシウムマグネシウムを使用することができる。例えば、CaMgSiO4、Ca3MgSi2O8、Ca7MgSi4O16、CaMgSi2O6、Ca2MgSi2O7等のケイ酸カルシウムマグネシウムを使用することができる。 As the compound, for example , calcium magnesium silicate can be used, such as CaMgSiO4 , Ca3MgSi2O8 , Ca7MgSi4O16 , CaMgSi2O6 , Ca2MgSi2O7 , etc.
化合物としては、例えば、アルミノケイ酸カルシウムを使用することができる。例えば、CaAl2Si2O8、Ca2Al2SiO7、Ca3Al2Si3O12等のアルミノケイ酸カルシウムを使用することができる。 As the compound, for example , calcium aluminosilicate can be used, such as CaAl2Si2O8 , Ca2Al2SiO7 , Ca3Al2Si3O12 , etc.
化合物としては、例えば、ケイ酸カルシウム鉄を使用することができる。例えば、CaFeSiO4、(Ca/Fe)SiO3、(Ca/Fe)2SiO4、Ca3Fe2Si3O12、CaFeSi2O6、Ca0.82Fe0.18SiO2等、Ca(Fe/Mg)Si2O6、等のケイ酸カルシウム鉄、ケイ酸カルシウムマグネシウム鉄、ケイ酸マグネシウム鉄を使用することができる。 As the compound, for example, calcium iron silicate can be used. For example, calcium iron silicate , calcium magnesium iron silicate , magnesium iron silicate , etc., such as CaFeSiO4, (Ca/ Fe ) SiO3 , (Ca/Fe ) 2SiO4 , Ca3Fe2Si3O12 , CaFeSi2O6 , Ca0.82Fe0.18SiO2 , etc. , Ca(Fe/Mg) Si2O6 , etc. , can be used.
なお、例えば、ケイ酸カルシウム鉄はCaXFe2-XSiO4(0<X<2)とすることができ、また、前記したケイ酸カルシウムマグネシウム部分を鉄に置き換えた化合物、あるいは前記したケイ酸カルシウム鉄の鉄部分をマグネシウムに置き換えた化合物等も適用することができる。 For example, calcium iron silicate can be Ca x Fe 2-x SiO 4 (0<x<2), and also a compound in which the calcium magnesium silicate portion is replaced with iron, or a compound in which the iron portion of calcium iron silicate is replaced with magnesium, can be used.
前記に例示した化合物も含め、アルカリ土類金属を含む化合物については、本発明に適用するに際して、化合物元来の反応性(二酸化炭素と接触することによる二酸化炭素を鉱物化することのしやすさあるいはしにくさ。)の違い、粉砕して微粒子化した場合の反応性の違いがあると考えられる。 When applying the present invention to compounds containing alkaline earth metals, including the compounds exemplified above, there are differences in the intrinsic reactivity of the compounds (how easily or difficultly they can mineralize carbon dioxide when in contact with carbon dioxide) and in their reactivity when pulverized into fine particles.
図1及び図2は、前記した化合物のうち、図1及び図2に載せた化合物を選択して、粒径を3μm未満となるように粉砕して、温度を30℃、相対湿度を90%とした場合における、対象とする化合物について、大気中の二酸化炭素(二酸化炭素の濃度:415ppm)の鉱物化作用(鉱物化率(%))の変化を、経過日数を14日(図1に挙げた化合物)、経過月数を12月(1年間)(図2に挙げた化合物)として測定した結果を示した図である。なお、図1を「グラフ1」、図2を「グラフ2」とする。
Figures 1 and 2 show the results of measuring the change in mineralization (mineralization rate (%)) of atmospheric carbon dioxide (carbon dioxide concentration: 415 ppm) for the target compounds at a temperature of 30°C and a relative humidity of 90% after 14 days (compounds listed in Figure 1) and 12 months (one year) (compounds listed in Figure 2) when the compounds listed in Figure 1 and Figure 2 were selected from the above-mentioned compounds and crushed to a particle size of less than 3 μm. Figures 1 and 2 show the results of measuring the change in mineralization (mineralization rate (%)) of atmospheric carbon dioxide (carbon dioxide concentration: 415 ppm) after 14 days (compounds listed in Figure 1) and 12 months (one year) (compounds listed in Figure 2). Figure 1 is referred to as "
ここで、鉱物化率(%)とは、各化合物が有する、下記の式(I)で表されるCO2(二酸化炭素)鉱物化量ポテンシャルに対する実際の鉱物化量を示したものである(下記式(II)参照。)。 Here, the mineralization rate (%) indicates the actual amount of mineralization relative to the CO2 (carbon dioxide) mineralization potential of each compound, as expressed by the following formula (I) (see formula (II) below).
CO2鉱物化ポテンシャルは、いわば理想的に達成可能な鉱物化量を示すものであり、かかるポテンシャルに対する実際の鉱物化量の割合である鉱物化率(%)は、鉱物化(鉱物化反応)のしやすさの程度を示す指標である。 The CO2 mineralization potential indicates, so to speak, the amount of mineralization that can be ideally achieved, and the mineralization rate (%), which is the ratio of the actual amount of mineralization to this potential, is an index that indicates the degree of ease of mineralization (mineralization reaction).
図1及び図2より、図1に挙げた化合物(CaO、MgO、Ca2SiO4、CaSiO3)は反応性が優れており、短期間で鉱物化することが確認できる(なお、図2において、Mg2SiO4とMgSiO3の結果のラインはほとんど重なっている。)。また、図1及び図2に加えて、表1は、前記した化合物のうち、表1に載せた化合物を選択して、CO2鉱物化量ポテンシャル(kg-CO2/kg)と、粉砕した化合物の粒径を1~3μmとした場合、5~10μmとした場合の1年後の鉱物化率(%)(表1では略して「鉱化率」としているが、鉱物化率と同意である(他も同様)。)を示している。 1 and 2, it can be confirmed that the compounds listed in FIG. 1 (CaO, MgO, Ca 2 SiO 4 , CaSiO 3 ) have excellent reactivity and are mineralized in a short period of time (note that in FIG. 2, the result lines for Mg 2 SiO 4 and MgSiO 3 almost overlap). In addition to FIG. 1 and FIG. 2, Table 1 shows, for selected compounds listed in Table 1 from the above-mentioned compounds, the CO 2 mineralization potential (kg-CO 2 /kg) and the mineralization rate (%) after one year when the particle size of the crushed compound is 1-3 μm and 5-10 μm (although it is abbreviated to "mineralization rate" in Table 1, it is the same as the mineralization rate (similar to others)).
前記した化合物(鉱物)は例示であるが、この中でも、アルカリ土類金属の酸化物である酸化カルシウム(CaO)、酸化マグネシウム(MgO)や、カルシウム・鉄酸化物、アルミン酸カルシウム、ケイ酸カルシウムの鉱物化率が高いことが確認できる。 The above-mentioned compounds (minerals) are examples, but among these, it has been confirmed that the mineralization rates of alkaline earth metal oxides calcium oxide (CaO) and magnesium oxide (MgO), calcium iron oxide, calcium aluminate, and calcium silicate are high.
この結果から、本発明で使用される岩石には、表1で「グループ1」とされる、これらの化合物が含まれることが好ましい(後記の「グループ1」にも対応する。)。
Based on these results, it is preferable that the rocks used in the present invention contain these compounds, which are designated as "
図1、図2及び表1の結果からは、これらの化合物は、鉱物化率が高く(鉱物化する反応が速く)、岩石に含まれた場合には、空気中の二酸化炭素と接触することにより炭酸塩を効率よく形成すると考えられるためである。 The results of Figures 1, 2 and Table 1 show that these compounds have a high mineralization rate (the mineralization reaction is fast), and when they are contained in rocks, they are thought to efficiently form carbonates when they come into contact with carbon dioxide in the air.
そして、表1等の結果より、前記した化合物は、下記のグループ1~グループ3に分けることができる。各グループは、それぞれ、鉱物化について、下記の特性を有するものと考えられる。
Based on the results in Table 1, the above compounds can be divided into
なお、天然の岩石、スラグ、廃コンクリート等には、前記した化合物以外の化合物、すなわち、アルカリ土類金属を含まない化合物を含むことが多い。例えば、酸化物である酸化ケイ素(SiO2)、酸化アルミニウム(アルミナ)(Al2O3)、アルミノケイ酸塩、酸化鉄(FeO、Fe2O3、Fe3O4)、酸化マンガン(MnO)、ケイ酸鉄(FeSiO3、Fe2SiO4)、炭酸塩、アルカリ鉱物等の化合物(鉱物)が挙げられる。これら全部は脈石(みゃくせき)となり、本来は不要な化合物(鉱石)である。 Natural rocks, slag, waste concrete, etc. often contain compounds other than the above-mentioned compounds, i.e., compounds that do not contain alkaline earth metals. For example, oxides such as silicon oxide ( SiO2 ), aluminum oxide (alumina) ( Al2O3 ), aluminosilicates, iron oxides ( FeO, Fe2O3 , Fe3O4 ), manganese oxide (MnO), iron silicates ( FeSiO3 , Fe2SiO4 ), carbonates, and alkali minerals (minerals). All of these become gangue, and are essentially unnecessary compounds (ores).
これらの化合物のような、カルシウムやマグネシウム等といったアルカリ土類金属を含有しない化合物は、粉砕して所定の条件で二酸化炭素と接触させても、炭酸塩を形成しない(グループ4とする。)。また、所定の条件下で炭酸塩を形成できない化合物も、このグループ4に含む。
Compounds that do not contain alkaline earth metals such as calcium and magnesium, such as these compounds, do not form carbonates even when crushed and contacted with carbon dioxide under specified conditions (classified as Group 4). Compounds that cannot form carbonates under specified conditions are also included in
表1の結果等より、鉱物化反応の程度で、グループ1~グループ4を下記のように定義する。
Based on the results in Table 1,
グループ1:粒径を1~3μmに粉砕すれば、1年以内に二酸化炭素の鉱物化を概ね完了(95%を超える。粒径を5~10μmに粉砕した場合は60%以上。)可能であると考えられる化合物(鉱物)(反応性が高い化合物)を指す。例えば、酸化カルシウム(CaO)、酸化マグネシウム(MgO)、カルシウム・鉄酸化物(Ca2Fe2O5等)の酸化物、Ca3Al2O6、Ca12Al14O33等のアルミン酸カルシウム、Ca2SiO4、Ca3Si2O7、Ca3SiO5、CaSiO3等のケイ酸カルシウム等の化合物のうち少なくとも1種を含む、表1のグループ1に挙げた化合物等が挙げられる。なお、これらの化合物や第2グループの化合物等、本発明でいうところのアルカリ土類金属を含む化合物は、陽イオンが他の元素で部分的に置換される、これらの化合物に属すると解される化合物を含むものである。具体的には、カルシウムイオンやマグネシウムイオンの一部が鉄イオンで置き換えられたケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸カルシウムマグネシウム等の化合物としてもよい。
Group 1: Refers to compounds (minerals) (highly reactive compounds) that are considered to be capable of almost completing the mineralization of carbon dioxide within one year (more than 95% if crushed to a particle size of 1 to 3 μm; 60% or more if crushed to a particle size of 5 to 10 μm). For example, compounds listed in
グループ2:粒径を1~3μmに粉砕しても、1年以内で、二酸化炭素の鉱物化率が10~95%であると考えられる化合物(反応性が普通である化合物)を指す。例えば、Ca4Al2Fe2O10等の鉄アルミン酸カルシウム、MgSiO3、Mg2SiO4等のケイ酸マグネシウム、CaMgSiO4、Ca3MgSi2O8、Ca2MgSi2O7、Ca7MgSi4O16、CaMgSi2O6、のケイ酸カルシウムマグネシウム、Ca2Al2SiO7、CaAl2Si2O8等のアルミノケイ酸カルシウム、MgAl2O4等の酸化物(アルミン酸マグネシウム)、MgFe2O4等のマグネシウム・鉄酸化物、A-CaMgSiO4、A-Ca2MgSi2O7、A-Ca3Si2O7、A-CaSiO3(「A-」はアモルファス状態(非晶化された)の化合物を指す。以下同じ。)等を含む、表1のグループ2(2*も含む。)に挙げた化合物等が挙げられる。 Group 2: This refers to compounds (compounds with normal reactivity) that are thought to have a carbon dioxide mineralization rate of 10-95% within one year even when crushed to a particle size of 1-3 μm. For example, calcium iron aluminate such as Ca 4 Al 2 Fe 2 O 10 , magnesium silicate such as MgSiO 3 and Mg 2 SiO 4 , calcium magnesium silicate such as CaMgSiO 4 , Ca 3 MgSi 2 O 8 , Ca 2 MgSi 2 O 7 , Ca 7 MgSi 4 O 16 , CaMgSi 2 O 6 , calcium aluminosilicate such as Ca 2 Al 2 SiO 7 and CaAl 2 Si 2 O 8 , oxide (magnesium aluminate) such as MgAl 2 O 4 , magnesium-iron oxide such as MgFe 2 O 4 , A-CaMgSiO 4 , A-Ca 2 MgSi 2 O 7 , A-Ca 3 Si 2 O 7 and A-CaSiO 3 ("A-" refers to a compound in an amorphous state (non-crystallized). The same applies below). Examples of the compounds include those listed in Group 2 (including 2*) in Table 1.
グループ3:粒径を1~3μmに粉砕しても、1年以内で、二酸化炭素の鉱物化率が10%未満となると考えられる化合物(反応性がやや低い化合物)を指す。例えば、A-Ca3SiO5、A-CaAl2Si2O8、A-Ca2SiO4、A-MgSiO3、A-Ca2Al2SiO7、A-Ca3MgSi2O8、A-Ca7MgSi4O16、A-Ca2Fe2O5、A-CaMgSi2O6等を含む、表1のグループ3(3*も含む。)に挙げた化合物等が挙げられる。
Group 3: This refers to compounds that are considered to have a carbon dioxide mineralization rate of less than 10% within one year even when crushed to a particle size of 1 to 3 μm (compounds with somewhat low reactivity). For example, the compounds listed in Group 3 (including 3*) in Table 1 , including A-Ca 3 SiO 5 , A- CaAl 2 Si 2 O 8 , A-Ca 2 SiO 4 , A-MgSiO 3 , A-Ca 2 Al 2
グループ4:アルカリ土類金属(カルシウム、マグネシウム等。)を含まない、または周囲条件下で炭酸塩を形成できないと考えられる化合物(脈石を含む。)(反応が期待できない化合物)を指す。例えば、酸化ケイ素(SiO2)、酸化アルミニウム(アルミナ)(Al2O3)、酸化鉄(FeO、Fe3O4、Fe2O5等。)、酸化マンガン(MnO)、ケイ酸鉄(FeSiO3、Fe2SiO4)、炭酸塩、アルカリ鉱物等が挙げられる。 Group 4: This refers to compounds (including gangue) that do not contain alkaline earth metals (calcium, magnesium, etc.) or are not considered to be able to form carbonates under ambient conditions (compounds that are not expected to react). Examples include silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (alumina) (Al 2 O 3 ), iron oxide (FeO, Fe 3 O 4 , Fe 2 O 5 , etc.), manganese oxide (MnO), iron silicate (FeSiO 3 , Fe 2 SiO 4 ), carbonates, alkali minerals, etc.
本発明の方法に適用される岩石としては、前記したグループ1~グループ4の割合が重要であると考えられる。前記したグループでは、グループ1が化合物単体で考えると一番反応性が高く、グループ4が化合物単体で考えると一番反応性が低い(反応性は、グループ1>グループ2>グループ3>グループ4、である。)。
For rocks to which the method of the present invention is applicable, the ratio of the above-mentioned
使用される岩石の組成は、反応性が高いグループに属する化合物の含有量が高い方がよいことはいうまでもない。以下、各グループの含有量の範囲を載せるが、後記するように、反応性は、岩石の他の成分(天然の岩石であれば、脈石等の存在も含む。)や、微粒子工程で得られる微粒子のサイズ(粒径)、接触する空気の二酸化炭素濃度等に左右されるので、下記の範囲はあくまでも1つの目安である。 It goes without saying that the composition of the rock used should have a high content of compounds belonging to highly reactive groups. Below, we list the range of content for each group, but as will be described later, the reactivity depends on other components of the rock (including the presence of gangue, etc., in the case of natural rocks), the size (particle size) of the fine particles obtained in the fine particle process, the carbon dioxide concentration of the air with which it comes into contact, etc., so the ranges below are merely a guideline.
グループ1に属する化合物は、他のグループの化合物と比較して、岩石にできる限り存在することを期待したいが、天然の岩石の場合、採掘しないとわからない場合も多く、一概には決定できない。
Compared to compounds in other groups, we would like to expect that compounds belonging to
そのような事情を勘案して、グループ1に属する化合物(酸化カルシウム、酸化マグネシウム、カルシウム・鉄酸化物、アルミン酸カルシウム及びケイ酸カルシウム等の化合物のうち少なくとも1種)は、合計で、岩石全体に対して、5質量%以上含むことが好ましく、10質量%以上含むことがさらに好ましく、15質量%以上含むことが特に好ましい。グループ1に属する化合物は、例えば岩石の全て(100質量%)や、岩石全体に対して90質量%以上等、多ければ多いほど岩石の鉱物化性能は向上するが、実際に期待できる含有量は25質量%程度が限界であろうし、5~20質量%含有すればよいかと考えられる。なお、グループ1に属する化合物は、天然の岩石の場合は、グループ1の化合物が存在する場合、概ね、合計で、岩石全体に対して、5~20質量%含有することが多い。また、スラグ、廃コンクリート等の場合は、0~90質量%含有することが多い。
Taking such circumstances into consideration, the compounds belonging to Group 1 (at least one of the compounds such as calcium oxide, magnesium oxide, calcium-iron oxide, calcium aluminate, and calcium silicate) are preferably contained in a total of 5% by mass or more, more preferably 10% by mass or more, and particularly preferably 15% by mass or more, based on the entire rock. The more compounds belonging to
グループ2に属する化合物(なお、表1におけるアモルファス化したものを除いて考える。)は、グループ1に属する化合物が存在する岩石の場合、後記するグループ3、グループ4に属する化合物をできる限り含みたくないので、グループ1に属する化合物を除いた残部のうちできる限り(概ね、残部の80~100質量%)含むことが好ましい。
In the case of rocks containing compounds belonging to
一方、グループ1に属する化合物を含まない場合、グループ2に属する化合物は、合計で、岩石全体に対して、50質量%以上含むことが好ましく、70質量%以上含むことが好ましく、70~100質量%含むことが特に好ましい。なお、グループ2に属する化合物は、天然の岩石の場合は、概ね、合計で、岩石全体に対して、70~100質量%(グループ1に属する化合物が存在しない場合であり、存在する場合は、概ね0~25質量%)含有することが多いし、スラグ、廃コンクリート等の場合は、0~30質量%含有することが多い。
On the other hand, if the rock does not contain any compounds belonging to
グループ3、グループ4に属する化合物は、可能であれば、できる限る存在しないことが好ましい。
It is preferable that compounds belonging to
なお、岩石を天然の岩石とする場合、本発明にあっては、例えば、酸化マグネシウム(MgO)、酸化カルシウム(CaO)、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸カルシウムマグネシウム、ケイ酸マグネシウム鉄を主に使用することができる。 When the rock is a natural rock, in the present invention, for example, magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO), magnesium silicate, calcium magnesium silicate, and magnesium iron silicate can be mainly used.
天然の岩石は、例えば、火成岩、堆積岩、変成岩等が考えられるが、火成岩を使用することが好ましい。また、火成岩は、深成岩、火山岩等が考えられるが、深成岩を使用することが好ましい。 Natural rocks include, for example, igneous rocks, sedimentary rocks, metamorphic rocks, etc., but it is preferable to use igneous rocks. Igneous rocks include, for example, plutonic rocks, volcanic rocks, etc., but it is preferable to use plutonic rocks.
深成岩は、SiO2の含有量から、酸性岩(一般に、SiO2の含有量が全体の66質量%を超える。)、中性岩(SiO2の含有量が、全体の52~66質量%である。)、塩基性岩(同、45~52質量%)、超塩基性岩(同、45%以下である。)が挙げられる。本発明にあっては、超塩基性岩や塩基性岩を使用することが好ましく、超塩基性岩を使用することが特に好ましい。 Plutonic rocks are classified into acidic rocks (generally containing more than 66% by mass of SiO2 ), neutral rocks (containing 52-66% by mass of SiO2 ), basic rocks (containing 45-52% by mass of SiO2 ), and ultrabasic rocks (containing 45% or less by mass). In the present invention, it is preferable to use ultrabasic rocks or basic rocks, and it is particularly preferable to use ultrabasic rocks.
超塩基性岩は、超苦鉄質岩とも呼ばれ、一般に、かんらん(橄欖)岩、ダンかんらん岩、蛇紋岩、斜方輝石かんらん岩、単斜輝石かんらん岩、複輝石かんらん岩、コマチアイト等からなる。また、塩基性岩は、苦鉄質岩とも呼ばれ、一般に、斑れい岩、玄武岩、ドレライト等からなる。 Ultramafic rocks are also called ultramafic rocks, and generally consist of peridotite, dunite, serpentine, orthopyroxene peridotite, clinopyroxene peridotite, dipyroxene peridotite, komatiite, etc. Basic rocks are also called mafic rocks, and generally consist of gabbro, basalt, dolerite, etc.
超塩基性岩は、主として、MgSiO3(橄欖石)、Mg2SiO4(橄欖石)等のケイ酸マグネシウム(マグネシウムケイ酸塩)やCaMgSi2O6(輝石)を含み、CaAl2Si2O8等のケイ酸化鉱物も含む場合もある。かかるケイ酸マグネシウムは、前記のグループ2に属し、鉱物化反応はそれほど速くない。 Ultramafic rocks mainly contain magnesium silicates (magnesium silicates) such as MgSiO3 (olivine), Mg2SiO4 (olivine) and CaMgSi2O6 ( pyroxene ), and may also contain silicate minerals such as CaAl2Si2O8 . Such magnesium silicates belong to the above group 2 , and the mineralization reaction is not very fast.
一方、超塩基性岩には、グループ1に属し、鉱物化反応が非常に速い酸化マグネシウム(MgO)が適当に(一般的には、0~10質量%程度と考えられるが、この範囲には限定されない。)含まれ、グループ1の化合物が、合計で5~20質量%程度含有されると考えられる。さらに、超塩基性岩にはシリカ(SiO2)や珪酸化アルミナ等がほとんど含まれておらず、鉱物化という点では適する天然岩石である。加えて、超苦鉄質岩は、広く多量に入手可能な天然岩石である。
On the other hand, ultramafic rocks contain a suitable amount (generally thought to be about 0-10% by mass, but not limited to this range) of magnesium oxide (MgO), which belongs to
塩基性岩は、主としてCaAl2Si2O8等のケイ酸化鉱物やCaMgSi2O6(輝石)を含み、MgSiO3(橄欖石)、Mg2SiO4(橄欖石)等のケイ酸マグネシウム(マグネシウムケイ酸塩)等も含む。 Basic rocks mainly contain silicate minerals such as CaAl 2 Si 2 O 8 and CaMgSi 2 O 6 (pyroxene), and also contain magnesium silicates (magnesium silicates) such as MgSiO 3 (olivine) and Mg 2 SiO 4 (olivine).
なお、アモルファス化(非晶化)された化合物を多く含む岩石(アモルファス相が多い岩石)は、反応性が低く、鉱物化の妨げになる場合が多く、アモルファス相が多い岩石は、他に存在する結晶を包み込み、アモルファス相に巻き込んでしまうため、結晶同士を繋げる(鉱物化反応を進行させるために重要である。)ことを妨げる原因となる。 Rocks that contain a lot of amorphous (non-crystallized) compounds (rocks with a lot of amorphous phase) are less reactive and often hinder mineralization. Rocks with a lot of amorphous phase tend to encase other crystals and entrap them in the amorphous phase, preventing the crystals from connecting with each other (which is important for the mineralization reaction to proceed).
粉砕前の岩石の状態で、アモルファス化(非晶化)された化合物を多く含む岩石(アモルファス相が多い岩石)は、概ね、アモルファス化(非晶化)された部分が全体の30質量%以下であることが好ましい。アモルファス化(非晶化)された部分の割合が30質量%以下であれば、アモルファス相(非晶化された部分)が結晶性鉱物間の空間を占めることがあっても、結晶を完全には包み込むことが抑制されると考えられる。なお、前記の範囲は、岩石の他の成分(天然の岩石であれば、脈石等の存在も含む。)や、微粒子工程で得られる微粒子のサイズ(粒径)、接触する空気の二酸化炭素濃度等に左右されるので、かかる範囲もあくまでも1つの目安である。 In rocks that contain a large amount of amorphous compounds (rocks with a large amount of amorphous phase) before crushing, it is preferable that the amorphous (amorphous) portion is generally 30% or less by mass. If the ratio of the amorphous (amorphous) portion is 30% or less by mass, it is thought that even if the amorphous phase (amorphous portion) occupies the space between crystalline minerals, it is prevented from completely enveloping the crystals. Note that the above range depends on other components of the rock (including the presence of gangue, etc., in the case of natural rocks), the size (particle size) of the fine particles obtained in the fine particle process, the carbon dioxide concentration of the air in contact, etc., so the above range is merely a guideline.
(A-2)粉砕:
岩石は、天然岩石の場合採掘された後、粉砕されて微粒子化される。微粒子化にあっては、岩石を形成する各化合物の結晶状態を維持する(非晶化(アモルファス化)させないようにする。)ことが重要となる。
(A-2) Grinding:
In the case of natural rocks, after they are mined, they are crushed into fine particles. In the fine particle process, it is important to maintain the crystalline state of each compound that makes up the rock (to prevent it from becoming non-crystallized (amorphous)).
岩石を構成する化合物は、粉砕して微粒子とした場合、粒径が小さければ小さいほど、微粒子の表面積が大きくなり、空気(二酸化炭素)との接触面が大きくなるため好ましい。ここで、粉砕化された岩石の微粒子は、結晶化された状態であれば、鉱物化反応が進行することが期待できるが、あまり細かすぎると(粒径が小さ過ぎると)、岩石がアモルファス化してしまい、鉱物化への反応性が低下することになる。 When the compounds that make up rocks are crushed into fine particles, the smaller the particle size, the greater the surface area of the fine particles, and the greater the surface area that comes into contact with the air (carbon dioxide), making this preferable. If the fine particles of crushed rock are in a crystallized state, it is expected that the mineralization reaction will proceed, but if the particles are too fine (particle size is too small), the rock will become amorphous and its reactivity to mineralization will decrease.
前記した化合物のうち、表2に載せた化合物を選択し、粉砕して微粒子とした場合のアモルファス化(非晶化)する粒径(アモルファス化直径)の目安を表2に載せた。なお、表2には、あわせて、「各化合物の研削効率」及び「鉱物化の有効率」も併せて載せる。また、表2に載せたアモルファス化直径はあくまでも目安であり、この径を下回ると確実にアモルファス化するわけではない。 Among the compounds listed above, the compounds listed in Table 2 are selected, and when they are pulverized into fine particles, the particle size (amorphous diameter) at which they become amorphous (non-crystallized) is shown in Table 2 as a guide. Table 2 also shows the "grinding efficiency" and "effective rate of mineralization" for each compound. Also, the amorphous diameters listed in Table 2 are merely a guide, and particles below this diameter will not necessarily become amorphous.
また、半径R(m)の微粒子が反応して深さδに達するまでの時間tは、下記式(III)に示すように、固体中のカルシウム(Ca)とマグネシウム(Mg)の密度ρ、CO2の気相濃度Cg、及び生成物層を通るイオンの拡散係数D(m2/秒)等による関数となる。 The time t required for a microparticle of radius R (m) to react and reach a depth δ is a function of the density ρ of calcium (Ca) and magnesium (Mg) in the solid, the gas phase concentration Cg of CO2 , and the diffusion coefficient D ( m2 /sec) of ions passing through the product layer, as shown in the following formula (III).
t:時間(秒)
ρ: 岩石にあるマグネシウム(Mg)とカルシウム(Ca)のモル密度の和(moles/m3-rock)
R:微粒子の半径(m)
D:化合物中のCO2拡散係数(m2/秒)
Cg:気相のCO2モル濃度(moles/m3-gas)
δ:反応の深さ(m)
t: time (seconds)
ρ: The sum of the molar densities of magnesium (Mg) and calcium (Ca) in rock (moles/m 3 -rock)
R: radius of the particle (m)
D: CO2 diffusion coefficient in the compound ( m2 /sec)
C g : CO 2 molar concentration in the gas phase (moles/m 3 -gas)
δ: Depth of reaction (m)
一方、微粒子の半径(粒径)が大きすぎると、微粒子の全部が反応することについて非常に時間がかかることになり、これも好ましくない。未反応核モデルによると、反応速度は粒子の直径の三乗に反比例すると考えられる。例えば、3μmを想定して粉砕した結果、6μmとなった場合は、反応が8(23)倍遅くなると考えられる。 On the other hand, if the radius (particle diameter) of the fine particles is too large, it takes a very long time for all of the fine particles to react, which is also undesirable. According to the unreacted nucleus model, the reaction rate is considered to be inversely proportional to the cube of the particle diameter. For example, if a particle of 3 μm is crushed to 6 μm, the reaction is considered to be 8 (2 3 ) times slower.
なお、拡散係数Dは、未反応核モデルにおける生成物層を通るCO2拡散の速度を表すものであり(m2/秒)、他の要因があるため、二酸化炭素の鉱物化率を直接示すものではない。一方、生成物層を介した拡散は、気固CO2鉱物化の律速段階であるため、大きい拡散係数Dは、実際に二酸化炭素を急速に鉱物化する鉱物を示すことになる。 Note that the diffusion coefficient D represents the rate of CO2 diffusion through the product layer in the unreacted core model ( m2 /sec) and does not directly indicate the rate of carbon dioxide mineralization due to other factors. On the other hand, since diffusion through the product layer is the rate-limiting step in gas-solid CO2 mineralization, a large diffusion coefficient D actually indicates a mineral that rapidly mineralizes carbon dioxide.
微粒子の外径(粒径)は、得られた岩石の微粒子全体に対して、前記したグループ1に属する化合物が多ければ、岩石を必要以上に細かく粉砕せずとも反応は進行すると考えられ、エネルギーの損失ないしは粉砕による二酸化炭素の発生を抑制することができ、加えて、岩石(化合物)のアモルファス化を抑制することもできると考えられる。
If the outer diameter (particle size) of the microparticles is such that there are many compounds belonging to
一方、岩石全体の反応性は、岩石の他の成分の種類(天然の岩石であれば、脈石等の存在も含む。)、アモルファス相の存在及びその含有量、岩石に構成における結晶層とアモルファス相の形成位置及び関係等、その他炭酸化量等の要素(以下、「岩石の要素」とする場合もある。)により左右され、かかる岩石を粉砕した微粒子の粒径の範囲もこれらに左右される。 On the other hand, the reactivity of the entire rock is influenced by the type of other components of the rock (including the presence of gangue, etc., in the case of natural rocks), the presence and content of amorphous phases, the formation position and relationship of crystalline layers and amorphous phases in the rock composition, and other factors such as the amount of carbonation (hereinafter sometimes referred to as "rock elements"). The particle size range of the fine particles obtained by crushing such rocks is also influenced by these factors.
これらに鑑みれば、岩石を微粒子化するに際しては、1つの目安として、微粒子の粒径は、概ね好ましくは100μm以下(より好ましくは50μm以下、さらに好ましくは25μm以下、特に好ましくは10μm以下。)として、岩石の要素を考慮して、例えば、粒径1~25μm、1~20μm、1~10μm、1~5μm、1~3μm等の範囲の中で、適宜選択するようにしてもよい。例えば、反応性が高い第1グループの化合物を含有する場合、粒径は1~25μm(好ましくは1~10μm)とすればよいと考えられる。 In view of these, when microparticulating rocks, as a guideline, the particle size of the microparticles is preferably approximately 100 μm or less (more preferably 50 μm or less, even more preferably 25 μm or less, and especially preferably 10 μm or less), and the particle size may be appropriately selected, for example, within the range of 1-25 μm, 1-20 μm, 1-10 μm, 1-5 μm, 1-3 μm, etc., taking into consideration the rock factors. For example, when the highly reactive first group compound is contained, the particle size should be 1-25 μm (preferably 1-10 μm).
なお、粒径を1~3μmとすれば、表面積が大きく、良好な反応性も期待できるが、表2にあるように、粒径をあまり小さくすると、アモルファス化が進行し、却って反応性が悪くなる場合があるので、1~3μmを目標として、1~10μm程度以下に抑えることが好ましい。なお、微粒子の粒径等について、例えば、粉砕された岩石の微粒子を重ならないように広げ、光学顕微鏡等によって取得した画像をコンピュータによって分析し、微粒子の完全な分布の粒子直径(粒径)と形状を決定するようにすればよい(粒径は最大値を採用することが好ましい。)。また、化合物のサンプルごとに最低5000個(あるいは10000個)の微粒子が分析されることが望ましい。 If the particle size is 1-3 μm, the surface area is large and good reactivity can be expected, but as shown in Table 2, if the particle size is too small, amorphization progresses and reactivity may worsen, so it is preferable to aim for 1-3 μm and keep the particle size below about 1-10 μm. Regarding the particle size, for example, crushed rock particles can be spread out so that they do not overlap, and images taken with an optical microscope or the like can be analyzed by a computer to determine the particle diameter (particle size) and shape of the complete distribution of the particles (it is preferable to use the maximum particle size). It is also desirable to analyze at least 5,000 (or 10,000) particles for each compound sample.
微粒子化に際しての岩石の粉砕操作は、従来公知の粉砕手段を用いて行うことができるが、例えば、岩石を竪型ローラミル(Vertical Roller Mill)や高圧粉砕ロール(High Pressure Grinding Rolls)等を用いて実施することが好ましい。なお、ボールミルは、一般に、エネルギー効率が低く、アモルファス化する傾向があると考えられている。 The rocks can be crushed to produce fine particles using conventional crushing means, but it is preferable to use a vertical roller mill or high pressure grinding rolls. Ball mills are generally considered to have low energy efficiency and a tendency to cause amorphous formation.
また、微粒子化を簡易的に実施する場合にあっては、岩石を乳鉢に投入し、すり鉢とすりこぎを用いて岩石を粉砕して、所望の粒径となるようにしてもよい。乳鉢とすり鉢等による岩石の粉砕では、例えば、アモルファス化されたことが予想される非常に小さい微粒子が生成されるときにそれらを分離し、最小量の粉砕を実行して所望の粒子サイズを達成することにより、アモルファス化を非常に低く抑えることを達成することが可能である。 In a simplified process of atomization, the rock can be placed in a mortar and crushed to the desired particle size using a mortar and pestle. When crushing rock using a mortar and pestle, for example, it is possible to achieve a very low degree of amorphization by separating very small particles that are expected to be amorphized when they are generated and performing a minimal amount of crushing to achieve the desired particle size.
岩石の粉砕は、アモルファス化の防止、粒子分布(微粒子のサイズの分布)をできる限り狭くする、エネルギー消費の最小化(エネルギー消費により二酸化炭素が発生し、実質的な二酸化炭素の削減量が減少する。)の3つを考慮する必要がある。これらは、例えば、高圧粉砕を使用し、研削しながら小さくなりすぎた微粒子(アモルファス化していると考えられる。また、分離により粉砕機の負荷を下げる(エネルギー効率を上げる)ことができる。)を分離することにより、目的に維持される。一方、低圧粉砕(低圧研削)は、供給されたエネルギーが、結晶構造の転位(アモルファス化)と熱と音の生成(エネルギー損失)をもたらすため、高圧粉砕手段の一態様と考えられる竪型ローラミルにより粉砕することが好ましい。 When crushing rocks, three things must be considered: preventing amorphization, narrowing the particle distribution (the distribution of particle sizes), and minimizing energy consumption (energy consumption generates carbon dioxide, which reduces the actual amount of carbon dioxide reduction). These goals can be maintained, for example, by using high-pressure crushing and separating the particles that have become too small while grinding (which are considered to be amorphized. Separation can also reduce the load on the crusher (improve energy efficiency)). On the other hand, low-pressure crushing (low-pressure grinding) is preferable for crushing with a vertical roller mill, which is considered to be one form of high-pressure crushing means, because the supplied energy leads to rearrangement of the crystal structure (amorphization) and the generation of heat and sound (energy loss).
また、岩石粉砕における粒子分布は可能な限り絞る(狭くする)ことが好ましい。粒子分布を絞ることにより、二酸化炭素を鉱物化するための接触対象となる空気が微粒子層の中に拡散することになる。 It is also preferable to narrow the particle distribution as much as possible when crushing rocks. By narrowing the particle distribution, the air that comes into contact with the rocks to mineralize them is diffused into the fine particle layer.
かかる拡散は、二酸化炭素の鉱物化において重要なファクターであり、粒子分布が広くなると、粒子の間の間隙率が減少してしまい、粉砕層の上の部分のみが二酸化炭素と接触することになり非効率であると考えられる。拡散が少ないということは、岩石をより薄い層に広げる(岩石層が薄くなること。)必要があることを意味する。岩石層が薄くなると、設備の単位体積あたりに処理できる岩石の量が減少すると同時に、単位岩石あたりのシート等が増えるため、コストが増加することになるため好ましくない。 Such diffusion is an important factor in the mineralization of carbon dioxide; as the particle distribution becomes wider, the porosity between the particles decreases, and only the upper part of the crushed layer comes into contact with the carbon dioxide, which is considered to be inefficient. Less diffusion means that the rock needs to be spread out into a thinner layer (thinner rock layer). Thinner rock layers are undesirable because they reduce the amount of rock that can be processed per unit volume of equipment and at the same time increase the number of sheets, etc. per unit rock, which increases costs.
分級は、市販の空気分級機を使用してもよいし、ふるい等を使用してもよい。また、分級機能を備えた粉砕機を用いてもよい。粒度分布は、従来公知の技術(例えば、分級後の微粒子を、市販のソフトウェアによって操作されるコンピュータービジョンを備えた光学顕微鏡を使用して測定して行う等。)を用いて行うようにすればよい。 Classification may be performed using a commercially available air classifier or a sieve, or a pulverizer equipped with a classification function. Particle size distribution may be determined using conventional techniques (e.g., measuring the fine particles after classification using an optical microscope equipped with computer vision operated by commercially available software, etc.).
なお、例えば、前記した表1のCaMgSiO4にもあるように、微粒子化された結果アモルファスとなった化合物がアモルファスでない化合物(結晶化合物)よりも速くCO2を鉱物化するケースもある。このケースの場合、アモルファス化された化合物の構造が、カチオンとシリカの比率によって変化するため、CaMgSiO4等の特定の組成では、アモルファス構造であっても二酸化炭素と良好に反応して、鉱物化が進行されることになる。 For example, as shown in the CaMgSiO4 in Table 1 , a compound that has become amorphous as a result of being pulverized may mineralize CO2 faster than a non-amorphous compound (crystalline compound). In this case, the structure of the amorphous compound changes depending on the ratio of cations and silica, so that in a specific composition such as CaMgSiO4 , even if it has an amorphous structure, it reacts well with carbon dioxide and mineralization proceeds.
一方、このようなケースは例外であり、工学の観点からは、純粋な鉱物を見つけることは決してなく、常にある程度の混合と組成の変動がある。したがって、ほとんどのアモルファス化合物に伴う二酸化炭素の鉱物化の大幅な減少は、いくつかの化合物のわずかな性能向上を上回るものである。換言すれば、二酸化炭素との反応速度、鉱物化の速度が非常に低くなる可能性が高いため、アモルファス化合物を避けることが好ましい。 On the other hand, such cases are the exception and, from an engineering point of view, one never finds pure minerals, there is always some degree of mixing and compositional variation. Thus, the significant reduction in carbon dioxide mineralization associated with most amorphous compounds is outweighed by the slight performance improvement of some compounds. In other words, it is preferable to avoid amorphous compounds, as their reaction rates with carbon dioxide, and therefore mineralization rates, are likely to be very low.
なお、微粒子化工程を実施し得られた岩石の微粒子について、岩石のアモルファス化等により、岩石の微粒子に元来含まれる前記したグループ4(反応が期待できない化合物)や、微粒子化とともにアモルファス化したものについては、鉱物化反応が期待できないので、岩石の微粒子にできる限り存在しないことが好ましい。これらは、合計で、概ね80質量%以下であることが好ましく、50質量%以下であることが特に好ましい。 In addition, with regard to the rock microparticles obtained by carrying out the microparticulation process, it is preferable that the above-mentioned Group 4 (compounds that are not expected to react) that are originally contained in the rock microparticles due to the amorphization of the rock, and those that become amorphous as a result of the microparticulation, are not present in the rock microparticles as much as possible, since they are not expected to undergo a mineralization reaction. It is preferable that these compounds are present in total at approximately 80 mass% or less, and it is particularly preferable that they are present at 50 mass% or less.
(B)炭酸塩形成工程:
得られた岩石の微粒子は、所定の空間で空気と接触することにより、微粒子に炭酸塩が形成される。すなわち、空気中の二酸化炭素は、前記の組成からなる岩石の微粒子と反応し、微粒子の表面ないしその内部に炭酸塩(主に、カルシウムやマグネシウム等の炭酸塩。)となって鉱物化により固定化されることになり、その結果、空気中の二酸化炭素が除去されることになる。
(B) Carbonate Formation Step:
The resulting rock particles come into contact with air in a specified space, forming carbonates in the particles. That is, carbon dioxide in the air reacts with the rock particles of the above composition, forming carbonates (mainly carbonates of calcium, magnesium, etc.) on the surface or inside of the particles, which are then fixed through mineralization, and as a result, carbon dioxide in the air is removed.
空間は、空気を常時安定した状態(二酸化炭素を含む空気を安定して供給し、かつ、後記する条件を実施期間維持する等。)で岩石の微粒子と接触させることができる場合は、屋外でも問題はないが、かかる安定した状態を容易かつ確実に形成できる点で、室内とすることが好ましい。また、空間は、換気等によりある程度の頻度で空気を供給できるような、密閉された空間とすることが好ましい。 If air can be constantly brought into contact with the rock particles in a stable state (such as by providing a steady supply of air containing carbon dioxide and maintaining the conditions described below for the duration of the experiment), there is no problem if the space is outdoors, but it is preferable to have the space indoors, as this stable state can be easily and reliably created. In addition, it is preferable for the space to be an enclosed space in which air can be supplied at a certain frequency by ventilation, etc.
導入される空気は、二酸化炭素を含む空気一般を指し、例えば、大気(二酸化炭素含有量が概ね400~450ppm程度と考えられる。)、排気ガス等、二酸化炭素を含むと考えられる全ての空気(気体)を使用することができる。対象となる空気の二酸化炭素の濃度についても特に制限はない。 The air to be introduced refers to air that contains carbon dioxide in general, and can be any air (gas) that is thought to contain carbon dioxide, such as the atmosphere (which is thought to have a carbon dioxide content of approximately 400 to 450 ppm), exhaust gas, etc. There are no particular restrictions on the carbon dioxide concentration of the target air.
空間は、温度が15~50℃、相対湿度が50~100%の条件とされる。温度の条件及び湿度の条件は、ともに、前記した範囲とすることにより、二酸化炭素の鉱物化が効率よく行われることになる。空間における温度は、20~40℃とすることが好ましく、30~35℃とすることが特に好ましい。相対湿度は、60~95%とすることが好ましい。 The space is set to a temperature of 15-50°C and a relative humidity of 50-100%. By setting both the temperature and humidity conditions within the above ranges, the mineralization of carbon dioxide will be carried out efficiently. The temperature in the space is preferably 20-40°C, and more preferably 30-35°C. The relative humidity is preferably 60-95%.
空間における二酸化炭素を含む空気の流量は、二酸化炭素の濃度や岩石の種類、組成等により適宜決定することができるが、例えば、岩石として天然の超塩基性岩(超苦鉄質石)を使用し、二酸化炭素除去対象の空気を大気(二酸化炭素の含有量は前記した程度とする。)とした場合、概ね1~100mm/秒程度とすることが好ましく、1~10mm/秒とすることが特に好ましい。岩石の微粒子は粒径が小さく粉砕されているため、微粒子の飛散を防止等すべく前記した程度とすることが好ましい。 The flow rate of the air containing carbon dioxide in the space can be appropriately determined depending on the concentration of carbon dioxide, the type and composition of the rock, etc., but for example, if natural ultramafic rock (ultramafic rock) is used as the rock and the air from which carbon dioxide is to be removed is atmospheric air (with the carbon dioxide content being about the level described above), it is preferable to set the flow rate to about 1 to 100 mm/sec, and 1 to 10 mm/sec is particularly preferable. Since the fine rock particles have a small particle size and are pulverized, it is preferable to set the flow rate to the level described above in order to prevent the fine particles from scattering, etc.
なお、空間において、岩石の微粒子と空気の接触は、特に制限はないが、例えば、任意の面積としたトレイ等の底が浅い容器に微粒子を入れ、トレイの底面全体に層状に広げた状態で、空間内にかかるトレイ等を載置するようにしてもよい。 There are no particular restrictions on the contact between the rock particles and the air in the space, but for example, the particles can be placed in a shallow container such as a tray of any area, spread in a layer over the entire bottom surface of the tray, and then the tray or the like can be placed in the space.
このように岩石の微粒子を層状にする場合、層の最も深い部分への二酸化炭素の拡散を考慮する必要がある。岩石をマイクロメートルレベルまで粉砕すると、微粒子間の空隙での二酸化炭素の拡散は分子拡散によるものと考えられる。よって、微粒子状の岩石を厚く積み上げると、層状とした岩石の微粒子の下部(深い部分)については二酸化炭素の濃度が低下し、鉱物化反応が遅くなることが懸念される。一方、この深い部分の程度については、岩石(化合物)の種類、空間のサイズ、微粒子の粒径、空気の流速等により左右される。 When rock particles are layered in this way, it is necessary to take into account the diffusion of carbon dioxide into the deepest part of the layer. When rocks are crushed to the micrometer level, it is thought that the diffusion of carbon dioxide in the gaps between the particles is due to molecular diffusion. Therefore, if fine-grained rocks are piled up thickly, there is a concern that the concentration of carbon dioxide will decrease in the lower part (deep part) of the layered rock particles, slowing down the mineralization reaction. On the other hand, the extent of this deep part depends on the type of rock (compound), the size of the space, the particle size of the particles, the air flow speed, etc.
以上より、層状に広げた場合における岩石の微粒子(微粒子層)の厚さは、例えば、5cm(50mm)以下とすることが好ましく、1~50mmとすることが好ましく、1~20mmとすることがより好ましく、1~10mmとすることがさらに好ましく、1~5mmとすることが特に好ましい。 In view of the above, the thickness of the rock particles (particle layer) when spread in layers is, for example, preferably 5 cm (50 mm) or less, more preferably 1 to 50 mm, more preferably 1 to 20 mm, even more preferably 1 to 10 mm, and particularly preferably 1 to 5 mm.
なお、このようにしてトレイ等に微粒子を入れ、層状に広げた状態で空気と接触させる場合にあっては、かかるトレイ等は、空間の内部で、高さ方向に多段化して載置するようにしてもよい。 When particles are placed in trays or the like in this manner and are exposed to air in a layered state, the trays or the like may be placed in multiple tiers in the height direction inside the space.
空気と岩石の微粒子の接触時間(反応時間にもなる。)は、空気中の二酸化炭素の濃度や使用される岩石の種類や量等によって適宜決定すればよいが、目安として7日~1年として、例えば、7日~2か月の間で選択する等、任意に決定することができる。岩石の量や種類にもよるが、接触が開始(鉱物化反応が開始)されて1年が経過すれば、概ね鉱物化反応も終了していると考えられる。 The contact time between the air and the rock particles (which is also the reaction time) can be determined appropriately depending on the concentration of carbon dioxide in the air and the type and amount of rock used, but as a guide it can be set to 7 days to 1 year, and can be arbitrarily determined, for example, between 7 days and 2 months. Although it depends on the amount and type of rock, the mineralization reaction is generally considered to be complete after 1 year has passed since the start of contact (the start of the mineralization reaction).
岩石の微粒子に炭酸塩が形成され、二酸化炭素が鉱物化されたら、表面に炭酸塩が堆積して、多数の微粒子同士が集合した状態となった岩石の微粒子の塊について、まず、100℃未満で加熱等を行うことにより吸着した水分を除去する。なお、この操作及び後記の分析操作は、生成された炭酸塩等を分析しない場合には、特に必要ではない。 After carbonates are formed in the rock particles and carbon dioxide is mineralized, carbonates are deposited on the surface, forming a mass of rock particles in which many particles have aggregated together. First, the mass is heated at less than 100°C to remove the adsorbed moisture. Note that this operation and the analytical operation described below are not particularly necessary if the carbonates formed are not to be analyzed.
水分を除去した後、分析操作として、炭酸塩形成工程前の岩石の微粒子の質量と比較して、質量変化を確認することにより、鉱物化した二酸化炭素の量を確認することができる。また、熱重量示差熱分析(TG―DTA)及び蛍光X線分析(X-Ray Fluorescence Analysis:XRF)により鉱物化された二酸化炭素(炭酸塩)により二酸化炭素の存在量等詳細に分析することができる。 After removing the moisture, the amount of mineralized carbon dioxide can be confirmed by comparing the mass of the rock particles with that before the carbonate formation process as an analytical procedure and confirming the change in mass. In addition, the amount of carbon dioxide present can be analyzed in detail using thermogravimetric differential thermal analysis (TG-DTA) and X-ray fluorescence analysis (XRF) to determine the mineralized carbon dioxide (carbonate).
また、環境に無害な炭酸塩(主に、カルシウムやマグネシウム等の炭酸塩(炭酸カルシウム(CaCO3やMgCO3等。)が形成された鉱物化後の岩石は、例えば、路盤材や埋め立て用建設資材等として利用することができる。このように、鉱物化後の岩石は、環境に優しいものである。 In addition, the mineralized rocks in which environmentally harmless carbonates (mainly carbonates of calcium, magnesium, etc. (calcium carbonate ( CaCO3 , MgCO3 , etc.)) are formed can be used, for example, as roadbed materials and construction materials for landfill. In this way, the mineralized rocks are environmentally friendly.
(C)本発明の効果:
以上説明した本発明は、アルカリ土類金属を含む岩石を微粒子化し、得られた微粒子を所定の環境とした空間内で空気と接触させることにより、空気中の二酸化炭素を炭酸塩として鉱物化することにより、二酸化炭素を岩石に固定して、空気中の二酸化炭素を除去するようにしている。
(C) Effects of the present invention:
The present invention described above works by microparticulating rocks containing alkaline earth metals, and then contacting the resulting microparticulates with air in a space with a specified environment, thereby mineralizing carbon dioxide in the air as carbonate, thereby fixing the carbon dioxide in the rocks and removing carbon dioxide from the air.
よって、本発明は、薬品を使用せず、また、大掛かりな設備等も使用しないで低コストで空気中の二酸化炭素の除去を簡便に実施することができ、付随する二酸化炭素の発生量も少ないので、実質的な二酸化炭素の削減を図ることができる。加えて、本発明は、二酸化炭素の貯留の必要もなく、かかる貯留におけるリスクもないとともに、固定化された二酸化炭素は環境に無害な炭酸塩となり、岩石とともに再利用も可能であるため、環境にも優しいものである。 Therefore, the present invention can easily remove carbon dioxide from the air at low cost without using chemicals or large-scale equipment, and since the amount of carbon dioxide generated is small, it is possible to substantially reduce carbon dioxide. In addition, the present invention is environmentally friendly because it does not require the storage of carbon dioxide and there are no risks associated with such storage, and the fixed carbon dioxide becomes carbonate, which is harmless to the environment, and can be reused together with rocks.
本発明によれば、他の技術・インフラに頼らずにCDRを実施することができる。これまでの技術では、空気中の二酸化炭素を除去するためには、多大なエネルギーを必要として、かかるエネルギーにより発生する二酸化炭素を考慮すると、二酸化炭素の実質的な削減とはなっていないものが多かった。一方、本発明は、岩石の微粒子化工程及び得られる岩石の微粒子と空気中の二酸化炭素を反応させて炭酸塩とする炭酸塩形成工程という簡便な方法で、空気中から二酸化炭素を除去するものであるため、必要とするエネルギーも少なく、二酸化炭素の実質的な削減につながる技術であると考えられる。 According to the present invention, CDR can be carried out without relying on other technologies or infrastructure. Previous technologies required a large amount of energy to remove carbon dioxide from the air, and many of these technologies did not result in a substantial reduction in carbon dioxide emissions when the carbon dioxide generated by such energy was taken into consideration. On the other hand, the present invention removes carbon dioxide from the air using a simple method consisting of a rock microparticulation process and a carbonate formation process in which the resulting rock microparticles react with carbon dioxide in the air to form carbonates, so it requires less energy and is considered to be a technology that leads to a substantial reduction in carbon dioxide emissions.
CDRとしては、現在、2つの主要な技術がある。二酸化炭素(CO2)回収及び貯留を伴うバイオマスエネルギー(Bioenergy with Carbon Capture and Storage:BECCS)と、二酸化炭素貯留を伴う直接空気回収(DIRECT Air CO2 Capture with Storage:DACCS)である。 There are currently two main technologies for CDR: Bioenergy with Carbon Capture and Storage ( BECCS ) and Direct Air Capture with Carbon Capture (DACS).
このうち、BECCSは、バイオマスの燃焼、二酸化炭素の回収、貯留場所への輸送、地下への貯留に依存する。また、DACCSは、機械を使用して、輸送及び地下貯留の前に空気から二酸化炭素をろ過する。 これらを比較する主なポイントは、エネルギー要件(GJ/t-CO2)、土地要件(km2/Mt-CO2)、水要件(m3/t-CO2)、CO2回収にかかる期間、生物学的制限(Gt-CO2/年)、及びコストと考えられる。これら全ての場合において、t-CO2は、環境から除去された正味の二酸化炭素(CO2)を意味する(プロセスおよびサプライチェーンからの二酸化炭素排出量を考慮した。)。本発明及びこれら2つの技術を比較した表を表3に示す。表3からは、本発明が、他の技術と比較して、有利に作用することが確認できる。 Of these, BECCS relies on burning biomass, capturing the carbon dioxide, transporting it to a storage site, and storing it underground. DACCS also uses machinery to filter the carbon dioxide from the air before transport and underground storage. The main points of comparison between these are considered to be energy requirements (GJ/t-CO 2 ), land requirements (km 2 /Mt-CO 2 ), water requirements (m 3 /t-CO 2 ), time required for CO 2 capture, biological limitations (Gt-CO 2 /year), and cost. In all these cases, t-CO 2 refers to the net carbon dioxide (CO 2 ) removed from the environment (taking into account the carbon dioxide emissions from the process and supply chain). A table comparing the present invention and these two technologies is shown in Table 3. From Table 3, it can be seen that the present invention works favorably compared to other technologies.
さらに、スケールアップとスケールアウト率の問題がある。 BECCSとDACCSでは、貯留場所と輸送インフラストラクチャが必要であり、貯留箇所の開発には多大なコストが発生するため、通常は非常に大規模(>1Mt-CO2/年)に制限される。一方、本発明は、kg規模でもMt規模でも、あらゆるスケールで適応することができる。したがって、輸送や貯留等を気にすることなく、小規模、中規模および大規模のシステムを開発することができると考えられる。 Furthermore, there is the issue of scale-up and scale-out rates. BECCS and DACCS are usually limited to very large scale (>1 Mt- CO2 /year) due to the need for storage and transportation infrastructure, and the significant costs involved in developing storage sites. The present invention, on the other hand, can be applied at any scale, be it kg scale or Mt scale. It is therefore conceivable that small, medium and large scale systems can be developed without worrying about transportation, storage etc.
さらに、土壌や海洋を利用する他の方法では、二酸化炭素の除去量を正確に定量化することは不可能であり、加えて、かかる他の方法は、気候変動の影響により、将来に見込まれた二酸化炭素が失われる可能性があるという問題もある。本発明は、前記のような簡便な手段で二酸化炭素を炭酸塩として固定化し、空気中から除去するので、これらの問題も解決することができる。 Furthermore, with other methods that use soil or the ocean, it is impossible to accurately quantify the amount of carbon dioxide removed, and in addition, these other methods have the problem that expected carbon dioxide may be lost in the future due to the effects of climate change. The present invention solves these problems by fixing carbon dioxide as carbonates and removing it from the air using the simple means described above.
(D)実施形態の変形:
なお、以上説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の構成を備え、目的及び効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造及び形状等は、本発明の目的及び効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状等としても問題はない。本発明は前記した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形や改良は、本発明に含まれるものである。
(D) Modifications of the embodiment:
The above-described aspects show one aspect of the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that modifications and improvements that have the configuration of the present invention and can achieve the object and effect are included in the contents of the present invention. Furthermore, the specific structure and shape, etc., when implementing the present invention may be other structures and shapes, etc., as long as the object and effect of the present invention can be achieved. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications and improvements that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
例えば、(A)微粒子化工程と(B)炭酸塩形成工程について必要な操作を、部分的に例示して載せたが、本発明の目的及び効果を妨げない範囲で、例示されない他の操作を用いて実施しても問題はない。同様に、岩石を構成することが可能な化合物を例示して載せたが、あくまでも例示なので、本発明で使用する岩石にアルカリ土類金属を含む化合物等でこれ以外の化合物を含むようにしても問題はない。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造及び形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
For example, the necessary operations for the (A) microparticulation step and (B) carbonate formation step are partially exemplified, but there is no problem if other operations not exemplified are used within the scope of not impeding the purpose and effect of the present invention. Similarly, although examples of compounds capable of constituting rocks are given, they are merely examples, and there is no problem if the rocks used in the present invention contain other compounds such as compounds containing alkaline earth metals.
In addition, the specific structure and shape when implementing the present invention may be other structures and shapes within the scope of the invention in which the object of the present invention can be achieved.
以下、本発明を実施例等に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these.
(参考例1、実施例2~実施例6、参考例7、実施例8)
岩石に相当するものとして、下記の表4に示した組成(化合物組成等の分析手段は後記する。)の、8種類のスラグ(スラグ1~スラグ8(参考例1、実施例2~実施例6、参考例7、実施例8とする。))を用意した。なお、「%」は、全体に対する含有量(質量%)を示す。
( Reference Example 1, Examples 2 to 6, Reference Example 7, Example 8)
Eight types of slag (
(スラグの組成)
スラグ1~スラグ8をすり鉢とすりこぎを用いて粉砕し、粉砕されたスラグについてふるいを用いて分級した。分級後のスラグの微粒子の粒度分布を、画像処理手法の1つである「ImageJ」ソフトウェアによって操作されるコンピュータービジョンを備えた光学顕微鏡を使用して測定し、粒径が25~90μmの微粒子サンプルと、粒径が25μm未満の微粒子サンプルをそれぞれ得た。さらに、スラグ1~スラグ8の元素組成をXRFで、スラグ1~スラグ8の化合物組成をQ-XRDでそれぞれ分析した(化合物組成等を表4に載せた。)。
得られた微粒子サンプルを、それぞれ、直径10cm×高さ1cmの円形トレイに入れ、厚さが3mmとなるようにして広げた。 The resulting microparticle samples were each placed in a circular tray measuring 10 cm in diameter and 1 cm in height, and spread out to a thickness of 3 mm.
22L容のインキュベーター(3-6815-01 CO2インキュベーター:株式会社アズワン製)の室内空間を、相対湿度が90%、温度が30℃となるようにした。かかる湿度及び温度のもと、微粒子サンプルが入ったトレイをインキュベーターの室内空間に入れ、ドアを閉めて密閉状態とした後、二酸化炭素濃度が5%の空気(スラグ1~スラグ5)、20%の空気(スラグ5~スラグ8)を導入するようにした。そして、この状態を維持するようにして、微粒子サンプルに空気を接触させ、二酸化炭素を鉱物化(炭酸塩を形成)させた。サンプルを別にして、試験における経過日数を1日、3日、7日、14日、21日及び28日として前記の操作を実施した(空欄は未実施。)。なお、各サンプルは3回(n=3)として実施した(表5には平均値を載せた。)。
The indoor space of a 22L incubator (3-6815-01 CO2 incubator: manufactured by AS ONE Co., Ltd.) was set to a relative humidity of 90% and a temperature of 30°C. Under such humidity and temperature, a tray containing the fine particle samples was placed in the indoor space of the incubator, the door was closed to create a sealed state, and then air with a carbon dioxide concentration of 5% (
日数が経過した後、微粒子サンプルの質量を測定するとともに、熱重量示差熱分析(TG―DTA)及び蛍光X線分析(X-Ray Fluorescence Analysis:XRF)により鉱物化された二酸化炭素(炭酸塩)を分析した。経過日数に対応する二酸化炭素の鉱物化率(%)を表5及び表6に示した(実験値は表5であるが、表6に予測値を参考として載せた。)。なお、2つの二酸化炭素濃度で評価したのは、未反応核モデルを確認するためである。 After the number of days had passed, the mass of the fine particle samples was measured, and the mineralized carbon dioxide (carbonate) was analyzed using thermogravimetric differential thermal analysis (TG-DTA) and X-ray fluorescence analysis (XRF). The mineralization rate (%) of carbon dioxide corresponding to the number of days passed is shown in Tables 5 and 6 (the experimental values are in Table 5, but the predicted values are listed in Table 6 for reference). The evaluation was performed using two carbon dioxide concentrations in order to confirm the unreacted core model.
表5の結果より、まず、スラグ1とスラグ7の鉱物化率が非常に低い(例えば、実施した二酸化炭素の濃度条件で1%以下(スラグ1は経過日数が28日、スラグ7は経過日数が7日の場合。))ことが確認できる。この理由は、スラグ1及びスラグ7は、いずれも、元々アモルファス相(非晶化された部分のこと。以下同じ。)の含有量が高い(スラグ1は34.1%、スラグ7は100%)ためと考えられる。スラグ7は全て(100%)がアモルファス相であるので鉱物化率が低いと考えられる。
From the results in Table 5, it can first be confirmed that the mineralization rates of
一方、スラグ1の場合は、アモルファス相が34.1%であるが、これでも全体に対するアモルファス相の割合が高いため、アモルファス相に結晶が巻き込まれ、結晶同士が繋がらず、表面にあった結晶のみしか反応しなかったため、鉱物化率が低かったものと考えられる。
On the other hand, in the case of
一般に、溶融岩石(天然岩石またはスラグ)が冷却されると、結晶性またはアモルファスの化合物を形成するが、急速に冷却するとアモルファス化合物が生成されやすく、低速に冷却すると結晶が生成されやすい。溶融岩石中の核形成結晶の分布はランダムに分布しており、これらの結晶は、他に存在する結晶と接触するまで成長することになる。一方、結晶間の液相において、結晶が互いに成長する前にアモルファス相として固化してしまった場合には、結晶は互いに分離されてしまい繋がることができなくなる。このような配置となると、二酸化炭素の鉱物化作用の進行が妨げられてしまうことになると考えられる。 Generally, when molten rock (natural rock or slag) cools, it forms crystalline or amorphous compounds, but rapid cooling favors the formation of amorphous compounds, while slow cooling favors the formation of crystals. The distribution of nucleated crystals in molten rock is random, and these crystals will grow until they come into contact with other existing crystals. On the other hand, if the liquid phase between the crystals solidifies as an amorphous phase before they can grow together, the crystals will be separated from each other and will not be able to connect. This arrangement is thought to hinder the progress of carbon dioxide mineralization.
なお、スラグ1及びスラグ7以外のスラグ(スラグ2~スラグ6、スラグ8)も適当量のアモルファス相が含まれていたが、前記の挙動は認められず、表5の結果より、鉱物化も良好に進行したことが確認された(例えば、実施した二酸化炭素の濃度条件で、経過日数が7日の場合における鉱物化率が5%以上。)。これは、アモルファス相が結晶性鉱物間の空間を占めていたが、結晶を完全には包みこんでいなかったためと考えられる。
Slags other than
また、グループ1に属する酸化カルシウム(酸化物)等の化合物を含有するスラグ(スラグ2、スラグ4、スラグ6及びスラグ8)は、初期段階で二酸化炭素の鉱物化が認められる。特に、スラグ2及びスラグ4の速い鉱物化作用は、カルシウム含有量が主に酸化物形態(CaOやCa2Fe2O5)及びケイ酸カルシウム(いずれもグループ1に属する。)によるものであると考えられる。
Additionally, slags containing compounds such as calcium oxide (oxide) belonging to group 1 (
一方、スラグ3及びスラグ5の鉱物化率が、前記のスラグ3及びスラグ5と比較的低いのは、これらと比較して、前記したグループ2に属する「混合カチオン」ケイ酸塩(ある程度のCaがMgまたはFeに置換されている。)が比較的多く、また、グループ4に属する化合物が存在するためと考えられる。
On the other hand, the mineralization rates of
本発明は、空気中の二酸化炭素を炭酸塩として岩石に固定化し、空気中の二酸化炭素を削減することを可能とする技術を提供する手段として有利に利用することができ、産業上の利用可能性は高い。 The present invention can be advantageously used as a means of providing a technology that makes it possible to fix carbon dioxide in the air as carbonate in rocks and reduce carbon dioxide in the air, and has high industrial applicability.
Claims (4)
Ca(カルシウム)またはMg(マグネシウム)のうち少なくとも1種を含む化合物(炭酸塩を除く。)を含む岩石を粉砕して前記岩石の微粒子を得る微粒子化工程と、
得られた前記岩石の微粒子を、温度が15~50℃、相対湿度が50~100%の空間で空気と接触させ、前記岩石の微粒子に炭酸塩を形成する炭酸塩形成工程と、
を含み、
前記岩石の非晶化された部分が全体の30質量%以下であり、
前記岩石の微粒子の粒径が1~100μmであり、
前記岩石の微粒子が、トレイの底面全体に層状に広げた状態で当該トレイに入れられ、前記空間内に前記トレイを載置することにより前記空気と接触され、
前記層状に広げた前記岩石の微粒子の厚さが、1~50mmであることを特徴とする空気中の二酸化炭素を除去する方法。 1. A method for removing carbon dioxide from air, comprising the steps of:
a microparticulation step of crushing a rock containing a compound (excluding carbonates ) containing at least one of Ca (calcium) and Mg (magnesium) to obtain fine particles of the rock;
a carbonate formation step of contacting the obtained rock particles with air in a space having a temperature of 15 to 50° C. and a relative humidity of 50 to 100% to form carbonates in the rock particles;
Including,
The amorphized portion of the rock is 30 mass% or less of the total,
The particle size of the rock particles is 1 to 100 μm ;
The rock particles are placed in a tray in a layer spread across the entire bottom surface of the tray, and the tray is placed in the space to contact the air;
A method for removing carbon dioxide from the air, characterized in that the thickness of the rock particles spread in layers is 1 to 50 mm .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021075533A JP7699796B2 (en) | 2021-04-28 | 2021-04-28 | How to remove carbon dioxide from the air |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021075533A JP7699796B2 (en) | 2021-04-28 | 2021-04-28 | How to remove carbon dioxide from the air |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022169854A JP2022169854A (en) | 2022-11-10 |
| JP7699796B2 true JP7699796B2 (en) | 2025-06-30 |
Family
ID=83944444
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021075533A Active JP7699796B2 (en) | 2021-04-28 | 2021-04-28 | How to remove carbon dioxide from the air |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7699796B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2026006164A (en) * | 2024-06-28 | 2026-01-16 | 株式会社小松製作所 | Information processing device, information processing method, and work machine |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000197810A (en) | 1998-10-29 | 2000-07-18 | Nkk Corp | How to reduce carbon dioxide emissions |
| JP2017109198A (en) | 2015-12-14 | 2017-06-22 | シャープ株式会社 | Carbon dioxide absorbing material, pellet and filter |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03267120A (en) * | 1990-03-19 | 1991-11-28 | Hitachi Ltd | CO↓2 processing plant |
| JPH0783831B2 (en) * | 1992-02-07 | 1995-09-13 | 共栄物産株式会社 | Method for producing carbon dioxide consuming material from construction waste |
-
2021
- 2021-04-28 JP JP2021075533A patent/JP7699796B2/en active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000197810A (en) | 1998-10-29 | 2000-07-18 | Nkk Corp | How to reduce carbon dioxide emissions |
| JP2017109198A (en) | 2015-12-14 | 2017-06-22 | シャープ株式会社 | Carbon dioxide absorbing material, pellet and filter |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2022169854A (en) | 2022-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yadav et al. | Experimental study of dissolution of minerals and CO2 sequestration in steel slag | |
| Rushendra Revathy et al. | Direct mineral carbonation of steelmaking slag for CO2 sequestration at room temperature | |
| Kusin et al. | Mineral carbonation of sedimentary mine waste for carbon sequestration and potential reutilization as cementitious material | |
| Bodor et al. | Susceptibility of mineral phases of steel slags towards carbonation: mineralogical, morphological and chemical assessment | |
| Uibu et al. | CO2 mineral sequestration in oil-shale wastes from Estonian power production | |
| Quaghebeur et al. | Accelerated carbonation of steel slag compacts: development of high-strength construction materials | |
| Wei et al. | Effect of calcium compounds on lightweight aggregates prepared by firing a mixture of coal fly ash and waste glass | |
| Balucan et al. | Thermal activation of antigorite for mineralization of CO2 | |
| Ye et al. | CO2 mineralization of activated K-feldspar+ CaCl2 slag to fix carbon and produce soluble potash salt | |
| Jianguo et al. | Pb stabilization in fresh fly ash from municipal solid waste incinerator using accelerated carbonation technology | |
| Zhao et al. | Effects of CaO and Fe2O3 on the microstructure and mechanical properties of SiO2–CaO–MgO–Fe2O3 ceramics from steel slag | |
| WO2005086843A2 (en) | Method for sequestering carbon dioxide | |
| Valverde | The Ca-looping process for CO2 capture and energy storage: role of nanoparticle technology | |
| Javed et al. | Corrosive effect of HCl and H2SO4 exposure on the strength and microstructure of lithium slag geopolymer mortars | |
| Benhelal et al. | “ACEME”: Synthesis and characterization of reactive silica residues from two stage mineral carbonation Process | |
| Wei et al. | Preparation of low water-sorption lightweight aggregates from harbor sediment added with waste glass | |
| JP7699796B2 (en) | How to remove carbon dioxide from the air | |
| Kasina et al. | Mineral carbonation of metallurgical slags | |
| de Schutter et al. | Improving the carbonation of steel slags through concurrent wet milling | |
| Zhang et al. | A wet carbonation enhancement approach to synergistic preparation of alkali-activated artificial aggregates from waste concrete powder and ground granulated blastfurnace slag | |
| Li et al. | 3D nanostructure of CO2‐mineralized steel slag | |
| Ezu et al. | Direct carbonation of porous materials produced from self-hardened paper mill fly ash | |
| Mahfoud et al. | Carbonation in just add water geopolymer based on fly ash and dredged sediments mix | |
| Bonfante et al. | Direct aqueous carbonation of electric arc furnace slag: process optimisation through experimental design | |
| Myers et al. | Enhancing co2 mineralization rate and extent of iron and steel slag via grinding |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A80 | Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80 Effective date: 20210526 |
|
| RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7426 Effective date: 20210720 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20210720 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20231109 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20240821 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240827 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20241023 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20241220 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20250213 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20250603 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20250611 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7699796 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |