JP7840985B2 - A carbon dioxide absorbing material that exhibits a high CO2 absorption effect in the intermediate temperature range and a method for manufacturing the same. - Google Patents
A carbon dioxide absorbing material that exhibits a high CO2 absorption effect in the intermediate temperature range and a method for manufacturing the same.Info
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Description
本発明は、特に中間温度域において二酸化炭素の吸収特性に優れた二酸化炭素吸収材料とその製造方法に関する。本出願は2021年4月22日に出願されたインド国特許出願第202121018578号に基づく優先権を主張しており、その出願の全内容は本明細書中に参照として組み入れられている。 This invention relates to a carbon dioxide absorbing material exhibiting excellent carbon dioxide absorption characteristics, particularly in the intermediate temperature range, and to a method for producing the same. This application claims priority to Indian Patent Application No. 202121018578, filed on April 22, 2021, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
二酸化炭素(CO2)は、地球温暖化ガスとなることから、排出量の大幅な削減が迫られている。そこで、火力発電所や工場、自動車等から排出される排気ガスからCO2を選択的に分離、回収する材料や技術の開発が求められている。これまでにも、例えば、多孔質材料、CO2吸収能を有するアミノ基等を導入した化学吸収材料、金属有機構造体(Metal-Organic Frameworks:MOFs)、炭素質材料、酸化マグネシウム材料、アルカリ金属炭酸塩等からなるCO2吸着材料/吸収材料が提案されている。 Carbon dioxide ( CO2 ) is a greenhouse gas, and therefore a significant reduction in its emissions is urgently needed. This necessitates the development of materials and technologies to selectively separate and recover CO2 from exhaust gases emitted from thermal power plants, factories, automobiles, and other sources. To date, various CO2 adsorption/absorbing materials have been proposed, such as porous materials, chemical absorbents incorporating amino groups with CO2 absorption capabilities, metal-organic frameworks (MOFs), carbonaceous materials, magnesium oxide materials, and alkali metal carbonates.
これらの材料は、耐熱性が低いことや、その物理的吸着特性等から、その多くが室温から200℃以下の低温環境でCO2吸収材料として利用されている。一方で、上記のうちでもアルカリ金属炭酸塩からなるCO2吸収材料は、400℃を超える高温での使用が可能なことから、高温環境で使用し得るCO2吸収材料として期待されている。例えば、リチウム成分およびケイ素成分を含むゾル状組成物に電磁波を照射して調製したケイ酸リチウムは、概ね600℃以上の温度範囲で優れたCO2吸収特性を発揮することができ、さらにアルカリ炭酸塩を組み合わせることにより、概ね400℃~600℃の温度域のCO2吸収特性が改善される(日本国特許第6596567号公報およびChemical Engineering Journal 406 (2021) 126731)。 Due to their low heat resistance and physical adsorption properties, most of these materials are used as CO2 absorbers in low-temperature environments from room temperature to below 200°C. On the other hand, among the above, CO2 absorbers made of alkali metal carbonates are expected to be usable in high-temperature environments because they can be used at temperatures exceeding 400°C. For example, lithium silicate prepared by irradiating a sol-like composition containing lithium and silicon components with electromagnetic waves can exhibit excellent CO2 absorption properties in a temperature range of approximately 600°C or higher, and by combining it with alkali carbonates, the CO2 absorption properties in the temperature range of approximately 400°C to 600°C are improved (Japanese Patent No. 6596567 and Chemical Engineering Journal 406 (2021) 126731).
ところで、環境中に排出されるCO2量を削減するために、中間温度域(例えば200℃~400℃程度)で優れたCO2吸収特性を有するCO2吸収材料の開発が望まれている。上述のケイ酸リチウムを用いた従来技術では、かかる中間温度域でのCO2吸収特性にはさらなる改善の余地がある。また、酸化マグネシウムをベースとしたCO2吸収材料は、350℃~450℃の中間温度域で優れたCO2吸収容量を有することが報告されている(米国特許第6280503号明細書)。しかしながら、本発明者らの検討により、かかるCO2吸収材料には、耐久性を向上させる余地、および、CO2の吸収・脱着の温度範囲をさらに下げる余地があることが見出された。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、CO2吸収特性がより改善された二酸化炭素吸収材料を提供することを目的とする。また、本発明は、かかる二酸化炭素吸収材料を製造する方法を提供することを他の目的とする。
Incidentally, in order to reduce the amount of CO2 emitted into the environment, there is a need for the development of CO2 absorbing materials that have excellent CO2 absorption characteristics in an intermediate temperature range (for example, around 200°C to 400°C). In the conventional technology using lithium silicate described above, there is room for further improvement in the CO2 absorption characteristics in this intermediate temperature range. Furthermore, it has been reported that magnesium oxide-based CO2 absorbing materials have excellent CO2 absorption capacity in an intermediate temperature range of 350°C to 450°C (U.S. Patent No. 6,280,503). However, through our own research, we have found that there is room to improve the durability of such CO2 absorbing materials and to further lower the temperature range of CO2 absorption and desorption.
This invention has been made in view of the above problems, and aims to provide a carbon dioxide absorbing material with improved CO2 absorption characteristics. Another object of this invention is to provide a method for producing such a carbon dioxide absorbing material.
上記目的を実現するべく、ここで開示される技術は、ケイ酸リチウムまたは亜鉛酸リチウムと、アルカリ炭酸塩と、アルカリ硝酸塩と、炭酸マグネシウムとを含む二酸化炭素(CO2)吸収材料の製造方法を提供する。この製造方法は、ケイ酸リチウム粒子または亜鉛酸リチウム粒子を含む第1の粉末を準備すること、上記第1の粉末と、アルカリ炭酸塩粒子およびアルカリ硝酸塩粒子を含む第2の粉末とを混合し、上記ケイ酸リチウム粒子または上記亜鉛酸リチウム粒子の表面に上記アルカリ炭酸塩粒子および上記アルカリ硝酸塩粒子が凝集した第1の複合化粒子を含む粉末を得ること、炭酸マグネシウム粒子を含む第3の粉末と、上記第2の粉末とを混合し、上記炭酸マグネシウム粒子の表面に上記アルカリ炭酸塩粒子および上記アルカリ硝酸塩粒子が凝集した第2の複合化粒子を含む粉末を得ること、および、上記第1の複合化粒子を含む粉末と上記第2の複合化粒子を含む粉末とを混合し、上記第1の複合化粒子と上記第2の複合化粒子とが凝集した二酸化炭素吸収能を有する凝集物を含む混合粉末を得ること、を包含する。
かかる構成によると、特に中間温度域でCO2吸収特性がより改善された二酸化炭素吸収材料を製造することができる。
To achieve the above objectives, the technology disclosed herein provides a method for producing a carbon dioxide ( CO₂ ) absorbing material comprising lithium silicate or lithium zincate, alkali carbonate, alkali nitrate, and magnesium carbonate. This production method includes: preparing a first powder comprising lithium silicate particles or lithium zincate particles; mixing the first powder with a second powder comprising alkali carbonate particles and alkali nitrate particles to obtain a powder containing first composite particles in which the alkali carbonate particles and alkali nitrate particles are aggregated on the surface of the lithium silicate particles or lithium zincate particles; mixing a third powder comprising magnesium carbonate particles with the second powder to obtain a powder containing second composite particles in which the alkali carbonate particles and alkali nitrate particles are aggregated on the surface of the magnesium carbonate particles; and mixing the powder containing the first composite particles with the powder containing the second composite particles to obtain a mixed powder containing aggregates having carbon dioxide absorbing capacity formed by the aggregation of the first composite particles and the second composite particles.
According to this configuration, it is possible to manufacture a carbon dioxide absorbing material with improved CO2 absorption characteristics, particularly in the intermediate temperature range.
また、ここで開示される二酸化炭素吸収材料製造方法の好適な一態様では、上記混合粉末の全体を100wt%としたとき、上記第1の粉末と上記第3の粉末との合計割合は、50wt%以上95wt%以下であり、上記第1の粉末の割合は5wt%以上60wt%以下であり、上記第3の粉末の割合は、5wt%以上60wt%以下である。かかる構成により、特に中間温度域でのCO2吸収容量がより改善された二酸化炭素吸収材料を製造することができる。 Furthermore, in a preferred embodiment of the carbon dioxide absorbing material manufacturing method disclosed herein, when the total amount of the mixed powder is 100 wt%, the total ratio of the first powder and the third powder is 50 wt% to 95 wt%, the ratio of the first powder is 5 wt% to 60 wt%, and the ratio of the third powder is 5 wt% to 60 wt%. With this configuration, it is possible to manufacture a carbon dioxide absorbing material with improved CO2 absorption capacity, particularly in the intermediate temperature range.
また、ここで開示される二酸化炭素吸収材料製造方法の好適な一態様では、上記アルカリ炭酸塩粒子および上記アルカリ硝酸塩粒子のうち少なくともどちらか一方は、ナトリウム(Na)成分、カリウム(K)成分およびリチウム(Li)成分のうち2種以上を含む。また、上記第2の粉末は共晶炭酸/硝酸塩粒子を含み得る。かかる構成により、特に中間温度域でのCO2吸収容量がさらに改善された二酸化炭素吸収材料を製造することができる。 Furthermore, in a preferred embodiment of the carbon dioxide absorbing material manufacturing method disclosed herein, at least one of the alkali carbonate particles and the alkali nitrate particles contains two or more components selected from sodium (Na), potassium (K), and lithium (Li). The second powder may also contain eutectic carbonate/nitrate particles. With this configuration, it is possible to manufacture a carbon dioxide absorbing material with further improved CO2 absorption capacity, particularly in the intermediate temperature range.
また、ここで開示される二酸化炭素吸収材料製造方法の好適な一態様では、さらに、上記凝集物を含む混合粉末を熱処理することを包含する。これにより、より二酸化炭素吸収特性が向上した活性化状態の二酸化炭素吸収材料を製造することができる。 Furthermore, in a preferred embodiment of the carbon dioxide absorbing material manufacturing method disclosed herein, the mixed powder containing the aggregates is further heat-treated. This allows for the production of an activated carbon dioxide absorbing material with improved carbon dioxide absorption properties.
他の側面において、ここに開示される技術は、二酸化炭素吸収材料を提供する。この二酸化炭素吸収材料は、二酸化炭素を吸収・脱着可能な粉末であって、第1の粒子が複数集合してなる第2の粒子を含み、上記第1の粒子は、少なくともケイ酸リチウムを含むアルカリケイ酸塩または少なくとも亜鉛酸リチウムを含むアルカリ亜鉛酸塩と、アルカリ炭酸塩と、アルカリ硝酸塩と、少なくとも炭酸マグネシウムを含むマグネシウム含有化合物とを含有する。かかる構成によれば、ケイ酸リチウムまたは亜鉛酸リチウムによるCO2吸収反応がより低温の温度域で促進される。これにより、特に中間温度域でのCO2吸収容量を改善することができる。 In other respects, the technology disclosed herein provides a carbon dioxide absorbing material. This carbon dioxide absorbing material is a powder capable of absorbing and desorbing carbon dioxide, comprising a second particle formed by the aggregation of a plurality of first particles, wherein the first particles contain an alkali silicate containing at least lithium silicate or an alkali zincate containing at least lithium zincate, an alkali carbonate, an alkali nitrate, and a magnesium-containing compound containing at least magnesium carbonate. With this configuration, the CO2 absorption reaction by lithium silicate or lithium zincate is promoted in a lower temperature range. This makes it possible to improve the CO2 absorption capacity, particularly in the intermediate temperature range.
また、ここで開示される二酸化炭素吸収材料の好適な一態様では、上記アルカリケイ酸塩に含まれるケイ素(Si)成分と、上記マグネシウム含有化合物に含まれるマグネシウム(Mg)成分との合計を100mol%としたとき、上記ケイ素(Si)成分の割合は、10mol%以上85mol%以下である。かかる構成によれば、中間温度域でのCO2吸収容量がより改善される。 Furthermore, in one preferred embodiment of the carbon dioxide absorbing material disclosed herein, when the total of the silicon (Si) component contained in the alkali silicate and the magnesium (Mg) component contained in the magnesium-containing compound is 100 mol%, the proportion of the silicon (Si) component is 10 mol% or more and 85 mol% or less. With this configuration, the CO2 absorption capacity in the intermediate temperature range is further improved.
また、ここで開示される二酸化炭素吸収材料の好適な一態様では、上記アルカリ亜鉛酸塩に含まれる亜鉛(Zn)成分と、上記マグネシウム含有化合物に含まれるマグネシウム(Mg)成分との合計を100mol%としたとき、上記亜鉛(Zn)成分の割合は、5mol%以上80mol%以下である。かかる構成によれば、中間温度域でのCO2吸収容量がより改善される。 Furthermore, in a preferred embodiment of the carbon dioxide absorbing material disclosed herein, when the total of the zinc (Zn) component contained in the alkali zincate and the magnesium (Mg) component contained in the magnesium-containing compound is set to 100 mol%, the proportion of the zinc (Zn) component is 5 mol% or more and 80 mol% or less. With this configuration, the CO2 absorption capacity in the intermediate temperature range is further improved.
また、ここで開示される二酸化炭素吸収材料の好適な一態様では、上記第1の粒子は、フレーク状およびロッド状の少なくともどちらか一方の形態を有する。かかる構成によれば、第2の粒子に空隙が形成され易くなるため、CO2と接する表面積が増大する。これにより、CO2の吸収および脱着がより起こり易くなるため、CO2吸収特性がより改善される。 Furthermore, in a preferred embodiment of the carbon dioxide absorbing material disclosed herein, the first particles have at least one of the following forms: flake-like and rod-like. With this configuration, voids are more easily formed in the second particles, increasing the surface area in contact with CO2 . As a result, absorption and desorption of CO2 occur more easily, and the CO2 absorption characteristics are further improved.
また、ここで開示される二酸化炭素吸収材料の好適な一態様では、上記アルカリ炭酸塩および上記アルカリ硝酸塩のうち少なくとも一方は、ナトリウム(Na)成分、カリウム(K)成分およびリチウム(Li)成分のうち2種以上を含む。特に、上記アルカリ炭酸塩および上記アルカリ硝酸塩は共晶を形成していることが好ましい。かかる構成により、中間温度域におけるCO2吸収容量がより一層改善される。 Furthermore, in one preferred embodiment of the carbon dioxide absorbing material disclosed herein, at least one of the alkali carbonate and alkali nitrate contains two or more components selected from sodium (Na), potassium (K), and lithium (Li). In particular, it is preferable that the alkali carbonate and alkali nitrate form a eutectic. This configuration further improves the CO2 absorption capacity in the intermediate temperature range.
また、ここで開示される二酸化炭素吸収材料は、上述のここに開示される二酸化炭素吸収材料の熱処理物としても提供される。これにより、よりCO2吸収特性が向上した活性化状態の二酸化炭素吸収材料が実現される。 Furthermore, the carbon dioxide absorbing material disclosed herein is also provided as a heat-treated product of the carbon dioxide absorbing material disclosed herein. This enables the realization of an activated carbon dioxide absorbing material with improved CO2 absorption characteristics.
以下、適宜図面を参照しつつ、ここで開示される技術の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって、ここで開示される技術の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。ここで開示される技術は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、本明細書において数値範囲を示す「X~Y」との表記は、特にことわりの無い限り「X以上Y以下」を意味し、「XをこえてY未満」を包含する。 The following describes preferred embodiments of the technology disclosed herein, with reference to the drawings as appropriate. Matters other than those specifically mentioned herein, but necessary for implementing the technology disclosed herein, can be understood as design matters for those skilled in the art based on the prior art. The technology disclosed herein can be implemented based on the content disclosed herein and common technical knowledge in the art. In this specification, the notation "X to Y" indicating a numerical range means "X or greater and Y or less," and includes "greater than X and less than Y."
図1および図2は、一実施形態に係る二酸化炭素(CO2)吸収材料の製造方法を示すフロー図である。ここに開示される製造方法は、典型的には、ケイ酸リチウムまたは亜鉛酸リチウムと、アルカリ炭酸塩と、アルカリ硝酸塩と、少なくとも炭酸マグネシウムを含むマグネシウム化合物とを含むCO2吸収材料を製造するものである Figures 1 and 2 are flow diagrams illustrating a method for producing a carbon dioxide ( CO₂ ) absorbent material according to one embodiment. The production method disclosed herein typically produces a CO₂ absorbent material comprising lithium silicate or lithium zincate, an alkali carbonate, an alkali nitrate, and a magnesium compound containing at least magnesium carbonate.
ここに開示されるCO2吸収材料の製造方法は、例えば図1および図2に示されるように、以下の(A)~(D)を含むことを特徴としている。
(A)ケイ酸リチウム粒子または亜鉛酸リチウム粒子を含む第1の粉末を準備すること。
(B)上記第1の粉末と、アルカリ炭酸塩粒子およびアルカリ硝酸塩粒子を含む第2の粉末とを混合し、上記ケイ酸リチウム粒子または上記亜鉛酸リチウム粒子の表面に上記アルカリ炭酸塩粒子および上記アルカリ硝酸塩粒子が凝集した第1の複合化粒子を含む粉末を得ること。
(C)炭酸マグネシウム粒子を含む第3の粉末と、上記第2の粉末とを混合し、上記炭酸マグネシウム粒子の表面に上記アルカリ炭酸塩粒子および上記アルカリ硝酸塩粒子とが凝集した第2の複合化粒子を含む粉末を得ること。
(D)上記第1の複合化粒子を含む粉末と上記第2の複合化粒子を含む粉末とを混合し、上記第1の複合化粒子と上記第2の複合化粒子とが凝集した二酸化炭素吸収能を有する凝集物を含む混合粉末を得ること。
なお、必須の工程ではないが、ここに開示される製造方法は、上記の工程(D)に引き続き、下記の(E)を実施することもできる。
(E)得られた凝集物を含む混合粉末を熱処理すること。
なお、上述の(A)~(D)はここに開示される二酸化炭素吸収材料製造方法に含まれる要件を列挙したのであって、(A)、(B)、(C)、(D)の順序で行うことに限定するものではない。例えば、(C)、(A)、(B)、(D)の順序で行ってもよく、(A)と(C)を同時並行で実施してもよい。
以下、第1の実施形態として、ケイ酸リチウムを含むCO2吸収材料について説明する。
The method for producing the CO2 absorbing material disclosed herein is characterized by including, for example, the following (A) to (D), as shown in Figures 1 and 2.
(A) Prepare a first powder containing lithium silicate particles or lithium zincate particles.
(B) Mix the first powder with a second powder containing alkali carbonate particles and alkali nitrate particles to obtain a powder containing first composite particles in which the alkali carbonate particles and alkali nitrate particles are aggregated on the surface of the lithium silicate particles or lithium zincate particles.
(C) Mix a third powder containing magnesium carbonate particles with the second powder to obtain a powder containing second composite particles in which the alkali carbonate particles and alkali nitrate particles are aggregated on the surface of the magnesium carbonate particles.
(D) Mix the powder containing the first composite particles and the powder containing the second composite particles to obtain a mixed powder containing aggregates having carbon dioxide absorbing capacity formed by the aggregation of the first composite particles and the second composite particles.
Although not a mandatory step, the manufacturing method disclosed herein may also include step (E) below, following step (D) above.
(E) Heat-treat the mixed powder containing the obtained aggregates.
The above-mentioned (A) to (D) are merely a list of requirements included in the carbon dioxide absorption material manufacturing method disclosed herein, and do not limit the process to being carried out in the order of (A), (B), (C), and (D). For example, the process may be carried out in the order of (C), (A), (B), and (D), or (A) and (C) may be carried out simultaneously.
The following describes a CO2 absorbing material containing lithium silicate as the first embodiment.
<第1の実施形態>
(A)ケイ酸リチウム粒子を含む第1の粉末の準備
ここで準備するケイ酸リチウム粒子を含む第1の粉末は、二酸化炭素を吸収・脱着することができる成分である。典型的には、第1の粉末全体に対して、ケイ酸リチウム粒子の割合は90wt%以上であり、95wt%以上が好ましく、100wt%であり得る。
ケイ酸リチウムは、典型的には、以下の反応式:
Li4SiO4+CO2 → Li2SiO3+Li2CO3
に示される反応が生じることにより、雰囲気中のCO2を吸収することができる。また、かかる反応は可逆反応であるため、ケイ酸リチウムはCO2を脱着することができる。
<First Embodiment>
(A) Preparation of the first powder containing lithium silicate particles The first powder containing lithium silicate particles prepared here is a component that can absorb and desorb carbon dioxide. Typically, the proportion of lithium silicate particles to the total first powder is 90 wt% or more, preferably 95 wt% or more, and may be 100 wt%.
Lithium silicate is typically produced by the following reaction equation:
Li 4 SiO 4 +CO 2 → Li 2 SiO 3 +Li 2 CO 3
The reaction shown can absorb CO2 from the atmosphere. Furthermore, since this reaction is reversible, lithium silicate can desorb CO2 .
ケイ酸リチウムとしては、リチウム(Li)とケイ素(Si)と酸素(O)とを含む化合物を考慮することができる。典型的には、ケイ酸リチウムは、一般式:LixSiyOz、ここで式中、x、yおよびzは、x+4y-2z=0を満たす正の実数;で表される各種の化合物であり得る。典型的には、任意の数のケイ酸イオンが連なったケイ酸塩アニオンと、リチウムカチオンとを含む形態の各種のケイ酸リチウムを考慮することができる。このようなケイ酸リチウムとしては、典型的には、オルトケイ酸リチウム(Li4SiO4)、メタケイ酸リチウム(Li2SiO3)、二ケイ酸リチウム(Li2Si2O5)、メタ三ケイ酸リチウム(Li4Si3O8)、メタ四ケイ酸リチウム(Li6Si4O11)等であってよい。またケイ酸リチウムは、これらの例に限定されることなく、例えば、Li8SiO6,Li6Si2O7,Li12SiO8等に代表される化合物であってよい。これらはいずれか1種からなる単相であってもよいし、いずれか2種以上が組み合わされて含まれる混相であってもよい。ケイ酸リチウムは、殆どのものが、本質的にはSiO4四面体またはSiの単体が連結した骨格(例えばSiO4連結体)を有し、この四面体の空隙にLiのようなアルカリ金属元素がイオンとなって入っていると考えられる。 Lithium silicate can be a compound containing lithium (Li), silicon (Si), and oxygen (O). Typically, lithium silicate can be a compound represented by the general formula: Li x Si y O z , where x, y, and z are positive real numbers satisfying x + 4y - 2z = 0. Typically, various forms of lithium silicate can be considered, including silicate anions consisting of any number of silicate ions linked together and lithium cations. Typical examples of such lithium silicate may be lithium orthosilicate (Li 4 SiO 4 ), lithium metasilicate (Li 2 SiO 3 ), lithium disilicate (Li 2 Si 2 O 5 ), lithium metatrisilicate (Li 4 Si 3 O 8 ), lithium metatetrasilicate (Li 6 Si 4 O 11 ), etc. Furthermore , lithium silicate is not limited to these examples, and may include compounds such as Li₂SiO₆ , Li₂Si₂O₃ , and Li₁₂SiO₄ . These may be single phases consisting of any one of these, or multiphases containing a combination of two or more of these. Most lithium silicates essentially have a framework of SiO₄ tetrahedra or linked elements of Si (e.g., SiO₄ links), and it is thought that alkali metal elements such as Li are ions occupying the voids in this tetrahedron.
ここに開示されるケイ酸リチウムは、上記のLiとSiとOとに加えて、他の元素(M)を含む化合物であってよい。かかる他の元素としてはCO2の吸収および脱着条件において安定に存在し得る化合物を構成する元素である限り特に制限されない。例えば、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)等であってよく、また、ケイ素と同じ14族元素のゲルマニウム(Ge),スズ(Sn),鉛(Pb)等であってよい。このような14族元素は、ケイ酸リチウムの結晶構造においてSiと容易に置換し、比較的安定に存在し得るために好ましい。ケイ酸リチウムに含まれる他の元素の割合は厳密には限定されないものの、例えば、ケイ素(Si):他の元素(M)とのモル比が、1:0.001~1:0.5程度であることが好ましく、1:0.04~1:0.45がより好ましい。 The lithium silicate disclosed herein may be a compound containing other elements (M) in addition to the above-mentioned Li, Si, and O. Such other elements are not particularly limited as long as they constitute a compound that can stably exist under CO2 absorption and desorption conditions. For example, they may be aluminum (Al), iron (Fe), or germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), etc., which are group 14 elements like silicon. Such group 14 elements are preferred because they can easily substitute for Si in the crystal structure of lithium silicate and can exist relatively stably. Although the proportion of other elements contained in lithium silicate is not strictly limited, for example, the molar ratio of silicon (Si) to other elements (M) is preferably about 1:0.001 to 1:0.5, and more preferably 1:0.04 to 1:0.45.
ここに開示されるCO2吸収材料の代表的な一例として、CO2吸収能の観点からは、オルトケイ酸リチウムがケイ酸リチウムの70mol%以上であることが好ましく、より好ましくは80mol%以上、特に好ましくは90mol%以上、例えば実質的に100mol%であるのが望ましい。以下、かかるケイ酸リチウムとして、例えば、実質的に、オルトケイ酸リチウムが100mol%である場合を例にして本教示についての説明を行う。なお、以上のケイ酸リチウムは、例えば、周辺環境等に依存してその組成が変化することが許容され得る。 As a typical example of the CO2 absorbing material disclosed herein, from the viewpoint of CO2 absorption capacity, it is preferable that lithium orthosilicate constitutes 70 mol% or more of the lithium silicate, more preferably 80 mol% or more, and particularly preferably 90 mol% or more, for example, substantially 100 mol%. Hereinafter, the teachings will be explained using, for example, the case in which lithium orthosilicate constitutes substantially 100 mol% as lithium silicate. It should be noted that the composition of the above lithium silicate may change depending on, for example, the surrounding environment.
ケイ酸リチウムを含む第1の粉末は、市販品であっても、従来公知の方法で製造してもよいが、好ましくは、図1に示すように、以下の(A1)~(A3)を包含する方法により製造される。
(A1)リチウム(Li)成分とケイ素(Si)成分とを含むLi-Si前駆体化合物が水溶液中に分散されたゾル状組成物を用意すること。
(A2)ゾル状組成物に対し電磁波を照射してゲル状組成物を得ること。
(A3)ゲル状組成物を焼成してリチウムとケイ素とを含むケイ酸リチウムを得ること。
なお、図1および図2に(A1)~(A3)が示されているが、ここに開示される二酸化炭素吸収材料製造方法に必須の工程であることを示すことは意図していない。
The first powder containing lithium silicate may be a commercially available product or may be manufactured by conventionally known methods, but preferably it is manufactured by a method encompassing the following (A1) to (A3), as shown in Figure 1.
(A1) Prepare a sol-like composition in which a Li-Si precursor compound containing a lithium (Li) component and a silicon (Si) component is dispersed in an aqueous solution.
(A2) To obtain a gel-like composition by irradiating a sol-like composition with electromagnetic waves.
(A3) To obtain lithium silicate containing lithium and silicon by calcining the gel-like composition.
Although (A1) to (A3) are shown in Figures 1 and 2, it is not intended to indicate that these are essential steps in the carbon dioxide absorption material manufacturing method disclosed herein.
(A1)ゾル状組成物の用意
ケイ酸リチウム粒子を含む第1の粉末は、大略的には、Li-Si前駆体化合物を含むゾル状組成物を、ゲル化する湿式法により好ましく調製することができる。
ここでゾル状組成物とは、Li-Si前駆体化合物を分散質とし、少なくとも水を分散媒として含むコロイド水溶液であり得る。分散媒としての水は、蒸留水、イオン交換水、純水等であってよい。かかる分散媒は、水を主体とする限りにおいて、低級アルコール(メタノール、エタノール、ブタノール、イソプロパノール等)やエチレングリコール、アセトン等のケトン等の水溶性で低分子量の有機溶媒が混合されていてもよい。分散媒は、後述の加水分解の効率を高めるために、100質量%の水からなることが好ましい(すなわち、ゾル状組成物はハイドロゾルであり得る)。
(A1) Preparation of sol-like composition The first powder containing lithium silicate particles can generally be preferably prepared by a wet method of gelling a sol-like composition containing a Li-Si precursor compound.
Here, the sol-like composition may be a colloidal aqueous solution containing a Li-Si precursor compound as the dispersed phase and at least water as the dispersion medium. The water used as the dispersion medium may be distilled water, deionized water, pure water, etc. As long as the dispersion medium is mainly water, it may also contain water-soluble, low-molecular-weight organic solvents such as lower alcohols (methanol, ethanol, butanol, isopropanol, etc.), ethylene glycol, acetone, or other ketones. The dispersion medium is preferably 100% by mass of water to improve the efficiency of the hydrolysis described later (i.e., the sol-like composition may be a hydrosol).
分散質としてのLi-Si前駆体化合物は、上記のケイ酸リチウムの原料となるリチウム成分とケイ素成分とを含み、脱水縮合反応、重縮合反応および焼成(加熱)などの処理により、上記ケイ酸リチウムを形成し得る各種の化合物であり得る。典型的には、リチウムとケイ素の水溶性溶解物が水酸化物等として析出した析出物であり得、これらは水和物や水和錯体の形態であってよい。また水酸化物等の析出物は、ゾル状態を維持し得る程度であれば脱水縮合していてもよい。換言すると、このLi-Si前駆体化合物は、ゾル状を呈するコロイド粒子であって、コロイド溶液を維持し得る大きさであればその粒径等は厳密には制限されない。例えば、Li-Si前駆体化合物の平均粒子径は、典型的には1nm~5μm程度であり、好ましくは3nm~3μm程度であり、より好ましくは10nm~1μm程度であり得る。かかる平均粒子径は、動的光散乱法により測定される値を採用することができる。 The Li-Si precursor compound as a dispersed phase contains lithium and silicon components, which are the raw materials for the lithium silicate described above. It can be various compounds capable of forming the lithium silicate through treatments such as dehydration condensation, polycondensation, and calcination (heating). Typically, it may be a precipitate formed from a water-soluble solution of lithium and silicon, which may be in the form of a hydrate or hydrated complex. Furthermore, the precipitate, such as the hydroxide, may undergo dehydration condensation to the extent that it can maintain a sol state. In other words, this Li-Si precursor compound is a colloidal particle exhibiting a sol state, and its particle size is not strictly limited as long as it can maintain a colloidal solution. For example, the average particle size of the Li-Si precursor compound is typically about 1 nm to 5 μm, preferably about 3 nm to 3 μm, and more preferably about 10 nm to 1 μm. Such an average particle size can be determined by dynamic light scattering.
このようなゾル状組成物は、例えば、別途用意したLi-Si前駆体化合物を水等の分散媒に分散させることで調製してもよいし、上記Li-Si前駆体化合物が予め分散されているゾル状組成物を入手してもよいし、公知の燃焼法またはアーク法等の乾式法ないしは沈降法またはゲル法(ゾルゲル法を含む)等の湿式法を利用するなどして調製してもよい。
一例として、一般的なゾルゲル法によりゾル状組成物を調製する場合、リチウム塩とシリカアルコキシドとが溶解状態となり得る混合溶液中で、アルコキシドを水と接触させて加水分解を生じさせることにより、Li成分とSi成分とを含有する前駆体化合物をこの混合溶液中に形成することができる。なお、このとき、ゾル状組成物は水を分散媒とすることが好ましいことから、リチウム塩を溶解させた水溶液中にアルコキシドを少量ずつ添加することで、ゾル状組成物を調製するのがより好ましい。例えば、リチウム塩を溶かした水溶液を撹拌しながら、この水溶液中にシリカアルコキシドのアルコール溶液を加えることで、前駆体化合物を得ることができる。撹拌は、例えば、マグネチックスターラーや機械式撹拌機、あるいは超音波撹拌機のような他の手段を利用して実施することができる。
Such a sol-like composition may be prepared, for example, by dispersing a separately prepared Li-Si precursor compound in a dispersion medium such as water, or by obtaining a sol-like composition in which the Li-Si precursor compound is pre-dispersed, or by using a known dry method such as a combustion method or arc method, or a wet method such as a sedimentation method or gel method (including the sol-gel method).
As an example, when preparing a sol-like composition by a general sol-gel method, a precursor compound containing Li and Si components can be formed in a mixed solution in which the lithium salt and silica alkoxide can be dissolved. This is achieved by bringing the alkoxide into contact with water to induce hydrolysis. In this case, since water is preferably used as the dispersion medium for the sol-like composition, it is more preferable to prepare the sol-like composition by adding the alkoxide little by little to an aqueous solution in which the lithium salt is dissolved. For example, a precursor compound can be obtained by adding an alcohol solution of silica alkoxide to an aqueous solution in which the lithium salt is dissolved while stirring the aqueous solution. Stirring can be carried out using other means such as a magnetic stirrer, a mechanical stirrer, or an ultrasonic stirrer.
かかる加水分解反応および縮合反応を進行させるに際し、反応速度(加水分解速度および縮合速度)を調整する目的で、塩酸等の酸やアンモニア等のアルカリを加水分解触媒として混合溶液中に加えるようにしてもよい。なお、かかる加水分解触媒は、反応溶液のpHを制御して、形成される前駆体化合物の一次粒径を調整する役割も果たし得る。 To facilitate these hydrolysis and condensation reactions, an acid such as hydrochloric acid or an alkali such as ammonia may be added to the mixed solution as a hydrolysis catalyst to adjust the reaction rate (hydrolysis rate and condensation rate). Such a hydrolysis catalyst may also play a role in controlling the pH of the reaction solution and adjusting the primary particle size of the formed precursor compound.
リチウム塩としては、リチウムの酸化物や、加熱によって酸化物となり得る各種の化合物を用いることができる。具体的には、例えば、リチウムの酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩、酢酸塩、ギ酸塩、シュウ酸塩、ハロゲン化物等が挙げられる。好ましくは水溶性の各種塩であり得る。また、リチウムのアルコキシドを用いることもできる。 As lithium salts, lithium oxides and various compounds that can be converted into oxides upon heating can be used. Specifically, examples include lithium oxides, hydroxides, carbonates, nitrates, sulfates, phosphates, acetates, formates, oxalates, and halides. Preferably, various water-soluble salts can be used. Lithium alkoxides can also be used.
シリカアルコキシドとしては、ゾルゲル法において用いることができる各種の化合物を特に制限なく使用することができる。例えば、具体的には、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、1,2-ビストリメトキシシリルエタン、Si原子に1~4のアルコキシ基が結合したシリカアルコキシド、グリシジル基等の官能基を導入したシリカアルコキシド等を好ましく用いることができる。なかでもアルコキシシランを用いることが好ましく、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、1,2-ビストリメトキシシリルエタン等に代表される、Si原子に1~4のアルコキシ基が結合したシリカアルコキシドが好ましい例として示される。特に好ましくは、テトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4:TEOS、オルトケイ酸テトラエチルともいう)、テトラメトキシシラン(Si(OCH3)4:TMOS、オルトケイ酸テトラメチルともいう)、メチルトリメトキシシランである。これらはいずれか1種を単独で用いてもよいし、いずれか2種以上を組み合わせて用いてもよい。 As the silica alkoxide, various compounds that can be used in the sol-gel method can be used without particular limitation. For example, specifically, methyltrimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, diphenyldimethoxysilane, 1,2-bistrimethoxysilylethane, silica alkoxides in which 1 to 4 alkoxy groups are bonded to a Si atom, and silica alkoxides into which functional groups such as glycidyl groups have been introduced can be preferably used. Among these, the use of alkoxysilanes is preferred, and as examples of preferred silica alkoxides, such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, methyltrimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, diphenyldimethoxysilane, and 1,2-bistrimethoxysilylethane, in which 1 to 4 alkoxy groups are bonded to a Si atom are shown. Particularly preferred are tetraethoxysilane (Si( OC2H5 ) 4 :TEOS, also known as tetraethyl orthosilicate), tetramethoxysilane (Si ( OCH3 ) 4 :TMOS, also known as tetramethyl orthosilicate), and methyltrimethoxysilane. Any one of these may be used alone, or two or more may be used in combination.
なお、上記で例示したゾルゲル法以外のゾル状組成物の調製方法としては、例えば、下記の手法を採用することが例示される。例えば、ケイ素成分として、ゲル法シリカ(コロイダルシリカを含む)、沈降法シリカ、ヒュームドシリカ(シリカキセロゲル、シリカクリオゲルおよびシリカアエロゲルを含む)等のナノシリカ材料を使用して、上記と同様にゾル状組成物を調製することができる。特に限定されるものではないが、このようなシリカ材料とリチウム成分とが、例えば、水溶液中において互いに錯体を形成したり、加水分化反応および/または脱水縮合反応等により化合物を形成したりすることで、ここに開示されるゾル状組成物として好適に用いることができる。 Furthermore, as an example of a method for preparing sol-like compositions other than the sol-gel method exemplified above, the following methods can be employed. For example, a sol-like composition can be prepared in the same manner as above using nanosilica materials such as gel-processed silica (including colloidal silica), precipitated silica, or fumed silica (including silica xerogel, silica cryogel, and silica aerogel) as the silicon component. While not particularly limited, such silica materials and lithium components can be suitably used as the sol-like compositions disclosed herein by forming complexes with each other in aqueous solutions, or by forming compounds through hydration reactions and/or dehydration condensation reactions.
(A2)電磁波照射によるゲル状組成物の形成
次いで、用意したゾル状組成物に対して電磁波を照射することで、このゾル状組成物をゲル化してゲル状組成物を得る。ゾル状組成物に電磁波を照射することで、ゲル化をより好適に促進させるようにしている。撹拌の操作は必ずしも必要ではないが、ゾル状組成物のゲル化を均一に進行させる観点からは、ゾル状組成物を撹拌しながら電磁波を照射することがより好ましい。なお、電磁波照射を行わなくとも、ゾル状組成物を撹拌し続けることでゲル状組成物を得ることもできる。
(A2) Formation of gel-like composition by electromagnetic wave irradiation Next, the prepared sol-like composition is irradiated with electromagnetic waves to gel it and obtain a gel-like composition. Irradiating the sol-like composition with electromagnetic waves is intended to more favorably promote gelation. Stirring is not necessarily required, but from the viewpoint of uniformly promoting gelation of the sol-like composition, it is more preferable to irradiate the sol-like composition with electromagnetic waves while stirring it. Note that even without electromagnetic wave irradiation, a gel-like composition can be obtained by continuously stirring the sol-like composition.
電磁波としては、超低周波、長波、中波、短波、マイクロ波(高周波)、赤外線、可視光線、紫外線、X線およびガンマ線のいずれを用いることも可能である。しかしながら、電磁波の照射効率の観点からは、ゾル状組成物を効果的に加熱し得る電磁波を採用することが好ましい。かかる観点において、マイクロ波(microwave)は、ゾル状組成物の分散媒としての水や、Li-Si前駆体化合物に含まれる結晶水や水和水等の水分子に直接吸収され、この水分子が発熱して、Li-Si前駆体化合物を加熱し得る。このマイクロ波加熱(誘電加熱)によると、Li-Si前駆体化合物を内部から、エネルギーロスを抑えて高速かつ選択的に加熱できるために好ましい態様であり得る。 Any of the following electromagnetic waves can be used: very low frequency, long wave, medium wave, short wave, microwave (high frequency), infrared, visible light, ultraviolet, X-ray, and gamma ray. However, from the viewpoint of electromagnetic wave irradiation efficiency, it is preferable to use electromagnetic waves that can effectively heat the sol-like composition. In this respect, microwaves can be directly absorbed by water molecules such as water as the dispersion medium of the sol-like composition, or water molecules such as crystal water and water of hydration contained in the Li-Si precursor compound. These water molecules generate heat, which can heat the Li-Si precursor compound. This microwave heating (dielectric heating) is a preferred embodiment because it allows for high-speed and selective heating of the Li-Si precursor compound from within while minimizing energy loss.
マイクロ波としてはその周波数(波長)や出力、照射時間等は特に制限されない。例えば、照射対象であるゾル状組成物がゲル化するに必要なエネルギー量を適切に供給し得るよう適宜決定することができる。例えば、波長が1mm以上1m以下であって、周波数が300MHz以上300GHz以下のマイクロ波を用いることが例示される。なお、周波数については、国際規格に基づき、2.45GHz帯のマグネトロンにより発生される高周波を利用することがより適切であり得る(地域によっては915MHz帯の高周波であってもよい)。また、例えば、出力については、加熱効率の観点から、300W~300kW程度とすることが適切であり、300W~10kW程度が好ましく、300W~2000W程度がより好ましく、500W~1600W程度が特に好ましい。 The frequency (wavelength), power output, and irradiation time of the microwaves are not particularly limited. For example, they can be appropriately determined to supply the amount of energy necessary for the sol-like composition to gel. For instance, a microwave with a wavelength of 1 mm to 1 m and a frequency of 300 MHz to 300 GHz is often used. Regarding the frequency, it may be more appropriate to use high-frequency waves generated by a magnetron in the 2.45 GHz band, based on international standards (high-frequency waves in the 915 MHz band may also be used in some regions). Furthermore, regarding the power output, from the viewpoint of heating efficiency, a power output of approximately 300 W to 300 kW is appropriate, preferably 300 W to 10 kW, more preferably 300 W to 2000 W, and particularly preferably 500 W to 1600 W.
また、照射時間は、出力やゾル状組成物の量および照射時の形態(マイクロ波の到達度)等を勘案して調整することができる。また、マイクロ波は、例えば、連続して所定の照射時間に亘って照射しても良いし、インターバルを介して複数回照射することもできる。マイクロ波照射の好ましい一形態としては、所定の出力のマイクロ波を、ゾル状組成物における分散媒が沸騰するまで照射し、次いでゾル状組成物を冷却したのち、再度所定の出力のマイクロ波を照射すること、を所定の回数繰り返すことである。ここで、分散媒が沸騰により揮発してしまった場合などには、必要に応じて分散媒を補填するようにしてもよい。マイクロ波の照射時間は、例えば、一つの例として、0.2~0.5モル程度のケイ酸リチウムを製造するに際し、2.45GHzで600W~1000W(例えば700W)のを、合計で1分間以上20分間以下(例えば4~12分間)程度照射することが例示される。 Furthermore, the irradiation time can be adjusted considering factors such as the output power, the amount of the sol-like composition, and the form of irradiation (degree of microwave penetration). Microwave irradiation may also be performed continuously for a predetermined duration, or multiple times with intervals in between. A preferred form of microwave irradiation involves irradiating the sol-like composition with microwaves of a predetermined output power until the dispersion medium boils, then cooling the sol-like composition, and repeating this process a predetermined number of times. If the dispersion medium volatilizes due to boiling, the dispersion medium may be replenished as needed. For example, when producing approximately 0.2 to 0.5 moles of lithium silicate, a microwave irradiation time of 600 W to 1000 W (e.g., 700 W) at 2.45 GHz is exemplified, for a total of 1 minute to 20 minutes (e.g., 4 to 12 minutes).
(A3)ケイ酸リチウムの焼成
このようにして得られたゲル状組成物を乾燥し、焼成する。これにより、分散媒およびケイ酸リチウム以外の過剰な成分は完全に除去され、目的の固体状のケイ酸リチウムを得ることができる。なお、ゲル状組成物において加水分解反応および脱水縮合反応が完全に終了していない部位が含まれていても、これらの反応は焼成により促進され、ゲル状組成物は、典型的には結晶性の緻密な固体へと変化される。これにより、ケイ酸リチウム粒子を含む第1の粉末を得ることができる。
乾燥は、自然乾燥でもよいし、乾燥器を用いて乾燥してもよい。焼成は、一般的な加熱炉を用いて行ってもよい。さらに、乾燥と焼成とは組み合わせて行ってもよい。この場合、例えば、エアオーブン炉を用いたり、超臨界乾燥法、噴霧乾燥法、噴霧造粒法または噴霧熱分解法等を利用したりして実施することができる。これらの乾燥および焼成の手法は、いずれか一つを単独で実施してもよいし、互いに組み合わせて実施してもよい。
(A3) Calcination of lithium silicate The gel-like composition obtained in this way is dried and calcined. This completely removes the dispersion medium and excess components other than lithium silicate, and the desired solid lithium silicate can be obtained. Even if the gel-like composition contains areas where hydrolysis and dehydration condensation reactions have not been completely completed, these reactions are accelerated by calcination, and the gel-like composition is transformed into a typically crystalline, dense solid. This yields the first powder containing lithium silicate particles.
Drying may be done by natural drying or by using a drying oven. Firing may be done using a general heating furnace. Furthermore, drying and firing may be combined. In this case, for example, an air oven may be used, or supercritical drying, spray drying, spray granulation, or spray pyrolysis may be employed. These drying and firing methods may be performed individually or in combination.
焼成条件は、ゲル状組成物がケイ酸リチウムへと変化することができれば特に制限されない。例えば、アモルファスの状態にあるLi-Si前駆体化合物がケイ酸リチウムへと結晶し得る条件であればよい。具体的には、焼成温度をおよそ500℃以下とする場合は、ゲル状組成物の酸化が好適に進行するように、焼成雰囲気を酸素含有雰囲気(典型的には大気雰囲気)とすることが好ましい。また、焼成温度がおよそ500℃以上(超過)の場合は、焼成雰囲気は酸素含有雰囲気(典型的には大気雰囲気)であってもよいし、例えば、大気、窒素ガス、炭酸ガスあるいはこれらのうちの2種以上の混合ガスであってもよい。焼成の温度は、473℃よりも高い温度(好ましくは500℃以上)とするのが適切である。焼成温度については、700℃以上とするのがより好ましく、800℃以上とするのが特に好ましい。これにより、使用した原料に由来する余分な成分を除去することができるとともに、結晶性の高いケイ酸リチウムを得ることができる。焼成温度の上限は特に制限されないが、例えば1100℃以下、1000℃以下、典型的には900℃程度とすることができる。焼成時間は特に制限されないが、例えば、30分間以上5時間以下程度が適切であり、1時間以上5時間以下がより好ましく、2時間以上4時間以下とするのが特に好ましい。 The firing conditions are not particularly limited as long as the gel-like composition can be converted into lithium silicate. For example, any conditions that allow the amorphous Li-Si precursor compound to crystallize into lithium silicate are acceptable. Specifically, when the firing temperature is approximately 500°C or lower, it is preferable to use an oxygen-containing atmosphere (typically an atmospheric atmosphere) for the firing to allow the oxidation of the gel-like composition to proceed favorably. When the firing temperature is approximately 500°C or higher (exceeding this), the firing atmosphere may be an oxygen-containing atmosphere (typically an atmospheric atmosphere), or it may be, for example, air, nitrogen gas, carbon dioxide gas, or a mixture of two or more of these gases. The firing temperature should be higher than 473°C (preferably 500°C or higher). A firing temperature of 700°C or higher is more preferable, and 800°C or higher is particularly preferable. This allows for the removal of excess components derived from the raw materials used, and enables the acquisition of highly crystalline lithium silicate. There is no particular upper limit to the firing temperature, but it can be, for example, 1100°C or less, 1000°C or less, and typically around 900°C. There is no particular limit to the firing time, but for example, 30 minutes to 5 hours is appropriate, 1 hour to 5 hours is more preferable, and 2 hours to 4 hours is particularly preferable.
このようにして製造された第1の粉末に含まれるケイ酸リチウム粒子は、特殊な形態を有する粒子が集合して形成される粒子となり得る。かかる特殊な形態としては、異方性が高い形状であって、例えば、ロッド状、板状、鱗片状および花弁状等であり得る。このようなケイ酸リチウム粒子は、公知のゾルゲル法により製造したケイ酸リチウム粒子よりもCO2吸収特性が高い。そのため、本実施形態においても、(A1)~(A3)によって製造されたケイ酸リチウム粒子を用いることで、よりCO2吸収特性が改善された二酸化炭素吸収材料を製造することができる。 The lithium silicate particles contained in the first powder produced in this manner may be particles formed by the aggregation of particles having special morphologies. Such special morphologies may be highly anisotropic shapes, such as rod-shaped, plate-shaped, flake-shaped, and petal-shaped. Such lithium silicate particles have higher CO2 absorption characteristics than lithium silicate particles produced by known sol-gel methods. Therefore, in this embodiment as well, by using lithium silicate particles produced by (A1) to (A3), a carbon dioxide absorbing material with improved CO2 absorption characteristics can be produced.
(B)第1の複合粒子を含む粉末の準備
上記(A)で得られたケイ酸リチウム粒子を含む第1の粉末と、アルカリ炭酸塩粒子およびアルカリ硝酸塩粒子を含む第2の粉末とを混合することにより、ケイ酸リチウム粒子の表面にアルカリ炭酸塩粒子およびアルカリ硝酸塩粒子が凝集した第1の複合粒子を含む粉末を得ることができる。アルカリ炭酸塩およびアルカリ硝酸塩は、ここに開示される二酸化炭素吸収材料のCO2吸収温度域で軟化または液相となり得る。かかるアルカリ炭酸塩およびアルカリ硝酸塩の存在は、リチウム相へのCO2の移動をスムーズにするものと考えられる。これにより、より低温側でのCO2の吸収容量を大幅に拡大することができ、CO2の吸収速度も増大することができる。
(B) Preparation of powder containing the first composite particles By mixing the first powder containing lithium silicate particles obtained in (A) above with a second powder containing alkali carbonate particles and alkali nitrate particles, a powder containing the first composite particles can be obtained in which alkali carbonate particles and alkali nitrate particles are aggregated on the surface of lithium silicate particles. The alkali carbonate and alkali nitrate may soften or become liquid in the CO2 absorption temperature range of the carbon dioxide absorbing material disclosed herein. The presence of such alkali carbonate and alkali nitrate is thought to facilitate the transfer of CO2 to the lithium phase. This makes it possible to significantly increase the CO2 absorption capacity at lower temperatures and to increase the CO2 absorption rate.
アルカリ炭酸塩としては、ナトリウム(Na)成分、カリウム(K)成分、リチウム(Li)、ルビジウム(Rb)成分、セシウム(Cs)成分、フランシウム(Fr)成分等のアルカリ金属の炭酸塩を考慮することができる。これらはいずれか1種のアルカリ金属の炭酸塩であってもよいし、2種以上のアルカリ金属を含む炭酸塩であってもよい。 As alkali carbonates, carbonates of alkali metals such as sodium (Na), potassium (K), lithium (Li), rubidium (Rb), cesium (Cs), and francium (Fr) can be considered. These may be carbonates of only one alkali metal, or carbonates containing two or more alkali metals.
アルカリ硝酸塩としては、ナトリウム(Na)成分、カリウム(K)成分、リチウム(Li)成分、ルビジウム(Rb)成分、セシウム(Cs)成分、フランシウム(Fr)成分等のアルカリ金属の硝酸塩を考慮することができる。これらはいずれか1種のアルカリ金属の硝酸塩であってもよいし、2種以上のアルカリ金属を含む硝酸塩であってもよい。 As alkaline nitrates, nitrates of alkali metals such as sodium (Na), potassium (K), lithium (Li), rubidium (Rb), cesium (Cs), and francium (Fr) can be considered. These may be nitrates of only one alkali metal, or nitrates containing two or more alkali metals.
ここに開示される技術においては、アルカリ炭酸塩およびアルカリ硝酸塩のうち少なくとも一方は、ナトリウム成分、カリウム成分、リチウム成分のうちいずれか1種以上を含むことが好ましく、いずれか2種以上を含むことがより好ましく、3種を含むことが特に好ましい。 In the technologies disclosed herein, at least one of the alkali carbonate and alkali nitrate preferably contains one or more of the following components: sodium, potassium, and lithium; more preferably two or more; and particularly preferably three.
アルカリ炭酸塩およびアルカリ硝酸塩のうち少なくとも一方がLi,K,Naのうちの2種以上を含む混合系である場合、これらは、例えば固溶体結晶または共晶となるような割合で混合されていることが好ましい。固溶体である場合、アルカリ炭酸塩におけるNa、K、Liの割合は、下記のとおりであることが好ましい。かかる組成は、共晶組成をも含み得るものである。
Na:1mol%以上80mol%以下
K :1mol%以上70mol%以下
Li:1mol%以上90mol%以下
When at least one of the alkali carbonate and alkali nitrate is a mixed system containing two or more of Li, K, and Na, it is preferable that they are mixed in proportions such that they form a solid solution crystal or a eutectic. In the case of a solid solution, the proportions of Na, K, and Li in the alkali carbonate are preferably as follows. Such a composition may also include a eutectic composition.
Na: 1 mol% or more and 80 mol% or less K: 1 mol% or more and 70 mol% or less Li: 1 mol% or more and 90 mol% or less
アルカリ炭酸塩およびアルカリ硝酸塩が共晶である場合、共晶点はより低くなることから、CO2吸収容量およびCO2吸収速度が更に改善され得るために好ましい。K-Li系共晶炭酸/硝酸塩を形成する混合割合としては、KとLiとのモル比(K:Li)は60:40~40:60程度の範囲であることが好ましい。また、Na-Li系共晶炭酸/硝酸塩を形成する混合割合としては、NaとLiとのモル比(Na:Li)は55:45~45:55程度の範囲であることが好ましい。また、K-Na系共晶炭酸/硝酸塩を形成する混合割合としては、KとNaのモル比(K:Na)は65:35~75:25または35:65~25:75程度の範囲であることが好ましい。また、Na-K-Li系共晶炭酸/硝酸塩を形成する混合割合としては、NaとKとLiとのモル比(Na:K:Li)は約25~35:30~40:30~40程度の範囲であることが好ましい。 When alkaline carbonates and alkaline nitrates are eutectic, the eutectic point is lower, which is preferable because it can further improve the CO2 absorption capacity and CO2 absorption rate. For the mixing ratio to form a K-Li eutectic carbonate/nitrate, the molar ratio of K to Li (K:Li) is preferably in the range of 60:40 to 40:60. For the mixing ratio to form a Na-Li eutectic carbonate/nitrate, the molar ratio of Na to Li (Na:Li) is preferably in the range of 55:45 to 45:55. For the mixing ratio to form a K-Na eutectic carbonate/nitrate, the molar ratio of K to Na (K:Na) is preferably in the range of 65:35 to 75:25 or 35:65 to 25:75. Furthermore, for the mixing ratio that forms the Na-K-Li eutectic carbonate/nitrate, the molar ratio of Na, K, and Li (Na:K:Li) is preferably in the range of approximately 25-35:30-40:30-40.
なお、必ずしもこの例に限定されるものではないが、アルカリ炭酸塩粒子およびアルカリ硝酸塩粒子の平均粒子径としては、典型的には、50nm以上5μm以下程度が適切であり、100nm以上1μm以下が好ましく、200nm以上500nm以下が特に好ましい。かかる平均粒子径は、レーザ回折・散乱法によって測定することができる。 While not necessarily limited to this example, the average particle size of alkali carbonate particles and alkali nitrate particles is typically appropriate to be between 50 nm and 5 μm, preferably between 100 nm and 1 μm, and particularly preferably between 200 nm and 500 nm. Such average particle size can be measured by laser diffraction/scattering.
第2の粉末は、典型的には、アルカリ炭酸塩粉末とアルカリ硝酸塩粉末とを含む粉末であり、典型的にはこれらが混合された粉末である。かかる混合方法は、特に限定されるものではないが、例えば、乳鉢と乳棒による混合であってよく、ボールミルを用いた電動混合手段であってもよい。かかる混合は、乾燥状態で行ってもよく、分散媒を用いてもよい。分散媒としては、例えば、低級アルコール(メタノール、エタノール、ブタノール、イソプロパノール等)や、水、アセトン等を用いることができる。混合後、必要に応じて乾燥を行ってもよい。かかる乾燥方法は、上述の(A3)に記載の乾燥方法と同様であってよい。かかる乾燥は、例えば、室温~150℃の温度で行うことができる。 The second powder is typically a powder containing alkali carbonate powder and alkali nitrate powder, or typically a powder in which these are mixed. The mixing method is not particularly limited, but may include, for example, mixing with a mortar and pestle, or using an electric mixing device such as a ball mill. Such mixing may be carried out in a dry state, or a dispersion medium may be used. Examples of dispersion mediums include lower alcohols (methanol, ethanol, butanol, isopropanol, etc.), water, acetone, etc. After mixing, drying may be carried out as needed. Such drying method may be the same as the drying method described in (A3) above. Such drying can be carried out, for example, at a temperature of room temperature to 150°C.
第2の粉末は、第1の粉末と混合する前に熱処理を行い、アルカリ炭酸塩およびアルカリ硝酸塩の共晶である共晶炭酸/硝酸塩(ECN:eutectic carbonate/nitrate)を形成していてもよい。即ち、第2の粉末は、アルカリ炭酸塩粒子およびアルカリ硝酸塩粒子として、共晶炭酸/硝酸塩粒子を含んでいてもよい。熱処理は、例えば、200℃~650℃の温度範囲で行えばよく、350℃~500℃の温度範囲であることが好ましい。熱処理時間は、例えば、30分~3時間とすればよい。 The second powder may be heat-treated before mixing with the first powder to form a eutectic carbonate/nitrate (ECN), which is a eutectic of alkaline carbonate and alkaline nitrate. That is, the second powder may contain eutectic carbonate/nitrate particles as alkaline carbonate particles and alkaline nitrate particles. The heat treatment can be carried out, for example, in a temperature range of 200°C to 650°C, preferably in the range of 350°C to 500°C. The heat treatment time can be, for example, 30 minutes to 3 hours.
第1の粉末と第2の粉末の混合方法は、上述のアルカリ炭酸塩粉末とアルカリ硝酸塩粉末との混合方法と同様であってよい。また、乾燥方法についても同様である。これにより、ケイ酸リチウム粒子の表面にアルカリ炭酸塩粒子およびアルカリ硝酸塩粒子が凝集した第1の複合粒子を含む粉末を得ることができる。 The method for mixing the first powder and the second powder may be the same as the method for mixing the alkali carbonate powder and alkali nitrate powder described above. The drying method is also the same. This allows for obtaining a powder containing first composite particles in which alkali carbonate particles and alkali nitrate particles are aggregated on the surface of lithium silicate particles.
(C)第2の複合化粒子を含む粉末の準備
上記第2の粉末と、炭酸マグネシウム粒子を含む第3の粉末とを混合することにより、炭酸マグネシウム粒子の表面にアルカリ炭酸塩粒子およびアルカリ硝酸塩粒子が凝集した第2の複合粒子を含む粉末を得ることができる。炭酸マグネシウムは、ここに開示される二酸化炭素吸収材料の低温におけるCO2の吸収容量を向上させ得る成分である。
(C) Preparation of powder containing the second composite particle By mixing the second powder and the third powder containing magnesium carbonate particles, a powder containing the second composite particle can be obtained in which alkali carbonate particles and alkali nitrate particles are aggregated on the surface of the magnesium carbonate particles. Magnesium carbonate is a component that can improve the CO2 absorption capacity of the carbon dioxide absorbing material disclosed herein at low temperatures.
第3の粉末に含まれる炭酸マグネシウム粒子としては、例えば、炭酸マグネシウム水和物、炭酸水酸化マグネシウム水和物、炭酸水酸化マグネシウム五水和物等の水和物粒子を用いることができる。
特に限定されるものではないが、炭酸マグネシウム粒子の平均粒子径としては、典型的には、50nm以上5μm以下程度が適切であり、100nm以上1μm以下が好ましく、200nm以上500nm以下が特に好ましい。かかる平均粒子径は、レーザ回折・散乱法によって測定することができる。
As the magnesium carbonate particles contained in the third powder, for example, hydrate particles such as magnesium carbonate hydrate, magnesium carbonate hydroxide hydrate, and magnesium carbonate hydroxide pentahydrate can be used.
While not particularly limited, the average particle diameter of magnesium carbonate particles is typically suitable to be between 50 nm and 5 μm, preferably between 100 nm and 1 μm, and particularly preferably between 200 nm and 500 nm. This average particle diameter can be measured by laser diffraction/scattering.
第2の粉末と第3の粉末の混合方法は、上述のアルカリ炭酸塩粉末とアルカリ硝酸塩粉末との混合方法と同様であってよい。また、乾燥方法についても同様である。これにより、炭酸マグネシウム粒子の表面にアルカリ炭酸塩粒子およびアルカリ硝酸塩粒子が凝集した第2の複合化粒子を含む粉末を得ることができる。 The method for mixing the second powder and the third powder may be the same as the method for mixing the alkali carbonate powder and alkali nitrate powder described above. The drying method is also the same. This allows for obtaining a powder containing second composite particles in which alkali carbonate particles and alkali nitrate particles are aggregated on the surface of magnesium carbonate particles.
(D)第1の複合化粒子と第2の複合化粒子の凝集物の作製
得られた第1の複合化粒子を含む粉末と第2の複合化粒子を含む粉末とを混合することにより、第1の複合化粒子と第2の複合化粒子とが凝集した二酸化炭素吸収能を有する凝集物を含む混合粉末(即ち、ここに開示される二酸化炭素吸収材料)を得ることができる。なお、混合方法は、上述のアルカリ炭酸塩粉末とアルカリ硝酸塩粉末との混合方法と同様であってよい。また、乾燥方法についても同様である。
(D) Preparation of aggregates of the first composite particles and the second composite particles By mixing the powder containing the obtained first composite particles with the powder containing the second composite particles, a mixed powder containing aggregates having carbon dioxide absorbing capacity formed by the aggregation of the first composite particles and the second composite particles (i.e., the carbon dioxide absorbing material disclosed herein) can be obtained. The mixing method may be the same as the mixing method for alkali carbonate powder and alkali nitrate powder described above. The drying method may also be the same.
このようにして得られる混合粉末(二酸化炭素吸収材料)には、第1の粉末と、第2の粉末と、第3の粉末とが含まれている。かかる混合粉末の合計を100wt%としたとき、第1の粉末と第3の粉末との合計割合が50wt%以上95wt%以下となるように配合することが好ましく、60wt%以上80wt%以下であることがより好ましく、65wt%以上75wt%以下であることがさらに好ましい。また、かかる混合粉末の合計に対する第1の粉末の割合は、5wt%以上60wt%以下が好ましい。また、第3の粉末の割合は5wt%以上60wt%以下であることが好ましい。さらに、第1の粉末がケイ酸リチウム粒子を含む場合では、第1の粉末の割合は、20wt%以上50wt%以下であることがより好ましく、30wt%以上50wt%以下であることがさらに好ましい。かかる割合とすることで、CO2吸収容量がより向上した二酸化炭素吸収材料を製造することができる。なお、混合粉末中の、第1の粉末と第3の粉末との合計割合の残りの割合は、典型的には、第2の粉末の割合となる。 The mixed powder (carbon dioxide absorbing material) obtained in this way contains a first powder, a second powder, and a third powder. When the total amount of the mixed powder is 100 wt%, it is preferable to blend the first powder and the third powder so that their combined ratio is 50 wt% to 95 wt%, more preferably 60 wt% to 80 wt%, and even more preferably 65 wt% to 75 wt%. Furthermore, the ratio of the first powder to the total amount of the mixed powder is preferably 5 wt% to 60 wt%. Also, the ratio of the third powder is preferably 5 wt% to 60 wt%. Furthermore, if the first powder contains lithium silicate particles, the ratio of the first powder is more preferably 20 wt% to 50 wt%, and even more preferably 30 wt% to 50 wt%. By using these ratios, it is possible to produce a carbon dioxide absorbing material with improved CO2 absorption capacity. In addition, the remaining proportion of the mixed powder after the combined proportion of the first powder and the third powder is typically the proportion of the second powder.
(E)凝集物を含む混合粉末の熱処理
得られた混合粉末(二酸化炭素吸収材料)は、そのままの状態で使用してもよく、また、使用前に熱処理行ってもよい。熱処理をすることにより、混合粉末に含まれる成分がより二酸化炭素吸収特性が向上した活性化状態に変化し得るため好ましい。例えば、熱処理を行うことにより、上述したようにアルカリ炭酸塩とアルカリ硝酸塩とが固溶体または共晶を形成することができるため、より低い温度域で高いCO2吸収特性を発揮することができる。また、熱処理により、炭酸マグネシウムは酸化マグネシウムに変化し得る。酸化マグネシウムは、ケイ酸リチウムよりも低い温度域でCO2吸収能を発揮するため、より低い温度域(特に中間温度域)でCO2吸収特性が改善される。
熱処理の条件は、例えば300℃~650℃の温度範囲で行うことが好ましく、350℃~500℃で行うことがより好ましい。なお、かかる熱処理を行わない場合であっても、ここに開示される二酸化炭素吸収材料の使用温度域が、典型的には100℃~650℃であるため、使用と共に活性化状態に変化し得る。
(E) Heat treatment of mixed powder containing aggregates The obtained mixed powder (carbon dioxide absorbing material) may be used as is, or it may be heat-treated before use. Heat treatment is preferable because it can change the components contained in the mixed powder into an activated state in which carbon dioxide absorption properties are improved. For example, by heat treatment, as described above, alkali carbonate and alkali nitrate can form a solid solution or eutectic, so that high CO2 absorption properties can be exhibited in a lower temperature range. Also, by heat treatment, magnesium carbonate can be changed to magnesium oxide. Magnesium oxide exhibits CO2 absorption capacity in a lower temperature range than lithium silicate, so CO2 absorption properties are improved in a lower temperature range (especially in the intermediate temperature range).
The heat treatment conditions are preferably carried out in a temperature range of 300°C to 650°C, and more preferably in a temperature range of 350°C to 500°C. Even if such heat treatment is not performed, the carbon dioxide absorbing material disclosed herein can change to an activated state with use, as its operating temperature range is typically 100°C to 650°C.
上述のようにして得られた混合粉末(二酸化炭素吸収材料)には、第1の粒子が複数集合してなる第2の粒子が含まれる。第1の粒子は、少なくともケイ酸リチウムを含むアルカリケイ酸塩と、アルカリ炭酸塩と、アルカリ硝酸塩と、少なくとも炭酸マグネシウムを含むマグネシウム含有化合物とを含有している。
上述した第1の粉末に含まれるケイ酸リチウムは、一部がアルカリ炭酸塩およびアルカリ硝酸塩に含まれ得るリチウム以外のアルカリ成分(例えばカリウム、ナトリウム等)と塩を形成し、アルカリケイ酸塩となり得る。また、上述した第3の粉末に含まれる炭酸マグネシウムは、アルカリ硝酸塩と混合されることにより硝酸マグネシウム等の他のマグネシウム塩を形成し得る。また、炭酸マグネシウムは熱処理や、ここに開示される二酸化炭素吸収材料の使用温度域下で酸化マグネシウムに変化し得るため、第1の粒子はさらに酸化マグネシウムを含有し得る。
The mixed powder (carbon dioxide absorbing material) obtained as described above contains second particles, which are aggregates of multiple first particles. The first particles contain at least an alkali silicate containing lithium silicate, an alkali carbonate, an alkali nitrate, and a magnesium-containing compound containing at least magnesium carbonate.
The lithium silicate contained in the first powder described above may form salts with alkaline components other than lithium (e.g., potassium, sodium, etc.) that can be found in alkali carbonates and alkali nitrates, thereby forming alkali silicates. Furthermore, the magnesium carbonate contained in the third powder described above may form other magnesium salts such as magnesium nitrate when mixed with alkali nitrates. In addition, since magnesium carbonate can be converted to magnesium oxide through heat treatment or under the operating temperature range of the carbon dioxide absorbent material disclosed herein, the first particles may further contain magnesium oxide.
ここに開示される二酸化炭素吸収材料に含まれるケイ素(Si)成分(典型的にはアルカリケイ酸塩に含まれるSi)と、マグネシウム(Mg)成分(例えば、マグネシウム塩及び酸化マグネシウムに含まれるMg)との合計を100mol%としたとき、ケイ素成分の割合は、5mol%以上85mol%以下であることが好ましく、20mol%以上75mol%以下であることがより好ましく、35mol%以上75mol%以下であることがさらに好ましい。かかる割合であれば、特に中間温度域(例えば、200℃~400℃)におけるCO2吸収容量が改善される。なお、二酸化炭素吸収材料の組成の割合は、例えば、X線回折分析(X-ray diffraction analysis;XRD)に基づき算出することができる。 When the total of the silicon (Si) component (typically Si contained in alkali silicates) and the magnesium (Mg) component (e.g., Mg contained in magnesium salts and magnesium oxide) in the carbon dioxide absorbing material disclosed herein is taken as 100 mol%, the proportion of the silicon component is preferably 5 mol% to 85 mol%, more preferably 20 mol% to 75 mol%, and even more preferably 35 mol% to 75 mol%. With such proportions, the CO2 absorption capacity is improved, especially in the intermediate temperature range (e.g., 200°C to 400°C). The proportions of the composition of the carbon dioxide absorbing material can be calculated, for example, based on X-ray diffraction analysis (XRD).
第1の粒子の形態は、特に限定されるものではないが、球状、粒状、ロッド状、フレーク状等に成り得るが、フレーク状であることが好ましい。フレーク状の第1の粒子が集合することにより、第1の粒子同士が空隙を形成し易くなるため、CO2との接触する表面積が増大する。これにより、CO2吸収特性が改善されるため好ましい。例えば、上述のA1~A3の方法によれば、板状のケイ酸リチウム粒子を製造できる。かかるケイ酸リチウム粒子を用いることで、フレーク状の第1の粒子になり得る。なお、フレーク状とは、面方向(二次元)に大きく成長した結晶形態をいう。典型的には比較的平坦な薄板状の結晶である。ここで、結晶面内の長手方向の寸法をa、この長手方向に直交する一の厚み方向の寸法をbとしたとき、厚み方向の平均の寸法bは、概ね500nm以下であり、好ましくは300nm以下であり、特に好ましくは100μm以下であり得る。また、長手方向の平均の寸法aは、特に限定されないものの、概ね5μm以下程度であり、好ましくは1μm以下であり、より好ましくは500μm以下である。この板状結晶についてa/bで規定されるアスペクト比は、典型的には2以上であり、好ましくは3以上であり、例えば5以上、特に好ましくは10以上であり得る。このような特徴的な形態を有する粒子は、第1の粒子全体の50個数%以上、例えば70個数%以上、特に80個数%以上を占めることが好ましい。なお、第1の粒子はさらに微小な粒子が複数集合して形成された粒子であり得る。そのため、第1の粒子はかかる微小な粒子間に微細な空隙を内包していてもよい。第1の粒子の形態および個数の割合は、例えば、電界放出形走査型電子顕微鏡(field emission -scanning electron microscope : FE-SEM)等の電子顕微鏡観察によって分析することができる。 The morphology of the first particles is not particularly limited, but can be spherical, granular, rod-shaped, flake-shaped, etc., although flake-shaped is preferred. When flake-shaped first particles aggregate, they easily form voids with each other, increasing the surface area in contact with CO2 . This is preferable because it improves the CO2 absorption characteristics. For example, plate-shaped lithium silicate particles can be produced by the methods A1 to A3 described above. By using such lithium silicate particles, flake-shaped first particles can be obtained. Note that flake-shaped refers to a crystalline form that has grown significantly in the plane direction (two dimensions). Typically, it is a relatively flat, thin plate-like crystal. Here, when the dimension in the longitudinal direction within the crystal plane is a, and the dimension in the thickness direction perpendicular to this longitudinal direction is b, the average dimension b in the thickness direction is generally 500 nm or less, preferably 300 nm or less, and particularly preferably 100 μm or less. Furthermore, the average dimension a in the longitudinal direction is not particularly limited, but is generally about 5 μm or less, preferably 1 μm or less, and more preferably 500 μm or less. The aspect ratio defined by a/b for this plate-like crystal is typically 2 or more, preferably 3 or more, for example 5 or more, and particularly preferably 10 or more. It is preferable that particles having such characteristic morphology account for 50-something percent or more of the total first particles, for example 70-something percent or more, and particularly 80-something percent or more. The first particles may be particles formed by the aggregation of multiple even smaller particles. Therefore, the first particles may contain fine voids between such small particles. The morphology and number ratio of the first particles can be analyzed, for example, by electron microscopy observation using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM).
第2の粒子の平均粒子径は、特に限定されるものではないが、例えば、1μm以上20μm以下であって、5μm以上15μm以下であり得る。第2の粒子は、第1の粒子が複数集合してなり、典型的には空隙を有して集合している。なお、第2の粒子の平均粒子径は、レーザ回折・散乱法によって測定することができる。 The average particle diameter of the second particle is not particularly limited, but for example, it may be between 1 μm and 20 μm, and between 5 μm and 15 μm. The second particle is formed by the aggregation of multiple first particles, typically with voids between them. The average particle diameter of the second particle can be measured by laser diffraction/scattering.
以上のようにして、CO2吸収特性が改善された二酸化炭素吸収材料を得ることができる。また、ここに開示される技術では、第2の実施形態として、ケイ酸リチウム粒子を含む第1の粉末の代わりに、亜鉛酸リチウム粒子を含む第1の粉末を用いた二酸化炭素吸収材料製造方法が提供される。 As described above, a carbon dioxide absorbing material with improved CO2 absorption characteristics can be obtained. Furthermore, in a second embodiment of the technology disclosed herein, a method for producing a carbon dioxide absorbing material is provided in which a first powder containing lithium zincate particles is used instead of a first powder containing lithium silicate particles.
<第2の実施形態>
第2の実施形態では、ケイ酸リチウム粒子の代わりに亜鉛酸リチウム粒子を含む第1の粉末を用いる。亜鉛酸リチウムとしては、リチウム(Li)と亜鉛(Zn)と酸素(O)とを含む化合物を考慮することができる。典型的には、亜鉛酸リチウムは、一般式LixZnyOz、ここで式中x、yおよびzはx+2y-2z=0を満たす正の実数;で表される各種の化合物であり得る。典型的には、任意の数の亜鉛酸イオンが連なった亜鉛酸塩アニオンと、リチウムカチオンとを含む形態の各種の亜鉛酸リチウムを考慮することができる。このような亜鉛酸リチウムとしては、例えば、Li6ZnO4、Li4ZnO3等であってよい。これらはいずれか1種からなる単相であってもよいし、いずれか2種以上が組み合わされて含まれる混相であってもよい。
<Second Embodiment>
In the second embodiment, the first powder containing lithium zincate particles is used instead of lithium silicate particles. As lithium zincate, compounds containing lithium (Li), zinc (Zn), and oxygen (O) can be considered. Typically, lithium zincate can be various compounds represented by the general formula LixZnyOz, where x, y, and z are positive real numbers satisfying x + 2y - 2z = 0. Typically, various forms of lithium zincate can be considered, comprising a zincate anion consisting of any number of zincate ions and a lithium cation. Examples of such lithium zincate may be Li₆ZnO₄ , Li₄ZnO₃ , etc. These may be single phases consisting of any one of these, or multiphases containing a combination of two or more of these .
亜鉛酸リチウムは、典型的には、CO2を吸収することで、炭酸化の程度に応じて他のLixZnyOz相(2z=x+2y;x=0とき、形成される化合物はZnO;yおよびzは常に0より大きい)を形成する。典型的な反応は、以下の反応式;
Li6ZnO4+CO2 → Li4ZnO3+Li2CO3
に示される。また、かかる反応は可逆反応であるため、亜鉛酸リチウムはCO2を脱着することができる。そのため、亜鉛酸リチウムはLi6ZnO4の割合が高いことが好ましく、例えば、70mol%以上であることが好ましく、より好ましくは80mol%以上、特に好ましくは90mol%以上、例えば実質的に100mol%であるのが望ましい。
Lithium zincate typically absorbs CO₂ to form other LixZnOz phases (2z = x + 2y; when x = 0, the compound formed is ZnO; y and z are always greater than 0) depending on the degree of carbonation. A typical reaction is represented by the following equation:
Li 6 ZnO 4 +CO 2 → Li 4 ZnO 3 +Li 2 CO 3
As shown in the diagram, since this reaction is reversible, lithium zincate can desorb CO2 . For this reason, lithium zincate preferably has a high proportion of Li6ZnO4 , for example, 70 mol% or more, more preferably 80 mol% or more, particularly preferably 90 mol% or more, and for example, substantially 100 mol% is desirable.
亜鉛酸リチウムは、市販のものを使用してもよく、従来公知方法に従って製造してもよい。製造方法の好適な一例としては、上述の(A1)~(A3)のケイ酸リチウムの製造方法に従えばよく、例えばケイ酸リチウムの製造方法に用いたSi源であるコロイダルシリカの代わりに、亜鉛塩を用いればよい。亜鉛塩としては、例えば硝酸亜鉛を好適に用いることができる。これにより、亜鉛酸リチウム粒子を含む第1の粉末を製造することができる。そして、かかる第1の粉末を用いて、上述の(A)~(D)を同様に実施することで、第2の実施形態に係る二酸化炭素吸収材料を製造することができる。なお、第1の実施形態と同様に上述の(E)を行ってもよい。 Lithium zincate may be commercially available or manufactured according to conventionally known methods. A preferred manufacturing method is to follow the lithium silicate manufacturing methods described in (A1) to (A3) above, for example, by using a zinc salt instead of colloidal silica, which is the Si source used in the lithium silicate manufacturing method. For example, zinc nitrate can be suitably used as the zinc salt. This allows for the production of a first powder containing lithium zincate particles. Then, by similarly carrying out (A) to (D) above using this first powder, a carbon dioxide absorbing material according to the second embodiment can be manufactured. Note that (E) above may also be carried out in the same manner as in the first embodiment.
このようにして得られる二酸化炭素吸収材料には、第1の粉末と、第2の粉末と、第3の粉末とが含まれており、亜鉛酸リチウムを含む二酸化炭素吸収材料における各粉末の好適な配合の割合は、上述の第1の実施形態と同様である。ただし、亜鉛酸リチウムを含む第1の粉末および第3の粉末との割合としては、第1の粉末の割合は、5wt%以上25wt%以下であることが好適である。かかる割合とすることで、特に中間温度域におけるCO2吸収容量がより改善された二酸化炭素吸収材料を製造することができる。 The carbon dioxide absorbing material obtained in this manner contains a first powder, a second powder, and a third powder, and the preferred proportions of each powder in the carbon dioxide absorbing material containing lithium zincate are the same as in the first embodiment described above. However, regarding the ratio of the first powder to the third powder containing lithium zincate, the proportion of the first powder is preferably 5 wt% to 25 wt%. By using such a ratio, it is possible to produce a carbon dioxide absorbing material with improved CO2 absorption capacity, especially in the intermediate temperature range.
第2の実施形態に係る二酸化炭素吸収材料には、上述の第1の実施形態と同様に、第1の粒子が複数集合してなる第2の粒子が含まれる。第1の粒子は、少なくとも亜鉛酸リチウムを含むアルカリ亜鉛酸塩と、アルカリ炭酸塩と、アルカリ硝酸塩と、少なくとも炭酸マグネシウムを含むマグネシウム含有化合物とを含有している。
亜鉛酸リチウムは、一部がアルカリ炭酸塩およびアルカリ硝酸塩に含まれ得るリチウム以外のアルカリ成分(例えばカリウム、ナトリウム等)と塩を形成し、アルカリ亜鉛酸塩となり得る。
The carbon dioxide absorbing material according to the second embodiment includes second particles, which are aggregates of a plurality of first particles, similar to the first embodiment described above. The first particles contain an alkali zincate containing at least lithium zincate, an alkali carbonate, an alkali nitrate, and a magnesium-containing compound containing at least magnesium carbonate.
Lithium zincate can form salts with alkaline components other than lithium (e.g., potassium, sodium, etc.) that may be present in alkali carbonates and alkali nitrates, potentially becoming alkali zincates.
第2の実施形態における第1の粒子は、球状、粒状、ロッド状、フレーク状等の様々な形態であり得る。このなかでも、ロッド状の第1の粒子が存在することが好ましく、例えば球状、粒状の粒子が集合して形成される空隙よりも、より大きな空隙が形成され得る。これにより、CO2と接する表面積が増大するためCO2吸収特性が向上し得る。なお、ロッド状とは、一方向(一次元)に大きく成長した結晶形態をいう。ここで結晶の長手方向の寸法をa、この長手方向に直交する一の短手方向の寸法をbとしたとき、短手方向の平均の寸法bは、概ね500nm以下であり、好ましくは300nm以下であり、特に好ましくは200nm以下であり得る。また、a/bで規定されるアスペクト比は、典型的には2以上であり、例えば5以上であり得る。かかる寸法は、例えば電子顕微鏡観察に基づいて測定することができる。 In the second embodiment, the first particles can take on various forms such as spherical, granular, rod-shaped, or flake-shaped. Among these, the presence of rod-shaped first particles is preferable, as it can create larger voids than those formed by the aggregation of spherical or granular particles. This increases the surface area in contact with CO2 , thereby improving the CO2 absorption characteristics. A rod-shaped particle refers to a crystalline form that has grown significantly in one direction (one dimension). Here, if the length of the crystal is a and the length of one of its short sides perpendicular to the length is b, the average length b in the short side is generally 500 nm or less, preferably 300 nm or less, and particularly preferably 200 nm or less. The aspect ratio defined by a/b is typically 2 or more, and may be, for example, 5 or more. Such dimensions can be measured, for example, based on electron microscope observation.
第2の実施形態における第2の粒子の平均粒子径は、特に限定されるものではないが、例えば、1μm以上20μm以下であって、5μm以上15μm以下であり得る。第2の粒子は、第1の粒子が複数集合してなり、典型的には空隙を有して集合している。かかる平均粒子径は、レーザ回折・散乱法によって測定することができる。 The average particle diameter of the second particles in the second embodiment is not particularly limited, but for example, it may be between 1 μm and 20 μm, and between 5 μm and 15 μm. The second particles are formed by the aggregation of multiple first particles, typically with voids between them. This average particle diameter can be measured by laser diffraction/scattering.
第2の実施形態に係る二酸化炭素吸収材料に含まれる亜鉛(Zn)成分(典型的にはアルカリ亜鉛酸塩に含まれるZn)と、マグネシウム(Mg)成分(典型的にはマグネシウム塩及び酸化マグネシウムに含まれるMg)との合計を100mol%としたとき、亜鉛成分の割合は、5mol%以上80mol%以下であることが好ましく、5mol%以上40mol%以下であることがより好ましく、5mol%以上25mol%以下であることがさらに好ましい。かかる割合であれば、特に中間温度域(例えば、200℃~400℃)におけるCO2吸収容量が向上する。なお、二酸化炭素吸収材料の組成の割合は、例えば、XRDに基づき算出することができる。 In the carbon dioxide absorbing material according to the second embodiment, when the total of the zinc (Zn) component (typically Zn contained in alkali zincate) and the magnesium (Mg) component (typically Mg contained in magnesium salts and magnesium oxide) is 100 mol%, the proportion of the zinc component is preferably 5 mol% to 80 mol%, more preferably 5 mol% to 40 mol%, and even more preferably 5 mol% to 25 mol%. With such proportions, the CO2 absorption capacity is particularly improved in the intermediate temperature range (e.g., 200°C to 400°C). The proportions of the composition of the carbon dioxide absorbing material can be calculated, for example, based on XRD.
以上のようにして得られた二酸化炭素吸収材料は、例えば、100℃~650℃の温度領域で二酸化炭素吸収能を有し得る。特に150℃~450℃、さらに200℃~400℃の中間温度域でより好適なCO2吸収容量を有する。また、ここに開示される二酸化炭素吸収材料は、CO2を選択的に吸収することができる。そのため、例えば、鉄鋼産業のブラスト炉や基本酸素炉からのCO2の回収、発電所からの高温煙道ガスからのCO2の回収、CO2除去による水素生成のための水性ガスシフト反応の効率化等に用いられ得る。また、ここで開示される二酸化炭素吸収材料は、温度スイングプロセスとよばれる温度変化や、圧力スイングプロセスとよばれる雰囲気中のガスの分圧の変化によって、吸収した二酸化炭素を脱着することができる。これにより、ここに開示される二酸化炭素吸収材料は純粋なCO2ガスを製造することにも用いることができる。製造されたCO2ガスは、例えば、工業用や食品用に利用することができ得る。また、CO、メタン等の化学物質の原料として用いることができ得る。特に、ここに開示される二酸化炭素吸収材料は、例えば450℃以上の高温で吸収したCO2を脱着することができるため、熱触媒によるメタンへの変換に好適に用いることができる。 The carbon dioxide absorbing material obtained as described above may have carbon dioxide absorbing capacity in a temperature range of, for example, 100°C to 650°C. In particular, it has a more suitable CO2 absorption capacity in the intermediate temperature range of 150°C to 450°C, and even more so in the intermediate temperature range of 200°C to 400°C. Furthermore, the carbon dioxide absorbing material disclosed herein can selectively absorb CO2 . Therefore, it can be used, for example, for the recovery of CO2 from blast furnaces and basic oxygen furnaces in the steel industry, the recovery of CO2 from high-temperature flue gases in power plants, and for improving the efficiency of water-gas shift reactions for hydrogen production by removing CO2. In addition, the carbon dioxide absorbing material disclosed herein can desorb absorbed carbon dioxide by temperature changes called temperature swing processes or by changes in the partial pressure of the gas in the atmosphere called pressure swing processes. As a result, the carbon dioxide absorbing material disclosed herein can also be used to produce pure CO2 gas. The produced CO2 gas can be used, for example, for industrial or food purposes. It can also be used as a raw material for chemical substances such as CO and methane. In particular, the carbon dioxide absorbing material disclosed herein can desorb absorbed CO2 at high temperatures of, for example, 450°C or higher, and is therefore suitable for use in the conversion to methane by a thermal catalyst.
以下、ここで開示されるCO2吸収材料の製造方法について、具体的な実施形態を示して説明を行う。しかしながら、ここに開示される技術を以下の例に限定することを意図するものではない。 The method for manufacturing the CO2 absorbing material disclosed herein will be described below with reference to specific embodiments. However, the technology disclosed herein is not intended to be limited to the following examples.
1-1.ケイ酸リチウム(LS)を含む第1の粉末の作製
硝酸リチウム(LiNO3,Alfa Aesar製)とコロイダルシリカ(シグマアルドリッチ社製)を出発原料として、ここに開示される技術に従いケイ酸リチウム(オルトケイ酸リチウム)を合成した。
まず、11.5gの硝酸リチウム(LiNO3)を蒸留水に溶解し、かかる硝酸リチウム水溶液を室温で撹拌しながら、pH8まで25%アンモニア溶液を加えることで加水分解を行った。この反応水溶液にコロイダルシリカ(SiO2が2.5gとなるように)を滴下し、室温で1時間撹拌することで、ケイ酸リチウム前駆体が水溶液中に分散されたゾル状組成物を得た。次いで、このゾル状組成物に対し、2.45GHzで700Wの電子線を照射することで、脱水縮合反応を行った。電子線の照射には電子レンジを使用し、2分間の照射を5回行い、合計10分間行った。具体的には、電子線を2分間照射してゾル状組成物を沸騰させた後、休息期間を設けてゾル状組成物を室温にまで冷却し、沸騰により蒸発した分の水を初期量まで補填すること、を5回繰り返し行った。脱水縮合させたゲル状組成物(反応物)を110℃~150℃で乾燥し、800℃の大気雰囲気で3時間焼成することで、粉末を得た。このようにして得た粉末試料をLSと表記する。
1-1. Preparation of the first powder containing lithium silicate (LS) Lithium silicate (lithium orthosilicate) was synthesized using lithium nitrate ( LiNO₃ , manufactured by Alfa Aesar) and colloidal silica (manufactured by Sigma-Aldrich) as starting materials, according to the technology disclosed herein.
First, 11.5 g of lithium nitrate ( LiNO₃ ) was dissolved in distilled water, and hydrolysis was carried out by adding a 25% ammonia solution to this lithium nitrate aqueous solution while stirring at room temperature until the pH reached 8. Colloidal silica (enough to contain 2.5 g of SiO₂ ) was added dropwise to this reaction aqueous solution, and the mixture was stirred at room temperature for 1 hour to obtain a sol-like composition in which the lithium silicate precursor was dispersed in the aqueous solution. Next, a dehydration condensation reaction was carried out on this sol-like composition by irradiating it with an electron beam at 2.45 GHz and 700 W. A microwave oven was used for electron beam irradiation, and the irradiation was performed five times for 2 minutes each, for a total of 10 minutes. Specifically, the sol-like composition was irradiated with an electron beam for 2 minutes to boil, a rest period was provided, and the sol-like composition was cooled to room temperature, and the amount of water evaporated by boiling was replenished to the initial amount. This process was repeated five times. The dehydration condensed gel-like composition (reactant) was dried at 110°C to 150°C and calcined at 800°C in an air atmosphere for 3 hours to obtain a powder. The powder sample obtained in this way is denoted as LS.
1-2.アルカリ炭酸/硝酸塩・ケイ酸リチウム複合化粒子の作製
K2CO3粉末、KNO3粉末およびNaNO3粉末を準備し、K2CO3:KNO3:NaNO3=24:45:31の質量比となるように乳鉢と乳棒を用いて混合した。かかる質量比は、これらが共晶炭酸/硝酸塩を形成することができる配合である。次いで、この混合物をエアオーブン炉で80℃、30分間乾燥させた。このようにして得られた粉末を、以下、共晶炭酸/硝酸塩(ECN:eutectic carbonate/nitrate)と表記する。そして、0.42gのECNと、1gの得られたLS粉末とをイソプロパノール(IPA)中に分散させ、乳鉢と乳棒を用いて混合した後、エアオーブン炉で80℃、30分間乾燥させることで、粉末を得た。このようにして得られた粉末試料をLS+ECNと表記する。
1-2. Preparation of Alkali Carbonate/Nitrate/Lithium Silicate Composite Particles K₂CO₃ powder , KNO₃ powder, and NaNO₃ powder were prepared and mixed using a mortar and pestle to a mass ratio of K₂CO₃ : KNO₃ : NaNO₃ = 24 : 45 : 31. This mass ratio is a formulation that allows these to form eutectic carbonate/nitrate. Next, this mixture was dried in an air oven at 80°C for 30 minutes. The powder obtained in this way will be referred to as eutectic carbonate/nitrate (ECN) below. Then, 0.42 g of ECN and 1 g of the obtained LS powder were dispersed in isopropanol (IPA), mixed using a mortar and pestle, and dried in an air oven at 80°C for 30 minutes to obtain a powder. The powder sample obtained in this way will be referred to as LS + ECN.
1-3.炭酸マグネシウム・アルカリ炭酸/硝酸塩・ケイ酸リチウム複合化粒子の作製
MgCO3源としての1gの炭酸水酸化マグネシウム水和物((MgCO3)4・Mg(OH)2・xH2O、シグマアルドリッチ社製、製品番号:227668、以下、この粉末を「MG」とも表記する)と、0.42gのECNとをIPA中に分散させ、乳鉢と乳棒を用いて混合した。次いで、エアオーブン炉で80℃、30分間乾燥させることで、粉末を得た。このようにして得られた粉末試料をMG+ECNと表記する。なお、上記炭酸水酸化マグネシウム水和物には、24wt%のMgが含まれているものを用いた。
0.5gのLS+ECN粉末と、0.5gのMG+ECN粉末とをIPA中に分散させ、乳鉢と乳棒を用いて混合した後、エアオーブン炉で80℃、30分間乾燥し、粉末を得た。このようにして得られた粉末試料をLSMEと表記する。かかるLSMEは重量比で、LS:MG:ECN=35:35:30であった。また、LSMEに含まれるSi成分とMg成分との合計に対するSi成分のモル比は44%であった。
1-3. Preparation of Magnesium Carbonate/Alkali Carbonate/Nitrate/Lithium Silicate Composite Particles 1 g of magnesium carbonate hydroxide hydrate (( MgCO₃ ) ₄・Mg(OH) ₂・xH₂O , manufactured by Sigma-Aldrich, product number: 227668; hereinafter, this powder will also be referred to as "MG") as the source of MgCO₃, and 0.42 g of ECN were dispersed in IPA and mixed using a mortar and pestle. Then, the mixture was dried in an air oven at 80°C for 30 minutes to obtain a powder. The powder sample thus obtained will be referred to as MG + ECN. The magnesium carbonate hydroxide hydrate used contained 24 wt% Mg.
0.5 g of LS+ECN powder and 0.5 g of MG+ECN powder were dispersed in IPA, mixed using a mortar and pestle, and then dried in an air oven at 80°C for 30 minutes to obtain a powder. The powder sample obtained in this way is denoted as LSME. The weight ratio of this LSME was LS:MG:ECN = 35:35:30. Furthermore, the molar ratio of the Si component to the total Si and Mg components in the LSME was 44%.
1-4.FE-SEM観察・TEM観察
得られたLSME粉末試料について、FE-SEMによる観察を行った。FE-SEM観察には、日本、株式会社日立ハイテク製のSU8230を用いた。得られたFE-SEM像を図3A~図3Cに示す。また、LSME粉末試料について、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope;TEM)による観察を行った。TEM観察には、オランダ、FEI社製の300kVの高分解能TEM(High-resolution TEM:HR-TEM):Tecnai G230 S-Twinを用いた。得られたTEM像を図3Dに示す。
FE-SEM観察の結果、LSME粉末試料は、フレーク状の粒子が集合して、概ね5μm以上の直径の粒子を形成していることが確認できた。かかるフレーク状の粒子において、結晶面内の長手方向の平均長さは、概ね500nm以下であり、厚み方向の平均長さは、概ね100nm以下であった。また、かかる長手方向の平均長さと、厚み方向の平均長さとのアスペクト比は、確実に2以上であり、概ね5以上であった。また、TEM観察の結果、かかるフレーク状の粒子はさらに、概ね球状の粒子が集合して形成されていることがわかった。
1-4. FE-SEM and TEM Observation The obtained LSME powder samples were observed using FE-SEM. For FE-SEM observation, a Hitachi High-Technologies Corporation SU8230 was used. The obtained FE-SEM images are shown in Figures 3A to 3C. In addition, the LSME powder samples were observed using a transmission electron microscope (TEM). For TEM observation, a 300kV high-resolution TEM (HR-TEM): Tecnai G 2 30 S-Twin manufactured by FEI GmbH in the Netherlands was used. The obtained TEM image is shown in Figure 3D.
FE-SEM observation revealed that the LSME powder sample consisted of aggregated flake-like particles forming particles with a diameter of approximately 5 μm or more. In these flake-like particles, the average length in the longitudinal direction within the crystal plane was approximately 500 nm or less, and the average length in the thickness direction was approximately 100 nm or less. Furthermore, the aspect ratio between the average length in the longitudinal direction and the average length in the thickness direction was consistently 2 or greater, and generally 5 or greater. TEM observation also revealed that these flake-like particles were further formed by aggregates of generally spherical particles.
1-5.CO2吸収特性
<動的吸収特性>
得られたLSME粉末試料の二酸化炭素吸収特性を、環境温度を変化させた動的な吸収特性として評価した。具体的には、所定量のLSME粉末試料にプローブ分子としてのCO2を吸着させ、試料の温度を連続的に上昇させることによって生じる着脱ガス量を測定する熱重量分析(Thermogravimetric Analysis;TGA)により評価した。100%CO2ガスを50ml/minの速度で供給し、昇温速度10℃/minで100℃~650℃の温度域で測定を行った。粉末試料の重量変化を測定し、粉末試料1gあたりのCO2吸収容量(mg/g)を求めた。得られた動的TGA曲線を図4に示す。なお、かかる測定には、Perkin Elmer社製のSTA6000を用いた。
1-5. CO2 Absorption Characteristics <Dynamic Absorption Characteristics>
The carbon dioxide absorption characteristics of the obtained LSME powder samples were evaluated as dynamic absorption characteristics under varying ambient temperature. Specifically, a predetermined amount of CO2 as a probe molecule was adsorbed onto the LSME powder sample, and the amount of adsorbed and desorbed gases produced by continuously increasing the sample temperature was measured by thermogravimetric analysis (TGA). 100% CO2 gas was supplied at a rate of 50 ml/min, and measurements were performed in the temperature range of 100°C to 650°C at a heating rate of 10°C/min. The weight change of the powder sample was measured, and the CO2 absorption capacity (mg/g) per gram of powder sample was determined. The obtained dynamic TGA curve is shown in Figure 4. A Perkin Elmer STA6000 was used for these measurements.
図4に示すように、LSME粉末試料は、100℃~650℃の温度範囲でCO2吸収能を有することが確認できた。また、昇温を伴う中で、150℃~450℃の温度範囲で優れたCO2吸収容量を有していた。さらに、200℃~400℃の温度範囲より優れたCO2吸収容量を有していることが確かめられた。
また、昇温により450℃を超えると、吸収されていたCO2の脱着が生じることが確認できた。これにより、LSME粉末試料は、温度スイングプロセス(即ち、CO2ガスの分圧の変化を伴わない温度変化)によってCO2ガスを脱着できることが確認できた。
As shown in Figure 4, the LSME powder sample was confirmed to have CO2 absorption capacity in the temperature range of 100°C to 650°C. Furthermore, it exhibited excellent CO2 absorption capacity in the temperature range of 150°C to 450°C while increasing the temperature. It was also confirmed to have superior CO2 absorption capacity in the temperature range of 200°C to 400°C.
Furthermore, it was confirmed that when the temperature rose above 450°C, the absorbed CO2 was desorbed. This confirmed that the LSME powder sample can desorb CO2 gas through a temperature swing process (i.e., a temperature change without a change in the partial pressure of CO2 gas).
<等温的吸収特性>
次いで、LSME粉末試料の二酸化炭素の等温吸収特性を、測定温度を様々に変化させてTGAにより評価した。測定温度は、200℃、250℃および300℃に設定した。等温吸収試験には100%CO2ガスを用い、LSME粉末試料を昇温速度10℃/minで所定の測定温度まで昇温したのち、100%CO2気流下で60分間保持することで、当該温度でのCO2吸収容量を測定した。得られた等温吸収曲線を図5に示す。なお、60分以降は、100%CO2ガスを100%N2ガスに置換し、350℃に昇温し、CO2ガスを脱着させた。
図5からわかるように、200℃の場合であっても、例えば10分程度で、CO2吸収容量が44mg/g以上(即ち1mmol/g以上)となり、さらに、20分程度でCO2吸収容量が50mg/g以上となることが確かめられた。また、200℃~300℃の温度範囲において、高温になるほどCO2吸収速度が向上し、CO2吸収容量が向上することが確かめられた。
<Isothermal Absorption Characteristics>
Next, the isothermal absorption characteristics of carbon dioxide in the LSME powder sample were evaluated by TGA while varying the measurement temperature. The measurement temperatures were set to 200°C, 250°C, and 300°C. 100% CO2 gas was used for the isothermal absorption test. The LSME powder sample was heated to the predetermined measurement temperature at a heating rate of 10°C/min, and then held under a 100% CO2 gas stream for 60 minutes to measure the CO2 absorption capacity at that temperature. The obtained isothermal absorption curve is shown in Figure 5. After 60 minutes, the 100% CO2 gas was replaced with 100% N2 gas, and the temperature was raised to 350°C to desorb the CO2 gas.
As can be seen from Figure 5, even at 200°C, the CO2 absorption capacity reached 44 mg/g or more (i.e., 1 mmol/g or more) in about 10 minutes, and further increased to 50 mg/g or more in about 20 minutes. It was also confirmed that in the temperature range of 200°C to 300°C, the CO2 absorption rate and CO2 absorption capacity improved as the temperature increased.
次いで、LSME粉末試料の所定の温度におけるCO2吸収容量をTGAにより測定した。具体的には、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、325℃、350℃、375℃および400℃に設定し、60分間後のCO2ガス吸収容量を測定した。また、各温度で4回試行し、その平均値のプロットおよびエラーバー示したグラフを図6に示す。
図6に示すように、200℃~400℃の温度範囲では、CO2ガス吸収容量が40mg/g以上であり、200℃~375℃の温度範囲でCO2吸収容量が44mg/g以上(即ち1mmol/g以上)であった。また、特に250℃~350℃の温度範囲では、100mg/g以上の優れたCO2吸収容量が実現されることが確かめられた。
Next, the CO2 absorption capacity of the LSME powder sample at predetermined temperatures was measured by TGA. Specifically, the temperatures were set to 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C, 325°C, 350°C, 375°C, and 400°C, and the CO2 gas absorption capacity after 60 minutes was measured. Four trials were performed at each temperature, and the average values and error bars are shown in Figure 6.
As shown in Figure 6, the CO2 gas absorption capacity was 40 mg/g or more in the temperature range of 200°C to 400°C, and 44 mg/g or more (i.e., 1 mmol/g or more) in the temperature range of 200°C to 375°C. Furthermore, it was confirmed that an excellent CO2 absorption capacity of 100 mg/g or more was achieved, particularly in the temperature range of 250°C to 350°C.
<圧力スイング>
雰囲気中のガスの分圧を変化させること(圧力スイング)によるLSME粉末試料のCO2ガスの吸収・脱着特性をTGAにより評価した。具体的には、LSME粉末試料を300℃下に置き、100%CO2ガスを50ml/minの速度で50分間供給した。その後、300℃を保持しながら、100%CO2ガスを100%N2ガスに変更した。得られた等温吸収曲線を図7に示す。
図7に示すように、供給されるガスがCO2からN2へと変更された後、LSME粉末試料は300℃の一定の温度下で、CO2ガスを脱着したことが確かめられた。これにより、LSME粉末試料は一定の温度下の圧力スイングによりCO2の吸収・脱着ができることが確かめられた。
<Pressure Swing>
The absorption and desorption characteristics of CO2 gas in LSME powder samples were evaluated by TGA (Total Gas Aggregation) by changing the partial pressure of the gas in the atmosphere (pressure swing). Specifically, the LSME powder sample was placed at 300°C and 100% CO2 gas was supplied at a rate of 50 ml/min for 50 minutes. Then, while maintaining 300°C, the 100% CO2 gas was replaced with 100% N2 gas. The obtained isothermal absorption curves are shown in Figure 7.
As shown in Figure 7, after the supplied gas was changed from CO₂ to N₂ , it was confirmed that the LSME powder sample desorbed CO₂ gas under a constant temperature of 300°C. This confirmed that the LSME powder sample can absorb and desorb CO₂ through pressure swing under a constant temperature.
次いで、LSME粉末試料を350℃下に置き、100%CO2ガスを50ml/minの速度で60分間供給した。その後、温度を300℃に変更するとともに、100%CO2ガスを100%N2ガスに変更した。得られたCO2吸収曲線を図8に示す。
図8に示すように、CO2吸収時の温度(350℃)よりもCO2脱着時の温度(300℃)の方が低い場合であってもCO2を脱着できることが確かめられた。また、図6からわかるように、CO2吸収時の温度(350℃)よりもCO2脱着時の温度(300℃)の場合の方が、CO2吸収容量が大きい。このような場合であっても、供給されるCO2ガスをN2ガスへ変更する圧力スイングによりCO2ガスを脱着できることが確かめられた。
Next, the LSME powder sample was placed at 350°C and 100% CO2 gas was supplied at a rate of 50 ml/min for 60 minutes. After that, the temperature was changed to 300°C, and the 100% CO2 gas was replaced with 100% N2 gas. The resulting CO2 absorption curve is shown in Figure 8.
As shown in Figure 8, it was confirmed that CO2 can be desorbed even when the CO2 desorption temperature (300°C) is lower than the CO2 absorption temperature (350°C). Also, as can be seen from Figure 6, the CO2 absorption capacity is larger at the CO2 desorption temperature (300°C) than at the CO2 absorption temperature (350°C). Even in such cases, it was confirmed that CO2 gas can be desorbed by a pressure swing that changes the supplied CO2 gas to N2 gas.
<20%CO2ガスに対する吸収特性>
20%CO2ガスおよび80%N2ガスで構成されるガスの気流下にLSME粉末試料を設置した。このときの温度を250℃とし、60分間保持した。その後、温度を350℃とし、100%N2ガスへと切り替えた。得られたCO2吸収曲線を図9に示す。
図9に示すように、LSME粉末試料は、CO2の割合が20%であってもCO2を吸収することができ、250℃におけるCO2吸収容量は44mg/g以上(即ち1mmol/g以上)であることが確かめられた。
<Absorption characteristics for 20% CO2 gas>
An LSME powder sample was placed under a gas stream consisting of 20% CO₂ gas and 80% N₂ gas. The temperature was set to 250°C and maintained for 60 minutes. After that, the temperature was increased to 350°C and the gas was switched to 100% N₂ gas. The resulting CO₂ absorption curve is shown in Figure 9.
As shown in Figure 9, the LSME powder sample was found to be able to absorb CO2 even when the CO2 content was 20%, and its CO2 absorption capacity at 250°C was confirmed to be 44 mg/g or more (i.e., 1 mmol/g or more).
1-6.サイクル特性
LSME粉末試料に対し、CO2ガスの吸収と脱着を300℃以上の高温で繰り返し行ったときの、CO2吸収のサイクル特性を評価した。具体的には、TGA装置を用い、LSME粉末試料を300℃にまで加熱し、この温度で100%CO2ガス気流下に60分間保持してCO2ガスを吸収させた。次いで、LSME粉末試料を350℃まで加熱し、この脱着温度で100%N2気流下に30分間保持することでCO2ガスを脱離させた。このような吸収・脱着サイクルを4サイクル繰り返し、その時のLSME粉末試料の重量変化を調べた。その結果を図10に示す。
図10から明らかなとおり、LSME粉末試料は繰り返しCO2の吸収と脱離を繰り返してもその吸収特性にばらつきがみられず、安定したサイクル特性を有することが確認できた。
1-6. Cycle Characteristics The cycle characteristics of CO2 absorption were evaluated when CO2 gas absorption and desorption were repeatedly performed on an LSME powder sample at a high temperature of 300°C or higher. Specifically, using a TGA apparatus, the LSME powder sample was heated to 300°C and held at this temperature under a 100% CO2 gas flow for 60 minutes to absorb CO2 gas. Next, the LSME powder sample was heated to 350°C and held at this desorption temperature under a 100% N2 gas flow for 30 minutes to desorb CO2 gas. This absorption/desorption cycle was repeated four times, and the weight change of the LSME powder sample was examined. The results are shown in Figure 10.
As is clear from Figure 10, the LSME powder sample showed no variation in its absorption characteristics even after repeated absorption and desorption of CO2 , confirming that it possesses stable cycle characteristics.
1-7.XRD
LSME粉末試料について、X線回折分析(X-ray diffraction analysis;XRD)を行った。かかる分析には、Cu Kα線(λ=0.154nm)を使用したX線小角散乱/広角回折セットアップ(フランス,Xenocs社製、Xeuss SAXS/WAXSシステム,2θ=15°~36°)を用いた。
かかる分析には、CO2吸収前、CO2吸収後およびCO2脱着後(再生後)のLSME粉末試料を用いた。一つ目の試料では、CO2の吸収または脱着を行う前のLSME粉末試料をXRD分析に用いた(吸収前試料)。二つ目の試料では、LSME粉末試料に300℃下で100%CO2ガスを供給し、CO2の吸収を60分間行った後、CO2ガスを供給したまま室温まで冷却した。この試料を注意深く取り出し、XRDに用いた(吸収後試料)。三つ目の試料は、300℃下でCO2の吸収を60分間行った後、温度を350℃に昇温し、CO2ガスを脱着するために100%CO2ガスの供給を100%N2ガスに変更した。この試料をN2ガス供給下で室温まで冷却した後、注意深く取り出し、XRD分析に用いた(再生後試料)。得られたXRDパターンを図11に示す。
1-7. XRD
X-ray diffraction analysis (XRD) was performed on LSME powder samples. For this analysis, a small-angle/wide-angle X-ray scattering setup (Xeuss SAXS/WAXS system, 2θ = 15° to 36°, manufactured by Xenocs, France) using Cu Kα rays (λ = 0.154 nm) was employed.
For this analysis, LSME powder samples were used before CO2 absorption, after CO2 absorption, and after CO2 desorption (regeneration). For the first sample, the LSME powder sample before CO2 absorption or desorption was used for XRD analysis (pre-absorption sample). For the second sample, 100% CO2 gas was supplied to the LSME powder sample at 300°C for 60 minutes to absorb CO2 , and then the sample was cooled to room temperature while the CO2 gas was still supplied. This sample was carefully removed and used for XRD (post-absorption sample). For the third sample, CO2 absorption was performed at 300°C for 60 minutes, then the temperature was raised to 350°C, and the supply of 100% CO2 gas was changed to 100 % N2 gas to desorb the CO2 gas. This sample was cooled to room temperature under N2 gas supply, carefully removed, and used for XRD analysis (regeneration sample). The obtained XRD patterns are shown in Figure 11.
XRDピークを以下のPDF(Pair Distribution Function)リファレンスナンバー:Li4SiO4:00-020-0637,Li2SiO3:00-015-0519,Li2CO3:00-022-1141,MgCO3:00-008-0479,Mg(NO3)2:00-019-0765,K2Mg(CO3)2:01-075-1725,KNO3:01-071-1558,NaNO3:00-036-1474に基づいて相同定を行った。図11に示すように、CO2吸収後には、Li2SiO3のピークに加え、Li2CO3、MgCO3およびK2Mg(CO3)2のような炭酸塩の相のピークが強くなった。また、上記炭酸塩のピークの割合は、CO2脱着後には大きく減少していた。さらに、CO2ガス吸収前およびCO2ガス脱着後では、Li4SiO4のピーク面積の割合は増大していた。このことから、LSME粉末試料は、CO2ガスと反応することにより、Li2SiO3(ここで、Li2SiO3相も形成される)、MgCO3およびK2Mg(CO3)2を合成し、CO2ガスを吸収できると考えられる。また、300℃付近の低温では、CO2吸収によるLi4SiO4相からLi2SiO3相およびLi2CO3相への完全な変換(また、より重要な点では、CO2脱着によるLi4SiO4層の形成)がほとんど達成されないことを考慮すると、LSME中で形成されたMgCO3相およびK2Mg(CO3)2相が、CO2がリチウム相へ拡散して出入りするパスウェイを形成するのに役立つと考えられる。したがって、LSMEの低温におけるCO2吸収および脱着性能は材料の組み合わせの相乗効果によって生じるユニークなものである。類似のメカニズムは後述のLZMEの場合であっても同様と考えられる。 Phase identification of the XRD peaks was performed based on the following PDF (Pair Distribution Function) reference numbers: Li₄SiO₄ : 00-020-0637 , Li₂SiO₃ : 00-015-0519, Li₂CO₃ : 00-022-1141, MgCO₃: 00-008-0479, Mg ( NO₃ ) ₂ : 00-019-0765, K₂Mg( CO₃ ) ₂ : 01-075-1725, KNO₃ : 01-071-1558, NaNO₃ : 00-036-1474. As shown in Figure 11, after CO2 absorption, in addition to the Li2SiO3 peak, the peaks of carbonate phases such as Li2CO3 , MgCO3 , and K2Mg ( CO3 ) 2 became stronger. Furthermore, the proportion of these carbonate peaks decreased significantly after CO2 desorption. In addition, the proportion of the Li4SiO4 peak area increased both before and after CO2 gas absorption. From this, it is considered that the LSME powder sample can absorb CO2 gas by reacting with CO2 gas to synthesize Li2SiO3 (where the Li2SiO3 phase is also formed), MgCO3 , and K2Mg ( CO3 ) 2 . Furthermore, considering that complete conversion from the Li₄SiO₄ 4- phase to the Li₂SiO₃ - phase and Li₂CO₃ - phase due to CO₂ absorption (and, more importantly, the formation of the Li₄SiO₄ 4- layer due to CO₂ desorption ) is hardly achieved at low temperatures around 300°C, it is thought that the MgCO₃ - phase and K₂Mg ( CO₃ ) ₂- phase formed in LSME help to form pathways through which CO₂ diffuses into and out of the lithium phase. Therefore, the CO₂ absorption and desorption performance of LSME at low temperatures is unique, resulting from the synergistic effect of the material combination. A similar mechanism is thought to be present in the case of LZME, which will be discussed later.
1-8.FT-IR
LSME粉末試料をフーリエ変換赤外分光法(Fourier Transform Infrared spectroscopy : FT-IR)により分析した。かかる分析には、Bruker社のαE FT-IR分光光度計を用いた。LSME粉末試料としては、上述のXRDで分析したものと同様のもの、即ち、XRD解析の試料と同様の条件により得られたCO2吸収前のLSME粉末試料、300℃下でCO2ガス吸収後のLSME粉末試料、350℃下でCO2脱着後のLSME粉末試料を用いた。得られたFT-IRパターンを図12に示す。
図12に示すように、CO2吸収後のFT-IRパターンには、1435cm-1(約1300cm-1~1500cm-1の位置にある3本の点線のうちの真ん中の点線)および892cm-1(約800cm-1~900cm-1の位置にある2本の点線のうちの左側の点線)の位置にピークが見られた。その一方で、CO2吸収前およびCO2脱着後のFT-IRパターンには、かかる位置にピークはほぼ見られなかった。かかる位置のピークは、炭酸イオン(CO3
2-)の非対称伸縮振動および面外変角振動に基づいて現れるピークである。したがって、LSMEは、CO2ガスの少なくとも一部を炭酸イオンとして保持できることが確かめられた。なお、上記点線以外の点線の位置にあるピークは、単座カーボネート(unidentate carbonates)であると考慮され、LSME粉末試料の表面に付着したCO2由来のものであると考えられる。
1-8. FT-IR
LSME powder samples were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). A Bruker αE FT-IR spectrophotometer was used for this analysis. The LSME powder samples used were the same as those analyzed by XRD described above; that is, LSME powder samples obtained under the same conditions as the samples analyzed by XRD, LSME powder samples obtained after CO2 gas absorption at 300°C, and LSME powder samples obtained after CO2 desorption at 350°C. The obtained FT-IR patterns are shown in Figure 12.
As shown in Figure 12, the FT-IR pattern after CO2 absorption showed peaks at 1435 cm⁻¹ (the middle dotted line of the three dotted lines located between approximately 1300 cm⁻¹ and 1500 cm⁻¹ ) and 892 cm⁻¹ (the left dotted line of the two dotted lines located between approximately 800 cm⁻¹ and 900 cm⁻¹ ). On the other hand, the FT-IR patterns before CO2 absorption and after CO2 desorption showed almost no peaks at these positions. The peaks at these positions appear based on the asymmetric stretching vibration and out - of-plane bending vibration of carbonate ions ( CO₃²⁻ ). Therefore, it was confirmed that LSME can retain at least a portion of the CO2 gas as carbonate ions. The peaks at the dotted lines other than those mentioned above are considered to be unidentate carbonates and are thought to originate from CO2 attached to the surface of the LSME powder sample.
1-9.LSMEにおけるLSの割合の評価
上記1-3のうち、LS+ECN粉末と、MG+ECN粉末との混合割合を変更し、LSの割合が0wt%~70wt%となるように粉末試料を調製した。なお、LSが0wt%のときは、MG+ECN粉末のみからなり、LSが70wt%のときは、LS+ECN粉末のみからなることを意味する。また、いずれの割合においても、ECNの割合は30wt%であり、残りの割合は上記炭酸水酸化マグネシウム水和物(MG)粉末の割合である。
調製した粉末試料を用いて、上記1-5欄と同様にして動的吸収特性の評価を行った。そして、得られた動的TGA曲線から、最大CO2吸収容量の値を求めた。LSの割合とかかる最大CO2吸収容量との関係を表すグラフを図13に示す。
図13に示すように、LSの割合が5wt%以上60wt%以下でCO2吸収能を有していることが確かめられた。このときの、LSMEに含まれるSi成分とMg成分との合計に対するSi成分の割合(以下、この割合を「Si成分の割合」ともいう)は5mol%以上85mol%以下に相当する。また、LSの割合が概ね20wt%以上50wt%以下(Si成分の割合が概ね20mol%以上75mol%以下)であるとき、より改善されたCO2吸収容量を有している。さらに、LSの割合が概ね30wt%以上50wt%以下(Si成分の割合が概ね35mol%以上75mol%以下)であるとき、MG+ECN単独(LSが0wt%)およびLS+ECN単独(LSが70wt%)よりも、優れたCO2吸収容量を示すことが確かめられた。
1-9. Evaluation of the proportion of LS in LSME Of the above 1-3, powder samples were prepared by changing the mixing ratio of LS + ECN powder and MG + ECN powder so that the proportion of LS ranged from 0 wt% to 70 wt%. Note that when LS is 0 wt%, it means that the sample consists only of MG + ECN powder, and when LS is 70 wt%, it means that the sample consists only of LS + ECN powder. In all proportions, the proportion of ECN is 30 wt%, and the remaining proportion is the proportion of magnesium hydroxide carbonate (MG) powder mentioned above.
The dynamic absorption characteristics were evaluated using the prepared powder sample in the same manner as described in sections 1-5 above. The value of the maximum CO2 absorption capacity was then determined from the obtained dynamic TGA curve. Figure 13 shows a graph illustrating the relationship between the proportion of LS and the resulting maximum CO2 absorption capacity.
As shown in Figure 13, it was confirmed that CO2 absorption capacity is present when the proportion of LS is between 5 wt% and 60 wt%. At this time, the proportion of the Si component to the total of the Si and Mg components contained in LSME (hereinafter, this proportion will also be called the "proportion of Si component") corresponds to 5 mol% to 85 mol%. Furthermore, when the proportion of LS is approximately between 20 wt% and 50 wt% (the proportion of Si component is approximately between 20 mol% and 75 mol%), it exhibits an improved CO2 absorption capacity. Moreover, when the proportion of LS is approximately between 30 wt% and 50 wt% (the proportion of Si component is approximately between 35 mol% and 75 mol%), it was confirmed that it exhibits a superior CO2 absorption capacity compared to MG + ECN alone (LS is 0 wt%) and LS + ECN alone (LS is 70 wt%).
2-1.亜鉛酸リチウム(LZ)の調製
上記1-1の操作のうち、コロイダルシリカを硝酸亜鉛六水和物{Zn(NO3)2・6H2O、Merck社製}に変更し、亜鉛酸リチウム(LZ)の調製を行った。具体的には、11.5gの硝酸リチウム(LiNO3)および8.3gの硝酸亜鉛六水和物を蒸留水に溶解し、かかる硝酸リチウム水溶液を室温で撹拌しながら、pH8まで25%アンモニア溶液を加えることで加水分解を行った。このまま室温で1時間撹拌することで、亜鉛酸リチウム前駆体が水溶液中に分散されたゾル状組成物を得た。その後の操作は、上記1-1と同様にして行った。
次いで、上記1-2のうち、LSをLZに変更して同様の操作を行い、LZ+ECN粉末を得た。さらに、上記1-3のうち、LS+ECN粉末をLZ+ECN粉末に変更し、0.15gのLZ+ECN粉末と0.6gのMG+ECN粉末の混合に変更した。かかる変更点以外の操作は同様にして、LZME粉末試料を調製した。このようにして得られたLZME粉末試料は、重量比でLZ:MG:ECN=14:56:30である。
2-1. Preparation of Lithium Zinc Oate (LZ) In the procedure described in 1-1 above, colloidal silica was replaced with zinc nitrate hexahydrate {Zn( NO₃ ) ₂ · 6H₂O , manufactured by Merck} to prepare lithium zinc oxide (LZ). Specifically, 11.5 g of lithium nitrate ( LiNO₃ ) and 8.3 g of zinc nitrate hexahydrate were dissolved in distilled water, and hydrolysis was carried out by adding 25% ammonia solution to this lithium nitrate aqueous solution while stirring at room temperature until the pH reached 8. By stirring at room temperature for 1 hour, a sol-like composition in which the lithium zinc oxide precursor was dispersed in the aqueous solution was obtained. The subsequent procedure was carried out in the same manner as described in 1-1 above.
Next, the same procedure was performed in step 1-2 above, with LS replaced by LZ, to obtain LZ+ECN powder. Furthermore, in step 1-3 above, the LS+ECN powder was changed to LZ+ECN powder, and the mixture was changed to 0.15 g of LZ+ECN powder and 0.6 g of MG+ECN powder. The LZME powder sample was prepared in the same manner except for these changes. The LZME powder sample obtained in this way has a weight ratio of LZ:MG:ECN = 14:56:30.
2-2.FE-SEM観察
得られたLZME粉末試料について、上記1-4と同様にしてFE-SEMによる観察を行った。得られたFE-SEM像を図14A~図14Cに示す。
FE-SEM観察の結果、LZME粉末試料は、ロッド状の粒子を有しており、ロッド状の粒子を含む複数の粒子が集合して概ね直径5μm以上の粒子を形成していることが確認できた。かかるロッド状の粒子の結晶面内の長手方向の平均長さは、概ね1μm以下であった。また、かかる長手方向の平均長さと、厚み方向の平均長さとのアスペクト比は、確実に2以上であることが観察された。
2-2. FE-SEM Observation The obtained LZME powder sample was observed using FE-SEM in the same manner as described in 1-4 above. The obtained FE-SEM images are shown in Figures 14A to 14C.
FE-SEM observation revealed that the LZME powder sample contained rod-shaped particles, and that multiple rod-shaped particles aggregated to form particles with a diameter of approximately 5 μm or more. The average length of these rod-shaped particles in the longitudinal direction within the crystal plane was approximately 1 μm or less. Furthermore, the aspect ratio between the average length in the longitudinal direction and the average length in the thickness direction was reliably observed to be 2 or more.
2-3.CO2吸収特性
<動的吸収特性>
得られたLZME粉末試料のCO2吸収特性を、上記1-5欄と同様にして、環境温度を変化させた動的な吸収特性として評価した。その結果、得られた動的TGA曲線を図15に示した。
図15に示すように、LZME粉末試料は、100℃~450℃の温度範囲でCO2吸収容量を有することが確認できた。また、昇温を伴う中で、200℃~400℃の温度範囲で優れたCO2吸収容量を有しており、特に300℃~400℃の温度範囲では、300mg/g以上の優れたCO2ガス吸収容量を有していることが確認できた。また、昇温により420℃を超えると、CO2ガスの脱着が生じることが確認できた。これにより、LZME粉末試料は、温度スイングプロセスによってCO2ガスを脱着できることが確認できた。
2-3. CO2 Absorption Characteristics <Dynamic Absorption Characteristics>
The CO2 absorption characteristics of the obtained LZME powder sample were evaluated as dynamic absorption characteristics under varying ambient temperature, in the same manner as described in sections 1-5 above. The resulting dynamic TGA curve is shown in Figure 15.
As shown in Figure 15, the LZME powder sample was confirmed to have CO2 absorption capacity in the temperature range of 100°C to 450°C. Furthermore, with increasing temperature, it was confirmed to have excellent CO2 absorption capacity in the temperature range of 200°C to 400°C, and in particular, excellent CO2 gas absorption capacity of 300 mg/g or more in the temperature range of 300°C to 400°C. In addition, it was confirmed that CO2 gas desorption occurred when the temperature exceeded 420°C due to the temperature increase. This confirmed that the LZME powder sample can have CO2 gas desorbed by a temperature swing process.
<圧力スイング>
得られたLZME粉末試料について、圧力スイングによるLZME粉末試料のCO2の吸収・脱着特性をTGAにより評価した。具体的には、LZME粉末試料を350℃下に置き、100%CO2ガスを50ml/minの速度で60分間供給した。その後、350℃を保持しながら、100%CO2ガスを100%N2ガスに変更した。得られた等温吸収曲線を図16に示す。
図16に示すように、LZME粉末試料は350℃の一定の温度下で、60分間以降(即ち、供給されるガスがCO2からN2へと変更された後)、CO2ガスを脱着したことが確かめられた。これにより、LZME粉末試料は一定の温度下の圧力スイングによりCO2の吸収・脱着ができることが確かめられた。
<Pressure Swing>
The absorption and desorption characteristics of the obtained LZME powder sample were evaluated by TGA under pressure swing. Specifically, the LZME powder sample was placed at 350°C and supplied with 100% CO2 gas at a rate of 50 ml/min for 60 minutes. Then, while maintaining 350°C, the 100% CO2 gas was replaced with 100% N2 gas. The obtained isothermal absorption curve is shown in Figure 16.
As shown in Figure 16, it was confirmed that the LZME powder sample desorbed CO2 gas after 60 minutes at a constant temperature of 350°C (i.e., after the supplied gas was changed from CO2 to N2 ). This confirmed that the LZME powder sample can absorb and desorb CO2 by pressure swing at a constant temperature.
2-4.LZMEにおけるLZの割合の評価
上記2-1のうち、LZ+ECN粉末と、MG+ECN粉末との混合割合を変更し、LZの割合が0wt%~70wt%となるように粉末試料を調製した。なお、LZが0wt%のときは、MG+ECN粉末のみからなり、LZが70wt%のときは、LZ+ECN粉末のみからなることを意味する。また、いずれの割合においても、ECNの割合は30wt%であり、残りの割合は上記炭酸水酸化マグネシウム水和物(MG)の割合である。
調製した粉末試料を用いて、上記1-5欄と同様にして動的吸収特性の評価を行った。そして、得られた動的TGA曲線から、最大CO2ガス吸収容量の値を求めた。LZの割合とかかる最大CO2吸収容量との関係を表すグラフを図17に示す。
図17に示すように、LZが含まれていることにより、MG+ECN単独(0wt%)よりも優れたCO2吸収容量を有しており、例えば、LZの割合が5wt%以上60wt%以下であるとき、優れたCO2吸収容量を示す。なお、このときのZn成分とMg成分の合計に対するZnの割合(以下、「Znの割合」ともいう)は概ね5mol%以上80mol%以下に相当する。また、LZの割合が5wt%~40wt%(Znの割合が概ね5mol%~40mol%以下)であるとき、より優れたCO2ガス吸収容量を有することが確かめられた。さらに、LZの割合が5wt%~25wt%(Znの割合が概ね5mol%~25mol%以下)であるとき、さらに優れたCO2ガス吸収容量を有することが確かめられた。
2-4. Evaluation of the proportion of LZ in LZME Powder samples were prepared by changing the mixing ratio of LZ + ECN powder and MG + ECN powder as described in 2-1 above, so that the proportion of LZ ranged from 0 wt% to 70 wt%. When LZ is 0 wt%, it means that the sample consists only of MG + ECN powder, and when LZ is 70 wt%, it means that the sample consists only of LZ + ECN powder. In all ratios, the proportion of ECN is 30 wt%, and the remaining proportion is the proportion of magnesium hydroxide carbonate (MG) as described above.
The dynamic absorption characteristics were evaluated using the prepared powder sample in the same manner as described in sections 1-5 above. The value of the maximum CO2 gas absorption capacity was then determined from the obtained dynamic TGA curve. Figure 17 shows a graph illustrating the relationship between the LZ ratio and the resulting maximum CO2 absorption capacity.
As shown in Figure 17, the presence of LZ results in a superior CO2 absorption capacity compared to MG + ECN alone (0 wt%). For example, when the proportion of LZ is between 5 wt% and 60 wt%, it exhibits a superior CO2 absorption capacity. The proportion of Zn relative to the sum of the Zn and Mg components (hereinafter also referred to as "the proportion of Zn") in this case corresponds to approximately 5 mol% to 80 mol%. Furthermore, it was confirmed that an even superior CO2 gas absorption capacity is obtained when the proportion of LZ is between 5 wt% and 40 wt% (the proportion of Zn is approximately between 5 mol% and 40 mol%). Moreover, it was confirmed that an even superior CO2 gas absorption capacity is obtained when the proportion of LZ is between 5 wt% and 25 wt% (the proportion of Zn is approximately between 5 mol% and 25 mol%).
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 The above describes specific examples of the present invention in detail, but these are merely illustrative and do not limit the scope of the claims. The technologies described in the claims include various modifications and changes to the specific examples illustrated above.
Claims (12)
ケイ酸リチウム粒子または亜鉛酸リチウム粒子を含む第1の粉末を準備すること、
前記第1の粉末と、アルカリ炭酸塩粒子およびアルカリ硝酸塩粒子を含む第2の粉末とを混合し、前記ケイ酸リチウム粒子または前記亜鉛酸リチウム粒子の表面に前記アルカリ炭酸塩粒子および前記アルカリ硝酸塩粒子が凝集した第1の複合化粒子を含む粉末を得ること、
炭酸マグネシウム粒子を含む第3の粉末と、前記第2の粉末とを混合し、前記炭酸マグネシウム粒子の表面に前記アルカリ炭酸塩粒子および前記アルカリ硝酸塩粒子が凝集した第2の複合化粒子を含む粉末を得ること、および、
前記第1の複合化粒子を含む粉末と前記第2の複合化粒子を含む粉末とを混合し、前記第1の複合化粒子と前記第2の複合化粒子とが凝集した二酸化炭素吸収能を有する凝集物を含む混合粉末を得ること、
を包含する、二酸化炭素吸収材料の製造方法。 A method for manufacturing a carbon dioxide absorbing material,
Prepare a first powder containing lithium silicate particles or lithium zincate particles.
The first powder is mixed with a second powder containing alkali carbonate particles and alkali nitrate particles to obtain a powder containing first composite particles in which the alkali carbonate particles and alkali nitrate particles are aggregated on the surface of the lithium silicate particles or the lithium zincate particles.
A third powder containing magnesium carbonate particles is mixed with the second powder to obtain a powder containing second composite particles in which the alkali carbonate particles and alkali nitrate particles are aggregated on the surface of the magnesium carbonate particles, and
A powder containing the first composite particles and a powder containing the second composite particles are mixed to obtain a mixed powder containing aggregates having carbon dioxide absorbing capacity formed by the aggregation of the first composite particles and the second composite particles.
A method for producing a carbon dioxide absorbing material, including the above.
前記第1の粉末と前記第3の粉末との合計割合は、50wt%以上95wt%以下であり、
前記第1の粉末の割合は5wt%以上60wt%以下であり、
前記第3の粉末の割合は、5wt%以上60wt%以下である、
請求項1に記載の二酸化炭素吸収材料の製造方法。 When the total amount of the mixed powder is 100 wt%,
The total ratio of the first powder and the third powder is 50 wt% or more and 95 wt% or less.
The proportion of the first powder is 5 wt% or more and 60 wt% or less.
The proportion of the third powder is 5 wt% or more and 60 wt% or less.
A method for producing a carbon dioxide absorbing material according to claim 1.
第1の粒子が複数集合してなる第2の粒子を含み、
前記第1の粒子は、
少なくともケイ酸リチウムを含むアルカリケイ酸塩または少なくとも亜鉛酸リチウムを含むアルカリ亜鉛酸塩と、
アルカリ炭酸塩と、
アルカリ硝酸塩と、
少なくとも炭酸マグネシウムを含むマグネシウム含有化合物と
を含有する、二酸化炭素吸収材料。 A powder capable of absorbing and desorbing carbon dioxide,
It includes a second particle which is made up of multiple first particles,
The first particle is,
Alkali silicate containing at least lithium silicate or alkali zincate containing at least lithium zincate,
Alkaline carbonates and,
Alkaline nitrates and,
A carbon dioxide absorbing material containing a magnesium-containing compound, which includes at least magnesium carbonate.
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| WO2022224762A1 (en) | 2022-10-27 |
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