温室効果ガス亜酸化窒素の 効率的除去・再資源化

温室効果ガス亜酸化窒素の
効率的除去・再資源化
安田昌弘 （大阪府立大学 大学院 工学研究科 准教授）
コーディネータ：
亀井政之 （大阪府立大学 地域連携研究機構 リエゾンオフィス
統括コーディネーター ）
平成26年11月27日
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窒素酸化物とは？
NOX：一酸化窒素と二酸化窒素
NO
N2O
NO2
N2O3
N2O4
N2O5
N2O2
内燃機関や燃焼プロセスの排ガス
化学工場などのオフガス
人体に有害
酸性雨や光化学スモッグの原因
窒素酸化物の酸化数
0
+1
+2
+3
N2
N2O
NO
HNO2
+4
+5
NO2 HNO3
・酸化数の最も小さな窒素酸化物
・一酸化炭素と同じく支燃性
・筋肉弛緩（麻酔効果）
・ニトログリセリンの心筋効果の主成分・筋肉緊
3
張（バイア○ラの有効成分）
亜酸化窒素
N2O：一酸化二窒素とも言う
2N 2O  2N 2＋O2
300o C以上
空気の代わりに用いると燃焼効率を
上げることができる（NOS®システム)
大気中の寿命は炭酸ガ
スに比べて非常に長く、
温室効果も炭酸ガスの
310倍に昇る。
笑気ガスとして知られ、全身麻酔に
用いられる。副作用が起こらず、鎮
痛効果が高い
安定で腐食性がなく、プラズマ等で
半導体製造に用いられる
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亜酸化窒素の特性
無色の気体
融点 ‒90.8oCと沸点 ‒ 88.5oC
密度 1.91 g/dm3(0oC，1 atm)
１Lの水に0.5962 L溶ける。(25℃)
Henry定数 4000 kPa・L/mol（J.Chem.Eng.Data 1994, 39, 817-822）
エタノール，エーテル，硫酸に溶解
約500℃に熱すると窒素と酸素とに分解し、
アルカリ金属や多くの有機化合物と反応
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亜酸化窒素の発生源
①化学プロセス
合成反応の副産物として
②医療利用後のオフガス
③燃焼系排ガス
酸素不足下での燃焼反応
④生物代謝
下水処理場などの嫌気処理
低濃度大量であるため回収コストがかかり、用途も限られて
いることから、処理が進んでいない。
炭酸ガス排出量×温室効果300倍<亜酸化窒素の発生量 6
従来技術
 乾式プロセス
1) 亜酸化窒素は自燃するため燃やして熱回収
問題点： 高濃度でないと意味が無い,NOxが発生する
2) 触媒を用いた分解
問題点： 高価な金属触媒が必要
 湿式プロセス
1) 生物化学処理
問題点： 大きな処理施設が必要、水に溶解させる必要あり
2) ゼオライトを用いた亜酸化窒素吸着
亜酸化窒素を回収し、リサイクル
できれば環境調和型ゼロエミッションプロセス
亜酸化窒素を他の物質に分解したりするだけでエネルギーがかかるのなら、その
まま精製して再利用した方が良いと思われる。
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硫酸や有機溶媒等を吸収液として用い
た亜酸化窒素吸収装置
利点
高効率で亜酸化窒素を吸収
N Oガス
させ、熱により放散
2
他の窒素酸化物も除去
亜酸化窒素の水への溶解度は約0.6 L/L-water
吸収液
処理ガス
亜酸化窒素溶解液
吸収装置の課題
 低濃度の窒素酸化物を吸収する際、 濃度が低いため
高濃度に濃縮できない
 実際の排ガスを処理するには装置1つ当たりの処理能
力が低く、スケールアップが困難
 圧力を上げた方が溶解度が高くなるが、コスト高
吸収装置 例えば高流速で流すと
（20 m3/hr）
接触時間 8 sec 2000ppm→1700ppm
接触時間を長くしないといけない
NOｘガス吸収装置の能力
処理能力
10～20[㎥/h]
除去率
60～95%
フィルター1つ当り
→大量のガスを圧力損失を少なく、簡便に処理、濃縮できる
プロセスが必要
窒素酸化物の濃縮プロセスの提案
工場、燃焼プロセス
など
ガス吸着塔
ゼ
オ
ラ
イ
ト
脱着ガス
濃度：低
ガス流量 ：大
浄化ガス
ゼオライトとは
結晶構造に0.1 nmオーダーの細孔が存在
ケイ酸塩、アルミニウムから成る結晶
成分、結晶構造等の違いで多種多様
医療用途や
燃焼助剤とし
ての利用
参考：吸収装置写真
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吸着装置
吸着剤充填層
ＮＯガスボンベ
ガラス
球充填
層
混合槽
空気ポンプ
吸着塔
計測器
出口
入口
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吸着剤のスクリーニング
●17検体（種々のゼオライト）
●実験条件：
亜酸化窒素の濃度：103~113 [ppm]
ゼオライト吸着塔を60 mmΦのプラスチック製吸着塔に約50 g
いれ、6 L/minの流量にて、終末点を入り口濃度の90%として破
過時間と吸着量を測定
120
吸着剤B
濃度 [ppm]
100
吸着量：
最高で6.18×10-4g-N2O/gゼオライトと依然低い
吸着剤C
80
吸着剤A
60
40
20
0
0
500
1000
1500
2000
時間 [s]
2500
3000
3500
4000
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亜酸化窒素の吸脱着
大気圧下、常温で低濃度N2Oに対して吸着
速度が速いものの、 亜酸化窒素吸着量が
0.0006 g-N2O/g-担体
亜酸化窒素に金属を担持するとN2Oの吸着
量が向上する
処理ガス量を2~20 L/minと変化させても吸
着量は変化せず
300oCにて加熱すると完全に脱着し、450oC
にて強熱すると窒素と水蒸気に分解
NOx存在下での吸着
800
NOxを10%含む700ppm
の亜酸化窒素ガスを処理
700
濃度 [ppm]
600
亜酸化窒素を選択的に除
去
500
400
300
200
100
0
0
200
400
600
800
時間 [s]
1000
1200
1400
亜酸化窒素吸着の課題
 亜酸化窒素吸着量を最高で0.002 gN2O/g-担体とできるものの、実用化に
向けて、金属の担持量を上げて吸着量
の向上を図る
 亜酸化窒素の用途展開を考え、資源
循環に向けた取り組みが必要
企業への期待
 亜酸化窒素の新しい用途も踏まえて一
緒に研究
 亜酸化窒素の排出量の経時変化や他
の窒素酸化物の夾雑など、対処法が
多岐にわたるため、排出源の実情を一
緒に研究
 亜酸化窒素の熱源としての利用
本技術に関連する知的財産権
 発明の名称：NOxを含有する被処理ガスの脱硝方法
出願番号 :特願2011-137278
発明者
:藤田富雄、長尾仁、山内四郎、
安田昌弘(大阪府立大学)、浅野秀昭
 発明の名称：脱硝方法及び脱硝装置
出願番号 :特願2013-123703
発明者
:安田昌弘(大阪府立大学)、浅野秀昭
など
この他、2件の特許を出願または出願中
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お問い合わせ先
公立大学法人 大阪府立大学 大学院
工学研究科 物質化学系専攻化学工学分野
准教授 安田昌弘
TEL: 072-254-9299 FAX: 072-254-9911
E-mail: [email protected]
関連HP：http://www.chemeng.osakafuu.ac.jp/student_company/chemical_reaction.html
地域連携研究機構 リエゾンオフィス
統括コーディネーター 亀井 政之 TEL: 072-254-9872
FAX: 072-254-7475
E-mail: [email protected]
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