JPS58194712A - 二酸化炭素排気より酸素を再生する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガスの再利用及び炭素の形成に係り、特にガ
スの再利用及び炭素の形成を行う一体的な系を連続的に
運転することに係る。

多くの環境に於ては、例えば潜水艦や宇宙飛行体の環境
に於ては、哺乳動物の呼気中の二酸化炭素より酸素を再
生する必要がある。かかる酸素の再生は一般に二酸化炭
素を含む空気を二酸化炭素濃縮装置に通し、次いでかく
して濃縮された二酸化炭素を二酸化炭素還元装置に通す
ことによって達成される。これまで化学的手段及び電気
化学的手段を含む多数の二酸化炭素還元プロセスが使用
されている。現状ではサバティエ（３ａｂａｔｉｅｒ　
）プロセス及びボッシュ（３ｏｓｃｈ）プロセスが水の
電気分解との組合せで使用されることが好ましい。

サバティエ反応（Ｃｏｗ　＋４Ｈｐ→２Ｈｔ　ｏ＋ｃＨ
ｓ　）によれば設備が単純になるが、二酸化炭素に対す
る水素の比が４：１であることが必要とされ、かかる比
率は二酸化炭素に対する水素の比が約２．６〜１である
宇宙飛行体の如き桑型的な環境に於て得られる二酸化炭
素に対する水素の比をはるかに越えており、従って未反
応の二酸化炭素が発生する。

□またボッシュプロセスの如き二酸化炭素還元法に於て
は、究極的には二酸化炭素より酸素を再生させるべくよ
り好ましくは平衡状態にて一組の連続的な反応が生起せ
しめられる。酸素発生装置よりの水素は二酸化！＃東還
元装置内に於ける二酸化炭素と化合せしめられて水及び
固体炭素が形成される。水は酸素発生＠胃へ移され、該
酸素発生装置内に於て電気分解されることにより乗組員
のための酸素と二酸化炭素転換装置のための水素とが形
成され、かくして酸素再生サイクルが完成される。

現在開発されているボッシュ反応系に於ては、７００℃
の温度にて機能する消費型の鉄触媒が使用されている。

触媒上には約０．５　ｏ／ｃｃの低密度を有する固体炭
素が付着する。一般にスチールウールの形態をなす使用
開始時の鉄触媒の活性は炭素付着が発生すると増大する
。かかる現象を生じる理由は、炭素を含有する鉄がより
活性の大きい畝及び／又は炭化鉄成分を含有するように
なることであると考えられる。

しかし上述の如き反応系に於ても種々の問題がある。ボ
ッシュプロセスに於ては生成した炭素の取り扱いに関し
重大な問題がある。炭素は鉄触媒と反応して炭化鉄を形
成し、その炭化鉄は生成した炭素の層を通過して移動す
る。このことにより触媒より炭素を分離するという困難
な問題が提起され、また触媒が消費されるので触媒材料
を追加しなければならないという問題がある。炭素は低
密ａ　（０，５０／ｃｃ）の固体として付着し、従って
炭素の貯蔵の問題も大きな問題となる。また反応温度が
高温であるので、−酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水
素の如き不純物の問題も処理されなければならない。

従って、本発明の目的は、二酸化炭素より酸素を再生す
る方法であって、上述の如き種々の問題を解決する方法
を提供することである。

本発明は、二酸化炭素を水素と反応させてメタンと水と
の混合物を形成し、水を電気分解して水素と酸素とを形
成することにより、二酸化炭素排気より酸素を再生する
従来の方法を改善するものである。かかる方法は、本発
明によれば、約１０００〜１２００℃の温度に加熱され
た＾温度に於て安定なガラスの表面上に生成されたメタ
ンを通し、これにより二酸化炭素と反応せしめられる水
素と約２　（１／ＣＧ以上の密度を有する炭素付肴物と
を形成することにより改善される。かがる本発明による
方法は、従来のボッシュ反応系に於て多−に発生される
一酸化炭素が排除され、はるかに高密度の炭素が形成さ
れ、従って貯蔵の容積も小さくてよく、また有害であり
交換されることを要する消費型の触媒材料の必要性が排
除されるという種々の利点を有している。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

本発明によるｉ！東再生法を実施するに好適な二酸化炭
素転換装置が第１図に示されている。第１図に示されて
いる如く、本発明による酸素再生法は二つの工程よりな
るプロセスであり、全体として高密度炭素と分解により
酸素に転換されてよい水とが製造される。二酸化炭素は
、発熱反応ｃ。

ｔ　＋４Ｈｐ→ＣＨ４＋２Ｈ！　Ｏによりメタンと水と
を生成する第一の反応＠＠１内に於て、Ｈａｓｉｌｔｏ
ｎ　５ｔａｎｄａｒｄ　ＵＡＳＧ　　１５１　Ｇ　（ア
ルミナ粒上に担持された２０ｗｔ％のルテニウム）の如
き水素処理触媒上にて水素と化合される。かくして処理
され第一の反応装置１より出たガスは冷却され、第一の
反応＠１内に於て発生された水蒸気は通常の凝縮Ｉｔ／
分離器２（宇宙飛行の用途に於ては有孔板凝縮器／分離
器が好ましい）内に於て凝縮され且分離される。この水
蒸気の凝縮を行うためにキャビン内より供給された空気
が使用されてよい。

次いで凝縮することのできないメタンを含有するガス流
が再生熱交換器３へ導かれ、ガス流はそれが第二段階の
工程に入る前に熱交換器３内に於て加熱される。

第二の反応＠１１４内に於ては、吸熱反応ＣＨ４→Ｃ＋
２Ｈｉにより、約１０００〜１２００℃の温度にて触媒
を有しない平滑なガラス表面上にてメタンが分解されて
高密度炭素（２ｏ／ｃｃ以上）と水素とに分解される。

かかる反応に於て生成した水素は、二酸化炭素に対する
水素ガスのモル比が約２．２〜２．８にて流入する水素
供給流に添加される。かくして反応ガス流全体としての
モル比が４．２〜４．８とされる。かかる二酸化炭素に
対する水素のモル比により、第一の反応装置１に流入す
る全ての二酸化炭素が完全に反応することが確保される
。

＾密度炭素を分解によって生成し収集するために使用さ
れるガラスは、本発明の方法に於て採用される１　００
０〜１２００℃に於ても軟化したり変形したりすること
のない任意の高ｍ度に於て安定なガラスであってよい。

１４温度に於て安定なガラスの例としては、水晶やアメ
リカ合衆国ニューヨーク州、コーニング所在のＣｏｒｎ
ｌｎｇ　　Ｇ　１ａｓｓＷｏｒｋｓにより販売されてい
るＶ　ｙｃｏｒ　（登録商標）の如き＾シリカ含有ガラ
スがある。ガラスは中実棒状、プレート状、中空チュー
ブ状、又は中空円筒状の形態にて使用されてよい。ガラ
スの表面に付着した炭素は、そのガラスを固体表面上に
軽く叩き付けて形成された炭素を拭い取るという簡単な
手段により、ガラスより除去される。

従来の任意の手段により炭素製造装置が加熱されてよい
が、抵抗炉加熱が好ましい。一つの例示的な抵抗炉装筺
に於ては、標準的な耐火煉瓦及びアメリカ合衆国マサチ
ューセッツ州、ウオーセスタ所在のＮ０ｒｔＯｎ　Ｃｏ
１ｔ）ａｎＶより販売されているＧ１ｏｂａｒ炭化ケイ
素棒が含まれている。通常の抵抗ヒータが使用される場
合には、ガラス棒などを収容するガラス室又は他の加熱
室の周りに抵抗コイルが巻装され、該抵抗コイルには所
望の温度とするに充分な電流が供給される。

第２図に抵抗炉により加熱される構成が図示されており
、ガラス管８は通常の耐火煉瓦シール１３の間に挿入さ
れ且アルミナ管１４により囲繞されている。長さ２２８
．５１ｇ＋の活性加熱要素を有する上述の如き６１１の
Ｇ　１ｏｂａｒ炭化ケイ素棒１５がアルミナ管１４の周
りに配置されており、図には示されていないが反応装置
全体が標準的な耐火煉瓦−の包°囲体内に収容されてい
る。炭素をガラス９１８の内周面に付着させたい場合に
は、第２図に於て矢印９にて示されている如くメタンガ
スが＋１ 導入され、矢印１０により示されている如く水素ガスが
排出される。また炭素をガラス管８の外周面に付着させ
たい場合には、第２図に於て仮想線にて示されている如
く、メタンガス１８が流入し水素ガス１９が排出し得る
よう、耐火煉瓦シール１３を貫通するチャンネル１６及
び１７が設けられる。

炭素を付着させるに際し約１２００’Ｃ以上の温度が採
用されてもよいが、エネルギ効率及び反応＠置全体とし
ての安定性の点からは１２００’Ｃ以上のｍｓは好まし
くない。またこの段階に於ては触媒は使用されないので
、不純物の許容度に関する問題が軽減される。例えば水
蒸気にて飽和されたメタンであっても本発明の方法によ
れば＾＠噴炭素及び水素ガスに転換される。

ガラス管内又はガラス管上に流されるメタンガスの量は
ガラス管の表面積及び濃度次第である。

３−一〜３０−の直径を有するガラス棒又はガラス管の
外周面又はガラス管の内周面に＾密度炭素を付着させる
ためには、１０００〜１２０’Ｏ’Ｃの濃度に対し１０
ｃｃ／ｓｉｎ〜１３　’Ｏ’Ｏｃｃ／ｓｉｎの流■が採
用されてよい。メタンガスの流量を５０ｃｃ／ｓｉｎに
設定し温度を１２００℃に設定すれば、直径２２ｇ＋ｇ
＋の中空ガラス管の内周面に＾密度炭素が好ましく付着
される。メタンは一般に大気圧と大気圧よりも４１３７
’ＯＰａだけ高い圧力との間の圧力にて反応系内を通過
する。反応＠＠４内のガラス管にメタンを供給する場合
にはメタンが層状に流されることが好ましいが、本発明
に於てはメタンは乱流にて流されてもよいものと考えら
れる。

例 抵抗ヒータを用いて反応炉が組立てられた（第２図参照
）。この反応炉に於ては、直径１．２５ＣＩ、良さ４６
ｃｍの炭化ケイ素製の６本の棒状の抵抗ヒータが直径７
ｃｍ、長さ５０ｃｍのアルミナ管の周りに円形に配列さ
れた。アルミナ管内に支持されたシリカ類のチューブ内
にメタンガスが流された。プラチナ／プラチナ−ロジウ
ムの熱電対を用いてシリカ類のチューブの温度が測定さ
れた。アルミナ管の内径は５ｃ−以上であるので、内Ｉ
！２５■、外径２８−一のシリカ類のチューブが先に反
応炉内に配置された。メタンガスの流量を１０Ｑｃｃ／
ｌｌｎに設定して温度１２００℃にて５時間半に厘り反
応炉を運転したところ、密度２　Ｑ／ｃｃ以上の高密度
炭塵が得られた。またメタンガスの流量を４ＱＣＣ／Ｂ
ｉｎに設定して２．８時間同様に反応炉を運転したとこ
ろ、高密度（２Ｍｃｃ以上）の炭素層が得られた。

第１図を詳細に検討することにより、本発明による方法
の循環的な特徴が解る。凝縮器／分離器２より出る水は
通常の！！領にて電気分解されることにより、例えば宇
宙に於ける呼吸用の酸素及び呼気中の二酸化炭素と反応
せしめられる水素とが生成される。また凝縮器／分離器
２によりキャビンの空気を加熱するための手段が与えら
れる。再生熱交換器３はメタン及び水素のその後の反応
に備えてメタンを加熱し水素を冷却するために使用され
る。従って反応系に通される材料が効率的に使用される
だけでなく、熱効率も＾い。

反応のメタン組成に閤し行われた最近の試験に於ては、
触媒を有しないガラスの表面上に高密度炭素が形成され
、またこれと同時にメタンがほぼ完全に分解された。か
くして生成された炭素は冷却時にガラスの表面より容易
に剥離するものであった。このことにより炭素を収容す
る容積を低減することができ、また上述の如き従来技術
に於ける消費型の触媒に関する要件が排除される。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能であること
は当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による酸素再生法を実施するに好適な二
酸化炭素に基く酸素再生＠習を示す両図である。 第２図は第１図に示された酸素再生装置に組込まれた高
密度炭素形成反応装置を示す両図である。 １・・・第一の反応装置、２・・・凝縮器／分離器、３
・・・再生熱交換器、４・・・第二の反応１１ｍ１ｔ、
　８・・・ガラＪ ス管、１３・・・耐火煉瓦シール、１４・・・アルミナ
管。 １５・・・炭化ケイ素棒、１６．１７・・・チャンネル
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 二酸化炭素を水素と反応させてメタンと水との混合物を
   形成することと、該水を電気分解して水素と酸素とを形
   成することとを含む二酸化炭素排気より酸素を再生する
   方法にして、約１０００〜１２００℃の温度に加熱され
   た＾温度に於て安定なガラスの表面上に生成されたメタ
   ンを通し、これにより２　Ｇ／ＣＣ以上の密度を有する
   炭素付着物と二酸゛化炭票と反応せしめられる水素とを
   形成することを含んでいることを特徴とする方法。