研究活動概説

化学研究グループ

化学研究グループ
CO₂分離・回収技術の将来を見据え先導技術へ挑戦
技術の進展または実用化時期

地球温暖化の進展が海洋の熱塩循環停止のような壊滅的な影響を地球環境に与える懸念がある。
そのような事象を防ぐ

CO2

ために、科学的に大気中のCO₂濃度をいくらに抑制するかとい

回
収の
経済性
向上

う問いに対して、CO₂濃度が550ppmであるとその確率が数％であるが、650ppmまで上昇すると数十％で発生するとの見解

天然ガス複合発電
+化学吸収
微粉炭燃焼
+化学吸収

純酸素燃焼
+微粉炭燃焼石炭ガス化複合発電+物理吸収
石炭ガス化複合発電+膜分離がある。
昨年発表されたスターンレビューでは、上記のようなカタス

純酸素燃焼
+複合発電

石炭ガス化複合発電+膜分離(あるいは物理吸収）+膜分離（あるいは物理吸収）+SOFC

トロフィクな事象を考慮せずとも、地球温暖化に対処しないと

2

図１．
CO2 分離技術
図１. 長期的な視点での発電技術と長期的な視点での発電技術とCO 分離技術

毎年5％以上のGDPロス発生を予測し、GDP１％程度の対策化学吸収法によるCO₂分離回収技術開発費の支出が経済的合理性あることを主張している。
大気中のCO₂濃度を2100年に産業革命前の2倍濃度である比較的大規模設備での実用次期が早い化学吸収法による550ppmという指標が設定された仮定すると、CO₂濃度抑制のCO₂分離回収技術開発プロジェクトを、RITEを中心に民間４社ためには、省エネルギー、燃料転換、再生可能エネルギー（太の協力を得て、Ｈ16年度から５年間の予定で進めている。

陽光、風力、バイオマス）、原子力だけではCO₂抑制量が足りず

本プロジェクトは、製鉄所の排ガスを主な対象とし、CO₂分離に、CO₂の地中貯留などによるCO₂削減が必要になると予測さ回収コストを従来の半分以下にすることを目的とし、図２に示れている。地中貯留コストの7割程度は排出源からのCO₂分離すように低エネルギーでCO₂の分離回収が可能な新吸収液のに要すると試算されており、地中貯留技術の実用化促進には開発、および分離回収に必要なエネルギーを安価で供給するCO₂分離コストの低減が重要である。

ための製鉄所等の未利用廃熱利用技術の開発が課題である。

化石エネルギーの転換技術は進歩しており、ボイラースチー

化学吸収法

製鉄所
高炉１基．380万ﾄﾝ粗鋼/年の製鉄所
高炉ｶﾞｽ 中のC O 2 260万ﾄﾝ/年

ムタービンの発電方式から、ガスタービン複合発電、燃料電池

C O 2濃度 2 ％鉄鋼ﾌﾟﾛｾ ｽ 用燃料として利用
C O 2濃度99％

吸収塔複合発電へと進化していくと予想される。発電装置からCO₂を前処理装置

再生塔

高炉ガス
C O 2濃度 22％
C O ,H 2等を含む分離回収する技術も化学吸収法、物理吸収法、膜分離法、酸素ﾘﾎﾞｲﾗｰ前処理法の検討

燃焼法など多岐にわたっている。技術進歩によって、CO ₂ 分離

新吸収液が対象とする燃料転換装置と分離装置の組み合わせが変化

開発目的
高炉ｶﾞｽ からｺｽ ﾄ半減ＣＯ2分離回収技術確立
および更なるコスト低減のための技術評価

し、より経済性の高い技術に対応したCO₂ 分離技術の開発に対応できるように図１に示すような技術開発ビジョンの基に開製鉄所の低品位未利用廃熱低コストＣＯ2吸収システム

所要熱量目標 ：2.5 G J/t-C O 2の達成
1.8 G J/t-C O 2の評価発を進めている。

図２． 低品位廃熱を利用する CO2 分離回収技術 (COCS) 概要

化学グループでは多様なCO₂分離技術開発に努めながら、特に化学吸収法と膜分離法には力点を置いてきた。化学吸収

このうち、ＲＩＴＥは新吸収液の開発を主体的に進めてい法では製鉄所の排ガスを対象にしたCO₂分離技術の開発ではる。新吸収液に望ましい性能は、吸収液とCO₂との反応においさらに2000円／3700円／トン-CO₂まで低減の目処が得られ、て、反応熱が小さくかつ吸収しやすく分離しやすいことであり、また、膜分トン-CO₂を狙った化学吸収液の開発を進めている。

それらの性能により排ガス中のCO₂を低エネルギーで分離回離法ではH ₂を含むガスからでもCO ₂の選択性では世界でトッ収できる。
それらの特性を示す吸収液はアミン水溶液が優れてプの素材を見出した。現在は、その素材を膜構造の中へ組みいる。
アミン吸収液選定の考え方と吸収液開発のステップを図入れる研究に取り組んでいる。

３に示す。第１ステップとして、約100種類の市販アミンを図３

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RITE Today 2007

研究活動概説

化学研究グループに示す考え方から選定して、アミン水溶液とCO₂との吸収速度、新しい化学吸収液再生技術の開発

吸収量、反応熱等の反応特性をラボ実験により調査し、反応特化学吸収法の吸収液再生工程におけるエネルギー消費を性に及ぼすアミンの化学構造的特徴を把握した。更に、各種ア低減するために、図５に示すようなCO₂放散促進材を用いる圧ミンの性能の得失を補完し合う複合アミンを検討し、その性能力差による再生技術を開発している。
これまでに、従来の化学を同様に調査した。
その結果、これまでに３種類の特性の異な吸収法で用いられている吸収液の高温加熱再生に比べてエネる高性能な新吸収液（RITE-3A，-4A，4B）を開発できた。
これら

ルギー消費を1/2以下に低減し得る放散促進材とプロセス条のうち、ベスト吸収液の分離回収エネルギーは、ＭＥＡ（モノエ件を見出した。現在、さらなるエネルギー消費の低減を目指しタノールアミン）標準吸収液が１トンのCO₂あたり４．０GJであて開発を続けるとともに、この新しい技術を燃焼排ガスのみなるのに対して２．９GJと大幅に低減でき、図４に示すように当らず、化学プロセス、バイオプロセス等で発生するCO₂を分離す

プロジェクト目標の２．５GJに近いレベルまで開発することがる用途への実用化検討を産業界と連携して進めている。

できた。
吸収塔

再生塔
ＣＯ２

処理ガス
立体障害基：R1, R2, R3, R4
・カーバメ
カーバメートート生成抑制生成抑制
・CO
CO22放散性増
放散性増
・反応熱低減反応熱低減
R1ヒドロキシ基: OH・電子吸引性
電子吸引性(アミノ基の活性化）（アミノ基の活性化）
親水性（水への溶解性増）
・親水性（水への溶解性増）
・水素結合生成
水素結合生成 （沸点上昇 揮発抑制）(沸点上昇

R5N

R6ＣＯ２放散促進材
吸収液
（(加圧）
循環

第１ステップ・市販アミンのスクリーニング・アミンの複合化
第２ステップ・新アミン分子の設計・合成
ン分子の設計・合成

CC

R2減圧

OH

R3R4アミン分子の例

(加熱）
供給
ガス

アミノ基: N・
電子供与性
電子供与性
・CO
CO22 ととの結合の結合（カーバメートアニオン生成（カーバメートアニオン生成またはHCOまたはHCO3- アニオン生成）アニオン生成）
・
プロト
プロト
ン吸引性
ン吸引性（プロトン化カチオン生成）（プロトン化カチオン生成）
・１，２，３級アミンの相違、アミノ基数

図５． 促進材による吸収液再生法の概念

図３． 新規吸収剤開発

高分子膜によるCO₂とH₂の分離

CO2分離回収エネルギー [GJ/t-CO2]高分子膜は、天然ガスからのCO₂除去の実績を有するが、地434.0

球温暖化対策で大量のCO₂を分離する場合には、分離コストと3.03.0

消費エネルギー削減の観点で分離性能の更なる向上が必要

2.92.5である。
そこで、カルド型ポリマー膜の経験を生かし図６に示2

すようにCO₂分子を膜内にとりこんで、他のガス分子の透過を1ブロックする機能を持った｢分子ゲート膜｣で、従来膜の性能を大幅に上回る革新的な分離膜の開発を目指している。

0-4A-4B
RITE-3A
MEA(現状）（(関電連続吸収試験結果）

ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ
開発目標

CO20.33nm

図４． CO2 分離回収エネルギーの開発目標と成果

今後同様な手法で新吸収液の開発を進めるとともに、第２供給側ステップとして、これまでの知見を基に新規な分子構造のアミ分圧差ンを設計合成して評価する研究を開始している。

N2, H20.36, 0.29 nm

透過側

更に、新吸収液の特性を最大限に活かすための化学吸収シ

デンドリマー変性体

ステムの最適化研究にも範囲を広げて、当プロジェクトの目標

CO2分子が他の気体の透過を抑制し、優れた CO2 選択性を発揮。

以上の分離回収エネルギー低減を目指して研究を推進していく。

図６． 分子ゲート膜

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RITE Today 2007

研究活動概説

化学研究グループ

RITEが開発したデンドリマーを用いた場合に、CO₂とN₂の選択表面にあるＯＨ基との反応を利用して内表面上に機能性を持性は１０００以上であり、吸収法に匹敵するCO ₂分離の可能たせた分子を配置することが可能である。
このような特徴を利を有する。
またCO₂とH₂の分離に当たっては世界トップレベル用して、これまでにPdナノ粒子を細孔内に充填した、図８に示の値である７３０という非常に高い選択性を示す。圧力を有すような新規な水素分離膜構造を提案し、新たに開発したPdするガス、例えば水性ガスシフト反応の生成物からCO₂を分離の細孔内への高密度充填方法により作成した複合膜は水素する場合に、CO ₂ 分離コストが1500円/t-CO ₂以下と試算され選択分離性を発現することを見出した。現在この膜の性能向上た。本テーマは炭素隔離リーダーシップフォーラム（CSLF）の認と、耐久性、大型化の検討を行い、更にシフト反応条件下での定プロジェクトであり、共同研究先である米国エネルギー省国水素分離膜／リアクターへの適用へと展開する予定である。

立エネルギー技術研究所（NETL）において、RITEが開発した図７に示すようなデンドリマー複合膜モジュールの試験を実施した。
メソ細孔にあるPdのイメージ

L= 1100 m m ,φ= 1 inch,100本の中空糸を格納している
NETL試験モジュ－ル

膜の断面多孔質アルミナの上部にメソ細孔シリカ膜が形成されている

メソ細孔シリカのTEM写真
黒い部分が細孔内にあるPd

図８． メソ細孔シリカの内部空間に Pd を配した水素分離膜
拡大600nm1mm
全体像（撮影倍率 50倍）

低温プラズマシステムによるディーゼルPM低減

分離機能層拡大図（撮影倍率 5万倍）

近年、PM除去技術の確立のないまま、ディーゼル排気PMに分子ゲート機能CO2分離中空糸膜のSEM写真

対する排出規制がますます厳しくなっている。低温プラズマを

図７． デンドリマー複合膜モジュール活用したディーゼル排ガス後処理技術がPM除去の有力候補として注目されている。RITEはダイハツ工業（株）と共にNEDO

高温で触媒との組み合わせて使える無機分離膜から「次世代低公害車技術開発プログラム/革新的次世代低公無機多孔質材料であるゼオライトやメソ細孔多孔体などの害車総合技術開発、革新的後処理システムの研究開発」の補細孔は、鋳型合成というプロセスをとるのでサブナノレベルの助を受け、図９に示す低温プラズマＰＭ除去システムの研究

極めて均一な細孔を有し、またフレームワークの熱運動／伸開発を行なっている。RITEはプラズマ放電特性とＰＭ酸化特張性が低い。
その特徴を生かした高温域での高選択的な分離性を解明し、小型ディーゼル車に搭載できるような高ＰＭ除去膜としての利用が期待されている。そこで現在、従来膜の性能能力と低圧損プラズマ反応器とプラズマ反応器を駆動する電を大幅に上回る高い選択性を持ったCO₂／N₂、CO₂／H₂分離源を研究開発中である。

機能の発現に取り組んでいる。
これまでにシミュレーションによりCO₂高選択的分離ゼオライト膜構造を推定し、高性能が期待12VDC電源できる新しい膜材料の種結晶および製膜作製条件の具体的

電源

高電圧出力
プラズマ反応器な検討を進めており、いままで無機分離膜に使われたことがな排気管い素材の合成に成功した。

ディーゼルエンジン

一方、メソ細孔シリカはそのメソ細孔空間を鋳型として、その内部に別の化合物を合成する、あるいはメソ細孔空間の内

図９． プラズマ反応器による PM 除去システム

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RITE Today 2007