RITE Today 2021

研究活動概説 ● 化学研究グループ

化学研究グループグループメンバー（2020 年 12 月末）
グループリーダー・主席研究員
サブリーダー・主席研究員
副主席研究員
副主席研究員
主任研究員
主任研究員
主任研究員
主任研究員
主任研究員
研究員
研究員
研究員
研究員
研究員
研究員
研究員

中尾 真一
長谷川 俊之
余語 克則
馬場 宏治
後藤 和也
甲斐 照彦
山田 秀尚
Firoz Alam Chowdhury
龍治 真段
淑紅
伊藤 史典
木下 朋大
清川 貴康
VU Thi Quyen
淵上 暢彦
孟烈

研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手

荒木 華子
菰野 恵子
白井 隆一
片岡 梢
杉本 理絵
米澤 順子
森美佐都
吉野 直美
大西 紀子
鹿嶋 麻衣
森恵子
藤原 洋一
手嶋 孝
尾方 秀謙
小倉 公美子山田 美久

CO2 分離・回収技術の高度化・実用化への取り組み
1. CO2 分離・回収技術の研究開発

トラル、脱炭素社会の実現を目指す」ことを宣言された。

2015 年 12 月、COP21 で「パリ協定」が採択され、カーボンニュートラルを実現するためには、ネガティブエこれまで以上に CO2 排出量の低減が必須となってきた。

ミッション技術が必要であり、特に最近注目されている我が国では、2019 年 6 月に、「パリ協定に基づく成長大気中からのＣＯ ２ の直接回収すなわち Direct Air戦略としての長期戦略」および「統合イノベーション戦略Capture（DAC）は重要である。

2019」が策定され、世界のカーボンニュートラルを可能

このような背景を受けて、様々な CO2 排出源に対し、と す る 重 要 な 革 新 的 技 術 と し て CCUS （ Carbon

最適な分離・回収技術を提案することにより、CCUS のdioxide Capture, Utilization and Storage）/カ実用化を推進していかなければならない。なかでも地球ーボンリサイクルが示された。CCUS/カーボンリサイク

温暖化対策として CO2 の大規模削減が期待できる

ルでは、「CO2 を炭素資源として捉えて、分離･回収したCCS を早期に導入、実用化するためには、そのコストのCO2 の化石燃料や素材への再利用（CCU）」と「分離･回約 6 割程度を占めると試算されている排出源からの収した CO2 の地中貯留（CCS）」の組合せにより、大きCO2 分離・回収コストの低減が重要である。

な CO2 削減効果 が見込まれている。さらに、CO2 分

化学研究グループでは、CO2 分離・回収技術の研究開離･回収技術は CCUS の基盤となることが示され、発を行っており、これまでに化学吸収法、固体吸収法、2050 年度までに CO2 分離･回収コスト 1,000 円/t-膜分離法で世界をリードする研究開発成果を上げてきCO2 を目指し開発を進めることや様々な CO2 排出源にた。材料の開発に始まり、加工、システム検討までを一貫対応する分離･回収技術を確立していくこと等が、目標して研究開発していることが特徴である。

として示されている。最近では 2020 年 10 月の第化学吸収法においては、新化学吸収液の開発目標と203 回臨時国会の所信表明演説において、菅義偉内閣

した分離・回収エネルギー2.0GJ/t-CO2 を達成すると総理大臣は「2050 年までに、温室効果ガスの排出を全ともに、吸収液からの CO2 回収温度を 100℃以下で可体としてゼロにする、すなわち 2050 年カーボンニュー能とする画期的な吸収液を見出すことに成功した。また、

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COURSE50（「環境調和型プロセスの技術開発」プロとに着目し、新規アミン液の開発にいち早く着手した。

ジェクト，国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総2004 年に開始した「低品位廃熱を利用する二酸化炭合開発機構（NEDO）委託事業）で開発した化学吸収液

素分離･回収技術開発（COCS）」（経済産業省（METI）は、商用化されている。

補助事業）以降、主に製鉄プロセスを対象に、CO2 分離・固体吸収法においては、CO2 高効率回収・低エネルギー消費型の固体吸収材の研究開発に取り組み、これまで回収エネルギーおよびコスト低減を可能とする高性能アミン液の開発を実施した。に、低温で脱離性能の良い固体吸収材を見出すことに製鉄プロセスにおける CO2 削減 30％を目標とした成功している。現在、NEDO 委託事業において民間企プロジェクト「COURSE50」（NEDO 委託事業）では、業と共同で石炭火力発電所の実燃焼排ガスによるスケRITE は、日本製鉄株式会社と共同で化学吸収法の高度ールアップ実証試験を行う予定である。

化に取り組んでいる。COURSE50 で開発した化学吸膜分離法は、圧力を有するガス源から CO2 を低コスト、収液およびプロセスは、2014 年に商用化した日鉄エン省エネルギーで分離するプロセスとして期待されている。

ジ ニ ア リ ン グ 株 式 会 社 の 省 エ ネ 型 CO2 回 収 設 備

RITE では石炭ガス化複合発電（IGCC: IntegratedESCAP®に採用された。

coal Gasification Combined Cycle）等の高圧ガESCAP® １号機は室蘭製鉄所構内に、飲料等を含むスから低コスト、省エネルギーで CO2 を回収することを一般産業用途向けに建設された（120t-CO2/day）。製目指した膜および膜エレメントの開発を行っている。実鉄所の熱風炉燃焼排ガスを CO2 回収源とする化学吸収用化を目指し、量産化を念頭に連続製膜技術、および膜法による商業設備としては、世界で初めてのものである。

エレメント製造技術等の開発を進めるとともに、実ガス

2018 年には、2 号機が新居浜西火力発電所で操業をを用いた膜エレメントの検証試験を実施し、商用化を目開始した（143t-CO2/day）。石炭火力発電の燃焼排ガ指して取り組んでいる。

スを CO2 回収源とする化学吸収法による CO2 分離回以上のように、幅広い次世代の礎となる革新的な技収設備としては、日本初の商業設備である。回収された術開発に取り組み、CO2 削減に向けた研究開発をリード

CO2 は、近接する化学工場で化学副原料として利用さするとともに、産業界で実用される技術確立を目指してれている。

いる。また、International Test Center Network（CO2 分離･回収技術の研究開発を推進する世界各地の施設のグルーバル連合）に加盟し、CO2 分離･回収技術の早期実用化に向けて海外ネットワークを利用する活動も推進している。

2. 化学吸収法
吸収法では、混合ガス中の CO2 が溶液に選択的に溶解すること利用して CO2 を分離する。特に、溶液中のアミンと CO2 との化学反応に基づく化学吸収法は、燃焼排ガス等、比較的低濃度の CO2 にも適用が可能であり、最も成熟した CO2 分離・回収技術の一つである。
化学吸収法では、溶液再生工程でのエネルギー消費やアミンの劣化などがコスト増大の要因となる。RITEは、アミン分子の構造がこれらの要因と密接に関わるこ

図１ 省エネ型 CO2 回収設備 ESCAP®
（住友共同電力株式会社新居浜西火力発電所内）

3. 固体吸収法
アミンを水などの溶媒に溶かした化学吸収液と異なり、

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固体吸収材は、アミンをシリカや活性炭などの多孔質材2022 年度から石炭火力発電所から排出される燃焼排料に担持したものである。固体吸収材を用いたプロセスガス中の CO2 分離・回収試験を開始する予定である。現

では、溶媒に起因する蒸発熱や顕熱を抑制できることか

在、RITE では、パイロットスケール試験に向けて、固体ら、CO2 分離・回収エネルギーの低減が期待できる。

吸収材製造技術の合理化・低コスト化、材料劣化機構の解明と劣化防止技術の開発、プロセスシミュレーション技術の高度化などを進めている。

図 2 化学吸収液と固体吸収材

RITE は、2010 年に主に石炭火力発電所の燃焼排ガスからの CO2 分離・回収を対象に、固体吸収材の開発

図 3 固体吸収法の開発ロードマップに 着 手 し た （ METI 委 託 事 業 ） 。 基 盤 研 究 フ ェ ー ズ（2010～2014 年度）では、固体吸収材に適した新規ア4. 膜分離法

ミンの開発に成功し、ラボスケール試験において、分離・膜分離法は、圧力差によって分離膜の供給側から透回収エネルギー1.5GJ/t-CO2 以下を実現した。本固体過側へ CO2 を透過・分離する分離法である。そのため、吸収材は、低エネルギー回収のみならず、60℃での低高圧ガスである燃焼前回収（Pre-combustion）への温プロセスを可能とする革新的な材料である。

適用により、低コスト、省エネルギーでの CO2 分離･回収

2015 ～ 2019 年 度 ま で の 実 用 化 研 究 フ ェ ー ズが期待される（図 4）。

（METI/NEDO 委託事業）では、川崎重工業株式会社をパートナーとして、固体吸収材のスケールアップ合成（>10m3 ）、ベンチスケール試験（>5t-CO2/day）、石炭火力発電所での実ガス曝露試験などを実施し、CO2分離・回収コスト 2,000 円台/t-CO2 に目途を得た。アミン固体吸収材を用いた他の事業と比較して、本事業の回収規模、エネルギー、コストはいずれも世界トップ水準である。
2020 年、RITE は川崎重工業株式会社とともに

図 4 分離膜を用いた石炭ガス化複合発電（IGCC）からのCO2 分離･回収NEDO 委託事業「先進的二酸化炭素固体吸収材の石炭燃焼排ガス適用性研究」に採択された。本事業では、関RITE では、高密度のアミノ基を有するポリアミドアミ

西電力株式会社の協力を得て、パイロットスケール試験

ンデンドリマーを用いた新規な高分子系材料が優れた設備（40t-CO2/day 規模）を舞鶴発電所内に建設し、CO2 と H2 の分離性能を有することを見出し、このデン40

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ドリマーと架橋型高分子材料の分離機能層を有する複合膜(分子ゲート膜)の開発を行ってきた。分子ゲート膜の概念図を図 5 に示す。

図 6 CO2 分離膜、膜エレメント（大面積の膜、支持体および流路材等の部材を一体化したもの）および膜モジュール（膜エレメントと収納容器（ハウジング）を組み合わせたもの）

METI 委託事業の「二酸化炭素分離膜モジュール研究
図 5 分子ゲート膜の概念図開発事業」（2011〜2014 年度）および「二酸化炭素回収技術実用化研究事業（二酸化炭素分離膜モジュール実

ここに示すように、透過機構としては、加湿条件で、膜用化研究開発事業）」（2015〜2018 年度）で開発した中に取り込まれた CO2 が膜中のアミノ基とカルバメート

膜素材、膜エレメントや膜分離システムを基礎として、現や重炭酸イオンを形成し、分子サイズの小さな H2 の透過

在、NEDO 委託事業「CCUS 研究開発・実証関連事業／を阻害することで、従来の CO2 分離膜では分離が難し

CO2 分離･回収技術の研究開発／二酸化炭素分離膜モかった CO2 と H2 を効率良く分離できると考えている。

ジュール実用化研究開発」（2018〜2021 年度）におい

また、高圧条件への適用のために、ポリビニルアルコーて、実機膜モジュールシステムの開発を進めており、実ル（PVA）系の架橋高分子マトリクスを使用し、十分な耐用化に向け、MGM 組合として連続製膜技術および連続圧性を有する膜材料を開発した。

製膜した膜を用いた膜エレメントを開発中である。

基礎研究段階として、優れた CO2 透過速度と CO2/連続製膜を用いた膜エレメントの量産化に向けた検討

H2 選択性を有する複合膜の開発に成功している。このにより、2.4MPa の高圧下においても安定な外径 2 イ成果の実用化を推進するために、現在、RITE および民ンチおよび 4 インチの膜エレメントが作製でき、膜エレメ間会社を組合員とする次世代型膜モジュール技術研究

ントの基本製法の確立に目途を得た。

組合（MGM 組合）によって、CO2 分離膜、膜エレメント

また、実ガス試験による膜エレメントの分離性能、プロの開発（図 6）および膜分離システム検討を実施中であセス適合性等に関する技術課題の抽出と解決を行うたる。

めに、電源開発株式会社若松研究所（以下、若松と記載）
において、石炭ガス化炉からの実ガスを用いた膜エレメントの検証試験を実施した。4 インチ膜エレメントを用いた実ガス試験結果を図 7 に示す。なお、若松における石炭ガス化ガスの圧力条件に即して、全圧 0.8MPa（絶対圧）での試験を行った。

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研究開発が行われつつある。RITE は当該事業に採択された「大気中からの高効率 CO2 分離･回収・炭素循環技術の開発」 で、金沢大学および民間企業と協力して、DAC に最適な材料およびシステムの検討を開始したところである。本テーマを含め、ムーンショット目標 4 の「2050 年までに、地球環境再生に向けた持続可能な資源循環を実現」 を達成するための技術開発の中で「（１）
図 7 実ガス試験および実ガス試験前後の模擬ガス試験におけるＣＯ２分離性能
温度：85℃、0.8MPa（絶対圧）
模擬ガスには CO2/He/N2 を供給ガスとして使用。

実ガス試験前後で膜エレメントの分離性能は、ほぼ同等の分離性能である事が判った。また、実ガス試験中の分離性能低下も認められなかったことから、4 インチ膜エレメントが実ガスに対する初期（短期）耐久性を有することを確認することができた。
今後は、これまでの成果に基づき、実機サイズの大型膜モジュールの開発および膜分離システムの研究開発を進める予定である。

5. 新たな取り組みこれまで述べたように、化学研究グループでは、製鉄所や発電所などの大規模 CO2 排出源を対象とした CO2分離・回収技術の高度化・実用化に注力してきた。最後温室効果ガスを回収、資源転換、無害化する技術の開発」
として、計 8 テーマが採択されている。
大気中からの CO2 回収は、通常の石炭等の燃焼後排ガスから CO2 を分離･回収する場合と比べ、CO2 濃度は400ppm 程度と 2～3 桁低いため、回収コストは極めて高価になると言われている。DAC を現実的なものとするためには、これまでにない高性能な CO2 分離材料の開発と大量の空気を効率よく吸脱着する事の出来るプロセスを構築する必要があり、CO2 分離材料について
は、RITE がこれまで取り組んできた固体吸収材や有人宇宙活動用の CO2 吸着剤の研究経験で培ってきたアミン系化合物を中心とする材料設計の知見を活かし、回収コストを低減できる優れた材料開発を目指している。一方、CO2 分離･回収プロセスについては、共同実施者である金沢大学の吸着材ハニカムロータを用いたデシカン
ト除湿空調プロセス研究の知見を活用し、CO2 分離材料とプロセス技術の両者が連携することで高効率な DACシステムの開発を目指している。に別の新たな取り組みについての二つの事例を紹介する。一つは、大気中からの CO2 回収すなわち DirectAir Capture（DAC）、もう一つは CO2 を炭酸塩として固定化する技術の開発である。
カーボンニュートラルを実現するためには、大気中に排出されてしまった CO2 を除去できる技術、すなわちネガティブエミッション技術が不可欠である。近年、DACは代表的なネガティブエミッション技術の一つとして注目されており、海外でも検討が進んでいる。今後の普及

図８ 大気中からの高効率 CO2 回収・炭素循環技術の開発のためには回収エネルギーおよびコストを大幅に低減することが望まれ、日本でも、2020 年度よりスタートしたCO2 を炭酸塩として固定化する技術において、RITE

NEDO の「ムーンショット型研究開発事業」で挑戦的なは長年にわたり培ってきた独自プロセスを保有している。

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2020 年より、JFE スチール株式会社、太平洋セメント

研究課題に精力的に取り組み、実用化ステージに近いも株式会社、および RITE は、研究会を設置し、鉄鋼スラのは、スケールアップ検討や実ガス試験を通して早期のグや廃コンクリート等を対象として、これらから湿式で抽技術確立を目指し取り組んでいく。同時に、革新的技術出したアルカリ土類金属を活用し、工場等より排出され開発に取り組み、より省エネルギーで低コストが可能な

た CO2 との反応により、安定した化合物である炭酸塩

CO2 分離･回収技術を提案していきたいと考える。

として回収する技術の開発、および生成した炭酸塩の有効利用技術の開発等（図９）に協力して取り組んでいる。
RITE の独自プロセスや研究開発スキルと鉄鋼およびセメント業界をリードする 2 社の技術力や幅広い見識を融合することによって、技術開発におけるシナジー効果が期待される。

図９ CO2 炭酸塩固定化および有効利用技術

6. おわりに
化学研究グループでは、前述のとおり、主に化学吸収法・固体吸収法・膜分離法を対象に CO2 分離･回収技術開発を精力的に推し進めてきた。化学吸収法では実証ステージから高炉排ガスや石炭火力燃焼排ガスの商用機へ展開され、既に CO2 分離･回収技術として実用化されている。固体吸収法では、石炭火力燃焼排ガスに対して2020 年度より 40t-CO2/day 規模のパイロット試験に向けた検討に着手している。膜分離法では、IGCC 燃焼前排ガスからの膜エレメントを用いた実ガス試験において CO2 と H2 の分離能を確認するなどの成果を得た。
他にも新たに NEDO の「ムーンショット型研究開発事業」において採択された DAC 技術開発や、鉄鋼スラグや廃コンクリート等からの CO2 の炭酸塩固定化技術開発にも取り組み始めたところである。
化学研究グループでは、これらテーマにおける個々の43