化学研究グループ

研究活動概説化学研究グループ
CO2 分離・回収技術の高度化・実用化へ向けた取り組み
１．CO2 分離・回収技術研究開発

れ可能な実用的な技術開発を進めている。

CCS（CO2 capture and storage）は、化石燃料の燃焼でなお当グループは、ゼオライト分離膜による CO2 分離発生した CO2 を回収する技術と、回収した CO2 を地中に技術、パラジウム膜による H2 分離技術、膜・吸収ハイブリッ貯留・隔離する技術である。

ド法による CO2 分離技術、圧力を利用したプラスチックCCS コストの 6 割程度は排出源からの CO2 回収に要す成型技術などの独自シーズ技術を有しており、その普及にると試算されており、CCS の実用化促進には CO2 回収コ努めている。その中で膜・吸収ハイブリッド法による CO2ストの低減が重要である。

分離技術が民間企業に採用された。

化学研究グループでは化学吸収法と膜分離法及び吸着分

２．化学吸収法による CO2 分離・回収技術開発

離法等の独自の CO2 分離・回収技術の開発に力点を置いてきた。

化学吸収法は、ガス中の CO2 をアミン水溶液からなる化学吸収法では、COCS プロジェクトと名付けた、製吸収液に化学的に吸収させた後、加熱することで CO2 を鉄所の排ガスを対象にした CO2 分離技術の開発を完了し、吸収液から分離・回収する技術であり、常圧で大規模に発革新的なアミンの開発と未利用廃熱の活用により製鉄所高生するガスからの CO2 分離に適している。我々の目的は、炉ガスから従来の半額となる 3,000 円 /t-CO2 で CO2 を回化学吸収法における最大の課題である CO2 分離・回収コ収する目処を得た。実証研究となる COURSE50 プロジェストを低減する高性能新吸収液を開発することである。

クトに参加し CO2 回収コスト 2,000 円 /t-CO2（2015 年）

我々は、平成 16 年度から平成 20 年度の期間、製鉄所高炉ガス中の CO2 を化学吸収法により従来の半分のコスを狙った化学吸収液の開発を継続している。
一方、高圧ガスからの CO2 回収に適した高性能な吸収トで分離・回収するための「低品位廃熱を利用する二酸化炭素分離回収技術開発」プロジェクト（COCS プロジェク液を開発し、応用展開を図っている。

トと呼称）を企画推進し、当初の目標を達成することがで

膜分離法では、H2 を含む高圧ガスから CO2 を選択的にきた（図 1）。

分離・回収する分子ゲート膜で、IGCC 等の高圧ガスから1,500 円 /t-CO2（2015 年）で CO2 を回収することを目指している。デンドリマーを用いる新規な高分子系材料がCO2/H2 分離に優れることを見出し、現在は、RITE と民間企業 3 社で技術研究組合を設立し、実用化を目指した膜モジュール、膜分離システムを開発中である。
吸着法では、高圧の条件下で水蒸気が存在しても殆どCO2 吸着性能が低下しない新規 CO2 吸着材を開発し、除湿塔省略による低コスト分離プロセスの構築を目指している。
更に、低コストの CO2 分離・回収技術を目的として、

図 1 低品位廃熱を利用する CO2 分離回収技術 （COCS） 概要

アミン系の CO2 吸収液を固体吸着材に担持させた新たなこのプロジェクトでは、種々の高性能な新吸収液を開固体吸収材の開発に着手している。
以上のように、幅広い次世代の礎となる革新的な技術開発した。それまで標準的に使用されていた MEA（モノエ発により CO2 分離技術をリードし、かつ産業界が受け入タノールアミン）の CO2 分離・回収エネルギーに対して、

18

化学研究グループ

研究活動概説本プロジェクトで開発した吸収液は分離・回収エネルギー力のもと、実高炉ガスを用いる 1t および 30t-CO2/d 能力設消費量の大幅低減を達成した。

備（図 3）での評価に取組んでいる。

この開発成果は、製鉄所プロセスガスからの CO2 分離・

これまでに、以前に開発した化学吸収液（開発液 1）よ回収を目的とした環境調和型製鉄プロセス技術開発プロ

りも消費熱エネルギーを低減した化学吸収液（開発液 2）

ジェクト（COURSE50、平成 20 年度から 5 ヵ年）に引きの開発に成功している（図 4）。開発液 2 の熱エネルギー継がれた。

消費量は 2.5GJ/t-CO2 を達成し、さらに実機では 0.1GJ/

現在、我々は、COURSE50 プロジェクトに適したよりt-CO2 程度の改善が見込まれる。

高性能な新吸収液（目標とする分離・回収エネルギー 2.0GJ/t-CO2）を見出すべく研究開発に取り組んでいる（図 2）。

図 4 性能 （消費熱エネルギー） 評価状況

また、これまでの研究経験を基にして、平成 19 年度か
図 2 新規吸収剤開発

ら平成 21 年度まで、高圧条件下での CO2 分離・回収に適分離・回収エネルギーを最小化するためには CO2 分離・した吸収液の研究開発に取り組み、吸収および放散性能の回収時の化学的反応熱を最小化し、設備を最小化するため優れたアミン系吸収液を開発した。我々は、これらのアミに CO2 分離・回収反応速度を最大化しなければならない。

ン吸収液を用いた高圧ガスにおける化学吸収法を新たな一般に、反応熱と CO2 分離・回収速度はトレードオフのCO2 分離・回収方法として提案していく。

関係にあるが、これらを両立する吸収液を開発する必要がさらに、化学吸収法のプロセス研究として、新規プロある。

ジェクト（「二酸化炭素回収技術高度化事業」経産省委託

そこで我々は、新日本製鐵㈱および東京大学とともに最事業、平成 22 年度〜）おいて、“先進的な化学吸収液を新の計算化学や合成化学を駆使した高性能な新規アミン吸実機システムレベルで評価する標準的手法の開発” を進め収液の開発を行うとともに、新日鉄エンジニアリング㈱の協ている。具体的には、化学吸収液をエネルギーとコストの両面から評価するためのプロセスシミュレーション技術の高度化や、プロセスを産業技術として確立するための化学吸収液の耐久性および環境影響等の調査を実施している。平成 22 年度には国内企業所有のパイロットプラント（10t-CO2/d 規模）を用いて RITE 開発液の性能を評価するとともに、プロセスシミュレーションに必要なデータの収集を行った。

３．高圧ガスから CO2 と H2 を分離する高分子系膜の開発
図 3 試験設備の外観

日本政府が提唱する「クールアース 50」の革新的技術

19化学研究グループ

研究活動概説CO2 選択透過のさらなる向上を検討中である。のひとつに「ゼロ・エミッション石炭火力発電」がある。
石炭をガス化した後に水性ガスシフト反応で CO2 と H2 を

この成果を元に、㈱クラレ、日東電工㈱の分離膜メーカー含む混合ガスを製造し、CO2 を回収・貯留して、H2 をクリー

2 社及び新日鉄エンジニアリング㈱と次世代型膜モジューンな燃料として用いる。この圧力を有する混合ガスから、ル技術研究組合を設立し、分離膜開発、膜モジュール開発、1,500 円 /t-CO2 以下のコストで CO2 を回収できる新規な膜分離システム開発を実施中である（図 7）。

分子ゲート膜を開発中である。
分子ゲート膜は、CO2 と H2 を効率良く分離することが可能である。図 5 に分子ゲート膜の概念を示す。ここで、膜中の CO2 が分子サイズの小さな H2 の透過を阻害することで、従来の膜では分離が難しかった CO2 と H2 を効率良く分離できる。現在までに、新規に開発したデンドリマーが優れた CO2 と H2 の分離性能を有することを見出し、このデン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で世界トップ性能となる 30 を超える CO2/H2 選択
図 7 民間企業との連携による膜モジュール化性を得ている。図 6 に、RITE で開発したデンドリマー包含架橋高分子膜の概念と CO2/H2 分離性能を示す。現在、デンドリマー膜の開発は、炭素隔離リーダーシップこれらの材料をベースに膜材料の改良、薄膜化等による

フ ォ ー ラ ム（Carbon Sequestration Leadership Forum,CSLF) ＊ の認定プロジェクト「圧力ガスからの CO2 分離」に登録され、米国エネルギー省国立エネルギー技術研究所（DOE/NETL）と共同研究を実施している。更に、ノルウェー
科学技術大学、米国テキサス大学とも膜開発の共同研究を実施しており、国際協力体制の下で研究開発を行っている。

＊米国が、炭素隔離技術の開発と応用を促進するための国際協力を推進する場として提案した組織。日本を含む多数の国・地域が参加しており、CO2 の回収、地中貯留等に関す
図 5 分子ゲート膜の概念図

る多数のプロジェクトに対して支援を行っている。

４．耐水蒸気型吸着剤による CO2 吸着分離技術開発
水蒸気共存条件下でも CO2 の吸着性能が低下しない新しい吸着剤の開発に取り組んでいる。これまでに常圧型ではアミン化合物により表面修飾したメソポーラスシリカを開発している。また最近、高圧ガスからの CO2 分離に有効な材料を開発し、本吸着剤を利用した省エネルギー型のCO2 吸着分離プロセスを検討している（図 8）。
従来型の 13X ゼオライトは、低 CO2 分圧で吸着が飽和するため、高圧ガスからの CO2 回収には不向きであるが、
図 6 デンドリマー包含膜と CO2/H2 分離性能

新規に開発した吸着剤 (A) はほとんど水蒸気の影響を受け20

化学研究グループ

研究活動概説ず、また常圧に戻すだけで吸着した CO2 が回収できるため、大幅な分離・回収エネルギーの低減が可能である。また除湿プロセスの省略により装置のコンパクト化も可能となる。これまでに CO2/H2 流通混合ガスから CO2 を高選択的に分離可能なことを確認し、現在小型の 2 塔式連続吸着分離試験装置を用いてプロセスの有効性を検証中である。

図 9 新規固体吸収材の開発

６．GCEP の紹介
ス タ ン フ ォ ー ド 大 学 の GCEP（Global Climate andEnergy Project） か ら「 先 進 的 CO2/H2 分 離 材 料 の 開 発 」
図 8 耐水蒸気型吸着剤による CO2 分離プロセスを受託している。この「先進的 CO2/H2 分離材料の開発」
では、亜臨界並びに超臨界状態の CO2 を鋳型とする新し

５．化学吸収剤を用いた CO2 分離・回収技術の高度化

いコンセプトを用いる革新的な分離膜の開発を目指してい地球温暖化対策としての CCS 技術は早期の実用化が期る。その概念を図 10 に示す。CO2/H2 分離材料では、膜中待されており、低エネルギー・低コスト型の CO2 分離・に存在する CO2 親和性物質を分子レベルで構造制御する回収技術の開発、および化学吸収法の実証試験や商業規模ことにより、優れた分離性能を発現することが可能となる。の事業検討が近年進められている。RITE は、これまでに

図 10 に示すように、超臨界 CO2 の存在下では、分離膜中蓄積した化学吸収法等の CO2 分離・回収技術をベースに、の CO2 親和性物質が CO2 と接した最適な構造をとってい

平成 22 年度に新たなプロジェクト（「二酸化炭素回収技る（状態 A）。超臨界 CO2 を除去する際に構造が維持され術高度化事業」経産省委託事業）を立ち上げ、CO2 高効率（状態 B）、CO2 親和性物質が CO2 の透過に最適な構造を有回収・低エネルギー消費型の固体吸収材の開発、および化する分離膜を得る可能性が期待される。

学吸収法のプロセス評価技術の開発に着手した。
固体吸収材は、化学吸収剤であるアミンを多孔質支持体に担持させた固体（図 9）で、アミンを水溶液として用いる化学吸収法と異なり、CO2 解離に伴う蒸気エネルギー損失が無視できるため CO2 分離・回収エネルギー低減の可能性がある。固体吸収材の開発は、米国の NETL（NationalEnergy Technology Laboratory） に お い て 実 績 が あ り、
RITE は、NETL との技術交流を通して、RITE の化学吸収液

図 10 CO2 を鋳型に用いる分離膜開発の概念開発技術を発展させた新規固体吸収材の開発を目指している。これまでに、RITE 液をベースとして比較的低温で脱離性能の良い固体吸収材を開発し、その実用可能性を検証中である。

21