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
れ可能な実用的な技術開発を進めている。

CCS（Carbon dioxide Capture and Storage） は、 化 石

なお当グループは、ゼオライト分離膜による CO2 分離

燃料の燃焼で発生した CO2 を回収する技術と、回収したCO2 を地中に貯留・隔離する技術である。

技術、パラジウム膜による H2 分離技術、膜―吸収ハイブ

CCS コストの 6 割程度は排出源からの CO2 回収に要す

リッド法による CO2 分離技術、圧力を利用したプラスチッると試算されており、CCS の実用化促進には CO2 回収コク成型技術などの独自シーズ技術を有しており、その普及ストの低減が重要である。に努めている。

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、炉から従来の半額となる 3,000 円 / トン -CO2 で CO2 を回化学吸収法における最大の課題である CO2 分離コストを収する目処を得た。実証研究となる COURSE50 プロジェ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 / トン -CO2 を狙っ

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た化学吸収液の開発を継続している。
一方、高圧ガスから CO2 回収に適した高性能な吸収液

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の開発」プロジェクト（COCS プロジェクを開発し、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 を含む圧力ガスから CO2 を選択に分きた（図１）。

離回収する分子ゲート膜で、IGCC 等の圧力ガスから 1,500円 / トン -CO2 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、その素材を用いた複合膜と膜モジュールを開発中である。更に、開発した膜モジュー
ルを用いた石炭ガス化の模擬ガスを用いるモジュール試験性能評価試験に着手した。
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、除湿塔省略による簡略化と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、ア

図 1 低品位廃熱を利用する分離回収技術 （COCS） 概要

ミン系の CO2 吸収液を多孔質支持体に担持させた新たなCO2 を低エネルギーで分離回収するため、新吸収液に求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められる性能は、CO2 との反応熱および解離エネルギーが発により CO2 分離技術をリードし、かつ産業界が受け入小さくかつ CO2 の吸収量が多いことであり、それらの特16

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研究活動概説性を示す化合物として、特にアミン水溶液が優れている。

この COCS プロジェクトによる開発成果は、製鉄所プロセCOCS プロジェクトでは、第１ステップとして、市販アスガスからの CO2 分離回収を目的とした環境調和型製鉄プミンから数百種類を選定して、それらの水溶液におけるロセス技術開発プロジェクト（COURSE50、平成 20 年度〜

CO2 の吸収速度、反応熱、吸収量等の基本特性をラボ実験24 年度）に引き継がれた。

により検討し、アミンの化学構造と吸収液特性との相関を現在、我々は、上記プロジェクトに適した、より高性能な把握した。更に、各種アミンの特性を補完するため複合化

新吸収液（目標とする分離回収エネルギー 2.0GJ/t- CO2）

したアミン組成物について検討し、高性能な数種類の新吸を見出すべく研究開発に取り組むとともに、プロセス評価設収液（RITE-3 系、4 系）を開発した（図 2）。さらに第 2 ステッ備（30t- CO2/d 能力）による吸収液の実証実験を進めている。

プとして、これまでの知見や量子化学による理論計算等をまた、これまでの研究経験を基にして、平成 19 年度から活用して、新規なアミンを設計、合成・評価する探索領

平成 21 年度まで、高圧条件下での CO2 分離回収に適した域に研究範囲を広げた結果、新たな高性能吸収液（RITE-5吸収液の研究開発に取り組み、吸収および放散性能の優れ系 ､6 系）を開発した。その結果、これまで標準的に使用たアミン系吸収液を開発した。我々は、これらのアミン吸収されていた MEA（モノエタノールアミン）の CO2 分離回液を用いた高圧ガスにおける化学吸収法を新たな CO2 分離

収エネルギーが 4.0GJ/t- CO2 であるのに対して、本プロ回収方法として提案していく。

ジェクトで開発した最高性能の吸収液の分離回収エネル

圧力ガスから CO2 と H2 を分離する高分子系膜の開発

ギーは 2.5GJ/t- CO2 であり、プロジェクト目標を達成することができた。（図 3）。

日本政府が提唱する「クールアース 50」の革新的技術のひとつに「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 を含 む 混 合 ガ ス を 製 造 し、CO2 を 回 収・ 貯 留（CCS：CO2Capture and Storage）して、H2 をクリ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、1,500 円 /t-CO2以下のコストで CO2 を回収できる新規な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 4 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

図 2 新規吸収剤開発とで、従来の膜では分離が難しかった CO2 と H2 を効率良

図 3 新規吸収液によるエネルギーの低減

図 4 分子ゲート膜

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研究活動概説く分離できる。現在までに、新規に開発したデンドリマー

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が優れた CO2 と H2 の分離性能を有することを見出し、こ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行っている。

複合膜で世界トップ性能となる 30 を超える CO2/H2 選択

耐水蒸気型吸着剤による CO2 吸着分離技術開発性を得ている。図 5 は、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 分離性能である。この成

水蒸気共存条件下でも CO2 の吸着性能が低下しない新果を元に、㈱クラレ、ダイセル化学工業㈱、㈱東レ、日東

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電工㈱の分離膜メーカー 4 社の協力を得て実用的な分離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膜モジュールの開発を促進している。更に、新日鉄エンジ開発している。また最近、高圧ガスからの CO2 分離に有ニアリング㈱の協力を得て、石炭ガス化試験装置から発生効な材料を開発し、本吸着剤を利用した省エネルギー型のするガスを用いた実験を通じて、分離膜の有効性を確認す

CO2 吸着分離プロセスを検討している（図 7）。

る（図 6）。

図 7 耐水蒸気型吸着剤による CO2 分離プロセス

従来型の 13X ゼオライトは、低 CO2 分圧で吸着が飽和
図 5 デンドリマー包含膜と CO2/H2 分離性能するため、高圧ガスからの CO2 回収には不向きであるが、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。

化学吸収剤を用いた CO2 分離回収技術の高度化
図 6 民間企業との連携による膜モジュール化

地球温暖化対策としての CCS 技術（二酸化炭素回収・貯留 : Carbon dioxide Capture and Storage）は早期の実

デンドリマー膜の開発は、炭素隔離リーダシップフォー用化が期待されており、低エネルギー･低コスト型の CO2ラム（CSLF）の認定プロジェクト「圧力ガスからの CO2分離回収技術の開発、および化学吸収法の実証試験や商業分離」に登録され、米国エネルギー省国立エネルギー技術規模の事業検討が近年進められている。RITE は、これま研究所（DOE/NETL）と共同研究を実施している。更に、でに蓄積した化学吸収法等の CO2 分離回収技術をベース

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研究活動概説に、平成 22 年度に新たなプロジェクト（「二酸化炭素回GCEP の紹介収技術高度化事業」経産省委託事業）を立ち上げ、CO2 高ス タ ン フ ォ ー ド 大 学 の GCEP（Global Climate and

効率回収・低エネルギー消費型の固体吸収材の開発、およEnergy Project）から「先進的 CO2/ H2 分離材料の開発」

び化学吸収法のプロセス評価技術の開発に着手した。

を受託している。この「先進的 CO2/H2 分離材料の開発」

固体吸収材は、化学吸収剤であるアミンを多孔質支持体

では、亜臨界並びに超臨界状態の CO2 を鋳型とする新しに担持させた固体（図 8）で、アミンを水溶液として用い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る化学吸収法と異なり、CO2 解離に伴う蒸気エネルギー損る。その概念を図 9 に示す。CO2/ H2 分離材料では、膜中失が無視できるため CO2 分離回収エネルギー低減の可能に存在する CO2 親和性物質を分子レベルで構造制御する性がある。固体吸収材の開発は、米国の NETL（National

ことに因り、優れた分離性能を発現することが可能とな

Energy Technology Laboratory） に お い て 実 績 が あ り、る。図 9 で、超臨界 CO2 の存在下で、CO2 親和性物質がRITE は、NETL との技術交流を通して、RITE の化学吸収液CO2 と接した最適な構造を分離膜中で取っている（状態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A）。超臨界 CO2 を除去する際に構造が維持され（状態 B）、る。

CO2 親和性物質が CO2 の透過に最適な構造を有する分離化学吸収剤（アミン）

多孔質支持体・MEA・PEI・RITE開発液のアミン成分など・シリカ・ポリマー・粘土鉱物など膜を得る可能性が期待される。

（狙い）

固体吸収材（1粒子）

・アミンの大量固定・高CO2分離回収性能
・再生エネルギー低減（検討項目）
・アミン／支持体の最適組合せ
・アミンの安定的な担持方法

図 8 新規固体吸収材の開発

図 9 CO2 を鋳型に用いる分離膜開発の概念

一方、化学吸収法のプロセス評価技術に関しては、先進的な化学吸収液を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ている。具体的には、化学吸収液をエネルギー･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。

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