研究活動概説⃝化学研究グループ

ＲＩＴＥ

Ｔｏｄａｙ

２０２０

化学研究グループ

グループリーダー・
主席研究員
中尾

真一

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		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		

杉田 啓介
馬場 宏治
余語 克則
石黒兼二郎
甲斐 照彦
後藤 和也
フィローズ アラム チョウドリー
山田 秀尚
山本信
龍治
真伊藤 史典木下 朋大
清川 貴康
Vu Thi Quyen
段
淑紅

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
大西 紀子
尾方 秀謙
鹿嶋 麻衣
片岡梢
菰野 恵子
白井 隆一
杉本 理絵
手嶋孝
藤原 洋一
森恵子
森 美佐都
吉野 直美
米澤 順子
小倉公美子

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

固体吸収法は、CO2高効率回収・低エネルギー消費CCS（Carbon dioxide Capture and Storage）
は、型の固体吸収材の研究開発に取り組んできており、こ化石燃料の燃焼で発生した温室効果ガスであるCO2

れまでに、低温で脱離性能の良い固体吸収材を開発し、を発電所や工場などの発生源から分離・回収し、回収その実現可能性を検証中である。ラボレベルの連続回したCO2を地中や海底に貯留・隔離する技術である。

収試験結果としては、分離・回収エネルギー 1.5GJ/

地球温暖化対策としてCO2の大規模削減が期待でt-CO2を 達 成 可 能 な 材 料 を 見 出 し て い る。 ま た、きるCCSを早期に導入、実用化するためには、その10m3規模での固体吸収材合成を可能とするスケールコストの約6割程度を占めると試算されている排出源アップ合成技術を確立した。現在、民間企業と共同でからのCO2分離・回収コストの低減が重要である。

実用化研究に取り組んでおり、固体吸収材の実ガス暴

化学研究グループでは、CO2分離・回収技術の研究露試験を実施中である。今後、これらの成果をもとに開発を行っており、これまでに化学吸収法、固体吸収石炭火力発電所内に40t-CO2/day規模の試験設備を法、膜分離法で世界をリードする研究開発成果を上げ設計・設置し、実ガス試験を行う予定である。てきた。材料の開発に始まり、加工、システム検討ま膜分離法は、圧力を有するガス源からCO2を低コスでを一貫して研究開発していることが特徴である。

ト、省エネルギーで分離するプロセスとして期待され化学吸収法では、新化学吸収液の開発目標とした分ている。RITEは膜分離の事業化を目的に設立された

離・回収エネルギー2.0GJ/t-CO2を達成するととも次世代型膜モジュール技術研究組合の一員として、高に、吸収液からのCO2回収温度を100℃以下で可能といCO2分離性能を有する分子ゲート膜（高いCO2分する画期的な吸収液を見出すことに成功した。また、

離特性を有するデンドリマーと架橋高分子材料を用い

COURSE50（「環境調和型プロセスの技術開発」プた複合膜）を用いて、石炭ガス化複合発電（IGCC:ロジェクト，国立研究開発法人新エネルギー・産業技Integrated coal Gasification Combined Cycle）

術総合開発機構（NEDO）委託事業）で開発した化等の高圧ガスから低コスト、省エネルギーでCO2を回

学吸収液は、民間企業で採用され、CO2回収設備商用収することを目指した膜および膜エレメントの開発を1号機が2014年以降、更に商用2号機が2018年以降、行っている。実用化を目指し、量産化を念頭において、それぞれ運転中である。

連続製膜技術および膜エレメント化技術の開発を進め28

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２０２０ているところである。また、実ガス試験による膜およ

こ れ ま で の 成 果 と し て は、2008年 度 か ら のび膜エレメントの分離性能、プロセス適合性等に関す

COURSE50 PhaseⅠ Step1において、吸収液の分る技術課題の抽出と解決を行うために、国内外の実ガ離・回収エネルギー2.0GJ/t-CO2を達成するとともス試験サイトで、石炭ガス化炉からの実ガスを用いたに、これまで120℃を必要としていた吸収液からの検証試験を進めている。

CO2回収温度を100℃以下で可能とする化合物を見以上のように、幅広い次世代の礎となる革新的な技出し、吸収液開発に成功した。更に、2013年度から

術開発によりCO2削減に向けた研究開発をリードし、のPhaseⅠ Step2においては、一層の高性能化を目かつ産業界が受け入れ可能で実用的な技術を開発して指し、性能発現機構および関連する要素因子を明らかい る。 ま た、International Test Center Networkにした。2018年度からのPhaseⅡでは、分離・回収（CO2分離回収技術の研究開発を推進する世界各地のエネルギー1.6GJ/t-CO2を目標とし、Step2の成果を施設のグルーバル連合）に加盟し、CO2分離回収技術ベースに更なる高性能化に取り組んでいる。目標達成の早期実用化に向けて海外ネットワークを利用する活に向け、新規非水溶媒の探索や吸収促進触媒のペレッ動も推進している。

ト化手法開発などを進めている（図2）。
化学吸収法は成熟した技術と見なされているが、

2. 化学吸収法

RITEは、革新的な新規技術を継続的に提案し、常に化学吸収法によるCO2分離回収は、ガス中のCO2世界をリードしている。

をアミン水溶液等の吸収液中に化学的に吸収させ、その吸収液から高純度CO2を温度操作または圧力操作により分離回収する技術である。RITEは2004年より、「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（ 経 済 産 業 省（METI） 補 助 事 業，COCSプロジェクトと呼称）以降、製鉄所プロセスガスを主対象にCO2分離・回収エネルギーおよびコストを低減し得る高性能吸収液の開発に取組んでいる。
2008年に始まったCOURSE50では、CO2削減目標30％の内、分離･回収によって20％削減と位置付け
ら れ て お り、 本 技 術 開 発 に 対 す る 期 待 は 大 き い。
RITEにおける化学吸収液開発の流れを図1に示す。

図2高性能化学吸収液開発への挑戦

開発技術の産業利用の面では、RITEと新日鐵住金株式会社（2019年4月より日本製鉄株式会社）が共同開発した吸収液が新日鉄住金エンジニアリング株式会社（2019年4月より日鉄エンジニアリング株式会社）の省エネ型CO2回収設備商用機ESCAPに採用されている（1号機： 製鉄所排ガス用，2014年運転開始、2号機：石炭火力発電排ガス用，2018年7月運転開始）（図3）。このように、RITEの研究成果は既に様々な
図1

RITEにおける化学吸収液開発の流れ

CO2発生源を対象とする産業技術に貢献している。
29

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図3

COURSE50成果の産業利用

3. 固体吸収法

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図5

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新規合成アミンによる固体吸収材の性能向上開発したRITE固体吸収材の性能に基づき、プロセ

RITEは2010年から2014年度にかけて、METIからスシミュレーションを行った結果、分離・回収エネルの委託事業「二酸化炭素回収技術高度化事業」におい

ギ ー1.5GJ/t-CO2の ポ テ ン シ ャ ル 性 能 が 示 さ れ、て、固体吸収材の開発を実施した。固体吸収材は、化RITE固体吸収材によるCO2分離・回収技術を石炭火学吸収剤であるアミンを多孔質支持体に担持させたも力発電に適用した場合、従来の化学吸収法（2.5GJ/ので（図4）、化学吸収液と類似のCO2吸収特性を有t-CO2）と比べて発電効率の低下を約2%改善できるしながら、再生工程で顕熱や蒸発潜熱に消費されるエ見込が得られた。

ネルギーの大幅低減を可能とする。

2015年度から始まったMETIからの委託事業「先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発」（2018年度からはNEDOに移管）においては、実用化のための材料最適化、固定層システムを用いたプロセス最適化・高効率化検討、および固体吸収材システムのシミュレーション技術の構築を行うとともに、川崎重工
業株式会社と連携して、石炭燃焼排ガスを用いた移動層ベンチスケール試験を実施している。
材料の最適化においては、これまでに、十分な摩耗強度や耐久性を有し、移動層システムに適した担体をアミン固体吸収材選定し、また、新規アミンについては合成手法の合理開発した固体吸収材には、RITEが合成した新規アケールアップ（100 m3スケール）を視野に入れた大図4ミンを採用している。これまでに市販のアミンに置換化、スケールアップ合成を進めている。その結果、ス量合成法の確立に目途を得た。

基を導入することで、低温での脱離性能に優れ、高い確立した手法によって大量合成（>10 m3）した固CO2回収容量を有する独自の固体吸収材を開発する

体吸収材について、ラボスケール固定層試験装置（図ことに成功し、米国および日本において特許を取得し6）を用いて性能評価を行った。脱着工程で低温スチーた（図5）。

ムを供給するSA-VSA (Steam-aided vacuum swingadsorption)プロセスを採用し、運転プロセスを最適化 し た 結 果、 模 擬 ガ ス(12%CO2)か ら 回 収 純 度>99%、回収率>90%でCO2を回収可能であることが確認された。この際、60°Cの再生工程で必要なス

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チーム供給エネルギーは1.1 GJ/t-CO2という性能が確認され、RITE固体吸収材が優れたCO2分離・回収性能を有することが実証された。また、固定層システ
ムを用いたプロセス最適化の一環として、0.1 t/day規模の小型ベンチスケール試験装置を設計・構築し、現在はスケールアップ課題の検討に取り組んでいる。

図7

固体吸収材の100℃での酸化劣化耐性評価
O2（20%）/ N2（80%）/ H2O（RH50%）

今後、石炭火力発電所での実ガス暴露試験を経て40 t-CO2/day規模のパイロットスケール試験装置を建造し、実ガス試験を実施する計画であり（2017年9月プレスリリース）、2020年代を目処に石炭火力発
図6ラボスケール固定層試験装置

電所からのCO2分離・回収に適した、より高性能な固体吸収材システムを確立すべく、研究開発に取り組ん

現在、大量合成したRITE固体吸収材を用いて、川でいる（図8）。

崎重工業株式会社明石工場に設置されている移動層システムの試験装置を利用して、ベンチスケール燃焼排ガス試験を実施中であり、これまでに7.2 t-CO2/day規模でのCO2回収を達成している。
石炭燃焼排ガスは、約5%のO2を含むため、一般にはアミンの酸化劣化が問題となる。本事業で開発している固体吸収材システムは、低温再生プロセス（約60°C）であるため、耐酸化劣化性の面で有利であると予想される。さらに、ラボ加速試験（約100°C,20% O2）を行った検証では、本事業で開発した新規合成アミンは、市販アミンに比べて顕著に酸化劣化し

図8難いということが確認された（図7）。また、石炭火研究開発ロードマップ

力発電所で実ガス暴露試験を行った結果、本固体吸収

また、固体吸収材は室内や宇宙などの閉鎖空間での材の性能低下がほとんど起こらない、CO2の分離回収

CO2の除去や、空気からの直接CO2回収（Direct Airに適した条件を見出している。

Capture：DAC）など、より低濃度のCO2排出源への適用が検討されており、RITEもより低濃度の排出源からのCO2回収に向けた開発を進めている。今後、CO2分離回収エネルギーの更なる低減に向けて開発を進めていくとともに、開発中の技術の特徴が最大限に活かせる様々な排出源への適用、実用化を進めていく予定である。

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4. 膜分離法

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この成果の実用化を推進するために、現在、RITE

膜分離法は、圧力差によって分離膜の供給側から透および民間会社を組合員とする次世代型膜モジュール過側へCO2を透過・分離する分離法である。そのため、技術研究組合（MGM組合）によって、CO2分離膜、高圧ガスである燃焼前回収（Pre-combustion）への膜エレメントの開発（図11）および膜分離システム適用により、低コスト、省エネルギーでのCO2分離回検討を実施中である。

収が期待される（図9）。

図9 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

RITEでは、デンドリマーを用いる新規な高分子系材料が優れたCO2とH2の分離性能を有することを見

図11 C
 O2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）

出し、このデンドリマーと架橋型高分子材料の分離機

METI委託事業の「二酸化炭素分離膜モジュール研能層を有する複合膜(分子ゲート膜)の開発を行ってき究開発事業」（2011年〜2014年度）および「二酸化た。図10に分子ゲート膜の概念を示す。

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用化研究開発事業）」（2015年度〜2018年度）で開発した膜素材、膜エレメントや膜分離システムを基礎として、現在、NEDO委託事業「CCS研
究開発・実証関連事業／CO2分離回収技術の研究開発／二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発」（2018年度〜）において、実機膜モジュールシステムの開発を進めており、実用化に向け、MGM組合として連続製膜技術および連続製膜した膜を用いた膜エレメントを開発中である。また、石炭ガス化炉からの実ガスを用いた検証試験として、CO2分離膜について

分子ゲート膜の概念図

は2018年度より米国ケンタッキー大学応用エネル

ここに示すように、透過機構としては、加湿条件で、ギー研究センター（UK-CAER）にて開始し、続いて、膜中に取り込まれたCO2が膜中のアミノ基とカルバ

膜エレメントについては2020年からの国内実ガス試メートや重炭酸イオンを形成し、分子サイズの小さな験サイトでの実施に向け取り組んでいる。

図10

H2の透過を阻害することで、従来のCO2分離膜では連続製膜でのCO2分離性能を向上させるために、ま分離が難しかったCO2とH2を効率良く分離できるとず薄膜化および膜組成等の処方の最適化を行った。そ考えている。の後、最適条件の連続製膜法への適用検討を行った。

基礎研究段階として、優れたCO2透過速度とCO2/H2選択性を有する複合膜の開発に成功している。

得られた連続製膜法を用いて作製した分離膜についての模擬ガス試験における分離性能を図12に示す。な32

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お、模擬ガス試験においては、安全上の理由からH2サイクルでは、「CO2を炭素資源として捉えて、分離ガスの代替ガスとしてHeを使用している。

回収したCO2の化石燃料や素材への再利用（CCU）」と「分離回収したCO2の地中貯留（CCS）」の組合せにより、大きなCO2削減効果 が見込まれている。
さらに、CO2分離回収技術はCCUSの基盤となることが示され、2050年度までにCO2分離回収コスト1,000円/t-CO2を目指し開発を進めることや様々なCO2排出源に対応する分離回収技術を確立していくこと等が、目標として示されている。
このような背景を受けて、様々なCO2排出源に対し、最適な分離・回収技術を提案することにより、CCS実用化を推進していかなければならない。その

図12 CO2分離性能における膜厚・膜組成の最適化（QCO2：CO2パーミアンス、αCO2/He：CO2/He選択性）（処方E：最適化膜）ためにも、実用化ステージに近いものは、スケールアッ得られた分離性能等を基に検討した結果、CO2分離要がある。更には、革新的技術開発を推進し、より省膜において目標とする分離性能であるCO2分離・回収エネルギー、低コストなCO2回収技術を提案していく

コスト1,500円/t-CO2以下を達成することを確認しことも重要と考える。

プ検討や実ガス試験を通して、技術を確立していく必た。
また、連続製膜を用いた膜エレメントの量産化に向けた検討も行っており、その中で、膜エレメントの耐久性向上のための検討を実施した。膜エレメントに用いる集ガス管やスペーサー、接着剤等の膜エレメント部材を最適化することにより、2.4MPaの高圧下においても安定な膜エレメントが作製でき、膜エレメントの基本製法の確立に目途を得た。
なお分子ゲート膜の開発は、炭素隔離リーダーシップフォーラム（Carbon Sequestration LeadershipForum, CSLF)＊の認定プロジェクト「圧力ガスからのCO2分離」に登録されている。
＊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米国が提案した組織。
5. おわりに2015年12月、COP21で「パリ協定」が採択され、これまで以上にCO2排出量の低減が必須となってきた。我が国では、2019年6月に、「パリ協定に基づく成長戦略としての長期戦略」及び「統合イノベーション戦略2019」が策定され、世界のカーボンニュートラルを可能とする重要な革新的技術としてCCUS/カーボンリサイクルが示された。CCUS/カーボンリ

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