研究活動概説⃝化学研究グループ

ＲＩＴＥ

Ｔｏｄａｙ

２０１８

化学研究グループ【コアメンバー】

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

杉田啓介

主任研究員

龍治

真

主席研究員		

東井隆行

研究員

伊藤史典

副主席研究員		

余語

克則

研究員

髙山信幸

主任研究員		

石黒兼二郎

研究員

段淑紅

主任研究員		

甲斐照彦

主任研究員		

後藤和也

主任研究員		

フィローズ アラム チョウドリー

主任研究員		

三上智司

主任研究員		

山田秀尚

主任研究員		

山本信

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
CCS（Carbon

れまでに、低温で脱離性能の良い固体吸収材を開発し、dioxide Capture and Storage）その実現可能性を検証中である。ラボレベルの連続回は、化石燃料の燃焼で発生した温室効果ガスである

収試験結果としては、再生エネルギー 1.5GJ/t-CO2

CO2を発電所や工場などの発生源から分離・回収し、を達成可能な材料を見出している。また、10m3規模回収したCO2を地中や海底に貯留・隔離する技術であでの固体吸収材合成を可能とするスケールアップ合成る。

技術を確立した。現在、民間企業と共同で実用化研究

地球温暖化対策としてCO2の大規模削減が期待でに取り組んでいる。今後、関西電力舞鶴発電所内にきるCCSを早期に導入、実用化するためには、その40t-CO2/day規模の試験設備を設置し、実ガス試験コストの約6割程度を占めると試算されている排出源を行う予定である。

からのCO2分離・回収コストの低減が重要である。

膜分離法は、圧力を有するガス源からCO2を低コス化学研究グループでは、CO2分離・回収技術の研究

ト、省エネルギーで分離するプロセスとして期待され開発を行っており、これまでに化学吸収法、固体吸収ている。RITEは膜分離の事業化を目的に設立された法、膜分離法で世界をリードする研究開発成果を上げ次世代型膜モジュール技術研究組合の一員として、高てきた。材料の開発に始まり、加工、システム検討まいCO2分離性能を有する分子ゲート膜（高いCO2分でを一貫して研究開発していることが特徴である。

離特性を有するデンドリマーと架橋高分子材料を用い化学吸収法では、新化学吸収液の開発目標とした分た複合膜）を用いて、石炭ガス化複合発電（IGCC:離・回収エネルギー2.0GJ/t-CO2を達成するとともIntegrated coal Gasification Combined Cycle）に、吸収液からのCO2回収温度を100℃以下で可能と等の高圧ガスから低コスト、省エネルギーでCO2を回する画期的な吸収液を見出すことに成功した。また、収することを目指した膜および膜エレメントの開発をCOURSE50プロジェクトで開発した化学吸収液は、行っている。実用化を目指し、量産化を念頭において、民間企業で採用され、CO2回収設備商用1号機が運転連続製膜技術および膜エレメント化技術の開発を進め中であり、更に2018年には商用2号機が稼働予定でているところである。また、実ガス試験による膜およある。

び膜エレメントの分離性能、プロセス適合性等に関す固体吸収法は、CO2高効率回収・低エネルギー消費る技術課題の抽出と解決を行うために、今後、国内外型の固体吸収材の研究開発に取り組んできており、こで石炭ガス化ガスを用いた実ガス試験を行う予定であ28

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Phase1 Step1: 2008〜12年度）においては、吸収る。
以上のように、幅広い次世代の礎となる革新的な技

液の分離・回収エネルギー2.0GJ/t-CO2を達成する

術開発によりCO2削減に向けた研究開発をリードし、とともに、これまで120℃を必要としていた吸収液かかつ産業界が受け入れ可能で実用的な技術を開発してらのCO2回収温度を100℃以下で可能とする吸収液いる。

を見出し、開発することに成功した。更に、2013年
度から引き続きNEDO委託事業COURSE50 Phase1

2. 化学吸収法

Step2（2013〜17年度）に参加し、画期的な高性能化学吸収法によるCO2分離回収は、ガス中のCO2化学吸収液の開発に取り組んでいる。ここでは、CO2をアミン水溶液等の吸収液中に化学的に吸収させ、そ分離・回収コストのより一層の低減に、従来のアミンの吸収液から高純度CO2を温度操作または圧力操作系水溶液の高性能化に加え、新たなブレークスルーをにより分離回収する技術である。RITEは、「低品位廃見出すために、新規溶媒や反応促進触媒、相変化現象熱を利用する二酸化炭素分離回収技術開発」プロジェを有する物質等の研究を実施している（図2）。

クト（経済産業省（METI）補助事業, 2004〜08年度,また実用技術としては、新日鉄住金エンジニアリン

COCSプロジェクトと呼称）以降、製鉄所プロセスガ

グ株式会社の省エネ型CO2回収設備商用機にRITEとスを主対象にCO2分離・回収エネルギーおよびコスト新日鐵住金株式会社が共同開発した吸収液が採用されを低減し得る高性能吸収液の開発に取組んでいる（図ている（1号機（図3）: 製鉄所排ガス用, 2014年運転1）。

開始、2号機: 石炭火力発電排ガス用, 2018年運転開始予定）。RITEの研究成果は、既に様々なCO2発生源を対象とする産業技術に貢献している。

図1

化学吸収液を利用する高炉ガスからのCO2分離回収技術概要

図3

炭酸ガス販売用商用化1号機（新日鐵住金㈱室蘭製鉄所内）※新日鉄住金エンジニアリング株式会社写真提供

これまでの研究開発で蓄積したアミン系化合物の反応特性および吸収液性能、および吸収液開発・評価技術等をベースに、高圧CO2含有ガス（例えば、石炭ガス化ガス）を対象とするCO2分離回収において、吸収・放散性能に優れたアミン系化学吸収液の開発も進めて
図2

高性能化学吸収液開発への挑戦いる。
本研究の目的は、温度スイングのみにより、CO2含

2008年度からの「環境調和型製鉄プロセス技術開有ガスの高いCO2分圧を維持しつつ、高効率にCO2発」
プロジェクト（国立研究開発法人新エネルギー・産の分離・回収が可能な吸収液（高圧再生型化学吸収液）

業技術総合開発機構（NEDO）委託事業, COURSE50を 開 発 す る こ と で あ る（ 図4）。 本 プ ロ セ ス で は、

29

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CO2が高い圧力を保って回収されるため、既存のメチせたもので（図5）、化学吸収液と類似のCO2吸収特ルジエタノールアミン系の化学吸収液やセレクソール性を有しながら、再生工程で顕熱や蒸発潜熱に消費さなどの物理吸収液に比べ、回収後に必要となる圧縮エれるエネルギーの大幅低減を可能とする。

ネルギーが大幅に削減できる。

開発した固体吸収材には、RITEが合成した新規ア

RITEはこれまでに、1MPa以上の高圧下において高ミ ン を 採 用 し て い る（ 図6）。アミンの分子構造といCO2回収量、高い反応速度、および低いCO2吸収CO2脱離性能との関係性を計算化学によって明らか熱を併せ持つ「高圧再生型化学吸収液」を見出しておにしたことで、低温での脱離性能に優れ、高いCO2回り、圧縮工程を含むCO2分離・回収エネルギー（回収収容量を有する独自の固体吸収材を開発することに成後の圧縮エネルギーを含む）として、世界最高レベ功した。

ルの1.1GJ/t-CO2以下（吸収：1.6MPa-CO2、再生：4.0MPa-CO2）を達成する見通しを得ている。
現在、更に高性能な新規高圧再生型化学吸収液の開発をRITE独自に推進すると共に、開発した吸収液の実用化検討を民間企業との共同研究において進めてい

図6る。

RITE開発アミン

開発したRITE固体吸収材の性能に基づき、プロセスシミュレーションを行った結果、再生エネルギー1.5GJ/t-CO2のポテンシャルを示した。本固体吸収材によるCO2分離・回収技術を石炭火力発電に適用した場合、従来の化学吸収法（2.5GJ/t-CO2）と比べて発電効率の低下を約2％改善出来ると見込んでいる。
2015年度から始まった経済産業省からの委託事業「先進的二酸化炭素固体吸収材実用化研究開発」にお
図4

高圧下で高い吸収放散性能を有する新規吸収液

いては、実用化のための材料最適化を行うとともに、川崎重工業株式会社と連携して、石炭燃焼排ガスを用3. 固体吸収法

いた移動層システムによるベンチスケール試験およびRITEは2010年から2014年度にかけて、経済産業省からの委託事業「二酸化炭素回収技術高度化事業」

移動層システムのシミュレーション技術の構築を進めている。

において、固体吸収材の開発を実施した。固体吸収材

材料の最適化においては、これまでに、十分な摩耗は、化学吸収剤であるアミンを多孔質支持体に担持さ強度や耐久性を有し、移動層システムに適した担体を選定し、また、新規アミンについては合成手法の合理化、スケールアップ合成を進めている。その結果、事業中間目標である「10m3規模の固体吸収材合成技術確立」を達成した。
確立した手法によって大量合成（＞10m3）した固体吸収材について、小型連続回収試験装置（図7）を用いて、性能評価を行った。脱着工程でスチームを供給する
SA-VSA（Steam-aided vacuum swing adsorption）
プロセスで、サイクルタイム等を最適化した結果、模図5

アミン固体吸収材

擬ガス（12％ CO2）から回収純度99％、回収率＞30

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２０１８90％でCO2を回収することができた。この際、60°予定であり（2017年9月プレスリリース）、2020年

Cの再生工程で必要なスチームエネルギーは1.4GJ/を目処に石炭火力発電所からのCO2分離・回収に適しt-CO2と極めて低く、RITE固体吸収材が優れたCO2分た、より高性能な固体吸収材システムを確立すべく、離・回収性能を有することを実証した。

研究開発に取り組んでいる（図8）。

現在、大量合成したRITE固体吸収材を用いて、川崎重工業株式会社明石工場に設置されている移動層シ4. 膜分離法

ステムの試験装置を利用して、ベンチスケール燃焼排日本政府が提唱する「クールアース50」の革新的技

ガス試験を実施中であり、吸収材の移動特性および術のひとつに「革新的ゼロ・エミッション石炭火力発CO2回収性能の把握、要素機器改善による回収CO2電」がある（CCS付き石炭ガス化複合発電: Integrated

純度の向上、ガス中水分の計測機器選定、実ガス試験

coal Gasification Combined Cycle with CO 2に向けた課題抽出を進めている。

Capture and Storage（IGCC-CCS））。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・貯留して、H2をクリーンな燃料として発電に用いる（図9）。この圧力を有する混合ガスから、低コスト、省エネルギーでCO2を分離回収する新規CO2分離膜モジュールを開発中である。

図7

小型連続回収試験装置

今後、関西電力株式会社舞鶴発電所内に40t-CO2/day規模の試験装置を設置し、実ガス試験を実施する

図8

図9

分離膜を用いた石炭ガス化複合発電（IGCC）からのCO2分離回収研究開発ロードマップ

31研究活動概説⃝化学研究グループ

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RITEでは、デンドリマーを用いる新規な高分子系METI委託事業「二酸化炭素分離膜モジュール研究材料が優れたCO2とH2の分離性能を有することを見開発事業」（2011年〜2014年度）における基盤技術

出し、このデンドリマーと架橋型高分子材料の分離機開発に続き、現在、METI委託事業「二酸化炭素回収能層を有する複合膜（分子ゲート膜）の開発を行って技術実用化研究事業（二酸化炭素分離膜モジュール実きた。図10に分子ゲート膜の概念を示す。

用化研究開発事業）」（2015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の開発、連続製膜した膜を用いた膜エレメント製作および分離性能試験を行っている。また、今後、国内外で、実ガス試験を行う予定である。
連続製膜した単膜および作成した膜エレメントの分離性能を表1に示す。
表1

連続製膜した単膜及び作製した膜エレメントの分離性能
QCO2

図10

分子ゲート膜の概念図

ここに示すように、透過機構としては、加湿条件で、膜中に取り込まれたCO2が膜中のアミノ基とカルバメートや重炭酸イオンを形成し、分子サイズの小さなQHe

33［m（STP）/m2/s/Pa］ ［m（STP）/m2/s/Pa］

α単膜（連続製膜）

1.94E-11

1.18E-1216.5

膜エレメント

1.83E-11

1.54E-1211.9

試作エレメント:  直径 2inch、長さ 220㎜
測定条件:  温度: 85℃; 供給側: 全圧2.4MPa,混合ガス組成CO2/He=40/60
vol./vol., 湿度70％ RH; 透過側: 大気圧

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を実施するために、塗布液粘度の調整、乾分離が難しかったCO2とH2を効率良く分離できると燥時間、塗布厚みの検討を行い、製膜レシピの改良を考えている。

実施した。連続製膜品は同膜厚の枚葉製膜品と同等の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。

分離性能を示すことを確認した。また、膜エレメントについても単膜とほぼ同等な分離性能が得られた。

この成果の実用化を推進するために、現在、RITE石炭ガス化ガス中には、CO、CH4、H2S、COSなおよび民間会社を組合員とする次世代型膜モジュールどの微量不純物が含まれている。このうち、特に膜劣技術研究組合（MGM組合）によって、CO2分離膜、化への影響が懸念されるH2Sについて曝露試験を実施

膜エレメントの開発（図11）および膜分離システムした。その結果、曝露試験前後の分離性能に大きな違検討を実施中である。

いは認められなかったことから、H2Sに対する耐性があることを確認した（図12）。
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」に登録されており、国際協力体制の下で研究開発を行っている。
*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。

図11

 O2分離膜、膜エレメント（大面積の膜、支持体および流路材C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）

32

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図12

Ｔｏｄａｙ

２０１８

H2S曝露試験前後の分離性能（単膜）〈曝露試験条件〉
・圧力: 2.4MPa以上; 温度: 85℃±3℃
・ガス組成: CO2（33％）+H2S（500ppm）+N2バランス（湿度: 約80％ RH）
・試験期間: 7日間

5. おわりに様々なCO2排出源に対し、最適な分離・回収技術を2015年12月、COP21で「パリ協定」が採択され、提案することにより、CCS実用化を推進していかな

これまで以上にCO2排出量の低減が必須となってきければならない。そのためにも、実用化ステージに近た。我が国では、2016年4月に、2050年頃という長いものは、スケールアップ検討や実ガス試験を通して、期的視点に立った「エネルギー・環境イノベーション技術を確立していく必要がある。更には、革新的技術戦略」が策定され、CO2固定化、有効利用も有望分野開発を推進し、より省エネルギー、低コストな技術をとして特定され、2017年9月には、2050年へ向けた提案していくことも重要と考える。

技術ロードマップが策定された。CO2革新的分離・回収技術では、分離・回収エネルギーを現在より半減させる（1.5GJ/t-CO2）中長期目標および2030年頃にシステムレベルでの実証と2050年頃に普及のスケジュールが示された。

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