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・回収技術の高度化と産業技術化への取組み
中国、インドなどの温暖化対策への指針が開示され、そトン -CO2 まで低減の目処が得られた。さらに COURSE50のグローバルな枠組みの議論が進展している。先進国と開プロジェクトに参加し 2,000 円 / トン -CO2 を狙った化学

発途上国が、どのように経済的な支出を担うかが難しい課吸収液の開発を継続している。さらに、国外の研究機関と題である。我々は経済的な CO2 削減対策の提示が、関係の共同研究にも着手した。

国の一致を引き出し易くすると考えている。

膜分離法では H2 を含むガスからでも CO2 の選択性ではCCS（CO2 capture and storage）は経済性に優れた CO2優れた素材を見出した。現在は、その素材を膜構造の中へ削減対策のひとつとなると期待されている。CCS コストの組み入れる研究に取り組んでおり、実ガスでのモジュール6 割程度は排出源からの CO2 分離に要すると試算されてお試験を視野に入れた開発を実施している。

り、CCS の実用化促進には CO2 分離コストの低減が重要

最近、高圧の状態で CO2 回収するための特長ある二つである。の材料を見いだした。ひとつは化学吸収液であり、もうひ化石エネルギーの転換技術は進歩しており、ボイラーととつは吸着剤である。これらを用いたプロセスの評価に取りかかった。

スチームタービンの発電方式から、ガスタービン複合発電、燃料電池複合発電へと進化していくと予想される。一方、以上のように、幅広い新技術評価の実施と、次世代の礎発電装置から CO2 を分離回収する技術も化学吸収法、物となる革新的な技術開発により CO2 分離技術をリードし、か理吸収法、膜分離法、酸素燃焼法など多岐にわたっている。

つ産業界が受け入れ可能な実用的な技術開発を進めている。

技術進歩によって、CO2 分離が対象とする燃料転換装置と化学吸収法による CO2 分離回収技術開発分離装置の組み合わせが変化する。将来にわたって、最も経済性の高い技術に対応した CO2 分離技術の開発を追求

化学吸収法は、ガス中の CO2 をアミン水溶液等の化学できるように図 1 に示すような技術開発ビジョンを基に吸収液に選択的に吸収させた後、加熱して分離させる方法開発を進めている。

であり、比較的大規模な常圧ガスからの CO2 分離に優れている。化学吸収法の最大の課題は、分離回収コストを低減できる新吸収液を開発することである。
RITE では、平成 16 年度から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 プロジェクトと呼称）を企画推進してきたが、予定どおり平成 20 年で当初目標を達成し終了した（図 2）。
新吸収液に望ましい性能は、吸収液と CO2 との反応に

図 1． 長期的な視点での発電技術と CO2 分離技術

おいて、反応熱が小さくかつ吸収分離が容易なことであり、化学研究グループでは多様な CO2 分離技術の評価と開それにより CO2 を低エネルギーで分離回収できる。それ発に努めながら、特に化学吸収法と膜分離法の研究開発にらの特性を示す化合物の中ではアミン水溶液が優れてい力点を置いてきた。化学吸収法では、COCS プロジェクトる。第 1 ステップとして、数百種類の市販アミンを選定と名付けた、製鉄所の排ガスを対象にした CO2 分離技術

して、アミン水溶液と CO2 との吸収速度、吸収量、反応の開発を完了し、革新的なアミンの開発により 3,000 円 /熱等の基礎特性をラボ実験により調査し、基礎特性に及ぼ

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研究活動概説図 4． CO2 新吸収液によるエネルギーの低減

エネルギー目標 2.0GJ/t-CO2）と共に、プロセス評価設備

図 2． 低品位廃熱を利用する CO2 分離回収技術 （COCS） 概要（30t/d 能力）による実証の計画を進めていく計画である。
すアミンの化学構造的特徴を把握した。更に、各種アミン

また、これまでの吸収液研究の蓄積を基にして、平成の性能の得失を補完し合う複合アミンを検討し、その性能19 年度から高圧条件に適した化学吸収液の開発にも取りを同様に調査した。その結果、これまでに特性の異なる高組んでおり、その中で高圧下での吸収性能、放散性能の優性能な数種類の新吸収液（RITE-3 系、4 系）を開発した（図 3）。

れたアミン群を見出した。これらのアミン化合物により高圧用の化学吸収液を開発し、高圧システムにおける新たなCO2 分離回収方法として提案していく予定である。

圧力ガスから CO2 と H2 を分離する高分子系膜の開発
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

図 3． 新吸収剤開発

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。

引き続いて第 2 ステップとして、これまでの知見や量子化学による理論計算等を採用し新規なアミンを設計合成し分子ゲート膜は、CO2 と H2 を効率良く分離することがて評価する研究に範囲を広げることにより、新たな吸収液可能である。図 5 に分子ゲート膜の概念を示す。ここで、（RITE-5、6 系）を開発した。これまで標準的に使用されて膜中の CO2 が分子サイズの小さな H2 の透過を阻害するこいた MEA（モノエタノールアミン）が 1 トンの CO2 あたりとで、従来の膜では分離が難しかった CO2 と H2 を効率良4.0GJ/t-CO2 であるのに対して本プロジェクトで開発したベく分離できる。現在までに、新規に開発したデンドリマー

スト吸収液の分離回収エネルギーは、2.5GJ/t-CO2 と大幅にが優れた CO2 と H2 の分離性能を有することを見出し、こ低減でき、プロジェクト目標をほぼ達成できた（図 4）。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

COCS プロジェクトによる開発成果は、製鉄所排出 CO2複合膜で世界トップ性能となる 30 を超える CO2/H2 選択の大幅削減を狙った環境調和型製鉄プロセス技術開発性を得ている。図 6 は、RITE で開発したデンドリマー包（COURSE50）プロジェクト（平成 20 年〜 24 年）に引き含架橋高分子膜の概念と CO2/H2 分離性能である。この成継がれ、現在、より高性能な新吸収液の開発（分離回収果を元に、（株）クラレ、ダイセル化学工業（株）、（株）

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研究活動概説

東レ、日東電工（株）の分離膜メーカー 4 社の協力を得デンドリマー膜の開発は、炭素隔離リーダシップフォーて実用的な分離膜モジュールの開発を促進している。図 7

ラム（CSLF）の認定プロジェクト「圧力ガスからの CO2は、開発中の膜モジュールの概念図である。更に、新日鉄分離」に登録され、米国エネルギー省国立エネルギー技術エンジニアリング（株）の協力を得て、石炭ガス化試験装研究所（DOE/NETL）と共同研究を実施している。更に、置から発生するガスを用いた実験を通じて、分離膜の有効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性を確認する。

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。

GCEP の紹介
ス タ ン フ ォ ー ド 大 学 の GCEP（Global Climate andEnergy Project）からの受託研究「サブナノ構造制御材料の先端的研究」では、有機系材料と無機系材料の両面から相乗効果による革新的な分離膜の開発を行った。平成 20
年 9 月から継続テーマ「先進的 CO2/H2 分離材料の開発」に着手した。
図 5． 分子ゲート膜「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。その概念を図 8に示す。CO2/H2 分離材料では、膜中に存在する CO2 親和性物質を分子レベルで構造制御することに因り、優れた分離性能を発現することが可能となる。図 8 で、超臨界 CO2の存在下で、CO2 親和性物質が CO2 と接した最適な構造を分離膜中で取っている（状態 A）。超臨界 CO2 を除去する際に構造が維持されることから（状態 B）、CO2 親和性物質が CO2 の透過に最適な構造を有する分離膜を得ることが可能となる。

図 6． デンドリマー包含膜と CO2/H2 分離性能

図 8． CO2 を鋳型に用いる分離膜開発の概念

図 7． デンドリマー膜モジュールの概念図

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研究活動概説耐水蒸気型吸着剤による高圧ガスからの CO2 吸着分離（1.6MPa）から常圧（0.1MPa）への圧力変動による CO2技術開発

吸着量のローディング差は 3.6mol/kg と非常に大きな値

本研究では、我々が新規に見出した高圧条件に適したを示すことが明らかとなった。また、13X は同条件下で水水蒸気の影響阻害のない新規吸着剤を高圧ガスからの CO2蒸気が存在すると CO2 の吸着性能が消失するが、新規吸吸着分離法に適用して CO2 を低エネルギー・低コストで着剤（A）はほとんど水蒸気の影響を受けない。

分離回収しうる技術の開発を目的としている。

高圧ガスに本吸着剤を用いた PSA 法を適用すると常圧これまでに水蒸気共存条件下でもほとんど CO2 の吸着に戻すだけで吸着した CO2 が回収でき、真空ポンプが不性能が低下しない新しい吸着剤を開発しており、現在、本要となるため、大幅な分離回収エネルギー低減が可能で吸着剤を利用したプロセスの実現可能性の評価を実施中である。また水蒸気共存条件下でも CO2 を選択的に吸着可ある。図 9 に示すように、従来型のローシリカゼオライト

能な耐水蒸気型吸着剤の適用により除湿プロセスの省略

13X では、CO2 分圧が 300kPa 程度で吸着量がほぼ飽和ににより装置のコンパクト化が可能となる。これまでに実達してしまうため、高圧ガス（1.6MPa）から常圧（0.1MPa）

際に CO2/N2 および CO2/H2 流通混合ガスから CO2 を高選への圧力スイングでは、CO2 を効率的に回収することはで択的に分離可能なことを確認した。そこで今後、小型の 2きず、乾燥条件下でも 1.5mol/kg 程度の回収量しか期待

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実できないが、新規に開発した吸着剤（A）は 3MPa 程度ま証する予定であり、CO2 分離回収工程の大幅なコスト低減

では CO2 分圧の増大とともに CO2 吸着量が増大し、高圧（1.5GJ/ton- CO2 以下）を目指したい。

図 9． プロジェクト概要

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