化学吸収法によるCO2分離回収の新展開
名古屋大学大学院工学研究科化学システム工学専攻(兼）未来社会創造機構マテリアルイノベーション研究所

則永行庸
革新的CO2分離回収技術シンポジウム～地球温暖化防止に貢献する固体吸収材及び膜による分離回収技術の最新動向～
2021年2月2日（火）13:00～16:30
1素反応からプロセス設計まで
原料

反応器

製品

理解・予測

デザイン
オペレーション

無数の化学反応が進行◼ 反応の最小要素“素反応”モデリング◼ 検証実験

◼ 反応・流動・伝熱の連成解析

反応評価実験装置
炭素資源複雑反応やCO2利用反応器の解析に適用

モデリング、シミュレーション＋実験
3産学協同研究の例
セラミック複合材製造

二酸化炭素分離
回収二酸化炭素の資源化(メタネーション）
https://www.inpex.co.jp

5化学吸収法によるCO2分離回収の新展開

1. 相分離型CO2吸収液
2. CO2分離回収と利用プロセスの統合
3. DACを含むクライオポンプ式CO2回収

6CO2分離回収
化学吸収法 アミン水溶液との化学反応によりCO2を吸収/再生する方法

Heatexchange

Chemicalreaction(exothermic)

Chemicalreaction(endothermic)

Exhaustgas

Reboiler
CO2 rich

CO2 lean｡

Regeneration energy
GJ / ton-CO2CO2≧99%

Other gas

42Heat loss
Vapor loss
Sensible heat
Heat ofabsorption

0
130 wt.% Monoethanolamine
solution｡

Absorption tower (40-60 C)

Regeneration tower (100-140 C)

Separate process

Capture process

K. Goto et al. / International Journal of Greenhouse Gas Control 5 (2011) 1214–1219 https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2011.06.006

課題

CO2を回収するのに多くのエネルギーが必要
省エネルギー化を達成できる吸収液およびプロセスの開発
7

相分離型吸収剤を用いた省エネCO2分離プロセス

CO2吸収前CO2吸収後三成分均一相・アミン・エーテル・水二相分離・CO2 lean相・CO2 rich相

小さい温度差でCO2吸収・再生サイクルを実現
名古屋大学
町田洋

4GJ →1.5GJ/t-CO2[1] H. Machida, et al., J. Mol. Liq., 292 (2019), p. 111411[2] H. Machida, et al., Int. J. Greenhouse Gas Control, 75 (2018), p. 1
[3] H. Machida, et al., J. Chem. Thermodyn., 113 (2017), p. 64[4] H. Machida, et al., Energy Procedia, 114 (2017), p. 823

8相分離型吸収剤

Phase-Change Solvents and Processes for Postcombustion CO2 Capture: A Detailed Review
Athanasios I. Papadopoulos, Fragkiskos Tzirakis, Ioannis Tsivintzelis, and Panos Seferlis
Industrial & Engineering Chemistry Research 2019 58 (13), 5088-5111
DOI: 10.1021/acs.iecr.8b06279

CO2希薄相を吸収塔に戻し、CO2濃厚相のみを再生塔に供給、再生エネルギーを低減
9名大吸収液の特長 従来液と開発液のCO2溶解度曲線
相分離液 EAE:DEGDEE:水=3:6:1（重量比）

従来液：MEA:水=3:7（重量比）１101090℃

120℃
1P _CO2 [atm]P_CO2 [atm]

140℃
0.1

0.01

0.001

50℃

0.1

0.01

0.001
00.2

0.4
0.6
mol-CO2/mol-amine

吸収塔
40℃

ΔT=80℃

0.81

再生塔
120℃ 4 GJ/t-CO200.2

0.4
0.6
mol-CO2/mol-amine

吸収塔
50℃

0.8

1再生塔
90℃ 1.5 GJ/t-CO2
ΔT=40℃◼ 低い再生温度かつ小さな温度スイングで、大きなCO2溶解度差を得ることができる◼ 構成成分の分子構造、組み合わせ、混合比を変化させて、使用環境に応じた様々な性能を示す液を作り出せる可能性がある
1. F.Y. Jou, A.E. Mather, F.D. Otto, Can. J. Chem. Eng., 73 (1995) 140-147.

10

名大吸収液によるCO2吸収と再生のメカニズム
吸収CO2

CO2

CO2均一相再生
CO2CO2RR′NH
R-

有機相

RR′NH

CO2

有機相
RRR′NHRRR′NHRRR′NH◼ 水◼ 2-エチルアミノエタ
ノール（アミン）◼ ジエチレングリコー
ルジエチルエーテル

均一相

R-RR′NCOO－水相RR′NH2+RR′NCOO－水相RR′NH2+

RRR′NH

2RR′NH + CO2 ⇄ RR′NCOO− + RR′NH2+
中性アミン

カルバメートイオン◼ CO2吸収前は均一相を形成

プロトン化アミン◼ 2相を形成することで、吸収時に生成イオンは水相に移◼ CO2とアミンの結合により、極性の大きなイオンが生動（抽出）し、平衡の制約を受けず、CO2吸収反応を促進成し、水との相互作用が強まり水相を形成し、やや疎◼ 一方、再生時は、アミンが有機相に抽出され、CO2再生

水性のエーテルを含む有機相と液液相分離する

反応も促進

エーテルが吸収・再生双方をアシストしており、液全体を循環利用するプロセス11相分離型吸収液の探索
吸収液 ＝ アミン：エーテル：水 ＝ 3０：6０：1０ [wt%]
温度 ： 4０℃

エーテル

アミン

CO2分圧 ： 1atm

DEGDEE

DEGEME

DEGDME

Kow

9712.3

1.54BAE

47×××AMB

20×××EAE

5.4〇〇〇

DAP

1.9××〇〇

MAE

1.0××〇〇

AEE

0.68××××〇

MEA

0.56×××××××〇××

KOW=油相と水相への分配比（大きいほど疎水性が高い）

アミンとエーテルの疎水性に基づく大まかな整理はできている12

Nakaoka et al. (2020)

計算科学による相分離液の特定
量子化学に基づく熱力学物性推算法で相挙動を予測
アミン

エーテル

水or

◼ 80%以上の予測精度◼ 液開発の加速、吸収液分子設計

13

化学吸収法による省エネルギー
CO2分離回収の新たな展開
1. 相分離型CO2吸収液
2. CO2分離回収と利用プロセスの統合
3. DACを含むクライオポンプ式CO2回収

14

プロセス統合

Machida, et al. (2020)15

CO2利用技術
従来N2 CO2PowerPlant

N2, CO2Reactor

CH4CH3OHO2 H2eSolar & Wind

Water electrolysis
16Integrated Post Combustion CO2
Capture CO2 Utilization (IPC4U)
提案プロセスN2CO2 H2Reactor

PowerPlant

CH4CH3OH

N2,CO2O2 H2eSolar & Wind

ストリッピング再生
PCT/JP2018/041882（名大、神戸製鋼）

Water electrolysis
17ストリッピング再生法の概念図

ストリッピングなし

CO2の気相分圧を下げ、放出効果を高める
ストリッピングあり

温度と圧力スイングのハイブリッド化
18ラボプラント連続試験による概念実証
Absorber ～50℃
CO2 1 L/min
N24 L/min

Regenerator ～60℃
Stripping gas(N2) 3.6 L/min

19

吸収・再生塔の温度差10℃で回収率90%を達成
100100

CO2回収率90

温度 [℃]

808070

再生塔内平均温度60吸収塔内平均温度70

ΔT=～10℃

60505040403030

再生塔塔頂CO2濃度

2020101000010203040

経過時間 [min]50607020CO2濃度、回収率[%]

90Energy required, GJ/ton-CO2

CO2分離・回収エネルギー4< 1 GJ/ton-CO2

1.5※
Conventional(MEA)

New solvent

New solvent+stripping

0.96※

Initial CO2 pressure 20 kPa, CO2 recovery 90%※ Combined with self heat recovery※ Equilibrium solubility base21

化学吸収法による省エネルギー
CO2分離回収の新たな展開
1. 相分離型CO2吸収液
2. CO2分離回収と利用プロセスの統合
3. DACを含むクライオポンプ式CO2回収

22

内閣府/NEDO「ムーンショット型研究開発事業」

冷熱を利用した大気CO2直接回収の研究開発
PM

名古屋大学

則永行庸

Cryo-DACを核とするカーボンサイクル

Cryo-DACの概略
昇華槽
再生塔

産ガス国
吸収塔

日本

メタン合成装置

天然ガス田

電力

Cryo-DAC
水素製造装置

LH2タンカー

LNG/LH2
冷却復温
LCO2

LNGタンカー

都市ガス
利用

LNG

Cryo-DAC「Cryo-DAC」
冷熱を利用して大気中CO2を回収する技術として特許および商標出願済み
特願2020-081158（名大・東邦ガス）

LNG
サテライト基地

CO2

空気吸収液

高圧CO223

Cryo-DACの原理
昇華槽
高い冷熱利用効率
圧縮動力不要吸収塔と再生塔からなる化学吸収法をベース

再生塔の後段に冷熱を利用してCO2を固化する昇華槽を設け、再生塔をポンプレスで減圧
24

先行DACとCryo-DACとの比較
先行DAC
Carbon engineering(Canada)原理

アルカリ溶液（加熱再生）

Climeworks(Switzerland)

Cryo-DAC（本提案）

吸着剤（加熱再生）

吸収液（減圧再生）

アルカリ溶液吸収＋炭酸塩固定
焼成によりCO2脱離

アミン担持吸着剤◼ 吸収液でのCO2回収◼ 冷熱ポンプでの減圧再生◼ 圧縮動力なしで高圧CO2 を出力（CCS、CCUとの適合性にも優れる）

吸収

常温

常温

常温

再生

900℃

100℃

常温（減圧再生）熱

5.3 GJ/ton-CO2

9.0 GJ/ton-CO2

特徴

運転条件

所要
エネルギー

0 GJ/ton-CO2㊟昇華熱0.7 GJ/ton-CO2が必要となるが未利用冷熱で相殺

200 kWh/ton-CO2 (送風)電気366 kWh/ton-CO2

450 kWh/ton-CO2㊟LNGの膨張エネルギー40 kWh/ton-LNGを充当してさらに削減可能

概念図25

実験室における原理の実証
CO2冷却による昇華現象を利用した減圧再生実験（動画）

則永研究室

26

DACの難しさ◼薄い 400 ppm ＝ ４０ Ｐａ◼大気との接触◼カーボンエンジニアリングの場合、AirコンタクターがＣＡＰＥＸの50％を占める◼大気のＣＯ２濃度を下げるのが目的だが、ＤＡＣとしては、ハードルが上がって行くという矛盾
27

アプローチ
1．Cryo-DACに適合した吸収液開発
2．基礎データとプロセス実現性評価の連携
3．コレクティブインパクトの創出
多岐にわたるステークホルダーを巻き込み、開発技術をそれぞれの問題解決手段として組み込む戦略◼ CO2平衡溶解度迅速（ハイスループット）評価による候補液の絞り込み◼ 候補液CO2吸収基礎データとプロセスシミュレーションを常にリンクさせ、プロセス実現性評価。プロセス評価結果を吸収剤開発へのフィードバック◼ 温暖化対策となる本技術は、異なるセクターの共通のニーズに対するソリューションであることを訴求して、技術の普及を促進。開発段階から、アウトリーチ活動、各ステークホルダーとの協働
28データサイエンスと国際連携
吸収液分子設計へのデータサイエンス
適用◼ 物性構造相関データベースの構築◼ 機械学習と逆解析による吸収液探索の加速
LNG輸入量国別シェア％（2019）

国際連携◼ LNG導入国でのビジネスモデル、FS◼ 液体水素の冷熱利用、動向とポテンシャ
ル予測◼ 海外ステークホルダーへも訴求

BP Statistical Review
of World Energy 2020 | 69th editionJapan

22China18

South Korea

12India

7Taiwan

5Total Europe

2529

まとめ
◼CO2吸収に伴い相分離する新しい吸収液により、低い再生温度かつ小さな温度スイングで大きなCO2溶解度差を得ることができ、結果、分離回収に必要なエネルギーを大幅に低減。
◼CO2利用プロセスとの連結を想定し、再生塔に水素を吹き込むストリッピング再生法を提案し、その概念を実証、さらなる省エネルギー化の見込み。
◼LNG（将来はLH2も）冷熱を利用する大気CO2直接回収に挑戦。
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謝辞◼ 名古屋大学大学院工学研究科
化学システム工学専攻則永研究室
スタッフ、学生各位
スタッフ
教授
助教
特任助教
特任助教
特任助教
特任助教

則永 行庸
町田 洋
チョイ チョルヨン
柳瀬 慶一
チャン クゥイン
福本 一生

学生（2３名）◼ 省エネルギーCO2分離回収 JST先端的低炭素化技術開発ALCA （代表 町田洋）、株式会社神戸製鋼所との共同研究◼ 冷熱利用CO2分離回収 内閣府/NEDO ムーンショットプログラム（東邦ガス株式会社、東京理科大、東京大学、中京大学）、NEDOエネルギー・環境新技術先導研究プログラム（東邦ガス株式会社）
以上、ご関係各位に感謝申し上げます。
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