第 84 回応⽤物理学会秋季学術講演会
プラズマエレクトロニクス分科会主催シンポジウムＴ11「資源循環型社会実現に挑むプラズマ科学」開催報告
世話⼈

辻享志（産総研）、上坂裕之（岐⾩⼤学）、⼋⽥章光（⾼知⼯科⼤）

⼈類はこれまで天然資源を利⽤し、ものの製造、消費、廃棄する経済構造の中で発展してきた。しかし 20 世紀からの爆発的な⼈⼝増加とともに、天然資源の枯渇、環境破壊、廃棄物処理場の不⾜、気候変動といった様々な問題が顕在化し、従来型のリニアエコノミーは限界を迎えつつあるといわれる。資源の循環利⽤を続けることで天然資源使⽤量や廃棄物量を可能な限り削減するサーキュラーエコノミー、資源循環型社会の構築が求められる。近年
では脱炭素化の要請により、太陽光パネル、リチウムイオン電池(LiB)といった再エネ部材、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)などの軽量部材の需要が増し、これらの循環技術の構築が求められる。また、CO2 の排出削減や資源化、空気や⽔を有効に利⽤する分⼦変換技術の構築も求められる。本シンポジウムでは、資源循環を担う技術を最前線でご活躍の先⽣⽅からご紹介いただき、課題や展望を議論した。
前半のセッションは分⼦変換に焦点をあてており、まず渡辺隆⾏先⽣（九⼤）に「熱プラズマによる⽔素製造技術の動向」と題したご講演を頂いた。熱プラズマを使ってメタンの直接分解により⽔素製造する技術は、⾼付加価値の固体炭素を副⽣できる。現在主流の化⽯燃料の⽔蒸気改質による⽔素製造に副⽣ CO2 の回収・貯留を組み合わせる⽅法よりも経済的価値が⾼いことから注⽬されている。本技術は既に⽶国の Monolith 社により実⽤化されており、副⽣されたカーボンブラックの Goodyear 社のタイヤへの採⽤が検討されている。使い勝⼿の良い電気を使⽤し、有価価値の⾼いメタンから⽔素を製造することは、エクセルギー的にも⾮常にもったいない反応ではあるが、付加価値の⾼い炭素材料を作り出すことによって経済的価値が⾼まることを述べられた。渡辺研究室では熱プラズマを⽤いたメタンの改質反応により、カーボンブラックではなくより⾼付加価値のグラフェンライクな固体炭素が⽣成したことの紹介があった。また将来的には⽔素、炭素の原料は有価価値の⾼いメタンではなく鶏糞をはじめとしたゴミを⽤い、ゴミ処理、炭素製造、⽔素製造を⾏えるより優れた技術に発展することに期待を⽰された。
続いて⾦賢夏先⽣（産総研）に「プラズマを⽤いた窒素循環技術の創出」と題してご講演を頂いた。再エネの普及が進み、出⼒変動の平坦化に対するニーズが⾼い状況にある。電気エネルギーを化学エネルギーに変える Power-to-X を実現できるプラズマはこの要求に応える技術として期待される。Power-to-X を担う最新技術として、⾦先⽣が開発された２枚の並⾏平板電極間に発⽣させるスパーク放電による窒素固定化（NOx ⽣成）の紹介があった。
誘電体バリア放電よりも遥かに効率の良い反応であるが、これは、換算電界が低いため窒素の振動励起を促進し活性化エネルギーを下げられること、⾼いガス温度を維持できるためにＮ2 に戻る逆反応を抑制できることにある。スパーク放電を⾼周波数で発⽣させ振動励起
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を促進させることや、電極間ギャップの増加、フローティング電極の挿⼊によるマルチギャップ化により効率が向上することを⾒出している。このような⼯夫によりエネルギー効率が 1.2 MJ/mol-N まで下がってきており、ハーバーボッシュ法を再エネで⾏ったときのエネルギーコスト(1 MJ/mol-N)まで下げることができれば、いよいよ企業との共同研究に持っていける段階まで近づいている状況であることを述べられた。
⼀般講演を挟んだ後、春⼭哲也先⽣（九⼯⼤）に「元素循環を担うプラズマ相/液相反応」と題したご講演を頂いた。⼤気と⽔とを構成するＮ、Ｏ、Ｃ、Ｈを化合し、合成した化合物を使⽤した後は、⼤気、⽔に戻る元素循環のコンセプトを、先⽣が開発された２つのプラズ
マ相/液相界⾯反応（Plasma/Liquid(P/L)反応）の実例を⽤いて提唱された。1 つ⽬は酸素と⽔の P/L 反応である。酸素分⼦にプラズマを作⽤させて発⽣する原⼦状酸素に⽔（液体）を共存させると、⽔から⽔素を引き抜きヒドロキシラジカル（‣OH）ができ、UV が共存すると HOOO・のようなラジカルもできて、⼀重項酸素と‣OH に戻る。このようにプラズマと紫外線と⽔蒸気の共存する反応場の形成により、‣OH が 9 μmol,⼀重項酸素が 15mmol と⾼濃度で⽣成できた。このプロセス装置は市販化されており、炭素材料の改質、半導体材料の改質、クリーニング、⾼度殺菌、有機物分解などに活⽤され、有機化学合成への活⽤も検討されている。２つ⽬は窒素と⽔の P/L 反応でアンモニア合成を⾏うものである。
放電で窒素を活性化して得られる原⼦状窒素、励起分⼦、窒素イオンなどの内、主に原⼦状窒素は相界⾯で⽔分⼦から⽔素を引き抜き、⾼い選択性でのアンモニア合成が実現した。窒素と⽔の P/L 反応の最新の研究成果では、合成したアンモニアを⽔相中に溶存蓄積させ、気相中には⼀酸化窒素と⽔素を⽣成させることに成功している。
続いて⾼島圭介先⽣（東北⼤）に「⼤気圧空気プラズマを活⽤した持続可能な⾷糧⽣産システム」と題して、SDGs にもある持続可能な⾷糧⽣産システムの構築に向けたプラズマ応⽤についてご紹介頂いた。⾼島先⽣のグループでは、空気と⽔を原料に、⼤気圧プラズマで病害防除や肥料付与を実現するシステムの構築を進められている。病害防除の例として、病菌やウイルスに汚染された液体にプラズマ活性ガスを吹き付けると発芽が阻害され、植物に溶液を擦り付けた際の感染性が抑制された。また世界で初めてとなる空気由来の N2O5 選択合成装置を作り、N2O5 ガスの吹き付けにより植物が抗菌ペプチド遺伝⼦を発現するなど、植物の免疫を活性化できることが明らかとなった。免疫活性化の正体は抗菌ペプチド遺伝⼦の発現である。施肥効果については、窒素を除いた⼟壌に N2O5 を吹き付けると⼟壌に⽣える植物の窒素⽋乏病状が軽減されることが⾒出された。N2O5 は NO や NO2 と⽐べ硝酸化しやすく 100％⽔に回収できることから優位性がある。農業肥料に⽤いる際には、現状の濃度でも⼗分すぎるほどである。課題としては、エネルギーコスト（現状: N2O5 ⽣成時 83MJ/mol-N）を挙げられており、ハーバーボッシュ法（0.4 MJ/mol-N）程度まででなくともエネルギー源次第で、⼗分に⼤規模プラントとコスト的に張り合えることをご紹介いただ
いた。

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後半のセッションはマテリアル（固体材料）の利⽤技術に焦点を当てた。後半最初は所千晴先⽣（早⼤・東⼤）に「マテリアル資源循環の実現に向けた分離技術」と題したご講演を頂いた。マテリアル循環は、回収、輸送、分離に多くのエネルギーが必要で思うように進んでいない。マテリアルを原⼦、イオンまで分解するのではなく、機能単位ごとに選択性⾼く分離する技術が重要となる。その⽅法として所先⽣は新規電気パルス法を開発した。剥離⾯に直接放電し、熱や剥離⼒の発⽣を制御する精緻な剥離⽅法である。マイクロ秒程度のパルスなので必要なエネルギーも少ない。実例として LiB、太陽光パネル、CFRP への応⽤を紹介された。その中で LiB は集電箔に正極活物質が接着剤で塗布されてそれが巻物のように巻かれた構造をとる。従来の粉砕法では選択性良く剥がれないが、電気パルスを集電箔に流すと、ジュール熱で界⾯の接着剤が失活し、機械的な⼒も働いて、集電箔と正極活物質がきれいに剥がれた。分離された正極活物質には⽬⽴った損傷は⾒られず、充放電特性も維持した。質疑応答では分離技術を体系化された学問としていき、それを理解してモノづくりを進めるような体制の構築が資源循環社会の実現に重要との認識を⽰された。
続いて、守富寛先⽣（守富環境⼯学総合研究所・岐⾩⼤）に「繊維強化プラスチックの再利⽤技術」と題したご講演を頂いた。軽量で⾼強度な炭素繊維は、航空、⾵⼒発電など様々な⽤途で使⽤され、⽣産量は右肩上がりで増している。⼀⽅で、作製の際に 1/3 が廃材となることに加え、航空機の退役廃材も出るため、2030 年には 2020 年の⽣産量以上の廃材がでることが予測される。炭素繊維は⼤量のエネルギーを使って作製されるため、焼却はもったいないし、脱炭素社会に向けての制約もある。守富先⽣は企業と共同で、CFRP から炭素繊維を低エネルギーで取りだせる装置を開発した。⼀旦灯油等で昇温すると CFRP の樹脂の熱分解ガスが発⽣するが、これを燃料に使⽤する仕組みであり、炉を連結することで余った熱も共有できる。11 台の炉が連結された年間処理能⼒ 2000 t の世界最⼤級の再利⽤設備を完成させた。この再利⽤炉のエネルギーコストは 8.5 MJ/kg-CF と、他の⽅法と⽐較しても１桁程度低い。また再利⽤品の⽤途開発についても紹介された。再利⽤品は細かくカットされて回収されることが多いが、これをペレット化し射出成型して⽤いることや、湿式抄造法でペーパー化する取り組みなどが紹介された。また⽔素タンクの補強材などに使われる⻑い炭素繊維を回収し、⻑さを損なわずに再利⽤することの他、加⼯の際に出る粉塵を燃料電池のカーボン剤として利⽤した例も紹介された。プラズマ利⽤の可能性についても議論いただき、プラズマの熱の利⽤や樹脂との親和性を上げる炭素繊維改質への応⽤の可能性を⽰唆された。
最後に南英治先⽣（京⼤）に「バイオリファイナリー技術創出に向けた低温プラズマの応⽤」と題して⽊質バイオマスのガス化に関するご講演を頂いた。地球上のバイオマスの 90％が森林で、光合成の規模としては１年で⼤気の CO2 の 10%を固定し、それは世界のエネルギー需要の 4~5 倍に相当する。⽊材はセルロース、ヘミセルロース、リグニンからなる。
これらを合成ガス（H2+CO）化できれば、ガスタービンによる⾼効率発電や FT 法による有⽤炭化⽔素への変換が可能である。しかしガス化に困難がある。ガス化時にタール・コー
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クが発⽣して配管を閉塞するためガス化炉を安定稼働できないからである。河本晴雄教授（京⼤）が中⼼に⾒出してきた⽊質バイオマスの熱分解の反応機構によれば、熱分解⼀次⽣成物に対しラジカル連鎖や⽔素化による安定化を図ればタール・コーク⽣成よりもガス化を促進できるはずであり、それには⽔素添加プラズマが良いのではないか。南先⽣はこの発想で⽊質成分を⾚外線加熱で熱分解し、発⽣した揮発⽣成物をプラズマ（誘電体バリア放電）に通過させた。セルロースの場合、固形物の抑制は⾒られなかったがプラズマ援⽤によりガス収率増加が確認された。リグニンの場合、熱分解⼀次⽣成物がラジカルで直ちに重合するため、熱分解後即時にプラズマ処理を施す必要がありそうである。リグニンの基本芳⾹族核をモデル分⼦として使⽤し、熱源をプラズマだけにして処理するとガス化が促進され、さらに⽔素添加によって固形物⽣成が抑制した。本来、ガス化には 600℃以上の⾼温が必要だが、プラズマでは⾼々100-200℃でガス化反応が進⾏した。
⼝頭セッションに引き続き、招待講師の先⽣⽅に再度ご登壇いただき、上坂裕之先⽣を司会とした総合討論が開催された。窒素固定に関して、常温常圧での触媒技術に対してプラズ
マの優位性に関する議論があり、⽤途により需要濃度が異なるため⽬指すスペックが変わってくるといったご意⾒や、N2 を直接酸化して NOx にすることは触媒反応ではできないため、触媒と競合せず、プラズマの強みを発揮できるというご意⾒が得られた。また、太陽光パネルからでるシリコン廃材の利⽤⽅法に関する議論も⾏われた。
今回のシンポジウムを通じてプラズマによる分⼦変換が循環社会に貢献できる技術として⾮常に発展していることが共有された。また、マテリアル循環の最前線のご紹介から、エネルギー、コストを極⼒かけない精緻な分離技術の必要性や、再利⽤材に適した⽤途開発など課題が共有された。ご講演の中にあったように、これからは再利⽤を想定したモノづくりが⼤切であり、モノづくり側と再利⽤処理側の相互理解が重要になる。それに加え、応⽤物理をはじめ科学技術に関わる研究者、技術者が各⼈のもつ技術、材料が資源循環に貢献する要素にならないかを真剣に考える。このような動きが活発化すれば、資源循環型社会をより早期に構築していけるのではないか。そのきっかけとして本シンポジウムが少しでも貢献できれば幸甚である。
謝辞

ご多忙の中、ご講演を頂いた講師の先⽣⽅、会場ならびにオンラインで聴講頂いた参加者に感謝申し上げます。また、準備の段階からご助⾔いただいた伊藤昌⽂先⽣、⽯川健治
先⽣をはじめ、プラズマエレクトロニクス分科会幹事の先⽣⽅に感謝申し上げます。
（⽂責辻享志）4「資源循環型社会実現に挑むプラズマ科学」開催報告