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・回収技術の将来と、先導技術へ挑戦
温暖化対策のグローバルな枠組みの議論が進展してお減の目処が得られた。さらに 2,000 円 / トン -CO2 を狙っり、温暖化対策への重要性への認識が向上している。経済た化学吸収液の開発を継続しつつ、パイロットプラントの的に負担の少ない方策から順次に適用されていくとの考え研究にも着手した。また、膜分離法では H2 を含むガスか方が一般的となってきた。

らでも CO2 の選択性では世界でトップの素材を見出した。

大気中の CO2 濃度を 2100 年に産業革命前の 2 倍濃度で現在は、その素材を膜構造の中へ組み入れる研究に取り組ある 550ppm という指標が設定された仮定すると、CO2んでおり、実ガスでのモジュール試験を視野に入れた開発

濃度抑制のためには、省エネルギー、燃料転換、再生可能を実施している。産業界が受け入れ可能な実用的な技術開エネルギー（太陽光、風力、バイオマス）、原子力だけで発を促進しながら、一方では次世代の礎となる革新的な技

は CO2 抑制量が足りずに、CO2 の地中貯留などによる CO2術開発まで、技術に陥穽が生じないように、幅広い新技術削減が必要になると予測されている。地中貯留コストの 7評価を実施している。

割程度は排出源からの CO2 分離に要すると試算されてお

化学吸収法による CO2 分離回収技術開発

り、地中貯留技術の実用化促進には CO2 分離コストの低減が重要である。

化学吸収法は、ガス中の CO2 をアミン水溶液等の化学化石エネルギーの転換技術は進歩しており、ボイラース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でチームタービンの発電方式から、ガスタービン複合発電、あり、比較的大規模な常圧ガスからの CO2 分離に優れて燃料電池複合発電へと進化していくと予想される。発電装

いる。化学吸収法の最大の課題は、分離回収コストを低減

置から CO2 を分離回収する技術も化学吸収法、物理吸収法、できる新吸収液を開発することである。

膜分離法、酸素燃焼法など多岐にわたっている。技術進歩

RITE では、平成 16 年度から製鉄所高炉ガス中の CO2 をによって、CO2 分離が対象とする燃料転換装置と分離装置

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組み合わせが変化し、より経済性の高い技術に対応したの「低品位廃熱を利用する二酸化炭素分離回収技術の開発」

CO2 分離技術の開発に対応できるように図 1 に示すようなプロジェクト（COCS プロジェクトと呼称）を企画推進す技術開発ビジョンの基に開発を進めている。

るとともに、新吸収液の研究開発を実施している（図 2）。

図１ 長期的な視点での発電技術と CO2 分離技術

化学グループでは多様な CO2 分離技術の評価と開発に
図 2 低品位廃熱を利用する CO2 分離回収技術 （COCS） 概要

努めながら、特に化学吸収法と膜分離法の研究開発に力点を置いてきた。化学吸収法では製鉄所の排ガスを対象に新吸収液に望ましい性能は、吸収液と CO2 との反応にした CO2 分離技術の開発では 3,000 円 / トン -CO2 まで低おいて、反応熱が小さくかつ吸収分離が容易なことであ08

化学研究グループ

研究活動概説り、それにより CO2 を低エネルギーで分離回収できる。その化学吸収液を開発し、高圧システムにおける新たな CO2れ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分離回収方法として提案していく。

る。第 1 ステップとして、数百種類の市販アミンを選定して、アミン水溶液と CO2 との吸収速度、吸収量、反応熱等の基礎特性をラボ実験により調査し、基礎特性に及ぼすアミンの化学構造的特徴を把握した。更に、各種アミンの性能の得失を補完し合う複合アミンを検討し、その性能を同様に2. 65調査した。その結果、これまでに特性の異なる高性能な数種類の新吸収液（RITE-3 系、4 系）を開発した。
引き続いて、これまでの知見や量子化学理論計算等に基づいて新規なアミンを設計合成し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（RITE-5､6 系）を開発した（図図 4 CO2 新吸収液によるエネルギーの低減

3）。これまで開発したベスト吸収液の分離回収エネルギー

新しい化学吸収液再生技術の開発

は、MEA（モノエタノールアミン）標準吸収液が 1 トンのCO2 あたり 4.0GJ であるのに対して 2.5GJ と大幅に低減でき、化学吸収法の吸収液再生工程におけるエネルギー消費を低減するために、CO2 放散促進材を用いる圧力差による再プロジェクト目標を達成できる見込みである（図 4）。

生技術を開発している。CO2 放散促進材として多孔質膜を用いて膜の微細孔から CO2 を吸収した液を減圧雰囲気にフラッシュする方法により、従来の化学吸収法で用いられている吸収液の高温加熱再生に比べて CO2 分離回収の電力エネルギー消費を 1/2 以下に低減し得ることを見出した。さらに図 5 に示すように、他に利用されていない低温廃熱（未利用エネルギー）による吸収液の加熱を圧力差と併用することにより、電力エネルギー消費を従来の化学吸収法の約 1/4 である 0.1kWh/kg-CO2 程度（低温廃熱のエネルギーは含まない）にまで低減し得る可能性を得た。

図 3 新規吸収剤開発

COCS プロジェクトによる開発成果は、製鉄所排出 CO2の大幅削減を狙った環境調和型製鉄プロセス技術開発（COURSE50）プロジェクトに引き継がれ、今後、より高性能な新吸収液の開発とパイロットプラント試験による実証を進めていく計画である。
また、これまでの吸収液研究の蓄積を基にして、平成
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

図 5 加熱併用膜フラッシュ法のフロー例組んでいる。一般に、常圧で用いられるアミン吸収液は高圧では CO2 との反応しやすく温度の影響を受けにくい。
しかし、アミン化合物の中には現在この技術を、燃焼排ガスのみならず、化学プロセス、常圧で反応が進まないもバイオプロセス等で発生する CO2 を分離する用途で実用のの、高圧で温度に依存して反応が進む化合物が存在する化することを目指して開発を進めている。その中で、RITEことを確認した（図 4）。このような特性を有する高圧用と大陽日酸（株）は共同でこの技術の応用展開を図り、バ09

化学研究グループ

研究活動概説イオガスから CO2 を除去して高濃度メタンを得る装置を開発した。同社はバイオガス発生サイトにおいて処理ガス量 10m3/h の試験装置（図 6）で 2 ヶ月間の実ガス連続処理に成功し、開発技術を実証することができた。

図 6 RITE/ 太陽日酸（株）共同開発のバイオガス濃縮実証試験装置

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分離膜で CO2 を

図 8 デンドリマー包含膜と CO2 /H2 分離性能回収すると、CO2 回収コストが 1,500 円 /t-CO2 以下と試算されている。

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RITE では、CO2 と H2 を効率良く分離可能な膜として、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。

分子ゲート膜（図 7）を開発中である。ここで、膜中のCO2 が分子サイズが小さい H2 の透過を阻害することで、従来の膜では分離が難しかった CO2 と H2 を効率良く分離耐水蒸気型吸着剤による高圧ガスからの CO2 吸着分離できる。現在までに、新規に開発したデンドリマーが優れ技術開発た CO2 と H2 の分離性能を有することを見出し、このデンCO2 の分離回収に吸着剤を用いる圧力スウィング吸着分ドリマーと架橋型高分子材料の分離機能層を有する複合膜離（PSA）法ではゼオライト系吸着剤および活性炭が使用で世界トップ性能となる 30 を超える CO2/H2 選択性を得あるいは検討されており、それらの中でも CO2 吸着能力ている。図 8 は、RITE で開発したデンドリマー包含架橋に関しては 13X 型ゼオライトが優れているとされている。

高分子膜の概念と CO2/H2 分離性能である。更に、分離膜

しかし、13X 型ゼオライト CO2 の吸着は Langmuir 型の吸メーカーの協力を得て実用的な分離膜モジュールの開発を着特性を示し、火力発電所排ガスの CO2 濃度に対応する促進しており、石炭ガス化複合発電等の実ガスを用いた実低い CO2 分圧（10~15 kPa）でも高い CO2 の吸着量が得験を通じて、分離膜の有効性を確認する。

られる代わりに、脱着に際して、真空ポンプによる減圧操デンドリマー膜の開発は、炭素隔離リーダシップフォー作が必要であり、多大なエネルギーを必要としていた。まラム（CSLF）の認定プロジェクト「圧力ガスからの CO2た、従来型のゼオライトは CO2 よりも水を強吸着するため、分離」に登録され、米国エネルギー省国立エネルギー技術

CO2 吸着量が水蒸気共存下では著しく減少することから、研究所（DOE/NETL）と共同研究を実施している。更に、吸着分離操作の前処理として排ガス中の水蒸気を分離除去

10化学研究グループ

研究活動概説し、その後段で CO2 を吸着分離する必要がある。この場合、る。また水蒸気共存条件下でも CO2 を選択的に吸着可能CO2 分離回収のための全消費エネルギーのうち約 30% はな耐水蒸気型吸着剤の適用により除湿プロセスの省略によ除湿に消費される。この除湿工程の省略 / 簡略化が達成さり装置のコンパクト化を可能とし CO2 分離回収工程の大れるならば、装置のコンパクト化が可能である。

幅なコスト低減（1.5GJ/ton- CO2 以下）を目指したい。

一方、石炭ガス化生成ガスや採掘天然ガス等の高圧ガス

革新的ディーゼル車後処理システムの研究開発からの CO2 分離回収は、常圧排出ガスからの分離回収技術と比較して、ガス自体の圧力エネルギーを CO2 分離回近年、ディーゼル排気粒子状物質（PM）に対する排出収に活用できることから分離回収コストを大幅に低減でき規制がますます厳しくなっているため、多くのディーゼルる可能性がある。

車には PM 除去装置を取り付ける必要がある。低温プラズ

そこで本研究では、我々が新規に見出した高圧条件に適マを活用したディーゼル排ガス後処理技術が PM 除去の有した水蒸気の影響阻害のない新規吸着剤を高圧ガスからの力候補として注目されている。RITE はダイハツ工業（株）

CO2 吸着分離法に適用して CO2 を低エネルギー・低コスと共に NEDO から「次世代低公害車技術開発プログラムトで分離回収しうる技術の開発を目的としている。

/ 革新的次世代低公害車総合技術開発、革新的後処理シス

これまでに水蒸気共存条件下でもほとんど CO2 の吸着テムの研究開発」の補助を受け、本プラズマ後処理技術の性能が低下しない新しい吸着剤を開発しており、現在本吸研究を 5 年間（平成 16 年度〜平成 20 年度）にわたり行った。

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RITE はこれまで開発した低温プラズマ反応技術を元に、る。図 9 に示すように、従来型のローシリカゼオライト

プラズマ放電特性と PM 酸化特性を解明すると同時に、小13X では、CO2 分圧が 300kPa 程度で吸着量がほぼ飽和に型ディーゼル車に搭載できるような高 PM 除去能力と低圧達してしまうため、高圧ガス（1.6MPa）から常圧（0.1MPa）

損を有するプラズマ反応器の開発とプラズマ反応器を駆動への圧力スイングでは、CO2 を効率的に回収することはでする電源（図 10）の開発を行った。開発した反応器を日きず、乾燥条件下でも 1.5mol/kg 程度の回収量しか期待

本自動車研究所（つくば）で評価した。その結果、ディーできないが、新規に開発した吸着剤（A）は 3MPa 程度まゼル乗用車から排出される PM を 93W の放電電力で 2009

では CO2 分圧の増大とともに CO2 吸着量が増大し、高圧年実施されるポスト新長期規制（0.005 g/km）をクリアー（1.6MPa）から常圧（0.1MPa）への圧力変動による CO2できた（図 11）。

吸着量のローディング差は 3.6mol/kg と非常に大きな値を示すことが明らかとなった。また、13X は同条件下で水蒸気が存在すると CO2 の吸着性能が消失するが、新規吸着剤（A）はほとんど水蒸気の影響を受けない。

図 10 低温プラズマ PM 除去システム

図 9 プロジェクト概要

高圧ガスに本吸着剤を用いた PSA 法を適用すると常圧に戻すだけで吸着した CO2 が回収でき、真空ポンプが不図 11 JC08 モードでの PM 排出量と放電電力の関係要となるため、大幅な分離回収エネルギー低減が可能であ11