研究活動概説

化学研究グループ

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CO2 分離・回収技術の将来を見据え、先導技術へ挑戦
地球温暖化の進展が海洋の熱塩循環停止のような非可逆化学研究グループでは多様な CO2 分離技術開発に努めな的な影響を地球環境に与える懸念がある。
そのような事象をがら、特に化学吸収法と膜分離法に力点を置いてきた。化学防ぐために、科学的に大気中の CO2 濃度をいくつに抑制する

吸収法では製鉄所の排ガスを対象にした CO2 分離技術の開かという問いに対して、CO2 濃度が 550ppm であるとその確発を行い、3400 円／トン -CO2 まで低減の目処が得られ、さら率が数％であるが、650ppm まで上昇すると数十％で発生すに 2000 円／トン -CO2 を狙った化学吸収液の開発を進めてるとの見解がある。

いる。
また、膜分離法では H2 を含むガスからでも CO2 の選択

また、一昨年発表されたスターンレビューでは、上記のよう性では世界でトップの素材を見出した。現在は、その素材を膜なカタストロフィクな事象を考慮せずとも、地球温暖化に対処構造の中へ組み入れる研究に取り組んでおり、実ガスでのモしないと毎年 5％以上の GDP ロス発生を予測し、GDP１％程ジュール試験を視野に入れた開発に着手した。

度の対策費の支出が経済的合理性があると主張している。

化学吸収法による CO2 分離回収技術開発

このような背景から、日本政府もポスト京都後の CO2 削減の国際的な枠組み作りの構築に乗り出した。

化学吸収法は、ガス中の CO2 をアミン水溶液等の化学吸収

大気中の CO2 濃度を 2100 年に産業革命前の 2 倍濃度で液に選択的に吸収させた後、加熱して分離させる方法であり、ある 550ppm という指標が設定された仮定すると、CO2 濃度比較的大規模な常圧ガスからの CO2 分離に優れている。化学抑制のためには、省エネルギー、燃料転換、再生可能エネル

吸収法の最大の課題は、分離回収コストを低減することが可ギー（太陽光、風力、バイオマス）、原子力だけでは CO2 抑制能な新吸収液の開発である。

量が足りずに、CO2 の地中貯留などによる CO2 削減が必要に

RITE では、平成 16 年度から製鉄所高炉ガス中の CO2 を化なると予測されている。
その地中貯留コストの 7 割程度は排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出源からの CO2 分離に要すると試算されており、地中貯留技「低品位廃熱を利用する二酸化炭素分離回収技術の開発

術の実用化促進には CO2 分離コストの低減が重要である。

（COCS）」プロジェクトを企画推進し、新吸収液の研究開発を化石エネルギーの転換技術は進歩しており、ボイラース実施している（図２）。

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。発電装置からCO2 を分離回収する技術も化学吸収法、物理吸収法、膜分離法、酸素燃焼法など多岐にわたっている。技術進歩によって、前処理法の検討 吸収塔

CO2 分離が対象とする燃料転換装置と分離装置の組み合わ再生塔

せが変化し、より経済性の高い技術に対応した CO2 分離技術の開発に対応できるように図１に示すような技術開発ビジョンを基に開発を進めている。
図 2 低品位廃熱を利用するＣＯ2 分離回収技術（COCS) 概要

図 1 長期的な視点での発電技術と CO2 分離技術

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新吸収液に望ましい性能は、吸収液と CO2 との反応におい高くて、大きな吸収容量を持つ化合物が存在することを確認して、反応熱が小さくかつ吸収分離が容易なことである。
それにた（図４）。
このような特性を有する高圧用の化学吸収液を開より CO2 を低エネルギーで分離回収できる。
それらの特性を発し、高圧システムにおける新たな CO2 分離回収方法として示す化合物の中ではアミン水溶液が優れている。
アミン吸収提案していく。

液選定の考え方と吸収液開発のステップを図３に示す。第１ステップとして、数百種類の市販アミンを（図３に示す考え方から）選定して、アミン水溶液に対する CO2 の吸収速度、吸収量、反応熱等の基礎特性のラボ実験を行い、基礎特性に及ぼすアミンの化学構造を把握した。次に、単一アミンの各種性能を補完し合う複合アミンを検討し、その性能を精査した。
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、5 系）を開発した。
さらに、これまでの知見や量子化的な検討を通じて新規な分子構造のアミンを設計・合成・評価へと研究範囲を広げ、新たな吸収液（RITE-6 系）の提案を行った。
これまで開発したベスト吸収液の分離回収

図 4 高 CO2 分圧用及び低 CO2 分圧用吸収液の CO2 吸収特性比較

エネルギーは、ＭＥＡ（モノエタノールアミン）標準吸収液が新しい化学吸収液再生技術の開発

１トンの CO2 あたり 4.0ＧＪであるのに対して 2.7GJ と大幅に低減でき、分離回収コスト 3400 円 /トン -CO2 の目途が得

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られた。

低減するために、CO2 放散促進材を用いる圧力差による再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
2

2

.

2の高温加熱再生に比べて CO2 分離回収の電力エネルギー##22

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/(2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）に図 3 新規吸収剤開発まで低減し得る可能性を得た。

加圧下で使用できる吸収液の開発
今後、より高性能な新吸収液の開発を進めるとともに、化学吸収法の解析モデルを開発し、新吸収液の特性を最大限に活かすための化学吸収システムの最適化研究も実施していく。
また、これまでの吸収液の知見に基づいて、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組み始めた。
一般に、常圧で用いられるアミン吸収液は高圧では CO2 と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、常圧で反応が進まないものの、高圧では温度依存性が
図 5 加熱併用膜フラッシュ法のフロー例

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現在この技術を、燃焼排ガスのみならず、化学プロセス、バイオプロセス等で発生する CO2 を分離する用途で実用化することを目指して開発を進めている。

圧力ガスから CO2 と H2 を分離する高分子系膜の開発
CO2 分離回収コストを下げるために、圧力を有するガス源から CO2 を分離する方法が期待されている。圧力を有するガス源としては、米国の FutureGen 計画に代表される石炭をガス化して水性ガスシフトで製造する CO2 と H2 を含む混合ガ

図 7 デンドリマー複合膜（大気圧用）

スがある。
ここで、CO2 は分離回収して地中に貯留し（CCS：
CO2 Capture and Storage）、H2 はクリーンな燃料として使用する。
このガス源から分離膜で CO2 を分離するコストは 1500円 /t-CO2 以下と試算されている。
しかし、分離対象が CO2 とH2 であり、従来の高分子膜では効率よく分離することが出来ない。
RITE では、CO2 と H2 を効率良く分離可能な分子ゲート膜（図６）を開発中である。現在までに、新規に開発したデンドリマーが優れた CO2 と H2 の分離性能を有することを見出し、こ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複

図 8 米国 DOE/NETL における実験の様子

合膜で世界トップ性能となる 30 を超える CO2/H2 選択性を得ている。引き続き、CO2/H2 選択性の向上を目指すと共に、実用的な分離膜モジュールの開発を進めている。

高温で触媒と組み合わせて使える無機分離膜#/ の圧力差#/
NM. ( NM

無機多孔質材料であるゼオライトやメソ細孔多孔体などの供給側細孔は、鋳型合成というプロセスをとるのでサブナノレベルの高

極めて均一な細孔を有し、またフレームワークの熱運動／伸張性が低い。
その特徴を生かした高温域での高選択的な分離低透過側膜としての利用が期されている。

分離膜

現在、従来膜の性能を大幅に上回る高い選択性を持った
CO2 ／ N2、CO2 ／ H2 分離機能の発現に取り組んでいる。
これまでにシミュレーションにより、CO2 吸着容量が大きく、水蒸気

図 6 分子ゲート膜の吸着阻害を受けにくいゼオライトを推定、合成に成功していデンドリマー膜の開発は、炭素隔離リーダシップフォーラムる。
これを支持体内に無欠陥に充填する新しい高性能な製膜（CSLF）の認定プロジェクト「圧力ガスからの CO2 分離」であ手法”Melt-ﬁlling synthesis”を提案し、CO2 分離選択性の向る。図７は RITE が開発した大気圧用複合膜の写真、図８は上を確認している。

米国エネルギー省国立エネルギー技術研究所（DOE/NETL）
おける RITE 膜モジュール試験の光景である。

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低温プラズマシステムによるディーゼル PM 低減

一方、メソ多孔体薄膜は細孔径がゼオライトよりも大きく、細孔内における物質の拡散が容易であるため、細孔内への近年、PM 除去技術の確立のないまま、ディーゼル排気 PM種々金属の充填が可能である。細孔内に担持された金属は単に対する排出規制がますます厳しくなっている。低温プラズマ分散のナノサイズの微粒子であり、特異的な特徴を有するを活用したディーゼル排ガス後処理技術が PM 除去の有力候（図９）。

補として注目されている。RITE はダイハツ工業（株）と共にNEDO（独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）から「次世代低公害車技術開発プログラム / 革新的次世代低公害車総合技術開発、革新的後処理システムの研究開発」の補助を受け、本低温プラズマPM 除去システム（図 10）の研究開発を行っている。
RITE はプラズマ放電特性と PM 酸化特性を解明し、小型ディーゼル車に搭載できるような高 PM 除去能力と低圧損プラズマ反応器とプラズマ反応器を駆動する電源を研究開発する。

図 9 Pd ナノ粒子複合水素分離膜

また、メソ細孔内に高分散させた金属粒子と無電解メッキを組み合わせることによって、細孔を十分に閉塞させることがあり、本手法により Pd 使用量を低減し、水素脆化による性能低下を抑えることが可能であると期待できる。
これまでに Pdを細孔内に充填した新規な水素分離膜を調製し、1500 程度の水素選択分離性を発現することを見出している。現在この膜の性能向上と、耐久性、大型化の検討を行い、更にシフト反応条件下での水素分離膜／リアクターへの適用へと展開すべく研究を進めている。

図 10 プラズマ反応器による PM 除去システム

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