持続可能な窒素循環を実現するための排ガス・廃水資源化技術の開発

川本 徹
産業技術総合研究所 材料・化学領域 首席研究員
ムーンショット型研究開発事業 PM
tohru.kawamoto@aist.go.jp

22/11/27 窒素循環シンポジウム

1

解決を目指す地球温暖化問題及び環境汚染問題

窒素化合物排出は最大の環境問題の一つ。日本も国家行動計画策定が視野にプラネタリーバウンダリー:地球の受入限界と現状の比較

H30環境・循環型社会・
生物多様性白書

国連環境計画 第5回国連環境総会(22/03) 持続可能な窒素管理に関する決議：
各国に対し奨励：①窒素廃棄物を2030年までに顕著に減少、②国家行動計画に関する情報共有 →環境省でも検討開始
例:2023年度環境研究総合推進費行政要請研究テーマ「窒素に関する大気・水・土壌の包括的な管理手法の開発 」
https://www.env.go.jp/press/110635.html, https://www.erca.go.jp/suishinhi/koubo/pdf/r05_shinki_kouboshiryo_1.pdf
22/11/27 窒素循環シンポジウム2目標:年間1億トンの排出削減を実現する窒素循環システム

新たに構築する窒素循環システム
現状の産業活動

十分な無害化(N2)
資源化
エネルギー回収

工業製品・N2
不十分な無害化
エネルギー消費
排ガス
NH3
生産
NH3
産業・生活活動

SIP3
産総研事業
産総研事業

NH3
6000万t/年

NOx
4000万t/年

アンモニアを濃縮

燃料

アンモニアに変換
工業生産
アンモニア代替

廃水
利用可能
形態

希薄有価物

窒素化合物
8000万t/年

共存物質

1.変換

2.分離回収脱硝用還元剤 エンプラ
N2
NOx NH3

自動車用気筒、チューブなど

3.利用

ムーンショット事業で推進
22/11/27 窒素循環シンポジウム

3

ムーンショット型研究開発事業目標4(NEDO)
2050年までに、地球環境再生に向けた持続可能な資源循環を実現「産業活動由来の希薄な窒素化合物の循環技術創出」

PM：川本徹研究グループ長、実施期間：2020年10月〜2030年3月(2023年3月ステージゲート)【項目1：排ガスの資源化】
排ガス中NOxをアンモニアに変換、脱硝剤と利用し完全浄化。排ガス中アンモニアは資源化も燃焼
排ガス

NOx

NOx
NTA

燃料還元剤(HC, CO)

NOx

SCR

【項目2：廃水の資源化】
超省エネで廃水中窒素化合物を排出することなくアンモニア資源として回収

生物変換

N2

有機態窒素 NH4+NH3NH3 > NOx (50%超変換)
でNOxを完全浄化

分離濃縮
アンモニア
資源

廃水

プラント設計、ライフサイクルアセスメント(LCA)、環境影響評価を行い、窒素・温室効果ガス削減効果を発揮するパイロットプラントを構築
https://www.n-cycle.jp/
22/11/27 窒素循環シンポジウム

4本プロジェクトの概要
TL小倉(東大)

TL堀(産総研)

TL松山(神戸大)

TL松本(東工大)

22/11/27 窒素循環シンポジウム5項目1.気相NOx無害化・資源化

22/11/27 窒素循環シンポジウム

6項目1.気相NOx無害化・資源化の成果例 (早稲田大)https://www.nedo.go.jp/events/report/Z2MS_00011.html
https://www.nedo.go.jp/content/100958118.pdf
22/11/27 窒素循環シンポジウム

7項目1.気相NOx無害化・資源化の成果例 (産総研)◆希薄NH3を吸着回収し、重炭安固体に変換◆

吸着脱離析出NH4HCO3水溶液
NH3冷却

繰返し

NH4HCO3NH3吸着材(プルシアンブルー型錯体)

CO2• 加熱無し・低エネルギーで重炭安固体に変換• 重炭安は毒劇物など非該当。固体でもあり、貯蔵などに有利• 重炭安は低温(〜70℃)で昇華、NH3:H2O:CO2=1:1:1の混合ガスにすぐに変換
22/11/27 窒素循環シンポジウム8項目2.水相窒素化合物資源化

22/11/27 窒素循環シンポジウム

9項目2-1.水相窒素化合物資源化(変換)22/11/27 窒素循環シンポジウム

10項目2-1.水相窒素化合物資源化(変換)の成果例 (産総研)

https://www.nedo.go.jp/events/report/Z2MS_00011.html
https://www.nedo.go.jp/content/100958118.pdf
22/11/27 窒素循環シンポジウム

11項目2-2.水相窒素化合物資源化 (濃縮)
多様な技術を組合せ、各廃水へ対応(濃縮の数値は一例)
正浸透膜：超省エネ
500→5,000mg/L
FOプロセス

廃水

海水

NH4+

FO膜

H2O

NH4+
NH4+

イオン交換膜：Ca除去, 3,000mg/L→3%

濃縮廃水

放流水

Na＋ Cl-• FOプロセス後に生じた希釈海水はそのまま放流可能• 濃縮にかかるエネルギーはポンプ動力のみ

膜蒸留：高濃度濃縮, 4%→>30%

吸着分離：Na除去, 1000mg/L→2%NH3蒸気凝縮液

濃縮NH4
回収

他物質

NH3蒸気

冷媒

NH3

廃水 多孔膜 凝縮液②熱等による脱離(濃縮)①NH4吸着(他物質と分離)開 閉吸着材(多孔性配位高分子等) NH4+他物質(ガス・液)

脱離液通水・加熱など

22/11/27 窒素循環シンポジウム

12項目2-2.水相窒素化合物資源化(濃縮)の成果例(神戸大)https://www.nedo.go.jp/events/report/Z2MS_00011.html
https://www.nedo.go.jp/content/100958118.pdf
22/11/27 窒素循環シンポジウム

13項目3.全体プロセス設計の成果例(東工大・名古屋大)

排ガス中NOxのNH3への変換プロセス⚫

上図の構成プロセスシステムのCO2
排出量が，選択触媒還元法(SCR)の適用の1/4以下と試算

液相窒素化合物濃縮プロセス⚫

上図の構成プロセスシステムのCO2排出量が，アンモニアストリッピング法の適用の1/20以下と試算

https://www.nedo.go.jp/events/report/Z2MS_00011.html
https://www.nedo.go.jp/content/100958118.pdf
22/11/27 窒素循環シンポジウム

14その他の取り組み
産総研資源循環利用技術研究ラボ 窒素資源循環チーム
産総研自主事業として資源循環技術開発を推進、窒素循環もその一つに

畜産排ガス資源化、内燃機関によるアンモニア資源燃料利用などを研究
https://unit.aist.go.jp/dmc/rctrl/ja/groups/jkl.html
22/11/27 窒素循環シンポジウム

15まとめ◆背景◆• 窒素化合物の環境放出は、プラネタリーバウンダリー最大の課題の一つ→回復可能性と言う観点では気候変動などを超えるリスク◆ムーンショット型研究開発事業◆•••

排ガス中NOxをアンモニアに変換し、無害化、資源化する技術
廃水中窒素化合物をアンモニアに変換し、資源化する技術開発したアンモニア資源化技術の有効性の評価◆そのほかの取り組み◆• SIP3：下水汚泥・農業排ガスなどの肥料利用化技術の開発• 産総研事業：排ガス・廃水中窒素化合物の資源化・燃料利用

ご清聴ありがとうございました
22/11/27 窒素循環シンポジウム

16