RITE Today 2022

研究活動概説 ● 化学研究グループ

化学研究グループ
グループメンバー（2021 年 12 月末）
グループリーダー・主席研究員
サブリーダー・主席研究員
主席研究員（技術統括）
副主席研究員
主任研究員
主任研究員
主任研究員
主任研究員
主任研究員
主任研究員
研究員
研究員
研究員
研究員
研究員
研究員
研究員

中尾 真一
長谷川 俊之
余語 克則
馬場 宏治
甲斐 照彦
後藤 和也
Firoz Alam Chowdhury
村岡 利紀
安原 健一郎
龍治 真
伊藤 史典
木下 朋大
清川 貴康
Quyen Thi Vu
段
淑紅
淵上 暢彦
孟烈

研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手

荒木 華子
大西 紀子
尾方 秀謙
小倉 公美子
鹿嶋 麻衣
片岡 梢
菰野 恵子
白井 隆一
杉本 理絵
手嶋 孝
鳴瀧 陽三
藤原 洋一
森恵子
森美佐都
山田 美久
吉野 直美
米澤 順子

CO2 分離・回収技術の高度化・実用化への取り組み
1. CO2 分離・回収技術の研究開発

Utilization and Storage）/カーボンリサイクルがあ2015 年 12 月の COP21 で「パリ協定」が採択され、る。CCUS/カーボンリサイクルでは、「CO2 を炭素資源異常気象など気候変動による悪影響を最小限に抑えるとして捉えて、分離･回収した CO2 の燃料や素材への再ために、産業革命前からの世界の平均気温の上昇を利 用 （ CCU ） 」 と 「 分 離 ･ 回 収 し た CO2 の 地 中 貯 留「2℃より充分低く保ち、1.5℃に抑える努力を追求する」（CCS）」の組合せにより、大きな CO2 削減効果が見込ことが目標とされた。その後、さらなる気温上昇や世界まれている。さらに、CO2 分離･回収技術は CCUS の基規模で発生している甚大な自然災害など危機感の高ま盤となることが示され、2050 年度までに CO2 分離･回りを受けて、先の 2021 年 11 月の COP26 における収コスト 1,000 円/t-CO2 を目指し開発を進めること

グラスゴー気候合意では、気温上昇幅を「1.5℃に制限や様々な CO2 排出源に対応する分離･回収技術を確立する努力の追求を決意」とされ、世界で初めて 1.5℃がしていくこと等が、目標として示されている。また、カー

数値目標となった。IPCC によると、1.5℃目標のためボンニュートラルを実現するためには、ネガティブエミッには、2010 年比で 2030 年までに CO2 を 45%削減ション技術が必要であり、特に最近注目されている大気し、2050 年までにネットゼロを達成する必要がある。

中 か ら の Ｃ Ｏ ２ の 直 接 回 収 す な わ ち Direct Air

我が国においても 2020 年 10 月の「2050 年カーCapture（DAC）は重要であり、2021 年 7 月に改訂ボンニュートラル」宣言と、202０年１２月に策定（2021された「カーボンリサイクル技術ロードマップ（経産省）」

年 6 月詳細策定）された「2050 年カーボンニュートラ

では、進展のあった新たな技術分野として DAC が追記

ルに伴うグリーン成長戦略」を受けて、様々な方面からされた。の地球温暖化防止のための取り組みが推し進められてこのような背景を受けて、様々な CO2 排出源に対し、いる。カーボンニュートラルを可能とする重要な革新的最適な分離・回収技術を提案することにより、CCUS の技 術 と し て CCUS （ Carbon dioxide Capture,実用化を推進していかなければならない。なかでも地球36

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研究活動概説 ● 化学研究グループ

温暖化対策として CO2 の大規模削減が期待できる力して、大気中から高効率で CO2 を分離回収できるCCS を早期に導入、実用化するためには、大規模発生DAC システムの開発に取り組んでいる。

源等から排出される CO2 分離・回収コストの低減が重要である。

以上のように、幅広い次世代の礎となる革新的な技術開発に取り組み、CO2 削減に向けた研究開発をリード

化学研究グループでは、CO2 分離・回収技術の研究開するとともに、社会実装される技術確立を目指している。

発を行っており、これまでに化学吸収法、固体吸収法、また、International Test Center Network（CO2膜分離法で世界をリードする研究開発成果を上げてき分離･回収技術の研究開発を推進する世界各地の施設た。材料の開発に始まり、加工、システム検討までを一貫のグルーバル連合）に加盟し、CO2 分離･回収技術の早して研究開発していることが特徴である。

期実用化に向けて海外ネットワークを利用する活動も推

化学吸収法においては、新化学吸収液の開発目標と進している。

した分離・回収エネルギー2.0GJ/t-CO2 を達成するとともに、吸収液からの CO2 回収温度を 100℃以下で可2. 化学吸収法能とする画期的な吸収液を見出すことに成功した。また、吸収法は、混合ガス中の CO2 を溶液中に選択的に溶COURSE50（「環境調和型プロセスの技術開発」プロ解させることで CO2 を分離する。特に、溶液中のアミン

ジェクト，国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総と CO2 との化学反応を利用した化学吸収法は、燃焼排合開発機構（NEDO）委託事業）で開発した化学吸収液ガス等、比較的低 CO2 濃度の混合ガスへの適用が可能は、商用化されている。

であり、ＣＣＳ分野では最も成熟した CO2 分離・回収技

固体吸収法においては、CO2 高効率回収・低エネルギ術の一つである。

ー消費型の固体吸収材の研究開発に取り組み、これまで化学吸収法では、溶液再生工程でのエネルギー消費に、低温で CO2 脱離性能の良い固体吸収材・システムをやアミンの劣化などがコスト増大の要因となる。RITE見出している。現在、NEDO 委託事業において民間企

は、アミンの分子構造がこれらの要因と密接に関わるこ業と共同で石炭火力発電所の実燃焼排ガスによるスケとに着目し、新規アミンの開発にいち早く 着手した。

ールアップ試験の準備を進めている。

2004 年に開始した「低品位廃熱を利用する二酸化炭

膜分離法は、圧力を有するガス源から CO2 を低コスト、素分離･回収技術開発（COCS）」（経済産業省（METI）省エネルギーで分離するプロセスとして期待されている。

補助事業）以降、主に製鉄プロセスを対象に、CO2 分離・RITE では石炭ガス化複合発電（IGCC: Integrated

回収エネルギーおよびコスト低減を可能とする高性能アcoal Gasification Combined Cycle）等の高圧ガミン系化学吸収液の開発を実施した。

スから低コスト、省エネルギーで CO2 を回収することを製鉄プロセスにおける CO2 削減 30％を目標とした目指した膜および膜エレメントの開発を行っている。実

COURSE50 プロジェクトでは、RITE は、日本製鉄株用化を目指し、量産化を念頭に連続製膜技術、および膜式会社と共同で化学吸収法の高度化に取り組んでいる。

エレメント製造技術等の開発を進めるとともに、実ガス

ここで開発した化学吸収液およびプロセスは、2014 年を用いた膜エレメントの検証試験を実施し、商用化を目に商用化した日鉄エンジニアリング株式会社の省エネ型指して取り組んでいる。

CO2 回収設備 ESCAP®に採用された。これまでに２基

また、新たに NEDO のムーンショット型研究開発事業の商業設備が稼働し、１号機は室蘭製鉄所構内においての 中 で 大 気 中 か ら CO2 を 回 収 DAC(Direct Air

飲料等を含む一般産業用途向けに、２号機は新居浜西火Capture)し、燃料や原料として利用する技術の検討を力発電所において近接する化学工場の化学副原料用に開始した。低濃度 CO2 の分離･回収に適したアミン化合ＣＯ ２を製造している。前者は製鉄所の熱風炉燃焼排ガ物の開発を進めながら、金沢大学および民間企業と協スを CO2 回収源とする化学吸収法による商業設備とし37

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研究活動概説 ● 化学研究グループて世界初のものであり、後者は石炭火力発電の燃焼排2010 年、RITE は主に石炭火力発電所の燃焼排ガスガスを CO2 回収源とする化学吸収法による CO2 分離からの CO2 分離・回収を対象に、固体吸収材の開発に着回収設備として日本初の商業設備である。

手した（METI 委託事業）。基盤研究フェーズ（2010～

また、最新の研究では、水以外の溶媒を用いた吸収液

2014 年度）では、固体吸収材に適した新規アミンの開において、吸収形態および分極影響を制御することで更発に成功し、ラボスケール試験において、分離・回収エネなるエネルギー消費低減の可能性を見出しており、新規

ルギー1.5GJ/t-CO2 以下の目途を得た。本固体吸収材

溶媒および組成検討に継続して取り組んでいる。

システムは、低エネルギー回収のみならず、排熱利用が可能なレベル（60℃）の低温プロセスを可能とする革新的な材料である。アミン系固体吸収材を用いた他の事業と比較して、本事業の低温再生という観点では世界トップの水準である。2015～2019 年度までの実用化研
究フェーズ（METI/NEDO 委託事業）では、川崎重工業株式会社をパートナーとして、固体吸収材のスケールア
ッ プ 合 成 （ >10m3 ） 、 ベ ン チ ス ケ ー ル 試 験 （ >5tCO2/day）、石炭火力発電所での実ガス曝露試験などを実施した。
2020 年、RITE は川崎重工業株式会社とともに

図１ 省エネ型 CO2 回収設備 ESCAP®

NEDO 委託事業「先進的二酸化炭素固体吸収材の石炭（住友共同電力株式会社新居浜西火力発電所内）燃焼排ガス適用性研究」に採択された。本事業では、関西電力株式会社の協力を得て、パイロットスケール試験

3. 固体吸収法
固体吸収材は、アミンを水などの溶媒に溶かした化学吸収液と異なり、アミンをシリカや活性炭などの多孔質設備（40t-CO2/day 規模）を舞鶴発電所内に建設し、2022 年度後半から石炭火力発電所の燃焼排ガスからの CO2 分離・回収試験を開始する予定である。

材料に担持したものである。固体吸収材を用いたプロセスは、溶媒に起因する蒸発熱や顕熱を抑制できることから、CO2 分離・回収エネルギーの低減が期待できる。

図 3 固体吸収法の開発ロードマップ

現在、RITE では、パイロットスケール試験に向けて、固体吸収材のスケールアップ合成やベンチスケール試験
図 2 化学吸収液と固体吸収材の成果を基に最適化した固体吸収材の 100m3 スケー38RITE Today 2022

研究活動概説 ● 化学研究グループ

ルでの製造を進めている。また、材料劣化機構の解明とここに示すように、透過機構としては、加湿条件で、膜劣化防止技術の開発、プロセスシミュレーション技術に中に取り込まれた CO2 が膜中のアミノ基とカルバメートよる効率的な運転条件の検討なども進めている。

や重炭酸イオンを形成し、分子サイズの小さな H2 の透過を阻害することで、従来の CO2 分離膜では分離が難し4. 膜分離法

かった CO2 と H2 を効率良く分離できると考えている。

膜分離法は、圧力差によって分離膜の供給側から透また、高圧条件への適用のために、ポリビニルアルコー過側へ CO2 を透過・分離する分離法である。そのため、ル（PVA）系の架橋高分子マトリクスを使用し、十分な耐高圧ガスである燃焼前回収（Pre-combustion）への圧性を有する膜材料を開発した。

適用により、低コスト、省エネルギーでの CO2 分離･回収が期待される（図 4）。

これまでに、優れた CO2 透過速度と CO2/H2 選択性を有する複合膜の開発に成功している。この成果の実用化を推進するために、現在、RITE および民間企業を組合員とする次世代型膜モジュール技術研究組合（MGM組合）において、CO2 分離膜、膜エレメントの開発（図 6）および膜分離システム開発に取り組んでいる。

図 4 分離膜を用いた石炭ガス化複合発電（IGCC）からのCO2 分離･回収

RITE では、高密度のアミノ基を有するポリアミドアミンデンドリマーを用いた新規な高分子系材料が優れた
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合膜(分子ゲート膜)の開発を行ってきた。分子ゲート膜の概念図を図 5 に示す。

図 6 CO2 分離膜、膜エレメント（大面積の膜、支持体および流路材等の部材を一体化したもの）および膜モジュー
ル（膜エレメントと収納容器（ハウジング）を組み合わせたもの）

過去の METI 委託事業「二酸化炭素分離膜モジュール研究開発事業」（2011〜2014 年度）および「二酸化炭素回収技術実用化研究事業（二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発事業）」（2015〜2018 年度）で得た成果（膜素材、膜エレメントや膜分離システム）を基に、その後、NEDO 委託事業「CCUS 研究開発・実証関連事業／CO2 分離･回収技術の研究開発／二酸化炭素分離膜モジュール実用化研究開発」（2018〜2021 年度）に
図 5 分子ゲート膜の概念図

おいて、実機膜モジュールシステム開発を目指し、連続39

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研究活動概説 ● 化学研究グループ

製膜技術の確立とこれを用いた膜エレメントの開発に取ている。

り組んできた。
前事業では、連続製膜を用いた膜エレメントとして外径 2 インチおよび 4 インチの膜エレメントを作製し、2.4MPa の高圧下においても安定な分離性能を確認し、膜エレメントの基本製法の確立に目途を得た。また、4 インチ膜エレメントを用いて、石炭ガス化炉からの実ガスを用いた分離性能の検証試験を実施し、膜エレメントの実ガスに対する分離性能を確認できた。
今後の取り組みとして、新たに採択された NEDO 委
託事業「ＣＣＵＳ研究開発・実証関連事業／ＣＯ２分離・回図 7 大気中からの高効率 CO2 回収・炭素循環技術の開発

収技術の研究開発／二酸化炭素分離膜システム実用化
研究開発／高性能 CO2 分離膜モジュールを用いた

RITE はこれまでの知見を活かし、大気中の CO2 を効

CO2―H2 膜分離システムの研究開発」において、前事果的に吸収・脱離する新たなアミンの開発を実施すると業の成果に基づいて膜エレメントの CO2 分離性能・耐久ともに、大量の空気を通過させることができるように固性向上に関する検討、商用サイズに向けた膜モジュール

体吸収材をハニカム等の圧力損失の少ない構造体にすのスケールアップ検討、CO2 の利用プロセスに適する膜る技術についても検討を進めている。DAC 用に開発し分離システム設計を行い、社会実装に繋がる実用化研究たアミンおよび担体を用いて、実際に RITE 周辺の外気開発に取り組む。

を流通させて性能評価を行っている。大気は季節や天候、時間によって温湿度が刻々と変化するため、大量の5. 大気中からの CO2 回収技術
RITE は 2020 年度よりスタートした NEDO の「ムーンショット型研究開発事業」 で掲げられた目標４空気の温湿度をコントロールできるように工夫を施した装置を新たに設計・製作し、様々な環境を想定した試験を実施している。

「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」の「（1）温室効果ガスを回収、資源転換、無害化する技術の開発」で金沢大学および民間企業と協力して、大気中からの高効率 CO2 分離回収・炭素循環技術の開発に取り組んでいる。
「ビヨンド・ゼロ」を可能とする技術を 2050 年までに確立することを目指す「革新的環境イノベーション戦略」のイノベーション・アクションプランを後押しするための制度の一つとしてこの「ムーンショット型研究開発制度」が位置づけられている。
大気中から直接 CO2 を回収する技術は Direct Air

図 8 DAC ラボ試験装置

Capture(DAC)と呼ばれている。DAC はネガティブエミッション技術として期待されており、前述の「（1）温経済的に受容可能な DAC の実現に向けては材料開室効果ガスを回収、資源転換、無害化する技術の開発」

発だけでなく、プロセス開発も重要である。RITE では

では、他にも DAC に関する研究テーマが 6 件採択され最適な運転プロセスを効率的に探索するため、シミュレ

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研究活動概説 ● 化学研究グループ

RITE Today 2022ーション技術を活用している。液体炭化水素燃料の変換テージから高炉排ガスや石炭火力燃焼排ガスの商用機に適した量や純度の CO2 を最も低いエネルギーで回収へ展開され、既に CO2 分離･回収技術として実用化されするプロセスについて計算と実験の両側面から検討をている。固体吸収法では、石炭火力燃焼排ガスに対して実施している。

2023-2024 年度に計画されている 40t-CO2/day規模のパイロット試験に向けた検討に着手している。膜

６. 炭酸塩固定化技術

分離法では、IGCC 燃焼前排ガスからの膜エレメントをCO2 鉱物化（CO2 mineralization）は、ネガティブ用いた実ガス試験において CO2 と H2 の分離能を確認

エミッション技術の一つである風化促進（Enhancedするなどの成果を得た。他にも新たに NEDO の「ムーンweathering）の要素技術である。CO2 をアルカリ土類ショット型研究開発事業」において採択された DAC 技

金属と反応させ、化学的に安定な炭酸塩として固定化す術開発や、鉄鋼スラグや廃コンクリート等からの CO2 のる技術であり、生態系に影響を与えない CO2 固定化技

炭酸塩固定化技術開発に取り組んでいるところである。

術として注目されている。特に近年は、アルカリ土類金化学研究グループでは、これらテーマにおける個々の属を含む副産物や廃棄物を用いることで、早期社会実研究課題に精力的に取り組み、実用化ステージに近いも装が期待されている。のは、スケールアップ検討や実ガス試験を通して早期のRITE は、CO2 を炭酸塩として固定化する技術におい技術確立を目指し取り組んでいく。同時に、革新的技術て、長年にわたり培ってきた独自プロセスを保有してい開発に取り組み、より省エネルギーで低コストが可能なる。2020 年より、民間企業と研究会を設置し、鉄鋼スCO2 分離･回収技術を提案していきたいと考える。

ラグや廃コンクリート等を対象として、これらから湿式で特に今後の脱炭素化に向けた持続可能開発シナリオ

抽出したアルカリ土類金属を活用し、工場等より排出さでは、天然ガスやバイオマス燃焼のからの CO2 回収の寄れた CO2 との反応により、安定した化合物である炭酸与が増大すると言われており、DACCS などのネガティ塩として回収する技術の開発、および生成した炭酸塩のブエミッション技術も必要とされている。したがって今有効利用技術の開発等（図９）に協力して取り組んでい後は、これらのより低濃度の CO2 排出源にも対応できる。

るよう技術開発を進める必要がある。CO2 濃度が低くなると、その分処理すべきガス量が増大し、また高酸素濃度も高いため、今後はより低コストで劣化耐性の高い材料開発とそれに対応したシステム開発が重要であろう。

図９ CO2 炭酸塩固定化および有効利用技術

７. おわりに
化学研究グループでは、前述のとおり、主に化学吸収法・固体吸収法・膜分離法を対象に CO2 分離･回収技術開発を精力的に推し進めてきた。化学吸収法では実証ス

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