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発表・掲載日:2008/10/08

安価な高性能無機系吸放湿材を開発

-省エネルギー空調ができるデシカント空調用の吸放湿材として最適-

ポイント

  • 幅広い湿度領域において多量の水蒸気の吸脱着が可能な、無機材料による吸放湿材の開発に成功。
  • 市販のゼオライトと同程度の安価な原料から合成でき、シリカゲルの約2倍の吸着性能を持つ。
  • 廃熱等を利用したデシカント空調への適用により、空調の省エネルギー化を推進。

概要

 独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 吉川 弘之】(以下「産総研」という)サステナブルマテリアル研究部門【研究部門長 中村 守】メソポーラスセラミックス研究グループ【研究グループ長 田尻 耕治】前田 雅喜 主任研究員、犬飼 恵一 主任研究員、および地圏資源環境研究部門【研究部門長 矢野 雄策】地下環境機能研究グループ【研究グループ長 竹野 直人】鈴木 正哉 主任研究員らは、市販のゼオライトと同程度の安価な原料を用い、幅広い湿度領域において多量の水蒸気等の吸脱着が可能な高性能無機系吸放湿材を開発することに成功した。

 高性能吸放湿材は、これまでにいくつもの開発がなされている。しかしながら、デシカント空調用として、相対湿度と水蒸気吸着量が直線的な関係にあり、幅広い湿度領域において吸脱着可能で、かつ安価な無機系吸放湿材は存在しなかった。

 今回、産総研は安価な工業用原料から、低結晶性粘土と非晶質アルミニウムケイ酸塩からなる複合体を合成することにより、相対湿度と水蒸気吸着量が直線的な関係にあり、かつ従来のシリカゲルの約2倍の吸着性能を持つ高性能な吸放湿材の開発に成功した。この吸放湿材は、無機材料なので300℃までの耐熱性を持つとともに、70℃という低温で実用上十分な再生(水蒸気の脱着)が可能であり、廃熱等を利用したデシカント空調等の高性能化や省エネルギー化が大いに推進されるものと期待される。

開発した高性能無機系吸放湿材の写真

開発した高性能無機系吸放湿材


開発の社会的背景

 オゾン層の破壊や地球温暖化への影響を抑えるため、ノンフロン型の空調システムの開発や、省エネルギー対策だけでなく人間の湿度に対する感覚を利用し冷房病を防ぐなど、人に優しい空調システムであるデシカント空調システムの開発が進められている。

 デシカント空調とは、快適な生活空間を得るために、乾燥材(desiccant:デシカント)を用いて除湿を行う空調システムである。従来の冷却結露による除湿システムと比較して、過冷却防止のための再加熱エネルギーを必要とせず、乾燥材の再生(乾かす)熱源には空調から排出される低温排熱を利用できることから、電力消費量が少なく、省エネルギー効果が期待されている。しかしながら、デシカント空調に求められる乾燥材(水蒸気吸放湿材)としては、幅広い湿度領域で水蒸気を吸着・放出できる必要があるが、そのような無機材料の開発は技術的に難しく、またこれまでに開発された高機能吸放湿材は高価な原料が必要であり、安価に合成することが困難であった。そのため、低温での脱水が可能で吸放湿量が多く、かつ安価に合成ができる乾燥材(吸放湿材)の開発が求められていた。

研究の経緯

 産総研は、多孔質材料による吸放湿材の開発を進め、天然の土壌中に存在するナノチューブ状のケイ酸塩であるイモゴライトに着目し、その吸着性能について調べるとともに、大量合成法の研究を行ってきた(2003年11月「ナノチューブ状アルミニウムケイ酸塩の高濃度合成法」、「高湿度条件下において優れた吸水挙動を示す結露防止剤」、2003年12月「ナノチューブ状アルミニウムケイ酸塩によるヒートポンプ用熱交換材」の3件について特許公開)。その後も、イモゴライトの部分的な構造を持ちながら、大量に合成できるアルミニウムケイ酸塩の開発を続け、このたび相対湿度と水蒸気吸着量の関係が直線的で、幅広い湿度領域において吸放湿が可能なデシカント用吸着材の開発に成功した。

 なお本研究は、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構の平成19年度「地球温暖化防止新技術プログラム/ノンフロン型省エネ冷凍空調システム開発/カーエアコン用空気サイクル・デシカントシステムの開発」の支援を得て行ったものである。

研究の内容

 本研究では、安価に合成ができ、かつ吸着性能を大きく向上させるデシカント空調用吸放湿材として、これまで研究を進めてきたイモゴライト(ナノチューブ状のアルミニウムケイ酸塩)の合成法を基に開発を行った。その結果、実用化が可能な安価な材料を用いながらも、相当量の吸放出性能を持つSi(ケイ素)-Al(アルミニウム)系高性能吸放湿材の開発に成功した。

 今回開発した高性能な無機系吸放湿材料(以下「ハスクレイ」という)の合成には、特殊な試薬を必要とせず、一般的なゼオライトの合成に用いられる安価なケイ素源とアルミニウム源から合成が可能である。ハスクレイの合成は、まずオルトケイ酸ナトリウム水溶液と塩化アルミニウム水溶液を混合後、水酸化ナトリウムを添加しpHを中性付近に調整して前駆体を作製する。この前駆体を遠心分離器で脱塩処理後、洗浄し、120℃以上で1日加熱を行うことによってハスクレイが得られる。

 合成したハスクレイは、ナノサイズの粒状体からなり、粉末X線回折を行ったところ(図1)、非晶質アルミニウムケイ酸塩(図中HAS:Hydroxyl Aluminum Silicate)に由来するピークと、低結晶性の層状粘土鉱物(図中Clay)に起因する2種類のピークが確認できた。以上の結果から、ハスクレイは非晶質アルミニウムケイ酸塩と低結晶性層状粘土鉱物の複合体であると推測している。

高性能吸放湿材のTEM観察像   粉末X線回折ピークの図

図1 高性能吸放湿材のTEM(透過型電子顕微鏡)観察像と粉末X線回折ピーク

 このハスクレイの水蒸気吸脱着等温線(図2)は、相対湿度の増加とともに水蒸気吸着量が直線的に増加しており、また吸脱着ヒステリシスが小さいことから幅広い湿度領域において吸放湿が可能な吸放湿材であることがわかる。また実際のデシカント空調用吸着材としての簡易な評価として、100℃で乾燥した重量を基準に、25℃相対湿度60%での吸着を行ったところ、40wt%以上の吸着量があり、デシカント空調用吸着材として有望な材料であることが明らかとなった。また吸着した水蒸気は、80℃程度の熱源によってその大部分が放出される。

 以上のように、相対湿度と水蒸気吸着量が直線的な関係にあり、かつ25℃相対湿度60%での吸着において40wt%以上の吸着量を有する高性能無機系吸放湿材を合成することに成功した。

開発した高性能吸放湿材とシリカゲルA型およびB型の水蒸気吸脱着等温線の図

図2 開発した高性能吸放湿材とシリカゲルA型およびB型の水蒸気吸脱着等温線

今後の予定

 今後は高性能無機系吸放湿材(ハスクレイ)を用いてデシカント空調用ローターを作成し、実機による性能評価を行い、実用に向けさらなる改良を行う。また、ハスクレイは、特異的な吸着性能を示していることから、新たな用途開発への展開を目指した研究も進めていく。


用語の説明

◆ゼオライト
ナノメートルオーダーの細孔が規則的に並んだ多孔性アルミノケイ酸塩の総称を指す。天然でも産出されるが、さまざまの構造・性質を持つものが人工的に合成されている。主な組成はSi(ケイ素)、Al(アルミニウム)、O(酸素)もしくはP(リン)からなる。分離材、吸着材、触媒(担体)など、利用範囲が広範囲である。[参照元へ戻る]
◆高性能無機系吸放湿材(ハスクレイ)
産総研で開発された、Si(ケイ素)-Al(アルミニウム)を主成分とする低結晶性粘土と非晶質アルミニウムケイ酸塩の複合体からなる高性能吸放湿材。非晶質アルミニウムケイ酸塩の“ハス”(HAS:Hydroxyl Aluminum Silicate)と低結晶性の層状粘土鉱物の“クレイ”(Clay)との造語。 [参照元へ戻る]
◆デシカント空調
快適な生活空間を得るために、乾燥材(desiccant:デシカント)を用いて除湿を行う空調システムである。従来の冷却結露による除湿システムと比較して、過冷却防止のための再加熱エネルギーを必要とせず、乾燥材の再生(乾かす)熱源には、これまで利用し尽くされて捨てられていた工業低温排熱や空調から排出される低温排熱を利用できることから、電力消費量を少なくすることができ、省エネルギー効果が期待されている。[参照元へ戻る]

デシカント空調の説明図

 

◆低結晶性粘土
粘土は鉱物学上では、粒径2µm(マイクロメートル)以下の微細な粒子と定義され、主に層状ケイ酸塩鉱物を指す。代表的な構造は、Si(ケイ素)とO(酸素)からなる4面体シートと、Al(アルミニウム)、Fe(鉄)、Mg(マグネシウム)等の金属元素とO(酸素)およびOH(水酸基)からなる8面体シートとが重なり合ってなる。多種多様な種類が発見・合成されているが、主に粉末X線による回折ピークで同定を行う。低結晶性とは、粒子がより微細化したり、シートの重なりの繰り返し構造の不規則性によって、粉末X線のピークが低くなったり、幅広化したりしたものを指す。[参照元へ戻る]
◆シリカゲル
組成式は SiO2・nH2Oで表され、メタケイ酸ナトリウム (Na2SiO3) 水溶液から酸成分による加水分解で得られるゲルを脱水・乾燥したもの。高表面積の多孔体で、乾燥材や触媒の担体として利用される。[参照元へ戻る]
◆イモゴライト
外径約2.5nm(ナノメートル)、内径約1nm、長さ数十nm~数µm(マイクロメートル)のチューブ状アルミニウムケイ酸塩で、天然の火山灰土壌中に風化生成物として見られる粘土鉱物の一種。水との親和性や優れた吸着能力を有している。産総研では、これまでに大量合成を目指した合成方法の開発などを行ってきた。[参照元へ戻る]
◆吸脱着ヒステリシス
吸着等温線で吸着の時の軌跡と脱着の時の軌跡が一致しない時に表現する用語で、吸着プロセスの分類に利用される。主な原因としては、メソポアサイズの領域での毛細管凝縮といわれている。吸脱着ヒステリシスは、吸着と脱着の差が大きいほどヒステリシスが大きいと表現されるが、逆に差が少ない物質は、可逆的な吸脱着をしていると表現されることが多い。[参照元へ戻る]

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