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発表・掲載日:2021/02/25

大気中のCO₂から高濃度の都市ガス原料合成法を開発

-CO₂分離回収の前処理を必要としないメタンの直接合成-

ポイント

  • CO2分離回収の前処理が不要のため少ないエネルギー消費で希薄なCO2を直接利用
  • 100 ppm程度の希薄なCO2を最大で1000倍以上高濃度のメタンに転換可能な二元機能触媒を開発
  • 大気中に既に放出された希薄なCO2の直接利用により、カーボンニュートラル社会の実現に貢献

概要

国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 石村 和彦】(以下「産総研」という)エネルギープロセス研究部門【研究部門長 松岡 浩一】 エネルギー変換プロセスグループ 倉本 浩司 研究グループ長、高坂 文彦 研究員、劉 彦勇 主任研究員らはデルフト工科大学 浦川 篤 教授と、大気中の希薄なCO2から発電所起源のCO2までの濃度範囲で、CO2分離回収過程の前処理を必要とせずに低濃度のCO2から高濃度のメタンを合成する技術を開発した。

カーボンニュートラルの実現に向けて、発電所やその他産業分野から排出されるCO2、さらには既に大気中に放出されたCO2を回収し、炭化水素系燃料や炭素含有有用化合物へと転換する技術の開発が不可欠である。しかしこれらのCO2は、窒素や酸素などのガス種で希釈されて濃度が数%〜数十%(大気の場合には約400 ppm)と希薄なので、一般にはCO2転換過程の前に多くのエネルギーとコストがかかるCO2分離回収過程を必要とする。今回、CO2を吸収する機能と、吸収したCO2を水素と反応させてメタンに転換する機能の2つの機能をもつ二元機能触媒を開発し、CO2分離回収過程を必要とせずエネルギー消費の少ない、希薄CO2の直接回収転換技術を開発した。この技術により大気中のCO2よりも低い濃度の100 ppmのCO2から最大で1000倍以上高濃度のメタンを直接合成することができる。

なお、この技術の詳細は、アメリカ化学会の学術誌ACS Sustainable Chemistry & Engineeringに2021年2月25日版(日本時間)にオンライン掲載される。

概念図

二元機能触媒を用いたCO2分離回収の前処理を必要としない希薄CO2の直接転換技術の概念図

開発の社会的背景

2050年までに温室効果ガス排出量を実質ゼロとする新たな政府目標の実現には、発電所や産業分野から排出されるCO2の大幅な削減が必要である。CO2有効利用技術(CCU技術)はCO2排出削減には不可欠で、高効率化・低コスト化のための研究開発が国内外で精力的に進められている。さらに、ネガティブエミッション技術の実用化も不可欠であり、既に大気中に放出されているCO2を回収する直接空気回収への注目が高まっているが、これらの技術の大規模な普及には低コスト化・高効率化が必要である。しかし、発電所や産業分野から排出されるCO2や大気中のCO2は窒素や酸素などのガス種で希釈されて濃度が数%〜数十%(大気の場合には約400 ppm)と希薄なので、CO2の貯留や転換過程の前段階として、100%近いCO2濃度を得るためのCO2分離回収過程を必要とする。アミン吸収などに代表されるCO2分離回収過程は、特にCO2の放出過程が多くのエネルギーを必要とするため、CO2分離回収過程の高効率化や、CO2分離回収を必要としない革新的プロセスの開発が必要とされている。

 

研究の経緯

産総研は、カーボンニュートラル実現に向けた高効率なCCU技術のための触媒開発や反応プロセス開発に取り組んできた。これまでに得た蓄積をもとに、今回CO2分離回収を必要とせずエネルギー消費の少ない、希薄なCO2の高効率な直接転換技術の開発に取り組んだ。

 

研究の内容

これまでに、CO2を回収する機能をもつナトリウム(Na)、カリウム(K)などのアルカリ金属またはカルシウム(Ca)のようなアルカリ土類金属と、CO2を水素と反応させてメタンに転換する機能をもつニッケル(Ni)を含む二元機能触媒を開発してきた。概念図に示すように、この二元機能触媒を用いて、反応器へ導入するガスを交互に切り替えれば、(1)低濃度CO2の触媒中への選択的回収と、(2)回収したCO2の水素雰囲気下での炭化水素類への転換(水素化)を交互に行うことが可能となる。これにより、前処理のCO2分離回収過程を経ずに希薄なCO2を直接高濃度のメタンへと転換することができる。今回、産業分野から排出されるCO2を想定した5〜13%のCO2、大気中のCO2を想定した400 ppmのCO2、さらに希薄な100 ppmのCO2を用いて、450℃で固定層反応器のガス雰囲気の切り替えによる試験を行った。図1に示すように、100 ppmという大気中のCO2濃度より希薄なCO2を含むガスを反応器内に充填した触媒に接触させたところ、CO2だけが触媒に選択的に吸収され、触媒によるCO2回収が飽和し始めた2400秒(40分)まで反応器出口からCO2は排出されなかった。3600秒(60分)後に反応器へのCO2の供給を窒素だけの供給へ切り替えることで反応器内の未回収のCO2を除去し、さらに反応開始から4200秒(70分)後に供給ガスを水素に切り替えたところ、メタンが迅速に生成し、最大で体積分率で1000倍以上高濃度のメタンへ直接転換することができた。このようなCO2の選択的回収は、CO2濃度が数%から100 ppmまでの範囲で可能であり、さらに回収したCO2は、90%以上の高いCO2転化率でメタンへ直接転換できることを系統的に明らかにすることができた。

図1

図1 Ni系二元機能触媒を用いた100 ppm CO2からの高濃度メタン(CH4)の直接合成

加えて、大気中のCO2の直接利用を見据えて、酸素を含むガス雰囲気を用いたCO2の回収転換試験も行った。大気中には約20%の酸素が含まれているため触媒が酸化され、機能が低下する恐れがあり、酸素による触媒性能の劣化挙動の理解は重要である。そこで、CO2の選択回収時に酸素を共存させた場合と、させなかった場合の実験を行った。図2に示すように、若干の性能低下が認められたものの、酸素を含む雰囲気でもCO2を回収でき、触媒に回収したCO2を高効率でメタンに転換することもできた。

図2

図2 二元機能触媒を用いた400 ppm CO2の回収転換のCO2回収量とメタン(CH4)生成量
酸素が共存する場合としない場合の比較

今後の予定

今後は、触媒重量当たりのCO2回収量とメタン生成量がさらに高い二元機能触媒の開発を目指すとともに実用化を目指した高効率な反応プロセスの開発を行う。


用語の説明

◆CO2分離回収
発電所や産業分野から排出されるCO2は主に酸素や窒素で希釈されており数%〜数十%の濃度で存在するため、従来のCCU技術ではCO2転換過程の前処理として、アミン系吸収剤などを用いてCO2濃度を100%近い濃度まで上昇させるCO2分離回収過程が必要となる。一般的にCO2分離回収はCO2の回収過程と放出過程からなるが、CO2の放出過程は吸熱反応なので多くの熱エネルギーを必要とする。[参照元へ戻る]
◆メタン(CH4
天然ガスや都市ガスの主成分である高カロリーガスでパイプラインでの輸送が容易な気体。[参照元へ戻る]
◆二元機能触媒
CO2をメタンに転換する機能だけをもつ通常の触媒とは異なり、CO2を選択的に吸収して回収する機能と回収したCO2をメタンに転換する機能の2つの機能をもつ触媒。[参照元へ戻る]
◆CO2有効利用技術
Carbon dioxide Capture and Utilization(CCU)。温室効果ガスであるCO2を燃料や有用化合物に転換して再利用する技術。[参照元へ戻る]
◆ネガティブエミッション技術
既に大気中に放出されたCO2を回収して貯留・利用することで、CO2の排出をマイナスにする技術。カーボンニュートラルを実現するためには、CO2排出の削減に加えてネガティブエミッション技術の導入も前提となる。[参照元へ戻る]
◆直接空気回収
Direct Air Capture(DAC)。大気中に含まれる400ppm程度の希薄なCO2を回収・濃縮する技術。一般的にアルカリ水溶液やアミン系吸収剤を用いる。[参照元へ戻る]
◆固定層反応器
固体触媒を充填した容器に気体や液体などの反応流体を流通させることで化学反応を進行させる触媒反応器。[参照元へ戻る]
◆CO2転化率
CO2転換過程で、触媒から放出されるCO2のうちCH4やCOなどのCO2以外のガスに転換された割合。[参照元へ戻る]


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