高温高圧水中バイオマス部分酸化による低温水素製造プロセスの開発

• Project/Area Number: 17686071
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Catalyst/Resource chemical process
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 渡邉 賢 Tohoku University, 大学院・工学研究科, 准教授 (40312607)
• Project Period (FY): 2005 – 2007
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2007)
• Budget Amount: ¥28,470,000 (Direct Cost: ¥21,900,000、Indirect Cost: ¥6,570,000); Fiscal Year 2007: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2006: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000); Fiscal Year 2005: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000)
• Keywords: 高温高圧水 / バイオマス / グルコース / ガス化 / 水素 / 部分酸化 / ギ酸 / 金属酸化物触媒 / 水性ガスシフト反応

Research Abstract

バイオマス処理溶媒に有用な高温高圧水を利用して、水素を効率よく生成するための新しい方法について研究している。申請者は水素製造法として、エネルギー生産の観点から熱化学的変換の中でも低温の200-400℃において、高温高圧水中でバイオマスを部分酸化させてCOやギ酸などの水素前駆体を選択的に生成させ、その後前駆体の水素生成反応を促進させることにより選択的に水素に転換する手法に着目している。従来、低温でバイオマスから水素を生成させる反応では、水素化活性金属触媒などを用いるため化学平衡的に有利なメタンの生成も進行してしまう。それに対し、申請者が提案する方法では、水性ガスシフト反応などに活性な触媒でCOやギ酸から水素を生成させる方法を採用するためメタンの生成が抑制でき、選択的に水素を生成させることができる。
本研究では、回分式および流通式反応装置を用いて、高温高圧水中でのバイオマス(セルロースとリグニン、およびそれらのモデル化合物)の部分酸化・水素製造について、温度(200-400℃)、圧力(2-40MPa)、反応時間(10秒-60分)、酸素量、バイオマス濃度、金属酸化物触媒を様々変化させて、反応機構の解明と最適条件の決定を行う。最終的にはバイオマスからの連続水素製造装置を開発し、連続的にバイオマスを処理し高収率で水素を回収するプロセスを提案したい。
これまで、触媒種やバイオマス種について温度、時間、酸素濃度を操作変数として検討した結果、グルコースのような単糖類からギ酸が選択的に生成でき、さらにギ酸であれば300℃以下でも短時間で完全に水素と二酸化炭素に分解でき、副生成物は皆無であることを見出した。これは、水素貯蔵媒体として液体であるギ酸を想定した場合、廃熱によりグルコースを予めギ酸に転換しておき、必要に応じてギ酸を水素に分解する新たな水素貯蔵・生成プロセス開発が可能であることを示している。今後は、小型分散型のグルコース改質装置ならびにギ酸分解装置を開発し、水素経済発展に貢献したい。

Research Products

• [Journal Article] Hydrogen production reaction with a metal oxide catalyst in high pressure high temperature water (2008)
  • Author(s): Masaru Watanabe
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series (採録決定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 高温高圧水中部分酸化によるグルコースからの水素製造技術(第一報):触媒の選定および役割の推定 (2008)
  • Author(s): 高橋麻耶子
  • Journal Title: 日本エネルギー学会誌 (採録決定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Acrolein synthesis from glycerol in hot-compressed water (2007)
  • Author(s): Masaru Watanabe
  • Journal Title: Bioresource Technology 98 Pages: 1285-1290
• [Journal Article] Decomposition of a long chain saturated fatty acid with some additives in hot-compressed water (2006)
  • Author(s): Masaru Watanabe
  • Journal Title: Energy Conversion and Management 47 Pages: 3344-3350
• [Journal Article] Water Density Effect on Lignin Gasification over Supported Noble Metal Catalysts in Supercritical Water (2006)
  • Author(s): Mitsumasa Osada
  • Journal Title: Energy ＆ Fuels 20 Pages: 930-935
• [Journal Article] Synthesis of nanophased metal oxides in supercritical water : Catalysts for biomass conversion (2006)
  • Author(s): Caroline Levy
  • Journal Title: INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED CERAMIC TECHNOLOGY 3 Pages: 337-344
• [Journal Article] Catalytic glucose and fructose conversions with TiO2 and ZrO2 in water at 473 K: Relationshiop between reactivity and acid-base property determined by TPD measurements (2006)
  • Author(s): Masaru Watanabe
  • Journal Title: Applied Catalysis A.General 295 Pages: 150-156
• [Journal Article] CATALYTIC GASIFICATION OF WOOD BIOMASS IN SUBCRITICAL AND SUPERCRITICAL WATER (2006)
  • Author(s): MITSTMASA OSADA
  • Journal Title: Combustion Science and Technology 178 Pages: 537-552
• [Journal Article] Glucose reactions wiith the heating period and the effect of heating rate on the reactions in hot compressed water (2005)
  • Author(s): Masaru Watanabe
  • Journal Title: Carbohydrate Research 340 Pages: 1931-1939
• [Journal Article] Glucose reactions wiith acid and base catalysts in hot compressed water at 473 K (2005)
  • Author(s): Masaru Watanabe
  • Journal Title: Carbohydrate Research 340 Pages: 1925-1930
• [Presentation] 高温高圧水部分酸化反応によるグルコースからの水素生成反応効率化のための検討 (2008)
  • Author(s): 高橋麻耶子
  • Organizer: 化学工学会第73年会
  • Place of Presentation: 静岡大学浜松キャンパス
  • Year and Date: 2008-03-19
• [Presentation] 高温高圧水中部分酸化によるグルコースからの水素製造反応のメカニズムに関する研究 (2008)
  • Author(s): 渡邉 賢
  • Organizer: 第3回バイオマス科学会議
  • Place of Presentation: キャンパスプラザ京都
  • Year and Date: 2008-01-16
• [Presentation] Hydrogen production reaction with a metal oxide catalyst in high pressure high temperature water (2007)
  • Author(s): Masaru Watanabe
  • Organizer: Joint 21th AIRAPT-45th EHPRG International Conference
  • Place of Presentation: University of Catania (Italy)
  • Year and Date: 2007-09-20
• [Presentation] 高温高圧水中でのバイオマスからの水素生成反応機構解明に関する基礎的検討 (2007)
  • Author(s): 高橋麻耶子
  • Organizer: 化学工学会第39回秋季大会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2007-09-15
• [Presentation] 高温高圧水中部分酸化反応機構に基づくグルコースからの水素生成に関する基礎的検討 (2007)
  • Author(s): 高橋麻耶子
  • Organizer: 第1回宮城化学工学懇話会先端研究発表会
  • Place of Presentation: 東北大学工学部
  • Year and Date: 2007-09-10