2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of structured novel reaction system that effectively transform CO2 being exhausted from an industrial process
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17H01894
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
福原 長寿 静岡大学, 工学部, 教授 (30199260)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
河野 芳海 静岡大学, 工学部, 准教授 (50334959)
渡部 綾 静岡大学, 工学部, 助教 (80548884)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 触媒・化学プロセス / 再生可能エネルギー / 温室効果ガス削減 / 反応・分離工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
再生可能エネルギーから製造される水素でCO2を効率的に還元する触媒プロセスの開発は、環境保全の技術確立につながる。本研究では、エネルギーキャリアの一つであるメチルシクロヘキサンMCHの脱水素反応で生成するH2でCO2をCH4に変換し、得られたCH4とCO2を再び反応させて合成ガスを製造するプロセスの構築を目的とする。平成29年度に得られた成果を以下に示す。
１．MCH脱水素反応用構造体触媒：活性成分としてPtを選定し、担体をAl2O3やTiO2、MgO、ZrO2、SiO2などに変化し、担持金属との最適性を調査した。Pt/TiO2触媒が最も高い脱水素活性を示し、担持量は1.0wt%が最適であることが明らかになった。また、Pt/TiO2触媒の高活性発現の要因として、PtとTiO2間の相互作用によるSMSI(strong metal support interaction)効果が寄与していることを推論した。
２．CO2のメタン化用構造体触媒：ハニカム形やスパイラル形に成形したアルミニウム基材にwash coat法でNi/CeO2を創出した構造体触媒は、高いメタン化活性と原料の高速処理を可能にした。また、スパイラル形構造体触媒では基材のひねり比率（ツイスト比）が反応性に影響し、高いツイスト比ほど高いメタン化機能を発揮した。原料ガスのスワール流れによる物質拡散と伝熱性の促進が大きな要因であると推論された。
３．CH4のドライ改質用構造体触媒：ハニカム形Ni/Al2O3系構造体触媒を用い、第二成分（Ce、Y、Mg、Zr）添加の効果を調査した。Ce添加はドライ改質活性の向上と析出炭素量の抑制を示したが、YとZr添加では違いはなかった。一方、Mg添加ではドライ改質特性がやや低下した。また、原料ガスへの酸素共存のオートサーマル条件は、活性向上と析出炭素量の大幅な抑制を実現することがわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成２９年度の研究成果から、メチルシクロヘキサンの脱水素反応用やメタン化用，ドライ改質用の各種の構造体触媒の機能性を向上する技術的な触媒設計指針を得ることができた。特に、本研究での基幹反応となるCO2のメタン化反応に対して、ひねり比率（ツイスト比）を制御したスパイラル形構造体触媒が高いメタン化機能をもつことを明らかにしたことは、実用プロセス化に向けたすぐれた成果であると考えられる。触媒反応プロセスにおいて、化学的因子（触媒機能）と物理的因子（物質拡散、伝熱）を組み合わせることの利点を示したデータが得られた。また、ドライ改質反応においては、当初の目的通りの研究推進、すなわち、構造体触媒の高い伝熱性と部分酸化反応による発熱エネルギーとの組み合わせが改質反応を促進し、改質プロセスの効率性を高めることを示すデータが得られた。また、部分酸化反応との組み合わせは、改質触媒上への炭素質の析出を大きく抑制することがわかった。触媒化学的にも興味深い知見であり、本研究テーマの展開性の広がりを示すデータであると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成３０年度の研究実施内容については以下の通りである。
１．メチルシクロヘキサンの脱水素反応用構造体触媒：前年度までに開発したPt/TiO2構造体触媒を用いて、構造体基材の形状変化が反応特性に及ぼす影響を調査する。具体的には、プレーン形やスタック形、セグメント形などの様式変更、そしてスパイラル形の採用である。その際に、脱水素反応速度と物質拡散や伝熱などの物理的因子との関係に留意して調査する。また、部分酸化反応との組み合わせについても調査し、反応温度の低温化と熱エネルギーの有効利用の可能性について探索する。
２．脱水素反応速度の測定：システム構築の設計指針を得るために、１で開発した構造体触媒システムにおけるメチルシクロヘキサンの脱水素の反応速度式を導出する。初期反応速度の測定や定常反応速度式の推算を行ないつつ、各反応成分の吸着平衡定数の推算、脱水素反応機構の推定などを行なう。
３．CO2のメタン化用およびCH4のドライ改質用構造体触媒：メチルシクロヘキサンの脱水素触媒の低温化に伴ない、メタン化反応用触媒においても反応温度の低温化を図る方法について検討する。具体的には、第二成分の添加や反応操作条件（還元温度や還元ガス流速と濃度）の最適化などについて調査する。また、ドライ改質反応では、部分酸化反応（オートサーマル改質）との組み合わせによる炭素析出量の極端な減少化について、その発現要因を中心とした調査を行なう。
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