2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of atmospheric carbon dioxide fixation process using biomethane direct reforming
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20K05218
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| Research Institution | Kitami Institute of Technology |
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Principal Investigator |
岡崎 文保 北見工業大学, 工学部, 准教授 (10213927)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | メタン直接改質 / 酸化鉄 / アルミナ / バイオメタン / ターコイズ水素 / ナノカーボン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和２年度は，主に触媒性能の向上のための検討を行った．
はじめに酸化鉄系触媒の調製出発原料として硝酸鉄、硫酸鉄、塩化第二鉄を用いて触媒を調製し、メタン直接改質反応（DMR）活性を検討した。硝酸鉄を原料とした酸化鉄を用いて、反応温度を700 ℃、730 ℃、750 ℃と変化させDMRを行ったところ、反応温度730 ℃の活性が一番高く、鉄 1molあたりの炭素生成量でも最高値を示した。また、置換ガスにアルゴンを用いた時とメタンを用いた場合では誘導期に差は見られなかったが、空気を用いた時に誘導期が見られた。以上より、730 ℃が酸化鉄における最適な反応温度であり、メタンに変わる置換ガスとしてアルゴンを用いることで反応に掛かるコストが削減可能だということが分かった。また、調製原料別の酸化鉄触媒に対してDMRを行ったところ、同じ酸化鉄でも調製原料ごとに活性に差が見られた。活性の序列は硝酸鉄＞塩化鉄＞硫酸鉄となった。そこで、調製したそれぞれの酸化鉄をXRDにて結晶子サイズを調べてみると、硝酸鉄＜塩化鉄＜硫酸鉄となっていた。したがって、結晶子サイズが小さい酸化鉄ほど水素転化率が大きくなっており、DMR活性も大きくなることが分かった。
つぎにバイオメタンを想定し、メタンに二酸化炭素を共存させて行なったところ、DMR活性は示さなかった。しかし、最初はメタンだけ流通し触媒を活性化した後、DMR反応開始30 min後から二酸化炭素を添加すると、DMR活性は大幅に向上した。また、二酸化炭素添加率を上げるに連れてDMR活性も下がったことから、二酸化炭素量に比例して生成した水が一部で触媒被毒を起こすことで、二酸化炭素添加におけるDMR活性の低下したと考えられる。このことから共存ガスの添加を活性種の出現後に行なうことで、無添加時と同程度の活性を得ることができることがわかった。
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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
令和２年度では、触媒調製に最適な出発塩を見出すことが出来たが、触媒調製法についてはまだ検討の余地がある。この反応では、できるだけ高活性な触媒を用いて、ナノカーボンに残存する触媒量を少なくする必要がある。そのため、社会実装するためには触媒コストの低減は避けられない。そのため、コストパフォーマンスの優れた触媒調製法を見出す必要がある。
バイオガス利用を想定した実験では、一定の成果を得ることが出来た。今後は二酸化炭素濃度をバイオメタンと同じ40%を目指したい。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和３年度以降はシステム全体のパフォーマンス向上を目指す。反応にバイオメタンを使用し、残存する二酸化炭素の反応への影響について詳細に検討する。さらに硫化水素、アンモニアなどの微量成分の影響、触媒金属-ナノカーボン複合体の特性解明など、以下の検討事項を中心に、研究期間内に実証プラント設計への基礎技術を確立する。
１）耐二酸化炭素触媒の開発：バイオメタンには二酸化炭素が40％程度混入するという前提で、その影響を受けにくい触媒を開発する。実験には模擬バイオメタンを使用する。
２）実バイオメタンの直接改質：模擬バイオメタンを使用する実験結果を踏まえ、簡易バイオガス発生装置でつくった実バイオメタンを用いて触媒性能試験を行い、硫化水素、アンモニア、その他の微量成分の影響も考慮する。
３）触媒金属-ナノカーボン複合体の特性解明：ナノカーボンの内部に閉じ込められた金属粒子の空気中における化学的安定性を調べる。安定な場合にはその特長を生かした用途を検討する。
４）安全性・親環境性に優れた触媒の開発：メタン直接改質に対するニッケル触媒の活性は高いが、ナノカーボンの内部に閉じ込められたままでナノカーボン材料として利用され後、廃棄物の一部として環境中に放出されることを想定すると用途は限定される。ニッケルおよびその化合物はPRTR法の指定物質だからである。したがって鉄系触媒の開発も行う。
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