2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of waste slag conversion process based on chemical methodology and its applications in CO2 capture and utilization
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21K05147
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
桑原 泰隆 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (40635330)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 鉄鋼スラグ / リサイクル / 多孔質材料 / 酸化カルシウム / CO2回収貯留 / CO2変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
製鉄プロセスにおいて鉄鉱石から鋼を作り出す還元・精錬過程で大量の鉄鋼スラグが副生成され、廃スラグの新しい有効利用法の開発が求められている。また、製鉄プロセスでは原料である石炭や石灰石の消費の伴い大量の二酸化炭素(CO2)が排出され、有効なCO2吸着回収技術開発が求められている。本研究では、製鉄プロセスで大量に副生成する鉄鋼スラグを原料としてCO2吸着能を有する酸化物ナノ多孔体を製造するための化学変換プロセスを開発した。ギ酸を溶解酸として高炉スラグを溶解し、逐次的な析出プロセスを経ることで、ほぼ100%のリサイクル効率で酸化カルシウム(CaO)-メソポーラスシリカ複合体へと変換することに成功した。合成した酸化物ナノ多孔体に含まれるCaOの化学的特性を生かし、二酸化炭素(CO2)の吸着試験を実施したところ、吸着温度700℃において繰り返し吸脱着特性を示した。用いる溶解酸の種類が複合体の構造・CO2吸着性能に与える影響について、各種触媒構造解析により明らかにした。また、Fe含有量が多く、利用用途の限定的な転炉スラグに対しても本変換プロセスを適用したところ、高いリサイクル効率でCaO-Fe3O4-SiO2複合体へと変換することができた。転炉スラグ合成した酸化物ナノ多孔体はCO2吸着試験において、高炉スラグから合成した酸化物ナノ多孔体と比較して優れたCO2吸着量および耐久性を示すことがわかった。開発した化学変換プロセスは現在鉄鋼産業が直面している『廃スラグの有効利用』と『CO2排出量の削減』という 2つの重要な問題に貢献しうる技術として更なる展開が期待できる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
令和３年度当初の目標であった、1) 高炉スラグからの酸化物ナノ多孔体合成プロセスの最適化、2) 製鋼スラグからの酸化物ナノ多孔体合成プロセスの開発、3) CO2吸着回収への応用を実施することができた。ギ酸を溶解酸とした逐次的な析出プロセスを適用することで、高炉スラグをほぼ100%のリサイクル効率で酸化カルシウム(CaO)-メソポーラスシリカ複合体へと変換することに成功した。また、Fe含有量が多い転炉スラグに対して本変換プロセスを適用したところ、高いリサイクル効率でCaO-Fe3O4-SiO2複合体へと変換することに成功した。電子顕微鏡や各種分光分析手法を駆使して酸化物ナノ多孔体の形成過程も明らかにしている。また、ターゲットとしたCO2吸着回収への応用に関しては、スラグから合成した酸化物ナノ多孔体がCO2吸着能を有することを確認するだけでなく、転炉スラグを原料とすることで耐久性の高いCO2吸着材が合成できることを示し、得られた成果は既にアメリカ化学会ACS Sustainable Chemistry & Engineering誌に発表している。鉄鋼スラグには高炉スラグ、転炉スラグの他にも多様な化学組成を有するスラグがある。現在、脱リンスラグや脱珪素スラグ、還元炉スラグに対しても開発した化学変換プロセスを適用し、同様のCO2吸着材が合成できないか調査を進めている。以上の理由から、当初の計画以上に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
鉄鋼スラグには高炉スラグ、転炉スラグの他にも多様な化学組成を有するスラグがある。脱リンスラグや脱珪素スラグ、還元炉スラグに対しても開発した化学変換プロセスを適用し、原料となるスラグの組成が合成した吸着材のナノ構造、CO2吸着性能に与える影響を調査していく。また、当初の研究計画を前倒しして、各種スラグから合成した酸化物ナノ多孔体に触媒活性種となるNiナノ粒子を固定化し、CO2再資源化反応（ドライリフォーミング反応）への応用を行っていく。既存触媒を超える吸着性能・触媒活性を発現するためのスラグ変換プロセスの最適化を図るとともに、実際のドライリフォーミング反応により触媒性能を評価する。特に、スラグから合成した酸化物ナノ多孔体の構造・組成と、観察された触媒性能との相関を見出し、更に高活性な触媒開発につなげる。またこれと並行して、X線や放射光を利用した金属種の構造解析や、その場赤外分光分析を用いた基質（CO2）吸脱着・反応過程の追跡を行い、開発した触媒で起こる反応機構と触媒に含まれるCaOの役割を明らかにする。これら研究を通じ、廃スラグを出発原料としたCO2の回収・利用(CCU)に貢献しうる新しい触媒技術の開発を目指す。
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Research Products
(11 results)
