吸着式ヒートポンプに適した高性能炭素系水蒸気吸着剤の開発

2012 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 24750146
• Research Institution: The University of Tokushima
• Principal Investigator: 堀河 俊英 徳島大学, ソシオテクノサイエンス研究部, 講師 (90380112)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Keywords: 低環境負荷物質 / 水蒸気吸着 / 含窒素多孔質炭素 / 吸着式ヒートポンプ / 吸着剤 / 窒素ドープ

Research Abstract

原発停止に伴う電力供給低下が懸念され、より一層の創畜省エネルギー化が求められている。化学プロセスから排出される高位レベルの廃熱は回収され予備加熱などに再利用されるが、低位レベルの廃熱はそのエネルギー密度が低いため未利用廃熱として大気中へ放出されている。近年、低位レベルの熱エネルギー回収システムのひとつとして水蒸気吸着式ヒートポンプ(WAHP)が期待されている。一般的に親水性吸着剤であるゼオライトなどがWAHP用吸着剤として使用されるが、WAHP操作圧力範囲(低相対圧部)における水蒸気吸着量差が十分大きくないことが問題となっている。一方、細孔容積が大きく疎水性吸着剤である炭素系吸着剤は、WAHP運転範囲(低相対圧部)における吸着量が小さく、中高相対圧部で急激な立ち上がりを示す。本申請課題において、水蒸気吸着等温線の立ち上がり位置を低相対圧部へシフトさせるために細孔構造を制御した多孔質炭素材料を調製し、また、それらに窒素原子を導入した吸着剤調製を試みた。吸着剤細孔特性、含窒素量が水蒸気吸着等温線の立ち上がり、水蒸気吸着量にどのような影響を及ぼすか詳細に検討し、これら知見を基にWAHPに適した高性能炭素系水蒸気吸着剤の開発を目指した。
本年度の研究では、前駆体調製時に含窒素有機物を添加して窒素ドープ多孔質炭素を調製した。その結果、含窒素有機物の種類により窒素ドープ量、得られる多孔質炭素の細孔特性が異なることが確認され、それらは含窒素有機物の熱分解挙動に依存することが示唆された。そして、調製した炭素材料への水蒸気吸着結果から次に示す3つの重要な結果を得た。
1. 炭素中にドープされた窒素原子の10%程度が水蒸気吸着に対して官能基と同様に機能する。
2. 窒素ドープにより細孔表面への水蒸気吸着親和性が向上する。
3. 窒素ドープ量が多くなるほど、水蒸気吸着等温線がより低相対圧部へシフトする。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本申請研究成果の一部を下記の通り、国際学会4件、国内学会3件、学術雑誌2報に報告した。
国際学会；[1] T. Horikawa, N. Sakao, M. Katoh, J. Hayashi, D.D.Do, K.-I. Sotowa, ICEAN-2012, Brisbane, Oct. 2012, [2] T. Horikawa, N. Sakao, M. Katoh, J. Hayashi, D.D.Do, Chemeca2012, Wellington, Sep. 2012, [3] T. Horikawa, N. Sakao, D.D.Do, Carbon2012, Cracow, Jun. 2012. [4] T. Horikawa, N. Sakao and D.D.Do, PBAST-6, Taipei, May 2012
国内学会;[1] 堀河 俊英, 坂尾 倫幸, 林 順一, 加藤 雅裕, 外輪 健一郎,化学工学会 第78年会, 2013, [2] 長谷川 拓磨, 堀河 俊英, 外輪 健一郎, 化学工学会 高松大会, 2012, [3] 竹ノ内 雅典, 堀河 俊英, 坂尾 倫幸, 外輪 健一郎, Do D.D., 化学工学会 高松大会, 2012 の研究報告を行うことができた。
学術雑誌；[1] T. Horikawa, N. Sakao, D. D. Do, Carbon 56, pp.183-192 (2013),[2] T. Horikawa, N. Sakao, J. Hayashi, D. D. Do, M. Katoh, K.-I. Sotowa, Adsorption Science & Technology 31, No.2+3, pp.135-144 (2013)
以上のように、順調に進展し成果が出ている。

Strategy for Future Research Activity

<基礎となる3つのテーマ>：（I）WAHP運転範囲における水蒸気吸着に最適な細孔特性を有する炭素材料の調製と検討、（II）水蒸気吸着に及ぼす炭素材料への含窒素量、含窒素構造の影響、（III）WAHP運転範囲における調製材料の性能評価
《実験・測定》（a）水蒸気吸着（Horikawa-Do）モデルによる最適細孔特性の検討：代表者の先行研究によるHDモデルを適用し、WAHPの吸着剤として最適な炭素系吸着剤の細孔特性を検討する。（b）最適細孔特性を有する炭素材料の調製：(a)で検討した細孔特性を有する炭素材料の調製を行う。（c）含窒素炭素材料の調製：(a)で検討した細孔特性を有し、窒素含有した炭素材料の調製を行う。窒素を含有させる方法は、アンモニアガス雰囲気下の炭化などを適用する。（d）含窒素量等の物性評価：(c)で調製した試料をCHN測定、XPS測定を行うことにより、含窒素量、炭素構造中に存在する窒素の結合状態を評価する。（e）各種ガス吸着(窒素＠77K、水蒸気＠298Kなど)測定：水蒸気など各種ガス吸着測定は申請者の研究室が保有する定容系自動蒸気吸着装置を用いて行い、(b),(c)で調製した炭素材料の細孔特性、水蒸気吸着特性を評価する。
【平成25年度の計画】平成24年度とほぼ同様に、（I）～（III）のテーマについて(b)～（e）の実験・検討を継続的に進め、得られた結果を総合的に判断し、最適な調製条件をスパイラルアップ的に絞り込み、最終的にWAHP運転範囲で適用可能な高性能炭素系水蒸気吸着剤の開発を試みる。
上記の一部データ整理を学生に協力してもらい、効率よく研究を推進する。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

次年度使用額として9万円弱が繰り越しになっているが、その8割はすでに消耗品を年度内に購入済みであり、決算が次年度に繰り越したものである。
残りの2割については、次年度に計上している予算の消耗品費として利用する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Effects of temperature on water adsorption on controlled microporous and mesoporous carbonaceous solids (2013)
  • Author(s): Toshihide Horikawa, Noriyuki Sakao and D.D. Do
  • Journal Title: Carbon Volume: Vol.56 Pages: 183-192
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2013.01.003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preparation of nitrogen-doped porous carbon and its water adsorption behaviour (2013)
  • Author(s): Toshihide Horikawa, et al.
  • Journal Title: Adsorption Science & Technology Volume: 31 Pages: 135-144
  • DOI: 10.1260/0263-6174.31.2-3.135
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Preparation of size controllability spherical mesoporous carbon with magnetite nanoparticles (2013)
  • Author(s): Toshihide Horikawa, et al.
  • Organizer: The Annual World Conference on Carbon (Carbon2013)
  • Place of Presentation: Windsor Atlantica Hotel (Rio de Janeiro, Brazil)
  • Year and Date: 20130714-20130719
• [Presentation] Effects of Temperature on Water Adsorption on ACFs (2013)
  • Author(s): Toshihide Horikawa, et al.
  • Organizer: 11th International Conference on the Fundamentals of Adsorption (FOA11)
  • Place of Presentation: Hyatt Regency Hotel (Baltimore, USA)
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] 窒素ドープ炭素吸着剤の調製とその水蒸気吸着挙動 (2013)
  • Author(s): 堀河 俊英, 他
  • Organizer: 化学工学会 第78年会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府）
  • Year and Date: 20130317-20130319
• [Presentation] 磁性ナノ粒子複合球状炭化物の製造とその細孔特性 (2012)
  • Author(s): 長谷川 拓磨, 他
  • Organizer: 化学工学会 高松大会
  • Place of Presentation: 高松サンポート（香川県）
  • Year and Date: 20121206-20121207
• [Presentation] 細孔構造の異なる多孔質炭素への水蒸気吸着の温度依存性 (2012)
  • Author(s): 竹ノ内 雅典, 他
  • Organizer: 化学工学会 高松大会
  • Place of Presentation: 高松サンポート（香川県）
  • Year and Date: 20121206-20121207
• [Presentation] Preparation of N-doped porous carbon and its water adsorpiton behavior (2012)
  • Author(s): Toshihide Horikawa, et al.
  • Organizer: International Conference on Emerging Advanced Nanomaterials (ICEAN-2012)
  • Place of Presentation: Mercure Hotel (Brisbane, Australia)
  • Year and Date: 20121022-20121025
• [Presentation] Preparation of nitrogen-doped porous carbon using N-source additive and its water adsorption behavior (2012)
  • Author(s): Toshihide Horikawa, et al.
  • Organizer: Chemeca2012
  • Place of Presentation: Museum of New Zealand Te Papa Tongarewa (Wellington, New Zealand)
  • Year and Date: 20120923-20120926
• [Presentation] Temperature dependence of water adsorption in porous carbons (2012)
  • Author(s): Toshihide Horikawa, et al.
  • Organizer: The Annual World Conference on Carbon (Carbon2012)
  • Place of Presentation: Auditorium Maximum (Krakow, Poland)
  • Year and Date: 20120617-20120622
• [Presentation] Effects of Temperature on Water Adsorption in Carbons of Different Porous Structure (2012)
  • Author(s): Toshihide Horikawa, et al.
  • Organizer: The 6th Pacific Basin Conference on Adsorption Science and Technology (PBAST-6)
  • Place of Presentation: NTUH International Convention Center (Taipei, Taiwan)
  • Year and Date: 20120520-20120523
• [Remarks] 徳島大学大学院ソシオテクノサイエンス研究部 化学C-2講座HP
  • URL: http://www.chem.tokushima-u.ac.jp/C2/