2014 Fiscal Year Research-status Report
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26420159
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
中垣 隆雄 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (30454127)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 吸収速度 / 拡散抵抗 / 多孔質体 / 化学反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成25年度までに既製の球状LSペレットの吸放出挙動を未反応核モデルにより定式化し，吸収挙動はペレット内拡散距離による影響が大きいことが判明している．平成26年度は，拡散距離の短いLSペレットの設計を目指し，LSペレットを内製した．特許を参考に原料を900℃で12時間焼成することでLS粉末を作製し，純CO2雰囲気で34wt％と理論値に近い最大吸収量を得た．圧縮成型で作製したペレットは最大吸収量が約15wt％で，吸収速度が非常に遅く，ペレット表面部に形成される抵抗層が内部拡散律速の原因となっていることがわかった．そこで拡散律速の低減すべく，押出成型により円柱状ペレットを作製し，ペレット内の空隙分布を均一化することを試みた．さらに，湿式粉砕によりLS粉末の粒径を約5μmに調整することで，ペレット比表面積の増加による初期吸収速度の向上を目指した．得られたLSペレットは30％-CO2雰囲気において最大吸収量は25wt％であり，吸収完了までの時間を約10分まで短縮することに成功した．
また，多次元的なペレットの形状設計を考慮し，CADライクな操作による形状のメッシュ設定と，吸収反応と内部拡散を同時に定式化・計算できる市販のマルチフィジックス対応のFEMソフトウエアの導入により吸収挙動をモデル化した．円筒状ペレットモデルを作製し，ペレットの内半径，外半径，高さを変化させ充填層内での吸収性能を評価した．充填層内の空隙率分布を一定とすると，ペレットのアスペクト比を0.9に近づけることで吸収容量が大きくなり，吸収速度は外半径に対して内半径が大きい程速くなることがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
（1）成型材の制作
平成26年度は押出成型への成型方法の変更で，拡散抵抗による影響の低減に成功した．しかし，ペレットは粉末に比べ，依然として最大吸収量が約10wt％程低いため，この差のさらなる低減を目指す．LSペレットはCO2吸収後に収縮していることを確認しており，反応中の内部構造の変化により拡散抵抗が増大し，ペレット中心部までCO2が到達せず未反応なままである可能性がある．そのため，内部構造変化の抑制による吸収量のさらなる向上を目指す．ペレットの内製工程を確立次第，外注による大量生産を依頼し，充填層試験による評価を行う．
（2）数値計算
平成26年度までにCOMSOLで円柱状ペレットモデルの作製に成功しているが，既製球状LSペレットの吸収挙動データが基である．内製LSの吸収挙動を模擬するには，反応速度定数や気相境膜・固体生成層内拡散係数のデータとともに，ペレットの最大吸収量を予測しモデルに適用する必要がある．最大吸収量は温度とCO2濃度に影響するが，内製LSは同条件でも個体差があるため，支配因子の特定が課題となる．
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| Strategy for Future Research Activity |
（1）実用に資する単粒子ペレットの形状設計
LSペレットを充填した反応器での吸収性能の最大化を目指し，ペレットの充填性を考慮して最適な単粒子ペレットの形状を設計する．LSペレットの反応は固気界面で進行し，反応による生成層の形成に伴う拡散距離の増大とともに吸収速度が低下していく．そのためLSペレットの設計指針として，内部拡散距離の短縮と比表面積の確保が挙げられる．また，反応器内ではペレット充填時の容器内空隙率が吸収容量や流通ガスの圧力損失に影響するため，容積あたりの吸収量やペレット充填効率も考慮する必要がある．具体的な形状例として，鞍型や凹凸状を挙げる．COMSOLにより形状をモデル化し，サイズをパラメータとして吸収性能を評価し，最適な単粒子ペレットの形状を決定する．設計した単粒子ペレットの充填密度から，反応器のアスペクト比など形状変更についても検討する．
（2）内製LSペレットの最大吸収量の予測と充填反応器モデルの確立
LS粉末のペレット化による最大吸収量の低下の抑制を目指す．特許を参考にペレットの焼成条件の変更やチタン酸カリウムの添加により，CO2吸収反応中の内部構造を保持し，吸収量低下の抑制を図る．また，内製LSの最大吸収量の個体差に関する支配因子を特定し，温度や濃度を変数とした定式化を目指す．内製LSの反応速度定数を取得し，COMSOLによりペレットの吸収挙動を模擬する．その後，（1）で設計した形状のLSペレットを内製して単粒子での吸収挙動を模擬する．最終的にLSペレットを大量投入した反応器での吸収挙動を模擬し，実際の試験結果と比較することで，実用的な反応器モデルの確立を目指す．
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| Causes of Carryover |
ペレットの外注には粉体と成形の作成方法を技術的にトランスファーすることが必須であるが，上述した通りやや遅れており，完全なレシピの確立には至っていない．
なお，次年度の上半期中に成形を外注できる見込みである．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
成形外注費，打ち合わせのための東京→大阪往復の移動旅費など．
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