| Project/Area Number |
24K01531
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
|
| Allocation Type | Multi-year Fund |
|---|
| Section | 一般 |
|---|
| Review Section |
Basic Section 34030:Green sustainable chemistry and environmental chemistry-related
|
|---|
| Research Institution | Hachinohe Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
小林 正樹 八戸工業大学, 大学院工学研究科, 教授 (90312678)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福原 長寿 静岡大学, 工学部, 教授 (30199260)
片山 裕美 北九州市立大学, 国際環境工学部, 講師 (30823661)
柴田 幸司 八戸工業大学, 大学院工学研究科, 教授 (50382586)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2027-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
|
| Budget Amount *help |
¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000)
Fiscal Year 2026: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥11,440,000 (Direct Cost: ¥8,800,000、Indirect Cost: ¥2,640,000)
|
|---|
| Keywords | CO2資源化 / CO2メタネーション / 構造体触媒 / マイクロ波 / CCU / CO2削減 / Ru/CeO2触媒 / 地球温暖化 / メタネーション / カーボンニュートラル |
|---|
| Outline of Research at the Start |
本研究では、火力発電所や製鉄所に代表される規模CO2排出施設に実装し、大量のCO2を空気成分混在のまま、常温域で高効率にCH4に変換して資源化し、排出施設内での炭素循環を実現する触媒反応システムを構築する。これにより、地球温暖化解決のためのカーボンニュートラル化を大きく進展させようとするものである。
システム構築のポイントは、「迅速なエネルギー励起作用をもつマイクロ波照射の活用」、「物質移動・熱移動に優れた構造体触媒反応場の活用」、そして「CO2の常温メタン化技術（通常300℃での作動を常温域に大幅に低下した技術）の活用」を図り、ハイスペックな〔CO2→CH4〕反応場を創製する点である。
|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、2050年CO2排出実質ゼロ宣言の実現に資する基幹反応の一つであるCO2のメタン化について、触媒とマイクロ波照射の併用による常温メタン化の実効性を実際の産業プロセスへの実装を目的として検討する。これにおいては、CO2を空気成分混在下（具体的にはO2。つまり、通常であれば触媒被毒が生じる酸化雰囲気での反応となる）、常温域で高効率、高選択的、かつ大多量にCH4に変換する触媒反応プロセスを構築する。
構築のポイントは、迅速なエネルギー励起と反射伝播加熱特性をもつマイクロ波の活用と、物質・熱移動制御に優れた構造体触媒反応場の活用、そして世界でまだ見出されて間もないCO2の常温メタン化技術（通常は300℃程度で作動）の活用を図り、ハイスペックな〔CO2→CH4〕の変換場を構築する点である。特に、大量のCO2排出がなされる産業プロセスにおいては、触媒層で発生する熱処理、およびガス流通の圧損低減が必須であり、この克服に対して構造体触媒を活用する。また、触媒反応場の励起にマイクロ波照射を導入する。前述の構造体触媒は、従来の粒状触媒層と異なり触媒成分が担体表面上にすべて露出しているため、マイクロ波照射による励起効率が高いと考えた。
現時点までに、Ru/CeO2触媒を用い、粒状触媒層・構造体触媒層の両者による検討を行い、いずれにおいてもマイクロ波照射によるCO2のメタン化が、既報の報告例と同等な転化率にて起動できることを確認している。また、原料ガスに混在するO2が触媒の劣化を生じさせないことも確認した。ただし、構造体触媒層を用いた場合、マイクロ波出力が比較的大きな条件では、触媒を塗布したAl基板端点において、マイクロ波電界の集中によると思われる局所的加熱がAl基板の発火を生じさせ、触媒劣化を促進する恐れのあることが判明している。
現在、上記課題を克服するための検討を進めている。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
現時点までに、Ru/CeO2触媒を用い、粒状触媒層・構造体触媒層の両者による検討を行い、いずれにおいてもマイクロ波照射によるCO2のメタン化が、既報の報告例と同等な転化率にて起動できることを確認している。
また、原料ガスにO2が混在する条件においても、O2はCO2の還元剤であるH2と優先的に反応し、触媒被毒を生じさせないこと、また、H2との反応による燃焼熱がメタネーションの進行を促進する効果があることを確認した。これは、産業プロセスからの排ガスを、事前の分離処理等を施すことなくそのまま処理できる可能性を示している。
ただし、構造体触媒層を用いた場合、マイクロ波出力が比較的大きな条件では、触媒を塗布したAl基板の端点において、マイクロ波電界が集中することによると思われる局所的加熱がAl基板の発火を生じさせ、それにより生成した多量の熱が触媒劣化を促進してしまう恐れのあることが判明している。
現在、上記課題を克服するため、変換プロセスの安定な運転条件を検討している。
|
| Strategy for Future Research Activity |
構造体触媒層を用いた場合、マイクロ波出力が比較的大きな条件では、触媒を塗布したAl基板の端点において、マイクロ波電界が集中することによると思われる局所的加熱がAl基板の発火を生じさせ、それにより生成した多量の熱が触媒劣化を促進してしまう恐れのあることが判明している。
上記課題の解決のため、構造体触媒の基板として用いているアルミニウムを他の金属材料に変えて検討を進める。その材料としては、銅、真鍮、鉄、ステンレスを考えている。各金属の構造体触媒としての成型性、運転中の安定性、耐久性を試験していく。導電性を有する金属材料でなく誘電体材料の使用も考えられるが、構造体触媒としての成型が難しいこと、成型可能な材料は耐熱性が低いであろうことから金属材料の使用を基本に計画中である。
また、上述の発火現象はマイクロ波照射によるエネルギー供給が効果的に作用していることの証左でもあるが、触媒層の過度な高温化による触媒劣化、および運転エネルギーの低減化を図るにはマイクロ波出力の低減化が望ましく、構造体触媒とは別の、マイクロ波吸収による発熱体の設置も並行して検討する。具体的には活性炭層、シリコンカーバイド層の設置である。ただし、予備的な実験において、マイクロ波吸収率効率が良い活性炭は原料ガスであるO2、あるいはCO2と反応している可能性が示されているため、使用する場合は適切な運転条件の探索が必須となる。シリコンカーバイドは反応性に乏しく、マイクロ波吸収による発熱体として有効と見込んでいる。
|
