| 研究課題/領域番号 |
17H01359
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
加納 純也 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (40271978)
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| 研究分担者 |
村松 淳司 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (40210059)
石原 真吾 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (40760301)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 水素 / 下水汚泥 |
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| 研究実績の概要 |
下水汚泥を原料として，それにガス化剤と触媒を混合し，水蒸気雰囲気下で加熱することにより水素を製造するプロセスの構築を試みた．
本年度は，(1)触媒の探索，(2)ガス化剤の探索，(3)粘着性粉体の混合のモデリング，(4)下水汚泥のガス化・炭化挙動の把握を行った．下水汚泥は約80％の水分を含んでおり，水分が偏在していることが懸念されることから，110℃で2日間乾燥させ，それを原料とした．
(1)触媒の探索として，酸化アルミニウム，水酸化アルミニウム，水酸化マグネシウム，酸化鉄，水酸化銅，水酸化ニッケルを使用して水素生成実験を行った．水酸化ニッケルを使用した場合と同等あるいはそれ以上に水素生成する触媒は見つからなかったので，継続して調査することとした．(2)ガス化剤の探索として，蛎殻，ホタテの貝殻と水酸化カルシウムを使用して，水素生成実験を行った．蛎殻やホタテの貝殻を使用しても，水酸化カルシウムと同程度の水素が生成することがわかった．(3)混合のシミュレーションモデルとして，下水汚泥の粘着性を表現するために粒子間に付着力をいれたモデルを構築し，下水汚泥と乾燥汚泥を模した試料の混合実験と比較したところ，定性的な一致が見られた．(4)反応メカニズムを解明するために，下水汚泥のみの場合，下水汚泥に水酸化ニッケルのみを混合した場合，下水汚泥に水酸化カルシウムのみを混合した場合，水酸化ニッケルと水酸化カルシウムの両方を混合した場合の４つのケースにおいて，加熱し，水素生成を試みた．下水汚泥のみの場合では，水素はほとんど生成せず，水酸化ニッケルあるいは水酸化カルシウムを入れると水素生成量が増加し，両方入れるとさらに水素生成量が増大することが分かった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
平成29年度の計画においては，以下の4項目を行った．
1)触媒の探索として，酸化アルミニウム，水酸化アルミニウム，水酸化マグネシウム，酸化鉄，水酸化銅，水酸化ニッケルを使用して水素生成実験を行った．水酸化ニッケルを使用した場合と同等あるいはそれ以上に水素生成する触媒は見つからなかったので，継続して調査することとした．
2)ガス化剤の探索として，蛎殻，ホタテの貝殻と水酸化カルシウムを使用して，水素生成実験を行った．蛎殻やホタテの貝殻を使用しても，水酸化カルシウムと同程度の水素が生成することがわかった．
3)混合のシミュレーションモデルとして，下水汚泥の粘着性を表現するために粒子間に付着力をいれたモデルを構築し，下水汚泥と乾燥汚泥を模した試料の混合実験と比較したところ，定性的な一致が見られた．
4)反応メカニズムを解明するために，下水汚泥のみの場合，下水汚泥に水酸化ニッケルのみを混合した場合，下水汚泥に水酸化カルシウムのみを混合した場合，水酸化ニッケルと水酸化カルシウムの両方を混合した場合の４つのケースにおいて，加熱し，水素生成を試みた．下水汚泥のみの場合では，水素はほとんど生成せず，水酸化ニッケルあるいは水酸化カルシウムを入れると水素生成量が増加し，両方入れるとさらに水素生成量が増大することが分かった．
以上のことから,おおむね順調に進展していると判断される.
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| 今後の研究の推進方策 |
1)触媒の選択と混合量の低減：１年目で、水酸化ニッケルを使用した場合よりも多くの水素を生成する触媒が見つからなかったため、継続して触媒の探索を行う。同時に、水酸化ニッケルを使用して、水素の生成実験を行い，水酸化ニッケルの混合量と水素生成量との関係を明確にする．
2)均一混合を可能にする混合方法の選択：混合方式として，粘着性粉体の混合に効果的であると考えられる容器回転式や機械攪拌式，高速剪断式において，1年目に行ったモデリングを使用して，粘着性粉体の混合シミュレーションを行い，効果的な混合方法を選択する．
3)水分の添加量ならびに加熱温度の影響：これまでの予備実験では，水分を添加することによって加熱雰囲気を水蒸気にすると水素の生成量が約2倍増加し，その水分添加の影響が大きいことがわかる．そこで，水分の添加量が水素の生成量に与える影響を明確にする．温度の影響も大きいと推察されるので，加熱温度が水素生成量の影響を明確にする．加熱温度は，水素の製造コストと直結するので，水素製造コストを考慮に入れながら，最低な加熱温度を明確にする．
4)試薬を用いた水素変換反応メカニズムの検討：下水汚泥は，様々な有機物の混合物であり，成分が明確ではないため，成分構成が同様であるセルロースを用いて，加熱過程でのガス化・炭化挙動を1年目で下水汚泥を対象として行った結果と比較して，反応過程の差異を明確にし，反応メカニズムの解明に資するデータを取得する．
連携研究者とのディスカッションを週に一回は必ず行い、現在の研究の進捗状況確認、今後の展開に関して共通認識をもち、研究を行っていく。現在の進捗状況ならびに今後の課題を整理した上で、定期的に学会発表等を行い、社会に研究成果を発表していく。特許出願も積極的にすることも考慮し、研究を展開する。
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