2020 年度実施状況報告書

高性能な膜分離技術と廃棄物の有効利用による循環型新規CO2削減プロセスの開発

研究課題

研究課題/領域番号	20K12252
研究機関	公益財団法人地球環境産業技術研究機構
研究代表者	伊藤史典公益財団法人地球環境産業技術研究機構, その他部局等, 研究員 (10366429)
研究分担者	山田秀尚公益財団法人地球環境産業技術研究機構, その他部局等, 主任研究員 (60446408)
研究期間 (年度)	2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード	食品ゲル / 分離膜 / 炭酸塩 / 分離性能
研究実績の概要	2020年度は、食品廃棄物のメタン発酵により生成するCO2とCH4の分離が可能な、膜を開発した。既に、食品ゲルを主とした高圧に耐性を有する、高性能な分離膜を開発している。通常、この膜中には、ポリビニルアルコール(PVA)を配合する。PVAを膜中に配合すると、ガスの透過を制御できる。例えば、膜中のマトリックスの反応性を高めることが出来れば、分離膜の機能性も高めることが可能であると予測した。そのため、2020年度は、膜中に配合しているPVAを、反応性を有するアニオン変性のPVAに変化させて膜作製を行った。すなわち、分離膜の改良検討を行った。この改良検討と併行して、作製した分離膜に添加する炭酸塩の最適な濃度を探索した。炭酸塩は、CO2の分離性能を高める機能を有する。探索手段として、①作製した膜に炭酸塩を0, 0.005, 0.01, 0.015, 0.02, 0.025, 0.03gを添加し、これらの膜を、85℃, 加湿条件下で、CO2(80%)とHe(20%)による分離性能を評価する。②①の分離性能の評価時において、大気圧から加圧した際の耐圧性も確認する。③①②の結果から、最も分離性能が高かった時の、添加した炭酸塩の濃度条件を確認する。先ず、分離膜に炭酸塩を0.015gから0.03gの添加すると、大気圧で比較的高い分離性能(QCO2:≒2.1E-10,αQCO2/QHe:300-600)を示した。この結果より、膜中の機能を変化させた新たな分離膜を開発できたことを確認した。また、この膜は0.7MPaに加圧した際、QCO2: 1.01E-10, QHe: 5.88E-13, αQCO2/QHe=172という、高性能な結果が得られたため、加圧に対する耐性も有していることを確認した。加えて、分離性能の高さという点での、この膜に添加する炭酸塩の最適な濃度範囲も明らかにした。
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 2020年度の目標は、既に開発した食品ゲルをベースとした分離膜を改良して、CO2とCH4の分離に対して高性能な分離を示す膜を開発することであった。この課題に対し、膜内に配合しているPVAをアニオン変性のPVAに変更した膜の改良検討を行った。その結果、85℃の加湿条件下での分離性能評価試験で、高性能な分離膜を開発できたことを確認した。また、この評価試験時において、分離膜に添加する炭酸塩の最適な濃度範囲を見出すことができた。これらの成果が、本年度の進捗状況が「おおむね順調に進展している」と評価した理由である。
今後の研究の推進方策	2020年度は、新たにガス分離膜を開発することが出来た。既に、分離膜に添加する最適な炭酸塩の濃度範囲も確認できている。ただし、2020年度での検討は、CO2とHeに対する分離をメインに行ったものであり、本事業の主である、CO2とCH4の分離ではなかった。そのため、2021年度は、2020年度に開発した分離膜を用いて、食品廃棄物によるメタン発酵から発生する、CO2とCH4のガスに着目した分離性能試験を行うことを予定している。また、この検討により、CO2/He、CO2/CH4の分離を行った際の、分離性能の比較を行い、ガス種による分離性能の有意差も確認することを考えている。
次年度使用額が生じた理由	2020年度の最大の目標は、メタン発酵により生成するCO2とCH4の分離を可能とする、膜を開発することであった。既に食品ゲルをベースとした膜は作製できていたため、この膜の改良検討を行うだけで、新たな膜を開発できるものと考えていた。結果、当初の予定を超える膜を開発することが出来た。 2020年度は、事業開始初年度であるため、研究の立ち上げに必要となる支出が多くなるものと考えていた。しかしながら、上記に記載した通り、分離膜を早々と開発することが出来た。この予想とは異なる喜ばしい成果が、初年度に予定してた支出を大幅に抑えることとなった。これが、「次年度使用額が生じた」大きな理由である。 2021年度は、2020年度の成果を英文ジャーナルへの投稿、学会での発表等による外部発信を行うことが考えている。そのため、出張・旅費による支出が多くなること予測されるため、この点を主に使用計画の一つとして考えている。