Chemical Cycles of five elements for carbon-neutral production of iron and chemicals

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K20549
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 林 潤一郎 九州大学, 先導物質化学研究所, 教授 (60218576)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 浅野 周作 九州大学, 先導物質化学研究所, 助教 (30827522) ; 村中 陽介 京都大学, 工学研究科, 助教 (40756243) ; 前 一廣 京都大学, 工学研究科, 教授 (70192325) [Withdrawn]
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Keywords: バイオマス / 塩化鉄 / 還元 / 塩化水素 / 鉄ナノ粒子 / カーボンナノファイバ / 鉄/炭素ナノ複合体 / 水素製造

Outline of Annual Research Achievements

P3 塩化鉄担持バイオマスの熱分解による鉄/炭素ナノ複合体(Fe/C)と塩酸の製造　P4 Fe/Cの部分ガス化による鉄触媒活性化・合成ガス製造、P5 Fe/Cを担体とするメタンからのナノ炭素・H2素製造、P7 Fe/Cからの鉄・合成ガスあるいは炭化鉄・合成ガス同時製造　について検討した。P3については、昨年度提案した、オキシ塩化鉄と熱分解水の反応による塩化水素の完全脱離およびヘマタイトの生成を、熱重量分析を基に実証した。また、鉄の形態変化を、生成ガスの分析結果をもとに検証した。300-500°Cの温度域で、半炭化固体中の還元性官能基によりヘマタイトからウスタイトに還元されることが判った。その後、620-720°Cの温度域で、炭素質によりウスタイトがフェライトに還元される。P4およびP7について、昨年度の知見より、水蒸気ガス化時の水素濃度を適切に設定することで、鉄の還元状態・触媒作用を維持した高速ガス化の実現を試みた。期待した通り、鉄の還元状態は、600-800°Cの温度域およびH2分率40%で維持できたが、触媒活性は維持できなかった。今回の製法では数百nm程度の粒子が生成していたため、粒子径・分散状態の改善による触媒性状の改善が必要であると考えられる。具体的には、熱分解時の昇温速度の変更などが、ガス化触媒活性の維持・向上に有効であると考えられる。P5については、鉄質量当たりの水素発生速度は鉄含有率に依存しないことを明らかにした。3 mol/Lの高濃度塩化鉄水溶液を用い、バイオマスへの鉄担持を行うことで、0.346 Nm3/(kg-cat h)の定常的な水素製造速度を達成した。水素製造速度が10000 Nm3/h である水蒸気改質プラント1 基の製造量を達成するには29 tonの触媒が必要となるが、この量は日本の鉄スクラップ・木質バイオマス発生量から十分に製造可能である。