2022 Fiscal Year Research-status Report
Development of Innovative Fe-based FT-syn Catalyst to Produce Carbon-Neutral Liquid Fuel
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22K05001
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| Research Institution | Gifu University |
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Principal Investigator |
隈部 和弘 岐阜大学, 工学部, 助教 (80456706)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | FT合成 / 鉄 / 触媒 / オレフィン / パラフィン / 廃鉄釘 / コバルト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，これまで化学原料用のオレフィンを製造するために用いられてきたFe系FT合成触媒を，FT合成においてパラフィンが主成分となるようにBTL用の安価なFe系FT合成触媒の開発を行い，BTLプロセスの低コスト化・早期の実用化を目指すことである．
今年度は触媒開発のベースとなる，協力企業から入手した実際の建築廃木材含有廃鉄釘の腐食後の酸化状態や表面状態をSEM-EDXやXRDを用いて分析・物性評価を行い，それを基に試薬から数種類の物性の異なる「人為的に作製した模擬廃鉄釘」の触媒調製を試みた．調製された実廃鉄釘腐食触媒および模擬廃鉄釘触媒を固定層として用いたFT合成実験を行い，生成ガスおよびFT合成油を分析することにより，実廃鉄釘触媒を用いた場合のFT合成においてパラフィンが主成分となるメカニズム，特に，「実廃鉄釘触媒のどの物性」が影響を与えているのかを解明した．
その結果，（1）実廃鉄釘腐食触媒は主成分のFe以外にZn，Si，Co，Al元素の酸化物が含有していることがわかったので，それを基に（2）人為的に作製した模擬廃鉄釘，（3）2Co/Fe2O3，（4）4Co/Fe2O3触媒を含浸法で調製して触媒還元後にFT合成実験を行ったところ，（2）の触媒でのCO転換率は91%，（3）の触媒では90%，（4）では95%であった．COからのC7-C18炭化水素液体燃料選択率は（2）では33%，（3）31%，（4）29%であった．そのうち，オレフィン（O）：パラフィン（P）比率は（2）では3.4:6.6，（3）5.1:4.9，（4）3.7:6.3であった．
（2）-（4）の模擬廃鉄釘触媒のBET比表面積等の物理特性がほぼ同じであることから，実廃鉄釘触媒含有のCoがFT合成においてパラフィンが主成分となるメカニズムに起因していると考えられた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度は，（1）協力企業から入手した実廃鉄釘触媒の物性評価を行い，それを基に試薬から数種類の物性の異なる「人為的に作製した模擬廃鉄釘」の触媒調製を試みる，（2）調製された模擬廃鉄釘触媒を固定層として用いたFT合成実験を行い，生成ガスおよびFT合成油を分析することにより，実廃鉄釘触媒を用いた場合のFT合成においてパラフィンが主成分となるメカニズムの解明，特に「実廃鉄釘触媒のどの物性」が影響を与えているのかを解明する，という計画であった．
その計画に対し，実際に，（1）実廃鉄釘触媒の物性評価を行い，主成分のFe以外にZn，Si，Co，Al元素の酸化物が含有していることがわかった，（2）実廃鉄釘触媒含有のCoがFT合成においてパラフィンが主成分となるメカニズムに起因していると考えられた，ことから，おおむね順調に進展している，と評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の研究成果を受けて，2023年度ではBTL用固定層Fe系FT合成触媒の開発を行う．再現性を高めるために，試薬から数種類の物性の異なる模擬廃鉄釘触媒調製を試みる．調製した模擬廃鉄釘触媒を固定層として用いたFT合成実験を数種類のパラメータ（温度，圧力，空間時間等）を変化させて行った場合の生成ガスやFT合成油を分析することにより，BTL用固定層Fe系FT合成触媒物性の最適化を行う．
さらに，2024年度では有機溶媒中に触媒を分散させたスラリー（有機溶媒＋触媒混合）層反応器BTL用Fe系FT合成触媒の開発を行う．触媒固定層FT合成反応は高いCO転換率となる長所はあるが，発熱反応であるために反応温度の制御が困難であることやワックス蓄積による触媒失活等の短所もある．BTLの実用化のためには，それらが改善できるスラリー層FT合成反応にBTL用Fe系FT合成触媒を適用させることが必要である．そのため，BTL用固定層Fe系FT合成触媒を基に，有機溶媒中で反応させることにより生ずる低転換率の改善ができるスラリー層反応器用Fe系FT合成触媒の開発を行う．触媒スラリー層FT合成反応器の設計・製造を行い，調製したFe系FT合成触媒をスラリー層として用いた実験から得られる生成ガスおよびFT合成油を分析することにより，BTL用スラリー層Fe系FT合成触媒物性の最適化を行う．スラリー層内では触媒同士の衝突が起こるので，触媒強度維持化も実施する．
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| Causes of Carryover |
今年度は当初高圧ガス流量制御器および湿式積算流量計を購入する計画であったが，その後契約締結した別の企業さんとの共同研究で購入することができたことにより，物品費が当初計画を下回った．また，コロナ禍の影響で参加予定であった学会等がオンライン開催になったことにより，旅費およびその他経費が当初計画を下回った．
次年度はさらに研究を進めるために物品費が当初計画を上回る可能性がある．また，コロナ禍から徐々に通常に戻ることから，学会参加が現地対面となる可能性が高くなり，旅費やその他経費が当初計画を上回る可能性がある．さらに，2024年度に購入予定のオートクレーブ費用が最近の価格高騰により当初計画を大幅に上回る可能性があり，次年度は2024年度までも見据えて予算執行をしていきたい．
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