成果報告書詳細
管理番号20160000000607
タイトル平成26年度ー平成27年度成果報告書 エネルギー・環境新技術先導プログラム 高機能CO2選択透過膜を用いた低コスト省エネルギー型CO2分離・回収技術の開発
公開日2016/7/7
報告書年度2014 - 2015
委託先名学校法人早稲田大学 国立大学法人広島大学 国立大学法人神戸大学 株式会社ルネッサンス・エナジー・リサーチ
プロジェクト番号P14004
部署名イノベーション推進部
和文要約高機能CO2選択透過膜を用いた低コスト省エネルギー型CO2分離・回収技術の開発
本研究では500円/t-CO2を達成可能とする革新的なCOー膜分離システムの基盤を構築し、その原理検証、将来の膜性能改良可能性の見極め、革新的膜分離プロセスを組み込んだ次世代型発電トータルシステムの検討を行い、次の段階である本格研究の体制と研究内容とを具体化することを試みた。
ルネッサンス・エナジー・リサーチ社ではCCS用超高速・超高選択性促進輸送膜の開発に関して、超高速・高選択性膜材料の探索、高耐圧性膜材料の探索、低湿度雰囲気での性能向上検討を行った。促進輸送膜の高速度化を達成するため、CO2とキャリアのコンプレックスの膜内移動の促進について、電気泳動堆積法によって低コストかつ高い制御性を見出し、超薄型促進輸送膜の開発可能性を示した。また、キャリアに適切な添加物を加えると、2倍程度CO2透過性能が向上すること、ハイドロゲルとポリマーをブレンドするとCO2透過性能が28%向上することを示した。高圧条件下でも膜性能をスポイルしないシール方法を見出し、供給側圧力最大3.5MPaまでの充分な耐圧性を持つことを確認した。また、水分保持力が非常に強い添加物を膜内に添加することで、低湿度雰囲気における性能低下を低減することに成功した。
 早稲田大学では、CO2分離回収用材料候補として小さな規則性細孔(< 0.5 nm)を有するゼオライトを調製した。窒素吸着量が小さく、新規CO2/N2選択的分離材料として有望なゼオライトを見出した。特にEDI型ゼオライトはCO2/N2吸着量比78.2と極めて優れたCO2選択性を示した。また、ある種のゼオライト膜はCO2/N2ガス透過分離試験においてCO2選択性6以上を示し、分子ふるい作用による分離が可能であることを示した。
広島大学では、セラミック超薄膜を分離トップ層あるいは中間層として用い、ネットワーク制御型分離膜および有機キレートナノハイブリッド充填型分離膜の2つの研究開発手法に取り組んだ。各種のオルガノシリカ膜、チタニア・ジルコニアとキレートナノハイブリッド膜を作製し,BTESE膜,アミノシリカ膜がCO2分離に対して高透過性・高選択性を示すことを明らかとした。
神戸大学では、イオン液体の特徴を最大限活用した耐圧性超高速高選択的CO2分離膜の開発を可能とするための全く新しい概念として(a)イオン液体混合系による協同的CO2吸収効果発現、(b)多孔性無機薄層とのハイブリッドによる超薄CO2分離機能層形成、(c)イオン液体含有超高強度ゲルによる高圧場耐久性発現、(d)イオン液体相間物質移動による高CO2選択性発現について検討した。その結果、(a)高CO2吸収性イオン液体と水酸化物イオンを用いた混合イオン液体含有膜で協同的CO2透過を確認し、(b)細孔径1ー20 nm程度のTiO2やSiO2-ZrO2多孔層にイオン液体を含浸した超薄CO2分離機能層の耐圧性を確認した。さらに(c)無機/有機ハイブリッド型相互侵入網目構造をイオン液体中に形成し、その膜の耐圧性能を確認するとともに、(d) N2バリア性イオン液体と水蒸気バリア性イオン液体を合成し、含浸膜のCO2選択透過性を確認した。
以上の開発成果、性能向上を織り込んでCO分離・回収システムのシステム検討を実施し、プレコンバッションケースでは化学吸収法に比べ設備費、運転費共70ー80%削減と大幅な経済性向上により目標CCSコスト(500円/t-CO2)を見込めることを確認した。またCCUを考慮した分散型CCSについても目標CCSコストの達成が可能となることが見込まれた。
英文要約We attempted to establish fundamental technologies of novel CO2 membrane separation system to attain the recovery cost of 500 JPY/t-CO2. We proposed basic design of next-generation power generation systems with novel membrane separation processes followed by assessing possible improvement of membrane performance in future, and for next step incarnated research systems and contents.
To develop facilitated transport membranes (FTMs) for CCS, RER searched membrane materials with extremely high permeability, selectivity and high-pressure durability, and investigated the improvement of membrane performance at low humidity. An electrophoresis deposition method showed a possibility of development of ultra-thin FTMs for enhancing the transport rate of CO2-carrier complex with low cost and good controllability. Additions of suitable additives to carriers and blending of hydrogel and polymer increased CO2 permeability remarkably. The sealing method was also developed which withstood up to 3.5MPa without a decrease in membrane performance. Further, the decrease in membrane performance was suppressed by adding an additive with high water retention ability.
Small pore zeolites (pore sizes < 0.5 nm) were prepared for CO2 capture material at Waseda university. Some promising zeolites having adsorption of N2 were found as new CO2/N2 selective adsorbent. In particular, EDI-type zeolite exhibited superior CO2 selectivity on which the ratio of CO2 to N2 adsorbed amount was 78.2. Besides, a kind of zeolite membrane exhibited CO2 selectivity of 6 in CO2/N2 separation test, suggesting that CO2 was able to be separated with the membrane by a molecular sieving effect.
Hiroshima University developed thin-film ceramic membranes for the intermediate and separation top layers, especially by focusing on network controlled silica and organic chelate-impregnated nanohybrid for the separation layer. Among several types of silica, and titania/zirconia/chelate nanohybrid membranes, BTESE (bis(triethoxysilyl)ethane) and aminosilica membranes were found to show high permeance and selectivity for CO2 separation.
By utilizing ionic liquids (ILs), Kobe University developed CO2 separation membranes with fast CO2 permeability based on the synergistic CO2 absorption in the ILs mixture. In addition, two kinds of CO2 separation membranes with good pressure resistance were prepared by impregnating ILs in nano-porous ultra-thin inorganic layers formed on the top-surface of the inorganic support and by utilizing a gel composed of a large amount of ILs and specific inorganic/organic hybrid networks, respectively.
On the basis of the above results of membrane developments, we investigated a high performance CO2 separation and recovery system, and confirmed the possibility of attaining the target cost of CCS, \500/t-CO2, by reducing the equipment and operating costs by 70-80 % relative to the chemical absorption method, and this target cost may be attained even for the distributed CCS and CCU.
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