既存技術を凌駕!世界最速級!空気中のCO2高速回収技術の開発
現在、気候変動問題を解決するため、二酸化炭素の回収、利用技術の確立が急務となっています。しかし、既存の大気中の低濃度二酸化炭素(400ppm)を回収する技術(Direct air capture, DAC)では効率・コストの面で改善の余地があり、新しいDAC技術の開発が望まれています。
東京都立大学大学院理学研究科の山添誠司教授、藤木裕宇(大学院生)、天本和志(大学院生)、吉川聡一助教、京都大学触媒・電池元素戦略拠点の平山純特定助教、東京都立大学大学院都市環境科学研究科の三浦大樹准教授、加藤玄(大学院生)、宍戸哲也教授らは、相分離を利用することで二酸化炭素吸収速度の向上と反応系からの生成物の分離を実現し、ガス流通下でも400ppmの二酸化炭素を99%以上の効率で除去する新しいDACシステムの開発に成功しました。
今回の研究では、シクロヘキシルアミン基をもつジアミン化合物の一種であるイソホロンジアミンが二酸化炭素と反応すると、不安定なカルバミン酸が固体として得られることを利用して、大気中の低濃度二酸化炭素を高速で吸収できるDAC技術の開発に成功しました(図1)。固体のカルバミン酸が懸濁した水溶液を60℃に加熱すると吸収した二酸化炭素を全て放出・回収できること(図1)、イソホロンジアミン水溶液は繰り返し利用可能であること、他のアミンでも本システムを適用可能であること、既存技術と比べ二酸化炭素吸収速度が2倍以上速いことから、今回、発見した相分離を利用した二酸化炭素吸収・回収システムは新しいDACシステムとして実用化が期待されます。
【画像:https://kyodonewsprwire.jp/img/202205111007-O1-qFLv96RU】
図1 シクロヘキシルアミン基をもつジアミン分子を用いた相分離による高効率DACシステムの開発
2. ポイント
■ 液体のアミンと二酸化炭素が反応してできるカルバミン酸が固体として“相分離”することで、大気中の低濃度二酸化炭素(400ppm)と99%以上の効率で吸収できる新しいDACシステムを開発しました。
■ 固体のカルバミン酸が懸濁した水溶液を60℃程度に加熱すると吸収した二酸化炭素を脱離・回収できることを見出しました。
■ 本システムは400ppm~30%と幅広い濃度の二酸化炭素を99%以上の除去効率で吸収できること、固体のカルバミン酸を生成するアミンであれば適用可能であることから、今回開発した相分離による二酸化炭素吸収・回収システムは、DACだけでなく工場の排気ガス等からの二酸化炭素回収にも応用可能な汎用性の高いシステムです。
3. 研究の背景
気候変動問題を解決するため、脱炭素社会の実現が求められています。日本では2050年までに世界のカーボンニュートラルはもとより、過去に大気中に排出されてしまった二酸化炭素の削減(ビヨンド・ゼロ)を可能にする革新的な技術開発の確立を目指しています。現在、工場等の発生源からの二酸化炭素排出量削減に向け、アミン吸収法を中心に実用化が進められています。しかし、既存のアミン吸収法は数パーセント以上の高濃度二酸化炭素の吸収には有効ですが、ppmオーダーの低濃度二酸化炭素の吸収には適していません。ビヨンド・ゼロを実現するためには、大気中の二酸化炭素(400ppm)を効率よく吸収する技術が必要です。現在、Climeworks社のOrcaプラントでは固体の二酸化炭素吸収材を、Carbon Engineering社ではKOH/Ca(OH)2二酸化炭素吸収液を用いたDACプラントが建設され、DACの実用化に向けた取り組みが進められています。しかし、低濃度二酸化炭素の吸収効率や回収時のコスト面に問題があり、DAC技術を実用化するためにはこうした問題点を克服した新しいプロセスの開発が必要不可欠です。
4. 研究の詳細
一般的にアミン(R-NH2)と二酸化炭素(CO2)が反応すると、不安定なカルバミン酸(R-NHCOOH、アミンと二酸化炭素が1:1で反応)やカーバメートアニオン(R-NHCOO‒、アミンと二酸化炭素が2:1で反応)が形成します。今回、我々は二酸化炭素と反応することで“固体のカルバミン酸”を形成するアミン化合物に着目しました。“相分離”により、アミン水溶液(液相)中で二酸化炭素がアミンと1:1で反応して固体のカルバミン酸(固相)を形成することができれば、溶液中の不安定なカルバミン酸を安定した固体のカルバミン酸として取り出すことで二酸化炭素を安定して吸収・固定化できる上、反応系中(液相)から生成物であるカルバミン酸を取り除くことができるため、アミンと二酸化炭素の反応促進が期待できます。このような予測のもと、我々は種々のアミン化合物を用いて二酸化炭素と反応して固体のカルバミン酸を生成する化合物を調べたところ、シクロヘキシル部位にアミノ基が最低でも1つは結合しているジアミン化合物群が相分離により固体のカルバミン酸を生成することを見出しました(図2)。なかでもイソホロンジアミンが最も効率よく400ppmの二酸化炭素を吸収できること、二酸化炭素とイソホロンジアミンが1:1の比率で反応すること、水溶媒でも機能することを明らかにしました。また、固体のカルバミン酸が懸濁した状態で窒素ガスを流通させながら60℃に加熱すると吸収した二酸化炭素を全て放出し、固体のカルバミン酸は全て液体のイソホロンジアミンに戻ることがわかりました。これは加熱により固体のカルバミン酸の溶解度が上がり、溶液中に不安定なカルバミン酸が増えることで60℃という低温でも二酸化炭素が放出されたためと考えています(図2)。さらに、イソホロンジアミンは大気中の二酸化炭素を99%以上の効率で100時間以上吸収し続ける耐久性があること、二酸化炭素の吸収・放出を少なくとも5回繰り返しても性能の劣化は認められなかったことから、イソホロンジアミンは二酸化炭素吸収・放出材料として繰り返し利用可能であることが示されました。
本研究で開発したイソホロンジアミンを用いた相分離によるDACプロセスでは、最大で1時間当たり214 mmolの二酸化炭素(1 molの吸着材を利用)を吸収できることがわかりました。この二酸化炭素吸着速度は、実装が進められている排気ガス中の二酸化炭素を除去するアミン吸収法の約5倍、KOHを用いたDACシステムの3倍以上の吸収速度であること、また、近年報告されている種々のDACシステムと比較しても2倍以上の二酸化炭素吸収速度であったことから、低濃度二酸化炭素(400ppm)の除去という点において世界最速級のシステムであることがわかりました。
【画像:https://kyodonewsprwire.jp/img/202205111007-O2-qge2S66q】
図2 (上)高効率で400ppmのCO2をイソホロンジアミンが吸収・除去し、固体のカルバミン酸が形成している様子。(下)イソホロンジアミンによるCO2の吸収・脱離のメカニズム。
5. 研究の意義と波及効果
本研究で開発した相分離によるDACシステムは、水溶媒中でも機能すること、DACシステムにおいて世界最速の二酸化炭素除去効率を示すこと、吸着材に用いているイソホロンジアミンの利用効率が高いこと(ジアミン1分子あたり二酸化炭素1分子が反応)から、既存の技術を超える高効率のDACシステムとなることが期待されます。また、60℃に加熱するだけで吸収した二酸化炭素を脱離・回収することができるだけでなく、吸収材は繰り返し利用可能であることから、低コストでの二酸化炭素回収も可能です。さらに、本研究では、実際の空気中の二酸化炭素を長時間除去できることも実証しているため、システムの大型化と更なる低コスト化を達成することで、これまでのシステムを凌駕する新しい相分離DACプラントを実現できると考えています。現在、我々の研究グループではNEDOプロジェクト「未踏チャレンジ2050」でDACシステムだけでなく、バイオマス由来の化合物を用いた二酸化炭素変換反応の開発も進めています。本研究で開発した相分離を利用したDACシステムと二酸化炭素変換反応システムを組み合わせることで、空気からプラスチックや化成品を作り出す“ビヨンド・ゼロ”の社会を実現できると考えています(図3)。
【画像:https://kyodonewsprwire.jp/img/202205111007-O3-URNdIa8c】
図3 相分離を利用したDACシステムによるCO2を炭素資源とした社会
6. 論文情報
<タイトル>
“Direct Air Capture of CO2 Using Liquid Amine–Solid Carbamic Acid Phase-Separation System Using Diamines Bearing Aminocyclohexyl Group”
<著者名>
Soichi Kikkawa, Kazushi Amamoto, Yu Fujiki, Jun Hirayama, Gen Kato, Hiroki Miura, Tetsuya Shishido, Seiji Yamazoe
<雑誌名>
ACS Environmental Au
<DOI>
10.1021/acsenvironau.1c00065
7. 補足説明
[1] Direct Air Capture (DAC)
現在、大気中に含まれる二酸化炭素の濃度は約400ppmである。この大気中の二酸化炭素を直接吸収・除去する技術をDirect Air Capture (DAC)と呼ぶ。
[2] 相
物質の化学的組成および物理的性質が均一な状態のものを呼ぶ。物質には三つの形態(気体、液体、固体)があり、それぞれ、固相、液相、気相と呼ぶ。
[3] 相分離
均一な相(固相、液相、気相など)が条件(温度、圧力、濃度等)に従って2つ以上の相に分離すること。
[4] ゼロエミッション
環境汚染や気候変動の原因となっている物質を大気に排出しないようにすることで、二酸化炭素の排出量を実質ゼロにすることも目標の1つとなっている。
[5] ビヨンド・ゼロ
現在、排出されている二酸化炭素だけでなく、過去に排出された二酸化炭素をも削減し、二酸化炭素の全体量を現状と比べてマイナスにしてくこと。
大谷翔平に微妙判定のウェンデルステット氏 米サイトで平均的な数値も大谷見逃し三振は「誤審」
大谷翔平が今季11個目の盗塁で成功率100%をキープ メジャー通算100盗塁まであと「3」
富士通、スーパーコンピュータ「富岳」の世界ランキング結果を発表
田中みな実「まさか駅の看板に顔が…」 京急蒲田駅が京急蒲タコハイ駅に、英語でのアナウンスも
浜田雅功「DX」まさかの取材NG、地元尼崎の同級生営むお店から拒否されテロップで補足説明
またジョジョ婚!「増田朋弥さんもおめでとうございます」岸辺露伴シリーズ出演者がおめでた
ダウンタウンの地元尼崎の強烈看板に「DX」ゲストどん引き、浜田雅功も「つくったん?」驚き
つばさの党、田村淳さんらの自宅特定し街宣 否定的見解に反発か
大谷翔平、幻の真美子夫人の始球式の裏話明かす「そっちの方が良いんじゃないかなっていう感じ」
修学旅行の引率中、TDLでわいせつ容疑 甲府の小学校教諭逮捕
何があった!?「エアコン」が想定外の壊れ具合!投稿者に話を聞いた
大谷翔平が不運な判定で2度見逃し三振 「えん罪退場」で話題の球審は引き揚げる大谷にブチギレ
ヒカル、浮気相手とのLINE流出にドン引きの声「キモすぎる」「吐きそう」
玉置浩二の妻、青田典子(53)の現在がとんでもない事になっていると話題に
時代劇の常識を覆す!仇討ち・無礼討ちの厳格なルール
岡本夏生(56)、1600日ぶりにブログを更新した現在が衝撃
吉野家が「マスク外し強要疑惑」でプチ炎上、店員さんに聞いてみると……
藤田ニコル「脱ぐ予定なかったのですが気づいたらノリノリで…」ヒョウ柄水着姿に大反響
ユーチューバーもこう氏、元彼女・成海瑠奈について赤裸々告白
3度逮捕の38歳小向美奈子「今はやってないですよね?」の直撃質問に”回答”
何があった!?「エアコン」が想定外の壊れ具合!投稿者に話を聞いた
岡本夏生(56)、1600日ぶりにブログを更新した現在が衝撃
玉置浩二の妻、青田典子(53)の現在がとんでもない事になっていると話題に
ユーチューバーもこう氏、元彼女・成海瑠奈について赤裸々告白
ヒカル、浮気相手とのLINE流出にドン引きの声「キモすぎる」「吐きそう」
ガーシー、またも綾野剛の暴露写真でネット歓喜「この写真見て笑っちゃう」
大谷翔平が不運な判定で2度見逃し三振 「えん罪退場」で話題の球審は引き揚げる大谷にブチギレ
完全にダマされた! 『ラヴィット!』あのちゃん“事故レベル”大暴走は『水ダウ』遠隔操作のしわざだった ネットも納得
73歳神田正輝「旅サラダ」生放送で“12歳下俳優”から呼び捨てされ激論
元めちゃイケメンバーの三中元克(32)現在は何をしているのか調べてみた!
大谷翔平に微妙判定のウェンデルステット氏 米サイトで平均的な数値も大谷見逃し三振は「誤審」
大谷翔平が今季11個目の盗塁で成功率100%をキープ メジャー通算100盗塁まであと「3」
富士通、スーパーコンピュータ「富岳」の世界ランキング結果を発表
浜田雅功「DX」まさかの取材NG、地元尼崎の同級生営むお店から拒否されテロップで補足説明
田中みな実「まさか駅の看板に顔が…」 京急蒲田駅が京急蒲タコハイ駅に、英語でのアナウンスも
ダウンタウンの地元尼崎の強烈看板に「DX」ゲストどん引き、浜田雅功も「つくったん?」驚き
またジョジョ婚!「増田朋弥さんもおめでとうございます」岸辺露伴シリーズ出演者がおめでた
つばさの党、田村淳さんらの自宅特定し街宣 否定的見解に反発か
大谷翔平、幻の真美子夫人の始球式の裏話明かす「そっちの方が良いんじゃないかなっていう感じ」
修学旅行の引率中、TDLでわいせつ容疑 甲府の小学校教諭逮捕