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一酸化炭素を高効率に分離・回収する新材料 排気ガスを資源に

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一酸化炭素を高効率に分離・回収する新材料 排気ガスを資源に

京都大学は、混合ガスの中から一酸化炭素(CO)を高選択的に分離・回収できる多孔性材料の開発に成功したと発表した。本成果は、これまで利用できなかった排ガスを新たな資源として利用し、CO2削減にもつなげるものとして注目される。

今回開発した材料を実用化することで、これまで不可能であった工業生産ラインや自動車からの排ガスに含まれるCOの効率的分離による資源化や、シェールガス等から水蒸気改質プロセスで発生したCOガスの精製などの実現が期待される。水蒸気改質プロセスは、メタンから触媒を用いてCOと水素に分解するプロセスで、燃料電池等で水素を得るために用いられている。

一酸化炭素(CO)は、一般的には毒性のガスとして知られており、炭素を含む物質が不完全燃焼する際やメタンから水素を取り出すプロセスの際に発生する。一方、産業界においては樹脂等、有用な化成品を得るために必要な非常に重要な原料となっている。

COは自動車などの乗り物から出る排ガス中にも含まれているが、ほとんどの場合、高価な触媒を用いてCO2へと変換され、大気中に放出されている。また、鉄鋼業の製鉄プロセスにおいても莫大な量のCOが副生ガスとして発生しており、CO2へと変換して排出されている。排ガスに含まれるCOを分離・精製し、化成品材料として転用することができれば、COおよびCO2排出の問題を解決するのみならず、これまで捨てていたものを新たな資源として利用することが可能となる。

今回の研究では、COを捕捉可能な、ナノメートルサイズの細孔(ナノ細孔)を有した多孔性材料を開発し、混合ガスからCOを効率よく分離し、簡単に回収することに成功した。

またその仕組みを、強力な放射光を利用できる大型放射光施設Spring-8の高輝度放射光を用いて、詳細に検討した。その結果、今回開発した物質がナノメートルサイズの孔の形・大きさを変えながら、COを効率的に取り込んでいる様子を直接観測することに成功した。

なお、本研究は科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業(ERATO)および日本学術振興会(JSPS)科学研究費助成事業(特別推進研究)によって推進され、京都大学、高輝度光科学研究センター、理化学研究所、東北大学と共同で行われた。

多孔性材料は、ガス分子をはじめとする小さな分子を効率よく分離するために、従来用いられてきた。たとえば、ゼオライトや活性炭といった多孔性材料は身の回りでも使われている。しかし、古くから用いられてきたこれらの材料は構造が単純で、分子レベルでの高機能化が困難だった。

一酸化炭素と窒素の物理化学的性質

一酸化炭素と窒素の物理化学的性質

一方、最近になって、金属イオンと有機配位子(金属イオンと配位結合を形成する有機化合物)との複合化によって作られる「多孔性金属錯体(PCPまたはMOF)」と呼ばれる新しい物質が開発された。PCPは、分子レベルで細孔の大きさや形状、化学的性質を精密に設計することができるため、大きな注目を集めている。

COを混合ガスから分離する場合、空気や排ガスに大量に含まれる窒素(N2)とCOをどのように区別するかが重要となるが、COとN2はその性質がとてもよく似ており、一般的な材料では区別することが難しく、新たなメカニズムに基づく分離材料の開発が必要不可欠となっていた。

本研究では、ナノ細孔の構造を変化させながら、COを効率よく内部に取り込むことのできるPCPの開発に成功し、COと非常によく似た性質(大きさや沸点)をもち、一般的に分離することが困難であるとされているN2との混合ガスからCOを選択的に分離・回収することに成功した。

【参考】
科学技術振興機構 - 一酸化炭素を高効率に分離・回収する新材料を開発

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