研究分野

環境材料化学研究室では、今後必要となってくる固体材料を用いた環境・エネルギープロセスに関する研究を行っています。これまでの石油を中心とした資源エネルギー利用形態は様々な理由で転換期に来ています。私たちの研究室では天然ガスや自然エネルギーの利用促進のために以下の課題に取組んでいます。ここでは、現在取り組んでいる研究テーマや過去に行ってきた研究結果を紹介する。

1.エネルギーキャリア研究

温暖化抑制のための二酸化炭素排出削減のためには太陽光や風力などの自然エネルギーの活用を促進しなければならない。自然エネルギーは電力という質の高いエネルギーとして得られるが、電力は貯蔵できないエネルギーである。したがって、導入が進むにつれ電気エネルギーの需給ギャップに直面する。既に欧州では余剰電力対策が注目されている。私たちは余剰となる電力を一時的に水素という形にして貯蔵、輸送する方法を考え、水素エネルギー社会に向けた技術整備が必要と考えてきた。しかし、水素を液体貯蔵する場合は-253℃という極低温が必要となる、圧縮貯蔵する場合は70MPaという超高圧タンクが必要となる。そこで、水素を効率的に貯蔵・輸送できる液体の化学物質(水素キャリア)に変換して、効率的にエネルギー輸送や貯蔵できるエネルギー利用システムの実現を目指すこととした。私たちはエネルギーキャリア物質としてアンモニア、メタン、メタノール、ジメチルエーテルの4つに注目しており、これらの効率的な合成・分解方法の研究に着手している。2014年10月からは里川が代表を務める研究チームによるアンモニアの電解合成に関する研究課題がJSTのCREST研究に採択され、研究を開始したところである。

2.天然ガス有効利用に関する研究

早期に二酸化炭素排出削減する方法として、既存のエネルギー利用システムを新たな省エネルギーシステムに置き換えていく方法がある。天然ガスコージェネレーション(電熱併給)システムも二酸化炭素排出削減だけでなく、エネルギーセキュリティーの面でも優れた方法である。小型燃料電池を用いた家庭用燃料電池コージェネレーションシステムは「エネファーム」の名称で2009年より販売されている。既に2014年現在、累計10万台のエネファームが販売されているが、現在でもコストダウンや設置地域の拡大に向けた改良研究が多く行われている。研究室では、脱硫、水蒸気改質、CO除去プロセスに用いられる触媒を高性能化することでシステムのコスト削減や適用拡大に資する研究開発を展開している。

3. 環境浄化に関する研究

自動車や各種装置から発生する汚染物質の分解技術に関する研究を行っています。ディーゼル自動車はガソリン自動車に比べて窒素酸化物の分解が困難で、現在では尿素水を還元剤として触媒システムの搭載も行われていますが、まだ技術的には不十分で特に触媒性能の向上が期待されています。また、室内環境の揮発性有機物質(VOC)の低温触媒分解技術にも取り組んでいます。

4.多孔質材料合成に関する研究

世界の資源・エネルギー事情は時々刻々と変化して、従来の石油精製、石油化学プロセスも再構必要になってきています。例えば中東におけるエタン脱水素反応によるエチレン製造と輸出により、ナフサ熱分解工程でのプロピレン増産が求められています。他にも多くの石油化学プロセスでエネルギー消費削減や副生廃棄物削減技術が求められています。これらのニーズにこたえるためには、新たな触媒素材が必要です。当研究室ではゼオライトやメソポーラス物質の合成研究により、これらのニーズに応えていけるように努力しています。

5.バイオマス利用に関する研究

再生可能資源としてバイオマスに注目して、食用に適さない植物油脂からのバイオディーゼル燃料製造技術やバイオエタノールの分離精製技術に取り組んでいる。バイオマスは化石資源と異なり、比較的短時間に二酸化炭素を吸収して成長することから、バイオマス利用はカーボンニュートラルな技術といわれている。バイオマス資源の利用技術はディーゼル代替燃料製造、ガソリン代替燃料製造、化学品製造に大別される。私たちの研究室ではバイオエタノールの有効利用技術と植物油脂からのバイオディーセル燃料製造技術に取り組んでいる。

バイオマス資源の利用技術で最も大規模に実用化されているのがエタノール製造である。北米では多くのガソリン燃料がエタノール混合ガソリン(E10)として販売されている。これはエタノールがバイオマス由来であることだけでなく、オクタン価向上剤としての役割を果たしているからである。しかし、自動車の燃焼法の研究から、エタノール混合燃料を同時に燃焼するのではなく、車両の走行状況にあわせてエタノールとガソリンを別々に燃焼させる方が、燃費が向上するという研究報告がある。私たちの研究室では燃料タンクに充填されたエタノール混合ガソリンを、使用時に車上で分離して、走行状況にあわせて使用できるようにするエタノールとガソリンの分離技術に取り組んでいる。これまでにPVAによる膜分離1)とゼオライトによる吸着分離2)に関する研究成果を得ている。

Membrane separation of ethanol from mixtures of gasoline and bioethanol with heat-treated PVA membranes, Y. Ueda, T. Tanaka, A. Iizuka, Y. Sakai, T. Kojima, S. Satokawa, A. Yamasaki, Ind. Eng. Chem. Res.50(2), 1023-1027 (2011). Adsorptive separation of ethanol blended gasoline by zeolite, T. Mukoyama, R. Kurihara, S. Satokawa, J. Jpn. Petrol. Inst., 57, 29-33 (2014) .

バイオマス由来の液体燃料としてエタノールとともに注目されているのが脂肪酸メチルエステルである。この物質は植物油脂とメタノールを反応させて製造するが、物性が軽油に近いことから、バイオディーゼル燃料として利用されている。原料となる植物油脂は貴重な食用資源であり食糧と燃料の競合が問題視されてきたが、現在では非可食油脂や廃油を原料としたバイオディーゼル燃料が実用化されている。私たちの研究室ではバイオディーゼル燃料の効率的な製造方法として固体触媒を用いた反応プロセスの検討を行ってきた3,4)

Decomposition of tristearin by ozonolysis over heterogeneous catalyst under moderate condition, K. Kunisawa, K. Urasaki, Y. Otsu, S. Kato, T. Kojima, S. Satokawa, J. Jpn. Petrol. Inst.51, 186-189 (2008). Effect of the kinds of alcohols on the structure and stability of calcium oxide catalyst in triolein transesterification reaction, K. Urasaki, S. Takagi, T. Mukoyama, J. Christopher, K. Urasaki, S. Kato, A. Yamasaki, T. Kojima, S. Satokawa, Appl. Catal. A General411-412, 44-50 (2012).