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摘要：研究小组建立了使用近年来备受关注的新材料“门型吸附剂”的CO₂捕获工艺的过程模拟技术，并阐明了其相对于现有分离材料的优势。作为应对气候变化问题的对策，世界各国正在积极开发从含有温室气体CO₂的工厂和火力发电厂的废气中分离和捕获CO₂的技术。为了在未来实现大规模的CO₂分离和捕获，开发节省空间和节能的CO₂分离技术至关重要，因此具有优异吸附性能的新材料“门型吸附剂”备受瞩目。然而，由于计算的复杂性，至今为止尚未对使用“门型吸附剂”的CO₂分离捕获工艺进行过程模拟。本研究解决了妨碍模拟实施的计算问题，成功对使用“门型吸附剂”的CO₂分离捕获工艺进行了过程模拟，并确认使用“门型吸附剂”的工艺表现出了优异的CO₂捕获性能。该技术有望为实现碳循环社会作出贡献。

关键字：门型吸附剂、CO₂捕获工艺、CO2分离技术、过程模拟、碳循环社会

研究要点

・通过对分离装置的实机运行的动态模拟，在世界上首次评估了使用“门型吸附剂”（近年来作为高性能CO₂分离材料而备受关注）的CO₂捕获工艺。

・研究发现，与传统的CO₂分离材料相比，使用“门型吸附剂”的工艺有望将分离材料的使用量减少约1/5（设备小型化），并将功耗降低39%。

・由“门型吸附剂”创造的节省空间和节能的CO₂捕获工艺将有助于实现从集中排放源中低成本捕获CO₂并作为各种化学产品和燃料再利用的碳循环社会。

研究背景和内容

政府间气候变化专门委员会在《全球升温1.5℃特别报告》中指出，如果到2050年左右CO₂不能实现净零排放，温室气体引起的全球变暖的严重影响将不可避免。为了实现这一目标，日本正在开发从工厂等CO₂集中排放源中分离和捕获CO₂的技术，但实施和运行CO₂捕获工艺的成本仍然很高，开发节省空间和节能的创新工艺是大规模社会实施的重要因素。

在上述背景下，“门型吸附剂”（多孔配位聚合物材料组的一种）作为具有优异吸附性能的材料近年来备受瞩目。研究小组着眼于ELM-11，它是一种多孔配位聚合物，具有层状结构。在吸附CO₂之前，ELM-11通过层与层的紧密层压而成，气体分子无法渗透到材料内部。当CO₂的压力超过被称为闸门压力的特定值时，CO₂会打开层间空隙（材料的结构变化），由此产生的空间将吸附CO₂（图1）。

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图1门型吸附剂ELM-11的CO₂吸附

由于这一特性，ELM-11表现出较大的CO₂吸附量和较高的CO₂选择性，如图2中红线所示，吸附等温线呈S形。另一方面，众所周知，“门型吸附剂”由于吸附引起的结构变化会导致吸附等温线和解吸等温线不匹配的滞后现象，并且滞后的形状也随着操作压力而变化（图2(a))。

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图2（a）为门型吸附剂的滞后型吸附等温线；（b）为将所提出的模型与实验数据拟合的结果。

为了估计CO₂吸附工艺的分离性能和成本，通过过程模拟进行详细的评估必不可少。由于过程模拟通过偏微分代数方程表示，因此当变量中存在突然或不可微分的离散变化时，该求解方程将变得更加困难。由于门型吸附剂表现出的滞后性S形等温线中，CO₂的压力和吸附量快速且离散变化，因此计算困难，至今为止尚未进行过程模拟。本研究解决了这些问题，并通过过程模拟评估和分析了使用ELM-11（作为CO₂分离材料，一种有前途的门型吸附剂）的CO₂分离和捕获工艺，阐明了其优异的性能。

本研究按照以下步骤进行过程建模和模拟。

合成“门型吸附剂”之一的ELM-11，并在不同温度下测量不同压力范围内的吸附特性，建立了ELM-11的吸附和解吸特性数据库。
基于上述数据，对吸附等温线进行了建模。此时，研究小组还使用条件分支对滞后现象进行了建模。并与吸附实验数据进行了拟合，结果发现，模型的误差很小（图2（b））。
在过程模拟器（gPROMS）中实施该吸附等温线模型，对使用该吸附剂的压力摆动过程进行了建模，并评估了性能。还使用沸石13X（一种著名的CO₂分离材料）进行了过程模拟，并将其性能与ELM-11进行了比较。

图3显示了将操作温度设定为25℃时的模拟结果。图3(a)显示了CO₂捕获纯度和CO₂捕获率。捕获纯度在任何情况下都处于90%或更高的高水平。这是由于ELM-11的高CO₂/N₂选择性。另一方面，捕获率随着进气压力的不同而变化很大。

研究发现，捕获率可以通过特定进气CO₂分压和操作温度下吸附等温线的上升压力P_stand（参照图2（a））来大致估算。这一发现表明，提高进气CO₂分压并降低P_stand的运行方法可有效提高CO₂捕获率。降低温度是降低P_stand的有效方法。

据此，研究小组实际上在低温下进行了模拟，并确认了捕获率有所提高。但由于本研究并未考虑冷却所需的能量，因此需要进一步验证。但是，若能利用冷能，则有望大幅减少CO₂捕获的能耗。

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图3：性能指标随进气压力的变化：(a)CO₂捕获率和捕获纯度；(b)能耗；(c)BSF

图3(b)显示了能耗与进气压力之间的关系。从该图中可以看出，存在使能耗最小化的进气压力。这是因为增加进气压力会提高CO₂捕获率，但也会增加压缩能耗，因此它们之间存在一个平衡点即最佳值。另一方面，图3（c）显示了作为生产率指标的床层因子（BSF）与进气压力的关系。从该图中可以看出，进气压力越高，BSF越低，生产率越高。这是因为，如图3(a)所示，进气压力越高，CO₂捕获率越高，生产率越高。

此外，沸石13X和ELM-11的捕获性能的比较结果（图4）表明，ELM-11在BSF、捕获纯度、捕获率和能耗方面都更胜一筹。特别是BSF约为沸石13X的1/5，有望大幅减少吸附剂的使用量（意味着设备尺寸的紧凑化）。

此外，与沸石13X相比，能耗可降低39%。这是因为对于沸石13X，如果不将压力降低到低压范围（真空泵效率降低），CO₂就不会解吸；而对于ELM-11，由于真空泵可保持高效率，即使在轻度减压下也能充分解吸CO₂。但是，关于沸石，与本研究验证的简单的吸附和解吸操作不同，由于大多采用包括清洗工序的3柱型PSA工艺，因此需要注意的是，仅根据本研究的结果无法准确地讨论节能效果等。

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图4 ELM-11与沸石13X的性能指标比较：(a)BSF和解吸时间；(b)CO₂捕获率和捕获纯度；(c)压缩机和真空泵的能耗。

成果的意义和未来展望

该研究结果表明，使用了门型吸附剂的CO₂吸附捕获工艺可有效实现碳循环，有望为解决气候变化问题作出贡献。此外，首次对具有滞后性S形吸附等温线的吸附剂进行了过程模拟，这将有助于使用类似吸附剂的过程评估领域的发展。

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世界首创！对使用“门型吸附剂”的CO2吸附捕获工艺进行过程模拟