吸着による水性ガスシフトの促進

吸着強化型水性ガスシフト（SEWGS）は、燃焼前炭素回収プロセスと水性ガスシフト反応（WGS）を組み合わせることで、SEWGS反応器に供給される合成ガスから水素を豊富に含む流れを生成する技術である。 ^{[ 1 ]}

水性ガスシフト反応は、以下の化学反応式に従って、一酸化炭素を二酸化炭素に変換する。

_CO + _H₂O ⇌ CO₂ + _H₂​

二酸化炭素は吸着プロセスによって捕捉され除去される。^{[ 1 ]}

その場でのCO2_吸着と除去により、水性ガスシフト反応が右側にシフトし、CO2が完全に変換され、高圧水素の生成が最大化される。^{[ 1 ]}

21世紀の20年代に入ってから、この技術は注目を集めるようになった。これは、従来の炭素回収技術よりも優れている点があることと、水素が将来のエネルギーキャリアであると考えられているためである。^{[ 2 ] [ 3 ]}

SEWGS技術は、水性ガスシフト反応と固体材料への二酸化炭素の吸着を組み合わせたものです。典型的な温度と圧力の範囲は、350～550℃と20～30バールです。SEWGS反応器の入口ガスは通常、水素、CO、 _CO₂ の混合物であり、 COを_{CO₂に変換するために}水蒸気が添加されます。^{[ 4 ]}

一酸化炭素から二酸化炭素への変換は、CO _2の吸着と除去によって反応平衡をシフトさせることで促進され、後者は生成される種の1つである。^{[ 1 ]}

SEWGS技術は、多床式圧力スイング吸着（PSA）装置をベースとしており_、容器には水性ガスシフト触媒とCO2吸着剤が充填されている。各容器は一連のプロセスを受ける。吸着/反応ステップでは高圧の水素リッチ流が生成され、吸着剤再生時にはCO2_リッチ流が生成される。^{[ 5 ]}

このプロセスは、合成ガスをSEWGS反応器に供給することから始まり、そこでCO2_が吸着され、水素を豊富に含む流れが生成されます。最初の容器の再生は、吸着剤がCO2で飽和すると開始され_、供給流は別の容器に送られます。再生後、容器は再加圧されます。水素と二酸化炭素の連続生産を保証するには、マルチベッド構成が必要です。最適なベッド数は通常6～8です。^{[ 5 ]}

吸着プロセス

吸着とは、気体または溶質が固体または液体の表面に吸着する現象です。固体表面への吸着は、物質が固体表面に衝突し、固体表面の原子または分子と結合を形成するときに起こります。吸着プロセスには、物理​​吸着と化学吸着の2つの主要なプロセスがあります。前者は分子間力の相互作用の結果です。弱い結合が形成されるため、吸着された物質は容易に分離できます。化学吸着では、化学結合が形成されるため、吸着熱の吸収または放出と活性化エネルギーは物理吸着に比べて大きくなります。これら2つのプロセスはしばしば同時に起こります。その後、吸着材は脱着によって再生されます。脱着は吸着の逆の現象であり、吸着材から捕捉された物質を放出します。^{[ 7 ]}

SEWGS技術では、圧力スイング吸着（PSA）プロセスが吸着剤材料の再生とCO2リッチストリームの生成に用いられます_{。このプロセスは、従来}空気分離、水素精製、その他のガス分離に用いられてきたプロセスと類似しています。 ^{[ 5 ]}

二酸化炭素除去のための従来技術

二酸化炭素除去に工業的に使用されている技術はアミン洗浄技術と呼ばれ、二酸化炭素の化学吸収に基づいています。化学吸収では、吸収された物質（ _CO₂）と溶媒との間で反応が起こり、濃縮液が生成されます。次に、濃縮液は脱着カラムに入り、そこで二酸化炭素が吸着剤から分離され、CO₂吸収のために再利用されます_{。エタノール}アミン（_{C₂H₇NO ）}、ジエタノールアミン（_{C₄H₁₁NO₂}）、トリ_{エタノールアミン}（^{C₆H₁₅NO₃}）、モノ_{エタノールアミン}（C₂H₇NO）、_メチルジエタノールアミン（ C₅H₁₃NO₂ _）は、 CO₂_除去に一般的に使用されます_。^[ 8 ^]

この技術の重要性は、地球温暖化問題と二酸化炭素排出量の削減に直接関係しています。水素経済において、水素は高エネルギー含有量のクリーンエネルギーキャリアとみなされており、化石燃料や汚染問題に関連するその他のエネルギー源に取って代わることが期待されています。これらの理由から、21世紀の20年代に入ってから、この技術は世間の注目を集めています。^{[ 3 ]}

SEWGS技術は、さらなる精製プロセスを必要とせずに高純度水素を製造することを可能にする。さらに、化石燃料からの発電や鉄鋼業など、幅広い産業プロセスへの応用が期待されている。^{[ 2 ] [ 5 ] [ 9 ]}

SEWGS プロセスを天然ガス複合サイクル(NGCC) および統合ガス化複合サイクル(IGCC) 発電所に統合することは、天然ガスまたは石炭からほぼゼロ排出で電力を生産する可能性のある方法として調査されてきました。NGCC 発電所では、達成された炭素回収率は約 95% で CO _{2 の}純度は 99% 以上ですが、IGCC 発電所では、炭素回収率は約 90% で CO ₂の純度は 99% です。^{[ 5 ] [ 9 ]}

製鉄所におけるSEWGS統合の研究は21世紀の第2の10年に始まった。その目的は、世界のCO2排出量の6％、産業プロセスによって発生する排出量の16％を占める_この産業プロセスのカーボンフットプリントを削減することである。^{[ 10 ]}

回収・除去されたCO2_は、貯蔵したり、高付加価値化学製品の製造に利用したりすることができる。^{[ 10 ]}

反応容器には吸着剤ペレットが充填されます。吸着剤には以下の特性が必要です。^{[ 5 ]}

• 高いCO₂_容量とH₂に対する高い選択_性
• 低_H₂O吸着
• 低い特定コスト
• 圧力および温度変化下における機械的安定性
• 不純物存在下における化学的安定性
• 蒸気による容易な再生

SEWGSへの応用を目的として、さまざまな吸着材が研究されてきた。例としては以下のようなものがある。

• K ₂ CO ₃促進ハイドロタルサイト^{[ 4 ] [ 11 ]}
• カリウム促進アルミナ^{[ 11 ]}
• Na–Mg複塩^{[ 12 ]}
• CaO ^{[ 13 ]}

カリウム促進ハイドロタルサイトは、SEWGS用途で最も研究されている吸着剤材料です。^{[ 4 ]}その主な特徴は以下のとおりです。^{[ 9 ]}

• 低コスト
• 十分に高いCO2_循環作業容量
• 高速吸着速度
• 優れた機械的安定性

• 水性ガスシフト反応
• 吸着
• 二酸化炭素回収・貯留
• 二酸化炭素回収・利用

SEWGS技術が研究されているプロジェクト：

• STEPWISEプロジェクトのウェブページ
• C4Uプロジェクトのウェブページ