AIST 和大赛璐正在努力实现碳中和！

2024/01/31

AIST 和大赛璐接受挑战实现碳中和！ CO与“离子液体”和“中空纤维膜技术”₂

#能源/环境约束响应

　为了在 2050 年实现碳中和，CO₂抑制排放以及二氧化碳排放的技术₂。产业技术研究院与大赛璐株式会社（以下简称“大赛璐”）共同致力于减少大气中的二氧化碳。₂稀释大气中的二氧化碳₂我做到了(2022/11/11 新闻稿文章）。这就是 AIST 多年来一直致力于的目标“离子液体”的研究成果以及大赛璐所培育的东西与“膜/薄膜形成”相关的技术已经成为一种形式，可以说是企业和研究所共同研究的结果。我们追踪了AIST和大赛璐的合作是如何进行的以及他们克服了哪些困难。

用混合离子液体和CO浸渍多孔膜₂

排放到大气中的二氧化碳，以在 2050 年实现碳中和₂以及通过将其储存在地下等使其固定化，从而使排放量为负值，正在引起人们的关注。这项技术的起点是来自大气的CO₂近年来，化学吸收和化学吸附方法的实证研究和商业化主要在欧洲和美国取得进展（AIST 杂志“什么是 DAC？”）。然而，目前正在研究的DAC技术是₂。

　AIST和Daicel汇集了过去的研究和开发成果并持续讨论，寻求一种需要更少能量的分离和回收方法。₂我们决定将研究目标定为“分离与回收的实际应用。”

　离子液体是熔点在室温附近的液态盐，其发现可以追溯到 20 世纪初。最初，离子液体的热稳定性或化学稳定性较差，但自 20 世纪 80 年代以来，许多改进使其更加稳定。近年来，其在抗静电剂、锂离子电池电解液、各种反应溶剂、润滑剂等方面的研究进展较多，部分产品已实现商品化。

　自 2000 年代初以来备受关注的离子液体用途之一是 CO₂的分离和回收离子液体是CO₂高亲和力，大量CO₂另一方面，氮（N₂)之类的气体几乎不溶于离子液体。利用这种溶解度差异，CO₂YN₂混合的气体的 CO等等₂可以选择并取出。通过将该离子液体掺入薄膜中，CO₂CO使用膜₂分离回收法（膜分离法）中，向膜的一侧供给空气或废气，利用真空泵将另一侧的压力降低为CO₂，其独特之处在于原则上不需要热能。但用于 DAC 的 CO₂分离膜中使用的离子液体在大气中含有稀二氧化碳₂₂需要矛盾的能力能够轻松释放。

使用分离膜分离和回收大气中的二氧化碳的图像 — 通过含有离子液体的分离膜去除大气CO₂的分离和收集图像

　AIST 大约 20 年来一直致力于从各种气体中提取二氧化碳。₂。基础研究包括各种阳离子和阴离子组成的离子液体的合成，以及CO₂开发吸收量等各种性能评价技术。最重要的研究成果之一是发现通过混合两种不同作用的离子液体，可以加速吸收和消散的每一步（将于2022年公布）。 AIST 化学工艺研究部门的研究组组长 Takashi Makino 对于这一结果有如下看法：

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　与大赛璐合作开发的“混合离子液体膜”，其二氧化碳浓度与大气中相同（004%）₂, CO₂/N₂的选择性比传统聚合物膜高约500倍。这是目前 DAC 分离膜的最高等级材料。

混合离子液体膜CO2渗透系数与CO2/N2选择性图 — 混合离子液体膜中的CO₂渗透系数和CO₂/N₂选择性（膜分离性能是在40℃的温度和待分离气体中含有CO的情况下测量的）₂在004 kPa分压和非加湿条件下评估）。 IL1'表示具有优化的IL1阴离子的离子液体。（实线为常规聚合物膜的性能上限）（引用并修改自 Kohno、Yuki 等人。 2022^*1)

克服“距离”和“呆在家里”的联合研究

　与AIST合作的大赛璐是总部位于大阪市的大型综合化学品制造商，在大正末期至昭和初期的创业期间，以制造和销售赛璐珞为基础，赛璐珞也是公司名称的一部分。如今，该公司拥有全球最大的汽车安全气囊充气机和各种过滤器市场份额之一。虽然我们之前与日本产业技术研究院在广泛的领域进行了联合研究，但我们从2017年开始与Makino等人的团队合作进行离子液体膜的研究。该公司商业创造中心的首席职员 Hiroshi Oda 解释了这项联合研究开始的原因。

　大赛璐还生产和销售在基膜上涂有功能层的产品，例如智能手机的保护膜和液晶电视的薄膜。我们的员工有机会在学术会议上与 AIST 的研究人员交谈，他们提出，“也许我们可以通过用 AIST 的离子液体浸渍我们的薄膜来开发新的应用”，这就是我们共同研究的开始。”

　关于薄膜与“离子液体”组合的开发，尾田继续说道。

　“混合离子液体本身就是CO₂作为分离和回收技术，它具有巨大的潜力，但为了提高分离效率，浸渍的“膜”很重要。首先，我们考虑了如何将陶瓷制成的多孔功能层薄薄地涂覆到片状膜上。最初，我们认为层越薄，效率越高，但分离性能已经跟不上功能层的薄度。「虽然功能层的涂覆技术应该足够了」，但我仔细研究了一下，发现功能层实际上是CO₂我们发现原因是膜变得太薄而无法用作分离膜，但我们花了很长时间才弄清楚。”

　大赛璐制作了许多新膜样品，将它们带到AIST，用混合离子液体浸渍它们，并测量分离膜的性能——这个过程重复了很多次。四个不同地点之间的合作仍在继续：牧野集团所在的 AIST 东北中心（宫城县）、大赛璐商业创造总部所在的东京、小田工作的地方、兵库县姬路市的合作创造基地（负责新材料的规划和开发）以及神崎工厂（负责薄膜的批量生产和制造）。然而，2020年初，新型冠状病毒感染发生，随着其影响蔓延，面对面的工作变得不可能。

　我们每个月都会举行远程会议。然而，由于我们无法聚在一起讨论实际样品，因此我们每个人都想知道：“为什么性能没有提高？”我们该怎么办？”日子变得越来越令人沮丧，”小田回忆道。

　为了推动这一发展，我们将从 2022 年起与 Oda 合作₂的分离和回收膜。 Takao 最初担任水处理膜工程师，这是大赛璐的专长。

　``发展的障碍``问题是什么？我们无法全面确认“一切”，这也是水处理技术中的一个普遍问题。参与了这种分离回收膜的研发，我再次体会到整理问题、抓住要点、深入挖掘、解决问题是多么重要。”听完尾田的故事，高雄点点头。 AIST 还增加了新成员，进一步推动了这项研究。自从我在美国大学读书以来，我就一直使用离子液体进行CO₂我是河野由纪，正在进行分离膜研究的首席研究员。

　2013年左右我在美国的时候，煤气化联合电厂的废气中CO浓度很高，超过了30%。₂的气体的CO₂很常见。高浓度气体的分离和大气中浓度低至400 ppm（004%）的分离在离子液体的性质上有本质的不同。因此，有必要以新的思路进行离子液体的合成。即使离子液体更成功，膜技术就可以了吗？ “在我们找到最佳解决方案之前，我们进行了大量的尝试和错误，”他在回顾那些日子时说道。

分离设备的艰难开发——用中空纤维膜的思路再试一次

　自2017年开始共同研究五年后，AIST终于推进了使用混合离子液体的分离膜的改进，以及早先推出的CO₂我们成功开发出选择性比传统离子液体高500倍的离子液体。另一方面，大赛璐成功地完成了在工厂控制膜厚恒定的分离膜片样品。人们对这将能够制造出堆叠在混合离子液体浸渍的分离膜层中的部件以及开发分离膜组件抱有很高的期望。

大赛璐开发的片状分离膜样品的照片 — 大赛璐开发的片状分离膜样品。它又薄又轻，几乎可以漂浮起来。

　然而，事情并没有那么容易。 “虽然单个膜的性能在一点点提高，但我们无法达到我们最初设想的产品所需的水平。我们想，‘那么我们别无选择，只能层压多层这些片状膜’，我们朝这个方向设计了一个原型设备，但没有成功。CO₂，需要对膜的一侧进行减压，但为此必须确保整个装置的气密性。为了将膜片堆叠起来直至性能达到目标水平，需要用金属框架将膜片紧密密封以保持气密性，使得装置的整体尺寸变得非常大。当原型机到达我们的实验室时，我被该设备的重量和尺寸震惊了，这对于一个人来说是不可能举起的，我别无选择，只能承认我的失败并说，“我不能使用这个”（尾田）

　大赛璐分离膜组件的开发似乎就此停止了。事实上，使用堆叠片状膜方法的模块开发并没有被大赛璐视为官方研究课题，因此不得不停止。然而，小田和他的同事们仍在“地下”继续进行研究和开发。

　如果我们能够把这项研究带到社会上落地，对未来的脱碳社会影响将是不可估量的。我不想放弃。虽然它在我们公司内部没有被认可为正式的研究主题，但我可以自由地在脑海中继续思考。”小田继续以坚强的意志接受挑战。

　虽然正在探索各种替代方案，但中空纤维膜目前被认为是最有前途的。这是一种像吸管或通心粉一样中心中空的膜，由于单位体积可以占据较大的膜面积，因此被广泛应用于家用净水器、工业净水、净水厂等，以达到去除杂质、净化水质的目的。大赛璐拥有水处理技术的专业知识。虽然在中空纤维膜上涂覆陶瓷功能层尚无先例，但海外企业已有先例，大赛璐的技术有望使之成为可能。

　“似乎还有其他公司正在进行片状膜的研发，因此与中空纤维膜的竞争将导致差异化。虽然这种方法存在成本问题，但应该值得克服。”一直从事中空纤维膜研究的高尾充满信心地说。

10918_11053₂将继续。

旨在建立碳回收技术

　人们越来越认识到 DAC 是实现碳中和的关键技术。然而，世界范围内达到商业化程度的案例仅有少数，并且还存在许多问题，例如提高回收效率和能源效率、开发吸收材料和分离膜等。

　当我们想尝试一种新方法时，我们会问 AIST，“如果我们将这项技术与这个技术结合起来会发生什么？”并且在大多数情况下，AIST 内都有相关领域的研究人员。即使您不在 AIST，也可以通过研究人员网络向您介绍知识渊博的研究人员，有时甚至是公司。我总是对 AIST 内外丰富的网络感到惊讶和帮助，”Oda 说道。我们认为与 AIST 合作是一个扩大我们公司技术追求广度和深度的机会。

　对于 AIST 来说，与企业的合作也是促进技术社会实施和商业化的重要加速器。牧野也看到了这次合作的巨大价值，他说：“在商业化方面，我们没有太多的经验或知识。特别是适销性、产品成本、安全性等，这些都是在研究实验室内很难理解的事情。我们很高兴能够从企业的角度提出这些问题，并实际进行制造，这是我们自己无法做到的。”

　经济产业省的路线图也以2040年后DAC的实用化为目标，所以还有很长的路要走。然而，为了实现这一目标，产业技术研究院等研究机构和企业必须通过反复试验进行合作，克服各种困难。 AIST 研究人员和大赛璐工程师将继续一步一个脚印地朝着实现碳中和的共同目标前进。