【研究分野】環境技術・環境負荷低減

【研究領域課題番号】17H00790 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

二酸化炭素地下貯留 / 多孔質 / 混相流 / デジタルロック / 流動 / 空隙スケール / X線CT / 地下貯留 / 浸透様式 / 環境技術 / 地球温暖化ガス排出削減 / 流体工学 / 資源開発工学 / 二酸化炭素排出削減

【研究成果の概要】

多孔質内部の流動を空隙スケールで可視化することにより，二酸化炭素(CO2)地下貯留技術(CCS)の安全性の評価に必要なトラップメカニズムを解明した．CCSの社会的受容性を醸成するのに資する科学的知見を確立した．多孔質内部の流動様式を３次元多孔質に対して整理し流動様式線図としてまとめた．密度差自然体流に関して，初期界面厚さが対流開始時間に与える影響を解明した．溶解トラップに移行するのに要する時間を推定することができる．簡易なパーコレーションモデルを開発し，多孔質空隙構造から飽和率を簡易に推定するモデルを開発した．

【研究の社会的意義】

二酸化炭素(CO2)地下貯留技術(CCS)の安全性の評価に必要不可欠となる岩石多孔質内部でのCO2の移動・溶解・対流などのトラップメカニズムに関する物質移動現象を解明し，CCSの社会的受容性を醸成するのに資する科学的知見を確立した．CCSの長期安定性について釈迦にとコミュニケーションする上での基礎となる学術基盤が整備された．CO2は注入後，構造性トラップ，毛管圧トラップ，溶解トラップと移行するが，移行時間に要する時間を定量的に評価出るようになった．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2022-03-31

【配分額】39,520千円 (直接経費: 30,400千円、間接経費: 9,120千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】23246036 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

熱工学 / 流体工学 / 環境技術 / 二酸化炭素排出削減 / エネルギー効率化 / 乱流予混合火炎 / 多次元複合光学計測 / 直接数値計算

【研究成果の概要】

多くの実用燃焼器内の流れは,高レイノルズ数乱流燃焼状態にあり,乱流火炎と壁面の干渉が燃焼器全体の熱効率を支配している,火炎と壁面の干渉は,火炎が壁面に平行に衝突するHead on quenching(HOQ)と火炎が壁面に対して垂直に伝播するSide wall quenching(SWQ)に分類されるが,実用燃焼器で用いられている乱流火炎では,これらが混在しており,火炎と壁面の複雑な干渉が生じている.本研究では,詳細化学反応機構を考慮に入れた超並列GPUクラウドによる直接数値計算(DNS)及び高解像度時系列粒子画像速度計(PIV)とOHラジカル及びCHラジカルの高時間分解能平面レーザ誘起蛍光法(PLIF)等を組み合わせた多次元複合光学計測を用いて,燃焼室壁面での表面反応モデルを構築し,乱流予混合火炎と壁面の干渉機構を明らかにすることを目的としている.本年度は,高精度表面反応モデルの構築,乱流火炎の壁面近傍挙動と壁面熱損失特性及びそれらに対する燃料種,当量比,壁温及び乱流特性の影響の解明に重きをおいて研究を行う計画であった.表面反応モデルについては,層流条件での光学計測とDNSを比較検討することで,最適なモデル構築を行い,構築された表面反応モデルを用いて自動車エンジンを模擬した定容容器内乱流予混合燃焼のDNS及び複合光学計測を行うことで,乱流火炎の壁面近傍挙動と壁面熱損失特性を明らかにする予定であった.本年度1年間で,上述の高精度表面反応モデルの構築,乱流火炎の壁面近傍挙動と壁面熱損失特性及びそれらに対する燃料種,当量比,壁温及び乱流特性の影響の解明する予定であったが,研究期間が約1ヶ月に短縮されながらも,閉空間内の乱流予混合火炎の壁面近傍挙動と壁面熱損失特性を明らかにし,国際学会にて発表おこなうとともに,本研究に必要な情報収集を行った.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2011

【配分額】21,970千円 (直接経費: 16,900千円、間接経費: 5,070千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】23226005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

乱流燃焼 / 階層構造 / 複合レーザ計測 / 直接数値計算 / 超並列計算 / 熱工学 / 流体工学 / 環境技術 / 二酸化炭素排出削減 / エネルギー効率化 / 多次元複合光学計測

【研究成果の概要】

多くの実用燃焼器内の流れは，高レイノルズ数及び高圧力条件の下にあり，乱流の階層構造による火炎面の階層構造が乱流燃焼特性を支配している．本研究では，超並列GPUクラウドによる直接数値計算(DNS)と多次元複合光学計測を用いて，高圧力環境下，高レイノルズ数乱流予混合火炎の火炎面及び火炎内部の階層構造を明らかにすると共に，それに基づくサブ・グリッド・スケール(SGS)燃焼モデルを開発し，乱流燃焼のラージ・エディ・シミュレーション(LES)を構築した．

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2011-04-01 - 2016-03-31

【配分額】209,950千円 (直接経費: 161,500千円、間接経費: 48,450千円)

【研究分野】環境関連化学

【研究領域課題番号】22550139 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

グリーンケミストリー / 超臨界二酸化炭素 / 酵素反応 / 二酸化炭素排出削減 / 合成化学 / 化学工業 / 脱炭酸酵素 / カルボキシル化反応 / 環境技術

【研究成果の概要】

CO2を反応物として用いる酵素反応を検討し、有用物質の合成法を見出すことを目的とする本研究において、まず、代表的な炭酸固定化反応関連酵素であるリンゴ酸酵素を、高圧CO2下で安定化させることに成功した。一方、他の要素に対して耐性のあるイソクエン酸脱水素酵素につき、発現系の構築に成功し、高圧CO2条件下で非常に安定性が高いことを確認した。この発現系で調整されたイソクエン酸脱水素酵素を用いたCO2固定化反応に成功し、加圧条件下において反応効率の改善を期待できる結果が得られた

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)

【研究分野】地球・資源システム工学

【研究領域課題番号】20246128 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

再生可能資源 / エネルギー / 環境技術 / 二酸化炭素排出削減 / 資源開発工学 / 微生物 / 生物・生体工学

【研究成果の概要】

二酸化炭素回収・貯留によって地中貯留された二酸化炭素をメタンに変換、エネルギー資源として利用する「持続型炭素循環システム」の構築を目指し、システムの要素技術の研究を行った。具体的には、地下貯留層のCO_2変換・メタン生産バイオリアクター化を目的に、地下微生物群の生態系・ガス生産活性を調査し、さらに微生物による電気化学的メタン生成反応を利用する新規CO_2利用・変換技術を開発した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2008 - 2012

【配分額】43,290千円 (直接経費: 33,300千円、間接経費: 9,990千円)

【研究分野】合成化学

【研究領域課題番号】19685007 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

アルコール脱水素酵素 / 超臨界二酸化炭素 / 酸化還元反応 / 酵素反応 / 環境技術 / 化学工学 / 合成化学 / 二酸化炭素排出削減

【研究成果の概要】

超臨界二酸化炭素中でのGeotrichum candidum由来の新規アルコール脱水素酵素による酸化還元反応の検討を行った。また、本反応に関与する2種類の酵素の単離精製に成功し、諸性質の解明を行った。1種類については、ほぼすべてのDNA配列を決定することができた。さらに、酵素の固定化法の検討を行い、超臨界二酸化炭素存在下での酵素の安定性を大幅に向上させことに成功した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】18106004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

環境技術 / 二酸化炭素排出削減 / エネルギー効率化 / 乱流燃焼 / 成層燃焼 / 混相乱流 / レーザ計測 / 直接数値計算 / 超並列計算 / 複合計測 / グリッド・コンピューティング

【研究成果の概要】

各種燃焼器の高効率化と低環境負荷化は,近年問題となっている地球・都市環境問題の解決に必要不可欠である.本研究では,世界最大級の高精度数値シミュレーションと種々のレーザ計測技術を組み合わせた世界最先端の高解像複合光学計測を用いて,実用燃焼器の高効率化と低環境負荷化に重要となる成層・混相乱流燃焼機構を明らかにし,それに基づく燃焼制御法を提案した.

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2006 - 2010

【配分額】102,700千円 (直接経費: 79,000千円、間接経費: 23,700千円)

【研究分野】環境技術・環境材料

【研究領域課題番号】18510069 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地下貯留 / トラップメカニズム / 残留ガス / X線CT / 格子ボルツマン法 / CO2 / 二酸化炭素排出削減 / 地球温暖化 / 環境技術 / 残留ガストラップ / 貯留量

【研究成果の概要】

漏洩リスクの無い安定的な貯留メカニズムである残留ガストラップと溶解トラップに注目し、これらのメカニズムによる貯留量の定量的な計測を行い、貯留量を実験的に明らかにするともに、格子ボルツマン法を用いた数値シミュレーションを通じて、貯留メカニズムの解明を行った。典型的な岩石としてベレア砂岩、多胡砂岩を対象として、残留ガス飽和度の計測を行った。ガスの残留量を計測する手法として、等温膨張を用いる手法を提案するとともに、この方法により、高精度で残留ガス量を計測できることを明らかにした。計測の結果、実験条件によらずベレア砂岩の場合、25-30%の二酸化炭素が界面張力によりトラップされることが明らかとなった。これらの実験結果に基づいて日本の残留および溶解トラップによる二酸化炭素地下貯留量を推定したところ、716.7億トンの貯留ポテンシャルが存在することが明らかとなった。キャップロックによる物理トラップと併せて、1018億トンの貯留ポテンシャルが存在し、これは日本の二酸化炭素排出量の約76年分に相当する。一方、ミクロなレベルからトラップメカニズムを解明するために、格子ボルツマン法による数値シミュレーションを試みた。本年度の成果として、地下1000mに対応する水と二酸化炭素の粘性、密度、界面張力を考慮した数値解析に成功し、残留ガストラップ状態を再現することに成功した。このように、残留ガストラップと溶解トラップを用いることにより、漏洩リスクの無い日本に適した二酸化炭素貯留が可能であることが示された。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2006 - 2007

【配分額】4,060千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 360千円)

【研究分野】環境関連化学

【研究領域課題番号】17655067 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

環境技術 / 合成化学 / 触媒・化学プロセス / 二酸化炭素排出削減 / 有機工業化学 / 超臨界流体化学

【研究成果の概要】

1)超臨界二酸化炭素の固定化:これまでに得られた1級、2級アミン類と二酸化炭素との反応により生成するカルバミン酸の反応性に関する基礎的知見をもとに二酸化炭素のアミン化合物からウレアやウレタンへの固定化におよぼす諸因子を明らかにして、連続反応装置による効率合成プロセス開発を検討した。その結果、アセチレンアミンと二酸化炭素から環状ウレタン化合物が二酸化炭素の超臨界状態で収率よく得られることを見いだした。詳細な反応機構の解析の結果、二酸化炭素とアミンが段階的に反応してカルバミン酸を生成し、これが分子内で環形成することを明らかにした。さらにこれまでに明らかにしていたアジリジンと二酸化炭素から合成できる水溶性のポリウレタンアミンが温度だけでなくpHにも応答する二重刺激応答性を示す材料であることがわかった。引き続き材料評価を検討中である。
さらに超臨界二酸化炭素への物質の溶解性を検証するために分光化学的手法を用いることにより溶解度を定量的に考察する手法の開発に成功した。この結果は、超臨界流体を研究するための基礎的知見の蓄積につながる重要な成果である。
2)超臨界メタノールの固定化:超臨界流体下での実施可能な連続反応装置の確立と超臨界メタノールの条件下でのフェノールなど芳香族化合物の選択的メチル化反応を検討した結果、固体触媒を選択することでフェノール酸素上あるいは芳香族炭素上にそれぞれ選択的にメチル化できることを見いだした。さらに、ジアミンのトメチル化およびジオール類のエーテル化反応を検討して超臨界メタノールの媒体としておよびメチル化剤としての一般性を実証するとともに、固体触媒反応の選択性改善のための反応因子を明らかにした。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】3,400千円 (直接経費: 3,400千円)