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2021年 09月 21日 (火)

産総研東北センターが新たに掲げた看板研究テーマ「資源循環技術」とは?(2/2)<産総研 資源循環利用技術研究 ラボ長の佐々木毅さんに聞く> 取材・文/大草芳江、資料提供/佐々木毅(産業技術総合研究所)

2021年05月25日公開

人類共通課題「エネルギー・環境制約」に領域融合で挑む

佐々木 毅 Takeshi Sasaki
(国立研究開発法人産業技術総合研究所 資源循環利用技術研究ラボ長)

 産業技術総合研究所(以下産総研)東北センターは、2020年度からの第5期中長期計画で、新たな看板研究テーマとして「資源循環技術」を掲げた。「エネルギー・環境制約」という社会課題の解決にむけて設置した「資源循環利用技術研究ラボ」を中心に、「資源循環技術」の研究開発を領域融合の"オール産総研"体制で推進し、東北センターもその窓口役を務める。資源循環利用技術研究ラボ長の佐々木毅さんに、同ラボの設立背景や東北センターとの関係性、研究テーマ等について聞いた。

※ 本インタビューをもとに「産総研東北ニュースレターNo.49」を作成させていただきました。詳細は、産総研東北センターHPをご覧ください。

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産総研東北センターが新たに掲げた看板研究テーマ「資源循環技術」とは?(1/2)<産総研東北センター所長の伊藤日出男さんに聞く>


1.資源循環利用技術研究ラボとは?

◆ 領域融合で社会課題解決を目指すバーチャルなラボ

― 「資源循環利用技術研究ラボ」が設立された背景と東北センターとの関係性について教えてください。

 資源循環利用技術研究ラボ(以下、資源循環技術ラボ)のメンバーは主に、産総研の材料・化学領域の化学プロセス研究部門にいる東北センターの研究職員とつくばセンター、及び、一部中部センターの研究職員です。東北センターでは「資源循環技術」の看板を掲げる前は、「化学ものづくり」を掲げて研究を進めてきました。

 2020年度から産総研の第5期中長期計画がスタートし、ミッションとして世界に先駆けた社会課題の解決が掲げられ、その解決すべき社会課題として「エネルギー・環境制約への対応」、「少子高齢化の対策」、「強靭な国土・防災への貢献」が設定されました。

 これら社会課題の解決は、ひとつの技術領域だけでは難しく、様々な技術を集約する必要があります。そこで、様々な技術を持つ研究者が在籍する総合研究所としての特長を活かし、産総研では、領域融合で研究を推進するための「融合研究センター」と「融合研究ラボ」を設置しました。このうち、「エネルギー・環境制約への対応」をミッションとする融合研究ラボが、この資源循環技術ラボです。

 産総研全体としては、エネルギー・環境、生命工学、材料・化学、エレクトロニクス・製造、地質調査、計量標準の6つの技術領域が中心となって、関連する研究ポテンシャルを持つ研究者を横断的に集め、資源循環技術ラボを運営しています。

 その中で東北センターは、有機材料やバイオマス再資源化、二酸化炭素分離技術の研究等の「化学ものづくり」に長年取り組み、資源循環技術ラボの中核をなすメンバーが集積しています。かつ、資源循環は様々な材料に関わりますが、特に東北地方には、もともと秋田県を中心に鉱山関連企業が集積し、閉山後の今も、資源開発や精錬技術を基にした金属リサイクル企業が集積しています。このように、東北センターが化学系のポテンシャルを有し、かつ東北地域に材料系のポテンシャルがあることから、東北センターが「資源循環技術」を旗印に掲げるのがよいだろう、となったわけです。

 もちろん、東北センターの研究者の数は限られていますので、つくば本部や全国の地域センターの研究者とも連携しながら研究開発を進めます。その中で東北センターは、東北地域に対するハブ機能と、産総研全体をつなぐハブ機能を有します。東北センターにコンタクトいただければ、全国にある研究組織につないで様々なご相談に応じられる体制となっています。

― 東北センターにいる実際の研究者は従来と変わらないけれども、産総研全体の様々な技術領域の研究者を「資源循環技術」の切り口で括ったバーチャルなラボに、東北センターを窓口にしてアクセスできる、ということですか?

 その通りです。資源循環技術ラボに登録している約90名の研究者のうち、東北センターからは、材料・化学領域の化学プロセス研究部門に所属する多くの研究者が参画しています。さらに東北センターの他にも、資源循環技術のポテンシャルを持つ研究者が、つくば本部や全国の地域センターに多くいます。それをバーチャルにつなぐ組織として「融合研究ラボ」があり、その窓口役が東北センターという位置付けです。


2.資源循環利用技術研究ラボのミッションと研究テーマ

― このラボのミッションと研究テーマについて教えてください。

◆ 今、なぜ資源循環技術か

 今、なぜ資源循環技術かと言うと、世界的にもSGDs(持続可能な開発目標)が掲げられ、資源の枯渇や環境汚染といった環境問題は、地球規模の課題です。各種資源を採掘して製品をつくり廃棄するという従来の一方通行型の経済では、資源の枯渇や環境汚染を引き起こしますから、材料を再利用して循環させる必要があります。ただ、社会への普及のためには、それが経済的にも成り立つ「サーキュラー・エコノミー(循環経済)」の構築が重要です。産総研としては、環境保全と、産業としての収益を両立する技術開発に取り組むことが重要な使命です。また、廃棄プラスチック輸出入規制等、世界的な潮流となっている廃棄物規制への対応も重要な課題となっています。


◆ 資源循環技術ラボのミッション

 そこで資源循環技術ラボでは、資源循環型社会の実現に向けて、廃棄物を製品の材料として再利用する「マテリアルリサイクル」や、プラスチックを化学反応によって組成変換した後に原料として再利用する「ケミカルリサイクル」といった機能材料循環技術と、炭素・窒素・リン資源の循環技術の研究に取り組んでいます。さらに、LCA(Life Cycle Assessment:製品やサービスのライフサイクルの環境負荷を評価する手法)やコストの視点を入れて各資源循環技術を評価し最適化を図る、横串的な研究テーマにも取り組んでいます。

 資源循環技術ラボで設定した研究テーマは、上記スライドに赤色で示すように、産総研の持つコア技術で対応できるものにまずは限っています。しかし資源循環型社会の実現のためには、できないところまで広げていくことが今後必要ですので、そのための連携が重要だと考えています。


◆ 資源循環技術ラボの研究テーマ

 マテリアルリサイクルの例としては、リマニュファクチャリング(使用済み製品の再生)プロセスでの機能向上や、アルミニウム再利用時の品質向上等の研究に取り組んでいます。また、ケミカルリサイクルでは、例えば、材料として再利用できない廃棄プラスチックを化学反応によって原料のモノマーまで戻す触媒技術の開発等を行っています。さらに、炭素繊維強化プラスチックをリサイクルするためのプロセス技術の研究も行っています。また、先述の通り、炭素・窒素・リンの循環技術や、LCAとコストの観点からシステムを設計し評価する技術の研究を推進しています。


3.資源循環利用技術研究ラボの研究事例紹介

― それぞれ具体的な研究事例についても、ご紹介いただけますでしょうか。

① マテリアルリサイクルの研究事例:アルミニウム精錬時の電力大量消費

 アルミニウム精錬時、電力が大量消費され、大量の二酸化炭素が排出されます。ですから、精錬で新しい地金を製造するのではなく、製品として廃棄されたアルミニウム合金を回収し再利用するプロセスが必要です。ただ現状は、アルミニウム合金を回収してリサイクルするたびに不純物が混ざり品質が低下するため、リサイクルしても鋳造品にしか使えず、プレス加工等ができる「展伸材」としてはリサイクルできないという問題があります。そこで、不純物を取り除き、展伸材としてリサイクルできるよう、アルミニウム合金の品質と機能のアップグレードをターゲットにした研究を進めています。

 これは産総研中部センターによる研究ですが、溶融したアルミニウム合金を凝固させると初めに純度の高いアルミニウムが晶出し、添加物・不純物などが残液部に濃化します。この固相アルミニウムと残液部の性質の違いを利用してアルミニウム相を選択的に取り出すことによって、高純度アルミニウムの分離・回収を行うという研究です。これまでに、凝固過程においてアルミニウム合金に電磁撹拌を付与することで高純度アルミニウムの晶出量が増大することを見出しており、今後は晶出量増大メカニズムの解明と、晶出量最適化について研究を進めます。

② ケミカルリサイクルの取組事例:プラスチックごみの法規制対応

 また、東北センターにポテンシャルがあるケミカルリサイクルに関しては、先程も触れたように、プラスチックごみの法規制対応に取り組んでいます。日本の廃プラ総排出量は約900万トンで、現在、プラスチックのリサイクル手法としては、マテリアルリサイクル(約200万トン)、ケミカルリサイクル(約40万トン)、燃焼によるエネルギー回収(約500万トン)がありますが、実はこのうち91万トンは海外輸出されていました。しかし、近年のアジア各国の廃プラ禁輸措置、あるいはバーゼル条約改正(2021年)により、汚れたプラスチックごみの輸出が規制されたため、この91万トンを国内でリサイクルする必要があります。一部はケミカルリサイクルされていますが、そのマスはまだ非常に限られているため、新技術の開発によって、この91万トンに対応していく必要があります。

 ここで、国内のケミカルリサイクル技術開発の動向を整理しましょう。廃プラスチックを再資源化するケミカルリサイクルの手法には、大きく分けて、次の4つの技術があります。1つ目が、高炉でコークスの代わりに還元剤として利用する、あるいは、廃プラスチックを高温で熱分解しコークスやコークス炉ガスに変換する「高炉・コークス炉原料」。2つ目が、高温で熱分解してガス化し、化学工業原料や発電に利用する「ガス化」。3つ目が、熱分解して炭化水素油を得る「油化」。4つ目が、バージン材と同品質のモノマーに化学的に分解し、再度プラ製品に活用する「モノマー化」です。設備的にも処理量は飽和状態ですので、新たな技術開発が求められています。そこで、環境に優しい条件で廃プラを原料のモノマーまで分解するプロセス技術の開発に、東北センターが中心になって取り組んでいます。

 特に、高温水中で廃プラを加水分解し、モノマーに変換するケミカルリサイクルプロセス技術は、東北センターが核となって推進している研究です。プラスチック原料であるPETを高温高圧水で、モノマーであるテレフタル酸やエチレングリコールに分解する基礎的な技術はすでに開発済みですので、現在、それを連続的に処理できる装置設計やプロセス開発に取り組んでいます。

③ 炭素循環技術の取組事例:2050年CO2排出実質ゼロに向けて

 次に、炭素循環技術に関しては、「2050年二酸化炭素排出実質ゼロ」を菅総理が表明し、日本もその実現に向けて動き出しました。2050年に二酸化炭素排出を実質ゼロにするためには、世界で年間約100億トン、日本でも年間約10億トンの二酸化炭素を分離・回収し、貯留あるいは再利用していく必要があります。

 しかし特に二酸化炭素は、発電所や工場、自動車など、様々な産業から発生するために、幅広い濃度や、二酸化炭素以外の不純物が含まれる割合の違いに応じた、分離・回収技術の開発が必要です。また、二酸化炭素は極めて安定な物質で、そのまま反応させて別の物質に変えることが難しいため、必要な反応エネルギーを下げてやる新しい触媒を利用し、新たな反応系の開発も進めています。

 中でも東北センターにポテンシャルがあるのが二酸化炭素の分離技術です。ゼオライト膜の一種である「チャバザイト型ゼオライト膜」に、どれくらい二酸化炭素の選択性があるかを計算し、100以上もの高い選択性があることを見出し、実験的に実証しました。そして、膜をつくるための支持体であるアルミナの上に欠陥のないゼオライト膜を均一に堆積する技術の開発や、ゼオライト膜の構造を制御する研究を行い、その分離能評価を東北センターが中心になって行っています。

④ 窒素循環技術の取組事例:「地球の環境容量の限界」を超えた窒素循環問題

 続いて、窒素循環技術の話題に移ります。人間活動による地球システムへの影響を客観的に評価する方法として、「プラネタリー・バウンダリー(地球の環境容量の限界)」という概念があります。人類の活動がある閾値を超えてしまった後は元の地球環境には戻せないという、地球の環境容量の限界と、現在のレベルを科学的に評価したものです。

 この研究が対象としている9つの環境要素のうち、種の絶滅の速度と窒素・リンの循環については、実はすでにその閾値を超えてしまっていることが指摘されています。また、気候変動の原因である炭素排出についても、リスクが増大する不確実性の領域に達していると分析されています。このような危機的状況の中、地球環境を循環する窒素やリンの量を減らす技術開発が重要になっています。

 環境中で増大している窒素(N)とは、いくつかの窒素化合物ですが、その代表がアンモニア(NH3)です。では、アンモニアはどこから来るかと言うと、食料です。窒素肥料を大量生産して撒き、農産物を栽培して、それで家畜を飼育し、それを人間が食べ、その食べたものが排水として環境中に放出されます。また一部は、工場からの排ガスと同様に、廃棄物として焼却された後に、大気へも窒素化合物として排出されています。

 アンモニアは、大気中の窒素から化学的に合成する「ハーバー・ボッシュ法」という随分昔(1916年)にドイツで開発された技術によって、人工的に合成できるようになりました。これにより人類は大量の窒素肥料を手に入れ、高い食料生産を維持する一方で、地球環境を循環するアンモニアの量も増大し、それが多くの問題を引き起こしています。ですから、大気中や下水のアンモニアを分離・回収する技術開発が必要になるわけです。

 現状どのような処理をしているかと言うと、下水処理場の場合、生物化学的に窒素を処理するのですが、実はその時にポンプで下水を回して空気を入れてやる等、エネルギーを過剰に投入しています。そこで、低エネルギーでのアンモニア分離・回収技術の開発にも取り組んでいます。

 これはつくばの研究グループによる研究ですが、「プルシアンブルー」という、葛飾北斎の『富嶽三十六景 神奈川沖浪裏』にも使われている青色顔料が、実は、アンモニアを吸着することを見出しました。

 もともとのプルシアンブルーは、鉄と鉄がシアノ基をはさんでくっついた結晶構造をしていますが、この空隙の中にアンモニア分子を吸着できることを見つけました。また、鉄をコバルト(Co)や銅(Cu)に置換することで、分子構造を人工的に制御できることもわかりました。スライドの図に示すように、コバルト置換体は吸着量と脱離量がほぼ同じ、ということは、吸着と脱離を何度繰り返しても、その吸着力が落ちないプルシアンブルーができたということです。

 これらは、他の吸着物質であるイオン交換樹脂やゼオライト、活性炭と比べても、吸着量や脱離量が非常に大きく、高性能な吸着剤になります。また、これらを水で洗えば、アンモニアをアンモニウムイオンとして洗い出すことができるので、洗浄して再度吸着させるという、繰り返し使用できる材料になっています。

 実際に、農林水産省のプロジェクトで、豚舎の糞尿から発生したアンモニアを吸着する実証試験を行い、悪臭を感じないレベルまで吸着することができました。これを高性能化するための研究も行っています。

⑤ リン循環技術の取組事例:100%輸入と価格上昇の懸念

 そして、リン循環技術についてです。リンは世界的に枯渇が危ぶまれ価格が高騰していますが、持続可能なリンのバリューチェーンが日本国内に存在しておらず、100%海外からの輸入に頼っています。

 一方、リンは肥料として使われている用途が最も多いのですが、大きな問題は、リンの大部分は作物に使われずに土壌に吸着されてしまうことです。つまり、リン肥料のほとんどは土壌に捨てているようなものです。そこで、リンが少しずつ出て効果的に植物に吸収されるようなリン肥料や、土壌からリンを低コストで回収する技術を開発しています。現時点では回収コストが非常に高いのですが、技術開発を通じて、回収コストが輸入コストを下回り、社会実装されることを目指しています。

⑥ LCAと経済性を考慮したシステム設計・評価技術の取組事例

 最後に、LCAと経済性を考慮したシステム設計・評価技術について、最も重点的に取り組んでいるのが二酸化炭素の循環です。産総研のLCA、コスト、プロセスのデータベースを用いて、二酸化炭素排出量とコストを最小化する製造プロセスに係るシステムの設計や評価手法を構築しています。これまでご紹介したプロセスの中にも、この設計を入れ込み、最適なリサイクル技術を開発していく研究に取り組んでいます。


4.メッセージ

― 読者の方へ届けたい想いをお聞かせください。

◆ オール産総研で資源循環技術に対応

 東北センターの看板として「資源循環技術」を掲げていますが、実際の研究は東北センターを含めたオール産総研で対応しています。東北センターがその窓口機能を務めるという意味もありますし、先程ご紹介したように、高いCO2選択性のゼオライト膜技術や低環境負荷ケミカルリサイクルプロセス技術の研究ポテンシャルは東北センターにあります。二酸化炭素の分離・回収やケミカルリサイクル等で困っている企業の方、あるいは新しいビジネスを考えている企業の方は、ぜひ東北センターにコンタクトしてください。もちろん、産総研のつくば本部でも地域センターでもどこでもコンタクトいただければすべて資源循環技術ラボに関わっている研究者につなげてディスカッションすることが可能です。


◆ 人類共通の重大課題に協力して取り組む

 このエネルギー・環境制約という社会課題は、人類が協力して取り組んでいかなければ、人類が生存できなくなる可能性のある、人類に背負わされた非常に深刻な問題です。この重大テーマに中長期スパンで取り組むことが国立研究所としての重要な使命ですし、企業や色々なセクターの人が協力して取り組むべき時期が今だと思います。産総研として、環境保全とビジネスを両立する技術開発を実現しようと努力していますので、このような課題に興味をお持ちの方はぜひコンタクトいただき、産総研をご利用いただきたいと思います。

― 佐々木さん、ありがとうございました。

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