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省エネ空気浄化システムを実現する｢多機能活性炭｣

宇宙航空研究開発機構

研究開発本部 未踏技術研究センター

大西 充

2

紹介の内容

１．二酸化炭素・水蒸気同時除去剤｢多機能活性炭｣開発の背景 ２．多機能活性炭の開発と性能把握 ①多機能活性炭製造(特許部分、横国大) ②吸脱着性能数値解析コードの開発(JAXA) ③圧力・温度依存性への対応(横国大+JAXA) ④仮想実証試験(JAXA) ３．課題等のまとめ

3

１．｢多機能活性炭｣開発の背景 （当面想定される）究極の生命維システム

4

次世代拠点系生命維持技術（月・惑星用）

植

植

廃棄物貯蔵

大便器

粉塵除去装置

湿式酸化装置

次世代＋

追加機能

H2

熱制御系

飲料水

H2 再生型燃料電池

CH4

次世代追加機能

JAXAの研究開発

電源系

蒸留装置

冷却サブシステム

温度・湿度調節装置

貯蔵系

放出系

汚水タンク

CO2除去装置

水分解装置

CO2

太陽電池

居住区

居住系

微量有害物処理装置

凝縮水

O2

分圧調整装置

空気再生系

高再生率月面拠点生命維持システム(イメージ)

船外活動系

O2タンク

宇宙服

炭素生成装置 C

冷却水タンク

冷却装置

水再生系 廃棄物処理系

調理器食料

CO2

人間

O2

蒸散水

洗濯機

洗面器シャワー等

衛生水生成装置

小便器

RO膜フィルタ装置

精製水タンク

O2タンク

飲料水タンク

食料貯蔵

CO2/有害ガス吸着装置

N2タンク

温室

圧縮装置

乾燥装置

CO2還元装置

食料系

ミネラル添加

5

現状の拠点系生命維持技術

再

植

植

居住区

居住系

小便器

廃棄物貯蔵

大便器

蒸留装置

冷却サブシステム

貯蔵系

放出系

汚水タンク

粉塵除去装置

微量有害物処理装置

CO2

温度・湿度調節装置

CO2除去装置

CO2

燃料電池or太陽電池

輸送系からの追加機能

熱制御系

凝縮水

O2

分圧調整装置

空気再生系

CH4

CO2還元装置

H2

水分解装置

電源系

N2タンク

現用(最終段階)ISS生命維持システム(イメージ)

船外活動系

O2タンク

宇宙服

水再生系 廃棄物処理系

調理器食料

CO2

人間

O2

蒸散水

飲料水

洗面器

RO膜フィルタ装置

食料系

冷却水タンク

冷却装置 O2タンク

飲料水タンク

食料貯蔵

CO2/有害ガス吸着装置

ミネラル添加

精製水タンク

6

現状の輸送系(宇宙服)生命維持技術

再

植

植

0.38

0.26

0.26

大便 0.12

0.12 1.50

蒸散水

2.28

飲料水

CO2/有害ガス吸着装置

食料貯蔵

食料系

飲料水タンク

飲料水 CO2

1.50人間

O2

2.41

蒸散水

微量有害物処理装置

水再生系 廃棄物処理系

調理器

1.00

食料

廃棄物貯蔵

大便器

1.62

次世代輸送系生命維持システム(イメージ)

船外活動系

O2タンク

宇宙服

冷却水タンク

冷却装置 O2タンク

空気再生系

N2タンク

0.84

居住系

分圧調整装置2.03

電源系

2.41

冷却サブシステム

温度・湿度調節装置

CO2除去装置

2.82

燃料電池

居住区

0.84

貯蔵系

放出系

2.28

0.70

熱制御系

0.79

1.62

1.00

調理水

0.62

汚水タンク 飲料水タンク

小便器2.00

フラッシュ水 0.50

入力酸素

食料固形分

食料水分

0.84

フラッシュ水 0.50

尿

1.00

0.50

粉塵除去装置

出力二酸化炭素

2.00

1.15

2.28

効率尿

パッケージ

凝縮水 0.80

7

生命維持システムへの１人日当たりの入出力質量とミッション期間により必要となる要素技術

・まず、宇宙服や短期間の宇宙船ミッションでも有害・不快であるCO2、汗・呼気水分の除去が必要。 ・期間が長くなる(シャトル等中期間宇宙船ミッション)とCO2除去剤などを再生し再利用する再生式除去法にメリットが生じ、 ・さらに期間が長くなる(中期間宇宙船ミッション～ISS等軌道拠点)と、汗・呼気や尿などから供給水を再生する水再生が有用となる。 ・さらに月面拠点等の長期ミッションでは、有機ゴミの無害化・減量化のための廃棄物処理が必要となり、 ・さらに火星拠点等では恒久的食料供給のための食料生産等が重要となる。

必要物質 (入力)

酸素 CO2除去剤

供給水 食料 計

ｋｇ 0.8 2.0 3.5 1.2 約8 除去物質

(出力) CO2 CO2除去

剤 汗・呼気 尿等汚水 ゴミ

ｋｇ 1.0 2.0 2.3 1.6 0.6 7.5

8

CO2吸着剤

有害ガス

空気熱交換器

凝縮水

減湿冷気-CO2+凝縮水

気液分離器

飲料水

酸素タンク

廃水タンク

CO2吸着筒

飲料水タンク

空気-CO2+水蒸気キ

ャビン

尿

O2

有害ガス処理器

減湿冷気-CO2

不要ガス同時除去による生命維持システムの簡素化

・不要ガス(CO2・水蒸気・有害ガス)同時吸着可能な吸着剤｢多機能活性炭」を用いて装置簡素化による省リソースおよび高信頼性システムの構築が可能なはず！

不要ガス除去機能が分離！

宇宙船ECLSS

不要ガス除去機能が分離！ 不要ガス除去機能が分離！

熱交換器

CO2+水蒸気+有害ガス 酸素

タンク

水・CO2・有害ガス除去

乾燥空気-CO2

CO2+水蒸気+有害ガス

水・CO2・有害ガス除去

キ

ャビン

尿

O2

空気

飲料水

乾燥冷気-CO2

尿処理装置

飲料水タンク

統合型宇宙船ECLSS

＊不要ガス除去機能を統合

＊吸着剤再生

＊使い捨て吸着剤

＊不具合が多発

9

CO2+H2O+有害ガスの同時除去可能な｢多機能活性炭｣を用いた空気浄化装置 ＊現在の技術 CO2除去装置+除湿装置+有害ガス除去装置 ＊ライバル除去剤(NASAが研究中) １．ゼオライト +無害 -水蒸気吸着力が強く、再生エネルギーが大 -活性炭を要する ２．固体アミン -有毒ガスを発生する可能性有り +吸着量のバランスが良く、再生エネルギーが小 -活性炭を要する

目指したもの

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２．多機能活性炭の開発と性能把握 ①多機能活性炭製造(1/4) 多機能活性炭(不要ガス同時除去)の発想 (1)素材の特徴 ・原料の籾殻は20%のシリカを含有 ・燻蒸でシリカ50%+原料炭50%が生成

(2)性能設計手法 ・シリカは薬剤でゼオライト化が可能 ・原料炭は活性化により減量が可能 ・シリカ、ゼオライト、活性炭の自在な配合

(3)構成成分の特徴 ・シリカは疎水性 ・ゼオライトは水蒸気とCO2の吸着剤 ・活性炭は汎用の有害ガス吸着剤

(4)期待する機能 ① CO2、水蒸気、有害ガスの汎用吸着剤 ②有害ガス吸着に特化した高性能活性炭 ③シリカ残存による水蒸気吸着低減の可能性

籾殻 シリカを含む活性炭

電子顕微鏡写真

製造のステップ ①籾殻を高温(450～1000℃)で蒸し焼きにし、燻炭を製造 ②燻炭および水酸化アルミニウム等ゼオライト原料をオートクレーブ(耐熱・耐圧容器)に封入 ③恒温攪拌装置で一定時間攪拌 ④冷却後、洗浄し乾燥、水蒸気・CO2の吸着性能有り(多機能活性炭原料) ⑤高温(～1000℃)のCO2ガスで燻炭部分を活性化、有害ガス吸着性能が追加(ナトリウムA型多機能活性炭) ⑥カルシウム塩でナトリウムを置換(カルシウムA型多機能活性炭)、CO2吸着力の強化 ⑦ペレット用接着剤と混合・攪拌、成形後乾燥(多機能活性炭ペレット) ＊大型オートクレーブで作れるのは20cc/回、普通はccのオーダー

大型オートクレーブ

恒温攪拌装置

ペレット

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①多機能活性炭製造(2/4) CO2・H2O同時吸着特性試験

湿度・温度調節機構等

試料接続部分 連続(手動)ガス分析装置

試料 ガス供給

入口濃度 出口濃度

CO2+H2O

12

＊計測に用いた試料は0.4g前後

＊燻炭部分の熱ガス処理により、実用性能 でH2O吸着量低減とCO2吸着量増大を両立、 H2Oの存在下でCO2を吸着できるゼオライト は画期的！ ・相対濃度が１未満が吸着、１以上が脱着 ・H2Oの吸着力が強いため、吸着したCO2は脱着 ・CO2の脱着量が少ない吸着剤が高性能！

①多機能活性炭製造(3/4) ガス分析能力を強化し１ｇ未満の試料による動的性能取得に成功

0 0.5 1 1.50

0.5

1

1.5

相対

濃度

相対時間

吸着剤 実用性能(２成分同時)

CO2[wt%] H2O[wt%]

･･市販ゼオライト(参考)

０．３ ４２．５

×多機能活性炭(アルゴン処理)

０．４

３１．５

●多機能活性炭(窒素処理)

３．５

３２．７

CO2

H2O

脱着

吸着

13

①多機能活性炭製造(4/4)

吸着剤 45分間の性能 平衡性能

CO2[wt%] ＊値が大きいと高性能

H2O[wt%] ＊値が小さいと省エネ

CO2[wt%] ＊値が大きいと高性能

H2O[wt%] ＊値が小さいと省エネ

カリウムＡ型 ０ ０ ０．１ ３２．９ ナトリウムＡ型 ５．０ １０．５ ０．４ ３６．０ カルシウムＡ型 ３．９ ９．７ ０．２ ３６．４ 市販Ｘ型 ７．７ １７．４ ０．３ ７５．０ ナトリウムＸ型 ０．２ １２．２ ０．３ ２７．９ 窒素処理 ４．９ １５．８ ２．８ ３７．６

＊ゼオライト部分の制御として３種のＡ型および１種類のＸ型ゼオライトを製造。なおナトリウムＡ型が基本の多機能活性炭

＊発見した窒素処理多機能活性炭を超えるものはみつからず

＊念のため再度窒素処理多機能活性炭を製造し、性能を確認

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吸着塔出口のCO2濃度 － 実験結果 ○ ペレット性能が良い場合 ＋ ペレット性能が悪い場合 ・市販ゼオライトのCO2吸着試験

と数値シミュレーション結果を比較 ・動的特性の再現に成功！

・動的特性(時間依存性)を持たせるためを拡散係数を導入 ・端的にはペレット性能を表現 ・パラメータは6個

・有害ガス吸着試験結果(30ケースほど)では、活性炭の静的性能と動的性能が乖離 ・限られた試験結果だけではシステム検討が困難 ・数値シミュレーションコードの開発が必要！

agaAa

agg

ggg

CCCCt

Ct

CrC

Dt

Cr

CD

xC

ut

C

⋅−⋅−⋅=∂∂

∂∂⋅−

∂

∂⋅−=

∂

∂∂

∂⋅⋅−

∂

∂⋅−=

∂

∂

δγ

β

α

)(

2

2

agaAa

agg

CCCCt

Ct

Cx

Cu

tC

⋅−⋅−⋅=∂∂

∂∂⋅−

∂

∂⋅−=

∂

∂

δγ

β

)(

● ●

● ● ● ●

● ● ● ● ●

● ● ●

● ●

●

● ● ●

● ● ● ●

● ● ● ● ● ●

● ● ●

● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

空気

吸着層

単純吸着モデル

● ●

● ● ●

● ● ● ●

●

●

●

● ● ● ●

● ● ● ● ●

● ● ●

● ● ● ● ● ●

● ● ● ●

● ● ● ● ●

● ● ● ● ●

● ● ● ● ● ●

● ● ● ●

● ● ● ● ●

● ● ● ● ● ● ●

● ● ●

● ● ● ● ● ● ● ● ●

メソ孔

拡散吸着モデル

空気

吸着層

吸着層

②吸脱着性能数値解析コードの開発(1/3) 別の活性炭の吸着性能評価試験結果から開発の必要性を認識

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・基礎式は拡張済み ・単体試験結果を基にパラメータを同定

②吸脱着性能数値解析コードの開発(2/3) ２成分用にモデルを改造、検証が困難

aHgaHCaAHa

aCgaCHaACa

aH

gH

g

aC

gC

g

gHH

gg

gCC

gg

HHCHHt

H

CCHCCt

Ct

HrH

Dt

Ht

CrC

Dt

Cr

HD

xH

ut

Hr

CD

xC

ut

C

⋅−⋅⋅−−⋅=∂∂

⋅−⋅⋅−−⋅=∂∂

∂∂⋅−

∂

∂⋅−=

∂

∂∂∂⋅−

∂

∂⋅−=

∂

∂∂

∂⋅⋅−

∂

∂⋅−=

∂

∂∂

∂⋅⋅−

∂

∂⋅−=

∂

∂

δεγ

δεγ

β

β

α

α

)(

)(

2

2

2

2

予備的な実験結果 予備的な計算結果

・試験結果と解析結果の傾向は一致 ・微妙な｢癖｣の再現は困難か？

・実験結果と計算結果を定性的に合致させることは可能！ ・パラメータが多すぎて、同定は人間業では無理！コンピュータに最適解を探させる！

16

②吸脱着性能数値解析コードの開発(3/3) ２ガス成分×２吸着特性モデルに拡張

0 0.5 1 1.50

0.5

1

1.5

相対濃度

相対時間

●実験値 ･･･2×1 --2×2ミクロ結合 －2×2マクロ結合

・ゼオライトと活性炭の結合がミクロな場合とマクロな場合の２×２モデルを比較 ・マクロ、すなわち混ぜたものに近い。不思議

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③圧力・温度依存性への対応(1/3) 圧力および温度制御により、真の動特性取得能力計測が可能

圧力計

Arガス

Ar-CO2

混合ガス（CO2:0.7wt%)

(30mL/min)

リービッヒ冷却管

マントルヒーター

流量計

流量計(70ｍL/min)

恒温槽

ガスサンプラー

ガスクロマトグラフ

真空ポンプ

二方コック

三方コック導入気体

真空ポンプ

真空レギュレータ

ニードル

圧力制御 湿度制御

温度制御

入口濃度 出口濃度

18

③圧力・温度依存性への対応(2/3) ２成分×２特性モデル有効性確認、圧力・温度依存性獲得に成功！

0 0.5 1 1.50

0.5

1

1.5

相対

濃度

相対時間

0 0.5 1 1.50

0.5

1

1.5

相対

濃度

相対時間0 0.5 1 1.5

0

0.5

1

1.5

相対

濃度

相対時間

0 0.5 1 1.50

0.5

1

1.5

相対

濃度

相対時間

25℃、1.0気圧

加温

0 0.5 1 1.50

0.5

1

相対濃度

相対時間

50℃、1.0気圧

25℃、0.5気圧 50℃、0.5気圧

●実験値 ･･･2×1 --2×2密結合 －2×2疎結合

・2成分×2特性モデルの内、成分が疎結合の場合に一致、2成分が、それ

ぞれの領域に区分出来そうなことが判明。意外な知見！

減圧・加温に適用

モデルの適合性確認

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③圧力・温度依存性への対応(3/3) 仮想的な吸脱着試験を実施

・吸脱着試験を仮想的に実施。サイクル時間をパラメータとして処理量(最大吸着量－最小吸着量)を計測

0 2000 4000 6000 80000

1

2

3

0

10

20

30

時間(秒)

吸着

量(k

g/m

3 )

吸脱着試験(サイクル600秒)、サイクル切り替えに100秒を要す場合

･･圧力スイングのみ －圧力・温度スイング

20

④仮想実証試験(1/3)

単体試験のイメージ：不要ガス除去装置への負荷は常に一定

不要ガス 除去装置

無限大のキャビン

入口濃度 出口濃度

CO2+H2O

システム試験のイメージ：不要ガス除去装置への負荷は変動し、到達するキャビン環境が人体に適合しない可能性有り

CO2+H2O

有限のキャビン

入口濃度

出口濃度 不要ガス 除去装置 排気

排気濃度

キャビン環境

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＊注：数値は例 小さいほど省リソース!

④仮想実証試験(2/3) 計算機中に仮想実証装置を構築

不要ガス除去装置

不要ガス除去塔 容量: 2.0L

風量: 300 L/min

船外

排気

150L/m

in

不要ガス除去塔 再生温度: 50 ℃

送風機 /ポンプ

境界条件

キャビン容積 2.0 m3/人

キャビン環境条件 CO2: 700 Pa以下 H2O: 25%～75%

人体代謝 CO2: 1.0 kg/人日 H2O: 2.3 kg/人日

22

サイクル時間とキャビン内のCO2およびH2O濃度の関係、100秒(左)、800秒(中)、2400秒(右)

サイクル時間とキャビン内の CO2およびH2O濃度の関係

④仮想実証試験(3/3) 種々のパラメータを検証

0 10000 20000 300000

0.5

1

1.5

0 10000 20000 300000

0.5

1

1.5

0 10000 20000 300000

0.5

1

1.5

相対濃度

0 1000 20000

0.5

1

1.5

0

0.5

1

1.5

＋ 60℃ ○ 50℃

判明した関係 ◎１L/人、50℃でも運用可能（ISSは4L/人、300℃） ◎CO2およびH2Oをバランス良く除去 △圧力スイングでの運用は難しい(CEVは常温が目標) ＊40℃運用には5L/人ほど必要 ＊真空ポンプの排気速度が性能に影響 ！送風機の風量が性能に影響、単調増加の傾向 ！最適なサイクル時間は長め

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＊要求 ①無害 ②CO2とH2Oの吸着力のバランス ③脱着エネルギー小 ④活性炭を要しない ＊現在の開発状況 ①ゼオライト+燻炭なので無害 ②H2O存在下でもCO2を吸着 ③再生温度は50℃程度と低エネルギー ④賦活でCO2とH2Oの吸着力を失う可能性が有るため燻炭を賦活せず。ただし普通の燻炭より高性能なはず！ ＊応用先 ・容積が小さな部屋の空気清浄など、省エネ除湿 ・換気に制限がある場合。必要換気量は1/40に低減 ＊課題 ・｢レシピ｣は有るものの、製造装置の再整備が必要 ・大量生産が困難！ ・ペレット化等構造化の必要有り

３．課題等のまとめ

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：吸着材 • 登録番号 ：5487483 • 出願人 ：横浜国立大学 宇宙航空研究開発機構 • 発明者 ：奥谷 猛、水戸賢吾 立原 悟、大西 充、佐藤直樹

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お問い合わせ先 独立行政法人 宇宙航空研究開発機構（JAXA） きぼう利用プロモーション室 Z-KIBO-PROMOTION@jaxa.jp 〒305-8505 茨城県つくば市千現2-1-1 筑波宇宙センター