従来高分子膜の性能上限は、CO2透過係数が上がるとCO2/N2選択率が下がるトレードオフの関係を示し、CO2透過係数2万BarrerにおいてCO2/N2選択率は約20であったが、対して今回の混合イオン液体膜の性能は、それを大きく上回り、大気中CO2と同程度の0.04％のCO2を用いた試験であっても、CO2/N2選択率は従来膜の約200倍に達することが確認されたとする。
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カーボンリサイクル実現に向けた、イオン液体を用いた分離膜による大気中CO2の分離回収のイメージ (出所:ダイセル プレスリリースPDF)
さらに、IL1の陰イオンの分子構造を最適化させたイオン液体(IL1’)が開発され、CO2/N2選択率が1万を超えるイオン液体膜を開発することにも成功。最終的には、約70％のCO2とすることができたとした。これは、DAC用分離膜の材料として最高クラスの性能であり、そのCO2/N2選択率は同等のCO2透過係数を示す従来高分子膜の約500倍に相当するとしている。
一般的に、化学反応を伴う膜材料を用いたCO2分離回収においては、膜中をCO2が速く移動するだけでなく、化学反応によるCO2の吸収と、逆反応によるCO2の脱離の2ステップも速やかに進行させる必要がある。CO2との反応性が高い材料を分離膜に用いると、CO2吸収量は増加するものの、強固な化学結合のためにCO2を吸収するときに発生する熱(以下「CO2吸収熱」)が大きくなり、CO2の脱離が速やかに進行しない関係にあった。
そこで、今回開発されたIL1とIL2からなる混合イオン液体について、CO2吸収量とCO2吸収熱を分析したところ、IL1およびIL2に比べてCO2吸収量は3倍以上となりながら、CO2吸収熱は0.9倍以下の低い値であることが確認された。
さらに、CO2吸収後の混合イオン液体には単独イオン液体で観察されなかった化合物が生成していることが確認され、CO2吸収量の高いIL1との化学反応により生成された化合物がIL2により溶媒和されるといった、単独イオン液体で起こらないCO2吸収機構が発現していることが見出されたという。このように、役割の異なる2種類のイオン液体を混合することで、高CO2吸収量と低CO2吸収熱の両立が明らかにされた。
なお研究チームでは今後、混合イオン液体膜を用いたDAC技術の実用化を目指し、イオン液体膜の製造技術を開発するとともに、DAC用膜のモジュール化を進めるとする。また、今回の技術は、複数のイオン液体を混合してCO2吸収機構を制御することで、イオン液体膜を高性能化する点に特徴があり、今回は大気中のCO2が対象とされたが、混合イオン液体の組成を適切に選択することで、多様な排出源を対象としたCO2分離用イオン液体膜への発展も見込めるとしている。
