Our research focuses on CO2 emission reduction of energy conversion systems in terms of exergy engineering.
Exergy Engineering Research, Nakagaki Lab.
Waseda Magnesium-based CO2 Sequestration materials, WMaCS(ダブルマックスと発音）は，海水由来のマグネシウムでCO2を固定化した材料の総称で，登録商標（第6829796号）です．
”WMaCS”には，発明者のうち，MYERS, adam Corey（中垣研で博士取得）とMitsuyoshi akiyama（本学社会環境工学科・教授）の名前も入っています．
何が新しいのか？
ソレルセメントの技術は古くからあり，塩化マグネシウムと酸化マグネシウムを使って硬化させることができます．そこにWMaCSの炭酸マグネシウムを骨材として加えることで，CO2固定化コンクリートができます．石灰石を全く用いない，全く新しいコンクリート（っぽいもの）です．圧縮強度は50MPa（コンクリートに必要とされる25MPaの約2倍）を確保しており，耐候性も十分ありますが，塩化物イオンを大量に含むため，JIS A 5308に規定された0.3kg/m3以下を満たしません．そのため，今はコンクリートっぽいもの，と称しております．さまざまな成分を試しておりますが，概ね100kg-CO3/m3程度の固定が可能で，既に環境省のCCU分科会で承認されているCO2-SUICOMやバイオ炭コンクリート技術と同レベルの固定が可能です．
②製造工程
海水を基に炭酸マグネシウムを生成する工程は既に産業化されています．一方，塩と石灰石を原料としてソーダ灰を経由し，海水から煮詰めて得られた製塩ニガリ(MgCl2)と反応させて炭酸マグネシウムを得る方法ではCO2固定を目的としておりません．そのため，天然石灰に固定されていたCO2がMgに移されただけで，正味のCO2固定はゼロです．
ソルベイ法 総括反応式 2NaCl + CaCO3 → Na2CO3 + CaCl2
炭マグ生成 Na2CO3 + MgCl2 + xH2O → MgCO3･xH2O + 2NaCl
総括 CaCO3 +MgCl2 + xH2O →MgCO3･xH2O + CaCl2
このプロセスでCO2を固定化しようとする着想は多くあり，炭酸イオンがOH-を置き換えるアニオンとなるため，全てアルカリ添加に依存しています．このアルカリ添加の原料は電気透析などによって連続的に生成できますが，膨大な電力消費を伴います．もちろん，ゼロエミ電源を使う手もありますが，本プロセスでは考え方を逆転させ，「アルカリの投入」→「酸の発生」に切り替えたところに新規性があります．すなわち，塩酸が生成する代わりにCO2を固定化させる，既存の単位操作を組み合わせた初めての一貫工程です。温暖化の元凶であるCO2を固定化するニーズが無ければ，こんな技術は生まれなかったでしょうし，必要ないかもしれません．
従来の海水淡水化技術では，製造水を抜いた2倍程度の濃縮海水が廃かん水としてそのまま海洋放出されており，ペルシャ湾や紅海などでは環境問題となっています．https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.3c07748
そのため，ZLD: Zero Liquid Dischargeと呼ばれる廃かん水ゼロの淡水化プロセスもササクラでは商用化しておりますが，膜分離の限界はあり，ZLDの最後の工程は蒸発濃縮機になります．蒸発濃縮機においては，石膏などの析出塩を蒸発管に付着させない技術が重要であり，プロセス図で生成した塩酸を加えているのはそのためです．このノウハウは商用化淡水プラントの既存技術で，特に新規というわけではありませんが，あくまで製造ターゲットは製造水（淡水）であり，従来の析出物は産廃となるレベルの混合結晶がほとんどでした．単位操作自体は枯れた方法であるものの，石膏，芒硝，塩カリ肥料，食塩など，塩化マグネシウム以外においても一つ一つの純度を市場に投入できるレベル（98%程度以上）に上げる条件を見出して，一貫フローとして商材化の見通しを得た例は他にありません．「枯れた」との表現は陳腐とも捉えられますが，本研究では可能な限りProvenで，Extremeな条件を避けた単位操作の組み合わせを敢えて狙っており，あと25年しかないカーボンニュートラル達成までの短期間で導入の初期コストを抑え，早期社会実装につなげたい考えに基づいております．
併産品が得られるため，これらの売却益が期待できるだけでなく，既存プロセスでの製品を代替するとすれば，その製品由来の排出量を削減できます．本プロセスでは．現在の電源構成のCO2排出係数および熱分解に都市ガスを用いたと仮定しても，炭酸マグネシウムへの固定量の約10倍のCO2削減効果が併産品で得られるため，再生可能エネルギー100%でなくても「作れば作るほどCO2が減る」カーボンネガティブなコンクリートとなります．
 Figure : Our research methodology aims to establish the target "whole system" by designing "key component which determines KPIs of the system. Performances of the key component are generally affected by "key material" of which performance is controlled by mass & heat transfer or chemical reactions. |
 Figure : Focusing on three forms of energy forms. Chemical recuperation converts thermal energy into chemical energy that is suitable for energy storage. |
Technical overview
It is "unequivocal" that human influence has warmed the atmosphere, ocean and land, IPCC AR6 stated in the SPM. Anthropogenic greenhouse gases extremely likely cause global warming, and in particular, carbon dioxide (CO2) is greatest contributor. This problem should be addressed at an early date. Nowadays, we cannot live without electric power, but 30% of domestic CO2 emission is due to power generation. To generate electric power reducing CO2 emission, improvement of power generation efficiency and CO2 capture and sequestration (CCS) are key technologies, while energy resource should shift from fossil energy to renewable energy, such as solar power, wind power and bio-fuels. Our research aims to develop energy systems of mutual conversion among electric, thermal and chemical energy. Specific research areas include: CO2 Capture and Sequestration by using chemical solution for post-combustion gases and solid dorbent for high temperature application, Chemically Recuperated Gas Turbine and Fuel Cells. Another research is "carbon recycling" technologies such as hydrogen, methane, methanol and DME used in iron and steel making works, and CO2 mineralization converted into carbonate materials applying to iron and steel making slag or brine of desalination plants. Thermal energy storage and transport system is another aspect for effective use of renewable energy, especially for islands in terms of local emvironmental symbiosis.