Reuse of spent molecular sieves as adsorbents: a waste valorization strategy for low-temperature thermal energy storage

エネルギーシステムは変化しています。世界が化石燃料からの脱却を模索する中で、課題は単にクリーンな電力を生成することだけでなく、太陽が照っていない時や風が吹いていない時のために、いかに効率的にエネルギーを蓄えるかという点にあります。熱を蓄える有望な方法の一つに、「吸着」と呼ばれるプロセスがあります。空中の水蒸気を吸い込むスポンジを想像してみてください。そのスポージを加熱すると、水が放出され、その過程でかなりの量の熱エネルギーを吸収します。このサイクルを繰り返すことができれば、この材料は熱のバッテリーとして機能し、必要とされる時までエネルギーを保持することができます。これをうまく機能させる鍵は、安価で安定しており、水を取り込み、放出することに優れた材料を見つけることです。何十年もの間、科学者たちはこの役割のために「分子ふるい（モレキュラーシーブ）」として知られる合成結晶に着目してきましたが、これらの材料は製造コストが高く、産業用のガス洗浄における本来の目的を果たした後は、しばしば有害廃棄物として廃棄されてしまいます。

アルゼンチンの研究チームは、この問題をチャンスに変えました。彼らは、「使用済み」の分子ふるい（天然ガスの精製に使用され、現在は廃棄されているもの）が、熱貯蔵材料として第二の人生を与えられるかどうかを調査しました。研究者たちは、これらの廃棄された結晶を単なるゴミとして扱うのではなく、長年の産業利用を経た後でも、その内部構造や水保持能力が維持されているかどうかを問い直したのです。使用済みの材料を、新品の天然結晶や別の種類の合成化合物と比較テストした結果、廃棄された材料が熱バッテリーとして機能するために必要な本質的な特性を保持していることを発見しました。この発見は、有害な産業副産物を価値ある資源へと変え、廃棄物が持続可能なエネルギーのためのツールへと姿を変えるサーキュラーエコノミー（循環型経済）を支援する方法を示唆しています。

研究は、特定の種類の廃棄物から始まりました。それは、石油・ガス業界のガス処理施設から回収された、使用済みの分子ふるいです。これらの施設では、天然ガスの乾燥と精製を行い、水やその他の不純物を取り除くために、これらのふるいを使用しています。時間の経過とともに、ふるいは飽和状態となり交換されるため、単一のプラントで年間約50トンのこの材料が発生します。現在、これには捕捉された炭化水素が含まれているため、有害廃棄物に分類されており、処分コストや環境への懸念が生じています。研究者たちは、この使用済み材料のサンプル（シリコン、アルミニウム、酸素からなる合成結晶）を取り、一連の厳格なテストにかけました。公平な比較を行うため、彼らは地中から見つかる天然の鉱物結晶と、ラボで作られた複合材料もテストし、それぞれが熱に対してどのように反応し、水とどのように相互作用するかを調べました。

最初のステップは、材料の物理的構造を確認することでした。強力な顕微鏡を用いて、研究者たちは使用済み分子ふるいの表面と内部の細孔を調べました。その結果、産業プラントでの長い稼働にもかかわらず、結晶が崩壊したり多孔性を失ったりしていないことが分かりました。水分子が出入りするための微細な通路や穴は、依然として明確に見え、連結していました。これは極めて重要な発見です。なぜなら、このシステムにおける熱貯蔵能力は、完全に材料の水への出入り能力に依存しているからです。使用済みの結晶は新品の結晶と驚くほど似ており、過酷なガス精製の条件が、エネルギー貯蔵に有用な特徴を破壊していないことを示唆していました。

次に、チームは材料の化学組成を分析し、水とどのように相互作用するかを調べました。彼らは、結晶内のシリコンとアルミニウムの比率を測定しましたが、これは材料がどれほど強く水分子を引き付けるかを決定する要因となります。使用済みの分子ふるいはアルミニウム含有量が高く、これが水に対する強い電気的な引き付けを生み出し、材料が水分を吸収するのに非常に適していることを示しました。対照的に、彼らがテストした天然鉱物はアルミニウムが少なく、水を保持する力が弱くなる可能性があります。カルシウムリン酸塩からなる第3の材料である複合体は、また異なる挙動を示しました。これは、水の保持を内部の結晶構造ではなく、表面化学に依存していました。化学分析により、使用済みのふるいは、熱エネルギーを捕らえて放出するために不可欠な、水に対する適切な「粘着性」を備えていることが確認されました。

その後、研究者たちは熱テストに移り、温度変化の下で材料がどのように振る舞うかを調べました。彼らは、試料が加熱されるにつれてどれだけの質量を失うかを測定する「熱重量分析」という手法を用いました。温度が上昇するにつれ、3つの材料すべてが重量を減少させましたが、その様相は異なっていました。天然鉱物は非常に安定しており、質量の減少はわずかでした。これは、水を固く保持しているものの、急速なエネルギー貯蔵のために水を放出するのが難しい可能性があることを意味します。複合体は高温でかなりの重量減少を示しましたが、これは有機成分の分解によるものであり、繰り返しの使用における安定性に欠ける可能性を示す兆候でした。しかし、使用済みの分子ふるいは、バランスの取れた挙動を示しました。加熱されると、それらは制御された形で質量を失いながら、着実に水を放出しました。これは、放出されたエネルギーを放出し、再び冷却して吸収するという、再利用可能な熱バッテリーに不可備欠なサイクルが可能であることを示しています。

このプロセスに伴うエネルギーを理解するために、チームは、材料への熱の流入または流出を測定する「示差走査熱量測定」という手法を用いました。使用済みの分子ふるいを加熱したところ、広範囲にわたる熱吸収が観察されました。この熱は単に固体材料を温めているだけでなく、結晶の表面から水分子を引き離し、微細な孔から外へ出すために使われていました。この熱吸収が広い温度範囲で発生した事実は、水が結晶内のさまざまな方法（弱い結合と強い結合の両方）で保持されていることを示唆しています。これはエネルギー貯蔵においては好ましいことであり、材料が一度にすべてではなく、徐々に熱を吸収することを可能にします。測定の結果、使用済みのふるいは、新品の天然鉱物と同等、あるいはそれ以上の熱エネルギーを吸収できることが示され、ガスプラントでの最初の寿命を経ても、熱貯蔵能力が失われていないことが証明されました。

研究は、これらの廃棄された産業用結晶が単なるゴミではなく、低温熱エネルギー貯蔵のための実行可能なリソースであると結論付けました。使用済みの分子ふるいは、過酷な産業条件下での使用後も、その構造的完全性、水の吸引能力、および熱的安定性を維持していました。それらは、分解することなく、水を放出するために加熱され、水を吸収するために冷却されることができます。この発見は、サーキュラーエコノミーへの実用的な道筋を提示しています。毎年50トンの有害廃棄物を埋立地に送る代わりに、ガス処理施設はその同じ材料を再生可能エネルギーの貯蔵に役立てるために再利用できる可能性があります。研究者たちは、これらの材料が長年にわたる繰り返しの加熱・冷却に対してどのように性能を発揮するかをテストするにはさらなる研究が必要であると述べていますが、初期の結果は明白です。ある産業の廃棄物が、別の産業のエネルギー貯蔵ソリューションとなり、廃棄問題を持続可能な資産へと変えることができるのです。