pHスイング（pH Swing）法とは？CO₂回収のpH変化を利用したDAC・直接空気回収技術の仕組みを解説

CO2回収におけるPhスイング法について、高校生がわかる程度のレベルで解説します。

Phスイング法の原理

Phスイング法は、二酸化炭素（CO2）を効率的に回収するための技術です。ここでの「ｐH」とは、水溶液の酸性度やアルカリ性度を示す指標です。pHスイング法の基本的な原理は、CO2を吸収する際と放出する際の水溶液のpHを変えることにより、CO2を効率よく分離することです。
具体的には、まずCO2を含むガスを水溶液に通すと、溶液のpHが変化し、CO2が溶液に吸収されます。その後、溶液のpHを逆に変えることで、溶液に溶けていたCO2が再び放出されます。この吸収と放出のサイクルを繰り返すことで、CO2を効率よく回収することができます。

pHスイング法のメリット・デメリット

メリット

1. 効率性: Phスイング法は、溶液のPhを制御することで、CO2の吸収と放出を効率的に行うことができるため、エネルギー効率が高いです。
2. 柔軟性: さまざまな条件下で使用できるため、他の方法と比較して柔軟に適用できます。
3. 低コスト: 一部のPhスイング法は比較的低コストで運用できるため、経済的に有利です。

デメリット

1. 溶液の管理: Phを調整するための薬品や装置の管理が必要です。これにより、運用の手間が増えることがあります。
2. エネルギー消費: 溶液のPhを変えるためにはエネルギーが必要であり、そのコストやエネルギー源の確保が課題となることがあります。
3. スケーラビリティ: 大規模なCO2回収プロジェクトにおいては、技術のスケールアップに課題がある場合があります。

pHとは何か？

pH（ピーエイチ）とは、水溶液の酸性度やアルカリ性度を示す指標です。具体的には、水溶液中の水素イオン（H⁺）の濃度を表しています。pHは0から14までのスケールで表され、次のように分類されます：

• pH7: 中性。純水がこれに該当します。
• pH < 7: 酸性。酸の溶液はこの範囲にあります。例：レモン汁や胃酸。
• pH > 7: アルカリ性（塩基性）。アルカリの溶液はこの範囲にあります。例：石けん水やアンモニア水。

pHの具体的な数値の意味

Phの数値は水素イオン濃度の対数（logarithm）で表されます。Phの定義は次の通りです：

Ph=−log⁡[H⁺]Ph=−log[H⁺]

ここで、[H⁺]は水溶液中の水素イオン濃度をモル毎リットル（mol/L）で表したものです。

Phの例

• Ph 2: 酸性が強い（胃酸やレモン汁）
• Ph 7: 中性（純水）
• Ph 12: アルカリ性が強い（漂白剤やアンモニア水）

クライメイトテックで注目される理由

クライメイトテック（気候技術）とは、気候変動に対処するための技術全般を指します。pHスイング法がクライメイトテックで注目される理由は以下の通りです：

1. CO2排出削減への貢献: CO2は主要な温室効果ガスであり、その排出削減は気候変動対策の中核です。pHスイング法はCO2を効率的に回収できるため、地球温暖化の抑制に寄与します。
2. 再利用可能エネルギーとの相性: 再生可能エネルギーを利用してpHスイング法を運用することで、さらに環境負荷を低減できる可能性があります。
3. 技術の進歩と応用範囲の拡大: 技術の進歩により、pHスイング法の効率やコストが改善されており、さまざまな産業や規模での応用が期待されています。

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直接空気回収（DAC）の主要技術比較

DAC技術	吸収剤・原理	CO₂回収エネルギー（概算）	コスト（2024年）	主要企業	TRL
液体溶媒型（L-DAC）	水酸化カリウム（KOH）等のアルカリ溶液でCO₂を吸収→石灰石に転換→加熱してCO₂を放出・再生	約5〜8 GJ/t-CO₂（熱エネルギー）＋電力約0.5〜1 MWh/t	$300〜600/t-CO₂（現状）。2030年に$100-150目標（Carbon Engineering等）	Carbon Engineering（CE）[1CaptureBritishColumbia法]、Heirloom（石灰石型）	TRL8〜9（CE は第1号商業プラント稼働）
固体吸着型（S-DAC）	アミン系材料等のポリマー固体吸着剤。低温（60〜100°C）で再生可能。	約1〜3 GJ/t-CO₂（熱）＋電力約0.3〜0.5 MWh/t	$600〜1,000+/t-CO₂（現状）。2030年に$100-300目標	Climeworks（スイス）、Global Thermostat（米）、CarbonCapture（米）	TRL7〜8（Climeworks Orca・Mammothプラントが稼働中）
pHスイング法（電気化学型）	電気化学的にpHを変化させて海水や淡水からCO₂を回収・放出。電力のみで駆動（熱不要）。	約0.5〜1.5 MWh/t-CO₂（電力のみ）。熱不要。	$200〜500/t-CO₂（目標。現状は未実証規模）	Ebb Carbon（米・海洋アルカリ化）、Verdox（MIT発、電気的CO₂分離）、Twelve（CO₂→製品変換）	TRL4〜6（パイロット実証段階）
MOF/ゼオライト吸着（次世代）	金属有機構造体（MOF）・ゼオライトを使った高選択的CO₂吸着。常温付近で作動可能。	理論上は0.3〜1 MWh/t-CO₂（研究段階）	未実証（研究段階）	MIT・Caltech等の学術機関・Svante（カナダ）	TRL3〜5

pHスイング法の特徴と課題

• 原理の詳細：pHスイング法は、海水や淡水に電気化学的に酸・アルカリを注入することで溶液のpHを変化させ、CO₂の溶解・放出を制御する。アルカリ性（pH高）にするとCO₂が液体に溶解しやすくなり（炭酸水素塩として固定）、酸性（pH低）にすると液体からCO₂が放出されて回収できる。
• エネルギー効率の優位性：従来のL-DACやS-DACが高温（100〜900°C）の熱エネルギーを必要とするのに対して、pHスイング法は低温・電気のみで作動可能。再エネ電力のみで完結するため、GHG収支が改善しやすい。
• コストと課題：電極材料の耐久性・コスト、スケールアップでの電極面積確保、回収したCO₂の純度・品質管理、プロセス統合が主な課題。2024年時点では商業規模での実証事例がなく、TRL4〜6程度。

電気化学的pHスイングの方式の違い

pHスイングと一括りにされるが、pHを動かす仕組みは複数あり、必要な電力・部材・制約が方式ごとに大きく異なる。導入検討では「pHスイング法か否か」ではなく、どの方式かまで降りて評価する必要がある。

方式	pHを動かす仕組み	電力面の特徴	主な制約
バイポーラ膜電気透析（BPMED）	バイポーラ膜の界面で水を解離させ、酸性流とアルカリ性流に分ける	セル電圧が比較的低く、熱を使わない。食塩電解の設備技術が応用できる	バイポーラ膜の寿命と価格。供給可能なメーカーが限られるとされる
塩化物電解（クロールアルカリ）併用型	海水の電解で水酸化ナトリウムと塩酸を製造し、吸収側と放出側に振り分ける	既存の商業プロセスであり、スケールアップの知見が蓄積している	塩素系の副生物の管理。塩酸の処分・販売先の確保
水素ループ型	片方の電極で水素を発生させ、反対の電極で同じ水素を酸化してpH差だけを作る	水素を系内で循環させるため、理論上は電圧を低く抑えられる	水素の取り扱い、電極触媒の耐久性。実証規模が小さい
酸化還元活性キャリア型	キノン類などの分子を電気化学的に還元・酸化してCO₂と結合・解離させる	空気から直接分離でき、水溶液の大量通水が不要	厳密にはpHではなく酸化還元電位を振る方式。キャリア分子の酸素耐性と劣化

最後の方式は文献上「電気化学的CO₂分離」と括られることが多く、pHスイングとは区別して扱うのが正確である。一方で、電力のみで駆動し熱源を要さないという事業上の利点は共通しており、調達・立地の検討では同じ括りで比較される場面が多い。

エネルギーの数値をどう読むか

DAC技術の比較で提示される「GJ/t」「MWh/t」は、換算と内訳を押さえないと優劣を読み違える。熱と電力は同じ単位に直せても価値は同じではなく、1 MWh は 3.6 GJ に相当するが、低位の熱を電力で代替すれば数倍のコスト差が生じる。

大気中の400 ppm程度の濃度から純CO₂を分離する理論最小の仕事は、概ね0.1〜0.2 MWh/t-CO₂程度と試算される。実機で0.5〜1.5 MWh/t-CO₂を要するのであれば、熱力学的な効率は1〜2割台にとどまる計算になる。したがって電力消費の内訳、すなわち(1)電解セルそのもの、(2)海水や溶液を送るポンプ動力、(3)放出したCO₂の脱気・圧縮、のどこが支配的かを確認しなければ、改善余地の見積もりができない。海水を扱う方式では、CO₂濃度が薄いために大量の通水が必要となり、取水・送水の動力が無視できない比率を占めると指摘されている。

さらに決定的なのは、使う電力の排出係数である。電力のみで駆動する利点は、電源が低炭素でなければそのまま欠点に反転する。回収1トンあたりの正味の除去量を単純計算すると次のようになる（回収工程の電力のみを対象とし、設備建設や材料のライフサイクル排出は含まない試算）。

電力の排出係数	消費 0.5 MWh/t	消費 1.0 MWh/t	消費 1.5 MWh/t
0.45 kg-CO₂/kWh（系統平均相当）	正味 約0.78 t	正味 約0.55 t	正味 約0.33 t
0.10 kg-CO₂/kWh	正味 約0.95 t	正味 約0.90 t	正味 約0.85 t
0.02 kg-CO₂/kWh（再エネ専用電源）	正味 約0.99 t	正味 約0.98 t	正味 約0.97 t

系統平均の電力で1.5 MWh/tを消費する構成では、除去量の3分の2が自らの排出で打ち消される。pHスイング法が成立する前提は、安価であることよりもまず、低炭素電力に排他的にアクセスできることだと読み替えるべきである。

海洋アルカリ度向上との接続と、計量の壁

pHスイング法には出口が二つある。一つは放出されたCO₂をガスとして取り出し、合成燃料やメタネーション、地中貯留に送る使い方である。もう一つは、生成したアルカリ性の流れを海に戻して海水の全アルカリ度を高め、海洋が大気からCO₂を追加的に吸収する状態を作る使い方で、海洋アルカリ度向上（OAE）と呼ばれる。両者は同じ装置から派生しうるが、事業としての難所が異なる。

前者は回収したCO₂を流量計で計測できる。後者は大気から海洋への移動を直接計量できず、溶存無機炭素と全アルカリ度の実測に海洋循環モデルによる推計を重ねて吸収量を推定することになる。この違いは価格に直結する。除去クレジットの購入企業は、貯留の耐久性と検証可能性の両方を見る。OAEは貯留が長期にわたる点では評価されやすい一方、定量の不確実性に対して保守的な割引が適用されるとされ、民間のCDR登録機関が方法論と測定・報告・検証の要件を整備しつつある段階にある。日本の制度側では、J-クレジット制度やGX-ETSにおいてDACやOAEを対象とする方法論は現時点で整備途上であり、国内で売れる形になるまでの時間を事業計画に織り込む必要がある。

副生する酸の扱いも実務上の論点である。アルカリ側だけを海に戻せば酸が系内に残り、岩石による中和、工業用途への販売、あるいは別の海域への希釈放流のいずれかを選ばざるを得ない。環境影響評価と地元の海域利用者との調整は、技術の成熟度とは別軸の時間を要する。

日本の事業者にとっての現実的な接点

完成品のDACプラントを国内で立ち上げる以外にも、関与の仕方はある。むしろ素材・部材と立地の側に、既存の強みを使える領域が集まっている。

第一に部材である。バイポーラ膜やイオン交換膜、耐食性の電極・給電体、チタンやニッケル系の構造材は、国内の化学・素材メーカーが長く手掛けてきた分野である。食塩電解の運転ノウハウ、膜の品質管理、電極の寿命設計はそのまま転用可能性がある。方式別の比較表で各方式の制約がいずれも膜と電極に集中していることは、部材供給側にとっては需要の集中点を示している。

第二に立地と設備の共用である。海水を大量に取り扱う既存設備、たとえば臨海部の発電所の冷却水系統、海水淡水化設備、製鉄所の用水設備は、取水・放流の構造物と許認可を既に備えている。新規に取水設備を建設する場合の費用と期間を考えると、既存の取水ラインに後付けする構成は、パイロット段階の障壁を大きく下げうる。再エネ電源の立地と重なる海域であれば、低炭素電力の要件も同時に満たしやすくなる。

第三に、パイロット段階で何を測るかである。公開資料で語られるコストは将来の目標値が多く、意思決定の材料になりにくい。代わりに追うべき指標は、電流に対してどれだけCO₂分離に寄与したかを示す電流効率、膜と電極の累積運転時間あたりの性能低下、海水前処理（スケール付着と生物付着の抑制）に要する薬品と動力、そして回収したCO₂の純度である。純度は売り先の仕様で決まるため、合成燃料向けか地中貯留向けかで要求が変わる。回収ガスを売るのか除去クレジットを売るのかという出口の選択が、装置の仕様を遡って規定する関係にあることを、初期の設計段階で確認しておくべきである。