Transcript 8,環境負荷低減・資源高効率利用技術の開発プロジェクト

平成22年度 大学院GP 現場支援型プロジェクト成果発表会
NO. 8 環境負荷低減・資源高効率利用技術の開発プロジェクト
A practical project for reducing environmental impact and
development technology of high efficiency utilization of resources
プロジェクト履修学生：陳 啓宇 前薗 拓矢 王イメイ
プロジェクト担当教員：王 青躍
Abstract
現在は人に優しい木材資源を有効に利用し再生産する循環型社会の実現が
求められている。木材製造業の残材、樹皮、公共事業に伴う支障木の根株な
どの焼却等の処分が不可能となり、木材の有効利用法の一つとして、木材を
原料とした樹脂の合成が挙げられる。本研究では、木質バイオマスあるいは
その主成分の液化挙動を解析しようとしている。セルロー、リグニンとその
混合物あるいは廃棄木材の粉砕物木粉を用いた。再縮合の発生する原因を見
つけるために、また、実験条件が液化反応中の縮合反応の程度に与える影響
の大きさと抑える効果についてを調べる。そのうちに生じる問題は、液化条
件と生成物特性の関連性を解析する目的として研究を行った。
はじめに
Liquefaction process is one of the promising techniques for effective utilization
of woody biomass for the lignocelluloses can be converted to liquid reactive biobased materials. In some experiments, wood powder, the model cellulose and
lignin component are specially used in the experiment to test the characteristics
of the products under different ratios. In our study, two model woody
components have been separated and mixed using under the different
liquefaction conditions with phenol. The mixed model components have
impacted on the condensation reaction. And, the reaction temperature was a
big factor affected on the results.
実験結果及び考察
実験条件
反応開始から液化した木材が縮合反応
を起こし固形化してしまうという問題があっ
た。実験条件が液化反応中の縮合反応の
程度に与える影響の大きさと抑える効果
についてを調べる目的として研究を行った。
液化添加量比率
1重量原料 4重量溶媒
液化触媒 硫酸
液化温度
攪拌速度
希釈溶液
溶媒に対し8%、20%
110℃、140℃、170℃
1000r/min
エタノール
Ⅰ温度変化による液化生成物分析
廃棄木材
液化研究実験
フェノール
ノボラック型
フェノール樹脂様成型物
木質バイオマスとその主成分の液化挙動
反応条件における液化生成物の評価
木質バイオマスの主成分のモデル物質を用いて再縮合の発生する原因
木材の試料は日本で最も分布し
ているスギを選択した
セルロースとリグニン試薬は木
材の構造が似てる薬品を用いた
Table 1: Wood composition analysis (wt. %)
工業分析JIS-M8812
元素分析JIS-M8813
Ash VM
0.6
Ⅱ木材成分測定
7.7
C
12.6 48.9
H
N
6.1
0.4
O
44.6
Holocellulose a
Cross and Bevan
Cellulose b
Alpha Cellulose c
Klason Lignin
1%NaOH
EtOH/Benzene
72
61
Cellulose
microcrystalline
Formula
52
23
26.2
3.3
Weight
(C6H10O5)n
(162.06)n
50
40
Cellulose : Lignin = 5 : 3
30
0
30
60
90
120
150
180
2050
1950
1850
Cellulose : Lignin = 5 : 3
Cellulose : Lignin = 6 : 2
1750
110
140
170
Reaction temperature
30
60
90
120 150 180 210
Ⅱ触媒変化による液化生成物分析
Ⅲ時間変化による液化生成物分析
触媒変化による生成物量の比較結果
時間変化による分子量分布結果
2
5:3 (20%wt)
6:2 (20%wt)
5:3 (8%wt)
6:2 (8%wt)
60
55
30min
1.5
50
1
45
0.5
40
混合5:3
cellulose
Cellulose
lignin
Lignin
mix 5:3
0
2
35
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Reaction Time (hr)
3
Mn
Mw
Mw/Mn
Cellulose :
Lignin=5:3
8wt%
20wt%
Cellulose :
Lignin=6:2
8wt%
20wt%
1545
1971
1.28
1597
2048
1.28
1503
1942
1.29
60min
3.5
1453
2150
1.48
触媒変化による分子量分布結果
1.5
1
0.5
0
2
120min
1.5
1
0.5
Cellulose
microcrystalline
サンプルは溶媒THFに入れる(0.1wt%)
触媒添加量と縮合反応の増加傾向の
関連性は確認しなかった。酸触媒が
生成物中に存在しているフェノール
の構造に影響することが推定された。
3
3.5
Log Mw
4
4.5
不溶残渣の一部が形成されたこと
から解重合したセルロースとリグ
ニン由来の芳香族誘導体との相
互作用により、縮合反応が起こる
ことが示唆された。単独で液化し
た場合により、セルロースとリグニ
ンの混合物で縮合反応があると
確認された。
まとめ
分子量分布測定
試料を注入
ゲル浸透クロマトグラフシステン
液化効率の優劣評価
0
2.5
0.45 μm の PVDF フィルターでろ過し,
残留物を除去
液化物の性能測定
30
反応時間につれて6:2の場合は生成物が徐々
に増加し、3時間まで、66.64%(170℃)に達した。
液化反応温度の増加とともに分子量が増加し
まうと見られる。縮合反応の増加傾向が起こる
ことが示唆した。
Lignin
生成物性能の優劣評価
Cellulose : Lignin = 6 : 2
0
液化方法と評価方法
液化実験プロセス
40
温度変化による平均分子量結果
aHolocellulose
試料を抽出
50
Reaction time (min)
Molecular Structure
is the total carbohydrate content of waste woody materials.
bCross and Bevan Cellulose is largely pure cellulose but contains some hemicelluloses.
c Alpha Cellulose is nearly pure cellulose.
60
Reaction time (min)
Lignin
(Alkaline)
C10H12O3
C11H14O4
C9H10O2
180.2 g/mole
210.2 g/mole
150.2 g/mole
70
210
触媒添加量変化による平均分子量結果
Table 3: Characters of cellulose and lignin
Molecular
Composition analysis
抽出成分
Solubility
FC
Ⅲモデル成分測定
Table 2: Composition analysis of woody materials
木材成分
Carbohydrate
79.1
M
170℃
60
65
Ⅰ工業及び元素分析
実験原料
140℃
Liquefied products
解決の方法
★液化技術★
110℃
D.MWD
研究目的
環境問題
木材が腐敗して悪臭や公
衆衛生問題の発生
Average molecular weight
環境問題
二酸化炭素の排出、石油系
高分子材料の分解は困難
加工
森林資源 → 生活木材
70
Liquefied Product
合成
石油資源 → 高分子材料
Liquefied products
針葉樹と広葉樹を想定した成分比率より、それぞれ5:3、6:2と仮定し
温度変化による生成物量の比較結果
生成物量
生成物量(Liquefied products) = 不揮発分(W2)－残留物(W4)
残留物と不揮発分
残留物＝非可溶残留物部分(W3)/反応前木材の量(W0)
不揮発分＝液化物(W1)－揮発分(未反応溶媒)
遊離フェノールと結合フェノール
結合フェノール＝不揮発分(W2) －反応前木材の量(W0)
遊離フェノール＝ フェノールの質量 － 結合フェノール
粘度（回転円筒式粘度計 VT-04F, RION ）
1. 温度は反応条件の変化因子として生成物性能に与える影響が強いことが
見られる。
2. 解重合したセルロースとリグニン由来の芳香族誘導体との相互作用により、
混合の場合は縮合反応が増加傾向が確認された。
謝辞
本研究は、埼玉大学大学院GPの研究費補助金を受けて行われた。ここに記し
て感謝申し上げます。