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

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、柏木 信明、前園 拓也、オウ イピン
はじめに
埼玉大学大学院 理工学研究科
環境システム工学系専攻
環境制御システムコース
循環制御研究室
プロジェクト担当教員：王 青躍
関連学外組織：金子農機(株), 上海大学, 環境保護局, 環境科学研究院他
反応物比率
反応時間
反応温度
希釈剤
Ⅳ液化直交計画結果分析
1:4 (木粉:フェノール)
1 時間
150 ℃
メタノール
残留物を計算
Liquefaction Rate (wt%) =〔Wi/Wo〕×100%
Wi: 残留物の質量(g) Wo: 木材の質量(g)
Table 3: Experiment factor levels of Sulfuric acid
Fig 2: Liquefaction experiment flow chart
因子
A 温度 ℃
B 時間 hr
C 液固比
D 触媒wt%
Table 4: The result of L9(34 ) orthogonal test
合成
石油資源 → 高分子材料
加工
森林資源 → 生活木材
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
解決の方法
★液化技術★
環境問題
木材が腐敗して悪臭や公
衆衛生問題の発生
フェノール樹脂
応用
温度
140℃
140℃
140℃
150℃
150℃
150℃
160℃
160℃
160℃
38.59
37.31
29.62
8.97*2
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
K1*1
K2
K3
R
影響因子
時間 比率
1.5h 1:3.0
2.0h 1:3.5
2.5h 1:4.0
1.5h 1:3.5
2.0h 1:4.0
2.5h 1:3.0
1.5h 1:4.0
2.0h 1:3.0
2.5h 1:3.5
41.04 39.19
31.90 35.59
32.58 30.74
9.14 8.45
残留物
硫酸
17.49
10.83
10.27
14.28
11.20
11.83
9.27
9.87
10.48
触媒
6%
8%
10%
10%
6%
8%
8%
10%
6%
39.17
31.93
34.42
7.24
時間の影響が最も大きい
☆2 温度160℃ ,時間2h,比率1:4.0,触媒8%
残留物の質量は7.71%に示した。
設定した4つ因子及び3水準の範囲内
に直交実験計画を用いて、木材液化
に時間の影響が最も大きいことを求
められた。
不揮発分を計算 : NV =(m1 - m2)/ m0
研究目的
100
60
54.13
40
80
29.32
20
60
48.02
40
23.46
20
0
液化研究実験
反応物:木粉、触媒:リン酸
反応物:リグニン、触媒:リン酸
B
不揮発分(wt%)
不揮発分(wt%)
耐熱・耐衝撃・耐摩耗性、電気的特性、加工性などに優れた材料で、
精密部品のコネクタやマイクロスイッチ、自動車部品の各種コンミテータ
やインシュレータ、事務機器、ブレーカ部品などに使用されてる。
m1：乾燥前の容器と試料の質量 (g)
m2：容器の質量(g) m0：試料量 (g)
反応物:木粉、触媒:硫酸
反応物:リグニン、触媒:硫酸
80
水準3
160
2.5
1:4.0
10
RC (比率)8.45＞RD (触媒)7.24
液化物特性研究実験
A
水準2
150
2.0
1:3.5
8
実験結果
☆1 RB(時間)9.14＞RA (温度)8.97＞
*1 Kin =∑n i (n=A, B, C, D; i= Level 1, 2, 3)
*2 R=max﹛38.59﹜- min﹛29.62﹜
100
水準1
140
1.5
1:3.0
6
0
0
3
6
反応時間(hr)
9
0
3
6
反応時間(hr)
9
Fig 3: Relationship between reaction time and volatile of Liquefaction of waste wood and lignin
(A: Sulfuric as acid catalyst, B:Phosphoric as acid catalyst)
エコフェノール
樹脂
実験条件が液化生成物に与える影響について調査する
基礎成分および成分を測定
Ⅰ工業及び元素分析
Table 1: Wood composition analysis (wt. %)
工業分析JIS-M8812
元素分析JIS-M8813
Ash VM
M
FC
0.6
7.7
12.6 48.9
79.1
30
フェノール
C
H
N
O
6.1
0.4
44.6
木材基礎成分測定 本試
験の試料の工業分析及
び元素分析結果 によっ
て。これは有機性の炭
素割合の高さを示して
いる。
VM: volatile matter, M: Moisture, FC: Fixed carbon
廃木材中の重金属類含
有量について検討した，
クロム六価クロム化合
物(第2種特定有害物質)
の生成の可能性も考え
られた。製品を利用す
る際には，クロム化合
物に対して注意する必
要がある。
Ⅱ木材金属成分測定
残留物(wt%)
廃棄木材
反応物:木粉、触媒:硫酸
反応物:リグニン、触媒:硫酸
20
反応物:木粉、触媒:リン酸
反応物:リグニン、触媒:リン酸
10
Expon. (反応物:リグニン、触媒:硫酸)
Expon. (反応物:リグニン、触媒:リン酸)
0
0
Table 2: Composition analysis of woody materials (wt. %)
Composition analysis Liquefied woody
72.27
Holocellulose a
木材成分
Carbohydrate
抽出成分
Solubility
aHolocellulose
Cross and Bevan
Cellulose b
Alpha Cellulose c
61.73
52.14
Klason Lignin
23.38
1%NaOH
26.18
EtOH/Benzene
3.25
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.
一般的な木質バイオマ
ス系廃棄物はホロセル
ロースは64.27だった。
リグニンの定量分は
30.38になった。抽出成
分（有機溶媒可溶分）
の 結 果 は 1%NaOH
26.18、ベンゼン可溶分
3.25 と 示 し た 。 結 果 に
よって、この廃棄木材
は針葉樹が判明できた。
6
反応時間(hr)
9
12
Fig 4: Relationship between reaction time and Residues of Liquefaction of waste wood and lignin
(A: Sulfuric as acid catalyst, B:Phosphoric as acid catalyst)
Table 4: Viscosity of liquefied products that used H2SO4 and H3PO4 catalysts in 6 hours
Time (hour)
1
Viscosity of produce in
20-23
a
H2SO4 (dPa.s)
Viscosity of produce in
8-9
b
H3PO4 (dPa.s)
2
3
4
135-140 250-260 440-460
23-25
35-37
60-65
5
6
600-650
950-1000
85-90
90-100
a The
weight ratio of phenol/wood/ H2SO4 used for liquefaction was 4/1/0.08.
b The weight ratio of phenol/wood/ H PO used for liquefaction was 4/1/0.19.
3
4
Fig 1: Metal elements analysis by ICP-AES
Ⅲ木材成分測定
3
Liquefied residue by
H3PO4 catalyst
Liquefied residue
by H2SO4 catalyst
Figure 5: Photo of liquefied residue
used H2SO4 and H3PO4 catalysts.
結果的に、今回木材の主な成分の一つとし
て、モデル物質リグニンを用いた、リグニ
ンが液化プロセス中に残留物及び不揮発分
を解明した。実験条件によって、リグニン
は反応が不充分である。反応時間が6時間
で測定した結果を比べると、硫酸使用した
生成物の粘度は10倍以上を高めている。
今後の予定- 液化物特性研究実験
木材の複雑な液化物の分子量分布を解析かるために、液化反応中に3時間、6時間、9時間の
ところに液化物を抽出し、サンプルガラス瓶に入れ、冷所に保存する。ゲル浸透クロマト
グラフィーGPC(Gel Permeation Chromatography)を用いてサンプルを測定すると考えている。
References
1) Y.C. Zhang et al., 2006, Characterization of liquefied product from cellulose with phenol in the presence of sulfuric acid, Bioresource
Technology, 97, 313–321.
2) L.Z. Lin et al., 2004, Liquefaction mechanism of cellulose in the presence of phenol under acid catalysis,
Carbohydrate Polymers, 57, 123–129.