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 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 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 はじめに 反応物比率 1:4 (木粉:フェノール) 反応時間 1 時間 反応温度 150 ℃ 希釈剤　　　　メタノール Ⅳ液化直交計画結果分析 2 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 水準1 水準2 水準3 A 温度 ℃ 140 150 160 B 時間 hr 1.5 2.0 2.5 C 液固比 1:3.0 1:3.5 1:4.0 D 触媒wt% 6 8 10 Table 4: The result of L9(34 ) orthogonal test 影響因子 残留物 No. 温度 時間 比率 触媒 硫酸 1 140℃ 1.5h 1:3.0 6% 17.49 2 2.0h 1:3.5 8% 10.83 3 2.5h 1:4.0 10% 10.27 4 150℃ 14.28 5 11.20 6 11.83 7 160℃ 9.27 8 9.87 9 10.48 K1*1 38.59 41.04 39.19 39.17 K2 37.31 31.90 35.59 31.93 K3 29.62 32.58 30.74 34.42 R 8.97*2 9.14 8.45 7.24 合成 石油資源 → 高分子材料 加工 森林資源 → 生活木材 実験結果 ☆1 RB(時間)9.14＞RA (温度)8.97＞ RC (比率)8.45＞RD (触媒)7.24 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 環境問題 木材が腐敗して悪臭や公衆衛生問題の発生 時間の影響が最も大きい 解決の方法 ★液化技術★ ☆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。 フェノール樹脂 応用 *1 Kin =∑n i (n=A, B, C, D; i= Level 1, 2, 3) *2 R=max﹛38.59﹜- min﹛29.62﹜ 不揮発分を計算 : NV =(m1 - m2)/ m0 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) 液化物特性研究実験 3 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。 研究目的 液化研究実験 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) フェノール 廃棄木材 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 1 基礎成分および成分を測定 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。 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 C H N O 0.6 79.1 7.7 12.6 48.9 6.1 0.4 44.6 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 2 3 4 5 6 Viscosity of produce in H2SO4 a (dPa.s) 20-23 135-140 250-260 440-460 600-650 950-1000 Viscosity of produce in H3PO4 b (dPa.s) 8-9 23-25 35-37 60-65 85-90 90-100 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 a The weight ratio of phenol/wood/ H2SO4 used for liquefaction was 4/1/0.08. b The weight ratio of phenol/wood/ H3PO4 used for liquefaction was 4/1/0.19. 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。 Fig 1: Metal elements analysis by ICP-AES Liquefied residue by H2SO4 catalyst Ⅲ木材成分測定 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。 Liquefied residue by H3PO4 catalyst Table 2: Composition analysis of woody materials (wt. %) Composition analysis Liquefied woody 木材成分Carbohydrate Holocellulose a 72.27 Cross and Bevan Cellulose b 61.73 Alpha Cellulose c 52.14 Klason Lignin 23.38 抽出成分Solubility 1%NaOH 26.18 EtOH/Benzene 3.25 Figure 5: Photo of liquefied residue used H2SO4 and H3PO4 catalysts. 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. aHolocellulose 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.