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

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1 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
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。 Liquefaction process is one of the promising techniques for effective utilization of woody biomass for the lignocelluloses can be converted to liquid reactive bio-based 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. はじめに 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 溶媒に対し8%、20% 液化温度 110℃、140℃、170℃ 攪拌速度 1000r/min 希釈溶液 エタノール Ⅰ温度変化による液化生成物分析 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 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 環境問題 木材が腐敗して悪臭や公衆衛生問題の発生 解決の方法 ★液化技術★ 温度変化による平均分子量結果 研究目的 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。 液化研究実験 フェノール 廃棄木材 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 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 時間変化による分子量分布結果 触媒変化による生成物量の比較結果 実験原料 Ⅰ工業及び元素分析 Table 1: Wood composition analysis (wt. %) 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 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 Ⅱ木材成分測定 Ⅲモデル成分測定 触媒添加量変化による平均分子量結果 Table 2: Composition analysis of woody materials Table 3: Characters of cellulose and lignin Composition analysis 木材成分Carbohydrate Holocellulose a 72 Cross and Bevan Cellulose b 61 Alpha Cellulose c 52 Klason Lignin 23 抽出成分Solubility 1%NaOH 26.2 EtOH/Benzene 3.3 Molecular Cellulose microcrystalline Lignin (Alkaline) Formula (C6H10O5)n C10H12O3 C11H14O4 C9H10O2 Weight (162.06)n 180.2 g/mole 210.2 g/mole 150.2 g/mole Cellulose : Lignin=5:3 Cellulose : Lignin=6:2 8wt% 20wt% Mn 1545 1503 1597 1453 Mw 1971 1942 2048 2150 Mw/Mn 1.28 1.29 1.48 触媒変化による分子量分布結果 Molecular Structure 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. 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。 Cellulose microcrystalline 液化方法と評価方法 Lignin 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。 試料を抽出 サンプルは溶媒THFに入れる(0.1wt%) 0.45 μm の PVDF フィルターでろ過し,残留物を除去 まとめ 液化実験プロセス 分子量分布測定 生成物性能の優劣評価 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。 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。 試料を注入 ゲル浸透クロマトグラフシステン 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) 謝辞 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) 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。 遊離フェノール＝ フェノールの質量 － 結合フェノール　　 液化物の性能測定 液化効率の優劣評価 粘度（回転円筒式粘度計　VT-04F, RION ）