JP2005330125A

JP2005330125A - カーボン微粒子の製造方法及び製造装置

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Publication number: JP2005330125A
Application number: JP2004147742A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Kume; 正一久米
Original assignee: Kangen Yoyu Gijutsu Kenkyusho KK
Current assignee: Kangen Yoyu Gijutsu Kenkyusho KK
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】特に、バイオマス資源を所定温度で加熱して得られた炭化物を有効利用し、２種類の燃焼反応を生じさせることによってカーボン微粒子を瞬時に生成させることができるカーボン微粒子の製造方法及び製造装置を提供する。
【解決手段】本発明の製造装置１は、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を装入し300〜800℃に加熱して炭化物を生成する炭化装置３と、この炭化装置３で生成した炭化物と酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合物を作製し、両混合物を吹き込んで、一方の混合物を完全燃焼反応を生じさせて二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させ、かつ、この生成した高温混合ガスを利用して他方の混合物を不完全燃焼反応を生じさせてカーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させる複合反応室４とを具えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を所定温度で加熱して得られた炭化物を有効利用し、２種類の燃焼反応を生じさせることによってカーボン微粒子を瞬時に生成させることができるカーボン微粒子の製造方法及び製造装置に関する。

従来、カーボン微粒子の製造方法は、特許文献１に記載されているように、第１電極と炭素材料を主成分とする第２電極との間に電圧を印加してアーク放電を発生させることによって、カーボン微粒子を製造していた。
特開2002−220215号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたカーボン微粒子の製造方法は、アーク放電を発生させるため、電力消費量が多く、カーボン微粒子の製造コストが高くなるという問題があった。

本発明の目的は、特に、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を所定温度で加熱して得られた炭化物を有効利用し、２種類の燃焼反応を生じさせることによってカーボン微粒子を瞬時に生成させることができるカーボン微粒子の製造方法及び製造装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のカーボン微粒子の製造装置は、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を装入し300〜800℃に加熱して炭化物を生成する炭化装置と、この炭化装置で生成した炭化物と酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合物を作製し、両混合物を吹き込んで、一方の混合物を完全燃焼反応を生じさせて二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させ、かつ、この生成した高温混合ガスを利用して他方の混合物を不完全燃焼反応を生じさせてカーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させる複合反応室とを具えることにある。

また、本発明は、上記第１反応室と第２反応室の代わりに、単一の複合反応室を用い、この複合反応室内に両混合物を吹き込んで、一方の混合物を完全燃焼反応を生じさせて二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させ、かつ、この生成した高温混合ガスを利用して他方の混合物を不完全燃焼反応を生じさせてカーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させてもよい。

なお、本発明の製造装置は、バイオマス資源を破砕して粒径が33ｍｍ以下の粉状体にする破砕装置を具え、この破砕装置で破砕した粉状体を炭化装置に装入することがより好適である。

さらに、第２反応室又は複合反応室の供給口に、他方の混合物を3000℃以上の高温に加熱する高温加熱装置を一体的に設けることが好ましい。

さらにまた、第２反応室又は複合反応室で生成した水素ガスを水素燃料電池の原料として用いることがより好適である。

加えて、第２反応室又は複合反応室で生成したカーボン微粒子は、具体的にはカーボンブラック又はナノカーボンである。

また、本発明のカーボン微粒子の製造方法は、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を炭化装置に装入し300〜800℃に加熱して炭化物を生成し、必要に応じて破砕装置で粒径が33ｍｍ以下の粉状体に破砕した炭化物と酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合物を作製し、一方の混合物を完全燃焼反応を生じさせて、二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させるとともに、この生成した高温混合ガスを利用して他方の混合物を不完全燃焼反応を生じさせて、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させることにある。

尚、完全燃焼反応と不完全燃焼反応は、別々の反応室内で生じさせても、同一の反応室内で生じさせてもよい。

さらに、酸素含有ガスは、純酸素又は酸素を富化した空気であることが好ましい。

加えて、不完全燃焼反応は、高温混合ガスを加えた他方の混合物の他に、５ｍｍ以下の粒径の鉄やコバルトなどの金属又は合金粉末、例えばコバルト−鉄合金やペンタカルボニル鉄粉末を触媒として添加することがより好適である。

この発明によれば、特に、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を所定温度で加熱して得られた炭化物を有効利用し、２種類の燃焼反応を生じさせることによってカーボン微粒子を瞬時に生成させることができるカーボン微粒子の製造方法及び製造装置の提供が可能になった。

本発明に従うカーボン微粒子の製造装置を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の代表的な製造装置のフローチャートを示したものである。

図１に示すカーボン微粒子の製造装置１は、バイオマス資源を貯蔵・保管するバイオマス受入槽２と、バイオマス受入槽２からバイオマス資源を装入し300〜800℃に加熱して炭化物を生成する炭化装置３と、この炭化装置３で生成した炭化物と酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合物を作製し、一方の混合物を吹き込んで完全燃焼反応を生じさせて、二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させ、かつ、この生成した高温混合ガスを加えた他方の混合物を吹き込んで不完全燃焼反応を生じさせることによって、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させる複合反応室４とを具えている。

なお、本発明の製造装置１は、バイオマス資源を破砕して粒径が33ｍｍ以下の粉状体にする破砕装置５を具え、この破砕装置５で破砕した粉状体を炭化装置３に装入することが、高収率のカーボン微粒子を得る上でより好適である。ここで、バイオマス資源を破砕して粒径が33ｍｍ以下の粉状体にする理由は、33ｍｍ以下に細かく破砕すると、粉状体の表面積が大きくなるため、炭化反応が促進されて高収率のカーボン微粒子が得られるからである。

尚、複合反応室４の代わりに、一方の混合物を吹き込んで完全燃焼反応を生じさせて、二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させる第１反応室（図示せず）と、この生成した高温混合ガスを加えた他方の混合物を吹き込んで不完全燃焼反応を生じさせることによって、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させる第２反応室（図示せず）とを設けることもできる。尚、完全燃焼反応によって生成する高温混合ガスの温度を820℃以上とする理由は、820℃未満だとカーボン微粒子を生成するための反応速度が遅くなり、効率的にカーボン微粒子が得られなくなるからである。

図２は、第１反応室内に導入される一方の混合ガスが完全燃焼反応によって生成した高温混合ガスの温度と、この高温混合ガスを第２反応室内に導入し不完全燃焼反応によって生成する、投入したバイオマス資源（原料）１トンあたりのカーボン微粒子（Ｃ）の生成量（kg）との関係を示したものである。
図２から、高温混合ガスの温度が820℃以上になると、カーボン微粒子の生成量が急激に増加するのがわかる。

また、第1反応室内に導入される一方の混合物は、完全燃焼反応、すなわち、ＣＨ_４＋２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏの反応を生じさせて820℃以上の高温ガスを生成するため、前記混合物中の炭化物と酸素の混合割合は、例えば炭化物中のＣ含有割合が80％である場合には、モル比で２：１とすることが好適である。

さらに、第２反応室内には、第１反応室内で生成した二酸化炭素と水蒸気を含有する高温混合ガスを加えて導入される他方の混合物は、不完全燃焼反応、すなわち、６ＣＨ_４＋７ＣＯ_２＋Ｏ_２→10ＣＯ＋10Ｈ_２＋２ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋Ｃ、及び／又は、７ＣＨ_４＋８Ｏ_２→５ＣＯ＋５Ｈ_２＋ＣＯ_２＋９Ｈ_２Ｏ＋Ｃの反応を生じさせて、カーボン微粒子（Ｃ）と水素ガス（Ｈ_２）を瞬時に生成するため、前記混合物中の炭化物と酸素の混合割合は、前記混合物中の炭化物と酸素の混合割合は、例えば炭化物中のＣ含有割合を80％とすると、前者の反応の場合には、モル比で３：１とし、後者の場合には、モル比で１：１とするのが好ましい。

また、第２反応室内の雰囲気は、０ｋＰａ（常圧）〜50ｋＰａ、1300〜2500℃の範囲、最適には29ｋＰａで2000℃とすることが、カーボン微粒子を高収率で得るため好ましい。

本発明では、上記構成の装置を用いることによって、第２反応室内に供給された他方の混合物中の炭化物が瞬時（具体的には１／１００秒〜１／５００秒）に反応してカーボン微粒子が得られる。

尚、複合反応室４を用いる場合には、複合反応室４内で、上述した第１反応室内で生じる完全燃焼反応と第２反応室内で生じる不完全燃焼反応とが同時に生じさせている。

本発明では、上記構成の装置を用いることによって、複合反応室４又は第２反応室内で瞬時（具体的には１／１００秒〜１／５００秒）にカーボン微粒子が得られる。

また、図１では、原料として投入される他方の混合物を構成する破砕されたバイオマス資源を、酸素含有ガスと混合する直前に、3000℃以上、好ましくは3000〜5000℃の高温に加熱するための、例えばプラズマ装置のような加熱装置６を設けた場合を示してある。このように他方の混合物を構成する破砕されたバイオマス資源を予め高温に加熱することによって、その後、生成されたカーボン微粒子は、硬質粒子となり、耐摩耗性を必要とする材料に用いるのが特に好適である。

尚、加熱装置６は、図１では、複合反応室４とは分離した別個の装置として設けた場合を示してあるが、第２反応室や複合反応室４の供給口に一体的に設けてもよい。

また、複合反応室４内への破砕したバイオマス資源の導入は、図１に示すように、必要に応じて複数箇所に設けることができる。

加えて、図１では、複合反応室４の排出口に、排出された水素ガスやカーボン微粒子を冷却する冷却室７を設けた場合を示してあるが、この冷却室７も必要に応じて適宜設ければよい。

そして、第２反応室又は複合反応室４で生成した水素ガスは、水素燃料電池の原料として用いることができ、これによれば、バイオマス資源を有効利用することができる。

また、第２反応室又は複合反応室４で生成したカーボン微粒子は、具体的には、カーボンブラック又はナノカーボンであり、カーボンブラックは、タイヤ、インク、塗料等に用いることができ、また、フラーレンやカーボンナノチューブのようなナノカーボンは、エレクトロニクス、医療、化粧品、電池等の分野で用いることができる。

次に、この発明に従うカーボン微粒子の製造方法の一例（図1の場合）を説明する。
まず、バイオマス資源を炭化装置に装入し300〜800℃に加熱して炭化物を生成する。なお、生成した炭化物は、破砕装置で粒径が33ｍｍ以下の粉状体にしてもよい。

次に、この生成した炭化物と酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合物を作製する。

その後、複合反応室４内に両混合物を装入して、一方の混合物を完全燃焼反応を生じさせて、二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させるとともに、この生成した高温混合ガスを利用して他方の混合物を不完全燃焼反応を生じさせて、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させて、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させればよい。

尚、不完全燃焼反応は、高温混合ガスを加えた他方の混合ガスの他に、５ｍｍ以下、好適には１〜５ｎｍ以下、最適には２ｎｍの粒径の鉄やコバルトなどの金属又は合金粉末、例えばコバルト−鉄合金やペンタカルボニル鉄粉末を触媒として添加することが、かかる反応を促進する上で好ましい。

本発明の製造装置（図１）を用いてカーボン微粒子の製造を行なったところ、バイオマス資源（原料）１トンから、220kgのカーボン微粒子（粒径：18〜300ｎｍのカーボンブラック）を製造できた。原料として廃棄物等のバイオマス資源を用いているので、原料コストはかからず、よって製造コストが安価であった。

これに対し、アーク放電を利用する従来の製造装置を用いてカーボン微粒子の製造を行なったところ、石油化学燃料１トンに対して、150kgのカーボン微粒子（粒径：18〜300ｎｍのカーボンブラック）を製造できた。しかしながら、原料として石油等の石油化学燃料を用いているので、原料コストが高価になり、これに伴って、製造コストも高価になった。

上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

本発明に従うカーボン微粒子の製造装置のフローチャートである。高温混合ガスの温度と、投入したバイオマス資源（原料）１トンあたりのカーボン微粒子（Ｃ）の生成量（kg）との関係を示したグラフである。

符号の説明

１カーボン微粒子の製造装置
２バイオマス受入槽
３炭化装置
４複合反応室
５破砕装置
６高温加熱装置（又はプラズマ装置）
７冷却室

Claims

植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を装入し300〜800℃に加熱して炭化物を生成する炭化装置と、
この炭化装置で生成した炭化物と酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合物を作製し、一方の混合物を吹き込んで完全燃焼反応を生じさせて、二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させる第１反応室と、
この生成した高温混合ガスを利用して他方の混合物を吹き込んで不完全燃焼反応を生じさせることによって、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させる第２反応室と、
を具えることを特徴とするカーボン微粒子の製造装置。
植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を装入し300〜800℃に加熱して炭化物を生成する炭化装置と、
この炭化装置で生成した炭化物と酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合物を作製し、両混合物を吹き込んで、一方の混合物を完全燃焼反応を生じさせて二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させ、かつ、この生成した高温混合ガスを利用して他方の混合物を不完全燃焼反応を生じさせてカーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させる複合反応室と、
を具えることを特徴とするカーボン微粒子の製造装置。
バイオマス資源を破砕して粒径が33ｍｍ以下の粉状体にする破砕装置を具え、この破砕装置で破砕した粉状体を炭化装置に装入する請求項１又は２記載のカーボン微粒子の製造装置。
第２反応室又は複合反応室の供給口に、他方の混合物を3000℃以上の高温に加熱する高温加熱装置を一体的に設ける請求項１、２又は３記載のカーボン微粒子の製造装置。
第２反応室又は複合反応室で生成した水素ガスを水素燃料電池の原料として用いる請求項１〜４のいずれか１項記載のカーボン微粒子の製造装置。
第２反応室又は複合反応室で生成したカーボン微粒子は、カーボンブラック又はナノカーボンである請求項１〜４のいずれか１項記載のカーボン微粒子の製造装置。
植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を炭化装置に装入し300〜800℃に加熱して炭化物を生成し、必要に応じて破砕装置で粒径が33ｍｍ以下の粉状体に破砕した炭化物と酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合物を作製し、一方の混合物を完全燃焼反応を生じさせて、二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させるとともに、この生成した高温混合ガスを利用して他方の混合物を不完全燃焼反応を生じさせて、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させることを特徴とするカーボン微粒子の製造方法。
完全燃焼反応と不完全燃焼反応を別々の反応室内で生じさせる請求項７記載のカーボン微粒子の製造方法。
完全燃焼反応と不完全燃焼反応を同一の反応室内で生じさせる請求項７記載のカーボン微粒子の製造方法。
酸素含有ガスは、純酸素又は酸素を富化した空気である請求項７、８又は９記載のカーボン微粒子の製造方法。
不完全燃焼反応は、高温混合ガスを加えた他方の混合物の他に、５ｍｍ以下の粒径の鉄やコバルトなどの金属又は合金粉末を触媒として添加する請求項７〜１０のいずれか1項記載のカーボン微粒子の製造方法。