JP2007313476A - 木質系廃材の分解処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】木質系廃材の分解処理方法として、生物的分解や酸やアルカリによる化学的分解が行われているが、処理速度や有用な分解成分の抽出方法等に課題がある。
【解決手段】木質系廃材の粉砕粉末を、非水溶系溶剤と水の混合液に接触させ、超臨界状態または亜臨界状態にて分解を行う。超臨界状態または亜臨界状態の水によって難分解性のリグニンやセルロース、ヘミセルロースは分解され、同時に超臨界状態または亜臨界状態の非水溶系溶剤中に難水溶性の分解成分が抽出される。処理後、常温常圧にもどした難水溶性の分解成分を含む非水溶系溶剤と分解成分を含む水は分液によって容易に分離でき、分解成分の抽出が分解と共に行うことが可能となる。
【選択図】なし

Description

本発明は木質系廃材の処理に関するもので、さらに詳しくは廃材の粉砕粉末を、超臨界状態または亜臨界状態の水および常温で液状を保つ非水溶系の溶剤の混合液に接触させることを特徴とする木質系廃材の分解処理方法に関するものである。

石油や石炭などの化石燃料をエネルギー資源としてきた従来の発展に対して、地球環境維持、持続可能な社会の実現に向けて、バイオマスエネルギーや太陽エネルギーなど、化石燃料以外のエネルギー開発が急速に行われている。

また、地球環境保護の観点からは廃棄物においても、廃棄物処理場の不足や廃棄物の再利用・リサイクルなど多くの課題があり、その対策技術が多く検討されている。

このような状況の中で、樹皮や間伐材、剪定枝、建築廃材などから発生する木質系廃材の再利用技術の開発も強く求められている。また、木質系廃材は、上記建築廃材などだけでなく、東南アジアなどで多く栽培されているパーム椰子の椰子殻廃材や廃葉・廃幹なども大量に発生するため、その利用方法の開発が望まれている。

木質系廃材の分解処理方法としては、菌類による生物的分解や、酸・アルカリなどによる化学的分解が多く検討されており、最近では高温高圧水による処理もいろいろ検討が進んでいる。

特に最近では、超臨界流体を用いた分解処理方法が多く提案されている。例えば、特許文献１では超臨界水や亜臨界水による木材の高速糖化、特許文献２では植物由来廃棄物を超臨界水あるいは亜臨界水で分解処理する方法、特許文献３ではリグノセルロースやセルロース、含窒素多糖質類やタンパク質を超臨界アルコールや亜臨界アルコールで処理する方法が提案されている。
特開２００５−２０６４６８号公報 特開２００５−８１３３２号公報 特開２００１−２０５０７０号公報

エネルギー問題および環境問題の観点からも、多くの木質系廃材の分解処理方法が検討されているが、処理速度や工業規模での効率的な処理手法や処理量に課題がある。

さらに、酸・アルカリによる化学的分解では、分解処理後の液体の分離や液管理、液の二次処理などの工程が必須であり、その工程に大きなエネルギーを要し、更なる環境問題を引き起こす可能性も考えられる。

超臨界流体を用いた分解処理は、短時間で処理することが可能である。しかし、水で処理した場合には、処理後の分解物を水中より分離回収することが必要となり、溶媒との混和などの工程が必要となる。超臨界アルコールなどのアルコール系で処理する場合、超臨界水系に比べると一般的に反応が遅くなるが、アルコールは水に比べて低温、低圧で超臨界状態となるため、より有用と考えられる。一方、アルコール系により超臨界処理を行った場合、油溶成分を非水溶系の溶剤を用いて抽出することは困難である。これは、アルコール系が非水溶系の溶剤と相溶性を持つためである。

以上述べてきたような従来法の欠点を考え、本発明の目的は、低コストで容易に木質系廃材を分解処理かつ分離する方法を提供することである。

本発明は、木質系廃材の分解処理工程において、従来の課題を解決したものである。

なお、粉砕粉末の平均粒径が１ｍｍ以下であることが、分解処理効率向上のためには望ましい。

また、非水溶系溶剤が、ヘキサン等のアルキル化合物群、または、トルエンやキシレンといった芳香族を含むアルキル化合物群から選択される少なくとも１つの非水溶系の溶剤であり、処理温度において超臨界状態を示す溶剤であることが好ましい。勿論水酸基やエーテル基といった官能基を持つ溶剤を用いても、常温常圧にて水相と分離する溶剤であれば構わない。

本発明は、木質系廃材の粉砕粉末を超臨界状態または亜臨界状態にした、非水溶系の溶剤および水の混合物を用いて処理することにより、木質系廃材の主成分であり、一般には難分解物であるセルロースやヘミセルロース、リグニンなどを分解する。上記分解物のうち、難水溶性の分解物を超臨界状態の非水溶系の溶剤中にも溶解させる。非水溶系の溶剤は、水に対して非相溶性かつ比重の差により水と容易に分離することから、分液が容易であり、分液後の溶剤を揮発させ、新たな原料として利用できる分解生成物の回収が容易になる。また、溶剤を再回収し利用することにより、環境への配慮も可能となる。

本発明に供される木質系廃材は、どのような木の廃材でも分解可能であり、杉や檜の間伐材や樹皮、剪定枝はもちろん、それらの建築廃材などから発生する木質系廃材も分解できる。さらに、東南アジアなどで多く栽培されているパーム椰子の椰子殻廃材や廃葉・廃幹など、どのような木でもかまわない。

このような木質系廃材の主要な構成成分はセルロース、ヘミセルロース、リグニンであり、本発明では、温度や圧力、処理時間などの分解処理条件を変えることで、どの成分をどの程度まで分解するかを調整することができる。

ただし、本発明に供される木質系廃材は、分解処理前に粉砕する必要がある。粉砕粒度はできるだけ細かい方が望ましく、できれば１ｍｍ以下が好ましい。粉砕粒度が大きいと分解に長時間を要し、十分分解できない可能性がある。また、粉砕のためには木質系廃材の含有水分濃度はできるだけ小さい方がよく、５０％以下が好ましい。そのため、廃材の種類によっては予め乾燥処理を施した方がよいものもある。

粉砕処理には、一般的な粉砕処理装置である破砕機やカッターミル、ディスクミルなどを組み合わせて使用できる。

本発明に供されるアルキル化合物群および芳香族を含むアルキル化合物群は、ペンタン、ヘキサン、トルエン等からなる群から選択される少なくとも１つの溶剤であることが好ましい。なお、これらのアルキル化合物および芳香族を含むアルキル化合物は１種類あるいは２種類以上の混合液でもかまわない。

本発明のアルキル化合物および芳香族を含むアルキル化合物は、処理する木質系廃材の
種類や量によって決められるが、少なすぎると廃材の分解によって生じる分解物を溶解し難くなり、多すぎると分解処理および分液後の液の処理工程や時間が多くなるため、適度な量を選択する必要がある。

また、処理温度および圧力は、アルキル化合物群および芳香族を含むアルキル化合物群が亜臨界あるいは超臨界になる温度、圧力以上が好ましい。
ペンタンの臨界温度は４６９．７Ｋ、臨界圧力３３．７ＭＰａ、ヘキサンの臨界温度は５０７．５Ｋ、臨界圧力３０．１ＭＰａ、トルエンの臨界温度は５９１．８Ｋ、臨界圧力は４１．０ＭＰａである。

本発明の処理方法では、亜臨界あるいは超臨界状態の水に、亜臨界あるいは超臨界状態のアルキル化合物群および芳香族を含むアルキル化合物群を添加させることによって、木質系廃材の分解と分解処理後の生成物の分離、回収を容易に行うことができる。

本発明の処理方法は、例えば、まず分解処理する木質系廃材を粉砕機などにより微粉化する。次に、その粉砕粉末と水および非水溶系の溶剤を耐圧容器に入れる。次に、この耐圧容器を加熱して水および非水溶系の溶剤が亜臨界あるいは超臨界状態になるよう調節して、数秒〜数十分の処理を行う。この処理により、木質系廃材粉末のセルロースやヘミセルロース、リグニンは、それらの低分子化合物やモノマー、オリゴマーなどに分解される。その後、耐圧容器を常温常圧に戻して開放することにより、水と非水溶系の溶剤は比重により分離する。さらに、分解生成物と非水溶系の溶剤は非水溶系の溶剤を揮発させることや蒸留操作によって分離される。また、水中に含まれる分解生成物も同様に揮発させることや蒸留操作によって分離される。さらに、水および非水溶系の溶剤にも溶解しない固体成分の場合は、ろ過などで容易に分離できる。

以下具体的実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。

本実施例では、木質系廃材として２００×３００×５０ｍｍの板状に切り出したパーム椰子廃幹を用いた。

このパーム椰子廃幹を、φ１０ｍｍのスクリーンを付けた槇野産業製カッターミルＶＭ−２２で数ｍｍ程度に粗粉砕した。次に、その粗粉砕品を槇野産業製微粉砕機ＤＤ−２−３．７により、さらに粉砕を行った。なお、スクリーンはΦ０．３５ｍｍを用いた。その結果、平均粒径約０．１５ｍｍの微粉末が得られた。

この微粉末０．４ｇを耐熱・耐圧容器に入れ、トルエン約１０ｍｌと水約１０ｍｌを添加した。その耐熱・耐圧容器を高温槽に入れて３５０℃まで加温し、１分処理した。また、同様の条件で３０分および１時間処理したサンプルも作成した。

その後、耐熱・耐圧容器を水浴槽に移して常温まで冷却してから、耐熱・耐圧容器を開放し、常圧に戻した。

１分処理した場合は、わずかな残渣物と濃茶色の液体が残っていたが、３０分以上処理した場合固形物は殆どなくなり、液体のみとなっていた。わずかな残渣は濾紙により濾過して液体と固体を分離した。さらに液体を水相とトルエン相に分液し、各々を高速液体クロマトグラフィーで分析した。

水相に比べ、トルエン相中には難水溶性の分解物が多く含まれていた。１分処理した場合に比べ３０分以上処理した液体には、上記分解生成物である酢酸等の有機酸を多く含む
ことが判った。

この結果より、上記条件で処理することで、水相とトルエン相は異なる分解物成分を溶解した状態になることが判った。特にトルエン相には、難水溶性のリグニン由来の分解物を含むことが確認でき、有用な分解物を効率良く分解処理と共に抽出することが可能となった。

また、不溶成分は分液前に濾紙を用いて濾過することにより、液相から分離回収することが可能である。

本実施例では、木質系廃材として実施例１と同じ方法で粉砕したパーム椰子廃幹を用いた。

非水溶系溶剤としてヘキサンを用い、水を加えた状態にて処理温度を１８０℃、２４０℃、２８０℃に変更した以外は、実施例１と同様の条件で１分間処理した。

この結果、１８０℃では、粉砕粉末はほとんど変わらず、約８０％程度の残渣と淡黄色の液体が得られた。２４０℃では約５０％程度の残渣と濃黄色の液体が得られ、２８０℃では約２０％程度の残渣と濃茶色の液体が得られ、３５０℃では実施例１とほぼ同様のわずかな残渣と濃茶色の液体が得られた。これらの残渣は濾紙により分離して、実施例１と同様に液体の分析を行った。

１８０℃で処理した場合、水相、トルエン相ともにコニフェリルアルコールやｐ−クマリルアルコール、単糖類、糖の分解物などが含まれているものの、処理温度が低く、分解処理が進んでいないことがわかる。一方、２４０℃で処理した液体には、水相側に比べ、難水溶性のリグニン等の低分子成分やオリゴマーが多く、コニフェリルアルコールやｐ−クマリルアルコールのリグニン由来の分解物などが含まれていた。また、２８０℃で処理した液体には実施例１と同様のコニフェリルアルコールやｐ−クマリルアルコール、糖の分解物などが多く含まれていた。

以上のように本発明は、環境に大きな影響を及ぼしている木質系廃材を容易に分解させることができ、かつ、分解後の生成物の回収を容易に行うことができる。さらに、処理後の廃液などの処理も容易に行えるため、従来の超臨界水や亜臨界水を用いた方法に比べて、大幅に装置を簡略化でき、産業上有効である。

Claims (4)

1. 非水溶系溶剤と水を混合した液を用い、非水溶系溶剤と水の両方または一方が超臨界状態または亜臨界状態で、木質系廃材の粉砕粉末を処理することを特徴とする木質系廃材の分解処理方法。
2. 粉砕粉末の平均粒径が１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の木質系廃材の分解処理方法。
3. 非水溶系溶剤が、ヘキサン等のアルキル化合物群、または、トルエンやキシレンといった芳香族を含むアルキル化合物群から選択される少なくとも１つの非水溶系溶剤であることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の木質系廃材の分解処理方法。
4. ２〜２０個の範囲で炭素原子を持ち、常温で液状を保つ化合物を非水溶系溶剤として用いることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の木質系廃材の分解処理方法。