JP4674723B2 - 木質系廃材の分解処理方法 - Google Patents

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低級アルコールを含む二酸化炭素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が、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が、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２００１−２０５０７０号公報 特開２００５−８１３３２号公報 特開２００５−２０６４６８号公報

上述したように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、生物的分解では処理速度が遅く、工業規模での効率的な処理や処理量に課題がある。また、酸・アルカリによる化学的分解では、分解処理後の酸性液やアルカリ性液の分離や液管理、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たり、二次的な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り、水を使用する場合は、液の安全性という観点からも有望である。しかし、水で処理した場合には、処理後の分解物と水の分離工程が必須であり、場合によっては有用成分を分離した後の廃水処理が必要となる。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、それでも工業的には十分早く処理でき、処理後の分解物とアルコールの分離は水系に比べて容易である。さらに、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、分解処理装置コスト、ランニングコスト、処理エネルギーを小さくすることができるため、より有用と考えられる。しかし、アルコールのみで分解
処理する場合でも、廃アルコールの処理が必要となる。

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する方法を提供することである。

本発明は、木質系廃材を粉砕する工程と、その粉砕粉末を、超臨界状態または亜臨界状態の低級アルコールを含む超臨界状態の二酸化炭素に接触させる工程とを有することを特徴とする木質系廃材の分解処理方法で、かかる従来の課題を解決したものである。

また、低級アルコールが、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノールからなる群から選択される少なくとも１つのアルコールであることが好ましい。

以上のように本発明は、木質系廃材の粉砕粉末を、超臨界状態または亜臨界状態の低級アルコールを含む二酸化炭素に接触させることによって、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させ処理できるとともに、分解生成物を新たな原料として再利用することも可能となる。

本発明は、超臨界や亜臨界状態の低級アルコールのみで処理する場合に比べて、アルコールの使用量を大幅に低減でき、分解後の生成物との分離が容易になる。また、二酸化炭素も超臨界状態にあるため、廃材中へのアルコールの浸透を阻害することなく、効率的にアルコールによる分解を行うことができる。

さらに、本発明の処理方法は、廃液などの処理もほとんど必要としないため、処理エネルギーや処理コストも小さくすることができる。

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。また、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。

本発明に供される低級アルコールは、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イ
ソプロパノールからなる群から選択される少なくとも１つのアルコールであることが好ましい。なお、これらのアルコールは１種類あるいは２種類以上の混合液でもかまわない。

本発明の低級アルコールの添加量は、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が不十分となり、多すぎると分解処理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、低級アルコール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。なお、メタノールの臨界温度は５１２．６Ｋ、臨界圧力は８．０９ＭＰａ、エタノールの臨界温度は５１６．２Ｋ、臨界圧力は６．３０ＭＰａ、ｎ−プロパノールの臨界温度は５３６．７Ｋ、臨界圧力は５．１０ＭＰａ、イソプロパノールの臨界温度は５０８．３Ｋ、臨界圧力は４．７０ＭＰａである。

本発明の処理方法では、超臨界状態の二酸化炭素に、亜臨界あるいは超臨界状態の低級アルコール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、廃液処理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、その粉砕粉末と低級アルコールを耐圧容器に入れ、真空ポンプで少し真空引きを行い、内部の空気を取り除いた状態で、液化二酸化炭素を封入する。次に、この耐圧容器を加熱して低級アルコールが亜臨界あるいは超臨界状態になるよう調節して、数分〜数時間処理を行う。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、二酸化炭素は揮発して分離される。さらに、分解生成物と低級アルコールは低級アルコールを揮発させることや蒸留操作によって分離される。特に分解生成物が低級アルコールに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杉材を用いた。

この杉材を、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１０ｇを耐熱・耐圧容器に入れ、メタノール約５ｍｌを添加して、真空ポンプで約２０秒真空引きを行った。次に、この耐熱・耐圧容器を氷水で冷却して、そこに液化二酸化炭素約５０ｇを注入した。その耐熱・耐圧容器を錫浴槽に入れて３５０℃まで加温し、約２３ＭＰａにして１０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、二酸化炭素を徐々に放出した。耐熱・耐圧容器の圧力が常圧に戻ってから、耐熱・耐圧容器の蓋を開けた。

１０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、濃茶色の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。これらの液体を高速液体クロマトグラフィーで分析した。 １０分処理した液体には、リグニン由来と考えられるコニフェリルアルコール
やｐ−クマリルアルコールなどが、また、セルロースおよびヘミセルロース由来と考えられるグルコース、フルクトース、セロビオース、エリトロースや糖のメチル化誘導体などが含まれていた。

３０分以上処理した液体には、上記分解生成物よりも酢酸が多く含まれていることが判った。

この結果より、上記条件で１０分処理することで、有用な分解生成物が、また、３０分以上処理すると分解がさらに進んで酢酸が得られることが判った。

このように、分解条件を変更することで得られる分解生成物を調整でき、再利用のための目的生成物を調整できる。

本実施例では、木質系廃材として、１７０×３２０×４０ｍｍの板状に切り出したパーム椰子廃幹を用いた。この廃幹には水分が約７０％含まれていたため、乾燥機で水分を２０％程度まで減少させた。

次に、実施例１と同様の粉砕方法で粉砕すると、平均粒径約０．３ｍｍの微粉末が得られた。

この微粉末を実施例１と同じ条件で１０分間処理した。その結果、極微量の残渣物と濃茶色の液体が残った。その液体には、実施例１と同様のリグニン由来と考えられるコニフェリルアルコールやｐ−クマリルアルコールなどが、また、セルロースおよびヘミセルロース由来と考えられるグルコースやフルクトース、セロビオース、糖のメチル化誘導体などが含まれていた。

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杉材を用いた。

低級アルコールとしてメタノールを用いて、処理温度を２００℃、２５０℃、３００℃に変更した以外は、実施例１と同様の条件で１０分間処理した。その際の圧力は各温度で各々約１７ＭＰａ、２０ＭＰａ、２２ＭＰａであった。

この結果、２００℃では、粉砕粉末はほとんど変わらず、黄色の液体が得られた。２５０℃では約５０％程度の残渣と濃茶色の液体が得られ、３００℃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。

２００℃で処理した液体はメタノールがメインで、若干の油分とわずかな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、糖のメチル化誘導体が含まれていた。２５０℃で処理した液体には、リグニンやセルロース構成分子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、グルコース、セロビオース、糖のメチル化誘導体なども含まれていた。３００℃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、糖のメチル化誘導体などが多く含まれていた。

この結果より、分解を促進させるためには、低級アルコールの超臨界状態まで温度を上げた方がよいと考えられる。

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杉材を用いた。

低級アルコールとしてイソプロパノールを用いて、実施例１と同様の条件で１０分間処理した。その際の圧力は約２１ＭＰａであった。

この結果、わずかな残渣と濃茶色の液体が得られ、残渣は濾紙により分離した。液体中には実施例１と同様のコニフェリルアルコール、ｐ−クマリルアルコール、グルコース、フルクトース、セロビオース、エリトロースや糖のメチル化誘導体などが含まれていた。

以上の実施例では処理している間、静置していたが、この方法に限定されるものではなく、例えば、攪拌したり、超音波をかけるなどして液の浸透性を促進させても勿論かまわない。

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 (2)

1. 木質系廃材を粉砕する工程と、その粉砕粉末を、超臨界状態または亜臨界状態の低級アルコールを含む超臨界状態の二酸化炭素に接触させる工程とを有することを特徴とする木質系廃材の分解処理方法。
2. 低級アルコールが、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノールからなる群から選択される少なくとも１つのアルコール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。