JP5071895B2 - カーボン微粒子の製造方法及び製造装置 - Google Patents
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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破砕して得られた粉状体を有効利用し、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破砕して得られた粉状体を有効利用し、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破砕して粒径が３３ｍｍ以下の粉状体にする破砕装置と、この破砕装置で破砕した粉状体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。
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、粒径が３３ｍｍ以下の粉状体に破砕し、この破砕した粉状体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。
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破砕して得られた粉状体を有効利用し、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、装入した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３と、この破砕装置３で破砕した粉状体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。
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。
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、ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏの反応を生じさせて８２０℃以上の高温ガスを生成するため、前記混合物中の粉状体と酸素の混合割合は、例えば粉状体中のＣ含有割合が９０％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反応室内において、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、６ＣＨ４＋７ＣＯ２＋Ｏ２→１０ＣＯ＋１０Ｈ２＋２ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋Ｃ、及び／又は、７ＣＨ４＋８Ｏ２→５ＣＯ＋５Ｈ２＋ＣＯ２＋９Ｈ２Ｏ＋Ｃの反応を生じさせて、カーボン微粒子（Ｃ）と水素ガス（Ｈ２）を瞬時に生成するため、前記混合物中の粉状体と酸素の混合割合は、例えば粉状体中のＣ含有割合を９０％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２：１とすることが好適である。
また、第２反応室内の雰囲気は、０ｋＰａ（常圧）〜５０ｋＰａの範囲、最適には２９ｋＰａで１４００〜２０００℃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５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５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６を設けた場合を示してあるが、この冷却室６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、破砕装置３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。
まず、破砕装置３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。
次に、この破砕装置で破砕した粉状体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。
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、２００ｋｇ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。
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破砕して得られた粉状体を有効利用し、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。
１ カーボン微粒子の製造装置
２ バイオマス受入槽
３ 破砕装置
４ 複合反応室
５ 高温加熱装置（又はプラズマ装置）
６ 冷却室
２ バイオマス受入槽
３ 破砕装置
４ 複合反応室
５ 高温加熱装置（又はプラズマ装置）
６ 冷却室
Claims (9)
- 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破砕して粒径が３３ｍｍ以下の粉状体にする破砕装置と、この破砕装置で破砕した粉状体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破砕して粒径が３３ｍｍ以下の粉状体にする破砕装置と、この破砕装置で破砕した粉状体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。
- 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、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、２又は３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、粒径が３３ｍｍ以下の粉状体に破砕し、この破砕した粉状体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６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６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６、７又は８記載のカーボン微粒子の製造方法。
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