JP5145489B2 - 家畜排泄物を原料とする炭素体の製造方法及びその製造装置 - Google Patents
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Description
また、環境汚染源の1つとして家畜の排泄物がある。従来、家畜の排泄物、特に鶏糞の処理方法としては堆肥として供されていたが、この処理方法は広大な面積を必要とし、かつ、悪臭を放すためよりよい処理方法が検討されている。
例えば、家畜排泄物の処理方法及び有効利用する方法として、乾燥および発酵工程を経て、堆肥化が行われているが、処理工程、製品が有臭であることや、消費量の季節変動、保管性に問題があった。例えば鶏糞の場合、数割が堆肥化されているが、他は有効に利用されていないのが現状である。
鶏糞の処理方法として、例えば特許文献2には空気の供給が制限された雰囲気で300℃から800℃の温度で鶏糞を加熱して熱分解させる方法が開示されており、得られた鶏糞の炭化体は、特殊肥料や土質改良材、融雪剤として使用できることが開示されている。しかし、この方法で得られる炭化体は、0.50〜0.85g/ccで空隙率が大きい炭素体であることが記載されており、強度不足による粉化現象で取扱いが困難となり、例えば強度の必要な大規模な吸着塔充填用途には応用しがたいといった不都合や、抵抗発熱体用フィラーや摺動部材用フィラーなどの、充填性が必要な用途には供しがたいといった不都合があった。また、この処理方法によれば、牛排泄物、豚排泄物などの含水率の高い家畜排泄物を、処理できないという不都合があった。しかも、この方法によって得られた鶏糞の炭化体は悪臭を放つため、取り扱い上の問題があった。
すなわち、本発明の要旨は、家畜排泄物とフェノール樹脂を、乾燥重量の比率99/1〜60/40の割合で混合し、更にセメント成分を混合し一体化させた複合体を、500℃〜800℃の加熱により炭素化して得る炭素体の製造方法である。すなわち、この方法において家畜排泄物とフェノール樹脂と共に、セメント質を含有した複合体を加熱して炭素体を製造する。また、使用するフェノール樹脂が請求項に記載される特性を有するフェノール樹脂であることが好ましい。
本発明に用いる家畜排泄物として、鶏糞、牛糞、豚糞、馬糞などがあげられ、必要に応じ、単独または混合して用いることができる。これらの排泄物は屎尿の混合物になっている場合が多いが、乾燥、凝集沈殿などの方法で固形分濃度を調整したものを用いても良い。例えば鶏卵鶏糞の場合、粗調整で40%水分量程度のものを安定的に確保することができる。
また、高水分率の家畜排泄物とフェノール樹脂を原料とする場合、原料である家畜排泄物とフェノール樹脂とにセメント質を添加、複合化することにより、家畜排泄物中の水分をセメントの水和反応で吸収し、所望の水分含有率とすることができる。
浴比=(塩酸−ホルムアルデヒド浴の重量)/フェノール類の重量
で表される浴比が少なくとも8以上となるような割合に維持して接触させ、(3)この接触によりフェノール類の白濁を生成させ、その後、粒状ないし粉末状の固形物を形成するように前記接触を行い、この接触の間、反応系内の温度を45℃以下に維持することにより粒状ないし粉末状樹脂を得る、方法で製造することができる。樹脂の固形物は反応混合液から分離し、水洗し、アルカリ水溶液(アルカリ金属水酸化物,アンモニアなどの塩基を含有する水溶液)で中和してもよい。
セメント質の過剰な添加は、相対的に水分量が不足する場合には、湿式造粒の妨げとなったり、炭化焼成時のペレットの崩壊の原因となる。また、土質改良材などに使用する場合には、セメント質の添加量は改良する土質に応じて選定する必要がある。セメント質の均一な混合方法としては、高含水率の家畜排泄物中にセメント質粉体をバッチ式ニーダーや連続式混練機などで混合する通常の方法が好適に使用できる。
通常、転動造粒や、圧力をかけて細孔から押し出すようなペレット化装置を用いて任意の粒径にペレット化することができる。このような湿式造粒法に分類されるペレット化を行った場合は、70℃〜110℃で揮発成分を除去する乾燥工程を経て強固なペレットとなる。必要に応じ、例えばPVA、セルロース誘導体のような水溶性高分子に代表される、造粒補助材料を添加してもかまわない。
フェノール樹脂含有量が30%以上の場合には、フェノール樹脂を溶融して圧力下ペレット化することも可能である。これは、60℃以上、好ましくは80℃以上に加温することにより、フェノール樹脂を溶融せしめ、転動造粒あるいは細孔からの押し出しペレット化を行うことができる。
200℃以下の温度では、特に熱分解反応が起こらないため、加熱空気を用いることができる。後述するように、炭素化焼成工程と連続して、この硬化工程を行う場合は、加熱雰囲気の酸素濃度を低く調整することが望ましい。
種々の機能を持った炭素体を製造する方法として、例えば特開2003-034517号公報に記載のウッドセラミックスの製造方法に見られるように、植物体組織にフェノール樹脂を含浸して得られる前駆体を、炭素化することにより、植物体組織の複雑性を表面構造に有し、かつ残炭率の高いフェノール樹脂成分が、強度や特性を付与あるいは制御できるというシステムが提案されている。
本発明者らは、家畜排泄物の主成分が、家畜体内で消化された植物組織残滓であることに着目し、フェノール樹脂と結合、一体化し、炭素化する事で、特性を付与、あるいは制御できる炭素体を製造する方法を見出したのである。
炭化焼成工程を前述の硬化工程と連続して行う事もできる。
近年は、二次電池、湿度センサー、電気二重層コンデンサー、燃料電池などの電極素材としても使用されており、産業上有用な素材である。
実施例1
鶏卵場より採取した、鶏卵鶏糞(40wt%含水品)を、通風下105℃〜110℃に加温して乾燥鶏糞を得た。600gの乾燥鶏糞を、ヘンシェル型ミキサー(三井鉱山製)にて粉化し、フェノール樹脂としてベルパールS890(カネボウ(株)製)400gを、同ミキサーで攪拌混合した。得られた混合粉末を200℃ 3時間加熱処理することにより、上記フェノール樹脂が溶融硬化し、塊状体が得られた。得られた塊状体を解砕してペレットとしたものを、窒素ガス雰囲気下1分間5℃の昇温割合で800℃にし、この温度で2時間保持して、焼成炭素化して、炭素体を得た。
得られた炭素体を走査型電子顕微鏡で観察したところ、表面及び内部に、排泄物残滓に由来する無数の細孔を有しており、土壌改質剤として用いるに有効な、保水性や微生物担持作用を有している。また、多孔質であるにも関わらず、取扱い時に強度不足に起因する粉化は軽微であった。
鶏卵鶏糞に代えて、杉廃材チップを用いる以外は、実施例1と同様の操作を行い、炭素体を得た。
フェノール樹脂を用いることなく、鶏卵鶏糞のみを実施例1と同様に加熱処理、焼成炭素化して、炭素体を得た。
表3として、鶏糞・フェノール樹脂からなる各種の炭素体試料について元素分析を行った結果を示す。
元素分析に使用した装置はLECO社製 CNS−2000型 CNS同時分析装置であって、C N及びSを分析した。分析法及び分析法は次の通りである。
分析法 Dumas法(燃焼法)
分析時間 約5分 積分時間30秒
キャリアガス 酸素、ヘリウム
燃焼温度 1350℃
助燃剤 無し
標準化試料 LECO社製有機分析キャリブレーション試料Sulfa-methazine(P/N 502・209)
(C:51.78,N:20.13%,S:11.52%)
Claims (2)
- 家畜排泄物とフェノール樹脂を、乾燥重量の比率99/1〜60/40の割合で混合し、更にセメント質を混合し一体化させた複合体を、500℃〜800℃の加熱により炭素化して得る炭素体の製造方法。
- フェノール樹脂が
(i)メチレン基,メチロール基,並びに3官能性のフェノール類残基を主たる結合単位として含有しており、
(ii)KBr錠剤法による赤外線吸収スペクトルにおいて、波数1600cm-1での吸収強度をD1600とし、波数990〜1015cm-1での最大吸収強度をD990-1015とし、波数890cm-1での吸収強度をD890としたとき、D990-1015/D1600=0.2〜9.0、D890/D1600=0.09〜1.0であり、
(iii)液体クロマトグラフィーによる遊離フェノール含有量が50〜500ppmである、
フェノール樹脂であることを特徴とする請求項1に記載の炭素体の製造方法。
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