JP7304767B2 - 吸着材および肥料の製造方法 - Google Patents
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図1は、本発明の実施形態で利用される、大気中の二酸化炭素を貯留するシステム(Carbon-Storing System、以下、CSシステムと記す)を説明する概念図である。このCSシステムにおいて、植物は光合成によって二酸化炭素を還元し、種々の有機物として固定することで生物資源を創り出す。生物資源は他の生物のエネルギー源(食料、飼料)として利用されるのみならず、繊維や木材などの機能材料・構造材料として様々な用途で利用される。
吸着材と肥料を製造する方法をフローチャート(図2)を用いて説明する。
炭化ではバイオマスが炭化物へ変換される。ここでバイオマスとは有機物の一種であり、生体由来の物質とその代謝物を指す。例えば木に由来する材料がバイオマスとして挙げられる。具体的には、板状や柱状の木材、間伐材、剪定廃材、建築廃木材、粉末状のおがくず、パーティクルボートなどの木製成形品が挙げられる。木の種類に制約はなく、スギやヒノキ、竹でもよい。あるいは籾殻、バガス、トウモロコシの軸や葉などの農業廃棄物、藁や麦わら、乾草などの農業副産物もバイオマスの一例として挙げられる。あるいは麻や亜麻、綿、サイザル麻、アバカ、ヤシ毛などの繊維の原料となる植物が挙げられる。あるいは海藻などの藻類でもよい。あるいは、食品残渣や、動物の糞尿から得られるサイレージなどが挙げられる。
バイオマスの炭化によって得られる炭化物は浸漬処理される。浸漬は、金属塩を含む溶液、または懸濁液(以下、これらを総じて浸漬液と記す)を炭化物に接触させることで行われる。浸漬液に含まれる金属塩としては、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルト、バナジウム、マンガン、マグネシウム、カルシウムなどの硫酸塩、硝酸塩、塩酸塩が挙げられ、中でもリンを含む化合物を効率よく固定可能な金属を与える鉄の硫酸塩や硝酸塩、塩酸塩が好ましい。具体的には、硫酸第一鉄、硫酸第二鉄(ポリ硫酸鉄も含む。)、硝酸第一鉄、硝酸第二鉄、塩化第一鉄、塩化第二鉄が典型例として挙げられる。浸漬液中における金属塩の濃度は、例えば1%以上80重量%以下、15重量%以上60重量%以下とすることができる。浸漬液の溶媒としては、水やアルコールが挙げられるが、毒性が低く、可燃性が無く、安価な水が好ましい。浸漬する際の浸漬液の温度は、0℃以上150℃以下、0℃以上100℃以下、0℃以上90℃以下、あるいは0℃以上70℃以下に調整してもよい。
任意の構成として、浸漬によって生成する金属塩担持炭化物を加熱して乾燥してもよい。加熱は0℃以上500℃以下、0℃以上300℃以下の範囲から選択される温度で行えばよく、加熱時間も1分以上72時間以内、30分以上48時間以内、あるいは1時間以上24時間以下の範囲から適宜選択される。加熱は、大気雰囲気、酸素雰囲気、無酸素雰囲気、低酸素雰囲気、不活性ガス雰囲気で行う、あるいは還元ガス雰囲気で行ってもよい。後述するように、この乾燥で必要な熱エネルギーとして、高温の乾留ガスが持つ熱エネルギーを利用することができる。すなわち、乾留ガスの一部を後述する熱交換器150に導入し、乾留ガスの熱エネルギーを熱伝達媒体へ移動させ、加熱された熱伝達媒体を熱エネルギー源として金属塩担持炭化物の加熱に用いることができる。
金属塩担持炭化物は、還元的熱分解に供される。具体的には、不活性ガス雰囲気下、あるいは還元性ガス雰囲気下、200℃以上1300℃以下、400℃以上1300℃以下、あるいは600℃以上900℃以下の温度で加熱を行う。
上述した還元的分解により、炭化物上に担持された金属塩、あるいは乾燥において生成する金属酸化物が金属(0価金属)へ還元され、金属が担持された炭化物(金属担持炭化物)が得られる。このようにして得られる金属担持炭化物は、バイオマスに由来する多孔質性に起因して広い表面積を有する。このため、液体や気体との接触面積が広く、担持された金属が有する吸着物に対する吸着能を効果的に発揮することができ、吸着材としての応用が可能である。例えば河川、湖沼、または海などの水域における水質汚濁物質であるリンや窒素を含む化合物を効果的に吸着することができる。特に鉄が担持された吸着材は、リンを含む化合物の吸着に対して有効である。ここで、リンを含む化合物としては、リン酸、カルシウムや鉄、アルミニウム、ナトリウム、カリウムなどの金属のリン酸塩やメタリン酸塩、ピロリン酸塩、あるいはリン酸エステルなどの有機リン酸が例示される。窒素を含む化合物としては、アンモニア、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、アミン、尿素、窒素含有ヘテロ芳香族化合物、金属の硝酸塩や亜硝酸塩などが挙げられる。
吸着物であるリンや窒素を含む化合物は、種々の植物の生長を促進する養分として働くことができ、したがって、吸着物を吸着した金属担持炭化物は肥料の前駆体として利用することができる。また、金属塩担持炭化物の乾燥時、あるいは還元的熱分解時に発生するSOxを硫酸カルシウムとして固定した場合、硫酸カルシウムは水に対して適度な溶解性があり、かつ、水溶液は弱酸性であるため、土壌のpHの増大を伴わないカルシウム源として機能するので、肥料助剤として用いることができる。また、金属塩担持炭化物の乾燥時、あるいは還元的熱分解時に発生するNOxを硝酸カルシウムとして固定した場合、得られる肥料には窒素及びリンが含まれるため、肥料効果が高まる。
肥料前駆体と肥料助剤を混合することで得られる肥料を土壌中へ散布することのより、大気中の二酸化炭素が地中に貯留されることになる。肥料の散布は、例えばグランドソワーなどの自然落下式の散布機や、圧縮空気を利用する拡散型散布機などを用いて行えばよい。また、散布方式にも制約はなく、条施型散布機、全面施用散布機のいずれを採用してもよい。肥料は、土壌の表面から30cm以内の範囲に散布することが好ましい。
本実施形態に係る吸着材を製造するためのシステムの構成を図3から図12を用いて説明する。本システムは、炭化装置100、熱交換器150、浸漬装置180、乾燥装置200、還元装置220、分解ガス処理装置(以下、単にガス処理装置と記す)280を含む。任意の構成として本システムはさらに、ガス源250やガス精製装置160、フレアスタック270を含んでもよい。乾留ガスを用いて発電を行う場合には、発電装置170やガスホルダ166、熱交換器168などを含むことができ、炭化装置100、熱交換器150、ガス精製装置160、ガスホルダ166、熱交換器168、および発電装置170などによってガス化発電装置101が構成される。
炭化装置100は、バイオマスを低酸素濃度の条件下で炭化し、乾留ガスと炭化物を生成するように構成される。炭化装置100の構造に特に制約はない。炭化装置100として内燃式のガス化装置の模式的断面図を図4に示す。ここで示した炭化装置100は一例であり、後述するように炭化炉は外熱式でも構わなく、その構造もバッチ式の密閉型の炭窯炉や連続式のロータリーキルン、揺動式炭化炉、スクリュー炉などでも構わない。いずれの形式でも、炭化によって発生した乾留ガスを還元装置220に導入するように構成される。
熱交換器150は、炭化装置100の第1のガス供給管118と接続され、高温の乾留ガスを冷却して熱エネルギーを取り出すために設けられる。熱交換器150の形式や構造に制約はなく、例えばプレート式、シェル-チューブ式、フィンチューブ式などの様々な形式を適用することができる。図6に例示された熱交換器150はシェル-チューブ式の熱交換器である。熱交換器150はアウターシェル152を有し、アウターシェル152には乾留ガスを導入、排出するためのインレット154とアウトレット156がそれぞれ設けられる。アウターシェル152内には乾留ガスのための流路が構成され、この流路がインレット154とアウトレット156に接続される。アウターシェル152内には熱伝達媒体が効率よく流路と接触するためのフィン158を設けてもよい。
浸漬装置180は、炭化によって得られる炭化物104に金属塩を吸着させる機能を有する。浸漬装置180の構造に制約はなく、浸漬に用いる浸漬液を貯留するためのタンク182を基本的な構成として備える(図7)。タンク182の底部には排出口を設けてもよく、排出口に接続されるバルブ190の開閉により浸漬液の貯留、排出を行うことができる。任意の構成としてタンク182はさらに攪拌装置192や浸漬液を加熱するためのヒータ196を備えてもよい。攪拌装置192を用いることで浸漬液が攪拌され、浸漬液中の金属塩の濃度分布を減少させることができる。浸漬液の攪拌は、浸漬液を循環することによって行ってもよい。ヒータ196は内部に発熱素子を有し、電気的に加熱ができるように構成されていてもよく、あるいはチューブ状の構造を有し、内部に熱交換器150から供給される熱伝達媒体を循環できるよう構成されていてもよい。これにより、乾留ガスの熱エネルギーを有効に利用し、浸漬時の温度制御や浸漬液の濃縮を行うことができる。
乾燥装置200は、浸漬によって得られる金属塩担持炭化物106を加熱することで乾燥を行う。金属塩担持炭化物106の乾燥時に金属塩の一部が分解して分解ガスが発生することがあるため、乾燥装置200は分解ガスをガス処理装置280に供給するように構成される。乾燥装置200の構造に特段の制約はなく、例えば図8に示すように、乾燥装置200は金属塩担持炭化物を収容するチャンバー202を有し、チャンバー202には一つ、あるいは複数のガス供給口206、ガス排出口210が設けられる。ガス排出口210はガス処理装置280に接続される。
還元装置220では、金属塩担持炭化物に担持された金属塩、および乾燥時に生成する金属酸化物担持炭化物上の金属酸化物が金属へ還元的に分解される。還元装置220の構成にも特に制約はなく、例えば図9に模式的に示した連続炉型の構造を採用することができる。ここに示した還元装置220は、還元炉222、還元炉222を加熱するためのヒータ228、および炭化装置100から供給される乾留ガスを還元炉222に導入するための第1のガス供給管118、ならびに還元性ガスの流量を制御するためのバルブ234を有する。第1のガス供給管118は炭化装置100から直接延伸して還元炉222に接続されていてもよく、他のガス供給管を介して炭化装置100と還元炉222が接続されていてもよい。第1のガス供給管118を介して還元炉222と炭化装置100を接続することにより、炭化装置100で生成される高温の乾留ガスが有する熱エネルギーと還元力を還元装置220へ提供することができ、還元炉222内における還元反応を加速することができる。任意の構成として、乾留ガスを加熱するためのヒータ246を第1のガス供給管118を覆うように設けてもよい。
ガス処理装置280は、乾燥装置200や還元装置220で発生する分解ガスを回収または固定するように構成される。ガス処理装置280の構成に制約はなく、分解ガスを物理吸着する場合には、活性炭やゼオライト、シリカゲルが充填されたフィルターに分解ガスを通過させるようにガス処理装置280が構成される。一方、化学反応を利用して分解ガスを回収、固定する場合には、ガス処理液と分解ガスが接触可能なようにガス処理装置280が構成される。
還元的熱分解によって得られる金属担持炭化物は、吸着物を吸着するための吸着材として機能する。吸着の際に用いられる吸着用装置も本システムを構成することができる。吸着用装置の構造に特に制約はなく、一例として吸着材を充填可能なカートリッジ260が挙げられる。図12(A)に示すカートリッジ260は吸着材110を充填可能な筐体262を有し、筐体262には、筐体262内の空間と外部を接続するインレット264とアウトレット266が接続される。インレット264からは処理水が図示しないポンプなどを用いて注入され、その後アウトレット266から排出される。この過程において処理水が吸着材110と接触し、金属担持炭化物に固定された金属によって吸着物が吸着される。図示しないが、筐体262とインレット264の間、および筐体262とアウトレット266の間にフィルターを設けてもよい。これにより異物の混入や吸着材110の流出を防ぐことができる。
ガス精製装置160は、乾留ガスを無害化する装置であり、例えば水蒸気濃縮器162やダストフィルタ164、図示しないスクラバーなどを備えることができる。これらの構成を適宜設けることで、乾留ガス中に含まれるアンモニアやシアン化水素、ダイオキシン、硫化水素、煤塵などが除去される。本システムではさらに、生成後の乾留ガスを貯蔵するためのガスホルダを設け、乾留ガスの燃焼性を適時発電に利用してもよい。
Claims (9)
- バイオマスを炭化して炭化物と乾留ガスを生成すること、
金属塩を含む液体に前記炭化物を浸漬して金属塩担持炭化物を生成すること、
前記金属塩担持炭化物を還元的熱分解することにより金属担持炭化物と分解ガスを生成すること、および
前記分解ガスから肥料助剤を生成することを含む、吸着材を製造する方法。 - 前記肥料助剤の前記生成は、水酸化カルシウム、酸化カルシウム、塩化カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸水素カルシウム、または水酸化カルシウム、酸化カルシウム、塩化カルシウム、炭酸カルシウム、もしくは炭酸水素カルシウムを含む液体を前記分解ガスと接触させることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記還元的熱分解は還元装置で行われ、
前記炭化は、前記乾留ガスを前記還元装置へ供給しながら行われる、請求項1に記載の方法。 - 前記金属塩担持炭化物を乾燥装置内で乾燥することをさらに含み、
前記炭化は、前記乾留ガスの熱エネルギーを前記乾燥装置へ供給しながら行われる、請求項1に記載の方法。 - 前記還元的熱分解において、前記乾留ガスの還元力を利用することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- バイオマスを炭化して炭化物と乾留ガスを生成すること、
金属塩を含む液体に前記炭化物を浸漬して金属塩担持炭化物を生成すること、
前記金属塩担持炭化物を還元的熱分解することにより金属担持炭化物と分解ガスを生成すること、
前記分解ガスから肥料助剤を生成すること、
前記金属担持炭化物にリン含有化合物を吸着させて肥料前駆体を生成すること、および
前記肥料前駆体を前記肥料助剤と混合することを含む、肥料を製造する方法。 - 前記吸着は、前記リン含有化合物を含む液体を前記金属担持炭化物で処理することによって行われる、請求項6に記載の方法。
- 前記還元的熱分解の前に前記金属塩担持炭化物を乾燥装置内で乾燥すること、および
前記乾留ガスの熱エネルギーを前記乾燥装置に供給することをさらに含む、請求項6に記載の方法。 - 前記還元的熱分解は還元装置で行われ、
前記乾留ガスを前記還元装置へ供給することをさらに含む、請求項6に記載の方法。
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