(57)【要約】【課題】高温加熱および急速加熱が可能であり、長時間持続可能であり、繰り返し加熱が可能な発熱性微粒子および当該発熱性微粒子を用いてなる発熱体を提供する。【解決手段】植物性バイオマスの焼却残渣からなり、二酸化ケイ素を主成分とし、炭素元素を含有する発熱性微粒子であって、炭素元素の含有量が２８質量％以下であり、マイクロ波を照射することによって発熱することを特徴とする発熱性微粒子である。また、当該発熱性微粒子を用いてなる発熱体である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物性バイオマスの焼却残渣からなり、
二酸化ケイ素を主成分とし、炭素元素を含有する発熱性微粒子であって、
炭素元素の含有量が２８質量％以下であり、
マイクロ波を照射することによって発熱することを特徴とする発熱性微粒子。
【請求項２】
金属元素を含有することを特徴とする請求項１に記載の発熱性微粒子。
【請求項３】
二酸化ケイ素の含有量が６０〜９６質量％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発熱性微粒子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の発熱性微粒子を用いてなる発熱体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、植物性バイオマスの焼却残渣からなる発熱性微粒子および当該発熱性微粒子を用いてなる発熱体に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来から、加熱装置の発熱源としては、ニクロム線等を用いた電気ヒーター、赤外線ランプ、可燃性ガスや可燃性オイルを用いたバーナー等が用いられてきた。これらの発熱源はそれぞれ、長所・短所を有している。例えば、バーナーは、急速加熱が可能ではあるものの、一酸化炭素や二酸化炭素を増加させて空気を汚すものであり、また火気を有するものであり、環境衛生面や安全性の面で問題を有するものであった。【０００３】  上記以外の発熱源を用いた加熱装置として、マイクロ波を利用した加熱装置が知られている。例えば、特許文献１には、カーボン粉末を主材料としハニカム形状に焼結した発熱体と、該発熱体に電磁マイクロ波を照射するための電磁マイクロ波発生手段と、送風装置とを具備したことを特徴とするマイクロ波利用の加熱装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２３１８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  しかし、特許文献１の加熱装置に用いられる発熱体は、カーボン粉末を主材料としており、カーボン粉末が酸化されると、酸化皮膜が形成されて、耐久性が低下する懸念を有していた。【０００６】  発熱体には、一般に、短時間に高温まで昇温することが可能であり、エネルギー効率に優れ、耐久性に優れていることが要求される。【０００７】  本発明は、このような状況に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の課題は、高温加熱および急速加熱が可能であり、長時間持続可能であり、繰り返し加熱が可能な発熱性微粒子および当該発熱性微粒子を用いてなる発熱体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本発明者らは、毎年大量に生産される植物性バイオマスの有効利用方法について、検討を積み重ねてきた。籾殻等の植物性バイオマスを高温で長時間自己燃焼させると、有機系可燃物はほぼすべて焼却されて、残渣が残る。この残渣の有効利用方法に着目した。【０００９】  植物性バイオマスの焼却残渣の主成分は二酸化ケイ素である。また、二酸化ケイ素以外の成分として、炭素元素や金属元素等を微量に含有している。本発明者らは、植物性バイオマスの焼却残渣にマイクロ波を照射したところ、驚くべきことに、短時間に急速に数百℃にまで発熱することを見出した。さらに、当該発熱現象はマイクロ波の照射を何度も繰り返す度に繰り返し起こることを見出した。本発明はこのような発見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明は以下のような構成を有している。【００１０】（１）植物性バイオマスの焼却残渣からなり、二酸化ケイ素を主成分とし、炭素元素を含有する発熱性微粒子であって、炭素元素の含有量が２８質量％以下であり、マイクロ波を照射することによって発熱することを特徴とする発熱性微粒子。【００１１】（２）金属元素を含有することを特徴とする前記（１）に記載の発熱性微粒子。【００１２】（３）二酸化ケイ素の含有量が６０〜９６質量％であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の発熱性微粒子。【００１３】（４）前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の発熱性微粒子を用いてなる発熱体。
【発明の効果】
【００１４】  本発明の発熱性微粒子および当該発熱性微粒子を用いてなる発熱体は、高温加熱および急速加熱が可能であり、長時間持続可能であり、繰り返し加熱が可能である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】  以下、本発明を具体的に説明する。以下に示す実施形態は一例であり、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。
【００１６】  本実施形態の発熱性微粒子は、植物性バイオマスの焼却残渣からなり、二酸化ケイ素を主成分とし、炭素元素を含有している。以下、発熱性微粒子の内容について説明する。
【００１７】（植物性バイオマス）
本実施形態の植物性バイオマスは、ケイ素を含有するものである。具体的には、籾殻、稲わら、麦わら、木材、樹皮、竹、バガス、ヤシ殻等が挙げられる。これらの中でも、取扱いや入手のし易さ等の観点から籾殻が好ましい。以下では、代表的な植物性バイオマスである籾殻を例にとって説明を進める。
【００１８】  籾殻は、その約７０〜９０質量％がセルロースを主体とする有機成分であり、残りの約１０〜３０質量％は無機成分である。その無機成分は主として二酸化ケイ素（シリカ）であり、微量のミネラル成分を含有している。二酸化ケイ素は、種々の用途に展開できる可能性を有しているため、籾殻を空気中で燃焼させて、有機系可燃物をほぼ完全に除去することを試みた。
【００１９】（焼却残渣）
籾殻を大量に連続的に燃焼させるため、連続式燃焼炉を製作した。籾殻を空気とともに連続式燃焼炉に連続して投入すると、燃焼開始時には外部からの着火源を必要とするが、着火後は自己燃焼によって、空気中で、継続的で定常的な燃焼を開始した。籾殻および空気の投入スピードを適宜調整することによって、燃焼温度は１０００〜１９００℃の範囲となった。また、平均的な燃焼時間は、５〜１５時間の範囲となった。
【００２０】  得られた焼却残渣は、二酸化ケイ素を主成分とし、炭素元素、金属元素等を含有する微粒子であった。ここで、二酸化ケイ素を主成分とするとは、微粒子に対する二酸化ケイ素の含有量が５０質量％を超えることを意味する。二酸化ケイ素の含有量は、籾殻の原料の稲の産地や品種等によって異なるが、実質的には、６０〜９６質量％の範囲である。以下、当該籾殻の焼却残渣の微粒子をシリカ系微粒子と記載することとする。
【００２１】  本発明者らは、シリカ系微粒子１０ｇを陶器製の容器に入れ、陶器製の蓋をして、７００Ｗの電子レンジのマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を１分間照射する実験を行ったところ、シリカ系微粒子が約９００℃まで急速に発熱することを見出した。また、当該発熱現象は、マイクロ波による照射を繰り返す度に繰り返し発現することを見出した。また、当該発熱現象は、マイクロ波による照射を継続することにより維持されることを見出した。
【００２２】（発熱性微粒子）
得られたシリカ系微粒子は、マイクロ波の照射によって発熱する発熱性微粒子である。シリカ系微粒子は、マイクロ波の照射によって１０分以内の短時間に３００℃以上の高温に急速加熱することが可能である。また、数時間持続可能であり、繰り返し加熱が可能である。従って、シリカ系微粒子は、発熱性微粒子として有用である。
【００２３】  シリカ系微粒子がこのような特異な発熱現象を示すのは、シリカ系微粒子が含有する炭素元素、金属元素等の少量成分がマイクロ波の照射によって誘導加熱や誘電加熱等を引き起こすためと推定される。また、炭素元素や金属元素が二酸化ケイ素を主成分とする構造体中に適度に微分散されて存在しているためと推定される。また、炭素元素の一部はケイ素元素と結合して炭化ケイ素を形成していると推定される。
【００２４】  本実施形態の発熱性微粒子は、二酸化ケイ素を主成分とし、二酸化ケイ素の含有量は、６０〜９６質量％であることが好ましい。また、二酸化ケイ素の含有量は、発熱性能の観点から、６０〜８５質量％がより好ましく、７０〜８５質量％がさらに好ましい。
【００２５】  発熱性微粒子は、炭素元素を含有することが必要である。発熱性微粒子中の炭素元素の含有量は、２８質量％以下が好ましく、３〜２８質量％がより好ましく、５〜２５質量％がさらに好ましく、５〜２０質量％が特に好ましい。
【００２６】  発熱性微粒子は、金属元素を含有することが好ましい。発熱性微粒子中の金属元素の含有量は合計で、１０質量％以下が好ましく、１〜７質量％がより好ましく、２〜７質量％がさらに好ましく、３〜７質量％が特に好ましい。ここで、金属元素の含有量とは、発熱性微粒子が含有する各金属元素をそれぞれ安定な酸化物に置き換えたときの金属酸化物の合計含有量として計算した数値である。金属元素としては、カリウム、マグネシウム、カルシウム、鉄、アルミニウム、ナトリウム、マンガン、亜鉛、クロム、チタン、ニッケル等が挙げられる。これらの金属の発熱性微粒子中の存在形態は、金属単体であってもよいし、合金、金属酸化物、複合酸化物であってもよい。
【００２７】  発熱性微粒子は、平均粒径が１０〜３００μｍ程度である。発熱性微粒子の形状は特に限定されない。また、二酸化ケイ素は非晶質であっても結晶質であってもよく、限定されない。
【００２８】（発熱体）
発熱性微粒子をその特性を利用した発熱体として利用するためには、発熱性微粒子を取り扱い性に優れた形態にすることが好ましい。具体的には、発熱性微粒子とセラミックス粒子とからなる焼結体としたり、発熱性微粒子をセラミックスで包み込んだ成形体を形成することができる。
【００２９】  発熱性微粒子とセラミックス粒子とからなる焼結体におけるセラミックス粒子は焼結時に溶融して、発熱性微粒子同士を結合させるものである。発熱性微粒子とセラミックス粒子とが混合して互いに結合することによって、焼結体として安定な形態とすることができる。セラミックス粒子としては、具体的に、ソーダ石灰ガラス、硼珪酸ガラス、鉛ガラス、石英ガラス等の粒子を用いることができる。セラミックス粒子の種類、平均粒径、発熱性微粒子とセラミックス粒子との混合比は、必要に応じて適宜調整することができる。
【００３０】  また、発熱性微粒子は、セラミックス粒子とからなる焼結体とすることにより、発熱性微粒子が含有する炭素元素、金属元素等の成分が外界に直接露出することがないように、被覆し保護することができる。このことによって、発熱性微粒子がマイクロ波の照射によって発熱・冷却を繰り返すときに、発熱性微粒子中の炭素元素や金属元素が酸素によって酸化されて劣化することを抑制することができ、耐久性を向上させることができる。
【００３１】  発熱性微粒子とセラミックス粒子とからなる焼結体を製造する方法は、公知の方法を用いることができる。すなわち、発熱性微粒子とセラミックス粒子とを混合した後、金型内に投入し、金型内をセラミックス粒子の融点以上の温度に加熱して、冷却し、発熱性微粒子とセラミックス粒子とからなる焼結体とする。焼結体の形状は、自由に設計することができる。
【００３２】  また、発熱性微粒子をセラミックスで包み込んだ成形体は、発熱性微粒子の集合体をセラミックス製の容器内に保持することによって、発熱性微粒子に直接触れることなく取り扱ったり、他の装置内に設置し固定することが容易となる。また、発熱性微粒子をセラミックス製の容器内に封じ込めることによって、発熱性微粒子が直接大気と接触することが抑制できる。その結果、発熱性微粒子中の炭素元素や金属元素がマイクロ波の照射によって発熱・冷却を繰り返すときに、酸素によって酸化されて劣化することを抑制することができ、耐久性を向上させることができる。
【００３３】  セラミックスの成形体を作成する方法は、セラミックスの一体成形品、セラミックス板の組み合わせ、セラミックス粒子の焼結体、それらの組み合わせ等、特に限定されない。成形体を構成するセラミックスの種類や形状は、特に限定されず、必要に応じて適宜適切な種類や形状を選択して、自由に設計することができる。
【００３４】（マイクロ波発生手段）
発熱性微粒子および発熱体にマイクロ波を照射するためのマイクロ波発生手段としては、マグネトロン、クライストロン、ジャイロトロン、進行波管などのマイクロ波発振機がある。これらの中ではマグネトロンが一般的である。マイクロ波の周波数は、０．３〜３０ＧＨｚの範囲であるが、通常は、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が使用される。マイクロ波発振機の発振出力（Ｗ）を変えることによって発熱エネルギーが変動し、発熱体の発熱温度を制御することができる。
【００３５】  本実施形態の発熱性微粒子および発熱体は、マイクロ波を照射することによって、急速に高温に加熱される。発熱性微粒子を組み込んだ発熱体の表面温度は、マイクロ波の発振出力と照射時間を変更することによって、数十℃から約１０００℃の広範囲に調整することができる。
【００３６】  本実施形態の発熱性微粒子を用いた発熱体は、加熱、乾燥、温調、反応等の目的で各種用途に利用することができる。また、本実施形態の発熱性微粒子を用いた発熱体は、食品、化学、ゴム、木材、鋳物、窯業、紙、印刷、塗装、繊維、医療等の種々の技術分野の各種工業用途に用いることができる。
【実施例】
【００３７】  以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。【００３８】  実施例、比較例の発熱性微粒子を製造するのに用いた連続式燃焼炉は、以下のような構成のものである。
植物性バイオマスを大気圧下の空気中で自己燃焼させて、焼却残渣を連続的に製造する燃焼炉である。植物性バイオマスを貯蔵する貯蔵タンクと、植物性バイオマスを空気によって搬送するための搬送用配管と、搬送用配管内に空気を送り込むためのブロアと、植物性バイオマスを自己燃焼させるための燃焼炉と、焼却残渣を集積するための集積タンクと、燃焼後の排ガス中に存在する焼却残渣を集積するための集塵機と、燃焼後の排ガスを排出するための排出装置とを備えている。燃焼炉内の温度は、植物性バイオマスの時間当たりの投入量や、植物性バイオマスと空気との混合比率を変更することにより調整することが可能である。燃焼炉内の温度は、熱電対によって測定することができる。
【実施例１】
【００３９】  連続式燃焼炉を用いて、燃焼温度約１８００℃、燃焼時間約１０時間で、籾殻を燃焼させて、有機系可燃物をほぼすべて焼失させて、籾殻の焼却残渣を得た。籾殻としては、埼玉県産の籾殻を用いた。得られた焼却残渣の量は、原料の籾殻に対して約２０質量％であった。当該焼却残渣は、黒色の粉末であった。当該焼却残渣を分析したところ、二酸化ケイ素７７質量％、炭素元素８．５質量％であった。また、金属元素は、金属酸化物に置き換えたときの合計含有量として、６．２質量％であった。金属元素としては、カリウム、マグネシウム、カルシウム、鉄、アルミニウム、ナトリウム、マンガン、亜鉛等が含まれていた。尚、金属元素類の分析装置として、波長分散型蛍光Ｘ線分析装置を用いた。
【実施例２】
【００４０】  燃焼温度を約１０００℃にした以外は実施例１と同様にして、籾殻の焼却残渣を得た。得られた焼却残渣の量は、原料の籾殻に対して約２１質量％であった。当該焼却残渣は、黒色の粉末であった。当該焼却残渣を分析したところ、二酸化ケイ素６３質量％、炭素元素２７質量％であった。また、金属元素は、金属酸化物に置き換えたときの合計含有量として、４．２質量％であった。【００４１】（比較例１）
燃焼時間を１５時間にした以外は実施例１と同様にして、籾殻の焼却残渣を得た。得られた焼却残渣の量は、原料の籾殻に対して約２０質量％であった。当該焼却残渣は、白色の粉末であった。当該焼却残渣を分析したところ、二酸化ケイ素９３質量％、炭素元素０質量％であった。また、金属元素は、金属酸化物に置き換えたときの合計含有量として、３．１質量％であった。【００４２】（比較例２）
燃焼温度を約１０００℃にし、燃焼時間を１５時間にした以外は実施例１と同様にして、籾殻の焼却残渣を得た。得られた焼却残渣の量は、原料の籾殻に対して約２１質量％であった。当該焼却残渣は、白色の粉末であった。当該焼却残渣を分析したところ、二酸化ケイ素９３質量％、炭素元素０質量％であった。また、金属元素は、金属酸化物に置き換えたときの合計含有量として、３．３質量％であった。【００４３】（比較例３）
燃焼温度を約８００℃にし、燃焼時間を２０分間にし、空気中でバッチ式で燃焼させた以外は実施例１と同様にして、籾殻の焼却残渣を得た。得られた焼却残渣の量は、原料の籾殻に対して約２１質量％であった。当該焼却残渣は、黒色の粉末であった。当該焼却残渣を分析したところ、二酸化ケイ素６３質量％、炭素元素３０質量％であった。また、金属元素は、金属酸化物に置き換えたときの合計含有量として、６．３質量％であった。【００４４】  得られた各焼却残渣（シリカ系微粒子）約１０ｇをソーダ石灰ガラスの微粒子で作成した直径１５ｃｍの球状の焼結体の中に封入し、さらにそれを厚さ２ｍｍの陶器製の球状の容器内に封入して、発熱体とした。【００４５】  ７００Ｗのマグネトロンを用いて、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を約２５分間照射した。照射後の実施例１の発熱体の表面温度は約４００℃であった。同様に、実施例２の発熱体の表面温度は約３６０℃であった。比較例１の発熱体はほとんど昇温しなかった。比較例２の発熱体はほとんど昇温しなかった。比較例３の発熱体の表面温度は約２５０℃であった。各温度は熱電対を用いて測定した。【００４６】  次に、実施例１の発熱体を用いて、マイクロ波の照射を約５時間継続し、その後照射を止めてから発熱体の表面温度が約３０℃に低下するまで約２時間静置し、その後再び照射を約５時間継続させるという操作を約８日間にわたって繰り返し行った。その結果、照射を行う度に、発熱体の表面温度が約４００℃にまで加熱され、照射中はその温度が維持され、照射を停止すると表面温度が低下していくという挙動を、繰り返し示した。
【手続補正書】
【提出日】令和1年12月5日(2019.12.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物性バイオマスの焼却残渣からなり、
二酸化ケイ素を主成分とし、炭素元素と金属元素を含有する発熱性微粒子であって、
炭素元素の含有量が３〜２８質量％であり、
金属元素の含有量が１〜７質量％であり、
マイクロ波を照射することによって発熱することを特徴とする発熱性微粒子。
【請求項２】
二酸化ケイ素の含有量が６０〜９６質量％であることを特徴とする請求項１に記載の発熱性微粒子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の発熱性微粒子を用いてなる発熱体。