廃プラスチックの油化率の向上
Improvement in the Rate of Oil Recovery of Waste Plastics○小島 知（中部大院）、落合 淳矢（中部大）、正 行本 正雄（中部大）
Satoru Kojima and Junya Ochiai and Masao Yukumoto, Chubu University
Liquefaction is a type of chemical recycling of plastics. In this process the emission of CO2 is low,but, there is a high cost of processing. Thermometric analysis of polyethylene was conductedusing Thermo Gravimetric Analysis. Thermal decomposition of polyethylene occurs between
300 ℃ ~500 ℃. Processing of oil is performed by the following two method. The plastics andthe FCC catalyst is placed in the flask and thermally decomposed. After decomposition, theemitted gas is cooled and collected as oil. The materials used for the experiment are PE, fourkind mixture plastic, and ABS. The efficiency of collected oil is estimated at 41.6% of PE, 39.0%
of four kinds of mixture plastics and 19.5% of ABS. After the experiment FCC catalyst changed
from gray to black.
Key Words: Liquefaction, FCC catalyst, PE, four kinds of mixture plastics, ABS

１．はじめにプラスチックはその利便性から現代社会において多種多様にわたって利用されており、大量消費・大量廃棄されている。廃棄されるプラスチックの量は 2010 年時点で約 945万トンであり、このうち有効利用されているのは約 77％であり、残りの約 23％は有効利用されず廃棄され、ダイオキシンなどの有害物質の発生や埋め立て処分場の逼迫が問題となっている (1)。プラスチック製容器包装法（容リ法）の再商品化手法の一つとしてケミカルリサイクルが認められており、油化は化学原料を製造でき、近年の原油価格の高騰を受け有効とされている。廃プラスチックをナフサや軽油等石油燃料に戻すことが可能になれば、資源循環型社会形成に貢献することができる。
プラスチックの油化プロセスにおいて CO2 の発生が少な
く LCA 的に優れたリサイクル方法であると考えられているが、経済性においては、油化プロセスは処理コストが高く、得られる油の品質も異なることから他のリサイクル手法（再生利用や発電用燃料）と比較すると劣るため普及していない (2)。
油化した油の石油資源として再利用例としては、以下のような３つが挙げられる。
① 石油製品として利用(ガソリン、灯油、軽油、重油)② 分解油をそのまま燃やして熱回収③ ナフサ分などを化学製品の原料として使用
また、プラスチックの油化における問題点は上記に挙げた設備コスト等が高く経済性が低いほかに低品位、収率が低いなどエネルギー効率が低いことなどがある (3)。
２．実験
2.1 熱分析
プラスチックの油化においてプラスチックの熱分解における熱分析を行う必要があり、本研究では下皿型の熱重量分析（TGA：Thermo Gravimetric Analysis）であるティー・エイ・インスツルメント製の Q500 を用いて実験を行った。
試料にはポリエチレン（以下 PE と略称する）を使用した。
5±0.1mg の試料を 810℃まで 10℃/min で昇温し測定した。
Fig.１に PE の熱分析結果を示す。Fig.１より PE の熱分解が最も活発であったのは 476℃であることがわかる。また、熱分解は 300℃～500℃の間で起こっている。そのため、476℃付近で加熱することが望ましいことが分かった。

Fig.1

Results of thermogravimetric test

2.2 油化本研究で使用した実験装置の概略図を Fig.2 に、写真をFig.3 に示し、油化プロセスの流れについても説明する。
反応器として 500ml のフラスコを使用した。フラスコ内に原料となるプラスチックと FCC 触媒を入れ、攪拌しながら加熱する。温度計は 600℃まで測定できる標準温度計を使用し、フラスコ内の空間の温度を測定する。加熱はマントルヒーターによって行った。加熱することによりプラスチックが分解されガスとなり冷却管に運ばれる。ガスは冷却管を通ることにより冷却され油となって臭気フラスコに溜まる。冷却されなかったガスは臭気フラスコを通り過ぎ水を通って外へ排出される。
触媒として使用するFCC触媒は、石油精製で重質分をガソリン分へ分解するプロセスで使用される流動接触分(FCC)触媒の廃触媒であり国内で年間約3万トン各製油所から排出されるため、触媒コストがかからない。また、容易に再生でき、耐久性に優れるという利点がある (3)。
Agitator
Cooling tube
Thermometer
Out sideMantle heater
Fig.2

Odor flask

Schematic diagram of experimental apparatus

Agitator
Cooling tube

Flask

Mantle heater

Fig.3

10 ㎝

違うことがわかる。油化率は PE が 41.6％、4 種混合プラス
チックが 39.0％、ABS が 19.5％で、PE が最も油化率が高く、ABS が最も低いという結果になった。3 種類ともに生成した油の中に若干水が混ざっていた。
実験前と実験後の FCC 触媒の写真を Fig.6 に示す。使用前は灰色だが、油化実験後は黒色に変色している。50 倍の写真を見ると、FCC 触媒の粒の表面が艶やかにみられる。
また、溶けたプラスチックと FCC 触媒が混ざった塊がある。
これは、実験時間内に油化されなかった残さであり、FCC触媒の重量も実験後は増えていた。しかし、混合した塊はフラスコの内部表面に付着たため、簡単には取れず実験後の正確な FCC 触媒の重量を測定することはできなかった。
油化率が高いほど残差の量（塊の量）が少なかった。

Photo of the experimental apparatus

上記で説明した実験装置を用いて行った実験の結果を以下に示す。実験条件として、試料となるプラスチックのペレットを 50g、FCC 触媒 50g をフラスコの中に入れる。攪拌
機の回転数を 500rpm に設定しプラスチックと FCC 触媒を撹拌する。マントルヒーターの温度を 450℃に設定する。冷却管に流す冷却水を氷水（約 11℃）とする。実験は 130 分行い、10 分ごとに温度を測定する。なお、温度計の設置の都合上 180℃以下は測定できない。
試料には、PE、４種混合プラスチック（PP,PS,ABS,PVC）、ABS 樹脂の３種類を用いた。Fig.4 に加熱時間によるフラスコ内の温度変化のグラフを示し、生成した油の写真をFig.5 に示す。
Fig.4 より、PE が最も早く温度が 180℃以上に上がったが、実験終了時には 4 種混合プラスチックが最も高くなっている。3 種類とも時間がたつにつれ徐々に温度が上昇している。

Fig.4

Results of liquefaction experimentPE

Four kind mixture plastic

ABSD
Fig.5

Photo of oil generated

Fig.5 よりプラスチックの種類により生成した油の色が200μm
Before
Fig.6

200μm
After

Photo of FCC catalyst

３．考察・まとめ
本研究において、生成した油の油化率は、他の企業や組織が行った研究の油化率よりもはるか低かった。そのため、フラスコ内に油化されなかったプラスチックと FCC 触媒が混ざって塊ができた。熱分解により発生したガスが冷却管を通り油にならず外に放出していった量が多かったことが油化率が低かった原因の一つである考えられる。改善策
としては、冷却水の温度を下げ、冷却管の長さを長くすることで、より多くのガスが冷却され油になると考えられる。
また、加熱時間の設定基準として、フラスコ内のガスが減
少し、油の生成も止まったため、130 分で実験終了と見なしたが、その時点でも多少であるがまだガスが出ていたた
め、加熱時間を長くし完全にガスがなくなるところまで加熱することで、油化率が向上するのではないかと考えられる。温度測定においては、今回使用した装置ではフラスコ内の空間の温度しか測定なかったため、熱分解時の試料の温度を測定することができなかった。熱分解時の試料の温度を測定するためには、温度測定器の変更（熱電対等）や測定位置の変更等が必要であると考えられる。
今回の油化実験において、時間と機材の都合上、成分分析ができていない。そのため、実験で生成した油の成分による比較や熱分解により発生したガスの成分測定、実験前と実験後の FCC 触媒の成分による比較、残さの成分分析を今後行っていきたいと考えている。
参考文献
1）プラスチックリサイクルの基礎知識 社団法人 プラス
チック処理協会 2012 20122）「廃 FCC 触媒による接触分解石油化学原料化技術の連続データ採取」報告書 社団法人 プラスチック処理協会
20073）FCC 廃触媒を用いた廃プラスチックの連続分解油化プロセスの開発 北九州市立大学 2010