木質バイオマスと廃プラスチックの共液化に関する研究
Study on co-processing of wood biomass and waste plastics○正伊藤拓哉（日本大学）
正 角田 雄亮（日本大学）
正 平野
Takuya Ito, Yusuke Kakuta and Katsumi Hirano, Nihon University勝巳（日本大学）

It turned out that the solvent properties deteriorating along with the circulation because manufacturing thelight oil alternative fuel from the direct liquefaction process with the solvent circulation of the wood biomass
was examined became a problem. Then, the solvent properties were maintained by co-processing of the woodbiomass and the waste plastic. Plastic was added to the direct liquefaction of the wood biomass which madethe mineral oil a solvent and the solvent circulation examination was done, therefore the solvent properties
reached saturation in the fourth order. In addition, obtained light oil fraction was uniformly mixed with thelight oil of the petroleum origin.
Key Words: Wood biomass, Direct liquefaction, Solvent circulation, co-processing

１．緒言
一次エネルギー消費量は年々増加傾向にあるが、その中心を担う化石資源は枯渇が危惧されている。さらに、これらはエネルギー変換時にSOXやCO2を発生し、大気汚染や温暖化などの地球環境問題を顕在化させている。そこで、化石代替資源としてバイオマスが注目されている。その中でも最も豊富に存在する木質バイオマスは純生産エネルギーが約3.4×1021Ｊ/yと推定され、全世界の一次エネルギー消費量の約10倍に相当する。また、光合成により短期間で再生でき（持続再生可能）、エネルギー変換時に発生するCO2は次世代のバイオマスが成長時に吸収・固定する（カーボンニュートラル）ため、CO2排出量抑制に有効である。さらに、硫黄をほとんど含まずエネルギー変換時にSOXを発生しないため、環境負荷が低いといった特長を有する。ただし、木質バイオマスは不均質な固体であるためにハンドリング性が悪く、地域に遍在しているために集約コストがかかることが有効利用上の課題である。
著者らは上記の課題を勘案し、木質バイオマスが排出される事業所や工場にてエネルギー転換し、現地にて必要とされる軽～重油に混合可能な代替燃料を製造することが好ましいと考えた。そこで、廃棄物および製品の移動がないエネルギー循環システムの構築を目指し、溶媒循環型の小規模プラントにて木質バイオマスから代替燃料を製造するために直接液化法について検討してきた。本液化法は、温和な反応条件で実施可能であり、生成する液化油の一部を溶媒として循環使用するため、系外副原料を必要としないことが利点である。既報では、木質バイオマス由来の液化油を溶媒に用いると循環に伴い熱履歴を受け、過分解や縮合を起こすため、溶媒量の確保が困難であることを報告した 1)。そこで、著者らは溶媒に飽和炭化水素が主成分で反応性の低い鉱油を用い、さらに溶媒補填のため同じく主に飽和炭化水素で構成される廃プラスチックを木質バイオマ
スと共熱分解することで循環溶媒量の確保と安定的な循環運転が可能になると考えた。本報では、廃プラスチックのモデルとして汎用プラスチックの中でも中間的な反応性を持つポリプロピレン（PP）を用いて検討を行った。
２．実験
2.1 熱分解試験
内容積 200ml の電磁誘導撹拌式オートクレーブに供試材としてスギおよび PP を所定割合で合計 20g、溶媒として鉱油を 60g 挿入し、内部を窒素ガスにて置換後さらに 0.5MPaまで充填した。内容物を外部電気炉にて所定温度まで加熱後 60min.温度保持して反応させ、直ちに室温まで空冷した。
なお、反応中は内容物に対して 200rpm の水平撹拌を行った。反応終了後、生成ガスはテドラーバッグに捕集し、GC-TCD にて組成分析を行った。スラリーについては全量を直接回収し、単蒸留にて I.B.P.-220℃留分、220℃-350℃留分（軽油留分）および釜残分に分別した。I.B.P.-220℃留分についてはカールフィッシャー水分計により水を定量し、残りをガソリン留分とした。釜残分についてはヘキサンにて抽出を行い、ヘキサン可溶分を溶媒留分、ヘキサン不溶分を残渣とした。なお、残渣に対して CHN コーダーを用いた元素組成分析を行った。
2.2 水素受容性試験
溶媒としてテトラリン、供試材としてスギを用いて 2.1項と同様の条件で反応を行なった。反応終了後スラリーについては全量を直接回収し、ヘキサン抽出を行なった。ヘ
キサン化溶分については GC-MS による定性分析を行った。
2.3 溶媒循環試験
2.1 項にてスギ：PP 比 5：5 の条件で得られた溶媒留分を溶媒として用い、2.1 項と同様の操作を行った。ただし、釜残分の抽出にはトルエンを用いた。得られた溶媒留分を次順の溶媒として用い、合計 5 回の循環実験を行った。なお循環に必要な溶媒量が不足する場合は複数回同様の実験を行い、溶媒留分を補った。各反応で得られた溶媒留分はカラムクロマトグラフィーおよび酸、塩基抽出を用いて無極性成分、中性極性成分および酸性極性成分に分画した。
また、5 循目の軽油留分について石油由来の軽油との混合性を確認した。
３．結果および考察
3.1 相互作用
Fig.1 にスギ：PP 比 5：5 およびスギ、PP それぞれの単独反応における生成物収率を、Fig.2 に残渣の IR を、Table1 に残渣の元素分析値を示す。なお、Fig.1 に比較のため反応前の仕込み割合および単独反応より加成則が成り立つと仮定して算出した計算値を併記した。
Fig.1 より、計算値と実測値を比較すると計算値に比べて実測値は溶媒留分収率が高く、残渣収率が低いことがわかる。Fig.2 より、共熱分解時に生成する残渣はスギ単独反応時に生成する残渣と類似した構造を持つことがわかる。

Table 1 より、計算値と実測値を比較すると、全体的に大きく異なっており、スギ単独反応時に生成する残渣の元素分析値に近いことがわかる。よって、共熱分解により生成する残渣はスギ由来物が主成分であり、PP はスギによって分解が促進され、PP 由来の残渣が減少したことにより、実測値の残渣が減少したと考えられる。このとき水素供与体としてテトラリンを溶媒に用いた水素受容性試験を行った
結果、テトラリンが水素を奪われたと考えられるナフタレンと 1,4-ジヒドロナフタレンの生成が確認された。よって、スギが PP から脱水素することによって PP の分解が促進したと考えられる。
以上のことから、スギと PP を共熱分解すると PP の分解が促進され、循環に必要な溶媒量の確保が可能となることが判明した。

はほとんど生成しないことがわかる 1)。以上のことから、
スギと PP を共熱分解することで 3.1 項に述べた通りスギが水素を受け取るためスギ分解物が安定化し、比較的極性の低い中性極性成分を生成したと考えられる。また、重合を引き起こす酸性極性成分が次循の溶媒に含まれないため、残渣収率および溶媒留分収率が循環に伴ってあまり変化しなかったと考えられる。また、溶媒としてスギ由来の液化油が次循の反応に持ち越されるため、軽油以下の留分の収率が大きく変動するが、溶媒組成が一定となった溶媒を用いる 5 循目以降の反応については一定となると考えられる。
また、このとき得られた軽油留分を石油由来の軽油と混合させたところ 20%の混合割合で均一に混合した。

Fig.3 循環実験における生成物収率の変化 (スギ:PP＝5:5)
Fig.1 各反応における生成物収率 (スギ:PP＝10:0, 0:10, 5:5)

Fig.2 スギ、PP および混合条件における残渣の IR スペクトル
Table 1 スギ、PP および混合条件における残渣の元素分析値

Hスギ
PP
計算値
実測値

CO(dif)[wt% - m.a.f.]
4.93
83.1211.95
14.7685.240.0010.1184.235.66
7.0883.599.34H/C[-]
0.71
2.081.441.02O/C
0.110.00
0.050.08

3.2 溶媒循環
Fig.3 に溶媒循環実験における 5 順目までの生成物収率の変化を、Fig.4 にこのときの溶媒組成の変化を示す。
Fig.3 より、5 回の溶媒循環を行っても残渣収率および溶媒留分収率に大きな変化が無いが、軽油以下の留分では循環に伴い収率が大きく変動していることがわかる。また、
Fig.4 より、循環に伴い溶媒留分中にスギ由来と考えられる中性極性成分が混在してくるが、4 循目以降一定となることがわかる。また、スギ由来の極性成分の中でも液化油と重合して残渣を形成する事が報告されている酸性極性成分

Fig.4 循環実験における溶媒組成の変化 (スギ:PP＝5:5)

４．結言
木材と廃プラスチックの共熱分解による循環溶媒量保持と循環運転について検討した結果以下のことが判明した。
①②③④

スギと PP を共熱分解すると、スギが PP の水素を奪うことで PP の分解を促進する。
このとき同時にスギは水素を得て安定化し、中性極性成分となる。
スギと PP を共熱分解することで溶媒循環運転が可能となる。
このとき得られた軽油留分は石油由来の軽油と均一に混合する。

参考文献
1) 成田有輝ほか 第 18 回 日本エネルギー学会大会 講演要旨集 p94-95（2009）