汚染有機廃棄物の熱分解によるPFAS分解と排出係数 -3 / 熱分解装置 Biogreen / ガス化, 炭化, 油化

本熱分解装置 Biogreen の製造元 ETIA社の親会社 VOW社が発表した論文が、科学雑誌 Journal of Hazardous Materials（ジャーナル・オブ・ハザードゥアス・マテリアルズ）に掲載され、下記はその内容の抜粋です。-3

2.1. 化学物質と材料

PFAS標準物質は、様々な提供者から入手するか、自己合成した。
同位体標識された内部標準物質： PFOA-13C8(99%)、PFOS-13C8(99%)、6:2 FTS-13C2-D4はCambridge Isotope Laboratoriesから購入した。
LC-MSグレードのメタノール(MeOH)とアセトニトリル(ACN)はMerck (Darmstadt, Germany)から購入した。酢酸エチル（EtOAc、≥99.7% v/v）、酢酸アンモニウム（≥98% w/w）およびギ酸（FA、96%）は、VWR Chemicals（Trondheim, Norway）から供給された。
酢酸アンモニウム（>99% w/w）はFluka（Munich, Germany）から購入した。水はMilli-Qグレードの水システム（Q-option, Elga Labwater, Veolia Water Systems LTD, U.K.）で精製するか、Merck（Darmstadt, Germany）から購入した（LiChrosol®, UHPLC-MSグレード）。
Whatman® ガラス ァイバーフィルター(GFF)とAmberlite® XAD-2®はMerck(Darmstadt, Germany)から購入した。窒素（N2、99.6%以上）はLindGas AS（Oslo, Norway）から入手した。

2.2. 汚染有機廃棄物画分

2.2.1. 廃棄物画分の説明
本研究では、7種類の汚染廃棄物と1種類の基準物質を調査した（表1）。
廃棄物の内訳は、廃水処理場からの汚泥4種類、生ごみバイオガス製造からの不合格品1種類、木質系廃棄物3種類（廃木材、庭ごみ、林業/伐採からの木質チップペレット）である。既存の文献に基づき、調査された廃棄物画分はすべて異なる濃度のPFASを含むと予想された。生廃棄物試料は、本試験の残りでは熱分解プロセスの原料と呼ぶ。

2.2.2. バルクサンプリングと熱分解前の前処理
各原料について、無作為に選ばれた時点で、各廃棄物処理会社/廃水処理場により、約2 m3のサンプルがバルクで採取された。比較的大きなサンプルサイズは、計画された熱分解処理に十分な供給原料を確保し、代表性を保証する必要性に基づいている。実寸大のバルク試料は、Scanship AS社（Tønsberg, Norway）製のバッチ式パドル乾燥機（1.5×5m）を用いて乾燥した（含水率5～10%）。この乾燥機は、熱交換器から乾燥機の周囲に取り付けた加熱ジャケットに過熱水蒸気を送り込み、試料を約102～110℃に加熱する。乾燥された原料は、ペレット化された（長さ40mm、半径8mm）。乾燥とペレット化の両方の前処理は、熱分解の前に原料の化学組成と物理的特性を均一化するために行われた。

2.3. 熱分解

2.3.1. 熱分解技術
本研究では、ETIA Ecotechnologies社（現VOW ASA社、Lysaker）が製造した中規模のBiogreen®熱分解装置（2～10 kg biochar hr-1）を使用した。この装置では、原料は真空ロック付き供給スクリューを通って、最高温度900℃の電気加熱スクリューSpirajoule©を含む熱分解リアクターに供給された。原料はスクリューに沿って移動しながらバイオ炭に変換され、反応器内の滞留時間はスクリューの回転数によって制御された。反応器は負圧で運転され、熱分解ガスがバイオ炭から速やかに分離されるようにし、バイオ炭とガスの接触時間を最小にした。熱分解ガスは直接コンデンサーに送られ、約10℃に冷却された。熱分解オイルはリキッドロックで回収され、合成ガスはバーナーでプロパンとともに800～900℃で燃焼された後、煙突から排気された。

2.3.2. 運転条件
原料供給速度は5～10 kg hr¯1を使用した。木質系基質（木材チップ、廃木材、庭木くず）は、反応器と凝縮器間のタール詰まりを避けるため、5 kg hr¯1程度で運転し、汚泥系基質の一部は10 kg hr¯1に近い速度で処理した。システムからO2を除去するため、開始前に反応器と接続配管を10分間N2でフラッシュした。反応器内の滞留時間は、40分の滞留時間を使用した脱水下水汚泥を除き、すべてのサンプルで20分であった。この原料のみ滞留時間を変更したのは、供給スクリューの目詰まりに関する技術的課題に対処する必要があったためである。熱分解温度は、この研究における主要な処理変数と考えられ、サンプルは500～800℃の間の2つ以上の温度で熱分解された（詳細は表1を参照）。
すべての原料が同じ温度で熱分解されたわけではな いが、これは物流と技術的な課題が重なったためである。処理温度は、加熱スクリューの終了時に反応器から排出されるバイオ炭で測定した温度と定義した。熱分解設定温度に達した後、サンプリング前に安定した状態にするため、反応器をさらに1〜2時間運転した。ガス放出測定とバイオ炭のサンプリングは、各処理温度で約2時間の安定状態の間のみ行われた。
ある処理温度におけるバイオ炭の収率（YBiochar、％）は、バイオ炭の生成率（Rbiochar、kg hr¯1）を安定条件と定義された期間中の原料供給率（Rfeedstock、kg hr¯1）で割った値として求めた：

YBiochar (%) = Rbiochar(kg hr¯1÷ Rfeedstock(kg hr¯1) × 100

コントロールとして、熱分解の各工程（加熱、安定化、冷却）の収率も計算し、それぞれの収率の合計を熱分解全体の総原料投入量と総バイオチャー排出量で計算した収率と比較した。

表1

次回に続きます。

下記本論文はこちらをクリック頂ければダウンロードできます。

汚染有機廃棄物の熱分解によるPFAS分解と排出係数 -1 / 熱分解装置 Biogreen / ガス化, 炭化, 油化

汚染有機廃棄物の熱分解によるPFAS分解と排出係数 -2 / 熱分解装置 Biogreen / ガス化, 炭化, 油化

ペルフルオロアルキル化合物及びポリフルオロアルキル化合物（ペルフルオロアルキルかごうぶつおよびポリフルオロアルキルかごうぶつ、英語： Per- and Polyfluoroalkyl Substances、略称：PFAS（ピーファス）、PFASs ）は、アルキル鎖に複数のフッ素原子が結合した有機フッ素化合物の総称である。PFASは、強力な化学結合である炭素 – フッ素結合（F – C）を持つため分解されにくく、2018年のワシントン・ポスト紙の論説を受けて「永遠の化学物質（英語：Forever Chemicals）」と呼ばれている。PFASのうち、ペルフルオロオクタン酸(PFOA) 、ペルフルオロオクタンスルホン酸(PFOS)などの物質については、人体に蓄積し、毒性があり、環境汚染物質と知られている。なおすべてのPFASが人体に有害であるわけではない。

PFAS構造図

PFASの人体への影響

出典：Wikiペルフルオロアルキル化合物及びポリフルオロアルキル化合物

バイオ炭とは、生物資源を材料とした、生物の活性化および環境の改善に効果のある炭化物のことです。 日本バイオ炭普及会によると、バイオ炭は、難分解性の炭素を農地に固定し、土壌改良資材として使用することで、気候変動対策に貢献する吸収源活動です。 また、バイオ炭は、食品ロスや木材、廃棄物などの生物資源を「炭化」したもので、燃焼しない水準に管理された酸素濃度の下、350℃超えの温度でバイオマスを加熱して作られる固形物と定義されています。

バイオ炭は、生物資源を原料とし、酸素の少ない状態で加熱して作られる固形物です。木材や竹、農業廃棄物など、さまざまな生物資源から作ることができます。
バイオ炭には、以下の3つの特徴があります。

• 炭素貯留性
• 土壌改良性
• 水質浄化性

炭素貯留性

バイオ炭は、炭素を大量に含んでいます。バイオ炭を土壌に施用することで、土壌中に炭素を貯留することができます。

土壌改良性

バイオ炭は、土壌の透水性や保水性、団粒性を改善する効果があります。また、土壌の酸度を中和する効果もあります。

水質浄化性

バイオ炭は、水中の汚染物質を吸着する効果があります。また、水中の微生物の活性化を促す効果もあります。

バイオ炭の用途

• 土壌改良
• 温室効果ガス削減
• 水質浄化
• 飼料添加
• 肥料
• 燃料

バイオ炭の期待される効果

• 温室効果ガス削減
• 土壌保全
• 農業生産性向上
• 水質保全
• 災害リスク軽減

バイオ炭の課題

• 製造コストの高さ
• 製造時のエネルギー消費量
• 土壌への影響

まとめ

バイオ炭は、炭素貯留性、土壌改良性、水質浄化性などの特徴を有する、注目されている素材です。バイオ炭の普及が進むことで、温室効果ガス削減や環境保全に貢献することが期待されています。

出典：日本バイオ普及会　ChatGPT 及び Bard

2024年現在も、日本は深刻な木材不足に直面しており、建設や家具などの木材需要に対して供給が追いついていない状況です。

＜2021年から続くウッドショックの影響＞

2021年から2022年にかけて発生したウッドショックの影響は、2024年現在も依然として続いています。ウッドショックとは、北米を中心とした木材供給量の減少と需要の急増により、世界的に木材価格が高騰した現象です。

• 住宅メーカーや木材業者は、木材調達の困難や価格高騰の影響を受け続けています。
• 新築住宅の建築費用上昇や、木材を使った家具の価格改定などが相次いでいます。

＜構造的な木材不足の背景＞

ウッドショック以外にも、日本の木材不足には構造的な背景が存在します。

• 国内産木材の伐採量の減少：戦後の高度経済成長期における住宅建設ラッシュで大量の木材が伐採された後、植林活動が十分に行われず、現在伐採できる木材量が減っています。
• 山間部の過疎化と林業従事者の減少：山間部の過疎化が進み、林業に従事する人が減少しています。
• 海外からの木材輸入量の増加：日本の経済成長に伴い、木材需要が急増し、国内産木材だけでは需要を満たせなくなり、海外からの木材輸入量が増加しています。
• 木材自給率の低さ：2020年の木材自給率は37％で、過去最低の水準となっています。

＜政府の取り組みと課題＞

木材不足の解決に向けて、政府は様々な取り組みを進めています。

• 国産材の利用促進：国産材の品質向上や流通の円滑化、国産材利用に関する補助金制度の拡充、木造建築に関する技術開発など
• 森林資源の管理・整備：植林活動の推進、山間部の森林管理の強化、森林の多面的機能の維持・向上
• 海外からの木材輸入の安定化：輸出国との連携強化、輸送手段の多様化

しかし、これらの取り組みは長期的な視点での継続が必要であり、短期的には木材不足の解消は難しい状況です。

＜2024年における木材価格の動向＞

2024年における木材価格の動向は、引き続き不透明な状況です。

• ウッドショックの影響や世界経済の動向によって、木材価格が上下に変動する可能性があります。
• 短期的な視点では、木材価格の高止まりが続く可能性が高いと考えられます。
• 中長期的な視点では、国産材の利用促進や森林資源の管理・整備などの取り組みが奏功し、木材価格が安定化する可能性もありますが、現時点では明確な展望はありません。

出典：Gemini

有機汚泥の炭化物、いわゆる「バイオチャー（biochar）」は、多岐にわたる用途があります。以下に主要な使用用途を挙げます：

1. 土壌改良剤

• 土壌肥沃度の向上：バイオチャーは土壌の物理的特性を改善し、水分保持能力を高め、土壌の通気性を良くします。
• 栄養分の保持：多孔質構造により、肥料や栄養素を吸着してゆっくり放出するため、作物の成長を助けます。
• pH調整：酸性土壌の中和に役立ち、植物の成長環境を最適化します。

2. 環境保護

• 炭素の固定：バイオチャーは炭素を安定した形で土壌に固定するため、温室効果ガスの削減に貢献します。
• 水質浄化：水中の重金属や有害物質を吸着し、浄化に寄与します。

3. 廃水処理

• 吸着材としての利用：バイオチャーはその多孔質構造により、有害物質や汚染物質を効率よく吸着します。これにより、工業廃水や都市下水の浄化に使用されます。

4. エネルギー源

• 固形燃料：バイオチャーは高エネルギー密度を持つため、固形燃料として利用可能です。また、炭化プロセス中に生成されるガスもエネルギー源として利用されます。

5. 建築材料

• コンクリートやアスファルトの補強材：バイオチャーを添加することで、材料の強度や耐久性を向上させることができます。

6. 飼料添加物

• 動物飼料の品質向上：バイオチャーを飼料に混ぜることで、消化器系の健康を促進し、家畜の成長を助けます。

7. バイオフィルター

• 大気浄化：工場や農場から排出されるガスの浄化にバイオチャーを使用し、有害物質や臭気を吸着します。

8. 園芸用資材

• 培養土の改良：鉢植えや庭園の土壌に混ぜることで、植物の成長を促進します。

9. カーボンクレジット

• 炭素取引：バイオチャーを利用することで、カーボンオフセットの一環としてカーボンクレジットを取得し、温室効果ガス排出削減のための経済的インセンティブを得ることができます。

これらの用途は、有機汚泥の炭化物が環境保全や持続可能な農業、エネルギー効率の向上に貢献する可能性を示しています。

出典：ChatGPT

コークスは、鉄鋼製造などで重要な還元剤として使用されていますが、持続可能性や環境負荷の観点から、コークスの代替として利用できる炭化物が注目されています。以下は、コークスの代替となり得る炭化物の具体例です。

1. バイオコークス（バイオ炭）

• 竹炭：竹から得られる炭は、高い密度と炭素含有量を持ち、鉄鉱石の還元に適しています。
• ココナッツ殻炭：高い炭素含有量と硬度があり、製鋼プロセスでのコークスの代替として利用可能です。

2. 農業廃棄物由来の炭化物

• 米の籾殻炭：シリカを含む米の籾殻炭は、特定の還元プロセスで利用できますが、鉄鋼製造にも適応可能な場合があります。
• トウモロコシの芯炭：高い炭素含有量があり、製鉄業での還元剤として有望です。

3. 食品廃棄物由来の炭化物

• コーヒーかす炭：コーヒーかすから得られる炭化物は、還元力が強く、金属の精錬や触媒のサポート材として利用できます。

4. 動物由来の炭化物

• 骨炭：骨から得られる炭化物は、リン酸カルシウムを含み、特定の化学工業での還元剤として使用されます。

5. 庭園廃棄物由来の炭化物

• 葉や草の炭：庭園廃棄物から得られる炭化物も還元剤として利用可能で、特に小規模な工業プロセスや農業用途に適しています。

利点と考慮点

利点

• 持続可能性：これらの代替炭化物は再生可能な資源から作られており、環境負荷が低い。
• 廃棄物の再利用：農業廃棄物や食品廃棄物を利用することで、廃棄物処理問題を軽減します。
• 炭素固定：炭化物を利用することで、二酸化炭素の排出を抑え、炭素を固定化できます。

考慮点

• 性能の安定性：コークスの代替として使用するためには、代替炭化物の性能が安定していることが重要です。
• 製造コスト：新しいプロセスを導入するためのコストと技術的な課題を考慮する必要があります。
• 供給の安定性：大量生産に対応するための安定した供給源が必要です。

具体例：バイオコークスの製造と利用

• 製造方法：バイオマス原料を炭化し、高温で処理してバイオコークスを生成します。
• 鉄鋼業での利用：高炉での鉄鉱石の還元プロセスにおいて、バイオコークスをコークスの代替として使用します。これにより、炭素排出量の削減が期待されます。

コークスの代替炭化物は、持続可能な鉄鋼製造と環境保全の両立を目指す上で重要な役割を果たす可能性があります。今後の研究と技術開発により、これらの代替炭化物の利用がさらに進むことが期待されます。

出典：ChatGPT

飲料粕（ビール粕、ワイン粕など）を炭化して得られる炭化物には、多くの利用用途があります。以下に具体的な用途を示します。

1. 土壌改良剤

• 肥沃度の向上：飲料粕炭化物は多孔質であり、土壌の水分保持能力や通気性を改善します。
• 栄養素の保持と放出：多孔質構造が肥料や栄養素を吸着し、必要に応じて徐々に放出します。
• pH調整：土壌の酸性度を調整し、植物の成長環境を改善します。

2. 吸着材

• 水質浄化：有害物質や重金属を吸着し、水の浄化に使用されます。
• 大気浄化：工業排水や農業排水中の汚染物質を吸着するために使用されます。

3. 飼料添加物

• 動物の健康促進：飲料粕炭化物を飼料に添加することで、家畜の消化器系の健康を改善し、成長を促進します。

4. バイオフィルター

• 脱臭と汚染物質の除去：養殖場や農業施設での臭気や汚染物質を除去するためのフィルターとして使用されます。

5. エネルギー源

• 固形燃料：高エネルギー密度を持ち、固形燃料として利用できます。
• 発電：バイオマス発電の燃料として利用され、再生可能エネルギー源として役立ちます。

6. 建材

• コンクリートの補強材：炭化物をコンクリートに混ぜることで、強度や耐久性を向上させることができます。

7. 炭素の固定

• 炭素吸収：炭化物として土壌に埋めることで、二酸化炭素の固定化を図り、気候変動対策に寄与します。

8. 農業用途

• 堆肥の改善：堆肥に混ぜることで、その品質を向上させ、土壌の健康を促進します。
• 害虫駆除：土壌に混ぜることで、特定の害虫を抑制する効果が期待されます。

9. 健康・美容

• 化粧品原料：飲料粕炭化物は、肌の浄化やデトックス効果を持つ成分として化粧品に利用されることがあります。

利点と考慮点

利点

• 持続可能性：廃棄物を有効活用するため、環境負荷が低く、持続可能な方法です。
• 経済的価値：廃棄物から高価値の製品を生産することで、経済的価値を創出します。
• 多機能性：多くの用途に適しており、さまざまな産業で利用可能です。

考慮点

• 製造コスト：炭化プロセスにはエネルギーが必要であり、コスト効率を考慮する必要があります。
• 品質管理：炭化物の品質は原料やプロセスに依存するため、安定した品質を保つための管理が重要です。

飲料粕炭化物は、環境保護、持続可能な農業、エネルギー効率の向上など、さまざまな分野での利用が期待されています。適切な技術と管理によって、そのポテンシャルを最大限に引き出すことができます。

出典：ChatGPT

熱分解装置 Biogreen

Spirajouleは国際特許取得済みの熱分解装置です。Biogreenシステムの心臓部と言えます。最適な熱分解処理は滞留時間と加熱温度の調整で行います。この調整がこの装置では簡単に行えます。

熱分解装置 Spirajouleは 電気式です。火気、石油燃料を一切使用しないため、地球温暖化ガスが発生しない脱炭素装置です。しかも連続式です。
熱分解は 無酸素状態の密閉された Spirajoule 熱分解装置内のスクリューで行われます。スクリューへ電流を通しそのジュール熱で投入された原料を加熱し熱分解を行なっています。そのスクリューが回転することで原料を熱分解を行ないながら搬送しています。
熱分解の温度はジュール熱の大きさで調整し、原料の滞留時間はスクリューの回転数調整により行ないます。その調整はいずれも制御盤のタッチパネルで簡単にできます。熱分解で最も重要な温度と滞留時間の調整は電気式のため簡単に行なえるとも言えます。火気、石油燃料を使用する装置と比較しても非常に安全で衛生面で優れています。又、処理はバッチ式ではなく連続式ですので人を張り付ける必要がありません。

Spirajoule 熱分解装置

Biogreen は投入された原料を無酸素での加熱、熱分解を行ないます。熱分解により原料より炭素分のみを残し、原料に含まれる可燃性ガス等の合成ガスを発散させます。投入原料を選ばず、熱分解処理でガス、炭、オイルを製造発生させそれぞれが利活用ができ、その廃棄物が持つエネルギーは最大限利活用され廃棄物はなくなります。
Biogreen の熱分解処理は化石燃料、火気は一切使用しない低圧電流のジュール効果で行なう電気での加熱そして連続式での運転のため、24時間連続運転が可能で運転状況はモニターで監視し、運転管理操作はタッチパネルで楽にでき、人手を必要としません。Biogreen は国際特許技術で他にはない独自の熱分解装置ですが、構造は単純で部品点数は少なく壊れにくくメンテナンスは楽で長持ちし長時間使用ができます。熱分解処理にとり非常に重要な温度、機内滞留時間の管理調整はモニターで管理しタッチパネル操作で簡単にでき、安全衛生面でもとても優れています。装置の設置面積は小さくコンパクトでコンテナー内設置も可能で移動もでき、場所を選びません。
Biogreen は熱分解時の加熱温度によりガス、炭化物を作り出す産出の割合が異なります。そのため、熱分解装置 Biogreen は炭化装置、炭化炉あるいはガス化装置、ガス化炉とも言えます。熱分解後のその産出製造物の利用目的に合わせ加熱温度の調整を行ないますが、その温度調整、管理は、Biogreenであれば電気加熱式ですので簡単に確実に行なえます。又、その加熱は石油燃料を一切使用せず火気は未使用のため安全衛生面、運転操作面で火気使用熱分解装置、炭化炉、ガス化炉と比較すると非常に優れていると言えます。

ガス化

油　化

炭化、半炭化