下水汚泥および木質系バイオ炭吸着剤によるPFAS汚染土壌の安定化 -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、環境科学を対象とする科学雑誌 Science of the Total Environment （サイエンス・オブ・ザ・トータル・エンバイロメント）に掲載され、下記はその内容の抜粋です。-3

2.1. 化学物質

サンプル抽出と分析に使用した化学物質には、ケンブリッジ・アイソトープ・ラボラトリーズから購入した3種類の同位体標識内部標準物質(IS)が含まれます。PFOS-13C8(99%)、PFOA-13C8(99%)、6:2 FTS-13C2(99%)です。
VWR Chemicals(ノルウェー、トロンハイム)のHPLC勾配グレードのメタノール(99.8%以上)および酢酸エチル(EtOAc、99.7%以上)、ならびにMerck(ドイツ、ダルムシュタット)の酢酸アンモニウム(98.0%以上)を使用した。水は、Milli-QグレードQ-option Elga Labwaterシステム(Veolia Water Systems LTD、英国)を使用して浄化した。
PFAS分析には、39のターゲット分析物(TA)が含まれた。39のTAと3つの内部標準物質(IS)の略語、CAS番号、分子構造、分子量の完全なリストは、補足情報(表S.4)に記載されている。
TAは、Buckら(2011年)に従って、短鎖(パーフルオロカーボン-CFが6倍以下)または長鎖(パーフルオロカーボン-CFが6倍超)のいずれかに分類される。

2.2. 汚染土壌

本研究で使用したPFAS汚染土壌は、オスロ地域のノルウェー民間空港にあった、AFFFが使用されていた旧消防訓練施設から採取したものである。この地域は主に砂で構成される氷河性沖積層である。
この場所の詳細については、Høisæter et al. (2019) および Høisæter and Breedveld (2022) を参照のこと。 AFFF による汚染ホットスポットの土壌は、以前に掘削され、廃棄物処理場に堆積されていた。そこでは、ランダムな複数回グラブサンプリングによって、本研究のためのサブサンプルが採取されるまで、土壌は乾燥状態で保管されていた。
土壌は約48時間60℃で乾燥され、手動でふるいにかけられ、大きな繊維や粒(4mm以上)が取り除かれた。研究対象の土壌は、TOC含有量が低く(0.57 ± 0.04 %)、pHが6.2 ± 0.1、AlおよびFe濃度がそれぞれ29.7 ± 0.6 g/kgおよび21.3 ± 0.6 g/kgの中程度の砂であった。

2.3. バイオ炭吸着剤の原料

産業関連の中規模熱分解装置で6種類のバイオ炭が製造された。そのうち1種類はクリーンなバイオマス原料(クリーンな木製チップ、CWC)から、5種類は汚染有機廃棄物原料から製造された(表1)。
汚染有機廃棄物原料には、3つの異なる下水処理場(WWTP)から得た下水汚泥(そのうちの1つは、前述の汚染土壌と同じ汚染源からPFASで汚染されたもの)と、汚染木材廃棄物/残渣の1種類が含まれていた。
バイオ炭の製造に使用された4種類の汚染原料は、Sørmoら(2023)によって分析され、熱分解前にすべてPFASが含まれていることが判明した(55.6~3651μg/kg)。一方、製造されたバイオ炭は、PFASの濃度がごく微量(1μg/kg以下)であった。
様々な原料は、熱分解前に乾燥され、40×8mmの大きさにペレット化された。4種類の未活性廃棄物由来のバイオ炭と参照バイオ炭の詳細な説明と特性はSørmo et al. (2023)に記載されており、aWTはSørmo et al. (2021)に記載されている。

表1

2.4. 熱分解と賦活化

非賦活バイオ炭の生産は、ETIA Ecotechnologies(現在はVOW ASAの一部門、ノルウェー、リサーカー)が製造した電気加熱式Biogreen©中型(1~5kg/時のバイオ炭)熱分解装置を使用して行われた。
活性化aWTバイオ炭は、実験用熱分解装置PYREKA(Pyreg、ドイツ)を使用して製造された。この装置では、原料炭素に化学量論的な1対1の比率でCO2を添加する1段階の熱分解および活性化プロセスにより、aWTバイオ炭が製造された。
熱分解技術と操作条件については、ETIAユニットについてはSørmoら(2023)が、PYREKAユニットについてはSørmoら(2021)が詳細に説明している。
6つのバイオ炭サンプルは、レッチェ社のISO 9001ボールミルで80rpm、10分間粉砕し、微粉末(D < 1 mm)にした。
すべてのサンプルに同じ粉砕処理を施したにもかかわらず、バイオ炭吸着剤の粒度分布は変化し、その結果、吸着速度に影響を与える可能性がある。

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。

同位体標識内部標準物質（IS）とは、分析対象物質の安定同位体を一部置換した化合物のことです。分析対象物質と化学的性質がほぼ同じでありながら、質量数が異なるため、質量分析計で容易に区別することができます。

なぜ同位体標識内部標準物質が必要なのか？

• 定量精度の向上:
  • 分析過程における試料の損失や回収率の変動の影響を補正することができます。
  • 分析装置の感度変動やマトリックス効果の影響を軽減できます。
• 定量値の信頼性向上:
  • 分析対象物質の濃度を絶対値で正確に測定することができます。
• 複雑なマトリックス中の微量成分の定量:
  • 他の成分との分離が困難な場合でも、同位体パターンを比較することで目的成分を特異的に検出できます。

同位体標識内部標準物質の利用例

• 医薬品分析:
  • 血中薬物濃度測定
  • 代謝物分析
• 環境分析:
  • 残留農薬分析
  • ダイオキシン類分析
• 食品分析:
  • 食品添加物分析
  • 天然物成分分析

同位体標識内部標準物質の選び方

• 分析対象物質との化学的性質:
  • 構造が類似していることが理想です。
• 標識位置:
  • 分析に影響を与えない位置に標識されていることが重要です。
• 標識原子:
  • 重水素（D）、炭素13（¹³C）、窒素15（¹⁵N）、酸素18（¹⁸O）などがよく使用されます。
• 濃度:
  • 分析対象物質の濃度に合わせて適切な濃度を選択します。

まとめ

同位体標識内部標準物質は、質量分析による定量分析において、その精度と信頼性を大幅に向上させるための強力なツールです。特に、複雑なマトリックス中の微量成分の定量や、絶対定量が必要な場合に有効です。

出典：Gemini

HPLC（高速液体クロマトグラフィー）は、複雑な混合物を分離・分析する上で不可欠な技術です。その分離性能を最大限に引き出すためには、高純度の移動相が求められます。中でも、勾配分析においては、移動相の組成を連続的に変化させるため、溶媒の純度が特に重要となります。

勾配グレード溶媒とは？

勾配グレード溶媒とは、HPLCの勾配分析に特化して作られた高純度の有機溶媒と水の混合液です。一般的なHPLCグレードの溶媒よりもさらに厳しい純度基準を満たしており、以下の特徴を持ちます。

• 低UV吸光度: 分析対象物の検出を妨げるバックグラウンドノイズを最小限に抑えます。
• 低イオン含有量: カラムの寿命を延ばし、分析結果の再現性を向上させます。
• 低粒子数: HPLCシステムの目詰まりを防ぎ、安定した流速を維持します。
• 低酸化物含有量: 酸化しやすい試料の分析に適しています。

勾配グレード溶媒がなぜ必要なのか？

勾配分析では、移動相の組成を徐々に変化させることで、異なる極性の化合物を順次溶出し、分離します。この際、溶媒中の不純物が検出器にノイズとして現れたり、カラムの性能を低下させたりすることがあります。

勾配グレード溶媒の選び方

勾配グレード溶媒を選ぶ際には、以下の点に注意しましょう。

• 分析対象物: 分析する物質の極性や安定性に合わせて、適切な溶媒を選択します。
• カラム: 使用するカラムの耐薬品性や推奨溶媒を考慮します。
• 検出器: 検出器の種類によっては、溶媒の選択が制限される場合があります。
• 純度: 勾配グレード溶媒は、一般的にHPLCグレードよりも高純度ですが、さらに高純度なものが求められる場合もあります。

勾配グレード溶媒の主な種類

• 水: 超純水やミリQ水などが使用されます。
• 有機溶媒: メタノール、アセトニトリル、テトラヒドロフランなどがよく使用されます。

勾配グレード溶媒の注意点

• 保存: 溶媒は密閉容器に入れて、冷暗所で保存します。
• 混入: 他の溶媒や試薬との混入を防ぎます。
• 脱気: 溶媒中に溶解しているガスは、バブルの発生やベースラインのドリフトの原因となるため、脱気処理を行います。

まとめ

勾配グレード溶媒は、HPLC分析において、高品質なデータを得るために不可欠な試薬です。適切な溶媒を選ぶことで、分析の再現性向上やトラブルの防止に繋がります。

出典：Gemini

AFFF は、Aqueous Film Forming Foam の略で、日本語では水膜形成フォームと訳されます。主に火災時に燃料火災を消火するために使用される消火剤の一種です。

AFFFの働き

AFFFは、水と特別な界面活性剤を組み合わせたもので、以下の特徴を持っています。

• 水膜形成: 燃焼面上に薄い水膜を形成し、酸素と燃料の接触を遮断することで消火します。
• 広範囲な消火: 水よりも広範囲に液面を覆うことができ、迅速な消火が可能です。
• 再燃防止: 冷却効果が高く、再燃防止に効果があります。
• 油水界面での消火: 油火災だけでなく、油水界面での火災にも効果を発揮します。

AFFFの種類

AFFFには、主に以下の2種類があります。

• フッ素系AFFF:
  • 消火性能が高く、広範囲な火災に対応できます。
  • 環境への影響が懸念されており、一部の国では使用が規制されています。
• フッ素フリーAFFF:
  • 環境負荷が低く、フッ素系AFFFの代替品として注目されています。
  • 消火性能はフッ素系に劣る場合がありますが、技術開発が進んでいます。

AFFFの問題点

• 環境汚染: フッ素系AFFFに含まれるPFAS（パーフルオロアルキル物質）は、環境中での分解性が低く、生態系や人体に悪影響を及ぼす可能性があります。
• 人体への影響: PFASは、人体に蓄積し、免疫機能の低下や発がん性などの健康被害を引き起こす可能性が指摘されています。

AFFFの代替品

環境問題への意識の高まりから、AFFFの代替品として、以下のものが研究開発されています。

• フッ素フリーAFFF: 上記の通り、環境負荷の低いAFFFです。
• フィルムフォーミングフォーム濃縮液: AFFFの機能を維持しつつ、環境負荷を低減させた濃縮液です。
• その他の消火剤: 水溶性ポリマーや炭酸水素ナトリウムなどを用いた消火剤などが開発されています。

まとめ

AFFFは、火災時に迅速な消火を行う上で非常に有効な消火剤ですが、環境への影響が懸念されています。そのため、近年では環境負荷の低い代替品の開発が進められています。

出典：Gemini

短鎖PFASとは、パー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（PFAS）の一種で、炭素鎖が短いPFASのことを指します。

PFASとの比較

PFASは、炭素とフッ素が強く結合した構造を持つ、非常に安定な人工化合物です。この安定性ゆえに、自然界では分解されにくく、環境中に蓄積されやすいという特徴があります。

• 長鎖PFAS: 炭素鎖が長く、環境中での残留性や生体蓄積性が高いことが特徴です。
• 短鎖PFAS: 炭素鎖が短く、長鎖PFASに比べて分解されやすく、環境への負荷が低いと考えられてきました。

短鎖PFASの特徴

• 炭素鎖が短い: 分子構造の中に、炭素原子が長く連なった鎖を持つ長鎖PFASと異なり、炭素鎖が短いです。
• 分解性: 長鎖PFASに比べて分解されやすく、環境中での残留性が低いと考えられてきました。
• 新たな課題: 一部の短鎖PFASは、長鎖PFASに代わる物質として注目されてきましたが、近年、一部の短鎖PFASにも環境への悪影響や健康へのリスクが指摘されるようになってきました。

短鎖PFASの問題点

• 新たな環境汚染物質: 一部の短鎖PFASは、環境中での分解性が低いことが明らかになり、新たな環境汚染物質として注目されています。
• 健康への影響: 一部の短鎖PFASは、長鎖PFASと同様に健康への悪影響が懸念されています。
• 規制の動向: 短鎖PFASに対する規制も強化される傾向にあります。

出典：Gemini

長鎖PFASとは、パー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（PFAS）の一種で、その名の通り炭素鎖が長いPFASのことを指します。

長鎖PFASの特徴と問題点

• 炭素鎖が長い: 分子構造の中に、炭素原子が長く連なった鎖を持つため、長鎖PFASと呼ばれます。
• 環境への残留性: 長い炭素鎖が、環境中での分解を困難にし、土壌や水中に長期間残留する原因となります。
• 生体蓄積性: 生体内に蓄積されやすく、健康への影響が懸念されています。
• 難分解性: 強固な炭素-フッ素結合により、自然界での分解が非常に難しく、一度環境中に排出されると、長期にわたって残留する可能性があります。

出典：Gemini

TOC は “Total Organic Carbon” の略で、日本語では「全有機炭素」と呼ばれます。TOC 含有量は、水や土壌などのサンプル中に含まれる有機炭素の総量を示す指標です。有機炭素は、有機化合物に含まれる炭素のことを指し、これは自然由来のものや人為的な汚染物質の両方が含まれる場合があります。

TOC 含有量の重要性

• 環境モニタリング: 水質管理において、TOC は汚染物質や栄養物質の量を示す重要な指標です。特に水道水や工業用水の品質管理に使われます。
• 廃水処理: 廃水処理施設では、TOC 測定が処理プロセスの効率や放流水の品質を確認するために用いられます。
• 土壌分析: 土壌中の有機炭素含有量は、土壌の肥沃度や微生物活動を評価するための指標となります。

測定方法

TOC を測定するためには、一般的に次の方法が使われます：

• 燃焼法: サンプルを高温で燃焼させ、生成された二酸化炭素を測定する方法です。
• 紫外線酸化法: 紫外線を使って有機物を酸化させ、生成された CO₂ を測定する方法です。
• 化学酸化法: 化学試薬を用いて有機物を酸化させ、その結果得られる CO₂ を測定します。

これらの測定法によって得られた数値が、TOC 含有量として報告されます。

出典：ChatGPT

化学において、「未活性」と「活性」という言葉は、物質の反応性や安定性を表す際に頻繁に使われます。これらの概念は、物質の構造や電子配置、そして周囲の環境との相互作用によって大きく左右されます。

未活性（不活性）とは？

• 定義: 外部からの刺激に対して反応しにくく、安定な状態にある物質のことです。
• 特徴:
  • 化学反応を起こしにくい。
  • 安定な電子配置を持つ。
  • 不燃性であることが多い。
  • 周囲の物質と結合しにくい。
• 例:
  • 希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴンなど）：最外殻電子が完全に満たされており、非常に安定しています。
  • 貴金属（金、プラチナなど）：電子配置が安定しており、酸化や腐食に強い物質です。

活性とは？

• 定義: 外部からの刺激に対して反応しやすく、不安定な状態にある物質のことです。
• 特徴:
  • 化学反応を起こしやすい。
  • 不安定な電子配置を持つ。
  • 可燃性であることが多い。
  • 周囲の物質と結合しやすい。
• 例:
  • アルカリ金属（ナトリウム、カリウムなど）：最外殻電子が1つしかないため、電子を放出しやすく、非常に反応性が高いです。
  • ハロゲン（フッ素、塩素など）：最外殻電子が7つしかないため、電子を受け取りやすく、非常に反応性が高いです。

活性と未活性の要因

物質の活性や未活性の度合いは、以下の要因によって決まります。

• 電子配置: 最外殻電子の数や配置によって、物質の安定性が決まります。
• 原子半径: 原子半径が小さいほど、核と外側の電子との結びつきが強く、安定になりがちです。
• 電気陰性度: 電気陰性度が大きいほど、電子を引きつける力が強く、安定になりがちです。
• 結合の種類: 単結合、二重結合、三重結合など、結合の種類によって反応性が変化します。
• 周囲の環境: 温度、圧力、溶媒の種類など、周囲の環境によって反応性が変化します。

まとめ

「未活性」と「活性」は、相対的な概念であり、物質の性質を簡潔に表現するための用語です。物質の反応性を理解するためには、その構造や電子配置、そして周囲の環境との相互作用を総合的に考える必要があります。

具体的な例

• 鉄: 空気に触れると酸化して錆びますが、金はほとんど酸化しません。これは、鉄の電子配置が不安定で、酸素と反応しやすいのに対し、金の電子配置が安定しており、酸化しにくいからです。
• アルミニウム: 水と反応して水素を発生させますが、ダイヤモンドは水と反応しません。これは、アルミニウムが金属であり、電子を放出しやすいのに対し、ダイヤモンドは炭素の共有結合でできているため、安定な物質であるからです。

その他

• 活性化エネルギー: 化学反応を起こすためには、ある程度のエネルギー（活性化エネルギー）が必要となります。
• 触媒: 触媒は、反応の活性化エネルギーを下げることで、反応速度を速める物質です。

応用

活性と未活性の概念は、化学反応の設計、物質の合成、材料開発など、幅広い分野で応用されています。例えば、安定な物質は医薬品や食品の保存に利用され、反応性の高い物質は化学合成の原料として利用されます。

出典：Gemini

化学量論とは、化学反応において、物質の量と間の関係を定量的に扱う学問分野です。より簡単に言うと、化学反応式に基づいて、反応に関わる物質の量を計算するためのルールや考え方のことです。

なぜ化学量論が必要なの？

化学実験や工業生産において、目的の物質を効率よく得るためには、反応に関わる物質の量を正確に把握することが重要です。化学量論は、この量的な関係を明らかにすることで、以下のことを可能にします。

• 必要な試薬の量を計算する: 実験や生産に必要な試薬の量を正確に計算することができます。
• 生成物の量を予測する: 反応によって生成される物質の量を予測することができます。
• 反応効率を評価する: 反応がどの程度効率よく進んでいるかを評価することができます。

化学量論の基本的な考え方

化学量論の基本的な考え方は、化学反応式に基づいています。化学反応式は、反応に関わる物質とその量の関係を、化学式を用いて表したものです。

例えば、水素と酸素が反応して水が生成される反応は、以下の化学反応式で表されます。

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2H₂ + O₂ → 2H₂O


この化学反応式は、2分子の水素と1分子の酸素が反応して、2分子の水が生成されることを示しています。

化学量論の計算

化学量論の計算では、以下の単位がよく用いられます。

• モル: 物質量を表す単位で、アボガドロ数（約6.02×10²³）個の粒子（原子、分子、イオンなど）が含まれます。
• グラム: 質量を表す単位です。
• リットル: 気体の体積を表す単位です。

これらの単位と、化学反応式から、物質間の量的な関係を計算することができます。

化学量論の応用

化学量論は、化学の様々な分野で応用されています。

• 合成化学: 目的の物質を合成するために、必要な試薬の量を計算します。
• 分析化学: 試料中の成分の量を定量的に測定します。
• 工業化学: 製品を製造する際の原料の量や生成物の量を計算します。

まとめ

化学量論は、化学反応を定量的に扱うための基礎的な考え方です。化学実験や工業生産など、化学が関わってくる様々な場面で、化学量論の知識は不可欠です。

出典：Gemini

**化学における賦活化（ふかつか）**とは、特定の物質の化学的活性を高めるために行われる処理や操作を指します。この処理によって、物質の反応性や触媒能力が向上し、目的とする化学反応がより効率的に進行するようになります。

賦活化の具体例

1. 触媒の賦活化:
   • 触媒は化学反応の速度を上げるために使用される物質ですが、使用する前や再利用する際に、賦活化が必要になることがあります。たとえば、金属触媒やゼオライトなどの固体触媒を高温で加熱したり、特定のガス環境にさらしたりして表面をクリーニングし、活性を高めることが行われます。
2. 活性炭の賦活化:
   • 活性炭の製造過程で、炭素材料を物理的または化学的に処理して、その表面積を増大させ、吸着能力を向上させることを指します。例えば、炭素材料を高温の蒸気や二酸化炭素などで処理して微細な孔を形成し、より多くの分子を吸着できるようにします。
3. 吸着剤の賦活化:
   • 吸着剤（たとえばシリカゲルや分子篩）は、再生可能な素材であり、使用後に賦活化されて再利用されます。これには、加熱や減圧によって吸着された物質を除去し、吸着剤の表面を再び有効にすることが含まれます。

賦活化の目的

化学における賦活化の主な目的は、物質の性能を最大限に引き出すことです。これによって、反応効率が向上し、プロセス全体のコスト削減や環境負荷の低減が可能になります。たとえば、触媒を賦活化することで、より少ない量の触媒で同じ量の生成物を得られるようにし、経済的かつ持続可能な化学プロセスを実現します

出典：ChatGPT

バイオ炭とは？

バイオ炭は、生物由来の有機物を酸素の少ない環境で高温で加熱し、炭化させることで得られる炭素に富んだ物質です。土壌改良剤、吸着剤、エネルギー源など、幅広い分野で活用されています。

賦活化とは？

賦活化は、物質の表面積を増やし、吸着能力や反応性を高める処理のことです。一般的に、高温でガスや薬品で処理することで行われます。

非賦活バイオ炭とは？

非賦活バイオ炭は、この賦活化処理を施していないバイオ炭です。つまり、表面積が小さく、吸着能力や反応性が低いという特徴があります。

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非賦活バイオ炭の特徴

• 表面積が小さい: 微細な孔が少ないため、表面積が小さく、他の物質を吸着する能力が低い。
• 反応性が低い: 表面官能基が少ないため、化学反応を起こしにくい。
• 密度が高い: 賦活化処理によって空隙が増えるため、非賦活バイオ炭は密度が高い。

非賦活バイオ炭の用途

賦活化処理を施していないため、吸着能力や反応性が低いという特徴から、非賦活バイオ炭は主に以下の用途に利用されます。

• 土壌改良剤: 土壌の物理性（保水性、通気性など）を改善し、土壌中の有機物を増やすことで土壌の肥沃度を高めます。
• 肥料: 植物に必要な栄養素をゆっくりと供給します。
• 飼料添加物: 家畜の消化を助け、成長を促進します。
• 建材: 軽量コンクリートの骨材などとして利用されます。

賦活バイオ炭との比較

特徴	非賦活バイオ炭	賦活バイオ炭
表面積	小さい	大きい
吸着能力	低い	高い
反応性	低い	高い
密度	高い	低い
主な用途	土壌改良、肥料、飼料	吸着剤、触媒、エネルギー貯蔵

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まとめ

非賦活バイオ炭は、賦活化処理を施していないため、表面積が小さく、吸着能力や反応性が低いという特徴を持ちます。しかし、土壌改良剤や肥料など、その特徴を生かした用途で利用されています。一方、賦活バイオ炭は、高い吸着能力や反応性を活かして、様々な分野で活用されています。

出典：Gemini

下水汚泥および木質系バイオ炭吸着剤によるPFAS汚染土壌の安定化 -1 / 熱分解装置 Biogreen / ガス化, 炭化, 油化

下水汚泥および木質系バイオ炭吸着剤によるPFAS汚染土壌の安定化 -2 / 熱分解装置 Biogreen / ガス化, 炭化, 油化

熱分解装置 Biogreen

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 Gemini

バイオコークスは、バイオマスと呼ばれる有機物を、高温で酸素を制限して熱分解（炭化）して作られる、石炭コークスに似た性質を持つ固形燃料です。木炭の一種と捉えることもできます。

従来のバイオマス燃料とは異なり、以下の特徴を持ちます。

• 圧縮強度が高い: 従来のバイオマス燃料よりも密度が高いため、輸送や貯蔵が容易で、燃焼効率も向上します。
• 高温環境下での長時間燃焼が可能: 石炭と同等の燃焼特性を持ち、高温で長時間燃焼することができます。
• 製造時に廃棄物を出さない: 燃焼工程で発生するガスは、発電や熱水供給に利用することができます。
• CO2排出量が少ない: 石炭コークスと比べて、CO2排出量が大幅に少ないカーボンニュートラルな燃料です。

原料となるバイオマス:

• 木くず、木片
• 農作物の残渣（稲わら、麦わら、トウモロコシの茎など）
• 食品残渣
• 動物の糞尿

製造方法:

• 従来の炭化法に加え、熱水蒸気法やスクリュー式炭化法などの新しい技術も開発されています。

バイオコークスの用途

バイオコークスは、様々な用途で利用することができます。

• 鉄鋼業: 高炉の燃料として利用することで、石炭コークスの代替となります。
• セメント製造: 窯の燃料として利用することで、CO2排出量を削減することができます。
• 発電: 発電所の燃料として利用することで、化石燃料に頼らない発電が可能になります。
• 暖房: 家庭や施設の暖房燃料として利用することができます。
• 土壌改良剤: バイオ炭を土壌に混ぜ込むことで、土壌の保水性や保肥性を向上させることができます。

バイオコークスのメリット

バイオコークスには、以下のようなメリットがあります。

• 石炭コークスの代替となる: バイオコークスは、石炭コークスの代替燃料として利用することで、CO2排出量を削減することができます。
• 再生可能エネルギー: バイオマスを原料としているため、再生可能エネルギー源として利用することができます。
• 廃棄物利用: 食品残渣や農作物の残渣などの廃棄物を有効活用することができます。
• 地域活性化: バイオコークスの製造・販売を通して、地域経済の活性化に貢献することができます。

バイオコークスの課題

バイオコークスには、以下のような課題もあります。

• コスト: バイオコークスの生産コストは、石炭コークスよりも高くなっています。
• 原料調達: バイオマスの安定的な調達が課題となっています。
• 規格・基準: バイオコークスの規格や基準はまだ十分に整備されていません。
• 公衆理解: バイオコークスに対する公衆理解が十分ではありません。

出典：Gemini

バイオ炭とバイオコークスは、いずれもバイオマスを利用して生成される炭素リッチな物質ですが、その生成プロセスや用途にはいくつかの違いがあります。

生成プロセスの違い

• バイオ炭:
  • 生成プロセス：バイオ炭は、バイオマスを低酸素環境で高温（通常350～700°C）で熱分解（ピロリシス）することによって生成されます。
  • 主な目的：土壌改良や炭素固定を目的としています。
• バイオコークス:
  • 生成プロセス：バイオコークスは、バイオマスを高温・高圧環境で処理して炭化（カーボナイゼーション）することによって生成されます。このプロセスでは、通常800～1200°Cの高温が使用されます。
  • 主な目的：高エネルギー密度の燃料として利用されます。

用途の違い

• バイオ炭:
  • 土壌改良材として使用され、土壌の保水性や通気性、肥沃度の向上に寄与します。
  • 炭素固定材として、二酸化炭素の長期貯留に役立ちます。
  • 環境保護材として、土壌中の有害物質の吸着や浄化にも利用されます。
• バイオコークス:
  • 固体燃料として、発電所、製鉄所、セメント工場などで使用されます。
  • 家庭用の暖房や調理用燃料としても利用可能です。

特性の違い

• バイオ炭:
  • 多孔質で軽量
  • 主に土壌に混ぜることでその効果を発揮
  • 土壌改良と炭素固定に優れている
• バイオコークス:
  • 高エネルギー密度で重い
  • 燃焼時に高い熱エネルギーを発生
  • 硫黄や灰分が少なく、クリーンな燃料として使用可能

結論

バイオ炭とバイオコークスは、バイオマスの利用による持続可能な技術ですが、用途や生成プロセス、特性が異なります。バイオ炭は主に土壌改良と環境保護に、バイオコークスは高エネルギー密度の燃料として利用されます。

 

出典：ChatGPT

バイオ炭をコンクリートの骨材として利用することは、近年注目されている非常に興味深い取り組みです。この手法は、環境負荷の低減と新たな可能性を秘めています。

バイオ炭をコンクリート骨材として利用するメリット

• CO2固定化: バイオ炭は、植物由来の有機物を酸素の少ない環境で高温加熱して作られます。この過程でCO2が固定されるため、大気中のCO2濃度を削減する効果が期待できます。
• 強度向上: バイオ炭の多孔質構造は、コンクリートとの間に良好な界面を形成し、コンクリートの強度を向上させる可能性があります。
• 耐久性向上: バイオ炭の添加により、コンクリートの耐久性が向上するとの報告もあります。これは、バイオ炭の吸水性やアルカリ耐性によるものと考えられています。
• 軽量化: バイオ炭は軽量であるため、コンクリートの軽量化に貢献し、輸送や施工の際の負荷を軽減できます。
• 廃棄物利用: 農業廃棄物などを原料とするバイオ炭の利用は、廃棄物処理問題の解決にもつながります。

バイオ炭をコンクリート骨材として利用する課題

• 品質の安定化: バイオ炭の品質は、原料や製造条件によって大きく変動するため、コンクリートの品質に安定して影響を与えることが難しいという課題があります。
• コスト: 現時点では、バイオ炭の製造コストが高いため、コンクリートの製造コストを上昇させる可能性があります。
• 長期的な耐久性: バイオ炭の長期的な耐久性については、まだ十分なデータが蓄積されていません。
• 大規模な生産体制: バイオ炭をコンクリートの骨材として大量に利用するためには、大規模な生産体制を構築する必要があります。

今後の展望

バイオ炭をコンクリートの骨材として利用する技術は、まだ発展途上ですが、その可能性は非常に高いです。今後、以下の点が期待されます。

• バイオ炭の品質管理: バイオ炭の品質を安定化させるための技術開発
• コスト削減: バイオ炭の製造コストを削減するための技術開発
• 長期的な耐久性評価: バイオ炭を混入したコンクリートの長期的な耐久性評価
• 大規模な実証実験: 実用化に向けた大規模な実証実験

バイオ炭コンクリートは、カーボンニュートラルな社会の実現に向けて重要な役割を果たすことが期待されています。

出典：Gemini

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

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。

下記パンフレットはこちらをクリック頂ければダウンロードできます。

Spirajoule 連続式電気炉

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