Co-pyrolysis of plastic and wood for chemical feestock recovery

• Project/Area Number: 19H04306
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 64030:Environmental materials and recycle technology-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Kumagai Shogo 東北大学, 環境科学研究科, 助教 (40757598)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉岡 敏明 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (30241532)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2021: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2020: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2019: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
• Keywords: 共熱分解 / プラスチック / バイオマス / リサイクル / シナジー効果 / ガス化促進 / ガスクロマトグラフィー

Outline of Research at the Start

既存技術ではリサイクル困難なプラスチック/木質バイオマス混合廃棄物を、既存のガス・石油精製および化学原料設備に供給可能なガスおよびオイルに転換する共熱分解プロセスを確立する。申請者はこれまで、プラとバイオマスを共に熱分解（共熱分解）すると、プラとバイオマスの熱分解生成物同士が相互作用する現象を見出してきた。本研究は、３つのシナジー効果：①チャー抑制、②ガス化促進、③液化促進を「狙って」最大化する共熱分解制御法を確立するため、生成物収率およびシナジー効果に及ぼすプラ・バイオマス混合法および熱分解方法（熱分解ガス接触方法、温度、反応時間等）の影響を定量的にかつ化学反応レベルで明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

This project investigated pyrolytic synergistic interactions during co-pyrolysis of biomass and plastic. We achieved enhanced gasification and liquefaction and inhibited char formation by controlling pyrolytic synergistic interactions.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

混合するプラスチック種、バイオマス種、混合比、熱分解方法をコントロールすることによって、ガス化および液化の促進、チャーを抑制するシナジー効果を発現できることが明らかにした。熱分解法そのものは一般的な手法であり、廃プラスチックやバイオマスを化学原料に転換するために適用されることは珍しくないが、共熱分解における相互作用の制御を目的とした本研究のアプローチは新しい。本研究のアイデアをより発展させることで、プラスチックやバイオマスから、より効果的に化学原料を回収する事が可能になると期待しており、資源循環やカーボンニュートラルの実現に貢献する。

Research Products

• [Journal Article] Latest Trends in Pyrolysis Gas Chromatography for Analytical and Applied Pyrolysis of Plastics (2021)
  • Author(s): KUMAGAI Shogo、YOSHIOKA Toshiaki
  • Journal Title: Analytical Sciences Volume: 37 Issue: 1 Pages: 145-157
  • DOI: 10.2116/analsci.20SAR04
  • NAID: 130007966715
  • ISSN: 0910-6340, 1348-2246
  • Year and Date: 2021-01-10
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantification of Cellulose Pyrolyzates via a Tube Reactor and a Pyrolyzer-Gas Chromatograph/Flame Ionization Detector-Based System (2021)
  • Author(s): Kumagai Shogo、Takahashi Yusuke、Kameda Tomohito、Saito Yuko、Yoshioka Toshiaki
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 6 Issue: 18 Pages: 12022-12026
  • DOI: 10.1021/acsomega.1c00622
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chemical Feedstock Recovery from Hard-to-Recycle Plastics through Pyrolysis-Based Approaches and Pyrolysis-Gas Chromatography (2021)
  • Author(s): Kumagai Shogo、Yoshioka Toshiaki
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 94 Issue: 10 Pages: 2370-2380
  • DOI: 10.1246/bcsj.20210219
  • NAID: 130008117209
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Latest Trends and Challenges in Feedstock Recycling of Polyolefinic Plastics (2020)
  • Author(s): KUMAGAI Shogo、NAKATANI Jun、SAITO Yuko、FUKUSHIMA Yasuhiro、YOSHIOKA Toshiaki
  • Journal Title: Journal of the Japan Petroleum Institute Volume: 63 Issue: 6 Pages: 345-364
  • DOI: 10.1627/jpi.63.345
  • NAID: 130007934334
  • ISSN: 1346-8804, 1349-273X
  • Year and Date: 2020-11-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhancement of gasification and liquefaction during fast co-pyrolysis of cedar wood and polyethylene through control of synergistic interactions (2020)
  • Author(s): Kasataka Koyo、Kumagai Shogo、Kameda Tomohito、Saito Yuko、Yoshioka Toshiaki
  • Journal Title: Bioresource Technology Reports Volume: 11 Pages: 100431-100431
  • DOI: 10.1016/j.biteb.2020.100431
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Combining pyrolysis?two-dimensional gas chromatography?time-of-flight mass spectrometry with hierarchical cluster analysis for rapid identification of pyrolytic interactions: Case study of co-pyrolysis of PVC and biomass components (2020)
  • Author(s): Kumagai Shogo、Matsukami Asami、Kabashima Fumie、Sakurai Masafumi、Kanai Michiko、Kameda Tomohito、Saito Yuko、Yoshioka Toshiaki
  • Journal Title: Process Safety and Environmental Protection Volume: 143 Pages: 91-100
  • DOI: 10.1016/j.psep.2020.06.036
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct Gas-Phase Derivatization by Employing Tandem μ-Reactor-Gas Chromatography/Mass Spectrometry: Case Study of Trifluoroacetylation of 4,4′-Methylenedianiline (2020)
  • Author(s): Nishiyama Yuya、Kumagai Shogo、Kameda Tomohito、Saito Yuko、Watanabe Atsushi、Watanabe Chuichi、Teramae Norio、Yoshioka Toshiaki
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 92 Issue: 22 Pages: 14924-14929
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.0c01830
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temperature-dependent pyrolysis behavior of polyurethane elastomers with different hard- and soft-segment compositions (2020)
  • Author(s): Yuya Nishiyama, Shogo Kumagai, Suguru Motokucho, Tomohito Kameda, Yuko Saito, Atsushi Watanabe, Hisayuki Nakatani, Toshiaki Yoshioka
  • Journal Title: Journal of Analytical and Applied Pyrolysis Volume: 145 Pages: 104754-104754
  • DOI: 10.1016/j.jaap.2019.104754
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impacts of Pyrolytic Interactions during the Co-pyrolysis of Biomass/Plastic: Synergies in Lignocellulose-Polyethylene System (2019)
  • Author(s): Shogo Kumagai, Kohei Fujita, Yusuke Takahashi, Tomohito Kameda, Yuko Saito, Toshiaki Yoshioka
  • Journal Title: Journal of the Japan Institute of Energy Volume: 98 Issue: 9 Pages: 202-219
  • DOI: 10.3775/jie.98.202
  • NAID: 130007719991
  • ISSN: 0916-8753, 1882-6121
  • Year and Date: 2019-09-20
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impact of Common Plastics on Cellulose Pyrolysis (2019)
  • Author(s): Shogo Kumagai, Miki Yamamoto, Yusuke Takahashi, Tomohito Kameda, Yuko Saito, Toshiaki Yoshioka
  • Journal Title: Energy & Fuels Volume: 33 Issue: 7 Pages: 6837-6841
  • DOI: 10.1021/acs.energyfuels.9b01376
  • Peer Reviewed
• [Presentation] プラスチックを取り巻く状況とリサイクル研究開発事例 (2022)
  • Author(s): 熊谷将吾
  • Organizer: 日本電子回路工業会実装委員会勉強会
  • Invited
• [Presentation] ケミカルリサイクルのフロンティアを追い求めて－研究教育院生採択からの10年間－ (2021)
  • Author(s): 熊谷将吾
  • Organizer: 第6回 FRIS/DIARE Joint Workshop
  • Invited
• [Presentation] Potential of pyrolytic synergistic interactions during co-pyrolysis of plastic and biomass (2021)
  • Author(s): Shogo Kumagai, Tomohito Kameda, Yuko Saito, Toshiaki Yoshioka
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Latest Trends and Challenges in Feedstock Recycling Technologies for Waste Plastics (2021)
  • Author(s): Shogo Kumagai, Jun Nakatani, Yuko Saito, Tomohito Kameda, Hajime Ohno, Yasuhiro Fukushima, Toshiaki Yoshioka
  • Organizer: The 14th Biennial International Conference on EcoBalance
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Co-pyrolysis of cellulose and polyethylene: Prediction of pyrolyzate yields using response surface methodology (2021)
  • Author(s): Shengyu Xie, Shogo Kumagai, Tomohito Kameda, Yuko Saito, Toshiaki Yoshioka
  • Organizer: The 7th 3R International Scientific Conference on Material Cycles and Waste Management
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 熱分解-ガスクロマトグラフ/マルチ検出器を用いたポリマー熱分解物の同時検出 (2021)
  • Author(s): 生田 大地, 熊谷 将吾, 亀田 知人, 齋藤 優子, 吉岡 敏明
  • Organizer: 日本化学会第101年会
• [Presentation] 難リサイクル性プラスチック廃棄物を化学原料に転換する熱分解プロセスの開拓 (2021)
  • Author(s): 熊谷将吾
  • Organizer: 日本化学会第101年会
  • Invited
• [Presentation] プラスチックを取り巻く状況およびリサイクルにおける高分子分析の重要性 (2020)
  • Author(s): 熊谷将吾
  • Organizer: 高分子分析研究懇談会 第401回例会
  • Invited
• [Presentation] Pyrolysis-gas chromatography for feedstock recycling of waste plastic (2020)
  • Author(s): Shogo Kumagai
  • Organizer: 27th Joint Annual Conference of the Chinese Society of Chemical Science and Technology in the UK and Society of Chemical Industry’s Chinese UK Reginal Group
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] プラスチックを取り巻く状況および石油・化学産業の役割 (2020)
  • Author(s): 熊谷将吾, 吉岡敏明
  • Organizer: 第126回触媒討論会
  • Invited
• [Presentation] スギとポリエチレンのシナジー効果増強によるガス化促進および炭化抑制 (2020)
  • Author(s): 笠高宏洋, 熊谷将吾, 亀田知人, 齋藤優子, 吉岡敏明
  • Organizer: 第31回廃棄物資源循環学会研究発表会
• [Presentation] Pyrolysis gas-chromatography for analytical pyrolysis of polymers (2020)
  • Author(s): Shogo Kumagai
  • Organizer: 令和2年度化学系学協会東北大会
  • Invited
• [Presentation] Analysis of polymer pyrolyzates by employing a pyrolysis-gas chromatograph/multi-detector (2020)
  • Author(s): 生田大地, 熊谷将吾, 亀田知人, 齋藤優子, 吉岡敏明
  • Organizer: 令和2年度化学系学協会東北大会
• [Presentation] Pyrolysis-gas chromatography for analytical and applied pyrolysis of polymeric materials (2020)
  • Author(s): Shogo Kumagai
  • Organizer: BIOMASA2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 熱分解-ガスクロマトグラフ/マルチ検出器によるポリマー熱分解物の分析 (2020)
  • Author(s): 生田大地, 熊谷将吾, 亀田知人, 齋藤 優子, 吉岡 敏明
  • Organizer: 第25回高分子分析討論会
• [Presentation] 熱分解ガスクロマトグラフィーを応用したプラスチックのフィードストックリサイクルに関する研究 (2020)
  • Author(s): 熊谷将吾
  • Organizer: 第１回FSRJ講演会
  • Invited
• [Presentation] Investigation of synergistic effects during co-pyrolysis of cellulose and polyethylene using response surface methodology (2020)
  • Author(s): Shengyu Xie, Shogo Kumagai, Tomohito Kameda, Yuko Saito, Toshiaki Yoshioka
  • Organizer: 2nd International Symposium on Analytical and Applied Pyrolysis in Asia
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] スギ/ポリエチレン混合物の共熱分解における試料混合条件の影響 (2020)
  • Author(s): 笠高宏洋, 熊谷将吾, 亀田知人, 齋藤優子, 吉岡敏明
  • Organizer: 第12回廃棄物資源循環学会東北支部・第7回日本水環境学会東北支部合同研究発表会
• [Presentation] プラスチックのケミカルリサイクルへの熱分解法の応用 (2019)
  • Author(s): 熊谷将吾, 亀田知人, 齋藤優子, 吉岡敏明
  • Organizer: 第68回高分子討論会
  • Invited
• [Presentation] プラスチックを取り巻く状況およびリサイクル技術の研究開発 (2019)
  • Author(s): 熊谷 将吾
  • Organizer: 東北大学-DOWA技術者交流会
  • Invited
• [Presentation] 難リサイクル性プラスチックのリサイクルに向けた研究開発 (2019)
  • Author(s): 熊谷将吾
  • Organizer: 日本エネルギー学会三部会（RGB）シンポジウム プラスチックリサイクル技術の最新動向
  • Invited
• [Presentation] Pyrolysis for Feedstock recycling of plastic wastes (2019)
  • Author(s): Shogo Kumagai
  • Organizer: 1st International Symposium on Analytical and Applied Pyrolysis in the Asian Region 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] スギ/ポリエチレン混合物の共熱分解におけるシナジー効果 (2019)
  • Author(s): 笠高宏洋, 熊谷将吾, 亀田知人, 齋藤優子, 吉岡敏明
  • Organizer: 第30回廃棄物資源循環学会研究発表会
• [Presentation] スギとポリエチレンの共熱分解による炭化抑制とガス化促進 (2019)
  • Author(s): 笠高宏洋, 熊谷将吾, 亀田知人, 齋藤優子, 吉岡敏明
  • Organizer: 第28回日本エネルギー学会大会
• [Presentation] Online Catalytic Pyrolysis of Chestnut Wood Sawdust Using Tandem micro-Reactor-GC/MS (2019)
  • Author(s): Mehmet Kuddusi Akalin, Shogo Kumagai, Atsushi Watanabe, Tomohito Kameda, Yuko Saito, Toshiaki Yoshioka
  • Organizer: 10th International Symposium on Feedstock Recycling of Polymeric Materials
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 熊谷将吾 Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/7000012617/
• [Remarks] 吉岡研究室 熊谷将吾 紹介
  • URL: http://www.che.tohoku.ac.jp/~env/staff3.html