| Project/Area Number |
24K07724
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 22060:Environmental systems for civil engineering-related
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
黄 仁姫 北海道大学, 大学院工学研究院, 准教授 (70447077)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2026: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | 亜臨界水熱炭化 / バイオ炭 / カーボンリサイクル / カーボン貯留 / 水熱炭化 / 未利用廃棄物系バイオマス / ハイドロチャー |
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| Outline of Research at the Start |
地球温暖化問題を背景に様々な廃棄物系バイオマスの変換利用技術が注目されている。水熱炭化は臨界点以下の亜臨界域の高温高圧水を用い、有機物を加水分解および熱分解することでハイドロチャーを得ることができる。本研究では未利用廃棄物系バイオマスを対象に水熱炭化を行い、得られたハイドロチャーのカーボンリサイクルとカーボン貯留のための環境資材として活用することを目的とする。そのために、多様なバイオマス由来のハイドロチャーの品質評価および評価手法の確立、異種バイオマスの共水熱炭化によるハイドロチャーの量的および質的改善効果の検証、ハイドロチャーの機能性向上のための水熱炭化プロセスの改良を実験的に検討する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
第41回IPCC総会では、温室効果ガスインベントリガイドラインの改良案（以下、IPCC改定案）が発表され、バイオ炭を農地または草地に施用することによる炭素貯留量が二酸化炭素の排出削減量として正式に算定可能となった。亜臨界水熱炭化では臨界点以下の熱水を炭化の加熱媒体とするため、比較的低エネルギーでの炭化が可能であり、含水率の高い原料もそのまま処理できるという利点がある。しかしIPCC改定案では350℃以上で生成された炭化物のみがバイオ炭と定義されており、亜臨界水熱炭化により得られた炭化物(hydrochar:HyC)は現時点ではこの定義に当てはまらない。そこで、本研究では廃棄物系バイオマスを原料として得られたHyCの特性を、乾式炭化によって得られた炭化物(pyrochar:PyC)と比較評価した。北海道内における廃棄物系バイオマスの発生量および利用実態を調査し、生ごみ、下水汚泥、牛糞、稲わら、枝葉草の5種を原料として選定した。亜臨界水熱炭化(295℃、8MPa)と乾式炭化(350℃、常圧)により得られたHyCとPyCについては、カーボンリサイクルおよびカーボン貯留の観点から評価を行った。その結果、カーボンリサイクルの観点から、生ごみのように可溶性有機物が多い原料を除き、HyCはPyCと同等のエネルギー密度の向上効果が見られ、牛糞、稲わら、枝葉草を原料とした場合には、PyCを上回るエネルギー回収率が確認された。一方、カーボン貯留の観点では、HyCはPyCと比して難分解性炭素の含有比率が低く、生分解性炭素の比率が高い傾向が示され、今後、製造条件に関する更なる検討が求められる。また、貯留時の安全性の面では、原料によって環境基準値を超える重金属の溶出が確認されたものもあり、施用場所の選定や施用方法に関する対策を講じる必要があると判断された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
カーボンリサイクルの観点から、生ごみのように可溶性有機物を多く含む原料を除けば、HyCの収率はPyCと同等あるいはそれ以上であった。HyCはPyCと同様に原料のエネルギー密度を向上させることが可能であり、特に牛糞、稲わら、枝葉草を原料とした場合には、PyCよりも高いエネルギー回収率が得られた。一方、カーボン貯留の観点では、HyCはPyCに比べて難分解性炭素の比率がやや低く、低温処理による影響が示唆された。また、貯留時の環境安全性評価として実施した溶出試験においては、HyCの重金属溶出量はPyCよりもやや高い傾向を示し、原料によっては環境基準値を超過する重金属が検出される事例も認められた。これらの結果から、HyCをカーボン貯留目的で利用するにあたっては、原料の選定が極めて重要であるとともに、亜臨界水熱炭化における製造条件の最適化が求められると判断された。
以上の知見を踏まえ、今後の第2年次研究では、HyCのカーボン貯留性能の強化および高付加価値利用に重点を置いて研究を展開する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
１）カーボン貯留の観点から、昨年度に選定した原料のうち、一般廃棄物として収集システムが確立している枝葉草を対象に、カーボン貯留に適したHyCの製造条件、すなわち難分解性炭素の割合が高く重金属の溶出が抑制される水熱炭化条件（温度、滞留時間など）、を見出すことを目的とする。そのために、設定した温度条件下において滞留時間と有機物分解特性との関係を把握し、あわせてそれらの製造条件が重金属類の溶出特性に及ぼす影響を明らかにする。
２）カーボンリサイクルの観点から、HyCの高付加価値化を図る。具体的には、近年問題となっている放置竹林から採取した竹を原料に水熱炭化を行い、得られたバイオ炭のカーボンブラック代替材としての利用可能性を検討する。カーボンブラックの製造には、一般に乾式炭化と高温下での水蒸気または二酸化炭素による活性化を段階的に行う手法が用いられているが、本研究では、水熱炭化に用いる純水に無機塩類を添加することで、低温域において炭化と活性化を同時に行う手法を検討する。得られたバイオ炭については、商用カーボンブラックとの品質比較および評価を行い、その実用化可能性を定量的に示す。
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