JP2005330119A - カーボン微粒子の製造方法及び製造装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 特に、バイオマス資源から生成したメタンガスを有効利用し、２種類の燃焼反応を生じさせることによってカーボン微粒子を瞬時に生成させることができるカーボン微粒子の製造方法及び製造装置を提供する。
【解決手段】 本発明の製造装置１は、バイオマス資源を装入し35〜60℃で加熱してメタンガスを生成するメタン発酵装置３と、該メタン発酵装置３で生成したメタンガスと酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合ガスを作製し、一方の混合ガスで完全燃焼反応を生じさせて、二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させる第１反応室７と、この生成した高温混合ガスを加えた他方の混合ガスで不完全燃焼反応を生じさせることによって、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させる第２反応室８とを具えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源から生成したメタンガスを有効利用し、２種類の燃焼反応を生じさせることによってカーボン微粒子を瞬時に生成させることができるカーボン微粒子の製造方法及び製造装置に関する。
従来、カーボン微粒子の製造方法は、特許文献１に記載されているように、第１電極と炭素材料を主成分とする第２電極との間に電圧を印加してアーク放電を発生させることによって、カーボン微粒子を製造していた。
特開2002−220215号公報
しかしながら、特許文献１に記載されたカーボン微粒子の製造方法は、アーク放電を発生させるため、電力消費量が多く、カーボン微粒子の製造コストが高くなるという問題があった。
本発明の目的は、特に、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源から生成したメタンガスを有効利用し、２種類の燃焼反応を生じさせることによってカーボン微粒子を瞬時に生成させることができるカーボン微粒子の製造方法及び製造装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明のカーボン微粒子の製造方法は、バイオマス資源を35〜60℃で加熱して発酵させることによって得られた炭化水素系ガスと酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合ガスを作製し、一方の混合ガスで完全燃焼反応を生じさせて、二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させ、この生成した高温混合ガスを加えた他方の混合ガスで不完全燃焼反応を生じさせることによって、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させることにある。
また、炭化水素系ガスはメタンガスであることが好ましい。
さらに、完全燃焼反応と不完全燃焼反応は、別々の反応室内で生じさせても、又は、同一の反応室内で生じさせてもよい。
さらにまた、酸素含有ガスは、純酸素又は酸素を富化した空気であることが好ましい。
加えて、不完全燃焼反応は、高温混合ガスを加えた他方の混合ガスの他に、５ｍｍ以下、好適には１〜５ｎｍ以下、最適には２ｎｍの粒径の鉄やコバルトなどの金属又は合金粉末、例えばコバルト−鉄合金やペンタカルボニル鉄を触媒として添加することがより好適である。
本発明のカーボン微粒子の製造装置は、バイオマス資源を装入し35〜60℃で加熱してメタンガスを生成するメタン発酵装置と、該メタン発酵装置で生成したメタンガスと酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合ガスを作製し、一方の混合ガスで完全燃焼反応を生じさせて、二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させる第１反応室と、この生成した高温混合ガスを加えた他方の混合ガスで不完全燃焼反応を生じさせることによって、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させる第２反応室とを具えるか、又は、バイオマス資源を装入し35〜60℃で加熱してメタンガスを生成するメタン発酵装置と、該メタン発酵装置で生成したメタンガスと酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合ガスを作製し、一方の混合ガスで完全燃焼反応を生じさせて、二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させ、かつ、この生成した高温混合ガスを加えた他方の混合ガスで不完全燃焼反応を生じさせることによって、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させる複合反応室とを具えることにある。
また、第２反応室又は複合反応室の供給口に、他方の混合ガスを3000℃以上の高温に加熱する高温加熱装置を一体的に設けること、第２反応室又は複合反応室で生成した水素ガスを水素燃料電池の原料として用いること、及び／又は、第２反応室又は複合反応室で生成したカーボン微粒子は、ナノカーボン、カーボングラファイト又はカーボンフラーレンであることが好ましい。
この発明によれば、特に、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源から生成したメタンガスを有効利用し、２種類の燃焼反応を生じさせることによってカーボン微粒子を瞬時に生成させることができるカーボン微粒子の製造方法及び製造装置の提供が可能になった。
本発明に従うカーボン微粒子の製造装置を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の代表的な製造装置のフローチャートを示したものである。
図１に示すカーボン微粒子の製造装置１は、バイオマス資源を貯蔵・保管するバイオマス受入槽２と、バイオマス受入槽２からバイオマス資源を装入し、バイオマス資源のＣＮ比（炭素と窒素の原子比）を調整する調整槽３と、調整したバイオマス資源を35〜60℃で加熱してメタンガスを生成するメタン発酵装置４と、該メタン発酵装置４で生成したメタンガスを回収するガスホルダー５と、ガスホルダー５で回収したメタンガス、及び、例えばガスボンベ６内から供給される純酸素又は酸素を富化した空気のような酸素含有ガスの混合割合が異なる２種類の混合ガスを作製し、一方の混合ガスで完全燃焼反応を生じさせて、二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させる第１反応室７と、この生成した高温混合ガスを加えた他方の混合ガスで不完全燃焼反応を生じさせることによって、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させる第２反応室８と、生成した水素ガスを回収するガスホルダー９とを具えている。
調整槽３でバイオマス資源のＣＮ比を調整するのは、その後に行なうメタン発酵装置４でのメタン発酵をしやすくするためであり、必要に応じて、適宜配設する。なお、調整槽でＣＮ比を構成する場合には、前記ＣＮ比は、Ｃ：Ｎの原子比で10〜15：１の範囲とするのが好適である。
メタン発酵装置４でバイオマス資源を35〜60℃で加熱するのは、35℃未満だとメタン菌が活動しなくなるからであり、60℃を超えるとメタン菌が死滅するからである。尚、メタンガスをより効率良く生成させるには、35〜37℃の中温メタン菌活動温度範囲か、又は、55〜60℃の高温メタン菌活動温度範囲でバイオマス資源を加熱することが好ましい。
また、第1反応室７内に導入される一方の混合ガスは、完全燃焼反応、すなわち、ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏの反応を生じさせて820℃以上の高温ガスを生成するため、前記混合ガスのメタンガスと酸素の混合割合は、モル比で１：２とすることが好適である。
さらに、第２反応室８内には、第１反応室７内で生成した二酸化炭素と水蒸気を含有する高温混合ガスを加えて導入される他方の混合ガスは、不完全燃焼反応、すなわち、６ＣＨ４＋７ＣＯ２＋Ｏ２→10ＣＯ＋10Ｈ２＋２ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋Ｃ、及び／又は、７ＣＨ４＋８Ｏ２→５ＣＯ＋５Ｈ２＋ＣＯ２＋９Ｈ２Ｏ＋Ｃの反応を生じさせて、カーボン微粒子（Ｃ）と水素ガス（Ｈ２）を瞬時に生成するため、前記混合ガスのメタンガスと酸素の混合割合は、前者の反応の場合には、モル比で６：１、後者の反応の場合には、モル比で７：８とすることが好適である。
また、第２反応室８内の雰囲気は、０ｋＰａ（常圧）〜50ｋＰａ、1300〜2500℃の範囲、最適には29ｋＰａで2000℃とすることが、カーボン微粒子を高収率で得るため好ましい。
図２は、第１反応室７内に導入される一方の混合ガスが完全燃焼反応によって生成した高温混合ガスの温度と、この高温混合ガスを第２反応室内に導入し不完全燃焼反応によって生成する、投入したバイオマス資源（原料）１トンあたりのカーボン微粒子（Ｃ）の生成量（kg）との関係を示したものである。
図２から、高温混合ガスの温度が820℃以上になると、カーボン微粒子の生成量が急激に増加するのがわかる。
本発明では、上記構成の装置を用いることによって、第２反応室８内に供給されたＣＨ４ガスから瞬時（具体的には１／１００秒〜１／５００秒）にカーボン微粒子が得られる。
図３は、本発明の他の製造装置のフローチャートを示したものである。
図３に示す製造装置は、カーボン微粒子の製造に用いるメタンガスを、バイオマス資源を発酵させることによって生成したメタンガスではなく、天然ガス田10から回収したメタンガスを用いたこと以外は、図１に示す製造装置と同様であり、本発明では、このような場合も含めるが、廃棄物等のバイオマス資源を利用することが、カーボン微粒子を低コストで製造できることや、環境上の点から好ましい。
図４は、本発明の他の製造装置のフローチャートを示したものである。
図４に示す製造装置は、第１反応室７と第２反応室８の代わりに、単一の室、すなわち複合反応室11内を用いたこと以外は、図１に示す製造装置と同様であり、複合反応室11は、該メタン発酵装置４で生成したメタンガスと酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合ガスを作製し、一方の混合ガスを吹き込んで完全燃焼反応領域12を生じさせて、二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させ、かつ、この生成した高温混合ガスを加えた他方の混合ガスを吹き込んで不完全燃焼反応領域13を生じさせることによって、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させることができる。
図５は、本発明の他の製造装置のフローチャートを示したものである。
図５に示す製造装置は、メタン発酵装置４で生成したメタンガスを、酸素含有ガスと混合する直前に、例えばプラズマ装置のような加熱装置14によって、3000℃以上、好ましくは3000〜5000℃の高温に加熱する構成を加えたこと以外は、図４に示す製造装置とほぼ同様である。このように、メタンガスを高温に加熱することによって生成されたカーボン微粒子は、硬質粒子となり、耐摩耗性を必要とする材料に用いるのが特に好適である。
尚、加熱装置14は、図５では、反応室とは分離した別個の装置として設けた場合を示してあるが、図1及び図３に示す第２反応室や、図４に示す複合反応室の供給口に一体的に設けてもよい。
また、複合反応室11内へのメタンガスの導入は、図５に示すように、必要に応じて複数箇所に設けることができる。
加えて、図５では、複合反応室11の排出口に、排出された水素ガスやカーボン微粒子を冷却する冷却室15を設けた場合を示してあるが、この冷却室15も必要に応じて適宜設ければよい。
そして、第２反応室８又は複合反応室11で生成した水素ガスは、水素燃料電池の原料として用いることができ、これによれば、バイオマス資源を有効利用することができる。
また、第２反応室８又は複合反応室11で生成したカーボン微粒子は、具体的には、カーボンブラック又はナノカーボンであり、カーボンブラックは、タイヤ、インク、塗料等に用いることができ、また、フラーレンやカーボンナノチューブのようなナノカーボンは、エレクトロニクス、医療、化粧品、電池等の分野で用いることができる。
次に、この発明に従うカーボン微粒子の製造方法の一例（図1の場合）を説明する。
まず、メタン発酵装置４に、バイオマス資源を装入し35〜60℃で加熱してメタンガスを生成させた後、このメタンガスと酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合ガスを作製する。
その後、一方の混合ガスを第1反応室７に導入して完全燃焼反応を生じさせて、二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させる。
次いで、この生成した高温混合ガスを加えた他方の混合ガスを第２反応室８に導入して不完全燃焼反応を生じさせることによって、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させればよい。
尚、不完全燃焼反応は、高温混合ガスを加えた他方の混合ガスの他に、５ｍｍ以下、好適には１〜５ｎｍ以下、最適には２ｎｍの粒径の鉄やコバルトなどの金属又は合金粉末、例えばコバルト−鉄合金やペンタカルボニル鉄を触媒として添加することが、かかる反応を促進する上で好ましい。
本発明の製造装置（図５）を用いてカーボン微粒子の製造を行なったところ、バイオマス資源（原料）１トンから、200kgのカーボン微粒子（粒径：18〜300ｎｍのナノカーボン粉末）を製造できた。原料として廃棄物等のバイオマス資源を用いているので、原料コストはかからず、よって製造コストが安価であった。
これに対し、アーク放電を利用する従来の製造装置を用いてカーボン微粒子の製造を行なったところ、石油化学燃料１トンに対して、150kgのカーボン微粒子（粒径：18〜300ｎｍのナノカーボン粉末）を製造できた。しかしながら、原料として石油等の石油化学燃料を用いているので、原料コストが高価になり、これに伴って、製造コストも高価になった。
上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
この発明によれば、特に、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源から生成したメタンガスを有効利用し、２種類の燃焼反応を生じさせることによってカーボン微粒子を瞬時に生成させることができるカーボン微粒子の製造方法及び製造装置の提供が可能になった。
本発明に従うカーボン微粒子の製造装置のフローチャートである。 高温混合ガスの温度と、投入したバイオマス資源（原料）１トンあたりのカーボン微粒子（Ｃ）の生成量（kg）との関係を示したグラフである。 本発明に従う他のカーボン微粒子の製造装置のフローチャートである。 本発明に従う他のカーボン微粒子の製造装置のフローチャートである。 本発明に従う他のカーボン微粒子の製造装置のフローチャートである。
符号の説明
１ カーボン微粒子の製造装置
２ バイオマス受入槽
３ 調整槽
４ メタン発酵装置
５ ガスホルダー
６ ガスボンベ
７ 第１反応室
８ 第２反応室
９ ガスホルダー
10 天然ガス田
11 複合反応室
12 完全燃焼反応領域
13 不完全燃焼反応領域
14 加熱装置
15 冷却室

Claims (11)

  1. バイオマス資源を35〜60℃で加熱して発酵させることによって得られた炭化水素系ガスと酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合ガスを作製し、一方の混合ガスで完全燃焼反応を生じさせて、二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させ、この生成した高温混合ガスを加えた他方の混合ガスで不完全燃焼反応を生じさせることによって、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させることを特徴とするカーボン微粒子の製造方法。
  2. 炭化水素系ガスはメタンガスである請求項1記載のカーボン微粒子の製造方法。
  3. 完全燃焼反応と不完全燃焼反応を別々の反応室内で生じさせる請求項1又は２記載のカーボン微粒子の製造方法。
  4. 完全燃焼反応と不完全燃焼反応を同一の反応室内で生じさせる請求項1又は２記載のカーボン微粒子の製造方法。
  5. 酸素含有ガスは、純酸素又は酸素を富化した空気である請求項１〜４のいずれか1項記載のカーボン微粒子の製造方法。
  6. 不完全燃焼反応は、高温混合ガスを加えた他方の混合ガスの他に、５ｍｍ以下の粒径の鉄やコバルトなどの金属又は合金粉末を触媒として添加する請求項１〜５のいずれか1項記載のカーボン微粒子の製造方法。
  7. バイオマス資源を装入し35〜60℃で加熱してメタンガスを生成するメタン発酵装置と、
    該メタン発酵装置で生成したメタンガスと酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合ガスを作製し、一方の混合ガスで完全燃焼反応を生じさせて、二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させる第１反応室と、
    この生成した高温混合ガスを加えた他方の混合ガスで不完全燃焼反応を生じさせることによって、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させる第２反応室と、
    を具えることを特徴とするカーボン微粒子の製造装置。
  8. バイオマス資源を装入し35〜60℃で加熱してメタンガスを生成するメタン発酵装置と、
    該メタン発酵装置で生成したメタンガスと酸素含有ガスとの混合割合が異なる２種類の混合ガスを作製し、一方の混合ガスで完全燃焼反応を生じさせて、二酸化炭素と水蒸気を含有する820℃以上の高温混合ガスを生成させ、かつ、この生成した高温混合ガスを加えた他方の混合ガスで不完全燃焼反応を生じさせることによって、カーボン微粒子と水素ガスを瞬時に生成させる複合反応室と、
    を具えることを特徴とするカーボン微粒子の製造装置。
  9. 第２反応室又は複合反応室の供給口に、他方の混合ガスを3000℃以上の高温に加熱する高温加熱装置を一体的に設ける請求項７又は８記載のカーボン微粒子の製造装置。
  10. 第２反応室又は複合反応室で生成した水素ガスを水素燃料電池の原料として用いる請求項７、８又は９記載のカーボン微粒子の製造装置。
  11. 第２反応室又は複合反応室で生成したカーボン微粒子は、カーボンブラック又はナノカーボンである請求項７、８又は９記載のカーボン微粒子の製造装置。
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