JP2024519001A - フェノール系樹脂結合剤で作製された木炭製品およびその作製方法 - Google Patents

Abstract

本開示は、結合剤（例えば、カルダノールを含み得るフェノール系結合剤など）および木炭、好ましくは粉末形態の木炭を含む組成物（バイオカーボン材料）および組成物を作製する方法について記載している。組成物はまた促進剤／触媒を含み得る。結合剤、木炭粉、および促進剤は、一緒に混合され、形成され（加圧、ロール、または押出し）、次いで硬化され得る。結果として得られる組成物は、冶金還元剤として使用されてもよいし、冶金産業における使用のためにアノードへと加工されてもよいし、建設産業で、例えば、コンクリートの成分として使用されてもよいし、調理用燃料として使用されてもよい。【選択図】図１

Description

本開示は、塊成物、炭素ベースの材料、木炭組成物、木炭製品、ならびに木炭および結合剤を使用することにより、木炭製品、特に高性能炭素製品を作製する方法に一般的に関する。より具体的には、本開示は、「回収された」炭素から形成される材料、例えば木炭、および結合剤から形成される材料、ならびにこのような材料を作製する対応するプロセスに関する。これらの組成物から作製される製品は、燃料として、冶金産業における還元剤として、現在使用されている化石燃料の使用と置き換えるため、ならびに／またはコンクリート、アスファルトおよび他の建設材料における充填材として、ならびにアルミニウム産業用アノードとしての使用を含む、多くの潜在的な使用のための二酸化炭素ニュートラルな製品を作り出すために使用することができる。

気候の変化は政府および個人にとって高まる懸念であり、化石燃料ベースの炭素源の使用を少なくし、「ＣＯ₂ニュートラルな」炭素源の使用を多くするよう、さらなる努力が払われ、提案がなされている。最も単純な形態の「炭素の回収」は、バイオマスベースの炭素源、例えば、木材または加工木材、例えば、木炭を使用することである。二酸化炭素ニュートラルな炭素源は、大気から以前に回収された炭素に依存するので、その炭素が続いて放出されたとしても大気の炭素に寄与しない。「炭素の回収」では、大気の炭素は回収され、大気の炭素において正味の減少を得るために、長期間大気から離れて貯蔵される。同様に、結果として得られる生成物が長い期間炭素を大気から隔離するためにも機能した場合、ＣＯ₂を生成するプロセスは「相殺される」ことが可能である。バイオマス由来の木炭を使用して生成された製品は大気の炭素を貯蔵し、したがって、過去の化石燃料由来の炭素源に対してカーボンニュートラルの置換をもたらす可能性を有する。さらに、これらの材料がその炭素を長い期間貯蔵するために使用することができる場合、これらは、ある特定の材料、例えば、セメントの作製において生成される二酸化炭素を相殺するために使用することができる。

炭素および結合剤材料から生成した製品はこれまでずっと知られてきた。結合された木炭材料の分野における多くの改善は、それらの多くが特許性のあるもので、それらの多くがエコフレンドリーであり、１９３９年から行われてきた。米国特許第５，２９８，０４０号は防水性燃料ブリケットに対する水溶性酸化剤の使用を開示している。米国特許第５，２２１，２９０号は、粘土および有機結合剤の使用を開示している。数１００件もの特許がこの分野において認可されてきた。しかしこれらのそれぞれには欠陥があり、化石炭素製品（例えばコークスおよび化石炭素燃料）と置き換えることができ、および／または大気からのバイオカーボンの隔離に使用することができる高性能バイオカーボンベースの材料が依然として必要とされる。

したがって、多くの目的のために使用することができるエコフレンドリーおよび／または高性能バイオカーボン材料を提供する組成物を作製する組成物および方法が当技術分野で必要とされている。冶金産業内においては、バイオカーボンアノードを作製するための還元剤として、建設産業では、建築材料のカーボンフットプリントを減少させる「バイオカーボンストーン」として、および／またはＢＢＱ産業では、現在のＢＢＱブリケット燃料よりも性能を大きく改善するために。

引用された参考文献における限界を最小化するため、および本明細書を読んで、理解した時点で明らかとなる他の限界を最小化するために、本明細書は、木炭、および少なくとも１種の結合剤材料を含むバイオカーボンベースの材料、ならびにこれらの材料を作り出すための方法を開示する。

したがって、第１の態様では、本開示は、木炭と、フェノール系樹脂を含む少なくとも１種の結合剤とを含むバイオカーボンベースの材料を提供する。結合剤成分は、少なくとも５０％（例えば５０～１００％）のフェノール系樹脂、例えば、少なくとも７５％または少なくとも９０％のフェノール系樹脂を含むことができる（すべて重量％による）。

一実施形態では、フェノール系樹脂は、式Ｉの少なくとも１種のフェノールから形成されてもよい、または形成可能であってもよい：

式中、ＸはＨまたはＯＨであり、ＲはＨであるか、または任意選択で置換されている、飽和もしくは不飽和の、炭素数１～２４の炭化水素部分であり、この炭化水素部分は直鎖であっても、分枝であってもよい。１つのまたは２つの独立したＲ基が存在してもよく、独立して、示されている－ＯＨ基に対してオルト位、メタ位またはパラ位にあってもよい。１つのメタＲ基が好ましい。一実施形態では、式Ｉの少なくとも１種のフェノールは、Ｒが水素ではない少なくとも１種のフェノールを含む。

式Ｉの少なくとも１種のフェノールは、少なくとも１つの非水素Ｒ基が、好ましくは－ＯＨ部分に対してメタ位で存在する式Ｉのフェノールを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。

一実施形態では、式Ｉの少なくとも１種のフェノールは、少なくとも１つの非水素Ｒ基が、好ましくは－ＯＨ部分に対してメタ位で存在し、フェノールおよび／またはレゾルシノールを部分的に含む式Ｉのフェノールを部分的に含むことができる。

一実施形態では、フェノール系樹脂は、任意選択で他の構成成分（例えば本明細書に記載されている、例えばホルミル炭素源、例えばヘキサミン）を有する、式Ｉの少なくとも１種のフェノールのポリマーであってもよい。

一実施形態では、フェノール系樹脂は、少なくとも１種のフェノールがカルドールおよび／またはカルダノールを含む、式Ｉの少なくとも１種のフェノールから形成されてもよい、または形成可能であってもよい。

一実施形態では、フェノール系樹脂は、少なくとも１種のアルデヒド、尿素またはホルミル炭素源、例えば、ヘキサミンとの反応により、式Ｉの少なくとも１種のフェノールから形成されてもよい、または形成可能であってもよい。

一実施形態では、バイオカーボンベースの材料は、３０重量％までの（例えば、１～３０重量％）無機充填材、例えば、砂または岩粉を含有し得る。

第２の態様では、本開示は、木炭および少なくとも１種の結合剤を含むバイオカーボンベースの材料であって、以下に記載されている方法に従い（以下の実施例を参照して本明細書に記載されている通り）試験した場合、少なくとも５ＭＰａの圧縮強度（例えば５～１５０ＭＰａ、好ましくは少なくとも２０ＭＰａ、例えば、少なくとも３０ＭＰａまたは少なくとも４０ＭＰａ）を有するバイオカーボンベースの材料を提供する。一つの特定の実施形態では、バイオカーボンベースの材料は少なくとも４０ＭＰａの圧縮強度（例えば４０～１２０ＭＰａ）、好ましくは少なくとも５０ＭＰａ、より好ましくは少なくとも６０ＭＰａ（例えば６０～１００ＭＰａ）を有する。バイオカーボン材料の圧縮強度を測定するための１つの適当な試験は、アメリカ材料試験協会（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）ＡＳＴＭ Ｃ３９／Ｃ３９Ｍ法である。これは、円柱状のコンクリート供試体の圧縮強度に対する標準試験法を提供する。圧縮強度を試験するためのこの方法は、特に明記しない限り、本明細書の対象とする。

さらなる態様では、本開示は、バイオカーボンベースの材料を形成するための方法であって、木炭、少なくとも１種の結合剤材料、および任意選択で、促進剤または触媒を混合するステップと、混合物をいずれか所望の形状（例えば、ブロック、ロッドまたはブリケット）へと形成するステップとを含む方法を提供する。結果として得られる製品は、これらに限定されないが、以下を含む任意の様式において：冶金産業において極めて均一なバイオカーボンベースの還元剤として；アルミニウム産業用のバイオカーボンベースのアノードの創製；建設産業、特にコンクリート、アスファルトもしくは他の複合体中の岩もしくは砂利に対する全体的もしくは好ましくは部分的な代替品として；ならびに／またはＢＢＱ産業での調理用燃料として、使用することができる。

一実施形態は、熱またはエネルギー豊富な固形燃料材、例えば、ブリケットを作製することができる。この材料は、木炭、好ましくは木炭粉から、フェノール系樹脂を結合剤として使用して作製することができる。本実施形態に対する極めて適切な結合剤はカルドールおよび／またはカルダノールである。

様々な実施形態では、本開示のバイオカーボン材料は、２～９９％の範囲の固定炭素（すなわち非揮発性炭素の重量パーセンテージ）を有することができる。好ましくは、固定炭素は少なくとも６０重量％または少なくとも７５重量％である。これは、木炭および結合剤の性質、木炭が作製されるおよび／または処理される条件、ならびにバイオカーボン材料の硬化および任意選択の第２の加熱処理に応じて変動する。少なくとも７０％（例えば７５～９８％）の固定炭素含有量を有する木炭を使用することができる。一実施形態では、バイオカーボン材料に使用されている木炭は少なくとも８０％の固定炭素含有量を有する。このような木炭は、例えば、酸素の非存在下で、３００～９００℃への加熱処理で生成することができる。さらなる実施形態では、使用される木炭は、少なくとも８０％、少なくとも９０％または少なくとも９５％の固定炭素であってもよい。このような木炭は、例えば、不活性雰囲気中で、少なくとも７００℃（例えば８００～１２００℃）への加熱処理で生成することができる。

組成物は、硬化時間を改善し、硬化温度を低下させ、および／または結合剤の性質を制御するための触媒および／または促進剤を含むことができる。

一実施形態では、促進剤または触媒はヘキサミンであってもよく、ヘキサミンは他の結合剤成分（例えば式Ｉのフェノール）および木炭粉と混合すると、重合プロセスを開始することができる。アルデヒド、例えば、ホルムアルデヒドおよびこれらの前駆体、例えば、ポリメチレングリコールもまた適切な促進剤または触媒である。さらなる促進剤および触媒は以下に論じられ、本発明の任意の適当な実施形態において使用することができる。

一実施形態では、バイオカーボン材料（例えばブリケット）は、１５０～４００摂氏度（「℃」）の範囲で硬化することができる。好ましくは、この温度は、１８０～２５０℃、例えば、１９０～２２０℃である。硬化期間は、結合剤、任意選択の促進剤／触媒および処理温度に依存する。しかし、典型的な硬化期間は５分間～１２時間であり、好ましくは２０分間～３時間、例えば、３０分間～２時間である。

一実施形態では、バイオカーボン材料を小片（例えば、ブリケット、ブロック、ロッドまたは本明細書で論じられたものを含む任意の適当な形状）へと形成するのに使用される圧力は、少なくとも５ｋＮ／ｃｍ²（すなわち少なくとも５０ＭＰａ）例えば、５～５００ｋＮ／ｃｍ²（５０～５０００ＭＰａ）であってもよい。適切な圧縮力は、例えば、少なくとも８ｋＮ／ｃｍ²、例えば、１０ｋＮ／ｃｍ²周辺であってもよい。しかし、より大きな圧縮、例えば、少なくとも２０Ｎ／ｃｍ²（２００ＭＰａ）または少なくとも５０Ｎ／ｃｍ²を使用することもできる。振動は、硬化前に本開示の製品を圧縮するおよび／または圧密化するために、代替としてまたはそれに加えて使用することもできる。一実施形態では、振動は上で示された圧縮力と組み合わせて使用される。

通常、より高い圧縮力（好ましくは振動と組み合わせて）は、より大きな密度、より小さい表面積、より低い水吸収および／またはより強い圧縮強度を有する最終材料に伴う。反復した圧縮もまた、任意選択で振動と組み合わせて使用することができる。圧縮は、１回、２回、３回またはこれよりも多くの回数を行うことができる（例えば１～１０回）。振動は各圧縮ステップの間に独立して使用してもよいし、または使用しなくてもよい。

本発明のバイオカーボン材料がブリケットの形態である場合、これらは、例えば、ＢＢＱ産業での調理用燃料としての使用を含めた、任意の適当な目的のために使用することができる。バイオカーボンブリケットはまた冶金プロセスにおいて還元剤として使用することもできる。

一実施形態では、木炭と結合剤の混合物は、水圧プレス、機械プレス、押出し機、および／またはローラープレスで加圧することができ、枕状、角柱状（例えば、立方体または円柱状）、または他の均一な形状を有することができる。押出しによる形成が好ましい方法である。

本発明の一態様では、バイオカーボン材料は、５０ＭＰａを超える（５０５ｋｇ／ｃｍ²を超える）圧縮強度を有することができる。この強度は過去のバイオカーボン材料、例えば、公知の木炭ブリケットよりはるかに大きい。この圧縮強度により、バイオカーボン材料は、燃料として、冶金産業における還元剤として、多くの工業プロセス用、例えば、アルミニウムの製錬用の炭素電極（例えばアノード）などとして非常に有用であることに加えて、建設材料（例えば、コンクリート）に一般的に使用されている石または小石（砕石）と同様のサイズまで減少させることができ、結果として得られる生成物（例えば、結果として得られるコンクリート）の全体的強度に物質的に影響を与えることなく、このような石（砕石）に対する（特に部分的な）代用品として使用することができる。

したがって、さらなる態様において、本開示は、セメント（例えば、ポートランドセメント）および本明細書に記載されている少なくとも１種のバイオカーボン材料を含むコンクリートを提供する。このようなコンクリートは、小片へと形成された、成形された、切断された、または破壊された（例えば破砕された）本開示のバイオカーボン材料を含むことができる。このような小片は本明細書で「木炭石」と呼ばれている。

好ましくは、これらの「木炭石」は、コンクリートにおける使用のための標準的な砕石と同様のサイズを有することができる。これは、例えば、粗い砕石（例えば、重量平均で直径１５～３０ｍｍの間）に対して平均直径４～４０ｍｍ周辺（例えば、８～４０ｍｍ）であってよい。４０ｍｍ周辺の重量平均径（例えば平均３５～４５ｍｍ）の代替の砕石もまた適当である。重量平均径１０ｍｍ以下（例えば、最大直径９．５５ｍｍ周辺）を有する微細な砕石もまた適切であり得る。

本開示のコンクリートは、任意の適切な量の木炭石（本発明のバイオカーボン材料）を含有し得るが、この量は有利にはコンクリート１立方メートル当たり少なくとも１００ｋｇ周辺（例えば、８０～３００ｋｇまたは１００～３００ｋｇ、例えば、１００～２００ｋｇ）である。これによって、コンクリートは本明細書で論じたような「カーボンニュートラル」にほとんどなる。１立方メートル当たり１００ｋｇより大きい量を使用して、炭素を大気から効果的に隔離し、大気から離れて長期的貯蔵媒体に炭素を閉じ込めることができる。代わりに、コンクリートなどの材料の大気中炭素への影響は、生産において放出される二酸化炭素を完全に相殺することを必要とすることなく、減少させることができる。１立方メートル当たり少なくとも２０ｋｇの量の木炭石、好ましくは少なくとも５０ｋｇ（例えば、１立方メートル当たり５０～１２０ｋｇ）は、コンクリートなどの建築材料の製造において放出される二酸化炭素を部分的にまたは完全に相殺することができる。したがって、これらのレベルのカーボンストーンを有するコンクリートはさらなる実施形態を形成する。

本開示のコンクリートは、標準的産業コンクリート（例えば、多くの他の用途の中でも、歩道、工業用、住宅用またはオフィスビル、橋、サイディング、大きな直径のパイプ、道路、トンネルおよび／または路面における使用のため）に使用することができる。

コンクリート圧縮強度に対する多くの基準が存在する。本開示のバイオカーボン材料を任意の適当なコンクリートに使用することができる。標準的コンクリート強度は、縁石の基礎および下水工事に対する７．５ＭＰａ周辺から５０ＭＰａまで、ならびに農業用および工業用鉄筋コンクリートに対してはそれ以上にまで変動する。一実施形態では、本開示のコンクリートは、少なくとも木炭石が使用される標準的なコンクリートの公称２８日強度くらい高い強度を有する木炭石を含む。

本開示の木炭石をコンクリートミックスに添加することによって、コンクリートの二酸化炭素フットプリントを制御し、二酸化炭素フットプリントを収縮し、コンクリートミックスに含まれる木炭石の量に応じて、二酸化炭素ニュートラルにする、または二酸化炭素ネガティブにすることさえもできる。本開示の木炭石をコンクリートに添加することにより、大気から回収され、石と共に炭素として含有される二酸化炭素は、およそ１：３の比で結合する（元素の炭素１２ｋｇはＣＯ₂４４ｋｇと同等）。これは、加えられる木炭石１ｋｇごとに、およそ３ｋｇ（純粋な炭素材料に対して３．６ｋｇまで）の二酸化炭素の大気への侵入が差し止められることを意味する。１立方メートルのセメントの製造は３００ｋｇ周辺の二酸化炭素を放出するので、１００ｋｇ周辺の炭素の木炭石（例えば、８０～１５０ｋｇ／ｍ³）の形態での組込みは、同様の量の炭素を大気から長い期間隔離し、したがって、セメントを「カーボンニュートラル」にすることができる。このような期間は数１０年または数１００年（例えば、１００～５００年）であってもよい。これは、コンクリートがその耐用期間の終りに到達したとしても、コンクリートは埋め込まれまたは破砕され、将来の材料（例えば、将来のコンクリート）の中にハードコアまたは充填材として使用され、したがって継続して、大気から炭素を捕捉することができるからである。炭素放出の減少もしくは部分的な相殺が望ましい場合、または相殺に必要とされるポートランドセメントがより少量の場合、または混合に必要とされる標準的な砕石がより少量の場合には、より少量の木炭石（例えば１０～９９または１０～１２０ｋｇ／ｍ³）がコンクリートに含まれてもよい。同様に、より高いレベルの炭素放出を有する（例えば、より多くのポートランドセメントを有する）製造混合物においてまたは大気からの炭素の全体的な除去が所望される場合には、より多量の木炭石（例えば１５０～２５０ｋｇ／ｍ³）を使用して、放出された二酸化炭素を相殺することができる。

したがって、一実施形態では、本開示は、コンクリートの形成において（特に、コンクリート、例えば、ポートランドセメント中のセメント結合剤の形成において）放出された二酸化炭素が、コンクリート内に取り込まれた木炭石に含有されている、回収された炭素により少なくとも相殺される、「カーボンニュートラル」コンクリートを提供する。好ましくは、カーボンニュートラルセメントは、コンクリートの形成中に大気に放出された炭素の量の１００±２０％（例えば、１００±１０％）が、木炭石内の回収された炭素という形態でコンクリートに取り込まれているセメントである。したがって、さらなる実施形態では、本開示は、コンクリートの形成において（特に、コンクリート、例えば、ポートランドセメント中のセメント結合剤の形成において）放出された二酸化炭素が、コンクリート内に取り込まれた木炭石に含有されている、回収された炭素によりさらに多く相殺される「カーボンネガティブ」コンクリートを提供する。好ましくはカーボンネガティブセメントとは、コンクリートの形成中大気に放出された炭素の量の少なくとも１００％（例えば、１００～５００％）が、木炭石内の回収された炭素という形態でコンクリートに取り込まれているセメントである。このようなカーボンニュートラルおよび／またはカーボンネガティブコンクリートは、建設／ビル産業により放出された炭素を減少させる、および／または何１０年にもわたり炭素を大気から隔離することにおいて価値のあるツールを形成することができる。

一実施形態では、結合剤は最終混合物（したがって、最終バイオカーボン材料）のおよそ２～５０重量％であってもよい。これは好ましくは５～３０重量％である。結合剤の量は用途に応じて変動し得るが、より高い圧縮強度は一般的により多量の結合剤を必要とする。冶金プロセスにおける還元剤としてまたは燃料として使用するためのブリケットに対して、結合剤の量は通常、バイオカーボン材料の２～１５重量％または５～１０重量％であってよい。強度がより重要な場合、例えば、建設材料における使用のための「木炭石」を形成する場合またはアルミニウム製造用のアノードを形成する場合、より高いレベルの結合剤、例えば、１５～２５重量％または２０～３０重量％。

本明細書で示されている「結合剤」は、少なくとも１種のフェノール成分（例えば、本明細書に記載されているもの、特に式Ｉのもの）を含むことができるが、また少なくとも１種の反応促進剤および／または触媒を含むこともできる。反応促進剤、例えば、ヘキサミン（ならびに本明細書に記載されているおよび当技術分野で公知の他のもの）は好ましくは結合剤成分のおよそ４～１０重量％（例えば、６～８重量％）で存在し得る。一実施形態では、反応促進剤はホルミル炭素の供給源であり、結合剤中に存在するフェノール１モル当たり少なくとも１モルのホルミル炭素と同等の量で存在する。

任意選択の促進剤／触媒に加えて、結合剤成分は少なくとも１種の油成分を含むことができる。このような油は結合剤の任意選択の一部を形成し、したがって存在しなくてもよいし、または結合剤の総重量の５０％まで存在してもよい（すなわち、フェノール成分と重量でおよそ同じ含有量まで）。適切な油は「乾性油」を含む。乾性油は高度不飽和脂肪酸、特にアルファリノレン酸のグリセロールトリエステルを通常含む。「ヨウ素数」は油の中の二重結合の数、したがって乾性油であるその傾向の指標である。１３０より大きいヨウ素数を有する油は乾燥していると考えられ、本発明における油成分として好ましい。ヨウ素数１１５～１３０を有する油成分は半乾性であり、好ましくは乾性油と組み合わせて使用することができる。１つの好ましい乾性油はあまに油である。このような油は酸化的架橋により乾燥させ、理論に拘束されることなく、このようなプロセスにより不飽和のフェノール系構成成分を用いて硬化することができる。一実施形態では、油成分は、不飽和の「Ｒ」基を有する式Ｉの少なくとも１種のフェノールと組み合わせて使用される。例としてカルダノールおよびカルドールが挙げられる。

一実施形態は、カルダノール（および任意選択でカルドール）および木炭粉を含む組成物であってもよく、カルダノールおよび木炭粉を一緒に混合して、混合物を形成し、混合物を硬化して、バイオカーボン材料を形成する。組成物は反応促進剤または触媒をさらに含むことができ、ここで、反応促進剤／触媒は混合物の一部としてカルダノールおよび木炭粉と一緒に混合する。混合物は圧縮することができ、圧縮する場合、およそ５～５００ｋＮ／ｃｍ²（５０～５０００ＭＰａ）の範囲の圧力、例えば、５～１００ｋＮ／ｃｍ²の範囲の圧力で圧縮することができる。適切な圧力は、本明細書に記載されており、例えば、１０～５０ｋＮ／ｃｍ²の範囲である。混合物は好ましくは４５０℃未満で硬化されてもよい。適切な硬化温度はおよそ１５０～３００℃、例えば、１８０℃～２５０℃の範囲であってよい。硬化時間は変動させることができるが、わずか１分間であっても、およそ２時間であっても、またはこれより長くてもよい。適切な硬化時間は本明細書に記載されているが、例えば、５分間～２時間、例えば、１５分間～１時間であってよい。

本開示の任意の実施形態では、混合物は、以下のうちの１つまたは複数からなる硬化または加熱機序の群から選択される硬化機序を介して硬化することができる：間接的加熱；直接的加熱；放射熱；紫外光；赤外線；マイクロ波；超音波；誘導電力；およびこれらの組合せ。直接的加熱、例えば、電気加熱は、好ましい硬化方法を形成する。

圧縮された混合物は、その最終形状（例えば、硬化前、ブリケット、円柱、ロッド、ブロック、立方体、ボールまたはプリズムへと形成される）へと直接硬化することができる。代わりに混合物は、任意の適当な手段、例えば、切断、粉砕または破砕により、硬化後その最終形状へと形成されてもよい。ブリケットは、冶金還元剤としてまたは燃料としての使用に適した形状であってよい。代わりに、バイオカーボン材料は任意の適当な形態に形成するおよび／またはさらに加工することもできる。さらなる加工は、例えば、切断および／または破砕により、またはその後の処理により、例えば、アルミニウムの生産のための従来の炭素アノードに対して通常使用されている種類のさらなる硬化、コーティングまたは加熱処理によりバイオカーボン材料を形状づけるステップを含むことができる（第２の加熱処理またはＳＨＴとして知られる）。木炭石に対して、バイオカーボン材料は最初に小片（例えば標準的な寸法のブロック）へと形成され、硬化後、砕石（例えば、コンクリートの砕石）として使用するため、所望の等級へと破砕（例えば、ジョークラッシャーにより）および篩い分けしてもよい。

化石資源から作製されるアノードを使用するアルミニウム産業およびすべての他の冶金会社向けの石油コークスアノードに関して、冶金産業全体がこれらの二酸化炭素フットプリントを減少させる方式を何年もの間探究してきた。典型的なアノードは石油コークスから作製され、結合剤として添加されるコールピッチを有する。コールピッチおよび石油コークスは大規模な量の二酸化炭素を使用し、放出する。したがって、より少ない二酸化炭素を使用し、放出する冶金アノードの製造における使用のための新規原料および結合剤が当技術分野において長年にわたり必要とされてきた。

バイオカーボン材料の使用は、冶金産業、特に金属の生産、例えば、アルミニウムの生産における使用のためのアノードにおける使用を含み得る。本発明のバイオカーボン材料は既存の炭素アノードよりもかなりの利点を提供する。既存の炭素アノードは通常、１０００℃を超える硬化温度を長い期間必要とし、しかも化石炭素から形成される。この結果および他の要因により、１０００ｋｇのアルミニウムの生産において、数１００キログラム周辺までの化石炭素（４００Ｋｇ周辺の化石炭素アノードを含む）が大気に二酸化炭素として放出される。これは、アルミニウム１トン当たりの製造において、６トン周辺までの二酸化炭素が放出されることを意味する（２０１４年のレベルで）。したがって、アルミニウム製造において化石炭素の利用を減少させることがかなり必要となっている。一実施形態では、本開示のバイオカーボン材料はアノードの形態である。ある特定の実施形態では、このようなアノードは、非常に高温で処理する必要がなく、および／または長い期間の加熱処理なしで作製することができる。現在の石油コークスアノードは、４５０℃より上の温度で８日間周辺の期間処理される。したがって、より低い温度（例えば４５０℃未満）および／またはより短い加熱時間（特に１日未満）が可能となれば、好ましい。特に、木炭が結合剤との混合前に高温に加熱される場合、および／または結合剤がある特定の添加剤（本明細書に記載されているような、例えば、イオン性液体）を利用して作製される場合、アノードを形成するのに高温での処理が必要とされないこともある。したがって、一実施形態では、本開示は、４５０℃より上の加熱処理なしで、本開示のバイオカーボン材料から形成される炭素アノードを提供する。代替の実施形態では、本発明のバイオカーボン材料は第２の加熱処理（ＳＨＴ）に供することもできる。ＳＨＴは、公知の方法で行うことができるが、本開示のバイオカーボン材料を、不活性雰囲気中で、８００～１５００℃の範囲、例えば、１０００～１２００℃の範囲の温度に加熱することを通常含む。加熱期間は好ましくは、通常従来の石油ピッチ／コークスアノードに対して必要とされる３００～４００時間より短い。一実施形態では、ＳＨＴは、７２時間以下（例えば２～７２時間）、好ましくは４８時間以下または２４時間以下で行われる。一実施形態では、ＳＨＴは、生成物中に存在する揮発性物質が３．５重量％未満（例えば３．５～０．１重量％）になるまで、本開示のバイオカーボン材料で形成される製品（例えばアノード、ブリケットまたは他の製品、例えば、本明細書に記載されているもの）に対して行われる。より高いレベルの揮発性物質は、ある特定の産業、例えば、スチールの生産に対して許容され得る。より短いＳＨＴを行うまたはＳＨＴを行わないことも、場合によっては可能となり得るが、使用される木炭、結合剤および加熱の組合せに応じて、揮発性物質は低量でなければならない（例えば、５％未満または３．５％未満）。カルダノール、カルドールおよび他の長鎖フェノール（例えば、少なくとも８個の炭素を含むＲを有する式Ｉのフェノール）は低量の揮発性物質を有することができ、ある特定の事例では、加熱処理を減らすことが必要とされる（例えば、本明細書に記載されている通り）。

本発明のバイオカーボン材料はまた、アノード生産における標準的な石油コークスに対する部分的な代用品として使用することもできる。このような実施形態では、アノード中の少なくとも５０％の炭素は回収された炭素（バイオカーボン）に由来し、残りは化石供給源に由来する。このようなアノードにおける結合剤は、通常のピッチ結合剤またはより好ましくは有機結合剤（例えば、本明細書に記載されているもの）および／または無機結合剤であってよい。部分的にバイオカーボン材料（例えば少なくとも５０％の回収された炭素）から形成されるこのような本発明の製品もまた、還元剤として、および本明細書に記載されている他の様々な実施形態において使用することができる。

冶金産業および建設産業全体は、カーボンニュートラルな解決策を数１０年もの間探究してきたため、本開示の製品および方法は以前に実施されたことを考慮すると明白ではない。これが明らかであったら、本開示の方法はすでに他者によって実施されていたことになる。

硬化したおよび加圧した混合物（バイオカーボン材料）は、本明細書に記載されているように、コンクリートを作製するための成分の１つとして使用することができる。これは好ましくは「カーボンニュートラルコンクリート」となり得る。このような使用では、バイオカーボン材料は、適当な砕石、砂利または小石サイズの小片へと形成され得るまたは加工され得る（上記を参照されたい）。この形成は、例えば、ジョークラッシャーの使用により、形成された材料をより小さな小片へと破壊することによるものであってよい。一実施形態では、バイオカーボン材料は高性能材料、例えば、冶金（特にアルミニウム）産業用のアノードへと形成されてもよく、必要とされる耐性に到達しないような品目は、コンクリートまたは同様の材料（例えばアスファルト）における木炭石として使用するために破壊して適当な小片とするか、または新規アノードへとリサイクルすることもできる。

一般的に本開示のバイオカーボン材料に対して、混合物中の結合剤（例えばカルダノールおよび／またはカルドール、任意選択で促進剤を含む）は、最終材料／混合物のおよそ２重量％～５０重量％の範囲であってよい。混合物中の結合剤は通常、５重量％～３０重量％、例えば、８重量％～２４重量％である。炭素アノードに対して、これは１０～３０重量％、例えば、１５～２５重量％であってもよい。

一般的な混合物中の木炭粉は混合物のおよそ１０重量％～９８重量％の範囲であってもよい。より典型的には、材料の少なくとも２０％、好ましくは少なくとも４０％およびより好ましくは少なくとも５０％が木炭で構成される。アノードにおける使用およびある特定の他の使用に対して、木炭粉中の揮発性物質のレベルは低レベルで維持することができる。したがって、一実施形態では、木炭中の揮発性物質のレベルは５％未満（例えば０．１～５％）、好ましくは３％未満であってよい。

混合物中の触媒／促進剤は、好ましくはヘキサミンであり、結合剤の量の０．１重量％～１５重量％の範囲であってもよい。適切な量は本明細書に記載されている。

一実施形態では、木炭粉は純粋な木炭粉であってもよく、したがって、バイオカーボン材料は木炭および結合剤（任意選択で促進剤を含む）からなる、または本質的にこれらからなる。このような木炭は、本明細書に記載されている揮発性物質を減少させていた可能性がある。代替の実施形態では、少なくとも１種の無機充填材が存在し得る。好ましくは、バイオカーボン材料は、３０重量％以下の無機充填材を含有する（例えば、それから形成される）。これは、０～３０重量％または１～３０重量％、例えば、１０～２５重量％または１５～２５重量％の充填材である。無機充填材はバイオカーボン材料の圧縮強度を増加させるために機能することができ、および／または材料の密度を制御するために使用することができる。特に、ある特定の用途に対して、例えば、コンクリートにおける使用のため、バイオカーボン材料の密度を増加させることが有利となり得る。これは、混合物、例えば、セメントまたはアスファルトへの組込みを補助することができる。適切な無機充填材として、本明細書で以下に開示されているものが挙げられ、岩粉などの材料（非常に微細な岩粒子、例えば、岩へのドリルでの穴あけまたは岩の粉砕により生産されるものなど）、例えば、花崗岩粉、ケイ素粉末または微細な砂を含むことができる。好ましい充填材の粒径は直径５０ｎｍ～５００μｍ、例えば、１００ｎｍ～２００μｍ、例えば、３～１００μｍの範囲であってもよい。非常に微細な充填材、例えば、１００μｍ未満の平均粒子直径（例えば１００ｎｍ～８０μｍまたは１～５０μｍ）を有するものもまた使用することができる。

別の特定の実施形態は、カルダノール（任意選択で１２％までのカルドールを含む）と、木炭粉と、ヘキサミンとを含む組成物であって、カルダノール、木炭粉、およびヘキサミンは一緒に混合されて、混合物を形成し、この混合物をおよそ１８０℃～２５０℃の範囲、１～２時間の期間で硬化され、混合物をおよそ３～５０ｋＮ／ｃｍ²の範囲で圧縮され（硬化前）、カルダノールは混合物のおよそ８重量％～３５重量％（例えば、８～２０重量％）の範囲であり、木炭粉は混合物のおよそ５０重量％～９２重量％の範囲であり、触媒／促進剤（例えばヘキサミン）はカルダノール／カルドール構成成分の０．１重量％～２０重量％（例えば０．１～１５重量％）の範囲である、組成物である。本実施形態の様々な特徴に適した本明細書のすべての説明は、技術的に実行可能である場合、本実施形態と共に利用し、これと組み合わせることができる。

別の実施形態は、木炭粉およびカルダノール製品を調製する方法であって、カルダノールを準備するステップと、木炭粉を準備するステップと、カルダノールを木炭粉と混合することによって、カルダノールと木炭粉との組成物を作り出すステップと、カルダノールと木炭粉との組成物を加圧するステップと、カルダノールと木炭粉との組成物を硬化するステップとを含む方法であってよい。本方法は、触媒を準備するステップであって、触媒をカルダノールおよび木炭粉と混合することによって、カルダノールと木炭粉との組成物が触媒を含むステップを含むことができる。カルダノールはカルダノールと木炭粉との組成物のおよそ２重量％～５０重量％の範囲であってもよく、木炭粉はカルダノールと木炭粉との組成物のおよそ１０重量％～９８重量％の範囲であってもよく、促進剤／触媒は結合剤（カルダノール）構成成分の０．１重量％～１５重量％の範囲であってもよく、カルダノールと木炭粉との組成物は、およそ３～１００ｋＮ／ｃｍ²の範囲で加圧されてもよく（任意選択で、振動と共に）、混合物はおよそ１８０℃～２５０℃の範囲で３０分間～２時間硬化されてもよい。

他の特徴および利点は、以下の詳細な説明およびその添付の図から当業者に明らかとなる。

図は図解による実施形態を示すもので、すべての実施形態を表しているわけではない。図解による実施形態に加えてまたはその代わりに、他の実施形態を使用することができる。自明であり、または不必要であり得る詳細は、場所を節約するという目的のため、またはより有効な図解のため省略することができる。一部の実施形態は、追加の構成成分もしくはステップと共に、および／または図解に提供されている一部もしくはすべての構成成分もしくはステップなしで実施することもできる。異なる図が同じ数値を含有する場合、その数値は同じまたは同様の構成成分またはステップを指す。

バイオカーボン材料および製品を作り出すためのプロセスの一実施形態のブロックフロー図である。 木炭粉およびフェノール系結合剤ブリケットを作り出すためのプロセスの一実施形態の図である。 フェノール系結合剤を形成するフェノールとしてカルダノールを使用した場合、ある特定の配合において、より多くの結合剤が添加されるほど、結果として得られる生成物はより強い（ある特定の制限内で）ことを示すグラフである。 圧縮強度試験後の本開示の円柱のバイオカーボン材料の写真である。 フェノール系樹脂、および冷水可溶性であるように変性されたジャガイモデンプンの第２の結合剤を含む結合剤を用いて形成されたバイオカーボン材料の押出しを行っている写真である。

様々な実施形態の以下の詳細な説明において、実施形態の様々な態様の十分な理解を得るために、多くの特定の詳細が記載されている。しかし、実施形態は、これら特定の詳細の一部またはすべてを行うことなく実施することができる。他の事例では、周知の手順および／または構成成分は詳細に記載されていないが、これは実施形態の態様を不必要に曖昧にしないためである。

一部の実施形態が以下に開示されている一方、他の実施形態は以下の詳細な説明の結果として、当業者に明らかとなる。これらの実施形態には、すべて保護の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な明らかな態様の修正が可能である。図、およびこれらの詳細な説明は、例示的な性質のものであり、限定的ではないとみなされるものとする。また、特定の実施形態についての参照または非参照は、保護の範囲を限定すると解釈されてはならない。

以下の説明において、１つまたは複数の実施形態のある特定の特徴を記載するためにある特定の用語が使用されている。本明細書の目的のため、特に明記しない限り、「実質的に」という用語は、動作、特徴、特性、状態、構造、品目、品目のグループ、または結果の完全なまたはほぼ完全な範囲または程度を指す。例えば、一実施形態では、「実質的に」筺体内に位置する対象とは、対象は完全に筺体内にあること、またはほぼ完全に筺体内にあることのいずれかを意味することとなろう。絶対的完全性からのずれの確実に許容される程度はいくつかの場合においては特定の文脈に依存し得る。しかし、一般的に言えば、完全に近いと、まるで絶対的および全体的な完全性が得られたかのように、同じ全結果を有するようになろう。「実質的に」の使用はまた、ネガティブな意味で使用された場合、動作、特徴、特性、状態、構造、品目、品目のグループ、または結果の完全なまたは完全に近い欠如を指すためにも同等に適用可能である。別の例では、品目の実質的にすべてのグループは、そのグループの品目のすべて、または一般的に品目に対する正常なパラメーター内にあるそのグループの品目の少なくともすべてを含み得る。品目のグループが正常なパラメーターをはるかに超えるメンバーを含む可能性がある範囲内に限り、この異常な品目を、この品目の実質的にすべてのグループの一部であると見込むことができない。

本明細書で使用される場合、「およそ」および「約」という用語は、示された数または数の範囲の５％以内の逸脱を一般的に指す。合わせて、「実質的に純粋な」または「から実質的になる」は、あるものは事実上純粋であるが、ある特定の程度の不純物、例えば、１２％未満、１０％未満、５％未満または１％未満の他の材料（複数可）を許容することを示唆している。一実施形態では、「およそ」および「約」という用語は、示された数または数の範囲からの０．０００１～３９％の間の逸脱を指すことができる。

本明細書で使用される場合、「木炭」という用語（時には当技術分野で「バイオ炭」と呼ばれ、本明細書の「木炭」は「バイオ炭」と解釈され得るように本明細書で同等に使用されている）は、炭化が施される任意の有機物質から生産することができる。一般的に、木炭／バイオ炭は、酸素が限られた環境でバイオマスの熱化学的変換から得られる固体の、炭素豊富な材料である。好ましくは、木炭は、これらに限定されないが、サトウキビ、バガス、わら、竹材、ナッツ殻および他のナッツ副産物（例えばココナッツ殻もしくはカシューナッツ殻および／または固体の残渣）、籾殻、農業残渣（例えば農業廃棄物）、都市ごみ、硬材および軟材を含む任意のバイオマスから誘導することができる。任意のこのような材料、または任意の他の有機物質は木炭に対する主成分となり得る。本発明の有利な態様は、製品の生産において放出された正味の炭素を減少させるため、および／または炭素を大気から隔離して、コンクリートなどの長寿命製品に取り込むために、大気から回収された炭素を使用する施設である。したがって、一実施形態では、木炭（バイオ炭）は最近まで生きていた（成長していた）バイオマスで形成される。これは、最近１００年以内（例えば、使用する１週～１００年前）または最近５０年以内に成長していた（したがって、大気から炭素を採取していた）バイオマスであってもよい。一部の形態のバイオマス（特に、例えば、竹材または収穫物の残渣、例えば、わらまたは籾殻）に関しては、バイオマスは最近５年以内（例えば、最近３年以内または最近１年以内）に成長していた可能性がある。

好ましくは、本開示の組成物に使用される木炭は木炭粉の形態である。「木炭粉」とは本明細書で使用される場合、通常最も大きな寸法で、２０ｍｍ以下、例えば、８ｍｍ以下の重量平均粒径を有する（例えば１ｎｍ～２０ｍｍ、１ｎｍ～８ｍｍ、例えば、１００ｎｍ～８ｍｍまたは１μｍ～８ｍｍ）。好ましくは、木炭粉は２ｍｍ以下の重量平均粒径を有する（例えば３μ～１ｍｍまたは１０μｍ～１ｍｍ）。本発明者らは、より小さな木炭粒子は通常より強いバイオカーボン材料をもたらすことを見出し、したがって好ましい木炭粉サイズは最も大きな寸法で２００μｍ以下（例えば１０～２００μｍ）、好ましくは１００μｍ以下である。

本明細書で使用される場合、「木炭粉」という用語は、破砕したまたは粉砕した木炭であって、好ましくは上で示されたサイズの木炭を指す。「木炭微粉」とは、バーベキュー、冶金産業、または木炭が一般的に使用されている任意の他の用途のために木炭を加工する際にできる粉炭および小さな小片で構成される廃棄産物であり、木炭粉に対する出発材料として使用することができる。木炭粉は、炭俵の底部、または木炭製造地および／もしくは包装場所で通常見出される黒色煤煙の粉状物質である、木炭由来の残渣として見出すことができる。木炭微粉は一般的に通常直径４０ミリメートル未満の木炭の小片である。これらは、次いで、破砕および／または粉砕して、木炭粉にする。好ましくは、使用される木炭粉は、直径２ミリメートル未満を有し得る（本明細書に記載されている通り）。

本発明の様々な実施形態における木炭粉はおよそ６０％～１００％または７０％～１００％の純粋な木炭であるべきであり、およそ４０％または３０％以下の炭素ベースの充填材を有する（木炭構成成分の重量で）。本明細書で使用される場合、「炭素ベースの充填材」という用語は、例えば、石炭、コークス、無煙炭、グラファイト、ウッドダスト、おがくず、木材チップ、木粉、褐炭、セミコークス、石油コークス、冶金コークス、炭素繊維などを指す。これは任意選択の本明細書に記載されている「無機充填材」とは対照的である。一実施形態では、木炭構成成分は純粋な木炭または実質的に確かな木炭である。

無機充填材は、バイオカーボン材料の４０％まで、好ましくは３０重量％以下まで（上で論じた通り）使用することができる。このような充填材は、任意の目的のため、例えば、材料に強度を加える、材料の表面積もしくは水吸収を減少させるため、および／またはバイオカーボン材料の密度を増加させるために使用することができる。適切な充填材は、岩粉（非常に微細な岩粒子、例えば、岩へのドリルでの穴あけまたは岩の粉砕により生産されるものなど）、ケイ素粉末または微細な砂を含む。ある特定の実施形態では、炭酸塩鉱物、例えば、カルシウム炭酸マグネシウム（ドロマイト）が適切であるように、花崗岩粉が特に適切である。好ましい無機充填材の粒径は１ｎｍ～１００μｍの範囲、例えば、１～２０μｍまたは３～１μｍの範囲であってよい。

本開示のバイオカーボン材料では、バイオカーボン材料の少なくとも１０重量％（例えば１０～９８重量％）は木炭で構成される。これは好ましくは少なくとも４０重量％（例えば４０～９５重量％）であり、より好ましくは５０～９０重量％である。一実施形態では、例えば、低いレベルの結合剤（例えば、２～１５重量％）で十分であり得る燃料および還元剤などの使途に対して、木炭の重量％は７５重量％～９８重量％、７５重量％～９５重量％または８０重量％～９０重量％であってもよい。さらなる実施形態では、例えば、より高い強度の使途、例えば「木炭石」（本明細書で論じられている通り）およびアルミニウム生産用のアノードに対して、結合剤含有量はより高くてもよく（例えば２０～３０重量％）、したがって木炭含有量はより低くてもよい（例えば、７０～８０重量％）。無機充填材もまた含まれている場合、木炭含有量は４０～７０重量％または４５～６０重量％であってもよい。

本明細書で使用される場合、「回収された炭素」は、最近１００年以内または最近５０年以内に大気から除去された炭素を示す。これは通常、植物の成長、例えば、木、竹材または農作物によるが、他の手段、例えば、化学的方法によりなされてもよい。回収された炭素は、化石燃料由来の「化石炭素」と対比することができる。回収された炭素が炭素を大気中にＣＯ₂として放出する方式で利用された場合、正味の効果は以前に大気中に存在した炭素（例えば、植物成長により大気から以前に除去された炭素）と置き換わるだけのものである。大気の炭素含有量に対するこれによる全体的な作用はゼロであり、「カーボンニュートラル」として公知である。合わせて、回収された炭素が大気から長い期間隔離された場合（例えば、１００年またはそれよりも長く、例えば、１００～５００年）、全体的な作用は、炭素が大気から採取されて、置き換えられていないという意味で「カーボンネガティブ」である。

本明細書で使用される場合、「カーボンニュートラル」または「ＣＯ₂ニュートラル」とは、正味ゼロの二酸化炭素の放出を有する特性である。製品は、対応する量の炭素を大気から回収することで、プロセスに伴う二酸化炭素の放出を平衡に保つことによりカーボンニュートラルとなり得る。正確な測定は困難な可能性があるため、放出され、吸収された炭素の重量において、±２０％または±１０％以下、好ましくは±５％以下の不均衡が本明細書で「カーボンニュートラル」と考えられる。合わせて、その生産に伴う二酸化炭素の放出が製品それ自体により大気から吸収される二酸化炭素未満の場合、製品は「カーボンネガティブ」である。一般的に本明細書では、大気から製品へと回収された炭素の重量がその製品の製造において二酸化炭素として放出された炭素の量より１０％超、好ましくは２０％超大きい場合、製品は「カーボンネガティブ」であると考えることができる。

本明細書で使用される場合、「バイオカーボン」という用語は、大気から、最近１００年以内または最近５０年以内（好ましくは最近３０年以内）に生物学的プロセス、例えば、植物の成長により採取された、回収された炭素を示すために使用される。合わせて、本明細書で参照された「バイオカーボン材料」はバイオカーボンを含む材料である。特に、バイオカーボン材料の炭素含有量は少なくとも５０％のバイオカーボン、好ましくは少なくとも８０％のバイオカーボンを含むべきである。一部の実施形態では、バイオカーボン材料の炭素含有量は、本明細書に記載されているバイオカーボンから本質的になるまたはこれからなる。バイオカーボンの使用は、化石炭素（ＣＯ₂の形態で）の大気への放出または放出の危険性を回避するので、大きな意義を有する。バイオカーボン（「回収された炭素」とも呼ばれる）はまた少なくとも同位体プロファイルにおいて化石炭素とは適度に異なり、放射性炭素法により化石炭素と区別することができる。例えば、大気中の¹⁴Ｃの比は¹²Ｃ原子１０¹²個中¹⁴Ｃ原子約１個であり、地球上の生物圏と同様である。したがって、回収された炭素は¹⁴Ｃ：¹²Ｃの原子比、約１：１０¹²、例えば、１：１０¹²～１：１０¹³の間または１：１０¹²～１：１０¹⁴の間を有し得る。約１：１０¹⁵未満の¹⁴Ｃ：¹²Ｃの原子比を有する炭素は、少なくとも５０，０００年の間大気または生物圏内に存在していない高レベルの炭素を含む可能性が高く、したがって、本明細書で「回収された炭素」またはバイオカーボンとは考えられない。

本開示の様々な実施形態では、少なくとも１種の結合剤が利用される。好ましい結合剤は少なくとも１種のフェノール系樹脂を含む。フェノール系樹脂は通常、少なくとも１種のアルデヒドまたはヘキサミンなどのホルミル炭素源との、またはこれを利用した少なくとも１種のフェノールの重合により生成される。

結合剤として使用するためのフェノール系樹脂を形成するのに適したフェノールは以下の式Ｉのフェノールを含む：

式Ｉにおいて、ＸはＨまたはＯＨであり、ＲはＨであるか、または任意選択で置換されている、飽和もしくは不飽和の、炭素数１～２４の炭化水素部分であり、この炭化水素部分は直鎖であっても、分枝であってもよい。一実施形態では、式Ｉの少なくとも１種のフェノールは、Ｒが水素ではない少なくとも１種のフェノールを含む。Ｒは通常フェノール系ＯＨ基に対してメタ位にある。一般的に、非置換フェノールは本明細書に記載されているフェノール系樹脂を生成するための唯一のフェノールを形成しない。

したがって、一般的に、フェノール系樹脂は、式Ｉのフェノールの少なくとも一部分が水素以外の部分としてＲを有する少なくとも１種のフェノールから形成される（すなわち、そのポリマーである）。好ましくは、式Ｉのフェノールの６０重量％以下（例えば１～５０重量％）または３０重量％以下は、好ましくは１０％以下、より好ましくは１％以下がＲ＝Ｈを有する。一実施形態では、式Ｉのフェノール（複数可）はＲ部分として水素を有さない。Ｒの典型的な例は、Ｃ１～Ｃ２４の炭化水素、例えば、直鎖または分枝鎖を有する、Ｃ６～Ｃ２０（例えばＣ８～Ｃ１８またはＣ１０～Ｃ１７）の飽和または不飽和の炭化水素を含む。このような炭化水素部分は飽和または不飽和であってよい。このような不飽和は炭化水素部分内の少なくとも１つの二重結合および／または三重結合、例えば、１、２、３、４または５つの二重結合の形態であってよい。二重結合は、存在する場合、ｃｉｓまたはｔｒａｎｓ二重結合であってよい。好ましくは少なくとも１つのｃｉｓ二重結合が式Ｉのフェノールの少なくとも一部分に存在してもよい。一実施形態では、０、１、２または３つの二重結合が存在してもよく、２つまたはそれよりも多くの混合物が式Ｉのフェノール内に存在してもよい。Ｒ部分が置換ヒドロカルビル部分である場合、これは任意の適当な基、例えば、Ｃｌ、Ｆ、ＯＨ、ＮＨ₂エポキシまたは他の置換基で置換されていてもよい。アミンおよびヒドロキシル置換された式Ｉの化合物は特に適切である。エポキシ置換もまた使用することができる。一実施形態では、ＲはＣ₁₅Ｈ₃₁－ｎ（式中、ｎは０、２、４および／または６である）である。

一実施形態では、フェノール系結合剤は、カルダノールおよび／またはカルドールを含む、これらから本質的になるまたはこれらからなる式Ｉのフェノールのポリマーであってよい（例えば、それから形成されたまたは形成可能な）。一実施形態では、フェノール系結合剤は、少なくとも５０％（例えば、５０％～１００％）のカルドールおよび／またはカルダノール（例えば、少なくとも７０％または少なくとも８０％、例えば、少なくとも９０％）を含むフェノールから形成されるまたは形成可能である。

純粋なフェノール系樹脂結合剤の代替または部分的な代替として、エポキシ樹脂を利用することもできる。特に、式Ｉのフェノールは、公知の方法、例えば、エピクロロヒドリンを使用してエポキシ化することができる。例えば、カルダノールは以下の通りエポキシ化することができる：

さらに、式Ｉのフェノールは、ホルミル炭素源、例えば、本明細書で開示されたヘキサミンの使用により、ノボラック型フェノール系樹脂へと形成されてもよく、続いてこれはエポキシ化され、次いでエポキシ化プレポリマーの反応によりさらに架橋されてもよい：

代替の実施形態では、フェノール系樹脂はいかなるエポキシ基も含まず、フェノール系樹脂の合成においていかなるエポキシ化ステップも含まない。

本明細書で使用される場合、「カシューナッツ殻液」または「ＣＮＳＬ」という用語は、カシューナッツ殻のハニカム構造に見出される、黄色がかったつやのある天然樹脂であり、カシューナッツ加工の副産物である液体を指す。天然に存在するＣＮＳＬは主に４つの構成成分を含有する：アナカルジン酸、カルダノール、カルドール、および２－メチルカルドール。これら４つの構成成分はメタ位に炭化水素側鎖を有する一価または二価のフェノールまたはフェノール酸である。ＣＮＳＬは加熱処理してアナカルジン酸を脱炭酸することができ、カルダノール豊富な工業用グレードのＣＮＳＬを生産する。この材料を蒸留することにより、７８％カルダノールおよび８％カルドールを含有する、蒸留された、工業用のＣＮＳＬを得る。一実施形態では、式Ｉのフェノールは７８％周辺のカルダノールおよび８％周辺のカルドール（例えば７５～８５％カルダノールおよび５～１５％カルドール）である。

本明細書で使用される場合、「カルダノール」または「カルダノール油」という用語は、Ｃ₂₁Ｈ₃₀Ｏ、Ｃ₂₁Ｈ₃₂Ｏ、Ｃ₂₁Ｈ₃₄Ｏおよび／またはＣ₂₁Ｈ₃₆Ｏならびに以下の構造：

（式中、ｎは０、２、４または６である）の分子式を有するＣＮＳＬの構成成分を指す。通常、少なくともいくつかのｎ＝６を含有する混合物が存在する。

カルダノールは、カシューナッツ殻液の主成分である、アナカルジン酸から得られるフェノール系脂質である。

いくらかのアナカルジン酸（例えば、０～２０重量％、例えば、１～１５重量％または１～１０重量％）が結合剤中に存在し得る。

上記に示されているＣ１５鎖を有する長鎖アルキルフェノールの混合物としてのカルダノール（式Ｉおよび本明細書の構造の基「Ｒ」に対応する）はＣＡＳ番号３７３３０－３９－５を有する。上記のようなＲ基Ｃ₁₅Ｈ₂₅を有する精製されたカルダノールもまた同じＣＡＳ番号で入手可能である。どちらの等級も、本発明の様々な態様において、式Ｉのフェノールのすべてまたは一部として使用することができる。一実施形態では、式Ｉのフェノールの少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７５％はカルダノールＣＡＳ３７３３０－３９－５、例えば、上で示されたカルダノール混合物からなる。

本開示のバイオカーボン材料において、結合剤成分の量は通常５重量％～３０重量％である（本明細書で論じられている通り）。これは上記に論じられているように異なる用途に対して変動し得る。材料が「木炭石」を形成するためのものである場合、結合剤の量は一般的に少なくとも１５重量％、（例えば１２～３０重量％）、好ましくは少なくとも１５重量％または少なくとも１８重量％である。最大２５～３０％周辺の結合剤が好ましい。これは、より多い量が利用されると、材料が圧縮された際に結合剤を失う可能性があるからである。しかし、木炭および／または充填材の粒径が結合剤の最大量に影響を与え得るため、上限は、任意の特定の木炭粉および任意選択の充填材に対して容易に決定される。

本発明の様々な実施形態における結合剤成分は、フェノール系結合剤を含むまたはこれからなることができる。このような結合剤はフェノールのポリマー、例えば、本明細書に記載されている式Ｉのフェノールを含むまたはこれからなることができる。本開示のバイオカーボン材料を形成する方法は、木炭粉をフェノール（複数可）および他の材料、例えば、任意選択の促進剤（本明細書に記載されている通り）と混合するステップと、材料を所望の形状に形成するステップと、任意選択で材料（本明細書に記載されている通り）を圧縮するステップと、材料（本明細書に記載されている通り）を硬化するステップとを含むことができる。代わりに、結合剤成分はプレポリマー、例えば、「ノボラック」型樹脂（当技術分野で公知であり、上記に記載されている）の形態であってもよい。このプレポリマーは木炭を含み、追加のフェノール（複数可）、ならびに任意選択の構成成分、例えば、促進剤（複数可）、乾性油および／または充填材（複数可）を任意選択で含む他の構成成分と混合することができる。これらの様々な構成成分は本明細書に記載されている。次いで、プレポリマー混合物は、架橋により、例えば、アルデヒドもしくはホルミル炭素源との反応により、エポキシ変性および架橋（上記を参照されたい）により、ならびに／または酸化的架橋（乾性油に対して公知のもの）により硬化することができる。

一実施形態では、結合剤中に存在する炭素の少なくとも５０％は回収された炭素である。これは、５０～１００重量％または５０～９８重量％または７０～９９重量％であってよい。天然供給源由来の材料（例えば、カルドールを有する、または有さないカルダノール）を含む結合剤の使用は、バイオカーボン材料中の回収された炭素の量を増加させ、炭素回収および隔離特性を改善する。化石炭素を利用する結合剤を全体的または部分的な代替として使用することもできる。

一実施形態では、結合剤はリグニンを含まないか、または結合剤成分の１重量％未満の量でリグニンを含む。

本明細書で使用される場合、「加圧される」または「圧縮される」という用語は、混合物または組成物を圧力に供するという動作を指す。適用される圧力は、空気プレス、機械プレス、電気プレス、押出し機、ローラープレスなどを介することができる。圧縮は１回行ってもよいし、または複数回数行ってもよい（例えば２、３、５または１０回）。一度硬化すると、複数回の圧縮はより強い製品をもたらすことができる。加圧または圧縮と本明細書で言及された場合にはいつでも、これは任意選択で、逐次的または同時に、振動を伴ってもよい。

ＣＮＳＬおよびカルダノールは、機械的抽出、熱的抽出、溶媒抽出（静的、Ｓｏｘｈｌｅｔ、超音波、二酸化炭素）、および熱分解を含む多くの異なる方法を使用して、抽出し、精製することができる。機械的および熱的抽出が好ましく、最も一般的に使用されており、商業的に実施されている。一実施形態では、ＣＮＳＬは通常高温で処理し、アナカルジン酸を脱炭酸し、カルダノールを生じる。ＣＮＳＬの追加の蒸留は少なくともいくらかのカルドールを除去し、純粋または少なくともより純粋な形態でカルダノールが残る。

本明細書で使用される場合、「ヘキサミン」という用語は、ウロトロピン、メテナミン、ヘキサメチレンテトラミンとも呼ばれ、式（ＣＨ₂）₆Ｎ₄を有する複素環有機化合物を指す。ヘキサミンは水および極性有機溶媒に極めて可溶性である白色の結晶性化合物である。これは、プラスチック、医薬品、およびゴムの添加剤を含む他の有機化合物の合成に有用である。これはまた、促進剤または触媒としても使用することができる。本明細書に記載されているものを含めて、ホルミル炭素の他の供給源を促進剤として使用することもできる。

使用することができる他の触媒および促進剤は、加熱した場合、カルダノールの重合を促進することができるカチオン性薬剤、イオン性薬剤、および酸化剤である。他のアルカリもまた、触媒として使用することができる。

ヘキサミンはホルミル炭素の有用な供給源であるが、他のホルミル供給源を使用することもできる。これらは、ホルムアルデヒドおよびポリメチレングリコールのオリゴマー、例えば、ホルマリンまたはパラホルムアルデヒドを含む。他のアルデヒドもまた使用することができる。

尿素および／または尿素誘導体（例えば、メチロール尿素）もまた促進剤として、単独でまたはホルミル炭素源と組み合わせて使用することができる。金属酸化物、例えば、酸化マグネシウムは、尿素または尿素誘導体が含まれる場合、触媒として価値があり得る。

フェノール系樹脂結合剤（特にカルダノールから少なくとも部分的に形成されるもの）は本開示の１つの好ましい実施形態を形成する。このようなフェノール系結合剤は、フェノールの反応、例えば、本明細書の式Ｉのフェノールそれ自体を用いた反応（例えば、酸化的架橋により）または促進剤、例えば、ヘキサミンまたは他のホルミル炭素源との反応により形成することができる。これらはモノマーまたはプレポリマーのいずれかとしてさらにエポキシ化されてもよいし、従来のエポキシ硬化剤、例えば、アミン（例えばフェナルカミン）を用いて硬化してもよい。一つの特定の実施形態では、エポキシ化したフェノールおよび／またはフェノールプレポリマー、例えば、本明細書で示されたものなどは、イオン性液体の添加により、またはイオン性液体の添加と共に硬化することができる。特に、ホスホニウムベースのイオン液体を使用することができる。一実施形態では、フェノール系樹脂はエポキシ樹脂ではない。例えば、一実施形態では、フェノール系樹脂は任意のエポキシ構成成分を含まない（例えば、フェノールまたは任意のプレポリマーのエポキシ化により形成されない）。一実施形態では、結合剤成分は、少なくとも１種のフェノール系樹脂を含む、これから本質的になる（例えば、９０重量％～１００重量％を含有する）またはこれからなる。

フェノール系結合剤の代替として、他の結合剤を利用することもできる。特に、本開示の一態様では、木炭および少なくとも１種の結合剤を含むバイオカーボンベースの材料であって、本明細書に記載されているように、例えば、ＡＳＴＭ Ｃ３９／Ｃ３９Ｍにより試験した場合、少なくとも３０ＭＰａ、少なくとも５０ＭＰａまたは少なくとも６０ＭＰａの圧縮強度を有するバイオカーボンベースの材料が提供される（本明細書に記載されている通り）。このような材料は、建設材料、例えば、コンクリート中の少なくとも部分的な充填材として使用するのに十分硬質であり、このような材料を含むコンクリートは本開示のさらなる態様を形成する。本明細書に記載されているフェノール系樹脂結合剤に対する全体的または部分的な代替として、技術的に実行可能な場合、本明細書に記載されているすべての割合および実施形態で任意の適当な結合剤が利用されてもよい。このような代替の結合剤は他のポリマー、例えば、メラミンまたはエポキシ樹脂または無機結合剤を含む。適切な無機結合剤、例えば、ポリシアレートは金属酸化物のナノ粒子で改質された水ガラス（例えば、ケイ酸ナトリウム）を含む。このような材料は参照により本明細書に組み込まれているＥＰ３５２４３７２Ａ１に記載されている。無機結合剤を、有機結合剤、例えば、本明細書に記載されているフェノール系樹脂結合剤と組み合わせて使用することができる。

主要（特にフェノール系）結合剤に加えて、バイオカーボン材料および本発明のすべての対応する態様はまた任意選択の第２の結合剤を含んでもよい。一実施形態では、第２の結合剤は材料の「グリーン強度」を増加させる働きをし、この「グリーン強度」とは、形成後、ただし硬化前の強度である。第２の結合剤は硬化した製品の強度を落とすことなく、混合物の「グリーン強度」を増加させる働きをする任意の結合剤であってよい。

典型的な「第２の結合剤」の例として、「乾性油」、例えば、あまに油、および多糖結合剤、例えば、アルギネート、グアーガムまたはデンプンベースの結合剤を含めて、本明細書で上記に論じたものが挙げられる。デンプン結合剤は任意の形態のデンプン、例えば、トウモロコシデンプン、小麦デンプン、ジャガイモデンプン、米デンプンおよびこれらの任意の組合せを含むことができる。「デンプン」は、すべての例において「加工デンプン」例えば、加工トウモロコシデンプン、加工小麦デンプン、加工ジャガイモデンプン、加工米デンプンおよびこれらの任意の組合せを含む。「加工デンプン」は当技術分野で十分理解されている用語であり、任意の適切な供給源から物理的に、酵素的に、および／または化学的に処理されたデンプンを含む。

特に有用なデンプン変性は、デンプンを冷水に可溶性にする変性を含む。これらは、押出し、ドラム乾燥、噴霧乾燥またはデキストリン化（ＨＣｌでローストする）を含むことができる。一実施形態では、第２の結合剤は冷水可溶性の加工デンプン（例えば、ジャガイモ由来）を含む。

第２の結合剤は、結合剤成分の５０重量％まで（例えば、１～５０重量％）の量で、または全バイオカーボン材料の１５重量％周辺の量で存在することができる。これは好ましくは結合剤成分の５～４０％または１０～３５％（例えば１５～３０％）である。

本明細書に記載されている方法において、水を加工助剤として使用することができる。これは特に、形成（例えば、押出し、ブリケット作りまたはペレット化）において滑沢剤としての機能を果たし、第２の結合剤、例えば、多糖結合剤（例えば、デンプンまたは加工デンプン）の組込みを助けることもできる。水が混合物に添加される場合、これは通常製品の形状づけ前に行われ、通常結合剤の硬化前の乾燥により除去される。一実施形態では、形状づけた「グリーン」製品（すなわち硬化前）は、硬化ステップの前に、５０～１２０℃（例えば８０～１０５℃）の温度で１０分間～２時間乾燥させる。この乾燥ステップは、硬化前に、グリーン製品の含水量を１０重量％未満、好ましくは８重量％未満または５重量％未満に減少させるためのものであってよい。高レベルの水が硬化ステップにおいて製品中に残留する場合、結合剤は効果的に硬化されないことがあり、最終生成物の特性が劣ってしまうこともある。加工助剤として使用されている水は、この水が一般的に最終生成物中に高レベルで存在しないことから、本明細書では構成成分の重量％の計算において考慮に入れていない。

特定の例の実施形態
本開示の一実施形態は、以下のステップ：
・式Ｉの少なくとも１種のフェノール（例えば、カルダノール）を準備するステップであって、
－ 好ましくはおよそ２～５０重量％の範囲において、
＊混合物がおよそ５０重量％超の結合剤（例えばカルダノール）を有する場合、結合剤は、圧力がかけられると、混合物からしみ出るまたは流れ出ることがあり（結合剤（例えばカルダノール）の飽和は５０％または約５０％で生じる）、
＊図２に詳述されているように、混合物中に結合剤が多いほど、より硬いブリケットまたは製品が結果として得られ、
－ より好ましくは、結合剤（特にカルダノール）は最終混合物の５～３０重量％の範囲であってもよい、ステップと、
・木炭を、好ましくは木炭粉の形態で準備するステップであって、
－ 好ましくは３０～９８重量％の範囲において、
－ 一部の実施形態では、木炭は均一な木炭粉となるように、粉砕されてもよく、
－ 一部の実施形態では、木炭粉は、木炭粉（本明細書に記載されている通り）のおよそ３０重量％までの炭素充填材で濃度を下げることができる、ステップと、
・結合剤（例えばカルダノール）を木炭粉と混合して、カルダノールと木炭粉との組成物を作り出すステップであって、
－ 一実施形態では、およそ１０分間後、組成物は十分に混合され、
－ 一部の実施形態では、木炭は、炭素充填材でおよそ３０％まで濃度を下げることができる、ステップと、
・結合剤および木炭の混合物を加圧のためダイまたは他の適切な容器に充填するステップであって、
－ 代わりに、混合物を押し出す、またはローラープレスに通すこともでき、これによって加圧が提供され得る、ステップと、
・結合剤（例えばカルダノール）および木炭粉の混合物を圧力に供するステップであって、
－ 一実施形態では、水圧プレスを使用することができるが、機械プレス、押出し機、またはローラープレスを含む他の圧力機序を使用することもでき、
－ 好ましくは、圧力はおよそ３～２００Ｎ／ｃｍ²であってもよく、好ましくはおよそ１０Ｎ／ｃｍ²であってよい、
－ 圧縮強度を増加させるため、組成物は複数回数プレスされてもよい、ステップと、
・加圧した結合剤（例えばカルダノール）および木炭粉の組成物を硬化するステップであって、
－ 一実施形態では、加圧した結合剤（例えばカルダノール）および木炭の組成物はオーブン内でおよそ１分間～２時間（またはこれよりも長く）加熱され、
－ 一実施形態では、加圧した結合剤および木炭の組成物はオーブン内で、４５０℃未満、好ましくはおよそ１８０℃～２５０℃の範囲で硬化され、
－ 硬化が直接的加熱、間接的加熱、放射熱、紫外光／線（ＵＶ）、赤外線（ＩＲ）、マイクロ波、超音波、誘導電力などを介して行われてもよい、ステップと
を含む方法であってよい。

・硬化した結合剤および木炭粉の組成物（バイオカーボン材料）は工業用またはＢＢＱブリケットとして使用することができる。

・硬化した結合剤および木炭粉の組成物（バイオカーボン材料）は、コンクリートに一般的に使用されている岩、石、または他の充填材に対する全体的または部分的な代替として、所望する場合、コンクリートの全体的強度を減少させることなく使用することができる。このような使用法は、コンクリートのカーボンフットプリントを低下させることができる。このような使用によって、コンクリートの製造において放出された炭素に関して、コンクリートはカーボンニュートラルまたはさらにはカーボンネガティブとなり得る。

・硬化した結合剤および木炭粉の組成物（バイオカーボン材料）は、冶金還元剤として、および／または、例えば、アルミニウム製造における使用のためのアノードとして使用することができる；
－ アノードの調製は通常、高い加熱温度への加熱を必要とし、これは１０００℃より高い温度と定義される。

本開示の結合剤と木炭の製品（特にカルダノールと木炭の製品）の結果として得られる圧縮強度はうれしい驚きであった。実際に、１８％まで低い結合剤でも、結果として得られるカルダノールと木炭の製品はある特定の等級のコンクリートのように硬質であり、したがって、建設材料としてまたは複合材料としての使用を含めて、それ自体使用することができる。このような使用に対して、１８～３０％周辺の結合剤レベルが好ましい。結合剤のパーセンテージは変動させることができるので、結果として得られる製品の硬度および強度はカスタマイズすることができる。

本開示の一実施形態は、以下のステップ：
・フェノール系結合剤（例えば、カルダノール）を準備するステップと、
・木炭を、好ましくは木炭粉の形態で準備するステップと、
・結合剤中に触媒を供給するステップであって、
－ 触媒はヘキサミンもしくはホルミル炭素の別の供給源またはアルデヒドであってよい、
－ その触媒は、加熱されると、結合剤（例えば、フェノール、例えば、カルダノール）の重合を促進する任意のカチオン性薬剤、イオン性薬剤、酸化剤またはアルカリであってよい、
－ 一実施形態では、ヘキサミンが、添加されるフェノール（例えばカルダノール）のおよそ６～８重量％で添加されるステップと、
・フェノール（カルダノール）、触媒、および木炭を混合して、組成物を作り出すステップと、
・組成物を加圧する（および任意選択で同時にまたは逐次的に振動させる）ステップと、
・組成物を硬化するステップと、
・任意選択で、硬化したフェノール、触媒、および木炭の組成物を加工して、コンクリート中の成分として、冶金還元剤として、ＢＢＱ産業における調理用燃料として、および／または、例えば、アルミニウム製造における使用のためのアノードとして使用することができるブリケットを作り出すステップであって、
－ アノードを調製することが、高い加熱温度（１０００℃より高い温度と定義される）までの加熱を通常必要とするステップ
とを含む方法であってよい。従来の石油コークスおよびピッチアノードに対する典型的な条件は１１００℃で２００～３００時間である。

カルダノールおよび触媒の含有量が高いほど、結果として得られる材料（例えばブリケット）はより強い。カルダノール含有量がより高いほど、材料（例えばブリケット）の耐水性は上がる。

一実施形態では、本明細書に記載されているバイオカーボン材料（例えばブリケット）は防水性または実質的に耐候性であることができ、エレメントに入れて外で貯蔵することができる。一実施形態では、本明細書に記載されているバイオカーボン材料（例えばブリケット）は、水に２４時間、好ましくは４８時間、より好ましくは７日間浸漬させた後、材料が崩壊せず、またはその構造を失わない範囲内で防水性であることができる。好ましくは、本明細書に記載されているバイオカーボン材料（例えばブリケット）は５～１０重量％の水を取り込んでもよく、材料の任意の構造的脆弱性なしに曝露されてもよい。

一実施形態では、本明細書に記載されているバイオカーボン材料（例えばブリケット）は十分に強いので、石炭、石油コークス、冶金コークスおよび砂利の操作および貯蔵に現在一般的に使用されているものと同様の装置および慣習を用いて、包装せずに担持され、輸送され、荷下ろしされおよび貯蔵されてもよい。

好ましくは、本開示のブリケットは輸送または貯蔵中、自己点火する可能性はない。

本開示の組成物および方法の前に、木炭内の揮発性有機化合物および気体はおよそ０～３０重量％の範囲の容量である。カルダノールは、本発明の様々な態様における使用のために好ましい結合剤である。ＣＮＳＬの精製および蒸留後、カルダノールはおよそ１％未満の揮発性有機化合物を有する。したがって、カルダノールは環境に優しいばかりでなく、非揮発性であり、本質的に無害でもある。

一実施形態では、加圧（圧縮）は、標準的な圧力（およそ１バールまたはおよそ０．１ＭＰａ）で行うことができる。

一実施形態では、硬化は不活性な、標準的な雰囲気で行われる。

ＳＨＴに対して、不活性雰囲気が使用され、温度は７００～１３００℃の範囲に増加させることができる。およそ１０００～１１００℃が最適な温度（不活性雰囲気内で）である。硬化およびＳＨＴは単一の加熱ステップで行ってもよいし、または逐次的に行ってもよい。

圧力を加えることなく、酸素豊富な雰囲気で硬化した場合、硬化温度はおよそ４００℃およびそれ未満に低下させることができ（本明細書に記載されている通り）、３００℃未満または２００℃未満が好ましい。

一実施形態では、バイオカーボン材料は標準的な石油コークスアノードの圧縮強度を少なくとも有し、この標準的な石油コークスアノードはおよそ８～１０ＭＰａの曲げ強度、３０～５０ＭＰａの圧縮強度、および４～５．５ＧＰａ（ギガパスカル）の静弾性係数を有する。したがって、本開示の製品は石油コークスアノードと同じ最低限の技術的必要条件のすべてを有し、しかもバイオカーボンから形成されている。したがって、バイオカーボン材料は二酸化炭素ニュートラルでもある。

図は本開示の方法で作り出した製品の図解による実施形態を示すもので、すべての実施形態を表しているわけではない。図解による実施形態に加えてまたはその代わりに、他の実施形態を使用することもできる。自明であり、または不必要であり得る詳細は、場所を節約するという目的のため、またはより有効な図解のため省略することができる。一部の実施形態は、追加の構成成分またはステップと共におよび／または図解に提供されている一部もしくはすべての構成成分もしくはステップなしで実施することができる。異なる図が同じ数値を含有する場合、その数値は同じまたは同様の構成成分またはステップを指す。

図１は、木炭およびカルダノール製品を作り出すためのプロセスの一実施形態のブロックフロー図である。図１に示されている通り、プロセス１は組成物を作り出すために使用され、したがっていくつかの異なる使用可能な製品７を有することができる。カルダノールは、木炭、この場合木炭粉と合わせ、粉砕および混合工程２で混合する。必要とされる場合、木炭は粉砕して、均一な木炭粉を作り出すことができる。好ましくは、木炭粉粒子は、本明細書に記載されているような、例えば、直径およそ１ｎｍ～１ミリメートルのサイズにするが、より大きな小片も使用することができる。混合物は加圧４または押出し５を混合物に提供する型、ダイ、容器、または加圧デバイスに移すことができる。次いで、加圧した／押し出した混合物は硬化６に供することができ、この硬化は通常混合物に硬化を提供するオーブンまたは他のデバイスである。結果として得られる硬化した、加圧した混合物は、所望する場合、次いでさらに形状づけ、加工、または硬化することができる。一実施形態では、結果として得られる組成物は工業用またはＢＢＱブリケット８として使用することができる。一実施形態では、製品はより小さな小片または「カーボンストーン」（本明細書では「バイオカーボンストーン」または「木炭石」とも呼ばれる）１２へと破壊することができる。これらは原料として、またはコンクリート、例えば、「カーボンニュートラル」コンクリート１３に使用されてもよい。一実施形態では、製品は、還元剤１１として使用してもよいし、またはアノード１０に加工してもよく、任意選択で、第２の加熱処理により１０００℃より上で（不活性雰囲気内で）硬化してもよい。

図２は、木炭粉およびカルダノールブリケットを作り出すためのプロセスの一実施形態の図解である。図２に示されている通り、木炭およびカルダノールブリケットを製造するためのプロセス１００は、木炭粉およびカルダノールを準備するステップと、これらをミキサー１０２内で混合するステップとを含むことができる。代わりに、他の化合物、例えば、ヘキサミン、または別の種類の触媒を添加することもできる。次いで、混合物をプロセッサー１０６へと移す１０４ことができる。プロセッサー１０６は、混合物に圧力を加えて、固め、および／またはそれを特定の形状へと形成することができる。図２は、ローラープレス１０７を介して混合物がどのように押し出され得るか示している。ブリケット１１０は、スクリーニング１０８することができ、残留物質１２０はミキサー１０２に戻してリサイクルすることができる。図２は、ブリケット１１０を枕の形状にすることができることを示している。好ましい実施形態では、ブリケット１１０は加熱または一部の他の硬化源、例えば、ＵＶ、ＩＲ、マイクロ波、超音波、誘導電力、直接的加熱、間接的加熱、放射熱などを使用して硬化することができる。

図３は、カルダノールをより多く添加するほど、結果として得られる製品がより強いことを示すグラフである。グラフは複数の圧縮強度試験の結果を示しており、ここでは、異なる組成のブリケットに既知の圧力が加えられてこれらの強度が決定された。作製されたブリケットはすべて同じように加圧され、同じ硬化プロセスに供された。グラフ上のデータポイント３００に関係するブリケットは、すべておよそ１００ＭＰａで、２回プレスし、ひっくり返し、次いで再度プレスした。この追加のプレスによって、そのブリケットはより強くなった。一般的に、他のブリケットはおよそ１００ＭＰａで１回プレスした。ＲＫは、本開示の方法から作製された木炭粉、カルダノール、およびヘキサミンベースのブリケットである。ＲＫＨＹＤは同じブリケットであるが、組成物の重量の５重量％のスラグ化された石灰が添加されている。示されている通り、追加の圧力が適用された場合、ブリケットの強度はより大きい。

図３に示されている通り、カルダノール、「結合剤」を１６重量％～２８重量％添加した。１平方センチメートル当たりのキログラムフォース（ｋｇｆ／ｃｍ²）で提示される圧力は２２０～４００の範囲である。１８％カルダノールのちょうど下で、圧力はおよそ２４０ｋｇｆ／ｃｍ²であった。これは、標準的な冶金コークスの１４０ｋｇ／ｃｍ²強度の十分上である。ブリケット表面積は８．０４ｃｍ²であり、１８％カルダノールのちょうど下で、それはおよそ２４０ｋｇのフォースで壊れた。これは２．５メートルトンの圧力と等しい。カルダノールの重量パーセントが増加するにつれて、ブリケットの強度も増加することを図３は示している。

図４は、圧縮強度試験後の本開示のバイオカーボン材料の円柱の写真である。観察された「アワーグラス」の破損パターンはコンクリートの一般的な破損パターンであり、通常他の木炭材料には見られないパターンである。これによって本開示のバイオカーボン材料とコンクリートとの間の高度の相容性を示すことができる。

図５は、実施例５の方法で形成されたバイオカーボン材料の押出しの写真である。写真に見ることができる押し出された「ロッド」は、第２の結合剤の包含に少なくとも部分的に起因する高い「グリーン強度」を有する。写真の例では、冷水可溶性であるように変性されたジャガイモデンプンを第２の結合剤として使用した。ロッドは、形態のいかなる有意な損失もなく、押出し機から収集物トレイへの落下に耐えていることが見て取れる。したがって、このような「グリーン」材料は、硬化前のコンベヤー上などでの手作業によるおよび自動化された取扱いに対して十分強い。

特に述べられていない限り、以下に続く特許請求の範囲を含めて、本明細書に記載されているすべての測定値、値、評定、位置、規模、サイズ、場所、および他の仕様は、近似値であり、正確な値ではない。これらの値は、これらと関係のある機能およびこれらが付随する技術分野において慣習的であるものと一致する妥当な範囲を有することを意図する。

好ましい実施形態の前述の説明は図解および説明の目的のために提示されてきた。複数の実施形態が開示されているが、上記の詳細な説明からさらなる他の実施形態が当業者には明らかである。保護の趣旨および範囲からすべて逸脱することなく、これらの実施形態は様々な明白な態様において修正が可能である。したがって、詳細な説明は、例示的性質のものであり、限定的ではないとみなされるものとする。また、明示的に列挙されてはいないが、１つまたは複数の実施形態は互いに組み合わせてまたは協同して実施することもできる。さらに、特定の実施形態についての参照または非参照は保護の範囲を限定すると解釈されてはならない。保護の範囲はこの詳細な説明により限定されるものではなく、本明細書に付随する特許請求の範囲および特許請求の範囲の同等物により限定されることを意図する。

直前に述べられていることを除いて、述べられているまたは例示されているあらゆるものは、特許請求の範囲内に列挙されているか否かに関わらず、いかなる構成成分、ステップ、特徴、対象、利益、利点、または同等物の公衆への提供を引き起こすことを意図するものではなく、またはそのように解釈されるべきではない。

本発明は、以下の非限定的例を参照してさらに以下に例示される：

［実施例１］
フェノール系結合剤を用いた木炭物品の形成
木炭を実験室粉砕機で粉砕して、木炭粉を生成した。木炭粉を、幅１ｍｍおよび長さ２ｍｍのメッシュサイズの篩（篩の穴は長方形の形状）に通し、１００μｍ以下の粒子を得た。

Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ３０００Ｅレーザーサイズ分析器を使用して、木炭粉の粒径をレーザーで測定した。粒子は１０μｍ～１００μｍの分布を有することが判明した。

強度≧３０ＭＰａを有するブリケットを作製するため、３０ｇの工業用グレードカルダノールを２．４ｇのヘキサミンおよび１００ｇの上記木炭粉と混合した。湿っているが、濡れてはいない状態になるまで、混合物を５分間周辺の間撹拌した。結合剤（カルダノール＋ヘキサミン）は全部で混合物の総重量の２４．４％であった。

２０．５ｇの湿った混合物を内径３２ｍｍのダイに移し、実験室用水圧プレスを用いて、１０ｋＮ／ｃｍ²のフォースでプレスして、グリーンタブレットブロック／ブリケットを形成した。加圧の繰り返しは最終生成物の強度を改善したことが判明した。

グリーンタブレットブロック／ブリケットをオーブン内、２００℃で２時間硬化してから、外気で冷却した。

［実施例２］
強度試験
実施例１に記載の通り調製した木炭ブロックを、完全に冷却させ、以下の方法に従い圧縮強度について試験した：
円柱状のタブレットブロック／ブリケット、直径３２ｍｍおよび長さ２５～３０ｍｍを、圧縮強度を測定するコンピュータに結合した水圧機器内に配置した。

ブロック／ブリケットに加える力を、直線的な、等しいステップで、毎分１００Ｎの速度で、壊れるまで増加させた。壊れる際の最大の力は≧３０ＭＰａであると指摘された。

バイオカーボン円柱に対して観察された典型的な「アワーグラス」破損パターンが図４に示されている。これはコンクリート円柱に共通のパターンであるが、木炭材料ではこれまで観察されていない。これは、バイオカーボン材料がコンクリートにおいて観察される圧縮応力に対する応答と同様の応答を見せることを示しており、コンクリートとバイオカーボン材料との間の潜在的に高い相容性を示している。

［実施例３］
水耐性試験。
バイオカーボン材料の１０個のブリケットをそれぞれ秤量し、水の密閉したビンの中に配置した。ブリケットをそれぞれ１２、２４、４８および７２時間浸してから、取り出し、再度秤量した。水中で浸した後、いかなるブリケットの質量も５％を超えて増加しなかった。さらに、ブリケットをタンブラー内に配置し、浸漬後、３０分間タンブラーにかけた場合、ブリケットにいかなる脆弱も見出されなかった。

［実施例４］
フェノール系プレポリマーの形成
フェノール（８ｋｇ）、工業用カルダノール－工業用グレード（Ｒｉｓｈａｂｈ Ｒｅｓｉｎｓ＆Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ、Ｔｅｌａｎｇａｎａ、Ｉｎｄｉａ、２ｋｇ）、ホルムアルデヒド（３７％固体、１０ｋｇ）、アンモニア液（２５％固体、４５０ｇ）およびメタノール５～６ｋｇを反応器に投入する。反応器を６０～７０℃に加熱し、７０～１００℃の温度で３０分間維持する。水を還流させて反応器に戻し、プレポリマーのゲル化時間１２０～１４０秒がホットプレート上で達成されるまで、加熱を６０～７０分間維持する。次いで、反応を９０℃以下で維持して、水を真空蒸留により除去した。十分な水が除去されたら、混合物を冷却し、必要に応じてメタノールで希釈する。プレポリマーは、実施例１のカルダノールの全体的または部分的な代替として使用することができる。

［実施例５］
フェノール系結合剤および加工デンプンの第２の結合剤の使用
ノルウェーのカバノキから真空麻痺（Vacuum Paralyzing）により６５０℃（固定炭素９４．３％、灰分１．９％、揮発性物質３．８％）で調製した木炭を、自立型ハンマーミルで粉砕して、木炭粉を生成した。

木炭粉６４．８％（すべて重量部）、加工デンプン（Ｅｍｐｒｅ ＫＳＴ冷水可溶性加工ジャガイモデンプン、Ｅｍｓｌａｎｄ、Ｇｅｒｍａｎｙ）５％およびヘキサミン１．６％を高速工業用ミキサー内で乾燥粉末として十分に混合した。粉末を一度混合したら、カルダノール１０．６％および水１８％を添加し、混合物を押出し機に導入した。

１５ｍｍロッドを押し出し、２００ｍｍ周辺の長さに切断した。ロッドは、形状を損失することなく、手作業によるおよび自動化された取扱いに対して十分な「グリーン」強度を有することが直ちに判明した。押出しプロセスは図５に描写されている。

次いで、１０５℃での最初の乾燥の２ステップ乾燥プロセスにより、取り込まれた水が除去されるまで（およそ２時間）、押し出したロッドを乾燥させ、これに続いて１５０～２００℃で１～２時間（例えば、２００℃で２時間）硬化した。

硬化後、直径１５ｍｍのロッド２００ｍｍは強度が高かったので、手で破壊することはできなかった。

［実施例６］
フェノール系結合剤および第２の結合剤の使用－代替混合
実施例５の生産方法を繰り返したが、乾燥構成成分を混合するよりも、むしろ最初に「オールイン」混合方法を採用した。すべての成分（湿性および乾燥成分）を一緒に添加し、高速工業用ミキサー内で十分に混合した。

次いで、混合した材料を押出し機に移し、押し出して、１５ｍｍ×およそ２００ｍｍロッドを形成した。

実施例５のように乾燥および硬化した後、「オールイン」の混合した材料は、実施例５の２ステップ混合と強度および硬度の同じ特性を示した。

水（加工助剤としてのみ使用されている）を除く材料の比（重量％）は以下の通りであることに注目されたい：木炭粉７９％、冷水可溶性加工ジャガイモデンプン６％、ヘキサミン２％、カルダノール１３％。

１ プロセス
２ 結合剤の粉砕および混合
４ 加圧（任意選択で振動）
５ 押出し
６ 硬化
７ 製品
８ ブリケットペレット
１０ バイオカーボンアノード
１１ 冶金還元剤
１２ バイオカーボンストーン
１３ カーボンニュートラルコンクリート
１００ プロセス
１０２ ミキサー
１０４ 移す工程
１０６ プロセッサー
１０７ ローラープレス
１０８ スクリーニング
１２０ 残留物質
１１０ ブリケット
３００ データポイント

Claims (38)

1. ４０重量％～９５重量％の木炭と、フェノール系樹脂を含む少なくとも１種の結合剤とを含む、バイオカーボン材料。
2. 前記結合剤が２重量％～５０重量％の量で存在する、請求項１に記載のバイオカーボン材料。
3. 前記フェノール系樹脂が、式Ｉの少なくとも１種のフェノール：
   

   

   （式中、ＸはＨまたはＯＨであり、ＲはＨであるか、または任意選択で置換されている、飽和もしくは不飽和の、炭素数１～２４の炭化水素部分であり、この炭化水素部分は直鎖であっても、分枝であってもよい）および任意選択で促進剤のポリマーである、請求項１または請求項２に記載のバイオカーボン材料。
4. 前記式Ｉの少なくとも１種のフェノールが、Ｒが水素ではない少なくとも１種のフェノールを含む、請求項３に記載のバイオカーボン材料。
5. 前記式Ｉの少なくとも１種のフェノールが少なくとも１種のフェノールを含み、Ｒは少なくとも１つのアミン、ヒドロキシルおよび／またはエポキシ部分により任意選択で置換されている、Ｃ６～Ｃ２０の不飽和ヒドロカルビル部分である、請求項３に記載のバイオカーボン材料。
6. 前記式Ｉの少なくとも１種のフェノールが、カルドールおよび／またはカルダノールを含む、これから本質的になるまたはこれからなる、請求項３に記載のバイオカーボン材料。
7. 前記フェノール系樹脂が、式Ｉの少なくとも１種のフェノール、および少なくとも１種のアルデヒドまたはホルミル炭素源、例えば、ヘキサミンから選択される少なくとも１種の促進剤のポリマーである、請求項１から６のいずれかに記載のバイオカーボン材料。
8. 前記結合剤が、少なくとも１種のフェノール系樹脂、例えば、請求項２に記載の樹脂からなるまたはこれから本質的になる、請求項１から７のいずれかに記載のバイオカーボン材料。
9. 前記フェノール系樹脂が、カルドールおよび／またはカルダノールからなるまたはこれから本質的になる少なくとも１種のフェノールのポリマーである、請求項１から８のいずれかに記載のバイオカーボン材料。
10. 前記木炭および前記結合剤を混合し、前記結合剤を硬化することにより形成される、請求項１から９のいずれかに記載のバイオカーボン材料。
11. 前記混合物が圧縮され、任意選択で振動される、請求項１０に記載のバイオカーボン材料。
12. 前記混合物がおよそ３～５０ＭＰａの範囲で、１～１０回の間で繰り返し圧縮される、請求項１１に記載のバイオカーボン材料。
13. ４５０℃未満で硬化される、請求項１から１２のいずれかに記載のバイオカーボン材料。
14. およそ１８０℃～２５０℃の範囲で、およそ１分間～３時間硬化される、請求項１から１３のいずれかに記載のバイオカーボン材料。
15. 冶金還元剤としての使用のための、請求項１から１４のいずれかに記載のバイオカーボン材料。
16. 調理燃料としての使用のための、請求項１から１４のいずれかに記載のバイオカーボン材料。
17. 冶金産業における使用のために適したアノードを形成するために、不活性雰囲気内で１０００℃を超える温度でさらに硬化される、請求項１から１５のいずれかに記載のバイオカーボン材料。
18. コンクリートを作製するための成分としての使用のための、請求項１から１４のいずれかに記載のバイオカーボン材料。
19. 前記結合剤が前記混合物のおよそ５重量％～３０重量％の範囲で存在する、請求項１から１８のいずれかに記載のバイオカーボン材料。
20. 前記木炭が前記混合物のおよそ５０重量％～９０重量％の範囲である、請求項１から１９のいずれかに記載のバイオカーボン材料。
21. 前記促進剤が前記結合剤の０．１重量％～１５重量％の範囲で存在する、請求項１から２０のいずれかに記載のバイオカーボン材料。
22. 前記促進剤がヘキサミンである、請求項１から２１のいずれかに記載のバイオカーボン材料。
23. ３０重量％までの無機充填材、例えば、岩粉を含む、請求項１から２２のいずれかに記載のバイオカーボン材料。
24. 前記結合剤が、前記材料の未硬化の（グリーン）強度を増加させる、１～５０重量％の第２の結合剤の結合剤成分をさらに含む、請求項１から２３のいずれかに記載のバイオカーボン材料。
25. 前記第２の結合剤が、乾性油、例えば、あまに油、および／または少なくとも１種の多糖、例えば、アルギネート、グアーガムまたはデンプン、請求項２４に記載のバイオカーボン材料。
26. 前記デンプンがトウモロコシデンプン、小麦デンプン、ジャガイモデンプン、米デンプン、加工トウモロコシデンプン、加工小麦デンプン、加工ジャガイモデンプン、加工米デンプンおよびこれらの任意の組合せである、請求項２５に記載のバイオカーボン材料。
27. カルダノールと、
    木炭粉と、
    ヘキサミンとを含む組成物であって、
    前記カルダノール、前記木炭粉、および前記ヘキサミンが一緒に混合されて、混合物を形成し、
    前記混合物がおよそ１８０℃～２５０℃の範囲で硬化され、
    前記混合物がおよそ３～５０ＭＰａの範囲で加圧され、
    前記カルダノールが前記混合物のおよそ８重量％～３５重量％の範囲であり、
    前記木炭粉が前記混合物のおよそ５０重量％～９２重量％の範囲であり、
    前記ヘキサミンが前記混合物の０．１重量％～１５重量％の範囲である、組成物。
28. バイオカーボン材料を調製する方法であって、
    少なくとも１種のフェノール、例えば、カルダノールを準備するステップと、
    木炭粉を準備するステップと、
    少なくとも１種の前記フェノールを前記木炭粉と混合することによって、フェノールと木炭の組成物を作り出すステップと、
    前記フェノールと木炭の組成物を圧縮し、任意選択で振動するステップと、
    前記フェノールと木炭の組成物を硬化するステップと
    を含む、方法。
29. 触媒および／または促進剤を準備するステップであって、
    前記触媒および／または促進剤を前記フェノールおよび前記木炭と混合することによって、前記フェノールと木炭の組成物が前記触媒および／または促進剤を含むステップと
    をさらに含む、請求項２５に記載の方法。
30. 前記フェノールが前記フェノールと木炭の組成物のおよそ２重量％～５０重量％の範囲で存在し、
    前記木炭粉が前記フェノールと木炭の組成物のおよそ１０重量％～９８重量％の範囲であり、
    前記触媒および／または促進剤が、前記フェノールと木炭の組成物の０．１重量％～１５重量％の範囲であり、
    前記フェノールと木炭の組成物がおよそ３～５０ＭＰａの範囲で加圧され、
    前記混合物が、およそ１８０℃～２５０℃の範囲で硬化される、請求項２９に記載の方法。
31. 請求項１から２６のいずれかに記載の少なくとも１種のバイオカーボン材料を含む、コンクリート。
32. カーボンニュートラルである、請求項３１に記載のコンクリート。
33. 前記バイオカーボン材料が、前記コンクリートの公称２８日強度と少なくとも同じような強い圧縮強度を有する、請求項３１に記載のコンクリート。
34. 前記バイオカーボン材料が、ＡＳＴＭ Ｃ３９／Ｃ３９Ｍに従い試験した場合、少なくとも５０ＭＰａの圧縮強度を有する、請求項３１から３３のいずれかに記載のコンクリート。
35. 請求項１から２６のいずれかに記載の炭素材料を含む、アノード。
36. １０００～１２００℃で２～７２時間、第２の加熱処理に供される、請求項３５に記載のアノード。
37. 請求項１から２６のいずれかに記載のバイオカーボン材料を含む、ブリケット。
38. 防水性である、請求項３７に記載のブリケット。

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