お客様のサクセスストーリー
NETZSCH 固形廃棄物をエネルギー材料に変換するための同時熱分析装置の使用
中国、大連理工大学のGuozhao Ji教授による最新のサクセスストーリーをお読みください！NETZSCH 同時熱分析装置(STA)を用いた固形廃棄物の有価物化についてです。このトピックに関するいくつかの科学論文が発表されています。
1986年生まれ。オーストラリアのクイーンズランド大学で2014年に化学工学の博士号を取得。2010年、中華人民共和国東北大学機械工学修士課程修了。現在、大連理工大学環境科学技術学院准教授。主な研究分野は、固体廃棄物のガス化、熱化学変換の動力学モデリング、高温CO2回収、熱化学プロセスにおける計算流体力学的応用など。これまでに100以上の査読付きジャーナル論文、2冊の書籍、3つの書籍の章を執筆し、被引用回数は3200回以上、H-インデックスは35である。
以下では、Guozhao Ji博士から、固形廃棄物のエネルギー変換に関する研究についてお話を伺います。
“NETZSCH STA装置による正確な測定により、調製した材料の信頼性の高い比較が可能となり、材料の選択が容易になるだけでなく、機能性材料調製の指針や方向性を得ることができる。”
DUTの固形廃棄物リサイクル研究室は、熱化学反応によって、固形廃棄物をエネルギー、環境、材料産業で使用可能な高価値製品に変換することに専念しています 。ラボでは、固形廃棄物処理に関するソリューション、設備、材料を提供しています。
2019年、私たちはいくつかのCO2吸着剤試料をNETZSCH 科技器械貿易（上海）有限公司に送り、NETZSCH 、非常に専門的な試験サービスを提供した。この素晴らしい経験は、NETZSCH とのさらなる協力関係を促進しました。2020年、私たちの研究室は、主に有機固体廃棄物の分解挙動を試験することを目的としたNETZSCH STA 449F3 を注文しました。2021年には、固形廃棄物のガス化促進に使用される機能性材料のCO2収着挙動を試験するため、STA2500を購入した。2023年には、NETZSCH DSC 404F3 を購入し、有機廃棄物の熱分解時の熱力学的情報や、熱処理過程における無機廃棄物の相転移Identify の測定に役立てています。"
ジー博士、御社が当社のソリューションを使用する前に抱えていた具体的な課題、および/またはソリューションによって解決したかった問題や課題は何でしたか？
- 「正確な温度制御です：私たちは、有機廃棄物のガス化に使用される機能性材料を開発しました。この材料は、ガス化条件下ではCO2を捕捉し、再生条件下ではCO2を放出する必要があります。ガス化条件と再生条件の大きな違いは温度です。ガス化の場合は700℃前後、再生の場合は900℃前後です。機能性材料の性能を測定するためには、温度をこまめに、素早く、正確に切り替える必要がある。
- Large 質量試料：私たちは主に有機廃棄物の熱処理に取り組んでおり、有機廃棄物の特性は一定の範囲内で変化します。実際の有機廃棄物は均一性に乏しいため、毎回数ミリグラムの試料を採取するだけでは、TGA試験結果にばらつきが生じる可能性があります。廃棄物原料の代表性を高めるためには、有機廃棄物のあらゆる部分を含むような、より大量の試料を採取する必要があります。"
なぜNETZSCH を選んだのですか？
"NETZSCH "ブランドは研究分野で高い評価を得ています。私たちは日々の仕事の中で膨大な研究論文を読んでいますが、NETZSCH は研究誌の論文の熱重量分析セクションで最も頻繁に見られるブランドです。
さらに、NETZSCH の装置は正確な温度制御、ランプ速度、ガス環境を備えており、機能性材料の効率的なサイクル試験を可能にした。私たちの限られた調査に基づいて、NETZSCH 、最大の試料量を得ることができ、固形廃棄物の分解について、より安定した、あるいは再現性のある結果を得ることができました。"
当社のソリューションをどのように使用したか、具体的な例を教えてください。
例えば、廃タイヤの熱劣化挙動である。
"自動車が普及し、世界的にタイヤ製造が進むにつれて、摩耗後の廃タイヤが大量に生産されるようになった。廃タイヤは生態毒性があり分解されにくいため、人の健康や環境に脅威を与える可能性があった。廃タイヤを処理する有望な経路は熱分解であり、廃棄物の最小化を達成するだけでなく、合成ガス、燃料油、チャーなどの貴重な生成物を生成する。熱重量分析(TGA)は、廃タイヤ熱分解の初期温度、最終温度、熱分解反応のピーク温度などの熱挙動を調べるのに有効な技術とされており、熱分解プロセスを理解し、熱分解反応器の設計やプロセスの最適化に貢献する。TGA実験は、NETZSCH STA 2500とNETZSCH STA 449F3 を用いて行った。約6mgの原料をAl2O3セラミック 容器に充填し、室温から600℃まで10、20、30℃-min-1の3段階の加熱速度で加熱した。キャリアガスとして窒素を200ml-min-1の流量で使用した。"
廃タイヤの熱分解挙動を図1に示す。明らかに、廃タイヤの主な熱分解反応は200℃から500℃の温度範囲で起こり、質量減少率は64％であった。DTG曲線で観察された300℃～410℃と410℃～450℃の温度範囲にある2つのピークは、廃タイヤの主成分である天然ゴムと合成ゴムの分解に対応していた。加熱速度が増加するにつれて、熱分解反応の初期温度(Ts)、最大重量減少率に対応する温度(Tmax)、および熱分解反応の最終温度(Te)はすべて増加傾向を示した(表1)。
表1.熱分解特性；3種類の加熱速度における廃タイヤ熱分解のパラメータ
加熱速度(◦C-min-1) | Ts(◦C) | Tmax(◦C) | Te(◦C) |
10 | 288 | 375 | 524 |
20 | 298 | 388 | 530 |
30 | 308 | 395 | 544 |
CaO系吸着剤は、燃焼前の炭素回収に広く応用できる。一般的な水蒸気改質水素製造反応では、CaO系吸着剤を添加することで、その場で発生したCO2を 除去し、熱力学的平衡を破って反応駆動力を増大させ、反応を水素製造にシフトさせることができる。これにより、H2の濃度と収率が向上する。しかし、焼結しやすいため、タンマン温度の高い不活性安定剤をドープする必要がある。
Ca系CO2吸着材は、一般的に高温（650℃～850℃）でのN2またはCO2雰囲気 下での炭酸化反応や焼成反応における重量変化を研究し、材料のCO2吸着性能や吸着速度論を反映させる必要がある。本研究では、製鋼スラグと石灰石を混合し、製鋼スラグベースの吸着材を調製した。TGA (NETZSCH STA 449F5) を用いて、鉄鋼スラグベースの吸着剤の吸着性能を試験した。
結果は以下の通りである：
"図2に示すように、純粋なCaOのCO2吸着 容量は急速に低下（0.293CO2/g吸着剤→0.097CO2/g吸着剤）するのに対し、初期酸濃度2mol/lで調製した吸着剤の吸着容量は、低下速度が著しく減少している。さらに、鉄鋼スラグの添加割合が増加するにつれて、吸着剤の安定性も向上する。また、鉄鋼スラグベースの吸着剤は、30サイクルにわたってより優れたCO2吸収性能を示している。図3は、吸着速度の変化も示している。当初は、CaOが吸着率で明らかな優位性を示していた。しかし、サイクル数が増加するにつれて、CaOの吸着速度は著しく低下し、最終的には低いレベルで安定する。対照的に、鉄鋼スラグをドープした吸着剤は著しい改善を示し、その効果はサイクル数が増加するにつれて顕著になる。"
得られた結果をどのように利用したのですか？
"NETZSCH STA 2500とSTA 449F3 は、温度制御が非常に正確で速い。この温度スイング制御は、廃棄物ガス化用の機能性材料を試験する際に非常に有用で役立っています。
NETZSCH 装置による正確な測定によって、私たちは準備した材料の信頼できる比較を得ることができます。これは材料の選択を容易にするだけでなく、機能性材料の準備の指針や方向性を与えてくれます。私たちは、Energy & Environmental Science、Environmental Science & Technology、Chemical Engineering Journal、Fuel Processing Technology、Journal of Cleaner Productionなどのジャーナルに50以上の研究論文を発表しています」
弊社のカスタマーサポートやサービスについてもご経験はありますか？
「はい、素晴らしい経験です。Haiming Zhang氏とShenjun Sheng氏には、実際にNETZSCH の装置を購入する前に、無制限のサポートを提供していただきました。NETZSCH STA 2500とSTA 449F3 を購入した後も、質問があるときはいつもShuaitao Zeng氏から迅速な回答をもらいました。
2023年5月9日に大連で行われたセミナーも素晴らしいものでした。エンジニアや専門スタッフから、非常に包括的で実用的かつ有益な情報を得ることができました。"
ジ博士、このような好意的なフィードバック、本当にありがとうございます！
私たちとの今後のコラボレーションをどのようにお考えですか？また、新たに取り組んでみたい課題はありますか？
"NETZSCH "とのコラボレーションをさらに進めたい次のテーマは、TGA加熱炉に蒸気を加えることによる有機廃棄物のガス化試験かもしれない。現在のところ、そのための十分な資金がありませんが、遅かれ早かれ、利用可能な資金があれば、この種の試験を実施するつもりです。
次に取り組みたいのは、実際のシナリオと同じ加熱速度を実現できる高速加熱である。私たちは、有機廃棄物が反応器内で熱媒体と接触したときの分解挙動を測定したいと考えています。このような状況では、加熱速度は102～103 K s-1に達する可能性がある。正確な質量測定でこの加熱速度を達成することは、廃棄物処理にとって大きな革命的一歩となるでしょう。"
