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アルミ付き廃棄物から資源を取り出し水素を効率よく発生させ電気エネルギー等に変える研究

水木 伸明 富山大学

2020.09.28

概要

本研究は、日々生産されているアルミ付きの製品やパッケージなどについて、使うまでは空気や光を遮断し中身を傷めない利点があるが、使用後は主に焼却・埋め立て処分されるという課題を解決することで、廃棄物の削減や地球温暖化防止対策、新たなエネルギーの創出に資する事で、社会に役立たせること目的とする。

この目的に従い、資源の再利用や水素エネルギーとして利活用が可能であると考え、研究を開始した。この製品に使われる包装材の素材は、紙パルプやプラスチックそしてアルミであり、この貴重な資源をエネルギーの追加投入なしで、アルミニウムのみを分離し、さらに水素エネルギーを生産し、社会のエネルギー源として活用し、廃棄物とエネルギーの地産地消が実現できる持続可能な社会に役立たせることを目指す。

廃棄されているアルミを活かすことによるアルミ生産量の削減、水素エネルギーとして利用する事による CO2 削減が出来、地球温暖化防止対策に寄与する事について取り組む。我が国のアルミ付き廃棄物の埋め立て・焼却は、アルミ部分だけで、１５万トンもリサイクルされずに処分されている。エネルギーと資源が少ない我が国にとり重要な課題である。アルミを効率よく回収し、それを最適条件で、乾留することで、高表面積のアルミを回収し、反応液とセットでカートリッジ化する。新規のエネルギーシステムを構築するため、技術開発と社会システムの創出を行う。

従来研究の調査で類似のものがあるか以下の項目について実施した。アルミ付き廃棄物の処理の現状、アルミ系紙系廃棄物を用いたアルミとパルプの分離、アルミ系廃棄物の乾留技術、アルミ系廃棄物からの水素発生技術、アルミ水素発生における圧力制御の開発、アル ミ付き廃棄物を用いた水素発生における反応液の開発について文献調査を行った。基礎実 験的な研究はなされてはいるが、実用化へ向け進捗したものはなく、本研究の取り組みの新 規性が見える。本研究では、アルミ付き廃棄物を用いた電気エネルギー創出技術の開発では、スラッシュパルパーを用い、ミニライン用分離機を製作し、分離実験の結果を出した。パル パー中心部に回転羽根と多数の孔を持つプレートを工夫することで、アルミ部とパルプ部 を分けて回収出来た。アルミ付き廃棄物を用いた電気エネルギー創出技術の開発では、アル ミ付きプラスチック・紙の乾留技術について、乾留温度や供給する空気量により、回収する アルミの純度を高める事ができた。アルミ付きプラスチックを原料とした乾留試験、アルミ 付き紙を原料とした乾留試験を行い、プラスチックの種類別(PE・PET)の特性を見て、乾留 アルミの純度を上げる検証を行った。乾留炉の内部に一部切り欠きを有する隔壁を設ける ことにより、高純度のアルミが取り出せた。乾留炉を運転する熱源は、アルミ付きプラスチ ック(PE、PET)の場合、発生する乾留ガスとタールを燃料として使用する。アルミ付き紙 (PE)の場合は、発生する乾留ガスを燃料として使用することにより、外部からの投入エネ ルギーなしで、運転が可能であることを明らかにした。アルミ付き廃棄物を用いた電気エネ ルギー創出技術の開発では、容器包装用アルミ系廃棄物を用いて、電気エネルギーを取り出 す過程を研究した。水素発生過程において、副生される水酸化アルミニウムは、凝集剤やセ ラミックスの原料、難燃剤等として有効利用できる。アルミニウムと水酸化ナトリウム水溶 液から水素を発生させる際の化学反応式は、次のようになる。

第一反応、 2Al+2NaOH+6H2O→2Na［Al(OH)4］+3H2
第 2 反応、 Na［Al(OH)4］→NaOH+Al(OH)3
総括反応、 2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2

反応液の温度、濃度、圧力が水素発生に及ぼす影響を調べた。小型可搬型のカートリッジ式の水素発生装置にも取り組み、反応液の供給量の知見が得られた。

アルミ水素発生における圧力制御方法の開発では、アルミと反応液を反応させる際に反応容器内の圧力を制御するために、電子制御を用いず、圧力容器を用いた簡素な方法を考え、圧力制御の試作機を製作した。この原理は、圧力調整容器内に反応液、反応容器内にはアル ミ箔を投入し、圧力調整容器と反応容器下側のバルブを開くことで、高い位置の圧力調整容 器から反応液が反応容器内に流入し、反応液とアルミ箔が反応する。これにより、反応容器 内圧力が上昇し、差圧で反応液を押し出す。化学反応を抑え、圧力上昇が抑制された。反応 容器内の圧力が減少したら、圧力調整容器が高い位置にあるため、再び反応容器内に反応液 が流入し、化学反応を起こして圧力上昇する。この繰り返しを行い、圧力制御し水素を発生 させる。これにより、燃料電池への水素の安定供給ができた。

アルミ付き廃棄物を用いた水素発生における反応液の開発では、反応液の濃度と水素発生、無機塩類が水素発生に与える影響について評価を行い、無機塩類が反応時の沈殿生成に与える影響も評価した。反応液の最適化も検証した。これらにより、水素発生に最適な反応液の濃度などが確認できた。

この研究が、廃棄物・エネルギーの地産地消を実現し、地球温暖化対策と次世代の新エネルギー源としてアルミを活用する事で、持続可能な社会づくりに貢献できる可能性を秘めていると考える。アルミ付き廃棄物を使った事業化の動きが見え、更にアルミ自体を水素発生のキャリアとして使う事を想定した、北陸アルミ水素将来ビジョン検討会議や石油の代替エネルギーとしてアルミをキャリアとして使うことの優位性を検証する会議体も動き始めた。アルミ付き廃棄物から始まった研究が今後大きく社会に貢献する事を期待したい。

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参考文献

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