バイオオイルは、熱分解のようなプロセスを通じてバイオマスから得られる複雑な液体である。バイオオイルは主に水（14～33wt%）と、アルコール、アルデヒド、カルボン酸、エステル、フラン、ピラン、ケトン、単糖類、アンヒドロ糖、フェノール化合物などの幅広い有機化合物で構成されている。これらの化合物は、バイオマス中の炭水化物とリグニンに由来する。バイオオイルは酸素を多く含むため、従来の燃料油に比べて発熱量が低く（15～22 MJ/kg）、これが熱不安定性の一因にもなっている。バイオオイルの組成は、バイオマスの種類、プロセス条件、使用する装置によって異なる。バイオオイルには反応性分子やオリゴマー種が含まれることが多く、貯蔵や処理が難しい。
キーポイントの説明
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バイオオイルの主成分:
- 水分:バイオオイルは通常、バイオマス中の水分と熱分解中の反応に由来する水分を14～33wt％含む。この水分は、蒸留のような従来の方法では除去が難しく、レベルが高くなると相分離を引き起こす可能性がある。
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有機化合物:バイオオイルは、酸素を含む有機化合物を豊富に含んでいる：
- アルコール類:セルロースとヘミセルロースの分解に由来する。
- アルデヒドとケトン:バイオマスの熱分解で生成される。
- カルボン酸:バイオオイルの酸性度を高める。
- エステル、フラン、ピラン:糖質断片化の副産物。
- 単糖とアンヒドロ糖:多糖類の分解から生じる。
- フェノール化合物:リグニンの分解に由来する。
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複雑な混合物と安定性:
- バイオオイルはマイクロエマルションであり、断片化したセルロースとヘミセルロースの水溶液が連続相として働き、熱分解リグニン高分子が不連続相で安定化する。
- 酸、アルコール、ケトン、フラン、フェノール、エーテル、エステル、糖、アルデヒド、アルケン、窒素／酸素化合物など、何百もの反応性有機成分が含まれている。
- オリゴマー種（分子量5000以上）と反応性分子の存在により、バイオオイルは室温でも熱的に不安定である。
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発熱量とエネルギー含有量:
- バイオオイルの高位発熱量は15～22 MJ/kgで、従来の燃料油（43～46 MJ/kg）より大幅に低い。これは主に、有機化合物中の酸素含有量が高いため、エネルギー密度が低下するためである。
- また、水分は燃焼エネルギーに寄与しないため、発熱量の低さにもつながっている。
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構成に影響を与える要因:
- バイオマス・タイプ:バイオマスの供給源（木材、農業残渣など）は、バイオオイルの組成に影響する。
- プロセス条件:熱分解中の温度、加熱速度、滞留時間は、生成する化合物の種類と割合に影響する。
- 設備と効率:熱分解反応器の設計と石炭の分離・凝縮システムの効率は、最終組成に影響を与える。
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課題と応用:
- 保管と取り扱い:バイオオイルは熱的に不安定で反応性が高いため、保管や輸送が難しい。時間の経過とともに重合したり劣化したりして、粘度や組成が変化する。
- アップグレードの要件:安定性とエネルギー含有量を向上させるために、バイオオイルはしばしば、ヒドロデオキシゲン化や接触分解などのアップグレードプロセスを必要とする。
- 潜在的な用途:課題はあるものの、バイオオイルは有望な再生可能燃料・化学原料である。熱や発電に利用することも、さらに精製して輸送用燃料や特殊化学品にすることもできる。
バイオオイルの組成と特性を理解することで、関係者はその潜在的な用途と使用に伴う課題をよりよく評価することができる。
総括表：
| アスペクト | 詳細 |
|---|---|
| 主な構成 | 水（14～33wt%）、アルコール、アルデヒド、ケトン、カルボン酸、エステルなど。 |
| 発熱量 | 15-22 MJ/kg（従来の重油より低い） |
| 安定性 | 反応性分子とオリゴマー種により熱的に不安定 |
| 影響要因 | バイオマスの種類、プロセス条件、装置の効率 |
| アプリケーション | 再生可能燃料、化学原料、熱/発電 |
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