熱分解油の含水率とは？バイオオイルの品質と利用における重要な要素

熱分解油の含水率は通常、重量比で15%から30%の範囲です。 このかなりの水分成分は、単なる不純物ではなく、油の形成と複雑な化学反応の不可欠な部分です。水は、バイオマス原料に元々含まれる水分と、熱分解プロセス中に起こる化学的な脱水反応の直接的な生成物の両方から発生します。

熱分解油中の水の存在は、その生産の避けられない結果であり、その特性を根本的に決定します。単純な汚染物質として見るのではなく、その起源と、油のエネルギー含有量、安定性、およびより高価値の製品への高度化の可能性への影響を理解することが重要です。

水はどこから来るのか？

バイオオイルとしても知られる熱分解油に含まれる水には、主に2つの供給源があります。両方を理解することが、最終製品の品質を管理する鍵となります。

木材チップ、農業残渣、エネルギー作物などのバイオマスは、自然に水分を含んでいます。乾燥後も、残留量の水分が残ります。

熱分解中、この「自由水」は高温で蒸発し、有機蒸気とともに凝縮され、最終的な液体バイオオイルの一部となります。

これは「反応水」であり、プロセス中に化学的に生成されます。バイオマスは、セルロース、ヘミセルロース、リグニンといった酸素を豊富に含む大きなポリマーで構成されています。

これらの複雑な構造が熱的に分解されると、化学結合が再配列し、有機骨格から水（H₂O）分子が分離します。これらの脱水反応は、熱分解化学の基本的な部分であり、バイオオイルがこれほど高い酸素含有量を持つ主要な理由です。

高い含水率は、熱分解油の貯蔵、輸送、利用に関していくつかの重大な課題をもたらします。

水は燃焼せず、燃料に不活性な質量を加えます。含水率が高いほど、バイオオイルの低位発熱量（LHV）が直接低下します。

これは、ボイラーやエンジンでの直接燃焼において、従来の化石燃料と同じ量のエネルギーを生成するためにより多くの油が必要となり、その効率に影響を与えます。

熱分解油は真の溶液ではなく、水と数百種類の異なる有機化合物からなる複雑なエマルジョンまたはマイクロエマルジョンです。

時間の経過とともに、または温度の変化によって、この油は経年劣化しやすくなります。化合物は反応を続け、より大きなポリマーを形成し、油が水相と粘性のあるタール状の有機相に分離する原因となります。これにより、ポンプで送ったり、霧化したり、効果的に燃焼させたりすることが困難になります。

バイオオイル中の水は、参照資料で言及されている酢酸やギ酸などの有機酸の溶媒として機能し、これらも熱分解中に生成されます。

これにより、油は非常に酸性になり（通常pH2〜3）、炭素鋼などの一般的な構造材料に対して腐食性を示します。貯蔵タンク、ポンプ、燃料ラインには、より高価なステンレス鋼やその他の耐性のある材料が必要です。

熱分解油の含水率を管理することは、それを実行可能な主流のエネルギー源にするための中心的な課題です。

単純に水を分離することは容易ではありません。多くの有機化合物は極性であり、水にいくらか溶解性があるため、単純な油水分離ではありません。

蒸留のようなエネルギー集約的なプロセスが必要ですが、バイオオイルを加熱すると、望ましくない経年劣化反応が加速され、品質がさらに低下する可能性があります。これは、解決が困難な技術的および経済的な問題を生み出します。

逆説的ですが、一部の高度な高度化プロセスでは、水は有用な成分となり得ます。水相改質（APR）のような技術では、水自体が反応物として機能します。

これらのプロセスは、湿った原料を処理して水素やその他のより安定した化学中間体を生成するように設計されています。ここでは、水の存在は欠陥ではなく、活用すべき特徴です。

熱分解油中の水に対処する戦略は、最終目標によって完全に異なります。

熱または電力のための直接燃焼が主な焦点である場合： 低い発熱量、高い酸性度、および潜在的な不安定性を持つ燃料を処理するようにシステムを設計する必要があります。
輸送燃料への高度化が主な焦点である場合： 水分除去は、重要かつエネルギー集約的な前提条件です。水素化処理のようなプロセスの目標は、酸素を除去することであり、これには水の分解が含まれます。
特殊化学品の抽出が主な焦点である場合： 水相自体が酢酸のような水溶性化学品の貴重な供給源となり、有機相には貴重なフェノール類やその他の化合物が含まれています。

固有の含水率を理解し管理することが、再生可能資源としての熱分解油の可能性を最大限に引き出す鍵となります。