木炭および竹炭の灰分に含まれる微量元素のPIXE 分析
 
山根健司 景守紀子 今村祐嗣 二ッ川章二＊１ 世良耕一郎＊２
京都大学木質科学研究所
611-0011 宇治市五ヶ庄
＊１ (社) 日本アイソトープ協会仁科記念館サイクロトロンセンター
020-0173 岩手県滝沢村字留が森348-58
＊２ 岩手医科大学サイクロトロンセンター
020-0173 岩手県滝沢村字留が森348-58
１．はじめに
近年、木炭および竹炭は環境浄化材などの機能性材料として身近な存在となっており、将来は化石資源に替わる
炭素材料素材として注目されつつある。一般に、木炭および竹炭の性質・機能は、表面状態および炭素間の構造・
組織によって定まり、さらに熱処理温度、雰囲気状態などの製造条件も大きく影響する。処理温度が低温度域の木
炭および竹炭の炭素構造はいわゆるアモルファスであるが,処理温度が高くなると黒鉛類似の結晶構造となって、
全く新しい特性を有する炭素材料となる１、２）。さらに易黒鉛化性炭素については、遷移金属元素およびその酸化物
が結晶化に有効な触媒作用をはたし、低温黒鉛化が可能であることが知られている３）。また、難黒鉛化性炭素であ
る木炭についても同様の効果が期待され、筆者ら4）はスギ炭と酸化鉄を粉末状態で混合して放電焼結を試み、そ
の効果を確認した。しかしながら木炭および竹炭においては、本来それ自体に多種の微量元素が存在しており5-７）、
その含有量は原料である樹木・竹の生育・立地条件によっても変動すると予測される。したがって、遷移金属元素
を触媒として新たに添加して黒鉛化におよぼす効果を正確に知るためには、木炭および竹炭にもともと存在する微
量元素の含有量を正確に把握しておく必要がある。
ここでは、多元素同時分析として有効なPIXE を用いて木炭および竹炭の灰分に含まれる微量元素を測定し、幾
つかの知見を得たのでその結果を報告する。
２．実験方法
2.1 供試原材料
木炭の原材料である木材には千葉県産の樹齢20 年のスギ（Cryptomeria japonica D.Don）間伐材、カンボジア
産の紫檀：ローズウッド（Dalbergia cochinchinensis Pierre（Leguminosae））およびアフリカ産の黒檀：ブラッ
クウッド（Diospyros sp. （Ebcnaceac））、竹炭の原材料である竹材には４年生と思われる福井県産および千葉県
産のモウソウチク（Phyllostachys pubescens Mazel et H. de Lehaie）を用いた。また、和歌山県産の備長炭の
原材料はウバメガシ（Quercus phillyraeoides A.Gray）である。
2.2 試料調製方法
スギ炭、紫檀炭、黒檀炭および竹炭は、それぞれの材料を10ｍｍ×30ｍｍ×100ｍｍ程度に裁断し、ステンレ
ス製の炭化炉で窒素雰囲気中、700℃もしくは800℃を1 時間保持して炭化処理したものである。ウバメガシ炭は
市販品の備長炭を用いた。PIXE 分析用の試料には、これらの木炭および竹炭を電気炉中815℃で充分に空気を供
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給しながら5 時間以上焼成して灰化したものを用いた。
2.3 分析方法
木炭および竹炭の固定炭素、揮発分および灰分の含有量はJIS M 8812 石炭およびコークス類工業分析法に準
じて測定した。また、木炭および竹炭の灰分に含まれる微量元素の定量は、NMCC で実施されているPIXE 分析
法およびSAPIX解析法により行った。
３．結 果
3.1 木炭・竹炭の工業分析値
炭化温度700℃～800℃の木炭、竹炭および市販品備長炭の工業分析値を表１に示す。この温度は良好な木炭、
竹炭を製造できる温度であって、それぞれに含まれる固定炭素の含有率は84％～92％と高い値を示している。ウ
バメガシ炭（備長炭）においては生産の最終工程で約900℃の精煉を行っているため炭化が進行して未炭化分であ
る揮発分の含有率は4.9％程度と低く、固定炭素の含有率は94.4％と高い値となっていた。揮発分および固定炭素
含有率は炭化温度によって変化するが、灰分含有率は材料固有の値であって、紫檀炭、黒檀炭および竹炭の灰分含
有率は２％～４％と高く、スギ炭およびウバメガシ炭の３倍～６倍となっていた。
3.2 木炭・竹炭およびこれらの灰分の微量元素
木炭および竹炭の灰分に含まれる微量元素の分析結果を表２に示す。スギ炭、ウバメガシ炭、紫檀炭および黒檀
炭の灰分には、Ca およびSr が共通して多く含まれており、Ca の含有量は灰分の40％～60％を占めていた。ス
ギ炭灰分にはNa、Si およびFe が他の木炭 灰分より比較的多く含まれており、スギ炭灰分のSi の含有量は紫檀
炭および黒檀炭の灰分の1000 倍程度と高い値であった。スギ炭およびウバメガシ炭の灰分にはKおよびFe が紫
檀炭および黒檀炭のそれの10 倍程度多く含まれていた。また、ウバメガシ炭灰分にはSおよびZn が他の木炭灰
分のおよそ10 倍多く含まれていた。
紫檀炭および黒檀炭の灰分の特徴としてはMnの含有量が、スギ炭およびウバメガシ炭のおよそ10 倍となって
いたことである。
竹炭灰分には、兵庫県産、千葉県産共にNa、Mg、K、Si、Mn およびZn が同程度に多量に含まれており、K
の含有量は灰分の15％～24％となっていた。このことは木炭類とは異なった点であって竹炭類の大きな特徴とい
える。また、竹炭灰分には、木炭灰分に見られた遷移金属のCr、Ni、Mo および重金属類のHg、Pb が全く検出
されなかった。木炭および竹炭の灰分には、遷移金属のFe、Cu が微量ではあるが同程度に含まれていた。
また、表３には工業分析値（表１）および微量元素の分析結果（表２）を基にして、竹炭および木炭に含まれる
表１　木炭・竹炭の工業分析値
試 料 名 　　　　　　　　　　木 　　　　　　　　炭 　　　　　　　　　　　　　　　　　竹　　　炭
千葉県和歌山県カンボジアアフリカ福井県千葉県
項　目スギ炭ウバメガシ炭紫檀炭黒檀炭モウソウチク炭モウソウチク炭
炭化温度（℃ ） 700 900＊ 800 800 700 700
木炭収率（％ ） 27.7 25.0＊ 29.6 32.7 28.1 31.3
揮発分（％ ） 7.23 4.86 10.9 11.5 8.30 9.08
灰　分（％ ） 0.670 0.740 2.20 4.40 2.00 2.42
固定炭素（％ ） 92.1 94.4 86.9 84.1 89.7 88.5
注　　１）　工業分析値および木炭収率はドライベース
２）　＊ 　印は推定値
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微量元素の含有率を計算した結果を示した。ここで、木炭と竹炭を比較すると、いずれの木炭にもCa およびSr
が竹炭より多く含まれていた。とくに紫檀炭および黒檀炭においてはCa の含有率は２％程度であって、スギ炭お
よびウバメガシ炭の３倍～８倍、竹炭の35 倍～80 倍と高い値であった。また、福井県産および千葉県産の竹炭に
おいては共通してK、Mg、Na、Si、MnおよびZn が木炭類より多量に含まれていた。
４．考 察
木材および竹材（マダケ）においては、灰分量およびそれに含まれる微量元素は樹種、樹齢、樹種部分によって
変動することが知られている。また産地の土壌条件の影響を受けても微量元素の含有量は異なることが予想されて
いる５-６）しかし、本研究の結果からは、木炭の灰分の主要成分はCa であり、竹炭のそれはK、MgおよびSi であ
ること、そして木炭の灰分にはSr、竹炭の灰分にはMnおよびZn、がそれぞれ比較的多量に含まれていることが
認められた。この灰分に見られる特徴は、木炭および竹炭中の含有量に換算した場合においても認められ、さらに、
木炭にくらべると竹炭では産地などの立地条件による影響が比較的少ないことも特徴のひとつとみることができ
る。
なお、木材および竹材には表２に示された元素以外の揮発性の元素が多数含まれていると考えられるが、これら
は炭化処理および灰化処理の段階で逸散したものと推察される。また、木炭および竹炭の灰分に含まれる微量元素
の合計が100％（10６μg / g）となっていないことは、これらが酸化物として存在していたためと思われる。
試料名
千葉県和歌山県カンボジアアフリカ福井県千葉県
分類Z 元素名スギ炭ウバメガシ炭紫檀炭黒檀炭
モウソウチク
炭
モウソウチク
炭
11 Na 8.01×103 3.65×103 1.73×103 1.06×103 1.49×104 1.36×104
12 Mg 3.69×104 6.93×104 1.25×104 5.82×103 7.80×104 6.45×104
軽13 Al 3.44×103 5.46×102 8.85×102 2.18×102 8.90×102 1.36×103
金19 K 4.69×104 4.01×104 3.26×103 1.10×103 2.38×105 1.49×105
属20 Ca 4.24×105 6.35×105 6.39×105 5.50×105 2.03×104 1.19×104
38 Sr 2.26×103 4.84×103 1.19×103 9.75×103 2.68×102 1.70×102
小計5.22×105 7.54×105 6.59×105 5.68×105 3.52×105 2.45×105
14 Si 1.62×104 ー3.25×101 1.74×101 5.95×104 1.24×105
非15 P 1.03×104 1.09×104 1.86×103 6.41×102 2.36×104 2.75×103
金16 S 9.00×103 2.16×104 3.31×103 2.76×103 1.42×104 5.09×103
属17 Cl 3.26×102 ーーー6.60×102 2.46×102
35 Br 7.20×100 3.10×100 3.37×100 6.27×100 ーー
小計3.58×104 3.25×104 5.21×103 3.43×103 9.80×104 1.32×105
22 Ti 8.80×101 ー7.86×101 ー2.71×102 9.30×101
遷24 Cr 1.71×102 5.14×102 1.23×102 6.88×101 ーー
移25 Mn 4.52×102 8.70×102 3.75×103 2.39×103 9.80×103 1.05×104
金26 Fe 1.53×103 1.11×103 5.81×102 3.34×102 9.61×102 9.90×102
属27 Co ー2.60×101 ー4.76×100 ーー
28 Ni 8.55×101 8.80×100 1.49×101 6.68×100 ーー
29 Cu 4.56×102 7.56×102 2.55×102 1.45×102 2.01×102 1.81×102
42 Mo 6.70×100 1.55×101 ー1.29×101 ーー
小計2.79×103 3.30×103 4.81×103 2.96×103 11.2×103 11.8×103
重30 Zn 6.30×101 1.98×102 1.81×101 4.80×101 9.25×102 3.23×103
金31 Ga 1.64×100 ーーーーー
属80 Hg 4.30×101 1.90×100 6.17×10－1 5.48×100 ーー
82 Pb 1.60×101 3.81×101 1.42×101 1.56×101 ーー
小計1.24×102 2.38×102 3.29×101 6.91×101 9.25×102 3.23×103
5.60×105 7.89×105 6.69×105 5.75×105 4.63×105 3.88×105
表 2　　木炭・竹炭の灰分中の微量元素 （μ ｇ/ｇ）
木　　　　　　　　　炭竹　　　　炭
合　　　計
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本分析の結果、木炭および竹炭には黒鉛化触媒として有効性な遷移金属元素の、Fe、Cu およびMnが極めて微
量ではあるが含まれていることが判明した。したがってこれらの元素と接触した極微小組織には結晶化の効果は現
われるかもしれないが、組織全体としては接触が困難であろうと推測されるため、これら含有微量元素が結晶化に
与える影響はきわめて少ないものと考えられる。
５．おわりに
PIXE 分析法によって、木炭および竹炭の灰分に含まれる微量元素の種類とその量を確認できたことは、これか
らの炭研究に役立つ重要な成果である。また、微量遷移金属元素と接触可能な木炭・竹炭の炭素組織の構造変化に
ついての究明は今後の課題となる。加えて、木炭と竹炭（木材と竹材）の微量元素に特徴的な違いが存在すること
がわかったことは、樹木と竹の成長などに係わる基本的な事象とも推察され、この方面の研究においても多いに興
味が持たれる。
謝 辞
本研究を行うにあたり、PIXE 分析で (社) 日本アイソトープ協会仁科記念館サイクロトロンセンターのスタッ
フの皆様方にお世話になったこと深く感謝致します。また、試料木材の紫檀、黒檀をご提供いただいた（株）カワ
サキ 専務取締役 川崎正雄氏に厚く謝意を表します。
文 献
１）山根健司、石原茂久、奥田宏史、炭素、182 95-100（1998）
２）山根健司、畑 俊充、石原茂久、炭素、186 2-6（1999）
３）M. Inagaki、K .Fujita、Y. keuci、K. Oshida、H. wata and H. Konno、Carbon 39 （2001）921-929
４）山根健司、西宮耕栄、古塚毅士、石原茂久：第 48 回日本木材学会研究発表要旨集、663（1998）
５）三浦伊八郎：“木材化学”、丸善、1938、pp.43-51
６）K. Taneda、M. Ota and M. Nagashima、 Mokuzai Gakkaishi 32 （10）833-841（1986）
７）N. Okada、Y Katayama、T. obuchi、Y Ishimaru and A.Aoki、Mokuzai Gakkaishi 36 （1）1-6（1990）
試料名
千葉県和歌山県カンボジアアフリカ福井県千葉県
分類元素名スギ炭ウバメガシ炭紫檀炭黒檀炭モウソウチク炭モウソウチク炭
Ｎａ 5.37×10１ 2.71×10１ 3.81×10１ 4.66×10１ 2.98×10２ 3.29×10２
軽Ｍｇ 2.47×10２ 5.13×10２ 2.75×10２ 4.56×10２ 1.56×10３ 1.56×10３
金Ａｌ 2.31×10１ 4.04×10０ 1.95×10１ 9.59×10０ 1.78×10１ 3.29×10１
属Ｋ 3.14×10２ 2.97×10２ 7.17×10１ 4.84×10１ 4.76×10３ 3.61×10３
Ｃａ 2.84×10３ 4.70×10３ 1.41×10４ 2.42×10４ 4.06×10２ 2.88×10２
Ｓｒ 1.51×10１ 3.32×10１ 2.62×10１ 4.29×10２ 5.36×10０ 4.11×10０
小計3.49×10３ 5.57×10３ 1.45×10４ 2.52×10４ 7.05×10３ 5.82×10３
非金属Ｓｉ 1.09×10２ ー7.15×10－１ 7.66×10－１ 1.19×10３ 3.00×10３
遷Ｃｒ 1.15×10０ 3.81×10０ 2.71×10０ 3.03×10０ ーー
移Ｍｎ 3.03×10０ 6.44×10０ 8.25×10１ 1.05×10１ 1.96×10２ 2.54×10２
金Ｆｅ 1.03×10１ 8.21×10０ 1.28×10１ 1.47×10１ 1.92×10１ 2.40×10１
属Ｃｕ 3.10×10０ 4.14×10０ 5.61×10０ 6.38×10０ 4.02×10０ 4.38×10０
小計1.76×10１ 2.26×10１ 1.04×10１ 3.45×10１ 2.19×10２ 2.82×10２
重金属Ｚｎ 4.22×10－１ 1.47×10－１ 3.98×10－１ 2.11×10０ 1.85×10１ 7.82×10１
合計3.62×10３ 5.60×10３ 1.47×10４ 2.52×10４ 8.48×10３ 9.19×10３
表３　木炭・竹炭の微量元素（ppm）
木　　　　　　炭竹　　　　炭
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