CN111065601A - 颗粒活性炭及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供过滤流量为给定的值以上、且净水能力高的颗粒活性炭及其制造方法。颗粒活性炭(2)包含多个粒子状活性炭(21)和将多个粒子状活性炭(21)彼此接合的粘合剂而构成，其中，粘合剂由网状的纤维(22)构成。另外，颗粒活性炭(2)的制造方法包括对使粒子状活性炭(21)及纤维(22)分散在水中而成的浆料进行喷雾干燥的工序。

Description

颗粒活性炭及其制造方法
技术领域
本发明涉及颗粒活性炭及其制造方法。更详细而言，本发明涉及用于净化水的颗粒活性炭及其制造方法。
背景技术
目前，使用通过净水器净化过的自来水作为饮用水及烹饪用的水。通常，将活性炭、活性炭粒子的成型体作为过滤材料与过滤器等一起装入净水器中使用。例如，提出了装入椰壳活性炭粉末等活性炭粒子的成型体的净水器(例如，参照专利文献1)。
这里，图6是示出使用了现有的活性炭的净水器的净水能力与过滤流量的关系的示意图。如图6所示，在净水器的使用上，用户不会感到不便的过滤流量为2.5L/分左右。因此，通过将活性炭的平均粒径设为80μm左右，能够保持用户不会感到不便的过滤流量，并且提高净水能力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-136589号公报
发明内容
发明要解决的问题
另外，为了容易处理活性炭，对颗粒活性炭的使用进行了研究。在使用这样的颗粒活性炭的情况下，也要求在保持用户不会感到不便的过滤流量的同时提高净水能力。
本发明是鉴于上述情况而开发的，其目的在于提供过滤流量为给定的值以上、且净水能力高的颗粒活性炭及其制造方法。
用于解决问题的方法
本发明涉及一种颗粒活性炭，其包含多个粒子状活性炭和将所述多个粒子状活性炭彼此接合的粘合剂而构成，其中，所述粘合剂由网状的纤维构成。
另外，优选所述纤维通过在所述颗粒活性炭的表面及内部与所述粒子状活性炭缠结而进行接合。
另外，优选在所述颗粒活性炭中包含1～5体积％的所述纤维。
另外，优选所述纤维为原纤维。
另外，优选所述纤维为纳米纤维。
另外，优选所述粒子状活性炭的中值粒径为40μm以下。
另外，本发明涉及所述颗粒活性炭的制造方法，该方法包括：对使所述粒子状活性炭及所述纤维分散在水中而成的浆料进行喷雾干燥的工序。
发明效果
根据本发明，可以提供过滤流量为给定的值以上、且净水能力高的颗粒活性炭及其制造方法。
附图说明
图1是将现有的粒子状活性炭的表面附近的截面放大的示意图。
图2是将本实施方式的粒子状活性炭的表面附近的截面放大的示意图。
图3是现有的粒子状活性炭的SEM照片。
图4是本实施方式的粒子状活性炭的SEM照片。
图5是本实施方式的粒子状活性炭的SEM照片。
图6是示出使用了现有的活性炭的净水器的净水能力与过滤流量的关系的示意图。
符号说明
2 颗粒活性炭
21 粒子状活性炭
22 纤维
具体实施方式
以下，对本发明优选的一个实施方式进行说明。需要说明的是，本发明并不限定于以下的实施方式。
本实施方式的颗粒活性炭例如用于净化自来水等被处理水的净水装置中的净水盒。这样的颗粒活性炭将被处理水中含有的除去对象物进行氧化分解、吸附而除去。作为除去对象物，例如可举出自来水中含有的游离残留氯等臭气物质、三卤甲烷等有机化合物等。
＜颗粒活性炭＞
本实施方式的颗粒活性炭包含多个粒子状活性炭和将上述多个粒子状活性炭彼此接合的粘合剂而构成，粘合剂由网状的纤维构成。
需要说明的是，在本说明中，“网状的纤维”是指在纤维与纤维之间形成了可通过水的间隙的纤维。
作为粒子状活性炭，可以使用由任意的起始原料得到的活性炭。具体而言，能够使用使椰壳、煤、酚醛树脂等在高温下碳化后活化而成的活性炭。活化是使炭质原料的微孔发达而变为多孔的反应，通过二氧化碳、水蒸气等气体、化学药品等进行。这样的粒子状活性炭基本上由碳构成，一部分为碳和氧、氢的化合物。
本实施方式的粒子状活性炭的中值粒径D1优选为40μm以下。通过使粒子状活性炭的中值粒径为上述范围内，每单位质量包含粒子状活性炭的颗粒活性炭的除去对象物吸附量提高。这是由于，粒子状活性炭的中值粒径越小，包含粒子状活性炭的颗粒活性炭的比表面积越大。
从上述观点考虑，中值粒径D1更优选为15μm以下，进一步优选为10μm以下。
需要说明的是，粒子状活性炭的中值粒径D1也可以超过40μm，但由于不容易引起粒子状活性炭的致密化，水通过阻力不容易升高，因此，将活性炭进行造粒的必要性低。另外，从后述的除去对象物的吸附速度的观点考虑，也优选粒子状活性炭的中值粒径小。
需要说明的是，在本实施方式中，粒子状活性炭的中值粒径D1是通过激光衍射法测得的值，是指体积基准的累计分布中的50％粒径的值(D50)。例如，通过MICROTRACKMT3300EXII(激光衍射/散射式粒径分布测定装置、MicrotracBEL公司制造)测定D1。
本实施方式的包含上述粒子状活性炭的颗粒活性炭具有对除去对象物的高吸附速度。
用于净水器的净水盒要求极快的吸附速度。例如，通常的净水盒的容量为35cc左右，但与此相对，作为被处理水，例如使流量2500cc/分的自来水透过时，可计算出以约0.8秒钟替换盒中的水的总量。因此，在活性炭的吸附速度不足的情况下，根据被处理水的流量，除去对象物的除去是不充分的。
这里，本实施方式的粒子状活性炭是粒径小于现有的粒子状活性炭的活性炭。关于活性炭的吸附速度与粒径的关系，参照以下附图进行说明。
图1是将现有的净水器所使用的粒子状活性炭(粒径80μm)的表面附近的截面放大的示意图。另外，图2是同样将本实施方式的粒子状活性炭(粒径9μm左右)的表面附近的截面放大的示意图。
在图1及图2中，a表示直径50nm以上的大孔，b表示直径2～50nm的中孔，c表示直径2nm以下的微孔。另外，黑点部表示吸附除去对象物的反应位点。活性炭表面的细孔会吸附与孔的大小一致的物质，如图1及图2所示，存在反应位点的主要是微孔c。这是由于水处理中的除去对象物主要是例如作为三卤甲烷的CHCl3等分子量较小的物质。
在图1中，从活性炭表面进入的CHCl3等除去对象物通过大孔a、中孔b、微孔c到达反应位点。与此相对，在图2中，从表面进入的CHCl3等除去对象物通过中孔b、微孔c到达反应位点，到达反应位点的距离比图1中的距离短。因此，与现有的粒子状活性炭相比，本实施方式的粒子状活性炭的吸附速度快。
本实施方式的中值粒径D1为40μm以下的粒子状活性炭可以通过以下方式得到，例如，通过使用球磨机、盘磨机、喷射磨机等的公知的方法将由上述任意的起始原料得到的活性炭粉碎，并通过筛、旋风分离器等进行分级。
本实施方式的网状的纤维通过在颗粒活性炭的表面及内部与粒子状活性炭缠结而进行接合。由于在颗粒活性炭的表面及内部形成可通过水的间隙，因此能够进一步提高颗粒活性炭的过滤流量及净水能力。
另外，纤维包含原纤维或纳米纤维中的至少任一种。本实施方式的网状的纤维是例如被称为微纤维、纳米纤维的微细的纤维，通过与粒子状活性炭缠结而形成造粒体。作为这样的微纤维、纳米纤维，例如可举出纤维素微纤维、纤维素纳米纤维、将合成树脂纤维微细化而成的纳米纤维。对于合成树脂纤维的纳米纤维而言，可举出高压均化器、研磨法等机械性处理、电纺丝法等。
已知通过树木、植物、一部分动物、菌类等来生产纤维素。该纤维素具有集合成纤维状的结构，且纤维径为微米尺寸的纤维素被称为纤维素微纤维，低于微米尺寸的纤维素被称为纤维素纳米纤维。
纤维素纳米纤维天然以通过纤维间的氢键等的相互作用而牢固地聚集的状态存在，基本上不以单纤维的形式存在。另外，例如，作为纸的原料而使用的浆粕是将木材解纤而成的浆粕，具有10～80μm左右的微米尺寸的纤维径，成为上述通过氢键等的相互作用而使纤维素纳米纤维牢固地聚集而成的纤维状的形态。通过进一步进行这样的浆粕的解纤，可得到纤维素纳米纤维。作为解纤方法，可举出酸水解法等化学处理、研磨法等机械性处理。
优选本实施方式的纤维的平均纤维径fF相对于粒子状活性炭的中值粒径D1之比的fF/D1为0.0009～0.625。通过使纤维的平均纤维径fF为上述范围，可以获得颗粒活性炭的优选的造粒性。从这样的观点考虑，fF/D1更优选为0.0294～0.2273。
需要说明的是，在本实施方式中，通过扫描电子显微镜等电子显微镜对纤维的任意部位的纤维径测定30个部位，将其数值进行平均，由此计算出纤维的平均纤维径fF。
另外，在颗粒活性炭中包含1～5体积％的本实施方式的纤维。通过使纤维的体积比为上述范围内，可以兼顾颗粒活性炭的造粒性和颗粒活性炭的吸附效率。从这样的观点考虑，上述体积比(％)更优选为1～3体积％。
本实施方式中的颗粒活性炭是将上述粒子状活性炭和上述作为纤维的合成树脂纤维的纳米纤维等接合而成的。
粒子状活性炭和作为纤维的合成树脂纳米纤维等接合而形成造粒体的机制尚不明确，例如可以考虑以下的原因。首先，通过将纤维与粒子状活性炭缠结，表现出机械强度。本实施方式的颗粒活性炭能够通过后述的颗粒活性炭的制造方法以纤维与粒子状活性炭缠结的状态制作造粒体。
另外，粒子状活性炭的表面不是完全的疏水性，数％的氧以羧基或羟基的形式存在于活性炭表面。同样地，羟基存在于合成树脂纳米纤维等的表面。因此，可以认为在活性炭表面与合成树脂纳米纤维之间产生氢键，牢固地形成了造粒体。
需要说明的是，本发明中“接合”是包含上述纤维与粒子状活性炭缠结而形成的机械性结合和如氢键那样的化学性键合的概念。
＜净水盒＞
本实施方式的净水盒可以在用于净化自来水等被处理水的净水器中使用，包含上述颗粒活性炭。作为本实施方式的净水盒，没有特别限定。
净水盒中包含的颗粒活性炭例如可以在分散于水中并形成浆料后，进行抽吸成型，以活性炭成型体的方式使用。活性炭成型体可以进一步包含原纤维、离子交换材料。
另外，本实施方式的净水盒可以包含作为上述活性炭成型体的支承构件的陶瓷过滤器等、中空纤维膜等过滤器、或者用于保护上述活性炭成型体表面的无纺布等。
＜颗粒活性炭的制造方法＞
本实施方式中的颗粒活性炭的制造方法包括：搅拌工序、造粒工序、以及脱水工序。
首先，在搅拌工序中，将用公知的方法粉碎并分级后的任意粒径的粒子状活性炭、纳米纤维等纤维、以及水混合进行搅拌，由此得到浆料状的原料混合物。
接着，在造粒工序中，将原料混合物造粒。本实施方式的造粒工序包括将使粒子状活性炭及纤维分散在水中而成的浆料进行喷雾干燥的工序。作为这样的造粒方法，没有特别限定，例如，可以使用喷雾干燥机法进行造粒。在喷雾干燥机法中，通过将原料混合物投入喷雾干燥机进行喷雾干燥，从而得到原料混合物的粒子。通过适当调整喷雾干燥机的喷出压力、喷嘴径、循环风量、温度等参数，能够形成任意大小的粒子。通过使用上述喷雾干燥机法，能够以粒子状活性炭和纤维缠结的状态制作造粒体(干燥状态)。
然后，在脱水工序中，将形成的原料混合物的粒子置于加热炉中进行脱水。加热温度没有特别限制，例如，可以为130℃左右。通过利用脱水工序进行脱水，粒子状活性炭和纤维成为牢固的造粒体，即使投入水中，造粒体结构也不会崩解。
通过以上的工序，可以制造本实施方式的颗粒活性炭。
上述说明的本实施方式的颗粒活性炭能够在不使用水溶性粘合剂、热熔粘性粘合剂的情况下进行造粒，与现有的粒子状活性炭相比，作为活性炭性能的代表性指标的比表面积、细孔容积优异。
从水通过性的观点考虑，粘合剂优选仅由网状的纤维构成。另一方面，为了容易进行造粒，粘合剂不仅包含网状的纤维，而且还可以包含水溶性粘合剂、热熔粘性粘合剂。
图3及图4是将现有的粒子状活性炭及本实施方式的颗粒活性炭通过63μm/90μm(170mesh/230mesh)的筛使其粒度分布一致，并利用扫描电子显微镜分别拍摄的照片。
图3表示现有的粒子状活性炭1，图4表示本实施方式的包含粒子状活性炭21的颗粒活性炭2。另外，图5是将本实施方式的颗粒活性炭2进一步放大并利用扫描电子显微镜拍摄的照片。从图5可知，通过粒子状活性炭21与纤维22缠结，在不使用水溶性粘合剂、热熔粘性粘合剂的情况下形成了造粒体。
另外，从图3及图4可知，本实施方式的颗粒活性炭2是粒径比现有的粒子状活性炭1小的粒子状活性炭21造粒而形成的，比表面积优异。
在以下所示的表1中，分别测定使上述粒度分布一致的图3中的现有的粒子状活性炭1和图4中的本实施方式的颗粒活性炭2的比表面积及细孔容积，并对数值进行了比较。
表1中的比表面积通过BET法计算，对于细孔容积而言，微孔通过MP法计算，中孔及大孔通过BJH法计算。
需要说明的是，MP法是指利用“t-plot法”求出微孔容积等的分布的方法，是文献(Colloid and Interface Science,26,46(1968))中记载的细孔测定法。另外，BJH法是用于中孔、大孔的分析的计算方法，是由Barrett、Joyner、Halenda等倡导的方法。
表1
Figure BDA0002404542420000071
从表1可知，与现有的粒子状活性炭1相比，本实施方式的颗粒活性炭2在比表面积方面显示出约为1.5倍的高数值，在总细孔容积方面显示出约为1.7倍的高数值，推测可以获得优选的吸附效率。
需要说明的是，在本实施方式中，作为是否形成造粒体的判定方法，没有特别限制，例如，可以通过使用电子显微镜等观察有无造粒体来进行判定。
在本实施方式中，作为颗粒活性炭的中值粒径D2，没有特别限定，优选为60～100μm。
首先，由于中值粒径D2超过40μm，因此不容易引起颗粒活性炭的致密化，水通过阻力不容易升高。另外，通过使中值粒径D2为2mm以下，可以使颗粒活性炭之间的空隙为更小的空隙，能够提高活性炭整体的单位体积的吸附量。
另外，在中值粒径D2低于60μm的情况下，难以保持用户不会感到不便的过滤流量(以下，也简称为给定的流量)。另外，在中值粒径D2超过100μm的情况下，难以提高净水能力。
由此，颗粒活性炭的中值粒径D2优选为60～100μm。
需要说明的是，中值粒径D2与中值粒径D1同样地是通过激光衍射法测得的值，是指体积基准的累计分布中的50％粒径的值(D50)。
如上说明，本实施方式的颗粒活性炭包含多个粒子状活性炭和将多个粒子状活性炭彼此接合的粘合剂而构成，粘合剂由网状的纤维构成。由此，能够提供过滤流量为给定的值以上、且净水能力高的颗粒活性炭。
另外，纤维通过在颗粒活性炭的表面及内部与粒子状活性炭缠结而进行接合。由此，颗粒活性炭的水通过性提高。
另外，在颗粒活性炭中包含1～5体积％的纤维。另外，该纤维包含原纤维、纳米纤维中的至少任一种。
另外，粒子状活性炭的中值粒径D1为40μm以下。由此，每单位质量包含粒子状活性炭的颗粒活性炭的除去对象物吸附量提高。另外，包含粒子状活性炭的颗粒活性炭的比表面积增大。
另外，本实施方式的颗粒活性炭的制造方法包括：将使粒子状活性炭及纤维分散在水中而成的浆料进行喷雾干燥的工序。通过这样的制造方法，能够由网状的纤维构成粘合剂，可以提供过滤流量为给定的值以上、且净水能力高的颗粒活性炭。
需要说明的是，本发明并不限定于上述实施方式，能够实现本发明目的的范围内的变形、改良也包含在本发明中。
作为本发明中的纤维，列举纤维素、合成树脂纳米纤维等作为例子进行了说明，但是，作为纤维，只要是能够形成造粒体的纤维状物质即可，并不限定于纤维素、合成树脂纳米纤维等。
另外，利用粘合剂进行造粒的对象并不限定于粒子状活性炭。例如，也可以为了除去铅或抗菌而添加除粒子状活性炭以外的添加剂。具体而言，也可以将作为离子交换剂的沸石混合在粒子状活性炭中进行造粒。
实施例
以下，基于实施例对本发明进行更详细地说明，但本发明并不限定于这些实施例。
[实施例1～7、比较例1～2]
按照表2所示的纤维配合量，通过喷雾干燥机法对粒径D50为9μm的粒子状活性炭进行造粒，得到了实施例1～7及比较例1～2的活性炭。作为粒径D50为9μm的粒子状活性炭，通过喷射磨机EJM0Q(EARTHTECHNICA公司制造)将太阁活性炭CN8200S(FUTAMURA CHEMICAL公司制造)粉碎而制作，分别使用了通过湿式粉碎将原纤维化后的合成树脂微细化而成的纳米纤维作为纤维。另外，喷雾干燥机法的条件如下所述。
＜喷雾干燥机法＞
制作使粒子状活性炭及纤维分散在水中而成的浆料，通过盘式喷雾干燥机FOC-20(大川原化工机株式会社制造)在干燥温度230℃下进行喷雾干燥。
按照以下的基准对实施例1～7及比较例1～2的活性炭的造粒强度进行了评价。将结果示于表2。
＜造粒强度＞
2：在后述的条件下进行水通过试验，粒子状活性炭也不会崩解(可以造粒)。
1：在后述的条件下进行水通过试验时，粒子状活性炭崩解(无法造粒)。
0：粒子状活性炭彼此没有接合(无法造粒)。
接着，通过MICROTRACK MT3300EXII(激光衍射/散射式粒径分布测定装置、MicrotracBEL公司制造)测定实施例1～7的造粒径(造粒后的粒径D50)，通过扫描电子显微镜(日立高新技术公司制造的S-3400N)观察最大纤维径，并通过图像处理测定了纤维径。将结果示于表2。
[比较例3～8]
将表2所示的粒径的活性炭作为比较例3～8的活性炭。具体而言，作为比较例3～8的活性炭，通过喷射磨机EJM0Q(EARTHTECHNICA公司制造)、干式球磨机将太阁活性炭CN8200S(FUTAMURA CHEMICAL公司制造)粉碎而制作。
[水通过试验]
将实施例1～7、比较例3～8的活性炭成型加工成外径为24.7mm、内径为8mm、高度为90mm的圆筒状，基于JIS S3201进行了游离残留氯过滤能力试验。将结果示于表2。
另外，测定了以同样形状且以Δ0.05MPa通过水时的过滤流量。将结果示于表2。
Figure BDA0002404542420000111
根据实施例1～7与比较例3～8的比较可以确认，颗粒活性炭包含多个粒子状活性炭和将多个粒子状活性炭彼此接合的粘合剂而构成，粘合剂由网状的纤维构成，由此，得到过滤流量为给定的值以上、且净水能力高的颗粒活性炭。
根据实施例1～5与比较例7的比较可以确认，实施例1～5的颗粒活性炭的过滤流量为2.5L/分以上，且净水能力高于比较例9。即可以确认，通过使纤维相对于颗粒活性炭的量为1～5体积％，得到过滤流量为给定的值以上、且净水能力超过1550L的颗粒活性炭。
根据实施例1～3与比较例8的比较可以确认，实施例1～3的颗粒活性炭的过滤流量为2.5L/分以上，与过滤流量为2.4L/分的比较例8相比，净水能力更高。即可以确认，通过使纤维相对于颗粒活性炭的量为1～3体积％，得到过滤流量为给定的值以上、且净水能力超过1800L的颗粒活性炭。

Claims (7)

1.一种颗粒活性炭，其包含多个粒子状活性炭和将所述多个粒子状活性炭彼此接合的粘合剂而构成，其中，
所述粘合剂由网状的纤维构成。
2.根据权利要求1所述的颗粒活性炭，其中，
所述纤维通过在所述颗粒活性炭的表面及内部与所述粒子状活性炭缠结而进行接合。
3.根据权利要求1或2所述的颗粒活性炭，在所述颗粒活性炭中包含1～5体积％的所述纤维。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的颗粒活性炭，其中，
所述纤维为原纤维。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的颗粒活性炭，其中，
所述纤维为纳米纤维。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的颗粒活性炭，其中，
所述粒子状活性炭的中值粒径为40μm以下。
7.一种颗粒活性炭的制造方法，其是权利要求1～6中任一项所述的颗粒活性炭的制造方法，该方法包括：对使所述粒子状活性炭及所述纤维分散在水中而成的浆料进行喷雾干燥的工序。
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