CN111902367A - 成型活性炭芯子和其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于，提供即使由成型活性炭芯子的内周侧向外周侧通水，也不因水压而导致破损的成型活性炭芯子。本发明的成型活性炭芯子包含：含有活性炭和纤维状粘接剂的筒状的成型活性炭、和卷绕在前述成型活性炭的外周的包装材料，从成型活性炭芯子的内侧的空间通过前述成型活性炭和前述包装材料向成型活性炭芯子的外侧通水时的耐压性为0.1MPa以上。

Description

成型活性炭芯子和其制造方法

技术领域

本发明涉及水处理用的过滤器中使用的成型活性炭芯子和其制造方法。

背景技术

已知作为水处理用的滤材而使用活性炭和纤维状粘接剂从而制成成型体的技术。例如，专利文献1中，公开了通过抽吸包含纤维状粘接剂和活性炭的浆料来制造圆筒形状的成型吸附体的方法。专利文献2中，公开了通过调整纤维状粘接剂的原纤维化程度从而抑制成型吸附体的压力损失的方法。此外，专利文献3中，公开了活性炭的粒度分布为特定范围、难以引起堵塞、阻抗低的吸附过滤器。

成型活性炭已知可以通过以成型模具作为芯，抽吸含有活性炭和纤维状粘接剂的液体而在成型模具上堆积活性炭从而制作，因此圆筒形状的较多。通过由圆筒形状的成型活性炭的外周侧向内周侧通水的方式、在其相反朝向上通水而在活性炭的径向上通水，有抑制压力损失的优点。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-255310号公报

专利文献2：日本特开2015-112518号公报

专利文献3：国际公开第2016/080240号。

发明内容

发明要解决的课题

在圆筒形状的成型活性炭中流通水时，因径向上的通水阻抗而对成型活性炭施加负荷，有时发生裂纹、溃损等。在该情况下，在成型活性炭的裂纹、溃损的部位水发生偏流，无法得到期望的过滤性能。

由成型活性炭的外周侧向内周侧通水的情况下，通过提高作为芯的成型模具的强度，能够较容易地具有耐压性。另一方面，在容纳成型活性炭的容器的流路设计等考虑方面，有时由成型活性炭的内周侧向外周通水，在该情况下，不存在成为支撑的构件，因此在施加由水压导致的负荷时，难以避免成型活性炭的裂纹。

专利文献2中，公开了用无纺布覆盖成型活性炭的外周面，但没有涉及其条件、耐压性的公开。此外，仅公开了由外周侧向内周侧通水。

专利文献3中，公开了通过去除活性炭的微粉从而抗压强度优异的吸附成型体，但所公开的抗压强度仅是从滤材的外侧施加压力时的耐压性。

像这样，未发现即使在由内侧向外侧通水的情况下，也不存在破损的具有充分的耐压性的圆筒形状的成型活性炭。

解决课题的手段

(1)解决上述课题的本发明的成型活性炭芯子包含：

含有活性炭和纤维状粘接剂的筒状的成型活性炭、和

卷绕在上述成型活性炭的外周的包装材料，

从上述成型活性炭芯子的内侧的空间通过上述成型活性炭和上述包装材料向成型活性炭芯子的外侧通水时的耐压性为0.1MPa以上。

本发明的成型活性炭芯子优选满足以下(2)~(4)中的至少1者。

(2)上述包装材料的弹性模量为0.8MPa以上。

(3)上述包装材料为无纺布。

(4)构成上述无纺布的纤维为芯鞘型的复合纤维。

(5)制造解决上述课题的本发明的成型活性炭芯子的方法之一是，将包装材料在周向上赋予2.0gf/mm以上的张力的同时卷绕在含有活性炭和纤维状粘接剂的筒状的成型活性炭的外周的制造方法。

发明效果

(1)根据本发明，能够提供即使由成型活性炭芯子的内周侧向外周侧通水，也不因水压而导致破损的成型活性炭芯子。

(2)此外，如果在成型活性炭上卷绕的包装材料的弹性模量为0.8MPa以上，则通过在筒状的成型活性炭上包装1周包装材料，能够具有充分的耐压性。

(3)此外，如果在成型活性炭上卷绕的包装材料为无纺布，则抑制了通水阻抗，得到紧凑且廉价的成型活性炭芯子。

(4)此外，如果构成无纺布的纤维为芯鞘型的复合纤维，则在无纺布包装在成型活性炭的周围时通过热而容易地将无纺布粘接、固定。

(5)将卷绕在成型活性炭上的包装材料在赋予2.0gf/mm以上的张力的同时卷绕，由此能够稳定地制造具有充分的耐压性的成型活性炭芯子。

具体实施方式

在示出具体例的同时说明本发明的实施方式。应予说明，本发明不限于以下所示的实施方式，可以在能够实现上述本发明的目的的范围内变更。

本发明的成型活性炭芯子由含有活性炭和纤维状粘接剂的成型活性炭、和将成型活性炭的外周包装的包装材料构成。从过滤性能的观点出发，成型活性炭中的活性炭的质量比例优选为80质量%以上，进一步优选为90质量%以上且98质量%以下。如果减少活性炭的比例，将后述纤维状粘接剂的比例设为20质量%以上，则成型活性炭的强度变高，但相应地活性炭的比例减少，因此有时过滤性能降低。

活性炭能够使用纤维状活性炭、粒状活性炭、粉末活性炭，这些可以单独使用，也可以将两种以上的活性炭以任意的比率混合。纤维状活性炭可以选自以酚系、沥青系、PAN(Polyacrylonitrile，聚丙烯腈)系或纤维素系等作为原料的活性炭。作为纤维状活性炭，可以使用比表面积为1000~2500m²/g的活性炭，特征在于，与粒状活性炭、粉末活性炭相比，有吸附速度快、通水时的压力损失低的特征。在粒状活性炭、粉末活性炭的情况下，可使用以椰子壳、木质、煤、合成树脂等作为原料的活性炭，体积基准的中值粒径优选为30μm以上且200μm以下。中值粒径越小则与水的接触效率越高，过滤性能提高，但粒径越小则空隙越小，因此通水时的压力损失增大。也能够通过使用添加附着了银、铜、锌等具有抗菌性的金属的活性炭，对成型活性炭芯子赋予抗菌性。

应予说明，体积基准的中值粒径是指使用激光衍射/散射式粒径分布测定装置而求出的体积基准的累计粒度分布中粒径达到50%的粒径。

成型活性炭中的纤维状粘接剂的质量比例优选低于20质量%、进一步优选为2质量%以上且10质量%以下。作为纤维状粘接剂，如果是原纤维化的纤维，则通过与活性炭交缠而结合，适合于制成成型体，可以举出丙烯酸纤维、纤维素纤维、芳族聚酰胺纤维、尼龙纤维等，这些可以单独或混合使用。

在成型活性炭中，除了活性炭和纤维状粘接剂之外，也可以包含金属离子的去除材料。作为去除材料，通过包含铝硅酸盐、钛硅酸盐、氧化钛、离子交换纤维等，能够制成具有去除铅离子等有害金属离子的能力的成型活性炭芯子。为了不过度减少成型活性炭中的活性炭的比例，成型活性炭中的去除材料的质量比例优选低于20质量%，进一步优选为10质量%以下。

在成型活性炭的外周卷绕的包装材料实现在由内周侧向外周侧通水时支撑成型活性炭，防止裂纹等破损的功能。并且，通过防止成型活性炭的裂纹等破损，能够维持自来水中包含的游离残留氯等的去除能力。如果成型活性炭芯子的耐压性能为0.1MPa以上，则在自来水压下使用时为充分的强度。耐压性能的上限没有特别限定，从包装材料的成本、包装方法的简便性的观点出发，优选为1.0MPa以下。

本发明中的耐压性能的压力并非是指所供给的水的压力，而是指筒状的成型活性炭的原水侧与过滤水侧的压力之差。即，是相当于通水时的成型活性炭芯子的压力损失的数值。进一步，本发明中，在后述反复3650次赋予设定压力的耐压试验中，成型活性炭芯子的成型活性炭部分中没有破损，由此判断为满足该设定压力以上的耐压性能。3650次是模仿在一年内实施一天10次的用成型活性炭芯子的过滤的实际使用的方法。即，本发明中“耐压性为0.1MPa以上”是指在后述反复3650次赋予0.1MPa的压力的耐压试验中，成型活性炭芯子的成型活性炭部分中没有破损。

作为包装材料，只要是具有水的透过性、物理支撑成型活性炭的材料则材质没有特别限定。作为例子，可以举出网眼布、具有开口部的筒状的树脂、多孔膜、无纺布等。这些之中，从包装的简便性、成本的观点出发，优选无纺布。

包装材料的拉伸试验中的弹性模量优选为0.8MPa以上。如果弹性模量为0.8MPa以上，则通过用包装材料将成型活性炭的外周包装一周，可得到期望的耐压性。弹性模量越高，则表示刚性越高，抑制由成型活性炭的内周侧向外周侧的应力导致的成型活性炭变形的能力高。认为成型活性炭的裂纹等破损是成型活性炭无法耐受应力，变形而产生的，因此优选为上述的弹性模量的包装材料。使用弹性模量低于0.8MPa的包装材料的情况下，通过在成型活性炭的外周包装2周以上，能够得到期望的耐压性。

应予说明，弹性模量在使用拉伸试验机在25℃的氛围下以50mm/min的速度进行拉伸试验时，通过下式1求出，本发明中的包装材料的弹性模量是载重达到2gf/mm的时点的弹性模量。

式1：E=σ/ε={F/(S×G)}/(Δx/x)

E：弹性模量(MPa) σ：应力(MPa) ε：应变(‐)

F：载重(gf) G：重力加速度(m/s²) S：截面积(m²)

Δx：位移(m) x：初始有效长度(m)。

包装材料使用无纺布的情况下，其成分可以举出聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、纤维素、尼龙、聚苯乙烯等。无纺布的制造方法适当地从纺粘法、熔喷法、热熔粘合法、化学粘合法、针刺法、水刺法等已知的手段中选择即可。

此外，作为包装材料的无纺布，优选使用构成纤维为芯鞘型的复合纤维的无纺布。其是由包含形成芯的第一成分、和鞘部分的第二成分的纤维的复合纤维形成的无纺布。如果是芯鞘型的复合纤维，则可以使鞘成分的熔点比芯成分低，在该情况下，通过仅使鞘部分的成分熔融，能够容易地熔接而不断裂，包装时的固定容易，是优选的。作为使鞘成分的熔点比芯成分低的芯鞘型的复合纤维，可以举出例如芯的成分使用聚酯、聚丙烯、纤维素、尼龙等、鞘的成分使用聚乙烯、聚苯乙烯等的复合纤维。前述构成的复合纤维中，优选使芯的成分为熔点比鞘成分的熔点高20℃以上的成分，通过使用这样的复合纤维，能够仅使鞘部分熔融，从而不断裂地熔接。

针对成型活性炭芯子的制造方法，以通过抽吸包含活性炭的浆料而成型的湿式成型法为例进行说明。作为整体的步骤概要，是将抽吸浆料而使活性炭等堆积得到的筒状的成型活性炭前体干燥，制作成型活性炭，在成型活性炭的外周卷绕包装材料，得到成型活性炭芯子的制造方法。

首先，将纤维状粘接剂、活性炭和水混合，制备浆料。纤维状粘接剂可以在制备浆料前通过打浆机来调整原纤维化程度。浆料中的固体成分的浓度优选为1质量%以上且10质量%以下。如果固体成分浓度低于1质量%，则成型需要时间，生产效率恶化。如果固体成分浓度高于10质量%，则将浆料均匀搅拌变得困难，难以得到均匀的成型活性炭。

抽吸浆料的方法可以举出经由具有多个小孔的筒状的成型模具抽吸浆料的方法；在具备具有多个小孔的外管和内管的双重管型容器中流入浆料并抽吸的方法等。

成型活性炭前体的干燥温度优选为90℃以上且140℃以下。如果干燥温度高于140℃，则有时纤维状粘接剂发生改性。在干燥温度低于90℃的情况下，干燥速度降低，效率恶化。

在成型活性炭的包装步骤中，优选为在对包装材料赋予2gf/mm以上的张力的同时，在成型活性炭的外周在周向上卷绕的方法。通过在对包装材料赋予周向上的张力的同时卷绕来卷紧，由此由成型活性炭的外周侧向径向产生应力。通过该应力，针对在通水时由内周侧向外周侧产生的负载，得到包装材料支撑成型活性炭的效果，发挥出0.1MPa以上的耐压性能。

作为赋予张力的方法，有在卷绕有包装材料的原料辊的松卷部与作为卷取部的成型体之间设置张力调节辊，通过控制包装材料的松卷速度来施加恒定张力的方法；通过控制松卷部的扭矩来施加恒定张力的方法。还有在将包装材料卷绕在成型活性炭上后，在与松卷相反方向上施加张力，通过卷取部的扭矩来挤轧的方法，但卷紧产生的应力在成型活性炭的周向上有时存在偏差。

通过以将包装材料在成型活性炭上卷绕一周以上的状态粘接，能够在利用张力卷紧的状态下将包装材料固定在成型活性炭的外周。粘接方法可以举出使用粘接剂、热熔胶的方法；利用加热、超声的熔接等。在包装材料使用前述无纺布的情况下，使用利用加热、超声的方法在处理性、制造效率的观点方面是优选的。

可以在成型活性炭芯子的端部根据需要粘接帽构件，容纳在通水用的容器中而无泄露地由成型活性炭的内周侧向外周侧流通水。

实施例

各特性值通过以下的方法测定。

(1)耐压试验

在成型活性炭芯子的两端粘接帽构件，容纳在通水用的容器中。以由筒状的成型活性炭芯子的内周侧向外周侧径向通水的路径作为过滤侧路径，将此时的成型活性炭芯子的上游侧的水压与作为下游侧的过滤侧的水压之差设定为0.1MPa。通过变更通水用的容器的流路，将在成型活性炭芯子的内周侧仅在全长方向上通水，不通过成型活性炭芯子的滤材部分的路径作为原水侧路径。往返总计反复3650次原水侧路径中的1秒的通水与过滤侧路径中的1秒的通水之间的切换，确认通水后的成型活性炭有无破损。破损的确认中，剥离成型活性炭芯子的包装材料，目视观察成型活性炭的表面，将在成型活性炭的表面无裂纹和缺损的情况判断为“无破损”，评价为耐压性为0.1MPa以上，此外能够确认裂纹或缺损的情况判断为“有破损”，评价为耐压性低于0.1MPa。应予说明，本耐压试验后进行游离残留氯的去除性能的测定的情况下，在剥离包装材料前进行测定，破损的确认在测定后剥离包装材料来进行。

(2)包装材料的弹性模量的测定

对有效长度50mm、宽度50mm的干燥状态的包装材料，以50mm/min的速度进行拉伸试验。测定中，使用拉伸试验机(エー・アンド・ディー公司制、STA-1150)，在氛围温度25℃下进行。由相对于对试样负载的载重的应变、和包装材料的厚度，通过下式1算出弹性模量(MPa)。将载重2gf/mm、即100gf/50mm的时点的弹性模量的值记作该试样的弹性模量。对包装材料10个样本反复进行该操作，将算术平均值作为结果。

式1：E=σ/ε={F/(S×G)}/(Δx/x)

E：弹性模量(MPa) σ：应力(MPa) ε：应变(‐)

F：载重(gf) G：重力加速度(m/s²) S：截面积(m²)

Δx：位移(m) x：初始有效长度(m)。

(3)粒度分布的测定

使用激光衍射式粒度分布测定装置(株式会社岛津制作所制“SALD-3100”)，求出体积基准的累计粒度分布中的50%粒径(中值粒径)。

(4)游离残留氯去除性能的测定

按照JIS S 3201：2017，以3L/min的流量测定成型活性炭芯子的游离残留氯去除性能。

[材料]

活性炭A：中值粒径140μm、碘吸附量1500mg/g的粉末活性炭

纤维状粘接剂：丙烯酸纤维(东洋纺株式会社制“BiPUL”)

无纺布A：弹性模量1.0MPa、厚度0.2mm的聚酯制无纺布

无纺布B：弹性模量0.9MPa、厚度0.3mm的包含聚乙烯(鞘成分)和聚酯(芯成分)制芯鞘复合纤维的无纺布

无纺布C：弹性模量0.4MPa、厚度0.3mm的包含聚乙烯(鞘成分)和聚酯(芯成分)制芯鞘复合纤维的无纺布。

[实施例1]

将活性炭A和纤维状粘接剂以质量基准计以95:5的比例投入水中，混合而制备浆料。使浆料中的固体成分浓度为3质量%，经由具有多个小孔的筒状的成型模具抽吸浆料，制作外径30mm、内径10mm、全长120m的筒状的成型活性炭前体。将成型活性炭前体用干燥炉进行120℃、5小时干燥，得到成型活性炭。在成型活性炭的外周使用无纺布C作为包装材料，在施加2.0gf/mm的张力的同时卷绕2周，得到成型活性炭芯子。

进行耐压试验后，测定游离残留氯去除性能的结果是，为99%的去除率，过滤性能良好。在测定游离残留氯去除性能后，剥离成型活性炭芯子的包装材料，目视观察成型活性炭的表面的结果是，在成型活性炭表面无破损。

[实施例2]

在成型活性炭上使用无纺布A作为包装材料，在施加2.0gf/mm的张力的同时卷绕1周，除此之外，以与实施例1相同的方式，得到成型活性炭芯子。在成型活性炭的外周卷绕无纺布，通过熔接固定时，与实施例1相比略微需要时间。

进行耐压试验后，测定游离残留氯去除性能的结果是，为99%的去除率，过滤性能良好。在测定游离残留氯去除性能后，剥离成型活性炭芯子的包装材料，目视观察成型活性炭的表面的结果是，在成型活性炭表面无破损。

[实施例3]

在成型活性炭上使用无纺布B作为包装材料，在施加2.0gf/mm的张力的同时卷绕1周，除此之外，以与实施例1相同的方式，得到成型活性炭芯子。在成型活性炭的外周仅卷绕1周无纺布B，因此与实施例1相比能够高效率地制作。

进行耐压试验后，测定游离残留氯去除性能的结果是，为99%的去除率，过滤性能良好。在测定游离残留氯去除性能后，剥离成型活性炭芯子的包装材料，目视观察成型活性炭的表面的结果是，在成型活性炭表面无破损。

[实施例4]

在成型活性炭上使用无纺布B作为包装材料，在施加0.5gf/mm的张力的同时卷绕2周，除此之外，以与实施例1相同的方式，得到成型活性炭芯子。

进行耐压试验后，测定游离残留氯去除性能的结果是，为99%的去除率，过滤性能良好。在测定游离残留氯去除性能后，剥离成型活性炭芯子的包装材料，目视观察成型活性炭的表面的结果是，在成型活性炭表面无破损。

[比较例1]

在成型活性炭上不卷绕包装材料，除此之外，以与实施例1相同的方式，得到成型活性炭芯子。

进行耐压试验，由于未卷绕包装材料，因此直接观察成型活性炭的表面的结果是，在表面产生裂纹。接着测定游离残留氯去除性能的结果是，游离残留氯的去除率为45%，是低的。由于在成型活性炭表面产生裂纹，因此可以认为因原水泄露而导致过滤性能恶化。

[比较例2]

在成型活性炭上使用无纺布B作为包装材料，在施加0.5gf/mm的张力的同时卷绕1周，除此之外，以与实施例1相同的方式，得到成型活性炭芯子。

在进行耐压试验后，测定游离残留氯去除性能的结果是，游离残留氯的去除率为51%，是低的。在测定游离残留氯去除性能后，剥离成型活性炭芯子的包装材料，目视观察成型活性炭的表面的结果是，在成型活性炭表面产生裂纹。由于在成型活性炭表面产生裂纹，因此可以认为因原水泄露而导致过滤性能恶化。

[比较例3]

在成型活性炭上使用无纺布C作为包装材料，在施加2.0gf/mm的张力的同时卷绕1周，除此之外，以与实施例1相同的方式，得到成型活性炭芯子。

在进行耐压试验后，测定游离残留氯去除性能的结果是，游离残留氯的去除率为55%，是低的。在测定游离残留氯去除性能后，剥离成型活性炭芯子的包装材料，目视观察成型活性炭的表面的结果是，在成型活性炭表面产生裂纹。由于在成型活性炭表面产生裂纹，因此可以认为因原水泄露而导致过滤性能恶化。

针对上述的实施例和比较例，表1中总结示出结果。耐压试验中不存在裂纹等破损的实施例1~4发挥优异的游离残留氯去除性能。实施例2和实施例3从实施例1变更包装材料的种类而设为弹性模量为0.8MPa以上的无纺布，因此抑制由成型活性炭的内侧向外侧的变形的能力高，其结果是以1周的卷绕数就能够满足耐压性。此外，实施例2从实施例1将无纺布的成分变更为并非芯鞘型的复合纤维而仅聚酯的纤维，因此在聚酯迅速熔融的条件下，容易发生无纺布断裂的故障。因此，实施例2中，需要在聚酯缓慢熔融的熔接条件下耗费时间仅溶解表面地粘接，包装步骤中耗费时间。实施例4中将无纺布卷绕在成型炭的外周的张力比实施例1小，但通过卷绕2周弹性模量为0.8MPa以上的无纺布，抑制成型活性炭的内侧向外侧的变形的能力充分，因此发挥出耐压性。

比较例1中未卷绕包装材料，因此完全没有抑制变形的效果，其结果是没有发挥出耐压性能。比较例2中将无纺布卷绕在成型炭的外周的张力小且仅有1周的包装，因此抑制成型活性炭的变形的能力不充分，其结果是没有发挥出耐压性能。比较例3中仅包装1周弹性模量小于0.8MPa的无纺布，因此抑制成型活性炭的变形的能力不充分，其结果是没有发挥出耐压性能。

参照详细而且特定的实施方式说明了本发明，但对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下能够施加各种各样的变更、修正。本申请基于2018年3月28日提交的日本专利申请(日本特愿2018-061427)，其内容在此以参考方式并入。

工业实用性

本发明的成型活性炭芯子适合用作用于去除自来水中的游离残留氯等的过滤器。

Claims (5)

1.成型活性炭芯子，其包含：含有活性炭和纤维状粘接剂的筒状的成型活性炭、和卷绕在前述成型活性炭的外周的包装材料，

从前述成型活性炭芯子的内侧的空间通过前述成型活性炭和前述包装材料向前述成型活性炭芯子的外侧通水时的耐压性为0.1MPa以上。

2.根据权利要求1所述的成型活性炭芯子，其中，前述包装材料的弹性模量为0.8MPa以上。

3.根据权利要求1或2所述的成型活性炭芯子，其中，前述包装材料为无纺布。

4.根据权利要求3所述的成型活性炭芯子，其中，构成前述无纺布的纤维为芯鞘型的复合纤维。

5.成型活性炭芯子的製造方法，其中，将包装材料在周向上赋予2.0gf/mm以上的张力的同时卷绕在含有活性炭和纤维状粘接剂的筒状的成型活性炭的外周。