JP2003053121A - セラミックスフィルタの製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低圧損で、高集塵効率を有し、かつ充分な実用
強度、耐久性があるセラミックスフィルタの製造方法の
提供を目的とする。 【解決手段】多孔質基材表面に骨材粒子と結合粒子とを
含む組成物を付着させ熱処理して１層または２層以上の
多孔質表層とするセラミックスフィルタの製造法であっ
て、前記骨材粒子の７０質量％以上の粒子がその平均粒
子直径の７０〜１３０％の粒子直径を有し、しかも該平
均粒子直径が前記多孔質基材の平均細孔直径の１倍を超
え、かつ２倍以下であり、さらに前記熱処理条件が９０
０℃以上であることを特徴とするセラミックスフィルタ
の製造法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、廃棄物焼却炉等に
用いることができる、高温ガス中の微細ダストの集塵に
有効で、低圧力損失、高集塵効率かつ充分な実用強度、
耐久性を有するセラミックスフィルタの製造法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から多孔質の基材の表面に１層以上
の多孔質の表層を形成した複層構成のセラミックスフィ
ルタ（以下、単にフィルタと略す）はよく知られてい
る。このような複層構成のフィルタは、基材の平均細孔
直径を大きくしてフィルタとしての圧力損失（以下、単
に圧損と略す）を低下させ、一方、粒子の捕集機能は基
材上に形成した表層が受け持つという設計思想に基づい
ている。例えば、特開２００１−７９３２１には、基材
表面に基材の平均細孔直径の２／３〜１倍の粒子直径を
有する粒子を用いて表層を形成することが提案されてい
る。

【０００３】このような基材の細孔直径に比べて粒子直
径の小さな粒子を表層の構成粒子（以下、単に表層粒子
と略す）として使用する場合には、前記表層粒子による
基材の細孔の閉塞を防止する必要がある。その対策とし
て、特開２０００−２１８１１４には、基材表面を予め
疎水化処理し、さらに表層膜形成用スラリに無機酸を無
機酸濃度が０．５〜１０質量％になるように添加するフ
ィルタの製造方法が提案されている。しかし、このよう
な方法は、最後に酸を洗浄する必要があるなど必ずしも
簡易な製造法とはいえない。

【０００４】従来の複層構造のフィルタ（以下、単に従
来フィルタと略す）では、表層粒子は基材の細孔より小
さいものを使用するため、表層粒子が基材の細孔に入り
やすく、該細孔を部分的に閉塞し圧損が上昇しやすい。
一方、表層粒子が基材の細孔に入ることを見込んで表層
の厚さを厚くすると圧損が上昇しやすくなったり、また
圧損上昇を避けるため表層の厚さを薄くすると基材の細
孔の存在により厚さの不均一が発生しやすく、厚さの薄
いところでは捕集すべき粒子が捕捉されずに通過し、フ
ィルタの重要な特性である捕集効率が低下するおそれが
ある。

【０００５】また、上記問題を解決する目的で、基材の
気孔率を上げたり、細孔直径を大きくすることでフィル
タ全体の圧損の増加を抑えようとした場合、基材の強度
が低下したり、または表層粒子が小さいために基材の細
孔の一部に表層粒子が入り込んで圧損低減の効果が不充
分となるおそれもある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、低圧損で、
高集塵効率を有し、かつ充分な実用強度、耐久性がある
フィルタの製造法の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、多孔質基材表
面に骨材粒子と結合粒子とを含む組成物を付着させ熱処
理して少なくとも１層以上の多孔質表層とするセラミッ
クスフィルタの製造法であって、前記骨材粒子の７０質
量％以上の粒子がその平均粒子直径の７０〜１３０％の
粒子直径を有し、しかも該平均粒子直径が前記多孔質基
材の平均細孔直径の１倍を超え、かつ２倍以下であり、
さらに前記熱処理条件が９００℃以上であることを特徴
とするセラミックスフィルタの製造法を提供する。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明のフィルタの製造法（以
下、単に本製造法と略す）は、多孔質基材表面に骨材粒
子と結合粒子とを含む組成物を付着させ熱処理して１層
または２層以上の多孔質表層とするセラミックスフィル
タの製造法であって、特定の粒度、粒度分布を有する骨
材粒子を使用し、さらに９００℃以上で熱処理すること
を特徴とする。なお、本明細書において、多孔質基材表
面とは多孔質基材のみかけの表面をいう。

【０００９】本製造法において、多孔質表層（以下、単
に表層という）を構成する前記骨材粒子は、その７０質
量％以上の粒子が平均粒子直径の７０〜１３０％の粒子
直径を有し、しかも該平均粒子直径が前記多孔質基材
（以下、単に基材という）の平均細孔直径の１倍を超
え、かつ２倍以下である。

【００１０】本製造法において、前記骨材粒子の７０質
量％以上は、その粒子直径が平均粒子直径の７０〜１３
０％であるが、前記平均粒子直径の７０〜１３０％の粒
子直径をもつ骨材粒子が骨材粒子中７０質量％未満であ
ると、極端に粒子直径の異なる骨材粒子が表層中に多く
混在することになり、粒子直径の小さい骨材粒子が粒子
直径の大きい骨材粒子の間隙に入り込んで表層が緻密に
なり、圧損が高くなるおそれがある。

【００１１】本製造法において、前記骨材粒子の平均粒
子直径は、基材の平均細孔直径の１倍を超え、かつ２倍
以下である。前記骨材粒子の平均粒子直径が基材の平均
細孔直径の１倍以下であると、骨材粒子が基材の細孔内
に入り込んで、フィルタの圧損が高くなったり、表層の
組織の規則性が失われるためよくない。また、前記骨材
粒子の平均粒子直径が基材の平均細孔直径の２倍を超え
ると表層の細孔直径が大きくなりすぎフィルタの捕集効
率が低下するためよくない。前記骨材粒子の平均粒子直
径が基材の平均細孔直径の１．１〜１．７倍であると好
ましい。

【００１２】前記骨材粒子としてはセラミックス材料で
あれば特に制限されるものではないが、コーディエライ
ト、ムライト、アルミナ、アルミノシリケート、炭化ケ
イ素、窒化ケイ素および窒化アルミニウムからなる群か
ら選ばれる１種以上であると耐熱性、耐薬品性、強度等
が良好であるため好ましい。前記骨材粒子が、基材を主
に構成する粒子と同じ材質であると、基材と表層との界
面での熱膨張率がミスマッチがないため、耐熱サイクル
性に優れるためさらに好ましい。

【００１３】骨材粒子の粒子形状としては、（最大粒子
直径／最大厚さ）として本明細書で定義するアスペクト
比が２以上の板状粒子または針状粒子（この場合、粒子
の最大長さを最大粒子直径とし、最大直径を最大厚さと
する）であると基材表面に骨材粒子が平行に配向して積
層しやすくなり、その結果、表層の厚さが均一になりや
すいほか、捕捉された粒子が剥離しやすいため好まし
い。

【００１４】本製造法において、前記結合粒子として
は、前記骨材粒子を結合する粒子であれば特に制限され
ないが、前記骨材粒子より軟化溶融する温度が低い粒子
であると熱処理過程で液相が形成されて表層の機械的強
度が高くなるため好ましい。前記結合粒子としては、長
石、β−スポジュメンおよびホウケイ酸ガラスからなる
群から選ばれる１種以上の粒子であると前記骨材粒子と
の結合性がよく、表層の機械的強度が高く、耐熱性、耐
薬品性等にも優れるため好ましい。

【００１５】また、前記結合粒子として長石を採用する
場合、長石がソーダ長石、カリ長石、灰長石および斜長
石からなる群から選ばれる１種以上であると表層の機械
的強度と耐熱性とのバランスがよいため好ましい。

【００１６】また、本製造法において、表層中の骨材粒
子と結合粒子の含有量も特に制限されるものではない
が、前記結合粒子が表層中、５〜４０質量％であると好
ましい。骨材粒子が表層中、１０〜３０質量％であると
さらに好ましい。結合粒子の含有量が５質量％未満であ
ると表層の機械的強度が不充分となるおそれがあり、一
方、含有量が４０質量％を超えると表層の細孔が充分に
形成されないおそれがある。

【００１７】また、本製造法において、形成される表層
の厚さは、前記骨材粒子の平均粒子直径の１〜５倍であ
ると好ましい。表層の厚さが、前記骨材粒子の平均粒子
直径の１倍未満であると、表層による基材の被覆が不完
全となるおそれがあり、一方、前記骨材粒子の平均粒子
直径の５倍を超えると、フィルタの圧損が高くなるおそ
れがある。表層の厚さが前記骨材粒子の平均粒子直径の
１．２〜３．５倍であるとさらに好ましく、１．５〜３
倍であると特に好ましい。

【００１８】また、本製造法において、基材としては、
セラミックス製の多孔質体であれば特に制限がなく、基
材材料としては、アルミナ、ムライト、コーディエライ
ト、アルミノシリケート、炭化ケイ素、窒化ケイ素およ
び窒化アルミニウムなどが挙げられる。

【００１９】本発明において、表層を形成する手段とし
ては、骨材粒子と結合粒子とを含む組成物を付着できる
ものであれば特に制限されない。

【００２０】塗布を採用すると、生産性の点などから好
ましい。塗布としては直接、ブラシ類などで塗布するほ
か、吹付けて塗布したり、スラリ中に浸漬（減圧下、大
気圧下、または加圧下で）して塗布してもよい。塗布に
使用するスラリの溶媒としては、水であると取り扱いや
すく、生産性が高いため好ましい。

【００２１】前記スラリには、骨材粒子と結合粒子以外
に有機バインダが含まれると表層の形成が容易になるた
め好ましい。有機バインダとしては、デンプンやその変
性物、ポリビニルアルコールおよびその変性物、スチレ
ン−ブタジエン共重合ゴム（ＳＢＲ）ラテックス、アク
リロニトリル−ブタジエン共重合ゴム（ＮＢＲ）ラテッ
クス、カルボキシルメチルセルロース、ヒドロキシルメ
チルセルロース、ポリビニルピロリドン、アクリル樹脂
またはアクリル系共重合体、酢酸ビニル樹脂または酢酸
ビニル系共重合体、が挙げられるが、これに限定される
ものではない。有機バインダの量としては、骨材粒子と
結合粒子の合量１００質量部に対して固形分として３〜
３０質量部とするのが好ましい。

【００２２】基材表面に付着された前記組成物は、９０
０℃以上で熱処理される。熱処理の前に乾燥させると熱
処理での歩留まりの面で好ましい。この場合の乾燥手段
としては、通常の乾燥機などが使用できる。なお、特
に、乾燥工程を設けないで、熱処理過程の中で乾燥させ
てもよい。

【００２３】熱処理の処理温度としては９００℃以上で
あるが、結合粒子が軟化溶融する温度以上であると表層
の機械的強度が向上するため好ましい。結合粒子がソー
ダ長石、カリ長石、灰長石および斜長石からなる群から
選ばれる１種以上の長石である場合には、それが軟化溶
融する１１００〜１５００℃であると好ましい。結合粒
子がそれ以外の場合にはそれぞれ軟化溶融する温度が適
宜選択される。

【００２４】熱処理の最高温度での保持時間は、０．５
〜１０時間であると好ましい。保持時間が０．５時間未
満であると結合粒子の軟化溶融が充分ではなく、結合の
不均一が発生するおそれがある。一方、１０時間を超え
るとフィルタの特性には変化がなくなり、むしろ生産性
が低下してくるおそれもある。保持時間が、１〜５時間
であるとさらに好ましい。

【００２５】なお、昇温過程であっても、規定する温度
範囲にある場合は、その経過時間は保持時間に加えるも
のとする。昇温速度は、フィルタの大きさ、形状等によ
り適宜選択されるが、５０〜６００℃／ｈであるとフィ
ルタ特性の点で好ましい。

【００２６】また、本製造法において、基材のフィルタ
形状としては、特に制限はなくハニカム形状や、複数の
貫通孔がクロスするように形成されているクロスフロー
型フィルタなどが挙げられる。本発明において基材のフ
ィルタ形状としてクロスフロー型フィルタを採用すると
効果的な逆洗ができるため好ましい。

【００２７】本製造法で得られるフィルタでの微粒子の
捕捉メカニズムの詳細はよくわかっていないが、骨材粒
子同士は形状が保持されて粒子の角の部分で点状に接触
しており、結合粒子が骨材同士の接触点のみを選択的に
結合するので、骨材間隙の多くの部分が細孔として残る
結果、圧損が極めて低い表層が形成されるものと推測さ
れる。また、骨材粒子が最大粒子直径を有する方向を基
材表面に概ね平行になるように配向しながら表層を形成
しているため、骨材粒子間に形成される細孔が比較的小
さく、かつその細孔径分布もシャープになるため粒子の
効率的な捕捉が可能となるものと推測される。このメカ
ニズムを概念的に説明するため本製造法で得られるフィ
ルタの表層付近の断面図を図１と図２に示す、一方、従
来のフィルタの断面図を図３に示す。図中、１は表層、
２は基材、３は表層の骨材粒子、４は表層の結合粒子、
５は基材粒子、６は基材表面の細孔、７はガス流路を、
それぞれ示す。

【００２８】

【実施例】以下、実施例（例１〜例５）と比較例（例６
〜例１１）を挙げて本発明を詳細に説明する。

【００２９】基材としては、外形寸法１００ｍｍ×１０
０ｍｍ×厚さ１．５ｍｍの薄板状に加工したコーディエ
ライト質の多孔質セラミックス（気孔率４０〜５０％、
平均細孔直径１０〜３０μｍ）を試験に必要な数だけ用
意した。なお、気孔率はアルキメデス法により算出し、
平均細孔直径は水銀ポロシメータで測定した。

【００３０】この基材上に、表１に示すように種々の骨
材粒子８０質量％と３２５メッシュを通過した結合粒子
２０質量％とからなる混合粉末１００質量部にバインダ
としてヒドロキシルメチルセルロースを固形分換算で６
質量部添加し、さらに水を加えて濃度８質量％のスラリ
を調製した。このスラリを前記基材の片面に塗布し、８
０℃に設定した乾燥器で充分に乾燥させた後、熱処理炉
で大気中、１１００〜１５００℃で５時間保持して熱処
理して試験片とした。

【００３１】なお、表１において、骨材粒子の平均粒子
直径（μｍ）は、レーザー回折式粒度測定器で測定した
値をいい、表中で平均粒径として示す。また、各骨材粒
子のうち、粒子直径が平均粒子直径の７０〜１３０％に
入る質量割合（％）を分布指数として示す。粒度はレー
ザー回折式粒度測定器で測定したデータを使用した。骨
材粒子の平均粒子直径（μｍ）／基材の平均細孔直径
（μｍ）を粒径指数として示す。表層の膜厚は表層形成
前後の質量変化と基材のスラリ塗布面積とから算出し
た。

【００３２】骨材粒子の種類については「コーディエラ
イト」を「ＭＡＳ」と、「炭化ケイ素」を「ＳｉＣ」
と、ムライトを「ＡＳ」と、それぞれ略記してある。ま
た、同様に結合粒子の種類については「ソーダ長石」を
「ソ長石」と、「ホウケイ酸ガラス」を「Ｂガラ」と、
「β−スポジュメン」を「βスポ」と、「斜長石」を
「斜長石」と、それぞれ略記してある。

【００３３】例８〜例１１は、結合粒子を用いずに、そ
れぞれＳｉアルコキシドまたは水ガラスを使用したもの
であり、「なし（Ｓｉア）」、「なし（水ガラ）」と略
記してある。

【００３４】［評価方法］ 評価結果を表１に併せて示す。 １．捕集効率の測定方法 上記の試験片を、周辺部が完全にシールされる様にケー
シングに組込み、表層側から平均粒子直径２．４μｍの
微粒子を含む室温空気を供給してろ過する。この際、試
験片を通過する前のエアと通過した後のエアそれぞれの
一定体積中に含まれる前記微粒子の質量を、充分目の細
かいろ紙で捕集する方法で測定し、その比率（質量％）
から試験片で微粒子が捕集された割合を計算する。

【００３５】２．圧損の測定方法 上記と同様のケーシングを使用し、試験片にろ過流速１
ｍ／ｍｉｎの室温空気を通過させた際の試験片の前後で
の静圧差（Ｐａ）を測定する。捕集前の圧損を初期圧損
といい、捕集時の圧損は試験片に微粒子を堆積させた
後、０．３ＭＰａのエアを０．１ｓｅｃ噴射する逆洗で
払い落とした後の圧損である。

【００３６】３．総合評価 微粒子捕集効率が９９．７％以上で、かつ捕集時の圧損
が３００Ｐａ以下のものを○として判定した。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【発明の効果】本発明において、表層の骨材粒子とし
て、平均粒子直径が基材の平均細孔直径より大きい粒子
を使用するため、基材表面に表層を形成する際、前記骨
材粒子が基材表面に開口した細孔に入り込むことが少な
いので、基材表面の微細な形状の影響を受けずに表層を
形成できるほか、表層の厚さの均一性も高くなるため、
表層の厚さを薄くでき、圧損のうち、表層による圧損分
を低くできる。また、表層の厚さを薄くしても細孔が露
出するような欠点が発生しにくいので高い捕集効率を維
持できる。

【００３９】また、表層の結合粒子として前記骨材粒子
より溶融温度が低いものを採用すると表層の機械的強度
が高くなるため、耐久性、信頼性が向上したフィルタが
得られる。

【００４０】また、本製造法で得られるフィルタは、圧
損が従来のフィルタより低く、高集塵効率を有し、かつ
充分な実用強度、耐久性を持つため、フィルタとして好
適に使用できる。廃棄物焼却炉用のような高温ガス中の
微細ダストの集塵に使用する場合、特に好ましく使用さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本製造法で得られるフィルタの表層断面概念
図。

【図２】図１の拡大図。

【図３】従来のフィルタの表層断面概念図。

【符号の説明】

１：表層 ２：基材 ３：表層の骨材粒子 ４：表層の結合粒子 ５：基材粒子 ６：基材表面の細孔 ７：ガス流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 恵一朗 東京都千代田区有楽町一丁目12番１号 旭 硝子株式会社内 (72)発明者 井村 俊明 静岡県浜松市新都田１丁目６番２号 アマ ノ株式会社都田テクノ事業所内 (72)発明者 鶴見 哲一 静岡県浜松市新都田１丁目６番２号 アマ ノ株式会社都田テクノ事業所内 (72)発明者 瀬尾 匠 静岡県浜松市新都田１丁目６番２号 アマ ノ株式会社都田テクノ事業所内 Ｆターム(参考） 4D019 AA01 BA05 BB06 BC12 CA01 CB06 4G019 GA04

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多孔質基材表面に骨材粒子と結合粒子とを
   含む組成物を付着させ熱処理して少なくとも１層以上の
   多孔質表層とするセラミックスフィルタの製造法であっ
   て、前記骨材粒子の７０質量％以上の粒子がその平均粒
   子直径の７０〜１３０％の粒子直径を有し、しかも該平
   均粒子直径が前記多孔質基材の平均細孔直径の１倍を超
   え、かつ２倍以下であり、さらに前記熱処理条件が９０
   ０℃以上であることを特徴とするセラミックスフィルタ
   の製造法。
2. 【請求項２】前記骨材粒子の７０質量％以上は、粒子形
   状のアスペクト比が２以上である請求項１記載のセラミ
   ックスフィルタの製造法。
3. 【請求項３】前記骨材粒子は、コーディエライト、ムラ
   イト、アルミナ、アルミノシリケート、炭化ケイ素、窒
   化ケイ素および窒化アルミニウムからなる群から選ばれ
   る１種以上である請求項１記載のセラミックスフィルタ
   の製造法。
4. 【請求項４】前記結合粒子は、骨材粒子より軟化溶融温
   度が低いものである請求項１、２または３記載のセラミ
   ックスフィルタの製造法。
5. 【請求項５】前記結合粒子は、長石、β−スポジュメン
   およびホウケイ酸ガラスからなる群から選ばれる１種以
   上である請求項４記載のセラミックスフィルタの製造
   法。
6. 【請求項６】セラミックスフィルタは、クロスフロー型
   のものである請求項１、２、３、４または５記載のセラ
   ミックスフィルタの製造法。