JP2003286021A - 高比表面積炭素材料の製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高い比表面積を持つ炭素材料は、炭を９００〜
１２００℃の高温で水蒸気や炭酸ガスを長時間流通して
賦活する方法で製造されている。これらの製法に代わる
無理のない温度且つ短時間の処理で、高比表面積の炭素
材料を製造する装置を提供する。 【解決の手段】円筒形の容器をもちい円筒の一方から原
料炭化物を供給し、他方から水蒸気を送入して向流で接
触するように流し、円筒形容器の外周から熱を供給して
原料を６００〜９００℃に加熱して炭素材料を製造する
装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高比表面積炭素材料の
製造装置に関する。具体的には、植物組織由来の炭化物
を原料として高比表面積炭素材料を製造する新規の装置
を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】高い比表面積を持つ炭素材料は、工業薬
品やガス類の精製用、触媒や触媒担体、電極や電気二重
層コンデンサ材料、樹脂添加剤等の他、室内空気の浄化
や湿度調節、上水の浄化、工業廃水や河川の浄化など広
範囲に利用されて有用である。ここでいう高比表面積炭
素材料は、一般に活性炭と称されているものの範疇にあ
るが、これらの中で高比表面積を持つものをいい、吸着
能力が高いこと、表面の化学的活性が高いことなどの特
徴を有する。

【０００３】活性炭の製造方法については、例えば炭素
材料学会編「活性炭−基礎と応用」（講談社発行）に詳
しく記載されているが、要約すると次の方法が一般的で
ある。

【０００４】木質原料を用いて活性炭を製造する方法と
しては、原料を一旦加熱炭化してから水蒸気、炭酸ガス
などを９００〜１２００℃の高温で流通させて活性炭に
転換するガス賦活法と、木質原料に塩化亜鉛、燐酸など
の薬品を添加混合してから４００〜９００℃の高温で加
熱処理して炭化処理を行い、次いで添加薬品及びその分
解生成物などを水などで洗浄して除去して製造する薬品
賦活法の両方法が一般的である。

【０００５】本発明は、ガス賦活法に関わり炭化物を水
蒸気で賦活する方法についての新規な装置を提供するも
のである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ガス賦活法
に関わり炭化物を水蒸気で賦活する方法についての新規
な装置を提供するものである。ガス賦活法については、
例えば木材、やし殻などの植物組織の材料を高温で蒸し
焼きなどして炭化したものを原料として、水蒸気、炭酸
ガスなどの所謂賦活ガスを流通しながら９００〜１２０
０℃という高温で数時間から数日の長時間の処理をする
のが一般的である。このとき、高温の処理のため装置材
質は耐熱性の高いものが必要であり、多量の熱エネルギ
ーを消費するなど工程費は高価となる。

【０００７】本発明者らはこれらの課題を解決するため
に、植物組織の炭化物について水蒸気賦活の反応過程に
ついて基礎的な研究をした結果、意外にも原料炭化物の
ある種のものについては水蒸気を特定の方法で流通しな
がら熱処理すると、９００℃以下の温度で高い比表面積
の炭素材料が生成することを発見した。更に水蒸気を窒
素ガスなどの不活性気体で希釈して分圧を制御して流通
すれば、より安定して高い比表面積の炭素材が生成する
ことを見い出した。

【０００８】本発明は、これらの発見に基づき、工業的
且つ経済的に高比表面積の炭素材料を製造する装置の開
発につき研究した結果完成したもので、特殊な耐熱材料
を必要としない無理のない温度条件で、しかも短時間の
処理で、高比表面積の炭素材料を連続的に製造すること
のできる新規な装置を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、植物
組織由来の炭化物を原料として水蒸気を流通しながら加
熱して高比表面積の炭素材料を製造する方法において、
直径に対して軸方向長さが４〜２０倍の比率の円筒形
で、その外周から加熱されて６００℃から９００℃に昇
温される容器であって、内部に原料炭化物およびその熱
変換物を出口側に移動するための回転式の推進機を装着
しており、円筒形容器の中心軸が水平に対して１〜３０
度傾斜して設置されており、その低い側の方に原料炭化
物の供給口および水蒸気と熱反応によって生成するガス
及び液体などの排出口があって、加熱部を挟んだ他の高
い側に高比表面積炭素材料の製出口および水蒸気等の送
入口が配置されていることに特徴のある装置である。

【００１０】請求項２の発明は請求項１の装置の一形態
であって、原料炭化物が供給される口が円筒形容器のそ
の低い側に上方に開いて原料貯槽に通じており、下方に
水蒸気と熱反応によって生成するガスや液体などの排出
口が開いていて凝縮液を回収する容器に接続されてお
り、他方の高い側に高比表面積炭素材料の製出口が下向
きに開いていて水を張って外気と遮断する構造の製品取
出口を有する回収容器が連結されており、円筒形容器の
加熱される部分から高比表面積炭素材料の出口側及び回
収容器までが実質的に気密構造となっているいることに
特徴を有する装置である。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明で用いられる原料炭化物
は、植物組織を原料として通常の炭化方法、例えば蒸し
焼き等の方法で生産されたものが好適に用いられる。植
物組織由来の炭の種類としてはさまざまなもの、例えば
木炭、椰子殻炭、籾殻炭、おが炭などを用いることがで
きる。原料炭の形態としては、チップ状、粒状のもので
約５センチ大以下のものが好ましいが、円筒形容器への
供給、内装された推進器での移送及び円筒形容器からの
排出が円滑に行える形態であれば如何様でもよい。原料
としてはこれらの混合物も使用でき、必要なら粉粒状の
ものやその成型物も使用可能である。

【００１２】原料の大きさが上記より大きい場合は、加
熱するのに内部の温度が遅れたり、水蒸気や非酸化性ガ
スとの混合気の流通効果が十分に出なかったりするの
で、好ましくない。

【００１３】本発明に好適に用いられる原料炭化物とし
ては、無定型のもの、若しくは結晶化度の低いものが好
ましい。炭化過程で例えば１０００℃以上の高温で処理
されたものではグラファイト結晶が生成して緻密な構造
になることが多いが、このような炭素材料では高比表面
積へ変換するのにのに反応速度が遅く好ましくない。逆
に炭化の処理が低温であったり時間が短かったりで、植
物組織の未分解物或いは熱分解の中間生成物が若干残っ
ているぐらいのものは問題なく本発明の原料として用い
ることができる。

【００１４】上記の原料炭化物は、熱の供給される装備
の円筒形容器の一方端から供給されて加熱され他端から
排出される。原料炭化物は加熱された円筒形容器を進む
につれて昇温し、含有する水分やその他の揮発分が蒸発
した後、高温部に進むにつれて水蒸気との反応で高比表
面積炭素材料に変換される。水分などの揮発に伴って相
当する熱が必要であるから、円筒形容器の入り口側には
十分な昇温加熱帯をもうける必要がある。

【００１５】円筒形容器の温度は、被加熱物の温度が６
００〜９００℃の範囲になるようにすればよく、熱の供
給は容器外周の壁面からの伝熱を主とするが、推進機を
介しての供給でも、流通する雰囲気ガスの熱容量を利用
しての供給でも、これらを併用してもよい。

【００１６】原料炭化物の供給は、その容積速度が６０
０℃から９００℃に加熱された帯域の容器内容積に対し
て１時間当たり０．５〜１０倍容量が好ましい。即ち、
この温度帯の滞留時間は６分から２時間の範囲で実施す
ればよいが、この範囲より大きい速度では十分な熱処理
効果が得られず比表面積が小さくなり、一方速度が小さ
いと経済的でない。

【００１７】原料炭化物を容器内で出口側へ移送するの
は、回転羽根式の推進機が一般的であるが、その他の任
意の推進機が使用できる。また、推進機の作動は連続的
でも間歇的でもよく、原料が前記の供給速度の範囲で移
送されればよい。

【００１８】原料炭化物と対向する向きに出口側から水
蒸気を送入するが、これらが向流することが重要であり
押し出し流れで流通することが好ましい。この水蒸気の
流れによって、原料炭化物が発生する各種有機物やター
ルを形成する高分子物質などが原料の入り口側へ送ら
れ、原料炭化物や熱変換物は常にクリーンな状態で水蒸
気雰囲気で、或いは特定された非酸化性ガスとの混合ガ
スの雰囲気で熱処理されることによって高比表面積炭素
材料が形成される。

【００１９】水蒸気を非酸化性ガスと混合して送入する
場合、非酸化性ガスとしては例えば窒素、アルゴン、二
酸化炭素、一酸化炭素、メタン、ヘリウム、水素などを
用いることができる。非酸化性ガスと混合するとき、水
蒸気濃度としては２０〜９５ｍｏｌ％の範囲で選択する
ことができる。このような混合ガスを用いた場合、得ら
れる炭素材料の比表面積はより高い値が安定して得られ
る。

【００２０】水蒸気、或いは水蒸気と非酸化性ガスの混
合ガスを送入する場合、原料炭化物を大気と遮断された
状態で容器内を移送しながら、原料の移送の向きと逆向
きに流通させる。このとき、水蒸気或いは非酸化性ガス
との混合ガスの流速は標準状態に換算した容積で、原料
炭化物の供給容積に対して５〜１０００倍の流速で流す
のが好ましい。流速がこの範囲を外れると比表面積は小
さくなる傾向にある。

【００２１】請求項１の発明装置で、直径に対して軸方
向長さが４〜２０倍の比率の円筒形の容器は、その外周
から加熱して内部を６００℃から９００℃に昇温するの
に十分の伝熱面積を確保出来る。熱は重油、灯油などの
燃料油や都市ガス、天然ガスなどの燃焼熱、或いは電力
炉による加熱などが利用できる。場合によっては廃油、
廃タイヤ、廃木材などの燃焼熱も利用可能である。

【００２２】内部に原料およびその熱変換物を出口側に
移動するための回転式の推進機を装着するにも上記形状
の容器は好適である。推進器は回転羽根式が一般的であ
るが、容器の内壁に近接する径の羽根を用い円筒形容器
の中心軸と推進器の軸を合致させて設置するのが好まし
い。羽根が一回転して移動する距離即ちピッチは、原料
の形状と移送速度を勘案して設計し装備すればよい。こ
の場合、原料と雰囲気ガスは回転羽根と回転軸及び容器
内周壁で形成される空間を螺旋状に且つ向流で流れるこ
とになり、両者の接触効率は高くなり好ましい。

【００２３】円筒形容器の中心軸が水平に対して１〜３
０度傾斜して設置されること及びその原料の供給される
低い側の端にガスや液体などの排出口があることが重要
である。原料炭化物が加熱される際に含有される未分解
物などからタール状液体が少量生成するが、これが円筒
形容器の内面に凝縮しても炭素材料の製出側に流れない
ようようにする必要がある。タール状高分子物質が熱反
応過程の炭素材料へ或いはその中間変換物へ付着した場
合、高比表面積の炭素材料は得られ難い。上記の傾斜角
度をつけることで凝縮液は原料の入口側へ流下するので
確実にその付着が防止できる。上記より大きい傾斜角で
は原料及び熱変換物の移送の面、或いは装置の設置スペ
ースの面から好ましくない。

【００２４】請求項２の発明装置は、円筒形容器が、原
料炭素材料が供給される口がその低い側に上方に開いて
原料貯槽に通じており、下方に水蒸気と熱反応によって
生成するガスや液体などの排出口が開いていて凝縮液を
回収する容器に接続されている配置によって、原料の貯
留と供給及び生出するガスや液体の流れが無理なく確保
される。凝縮液を回収する容器は非凝縮生のガスなどを
排出するために排風機に接続され、無害化処理などした
後大気へ放出される。

【００２５】円筒形容器の高い側に高比表面積炭素材料
の製出口が下向きに開いていて下方に水を張って外気と
遮断する構造の製品の取出口を有する回収容器が連結さ
れていることで、高温で製出する炭素材料が水中に回収
され同時に冷却される。これにより円筒形容器の加熱帯
から炭素材料の出口側及び回収容器までが実質的に気密
構造とすることが可能となり、水蒸気または非酸化性ガ
スで希釈された水蒸気を、特定された流量で原料炭化物
と向流して流通することが可能となる。

【００２６】高比表面積炭素材料は回収容器中の水と触
れて水蒸気を発生するから、これを前記の非酸化性ガス
をキャリヤーとして、加熱円筒形容器へ送入することも
出来る。水中に回収された炭素材料は水封状態を保った
まま任意の方法で取出口から取り出される。例えば、取
出口から回収容器底部へスクリュウコンベアなどの排出
機を設置する、或いは水流を利用して、炭素材料を取り
出すことが出来る。炭素材料は水を分離することによっ
て、必要なら次いで乾燥することによって製品となる。

【００２７】本発明による装置の具体的構成の例を図１
に示すが、本発明はこの例に限定されるものではない。
図１に於いて、１は原料炭化物を熱処理する円筒形容器
で、内部に推進器２が装着されて駆動ギヤ１１で回転駆
動される。原料貯槽９から供給口１４へ入った原料はこ
の推進機で円筒形容器内部へ移送する。円筒形容器は加
熱炉３で加熱されて昇温される。熱処理されて製出する
炭素材料は製出口１２から水を張った炭素材料回収容器
７に回収される。

【００２８】円筒形容器へ送入する水蒸気は、定量ポン
プなどで計量された水を水供給パイプ６から水蒸発器４
へ供給し加熱気化されて、水蒸気送入口１５から送入さ
れる。水蒸気を窒素ガスなどの非酸化性ガスで希釈して
送入するときは、窒素ガス供給パイプ５から送入するこ
とが出来る。また、水蒸気は炭素材料回収容器７で発生
するものを利用することも出来る。この場合は炭素材料
回収容器７に窒素ガスなどの非酸化性ガスをキャリヤー
として供給して水蒸気を同伴し送入すればよい。

【００２９】原料炭化物が熱反応によって発生したガス
や液体及び供給された水蒸気などは、排出口１３から凝
縮液回収容器８へ流出し凝縮物が８へ溜まる。非凝縮性
のガスなどは排風機１０で排出されるが、煤煙やミスト
などは無害化処理を行って大気へ放出されることが好ま
しい。

【００３０】次に、図１の構成の装置で炭素材料を製造
した具体例を以下に示す。

【実施例１】円筒形容器１は耐熱ステンレス鋼で内径１
４０ｍｍ、原料供給口１４から炭素材料製出口１２まで
の長さ１４００ｍｍのものを作製し、加熱炉３は全長１
０００ｍｍで３基の電気炉で独立に温度設定出来るもの
を用いた。推進器２は耐熱ステンレス鋼製の回転羽根式
で羽根径１３０ｍｍ、ピッチ１２０ｍｍ、シャフト径４
８ｍｍのものを用い、回転速度を制御して駆動ギヤ１１
で駆動した。円筒形容器は水平に対して３度傾斜して製
品出口側が高くなるように設置した。

【００３１】原料はおが炭（おが粉を成型して炭化した
もの）を粉砕して８ｍｍの開き目の篩いで篩ってその通
過分を用いた。原料おが炭は原料貯槽９に貯留し、円筒
形容器の供給口１４へ連続供給した。所定量の水を定量
ポンプで２００℃に加熱された水蒸発器４に供給し気化
させて円筒形容器の製品出口側送入口１５から送入し
た。窒素ガスはマスフローバルブで流量を制御して、パ
イプ５から水蒸発器へ供給し水蒸気と混合して送入し
た。製品の炭素材料は円筒形容器の製出口１２から水を
張った回収容器７へ落下して冷却され、その下部が連通
する取出口１６から間歇的に取り出された。

【００３２】供給された水蒸気や熱分解生成物などは円
筒形容器の低い側の端下方にある排出口１３に接続され
た凝縮液回収容器８で凝縮液が回収され、排ガスは排風
機１０によって大気に排出された。その他、装置の構成
は図１と同様にした。

【００３３】原料入り口側より、第１炉を５００℃、第
２炉を８５０℃、第３炉を８５０℃に設定し、推進器は
原料供給口から炭素材料製出口までの１４００ｍｍを１
時間で移送する速度に設定した。水を１３５g／時で蒸
発器に供給して気化し、窒素ガスを９０リットル／時で
供給して混合して送入した。水蒸気と窒素ガスの混合ガ
ス容積は標準状態で、原料炭の供給容積に対して２４倍
であり混合ガス中の水蒸気濃度は６５％である。

【００３４】円筒形容器内の温度分布から、６００℃〜
８５０℃の温度帯にある滞留時間は３３分であった。運
転開始４時間後に製出した炭素材料を回収容器から取り
出して水を分離した後、９０℃で２時間通気乾燥したサ
ンプルについて比表面積を測定した。比表面積は窒素ガ
ス吸着のBET法により、装置は島津製作所製アサップ２
０１０を用い３点法で測定した。このサンプルの比表面
積は７２０、ｍ２／gであった。 尚、原料おが炭の比表
面積は６８ｍ２／gであった。

【００３５】

【実施例２】原料として市販のバーベキュー用炭をもち
いて、実施例１と同様にして賦活処理した。原料炭の比
表面積は２ｍ２／g、製出した炭素材料の比表面積は７
３５ｍ２／gであった。

【００３６】

【実施例３】原料として市販の備長炭をもちいて、実施
例１と同様にして賦活処理した。原料炭の比表面積は９
６ｍ２／g、製出した炭素材料の比表面積は３５０ｍ２
／gであった。

【００３７】

【発明の効果】本発明によって、植物組織由来の炭化物
を原料として９００℃以下の温度での短時間の処理で、
高比表面積の炭素材料を連続的に製造することの出来る
新規な装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による装置構成の一実施形態の装置の側
面図である。内部構造を示すため部分透視図で描いてあ
る。

【図２】図１の左方より見た従側面図で、部分透視図と
なっている。

【符号の説明】

1 円筒形容器 2 推進機 3 加熱炉 4 水蒸発器 5 窒素ガス供給パイプ 6 水供給パイプ 7 炭素材料回収容器 8 凝縮液回収容器 9 原料貯槽 10 排風機 11 駆動ギア 12 炭素材料製出口 13 生成ガス等排出口 14 原料供給口 15 水蒸気送入口 16 炭素材料取出口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 志戸崇紀 鳥取県米子市米原７丁目11−29コーポナガ ミ205号室 Ｆターム(参考） 4G146 AA06 AC08B BA31 BC33A BC33B BD02 DA01 DA05 DA14 DA26 DA27

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】植物組織由来の炭化物を原料として水蒸気
   を流通しながら加熱して高比表面積の炭素材料を製造す
   る方法において、直径に対して軸方向長さが４〜２０倍
   の比率の円筒形で、その外周から加熱されて６００℃か
   ら９００℃に昇温される容器であって、内部に原料炭化
   物およびその熱変換物を出口側に移動するための回転式
   の推進機を装着しており、円筒形容器の中心軸が水平に
   対して１〜３０度傾斜して設置されており、その低い側
   の方に原料炭化物の供給口および水蒸気と熱反応によっ
   て生成するガスや液体などの排出口があって、加熱部を
   挟んだ他の高い側に高比表面積炭素材料の製出口および
   水蒸気の送入口が配置されている装置。
2. 【請求項２】円筒形容器が、原料炭化物が供給される口
   がその低い側に上方に開いて原料貯槽に通じており、下
   方に水蒸気と熱反応によって生成するガスや液体などの
   排出口が開いていて凝縮液を回収する容器に接続されて
   おり、他方の高い側に高比表面積炭素材料の製出口が下
   向きに開いていて、その下方に水を張って外気と遮断す
   る構造の高比表面積炭素材料の取出口を有する回収容器
   が連結されており、円筒形容器の加熱される部分から高
   比表面積炭素材料の出口側及び回収容器までが実質的に
   気密構造となっている請求項１記載の装置。