JP2004175638A

JP2004175638A - 塩素含有熱可塑性樹脂を用いた活性炭の製造方法

Info

Publication number: JP2004175638A
Application number: JP2002346734A
Authority: JP
Inventors: Noriyoshi Tsunoda; 範義角田; Atsushi Shimizu; 篤史清水
Original assignee: NATSUME SEIKAN KOGYO KK
Current assignee: NATSUME SEIKAN KOGYO KK
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】ＰＶＣを代表とする塩素含有熱可塑性樹脂から比表面積が高い活性炭を製造する方法を提供する。
【解決手段】本発明の活性炭の製造方法は、原料として脱塩素化率が９０％以上に脱塩素化された塩素含有熱可塑性樹脂を用い、前記塩素含有熱可塑性樹脂を、酸化性ガス雰囲気中で加熱保持することにより酸化する酸化工程、前記酸化された塩素含有熱可塑性樹脂を、不活性ガス雰囲気中で加熱保持することにより、炭化物を得る炭化工程、前記炭化物と賦活剤とを混合し、不活性ガス雰囲気中で加熱保持し活性炭を得るアルカリ賦活工程の順に処理を施すことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリ塩化ビニル等の塩素含有熱可塑性樹脂から、比表面積の高い活性炭を得るための製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリ塩化ビニル（ＰｏｌｙｖｉｎｙｌＣｈｌｏｒｉｄｅ：ＰＶＣ）は、透明性がよく、耐候性、耐薬品性、耐水性に優れるため、農業分野ではハウス栽培用のビニルフィルム（以下「農ビ」という）として多く利用されている。そのため、農ビの廃棄量は非常に多く、豊橋市だけでも年間１０００トンもの量が廃棄されている。このうち半分程度は土木用シートや日用雑貨としてマテリアルリサイクルされているが、焼却すると塩化水素ガスやダイオキシンなどが発生し危険なため、残りの半分は埋め立て処理にまわされている。しかし、現状では新たな埋立て用地の確保が困難となっており、農ビを安全に処理するリサイクル技術の開発が望まれている。
【０００３】
そこで、廃棄されたＰＶＣを活性炭として再利用する技術が検討されている。例えば、塩ビ廃棄物を脱塩酸炉で約３５０℃で約１０分間加熱処理し、脱塩酸したものを炭化炉に投入し、毎分１０〜３０℃の昇温速度で、炭化温度６００〜７５０℃に達せしめ、同温度で約３０分間保持して炭化物を製造し、この炭化物を適当な粒度範囲に粉砕したものをロータリキルンに投入し、水蒸気を用いて８００〜９００℃で賦活することによって、活性炭を取得する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この従来技術によれば、ＰＶＣから発生する塩化水素ガスを回収すると共に、活性炭を製造することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特公昭５０−３９４２８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題及び発明の効果】
しかしながら、この従来技術によれば、得られた活性炭の比表面積は、４００ｍ^２／ｇ〜４６０ｍ^２／ｇと低い。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、ＰＶＣを代表とする塩素含有熱可塑性樹脂から比表面積が高い活性炭を製造する方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の活性炭の製造方法は、原料として脱塩素化率９０％以上に脱塩素化された塩素含有熱可塑性樹脂を用い、前記塩素含有熱可塑性樹脂を、酸化性ガス雰囲気中で加熱保持することにより酸化する酸化工程、前記酸化された塩素含有熱可塑性樹脂を、不活性ガス雰囲気中で加熱保持することにより、炭化物を得る炭化工程、前記炭化物と賦活剤とを混合し、不活性ガス雰囲気中で加熱保持し活性炭を得るアルカリ賦活工程の順に処理を施すことを特徴とする。
【０００８】
通常、ＰＶＣに限らず、ポリ塩化ビニリデンやポリエチレン、ポリプロピレンといった熱可塑性樹脂をそのまま炭化すると、易黒鉛性炭素が生成してしまう。ここでいう易黒鉛性炭素とは、黒鉛化処理により黒鉛になりやすい炭素のことで、結晶子が黒鉛に類似して乱層構造を取り、層平面が平行・等間隔に積み重なってほぼ同方向に並んでいるので、わずかな原子移動で層面が消失し黒鉛になりうるものである。このような易黒鉛性炭素に賦活を行っても、結晶性が高いため空隙ができにくく、結果的に活性炭の比表面積が増加しない。
【０００９】
しかしながら、この活性炭の製造方法によれば、炭化工程の前に酸化工程を行うので、塩素含有熱可塑性樹脂に、エーテル結合に基づく酸素橋架け結合を生じさせる。この酸素橋架け結合が生じた塩素含有熱可塑性樹脂に炭化を行うと、難黒鉛性炭素を得ることができる。ここでいう難黒鉛性炭素とは、黒鉛化処理により容易には黒鉛に到らない炭素のことで、炭素六員環が不規則な交差連結をしているため、大きな原子移動がなければ層面が連続せず、結晶化が進まないものである。この非晶性の高い炭化物に賦活を行うと、空隙ができやすく、比表面積の高い活性炭を得ることができる。
【００１０】
一方、酸化された塩素含有熱可塑性樹脂は、表面に酸化膜が形成されてしまい、脱塩素化しにくいという問題がある。しかしながら、この活性炭の製造方法によれば、脱塩素化後に酸化工程を行うので、このような問題もない。
【００１１】
さらに、この活性炭の製造方法によれば、アルカリ賦活法を採用しているので、脱塩素化で除去できなかった塩素は、賦活剤によって中和される。そして、中和で生成された塩化物は、洗浄によって除去し得るので、最終製品としての活性炭中に塩素が残留するのを防ぐことができる。
【００１２】
そして、この製造方法によれば、塩素含有熱可塑性樹脂から、難黒鉛性炭素を得ることができ、これをアルカリ賦活することで、比表面積が高い活性炭を得ることができる。また、この製造方法によれば、脱塩素化が十分行われず炭化物に塩素が残留していても、残っていた塩素は賦活剤によって中和されるので、塩素が残留しない活性炭を得ることができる。従って９０％以上の脱塩素化率となる様に、原料の脱塩素化を行っておけばよい。ここでいう脱塩素化率とは、塩素含有熱可塑性樹脂中に含まれる塩化水素量に対する発生した塩化水素ガスの量を割合で示した値である。
【００１３】
ここで、脱塩素化は、塩素含有熱可塑性樹脂を２６０℃〜４００℃で行えばよく、例えば２６０℃ならば、加熱保持時間は２００分程度でよい。加熱保持温度を２６０℃〜４００℃とすることで、脱塩素化が十分行われるのに、長時間を要しないし、炉体が傷むのを防ぐことができるからである。より好ましい加熱保持温度は、２６０℃〜３００℃である。この温度範囲であれば、ダイオキシンの発生ピーク温度（３００℃〜４００℃）よりも低温で脱塩素化されるので、ダイオキシンが大量に発生するのを抑制できる。
【００１４】
ここで、原料となる塩素含有熱可塑性樹脂としては、例えばＰＶＣ、ポリ塩化ビニリデン、塩素化ポリエチレン、塩素化ポリプロピレン等が挙げられる。これらは、単独（ホモポリマー）でもよいし、共重合体でもよい。また塩素含有熱可塑性樹脂同士の混合物でもよいし、他の樹脂との混合物でも良い。また工業的に実用化されている塩素含有熱可塑性樹脂製品は、一般に安定剤、可塑剤、抗酸化剤、紫外線吸収剤、充填剤等の多種類の添加剤を含有しているのが普通であり、本発明で使用する塩素含有熱可塑性樹脂は、このような添加剤を含有してもかまわない。
【００１５】
塩素含有熱可塑性樹脂が大容積の場合は、粉砕、切削等の手段によって、小片状としたものが好適に使用される。塩素含有熱可塑性樹脂の形状、大きさは特に制限されない。形状としては、粉砕によって得られる不定形状の他、球状、円柱状、角柱状、立方体状、扁平状等任意の形状のものが使用される。
【００１６】
本発明の製造方法において、酸化工程で用いる酸化性ガスとしては、例えば空気、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、二酸化窒素、水蒸気等が挙げられる。
【００１７】
本発明において酸化工程での加熱保持温度は、１７０℃〜３００℃が望ましい。この温度範囲であれば、塩素含有熱可塑性樹脂が十分酸化されるのに、長時間を要しないし、発火する恐れもない。
【００１８】
ここで酸化工程の加熱保持温度は、２５０℃〜３００℃がより望ましい。この温度範囲であれば、酸化が完了するまでの時間を短くすることができる。例えば、加熱保持温度が３００℃とした場合、１時間から３時間の加熱時間で十分である。
【００１９】
ここで、本発明の活性炭の製造方法において、前記炭化工程を、前記酸化された塩素含有熱可塑性樹脂の加熱保持温度を、５００℃〜６００℃とするとよい。
【００２０】
この製造方法によれば、加熱保持温度を５００℃〜６００℃とすることで、炭化が十分に行われ、カーボン収率も約４０％となり、従来技術におけるカーボン収率の２倍以上となる。さらに、この温度範囲であれば、ダイオキシンの発生ピーク温度（３００℃〜４００℃）より高温で加熱するので、ダイオキシンが大量に発生するのを抑制できる。
【００２１】
炭化工程における加熱保持時間は、炭化が完了するような所定の時間とすればよい。例えば、加熱保持温度を６００℃とした場合、加熱保持時間は１時間〜３時間が適当である。
【００２２】
なお、炭化工程及びアルカリ賦活工程における不活性ガスとして、例えば窒素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、ネオン等が挙げられる。
【００２３】
次に、アルカリ賦活工程における賦活剤としては、例えばアルカリ金属水酸化物、アルカリ金属炭酸化物、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属硝酸塩、アルカリ金属硫酸塩等のアルカリ金属化合物が挙げられる。ここでいうアルカリ金属とは、例えばカリウム、リチウム、ナトリウム、ルビジウム等である。
【００２４】
ここで、本発明の活性炭の製造方法において、前記原料として、可塑剤を含有する塩素含有熱可塑性樹脂を用いると共に、前記アルカリ賦活工程を、賦活剤として水酸化カリウムを用い、前記炭化物と前記水酸化カリウムとの割合を重量比で１０対２３〜１０対４０とするとよい。
【００２５】
この製造方法によれば、可塑剤を含有する塩素含有熱可塑性樹脂を用いると共に、賦活剤として水酸化カリウムを用い、前記炭化物と前記水酸化カリウムとの割合を重量比で１０対２３〜１０対４０としたので、比表面積が１０００ｍ^２／ｇ以上の活性炭を得ることができる。
【００２６】
このとき、塩素含有熱可塑性樹脂に含有されている可塑剤が、酸化の際に導入される酸素量を増加させ、難黒鉛化を進めたものと考えられる。ここで可塑剤としては、例えばフタル酸エステル系、リン酸エステル系、脂肪酸エステル系、アジピン酸エステル系、エポキシ系等の含酸素化合物が望ましい。
【００２７】
また、本発明の活性炭の製造方法において、前記原料として、可塑剤と炭酸化合物を含有する塩素含有熱可塑性樹脂を用いると共に、前記アルカリ賦活工程を、賦活剤として水酸化カリウムを用い、前記炭化物と前記水酸化カリウムとの割合を重量比で１０対２５〜１０対３５とするとよい。
【００２８】
この製造方法によれば、可塑剤と炭酸化合物を含有する塩素含有熱可塑性樹脂を用いると共に、賦活剤として水酸化カリウムを用い、前記炭化物と前記水酸化カリウムとの割合を重量比で１０対２５〜１０対３５としたので、比表面積が１３００ｍ^２／ｇ以上の活性炭を得ることができる。
【００２９】
その理由としては、塩素含有熱可塑性樹脂に含有されている炭酸化合物が、賦活の際に分解して、炭化物から二酸化炭素を発生させ、これにより空隙が増加し、活性炭の比表面積を増加させると考えられる。ここで、炭酸化合物としては、例えば炭酸カルシウムや炭酸カリウム、炭酸ナトリウム等が挙げられる。
【００３０】
また、本発明の活性炭の製造方法において、前記原料として、可塑剤と炭酸化合物を含有する塩素含有熱可塑性樹脂を用いると共に、前記アルカリ賦活工程を、賦活剤として水酸化カリウムを用い、前記炭化物と前記水酸化カリウムとの割合を重量比で１０対２８〜１０対３２とするとよい。
【００３１】
この製造方法によれば、可塑剤と炭酸化合物を含有する塩素含有熱可塑性樹脂を用いると共に、賦活剤として水酸化カリウムを用い、前記炭化物と前記水酸化カリウムとの割合を重量比で１０対２５〜１０対３５としたので、比表面積が１５００ｍ^２／ｇ以上の活性炭を得ることができる。
【００３２】
なお、アルカリ賦活工程における加熱保持温度は、７２５℃〜８５０℃が望ましい。この温度範囲では、細孔の壁にミクロ孔が開口して、比表面積の高い活性炭を得ることができる。好ましい加熱保持温度は、７５０〜７７５℃である。この温度範囲では、炭化物と水酸化カリウムの割合を重量比で１０対３０とした場合、比表面積が１０００ｍ^２／ｇ以上の活性炭を得ることができる。アルカリ賦活工程における加熱保持時間は、細孔の壁にミクロ孔が十分発達するような所定の時間とすればよい。例えば、加熱保持温度が７５０℃であれば、加熱保持時間は１時間が適当である。
【００３３】
なお、得られた活性炭は、酸性液で中和させ、水洗いをし、乾燥させておくとよい。ここで酸性液としては、例えば塩酸、硫酸、硝酸、酢酸等が用いられる。
【００３４】
以上、本発明によれば、ＰＶＣに可塑剤が含まれた軟質ＰＶＣや、ＰＶＣに充填剤が含まれた硬質ＰＶＣに関係なく、比表面積が高く、残留塩素のない安全な活性炭を製造することができる。そして、比表面積が１５００ｍ^２／ｇ以上の活性炭は、市場価格が１５，０００円／ｋｇと大幅にアップする。このため、処理コストがかかる廃農ビ等は、付加価値のある製品の原料となり、廃農ビを出す側の処理費用の負担を減らすことが可能になるため、不法投棄などの問題も無くなると思われる。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明をより具体的に説明するため、実施例を示す。
【００３６】
［実施例１］
（試料）試料として、表１に示すような配合の異なる３種類のＰＶＣを用いた。ＴＲ−１は、ＰＶＣのみからなる。ＴＲ−２は，軟質ＰＶＣの成分に合わせるため、ＰＶＣと可塑剤であるフタル酸エステル系のフタル酸ジオクチルとを、６９：３１の重量比で混合したものである。ＴＲ−３は、硬質ＰＶＣの成分に合わせるため、ＰＶＣとフタル酸ジオクチルと充填剤である炭酸カルシウムとを、６４．５：２９：６．５の重量比で混合したものである。
【００３７】
【表１】

【００３８】
実験操作の一連の流れを図１に示す。まず試料を窒素流通下で加熱することにより脱塩素化を行った（脱塩素化工程）。次に、難黒鉛性の試料を得るため、脱塩素化した試料を空気流通下で加熱した（酸化工程）。さらに、その難黒鉛性の試料を窒素流通下で加熱し、炭化を行った（炭化工程）。次に、この炭化物に賦活剤である水酸化カリウムを混合し、その混合物を窒素流通下で加熱することにより、賦活を行った（アルカリ賦活工程）。最後に、得られたＰＶＣ活性炭を水洗いし、乾燥させた（洗浄工程）。以下に、各工程の詳細な説明を記す。
【００３９】
（脱塩素化工程）各試料を１ｇ量り取り、図２に示すような装置に入れた。この装置は、トラップ管１と、トラップ管１の両側に設けた電気炉２とを備えているものである。そして、試料を窒素１００ｍｌ／ｍｉｎで流通下、２６０℃で加熱することにより脱塩素化した。このとき各ＰＶＣの脱塩素化挙動を観るため、中和滴定法を用いてさまざまな反応時間での脱塩素化率を求めた。また、その反応温度依存性をみるため、２３０℃の温度で同様に脱塩素化した。その後、各残留物を乳鉢にて磨砕した。
【００４０】
（酸化工程）脱塩素化後のＰＶＣ残留物について、このまま窒素中で炭化を行うと、約３５０℃から５００℃の温度範囲において低分子化による溶融現象が生じ、易黒鉛性炭素が得られると言われている^１）。しかし、活性炭の製造では、難黒鉛性炭素を得る必要がある。従って、前処理として図３に示すような装置を用い、酸化を行った。図３の装置は、ガスを流通させるための管１１を設けた炉体１２と、試料を入れるための燃焼ボード１３と、電気炉１４とを備えているものである。酸化工程では、空気を１５０ｍｌ／ｍｉｎで流通下、３００℃で３時間加熱することにより、酸素を構造中に取り入れ、エーテル結合に基づく橋架け結合を生じさせ、難黒鉛性とした。
【００４１】
（炭化工程）その後、連続的に同じ装置を用いて炭化を行った。まず、カーボン収率の温度依存性をみるために、窒素を１００ｍｌ／ｍｉｎで流通下、反応時間を一定の２時間とし、４００℃、５００℃及び６００℃の温度で炭化を行った。また、カーボン収率の時間依存性もみるために、反応時間を一定の６００℃とし、炭化時間を０．５時間、１時間及び２時間で炭化を行った。
【００４２】
（アルカリ賦活工程）さまざまな賦活方法のなかでアルカリ賦活法を選んだ理由は、今回対象となる炭化物が塩ビ由来であり、残留塩素が製品化する上での問題点として指摘されることから、アルカリ金属を使って中和することにより活性炭中の塩素が除かれる利点があることと、アルカリ金属賦活により高表面積化が図れることの２点である。賦活剤として、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いた。活性炭の表面積への賦活剤による影響をみるために、各ＰＶＣ炭と水酸化カリウムとを重量比で１：１〜１：５の割合を変えて用意した。そしてＰＶＣ炭と水酸化カリウムを乳鉢を用いて蒸留水で溶解させながら完全に混合し、水分を飛ばすために一晩乾燥させた。その混合物を十分に磨砕し、粉末状にした後、燃焼ボードに入れ、図３に示す炭化工程と同様の装置を用いて、窒素１００ｍｌ／ｍｉｎで流通下、４００℃で０．５時間保持することにより、水酸化カリウムを炭化物中に充分に浸透させ、その後、７５０℃で１時間加熱することによりＰＶＣ炭の賦活を行った。
【００４３】
（洗浄）生成したＰＶＣ活性炭は、約０．１Ｎ程度の希釈塩酸で中和し、水洗を繰り返した後乾燥させた。
【００４４】
実施例１における脱塩素化処理、酸化処理、炭化処理及び賦活処理の温度・時間を表２に示す。
【００４５】
【表２】

【００４６】
（脱塩素化率）中和滴定法では、まずＰＶＣより発生した塩化水素ガスを、水酸化ナトリウム水溶液（１Ｎ）４０ｍｌにトラップさせ中和させた。その後その溶液を１Ｎ塩酸で滴定を行った。脱塩素化率は、式１のように表される。
【００４７】
【数１】

【００４８】
（カーボン収率）活性炭の製造にあたっては、歩留まりを向上させるというのは重要な課題である。そこで、試料の歩留まりをみるために、処理前のＰＶＣ中に含まれる炭素の重量に対する、炭化工程が終了した段階の炭化物の重量とから、各試料のカーボン収率を求めた。カーボン収率は、式２のように表される。
【００４９】
【数２】

【００５０】
（表面観察）ＳＥＭ及びＴＥＭにより、ＰＶＣ炭、ＰＶＣ活性炭の観察を行った。
【００５１】
（組成観察）脱塩素化後、炭化後、及び賦活後における各試料の残存塩素、灰分を確認するためＥＰＭＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｓｉｓ）を用いて組成観察を行った。
【００５２】
（比表面積）窒素吸着等温線をもとにＢＥＴ法により、ＰＶＣ活性炭の表面積を測定した。
【００５３】
（窒素吸着等温線）細孔径分布測定装置を用いて、各ＰＶＣ活性炭の窒素吸着等温線を求めた。
【００５４】
［実施例１における検討］
［ＰＶＣの脱塩素化］
（脱塩素化率測定）２６０℃における各ＰＶＣの脱塩素化率測定結果を図４に示す。ＴＲ−１の結果より、ＰＶＣは最大で９５％程度まで脱塩素化された。その反応は、開始０．５時間で急速に進み、２時間程度で平衡に達した。ＰＶＣ中の塩素と水素の量から考えると、１００％に達することは可能のように思われるが、実際にはこのように何らかの形で水素分不足が生じていた。従って、脱塩素化率を１００％にするには、水素供給源となるような物質を混入させて脱塩素化することが望ましいと考えられる。しかし、本実施例においては、賦活工程をアルカリ賦活としたので、１００％の脱塩素化率を要しない。またＴＲ−２の結果より、可塑剤の存在が脱塩素化率を２０％程度減少する結果を示した。これは、脱塩素化反応の際、可塑剤であるフタル酸ジオクチルによるものとみられる油分が大量に発生したことから、ＰＶＣの水素分、もしくは塩素分が奪われてしまったことによるものと考えられる。また、ＴＲ−３の結果より、充填剤の存在が平衡に達するまでの反応時間を６倍程度増加させる結果を示し、ＴＲ−２よりもＴＲ−３の最大脱塩素化率が若干、高いことが観察された。これは、充填剤である炭酸カルシウムによる影響と考えられる。
【００５５】
２３０℃における各ＰＶＣの脱塩素化率測定結果を図５に示す。ＴＲ−１の結果より、反応温度の低下によりＰＶＣの最大脱塩素化率は７％程度減少していた。ＴＲ−２、ＴＲ−３の結果より、添加剤の存在がさらに最大脱塩素化率を減少させていることが確認された。しかし、反応の推移は２６０℃の反応より若干緩やかになっていた。このことから、急激な塩化水素発生が若干抑えられていると考えられる。
【００５６】
（ＥＰＭＡによるＰＶＣ残留物の観察結果）
ＥＰＭＡによる各ＰＶＣの観察結果を図６（ａ）に示す。これより、３種全てのＰＶＣ残留物から残留塩素のピークが確認され、どのＰＶＣにおいても炭素分に対する残留塩素分の割合がほぼ等しいことが認められた。しかし、脱塩素化率測定結果では各ＰＶＣにおいて最大脱塩素化率に大きな差が認められていた。つまりこのことは、各ＰＶＣとも塩素分は同様な割合で脱離しているが、それは脱塩素化率処理の検討で考察したように、可塑剤の存在によって塩化水素以外のものとして発生していると考えられる。
【００５７】
［ＰＶＣ炭の生成］
（カーボン収率の炭化温度依存性）
各ＰＶＣ炭収率の炭化温度依存性を図７に示す。各ＰＶＣとも一般的に有機物が炭化するとされる４００℃では、８０％の収率であった。一方５００℃では、４００℃に比べて３０％〜４０％程度の大きな収率の減少が見られた。ＴＲ−２及びＴＲ−３では５００℃から６００℃間においてさらに２０％近い収率減少が確認された。つまり、全温度範囲で考えると添加剤が含まれたＰＶＣでは温度変化に対して大きく収率が減少することを示した。これは、可塑剤の存在により、酸素橋架け結合が若干増加したため、難黒鉛性が高まり、微結晶のランダム化が進み、小空孔より余分な炭素分の逸散が起こったのではないかと推察される。ここで、ＰＶＣ炭の各元素比を表３に示す。表３より、実際に添加剤を含むＴＲ−２，ＴＲ−３のほうが、ＴＲ−１より炭素分に対する酸素の含有量が高いことが確認された。
【００５８】
【表３】

【００５９】
（カーボン収率の炭化温度依存性）
次に各ＰＶＣ炭収率の炭化時間依存性を図８に示す。これより、どのＰＶＣにおいてもカーボン収率の時間依存性はさほど認められなかった。これは実験操作中、前処理温度から炭化温度まで昇温させる際、装置内にＰＶＣの熱分解により炭化系から逸散したものと考えられる多量の油分が発生していたことから、炭化の初期の段階、もしくは前処理、昇温過程中に低分子化による重量減少が平衡に達し、炭化過程では活性化された分子の環化、芳香族化、重縮合高分子化による炭素体の生成反応のみ起こったため、収率の変化が確認されなかったものと考えられる。
【００６０】
（ＥＰＭＡによるＰＶＣ炭の観察結果）
各ＰＶＣ炭の観察結果を図６（ｂ）に示す。これより、ＴＲ−１およびＴＲ−２において脱塩素化後確認された残留塩素のピークが完全に無くなっていた。つまりこれらのＰＶＣ炭では炭化過程中において残留塩素が完全に逸散していったと考えられる。しかし、ＴＲ−３においては炭化後においても塩素分のピークが確認された。高温での炭化を行っているため、残留塩素として存在しているとは考えにくい。従って、これは充填剤である炭酸カルシウムと反応し、少量の塩化カルシウムとして残存しているものと推察される。
【００６１】
（ＳＥＭによるＰＶＣ炭の観察結果）
ＳＥＭによる各ＰＶＣ炭の観察結果を図９に示す。ＴＲ−１及びＴＲ−３では一部分凹凸のある表面形態が確認された。しかし、ほとんどはＴＲ−２の観察結果のように平坦な表面形態が確認された。従って、各ＰＶＣ炭の比表面積は非常に低いものと考えられ、また炭化状態ではその比表面積にさほど違いはないと考えられる。
【００６２】
［ＰＶＣ活性炭の製造］
（各ＰＶＣ活性炭への水酸化カリウム重量比による影響）
各ＰＶＣを原料として用いた活性炭の最大比表面積値を表４に示す。これより、水酸化カリウム賦活法ではＰＶＣを原料として用いても一般的な活性炭の比表面積値である８００ｍ^２／ｇに達することが可能であった。また、ＴＲ−２の結果より、可塑剤の存在が比表面積を２００ｍ^２／ｇ程度増加させた。これは、炭化処理の検討のところで考察したように、添加剤の含有により難黒鉛性が増すということが第一の要因だと考えられる。一般的に水酸化カリウムを賦活剤として用いる場合、その浸食作用が重要であることが知られており^２）、難黒鉛性が増すということはその空隙が増し、それにより浸食作用が容易になるのではないかと考えられる。また、ＴＲ−３の結果より、充填剤が存在することにより、その活性炭は約１８００ｍ^２／ｇという非常に高い比表面積を示していた。充填剤である炭酸カルシウムは６００℃以上で熱分解して二酸化炭素を発生することから、賦活の際、これが炭素分と反応し、新たな細孔を生み出したものと推測される。
【００６３】
【表４】

【００６４】
さまざまな重量比における各ＰＶＣ活性炭のＢＥＴ比表面積測定結果を図１０に示す。ＴＲ−１，ＴＲ−２では、ＰＶＣ炭と水酸化カリウムの重量比が１：４までは、アルカリ濃度が大きいほど比表面積の増加が認められ、それ以降は減少していることが確認された。ＴＲ−３の比表面積のピークは、ＰＶＣ炭：水酸化カリウム）の重量比が１：３であった。これは重量比の変化に伴い、浸食した水酸化カリウムが空隙間を徐々に満たしていき、それにより反応が進むためだと考えられる。従って、十分に空隙が満たされたとき、その比表面積は最大値を示し、それ以上になると炭素壁の破壊が進むため、細孔が大きくなってしまい、比表面積は減少するものと考えられる。
【００６５】
（ＥＰＭＡによる各ＰＶＣ活性炭の観察結果）
ＥＰＭＡによる各ＰＶＣ活性炭の観察結果を図６（Ｃ）に示す。これより、炭化後、ＴＲ−３において確認されていた塩素のピークは、カルシウム成分のピークとともに完全に無くなっていた。これはＰＶＣ炭状態での灰分として残存していた塩化カルシウム成分が賦活後での洗浄により除去されたと考えられる。しかし、どの活性炭においても新たな灰分としてカリウム成分のピークが現れていた。これは水酸化カリウムを賦活剤として大量に用いてしまったため、洗浄を行っても除去できなかったものと考えられる。
【００６６】
（ＳＥＭによる各ＰＶＣ活性炭の観察結果）
ＳＥＭによる各ＰＶＣ活性炭の観察結果を図１１に示す。ＴＲ−１では２ｍｍ程度の非常に大きな孔が多数確認された。ＴＲ−２でも１ｍｍ程度の孔以外に大きな亀裂も多数確認された。ＴＲ−３でも同様に０．５〜１ｍｍ程度の孔が多数確認された。従って、これらの孔は導入孔として存在しており、その孔壁にメソ孔やミクロ孔が開孔しているものと考えられる。
【００６７】
（各ＰＶＣ活性炭の窒素吸着等温線）
ＴＲ−１とＴＲ−３について、各ＰＶＣ活性炭の窒素吸着等温線を図１２に示す。これより、各ＰＶＣ活性炭とも低圧部での急激な吸着が認められ、Ｉ型等温線を示している。従って半径１Å以下のミクロ孔が非常に発達した活性炭であることが認められた。
【００６８】
（まとめ）
以上の結果、ＴＲ−１では脱塩素化が反応開始後、３０分間で急速に進み、９５％の脱塩素化率であったが、可塑剤が存在するＴＲ−２では測定値としての脱塩素化率が減少し、可塑剤と充填剤が存在するＴＲ−３では反応時間が大幅に増加した。なお、ＥＰＭＡの結果から明らかな様に、ＴＲ−２、ＴＲ−３においても残留塩素はＴＲ−１とほぼ同量であることから、ＰＶＣ残留物の脱塩素化率は９０％以上であるといえる。装置の劣化等を考慮した場合、可塑剤や充填剤が存在するほうが適していると考えられる。
【００６９】
脱塩素化後、残留物中にはいくらかの残留塩素が残存していたが、前処理、炭化、賦活、そして洗浄という操作の間に完全に逸散したことが認められた。充填剤の成分であるカルシウムもまた、洗浄中に除去されていた。しかし、賦活の際に多量に用いた水酸化カリウムは、洗浄後においても灰分として残存していることが認められた。
【００７０】
生成したＰＶＣ炭は非常に低い表面積を示していたが、賦活処理後はどの試料も比表面積が８００ｍ^２／ｇに達した。また、可塑剤の存在により、難黒鉛性化が進み、比表面積が増加する結果となり、充填剤の存在は、その熱分解で発生した二酸化炭素の効果によって、さらに比表面積を増加させる結果となった。
【００７１】
生成したＰＶＣ活性炭は、０．５〜２ｍｍ程度の非常に大きな導入孔を多数有し、その壁面にさらに多くのミクロ孔が発達していることが認められた。
【００７２】
［実施例２］
（試料）農業用ビニルフィルム（農ビ）とポリオレフィンフィルム（農ポリ）とを７０：３０の重量比で混合し、４０ｋｇ／ｈの量を３８０℃で焼成した後、直径２ｍｍに粉砕した。
【００７３】
（酸化工程・炭化工程）
図１に示した流れで実験操作を行った。脱塩素化されたＰＶＣ炭約８ｇを焼成ボードに入れ、図３の炉にて酸化及び炭化を行った。前処理（酸化工程）として、空気を１５０ｍｌ／ｍｉｎの流通下で、７．５℃／ｍｉｎで昇温し、３００℃にて保持した。その後、１００ｍｌ／ｍｉｎで窒素を流入し、６℃／ｍｉｎで昇温し、６００℃にて保持した。その際、一段階目（酸化工程）での保持時間と二段階目（炭化工程）の保持時間を各々、１，２，３時間と条件を変えて炭化を行った。
【００７４】
（アルカリ賦活工程）賦活剤として水酸化カリウム（８５ｗｔ％）を用い、得られた炭化物と賦活剤とを重量比で１：３，１：４の割合になるように用意し、蒸留水にて水酸化カリウムを溶解しながら、乳鉢にて炭化物と賦活剤とを混合した。これを乾燥器（１１０℃）に入れ、水分を飛ばした後、その混合物を乳鉢にて十分に磨砕し、粉末状とした。この粉末を焼成ボードに約１．０ｇ取り、炭化と同様な装置にて賦活を行った。賦活は二段階にて行った。一段階目として１３．３℃／ｍｉｎで昇温し、水酸化カリウムを充分浸透させるために、４００℃で３０ｍｉｎ保持した。次に二段階目とし７℃／ｍｉｎで７５０℃まで昇温し、１時間保持することで賦活を行った。また、二段階目としての温度を８００℃とし、別の賦活条件での実験も行った。
【００７５】
（洗浄）得られた活性炭を０．１Ｎ程度の希釈塩酸で中和し、水洗を充分行った後、乾燥させた。
【００７６】
（活性炭の比表面積測定）実施例１と同様な方法で行った。
【００７７】
［実施例２における検討］
（カーボン収率）活性炭は難黒鉛性炭素に属することから、原料の炭素も難黒鉛性の構造である必要があると考えられる。そこで、前処理としてＰＶＣを３００℃で空気を流しながら熱分解させることで、酸素を構造中に取り入れてエーテル結合に基づく酸素橋架け結合を生じさせ、これをさらに高温の７５０℃、８００℃で炭化することで溶融しない難黒鉛性の炭素を得ることとした。表５に前処理（酸化）時間および炭化時間に対する収率を各々示す。いずれも炭化後のＰＶＣの収率は約３０％であった。
【００７８】
【表５】

【００７９】
（活性炭の比表面積）前処理（酸化）温度３００℃、炭化温度６００℃とし、酸化時間（Ｔ１）と炭化時間（Ｔ２）とを、それぞれ（Ｔ１＝１時間，Ｔ２＝２時間）、（Ｔ１＝３時間，Ｔ２＝１時間）炭化工程までを行った。次に、ＰＶＣ炭と水酸化カリウムの重量比を１：３，１：４とし、賦活温度７５０℃、賦活時間１時間で活性炭を製造した。この活性炭の比表面積を求めた結果を表６に示す。この結果によると、比表面積は、ＰＶＣ炭と水酸化カリウムの重量比が１：３のほうが、１：４より高かった。
【００８０】
【表６】

【００８１】
賦活温度による比表面積依存性の検討のため、Ｔ１＝３時間，Ｔ２＝１時間で製造したＰＶＣ炭と水酸化カリウムを１：３の重量比で混合し、賦活温度を６５０℃、７００℃、７２５℃、７５０℃、７７５℃、８００℃、８５０℃と変え、賦活時間１時間で活性炭を製造し、それぞれの比表面積を表７に示した。この結果より、賦活温度が７５０℃のとき比表面積が最も高く、７５０℃よりも低い温度或いは高い温度になるにつれ比表面積は減少していることが確認された。
【００８２】
【表７】

【００８３】
賦活時間による比表面積依存性の検討のため、Ｔ１＝３時間，Ｔ２＝１時間で製造したＰＶＣ炭と水酸化カリウムを１：３の重量比で混合し、賦活温度を７５０℃とし、賦活時間を１時間、３時間、５時間と変えて活性炭を製造したときの、それぞれの比表面積を表８に示した。この結果より、賦活時間が１時間のとき比表面積が最も高く、それより時間が長くなるにつれ比表面積は減少していることが確認された。
【００８４】
【表８】

【００８５】
（参考文献）
１）井口潔、角田良一、竹下三吉、ポリ塩化ビニルを原料とする活性炭の製造、日本科学会誌、ｐｐ１６２７−１６３０（１９７３）
２）真田雄三、鈴木其之、藤本薫編、活性炭：基礎と応用新版１７、ｐ５３（１９９２）
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１及び実施例２において、活性炭の製造工程の流れを示す図である。
【図２】実施例１において、脱塩素化するための装置の断面図である。
【図３】実施例１及び実施例２において、酸化工程から賦活工程までを行う装置の断面図である。
【図４】実施例１において、ＴＲ−１，ＴＲ−２，ＴＲ−３の２６０℃で脱塩素化したときの反応時間に対する脱塩素化率を表すグラフである。
【図５】実施例１において、ＴＲ−１，ＴＲ−２，ＴＲ−３の２３０℃で脱塩素化したときの反応時間に対する脱塩素化率を表すグラフである。
【図６】実施例１において、（ａ）脱塩素化後、（ｂ）炭化後、（ｃ）アルカリ賦活後のＴＲ−１，ＴＲ−２，ＴＲ−３のＥＰＭＡのグラフである。
【図７】実施例１において、ＴＲ−１，ＴＲ−２，ＴＲ−３の４００℃、５００℃、６００℃で２時間炭化したときの、各温度に対するカーボン収率を表すグラフである。
【図８】実施例１において、ＴＲ−１，ＴＲ−２，ＴＲ−３の６００℃で炭化したときの、各時間に対するカーボン収率を表すグラフである。
【図９】実施例１において、炭化後の（ａ）ＴＲ−１炭，（ｂ）ＴＲ−２炭，（ｃ）ＴＲ−３炭のＳＥＭ写真である。
【図１０】実施例１において、ＴＲ−１，ＴＲ−２，ＴＲ−３の７５０℃で１時間賦活したときの、ＰＶＣ：水酸化カリウムの重量比に対する比表面積を表すグラフである。
【図１１】実施例１において、アルカリ賦活後の（ａ）ＴＲ−１活性炭，（ｂ）ＴＲ−１活性炭，（ｃ）ＴＲ−３活性炭のＳＥＭ写真である。ＰＶＣ：水酸化カリウムの重量比は、ＴＲ−１、ＴＲ−２では１：４で、ＴＲ−３では１：３である。
【図１２】実施例１において、アルカリ賦活後の（ａ）ＴＲ−１活性炭，（ｂ）ＴＲ−３活性炭の窒素吸着等温線である。ＰＶＣ：水酸化カリウムの重量比は、ＴＲ−１では１：４で、ＴＲ−３では１：３である。
【符号の説明】
１・・・トラップ管、２・・・電気炉、１１・・・管、１２・・・炉体、１３・・・燃焼ボード、１４・・・電気炉

Claims

原料として脱塩素化率９０％以上に脱塩素化された塩素含有熱可塑性樹脂を用い、
前記塩素含有熱可塑性樹脂を、酸化性ガス雰囲気中で加熱保持することにより酸化する酸化工程、
前記酸化された塩素含有熱可塑性樹脂を、不活性ガス雰囲気中で加熱保持することにより、炭化物を得る炭化工程、
前記炭化物と賦活剤とを混合し、不活性ガス雰囲気中で加熱保持し活性炭を得るアルカリ賦活工程
の順に処理を施すこと
を特徴とする活性炭の製造方法。
請求項１記載の活性炭の製造方法において、
前記炭化工程を、前記酸化された塩素含有熱可塑性樹脂の加熱保持温度を、５００℃〜６００℃とすること
を特徴とする活性炭の製造方法。
請求項１または請求項２記載の活性炭の製造方法において、
前記原料として、可塑剤を含有する塩素含有熱可塑性樹脂を用いると共に、
前記アルカリ賦活工程を、賦活剤として水酸化カリウムを用い、前記炭化物と前記水酸化カリウムとの割合を重量比で１０対２３〜１０対４０とすること
を特徴とする活性炭の製造方法。
請求項１または請求項２記載の活性炭の製造方法において、
前記原料として、可塑剤と炭酸化合物とを含有する塩素含有熱可塑性樹脂を用いると共に、
前記アルカリ賦活工程を、賦活剤として水酸化カリウムを用い、前記炭化物と前記水酸化カリウムとの割合を重量比で１０対２５〜１０対３５とすること
を特徴とする活性炭の製造方法。
請求項１または請求項２記載の活性炭の製造方法において、
前記原料として、可塑剤と炭酸化合物とを含有する塩素含有熱可塑性樹脂を用いると共に、
前記アルカリ賦活工程を、賦活剤として水酸化カリウムを用い、前記炭化物と前記水酸化カリウムとの割合を重量比で１０対２８〜１０対３２とすること
を特徴とする活性炭の製造方法。