JP2007261918A

JP2007261918A - 竹活性炭の製造方法

Info

Publication number: JP2007261918A
Application number: JP2006092720A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Wakizaka; 博之脇坂
Original assignee: Shiga Prefectural Government.
Current assignee: Shiga Prefectural Government.
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】本発明は、竹の産地や種類、成長過程等によって異なるミネラル等の元素や成分組成に影響されることなく、比較的均一なミクロ孔を有する竹活性炭を、容易且つ安価で製造できる方法を提供することを目的とする。
【解決手段】竹を炭化して、竹炭化物を得る工程と、該竹炭化物を洗浄して、該竹炭化物に含まれるカリウム全量に対して２０〜１００重量％のカリウムを除去したカリウム調整竹炭化物を得る工程と、該カリウム調整竹炭化物を賦活する工程とを含む竹活性炭の製造方法である。
【選択図】なし

Description

本発明は、竹を炭化・賦活処理して得られる竹活性炭の製造方法に関する。

有機系廃棄物を炭化して活性炭を製造すると、軽量化が図られると共に吸着材として再利用が可能となることから、建設廃材やプラスチック等の多くの有機系廃棄物から活性炭を製造する試みがなされているが、近年の循環型社会への転換、原油の高騰等により、身近な植物質由来の天然素材を原料とした活性炭の製造が試みられている。

従来の活性炭の製造方法は、薬品賦活法とガス賦活法に大別され、薬品賦活法としては、水酸化カリウムや炭酸カリウム等を用いた製造方法が提案されている。また、ガス賦活法としては、水蒸気、二酸化炭素、酸素等を用いた活性炭の製造方法が提案されており、これらの製造方法を基礎として、原料に天然素材を用いた活性炭を製造する試みが種々なされている。

原料となる天然素材としては、木、竹、果殻等が挙げられるが、中でも竹は、成長速度が速く、持続的に利用可能であることなどから、活性炭の原料として非常に有用であると考えられており、ガス賦活法によって得られる竹活性炭等が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、竹を含む天然有機材料を一旦高圧力で圧縮して材料の組織を緻密化した後に熱分解炭化するという多孔質炭の製造方法等も開示されている（例えば、特許文献２参照。）。当該方法によって得られた多孔質炭は均質なミクロポア（直径約４ｎｍ以下の孔）を有しているため、上質な活性炭として利用することができる。
特開２００２−２０１１０号公報特開２０００−２９０６６２号公報

竹は、上述の通り、活性炭の原料として非常に有用であるが、天然素材の竹は、その産地や種類、成長過程によって、竹を構成するミネラル等の元素や成分組成が異なるため、得られる活性炭の品質を一定にすることは困難であり、特に均質なミクロ孔（直径１０Å以下の細孔）を有する活性炭の製造は非常に困難である。

また、ガス賦活法による活性炭の製造方法おいて、特許文献１のように賦活ガスとして水蒸気を使用する場合にはボイラーを必要とするため、活性炭の製造コストを押し上げることとなる。更に、従来の薬品賦活法によると、活性炭に薬品が残留する恐れや、薬品によって活性炭の製造装置が腐食する恐れ等がある。

また更に、特許文献２に開示された製造方法によると、天然有機材料の組織構造の影響は排除できるが、元素や成分組成に影響を及ぼすものではないため、原料の産地や種類等の違いによって元素や成分組成が異なる場合には、得られる多孔質炭の品質にばらつきが生じる恐れがある。

そこで本願発明者は、上記の問題点に鑑み、竹の産地や種類、成長過程等によって異なるミネラル等の元素や成分組成に影響されることなく、比較的均一なミクロ孔を有する竹活性炭を、容易且つ安価で製造できる方法を提供するべく鋭意検討を重ねた結果、本発明に至ったのである。

即ち、本発明の竹活性炭の製造方法の要旨とするところは、竹を炭化して、竹炭化物を得る工程と、該竹炭化物を洗浄して、該竹炭化物に含まれるカリウム全量に対して２０〜１００重量％のカリウムを除去したカリウム調整竹炭化物を得る工程と、該カリウム調整竹炭化物を賦活する工程とを含むことにある。

本発明の竹活性炭の製造方法の別の要旨とするところは、竹を洗浄して、該竹に含まれるカリウム全量に対して２０〜１００重量％のカリウムを除去したカリウム調整竹を得る工程と、該カリウム調整竹を炭化して、カリウム調整竹炭化物を得る工程と、該カリウム調整竹炭化物を賦活する工程とを含むことにある。

本発明の竹活性炭の製造方法によると、竹の産地や種類、成長過程等によって異なるミネラル等の元素や成分組成に影響されることなく、比較的均一なミクロ孔を有する竹活性炭を容易且つ安価で得ることができる。

また、本発明の竹活性炭の製造方法によると、竹、或いは竹炭化物に含まれるカリウム量を調整することによって、竹活性炭の細孔分布を制御することが可能となり、特定の化学物質を吸着し易い竹活性炭を得ることができる。

本発明に係る竹活性炭は、主として３つの工程を経て得られる。即ち、竹を炭化して、竹炭化物を得る第１の工程と、当該竹炭化物を洗浄して、この竹炭化物に含まれるカリウム全量に対して２０〜１００重量％のカリウムを除去する第２の工程と、当該第２の工程を経て得られたカリウム調整竹炭化物を賦活する第３の工程とを経て、本発明に係る竹活性炭が製造される。以下に、本発明の竹活性炭の製造方法を、実施形態に基づいて詳述する。

まず第１の工程、即ち竹を炭化して、竹炭化物を得る工程であるが、当該工程は特に限定されず、従来の炭化処理方法を適用することができる。後述する実施例では、原料の竹を適当な大きさに切断し、窒素雰囲気下において８００℃（昇温速度１０℃／ｍｉｎ）で１５分間炭化処理を行ったが、炭化処理温度及び炭化処理時間はこれらに限定されず、例えば、炭化処理温度としては５００〜１２００℃で任意に設定でき、炭化処理時間も５〜１２０分で設定することができる。なお、次式（１）から求められる竹炭化物の収率（Ｙｃ）については、５０％以下であることが好ましい。第１の工程を経て得られる竹炭化物の収率が５０％より大きいと炭化が不十分で、後述する第３の工程、即ち賦活処理工程を経て得られる竹活性炭の物性低下を招く恐れがあるからである。
Ｙｃ＝（Ｍ／Ｍ_０）×１００・・・（１）
ここで、Ｍは竹炭化物の乾燥重量、Ｍ_０は竹の乾燥重量である。また、乾燥重量は、試料を１０５℃で２時間乾燥させた後、測定した値とする。

次に、第２の工程は、上記第１の工程で得られた竹炭化物を洗浄して、当該竹炭化物のカリウム含有量を調整する工程であり、具体的には、竹炭化物中に含まれるカリウム全量に対して２０〜１００重量％のカリウムを洗浄によって除去したカリウム調整竹炭化物を得る工程である。一般に、竹や竹炭化物は、これらの構成成分中におけるカリウムの構成比率が非常に高い。例えば、竹炭化物中における炭素及び酸素を除いた不純物の構成成分中、カリウムが約８割を占める。そこで、本実施形態に係る第２の工程において、この多量に含まれるカリウム成分を竹炭化物から除去して、後の第３の工程、即ち賦活処理工程を経ることによって、比較的均一なミクロ孔（直径１０Å以下の孔）を有する竹活性炭が得られることを見出した。カリウムの除去率については、上記のとおり、竹炭化物に含まれるカリウム全量に対して２０〜１００重量％であることが好ましい。除去率が２０重量％未満では、ミクロ孔の細孔分布に与える影響は殆ど無く、均質なミクロ孔を有する竹活性炭を得ることが困難である。また、カリウムの除去方法は特に限定されないが、水や酸等による洗浄によって容易に除去できる。

そして、上記第２の工程を経て得られたカリウム調整竹炭化物は、第３の工程、即ち賦活処理工程において賦活処理が行われ、本実施形態に係る竹活性炭が得られる。当該工程ではガス賦活法を採用し、賦活ガスに二酸化炭素を用いることによって、安価に竹活性炭を得ることができる。また、上記第２の工程においてカリウムが除去されているため、比較的均一なミクロ孔を有する竹活性炭を容易に得ることができる。なお、賦活温度としては８００℃〜１０００℃が好ましく、８５０℃〜９５０℃がより好ましい。また、賦活処理時間は、賦活温度、次式（２）から求められる竹活性炭の収率（Ｙａ）等に応じて任意に設定され、特に限定されない。
Ｙａ＝（Ｗ／Ｗ_０）×１００・・・（２）
ここで、Ｗは竹活性炭の乾燥重量、Ｍ_０は竹炭化物の乾燥重量である。

本実施形態に係る竹活性炭は、以上の第１〜第３の工程を経て得られる。特に、第２の工程において、竹炭化物に含まれるカリウムを洗浄により除去することによって、第３の工程に係る賦活処理を行った際、竹の産地や種類、成長過程等によって異なるミネラル等の元素や成分組成に影響されることなく、比較的均一なミクロ孔を有する竹活性炭が容易に得られることとなる。

なお、本発明の竹活性炭の製造方法は、上記の実施形態に限定されない。即ち、上記の実施形態では、第１の工程で竹炭化物を作製し、第２の工程において、当該竹炭化物中に含まれるカリウム量を調整しているが、カリウム量の調整は、竹を炭化処理する前の段階で行うことも可能である。具体的には、まず第１の工程で、原料となる竹を洗浄して、当該竹に含まれるカリウム全量に対して２０〜１００重量％のカリウムを除去した後、次の第２の工程において、カリウム量が調整された竹、つまりカリウム調整竹を炭化してカリウム調整竹炭化物を作製し、当該カリウム調整竹炭化物を賦活処理する第３の工程を経て竹活性炭を製造することもできる。

次に、本発明の竹活性炭の製造方法について、実施例に基づいて詳述する。但し、本発明は、以下に示した実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
まず第１の工程として、原料の竹に京都府産の孟宗竹を用い、当該竹を長さ５ｃｍ程度に輪切りにした後、縦に厚さ２〜３ｍｍの短冊状に切断し、磁性皿に載せて炭化炉に入れ、窒素雰囲気下（１Ｌ／ｍｉｎ）において８００℃（昇温速度１０℃／ｍｉｎ）で１５分間炭化処理した後、徐冷することによって竹炭化物を得た。なお、表１には竹の化学組成及び灰分を示す。竹の組成分析は、木質科学実験マニュアルに基づいて行った。

また、表２は、竹炭化物の元素成分をＸ線マイクロアナライザー（エダックス・ジャパン製，ＥＤＡＸ）で測定し、竹炭化物中における炭素及び酸素を除いた不純物の構成成分比を示したものである。

次に第２の工程では、上記第１の工程で得られた竹炭化物を、純水に浸漬・洗浄の作業を繰り返すことによって、当該竹炭化物中に含まれるカリウム全量に対して２０〜６０重量％（平均４０重量％）のカリウムを除去した。なお、このカリウムを除去して得られたカリウム調整竹炭化物中に含まれるカリウムの濃度を、ＩＣＰ発光分析装置により測定した（表３参照）。

そして、最後の第３の工程において、二酸化炭素を用いたガス賦活法により賦活処理を行うことによって、本実施例に係る竹活性炭（Ａ−１）を得た。具体的には、上記第２の工程で得られたカリウム調整竹炭化物を長さ１ｃｍ程度に切断し（約０．５ｇ）、磁製皿に載せて炭化炉に入れ、窒素雰囲気下（１Ｌ／ｍｉｎ）、昇温速度１０℃／ｍｉｎで９００℃まで昇温した後、二酸化炭素を導入して賦活処理を行った。なお、二酸化炭素濃度は、窒素を混合することで５０％とし、混合ガスの流量は１Ｌ／ｍｉｎに固定した。また、賦活処理は、竹活性炭（Ａ−１）の收率が７０％となるまで行った。

［比較例１］
上記実施例１に係る第１の工程を経て得られた竹炭化物について、第２の工程を経ることなく、上記実施例１に係る第３の工程と同条件により賦活処理を行うことによって、比較例１に係る竹活性炭（Ａ−０）を得た。

［比較例２］
上記実施例１に係る第１の工程を経て得られた竹炭化物０．５ｇを、５％水酸化カリウム水溶液中に入れて、３ｈ減圧脱気処理を行った後、試料を濾紙上に取り出して乾燥した。乾燥後、上記実施例１に係る第３の工程と同条件により賦活処理を行うことによって、比較例２に係る竹活性炭（Ａ−２）を得た。

図１は、上記実施例１、比較例１及び比較例２に係る竹活性炭（收率７０％）のミクロ孔領域（＜１０Å）の累積細孔分布について、１０Åまでの細孔容積を基準としてプロットしたものである。この結果より、第２の工程を経て得られた竹炭化物中のカリウム濃度が、後の賦活処理工程において、細孔分布に多大な影響を及ぼしていることが判明した。即ち、同図から算出した細孔分布曲線によると、実施例１に係るカリウム濃度を低下させて得られた竹活性炭（Ａ−１）の細孔分布曲線は、他の竹活性炭（Ａ−０、Ａ−２）の細孔分布曲線に比べて、非常にシャープであった。従って、竹炭化物中のカリウム量を調整することによって、細孔分布の異なる竹活性炭が容易に製造できることが判明した。

［実施例２］
上記実施例１に係る第１及び第２の工程と同工程を経て得られたカリウム調整竹炭化物を賦活処理することによって、実施例２に係る竹活性炭（Ｂ−１）を得た。なお、賦活処理は、竹活性炭（Ｂ−１）の收率が３５％になるまで行ったが、收率以外の賦活処理工程に係る条件は、上記実施例１に係る第３の工程と同条件である。

［比較例３］
上記実施例１に係る第１の工程を経て得られた竹炭化物について、第２の工程を経ることなく、上記実施例２に係る賦活処理工程と同条件により賦活処理を行うことによって、比較例３に係る竹活性炭（Ｂ−１）を得た。

［比較例４］
上記実施例１に係る第１の工程を経て得られた竹炭化物０．５ｇを、５％水酸化カリウム水溶液中に入れて、３ｈ減圧脱気処理を行った後、試料を濾紙上に取り出して乾燥した。乾燥後、上記実施例２に係る賦活処理工程と同条件により賦活処理を行うことによって、比較例４に係る竹活性炭（Ｂ−２）を得た。

図２は、上記実施例２、比較例３及び比較例４に係る竹活性炭（收率３５％）のミクロ孔領域（＜１０Å）の累積細孔分布について、１０Åまでの細孔容積を基準としてプロットしたものである。この結果より、第３の工程、即ち賦活処理工程において、賦活反応が進行して竹活性炭の収率が低下すると、竹炭化物中のカリウム濃度の影響は殆ど無いことが判明した。即ち、同図から算出した細孔分布曲線によると、実施例２に係るカリウム濃度を低下させて得られた竹活性炭（Ｂ−１）の細孔分布曲線は、他の竹活性炭（Ｂ−０、Ｂ−２）の細孔分布曲線と略同様であった。

また、図１と図２とを比較した場合、実施例１に係る竹活性炭（Ａ−１）の累積細孔分布にのみ顕著な違いが認められた。以上のことから、賦活処理工程における初期段階、即ち竹活性炭の収率が高い段階では、賦活反応にカリウムの影響を殆ど受けることがないため、比較的均一なミクロ孔が形成されたものと思われる。

以上に例示した本発明の実施形態及び実施例に係る竹活性炭の製造方法は、本発明の技術的思想を実質的に限定するものと解してはならない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、当業者の創意と工夫により、適宜に改良、変更又は追加をしながら実施できる。例えば、本発明に係る竹は実施例に示した孟宗竹に限定されず、その他の竹、例えば真竹、黒竹、淡竹等を使用することもできる。

また、本発明は竹活性炭の製造方法であるが、竹のようなカリウム量の偏在が認められる他の植物質由来の天然素材、例えばイネ科の葦などを原料として、比較的均一なミクロ孔を有する活性炭を製造することができるものと思われる。

本発明の竹活性炭の製造方法によると、原料の竹、或いは竹炭化物に含まれるカリウム量を調整することで、細孔分布の異なる竹活性炭が製造可能となり、特定の化学物質を吸着し易い竹活性炭の製造が可能となる。

本発明の一実施例に係る竹活性炭について、カリウム濃度の違いによる累積細孔分布比率の変化を示したグラフである。本発明の他の実施例に係る竹活性炭について、カリウム濃度の違いによる累積細孔分布比率の変化を示したグラフである。

符号の説明

Ａ−０：比較例１に係る竹活性炭
Ａ−１：実施例１に係る竹活性炭
Ａ−２：比較例２に係る竹活性炭
Ｂ−０：比較例３に係る竹活性炭
Ｂ−１：実施例２に係る竹活性炭
Ｂ−２：比較例４に係る竹活性炭

Claims

竹を炭化して、竹炭化物を得る工程と、
該竹炭化物を洗浄して、該竹炭化物に含まれるカリウム全量に対して２０〜１００重量％のカリウムを除去したカリウム調整竹炭化物を得る工程と、
該カリウム調整竹炭化物を賦活する工程と
を含む竹活性炭の製造方法。
竹を洗浄して、該竹に含まれるカリウム全量に対して２０〜１００重量％のカリウムを除去したカリウム調整竹を得る工程と、
該カリウム調整竹を炭化して、カリウム調整竹炭化物を得る工程と、
該カリウム調整竹炭化物を賦活する工程と
を含む竹活性炭の製造方法。