JP2010005527A - マイクロ波加熱用吸着材 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ゼオライト等の従来のマイクロ波により加熱されにくい或いは加熱されない吸着材に対して、マイクロ波を用いて効率よく加熱させるマイクロ波加熱用吸着材を提供する。
【解決手段】本発明は、上記課題を解決するために、マイクロ波加熱により再生させるガス吸着材であって、比抵抗値が１００Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍの粒子状又は繊維状のＳｉＣ焼成体を、吸着材１００重量部に対して、５０重量部〜１重量部の範囲で添加されていることを特徴とするマイクロ波加熱用吸着材の構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波照射よって吸着材に吸着したガスを脱離させるマイクロ波加熱式吸着回収装置に用いられるマイクロ波加熱用吸着材に関する。

吸着回収装置で回収されるガスとしては、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）などの有機溶剤などがある。それらガスを吸着させる吸着材としては、従来から活性炭やゼオライトなどが用いられてきた。ガスを吸着した吸着材は、スチームを用いて加熱され、吸着したガスを脱離し、再生されていた。

そのため一般的な吸着回収装置は、スチームを発生させるボイラー、さらに再生に使用したスチームが液化した凝縮水に混入した有機溶剤を回収するために水処理設備等の付帯装置が必要であり、大型になりやすかった。よって、小型で簡便な吸着回収装置が望まれていた。

そこで、スチームを用いずマイクロ波によって吸着材を直接加熱し、吸着材に吸着した有機溶剤を脱離し回収する方法が開発されている。例えば、非特許文献１、２などがある。
Separationand Purification Technology 33(2003)163-177"Physical waves in adsorption technology-anoverview"、Dieter Bathen、Degassa AG Jounal ofMicrowave Power and Electromagnetic Energy、1998、vol.48 No.12、pp.1135-1145"VOCrecovery through microwave regeneration of adsorbents:Process design studies."、D.W.Price and P.S.Schmidt

非特許文献１、２の技術において、照射されたマイクロ波は、被加熱対象物であるゼオライト等の吸着材に吸収される。そのときマイクロ波の持つ電磁波のエネルギーは、熱に変わる。このようにして非特許文献１、２の技術は、結果的には被加熱対象物を直接加熱する吸着回収装置であるが、吸着材としてゼオライトを用いている。ゼオライトは、マイクロ波吸収率があまり高くなく、発熱効率が悪い。

非特許文献１、２では、ゼオライトのマイクロ波吸収が非効率的であることから、投入するマイクロ波エネルギーが増大し、吸着回収装置としても複雑であった。さらに吸着材に吸収されなかったマイクロ波が、吸着材以外の吸着搭内部を加熱してしまうなどの問題があり、改善が望まれていた。

そこで、本発明は、ゼオライト等のマイクロ波により加熱されにくい或いは加熱されない吸着材に対して、マイクロ波を用いて効率よく加熱させるマイクロ波加熱用吸着材を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、マイクロ波加熱により再生させるガス吸着材であって、比抵抗値が１００Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍのセラミックファイバー若しくはセラミック粒子を含むことを特徴とするマイクロ波加熱用吸着材の構成とした。また、前記セラミックファイバー若しくはセラミック粒子が、吸着材１００重量部に対して、５０重量部〜１重量部の比率で添加されていることを特徴とする前記マイクロ波加熱用吸着材の構成とした。加えて、前記セラミックファイバー若しくはセラミック粒子が、ＳｉＣ焼成体であることを特徴とする前記何れかに記載のマイクロ波加熱用吸着材の構成とした。

本発明は、以上の構成であるから以下の効果が得られる。比抵抗値が１００Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍのセラミックファイバー若しくはセラミック粒子を、マイクロ波により加熱しづらい或いは加熱しない吸着材に添加することで、マイクロ波を効率よく吸収し、発熱するマイクロ波加熱用吸着材が提供できる。

本発明は、ゼオライト等のマイクロ波により加熱されにくい或いは加熱されない吸着材に対してマイクロ波を用いて効率よく加熱させるマイクロ波加熱用吸着材を提供する目的を、マイクロ波加熱により再生させるガス吸着材であって、比抵抗値が１００Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍの粒子状又は繊維状のＳｉＣ焼成体を、吸着材１００重量部に対して、５０重量部〜１重量部の範囲で添加されていることを特徴とするマイクロ波加熱用吸着材の構成とすることで実現した。

比抵抗値が、１００Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍのセラミックファイバー若しくはセラミック粒子を含むこととするのは、電磁波の吸収の程度を表す誘電損失係数（ｔａｎδ）の測定によって、吸着材の加熱の観点から、マイクロ波加熱用素材に要求される目標数値を網羅できるからである。

マイクロ波で加熱できる素材は主に誘電体である。特に誘電損失の大きな誘電体がマイクロ波加熱（誘電加熱）に適している。さらにより有効なマイクロ波加熱体（電磁波吸収体）として、絶縁体である誘電体以外に、若干の導電性を持ちその抵抗値の高い導電性によって生じる抵抗損失の性質を有する物質の導電的損失が注目されている。

発明者等は、マイクロ波加熱と導電性損失による効率を鋭意検討した結果、マイクロ波加熱において、比抵抗値が１００Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍのセラミックファイバー若しくはセラミック粒子が加熱に好ましいことを見出した。また、これらの数値範囲の比抵抗値を持った純物質や安定な化合物はほとんど存在せず、複数の元素や化合物が焼成されたセラミックなどの安定な状態をもった発熱素材の検討を重ね、当該数値範囲を見出すに至った。

ここで、比抵抗値（Ω・ｃｍ）とは、電気抵抗率とも呼ばれ、どのような材料が電気を通しにくいかを比較するために、用いられる物性値である。比抵抗値が１００Ω・ｃｍより大きい高抵抗素材では有効な導電性が得られず、このために素材に流れる電流が少なく良好に発熱しにくいことも実験的にわかった。

逆に、比抵抗値が０．０１Ω・ｃｍ未満だと、素材の突起部やマイクロ波の電界が集中しやすいところでは放電が生じる危険性がある。これは炭素粉や金属粉にマイクロ波照射したときに生じる火花放電と同じものであり、電子レンジによって簡単に放電現象を確認することができる。

添加させるセラミックファイバー若しくはセラミック粒子焼成体の吸着材１００重量部に対する重量比は、５０重量以下、特に１０重量部以下が望ましい。５０重量部を超えると相対的にガス吸着材の絶対量が減ることになり、マイクロ波加熱用吸着材のガス吸着能力が大きく損なわれるからである。

また、添加させるセラミックファイバー若しくはセラミック粒子焼成体の吸着材１００重量部に対する重量比は、重量比の下限に関しては特に限定する要因は無いが、マイクロ波の吸収の程度と発熱の効率から１重量部、より好ましくは３重量部、さらに好ましくは５重量部において、セラミックファイバー若しくはセラミック粒子である焼成体を添加した複合マイクロ波加熱用吸着材としては良好な結果を得た。

従って、添加させるセラミックファイバー若しくはセラミック粒子焼成体の吸着材１００重量部に対する重量比は５０重量部〜１重量部が好ましい。より好ましくは、１０重量部〜３重量部である。

セラミックファイバー若しくはセラミック粒子が、ＳｉＣ焼成体であることが特に好ましい。ＳｉＣ焼成体は、マイクロ波の吸収体として広く利用される物質である。マイクロ波の吸収という観点からは高吸収率物質として他の物質（たとえば炭素粉など）の候補もあるが、マイクロ波の照射エネルギーが強く、マイクロ波を吸収した素材が発熱する場合は、セラミックであるＳｉＣ焼成体が有効であり産業的に利用されている。

ここで、ＳｉＣ焼成体をベースに添加物等を加えて所定の比抵抗値に調製した素材によって本発明は成り立っている。すなわち、粒子状もしくは繊維状の通常の純粋なＳｉＣ焼成体では、添加される吸着材に対して十分な熱量を供給することができないことが実験的にわかっていた。そこで、抵抗損失成分を多く含む比抵抗値が１００Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍのＳｉＣ焼成体を使用したところ、発熱効率が高く、マイクロ波加熱用吸着材として好ましいことがわかった。

さらに、複合素材でできた電波吸収体において、その粒子の形状がデンドリマー状（樹状形状）のファーネスカーボン（例として、ケッチェン・ブラック）が、通常のアモルファスカーボンよりの性能が高いことがわかっている。これは樹状に分岐する繊維状カーボンが一種のアンテナとして機能し、効率よく電磁波を吸収するためと考えられている。このことから本発明のセラミックに関しても、アンテナ効果を付与することが好ましい。

ここでＳｉＣ焼成体に関しては、ジメチルクロルシラン出発原料として、繊維状のポリカルボシランを得て、これを紡糸、焼成することによって得られる繊維状ＳｉＣ焼成体（ニカロン（登録商標）：日本カーボン株式会社）や、同じくジメチルクロルシランからポリチタノカルボシランを得て紡糸、焼成して得られるチタンを含む繊維状ＳｉＣ焼成体（チラノ繊維（登録商標）：宇部興産株式会社）などがある。これらは安定で信頼性や実績のあるＳｉＣ焼成体であり、かつ電磁波吸収としてアンテナ効果の期待できる繊維状であると言う二つの点で非常に有効である。さらに、チラノ繊維は、焼成程度によって比抵抗値を適宜調整できる点も好ましい。

以下、添付図面に基づき、本発明である吸着材について詳細に説明する。

［温度測定装置］
図１は、温度測定装置の概略図である。温度測定実験に用いた温度測定装置１は、マイクロ波を発生するマイクロ波発振機２と、前記マイクロ波発振機２で発生したマイクロ波を通す導波管型マイクロ波照射系３と、前記導波管型マイクロ波照射系３内に置かれた吸着材のマイクロ波照射による加熱温度を測定する温度測定部４からなる。マイクロ波発振機２は、ミクロ電子株式会社製１．５ＫＷ定格ＣＷ仕様を使用した。

導波管型マイクロ波照射系３は、内部にマイクロ波加熱用吸着材１３を収納し、マイクロ波照射により、吸着材がマイクロ波の吸収及び発熱を起すチャンバー５と、前記チャンパー５の前方に取り付けられたマイクロ波を導入するための構成として、マイクロ波の反射波成分からマイクロ波発振機２を保護するするアイソレーター６と、所定の結合係数で微小のマイクロ波をサンプリングする孔及びサンプリングされたマイクロ波を出力する前記孔に接続したパワーモニターよりなる結合器７と、導波管３ａ、チャンバー５及びその前段の連結管３ｂとの間でマイクロ波を調整し整合を取り、マイクロ波の進行を円滑ならしめるための調整器８と、前記チャンバー５の後方に取り付けた余剰マイクロ波を吸収させ系外に熱エネルギーとして排出するための水負荷部９とからなり、前記各機器を連結する導波管３ａ、３ｄ、連結管３ｂ、３ｃを必要に応じて用いた。

温度測定部４は、吸着材の温度を測定し、マイクロ波の影響を受けず照射するマイクロ波も乱さない光ファイバ温度計１０（アンリツ計測社製）と、前記光ファイバ温度計１０で測定した温度測定データをコンピューター１２に転送するデーターロガー１１と、前記データーロガー１１から送信された温度測定データを時間の関数として表現するコンピューター１２からなる。

［温度測定方法］
次に、図１の温度測定装置１で、サンプル（図２）にマイクロ波を照射し、サンプルの温度上昇を観察する方法について述べる。

マイクロ波発振機２より放射されるマイクロ波は、導波管３ａを通り、それと同一断面を持つアイソレーター６、結合器７、調整器８を経由して、本発明であるマイクロ波加熱用吸着材１３を含むサンプルが配置されたチャンバー５に進む。

チャンバー５内に至ったマイクロ波は、サンプルに吸収された場合は熱に変換され、サンプルが発熱する。このときのサンプルの温度上昇を光ファイバ温度計１０でモニターし、データーロガー１１を介してコンピューター１２でデータ処理する。

次に、実施例１において、マイクロ波を照射したサンプルについて説明する。実験に使用したサンプルは、図２に一覧表としてまとめた。

［サンプル調整］
本実験に使用したサンプルは、図２に記載の（１）〜（７）の７種類である。疎水性ゼオライト粉末１００重量部と、図２に記載の所定の重量部の粒子状のＳｉＣ焼成体（２）、（３）もしくは約数十〜２００μｍの短繊維状のＳｉＣ焼成体（４）〜（７）と、少量の水ガラスもしくはコロイダルシリカとを混練し、直径約５ｍｍ程度の粒状に整形した。その後に乾燥させ、さらに約２００度で十分焼成し、硬化させて得た。

粒子状ＳｉＣ焼成体は、（株）シリコニット社製、ＳｉＣ発熱体、１Ω・ｃｍ（２）及び０．３Ω・ｃｍ（３）を使用した。繊維状ＳｉＣ焼成体は、宇部興産(株)社製、チラノ繊維（登録商標）、品番Ｇ３（３Ω・ｃｍ）（４）〜（６）及びＰＷ−ＴＨ５１ＨＰＸ（０．５Ω・ｃｍ）（７）を使用した。

なお、サンプル（１）は、コントロールで、ＳｉＣ焼成体を含まず、マイクロ波ではほとんど加熱されない。使用したＳｉＣ焼成体の比抵抗値（Ω・ｃｍ）は、図２の通りである。また、水ガラス、コロイダルシリカは何れもマイクロ波を吸収せず、加熱されない、バインダーとしての添加である。

［マイクロ波照射試験］
サンプルを内径３０ｍｍ、高さ５０ｍｍのガラス瓶に３０ｇ入れ、チャンバー５内の中央部に配置し、サンプル中（中心部）に光ファイバ温度計１０の温度センサ１０ａを挿入した状態で、マイクロ波（１００Ｗ）を照射した。そのときの時間経過に伴うサンプルの温度変化を観測した結果を図３に示す。

図３は、サンプルにマイクロ波を照射したときのサンプルの経時的温度変化の観察結果（グラフ）である。横軸はマイクロ波を照射した時間（経過時間（秒））、縦軸は温度測定部４によって測定した温度（℃）である。なお、図３のグラフの（番号）は、図２のサンプル（番号）に対応する。

［実験結果］
サンプル（１）は、吸着材（ゼオライト）のみで、マイクロ波照射による発熱材を含まないコントロールである。約４分間のマイクロ波の照射でも、その温度上昇は５℃以下であった。ゼオライトが殆ど加熱されないことが分かる。

サンプル（２）、（３）は、粒子状ＳｉＣ焼成体を用いたサンプルであり、ともに粒子状ＳｉＣ焼成体の対ゼオライト混合比率は、１０重量部で同一である。なお、用いたＳｉＣ焼成体の比抵抗値は、サンプル（２）では１Ω・ｃｍ、サンプル（３）では０．３Ω・ｃｍであった。この結果から、ゼオライトの吸着材のみの場合より、本発明の粒子状ＳｉＣ焼成体を混合させたもの方が、マイク波照射で、より発熱が促進されていることが分かる。また、その効果は、比抵抗値が低い方が高い。

サンプル（４）、（５）、（６）では、用いたＳｉＣ焼成体は、ともに比抵抗値が３Ω・ｃｍで、長さが数十〜２００μｍの短繊維状であった。しかし、吸着材であるゼオライトとＳｉＣ焼成体の混合比率が異なる。照射実験の結果、図２グラフ（４）〜（６）から読み取れるように、比抵抗値が同一である場合は、ＳｉＣ焼成体の混合比率が高くなるにしたがって、発熱量も増加していることが分かる。

サンプル（７）は、サンプル（６）と吸着材とＳｉＣ焼成体の混合比率は同じであるが、用いた短繊維状ＳｉＣ焼成体の比抵抗値が０．５Ω・ｃｍであり、サンプル（４）〜（６）で用いたＳｉＣ焼成体より小さい点が異なる。

図３のグラフより、サンプル（７）は、サンプル（６）よりもより多く発熱していることが分かる。これらの実験結果より、数Ω・ｃｍから一桁低い比抵抗程度の物性値範囲では、より低い比抵抗のものが発熱に有利であることが明らかになった。

ここで、用いたサンプルは、ＳｉＣ焼成体の形状によって、サンプル（２）、（３）群（粒子状）と、サンプル（４）〜（７）群（繊維状）の２グループに大別される。それら２つグループの実験結果の比較から、用いたＳｉＣ焼成体が同程度の比抵抗値である場合、短繊維状ＳｉＣ焼成体の方が、粒子状ＳｉＣ焼成体より、より高い発熱をすることも分かった。

なお、本実施例では、ゼオライト粉末と混合してマイクロ波加熱用吸着材を製作したが、通常のゼオライト等の吸着材に上述の重量比率でＳｉＣ焼成体を配合、分散、担持させても同様の発熱効果が得られる。

温度測定装置の概略図である。 マイクロ波照射実験に使用したサンプル性質の一覧表である。 サンプルにマイクロ波を照射したときのサンプルの経時的温度変化の観察結果（グラフ）である。

符号の説明

１ 温度測定装置
２ マイクロ波発振器
３ 導波管型マイクロ波照射系
３ａ 導波管
３ｂ 連結管
３ｃ 連結管
３ｄ 導波管
４ 温度測定部
５ チャンバー
６ アイソレーター
７ 結合器
８ 調整器
９ 水負荷部
１０ 光ファイバ温度計
１０ａ 温度センサ
１１ データーロガー
１２ コンピューター
１３ マイクロ波加熱用吸着材

Claims (3)

1. マイクロ波加熱により再生させるガス吸着材であって、比抵抗値が１００Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍのセラミックファイバー若しくはセラミック粒子を含むことを特徴とするマイクロ波加熱用吸着材。
2. 前記セラミックファイバー若しくはセラミック粒子が、吸着材１００重量部に対して、５０重量部〜１重量部の比率で添加されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波加熱用吸着材。
3. 前記セラミックファイバー若しくはセラミック粒子が、ＳｉＣ焼成体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマイクロ波加熱用吸着材。

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