JP2010501320A - 酸含浸活性化炭素とその形成方法及び使用方法 - Google Patents
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Abstract
Description
空気中又は水中に見出されるアンモニアは、尿素、タンパク質、及び他の窒素有機物質の分解、又は工業又は農業におけるその使用中のアンモニアの偶発的な漏出から生じ得る。空気中のアンモニアは、許容される暴露時間に依存して百万部分当たり25〜500部分の濃度でヒト及び動物に有毒である。いかなる濃度でも、空気中のアンモニアは二酸化硫黄などの酸性成分と結合して、直径2.5μm未満(PM2.5)の粒状物質を形成し、これは特にヒトの呼吸器官内深くに浸透し得る有毒な汚染物質である。さらに、空中のアンモニアは金属構造の腐食を引き起こし、悪臭問題の主要要因と考えられている。
アンモニアは複数の方法で空気中から除去され得る。第一に、最も安価にはアンモニア含有空気を低アンモニア濃度の空気で希釈することで、許容濃度が達成される。しかし、この"希釈"方法はアンモニアを広い領域に分散し、それによってPM2.5の形成に寄与する。密閉された家畜運営場では、毒性濃度のアンモニアが動物の尿が堆積した結果に増加した場合、内部の空気を追い出し、外部の空気を"入れ替え空気"として入れる。しかし、寒い気候条件下では、アンモニア含有空気の除去は、納屋内の一定の温度を保つために取り替える空気を加熱する必要がある。
別の選択肢は電気化学的処理によってアンモニアを窒素ガス(N2)に還元することであるが、この方法は高い操作費用及び複雑な処理設備の要求に苦しむ。
従って、当技術分野ではアンモニアを空気中から除去する活性化炭素マトリックスであって、先行技術で見出された問題点の一部又は全てを緩和し得るものが必要とされている。
従って、一つの特徴では、本発明は、無機酸で含浸された活性化炭素マトリックスを含む固体組成物を含み、これはアンモニアを化学吸着するのに有用となり得る。一つの実施態様では、該無機酸が硫酸、塩酸、リン酸又は硝酸の1種を含む。該固体組成物は、好ましくは少なくとも約10m2/g、さらに好ましくは少なくとも約30m2/g、及び最も好ましくは少なくとも約500m2/gの表面積を有する。
一つの実施態様では、該活性化炭素マトリックスが該無機酸を炭素質物質に加えることによって該炭素質物質から形成され、該活性化炭素マトリックスは、該炭素質物質の少なくとも約5倍、好ましくは約10倍、さらに好ましくは約100倍、及び最も好ましくは約300倍の表面積を有する。該炭素質物質は、かつて生きていた有機体、例えば、木材、動物の排泄物又はピートモス、又はかつて生きていた有機体から形成された任意の物質を含むバイオマス物質を含む。
(a)必要に応じて、炭素質物質を好適な水分含有量まで乾燥させる工程;
(b)炭素質物質を好適な粒子サイズ範囲に粉砕する工程;及び
(c)無機酸を該炭素質物質に与え、両成分を混合する工程、
を含む無機酸で含浸された活性化炭素マトリックスを製造するための方法を含み得る。
別の特徴では、本発明は、アンモニアをガス流から化学吸着する方法であって、該ガス流が無機酸で含浸された活性化炭素マトリックスの上又は中を通過する工程を含む方法を含み得る。一つの実施態様では、該方法は、以下の工程:
(a)無機酸で含浸された活性化炭素マトリックスを反応器に置く工程;及び
(b)アンモニア含有ガスを該反応器に流す工程、
を含み得る。
別の特徴では、本発明は、酸含浸活性化炭素マトリックスを肥料生成物に転化する方法であって、以下の工程:
1. 該使用済み活性化炭素マトリックスをアンモニアガスに暴露することによって、該活性化炭素マトリックスにおける酸をその対応する塩に転化する工程;及び
2. 該活性化炭素マトリックスを所望の粒子サイズ範囲に篩い分けするか、又は該活性化炭素マトリックスをペレット化して所望の粒子サイズ範囲を達成する工程、
を含み得る。
本発明は、具体的な実施態様として添付されている簡単な図表の非縮尺図面を参照して記載される。該図面において、図1は、所望の最小圧力降下を保持するための、該フローガスの表面速度と活性化炭素マトリックスの必要とされる床の深さの関係を示すグラフを示している。
本発明は、酸で含浸された炭素質物質から製造された固体多孔性媒体、及びガス流を酸で含浸された該固体多孔性媒体に流すことによってアンモニアを該ガスから除去するための装置、及びアンモニアと該活性化炭素マトリックスに含浸された酸との反応の副生成物である組成物に関する。本発明を記載する際、以下の用語は特に明記しない限り以下の意味を有する。ここに定義されていない全ての用語は、それらの技術分野で共通認識されている意味を有する。
以下の記載が本発明の特別な実施態様又は特定の使用である限り、それは説明するためだけのものであり、本発明の請求項を制限しない。以下の記載は、請求項に定義されているような本発明の意図及び範囲に含まれる全ての変形、改良及び同等物を含むことが意図される。
"液体酸"は、限定はしないが、硫酸、リン酸、硝酸、又は塩酸を含む任意の無機酸を意味する。
"活性化炭素マトリックス"は、ガスをその内部空間に通すのに十分な多孔性の固体形態における活性化炭素を意味する。
"ガス"は、標準の温度及び圧力下でガス状態にある任意の物質又は物質の組み合わせを意味する。
"化学吸着"は、固体又は液体表面上におけるガス分子の結合又は吸着、及び該ガス分子及び該固体又は液体の間で起こり得る任意の反応を意味する。
本願発明者は、炭素質物質が液体酸と反応して該酸で含浸された活性化炭素マトリックスを形成することを見出した。この反応は周囲条件下で生じ得る。
必要に応じて、炭素質物質の水分含有量を所望の濃度に調節する工程;
該炭素質物質の粒子サイズを所望の範囲に調節する工程;
液体酸を該炭素質物質に与える工程;及び
該炭素質物質及び液体酸を該化学反応が完了するまで混合する工程、
によって形成され得る。
該炭素質物質の水分含有量は該フィードストック及び該粒子サイズに依存し、湿った質量基準で約0〜50%、好ましくは約5〜35%及びさらに好ましくは約15〜25%の範囲を有し得る。該炭素質物質は、該水分含有量が所望の濃度より高い場合、又は水が該炭素質物質に加えられて該水分濃度を上昇させる場合に乾燥させてもよい。
該液体酸は、任意の好適な無機酸、例えば硫酸、リン酸、塩酸又は硝酸でよい。酸の選択は、該酸が化学吸着剤分子と反応する場合にはもちろんのこと形成される塩を変化させる。従って、該物質を用いてアンモニアをガス流から除去する場合は、続いて硫酸の使用が硫酸アンモニウムの形成を生じる。
該炭素質物質及び液体酸は、該反応が実質的に完了するまで混合し、この時間の長さは水分含有量、粒子サイズ、酸濃度及び酸/フィードストック比に依存するが、典型的に約2〜35分、好ましくは約5〜25分及びさらに好ましくは約15分である。一つの実施態様では、反応の完了が温度で記録され得る。該反応が開始すると、該温度は典型的に上昇して最大値に到達し、該反応が完了すると減少する。
該酸は該炭素質物質を活性化炭素マトリックスに転化し、過剰な酸自体を該活性化炭素マトリックス上に浸透させる。該炭素マトリックスに含浸された酸が大量にある場合でも、該生成物は固体物質として見えるし、そのような挙動をする。大量の強酸を含有する固体マトリックスは、ガスが多孔性活性化炭素マトリックスに相当量の液体よりも効率的且つ安価に流れることができるために、科学的且つ商業的に重要である。
一つの実施態様では、該炭素質物質の活性化炭素への転化工程、及び酸の含浸工程が一つの工程で行われる。さらに、該酸-含浸活性化炭素マトリックスは、化学吸着剤としての使用の前にさらなる加工工程を必要としない。従って、加熱工程、洗浄又は中和工程、又はそれに続くガススルホン化工程は必要でなく、望ましくもない。
一つの実施態様では、該物質を用いてアンモニアをガス流から除去し得る。アンモニアは無機酸と反応して対応するアンモニウム塩を形成し、該固体物質によって該ガスが通過するように保持される。
アンモニア含有ガス流は、酸含浸活性化炭素マトリックスを固体、顆粒又はペレット形態のいずれかで含む密閉反応チャンバーから排出され得る。該活性化炭素マトリックスは固定床を含むか、又はガスフロー又は機械的手段、例えば流動床又は疑似流動床で妨害され得る。好ましくは、定期的に該活性化炭素マトリックスを補充又は交換する手段が提供される。
該使用済み活性化炭素マトリックスは、従来の方法を用いてペレット化して肥料ペレットにするか、又はそれとは別に有用な農業用又は園芸用の形態に加工してもよい。顆粒形態にペレット化又は加工される場合は、該ペレットはアンモニウム塩肥料のための遅い放出メカニズムを提供し得る。
一つの実施態様では、該アンモニウム塩、例えば硫酸アンモニウムが、該活性化炭素マトリックスから水で溶出される。該硫酸アンモニウム溶液を続いて濃縮して肥料として形成し、該活性化炭素マトリックスから出すことができる。
以下の実施例は説明することを意図しており、本発明を限定しない。
濃硫酸を炭素質物質に約2.5:1〜約4.5:1の質量比で加えた。該物質の温度を観察し、該物質の最終的な酸含有量を記録した。結果を以下の表1に示す。
さらに、表1は、該反応の最大温度が減少し、酸と炭素質物質の比が増加することを示している。表1に示されていないが、いずれの試験も物質収支で5%以上の損失、すなわち、該反応中の炭素質物質及び酸の損失の合計を生じず、5%を超えない固体生成物を製造した。
数種の炭素質物質と硫酸の反応の程度を定量した。数種の炭素質物質の活性化炭素を含む多孔性活性化炭素マトリックスへの変形が、表面積の大きな変化によって示された。
驚くべきことに、ガス流におけるアンモニアのいかなる濃度も、該酸-含浸活性化炭素マトリックスによって完全且つ迅速に化学吸着されることが見出された。
重要な応答変量を決定するために、試験を行ってガス流に存在する100%のアンモニアを吸着するのに必要な最小の床深さ及び反応時間を決定した。
アンモニア化学吸着後の該酸-含浸活性化炭素マトリックスの化学組成を決定するための試験を行った。全てが転化された酸-含浸媒体を、"使用済み"活性化炭素マトリックスと呼ぶ。表7は、アンモニアの完全な化学吸着後の使用済み活性化炭素マトリックスの化学組成が完了したことを示している。表7から分かるように、該肥料塩は、アンモニア化学吸着完了後に84質量%の使用済み活性化炭素マトリックスを含む。
Claims (23)
- 鉱酸と炭素質物質を混合することによって形成される、該酸で含浸された活性化炭素マトリックスを含むアンモニア化学吸着のための固体組成物。
- 前記鉱酸が、硫酸、塩酸、リン酸又は硝酸の1種を含む、請求項1記載の固体組成物。
- 前記活性化炭素マトリックスが少なくとも約10m2/gの表面積を有する、請求項1記載の固体組成物。
- 前記活性化炭素マトリックスが少なくとも約30m2/gの表面積を有する、請求項3記載の固体組成物。
- 前記活性化炭素マトリックスが少なくとも約500m2/gの表面積を有する、請求項4記載の固体組成物。
- 前記活性化炭素マトリックスが、前記炭素質物質の少なくとも約5倍の表面積を有する、請求項1記載の固体組成物。
- 顆粒又はペレットの形態である、請求項1記載の固体組成物。
- 前記炭素質物質が、木材、消化型又は堆肥型動物肥料、ピートモス、ストロー、都市ゴミ、肥料含有地層物質、クルミの殻、ココナッツの皮、石炭又は石油コークスを含む、請求項6記載の固体組成物。
- 鉱酸で含浸された活性化炭素マトリックスを製造するための方法であって、以下の工程:
(a)必要に応じて、炭素質物質を好適な水分含有量まで乾燥させる工程;
(b)必要に応じて、炭素質物質を好適な粒子サイズ範囲に粉砕する工程;及び
(c)鉱酸を該炭素質物質に与え、両成分を混合する工程、
を含む方法。 - 前記炭素質物質が、木材、消化型又は堆肥型動物肥料、ピートモス、ストロー、都市ゴミ、肥料含有地層物質、クルミの殻、ココナッツの皮、石炭又は石油コークスを含む、請求項9記載の方法。
- 前記炭素質物質を、鉱酸を与える前にペレット化する工程をさらに含む、請求項9記載の方法。
- 鉱酸で含浸された活性化炭素マトリックスをペレット化する工程をさらに含む、請求項9記載の方法。
- 前記鉱酸が、硫酸、硝酸、リン酸又は塩酸を含む、請求項9記載の方法。
- 前記鉱酸が濃硫酸を含む、請求項13記載の方法。
- アンモニアをガス流から化学吸着する方法であって、以下の工程:
(a)鉱酸で含浸された活性化炭素マトリックスを反応器に入れる工程;及び
(b)アンモニア含有ガスを該反応器に流す工程、
を含む方法。 - 鉱酸で含浸された活性化炭素マトリックスがガスフロー中に揺らされる、請求項15記載の方法。
- 鉱酸で含浸された活性化炭素マトリックスがペレット又は顆粒の形態である、請求項15記載の方法。
- 鉱酸で含浸された活性化炭素マトリックスのペレット又は顆粒が、ガスフロー中に揺らされる、請求項17記載の方法。
- 前記鉱酸が、硫酸、硝酸、リン酸又は塩酸を含む、請求項15記載の方法。
- 酸-含浸活性化炭素マトリックスを肥料生成物に転化する方法であって、以下の工程:
(a)該使用済み活性化炭素マトリックスをアンモニアガスに暴露することによって、該活性化炭素マトリックスにおける酸をその対応する塩に転化する工程;及び
(b)該活性化炭素マトリックスを所望の粒子サイズ範囲に篩い分けするか、又は該活性化炭素マトリックスをペレット化して所望の粒子サイズ範囲を達成する工程、
を含む方法。 - 前記肥料生成物を前記活性化炭素マトリックスから溶出する工程をさらに含む、請求項20記載の方法。
- 請求項20記載の方法によって製造される、肥料組成物。
- 請求項21記載の方法によって製造される、活性化炭素。
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