JP2012520230A - ミクロ孔炭素内にメソ細孔を増加させる方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ミクロ孔炭素にメソ孔を組み入れる方法を提供し、この方法は粒状のミクロ孔炭素を硝酸カルシウムなどのアルカリ土類金属塩またはアルカリ金属塩で処理することを含む。また本発明はこの方法で製造されたメソ孔炭素およびこのメソ孔炭素を含む喫煙品および煙フィルターを含む。
Description
本発明は、喫煙品および煙フィルターに吸着材として使用するためのメソ細孔炭素材の製造方法に関する。
喫煙品および煙フィルターに炭素材を組み込んで煙の特定の物質の量を減少させることはよく知られている。多孔性の炭素材は、多くの種々の方法で製造される。多孔性炭素材の物性、例えば粒子の形、大きさ、およびサンプル中の粒子の大きさの分布、粒子の摩耗率、孔径、孔径分布および表面積は、全て炭素材が製造される方法によって大きく異なる。これらの違いは、種々の環境において吸着材として機能する材料の性能および適正に大きく影響を与える。
一般に多孔性材の表面積が大きくなるほど、より効果的に吸着が行える。多孔性材の表面積は、一定温度で窒素の分圧によって材料が吸着する窒素の量の変化を測定することによって予測することができる。Brunauer、EmmettおよびTellerによって考案された数学モデルによる結果の分析は、BET表面積として知られている値になる。
多孔性炭素材の孔径の分布もまたその吸着特性に影響を与える。当業者に使用される命名法では吸着材の孔の大きさが直径で2nm(<2x10−9m)未満の場合、その孔はミクロ孔と呼ばれ、2〜50nmの場合、「メソ孔」と呼ばれている。また孔の大きさが50nmを超える場合、それは「マクロ孔」と言われている。直径が500nmを超える孔は、通常は多孔性材の吸着性にあまり貢献しない。従って多孔性材の実際の目的のために、50〜500nm、より一般的には50〜300nmまたは50〜200nmの範囲の経を有する孔をマクロ孔と分類することができる。
多孔性材のミクロ孔、メソ孔およびマクロ孔の相対容積は、よく知られている窒素吸着および水銀ポロシメトリー法を用いて予測することができる。水銀ポロシメトリー法は、マクロ孔およびメソ孔の容積を推定するために使用することができ、窒素吸着法は、所謂BJH数学モデルと言われているものを用いてミクロ孔およびメソ孔の容積を推定するために使用することができる。しかしながらこれらの方法の理論的基礎は異なるので、これら2つの方法で得られる値は、直接比較することができない。
下記特許文献1は、種々のミクロ孔およびメソ孔容積を有する多くの炭素材のメンソールなどの風味剤を含むタバコ煙の味への影響について比較している。ミクロ孔容積が0.3cc/g未満でメソ孔容積が少なくとも0.25cc/gである炭素材は、異なる孔径分布の炭素材より、少ない量のメンソールを吸着し、従って風味付けされた紙巻きタバコのフィルターに使用するのが適していると考えられると記載されている。
下記特許文献2にはタバコロッドと、直径が0.2〜0.7mm、BET表面積が1000〜1600m2/g、ミクロ孔および小さいメソ孔の範囲が大半を示す孔径分布を有する球状の炭素ビーズが満たされたキャビティーを有するフィルターロッド部材とを含む紙巻きタバコが開示されている。
下記特許文献3は、紙巻きタバコ用の煙フィルターに組み込むのに好適なBET表面積が少なくとも800m2/gで、メソ孔とミクロ孔を含む孔構造を有する多孔性の炭素材を開示している。孔容積(窒素吸着法で測定した)は、少なくとも0.9cm3/gであり、その内の15〜65%は、メソ孔の範囲に入る。この炭素材の孔構造は、通常で0.5g/cc未満のかさ密度を供する。この炭素材は、有機樹脂を炭化、活性化することによって製造される。
炭素材はその表面積を大きくするために賦活として知られている方法で処理される場合がある。活性炭は、蒸気による賦活または化学的な賦活によって製造される。例えば賦活は、リン酸または塩化亜鉛によって処理された炭素を加熱することによって、または炭素を蒸気または二酸化炭素で加熱することによって行われる。二酸化炭素による賦活は、場合によってその後さらに空気による変性工程が行われ、空気中で炭素が加熱される。この賦活方法は、炭素粒子の内面から物質を取り除き、よって軽量化され、この軽量化は、処理時間に比例する。
植物系の活性炭、例えばヤシ殻系の炭素は、現在、非常に多くの紙巻きタバコフィルターに使用されている。ヤシ系炭素の場合、蒸気による賦活が好ましい。好ましくは蒸気による賦活工程は、2段階で行われる。最初にヤシ殻は、炭化工程によってチャコールに変換される。ヤシ殻のチャコールは、その後制御された雰囲気下で900〜1100度の温度で蒸気による反応で賦活される。蒸気とチャコールとの反応は、内部表面領域で起り、吸着のためのより多くの場を形成する。賦活の温度は、極めて重要である。900°C未満では反応が遅すぎ、経済的ではない。1100oCを超えると反応がチャコールの外表面で起き、チャコールが失われてしまう。
この賦活されたヤシ炭素は、種々の有益な特性を有し、これらの特性によってこの炭素を紙巻きタバコのフィルターに組み入れることが注目されている。この炭素は、多くのミクロ孔を含んでいる。しかしながら、喫煙品に使用される吸着材の場合、煙から物質を吸着する性能を高めるためにメソ孔の量を増やすことが望まれている。
従って本発明の目的は、紙巻きタバコのフィルターにおいて吸着性および性能を向上させるために植物系ミクロ孔炭素にメソ孔を加えることである。特に本発明は、従来の賦活されたヤシ炭素または同等の吸着材料より、紙巻きタバコ煙からより効果的にいくつかの成分を取り除くメソ孔炭素を提供することを目的としている。
さらに本発明は、特にタバコ煙の1つ以上の成分を効果的に減少させる吸着剤を供するために多孔性の炭素材にメソ孔を加えるための方法を提供することを目的としている。この方法は、簡単で、費用効果があり、再生可能な結果を供するものでなければならない。ここで注目すべきことは、ヤシ炭素などの植物または鉱物系炭素にメソ孔を導入する方法は僅かしかない。
本発明の第1の態様ではミクロ孔炭素にメソ孔を組み込む方法が提供され、この方法は、ミクロ孔炭素を硝酸カルシウム(Ca(NO3)2)などのアルカリ土類金属塩またはアルカリ金属塩で処理することを含む。このミクロ孔炭素は、ミクロ孔ヤシ炭素、例えばミクロ孔活性ヤシ炭素であることが好ましい。
1つの実施態様において本発明の方法は3つの工程を含む。第1の工程は、ミクロ孔炭素にアルカリ土類金属塩またはアルカリ金属塩を分散させることからなる。第2の工程は、水蒸気(スチーム)賦活によってメソ孔を加えることからなる。第3の工程は、塩酸などの酸を使用してメソ孔炭素から金属を除去することからなる。
第1の工程においてアルカリ土類金属塩またはアルカリ金属塩は、粒状のミクロ孔炭素に分散させるのが好ましい。1つの実施態様において炭素をその金属塩の溶液に浸し、その後任意に所定の時間、例えば1〜24時間、この混合物を振動させる。浸漬および振動の後、炭素をろ過によって取り除き、乾燥させる。
特定の実施態様においてアルカリ土類金属塩溶液は、Ca(NO3)2を含む。より具体的にはCa(NO3)2の2M溶液が粒状のミクロ孔炭素に加えられる。その後混合物を最長で12時間振動させる。混合物を振動させる正確な時間は、使用する炭素によって異なるが通常2時間から最大で12時間の範囲である。その後混合物をろ過し、蒸留水を使用せずに乾燥させる。
本発明の方法で使用されるアルカリ土類金属塩またはアルカリ金属塩は、水に可溶性であり、溶液として粒状の炭素に加えられるのが好ましい。Ca(NO3)2は、室温で121.2g/100mlの可溶性を有し、水に可溶であり、これは本発明の方法にとっておそらく有益である。また安全であり、比較的安価で良好な結果をもたらし、本発明の方法に使用するには最適である。CaCO3も使用可能であるが、水に対する溶解度に劣る。一般に水酸化物、炭酸塩および硝酸アニオンを供するアルカリ土類金属塩またはアルカリ金属塩が好ましい。カルシウムは、良好なカチオンである。
第2工程ではメソ孔を設けるために賦活が粒状の炭素を水蒸気に晒すことによって行われる。これとは別の実施態様では二酸化炭素を賦活に用いる場合がある。好ましくはアルゴンをキャリアーガスとして使用し、これによりアルゴンガスが水を通過し、水蒸気を発生させる。これとは別のキャリアーガスとしては、例えば窒素などが挙げられる。賦活は、好ましくは約800〜900°C、より好ましくは約850oCの温度で行われる。キャリアーガスの最適な流速は、賦活される炭素の量によって変わる。例えば500mgの炭素をCa(NO3)2に浸す場合、少なくとも100ml/分の流速が提案される。
ガスの流速および温度は、粒状炭素に所望のメソ孔性を付与するために選択される。炭素が賦活される時間もまた得られる炭素の特性おおびその吸着性に影響を与える。炭素が受ける賦活の時間の影響を下記実施例2に例示する。好ましい実施態様では賦活は、1〜10時間、より好ましくは3〜7時間行われる。賦活の時間が長くなるほど、より多くのメソ孔が形成される。しかしながら10時間を超える賦活は、得られる粒状炭素の構造的一体性が失われ、粉になってしまう。これは明らかに望ましくなく、従って本発明の実施態様では賦活工程は、10時間を超えず、好ましくは9時間を超えない範囲で行われる。
第3工程では賦活された粒状炭素が、Ca(NO3)2またはCaCO3をアルカリ土類金属塩として使用した場合、カルシウムをなどの金属を取り除くために処理される。1つの実施態様では1MのHCl溶液を使用して2時間粒状炭素を洗浄する。その後粒状炭素をろ過し、乾燥させる。
こうして得られる炭素材の好ましい特性は、例えば(ミクロ孔、メソ孔およびマクロ孔のIPCの定義を用いて)、ミクロ孔の容積が少なくとも0.4cm3/g、メソ孔の容積が少なくとも0.1cm3/g、好ましくは少なくとも0.3cm3/gであり、粒径範囲が250〜1500μmなどである。これらの特性を有する炭素粒子は、良好な吸着性を示す。
本発明による方法で使用される出発原料は、好ましくはミクロ孔性植物系炭素、例えばミクロ孔活性ヤシ炭素である。この炭素は、粒状であることが好ましい。賦活されたヤシ炭素は、容易に入手でき、広く使用されている。天然の炭素を賦活するための公知の方法によっても製造することができる。例えば粒状のヤシ炭素を本発明の方法に適した出発原料を調製するために真空中で383Kで2時間処理する。これとは別にミクロ孔活性ヤシ炭素を例えばJacobi Carbons社から購入してもよい。
本発明の方法は、出発原料としてあらゆる活性炭を使用しても機能する。出発原料の活性炭の好ましい特性は、総孔容積が0.1〜0.8cm3/gで、メソ孔容積が0〜0.4cm3/gで、ミクロ孔容積が0.1〜0.5cm3/gで、表面積(BETによって測定される)が800〜1200m2/gで、孔の幅が0.5〜0.8nmで、粒径が30〜60メッシュである。
本発明の第2の態様では本発明の第1の態様による方法を用いて製せられるメソ孔炭素が提供される。このメソ孔炭素は、植物系であることが好ましい。
本発明の方法によって、BET表面積が少なくとも800m2/gで、密度が0.5g/cc未満で、メソ孔とミクロ孔を含む孔構造を有し、孔容積(窒素吸着法で測定した場合)が少なくとも0.9cm3/gである多孔性の炭素材が得られる。
本発明の方法によって製造される多孔性炭素材は、かさ密度が0.5g/cc未満であることが好ましい。本発明の炭素材の密度の範囲の通常の上限値は、0.45g/cc、0.40g/ccおよび0.35g/ccである。本発明の炭素材のかさ密度は、0.5〜0.2g/ccの範囲である。
本発明の炭素材は、密度ではなく、その孔構造に特徴がある。
従って本発明の第2の態様によるメソ孔炭素は、BET表面積が少なくとも800m2/gで、メソ孔とミクロ孔を含む孔構造を有し、孔容積(窒素吸着法で測定した場合)が少なくとも0.9cm3/gであり、その内の15〜65%は、メソ孔である。
本発明の好ましい多孔性炭素は、孔容積(窒素吸着法で測定した場合)が少なくとも1.0cm3/gであり、その内の20%未満が2〜10nmの孔である孔構造によって特徴付けられている。通常総孔容積の15%未満、場合によっては10%未満が2〜10nmの孔である。
多孔性炭素材の密度と孔構造には密接な関係がある。一般的に本発明の方法を用いて調製される炭素材のサンプルにおいて、ミクロ、メソおよびマクロ孔を合わせた容積が大きくなるほど、密度は小さくなる。なぜなら重量が変わらなければ、孔は所定の質量の炭素材の容積を増加させるからである。さらに密度が小さくなるほど、マクロ孔とメソ孔のミクロ孔に対する比率は、増加する。即ち一般的に本発明の炭素材の密度が小さくなるほど、ミクロ孔の孔容積と比較したメソ孔とマクロ孔の比率が高くなる。しかしながら窒素吸着法によって測定される密度と孔容積の相関関係は、必ずしも正確ではない。従って上記2つの段落のいずれかで定義した孔構造を有する本発明のいくつかの炭素材は、0.5g/cc超、例えば最大で0.52、0.55、0.60または0.65g/ccの密度を有する。さらに本発明のいくつかの炭素材は、0.5g/cc未満の密度と、メソ孔とミクロ孔を合わせたものの15%未満(例えば12%、10%または15%)がメソ孔である。
密度とミクロ孔およびメソ孔構造に完全な相関関係が生じない理由は、孔径分布を予測するために使用される窒素吸着法が、一般に約50nmを超える孔径の測定に使用されていないからである。従って窒素吸着法によって予測される材料の総孔容積は、ミクロ孔とメソ孔を合わせた孔容積に対応する。ある材料のマクロ孔の容積は、この方法によっては明らかにならない。従って本発明の炭素材が窒素吸着によって低密度およびメソ孔の比率が比較的低い場合、この低密度は、メソ孔の範囲、即ち50nmから500nmの範囲に直に隣接するマクロ孔範囲にある比較的高い孔容積に起因する。マクロ孔の範囲にある孔の容積は、水銀ポロシメトリー法によって予測することができるが、この方法によって予測される結果は、窒素吸着法を用いて得られる結果と一致しない。従って2〜500nmの孔の完全な範囲に亘ってある材料の孔容積を正確に予測することは困難である。
本発明の好ましい多孔性炭素材のBET表面積は、少なくとも800m2/g、好ましくは少なくとも900m2/g、望ましくは少なくとも1000m2/gである。本発明の炭素材のBET表面積の典型的な値は、約1000、1100、1150、1200、1250および1300m2/gである。最大で1250m2/g、例えば1000〜1250m2/gのBET表面積を有する多孔性の炭素材が最も好ましい。
本発明の多孔性炭素材は、その孔容積(窒素法によって予測される)は、少なくとも0.95cc/gであることが好ましく、少なくとも1cc/gであることが望ましい。少なくとも1.1cc/gの孔容積を有する炭素材は、タバコ煙用の吸着剤として特に有用である。本発明の炭素材の孔容積の典型的な値は、1.15cc/g、1.25cc/gおよび1.3cc/gである。通常、全ての孔容積は、1.1〜2.0cc/gの範囲に入る。2.1cc/gを著しく超える、例えば2.2または2.3cc/gの孔容積を有する本発明の炭素材は、低密度であり、従って紙巻きタバコ製造装置においてやや扱いにくくなる。このような炭素材は、そのため紙巻きタバコまたは煙用フィルターに使用するにはあまり適していない。
本発明の好ましい炭素材において、孔容積の少なくとも30%、しかし望ましくは65%未満(窒素吸着法によって予測される)が、メソ孔の範囲に入る。本発明の炭素材のミクロ孔とメソ孔を合わせた容積のパーセンテージとしてのメソ孔の容積の典型的な最小値は、35%、40%または45%である。また典型的な最大値は、65%、60%および55%である。好ましくは本発明の炭素材のメソ孔容積は、メソ孔とミクロ孔容積を合わせたものの35〜55%の範囲にある。
本発明の第3の態様では、喫煙材と本発明の第1の態様による方法を用いて製造されるメソ孔炭素材とを含む喫煙品が提供される。
本発明の第4の態様では、本発明の第1の態様による方法を用いて製造されるメソ孔炭素材を含む煙用フィルターが提供される。
実施例1
粒状の賦活されたヤシ炭素(ミクロ孔容積が05ml/g、メソ孔容積が0)を100mPa、383Kで2時間予備脱気した後、2mol/LのCa(NO3)2溶液100mlを室温で1日含浸させた。含浸させた炭素を383Kで1日乾燥させた。さらにこの炭素を400ml/分のアルゴン流下、1123Kで1時間、スチームで賦活した。賦活されたサンプルを4時間、撹拌しながら1mol/L塩酸溶液に浸し、脱イオン水で洗浄し、残留する薬品を取り除いた。
粒状の賦活されたヤシ炭素(ミクロ孔容積が05ml/g、メソ孔容積が0)を100mPa、383Kで2時間予備脱気した後、2mol/LのCa(NO3)2溶液100mlを室温で1日含浸させた。含浸させた炭素を383Kで1日乾燥させた。さらにこの炭素を400ml/分のアルゴン流下、1123Kで1時間、スチームで賦活した。賦活されたサンプルを4時間、撹拌しながら1mol/L塩酸溶液に浸し、脱イオン水で洗浄し、残留する薬品を取り除いた。
得られた炭素の77Kでの窒素吸着等温線がメソ孔の存在を表すヒステリシスを示している。加えられたメソ孔の孔容積は、0.20ml/gであり、トリアセチンに対する吸着特性に影響を与えるには充分な値である。この炭素に加えられたメソ孔の大きさは、約15nmであった。
このメソ孔炭素の孔構造は、次の通りである。
BET表面積(m2/g) 1200
ミクロ孔容積(ml/g) 0.41
メソ孔容積(ml/g) 0.20
平均ミクロ孔幅(nm) 0.72
消散分(%) 27.5
BET表面積(m2/g) 1200
ミクロ孔容積(ml/g) 0.41
メソ孔容積(ml/g) 0.20
平均ミクロ孔幅(nm) 0.72
消散分(%) 27.5
表1は、実施例1に記載したように調製された本発明によるメソ孔炭素と対照の賦活された(ミクロ孔)ヤシ炭素とを比較した喫煙結果を示している。60mgの炭素を参照紙巻きタバコのフィルターの凹部に組み込んだ。対照として60mgの市販のミクロ孔ヤシ炭素と凹部が空のものを使用した。減少率は、凹部が空の紙巻きタバコ(即ち炭素を含まない)に対してのものである。
喫煙は、ISO条件、即ち1分毎に35cm3容量のパフを2秒間行った。全ての実験を22°Cおよび60%の相対湿度で行い、紙巻きタバコは、喫煙の前に22°Cで60%の相対湿度で3週間、調整した。
表1に示すデータから本発明による方法によって製造されたメソ孔炭素は、対照炭素(ミクロ孔ヤシ炭素)より、煙成分の減少率が大きいことが明らかである。従ってメソ孔炭素は、喫煙品に組み込んだ際に吸着材として公知の活性炭より、より効果的である。
実施例2
10gの粒状ヤシ炭素を真空中383Kで2時間予備処理した。それから1gの予備処理された炭素に2MのCa(NO3)2の溶液10mlを含浸させた。この混合物を12時間振動させ、その後ろ過し、乾燥させた。
10gの粒状ヤシ炭素を真空中383Kで2時間予備処理した。それから1gの予備処理された炭素に2MのCa(NO3)2の溶液10mlを含浸させた。この混合物を12時間振動させ、その後ろ過し、乾燥させた。
得られた炭素のサンプル500mgをアルゴンおよび水蒸気下、1123Kで100ml/分のアルゴン流で賦活した。サンプルを1、3、5、7および10時間賦活した。賦活されたサンプルを1M塩酸溶液50mlに2時間、浸した。最後にサンプルを脱イオン水で洗浄し、ろ過および乾燥させた。
得られた炭素の図1に示した窒素吸着等温線は、賦活が行われた時間の長さと共に得られた炭素のメソ孔が増えていることを示している。予備処理された炭素を10時間賦活した後の炭素は、簡単に粉末状になり、これは炭素が不安定であることを示唆している。
賦活時間の長さを変えた後の炭素のミクロ孔とメソ孔の変化を図2に示す。グラフに示した孔容積は、αs−プロットによって測定した。この分析は、非孔性の化学的に類似の参照材を必要とし、不規則なカーボンブラック(404B)を使用した。
活性炭の構造的特徴を表2に示す。
表2のデータは、含浸炭素を長く賦活するほど、メソ孔容積が大きくなることを示している。本発明による方法は、ミクロ孔容積も増加させる。原料には殆どメソ孔がなかった。
表3および4は、実施例2で作製されたメソ孔ヤシ炭素60mgを紙巻きタバコの凹部に含有させて評価した結果を示す。これらの喫煙結果は、実施例1で使用したのと同じ方法によって得られたものである。
表4に示すデータを図3および4にも示す。
表3および3のデータは、対照炭素のEcoSorb(商品名)CXおよび実施例2の方法で作製され、1、3、5および7時間賦活した炭素による種々の化学物質の吸着量を示している。EcoSorb(商品名)CXは、気相から有機化合物を除去するのに使用されるJacobi Carbons社によって製造されている最高級グレードのヤシ殻をベースにした炭素である。
表3および4に示すデータから明らかなように本発明による方法によって製造されたメソ孔炭素は、対照炭素(ミクロ孔ヤシ炭素)より煙成分を多く減少させることができる。従ってメソ孔炭素は、喫煙品に組み込んだ場合に公知の活性炭より吸着剤としてより効果的である。
表1、3および4のデータは、本発明の方法によって製造されたメソ孔炭素は、喫煙品および煙フィルターの吸着剤として使用するのに適しており、従来より使用されているミクロ孔ヤシ炭素より特定の煙成分を取り除くのにより効果的であることを示している。
Claims (15)
- ミクロ孔炭素にメソ孔を組み入れる方法であって、該方法は粒状のミクロ孔炭素をアルカリ土類金属塩またはアルカリ金属塩で処理することを含む、方法。
- 前記ミクロ孔炭素が賦活された植物系炭素、好ましくは賦活されたヤシ炭素であることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記アルカリ土類金属塩が硝酸カルシウムであることを特徴とする請求項1または2記載の方法。
- 前記アルカリ土類金属塩またはアルカリ金属塩は、その塩の溶液に前記ミクロ孔炭素を浸すことによって該炭素に分散されることを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項記載の方法。
- 炭素と塩の溶液の前記混合物を振動させることを特徴とする請求項4記載の方法。
- 炭素と塩の溶液の前記混合物をその後ろ過し、炭素を乾燥させることを特徴とする請求項4または5記載の方法。
- 前記塩で処理したミクロ孔炭素を賦活することをさらに含むことを特徴とする請求項1乃至6いずれか1項記載の方法。
- 前記賦活がスチームまたは水蒸気による賦活であることを特徴とする請求項7記載の方法。
- 前記賦活をアルゴン下で行うことを特徴とする請求項8記載の方法。
- 前記賦活を1乃至10時間、行うことを特徴とする請求項8または9記載の方法。
- 前記賦活された炭素から金属を取り除く処理を行うことを特徴とする請求項7乃至10いずれか1項記載記載の方法。
- 前記炭素を酸で洗浄し、金属を取り除くことを特徴とする請求項11記載の方法。
- 請求項1乃至12いずれか1項記載の方法で製造されるメソ孔炭素。
- 喫煙材と、請求項1乃至12いずれか1項記載の方法で製造されたメソ孔炭素とを含む喫煙品。
- 請求項1乃至12いずれか1項記載の方法で製造されたメソ孔炭素を含む煙フィルター。
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