JP2014076911A - 多孔質体製造システム、および、多孔質体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、孔径のバラツキが少ない多孔質体を製造する。
【解決手段】多孔質体製造システム１００は、反応槽２１０と、ＳｉおよびＡｌを含有した灰を反応槽に導入する灰導入部２２０と、水に溶解した場合にアルカリ性を示すアルカリ金属化合物と、水と、を反応槽に導入するアルカリ導入部２３０と、反応槽に収容された、アルカリ金属化合物を水に溶解させた水溶液であるアルカリ水溶液と、灰との混合液であるアルカリ灰混合液に、臨界ミセル濃度以上の界面活性剤を導入することで、アルカリ灰混合液と界面活性剤との混合液である界面活性剤混合液を生成し、多孔質体の前駆体を生成する界面活性剤導入部２４０と、多孔質体の前駆体を焼成する焼成装置１３０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、多孔質体製造システム、および、多孔質体製造方法に関する。

石炭灰は、石炭を燃焼させることによって生じる残渣であり、火力発電所、製鉄所、化学工場等において、大量に発生している。従来、石炭灰は、埋め立てられたり、セメントの混和剤として利用されたりしている。しかし、埋め立てをするための土地は有限であり、また、セメント自体の利用量にも限界があるため、新たな石炭灰の利用技術の開発が希求されている。

例えば、石炭灰と水酸化ナトリウム水溶液とを混合することでスラリーを生成し、当該スラリーを加熱処理した後に、アルミン酸ナトリウムを添加し、さらに、加熱処理することで、人工ゼオライト（アルミノケイ酸塩の多孔質体）を製造する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２００４−３００００５号公報

しかし、石炭の種類や、採掘場所、燃焼状況等によっては、石炭灰に含まれる物質（成分）や、物質の組成比が異なる。例えば、石炭灰中のケイ素（Ｓｉ）やアルミニウム（Ａｌ）の量や、組成比が異なる。このため、特許文献１の技術で人工ゼオライトを製造すると、使用した石炭灰ごとに、人工ゼオライトの結晶構造が異なってしまい、製造された人工ゼオライトにおいて孔径が不均一になり、人工ゼオライトの機能、例えば、分子ふるい能、イオン交換能、触媒能、吸着能にバラツキが生じてしまっていた。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、簡易な構成で、孔径のバラツキが少ない多孔質体を製造することが可能な多孔質体製造システム、および、多孔質体製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の多孔質体製造システムは、反応槽と、ＳｉおよびＡｌを含有した灰を反応槽に導入する灰導入部と、水に溶解した場合にアルカリ性を示すアルカリ金属化合物と、水と、を反応槽に導入するアルカリ導入部と、反応槽に収容された、アルカリ金属化合物を水に溶解させた水溶液であるアルカリ水溶液と、灰との混合液であるアルカリ灰混合液に、臨界ミセル濃度以上の界面活性剤を導入することで、アルカリ灰混合液と界面活性剤との混合液である界面活性剤混合液を生成し、多孔質体の前駆体を生成する界面活性剤導入部と、多孔質体の前駆体を焼成する焼成装置と、を備えたことを特徴とする。

上記反応槽において界面活性剤混合液を加熱する加熱部をさらに備えるとしてもよい。

上記反応槽において界面活性剤混合液を加圧する加圧部をさらに備えるとしてもよい。

上記加圧部は、反応槽において界面活性剤混合液を大気圧以上０．７ＭＰａ未満に加圧するとしてもよい。

上記界面活性剤導入部は、アルカリ灰混合液の１質量％〜１５質量％の界面活性剤を導入するとしてもよい。

上記界面活性剤は、非イオン界面活性剤であるとしてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の多孔質体製造方法は、水に溶解した場合にアルカリ性を示すアルカリ金属化合物と、水と、ＳｉおよびＡｌを含有した灰と、臨界ミセル濃度以上の界面活性剤とを反応槽に導入する工程と、アルカリ金属化合物を水に溶解させた水溶液であるアルカリ水溶液と、灰と、界面活性剤との混合液である界面活性剤混合液において、反応を進行させることにより、多孔質体の前駆体を生成する工程と、多孔質体の前駆体を焼成する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で、孔径のバラツキが少ない多孔質体を製造することが可能となる。したがって、同様の機能を備えた多孔質体を安定して供給することができる。

多孔質体製造システムを説明するためのブロック図である。 界面活性剤の性質を説明するための図である。 反応槽、加熱部、温度測定部、圧力測定部、反応制御部の構成例を説明するための図である。 多孔質体製造方法における各工程を説明するためのフローチャートである。 前駆体および多孔質体を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、多孔質体製造システム１００を説明するためのブロック図である。図１中、物質の流れを実線の矢印で示し、信号や熱の流れを破線の矢印で示す。

図１に示すように、多孔質体製造システム１００は、反応装置１１０と、固液分離装置１２０と、焼成装置１３０とを含んで構成される。本実施形態において、反応装置１１０は多孔質体の前駆体を生成し、反応装置１１０によって生成された前駆体は、固液分離装置１２０によって固液分離された後、前駆体（固形物）が焼成装置１３０によって焼成される。以下、反応装置１１０、固液分離装置１２０、焼成装置１３０について詳述する。

（反応装置１１０）
図１に示すように、反応装置１１０は、反応槽２１０と、灰導入部２２０と、アルカリ導入部２３０と、界面活性剤導入部２４０と、加熱部２５０と、温度測定部２５２と、圧力測定部２５４と、反応制御部２６０とを含んで構成される。

反応装置１１０において、灰導入部２２０は、反応槽２１０にＳｉ（シリコン）およびＡｌ（アルミニウム）を含有した灰を導入する。ＳｉおよびＡｌを含有した灰は、例えば、石炭を燃焼することで生じる石炭灰である。ここでは、ＳｉおよびＡｌ（ここでは、Ａｌ_２Ｏ_３）を含有した灰として石炭灰を例に挙げて説明する。

アルカリ導入部２３０は、水に溶解した場合にアルカリ性を示すアルカリ金属化合物と、水とを反応槽２１０に導入する。ここで、アルカリ金属化合物は、水に溶解した場合にアルカリ性を示す化合物であればよく、例えば、ＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）、ＫＯＨ（水酸化カリウム）、Ｎａ_２ＣＯ_３（炭酸ナトリウム）であり、好ましくは、ＮａＯＨである。本実施形態では、アルカリ導入部２３０が反応槽２１０にＮａＯＨ水溶液（アルカリ水溶液）を導入する構成を例に挙げて説明する。なお、アルカリ導入部２３０は、アルカリ金属化合物と、水とを別々に導入してもよいし、アルカリ金属化合物を水に溶解した後に水溶液として導入してもよい。また、アルカリ導入部２３０が導入するＮａＯＨ水溶液は、石炭灰の１０倍程度の質量であるとよい。ＮａＯＨ水溶液を石炭灰の１０倍以上加えると、反応に寄与しない余剰分が生じてしまうためである。

このように、反応槽２１０に石炭灰とＮａＯＨ水溶液を導入して、石炭灰とＮａＯＨ水溶液とを混合することにより、石炭灰に含まれるＳｉＯ_２（二酸化ケイ素、シリカ）と、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）がＮａＯＨ水溶液中に溶出することとなる。

界面活性剤導入部２４０は、反応槽２１０に収容された、石炭灰とＮａＯＨ水溶液の混合液（アルカリ灰混合液）に、臨界ミセル濃度（ミセルを形成するのに必要な最低限の界面活性剤の濃度）以上の界面活性剤を導入する。

図２は、界面活性剤の性質を説明するための図である。図２に示すように、界面活性剤は、１分子中に親水基と疎水基とを有している。図２（ａ）に示すように、界面活性剤の濃度が臨界ミセル濃度未満である場合、界面活性剤は、水溶液中において１分子ずつ分散することになる。一方、図２（ｂ）に示すように、界面活性剤の濃度が臨界ミセル濃度以上となると、水溶液中において１分子ずつ分散することができなくなる箇所が生じ、分子同士が疎水基を内包するとともに親水基を外部に曝すようにして集合し、ミセル（集合体）を形成して、ミセルの状態で水溶液中に分散することとなる。

したがって、界面活性剤導入部２４０が、アルカリ灰混合液に対して臨界ミセル濃度以上の界面活性剤を導入することで、アルカリ灰混合液中にミセルを分散させることが可能となる。そうすると、ミセルの外表面（親水基）に、石炭灰から溶出したＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３によって生成されるアルミノシリケートが吸着して、ミセルにアルミノシリケートが吸着した物質（前駆体）が生成されることとなる。そして、後述する焼成装置１３０によって、ミセルにアルミノシリケートが吸着した物質（前駆体）の群が焼成されることで、アルミノシリケートが焼成体となるとともに、ミセルが分解されて孔を形成することとなる。

ここで、界面活性剤導入部２４０が導入する界面活性剤の量は、アルカリ灰混合液の１質量％〜１５質量％であり、好ましくは、１．５質量％〜１０質量％、より好ましくは、２質量％〜８質量％である。

界面活性剤の量がアルカリ灰混合液の１質量％未満であると、図２（ａ）に示したように、ミセルの形成が不十分となり、焼成体においてほとんど孔が形成されなかったり、焼成体（多孔質体）において孔径にバラツキが出てしまったりする。また、界面活性剤の量がアルカリ灰混合液の１５質量％を上回ると、ミセルが多く形成されすぎてしまい、ミセルの粒径にバラツキがでてしまい、焼成体（多孔質体）において孔径にバラツキが出てしまう。

ここで、界面活性剤は、非イオン界面活性剤である。非イオン界面活性剤は、エーテル型、エーテルエステル型、エステル型、含窒素型のいずれの非イオン界面活性剤であってもよく、好ましくは、エーテル型または含窒素型の非イオン界面活性剤である。非イオン界面活性剤として、エーテル型または含窒素型の非イオン界面活性剤を導入することにより、後述する反応工程において、界面活性剤が加水分解されてしまう事態を回避することができる。

エーテル型の非イオン性界面活性剤は、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、単一鎖長ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレン２級アルコールエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエテール、ポリオキシエチレンステロールエーテル、ポリオキシエチレンラノリン誘導体、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンブロックコポリマー、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンアルキルエーテル、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコールである。また、含窒素型の非イオン性界面活性剤は、例えば、ポリオキシエチレンアルキルアミンである。

図３は、反応槽２１０、加熱部２５０、温度測定部２５２、圧力測定部２５４、反応制御部２６０の構成例を説明するための図である。図３中、信号の流れを破線の矢印で示す。

図３に示すように、反応槽２１０は、上述した灰導入部２２０、アルカリ導入部２３０、界面活性剤導入部２４０によって導入された、石炭灰、ＮａＯＨ水溶液、界面活性剤の混合液（界面活性剤混合液Ｓ）を貯留する貯留部２１０ａと、貯留部２１０ａを密閉する蓋部２１０ｂとを含んで構成されている。また、蓋部２１０ｂには、開閉弁２１０ｃを有する配管が接続されている。さらに、蓋部２１０ｂには、灰導入部２２０によって石炭灰を、アルカリ導入部２３０によってＮａＯＨ水溶液を、界面活性剤導入部２４０によって界面活性剤を導入するための不図示の導入口が設けられている。

また、反応槽２１０には、貯留部２１０ａに貯留された界面活性剤混合液Ｓを攪拌する攪拌部２１２と、反応制御部２６０の制御指令に応じて攪拌部２１２を回転駆動する駆動部２１４とが設けられている。

攪拌部２１２および駆動部２１４を備えることにより、界面活性剤混合液Ｓを実質的に均一に混合することができる、すなわち、界面活性剤混合液Ｓ中においてＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、およびミセルを実質的に均一に分散させることが可能となる。

加熱部２５０は、反応制御部２６０の制御指令に応じて、貯留部２１０ａの外表面を加熱することで、貯留部２１０ａに貯留された界面活性剤混合液Ｓを加熱する。加熱部２５０を備える構成により、界面活性剤混合液Ｓにおいて、アルミノシリケートのミセルへの吸着速度を大きくすることが可能となり、反応時間（吸着時間）を短縮することが可能となる。

なお、加熱部２５０は、界面活性剤混合液Ｓを１０℃〜１５０℃に加熱するとよく、８０℃〜１００℃に加熱するとより好ましい。界面活性剤混合液Ｓの温度が１０℃未満であると、アルミノシリケートのミセルへの吸着速度を大きくすることができず、１５０℃を上回ると、臨界ミセル濃度が高くなりすぎてしまいミセルが形成されにくくなってしまう。

このように、蓋部２１０ｂによって貯留部２１０ａが密閉され、加熱部２５０によって、界面活性剤混合液Ｓが加熱されると、反応槽２１０において界面活性剤混合液Ｓ中の水が水蒸気となって界面活性剤混合液Ｓが加圧されることとなる。このように、界面活性剤混合液Ｓを加圧することにより、石炭灰から水へのＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の溶出効率を向上させることができ、アルカリ導入部２３０が導入するＮａＯＨの量を低減することが可能となる。

なお、界面活性剤混合液Ｓの圧力は、大気圧以上０．７ＭＰａ未満がよく、０．２ＭＰａ〜０．５ＭＰａがより好ましい。界面活性剤混合液Ｓの圧力が大気圧未満であると、石炭灰から水へのＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の溶出効率を向上させることができず、０．７ＭＰａを上回ると、臨界ミセル濃度が高くなりすぎてしまいミセルが形成されにくくなってしまう。

温度測定部２５２は、反応槽２１０に貯留された界面活性剤混合液Ｓの温度を測定する。圧力測定部２５４は、反応槽２１０の圧力を測定する。

反応制御部２６０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路により、反応装置１１０全体を管理および制御する。本実施形態において、反応制御部２６０は、温度測定部２５２が測定した温度に基づいて、加熱部２５０を制御し、界面活性剤混合液Ｓの温度を１０℃〜１５０℃とする。

また、反応制御部２６０は、圧力測定部２５４が測定した圧力に基づいて、加熱部２５０を予め定められた温度に維持するように制御したり、開閉弁２１０ｃを開閉制御したりすることで、反応槽２１０（界面活性剤混合液Ｓ）の圧力を大気圧以上０．７ＭＰａ未満にする。

（固液分離装置１２０）
図１に戻って説明すると、固液分離装置１２０は、遠心分離装置や、濾過装置で構成されており、反応装置１１０において生成された前駆体（ミセルにアルミノシリケートが吸着した物質）が分散された水溶液を固液分離し、前駆体を水溶液から分離する。

（焼成装置１３０）
焼成装置１３０は、固液分離装置１２０によって、分離された前駆体（ミセルにアルミノシリケートが吸着した物質）の群を加熱して焼成する。なお、焼成装置１３０は、界面活性剤の熱分解温度以上（例えば、３００℃〜４００℃程度）に前駆体を加熱する。

（多孔質体製造方法）
続いて、上述した多孔質体製造システム１００を用いた多孔質体製造方法について説明する。図４は、多孔質体製造方法における各工程を説明するためのフローチャートであり、図５は、前駆体および多孔質体を説明するための図である。

図４に示すように、多孔質体製造方法には、導入工程Ｓ３１０、反応工程Ｓ３２０、固液分離工程Ｓ３３０、焼成工程Ｓ３４０が含まれる。以下、各工程について説明する。

（導入工程Ｓ３１０）
まず、反応制御部２６０の制御指令に応じて、灰導入部２２０は石炭灰を貯留部２１０ａに導入し、アルカリ導入部２３０はＮａＯＨ水溶液を貯留部２１０ａに導入し、界面活性剤導入部２４０は界面活性剤を貯留部２１０ａに導入する。

（反応工程Ｓ３２０）
続いて、反応制御部２６０は、駆動部２１４を制御して攪拌部２１２を回転駆動させ、界面活性剤混合液Ｓを混合する。また、反応制御部２６０は、温度測定部２５２が測定した温度に基づいて、加熱部２５０を制御し、界面活性剤混合液Ｓの温度を１０℃〜１５０℃とする。さらに、反応制御部２６０は、圧力測定部２５４が測定した圧力に基づいて、加熱部２５０を制御したり、開閉弁２１０ｃを開閉制御したりすることで、界面活性剤混合液Ｓの圧力を大気圧以上０．７ＭＰａ未満にする。

そうすると、界面活性剤混合液Ｓにおいて、反応が進行し、石炭灰からＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３が溶出され、ミセルにアルミノシリケートが吸着して、図５（ａ）に示すように、ミセルにアルミノシリケートが吸着した物質（前駆体）が生成される。

（固液分離工程Ｓ３３０）
そして、固液分離装置１２０は、上記反応工程Ｓ３２０において生成された前駆体が含まれる水溶液から、前駆体（固形物）を分離する。そうすると、図５（ｂ）に示すように、前駆体が分離される。

（焼成工程Ｓ３４０）
最後に、焼成装置１３０は、上記固液分離工程Ｓ３３０において分離された前駆体の群を焼成する。そうすると、図５（ｃ）に示すように、前駆体のアルミノシリケートが溶融して、他の前駆体のアルミノシリケートと一体化して焼成体となるとともに、ミセルが熱分解して焼成体において孔を形成することとなる。

以上説明したように、本実施形態にかかる多孔質体製造システム１００、および、これを用いた多孔質体製造方法によれば、孔が実質的に均一に分散された多孔質体を製造することが可能となる。また、１の界面活性剤を用いた場合ミセルの径は、実質的に等しいため、孔径が実質的に等しい多孔質体を製造することができる。したがって、孔径のバラツキが少ない多孔質体（メソポーラスシリカ）を製造することが可能となり、同様の機能を備えた多孔質体を安定して供給することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、加熱部２５０を備える構成について説明したが、加熱部２５０は必須の構成ではない。

また、上述した実施形態では、密閉可能な反応槽２１０と、加熱部２５０とで加圧部を構成する例を挙げて説明したが、界面活性剤混合液Ｓを加圧できれば、加圧部の構成に限定はない。また、加圧部を備えずともよい。例えば、反応槽が大気開放されていてもよい。

また、アルカリ導入部２３０が導入するアルカリ水溶液は、ＳｉおよびＡｌを含む灰からＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３を溶出させることができれば、どのような化合物の水溶液であってもよい。例えば、金属Ｎａを水に溶解させたＮａＯＨ水溶液であってもよい。

また、界面活性剤は、非イオン界面活性剤でなくてもよく、両性界面活性剤、陽イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤を用いることもできる。

なお、本明細書の多孔質体製造方法の各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はない。

本発明は、多孔質体製造システム、および、多孔質体製造方法に利用することができる。

１００ …多孔質体製造システム
１３０ …焼成装置
２１０ …反応槽
２１０ａ …貯留部（加圧部）
２１０ｂ …蓋部（加圧部）
２２０ …灰導入部
２３０ …アルカリ導入部
２４０ …界面活性剤導入部
２５０ …加熱部（加圧部）

Claims (7)

1. 反応槽と、
   ＳｉおよびＡｌを含有した灰を前記反応槽に導入する灰導入部と、
   水に溶解した場合にアルカリ性を示すアルカリ金属化合物と、水と、を前記反応槽に導入するアルカリ導入部と、
   前記反応槽に収容された、前記アルカリ金属化合物を水に溶解させた水溶液であるアルカリ水溶液と、前記灰との混合液であるアルカリ灰混合液に、臨界ミセル濃度以上の界面活性剤を導入することで、該アルカリ灰混合液と該界面活性剤との混合液である界面活性剤混合液を生成し、多孔質体の前駆体を生成する界面活性剤導入部と、
   前記多孔質体の前駆体を焼成する焼成装置と、
   を備えたことを特徴とする多孔質体製造システム。
2. 前記反応槽において前記界面活性剤混合液を加熱する加熱部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の多孔質体製造システム。
3. 前記反応槽において前記界面活性剤混合液を加圧する加圧部をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の多孔質体製造システム。
4. 前記加圧部は、前記反応槽において前記界面活性剤混合液を大気圧以上０．７ＭＰａ未満に加圧することを特徴とする請求項３に記載の多孔質体製造システム。
5. 前記界面活性剤導入部は、アルカリ灰混合液の１質量％〜１５質量％の界面活性剤を導入することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の多孔質体製造システム。
6. 前記界面活性剤は、非イオン界面活性剤であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の多孔質体製造システム。
7. 水に溶解した場合にアルカリ性を示すアルカリ金属化合物と、水と、ＳｉおよびＡｌを含有した灰と、臨界ミセル濃度以上の界面活性剤とを反応槽に導入する工程と、
   前記アルカリ金属化合物を水に溶解させた水溶液であるアルカリ水溶液と、前記灰と、前記界面活性剤との混合液である界面活性剤混合液において、反応を進行させることにより、多孔質体の前駆体を生成する工程と、
   前記多孔質体の前駆体を焼成する工程と、
   を含むことを特徴とする多孔質体製造方法。

Images