JP2018178285A - Manufacturing method of porous carbon fiber - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多孔質炭素繊維の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of producing porous carbon fibers.
表面に直径がミクロン又はナノメーターオーダーの細孔を有し、高い比表面積を有する多孔質炭素繊維は、吸着材として有用である。この多孔質炭素繊維の製造方法としては、例えば炭素原料を水蒸気やアルカリ性物質により賦活して比表面積を増大させる方法(特開2012−41199号公報)、有機質樹脂を酸化マグネシウム等の酸化物(鋳型粒子)と混合し炭素化した後、上記酸化物を取り除く方法(特開2016−41656号公報)などが挙げられる。上記従来の多孔質炭素繊維の製造方法では、原料を炭素化する工程に加えて、アルカリ性物質による賦活処理や鋳型粒子の除去処理を行う工程が必要であり、その製造効率に改善の余地がある。 Porous carbon fibers having pores with diameters on the order of microns or nanometers on the surface and high specific surface area are useful as adsorbents. As a method of producing this porous carbon fiber, for example, a method of activating a carbon raw material with water vapor or an alkaline substance to increase a specific surface area (JP-A-2012-41199), an organic resin is an oxide such as magnesium oxide (template After mixing with carbon particles and carbonizing, the method (Unexamined-Japanese-Patent No. 2016-41656) etc. which remove the said oxide are mentioned. In the above-described conventional method for producing porous carbon fiber, in addition to the step of carbonizing the raw material, a step of performing activation treatment with an alkaline substance and removal treatment of template particles is necessary, and there is room for improvement in its production efficiency. .
炭素化後に賦活処理や鋳型粒子の除去処理を行う必要がない多孔質炭素繊維の製造方法としては、電界紡糸した繊維を炭素化する方法が提案されている(特開2011−157668号公報、国際公開第2011/070893号公報参照)。この従来の電界紡糸方法では、ピッチ系物質に予熱ガスを供給して紡糸したり、電界紡糸可能な高分子物質と有機化合物及び遷移金属とを含む組成物を紡糸したりする。つまり、上記従来の電界紡糸方法では、炭素原料に特殊な材料及び炭素以外の物質が必要である。また、この従来の電界紡糸により製造される炭素繊維の比表面積は賦活処理や鋳型粒子の除去処理を行って製造する多孔質炭素繊維に比べて低い。従って、上記従来の電界紡糸方法では、製造コスト及び比表面積に改善の余地がある。 As a method of producing porous carbon fibers which does not require activation treatment or removal treatment of template particles after carbonization, a method of carbonizing fibers electrospun has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-157668, International Publication No. 2011/070893 reference). In this conventional electrospinning method, a pitching material is supplied with a preheating gas to be spun, or a composition containing an electrospinnable polymer material, an organic compound and a transition metal is spun. That is, in the above-mentioned conventional electrospinning method, a special material and a substance other than carbon are required for the carbon raw material. In addition, the specific surface area of the carbon fiber produced by this conventional electrospinning is lower than that of the porous carbon fiber produced by performing the activation treatment and the removal treatment of the template particles. Therefore, in the above-mentioned conventional electrospinning method, there is room for improvement in the manufacturing cost and the specific surface area.
本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、比較的製造コスト及び製造効率に優れ、かつ比表面積の大きい多孔質炭素繊維の製造方法の提供を目的とする。 The present invention has been made based on the circumstances as described above, and an object thereof is to provide a method for producing a porous carbon fiber which is relatively excellent in production cost and production efficiency and has a large specific surface area.
本発明者らは、多孔質炭素繊維の製造方法について鋭意検討した結果、電界紡糸に用いる無灰炭が溶存する溶液に高分子化合物を混合することによって一層比表面積の大きな多孔質炭素繊維を得ることができることを見出し、本発明を完成させた。このように比表面積が増大するメカニズムは必ずしも明確ではないが、炭素化する際に高分子化合物の分解及び散逸により炭素材料中に細孔が生じ易くなること、及び炭素材料の電界紡糸性が改善されることにあると考えられる。 As a result of intensive studies on the method for producing porous carbon fibers, the present inventors obtain porous carbon fibers having a larger specific surface area by mixing a polymer compound with a solution in which ash-free charcoal used for electrospinning is dissolved. Have found that it is possible to complete the present invention. Although the mechanism by which the specific surface area increases is not always clear, the tendency of the formation of pores in the carbon material due to the decomposition and dissipation of the polymer compound during carbonization, and the improvement of the electrospinning property of the carbon material It is considered to be
すなわち、上記課題を解決するためになされた発明は、無灰炭及び高分子化合物が溶存する溶液の電界紡糸により、基板表面に微細繊維を堆積する工程と、上記堆積工程で得られた微細繊維を加熱する工程とを備える多孔質炭素繊維の製造方法である。 That is, the invention made to solve the above problems is a process of depositing fine fibers on the substrate surface by electrospinning of a solution in which ash-free charcoal and a polymer compound are dissolved, and the fine fibers obtained in the above deposition process And heating the porous carbon fiber.
当該多孔質炭素繊維の製造方法では、無灰炭を炭素原料として用いる。無灰炭は比較的安価で優れた電界紡糸性を有し、炭素以外の物質を必要としない。さらに、電界紡糸用の無灰炭が溶存する溶液に高分子化合物を混合することで、この優れた電界紡糸性が高められる。また、当該多孔質炭素繊維の製造方法では、無灰炭の優れた黒鉛化性に基づいて、賦活等の処理を施すことなく電界紡糸により高比表面積で長繊維の多孔質炭素繊維を容易に得ることができる。また、加熱工程で炭素化する際に高分子化合物の分解及び散逸により炭素材料中の細孔が増加する。従って、当該多孔質炭素繊維の製造方法を用いることで、比較的製造コスト及び製造効率に優れ、かつ比表面積の大きい炭素繊維が製造できる。 In the method of producing porous carbon fibers, ashless coal is used as a carbon material. Ashless coal is relatively inexpensive, has excellent electrospinning properties, and does not require materials other than carbon. Furthermore, the excellent electrospinning property is enhanced by mixing the polymer compound with a solution in which ash-free charcoal for electrospinning is dissolved. In addition, in the method for producing porous carbon fibers, based on the excellent graphitability of ash-free charcoal, porous carbon fibers of long fibers with high specific surface area can be easily formed by electrospinning without treatment such as activation. You can get it. In addition, when carbonizing in the heating step, the pores in the carbon material increase due to the decomposition and dissipation of the polymer compound. Therefore, by using the method for producing porous carbon fibers, carbon fibers which are relatively excellent in production cost and production efficiency and have a large specific surface area can be produced.
上記無灰炭及び高分子化合物の合計量に対する高分子化合物の含有量としては、1質量%以上15質量%以下が好ましい。このように上記無灰炭及び高分子化合物の合計量に対する高分子化合物の含有量を上記範囲内とすることで、無灰炭の優れた電界紡糸性を維持しつつ、炭素材料中の細孔の増加効果を高められる。 As content of the high molecular compound with respect to the total amount of the said ash-free charcoal and a high molecular compound, 1 mass% or more and 15 mass% or less are preferable. As described above, by setting the content of the polymer compound to the total amount of the above ashless coal and the polymer compound in the above range, the pores in the carbon material can be maintained while maintaining the excellent electrospinning property of the ashless coal. Can increase the effect of
上記堆積工程として、石炭及び溶媒を混合する工程と、上記混合工程で得られたスラリー中の上記石炭から上記溶媒に可溶な成分を溶出させる工程と、上記溶出工程で溶出後の上記スラリーを、溶媒可溶成分を含む液体分及び溶媒不溶成分に分離する工程とを備えるとよい。このように無灰炭として溶媒抽出されたものを用いることで、さらに製造効率を高め、かつ製造コストを低減できる。 In the deposition step, a step of mixing coal and a solvent, a step of eluting a component soluble in the solvent from the coal in the slurry obtained in the mixing step, and the slurry after elution in the elution step And Separating into a liquid component containing a solvent-soluble component and a solvent-insoluble component. By using solvent-extracted coal as ashless coal in this manner, the production efficiency can be further enhanced and the production cost can be reduced.
得られる炭素繊維の平均径が0.5μm以上5μm以下となるように電界紡糸の電圧又は上記溶液における無灰炭及び高分子化合物の含有量を調整するとよい。このように得られる炭素繊維の平均径を上記範囲内に調整することで比表面積が高められる。 It is preferable to adjust the voltage of electrospinning or the content of ashless carbon and the polymer compound in the above solution so that the average diameter of the obtained carbon fiber is 0.5 μm or more and 5 μm or less. The specific surface area can be increased by adjusting the average diameter of the carbon fiber obtained in this manner within the above range.
ここで、「高分子化合物」とは、分子量が1000以上1000000以下の化合物を指す。 Here, the "polymer compound" refers to a compound having a molecular weight of 1,000 or more and 1,000,000 or less.
以上説明したように、本発明の多孔質炭素繊維の製造方法を用いることで、比較的良好な製造コスト及び製造効率で、比表面積の大きい多孔質炭素繊維を製造できる。 As explained above, by using the method for producing porous carbon fibers of the present invention, porous carbon fibers having a large specific surface area can be produced at relatively good production cost and efficiency.
以下、本発明に係る多孔質炭素繊維の製造方法の一実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of a method of producing porous carbon fibers according to the present invention will be described.
当該多孔質炭素繊維の製造方法は、図1に示すように、堆積工程S1と、加熱工程S2とを主に備える。当該多孔質炭素繊維の製造方法は、例えば石炭供給部と、溶媒供給部と、混合部と、昇温部と、溶出部と、分離部と、電界紡糸部と、加熱部とを主に備える製造装置により行うことができる。 The method for producing the porous carbon fiber mainly includes a deposition step S1 and a heating step S2, as shown in FIG. The method for producing the porous carbon fiber mainly includes, for example, a coal supply unit, a solvent supply unit, a mixing unit, a temperature raising unit, an elution unit, a separation unit, an electrospinning unit, and a heating unit. It can be performed by a manufacturing apparatus.
[堆積工程]
堆積工程S1では、無灰炭及び高分子化合物が溶存する溶液の電界紡糸により、基板表面に微細繊維を堆積する。堆積工程S1は、図2に示すように第1混合工程S11と、溶出工程S12と、固液分離工程S13と、蒸発分離工程S14と、第2混合工程S15と、電界紡糸工程S16とを備える。
[Deposition process]
In the deposition step S1, fine fibers are deposited on the substrate surface by electrospinning of a solution in which ashless coal and a polymer compound are dissolved. The deposition step S1 includes a first mixing step S11, an elution step S12, a solid-liquid separation step S13, an evaporation separation step S14, a second mixing step S15, and an electrospinning step S16 as shown in FIG. .
<第1混合工程>
第1混合工程S11では、石炭及び溶媒を混合する。この第1混合工程S11は、例えば石炭供給部、溶媒供給部、及び混合部により行える。
<First mixing step>
In the first mixing step S11, coal and a solvent are mixed. This first mixing step S11 can be performed by, for example, a coal supply unit, a solvent supply unit, and a mixing unit.
(石炭供給部)
石炭供給部は、石炭を混合部へ供給する。石炭供給部としては、常圧状態で使用される常圧ホッパー、常圧状態及び加圧状態で使用される加圧ホッパー等の公知の石炭ホッパーを用いることができる。
(Coal supply department)
The coal supply unit supplies coal to the mixing unit. As a coal supply part, well-known coal hoppers, such as a normal pressure hopper used by a normal pressure state, a pressurized hopper used by a normal pressure state and a pressurized state, can be used.
石炭供給部から供給する石炭は、無灰炭の原料となる石炭である。上記石炭としては、様々な品質の石炭を用いることができる。例えば無灰炭の抽出率の高い瀝青炭や、より安価な低品位炭(亜瀝青炭や褐炭)が好適に用いられる。また、石炭を粒度で分類すると、細かく粉砕された石炭が好適に用いられる。ここで「細かく粉砕された石炭」とは、石炭全体の質量に対する粒度1mm未満の石炭の質量割合が80%以上である石炭を意味する。また、石炭供給部から供給する石炭として塊炭を用いることもできる。ここで「塊炭」とは、石炭全体の質量に対する粒度5mm以上の石炭の質量割合が50%以上である石炭を意味する。塊炭は、細かく粉砕された石炭に比べて未溶解な固体の石炭の粒度が大きく保たれるため、後述する分離部での分離を効率化することができる。ここで、「粒度(粒径)」とは、JIS−Z8815:1994のふるい分け試験通則に準拠して測定した値をいう。なお、石炭の粒度による仕分けには、例えばJIS−Z8801−1:2006に規定する金属製網ふるいを用いることができる。 Coal supplied from a coal supply part is coal used as a raw material of ash-free coal. As said coal, coal of various quality can be used. For example, bituminous coal having a high extraction ratio of ash-free coal, and cheaper low-grade coal (sub-bituminous coal or lignite) are preferably used. Also, when coal is classified by particle size, finely crushed coal is suitably used. Here, "finely pulverized coal" means coal having a mass ratio of coal having a particle size of less than 1 mm to 80% or more of the mass of the entire coal. Moreover, lump coal can also be used as coal supplied from a coal supply part. Here, "mass coal" means coal in which the mass ratio of coal having a particle size of 5 mm or more with respect to the mass of the entire coal is 50% or more. Since the particle size of undissolved solid coal is maintained large as compared with finely pulverized coal, bulk coal can streamline separation in the separation section described later. Here, “particle size (particle size)” refers to a value measured in accordance with the general rule of sieving test in JIS-Z8815: 1994. In addition, the metal mesh screen defined, for example to JIS-Z8801-1: 2006 can be used for the classification by the particle size of coal.
上記低品位炭の炭素含有率の下限としては、70質量%が好ましい。一方、上記低品位炭の炭素含有率の上限としては、85質量%が好ましく、82質量%がより好ましい。上記低品位炭の炭素含有率が上記下限未満であると、溶媒可溶成分の溶出率が低下するおそれがある。逆に、上記低品位炭の炭素含有率が上記上限を超えると、供給する石炭のコストが高くなるおそれがある。 As a minimum of the carbon content rate of the above-mentioned low grade coal, 70 mass% is preferred. On the other hand, as a maximum of the carbon content rate of the above-mentioned low grade coal, 85 mass% is preferred, and 82 mass% is more preferred. If the carbon content of the low-grade coal is less than the above lower limit, the elution rate of the solvent-soluble component may be reduced. On the contrary, if the carbon content of the low grade coal exceeds the upper limit, the cost of the supplied coal may be high.
なお、石炭供給部から混合部へ供給する石炭として、少量の溶媒を混合してスラリー化した石炭を用いてもよい。石炭供給部からスラリー化した石炭を混合部へ供給することにより、混合部において石炭が溶媒と混合し易くなり、石炭をより早く溶解させることができる。ただし、スラリー化する際に混合する溶媒の量が多いと、後述する昇温部でスラリーを溶出温度まで昇温するための熱量が不必要に大きくなるため、製造コストが増大するおそれがある。 In addition, you may use the coal which mixed and slurried a small amount of solvents as coal supplied from a coal supply part to a mixing part. By supplying the slurryed coal from the coal supply unit to the mixing unit, the coal can be easily mixed with the solvent in the mixing unit, and coal can be dissolved faster. However, if the amount of the solvent to be mixed in forming the slurry is large, the amount of heat for raising the temperature of the slurry to the elution temperature in the temperature rising portion described later becomes unnecessarily large, which may increase the manufacturing cost.
(溶媒供給部)
溶媒供給部は、溶媒を混合部へ供給する。上記溶媒供給部は、溶媒を貯留する溶媒タンクを有し、この溶媒タンクから溶媒を混合部へ供給する。上記溶媒供給部から供給する溶媒は、石炭供給部から供給する石炭と混合部で混合される。
(Solvent supply unit)
The solvent supply unit supplies the solvent to the mixing unit. The said solvent supply part has a solvent tank which stores a solvent, and supplies a solvent to a mixing part from this solvent tank. The solvent supplied from the solvent supply unit is mixed with the coal supplied from the coal supply unit in the mixing unit.
溶媒供給部から供給する溶媒は、石炭を溶解するものであれば特に限定されないが、例えば石炭由来の二環芳香族化合物が好適に用いられる。この二環芳香族化合物は、基本的な構造が石炭の構造分子と類似していることから石炭との親和性が高く、比較的高い抽出率を得ることができる。石炭由来の二環芳香族化合物としては、例えば石炭を乾留してコークスを製造する際の副生油の蒸留油であるメチルナフタレン油、ナフタレン油等を挙げることができる。 The solvent supplied from the solvent supply unit is not particularly limited as long as it dissolves coal, and, for example, a bicyclic aromatic compound derived from coal is preferably used. The bicyclic aromatic compound has a basic structure similar to that of a structural molecule of coal, and thus has a high affinity for coal and can obtain a relatively high extraction rate. Examples of coal-derived bicyclic aromatic compounds include methyl naphthalene oil, naphthalene oil and the like, which are distillation oils of by-product oil at the time of dry distillation of coal to produce coke.
上記溶媒の沸点は、特に限定されないが、例えば上記溶媒の沸点の下限としては、180℃が好ましく、230℃がより好ましい。一方、上記溶媒の沸点の上限としては、300℃が好ましく、280℃がより好ましい。上記溶媒の沸点が上記下限未満であると、溶媒が揮発し易くなるため、スラリー中の石炭と溶媒との混合比の調整及び維持が困難となるおそれがある。逆に、上記溶媒の沸点が上記上限を超えると、溶媒可溶成分と溶媒との分離が困難となり、溶媒の回収率が低下するおそれがある。 Although the boiling point of the said solvent is not specifically limited, For example, as a minimum of the boiling point of the said solvent, 180 degreeC is preferable and 230 degreeC is more preferable. On the other hand, as a maximum of the boiling point of the above-mentioned solvent, 300 ° C is preferred and 280 ° C is more preferred. If the boiling point of the solvent is less than the above lower limit, the solvent is easily volatilized, so that adjustment and maintenance of the mixing ratio of coal to the solvent in the slurry may be difficult. Conversely, if the boiling point of the solvent exceeds the upper limit, the separation of the solvent-soluble component and the solvent becomes difficult, and the recovery rate of the solvent may be reduced.
(混合部)
混合部は、石炭供給部から供給する石炭及び溶媒供給部から供給する溶媒を混合する。
(Mixing part)
The mixing unit mixes the coal supplied from the coal supply unit and the solvent supplied from the solvent supply unit.
上記混合部としては、調製槽を用いることができる。この調製槽には、供給管を介して上記石炭及び溶媒が供給される。上記調製槽では、この供給された石炭及び溶媒が混合され、スラリーが調製される。また、上記調製槽は、攪拌機を有しており、混合したスラリーを攪拌機で攪拌しながら保持することによりスラリーの混合状態を維持する。 A preparation tank can be used as the said mixing part. The coal and the solvent are supplied to the preparation tank through a supply pipe. In the preparation tank, the supplied coal and solvent are mixed to prepare a slurry. Further, the preparation tank has a stirrer, and the mixed slurry is kept stirred by the stirrer to maintain the mixed state of the slurry.
調製槽におけるスラリー中の無水炭基準での石炭濃度は、溶媒の種類等により適宜決定されるが、上記石炭濃度の下限としては、10質量%が好ましく、13質量%がより好ましい。一方、上記石炭濃度の上限としては、25質量%が好ましく、20質量%がより好ましい。上記石炭濃度が上記下限未満であると、溶出工程S12で溶出される溶媒可溶成分の溶出量がスラリー処理量に対して少なくなるため、溶液に含まれる無灰炭の含有量が不十分となるおそれがある。逆に、上記石炭濃度が上記上限を超えると、溶媒中で上記溶媒可溶成分が飽和し易いため、上記溶媒可溶成分の溶出率が低下するおそれがある。 The concentration of coal on the basis of anhydrous coal in the slurry in the preparation tank is appropriately determined depending on the type of solvent and the like, but the lower limit of the concentration of coal is preferably 10% by mass, more preferably 13% by mass. On the other hand, as an upper limit of the above-mentioned coal concentration, 25 mass% is preferred and 20 mass% is more preferred. When the coal concentration is less than the above lower limit, the elution amount of the solvent-soluble component eluted in the elution step S12 decreases relative to the slurry treatment amount, so that the content of ashless coal contained in the solution is insufficient May be Conversely, if the coal concentration exceeds the upper limit, the solvent-soluble component is likely to be saturated in the solvent, and the elution rate of the solvent-soluble component may be reduced.
<溶出工程>
溶出工程S12では、上記第1混合工程S11で得られたスラリー中の石炭から溶媒に可溶な石炭成分を溶出させる。溶出工程S12は、例えば昇温部及び溶出部により行うことができる。
<Elution step>
In the elution step S12, the coal component soluble in the solvent is eluted from the coal in the slurry obtained in the first mixing step S11. The elution step S12 can be performed by, for example, a temperature rising portion and an elution portion.
(昇温部)
昇温部は、上記第1混合工程S11で得られたスラリーを昇温する。
(Heating section)
The temperature raising unit raises the temperature of the slurry obtained in the first mixing step S11.
昇温部としては、内部を通過するスラリーを昇温できるものであれば特に限定されないが、例えば抵抗加熱式ヒーターや誘導加熱コイルが挙げられる。また、昇温部は、熱媒を用いて昇温を行うよう構成されていてもよく、例えば内部を通過するスラリーの流路の周囲に配設される加熱管を有し、この加熱管に蒸気、油等の熱媒を供給することでスラリーを昇温可能に構成されていてもよい。 The temperature raising portion is not particularly limited as long as it can heat the slurry passing through the inside, and examples thereof include a resistance heating heater and an induction heating coil. In addition, the temperature raising unit may be configured to perform temperature raising using a heat medium, and has, for example, a heating pipe disposed around the flow path of the slurry passing through the inside, The temperature of the slurry may be increased by supplying a heat medium such as steam or oil.
昇温部による昇温後のスラリーの温度は、使用する溶媒に応じて適宜決定されるが、上記スラリーの温度の下限としては、300℃が好ましく、360℃がより好ましい。一方、上記スラリーの温度の上限としては、420℃が好ましく、400℃がより好ましい。上記スラリーの温度が上記下限未満であると、溶出率が低下するおそれがある。逆に、上記スラリーの温度が上記上限を超えると、溶媒が気化し過ぎるためスラリーの濃度を制御することが困難となるおそれがある。 Although the temperature of the slurry after temperature rising by a temperature rising part is suitably determined according to the solvent to be used, as a lower limit of the temperature of the said slurry, 300 degreeC is preferable and 360 degreeC is more preferable. On the other hand, as a maximum of the temperature of the above-mentioned slurry, 420 ° C is preferred and 400 ° C is more preferred. When the temperature of the above-mentioned slurry is less than the above-mentioned minimum, there is a possibility that a dissolution rate may fall. Conversely, if the temperature of the above-mentioned slurry exceeds the above-mentioned upper limit, there is a possibility that it becomes difficult to control the concentration of the slurry because the solvent is excessively vaporized.
また、昇温部の圧力としては、特に限定されないが、常圧(0.1MPa)とできる。 Moreover, it does not specifically limit as a pressure of a temperature rising part, It can be set as normal pressure (0.1 MPa).
(溶出部)
溶出部は、上記混合部で得られ、上記昇温部で昇温されたスラリー中の石炭から溶媒に可溶な石炭成分を溶出させる。
(Elution part)
The elution part is obtained in the mixing part, and the coal component soluble in the solvent is eluted from the coal in the slurry heated in the heating part.
溶出部としては、抽出槽を用いることができ、この抽出槽に上記昇温後のスラリーが供給される。上記抽出槽では、このスラリーの温度及び圧力を保持しながら溶媒に可溶な石炭成分を石炭から溶出させる。また、上記抽出槽は、攪拌機を有している。この攪拌機によりスラリーを攪拌することで上記溶出を促進できる。 An extraction tank can be used as an elution part, and the slurry after the said temperature rise is supplied to this extraction tank. In the extraction tank, coal components soluble in the solvent are eluted from the coal while maintaining the temperature and pressure of the slurry. Moreover, the said extraction tank has a stirrer. The above elution can be promoted by stirring the slurry with this stirrer.
なお、溶出部での溶出時間としては、特に限定されないが、溶媒可溶成分の抽出量と抽出効率との観点から10分以上70分以下が好ましい。 The elution time in the elution portion is not particularly limited, but is preferably 10 minutes to 70 minutes from the viewpoint of the extraction amount of the solvent-soluble component and the extraction efficiency.
<固液分離工程>
固液分離工程S13では、上記溶出工程S12で溶出後の上記スラリーを、溶媒可溶成分を含む液体分及び溶媒不溶成分に分離する。この固液分離工程S13は、分離部により行うことができる。なお、溶媒不溶成分は、抽出用溶媒に不溶な灰分と不溶石炭とを主として含み、これらに加え抽出用溶媒をさらに含む抽出残分をいう。
Solid-liquid separation process
In the solid-liquid separation step S13, the slurry after elution in the elution step S12 is separated into a liquid component containing a solvent-soluble component and a solvent-insoluble component. This solid-liquid separation step S13 can be performed by the separation unit. The solvent-insoluble component mainly refers to an extraction residue which mainly contains ash and insoluble coal which are insoluble in a solvent for extraction, and additionally contains a solvent for extraction.
(分離部)
分離部における上記液体分及び溶媒不溶成分を分離する方法としては、例えば重力沈降法、濾過法、遠心分離法を用いることができ、それぞれ沈降槽、濾過器、遠心分離器が使用される。
(Separation section)
As a method of separating the liquid component and the solvent-insoluble component in the separation part, for example, a gravity sedimentation method, a filtration method and a centrifugal separation method can be used, and a sedimentation tank, a filter and a centrifugal separator are used respectively.
以下、重力沈降法を例にとり分離方法について説明する。重力沈降法とは、沈降槽内で重力を利用して溶媒不溶成分を沈降させて固液分離する分離方法である。重力沈降法により分離を行う場合、溶媒可溶成分を含む液体分は、沈降槽の上部に溜まる。この液体分は必要に応じてフィルターユニットを用いて濾過した後、後述する噴霧部に排出される。一方、溶媒不溶成分は、分離部の下部から排出される。 Hereinafter, the separation method will be described by taking the gravity settling method as an example. The gravity settling method is a separation method in which solvent insoluble components are precipitated and solid-liquid separated in the settling tank using gravity. In the case of separation by gravity sedimentation, the liquid containing solvent-soluble components accumulates at the top of the sedimentation tank. The liquid component is filtered using a filter unit, if necessary, and then discharged to a spray unit described later. On the other hand, the solvent insoluble component is discharged from the lower part of the separation unit.
また、重力沈降法により分離を行う場合、スラリーを分離部内に連続的に供給しながら溶媒可溶成分を含む液体分及び溶媒不溶成分を沈降槽から排出することができる。これにより連続的な固液分離処理が可能となる。 In addition, when separation is performed by the gravity sedimentation method, it is possible to discharge the liquid component including the solvent-soluble component and the solvent-insoluble component from the sedimentation tank while continuously supplying the slurry into the separation unit. This enables continuous solid-liquid separation processing.
分離部内でスラリーを維持する時間は、特に限定されないが、例えば30分以上120分以下とでき、この時間内で分離部内の沈降分離が行われる。なお、石炭として塊炭を使用する場合には、沈降分離が効率化されるので、分離部内でスラリーを維持する時間を短縮できる。 The time for maintaining the slurry in the separation part is not particularly limited, but can be, for example, 30 minutes or more and 120 minutes or less, and within this time, sedimentation in the separation part is performed. In addition, when using lumped coal as coal, since sedimentation separation is made efficient, time to maintain a slurry in a isolation | separation part can be shortened.
なお、分離部内の温度及び圧力としては、昇温部による昇温後のスラリーの温度及び圧力と同様とできる。 The temperature and pressure in the separation unit can be the same as the temperature and pressure of the slurry after the temperature raising by the temperature raising unit.
<蒸発分離工程>
蒸発分離工程S14では、上記固液分離工程S13で分離した液体分から溶媒を蒸発させる。この溶媒の蒸発分離により無灰炭(HPC)が得られる。このようにして得られる無灰炭は、灰分が5質量%以下又は3質量%以下であり、灰分をほとんど含まず、水分は皆無である。
<Evaporation separation process>
In the evaporation separation step S14, the solvent is evaporated from the liquid separated in the solid-liquid separation step S13. Evaporative separation of this solvent gives ashless coal (HPC). The ash-free coal thus obtained has an ash content of 5% by mass or less or 3% by mass or less, hardly contains ash, and has no water.
上記溶媒を蒸発分離する方法としては、一般的な蒸留法や蒸発法(スプレードライ法等)を含む分離方法を用いることができる。上記液体分からの溶媒の分離により、上記液体分から実質的に灰分を含まない無灰炭を得ることができる。 As a method of evaporating and separating the above-mentioned solvent, a separation method including a general distillation method or evaporation method (spray dry method etc.) can be used. By separating the solvent from the liquid, it is possible to obtain ashless coal substantially free of ash from the liquid.
一方、上記溶媒不溶成分からは、溶媒を蒸発分離させて副生炭を得ることができる。副生炭は、軟化溶融性は示さないが、含酸素官能基が脱離されている。そのため、副生炭は、配合炭として用いた場合にこの配合炭に含まれる他の石炭の軟化溶融性を阻害しない。従って、この配合炭は例えばコークス原料の配合炭の一部として使用することができる。また、副生炭は一般の石炭と同様に燃料として利用してもよい。 On the other hand, the solvent can be evaporated and separated from the solvent insoluble component to obtain by-product carbon. The byproduct coal does not show softening and melting properties, but the oxygen-containing functional group is eliminated. Therefore, by-produced coal does not inhibit the softening and melting properties of other coals contained in this blended coal when used as blended coal. Therefore, this blended coal can be used, for example, as a part of blended coke of coke raw material. Also, by-product coal may be used as a fuel like general coal.
<第2混合工程>
第2混合工程S15では、上記蒸発分離工程S14で得た無灰炭と高分子化合物とを溶媒に溶解する。この溶解により無灰炭及び高分子化合物が溶存する溶液が得られる。
<2nd mixing process>
In the second mixing step S15, the ashless carbon and the polymer compound obtained in the evaporation separation step S14 are dissolved in a solvent. As a result of this dissolution, a solution in which ashless charcoal and a polymer compound are dissolved is obtained.
上記高分子化合物としては、無灰炭と共に溶解可能な溶媒が存在するものであれば特に限定されないが、有機高分子化合物が好ましく、中でも無灰炭よりも炭素収率が低い有機高分子化合物が好ましい。無灰炭の炭素収率は通常30質量%以上70質量%以下であるので、上記高分子化合物の炭素収率の上限としては、25質量%が好ましく、15質量%がより好ましく、5質量%がさらに好ましい。このように炭素収率の低い高分子化合物を用いることで後述する加熱工程S2での細孔の増加効果が促進され易い。一方、上記高分子化合物の炭素収率の下限としては、特に限定されず0質量%であってもよい。このような高分子化合物としては、ポリメタクリル酸メチル(炭素収率4質量%)、ポリビニルピロリドン(炭素収率0質量%)、ポリスチレン(炭素収率10質量%)等を挙げることができる。 The above-mentioned polymer compound is not particularly limited as long as it has a solvent which can be dissolved together with ash-free carbon, but organic polymer compounds are preferable, among which organic polymer compounds having a lower carbon yield than ash-free charcoal preferable. Since the carbon yield of ash-free charcoal is usually 30% by mass to 70% by mass, the upper limit of the carbon yield of the above-mentioned polymer compound is preferably 25% by mass, more preferably 15% by mass, 5% by mass Is more preferred. Thus, the increase effect of the pore in heating process S2 mentioned later is easy to be promoted by using the low molecular weight compound of carbon yield. On the other hand, the lower limit of the carbon yield of the above-mentioned polymer compound is not particularly limited and may be 0% by mass. Examples of such a polymer compound include poly (methyl methacrylate) (carbon yield: 4% by mass), polyvinylpyrrolidone (carbon yield: 0% by mass), polystyrene (carbon yield: 10% by mass) and the like.
無灰炭及び高分子化合物を溶解させる溶媒としては、無灰炭及び高分子化合物が溶解する限り特に限定されないが、酸素原子又は窒素原子を含む有機化合物を主成分とするとよい。このように上記溶媒の主成分を酸素原子又は窒素原子を含む有機化合物とすることで、溶媒と無灰炭及び高分子化合物との親和性が高まり、電界紡糸する溶液における無灰炭及び高分子化合物含有量を制御し易い。その結果、多孔質炭素繊維の収量が増加するので、多孔質炭素繊維の製造コストが低減できる。このような溶媒としては、ピリジン(C5H5N)、テトラヒドロフラン(C4H8O)、ジメチルホルムアミド((CH3)2NCHO)、N−メチルピロリドン(C5H9NO)などが挙げられる。中でも無灰炭と親和性が高いピリジン及びテトラヒドロフランが好ましい。なお、酸素原子又は窒素原子を含む有機化合物は1種類であってもよく、また2種類以上の有機化合物が混合されていてもよい。 The solvent for dissolving the ashless carbon and the polymer compound is not particularly limited as long as the ashless carbon and the polymer compound dissolve, but it is preferable to use an organic compound containing an oxygen atom or a nitrogen atom as a main component. Thus, by making the main component of the solvent an organic compound containing an oxygen atom or a nitrogen atom, the affinity between the solvent and the ashless charcoal and the polymer compound is enhanced, and the ashless charcoal and the polymer in the solution for electrospinning It is easy to control the compound content. As a result, the production cost of porous carbon fibers can be reduced since the yield of porous carbon fibers is increased. Such solvents include pyridine (C 5 H 5 N), tetrahydrofuran (C 4 H 8 O), dimethylformamide ((CH 3 ) 2 NCHO), N-methyl pyrrolidone (C 5 H 9 NO), etc. Be Among them, pyridine and tetrahydrofuran having high affinity to ashless coal are preferable. The organic compound containing an oxygen atom or a nitrogen atom may be of one type, or two or more types of organic compounds may be mixed.
上記溶液における無灰炭の含有量の下限としては、20質量%が好ましく、25質量%がより好ましい。一方、上記溶液における無灰炭の含有量の上限としては、60質量%が好ましく、50質量%がより好ましく、40質量%がさらに好ましい。上記無灰炭の含有量が上記下限未満であると、電界紡糸時に液滴化し易くなるため、後述する電界紡糸工程S16において微細繊維を得ることが困難となるおそれがある。逆に、上記無灰炭の含有量が上記上限を超えると、電界紡糸により得られる微細繊維の径が大きくなり過ぎ、多孔質炭素繊維シートの比表面積が低下するおそれがある。 As a minimum of content of ash-free charcoal in the above-mentioned solution, 20 mass% is preferred and 25 mass% is more preferred. On the other hand, as an upper limit of content of ash-free charcoal in the above-mentioned solution, 60 mass% is preferred, 50 mass% is more preferred, and 40 mass% is still more preferred. If the content of the ash-free coal is less than the above lower limit, droplets are easily formed during electrospinning, so it may be difficult to obtain fine fibers in the later-described electrospinning step S16. On the contrary, when content of the above-mentioned ash-free charcoal exceeds the above-mentioned maximum, there is a possibility that the diameter of the fine fiber obtained by electrospinning becomes too large, and the specific surface area of a porous carbon fiber sheet may fall.
上記無灰炭及び高分子化合物の合計量に対する高分子化合物の含有量の下限としては、1質量%が好ましく、3質量%がより好ましく、5質量%がさらに好ましい。一方、上記無灰炭及び高分子化合物の合計量に対する高分子化合物の含有量の上限としては、15質量%が好ましく、10質量%がより好ましい。上記無灰炭及び高分子化合物の合計量に対する高分子化合物の含有量が上記下限未満であると、細孔の増加効果が不十分となるおそれがある。逆に、上記無灰炭及び高分子化合物の合計量に対する高分子化合物の含有量が上記上限を超えると、無灰炭との層分離が発生し易くなるため、細孔の増加効果が不十分となるおそれがある。 The lower limit of the content of the polymer compound with respect to the total amount of the ashless carbon and the polymer compound is preferably 1% by mass, more preferably 3% by mass, and still more preferably 5% by mass. On the other hand, as a maximum of content of a high molecular compound to a total amount of the above-mentioned ash-free charcoal and a high molecular compound, 15 mass% is preferred and 10 mass% is more preferred. If the content of the polymer compound with respect to the total amount of the ashless carbon and the polymer compound is less than the above lower limit, the pore increasing effect may be insufficient. Conversely, if the content of the polymer compound with respect to the total amount of the above ashless coal and the polymer compound exceeds the above upper limit, the layer separation from the ashless coal is likely to occur, so the pore increasing effect is insufficient May be
なお、無灰炭と高分子化合物とを溶媒に溶解する方法としては、溶媒に無灰炭と高分子化合物とを直接溶解させてもよく、無灰炭を溶媒に溶解した液と、高分子化合物を溶媒に溶解した液とを混合して調製してもよい。 In addition, as a method of dissolving ash-free charcoal and a polymer compound in a solvent, ash-free charcoal and a polymer compound may be directly dissolved in a solvent, and a solution in which ash-free charcoal is dissolved in a solvent, and a polymer It may be prepared by mixing a solution of the compound in a solvent.
<電界紡糸工程>
電界紡糸工程S16では、上記第2混合工程S15で得た溶液を用いて電界紡糸を行うことで、基板表面に微細繊維を堆積する。
<Electrospinning process>
In the electrospinning step S16, microfibers are deposited on the substrate surface by performing electrospinning using the solution obtained in the second mixing step S15.
電界紡糸は、例えば図3に示すようにシリンジ1と基板2とを有する電界紡糸部により行える。具体的には、電界紡糸は、上記溶液をシリンジ1に入れ、シリンジ1のノズル1aと基板2との間に電圧Eを印加することで行われる。ノズル1aと基板2との間に電圧Eを印加すると、ノズル1a先端の液滴表面に電荷が集まり、互いに反発して、円錐状となる。さらに電圧Eを増し、電荷の反発力が表面張力を超えると溶液はノズル1aの先端から基板2へ向かって噴出される。噴出された溶液流3が細くなると表面電荷密度が大きくなるため、電荷の反発力が増し、溶液流3はさらに引き伸ばされる。その際、溶液流3の比表面積が急速に大きくなることにより溶媒が揮発し、基板2の表面に微細繊維4が紡糸される。このように電界紡糸では、比較的簡単な装置で微細繊維4を作製できる。なお、図3ではノズル1aは1つであるが、複数のノズル1aを備え、同時に複数の微細繊維を作製してもよい。
Electrospinning can be performed, for example, by an electrospinning unit having a
上記基板2としては、導電性があるものであれば特に限定されないが、金属板、金属箔、炭素基板等を用いることができる。
The
上記ノズル1aの先端部の内径(ノズル内径)の下限としては、0.2mmが好ましく、0.4mmがより好ましい。一方、上記ノズル内径の上限としては、0.7mmが好ましく、0.6mmがより好ましい。上記ノズル内径が上記下限未満であると、得られる微細繊維4が細くなるため切れ易く、長繊維を得ることが困難となるおそれがある。逆に、上記ノズル内径が上記上限を超えると、得られる微細繊維4の径が大きくなるため、製造される多孔質炭素繊維の比表面積が低下するおそれがある。
The lower limit of the inner diameter (the inner diameter of the nozzle) of the tip end portion of the
紡糸間距離(ノズル1aの先端と基板2との距離)の下限としては、10cmが好ましく、12cmがより好ましい。一方、紡糸間距離の上限としては、20cmが好ましく、18cmがより好ましい。紡糸間距離が上記下限未満であると、溶媒が十分に揮発せず、電界紡糸が困難となるおそれがある。逆に、紡糸間距離が上記上限を超えると、得られる微細繊維4が細くなるため切れ易く、長繊維を得ることが困難となるおそれがある。
The lower limit of the interspinning distance (the distance between the tip of the
上記ノズル1aと基板2との間の印加電圧Eの下限としては、10kVが好ましく、12kVがより好ましい。一方、上記印加電圧Eの上限としては、30kVが好ましく、20kVがより好ましい。上記印加電圧Eが上記下限未満であると、微細繊維4を安定して形成できないおそれがある。逆に、上記印加電圧Eが上記上限を超えると、得られる微細繊維4の径の分布が広がり易くなるため、製造される多孔質炭素繊維が不均質となるおそれがある。
The lower limit of the applied voltage E between the
上記溶液流3の流量(1つのノズル1aからの溶液の吐出量)の下限としては、1ml/hが好ましく、1.5ml/hがより好ましい。一方、上記溶液流3の流量の上限としては、3ml/hが好ましく、2.5ml/hがより好ましい。上記溶液流3の流量が上記下限未満であると、微細繊維4を安定して形成できないおそれがある。逆に、上記溶液流3の流量が上記上限を超えると、微細繊維4の径が大きくなるため、製造される多孔質炭素繊維の比表面積が低下するおそれがある。なお、上記溶液流3の流量は、ノズル内径及び印加電圧Eにより制御できる。
The lower limit of the flow rate of the solution flow 3 (the discharge amount of the solution from one
基板2表面に堆積する微細繊維4の平均径の下限としては、0.5μmが好ましく、0.7μmがより好ましい。一方、上記微細繊維4の平均径の上限としては、5μmが好ましく、3μmがより好ましい。上記微細繊維4の平均径が上記下限未満であると、微細繊維4が切れ易く、長繊維を得ることが困難となるおそれがある。逆に、上記微細繊維4の平均径が上記上限を超えると、製造される多孔質炭素繊維の比表面積が低下するおそれがある。なお、上記微細繊維4の平均径は、制御性の観点から主に電界紡糸の印加電圧E又は上記溶液における無灰炭及び高分子化合物の含有量により制御される。また、上記微細繊維4の平均径は、ノズル内径や紡糸間距離により調整することもできる。
The lower limit of the average diameter of the
なお、基板2表面に堆積した微細繊維4は、基板2から剥離される。当該多孔質炭素繊維の製造方法では、無灰炭の優れた電界紡糸性により微細繊維4が切断されることなく連続的かつランダムに基板2上に堆積する。従って、当該多孔質炭素繊維の製造方法を用いることで長繊維の多孔質炭素繊維を得易い。
The
[加熱工程]
加熱工程S2では、上記堆積工程S1で得られた微細繊維を加熱する。この加熱工程S2は、加熱部により行うことができる。
[Heating process]
In the heating step S2, the fine fibers obtained in the deposition step S1 are heated. The heating step S2 can be performed by the heating unit.
(加熱部)
加熱部は、加熱により上記微細繊維を炭素化する。
(Heating unit)
The heating unit carbonizes the fine fibers by heating.
上記加熱部としては、例えば公知の電気炉等を用いることができ、微細繊維を加熱部へ挿入し、内部を不活性ガスで置換した後、加熱部内へ不活性ガスを吹き込みながら加熱を行うことで微細繊維の炭素化ができる。上記不活性ガスとしては、特に限定されないが、例えば窒素やアルゴン等を挙げることができる。中でも安価な窒素が好ましい。 For example, a known electric furnace or the like can be used as the heating unit, and fine fibers are inserted into the heating unit, the inside is replaced with inert gas, and heating is performed while blowing inert gas into the heating unit. Carbonization of fine fibers. The inert gas is not particularly limited, and examples thereof include nitrogen and argon. Among them, inexpensive nitrogen is preferable.
上記加熱温度の下限としては、500℃が好ましく、700℃がより好ましい。一方、上記加熱温度の上限としては、3000℃が好ましく、2800℃がより好ましい。上記加熱温度が上記下限未満であると、炭素化が不十分となるおそれがある。逆に、加熱温度が上記上限を超えると、設備の耐熱性向上や燃料消費量の観点から製造コストが上昇するおそれがある。なお、昇温速度としては、例えば0.01℃/min以上10℃/min以下とすることができる。 As a minimum of the above-mentioned heating temperature, 500 ° C is preferred and 700 ° C is more preferred. On the other hand, as an upper limit of the above-mentioned heating temperature, 3000 ° C is preferred and 2800 ° C is more preferred. If the heating temperature is below the lower limit, carbonization may be insufficient. On the other hand, if the heating temperature exceeds the above upper limit, the manufacturing cost may increase from the viewpoint of improving the heat resistance of the equipment and the fuel consumption. In addition, as a temperature rising rate, it can be set, for example as 0.01 degrees C / min or more and 10 degrees C / min or less.
また、加熱時間の下限としては、10分が好ましく、20分がより好ましい。一方、加熱時間の上限としては、10時間が好ましく、8時間がより好ましい。加熱温度が上記下限未満であると、炭素化が不十分となるおそれがある。逆に、加熱時間が上記上限を超えると、多孔質炭素繊維の製造効率が低下するおそれがある。 Moreover, as a minimum of heating time, 10 minutes are preferable and 20 minutes are more preferable. On the other hand, as an upper limit of heating time, 10 hours are preferable and 8 hours are more preferable. If the heating temperature is less than the above lower limit, carbonization may be insufficient. Conversely, if the heating time exceeds the above upper limit, the production efficiency of the porous carbon fiber may be reduced.
製造される多孔質炭素繊維の比表面積の下限としては、700m2/gが好ましく、800m2/gがより好ましく、1000m2/gがさらに好ましい。上記比表面積が上記下限未満であると、多孔質材料として用いることが困難となるおそれがある。一方、上記比表面積の上限としては、特に限定されないが、通常3000m2/g程度である。 The lower limit of the specific surface area of the porous carbon fibers produced, preferably from 700 meters 2 / g, more preferably 800 m 2 / g, more preferably 1000 m 2 / g. There exists a possibility that it may become difficult to use as a porous material as the said specific surface area is less than the said minimum. On the other hand, the upper limit of the specific surface area is not particularly limited, but is usually about 3000 m 2 / g.
得られる炭素繊維の平均径の下限としては、0.5μmが好ましく、0.7μmがより好ましい。一方、上記炭素繊維の平均径の上限としては、5μmが好ましく、3μmがより好ましい。上記炭素繊維の平均径が上記下限未満であると、炭素繊維が切れ易く、長繊維を得ることが困難となるおそれがある。逆に、上記炭素繊維の平均径が上記上限を超えると、製造される多孔質炭素繊維の比表面積が低下するおそれがある。なお、上記炭素繊維の平均径は、微細繊維4の平均径により決まり、微細繊維4の平均径は、制御性の観点から主に電界紡糸の印加電圧Eにより制御される。また、上記微細繊維4の平均径は、ノズル内径や紡糸間距離により調整することもできる。
As a lower limit of the mean diameter of carbon fiber obtained, 0.5 micrometer is preferred and 0.7 micrometer is more preferred. On the other hand, as an upper limit of the mean diameter of the above-mentioned carbon fiber, 5 micrometers is preferred and 3 micrometers is more preferred. If the average diameter of the carbon fiber is less than the above lower limit, the carbon fiber may be easily cut, and it may be difficult to obtain long fibers. Conversely, if the average diameter of the carbon fibers exceeds the upper limit, the specific surface area of the porous carbon fibers to be produced may be reduced. The average diameter of the carbon fibers is determined by the average diameter of the
[利点]
当該多孔質炭素繊維の製造方法では、無灰炭を炭素原料として用いる。無灰炭は比較的安価で優れた電界紡糸性を有し、炭素以外の物質を必要としない。さらに、電界紡糸用の無灰炭が溶存する溶液に高分子化合物を混合することで、この優れた電界紡糸性が高められる。また、当該多孔質炭素繊維の製造方法では、無灰炭の優れた黒鉛化性に基づいて、賦活等の処理を施すことなく電界紡糸により高比表面積で長繊維の多孔質炭素繊維を容易に得ることができる。また、加熱工程で炭素化する際に高分子化合物の分解及び散逸により炭素材料中の細孔が増加する。従って、当該多孔質炭素繊維の製造方法を用いることで、比較的製造コスト及び製造効率に優れ、かつ比表面積の大きい炭素繊維が製造できる。
[advantage]
In the method of producing porous carbon fibers, ashless coal is used as a carbon material. Ashless coal is relatively inexpensive, has excellent electrospinning properties, and does not require materials other than carbon. Furthermore, the excellent electrospinning property is enhanced by mixing the polymer compound with a solution in which ash-free charcoal for electrospinning is dissolved. In addition, in the method for producing porous carbon fibers, based on the excellent graphitability of ash-free charcoal, porous carbon fibers of long fibers with high specific surface area can be easily formed by electrospinning without treatment such as activation. You can get it. In addition, when carbonizing in the heating step, the pores in the carbon material increase due to the decomposition and dissipation of the polymer compound. Therefore, by using the method for producing porous carbon fibers, carbon fibers which are relatively excellent in production cost and production efficiency and have a large specific surface area can be produced.
また、当該多孔質炭素繊維の製造方法では、無灰炭として溶媒抽出されたものを用いることで、さらに製造効率を高め、かつ製造コストを低減できる。 Moreover, in the manufacturing method of the said porous carbon fiber, manufacturing efficiency can be further improved and manufacturing cost can be reduced by using what was solvent-extracted as ash-free charcoal.
[その他の実施形態]
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
Other Embodiments
The present invention is not limited to the above embodiment.
上記実施形態では、無灰炭を溶媒抽出により製造する方法を説明したが、無灰炭の製造方法はこれに限定されず、例えば石炭と水素供与性溶剤との混合加熱により製造された無灰炭を用いることもできる。 Although the method of producing ash-free charcoal by solvent extraction has been described in the above embodiment, the method of producing ash-free charcoal is not limited thereto, and for example, ash-free produced by mixed heating of coal and a hydrogen donating solvent Charcoal can also be used.
また、上記実施形態では、蒸発分離工程で無灰炭を溶媒抽出した後、第2混合工程で無灰炭を溶解して電界紡糸する溶液を調製したが、無灰炭を抽出する溶媒と電界紡糸する溶液の溶媒とを同種類の溶媒とすることで、蒸発分離工程を省略してもよい。この場合、第2混合工程では、例えば固液分離工程で得られる液体分に高分子化合物を溶解するとよい。この液体分に高分子化合物を溶解した溶液を電界紡糸の溶液として用いることができる。なお、第2混合工程で、無灰炭を抽出する溶媒と同じ溶媒に高分子化合物を溶解した溶液を準備し、上記液体分にこの高分子化合物を含む溶液を混合して、電界紡糸の溶液を調製することもできる。 Furthermore, in the above embodiment, after ash-free charcoal is subjected to solvent extraction in the evaporation separation step, a solution in which the ash-free charcoal is dissolved and electrospinning is prepared in the second mixing step. The evaporation separation step may be omitted by using the same solvent as the solvent of the solution to be spun. In this case, in the second mixing step, for example, the polymer compound may be dissolved in the liquid component obtained in the solid-liquid separation step. A solution in which the polymer compound is dissolved in the liquid can be used as a solution for electrospinning. In the second mixing step, a solution in which the polymer compound is dissolved in the same solvent as the solvent for extracting ash-free charcoal is prepared, and a solution containing the polymer compound is mixed with the liquid to obtain an electrospinning solution. Can also be prepared.
上記実施形態では、第1混合工程の混合部が調製槽を有する構成について説明したが、この構成に限らず、溶媒と石炭との混合ができれば、調製槽を省略してもよい。例えばラインミキサーにより上記混合が完了するような場合には、調製槽を省略して供給管と分離部との間にラインミキサーを備える構成としてもよい。このように各工程で用いられる装置構成は、上記実施形態に限定されない。 Although the above-mentioned embodiment explained the composition which a mixing part of the 1st mixing process has a preparation tank, if a solvent and coal can be mixed not only in this composition, a preparation tank may be omitted. For example, when the above mixing is completed by a line mixer, the preparation tank may be omitted and a line mixer may be provided between the supply pipe and the separation unit. Thus, the device configuration used in each process is not limited to the above embodiment.
以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples, but the present invention is not limited to these examples.
[実施例1]
瀝青炭の溶媒抽出により製造された無灰炭を炭素原料として準備した。この無灰炭の元素分析値を表1に示す。また、この無灰炭の炭素収率は55質量%であった。
Example 1
Ashless coal manufactured by solvent extraction of bituminous coal was prepared as a carbon raw material. Elemental analysis values of this ashless coal are shown in Table 1. Moreover, the carbon yield of this ash-free charcoal was 55 mass%.
なお、表1において、酸素量は、炭素、水素、窒素及び硫黄以外の成分量を意味し、100質量%から炭素、水素、窒素及び硫黄の成分量を引いたものである。 In addition, in Table 1, the amount of oxygen means the amount of components other than carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur, and subtracts the amount of components of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur from 100 mass%.
高分子化合物としては、ポリメタクリル酸メチル(PMMA、炭素収率4質量%)を準備した。 As a polymer compound, polymethyl methacrylate (PMMA, carbon yield 4% by mass) was prepared.
溶媒としてピリジンを準備した。この溶媒に無灰炭及び高分子化合物を溶解し、溶液における無灰炭の含有量が30質量%、無灰炭及び高分子化合物の合計量に対する高分子化合物の含有量が2質量%となるように調製した。 Pyridine was prepared as a solvent. The ashless coal and the polymer compound are dissolved in this solvent, and the content of the ashless coal in the solution is 30% by mass, and the content of the polymer compound is 2% by mass with respect to the total amount of the ashless coal and the polymer compound. Prepared as follows.
この溶液を用いて表2に示す条件で電界紡糸を行い、アルミニウム箔基板上に微細繊維を堆積した。この微細繊維をアルミニウム箔から剥離させた後、3.3℃/分の昇温速度で900℃まで昇温し、30分間の加熱処理(炭素化)を行い、実施例1の多孔質炭素繊維を製造した。 Using this solution, electrospinning was performed under the conditions shown in Table 2 to deposit fine fibers on an aluminum foil substrate. The fine fibers are peeled off from the aluminum foil, heated to 900 ° C. at a temperature rising rate of 3.3 ° C./min, heat-treated (carbonized) for 30 minutes, and the porous carbon fibers of Example 1 Manufactured.
[実施例2〜6、比較例1]
高分子化合物として実施例2、3ではPMMA、実施例4、5ではポリビニルピロリドン(PVP、炭素収率0質量%)、実施例6ではポリスチレン(PSt、炭素収率10質量%)を用い、高分子化合物の含有量を表3となるように電界紡糸に用いる溶液を調製した。また、比較例1では電界紡糸に用いる溶液に高分子化合物を溶存させなかった。上記以外は実施例1と同様にして実施例2〜6及び比較例1の多孔質炭素繊維を製造した。
[Examples 2 to 6, Comparative Example 1]
As polymer compounds, PMMA is used in Examples 2 and 3, polyvinyl pyrrolidone (PVP, carbon yield 0 mass%) in Examples 4 and 5, and polystyrene (PSt, carbon mass 10 mass%) in Example 6 A solution used for electrospinning was prepared such that the content of the molecular compound was as shown in Table 3. In Comparative Example 1, the polymer compound was not dissolved in the solution used for electrospinning. The porous carbon fibers of Examples 2 to 6 and Comparative Example 1 were produced in the same manner as Example 1 except for the above.
[評価方法]
上記実施例1〜6及び比較例1について、以下の測定を行った。
[Evaluation method]
The following measurements were performed on Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 described above.
<平均繊維径>
炭素繊維の平均径(平均繊維径)を走査電子顕微鏡により測定した。測定は、走査電子顕微鏡の視野内の任意の10本の繊維径を計測し、その平均を求めた。測定結果を表3に示す。
<Average fiber diameter>
The average diameter (average fiber diameter) of carbon fibers was measured by a scanning electron microscope. The measurement measured the diameter of 10 arbitrary fibers in the visual field of a scanning electron microscope, and calculated the average. The measurement results are shown in Table 3.
<比表面積>
多孔質炭素繊維の比表面積を窒素吸着(BET法)により測定した。測定結果を表3に示す。
<Specific surface area>
The specific surface area of the porous carbon fiber was measured by nitrogen adsorption (BET method). The measurement results are shown in Table 3.
表3中で「―」は、電界紡糸に用いる溶液に高分子化合物を溶存させなかったことを意味する。 In Table 3, "-" means that the polymer compound was not dissolved in the solution used for electrospinning.
表3の結果から、高分子化合物の種類や含有量によらず、電界紡糸に用いる溶液に高分子化合物を溶存させた実施例1〜6は、高分子化合物を溶存させていない比較例1に比べて比表面積が大きい。このことから電界紡糸用の溶液に高分子化合物を混合することで、炭素原料の電界紡糸性が高められ、得られる炭素繊維の比表面積を大きくできることが分かる。 From the results of Table 3, in Examples 1 to 6 in which the polymer compound was dissolved in the solution used for electrospinning, regardless of the type and the content of the polymer compound, Comparative Example 1 in which the polymer compound was not dissolved was used. The specific surface area is larger than that. From this, it is understood that by mixing the polymer compound with the solution for electrospinning, the electrospinning property of the carbon raw material can be enhanced, and the specific surface area of the obtained carbon fiber can be increased.
また、高分子化合物の含有量が3質量%以上10質量%以下の範囲にある実施例2及び実施例5は、同種の高分子化合物を用いている他の実施例より炭素繊維の比表面積が大きい。つまり、高分子化合物の含有量を3質量%以上10質量%以下とすることで、さらに炭素繊維の比表面積を高められることが分かる。 Moreover, the specific surface area of the carbon fiber of Example 2 and Example 5 in which the content of the polymer compound is in the range of 3% by mass to 10% by mass is higher than those of the other examples using the same polymer compound. large. That is, it is understood that the specific surface area of the carbon fiber can be further enhanced by setting the content of the polymer compound to 3% by mass or more and 10% by mass or less.
以上説明したように、本発明の多孔質炭素繊維の製造方法を用いることで、比較的良好な製造コスト及び製造効率で、比表面積の大きい多孔質炭素繊維を製造できる。 As explained above, by using the method for producing porous carbon fibers of the present invention, porous carbon fibers having a large specific surface area can be produced at relatively good production cost and efficiency.
S1 堆積工程
S2 加熱工程
S11 第1混合工程
S12 溶出工程
S13 固液分離工程
S14 蒸発分離工程
S15 第2混合工程
S16 電界紡糸工程
1 シリンジ
1a ノズル
2 基板
3 溶液流
4 微細繊維
E 電圧
S1 deposition step S2 heating step S11 first mixing step S12 elution step S13 solid-liquid separation step S14 evaporation separation step S15 second mixing step
Claims (4)
上記堆積工程で得られた微細繊維を加熱する工程と
を備える多孔質炭素繊維の製造方法。 Depositing fine fibers on a substrate surface by electrospinning of a solution in which ash-free charcoal and a polymer compound are dissolved;
Heating the fine fibers obtained in the deposition step.
石炭及び溶媒を混合する工程と、
上記混合工程で得られたスラリー中の上記石炭から上記溶媒に可溶な成分を溶出させる工程と、
上記溶出工程で溶出後の上記スラリーを、溶媒可溶成分を含む液体分及び溶媒不溶成分に分離する工程と
を備える請求項1又は請求項2に記載の多孔質炭素繊維の製造方法。 As the above deposition process,
Mixing the coal and the solvent;
Eluting the component soluble in the solvent from the coal in the slurry obtained in the mixing step;
The method for producing porous carbon fiber according to claim 1 or 2, further comprising: separating the slurry after elution in the elution step into a liquid component containing a solvent soluble component and a solvent insoluble component.
4. The voltage of electrospinning or the content of ash-free charcoal and polymer compound in the above solution is adjusted so that the average diameter of the obtained carbon fiber is 0.5 μm or more and 5 μm or less. The manufacturing method of the porous carbon fiber as described in-.
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