JP2635784B2

JP2635784B2 - 束状繊維塊活性炭およびその製造方法

Info

Publication number: JP2635784B2
Application number: JP1291158A
Authority: JP
Inventors: 史洋三好; 幸広大杉; 浩三弓立; 誠之角; 護神下
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1989-11-10
Filing date: 1989-11-10
Publication date: 1997-07-30
Anticipated expiration: 2012-07-30
Also published as: JPH03153515A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は吸着能力および広い表面積を活かして、公害
防止および環境浄化、食品工業、石油工業等、幅広い産
業分野で利用されている高機能性繊維状活性炭およびそ
の製造方法に関するものである。

（従来の技術）活性炭は無数の微細孔を有し、単位重量当りの外表面
積が大きく、気相、液相中での種々の分子を引き付けて
保持し、また脱離させることもできる。従って、従来よ
り活性炭はこの吸着脱離能力を活かして、種々の分子の
分離剤、触媒、触媒担体等として用いられている。

活性炭は、その形態から、一般に粒径が149μｍ以下
の粉末活性炭と粒径が1mm〜3mm程度の粒状活性炭と、無
定形の繊維状活性炭との大別される。

活性炭素繊維の製造は、ポリアクリロニトリル系繊維
を原料とするもの、フェノール樹脂系繊維を原料とする
もの、セルロース系繊維を原料とするもの、ピッチ系繊
維を原料とするものなどがある。

従来より、ピッチ系活性炭素繊維は、特開昭61−1326
29号公報などの不織布の製造方法に見られるように、嵩
密度が低い状態で不融化、炭化賦活化処理されて製造さ
れており、さらには製品の形態もフェルト、マット、ペ
ーパーと、嵩密度の低いものばかりであった。

また、ポリアクリロニトリル系活性炭素繊維（特開昭
63−53294号公報など）や、セルロース系活性炭素繊維
（特開昭51−19818号公報など）のシート状集合体の賦
活化においても、嵩密度の低い状態で賦活化するため、
熱処理炉の容積がどうしても大きくなり、生産性が悪か
った。

（発明が解決しようとする課題）粉末活性炭は、粒状活性炭に比べて、単位重量当りの
外表面積が大きく、吸着速度が速いという利点はある
が、粒径が149μｍ以下と小さいために飛び易く、概し
て取り扱いが困難で、粉塵爆発の危険性もある。また、
固定層で使用するとき通気抵抗が大きいことから、気相
中での使用は困難であり、処理液と適当量の活性炭とを
混合した後に濾過する接触回分法で利用され、液層中で
の種々の分子の分離剤、除去剤、吸着剤、分解剤、回収
剤、触媒担体としてしか用いられないという欠点を有し
ている。仮に、気相中で、有害物質の種々の分子の吸着
効果を得ようとすれば、処理量の減少、いわゆる吸着効
率の低下を招くことになる。

一方、粒状活性炭は、粉末活性炭に比べて取り扱い易
く、飛散し難く、粉塵爆発の危険性もなく、また固定層
で使用するときには通気抵抗が小さいことから、気相中
でも液層中でも利用でき、また再生使用ができるという
利点を有するが、その一方で破砕粉化され易く、単位重
量当りの外表面積が小さく、吸着速度、脱着速度が遅い
という欠点も有する。従って、仮に、精製しようとする
ガスまたは液を粒状活性炭層に流し、低濃度の有害物質
の種々の分子を十分に吸着除去しようとすれば、大容量
の粒状活性炭層を必要とし、処理量の減少、いわゆる吸
着効率の低下を招く結果となる。また、精製しようとす
るガスまたは液を粒状活性炭流動層に流し、有害物質の
種々の分子を吸着除去しようとすれば、粒径が１〜3mm
程度と大きいことや、粒子密度が大きいことから、多量
のガスまたは液流を必要とし、吸着除去率の低下を招
き、粒状活性炭の摩耗、破砕ロスを引き起こすことにな
る。

これに対し、活性炭素繊維は、一般に炭素繊維をガス
賦活化または薬品賦活化することで製造される繊維状の
活性炭で、繊維１本１本の単位重量当りの外表面積が大
きく、吸着、脱着速度が速いという利点がある。しか
し、繊維であるため、繊維集合体としては強度が弱く、
作業性が悪く、取り扱い難く、飛散し易く、形状繊維性
が悪く、空隙率が高く、充填密度が低いという欠点を有
する。また、再生処理、再使用に当たっても、飛散し易
く、また形状維持性が悪いために空隙率、充填密度の再
現性が悪いという問題がある。従って、仮に、精製しよ
うとするガスまたは液を活性炭素繊維層に流し、低濃度
の含有物質の種々の分子を十分に吸着除去しようとすれ
ば、大容量の活性炭素繊維層を必要とし、経済的でな
く、処理量の減少、いわゆる吸着効率の低下を招く結果
となる。また、精製しようとするガスまたは液を、活性
炭素繊維を綿状にした流動層に流し有害物質の種々の分
子の吸着除去を行おうとすると、綿状にした繊維体は形
状維持性が悪く、ばらけ飛散し、摩耗、破砕ロスを引き
起こし、同じく、吸着除去率の低下、処理量の減少、い
わゆる吸着効率の低下を招くことになる。更に、仮に、
形状維持性を改善する目的で、織物、不織布、例えばフ
ェルト、マット、ペーパーに加工して利用すれば、加工
費がかかり経済的でないばかりか、一般的に行われてい
る活性炭再生炉（縦型多段炉、流動層炉等）による熱再
生法が困難になり、再生使用が困難になるという問題も
出てくる。

また、これらの織物、フェルト、マット、ペーパー等
の不織布状の活性炭素繊維の製造や使用にあたっても、
嵩密度が低いため、製造装置や使用装置が大きくなり、
経済的にコスト高になるという問題がある。

そこで本発明の目的は、粉末活性炭、粒状活性炭およ
び従来の活性炭素繊維の欠点を解消し、吸着能力が高
く、吸着脱着速度が速く、ハンドリング性が良好で形状
繊維特性が良く、かつ再生使用が容易な高機能性活性炭
およびその製造方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結
果、活性炭素繊維を同一方向に配列し束状の繊維塊とす
ることにより高機能性の活性炭が得られることを見い出
し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、複数本の活性炭素繊維が同一方
向に配列してなる束状繊維塊活性炭およびその製造方法
に関するものである。

上記活性炭素繊維の繊維径は、好ましくは３μｍ〜50
μｍ、更に好ましくは５μｍ〜30μｍである。

また、本発明の繊維塊活性炭の充填密度は0.01g/cm³
以上、好ましくは0.03g/cm³以上、更に好ましくは0.05g
/cm³以上である。

更に、本発明の束状繊維塊活性体は、活性炭素繊維が
同一方向に配列し、片端もしくは両端において繊維同志
が全部又は一部接着していることが好ましい。

尚、本発明の活性炭素繊維または原料繊維は複数本の
繊維が同一方向に配列したものであるが、これら複数本
の繊維は交差していてもよい。

本発明の繊維塊活性炭は、適当な太さを有する複数本
の原料繊維を同一方向に配列し、得られたピッチ繊維を
所望の長さに切断した後、高密度集束状態で不織化、炭
化賦活化処理すにことにより得ることができる。あるい
はまた、適当な太さを有する炭素繊維を同一方向に配列
し、所望の長さに切断し、適当な充填密度を有する束状
の繊維塊とし、この繊維塊を適当な方法で賦活化するこ
とによっても得ることができる。

以下、本発明の束状繊維塊活性炭の製造方法について
具体的に説明する。

ピッチを原料とする場合、石油系あるいは石炭系ピッ
チから、熱処理等の処理により、200℃以上の高軟化点
を有する実質的に光学的等方法のピッチ、いわゆるプリ
カーサーピッチを得る。このプリカーサーピッチを溶融
紡糸して、得られたピッチ繊維を所望の一定の長さに切
断した後、高密度集積状態で酸化性ガス雰囲気下で加熱
することにより不融化処理させ、次いで炭化賦活化処理
を行う。

プリカーサーピッチの溶融紡糸においては、不融化、
炭化賦活化処理を容易にするために、同一方向に配列し
た繊維間に空隙を作る。このためには、二硫化モリブデ
ン、二硫化タングステン、タルク又は黒鉛のような固体
潤滑剤を含む集束剤を、溶融紡糸後のピッチ繊維に塗布
して集束させるのが好ましい。集束後、切断装置で1mm
〜50mmに切断して、繊維塊ピッチ繊維を得る。この切断
方法は、通常のローターリーカッターなどの切断方法を
とっても良いが、ニクロム線などの熱線による切断が好
ましい。熱線による切断では、熱線によって切断部分で
ピッチ繊維が一部溶融して繊維同志が接着し、炭化賦活
化処理において繊維塊の形状が崩れにくくなる。また、
製品の繊維塊活性炭の形状維特性が向上し、再生使用が
容易になる。

次に、ピッチ繊維塊の不融化処理は、酸化性ガス、例
えば、空気、酸素、二酸化窒素などの混合ガス雰囲気中
で加熱処理することにより行うことができるが、薬品に
より不融化処理を行ってもよい。

不融化繊維塊の炭化賦活化処理は、繊維塊を水蒸気、
二酸化炭素、酸素またはこれらを少なくとも一種類以上
含む混合ガスで流動化するか、あるいは流動化せずに通
常の方法で賦活化することにより行う。

（作用）本明の束状繊維塊活性炭の繊維径の好適範囲を３μｍ
〜50μｍとしたのは、３μｍ未満のものは引張強度が弱
く、繊維塊の形状維持が難しく、また再生歩留まりを悪
くなり、一方50μｍを越えると単位重量当りの外表面積
が小さく、十分な吸着能力と吸着・脱着速度を得ること
が難しく、繊維塊活性炭としては好ましいものではない
からである。かかる見地より、最も好ましい範囲は、５
μｍ〜30μｍである。

また、繊維塊活性炭の充填密度を0.03g/cm³以上とし
たのは、この値よりも小さな充填密度のものは空隙率が
高く、精製しようとするガスまたは液を繊維塊活性炭を
充填した層に流して、低濃度の有害物質の種々の分子を
十分に吸着除去しようとすれば、大容積の繊維塊活性炭
層を必要とし、経済的でなく、また繊維塊強度が弱く、
繊維塊の形状維持が難しくなり、処理量の減少、即ち、
吸着効率の低下を招き、好ましくないからである。但
し、束状繊維塊活性炭が本発明の形態である場合には、
繊維塊の充填密度が0.01g/cm³以上あれば、十分に本発
明の目的を達成することができる。

上述の結果、本発明の束状繊維塊活性炭は単位重量当
りの外表面積が大きく、吸着速度が速く、しかも束状で
あることから、作業性・ハンドリング性に優れ、形状維
持性が良く、再生使用が容易である等、高度処理技術に
不可欠な高度の機能性を有し、よって液相でも気相でも
利用することができ、公害防止および環境浄化等に用い
ることができる。

また、製造においても、あらかじめ紡糸後に束状に形
態加工した場合には、嵩密度が高くなるため、製造設備
を小さくすることができ、製造コストを下げることがで
きる。

（実施例）次に本発明を実施例および比較例により説明する。

実施例石炭系ピッチを原料とし、ベンゼン不溶分を56％含む
全面光学的等方性ピッチ（プリカーサーピッチ）を溶融
紡糸し、ピッチ繊維を得た。得られたピッチ繊維は径18
μｍで、この繊維を黒鉛粉末５％分散液で集束後、熱線
カッターにて長さ3mmの繊維が並行に配列した繊維塊ピ
ッチを作った。これを５℃/minの速度で昇温し、320℃
で空気流通下で不融化処理した。さらに水蒸気30％の賦
活化ガス流通下、850℃で流動層にて炭化賦活下処理し
た。

得られた繊維塊活性炭は、繊維同志が接着し、平均繊
維径14μｍ、比表面積1800m²/g、平均細孔径2nm、充填
密度0.3g/cm³、平均長3mm、平均径2mmであった。

上記繊維塊活性炭を充填した吸着カラムに、上水場の
原水を通水して吸着処理を行った。吸着カラムは内径30
mmのガラス管に繊維塊活性炭5gを充填したものを用い
た。通水は50を連続的に行い、その間の原水と処理水
のTOC値を測定した。

原水流量は、5gの繊維塊活性炭に対して、800ml/hrと
し、繊維塊活性炭充填層の体積当りの流量SVを32（1/h
r）とした。

通水量に対する原水と処理水のTOC値およびTOC除去率
を下記の第１表に示す。

さらに、原水100処理するごとに、繊維塊活性炭を
再生し、吸着・再生の繰り返し処理を行った。再生は、
通常の水蒸気加熱再生で行い、通水により、吸着した繊
維塊活性炭を30mm径の石英管に移し、He気流中で850℃
に昇温後、水蒸気を加え、水蒸気分圧30％、850℃、再
生時間1hrで行った。

再生による繊維活性炭の重量および平均のTOC除去率
を下記の第２表に示す。

比較例実施例１で使用した同じプリカーサーピッチをエアー
サッカーにて溶融紡糸し、0.01g/cm³の充填密度で堆積
させ、実施例と同様にして不融化、炭化賦活化処理して
綿状の充填密度0.02g/cm³の活性炭素繊維を得た。実施
例１と同様の特性の活性炭素繊維が得られたが、実施例
１と同じ吸着カラムに活性炭素繊維は1gしか装入できな
かった。また、実施例１と同様に除去率を測定すると、
43％であった。

（発明の効果）以上説明してきたように、本発明の同一方向に配列し
た繊維塊活性炭は、従来の活性炭、すなわち粒状活性
炭、粉末活性炭、活性炭素繊維に比べて、吸着能力が高
く、吸着・脱着速度が速く、ハンドリング性および形状
維持性がよく、再生使用が容易で、機能性の向上と形状
の改善がなされている。

従って、かかる繊維塊活性炭は高吸着能力および広い
外表面積を活かして、幅広い産業分野で利用されている
活性炭として極めて優れた特性を有し、公害防止および
環境浄化の他に、食品工業、石油工業等幅広い分野に用
いることができ、高度処理技術に不可欠なものとして産
業上極めて有用である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者角誠之千葉県千葉市川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者神下護千葉県千葉市川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数本の活性炭素繊維が同一方向に配列し
てなる束状繊維塊活性炭。
【請求項２】片端もしくは両端において繊維同志が全部
又は一部接着している請求項１記載の束状繊維塊活性
炭。
【請求項３】プリカーサーピッチを溶融紡糸し、得られ
たピッチ繊維を所望の一定の長さに切断した後、高密度
集束状態で不融化処理し、次いで炭化賦活化処理するこ
とを特徴とする請求項１記載の束状繊維塊活性炭の製造
方法。
【請求項４】上記ピッチ繊維の切断の方法において、切
断部分を溶融して、繊維同志を接着させることを特徴と
する請求項３記載の方法。