JP4704903B2

JP4704903B2 - 揮発性有機化合物の処理方法

Info

Publication number: JP4704903B2
Application number: JP2005355771A
Authority: JP
Inventors: 清高大西; 哲雄坂本; 巧河野; 初雄平
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Chemical Co Ltd; Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel and Sumikin Chemical Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2025-12-09
Also published as: JP2006187767A

Description

本発明は、揮発性有機化合物の処理方法に関する。

揮発性有機化合物（以下、ＶＯＣという。）は、有機溶剤を使用する施設において発生し、例えば、石油貯蔵タンク、ガソリンスタンド、化学メーカーの貯槽、塗装、印刷あるいは接着現場等において多量に発生するＶＯＣはガス状となり大気に拡散されている。このＶＯＣの大気拡散の防止が、近時、環境汚染対策上重要視されつつある。
日本では、大手企業において、既に、ＶＯＣを含む有機溶剤の使用量の低減、あるいは、ＶＯＣ発生源から発生するＶＯＣの回収処理が行われるようになってきた。また、２０１０年までにＶＯＣ発生量の３０％削減が法的に義務付けられるようになった。

従来、ＶＯＣを含有するガスからＶＯＣを除去する方法としては、このガスを吸着剤で処理してＶＯＣを吸着、除去する方法が採用されている。小規模で簡易な設備では、吸着剤はＶＯＣを多量に吸着した後、吸着性能が悪くなるとそのまま廃棄され新しい吸着剤に取り替えられる。一方、大規模な設備では、ＶＯＣを吸着剤に吸着させた後、吸着剤を加熱し、吸着したＶＯＣを吸着剤より脱着（脱離）し、吸着剤を再度利用する方法が取られている。このとき、吸着剤より脱着したＶＯＣは、後段に設けられる凝集装置で回収される（例えば特許文献１参照。）。

上記したＶＯＣを除去する方法を実現する処理装置は、活性炭や合成ゼオライト等の吸着剤を充填した充填層タイプのものが、通常、用いられている。一方、ロータ回転式のＶＯＣ濃縮機を用い、ハニカムロータで吸着したＶＯＣを加熱空気で脱着して濃縮ガスに変えて溶剤回収する技術が提案されている。この場合、あくまでも、ＶＯＣ濃縮機の再生効率を高めることができる設備構造を提案するものであり、ハニカムロータは円筒ハニカム構造体に合成ゼオライトを担持したものを用いるとされている（特許文献２参照。）。
特開２００１−３００５１３号公報特開２０００−１８５２１５号公報

上記従来のＶＯＣ除去方法は、以下のいくつかの問題点を含む。
まず、吸着剤として一般的には価格が安い等の理由により粒状活性炭が多く使用されてきたが、この粒状活性炭は、吸着表面積が小さくＶＯＣの吸着量が少ない。また、吸収・脱離を繰り返して何度も再使用する場合、粒状活性炭は機械的強度が低いため、吸収・脱離による温度変化に起因する膨張・収縮により、微粉化する。さらに、粒状活性炭を充填した吸着層は、粒状活性炭の充填間隙が小さいため、ＶＯＣを吸着する際に発生する熱を、吸着層から外部に逃がすことができにくく、これにより、粒状活性炭が自然発火するおそれがある。
また、脱着（脱離）工程において、処理に多くの時間を必要とする。さらにまた、脱着には一般的に水蒸気が使用され、粒状活性炭から脱着したＶＯＣを同伴した水蒸気は上記した凝集装置で冷却水によるクエンチング等の方法によって冷却されて凝縮水として回収されるが、この場合、凝縮水中に溶解するＶＯＣを取り除いて除害するための排水処理が必要となる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、活性炭を吸着剤として用いる揮発性有機化合物の処理方法において、ＶＯＣの処理能力が高く、繰り返し使用時の吸着剤の機械的強度の低下が少ない方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、自然発火のおそれのない揮発性有機化合物の処理方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、ＶＯＣの脱着（脱離）処理を少ないエネルギにて短時間で行うことができる揮発性有機化合物の処理方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、脱着した揮発性有機化合物の後処理が容易な揮発性有機化合物の処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る揮発性有機化合物の処理方法は、処理ガス中に含まれる揮発性有機化合物をハニカム活性炭で吸着する吸着工程と、
該ハニカム活性炭に吸着した該揮発性有機化合物を脱着する脱着工程と、
該揮発性有機化合物を回収する回収工程と、
を有し、
該ハニカム活性炭がフェライト、ＳｉＣ、ＺｒＢ_２およびＷＣのなかから選ばれる１または２以上の成分を添加したものであり、
該ハニカム活性炭は、攪拌装置を備えた充填槽に充填され、
該脱着工程において、キャリヤーとして非酸化性ガスまたは不活性ガスを該充填槽内に導入し、マイクロ波を用いて該ハニカム活性炭を直接加熱すると共に、該充填槽内の雰囲気ガスを該攪拌装置で攪拌することにより該揮発性有機化合物を脱着し、
該脱着された揮発性有機化合物を同伴したキャリヤーを冷却して、該揮発性有機化合物を回収することを特徴とする。ここで言うハニカム活性炭とは、活性炭業界で一般に用いられている用語にて、活性炭に三角、四角あるいは六角の穴を有する活性炭を言う。

また、本発明に係る揮発性有機化合物の処理方法は、前記ハニカム活性炭が粉状活性炭に無機バインダを配合して成形したものであることを特徴とする。

また、本発明に係る揮発性有機化合物の処理方法は、前記ハニカム活性炭のマイクロ波を照射される側の表面からの厚みが２５ｍｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明に係る揮発性有機化合物の処理方法は、前記脱着工程において、キャリヤーとして非酸化性ガスまたは不活性ガスを用いることを特徴とする。

本発明に係る揮発性有機化合物の処理方法は、吸着剤としてハニカム活性炭を用いるため、ＶＯＣの処理能力が高く、繰り返し使用時の吸着剤の機械的強度の低下が少ない。また、吸着剤が自然発火するおそれがない。
また、本発明に係る揮発性有機化合物の処理方法は、脱着工程においてマイクロ波を用いて吸着剤を直接加熱するため、少ないエネルギで短時間に揮発性有機化合物を脱着処理することができる。
また、本発明に係る揮発性有機化合物の処理方法は、脱着工程においてキャリヤーとして非酸化性ガスまたは不活性ガスを用いるため、脱着した揮発性有機化合物の後処理が容易である。

以下、本実施の好適な実施の形態について、以下に説明する。

前記のように、ＶＯＣを処理する吸着剤として粒状活性炭を充填して用いた場合、粒状活性炭の実効表面積が著しく小さくなり、ＶＯＣ吸着能力が低いことが知られている。すなわち、ＶＯＣは粒状活性炭の極表面のみに吸着するので、粒状活性炭の吸着能力の殆どが利用できないこととなる。この点を改良するためには、ＶＯＣを含有するガス（処理ガス）の流通を良好にすることが重要であり、それにより、おのずと有効表面積を十分に確保できるようになる。
活性炭の実効表面積を大きくして単位質量当たりのＶＯＣの回収量を上げるひとつの方法としては、表面積が広い繊維状の活性炭を用いることが考えられる。しかしながら、この場合、ガスの流速が小さいときには、その特性を良好に発揮するが、ガスの流速が大きくなると、機械的強度が劣るため適当ではない。

本発明に係る揮発性有機化合物の処理方法は、処理ガス中に含まれるＶＯＣをハニカム活性炭で吸着する吸着工程と、ハニカム活性炭に吸着したＶＯＣを脱着する脱着工程とを有する。
これにより、吸着剤として用いるハニカム活性炭のハニカム構造の特性として、吸着剤の実効表面積が多く取れ、また、吸着剤の機械強度も強くすることができる。
また、ハニカム活性炭は、粒状活性炭に比べて処理ガスが通る空間が大きく開かれており、放熱が大きく、内部に熱が蓄積されにくくなる。これにより、ハニカム活性炭は、粒状活性炭に見られるような自然発火を起こしにくい。

ハニカム活性炭は、粉状活性炭にバインダを配合した成形材料を例えば押し出し成形した後、焼成したものを用いることができる。
使用する粉状活性炭は、椰子殻炭、大鋸屑炭、ビッチ系等の適宜の種類のものを、吸着するＶＯＣによって自由に選択できる。
粉状活性炭に配合するバインダは、エポキシ樹脂や酢酸ビニル系の有機系のものを用いることができるが、より好ましくは、これらの有機系のバインダでなく、セラミックや陶器を形成する無機バインダを用いる。

有機バインダを用いたハニカム活性炭は、後述する脱着工程において、キャリヤーとして水蒸気を用いた場合、水蒸気を吸って膨れる等の現象により、ハニカム構造体にひび割れが発生するおそれがある。そして、吸収・脱着工程が繰り返される長時間の使用に耐えないおそれがある。これに対して、バインダとして無機バインダを用いることにより、ハニカム活性炭全体が均質化されて、機械強度のより高いハニカム活性炭が得られる。
有機バインダを用いたハニカム活性炭は、例えば、粉状活性炭１０〜６０質量部に対し、セラミックバインダを４０〜９０質量部配合して調製した成形材料を練り合わせた後、ハニカム金型を通して押し出し成型した後、乾燥し、さらに最終的に６００℃程度の温度にて、焼成して製造することができる。粉状活性炭の配合部数は、より好ましくは、４０〜６０質量部とする。粉状活性炭の配合部数が大きいほどハニカム活性炭の吸着能力は高くなるが、配合部数が大きすぎるとハニカム構造がもろくなるおそれがある。

従来の粉状活性炭を充填して用いる方式では、粉状活性炭間の隙間、言い換えれば充填層の空隙率は低いが、ハニカム活性炭の場合、粒状活性炭を使用する場合に比べて4倍の空間率となる。

また、ハニカム活性炭は、好ましくは、フェライト、ＳｉＣ、ＺｒＢ_２およびＷＣ（炭化タングステン）のなかから選ばれる１または２以上の成分を添加して用いる。これらの成分の添加量は、例えば、粉状活性炭１００質量部に対して０質量部超〜１０質量部程度である。フェライト、ＳｉＣ、ＺｒＢ_２およびＷＣは、活性炭のカーボンに比べて耐酸化性に優れるので、局部的に高温になっても、酸化によるこれらサセプタ原料の損耗が抑制できるのが特徴である。

ハニカム活性炭に吸着したＶＯＣを脱着する脱着工程において、加熱方法は、従来の方法を用いることができ、例えば、ハニカム活性炭を収容した装置を外部加熱する方法、キャリヤーとして熱風や高温水蒸気を吹き込む方法等のなかから適宜選んで用いることができる。

ただし、より好ましくは、マイクロ波をハニカム活性炭に照射してハニカム活性炭を直接加熱する。
マイクロ波の周波数は、９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ、２８ＧＨｚ等マイクロ波加熱に応用されているいずれの周波数を用いてもよい。また、マイクロ波の発振源は、マグネトロンやクライストロン、さらにはジャイラトロンタイプでもよい。
これにより、ハニカム活性炭を少ない投入エネルギで効率的に急速にかつ均一に加熱することができる。

このとき、例えば、脱着工程で用いる脱着装置に対して着脱可能に設けたハニカム活性炭を脱着装置から取り外して、脱着装置とは別装置として設けたマイクロ波照射装置にハニカム活性炭を配置した状態でマイクロ波を照射する場合等においては、ハニカム活性炭に対して任意の望ましい方向からマイクロ波を照射して効率的にハニカム活性炭を加熱することができる。
これに対して、マイクロ波照射装置を脱着装置に取り付けて、ハニカム活性炭を脱着装置に取り付けた状態のままでマイクロ波を照射する場合は、ハニカム活性炭に対するマイクロ波の照射方向が実質的に固定されるため、効率的にハニカム活性炭を加熱するには配慮が必要である。
すなわち、固有抵抗が一定の固体に対するマイクロ波の浸透深さはマイクロ波の波長に応じてほぼ定まっており、例えば、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波をハニカム活性炭に照射する場合、ハニカム活性炭の表面からのマイクロ波の浸透深さは２０〜２５ｍｍ程度であることがわかっている。このため、ハニカム活性炭は、マイクロ波を照射される側の表面からの厚みが２５ｍｍ以下であることが望ましい。
この場合、例えば後述する図１に示す装置のように、ハニカム活性炭に対するガスの流出側にマイクロ波照射装置を設けて、ハニカム活性炭のガスの流出する片側表面からのみマイクロ波を照射するときは、ハニカム活性炭の厚み（ガスの流れ方向の厚み）を２５ｍｍ以下とすることが望ましい。ハニカム活性炭の厚みは、マイクロ波を確実に浸透させる観点からは２２ｍｍ以下とすることがより好ましく、２０ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。なお、厚みの下限については特に制限はないが、ハニカム活性炭の形状保持性の観点からは２ｍｍ以上とすることがより好ましく、５ｍｍ以上とすることがさらに好ましい。
これに対して、ハニカム活性炭に対するガスの流入側にもマイクロ波照射装置を設けて、ハニカム活性炭の両側表面からマイクロ波を照射するときは、ハニカム活性炭の厚み（ガスの流れ方向の厚み）を５０ｍｍ以下まで厚くすることができる。
また、例えば、図１に示す装置において、ガスが流通する方向と直交する方向、すなわち、ハニカム活性炭の周壁面全周側から中心方向に向けてマイクロ波を照射するように、ハニカム活性炭充填槽の側壁にマイクロ波照射装置を設ける場合は、例えば、円柱形状に形成したハニカム活性炭の半径を２５ｍｍ以下とすることが望ましいが、ハニカム活性炭の長さ寸法については、ガスの通気抵抗等の観点からの制約は別として、加熱機能上は、任意の所望の長さとすることができる。

また、このとき、キャリヤーとして、好ましくは、窒素ガスのような比較的安定な非酸化性ガス、あるいはアルゴンガスのような不活性ガスを用いる。キャリヤーは常温の状態で用いてもよく、また、予め加熱したものを用いてもよい。
これにより、マイクロ波により活性炭より脱離したＶＯＣ物質をスムースに活性炭層より除去することを容易にするとともに、特に、ＶＯＣを同伴したキャリヤーからＶＯＣを除去する後工程において、キャリヤーとして水蒸気を用いる場合には水溶性ＶＯＣを含むものについて十全な排水処理を行うことが必要となるのに比べて、後処理が必要なくなる。

また、前記のように、好ましくは、フェライト、ＳｉＣ、ＺｒＢ_２またはＷＣを添加したハニカム活性炭を用いる。
これにより、フェライト等がサセプタ成分となって、マイクロ波によるハニカム活性炭の発熱を促進し、ＶＯＣの脱着時間をより短縮することができる。

本発明に係る揮発性有機化合物の処理方法は、上記した作用効果を得ることができるため、処理装置のコストダウンが図れるとともに、さらに処理装置のコンパクト化が図れ、設備の設置場所の選択の自由度が大きい。

本発明に係る揮発性有機化合物の処理方法を実施する処理装置は、主に、上記で述べたハニカム活性炭を収容するハニカム活性炭吸着部、ハニカム活性炭脱着（脱離）部、マイクロ波発生器およびＶＯＣ回収部で構成される。なお、ＶＯＣ発生源とハニカム活性炭吸着部とは、ダクトで接続してもよいし、さらに、このとき、ＶＯＣ発生源にフードを冠してもよい。
ハニカム活性炭吸着部およびハニカム活性炭脱着部は、活性炭ハニカムを収容した塔槽類装置を複数設けて、ラインを切り換えて吸着処理および脱着処理を行ってもよく、あるいはまた、ハニカム活性炭吸着部およびハニカム活性炭脱着部を一体化したハニカム回転ロータ式としてもよい。また、前者の場合、ハニカム活性炭塔（槽）をハニカム活性炭を取り外し可能な構造にしておき、ハニカム活性炭の再生（賦活）を外部で行う方式としてもよい。
ＶＯＣ回収部は、処理ガス中ＶＯＣの凝集ができる限り、一般的な処理ガス中のＶＯＣを凝集する設備が使用できる。

処理装置の一例について、図１に概略装置構成を示す。図１中、参照符号１０は処理装置を、参照符号１２はＶＯＣ発生源を、参照符号１３はＶＯＣ発生源から発生したＶＯＣを回収するフードを、参照符号１４はフードのＶＯＣを導くダクトを、参照符号１６はＶＯＣを吸引し送り出すブロワーを、参照符号１８は切り替え可能に設けた２つのハニカム活性炭充填槽を（図ではハニカム活性炭充填槽１基のみを示す。）、参照符号１９はマイクロ波の導波管を、参照符号２０は脱着工程においてマイクロ波を発生するマイクロ波発信機を、参照符号２２は脱着工程においてハニカム活性炭充填槽内の雰囲気ガスを撹拌してマイクロ波の照射効率を高めるための撹拌装置を、参照符号２４は冷却水で間接冷却してガス中のＶＯＣを凝縮させる凝縮器をそれぞれ示す。

本発明に係る揮発性有機化合物の処理方法を実施する処理装置の一例を示す装置の概略構成図である。

符号の説明

１０処理装置
１２ＶＯＣ発生源
１３フード
１４ダクト
１６ブロワー
１８ハニカム活性炭充填槽
２０マイクロ波発信機
２２撹拌装置
２４凝縮器

Claims

処理ガス中に含まれる揮発性有機化合物をハニカム活性炭で吸着する吸着工程と、
該ハニカム活性炭に吸着した該揮発性有機化合物を脱着する脱着工程と、
該揮発性有機化合物を回収する回収工程と、
を有し、
該ハニカム活性炭がフェライト、ＳｉＣ、ＺｒＢ_２およびＷＣのなかから選ばれる１または２以上の成分を添加したものであり、
該ハニカム活性炭は、攪拌装置を備えた充填槽に充填され、
該脱着工程において、キャリヤーとして非酸化性ガスまたは不活性ガスを該充填槽内に導入し、マイクロ波を用いて該ハニカム活性炭を直接加熱すると共に、該充填槽内の雰囲気ガスを該攪拌装置で攪拌することにより該揮発性有機化合物を脱着し、
該脱着された揮発性有機化合物を同伴したキャリヤーを冷却して、該揮発性有機化合物を回収することを特徴とする揮発性有機化合物の処理方法。
前記ハニカム活性炭のマイクロ波を照射される側の表面からの厚みが２５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の揮発性有機化合物の処理方法。
前記ハニカム活性炭が粉状活性炭に無機バインダを配合して成形したものであることを特徴とする請求項１または２記載の揮発性有機化合物の処理方法。