JP5465610B2 - カーボンの製造方法 - Google Patents
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Description
一方、樹木や草に含まれるセルロース(C6H10O5)nは、地球上に最も多く存在する炭水化物である。炭水化物であるから、水(H2O)成分を除くことで炭素(C)、すなわちカーボンが得られる。
そこで、セルロースを出発材料としてカーボンを生成させる研究が進められてきた(例えば、特許文献1(図1)参照。)。
原料としての木材チップは、乾燥炉(30)で乾燥され、次に、炭化炉(40)で高温処理され、炭化炉(40)から活性炭の形態で排出される。
この乾燥の際に発生する空気は臭気を伴っている。そこで、乾燥後の空気を脱臭炉(70)で焼却することにより、無臭化する。この焼却には灯油が用いられる。
すなわち、特許文献1の技術では、大量の化石燃料が必要である。
しかし、化石燃料の枯渇が懸念される現在において、より少ない熱エネルギーでカーボンが得られる製造技術が求められる。
密閉性反応容器に、セルロース及び電気分解法で製造した酸性電解水を入れる工程と、
前記酸性電解水を撹拌しながら所定温度まで加熱する加熱工程と、
所定温度に達したらその温度で撹拌しながら飽和蒸気圧下で所定時間保持する保持工程と、
室温まで冷却する冷却工程と、からなり、
前記酸性電解水の酸性度は、pH2.3〜pH2.7であり、
前記所定温度は、230℃〜250℃であることを特徴とする。
従来は、ガスによる乾留(蒸し焼き)によりカーボンを製造していたため、ガスに起因する脱臭処理が不可欠であり、また、乾留温度に達するように多量の熱エネルギーを加える必要があった。
この点、本発明では、酸性電解水によりカーボンを製造するため、脱臭処理は容易であり、多量の熱エネルギーを加える必要もない。
図1に示されるように、酸性電解水生成装置10は、電解槽11と、この電解槽11を左右に区分する陰イオン交換膜12と、右のチャンバー13に電解質水溶液を循環させる水溶液循環機構14と、左のチャンバー15へ水道水を供給する給水管16と、左のチャンバー15から酸性電解水を取り出す電解水取出し管17と、右のチャンバー13に収納されている陰極電極18と、左のチャンバー15に収納されている陽極電極19と、これらの電極18、19に所定の電圧を印加する電源21とからなる。
左のチャンバー15には水道水(H2O+Cl−)を満たす。そして、電源21で電極18、19に所定の電圧を印加する。
陰イオン交換膜12は、陰イオンのみを通過させるため、塩素イオン(Cl−)が左のチャンバー15へ移動する。
カーボンの製造装置30は、図2に示すように、上部が開口しているとともに上部にフランジ31を有し、下部に半球殻状の底を有する筒型の反応容器32と、この反応容器32の上部開口に被せる蓋33と、この蓋33に設けた撹拌モータ34、液体供給管35、圧力計36及び熱電対保護管37と、この熱電対保護管37に収納されている熱電対の電気的情報を温度情報に変換する温度計38と、反応容器32を囲うジャケット39と、このジャケット39に付属されるヒータ41及び水冷管42と、撹拌モータ34から下げられた撹拌羽根43とからなる。
反応容器32は蓋33で密閉されることで、密閉性反応容器となる。
図3に示すように、反応容器に、結晶性セルロースと酸性電解水を入れる(ST01)。
この混合物を撹拌しながら所定温度(230℃〜250℃)に達するまで加熱する(ST02)。
所定温度に達したら、この温度を保持し、撹拌しながら所定時間(30分間)が経過するまで保熱する(ST03)。これで、反応容器内にカーボンが生成される。
混合物を濾過して、固形物を得る(ST05)。
さらに、固形物を有機溶媒(エタノール、アセトンなど)で洗い、水で洗うことを繰り返す(ST06)。固形物を乾燥させる(ST07)。これで所望のカーボンが得られる。
前記酸性電解水を撹拌しながら所定温度まで加熱する加熱工程(ST02)と、
所定温度に達したらその温度で撹拌しながら飽和蒸気圧下で所定時間保持する保持工程(ST03)と、室温まで冷却する冷却工程(ST04)とからなる。
以上の製造プロセスを実施した実験例を次に説明する。
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
酸性電解水の酸性度(pH)を変更して、実験を行い、好適な酸性度を見出す。
○出発材料等:
・セルロース:2g 結晶性セルロース
・酸性電解水:100cm3
実験01:pH3.1 有効塩素濃度:23ppm 酸化還元電位:1.10V
実験02:pH2.7 有効塩素濃度:30ppm 酸化還元電位:1.13V
実験03:pH2.3 有効塩素濃度:40ppm 酸化還元電位:1.20V
なお、酸化還元電位は、標準水素電極の代わりに、銀−塩化銀(Ag/AgCl)電極を用いて測定した。
・加熱温度:230℃
・圧力:飽和蒸気圧
・保持時間:30分
pH3.1の酸性電解水を用いた実験01では、固形物は茶褐色のセルロースであった。カーボンが得られなかったので、評価は×である。
実験02より酸性度の強いpH2.3の酸性電解水を用いた実験03では、固形物は黒色のカーボンが得られた。歩留まりは50%であり、実験02より歩留まりが良いので、評価は◎とした。
実験02、03で得られた固形物を、走査電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、5〜10μmの葡萄の房状の形態が確認された。そして、走査電子顕微鏡(SEM)に付属する蛍光X線分析装置(EDX)で元素分析したところ、炭素と酸素が検出された。酸素は洗浄水が残留していると推定できる。水素は検出されなかった。
また、ラマン分光スペクトル分析では、1580〜1600cm−1、すなわち1590cm−1付近にピークがあった。
また、電気伝導度をJIS K1469に準拠して測定し、かさ密度0.59g/cm3のとき3.1Ωcmの電気伝導度を得た。
以上に説明した複数の分析、測定により固形物がカーボンであることが確認できた。
表1に示すように、pH3.1は×で、pH2.7は○で、pH2.3は◎であった。このことから強酸であるほど評価が良いことが分かった。しかし、pH2を超える強酸は、酸の製造コストが嵩む。そして、中和処理や洗浄にコストが嵩む。コスト的にはpHは2.3に留めることが望ましい。
そこで、pHは2.3〜2.7が好適であると言える。
(2)実験04〜07:加熱温度確認実験:
○出発材料等:
・セルロース:2g 結晶性セルロース
・酸性電解水:100cm3
pH2.3 有効塩素濃度:40ppm 酸化還元電位:1.20V
・加熱温度:220℃、240℃、250℃、260℃
・圧力:飽和蒸気圧
・保持時間:30分
加熱温度が250℃である実験06では、固形物は黒色のカーボンであった。歩留まりは30%に留まったので、評価は○である。
加熱温度が260℃である実験07では、固形物は黒色のカーボンであった。しかし、歩留まりは僅か(2%程度)であったので、評価は×である。
表1から、230℃が推奨される。また、表2から実験05における240℃及び実験06における250℃が推奨される。実験04における220℃ではカーボンが得られない。また、実験07における260℃では生産量が確保できない。
そこで、加熱温度は、230℃〜250℃が好適であると言える。
(3)金属吸着性:
○準備:
・溶液:王水(体積比3:1で濃塩酸と濃硝酸の混合) pH4.0に調整 50cm3
・金属:Au(金)など12種
・カーボン:実験03で得たカーボン粉末 50mg
溶液に金属を溶かし、さらにカーボン粉末を加えて撹拌する。2時間後にカーボンの吸着率を調べた。吸着率は、{(カーボンに吸着された質量)/(溶液に加えた質量)}×100で示す。
○準備:
・トルエン
・カーボン:実験03で得たカーボン
・容量式ガス吸着装置
容量式ガス吸着装置にカーボンをセットし、トルエン(ガス)を吸着させた。カーボン100gで、15.6gのトルエンを吸着させることができた。
すなわち、本発明で得たカーボンは活性炭に近似した吸着性能を有することが確認できた。
結晶性セルロースに替えて、セルロースを主成分とする脱脂綿、ガーゼ、濾紙を出発材料にして、表1に示される実験03の条件で処理したところ、黒色のカーボンを得ることができた。脱脂綿、ガーゼ、濾紙は市販され、入手容易で、安価なため、カーボンの製造コストを下げることができる。
本発明では、セルロース(C6H10O5)nを、酸性電解水中で、分解して、カーボン(C)を得ることに成功した。反応が水中で行われるため、反応に伴って発生する副生成物は水中に封じ込められる。水であれば、濾過や中和により、容易に副生成物を除去や無害化することができる。併せて、乾留のように多量の熱エネルギーを必要としない。
Claims (2)
- セルロースを出発材料としてカーボンを生成させるカーボンの製造方法であって、
密閉性反応容器に、セルロース及び電気分解法で製造した酸性電解水を入れる工程と、
前記酸性電解水を撹拌しながら所定温度まで加熱する加熱工程と、
所定温度に達したらその温度で撹拌しながら飽和蒸気圧下で所定時間保持する保持工程と、
室温まで冷却する冷却工程と、からなり、
前記酸性電解水の酸性度は、pH2.3〜pH2.7であり、
前記所定温度は、230℃〜250℃であることを特徴とするカーボンの製造方法。 - 前記出発材料は、セルロースを主成分とする脱脂綿、ガーゼ又は濾紙であることを特徴とする請求項1記載のカーボンの製造方法。
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