JP6028186B1

JP6028186B1 - イグサ炭化物、イグサ活性炭

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Publication number: JP6028186B1
Application number: JP2015209183A
Authority: JP
Inventors: 勝代村上
Original assignee: MURAKAMI SANGYO CO., LTD.
Current assignee: MURAKAMI SANGYO CO., LTD.
Priority date: 2015-10-23
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2035-10-23
Also published as: JP2017081769A

Abstract

【課題】本発明の課題は、畳表等の製造において発生するイグサの廃棄物を有効利用することを目的として、多様な用途に利用可能なイグサ炭化物、イグサ活性炭、及びその製造方法を提供することにある。【解決手段】上記課題を解決するために、イグサを２００〜４００℃で炭化して得られることを特徴とするイグサ炭化物を提供する。これにより、ラマンスペクトルにおけるＧバンドとＤバンドの相対強度の比（Ｄ／Ｇ）が大きくなるため、高硬度、低導電性のイグサ炭化物が提供される。さらに、このイグサ炭化物は、セシウムの吸着性能が高まるため、セシウム吸着剤として利用することもできる。また、イグサ炭化物を賦活化して得らえるイグサ炭化物は、ヨウ素及び硫化水素の吸着性能が高まるため、ヨウ素吸着剤や硫化水素吸着剤として利用することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、畳表等に利用されるイグサを炭化して得られるイグサ炭化物、イグサ炭化物を賦活化して得られるイグサ活性炭、及びその製造方法に関する。更に詳しくは、畳表等の製造において発生するイグサの廃棄物を有効利用することを目的として、多様な用途に利用可能なイグサ炭化物、イグサ活性炭、及びその製造方法に関する。

イグサは、単子葉植物イグサ科の植物であり、その茎の部分は畳表やゴザ等に利用されている。畳表やゴザの製造工程において、イグサは所定の寸法に応じて裁断され、端部の不要な部分は廃棄物として処理されている。
このようなイグサの廃棄物は、多量に発生するため、廃棄処分に多大な労力を要している。そのため、従来より、イグサの廃棄物を有効利用することが検討されている。

例えば、特許文献１には、畳表の加工時に廃棄されるイグサ繊維を不活性ガス雰囲気下に４００〜５００℃に加熱することを特徴とするイグサ炭化物の製造方法が開示されている。そして、この方法により得られたイグサの炭化物は、従来から実用されている活性炭と同等以上のガス吸着能を有することが記載されている。
しかしながら、イグサの廃棄物の用途としては不十分であり、未だ多くのイグサ廃棄物が廃棄処分されている。
また、従来のイグサ炭化物の製造方法では、炭化温度４８０℃、炭化時間３時間の条件で行うため、多大なエネルギーを使用していた。

特開２００１−６４６５３号公報

本発明の課題は、多様な用途に利用可能なイグサ炭化物、イグサ活性炭、及びその製造方法を提供することにある。

本発明者は、上記の課題について鋭意検討した結果、２００〜４００℃でイグサを炭化することにより、従来の４００〜５００℃に加熱したイグサ炭化物とは異なる性質を有する新規のイグサ炭化物を得られることを見出し、本発明を完成した。
また、イグサ炭化物を賦活化することにより、イグサ炭化物とは異なる性質を有する新規のイグサ活性炭を得られることを見出し、本発明を完成した。
具体的には、以下のイグサ炭化物、イグサ活性炭、又はその製造方法である。

（第１発明）
上記課題を解決するための第１発明は、イグサを２００〜４００℃で炭化して得られることを特徴とするイグサ炭化物である。

第１発明によれば、従来の４００〜５００℃に加熱したイグサ炭化物とは異なる性質を有する新規のイグサ炭化物を提供することができる。
具体的には、本発明のイグサ炭化物は、従来のイグサ炭化物と比べて、ラマンスペクトルにおけるＧバンドとＤバンドの相対強度の比（Ｄ／Ｇ）が大きく、ダイヤモンド様の性質を高めた炭化物となる。また、従来のイグサ炭化物よりセシウムの吸着性能が高いという性質を有する。
第１発明のイグサ炭化物は、このような種々の性質を利用して、多様な用途開発に利用することができる。

（第２発明）
上記課題を解決するための第２発明は、ラマンスペクトルにおけるＧバンドとＤバンドの相対強度の比（Ｄ／Ｇ）が０．８以上であることを特徴とするイグサ炭化物である。

第２発明によれば、従来の４００〜５００℃に加熱したイグサ炭化物と比べて、ラマンスペクトルにおけるＧバンドとＤバンドの相対強度の比（Ｄ／Ｇ）が大きく、ダイヤモンド様の性質を高めた炭化物を提供することができる。ダイヤモンド様の性質としては、例えば、硬度が高い、導電性が低い等の性質が挙げられる。
第２発明のイグサ炭化物は、このようなダイヤモンド様の性質を利用して、プラスチックやゴムに配合されるフィラーとして補強材料、低帯電材料等の多様な用途に利用することができる。

（第３発明）
上記課題を解決するための第３発明は、イグサを２００〜６００℃で炭化して得られるイグサ炭化物を含有することを特徴とするセシウム吸着剤である。

第３発明によれば、２００〜６００℃で加熱して炭化したイグサの炭化物は、優れたセシウム吸着性能を有しているため、イグサ炭化物を含むセシウム吸着剤を提供することができる。このセシウム吸着剤は、放射性セシウムの除去剤として水質浄化等に利用することができる。

（第４発明）
上記課題を解決するための第４発明は、イグサを２００〜６００℃で炭化して得られるイグサ炭化物を、更に賦活化して得られることを特徴とするイグサ活性炭である。

第４発明によれば、賦活化する前のイグサ炭化物とは異なる性質を有する新規のイグサ活性炭を提供することができる。具体的には、賦活化されたイグサ活性炭は、賦活化する前のイグサ炭化物と比べて、ヨウ素吸着性能や硫化水素吸着性能等が高いという性質を有する。

（第５発明）
上記課題を解決するための第５発明は、第４発明に記載されたイグサ活性炭を含有することを特徴とする、ヨウ素吸着剤又は硫化水素吸着剤である。

第５発明によれば、賦活化されたイグサ活性炭のヨウ素吸着性能や硫化水素吸着性能を利用して、ヨウ素吸着剤や硫化水素吸着剤を提供することができる。

（第６発明）
上記課題を解決するための第６発明は、イグサ炭化物の製造方法において、イグサを２００〜４００℃に加熱して炭化することを特徴とするイグサ炭化物の製造方法である。

第６発明によれば、上記のイグサ炭化物を製造するための好適な製造方法を提供することができる。本発明のイグサ炭化物の製造方法は、２００〜４００℃で炭化するため、省エネルギー化という観点において優れた製造方法である。

（第７発明）
上記課題を解決するための第７発明は、イグサ活性炭の製造方法において、イグサを２００〜６００℃に加熱してイグサ炭化物を得る工程、前記イグサ炭化物を賦活化してイグサ活性炭を得る工程、を備えたことを特徴とするイグサ活性炭の製造方法である。

第７発明によれば、上記のイグサ活性炭を製造するための好適な製造方法を提供することができる。

本発明のイグサ炭化物、イグサ活性炭によると、イグサの廃棄物を多様な用途に利用することができる。

約４５０℃で炭化したイグサ炭化物（試料１）のラマンスペクトルを表す図である。約２５０℃で炭化したイグサ炭化物（試料２）のラマンスペクトルを表す図である。イグサの熱重量測定の結果を表す図である。図３（Ａ）は、試料重量（ＴＧ）の変化を表す図である。図３（Ｂ）は、試料重量の減少速度（ＤＴＧ）を表す図である。

以下に、本発明のイグサ炭化物、イグサ活性炭について説明する。なお、これらの製造方法についての説明は、イグサ炭化物及びイグサ活性炭についての説明に含むものとする。

［イグサ炭化物］
本発明のイグサ炭化物は、イグサを２００〜６００℃に加熱して炭化した炭化物であり、セシウム吸着性能を有している。
本発明におけるイグサとは、イグサ科の植物であり、主に、畳表やゴザ等に利用される植物である。イグサの原料としては、特に制限されないが、イグサ廃棄物の有効利用という観点から、畳表やゴザ等の製造の際に生じるイグサ廃棄物を利用することが好ましい。なお、イグサ原料を畳表等の製造に利用することなく、本発明のイグサ炭化物に加工してもよい。

イグサの茎部は、細長い円筒形状の外筒部と、その内部に綿状の繊維（綿部）を有している。炭化処理する際には、茎部の外筒部と茎内部の綿部を含む全茎として炭化処理しても、外筒部と綿部を分離して炭化処理してもよい。
なお、セシウム吸着性能においては、綿部に優れた効果が認められるため、セシウム吸着剤としては綿部を多く使用することが好ましい。
また、綿部はセシウム吸着速度が速いが、時間と共に放出される傾向も認められる。そのため、セシウム吸着性能に優れた綿部と、吸着したセシウムの放出を防止するために外筒部を有するイグサ炭化物が好ましい。

イグサ炭化物の形状は、用途に応じて適宜設計され、例えば、粒状、粉状等が挙げられる。粒状や粉状とする場合には、イグサ原料を粉砕しても、イグサ炭化物を粉砕してもよい。また、イグサの形状を利用して、外筒部の円筒形状や、綿部の繊維形状を維持したままイグサ炭化物を形成してもよい。セシウム吸着性能は、綿部に優れた効果が認められるため、セシウム吸着剤として利用する場合には、綿部の繊維形状のイグサ炭化物とすることが好ましい。

炭化処理するにあたってイグサの原料を裁断することが好ましく、裁断される長さとしては、０．１〜１００ｍｍが好ましく、０．２〜５０ｍｍが更に好ましく、１〜３０ｍｍが特に好ましい。
１００ｍｍ以下であれば、内部に試験液等が浸透しやすいため、炭化処理により得られたイグサ炭化物をそのままの形状で利用することができる。また、セシウムの吸着性能は、茎内部の綿部に優れた効果を有するため、綿部の形状を維持した状態でイグサ炭化物を得ることにより、優れたセシウム吸着剤を提供することができる。なお、炭化後に裁断すると、裁断処理の衝撃により綿部の構造が破壊される恐れがある。
また、０．１ｍｍ未満に裁断すると、炭化処理する際に、茎内部の綿状の繊維が消失する恐れがある。
綿部の吸着性能と、外筒部の吸着した物質の放出抑制作用を鑑みれば、１〜３０ｍｍに裁断したイグサを、その形状を残した状態でイグサ炭化物とすることが特に好ましい。

イグサを炭化する方法は、２００〜６００℃に加熱すればよい。その際、窒素等の不活性ガス雰囲気下で行っても、酸素の存在下で行ってもよい。酸素の濃度は、灰化しないように適宜調整すればよい。

炭化処理の時間は、酸素濃度等の条件に応じて適宜決定されるが、通常は５分間〜５時間の範囲であり、好ましくは５分間〜３時間、更に好ましくは１０〜６０分間である。
２００〜４００℃で炭化処理する場合には、５〜３０分間が好ましく、１０〜２０分間が更に好ましい。
４００〜６００℃で炭化処理する場合には、１０〜６０分間が好ましく、２０〜５０分間が更に好ましい。

炭化処理装置としては、所定の温度に加熱できる装置であればどのようなものでもよく、加熱炉を用いて加熱しても、鉄板上で加熱してもよい。鉄板で加熱する場合には、イグサを蓋で覆うことにより酸素濃度を調整することができる。
なお、イグサを加熱する際、均等に熱が通るように、転動させながら加熱することが好ましい。
簡便性の観点から、蓋をせずに、鉄板上でイグサを炒る等、転がしながら加熱する方法が好ましい。

本発明の炭化処理の温度は、２００〜６００℃であるが、更に好ましくは２００〜４００℃であり、特に好ましくは２００〜３００℃である。２００〜４００℃で加熱することにより、セシウム吸着能がさらに高くなるという効果がある。

また、２００〜４００℃で炭化したイグサ炭化物は、ラマンスペクトルにおけるＧバンドとＤバンドの相対強度の比（Ｄ／Ｇ）が大きくなり、ダイヤモンド様の性質を高めた炭化物を提供することができるという効果がある。ダイヤモンド様の性質を高めることにより、高硬度、低帯電性の炭素材料として利用することができる。これにより、例えば、プラスチック、樹脂、ゴム等に添加するフィラー等において、新たな機能を付加することができる。

なお、ラマンスペクトルにおけるＧバンドとＤバンドの相対強度の比（Ｄ／Ｇ）は、炭素材料のダイヤモンドライクカーボンとしての性質を表すものである。
炭素材料には、ダイヤモンド構造のｓｐ３混成軌道に由来する約１３００ｃｍ^-1付近のピーク（Ｄバンド）と、グラファイト構造のｓｐ２混成軌道に由来する約１６００ｃｍ^-1付近のピーク（Ｇバンド）を有するものがあり、ダイヤモンド構造とグラファイト構造の量比によって、ダイヤモンド様の性質か、グラファイト様の性質に近い性質を示すようになる。すなわち、Ｄ／Ｇ比が大きくなると、ダイヤモンド様の性質に近づき、Ｄ／Ｇ比が小さくなるとグラファイト様の性質に近づくことになる。

本発明において、ラマンスペクトルにおけるＧバンドとＤバンドの相対強度の比（Ｄ／Ｇ）は、０．８以上であることが好ましく、更に好ましくは０．８２以上であり、特に好ましくは０．８５以上である。

また、２００〜４００℃に加熱する炭化処理は、通常の炭化処理より低温であるため、省エネルギーの観点からイグサ炭化物の製造方法においても利点がある。

［イグサ活性炭］
本発明のイグサ活性炭は、イグサを２００〜６００℃に加熱して得たイグサ炭化物を更に賦活化して得られる活性炭である。
イグサ炭化物を賦活化することにより、イグサ炭化物では得られなかったヨウ素吸着性能が発揮される。この性能を利用して、水質改善剤等として利用することができる。

また、硫化水素吸着性能において、４００〜５００℃で炭化した従来のイグサ炭化物より、極めて優れた効果が発揮される。このように、イグサ活性炭は、従来のイグサ炭化物より優れたガス吸着性能を有しており、ホルムアルデヒドやアンモニア等のその他の有毒ガスについても優れた効果を発揮するといえる。

ここで、イグサ炭化物の賦活化とは、イグサ炭化物を微細な孔を有する多孔質材料に変える反応操作であり、公知の反応操作を用いればよい。
例えば、塩化亜鉛やリン酸等の木質材料の繊維質を侵食する薬品を用いた薬品賦活法や、イグサ炭化物と、水蒸気、二酸化炭素、空気、燃焼ガス等のガスを６００〜１２００℃で反応させるガス賦活法が挙げられる。
処理操作が簡易的であるという観点から、ガス賦活法が好ましく、ガス賦活法における賦活温度としては、７００〜１０００℃が好ましい。

イグサ活性炭の形状としては、どのような形状でもよいが、イグサの外筒部の円筒形状であることが好ましい。イグサの外筒部の円筒形状とすると、表面積が大きくなるため、ヨウ素や硫化水素の吸着能力に優れている。

なお、粉状の方が表面積は大きくなるが、空気浄化等で容器内に置いて利用する場合に、粉状では空気の通過する空隙が小さくなるという欠点もある。一方、イグサの外筒部の円筒形状は、細い筒状であるため、空気が通過するための空隙も確保され、吸着性能において優れた効果を発揮することができる。

また、イグサの外筒部の円筒形状を利用したイグサ活性炭は、水質浄化等で水に分散して利用した際にも、高い表面積を有しつつ、固液分離性に優れるという効果がある。

［イグサ炭化物のラマンスペクトル測定］
以下の試料１，２のイグサ炭化物について、ラマンスペクトルを測定した。ラマンスペクトルは、図１、図２に示した。
試料１：イグサを３〜１０ｍｍに裁断して、約４５０℃で約１５分間加熱した。炭化処理の操作は、鉄板の上にイグサを乗せ、蓋で覆って鉄板下から加熱して行った。
試料２：イグサを３〜１０ｍｍに裁断して、約２５０℃で約１２分間加熱した。炭化処理の操作は、鉄板の上にイグサを乗せ、開放状態で鉄板下から加熱して行った。

ラマンスペクトルの測定条件は以下のとおりである。
測定器：顕微レーザーラマン分光分析装置（レニショー（株）「inVia Reflex」）
レーザー：ＹＡＧ（ダブリング）、５３２ｎｍ
出力：５０ｍＷを５％に減光
対物レンズ：１００倍
積算回数：５回
測定範囲：８００〜２０００ｃｍ^-1
露光時間：１００ｓ

ｓｐ３混成軌道に由来する約１３００ｃｍ^-1付近のピーク（Ｄバンド）の相対強度と、ｓｐ２混成軌道に由来する約１６００ｃｍ^-1付近のピーク（Ｇバンド）の相対強度の比（Ｄ／Ｇ）を算出し、以下の表１にまとめた。

約２５０℃で炭化したイグサ炭化物は、約４５０℃で炭化したイグサ炭化物より、Ｄ／Ｇ比が高い結果となった。すなわち、約２５０℃で炭化したイグサ炭化物は、ダイヤモンド様の性質が強く発揮されるといえる。

［セシウム吸着試験］
以下の試料３〜８のイグサ炭化物、試料９のイグサ、試料１０のイグサ活性炭について、セシウム吸着試験を行った。結果は、表２に記載した。
試料３：イグサの全茎（地上部）を３〜１０ｍｍに裁断して、約２５０℃で約１２分間加熱した。炭化処理の操作は、鉄板の上にイグサを乗せ、開放状態で鉄板下から加熱して行った。
試料４：イグサの茎の外筒部を剥がして茎内部の綿部を取り出し、３〜１０ｍｍに裁断して、試料３と同様に炭化した。
試料５：イグサの茎の外筒部を剥がして茎内部の綿部を取り出し、約３ｍｍに裁断して、試料３と同様に炭化した。
試料６：イグサの全茎（地上部）を１０〜２０ｍｍに裁断して、約４５０℃で約１５分間加熱した。炭化処理の操作は、鉄板の上にイグサを乗せ、蓋で覆って鉄板下から加熱して行った。
試料７：イグサの全茎（地中部）を１０〜２０ｍｍに裁断して、試料６と同様に炭化した。
試料８：イグサの全草（球根部も含む。）を１０〜２０ｍｍに裁断して、試料６と同様に炭化した。
試料９：イグサの全茎（地上部）を３〜１０ｍｍに裁断し、加熱せずに、そのまま使用した。
試料１０：イグサの全茎（地上部）を３〜１０ｍｍに裁断して、約２５０℃で約１２分間加熱した。炭化処理の操作は、試料３と同様に行った。更に、約８５０℃で３０分間加熱して賦活化処理を行った。賦活化処理は、水蒸気賦活処理を行った。

セシウム吸着試験の処理操作：試料１ｇに１００ｍＬの水を加え３時間以上撹拌し、水になじませた。マグネチックスターラで撹拌しながら安定セシウムを１ｍｇ／Ｌとなるように投入し試験を開始した。室温で撹拌し、０．５時間後、１時間後、２時間後に試験液を採取した。採取した試験液は、孔径０．４５μｍのフィルタでろ過し、ろ液を分析試料とした。分析は、誘導結合プラズマ質量分析計（ＩＣＰ−ＭＳ）により行った。結果は、開始時の濃度を１００％とし、試験液に残存するセシウムの割合を表示した。

表２を見ると、加熱処理をしていない試料９及び賦活化処理を行った試料１０は、セシウム吸着能が低かった。一方、約２５０℃、約４５０℃で炭化したイグサ炭化物は、高いセシウム吸着能を有することが認められた。
更には、約２５０℃で炭化したイグサ炭化物は、約４５０℃で炭化したイグサ炭化物より高いセシウム吸着能を有することが認められた。

試料３〜５を見ると、イグサの茎の外筒部を剥がして、綿部のみを炭化した試料４，５の方が、全茎を炭化した試料３より優れたセシウム吸着能が認められた。また、試料６〜８を参照しても、綿部の少ない地中部や球根部を含む全草の方が、セシウム吸着能が低下することから、イグサの茎内部の綿部は高いセシウム吸着能を有していることがわかる。

［ヨウ素吸着試験］
試料３，６のイグサ炭化物及び試料１０のイグサ活性炭について、ヨウ素吸着試験を行った。結果は、表３に記載した。
ヨウ素吸着試験の処理操作：試料１ｇに１００ｍＬの水を加え約１時間撹拌し、水になじませた。マグネチックスターラで撹拌しながら安定ヨウ素を１ｍｇ／Ｌとなるように投入し試験を開始した。室温で撹拌し、０．５時間後、１時間後、２時間後に試験液を採取した。採取した試験液は、孔径０．４５μｍのフィルタでろ過し、ろ液を分析試料とした。分析試料を希釈し、誘導結合プラズマ質量分析計（ＩＣＰ−ＭＳ）でヨウ素を測定した。結果は、開始時の濃度を１００％とし、試験液に残存するヨウ素の割合を表示した。

表３を見ると、炭化処理を行ったイグサ炭化物には、ヨウ素吸着能が認められなかった。一方、賦活化処理を行ったイグサ活性炭は、優れたヨウ素吸着能が認められた。

［硫化水素吸着試験］
試料６のイグサ炭化物及び試料１０のイグサ活性炭について、硫化水素吸着試験を行った。結果は、表４に記載した。
硫化水素吸着試験の処理操作：濃度１００ｐｐｍの硫化水素ガスを満たした５Ｌの容器内に、試料１ｇを置き、０．５時間後、２時間後、６時間後に容器内の気体を採取して、硫化水素の濃度を測定した。

表４を見ると、４５０℃で炭化した試料６より、賦活処理を行った試料１０の方が優れた硫化水素吸着能を有することが認められた。

［イグサの熱重量測定］
上記の実施例の効果を検証するべく、イグサ（茎部）の熱重量測定を行い、イグサ炭化物の形成過程を調べた。熱重量測定は、昇温温度１０℃／ｍｉｎ、窒素雰囲気下の条件で行った。その結果を図３に示す。図３（Ａ）は、試料重量（ＴＧ）の変化を表す図である。図３（Ｂ）は、試料重量の減少速度（ＤＴＧ）を表す図である。

図３（Ｂ）を見ると、２１０〜３００℃付近に第１のピーク、３００〜３８０℃付近に第２のピークが認められる。これは、外筒部と綿部の炭化温度の違いにより生じていると推察される。また、その重量の残分は、開始時の試料重量を１００％として、２１０℃における重量残分は９３％であり、第１のピークを越えると６８％（３００℃）まで低下し、更に第２のピークを越えると３６％（３８０℃）まで低下した。

本発明のイグサ炭化物は、セシウム吸着能を有するため、放射性セシウムの除去剤等に利用することができる。更に、イグサを２００〜４００℃で炭化したイグサ炭化物においては、特に優れたセシウム吸着能を有している。

また、２００〜４００℃で炭化したイグサ炭化物は、４００℃以上で炭化したイグサ炭化物よりもダイヤモンド様の性質が高いため、高硬度、低帯電性の炭素材料として利用することができる。例えば、プラスチック、樹脂、ゴム等に添加するフィラー等に利用することができる。

本発明のイグサ活性炭は、ヨウ素吸着能を有するため、放射性ヨウ素の除去剤等に利用することができる。

また、イグサ活性炭は、優れた硫化水素吸着能を有するため、硫化水素吸着剤として利用することができる。

本発明のイグサ炭化物のセシウム吸着性能、本発明のイグサ活性炭のヨウ素吸着性能等を活かして、水質浄化処理に利用することができる。また、本発明のイグサ活性炭の硫化水素吸着性能等を活かして、空気浄化処理に利用することもできる。

Claims

イグサを２００〜６００℃で炭化して得られるイグサ炭化物を含有することを特徴とするセシウム吸着剤。
イグサを２００〜６００℃で炭化して得られるイグサ炭化物を、更に賦活化して得られるイグサ活性炭を含有することを特徴とする、ヨウ素吸着剤又は硫化水素吸着剤。