JP6957297B2 - 造粒活性炭及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本実施形態に係る造粒活性炭は、複数の粒子状活性炭と、前記複数の粒子状活性炭同士を結合するバインダーと、を含んで構成され、バインダーは、網状の繊維で構成される。
なお、本明細書において、「網状の繊維」とは、繊維と繊維との間に通水可能な隙間が形成された繊維のことをいう。
中心粒子径D1は、上記の観点から15μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることが更に好ましい。
なお、粒子状活性炭の中心粒子径D1は40μmを超えていてもよいが、粒子状活性炭の緻密化が起こりにくく、通水抵抗が上昇しにくいため、活性炭を造粒する必要性は低い。また、後述する除去対象物の吸着速度の観点からも粒子状活性炭の中心粒子径は小さいことが好ましい。
浄水器に用いられる浄水カートリッジには、極めて速い吸着速度が求められる。例えば、一般的な浄水カートリッジの容量は35cc程度であるが、これに対し被処理水として例えば流量2500cc/minの水道水を透過させるとすると、約0.8秒でカートリッジ中の水の全量が入れ替わる計算になる。従って活性炭の吸着速度が十分でない場合、被処理水の流量によっては除去対象物の除去が不十分となる。
ここで、本実施形態に係る粒子状活性炭は、従来の粒子状活性炭よりも粒子径が小さいものである。活性炭の吸着速度と粒子径との関係につき、以下図面を参照しながら説明する。
図1及び図2中、aは直径50nm以上のマクロ孔、bは直径2〜50nmのメソ孔、cは直径2nm以下のミクロ孔を示す。また、黒点部は除去対象物が吸着される反応サイトを示す。活性炭表面の細孔は孔の大きさに合致した物質を吸着するが、図1及び図2に示す通り、反応サイトが存在するのはミクロ孔cが主である。これは、水処理における除去対象物は、例えばトリハロメタンとしてのCHCl3等、分子量の比較的小さな物質が主であるためである。
セルロースは、樹木や植物、一部の動物や菌類等により産生されることで知られている。このセルロースが繊維状に集合した構造を有し、かつ繊維径がマイクロサイズのものがセルロースマイクロファイバー、マイクロサイズ未満のものがセルロースナノファイバーと呼ばれる。
なお、本実施形態において、繊維の平均繊維径φFは、走査型電子顕微鏡等の電子顕微鏡で繊維の任意の箇所の繊維径を30か所測定し、その数値を平均することで算出される。
粒子状活性炭と繊維としての合成樹脂ナノファイバー等が結合して造粒体を形成するメカニズムについては定かではないが、例えば以下のような理由が考えられる。まず、繊維と粒子状活性炭とが絡まり合うことで、機械的強度が発現する。本実施形態に係る造粒活性炭は、後述する造粒活性炭の製造方法により、繊維と粒子状活性炭が絡まり合った状態で造粒体を作ることができる。
また、粒子状活性炭の表面は完全な疎水性ではなく、数%の酸素がカルボキシ基、あるいはヒドロキシ基という形で活性炭表面に存在している。同様に、合成樹脂ナノファイバー等の表面にはヒドロキシ基が存在する。このため、活性炭表面と合成樹脂ナノファイバーとの間に水素結合が生じ、強固に造粒体を形成しているものと考えられる。
なお、本発明において「結合」とは、上記繊維と粒子状活性炭が絡まり合うことによる機械的結合と、水素結合のような化学的結合とを含む概念である。
本実施形態に係る浄水カートリッジは、水道水等の被処理水を浄化するための浄水器に用いられ、上記造粒活性炭を含む。本実施形態に係る浄水カートリッジとしては、特に限定されない。
浄水カートリッジに含まれる造粒活性炭は、例えば、水中に分散させてスラリー化した後に吸引成形され、活性炭成形体として用いられる。活性炭成形体は、更にフィブリル繊維やイオン交換性材料を含んでいてもよい。
また、本実施形態に係る浄水カートリッジは、上記活性炭成形体の支持部材としてのセラミックスフィルタ等や、中空糸膜等のろ過フィルタ、あるいは上記活性炭成形体表面を保護するための不織布等を含んでいてもよい。
本実施形態における造粒活性炭の製造方法は、撹拌工程と、造粒工程と、脱水工程と、を含む。
まず、撹拌工程において、公知の方法で粉砕及び分級された任意の粒子径の粒子状活性炭と、ナノファイバー等の繊維と水とを混合して撹拌することで、スラリー状の原料混合物が得られる。
以上の工程により、本実施形態に係る造粒活性炭を製造することができる。
通水性の観点から、バインダーは網状の繊維のみで構成されることが好ましい。一方で、造粒がしやすいように、バインダーは網状の繊維だけでなく、水溶性バインダーや熱溶着性バインダーを含んでもよい。
図3は従来の粒子状活性炭1を示し、図4は本実施形態に係る、粒子状活性炭21を含む造粒活性炭2を示す。また、図5は、本実施形態に係る造粒活性炭2を更に拡大して走査型電子顕微鏡により撮影した写真である。図5から明らかなように、粒子状活性炭21と繊維22とが絡まり合うことで水溶性バインダーや熱溶着性バインダーを用いることなく造粒体が形成されている。
表1における比表面積はBET法により算出し、細孔容積はマイクロ孔についてはMP法により、メソ孔及びマクロ孔についてはBJH法により算出した。
なお、MP法とは、「t−プロット法」を利用して、マイクロ孔容積等の分布を求める方法であり、文献(Colloid and Interface Science, 26, 46(1968))に記載の細孔測定法を意味する。また、BJH法はメソ孔やマクロ孔の解析に用いられる計算方法で、Barrett,Joyner,Halendaらにより提唱されたものである。
先ず、中心粒子径D2が40μmを超えることにより、造粒活性炭の緻密化が起こりにくく、通水抵抗が上昇しにくい。また、中心粒子径D2を2mm以下とすることにより、造粒活性炭間の空隙をより小さなものとすることができ、活性炭全体の体積当たりの吸着量を高めることができる。
更に、中心粒子径D2が60μm未満の場合、ユーザーが不便と感じないろ過流量(以下、単に所定の流量ともいう)を維持することが難しい。また、中心粒子径D2が100μmを超える場合、浄水能力を高くすることが難しい。
以上のことから、造粒活性炭の中心粒子径D2は、60〜100μmであることが好ましい。
なお、中心粒子径D2は中心粒子径D1と同様、レーザー回折法により測定された値であり、体積基準の積算分率における50%径の値(D50)を意味する。
本発明における繊維としてセルロースや合成樹脂ナノファイバー等を例に挙げて説明したが、繊維としては、造粒体が形成可能な繊維状物質であればよく、セルロースや合成樹脂ナノファイバー等には限定されない。
また、バインダーによって造粒される対象は粒子状活性炭に限定されない。例えば、鉛除去や抗菌の目的で、粒子状活性炭以外の添加剤を添加してもよい。具体的には、イオン交換剤であるゼオライトを粒子状活性炭に混ぜて、造粒を行ってもよい。
表2に示した繊維配合量で、粒子径D50が9μmの粒子状活性炭をスプレードライヤー法で造粒し実施例1〜5、参考例6、7及び比較例1〜2の活性炭を得た。粒子径D50が9μmの粒子状活性炭としては太閤活性炭CN8200S(フタムラ化学社製)をジェットミルEJM0Q(アーステクニカ社製)で粉砕して作製し、繊維としてはフィブリル化した合成樹脂を湿式粉砕で微細化したナノファイバーをそれぞれ用いた。また、スプレードライヤー法の条件は以下の通りであった。
<スプレードライヤー法>
粒子状活性炭及び繊維を水に分散させてなるスラリーを作成し、ディスク式スプレードライヤーFOC−20(大川原化工機社製)により、乾燥温度230℃で噴霧乾燥した。
<造粒強度>
2:後述する条件で通水試験をしても粒子状活性炭が崩壊しなかった(造粒できた)。
1:後述する条件で通水試験をすると粒子状活性炭が崩壊した(造粒できなかった)。
0:粒子状活性炭同士が結合しなかった(造粒できなかった)。
[比較例3〜8]
表2に示した粒子径の活性炭を比較例3〜8の活性炭とした。具体的には、比較例3〜8の活性炭としては太閤活性炭CN8200S(フタムラ化学社製)をジェットミルEJM0Q(アーステクニカ社製)や乾式ボールミルで粉砕して作製した。
実施例1〜5、参考例6、7、比較例3〜8の活性炭を、外径が24.7mm、内径が8mm、高さが90mmの円筒状に成型加工し、JIS S3201に基づく遊離残留塩素ろ過能力試験を行った。結果を表2に示した。
21 粒子状活性炭
22 繊維
Claims (6)
- 複数の粒子状活性炭と、前記複数の粒子状活性炭同士を結合するバインダーと、を含んで構成され、
前記バインダーは、繊維と繊維との間に通水可能な隙間が形成された網状の繊維で構成される造粒活性炭であって、
前記繊維は、前記造粒活性炭中に1〜5体積%含まれる造粒活性炭。 - 前記繊維は、前記造粒活性炭の表面及び内部で前記粒子状活性炭に絡まりあうことで結合する請求項1に記載の造粒活性炭。
- 前記繊維は、フィブリル繊維である請求項1または2に記載の造粒活性炭。
- 前記繊維は、ナノファイバーである請求項1から3いずれかに記載の造粒活性炭。
- 前記粒子状活性炭の中心粒子径は、40μm以下である請求項1から4いずれかに記載の造粒活性炭。
- 請求項1から5いずれかに記載の造粒活性炭の製造方法であって、
前記粒子状活性炭及び前記繊維を水に分散させてなるスラリーを噴霧乾燥する工程を含む造粒活性炭の製造方法。
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