JP7276771B2 - Method for producing porous carbon and method for producing porous carbon molding - Google Patents
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Description
本発明は、多孔質炭素の製造方法及び多孔質炭素成型体の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing porous carbon and a method for producing a molded porous carbon body.
表面に直径がミクロン又はナノメーターオーダーの細孔を有し、高い比表面積を有する多孔質炭素は、吸着材として有用である。この多孔質炭素の製造方法としては、例えばフェノール樹脂等を炭素原料として、水蒸気やアルカリ性物質により賦活して比表面積を増大させる方法(特開2012-41199号公報)、有機質樹脂を酸化マグネシウム等の酸化物(鋳型粒子)と混合し炭素化した後、上記酸化物を取り除く方法(特開2016-41656号公報)などが挙げられる。 Porous carbon having pores with diameters on the order of microns or nanometers on its surface and having a high specific surface area is useful as an adsorbent. Examples of the method for producing this porous carbon include a method in which a phenol resin or the like is used as a carbon raw material and activated with steam or an alkaline substance to increase the specific surface area (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-41199), and an organic resin such as magnesium oxide. Examples include a method of removing the oxide after mixing with an oxide (template particles) and carbonizing it (Japanese Patent Laid-Open No. 2016-41656).
上記従来の多孔質炭素の製造方法では、原料を炭素化する工程に加えて、アルカリ性物質による賦活処理や鋳型粒子の除去処理を行う工程が必要であり、製造効率が低下すると共に製造コストも上昇する。 In the conventional method for producing porous carbon described above, in addition to the step of carbonizing the raw material, it is necessary to perform an activation treatment with an alkaline substance and a treatment to remove the template particles, which reduces the production efficiency and increases the production cost. do.
上記従来の多孔質炭素の製造方法では、炭素を浸食処理することでその表面に空隙を形成する。このような方法にあっては、比表面積は概ね浸食の程度に比例する。一方、比表面積を大きくすべく浸食の程度を大きくすると、内部に形成される空間も大きくなり、多孔質炭素自体の嵩が増す。このように嵩の増した、つまり嵩密度の低下した多孔質炭素では、単位質量当たりの比表面積が大きくなったとしても、単位体積当たりの比表面積はむしろ減少する傾向にある。 In the above-described conventional method for producing porous carbon, voids are formed on the surface of the carbon by eroding the carbon. In such a method, the specific surface area is roughly proportional to the degree of erosion. On the other hand, if the degree of erosion is increased in order to increase the specific surface area, the space formed inside also increases, and the volume of the porous carbon itself increases. Porous carbon with increased bulk, ie, reduced bulk density, tends to have a smaller specific surface area per unit volume, even if the specific surface area per unit mass increases.
ここで、多孔質炭素の使用状態を考えると、例えば蓄電池に用いる場合であれば、多孔質炭素は一定体積の容器に多孔質炭素を充填して用いられる。つまり、多孔質炭素には単位質量当たりの比表面積が大きいこともさることながら、単位体積当たりの比表面積が大きいことが求められる。このため、多孔質炭素は嵩密度が大きいことが好ましい。
Considering the state of use of the porous carbon, for example, when it is used in a storage battery, the porous carbon is used by filling a container of a certain volume with the porous carbon. In other words, porous carbon is required to have a large specific surface area per unit volume as well as a large specific surface area per unit mass. For this reason, the porous carbon preferably has a high bulk density.
さらに、嵩密度の低下は多孔質炭素の強度の低下を意味するから、耐久性の観点からも多孔質炭素の嵩密度は大きいことが求められる。 Furthermore, since a decrease in bulk density means a decrease in the strength of porous carbon, the bulk density of porous carbon is required to be high also from the viewpoint of durability.
本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、低い製造コストで、嵩密度が大きく、かつ単位体積当たりの比表面積が大きい多孔質炭素を製造できる多孔質炭素の製造方法及び多孔質炭素成型体の製造方法の提供を目的とする。 The present invention has been made based on the circumstances as described above. An object of the present invention is to provide a method for producing a porous carbon molded body.
上記従来の多孔質炭素の製造方法では、一般に多孔質炭素の製造原料には、フェノール樹脂等の難黒鉛化炭素原料が用いられる。これは主として、安価な易黒鉛化炭素原料を用いた場合、多孔質体が得られないことに起因していると考えられる。この差異が生じる原因は明確ではないが、本発明者らは以下のように推察している。まず、難黒鉛化炭素原料を用いる場合、芳香環同士の積層構造が少ないランダムに架橋した芳香族高分子が、直接固相炭素化する。その過程で、炭素網面の間にできる空隙がミクロ孔としての機能を発し、多孔質体が得られると考えられる。一方、易黒鉛化炭素原料を用いると、融液を経て炭素化する。融液においては、芳香環同士は平行配向(積層)するのが安定であるため、芳香族分子間の積層構造(メソフェーズ、液晶)が生成する。その後、易黒鉛化炭素原料は、不融化し固相で炭素化する。このメソフェーズで芳香族分子間の空隙が最小化するため、固相炭素化しても、多孔質にはならないと考えられる。上述の考察にもとづき、本発明者らは、易黒鉛化性炭素原料を用いる場合であっても、融液を経由せずに固相炭素化すれば、多孔質炭素が生成できることを見出し、本発明を完成させた。 In the above-described conventional method for producing porous carbon, a non-graphitizable carbon raw material such as phenol resin is generally used as a raw material for producing porous carbon. It is considered that this is mainly due to the fact that a porous body cannot be obtained when an inexpensive graphitizable carbon raw material is used. Although the cause of this difference is not clear, the present inventors speculate as follows. First, when a non-graphitizable carbon raw material is used, a randomly crosslinked aromatic polymer with a small number of laminated structures between aromatic rings is directly solid-phase carbonized. In the process, the voids formed between the carbon network planes function as micropores, and it is thought that a porous body is obtained. On the other hand, when an easily graphitizable carbon raw material is used, it is carbonized through a melt. In the melt, parallel alignment (stacking) of the aromatic rings is stable, so a stacked structure (mesophase, liquid crystal) between aromatic molecules is generated. Thereafter, the graphitizable carbon raw material is made infusible and carbonized in the solid phase. In this mesophase, voids between aromatic molecules are minimized, so solid-phase carbonization does not result in porosity. Based on the above considerations, the present inventors found that porous carbon can be produced by solid phase carbonization without passing through a melt even when using an easily graphitizable carbon raw material. perfected the invention.
すなわち、本発明の多孔質炭素の製造方法は、易黒鉛化炭素原料を、融液を経ずに固形化する工程と、上記固形化工程後の固形分を固相炭素化する工程とを備える。 That is, the method for producing porous carbon of the present invention includes a step of solidifying an easily graphitizable carbon raw material without passing through a melt, and a step of solid phase carbonizing the solid content after the solidification step. .
当該多孔質炭素の製造方法は、融液を経ずに易黒鉛化炭素原料を固形化するので、易黒鉛化炭素原料を用いても固形分として多孔質体が得られる。従って、この固形分を固相炭素化することで、低い製造コストで、単位体積当たりの比表面積が大きい多孔質炭素を製造することができる。また、当該多孔質炭素の製造方法により製造される多孔質炭素は、直径2nm未満の細孔であるミクロ孔の占める割合が高く、嵩密度を高められる。 In the method for producing porous carbon, the easily graphitizable carbon raw material is solidified without melting, so that even if the easily graphitizable carbon raw material is used, a porous body can be obtained as a solid content. Therefore, by solid-phase carbonizing this solid content, porous carbon having a large specific surface area per unit volume can be produced at a low production cost. In addition, the porous carbon produced by the method for producing porous carbon has a high proportion of micropores, which are pores with a diameter of less than 2 nm, and has an increased bulk density.
上記易黒鉛化炭素原料が無灰炭を含むとよい。一般的に1000℃以上で行われる石炭の乾留及び蒸留を経て得られる石炭ピッチに比べ、石炭から400℃以下の抽出により得られる無灰炭は、酸素等のヘテロ原子を多く含み、積層構造となり難い。このため、上記易黒鉛化炭素原料に無灰炭を含めることで、単位体積当たりの比表面積が大きい多孔質炭素を得易い。また、無灰炭はヘテロ原子の含有量が大きいことに加え、分子量も大きいため、固相炭素化工程での歩留まりを高められる。 The easily graphitizable carbon material preferably contains ashless coal. Compared to coal pitch obtained through dry distillation and distillation of coal, which is generally performed at 1000 ° C or higher, ashless coal obtained by extraction from coal at 400 ° C or lower contains many heteroatoms such as oxygen and has a laminated structure. hard. Therefore, by including ashless coal in the graphitizable carbon raw material, it is easy to obtain porous carbon having a large specific surface area per unit volume. In addition, since ashless coal has a high heteroatom content and a high molecular weight, the yield in the solid-phase carbonization process can be increased.
上記固形化工程が、上記易黒鉛化炭素原料をその良溶媒に溶解させる工程と、上記溶解工程で得られた溶液を上記易黒鉛化炭素原料の貧溶媒と混合する工程と、上記貧溶媒混合工程で得られた混合液から固形分を析出させる工程とを有するとよい。このように上記固形化工程に、上述の工程を有する、いわゆる貧溶媒法を用いることで、容易に多孔質炭素を製造できるうえ、特別な装置等を必要としないため、多孔質炭素の製造コストをさらに低減できる。 The solidification step includes dissolving the graphitizable carbon raw material in a good solvent, mixing the solution obtained in the dissolving step with a poor solvent for the graphitizable carbon raw material, and mixing the poor solvent. and a step of precipitating a solid content from the mixed liquid obtained in the step. In this way, by using the so-called poor solvent method, which includes the above-described steps, for the solidification step, porous carbon can be easily produced, and special equipment etc. are not required, so the production cost of porous carbon is reduced. can be further reduced.
上記固形化工程が、石炭を無灰炭の良溶媒と混合する工程と、上記良溶媒混合工程で得られたスラリーの加熱により上記石炭から無灰炭を上記良溶媒に溶出させる工程と、上記溶出工程で得られたスラリーを固液分離する工程と、上記固液分離工程で得られた溶液を上記無灰炭の貧溶媒と混合する工程と、上記貧溶媒混合工程で得られた混合液から固形分を析出させる工程とを有するとよい。上記溶出工程での石炭の溶媒抽出処理により無灰炭を良溶媒に溶出できる。従って、この無灰炭が良溶媒に溶出した溶液を上記貧溶媒混合工程の溶液に用いることで、無灰炭を固形物として取り出す必要がなくなるため、多孔質炭素の製造コストをさらに低減できる。 The solidification step includes a step of mixing coal with a good solvent for ashless coal, a step of heating the slurry obtained in the good solvent mixing step to elute ashless coal from the coal into the good solvent, and A step of solid-liquid separation of the slurry obtained in the elution step, a step of mixing the solution obtained in the solid-liquid separation step with the poor solvent of the ashless coal, and a mixture obtained in the poor solvent mixing step It is preferable to have a step of precipitating the solid content from. The ashless coal can be eluted into a good solvent by the solvent extraction treatment of the coal in the elution step. Therefore, by using the solution in which the ashless coal is eluted in the good solvent as the solution in the poor solvent mixing step, there is no need to take out the ashless coal as a solid matter, so the production cost of the porous carbon can be further reduced.
上記良溶媒が含窒素化合物を含み、上記貧溶媒が含窒素化合物を含まないとよい。このように良溶媒に含窒素化合物を含めることで、易黒鉛化炭素原料の溶解度を高めることができる。また、貧溶媒に含窒素化合物を含めないことで、固形分の析出効率を高めることができる。従って、良溶媒及び貧溶媒を上述の組み合わせとすることで、多孔質炭素の製造効率を高められる。 It is preferable that the good solvent contains a nitrogen-containing compound and the poor solvent does not contain a nitrogen-containing compound. By including the nitrogen-containing compound in the good solvent in this way, the solubility of the graphitizable carbon raw material can be increased. In addition, by not including a nitrogen-containing compound in the poor solvent, it is possible to increase the deposition efficiency of the solid content. Therefore, by combining the good solvent and the poor solvent as described above, the production efficiency of the porous carbon can be enhanced.
上記溶液中の上記易黒鉛化炭素原料の含有量としては、5質量%以上50質量%以下が好ましく、上記貧溶媒混合工程で混合される上記溶液に対する上記貧溶媒の質量比としては、3倍以上20倍以下が好ましい。このように易黒鉛化炭素原料の含有量を上記範囲内とすることで、未溶解の易黒鉛化炭素原料を低減しつつ、多孔質炭素の製造効率を高めることができる。また、貧溶媒の質量比を上記範囲内とすることで、不必要な貧溶媒の使用を抑止しつつ、多孔質炭素の製造効率を高めることができる。 The content of the graphitizable carbon raw material in the solution is preferably 5% by mass or more and 50% by mass or less, and the mass ratio of the poor solvent to the solution mixed in the poor solvent mixing step is 3 times. More than 20 times or less is preferable. By setting the content of the graphitizable carbon raw material within the above range, it is possible to increase the production efficiency of the porous carbon while reducing the undissolved graphitizable carbon raw material. Further, by setting the mass ratio of the poor solvent within the above range, it is possible to increase the production efficiency of the porous carbon while suppressing unnecessary use of the poor solvent.
上記固形化工程が、上記易黒鉛化炭素原料を含む溶液を凍結する工程と、上記凍結工程後の易黒鉛化炭素原料を凍結状態で乾燥する工程とを有するとよい。このように上記固形化工程に、上述の工程を有する、いわゆるフリーズドライ法を用いることで、容易に多孔質炭素を製造できるうえ、塊状のバルクを得やすい。 The solidification step preferably includes a step of freezing a solution containing the graphitizable carbon raw material, and a step of drying the graphitizable carbon raw material after the freezing step in a frozen state. By using the so-called freeze-drying method, which includes the above-described steps, for the solidification step, porous carbon can be easily produced, and a lump-like bulk can be easily obtained.
上記固形化工程が、上記易黒鉛化炭素原料を含む紡糸液を調製する工程と、上記紡糸液の凝固液への吐出により上記易黒鉛化炭素原料を繊維化する工程とを有するとよい。このように上記固形化工程に、上述の工程を有する、いわゆる湿式紡糸法を用いることで、容易に多孔質炭素を製造できるうえ、繊維状の多孔質炭素を容易に得ることができる。 The solidification step preferably includes a step of preparing a spinning solution containing the graphitizable carbon raw material, and a step of making the graphitizable carbon raw material fiber by discharging the spinning solution into a coagulating liquid. By using the so-called wet spinning method including the above-described steps for the solidification step, porous carbon can be easily produced, and fibrous porous carbon can be easily obtained.
本発明の多孔質炭素成型体の製造方法は、易黒鉛化炭素原料を、融液を経ずに固形化する工程と、上記固形化工程後の固形分を固相炭素化する工程と、上記固形化工程後の多孔質炭素を嵩密度が0.8g/cm3以上となるように加圧成型する工程とを備える。 The method for producing a porous carbon molded body of the present invention includes a step of solidifying an easily graphitizable carbon raw material without passing through a melt, a step of solid phase carbonizing the solid content after the solidification step, and the above and a step of pressure-molding the porous carbon after the solidification step so that the bulk density is 0.8 g/cm 3 or more.
当該多孔質炭素成型体の製造方法は、融液を経ずに易黒鉛化炭素原料を固形化するので、易黒鉛化炭素原料を用いても固形分として多孔質体が得られる。従って、この固形分を固相炭素化することで、低い製造コストで、単位体積当たりの比表面積が大きい多孔質炭素成型体を製造することができる。また、当該多孔質炭素成型体の製造方法は、直径2nm未満の細孔であるミクロ孔の占める割合が高く、嵩密度を高められる。その嵩密度を加圧成型工程で上記下限以上とすることで、例えば電気二重層キャパシタとして利用した際に単位体積に対して高い静電容量が得られる。 In the method for producing a porous carbon molded body, the easily graphitizable carbon raw material is solidified without melting, so that even if the easily graphitizable carbon raw material is used, a porous body can be obtained as a solid content. Therefore, by solid-phase carbonizing this solid content, it is possible to produce a porous carbon molding having a large specific surface area per unit volume at a low production cost. In addition, the method for producing a porous carbon molded body has a high ratio of micropores, which are pores with a diameter of less than 2 nm, and can increase the bulk density. By making the bulk density equal to or higher than the above lower limit in the pressure molding process, a high capacitance per unit volume can be obtained when used as an electric double layer capacitor, for example.
ここで、「易黒鉛化炭素原料」とは、常圧で2500℃以上の高温で加熱処理を行うと黒鉛化する炭素材料を指す。また、「固相炭素化」とは、軟化(溶融)させることなく炭素化することを言う。 Here, the term "easy graphitizable carbon material" refers to a carbon material that graphitizes when heat-treated at a high temperature of 2500° C. or higher under normal pressure. Moreover, "solid-phase carbonization" means carbonization without softening (melting).
ある物質に対する「良溶媒」とは、25℃においてその物質の溶解度が5質量%以上である溶媒を指し、「貧溶媒」とは、25℃においてその物質の溶解度が5質量%未満である溶媒を指す。 A "good solvent" for a substance refers to a solvent in which the substance has a solubility of 5% by mass or more at 25°C, and a "poor solvent" refers to a solvent in which the substance has a solubility of less than 5% by mass at 25°C. point to
「無灰炭」(ハイパーコール、HPC)とは、石炭を改質した改質炭の一種であり、溶剤を用いて石炭から灰分と非溶解性成分とを可能な限り除去した改質炭である。しかしながら、無灰炭の流動性や膨張性を著しく損ねない範囲で、無灰炭は灰分を含んでもよい。一般に石炭は7質量%以上20質量%以下の灰分を含むが、無灰炭においては2質量%程度、場合によっては5質量%程度の灰分を含んでもよい。なお、「灰分」とは、JIS-M8812:2004に準拠して測定される値を意味する。 “Ash-free coal” (Hypercoal, HPC) is a type of modified coal obtained by modifying coal, and is modified coal in which ash and insoluble components are removed as much as possible from coal using a solvent. be. However, the ashless coal may contain ash as long as the fluidity and expansibility of the ashless coal are not significantly impaired. Generally, coal contains 7% by mass or more and 20% by mass or less of ash, but ashless coal may contain about 2% by mass, and in some cases about 5% by mass of ash. The term "ash content" means a value measured according to JIS-M8812:2004.
また、成型体の「嵩密度」は、成型後の質量をその容積で除した値をいう。 Also, the "bulk density" of a molded body refers to a value obtained by dividing the mass after molding by its volume.
以上説明したように、本発明の多孔質炭素の製造方法及び多孔質炭素成型体の製造方法は、低い製造コストで、嵩密度が大きく、かつ単位体積当たりの比表面積が大きい多孔質炭素及び多孔質炭素成型体を製造できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the method for producing porous carbon and the method for producing a porous carbon molded body according to the present invention provide porous carbon and porous carbon having a large bulk density and a large specific surface area per unit volume at a low production cost. A quality carbon molding can be produced.
[第一実施形態]
以下、本発明に係る多孔質炭素の製造方法及び多孔質炭素成型体の製造方法の第一実施形態について説明する。
[First embodiment]
A first embodiment of the method for producing porous carbon and the method for producing a molded porous carbon body according to the present invention will be described below.
当該多孔質炭素の製造方法は、図1に示すように、固形化工程S1と、固相炭素化工程S2とを備える。また、当該多孔質炭素成型体の製造方法は、図2に示すように、上述の固形化工程S1及び固相炭素化工程S2に加えて、加圧成型工程S3を備える。 As shown in FIG. 1, the method for producing porous carbon includes a solidification step S1 and a solid-phase carbonization step S2. Moreover, as shown in FIG. 2, the method for producing the porous carbon molded body includes a pressure molding step S3 in addition to the above-described solidification step S1 and solid phase carbonization step S2.
〔固形化工程〕
固形化工程S1では、融液を経ずに易黒鉛化炭素原料を固形化する。
[Solidification step]
In the solidification step S1, the graphitizable carbon raw material is solidified without being melted.
上記易黒鉛化炭素原料としては、石炭ピッチ、石油アスファルト、無灰炭等を挙げることができる。これらの原料は、単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。また、上記易黒鉛化炭素原料は、融液を経て製造されたものであってもよい。 Examples of the easily graphitizable carbon material include coal pitch, petroleum asphalt, and ashless coal. These raw materials may be used alone or in combination of two or more. Moreover, the graphitizable carbon raw material may be produced through a melt.
上記易黒鉛化炭素原料は、無灰炭を含むことが好ましく、無灰炭を単独で用いることがさらに好ましい。一般的に1000℃以上で行われる石炭の乾留及び蒸留を経て得られる石炭ピッチに比べ、石炭から400℃以下の抽出により得られる無灰炭は、酸素等のヘテロ原子を多く含み、積層構造となり難い。このため、上記易黒鉛化炭素原料に無灰炭を含めることで、単位体積当たりの比表面積が大きい多孔質炭素を得易い。また、無灰炭はヘテロ原子の含有量が大きいことに加え、分子量も大きいため、固相炭素化工程での歩留まりを高められる。 The easily graphitizable carbon material preferably contains ashless coal, and more preferably uses ashless coal alone. Compared to coal pitch obtained through dry distillation and distillation of coal, which is generally performed at 1000 ° C or higher, ashless coal obtained by extraction from coal at 400 ° C or lower contains many heteroatoms such as oxygen and has a laminated structure. hard. Therefore, by including ashless coal in the graphitizable carbon raw material, it is easy to obtain porous carbon having a large specific surface area per unit volume. In addition, since ashless coal has a high heteroatom content and a high molecular weight, the yield in the solid-phase carbonization process can be increased.
ここで、無灰炭についてさらに詳説すると、無灰炭は、石炭抽出物のため、多種の分子からなる混合物であり、酸素や窒素等のヘテロ原子を有する多環芳香族を基本構造としている。このような無灰炭の分子は、多環芳香族が平面であることから、比較的平面性を有しており、また、高い軟化溶融性を有している。無灰炭を炭化するための昇温過程では、通常、400℃前後で軟化溶融した液体状態をとなり、約900℃で炭化反応(液相炭化)が進む。この液相炭化過程では、系全体の安定化に向けて、無灰炭分子の平面部の積層が進み、配向した分子集合体となる。すなわち、無灰炭は、黒鉛化性を有する炭素原料(易黒鉛化性炭素原料)である。 Ashless coal is a mixture of various molecules because it is a coal extract, and has a basic structure of polycyclic aromatics having heteroatoms such as oxygen and nitrogen. Molecules of such ashless coal have relatively planarity and high softening and melting properties because polycyclic aromatic molecules are planar. In the temperature rising process for carbonizing ashless coal, it usually becomes a softened and melted liquid state at around 400°C, and the carbonization reaction (liquid phase carbonization) proceeds at about 900°C. In this liquid-phase carbonization process, the ash-free coal molecules are layered in the planar part and become oriented molecular aggregates in order to stabilize the entire system. That is, ashless coal is a graphitizable carbon material (an easily graphitizable carbon material).
当該多孔質炭素の製造方法及び多孔質炭素成型体の製造方法では、固形化工程S1が、図3に示すように、溶解工程S11と、貧溶媒混合工程S12と、析出工程S13とを有する。 In the method for producing porous carbon and the method for producing a porous carbon compact, the solidification step S1 includes a dissolution step S11, a poor solvent mixing step S12, and a precipitation step S13, as shown in FIG.
<溶解工程>
溶解工程S11は、上記易黒鉛化炭素原料をその良溶媒に溶解させる。
<Dissolution process>
In the dissolving step S11, the graphitizable carbon material is dissolved in the good solvent.
上記良溶媒としては、上記易黒鉛化炭素原料が溶解可能であれば特に限定されないが、上記良溶媒が含窒素化合物を含むとよい。このように上記良溶媒に含窒素化合物を含めることで、上記易黒鉛化炭素原料の溶解度を高めることができる。 The good solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the graphitizable carbon material, but the good solvent preferably contains a nitrogen-containing compound. By including the nitrogen-containing compound in the good solvent in this manner, the solubility of the graphitizable carbon material can be increased.
上記含窒素化合物としては、ピリジン(C5H5N)、キノリン(C9H7N)、N-メチルピロリドン(C5H9NO)等を挙げることができる。中でも高い溶解力を有し、かつ比較的沸点が低いため取り扱いが容易であるピリジンが好ましい。 Examples of the nitrogen-containing compounds include pyridine (C 5 H 5 N), quinoline (C 9 H 7 N), N-methylpyrrolidone (C 5 H 9 NO), and the like. Among them, pyridine is preferable because it has a high dissolving power and a relatively low boiling point and is easy to handle.
溶解後の溶液中の上記易黒鉛化炭素原料の含有量の下限としては、5質量%が好ましく、10質量%がより好ましい。一方、上記易黒鉛化炭素原料の含有量の上限としては、40質量%が好ましく、30質量%がより好ましい。上記易黒鉛化炭素原料の含有量が上記下限未満であると、良溶媒が過剰となり、多孔質炭素の製造効率が低下するおそれがある。逆に、上記易黒鉛化炭素原料の含有量が上記上限を超えると、未溶解の易黒鉛化炭素原料が増加し、多孔質炭素の収率が低下するおそれがある。 The lower limit of the content of the graphitizable carbon material in the solution after dissolution is preferably 5% by mass, more preferably 10% by mass. On the other hand, the upper limit of the content of the graphitizable carbon material is preferably 40% by mass, more preferably 30% by mass. If the content of the graphitizable carbon raw material is less than the lower limit, the good solvent may become excessive and the production efficiency of the porous carbon may decrease. Conversely, if the content of the graphitizable carbon raw material exceeds the above upper limit, the amount of undissolved graphitizable carbon raw material increases, and the yield of porous carbon may decrease.
<貧溶媒混合工程>
貧溶媒混合工程S12では、溶解工程S11で得られた溶液を上記易黒鉛化炭素原料の貧溶媒と混合する。
<Poor solvent mixing step>
In the poor solvent mixing step S12, the solution obtained in the dissolving step S11 is mixed with the poor solvent for the graphitizable carbon raw material.
上記貧溶媒としては、上記易黒鉛化炭素原料の溶解度が小さいものであれば特に限定されないが、上記良溶媒とよく混ざるものが好ましい。また、上記貧溶媒が含窒素化合物を含まないとよい。このように上記貧溶媒に含窒素化合物を含めないことで、固形分の析出効率を高めることができる。また、上記良溶媒が含窒素化合物を含み、上記貧溶媒が含窒素化合物を含まない組み合わせとすることで、多孔質炭素の製造効率を特に高められる。 The poor solvent is not particularly limited as long as the solubility of the graphitizable carbon raw material is low, but a solvent that mixes well with the good solvent is preferable. Moreover, it is preferable that the poor solvent does not contain a nitrogen-containing compound. By not including a nitrogen-containing compound in the poor solvent in this manner, the deposition efficiency of the solid content can be enhanced. Moreover, the combination of the good solvent containing the nitrogen-containing compound and the poor solvent not containing the nitrogen-containing compound can particularly enhance the production efficiency of the porous carbon.
上記貧溶媒としては、水(H2O)、メタノール(CH4O)、エタノール(C2H6O)、アセトン(C3H6O)、トルエン(C7H8)、ヘキサン(C6H14)等を挙げることができる。上記貧溶媒としては、良溶媒として高極性の含窒素化合物を用いる場合、上記良溶媒と混合され易い酸素を含む高極性のものが好ましい。このような貧溶媒としては、水、メタノール、エタノール、アセトンが挙げられる。また、上記良溶媒としてメチルナフタレン等を用いる場合、上記貧溶媒としては、メチルナフタレン等に比べて易黒鉛化炭素原料の溶解力が十分に小さいトルエンやヘキサンが好ましい。 Examples of the poor solvent include water (H 2 O), methanol (CH 4 O), ethanol (C 2 H 6 O), acetone (C 3 H 6 O), toluene (C 7 H 8 ), hexane (C 6 H 14 ) and the like. When a highly polar nitrogen-containing compound is used as the good solvent, the poor solvent is preferably a highly polar one containing oxygen, which is easily mixed with the good solvent. Such poor solvents include water, methanol, ethanol, and acetone. When methylnaphthalene or the like is used as the good solvent, toluene or hexane is preferable as the poor solvent because the dissolving power of the graphitizable carbon material is sufficiently lower than that of methylnaphthalene or the like.
上記溶液と上記貧溶媒との混合方法は、特に限定されないが、上記貧溶媒に上記溶液を添加する方法が好ましい。大量の貧溶媒に、上記良溶媒に溶解した上記易黒鉛化炭素原料を加えることで、易黒鉛化炭素原料が瞬時に粉末状の固形分となるので、多孔質炭素の製造効率を高められる。 A method of mixing the solution and the poor solvent is not particularly limited, but a method of adding the solution to the poor solvent is preferable. By adding the graphitizable carbon raw material dissolved in the good solvent to a large amount of the poor solvent, the graphitizable carbon raw material instantly becomes a powdery solid content, so that the production efficiency of the porous carbon can be enhanced.
貧溶媒混合工程S12で混合される上記溶液に対する上記貧溶媒の質量比の下限としては、3倍が好ましく、5倍がより好ましい。一方、上記質量比の上限としては、20倍が好ましく、10倍がより好ましい。上記質量比が上記下限未満であると、析出しない易黒鉛化炭素原料の量が多くなり、多孔質炭素の収率が低下するおそれがある。逆に、上記質量比が上記上限を超えると、貧溶媒が不必要に多くなり、製造効率が低下するおそれや、製造コストが上昇するおそれがある。 The lower limit of the mass ratio of the poor solvent to the solution mixed in the poor solvent mixing step S12 is preferably 3 times, more preferably 5 times. On the other hand, the upper limit of the mass ratio is preferably 20 times, more preferably 10 times. If the above mass ratio is less than the above lower limit, the amount of graphitizable carbon raw material that does not precipitate may increase, and the yield of porous carbon may decrease. Conversely, if the mass ratio exceeds the upper limit, the amount of the poor solvent is unnecessarily increased, which may lead to a decrease in production efficiency and an increase in production cost.
<析出工程>
析出工程S13では、貧溶媒混合工程S12で得られた混合液から固形分を析出させる。
<Precipitation process>
In the precipitation step S13, the solid content is precipitated from the mixture obtained in the poor solvent mixing step S12.
具体的には、上述のように上記溶液と上記溶媒とを混合すると固形分が析出するので、この析出した固形分を、例えば濾過分離し、減圧乾燥する。 Specifically, when the solution and the solvent are mixed as described above, a solid content is precipitated, and the precipitated solid content is, for example, separated by filtration and dried under reduced pressure.
このようにして析出した固形分では、直径2nm未満の細孔(ミクロ孔)が大半を占め、直径2nm以上50nm未満の細孔(メゾ孔)や直径50nm以上の細孔(マクロ孔)が比較的少ない。従って、上記固形分は、比表面積に対して緻密性が高い。 In the solid content deposited in this way, pores with a diameter of less than 2 nm (micropores) account for the majority, and pores with a diameter of 2 nm or more and less than 50 nm (mesopores) and pores with a diameter of 50 nm or more (macropores) are compared. less meaningful. Therefore, the solid content has a high density relative to the specific surface area.
また、このように固形化工程S1に、上述の工程を有する、いわゆる貧溶媒法を用いることで、容易に多孔質炭素を製造できるうえ、特別な装置等を必要としないため、多孔質炭素の製造コストをさらに低減できる。 In addition, by using the so-called poor solvent method, which includes the above-described steps, in the solidification step S1, porous carbon can be easily produced, and no special apparatus or the like is required. Manufacturing costs can be further reduced.
〔固相炭素化工程〕
固相炭素化工程S2は、固形化工程S1後の固形分を固相炭素化する。具体的には、固形化工程S1で得られる固形分を加熱処理する。この炭素化により多孔質炭素が得られる。この固相炭素化工程S2は、加熱部により行うことができる。
[Solid phase carbonization step]
The solid phase carbonization step S2 solid phase carbonizes the solid content after the solidification step S1. Specifically, the solid content obtained in the solidification step S1 is heat-treated. Porous carbon is obtained by this carbonization. This solid-phase carbonization step S2 can be performed by a heating unit.
<加熱部>
上記加熱部は、加熱により上記固形分をその集合状態を実質的に保持したままで炭素化する(固相炭素化)。上記加熱部としては、例えば公知の電気炉等を用いることができ、低結晶性の固形分を加熱部へ挿入し、内部を不活性ガスで置換した後、加熱部内へ不活性ガスを吹き込みながら加熱を行うことで上記固形分の固相炭素化ができる。上記不活性ガスとしては、特に限定されないが、例えば窒素やアルゴン等を挙げることができる。中でも安価な窒素が好ましい。
<Heating part>
The heating unit carbonizes the solid content by heating while substantially maintaining the aggregation state thereof (solid-phase carbonization). As the heating unit, for example, a known electric furnace or the like can be used, and the low-crystalline solid content is inserted into the heating unit, the inside is replaced with an inert gas, and then the inert gas is blown into the heating unit. Solid-phase carbonization of the solid content can be performed by heating. Examples of the inert gas include, but are not limited to, nitrogen and argon. Among them, nitrogen is preferable because it is inexpensive.
固相炭素化工程S2での加熱温度の下限としては、600℃以上が好ましく、900℃がより好ましい。一方、上記加熱温度の上限としては、1300℃が好ましく、1100℃がより好ましい。上記加熱温度が上記下限未満であると、炭素化と細孔の発達が不十分となるおそれがある。逆に、加熱温度が上記上限を超えると、比表面積(多孔質性)が低下し、設備の耐熱性向上や燃料消費量の観点から製造コストが上昇するおそれがある。なお、昇温速度としては、例えば0.01℃/min以上10℃/min以下とすることができる。 The lower limit of the heating temperature in the solid phase carbonization step S2 is preferably 600°C or higher, more preferably 900°C. On the other hand, the upper limit of the heating temperature is preferably 1300°C, more preferably 1100°C. If the heating temperature is less than the lower limit, carbonization and pore development may be insufficient. Conversely, if the heating temperature exceeds the above upper limit, the specific surface area (porosity) decreases, and there is a risk that the production cost will increase from the viewpoint of improving the heat resistance of the equipment and fuel consumption. In addition, the heating rate can be, for example, 0.01° C./min or more and 10° C./min or less.
また、加熱時間の下限としては、10分が好ましく、20分がより好ましい。一方、加熱時間の上限としては、10時間が好ましく、8時間がより好ましい。加熱温度が上記下限未満であると、炭素化が不十分となるおそれがある。逆に、加熱時間が上記上限を超えると、多孔質炭素の製造効率が低下するおそれがある。 Also, the lower limit of the heating time is preferably 10 minutes, more preferably 20 minutes. On the other hand, the upper limit of the heating time is preferably 10 hours, more preferably 8 hours. If the heating temperature is less than the above lower limit, carbonization may be insufficient. Conversely, if the heating time exceeds the above upper limit, the production efficiency of porous carbon may decrease.
<不融化処理>
なお、固相炭素化を行う前に不融化を行ってもよい。この不融化処理により固形分が互いに融着することを防止できる。不融化は、例えば公知の加熱炉を用いて酸素を含む雰囲気中で加熱することにより行う。酸素を含む雰囲気としては、一般に空気が用いられる。
<Infusibilization treatment>
In addition, infusibilization may be performed before performing solid-phase carbonization. This infusibilization treatment can prevent the solids from being fused to each other. The infusibilization is performed by heating in an oxygen-containing atmosphere using, for example, a known heating furnace. Air is generally used as the atmosphere containing oxygen.
不融化を行う場合の不融化処理温度の下限としては、150℃が好ましく、180℃がより好ましい。一方、上記不融化処理温度の上限としては、300℃が好ましく、280℃がより好ましい。上記不融化処理温度が上記下限未満であると、不融化が不十分となるおそれや、不融化処理時間が長くなり、非効率となるおそれがある。逆に、上記不融化処理温度が上記上限を超えると、不融化される前に固形分が溶融するおそれがある。なお、昇温速度としては、例えば0.01℃/min以上10℃/min以下とすることができる。 The lower limit of the infusibilization treatment temperature when infusibilization is performed is preferably 150°C, more preferably 180°C. On the other hand, the upper limit of the infusibilizing treatment temperature is preferably 300°C, more preferably 280°C. If the infusibilizing treatment temperature is lower than the above lower limit, the infusibilizing may be insufficient, or the infusibilizing treatment may take a long time, resulting in inefficiency. Conversely, if the infusibilization treatment temperature exceeds the upper limit, the solid content may melt before being infusibilized. In addition, the heating rate can be, for example, 0.01° C./min or more and 10° C./min or less.
また、不融化を行う場合の不融化処理時間の下限としては、10分が好ましく、20分がより好ましい。一方、上記不融化処理時間の上限としては、120分が好ましく、90分がより好ましい。上記不融化処理時間が上記下限未満であると、不融化が不十分となるおそれがある。逆に、上記不融化処理時間が上記上限を超えると、多孔質炭素の製造コストが不必要に増大するおそれがある。 The lower limit of the infusibilizing treatment time when infusibilizing is performed is preferably 10 minutes, more preferably 20 minutes. On the other hand, the upper limit of the infusibilizing treatment time is preferably 120 minutes, more preferably 90 minutes. If the infusibilization treatment time is less than the above lower limit, infusibilization may be insufficient. Conversely, if the infusibilizing treatment time exceeds the upper limit, the manufacturing cost of the porous carbon may increase unnecessarily.
<賦活処理>
当該多孔質炭素の製造方法では、賦活処理なしで、ミクロ孔が大半を占める多孔質炭素を得ることができるが、軽度な賦活処理を施すことで、さらにミクロ孔を増加させることができる。
<Activation treatment>
In the method for producing porous carbon, porous carbon in which micropores occupy the majority can be obtained without activation treatment, but the micropores can be further increased by applying a mild activation treatment.
上記賦活処理としては、公知の方法を用いることができる。例えば、上記加熱処理後、あるいは上記加熱処理と同時に、その不活性ガスとしてCO2を含む不活性ガスを用いて、固形分の表面を部分的にガス化(C+CO2→2CO↑)させるCO2賦活を用いることができる。 A known method can be used for the activation treatment. For example, after the heat treatment or at the same time as the heat treatment, CO 2 is used to partially gasify the surface of the solid content (C+CO 2 →2CO↑) using an inert gas containing CO 2 as the inert gas. Activation can be used.
上記不活性ガス中のCO2濃度としては、特に限定されないが、上記CO2濃度の下限としては、10質量%が好ましい。一方、CO2濃度の上限としては、100質量%(純CO2)であってもよい。上記CO2濃度が上記下限未満であると、所望の賦活効果を得るために、より高温かつ長時間の処理が必要となるため、製造コストが増加するおそれや、製造効率が低下するおそれがある。 The CO 2 concentration in the inert gas is not particularly limited, but the lower limit of the CO 2 concentration is preferably 10% by mass. On the other hand, the upper limit of the CO 2 concentration may be 100% by mass (pure CO 2 ). If the CO 2 concentration is less than the lower limit, treatment at a higher temperature and for a longer time is required to obtain the desired activation effect, which may increase production costs and reduce production efficiency. .
CO2賦活による多孔質炭素の重量減少としては、CO2を含まない不活性ガス中で炭素化処理を行った場合の重量減少に対して105質量%以上150質量%以下とすることが好ましい。上記重量減少が上記下限未満であると、賦活効果(多孔質化)が不十分となるおそれがある。逆に、上記重量減少が上記上限を超えると、大きな賦活効果が得られるものの、無用に炭素を損耗し、製造効率が低下するおそれがある。 The weight reduction of the porous carbon due to CO 2 activation is preferably 105% by mass or more and 150% by mass or less with respect to the weight reduction when the carbonization treatment is performed in an inert gas containing no CO 2 . If the weight reduction is less than the lower limit, the activation effect (porous formation) may be insufficient. Conversely, if the weight reduction exceeds the upper limit, a large activation effect can be obtained, but the carbon is wasted unnecessarily, and there is a risk that the production efficiency will decrease.
<多孔質炭素>
当該多孔質炭素の製造方法を用いることで、例えば平均径0.5nm以上2nm以下の細孔を有する多孔質炭素を製造することができる。当該多孔質炭素の製造方法で得られる多孔質炭素は粒子状である。
<Porous carbon>
By using the method for producing porous carbon, porous carbon having pores with an average diameter of 0.5 nm or more and 2 nm or less can be produced, for example. The porous carbon obtained by the method for producing porous carbon is in the form of particles.
上記多孔質炭素は、窒素、水素、一酸化炭素等のガス吸着材、水処理用吸着材、電子部品等に好適に用いることができる。上記多孔質炭素は、その高い嵩密度によって、EDLC(Electrical Double Layer Capacitor;電気二重層キャパシタ)用電極等として用いる際に、単位容積当たりで高い性能を得ることができる。 The above porous carbon can be suitably used as an adsorbent for gases such as nitrogen, hydrogen and carbon monoxide, as an adsorbent for water treatment, as an electronic component, and the like. Due to its high bulk density, the porous carbon can provide high performance per unit volume when used as an electrode for an EDLC (Electrical Double Layer Capacitor) or the like.
以下、当該多孔質炭素の製造方法を用いて製造される多孔質炭素の特徴について説明する。 The characteristics of the porous carbon produced using the method for producing porous carbon will be described below.
上記多孔質炭素の細孔容積の下限としては、0.02cm3/gが好ましく、0.1cm3/gがより好ましく、0.15cm3/gがさらに好ましい。上記細孔容積が上記下限未満であると、多孔質材料として用いることが困難となるおそれがある。一方、上記細孔容積の上限としては、特に限定されないが、通常0.5cm3/g程度である。なお、「細孔容積」とは、HK法により細孔分布を測定し、細孔を円筒形と仮定した場合の積算細孔容積を指す。 The lower limit of the pore volume of the porous carbon is preferably 0.02 cm 3 /g, more preferably 0.1 cm 3 /g, and even more preferably 0.15 cm 3 /g. If the pore volume is less than the lower limit, it may be difficult to use as a porous material. On the other hand, although the upper limit of the pore volume is not particularly limited, it is usually about 0.5 cm 3 /g. The term "pore volume" refers to the accumulated pore volume when the pore distribution is measured by the HK method and the pores are assumed to be cylindrical.
上記多孔質炭素の細孔はミクロ孔が多く、メゾ孔やマクロ孔が少ないことが好ましい。つまり、上記多孔質炭素の細孔のうち、直径0.5nm以下の細孔のLog微分細孔容積は、0.1cm3/g以上が好ましく、0.15cm3/g以上がより好ましい。また、直径2nm以上4nm以下の細孔のLog微分細孔容積は、0.05cm3/g未満が好ましく、0.03cm3/g未満がより好ましい。直径0.5nm以下の細孔のLog微分細孔容積が上記下限未満、又は直径2nm以上4nm以下の細孔のLog微分細孔容積が上記上限以上であると、上記多孔質炭素の密度が低くなり、機械的強度が低下するおそれがある。なお、直径0.5nm以下の細孔のLog微分細孔容積の上限は、特に限定されないが、通常0.5cm3/g程度である。また、直径2nm以上4nm以下の細孔のLog微分細孔容積の下限は、0cm3/gが好ましく、直径2nm以上4nm以下の細孔を有さなくともよい。なお、ある直径における「細孔のLog微分細孔容積」は、次のようにして算出される値である。まず、HK法により細孔分布を測定する。この測定により、細孔を円筒形と仮定した場合の底面の直径Dに対する積算細孔容積分布Vが得られる。この分布を元に測定ポイント間の差分細孔容積dVを細孔直径Dの対数扱いでの差分値d(LogD)で割った値を求めることで、Log微分細孔容積が算出できる。 It is preferable that the pores of the porous carbon have many micropores and few mesopores and macropores. That is, among the pores of the porous carbon, the Log differential pore volume of pores having a diameter of 0.5 nm or less is preferably 0.1 cm 3 /g or more, more preferably 0.15 cm 3 /g or more. In addition, the Log differential pore volume of pores having a diameter of 2 nm or more and 4 nm or less is preferably less than 0.05 cm 3 /g, more preferably less than 0.03 cm 3 /g. When the log differential pore volume of pores with a diameter of 0.5 nm or less is less than the above lower limit, or the log differential pore volume of pores with a diameter of 2 nm or more and 4 nm or less is above the above upper limit, the density of the porous carbon is low. and the mechanical strength may decrease. Although the upper limit of the Log differential pore volume of pores having a diameter of 0.5 nm or less is not particularly limited, it is usually about 0.5 cm 3 /g. In addition, the lower limit of the Log differential pore volume of pores with a diameter of 2 nm or more and 4 nm or less is preferably 0 cm 3 /g, and pores with a diameter of 2 nm or more and 4 nm or less do not have to be present. The "log differential pore volume of a pore" at a certain diameter is a value calculated as follows. First, the pore distribution is measured by the HK method. This measurement yields the cumulative pore volume distribution V with respect to the diameter D of the bottom surface when the pores are assumed to be cylindrical. Based on this distribution, the log differential pore volume can be calculated by dividing the differential pore volume dV between measurement points by the differential value d (LogD) of the pore diameter D treated as a logarithm.
上記多孔質炭素の細孔はミクロ孔が多いため、上記多孔質炭素は緻密でありながら、単位質量当たりの比表面積が大きい。上記多孔質炭素の単位質量当たりの比表面積の下限としては、300m2/gが好ましく、350m2/gがより好ましく、400m2/gがさらに好ましい。単位質量当たりの比表面積が上記下限未満であると、多孔質材料として用いることが困難となるおそれがある。一方、単位質量当たりの比表面積の上限としては、特に限定されないが、通常3000m2/g程度である。なお、上記多孔質炭素の単位質量当たりの比表面積は、例えば溶液中の易黒鉛化炭素原料の含有量、良溶媒や貧溶媒の種類等により調整できる。 Since the pores of the porous carbon are many micropores, the porous carbon is dense and has a large specific surface area per unit mass. The lower limit of the specific surface area per unit mass of the porous carbon is preferably 300 m 2 /g, more preferably 350 m 2 /g, and even more preferably 400 m 2 /g. If the specific surface area per unit mass is less than the above lower limit, it may be difficult to use as a porous material. On the other hand, although the upper limit of the specific surface area per unit mass is not particularly limited, it is usually about 3000 m 2 /g. The specific surface area per unit mass of the porous carbon can be adjusted by, for example, the content of the graphitizable carbon raw material in the solution, the type of good solvent or poor solvent, and the like.
〔加圧成型工程〕
加圧成型工程S3では、固形化工程S1後である固相炭素化工程S2後の多孔質炭素を嵩密度が0.8g/cm3以上となるように加圧成型する。
[Pressure molding process]
In the pressure molding step S3, the porous carbon after the solid phase carbonization step S2, which is after the solidification step S1, is pressure molded so as to have a bulk density of 0.8 g/cm 3 or more.
加圧成型工程S3での成型方法としては、公知の圧縮成型、押し出し成型、造粒法等を用いることができる。 As a molding method in the pressure molding step S3, known compression molding, extrusion molding, granulation method, or the like can be used.
この成型工程S3は、公知の成型機を用いて行うことができる。成型機に用いる金型のキャビティの大きさ及び形状は、多孔質炭素の使用目的に応じて適宜決定されるが、例えば直径15mm以上25mm以下、深さ25mm以上35mm以下の円筒状とできる。 This molding step S3 can be performed using a known molding machine. The size and shape of the cavity of the mold used in the molding machine are appropriately determined according to the purpose of use of the porous carbon.
また、加圧成型工程S3での成型は、上記多孔質炭素に可撓性が不足する場合は、上記多孔質炭素にバインダーを添加して行うことが好ましい。なお、上記多孔質炭素に可撓性がある場合には、バインダーを含めずに成型することもできる。 Further, when the porous carbon is insufficient in flexibility, the molding in the pressure molding step S3 is preferably performed by adding a binder to the porous carbon. If the porous carbon is flexible, it can be molded without including a binder.
バインダーを添加して成型を行う場合、上記バインダーとしては、炭素収率が低く、多孔質炭素の細孔に浸透し難い物質、例えば水や水溶性高分子を用いるとよい。上記水溶性高分子としては、デンプン、糖蜜、ポリビニルアルコール等を挙げることができる。バインダーを炭素収率が低く、多孔質炭素の細孔に浸透し難い物質とすることで、得られる多孔質炭素成型体の多孔質性の低下を抑止できる。 When molding is performed by adding a binder, it is preferable to use, as the binder, a substance that has a low carbon yield and is difficult to permeate into the pores of the porous carbon, such as water or a water-soluble polymer. Examples of the water-soluble polymer include starch, molasses, polyvinyl alcohol, and the like. By using a material having a low carbon yield and being difficult to permeate into the pores of the porous carbon as the binder, it is possible to suppress deterioration in the porosity of the obtained porous carbon molded body.
バインダーを添加して成型を行う場合、得られる多孔質炭素成型体に対する上記バインダーの添加量の下限としては、2質量%が好ましく、4質量%がより好ましい。一方、上記バインダーの添加量の上限としては、10質量%が好ましく、8質量%がより好ましい。上記バインダーの添加量が上記下限未満であると、成型性が不十分となるおそれがある。逆に、上記バインダーの添加量が上記上限を超えると、成型性の改善効果に対して製造コストが大きくなり過ぎるおそれがある。 When molding is performed by adding a binder, the lower limit of the amount of the binder added to the obtained porous carbon molded body is preferably 2% by mass, more preferably 4% by mass. On the other hand, the upper limit of the amount of the binder added is preferably 10% by mass, more preferably 8% by mass. If the amount of the binder added is less than the lower limit, moldability may be insufficient. Conversely, if the amount of the binder added exceeds the upper limit, there is a risk that the manufacturing cost will become too high for the effect of improving moldability.
加圧成型工程S3での成形後の多孔質炭素成型体の嵩密度の下限としては、0.8g/cm3が好ましく、0.9g/cm3以上がより好ましい。一方、上記多孔質炭素成型体の嵩密度の上限としては、1.1g/cm3が好ましく、1.0g/cm 3
がより好ましい。上記多孔質炭素成型体の嵩密度が上記下限未満であると、例えばEDLC用電極として用いた場合に、単位容積当たりの静電容量が不足するおそれがある。逆に、上記多孔質炭素成型体の嵩密度が上記上限を超えると、嵩密度を高めるために成型する際にミクロ孔が潰れて、単位体積当たりの比表面積がかえって減少するおそれがある。
The lower limit of the bulk density of the porous carbon molded body after molding in the pressure molding step S3 is preferably 0.8 g/cm 3 , more preferably 0.9 g/cm 3 or more. On the other hand, the upper limit of the bulk density of the porous carbon molded body is preferably 1.1 g/cm 3 and more preferably 1.0 g/cm 3 . If the bulk density of the porous carbon molded body is less than the lower limit, the capacitance per unit volume may be insufficient when used as an EDLC electrode, for example. Conversely, if the bulk density of the porous carbon molded body exceeds the upper limit, the micropores may be crushed during molding to increase the bulk density, resulting in a decrease in the specific surface area per unit volume.
上記成型圧力の下限としては、0.8ton/cm2が好ましく、1.0ton/cm2がより好ましい。一方、上記成型圧力の上限としては、3.0ton/cm2が好ましく、2.5ton/cm2がより好ましい。上記成型圧力が上記下限未満であると、得られる多孔質炭素成型体の嵩密度が不足し、強度や単位体積当たりの比表面積が不足するおそれがある。逆に、上記成型圧力が上記上限を超えると、固形分の有するミクロ孔が潰れ易くなり、得られる多孔質粒子の単位体積当たりの比表面積が返って減少するおそれがある。 The lower limit of the molding pressure is preferably 0.8 ton/cm 2 and more preferably 1.0 ton/cm 2 . On the other hand, the upper limit of the molding pressure is preferably 3.0 ton/cm 2 and more preferably 2.5 ton/cm 2 . If the molding pressure is less than the lower limit, the bulk density of the resulting porous carbon molded body may be insufficient, and the strength and specific surface area per unit volume may be insufficient. Conversely, if the molding pressure exceeds the upper limit, the micropores of the solid content are likely to be crushed, and the specific surface area per unit volume of the resulting porous particles may decrease.
加圧成型工程S3での加圧時間は、成形後の多孔質炭素成型体の形状の安定化と製造効率との観点から適宜決定されるが、例えば0.5分以上3分以下とされる。 The pressurization time in the pressurization molding step S3 is appropriately determined from the viewpoint of stabilization of the shape of the porous carbon molded body after molding and production efficiency, and is, for example, 0.5 minutes or more and 3 minutes or less. .
また、多孔質炭素の成型は、製造コストの観点から加温を伴わない室温(例えば25℃)で行うとよい。あるいは、成型性を改善するために加温して行ってもよい。その際の金型温度としては、200℃以下が好ましい。金型温度が上記上限を超えると、得られる多孔質炭素成型体の改善効果に対して製造コストの上昇が大き過ぎるおそれや、得られる多孔質炭素成型体の多孔質性が低下するおそれがある。 In addition, from the viewpoint of manufacturing cost, molding of porous carbon is preferably performed at room temperature (for example, 25° C.) without heating. Alternatively, heating may be performed to improve moldability. The mold temperature at that time is preferably 200° C. or less. If the mold temperature exceeds the above upper limit, there is a risk that the production cost will increase too much for the improvement effect of the obtained porous carbon molded body, and that the porosity of the obtained porous carbon molded body will decrease. .
<利点>
当該多孔質炭素の製造方法及び当該多孔質炭素成型体の製造方法では、融液を経ずに易黒鉛化炭素原料を固形化するので、易黒鉛化炭素原料を用いても固形分として多孔質体が得られる。従って、この固形分を固相炭素化することで、低い製造コストで、単位体積当たりの比表面積が大きい多孔質炭素及び多孔質炭素成型体を製造することができる。また、当該多孔質炭素の製造方法及び当該多孔質炭素成型体の製造方法により製造される多孔質炭素及び多孔質炭素成型体は、直径2nm未満の細孔であるミクロ孔の占める割合が高く、嵩密度を高められる。
<Advantages>
In the method for producing porous carbon and the method for producing a porous carbon compact, the easily graphitizable carbon raw material is solidified without being melted. you get a body Therefore, by solid-phase carbonizing this solid content, it is possible to produce porous carbon and porous carbon moldings having a large specific surface area per unit volume at a low production cost. In addition, the porous carbon and the porous carbon molded body manufactured by the method for manufacturing the porous carbon and the method for manufacturing the porous carbon molded body have a high proportion of micropores, which are pores with a diameter of less than 2 nm, Bulk density can be increased.
[第二実施形態]
以下、本発明に係る多孔質炭素の製造方法及び多孔質炭素成型体の製造方法の第二実施形態について説明する。
[Second embodiment]
A second embodiment of the method for producing porous carbon and the method for producing a molded porous carbon body according to the present invention will be described below.
当該多孔質炭素の製造方法は、第一実施形態における多孔質炭素の製造方法と同様に、図1に示すように、固形化工程S1と、固相炭素化工程S2とを備える。また、当該多孔質炭素成型体の製造方法は、図2に示すように、上述の固形化工程S1及び固相炭素化工程S2に加えて、加圧成型工程S3を備える。 The method for producing porous carbon includes a solidification step S1 and a solid-phase carbonization step S2, as shown in FIG. 1, like the method for producing porous carbon in the first embodiment. Moreover, as shown in FIG. 2, the method for producing the porous carbon molded body includes a pressure molding step S3 in addition to the above-described solidification step S1 and solid phase carbonization step S2.
〔固形化工程〕
固形化工程S1は、易黒鉛化炭素原料を、融液を経ずに固形化する。
[Solidification step]
In the solidification step S1, the graphitizable carbon raw material is solidified without being melted.
本実施形態において、上記易黒鉛化炭素原料は、無灰炭である。 In the present embodiment, the graphitizable carbon material is ashless coal.
当該多孔質炭素の製造方法及び多孔質炭素成型体の製造方法では、固形化工程S1は、図4に示すように、良溶媒混合工程S21と、溶出工程S22と、固液分離工程S23と、貧溶媒混合工程S24と、析出工程S25とを有する。 In the method for producing porous carbon and the method for producing a porous carbon molded body, as shown in FIG. 4, the solidification step S1 includes a good solvent mixing step S21, an elution step S22, a solid-liquid separation step S23, It has a poor solvent mixing step S24 and a precipitation step S25.
<良溶媒混合工程>
良溶媒混合工程S21では、石炭を無灰炭の良溶媒と混合する。
<Good solvent mixing step>
In a good solvent mixing step S21, coal is mixed with a good solvent for ashless coal.
上記良溶媒としては、第一実施形態と同様の溶媒を用いることができる。 As the good solvent, the same solvent as in the first embodiment can be used.
この良溶媒混合工程S21は、例えば石炭投入部、溶媒供給部、及び混合部により行える。 This good solvent mixing step S21 can be performed by, for example, a coal input section, a solvent supply section, and a mixing section.
(石炭投入部)
石炭投入部は、石炭を混合部へ投入する。石炭投入部としては、常圧状態で使用される常圧ホッパー、常圧状態及び加圧状態で使用される加圧ホッパー等の公知の石炭ホッパーを用いることができる。
(Coal input part)
The coal input unit inputs coal into the mixing unit. A known coal hopper such as a normal pressure hopper that is used under normal pressure and a pressurized hopper that is used under normal pressure and under pressure can be used as the coal charging part.
石炭投入部から投入する石炭は、無灰炭の原料となる石炭である。上記石炭としては、様々な品質の石炭を用いることができる。例えば無灰炭の抽出率の高い瀝青炭や、より安価な低品位炭(亜瀝青炭や褐炭)が好適に用いられる。また、石炭を粒度で分類すると、細かく粉砕された石炭が好適に用いられる。ここで「細かく粉砕された石炭」とは、例えば石炭全体の質量に対する粒度1mm未満の石炭の質量割合が80%以上である石炭を意味する。また、石炭投入部から投入する石炭として塊炭を用いることもできる。ここで「塊炭」とは、例えば石炭全体の質量に対する粒度5mm以上の石炭の質量割合が50%以上である石炭を意味する。塊炭は、細かく粉砕された石炭に比べて未溶解な固体の石炭の粒度が大きく保たれるため、後述する分離部での分離を効率化することができる。ここで、「粒度(粒径)」とは、JIS-Z8815:1994のふるい分け試験通則に準拠して測定した値をいう。なお、石炭の粒度による仕分けには、例えばJIS-Z8801-1:2006に規定する金属製網ふるいを用いることができる。 Coal fed from the coal feeding part is coal that serves as a raw material for ashless coal. Coal of various qualities can be used as the coal. For example, bituminous coal with a high extraction rate of ashless coal and cheaper low-grade coal (sub-bituminous coal and lignite) are preferably used. When coal is classified by particle size, finely pulverized coal is preferably used. Here, "finely pulverized coal" means, for example, coal in which the mass ratio of coal having a particle size of less than 1 mm to the mass of the entire coal is 80% or more. Lump coal can also be used as the coal to be fed from the coal feeding part. Here, "lump coal" means coal in which the mass ratio of coal having a particle size of 5 mm or more to the mass of the entire coal is 50% or more. Lump coal maintains a large particle size of undissolved solid coal compared to finely pulverized coal, so that separation in a separation section, which will be described later, can be made more efficient. Here, "particle size (particle size)" refers to a value measured in accordance with the general rules for sieving test of JIS-Z8815:1994. For sorting coal according to particle size, for example, a metal mesh sieve specified in JIS-Z8801-1:2006 can be used.
上記低品位炭の炭素含有率の下限としては、70質量%が好ましい。一方、上記低品位炭の炭素含有率の上限としては、85質量%が好ましく、82質量%がより好ましい。上記低品位炭の炭素含有率が上記下限未満であると、溶媒可溶成分の溶出率が低下するおそれがある。逆に、上記低品位炭の炭素含有率が上記上限を超えると、投入する石炭のコストが高くなるおそれがある。 As a minimum of the carbon content rate of the said low rank coal, 70 mass % is preferable. On the other hand, the upper limit of the carbon content of the low-grade coal is preferably 85% by mass, more preferably 82% by mass. If the carbon content of the low-rank coal is less than the lower limit, the elution rate of solvent-soluble components may decrease. Conversely, if the carbon content of the low-rank coal exceeds the upper limit, the cost of coal to be fed may increase.
なお、石炭投入部から混合部へ投入する石炭として、少量の溶媒を混合してスラリー化した石炭を用いてもよい。石炭投入部からスラリー化した石炭を混合部へ投入することにより、混合部において石炭が溶媒と混合し易くなり、石炭をより早く溶解させることができる。ただし、スラリー化する際に混合する溶媒の量が多いと、後述する昇温部でスラリーを溶出温度まで昇温するための熱量が不必要に大きくなるため、製造コストが増大するおそれがある。 As the coal to be fed from the coal feeding section to the mixing section, coal mixed with a small amount of solvent and slurried may be used. By charging slurried coal from the coal charging section into the mixing section, the coal can be easily mixed with the solvent in the mixing section, and the coal can be dissolved more quickly. However, if the amount of the solvent to be mixed at the time of slurrying is large, the amount of heat required to raise the temperature of the slurry to the elution temperature in the temperature raising section described later becomes unnecessarily large, which may increase the production cost.
(溶媒供給部)
溶媒供給部は、溶媒を混合部へ供給する。上記溶媒供給部は、溶媒を貯留する溶媒タンクを有し、この溶媒タンクから溶媒を混合部へ供給する。上記溶媒供給部から供給する溶媒は、石炭供給部から投入する石炭と混合部で混合される。
(Solvent supply unit)
The solvent supply section supplies the solvent to the mixing section. The solvent supply section has a solvent tank that stores the solvent, and supplies the solvent from the solvent tank to the mixing section. The solvent supplied from the solvent supply section is mixed with the coal supplied from the coal supply section in the mixing section.
溶媒供給部から供給する溶媒は、上述した良溶媒である。上記易黒鉛化炭素原料として無灰炭を用いる場合、上記良溶媒としては、上述の溶媒に加えて、石炭を乾留してコークスを製造する際の副生油の蒸留油であるメチルナフタレン油、ナフタレン油等を用いることもできる。 The solvent supplied from the solvent supply unit is the good solvent described above. When ashless coal is used as the easily graphitizable carbon material, the good solvent includes, in addition to the above solvents, methylnaphthalene oil, which is a distilled oil of by-product oil when coal is carbonized to produce coke, Naphthalene oil or the like can also be used.
(混合部)
混合部は、石炭投入部から投入する石炭及び溶媒供給部から供給する溶媒を混合する。
(Mixing section)
The mixing section mixes the coal fed from the coal feeding section and the solvent fed from the solvent feeding section.
上記混合部としては、調製槽を用いることができる。この調製槽には、供給管を介して上記溶媒が供給され、この供給された溶媒に石炭が投入される。上記調製槽では、この石炭及び溶媒が混合され、スラリーが調製される。また、上記調製槽は、攪拌機を有しており、混合したスラリーを攪拌機で攪拌しながら保持することによりスラリーの混合状態を維持する。 A preparation tank can be used as the mixing section. The solvent is supplied to the preparation tank through a supply pipe, and coal is added to the supplied solvent. In the preparation tank, the coal and solvent are mixed to prepare a slurry. In addition, the preparation tank has a stirrer, and the mixed state of the slurry is maintained by holding the mixed slurry while stirring it with the stirrer.
調製槽におけるスラリー中の無水炭基準での石炭濃度は、溶媒の種類等により適宜決定されるが、上記石炭濃度の下限としては、5質量%が好ましく、10質量%がより好ましい。一方、上記石炭濃度の上限としては、65質量%が好ましく、40質量%がより好ましい。上記石炭濃度が上記下限未満であると、溶出工程S22で溶出される溶媒可溶成分の溶出量がスラリー処理量に対して少なくなるため、液体分に含まれる無灰炭の含有量が不十分となるおそれがある。逆に、上記石炭濃度が上記上限を超えると、溶媒中で上記溶媒可溶成分が飽和し易いため、上記溶媒可溶成分の溶出率が低下するおそれがある。 The coal concentration based on anhydrous coal in the slurry in the preparation tank is appropriately determined depending on the type of solvent and the like, but the lower limit of the coal concentration is preferably 5% by mass, more preferably 10% by mass. On the other hand, the upper limit of the coal concentration is preferably 65% by mass, more preferably 40% by mass. If the coal concentration is less than the lower limit, the amount of solvent-soluble components eluted in the elution step S22 is less than the amount of slurry processed, so the content of ashless coal contained in the liquid is insufficient. There is a possibility that it will be. Conversely, if the coal concentration exceeds the upper limit, the solvent-soluble components are likely to saturate in the solvent, which may reduce the elution rate of the solvent-soluble components.
なお、混合部の調製槽で調製されたスラリーは、無灰炭溶出工程S22で処理される。 The slurry prepared in the preparation tank of the mixing section is processed in the ashless coal elution step S22.
<溶出工程>
溶出工程S22では、良溶媒混合工程S21で得られたスラリーの加熱により上記石炭から無灰炭を上記良溶媒に溶出させる。溶出工程S22は、昇温部及び溶出部により行うことができる。
<Elution process>
In the elution step S22, ashless coal is eluted from the coal into the good solvent by heating the slurry obtained in the good solvent mixing step S21. The elution step S22 can be performed by a temperature raising section and an elution section.
(昇温部)
昇温部は、良溶媒混合工程S21で得られたスラリーを昇温する。
(Temperature raising part)
The temperature raising unit raises the temperature of the slurry obtained in the good solvent mixing step S21.
昇温部としては、内部を通過するスラリーを昇温できるものであれば特に限定されないが、例えば抵抗加熱式ヒーターや誘導加熱コイルが挙げられる。また、昇温部は、熱媒を用いて昇温を行うよう構成されていてもよく、例えば内部を通過するスラリーの流路の周囲に配設される加熱管を有し、この加熱管に蒸気、油等の熱媒を供給することでスラリーを昇温可能に構成されていてもよい。 The temperature raising unit is not particularly limited as long as it can raise the temperature of the slurry passing through it, and examples thereof include a resistance heating type heater and an induction heating coil. In addition, the temperature raising unit may be configured to raise the temperature using a heat medium, for example, it has a heating pipe arranged around the flow path of the slurry passing through the inside, and the heating pipe The temperature of the slurry may be raised by supplying a heat medium such as steam or oil.
昇温部による昇温後のスラリーの温度は、使用する溶媒に応じて適宜決定されるが、少なくとも溶媒の沸点以下とされる。例えば溶媒としてメチルナフタレンを用いる場合であれば、耐圧容器内において300℃以上400℃以下とされる。上記スラリーの温度が上記下限未満であると、溶出率が低下するおそれがある。逆に、上記スラリーの温度が上記上限を超えると、溶媒が気化し過ぎるためスラリーの濃度を制御することが困難となるおそれがある。 The temperature of the slurry after the temperature is raised by the temperature raising unit is appropriately determined according to the solvent to be used, but should be at least the boiling point of the solvent or less. For example, when using methylnaphthalene as a solvent, the temperature is set to 300° C. or more and 400° C. or less in a pressure vessel. If the temperature of the slurry is below the above lower limit, the elution rate may decrease. Conversely, if the temperature of the slurry exceeds the upper limit, the solvent may be excessively vaporized, making it difficult to control the concentration of the slurry.
また、昇温部の圧力としては、特に限定されないが、常圧(0.1MPa)とできる。なお、例えば溶媒としてメチルナフタレンを用いる場合であれば、耐圧容器内において2MPa以下の圧力としてもよい。 Moreover, although the pressure of the temperature raising part is not particularly limited, it can be normal pressure (0.1 MPa). For example, if methylnaphthalene is used as a solvent, the pressure in the pressure vessel may be 2 MPa or less.
(溶出部)
溶出部は、上記混合部で得られ、上記昇温部で昇温されたスラリー中の石炭から溶媒に可溶な石炭成分を溶出させる。この溶媒可溶成分の主成分は無灰炭である。ここで、「主成分」とは、最も含有量の多い成分を意味し、例えば含有量が50質量%以上の成分をいう。
(Elution part)
The elution section eluates coal components soluble in a solvent from the coal in the slurry obtained in the mixing section and heated in the temperature raising section. The main component of this solvent-soluble component is ashless coal. Here, "main component" means a component with the highest content, for example, a component with a content of 50% by mass or more.
溶出部としては、抽出槽を用いることができ、この抽出槽に上記昇温後のスラリーが供給される。上記抽出槽では、このスラリーの温度及び圧力を保持しながら溶媒に可溶な石炭成分を石炭から溶出させる。また、上記抽出槽は、攪拌機を有している。この攪拌機によりスラリーを攪拌することで上記溶出を促進できる。 An extraction tank can be used as the elution part, and the slurry after the temperature rise is supplied to this extraction tank. In the extraction tank, solvent-soluble coal components are eluted from the coal while maintaining the temperature and pressure of the slurry. Moreover, the said extraction tank has a stirrer. By stirring the slurry with this stirrer, the elution can be promoted.
なお、溶出部での溶出時間としては、特に限定されないが、溶媒可溶成分の抽出量と抽出効率との観点から10分以上120分以下が好ましい。 The elution time in the elution part is not particularly limited, but is preferably 10 minutes or more and 120 minutes or less from the viewpoint of the extraction amount of solvent-soluble components and extraction efficiency.
<固液分離工程>
固液分離工程S23では、溶出工程S22で得られたスラリーを固液分離する。具体的には、固液分離工程S23では、上記スラリーを溶媒可溶成分が溶出した溶液と、抽出残渣とに分離する。この固液分離工程S23は、分離部により行うことができる。なお、抽出残渣は、抽出用溶媒に不溶な灰分と不溶石炭とを主として含み、これらに加え抽出用溶媒をさらに含む。
<Solid-liquid separation step>
In the solid-liquid separation step S23, the slurry obtained in the elution step S22 is subjected to solid-liquid separation. Specifically, in the solid-liquid separation step S23, the slurry is separated into a solution in which solvent-soluble components are eluted and an extraction residue. This solid-liquid separation step S23 can be performed by a separation unit. The extraction residue mainly contains insoluble ash and insoluble coal in the extraction solvent, and further contains the extraction solvent.
(分離部)
分離部における上記液体分及び抽出残渣を分離する方法としては、例えば重力沈降法、濾過法、遠心分離法を用いることができ、それぞれ沈降槽、濾過器、遠心分離器が使用される。
(separation part)
As a method for separating the liquid component and the extraction residue in the separation unit, for example, a gravity sedimentation method, a filtration method, and a centrifugal separation method can be used, and a sedimentation tank, a filter, and a centrifugal separator are used, respectively.
以下、重力沈降法を例にとり分離方法について説明する。重力沈降法とは、沈降槽内で重力を利用して抽出残渣を沈降させて固液分離する分離方法である。重力沈降法により分離を行う場合、無灰炭が溶存する液体分は、沈降槽の上部に溜まる。この液体分は必要に応じてフィルターユニットを用いて濾過した後、排出される。一方、抽出残渣は、分離部の下部から排出される。 The separation method will be described below using the gravity sedimentation method as an example. Gravity sedimentation is a separation method in which the extraction residue is sedimented using gravity in a sedimentation tank for solid-liquid separation. When the separation is performed by the gravity sedimentation method, the liquid portion in which the ashless coal is dissolved accumulates in the upper part of the sedimentation tank. This liquid portion is discharged after being filtered using a filter unit as necessary. On the other hand, the extraction residue is discharged from the lower part of the separation section.
また、重力沈降法により分離を行う場合、スラリーを分離部内に連続的に供給しながら上記液体分及び抽出残渣を沈降槽から排出することができる。これにより連続的な固液分離処理が可能となる。 Further, when the separation is performed by the gravity sedimentation method, the liquid component and the extraction residue can be discharged from the sedimentation tank while the slurry is continuously supplied into the separation section. This enables continuous solid-liquid separation processing.
分離部内でスラリーを維持する時間は、特に限定されないが、例えば30分以上120分以下とでき、この時間内で分離部内の沈降分離が行われる。なお、石炭として塊炭を使用する場合には、沈降分離が効率化されるので、分離部内でスラリーを維持する時間を短縮できる。 The time for which the slurry is maintained in the separation section is not particularly limited, but can be, for example, 30 minutes or more and 120 minutes or less, and sedimentation separation in the separation section is performed within this time. In addition, when lump coal is used as coal, sedimentation separation is made efficient, so the time for maintaining the slurry in the separation section can be shortened.
なお、分離部内の温度及び圧力としては、昇温部による昇温後のスラリーの温度及び圧力と同様とできる。 The temperature and pressure in the separation section can be the same as those of the slurry after the temperature is raised by the temperature raising section.
<貧溶媒混合工程>
貧溶媒混合工程S24では、固液分離工程S23で得られた溶液を上記無灰炭の貧溶媒と混合する。
<Poor solvent mixing step>
In the poor solvent mixing step S24, the solution obtained in the solid-liquid separation step S23 is mixed with the poor solvent for the ashless coal.
上述のようにこの溶液に溶出される溶媒可溶成分の主成分は無灰炭である。つまり、上記溶液は、無灰炭の良溶媒に、易黒鉛化炭素原料である無灰炭が溶解したものである。 As described above, the main component of the solvent-soluble components eluted in this solution is ashless coal. That is, the above solution is obtained by dissolving ashless coal, which is an easily graphitizable carbon raw material, in a good solvent for ashless coal.
上記溶液中の上記易黒鉛化炭素原料(無灰炭)の含有量は、第一実施形態における溶液中の易黒鉛化炭素原料の含有量と同様とできる。また、上記貧溶媒としては、第一実施形態と同様の溶媒を用いることができる。 The content of the graphitizable carbon material (ashless coal) in the solution can be the same as the content of the graphitizable carbon material in the solution in the first embodiment. Moreover, as the poor solvent, the same solvent as in the first embodiment can be used.
上記溶液と上記貧溶媒との混合方法は、第一実施形態における貧溶媒混合工程S12と同様である。 The method for mixing the solution and the poor solvent is the same as the poor solvent mixing step S12 in the first embodiment.
<析出工程>
析出工程S25では、貧溶媒混合工程S24で得られた混合液から固形分を析出させる。析出工程S25は、第一実施形態における析出工程S13と同様であるので、詳細説明を省略する。
<Precipitation process>
In the precipitation step S25, the solid content is precipitated from the liquid mixture obtained in the poor solvent mixing step S24. Since the precipitation step S25 is the same as the precipitation step S13 in the first embodiment, detailed explanation is omitted.
〔固相炭素化工程及び加圧成型工程〕
固相炭素化工程S2及び加圧成型工程S3は、第一実施形態における固相炭素化工程S2及び加圧成型工程S3と同様であるので、詳細説明を省略する。また、得られる多孔質炭素についても、第一実施形態における多孔質炭素と同様である。
[Solid phase carbonization step and pressure molding step]
Since the solid phase carbonization step S2 and the pressure molding step S3 are the same as the solid phase carbonization step S2 and the pressure molding step S3 in the first embodiment, detailed description thereof is omitted. Moreover, the obtained porous carbon is also the same as the porous carbon in the first embodiment.
<利点>
当該多孔質炭素の製造方法及び多孔質炭素成型体の製造方法では、溶出工程S21での石炭の溶媒抽出処理により無灰炭を良溶媒に溶出できる。従って、この無灰炭が良溶媒に溶出した溶液を貧溶媒混合工程S24の溶液に用いることで、無灰炭を固形物として取り出す必要がなくなるため、多孔質炭素の製造コストをさらに低減できる。
<Advantages>
In the method for producing porous carbon and the method for producing a porous carbon compact, the ashless coal can be eluted into a good solvent by the solvent extraction treatment of the coal in the elution step S21. Therefore, by using the solution in which the ashless coal is eluted in the good solvent as the solution in the poor solvent mixing step S24, there is no need to take out the ashless coal as a solid matter, so the production cost of the porous carbon can be further reduced.
[第三実施形態]
以下、本発明に係る多孔質炭素の製造方法及び多孔質炭素成型体の製造方法の第三実施形態について説明する。
[Third embodiment]
A third embodiment of the method for producing porous carbon and the method for producing a molded porous carbon body according to the present invention will be described below.
当該多孔質炭素の製造方法は、第一実施形態における多孔質炭素の製造方法と同様に、図1に示すように、固形化工程S1と、固相炭素化工程S2とを備える。また、当該多孔質炭素成型体の製造方法は、図2に示すように、上述の固形化工程S1及び固相炭素化工程S2に加えて、加圧成型工程S3を備える。 The method for producing porous carbon includes a solidification step S1 and a solid-phase carbonization step S2, as shown in FIG. 1, like the method for producing porous carbon in the first embodiment. Moreover, as shown in FIG. 2, the method for producing the porous carbon molded body includes a pressure molding step S3 in addition to the above-described solidification step S1 and solid phase carbonization step S2.
〔固形化工程〕
固形化工程S1は、易黒鉛化炭素原料を、融液を経ずに固形化する。
[Solidification step]
In the solidification step S1, the graphitizable carbon raw material is solidified without being melted.
上記易黒鉛化炭素原料としては、第一実施形態における多孔質炭素の製造方法で説明したものを用いることができる。以下、第一実施形態と同様に、上記易黒鉛化炭素原料として、無灰炭を単独で用いる場合を例にとり説明するが、上記易黒鉛化炭素原料が無灰炭に限定されることを意味するものではない。 As the graphitizable carbon raw material, the one described in the method for producing porous carbon in the first embodiment can be used. Hereinafter, as in the first embodiment, the case where ashless coal is used alone as the graphitizable carbon raw material will be described as an example, but this means that the graphitizable carbon raw material is limited to ashless coal. not something to do.
当該多孔質炭素の製造方法及び多孔質炭素成型体の製造方法では、固形化工程S1が、図5に示すように、凍結工程S31と、乾燥工程S32とを有する。 In the porous carbon production method and the porous carbon molding production method, the solidification step S1 includes a freezing step S31 and a drying step S32, as shown in FIG.
<凍結工程>
凍結工程S31では、上記易黒鉛化炭素原料を含む溶液を凍結する。
<Freezing process>
In the freezing step S31, the solution containing the graphitizable carbon raw material is frozen.
この凍結工程S31では、まず上記易黒鉛化炭素原料を溶媒に溶解した溶液を準備する。上記溶媒としては、ピリジン(C5H5N)、テトラヒドロフラン(C4H8O)、ジメチルホルムアミド((CH3)2NCHO)、N-メチルピロリドン(C5H9NO)などが挙げられる。中でも無灰炭と親和性が高く、かつ後述する乾燥工程S32の負荷を小さくできる低沸点のピリジン及びテトラヒドロフランが好ましい。 In this freezing step S31, first, a solution is prepared by dissolving the graphitizable carbon raw material in a solvent. Examples of the solvent include pyridine (C 5 H 5 N), tetrahydrofuran (C 4 H 8 O), dimethylformamide ((CH 3 ) 2 NCHO), N-methylpyrrolidone (C 5 H 9 NO) and the like. Among them, pyridine and tetrahydrofuran having a low boiling point, which have a high affinity with ashless coal and can reduce the load of the drying step S32 described later, are preferable.
上記溶液中の上記易黒鉛化炭素原料(当該多孔質炭素の製造方法では無灰炭)の含有量としては、第一次実施形態の溶液中の易黒鉛化炭素原料と同様とできる。また、易黒鉛化炭素原料である無灰炭をその良溶媒に溶出する方法は、第一次実施形態の溶出方法と同様とできる。 The content of the graphitizable carbon raw material (ashless coal in the porous carbon production method) in the solution can be the same as the graphitizable carbon raw material in the solution of the first embodiment. Moreover, the method of eluting the ashless coal, which is the easily graphitizable carbon material, into the good solvent can be the same as the elution method of the first embodiment.
次に、上記溶液を溶媒の融点以下の温度にまで冷却し、凍結する。例えばテトラヒドロフラン(融点-108℃)を用いる場合、-130℃まで冷却し、凍結する。 The solution is then cooled to a temperature below the melting point of the solvent and frozen. For example, when using tetrahydrofuran (melting point -108°C), cool to -130°C and freeze.
上記溶媒の融点と冷却温度との温度差としては、特に限定されるものではないが、例えば10℃以上50℃以下とできる。上記温度差が上記下限未満であると、凍結に時間を要するため製造効率が低下するおそれがある。逆に、上記温度差が上記上限を超えると、冷却のために不必要にエネルギーを必要とするため、製造コストが上昇するおそれがある。 The temperature difference between the melting point of the solvent and the cooling temperature is not particularly limited, but can be, for example, 10° C. or higher and 50° C. or lower. If the temperature difference is less than the lower limit, it takes time to freeze, which may reduce production efficiency. Conversely, if the temperature difference exceeds the upper limit, energy is unnecessarily required for cooling, which may increase the manufacturing cost.
<乾燥工程>
乾燥工程S32は、凍結工程S31後の易黒鉛化炭素原料を凍結状態で乾燥する。
<Drying process>
In the drying step S32, the graphitizable carbon raw material after the freezing step S31 is dried in a frozen state.
この工程では、凍結工程S31での凍結温度を維持したまま減圧することで、上記溶媒を、融液を経ることなく昇華させる。その後、常温(例えば25℃)に戻せば、乾燥した固形分が得られる。この固形分の主成分は、易黒鉛化炭素原料である無灰炭である。 In this step, the solvent is sublimated without being melted by reducing the pressure while maintaining the freezing temperature in the freezing step S31. Then, if it returns to normal temperature (for example, 25 degreeC), dry solid content will be obtained. The main component of this solid content is ashless coal, which is an easily graphitizable carbon material.
減圧する際の圧力は、上記溶媒を昇華可能な圧力であれば特に限定されないが、上記溶媒にテトラヒドロフランを用いる場合であれば、例えば10Pa以上100Pa以下とできる。上記圧力が上記下限未満であると、減圧のためのコストが上昇し、多孔質炭素の製造コストが上昇するおそれがある。逆に、上記圧力が上記上限を超えると、融液を経て蒸発する溶媒の量が増加し、得られる多孔質炭素の多孔質性が低下するおそれがある。 The pressure for reducing the pressure is not particularly limited as long as it is a pressure that allows the solvent to be sublimated. If the pressure is less than the lower limit, the cost for reducing the pressure increases, which may increase the manufacturing cost of the porous carbon. Conversely, if the pressure exceeds the upper limit, the amount of solvent that evaporates from the melt increases, and the porosity of the obtained porous carbon may deteriorate.
〔固相炭素化工程及び加圧成型工程〕
固相炭素化工程S2及び加圧成型工程S3は、第一実施形態における固相炭素化工程S2及び加圧成型工程S3と同様であるので、詳細説明を省略する。また、得られる多孔質炭素についても、第一実施形態における多孔質炭素と同様である。
[Solid phase carbonization step and pressure molding step]
Since the solid phase carbonization step S2 and the pressure molding step S3 are the same as the solid phase carbonization step S2 and the pressure molding step S3 in the first embodiment, detailed description thereof is omitted. Moreover, the obtained porous carbon is also the same as the porous carbon in the first embodiment.
<利点>
このように凍結工程S31で凍結固化させると、易黒鉛化性炭素原料の積層(結晶化)が進み難い。そして、乾燥工程S32で融液を経ずに易黒鉛化性炭素原料の固体を得るため、易黒鉛化性炭素原料であるにも関わらず、結晶化が進んでいない賦形固体を得ることができる。
<Advantages>
If the freezing and solidification is performed in the freezing step S31 in this manner, the lamination (crystallization) of the graphitizable carbon raw material is difficult to proceed. Then, since the solid of the graphitizable carbon raw material is obtained without passing through the melt in the drying step S32, it is possible to obtain a shaped solid in which crystallization has not progressed despite the graphitizable carbon raw material. can.
また、固形化工程S2に、凍結工程S31及び乾燥工程S32を有する、いわゆるフリーズドライ法を用いることで、容易に多孔質炭素を製造できるうえ、塊状のバルクを得やすい。 In addition, by using a so-called freeze-drying method that includes a freezing step S31 and a drying step S32 in the solidification step S2, porous carbon can be easily produced, and bulk mass can be easily obtained.
[第四実施形態]
以下、本発明に係る多孔質炭素の製造方法及び多孔質炭素成型体の製造方法の第四実施形態について説明する。
[Fourth embodiment]
A fourth embodiment of the method for producing porous carbon and the method for producing a porous carbon molded body according to the present invention will be described below.
当該多孔質炭素の製造方法は、第一実施形態における多孔質炭素の製造方法と同様に、図1に示すように、固形化工程S1と、固相炭素化工程S2とを備える。また、当該多孔質炭素成型体の製造方法は、図2に示すように、上述の固形化工程S1及び固相炭素化工程S2に加えて、加圧成型工程S3を備える。 The method for producing porous carbon includes a solidification step S1 and a solid-phase carbonization step S2, as shown in FIG. 1, like the method for producing porous carbon in the first embodiment. Moreover, as shown in FIG. 2, the method for producing the porous carbon molded body includes a pressure molding step S3 in addition to the above-described solidification step S1 and solid phase carbonization step S2.
〔固形化工程〕
固形化工程S1は、易黒鉛化炭素原料を、融液を経ずに固形化する。
[Solidification step]
In the solidification step S1, the graphitizable carbon raw material is solidified without being melted.
上記易黒鉛化炭素原料としては、第一実施形態における多孔質炭素の製造方法で説明したものを用いることができる。以下、第一実施形態と同様に、上記易黒鉛化炭素原料として、無灰炭を単独で用いる場合を例にとり説明するが、上記易黒鉛化炭素原料が無灰炭に限定されることを意味するものではない。 As the graphitizable carbon raw material, the one described in the method for producing porous carbon in the first embodiment can be used. Hereinafter, as in the first embodiment, the case where ashless coal is used alone as the graphitizable carbon raw material will be described as an example, but this means that the graphitizable carbon raw material is limited to ashless coal. not something to do.
当該多孔質炭素の製造方法及び多孔質炭素成型体の製造方法では、固形化工程S1が、図6に示すように、調製工程S41と、繊維化工程S42とを有する。 In the method for producing porous carbon and the method for producing a porous carbon molded body, the solidification step S1 includes a preparation step S41 and a fiberization step S42, as shown in FIG.
<調製工程>
調製工程S41では、上記易黒鉛化炭素原料を含む紡糸液を調製する。
<Preparation process>
In the preparation step S41, a spinning solution containing the graphitizable carbon raw material is prepared.
具体的には、上記易黒鉛化炭素原料を溶媒に溶解した紡糸液を準備する。上記溶媒としては、第一実施形態で述べた良溶媒を用いることができる。 Specifically, a spinning solution is prepared by dissolving the graphitizable carbon raw material in a solvent. As the solvent, the good solvent described in the first embodiment can be used.
また、上記溶液中の上記易黒鉛化炭素原料(当該多孔質炭素の製造方法では無灰炭)の含有量としては、第一次実施形態の溶液中の易黒鉛化炭素原料と同様とできる。また、易黒鉛化炭素原料である無灰炭をその良溶媒に溶出する方法は、第一次実施形態の溶出方法と同様とできる。 In addition, the content of the graphitizable carbon raw material (ashless coal in the porous carbon production method) in the solution can be the same as the graphitizable carbon raw material in the solution of the first embodiment. Moreover, the method of eluting the ashless coal, which is the easily graphitizable carbon material, into the good solvent can be the same as the elution method of the first embodiment.
<繊維化工程>
繊維化工程S42では、上記紡糸液の凝固液への吐出により上記易黒鉛化炭素原料を繊維化する。上記凝固液としては、第一実施形態で述べた貧溶媒を用いることができる。
<Fiberization process>
In the fiberization step S42, the graphitizable carbon raw material is fiberized by discharging the spinning solution into the coagulating liquid. As the coagulating liquid, the poor solvent described in the first embodiment can be used.
繊維化工程S42は、例えば図7に示すような湿式紡糸装置を用いて行うことができる。まず、図7に示すように、紡糸液Xを凝固液Y中でシリンジNから吐出する。吐出された紡糸液Xのうち、溶媒は凝固液Yに溶解し、その結果、易黒鉛化性炭素原料が凝固液Yに覆われる。これにより易黒鉛化性炭素原料が急激に凝固し固形分Wとなる。この固形分Wは、ローラーRによって引き取られて繊維化する。 The fiberization step S42 can be performed using a wet spinning apparatus as shown in FIG. 7, for example. First, as shown in FIG. 7, the spinning solution X is discharged from the syringe N in the coagulating solution Y. As shown in FIG. The solvent in the spouted spinning solution X dissolves in the coagulating solution Y, and as a result, the graphitizable carbon raw material is covered with the coagulating solution Y. As a result, the graphitizable carbon raw material rapidly solidifies into a solid content W. This solid content W is taken up by rollers R and made into fibers.
〔固相炭素化工程及び加圧成型工程〕
固相炭素化工程S2及び加圧成型工程S3は、第一実施形態における固相炭素化工程S2及び加圧成型工程S3と同様であるので、詳細説明を省略する。また、得られる多孔質炭素についても、繊維状である点を除き、第一実施形態における多孔質炭素と同様であるので、詳細説明を省略する。
[Solid phase carbonization step and pressure molding step]
Since the solid phase carbonization step S2 and the pressure molding step S3 are the same as the solid phase carbonization step S2 and the pressure molding step S3 in the first embodiment, detailed description thereof is omitted. Further, the obtained porous carbon is also the same as the porous carbon in the first embodiment except that it is fibrous, so detailed explanation is omitted.
<利点>
このように繊維加工程S42での急激な凝固によって、易黒鉛化性炭素原料の積層(結晶化)が進み難い。従って、易黒鉛化性炭素原料であるにも関わらず、積層の少ない状態で繊維状に賦形された賦形固体を得ることができる。
<Advantages>
Due to the rapid solidification in the fiber processing step S42, lamination (crystallization) of the graphitizable carbon raw material is difficult to progress. Therefore, in spite of being an easily graphitizable carbon raw material, it is possible to obtain a shaped solid that is shaped into a fibrous shape with few layers.
また、このように固形化工程S1に、調製工程S41及び繊維化工程S42を有する、いわゆる湿式紡糸法を用いることで、繊維状の多孔質炭素を容易に得ることができる。 Moreover, fibrous porous carbon can be easily obtained by using the so-called wet spinning method including the preparation step S41 and the fiberization step S42 in the solidification step S1.
[その他の実施形態]
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
[Other embodiments]
In addition, this invention is not limited to the said embodiment.
上記第二実施形態では、良溶媒混合工程の混合部が調製槽を有する構成について説明したが、混合部はこの構成に限らず、溶媒と、石炭との混合ができれば、調製槽を省略してもよい。例えばラインミキサーにより上記混合が完了するような場合には、調製槽を省略して供給管と分離部との間にラインミキサーを備える構成としてもよい。このように各工程で用いられる装置構成は、上記実施形態に限定されない。 In the second embodiment, the configuration in which the mixing unit in the good solvent mixing step has a preparation tank has been described, but the mixing unit is not limited to this configuration. good too. For example, when the mixing is completed by a line mixer, the preparation tank may be omitted and the line mixer may be provided between the supply pipe and the separating section. Thus, the device configuration used in each step is not limited to the above embodiment.
また、上記実施形態では固形化工程として、貧溶媒法、フリーズドライ法及び湿式紡糸法を用いる場合について説明したが、融液を経ずに易黒鉛化炭素原料を固形化できる限り、他の手法を用いることもできる。 In addition, in the above embodiment, the case of using the poor solvent method, the freeze-drying method, and the wet spinning method as the solidification process has been described. can also be used.
上記実施形態では、多孔質炭素成型体の製造方法として、固形化工程、固相炭素化工程及び加圧成型工程をこの順で行う場合を説明したが、固相炭素化工程及び加圧成型工程は順番を入れ替えてもよい。つまり、本発明の多孔質炭素成型体の製造方法は、固形化工程、加圧成型工程及び固相炭素化工程をこの順で行う場合を含む。 In the above-described embodiment, the solidification step, the solid phase carbonization step, and the pressure molding step are performed in this order as the method for manufacturing the porous carbon molded body. may change their order. That is, the method for producing a porous carbon molded body of the present invention includes the case where the solidification step, pressure molding step and solid phase carbonization step are performed in this order.
以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
[実施例1]
易黒鉛化炭素原料として、瀝青炭の溶媒抽出により製造された無灰炭を準備した。この無灰炭の元素分析値を表1に示す。また、良溶媒としてピリジン(C5H5N、沸点115℃)を準備した。上記無灰炭を上記良溶媒に溶解し、溶液中の無灰炭の含有量が15質量%となるように調製した。
[Example 1]
Ashless coal produced by solvent extraction of bituminous coal was prepared as an easily graphitizable carbon raw material. Table 1 shows the elemental analysis values of this ashless coal. Also, pyridine (C 5 H 5 N, boiling point 115° C.) was prepared as a good solvent. The ashless coal was dissolved in the good solvent, and the ashless coal content in the solution was adjusted to 15% by mass.
なお、表1において、無灰炭の酸素量は、炭素、水素、窒素及び硫黄以外の成分量を意味し、100質量%から炭素、水素、窒素及び硫黄の成分量を引いたものである。 In Table 1, the oxygen content of ashless coal means the content of components other than carbon, hydrogen, nitrogen and sulfur, and is obtained by subtracting the content of carbon, hydrogen, nitrogen and sulfur from 100% by mass.
貧溶媒として水2.0Lを準備した。攪拌した上記貧溶媒に上記溶液100gを加え、固形分を析出させた。次いで、析出した固形分を濾過分離し、減圧乾燥させた。 2.0 L of water was prepared as a poor solvent. 100 g of the above solution was added to the stirred poor solvent to precipitate a solid content. Then, the precipitated solid content was separated by filtration and dried under reduced pressure.
さらに、窒素雰囲気で5℃/分の昇温速度で900℃まで昇温し、30分間の加熱処理(固相炭素化)を行い、実施例1の炭素材料を製造した。 Further, the temperature was raised to 900° C. at a temperature elevation rate of 5° C./min in a nitrogen atmosphere, and heat treatment (solid-phase carbonization) was performed for 30 minutes to produce a carbon material of Example 1.
[実施例2]
良溶媒としてキノリン(C9H7N、沸点238℃)、貧溶媒としてエタノール(C2H6O、沸点78℃)を用いた以外は、実施例1と同様にして実施例2の炭素材料を製造した。
[Example 2]
A carbon material of Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1, except that quinoline ( C9H7N , boiling point 238°C) was used as a good solvent and ethanol ( C2H6O , boiling point 78°C) was used as a poor solvent. manufactured.
[実施例3]
実施例1と同種の無灰炭をピリジンに溶解した紡糸液を準備した。なお、紡糸液の無灰炭の含有量は30質量%とした。この紡糸液100gを内径1.1mmのシリンジから2.0Lのエタノール中に吐出して繊維状の固形分を得た。得られた固形分を実施例1と同条件で固相炭素化を行い実施例3の炭素材料を製造した。
[Example 3]
A spinning solution was prepared by dissolving the same ashless coal as in Example 1 in pyridine. The content of ashless coal in the spinning solution was 30% by mass. 100 g of this spinning solution was discharged from a syringe with an inner diameter of 1.1 mm into 2.0 L of ethanol to obtain a fibrous solid content. The obtained solid content was subjected to solid phase carbonization under the same conditions as in Example 1 to produce a carbon material of Example 3.
[比較例1]
実施例1と同種の無灰炭を250μm以下の粒度に破砕した後、窒素雰囲気で5℃/分の昇温速度で900℃まで昇温し、30分間の加熱処理(炭素化)を行い、比較例1の炭素材料を製造した。
[Comparative Example 1]
After crushing the same ashless coal as in Example 1 to a particle size of 250 μm or less, the temperature was raised to 900° C. at a heating rate of 5° C./min in a nitrogen atmosphere, and heat treatment (carbonization) was performed for 30 minutes, A carbon material of Comparative Example 1 was produced.
[比較例2]
実施例1と同種の無灰炭を窒素雰囲気で280℃に加温し、無灰炭を溶融させた(融液化)。この融液を加圧して0.5mm径のノズルから吐出し、吐出した繊維を巻き取って繊維状の固形分を得た。得られた固形分を実施例1と同条件で炭素化を行い比較例2の炭素材料を製造した。
[Comparative Example 2]
Ashless coal of the same kind as in Example 1 was heated to 280° C. in a nitrogen atmosphere to melt the ashless coal (melting). This melt was pressurized and discharged from a nozzle with a diameter of 0.5 mm, and the discharged fibers were wound up to obtain fibrous solids. The obtained solid content was carbonized under the same conditions as in Example 1 to produce a carbon material of Comparative Example 2.
[参考例1]
市販のヤシガラ活性炭粉末を準備し、これを参考例1の炭素材料とした。ヤシガラは難黒鉛化炭素であり、この活性炭粉末は賦活処理により比表面積が高められている。
[Reference example 1]
Commercially available coconut shell activated carbon powder was prepared and used as the carbon material of Reference Example 1. Coconut husk is non-graphitizable carbon, and the specific surface area of this activated carbon powder is increased by activation treatment.
[評価方法]
得られた実施例1~実施例3、比較例1、比較例2及び参考例1の炭素材料について、以下の測定を行った。結果を表2に示す。
[Evaluation method]
The carbon materials of Examples 1 to 3, Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Reference Example 1 thus obtained were subjected to the following measurements. Table 2 shows the results.
<比表面積>
比表面積は、BET法により測定した。
<Specific surface area>
The specific surface area was measured by the BET method.
<静電容量>
得られた炭素材料と、導電助剤としてのアセチレンブラックと、粘結剤としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とを、質量比で8:1:1で混合し、コイン状に成型してEDLC用電極を作製した。
<Capacitance>
The obtained carbon material, acetylene black as a conductive agent, and polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder were mixed at a mass ratio of 8:1:1, and molded into a coin shape to form an EDLC. An electrode for
得られた電極の厚みを測定し、電極面積を乗じることで容積を算出した。また、電池充放電装置(北斗電工株式会社製の「HJ1001SD8」)を用いて、40質量%硫酸電解液中での充電特性を測定し、50mA/hにおける静電容量を求めた。 The thickness of the obtained electrode was measured, and the volume was calculated by multiplying by the electrode area. In addition, using a battery charging/discharging device ("HJ1001SD8" manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.), charging characteristics in a 40% by mass sulfuric acid electrolyte were measured to determine the capacitance at 50 mA/h.
表2で、比表面積の「ND」は測定限界以下であったことを意味する。また、「-」は未測定であることを意味する。 In Table 2, "ND" for specific surface area means that it was below the limit of measurement. Also, "-" means unmeasured.
表2から、融液を経由せず易黒鉛化炭素を固相炭素化した実施例1~実施例3の炭素材料は、融液を経由して易黒鉛化炭素を炭素化した比較例1~比較例2の炭素材料に比べて比表面積が大きく、多孔質炭素となっていることが分かる。 From Table 2, the carbon materials of Examples 1 to 3, in which graphitizable carbon was solid-phase carbonized without passing through the melt, were compared to Comparative Examples 1 to 3, in which graphitizable carbon was carbonized via the melt. It can be seen that the carbon material has a larger specific surface area than the carbon material of Comparative Example 2 and is porous carbon.
これに対し、比較例1の炭素材料では、融液を経由する通常の炭素化を行っているため、細孔を有する炭素が得られなかったと考えられる。また、比較例2の炭素材料では、炭素化自体は、軟化(溶融)させることなく行われているが、その前段階として溶融させて紡糸しており、この過程で融液を経由するため、細孔を有する炭素が得られなかったと考えられる。 On the other hand, in the carbon material of Comparative Example 1, it is considered that carbon having pores could not be obtained because normal carbonization was performed via the melt. In addition, in the carbon material of Comparative Example 2, the carbonization itself is performed without softening (melting). It is believed that carbon with pores was not obtained.
以上から、易黒鉛化性炭素原料を用いる場合であっても、融液を経由せずに固相炭素化すれば、多孔質炭素が生成できると言える。 From the above, it can be said that even in the case of using graphitizable carbon raw material, porous carbon can be produced by solid-phase carbonization without passing through the melt.
また、実施例1と参考例1とを比較すると、実施例1の方が比表面積は小さいものの、EDLC用電極を作製した場合の静電容量はむしろ大きい。このことから、易黒鉛化性炭素原料を用い、融液を経由せずに固相炭素化して得られる多孔質炭素の方が、ミクロ孔に富み、充電に適したEDLC用電極を製造できることが分かる。 Further, when comparing Example 1 and Reference Example 1, although Example 1 has a smaller specific surface area, the electrostatic capacity when an EDLC electrode is produced is rather large. From this, it can be seen that porous carbon obtained by solid-phase carbonization using an easily graphitizable carbon raw material without passing through a melt can produce an EDLC electrode that is rich in micropores and suitable for charging. I understand.
以上説明したように、本発明の多孔質炭素の製造方法及び多孔質炭素成型体の製造方法は、低い製造コストで、嵩密度が大きく、かつ単位体積当たりの比表面積が大きい多孔質炭素及び多孔質炭素成型体を製造できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the method for producing porous carbon and the method for producing a porous carbon molded body according to the present invention provide porous carbon and porous carbon having a large bulk density and a large specific surface area per unit volume at a low production cost. A quality carbon molding can be produced.
X 紡糸液
Y 凝固液
N シリンジ
R ローラー
W 固形分
X Spinning solution Y Coagulating solution N Syringe R Roller W Solid content
Claims (10)
上記固形化工程後の固形分を、大気圧下で固相炭素化する固相炭素化工程と
を備え、
上記易黒鉛化炭素原料として、石炭ピッチ、石油アスファルト及び無灰炭が単独で、又は2種以上を混合して用いられており、
上記固形化工程が、
上記易黒鉛化炭素原料をその良溶媒に溶解させる溶解工程と、
上記溶解工程で得られた溶液を上記易黒鉛化炭素原料の貧溶媒と混合する貧溶媒混合工程と、
上記貧溶媒混合工程で得られた混合液から粉末状の固形分を析出させる析出工程と
を有する多孔質炭素の製造方法。 a solidification step of solidifying the graphitizable carbon raw material without passing through the melt;
A solid phase carbonization step of solid phase carbonizing the solid content after the solidification step under atmospheric pressure ,
Coal pitch, petroleum asphalt and ashless coal are used alone or in combination of two or more as the easily graphitizable carbon material,
The solidification step is
a dissolving step of dissolving the graphitizable carbon raw material in the good solvent;
a poor solvent mixing step of mixing the solution obtained in the dissolving step with a poor solvent for the graphitizable carbon raw material;
and a deposition step of depositing a powdery solid content from the mixed solution obtained in the poor solvent mixing step.
上記固形化工程後の固形分を、大気圧下で固相炭素化する固相炭素化工程と
を備え、
上記易黒鉛化炭素原料として、石炭ピッチ、石油アスファルト及び無灰炭が単独で、又は2種以上を混合して用いられており、
上記固形化工程が、
石炭を無灰炭の良溶媒と混合する良溶媒混合工程と、
上記良溶媒混合工程で得られたスラリーの加熱により上記石炭から無灰炭を上記良溶媒に溶出させる溶出工程と、
上記溶出工程で得られたスラリーを固液分離する固液分離工程と、
上記固液分離工程で得られた溶液を上記無灰炭の貧溶媒と混合する貧溶媒混合工程と、
上記貧溶媒混合工程で得られた混合液から粉末状の固形分を析出させる析出工程と
を有する多孔質炭素の製造方法。 a solidification step of solidifying the graphitizable carbon raw material without passing through the melt;
A solid phase carbonization step of solid phase carbonizing the solid content after the solidification step under atmospheric pressure ,
Coal pitch, petroleum asphalt and ashless coal are used alone or in combination of two or more as the easily graphitizable carbon material,
The solidification step is
A good solvent mixing step of mixing coal with a good solvent for ashless coal;
An elution step of eluting ashless coal from the coal into the good solvent by heating the slurry obtained in the good solvent mixing step;
A solid -liquid separation step of solid-liquid separation of the slurry obtained in the elution step;
a poor solvent mixing step of mixing the solution obtained in the solid-liquid separation step with a poor solvent for the ashless coal;
and a deposition step of depositing a powdery solid content from the mixed solution obtained in the poor solvent mixing step.
上記貧溶媒が含窒素化合物を含まない請求項1又は請求項2に記載の多孔質炭素の製造方法。 The good solvent contains a nitrogen-containing compound,
3. The method for producing porous carbon according to claim 1, wherein the poor solvent does not contain a nitrogen-containing compound.
上記貧溶媒混合工程で混合される上記溶液に対する上記貧溶媒の質量比が3倍以上20倍以下である請求項1、請求項2又は請求項3に記載の多孔質炭素の製造方法。 The content of the graphitizable carbon raw material in the solution is 5% by mass or more and 50% by mass or less,
4. The method for producing porous carbon according to claim 1, wherein a mass ratio of said poor solvent to said solution mixed in said poor solvent mixing step is 3 times or more and 20 times or less.
上記固形化工程後の固形分を固相炭素化する固相炭素化工程と
を備え、
上記易黒鉛化炭素原料として、石炭ピッチ、石油アスファルト及び無灰炭が単独で、又は2種以上を混合して用いられており、
上記固形化工程が、
上記易黒鉛化炭素原料を含む溶液を凍結する凍結工程と、
上記凍結工程後の易黒鉛化炭素原料を凍結状態で乾燥する乾燥工程と
を有する多孔質炭素の製造方法。 a solidification step of solidifying the graphitizable carbon raw material without passing through the melt;
A solid phase carbonization step of solid phase carbonizing the solid content after the solidification step,
Coal pitch, petroleum asphalt and ashless coal are used alone or in combination of two or more as the easily graphitizable carbon material,
The solidification step is
a freezing step of freezing a solution containing the graphitizable carbon raw material;
and a drying step of drying the graphitizable carbon raw material after the freezing step in a frozen state.
上記固形化工程後の固形分を、細孔容積が0.02cm 3 /g以上となるように固相炭素化する固相炭素化工程と
を備え、
上記易黒鉛化炭素原料として、石炭ピッチ、石油アスファルト及び無灰炭が単独で、又は2種以上を混合して用いられており、
上記固形化工程が、
上記易黒鉛化炭素原料を含む紡糸液を調製する調製工程と、
上記紡糸液の凝固液への吐出により上記易黒鉛化炭素原料を繊維化する繊維化工程と
を有する多孔質炭素の製造方法。 a solidification step of solidifying the graphitizable carbon raw material without passing through the melt;
A solid phase carbonization step of solid phase carbonizing the solid content after the solidification step so that the pore volume is 0.02 cm 3 /g or more,
Coal pitch, petroleum asphalt and ashless coal are used alone or in combination of two or more as the easily graphitizable carbon material,
The solidification step is
a preparation step of preparing a spinning solution containing the graphitizable carbon raw material;
A fiberization step of fiberizing the graphitizable carbon raw material by discharging the spinning solution into the coagulating solution.
上記固形化工程後の固形分を、大気圧下で固相炭素化する固相炭素化工程と、
上記固形化工程後の多孔質炭素を嵩密度が0.8g/cm3以上となるように加圧成型する加圧成型工程と
を備え、
上記易黒鉛化炭素原料として、石炭ピッチ、石油アスファルト及び無灰炭が単独で、又は2種以上を混合して用いられており、
上記固形化工程が、
上記易黒鉛化炭素原料をその良溶媒に溶解させる溶解工程と、
上記溶解工程で得られた溶液を上記易黒鉛化炭素原料の貧溶媒と混合する貧溶媒混合工程と、
上記貧溶媒混合工程で得られた混合液から粉末状の固形分を析出させる析出工程と
を有する多孔質炭素成型体の製造方法。 a solidification step of solidifying the graphitizable carbon raw material without passing through the melt;
A solid phase carbonization step of solid phase carbonizing the solid content after the solidification step under atmospheric pressure ;
A pressure molding step of pressure molding the porous carbon after the solidification step so that the bulk density is 0.8 g / cm 3 or more,
Coal pitch, petroleum asphalt and ashless coal are used alone or in combination of two or more as the easily graphitizable carbon material,
The solidification step is
a dissolving step of dissolving the graphitizable carbon raw material in the good solvent;
a poor solvent mixing step of mixing the solution obtained in the dissolving step with a poor solvent for the graphitizable carbon raw material;
and a deposition step of depositing a powdery solid content from the mixed liquid obtained in the poor solvent mixing step.
上記固形化工程後の固形分を、大気圧下で固相炭素化する固相炭素化工程と、
上記固形化工程後の多孔質炭素を嵩密度が0.8g/cm3以上となるように加圧成型する加圧成型工程と
を備え、
上記易黒鉛化炭素原料として、石炭ピッチ、石油アスファルト及び無灰炭が単独で、又は2種以上を混合して用いられており、
上記固形化工程が、
石炭を無灰炭の良溶媒と混合する良溶媒混合工程と、
上記良溶媒混合工程で得られたスラリーの加熱により上記石炭から無灰炭を上記良溶媒に溶出させる溶出工程と、
上記溶出工程で得られたスラリーを固液分離する固液分離工程と、
上記固液分離工程で得られた溶液を上記無灰炭の貧溶媒と混合する貧溶媒混合工程と、
上記貧溶媒混合工程で得られた混合液から粉末状の固形分を析出させる析出工程と
を有する多孔質炭素成型体の製造方法。 a solidification step of solidifying the graphitizable carbon raw material without passing through the melt;
A solid phase carbonization step of solid phase carbonizing the solid content after the solidification step under atmospheric pressure ;
A pressure molding step of pressure molding the porous carbon after the solidification step so that the bulk density is 0.8 g / cm 3 or more,
Coal pitch, petroleum asphalt and ashless coal are used alone or in combination of two or more as the easily graphitizable carbon material,
The solidification step is
A good solvent mixing step of mixing coal with a good solvent for ashless coal;
An elution step of eluting ashless coal from the coal into the good solvent by heating the slurry obtained in the good solvent mixing step;
A solid -liquid separation step of solid-liquid separation of the slurry obtained in the elution step;
a poor solvent mixing step of mixing the solution obtained in the solid-liquid separation step with a poor solvent for the ashless coal;
and a deposition step of depositing a powdery solid content from the mixed liquid obtained in the poor solvent mixing step.
上記固形化工程後の固形分を固相炭素化する固相炭素化工程と、
上記固形化工程後の多孔質炭素を嵩密度が0.8g/cm3以上となるように加圧成型する加圧成型工程と
を備え、
上記易黒鉛化炭素原料として、石炭ピッチ、石油アスファルト及び無灰炭が単独で、又は2種以上を混合して用いられており、
上記固形化工程が、
上記易黒鉛化炭素原料を含む溶液を凍結する凍結工程と、
上記凍結工程後の易黒鉛化炭素原料を凍結状態で乾燥する乾燥工程と
を有する多孔質炭素成型体の製造方法。 a solidification step of solidifying the graphitizable carbon raw material without passing through the melt;
A solid phase carbonization step of solid phase carbonizing the solid content after the solidification step;
A pressure molding step of pressure molding the porous carbon after the solidification step so that the bulk density is 0.8 g / cm 3 or more,
Coal pitch, petroleum asphalt and ashless coal are used alone or in combination of two or more as the easily graphitizable carbon material,
The solidification step is
a freezing step of freezing a solution containing the graphitizable carbon raw material;
and a drying step of drying the graphitizable carbon raw material after the freezing step in a frozen state.
上記固形化工程後の固形分を、細孔容積が0.02cm 3 /g以上となるように固相炭素化する固相炭素化工程と、
上記固形化工程後の多孔質炭素を嵩密度が0.8g/cm3以上となるように加圧成型する加圧成型工程と
を備え、
上記易黒鉛化炭素原料として、石炭ピッチ、石油アスファルト及び無灰炭が単独で、又は2種以上を混合して用いられており、
上記固形化工程が、
上記易黒鉛化炭素原料を含む紡糸液を調製する調製工程と、
上記紡糸液の凝固液への吐出により上記易黒鉛化炭素原料を繊維化する繊維化工程と
を有する多孔質炭素成型体の製造方法。 a solidification step of solidifying the graphitizable carbon raw material without passing through the melt;
A solid phase carbonization step of solid phase carbonizing the solid content after the solidification step so that the pore volume is 0.02 cm 3 /g or more;
A pressure molding step of pressure molding the porous carbon after the solidification step so that the bulk density is 0.8 g / cm 3 or more,
Coal pitch, petroleum asphalt and ashless coal are used alone or in combination of two or more as the easily graphitizable carbon material,
The solidification step is
a preparation step of preparing a spinning solution containing the graphitizable carbon raw material;
and a fiberization step of fiberizing the graphitizable carbon raw material by discharging the spinning solution into the coagulating liquid.
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