JPH06501910A - セルロース材料から活性炭を製造する方法 - Google Patents
セルロース材料から活性炭を製造する方法Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
セルロース材料から活性炭を製造する方法本発明は、セルロースをリン化合物で
処理し、セルロースエステルを形成し、その後適当な雰囲気下でかつ適当な温度
一時間プログラムを用いて熱分解と活性化とを行うことから成るセルロース材料
から活性炭を製造する方法に関する。
適当な雰囲気下で、温度を500〜1000℃に適当なプログラムに従って上昇
して、繊維質を熱分解と活性化とを行うことによって、セルロース繊維材料から
活性炭を製造することは公知である。一方、この加熱処理は、熱分解のためにあ
る重量損失を伴って同時に活性炭に特有の微細孔を生じさせる。出発物質として
用いられる繊維質に、適当な溶液を浸み込ます前処理と熱分解と活性化とをする
ことによる重量損失をiIiII御するために今まで色々と努力されてきた。出
発物質をたとえば塩化アルミニウム、塩fヒ亜鉛、塩化カルシウムの溶液やこれ
らの混合物の溶液のようなルイス酸を含む溶液で処理することは公知である。こ
の方法て′は、最終製品の強度を改善するための熱処理工程での重量損失を減少
させる二とが達成される。
さらに、布のようなセルロース繊維を含む出発物質の前9J!!理に、リン化合
物を用いることも公知である。二の種の方法は、ドイツ特許2.500゜307
(東洋紡株式会社)に示されている。その中でポリノジックビスコース繊維は、
リン酸、リン酸水素二アンモニウム、ポリリン酸溶液、尿素リン酸などのような
リン酸塩を含む溶液に浸漬される。活性化熱処理は、−次的に窒素を含む雰囲気
中で約200〜300℃の温度で、約30分間処理され、その後温度が急速に8
00°Cに上昇され、そこで・活性化が約30%の水蒸気を含む活性化ガスによ
って達成される。この方法において、出発物質として強化再生繊維が用いられる
。これによって、リン化合物は熱処理の開繊維の強度を保つことと、吸着効果を
増すための活性化工程の間、リンの蒸発に寄与することを目的とする。さらに、
リン化合物の使用は、処理時間と減少して水蒸気による活性率を大きく増加する
。
本発明の目的は、リン化合物で前処理されたセルロース物質を用いてこれから活
性炭を製造する方法を提供する二とである。初期強度は、前記特許で公開された
ものと同程度て゛なく、さらに優れた強度と吸着性を示す活性炭製品が得られる
。これを達成するために1本発明の方法は活性化が炭酸ガス雰囲気中で炭酸ガス
がその材料を通して流れていることによるセルロース材料の炭酸ガスによる還元
反応によって処理される。
熱処理工程の間、リン化合物はセルロース分子のC−6炭素と化学的に結合する
ことによって、セルロース分子から水分子を分離する触媒として作用する。もし
もセルロース分子が遊離しておればセルロース材料から分離した複素環化合物、
いわゆるタールを形成する原因となる。この理由で歩留まりが改善される。続く
活性化は、炭酸ガス雰囲気中で処理される。そこで活性化工程は、炭酸ガスの圧
力と流速とによってυ制御され、微細孔の構造は、炭酸ガスの還元によって生じ
、炭素は一酸化炭素となってセルロース材料から除去される。二の方法は、温度
と温度上昇速度とに関するいくつかの有利な変形例ご付加しうる。
処理には、リン酸塩、特にリン酸三アンモニウム、リン酸水素二アンモニウムま
たはリン酸二水素アンモニウムから成るリン酸アンモニウム類が好ましく用いら
れる。かくて出発物質として用いられるセルロース材料を、1〜10%(重量)
の濃度のこれらのリン酸塩を含む溶液に浸漬することによって前処理する。
活性化ガスとして炭酸ガスの使用は、有望な微細孔の構造が強度の損失なしに行
われるから、より長い処理時間と同様により高い活性化温度を可能にする。さら
に次の反応式における物質保存則によって、活性化工程期間の微細孔の生成に影
響することが可能になる。
CO2C02=−C○
活性化工程における圧力と流速とを用いて、生成したm細孔の容積がさらによい
方向に調整され、好ましい強度とi細孔容積を有する活性化の最適粂件を得る。
炭酸ガス雰囲気の組成は、他の活性化ガスかないかまたはその濃度が炭酸ガスの
量の10°6(容積)より少ないということが好ましい。
炭酸ガスは、雰囲気ガスとして熱分解とそれに続く活性化がガス分変える二とな
く行い得るので、熱分解工程でも好ましく用いられる。また活性化以外の工程で
’ 4700℃以下の温度では)窒素が用いられてもよい。
熱分解と活性化ガスの続く工程は、1度を340°Cに比較的ゆっくりまた34
0℃〜500℃の1の温度はより榎やかに上昇し、ある特定期m一定力温度に保
ち、800℃以上の活性化工程に比較的ゆっくり上昇するという温度一時間プロ
グラムによって行われる。活性化工程は、収率が元の2596以下、好ましくは
22°6以下になるまで゛850°C以上で保持される。さらに処理にリン酸ア
ンモニウム類のような窒素とリンを含む化合物を用いる二とによって、生成物が
強化構造ともつ炭化架橋を引き起こすP−N化合物を得ることができる。
リン化合物の影響は、リンの驚くべき小さい濃度で有望である。リン酸水素二ア
ンモニウムで処理されたセルロース材料の分析されたリンの含有量は、熱処理前
で0.7%(重量)である。これはリン原子として計算され、セルロースに化学
的に結合したリン化合物の僅か約4%である。セルロース材料の分析された窒素
含有量は、リン酸水素二アンモニウムを用いた場合、0.38%(重量)である
。この低い濃度におけるリンの効果は、またセルロースが結合している1つより
多くの無水グルコースユニットに影響するためにリン酸塩グループの能力として
当然あり得る。
活性化の後でさえ、1%(重量)を超えるリンと04%(重量)を超える窒素と
を含むということがこの方法によって製造された製品にとって典型的である。2
0〜25%の収率でリン酸水素二アンモニウムを使った場合、製品中に残存する
リンの割合は元の量の25%を超え、残存する窒素の割合は元の量の20%を超
える。表1で本発明に従う方法によって製造された各種試料のリンと窒素の含有
量が与えられる。
本発明に従えば、DP値が400以下である高粘着ビスコース繊維から活性炭を
14〜25%の収率で、BET値750〜1600m2/gで製造することは可
能である。14〜22%の収率で、BET値は1000〜1600m”、、’g
に達する。
この収率で布は、特に呼吸マスクや各種のフィルタのようなガスや液から粒子を
分離する種々の目的のために、実用に供される充分な強度を有する。
ねばねばした感覚なしで光沢と柔軟性があることは、得られた布の添加される典
型的な特徴であった。
人ヨ、 活性化後の操fi:6.9.11.16および17から得られた試料中
に残ったリンと窒素の含有率、元の含有率はリン0 、7 、?6、窒素038
%て′あり、操作の条件は後述する。
6 23.1 878 1.40 0.529 16.9 1460 1.78
0.73n 20.4 1+64 2.05 0.8216 21、g IS
定不能 1,02 0.51本発明の方法に従って行われる予備テストと図面中
で示される実テストとによって、以下に述べるようにより現実的に記されている
0図面中で図1〜17の番号が実際のテストの個々の操作番号に相当し、aとマ
ークされた曲線は時間と温度との関係を示し、bとマークされた曲線は時間と収
率との関係を示し、図18と図19とは予備テストの同じ情報を示し、図20は
実テストから得られる収率と比表面積の関係を示し、図21は同じ試料の収率と
吸着微細孔との関係を示す。各図における異なる温度曲線は、炉の異なった部分
における測定点の温度の読みを記載する。図15は、操作期間中に測定された試
料の温度をさらに加えて示す。
たとえば布の形状であるセルロース材料は、本方法で出発物質として用いられる
。より好ましい出発材料は、ビスコース繊維のようにある程度の高い強度と微細
孔を有するものて゛ある。適した出発物質は、たとえば約2.9〜3.2cN/
dtexの引っ張り強さを有する物質によって製造された1、0〜1.3dte
xの高粘着ビスコース繊維である。繊維の初期微細孔は、水銀ポロシメータによ
って100〜500μ!、7gの範囲と測定されている。
15texビスコース撚糸(ヤーン2804)は、前述の高粘着ビスコース繊維
で作られる。布(MSクロス)は、その面fllあたりの重量が186g’m’
て゛あるように織られる。布の一片は、本発明に従ってリン酸アンモニウム類の
異なった溶液で予備処理される。また比較テストは、予備処理なしで布片が用い
られる。処理溶液は、リン酸三アンモニウムとリン酸水素二アンモニウムの2〜
25%(重量)を含む水溶液で、pHは80以上のアルカリ側の範囲て゛ある。
試験用試料の準備段階で、溶液に室温で・3分間完全に布を浸す。適当な線圧を
掛けたプレッシャロールを通して、連続して5回布片を機械的に圧縮して、過剰
の溶液が除去される。線圧は、好ましくは180 N ” c mて゛ある。そ
の後布片は、110〜120°Cて2〜5分開乾燥される。乾燥後布片は、前記
の線圧を掛けてプレスロー又と通して連続して3回機械的に圧縮して軟化される
。
表2は、異なった濃度の、8液中に時間と温度とを変えて浸漬して予備処理した
布の測定されたDP値を示す。予備処理が繊維の重要な性状に影響しない二とが
この表かられかる。
(以下余白)
民ユ 種々の溶液に種々な時間、MS布を浸漬したときのDP値、DPw−平均
分子量、DPn−平均重合度、DP=DPw/DPn=多分散性処理溶液 時間
(分)温度(’C) DPw DPn DP無処理 2321 929 2.5
0
2%<NH,)3P0. 3 22 2414 1102 2.192%(NH
,)、HPo、3 22 221!8 1008 2.27バンチ■
無処理 2196 853 2.51
10%(NH4>3P0,10 22 2277 889 2.5610% )
+ 10 80 2196 879 2.502°ε; ノl 10 22 2
384 899 2.652% ツノ to 80 2212 917 2.4
1本発明の方法に従って行われたテストは、以下でより詳細に記述されるて′あ
ろう。
i1元区」
MS布+:、2 5%の(MLI3PLJ液T:予m?理された。試料の浸漬時
間は、室温(22〜25℃)で15分く操作AとB)および13分(操作C)で
あった。
繊維試料は、熱天秤中て′ガスとして純CO2を用い炭化 活性化テストが行わ
れた。CO,ガスは、化学量論的な量に比して過剰に試料を通して流された7こ
れらのテストは、得られた最終製品に対する浸漬時間と温度′時間プログラムの
効果を決定する目的で行われた。図18は、重量損失と温度との関係を示す曲線
である。(重量損失は乾燥ILJlに対して計算される。)収率と等温の数点を
用いる等温の窒素吸着から得られる比表面積(BET値)は、各操作に相当して
表3に示されている。操作A、BおよびCにおいて温度プロフィルは、100〜
300°Cの間5°C□’minの割合て′昇温し、二の温度て′15分間保持
し、その後900°Cまて20°C,′minの割合で昇温し、この温度て゛試
料を約7分間(操作BとC)または約16分間(操作A)で保持し、その後好ま
しい活性化が達せらtした。100℃以下への冷却は、約10〜15分間で緩や
かに行われた。
し 予備テストにおける熱天秤の結果
操作名 収率〈96元の BET表面積物質の乾燥重量) (l”/g)
A 約23.5 1020
B 約23 700−800
C約25 700−810
第1実施例において、浸漬時間(3分または5分)は、最終結果に重要な影響は
なかった。同じ布試料は、操作B2とC2とで処理された。B2と02の内容は
、前と同様に新しい温度プロフィルを用いる同じ試料を示す。これらの操作で温
度100℃から熱分解の工程までイ昌度を昇温する割合は、少し増加され約8分
になった。試料は、先の実施例で熱分解が360℃以上の温度で重要さに応じて
継続することを示したために、熱分解が360〜425℃に昇温する闇のより長
い期間保持された。他の割合と値は、同じに保持された。
温度プロフィルと重量損失の曲線は図19に示され、結果は表4に与えられる。
表」、予備テストにおける熱天秤の結果操作名 収率(%元の BET表面積
物質の乾燥重量> (m2/g)
B2 約25 620−670
C2約25.5 760−820
処理された実施例において、15分の浸漬は3分の浸漬よりもよい製品を与える
ということは証明できなかった。
割iス止
次(ヒと活性化テストのために、鋼鉄製の反応器が準備された。そこで試料を取
り扱うことは可能て゛あり、試料は熱天秤用の試料よりも大きく、20・、50
cm’の大きさに作られた。試料は、この目的のために特別に設計されたサンプ
ルホルダから吊され、活性化ガス(Cod>がサンプルの間を最もよく移動て′
きるようにされた。操作1〜15において、炭酸ガスは、2 l/’m i n
(NTP)て゛反応器に供給された。もしもガスが700℃以上の温度で供給
されるならば、これは最終製品の1m”あたり約3.0kgのCO2量に相当す
る。実際にCO2の量は、700℃以上の温度て゛のみ(化学的に)重要である
。そこてCO:は、炭素と反応し得る。用いられるガスの流れは、化学量論に比
して25倍であった。
操作16と17とにおいて、CO2の流速は0゜81 mi n (NTP>で
あった。これは700℃以上において、最終製品の1m2当たつ約12 k g
、”Ic○2に相当する。この場合用いられるガス流は、化学量論に比して10
倍であった。操作16は、浸漬と乾燥の後、機械的に軟化されない試料が用いら
れるという特徴がある。操作17は、熱分解工程が約600°Cで行われ、その
期間と活性化テストの冷却工程の期間、窒素が炭酸ガスの代わりに操作16にお
ける炭酸ガスの流速と同じ流速で使われるという特徴を有する。
試料吊下げ装置は、電気天秤に接続され、サンプルの質量と炭化/′活性化の過
程がテスト期間追跡された。炭化77′活性化テストは天秤を測定することて′
終結された。
テストは、炉から鋼鉄製反応器を持上げ加圧空気で反応器の外側を冷やすことで
終了した。全冷却期間中、前記操作17を除いて、CO2の流れは反応器中に導
かれた。反応器は、100℃以下の温度になるまで開放されなかった1反応器が
炉から持上げられ、加圧空気で冷却されたとき、その温度は約900℃から50
0°Cに3〜5分間で降下した。
各テストの後、サンプルは等温窒素吸着の舅定のために、繊維状活性炭から(操
作1と2では、上側から、操作3以降は中間の断面から)取出された。比表面積
は、BET方程式に従ういわゆる多点法を用いて等温窒素吸着から決定された。
いわゆる微細孔範囲における窒素吸着は、(窒素の比分圧の非常に低い値におい
て)またこれらの等温吸着から決められた。これらの値は、図20と図21にお
いて図面上で与えられる。その中で各点に相当する操作番号がマークされている
0図20から収率が、BET値のl OOO〜1600 m27′gの範囲内で
、約14〜22%であるという相関関係を得る。
ビスコース繊維は、炭化と活性化との期間中強く収縮した。収縮の範囲と決める
ために、試料の大きさは各テストにおいて操作の始めと終わりに測定された。平
均で試料の面積は、収率が20〜251”o (重量)のとき、52〜60%収
縮した。
すなわち製品の面積は、試料の元の面積の40〜48%であった。操作14にお
いて、炭化期間の収縮は、炭化工程後にテストの終了によって別々に調査された
5面積収縮率は、炭化工程の期間て゛約4026、すなわち残った面積は元の約
60%であった。
実際に、収率が約22%(重量)であると仮定すると、元の布の面積の40〜4
5%の面積が得られる。
炭化と活性化後、試料の大きさは約14X30cm’であった。試料の断面は、
試料の中央から測定される表面積であり、比表面積は3cmの福を有する片から
決定された。
操作4において試料は、リン酸塩処理なしで用いられた。試料は反応的であり、
収率は熱分解工程て゛すでに20%以下に低下した。
操作16から得られた試料は、操作の前に機械的軟化をしなかった。観察される
性質(強さ、触怒、柔軟性)は、池の操作から得られた前述の前処理をした試料
と同じ外観を示した。
操作16と17とは他の操作1〜15と比べて異なったテスト条件て′行われ、
収率が21.8%と22.4%という全く同様の結果を示した。炭酸ガスの流速
と温度プロフィルとして、操作16に相当する反復テストで約1100m2/g
の表面積が収率19.9%のときに得られた。これと前の操f1:1〜15(図
20)のデータに基づき操作16と17のBET値は、約1000〜1200
m 2/ gと評価され得る。
異なった操作の試料で得られる収率、比表面積、微細孔吸着値は、表5に与えら
れる。
く以下余白)
Δ旦 実テストの結果、BET=比表面積、〜IH=吸着m細孔操作番号 浸漬
液 収率 BET @H(乾燥物質重量%) (m:、・g)(C113,g)
I N3 24.2 669.; −
241314,31566480
3N3 20.2 1235.; 3804 0 旧 −
5リ3 24.1 862 280
6 N2 211 848 211O
N3 31.9 502 5 170
8 N3 211 934 290
9 N2 16.9 !459.5 440IQ N2 24.5 τ81 2
6011 〜2 20.4 1125 ’38012 〜2 20.7 109
2 35013 N2 20.6 1019 32014 〜2 37.7 −
15 N2 25.0 82)l −
Q =!処理
!12 =(NH,):HPO,(2%)!73 =(N)11))PO,(2
%)トルエン吸着テストは、操ft=6.9および17から得られた20mmの
直径を有する9つの試料片(100〜106g/’m’ )を管中に置くことに
よって処理された。0.96g、/m’のトルエン1度と相対湿度80%を有す
る空気は、室温で13.3m、/sの流速で試料を通して流され、排出口から排
出された。それは約2.5!、/minに相当する。トルエンが試料排出口で・
ガス分析器によって測定され、経過した時間が測定された。
市場で有効である活性炭布(cc)の同じ量と比較され、NBC防護被覆の中で
用いられる結果は、表6の中で与えられる。
II 21 −0.072
サンプルの重量変化は、時間に基づいて計算されるトルエン吸着のそれより大き
い。これは1分がまた布に吸着されるので・空気の高い相対湿度に相当する。
種牛16と17とから試料は、また強さのテストがされ5次の表7に示される。
V 活性炭布の強度テス1〜、試料は幅と長さが各q5cm、引張り強さは、面
積重量に対してN/(g/cm)の単位で与えられる。第1の値は、縦方向、第
2の値は横方向のものである。
試料 面積重量 引張り強さ 破壊時の伸び16 99.1 1)t6−214
50−10717 104.1 188−154 445−93Fi、la
Fig、2a
Fig、2b
Fig、3a
Fig、3b
Fig、4a 時間(夕1)
Fiq、 4b ”l””! (’F )Fig、5a
Fig、6a
Fig、 6b
Fig、7b
pig、sa
Fig、Bb
Fig、 9b
Fig、10b
Fig、llb
Fig、12a
Fig、:L2b
Fig、13b
too 200 300
Fig、14a 時開(分)
Fig、 15a
時間(分)
Fig、18
時間(分)
皓フ(分)
Fig、19
+0 14 18 22 26 30 34収率(%)
Fig、21
補正書の翻訳文提出書(特許法第184染の8)
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、セルロースエステルを形成するリン化合物で、セルロース材料を処理し、そ の後に適当な雰囲気下でかつ適当な温度−時間プログラムを用いて、熱分解およ び活性化をすることを含むセルロース材料から活性炭を製造する方法であって、 炭酸ガス雰囲気中で炭酸ガスがセルロース材料を通して流され、炭酸ガスの還元 反応によってセルロース材料の前記活性化が処理されることを特徴とする方法。 2、セルロース材料から水分を分離するために、前記熱分解が炭酸ガス雰囲気中 でセルロース材料を炭酸ガスが通適することによって行われることを特徴とする 請求項1記載の方法。 3、前記熱分解工程において、セルロース材料の温度が120〜500℃に60 〜120分間で昇温することを特徴とする請求項1または2に記載の方法。 4、前記熱分解工程において、温度−時間ダイヤグラムが、340℃と500℃ の間のある温度部分を含み、その温度部分では温度上昇の平均割合が1.5℃/ min以下で5分以上、好ましくは20分以上であることを特徴とする請求項1 〜3のいずれか1項に記載の方法。 5、前記温度部分が、400℃と500℃の間にあることを特徴とする請求項4 記載の方法。 6、前記活性化工程において、温度が500〜850℃に15〜100分間で上 昇することを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の方法。 7、前記活性化工程において、温度が500〜850℃に50〜100分の間で 上昇することを特徴とする請求項6記載の方法。 8、前記活性化工程が、850℃以上で製品の重量が元のセルロース材料の乾燥 重量の25%以下、好ましく22%以下になるまで続けられ、その後冷却される ことを特徴とする請求項3〜7のいずれか1項に記載の方法。 9、前記活性化工程が、850℃以上で収率が14〜25%、好ましくは14〜 22%の範囲であることを特徴とする請求項8記載の方法。 10、前記リン化合物が、リン酸塩、特にリン酸アンモニウム類であることを特 徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。 11、前記セルロース材料がビスコース繊維のような再生セルロース繊維である ことを特徴とする前記請求項のいずれか1項に記載の方法。 12、前記ビスコース繊維が高粘着性ビスコース繊維、好ましくはDP値が40 0以下の高粘着性ビスコース繊維であることを特徴とする請求項11記載の方法 。 13、前記セルロース材料が、布の形態であることを特徴とする請求項11また は12に記載の方法。 14、処理期間、前記布がその形を自由に変えることができるようにすることを 特徴とする請求項13記載の方法。
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