JPH07242407A - 高性能活性炭とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 原料コストが安く、ヤシ殻活性炭等と同等の
高い吸着活性を有する下水汚泥などを原料とする活性炭
を提供すること。 【構成】 スラリー状の下水処理汚泥および農村集落排
水などの下水道類似施設から排出される汚泥を脱水乾燥
させ、得られた乾燥汚泥を６５０℃付近で炭化処理し、
次いで６５０℃付近においてＫＯＨまたはＮａＯＨでの
賦活化処理と３０〜３６％ＨＣｌでの沸とう点における
賦活化処理で汚泥中に含まれるケイ素成分と重金属成分
を除去することで、高吸着活性のある活性炭を得る。得
られた活性炭は水質汚染分野、大気汚染分野、その他ド
ライクリーニング脱色、ゴルフ場排水中の農薬除去、水
銀蒸気除去、メッキ溶液の精製、好気的・嫌気的処理に
おける生物処理助剤として用いることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスラリー状の下水処理汚
泥および農村集落排水などの下水道類似施設において発
生する汚泥から得られる活性炭とその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】下水処理場の普及増加に伴い、下水処理
汚泥および農村集落排水などの下水道類似施設において
発生する汚泥（以下、下水汚泥などという。）は年々増
加し、全国で１４０万トン台に達し、その約８０％が陸
上および海面に埋立て処分されている。しかし、埋立処
分地が有限であり、最終処分地が絶対的に不足している
ことから、他の多くの廃棄物と共に下水汚泥などを資源
化あるいは減量化することが緊急の課題となっている。
下水汚泥などの減量化・再資源化については多面的対応
が採られているが、その主なものは肥料化すること、灰
化や溶融によってスラグ化して建設資材として利用する
ことまたは固形燃料化することであり、下水汚泥などの
減量化・再資源化の研究方向および利用面において、や
や前記分野に限定される傾向にある。したがって増大す
る下水汚泥などに対処するには、資源化などにおける新
たな応用面の拡大が望まれるところである。

【０００３】ところで、活性炭は通常、ヤシ殻、木炭、
石炭、硫酸スラッジなどを主な原料とし、炭化処理、賦
活化処理等を施して製造されている。そして、最近では
これらの活性炭に特性を付与した製品の開発が進み、活
性炭の利用価値を高め、その応用範囲を広げている。さ
らに、産業廃棄物のプラスチック、廃タイヤ、廃イオン
交換樹脂、籾殻、コーヒー豆殻などから活性炭を製造す
る方法が実用化されている。その中で、下水処理汚泥を
原料とする活性炭の実用化研究も行われていて、例え
ば、特開平５−８１１号公報には、工場廃液処理、糞尿
処理、家庭排水処理に使用される生物活性汚泥等の蛋白
質含有汚泥を炭化処理（空気、窒素、炭酸ガスまたはこ
れらの混合ガス中で１５０〜６００℃で数分〜数時間加
熱）、賦活化処理（水蒸気、炭酸ガス、酸素を主体とす
るガス雰囲気中で、７００〜１１００℃で数分〜数時間
加熱）した後、酸処理（硫酸または塩酸水溶液中で常温
〜１００℃で数分〜数時間処理）と加熱処理（窒素、ヘ
リウム、アルゴン、二酸化炭素等の不活性ガスの雰囲気
下で４００〜１１００℃で数分〜数時間加熱）して、活
性炭素材料を製造する方法が開示されている。また、竹
中らは第３０回下水道研究発表会講演集において、下水
汚泥から得られた脱水汚泥を水分調整した牛ふんまたは
オガクズを加えたものを原料として、これを成型した
後、９００〜１３００℃で炭化処理して、次いで破砕、
造粒して炭化活性ペレットを得る方法を発表している。
この炭化活性ペレットは硫化水素等悪臭成分の脱臭除去
活性があると報告されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記特開平５−８１１
号記載の活性炭素材料は不純物の吸着作用、脱臭作用等
の活性炭の典型的な用途に用いられるものではなく、専
ら過酸化水素分解反応用またはヒドラジン分解反応用の
限定した用途に用いられる特殊な活性炭素材料であり、
該活性炭素材料の窒素含有量が１〜５重量％であること
が、過酸化水素分解またはヒドラジン分解活性を発揮さ
せるために必須であると記載されている。また、前記発
明では１５０〜６００℃の炭化処理と常温〜１００℃の
酸処理の後に不活性ガス雰囲気下で行う４００〜１１０
０℃の加熱処理があり、二段以上の加熱処理が必要であ
り、エネルギーコスト的に改善の余地がある。また、竹
中らの報告例は脱水汚泥に他の物質（牛ふんまたはオガ
クズ）を添加して原料とするものであり、脱水汚泥の外
に原料成分を添加する必要があり、さらに、その炭化処
理温度が９００〜１３００℃と高温であることは、脱水
汚泥の処理時に多大の熱エネルギーを消費する負担があ
る。

【０００５】そこで本発明の目的は被吸着物質の吸着性
においてヤシ殻活性炭等と同等程度の高い吸着活性を有
する下水汚泥などを原料とする原料コストの安い活性炭
およびその製造方法を提供することである。また、本発
明の目的は増大する下水汚泥などから有用物を製造し、
下水汚泥などを減量化・再資源化する方法を提供するこ
とである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は次の
構成により達成される。すなわち、スラリー状の下水処
理汚泥および農村集落排水などの下水道類似施設からの
排出される汚泥を脱水乾燥させ、得られた乾燥汚泥を炭
化処理し、次いで水酸化アルカリでの賦活化処理および
塩酸での賦活化処理をする高性能活性炭の製造方法また
は前記製造方法で得らた高性能活性炭である。本発明に
おいて、汚泥の脱水方法は遠心脱水、ベルトプレスまた
はフィルタープレスなどの方法を用いても良く、脱水方
法が特定のものに限定されるものではないが、水分含量
を少なくして炭化温度の低減化と炭化時間の省力化を図
るために、パルス燃焼型乾燥装置により発生させた圧力
波により脱水と乾燥を同時に行い、汚泥を細粒子化（以
下スクリューという。水分含有量５０％以下の粒度区分
１００〜５００μｍの粒子が７０重量％以上含まれる乾
燥汚泥）、微粒子化（以下サイクロンという。水分含有
量８％以下の粒度区分４５μｍ以下の粒子が５２重量％
以上含まれる乾燥汚泥）する。

【０００７】また、本発明の賦活化処理のために使用す
るアルカリは水酸化カリウムと水酸化ナトリウムに限ら
れる。水酸化アルカリはフレーク又はペレット状のもの
を用いることが好ましい。前記フレーク又はペレット状
の水酸化アルカリと乾燥汚泥を混合して溶融することで
始めて賦活化できた。そして、水酸化ナトリウムより水
酸化カリウムの方が水可溶性のカリウム塩を作るので、
より好ましい。水酸化アルカリの添加量は重量比で炭化
物の２倍量が最良であり、１倍量または４倍量では吸着
性能が２倍量の場合の４０〜５０％に低下するという不
具合がある。本発明の賦活化処理のために使用する酸は
塩酸に限る。硫酸ではかえって不溶性塩を作ることが予
想され、賦活化には適さない。またリン酸では吸着性能
は増大しなかった。３０〜３６％塩酸の使用量は炭化物
がサスペンドする程度で重量比（約３倍量）で用いるこ
とが望ましい。５〜１５％塩酸では賦活化作用は認めら
れなかった。

【０００８】また、炭化物の賦活化処理は水酸化アルカ
リ処理の次に塩酸処理を行うという順序でないと炭化物
の活性度は増大しない。アルカリ処理を省いて酸処理を
行っても炭化物の活性度は増加せず活性炭とならない。
本発明のアルカリ処理と酸処理に用いられる各々の薬剤
は確実に処理が行えるようにするため、アルカリ処理の
場合には炭化物の２倍の量を用い、酸処理では炭化物の
約３倍の量を用い、炭化物を前記薬剤とを十分混合させ
て、加熱処理を行う。なお、前記薬剤を用いないで、一
般的賦活化剤であるＺｎＣｌ₂、Ｈ₃ＰＯ₄を用いた処理
では高性能な活性炭にならず、メチレンブルー吸着能が
２０〜３０ｍＬ／ｇの炭化物が得られたに過ぎなかっ
た。

【０００９】本発明の炭化処理温度および水酸化アルカ
リでの賦活化処理温度は、いずれも５００℃〜７５０℃
の範囲で行い、特に６５０℃付近で行うことで得られる
活性炭の活性度が高いことから望ましい。炭化処理温度
および水酸化アルカリでの賦活化処理温度が５００℃未
満では、活性炭の活性度は低く、７５０℃を超えると、
得られる活性炭の活性度が６５０℃程度の温度で処理す
る場合に比較して、低下した。６５０℃における炭化時
間は２時間と５時間について検討を行ったが、活性炭の
活性度は両者とも全く同等であり、製造コスト面から炭
化時間は２時間とした。また、水酸化アルカリによる賦
活化処理時間は１０分間、塩酸処理は３０分間で良く、
両処理とも時間を延長しても活性炭の活性度の増大は認
められなかった。また、炭化処理および賦活化処理は窒
素気流中での還元性雰囲気を必要とせず、単に反応容器
に蓋をして密閉するだけでよい。さらに、本発明は前記
従来技術のように下水汚泥などに牛ふん、おからあるい
はオガクズなどの他の物質を混和することなく下水汚泥
などの単独原料から製造できる。

【００１０】本発明で得られた活性炭は次のような用途
に用いることができる。 （１）水質汚染分野：着色排水処理、し尿高度処理、排
水再利用。 （２）大気汚染分野：排煙脱硫・脱硝、有害ガス処理、
悪臭防止。 （３）その他：ドライクリーニング排液中の脱色および
油脂、界面活性剤などの吸着除去、ゴルフ場排水中の農
薬除去、水銀蒸気除去、メッキ溶液の精製、好気的・嫌
気的処理における生物処理助剤。

【００１１】

【作用】濃縮汚泥には工場排水や生活排水と共に雨水が
運んだ土砂が混じるため、下水汚泥などの中には多量の
重金属類成分とケイ素成分が含まれる。本発明者らは前
記重金属類成分とケイ素成分は炭素質からなる活性炭の
単位量当りの吸着有効表面積や細孔の増大を阻害するも
のと推定して本発明を完成させた。本発明の特徴点は、
下水汚泥から活性炭を製造する過程で、前記重金属類成
分とケイ素成分を除去するため、下水汚泥などの脱水乾
燥した固形分であるスクリューおよびサイクロン中の最
も含有量の多いケイ素成分を水酸化アルカリで溶融して
水溶性にして除去し、さらに重金属類成分は塩酸処理に
より除去して炭化物を賦活化したことにある。

【００１２】すなわち、水酸化アルカリをサイクロンま
たはスクリューと混合処理することで、下水汚泥など炭
化処理物の炭素質原料中に水酸化アルカリが強力に侵食
浸透し、スクリューおよびサイクロン中のケイ素成分を
溶融してケイ酸アリカリとして、ケイ素成分を水溶性に
することで炭化物から除去する。この水酸化アルカリ溶
融物の温水洗浄液中には、ケイ素の他にリン、硫黄、ニ
ッケル成分と少量の銅、鉄成分が検出された。この水酸
化アルカリ処理に続いて塩酸による加熱処理を行うこと
によって塩酸溶液中にはカルシウム、鉄、マグネシウ
ム、リン、ニッケルが炭化物から溶出していることが明
らかになり、この一連の処理により活性炭の活性化度を
増加させることができた。すなわち、前記水酸化アルカ
リと塩酸が炭化物へ侵食浸透することによって一酸化炭
素および二酸化炭素を放出して複雑に発達した多孔質構
造を形成し、その結果、下水汚泥などから製造した活性
炭の活性度が増加し、ヤシ殻活性炭に匹敵する高品質の
活性炭が得られたものと考えられる。

【００１３】

【実施例】本発明の実施例を以下に説明する。 実施例１ 下水処理場において脱水ケーキ作製工程に入る前のスラ
リー状の濃縮汚泥をパルス燃焼型乾燥装置に導入し、脱
水乾燥してスクリューあるいはサイクロンを得る。この
スクリューまたはサイクロンを加水しないで、そのまま
密封して６５０℃で２時間炭化処理を行う。次いで得ら
れた炭化物２０ｇとその２倍量の水酸化カリウムのフレ
ークを良く混和し、密封状態にして３０℃／分で急速昇
温して６５０℃として、６５０℃で１０分間加熱処理を
行う。これを放冷後、活性化物の全量を１５倍量以上の
温水を使って数回良く洗浄して吸引濾別する。濾取した
活性化物は重量を秤量後、約３倍量の３０％ＨＣｌと共
に３０分間、沸とう点で加熱処理する。前記加熱処理の
後、活性化物を濾別して活性化物からＨＣｌを除き、こ
れを温水で中性になるまで洗浄する。洗浄された活性化
物は吸引濾過により脱水し、その後１１０℃で２時間乾
燥して活性炭を得た。この活性炭の組成は炭素３０．３
２％、水素１．７１％、窒素０．７６％、酸素１３．４
７％、塩素０．０３％、硫黄１．６４％および灰分５
６．５５％であった。この活性炭についてＪＩＳ法に基
づくメチレンブルー吸着性能試験結果は１８０ｍＬ／ｇ
であり、窒素吸着によるＢＥＴ１点吸着法による比表面
積を測定した結果は７９３ｍ²／ｇであった。また、活
性炭の歩留りは脱水ケーキを基準にした場合で０．７重
量％であった。

【００１４】比較例１ スクリューあるいはサイクロンを得る工程までは前記実
施例１と同様の処理を行い、得られたスクリューあるい
はサイクロンを５００℃、１２時間の炭化処理を行い、
得られた炭化物を３倍量の６０％ＺｎＣｌ₂水溶液と良
く混和し、密封状態にして６５０℃で３時間加熱処理を
行う。次いで、これを放冷後、活性化物の全量を約１０
倍量の温水を使って数回良く洗浄し、吸引濾別して活性
化物からＺｎＣｌ₂を除き、洗浄された活性化物は吸引
濾過により脱水し、その後１１０℃で乾燥して活性化物
を得た。この活性化物についてＪＩＳ法に基づくメチレ
ンブルー吸着性能試験結果によるとメチレンブルー吸着
能が４０ｍＬ／ｇに留まり、活性炭としての性能に達し
なかった。 比較例２ 前記実施例１の一連の処理工程の内で、水酸化カリウム
による処理を行なわない場合、すなわち、炭化処理の後
に濃塩酸処理のみを実施例１と同一条件で行った。この
場合はメチレンブルー吸着能は２０ｍＬ／ｇであった。 比較例３ 前記実施例１の一連の処理工程の内で、水酸化カリウム
による処理を行った後に、塩酸処理を行なわない場合、
すなわち、水酸化アルカリによる賦活化処理のみを実施
例１と同一条件で行った。この場合はメチレンブルー吸
着能は２０〜４０ｍＬ／ｇであった。

【００１５】このように本発明は組成の複雑な下水汚泥
などは水酸化アルカリ（フレーク）との溶融と３０〜３
６％塩酸による加熱処理とが一体となってはじめて高性
能活性炭が製造できる。表１、表２にＫＯＨとＨＣｌ併
用による賦活化のサイクロンおよびスクリューの活性炭
製造条件とそのメチレンブルー吸着性能試験結果を示
す。

【表１】

【表２】

【００１６】上記各実施例で示すようにＫＯＨとＨＣｌ
の組み合わせは必須であり、例えば表１中の実施例番号
５、９および１０において、ＫＯＨ処理のみでは吸着性
能はそれぞれ２０ｍＬ／ｇ、４０ｍＬ／ｇおよび４０ｍ
Ｌ／ｇであった。また、サイクロンを４００℃で炭化す
る試みをしたが、一部茶色成分が残り完全に炭化せず、
吸着性能は３０ｍＬ／ｇであった。水酸化アルカリによ
る賦活化温度と得られる活性炭の吸着性能との関係は図
１に示す通りであり、水酸化アルカリによる賦活化温度
を高めると得られる活性炭の吸着性能が少しづつ向上す
るが、６５０℃程度が最良であり、７５０℃における水
酸化アルカリによる賦活化処理では吸着性能は低下して
きた。炭化処理温度による活性炭の吸着性能の変化は図
示していないが、図１に示す賦活化処理温度による活性
炭の吸着性能の変化と同様の傾向を示した。また、本発
明の上記実施例の方法によって製造された活性炭はＣＯ
Ｄ除去率、総窒素および総リンの除去率はそれぞれ７６
％以上、４３％以上および６７％以上あり、これらの成
分除去にも効果がある。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、下水汚泥などの炭化処
理物から比較的簡単な製造方法でヤシ殻活性炭に匹敵す
る吸着性能を有する高品質の活性炭を得ることができ、
水質汚染分野、大気汚染分野、その他の分野で有害物の
除去剤として有効に利用することができるようになっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例による下水汚泥から得られ
る炭化処理物の賦活化温度と活性炭の吸着性能との関係
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 基一 岡山県岡山市内尾739−１ 岡山県環境保 健センター内 (72)発明者 森田 啓次郎 岡山県岡山市内尾739−１ 岡山県環境保 健センター内 (72)発明者 宍戸 鴻治 兵庫県神戸市中央区北本町通一丁目１番23 号 川鉄運輸株式会社内 (72)発明者 大部 素宏 兵庫県神戸市中央区北本町通一丁目１番23 号 川鉄運輸株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スラリー状の下水処理汚泥および農村集
   落排水などの下水道類似施設からの排出される汚泥を脱
   水乾燥させ、得られた乾燥汚泥を炭化処理し、次いで水
   酸化アルカリでの賦活化処理および塩酸での賦活化処理
   をすることを特徴とする高性能活性炭の製造方法。
2. 【請求項２】 炭化処理および賦活化処理は空気の存在
   下に密閉空間内で行うことを特徴とする請求項１記載の
   高性能活性炭の製造方法。
3. 【請求項３】 炭化処理および水酸化アルカリでの賦活
   化処理はいずれも５００〜７５０℃で行うことを特徴と
   する高性能活性炭の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３記載のいずれかの製造
   方法で得られることを特徴とする高性能活性炭。