JPH11236207A - 活性炭材料及びこの活性炭材料を用いた排煙脱硫方法 - Google Patents
活性炭材料及びこの活性炭材料を用いた排煙脱硫方法Info
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Abstract
硫用酸化触媒触媒としての用途に有用な活性炭材料を提
供する。 【解決手段】 活性炭粉末と撥水性物質とを混合し、こ
れを所定形状に成形した後に撥水化処理を施してなる活
性炭材料を提供する。この活性炭材料を排煙脱硫プロセ
スにおける接触硫酸化触媒として使用する。
Description
料に関し、特に排煙脱硫プロセスに使用する酸化触媒と
して有用な活性炭材料に関する。
されている。活性炭を用いた触媒としては、活性炭自体
の触媒活性を利用したものと、活性炭を触媒活性のある
遷移金属等の担体として用いたものがある。一方、活性
炭を吸着剤として用いたものとしては、気相では重金属
や凝縮性ガスの除去、液相では糖液の脱色や水中の微量
有機物の除去あるいは各種排水処理などに用いた例がよ
く知られている。
である理由の1つは、その比表面積が大きいことであ
る。活性炭粒子はその内部にサブナノメータ乃至サブミ
クロンにわたる種々の大きさの細孔を多数有しており、
これらが網の目のように複雑に入り組んだ構造を形成し
ている。そうした細孔の内表面を含めた全表面積は、活
性炭1g当たり1000m2 にも達するといわれてお
り、このような広い表面積に触媒活性点や吸着活性点が
多数分布していると思われる。
「接触硫酸化プロセス」と呼ぶ)においては、活性炭が
酸化触媒として用いられ、排ガス中に含まれる亜硫酸ガ
ス等の硫黄酸化物は、共存する酸素によって最終的に硫
酸にまで酸化される。これは水蒸気分圧等の条件によっ
て、そのまま硫酸(希硫酸)として回収されたり、ある
いはカルシウム化合物と反応して石膏の形で回収され
る。活性炭触媒は、ゼオライト等のセラミックス系触媒
と異なり、それ自体が上記酸化触媒としてある程度大き
な活性を有するので、遷移金属等の触媒種を担持する必
要がなく、生成した硫酸によってそのような金属の触媒
種が侵されるという問題がない点、有利である。
上記接触硫酸化プロセスにおける活性炭触媒の性能は必
ずしも十分であるとはいえず、触媒種を担持する必要が
ないという上記利点は生かしたままに、より高い活性を
有する活性炭触媒が求められている。この点に関し調べ
てみると、活性炭触媒の性能が十分でない原因は、触媒
活性点の量やその活性度が小さいことにあるのではな
く、反応分子の粒内拡散が制限されることにあるという
ことがわかってきた。そして、さらに調べてみると、接
触硫酸化反応では触媒活性点で生成した無水硫酸が雰囲
気中の水蒸気と反応して直ちに硫酸水溶液になって細孔
内に留まり、これが反応分子の粒子内部への拡散をブロ
ックするため、内部の触媒活性点が有効に利用されない
ということもわかってきた。すなわち、もし生成した硫
酸水溶液が触媒内に留まらないようにすることができれ
ば、触媒活性は大きく改善されることが期待できるわけ
であり、そのためには活性炭触媒表面の撥水性を向上さ
せることが重要であるということがわかってきたのであ
る。
7) p. 253には、平均粒径0.78mmの粒状活性炭に
ミクロンサイズのポリテトラフルオロエチレン(PTF
E)粒子の分散液を吹きかけることにより、PTFE添
加量8〜20%の領域において亜硫酸ガスの吸着酸化反
応の速度定数が3倍に上昇したとの事例が示されてい
る。また、特開昭59−36531号公報には、亜硫酸
ガスを吸収した吸収液中に蓄積した亜硫酸イオンを酸化
するため、その吸収液中に粒状活性炭を添加する場合
に、当該活性炭に撥水化処理を施すと亜硫酸イオンの吸
着酸化活性が上昇することが示されている。具体的に
は、粒径5〜10mmの粒状活性炭にPTFE分散液を
含浸させ、200℃で2時間加熱処理することにより、
活性炭単味の触媒に比べてはるかに高い活性を示すこと
が示されている。なお、上記事例において撥水化された
活性炭は、通常市販されているPTFE分散液のPTF
E粒子サイズが直径0.2〜0.4μm程度であり、こ
の粒子サイズは活性炭粒子内部にまで浸透するには大き
すぎると考えられることから、活性炭の外表面及びマク
ロポアの極く一部のみが撥水化された活性炭であったと
思われる。
途に関しては、当該活性炭表面の撥水性が重要な要請に
なることがわかってきたのであるが、同様な要請は他の
用途例えば吸着剤としての用途に関してもあり得るわけ
であり、特に凝縮性ガスを含む気相吸着等においては、
凝縮したガスの粒内拡散の難易が実質的な吸着容量に大
きく影響するであろうことは、十分に予想される。した
がって、活性炭材料表面の撥水性を向上させることは、
当該活性炭材料の粒内拡散が考慮される各種用途に関し
て要請されるところである。
表面の撥水性を向上させる目的で、すでに、活性炭粒子
に撥水性物質を含浸担持させたもの、活性炭粉末と撥水
性物質とを混合して成形したもの、及び予め撥水化処理
した活性炭粉末と撥水性物質とを混合して成形したもの
を開発した。ここで、活性炭粒子に撥水性物質を含浸担
持させるとは、フッ素樹脂や一部の炭化水素樹脂などの
撥水性有機物質の微粒子を含む分散液(ゾル)を含浸さ
せて当該微粒子を活性炭粒子表面に保持させるものであ
り、活性炭粉末に撥水性物質を混合して成形するとは、
そのような撥水性物質の微粒子と活性炭粉末とを混合
し、圧縮、造粒等を行って所定形状に成形するものであ
る。また撥水化処理とは、上記撥水性物質の微粒子分散
液や撥水性物質の溶液で当該活性炭粉末を処理するもの
である。しかしながら、こうして得られた活性炭材料に
は、次のような問題があることがわかった。
させたものでは、触媒活性や吸着活性があまり高くなら
ないという問題がある。これはそれらの活性の向上には
活性炭(成形活性炭を含む)のマクロポア(直径が0.
05μm以上の細孔)を粒子外表面部から内部にわたっ
て満遍なく撥水化するのが有効であるのに対し、撥水性
物質を活性炭粒子に含浸担持させた場合には活性炭粒子
内部のマクロポアが十分に撥水化されず、触媒内部の液
体の排出が十分でないからであると思われる。また、活
性炭粉末と撥水性物質の微粒子を混合して所定形状に成
形したものでは、活性炭粒子に撥水性物質を含浸担持さ
せたものよりは高活性であるが、やはり触媒活性や吸着
活性が十分に高くはならないという問題がある。これは
活性炭粉末と撥水性物質とを単に混合しただけでは、広
範囲な孔径分布を示すマクロポア全体の均一な撥水化や
マクロポア入口部の液による閉塞を防止するために必要
な粒子外表面部の均一な撥水化が十分でないからである
と思われる。さらに、予め撥水化処理した活性炭粉末と
撥水性物質とを混合して粒状に成形したものでは、すぐ
れた性能を有する触媒を安定して得ることが難しいとい
う問題がある。これは、活性炭粉末表面への撥水性物質
の均一な付着が難しく、また撥水性物質の量を増やして
撥水化処理を行うと活性点が撥水性物質に覆われてしま
い、利用できる活性点の数自体が減少してしまうため、
活性炭粉末の外表面を均一かつ十分に撥水化することが
困難であることによるものである。本発明は、これらの
問題を克服し、活性炭粒子の最適な撥水化を実現しよう
とするものである。
撥水性物質とを混合し、これを所定形状に成形した後、
撥水化処理を施すことにより、活性炭材料内部のマクロ
ポア表面を満遍なく撥水化するとともに、外表面部をよ
り強く撥水化し、かくして粒内拡散が考慮される各種用
途、特に排煙脱硫用酸化触媒としての用途に有用な活性
炭材料を提供するものであり、これにより上記課題を解
決するものである。
子内で不均一な撥水性を有するものである。すなわち、
本発明の活性炭材料は、粒子の外表面部がより強く撥水
化されており、粒子の内部は相対的に弱く比較的均一に
撥水化されている。これにより、粒子表面における水膜
の形成を妨げ、マクロポア入口部の液による閉塞を防止
し、外部から内部への水蒸気や水溶液の侵入を強く阻害
する。かくして、粒子内部の活性点が有効に利用され、
高い触媒性能が得られる。
水性物質との混合成形後に撥水化処理を行うことにより
達成される。混合成形前の活性炭粉末は撥水性物質によ
り予め撥水化処理されるわけではないので、粒子内部の
活性点が必要以上に撥水性物質によって覆われることは
ない。活性炭粉末は撥水性物質との混合、好ましくは混
錬によって全体がほぼ均一に撥水化され、これが成形後
にさらに撥水化処理を受けることによって粒子表面が強
く撥水化されることになる。
は、まず活性炭粉末と撥水性物質とを緊密に混合して成
形する。用いる活性炭粉末はその平均粒子径が10〜1
000μmであることが好ましい。平均粒径がこの範囲
より小さいと成形粒子が緻密になり過ぎ、成形粒子を構
成する粉末粒子間に形成される間隙が微細になり過ぎる
傾向がある。逆に、平均粒径がこの範囲より大きいと細
孔内が十分に撥水化されず、また上記粉末粒子間の間隙
が大きくなりすぎて成形粒子の外表面積が小さくなる傾
向がある。より好ましい平均粒子径の範囲は15〜40
0μmであり、最も好ましくは20〜300μmであ
る。また、活性炭粉末はその原料によって石炭系、椰子
殻系、石油ピッチ系などの炭種に分けられる。触媒活性
は一般に石炭系が高いが、本発明では特に炭種を問わず
に使用できる。さらに、活性炭粉末は金属を担持させた
り焼成を行ったりしたものを使用してもよい。
(PS)、ポリエチレン(PE)などの炭化水素樹脂、
あるいはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パ
ーフルオロアルコキシ樹脂(PFA)、四フッ化エチレ
ン六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、三フッ化塩
化エチレン樹脂(PCTEF)などのフッ素樹脂が好適
に使用できる。これらの撥水性物質は、各種粒径に調整
された微粒子分散液が市販されており、そのような微粒
子分散液と活性炭粉末とを一緒に混錬した後、押し出
し、圧延、打ち抜きなどにより、球状、シリンダー状、
板状、ハニカム状等の所定形状に成形すればよい。フッ
素樹脂は、撥水性が高く活性炭粉末との密着性が強いた
め、安定な撥水性を維持できる点、及び、練り込むと変
形しバインダーとなって強い密着性が発現され、強度の
高い成形粒子が得られる点で、特に好ましい。撥水性物
質は、1〜30重量%、好ましくは2〜20重量%添加
すれば、よい結果が得られる。
て適当な粒度に調整した後、続いて撥水化処理を施す。
この撥水化処理の方法としては、撥水性物質の微粒子の
分散液、あるいは撥水性物質をトルエン等の有機溶媒に
溶解した溶液を、スプレー法或いは浸漬法等により成形
粒子に含浸させればよい。この場合、撥水性物質として
は、フッ素樹脂が高密着性、高撥水性を発現する点で好
ましい。一方、有機溶媒溶液を用いる場合には、分子量
が1万以上の高分子撥水性物質を溶解して用いることが
好ましい。分子量がこれより小さいものを用いると、活
性点が必要以上に撥水性物質で覆われて有効な活性点の
数が低下する。撥水性物質は、0.1〜3.5重量%、
好ましくは0.2〜3重量%含浸させることが好まし
い。
体的に説明する。
活性炭について、窒素気流中、800℃で1時間焼成し
たもの及び焼成しないもの6種類(A〜F)を準備し
た。各粒状活性炭をそれぞれ粉砕器にて破砕した後、ス
テンレス製の篩を用いて篩振盪器で2時間の分級操作を
行い、粒子径106〜212μmの微粉活性炭をそれぞ
れ約200g採取した。こうして得られた微粉活性炭粒
子の代表径を組み合わせた各篩のメッシュの平均値で表
し、これを「平均粒子径」とよぶことにする。すなわ
ち、上記で得られた各微粉活性炭の平均粒子径は159
μmとなる。
0.2〜0.4μm)水分散液(10重量%)を上記微
粉活性炭各50gにそれぞれ56gずつ加えて混錬した
後、圧縮成形機で成形(成形圧500kgf/cm2 )
して成形体を得た。こうして得られた各成形体を乾燥機
中45〜50℃で12時間乾燥した後、粗砕及び分級す
ることにより、粒子径2.8〜4.0mmの成形粒状物
を得た。この成形粒状物のPTFE含有量は約10重量
%である。
0.2〜0.4μm)水分散液(10重量%)を脱イオ
ン水で50倍に希釈し、この希釈分散液各100ccに
上記各成形粒状物をそれぞれ20gずつ浸漬した。これ
をロータリーエバポレータで減圧含浸乾燥した後、乾燥
機中45〜50℃で12時間乾燥して、球状PTFE担
持成形粒状物を得た。こうして得られた各球状PTFE
担持成形粒状物のPTFE担持量を、担持前後の成形粒
状物の乾燥重量の差から求めたところ、PTFE担持量
はいずれも約1重量%であった。
状物と、それぞれの製造に用いた6種類の粒状活性炭
を、接触硫酸化反応試験装置において触媒として用い、
それぞれ触媒活性の試験を行った。各触媒とも、内径1
6mmのジャケット付き硝子製反応器に40mlずつ充
填し、以下の組成のガスを50℃、600dm3 /hr
(SV=15000hr-1)で流し、 SO2 1000容量ppm O2 4容量% CO2 10容量% N2 残部 相対湿度 100% SO2 計(紫外式、赤外式)により出口SO2 濃度を測
定することにより評価した。各触媒の脱硫性能(試験開
始後250hr)を図1に示す。図1より、6種類と
も、破砕したものを球状PTFEと混合して成形した後
に球状PTFEを含浸担持させたものは、球状PTFE
を含浸担持させなかったものに比べて脱硫性能が大幅に
向上したことがわかる。
分級した。このとき、メッシュの異なる篩の組合せ(0
〜20μm、20〜53μm、53〜106μm、10
6〜212μm、212〜300μm、2800〜40
00μm)を用いることによって、平均粒子径が異なる
6種(10μm、36.5μm、79.5μm、159
μm、256μm、3400μm)の微粉活性炭を得
た。以下、実施例1と同様にして、球状PTFEを約1
0重量%含有し、球状PTFEを約1重量%担持した球
状PTFE担持成形粒状物を得た。
状物につき、実施例1に記載した反応試験装置を用い、
同一条件にて触媒活性を評価した。各触媒の試験開始2
50時間後の脱硫性能を図2に示す。図2より、平均粒
子径10〜1000μmの微粉活性炭を用いたときに脱
硫率60%以上が得られ、平均粒子径15〜400μm
(より好ましくは20〜300μm)の微粉活性炭を用
いたときに得られる脱硫性能が最も高いことがわかる。
FEを約10重量%含有する成形粒状物を得た。次い
で、市販の球状PTFE水分散液(10重量%)を脱イ
オン水で希釈して種々の濃度(0〜5重量%)に調整
し、この希釈分散液各100ccに上記成形粒状物各2
0gをそれぞれ浸漬した。これをロータリーエバポレー
タで減圧含浸乾燥した後、乾燥機中45〜50℃で12
時間乾燥して、球状PTFEの担持量が異なる種々の担
持成形粒状物を得た。
〜5重量%)に調整し、この希釈分散液各100ccに
上記成形粒状物各20gをそれぞれ浸漬した。これをロ
ータリーエバポレータで減圧含浸乾燥した後、乾燥機中
45〜50℃で12時間乾燥して、球状PSの担持量が
異なる種々の担持成形粒状物を得た。
につき、実施例1に記載した反応試験装置を用い、同一
条件にて触媒活性を評価した。各触媒の試験開始250
時間後の脱硫性能を図3に示す。図3より、球状PS又
は球状PTFE担持成形粒状物の、脱硫性能に関する最
適担持量はいずれも0.2〜3重量%である。また、P
TFEを担持したものの方がPSを担持したものよりも
脱硫性能が高いことがわかる。
均粒子径が159μmの微粉活性炭を得た。次に、市販
の球状PTFE(粒子サイズ0.2〜0.4μm)水分
散液(10重量%)を脱イオン水で50倍に希釈し、こ
の希釈分散液各100ccに上記成形粒状物20gを浸
漬した。これをロータリーエバポレータで減圧含浸乾燥
した後、乾燥機中45〜50℃で12時間乾燥して、球
状PTFE担持量が約1重量%の成形粒状物を得た。
0.2〜0.4μm)水分散液(10重量%)56gを
上記微粉活性炭50gに加えて混錬した後、圧縮成形機
で成形(成形圧500kgf/cm2 )して成形体を得
た。こうして得られた成形体を乾燥機中45〜50℃で
12時間乾燥した後、粗砕及び分級することにより、粒
子径2.8〜4.0mmの成形粒状物を得た。これを球
状PTFE前担持成形粒状物とよぶことにするが、これ
は担持によるPTFEを約1重量%、混練によるPTF
Eを約10重量%含有する。
いて、実施例1に記載した反応試験装置を用い、実施例
1と同一条件にて接触硫酸化触媒としての触媒活性を評
価した。試験開始250時間後の脱硫性能を、実施例1
の球状PTFE担持成形粒状物及び未担持成形粒状物
(いずれも活性炭Aを用いたもの)と比較して、図4に
示す。図4より、球状PTFE担持成形粒状物の方が球
状PTFE前担持成形粒状物よりも高い脱硫性能を示す
ことがわかる。これはすなわち、先に撥水性物質と混合
成形した後に撥水化処理を行う方が、先に撥水化処理を
行った後に撥水性物質と混合成形するよりも、手順とし
て優れていることを示すものである。
とにより粒子径2.8〜4.0mmの粒状活性炭を得
た。次に、球状PTFE(平均粒子径0.05μm)水
分散液(10重量%)を脱イオン水で50倍に希釈し、
この希釈分散液各100ccに上記焼成活性炭20gを
それぞれ浸漬した。これをロータリーエバポレータで減
圧含浸乾燥した後、乾燥機中45〜50℃で12時間乾
燥して、PTFE担持量が約1重量%の活性炭を得た。
施例1と同様にして接触硫酸化触媒として用いたときの
脱硫性能について評価した。その結果を図4に示す。図
4より、活性炭に球状PTFEを担持させただけのもの
は、はるかに低い脱硫性能しか示さないことがわかる。
形したものと、それらに更に撥水化処理を行ったものの
脱硫性能を比較して示す。
径)を変えたときの脱硫性能の変化を示す。
物質微粒子を用い、その含浸担持量を変えたときの脱硫
性能の変化を示す。
序を変えたときの脱硫性能の違いを、粉末活性炭に混合
成形のみを行ったもの及び粒状活性炭に含浸担持のみを
行ったときとの比較において示す。
Claims (14)
- 【請求項1】 活性炭粉末と撥水性物質とを混合し、こ
れを所定形状に成形した後、撥水化処理を施してなるこ
とを特徴とする活性炭材料。 - 【請求項2】 該活性炭粉末の平均粒子径が10〜10
00μmである請求項1記載の活性炭材料。 - 【請求項3】 該活性炭粉末の平均粒子径が15〜40
0μmである請求項2記載の活性炭材料。 - 【請求項4】 該活性炭粉末の平均粒子径が20〜30
0μmである請求項3記載の活性炭材料。 - 【請求項5】 該撥水性物質がフッ素樹脂の微粒子であ
る請求項1〜4のいずれか記載の活性炭材料。 - 【請求項6】 該活性炭粉末と該フッ素樹脂の微粒子が
混合後、練り込まれてなる請求項5記載の活性炭材料。 - 【請求項7】 該フッ素樹脂が、ポリテトラフルオロエ
チレン、パーフルオロアルコキシ樹脂、四フッ化エチレ
ン六フッ化プロピレン共重合体、及び三フッ化塩化エチ
レン樹脂から選ばれる請求項5又は6記載の活性炭材
料。 - 【請求項8】 該撥水性物質が1〜30重量%含まれる
請求項1〜4のいずれか記載の活性炭材料。 - 【請求項9】 該撥水性物質が2〜20重量%含まれる
請求項6記載の活性炭材料。 - 【請求項10】 該撥水化処理が、フッ素樹脂又はポリ
スチレンの微粒子を含浸担持させるものである請求項1
〜9のいずれか記載の活性炭材料。 - 【請求項11】 該フッ素樹脂又はポリスチレンの微粒
子が0.1〜3.5重量%含浸担持される請求項10記
載の活性炭材料。 - 【請求項12】 該フッ素樹脂又はポリスチレンの微粒
子が0.2〜3重量%含浸担持される請求項11記載の
活性炭材料。 - 【請求項13】 請求項1〜12のいずれか記載の活性
炭材料よりなる排煙脱硫用酸化触媒。 - 【請求項14】 請求項1〜12のいずれか記載の活性
炭材料に、硫黄酸化物、酸素及び水蒸気を含む排ガスを
接触させることにより、該排ガス中の硫黄酸化物を吸着
酸化除去することを特徴とする排煙脱硫方法。
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JP03867798A JP3556085B2 (ja) | 1998-02-20 | 1998-02-20 | 活性炭材料及びこの活性炭材料を用いた排煙脱硫方法 |
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