KR20190128737A - Manufacturing method of porous carbon fiber sheet and manufacturing method of porous carbon electrode - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비교적 제조 비용이 낮고, 또한 제조 효율이 높은 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법 및 이 다공질 탄소 섬유 시트를 사용한 다공질 탄소 전극의 제조 방법의 제공을 목적으로 한다. 본 발명의 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법은, 무회탄이 용존하는 용액의 전계 방사에 의해, 기판 표면에 미세 섬유를 펠트형으로 퇴적하는 공정과, 상기 퇴적 공정에서 얻어진 미세 섬유 퇴적물을 가열하는 공정을 구비한다. 상기 퇴적 공정으로서, 석탄 및 용매를 혼합하는 공정과, 상기 혼합 공정에서 얻어진 슬러리 중의 상기 석탄으로부터 상기 용매에 가용인 성분을 용출시키는 공정과, 상기 용출 공정에서 용출 후의 상기 슬러리를, 용매 가용 성분을 포함하는 액체분 및 용매 불용 성분으로 분리하는 공정을 구비하면 된다. 본 발명의 다공질 탄소 전극의 제조 방법은, 당해 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법에 의해 제조된 다공질 탄소 섬유 시트를 전극으로 성형하는 공정을 구비한다.An object of this invention is to provide the manufacturing method of the porous carbon fiber sheet with comparatively low manufacturing cost, and high manufacturing efficiency, and the manufacturing method of the porous carbon electrode using this porous carbon fiber sheet. The manufacturing method of the porous carbon fiber sheet of this invention is a process of felt-depositing a fine fiber on the surface of a board | substrate by the electric field spinning of the solution which ash-free coal dissolves, and the process of heating the fine fiber deposit obtained by the said deposition process. It is provided. As the deposition step, a step of mixing coal and a solvent, a step of eluting a component soluble in the solvent from the coal in the slurry obtained in the mixing step, and the slurry after elution in the elution step, What is necessary is just to include the process of isolate | separating into the liquid component and solvent insoluble component to contain. The manufacturing method of the porous carbon electrode of this invention is equipped with the process of shape | molding the porous carbon fiber sheet manufactured by the manufacturing method of the said porous carbon fiber sheet by an electrode.
Description
본 발명은 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법 및 다공질 탄소 전극의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a porous carbon fiber sheet and a method for producing a porous carbon electrode.
기체나 액체의 유체 확산성을 갖는 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법으로는, 짧은 탄소 섬유를 바인더 물질과 혼합하여 펠트형으로 굳혀 만드는 방법이 공지되어 있다. 이 종래의 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법에서는, 바인더 물질에 의해 성형을 행할 필요가 있으므로, 그 제조 효율에 개선의 여지가 있다.As a method for producing a porous carbon fiber sheet having fluid or gas-liquid diffusibility, a method is known in which short carbon fibers are mixed with a binder material to harden in a felt form. In this conventional method for producing a porous carbon fiber sheet, since it is necessary to perform molding with a binder material, there is room for improvement in the production efficiency.
성형을 요하지 않게 하는 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법으로는, 전계 방사된 섬유를 탄소화하는 방법이 제안되어 있다(일본 특허 공개 제2011-157668호 공보, 국제 공개 제2011/070893호 공보 참조). 이 종래의 전계 방사 방법에서는, 피치계 물질에 예열 가스를 공급하여 방사하거나, 전계 방사 가능한 고분자 물질과 유기 화합물 및 전이 금속을 포함하는 조성물을 방사하거나 한다.As a manufacturing method of the porous carbon fiber sheet which does not require molding, a method of carbonizing the field-spun fibers has been proposed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-157668 and International Publication No. 2011/070893). In this conventional field emission method, a preheating gas is supplied to the pitch-based material for spinning, or a composition containing a field-spinable polymer material, an organic compound, and a transition metal is spun.
이와 같이 종래의 전계 방사에 의한 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법에서는, 탄소 원료에 특수한 재료 및 탄소 이외의 물질을 필요로 한다. 이 때문에, 종래의 전계 방사에 의한 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법에는, 제조 비용에 개선의 여지가 있다.As described above, in the conventional method for producing the porous carbon fiber sheet by electric field spinning, a material specific to the carbon raw material and a substance other than carbon are required. For this reason, the manufacturing cost of the conventional porous carbon fiber sheet by electric field spinning has room for improvement.
본 발명은 상술한 바와 같은 사정에 기초하여 이루어진 것이며, 비교적 제조 비용이 낮고, 또한 제조 효율이 높은 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법 및 이 다공질 탄소 섬유 시트를 사용한 다공질 탄소 전극의 제조 방법의 제공을 목적으로 한다.The present invention has been made on the basis of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for producing a porous carbon fiber sheet having a relatively low production cost and high production efficiency, and a method for producing a porous carbon electrode using the porous carbon fiber sheet. It is done.
상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 발명은, 무회탄이 용존하는 용액의 전계 방사에 의해, 기판 표면에 미세 섬유를 펠트형으로 퇴적하는 공정과, 상기 퇴적 공정에서 얻어진 미세 섬유 퇴적물을 가열하는 공정을 구비하는 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법이다.The invention made in order to solve the above problems includes a step of depositing fine fibers in the form of felt on a substrate surface by electric field spinning of a solution in which ashless coal is dissolved, and a step of heating the fine fiber deposits obtained in the deposition step. It is a manufacturing method of the porous carbon fiber sheet.
당해 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법에서는, 무회탄을 탄소 원료로서 사용한다. 무회탄은 비교적 저렴하며 우수한 전계 방사성을 갖고, 탄소 이외의 물질을 필요로 하지 않는다. 또한, 당해 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법에서는, 무회탄의 우수한 흑연화성에 기초하여, 성형 등의 처리를 행하지 않고 전계 방사에 의해 높은 비표면적으로 미세 섬유형 다공질 탄소 섬유를 용이하게 얻을 수 있다. 따라서, 당해 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법은, 비교적 제조 비용이 낮고, 또한 제조 효율이 높다.In the manufacturing method of the said porous carbon fiber sheet, ashless coal is used as a carbon raw material. Ashless coal is relatively inexpensive, has good field radiation and does not require materials other than carbon. Moreover, in the manufacturing method of the said porous carbon fiber sheet, based on the excellent graphitization property of ashless coal, a fine fibrous porous carbon fiber can be easily obtained by a high specific surface area by electric field spinning, without performing a process, such as shaping | molding. Therefore, the manufacturing method of the said porous carbon fiber sheet is comparatively low in manufacturing cost, and high in manufacturing efficiency.
상기 퇴적 공정으로서, 석탄 및 용매를 혼합하는 공정과, 상기 혼합 공정에서 얻어진 슬러리 중의 상기 석탄으로부터 상기 용매에 가용인 성분을 용출시키는 공정과, 상기 용출 공정에서 용출 후의 상기 슬러리를, 용매 가용 성분을 포함하는 액체분 및 용매 불용 성분으로 분리하는 공정을 구비하면 된다. 이와 같이 무회탄으로서 용매 추출된 것을 사용함으로써, 제조 효율을 더 높이고, 또한 제조 비용을 저감할 수 있다.As the deposition step, a step of mixing coal and a solvent, a step of eluting a component soluble in the solvent from the coal in the slurry obtained in the mixing step, and the slurry after elution in the elution step, What is necessary is just to include the process of isolate | separating into the liquid component and solvent insoluble component to contain. By using the solvent extracted as ashless coal in this manner, the production efficiency can be further increased, and the production cost can be reduced.
얻어지는 탄소 섬유의 평균 직경이 0.5㎛ 이상 5㎛ 이하로 되도록 전계 방사의 전압 또는 상기 용액에 있어서의 무회탄의 함유량을 조정하면 된다. 이와 같이 얻어지는 탄소 섬유의 평균 직경을 상기 범위 내로 조정함으로써 전계 방사 시에 섬유끼리 적절하게 얽혀, 유체 확산성이 높아진다.What is necessary is just to adjust the voltage of electric field emission or content of the ashless coal in the said solution so that the average diameter of the carbon fiber obtained may be 0.5 micrometer or more and 5 micrometers or less. By adjusting the average diameter of the carbon fiber thus obtained in the above range, the fibers are appropriately entangled at the time of electric field spinning, and the fluid diffusivity is increased.
상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 별도의 발명은, 당해 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법에 의해 제조된 다공질 탄소 섬유 시트를 전극으로 성형하는 공정을 구비하는 다공질 탄소 전극의 제조 방법이다.Another invention made in order to solve the said subject is a manufacturing method of the porous carbon electrode provided with the process of shape | molding the porous carbon fiber sheet manufactured by the manufacturing method of the said porous carbon fiber sheet to an electrode.
당해 다공질 탄소 전극의 제조 방법에서는, 당해 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법에 의해 제조된 다공질 탄소 섬유 시트를 성형하여 전극으로 하므로, 유체 확산성을 갖는 전극을 비교적 낮은 제조 비용으로 효율적으로 제조할 수 있다.In the method for producing a porous carbon electrode, since the porous carbon fiber sheet produced by the method for producing a porous carbon fiber sheet is formed into an electrode, an electrode having fluid diffusibility can be efficiently produced at a relatively low production cost. .
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법 및 이 다공질 탄소 섬유 시트를 사용한 다공질 탄소 전극의 제조 방법은, 비교적 제조 비용이 낮고, 또한 제조 효율이 높다.As explained above, the manufacturing method of the porous carbon fiber sheet of this invention, and the manufacturing method of the porous carbon electrode using this porous carbon fiber sheet are comparatively low in manufacturing cost, and high in manufacturing efficiency.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법을 도시하는 개략 흐름도이다.
도 2는 도 1의 퇴적 공정의 개략 흐름도이다.
도 3은 전계 방사부를 나타내는 모식적 개략도이다.
도 4는 실시예 1의 다공질 탄소 섬유 시트의 광학 현미경 사진이다.
도 5는 실시예 1의 다공질 탄소 섬유 시트의 탄소 섬유의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 6은 실시예 1의 다공질 탄소 섬유 시트의 세공 직경 분포를 나타내는 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic flowchart which shows the manufacturing method of the porous carbon fiber sheet which concerns on one Embodiment of this invention.
FIG. 2 is a schematic flowchart of the deposition process of FIG. 1.
3 is a schematic diagram illustrating the electric field radiating part.
4 is an optical micrograph of the porous carbon fiber sheet of Example 1. FIG.
5 is a scanning electron micrograph of the carbon fibers of the porous carbon fiber sheet of Example 1. FIG.
6 is a graph showing the pore diameter distribution of the porous carbon fiber sheet of Example 1. FIG.
이하, 본 발명에 관한 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법 및 다공질 탄소 전극의 제조 방법의 일 실시 형태에 대해 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, one Embodiment of the manufacturing method of the porous carbon fiber sheet which concerns on this invention, and the manufacturing method of a porous carbon electrode is demonstrated.
〔다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법〕[Method for producing porous carbon fiber sheet]
당해 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 퇴적 공정 S1과, 가열 공정 S2를 주로 구비한다. 당해 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법은, 예를 들어 석탄 공급부와, 용매 공급부와, 혼합부와, 승온부와, 용출부와, 분리부와, 전계 방사부와, 가열부를 주로 구비하는 제조 장치에 의해 행할 수 있다.As shown in FIG. 1, the method for producing the porous carbon fiber sheet mainly includes a deposition step S1 and a heating step S2. The manufacturing method of the said porous carbon fiber sheet is a manufacturing apparatus mainly provided with a coal supply part, a solvent supply part, a mixing part, a temperature rising part, an elution part, a separation part, an electric field spinning part, and a heating part, for example. This can be done by.
[퇴적 공정][Deposition process]
퇴적 공정 S1에서는, 무회탄이 용존하는 용액의 전계 방사에 의해, 기판 표면에 미세 섬유를 펠트형으로 퇴적된다. 퇴적 공정 S1은, 도 2에 도시하는 바와 같이 제1 혼합 공정 S11과, 용출 공정 S12와, 고액 분리 공정 S13과, 증발 분리 공정 S14와, 제2 혼합 공정 S15와, 전계 방사 공정 S16을 구비한다.In the deposition step S1, fine fibers are felt-deposited on the surface of the substrate by electric field spinning of a solution in which ashless coal is dissolved. The deposition step S1 includes a first mixing step S11, an elution step S12, a solid-liquid separation step S13, an evaporation separation step S14, a second mixing step S15, and an electric field spinning step S16. .
<제1 혼합 공정><1st mixing process>
제1 혼합 공정 S11에서는, 석탄 및 용매를 혼합한다. 이 제1 혼합 공정 S11은, 예를 들어 석탄 공급부, 용매 공급부, 및 혼합부에 의해 실시할 수 있다.In 1st mixing process S11, coal and a solvent are mixed. This 1st mixing process S11 can be performed by a coal supply part, a solvent supply part, and a mixing part, for example.
(석탄 공급부)(Coal supply)
석탄 공급부는, 석탄을 혼합부로 공급한다. 석탄 공급부로서는, 상압 상태에서 사용되는 상압 호퍼, 상압 상태 및 가압 상태에서 사용되는 가압 호퍼 등의 공지된 석탄 호퍼를 사용할 수 있다.The coal supply unit supplies coal to the mixing unit. As a coal supply part, well-known coal hoppers, such as the normal pressure hopper used in a normal pressure state, the pressurized hopper used in a normal pressure state and a pressurized state, can be used.
석탄 공급부로부터 공급되는 석탄은, 무회탄의 원료가 되는 석탄이다. 상기 석탄으로서는, 다양한 품질의 석탄을 사용할 수 있다. 예를 들어 무회탄의 추출률 높은 역청탄이나, 보다 저렴한 저품위탄(아역청탄이나 갈탄)이 적합하게 사용된다. 또한, 석탄을 입도로 분류하면, 미세하게 분쇄된 석탄이 적합하게 사용된다. 여기에서 「미세하게 분쇄된 석탄」이란, 석탄 전체의 질량에 대한 입도 1㎜ 미만의 석탄의 질량 비율이 80% 이상인 석탄을 의미한다. 또한, 석탄 공급부로부터 공급하는 석탄으로서 괴탄을 사용할 수도 있다. 여기서 「괴탄」이란, 석탄 전체의 질량에 대한 입도 5㎜ 이상의 석탄의 질량 비율이 50% 이상인 석탄을 의미한다. 괴탄은, 미세하게 분쇄된 석탄에 비하여 미용해 고체의 석탄 입도가 크게 유지되기 때문에, 후술하는 분리부에서의 분리를 효율화할 수 있다. 여기서, 「입도(입경)」란, JIS-Z8815:1994의 체 분류 시험 통칙에 준거하여 측정된 값을 의미한다. 또한, 석탄의 입도에 의한 구분에는, 예를 들어 JIS-Z8801-1:2006에 규정하는 금속제 망체를 사용할 수 있다.Coal supplied from a coal supply part is coal used as a raw material of ashless coal. As said coal, coal of various quality can be used. For example, bituminous coal having a high extraction rate of ashless coal and cheaper low-grade coal (sub-bituminous coal and lignite) are suitably used. In addition, when coal is classified into particle sizes, finely pulverized coal is suitably used. The term "finely pulverized coal" herein means coal having a mass ratio of coal having a particle size of less than 1 mm to 80% or more of the mass of the entire coal. In addition, lump coal can also be used as coal supplied from a coal supply part. Here, "got coal" means the coal whose mass ratio of the coal whose particle size is 5 mm or more with respect to the mass of the whole coal is 50% or more. Since lump coal has a larger coal particle size of the undissolved solid than the finely pulverized coal, the separation in the separating section described later can be made more efficient. Here, "particle size (particle size)" means the value measured based on the sieve classification test general rule of JIS-Z8815: 1994. In addition, the metal mesh prescribed | regulated to JIS-Z8801-1: 2006 can be used for the division by the particle size of coal.
상기 저품위탄의 탄소 함유율의 하한으로서는, 70질량%가 바람직하다. 한편, 상기 저품위탄의 탄소 함유율의 상한으로서는 85질량%가 바람직하고, 82질량%가 보다 바람직하다. 상기 저품위탄의 탄소 함유율이 상기 하한 미만이면, 용매 가용 성분의 용출률이 저하될 우려가 있다. 반대로, 상기 저품위탄의 탄소 함유율이 상기 상한을 초과하면, 공급하는 석탄의 비용이 높아질 우려가 있다.As a minimum of the carbon content rate of the said low grade carbon, 70 mass% is preferable. On the other hand, as an upper limit of the carbon content rate of the said low grade coal, 85 mass% is preferable, and 82 mass% is more preferable. When the carbon content rate of the said low grade coal is less than the said minimum, there exists a possibility that the dissolution rate of a solvent-soluble component may fall. On the contrary, when the carbon content rate of the said low grade coal exceeds the said upper limit, there exists a possibility that the cost of the coal to supply may become high.
또한, 석탄 공급부로부터 혼합부로 공급하는 석탄으로서, 소량의 용매를 혼합하여 슬러리화한 석탄을 사용해도 된다. 석탄 공급부로부터 슬러리화한 석탄을 혼합부로 공급함으로써, 혼합부에 있어서 석탄이 용매와 혼합되기 쉬워져, 석탄을 보다 빠르게 용해시킬 수 있다. 단, 슬러리화할 때에 혼합할 용매의 양이 많으면, 후술하는 승온부에서 슬러리를 용출 온도까지 승온하기 위한 열량이 불필요하게 커지기 때문에, 제조 비용이 증대될 우려가 있다.In addition, as coal supplied from the coal supply part to the mixing part, coal which is slurryed by mixing a small amount of solvent may be used. By supplying coal slurried from a coal supply part to a mixing part, coal becomes easy to mix with a solvent in a mixing part, and can dissolve coal more quickly. However, if the amount of the solvent to be mixed at the time of slurrying is large, the amount of heat for raising the slurry to the elution temperature is unnecessarily increased in the temperature raising section described later, which may increase the manufacturing cost.
(용매 공급부)(Solvent supply)
용매 공급부는, 용매를 혼합부로 공급한다. 상기 용매 공급부는, 용매를 저류하는 용매 탱크를 갖고, 이 용매 탱크로부터 용매를 혼합부로 공급한다. 상기 용매 공급부로부터 공급되는 용매는, 석탄 공급부로부터 공급되는 석탄과 혼합부에서 혼합된다.The solvent supply part supplies the solvent to the mixing part. The said solvent supply part has a solvent tank which stores a solvent, and supplies a solvent from this solvent tank to a mixing part. The solvent supplied from the said solvent supply part is mixed in coal and a mixing part supplied from the coal supply part.
용매 공급부로부터 공급되는 용매는, 석탄을 용해하는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 석탄 유래의 2환 방향족 화합물이 적합하게 사용된다. 이 2환 방향족 화합물은, 기본적인 구조가 석탄의 구조 분자와 유사한 점에서 석탄과의 친화성이 높아, 비교적 높은 추출률을 얻을 수 있다. 석탄 유래의 2환 방향족 화합물로서는, 예를 들어 석탄을 건류하여 코크스를 제조할 때의 부생유인, 증류유인 메틸나프탈렌유, 나프탈렌유 등을 들 수 있다.The solvent supplied from the solvent supply unit is not particularly limited as long as it dissolves coal. For example, a bicyclic aromatic compound derived from coal is suitably used. This bicyclic aromatic compound has a high affinity with coal in that its basic structure is similar to that of coal, and a relatively high extraction rate can be obtained. As a bicyclic aromatic compound derived from coal, methylnaphthalene oil, naphthalene oil, etc. which are by-product oil at the time of distilling coal and manufacturing coke, etc. are mentioned.
상기 용매의 비점은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 상기 용매의 상압(0.1MPa)에 있어서의 비점의 하한으로서는, 180℃가 바람직하고, 230℃가 보다 바람직하다. 한편, 상기 용매의 상압에 있어서의 비점의 상한으로서는 300℃가 바람직하고, 280℃가 보다 바람직하다. 상기 용매의 비점이 상기 하한 미만이면, 용매가 휘발되기 쉬워지기 때문에, 슬러리 중의 석탄과 용매의 혼합비의 조정 및 유지가 곤란해질 우려가 있다. 반대로, 상기 용매의 비점이 상기 상한을 초과하면, 용매 가용 성분과 용매의 분리가 곤란해져, 용매의 회수율이 저하될 우려가 있다.Although the boiling point of the said solvent is not specifically limited, For example, as a minimum of the boiling point in the normal pressure (0.1 MPa) of the said solvent, 180 degreeC is preferable and 230 degreeC is more preferable. On the other hand, as an upper limit of the boiling point in the normal pressure of the said solvent, 300 degreeC is preferable and 280 degreeC is more preferable. If the boiling point of the solvent is less than the above lower limit, the solvent tends to be volatilized, and thus, there is a fear that adjustment and maintenance of the mixing ratio of coal and solvent in the slurry are difficult. On the contrary, when the boiling point of the said solvent exceeds the said upper limit, separation of a solvent-soluble component and a solvent will become difficult and there exists a possibility that the recovery rate of a solvent may fall.
(혼합부)(Mixing part)
혼합부는, 석탄 공급부로부터 공급되는 석탄 및 용매 공급부로부터 공급되는 용매를 혼합한다.The mixing unit mixes the coal supplied from the coal supply unit and the solvent supplied from the solvent supply unit.
상기 혼합부로서는, 조제조를 사용할 수 있다. 이 조제조에는, 공급관을 통하여 상기 석탄 및 용매가 공급된다. 상기 조제조에서는, 이 공급된 석탄 및 용매가 혼합되어, 슬러리가 조제된다. 또한, 상기 조제조는, 교반기를 갖고 있으며, 혼합된 슬러리를 교반기로 교반하면서 유지함으로써 슬러리의 혼합 상태를 유지한다.As said mixing part, preparation preparation can be used. In this preparation, the said coal and a solvent are supplied through a supply pipe. In the said preparation, this supplied coal and a solvent are mixed and a slurry is prepared. Moreover, the said preparation manufacturing has a stirrer, and maintains the mixed state of a slurry by hold | maintaining the mixed slurry with stirring.
조제조에 있어서의 슬러리 중의 무수탄 기준에서의 석탄 농도는, 용매의 종류 등에 의해 적절하게 결정되지만, 상기 석탄 농도의 하한으로서는, 10질량%가 바람직하고, 13질량%가 보다 바람직하다. 한편, 상기 석탄 농도의 상한으로서는 25질량%가 바람직하고, 20질량%가 보다 바람직하다. 상기 석탄 농도가 상기 하한 미만이면, 용출 공정 S12에서 용출되는 용매 가용 성분의 용출량이 슬러리 처리량에 비해 적어지기 때문에, 용액에 포함되는 무회탄의 함유량이 불충분해질 우려가 있다. 반대로, 상기 석탄 농도가 상기 상한을 초과하면, 용매 중에서 상기 용매 가용 성분이 포화되기 쉽기 때문에, 상기 용매 가용 성분의 용출률이 저하될 우려가 있다.Although the coal concentration in the anhydrous carbon standard in the slurry in preparation manufacture is suitably determined by the kind of solvent, etc., as a minimum of the said coal concentration, 10 mass% is preferable and 13 mass% is more preferable. On the other hand, as an upper limit of the said coal concentration, 25 mass% is preferable, and 20 mass% is more preferable. If the said coal concentration is less than the said minimum, since the elution amount of the solvent soluble component eluted in elution process S12 will become small compared with the slurry throughput, there exists a possibility that content of the ashless coal contained in a solution may become inadequate. On the contrary, when the said coal concentration exceeds the said upper limit, since the said solvent soluble component tends to be saturated in a solvent, there exists a possibility that the dissolution rate of the said solvent soluble component may fall.
<용출 공정><Elution process>
용출 공정 S12에서는, 상기 제1 혼합 공정 S11에서 얻어진 슬러리 중의 석탄으로부터 용매에 가용인 석탄 성분을 용출시킨다. 용출 공정 S12는, 예를 들어 승온부 및 용출부에 의해 행할 수 있다.In elution process S12, the soluble coal component is eluted from a coal in the slurry obtained by the said 1st mixing process S11 to a solvent. Elution process S12 can be performed by a temperature rising part and an elution part, for example.
(승온부)(Heating part)
승온부는, 상기 제1 혼합 공정 S11에서 얻어진 슬러리를 승온한다.A temperature rising part heats up the slurry obtained at the said 1st mixing process S11.
승온부로서는, 내부를 통과하는 슬러리를 승온할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 저항 가열식 히터나 유도 가열 코일을 들 수 있다. 또한, 승온부는, 열 매체를 사용하여 승온을 행하도록 구성되어 있어도 되고, 예를 들어 내부를 통과하는 슬러리의 유로 주위에 배치되는 가열관을 갖고, 이 가열관에 증기, 오일 등의 열 매체를 공급함으로써 슬러리를 승온 가능하게 구성되어 있어도 된다.The temperature raising part is not particularly limited as long as it can heat up the slurry passing through the inside, but examples thereof include a resistance heating heater and an induction heating coil. In addition, the temperature increase part may be comprised so that a temperature may be heated using a heat medium, For example, it has a heating tube arrange | positioned around the flow path of the slurry which passes inside, and heat mediums, such as steam and oil, are supplied to this heating tube. You may be comprised so that a temperature can be heated up by supplying.
승온부에 의한 승온 후의 슬러리의 온도는, 사용되는 용매에 따라 적절하게 결정되지만, 상기 슬러리 온도의 하한으로서는, 300℃가 바람직하고, 360℃가 보다 바람직하다. 한편, 상기 슬러리 온도의 상한으로서는 420℃가 바람직하고, 400℃가 보다 바람직하다. 상기 슬러리의 온도가 상기 하한 미만이면, 용출률이 저하될 우려가 있다. 반대로, 상기 슬러리의 온도가 상기 상한을 초과하면, 용매가 너무 기화되기 때문에 슬러리의 농도를 제어하는 것이 곤란해질 우려가 있다.Although the temperature of the slurry after temperature rising by a temperature rising part is suitably determined according to the solvent used, 300 degreeC is preferable and 360 degreeC is more preferable as a minimum of the said slurry temperature. On the other hand, as an upper limit of the said slurry temperature, 420 degreeC is preferable and 400 degreeC is more preferable. If the temperature of the said slurry is less than the said minimum, there exists a possibility that a dissolution rate may fall. On the contrary, when the temperature of the said slurry exceeds the said upper limit, since a solvent vaporizes too much, there exists a possibility that it may become difficult to control the density | concentration of a slurry.
또한, 승온부의 압력으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 상압(0.1MPa)으로 할 수 있다.In addition, it does not specifically limit as a pressure of a temperature rising part, It can be set as normal pressure (0.1MPa).
(용출부)(Elution part)
용출부는, 상기 혼합부에서 얻어지고, 상기 승온부에서 승온된 슬러리 중의 석탄으로부터 용매에 가용인 석탄 성분을 용출시킨다.The eluting unit is obtained by the mixing unit and elutes the coal component soluble in the solvent from the coal in the slurry heated at the temperature raising unit.
용출부로서는, 추출조를 사용할 수 있고, 이 추출조에 상기 승온 후의 슬러리가 공급된다. 상기 추출조에서는, 이 슬러리의 온도 및 압력을 보유 지지하면서 용매에 가용인 석탄 성분을 석탄으로부터 용출시킨다. 또한, 상기 추출조는, 교반기를 갖고 있다. 이 교반기에 의해 슬러리를 교반함으로써 상기 용출을 촉진할 수 있다.As an elution part, an extraction tank can be used and the slurry after the said temperature rising is supplied to this extraction tank. In the said extraction tank, the coal component soluble in a solvent is eluted from coal, holding the temperature and pressure of this slurry. Moreover, the said extraction tank has a stirrer. The elution can be promoted by stirring the slurry with this stirrer.
또한, 용출부에서의 용출 시간으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 용매 가용 성분의 추출량과 추출 효율의 관점에서 10분 이상 70분 이하가 바람직하다.The elution time in the elution section is not particularly limited, but is preferably 10 minutes or more and 70 minutes or less from the viewpoint of extraction amount and extraction efficiency of the solvent-soluble component.
<고액 분리 공정><Solid-Liquid Separation Process>
고액 분리 공정 S13에서는, 상기 용출 공정 S12에서 용출 후의 상기 슬러리를, 용매 가용 성분을 포함하는 액체분 및 용매 불용 성분으로 분리한다. 이 고액 분리 공정 S13은, 분리부에 의해 행할 수 있다. 또한, 용매 불용 성분은, 추출용 용매에 불용인 회분과 불용 석탄을 주로 포함하고, 이들에 추가로 추출용 용매를 더 포함하는 추출 잔분을 말한다.In solid-liquid separation process S13, the said slurry after eluting in the said eluting process S12 is isolate | separated into the liquid component and solvent insoluble component containing a solvent-soluble component. This solid-liquid separation process S13 can be performed by a separating part. In addition, a solvent-insoluble component says the extraction residue which mainly contains ash and insoluble coal insoluble in an extraction solvent, and further contains an extraction solvent further in these.
(분리부)(Separation part)
분리부에 있어서의 상기 액체분 및 용매 불용 성분을 분리하는 방법으로는, 예를 들어 중력 침강법, 여과법, 원심 분리법을 사용할 수 있고, 각각 침강조, 여과기, 원심 분리기가 사용된다.As a method of separating the said liquid component and the solvent insoluble component in a separation part, the gravity sedimentation method, the filtration method, and the centrifugal separation method can be used, for example, A sedimentation tank, a filter, and a centrifugal separator are used, respectively.
이하, 중력 침강법을 예로 들어 분리 방법에 대해 설명한다. 중력 침강법이란, 침강조 내에서 중력을 이용하여 용매 불용 성분을 침강시켜 고액 분리하는 분리 방법이다. 중력 침강법에 의해 분리를 행하는 경우, 용매 가용 성분을 포함하는 액체분은, 침강조의 상부에 고인다. 이 액체분은 필요에 따라 필터 유닛을 사용하여 여과한 후, 후술하는 분무부로 배출된다. 한편, 용매 불용 성분은, 분리부의 하부로부터 배출된다.Hereinafter, the separation method will be described taking the gravity sedimentation method as an example. The gravity sedimentation method is a separation method in which a solvent-insoluble component is sedimented and solid-liquid separated using gravity in a sedimentation tank. When separating by the gravity sedimentation method, the liquid component containing the solvent soluble component accumulates in the upper part of the sedimentation tank. This liquid powder is filtered using a filter unit as necessary, and then discharged to a spraying unit described later. On the other hand, the solvent insoluble component is discharged | emitted from the lower part of a separation part.
또한, 중력 침강법에 의해 분리를 행하는 경우, 슬러리를 분리부 내에 연속적으로 공급하면서 용매 가용 성분을 포함하는 액체분 및 용매 불용 성분을 침강조로부터 배출할 수 있다. 이에 따라 연속적인 고액 분리 처리가 가능해진다.In addition, in the case of separation by gravity sedimentation, the liquid component and the solvent insoluble component including the solvent soluble component can be discharged from the sedimentation tank while the slurry is continuously supplied into the separation portion. This enables continuous solid-liquid separation treatment.
분리부 내에서 슬러리를 유지하는 시간은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 30분 이상 120분 이하로 할 수 있고, 이 시간 내에서 분리부 내의 침강 분리가 행하여진다. 또한, 석탄으로서 괴탄을 사용하는 경우에는, 침강 분리가 효율화되므로, 분리부 내에서 슬러리를 유지하는 시간을 단축할 수 있다.Although the time to hold a slurry in a separation part is not specifically limited, For example, it can be 30 minutes or more and 120 minutes or less, and sedimentation separation in a separation part is performed within this time. In addition, when lump coal is used as coal, sedimentation separation becomes more efficient, and the time which holds a slurry in a separation part can be shortened.
또한, 분리부 내의 온도 및 압력으로서는, 승온부에 의한 승온 후의 슬러리의 온도 및 압력과 마찬가지로 할 수 있다.In addition, as temperature and pressure in a separating part, it can carry out similarly to the temperature and pressure of the slurry after temperature rising by a temperature rising part.
<증발 분리 공정><Evaporation Separation Process>
증발 분리 공정 S14에서는, 상기 고액 분리 공정 S13에서 분리한 액체분으로부터 용매를 증발시킨다. 이 용매의 증발 분리에 의해 무회탄(HPC)이 얻어진다. 이와 같이 하여 얻어지는 무회탄은, 회분이 5질량% 이하 또는 3질량% 이하이고, 회분을 거의 포함하지 않으며, 수분은 전무하다.In the evaporation separation step S14, the solvent is evaporated from the liquid fraction separated in the solid-liquid separation step S13. Ashless charcoal (HPC) is obtained by evaporative separation of this solvent. Ash-free coal obtained in this way has ash content of 5 mass% or less or 3 mass% or less, hardly contains ash, and has no moisture.
상기 용매를 증발 분리하는 방법으로는, 일반적인 증류법이나 증발법(스프레이 드라이법 등)을 포함하는 분리 방법을 이용할 수 있다. 상기 액체분으로부터의 용매의 분리에 의해, 상기 액체분으로부터 실질적으로 회분을 포함하지 않는 무회탄을 얻을 수 있다.As a method for evaporating the solvent, a separation method including a general distillation method or an evaporation method (spray drying method or the like) can be used. By separating the solvent from the liquid powder, an ashless coal substantially free of ash can be obtained from the liquid powder.
한편, 상기 용매 불용 성분으로부터는, 용매를 증발 분리시켜 부생탄을 얻을 수 있다. 부생탄은, 연화 용융성은 나타내지 않지만, 산소 함유 관능기가 탈리되어 있다. 그 때문에, 부생탄은, 배합탄으로서 사용한 경우에 이 배합탄에 포함되는 다른 석탄의 연화 용융성을 저해하지 않는다. 따라서, 이 배합탄은 예를 들어 코크스 원료의 배합탄 일부로서 사용할 수 있다. 또한, 부생탄은 일반적인 석탄과 마찬가지로 연료로서 이용해도 된다.On the other hand, from the said solvent insoluble component, a by-product coal can be obtained by evaporating a solvent. By-product coal does not exhibit softening meltability, but the oxygen-containing functional group is detached. Therefore, by-product coal does not impair the softening meltability of the other coal contained in this coal blend when it is used as a coal blend. Therefore, this coal blend can be used, for example as a part of coal blend of a coke raw material. In addition, by-product coal may be used as a fuel similar to general coal.
<제2 혼합 공정><2nd mixing process>
제2 혼합 공정 S15에서는, 상기 증발 분리 공정 S14에서 얻은 무회탄을 용매에 용해한다. 이 무회탄의 용해에 의해 무회탄이 용존하는 용액이 얻어진다.In the second mixing step S15, the ashless coal obtained in the evaporation separation step S14 is dissolved in a solvent. By dissolving the ashless coal, a solution in which ashless coal is dissolved is obtained.
무회탄을 용해시키는 용매로서는, 무회탄이 용해되는 한 특별히 한정되지 않지만, 산소 원자 또는 질소 원자를 포함하는 유기 화합물을 주성분으로 하면 된다. 이와 같이 상기 용매의 주성분을 산소 원자 또는 질소 원자를 포함하는 유기 화합물로 함으로써, 용매와 무회탄의 친화성이 높아지고, 전계 방사되는 용액에 있어서의 무회탄의 함유량을 높이기 쉽다. 그 결과, 다공질 탄소 섬유의 수량이 증가하므로, 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 비용을 저감할 수 있다. 이와 같은 용매로서는, 피리딘(C5H5N), 테트라히드로푸란(C4H8O), 디메틸포름아미드((CH3)2NCHO), N-메틸피롤리돈(C5H9NO) 등을 들 수 있다. 그 중에서도 무회탄과 친화성이 높은 피리딘 및 테트라히드로푸란이 바람직하다. 또한, 산소 원자 또는 질소 원자를 포함하는 유기 화합물은 1종류여도 되고, 또한 2종류 이상의 유기 화합물이 혼합되어 있어도 된다.The solvent for dissolving the ashless coal is not particularly limited as long as the ashless coal is dissolved, but may be an organic compound containing an oxygen atom or a nitrogen atom as a main component. Thus, by making the main component of the said solvent into the organic compound containing an oxygen atom or a nitrogen atom, the affinity of a solvent and ashless coal becomes high and it is easy to raise content of ashless coal in the solution which is electrospun. As a result, since the quantity of porous carbon fiber increases, the manufacturing cost of a porous carbon fiber sheet can be reduced. As such a solvent, pyridine (C 5 H 5 N), tetrahydrofuran (C 4 H 8 O), dimethylformamide ((CH 3 ) 2 NCHO), N-methylpyrrolidone (C 5 H 9 NO) Etc. can be mentioned. Among them, pyridine and tetrahydrofuran having high affinity for ashless coal are preferable. In addition, one type of organic compound containing an oxygen atom or a nitrogen atom may be sufficient, and two or more types of organic compounds may be mixed.
상기 용액에 있어서의 무회탄의 함유량의 하한으로서는, 20질량%가 바람직하고, 25질량%가 보다 바람직하다. 한편, 상기 용액에 있어서의 무회탄의 함유량의 상한으로서는 60질량%가 바람직하고, 50질량%가 보다 바람직하고, 40질량%가 더욱 바람직하다. 상기 무회탄의 함유량이 상기 하한 미만이면, 전계 방사 시에 액적화하기 쉬워지기 때문에, 후술하는 전계 방사 공정 S16에서 미세 섬유를 얻기가 곤란해질 우려가 있다. 반대로, 상기 무회탄의 함유량이 상기 상한을 초과하면, 전계 방사에 의해 얻어지는 미세 섬유의 직경이 지나치게 커져, 다공질 탄소 섬유 시트의 비표면적이 저하될 우려가 있다.As a minimum of content of the ashless coal in the said solution, 20 mass% is preferable and 25 mass% is more preferable. On the other hand, as an upper limit of content of the ashless coal in the said solution, 60 mass% is preferable, 50 mass% is more preferable, 40 mass% is further more preferable. When content of the said ashless coal is less than the said minimum, since it will become easy to droplet at the time of electric field spinning, there exists a possibility that it may become difficult to obtain a fine fiber in the field spinning process S16 mentioned later. On the contrary, when content of the said ashless coal exceeds the said upper limit, the diameter of the fine fiber obtained by electric field spinning will become large too much, and there exists a possibility that the specific surface area of a porous carbon fiber sheet may fall.
<전계 방사 공정><Field emission process>
전계 방사 공정 S16에서는, 상기 제2 혼합 공정 S15에서 얻은 용액을 사용하여 전계 방사를 행함으로써, 기판 표면에 미세 섬유를 펠트형으로 퇴적된다.In the field spinning step S16, fine fibers are deposited in a felt form on the surface of the substrate by performing field spinning using the solution obtained in the second mixing step S15.
전계 방사는, 예를 들어 도 3에 도시하는 바와 같이 시린지(1)와 기판(2)을 갖는 전계 방사부에 의해 실시할 수 있다. 구체적으로는, 전계 방사는, 상기 용액을 시린지(1)에 넣고, 시린지(1)의 노즐(1a)과 기판(2) 사이에 전압 E를 인가함으로써 행하여진다. 노즐(1a)과 기판(2) 사이에 전압 E를 인가하면, 노즐(1a) 선단의 액적 표면에 전하가 모이고, 서로 반발하여, 원추형이 된다. 또한 전압 E를 증가시켜, 전하의 반발력이 표면 장력을 초과하면 용액은 노즐(1a)의 선단으로부터 기판(2)을 향하여 분출된다. 분출된 용액류(3)가 가늘어지면 표면 전하 밀도가 커지기 때문에, 전하의 반발력이 증가되고, 용액류(3)는 더 길게 늘어진다. 그 때, 용액류(3)의 비표면적이 급속하게 커짐으로써 용매가 휘발되고, 기판(2)의 표면에 미세 섬유(4)가 방사된다. 이와 같이 전계 방사에서는, 비교적 간단한 장치로 미세 섬유(4)를 제작할 수 있다. 또한, 도 3에서는 노즐(1a)은 하나이지만, 복수의 노즐(1a)을 구비하여, 동시에 복수의 미세 섬유를 제작해도 된다.For example, as shown in FIG. 3, the electric field radiation can be performed by the electric field radiator having the
상기 기판(2)으로서는, 도전성이 있는 것이라면 특별히 한정되지 않지만, 금속판, 금속박, 탄소 기판 등을 사용할 수 있다.The
상기 노즐(1a) 선단부의 내경(노즐 내경)의 하한으로서는, 0.2㎜가 바람직하고, 0.4㎜가 보다 바람직하다. 한편, 상기 노즐 내경의 상한으로서는 0.7㎜가 바람직하고, 0.6㎜가 보다 바람직하다. 상기 노즐 내경이 상기 하한 미만이면, 얻어지는 미세 섬유(4)가 가늘어지기 때문에, 끊어지기 쉬워서 단섬유가 된다. 이 때문에, 기판(2) 표면에 미세 섬유(4)를 펠트형으로 퇴적하기가 곤란해질 우려가 있다. 반대로, 상기 노즐 내경이 상기 상한을 초과하면, 얻어지는 미세 섬유(4)의 직경이 커지기 때문에, 제조되는 다공질 탄소 섬유 시트의 비표면적이 저하될 우려가 있다.As a minimum of the inner diameter (nozzle inner diameter) of the tip part of the said
방사간 거리(노즐(1a)의 선단과 기판(2)의 거리)의 하한으로서는, 10㎝가 바람직하고, 12㎝가 보다 바람직하다. 한편, 방사간 거리의 상한으로서는 20㎝가 바람직하고, 18㎝가 보다 바람직하다. 방사간 거리가 상기 하한 미만이면, 용매가 충분히 휘발되지 않아, 전계 방사가 곤란해질 우려가 있다. 반대로, 방사간 거리가 상기 상한을 초과하면, 얻어지는 미세 섬유(4)가 가늘어지기 때문에, 끊어지기 쉬워서 단섬유가 된다. 이 때문에, 기판(2) 표면에 미세 섬유(4)를 펠트형으로 퇴적시키기가 곤란해질 우려가 있다.As a lower limit of the distance between radiations (distance of the tip of the
상기 노즐(1a)과 기판(2) 사이의 인가 전압 E의 하한으로서는, 10kV가 바람직하고, 12kV가 보다 바람직하다. 한편, 상기 인가 전압 E의 상한으로서는 30kV가 바람직하고, 20kV가 보다 바람직하다. 상기 인가 전압 E가 상기 하한 미만이면, 미세 섬유(4)를 안정적으로 형성하지 못할 우려가 있다. 반대로, 상기 인가 전압 E가 상기 상한을 초과하면, 얻어지는 미세 섬유(4)의 직경 분포가 퍼지기 쉬워지기 때문에, 제조되는 다공질 탄소 섬유 시트가 불균질해질 우려가 있다.As a minimum of the applied voltage E between the said
상기 용액류(3)의 유량(하나의 노즐(1a)로부터의 용액의 토출량)의 하한으로서는, 1ml/h가 바람직하고, 1.5ml/h가 더 바람직하다. 한편, 상기 용액류(3)의 유량 상한으로서는 3ml/h가 바람직하고, 2.5ml/h가 보다 바람직하다. 상기 용액류(3)의 유량이 상기 하한 미만이면, 미세 섬유(4)를 안정적으로 형성하지 못할 우려가 있다. 반대로, 상기 용액류(3)의 유량이 상기 상한을 초과하면, 얻어지는 미세 섬유(4)의 직경이 커지기 때문에, 제조되는 다공질 탄소 섬유 시트의 비표면적이 저하될 우려가 있다. 또한, 상기 용액류(3)의 유량은, 노즐 내경 및 인가 전압 E에 의해 제어할 수 있다.As a minimum of the flow volume (discharge amount of the solution from one
기판(2) 표면에 퇴적시키는 미세 섬유(4)의 평균 직경의 하한으로서는, 0.5㎛가 바람직하고, 0.7㎛가 보다 바람직하다. 한편, 상기 미세 섬유(4)의 평균 직경의 상한으로서는 5㎛가 바람직하고, 3㎛가 보다 바람직하다. 상기 미세 섬유(4)의 평균 직경이 상기 하한 미만이면, 미세 섬유(4)가 끊어지기 쉬워서 단섬유가 되기 때문에, 기판(2) 표면에 미세 섬유(4)를 펠트형으로 퇴적하기가 곤란해질 우려가 있다. 반대로, 상기 미세 섬유(4)의 평균 직경이 상기 상한을 초과하면, 제조되는 다공질 탄소 섬유 시트의 비표면적이 저하될 우려가 있다. 또한, 상기 미세 섬유(4)의 평균 직경은, 제어성의 관점에서 주로 전계 방사의 인가 전압 E에 의해 제어된다. 또한, 상기 미세 섬유(4)의 평균 직경은, 노즐 내경이나 방사간 거리에 의해 조정할 수도 있다.As a minimum of the average diameter of the
또한, 기판(2) 표면에 펠트형으로 퇴적된 미세 섬유(4)는, 기판(2)으로부터 박리된다. 당해 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법에서는, 무회탄의 우수한 전계 방사성에 의해 미세 섬유(4)가 절단되는 일 없고 연속적이면서도 랜덤하게 기판(2) 위에 퇴적된다. 이 때문에, 미세 섬유(4)가 적절하게 서로 얽혀 있으므로 예를 들어 바인더 물질 등을 사용하지 않아도 박리 후 펠트형을 유지할 수 있다. 또한, 당해 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법에서는, 이 펠트형을 유지한 채 후술하는 가열 공정 S2에서 미세 섬유(4)의 탄소화를 행할 수 있다.In addition, the
[가열 공정][Heating process]
가열 공정 S2에서는, 상기 퇴적 공정 S1에서 얻어진 미세 섬유 퇴적물을 가열한다. 이 가열 공정 S2는, 가열부에 의해 행할 수 있다.In the heating step S2, the fine fiber deposits obtained in the deposition step S1 are heated. This heating process S2 can be performed by a heating part.
(가열부)(Heating part)
가열부는, 가열에 의해 상기 미세 섬유 퇴적물을 그 집합 상태를 실질적으로 유지한 채로 탄소화된다. 이 탄소화에 의해 다공질 탄소 섬유 시트가 얻어진다.The heating unit carbonizes the fine fiber deposits while maintaining the aggregated state thereof substantially by heating. By this carbonization, a porous carbon fiber sheet is obtained.
상기 가열부로서는, 예를 들어 공지의 전기로 등을 사용할 수 있고, 미세 섬유 퇴적물을 가열부로 삽입하고, 내부를 불활성 가스로 치환한 후, 가열부 내로 불활성 가스를 불어 넣으면서 가열을 행함으로써 미세 섬유 퇴적물의 탄소화가 가능하다. 상기 불활성 가스로서는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 질소나 아르곤 등을 들 수 있다. 그 중에서도 저렴한 질소가 바람직하다.As said heating part, a well-known electric furnace etc. can be used, for example, Fine fiber deposits are inserted into a heating part, the inside is replaced with an inert gas, and it heats, blowing inert gas into a heating part, and making fine fiber Carbonization of the deposits is possible. Although it does not specifically limit as said inert gas, For example, nitrogen, argon, etc. are mentioned. Among them, inexpensive nitrogen is preferable.
상기 가열 온도의 하한으로서는, 500℃가 바람직하고, 700℃가 보다 바람직하다. 한편, 상기 가열 온도의 상한으로서는 3000℃가 바람직하고, 2800℃가 보다 바람직하다. 상기 가열 온도가 상기 하한 미만이면, 탄소화가 불충분해질 우려가 있다. 반대로, 가열 온도가 상기 상한을 초과하면, 설비의 내열성 향상이나 연료 소비량의 관점에서 제조 비용이 상승할 우려가 있다. 또한, 승온 속도로서는, 예를 들어 0.01℃/min 이상 10℃/min 이하로 할 수 있다.As a minimum of the said heating temperature, 500 degreeC is preferable and 700 degreeC is more preferable. On the other hand, as an upper limit of the said heating temperature, 3000 degreeC is preferable and 2800 degreeC is more preferable. There exists a possibility that carbonization may become inadequate when the said heating temperature is less than the said minimum. On the contrary, when heating temperature exceeds the said upper limit, there exists a possibility that manufacturing cost may rise from the viewpoint of the heat resistance improvement of a facility, or fuel consumption. In addition, as a temperature increase rate, it can be 0.01 degreeC / min or more and 10 degrees C / min or less, for example.
또한, 가열 시간의 하한으로서는, 10분이 바람직하고, 20분이 보다 바람직하다. 한편, 가열 시간의 상한으로서는 10시간이 바람직하고, 8시간이 보다 바람직하다. 가열 온도가 상기 하한 미만이면, 탄소화가 불충분해질 우려가 있다. 반대로, 가열 시간이 상기 상한을 초과하면, 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 효율이 저하될 우려가 있다.Moreover, as a minimum of a heat time, 10 minutes are preferable and 20 minutes are more preferable. On the other hand, as an upper limit of a heat time, 10 hours are preferable and 8 hours are more preferable. If heating temperature is less than the said minimum, there exists a possibility that carbonization may become inadequate. On the contrary, when heating time exceeds the said upper limit, there exists a possibility that the manufacturing efficiency of a porous carbon fiber sheet may fall.
이와 같이 하여 얻어진 다공질 탄소 섬유 시트를 구성하는 탄소 섬유는, 주로 구멍 직경 10㎚ 이하의 미세 구멍으로 구성되고, 비표면적이 높은 것을 본 발명자들은 지득하고 있다. 이와 같은 미세 구멍이 형성되는 메커니즘은 반드시 명확한 것은 아니지만, 무회탄은 예를 들어 석탄 피치에 비교하여 산소 함유율이 높고, 탄소 함유율이 낮다. 이 때문에, 무회탄은, 다환 방향족 화합물의 혼합물로서는 분자의 평면성이 낮고, 환 사이즈가 작다고 생각되어, 분자 배향되기 어렵다고 생각된다. 즉, 퇴적 공정 S1에서 전계 방사에 의해 용액이 노즐(1a)로부터 분출되어, 급속하게 용매가 휘발했을 때, 무회탄이 응축되지만, 분자는 서로 랜덤하게 적층된다. 가열 공정 S2에서는, 이와 같은 분자가 배향되지 않고 랜덤한 구조를 유지한 채 탄소화하기 때문에, 다공질의 탄소가 생성된다고 생각된다. 이에 비하여, 방향족성이 높은 석탄 피치에서는 분자가 서로 평행하게 적층되는 분자 배향을 형성하면서 응축하기 때문에, 비교적 결정성이 높은 탄소, 즉 미세 구멍이 발달하지 않는 탄소 섬유가 생성된다고 생각된다.The inventors have found that the carbon fibers constituting the porous carbon fiber sheet thus obtained are mainly composed of fine pores having a pore diameter of 10 nm or less, and have a high specific surface area. The mechanism by which such micropores are formed is not necessarily clear, but ashless coal has a high oxygen content and a low carbon content as compared to, for example, coal pitch. For this reason, ashless coal is considered to have low planarity of molecules as a mixture of polycyclic aromatic compounds, is considered small in ring size, and is difficult to be molecularly aligned. That is, when the solution is ejected from the
다공질 탄소 섬유 시트를 구성하는 탄소 섬유의 산소 함유율의 상한으로서는0.6질량%가 바람직하고, 0.55질량%가 보다 바람직하다. 상기 탄소 섬유의 산소 함유율이 상기 상한을 초과하면, 탄소 섬유의 강도가 부족할 우려가 있다.As an upper limit of the oxygen content rate of the carbon fiber which comprises a porous carbon fiber sheet, 0.6 mass% is preferable and 0.55 mass% is more preferable. When the oxygen content rate of the said carbon fiber exceeds the said upper limit, there exists a possibility that the strength of a carbon fiber may run short.
제조되는 다공질 탄소 섬유 시트의 비표면적의 하한으로서는, 300㎡/g가 바람직하고, 400㎡/g가 보다 바람직하고, 450㎡/g가 더욱 바람직하다. 상기 비표면적이 상기 하한 미만이면, 다공질 재료로서 사용하기가 곤란해질 우려가 있다. 한편, 상기 비표면적의 상한으로서는 특별히 한정되지 않지만, 통상 3000㎡/g 정도이다.As a minimum of the specific surface area of the porous carbon fiber sheet manufactured, 300 m <2> / g is preferable, 400 m <2> / g is more preferable, and 450 m <2> / g is still more preferable. When the said specific surface area is less than the said minimum, there exists a possibility that it may become difficult to use as a porous material. On the other hand, it is although it does not specifically limit as an upper limit of the said specific surface area, Usually, it is about 3000 m <2> / g.
얻어지는 탄소 섬유의 평균 직경의 하한으로서는, 0.5㎛가 바람직하고, 0.7㎛가 보다 바람직하다. 한편, 상기 탄소 섬유의 평균 직경의 상한으로서는 5㎛가 바람직하고, 3㎛가 보다 바람직하다. 상기 탄소 섬유의 평균 직경이 상기 하한 미만이면, 탄소 섬유가 끊어지기 쉬워서 단섬유가 되기 때문에, 펠트형 탄소 섬유 시트를 얻기가 곤란해질 우려가 있다. 반대로, 상기 탄소 섬유의 평균 직경이 상기 상한을 초과하면, 제조되는 다공질 탄소 섬유 시트의 비표면적이 저하될 우려가 있다. 또한, 상기 탄소 섬유의 평균 직경은, 미세 섬유(4)의 평균 직경에 의해 결정, 미세 섬유(4)의 평균 직경은, 제어성의 관점에서 주로 전계 방사의 인가 전압 E 또는 용액에 있어서의 무회탄의 함유량에 의해 제어된다. 또한, 상기 미세 섬유(4)의 평균 직경은, 노즐 내경이나 방사간 거리에 의해 조정할 수도 있다.As a minimum of the average diameter of the carbon fiber obtained, 0.5 micrometer is preferable and 0.7 micrometer is more preferable. On the other hand, as an upper limit of the average diameter of the said carbon fiber, 5 micrometers is preferable and 3 micrometers is more preferable. When the average diameter of the said carbon fiber is less than the said minimum, since carbon fiber is easy to be broken and it becomes short fiber, there exists a possibility that it may become difficult to obtain a felt-type carbon fiber sheet. On the contrary, when the average diameter of the said carbon fiber exceeds the said upper limit, there exists a possibility that the specific surface area of the porous carbon fiber sheet manufactured may fall. In addition, the average diameter of the said carbon fiber is determined by the average diameter of the
[이점][advantage]
당해 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법에서는, 무회탄을 탄소 원료로서 사용한다. 무회탄은 비교적 저렴하고 우수한 전계 방사성을 갖고, 탄소 이외의 물질을 필요로 하지 않는다. 또한, 당해 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법에서는, 무회탄의 우수한 흑연화성에 기초하여, 성형 등의 처리를 행하지 않고 전계 방사에 의해 높은 비표면적으로 미세 섬유형 다공질 탄소 섬유를 용이하게 얻을 수 있다. 따라서, 당해 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법은, 비교적 제조 비용이 낮고, 또한 제조 효율이 높다.In the manufacturing method of the said porous carbon fiber sheet, ashless coal is used as a carbon raw material. Ashless coal is relatively inexpensive and has good field radiation and does not require materials other than carbon. Moreover, in the manufacturing method of the said porous carbon fiber sheet, based on the excellent graphitization property of ashless coal, a fine fibrous porous carbon fiber can be easily obtained by a high specific surface area by electric field spinning, without performing a process, such as shaping | molding. Therefore, the manufacturing method of the said porous carbon fiber sheet is comparatively low in manufacturing cost, and high in manufacturing efficiency.
또한, 당해 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법에서는, 무회탄으로서 용매 추출된 것을 사용함으로써 더 제조 효율을 높이고, 또한 제조 비용을 저감할 수 있다.Moreover, in the manufacturing method of the said porous carbon fiber sheet, by using what was solvent-extracted as ashless coal, manufacturing efficiency can be improved further and manufacturing cost can be reduced.
〔다공질 탄소 전극의 제조 방법〕[Method for producing porous carbon electrode]
당해 다공질 탄소 전극의 제조 방법은, 성형 공정을 구비한다. 상기 성형 공정에서는, 당해 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법에 의해 제조된 다공질 탄소 섬유 시트를 성형하여 전극으로 한다. 이 때문에, 유체 확산성을 갖는 전극을 비교적 낮은 제조 비용으로 효율적으로 제조할 수 있다. 성형 방법으로는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 당해 다공질 탄소 섬유 시트의 펀칭에 의한 방법을 들 수 있다.The manufacturing method of the said porous carbon electrode is equipped with the shaping | molding process. In the said molding process, the porous carbon fiber sheet manufactured by the manufacturing method of the said porous carbon fiber sheet is shape | molded, and it is set as an electrode. For this reason, the electrode which has fluid diffusibility can be manufactured efficiently with comparatively low manufacturing cost. Although it does not specifically limit as a shaping | molding method, For example, the method by the punching of the said porous carbon fiber sheet is mentioned.
[그밖의 실시 형태][Other Embodiments]
또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.In addition, this invention is not limited to the said embodiment.
상기 실시 형태에서는, 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법으로서, 무회탄을 용매 추출에 의해 제조하는 방법을 설명했지만, 무회탄의 제조 방법은 이에 한정되지 않고, 예를 들어 석탄과 수소 공여성 용매의 혼합 가열에 의해 제조된 무회탄을 사용할 수도 있다.In the above embodiment, as a method for producing a porous carbon fiber sheet, a method of manufacturing ashless coal by solvent extraction has been described. However, the method of manufacturing ashless coal is not limited thereto, for example, mixing coal and a hydrogen donor solvent. Anthracite produced by heating may also be used.
또한, 상기 실시 형태에서는, 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법으로서, 증발 분리 공정에서 무회탄을 용매 추출한 후, 제2 혼합 공정으로 무회탄을 용해하여 전계 방사되는 용액을 조제했지만, 무회탄을 추출하는 용매와 전계 방사되는 용액의 용매를 동일 종류의 용매로 함으로써, 증발 분리 공정 및 제2 혼합 공정을 생략해도 된다. 이 경우, 고액 분리 공정에서 얻어지는 액체분을 전계 방사의 용액으로서 사용할 수 있다.Moreover, in the said embodiment, as a manufacturing method of a porous carbon fiber sheet, after a solvent extraction of ashless coal in the evaporation separation process, the ashless coal was melt | dissolved in the 2nd mixing process to prepare the solution which electrospins, but extracts ashless coal By using the solvent of the solvent and the solution of the electrospinning as the same kind of solvent, the evaporation separation step and the second mixing step may be omitted. In this case, the liquid component obtained by the solid-liquid separation process can be used as a solution of electric field spinning.
상기 실시 형태에서는, 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법으로서, 제1 혼합 공정의 혼합부가 조제조를 갖는 구성에 대해 설명했지만, 이 구성에 한하지 않고, 용매와 석탄의 혼합을 할 수 있으면, 조제조를 생략해도 된다. 예를 들어 라인 믹서에 의해 상기 혼합이 완료되는 경우에는, 조제조를 생략하고 공급관과 분리부의 사이에 라인 믹서를 구비하는 구성으로 해도 된다. 이와 같이 각 공정에서 사용되는 장치 구성은, 상기 실시 형태에 한정되지 않는다.In the said embodiment, although the structure which the mixing part of a 1st mixing process has preparation manufacturing was demonstrated as a manufacturing method of a porous carbon fiber sheet, it is not limited to this structure, If a solvent and coal can be mixed, preparation preparation May be omitted. For example, when the said mixing is completed by a line mixer, preparation manufacturing is abbreviate | omitted and it is good also as a structure provided with a line mixer between a supply pipe and a separation part. Thus, the apparatus structure used by each process is not limited to the said embodiment.
또한, 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법에 의해 제조된 다공질 탄소 섬유 시트의 용도는, 전극에 한정되지 않고, 예를 들어 흡착재, 촉매 담체 등의 다공질성이 요구되는 시트에 적합하게 사용할 수 있다.In addition, the use of the porous carbon fiber sheet manufactured by the manufacturing method of a porous carbon fiber sheet is not limited to an electrode, For example, it can be used suitably for the sheet | seat requiring porous properties, such as an adsorption material and a catalyst carrier.
실시예Example
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to these Examples.
[실시예 1]Example 1
역청탄의 용매 추출에 의해 제조된 무회탄을 탄소 원료로서 준비했다. 이 무회탄의 원소 분석값을 표 1에 「무회탄 A」로서 나타낸다. 또한, 용매로서 피리딘을 준비했다.Anthracite produced by solvent extraction of bituminous coal was prepared as a carbon raw material. The elemental analysis value of this ashless coal is shown in Table 1 as "anthracite A". In addition, pyridine was prepared as a solvent.
이 무회탄과 용매의 혼합에 의해, 무회탄이 용매 중에 용존하는 용액을, 용액에 있어서의 무회탄의 함유량이 39질량%가 되도록 조제했다.By mixing this ashless coal and a solvent, the solution which ashless coal dissolved in a solvent was prepared so that content of the ashless coal in a solution might be 39 mass%.
이 용액을 사용하여 표 2에 나타내는 조건에서 전계 방사를 행하고, 알루미늄박 기판 위에 미세 섬유를 퇴적시켰다. 이 미세 섬유 퇴적물을 알루미늄박으로부터 박리시킨 후, 3.3℃/분의 승온 속도로 900℃까지 승온하고, 30분간의 가열 처리(탄소화)를 행하여, 실시예 1의 다공질 탄소 섬유 시트를 제조했다. 얻어진 다공질 탄소 섬유 시트의 광학 현미경 사진을 도 4에 도시한다.Using this solution, field spinning was performed under the conditions shown in Table 2, and fine fibers were deposited on the aluminum foil substrate. After peeling this fine fiber deposit from aluminum foil, it heated up to 900 degreeC at the temperature increase rate of 3.3 degree-C / min, heat-processed for 30 minutes (carbonization), and manufactured the porous carbon fiber sheet of Example 1. The optical micrograph of the obtained porous carbon fiber sheet is shown in FIG.
[실시예 2]Example 2
역청탄의 용매 추출에 의해 실시예 1과는 조성이 다른 무회탄을 탄소 원료로서 준비했다. 이 무회탄의 원소 분석값을 표 1에 「무회탄 B」로서 나타낸다. 이 무회탄을 사용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 실시예 2의 다공질 탄소 섬유 시트를 제조했다.By the solvent extraction of bituminous coal, the ashless coal which differs in a composition from Example 1 was prepared as a carbon raw material. The elemental analysis value of this ashless coal is shown in Table 1 as "anthracite B". A porous carbon fiber sheet of Example 2 was produced in the same manner as in Example 1, except that this ashless coal was used.
[비교예 1]Comparative Example 1
석탄의 고온 건류 프로세스에서 부생되는 타르로부터 제조된 석탄계 피치를 준비했다. 이 석탄계 피치의 원소 분석값을 표 1에 나타낸다. 이 석탄계 피치를 탄소 원료로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 비교예1의 다공질 탄소 섬유 시트를 제조했다.Coal-based pitches prepared from tar by-produced in the high-temperature drying process of coal were prepared. Table 1 shows the elemental analysis of this coal-based pitch. Except having made this coal-based pitch the carbon raw material, it carried out similarly to Example 1, and manufactured the porous carbon fiber sheet of the comparative example 1.
또한, 표 1에서 산소량은, 탄소, 수소, 질소 및 황 이외의 성분량을 의미하며, 100질량%로부터 탄소, 수소, 질소 및 황의 성분량을 뺀 것이다.In addition, in Table 1, oxygen amount means component amounts other than carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur, and removes the component amounts of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur from 100 mass%.
[평가 방법][Assessment Methods]
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1에 대해, 이하의 측정을 행했다.The following measurements were performed about the said Example 1, 2 and the comparative example 1.
<평균 섬유 직경><Average fiber diameter>
탄소 섬유의 평균 직경(평균 섬유 직경)을 주사 전자 현미경에 의해 측정했다. 측정은, 주사 전자 현미경의 시야 내의 임의의 10개의 섬유 직경을 계측하고, 그 평균을 구했다. 도 5에 실시예 1의 다공질 탄소 섬유 시트의 탄소 섬유의 주사 전자 현미경 사진을 나타낸다. 또한, 측정 결과를 표 3에 나타낸다.The average diameter (average fiber diameter) of the carbon fibers was measured by scanning electron microscopy. The measurement measured the diameter of ten arbitrary fibers in the visual field of a scanning electron microscope, and calculated | required the average. The scanning electron micrograph of the carbon fiber of the porous carbon fiber sheet of Example 1 is shown in FIG. In addition, the measurement results are shown in Table 3.
<비표면적><Specific surface area>
다공질 탄소 섬유 시트의 비표면적을 마이크로 트랙·벨 가부시키가이샤의 「BELSOR-max」를 사용하여 측정했다. 측정 결과를 표 3에 나타낸다.The specific surface area of the porous carbon fiber sheet was measured using "BELSOR-max" by Micro Track Bell Co., Ltd. The measurement results are shown in Table 3.
<세공 분포><Pore distribution>
실시예 1의 다공질 탄소 섬유 시트에 대해, HK법을 사용하여 탄소 섬유의 세공 분포를 측정했다. 측정 결과를 도 6에 도시한다.About the porous carbon fiber sheet of Example 1, the pore distribution of carbon fiber was measured using the HK method. The measurement result is shown in FIG.
표 3으로부터 탄소 재료에 무회탄을 사용한 실시예 1 및 실시예 2는 비교예 1에 비하여 비표면적이 큰 것을 알 수 있다. 또한, 도 6으로부터 실시예 1의 다공질 탄소 섬유 시트의 탄소 섬유는 주로 구멍 직경 10㎚ 이하의 미세 구멍으로 구성되어, 각각의 탄소 섬유의 다공질성이 높은 것을 알 수 있다. 또한, 도 5로부터 탄소 섬유가 절단되지 않고 연속적이고도 랜덤하게 집합되어 있고, 실시예 1의 다공질 탄소 섬유 시트는, 바인더 등을 사용하지 않아도, 이 펠트형이 유지될 수 있음과 함께, 기체나 액체의 유체 확산성이 우수한 것을 알 수 있다.From Table 3, it turns out that Example 1 and Example 2 which used ashless coal for a carbon material have a large specific surface area compared with the comparative example 1. 6 shows that the carbon fibers of the porous carbon fiber sheet of Example 1 are mainly composed of fine pores having a pore diameter of 10 nm or less, and the porous properties of each carbon fiber are high. In addition, the carbon fiber is not cut from FIG. 5 and is continuously and randomly gathered. In the porous carbon fiber sheet of Example 1, the felt form can be maintained without using a binder or the like, and the gas or liquid It can be seen that the fluid diffusivity is excellent.
이에 비하여, 탄소 재료에 석탄 피치를 사용한 비교예 1은, 비표면적이 작고, 세공이 발달되어 있지 않다고 생각된다. 따라서, 무회탄을 탄소 원료로서 사용하는 당해 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법에 의해 성형 등의 처리를 실시하지 않고 전계 방사에 의해 높은 비표면적으로 미세 섬유형 다공질 탄소 섬유를 용이하게 얻을 수 있음을 알 수 있다.On the other hand, the comparative example 1 which used the coal pitch for the carbon material is small in specific surface area, and it is thought that pore is not developed. Therefore, it is understood that the fine fiber-like porous carbon fibers can be easily obtained with high specific surface area by electric field spinning without performing molding or the like by the method for producing the porous carbon fiber sheet using ashless coal as a carbon raw material. Can be.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법 및 이 다공질 탄소 섬유 시트를 사용한 다공질 탄소 전극의 제조 방법은, 비교적 제조 비용이 낮고, 또한 제조 효율이 높다.As explained above, the manufacturing method of the porous carbon fiber sheet of this invention, and the manufacturing method of the porous carbon electrode using this porous carbon fiber sheet are comparatively low in manufacturing cost, and high in manufacturing efficiency.
S1: 퇴적 공정
S2: 가열 공정
S11: 제1 혼합 공정
S12: 용출 공정
S13: 고액 분리 공정
S14: 증발 분리 공정
S15: 제2 혼합 공정
S16: 전계 방사 공정
1: 시린지
1a: 노즐
2: 기판
3: 용액류
4: 미세 섬유
E: 전압S1: deposition process
S2: heating process
S11: first mixing process
S12: elution process
S13: solid-liquid separation process
S14: Evaporative Separation Process
S15: second mixing process
S16: field emission process
1: syringe
1a: nozzle
2: substrate
3: solutions
4: fine fiber
E: voltage
Claims (4)
상기 퇴적 공정에서 얻어진 미세 섬유 퇴적물을 가열하는 공정
을 구비하는, 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법.A process of felt-depositing fine fibers on the substrate surface by field spinning of a solution in which ashless coal is dissolved;
Heating the fine fiber deposits obtained in the deposition step
The manufacturing method of the porous carbon fiber sheet provided with the.
석탄 및 용매를 혼합하는 공정과,
상기 혼합 공정에서 얻어진 슬러리 중의 상기 석탄으로부터 상기 용매에 가용인 성분을 용출시키는 공정과,
상기 용출 공정에서 용출 후의 상기 슬러리를, 용매 가용 성분을 포함하는 액체분 및 용매 불용 성분으로 분리하는 공정
을 구비하는, 다공질 탄소 섬유 시트의 제조 방법.The method of claim 1, wherein as the deposition process,
Mixing the coal and the solvent,
Eluting a component soluble in the solvent from the coal in the slurry obtained in the mixing step;
A step of separating the slurry after eluting in the elution step into a liquid component containing a solvent soluble component and a solvent insoluble component
The manufacturing method of the porous carbon fiber sheet provided with the.
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