JP2007055825A - 活性炭の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な方法により効率的に活性炭を製造する方法、及びそのための製造装置を提供すること。
【解決手段】活性炭の製造装置１００は、水から、飽和水蒸気より低い水蒸気密度を有する乾燥水蒸気を発生させる水蒸気発生手段１０と、前記乾燥水蒸気を加熱する加熱手段２０と、内部に載置した竹を水熱反応により炭化するための反応器３０と、前記反応器内に前記乾燥水蒸気を送気する送気手段４０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、竹を原料とした活性炭の製造方法及びその製造装置に関する。

活性炭を製造するための原料としては、種々の炭素含有物質を用いることが可能である。炭素含有物質としては、森林資源や竹、あるいは、有機廃棄物である厨芥、汚泥、古紙等がある。
例えば、古紙等の紙類を綿状あるいは切断後、無酸素状態で加熱することにより、高性能の吸着剤として使用可能な活性炭を製造できることが知られている（特許文献１）。このような技術は、有機廃棄物を有効に活用できるという点で優れている。また、木材や竹材を高温の燃焼ガスで炭化する方法も知られている（特許文献２）。このような技術は、天然に多く存在する資源を有効に活用できるという点で優れている。

特開平７−２４２４０６号公報 特開２００２−３３８２２３号公報

しかしながら、特許文献１のような、可燃性廃棄物を無酸素状態で加熱する乾留方法では、得られた活性炭の収率が低い上に、活性炭の比表面積が小さくて吸着性が低いなどの問題がある。一般に活性炭の吸着性能を向上させるために比表面積を上げると、活性炭原料の歩留が低下して、活性炭の収率は低下する。特に、可燃性廃棄物の一種であるプラスチック類は、乾留中に揮発するため乾留処理後に残存する炭素量が少なく、活性炭の収率が低いという問題もある。
また、特許文献２の方法では、高温の燃焼ガスが必要となり、エネルギー原として燃料を多量に必要とするだけでなく、燃焼炉などの大がかりな設備を必要とする。

そこで、本発明の目的は、自然環境に多く存在する竹資源を用い、簡便な方法により効率的に活性炭を製造する方法、及びそのための製造装置を提供することにある。

本発明の活性炭の製造方法は、竹を原料とする活性炭の製造方法であって、飽和水蒸気より低い水蒸気密度を有する乾燥水蒸気を用いて竹を炭化することを特徴とする。
ここで、図１に水の状態図を示した。水は、温度・圧力を３７４℃、２２ＭＰa以上の条件で、液体でも気体でもない均一な非凝集性高密度流体になる。この境界点が臨界点であり、臨界点以上の状態を超臨界水と呼び、温度・圧力が臨界点より若干低い熱水を亜臨界水と呼ぶ。そして、飽和蒸気圧曲線以下のいわゆる不飽和の領域にある蒸気相を本発明では、乾燥水蒸気という。

本発明によれば、乾燥水蒸気による水熱反応により竹を炭化するため、活性炭を効率的に得ることができる。また、原料として自然環境中に極めて多く存在する竹を用いており、環境に対する負荷も低い。

本発明では、前記乾燥水蒸気が、水から発生させた水蒸気であることが好ましい。
本発明によれば、水から発生させた乾燥水蒸気を用いて水熱反応を行うため、水熱反応の制御が容易となる。例えば、大気をそのまま不飽和水蒸気として利用した場合では、水蒸気密度を制御しにくく、結果として水熱反応を制御することが困難である。水から水蒸気を発生させることで、水蒸気の密度を制御しやすくなり、水熱反応そのものを制御することも容易となる。
この場合、水の蒸発量を制御して水蒸気密度の異なる乾燥水蒸気を発生させると、竹の種類や形状に応じた水熱反応を起こすことができ、活性炭を効率的に製造することができるので好ましい。また、生成する活性炭の性能を制御することも容易となる。

本発明では、不活性ガスにより前記乾燥水蒸気の密度を制御することが好ましい。
本発明によれば、不活性ガス（例えば窒素ガス）により乾燥水蒸気の密度を制御するので、竹の水熱反応を行う際に、好ましくない反応（分解、酸化等）を抑制することができる。

本発明では、前記乾燥水蒸気の温度が１１０〜４００℃、前記乾燥水蒸気の密度が分圧で０．１３〜２０MPaであることが好ましい。より好ましくは、乾燥水蒸気の温度が１５０〜３５０℃、乾燥水蒸気の密度が分圧で０．４〜１２MPaである。
本発明によれば、乾燥水蒸気の温度と密度が所定の範囲であるので、竹の炭化反応が好適に進行する。乾燥水蒸気の温度が１１０℃未満であると、炭化反応が起こりにくく好ましくない。また、乾燥水蒸気の温度が４００℃を超えると活性炭の細孔構造をうまく形成することができない。また、乾燥水蒸気の密度が分圧で０．１３ＭＰａ未満であると、炭化反応が起こりにくく好ましくない。また、水蒸気の密度が分圧で２０ＭＰａを超えると必要以上に設備費が膨大となり経済的に不利である。

本発明では、原料である竹を水熱反応を行う反応器内に載置した後、前記乾燥水蒸気を前記圧力容器内に送気することが好ましい。
本発明によれば、竹を反応器内に載置した後、乾燥水蒸気を反応器内に送気するので、反応器内で確実に竹の炭化反応を行うことができる。

本発明では、原料である竹が鱗片状砕片であることが好ましい。
本発明によれば、原料である竹が鱗片状砕片であるので、炭化後の処理が簡便である。例えば、竹を粉末状に粉砕してしまうと、炭化後に集塵機を必要とするなど、設備的な対応も必要となる。

本発明の活性炭の製造装置は、竹を原料とする活性炭の製造装置であって、水から、飽和水蒸気より低い水蒸気密度を有する乾燥水蒸気を発生させる水蒸気発生手段と、前記乾燥水蒸気を加熱する加熱手段と、内部に載置した竹を水熱反応により炭化するための反応器と、前記反応器内に前記乾燥水蒸気を送気する送気手段と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、竹を炭化して活性炭を製造するにあたり、乾燥水蒸気を用いて反応器内で水熱反応を起こすことができるため、竹から効率的に活性炭を製造することができる。

以下に、本発明である活性炭の製造方法を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳述する。
〔製造装置の概要〕
図２には、本発明の活性炭の製造方法を実施するために用いられる活性炭の製造装置１００の概略構成を示した。
活性炭の製造装置１００は、乾燥水蒸気発生手段としてのボイラー１０と、ボイラー１０からの乾燥水蒸気を所定の温度に加熱する加熱手段としてのヒータ２０と、内部に設置された竹Ｔを乾燥水蒸気により加熱して炭化するための反応器３０と、反応器３０内に乾燥水蒸気を送気する送気手段としての導管４０とを備えて構成される。

ボイラー１０の本体は、市販のものをそのまま使用できるが、注気口１１より不活性ガス（例えば窒素ガス）を導入することで水蒸気密度の調節された乾燥水蒸気を製造することができる。
ヒータ２０は、ボイラー１０からの乾燥水蒸気を所定の温度に加熱する。このヒータ２０の加熱方式としては、電熱あるいは、液状熱媒体を通した配管による加熱など市販の加熱装置を採用することができる。あるいは、導管４０にバンドヒータを巻き付けてもよい。

反応器３０は、内部で水熱反応を起こすためのものであり、活性炭の製造装置１００の本体とも言える。反応器３０には、センサ３１が接続され、内部の環境（温度、圧力及び水蒸気密度）を測定できるようになっている。これらの測定データをもとに、ボイラー１０での水蒸気発生量や不活性ガスの流量、ヒータ２０の設定温度、あるいはバルブ１１０の開度を変えることで反応器３０内の環境を制御できる。反応器３０の下部には水蒸気が凝縮した場合の排水用としてドレンバルブ１２０が設けられている。

原料である竹Ｔは、金網製籠３２に入れて、反応器３０内に載置される。竹Ｔは、鱗片状に粉砕されていると炭化後の処理が簡便であるので好ましい。例えば、竹を粉末状に粉砕してしまうと、炭化後に集塵機を必要とするなど、設備的な対応も必要となる。
ここで、竹Ｔを炭化する際に、反応器３０内の加熱温度は１１０〜４００℃が好ましく、１５０〜３５０℃がより好ましい。加熱温度が１１０℃未満では、炭化反応（水熱反応）がうまく進行しない。また、４００℃を超えると、反応が激しすぎて、活性炭の細孔構造をうまく形成することができない。
水蒸気密度は、分圧で０．１３〜２０MPaであることが好ましい。より好ましくは、０．４〜１２MPaである。乾燥水蒸気の密度が分圧で０．１３ＭＰａ未満であると、炭化反応が起こりにくく好ましくない。また、水蒸気の密度が分圧で２０ＭＰａを超えると必要以上に設備費が膨大となり経済的に不利である。

上述の実施形態によれば、以下の様な効果を奏することができる。
（１）乾燥水蒸気による強力な水熱反応により、反応器３０内で竹Ｔを効率的に炭化して活性炭を得ることができる。
（２）乾燥水蒸気を用いているため、環境に対する負荷がほとんどない。
（３）ボイラー１０を用いているため、簡便に水蒸気を発生させることができ、反応器３０内での炭化反応を安定して行うことができる。

（４）水蒸気が飽和水蒸気ではなく、乾燥水蒸気（不飽和の水蒸気）であり、その水蒸気密度（不飽和度）を変えることで反応条件を容易に変更できる。例えば、原料である竹の種類や形状に応じた条件の設定が可能となる。
（５）水蒸気密度の調節用に不活性ガス（例えば窒素ガス）を用いているので、その流量を変えることで水蒸気密度を容易に変更できるだけでなく、得られる活性炭の物性に対しても悪影響を与えない。

本発明を実施するための最良の構成などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、構造、材質、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した構造、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの構造などの限定の一部若しくは全部の限定を外した名称での記載は、本発明に含まれるものである

例えば、本実施形態では、反応室が一つだけのいわゆるタンク式の反応器を用いているが、タワー型の反応器を用い、試料を置く棚を多段式にしてもよい。試料を大量に処理できる点で有利である。
また、水蒸気発生手段として、本実施形態では、市販のボイラーをそのまま使用したが、
熱伝導性のよい金属（例えば真鍮）を粒状にしたものを多数充填したタワー型水蒸気発生器を用いてもよい。このような金属は加熱した状態で水に触れると大量の水蒸気を容易に発生するため、水蒸気発生手段として好適に利用できる。

次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明はこれらの例によって何等限定されるものではない。なお、装置等として共通する箇所は、実施形態における図の符号と同じ符号を使用した。
鱗片状に粉砕した竹１００ｇを金網製籠３２に入れ、その金網製籠３２を反応器３０の内部に載置した。
ボイラー１０により１８０℃の飽和水蒸気を発生させ、ヒータ２０により３００℃にまで昇温した後、導管４０を通して反応器３０に乾燥水蒸気を通気させた。反応器３０内の水蒸気分圧は０．４９MPaに保持して、３時間炭化処理を行った。

得られた炭化物について、活性炭としての性能をよう素吸着量により評価した。比較の対象として、市販されている活性炭の中で性能の高いヤシガラ活性炭と市販の竹炭を用いた。結果は以下の通りである。
本発明品 ：８２０ｍｇ／ｇ
ヤシガラ活性炭：４００ｍｇ／ｇ
竹炭 ：３０ｍｇ／ｇ
本発明の方法により得られた活性炭は、竹炭よりはるかに優れたヨウ素吸着量を示し、市販のヤシガラ活性炭より優れた性能を示した。市販の竹炭は乾燥状態での加熱により炭化されたものであるが、適度の水蒸気が存在しないため、水熱反応が起こらず細孔がうまく形成されされなかったものと思われる。

本発明は、竹から効率的に活性炭を製造する方法、及びその製造装置として利用できる。
る。

水の状態図。 本実施形態に係る活性炭の製造装置の概略図。

符号の説明

１０ ボイラー（水蒸気発生手段）
２０ ヒータ
３０ 反応器
４０ 導管
１００ 活性炭の製造装置

Claims (7)

1. 竹を原料とする活性炭の製造方法であって、
   飽和水蒸気より低い水蒸気密度を有する乾燥水蒸気を用いて竹を炭化することを特徴とする活性炭の製造方法。
2. 請求項１に記載の活性炭の製造方法において、
   前記乾燥水蒸気が、水から発生させた水蒸気であることを特徴とする活性炭の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の活性炭の製造方法において、
   不活性ガスにより前記乾燥水蒸気の密度を制御することを特徴とする活性炭の製造方法。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の活性炭の製造方法において、
   前記乾燥水蒸気の温度が１１０〜４００℃、前記乾燥水蒸気の密度が分圧で０．１３〜２０MPaであることを特徴とする活性炭の製造方法。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の活性炭の製造方法において、
   原料である竹を水熱反応を行う反応器内に載置した後、前記乾燥水蒸気を前記反応器内に送気することを特徴とする活性炭の製造方法。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の活性炭の製造方法において、
   原料である竹が鱗片状砕片であることを特徴とする活性炭の製造方法。
7. 竹を原料とする活性炭の製造装置であって、
   水から、飽和水蒸気より低い水蒸気密度を有する乾燥水蒸気を発生させる水蒸気発生手段と、
   前記乾燥水蒸気を加熱する加熱手段と、
   内部に載置した竹を水熱反応により炭化するための反応器と、
   前記反応器内に前記乾燥水蒸気を送気する送気手段と、
   を備えることを特徴とする活性炭の製造装置。

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