JP4584121B2 - アルカリ賦活の排ガスの処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素材にアルカリ化合物で賦活を行って大きな表面積の炭素材料を製造したときに排出されるアルカリ化合物を含む排ガスの処理方法に関する。

ＢＥＴ比表面積が大きな表面積をもつ活性炭は、炭化水素類の分別、工業用ガスの精製、有毒ガスの吸着除去、公害発生源対策、食品工業や化学工業における液相精製、水処理、液相の回収・分別、触媒または触媒担体、電気二重層キャパシタなど種々の用途に有用であることが知られている。特に、活性炭の特性が大きな表面積に起因することから、大きな表面積をもつことが求められている。

大きな表面積をもつ活性炭は、炭素質材料を炭化して炭化材を形成し、この炭化材をアルカリ化合物で賦活（アルカリ賦活）して製造される。たとえば、特許文献１には、炭化材を水酸化アルカリで賦活する活性炭の製造方法が開示されている。

しかしながら、特許文献１に記載された製造方法に代表されるアルカリ賦活での製造においては、賦活を行ったときに排出される排ガスを処理して安全化する必要があった。具体的には、アルカリ賦活の排ガス中には賦活のために添加されたアルカリ化合物が存在し、排ガスの温度の低下にともなって金属アルカリが生成する。金属アルカリは、水分との反応性が非常に高く、反応したときに発火することが知られている。つまり、排ガスに含まれる金属アルカリが、アルカリ賦活の排気経路中で大気中の水分と反応して発火するおそれがあった。排気経路中での発火は、活性炭の安全な製造を阻害する。さらに、排気経路を構成する管路が通常が金属管よりなることから、排ガスに析出した金属アルカリが含まれると、管路が腐蝕するという問題もあった。
特開平５−３０６１０９号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、アルカリ賦活を安全に行うことができる排ガスの処理方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明者らは排ガスの処理方法について検討を重ねた結果本発明をなすに至った。

本発明のアルカリ賦活の排ガスの処理方法は、炭素材をアルカリ化合物で賦活したときに排出されるアルカリ化合物を含む排ガスの処理方法であって、不活性ガスに水蒸気を混合し、２５℃以上の露点をもつ加湿ガスを調製する工程と、加湿ガスを排ガスに混合して金属アルカリの水酸化物を生成する工程と、排ガスから、生成した水酸化物をトラップする工程と、を有することを特徴とする。

本発明の排ガスの処理方法は、排ガスに含まれるアルカリ化合物を水蒸気と反応させて比較的反応性の低い水酸化物とし、その後、生成した水酸化物を取り除く。本発明の処理方法は、アルカリ賦活の排ガスからアルカリ化合物を簡単かつ安全に取り除くことができる。本発明の処理方法を用いることで、アルカリ賦活の排ガスを安全に処理できることから、アルカリ賦活自身を安全に進行することができる。

本発明の排ガスの処理方法は、炭素材をアルカリ化合物で賦活したときに排出されるアルカリ化合物を含む排ガスの処理方法である。アルカリ化合物で賦活を行うと炭素材の比表面積を大きくできるため、アルカリ賦活は表面積の大きな炭素質材料の製造に用いられる。

本発明のアルカリ賦活が施される炭素材とは、賦活処理により処理できる炭素を主な構成元素とする物質であれば限定されるものではない。本発明のアルカリ賦活が施される炭素材としては、たとえば、従来の活性炭の賦活処理に用いられる炭化（黒鉛化）している物質だけでなく、石炭やフェノール樹脂などの炭化していない物質をあげることができる。炭素材は、炭化材であることが好ましい。

炭化材とは、炭化（黒鉛化）している物質であり、炭素のみから構成される。炭化材には、炭素質材料を炭化させた物質を用いることができる。そして、具体的な炭素質材料は特に限定されるものではない。炭化材としては、例えば、ヤシ系、木質系、石炭系などの炭素質原料を炭化した物質をあげることができる。

また、アルカリ賦活時に用いられるアルカリ化合物は、賦活処理が施されたときに炭素材に広い表面積を付与できる物質であれば特に限定されるものではない。例えば、ＬｉＯＨ、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｋ₂ＣＯ₃などの金属アルカリの化合物をあげることができる。

そして、本発明の排ガスの処理方法は、炭素材をアルカリ化合物で賦活したときに排出される排ガスの処理方法であり、アルカリ化合物で賦活するときの反応条件等が限定されるものではない。

そして、本発明の排ガスの処理方法は、加湿ガスを調製する工程と、金属アルカリの水酸化物を生成する工程と、水酸化物をトラップする工程と、を有する。

加湿ガスを調製する工程は、２５℃以上の露点をもつ加湿ガスを調製する。加湿ガスは、その後の工程で排気ガスに混合したときに排気ガス中の金属アルカリとの間で水酸化物を生成する。

加湿ガスが２５℃以上の露点をもつことで、その後の工程で安全に水酸化物を生成できる。加湿ガスの露点が２５℃を超えると、加湿ガスに含まれる水が過剰に多くなり、その後の工程で排気ガスに混合したときに排気ガス中の金属アルカリとの間で水酸化反応が進行するようになる。加湿ガスの露点は４０℃以上であることが好ましく、６０℃以上であることがさらに好ましい。

本発明の処理方法において、加湿ガスは、その後の工程で金属アルカリの水酸化物を生成することができるガスであれば、その製造方法などは限定されない。加湿ガスは、不活性ガスよりなるキャリアガスと、キャリアガスに分散した水蒸気と、を有することが好ましい。このとき、キャリアガスを構成する不活性ガスは、アルカリ化合物や炭化材と反応しないガスであり、たとえば、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン等のガスをあげることができる。

金属アルカリの水酸化物を生成する工程は、加湿ガスを排ガスに混合して金属アルカリの水酸化物を生成する。本工程は、アルカリ化合物を構成する反応性の高い金属アルカリを、金属アルカリより反応性の低い水酸化物とする。金属アルカリを比較的反応性の低い水酸化物とすることで、その後の工程で水酸化物を排気ガスから容易にかつ安全に取り除くことができる。

加湿ガスを排ガスに混合するときの加湿ガスおよび排ガスは、加湿ガスの露点以上の温度に保持されたことが好ましい。加湿ガスの炉点以上の温度で加湿ガスと排ガスとが混合することで、排ガス中のアルカリ化合物が水酸化物を形成できる。加湿ガスの露点以下の温度では、加湿ガスの水分が水滴を生じ、排ガス中のアルカリ化合物と爆発的な反応が進行し、場合によっては金属アルカリとの反応により発火する。

水酸化物をトラップする工程は、排ガスから生成した水酸化物をトラップして除去する。水酸化物をトラップすることで、排ガス中の金属アルカリを取り除くことができ、金属アルカリの除去された排ガスとなる。

本発明の処理方法において、加湿ガスと排ガスとの混合は、金属アルカリの水酸化物を生成できる環境で行えばよく、アルカリ賦活が行われる反応室の内部に加湿ガスを混合しても、アルカリ賦活が行われる反応室の外部で混合しても、いずれでもよい。つまり、加湿ガスは、アルカリ化合物で炭化材の賦活が行われる反応室内に導入され排ガスと混合することが好ましい。このとき、加湿ガスは、賦活反応が進行しているときに反応室内に混合することができる。また、加湿ガスは、アルカリ化合物での賦活が行われる反応室の外部で排ガスに混合されることが好ましい。

水酸化物をトラップする工程は、金属アルカリの水酸化物を生成する工程で生成した水酸化物をトラップして排ガスから分離できる方法であれば具体的な処理方法は限定されない。水酸化物のトラップは、水酸化物が溶解可能な溶液に溶解させて溶液とガスとを分離することが好ましい。溶液に溶解させることで、水酸化物が溶解した溶液と排ガスとを容易に分離できる。ここで、水酸化物が溶解可能な溶液は、水や水系の溶液であることが好ましい。

水酸化物のトラップは、排ガスを水に通過させることでなされることが好ましい。排ガスを貯留した水に通過させることで、水酸化物を含む排ガスと水とが接触し、排ガス中の水酸化物が水に溶解し、水を通過した排ガスから除去される。

水酸化物のトラップは、排ガスに水を噴霧することでなされることが好ましい。排ガスを水に通過させることで、水酸化物を含む排ガスと水とが接触し、排ガス中の水酸化物が水に溶解し、水を通過した排ガスから除去される。

本発明の処理方法は、アルカリ賦活により発生する排ガスの処理に用いる方法であり、活性炭のような多孔質炭素をの製造時に行われるアルカリ賦活だけでなく、非多孔質炭素の製造時に行われるアルカリ賦活の排ガスの処理に用いることができる。

以下、実施例を用いて本発明を説明する。

本発明の実施例として炭化材にアルカリ賦活を行って大きな表面積をもつ活性炭の製造を行い、排ガスの処理を行った。

（実施例１）
本実施例は、図１に主な構成を示した製造装置により製造された。

図１に示した製造装置は、焼成炉１、加湿ガス製造装置２、ガス混合室３、トラップ装置４を管路５で接続した構成を有する。

焼成炉１は、従来の活性炭の製造時に原料の炭化および賦活に用いられている焼成炉である。焼却炉１は、反応室の雰囲気を調節することができ、この雰囲気の調節は、反応室内に供給されるガスと反応室から排出されるガスとにより制御される。本実施例においては、反応室内に連続的にガスを供給し、かつ反応室から排ガスが連続的に排出される。

加湿ガス製造装置２は、図２にその構成を示したように、略閉鎖された状態で内部に水を貯留する水槽２０と、水槽２０に貯留した水を加熱するヒーター２１と、水槽２０内に貯留した水に窒素ガスを供給する窒素ガス供給手段２２と、一端が窒素ガス供給手段２２に接続され他端が水槽２０に貯留した水中に位置する管路２３と、水槽２０の上面に開口した加湿ガス排出口２４と、を有する。

加湿ガス製造装置２は、窒素ガス供給手段２２の供給する窒素ガスを管路２３を介して水槽２０内に供給する。水槽２０内では、水槽２０に貯留した水を窒素ガスが通過して窒素ガスに水分が付与される。そして、加湿ガス排出口２４から外部に加湿された窒素ガスが排出される。加湿ガス製造装置２は、活性炭の製造において他の物質に対して不活性な窒素ガスと、窒素ガスに分散した水蒸気と、からなる加湿ガスが製造される。加湿ガス製造装置２は、ヒーター２１で制御される水の温度や、窒素ガス供給手段２２空の窒素ガスの供給量などにより、加湿ガスの露点を制御する。

ガス混合室３は、焼成炉１の排気ガスと、加湿ガス製造装置２からの加湿ガスが混合される反応室をもつ。ガス混合室３の反応室は、内部に供給された排気ガスと加湿ガスとが十分に混合できるように形成されている。

トラップ装置４は、図３にその構成を示したように、略閉鎖された状態で内部に水を貯留する水槽４０と、一端にガス混合室３の反応室の排ガスが供給され他端が水槽４０に貯留した水中に位置する管路４１と、水槽４０の上面に開口した排ガス排出口４２と、を有する。

トラップ装置４は、ガス混合室３の反応室からの排ガスを管路４１を介して水槽４０内に供給する。水槽４０内では、水槽４０に貯留した水を排ガスが通過して排ガスに含まれる水溶性の物質が水に溶解する。これにより、水溶性の物質が排ガスから分離される。そして、排ガス排出口４２から外部に排出される。

管路５は、焼成炉１とガス混合室３とを接続する管路５０と、加湿ガス製造装置２とガス混合室３とを接続する管路５１と、ガス混合室３とトラップ装置４とを接続する管路５２と、を有する。

（活性炭の製造）
原料として、黒鉛類似の微細構造をもつ、比較的アモルファスで配向性の低い石炭系ピッチを準備した。

そして、焼成炉１を用いて、０．１〜０．５ＭＰａの圧力条件下で３００〜５００℃の所定の温度まで５℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、その後１〜５時間加熱して予備炭化を行った。

その後、０．２ＭＰａ以下の圧力条件下で７００〜９００℃の所定の温度まで５℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、その後１〜５時間加熱して炭化処理を行った。

炭化処理後に、アルカリ化合物（金属アルカリの水酸化物、金属アルカリの炭酸塩等を用いることができ、本実施例ではＫＯＨ）を用いて賦活処理を行った。賦活処理は、炭化物とアルカリ化合物の重量比が１：１〜１：５の状態で７００〜９００℃（望ましくは８００℃）で４〜１０時間保持した。ここで、保持時の雰囲気は、窒素ガス雰囲気であった。なお、このアルカリ化合物による賦活も焼成炉１を用いて行われた。

そして、十分に水で洗浄し、粉砕を行い、３〜１００％の割合で水素ガスを含む窒素ガス雰囲気下で７００〜９００℃（望ましくは８００℃）で焼成を行った。これにより、本実施例の活性炭が製造できた。

（排ガスの処理）
本実施例においては、アルカリ賦活を行っているときに、焼成炉１からはアルカリ化合物（およびアルカリ化合物を構成する純金属アルカリ）を含む排ガスが連続的に排出される。アルカリ賦活時の焼成炉１内の雰囲気が窒素ガス雰囲気または水蒸気が混合した窒素ガス雰囲気であることから、この排ガスは、アルカリ化合物および窒素ガスならびに水より構成される。この排ガスは、管路５０を介してガス混合室３の反応室内に導入される。ガス混合室３の反応室内に導入される時の排ガスの温度は５０℃であった。

また、ガス混合室３には、加湿ガス製造装置２からの加湿ガス（露点；４０℃）が管路５１を介してガス混合室３の反応室内に導入される。このとき、ガス混合室３の反応室内に導入される加湿ガスは、５０℃であった。ガス混合室３の反応室内では、排ガスと加湿ガスとが混合し、排ガス中のアルカリ化合物と加湿ガス中の水とが反応して水酸化物（本実施例ではＫＯＨ）が生成する。生成した水酸化物は、アルカリ化合物よりも反応性が低い。そして、水酸化物を含む排ガスは、ガス混合室３から排出される。

水酸化物を含む排ガスは、管路５２を介してトラップ装置４に伝達される。トラップ装置４において、ガス混合室３の反応室からの排ガスは、管路４２を介して水槽４０内に供給する。水槽４０内では、水槽４０に貯留した水を排ガスが通過して排ガスに含まれる水酸化物が水に溶解する。このとき、アルカリ化合物の水酸化物は金属アルカリよりも反応性が低く、水と接触をしても爆発的な反応を生じない。水酸化物が水に溶解することにより、水酸化物が排ガスから分離される。そして、水酸化物が除去された排ガスがガス排出口４２から外部に排出される。

上記したように、トラップ装置４から排出された排ガスは、アルカリ化合物が除去された安全な排ガスとなった。そして、本実施例は、アルカリ賦活の排ガスを処理するための排気系において、排ガスの温度が低下しても金属アルカリが生成しなかった。つまり、焼成炉１からの排ガスを水酸化物とした後にトラップ装置４で分離除去するため、安全に排ガスの処理を行うことができた。

（実施例２）
本実施例は、図４に主な構成を示した製造装置により製造された。

図４に示した製造装置は、焼成炉６、加湿ガス製造装置２およびトラップ装置７を管路８で接続した構成を有する。

焼成炉６は、反応室内にさらに加湿ガス製造装置２からのガスを導入するための導入口が形成された以外は実施例１において用いられた焼成炉と同様な構成をもつ。

加湿ガス製造装置２は、実施例１の製造装置の加湿ガス製造装置と同様な構成を有する。

トラップ装置７は、図５にその構成を示したように、隔壁７０により区画された反応室７１と、反応室７１の下方側であって反応室７１を区画する隔壁７０に開口したガス導入口７２と、反応室７１の上方側であって反応室７１を区画する隔壁７０に開口したガス排出口７３と、反応室７１の上方にもうけられ反応室７１内に水滴を噴霧する噴霧装置７４と、を有する。

トラップ装置７は、下方に開口したガス導入口７２から反応室７１にガスを導入し、反応室７１内を通過し、ガス排出口７３からガスが排出される。そして、反応室７１には噴霧装置７４が水（水滴）を噴霧する。つまり、トラップ装置７においては、反応室７１を通過するガスは、噴霧装置７４からの水滴と接触し、ガス中の水溶性の成分が水滴に溶解してガスから分離される。そして、水溶性の成分が分離されたガスは、ガス排出口７３から排出される。なお、トラップ装置７には、反応室７１内に噴霧された水を回収する水回収手段（図示せず）がもうけられている。

管路８は、焼成炉６と加湿ガス製造装置２とを接続する管路８０と、焼成炉６とトラップ装置７とを接続する管路８１と、を有する。

この製造装置を用いて実施例１と同様にして活性炭の製造を行ったところ、本実施例の活性炭が製造できた。

（排ガスの処理）
本実施例における活性炭の製造時には、アルカリ賦活を行っているときに、焼成炉６の反応室には、アルカリ化合物（およびアルカリ化合物を構成する純金属アルカリ）を含むガスが存在する。そして、アルカリ賦活時の焼成炉６内の雰囲気が窒素ガス雰囲気または水蒸気が混合した窒素ガス雰囲気であることから、焼成炉６内に存在するガスは、アルカリ化合物および窒素ガスならびに水より構成される。

そして、本実施例の製造装置は、加湿ガス製造装置２からの加湿ガス（露点；４０℃）が管路８０を介してアルカリ賦活が進行中の焼成炉６の反応室内に導入される。このとき、ガス混合室３の反応室内に導入される加湿ガスは、５０℃であった。焼成炉６の反応室内では、排ガスと加湿ガスとが混合し、排ガス中のアルカリ化合物と加湿ガス中の水とが反応して水酸化物が生成する。

そして、焼成炉６から水酸化物を含む排ガスが排出される。

水酸化物を含む排ガスは、焼成炉６から管路８１を介してトラップ装置７に伝達される。トラップ装置７において、焼成炉６の反応室からの排ガスは、ガス導入口７２から反応室７１内に流入する。排ガスが流入した反応室７１には、噴霧装置７４からの水（水滴）が噴霧されている。そして、排ガスは、水が噴霧された反応室７１内を通過してガス排出口７３から外部に排出される。この反応室７１内では、噴霧装置７４からの水（水滴）と排ガスとが接触し、排ガスに含まれる水酸化物が水（水滴）に溶解する。これにより、水酸化物が排ガスから分離除去される。

上記したように、トラップ装置７から排出された排ガスは、アルカリ化合物が除去された安全な排ガスとなった。そして、本実施例は、アルカリ賦活の排ガスを処理するための排気系において、排ガスの温度が低下しても金属アルカリが生成しなかった。つまり、焼成炉６からの排ガスを水酸化物とした後にトラップ装置７で分離除去するため、安全に排ガスの処理を行うことができた。

（その他の形態）
実施例１および２において用いられた製造装置において、お互いのトラップ装置４，７を入れ替えた構成としても、各実施例と同様な効果が得られる。

具体的には、実施例１の製造装置のトラップ装置４を実施例２の製造装置のトラップ装置７とした構成としても、同様な効果が得られた。また、実施例２の製造装置のトラップ装置７を実施例１の製造装置のトラップ装置４とした構成としても、同様な効果が得られた。

また、上記の各実施例においては、アルカリ賦活の雰囲気が窒素ガス雰囲気であったが、水蒸気が混合した窒素ガス雰囲気でアルカリ賦活を行ってもよい。アルカリ賦活の雰囲気が水蒸気を含むことで、排ガス中に金属アルカリが生成しなくなり、安全に排ガスの処理ができる効果を発揮する。また、アルカリ賦活の雰囲気が水蒸気を含む雰囲気であった場合においても、トラップ装置で金属アルカリの水酸化物を取り除くことから、安全に排ガスの処理を行うことができる。

実施例１の製造装置の構成を示した図である。 実施例１の製造装置の加湿ガス製造装置の構成を示した図である。 実施例１の製造装置のトラップ装置の構成を示した図である。 実施例２の製造装置の構成を示した図である。 実施例２の製造装置のトラップ装置の構成を示した図である。

符号の説明

１：焼成炉
２：加湿ガス製造装置 ２０：水槽
２１：ヒーター ２２：窒素ガス供給手段
２３：管路 ２４：加湿ガス排出口
３：ガス混合室
４：トラップ装置 ４０：水槽
４１：管路 ４２：ガス排出口
５，５０，５１，５２：管路
６：焼成炉
７：トラップ装置 ７０：隔壁
７１：反応室 ７２：ガス導入口
７３：ガス排出口 ７４：噴霧装置
８，８０，８１：管路

Claims (6)

1. 炭素材をアルカリ化合物で賦活したときに排出されるアルカリ化合物を含む排ガスの処理方法であって、
   不活性ガスに水蒸気を混合し、２５℃以上の露点をもつ加湿ガスを調製する工程と、
   該加湿ガスを該排ガスに混合して金属アルカリの水酸化物を生成する工程と、
   該排ガスから、生成した該水酸化物をトラップする工程と、
   を有することを特徴とするアルカリ賦活の排ガスの処理方法。
2. 前記加湿ガスは、前記アルカリ化合物で前記炭素材の賦活が行われる反応室内に導入され前記排ガスと混合する請求項１記載のアルカリ賦活の排ガスの処理方法。
3. 前記加湿ガスは、前記アルカリ化合物での賦活が行われる反応室の外部で前記排ガスに混合される請求項１記載のアルカリ賦活の排ガスの処理方法。
4. 前記水酸化物のトラップは、前記排ガスを水に通過させることでなされる請求項１記載のアルカリ賦活の排ガスの処理方法。
5. 前記水酸化物のトラップは、前記排ガスに水を噴霧することでなされる請求項１記載のアルカリ賦活の排ガスの処理方法。
6. 前記加湿ガスは、不活性ガスよりなるキャリアガスと、該キャリアガスに分散した水蒸気と、を有する請求項１記載のアルカリ賦活の排ガスの処理方法。
   

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