活性炭およびその製法
【課題】有機質樹脂を原料として使用し、これと共に特定の薬剤を賦活剤として使用することにより、優れた生産性と安全性、操業安定性の下で比表面積が大きく高性能の活性炭を製造できる方法、および比表面積が大きく高性能の活性炭を提供する。
【解決手段】本発明の活性炭は、比表面積が４００〜２０００ｍ2／ｇであることを特徴とする。活性炭は、メソポア体積が０．１６ｍＬ／ｇ以上であることが好ましい。本発明はまた、本発明の活性炭の製法であって、有機質樹脂を、アルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、炭酸塩、有機酸塩よりなる群から選択されるアルカリ土類金属化合物の少なくとも１種と混合し、非酸化性雰囲気で加熱焼成する工程を含む活性炭の製法を提供する。
【解決手段】本発明の活性炭は、比表面積が４００〜２０００ｍ2／ｇであることを特徴とする。活性炭は、メソポア体積が０．１６ｍＬ／ｇ以上であることが好ましい。本発明はまた、本発明の活性炭の製法であって、有機質樹脂を、アルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、炭酸塩、有機酸塩よりなる群から選択されるアルカリ土類金属化合物の少なくとも１種と混合し、非酸化性雰囲気で加熱焼成する工程を含む活性炭の製法を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は活性炭と、その新規な製法に関し、より詳細には、比表面積が大きく脱臭材、吸着材、触媒担体などとして卓越した性能を有する活性炭の新規な製法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
活性炭の製法としては、木材パルプ、のこ屑、ヤシ殻、綿実殻、もみ殻などのセルロース質や粟、稗、とうもろこし等の澱粉質、リグニン、などの植物性原料；石炭やタール、石油ピッチなどの鉱物性原料；更にはフェノール樹脂やポリアクリロニトリルなどの合成樹脂などを原料とし、これを非酸化性雰囲気下で加熱して炭素化する方法が周知であり、また、またこれらの炭素化物を薬剤で処理して賦活化する方法もよく知られている。
【０００３】
該薬剤賦活に用いる代表的な薬剤としては、塩化亜鉛、燐酸、塩化カルシウム、硫化カリウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムなどが挙げられ、これらの薬剤をカーボンや炭素質材料と混合し、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気ガス中で５００〜７００℃で処理すれば、比表面積の大きい活性炭が得られることも確認されている（特許文献１など）。
【０００４】
また最近では、賦活用の薬剤として水酸化カリウムを使用し、これを有機質樹脂と混合して非酸化性雰囲気下で加熱すれば、３０００ｍ2／ｇにも達する高い比表面積の活性炭が得られることが確認され、注目を集めている（特許文献２）。
【０００５】
ところがこの方法には、有機質樹脂に対して４倍量以上の賦活剤を必要とすること、そのためカリウムの回収再利用が試みられているものの回収率が低いためコスト高につくこと、しかも賦活のための加熱工程でアルカリ金属が揮発して加熱炉を汚染乃至損傷し、且つ各種工業材料として使用する際にも浸食を起こす原因になること、更にはアルカリ金属化合物で処理した活性炭は可燃性が高く発火し易いこと、など等、工業的規模での実用化には多くの問題を残している。
【０００６】
この他、賦活剤として塩化亜鉛や塩化カルシウムなどの塩化物を使用する方法では、焼成時に発生する塩素や塩酸などの有害ガスが問題になることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−１１８５１０号公報
【特許文献２】特開平９−８６９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、有機質樹脂を原料として使用し、これと共に特定の薬剤を賦活剤として使用することにより、優れた生産性と安全性、操業安定性の下で比表面積が大きく高性能の活性炭を製造することのできる方法、および比表面積が大きく高性能の活性炭を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決することのできた本発明の活性炭は、比表面積が４００〜２０００ｍ2／ｇであることを特徴とする。本発明の活性炭は、メソポア体積が０．１６ｍＬ／ｇ以上であることが好ましい。
【００１０】
本発明はまた、本発明の活性炭の製法であって、有機質樹脂を、アルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、炭酸塩、有機酸塩よりなる群から選択されるアルカリ土類金属化合物の少なくとも１種と混合し、非酸化性雰囲気で加熱焼成する工程を含む活性炭の製法を提供する。
【００１１】
上記本発明を実施するに当たっては、有機質樹脂１００質量部に対し、上記アルカリ土類金属化合物の少なくとも１種を４０〜７００質量部混合し、非酸化性雰囲気で加熱焼成を行うのがよく、また加熱焼成のための好ましい温度は５００℃以上である。
【００１２】
上記方法で加熱焼成を行うと、多孔質の活性炭がアルカリ土類金属酸化物との混合状態で得ることができ、該混合物を酸性水溶液で処理すると、アルカリ土類金属酸化物が可溶性の塩として水に溶解するので、これを濾過・水洗してから乾燥すると活性炭を得ることができる。
【００１３】
また本発明によれば、使用するアルカリ土類金属化合物を有機質樹脂と混合し、焼成して炭素化した後に生成するアルカリ土類金属酸化物の結晶子サイズによって、得られる活性炭の細孔サイズを調整することができるし、用いる有機質樹脂の種類によって、得られる活性炭の細孔分布を調整することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の活性炭は、比表面積が大きく高性能なものとなる。また、本発明によれば、有機質樹脂を原料として使用し、賦活剤としてアルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、炭酸塩、有機酸塩よりなる群から選択されるアルカリ土類金属化合物の少なくとも１種を使用することにより、優れた生産性と操業安定性、安全性の下で比表面積の大きい高性能の活性炭を効率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例９で得た活性炭のミクロポア分布を示す図である。
【図２】実施例９で得た活性炭のメソポア分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明者らは前述した様な従来技術の下で、特に各種ポリマーや熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などを包含する有機質樹脂を原料として使用し、これを非酸化性雰囲気下で加熱することにより炭素化して活性炭を製造する方法の改善を企画し、特に賦活剤として用いる無機化合物を選択することによって、上記従来技術で指摘した様な問題を生じることなく、比表面積の大きい高性能の活性炭を製造することのできる技術を開発すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、有機質樹脂を特定のマグネシウム化合物と混合し、非酸化性雰囲気で加熱焼成する方法を採用すれば、多孔質で極めて比表面積の大きな活性炭が効率よく得られることをつきとめた。
【００１７】
すなわち本発明では、上記の様に有機質樹脂を原料と使用し、これを特定のアルカリ土類金属化合物と混合してから非酸化性雰囲気中で加熱し熱分解させる。
【００１８】
原料として用いる有機質樹脂としては、各種の有機ポリマー、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂を使用することができ、具体的には、ポリビニルアルコール、脂肪族系もしくは芳香族系のポリエステル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、ポリブタジエンやポリイソプレン等を主体とするエラストマーなどの各種合成樹脂やポリマー、更には天然ゴムや石油樹脂などの熱可塑性樹脂乃至ポリマー、或いはフェノール系樹脂、フラン系樹脂、エポキシ系樹脂、アルキド系樹脂などの熱硬化性樹脂などが使用される。これらの中でも特に好ましいのは、ポリマーもしくは樹脂が実質的に炭素、水素、酸素のみからなるポリビニルアルコールやポリエステル系樹脂、スチレン系樹脂、石油樹脂などである。
【００１９】
これらの有機質樹脂は、粉末状、ペレット状、塊状など任意の形状のものを使用することができ、場合によっては有機溶剤に溶解乃至分散させた溶液もしくは分散液として使用することも可能である。
【００２０】
これらの有機質樹脂に対し、賦活剤として使用されるアルカリ土類金属化合物は、加熱焼成工程で熱処理炉を劣化させたり汚染性ガスを発生したりすることなく、且つ炭化物の多孔質化を増進し得るものとして、アルカリ土類金属の酸化物が選択される。また、熱分解により酸化物となるアルカリ土類金属の水酸化物、炭酸塩、更には酢酸塩、シュウ酸塩、クエン酸塩、アクリル酸塩、メタクリル酸塩などの有機酸塩も同様に使用することができ、必要によってはこれらの２種以上を任意の組合せで併用してもよい。
【００２１】
但し、硫酸塩、硝酸塩、塩化物などのアルカリ土類金属塩は除外される。その理由は、硫酸塩、硝酸塩、塩化物などは、加熱焼成時に発生する亜硫酸ガスや硝酸ガス、塩化水素ガスなどが熱処理炉や関連設備を劣化させる原因になる恐れがあるばかりでなく、その理由は明確でないが、熱分解時にマグネシウムなどのアルカリ土類金属メタルが生成し、活性炭を本発明で意図するレベルまで多孔質化できないからである。
【００２２】
なお、アルカリ土類金属としてはマグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどが挙げられるが、これらの中でも好ましいのはマグネシウムとカルシウムであり、とりわけマグネシウムが最適である。
【００２３】
アルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、炭酸塩、有機酸塩の形態は特に制限されず、粉末状、ペレット状、顆粒状、ペースト状など、任意の形態で使用できるが、特に好ましいのは、前記有機質樹脂と均一混合し易く炭化物の多孔質化に最も有効な粉末状もしくは顆粒状のものである。
【００２４】
有機質樹脂に対する上記アルカリ土類金属化合物の配合比率は特に制限されないが、得られる活性炭の多孔質化を増進する上で特に好ましいのは、前者１００質量部に対し後者４０〜７００質量部の範囲である。ちなみに、アルカリ土類金属化合物の配合比率が４０質量部未満では、活性炭に対する多孔質化増進効果が不足気味となって、本発明で意図するレベルの比表面積の活性炭が得られ難くなる。一方、活性炭の多孔質化作用の観点からすると、アルカリ土類金属化合物の配合比率に上限は存在しないが、その作用は７００質量部でほぼ飽和し、それ以上配合してもそれ以上に比表面積は増大せず、アルカリ土類金属化合物の使用量がいたずらに増大するだけでなく、炭化処理後のアルカリ土類金属化合物の除去作業性も低下するので好ましくない。アルカリ土類金属化合物の配合量のより好ましい下限値は１００質量部で、より好ましい上限は３００質量部である。
【００２５】
上記有機質樹脂とアルカリ土類金属化合物の配合形態にも格別の制限はなく、最も一般的な粉末や顆粒状物などの固形物同士の均一混合の他、例えば有機質樹脂を加熱溶融しこれに前記アルカリ土類金属化合物を均一分散させてから球状、ペレット状、塊状など任意の形状に二次成形したもの、更には有機溶剤や水などに溶解した有機質樹脂とアルカリ土類金属化合物の混合溶液やスラリーやその乾燥物など、任意の形態で使用することができる。
【００２６】
原料配合物の炭化は、非酸化性雰囲気下で加熱することによって行なう。具体的には、上記原料配合物を電気炉など任意の加熱装置へ装入し、内部を非酸化性ガスで置換した後、該装置内へ非酸化性ガスを吹き込みながら加熱する。そうすると、原料配合物中の有機質樹脂は非酸化性雰囲気下での加熱によって熱分解し、熱分解ガスを放出しつつ炭化していく。熱分解ガスは、吹き込みガスと共に逐次加熱炉外へ放出され、加熱炉内に炭化物と共にアルカリ土類金属酸化物が残る。
【００２７】
炭化のための加熱条件は特に制限されないが、通常は０．１〜０．５℃／秒程度の速度で昇温し、５００℃以上、より好ましくは７００℃以上で１〜２時間程度加熱することによって行なう。加熱温度の上限は特に存在しないが、一般的には１５００℃程度以下、より一般的には１２００℃程度以下である。この加熱工程で、加熱装置内には連続的に非酸化性ガスを導入し、生成する熱分解ガスを逐次系外へ放出させることによって炭化を進める。この熱分解−炭化工程で、その理由は明らかにされていないが、共存するアルカリ土類金属化合物の作用で生成する炭化物の多孔質化が著しく増進され、通常の活性炭に較べて著しく比表面積の大きな活性炭が得られる。
【００２８】
非酸化性ガスの種類は、有機質樹脂の燃焼（酸化）を抑え乾留状態で炭化を進めるため、酸化性ガスを含まない限り格別の制限はないが、一般的なのはアルゴンやヘリウム等の不活性ガス、或いは窒素ガスである。場合によっては水素ガスなどの還元性ガスを適量含有させることも可能である。また必要によっては、賦活化のため水蒸気などの酸化性ガスを微量含有させることもある。しかし酸化性ガスは炭化物を燃焼させて収率を低下させる原因になるので、使用するにしても温度２００〜３００℃程度でごく短時間の処理に止めるべきである。
【００２９】
この間、アルカリ土類金属化合物のうち酸化物は熱的に極めて安定であり、また水酸化物や炭酸塩、有機酸塩は、加熱処理の初期段階で熱分解して安定な酸化物に変わるので、その後の熱処理工程で加熱炉の内張り耐火物を劣化させたり環境汚染の原因となる有害ガスを生じたりすることもなく、安全に炭化反応を進めることができる。
【００３０】
炭素化を終えた後は、加熱装置を室温まで降温してから炭化物を取り出すが、生成物中には炭化物と共にアルカリ土類金属の酸化物が含まれており、顕微鏡観察の結果では、該酸化物粒子の表面に比表面積の大きなカーボン（炭素）が被覆された状態で生成していることが確認された。こうした存在形態から推察するに、該炭化工程では、酸化物粉末の表面で有機質樹脂の炭素化が進行し、該炭素化工程で酸化物が何らかの作用を及ぼし生成炭の多孔質化を増進しているものと思われる。
【００３１】
かくして得られる活性炭は、上記の様にアルカリ土類金属酸化物との共存状態で生成するが、該生成物を例えば硫酸や塩酸などの鉱酸、或いは酢酸やシュウ酸などの有機酸の水溶液で処理すると、アルカリ土類金属酸化物は硫酸塩、塩酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩などとなって水溶液中に溶け出すので、これを濾過・水洗してから乾燥すると、実質的に１００％純度の活性炭を得ることができる（直接回収）。
【００３２】
また本発明を実施する際には、使用するアルカリ土類金属化合物や有機質樹脂の種類や混合方法、混合比率などによって、得られる活性炭の細孔径や細孔分布を調整することができる。
【００３３】
即ち、後記実施例でも明らかにする如く、例えばＭｇ化合物を使用した場合、有機質樹脂と混合して焼成し炭素化した後に生成する酸化マグネシウムの結晶子サイズによって、活性炭の細孔サイズはほぼ決まる。その理由は、生成した酸化マグネシウムの結晶子は酸によって溶出するため、酸化マグネシウムの結晶子の大きさに対応した細孔が生成するためである。
【００３４】
即ち、有機質樹脂が炭素化する際にアルカリ土類金属化合物が存在すると、生成する炭素化物中にアルカリ土類金属酸化物が生成するが、生成したアルカリ土類金属酸化物はその後に酸で溶出されるため、生成したアルカリ土類金属酸化物の大きさ（結晶子の大きさ）に対応した細孔が炭素化物中に生成するのである。尚、アルカリ土類金属酸化物の大きさは、アルカリ土類金属化合物の種類や混合方法、有機質樹脂との混合比率などによって調整すればよい。
【００３５】
また、得られる活性炭の細孔分布については、使用する有機質樹脂の種類に大きく影響され、例えば有機質樹脂としてポリビニルアルコールを使用した場合は、０．８ｎｍ前後の微細なミクロポアの多い活性炭が得られ、一方、有機質樹脂としてポリエチレンテレフタレートやヒドロキシプロピレングリコールを使用した場合は、２０〜３０ｎｍ程度の比較的サイズの大きいメソポアの多い活性炭が得られる。
【００３６】
なお本発明によって得られる活性炭は、後述する如く従来の活性炭と同様に吸着剤や脱臭剤、触媒担体、リチウム電池、燃料電池などの電極やキャパシタ材料などとして使用されるが、これらの用途では、共存する酸化物は不活性物質として存在するだけであるから、用途によっては該酸化物を溶出除去せずに混合状態のままで使用することも可能である。即ち、活性炭としての比表面積自体は、酸化物を溶出除去するか否かによっては殆ど変わらず、酸化物は不活性成分として混在するだけであるから、用途によっては該酸化物を分離除去しないで使用できる。しかし、酸化物の共存によって単位質量当りの吸着量が小さくなり、１００％活性炭に較べると当然に低下してくるので、酸化物を分離除去してから使用することが望ましいことは当然である。
【００３７】
なお活性炭と分離除去したアルカリ土類金属化合物、たとえば水溶性の硫酸塩や塩化物は、該水溶液をアルカリで中和することによりアルカリ土類金属の不溶性水酸化物や炭酸塩として回収し、再利用することができるので、アルカリ土類金属化合物が無駄に消費されることはない。また、有機酸を使用した場合はアルカリ土類金属の有機酸塩として回収することができ、これは炭素の賦活剤として再利用できる。
【００３８】
かくして得られる活性炭は、加熱焼成時のアルカリ土類金属化合物の配合比率にもよるが、比表面積が４００〜２０００ｍ2／ｇ程度の高い値を有する高活性のものとなる。従って該活性炭は、吸着剤、脱臭剤、触媒担体などをはじめとして、従来の活性炭と同様の用途、具体的には廃水処理や空気清浄化用の吸着剤、有機合成用の触媒担体、更にはリチウム電池や燃料電池をはじめとする各種電池用の電極材、キャパシタ用電極材などとして幅広く有効に活用できる。
【００３９】
しかも、例えば賦活剤として塩化物やアルカリ金属などを用いて得た従来の活性炭に較べると、有害な塩化物やアルカリ金属が混入する恐れがないので、それらの揮発なども全く懸念することなく安全に使用できる。
【００４０】
また塩化物やアルカリ金属塩などを使用する従来の製法では、前述した如く塩素系ガスやアルカリ金属の揮発などで加熱処理炉や付帯設備を劣化させる恐れもあるが、本発明では熱的に極めて安定なアルカリ土類金属酸化物を使用するため、その様な問題を生じることもない。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に包含される。
【００４２】
実施例１
有機質樹脂としてＰＶＡ粉末（東京化成工業社製の試薬、ポリビニルアルコール、平均重合度２０００）、賦活剤としてＭｇＯ粉末（関東化学社製の試薬）を使用し、これらを下記表１に示す比率で均一に混合した後、これをアルミナ製の焼成ボートに入れて電気炉へ装入する。次いで炉内をアルゴンガスで置換し、更にアルゴンガスを５０〜１００ｍＬ／ｍｉｎの速度で吹き込みながら１０℃／ｍｉｎの速度で９００℃まで昇温し、同温度で１時間加熱を続ける。この加熱処理によりＰＶＣ粉末は熱分解して炭化し、粉末状の酸化マグネシウムと炭化物の混合粉末が得られる。
【００４３】
熱分解終了後、降温してから該混合粉末を取り出し顕微鏡観察すると、酸化マグネシウム粉末の表面が多孔質の炭素で被覆された状態で付着していることが確認された。
【００４４】
この混合粉末を、該粉末に対し質量比で１０〜１００倍量の１モル硫酸水溶液に投入して室温で撹拌し、酸化マグネシウムをマグネシウム硫酸塩として溶出させてから濾過し、更に十分に水洗してから乾燥すると、活性炭粉末が得られる。この方法で得られた活性炭粉末の質量と、熱分解処理で得た上記混合粉末の質量から、該混合粉末中の活性炭の含有量を計算し、結果を表１に示した。
【００４５】
また、得られた活性炭粉末のＢＥＴ比表面積を、ユアサアイオニクス社製の比表面積測定装置、商品名「ＡＵＴＯＳＯＲＢ」を用いて測定し、結果を表１に併記した。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１からも明らかな様に、ＰＶＡとＭｇＯの配合比率によって得られる活性炭の比表面積は若干変わってくるが、いずれの場合も８００ｍ2／ｇレベル以上の比表面積の活性炭が得られている。なお上記実験で原料粉末として用いた酸化マグネシウムは熱的に安定であるため、熱分解工程で腐食性ガス等を生じることがなく、熱分解で発生するガスは実質的と水蒸気と炭酸ガスまたは一酸化炭素だけであるため、電気炉の内張り耐火物や坩堝の劣化は殆ど見られなかった。
【００４８】
実施例２
賦活剤として水酸化マグネシウム（関東化学社製の試薬）を、ＰＶＡに対し質量比で１／１の比率で使用した以外は前記実施例１と同様にして活性炭粉末を得た。得られた活性炭粉末の比表面積は６５０ｍ2／ｇであった。
【００４９】
実施例３
賦活剤として酢酸マグネシウム四水和物（キシダ化学社製の試薬）を、無水物換算でＰＶＡに対し質量比で１／４，１／１および７／３の比率で使用した以外は前記実施例１と同様にして活性炭粉末を得た。得られた活性炭粉末の比表面積は４９５ｍ2／ｇ，１０８５ｍ2／ｇおよび１７４９ｍ2／ｇであった。
【００５０】
実施例４
賦活剤として塩基性炭酸マグネシウム（和光純薬社製の試薬）を、ＰＶＡに対し質量比で１／１の比率で使用した以外は前記実施例１と同様にして活性炭粉末を得た。得られた活性炭粉末の比表面積は１３００ｍ2／ｇであった。
【００５１】
実施例５
賦活剤として酢酸マグネシウム４水和物（キシダ化学社製の試薬）を使用し、炭素源としてヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ）粉末（東京化成工業社製）を水に質量比で３／１、５／１または７／１で溶解、乾燥して得られた混合粉末を使用した以外は前記実施例１と同様にして活性炭粉末を得た。得られた活性炭粉末の比表面積は、夫々１４７０ｍ2／ｇ、１３３０ｍ2／ｇまたは１１６０ｍ2／ｇであった。
【００５２】
実施例６
有機質樹脂としてＰＥＴ粉末（ユニチカ社製、商品名「ＳＡ２１０６」）、賦活剤として関東化学社製のＭｇＯ粉末を使用し、これらを質量比で１／１の比率で使用すると共に、加熱条件を、昇温速度１０℃／ｍｉｎ、９００℃、１時間とした以外は前記実施例１と同様にして活性炭粉末を得た。得られた活性炭粉末の比表面積は７５０ｍ2／ｇであった。
【００５３】
実施例７
有機質樹脂としてＰＶＡ粉末（同前）、賦活剤として和光純薬社製のＣａＯ粉末を使用し、これらを質量比で１／１の比率で使用すると共に、加熱条件を、昇温速度１０℃／ｍｉｎ、９００℃、１時間とした以外は前記実施例１と同様にして活性炭粉末を得た。得られた活性炭粉末の比表面積は４７５ｍ2／ｇであった。
【００５４】
比較例１〜３
上記実施例１において、マグネシウム化合物を使用せず、若しくは、酸化マグネシウムに代えて塩化ナトリウムを使用し、ＰＶＡとの配合比率を１：１、昇温速度および加熱条件を５℃／ｍｉｎ、７００℃（または９００℃）１時間とした以外は前記実施例１と同様の条件で炭化処理を行い、炭化終了後、塩化ナトリウムを水洗除去し乾燥することによって粉末状の活性炭を得た。得られた活性炭の比表面積を、実験条件と共に表２に一括して示す。
【００５５】
【表２】
【００５６】
表２からも明らかな様に、ＰＶＡ単独使用で賦活剤を全く使用しなかった場合は、１００ｍ2／ｇレベル未満の活性炭しか得られず、また塩化ナトリウムを使用した場合は、得られる活性炭の比表面積は更に低くて２０ｍ2／ｇ未満の値しか得られていない。
【００５７】
実施例８
アルカリ土類金属化合物として、ＭｇＯ粉末（関東化学社製の試薬）、水酸化マグネシウム（関東化学社製の試薬）、酢酸マグネシウム四水和物（キシダ化学社製の試薬）、有機質樹脂としてＰＶＡ粉末（東京化成工業社製の試薬、平均重合度２０００）を使用し、下記の方法で活性炭の製造を行い、得られた炭素コートＭｇＯの結晶子サイズと活性炭の平均細孔径を調べた。なお、ＭｇＯの結晶子サイズは、粉末ＸＲＤ回折装置（リガク社製の商品名「ＲＩＮＴ２５００」；ＣｕＫα ４０ｋＶ−１００ｍＡ）を用いた回折線の半値幅からシェラー（ｓｃｈｅｒｒｅｒ）の式によって算出し、活性炭の平均細孔径は、窒素ガスによる７７Ｋでの吸着等温線からＢＪＨ法（Barrett-Joyner-Halenda法）によって算出した。
【００５８】
１）上記ＭｇＯ粉末とＰＶＡ粉末を７０／３０（質量比）の比率で混合し、アルゴンガス雰囲気中９００℃で１時間焼成し、得られた炭素コートＭｇＯの粉末ＸＲＤパターンを測定することによってＭｇＯの結晶子サイズを求め、また、１モルの硫酸水溶液でＭｇＯを溶出し、水洗・乾燥して得られた活性炭を用いて、窒素ガスの７７Ｋでの吸着等温線からＢＪＨ法により活性炭の平均メソポアサイズを求めた。
【００５９】
２）上記１）におけるＭｇＯ粉末に代えてＭｇ（ＯＨ）2粉末を使用した以外は同様にして、ＭｇＯの結晶子サイズと活性炭の平均メソポアサイズを求めた。
【００６０】
３）上記１）におけるＭｇＯ粉末に代えて酢酸マグネシウム粉末を使用し、ＰＶＡ粉末との混合比率を５０／５０とした以外は同様にして、ＭｇＯの結晶子サイズと活性炭の平均メソポアサイズを求めた。
【００６１】
４）酢酸マグネシウムとＰＶＡを５０／５０（質量比）の比率で精製水に溶解した後、蒸発乾固してから粉砕する。この粉末を使用し、以下は上記１）と同様にして実験を行った。
【００６２】
結果を表３に示す。
【００６３】
【表３】
【００６４】
表３からも明らかな様に、この実験で得た活性炭の平均メソポアサイズは、用いたＭｇ化合物由来のＭｇＯ結晶サイズの平均径にほぼ対応していることが分かる。
【００６５】
実施例９
有機質樹脂としてＰＶＡ粉末（同前、平均分子量２０００）、ＨＰＣ粉末（同前）またはＰＥＴ粉末（同前）を使用し、夫々をＭｇＯ粉末（同前）と質量比（５０／５０）で混合し、アルゴンガス雰囲気下に９００℃で１時間焼成した後、１モル濃度の硫酸で洗浄してＭｇＯを溶出し、十分に水洗してから乾燥して活性炭粉末を得た。得られた各活性炭のＢＥＴ比表面積を前記と同様の方法で測定すると共に、窒素ガスを用いた７７Ｋでの吸着等温線からＢＪＨ法（Barrett-Joyner-Halenda法）によってミクロポアとメソポアの分布を調べたところ、表４および図１，２に示す結果が得られた。
【００６６】
【表４】
【００６７】
表４および図１，２からも明らかな様に、有機質樹脂としてＰＶＡ粉末を用いた場合は、０．８ｎｍのミクロポアが多数存在し、メソポアの数は少ないことが分かる。これに対し、有機質樹脂としてＨＰＣ粉末を使用した場合、０．５５ｎｍ，１．１ｎｍのミクロポアが少量存在しているものの、その主体は１０〜５０ｎｍ（最大は２０ｎｍ）のメソポアであり、また、有機質樹脂としてＰＥＴ粉末を使用した場合は、０．８ｎｍ，１．１ｎｍのミクロポアが少量存在しているものの、その主体は１０〜５０ｎｍ（最大は２０ｎｍ）のメソポアであることが分かる。尚、これらミクロポアとメソポアの分率は、アルカリ土類金属化合物粉末の種類にはあまり影響を受けず、有機質樹脂の種類によってほぼ決まってくることが確認された。
【技術分野】
【０００１】
本発明は活性炭と、その新規な製法に関し、より詳細には、比表面積が大きく脱臭材、吸着材、触媒担体などとして卓越した性能を有する活性炭の新規な製法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
活性炭の製法としては、木材パルプ、のこ屑、ヤシ殻、綿実殻、もみ殻などのセルロース質や粟、稗、とうもろこし等の澱粉質、リグニン、などの植物性原料；石炭やタール、石油ピッチなどの鉱物性原料；更にはフェノール樹脂やポリアクリロニトリルなどの合成樹脂などを原料とし、これを非酸化性雰囲気下で加熱して炭素化する方法が周知であり、また、またこれらの炭素化物を薬剤で処理して賦活化する方法もよく知られている。
【０００３】
該薬剤賦活に用いる代表的な薬剤としては、塩化亜鉛、燐酸、塩化カルシウム、硫化カリウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムなどが挙げられ、これらの薬剤をカーボンや炭素質材料と混合し、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気ガス中で５００〜７００℃で処理すれば、比表面積の大きい活性炭が得られることも確認されている（特許文献１など）。
【０００４】
また最近では、賦活用の薬剤として水酸化カリウムを使用し、これを有機質樹脂と混合して非酸化性雰囲気下で加熱すれば、３０００ｍ2／ｇにも達する高い比表面積の活性炭が得られることが確認され、注目を集めている（特許文献２）。
【０００５】
ところがこの方法には、有機質樹脂に対して４倍量以上の賦活剤を必要とすること、そのためカリウムの回収再利用が試みられているものの回収率が低いためコスト高につくこと、しかも賦活のための加熱工程でアルカリ金属が揮発して加熱炉を汚染乃至損傷し、且つ各種工業材料として使用する際にも浸食を起こす原因になること、更にはアルカリ金属化合物で処理した活性炭は可燃性が高く発火し易いこと、など等、工業的規模での実用化には多くの問題を残している。
【０００６】
この他、賦活剤として塩化亜鉛や塩化カルシウムなどの塩化物を使用する方法では、焼成時に発生する塩素や塩酸などの有害ガスが問題になることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−１１８５１０号公報
【特許文献２】特開平９−８６９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、有機質樹脂を原料として使用し、これと共に特定の薬剤を賦活剤として使用することにより、優れた生産性と安全性、操業安定性の下で比表面積が大きく高性能の活性炭を製造することのできる方法、および比表面積が大きく高性能の活性炭を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決することのできた本発明の活性炭は、比表面積が４００〜２０００ｍ2／ｇであることを特徴とする。本発明の活性炭は、メソポア体積が０．１６ｍＬ／ｇ以上であることが好ましい。
【００１０】
本発明はまた、本発明の活性炭の製法であって、有機質樹脂を、アルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、炭酸塩、有機酸塩よりなる群から選択されるアルカリ土類金属化合物の少なくとも１種と混合し、非酸化性雰囲気で加熱焼成する工程を含む活性炭の製法を提供する。
【００１１】
上記本発明を実施するに当たっては、有機質樹脂１００質量部に対し、上記アルカリ土類金属化合物の少なくとも１種を４０〜７００質量部混合し、非酸化性雰囲気で加熱焼成を行うのがよく、また加熱焼成のための好ましい温度は５００℃以上である。
【００１２】
上記方法で加熱焼成を行うと、多孔質の活性炭がアルカリ土類金属酸化物との混合状態で得ることができ、該混合物を酸性水溶液で処理すると、アルカリ土類金属酸化物が可溶性の塩として水に溶解するので、これを濾過・水洗してから乾燥すると活性炭を得ることができる。
【００１３】
また本発明によれば、使用するアルカリ土類金属化合物を有機質樹脂と混合し、焼成して炭素化した後に生成するアルカリ土類金属酸化物の結晶子サイズによって、得られる活性炭の細孔サイズを調整することができるし、用いる有機質樹脂の種類によって、得られる活性炭の細孔分布を調整することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の活性炭は、比表面積が大きく高性能なものとなる。また、本発明によれば、有機質樹脂を原料として使用し、賦活剤としてアルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、炭酸塩、有機酸塩よりなる群から選択されるアルカリ土類金属化合物の少なくとも１種を使用することにより、優れた生産性と操業安定性、安全性の下で比表面積の大きい高性能の活性炭を効率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例９で得た活性炭のミクロポア分布を示す図である。
【図２】実施例９で得た活性炭のメソポア分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明者らは前述した様な従来技術の下で、特に各種ポリマーや熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などを包含する有機質樹脂を原料として使用し、これを非酸化性雰囲気下で加熱することにより炭素化して活性炭を製造する方法の改善を企画し、特に賦活剤として用いる無機化合物を選択することによって、上記従来技術で指摘した様な問題を生じることなく、比表面積の大きい高性能の活性炭を製造することのできる技術を開発すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、有機質樹脂を特定のマグネシウム化合物と混合し、非酸化性雰囲気で加熱焼成する方法を採用すれば、多孔質で極めて比表面積の大きな活性炭が効率よく得られることをつきとめた。
【００１７】
すなわち本発明では、上記の様に有機質樹脂を原料と使用し、これを特定のアルカリ土類金属化合物と混合してから非酸化性雰囲気中で加熱し熱分解させる。
【００１８】
原料として用いる有機質樹脂としては、各種の有機ポリマー、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂を使用することができ、具体的には、ポリビニルアルコール、脂肪族系もしくは芳香族系のポリエステル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、ポリブタジエンやポリイソプレン等を主体とするエラストマーなどの各種合成樹脂やポリマー、更には天然ゴムや石油樹脂などの熱可塑性樹脂乃至ポリマー、或いはフェノール系樹脂、フラン系樹脂、エポキシ系樹脂、アルキド系樹脂などの熱硬化性樹脂などが使用される。これらの中でも特に好ましいのは、ポリマーもしくは樹脂が実質的に炭素、水素、酸素のみからなるポリビニルアルコールやポリエステル系樹脂、スチレン系樹脂、石油樹脂などである。
【００１９】
これらの有機質樹脂は、粉末状、ペレット状、塊状など任意の形状のものを使用することができ、場合によっては有機溶剤に溶解乃至分散させた溶液もしくは分散液として使用することも可能である。
【００２０】
これらの有機質樹脂に対し、賦活剤として使用されるアルカリ土類金属化合物は、加熱焼成工程で熱処理炉を劣化させたり汚染性ガスを発生したりすることなく、且つ炭化物の多孔質化を増進し得るものとして、アルカリ土類金属の酸化物が選択される。また、熱分解により酸化物となるアルカリ土類金属の水酸化物、炭酸塩、更には酢酸塩、シュウ酸塩、クエン酸塩、アクリル酸塩、メタクリル酸塩などの有機酸塩も同様に使用することができ、必要によってはこれらの２種以上を任意の組合せで併用してもよい。
【００２１】
但し、硫酸塩、硝酸塩、塩化物などのアルカリ土類金属塩は除外される。その理由は、硫酸塩、硝酸塩、塩化物などは、加熱焼成時に発生する亜硫酸ガスや硝酸ガス、塩化水素ガスなどが熱処理炉や関連設備を劣化させる原因になる恐れがあるばかりでなく、その理由は明確でないが、熱分解時にマグネシウムなどのアルカリ土類金属メタルが生成し、活性炭を本発明で意図するレベルまで多孔質化できないからである。
【００２２】
なお、アルカリ土類金属としてはマグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどが挙げられるが、これらの中でも好ましいのはマグネシウムとカルシウムであり、とりわけマグネシウムが最適である。
【００２３】
アルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、炭酸塩、有機酸塩の形態は特に制限されず、粉末状、ペレット状、顆粒状、ペースト状など、任意の形態で使用できるが、特に好ましいのは、前記有機質樹脂と均一混合し易く炭化物の多孔質化に最も有効な粉末状もしくは顆粒状のものである。
【００２４】
有機質樹脂に対する上記アルカリ土類金属化合物の配合比率は特に制限されないが、得られる活性炭の多孔質化を増進する上で特に好ましいのは、前者１００質量部に対し後者４０〜７００質量部の範囲である。ちなみに、アルカリ土類金属化合物の配合比率が４０質量部未満では、活性炭に対する多孔質化増進効果が不足気味となって、本発明で意図するレベルの比表面積の活性炭が得られ難くなる。一方、活性炭の多孔質化作用の観点からすると、アルカリ土類金属化合物の配合比率に上限は存在しないが、その作用は７００質量部でほぼ飽和し、それ以上配合してもそれ以上に比表面積は増大せず、アルカリ土類金属化合物の使用量がいたずらに増大するだけでなく、炭化処理後のアルカリ土類金属化合物の除去作業性も低下するので好ましくない。アルカリ土類金属化合物の配合量のより好ましい下限値は１００質量部で、より好ましい上限は３００質量部である。
【００２５】
上記有機質樹脂とアルカリ土類金属化合物の配合形態にも格別の制限はなく、最も一般的な粉末や顆粒状物などの固形物同士の均一混合の他、例えば有機質樹脂を加熱溶融しこれに前記アルカリ土類金属化合物を均一分散させてから球状、ペレット状、塊状など任意の形状に二次成形したもの、更には有機溶剤や水などに溶解した有機質樹脂とアルカリ土類金属化合物の混合溶液やスラリーやその乾燥物など、任意の形態で使用することができる。
【００２６】
原料配合物の炭化は、非酸化性雰囲気下で加熱することによって行なう。具体的には、上記原料配合物を電気炉など任意の加熱装置へ装入し、内部を非酸化性ガスで置換した後、該装置内へ非酸化性ガスを吹き込みながら加熱する。そうすると、原料配合物中の有機質樹脂は非酸化性雰囲気下での加熱によって熱分解し、熱分解ガスを放出しつつ炭化していく。熱分解ガスは、吹き込みガスと共に逐次加熱炉外へ放出され、加熱炉内に炭化物と共にアルカリ土類金属酸化物が残る。
【００２７】
炭化のための加熱条件は特に制限されないが、通常は０．１〜０．５℃／秒程度の速度で昇温し、５００℃以上、より好ましくは７００℃以上で１〜２時間程度加熱することによって行なう。加熱温度の上限は特に存在しないが、一般的には１５００℃程度以下、より一般的には１２００℃程度以下である。この加熱工程で、加熱装置内には連続的に非酸化性ガスを導入し、生成する熱分解ガスを逐次系外へ放出させることによって炭化を進める。この熱分解−炭化工程で、その理由は明らかにされていないが、共存するアルカリ土類金属化合物の作用で生成する炭化物の多孔質化が著しく増進され、通常の活性炭に較べて著しく比表面積の大きな活性炭が得られる。
【００２８】
非酸化性ガスの種類は、有機質樹脂の燃焼（酸化）を抑え乾留状態で炭化を進めるため、酸化性ガスを含まない限り格別の制限はないが、一般的なのはアルゴンやヘリウム等の不活性ガス、或いは窒素ガスである。場合によっては水素ガスなどの還元性ガスを適量含有させることも可能である。また必要によっては、賦活化のため水蒸気などの酸化性ガスを微量含有させることもある。しかし酸化性ガスは炭化物を燃焼させて収率を低下させる原因になるので、使用するにしても温度２００〜３００℃程度でごく短時間の処理に止めるべきである。
【００２９】
この間、アルカリ土類金属化合物のうち酸化物は熱的に極めて安定であり、また水酸化物や炭酸塩、有機酸塩は、加熱処理の初期段階で熱分解して安定な酸化物に変わるので、その後の熱処理工程で加熱炉の内張り耐火物を劣化させたり環境汚染の原因となる有害ガスを生じたりすることもなく、安全に炭化反応を進めることができる。
【００３０】
炭素化を終えた後は、加熱装置を室温まで降温してから炭化物を取り出すが、生成物中には炭化物と共にアルカリ土類金属の酸化物が含まれており、顕微鏡観察の結果では、該酸化物粒子の表面に比表面積の大きなカーボン（炭素）が被覆された状態で生成していることが確認された。こうした存在形態から推察するに、該炭化工程では、酸化物粉末の表面で有機質樹脂の炭素化が進行し、該炭素化工程で酸化物が何らかの作用を及ぼし生成炭の多孔質化を増進しているものと思われる。
【００３１】
かくして得られる活性炭は、上記の様にアルカリ土類金属酸化物との共存状態で生成するが、該生成物を例えば硫酸や塩酸などの鉱酸、或いは酢酸やシュウ酸などの有機酸の水溶液で処理すると、アルカリ土類金属酸化物は硫酸塩、塩酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩などとなって水溶液中に溶け出すので、これを濾過・水洗してから乾燥すると、実質的に１００％純度の活性炭を得ることができる（直接回収）。
【００３２】
また本発明を実施する際には、使用するアルカリ土類金属化合物や有機質樹脂の種類や混合方法、混合比率などによって、得られる活性炭の細孔径や細孔分布を調整することができる。
【００３３】
即ち、後記実施例でも明らかにする如く、例えばＭｇ化合物を使用した場合、有機質樹脂と混合して焼成し炭素化した後に生成する酸化マグネシウムの結晶子サイズによって、活性炭の細孔サイズはほぼ決まる。その理由は、生成した酸化マグネシウムの結晶子は酸によって溶出するため、酸化マグネシウムの結晶子の大きさに対応した細孔が生成するためである。
【００３４】
即ち、有機質樹脂が炭素化する際にアルカリ土類金属化合物が存在すると、生成する炭素化物中にアルカリ土類金属酸化物が生成するが、生成したアルカリ土類金属酸化物はその後に酸で溶出されるため、生成したアルカリ土類金属酸化物の大きさ（結晶子の大きさ）に対応した細孔が炭素化物中に生成するのである。尚、アルカリ土類金属酸化物の大きさは、アルカリ土類金属化合物の種類や混合方法、有機質樹脂との混合比率などによって調整すればよい。
【００３５】
また、得られる活性炭の細孔分布については、使用する有機質樹脂の種類に大きく影響され、例えば有機質樹脂としてポリビニルアルコールを使用した場合は、０．８ｎｍ前後の微細なミクロポアの多い活性炭が得られ、一方、有機質樹脂としてポリエチレンテレフタレートやヒドロキシプロピレングリコールを使用した場合は、２０〜３０ｎｍ程度の比較的サイズの大きいメソポアの多い活性炭が得られる。
【００３６】
なお本発明によって得られる活性炭は、後述する如く従来の活性炭と同様に吸着剤や脱臭剤、触媒担体、リチウム電池、燃料電池などの電極やキャパシタ材料などとして使用されるが、これらの用途では、共存する酸化物は不活性物質として存在するだけであるから、用途によっては該酸化物を溶出除去せずに混合状態のままで使用することも可能である。即ち、活性炭としての比表面積自体は、酸化物を溶出除去するか否かによっては殆ど変わらず、酸化物は不活性成分として混在するだけであるから、用途によっては該酸化物を分離除去しないで使用できる。しかし、酸化物の共存によって単位質量当りの吸着量が小さくなり、１００％活性炭に較べると当然に低下してくるので、酸化物を分離除去してから使用することが望ましいことは当然である。
【００３７】
なお活性炭と分離除去したアルカリ土類金属化合物、たとえば水溶性の硫酸塩や塩化物は、該水溶液をアルカリで中和することによりアルカリ土類金属の不溶性水酸化物や炭酸塩として回収し、再利用することができるので、アルカリ土類金属化合物が無駄に消費されることはない。また、有機酸を使用した場合はアルカリ土類金属の有機酸塩として回収することができ、これは炭素の賦活剤として再利用できる。
【００３８】
かくして得られる活性炭は、加熱焼成時のアルカリ土類金属化合物の配合比率にもよるが、比表面積が４００〜２０００ｍ2／ｇ程度の高い値を有する高活性のものとなる。従って該活性炭は、吸着剤、脱臭剤、触媒担体などをはじめとして、従来の活性炭と同様の用途、具体的には廃水処理や空気清浄化用の吸着剤、有機合成用の触媒担体、更にはリチウム電池や燃料電池をはじめとする各種電池用の電極材、キャパシタ用電極材などとして幅広く有効に活用できる。
【００３９】
しかも、例えば賦活剤として塩化物やアルカリ金属などを用いて得た従来の活性炭に較べると、有害な塩化物やアルカリ金属が混入する恐れがないので、それらの揮発なども全く懸念することなく安全に使用できる。
【００４０】
また塩化物やアルカリ金属塩などを使用する従来の製法では、前述した如く塩素系ガスやアルカリ金属の揮発などで加熱処理炉や付帯設備を劣化させる恐れもあるが、本発明では熱的に極めて安定なアルカリ土類金属酸化物を使用するため、その様な問題を生じることもない。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に包含される。
【００４２】
実施例１
有機質樹脂としてＰＶＡ粉末（東京化成工業社製の試薬、ポリビニルアルコール、平均重合度２０００）、賦活剤としてＭｇＯ粉末（関東化学社製の試薬）を使用し、これらを下記表１に示す比率で均一に混合した後、これをアルミナ製の焼成ボートに入れて電気炉へ装入する。次いで炉内をアルゴンガスで置換し、更にアルゴンガスを５０〜１００ｍＬ／ｍｉｎの速度で吹き込みながら１０℃／ｍｉｎの速度で９００℃まで昇温し、同温度で１時間加熱を続ける。この加熱処理によりＰＶＣ粉末は熱分解して炭化し、粉末状の酸化マグネシウムと炭化物の混合粉末が得られる。
【００４３】
熱分解終了後、降温してから該混合粉末を取り出し顕微鏡観察すると、酸化マグネシウム粉末の表面が多孔質の炭素で被覆された状態で付着していることが確認された。
【００４４】
この混合粉末を、該粉末に対し質量比で１０〜１００倍量の１モル硫酸水溶液に投入して室温で撹拌し、酸化マグネシウムをマグネシウム硫酸塩として溶出させてから濾過し、更に十分に水洗してから乾燥すると、活性炭粉末が得られる。この方法で得られた活性炭粉末の質量と、熱分解処理で得た上記混合粉末の質量から、該混合粉末中の活性炭の含有量を計算し、結果を表１に示した。
【００４５】
また、得られた活性炭粉末のＢＥＴ比表面積を、ユアサアイオニクス社製の比表面積測定装置、商品名「ＡＵＴＯＳＯＲＢ」を用いて測定し、結果を表１に併記した。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１からも明らかな様に、ＰＶＡとＭｇＯの配合比率によって得られる活性炭の比表面積は若干変わってくるが、いずれの場合も８００ｍ2／ｇレベル以上の比表面積の活性炭が得られている。なお上記実験で原料粉末として用いた酸化マグネシウムは熱的に安定であるため、熱分解工程で腐食性ガス等を生じることがなく、熱分解で発生するガスは実質的と水蒸気と炭酸ガスまたは一酸化炭素だけであるため、電気炉の内張り耐火物や坩堝の劣化は殆ど見られなかった。
【００４８】
実施例２
賦活剤として水酸化マグネシウム（関東化学社製の試薬）を、ＰＶＡに対し質量比で１／１の比率で使用した以外は前記実施例１と同様にして活性炭粉末を得た。得られた活性炭粉末の比表面積は６５０ｍ2／ｇであった。
【００４９】
実施例３
賦活剤として酢酸マグネシウム四水和物（キシダ化学社製の試薬）を、無水物換算でＰＶＡに対し質量比で１／４，１／１および７／３の比率で使用した以外は前記実施例１と同様にして活性炭粉末を得た。得られた活性炭粉末の比表面積は４９５ｍ2／ｇ，１０８５ｍ2／ｇおよび１７４９ｍ2／ｇであった。
【００５０】
実施例４
賦活剤として塩基性炭酸マグネシウム（和光純薬社製の試薬）を、ＰＶＡに対し質量比で１／１の比率で使用した以外は前記実施例１と同様にして活性炭粉末を得た。得られた活性炭粉末の比表面積は１３００ｍ2／ｇであった。
【００５１】
実施例５
賦活剤として酢酸マグネシウム４水和物（キシダ化学社製の試薬）を使用し、炭素源としてヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ）粉末（東京化成工業社製）を水に質量比で３／１、５／１または７／１で溶解、乾燥して得られた混合粉末を使用した以外は前記実施例１と同様にして活性炭粉末を得た。得られた活性炭粉末の比表面積は、夫々１４７０ｍ2／ｇ、１３３０ｍ2／ｇまたは１１６０ｍ2／ｇであった。
【００５２】
実施例６
有機質樹脂としてＰＥＴ粉末（ユニチカ社製、商品名「ＳＡ２１０６」）、賦活剤として関東化学社製のＭｇＯ粉末を使用し、これらを質量比で１／１の比率で使用すると共に、加熱条件を、昇温速度１０℃／ｍｉｎ、９００℃、１時間とした以外は前記実施例１と同様にして活性炭粉末を得た。得られた活性炭粉末の比表面積は７５０ｍ2／ｇであった。
【００５３】
実施例７
有機質樹脂としてＰＶＡ粉末（同前）、賦活剤として和光純薬社製のＣａＯ粉末を使用し、これらを質量比で１／１の比率で使用すると共に、加熱条件を、昇温速度１０℃／ｍｉｎ、９００℃、１時間とした以外は前記実施例１と同様にして活性炭粉末を得た。得られた活性炭粉末の比表面積は４７５ｍ2／ｇであった。
【００５４】
比較例１〜３
上記実施例１において、マグネシウム化合物を使用せず、若しくは、酸化マグネシウムに代えて塩化ナトリウムを使用し、ＰＶＡとの配合比率を１：１、昇温速度および加熱条件を５℃／ｍｉｎ、７００℃（または９００℃）１時間とした以外は前記実施例１と同様の条件で炭化処理を行い、炭化終了後、塩化ナトリウムを水洗除去し乾燥することによって粉末状の活性炭を得た。得られた活性炭の比表面積を、実験条件と共に表２に一括して示す。
【００５５】
【表２】
【００５６】
表２からも明らかな様に、ＰＶＡ単独使用で賦活剤を全く使用しなかった場合は、１００ｍ2／ｇレベル未満の活性炭しか得られず、また塩化ナトリウムを使用した場合は、得られる活性炭の比表面積は更に低くて２０ｍ2／ｇ未満の値しか得られていない。
【００５７】
実施例８
アルカリ土類金属化合物として、ＭｇＯ粉末（関東化学社製の試薬）、水酸化マグネシウム（関東化学社製の試薬）、酢酸マグネシウム四水和物（キシダ化学社製の試薬）、有機質樹脂としてＰＶＡ粉末（東京化成工業社製の試薬、平均重合度２０００）を使用し、下記の方法で活性炭の製造を行い、得られた炭素コートＭｇＯの結晶子サイズと活性炭の平均細孔径を調べた。なお、ＭｇＯの結晶子サイズは、粉末ＸＲＤ回折装置（リガク社製の商品名「ＲＩＮＴ２５００」；ＣｕＫα ４０ｋＶ−１００ｍＡ）を用いた回折線の半値幅からシェラー（ｓｃｈｅｒｒｅｒ）の式によって算出し、活性炭の平均細孔径は、窒素ガスによる７７Ｋでの吸着等温線からＢＪＨ法（Barrett-Joyner-Halenda法）によって算出した。
【００５８】
１）上記ＭｇＯ粉末とＰＶＡ粉末を７０／３０（質量比）の比率で混合し、アルゴンガス雰囲気中９００℃で１時間焼成し、得られた炭素コートＭｇＯの粉末ＸＲＤパターンを測定することによってＭｇＯの結晶子サイズを求め、また、１モルの硫酸水溶液でＭｇＯを溶出し、水洗・乾燥して得られた活性炭を用いて、窒素ガスの７７Ｋでの吸着等温線からＢＪＨ法により活性炭の平均メソポアサイズを求めた。
【００５９】
２）上記１）におけるＭｇＯ粉末に代えてＭｇ（ＯＨ）2粉末を使用した以外は同様にして、ＭｇＯの結晶子サイズと活性炭の平均メソポアサイズを求めた。
【００６０】
３）上記１）におけるＭｇＯ粉末に代えて酢酸マグネシウム粉末を使用し、ＰＶＡ粉末との混合比率を５０／５０とした以外は同様にして、ＭｇＯの結晶子サイズと活性炭の平均メソポアサイズを求めた。
【００６１】
４）酢酸マグネシウムとＰＶＡを５０／５０（質量比）の比率で精製水に溶解した後、蒸発乾固してから粉砕する。この粉末を使用し、以下は上記１）と同様にして実験を行った。
【００６２】
結果を表３に示す。
【００６３】
【表３】
【００６４】
表３からも明らかな様に、この実験で得た活性炭の平均メソポアサイズは、用いたＭｇ化合物由来のＭｇＯ結晶サイズの平均径にほぼ対応していることが分かる。
【００６５】
実施例９
有機質樹脂としてＰＶＡ粉末（同前、平均分子量２０００）、ＨＰＣ粉末（同前）またはＰＥＴ粉末（同前）を使用し、夫々をＭｇＯ粉末（同前）と質量比（５０／５０）で混合し、アルゴンガス雰囲気下に９００℃で１時間焼成した後、１モル濃度の硫酸で洗浄してＭｇＯを溶出し、十分に水洗してから乾燥して活性炭粉末を得た。得られた各活性炭のＢＥＴ比表面積を前記と同様の方法で測定すると共に、窒素ガスを用いた７７Ｋでの吸着等温線からＢＪＨ法（Barrett-Joyner-Halenda法）によってミクロポアとメソポアの分布を調べたところ、表４および図１，２に示す結果が得られた。
【００６６】
【表４】
【００６７】
表４および図１，２からも明らかな様に、有機質樹脂としてＰＶＡ粉末を用いた場合は、０．８ｎｍのミクロポアが多数存在し、メソポアの数は少ないことが分かる。これに対し、有機質樹脂としてＨＰＣ粉末を使用した場合、０．５５ｎｍ，１．１ｎｍのミクロポアが少量存在しているものの、その主体は１０〜５０ｎｍ（最大は２０ｎｍ）のメソポアであり、また、有機質樹脂としてＰＥＴ粉末を使用した場合は、０．８ｎｍ，１．１ｎｍのミクロポアが少量存在しているものの、その主体は１０〜５０ｎｍ（最大は２０ｎｍ）のメソポアであることが分かる。尚、これらミクロポアとメソポアの分率は、アルカリ土類金属化合物粉末の種類にはあまり影響を受けず、有機質樹脂の種類によってほぼ決まってくることが確認された。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
比表面積が４００〜２０００ｍ2／ｇであることを特徴とする活性炭。
【請求項２】
メソポア体積が０．１６ｍＬ／ｇ以上である請求項１に記載の活性炭。
【請求項３】
請求項１または２に記載の活性炭の製法であって、
有機質樹脂を、アルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、炭酸塩、有機酸塩よりなる群から選択されるアルカリ土類金属化合物の少なくとも１種と混合し、非酸化性雰囲気で加熱焼成する工程を有することを特徴とする活性炭の製法。
【請求項４】
前記加熱焼成の後、酸処理によってアルカリ土類金属酸化物を除去する請求項３に記載の活性炭の製法。
【請求項５】
前記有機質樹脂として、炭素、水素、酸素のみからなるポリマーまたは樹脂を用いる請求項３または４に記載の活性炭の製法。
【請求項１】
比表面積が４００〜２０００ｍ2／ｇであることを特徴とする活性炭。
【請求項２】
メソポア体積が０．１６ｍＬ／ｇ以上である請求項１に記載の活性炭。
【請求項３】
請求項１または２に記載の活性炭の製法であって、
有機質樹脂を、アルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、炭酸塩、有機酸塩よりなる群から選択されるアルカリ土類金属化合物の少なくとも１種と混合し、非酸化性雰囲気で加熱焼成する工程を有することを特徴とする活性炭の製法。
【請求項４】
前記加熱焼成の後、酸処理によってアルカリ土類金属酸化物を除去する請求項３に記載の活性炭の製法。
【請求項５】
前記有機質樹脂として、炭素、水素、酸素のみからなるポリマーまたは樹脂を用いる請求項３または４に記載の活性炭の製法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−８２１３４（Ｐ２０１２−８２１３４Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７７６７８（Ｐ２０１１−２７７６７８）
【出願日】平成２３年１２月１９日（２０１１．１２．１９）
【分割の表示】特願２００５−２１７７７１（Ｐ２００５−２１７７７１）の分割
【原出願日】平成１７年７月２７日（２００５．７．２７）
【出願人】（０００２２２８４２）東洋炭素株式会社 (198)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月１９日（２０１１．１２．１９）
【分割の表示】特願２００５−２１７７７１（Ｐ２００５−２１７７７１）の分割
【原出願日】平成１７年７月２７日（２００５．７．２７）
【出願人】（０００２２２８４２）東洋炭素株式会社 (198)
【Ｆターム（参考）】
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