(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロースを出発材料としてカーボンを生成させるカーボンの製造方法であって、
密閉性反応容器に、セルロース及び電気分解法で製造した酸性電解水を入れる工程と、
前記酸性電解水を撹拌しながら所定温度まで加熱する加熱工程と、
所定温度に達したらその温度で撹拌しながら飽和蒸気圧下で所定時間保持する保持工程と、
室温まで冷却する冷却工程と、からなり、
前記酸性電解水の酸性度は、ｐＨ２．３〜ｐＨ２．７であり、
前記所定温度は、２３０℃〜２５０℃であることを特徴とするカーボンの製造方法。
【請求項２】
前記出発材料は、セルロースを主成分とする脱脂綿、ガーゼ又は濾紙であることを特徴とする請求項１記載のカーボンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロースを出発材料としてカーボンを生成させるカーボンの製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンは燃料、電極、繊維、吸着剤、添加剤として広く使用されている。カーボンは、多くが石油や石炭から製造される。しかし、石油や石炭は、いわゆる化石燃料であって、枯渇が懸念される。
一方、樹木や草に含まれるセルロース（Ｃ６Ｈ１０Ｏ５）ｎは、地球上に最も多く存在する炭水化物である。炭水化物であるから、水（Ｈ２Ｏ）成分を除くことで炭素（Ｃ）、すなわちカーボンが得られる。
そこで、セルロースを出発材料としてカーボンを生成させる研究が進められてきた（例えば、特許文献１（図１）参照。）。
【０００３】
特許文献１の図１に示されるように、特許文献１の設備は、乾燥炉（３０）（括弧付き数字は、特許文献１に記載された符号を示す。以下同様）と、炭化炉（４０）と、高温水蒸気発生装置（６０）と、脱臭炉（７０）とを主要とする。
原料としての木材チップは、乾燥炉（３０）で乾燥され、次に、炭化炉（４０）で高温処理され、炭化炉（４０）から活性炭の形態で排出される。
【０００４】
この際に、ＬＰＧ（液化プロパンガス）を熱源とする高温水蒸気発生装置（６０）で、７５０℃〜９５０℃の過熱蒸気を発生させ、この過熱蒸気を炭化炉（４０）へ供給し、高温処理を行う。炭化炉（４０）で使い終わった高温蒸気を乾燥炉（３０）に供給し、乾燥に供する。
この乾燥の際に発生する空気は臭気を伴っている。そこで、乾燥後の空気を脱臭炉（７０）で焼却することにより、無臭化する。この焼却には灯油が用いられる。
【０００５】
７５０℃〜９５０℃の過熱蒸気を発生させるために、大量の液化プロパンガスが消費され、脱臭焼却するために大量の灯油が消費される。
すなわち、特許文献１の技術では、大量の化石燃料が必要である。
しかし、化石燃料の枯渇が懸念される現在において、より少ない熱エネルギーでカーボンが得られる製造技術が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２０１６５１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、より少ない熱エネルギーでカーボンが得られる製造技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、セルロースを出発材料としてカーボンを生成させるカーボンの製造方法であって、
密閉性反応容器に、セルロース及び電気分解法で製造した酸性電解水を入れる工程と、
前記酸性電解水を撹拌しながら所定温度まで加熱する加熱工程と、
所定温度に達したらその温度で撹拌しながら飽和蒸気圧下で所定時間保持する保持工程と、
室温まで冷却する冷却工程と、からなり、
前記酸性電解水の酸性度は、ｐＨ２．３〜ｐＨ２．７であり、
前記所定温度は、２３０℃〜２５０℃であることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明では、出発材料は、セルロースを主成分とする脱脂綿、ガーゼ又は濾紙であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明では、酸性電解水を用いてカーボンを製造する。
従来は、ガスによる乾留（蒸し焼き）によりカーボンを製造していたため、ガスに起因する脱臭処理が不可欠であり、また、乾留温度に達するように多量の熱エネルギーを加える必要があった。
この点、本発明では、酸性電解水によりカーボンを製造するため、脱臭処理は容易であり、多量の熱エネルギーを加える必要もない。
【００１２】
加えて、請求項１に係る発明では、加熱温度は２３０℃〜２５０℃である。従来の加熱温度（７５０〜９５０℃）の１／３程度の熱エネルギーでカーボンが得られる。
【００１３】
請求項２に係る発明では、出発材料は、セルロースを主成分とする脱脂綿、ガーゼ又は濾紙である。脱脂綿、ガーゼ、濾紙は市販され、入手容易で、安価なため、カーボンの製造コストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明で用いる酸性電解水生成装置の原理図である。
【図２】カーボンの製造装置の基本構造を説明する図である。
【図３】カーボンの製造フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
【実施例】
【００１６】
先ず、重要な物質である酸性電解水の製造原理を説明する。
図１に示されるように、酸性電解水生成装置１０は、電解槽１１と、この電解槽１１を左右に区分する陰イオン交換膜１２と、右のチャンバー１３に電解質水溶液を循環させる水溶液循環機構１４と、左のチャンバー１５へ水道水を供給する給水管１６と、左のチャンバー１５から酸性電解水を取り出す電解水取出し管１７と、右のチャンバー１３に収納されている陰極電極１８と、左のチャンバー１５に収納されている陽極電極１９と、これらの電極１８、１９に所定の電圧を印加する電源２１とからなる。
【００１７】
右のチャンバー１３には塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）水溶液を満たし、水溶液循環機構１４で循環させる。
左のチャンバー１５には水道水（Ｈ２Ｏ＋Ｃｌ−）を満たす。そして、電源２１で電極１８、１９に所定の電圧を印加する。
【００１８】
すると、右のチャンバー１３では、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）が分解され、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）と塩素イオン（Ｃｌ−）とが生成される。
陰イオン交換膜１２は、陰イオンのみを通過させるため、塩素イオン（Ｃｌ−）が左のチャンバー１５へ移動する。
【００１９】
左のチャンバー１５では、水道水に含まれる塩素イオン（Ｃｌ−）に右のチャンバー１３からの塩素イオン（Ｃｌ−）が加わり、塩素イオン（Ｃｌ−）の濃度が増し、水道水に含まれる水（Ｈ２Ｏ）の存在下で次の反応が進行する。
【００２０】
【化１】
0005465610.tif 000002
【００２１】
すなわち、塩素イオン（Ｃｌ−）から塩素（Ｃｌ２）が生成する。この塩素（Ｃｌ２）が水と反応して、次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）が生成する。また、水が電気分解されて、酸素（Ｏ２）と水素イオン（Ｈ−）とが生成される。
【００２２】
結果、電解水取出し管１７で、水素イオン（Ｈ−）及び次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）を含む酸性電解水を取り出すことができる。この酸性電解水は、ナトリウムが含まれていない、ナトリウムフリー酸性電解水である。
【００２３】
次に、カーボンの製造装置の基本構造を説明する。
カーボンの製造装置３０は、図２に示すように、上部が開口しているとともに上部にフランジ３１を有し、下部に半球殻状の底を有する筒型の反応容器３２と、この反応容器３２の上部開口に被せる蓋３３と、この蓋３３に設けた撹拌モータ３４、液体供給管３５、圧力計３６及び熱電対保護管３７と、この熱電対保護管３７に収納されている熱電対の電気的情報を温度情報に変換する温度計３８と、反応容器３２を囲うジャケット３９と、このジャケット３９に付属されるヒータ４１及び水冷管４２と、撹拌モータ３４から下げられた撹拌羽根４３とからなる。
反応容器３２は蓋３３で密閉されることで、密閉性反応容器となる。
【００２４】
このような反応容器３２に結晶性セルロースを入れ、蓋３３を閉じる。そして、液体供給管３５を通じて、酸性電解水を所定量供給する。得られた混合物を、ヒータ４１で加熱し、温度計３８で温度を監視し、圧力計３６で圧力を監視しながら、撹拌羽根４３で撹拌する。なお、圧力を制御するために、不活性ガス吹き込み管や圧逃がし管を付属することが好ましい。
【００２５】
以上のカーボンの製造装置３０を用いて、カーボンを製造する方法を次に説明する。
図３に示すように、反応容器に、結晶性セルロースと酸性電解水を入れる（ＳＴ０１）。
この混合物を撹拌しながら所定温度（２３０℃〜２５０℃）に達するまで加熱する（ＳＴ０２）。
所定温度に達したら、この温度を保持し、撹拌しながら所定時間（３０分間）が経過するまで保熱する（ＳＴ０３）。これで、反応容器内にカーボンが生成される。
【００２６】
反応容器を毎分５０℃程度の速度で冷却し、常温に達したら、混合物を取出す（ＳＴ０４）。
混合物を濾過して、固形物を得る（ＳＴ０５）。
さらに、固形物を有機溶媒（エタノール、アセトンなど）で洗い、水で洗うことを繰り返す（ＳＴ０６）。固形物を乾燥させる（ＳＴ０７）。これで所望のカーボンが得られる。
【００２７】
すなわち、本発明のカーボンの製造方法は、密閉性反応容器に、セルロース及び電気分解法で製造した酸性電解水を入れる工程（ＳＴ０１）と、
前記酸性電解水を撹拌しながら所定温度まで加熱する加熱工程（ＳＴ０２）と、
所定温度に達したらその温度で撹拌しながら飽和蒸気圧下で所定時間保持する保持工程（ＳＴ０３）と、室温まで冷却する冷却工程（ＳＴ０４）とからなる。
以上の製造プロセスを実施した実験例を次に説明する。
【００２８】
（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
【００２９】
（１）実験０１〜０３：酸性電解水の酸性度（ｐＨ）確認実験：
酸性電解水の酸性度（ｐＨ）を変更して、実験を行い、好適な酸性度を見出す。
○出発材料等：
・セルロース：２ｇ  結晶性セルロース
・酸性電解水：１００ｃｍ３
実験０１：ｐＨ３．１  有効塩素濃度：２３ｐｐｍ  酸化還元電位：１．１０Ｖ
実験０２：ｐＨ２．７  有効塩素濃度：３０ｐｐｍ  酸化還元電位：１．１３Ｖ
実験０３：ｐＨ２．３  有効塩素濃度：４０ｐｐｍ  酸化還元電位：１．２０Ｖ
なお、酸化還元電位は、標準水素電極の代わりに、銀−塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）電極を用いて測定した。
【００３０】
○処理条件：
・加熱温度：２３０℃
・圧力：飽和蒸気圧
・保持時間：３０分
【００３１】
以上の条件により、出発材料を処理し、冷却し、濾過分離し、洗浄して、固形物を得た。得られた固形物の形態は次の通りであった。
【００３２】
【表１】
0005465610.tif 000003
【００３３】
表中、歩留まりは、｛（洗浄後の固形物の質量）／（洗浄前の固形物の質量）｝×１００の算式により計算した。
ｐＨ３．１の酸性電解水を用いた実験０１では、固形物は茶褐色のセルロースであった。カーボンが得られなかったので、評価は×である。
【００３４】
実験０１より酸性度の強いｐＨ２．７の酸性電解水を用いた実験０２では、固形物は黒色のカーボン（カーボンであることは後述の手続で確認した。）が得られた。歩留まりは３３％であり、カーボンが得られたので評価は○とした。
実験０２より酸性度の強いｐＨ２．３の酸性電解水を用いた実験０３では、固形物は黒色のカーボンが得られた。歩留まりは５０％であり、実験０２より歩留まりが良いので、評価は◎とした。
【００３５】
○固形物がカーボンであることの確認：
実験０２、０３で得られた固形物を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、５〜１０μｍの葡萄の房状の形態が確認された。そして、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）に付属する蛍光Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）で元素分析したところ、炭素と酸素が検出された。酸素は洗浄水が残留していると推定できる。水素は検出されなかった。
【００３６】
Ｘ線回析では、２θ＝２２°付近にブロードなピークが出現した。
また、ラマン分光スペクトル分析では、１５８０〜１６００ｃｍ−１、すなわち１５９０ｃｍ−１付近にピークがあった。
【００３７】
Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）での確認も実施した。
また、電気伝導度をＪＩＳ  Ｋ１４６９に準拠して測定し、かさ密度０．５９ｇ／ｃｍ３のとき３．１Ωｃｍの電気伝導度を得た。
以上に説明した複数の分析、測定により固形物がカーボンであることが確認できた。
【００３８】
○好適なｐＨ：
表１に示すように、ｐＨ３．１は×で、ｐＨ２．７は○で、ｐＨ２．３は◎であった。このことから強酸であるほど評価が良いことが分かった。しかし、ｐＨ２を超える強酸は、酸の製造コストが嵩む。そして、中和処理や洗浄にコストが嵩む。コスト的にはｐＨは２．３に留めることが望ましい。
そこで、ｐＨは２．３〜２．７が好適であると言える。
【００３９】
上記実験０３によれば、ｐＨ２．３の酸性電解水が好適であった。そこで、ｐＨを固定して、加熱温度を検証する実験を行った。
（２）実験０４〜０７：加熱温度確認実験：
○出発材料等：
・セルロース：２ｇ  結晶性セルロース
・酸性電解水：１００ｃｍ３
ｐＨ２．３  有効塩素濃度：４０ｐｐｍ  酸化還元電位：１．２０Ｖ
【００４０】
○処理条件：
・加熱温度：２２０℃、２４０℃、２５０℃、２６０℃
・圧力：飽和蒸気圧
・保持時間：３０分
【００４１】
以上の条件により、出発材料を処理し、冷却し、濾過分離し、洗浄して、固形物を得た。得られた固形物の形態は次の通りであった。
【００４２】
【表２】
0005465610.tif 000004
【００４３】
加熱温度が２２０℃である実験０４では、固形物は茶褐色のセルロースであった。カーボンが得られなかったので、評価は×である。
【００４４】
加熱温度が２４０℃である実験０５では、固形物は黒色のカーボンであった。歩留まりは５０％に達したので、評価は◎である。
加熱温度が２５０℃である実験０６では、固形物は黒色のカーボンであった。歩留まりは３０％に留まったので、評価は○である。
加熱温度が２６０℃である実験０７では、固形物は黒色のカーボンであった。しかし、歩留まりは僅か（２％程度）であったので、評価は×である。
【００４５】
○好適な加熱温度：
表１から、２３０℃が推奨される。また、表２から実験０５における２４０℃及び実験０６における２５０℃が推奨される。実験０４における２２０℃ではカーボンが得られない。また、実験０７における２６０℃では生産量が確保できない。
そこで、加熱温度は、２３０℃〜２５０℃が好適であると言える。
【００４６】
次に、本発明で得たカーボンの用途、有用性を確認する実験を行った。
（３）金属吸着性：
○準備：
・溶液：王水（体積比３：１で濃塩酸と濃硝酸の混合）  ｐＨ４．０に調整  ５０ｃｍ３
・金属：Ａｕ（金）など１２種
・カーボン：実験０３で得たカーボン粉末  ５０ｍｇ
【００４７】
○実験：
溶液に金属を溶かし、さらにカーボン粉末を加えて撹拌する。２時間後にカーボンの吸着率を調べた。吸着率は、｛（カーボンに吸着された質量）／（溶液に加えた質量）｝×１００で示す。
【００４８】
【表３】
0005465610.tif 000005
【００４９】
Ａｕ（金）、Ｇａ（ガリウム）、Ｒｕ（ルテニウム）については吸着率が９０％を超えた。また、Ｉｎ（インジウム）、Ｐｄ（パラジウム）については吸着率が７０％を超えた。このことから、金属が含まれている溶液から、金属を抽出することができる。
【００５０】
（４）トルエン吸着性：
○準備：
・トルエン
・カーボン：実験０３で得たカーボン
・容量式ガス吸着装置
【００５１】
○実験：
容量式ガス吸着装置にカーボンをセットし、トルエン（ガス）を吸着させた。カーボン１００ｇで、１５．６ｇのトルエンを吸着させることができた。
すなわち、本発明で得たカーボンは活性炭に近似した吸着性能を有することが確認できた。
【００５２】
（５）セルロースの種類：
結晶性セルロースに替えて、セルロースを主成分とする脱脂綿、ガーゼ、濾紙を出発材料にして、表１に示される実験０３の条件で処理したところ、黒色のカーボンを得ることができた。脱脂綿、ガーゼ、濾紙は市販され、入手容易で、安価なため、カーボンの製造コストを下げることができる。
【００５３】
従来は、木質材料を、乾留、蒸し焼き、熱分解などの技術で木炭に代表されるカーボンを製造してきた。このような従来技術では、臭気を帯びたガスが不可避的に発生するため、脱臭装置が不可欠となる。
本発明では、セルロース（Ｃ６Ｈ１０Ｏ５）ｎを、酸性電解水中で、分解して、カーボン（Ｃ）を得ることに成功した。反応が水中で行われるため、反応に伴って発生する副生成物は水中に封じ込められる。水であれば、濾過や中和により、容易に副生成物を除去や無害化することができる。併せて、乾留のように多量の熱エネルギーを必要としない。
【００５４】
尚、本発明の出発材料は、結晶性セルロース、脱脂綿、ガーゼ、濾紙が好適であるが、木材チップに代表される木質材料や麦わらに代表される草であってもよく、種類は限定しない。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、結晶性セルロースからカーボンを製造する技術に好適である。
【符号の説明】
【００５６】
１０…酸性電解水生成装置、３０…カーボンの製造装置、３２…密閉性反応容器。
【図１】
0005465610.tif 000006
【図２】
0005465610.tif 000007
【図３】
0005465610.tif 000008