(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスカーボンの賦活方法であって、バイオマスカーボン粉末を定量供給し落下させる原料供給工程と、前記落下直後の粉末を分散させる粉末分散工程と、前記分散し落下する粉末を賦活ガス雰囲気中で、湾曲された棒状のヒータからなる通電発熱体と、該通電発熱体を円弧状に形成された周壁の内周壁面に設けられた嵌溝に嵌設され、前記円弧状周壁を組み合わせて略円筒状にした断熱部材とからなるホットウオ―ルにより、１００〜１８００℃で加熱して高周波電源により放電発熱させて賦活反応をさせるゾーンを複数段に積重させた賦活工程と、を含む工程からなることを特徴とするバイオマスカーボン賦活方法。
【請求項２】
賦活工程が、バイオマスカーボン粉末の落下方向において異なる温度設定ができる２〜５ゾーンに分けたゾーンからなることを特徴とする請求項１に記載のバイオマスカーボン賦活方法。
【請求項３】
粉末分散工程及び賦活工程において、羽根状の板を多段式に配設した邪魔板の回転軸の回転速度を、回転速度可変のインバータモータ制御により可変させることによって、粉末分散工程及び賦活工程を落下中のバイオマスカーボン粉末の落下時間を調整可能とすることを特徴とする請求項１または２に記載のバイオマスカーボン賦活方法。
【請求項４】
賦活工程後に、賦活されたバイオマスカーボンを急速冷却する急冷工程を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のバイオマスカーボン賦活方法。
【請求項５】
賦活工程の上流側に位置する原料供給工程及び粉末分散工程に、バイオマスカーボン粒子に賦活ガスが吸着されるように、賦活ガス供給方法を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のバイオマスカーボン賦活方法。
【請求項６】
バイオマスカーボンの賦活装置であって、バイオマスカーボン粉末を定量供給し落下させる原料供給手段と、前記落下直後の粉末を分散させる粉末分散手段と、前記分散し落下する粉末を賦活ガス雰囲気中で、湾曲された棒状のヒータからなる通電発熱体と、該通電発熱体を円弧状に形成された周壁の内周壁面に設けられた嵌溝に嵌設され、前記円弧状周壁を組み合わせて略円筒状にした断熱部材とからなるホットウオ―ルにより、１００〜１８００℃で加熱して高周波電源により放電発熱させて賦活反応をさせるゾーンを複数段に積重させた賦活手段と、を含む手段からなることを特徴とするバイオマスカーボン賦活装置。
【請求項７】
賦活手段が、バイオマスカーボン粉末の落下方向において異なる温度設定ができる２〜５ゾーンに分けたゾーンからなることを特徴とする請求項６に記載のバイオマスカーボン賦活装置。
【請求項８】
粉末分散手段及び賦活手段において、羽根状の板を多段式に配設した邪魔板の回転軸の回転速度を、賦活塔上部に設置した回転速度可変のインバータモータによる制御で可変させることによって、粉末分散手段及び賦活手段を落下中のバイオマスカーボン粉末の落下時間を調整可能とすることを特徴とする請求項６または７に記載のバイオマスカーボン賦活装置。
【請求項９】
賦活手段後に、賦活されたバイオマスカーボンを急速冷却する急冷手段を設けたことを特徴とする請求項６乃至８いずれかに記載のバイオマスカーボン賦活装置。
【請求項１０】
賦活手段の上流側に位置する原料供給手段及び粉末分散手段に、バイオマスカーボン粒子に賦活ガスが吸着されるように、賦活ガスを供給する賦活ガス導入孔を設けたことを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載のバイオマスカーボン賦活装置。
【請求項１１】
賦活手段の各ゾーンにそれぞれ賦活ガスを供給する賦活ガス導入孔を設けたことを特徴とする請求項６乃至１０のいずれかに記載のバイオマスカーボン賦活装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスカーボンを賦活化させる賦活方法及びその賦活装置に関する。さらに詳しくは、植物性物質を原料として熱分解法で生成されたバイオマスカーボンの比表面積を表すＢＥＴ値を増加させる賦活化方法及びその賦活装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンに賦活処理する方法として、０．１ｍｏｌ／ｇ以上の濃度の水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムなどのアルカリ水溶液を用いて、カーボンを２０〜８０℃の範囲の温度で賦活処理する技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、フェノール類、アルデヒド類及びカーボンブラック粉末を、塩基性触媒を開始剤として水性媒体中で重合反応させてフェノール樹脂を結合樹脂とするブラックカーボン粉末とフェノール樹脂からなる複合体粒子を生成させた後、該複合体粒子を固液分離し、次いで、乾燥した後、不活性雰囲気下５００〜１０００℃の温度範囲において加熱処理して前記フェノール樹脂を炭化させ、さらに賦活処理する。その賦活処理は、例えば、空気、水蒸気、二酸化炭素等のガスを接触させて３００℃以上の温度で反応させる方法や、水酸化カリウム、塩化亜鉛、リン酸、塩化カルシウム等の薬品に含浸させ４００〜７００℃で焼成する方法が開示されている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２３３９１５号公報
【特許文献２】特開２００８−５０２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載のカーボン賦活方法は、比表面積が賦活前に対して約２０％未満しか向上せず、実施例では賦活時間が最低５時間も要するという問題があった。
【０００６】
また、アルカリ水溶液を使用するので、アルカリ除去工程を追加設定しなければならないという問題があった。
【０００７】
特許文献２に記載のカーボンブラック賦活方法は、実施例１〜４によれば賦活時間が１０時間かかるとの記載があり賦活時間が長時間要するという問題、及びＢＥＴ比表面積が３５５〜４５４ｍ２／ｇの範囲に留まるという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、植物性原料を熱分解した後のバイオマスカーボンを、アルカリなどの薬品除去工程を必要とせず、低温度かつ短時間で賦活させ、かつ前記バイオマスカーボンを使用目的に応じた比表面積を有するように賦活させる方法およびその装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明における「微粒子」とは５０μｍ以下の大きさの粒子径を有する粒子がほとんどを占める粒子群を意味し、「粗粒子」とは５０μｍ超の粒子径を有する粒子が含まれている粒子群を意味し、「粒子」とは微粒子及び粗粒子を包含した表現を意味し、「粉末」とは粒子の集合物を意味する。
【００１０】
本発明における「急速熱分解」とは、特願２００９−５４５７５１「バイオマスを原料にしたバイオマスカーボンブラックの製造方法」に記載された急速熱分解を意味し、前記急速熱分解方法の概要は、半炭化したバイオマス粉末を定量供給し落下させる原料供給工程と、前記落下直後の粉末を分散させる粉末分散工程と、窒素ガス雰囲気中及び所定圧力下で、前記粉末を所定温度で加熱して表面炭化する予備加熱ゾーンと、前記予備加熱ゾーン後に粉末を所定温度で放電発熱及び熱分解する熱分解ゾーンと、前記熱分解ゾーン後の熱分解熟成時間を設けた熟成ゾーンとからなる熱分解工程とを含む工程からバイオマスカーボンを生成する方法である。
【００１１】
本発明における「半炭化」とは、低融点物質であるリグニンや表面官能基（ＯＲ・Ｈ２ＣＯＨ・ＣＨ・Ｈ・Ｏ・ＨＣＯＨ）などを炭化前に植物性原料内に封じ込み、前記表面官能基が未反応でありながら反応方向に活性化した状態の植物性物質の混合体を意味する。
【００１２】
本発明における「高周波電源」とは、特許第３３７７５０１号に記載されている高周波電源と同じ電源である。前記電源はパルス波形電流を熱源として供給する電源であり、本発明に使用する電源の特性は、パルス周期が２０００〜１００００μｓｅｃ、波形が矩形波、電圧値が２〜２４Ｖ、出力電流が５０〜３０００Ａで、波形は放電を発生しやすい矩形の整形波形である。
【００１３】
「発明が解決しようとする課題」に記載した課題を解決するために、請求項１にかかるバイオマスカーボン賦活方法の発明は、バイオマスカーボンの賦活方法であって、バイオマスカーボン粉末を定量供給し落下させる原料供給工程７１と、前記落下直後の粉末を分散させる粉末分散工程７２と、前記分散し落下する粉末を賦活ガス雰囲気中で、湾曲された棒状のヒータからなる通電発熱体と、該通電発熱体を円弧状に形成された周壁の内周壁面に設けられた嵌溝に嵌設され、前記円弧状周壁を組み合わせて略円筒状にした断熱部材とからなるホットウオ―ルにより、００〜１８００℃で加熱して高周波電源により放電発熱させて賦活反応をさせるゾーンを複数段に積重させた賦活工程７３と、を含む工程からなることを特徴とする。
【００１４】
請求項２にかかるバイオマスカーボン賦活方法の発明は、請求項１において、賦活工程７３が、バイオマスカーボン粉末の落下方向において異なる温度設定ができる２〜５ゾーンに分けたゾーンからなることを特徴とする。
【００１５】
請求項３にかかるバイオマスカーボン賦活方法の発明は、請求項１または２において、粉末分散工程７２及び賦活工程７３において、羽根状の板６１を多段式に配設した邪魔板６０の回転軸の回転速度を、回転速度可変のインバータモータ６２制御により可変させることによって、粉末分散工程７２及び賦活工程７３を落下中のバイオマスカーボン粉末の落下時間を調整可能とすることを特徴とする。
【００１６】
請求項４にかかるバイオマスカーボン賦活方法の発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、賦活工程７３後に、賦活されたバイオマスカーボンを急速冷却する急冷工程を設けたことを特徴とする。
【００１７】
請求項５にかかるバイオマスカーボン賦活方法の発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、賦活工程７３の上流側に位置する原料供給工程７１及び粉末分散工程７２に、バイオマスカーボン粒子に賦活ガスが吸着されるように、賦活ガス供給方法を設けたことを特徴とする。
【００１８】
請求項６にかかるバイオマスカーボン賦活装置１の発明は、バイオマスカーボン粉末を定量供給し落下させる原料供給手段と、前記落下直後の粉末を分散させる粉末分散手段と、前記分散し落下する粉末を賦活ガス雰囲気中で、湾曲された棒状のヒータからなる通電発熱体と、該通電発熱体を円弧状に形成された周壁の内周壁面に設けられた嵌溝に嵌設され、前記円弧状周壁を組み合わせて略円筒状にした断熱部材とからなるホットウオ―ルにより、１００〜１８００℃で加熱して高周波電源により放電発熱させて賦活反応をさせるゾーンを複数段に積重させた賦活手段と、を含む手段からなることを特徴とする。
【００１９】
請求項７にかかるバイオマスカーボン賦活装置１の発明は、請求項６において、賦活手段が、バイオマスカーボン粉末の落下方向において異なる温度設定ができる２〜５ゾーンに分けたゾーンからなることを特徴とする。
【００２０】
請求項８にかかるバイオマスカーボン賦活装置１の発明は、請求項６または７において、粉末分散手段及び賦活手段において、羽根状の板６１を多段式に配設した邪魔板６０の回転軸の回転速度を、賦活塔１１上部に設置した回転速度可変のインバータモータ６２による制御で可変させることによって、粉末分散手段及び賦活手段を落下中のバイオマスカーボン粉末の落下時間を調整可能とすることを特徴とする。
【００２１】
請求項９にかかるバイオマスカーボン賦活装置１の発明は、請求項６乃至８のいずれかにおいて、賦活手段後に、賦活されたバイオマスカーボンを急速冷却する急冷手段を設けたことを特徴とする。
【００２２】
請求項１０にかかるバイオマスカーボン賦活装置１の発明は、請求項６乃至９のいずれかにおいて、賦活手段の上流側に位置する原料供給手段及び粉末分散手段に、バイオマスカーボン粒子に賦活ガスが吸着されるように、賦活ガスを供給する賦活ガス導入孔を設けたことを特徴とする。
【００２３】
請求項１１にかかるバイオマスカーボン賦活装置１の発明は、請求項６乃至１０のいずれかにおいて、賦活手段の各ゾーンにそれぞれ賦活ガスを供給する賦活ガス導入孔を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１に記載の発明は、賦活対象物質であるバイオマスカーボン粉末を所定温度に設定された賦活塔１１の中を落下させるので、落下中の粉末の状態は隣接する粉末同士が密着せず、それぞれの粉末全表面に賦活ガスが作用反応する空間が発生し、効率的に短時間で賦活反応が促進されるという効果があり、極めて高い比表面積増加が発生するという効果を奏する。
【００２５】
半炭化し粉砕した植物性原料を急速熱分解し、前記急速熱分解後のバイオマスカーボンを原料として本発明である賦活装置に投入するため、前記バイオマスカーボン原料は活性化された活性炭素状態で生成されていることから、賦活ガスとの反応が早い速度ですすむ。したがって、賦活前後における比表面積の増加率を高くすることができ、従来技術では炭化水素系カーボンブラックの賦活時間は４時間以上が通常であったことに対し秒単位の短時間で賦活でき、さらに炉を使用した賦活方法に比較すると使用する賦活ガス量を減じることができるという効果を奏する。
【００２６】
また、炭化されたバイオマスカーボン粒子を粉砕して１〜５０μｍの大きさに微粒子化した原料を賦活装置に投入すると、ＢＥＴ値で８００ｍ２／ｇ以上の高い比表面積を有するバイオマスカーボンを生成することができるという効果を奏する。一方、炭化されたバイオマスカーボン粒子を粉砕せず粗粒子のままの原料を賦活装置に投入すると、ＢＥＴ値で増加率の低い比表面積を有するバイオマスカーボンを生成することができるという効果を奏する。
【００２７】
バイオマスカーボン粉末が落下直後から凝集化または塊化することがなく分散させた状態で落下させることができるので、個々のバイオマスカーボン粉末に対する賦活作用をすべて均一に与えることができ、品質の均一化に加えて賦活されたバイオマスカーボンの収率を向上させることができるという効果を奏する。
【００２８】
落下中に反応エネルギーを分子や元素レベルで印加する高周波パルス方式であるため、炉加熱方法の場合に発生する、加熱した高温ガスの熱量の大量損失や装置の温度保持のための投入熱量に比較して、少ないエネルギーでよいという効果を奏する。
【００２９】
賦活物質として、水酸化カリウム、塩化亜鉛、リン酸などの薬品賦活を使用しないので、薬品除去工程が不要となるという効果を奏する。
【００３０】
カーボン生成原料として有限な資源である化石資源でなく、間伐や除伐材などの森林資源から直接産出される木材、エタノール生成カス、椰子ガラ絞りカス、茶滓、籾殻、または豆腐カスなどから生成されたバイオマスカーボンを使用するので、有限の資源でなく再生可能な資源の活用という効果を奏する。
【００３１】
請求項２に記載の発明は、請求項１の発明と同じ効果を奏する。さらに、バイオマスカーボン粉末が落下する経路の加熱温度域を、賦活管１２、内套５０及びホットウォール２０の組み合わせ等からなるゾーンごとに変えられるので、加熱温度によって賦活ガスと炭素結晶体との反応が異なってくることから、使用目的に適した比表面積を有するバイオマスカーボンが得られるように賦活させることができるという効果を奏する。
【００３２】
請求項３の発明は、請求項１または２と同じ効果を奏する。さらに、バイオマスカーボン粉末が落下する賦活塔１１の内部に、複数枚の羽根状の板６１を多段式に配設した邪魔板６０を回転するように配設したので、前記落下中のバイオマスカーボン粉末の落下速度を調整することができるという効果がある。賦活時間を延長化すると比表面積の増加率を高くすることができ、賦活時間を短縮すると比表面積の増加率を低くできる。よって、賦活時間の調整により、使用目的に応じた比表面積を有するバイオマスカーボンを生成することができるという効果を奏する。
【００３３】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかの発明と同じ効果を奏する。また、急冷により、核となる物質の固溶状態の保持により結晶化を発現させる反応停止をさせて等方性を発現させたバイオマスカーボンの組織構造を固定させることができるという効果がある。
【００３４】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかの発明と同じ効果を奏する。また、従来技術では賦活ガスは賦活工程にしか導入されておらず、賦活ガスは加熱された熱環境の中で加熱温度によりボイルシャルの法則により活発に運動しているが、常温で投入された被賦活原料に対して賦活ガスとは大きな温度差が生じるため、被賦活原料と賦活ガスとは反発飛散する物理状態となることから賦活速度が遅い反応になる。
【００３５】
これに対し、本発明では粒子の表面の活性度が高く、かつ粒子の脱気されたガスの吸着根が賦活に投入されたガスに対して極めて高い親和性を有し、賦活反応前に賦活ガス吸着状態を生み出すことから、賦活ゾーンに到達した時点で高周波電源特性に従って放電発熱が発現して極めて高い賦活反応が促進される。よって、短時間での賦活処理が実現でき、エネルギー効率も極めて高くなるという効果を奏する。
【００３６】
請求項６の発明は請求項１の発明と、請求項７の発明は請求項２の発明と、請求項８の発明は請求項３の発明と、請求項９の発明は請求項４の発明と、及び請求項１０の発明は請求項５の発明と、それぞれ同じ効果を奏する。
【００３７】
請求項１１の発明は、賦活ゾーンごとに賦活ガスの導入孔を設けたことにより、縦長形状のバイオマスカーボン賦活ゾーン全域にわたって賦活ガス濃度を設定した濃度で一定に保持することができ、賦活化の反応が効果的になされるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のバイオマスカーボン賦活装置の概要図である。
【図２】本発明の実施例１に記載のバイオマスカーボンの賦活方法の概要フロー図である。
【図３】本発明の邪魔板の概略図である。
【図４】輪状賦活ガス配管及び賦活ガス噴霧ノズルの模式図である。
【図５】ホットウオールの模式図で、（ａ）は分解図、（ｂ）は組立図である。
【図６】半炭化後のバイオマスカーボンを粉砕した粒度分布図である。
【図７】熱分解後のバイオマスカーボンを微粉砕した粒度分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
まず図２において、バイオマスカーボンの賦活方法について説明する。賦活方法は、微粉砕工程７０、原料供給工程７１、粉末分散工程７２、賦活工程７３、磁化工程（図なし）、急冷工程（図なし）及び捕集工程７４からなる。
【００４０】
まず、本発明の原料供給工程に投入する原料について説明する。これは、本発明のバイオマスカーボンの賦活方法により賦活前後における比表面積の増加率を調整することができるが、さらに投入する原料の性状によって比表面積の大きさを調整することができるからである。
【００４１】
松材などの植物性原料を無酸素雰囲気下にて２００〜５５０℃の低温度域で加熱し半炭化する。そして半炭化により粉砕しやすくなった植物性原料を粉砕しバイオマス粉末にする。
【００４２】
半炭化された粒子内には、植物由来の成分表面官能基であるＯＲ・Ｈ２ＣＯＨ・ＣＨ・Ｈ・Ｏ・ＨＣＯＨなどが封じ込まれており、未反応でありながら反応方向に活性化した状態の植物性物質の混合体が生成されている。
【００４３】
前記半炭化され粉砕されたバイオマス粉末を急速熱分解装置により急速熱分解する。特願２００９−５４５７５１「バイオマスを原料にしたバイオマスカーボンブラックの製造方法」に記載された急速熱分解装置を使用し、半炭化したバイオマス粉末を投入した後、定量供給し落下させる原料供給工程と、前記落下直後の粉末を分散させる粉末分散工程と、窒素ガス雰囲気中及び所定圧力下で、前記粉末をプラズマ放電によって所定温度で加熱して表面炭化する予備加熱ゾーンと、前記予備加熱ゾーン後に粉末を所定温度でプラズマ放電発熱、熱分解する熱分解ゾーンと、前記熱分解ゾーン後の熱分解熟成時間を設けた熟成ゾーンとからなる熱分解工程とを含む工程を使用してバイオマスカーボンを生成する。
【００４４】
前記急速熱分解において、前記混合体物質は、炭素Ｃ、水素Ｈ、酸素Ｏの構成元素に基づいて種々の分子形態を経ながら、最終的にバイオマスカーボンに変換する。
【００４５】
前記バイオマスカーボンの元素構造体を形成する際に、前記形成までの変換過程において、表面官能基であるＯＲ・Ｈ２ＣＯＨ・ＣＨ・Ｈ・Ｏ・ＨＣＯＨなどの構成元素として閉じ込められているＣ、Ｈ、Ｏが分離反応をするので、生成されたバイオマスカーボンは、単純なアモルファス構造ではなく２０ｎｍ程度の球状化微粒子の集合体からなるアモルファス構造になっており、かつ活性化された活性炭素状態となっている。ここで、アモルファス構造か、球状化微粒子集合体構造かは、５万倍以上の電子顕微鏡ＳＥＭで観察することができる。
【００４６】
次に、微粉砕工程７０については、高増加率で高い比表面積を有するバイオマスカーボンを得る場合には微粉砕工程７０を使用し、低増加率の比表面積を有するバイオマスカーボンを得る場合には微粉砕工程７０を使用しない。
【００４７】
微粉砕工程７０において、前記急速熱分解によって生成されたバイオマスカーボン粉末を粉砕して１〜５０μｍの微粒子にする。
【００４８】
粒子径の大きさと賦活処理後の比表面積増加率との相関は、粒子径が小であると賦活処理後の比表面積の増加量が大きくなり、粒子径が大であると賦活処理後の比表面積の増加量が小さくなる。したがって、粒子径と比表面積の増加率との相関をあらかじめ把握すれば、目的とするバイオマスカーボンの比表面積を得ることが容易にできる。
【００４９】
次に、原料供給工程７１においては、バイオマスカーボン粉末を原料ホッパー３０内に投入し、前記原料ホッパー３０内で撹拌などによって凝集を防止しながら貯留する。
【００５０】
また、原料供給工程７１に賦活ガスを供給する。原料供給工程７１は、賦活ガス供給前は約２００Ｐａの真空状態にあるので、この状態において賦活ガスの導入を図ることによって、脱気粒子表面状態のバイオマスカーボンに賦活ガスを作用させ、前記バイオマスカーボン粒子に賦活ガスが吸着される状態をつくり出す。
【００５１】
粉末分散工程７２においては、二重スクリューフィーダー４０によってバイオマスカーボン粉末を少量で定量ずつ移送し落下させる。少量で定量ずつ落下させることによって、バイオマスカーボン粉末の分散化を容易にする。
【００５２】
粉末分散工程７２においては、落下されたバイオマスカーボン粉末に対して賦活ガスを噴射することによって前記粉末を分散化する。分散化することによって、個々の粒子の表面全域や細孔に対する加熱が行き届くこととなり、粒子間でバラツキのない賦活処理をすることができる。
【００５３】
また、粉末分散工程７２に賦活ガスを供給する。これによって、粉末分散工程７２は、原料供給工程７１において促進された、賦活前のバイオマスカーボン粒子に対する賦活ガスの吸着をさらに促進させることができる。
【００５４】
賦活工程７３においては、賦活ガスとして炭酸ガス、水蒸気、酸素ガスまたは空気を使用し、賦活温度を１００〜１８００℃の範囲で設定可能である。ここで、賦活温度の設定によって比表面積、及び導電性や結晶構造などの諸特性が変動するので、あらかじめ目的とする比表面積などを生成させる賦活温度を把握しておく。また、賦活温度設定は２〜５ゾーンからなるゾーンごとに変えることができ、ゾーンごとの温度設定は投入原料や目的とする比表面積などから把握して最適な設定を決定する。
【００５５】
また、邪魔板６０の回転速度を可変することによって賦活時間を可変できる。前記邪魔板６０の回転をしない場合にはバイオマスカーボン粉末の落下は自然落下となり落下時間は短く、邪魔板６０を回転させることによってバイオマスカーボン粉末の落下時間を長くすることができる。
【００５６】
したがって、用途によって比表面積が異なるので、使用目的に適した比表面積のバイオマスカーボンを得るために、賦活工程７３における賦活時間をあらかじめ把握しておく。
【００５７】
磁化工程において、バイオマスカーボンの分子構造または原子構造に等方性の発現を促し、磁性特性を発現させる。
【００５８】
急冷工程において、加熱したバイオマスカーボン粉末の温度を下げ、捕集工程７４において賦活化し比表面積を増加させたバイオマスカーボン粉末を取り出す。
【００５９】
次に、本発明のバイオマスカーボン賦活装置１の構成と作用について説明する。
【００６０】
図１において、本発明のバイオマスカーボン賦活装置１は、炭化され粒子状態のバイオマスカーボンを微粒子化する粉砕装置（図なし）、粉末のバイオマスカーボンを貯留する原料ホッパー部２、及び原料ホッパー部２から落下する粉末のバイオマスカーボンを定量供給する二重スクリューフィーダー部３とからなる原料供給チャンバー４と、該二重スクリューフィーダー部３からの落下する粉末のバイオマスカーボンを分散させる粉末分散チャンバー５と、粉末分散チャンバー５から分散されて落下する粉末のバイオマスカーボンを賦活化するゾーンからなる賦活チャンバー６と、賦活化されたバイオマスカーボンに磁界を通過させる磁化チャンバー７と、前記磁界を通過したバイオマスカーボンを急冷するとともに捕集する急冷兼捕集チャンバー８と、窒素ガス発生装置９と、賦活ガス発生装置１０と、制御部（図なし）と、インバータパルス電源装置（図なし）などから構成されている。
【００６１】
粉砕装置の使用については、高比表面積を有するか、または比表面積の高増加率となるバイオマスカーボンを生成したい場合には粉砕装置を使用し、低比表面積を有するか、または比表面積の低増加率となるバイオマスカーボンを生成したい場合には粉砕装置を使用しない。
【００６２】
原料ホッパー部２内、二重スクリューフィーダー部３内、粉末分散チャンバー５内、賦活塔１１内、磁化チャンバー７内及び急冷兼捕集チャンバー８内は、それぞれ密封可能構造で、かつそれぞれの接合部位はシール構造を構成している。このため、バイオマスカーボン賦活装置１内をすべて窒素ガス及び／または賦活ガス雰囲気下にできるように構成され、圧力を０．１〜１．０ｋｐａで設定することができる。              
【００６３】
インバータパルス電源装置は、賦活チャンバー６専用及び磁化チャンバー７専用にそれぞれ設置されている。
【００６４】
そして、インバータパルス電源装置は、制御部とともに、制御線と電力線を介して、それぞれ賦活チャンバー６や磁化チャンバー７と接続され、各賦活ゾーンにおける賦活管１２、ホットウォール２０の通電発熱体２１、及び磁化チャンバー７における励磁コイル２２と接続されている。また、各賦活ゾーンにおける賦活管１２、及びホットウォール２０の通電発熱体２１には熱電対（図なし）または放射温度計（図なし）を配設して温度検知を行っている。
【００６５】
原料ホッパー部２は、略円筒形状の原料ホッパー３０と、原料を投入する上部の開口部を開閉する蓋体３１と、投入された原料を底面近傍で攪拌するために設置した攪拌器３２と、底面に設けた原料落下用の孔とから構成されている。攪拌器３２は粉末が原料ホッパー３０内や原料落下用の孔においてブリッジや目詰まりを生じさせないように攪拌する。
【００６６】
バイオマスカーボンを原料ホッパー３０から二重スクリューフィーダー部３へ供給させる構造として、本発明である攪拌器３２で粉末を落下させる構造と、供給路に振動フィーダー（図なし）を設けて脈動させて移送させる構造とがあるが、振動による移送でなく落下させる構造の方が、粉末による目詰まり、粉末の凝集化、または塊化が生じないという効果を奏する。
【００６７】
また、原料ホッパー３０には窒素ガス及び／または賦活ガスを供給する窒素ガス管３８及び賦活ガス管３７が接続され、原料ホッパー３０内を窒素ガス及び／または賦活ガスで置換可能とし、圧力制御弁３５で圧力を調整することができ、流量調整弁３６で流量を調整することができる。
【００６８】
賦活ゾーンの上流側に位置する原料供給チャンバー４の原料ホッパー３０に賦活ガスを導入することによって、バイオマスカーボン粒子に賦活ガスが吸着される状態をつくり出す。
【００６９】
窒素ガスまたは賦活ガスは、賦活塔１１に併設させた窒素ガス発生装置９または賦活ガス発生装置１０より供給することができる。
【００７０】
ガス賦活として、水蒸気賦活、炭酸ガス賦活、酸素賦活、空気賦活などが使用されている。賦活ガスと窒素ガスとの混合ガスを賦活ガスとして使用することもあるが、そのような場合に窒素ガス発生装置９として、酸素濃度を調整できる分子篩原理の窒素ガス発生装置９を使用することで酸素濃度を自由に調整でき、酸素濃度の比が一定である空気賦活の場合に比べて、酸素量を任意に設定できるため、賦活化されたバイオマスカーボンの収率向上と、生成されるマクロ孔やメソ孔などの細孔の孔径の均一化などの設定したい方向に改善させることができる。
【００７１】
原料ホッパー部２内、二重スクリューフィーダー部３内、粉末分散チャンバー５内、賦活管１２内、磁化チャンバー７内及び急冷兼捕集チャンバー８内は連通しており、かつ各部、管内、及び各チャンバーにはそれぞれ賦活ガス管３７及び窒素ガス管３８が接続されているので、原料ホッパー３０から急冷兼捕集チャンバー８に至るまで同一圧力下にするとともに賦活ガス雰囲気若しくは窒素ガスと賦活ガスとの混合ガス雰囲気にすることができる。
【００７２】
二重スクリューフィーダー４０は、２本のスクリューフィーダーのスクリュー部分が交互になるように並設させた二重スクリュー構造で構成され、サーボモータ４１で駆動され回転する。また、サーボモータ４１の回転数を変えることにより単位時間当たりのバイオマスカーボンの原料供給量を比例して変えることができる。
【００７３】
賦活塔１１の下部に配設した急冷兼捕集チャンバー８には、賦活後のバイオマスカーボンの生成量を検知するロードセル（図なし）が設置され、前記ロードセルの単位時間当たりの計量値により前記サーボモータ４１の回転数を可変させる制御回路が設定されている。これにより、単位時間当たりの計量したバイオマスカーボン生成量に応じてバイオマスカーボンの供給量を増減させる制御ができる。
【００７４】
図１または図４で粉末分散チャンバー５を説明する。賦活塔１１の上部に位置する粉末分散チャンバー５は、二重スクリューフィーダー部３から落下する原料を内径１００ｍｍの賦活管１２に導くための縦横２５ｍｍ角の粉末吐出部４５と、該粉末吐出部４５を包囲するように配設した輪状の賦活ガス管４６と、該輪状の賦活ガス管４６に均等間隔を確保して配設した賦活ガス噴霧ノズル４７とから構成されている。
【００７５】
粉末吐出部４５を包囲するように設置した輪状の賦活ガス管４６に均等間隔で６箇所設けた直径２ｍｍ〜３ｍｍの賦活ガス噴霧ノズル４７から賦活ガスを落下する粉末に対しせん断方向で噴霧させることにより、粉末を凝集化や塊化させないように分散させる。賦活ガス噴霧ノズル４７の数、及び圧力調整弁３５や流量調整弁３６で調整するガスの圧力や噴霧量は、落下する粉末が賦活管１２内の気相中に満遍なく分散されるように設定する。
【００７６】
賦活チャンバー６の上流側に位置する粉末分散チャンバー５に賦活ガスを導入することによって、原料供給チャンバー４において促進された、バイオマスカーボン粒子に対する賦活ガスの吸着をさらに促進させることができる。
【００７７】
賦活塔１１は、賦活チャンバー６を複数積層させた構成としている。積層構造としたのはそれぞれの賦活チャンバー６ごとに異なる温度設定にするためであり、これによって比表面積や細孔の生成状況に応じて賦活要件を可変させるためである。
【００７８】
また、４つの賦活チャンバー６にはそれぞれインバータパルス電源装置が接続されており、電流やパルス幅などの出力が送られる。
【００７９】
各賦活チャンバー６は、電流供給するための電極を接続させ、一部に略縦長帯形状の貫通部を有する略円筒形状の賦活管１２と、賦活管１２内で発生した賦活物質を拡散させないために賦活管１２の外側に隙を確保して周設した内套５０と、賦活管１２で発生する熱量の外部放散防止及び保温のために内套５０の外側に隙を確保して周設した通電発熱体２１を内設させた断熱部材５１と、断熱部材５１を冷却させるために断熱部材５１の外周面に周設させた内部に冷却水を流す冷却水管５２と、賦活管１２内で軸方向に吊設させ回転する邪魔板６０とから構成される。
【００８０】
そして、賦活管１２温度設定は１００〜１８００℃の範囲で可能であり、賦活管１２ごとに前記温度設定を変えることができる。
【００８１】
賦活管１２に接続した各インバータパルス電源装置は直流高周波成形パルスを使用し、該各インバータパルス電源装置はプラズマを生じさせることができるので、賦活管１２内の気相内の粉末に対して該プラズマは放電現象として直接電子に働きかけて原子レベルでは数万℃の高温効果を生じさせることができる。
【００８２】
内套５０は、薄肉で両端が開口した円筒形状をしたガラス管であり、賦活管１２の外周に隙を確保して周設され、賦活管１２の貫通部からの粉末や賦活ガスなどの賦活化物質の放散を防止する。
【００８３】
図５でホットウォール２０を説明する。ホットウォール２０は、内套５０を包囲するように形成された断熱部材５１と、該断熱部材５１に嵌設された通電発熱体２１とから構成されており、前記断熱部材５１は煉瓦やモルタル等の断熱材からなり円弧状に形成されており、前記通電発熱体２１は前記断熱部材５１の内面に設けられた嵌溝に嵌設されたニクロム線等の金属ヒータや黒鉛ヒータ等の前記嵌挿溝と同一の曲率半径を有するように湾曲された棒状のヒータである。
【００８４】
通電発熱体２１を嵌設させた断熱部材５１から構成されるホットウォール２０は、賦活管１２からの外部への放熱を防止し、賦活管１２内の気相の温度分布を均一に、かつ設定温度±１℃に維持する効果を有し、個々の微粒子のバイオマスカーボンに対して均一な賦活温度を伝熱させることができる。
【００８５】
また、通電発熱体２１は供給される電力を変えることによって加熱量を調整することができる。
【００８６】
冷却水を流す冷却水管５２は、断熱部材５１の外周に密着させて周設され、下部の給水孔より給水し上部の排水孔より排水する構造で冷却水管５２の内部に冷却水を流動させている。これにより断熱部材５１の過温を防止している。
【００８７】
図１または図３において邪魔板６０を説明する。邪魔板６０は、上下方向で傾斜角度をつけた羽根状の板６１を数枚組み合わせたものを多段式に等間隔で配設した構造を有しており、上部端はインバータモータ６２と連結しており任意の回転速度に設定することができる。
【００８８】
また、邪魔板６０は、図１に示すように賦活管１２と同軸方向に吊設され、回転速度を可変することによって落下する粒子の落下時間を可変させることができる。これにより、それぞれの粒子に対する賦活時間を可変させることができるので、目的とする比表面積や細孔生成状態のバイオマスカーボンに賦活化することができる。
【００８９】
磁化チャンバー７は、バイオマスカーボンが落下する円筒形の落下路内に励磁コイル２２を配設している。この励磁コイル２２に直流電流が印加されて渦状に電流が流れ、励磁コイル２２内部はフレミングの左手の法則によって励磁力が発生し、この磁力が賦活化されたバイオマスカーボンの分子構造または原子構造に働き、前記分子構造または原子構造の等方性を発現し、磁性特性の発現を促進させる。
【００９０】
急冷兼捕集チャンバー８は、バイオマスカーボンの落下路に設置した、例えば内径１０ｍｍの銅製パイプを渦状に巻いた渦状冷媒流路管２３と、急冷後のバイオマスカーボンを捕集するための捕集容器２４とを含む手段とからなる。前記渦状冷媒流路管２３内には冷却水またはサブゼロ処理する冷却窒素などの急冷用媒体を流動させる。
【００９１】
次に、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明は実施例により限定されるものでない。
【実施例１】
【００９２】
邪魔板６０を回転させ賦活時間を増加させた場合の比表面積の増加効果を検証する。なお、賦活装置へ投入する原料は熱分解処理後に粉砕しない状態の粗粒子からなるバイオマスカーボンである。
【００９３】
本発明のバイオマスカーボン賦活装置１に投入する原料を製造する。まず、松材のチップ３５ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍを無酸素雰囲気下にて加熱温度２５０℃で１時間加熱し自燃させて半炭化したバイオマス原料を製造した。
【００９４】
半炭化により粉砕しやすくなった前記バイオマス原料を粉砕機で５〜５００μｍ粒子径にした。
【００９５】
次に、特願２００９−５４５７５１に係る急速熱分解装置（商品名プラズマン、エス．エス．アロイ株式会社製）でバイオマス粉末を急速熱分解させる。急速熱分解は、窒素ガス雰囲気下及びガス圧力０．１ｋｐａにて、前記バイオマス粉末をプラズマ空間中で自由落下させて、放電現象によって加熱処理し、前記加熱処理は８００℃で表面炭化させる予備加熱処理と５５０℃で熱分解する熱分解処理を行った。このときの粒子群の分布を図６に示す。
【００９６】
前記急速熱分解処理後のバイオマスカーボンの比表面積はＢＥＴ値で２１２ｍ２／ｇであった。なお、植物（木材）を炭焼きと同じように加熱炭化させると炭化物はアモルファスカーボンになり、前記アモルファスカーボンの比表面積ＢＥＴ値は一般的に１０ｍ２／ｇ以下である。よって、急速熱分解処理によっても賦活化が進んでいることが示された。
【００９７】
次に、前記急速熱分解処理後のバイオマスカーボンの賦活化である。賦活条件として、賦活温度を９００℃とし、賦活ガスとしてモル比で炭酸ガス５０％と窒素ガス５０％の混合ガスを１０リットル／分供給し、賦活時間は邪魔板６０を静止または回転させて落下させて１５秒、３０秒、４５秒の３通りで比表面積を比較した。結果を表１に示す。
【００９８】
【表１】
0005555511.tif 000002
【００９９】
表１より、賦活時間を２倍に増加させると比表面積は約２．９２倍に、賦活時間を３倍に増加させると比表面積は約３．７倍に増加し、賦活時間を増加させることによって比表面積を増加させられることが示された。
【実施例２】
【０１００】
実施例２は実施例１の急速熱分解処理後のバイオマスカーボンを粉砕機で粒子径を１〜５０μｍの微粒子にした。このときの微粒子群の分布を図７に示す。
【０１０１】
前記バイオマスカーボン微粒子を原料とし、本発明の賦活装置に投入した。賦活条件として、賦活温度を９００℃とし、賦活ガスとしてモル比で炭酸ガス５０％と窒素ガス５０％の混合ガスを１０リットル／分供給し、賦活時間は邪魔板６０を回転させた状態で落下させて４５秒とした。
【０１０２】
賦活したバイオマスカーボンの比表面積を表すＢＥＴ値は８８０ｍ２／ｇという成果を得た。賦活化させることによって比表面積を約４．２倍に増加させることができた。これにより、微粒子化させたバイオマスカーボンを分散化させて落下させながら、前記落下中の微粒子をプラズマ放電により加熱させて炭酸ガス賦活をさせることによって、高い比表面積を有するバイオマスカーボンを生成したり、または比表面積の高い増加率となるバイオマスカーボンを生成することができることが示された。
【０１０３】
実施例１と実施例２から、賦活装置の投入するバイオマスカーボンを微粒子化した方が比表面積の増加率が高まり、高い比表面積を有するバイオマスカーボンが生成されることが示された。
【符号の説明】
【０１０４】
１      バイオマスカーボン賦活装置
２      原料ホッパー部
３      二重スクリューフィーダー部
４      原料供給チャンバー
５      粉末分散チャンバー
６      賦活チャンバー
７      磁化チャンバー
８      急冷兼捕集チャンバー
９      窒素ガス発生装置
１０    賦活ガス発生装置
１１    賦活塔
１２    賦活管
２０    ホットウオール
２１    通電発熱体
２２    励磁コイル
２３    渦状冷媒流路管
２４    捕集容器
３０    原料ホッパー
３１    蓋体
３２    攪拌器
３５    圧力調整弁
３６    流量調整弁
３７    賦活ガス管
３８    窒素ガス管
４０    二重スクリューフィーダー
４１    サーボモータ
４５    粉末吐出部
４６    輪状の賦活ガス管
４７    噴霧ノズル
５０    内套
５１    断熱部材
５２    冷却水管
６０    邪魔板
６１    羽根状の板
６２    インバータモータ
７０    微粉砕工程
７１    原料供給工程
７２    粉末分散工程
７３    賦活工程
７４    捕集工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0005555511.tif 000006
【図５】
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【図６】
0005555511.tif 000008
【図７】
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