(57)【要約】【課題】塩素ガスを効率よく利用して、塩素ガスの環境負荷を低減することができる多孔質炭素材料の製造方法を提供する。【解決手段】多孔質炭素材料の製造方法は、塩素ガスを含む第１のガスＧ１の加熱雰囲気中に、ケイ素及び炭素を含む炭化ケイ素を曝して、ケイ素及び塩素を含む四塩化ケイ素と多孔質炭素材料とを生成する第１の工程Ｓ１と、酸素ガスを含む第２のガスＧ８の加熱雰囲気と四塩化ケイ素のガスとを反応させて、ケイ素及び酸素を含む酸化ケイ素と塩素ガスを含む第３のガスＧ９とを生成する第２の工程Ｓ２と、混合ガスＧ１０から塩素ガスを回収する第３の工程Ｓ３と、を有する。第３の工程Ｓ３において混合ガスＧ１０から回収された塩素ガスＧ１１は、第１のガスＧ１の塩素ガスＧ３として第１の工程Ｓ１に用いる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
塩素ガスを含む第１のガスの加熱雰囲気中に、第１の金属及び炭素を含む金属炭化物を曝して、前記第１の金属及び塩素を含む金属塩化物と多孔質炭素材料とを生成する第１の工程と、
酸素ガスを含む第２のガスの加熱雰囲気と前記金属塩化物とを反応させて、前記第１の金属及び酸素を含む金属酸化物と塩素ガスを含む第３のガスとを生成する第２の工程と、
前記第３のガスから塩素ガスを回収する第３の工程と、
を有し、
前記第３の工程において前記第３のガスから回収された塩素ガスを前記第１のガスの塩素ガスとして前記第１の工程に用いる多孔質炭素材料の製造方法。
【請求項２】
前記金属炭化物は、炭化アルミニウム、炭化ホウ素、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステン、炭化モリブデンの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
【請求項３】
前記第１のガスは、５００℃以上１５００℃以下の温度に加熱される請求項１又は２に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
【請求項４】
前記金属炭化物は、炭化ケイ素であり、
前記第１のガスは、１０００℃以上１３００℃以下の温度に加熱される請求項１又は２に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
【請求項５】
前記第２のガスは、８００℃以上の温度に加熱される請求項１〜４のいずれか一項に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
【請求項６】
前記第２の工程において酸素は、金属塩化物の理想反応量論比よりも少ない量が供給されることを特徴とした請求項１または５に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
【請求項７】
前記第２の工程で得られた、金属酸化物を炭素原料と混合して加熱反応せしめ炭化物を形成させて、前記第１の工程の塩素化に炭化物原料として供給することを特徴とした請求項１に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
【請求項８】
前記第２の工程で得られた、金属酸化物を炭素原料と混合して加熱反応せしめ炭化物を形成させて、前記第１の工程の塩素化に炭化物原料として供給する金属元素がケイ素ないしはチタンであることを特徴とした請求項７に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
【請求項９】
前記第２の工程で得られた、金属酸化物を炭素原料と混合して加熱反応せしめ炭化物を形成する温度が１４００℃以上２０００℃以下であり、かつ不活性ガス雰囲気であることを特徴とした請求項７に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
【請求項１０】
前記第２の工程で得られた、金属酸化物を炭素原料と混合して加熱反応せしめ炭化物を形成する際に、金属と炭素のモル比率が金属炭化物を形成しかつ酸素成分を一酸化炭素ガスとして消費する量論比以上に設定されることを特徴とした請求項７に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質炭素材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、多孔質の活性炭の製造方法が記載されている。また、特許文献２には、多孔質炭素材料の製造方法が記載されている。特許文献２に記載された製造方法では、１０００℃以上の温度に加熱した塩素ガス（Ｃｌ２）に炭化ケイ素（ＳｉＣ）を曝す。特許文献２には、細孔を有する多孔質炭素材料を製造するために、炭化ケイ素の純度及び密度を高めていることが記載されている。
【０００３】
非特許文献１は、ナノオーダーの細孔を有する炭素材料に関する。この非特許文献１では、塩素により炭化物を処理して細孔を有する炭素材料を生成している。炭化物には、炭化ケイ素等が使用できる。炭素材料の気孔率及び細孔径分布は、反応に使用する炭化物により制御可能であることが非特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第３０６６０９９号明細書
【特許文献２】特開平２―１８４５１１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】VolkerPresser, Min Heon, and Yury Gogotsi, ‘Carbide-DerivedCarbons - From Porous Networks to Nanotubes andGraphene’, ADVANCEDFUNCTIONAL MATERIALS, pp.810-833 (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１，２及び非特許文献１に記載された多孔質炭素材料の製造方法によれば、工業的に多孔質炭素材料を製造すると大量の塩素ガスを使用すると共に、塩素ガスの環境負荷が大きくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、塩素ガスを効率よく利用すると共に、塩素ガスの環境負荷を低減することができる多孔質炭素材料の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る多孔質炭素材料の製造方法では、塩素ガスを含む第１のガスの加熱雰囲気中に、第１の金属及び炭素を含む金属炭化物を曝して、前記第１の金属及び塩素を含む金属塩化物と多孔質炭素材料とを生成する第１の工程と、酸素ガスを含む第２のガスの加熱雰囲気と前記金属塩化物とを反応させて、前記第１の金属及び酸素を含む金属酸化物と塩素ガスを含む第３のガスとを生成する第２の工程と、前記第３のガスから塩素ガスを回収する第３の工程と、を有し、前記第３の工程において前記第３のガスから回収された塩素ガスを前記第１のガスの塩素ガスとして前記第１の工程に用いる。
【０００９】
この製造方法では、多孔質炭素材料と共に生成された金属塩化物を第２のガスの酸素ガスと反応させて、金属塩化物から第３のガス及び金属酸化物を生成する。この第３のガスからは塩素ガスが回収される。この塩素ガスは第１のガスの塩素ガスとして利用できるので、多孔質炭素材料の生成において塩素ガスを再利用して塩素ガスを循環的に使用できる。従って、この製造方法によれば、塩素ガスを効率よく利用できると共に塩素ガスの環境負荷を低減することができる。
【００１０】
また、本発明に係る製造方法では、前記金属炭化物は、炭化アルミニウム、炭化ホウ素、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステン、炭化モリブデンの少なくとも一つを含む。これら金属炭化物を用いることにより、多孔質炭素材料を生成する第１の工程を好適に実施することができる。
【００１１】
また、本発明に係る製造方法では、前記第１のガスは、５００℃以上１５００℃以下の温度に加熱される。５００℃以上１５００℃以下の温度範囲では、金属炭化物と塩素ガスを含む第１のガスとの反応を生じさせることが可能であるので、多孔質炭素材料を生成することができる。
【００１２】
また、本発明に係る製造方法では、前記金属炭化物は、炭化ケイ素であり、前記第１のガスは、１０００℃以上１３００℃以下の温度に加熱される。１０００℃以上１３００℃以下の温度範囲では、塩素ガスを含む第１のガスと炭化ケイ素との反応をより促進させることができるので、多孔質炭素材料を効率よく生成することができる。
【００１３】
また、本発明に係る製造方法では、前記第２のガスは、８００℃以上の温度に加熱される。８００℃以上の温度範囲では、酸素ガスを含む第２のガスと金属塩化物との反応を生じさせることが可能であるので、塩素ガスを生成することができる。
【００１４】
また、本発明に係る製造方法では、前記第２の工程において酸素は、金属塩化物の理想反応量論比よりも少ない量が供給される。第２の工程により生成されたガスに含まれる残留酸素ガスの量を低減できる。
【００１５】
また、本発明に係る製造方法では、前記第２の工程で得られた、金属酸化物を炭素原料と混合して加熱反応せしめ炭化物を形成させて、前記第１の工程の塩素化に炭化物原料として供給する。金属酸化物に含まれる第１の金属を再利用して循環的に使用できるので、第１の金属を効率よく利用できる。
【００１６】
また、本発明に係る製造方法では、前記第２の工程で得られた、金属酸化物を炭素原料と混合して加熱反応せしめ炭化物を形成させて、前記第１の工程の塩素化に炭化物原料として供給する金属元素がケイ素ないしはチタンである。ケイ素又はチタンでは、金属酸化物を好適に形成することができると共に、炭素と反応させて再度金属炭化物を生成する熱力学的な反応可能性を確保することができる。
【００１７】
また、本発明に係る製造方法では、前記第２の工程で得られた、金属酸化物を炭素原料と混合して加熱反応せしめ炭化物を形成する温度が１４００℃以上２０００℃以下であり、かつ不活性ガス雰囲気である。１４００℃以上２０００℃以下の温度範囲では、金属酸化物と炭素との反応を生じさせることが可能であるので、金属炭化物を生成することができる。
【００１８】
また、本発明に係る製造方法では、前記第２の工程で得られた、金属酸化物を炭素原料と混合して加熱反応せしめ炭化物を形成する際に、金属と炭素のモル比率が金属炭化物を形成しかつ酸素成分を一酸化炭素ガスとして消費する量論比以上に設定される。この設定により、金属炭化物を好適に生成することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、塩素ガスを効率よく利用する共に、塩素ガスの環境負荷を低減することができる多孔質炭素材料の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、一実施形態に係る多孔質炭素材料の製造方法の主要な工程を示す図である。
【図２】図２は、一実施形態に係る多孔質炭素材料の製造方法の主要な工程を示す図である。
【図３】図３は、一実施形態の製造方法において好適に用いられる金属炭化物の処理装置の構成を概略的に示す図である。
【図４】図４は、一実施形態の製造方法において好適に用いられる金属塩化物の処理装置の構成を概略的に示す図である。
【図５】図５は、別の方式に用いられる金属炭化物及び金属塩化物の処理装置の構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら本発明による多孔質炭素材料の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００２２】
図１及び図２は、一実施形態に係る多孔質炭素材料の製造方法の主要な工程を示す図である。図１に示すように、多孔質炭素材料の製造方法は工程Ｓ１〜Ｓ３を有している。多孔質炭素材料の製造方法によれば、工程Ｓ１〜Ｓ３を繰り返し実施して多孔質炭素材料を生産する。以下の説明では、炭化ケイ素から多孔質炭素材料を製造する方法を例に説明する。
【００２３】
第１の工程Ｓ１では、炭化ケイ素といった金属炭化物と第１のガスとを反応させる。金属炭化物は、構成元素として炭素及び金属元素を含む。第１の工程Ｓ１では、炭化ケイ素中のケイ素を第１のガス中の塩素と反応させる。この反応により、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）及び多孔質炭素材料（Ｃ）が生成される。この反応は、下記化学式（１）により示される。また、この反応における自由エネルギーはΔＧ＝−４３０ｋＪである。
ＳｉＣ＋２Ｃｌ２→ＳｉＣｌ４＋Ｃ・・・（１）
【００２４】
次に、金属炭化物の処理装置１０について説明する。金属炭化物の処理装置１０は、第１の工程Ｓ１の実施に利用される。図３は、金属炭化物の処理装置１０の構成を概略的に示す。
【００２５】
金属炭化物の処理装置１０は、反応炉１１と、ガス供給装置１２と、冷却トラップ１３とを備えている。ガス供給装置１２は、反応炉１１の一端に接続されている。冷却トラップ１３は、反応炉１１の他端に接続されている。
【００２６】
反応炉１１は、炉心管１１ａと、載置棚１１ｂと、ヒーター１１ｃとを有している。この炉心管１１ａの内部圧力は、例えば大気圧に保たれている。石英ガラス管である炉心管１１ａは、鉛直方向に延びるように設置されている。炉心管１１ａの上端（一端）には、ガス排出口１１ｆが設けられている。ガス排出口１１ｆは、冷却トラップ１３に接続されている。炉心管１１ａの下端（他端）には、ガス導入口１１ｄが設けられている。ガス導入口１１ｄは、ガス供給装置１２に接続されている。
【００２７】
載置棚１１ｂは、炉心管１１ａの内部に設置されている。載置棚１１ｂは、支持棒１１ｅの一端に固定されて吊下げられている。支持棒１１ｅの他端は、炉心管１１ａの外部まで延びている。支持棒１１ｅの他端を操作することにより、載置棚１１ｂを炉心管１１ａの内部で動かすことができる。載置棚１１ｂは複数の載置皿を有している。複数の載置皿のそれぞれは、炉心管１１ａの延在方向に沿って配置されている。載置皿には、炭化ケイ素Ｍ１が載置される。
【００２８】
ヒーター１１ｃは、載置棚１１ｂを囲むように炉心管１１ａの外側に設置されている。ヒーター１１ｃは、炉心管１１ａ内の第１のガスＧ１を加熱する。ヒーター１１ｃは、第１のガスＧ１を例えば５０℃以上１５００℃以下の温度となるように加熱する。ここで、炭化ケイ素Ｍ１を用いる場合には、ヒーター１１ｃは第１のガスＧ１を１０００℃以上１３００℃以下の温度となるように加熱する。なお、第１のガスＧ１の温度は、熱電対ＴＣ１により測定される。熱電対ＴＣ１は、炉心管１１ａの内部の載置棚１１ｂの近傍に設置されている。
【００２９】
ガス供給装置１２は、第１のガスＧ１及び置換ガスＧ２を炉心管１１ａのガス供給口１１ｄに供給する。より詳細には、ガス供給装置１２は、第１のガスＧ１及び置換ガスＧ２の供給の開始及び停止を制御する。さらに、ガス供給装置１２は、第１のガスＧ１及び置換ガスＧ２の流量を制御する。
【００３０】
第１のガスＧ１は、構成元素として塩素ガスＧ３を含むガスである。第１のガスＧ１は、塩素ガスＧ３と不活性ガスとの混合ガス、若しくは実質的に１００％の塩素ガスＧ３のみからなるガスである。不活性ガスは、窒素ガス（Ｎ２）、アルゴンガス（Ａｒ）、ヘリウムガス（Ｈｅ）、ネオンガス（Ｎｅ）、キセノンガス（Ｘｅ）等である。置換ガスＧ２は、窒素ガスＧ４又はアルゴンガスＧ５といった不活性ガスである。
【００３１】
ガス供給装置１２には、塩素ガスＧ３、窒素ガスＧ４及びアルゴンガスＧ５が供給される。塩素ガスＧ３は、後述する金属酸化物の処理装置２０からガス供給装置１２に供給される。また、塩素ガスは、工程Ｓ１〜Ｓ３を繰り返し実施したときに減少した塩素ガスを補うために、外部の塩素ガス源にも接続されている。窒素ガスＧ４は、窒素ガス源１２ａからガス供給装置１２に供給される。アルゴンガスＧ５は、アルゴンガス源１２ｂからガス供給装置１２に供給される。
【００３２】
冷却トラップ１３は、混合ガスＧ６から四塩化ケイ素（液体）を回収する。混合ガスＧ６は、反応炉１１から排出されるガスである。混合ガスＧ６は、塩素ガスＧ３、窒素ガスＧ４及び四塩化ケイ素（気体）を含んでいる。
【００３３】
冷却トラップ１３は、容器１３ａと、冷媒１３ｂと、タンク１３ｃとを有している。容器１３ａは、混合ガスＧ６を一時的に貯留する領域を形成する。容器１３ａの内部圧力は、例えば大気圧に設定されている。容器１３ａは、第１の排出口１３ｄと第２の排出口１３ｅとを有している。第１の排出口１３ｄは、四塩化ケイ素（液体）を排出する。第１の排出口１３ｄは、配管１３ｆを介してタンク１３ｃに接続されている。第２の排出口１３ｅは、混合ガスＧ７を排出する。第２の排出口１３ｅは、三方弁１４ａ及び配管１４ｂを介して反応炉１１のガス導入口１１ｄに接続されている。
【００３４】
冷媒１３ｂは、容器１３ａ内に導入された混合ガスＧ６を冷却する。冷媒１３ｂの温度は、四塩化ケイ素といった金属塩化物の融点以上沸点以下の範囲において、塩素の沸点よりも高い温度に設定される。例えば、四塩化ケイ素の融点は−７０℃であり沸点は＋５７．６℃である。塩素の沸点は−３４℃である。従って、冷媒１３ｂの温度は、−３４℃以上＋５７．６℃以下の範囲に設定される。本実施形態の冷媒１３ｂの温度は、一例として−２０℃に設定される。なお、金属塩化物は、構成元素として塩素及び金属元素を含む。
【００３５】
次に、図１に示される第１の工程Ｓ１について説明する。工程Ｓ１は、金属炭化物の処理装置１０を用いて実施される。はじめに、載置棚１１ｂに炭化ケイ素Ｍ１を載置する。この炭化ケイ素Ｍ１には、粉末状、繊維状又は板状の形状等を有するものを用いることができる。上記化学式（１）の反応は、炭化ケイ素Ｍ１の表面から内部に向かって進行する。従って、粒子径が小さい炭化ケイ素Ｍ１を用いることにより反応に要する時間を短縮することができる。炭化ケイ素Ｍ１は、粒径が１００μｍ以下の粉末状であることが好ましい。
【００３６】
続いて、ガス供給装置１２を制御して、炉心管１１ａに第１のガスＧ１を供給する。第１のガスＧ１は、塩素ガスＧ３及び窒素ガスＧ４を含んでいる。ガス供給装置１２は、塩素ガスＧ３の流量を５００ｍｌ／ｍｉｎに設定する。また、ガス供給装置１２は、窒素ガスＧ４の流量を５０００ｍｌ／ｍｉｎに設定する。一方、ヒーター１１ｃを制御して、第１のガスＧ１を加熱する。第１のガスＧ１は、５００℃以上１５００℃以下、より好ましくは１０００℃以上１３００℃以下の温度であり、一例として１１００℃の温度に加熱される。そして、炭化ケイ素Ｍ１を第１のガスＧ１に所定の時間曝す。ここで、所定の時間とは、炭化ケイ素Ｍ１中の全てのケイ素が塩素と反応させることが可能な時間である。例えば、炭化ケイ素Ｍ１を１１００℃の第１のガスＧ１に８０分間曝すと、炭化ケイ素Ｍ１中の全てのケイ素が塩素と反応し、多孔質炭素の生成が終了する。従って、所定の時間は一例として１２０分間に設定される。
【００３７】
炭化ケイ素Ｍ１と第１のガスＧ１との反応が生じている期間に、ガス排出口１１ｆから混合ガスＧ６が排出される。この混合ガスＧ６は、塩素ガスＧ３、窒素ガスＧ４及び四塩化ケイ素（気体）を含んでいる。混合ガスＧ６は、冷却トラップ１３の容器１３ａに導入される。容器１３ａに導入された混合ガスＧ６は、冷媒１３ｂにより冷却される。このとき、容器１３ａの内部圧力は大気圧に設定されている。また、冷媒１３ｂの温度は、−５０℃以上１０℃以下、一例として−２０℃に設定されている。これにより、冷却された四塩化ケイ素が液化してタンク１３ｃに回収される。
【００３８】
タンク１３ｃの四塩化ケイ素（液体）は金属塩化物の処理装置２０（図４参照）へ送られる（図３の参照符号Ｐ２）。一方、塩素ガスＧ３及び窒素ガスＧ４の混合ガスＧ７は、容器１３ａの第２の排出口１３ｅから排出される。混合ガスＧ７は、三方弁１４ａ及び配管１４ｂを介して反応炉１１のガス導入口１１ｄへ送られる。
【００３９】
炭化ケイ素Ｍ１と第１のガスＧ１との反応が終了した後に、ガス供給装置１２を制御して第１のガスＧ１の供給を停止する。次に、ガス供給装置１２を制御して、置換ガスＧ２を炉心管１１ａに供給する。置換ガスＧ２は、実質的に１００％のアルゴンガスのみからなるガスである。これにより、炉心管１１ａ内の雰囲気がアルゴン雰囲気に置換される。次に、反応炉１１の支持棒１１ｅを操作して、載置棚１１ｂをヒーター１１ｃよりも上に引き上げる。そして、ヒーター１１ｃを制御して、置換ガスＧ２の温度を４００℃まで降温させる。置換ガスＧ２の温度が４００℃に達した後に、載置棚１１ｂから多孔質炭素材料を取り出す。
【００４０】
この工程Ｓ１では、炭化ケイ素の炭素が第１のガスＧ１の塩素と反応する。この反応により、炭化ケイ素からケイ素が抜け出て多孔質炭素材料が生成される。化学式（１）の反応は、処理温度が１０００℃以上の場合に促進される。一方、多孔質炭素材料の比表面積は温度依存性を有する。比表面積は、ＢＥＴ理論（多分子層吸着理論）に基づいている。比表面積が大きい多孔質炭素材料は、活性炭として有効に利用可能である。
【００４１】
例えば、１１５０℃〜１２５０℃の温度で処理した場合、多孔質炭素材料の比表面積は最大値を示した。比表面積の最大値の範囲は、１２００ｍ２／ｇ〜１７００ｍ２／ｇであった。これに対して、１４００℃以上の温度で処理した場合、比表面積の値は８００ｍ２／ｇ〜１０００ｍ２／ｇに低下した。１４００℃以上の温度で処理した場合には、多孔質炭素材料の組織がアモルファス構造からグラファイト構造に変換されるためである。ただし、グラファイト構造を必要とする活性炭には有効である。
【００４２】
なお、本実施形態のように第１のガスＧ１を１１００℃とした場合には、多孔質炭素材料の比表面積は１２５０ｍ２／ｇであった。また、多孔質炭素材料の比重は、０．９８ｇ／ｃｍ３であった。
【００４３】
次に、第２の工程Ｓ２について説明する。第２の工程Ｓ２では、金属塩化物を第２のガスと反応させる。より詳細には、四塩化ケイ素中のケイ素を第２のガス中の酸素と反応させる。この反応により、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）及び第３のガスＧ９が生成される。第３のガスＧ９は、構成元素として塩素を含んでいる。この工程Ｓ２の反応は、下記化学式（２）により示される。また、この反応における自由エネルギーは△Ｇ＝−１９０ｋＪである。
ＳｉＣｌ４＋２Ｏ２→ＳｉＯ２＋２Ｃｌ２・・・（２）
【００４４】
金属塩化物の処理装置２０について説明する。金属塩化物の処理装置２０は、第２の工程Ｓ２及び第３の工程Ｓ３の実施に利用される。図４は、金属塩化物の処理装置２０の構成を概略的に示す。金属塩化物の処理装置２０は、蒸発装置２１と、反応炉２２と、遠心分離装置２３と、塩素回収装置２４とを備えている。蒸発装置２１は、反応炉２２の一端に接続されている。遠心分離装置２３は、反応炉２２の他端に接続されている。塩素回収装置２３は、遠心分離装置２３に接続されている。
【００４５】
蒸発装置２１は、四塩化ケイ素（液体）を蒸発させる装置である。蒸発装置２１は、金属炭化物の処理装置１０のタンク１３ｃに接続されている（図３の符号Ｐ２及び図４の符号Ｐ２）。また、蒸発装置２１は、第１の流量調整部２６を介して反応炉２２に接続されている。第１の流量調整部２６は、反応炉２２に供給される四塩化ケイ素（気体）の流量を調整する。
【００４６】
蒸発装置２１は、四塩化ケイ素（液体）を加熱して気化させるものである。四塩化ケイ素（液体）は、金属炭化物の処理装置１０のタンク１３ｃから供給される。蒸発装置２１は、ヒーター２１ｂを用いて四塩化ケイ素を加熱する。ヒーター２１ｂの設定温度は、金属塩化物の沸点よりも高い温度に設定される。本実施形態で用いられる四塩化ケイ素の沸点は５７．６℃である。従って、ヒーター２１ｂの設定温度は、一例として５５℃に設定される。
【００４７】
反応炉２２は、導入部２９と炉心管３１とヒーター３２と排出部３３とを有している。導入部２９は、炉心管３１の一端に設けられている。排出部３３は、炉心管３１の他端に設けられている。四塩化ケイ素（気体）及び酸素を構成元素として含む第２のガスＧ８は、導入部２９から供給される。導入部２９から排出部３３に流れる間に、四塩化ケイ素（気体）は第２のガスＧ８と反応する。
【００４８】
導入部２９は、第１の導入口２９ａと第２の導入口２９ｂとを有している。第１の導入口２９ａには、第１の流量調整部２６を介して蒸発装置２１が接続されている。第２の導入口２９ｂには、第２の流量調整部２８を介してガス源２７が接続されている。ガス源２７は、酸素ガスを供給する。第２の流量調整部２８は、第２の導入口２９ｂに供給する酸素ガスの流量を調整する。
【００４９】
ヒーター３２は、炉心管３１を囲むように炉心管３１の外側に配置されている。このヒーター３２は、四塩化ケイ素（気体）及び第２のガスＧ８を加熱する。四塩化ケイ素（気体）及び第２のガスＧ８の温度は、炉心管３１の内部に設置された熱電対ＴＣ２により測定される。熱電対ＴＣ２で測定された温度が８００℃以上１５００℃以下、一例として１１００℃になるようにヒーター３２が制御される。
【００５０】
排出部３３は、遠心分離装置２３に接続されている。排出部３３からは、混合ガスＧ９が排出される。混合ガスＧ９は、酸素ガス、塩素ガス及び酸化シリコンの微粒子を含んでいる。
【００５１】
遠心分離装置２３は、気体中に混じった粉末状の固体を分離する装置である。遠心分離装置２３には、一例としてサイクロン装置を用いることができる。本実施形態の遠心分離装置２３は、混合ガスＧ９から酸化ケイ素の微粒子を分離する。遠心分離装置２３は、本体部２３ａと、タンク２３ｂを有している。本体部２３ａの側面には、反応炉２２の排出部３３が接続されている。本体部２３ａの下端には、タンク２３ｂが設けられている。タンク２３ｂには、酸化シリコンの微粒子が貯留される。本体部２３ａの上端には、ガス排出口２３ｃが設けられている。ガス排出口２３ｃからは、混合ガスＧ１０が排出される。混合ガスＧ１０は、混合ガスＧ９から酸化シリコンが除かれたガスである。混合ガスＧ１０は、酸素ガス、塩素ガスおよび未反応の四塩化ケイ素を含んでいる。
【００５２】
塩素回収装置２４は、ガス排出口２３ｃに接続されている。塩素回収装置２４は、混合ガスＧ１０から塩素ガスを回収する装置である。具体的には、混合ガスＧ１０に含まれる酸素ガスが取り除かれるので、混合ガスＧ１０から塩素ガスを回収できる。塩素回収装置２４は、ヒーター２４ａと、活性炭２４ｂとを含んでいる。ヒーター２４ａは、混合ガスＧ１０を加熱する。本実施形態では、ヒーター２４ａは、混合ガスＧ１０を５００℃以上１０００℃以下、一例として８００℃に加熱する。活性炭２３ｂは、酸素ガスを吸着する。塩素回収装置２４からは、塩素ガスＧ１１が排出される。塩素ガスＧ１１は、金属炭化物の処理装置１０のガス供給装置１２に配管Ｐ１を通じて導入される。
また、別の方式では、第２の工程Ｓ２における酸素ガスの供給量を、四塩化ケイ素の供給量の完全反応量以下（モル比にてＯ２／ＳｉＣｌ４＜２．０）とする。すなわち、第２の工程Ｓ２において酸素は、金属塩化物の理想反応量論比よりも少ない量が供給される。この酸素の供給量によれば、第２の工程Ｓ２後の、混合ガスＧ１０に含まれる酸素濃度を低減することが可能である。その場合、混合ガスＧ１０に含まれる残留四塩化ケイ素を再度凝集させてもよいし、そのまま第１の工程Ｓ１に用いられる金属炭化物の処理装置１０に供給してもよい。
【００５３】
次に、図１に示される第２の工程Ｓ２について説明する。工程Ｓ２は、金属塩化物の処理装置２０を用いて実施される。はじめに、炉心管３１へ第２のガスＧ８を供給する。第２の流量調整部２８を制御して、第２のガスＧ８の流量を４９０ｍｌ／ｍｉｎに設定する。続いて、ヒーター３２を制御して、第２のガスＧ８の温度を１１００℃に設定する。第２のガスＧ８の温度は、炉心管３１内の熱電対ＴＣ２により測定される。
【００５４】
第２のガスＧ８の温度が１１００℃に達した後に、炉心管３１へ四塩化ケイ素を供給する。より詳細には、蒸発装置２１のヒーター２１ｂの温度を８０℃に設定し、容器３１ａの四塩化ケイ素（液体）を蒸発させる。そして、第１の流量調整部２６を制御して、四塩化ケイ素（気体）の流量を５００ｍｌ／ｍｉｎに設定する。
【００５５】
四塩化ケイ素を炉心管３１に供給すると、四塩化ケイ素のケイ素が第２のガスＧ８の酸素と反応する。この反応により、酸化ケイ素の微粒子が生成される。この酸化ケイ素の微粒子は、０．１μｍ〜０．５μｍ程度の大きさを有している。また、この反応により、酸化ケイ素の生成と共に塩素ガスが生成される。酸素ガス及び塩素ガスとともに、酸化ケイ素の微粒子は、排出部３３を通じて遠心分離装置２３に吸引される。酸化ケイ素の微粒子は、上述のような大きさであるので、ガス流に乗って遠心分離装置２３まで移動される。
【００５６】
遠心分離装置２３の本体部２３ａ内では、混合ガスＧ９の渦が発生している。従って、混合ガスＧ９よりも質量の大きい酸化ケイ素の微粒子が本体部２３ａの内壁に衝突する。そして、酸化ケイ素の微粒子は重力により落下してタンク２３ｂに貯留される。酸化ケイ素の微粒子が除去された混合ガスＧ１０は、ガス排出口２３ｃから排出される。混合ガスＧ１０は、塩素回収装置２４に導入される。
【００５７】
続いて、図１に示される第３の工程Ｓ３について説明する。工程Ｓ３では、混合ガスＧ１０から酸素を取り除くことにより実質的に１００％の塩素ガスを回収する。塩素回収装置２４では、ヒーター２４ａにより混合ガスＧ１０が５００℃以上８００℃以下、一例として６００℃に加熱される。加熱した混合ガスＧ１０を活性炭２４ｂに接触させると、活性炭２４ｂに酸素が吸着される。そして、塩素ガスＧ１１のみが、塩素回収装置２４から排出される。排出された塩素ガスＧ１１は、工程Ｓ１の反応に用いる第１ガスＧ１の塩素として再利用する。このため、塩素ガスＧ１１は、金属炭化物の処理装置１０のガス供給装置１２に配管Ｐ１を通じて導入される。
【００５８】
この多孔質炭素材料の製造方法によれば、四塩化ケイ素を第２のガスＧ８の加熱雰囲気中の酸素と反応させる。この反応により、該四塩化ケイ素から混合ガスＧ９を生成する。この混合ガスＧ９からは塩素ガスＧ１１が回収される。そして回収された塩素ガスＧ１１は、多孔質炭素材料の生成に用いられる第１のガスＧ１の塩素ガスＧ３として利用される。このように、本実施形態の製造方法によれば、塩素ガスが再利用される。従って、単位量当たりの塩素ガスにより生成される多孔質炭素材料の量を増加させることができる。従って、塩素ガスを効率よく利用することができる。
【００５９】
また、塩素ガスを効率よく利用することにより塩素ガスの消費量が低減される。従って、塩素ガスの消費量が少なくなる点において、多孔質炭素材料の製造コストを低減することができる。さらに、塩素ガスを再利用することにより、金属炭化物の処理装置１０の外部へ排出される塩素の量が低減される。従って、塩素に係る環境負荷を低減することができる。
【００６０】
ところで、酸素を含んだ混合ガスＧ１０をガス供給装置１２に供給すると、第１の工程Ｓ１で生成される多孔質炭素材料が酸素と反応する。この反応が生じると、第１の工程Ｓ１で得られる多孔質炭素材料の量が減少するおそれがある。これに対して、本実施形態の製造方法では、第３の工程Ｓ３において、混合ガスＧ９から酸素が取り除かれている。従って、第１の工程Ｓ１において多孔質炭素材料を酸化させることがないので、多孔質炭素材料の生成量の減少が抑制される。
【００６１】
また、本発明に係る製造方法では、第１のガスＧ１は、１０００℃以上１３００℃以下の温度に加熱される。この温度範囲では、炭化ケイ素Ｍ１と第１のガスＧ１との反応が促進される。従って、多孔質炭素材料を効率よく生成することができる。
【００６２】
また、本発明に係る製造方法では、第２のガスＧ８は、８００℃以上の温度に加熱される。この温度範囲では、四塩化ケイ素と酸素との反応が促進されるので、塩素ガスを効率よく生成することができる。
【００６３】
また、別の方式について説明する。別の方式では、第２の工程Ｓ２における酸素ガスの供給量を、四塩化ケイ素の供給量の完全反応量以下（モル比にてＯ２／ＳｉＣｌ４＜２．０）とする。すなわち、第２の工程Ｓ２において酸素は、金属塩化物の理想反応量論比よりも少ない量が供給される。この酸素ガスの供給量によれば、第２の工程Ｓ２後の、混合ガスＧ１０に含まれる酸素濃度を低減することが可能である。その場合、混合ガスＧ１０に含まれる残留四塩化ケイ素を再度凝集させてもよいし、そのまま第１の工程Ｓ１に用いられる金属炭化物の処理装置１０に供給してもよい。四塩化ケイ素を凝集させる場合の反応装置４０のブロック図を図５に示す。ここでは、第２の工程Ｓ２での生成ガス（混合ガスＧ１０）を、第１の工程Ｓ１で生成したＳｉＣｌ４を凝集する装置（冷却トラップ１３）に還流することで、複数の凝集装置が不要になっている。
【００６４】
また、第２の工程Ｓ２で生成された酸化物は、再利用されてもよい。すなわち、第２の工程Ｓ２で得られた、金属酸化物を炭素原料と混合して加熱反応せしめ炭化物を形成させて、第１の工程Ｓ１の塩素化に炭化物原料として供給する。酸化物を再利用する場合には、第２の工程Ｓ２で生成された酸化物をサイクロン装置である遠心分離装置２３にて捕集する。捕集した金属酸化物粉末を炭素と混合し、加熱反応させて炭化物とする。ここで得られた炭化物を再度第１の工程Ｓ１に供給することも可能である。このときの反応はケイ素の場合において下記の様になる。
ＳｉＯ２＋３Ｃ→ＳｉＣ＋２ＣＯ・・・（３）
また、上記反応を進行させるには、ケイ素の場合で１４００℃以上の加熱温度が必要とされる。また、チタンを用いた場合は１３００℃以上の加熱温度が必要とされる。すなわち、第２の工程Ｓ２で得られた、金属酸化物を炭素原料と混合して加熱反応せしめ炭化物を形成させて、第１の工程Ｓ１の塩素化に炭化物原料として供給する金属元素はケイ素ないしはチタンである。この加熱処理には図３に示す反応炉１１を用いることができる。雰囲気ガスとして不活性ガス（上述したＮ２，Ａｒなどすでに記載のもの）や還元性ガスである一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ２）を混合することも効果がある。また、ガスを流さず真空中で処理してもよい。また、２０００℃以上の加熱温度でも反応は進行するが、生成する炭化物の粒子サイズが大きくなりすぎるので第１の工程Ｓ１の観点上好ましくない。すなわち、上記化学式（３）の反応では、第２の工程Ｓ２で得られた、金属酸化物を炭素原料と混合して加熱反応せしめ炭化物を形成する温度が１４００℃以上２０００℃以下であり、かつ不活性ガス雰囲気であるとされる。また、活性炭特性の観点からは、酸化物の残留は電気伝導率の低下などの問題が生じるため好ましくない。従って、加えられる炭素は上記反応の量論比よりも多い方が最終製品である活性炭の特性上好ましい。
【００６５】
上記式（３）に示されるように、第２の工程Ｓ２で得られた、金属酸化物を炭素原料と混合して加熱反応せしめ炭化物を形成する際には、金属酸化物と炭素とのモル比率が、金属炭化物を形成し且つ酸素成分を一酸化炭素ガスとして消費する量論比以上に設定される。
【００６６】
なお、本発明は、本実施形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。
【００６７】
金属炭化物は、上記した炭化ケイ素の他に、炭化アルミニウム（Ａｌ４Ｃ３）、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化モリブデン（ＭｏＣ）の少なくとも一つを含むものであってもよい。これらの金属炭化物を選択した場合であっても、上述した金属炭化物の処理装置１０及び金属塩化物の処理装置２０を用いて多孔質炭素材料を製造すると共に塩素を循環利用することができる。
【００６８】
例えば、炭化チタン又は炭化アルミニウムを用いる場合には、第１の工程Ｓ１における第１のガスＧ１を５００℃以上１０００℃以下の温度に設定し、第２の工程Ｓ２における第２のガスＧ８の温度を８００℃以上１１００℃以下に設定することが好ましい。
【００６９】
炭化ホウ素、炭化タングステン、炭化モリブデンを用いる場合には、第１の工程Ｓ１における第１のガスＧ１を６００℃以上１０００℃以下の温度に設定し、第２の工程Ｓ２における第２のガスＧ８の温度を１０００℃以上１２００℃以下に設定することが好ましい。なお、上記炭化物の系列の中において、炭化ケイ素及び炭化チタンは、酸化物の形成の観点、及び炭素と反応させて再度炭化物とする熱力学的な反応可能性の観点から、本実施形態に用いられる金属炭化物として望ましい。
【００７０】
第３の工程Ｓ３における塩素を回収する方法は、例えば、第１の工程Ｓ１に用いられた冷却トラップを使用するものであってもよい。混合ガスＧ１０に含まれる塩素ガスは沸点が−３４℃である。また、酸素ガスの沸点は−１８２℃である。従って、混合ガスＧ１０を冷媒により約−７０℃まで冷却することにより、塩素ガスが液化する。従って塩素を液化させて混合ガスＧ１から回収することができる。
【００７１】
本実施形態では、金属炭化物の処理装置１０の冷却トラップ１３で四塩化ケイ素を液化して回収する。そして、金属塩化物の処理装置２０の蒸発装置２１で四塩化ケイ素を再び気化させているが、この工程に限定されない。金属炭化物の処理装置１０で生成された四塩化ケイ素（気体）は、金属塩化物の処理装置２０に直接に供給されてもよい。即ち、金属炭化物の処理装置１０の反応炉１１から排出された混合ガスＧ６を、金属塩化物の処理装置２０の第１の導入口２９ａに供給してもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１０…金属炭化物の処理装置、１１…反応炉、１２…ガス供給装置、１３…冷却トラップ、１４…三方弁、２０…金属塩化物の処理装置、２１…蒸発装置、２２…反応炉、２３…遠心分離装置、２４…塩素回収装置、２６…第１の流量調整部、２７…ガスボンベ、２８…第２の流量調整部、Ｇ１…第１のガス、Ｇ２…置換ガス、Ｇ３，Ｇ１１…塩素ガス、Ｇ４…窒素ガス、Ｇ５…アルゴンガス、Ｇ６…混合ガス、Ｇ７…混合ガス、Ｇ８…第２のガス、Ｇ９…混合ガス、Ｇ１０…混合ガス、Ｍ１…炭化ケイ素、Ｓ１…第１の工程、Ｓ２…第２の工程、Ｓ３…第３の工程。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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