(57)【要約】【課題】吸着機能が向上させた吸着材を提供し、より少ない吸着材で作動可能な吸着ヒートポンプを提供する。【解決手段】ポリエステル、ポリカーボネート、フェノール樹脂、ポリイミドなどの樹脂をＫＯＨ、ＮａＯＨなどの低温薬品賦活（薬品の種類；水酸化カリウムなど、原料に対する薬品量（薬品の重量/原料プラスチックの重量（重量比Ｒ）；１〜４、賦活温度；６７８〜８７３Ｋ）によって得られる活性炭は、相対水蒸気圧φが０．０５〜０．４０の範囲で優れた吸着性を示す。さらにこの活性炭に、シリカゲル原料として、珪酸ソーダ水溶液もしくはＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）水溶液を含浸、珪酸ソーダ水溶液もしくはＴＥＯＳ水溶液を加えてこれらを含浸させ（珪酸ソーダ水溶液濃度；０．０２〜０．２ｗｔ％）、ＣＴＡＢ(臭化セチルトリメチルアンモニウム（０．０１〜１．５ｗｔ％）)、含浸時間；２４〜４８ｈ）、硫酸酸性条件下でシリカゲル合成を行い、水洗・熱成・乾燥工程を経てシリカゲル添着活性炭を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機高分子樹脂１０重量部を、賦活剤１０〜４０重量部で薬品賦活処理して活性炭を生成し、この活性炭をシリカゲル原料を含む酸性溶液に含浸してシリカゲルを添着させたことを特徴とするシリカゲル添着活性炭。
【請求項２】
請求項１に記載のシリカゲル添着活性炭において、
前記薬品賦活処理は、６７８〜８７３Ｋの温度範囲で行われる、
ことを特徴とするシリカゲル添着活性炭。
【請求項３】
請求項１または２に記載のシリカゲル添着活性炭において、
前記賦活剤は、アルカリ金属の塩、アルカリ金属の水酸化物、または塩化亜鉛のうちの少なくとも１つである、
ことを特徴とするシリカゲル添着活性炭。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリカゲル添着活性炭において、
前記シリカゲル原料は、珪酸ソーダまたはテトラエトキシシランのうちの少なくとも１つである、
ことを特徴とするシリカゲル添着活性炭。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のシリカゲル添着活性炭において、
前記酸性溶液は界面活性剤を含む、
ことを特徴とするシリカゲル添着活性炭。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のシリカゲル添着活性炭において、
前記有機高分子樹脂は、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂のうちの少なくとも１つを含む、
ことを特徴とするシリカゲル添着活性炭。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のシリカゲル添着活性炭において、
水蒸気圧と飽和水蒸気圧との比（相対水蒸気圧）が０．０５〜０．４０で吸着ヒートポンプ或いはデシカント空調機を稼動させ得る、
ことを特徴とするシリカゲル添着活性炭。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のシリカゲル添着活性炭を吸着材として用いた吸着ヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリカゲル添着活性炭及びこれを用いた吸着ヒートポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水蒸気を作動媒体とする吸着ヒートポンプ用の吸着材として、従来、シリカゲル、ゼオライトがその対象として考えられている。しかしそれらの場合、吸着ヒートポンプの代表的な動作条件である水蒸気相対圧φ０．１〜０．３５の範囲の吸着容量△ｑ値はシリカゲルで０．１２ｋｇ/ｋｇ程度、ゼオライトでは０．０３ｋｇ/ｋｇ程度である。最近、吸着ヒートポンプ用としてメソポーラスシリカが開発されており、その△ｑは最大０．２ｋｇ/ｋｇ程度であることが報告されている。しかし、さらにより高吸着量を示す吸着材が求められている。
【０００３】
吸着ヒートポンプは８０℃程度以下の低温排熱を回収・高レベル変換できる熱機関である。作動媒体には水、アルコール、アンモニアなどを用い、吸着材としてシリカゲル、ゼオライト、活性炭など無害の化学物質を用いることができ、いわゆるノンフロン型の環境調和型低温熱エネルギー機器として機能する。しかし、とくに吸着材の汲み上げ熱量が小さいこと、つまり△ｑが小さいことが装置容積を大きくする最大の原因となり、汎用的実用化が遅れていた。
【０００４】
そこで、本願発明者の架谷らは、相対水蒸気圧が０．０５〜０．４０の範囲で優れた吸着性を示す炭素系の吸着材を開発した（特許文献１を参照されたい。）。これは、プラスチックを改質して作製した活性炭であり、プラスチックを原料とする低温薬品賦活法によって得られる活性炭はそれ自体疎水性であるが、小孔径の細孔を多量に有し、これによって吸着機能を顕著に向上させたものである。
【特許文献１】特開２００２−２３５９６５号（図１、段落０００６−０００７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した架谷らによる活性炭は従来品に比べ吸着機能は大幅に向上したものではあるが、実用化するためにはさらに吸着材の吸着機能を向上させ、より少ない吸着材で作動可能な吸着ヒートポンプの開発、即ちポンプ自体の小型化が求められている。そこで、本発明は、上述した諸課題を解決すべく、活性炭にシリカゲルを添着せせることによってさらに吸着機能を向上させた活性炭、及びこれを吸着材として用いた吸着ヒートポンプの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によるシリカゲル添着活性炭は、
有機高分子樹脂１０重量部を、賦活剤１０〜４０重量部（樹脂：賦活剤＝１：１〜４）で薬品賦活処理して活性炭を生成し、この活性炭をシリカゲル原料を含む酸性溶液に含浸してシリカゲルを添着させたことを特徴とする。
本発明によれば、有機高分子樹脂即ちプラスチックを原料とする低温薬品賦活法によって得られる活性炭はそれ自体疎水性であるが、小孔径の細孔を多量に有し、これによって吸着機能を顕著に向上させ、さらに、細孔内への親水性シリカゲルの添着による細孔径の狭小化と親水性の同時付与を行うことにより、相対水蒸気圧φが０．４０以上に主な吸着性を持つものを０．０５〜０．４０の範囲にシフトさせ、この範囲の吸着性能の大幅に向上させることができる。従って、従来よりも高性能な吸着材を提供することが可能となる。また、従来品のシリカゲルやゼオライトは熱化学的に水蒸気を吸着するのに対して、本発明によるシリカゲル添着活性炭は物理的な吸着であることから、発明品のシリカゲル添着活性炭は、従来品のシリカゲルなどよりも耐久性が優れているものと考えられる。
【０００７】
また、本発明によるシリカゲル添着活性炭は、
前記薬品賦活処理は、６７８〜８７３Ｋの温度範囲で行われる、ことを特徴とする。
【０００８】
さらにまた、本発明によるシリカゲル添着活性炭は、
前記賦活剤は、アルカリ金属の塩、アルカリ金属の水酸化物、または塩化亜鉛のうちの少なくとも１つである、ことを特徴とする。
【０００９】
さらにまた、本発明によるシリカゲル添着活性炭は、
前記シリカゲル原料は、珪酸ソーダまたはテトラエトキシシランのうちの少なくとも１つであり、前記酸性溶液は界面活性剤を含む、ことを特徴とする。
【００１０】
さらにまた、本発明によるシリカゲル添着活性炭は、
前記酸性溶液は界面活性剤を含む、ことを特徴とする。
【００１１】
さらにまた、本発明によるシリカゲル添着活性炭は、
前記有機高分子樹脂は、ポリエステル、ポリカーボネート、フェノール樹脂、及びポリイミドなどの熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂のうちの少なくとも１つを含む、ことを特徴とする。
これらの物質は薬品賦活での活性炭収率が大きいため低コストで活性炭を提供することが可能となる。
【００１２】
さらにまた、本発明によるシリカゲル添着活性炭は、
水蒸気圧と飽和水蒸気圧との比（相対水蒸気圧）が０．０５〜０．４０で吸着ヒートポンプを稼動させ得る、ことを特徴とする。
【００１３】
本発明による吸着ヒートポンプは、上述したシリカゲル添着活性炭を吸着材として用いたことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以降、図面を参照しつつ、本発明の原理及びその実施態様を詳細に説明する。
水蒸気系吸着ヒートポンプの作動水蒸気相対圧は０．０５〜０．４０の範囲にあり、この範囲の吸着性に優れた吸着材が求められている。吸着材の水蒸気吸着性は吸着材の親水性および吸着材の細孔径と密接な関係にあり、親水性が大きく小さい細孔径の細孔が多量に存在する吸着材においてより低相対水蒸気圧範囲で大容量の吸着性を示す。これは、吸着材の細孔内における水蒸気吸着が次式のケルビン式で表されることによる。
ｌｎ（Ｐ/Ｐ０）＝（−２γ Ｖｍ/ｒＲＴ）ｃｏｓθ
ここで、Ｐ/Ｐ０（＝φ）は吸着が起こる相対水蒸気圧（Ｐは水蒸気圧、Ｐ０は飽和水蒸気圧）、ｒは細孔半径、θは細孔壁と水の接触角、γは水の表面張力（表面自由エネルギー）、Ｖｍは水のモル容積、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度である。本式は細孔半径ｒ、接触角θが小さくなると吸着が起こる相対水蒸気圧Ｐ/Ｐ０（＝φ）も小さくなることを示している。
【００１５】
そこで本発明では、
１）有機高分子樹脂即ちプラスチックを原料とする低温薬品賦活法によって得られる活性炭はそれ自体疎水性であるが、小孔径の細孔を多量に有するため水蒸気系吸着ヒートポンプの作動範囲となる相対水蒸気圧φが０．０５〜０．４０の範囲で優れた吸着性を示すこと、
２）この活性炭が比較的大きな細孔をも有し相対水蒸気圧０．４０以上においても大きな吸着性を有すること、
３）２）の吸着性を示す細孔内への親水性シリカゲルの添着による細孔径の狭小化と親水性の同時付与を行うことにより、φが０．４０以上の吸着性を０．０５〜０．４０の範囲にシフトさせこの範囲の吸着性能の大幅向上させうること、
の３項目に着目したあらたな高性能吸着ヒートポンプやデシカント空調機に最適なシリカゲル添着活性炭、及び、この活性炭を用いた吸着ヒートポンプを提供する。
【００１６】
活性炭原料の有機高分子樹脂（プラスチック）には、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれも適用できるが、とくに薬品賦活での活性炭収率が大きいポリエステル、ポリカーボネート、フェノール樹脂、ポリイミドが好ましい。これらの樹脂をＫＯＨ、ＮａＯＨなどの低温薬品賦活（薬品の種類；水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、リン酸などのアルカリ金属の塩またはアルカリ金属の水酸化物または塩化亜鉛、原料に対する薬品量（薬品の重量/原料プラスチックの重量（重量比Ｒ）；１〜４、賦活温度；６７８〜８７３Ｋ）によって得られる活性炭は、相対水蒸気圧φが０．０５〜０．４０の範囲で優れた吸着性を示す。さらにこの活性炭に、シリカゲル原料として、珪酸ソーダ水溶液もしくはＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）水溶液を含浸、珪酸ソーダ水溶液もしくはＴＥＯＳ水溶液を加えてこれらを含浸させ（珪酸ソーダ水溶液濃度；０．０２〜０．２ｗｔ％）、ＣＴＡＢ(臭化セチルトリメチルアンモニウム（０．０１〜１．５ｗｔ％）)、含浸時間；２４〜４８ｈ）、硫酸酸性条件下でシリカゲル合成を行い、活性炭の表面（細孔の内壁など）にこのシリカゲルをコーティングさせ、水洗・熱成・乾燥工程を経てシリカゲル添着活性炭を得た。得られたシリカゲル添着活性炭について、その水蒸気吸着等温線の測定結果に基づく吸着ヒートポンプ用活性炭としての性能評価を行った。
その結果、ポリエステル、ポリカーボネート、フェノール樹脂、ポリイミドの低温薬品賦活活性炭の場合、吸着ヒートポンプの代表的な作動条件である相対水蒸気圧０．１〜０．３５の範囲の吸着容量が最大０．２１ｋｇ/ｋｇであるのに対して、本発明によるこのポリカーボネートを原料とする活性炭にＴＥＯＳと界面活性剤の混合水溶液を含浸させる方法を適用して得られた活性炭の△ｑは０．２５以上になり、本発明による技法があらたな吸着ヒートポンプ用活性炭の高性能化法として有効であることを認めた。
図１は、本発明により製造されたシリカ添着活性炭の水蒸気吸着等温線（比較のためシリカゲルの吸着等温線併示）を示すグラフである。縦軸は水蒸気の吸着量、横軸は相対圧を示す。吸着ヒートポンプ稼動時の吸着容量は、任意の２つの相対圧間（この図では例として相対圧０．１と０．３５を示している）における水蒸気吸着量の差となる。
【００１７】
ポリカーボネートを原料とし、Ｒ＝３、賦活温度７７３Ｋの条件でＫＯＨ賦活することにより活性炭を製造し、この活性炭に対してＴＥＯＳと界面活性剤の混合水溶液を含浸させる方法を適用して得られた活性炭の水蒸気吸着等温線を図に示す。吸着ヒートポンプの代表的な作動条件である相対蒸気圧０．１〜０．３５の範囲を仮定すると△ｑ値が０．２５ｋｇ/ｋｇ以上になる。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明によるシリカゲル添着活性炭は、冷却、加熱されることにより吸着材に水が吸着、脱着されることを利用した吸着ヒートポンプの吸着材に利用可能である。この吸着ヒートポンプは８０℃程度以下の低温排熱を回収・高レベル変換できる熱機関であり、環境調和型の低温排熱利用機器として機能する。
吸着容量の増大は、同時に吸着による熱発生量の増大、脱着の有効供給熱量の増大につながり、発生熱の除去速度、供給熱の給熱速度を増大させることが不可欠となるが、活性炭は他のシリカゲル、ゼオライトなどに比べて熱伝導率がやや大きく、速やかな除熱速度、給熱速度の確保ができ、発明品の活性炭使用の吸着ヒートポンプは、従来品のシリカゲル充填の吸着ヒートポンプに比べて吸着器の低コスト化、コンパクト・小型化が可能になる。
【００１９】
本発明を図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることを留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明により製造されたシリカ添着活性炭の水蒸気吸着等温線（比較のためシリカゲルの吸着等温線併示）を示すグラフである。
【図１】
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