(57)【要約】  本発明は、新規な炭の製造方法を提供することを目的とする。  本発明の炭の製造方法は、有機物質をヨウ素処理した後に炭素化処理する方法である。ここで、有機物質はバイオマス由来の有機物質であることが好ましい。また、ヨウ素処理は、有機物質にヨウ素蒸気を接触させる処理であることが好ましい。また、ヨウ素処理は、有機物質とヨウ素を入れた容器を加熱することが好ましい。また、ヨウ素処理の温度は、50℃以上かつ有機物質の分解温度以下の範囲内にあることが好ましい。また、炭素化処理は、不活性ガス雰囲気中または真空中で加熱する処理であることが好ましい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物質をヨウ素処理した後に炭素化処理する
炭の製造方法。
【請求項２】
有機物質は、バイオマス由来の有機物質である
請求項１記載の炭の製造方法。
【請求項３】
バイオマス由来の有機物質は、リグニン、セルロース、アミロース、ゴム、糖、またはヘミセルロースのうちから選ばれる１種または複数種からなる
請求項２記載の炭の製造方法。
【請求項４】
ヨウ素処理は、有機物質にヨウ素蒸気を接触させる処理である
請求項１記載の炭の製造方法。
【請求項５】
ヨウ素処理は、有機物質とヨウ素を入れた容器を加熱する
請求項４記載の炭の製造方法。
【請求項６】
ヨウ素処理の温度は、50℃以上かつ有機物質の分解温度以下の範囲内にある
請求項４記載の炭の製造方法。
【請求項７】
炭素化処理は、不活性ガス雰囲気中または真空中で加熱する処理である
請求項１記載の炭の製造方法。
【請求項８】
不活性ガスは、ヘリウム、アルゴン、キセノン、または窒素のうちから選ばれる１種または複数種からなる
請求項７記載の炭の製造方法。
【請求項９】
炭素化処理の温度は、400〜3000℃の範囲内にある
請求項７記載の炭の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規な炭の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、比表面積の大きな炭を製造する場合、一旦、炭にしてから水蒸気や炭酸ガスを長時間流通して賦活する方法が一般的である。中には、この炭にする行程と賦活行程を一つにした技術（例えば、特許文献１、特許文献２、および特許文献３参照。）、さらには材料に対してアルカリ金属あるいは遷移金属の化合物を混合して熱処理賦活する技術（例えば、特許文献４参照。）が採用されている。【０００３】
これとは別に、炭素材料の前駆体として広く利用されているピッチにヨウ素を作用させることで、ピッチの形状保持性を飛躍的に向上させ得ることが知られており、繊維の製造法として公開特許公報に掲載され（例えば、特許文献５および特許文献６参照。）、あるいはバルク材への実施が報告されている（例えば、非特許文献１および非特許文献２参照。）。
なお、発明者は、本発明に関連する技術内容を開示している（例えば、非特許文献３参照。）。【０００４】
【特許文献１】特開2003-95628
【特許文献２】特開2003-54926
【特許文献３】特開2000-226207
【特許文献４】特開2001-122608
【特許文献５】特開平2-80620
【特許文献６】特開平1-314734
【非特許文献１】E.Yasuda et al: TANSO No.170 (1995) 286-289
【非特許文献２】H.Kajiura et al: Carbon 35 (1997) 169-174
【非特許文献３】長倉裕規 他: 第32回炭素材料学会年会要旨集（20051.12.7-9）454-455
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、比表面積の大きな炭を製造する場合、一旦、炭にしてから水蒸気や炭酸ガスを長時間流通して賦活する方法がある。また、この炭にする行程と賦活行程を一つにした技術、さらには材料に対してアルカリ金属あるいは遷移金属の化合物を混合して熱処理賦活する技術が採用されている。【０００６】
しかしながら、炭にしてから賦活する前者技術では、二度手間になる。賦活と炭処理を同時に行う後者技術では、高温（例えば1000℃）の熱処理によって比表面積が減少する傾向が強く現れる（特許文献２の実施例参照。）。アルカリ金属などの化合物を混合する方法では、化合物あるいはその炭化物の除去が問題となる。これらいずれの方法においても、原料のうちから比表面積の高い炭として残せる割合（収率）が非常に低くなる。さらに、高温で熱処理された安定な炭において、高い比表面積を得ることができない。【０００７】
上述したように、炭素材料の前駆体として広く利用されているピッチにヨウ素を作用させることで、ピッチの形状保持性を飛躍的に向上させ得ることが知られており、繊維の製造法として公開特許公報に掲載され、あるいはバルク材への実施が報告されている。【０００８】
ヨウ素処理は、ピッチを前駆体とする炭素の収率を飛躍的に向上させることができる上に、大型の材料に対しても処理が可能であり、形状保持性がある。さらに、ヨウ素は1000℃炭素化処理過程で試料外にでるため、後処理が不要である。しかし、ヨウ素処理による強度や弾性率の検討（特許文献５および特許文献６参照。）はなされているが、比表面積や細孔形状・細孔分布については全く検討されていない。【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規な炭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】
【００１０】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の炭の製造方法は、有機物質をヨウ素処理した後に炭素化処理する。【００１１】
ここで、限定されるわけではないが、有機物質はバイオマス由来の有機物質であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、バイオマス由来の有機物質は、リグニン、セルロース、アミロース、ゴム、糖、またはヘミセルロースのうちから選ばれる１種または複数種からなることが好ましい。また、限定されるわけではないが、ヨウ素処理は、有機物質にヨウ素蒸気を接触させる処理であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、ヨウ素処理は、有機物質とヨウ素を入れた容器を加熱することが好ましい。また、限定されるわけではないが、ヨウ素処理の温度は、50℃以上かつ有機物質の分解温度以下の範囲内にあることが好ましい。また、限定されるわけではないが、炭素化処理は、不活性ガス雰囲気中で加熱する処理であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、不活性ガスは、ヘリウム、アルゴン、キセノン、または窒素のうちから選ばれる１種または複数種からなることが好ましい。また、限定されるわけではないが、炭素化処理の温度は、400〜3000℃の範囲内にあることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明は、有機物質をヨウ素処理した後に炭素化処理するので、新規な炭の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ヨウ素処理による窒素吸着量変化を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、炭の製造方法にかかる発明を実施するための最良の形態について説明する。【００１５】
本発明の炭の製造方法は、有機物質をヨウ素処理した後に炭素化処理する方法である。【００１６】
ここで、有機物質はバイオマス由来の有機物質である。バイオマス由来の有機物質としては、リグニン、セルロース、アミロース、ゴム、糖、またはヘミセルロースなどを採用することができる。【００１７】
バイオマス由来の有機物質の形状は、特定の形状に限定されるわけではなく、あらゆる形状を採用することができる。【００１８】
バイオマス由来の有機物質の大きさは、特に限定されるわけではないが、つぎの条件を満足していることが好ましい。バイオマス由来の有機物質内部に存在するすべての点について、その点と、その点に最も近い外表面との直線距離が、50mm以下であることが好ましい。バイオマス由来の有機物質内部のその点と、その点に最も近い外表面との直線距離が50mm以下であると、処理斑の生成を防止でき、均質な製品を製造することができる。【００１９】
本発明の適用対象として、バイオマス由来の有機物質について説明した。本発明の適用対象はこのバイオマス由来の有機物質に限定されない。このほか、例えば、ピッチ、ポリアセチレン、アントラセン、ペリレン、ジフェナントロペリレン、ジベンゾナフトピラントレン、またはジベンゾイソビオラントレンなどを採用することができる。【００２０】
ヨウ素処理とは、有機物質にヨウ素蒸気を接触させる処理である。具体的には、ヨウ素処理とは、有機物質とヨウ素を入れた容器を加熱する処理である。【００２１】
ヨウ素処理をする前に、有機物質とヨウ素を入れた容器の脱気を行うことが好ましい。脱気を行うことにより、副反応を抑制し、ヨウ素処理の効率を高めることができる。なお、ヨウ素処理をする前に容器の脱気を行うことは、必ずしも必要でない。【００２２】
ヨウ素処理においては、有機物質とヨウ素を入れた容器を加熱することにより、ヨウ素が昇華しヨウ素蒸気が発生する。これにより、有機物質にヨウ素蒸気を接触させることができる。ヨウ素蒸気の蒸気圧またはヨウ素蒸気の濃度は、特に限定されるものではない。【００２３】
ヨウ素処理における、容器の加熱方法としては、オイルバスによる加熱方法を採用することができる。加熱方法は、このオイルバスによる加熱方法に限定されるわけではなく、その他の加熱方法を採用することができる。【００２４】
ヨウ素処理における温度は、50℃以上かつ有機物質の分解温度以下の範囲内にあることが好ましい。また、温度は60℃以上かつ200℃以下の範囲内にあることがさらに好ましい。【００２５】
温度が50℃以上であると、試料全体の処理ができ、特性斑を抑えることができるという利点がある。温度が60℃以上であると、この効果がより顕著になる。【００２６】
温度が有機物質の分解温度以下であると、処理時の試料の形状保持性が高く、試料の変質を抑えることができるという利点がある。温度が200℃以下であると、この効果がより顕著になる。【００２７】
上記では、有機物質にヨウ素蒸気を接触させることについて説明した。有機物に接触させるのはヨウ素蒸気に限定されない。このほか、水溶液または固体などを採用することができる。【００２８】
炭素化処理とは、有機物を不活性ガス雰囲気中または真空中で加熱する処理である。【００２９】
不活性ガスとしては、ヘリウム、アルゴン、キセノン、または窒素のうちから選ばれる１種または複数種からなるものを採用することができる。【００３０】
炭素化処理の温度は400〜3000℃の範囲内にあることが好ましい。温度が400℃以上であると、炭素化処理時に試料中のヨウ素のほとんどが試料外に出るため、試料からヨウ素を除去する後処理が不要となるという利点がある。温度が3000℃以下であると、昇華による炭素の減量が少なく、効率が良いという利点がある。【００３１】
炭素化処理の後は、賦活処理を行ってもよい。炭素化処理後の賦活処理を行うことで、ヨウ素処理による気孔とは異なる径あるいは形状の気孔を導入でき、吸着剤あるいは分離剤としての機能をより高めることができる。【００３２】
バイオマス由来の有機物質にヨウ素処理（バイオマス由来の有機物質を比較的低い温度でヨウ素蒸気に接触させる）を施して炭にすることで、1000℃の熱処理においても細孔径が制御された高い比表面積を有するバイオマス由来の有機物質炭を高い収率で製造することができる。【００３３】
通常の熱処理では分解反応により形状制御が難しく、炭素化後の収率や細孔量は少なくなるが、ヨウ素処理をすることにより、炭素収率が上昇し、形状制御もできることにより比表面積の増加やガス吸着量が増加すると考えられる。【００３４】
本発明により製造された炭の用途としては、二酸化炭素吸着剤、酸素と窒素の分離剤、キャパシターなどがある。【００３５】
以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、有機物質をヨウ素処理した後に炭素化処理することにより、新規な炭の製造方法を提供することができる。【００３６】
なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【実施例】
【００３７】
つぎに、本発明にかかる実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。【００３８】
最初に、試料の作製方法について説明する。【００３９】
実施例
リグニン、セルロース、およびアミロース(各約1g）をヨウ素の粉末10gとともにフラスコ内に入れ、真空脱気（300Pa以下）して60℃オイルバス中でヨウ素の飽和蒸気に24時間接触させてヨウ素処理を行う。ヨウ素処理後の試料を取り出し、不活性雰囲気（アルゴンガス）中にて1000℃まで加熱し、30分保持する。その後、不活性雰囲気中にて室温まで冷却する。このことにより炭素化処理を行う。【００４０】
比較例
上記実施例の操作のうち、ヨウ素処理を省略して比較例とした。すなわち、リグニン、セルロース、およびアミロースを、不活性雰囲気中にて1000℃まで加熱し、30分保持する。その後、不活性雰囲気中にて室温まで冷却する。【００４１】
上記作製した試料について、評価を行った。その評価方法について説明する。
炭素収率は加熱後の重量を加熱処理前の重量で除して計算した。
吸着測定は容量法を用い、試料重量500mgについて液体窒素温度下(77K)で行った。
得られた等温線をαsプロット（炭素材料学会編，“最新の炭素材料実験技術(物性・材料評価編)”，サイペック社，pp.1-7(2003).；P.J.M.Carrott，R.A.Roberts，K.S.W.Sing，“Adsorption of nitrogen by porous and non-porous carbons”，Carbon，25，(1987) 59-68.）に変換して比表面積を計算した。【００４２】
上記作製した試料についての評価結果について説明する。【００４３】
炭素収率
表１に、炭素化処理後の炭素収率を示す。未処理のものに比べてリグニンで27%、セルロースとアミロースで4％の増加が認められる。未処理の残炭率ベースで考えると6割から2倍の増加である。炭素収率の増加により、生成物の歩留まりを向上させることができる。【００４４】
【表１】
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【００４５】
比表面積
表２に、窒素吸着等温線から、αsプロット法で求めた炭素化処理試料の比表面積を示す。リグニンで200倍以上、セルロースで2倍、アミロースで2割の増加がある。比表面積の増加により、吸着剤あるいは分離剤として、より少量で大きな機能を発揮することができる。【００４６】
【表２】
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【００４７】
窒素ガス吸着量と窒素相対圧との関係
図１に、リグニン炭、セルロース炭、アミロース炭の窒素ガス吸着量と窒素相対圧との関係を示す。すべての試料でヨウ素処理を施すことにより吸着量が増加している。特にリグニンでは吸着量が数十倍に増加している。少量で、高い吸着性能あるいは分離性能を有することが期待できる。【００４８】
以上のことから、本実施例によれば、バイオマス由来の有機物質をヨウ素処理して炭素化することで、炭素収率のみならず比表面積を増加させることができる。このことは、賦活処理を施すことなく、あるいは賦活処理を軽減してバイオマス由来の有機物質から活性炭の作製が行えることを意味する。
【図１】
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【国際調査報告】
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