(57)【要約】【課題】活性炭を製造するにあたって、製造装置の円滑な稼動，作業員の安全性の向上，環境汚染の防止を達成できる活性炭の製造方法を提供する。【解決手段】２台以上の賦活装置を用い、第１賦活装置に炭素材料を装入して第１賦活装置の稼動を開始した後、第２賦活装置に炭素材料を装入して第２賦活装置の稼動を開始し、さらに第３賦活装置から第Ｎ賦活装置まで炭素材料の装入時期を順次遅らせてそれぞれ第３〜第Ｎ賦活装置の稼動を開始し、次いで稼動を終了した第１賦活装置の内部を乾燥して炭素材料を装入し第１賦活装置を再度稼動する。【選択図】無【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素材料を賦活して活性炭を製造する際に、２台の賦活装置を用い、第１賦活装置に前記炭素材料を装入して前記第１賦活装置の稼動を開始した後、第２賦活装置に前記炭素材料を装入して前記第２賦活装置の稼動を開始し、次いで稼動を終了した前記第１賦活装置の内部を乾燥して前記炭素材料を装入し前記第１賦活装置を再度稼動することによって、前記第１賦活装置と前記第２賦活装置とを交互に稼動することを特徴とする活性炭の製造方法。
【請求項２】
炭素材料を賦活して活性炭を製造する際に、３台以上の賦活装置を用い、第１賦活装置に前記炭素材料を装入して前記第１賦活装置の稼動を開始した後、第２賦活装置に前記炭素材料を装入して前記第２賦活装置の稼動を開始し、さらに第３賦活装置から第Ｎ賦活装置まで前記炭素材料の装入時期を順次遅らせてそれぞれ第３〜第Ｎ賦活装置の稼動を開始し、次いで稼動を終了した前記第１賦活装置の内部を乾燥して前記炭素材料を装入し前記第１賦活装置を再度稼動することによって、前記第１賦活装置乃至第Ｎ賦活装置を順次繰り返し稼動することを特徴とする活性炭の製造方法。
【請求項３】
前記第１〜第Ｎ賦活装置による各々の活性炭製造工程が、前記炭素材料とアルカリ金属化合物との混合物を前記賦活装置に装入する原料装入工程、前記賦活装置内で前記混合物を加熱して活性炭と金属アルカリを生成する賦活工程、加熱された前記混合物を冷却する冷却工程、冷却された前記混合物に水分を添加して前記金属アルカリをアルカリ金属水酸化物に変換するアルカリ不活性化工程、および得られた活性炭と前記アルカリ金属水酸化物とを前記賦活装置から排出する排出工程からなることを特徴とする請求項１または２に記載の活性炭の製造方法。
【請求項４】
前記賦活装置が、ロータリーキルン式炉または固定床式炉であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の活性炭の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、活性炭の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素材料を炭化，賦活して得られる活性炭は、内部表面積が大きいので気体や液体の吸着性が優れており、様々な用途に使用される有益な素材である。そのため活性炭を製造するために種々の技術が開発されている。
たとえば特許文献１には、原料供給部，入口側置換室，トンネル炉，冷却ゾーン，注水室，出口側置換室および反応混合物排出部を閉路状につなぐ容器移動路に沿って、容器をプッシャーによって循環させる装置が開示されている。この装置は、容器を移動させる間に、原料の装入から脱水，賦活反応，冷却，注水および反応混合物排出部の排出までの一連の工程を連続的に行なう装置である。なお、特許文献１では、原料として炭素材，水酸化アルカリおよび水を混合した混合物を使用する。したがって水酸化アルカリによる賦活反応が進行し、金属アルカリ及びそれを含有する物質（たとえば炭酸ナトリウム等）が生成する。
【０００３】
しかしながら特許文献１に開示された技術では、賦活反応によって生じた金属アルカリがプッシャーや遮蔽扉等の駆動機構に付着堆積して、円滑な稼動を妨げる。その結果、活性炭の製造装置の機密性を保持することが困難になり、周辺の環境を汚染するばかりでなく、作業員の安全に問題が生じる。
【特許文献１】特開平5-306109号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記のような問題を解消し、活性炭を製造するにあたって、製造装置の円滑な稼動，作業員の安全性の向上，環境汚染の防止を達成できる活性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】
【０００５】
本発明は、炭素材料を賦活して活性炭を製造する際に、２台の賦活装置を用い、第１賦活装置に炭素材料を装入して第１賦活装置の稼動を開始した後、第２賦活装置に炭素材料を装入して第２賦活装置の稼動を開始し、次いで稼動を終了した第１賦活装置の内部を乾燥して炭素材料を装入し第１賦活装置を再度稼動することによって、第１賦活装置と第２賦活装置とを交互に稼動する活性炭の製造方法である。
【０００６】
また本発明は、炭素材料を賦活して活性炭を製造する際に、３台以上の賦活装置を用い、第１賦活装置に炭素材料を装入して第１賦活装置の稼動を開始した後、第２賦活装置に炭素材料を装入して第２賦活装置の稼動を開始し、さらに第３賦活装置から第Ｎ賦活装置まで炭素材料の装入時期を順次遅らせてそれぞれ第３〜第Ｎ賦活装置の稼動を開始し、次いで稼動を終了した第１賦活装置の内部を乾燥して炭素材料を装入し第１賦活装置を再度稼動することによって、第１賦活装置乃至第Ｎ賦活装置を順次繰り返し稼動する活性炭の製造方法である。
【０００７】
本発明の活性炭の製造方法においては、第１〜第Ｎ賦活装置による各々の活性炭製造工程が、炭素材料とアルカリ金属化合物との混合物を賦活装置に装入する原料装入工程，賦活装置内で混合物を加熱して活性炭と金属アルカリを生成する賦活工程，加熱された混合物を冷却する冷却工程，冷却された混合物に水分を添加して金属アルカリをアルカリ金属水酸化物に変換するアルカリ不活性化工程、および得られた活性炭とアルカリ金属水酸化物とを賦活装置から排出する排出工程からなることが好ましい。また賦活装置が、ロータリーキルン式炉または固定床式炉であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、活性炭を製造するにあたって、製造装置の円滑な稼動，作業員の安全性の向上，環境汚染の防止を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明にて原料として使用される炭素材料は、
(a) ヤシガラ，石炭等の炭素化物
(b) 石油や石炭のピッチから調製される炭素化物
(c) 石油や石炭（コークス）
(d) フェノール樹脂炭素化物
(e) カーボンブラック
(f) フラーレンブラック
(g) 炭素繊維
(h) カーボンナノチューブ
等が挙げられる。これらの炭素材料の形態は、粒状，繊維状等、どのような形状でも使用できる。また(a)〜(h)の炭素材料を単独で使用しても良いし、あるいは２種以上を混合して使用しても良い。さらに、賦活処理を施す前に予め予備焼成を行なっても良い。
【００１０】
粒状の炭素材料を使用する場合は、粒径が10mmを超えると賦活反応が均一に進行しないので、粒径10mm以下の粒子を使用するのが好ましい。より好ましくは粒径１μm〜１mmである。
繊維状の炭素材料を使用する場合は、賦活反応が均一に進行させるために、直径１mm以下かつ長さ10mm以下の繊維片を使用する。より好ましくは、直径は0.1mm以下、長さは１mm以下である。なお直径は0.1〜100μmが一層好ましい。繊維片のアスペクト比は１〜10が好ましい。ここでアスペクト比は下記の(1)式で算出される値である。
【００１１】
アスペクト比＝繊維長／繊維直径              ・・・ (1)
このような炭素材料を賦活装置に装入し、賦活処理を施して活性炭を製造する。本発明では賦活装置を２台以上使用する。
以下に、賦活装置を２台使用する場合について説明する。ここでは２台の賦活装置を区別するために、それぞれ第１賦活装置，第２賦活装置と記す。
【００１２】
まず炭素材料を第１賦活装置に装入して、第１賦活装置を稼動する。その後、第１賦活装置が稼動している間に、炭素材料を第２賦活装置に装入して、第２賦活装置を稼動する。次いで第１賦活装置にて賦活処理が終了して、得られた活性炭を排出した後、内部を乾燥して再び第１賦活装置に炭素材料を装入し、第１賦活装置を稼動する。このようにして第１賦活装置と第２賦活装置とを交互に稼動することによって、半連続的に活性炭を製造することができる。
【００１３】
次に、賦活装置を３台以上使用する場合について説明する。ここでは３台以上の賦活装置を区別するために、それぞれ第１賦活装置，第２賦活装置，第３賦活装置，第Ｎ賦活装置と記す。Ｎは３以上の整数である。
まず炭素材料を第１賦活装置に装入して、第１賦活装置を稼動する。その後、第１賦活装置が稼動している間に、炭素材料を第２賦活装置に装入して、第２賦活装置を稼動する。さらに第１賦活装置，第２賦活装置が稼動している間に、炭素材料を第３賦活装置に装入して、第３賦活装置を稼動する。こうして炭素材料の装入時期を順次遅らせて、第３〜第Ｎ賦活装置を稼動する。次いで第１賦活装置にて賦活処理が終了して、得られた活性炭を排出した後、内部を乾燥して再び第１賦活装置に炭素材料を装入し、第１賦活装置を稼動する。このようにして第１〜第Ｎ賦活装置を順次繰り返し稼動することによって、半連続的に活性炭を製造することができる。
【００１４】
以上に説明した通り、本発明では複数の賦活装置を使用する。各賦活装置における賦活処理の手順は同一である。その賦活処理の手順について説明する。
炭素材料を賦活装置に装入するにあたって、予めアルカリ金属化合物と混合しておくことが好ましい。本発明で使用するアルカリ金属化合物はアルカリ金属の水酸化物であり、たとえば水酸化リチウム，水酸化ナトリウム，水酸化カリウム，水酸化セシウム，水酸化ルビジウム等である。これらのアルカリ金属化合物は、それぞれ単独で使用しても良いし、あるいは２種以上を混合して使用しても良い。
【００１５】
固体のアルカリ金属化合物を炭素材料に混合するときは、市販されているペレットを使用しても良い。ただし炭素材料が固体であることを考慮すると、均一に混合するためにはアルカリ金属化合物は細かい方が望ましく、粒径500μm以下が好ましい。
また、アルカリ金属化合物を水に溶解した水溶液を炭素材料に混合しても良い。
アルカリ金属化合物の混合量が過少であれば、賦活処理の進行が阻害される。アルカリ金属化合物の混合量は多いほど賦活処理の進行が促進される。しかしアルカリ金属化合物を多量に混合すると、活性炭の製造コストが上昇する。したがって混合比率は、経済性を考慮して、炭素材料１質量部に対してアルカリ金属化合物１〜５質量部とするのが好ましい。より好ましくは、炭素材料１質量部に対してアルカリ金属化合物２質量部である。
【００１６】
賦活装置は、特定の構成に限定せず、ロータリーキルン式炉や固定床式炉等の従来から知られている装置が使用できる。
ロータリーキルン式炉を使用する場合は、原料（すなわち炭素材料とアルカリ金属化合物の混合物）を過剰に装入すると、賦活処理の進行が阻害され、均質な活性炭が得られない。したがって少量の原料を装入して賦活処理を施す。原料の装入量を減少させると賦活装置１台あたりの生産性が低下するが、本発明では複数の賦活装置を使用することによって、活性炭の製造量の減少を防止する。
【００１７】
固定床式炉を使用する場合も、原料を過剰に装入すると、賦活処理の進行が阻害され、均質な活性炭が得られない。したがって固定床式炉では、皿状の原料載置部材に原料を薄く堆積させる。原料載置部材の原料積載量を減少させると、原料載置部材１枚あたりの生産性が低下するが、本発明では原料載置部材を多段に配置したり、複数の賦活装置を使用することによって、活性炭の製造量の減少を防止する。また、原料載置部材の材質は、高温のアルカリ雰囲気で使用することを考慮して、インコネルやニッケル等の耐アルカリ腐食性を有するものを使用するのが好ましい。
【００１８】
賦活装置に装入された原料（すなわち炭素材料とアルカリ金属化合物の混合物）は、賦活装置内で加熱される。加熱手段は、特定の構成に限定せず、ガスや電気を使用するヒーター等の従来から知られている間接加熱の熱源が使用できる。また、誘導加熱やマイクロ波加熱等の直接加熱も使用できる。直接加熱は、原料載置部材が加熱体となるので、外部から熱を供給する間接加熱に比べて、昇温速度が速く、かつ熱効率が高い。
【００１９】
賦活装置内の雰囲気は、不活性雰囲気とする。したがって雰囲気ガスは、ヘリウムガスやアルゴンガスが使用できるが、経済性を考慮して窒素ガスを使用するのが好ましい。
賦活装置の昇温速度が100℃／minを超えると、炭素材料とアルカリ金属化合物の発泡が生じる。一方、１℃／min未満では、昇温に長時間を要し、活性炭の生産性が低下する。したがって、昇温速度は１〜100 ℃／minの範囲内が好ましい。より好ましくは５〜20℃／minである。
【００２０】
賦活装置の加熱温度が900℃を超えても、賦活反応が顕著に促進される効果は認められない。一方、600℃未満では、賦活反応が十分に進行しない。したがって加熱温度は600〜900℃の範囲内が好ましい。
また所定の温度で保持する時間は特に必要ないが、賦活反応が均一に進行させ、均質な活性炭が得るためには、最長５時間の保持時間を設けることが好ましい。
【００２１】
こうして原料を加熱することによって賦活反応が進行し、アルカリ金属化合物（すなわちアルカリ金属の水酸化物）が還元され、金属アルカリが生成する。
賦活処理が終了した後、高温の原料を賦活装置内で冷却する。冷却手段は特定の構成に限定せず、自然放冷や冷却用ガスによる冷却等の従来から知られている冷却方法が使用できる。冷却用ガスを使用する場合は、賦活装置内の雰囲気ガスと同じ成分のガスを流通させるのが好ましい。ただし原料を冷却するだけでは、賦活反応から安全に排出することはできない。その理由は、賦活反応によって生じた金属アルカリが空気に触れることによって水素を放出し、燃焼あるいは爆発を引き起こす惧れがあるからである。
【００２２】
そこで賦活処理を施した原料に水を添加して、金属アルカリを不活性化する。ここで不活性化とは、金属アルカリを安定な水酸化物に変換する処理を指す。水の添加方法は、賦活装置内に水蒸気を流通させる、あるいは霧状の水滴を噴霧する等の方法がある。ただし金属アルカリの燃焼や爆発を防止するためには、いずれの方法を採用しても、金属アルカリの不活性化が終了するまで水分の供給を継続することが好ましい。
【００２３】
なお、賦活処理を施した原料の冷却と金属アルカリの不活性化は、それぞれ個別に処理を施しても良いし、あるいは両処理を併行して施しても良い。
このようにして金属アルカリを不活性化した後で、得られた活性炭とアルカリ金属水酸化物とを賦活装置から排出する。活性炭とアルカリ金属水酸化物の排出は、専用の治具を賦活装置に挿入して機械的に掻き出す方法、あるいは賦活装置内に水を流し込んでスラリーとして流出させる方法等が採用できる。
【００２４】
なお、賦活装置内に注水してスラリーを流出させる方法は、上記した金属アルカリを不活性化する処理と併用することが可能である。その場合は、金属アルカリの不活性化と賦活処理を施した原料の冷却とを併行して行なうのは不可能である。つまり、賦活処理を施した原料の冷却が終了した後、賦活装置内に注水する。
上記した通り、賦活処理が終了した原料の冷却，金属アルカリの不活性化，活性炭とアルカリ金属水酸化物の排出を行なう方法は、種々の組み合わせが可能である。ただし、いずれの方法を採用しても、賦活装置の内部が水分で濡れるのは避けられない。
【００２５】
そこで、再び原料を装入するに先立って、賦活装置の内部を乾燥する必要がある。賦活装置を乾燥する手段は、特定の構成に限定せず、高温のガスを流通させる等によって水分を蒸発させることが可能である。そのガスは、上記した賦活処理が終了した原料の冷却で使用したガス等を使用することができる。
一方、賦活装置から排出した活性炭とアルカリ金属水酸化物は、その排出が如何なる方法であっても、水を供給して、アルカリ金属水酸化物を水に溶解させる。その水は、濾過水，イオン交換水，蒸留水等が使用できる。ただし、濾過水に含まれる微量の不純物が活性炭に吸着されて、活性炭の品質が劣化する惧れがあるので、イオン交換水や蒸留水を使用するのが好ましい。
【００２６】
アルカリ金属水酸化物の溶解は、常温で行なうことも可能であるが、80℃程度に加熱して行なうことによって溶解時間を短縮できる。
次いで、固体の活性炭とアルカリ金属水酸化物の水溶液とを濾過して、活性炭を分離して回収する。こうして回収された活性炭を乾燥して、様々な用途に使用する。
以上に説明した通り、本発明においては、賦活処理が終了した後、原料を再度装入するに先立って、賦活装置の内部を乾燥する必要がある。したがって賦活装置は、原料装入，賦活処理，冷却，アルカリ不活性化，排出，乾燥からなる一連の手順を不連続的（いわゆるバッチ処理）に繰り返し行なう。その賦活装置を２台以上使用することによって、活性炭を半連続的に製造する。
【００２７】
各賦活装置は不連続稼動を行なうので、賦活装置の遮蔽扉を開放して原料の装入や排出を行なう時には、賦活処理は停止している。また賦活装置の稼動中には、賦活処理にて発生した金属アルカリを不活性化するので、賦活装置の様々な部位（たとえば遮蔽扉等の駆動機構）に金属アルカリが付着堆積するのを抑制できる。その結果、賦活装置の円滑な稼動を維持できるばかりでなく、稼動時の気密性を保持できるので作業員の安全性の向上や環境汚染の防止を達成できる。
【実施例】
【００２８】
メソフェース系ピッチを600℃で炭素化し、得られた炭素材料24kgを平均粒径30μmに粉砕した。この炭素微粉に水酸化カリウム48kg（平均粒径500μm）を加えて混合した。得られた混合物を20mmの厚さで皿に載せ、さらにその皿を２段に配置して第１賦活装置（すなわち固定床式炉）に装入した。次いでヒーターに通電して昇温速度２℃／minで800℃に加熱し、窒素雰囲気中で１時間保持した。その後、自然放冷して、賦活装置内の温度が150℃となったときに、水蒸気を賦活装置内に供給して、金属アルカリを不活性化した。次に、賦活装置内に注水して活性炭とアルカリ金属水酸化物をスラリーとして排出した。以上の１サイクルの稼動に要する時間は24時間であった。
【００２９】
一方、第１賦活装置の稼動開始から４時間経過した後、第２賦活装置に炭素微粉と水酸化カリウムとの混合物を装入して、第２賦活装置の稼動を開始した。第２賦活装置の稼動条件は第１賦活装置と同じであるから説明を省略する。
また第２賦活装置の稼動開始から４時間経過した後、第３賦活装置に炭素微粉と水酸化カリウムとの混合物を装入して、第３賦活装置の稼動を開始した。さらに同様に第４賦活装置，第５賦活装置，第６賦活装置を、それぞれ４時間ずつ遅らせて稼動した。
【００３０】
このようにして第１〜第６賦活装置を各々１サイクルずつ稼動して、各賦活装置から排出された活性炭とアルカリ金属水酸化物にイオン交換水を供給して、アルカリ金属水酸化物を溶解し、さらに濾過して活性炭を分離して回収した。このイオン交換水による洗浄を数回繰り返して、活性炭の表面に付着した水分が中性（ｐＨ＝７）であることを確認した後、回収した活性炭を乾燥した。得られた活性炭の比表面積は平均1500ｍ2 ／ｇであり、優れた吸着性を有することが確認された。
【００３１】
また第１〜第６賦活装置の稼動中には、いずれも設備の故障や煤煙の発生，粉塵の漏出は皆無であった。