(57)【要約】【課題】  揮発分が少なく、含有酸素量が高くおよび比表面製が大きい、金属元素および／または非金属元素の含有量が十分に低減された植物性原料由来の炭化物を提供すること、およびそのような炭化物を、比較的低い温度において高い回収率で製造する方法を提供すること。【解決手段】  植物性原料を、酸水溶液中で１５０〜３５０℃の温度において水熱炭化する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化物の全重量を基準に７０重量％以下の揮発分、３０％以上の含有酸素量および１０ｍ２／ｇ以上の比表面積を有し、金属元素Ｓｉの含有量に対する金属元素Ｍｇの含有量の比が８．０以下である、植物性原料由来の炭化物。
【請求項２】
植物性原料は珈琲豆である、請求項１に記載の炭化物。
【請求項３】
植物性原料を水熱炭化することにより得られる、請求項１または２に記載の炭化物。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の炭化物を焼成することにより得られる炭素質材料。
【請求項５】
請求項４に記載の炭素質材料からなる酸吸着剤。
【請求項６】
植物性原料由来の炭化物を製造するための方法であって、
植物性原料を酸水溶液中で１５０〜３５０℃の温度において水熱炭化する工程
を含む、方法。
【請求項７】
前記水熱炭化する工程の前に、植物性原料を酸水溶液中で５０〜１５０℃の温度において保持することにより、植物性原料中の金属元素および／または非金属元素の含有量を低下させる工程を含む、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、植物性原料由来の炭化物およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素質材料は、コンデンサー用電極、電解用電極、活性炭、担持体等として様々な用途に用いられており、今後更なる開発が期待されている。これらの炭素質材料は従来、石炭コークス、石炭または石油ピッチ、フラン樹脂またはフェノール樹脂等を原料として製造される。近年、化石燃料資源の使用は、地球環境に影響を与え、および埋蔵量の減少による価格高騰にも起因して、今後の使用が困難になることが予想されている。
【０００３】
そこで、地球環境に優しい素材として天然素材を原料として用いて製造された炭素質材料が注目されている。しかしながら、天然素材には、生物の生命活動維持に必要な種々の金属が含まれている。したがって、天然素材由来の炭素質材材料を電子材料として用いた場合、このような金属が不純物となり、電気的な障害が生じることが懸念される。また、水のろ過等に用いられる活性炭などの吸着剤では、吸着した物質と金属とが反応し、水溶性物質が形成され、水中へ再び放出される等の問題が生じる上に、炭化賦活時に、残留する金属により孔形成反応が加速され、必要以上に多孔化が進行する。さらに、触媒担持体においては、担持する触媒金属と含有不純物金属との反応により、目的とした粒径または組成で触媒成分を担持できない等の問題が生じる。
【０００４】
天然素材由来の炭素質材材料に関し、植物由来の有機物を炭素化して得られる炭素質材料（特許文献１）や植物性原料を炭素化して得られる炭素材料（特許文献２、特許文献３）などが提案されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、不活性ガス雰囲気中で脱タールを行う方法や非酸化性ガス雰囲気下で焼成を行う方法、および特許文献２および特許文献３では、廃コーヒー豆を真空下または不活性ガス雰囲気下で予備炭素化処理および炭素化処理を行う方法について検討されているものの、それらの処理を行っている間にこのような気相中で炭素化処理等を行った場合には原料の一部が揮発するため、高い回収率で炭化物を得ることは困難である。また、特許文献２および３では、３００℃〜７００℃の比較的高い温度にて予備炭素化処理が行われるため、省エネルギーの観点から好ましくない。さらに、このような気相中での炭化により得られる炭化物は、焼成を行った際に揮発する成分が多く、炭化炭素質材料を高い回収率で得ることができない。また、含有酸素量が低く、比表面積も小さいため、酸吸着性に優れた炭素質材料が得られない。
【０００６】
また、特許文献１に記載されている方法においては、有機酸を使用した場合、浸漬初期に有機酸水溶液中へ溶出する有機物により、有機酸とアルカリ土類金属および／または重金属との反応が阻害される。そのため、特許文献１に記載の方法では、マグネシウム、カルシウム、鉄については除去するのが困難である。また、塩酸等の強酸を用いて脱灰を行った場合には、脱灰後の植物由来の有機物に塩素等が残留しないように、脱灰後に多量の水で水洗を行わねばならない。
【０００７】
さらに、特許文献２には、植物性原料を水で洗浄して植物性原料中に含有されるアルカリ土類金属、アルカリ土類金属および重金属を溶出除去する方法、特許文献３には、植物性原料または炭素化された植物性原料を水系溶媒中でマイクロ波加熱処理することにより、植物性原料または炭素化された植物性原料に含有されるアルカリ土類金属、アルカリ土類金属および重金属を溶出除去する方法が提案されているものの、具体的に除去されることが確認されているのはカリウムのみである。また、洗浄に水を用いる特許文献２および特許文献３に記載の方法では、水に対する溶解度が十分に高くないアルカリ土類金属塩および重金属塩を十分に除去することができない。
【０００８】
一方、比較的低い温度にて植物由来の炭化物を製造する方法として、ココナッツ繊維やユーカリ葉を１５０〜３００℃の温度にて水熱炭化処理して炭化物を製造する方法（非特許文献１）、ポプラ材チップを脱イオン水中で２２０℃にて水熱処理する方法（非特許文献２）、へーゼルナッツ殻の粉末を脱イオン水中で２５０℃にて水熱処理する方法が提案されている（非特許文献３）。しかしながら、これらの方法では、含有酸素量が低く、および焼成の際に揮発する成分が少ない炭化物は得られない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２０１４/０３８４９１号パンフレット
【特許文献２】特開２０００−２６８８２３号公報
【特許文献３】特開２０００−３２７３１６号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｚｈｅｎｇａｎｇ  Ｌｉｕ、外１名、「Ｕｐｇｒａｄｉｎｇ  ｏｆ  ｗａｓｔｅ  ｂｉｏｍａｓｓ  ｂｙ  ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ  ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ（ＨＴＣ）  ａｎｄ  ｌｏｗ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ（ＬＴＰ）：  Ａ  ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ  ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｅｎｅｒｇｙ、第１１４巻、２０１４年２月、第８５７〜８６４頁
【非特許文献２】Ｊａｎ  Ｓｔｅｍａｎｎ、外２名、「Ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ  ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ：  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｗａｔｅｒ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｆ  ｗａｔｅｒ  ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ」、Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第１４３巻、２０１３年６月、第１３９〜１４６頁
【非特許文献３】Ｅｃｅ  Ｕｎｕｒ、外３名、「Ｎａｎｏｐｏｒｏｕｓ  ｃａｒｂｏｎｓ  ｆｒｏｍ  ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ｔｒｅａｔｅｄ  ｂｉｏｍａｓｓ  ａｓ  ａｎｏｄｅ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｆｏｒ  ｌｉｔｈｉｕｍ  ｉｏｎ  ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」、Ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、第１７４巻、２０１３年７月、第２５〜３３頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、揮発分が少なく、含有酸素量が高くおよび比表面製が大きい、金属元素および／または非金属元素の含有量が十分に低減された植物性原料由来の炭化物を提供することであった。また、本発明の別の目的は、そのような炭化物を、比較的低い温度において高い回収率で製造する方法を提供することであった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、植物性原料を酸水溶液中で１５０〜３５０℃の温度において水熱炭化することにより上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１３】
すなわち、本発明には、以下のものが含まれる。
［１］炭化物の全重量を基準に７０重量％以下の揮発分、３０％以上の含有酸素量および１０ｍ２／ｇ以上の比表面積を有し、金属元素Ｓｉの含有量に対する金属元素Ｍｇの含有量の比が８．０以下である、植物性原料由来の炭化物。
［２］植物性原料は椰子殻である、［１］に記載の炭化物。
［３］植物性原料を水熱炭化することにより得られる、［１］または［２］に記載の炭化物。
［４］［１］〜［３］のいずれかに記載の炭化物を焼成することにより得られる炭素質材料。
［５］［４］に記載の炭素質材料からなる酸吸着剤。
［６］植物性原料由来の炭化物を製造するための方法であって、
植物性原料を酸水溶液中で１５０〜３５０℃の温度において水熱炭化する工程
を含む、方法。
［７］前記水熱炭化する工程の前に、植物性原料を酸水溶液中で５０〜１５０℃の温度において保持することにより、植物性原料中の金属元素および／または非金属元素の含有量を低下させる工程を含む、［６］に記載の方法。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の植物性原料由来の炭化物は、炭化物の全重量を基準として揮発分が７０重量％以下であるため、炭化物を焼成した場合に揮発する成分が少なく、高い回収率で炭素質材料を得ることができる。また、本発明の植物性原料由来の炭化物は、含有酸素量が３０％以上であり、比較的比表面積が大きいため、炭素質材料としたときに優れた酸吸着性を発揮することができる。さらに、本発明の植物性原料由来の炭化物は、金属元素Ｓｉの含有量に対する金属元素Ｍｇの含有量の比は８．０以下であるため、炭素質材料の原料として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、走査型電子顕微鏡観察による実施例１の植物性原料由来炭化物の表面を示す。
【図２】図２は、走査型電子顕微鏡観察による比較例１の植物性原料由来炭化物の表面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、植物性原料由来の炭化物に関するものである。本発明では、炭化物とは、植物性原料や炭素前駆体を炭素化することにより得られる物質であって、例えば２５０℃〜１０００℃の温度において焼成することにより炭素質材料が得られるものをいう。また、炭素前駆体とは、炭化する前の植物由来物質であって、植物性原料中の金属元素および／または非金属元素の含有量を低下させたものをいう。
【００１７】
植物性原料としては、珈琲豆、椰子殻および籾殻等が挙げられる。本発明では、入手可能性および金属元素の含有量の低減効果の観点から、椰子殻が好ましい。また、本発明の炭化物は、１種または２種以上の植物性原料に由来するものであってよい。
【００１８】
珈琲豆としては、珈琲豆の産地、品種にかかわらず任意の珈琲豆であってよい。珈琲豆は、飲料としての珈琲を抽出する前の珈琲豆であってよく、飲料としての珈琲を抽出した後の一般的に珈琲粕と称される抽出残渣であってもよい。
【００１９】
珈琲豆の大きさの上限としては、好ましくは珈琲豆を１／２程度に割ったもの、より好ましくは５ｍｍ以下に粗粉砕したものである。また、本発明において植物性原料として用いる珈琲豆の大きさの下限としては、好ましくは０．１ｍｍ以上、より好ましくは１ｍｍ以上である。本発明では、上記の上限および下限の任意の組合わせの範囲内で用いてよく、種々の大きさに粉砕された珈琲豆を混合して用いてもよい。とりわけ、０．１ｍｍ〜５ｍｍ程度に粉砕されたものは、脱灰により金属元素および／または非金属元素を効率的に低減させることができるため好ましい。
【００２０】
本発明の炭化物は、揮発分が炭化物の全重量を基準として７０重量％以下である。したがって、本発明の植物性原料由来の炭化物は、炭素分を多く含み、焼成において揮発する成分が少ないため、高い回収率で炭素質材料を得ることができる。本発明の炭化物は、好ましくは揮発分が炭化物の全重量を基準として７０重量％以下、より好ましくは６９重量％以下である。また、本発明の炭化物の揮発分の下限値は、特に限定されないが、少ないほど好ましく、例えば５０重量％以上などである。本発明では、揮発分とは、植物性原料由来の炭化物を焼成した場合に揮発する成分、例えばＨ、ＣＯ、ＣＯ２等のことである。揮発分は、例えば熱重量分析（ＴＧ）装置により測定することができる。
【００２１】
また、本発明の炭化物は、含有酸素量が３０％以上である。本発明では、含有酸素量とは、例えば炭化物を黒鉛坩堝中において真空中またはアルゴンガス、窒素ガス、Ｈｅガス等の不活性ガス雰囲気中で、炭化物を２２００℃付近で熱処理し、黒鉛と炭化物に含まれる酸素とが反応することで発生するＣＯを定量し、熱処理前の炭化物の総量に対する熱処理により発生したＣＯに含まれる酸素量の割合として求めることができる。本発明では、含有酸素量は、例えば酸素・窒素・水素分析装置（堀場製作所製ＥＭＧＡ−９３０）を用いて測定することができる。ここで、含有酸素量は、２２００℃付近で黒鉛との接触によりＣＯを発生し得るカルボキシル基、フェノール基、ケトン類等の含酸素官能基の炭化物中の総量を示す指標であると言える。本発明の植物性原料由来の炭化物は、含有酸素量が３０％以上であり、含酸素官能基を多く含むため、炭素質材料としたとき優れた酸吸着性を発揮することが可能となる。本発明の炭化物は、含有酸素量が好ましくは３４％以上、より好ましくは３６％以上である。また、本発明の炭化物の揮発分の上限値は、特に限定されないが、例えば５０％以下などである。
【００２２】
本発明の炭化物は、含有酸素量が好ましくは３４％以上、より好ましくは３６％以上である。また、本発明の炭化物の揮発分の上限値は、特に限定されないが、例えば５０％以下などである。本発明では、含有酸素量は、例えば酸素・窒素・水素分析装置（堀場製作所製ＥＭＧＡ−９３０）を用いて測定することができる。
【００２３】
本発明の炭化物は、比表面積が１０ｍ２／ｇ以上であり、炭素質材料としたときに優れた酸吸着性を発揮する。本発明の炭化物は、比表面積が好ましくは２０ｍ２／ｇ以上、より好ましくは３０ｍ２／ｇ以上である。また、本発明の炭化物の比表面積の上限値は、特に限定されないが、例えば１０００ｍ２／ｇ以下であり、より好ましくは３８０ｍ２／ｇ以下等である。本発明では、比表面積は、ＢＥＴ法に基づいて測定される比表面積のことである。
【００２４】
本発明の炭化物は、炭化物中の金属元素Ｓｉの含有量に対する金属元素Ｍｇの含有量の比が８．０以下である。したがって、本発明の植物性原料由来の炭化物は、電子部品、活性炭や触媒用担持体等の多孔体などの種々の用途に用いる炭素質材料の原料として好ましく用いることができる。また、本発明の炭化物中の金属元素Ｓｉの含有量に対する金属元素Ｍｇの含有量の比の下限値は、特に限定されないが、低いほど好ましく、例えば０．０１以上などである。本発明では、炭化物中の金属元素の含有量は、蛍光Ｘ線分析装置（例えば、株式会社リガク製ＺＳＸ Ｐｒｉｍｕｓμ）を用いて測定することができる。
【００２５】
本発明の植物性原料に由来する炭化物は、植物性原料の水熱炭化を酸水溶液中で１５０〜３５０℃の温度において行うことにより得られる。
【００２６】
一般に、植物は、カリウム、マグネシウムおよびカルシウム等のアルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素およびリン等の非金属元素を多く含有する。しかしながら、これらの金属元素を含有する植物性原料を炭化すると、炭化の際に、炭素材として必要な炭素質が分解されるおそれがある。また、リン等の非金属元素は酸化し易いので、炭化物の表面の酸化度が変化し、炭化物の性状が大きく変化するため、好ましくない。
【００２７】
また、植物性原料を炭化した後に行う炭化物の精製処理では、炭化物からリン、カルシウムおよびマグネシウムを十分に除去することは困難である。さらに、炭化物中の金属元素および非金属元素の含有量によって、炭化物の精製処理に要する時間や精製処理後の炭化物中の金属元素および／または非金属元素の残存量は大きく異なる。したがって、植物性原料中の金属元素および／または非金属元素の含有量は、炭化前に十分に除去しておくことが好ましい。
【００２８】
このような観点から、本発明では、植物性原料の水熱炭化を酸水溶液中で行う。これにより、植物性原料中の金属元素および／または非金属元素の含有量を低下させながら植物性原料の水熱炭化を行うことが可能となる。また、植物性原料の水熱炭化を酸水溶液中で行うことにより、水中に溶出した有機分についても炭素化することができるため、高い回収率で炭化物が得られることとなる。また、植物性原料を、１５０〜３５０℃の比較的低い温度にて炭素化することができる。さらに、揮発分が少なく、含有酸素量が高く、比表面積の増加した炭化物を製造することができる。揮発分が少ない炭化物を製造できる理由は定かではないが、水熱炭化では、植物性原料中の低分子有機分が揮発せずに炭素分とともに残るため、強固な炭化物となるためだと考えられる。また、含有酸素量が高い炭化物を製造できる理由についても定かではないが、水熱炭化では、植物性原料中の酸素官能基が分解されにくい化学構造、例えばエーテル基やキノンなどとなるためであると考えられる。
【００２９】
したがって、本発明は、植物性原料を酸水溶液中で１５０〜３５０℃の温度において水熱炭化する工程を含む植物性原料由来の炭化物の製造方法をも提供する。
【００３０】
酸水溶液としては、有機酸または無機酸を水に添加したものを用いることができる。本発明では、リンや硫黄、ハロゲン等の不純物源となる元素を含まない有機酸が好ましい。有機酸がリンや硫黄、ハロゲン等の元素を含まない場合には、脱灰後の水洗を省略し、有機酸が残存する植物性原料を炭化した場合であっても、炭素材として好適に用いることできる炭化物が得られるため有利である。また、使用後の有機酸の廃液処理を特別な装置を用いることなく比較的容易に行うことができるため有利である。
【００３１】
有機酸の例としては、飽和カルボン酸、例えば蟻酸、酢酸、プロピオン酸、蓚酸、酒石酸、クエン酸等、不飽和カルボン酸、例えばアクリル酸、メタアクリル酸、マレイン酸、フマル酸等、芳香族カルボン酸、例えば安息香酸、フタル酸、ナフトエン酸等が挙げられる。有機酸としては、入手可能性、酸性度による腐食および人体への影響の観点から、酢酸、蓚酸およびクエン酸が好ましい。
【００３２】
無機酸の例としては、塩酸、硝酸、リン酸、硫酸、ホウ酸等が挙げられる。無機酸としては、金属除去の観点から、塩酸が好ましい。
【００３３】
酸水溶液中の酸の濃度としては、特に限定されるものではなく、用いる酸の種類に応じて濃度を調節して用いることができる。本発明では、通常、酸水溶液の総量を基準として０．００１重量％〜２０重量％、より好ましくは０．０１重量％〜１８重量％、さらに好ましくは０．０２重量％〜１５重量％の範囲の酸濃度の酸水溶液を用いる。酸濃度が上記範囲内であれば、適切な金属元素および／または非金属元素の溶出速度が得られる。また、植物性原料における酸の残留量が少なくなるので、その後の製品への影響も少なくなる。
【００３４】
酸水溶液のｐＨは、好ましくは３．５以下、好ましくは３以下である。酸水溶液のｐＨが上記の値を超えない場合には、金属元素および／または非金属元素の酸水溶液への溶解速度が低下することなく、金属元素および／または非金属元素の除去を効率的に行うことができる。
【００３５】
酸水溶液の重量に対する浸漬する植物性原料の重量の割合は、用いる有機酸水溶液の種類、濃度および温度等に応じて適宜調節することが可能であり、通常０．１重量％〜２００重量％、好ましくは１重量％〜１５０重量％、より好ましくは１．５重量％〜１２０重量％の範囲である。上記範囲内であれば、酸水溶液に溶出した金属元素および／または非金属元素が酸水溶液から析出しにくく、植物性原料への再付着が抑制されるため好ましい。また、上記範囲内であれば、容積効率が適切となるため経済的観点から好ましい。
【００３６】
本発明では、酸水溶液中での植物性原料の水熱炭化は、１５０〜３５０℃の温度において行う。１５０℃未満の温度では、炭化が十分に進行せず、炭化物が得られないおそれがある。３５０℃を超える温度では、熱分解が進行し、含有酸素量や回収率が低減するおそれがある。本発明では、水熱炭化は、好ましくは１６０℃〜３４０℃、より好ましくは１７０℃〜３３０℃、さらに好ましくは１８０℃〜３２０℃の範囲で行う。
【００３７】
また、水熱炭化を行う際の反応器中の温度の加熱速度としては、特に限定されるものではなく、加熱の方法により異なるが、好ましくは１℃／分〜６０℃／分、より好ましくは１℃／分〜３０℃／分である。加熱速度が上記範囲内であれば、金属元素の酸水溶液中への良好な溶解が得られ、炭化時の縮合が進行し、良好な炭化物の回収率が得られるため好ましい。また、用いる機器の稼働時間が適切なものとなるため、経済的観点から好ましい。
【００３８】
水熱炭化を行う間の反応器中の圧力は、好ましくは０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａ、より好ましくは０．５ＭＰａ〜７ＭＰａ、さらに好ましくは０．６ＭＰａ〜５ＭＰａである。上記範囲の圧力であれば、炭化時の縮合が進行し、良好な炭化物の回収率が得られるため好ましい。
【００３９】
水熱炭化を行う時間は、水熱炭化を行う温度や圧力などに応じて適宜調節することができる。本発明では、１０分〜３００分程度であればよく、好ましくは３０分〜１８０分程度行えばよい。
【００４０】
また、本発明では、植物性原料の水熱炭化を行う前に、反応器中において、植物性原料を酸水溶液中で５０〜１５０℃の温度において保持することにより、植物性原料中の金属元素および／または非金属元素の含有量を低下させることができる。ここで、植物性原料を酸水溶液中で５０〜１５０℃の温度において保持することにより、植物性原料中の金属元素および／または非金属元素の含有量をさらに低下させることを、以下、炭化前処理とも称する。
【００４１】
炭化前処理は、５０〜１５０℃、好ましくは７０℃〜１３０℃、より好ましくは９０℃〜１１０℃の温度において酸水溶液中に植物性原料を保持することにより行う。上記範囲の温度であれば、使用する酸の分解が抑制され、実用的な時間での脱灰の実施が可能となる金属元素および／または非金属元素の溶出速度が得られるため好ましい。
【００４２】
また、加熱速度としては、特に限定されるものではなく、加熱の方法により異なるが、好ましくは１℃／分〜１００℃／分、より好ましくは１℃／分〜６０℃／分である。加熱速度が上記範囲内であれば、用いる機器の稼働時間が適切であり、かつ金属元素および非金属元素の酸水溶液中への溶解が良好に進行するため好ましい。
【００４３】
炭化前処理を行う際の反応器中の圧力は、特に限定されないが、０．１ＭＰａ〜１．０ＭＰａ、好ましくは０．１ＭＰａ〜０．５ＭＰａ、より好ましくは０．１ＭＰａ〜０．２ＭＰａである。上記範囲の圧力であれば、酸水溶液に溶出した金属元素および／または非金属元素が酸水溶液から析出しにくく、炭素前駆体への再付着が抑制されるため好ましい。
【００４４】
植物性原料を酸水溶液中で保持する時間としては、用いる酸に応じて適宜調節することができる。本発明では、植物性原料を酸水溶液中に保持する時間は、金属低減率および経済性の観点から、通常０．１〜１００時間、好ましくは０．２〜８０時間、より好ましくは０．５〜５０時間の範囲である。
【００４５】
炭化前処理に用いた酸水溶液は、水熱炭化にそのまま用いることができるし、または水熱炭化を行う前に一部若しくは全部を更新することもできる。また、酸水溶液は、水熱炭化を行う前に炭化前処理に用いた酸水溶液とは異なった種類、濃度、ｐＨの酸水溶液へ更新することもできる。本発明では、植物性原料から溶出した成分についても炭化が行える点や製造コストの点から炭化前処理に用いたものを水熱炭化にそのまま用いることが好ましい。
【００４６】
また、本発明では、炭化前処理および／または水熱炭化を行う前に植物性原料を有機酸水溶液中に浸漬し、金属元素および／または非金属元素の含有量を低下させることにより得た炭素前駆体を、炭化前処理および／または水熱炭化に用いることができる。本発明では、植物性原料を有機酸水溶液中に浸漬することにより、植物性原料中の金属元素および／または非金属元素の含有量を低下させた炭素前駆体を得ることを、以下、脱灰とも称する。
【００４７】
本発明では、上記脱灰において、植物性原料からアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素および／または非金属元素を除去するために有機酸水溶液を用いることができる。有機酸は、リンや硫黄、ハロゲン等の不純物源となる元素を含まないことが好ましい。有機酸がリンや硫黄、ハロゲン等の元素を含まない場合には、脱灰後の水洗を省略し、有機酸が残存する植物性原料を炭化した場合であっても、炭素材として好適に用いることできる炭化物が得られるため有利である。また、使用後の有機酸の廃液処理を特別な装置を用いることなく比較的容易に行うことができるため有利である。
【００４８】
有機酸の例としては、飽和カルボン酸、例えば蟻酸、酢酸、プロピオン酸、蓚酸、酒石酸、クエン酸等、不飽和カルボン酸、例えばアクリル酸、メタアクリル酸、マレイン酸、フマル酸等、芳香族カルボン酸、例えば安息香酸、フタル酸、ナフトエン酸等が挙げられる。入手可能性、酸性度による腐食および人体への影響の観点から、酢酸、蓚酸およびクエン酸が好ましい。
【００４９】
本発明では、有機酸は、溶出する金属化合物の溶解度、廃棄物の処理、環境適合性等の観点から、水性溶液と混合して有機酸水溶液として用いる。水性溶液としては、水、水と水溶性有機溶媒との混合物などが挙げられる。水溶性有機溶媒としては、例えばメタノール、エタノール、プロピレングリコール、エチレングリコールなどのアルコールが挙げられる。
【００５０】
有機酸水溶液中の酸の濃度としては、特に限定されるものではなく、用いる酸の種類に応じて濃度を調節して用いることができる。本発明では、通常、有機酸水溶液の総量を基準として０．００１重量％〜２０重量％、より好ましくは０．０１重量％〜１８重量％、さらに好ましくは０．０２重量％〜１５重量％の範囲の酸濃度の有機酸水溶液を用いる。酸濃度が上記範囲内であれば、適切な金属元素および／または非金属元素の溶出速度が得られるため実用的な時間で脱灰を行うことが可能となる。また、植物性原料における酸の残留量が少なくなるので、その後の製品への影響も少なくなる。
【００５１】
有機酸水溶液のｐＨは、好ましくは３．５以下、好ましくは３以下である。有機酸水溶液のｐＨが上記の値を超えない場合には、金属元素および／または非金属元素の有機酸水溶液への溶解速度が低下することなく、金属元素および／または非金属元素の除去を効率的に行うことができる。
【００５２】
植物性原料を浸漬する際の有機酸水溶液の温度は、特に限定されないが、好ましくは２０℃〜９８℃、より好ましくは２５℃〜６０℃、さらに好ましくは３０℃〜４０℃の範囲である。植物性原料を浸漬する際の有機酸水溶液の温度が、上記範囲であれば、使用する酸の分解が抑制され、実用的な時間での脱灰の実施が可能となる金属元素および／または非金属元素の溶出速度が得られるため好ましい。また、特別な装置を用いずに脱灰を行うことができるため好ましい。さらに、本発明では、脱灰を室温で行うこともできる。この場合、加熱装置が不要となることおよび安全性の観点から好ましい。
【００５３】
本発明では、植物性原料を有機酸水溶液中に浸漬することにより、植物性原料中の金属元素および／または非金属元素の含有量を低下させた植物性原料を得る工程の間、有機酸水溶液の更新を少なくとも１回行うことができる。有機酸水溶液の更新を行う方法としては、植物性原料に、有機酸水溶液を連続的に添加し、所定の時間滞留させ、抜き取りながら浸漬を行う方法でも、植物性原料を有機酸水溶液に浸漬し、所定の時間滞留させ、脱液した後、新たに有機酸水溶液を添加して浸漬−脱液を繰り返す方法であっても構わない。また、有機酸水溶液の全部を更新する方法であってよく、有機酸水溶液の一部を更新する方法であってもよい。
【００５４】
植物性原料を有機酸水溶液に浸漬する時間としては、用いる酸に応じて適宜調節することができる。本発明では、浸漬する時間は、経済性および脱灰効率の観点から、通常０．１〜１００時間、好ましくは０．２〜８０時間、より好ましくは０．５〜５０時間の範囲である。
【００５５】
有機酸水溶液の重量に対する浸漬する植物性原料の重量の割合は、用いる有機酸水溶液の種類、濃度および温度等に応じて適宜調節することが可能であり、通常０．１重量％〜２００重量％、好ましくは１重量％〜１５０重量％、より好ましくは１．５重量％〜１２０重量％の範囲である。上記範囲内であれば、有機酸水溶液に溶出した金属元素および／または非金属元素が有機酸水溶液から析出しにくく、植物性原料への再付着が抑制されるため好ましい。また、上記範囲内であれば、容積効率が適切となるため経済的観点から好ましい。
【００５６】
脱灰を行う雰囲気としては、特に限定されず、浸漬に使用する方法に応じて異なっていてよいが、大気雰囲気中で行うことが好ましい。
【００５７】
これらの操作は、好ましくは１回〜５回、より好ましくは１回〜３回繰り返して行うことができる。浸漬−脱液を繰り返す場合は、通常２回〜８回、好ましくは３回〜５回繰り返して行うことができる。本発明では、脱灰後、必要に応じて洗浄工程および／または乾燥工程を行い得る。
【００５８】
本発明では、植物性原料を酸水溶液中で１５０〜３５０℃の温度において水熱炭化する工程を行った後、必要に応じて洗浄工程および／または乾燥工程を行うことができる。
【００５９】
このようにして得られた本発明の炭化物は、カリウムを好ましくは３５００ｐｐｍ以下、より好ましくは３０００ｐｐｍ以下、さらに好ましくは２８００ｐｐｍ以下の量で含有する。
【００６０】
また、本発明の炭化物は、マグネシウムを好ましくは６００ｐｐｍ以下、より好ましくは５００ｐｐｍ以下、さらに好ましくは４００ｐｐｍ以下の量で含有する。
【００６１】
本発明の炭化物は、カルシウムを好ましくは２５００ｐｐｍ以下、より好ましくは２０００ｐｐｍ以下、さらに好ましくは１９００ｐｐｍ以下の量で含有する。
【００６２】
本発明の炭化物は、リンを好ましくは１３００ｐｐｍ以下、より好ましくは１１００ｐｐｍ以下、さらに好ましくは９５０ｐｐｍ以下の量で含有する。
【００６３】
炭化物中の各金属元素および／または非金属元素の含有量の下限値は、特に限定されず、少ないほど好ましく、より好ましくは、炭化物中に各金属元素および／または非金属元素が含まれないことである。炭化物中の各金属元素および／または非金属元素の含有量は、蛍光Ｘ線分析装置（例えば、株式会社リガク製ＺＳＸ Ｐｒｉｍｕｓμ）を用いて測定することができる。以下に説明する金属元素／非金属元素含有量の測定に従って求めた値である。
【００６４】
このようにして得られた本発明の植物由来の炭化物を焼成することにより炭素質材料が得られる。
【００６５】
焼成における加熱温度としては、特に限定されるものではなく、２５０℃〜１０００℃の範囲で行うことができる。高すぎる温度では、結晶化により炭素骨格が剛直化し、様々な電子材料に用いる炭素質材料として好ましくない。また、低すぎる温度では、蓄熱発火の可能性が高く、また空気中の酸素により容易に酸化され保存安全性が低くなる問題がある。焼成は、好ましくは２７０℃〜７５０℃の範囲、より好ましくは２８０℃〜７００℃の範囲、更に好ましくは４００〜６５０℃の範囲で行う。上記範囲で焼成することは、得られた炭素質材料の酸化等による変質の抑制、保存安定性確保の観点から好ましい。
【００６６】
また、加熱速度としては、特に限定されるものではなく、加熱の方法により異なるが、好ましくは１℃／分〜１００℃／分、より好ましくは１℃／分〜６０℃／分である。加熱速度が上記範囲内であれば、炭化時の縮合が進行し、良好な炭素質材料の回収率が得られるため好ましい。また、用いる機器の稼働時間が適切なものとなるため、経済的観点から好ましい。
【００６７】
焼成における温度制御のパターンとしては、所望の温度にまで一気に昇温することもできるし、２５０〜４００℃の範囲で一旦温度を維持し、再び昇温して所望の温度まで昇温することもできる。上記範囲内で一旦温度を維持することは、炭化時の縮合を容易に進め、炭化率、炭素密度および炭素質材料の回収率の向上に寄与する場合がある。
【００６８】
焼成における最高温度での保持時間は、特に限定されないが、通常、１０分〜３００分程度保持すればよく、好ましくは３０分〜２４０分程度保持すればよい。
【００６９】
焼成を行う雰囲気としては、不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましく、窒素雰囲気中で行うことがより好ましい。焼成を行う間、酸化による炭素質材料の構造変化および酸化分解助長による炭素質材料の回収率低下を回避し易くするために、酸化性ガス、即ち酸素の存在は、好ましくは１容積％以下、より好ましくは０．５容積％以下である。
【００７０】
焼成を行う際の不活性ガス気流は特に限定されるものではなく、通常０．００１メートル／秒〜１メートル／秒の範囲であればよい。
【００７１】
焼成後の取り出し温度としては、空気中の酸素により酸化されない温度であれば特に限定されるものではなく、通常２００℃以下、より好ましくは１００℃以下で空気中に取り出すことが好ましい。
【００７２】
焼成の方法としては、特に限定されるものではなく、バッチ式および連続式の何れの方式でもよく、外熱式および内熱式の何れの方式でもよい。
【００７３】
炭素質材料を製造した後、必要に応じて、除金属工程、粉砕工程および／またはさらなる焼成工程を実施することができる。しかしながら、本発明の方法により精製した植物性原料を用いて炭化物を製造した場合には、精製工程において局所的に高い濃度の金属成分が十分に除去されるため、さらなる除金属工程を省略することができる。
【００７４】
このようにして得られた炭素質材料は、酸素吸収材、水ろ過用活性炭や消臭用活性炭等の多孔体、触媒用担持体等として好ましく用いることができる。
【実施例】
【００７５】
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。
【００７６】
［揮発分の測定］
炭化物の揮発分は、熱重量分析（ＴＧ）装置（セイコーインスツル株式会社製ＴＧ−ＤＴＡ６３００）を用いて、Ｎ２雰囲気下、５０℃から１０００℃まで昇温しながら炭化物を加熱し、１０００℃到達時の炭化物の重量減少率として算出した。
【００７７】
［含有酸素量の測定］
炭化物の含有酸素量は酸素・窒素・水素分析装置（堀場製作所製  ＥＭＧＡ−９３０）を用いて、２２００℃まで昇温したときに発生する一酸化炭素から算出した。詳細には、Ｈｅガス雰囲気下、黒鉛坩堝に試料を入れ、出力４．０ｋＷの高周波を流し、黒鉛坩堝ごと２２００℃まで昇温する。この際、試料中の酸素成分が黒鉛と反応することで発生する一酸化炭素を、赤外線吸収法により検出することで、含有酸素量を測定した。
【００７８】
［比表面積の測定］
炭化物の比表面積は、ガス吸着装置（日本ベル株式会社製  Ｂｅｌｓｏｒｐ−ｍｉｎｉII）を用いて、７７ＫでのＮ２ガス吸着を行うことで得られる、吸着等温線を用いて、ＢＥＴ法により解析を行うことにより算出した。
【００７９】
［金属元素および非金属元素の含有量の測定］
植物性原料および炭化物中の金属元素および非金属元素の含有量は、蛍光Ｘ線分析装置（株式会社リガク製ＺＳＸ Ｐｒｉｍｕｓμ）を用いて評価した。
【００８０】
［金属元素および非金属元素の残留率］
炭化物中の金属元素および非金属元素の残留率は、植物性原料に含まれる金属元素および非金属元素の含有量に対する炭化物中の金属元素および非金属元素の含有量の割合として算出した。
【００８１】
［表面観察］
実施例１および比較例１において得られた炭化物の表面を走査型電子顕微鏡（キーエンス社製ＶＥ−８８００）にて観察した。加速電圧は１０ｋＶとし、二次電子検出器にて観察を行った。
【００８２】
実施例１
反応器（ステンレス製耐圧容器）中において、珈琲豆（アラビカ種）２５ｇを、１０重量％クエン酸水溶液（ｐＨ３．４）７８ｇに浸漬し、３℃／分の加熱速度にて２５０℃まで加熱し、３０分間水熱炭化を行った。反応器内の圧力は４．２ＭＰａまで上昇した。その後、自然冷却にて６０℃以下になったところで取り出した。炭化物の回収率は６５．３％であった。
【００８３】
実施例２
反応器（ステンレス製耐圧容器）中において、実施例１において用いた珈琲豆と同じ珈琲豆２５ｇを、１０重量％クエン酸水溶液（ｐＨ３．４）７８ｇに浸漬し、３℃／分の加熱速度にて１００℃まで加熱し、３０分間保持した。その後、２℃／分の加熱速度にてクエン酸水溶液を２５０℃へ加熱し、３０分間水熱炭化を行った。反応器内の圧力は４．２ＭＰａまで上昇した。その後、自然冷却にて６０℃以下になったところで取り出した。炭化物の回収率は６５．５％であった。
【００８４】
実施例３
反応器（ステンレス製耐圧容器）中において、実施例１において用いた珈琲豆と同じ珈琲豆２５ｇを、１０重量％酢酸水溶液（ｐＨ２．８）７８ｇに浸漬し、３℃／分の加熱速度にて２５０℃まで加熱し、３０分間水熱炭化を行った。反応器内の圧力は４．１ＭＰａまで上昇した。その後、自然冷却にて６０℃以下になったところで取り出した。炭化物の回収率は５８．２％であった。
【００８５】
実施例４
反応器（ステンレス製耐圧容器）中において、実施例１において用いた珈琲豆と同じ珈琲豆２５ｇを、１０重量％酢酸水溶液（ｐＨ２．８）７８ｇに浸漬し、３℃／分の加熱速度にて１００℃まで加熱し、３０分間保持した。その後、２℃／分の加熱速度にて酢酸水溶液を２５０℃へ加熱し、３０分間水熱炭化を行った。反応器内の圧力は４．１ＭＰａまで上昇した。その後、自然冷却にて６０℃以下になったところで取り出した。炭化物の回収率は５８．２％であった。
【００８６】
比較例１
実施例１において用いた珈琲豆と同じ珈琲豆７０ｇを坩堝に入れ、光洋サーモ社製電気炉を用いて、窒素気流３．０Ｌ／分（０．００３メートル／秒）の流量下、１０℃／分で２５０℃まで昇温、３０分保持した後、自然冷却にて６０℃以下になったところで取り出した。炭化物の回収率は８３．９％であった。
【００８７】
比較例２
反応器（ステンレス製耐圧容器）中において、実施例１において用いた珈琲豆と同じ珈琲豆２５ｇを、イオン交換水７８ｇに浸漬し、３℃／分の加熱速度にて２５０℃まで加熱し、３０分間水熱炭化を行った。反応器内の圧力は４．０ＭＰａまで上昇した。その後、自然冷却にて６０℃以下になったところで取り出した。炭化物の回収率は６７．８％であった。
【００８８】
比較例３
反応器（ステンレス製耐圧容器）中において、実施例１において用いた珈琲豆と同じ珈琲豆２５ｇを、イオン交換水７８ｇに浸漬し、３℃／分の加熱速度にて１００℃まで加熱し、３０分間保持した。その後、２℃／分の加熱速度にてイオン交換水溶液を２５０℃へ加熱し、３０分間水熱炭化を行った。反応器内の圧力は４．０ＭＰａまで上昇した。その後、自然冷却にて６０℃以下になったところで取り出した。炭化物の回収率は６７．５％であった。
【００８９】
実施例１〜４および比較例１〜３において行った炭化前処理および水熱炭化の条件を以下の表１に集約する。
【００９０】
【表１】
2016150896.tif 000002
【００９１】
実施例１〜４および比較例１〜６において得られた炭化物中の揮発分、含有酸素量、比表面積、金属および非金属元素の含有量を以下の表２に示す。また、植物性原料は、原料ごとに金属元素および非金属元素の含有量についてばらつきが存在する。したがって、そのばらつきによる影響を少なくして本発明による金属元素および非金属元素の低減効果を示すために、含有量の変化が比較的小さいケイ素の含有量に対するマグネシウムの含有量の割合について表２に示す。さらに、金属および非金属元素の残留率を以下の表３に示す。
【００９２】
【表２】
2016150896.tif 000003
【００９３】
【表３】
2016150896.tif 000004
【００９４】
表２および表３に示される通り、水熱炭化を酸水溶液中で行った実施例１〜４では、気相炭化を行った比較例１より、揮発分が低く、含有酸素量が高く、比表面積が大きい炭化物が得られた。また、炭化物中の金属元素および非金属元素の含有量および残留率についても大きく低減することができた。さらに、実施例１〜４では、水熱炭化をイオン交換水中で行った比較例２および３と比べ、炭化物中の金属元素および非金属元素の含有量について低下させることができた。
【００９５】
図１および図２に示される通り、本発明による炭化物の表面（図１）は、本発明によらない炭化物の表面（図２）と比べ多くの細孔が形成され、および起伏が大きいことがわかる。したがって、本発明の炭化物は、比表面積が大きく、酸吸着能に優れることが理解される。
【図１】
2016150896.tif 000005
【図２】
2016150896.tif 000006