７）電気化学的プロセスによる有害物除去システムの開発
勝木 宏昭
マイクロ波を吸収する低熱膨張セラミックスフォームに市販のカーボンブラックを付着させ、マイクロ波の吸収性の向上を検討した。0.5wt%担時させた試料に 600W のマイクロ波を 50 秒間照射することにより、フォームは 385℃まで加熱され、180 秒以上ではフォームが部分的に赤熱(700℃以上)した。これにより、カーボンブラックは 53～56%除去された。熱伝導率が低いセラミックスをマトリックスとして組織を多孔質化することにより、マイクロ波照射による自己発熱後の熱的特性が制御できることを見出した。
昨年度と同様に Li, Pr, Nd 等の元素を含む酸化鉄

1. はじめに加熱のためのエネルギー源として用いられる身近粉末を低熱膨張性の粘土に混合し、バインダー、水な例に電子レンジ(マイクロ波)があげられるが、食とともに湿式混合した。このスラリーに直径 50mm、品加熱のみならず、食品乾燥、滅菌に至る様々な分高さ 30mm のウレタンフォームを含浸し、過剰のス野で工業的に応用されている。さらにマイクロ波はラリーをプレスにより搾り出して乾燥させた。

工業製品の加工は言うに及ばず、産業廃棄物、医療300℃でバインダーを燃焼除去し、1100～1230℃で廃棄物を安全に省エネルギー的に処理する分野にま2 時間焼成した。フォームの強度は焼成後、高粘度で利用され始めている 1)。最近では、マイクロ波をのスラリーをフォームの側面に塗布して再焼成する

化学反応に用いることにより反応速度が著しく高速ことにより改善した。焼成後のフォームの目開きはになることが明らかになり、無機粉末の水熱合成、1.2～1.5mmで、見かけ気孔率は81～84%であった。

セラミックスの焼結等の分野で新たな柱となりうるエネルギー源として注目されている。

2.2 フォーム上へのカーボンブラックの付着

平成 15、16 年度の本研究では、ススや有害物を東海カーボン㈱製のカーボンブラック（シースト

電気化学的に分解除去するシステムとして、マイク300）をエタノールに添加し、超音波で分散させたロ波を活用することを基礎的に検討し、周波数が後作製したフォームを浸漬・乾燥させてフォームの2.45GHz のマイクロ波を吸収して短時間内に自己表面にカーボンブラックを担持させた。図 1 にカー発熱する酸化物セラミックスを種々の出力下で評価

ボンブラックの担持状況を示す。

し、フォーム状フィルターを試作した。
本年度は、低熱膨張性セラミックスにマイクロ波を吸収して自己発熱するするセラミックスを添加して焼成した複合体の熱的特性(比熱、熱拡散率、熱伝導率)、熱膨張率を評価するとともに、有害物の模擬試料として市販のカーボンブラックをセラミックスフォームに付着させ、マイクロ波照射下での加熱とカーボンブラックの酸化・除去効果を検討した。
図 1 フォーム上へのカーボンブラックの担持状況

2. 実験方法

左: 低熱膨張セラミックスフォーム

2.1 フォーム状複合セラミックスの作成

右: 酸化鉄複合セラミックスフォーム

佐賀県窯業技術センター

平成17年度

研究報告書

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400

2.3 マイクロ波照射によるフォーム上でのカーボンTemp.(℃)

600W のマイクロ波を照射した。フォーム表面の温B

300

カーボンブラックを担持させたフォームを透明石
英板の上に乗せ、家庭用電子レンジの中央に設置しC

350

ブラックの除去試験

度は電子レンジの天板から挿入した蛍光式のファイ

250
200150100

バー温度計で連続的に測定した。電子レンジ中でのA50マイクロ波照射を出来るだけ均一にするために、石0英板の下にファンをつけて連続的に回転させた。

050100150

Time (sec)2.4 酸化鉄系粉末を含有した低熱膨張複合体の熱的図 21200℃で焼成したセラミックスフォームのマイクロ波性質(600W) 吸収による自己発熱性

酸化鉄系粉末を含有した低熱膨張複合粉末(100g)を鋳込み法により 50 x 50 x 20mm サイズに成形し、1100～1230℃で焼成した。熱的特性として熱膨張率

A: 低熱膨張性セラミック
B: 0.5wt%カーボンブラックを担持した低熱膨張セラミックス
C: 0.5wt%カーボンブラックを担持した酸化鉄複合低熱膨セを、レーザーフラッシュ法による比熱、熱拡散率、熱伝ラミックス

導率を測定した。また、各温度で焼成した試料に600W のマイクロ波を 70 秒間照射し、照射 OFF 後の試料表面の温度変化を連続的に測定した。の照射でフォームは 240 – 245℃になり、炭素の共存により、マイクロ波の吸収性の増加と自己発熱性が促進された。さらに、0.5wt%カーボンブラックを3. 結果と考察
3.1 カーボンブラックを担持したセラミックスフォ
ームのマイクロ波吸収性
無機物質の中で炭素は最もマイクロ波を吸収しやすく電磁波吸収材として広範囲に利用されている。
またマイクロ波を吸収すると炭素内部で熱エネルギーに変換され自己発熱しやすいが、自己発熱性に及ぼす炭素化、黒鉛化の効果は明らかにされていない
2)。自動車から排出されるスス状物質には粒状の無定形炭素が多く含まれている。本年度は、市販の無定形カーボンブラックを 2 種のセラミックスフォー
ムに 0.5wt%担持させてマイクロ波照射によるフォームの自己発熱性を検討した。
図 2 に結果を示すが、比較のためにカーボンブラックを担持していない低熱膨張性セラミックスのみからなるフォームの自己発熱結果を合わせて示す。低熱膨張のみのフォームの場合は、600W のマイクロ波を 2 分間照射しても自己発熱は認められない。このフォームにカーボンブラックを高々0.5wt%担持させる(図 1 左)と 50 秒

佐賀県窯業技術センター担持した酸化鉄複合低熱膨張セラミックスではマイクロ波の吸収がさらに促進され、50 秒後にフォームは 385℃まで加熱された。180 秒以上の照射ではフォームが部分的に赤熱(700℃以上)した。これにより、カーボンブラックは 53～56%除去された。低熱膨張セラミックスへの酸化鉄の添加量の増加やマイクロ波出力の増加により、カーボンブラックはより短時間で酸化・除去できるものと期待される。

3.2 酸化鉄を複合した低熱膨張セラミックスの熱的特性
酸化鉄系粉末を含有した低熱膨張複合粉末(100g)を成形後、板状試料を 1100、1150、1200、1230℃で 1 時間焼成した。
気孔率は 1100℃で 22%、
1230℃で 5.8%であった。800℃までの平均熱膨張率は、1100、1150、1200、1230℃焼成体でそれぞれ、2.21、2.48、2.64、3.05 x 10-6/℃であった。焼成温度が高くなると酸化鉄の一部が低熱膨張成分と反応し、高平成17年度研究報告書

2/3

図 4 に各温度で焼成した試料に 600W のマイクロ熱膨張成分が部分的に生成した。
つぎに 1100、1200℃で生成した複合体の組織を波を 70 秒間照射し、照射 OFF 後の試料表面の温度

図 3 に示す。かさ密度は 1100、1150、1200、1230℃変化を連続的に測定した結果を示す。焼成温度の違焼成体でそれぞれ、1.97、2.14、2.30、2.00 g/cm3

いにより、マイクロ波の吸収性が異なり自己加熱速である。1100℃ではまだ多孔質であるが、1200℃で350は緻密化が促進された。1230℃では添加した酸化鉄

M.W. off
300

められた。

250
Temp.(℃)と低熱膨張成分の反応のため、組織にガラス化が認

200C150100B50A

00200400
Time (sec)600800

図 4 600W のマイクロ波を 70 秒間照射した後の試料表面温度の変化

A: 1100、B: 1150、C: 1200℃焼成

度に変化が認められ、1200℃焼成試料の自己加熱性が優れた。
これは高温焼成ほど固相反応が促進され、マイクロ波をより吸収しやすい成分が生成されたことによると推察される。70 秒照射後も各試料で
図3

1100℃(上)、1200℃(下)で焼成した複合体

thermal runaway が起こり温度上昇が継続したが、これは添加した酸化鉄成分の影響によるものである。

つぎに各温度で焼成した複合体の比熱、熱拡散率、熱伝導率を室温で測定した結果を表1 に示す。磁器の熱伝導率は 1.5～1.8 W/m・K であるので、試作した複合セラミックス体は磁器よりも低熱膨張性で保温性が良好であると考えられる。

4. まとめ本研究ではマイクロ波を吸収して自己加熱が可能な低熱膨張セラミックスを試作して、マイクロ波照射によりカーボンブラックの酸化・除去性能を評価した。この複合材料は低熱伝導率であり、マイクロ表 1 酸化鉄－低熱膨張セラミックス複合体の特性波照射後の保温性に優れることを明らかにした。

温度

比熱

熱拡散率

熱伝導率

(℃)

(J/℃・g)(cm2/sec)(W/m・K)

1100

0.81490.003441

0.547

1150

0.84770.002887

0.524

1200

0.80190.003306

0.607

1230

0.81730.003608

0.596

佐賀県窯業技術センター

参考文献
1)「初歩から学ぶマイクロ波応用技術」、p.94(2004)、
マイクロ波応用技術研究会編2)K.J.Rao, Chem. Mater., 11, p.882(1999)平成17年度

研究報告書

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