JP2003238136A - 高比表面積炭素材料の製造方法と装置 - Google Patents
高比表面積炭素材料の製造方法と装置Info
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- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】高い比表面積を持つ炭素材料は、木質原料に塩
化亜鉛やリン酸といった薬品を添加混合して熱処理する
方法、或いは木質原料を熱処理して一旦炭化した後、9
00〜1200℃の高温で水蒸気や炭酸ガスを長時間流
通して賦活する方法で製造されている。これらの製法に
代わる、一段の熱処理操作で無理のない温度条件且つ短
時間の処理で、高比表面積の炭素材料を製造する方法及
び装置を提供する。 【解決の手段】円筒形の容器をもちい円筒の一方から木
質原料を供給し、他方から水蒸気を送入して木質原料お
よびその熱変換物と水蒸気が向流で接触するように流
し、円筒形容器の外周から熱を供給して木質原料を60
0〜900℃に加熱して炭素材料を製造する方法及びこ
の構成による装置。
化亜鉛やリン酸といった薬品を添加混合して熱処理する
方法、或いは木質原料を熱処理して一旦炭化した後、9
00〜1200℃の高温で水蒸気や炭酸ガスを長時間流
通して賦活する方法で製造されている。これらの製法に
代わる、一段の熱処理操作で無理のない温度条件且つ短
時間の処理で、高比表面積の炭素材料を製造する方法及
び装置を提供する。 【解決の手段】円筒形の容器をもちい円筒の一方から木
質原料を供給し、他方から水蒸気を送入して木質原料お
よびその熱変換物と水蒸気が向流で接触するように流
し、円筒形容器の外周から熱を供給して木質原料を60
0〜900℃に加熱して炭素材料を製造する方法及びこ
の構成による装置。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高比表面積炭素材料の
製造方法ならびに装置に関する。具体的には、木質材料
を原料として高比表面積炭素材料を製造する新規の方法
および装置を提供するものである。
製造方法ならびに装置に関する。具体的には、木質材料
を原料として高比表面積炭素材料を製造する新規の方法
および装置を提供するものである。
【0002】
【従来の技術】高い比表面積を持つ炭素材料は、工業薬
品やガス類の精製用、触媒や触媒担体、電極や電気二重
層コンデンサ材料、脂添加剤等の他、室内空気の浄化や
湿度調節、上水の浄化、工業廃水や河川の浄化など広範
囲に利用されて有用である。ここでいう高比表面積炭素
材料は、一般に活性炭と称されているものの範疇にある
が、これらの中で高比表面積を持つものをいい、吸着能
力が高いこと、表面の化学的活性が高いことなどの特徴
を有する。
品やガス類の精製用、触媒や触媒担体、電極や電気二重
層コンデンサ材料、脂添加剤等の他、室内空気の浄化や
湿度調節、上水の浄化、工業廃水や河川の浄化など広範
囲に利用されて有用である。ここでいう高比表面積炭素
材料は、一般に活性炭と称されているものの範疇にある
が、これらの中で高比表面積を持つものをいい、吸着能
力が高いこと、表面の化学的活性が高いことなどの特徴
を有する。
【0003】活性炭の製造方法については、例えば炭素
材料学会編「活性炭−基礎と応用」(講談社発行)に詳
しく記載されているが、要約すると次の方法が一般的で
ある。
材料学会編「活性炭−基礎と応用」(講談社発行)に詳
しく記載されているが、要約すると次の方法が一般的で
ある。
【0004】木質原料を用いて活性炭を製造する方法と
しては、原料を一旦加熱炭化してからスチーム、炭酸ガ
スなどを900〜1200℃の高温で流通させて活性炭
に転換するガス賦活法と、木質原料に塩化亜鉛、燐酸な
どの薬品を添加混合してから400〜900℃の高温で
加熱処理して炭化処理を行い、次いで添加薬品及びその
分解生成物などを水などで洗浄して除去して製造する薬
品賦活法の両方法が一般的である。
しては、原料を一旦加熱炭化してからスチーム、炭酸ガ
スなどを900〜1200℃の高温で流通させて活性炭
に転換するガス賦活法と、木質原料に塩化亜鉛、燐酸な
どの薬品を添加混合してから400〜900℃の高温で
加熱処理して炭化処理を行い、次いで添加薬品及びその
分解生成物などを水などで洗浄して除去して製造する薬
品賦活法の両方法が一般的である。
【0005】活性炭の製造方法について、近年特許公告
されているものとしては、例えば特開平7−15560
8では、原料を予め酸素を4重量%含有するように処理
した後、酸化性ガス雰囲気で加熱することで高比表面積
炭素材料を製造する方法、特開平6−25992では、
賦活剤として水酸化アルカリを原料に添加混合して加熱
処理する方法、特開平7−155587では、第8族金
属化合物を賦活剤として使用する方法などが開示されて
いる。
されているものとしては、例えば特開平7−15560
8では、原料を予め酸素を4重量%含有するように処理
した後、酸化性ガス雰囲気で加熱することで高比表面積
炭素材料を製造する方法、特開平6−25992では、
賦活剤として水酸化アルカリを原料に添加混合して加熱
処理する方法、特開平7−155587では、第8族金
属化合物を賦活剤として使用する方法などが開示されて
いる。
【0006】その他の例としては、特公平6−7200
3では、木材などをマイクロ波照射することで加熱して
高比表面積炭素材料を製造する方法が開示されている。
3では、木材などをマイクロ波照射することで加熱して
高比表面積炭素材料を製造する方法が開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】木質原料を用いて高比
表面積炭素材料を製造する既知の方法は、ガス賦活法に
ついては、例えば木材、やし殻、石炭などの有機質材料
を高温の熱処理で一旦炭化するのであるが、これに一般
には数時間から数日を要すること、次工程で水蒸気、炭
酸ガスなどの所謂賦活ガスを流通しながら900〜12
00℃という高温で数時間から数日の長時間の処理を要
するなど、非能率である。また、高温の処理のため装置
材質は耐熱性の高いものが必要で、多量の熱エネルギー
を消費するなど工程費は高価となる。
表面積炭素材料を製造する既知の方法は、ガス賦活法に
ついては、例えば木材、やし殻、石炭などの有機質材料
を高温の熱処理で一旦炭化するのであるが、これに一般
には数時間から数日を要すること、次工程で水蒸気、炭
酸ガスなどの所謂賦活ガスを流通しながら900〜12
00℃という高温で数時間から数日の長時間の処理を要
するなど、非能率である。また、高温の処理のため装置
材質は耐熱性の高いものが必要で、多量の熱エネルギー
を消費するなど工程費は高価となる。
【0008】一方の薬品賦活法では、例えば鋸屑、有機
質繊維などを原料として、ほぼ同等重量の塩化亜鉛や燐
酸などの化学薬品を水溶液として添加混合した後600
〜700℃で加熱処理し、冷却してから水洗或いはアル
カリ水溶液で洗浄などの精製処理をして製造するもので
あるが、用いる薬品のコストが掛かること、熱処理の際
に薬品が揮発して散逸するので回収工程を要する場合が
あること、添加した薬品、熱分解生成物などを炭素材料
から除去するのに洗浄を繰り返す必要があり、完全に除
去することが困難なこと、多量の水を使い廃水処理を要
することなど課題が多い。
質繊維などを原料として、ほぼ同等重量の塩化亜鉛や燐
酸などの化学薬品を水溶液として添加混合した後600
〜700℃で加熱処理し、冷却してから水洗或いはアル
カリ水溶液で洗浄などの精製処理をして製造するもので
あるが、用いる薬品のコストが掛かること、熱処理の際
に薬品が揮発して散逸するので回収工程を要する場合が
あること、添加した薬品、熱分解生成物などを炭素材料
から除去するのに洗浄を繰り返す必要があり、完全に除
去することが困難なこと、多量の水を使い廃水処理を要
することなど課題が多い。
【0009】本発明者らは、これらの課題を解決するた
めに木質原料の熱分解過程について基礎的な研究をした
結果、意外にも木質原料に水蒸気を流通しながら特定温
度域で加熱分解すると、高い比表面積の炭素材が生成す
ることを発見した。更に水蒸気を窒素ガスなどの不活性
気体で希釈して分圧を制御して流通すれば、より安定し
て高い比表面積の炭素材が生成することを見いだした。
めに木質原料の熱分解過程について基礎的な研究をした
結果、意外にも木質原料に水蒸気を流通しながら特定温
度域で加熱分解すると、高い比表面積の炭素材が生成す
ることを発見した。更に水蒸気を窒素ガスなどの不活性
気体で希釈して分圧を制御して流通すれば、より安定し
て高い比表面積の炭素材が生成することを見いだした。
【0010】本発明は、これらの発見に基づき、工業的
に経済的に高比表面積の炭素材料を製造する方法及び装
置の開発につき研究した結果完成したもので、一段の熱
処理操作で、特殊な耐熱材料を必要としない無理のない
温度条件で、しかも短時間の処理で、高比表面積の炭素
材料を連続的に製造することのできる新規な方法及び装
置を提供するものである。
に経済的に高比表面積の炭素材料を製造する方法及び装
置の開発につき研究した結果完成したもので、一段の熱
処理操作で、特殊な耐熱材料を必要としない無理のない
温度条件で、しかも短時間の処理で、高比表面積の炭素
材料を連続的に製造することのできる新規な方法及び装
置を提供するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、木質
原料を加熱して炭素材料を製造する方法において、円筒
形の容器をもちい円筒の一方から木質原料を供給し、他
方から水蒸気を送入して木質原料およびその熱変換物と
水蒸気が向流で接触するように流し、円筒形容器の外周
から熱を供給して木質原料を600〜900℃に加熱し
て炭素材料を製造することに特徴を有する高比表面積炭
素材料の製造方法である。
原料を加熱して炭素材料を製造する方法において、円筒
形の容器をもちい円筒の一方から木質原料を供給し、他
方から水蒸気を送入して木質原料およびその熱変換物と
水蒸気が向流で接触するように流し、円筒形容器の外周
から熱を供給して木質原料を600〜900℃に加熱し
て炭素材料を製造することに特徴を有する高比表面積炭
素材料の製造方法である。
【0012】請求項2の発明は、木質原料を加熱された
円筒形容器に連続的に供給し、その容積速度が600℃
から900℃に加熱された部分の容器内容積に対して1
時間当たり0.2〜10倍容量であり、送入される水蒸
気の量が標準状態に換算した容積で、木質原料の供給容
積に対して5〜3000倍であることを特徴とする請求
項1記載の製造方法である。
円筒形容器に連続的に供給し、その容積速度が600℃
から900℃に加熱された部分の容器内容積に対して1
時間当たり0.2〜10倍容量であり、送入される水蒸
気の量が標準状態に換算した容積で、木質原料の供給容
積に対して5〜3000倍であることを特徴とする請求
項1記載の製造方法である。
【0013】請求項3の発明は、送入する水蒸気が窒素
ガス、炭酸ガスなどの非酸化性ガスで希釈されており、
その混合ガス中の水蒸気濃度が5〜80モル%であり、
混合ガスの供給速度が木質原料の供給容積に対して5〜
3000倍であることを特徴とする請求項1または2記
載の方法である。
ガス、炭酸ガスなどの非酸化性ガスで希釈されており、
その混合ガス中の水蒸気濃度が5〜80モル%であり、
混合ガスの供給速度が木質原料の供給容積に対して5〜
3000倍であることを特徴とする請求項1または2記
載の方法である。
【0014】請求項4の発明は、請求項1または2また
は3の方法を実施する装置として、直径に対して軸方向
長さが4〜20倍の比率の円筒形で、その外周から加熱
されて600℃から900℃に昇温される容器であっ
て、内部に木質原料およびその熱変換物を出口側に移動
するための回転式の推進機を装着しており、円筒形容器
の中心軸が水平に対して1〜30度傾斜して設置されて
おり、その低い側の方に木質原料の供給口および水蒸気
と熱分解によって生成するガス及び液体などの排出口が
あって、加熱部を挟んだ他の高い側に炭素材料の製出口
および水蒸気の送入口が配置されていることに特徴のあ
る装置でる。
は3の方法を実施する装置として、直径に対して軸方向
長さが4〜20倍の比率の円筒形で、その外周から加熱
されて600℃から900℃に昇温される容器であっ
て、内部に木質原料およびその熱変換物を出口側に移動
するための回転式の推進機を装着しており、円筒形容器
の中心軸が水平に対して1〜30度傾斜して設置されて
おり、その低い側の方に木質原料の供給口および水蒸気
と熱分解によって生成するガス及び液体などの排出口が
あって、加熱部を挟んだ他の高い側に炭素材料の製出口
および水蒸気の送入口が配置されていることに特徴のあ
る装置でる。
【0015】請求項5の発明は請求項4の装置の一形態
であって、木質原料が供給される口が円筒形容器のその
低い側に上方に開いて原料貯槽に通じており、下方に水
蒸気と熱分解によって生成するガスや液体などの排出口
が開いていて凝縮液を回収する容器に接続されており、
他方の高い側に炭素材料の製出口が下向きに開いていて
水を張って外気と遮断する構造の炭素材料の取出口を有
する回収容器が連結されており、円筒形容器の加熱され
る部分から炭素材料の出口側及び回収容器までが実質的
に気密構造となっているいることに特徴を有する装置で
ある。
であって、木質原料が供給される口が円筒形容器のその
低い側に上方に開いて原料貯槽に通じており、下方に水
蒸気と熱分解によって生成するガスや液体などの排出口
が開いていて凝縮液を回収する容器に接続されており、
他方の高い側に炭素材料の製出口が下向きに開いていて
水を張って外気と遮断する構造の炭素材料の取出口を有
する回収容器が連結されており、円筒形容器の加熱され
る部分から炭素材料の出口側及び回収容器までが実質的
に気密構造となっているいることに特徴を有する装置で
ある。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明で用いられる木質原料とし
てはさまざまな樹種、例えば杉、松、檜、唐松、椴松、
栗、くぬぎなど一般の樹木や雑木は全て用いることがで
きる。原料の形態としては、チップ状、粒状で約5cm
角以下、それより長いものは短径が約3cm以下の大き
さが好ましい。原料としてはこれらの混合物でも使用で
き、必要なら粉粒状のものや前記大きさのその成型物も
使用可能である。
てはさまざまな樹種、例えば杉、松、檜、唐松、椴松、
栗、くぬぎなど一般の樹木や雑木は全て用いることがで
きる。原料の形態としては、チップ状、粒状で約5cm
角以下、それより長いものは短径が約3cm以下の大き
さが好ましい。原料としてはこれらの混合物でも使用で
き、必要なら粉粒状のものや前記大きさのその成型物も
使用可能である。
【0017】例えば、伐採直後の丸太や製材時の端材
は、そのまま或いは乾燥後にチップ状に粗砕して原料に
用いることが出来る。木材などの破砕物、鋸屑などはそ
のままで、或いは圧縮成型して上記の大きさとして原料
に用いることができる。建築廃材なども同様にして原料
に用いることができる。原料の大きさが上記の範囲を超
える場合は、加熱して昇温するのに時間がかかったり、
水蒸気や非酸化性ガスとの混合気の流通効果が十分に出
なかったりするので、好ましくない。
は、そのまま或いは乾燥後にチップ状に粗砕して原料に
用いることが出来る。木材などの破砕物、鋸屑などはそ
のままで、或いは圧縮成型して上記の大きさとして原料
に用いることができる。建築廃材なども同様にして原料
に用いることができる。原料の大きさが上記の範囲を超
える場合は、加熱して昇温するのに時間がかかったり、
水蒸気や非酸化性ガスとの混合気の流通効果が十分に出
なかったりするので、好ましくない。
【0018】上記形状の木質原料は、熱の供給される装
備の円筒形容器の一方端から供給されて加熱され他端か
ら排出される。木質原料は加熱された円筒形容器を進む
につれて昇温し、含有する水分やその他の揮発分が蒸発
した後、高温部に進むにつれ木質が熱分解されて炭素質
に変換される。水分などの揮発に伴って相当する熱が必
要であるから、円筒形容器の入り口側には十分な昇温加
熱帯をもうける必要がある。
備の円筒形容器の一方端から供給されて加熱され他端か
ら排出される。木質原料は加熱された円筒形容器を進む
につれて昇温し、含有する水分やその他の揮発分が蒸発
した後、高温部に進むにつれ木質が熱分解されて炭素質
に変換される。水分などの揮発に伴って相当する熱が必
要であるから、円筒形容器の入り口側には十分な昇温加
熱帯をもうける必要がある。
【0019】円筒形容器の温度は、被加熱物の温度が6
00〜900℃の範囲になるようにすればよく、熱の供
給は容器外周の壁面からの伝熱を主とするが、推進機を
介しての供給でも、流通する雰囲気ガスの熱容量を利用
しての供給でもよい。
00〜900℃の範囲になるようにすればよく、熱の供
給は容器外周の壁面からの伝熱を主とするが、推進機を
介しての供給でも、流通する雰囲気ガスの熱容量を利用
しての供給でもよい。
【0020】木質原料の供給は、その容積速度が600
℃から900℃に加熱された帯域の容器内容積に対して
1時間当たり0.2〜10倍容量とする。即ち、この温
度帯の滞留時間は6分から5時間の範囲で実施すればよ
いが、この範囲より大きい速度では十分な熱処理効果が
得られず比表面積が小さくなり、一方速度が小さいと経
済的でない。
℃から900℃に加熱された帯域の容器内容積に対して
1時間当たり0.2〜10倍容量とする。即ち、この温
度帯の滞留時間は6分から5時間の範囲で実施すればよ
いが、この範囲より大きい速度では十分な熱処理効果が
得られず比表面積が小さくなり、一方速度が小さいと経
済的でない。
【0021】木質原料を容器内で出口側へ移送するの
は、回転羽根式の推進機が一般的であるが、その他の任
意の推進機が使用できる。また、推進機の作動は連続的
でも間歇的でもよく、原料が前記の供給速度の範囲で移
送されればよい。
は、回転羽根式の推進機が一般的であるが、その他の任
意の推進機が使用できる。また、推進機の作動は連続的
でも間歇的でもよく、原料が前記の供給速度の範囲で移
送されればよい。
【0022】木質原料と対向する向きに出口側から水蒸
気を送入するが、これらが向流することが重要であり押
し出し流れで流通することが好ましい。この水蒸気の流
れによって、木質原料が熱分解されて発生する各種有機
物やタールを形成する高分子物質などが原料の入り口側
へ送られ、原料の熱変換物は常にクリーンな状態で水蒸
気雰囲気で、或いは特定された非酸化性ガスとの混合ガ
スの雰囲気で熱処理されることによって高比表面積炭素
材料が形成される。
気を送入するが、これらが向流することが重要であり押
し出し流れで流通することが好ましい。この水蒸気の流
れによって、木質原料が熱分解されて発生する各種有機
物やタールを形成する高分子物質などが原料の入り口側
へ送られ、原料の熱変換物は常にクリーンな状態で水蒸
気雰囲気で、或いは特定された非酸化性ガスとの混合ガ
スの雰囲気で熱処理されることによって高比表面積炭素
材料が形成される。
【0023】水蒸気を非酸化性ガスと混合して送入する
場合、非酸化性ガスとしては例えば窒素、アルゴン、二
酸化炭素、一酸化炭素、メタン、ヘリウム、水素などを
用いることができる。非酸化性ガスと混合するとき、水
蒸気濃度としては5〜80mol%の範囲で選択するこ
とができる。このような混合ガスを用いた場合、得られ
る炭素材料の比表面積はより高い値が安定して得られ
る。
場合、非酸化性ガスとしては例えば窒素、アルゴン、二
酸化炭素、一酸化炭素、メタン、ヘリウム、水素などを
用いることができる。非酸化性ガスと混合するとき、水
蒸気濃度としては5〜80mol%の範囲で選択するこ
とができる。このような混合ガスを用いた場合、得られ
る炭素材料の比表面積はより高い値が安定して得られ
る。
【0024】水蒸気、或いは水蒸気と非酸化性ガスの混
合ガスを送入する場合、木質原料を大気と遮断された状
態で容器内を移送しながら、木質原料の移送の向きと逆
向きに流通させる。このとき、水蒸気或いは非酸化性ガ
スとの混合ガスの流速は標準状態に換算した容積で、木
質原料の供給容積に対して5〜3000倍の流速で流せ
ばよい。この流速は重要であり、この範囲を外れる流速
では得られる炭素材料の比表面積は小さくなる傾向にあ
る。
合ガスを送入する場合、木質原料を大気と遮断された状
態で容器内を移送しながら、木質原料の移送の向きと逆
向きに流通させる。このとき、水蒸気或いは非酸化性ガ
スとの混合ガスの流速は標準状態に換算した容積で、木
質原料の供給容積に対して5〜3000倍の流速で流せ
ばよい。この流速は重要であり、この範囲を外れる流速
では得られる炭素材料の比表面積は小さくなる傾向にあ
る。
【0025】以上に記述の如く、従来にない900℃以
下の低温で短時間の熱処理によって、しかも一段の熱処
理操作によって高い比表面積の炭素材料が得られること
は工業的、経済的に価値が大である。水蒸気或いは非酸
化性のガスを特定の条件で流通する本発明が、何故この
ような高い比表面積の炭素材料を生成するかについては
必ずしも明確ではなく、今後の研究に解明が待たれる。
下の低温で短時間の熱処理によって、しかも一段の熱処
理操作によって高い比表面積の炭素材料が得られること
は工業的、経済的に価値が大である。水蒸気或いは非酸
化性のガスを特定の条件で流通する本発明が、何故この
ような高い比表面積の炭素材料を生成するかについては
必ずしも明確ではなく、今後の研究に解明が待たれる。
【0026】請求項1或いは2或いは3の発明を実施す
るのに、請求項4の発明装置は極めて有効である。直径
に対して軸方向長さが4〜20倍の比率の円筒形の容器
は、その外周から加熱して内部を600℃から900℃
に昇温するのに十分の伝熱面積を確保出来る。熱は重
油、灯油などの燃料油、都市ガス、天然ガスなどの燃焼
熱、或いは電力炉による加熱など利用できる。場合によ
っては廃油、廃タイヤ、廃木材などの燃焼熱も利用可能
であり、木質原料を加熱した時に発生する排ガスをリサ
イクルして燃焼させその熱を利用してもよい。
るのに、請求項4の発明装置は極めて有効である。直径
に対して軸方向長さが4〜20倍の比率の円筒形の容器
は、その外周から加熱して内部を600℃から900℃
に昇温するのに十分の伝熱面積を確保出来る。熱は重
油、灯油などの燃料油、都市ガス、天然ガスなどの燃焼
熱、或いは電力炉による加熱など利用できる。場合によ
っては廃油、廃タイヤ、廃木材などの燃焼熱も利用可能
であり、木質原料を加熱した時に発生する排ガスをリサ
イクルして燃焼させその熱を利用してもよい。
【0027】内部に木質原料およびその熱変換物を出口
側に移動するための回転式の推進機を装着するにも上記
形状の容器は好適である。推進器は回転羽根式が一般的
であるが、容器の内壁に近接する径の羽根を用い円筒形
容器の中心軸と推進器の軸を合致させて設置するのが好
ましい。羽根が一回転して移動する距離即ちピッチは、
木質原料の形状と移送速度を勘案して設計し装備すれば
よい。この場合、木質原料と雰囲気ガスは回転羽根と回
転軸及び容器内周壁で形成される空間を螺旋状に且つ向
流で流れることになり、両者の接触効率は高くなり好ま
しい。
側に移動するための回転式の推進機を装着するにも上記
形状の容器は好適である。推進器は回転羽根式が一般的
であるが、容器の内壁に近接する径の羽根を用い円筒形
容器の中心軸と推進器の軸を合致させて設置するのが好
ましい。羽根が一回転して移動する距離即ちピッチは、
木質原料の形状と移送速度を勘案して設計し装備すれば
よい。この場合、木質原料と雰囲気ガスは回転羽根と回
転軸及び容器内周壁で形成される空間を螺旋状に且つ向
流で流れることになり、両者の接触効率は高くなり好ま
しい。
【0028】円筒形容器の中心軸が水平に対して1〜3
0度傾斜して設置されること及びその原料の供給される
低い側の端にガスや液体などの排出口があることが重要
である。木質原料が加熱され分解される際に高分子物質
が少量副生し温度が下がるとタール状液体となるが、こ
れが円筒形容器の内面に凝縮しても炭素材料の製出側に
流れないようようにする必要がある。タール状高分子物
質が熱分解過程の炭素材へ或いはその中間変換物へ付着
した場合、高比表面積の炭素材料は得られ難い。上記の
傾斜角度をつけることで凝縮液は原料の入口側へ流下す
るので確実にその付着が防止できる。上記より大きい傾
斜角では原料及び熱変換物の移送の面、或いは装置の設
置スペースの面から好ましくない。
0度傾斜して設置されること及びその原料の供給される
低い側の端にガスや液体などの排出口があることが重要
である。木質原料が加熱され分解される際に高分子物質
が少量副生し温度が下がるとタール状液体となるが、こ
れが円筒形容器の内面に凝縮しても炭素材料の製出側に
流れないようようにする必要がある。タール状高分子物
質が熱分解過程の炭素材へ或いはその中間変換物へ付着
した場合、高比表面積の炭素材料は得られ難い。上記の
傾斜角度をつけることで凝縮液は原料の入口側へ流下す
るので確実にその付着が防止できる。上記より大きい傾
斜角では原料及び熱変換物の移送の面、或いは装置の設
置スペースの面から好ましくない。
【0029】請求項5の発明は、円筒形容器が、木質原
料が供給される口がその低い側に上方に開いて原料貯槽
に通じており、下方に水蒸気と熱分解によって生成する
ガスや液体などの排出口が開いていて凝縮液を回収する
容器に接続されている配置によって、原料の貯留と供給
及び生出するガスや液体の流れが無理なく確保される。
凝縮液を回収する容器は非凝縮生のガスなどを排出する
ために排風機に接続され、無害化処理などした後大気へ
放出される。
料が供給される口がその低い側に上方に開いて原料貯槽
に通じており、下方に水蒸気と熱分解によって生成する
ガスや液体などの排出口が開いていて凝縮液を回収する
容器に接続されている配置によって、原料の貯留と供給
及び生出するガスや液体の流れが無理なく確保される。
凝縮液を回収する容器は非凝縮生のガスなどを排出する
ために排風機に接続され、無害化処理などした後大気へ
放出される。
【0030】円筒形容器の高い側に炭素材料の製出口が
下向きに開いていて下方に水を張って外気と遮断する構
造の炭素材料の取出口を有する回収容器が連結されてい
ることで、高温で製出する炭素材料が水中に回収され同
時に冷却される。これにより円筒形容器の加熱帯から炭
素材料の出口側及び回収容器までが実質的に気密構造と
することが可能となり、水蒸気または非酸化性ガスで希
釈された水蒸気を、特定された流量で木質原料と向流し
て流通することが可能となる。
下向きに開いていて下方に水を張って外気と遮断する構
造の炭素材料の取出口を有する回収容器が連結されてい
ることで、高温で製出する炭素材料が水中に回収され同
時に冷却される。これにより円筒形容器の加熱帯から炭
素材料の出口側及び回収容器までが実質的に気密構造と
することが可能となり、水蒸気または非酸化性ガスで希
釈された水蒸気を、特定された流量で木質原料と向流し
て流通することが可能となる。
【0031】炭素材料は回収容器中の水と触れて水蒸気
を発生するから、これをそのまま或いは前記の非酸化性
ガスをキャリヤーとして、加熱円筒形容器へ送入するこ
とも出来る。水中に回収された炭素材料は水封状態を保
ったまま任意の方法で取出口から取り出される。例え
ば、取出口から回収容器底部へスクリュウコンベアなど
の排出機を設置する、或いは水流を利用して、炭素材料
を取り出すことが出来る。炭素材料は水を分離すること
によって、必要なら次いで乾燥することによって製品と
なる。
を発生するから、これをそのまま或いは前記の非酸化性
ガスをキャリヤーとして、加熱円筒形容器へ送入するこ
とも出来る。水中に回収された炭素材料は水封状態を保
ったまま任意の方法で取出口から取り出される。例え
ば、取出口から回収容器底部へスクリュウコンベアなど
の排出機を設置する、或いは水流を利用して、炭素材料
を取り出すことが出来る。炭素材料は水を分離すること
によって、必要なら次いで乾燥することによって製品と
なる。
【0032】本発明による装置の具体的構成の例を図1
に示すが、本発明はこの例に限定されるものではない。
図1に於いて、1は木質原料を熱処理する円筒形容器
で、内部に推進器2が装着されて駆動ギヤ11で回転駆
動される。原料貯槽9から供給口14へ入った木質原料
はこの推進機で円筒形容器内部へ移送する。円筒形容器
は加熱炉3で加熱されて昇温される。熱処理されて製出
する炭素材料は製出口12から水を張った炭素材料回収
容器7に回収される。
に示すが、本発明はこの例に限定されるものではない。
図1に於いて、1は木質原料を熱処理する円筒形容器
で、内部に推進器2が装着されて駆動ギヤ11で回転駆
動される。原料貯槽9から供給口14へ入った木質原料
はこの推進機で円筒形容器内部へ移送する。円筒形容器
は加熱炉3で加熱されて昇温される。熱処理されて製出
する炭素材料は製出口12から水を張った炭素材料回収
容器7に回収される。
【0033】円筒形容器へ送入する水蒸気は、定量ポン
プなどで計量された水を水供給パイプ6から水蒸発器4
へ供給し加熱気化されて、水蒸気送入口15から送入さ
れる。水蒸気を窒素ガスなどの非酸化性ガスで希釈して
送入するときは、窒素ガス供給パイプ5から送入するこ
とが出来る。また、水蒸気は炭素材料回収容器7で発生
するものを利用することも出来る。この場合は炭素材料
回収容器7に窒素ガスなどの非酸化性ガスをキャリヤー
として供給して水蒸気を同伴し送入すればよい。
プなどで計量された水を水供給パイプ6から水蒸発器4
へ供給し加熱気化されて、水蒸気送入口15から送入さ
れる。水蒸気を窒素ガスなどの非酸化性ガスで希釈して
送入するときは、窒素ガス供給パイプ5から送入するこ
とが出来る。また、水蒸気は炭素材料回収容器7で発生
するものを利用することも出来る。この場合は炭素材料
回収容器7に窒素ガスなどの非酸化性ガスをキャリヤー
として供給して水蒸気を同伴し送入すればよい。
【0034】木質原料が熱分解して発生したガスや液体
及び供給された水蒸気などは、排出口13から凝縮液回
収容器8へ流出し凝縮物が8へ溜まる。非凝縮性のガス
などは排風機10で排出されるが、煤煙やミストなどは
無害化処理を行って大気へ放出されることが好ましい。
及び供給された水蒸気などは、排出口13から凝縮液回
収容器8へ流出し凝縮物が8へ溜まる。非凝縮性のガス
などは排風機10で排出されるが、煤煙やミストなどは
無害化処理を行って大気へ放出されることが好ましい。
【0035】次に、図1の構成の装置で炭素材料を製造
した具体例を以下に示す。
した具体例を以下に示す。
【0036】
【実施例1】円筒形容器1は耐熱ステンレス鋼で内径1
40mm、原料供給口14から炭素材料製出口12まで
の長さ1400mmのものを作製し、加熱炉3は全長1
000mmで3基の電気炉で独立に温度設定出来るもの
を用いた。推進器2は耐熱ステンレス鋼製の回転羽根式
で羽根径130mm、ピッチ120mm、シャフト径4
8mmのものを用い、回転速度を制御して駆動ギヤ11
で駆動した。円筒形容器は水平に対して3度傾斜して製
品出口側が高くなるように設置した。
40mm、原料供給口14から炭素材料製出口12まで
の長さ1400mmのものを作製し、加熱炉3は全長1
000mmで3基の電気炉で独立に温度設定出来るもの
を用いた。推進器2は耐熱ステンレス鋼製の回転羽根式
で羽根径130mm、ピッチ120mm、シャフト径4
8mmのものを用い、回転速度を制御して駆動ギヤ11
で駆動した。円筒形容器は水平に対して3度傾斜して製
品出口側が高くなるように設置した。
【0037】原料は粉砕した杉材を5mmの開き目の篩
いで篩ってその通過分を用いた。原料は原料貯槽9に貯
留し、円筒形容器の供給口14へ連続供給した。所定量
の水を定量ポンプで200℃に加熱された水蒸発器4に
供給し気化させて円筒形容器の製品出口側送入口15か
ら送入した。窒素ガスはマスフローバルブで流量を制御
して、パイプ5から水蒸発器へ供給し水蒸気と混合して
送入した。製品の炭素材料は円筒形容器の製出口12か
ら水を張った回収容器7へ落下して冷却され、その下部
が連通する取出口16から間歇的に取り出された。
いで篩ってその通過分を用いた。原料は原料貯槽9に貯
留し、円筒形容器の供給口14へ連続供給した。所定量
の水を定量ポンプで200℃に加熱された水蒸発器4に
供給し気化させて円筒形容器の製品出口側送入口15か
ら送入した。窒素ガスはマスフローバルブで流量を制御
して、パイプ5から水蒸発器へ供給し水蒸気と混合して
送入した。製品の炭素材料は円筒形容器の製出口12か
ら水を張った回収容器7へ落下して冷却され、その下部
が連通する取出口16から間歇的に取り出された。
【0038】供給された水蒸気や熱分解生成物などは円
筒形容器の低い側の端下方にある排出口13に接続され
た凝縮液回収容器8で凝縮液が回収され、排ガスは排風
機10によって大気に排出された。その他、装置の構成
は図1と同様にした。
筒形容器の低い側の端下方にある排出口13に接続され
た凝縮液回収容器8で凝縮液が回収され、排ガスは排風
機10によって大気に排出された。その他、装置の構成
は図1と同様にした。
【0039】原料入り口側より、第1炉を400℃、第
2炉を700℃、第3炉を850℃に設定し、推進器は
原料供給口から炭素材料製出口までの1400mmを2
時間で移送する速度に設定した。水を135g/時で蒸
発器に供給して気化し、窒素ガスを90リットル/時で
供給して混合して送入した。水蒸気と窒素ガスの混合ガ
ス容積は標準状態で、木質原料の供給容積に対して24
倍であり混合ガス中の水蒸気濃度は65%である。
2炉を700℃、第3炉を850℃に設定し、推進器は
原料供給口から炭素材料製出口までの1400mmを2
時間で移送する速度に設定した。水を135g/時で蒸
発器に供給して気化し、窒素ガスを90リットル/時で
供給して混合して送入した。水蒸気と窒素ガスの混合ガ
ス容積は標準状態で、木質原料の供給容積に対して24
倍であり混合ガス中の水蒸気濃度は65%である。
【0040】円筒形容器内の温度分布から、600℃〜
850℃の温度帯にある滞留時間は53分であった。運
転開始4時間後に製出した炭素材料を回収容器から取り
出して水を分離した後、90℃で2時間乾燥したサンプ
ルについて比表面積を測定した。比表面積は窒素ガス吸
着のBET法により、装置は島津製作所製アサップ201
0を用い3点法で測定した。このサンプルの比表面積は
689m2/gであった。
850℃の温度帯にある滞留時間は53分であった。運
転開始4時間後に製出した炭素材料を回収容器から取り
出して水を分離した後、90℃で2時間乾燥したサンプ
ルについて比表面積を測定した。比表面積は窒素ガス吸
着のBET法により、装置は島津製作所製アサップ201
0を用い3点法で測定した。このサンプルの比表面積は
689m2/gであった。
【0041】
【実施例2】第1炉を500℃に設定した他は実施例1
と同様にして炭素材料を製造した。運転開始4時間後に
製出したサンプルについて同様にして比表面積を測定し
たところ750m2/gであった。
と同様にして炭素材料を製造した。運転開始4時間後に
製出したサンプルについて同様にして比表面積を測定し
たところ750m2/gであった。
【0042】
【実施例3】推進器の速度を、原料供給口から炭素材料
製出口までの1400mmを1時間で移送する速度に
し、窒素ガス流速を180リットル/時とした他は実施
例2と同様にして炭素材料を製造した。水蒸気と窒素ガ
スの混合ガス容積は標準状態で、木質原料の供給容積に
対して32倍であり混合ガス中の水蒸気濃度は48%で
ある。温度分布から、600℃〜850℃の温度帯にあ
る滞留時間は25分であった。運転開始2時間後に製出
したサンプルの比表面積を測定したところ621m2/
gであった。
製出口までの1400mmを1時間で移送する速度に
し、窒素ガス流速を180リットル/時とした他は実施
例2と同様にして炭素材料を製造した。水蒸気と窒素ガ
スの混合ガス容積は標準状態で、木質原料の供給容積に
対して32倍であり混合ガス中の水蒸気濃度は48%で
ある。温度分布から、600℃〜850℃の温度帯にあ
る滞留時間は25分であった。運転開始2時間後に製出
したサンプルの比表面積を測定したところ621m2/
gであった。
【0043】
【実施例4】推進器の速度を、原料供給口から炭素材料
排出口までの1400mmを1時間で移送する速度に
し、窒素ガスを流さず水蒸気のみ送入して実施例2と同
様にして炭素材料を製造した。水蒸気の送入速度は標準
状態で木質原料の供給容積に対して15倍であり、温度
分布から、600℃〜850℃の温度帯にある滞留時間
は27分であった。運転開始2時間後に製出したサンプ
ルの比表面積を測定したところ521m2/gであっ
た。
排出口までの1400mmを1時間で移送する速度に
し、窒素ガスを流さず水蒸気のみ送入して実施例2と同
様にして炭素材料を製造した。水蒸気の送入速度は標準
状態で木質原料の供給容積に対して15倍であり、温度
分布から、600℃〜850℃の温度帯にある滞留時間
は27分であった。運転開始2時間後に製出したサンプ
ルの比表面積を測定したところ521m2/gであっ
た。
【0044】
【実施例5】推進器の速度を、原料供給口から炭素材料
製出口までの1400mmを4時間で移送する速度に
し、その他は実施例2と同様にして炭素材量を製造し
た。温度分布から、600℃〜850℃の温度帯にある
滞留時間は110分であった。運転開始6時間後に製出
したサンプルの比表面積を測定したところ750m2/
gであった。
製出口までの1400mmを4時間で移送する速度に
し、その他は実施例2と同様にして炭素材量を製造し
た。温度分布から、600℃〜850℃の温度帯にある
滞留時間は110分であった。運転開始6時間後に製出
したサンプルの比表面積を測定したところ750m2/
gであった。
【0045】
【比較例】水蒸気及び窒素ガスを供給しないで、その他
は実施例3と同様にして炭素材料を製造した。温度分布
から、600℃〜850℃の温度帯にある滞留時間は2
5分であった。運転開始2時間後に製出したサンプルの
比表面積を測定したところ97m2/gであった。
は実施例3と同様にして炭素材料を製造した。温度分布
から、600℃〜850℃の温度帯にある滞留時間は2
5分であった。運転開始2時間後に製出したサンプルの
比表面積を測定したところ97m2/gであった。
【0046】
【発明の効果】本発明によって、木質原料から一段の熱
処理操作でしかも900℃以下の温度での短時間処理
で、高比表面積の炭素材料を連続的に製造することの出
来る新規な方法及び装置が提供される。得られる炭素材
料は、工業薬品やガス類の精製用、触媒や触媒担体、電
極や電気二重層コンデンサー材料、樹脂添加剤等の他、
室内空気の浄化や湿度調節、上水の浄化、工業廃水や河
川水の浄化など広範囲に利用されるものである。
処理操作でしかも900℃以下の温度での短時間処理
で、高比表面積の炭素材料を連続的に製造することの出
来る新規な方法及び装置が提供される。得られる炭素材
料は、工業薬品やガス類の精製用、触媒や触媒担体、電
極や電気二重層コンデンサー材料、樹脂添加剤等の他、
室内空気の浄化や湿度調節、上水の浄化、工業廃水や河
川水の浄化など広範囲に利用されるものである。
【図1】本発明による装置構成の一実施形態の装置の側
面図である。内部構造を示すため部分透視図で描いてあ
る。
面図である。内部構造を示すため部分透視図で描いてあ
る。
【図2】図1の左方より見た従側面図で、部分透視図と
なっている。
なっている。
1 円筒形容器
2 推進機
3 加熱炉
4 水蒸発器
5 窒素ガス供給パイプ
6 水供給パイプ
7 炭素材料回収容器
8 凝縮液回収容器
9 原料貯槽
10 排風機
11 駆動ギア
12 炭素材料製出口
13 生成ガス等排出口
14 原料供給口
15 水蒸気送入口
16 炭素材料取出口
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 志戸崇紀
鳥取県米子市米原7丁目11−29コーポナガ
ミ205号室
Fターム(参考) 4G046 HA02 HB05 HC09 HC10 HC12
HC18 HC24
Claims (5)
- 【請求項1】木質原料を加熱して炭素材料を製造する方
法において、円筒形の容器をもちい円筒の一方から木質
原料を供給し、他方から水蒸気を送入して木質原料およ
びその熱変換物と水蒸気が向流で接触するように流し、
熱を円筒形容器の外周から供給して木質原料を600〜
900℃に加熱して炭素材料を製造する方法。 - 【請求項2】木質材料を加熱された円筒形容器に連続的
に供給し、その容積速度が600℃から900℃に加熱
された部分の容器内容積に対して時間当たり0.2〜1
0倍容量であり、送入される水蒸気の量が標準状態に換
算した容積で、木質原料の供給容積に対して5〜300
0倍である請求項1記載の方法。 - 【請求項3】水蒸気が窒素ガス、炭酸ガスなどの非酸化
性ガスで希釈されており、その混合ガス中の水蒸気濃度
が5〜80モル%であり、混合ガスの供給速度が木質原
料の供給容積に対して5〜3000倍であることを特徴
とする請求項1または2記載の方法。 - 【請求項4】直径に対して軸方向長さが4〜20倍の比
率の円筒形で、その外周から加熱されて600℃から9
00℃に昇温される容器であって、内部に木質原料およ
びその熱変換物を出口側に移動するための回転式の推進
機を装着しており、円筒形容器の中心軸が水平に対して
1〜30度傾斜して設置されており、その低い側の方に
木質原料の供給口および水蒸気と熱分解によって生成す
るガスや液体などの排出口があって、加熱部を挟んだ他
の高い側に炭素材料の製出口および水蒸気の送入口が配
置されている装置。 - 【請求項5】円筒形容器が、木質原料が供給される口が
その低い側に上方に開いて原料貯槽に通じており、下方
に水蒸気と熱分解によって生成するガスや液体などの排
出口が開いていて凝縮液を回収する容器に接続されてお
り、他方の高い側に炭素材料の製出口が下向きに開いて
いて下方に水を張って外気と遮断する構造の炭素材料の
取出口を有する回収容器が連結されており、円筒形容器
の加熱される部分から炭素材料の出口側及び回収容器ま
でが実質的に気密構造となっている請求項4記載の装
置。
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|---|---|
| JP2003238136A true JP2003238136A (ja) | 2003-08-27 |
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