JP2003201189A - 浄化用成形体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 木炭の有する吸着、還元機能を封殺すること
なく、所望の形状に成形し得る浄化用成形体及び製造方
法を提供する。 【解決手段】 ４００〜２２００℃の炭化温度で炭化し
た木炭粉末５〜９５重量％と、珪藻頁岩の粉末９５〜５
重量％とを撹拌混合して１０００μｍ以下の顆粒体の集
合である混合組成物を調製し、これを成形型内に充填・
固化させる。固化した成形物を還元性雰囲気下で６００
℃以上で焼成して浄化用成形体を得る。珪藻頁岩の代わ
りにカオリナイト、泥炭を用いてもよい。調製した混合
組成物を水中に投入しスラリー状の懸濁液とし、抄紙型
にてすくい取って乾燥固化させて成形物としてもよい。
気相中の有害物質である特にＮＯ_Ｘ、ＮＯ_２を無害なＮ
_２に変換させて無害化し得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気相環境下におけ
る主として窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）や炭素微粒子等の気相
汚染物質を無害化するために用いられる浄化用成形体及
びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＮＯ_Ｘの発生源としては、発電所等から
の排ガスによる固定発生源と、自動車等からの排ガスに
よる移動発生源とに分けられる。この移動発生源により
大都市圏や自動車道路沿線でのＮＯ_Ｘ濃度は増大傾向と
なり、環境白書によれば二酸化窒素（ＮＯ_２）について
の環境基準も達成されていない所が多い。しかも、都市
幹線道路の高層複雑化やトンネル化に伴い上記移動発生
源からのＮＯ_Ｘによる環境汚染は深刻化している。

【０００３】このようなＮＯ_Ｘの浄化又は低減対策とし
て、上記固定発生源に対してはシリカゲルやゼオライト
を用いた吸着とアンモニアを用いた選択的触媒還元との
組み合わせが知られ、上記移動発生源に対しては貴金属
と希土類との組み合わせからなる三元触媒を用いた除去
等が知られている。しかしながら、前者では超大型化し
た処理装置やその処理装置の運転のための膨大な運転エ
ネルギーを必要とし浄化処理コストの高騰を招くという
問題があり、後者では高温熱衝撃等の過酷な条件下での
浄化機能の維持に問題がある上に原材料が高コストであ
る等の問題がある。

【０００４】また、近年、活性炭や活性炭素繊維を用い
た複層フィルタによりＮＯＸの低減と炭素微粒子の捕集
とを企図したシステムも提案されているが、接触・触媒
機能と、吸着・凝縮機能とが不十分である上に、各機能
の安定確保が困難であることから普及するまでには至っ
ていない。

【０００５】一方、木材を炭化することにより得られる
木炭については、炭化温度の如何により顕著な吸着特性
を発揮することが本発明者による研究や他の研究により
従来より明らかになっている。

【０００６】また、上記のシリカゲルやゼオライト等と
同様の多孔性構造を有する天然素材としては、例えば北
海道にて大量に産出される珪藻頁岩が知られており、こ
の珪藻頁岩を調湿のために建築用部材や住宅用内装材の
一部素材として適用するための用途開発が試みられてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の木炭
について、本発明者は、種々の炭化条件の内の特に炭化
温度を制御することにより木材細胞壁孔壁に生じる細孔
とその分布を制御することができ、特定温度で炭化して
得られる木炭が吸着作用のみならず還元作用をも発揮
し、しかも、その還元作用がコークスや活性炭等の炭素
材料に比して８〜１５倍もの高性能を発揮することを見
いだした。そして、本発明者は、かかる強力な還元作用
に加え連続多孔性による吸着作用、接触凝縮やろ過作用
等をも併せ持つ木炭を利用して、ＮＯ_Ｘを無害なＮ_２に
変換させて無害化させ得ることを確認した（例えば、
「材料」、第４８巻、第５号、４７３〜４８２頁中の特
に４７８頁、平成１１年５月、材料学会、参照）。

【０００８】しかしながら、ＮＯ_Ｘを無害化させるため
に木炭材料のみでは現実の道路環境や住宅環境等に対し
適用し難く、各環境に適合させた所定の形状に成形する
ことが好ましい。

【０００９】しかるに、木炭等の木質炭化材料は強度的
に脆い上に、個々の材料同士の結合機能（接着機能）に
乏しく、それ単独では所望の形状に成形することは極め
て困難であるという事情がある。また、上記木質炭化材
料は濡れ性が悪く、接着剤を用いた成形も困難なものと
なる。たとえ、上記木質炭化材料に対し何らかの接着剤
を混合し得たとしても、接着剤により木質炭化材料表面
の細孔構造が塞がれてしまうと、木質炭化材料の有する
上記の優れた機能・作用を発揮させることができなくな
る。

【００１０】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、木質炭化材料
の有する優れた機能・作用を封殺することなく、所望の
形状に成形し得る浄化用成形体及びその製造方法を提供
することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段、及び、その作用効果】上
記目的を達成するために、本発明者は、木質炭化材料を
結合させる材料として珪藻頁岩等の天然多孔質無機素材
に着目し、木質炭化材料同士を天然多孔質無機素材の介
在により結合（接着）させることにより木質炭化材料自
身の機能・作用の発揮を確保しつつ所定形状への成形を
可能とすることを見いだしたものである。そして、木質
炭化材料と天然多孔質無機素材との複合というような異
種材料同士の複合において、その複合のための複合条件
や熱処理条件等を種々検討した結果、本発明を完成させ
たものである。

【００１２】具体的には、浄化用成形体に係る発明で
は、粉状、粒状又は片状の木質炭化材料と、粉状の天然
多孔質無機素材とを含む混合組成物を所定形状の型内に
充填した状態で高温加熱することにより一体的に複合化
してなるものとした（請求項１）。

【００１３】また、上記の浄化用成形体の製造方法に係
る発明では、粉状、粒状又は片状の木質炭化材料と、粉
状の天然多孔質無機素材とを含む混合組成物を調製する
工程と、調製した混合組成物を所定形状の型内に充填す
る工程と、充填した状態で高温加熱することにより一体
的に複合化させる工程とを備えたものとした（請求項
３）。

【００１４】ここで、上記の「天然多孔質無機素材」と
しては、珪藻頁岩又は珪藻土が好適に用いられ（請求項
２、請求項４）、この他にカオリナイト又は泥炭等を用
いることもできる。また、上記の「高温加熱することに
より一体的に複合」するには、還元性雰囲気下において
６００℃以上の温度での焼成（Bakig）、８００℃〜３
０００℃以上での熱処理（Heat−Treatment）もしくは
焼結（Sintering）すればよい。さらに、上記の「所定
形状」としては、レンガ等の矩形又は球形の塊形状、柱
状、ボード状、タイル状、シート状等があり、より具体
的な適用としては高速道路等用の防音・遮音壁、トンネ
ル排気口用のボード，表面シートもしくはフィルタ、発
電所の排ガス用煙突の内壁構成材、住宅用各種内・外装
材等に対応した形状が好適に採用される。

【００１５】上記の浄化用成形体又は浄化用成形体の製
造方法により得られる浄化用成形体によれば、木質炭化
材料と珪藻頁岩等の天然多孔質無機素材とが複合された
ものであるため、それらの細孔構造及び化学構造（化学
反応性）に基づき還元作用による触媒機能と、接触・凝
縮・分子篩い作用による吸着機能とを発揮する。これに
より、次のような作用を発揮する。すなわち、木質炭化
材料の有する強い還元作用に基づくＮＯ_ＸからＮ_２への
無害化変換［２Ｎ_２→（２ＮＯ＋Ｏ_２）→（Ｎ _２＋２Ｏ
_２）］、上記木質炭化材料の木材細胞壁孔壁に生じたナ
ノオーダーの細孔（ナノスペース）がもたらす接触、凝
縮、分子篩いの各作用に基づく無害化、さらには、ゼオ
ライトと同様にＳｉＯ_２やアルミナを主成分とし０．２
〜数ｎｍという細孔径と化学構造とを有する珪藻頁岩粉
がもたらす吸着機能及び触媒機能等によって、気相汚染
物質の内でも特にＮＯ_Ｘや炭素微粒子の無害化が図られ
る。

【００１６】特に木質炭化材料として６００℃以上の炭
化温度で炭化させたものは、例えば１００ｐｐｍのＮＯ
_２に対する無害化機能として十分であり、このような木
質炭化材料を少なくとも５％含む混合組成物は上記の十
分なる無害機能を発揮することになる（請求項５）。ま
た、珪藻頁岩等の天然多孔質無機素材を少なくとも５％
含む混合組成物を用いて加熱処理することにより、木質
炭化材料との一体的な複合化、従って、高い形状保持性
を発揮するように互いに結合させ得る（請求項５）。

【００１７】一方、木質炭化材料は未利用の残廃木材の
活用により、また、天然多孔質無機素材として珪藻頁岩
は資源として略無尽蔵の岩石であるため、原材料として
いずれも極めて容易かつ安価に調達し得る。その上に、
上記木質炭化材料は資源として再利用も可能である。さ
らに、上記浄化用成形体を構成する木質炭化材料は木質
資源であり、また、珪藻頁岩の如き天然多孔質無機素材
は植物プランクトンの珪藻類の化石つまり植物資源であ
るため、使用後に廃棄しても環境に負荷がかからず、自
然界に土壌として還元できる他、粉砕及び再焼成するこ
とによりリサイクルや他の機能性材料としての転用も可
能である。また、浄化用成形体への成形（複合化）の際
の高温加熱（焼成等）は原材料としての木質炭化材料自
体の活用又は炭化前の木材又はバイオマス等の自己発熱
反応熱を利用することで、新たなエネルギーの使用を最
小限に抑えて極めて低エネルギー消費、従って、低コス
トで複合化し得る。

【００１８】さらに、排ガス用煙突等の高温環境下に適
用する場合であっても、耐熱性、耐酸化性、耐熱衝撃
性、熱に対する高寸法安定性、難燃性等を発揮し得る。

【００１９】上記の請求項３〜請求項５のいずれかの浄
化用成形体の製造方法においては、成形対象の形状や適
用対象に応じて以下の如く種々の具体的製造方法を採用
し得る。すなわち、第１に、混合組成物の調製として、
粉状もしくは粒状の木質炭化材料の個々の表面に、微粉
状の天然多孔質無機素材を付着させて、０．１μｍ〜５
００μｍの顆粒体の集合とすることができる（請求項
６）。この場合には、型の形状の如何に拘わらず、その
型内へ容易かつ確実に充填させることができ、汎用性あ
る混合組成物を調製することができる。

【００２０】第２に、混合組成物の調製として、木質系
材料の炭化処理中に発生する煙に天然多孔質無機素材を
晒して燻煙し、煙中に含まれる熱分解生成物を上記天然
多孔質無機素材の表面に添着又は素材中に導入させるこ
とにより行うこともできる（請求項７）。つまり、天然
多孔質無機素材を炭素担体として機能させ、その担持を
気相中で行うものである。

【００２１】第３に、混合組成物の調製として、木質系
材料の炭化処理中に発生する液状熱分解生成物に天然多
孔質無機素材を浸漬し、上記熱分解生成物を天然多孔質
無機素材の表面に添着又は素材中に導入させることによ
り行うこともできる（請求項８）。つまり、天然多孔質
無機素材を炭素担体として機能させ、その担持を液相中
で行うものである。

【００２２】第４に、混合組成物の調製及び所定の型内
への充填として、粉状の木質炭化材料と粉状の天然多孔
質無機素材とを水内に分散・懸濁させてスラリー状とし
て混合組成物の調製を行い、この後、上記スラリー状懸
濁液に対し所定形状の抄紙型によりすくい上げて乾燥固
化させることにより所定型内への充填を行うこともでき
る（請求項９）。浄化用成形体としてシート状又はフィ
ルム状のものとする場合に好適に採用され、このような
薄物の成形体であっても確実に成形することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を詳細に
説明する。

【００２４】＜第１実施形態＞木質炭化材料は残廃木材
や木質系廃棄物（バイオマス）等を原料として炭化処理
したものであり、特に炭化温度として６００℃以上で炭
化処理したものである。なお炭化温度の上限は炭化炉の
加熱能力の上限温度となるが、通常３０００℃まで可能
である。好ましくは６００℃〜１５００℃、６００℃〜
８００℃である。なお、４００℃以上であれば、本発明
の無害化機能を発揮させることができる。また、上記炭
化処理の際に上記原料の自己発熱反応熱を利用すること
により、省エネルギーが図られる。そして、得られた木
質炭化材料を直径０．１μｍ〜５００μｍの粉末とす
る。

【００２５】一方、天然多孔質無機素材として珪藻頁岩
を利用し、この珪藻頁岩を上記と同様に直径０．１μｍ
〜５００μｍの粉末とする。

【００２６】そして、５重量％〜９５重量％の木質炭化
材料と、９５重量％〜５重量％の珪藻頁岩との両粉末を
混合することにより、直径０．５μｍ〜１０００μｍの
顆粒体の集合として混合組成物を調製する。上記の混合
による調製は、撹拌混合槽に投入して例えば２０rpm〜
５００rpmにて撹拌混合すればよい。

【００２７】次に、目的形状に対応した成形型内に上記
顆粒体の集合である混合組成物を充填し、予備加熱する
ことにより硬化させて脱型する。この予備加熱は加圧し
つつ加熱すればよく、また、かなり低比重のものの場合
には型枠内に充填した状態で一方から熱風を吹き付ける
ことで圧縮しつつ硬化させるようにしてもよい。なお、
上記の成形型として真空錬成型を用いれば充填作業の容
易化に加え、その充填を確実なものとし得る。

【００２８】そして、上記の成形物を加熱炉内に入れて
還元性雰囲気下で所定温度で加熱させて一体に複合化さ
せる。この加熱は目的形状の大小や、その目的形状の適
用対象に要求される強度に応じて次の内から定めればよ
い。すなわち、６００℃以上の温度での焼成、８００℃
〜３０００℃以上での熱処理もしくは焼結とすればよ
い。焼結の場合には、真空中で行う放電焼結法（Spark
Plasma Sintering）を採用してもよい。

【００２９】なお、上記の混合組成物の調製の際に、上
記の如き木質炭化材料と珪藻頁岩との両粉末に対し、５
〜３０重量％の熱硬化樹脂を添加した後に、上記の混合
撹拌を行うことにより上記の顆粒体を得るようにしても
よい。上記の熱硬化樹脂としては、例えば完全には硬化
していない段階であるＢ−ステージのフェノールフォル
ムアルデヒド樹脂（フォルムアルデヒド／フェノールの
モル比を２〜４として常法により合成したもの）、レゾ
ルシノール樹脂、フラン樹脂等の内から選択した一種又
は二種以上を用いればよい。この場合には、上記の撹拌
混合により上記熱硬化樹脂の表面に木質炭化材料及び珪
藻頁岩が層状に付着した状態で上記直径の顆粒体が得ら
れることになり、そして、上記の予備加熱により熱硬化
樹脂を加えない場合よりも強固に硬化した状態の成形物
を得ることができ、焼成等の加熱処理の際の取扱も容易
になる。

【００３０】また、上記の混合組成物を成形型に充填せ
ずに、成形型と同様機能を果たす基盤上に添着させて成
形するようにしてもよい。この場合の基盤としては、例
えば炭素繊維、スラグウールもしくはグラスウール等に
より形成された不燃性不織布を用い、この不燃性不織布
に対し上記の混合組成物を添着・積層させて不燃性不織
布の表面に混合組成物の薄膜を形成する。これにより、
予備加熱をすることなく基盤である不燃性不織布により
形状が保持された成形物が得られる。そして、この成形
物を上記と同様に加熱させて不燃性不織布との一体化
と、混合組成物自体の一体複合化とを行えばよい。

【００３１】＜第２実施形態＞第２実施形態では特に薄
肉のシート状又はフィルム状の浄化用成形体を得る製造
方法を説明する。

【００３２】まず、木質炭化材料及び珪藻頁岩をそれぞ
れ粉砕して１０メッシュ篩いを通過しかつ１００メッシ
ュ篩いに保持される程度の直径の粉末とし、両者を第１
実施形態と同様の混合比にて混合する。

【００３３】そして、混合粉を水内に分散・懸濁させて
スラリー状として混合組成物の調製を行い、この後、上
記スラリー状懸濁液に対し所定形状の抄紙型によりすく
い上げて乾燥固化させる。乾燥固化された成形物を上記
第１実施形態と同様に焼成、熱処理又は焼結することに
より、薄肉のシート状又はフィルム状の浄化用成形体が
得られる。

【００３４】＜第３実施形態＞第３実施形態では珪藻頁
岩の粉末を炭素担体として用い、この珪藻頁岩の粉末に
対し木質炭化材料を担持させることにより、混合組成物
の調製を行う製造方法を説明する。なお、調製された後
の混合組成物について、これを利用して浄化用成形体を
得るまでの工程としては、上記の第１実施形態又は第２
実施形態のいずれにも適用することができる。

【００３５】まず、上記の担持を気相中で行う製造方法
を説明する。すなわち、炭化炉内で木質系の原料を炭化
処理している間に発生する煙に上記珪藻頁岩の粉末を晒
して燻煙する。これにより、煙中に含まれる熱分解生成
物が上記珪藻頁岩の粉末表面に添着又はその粉末中に導
入され、混合組成物の調製を行うことができる。

【００３６】一方、上記の担持を液相中で行うには次の
ようにすればよい。まず、上記木質系の原料の炭化処理
中に発生する液状熱分解生成物（液状タール、木酢液、
竹酢液等）を回収し、これらをアセトン又はアルコール
等の有機溶媒に溶解させる。次に、この溶解液中に珪藻
頁岩の粉末を浸漬させる。これにより、上記熱分解生成
物が珪藻頁岩の粉末表面に添着又はその粉末中に導入さ
れ、混合組成物の調製を行うことができる。

【００３７】＜他の実施形態＞なお、本発明の浄化用成
形体は、ＮＯ_Ｘの無害化以外に次のように有害物質の除
去等にも用いることができる。すなわち、内分泌撹乱化
学物質（環境ホルモン）等の揮発性有機塩素化合物（Ｖ
ＯＣ）に対しても選択吸着・分解により無害化し得るこ
とから、住宅用内装材、車両用内装材、船舶用内装材等
の密閉系空間内の気相浄化の用途にももちろん適用する
ことができる。さらに、ＣＦＣの回収・除去、重金属の
吸着・回収、悪臭除去、水質浄化の用途にも利用し得
る。

【００３８】

【実施例】第２実施形態による浄化用成形体Ａ（比重
０．４）と、第２実施形態において珪藻頁岩の代わりに
カオリナイト粉末を用いた浄化用成形体Ｂ（比重０．
５）と、第２実施形態において珪藻頁岩の代わりにゼオ
ライト粉末（ＳＺＭ−５）を用いた浄化用成形体Ｃとを
用い、ＮＯ_２の減少率について比較試験を行った。各浄
化用成形体Ａ，Ｂ，Ｃとしては、木質炭化材料の炭化温
度（℃）を４００、６００、８００、１０００、１４０
０、１８００、２２００の７種類用い、また、珪藻頁岩
粉末、カオリナイト粉末及びゼオライト粉末のそれぞれ
の含有率（混合比；単位重量％）として０、１０、２
５、５０、７５、９０の６種類用いて７×６＝４２種類
の供試体を製作し、それぞれ４２種類について次の試験
を行った。なお、木質炭化材料の原材料として杉材を用
い、木質炭化材料として３０メッシュ篩い通過の杉の木
炭粉を用いた。

【００３９】試験方法は次の通りである。一つの種類の
供試体０．５ｇを密閉系（ガラス管内）に置き、この供
試体に対し９８ｐｐｍのＮＯ_２を含ませたＨｅガスを流
速１００ｍｌ／ｍｉｎで通過させた時の２時間経過後の
ＮＯ_２濃度の減少率を測定した。ＮＯ_２濃度の減少率と
はＮＯ_２がＮ_２に変換されて無害化されたことを表し、
例えば１００％とはＮＯ_２の全てがＮ_２に変換されて完
全に無害化されたことを表す。

【００４０】浄化用成形体Ａについての試験結果を図１
に、浄化用成形体Ｂについての試験結果を図２に、浄化
用成形体Ｃについての試験結果を図３にそれぞれ示す。
なお、他に浄化用成形体Ｂにおけるカオリナイト粉末の
代わりに泥炭粉末を用いた場合に付いても試験を行った
が、その結果は図２の浄化用成形体Ｂとほぼ同様であっ
た。

【００４１】図１〜図３の試験結果によれば、浄化用成
形体ＡがＮＯ_２の無害化機能としては最も優れ、次いで
浄化用成形体Ｂ、浄化用成形体Ｃの順であった。つま
り、人工の多孔質無機素材のゼオライトを用いた浄化用
成形体Ｃよりも天然多孔質無機素材である珪藻頁岩やカ
オリナイトもしくは泥炭を用いた浄化用成形体Ａ，Ｂの
方が無害化機能としては優れていた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の浄化用成形体Ａを用いたＮＯ_２の減少
率についての試験結果を示す表である。

【図２】本発明の浄化用成形体Ｂを用いたＮＯ_２の減少
率についての試験結果を示す表である。

【図３】比較例の浄化用成形体Ｃを用いたＮＯ_２の減少
率についての試験結果を示す表である。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粉状、粒状又は片状の木質炭化材料と、
   粉状の天然多孔質無機素材とを含む混合組成物を所定形
   状の型内に充填した状態で高温加熱することにより一体
   的に複合化してなることを特徴とする浄化用成形体。
2. 【請求項２】 請求項１記載の浄化用成形体であって、 天然多孔質無機素材は珪藻頁岩又は珪藻土である、浄化
   用成形体。
3. 【請求項３】 粉状、粒状又は片状の木質炭化材料と、
   粉状の天然多孔質無機素材とを含む混合組成物を調製す
   る工程と、 調製した混合組成物を所定形状の型内に充填する工程
   と、 充填した状態で高温加熱することにより一体的に複合化
   させる工程とを含むことを特徴とする浄化用成形体の製
   造方法。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の浄化用成形体の製造方
   法であって、 天然多孔質無機素材として珪藻頁岩又は珪藻土を用い
   る、浄化用成形体の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項３又は請求項４に記載の浄化用成
   形体の製造方法であって、 混合組成物として少なくとも５重量％の木質炭化材料
   と、少なくとも５重量％の天然多孔質無機素材とを含
   む、浄化用成形体の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項３〜請求項５のいずれかに記載の
   浄化用成形体の製造方法であって、 混合組成物の調製として、粉状もしくは粒状の木質炭化
   材料の個々の表面に、微粉状の天然多孔質無機素材を付
   着させて、０．１μｍ〜５００μｍの顆粒体の集合とす
   る、浄化用成形体の製造方法。
7. 【請求項７】 請求項３〜請求項５のいずれかに記載の
   浄化用成形体の製造方法であって、 混合組成物の調製として、木質系材料の炭化処理中に発
   生する煙に天然多孔質無機素材を晒して燻煙し、煙中に
   含まれる熱分解生成物を上記天然多孔質無機素材の表面
   に添着又は素材中に導入させることにより行う、浄化用
   成形体の製造方法。
8. 【請求項８】 請求項３〜請求項５のいずれかに記載の
   浄化用成形体の製造方法であって、 混合組成物の調製として、木質系材料の炭化処理中に発
   生する液状熱分解生成物に天然多孔質無機素材を浸漬
   し、上記熱分解生成物を天然多孔質無機素材の表面に添
   着又は素材中に導入させることにより行う、浄化用成形
   体の製造方法。
9. 【請求項９】 請求項３〜請求項５のいずれかに記載の
   浄化用成形体の製造方法であって、 混合組成物の調製及び所定の型内への充填として、粉状
   の木質炭化材料と粉状の天然多孔質無機素材とを水内に
   分散・懸濁させてスラリー状として混合組成物の調製を
   行い、この後、上記スラリー状懸濁液に対し所定形状の
   抄紙型によりすくい上げて乾燥固化させることにより所
   定型内への充填を行う、浄化用成形体の製造方法。