JP4817367B2 - 微細孔を有する炭含有多孔質ガラスセラミックス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、木炭、竹炭等の炭粉粒体およびガラスカレット等ガラス質粉粒体を出発原料とし、実質的にバインダを用いることなく得られる、炭含有多孔質ガラスセラミックス及びその製造方法に関する。

我が国における廃棄物の年間総量は約４億５０００万ｔであり、そのうち廃木材が６００万ｔ、廃ガラスが２４０万ｔである。廃木材６００万ｔのうち４６０万ｔが木炭として再利用されている。木炭はその主成分が炭素の固体物質であり、木材を乾留することによって得られる。木炭は、化石燃料を代替する燃料のほか、環境浄化材料をはじめとする機能材料としての特性が注目されてきている。

環境浄化における要素として、炭とガラスの複合ガラスセラミックスの製造方法及びそれによって得られる炭とガラスの複合ガラスセラミックスが知られている（たとえば、特許文献１参照）。また、活性炭を無機材料で担持するようにした活性炭成型体が公知である（たとえば、特許文献２参照）。
特開２００４−１７５５７６号公報 特開昭５７−０９５８１６号公報

一方、石炭灰（フライアッシュ）とガラスカレットを原料とするセラミックス或は多孔質体が既知である（たとえば、特許文献３参照）。
特開２００４−０６７４５０号公報

しかしながら、特許文献１（ 特開２００４−１７５５７６号公報）に開示の技術によるときは、製造工程時間が長い（乾燥、離型工程のみで２日間乃至数日間を要する。）のみならず、配合原料のスラリー化を必要とする問題があるほか、バインダ（珪酸ナトリウム、カオリン、シラスバルーン等）を必要とする問題がある。また、特許文献２（特開昭５７−０９５８１６号公報）に開示の技術による場合、ＰＶＡ（polyvinyl alcohol）とメチルセルロースといった熱分解性バインダを必要とするほか、Ｈ_２＋Ｎ_２といった還元性雰囲気下に１１００℃で２時間の焼成を行うなどプロセス条件に多くの制約があり、コスト高となる問題がある。

一方、特許文献３（特開２００４−０６７４５０号公報）に開示の技術によるときは、石炭灰（フライアッシュ）には、希にではあるが、原料中に有害物が検出されることがある。従って、わけても飲料水の浄化には不向きである。

本発明は、短い工程時間で安価に製造できるとともに、上水道で濾過材として使用できるほか、家庭用簡易濾過器部材や活魚の生け簀や養魚場における水質浄化要素としてまた、合併浄化槽における最終浄化要素としてさらに、微生物担体としてまた、脱臭剤や、軽量断熱材としても使用できる炭含有多孔質ガラスセラミックス及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、重量で、炭粉粒体：８％〜３０％、ガラス質粉粒体：７０%〜９２％からなる原料を、実質的にバインダ成分を加えることなく均質混合物となして収納容器へ挿入し、前記均質混合物収納容器内への空気の侵入を阻止した状態下に、６００℃〜１０５０℃の温度域で２０分間〜１２０分間加熱・溶融せしめた後、空気遮断状態下に１００℃以下の温度域まで放冷する微細孔を有する炭含有多孔質ガラスセラミックスの製造方法である。

請求項２に記載の発明は、炭粉粒体が植物系炭素質粉粒体である請求項１に記載の炭含有多孔質ガラスセラミックスまたは請求項２に記載の微細孔を有する炭含有多孔質ガラスセラミックスの製造方法である。

請求項３に記載の発明は、炭粉粒体が木炭又は竹炭の粉粒体である請求項１に記載の炭含有多孔質ガラスセラミックスまたは請求項２に記載の微細孔を有する炭含有多孔質ガラスセラミックスの製造方法である。

請求項４に記載の発明は、炭粉粒体がゴム系又は高分子系の有機物を炭化しこれを粉粒状とした粉粒体である請求項１に記載の炭含有多孔質ガラスセラミックスまたは請求項２に記載の微細孔を有する炭含有多孔質ガラスセラミックスの製造方法である。

本発明によれば、製造工程時間が短く（２日間〜３日間）また、バインダを必要とせずコストを大きく低減できる。さらに、本発明の炭含有多孔質ガラスセラミックスには微細孔が多数存在し、空気、水に対する浄化能を有するとともに化学的耐久性、断熱性および高い機械的強度を有し、ＣＯＤ、ＢＯＤに関しても従来の水質浄化剤による場合と同等以上の浄化能力を発揮する。また、本発明の炭含有多孔質ガラスセラミックスは飲料水の浄化にも活用できる。加えて、炭素をガラス質材料に固定することにより、本来、活性炭が有する固体や気体の吸着作用を併せもつ。

本発明の炭含有多孔質ガラスセラミックスは、重量で、炭粉粒体：８％〜３０％、ガラス質粉粒体：７０%〜９２％からなり、実質的にバインダ成分を有しない均質な混合相を溶融し、冷却してなるものである。炭粉粒体が８％未満、ガラス質粉粒体が９２％超即ち、重量で、炭：ガラス質＝１：１１を外れる組成では、多孔質ガラスセラミックスの表面がガラス質となり濡れた構造（孔なし）になる。多孔質ガラスセラミックスの内部でも孔のサイズが小さくなるとともに孔の数も減少し、孔相互の連結性も低くなり、炭のもつ吸着・吸湿・脱臭・浄化特性を発揮し難い。而して、炭含有多孔質ガラスセラミックスを水浄化要素等として用いることができなくなる。

一方、重量で、炭粉粒体が３０％超、ガラス質粉粒体が７０％未満即ち、重量で、炭：ガラス質＝１：２を外れる組成では、炭粉粒体とガラス質粉粒体の均質混合相を溶融しても固化せずまた、脆く、崩れやすく、炭含有多孔質ガラスセラミックスとならない。而して、好ましくは、炭粉粒体：１０％〜２５％、ガラス質粉粒体：７５%〜９０％である。

本発明の炭含有多孔質ガラスセラミックスは、重量で、炭粉粒体：８％〜３０％、ガラス質粉粒体：７０%〜９２％からなる組成の粉粒体原料を、実質的にバインダを加えることなく撹拌・混合して均質混合相となし、空気遮断状態下に６００℃〜１０５０℃の温度域で２０分間〜１２０分間加熱・溶融せしめた後、空気遮断状態下に１００℃以下の温度域まで放冷たとえば自然放冷して得られる。

原料としての炭は、木炭、竹炭或は新聞紙や古紙を炭化したものを粉粒状とした植物系炭素質粉粒体を好適に用いることができる。また、自動車タイヤ等ゴム系、高分子系の有機物を炭化、粉粒状としたものを用いることもできる。このような炭素質粉粒体を原料とする。

ガラス質原料としては、廃棄されたガラス瓶等のガラスカレットを用いることができる。これらソーダ石灰ガラスの主成分は、ＳｉＯ_２、Ｎａ_２Ｏ、ＣａＯである。このようなガラスカレットを粉砕し、原料とする。

炭素質粉粒体とガラス質粉粒体を、重量で、炭粉粒体：８％〜３０％、ガラス質粉粒体：６０%〜９５％の配合比で能く撹拌・混合して均質相とし、６００℃〜１０５０℃、好ましくは８００℃前後の温度域で２０分間〜１２０分間加熱・溶融する。６００℃未満の温度では、焼結せず、多孔質セラミックスとならない。一方、１０５０℃を超える温度では、溶融状態となりガラス化するため、多孔質体を形成できない。

また、２０分間未満の加熱・溶融時間では、原料が十分に溶融せず炭素質粉粒体とガラス質粉粒体が未反応のまま残って固化しない。一方、１２０分間を超えて加熱・溶融すると、炭素質粉粒体の大部分が灰になる虞がある。

配合原料の加熱・溶融は、空気遮断状態下に遂行されねばならない。空気を遮断しない状態で配合原料を６００℃〜１０５０℃の温度域に加熱・溶融すると、炭素質粉粒体が燃焼するのみならず、得られる炭含有多孔質ガラスセラミックスにむらを生じる。配合原料を加熱・溶融するに際しては、雰囲気をＮ_２ガス雰囲気等不活性ガス雰囲気或は微量の水素（Ｈ_２）ガスをＮ_２ガスに混入する雰囲気としてもよい。

配合原料の加熱・溶融後、空気遮断状態下に或は不活性ガス雰囲気中で冷却、好ましくは緩徐に（約１２時間かけて）冷却する。冷却は、炭含有多孔質ガラスセラミックスの酸化の虞が全くない１００℃以下の温度域まで冷却することが好ましい。急冷すると、得られる炭含有多孔質ガラスセラミックスにひび割れを惹起する虞がある。

炭素質材として木炭、ガラス質材としてガラスカレット（オロナミンＣ（商標名）の瓶（珪酸塩ガラス））の双方を粉粒状にし、重量で、炭質材：ガラス質材の比を、１：２、１：２．５、１：３、１：３．５、１：４、１：５、１：６、１：６．５、１：７、１：８、１：１０としてそれぞれ混合・均質化したものを、ステンレス鋼製容器に装入し蓋をして空気の侵入を阻止した状態でこの容器を電気炉に入れ、８００℃で６０分間加熱して配合原料を溶融した。６０分間の加熱・溶融後、ステンレス鋼製容器中の溶融物を電気炉中で容器に蓋をした状態で緩徐に（約１２時間かけて）冷却した。その後、ステンレス鋼製容器から炭含有多孔質ガラスセラミックスを取り出した。

重量で、炭質材：ガラス質材の比を１：４、１：５とした炭含有多孔質ガラスセラミックスを蒸留水で洗浄した後、乾燥器（１１０℃）内で２時間乾燥した。乾燥後、それぞれの炭含有多孔質ガラスセラミックスの重さを秤量し、水道水（ｐＨ＝６．１）および模擬酸性雨（ｐＨ＝３．１）の入った発泡スチロール容器にそれぞれ浸漬して恒温槽（３０℃）内で２０日間の溶出試験を行った。

その結果を、図１（水道水）および図２（模擬酸性雨）に示す。図１から明らかなように、本発明の炭含有多孔質ガラスセラミックスを水道水（ｐＨ＝６．１）中に２０日間浸漬したときの溶出残量は、重量で、炭質材：ガラス質材の比を１：４としたものが９９．３％であったのに比し、１：５としたものは９９．７％であった。

前記溶出試験に供した、重量で、炭質材：ガラス質材の比を１：４、１：５とした炭含有多孔質ガラスセラミックスによる水質浄化試験を行った。炭含有多孔質ガラスセラミックスの体積：９ｃｍ^３〜１２ｃｍ^３、質量：７ｇ〜１２ｇであり、炭含有多孔質ガラスセラミックス合計重量は７５０ｇとした。試験条件として、水槽に蒸留水を１５Ｌ入れ、濾過槽に活性汚泥１５ｍＬを加え、模擬汚水として牛乳１００ｍＬを加えた後、水を循環させて１５日間の浄化試験を行った。

その結果を、表１ならびに図３（ＣＯＤ）および図４（ＢＯＤ）に示す。

表１ならびに図３（ＣＯＤ）および図４（ＢＯＤ）から明らかなように、本発明の炭含有多孔質ガラスセラミックスは、優れた水質浄化能力を有する。

重量で、炭質材：ガラス質材の比を、１：３．５、１：４、１：５、１：６、１：７、１：８とした炭含有多孔質ガラスセラミックスの密度を測定した。その結果を、表２に示す。

本発明の炭含有多孔質ガラスセラミックスは、飲料水の浄化（濾過）要素として用いることができるほか、生活雑排水の浄化、河川、湖沼の浄化用要素として使用することができる。また、炭質材の割合が高いものは軽量で多孔質である処から、耐火、断熱壁材等建築材料として用いることができる。さらに、微生物担体や、脱臭剤として好適に用いることができる。

本発明の一実施例に係る、炭含有多孔質ガラスセラミックスの溶出試験（水道水：ｐＨ＝６．１）の結果を示すグラフ 本発明の一実施例に係る、炭含有多孔質ガラスセラミックスの溶出試験（模擬酸性雨：ｐＨ＝３．１）の結果を示すグラフ 本発明の一実施例に係る、炭含有多孔質ガラスセラミックスの水質浄化試験（ＣＯＤ）の結果を示すグラフ 本発明の一実施例に係る、炭含有多孔質ガラスセラミックスの水質浄化試験（ＢＯＤ）の結果を示すグラフ

Claims (4)

1. 重量で、炭粉粒体：８％〜３０％、ガラス質粉粒体：７０〜９２％からなる原料を、実質的にバインダ成分を加えることなく均質混合物となして収納容器へ挿入し、前記均質混合物収納容器内への空気の侵入を阻止した状態下に６００℃〜１０５０℃の温度域で２０分間〜１２０分間加熱・溶融せしめた後、空気遮断状態下に１００℃以下の温度域まで放冷することを特徴とする微細孔を有する炭含有多孔質ガラスセラミックスの製造方法。
2. 炭粉粒体が植物系炭素質粉粒体である請求項１に記載の炭含有多孔質ガラスセラミックスまたは請求項２に記載の微細孔を有する炭含有多孔質ガラスセラミックスの製造方法。
3. 炭粉粒体が木炭又は竹炭の粉粒体である請求項１に記載の炭含有多孔質ガラスセラミックスまたは請求項２に記載の微細孔を有する炭含有多孔質ガラスセラミックスの製造方法。
4. 炭粉粒体が、ゴム系又は高分子系の有機物を炭化しこれを粉粒状とした粉粒体である請求項１に記載の炭含有多孔質セラミックスまたは請求項２に記載の微細孔を有する炭含有多孔質セラミックスの製造方法。

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