JP7203761B2 - 活性炭成形体 - Google Patents
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Description
[1]BET多点法により求めた比表面積とJIS K 1474に準拠して求めた充填密度とから算出した容積あたりの比表面積が290m2/mL~520m2/mLであり、容積あたりの外表面積が1.4m2/L以上である、活性炭成形体。
[2]前記活性炭成形体は柱状構造を有し、該柱状構造は、柱軸方向の両端で開口した中空を内部に有する柱周壁と、一方の開口から他方の開口まで延在して該中空を2つ以上の区画に分割する隔壁とを含む、上記[1]に記載の活性炭成形体。
[3]前記隔壁は前記柱周壁と接続し、前記隔壁は互いに接続しない、上記[2]に記載の活性炭成形体。
[4]柱軸と直交する柱断面を観察したときに、前記隔壁は、1、2または3個存在し、各隔壁のその両端部で前記柱周壁と接続している、上記[2]または[3]に記載の活性炭成形体。
[5]柱軸と直交する柱断面を観察したときに、少なくとも2個以上の隔壁は、柱断面の重心以外の位置で互いに接続している、上記[2]に記載の活性炭成形体。
[6]柱軸と直交する柱断面を観察したときに、少なくとも2個以上の隔壁は、前記柱周壁上の1若しくは2以上の位置で互いに接続している、上記[2]または[5]に記載の活性炭成形体。
[7]柱軸と直交する柱断面を観察したときに、前記隔壁は、前記柱周壁上の位置で互いに接続して三角形、四角形または五角形を形成している、上記[6]に記載の活性炭成形体。
[8]前記隔壁として、一方の開口から他方の開口まで延在して前記中空を2つの区画に分割する内部壁と、一方の開口から他方の開口まで延在して該内部壁と前記柱周壁とを連結する連結壁とを含む、上記[2]に記載の活性炭成形体。
[9]柱軸と直交する柱断面を観察したときに、前記内部壁は円形状、楕円形状、三角形状または四角形状である、上記[8]に記載の活性炭成形体。
[10]前記連結壁は2、3または4個存在する、上記[8]または[9]に記載の活性炭成形体。
[11]前記隔壁の厚みは、前記隔壁の厚みの中心値の-5%~+5%の範囲内である、上記[2]~[10]のいずれかに記載の活性炭成形体。
[12]前記柱周壁の厚みは、前記柱周壁の厚みの中心値の-5%~+5%の範囲内である、上記[2]~[11]のいずれかに記載の活性炭成形体。
[13]前記隔壁の厚みと前記柱周壁の厚みとの差は、柱軸と直交する柱断面を観察したときの最長外寸法に対して5%以下である、上記[2]~[12]のいずれかに記載の活性炭成形体。
[14]前記柱状構造は、柱軸方向に同一断面形状を有する、上記[2]~[13]のいずれかに記載の活性炭成形体。
[15]前記柱周壁の厚みおよび前記隔壁の厚みはそれぞれ、柱軸と直交する柱断面を観察したときの最長外寸法に対して5~35%の範囲内である、上記[2]~[14]のいずれかに記載の活性炭成形体。
[16]前記柱周壁の厚みおよび前記隔壁の厚みはそれぞれ0.3~1.0mmの範囲内である、上記[2]~[15]のいずれかに記載の活性炭成形体。
[17]柱軸と直交する柱断面において壁部面積に対する空隙部面積の割合は20~50%である、上記[2]~[16]のいずれかに記載の活性炭成形体。
[18]柱軸と直交する柱断面を観察したときの最長外寸法は3mm~9mmの範囲内である、上記[2]~[17]のいずれかに記載の活性炭成形体。
[19]HK法により求めた平均細孔径は2.1nm~2.6nmである、上記[1]~[18]のいずれかに記載の活性炭成形体。
[20]ASTM D5228に準拠して求めたブタンの有効吸着量は8.0g/dL~10g/dLである、上記[1]~[19]のいずれかに記載の活性炭成形体。
[21]BJH法により求めた細孔容積は0.480~0.555mL/gである、請求項1~20のいずれかに記載の活性炭成形体。
[22]粉末状または粒状の活性炭と、滑り剤と、酸に可溶な固体希釈剤とを混合すること、得られた混合物をバインダーおよび水と混練し、得られた混練物を所望形状に成形すること、並びに得られた成形物を乾燥した後、酸で洗浄することにより少なくとも一部の固体希釈剤を溶出除去し、さらに乾燥することを含む、上記[1]~[21]のいずれかに記載の活性炭成形体の製造方法。
[23]上記[1]~[21]のいずれかに記載の活性炭成形体を備えるキャニスタ。
本発明の活性炭成形体は、BET多点法により求めた比表面積とJIS K 1474に準拠して求めた充填密度とから算出した容積あたりの比表面積が290m2/mL~520m2/mLであり、容積あたりの外表面積が1.4m2/L以上である。
容積あたりの比表面積は、好ましくは300m2/mL~500m2/mL、より好ましくは330m2/mL~470m2/mLであり、容積あたりの外表面積は、好ましくは1.41m2/L以上である。容積あたりの比表面積および容積あたりの外表面積が上記した特定の数値範囲または特定の下限値以上であることを満たすと、活性炭成形体は、所望のブタン有効吸着量に加えて高いパージ効率および低いブタン残留量を有しやすい。
また、本発明の特定の態様において、柱軸と直交する柱断面を観察したときに、隔壁は、1、2または3個存在し、各隔壁のその両端部で柱周壁と接続している。この態様の具体的な例の、柱軸と直交する柱断面の模式図を、図1および4~11に示す。
隔壁が互いに接続しないこれらの特定の形状を活性炭成形体が有することにより、隔壁が互いに接続する場合に生じる接続部での厚みの増大に起因した活性炭成形体と蒸散燃料との接触効率の低下が発現し得ないため、容積あたりの比表面積および容積あたりの外表面積を特定の数値範囲または特定の下限値以上に調整しやすい。
図6~8では、互いに接続しない隔壁が1、2または3個存在し、各隔壁がその両端部で柱周壁と接続してS字形、SS字型またはSSS字型を形成している。
図9および10では、互いに接続しない隔壁が2または3個存在し、各隔壁が湾曲してその両端部で柱周壁と接続している。
図11では、隔壁が3個存在し、各隔壁がその両端部で柱周壁と接続して、辺が互いに接続しない三角形様の形状を形成している。
本発明の特定の態様において、柱軸と直交する柱断面を観察したときに、内部壁は円形状、楕円形状、三角形状または四角形状である。
本発明の特定の態様において、連結壁は2、3または4個存在する。
これらの態様の具体的な例の、柱軸と直交する柱断面の模式図を、図13~21に示す。
本発明の活性炭成形体は、例えば、粉末状または粒状の活性炭と、滑り剤と、酸に可溶な固体希釈剤とを混合すること、得られた混合物をバインダーおよび水と混練し、得られた混練物を所望形状に成形すること、並びに得られた成形物を乾燥した後、酸で洗浄することにより少なくとも一部の固体希釈剤を溶出除去し、さらに乾燥することを含む方法によって製造される。
粉末状または粒状の活性炭は、原料となる炭素質材料を炭化し賦活することにより得られた活性炭を、例えば1~500μm、好ましくは1~100μm、より好ましくは10~50μmの平均粒子径を有するよう粉砕したものである。
滑り剤としては、例えば、ベントナイト系化合物、セルロース系化合物およびポリビニルアルコール系化合物からなる群から選ばれた1種以上を使用できる。ベントナイト系化合物としては、例えば、ナトリウムベントナイトおよびカルシウムベントナイト等が挙げられる。セルロース系化合物としては、例えば、セルロース、およびセルロース誘導体〔セルロースエーテル類、例えば、メチルセルロース(以下、MCとも称する)等のアルキルセルロース;カルボキシメチルセルロースまたはその塩;ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等のヒドロキシアルキルセルロース;ヒドロキシプロピルメチルセルロース等のヒドロキシアルキルアルキルセルロース等〕等が挙げられ、メチルセルロースおよび/またはカルボキシメチルセルロースを使用することが好ましい。ポリビニルアルコール系化合物としては、例えば、ポリビニルアルコールおよび各種変性ポリビニルアルコール等が挙げられる。
酸に可溶な固体希釈剤は、後続の酸洗浄工程で少なくとも一部溶出除去され、溶出除去部が活性炭成形体において細孔となる。従って、活性炭成形体は、賦活により形成された粉末状または粒状活性炭の微細孔(以下、「賦活由来の微細孔」とも称する)に加えて、固体希釈剤の溶出除去により形成された細孔(以下、「溶出除去由来の細孔」とも称する)を有する。溶出除去由来の細孔の形成により充填密度を制御でき、本発明における、BET多点法により求めた比表面積とJIS K 1474に準拠して求めた充填密度とから算出した容積あたりの比表面積を制御できる。溶出除去由来の細孔を有する活性炭成形体は、実用的な硬度を有する。
次いで、得られた混合物をバインダーおよび水と混練する。
バインダーとしては、蒸散燃料の吸着および脱着雰囲気で短時間内に溶出または劣化せず、酸に対して不溶であるものが用いられる。また、バインダーの種類および使用量によって活性炭成形体の硬度が決定すること、およびバインダーによって活性炭の細孔閉塞が起こり得ることに鑑み、バインダーの種類を選択し、使用量を調整する必要がある。
バインダーは、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であってよい。その例としては、ポリオレフィン系樹脂〔ポリエチレン、エチレン-酢酸ビニル共重合体、エチレン-(メタ)アクリル酸エステル共重合体、およびエチレン-(メタ)アクリル酸共重合体等〕、アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、およびシリコーン系樹脂等が挙げられる。これらのバインダーは、単独でまたは二種以上組み合わせて使用してよい。バインダーは、ホットメルト接着剤等のように熱接着性樹脂であってもよく、水性(水性媒体に溶解若しくは分散した形態)または油性(有機溶剤に溶解した形態)であってもよい。バインダーは、アクリル系樹脂エマルジョン等のように、分散体(特に、エマルジョン等の水性分散体)の形態で使用する場合が多い。
酸は通常水溶液の形態で使用され、その濃度は通常0.5~3mol/L、好ましくは0.8~2.5mol/Lである。酸水溶液の使用量は、成形物100gに対して、通常0.5~2L、好ましくは0.8~1.5Lである。
洗浄方法としては、乾燥した成形物と酸水溶液とを接触させればよい。乾燥した成形物と酸水溶液とを混合した後に、撹拌したり、煮沸または50~90℃に加温したりすることにより、洗浄効率を向上できる。また、超音波洗浄機を使用してもよい。
洗浄時間は、温度等に依存するが、通常0.1~48時間、好ましくは0.5~24時間である。洗浄回数は、好ましくは、煮沸酸洗浄では1~5回、加温酸洗浄では1~10回である。
原料となる粉末状活性炭の粒径は、レーザー回折測定法により測定した。具体的には、測定する粉末状活性炭、界面活性剤およびイオン交換水を混合して得た分散液を、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製「MT3300II」)を用いて透過法にて測定した。なお、分散液の活性炭濃度は、同装置で表示される測定濃度範囲に収まるように調整した。また、分散液調製時の界面活性剤としては、和光純薬工業株式会社製「ポリオキシエチレン(10)オクチルフェニルエーテル」を用い、測定に影響する気泡等が発生しない適当量添加した。分析条件を以下に示す。
測定回数:1回
測定時間:30秒
分布表示:体積
粒径区分:標準
計算モード:MT3000II
溶媒名:WATER
測定上限:2000μm
測定下限:0.021μm
残分比:0.00
通過分比:0.00
残分比設定:無効
粒子透過性:透過
粒子屈折率:1.81
粒子形状:非球形
溶媒屈折率:1.333
DV値:0.0150~0.0700
透過率(TR):0.700~0.950
測定結果において、D50の値を平均粒子径とした。
活性炭成形体の容積あたりの比表面積は、BET多点法により求めた比表面積とJIS K 1474に準拠して求めた充填密度とから算出した。
比表面積は、BELSORP-max(マイクロトラック・ベル株式会社製)を用いて77Kでの窒素吸着等温線を得、この吸着等温線からBET多点法(Brunauer Emmett Teller多点法)を用いて求めた。
充填密度は、JIS K 1474に準拠して求めた。
得られた比表面積と充填密度とから、下記式により容積あたりの比表面積を算出した。
BELSORP-max(マイクロトラック・ベル株式会社製)を用いて77Kでの窒素吸着等温線を得、この吸着等温線からHK法(Horvath Kawazoe法)により、活性炭成形体の細孔容積を求めた。
得られた細孔容積とBET多点法により求めた比表面積とから、下記式によりHK法により求めた平均細孔径を算出した。
ノギスを用いて33個以上の活性炭成形体の柱外径、柱長さおよび壁厚みを測定し、各々の平均値を求めた。
また、測定した壁厚みを小さい順に並べたとき中央に位置する値を、壁厚みの中心値として求めた。
活性炭成形体の容積あたりの外表面積は、下記式により算出した。
上記式中の活性炭成形体の平均重量は、120℃で一定重量になるまで乾燥した、33個以上の活性炭成形体の重量を測定し、その平均値を計算することにより求めた。
上記式中の活性炭成形体1個あたりの外表面積は、活性炭成形体の柱外径、柱内径、柱断面における隔壁の長さ、柱長さおよび壁厚みの各平均値から算出した。
内径25.4mm、長さ304.8mmの鋼製ポットに、8mmの鋼球を10個入れ、さらに、乾燥した活性炭成形体約5.0g(0.1gの桁まで秤量)を入れ、密閉した。この鋼製ポットを測定器に取り付け、1分間に25回転の速度で40分間回転させた。その後試料を取り出し、鋼球を取り除いた後、50mesh篩で篩過した。下記式に従い、篩上に残った試料の、最初に鋼製ポットに入れた試料に対する割合(単位:%)を算出し、MS硬度とした。
n-ブタンの有効吸着量、吸着率、パージ効率、および残留量は、ASTM D5228に準拠して求めた。
活性炭成形体の微粉量は、ASTM D2862に準拠して、測定する活性炭成形体を100g程度秤量(A[g])し、篩振とう機を用いて、60メッシュの篩網によりロータップで10分間篩分けした後、篩下重量を秤量した(B[g])。下記式により、微粉量を求めた。
BELSORP-max(マイクロトラック・ベル株式会社製)を用いて77Kでの窒素吸着等温線を得、この吸着等温線からBJH法(Barrett-Joyner-Halenda法)により、活性炭成形体の細孔容積を求めた。
瀝青炭を流動炉により1000℃で賦活することによって製造され、ASTM D5228に準拠して測定したBWCが15.6g/dLの石炭系活性炭を、粉砕機で平均粒子径25μmの粉末に粉砕し、粉末状活性炭を得た。
得られた粉末状活性炭100質量部に対して、60質量部の炭酸カルシウム(平均粒子径7μm)および15質量部の滑り剤(MC)を混合し、得られた混合物を、35質量部のバインダー樹脂(日本ゼオン株式会社製、アクリルエマルション「ニポールLX-851C」、固形分45質量%)および165質量部の水と混練した。
得られた混練物を、真空押出成形機により、断面が図1の形状となるよう押出し、押出されたストランドを3~5mmの長さに切断し、120℃で3時間乾燥した。乾燥した成形物100gに対して2mol/Lの塩酸を1Lの割合で用いて煮沸洗浄し、炭酸カルシウム成分を成形物から除去し、120℃で12時間乾燥させることにより、活性炭成形体を得た。評価結果を表1に示す。
真空押出成形機により、断面が図2の形状となるよう押出したこと以外は実施例1と同様にして、活性炭成形体を得た。評価結果を表1に示す。
真空押出成形機により、断面が図3の形状となるよう押出したこと以外は実施例1と同様にして、活性炭成形体を得た。評価結果を表1に示す。
真空押出成形機により、断面が図4の形状となるよう押出したこと以外は実施例1と同様にして、活性炭成形体を得た。評価結果を表1に示す。
実施例1と同様にして得られた粉末状活性炭100質量部に対して、60質量部の炭酸カルシウム(平均粒子径7μm)および5質量部の滑り剤(MC)を混合し、得られた混合物を、35質量部のバインダー樹脂(日本ゼオン株式会社製、アクリルエマルション「ニポールLX-851C」、固形分45質量%)および165質量部の水と混練した。
得られた混練物を、油圧式押出成形機により、直径約2.5mmの円柱状に押出し、押出されたストランドを3~4mmの長さに切断し、120℃で3時間乾燥した。乾燥した成形物100gに対して2mol/Lの塩酸を1Lの割合で用いて煮沸洗浄し、炭酸カルシウム成分を成形物から除去し、120℃で12時間乾燥させることにより、活性炭成形体を得た。評価結果を表1に示す。
無煙炭をロータリーキルンにより900~950℃で賦活することによって製造され、ASTM D5228に準拠して測定したBWCが15.6g/dLの石炭系活性炭を、粉砕機で平均粒子径25μmの粉末に粉砕したものを粉末状活性炭として使用したこと、および直径約2.0mmの円柱状に押出したこと以外は比較例1と同様にして、活性炭成形体を得た。評価結果を表1に示す。
比較例3~7では、以下の市販の活性炭を用いた。これらの活性炭の形状は、いずれも円柱状である。それぞれの評価結果を表1に示す。
比較例3:株式会社クラレ製の「2GK」
比較例4:Ingevity製の「BAX-1100」
比較例5:株式会社クラレ製の「2GK-H」
比較例6:Ingevity製の「BAX-1500」
比較例7:Ingevity製の「BAX-LBE」
Claims (16)
- BET多点法により求めた比表面積とJIS K 1474に準拠して求めた充填密度とから算出した容積あたりの比表面積が290m2/mL~520m2/mLであり、容積あたりの外表面積が1.4m2/L以上である、活性炭成形体であって、
前記活性炭成形体は柱状構造を有し、該柱状構造は、柱軸方向の両端で開口した中空を内部に有する柱周壁と、一方の開口から他方の開口まで延在して該中空を2つ以上の区画に分割する隔壁とを含み、
(i)前記隔壁は前記柱周壁と接続し、前記隔壁は互いに接続しない;または
(ii)柱軸と直交する柱断面を観察したときに、前記隔壁は、前記柱周壁上の位置で互いに接続して三角形、四角形または五角形を形成している;または
(iii)前記隔壁として、一方の開口から他方の開口まで延在して前記中空を2つの区画に分割する内部壁と、一方の開口から他方の開口まで延在して該内部壁と前記柱周壁とを連結する連結壁とを含み、前記連結壁は2、3または4個存在する、
活性炭成形体。 - 柱軸と直交する柱断面を観察したときに、前記隔壁は、1、2または3個存在し、各隔壁のその両端部で前記柱周壁と接続している、請求項1に記載の活性炭成形体。
- 柱軸と直交する柱断面を観察したときに、前記内部壁は円形状、楕円形状、三角形状または四角形状である、請求項1に記載の活性炭成形体。
- 前記隔壁の厚みは、前記隔壁の厚みの中心値の-5%~+5%の範囲内である、請求項1~3のいずれかに記載の活性炭成形体。
- 前記柱周壁の厚みは、前記柱周壁の厚みの中心値の-5%~+5%の範囲内である、請求項1~4のいずれかに記載の活性炭成形体。
- 前記隔壁の厚みと前記柱周壁の厚みとの差は、柱軸と直交する柱断面を観察したときの最長外寸法に対して5%以下である、請求項1~5のいずれかに記載の活性炭成形体。
- 前記柱状構造は、柱軸方向に同一断面形状を有する、請求項1~6のいずれかに記載の活性炭成形体。
- 前記柱周壁の厚みおよび前記隔壁の厚みはそれぞれ、柱軸と直交する柱断面を観察したときの最長外寸法に対して5~35%の範囲内である、請求項1~7のいずれかに記載の活性炭成形体。
- 前記柱周壁の厚みおよび前記隔壁の厚みはそれぞれ0.3~1.0mmの範囲内である、請求項1~8のいずれかに記載の活性炭成形体。
- 柱軸と直交する柱断面において壁部面積に対する空隙部面積の割合は20~50%である、請求項1~9のいずれかに記載の活性炭成形体。
- 柱軸と直交する柱断面を観察したときの最長外寸法は3mm~9mmの範囲内である、請求項1~10のいずれかに記載の活性炭成形体。
- HK法により求めた平均細孔径は2.1nm~2.6nmである、請求項1~11のいずれかに記載の活性炭成形体。
- ASTM D5228に準拠して求めたブタンの有効吸着量は8.0g/dL~10g/dLである、請求項1~12のいずれかに記載の活性炭成形体。
- BJH法により求めた細孔容積は0.480~0.555mL/gである、請求項1~13のいずれかに記載の活性炭成形体。
- 粉末状または粒状の活性炭と、滑り剤と、酸に可溶な固体希釈剤とを混合すること、
得られた混合物をバインダーおよび水と混練し、得られた混練物を所望形状に成形すること、並びに
得られた成形物を乾燥した後、酸で洗浄することにより少なくとも一部の固体希釈剤を溶出除去し、さらに乾燥すること
を含む、請求項1~14のいずれかに記載の活性炭成形体の製造方法。 - 請求項1~14のいずれかに記載の活性炭成形体を備えるキャニスタ。
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