JPH0825732B2 - 低密度多孔質炭素粒の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、主に土壌改良あるいは水処理用として効用
性の高い低密度多孔質炭素粒の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

植物にとって有用な微生物が土壌中で生育し易い環境
をつくる土壌改良手段として、古来から焼き畑農業がお
こなわれている。これは焼き畑作業後に残留する炭が本
来的に有している優れた通水性や保水性が微生物の生育
に適しており、また有機物が含まれていない関係で腐生
性の微生物や病原微生物が侵入せず、アルカリ性である
ためカビの発生も抑制されるといった多様の効能がある
からである。

従来、土壌改良を目的とする炭素材料としては木炭、
ノコ屑炭、樹皮炭、椰子殻炭、藁炭、籾殻燻炭などが一
般的なものとして知られており、土壌中において根粒
菌、VA菌根菌などの共生微生物を増殖させる働きをする
とみられている。炭化物が存在すると、これら菌類の感
染率と胞子形成量が多くなり、リン成分などの吸収力が
増して作物の生育を促進するという見方もある。

この種の土壌改良材には性能的に、土壌の通気性、
透水性を改良する、適度の保水性を有する、土壌中
で保肥力がある、土壌の酸・アルカリ調整機能があ
る、土壌中で酸素（空気）の保有性が高い、等の項目
が要求されるが、これを炭素材としての特性・性状に置
き換えてみると、空隙率および比表面積の高い低密度多
孔質構造を有しながら容易に破粒しない粒状体であり、
性状として内部骨格が軟質な多孔組織であり、外殻は比
較的硬質の炭素層で覆われている形態が理想的なものと
なる。

他方、多孔質炭素粒は活性炭として水処理用に多量消
費されている。この場合の効能としては、処理水中の被
除去物質を吸着分離する物理的作用のほかに、組織ポア
内に付着増殖させた微生物を活用するバイオリアクター
的な作用があるが、該バイオリアクター基材として利用
する多孔質炭素粒についても前記土壌改良材と同様の特
性・性状が要求される。

しかしながら、従来の多孔質炭素材を製造する技術で
上記の特性・性状を満足するものは見当らない。

すなわち、ノコ屑、藁などを低温度で炭化すると軟質
の多孔質組織を形成することができるが、骨格が崩れ易
いため複雑なポアが容易に消失してしまう欠点がある。
この点、籾殻や椰子殻を炭化したものは比較的硬い炭素
体に転化するが、ポアが微細過ぎて有効な機能特性が付
与されない難点がある。また、前記のような植物系物質
の粉末あるいはこれを炭化した粉末を原料とし、ター
ル、ピッチ等のバインダーを用いて成形したのち炭化す
る方法も知られているが、この方法の場合にはバインダ
ー成分が骨格内部に残留した状態で炭化するためポアを
閉塞化する問題点がある。

このほかに、石炭、ピッチコークスのような鉱物系の
土壌改良炭素材が商品化された例もあるが、見掛け比重
が0.7g/ccと高密度で硬質なタイプであり、性状的に好
ましくない。

本発明者らは上記の問題点を解消する目的で、先に植
物系粉末をリグニン、澱粉もしくはこれらの混合物から
なるバインダー成分の水溶液で造粒化したのち乾燥処理
し、ついで造粒物を焼成炭化する低密度多孔質炭素粒の
製造方法を開発提供した（特願平１−159925号）。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記の先願技術においては、植物系粉末となじみが良
くないバインダー物質を用いて造粒することにより乾燥
過程でバインダー成分が粒表面に移行する機構を利用
し、最終的に軟質な多孔質骨格の周囲に硬質なシェル状
の炭素膜を形成する方法であり、土壌改良および水処理
用として理想的な形態を形成することが可能となる。と
ころが、この方法による場合には、バインダーの調整を
厳密におこなう必要があり、バインダー水溶液の濃度お
よび添加量が変動すると乾燥時における粒表面への移行
が均一に進まなくなって、ポアの閉塞あるいは粒強度の
偏析などを発生させる難点がある。

本発明はこのような現象発生の解消を図り、常に土壌
改良あるいはバイオリアクター利用の水処理用として好
適な特性・性状を備える低密度多孔質炭素粒を製造する
方法の提供を目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するための本発明による低密度多孔
質炭素粒の製造方法は、植物系粉末を造粒媒体に水を用
いて粒状化し、乾燥処理したのち加熱式回転ドラム中で
液状の有機高分子物質を噴霧しながら転動加熱して前記
有機高分子物質を粒表層部で硬化させ、ついで粒状体を
焼成炭化することを構成上の特徴とする。

本発明の基材となる植物系粉末は、例えばノコ屑、間
伐材、樹皮、パルプチップ、籾殻、藁、竹などを粉砕し
たもので、粒度が200μｍ以下の微粉末が好適に用いら
れる。粉末粒度が200μｍを越えると粒状化し難くなり
ダストの発生が多くなる。

植物系粉末は、造粒媒体となる水とともに撹拌造粒機
に投入し、回転運動を与えて粒状化する。造粒機として
は、カーボンブラックの湿式造粒に常用されているよう
なピン型タイプのものが量産に適している。

この際、造粒媒体の水に、植物系粉末100重量部に対
し３重量部以下の量でキサンタンガム、グアーガムなど
の天然水溶性ガム物質を添加すると、粒子の組織が引き
締まり粒強度が向上する。しかし、前記の量を越える天
然水溶性ガム物質の添加は、細孔の閉塞化を招くため好
ましくない。

造粒物は、引き続き乾燥処理される。乾燥処理は静置
乾燥でもよく、また後工程の加熱式回転ドラムを用いて
おこなうこともできる。

乾燥後の造粒物は加熱式回転ドラム中で液状の有機高
分子物質を噴霧しながら転動加熱する。この工程で使用
される有機高分子物質は、水あるいは通常の有機溶媒に
易溶解性で焼成時に容易に炭化して炭素殻として残留す
る性質の物質、例えばフェノール系樹脂、フラン系樹
脂、エポキシ樹脂、タール、ピッチ、リグニン、澱粉類
などから選択される。噴霧する有機高分子物質の量は、
基材となる植物系粉末100重量部に対し５〜100重量部の
範囲に設定することが好ましい。この量が５重量部未満
であると容易に破粒しない粒強度を付与することが困難
となり、また100重量部を越えると外殻炭素層が厚くな
って嵩密度を増大させ、粒内部の細孔組織を有効に生か
せなくなる。

噴霧された有機高分子物質は、該工程の転動加熱を介
して粒表層部で直ちに硬化される。

ついで、粒状体を焼成炭化する。焼成炭化処理には、
静置炭化法、流動炭化法のいずれの方法を適用すること
ができ、とくに厳密な昇温速度の制御は必要ない。炭化
温度は1000℃以下、700〜800℃近傍の温度域が主に用い
られる。

〔作 用〕

本発明によれば、植物系粉末を水もしくは水主体の造
粒媒体で粒状化した粒を液状の有機高分子物質を噴霧し
ながら転動加熱することにより、該有機高分子物質が粒
組織の内部に浸透することなしに直ちに粒表層部で均質
に硬化固定する。この粒構造は焼成炭化の段階でそのま
まの形態で炭化されるから、軟質多孔質組織の内部骨格
部分が硬質の炭素膜で被覆され、低密度多孔質構造を有
しながら容易に破粒しない理想的性状に転化する。

上記の独特な特性・性状は土壌改良および水処理用と
して極めて効果的に機能し、例えば土壌改良の目的に供
する場合には高い比表面積ならびに多孔質骨格組織が酸
素（空気）の保持および保水機能を支え、微生物、肥料
類の担持と土壌改良有効成分の吸着化に寄与する。さら
に、粒表面は比較的硬質の炭素膜によるシェル構造を形
成しているため、流動性、土中混入時の空隙性（通気
性）確保、土の団粒化促進などに作用する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。

実施例１〜６ 基材に米栂材を各種の粉末粒度に調整した木粉を用い
た。この木粉を、水または木粉100重量部当たり１重量
部のグアーガムを添加した水を造粒媒体としてピン型造
粒機により造粒処理をおこなった。

造粒物を乾燥して噴霧用ノズルを装着した加熱式回転
ドラムに入れ、有機高分子物質としてフェノール樹脂の
エタノール溶液またはリグニンの水溶液を窒素ガスをキ
ャリアーとして噴霧させながら転動加熱した。この工程
の条件は、温度150℃、回転周速1m/sec.とした。

ついで、噴霧処理後の粒状体を窒素ガス雰囲気に保持
された焼成炉に移し、800℃または900℃の焼成温度によ
り炭化処理して低密度多孔質炭素粒を製造した。

表１に適用した条件を実施例No.に対応させて示し
た。

比較例 実施例１で適用した条件のうち、造粒媒体をリグニン
水溶液（木粉100重量部当たりリグニン成分20重量部）
に変えて多孔質炭素粒を製造した（特願平１−159925号
の方法に相当）。

《特性評価》 表２に実施例１、５、６および比較例による造粒後の
粒度分布（％）を、表３に実施例および比較例により得
られた低密度多孔質炭素粒の各種特性を対比して示し
た。

表２の結果から、造粒物の粒度分布は木粉の粒度が20
0μｍを越える部分を含む実施例５ではダスト量が多く
なり、造粒水にグアーガムを添加した実施例６ではダス
ト量が少なくなる傾向を示した。

また、表３の結果から実施例による低密度多孔質炭素
粒は比較例と同等の高多孔組織構造特性を示したが、実
施例４は有機高分子物質の噴霧量が木粉100重量部当た
り100重量部を越えるため嵩密度が高くなって多孔組織
が減退する傾向が認められた。

〔発明の効果〕

以上のとおり、本発明によれば高い空隙率と比表面積
をもち、容易に破壊することのない粒強度を備える低密
度多孔質炭素粒を効率よく製造することが可能となる。
これらの特性・性状は、特に土壌改良材または水処理用
バイオリアクターとして理想的であり、該用途に適用し
て多大の効果が期待できる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】植物系粉末を造粒媒体に水を用いて粒状化
   し、乾燥処理したのち加熱式回転ドラム中で液状の有機
   高分子物質を噴霧しながら転動加熱して前記有機高分子
   物質を粒表層部で硬化させ、ついで粒状体を焼成炭化す
   ることを特徴とする低密度多孔質炭素粒の製造方法。
2. 【請求項２】造粒媒体の水に、植物系粉末100重量部に
   対し３重量部以下の天然水溶性ガム物質を添加する請求
   項１記載の低密度多孔質炭素粒の製造方法。
3. 【請求項３】噴霧する有機高分子物質の量を、植物系粉
   末100重量部に対し５〜100重量部の範囲に設定する請求
   項１記載の低密度多孔質炭素粒の製造方法。