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JP6375005B2 - Activated carbon fiber and production method thereof - Google Patents
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Description

本発明は、親水性が高く水蒸気等の極性物質に対し優れた吸着特性を有する活性炭素繊維およびその製法に関するものである。   The present invention relates to an activated carbon fiber having high hydrophilicity and excellent adsorption characteristics for polar substances such as water vapor and a method for producing the same.

近年、吸着材やろ過材、触媒担持体等として、活性炭等の多孔質体が広く用いられている。このような多孔質体は、多くの細孔が分布して高い比表面積を有しており、その細孔部分に対象物を取り込んで、物理的あるいは化学的に対象物を保持して吸着性能等を発揮するものである。したがって、その用途や要求される特性に応じて、比表面積をさらに高めたものや、細孔径を特定の範囲にコントロールしたもの等、様々な多孔質体が提案されている。   In recent years, porous materials such as activated carbon have been widely used as adsorbents, filter media, catalyst carriers, and the like. Such a porous body has a high specific surface area with many pores distributed, and the adsorption performance is obtained by taking the object into the pores and holding the object physically or chemically. Etc. Therefore, various porous bodies have been proposed, such as those having a higher specific surface area and those whose pore diameter is controlled within a specific range, depending on the application and required characteristics.

例えば、特許文献1には、含窒素炭素系材料からなる多孔質体であって、比表面積が600m2/g以上、平均細孔径が1〜5nm、窒素原子と炭素原子の原子比が0.08〜0.3である含窒素炭素系多孔質体が記載されている。 For example, Patent Document 1 discloses a porous body made of a nitrogen-containing carbon-based material, having a specific surface area of 600 m 2 / g or more, an average pore diameter of 1 to 5 nm, and an atomic ratio of nitrogen atoms to carbon atoms of 0. Nitrogen-containing carbon-based porous bodies that are 08 to 0.3 are described.

また、特許文献2には、比表面積が2000〜3500m2/g、全細孔容積が1.0〜3.0cm3/gであるアルカリ賦活炭が記載されている。 Patent Document 2 describes alkali activated carbon having a specific surface area of 2000 to 3500 m 2 / g and a total pore volume of 1.0 to 3.0 cm 3 / g.

ところで、一般に活性炭は疎水性であり、水蒸気等の極性物質に対する吸着性能に劣っている。このため、水蒸気を作動媒体とする吸着ヒートポンプ用の吸着材等、空気中の水分(水蒸気)を吸着する用途においては、単に、比表面積、平均細孔径等をコントロールしたりするだけでなく、その表面に親水性を付与することが、重要な課題となっている。   By the way, in general, activated carbon is hydrophobic and has poor adsorption performance for polar substances such as water vapor. For this reason, in applications that adsorb moisture (water vapor) in the air, such as adsorbents for adsorption heat pumps that use water vapor as a working medium, not only simply control the specific surface area, average pore diameter, etc. Giving hydrophilicity to the surface is an important issue.

これに対し、特許文献3には、例えば、トリアジン環に官能基が付与された含窒素化合物と、芳香環含有の熱硬化性樹脂との混合物を炭素原料として用いる等して、炭素質多孔材の表面におけるヘテロ原子(窒素、硫黄、珪素、リン等)の存在比を高めることにより、水蒸気吸着量を高めた炭素質多孔体が提案されている。   On the other hand, in Patent Document 3, for example, a carbonaceous porous material is obtained by using, as a carbon raw material, a mixture of a nitrogen-containing compound having a functional group attached to a triazine ring and an aromatic ring-containing thermosetting resin. A carbonaceous porous body with an increased amount of water vapor adsorption has been proposed by increasing the abundance ratio of heteroatoms (nitrogen, sulfur, silicon, phosphorus, etc.) on the surface of the substrate.

特開2004−168587号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-165857 特開2009−269764号公報JP 2009-26964 A 特開2002−255531号公報JP 2002-255331 A

しかしながら、上記特許文献3のように、炭素質多孔材におけるヘテロ原子の存在比が特定の範囲となるように、予め炭素原料の組成や反応条件をコントロールすることは容易でなく、その調製には多大な手間を要するという問題がある。このため、より簡単に活性炭表面に親水性を付与する方法の確立が、強く求められている。   However, as in Patent Document 3, it is not easy to control the composition and reaction conditions of the carbon raw material in advance so that the abundance ratio of the heteroatoms in the carbonaceous porous material is in a specific range. There is a problem that a great deal of labor is required. For this reason, establishment of a method for imparting hydrophilicity to the activated carbon surface more easily is strongly demanded.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、炭素原料自体の特性を活かして親水性が高められた活性炭素繊維およびその製法の提供を、その目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an activated carbon fiber having improved hydrophilicity utilizing the characteristics of the carbon raw material itself and a method for producing the same.

上記の目的を達成するため、本発明は、ポリアクリロニトリル系活性炭素繊維であって、窒素含有量が5重量%以上、平均細孔径が2.4nm以下、酸性表面官能基量と塩基性表面官能基量の総和量が1〜5meq/gである活性炭素繊維を第1の要旨とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a polyacrylonitrile-based activated carbon fiber having a nitrogen content of 5% by weight or more, an average pore diameter of 2.4 nm or less , an acidic surface functional group amount and a basic surface functional group. The activated carbon fiber whose total amount of the base amount is 1 to 5 meq / g is defined as the first gist.

また、本発明は、そのなかでも、特に、細孔容積が0.2〜2mL/gである活性炭素繊維を第の要旨とする。 The present invention, among them, in particular, the pore volume of the second aspect of the activated carbon fiber is 0.2~2mL / g.

さらに、本発明は、それらのなかでも、特に、上記活性炭素繊維の水蒸気吸着等温線において、吸着開始相対圧が0.4以下である活性炭素繊維を第の要旨とし、それらのなかでも、特に、上記活性炭素繊維の水蒸気吸着等温線において、相対水蒸気圧0.3における水蒸気吸着量(Q0.3 )が、液体換算で0.08g/g以上である活性炭素繊維を第の要旨とする。 Furthermore, the present invention, among them, in particular, in the water vapor adsorption isotherm of the activated carbon fiber, the activated carbon fiber having an adsorption start relative pressure of 0.4 or less is the third gist, and among them, In particular, in the water vapor adsorption isotherm of the activated carbon fiber, a fourth gist is an activated carbon fiber having a water vapor adsorption amount (Q 0.3 ) of 0.08 g / g or more in liquid conversion at a relative water vapor pressure of 0.3. .

そして、本発明は、炭化処理工程と賦活処理工程とを備えた活性炭素繊維の製法であって、上記炭化処理工程が、ポリアクリロニトリル系繊維原料を、500〜900℃で炭化処理する工程であり、上記賦活処理工程が、上記炭化処理によって得られた炭化処理品を、600〜900℃でアルカリ賦活剤と接触させてアルカリ賦活処理する工程であり、アルカリ賦活処理によって得られたアルカリ賦活品が、窒素含有量5重量%以上、平均細孔径2.4nm以下、酸性表面官能基量と塩基性表面官能基量の総和量1〜5meq/gの活性炭素繊維である活性炭素繊維の製法を第の要旨とする。 And this invention is a manufacturing method of the activated carbon fiber provided with the carbonization process process and the activation process process, Comprising: The said carbonization process process is a process of carbonizing the polyacrylonitrile-type fiber raw material at 500-900 degreeC. The activation treatment step is a step of bringing the carbonized product obtained by the carbonization treatment into contact with an alkali activator at 600 to 900 ° C. to perform the alkali activation treatment, and the alkali activated product obtained by the alkali activation treatment is The method for producing activated carbon fibers, which are activated carbon fibers having a nitrogen content of 5% by weight or more, an average pore diameter of 2.4 nm or less , and a total amount of acidic surface functional groups and basic surface functional groups of 1 to 5 meq / g It is set as the summary of 5 .

また、本発明は、そのなかでも、特に、上記アルカリ賦活処理工程において、ポリアクリロニトリル系繊維原料に対するアルカリ賦活剤の割合が、重量基準で、1/1〜4/1に設定されている活性炭素繊維の製法を第の要旨とする。 In addition, among the above, the activated carbon in which the ratio of the alkali activator to the polyacrylonitrile-based fiber raw material is set to 1/1 to 4/1 on the basis of weight in the alkali activation treatment step is particularly preferable. The manufacturing method of the fiber is a sixth gist.

すなわち、本発明の活性炭素繊維は、ポリアクリロニトリル系(以下「PAN系」と略す)活性炭素繊維であり、PAN系繊維原料を炭化し活性化したものである。従来のPAN系活性炭素繊維では、炭化処理、賦活処理の過程で、PAN系繊維原料に由来する窒素原子をできるだけ除去して、規則的な炭素骨格の形成を企図しているが、本発明では、PAN系繊維原料に、比較的穏やかな条件で炭化処理、賦活処理を行い、最終的な窒素含有量が5重量%以上となるようにしたものである。   That is, the activated carbon fiber of the present invention is a polyacrylonitrile-based (hereinafter abbreviated as “PAN-based”) activated carbon fiber, which is obtained by carbonizing and activating a PAN-based fiber raw material. In the conventional PAN-based activated carbon fiber, in the process of carbonization treatment and activation treatment, nitrogen atoms derived from the PAN-based fiber raw material are removed as much as possible to form a regular carbon skeleton. The PAN-based fiber raw material is carbonized and activated under relatively mild conditions so that the final nitrogen content is 5% by weight or more.

したがって、本発明の活性炭素繊維は、活性炭素繊維の表面に、炭素−窒素結合が多く存在し、高い親水性を有している。しかも、全体形状が繊維状で、その細長い繊維表面に、平均細孔径が2.4nm以下という微細な細孔が分布していることから、空気中の水分(水蒸気)等の極性物質に対し、優れた吸着性能等の処理性能を発揮することができる。   Therefore, the activated carbon fiber of the present invention has a high hydrophilicity because many carbon-nitrogen bonds exist on the surface of the activated carbon fiber. Moreover, since the overall shape is fibrous, and fine pores with an average pore diameter of 2.4 nm or less are distributed on the surface of the elongated fiber, for polar substances such as moisture (water vapor) in the air, Processing performance such as excellent adsorption performance can be exhibited.

また、本発明の活性炭素繊維、特に、酸性表面官能基量と塩基性表面官能基量の総和量が、1〜5meq/gであることから、親水性がより高くなるため、極性物質に対してより優れた処理性能を発揮することができる。 The active carbon fiber of the present invention, in particular, total amount of acidic surface functional group amount and the basic amount of surface functional groups is, since it is 1~5meq / g, since the hydrophilicity becomes higher, a polar material On the other hand, more excellent processing performance can be exhibited.

さらに、本発明の活性炭素繊維のなかでも、特に、細孔容積が0.2〜2mL/gであるものは、水蒸気吸着に適した微細な細孔が多く形成されていると考えられることから、とりわけ、水蒸気に対して優れた処理性能を発揮することができる。   Furthermore, among the activated carbon fibers of the present invention, those having a pore volume of 0.2 to 2 mL / g are considered to have many fine pores suitable for water vapor adsorption. In particular, it is possible to exhibit excellent processing performance against water vapor.

そして、本発明の活性炭素繊維のなかでも、特に、上記活性炭素繊維の水蒸気吸着等温線において、吸着開始相対圧が0.4以下であるものは、低湿度であっても水蒸気吸着が開始されるため、雰囲気湿度に左右されにくく、とりわけ応答性に優れた処理性能を発揮することができる。   Among the activated carbon fibers of the present invention, in particular, in the water vapor adsorption isotherm of the activated carbon fiber, the one having an adsorption start relative pressure of 0.4 or less starts water vapor adsorption even at low humidity. For this reason, it is difficult to be influenced by the atmospheric humidity, and in particular, it is possible to exhibit processing performance with excellent responsiveness.

また、本発明の活性炭素繊維のなかでも、特に、上記活性炭素繊維の水蒸気吸着等温線において、相対水蒸気圧0.3における水蒸気吸着量(Q0.3)が、液体換算で0.08g/g以上であるものは、低湿度下においてある程度の吸着性能を発揮し、湿度が高くなるにつれて、その吸着性能が横ばいにならず、さらなる吸着特性を発揮するため、より優れた処理性能を発揮することができる。 Among the activated carbon fibers of the present invention, in particular, in the water vapor adsorption isotherm of the activated carbon fiber, the water vapor adsorption amount (Q 0.3 ) at a relative water vapor pressure of 0.3 is 0.08 g / g or more in liquid conversion. It exhibits a certain degree of adsorption performance under low humidity, and as the humidity increases, the adsorption performance does not level out and exhibits further adsorption characteristics, so it can exhibit better processing performance. it can.

そして、本発明の活性炭素繊維の製法は、上述のとおり、PAN系繊維原料を、比較的穏やかな条件で炭化処理し、比較的穏やかな条件でアルカリ賦活処理することにより、本発明の活性炭素繊維を得るものである。この方法によれば、PAN系繊維原料に由来する窒素原子が、炭素−窒素結合した形で、活性炭素繊維の繊維表面に多く存在することになるため、高い親水性を有する活性炭素繊維を得ることができる。   And, as described above, the method for producing the activated carbon fiber of the present invention includes carbonizing the PAN-based fiber raw material under relatively mild conditions, and subjecting the activated carbon of the present invention to alkali activation treatment under relatively mild conditions. The fiber is obtained. According to this method, since many nitrogen atoms derived from the PAN-based fiber raw material are present on the fiber surface of the activated carbon fiber in a carbon-nitrogen bonded form, an activated carbon fiber having high hydrophilicity is obtained. be able to.

また、本発明の製法のなかでも、特に、上記アルカリ賦活処理工程において、PAN系繊維原料に対するアルカリ賦活剤の割合が、重量基準で、1/1〜4/1に設定されているものは、窒素原子をより多く残留させることができ、好適である。   Among the production methods of the present invention, in particular, in the alkali activation treatment step, the ratio of the alkali activator to the PAN-based fiber raw material is set to 1/1 to 4/1 on a weight basis. More nitrogen atoms can be left, which is preferable.

(a)は本発明の活性炭素繊維の一実施の形態を模式的に示す部分的な外観図、(b)はその部分拡大断面図である。(A) is the partial external view which shows typically one Embodiment of the activated carbon fiber of this invention, (b) is the partial expanded sectional view. 粒状活性炭の模式的な部分拡大断面図である。It is a typical partial expanded sectional view of granular activated carbon. 本発明の活性炭素繊維の特性を示すための水蒸気吸着等温線の説明図である。It is explanatory drawing of the water vapor | steam adsorption isotherm for showing the characteristic of the activated carbon fiber of this invention.

つぎに、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。   Next, a mode for carrying out the present invention will be described in detail.

本発明の活性炭素繊維は、PAN系活性炭素繊維であって、窒素含有量が5重量%以上、平均細孔径が2.4nm以下、酸性表面官能基量と塩基性表面官能基量の総和量が1〜5meq/gである、という特性を備えたものである。 The activated carbon fiber of the present invention is a PAN-based activated carbon fiber having a nitrogen content of 5% by weight or more, an average pore diameter of 2.4 nm or less , and the total amount of acidic surface functional groups and basic surface functional groups. Is 1 to 5 meq / g .

上記特性は、本発明に用いられるPAN系繊維原料の種類、炭化条件、賦活条件等を適宜選択することによって達成することができる。以下、その詳細を説明する。   The said characteristic can be achieved by selecting suitably the kind of PAN type fiber raw material used for this invention, carbonization conditions, activation conditions, etc. Details will be described below.

本発明に用いられる活性炭素繊維は、PAN系繊維原料を炭化して炭素繊維とした後、賦活化して得ることができる。   The activated carbon fiber used in the present invention can be obtained by carbonizing a PAN-based fiber raw material into carbon fiber and then activating it.

上記PAN系繊維原料は、PAN系樹脂を繊維状に紡糸したものであっても、すでに繊維状になっているもの、再利用品であっても差し支えない。そして、PANのみからなるものであっても、その一部に他の樹脂を含むブレンド品であってもよい。また、その一部に、他の樹脂からなる繊維を混繊したものであってもよい。さらに、アクリロニトリルモノマーを主成分とし、それ以外のモノマーを副成分として用いた共重合体であってもよい。あるいは、ポリアクリロニトリルに官能基を導入して変性したものであってもよい。そして、これらのPAN系繊維原料は、単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。   The PAN-based fiber raw material may be a PAN-based resin spun into a fiber shape, a fiber already in a fiber shape, or a recycled product. And even if it consists only of PAN, the blend goods which contain another resin in one part may be sufficient. Moreover, you may mix the fiber which consists of another resin in the one part. Furthermore, the copolymer which has an acrylonitrile monomer as a main component and used the other monomer as a subcomponent may be sufficient. Alternatively, polyacrylonitrile may be modified by introducing a functional group. And these PAN type fiber raw materials may be used independently or may be used in combination of 2 or more type.

なお、上記PAN系繊維原料において、樹脂から繊維状に紡糸する方法は、特に限定されず、例えば、静電紡糸法やブレンド紡糸法等、各種の紡糸方法から適宜の方法を採用することができる。   In the PAN-based fiber raw material, the method of spinning from a resin into a fiber is not particularly limited. For example, an appropriate method can be adopted from various spinning methods such as an electrostatic spinning method and a blend spinning method. .

ちなみに、上記静電紡糸法とは、溶媒に溶解した原料樹脂溶液を、電極間に形成された静電場中に吐出し、形成される繊維状物質を捕集基板に累積することにより、原料樹脂からなる繊維を得る方法である。また、上記ブレンド紡糸法とは、原料樹脂と熱可塑性樹脂との混合物を紡糸後、原料樹脂を安定化処理し、熱可塑性樹脂を除去することにより、原料樹脂からなる繊維を得る方法である。   Incidentally, the above-mentioned electrostatic spinning method is a method in which a raw material resin solution dissolved in a solvent is discharged into an electrostatic field formed between electrodes, and the formed fibrous material is accumulated on a collection substrate, whereby the raw material resin Is a method for obtaining a fiber comprising: The blend spinning method is a method of obtaining a fiber made of a raw material resin by spinning the mixture of the raw material resin and the thermoplastic resin, stabilizing the raw material resin, and removing the thermoplastic resin.

そして、本発明に用いられるPAN系繊維原料の形態は、紡糸したままの長繊維であっても、これを適宜の長さに切断した短繊維であってもよい。また、その用途に応じて、不織布、織生地、編生地、撚糸、紐といった形態であってもよい。   The form of the PAN-based fiber raw material used in the present invention may be a long fiber as spun or a short fiber obtained by cutting it into an appropriate length. Moreover, according to the use, forms, such as a nonwoven fabric, a woven fabric, a knitted fabric, a twisted thread, a string, may be sufficient.

つぎに、上記PAN系繊維原料を炭化して炭素繊維にする方法としては、一般に、窒素等の不活性ガス雰囲気下で加熱処理する方法が用いられる。処理温度は、通常400℃以上であり、好ましくは500〜900℃、より好ましくは550〜750℃、さらに好ましくは600〜700℃である。   Next, as a method for carbonizing the PAN-based fiber raw material into carbon fiber, a method of heat treatment under an inert gas atmosphere such as nitrogen is generally used. Processing temperature is 400 degreeC or more normally, Preferably it is 500-900 degreeC, More preferably, it is 550-750 degreeC, More preferably, it is 600-700 degreeC.

また、上記炭化処理によって得られるPAN系炭素繊維を、賦活化してPAN系活性炭素繊維を得る方法としては、一般に、水蒸気賦活法もしくはアルカリ賦活法、あるいは水蒸気賦活法とアルカリ賦活法とを組み合わせた方法が知られているが、本発明では、アルカリ賦活法を用いることが好適である。   In addition, as a method of activating the PAN-based carbon fiber obtained by the carbonization treatment to obtain a PAN-based activated carbon fiber, generally, a steam activation method or an alkali activation method, or a combination of a steam activation method and an alkali activation method is used. Although a method is known, in the present invention, it is preferable to use an alkali activation method.

上記アルカリ賦活法とは、対象となる炭素繊維にアルカリ性の賦活剤を含浸させ、所定の温度域まで昇温させることにより、炭素繊維の炭素構造を浸食し、さらには炭素構造内に賦活剤を侵入させて多くの細孔を形成する方法である。この方法によれば、水蒸気賦活法に比べて、活性表面の浸食が抑えられるため、表面に多くの窒素原子を残すことができ、好適である。   The alkali activation method is to impregnate the target carbon fiber with an alkaline activator and raise the temperature to a predetermined temperature range so that the carbon structure of the carbon fiber is eroded, and the activator is further incorporated into the carbon structure. In this method, many pores are formed by intrusion. According to this method, as compared with the steam activation method, erosion of the active surface can be suppressed, so that a large number of nitrogen atoms can be left on the surface, which is preferable.

上記アルカリ賦活法で用いられる賦活剤としては、LiOH、KOH、NaOH等のアルカリ金属の水酸化物、Ba(OH)2等のアルカリ土類金属の水酸化物、Li2CO3、Na2CO3、K2CO3等のアルカリ金属の炭酸塩等、CaCO3等のアルカリ土類金属の炭酸塩等があげられる。これらのなかでも、特に、KOH、NaOHが好ましい。アルカリ賦活時の処理温度は、用いる賦活剤によっても異なるが、通常400〜1000℃である。本発明では、緩やかな条件、例えば500〜950℃が好ましく、600〜900℃がより好ましい。そして、炭素原料に対する賦活剤の割合は、重量基準で、通常1/2〜6/1であり、好ましくは1/1〜4/1、より好ましくは1/1〜3/1である。 Examples of the activator used in the alkali activation method include alkali metal hydroxides such as LiOH, KOH and NaOH, alkaline earth metal hydroxides such as Ba (OH) 2 , Li 2 CO 3 and Na 2 CO. 3 , alkaline metal carbonates such as K 2 CO 3 , alkaline earth metal carbonates such as CaCO 3 and the like. Among these, KOH and NaOH are particularly preferable. The treatment temperature during alkali activation is usually 400 to 1000 ° C., although it varies depending on the activator used. In the present invention, mild conditions such as 500 to 950 ° C. are preferable, and 600 to 900 ° C. are more preferable. And the ratio of the activator with respect to a carbon raw material is 1 / 2-6 / 1 normally on a weight basis, Preferably it is 1 / 1-4 / 1, More preferably, it is 1 / 1-3 / 1.

なお、上記アルカリ賦活法で得られるPAN系活性炭素繊維の表面には、賦活剤のアルカリが残留するため、通常、アルカリ賦活処理後、水洗や酸洗浄によるアルカリ除去を行うことが好ましい。   In addition, since the alkali of an activator remains on the surface of the PAN-based activated carbon fiber obtained by the alkali activation method, it is usually preferable to perform alkali removal by water washing or acid washing after the alkali activation treatment.

このようにして得られる、本発明の活性炭素繊維は、模式的には、例えば図1(a)に示すような外観であり、その表面部分の拡大断面は、図1(b)に示すようになっている。すなわち、細長く延びる繊維表面に、多数の細孔(いわゆるミクロポア)1が分布しており、単位表面積当たりの細孔1の数が多いことがわかる。   The activated carbon fiber of the present invention thus obtained typically has an appearance as shown in FIG. 1 (a), for example, and an enlarged cross section of the surface portion thereof is as shown in FIG. 1 (b). It has become. That is, it can be seen that a large number of pores (so-called micropores) 1 are distributed on the surface of the elongated fiber, and the number of pores 1 per unit surface area is large.

一方、従来多く用いられている粒状活性炭は、その模式的な部分断面図である図2に示すように、表面に比較的大きな開口2(いわゆるマクロポア)があり、その開口2の内側に細孔1が形成された構造になっている。このため、活性炭が仮に親水性を付与されたものであっても、吸着対象となる水蒸気等が、細孔1の内部に入り込みにくく、水蒸気等に対する吸着性能を充分に発現することができない。また、カラムへの充填作業時等に、開口2の周縁が崩れて細孔1が潰れるおそれもある。したがって、本発明のような性能を得ることはできない。   On the other hand, as shown in FIG. 2, which is a schematic partial sectional view, granular activated carbon that has been widely used conventionally has a relatively large opening 2 (so-called macropore) on the surface, and pores inside the opening 2. 1 is formed. For this reason, even if the activated carbon is given hydrophilicity, water vapor or the like to be adsorbed hardly enters the inside of the pores 1 and cannot sufficiently exhibit the adsorption performance for water vapor or the like. In addition, when the column is packed, the periphery of the opening 2 may collapse and the pores 1 may be crushed. Therefore, the performance as in the present invention cannot be obtained.

そして、本発明の活性炭素繊維において、平均繊維径[図1(a)において繊維径をXで示す]は、特に限定されないが、通常、0.1〜100μmであり、なかでも、1〜50μmであることが好ましく、5〜30μmであることがより好ましい。すなわち、平均繊維径が小さすぎると、活性炭素繊維が脆くなり、取り扱いの過程で、活性炭素繊維が折れて粉塵化するおそれがあり、逆に、平均繊維径が大きすぎると、賦活処理が均一に進行しにくくなるおそれがあるからである。   In the activated carbon fiber of the present invention, the average fiber diameter [the fiber diameter is indicated by X in FIG. 1 (a)] is not particularly limited, but is usually 0.1 to 100 μm, particularly 1 to 50 μm. It is preferable that it is 5-30 micrometers. That is, if the average fiber diameter is too small, the activated carbon fiber becomes brittle, and in the process of handling, the activated carbon fiber may break and become dusty. Conversely, if the average fiber diameter is too large, the activation treatment is uniform. This is because it may be difficult to proceed.

また、本発明において、活性炭素繊維のアスペクト比[繊維長Y/繊維径X、図1(a)を参照]は、通常100000/1〜3/1であり、好ましくは10000/1〜5/1、より好ましくは1000/1〜10/1である。アスペクト比が大きすぎると、取り扱い性の点で不都合が生じるおそれがあり、逆にアスペクト比が小さすぎると繊維形状であることの優位性が保てなくなるおそれがあるからである。   In the present invention, the aspect ratio [fiber length Y / fiber diameter X, see FIG. 1 (a)] of the activated carbon fiber is usually 100000/1 to 3/1, preferably 10000/1 to 5 /. 1, more preferably 1000/1 to 10/1. This is because if the aspect ratio is too large, inconvenience may occur in terms of handleability, and conversely if the aspect ratio is too small, the superiority of the fiber shape may not be maintained.

さらに、本発明の活性炭素繊維は、窒素含有量が5重量%以上であることが、大きな特徴である。なかでも、窒素含有量は5〜30重量%であることが好ましく、10〜20重量%であることがより好ましい。すなわち、窒素含有量が多ければ多いほど、すでに述べたように、その表面(エッジ面)において炭素−窒素結合が多く形成されており、また窒素の一部がアミノ基になっている場合も含めて、全体として高い親水性を有するものとなる。ただし、窒素含有量が多すぎると、炭素構造を基にしたアルカリ賦活反応が進行しにくくなるおそれがあり、好ましいとはいえない。   Furthermore, the activated carbon fiber of the present invention is characterized by a nitrogen content of 5% by weight or more. Especially, it is preferable that nitrogen content is 5 to 30 weight%, and it is more preferable that it is 10 to 20 weight%. That is, as the nitrogen content increases, as described above, more carbon-nitrogen bonds are formed on the surface (edge surface) and a part of nitrogen is an amino group. As a result, it has high hydrophilicity as a whole. However, if the nitrogen content is too high, the alkali activation reaction based on the carbon structure may be difficult to proceed, which is not preferable.

また、本発明の活性炭素繊維は、平均細孔径が2.4nm以下であることが、もう一つの大きな特徴である。なかでも、平均細孔径は、1〜2nmであることが好ましい。すなわち、平均細孔径が小さい方が、水蒸気等の極性物質を吸着する性能に優れている。ただし、平均細孔径が小さすぎると、脱着特性が低下するおそれがあり、好ましいとはいえない。   Another important feature of the activated carbon fiber of the present invention is that the average pore diameter is 2.4 nm or less. Especially, it is preferable that an average pore diameter is 1-2 nm. That is, the smaller the average pore diameter, the better the ability to adsorb polar substances such as water vapor. However, if the average pore diameter is too small, the desorption characteristics may be lowered, which is not preferable.

そして、本発明の活性炭素繊維においては、その表面に存在する酸性表面官能基量、塩基性表面官能基量が多ければ多いほど、活性炭素繊維表面の濡れ性が向上するため、好適である。このような酸性表面官能基としては、カルボキシル基、カルボニル基、フェノール性水酸基、ラクトン基等があげられる。また、塩基性表面官能基としては、アミノ基、アクリジン基、クロメン型構造を有する基、ピロン型構造を有する基等があげられる。   In the activated carbon fiber of the present invention, the more the amount of acidic surface functional groups and the amount of basic surface functional groups present on the surface, the better the wettability of the activated carbon fiber surface. Examples of such acidic surface functional groups include a carboxyl group, a carbonyl group, a phenolic hydroxyl group, and a lactone group. Examples of basic surface functional groups include amino groups, acridine groups, groups having a chromene structure, groups having a pyrone structure, and the like.

本発明では、これらの酸性表面官能基量と塩基性表面官能基量の総和量が、1〜5meq/gである。なかでも、2〜5meq/gであることが好ましい。なお、上記総和量を上記の範囲より多くするには、後処理工程(酸化処理等)を増やす必要がある等の理由から、製造コストが高くなるおそれがあり、好ましくない。 In the present invention, the sum of these acidic surface functional group amount and the basic amount of surface functional groups is, Ru 1~5meq / g der. Among them, it is good Masui is 2~5meq / g. In order to increase the total amount from the above range, the production cost may increase due to the necessity of increasing the number of post-treatment steps (oxidation treatment or the like), which is not preferable.

さらに、本発明において、活性炭素繊維に形成される細孔容積(全細孔容積の趣旨である、以下同じ)は、通常0.1〜5mL/gであり、0.2〜2mL/gであることが好ましく、0.3〜1mL/gであることがより好ましい。上記細孔容積が少なすぎると、吸着性能が不充分になるおそれがあり、逆に上記細孔容積が大きすぎると、低湿度下での吸着開始が遅れるおそれがあり、好ましくない。   Furthermore, in the present invention, the pore volume formed in the activated carbon fiber (the meaning of the total pore volume, hereinafter the same) is usually 0.1 to 5 mL / g, and 0.2 to 2 mL / g. It is preferable that it is 0.3 to 1 mL / g. If the pore volume is too small, the adsorption performance may be insufficient. On the other hand, if the pore volume is too large, the start of adsorption under low humidity may be delayed, which is not preferable.

そして、本発明において、活性炭素繊維の比表面積は、通常400m2/g以上、好ましくは600m2/g以上、より好ましくは800〜3500m2/gである。すなわち、比表面積が大きければ大きいほど、処理対象との接触面積が大きくなるため、処理性能が向上するものの、あまり大きすぎると、活性炭素繊維の構造が脆くなるおそれがある。 Then, in the present invention, the specific surface area of the activated carbon fibers is usually 400 meters 2 / g or more, preferably 600 meters 2 / g or more, more preferably 800~3500m 2 / g. That is, the larger the specific surface area, the larger the contact area with the object to be treated, so that the treatment performance is improved, but if it is too large, the structure of the activated carbon fiber may become brittle.

そして、本発明の活性炭素繊維は、この活性炭素繊維の水蒸気吸着等温線において、吸着開始相対圧が0.4以下であることが好ましく、0.3以下であることがより好ましい。すなわち、吸着開始相対圧が低いということは、低湿度であっても水蒸気吸着が開始するということであり、雰囲気湿度に左右されることなく、応答性に優れた吸着性能を発揮する、という指標になる。   The activated carbon fiber of the present invention preferably has an adsorption start relative pressure of 0.4 or less, more preferably 0.3 or less, in the water vapor adsorption isotherm of the activated carbon fiber. That is, the low adsorption start relative pressure means that the water vapor adsorption starts even at low humidity, and is an indicator that the adsorption performance with excellent responsiveness is exhibited regardless of the atmospheric humidity. become.

また、本発明の活性炭素繊維は、同じくこの水蒸気吸着等温線において、相対水蒸気圧0.3における水蒸気吸着量(Q0.3)が、液体換算で0.08g/g以上であることが好ましく、0.13g/g以上であることがより好ましい。すなわち、相対水蒸気圧0.3における水蒸気吸着量(Q0.3)が大きいものは、低湿度下においてある程度の吸着性能を発揮し、湿度が高くなっていくにつれて、その吸着性能が横ばいにならず、さらなる吸着特性を発揮するため、より優れた処理性能を発揮することができるからである。 In the activated carbon fiber of the present invention, similarly, in this water vapor adsorption isotherm, the water vapor adsorption amount (Q 0.3 ) at a relative water vapor pressure of 0.3 is preferably 0.08 g / g or more in terms of liquid. More preferably, it is at least 13 g / g. That is, those having a large water vapor adsorption amount (Q 0.3 ) at a relative water vapor pressure of 0.3 exhibit a certain level of adsorption performance under low humidity, and the adsorption performance does not level off as the humidity increases. This is because a further superior processing performance can be exhibited in order to exhibit further adsorption characteristics.

なお、上記「水蒸気吸着等温線」とは、例えば図3に示すように、水蒸気の圧力を変化させ、そのときの水蒸気の吸着量を測定して、横軸(X軸)に相対圧(吸着平衡圧P/飽和水蒸気圧P0)、縦軸(Y軸)に水蒸気吸着量をプロットした線図である。図において、水蒸気の吸着が開始して飽和状態になるまでの等温線が太い実線で示され、飽和状態から水蒸気が全て脱着するまでの等温線が太い破線で示されている。 The “water vapor adsorption isotherm” means, for example, as shown in FIG. 3, the water vapor pressure is changed, the water vapor adsorption amount at that time is measured, and the relative pressure (adsorption) is plotted on the horizontal axis (X axis). FIG. 5 is a diagram in which water vapor adsorption amount is plotted on the vertical axis (Y axis) of equilibrium pressure P / saturated water vapor pressure P 0 ). In the figure, the isotherm from the start of the adsorption of water vapor to the saturated state is indicated by a thick solid line, and the isothermal line from the saturated state until all the water vapor is desorbed is indicated by a thick broken line.

そして、前記「吸着開始相対圧」は、吸着時の接線とX軸との交点Rで示される。また、相対水蒸気圧0.3における水蒸気吸着量(Q0.3)は、この線図において、図示の位置となり、この線図では約0.20g/gである。 The “adsorption start relative pressure” is indicated by an intersection R between the tangent line at the time of adsorption and the X axis. Further, the water vapor adsorption amount (Q 0.3 ) at a relative water vapor pressure of 0.3 is a position shown in the diagram, and is about 0.20 g / g in the diagram.

ちなみに、上記線図において、吸着特性を示す他の指標として、以下のものを参照することができる。
脱着終了相対圧:脱着時の接線とX軸との交点S
飽和吸着量:吸着時の接線と飽和吸着時の接線との交点が示す吸着量T
飽和吸着相対圧:吸着時の接線と飽和吸着時の接線との交点が示す相対圧U
Incidentally, in the above diagram, the following can be referred to as other indexes indicating the adsorption characteristics.
Desorption end relative pressure: intersection S of tangent line and X axis during desorption
Saturated adsorption amount: Adsorption amount T indicated by the intersection of the tangent line during adsorption and the tangent line during saturated adsorption
Saturated adsorption relative pressure: Relative pressure U indicated by the intersection of the tangent at adsorption and the tangent at saturation adsorption

このように、本発明の活性炭素繊維は、PAN系活性炭素繊維であり、窒素含有量が5重量%以上で、炭素−窒素結合が多く存在し、高い親水性を有している。しかも、その細長い繊維表面に、平均細孔径が2.4nm以下という微細な細孔が分布していることから、空気中の水分(水蒸気)等の極性物質に対し、優れた吸着性能等の処理性能を発揮することができる。   Thus, the activated carbon fiber of the present invention is a PAN-based activated carbon fiber, has a nitrogen content of 5% by weight or more, has many carbon-nitrogen bonds, and has high hydrophilicity. Moreover, since fine pores with an average pore diameter of 2.4 nm or less are distributed on the surface of the elongated fibers, it has excellent adsorption performance for polar substances such as moisture (water vapor) in the air. Performance can be demonstrated.

また、本発明の活性炭素繊維は、親水性を有しない物質の処理等、他の機能に特化した材料と組み合わせることにより、より高機能が要求される用途においても好適に用いることができる。   Moreover, the activated carbon fiber of the present invention can be suitably used in applications that require higher functions by combining with materials specialized for other functions such as treatment of substances having no hydrophilicity.

以下、実施例および比較例をあげて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist.

[実施例1〜8、比較例1〜4]
<活性炭素繊維の調製>
後記の表1、表2に示す炭素材料を、表1、表2に示す条件で炭化処理、賦活処理を行うことにより、8種類の実施例品と4種類の比較例品を調製した。なお、炭素原料、炭化処理、賦活処理の詳細を以下に示す。
[Examples 1-8, Comparative Examples 1-4]
<Preparation of activated carbon fiber>
By performing carbonization treatment and activation treatment on the carbon materials shown in Tables 1 and 2 described later under the conditions shown in Tables 1 and 2, 8 types of example products and 4 types of comparative example products were prepared. Details of the carbon raw material, carbonization treatment, and activation treatment are shown below.

<炭素原料>
PAN系(繊維状):平均繊維径10μm、30mm長に切断したPAN系繊維。
ピッチ系(繊維状):平均繊維径15μm、30mm長に切断したピッチ系繊維。
<Carbon raw material>
PAN-based (fibrous): PAN-based fiber cut to an average fiber diameter of 10 μm and a length of 30 mm.
Pitch-based (fibrous): pitch-based fibers cut to an average fiber diameter of 15 μm and a length of 30 mm.

<炭化処理>
上記炭素原料を雰囲気ボックス炉(光洋サーモシステム社製)に投入して、窒素流通下で所定の温度まで昇温速度10℃/minで昇温した後、所定時間保持して炭化処理を行った。
<Carbonization treatment>
The carbon raw material was put into an atmosphere box furnace (manufactured by Koyo Thermo Systems Co., Ltd.), heated to a predetermined temperature under a nitrogen flow at a heating rate of 10 ° C./min, and then carbonized by holding for a predetermined time. .

<賦活処理>
炭素原料10gと所定量のKOHを容器に投入・混合した状態で小型炉に入れ、窒素流通下(1L/min)、昇温速度10℃/minで昇温した後、所定の賦活温度で所定時間保持してアルカリ賦活処理を行った。処理後の試料を5.25重量%の塩酸(HCl)水溶液2L中で1時間煮沸した後、ろ過した。ろ過後の試料に対し60℃の温水で洗浄・真空ろ過を行い、ろ液のpHが6.5以上になるまで繰り返し洗浄した。そして、洗浄した試料を温水2L中で1.5時間煮沸した後、60℃の温水4Lで洗浄し、真空ろ過を行った。ろ過後の脱水品を、115℃で一昼夜乾燥させた。
<Activation processing>
10 g of carbon raw material and a predetermined amount of KOH are put into a container and mixed in a small furnace, heated in a nitrogen stream (1 L / min) at a heating rate of 10 ° C./min, and then at a predetermined activation temperature. The alkali activation treatment was performed while maintaining the time. The treated sample was boiled in 2 L of a 5.25 wt% aqueous hydrochloric acid (HCl) solution for 1 hour and then filtered. The filtered sample was washed with 60 ° C. warm water and vacuum filtered, and repeatedly washed until the pH of the filtrate reached 6.5 or higher. The washed sample was boiled in 2 L of warm water for 1.5 hours, then washed with 4 L of hot water at 60 ° C., and vacuum filtered. The dehydrated product after filtration was dried at 115 ° C. for a whole day and night.

[比較例5〜7]
比較例5品は、非PAN系樹脂原料に由来する平均粒径9μmのアルカリ賦活炭(MCエバテック社製、MSP−20X)であり、比較例6品は、石油系原料に由来する平均粒径88μmのアルカリ賦活炭(MCエバテック社製、MSC−30)である。また、比較例7品は、ヤシ殻原料に由来する平均粒径5μmの市販の水蒸気賦活炭である。
[Comparative Examples 5 to 7]
The product of Comparative Example 5 is an alkali activated carbon (MSP-20X, manufactured by MC Evatech Co., Ltd.) having an average particle size of 9 μm derived from a non-PAN resin material, and the product of Comparative Example 6 is an average particle size derived from a petroleum material. This is 88 μm alkali activated carbon (MC Evatech, MSC-30). The product of Comparative Example 7 is a commercially available steam activated charcoal having an average particle diameter of 5 μm derived from the coconut shell raw material.

<物性の測定、算出>
得られた各実施例品、比較例品に対し、以下の項目について、以下の方法にしたがって値を求め、その結果を、後記の表1、表2に併せて示した。
<Measurement and calculation of physical properties>
For each of the obtained Example products and Comparative product, values were obtained for the following items according to the following method, and the results are shown in Tables 1 and 2 below.

<平均繊維径の求め方:実施例1〜8、比較例1〜4>
平均繊維径は、活性炭素繊維から、無作為に5mm×10mmの面積となるようサンプリングし、SEM試料台に固定した後、イオンスパッター(日立ハイテクノロジーズ社製、E−1030)により、真空下、15mAで300秒間金蒸着を実施した。このサンプルを走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製、S−3000N)にセットし、加圧電圧15kV、倍率を3000倍として、1サンプルあたり5視野を、重複しないよう無作為に撮影した。つぎに、各視野の中で5本の繊維を選択し、画像上のスケールを用いて繊維径に換算することで繊維径を測定した。平均繊維径は各測定値の相加平均により算出した。
<How to Find Average Fiber Diameter: Examples 1-8, Comparative Examples 1-4>
The average fiber diameter was randomly sampled from activated carbon fiber so as to have an area of 5 mm × 10 mm, fixed to the SEM sample stage, and then vacuumed by ion sputtering (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, E-1030). Gold deposition was performed at 15 mA for 300 seconds. This sample was set in a scanning electron microscope (S-3000N, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation), and a visual field of 5 fields per sample was randomly photographed so as not to overlap with an applied voltage of 15 kV and a magnification of 3000 times. Next, five fibers were selected in each field of view, and the fiber diameter was measured by converting to fiber diameter using the scale on the image. The average fiber diameter was calculated by the arithmetic average of each measured value.

<平均粒径の求め方:比較例5〜7>
レーザー回折式粒度分布測定装置(島津製作所社製、SALD(登録商標)−2200)を用いて活性炭を測定し、粒度分布の測定結果から体積基準の累積頻度曲線を求め、累積頻度50%における粒子径を平均粒子径とした。
<How to Obtain Average Particle Size: Comparative Examples 5-7>
Activated carbon is measured using a laser diffraction particle size distribution analyzer (SALD (registered trademark) -2200, manufactured by Shimadzu Corporation), and a volume-based cumulative frequency curve is obtained from the particle size distribution measurement results. The diameter was defined as the average particle diameter.

<窒素(N)含有量の求め方>
上記試料に含有される炭素(C)、水素(H)、窒素(N)の重量割合を、元素分析装置(ジェイサイエンス社製、JM−1000HCN)により測定した。測定結果から、窒素含有量(重量%)を算出した。
<How to find the nitrogen (N) content>
The weight ratio of carbon (C), hydrogen (H), and nitrogen (N) contained in the sample was measured with an elemental analyzer (JM-1000HCN, manufactured by Jay Science Co., Ltd.). From the measurement result, the nitrogen content (% by weight) was calculated.

<比表面積、細孔容積の求め方>
試料(活性炭)0.2gを250℃にて真空加熱した後、窒素吸着装置(マイクロメリティック社製、ASAP−2405)を用いて窒素吸着等温線を求め、BET法により比表面積(m2/g)を求めた。また、窒素吸着等温線から相対圧(P/P0)が0.93における細孔直径30nmまでの窒素吸着量から細孔容積(=全細孔容積、mL/g)を算出した。
<Determination of specific surface area and pore volume>
After 0.2 g of a sample (activated carbon) was heated at 250 ° C. under vacuum, a nitrogen adsorption isotherm was obtained using a nitrogen adsorption device (ASAP-2405, manufactured by Micromeritic), and a specific surface area (m 2 / m g) was determined. The pore volume (= total pore volume, mL / g) was calculated from the nitrogen adsorption amount up to a pore diameter of 30 nm at a relative pressure (P / P 0 ) of 0.93 from the nitrogen adsorption isotherm.

<平均細孔径の求め方>
活性炭の細孔をシリンダー状と仮定し、下記の式(1)に基づいて平均細孔径を算出した。
[式]
平均細孔径(nm)
=[4×全細孔容積(mL/g)]/[比表面積(m2/g)×1000]…(1)
<How to find the average pore size>
The average pore diameter was calculated based on the following formula (1) assuming that the pores of the activated carbon were cylindrical.
[formula]
Average pore size (nm)
= [4 × total pore volume (mL / g)] / [specific surface area (m 2 / g) × 1000] (1)

<酸性表面官能基量の求め方>
酸性表面官能基の量は、Boehm法(文献「H.P.Boehm, Adzan.Catal, 16,179(1966)」にその詳細が記載されている)にしたがって求めた。具体的には、まず試料(活性炭)1gにナトリウムエトキシド水溶液(0.1mol/L)を50mL加え、2時間、500rpmで撹拌した後、24時間放置した。その後、さらに30分間撹拌を行いろ過分離した。得られたろ液25mLに対して0.1mol/Lの塩酸を滴下し、pH4.0になるときの塩酸滴定量を測定した。また、ブランクテストとして、前記ナトリウムエトキシド水溶液(0.1mol/L)25mLに対して0.1mol/Lの塩酸を滴下し、pH4.0になるときの塩酸滴定量を測定した。そして、下記の式(2)により酸性官能基量(meq/g)を算出した。
[式]
酸性表面官能基量(meq/g)
=(a−b)×0.1/(S×25/50)…(2)
a:ブランクテストにおける塩酸滴定量(mL)
b:試料を反応させたときの塩酸滴定量(mL)
S:試料質量(g)
<How to determine the amount of acidic surface functional groups>
The amount of the acidic surface functional group was determined according to the Boehm method (details thereof are described in the document “HP Boehm, Adzan. Catal, 16, 179 (1966)”). Specifically, first, 50 mL of an aqueous sodium ethoxide solution (0.1 mol / L) was added to 1 g of a sample (activated carbon), and the mixture was stirred for 2 hours at 500 rpm, and then allowed to stand for 24 hours. Thereafter, the mixture was further stirred for 30 minutes and separated by filtration. 0.1 mol / L hydrochloric acid was dripped with respect to 25 mL of obtained filtrates, and hydrochloric acid titration when pH 4.0 was measured was measured. As a blank test, 0.1 mol / L hydrochloric acid was added dropwise to 25 mL of the aqueous sodium ethoxide solution (0.1 mol / L), and the hydrochloric acid titration amount was measured when the pH reached 4.0. And the amount of acidic functional groups (meq / g) was computed by following formula (2).
[formula]
Acid surface functional group amount (meq / g)
= (A−b) × 0.1 / (S × 25/50) (2)
a: Hydrochloric acid titration in blank test (mL)
b: Hydrochloric acid titration (mL) when the sample was reacted
S: Sample mass (g)

<塩基性表面官能基量の求め方>
塩基性表面官能基の量は、酸性表面官能基量測定時の逆滴定により求めた。具体的には試料(活性炭)1gに塩酸(0.1mol/L)を50mL加え、2時間、500rpmで撹拌した後、24時間放置した。その後、さらに30分間撹拌を行いろ過分離した。得られたろ液25mlに対して0.1mol/Lの水酸化ナトリウムを滴下し、pH8.0になるときの水酸化ナトリウム滴定量を測定した。また、ブランクテストとして、前記塩酸(0.1mol/L)25mlに対して0.1mol/Lの水酸化ナトリウムを滴下し、pH8.0になるときの水酸化ナトリウム滴定量を測定した。そして、下記の式(3)により塩基性表面官能基量(meq/g)を算出した。
[式]
塩基性表面官能基量(meq/g)
=(c−d)×0.1/(S×25/50)…(3)
c:ブランクテストにおける水酸化ナトリウム滴定量(mL)
d:試料を反応させたときの水酸化ナトリウム滴定量(mL)
S:試料質量(g)
<How to determine the amount of basic surface functional groups>
The amount of basic surface functional groups was determined by back titration when measuring the amount of acidic surface functional groups. Specifically, 50 mL of hydrochloric acid (0.1 mol / L) was added to 1 g of a sample (activated carbon), and the mixture was stirred for 2 hours at 500 rpm and then allowed to stand for 24 hours. Thereafter, the mixture was further stirred for 30 minutes and separated by filtration. 0.1 mol / L sodium hydroxide was added dropwise to 25 ml of the obtained filtrate, and the sodium hydroxide titration when pH was 8.0 was measured. As a blank test, 0.1 mol / L sodium hydroxide was added dropwise to 25 ml of the hydrochloric acid (0.1 mol / L), and the sodium hydroxide titration was measured when the pH reached 8.0. And the basic surface functional group amount (meq / g) was computed by following formula (3).
[formula]
Basic surface functional group amount (meq / g)
= (Cd) × 0.1 / (S × 25/50) (3)
c: Sodium hydroxide titration in blank test (mL)
d: Sodium hydroxide titration (mL) when the sample is reacted
S: Sample mass (g)

<酸性表面官能基量と塩基性表面官能基量の総和量の求め方>
上記酸性表面官能基量と塩基表面官能基量とを加算することによって、その総和量(meq/g)を求めた。
<How to find the total amount of acidic surface functional groups and basic surface functional groups>
The total amount (meq / g) was determined by adding the amount of the acidic surface functional group and the amount of the base surface functional group.

<水蒸気吸着特性の評価>
蒸気吸着量測定装置(マイクロトラップ・ベル社製、BELSORP‐max)を準備した。そして、試料をセルに約40mg投入し、250℃、5時間の真空加熱により前処理を行った後、置換ガスを導入し、秤量を行った。水蒸気吸着測定は、循環恒温槽により25℃に保持されたウォータバス中で、相対圧(P/P0)0.0〜0.85の範囲で行い、得られた水蒸気等温線から、後記の表3に示す各項目の値を求めた(図3参照)。
<Evaluation of water vapor adsorption characteristics>
A vapor adsorption amount measuring device (manufactured by Micro Trap Bell, BELSORP-max) was prepared. Then, about 40 mg of the sample was put into the cell, pretreated by vacuum heating at 250 ° C. for 5 hours, and then a replacement gas was introduced and weighed. The water vapor adsorption measurement was performed in a water bath maintained at 25 ° C. by a circulating thermostat in a relative pressure (P / P 0 ) range of 0.0 to 0.85. From the obtained water vapor isotherm, The value of each item shown in Table 3 was calculated | required (refer FIG. 3).

Figure 0006375005
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Figure 0006375005
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Figure 0006375005
Figure 0006375005

上記の結果から、実施例1〜8品は、いずれも吸着開始相対圧が0.4以下であり、立ち上がりが早い。しかも、相対圧が0.0〜0.3の範囲内という早い段階で、水蒸気吸着量が液体換算で0.08g/g以上という優れた吸着性能を示す。そして、相対圧が0.3〜0.8の範囲において、吸着量が横ばいにならず、吸着性能が維持されている。したがって、従来にない、優れた水蒸気吸着性能を発揮することができる。一方、比較例1〜7品は、いずれも吸着開始相対圧が0.4を超えており、湿度がある程度高くならないと水蒸気を吸着することができず、立ち上がりが遅いことがわかる。   From the above results, in each of Examples 1 to 8, the adsorption start relative pressure is 0.4 or less, and the rise is quick. In addition, at an early stage where the relative pressure is in the range of 0.0 to 0.3, the water vapor adsorption amount exhibits excellent adsorption performance of 0.08 g / g or more in terms of liquid. And in the range whose relative pressure is 0.3-0.8, the amount of adsorption | suction does not become flat and adsorption | suction performance is maintained. Accordingly, it is possible to exhibit an excellent water vapor adsorption performance that has not been achieved conventionally. On the other hand, all of Comparative Examples 1 to 7 have an adsorption start relative pressure exceeding 0.4, and it is understood that water vapor cannot be adsorbed unless the humidity is increased to some extent, and the rise is slow.

本発明の活性炭素繊維は、窒素含有量が多く、親水性が付与されているため、水蒸気の吸着等、各種の極性物質の処理材として広く利用することができる。また、本発明の活性炭素繊維の製法は、親水性が付与された活性炭素繊維を効率よく製造する方法として広く利用することができる。   Since the activated carbon fiber of the present invention has a high nitrogen content and hydrophilicity, it can be widely used as a treatment material for various polar substances such as adsorption of water vapor. Moreover, the manufacturing method of the activated carbon fiber of this invention can be widely utilized as a method of manufacturing the activated carbon fiber to which hydrophilicity was provided efficiently.

Claims (6)

ポリアクリロニトリル系活性炭素繊維であって、窒素含有量が5重量%以上、平均細孔径が2.4nm以下、酸性表面官能基量と塩基性表面官能基量の総和量が1〜5meq/gであることを特徴とする活性炭素繊維。 A polyacrylonitrile-based activated carbon fiber having a nitrogen content of 5% by weight or more, an average pore diameter of 2.4 nm or less , and a total amount of acidic surface functional groups and basic surface functional groups of 1 to 5 meq / g . An activated carbon fiber characterized by being. 細孔容積が0.2〜2mL/gである請求項1記載の活性炭素繊維。 Claim 1 Symbol placing active carbon fiber pore volume is 0.2~2mL / g. 上記活性炭素繊維の水蒸気吸着等温線において、吸着開始相対圧が0.4以下である請求項1または2記載の活性炭素繊維。 The activated carbon fiber according to claim 1 or 2 , wherein an adsorption start relative pressure is 0.4 or less in the water vapor adsorption isotherm of the activated carbon fiber. 上記活性炭素繊維の水蒸気吸着等温線において、相対水蒸気圧0.3における水蒸気吸着量(Q0.3 )が、液体換算で0.08g/g以上である請求項1〜のいずれか一項に記載の活性炭素繊維。 In water vapor adsorption isotherm of the activated carbon fiber, the amount of adsorbed water vapor at a relative vapor pressure 0.3 (Q 0.3) is, according to any one of claims 1 to 3 in a liquid in terms of 0.08 g / g or more Activated carbon fiber. 炭化処理工程と賦活処理工程とを備えた活性炭素繊維の製法であって、上記炭化処理工程が、ポリアクリロニトリル系繊維原料を、500〜900℃で炭化処理する工程であり、上記賦活処理工程が、上記炭化処理によって得られた炭化処理品を、600〜900℃でアルカリ賦活剤と接触させてアルカリ賦活処理する工程であり、アルカリ賦活処理によって得られたアルカリ賦活品が、窒素含有量5重量%以上、平均細孔径2.4nm以下、酸性表面官能基量と塩基性表面官能基量の総和量1〜5meq/gの活性炭素繊維であることを特徴とする活性炭素繊維の製法。 A method for producing activated carbon fiber comprising a carbonization treatment step and an activation treatment step, wherein the carbonization treatment step is a step of carbonizing a polyacrylonitrile fiber raw material at 500 to 900 ° C., and the activation treatment step is The carbonized product obtained by the above carbonization treatment is a step of bringing the carbonized product into contact with an alkali activator at 600 to 900 ° C. to perform an alkali activation treatment, and the alkali activated product obtained by the alkali activation treatment has a nitrogen content of 5% by weight. A method for producing activated carbon fibers, characterized in that the activated carbon fibers have an average pore diameter of 2.4 nm or less and a total amount of 1 to 5 meq / g of an acidic surface functional group amount and a basic surface functional group amount . 上記アルカリ賦活処理工程において、ポリアクリロニトリル系繊維原料に対するアルカリ賦活剤の割合が、重量基準で、1/1〜4/1に設定されている請求項記載の活性炭素繊維の製法。 6. The process for producing activated carbon fibers according to claim 5 , wherein in the alkali activation treatment step, the ratio of the alkali activator to the polyacrylonitrile fiber raw material is set to 1/1 to 4/1 on a weight basis.
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