木材繊維からの短繊維状活性炭の調製
朝倉良平*1 森田光博*2 丸山勝久*3 羽鳥浩章*3 山田能生*4
Preparation of Fibrous Activated Carbons from Wood Fiber
Ryohei Asakura, Mitsuhiro Morita, Katsuhisa Maruyama, Hiroaki Hatori, Yoshio Yamada
針葉樹系，広葉樹系の 2 種類の木材繊維を炭素化，賦活処理することで，短繊維状，中空でアスペクト比の大き な活性炭を作製した。針葉樹系繊維から作製した活性炭の細孔構造は主としてミクロ孔から構成されているのに対 して，広葉樹系繊維から作製した活性炭はミクロ孔からメソ孔にかけて幅広い細孔分布を持っていた。また，それ らの水蒸気，トルエン蒸気吸着性能を市販の繊維状活性炭(ACF)と比較したところ，木材繊維から作製した活性炭は ACF に匹敵する吸着量を示した。
1 はじめに
繊維状活性炭(ACF)は優れた吸着性能を持ち，粉体状，
粒状活性炭とは異なり繊維状という形状的特徴に起因 する流体に対する低圧力損失，良好な通気性を有して いる。しかしながら，ACF は元々高価な炭素繊維を賦 活処理して作製するためコストがかかる。
木材の組織構造は個々の細胞壁構造が細胞間層を介 して密着した集合体であり，化学処理，機械的処理を 施すことで容易に個々の細胞壁構造に分離できる。ま た，個々の細胞壁構造をみてみると，短繊維状で管状 構造を有しアスペクト比が大きいという特徴を持って いる。そして，分離した木材の細胞壁構造は，木材繊 維として紙パルプ工業や繊維板工業でそれぞれの製品 の原料として利用されている。ここで木材繊維を材料 として炭素化-賦活後もその形状が保持できれば，短繊 維状の活性炭が得られる可能性を持っている。短繊維 状活性炭は，短繊維状でアスペクト比が大きいことに 由来する ACF と同様の特徴，さらに管状構造であるこ とや表面から内腔に通じる壁孔を有しているので吸着 質に対する接触面積が大きくなると考えられる。
そこで本研究では，木材繊維から短繊維状活性炭の 作製を試み，得られた短繊維状活性炭の形状の観察，
窒素吸着等温線測定による細孔構造の解析，水蒸気，
トルエン蒸気吸着性能を市販の ACF と比較した。
2 実験方法 2-1 試料作製
短繊維状活性炭作製試料として，それぞれ数種類の 木材からなる針葉樹系繊維(SWF)，広葉樹系繊維(HWF) を用いた。炭素化条件は，炭素化温度 900°C，窒素雰 囲気下，流量 200ml/min，昇温速度 5°C/min，保持時間 1 時間とした。賦活条件は，賦活温度 880°C，賦活ガス として二酸化炭素を用い，流量 200ml/min，昇温速度 3°C/min，賦活時間 0.5-2 時間とした。
2-2 形状の観察
電子顕微鏡(SEM)を用いて，炭素化，賦活処理後の短 繊維状活性炭の形状がどの様に変化しているか観察を 行った。
2-3 細孔構造解析
得られた短繊維状活性炭の細孔構造の解析(比表面 積，細孔容積)は，窒素吸着等温線測定により行った。
2-4 灰分の分析
木材繊維に含まれる無機分(灰分)の分析は，プラズ マ発光分析(ICP)により行った。
2-5 水蒸気，トルエン蒸気吸着量測定
水蒸気，トルエン蒸気吸着量の測定を市販の ACF と 比較した。
3 結果と考察
図-1 には，SWF(賦活による重量減少率:68%)の SEM 写真を示す。炭素化，賦活処理後も炭素化前の木材繊 維の形状を保持している。その形状の特徴として，短 繊維状でアスペクト比が大きく，中空の形状を有して いる。これら短繊維状活性炭は，直径 10–30µm，長さ 1–2mm であった。
* 1 インテリア研究所
* 2 九州大学大学院農学研究院
* 3 (独)産業技術総合研究所
* 4 福井大学工学部
(a) (b)
図-1 賦活処理したSWFのSEM写真
窒 素 吸 着 等 温 線 測 定 の 結 果 ， そ れ ら の 細 孔 構 造は SWF が主としてミクロ孔(2nm 以下)から構成されてい るのに対し，HWF はミクロ孔からメソ孔(2nm<n<50nm) にかけて幅広い細孔分布を有していた。
また，窒素吸着等温線から算出した比表面積は，賦活 処理の進行に伴い 874 m2/g-1386 m2/gであり，市販の ACFに匹敵する数値を示した。
SWF と HWF では細孔構造が大きく異なっていたため，
その違いが何によるものなのかを調べたところ，SWF と HWF では含まれる無機分の量と種類が大きく異なっ ていることが分かった。原料に含まれる無機分の総量 は HWF が多かったのに対し，その種類をみると SWF に は Na が多く含まれていた。しかしながら，無機分の種 類，含有量と細孔形成の因果関係についてはさらなる 検討が必要である。
表-1 には，木材繊維から作製した短繊維状活性炭と 市販の ACF のトルエン蒸気，水蒸気吸着量を示す。比 較の結果，SWF,HWF ともに市販の ACF に匹敵する蒸気 吸着量を示すことが分かった。
4 まとめ
2 種類の木材繊維を炭素化，賦活処理することで，
短繊維状，中空でアスペクト比の大きな活性炭を作製
した。それらの細孔構造は SWF が主としてミクロ孔か ら構成されているのに対して，HWF はミクロ孔からメ ソ孔にかけて幅広い細孔分布を持っていた。また，そ れらの比表面積は，市販の ACF に匹敵する数値を示し た。SWF，HWF には細孔構成に違いが見られるが，その 原因を探るため材料を分析したところ，原料中に含ま れる 無機 分 の 含有 量， 種 類 が異 なっ て い るこ とが 分 かった。それらの水蒸気，トルエン蒸気吸着性能を市 販の繊維状活性炭(ACF)と比較したところ，木材繊維か ら作製した活性炭は ACF に匹敵する吸着量を示した。
5 掲載論文
Journal of Materials Science 39 (2004) 201-206
トルエン蒸気 [ mg / g ]
水蒸気 [ mg / g ]
SWF burn-off 43% 417 291
burn-off 68% 481 372
HWF burn-off 40% 448 284
burn-off 70% 779 619
383 274
835 798
641 522
ACF 2 ACF 3 ACF 1
表-1 トルエン，水蒸気吸着量 sample
