(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022163103
(43)【公開日】2022-10-25
(54)【発明の名称】金属担持炭化物の製造方法
(51)【国際特許分類】
B01J 20/30 20060101AFI20221018BHJP
B01J 20/20 20060101ALI20221018BHJP
C01B 32/00 20170101ALN20221018BHJP
【ＦＩ】
B01J20/30
B01J20/20 D ZAB
C01B32/00
【審査請求】有
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022121316
(22)【出願日】2022-07-29
(62)【分割の表示】P 2018154829の分割
【原出願日】2018-08-21
(71)【出願人】
【識別番号】302060926
【氏名又は名称】株式会社フジタ
(74)【代理人】
【識別番号】110000408
【氏名又は名称】弁理士法人高橋・林アンドパートナーズ
(72)【発明者】
【氏名】袋 昭太
(72)【発明者】
【氏名】倉澤 響
(57)【要約】
【課題】多様な金属を効率的に炭化物に担持させることのできる製造方法を提供すること。
【解決手段】金属担持炭化物の製造方法は、１金属化合物が第１有機溶媒に溶解した金属化合物溶液を炭化物に染みこませ、前記金属化合物溶液が染みこんだ前記炭化物から前記第１有機溶媒を気化させて、前記炭化物に前記第１金属化合物を担持させ、前記金属化合物溶液から気化した前記第１有機溶媒を回収し、前記金属化合物溶液から回収された前記第１有機溶媒を、第２金属化合物の溶解に再利用する。
【選択図】図１
【解決手段】金属担持炭化物の製造方法は、１金属化合物が第１有機溶媒に溶解した金属化合物溶液を炭化物に染みこませ、前記金属化合物溶液が染みこんだ前記炭化物から前記第１有機溶媒を気化させて、前記炭化物に前記第１金属化合物を担持させ、前記金属化合物溶液から気化した前記第１有機溶媒を回収し、前記金属化合物溶液から回収された前記第１有機溶媒を、第２金属化合物の溶解に再利用する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１金属化合物が第１有機溶媒に溶解した金属化合物溶液を炭化物に染みこませ、
前記金属化合物溶液が染みこんだ前記炭化物から前記第１有機溶媒を気化させて、前記炭化物に前記第１金属化合物を担持させ、
前記金属化合物溶液から気化した前記第１有機溶媒を回収し、
前記金属化合物溶液から回収された前記第１有機溶媒を、第２金属化合物の溶解に再利用する金属担持炭化物の製造方法。
前記金属化合物溶液が染みこんだ前記炭化物から前記第１有機溶媒を気化させて、前記炭化物に前記第１金属化合物を担持させ、
前記金属化合物溶液から気化した前記第１有機溶媒を回収し、
前記金属化合物溶液から回収された前記第１有機溶媒を、第２金属化合物の溶解に再利用する金属担持炭化物の製造方法。
【請求項2】
前記金属化合物溶液から気化した前記第１有機溶媒を液化して回収する、請求項１に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項3】
前記炭化物を密閉可能な処理槽において、前記炭化物を前記金属化合物溶液に浸漬させた状態で、前記処理槽内を減圧することによって、前記金属化合物溶液を前記炭化物に染みこませる、請求項１に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項4】
前記炭化物を前記金属化合物溶液に浸漬させた状態で、前記処理槽内を減圧した後に、前記処理槽内の温度における前記第１有機溶媒の蒸気圧よりも高い圧力まで前記処理槽内の圧力を上げる、請求項３に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項5】
前記金属化合物溶液が染みこんだ前記炭化物が気相中に配置された状態で、前記処理槽内を減圧することによって、前記炭化物から前記第１有機溶媒を気化させる、請求項３又は４に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項6】
前記炭化物を前記金属化合物溶液に浸漬させた状態における前記処理槽内の減圧、及び前記金属化合物溶液が染みこんだ前記炭化物が気相中に配置された状態における前記処理槽内の減圧は、同じ処理槽で行われる、請求項５に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項7】
前記処理槽は、第１処理槽及び第２処理槽を含み、
前記第１処理槽において、前記炭化物を前記金属化合物溶液に浸漬させた状態における減圧が行われているときに、前記第２処理槽において、前記金属化合物溶液が染みこんだ前記炭化物が気相中に配置された状態における減圧が行われ、
前記第１処理槽において、前記金属化合物溶液が染みこんだ前記炭化物が気相中に配置された状態における減圧が行われているときに、前記第２処理槽において、前記炭化物を前記金属化合物溶液に浸漬させた状態における減圧が行われる、請求項５に記載の金属担持炭化物の製造方法。
前記第１処理槽において、前記炭化物を前記金属化合物溶液に浸漬させた状態における減圧が行われているときに、前記第２処理槽において、前記金属化合物溶液が染みこんだ前記炭化物が気相中に配置された状態における減圧が行われ、
前記第１処理槽において、前記金属化合物溶液が染みこんだ前記炭化物が気相中に配置された状態における減圧が行われているときに、前記第２処理槽において、前記炭化物を前記金属化合物溶液に浸漬させた状態における減圧が行われる、請求項５に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項8】
前記金属化合物溶液から回収された前記第１有機溶媒を、前記第２金属化合物の溶解に代えて、前記炭化物の中に担持された前記第１金属化合物の水酸化物化に用いられるアルカリの溶解に再利用する、請求項１乃至７のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項9】
第１アルカリが第２有機溶媒に溶解したアルカリ溶液を、前記第１有機溶媒が気化した前記炭化物に染みこませて、前記炭化物の孔の中の前記第１金属化合物の水酸化物を生成し、
前記アルカリ溶液が染みこんだ前記炭化物から前記第２有機溶媒を気化させ、
前記アルカリ溶液から気化した前記第２有機溶媒を回収し、
前記アルカリ溶液から回収された前記第２有機溶媒を、第２アルカリ又は前記第２金属化合物の溶解に再利用する、請求項１乃至７のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
前記アルカリ溶液が染みこんだ前記炭化物から前記第２有機溶媒を気化させ、
前記アルカリ溶液から気化した前記第２有機溶媒を回収し、
前記アルカリ溶液から回収された前記第２有機溶媒を、第２アルカリ又は前記第２金属化合物の溶解に再利用する、請求項１乃至７のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項10】
第１金属化合物が第１有機溶媒に溶解した金属化合物溶液を炭化物に染みこませ、
第１アルカリが第２有機溶媒に溶解したアルカリ溶液を、前記第１金属化合物を含む前記炭化物に染みこませて、前記炭化物の孔の中の前記第１金属化合物の水酸化物を生成し、
前記アルカリ溶液が染みこんだ前記炭化物から前記第２有機溶媒を気化させて、前記炭化物に前記水酸化物を担持させ、
前記アルカリ溶液から気化した前記第２有機溶媒を回収し、
前記アルカリ溶液から回収された前記第２有機溶媒を、第２金属化合物又は第２アルカリの溶解に用いる金属担持炭化物の製造方法。
第１アルカリが第２有機溶媒に溶解したアルカリ溶液を、前記第１金属化合物を含む前記炭化物に染みこませて、前記炭化物の孔の中の前記第１金属化合物の水酸化物を生成し、
前記アルカリ溶液が染みこんだ前記炭化物から前記第２有機溶媒を気化させて、前記炭化物に前記水酸化物を担持させ、
前記アルカリ溶液から気化した前記第２有機溶媒を回収し、
前記アルカリ溶液から回収された前記第２有機溶媒を、第２金属化合物又は第２アルカリの溶解に用いる金属担持炭化物の製造方法。
【請求項11】
前記アルカリ溶液から気化した前記第２有機溶媒を液化して回収する、請求項１０に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項12】
前記炭化物を密閉可能な処理槽において、前記アルカリ溶液が染みこんだ前記炭化物が気相中に配置された状態で、前記処理槽内を減圧することによって、前記炭化物から前記第２有機溶媒を気化させる、請求項１０に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項13】
前記第１有機溶媒は、大気圧かつ４０℃以下で液化する、請求項１乃至１２のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項14】
前記第１有機溶媒は、３０℃における蒸気圧が５０ｍｍＨｇ以上である、請求項１乃至１３のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項15】
前記第２有機溶媒は、大気圧かつ４０℃以下で液化する、請求項９乃至１２のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項16】
前記第２有機溶媒は、３０℃における蒸気圧が５０ｍｍＨｇ以上である、請求項９乃至１２及び１５のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項17】
前記金属化合物溶液から気化して回収された気体状の前記第１有機溶媒を貯留し、
前記気体状の前記第１有機溶媒を、前記金属担持炭化物の製造工程に再利用する、請求項１乃至１６のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
前記気体状の前記第１有機溶媒を、前記金属担持炭化物の製造工程に再利用する、請求項１乃至１６のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項18】
前記アルカリ溶液から気化して回収された気体状の前記第２有機溶媒を貯留し、
前記気体状の前記第２有機溶媒を、前記金属担持炭化物の製造工程に再利用する、請求項９乃至１２、１５及び１６のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
前記気体状の前記第２有機溶媒を、前記金属担持炭化物の製造工程に再利用する、請求項９乃至１２、１５及び１６のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項19】
前記第１金属化合物は、鉄化合物である、請求項１乃至１８のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項20】
前記金属化合物溶液は、塩化物溶液又は硝酸化物溶液であり、
前記塩化物溶液又は前記硝酸化物溶液が染みこんだ前記炭化物から前記第１有機溶媒を気化させて前記炭化物を乾燥し、
乾燥した前記炭化物の孔の中の前記第１金属化合物の塩化物又は硝酸化物を還元する、請求項１乃至１９のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
前記塩化物溶液又は前記硝酸化物溶液が染みこんだ前記炭化物から前記第１有機溶媒を気化させて前記炭化物を乾燥し、
乾燥した前記炭化物の孔の中の前記第１金属化合物の塩化物又は硝酸化物を還元する、請求項１乃至１９のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項21】
前記第２有機溶媒が気化した前記炭化物を乾燥し、
前記第１金属化合物の水酸化物を還元する、請求項９乃至１２、１５、１６及び１８のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
前記第１金属化合物の水酸化物を還元する、請求項９乃至１２、１５、１６及び１８のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項22】
第１金属化合物を第１有機溶媒に溶解して金属化合物溶液を生成する溶液生成装置と、
前記溶液生成装置に接続され、前記金属化合物溶液が染みこんだ炭化物から前記第１有機溶媒を気化する乾燥装置と、
前記乾燥装置に接続され、気化した前記第１有機溶媒を回収して前記溶液生成装置に供給する回収装置と、を備える炭化物製造装置。
前記溶液生成装置に接続され、前記金属化合物溶液が染みこんだ炭化物から前記第１有機溶媒を気化する乾燥装置と、
前記乾燥装置に接続され、気化した前記第１有機溶媒を回収して前記溶液生成装置に供給する回収装置と、を備える炭化物製造装置。
【請求項23】
前記乾燥装置は、前記炭化物が前記金属化合物溶液に浸漬した状態で、前記炭化物を密閉可能な処理槽内の圧力を調整する調圧機構を有する、請求項２１に記載の炭化物製造装置。
【請求項24】
前記回収装置、前記溶液生成装置、及び前記乾燥装置に接続され、前記回収装置によって回収された気体状の前記第１有機溶媒を貯留し、貯留された前記気体状の前記第１有機溶媒を前記溶液生成装置及び前記乾燥装置に供給するガス貯留装置をさらに備える、請求項２１又は２２に記載の炭化物製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は金属担持炭化物の製造方法及び炭化物製造装置に関する。
【背景技術】
【0002】
大気中の二酸化炭素の量を削減するために、二酸化炭素を人為的に回収し地中に貯留する技術が知られている。例えば、樹木や農作物等のバイオマスを利用して大気中の二酸化炭素を吸収させ、当該二酸化炭素を有機炭素として固定することができる。しかし、これらのバイオマスは有機物であることから、そのまま地中に貯留しても、腐敗や分解が起きるだけで、大気中に二酸化炭素を再放出することになる。一方、バイオマスは、酸素を遮断した状態で加熱すると、酸素原子や水素原子が脱離し、炭素分と灰分からなる炭化物を生成することができる。この炭化物は炭素の塊であることから、酸素の存在下において、高温で加熱しないかぎり燃焼されない。つまり、炭化物は環境中（地中）では非常に安定であり、ほとんど分解されることはない。
【0003】
これらの炭化物を、例えば建設材料などの産業分野の製品と置き換えることにより、二酸化炭素を社会生活環境下に固定することができ、さらに地中に埋設することで地中に隔離貯留することができる。つまり、炭化物の利用促進を図ることは、大気中の二酸化炭素の削減に繋がる。
【0004】
また、炭化物は土壌の土質を改善する効果を有する。しかしながら、炭化物の製造にかかるコストを考慮すると、単に炭化物を土壌の土質改善のためだけに利用することは、その製造コストに見合わない。
【0005】
他方、炭化物は多孔質であるため、表面積が非常に大きいことが知られている。この表面積の大きさを利用して、炭化物は多様な物質の吸着材として用いられている。例えば、特許文献１では、カルシウムを担持した炭化物を用いたリン回収材が記載されている。このようなリン回収材を用いてリンを吸着させることで、リンが自然水域に排出されることによる水質汚染を抑制することができる。さらに、リンを吸着したリン回収材を農地に埋めると、農作物が根から放出する有機酸により当該リン回収材に吸着したリンが溶解される。すなわち、このリンは農作物の肥料として機能するため、リン回収材が埋められた農地の収量を向上させる、又は良質な農作物を成長させることができる。
【0006】
このように、単に土壌の土質改善のためだけではなく、例えば、ある有害物質を吸着させることで、環境汚染を抑制することができる炭化物、又は、その有害物質を他の用途に適用することができる炭化物の需要が増加してきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２００７－７５７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、特許文献１のリン回収材では、籾殻又は珪藻土等のようにケイ素を多く含む材料を用いる必要がある。ケイ素を多く含む材料を用いる場合、リン回収材の製造量に限界がある。また、リンなどの物質を吸着することができる許容量に限界がある。つまり、浄化材としての機能は材料由来の物性に制限されている。
【0009】
また、ゼロ価の鉄などの金属にはリンやヒ素などを吸着する効果があることが知られているが、炭化物に金属を直接充填しようとしても、炭化物のマクロ孔、メソ孔、ミクロ孔の孔径が小さいため、そのままでは炭化物の内部に十分に金属を充填することができない。金属化合物の溶液をこれらの孔に充填することは可能だが、担持後には溶媒を乾燥させる必要がある。この金属化合物溶液の溶媒として水を使用した場合は、気化のためのエネルギーが大きいため、金属化合物を担持する炭化物を製造するために多くの電力または燃料及び時間を要する。一方、上記溶媒として有機溶媒を使用した場合は、気化しやすいが、水よりも高い薬剤費や、作業員が気化した有機溶媒に暴露することによる健康への悪影響や、排ガス対策等でコストが嵩む。
【0010】
さらに、炭化物は前述の通り、様々なサイズの細孔を多く含むため、湿度を調整する効果が知られている。床下調湿材として使われてはいるが、炭化物の成分は炭素化した炭素が主成分であることや、空隙を多く含むために、壁材等の建設材料として利用するには、脆くて使用することができないといった課題がある。炭化物の強度をあげることができれば、建設材料を含めたあらゆる用途に炭化物を活用でき、ひいては二酸化炭素を固定することができる。
【0011】
つまり、炭化物の細孔を生かし、表面に効率的に金属を担持させる手法や、炭化物の細孔を金属充填し、強度を高めた新たな金属複合炭化物が求められている。いずれの方法も、金属化合物を炭化物に効率的に充填する方法や、充填量をコントロールする方法が求められている。
【0012】
本発明の一実施形態は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、多様な金属を効率的に炭化物に担持させることのできる製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明の一実施形態にかかる金属担持炭化物の製造方法は、第１金属化合物が第１有機溶媒に溶解した金属化合物溶液を炭化物に染みこませ、前記金属化合物溶液が染みこんだ前記炭化物から前記第１有機溶媒を気化させて、前記炭化物に前記第１金属化合物を担持させ、前記金属化合物溶液から気化した前記第１有機溶媒を回収し、前記金属化合物溶液から回収された前記第１有機溶媒を、第２金属化合物の溶解に再利用する。
【0014】
前記金属化合物溶液から気化した前記第１有機溶媒を液化して回収してもよい。
【0015】
前記炭化物を密閉可能な処理槽において、前記炭化物を前記金属化合物溶液に浸漬させた状態で、前記処理槽内を減圧することによって、前記金属化合物溶液を前記炭化物に染みこませてもよい。
【0016】
前記炭化物を前記金属化合物溶液に浸漬させた状態で、前記処理槽内を減圧した後に、前記処理槽内の温度における前記第１有機溶媒の蒸気圧よりも高い圧力まで前記処理槽内の圧力を上げてもよい。
【0017】
前記金属化合物溶液が染みこんだ前記炭化物が気相中に配置された状態で、前記処理槽内を減圧することによって、前記炭化物から前記第１有機溶媒を気化させてもよい。
【0018】
前記炭化物を前記金属化合物溶液に浸漬させた状態における前記処理槽内の減圧、及び前記金属化合物溶液が染みこんだ前記炭化物が気相中に配置された状態における前記処理槽内の減圧は、同じ処理槽で行われてもよい。
【0019】
前記処理槽は、第１処理槽及び第２処理槽を含み、前記第１処理槽において、前記炭化物を前記金属化合物溶液に浸漬させた状態における減圧が行われているときに、前記第２処理槽において、前記金属化合物溶液が染みこんだ前記炭化物が気相中に配置された状態における減圧が行われ、前記第１処理槽において、前記金属化合物溶液が染みこんだ前記炭化物が気相中に配置された状態における減圧が行われているときに、前記第２処理槽において、前記炭化物を前記金属化合物溶液に浸漬させた状態における減圧が行われてもよい。
【0020】
前記金属化合物溶液から回収された前記第１有機溶媒を、前記第２金属化合物の溶解に代えて、前記炭化物の中に担持された前記第１金属化合物の水酸化物化に用いられるアルカリの溶解に再利用してもよい。
【0021】
第１アルカリが第２有機溶媒に溶解したアルカリ溶液を、前記第１有機溶媒が気化した前記炭化物に染みこませて、前記炭化物の孔の中の前記第１金属化合物の水酸化物を生成し、前記アルカリ溶液が染みこんだ前記炭化物から前記第２有機溶媒を気化させ、前記アルカリ溶液から気化した前記第２有機溶媒を回収し、前記アルカリ溶液から回収された前記第２有機溶媒を、第２アルカリ又は前記第２金属化合物の溶解に再利用してもよい。
【0022】
本発明の一実施形態にかかる金属担持炭化物の製造方法は、第１金属化合物が第１有機溶媒に溶解した金属化合物溶液を炭化物に染みこませ、第１アルカリが第２有機溶媒に溶解したアルカリ溶液を、前記第１金属化合物を含む前記炭化物に染みこませて、前記炭化物の孔の中の前記第１金属化合物の水酸化物を生成し、前記アルカリ溶液が染みこんだ前記炭化物から前記第２有機溶媒を気化させて、前記炭化物に前記水酸化物を担持させ、前記アルカリ溶液から気化した前記第２有機溶媒を回収し、前記アルカリ溶液から回収された前記第２有機溶媒を、第２金属化合物又は第２アルカリの溶解に用いる。
【0023】
前記アルカリ溶液から気化した前記第２有機溶媒を液化して回収してもよい。
【0024】
前記炭化物を密閉可能な処理槽において、前記アルカリ溶液が染みこんだ前記炭化物が気相中に配置された状態で、前記処理槽内を減圧することによって、前記炭化物から前記第２有機溶媒を気化させてもよい。
【0025】
前記第１有機溶媒は、大気圧かつ４０℃以下で液化してもよい。
【0026】
前記第１有機溶媒は、３０℃における蒸気圧が５０ｍｍＨｇ以上であってもよい。
【0027】
前記第２有機溶媒は、大気圧かつ４０℃以下で液化してもよい。
【0028】
前記第２有機溶媒は、３０℃における蒸気圧が５０ｍｍＨｇ以上であってもよい。
【0029】
前記溶液から気化して回収された気体状の前記第１有機溶媒を貯留し、前記気体状の前記第１有機溶媒を、前記金属担持炭化物の製造工程に用いてもよい。
【0030】
前記アルカリ溶液から気化して回収された気体状の前記第２有機溶媒を貯留し、前記気体状の前記第２有機溶媒を、前記金属担持炭化物の製造工程に再利用してもよい。
【0031】
前記第１金属化合物は、鉄化合物であってもよい。
【0032】
前記金属化合物溶液は、塩化物溶液又は硝酸化物溶液であり、前記塩化物溶液又は前記硝酸化物溶液が染みこんだ前記炭化物から前記第１有機溶媒を気化させて前記炭化物を乾燥し、乾燥した前記炭化物の孔の中の前記第１金属化合物の塩化物又は硝酸化物を還元してもよい。
【0033】
前記第２有機溶媒が気化した前記炭化物を乾燥し、前記第１金属化合物の水酸化物を還元してもよい。
【0034】
本発明の一実施形態にかかる炭化物製造装置は、第１金属化合物を第１有機溶媒に溶解して金属化合物溶液を生成する溶液生成装置と、前記溶液生成装置に接続され、前記金属化合物溶液が染みこんだ炭化物から前記第１有機溶媒を気化する乾燥装置と、前記乾燥装置に接続され、気化した前記第１有機溶媒を回収して前記溶液生成装置に供給する回収装置と、を備える。
【0035】
前記乾燥装置は、前記炭化物が前記金属化合物溶液に浸漬した状態で、前記炭化物を密閉可能な処理槽内の圧力を調整する調圧機構を有してもよい。
【0036】
前記回収装置、前記溶液生成装置、及び前記乾燥装置に接続され、前記回収装置によって回収された気体状の前記第１有機溶媒を貯留し、貯留された前記気体状の前記第１有機溶媒を前記溶液生成装置及び前記乾燥装置に供給するガス貯留装置をさらに備えてもよい。
【発明の効果】
【0037】
本発明の一実施形態によれば、多様な金属を効率的に炭化物に担持させることのできる製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造方法における有機溶媒の再利用方法を示すフローチャートである。
【図2】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置の構成を示す図である。
【図3】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置における溶液生成装置の構成を示す図である。
【図4】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置における減圧浸透乾燥装置の構成を示す図である。
【図5】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置における減圧浸透乾燥装置の構成を示す図である。
【図6】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置における減圧浸透乾燥装置の昇降機構を示す図である。
【図7】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置における有機溶媒回収装置の構成を示す図である。
【図8】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置におけるガス貯留装置の構成を示す図である。
【図9】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造方法を示すフローチャートである。
【図10】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物に用いられる炭化物の孔形状を示す断面図である。
【図11】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造方法を示す図である。
【図12】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造方法を示す図である。
【図13】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造方法を示す図である。
【図14】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置における還元炉の構成を示す図である。
【図15】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置における減圧浸透乾燥装置の構成を示す図である。
【図16】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造方法における有機溶媒の再利用方法を示すフローチャートである。
【図17】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置の構成を示す図である。
【図18】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造方法を示すフローチャートである。
【図19】本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造方法を示すフローチャートである。
【図20】本発明の一実施例において用いられる溶媒の蒸気圧曲線の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0039】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態における金属担持炭化物及びその製造方法について説明する。但し、本発明の一実施形態における金属担持炭化物及びその製造方法は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す例の記載内容に限定して解釈されない。なお、本実施の形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号又は同一の符号の後にアルファベットを付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0040】
以下の実施形態では、金属担持炭化物として、例えばゼロ価の鉄のように金属を担持する炭化物や、塩化鉄又は水酸化鉄のように金属化合物を担持する炭化物を例示するが、炭化物が担持する材料は上記の材料に限定されない。金属炭化物は鉄以外の金属を担持していてもよく、鉄以外の金属化合物を担持していてもよい。担持する対象物が金属の場合であっても、金属化合物の場合であっても、炭化物が金属を含む対象物を担持するため、上記のような炭化物を金属担持炭化物という。金属担持炭化物に用いられる多孔質材として、木材が炭化した炭化物について例示するが、この構成に限定されない。例えば、炭化物は木材以外の有機物が炭化したものであってもよい。また、多孔質材は、炭化物以外の多孔質な部材であってもよい。また、特に技術的な矛盾が生じない限り、異なる実施形態間の技術を組み合わせることができる。
【0041】
〈第１実施形態〉
［金属担持炭化物１０の製造方法］
図１及び図２を用いて、第１実施形態に係る金属担持炭化物１０及びその製造方法について説明する。本実施形態において、金属担持炭化物１０（図２参照）に用いられる炭化物１００の孔の中に金属化合物を導入する方法として、金属化合物１２１（図２参照）を含む金属化合物溶液１２０（図２参照）を炭化物１００の孔の中に染みこませる方法が用いられる。この金属化合物溶液１２０の溶媒として有機溶媒１２３、１２５（図２参照）が用いられ、炭化物１００の孔の中に染みこんだ金属化合物溶液１２０を乾燥する際に気化した有機溶媒（有機溶媒ガス１２７（図２参照））が金属化合物溶液１２０を生成するための有機溶媒として再利用される構成について説明する。
［金属担持炭化物１０の製造方法］
図１及び図２を用いて、第１実施形態に係る金属担持炭化物１０及びその製造方法について説明する。本実施形態において、金属担持炭化物１０（図２参照）に用いられる炭化物１００の孔の中に金属化合物を導入する方法として、金属化合物１２１（図２参照）を含む金属化合物溶液１２０（図２参照）を炭化物１００の孔の中に染みこませる方法が用いられる。この金属化合物溶液１２０の溶媒として有機溶媒１２３、１２５（図２参照）が用いられ、炭化物１００の孔の中に染みこんだ金属化合物溶液１２０を乾燥する際に気化した有機溶媒（有機溶媒ガス１２７（図２参照））が金属化合物溶液１２０を生成するための有機溶媒として再利用される構成について説明する。
【0042】
図１は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造方法における有機溶媒の再利用方法を示すフローチャートである。図２は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置の構成を示す図である。図２に示す金属担持炭化物の製造装置３００は、溶液生成装置３１０、有機溶媒補充タンク３２０、減圧浸透乾燥装置３３０、有機溶媒回収装置３４０、ガス貯留装置３５０、及び活性炭吸着塔３６０を有する。以下に、製造装置３００を用いた金属担持炭化物１０の製造方法について説明する。
【0043】
図１に示すように、まずステップＳ１１で、金属化合物１２１を有機溶媒１２３、１２５に溶解することで金属化合物溶液１２０を生成する。図２に示すように、金属化合物溶液１２０の生成は、溶液生成装置３１０で行われる。溶液生成装置３１０は、有機溶媒補充タンク３２０、減圧浸透乾燥装置３３０、有機溶媒回収装置３４０、及びガス貯留装置３５０に接続されている。有機溶媒補充タンク３２０から、未使用の有機溶媒１２３が溶液生成装置３１０に供給される。同様に、有機溶媒回収装置３４０から、金属化合物溶液１２０から回収された有機溶媒ガス１２７が液化された、液体状の有機溶媒１２５（再生された有機溶媒１２５）が溶液生成装置３１０に供給される。
【0044】
溶液生成装置３１０には、後述する金属化合物投入口３１０１（図３参照）が設けられており、そこから金属化合物１２１が溶液生成装置３１０に投入される。上記のような構成によって、溶液生成装置３１０内で、金属化合物１２１が未使用の有機溶媒１２３及び再生された有機溶媒１２５に溶解される。ここで、未使用な有機溶媒１２３とは、減圧浸透乾燥装置３３０で使用された金属化合物溶液１２０から回収され、再生された有機溶媒１２５を除く有機溶媒であり、まだ製造装置３００内で金属化合物１２１が溶解していない有機溶媒である。
【0045】
本実施形態では、金属化合物溶液１２０として、鉄を有機溶媒に溶解した溶液が用いられる。具体的には、金属化合物溶液１２０として、無機鉄又は無機鉄化合物が溶解された塩化第１鉄溶液（ＦｅＣｌ２）、塩化第２鉄溶液（ＦｅＣｌ３）、硝酸第１鉄溶液（Ｆｅ（ＮＯ３）２）、又は硝酸第２鉄溶液（Ｆｅ（ＮＯ３）３）が用いられる。又は、金属化合物溶液１２０として、有機鉄化合物としてたんぱく質と結合したヘム鉄が溶解された溶液も使用できる。ヘム鉄が含まれる動物の血液などの廃棄物を利用してもよい。これらの溶液を特に区別しない場合、単に鉄溶液という場合がある。なお、金属化合物溶液１２０は上記の鉄溶液に限定されず、上記以外の鉄を含む溶液であってもよい。
【0046】
金属化合物溶液１２０に用いられる有機溶媒は、水よりも蒸気圧が高く、常温で液体であり、溶質である金属化合物を溶かすことができる溶媒であれば特に指定はない。例えば、当該有機溶媒として、３０℃における蒸気圧が５０ｍｍＨｇ以上であるものを用いることができる。例えば、金属化合物溶液１２０の溶媒として、エタノール、メタノール、アセトン、ジエチルエーテル、酢酸エチル、酢酸メチル、ジクロルメタン、イソプロピルアルコール、ノルマルヘキサン、ベンゼン、クロロホルム、四塩化炭素、ジクロロエタン、ジクロロエチレン、トリクロルエチレン、メチルエチエルケトン、二硫化炭素、テトラヒドロフラン、トリクロルエタンなどの有機溶媒を用いることができる。例えば、塩化鉄や硝酸鉄を金属化合物として用いる場合は、これらの金属化合物が可溶なエタノール及びメタノールなどのアルコール、アセトン、並びにジエチルエーテルなどを有機溶媒として用いることができる。
【0047】
また、金属化合物溶液１２０から回収された気体状の有機溶媒ガス１２７が、ガス貯留装置３５０から溶液生成装置３１０及び減圧浸透乾燥装置３３０に供給される。このような構成によって、溶液生成装置３１０内及び減圧浸透乾燥装置３３０内の雰囲気は有機溶媒ガス１２７で満たされる。
【0048】
金属化合物溶液１２０における金属化合物１２１の濃度は、有機溶媒１２３、１２５への溶解度よりも低く、１ｗｔ％（重量パーセント濃度）以上とすることができる。より具体的には、金属化合物１２１として塩化鉄又は硝酸鉄が用いられ、有機溶媒１２３、１２５としてメタノール、エタノール、アセトン、又はヘキサンが用いられた場合、金属化合物溶液１２０に含まれる金属化合物１２１の重量パーセント濃度を、１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下、５ｗｔ％以上３５ｗｔ％以下、又は１０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下とすることができる。
【0049】
溶液生成装置３１０で生成された金属化合物溶液１２０は減圧浸透乾燥装置３３０に供給される。そして、図１のステップＳ１３で、減圧浸透乾燥装置３３０内において金属化合物溶液１２０（第１金属化合物）を炭化物１００に染みこませる。詳細は後述するが、炭化物１００を金属化合物溶液１２０に浸漬し、その状態でこれらが配置された処理槽内を調圧することで、炭化物１００の孔の中に金属化合物溶液１２０を染みこませる。つまり、減圧浸透乾燥装置３３０は金属化合物溶液１２０が配置された処理槽内の圧力を調整する調圧機構を有している。ステップＳ１３によって、金属化合物溶液１２０を介して炭化物１００の孔の中に金属化合物１２１を導入する。
【0050】
続いて、図１のステップＳ１５で、金属化合物溶液１２０が染みこんだ炭化物１００から有機溶媒１２３、１２５を気化させる。詳細は後述するが、上記炭化物１００が配置された処理槽内を減圧することで、有機溶媒１２３、１２５を気化させる。この気化は、炭化物１００が気相中に配置された状態で行われる。ステップＳ１５によって、金属化合物溶液１２０中の金属化合物１２１を、炭化物１００の孔の内壁に析出させる。つまり、ステップＳ１５によって、炭化物１００に金属化合物１２１を担持させる。このようにして、金属担持炭化物１０を形成する。
【0051】
減圧浸透乾燥装置３３０で気化された有機溶媒ガス１２７は、有機溶媒回収装置３４０に送られる。つまり、図１のステップＳ１７で、金属化合物溶液１２０から気化した有機溶媒ガス１２７を回収する。ステップＳ１７で回収された有機溶媒ガス１２７は、一部が冷却又は加圧されて液化し、液体状の有機溶媒１２５（再生された有機溶媒１２５）として溶液生成装置３１０に供給される。例えば、有機溶媒ガス１２７は、大気圧下で４０℃以下に冷却されることで液化することができる。ステップＳ１７で回収され、液化されなかった有機溶媒ガス１２７は、気体状のままガス貯留装置３５０に送られる。再生された有機溶媒１２５は、溶液生成装置３１０内で、他の金属化合物１２１（第２金属化合物）を溶解する溶媒として用いられる。つまり、ステップＳ１７で回収された有機溶媒の一部は、金属化合物１２１を溶解する有機溶媒１２５として再利用される（図１のステップＳ１９）。なお、図１及び図２の例では、再生された有機溶媒を、金属化合物１２１を溶解する溶媒として再利用された構成を例示したが、この構成に限定されず、再生された有機溶媒が他の用途で用いられてもよい。例えば、再生された有機溶媒が、後述するアルカリの溶解に用いられてもよい。
【0052】
有機溶媒回収装置３４０によって回収された有機溶媒ガス１２７のうち、液化されなかった有機溶媒ガス１２７は、ガス貯留装置３５０に送られる。ガス貯留装置３５０は、回収された有機溶媒ガス１２７を貯留し、必要に応じて貯留した有機溶媒ガス１２７を溶液生成装置３１０及び減圧浸透乾燥装置３３０に供給する。つまり、ステップＳ１７で回収された有機溶媒の一部は、気体状の有機溶媒ガス１２７として金属担持炭化物１０の製造工程に再利用される。
【0053】
ガス貯留装置３５０に送られた有機溶媒ガス１２７のうち、ガス貯留装置３５０の所定量を超える余剰ガスは、活性炭吸着塔３６０に送られる。この余剰ガスのうち、環境に対して有害な成分は活性炭吸着塔３６０の活性炭に吸着され、無害な成分だけが大気に放出される。この余剰ガスは、ガス貯留装置３５０から活性炭吸着塔３６０に送られてもよく、有機溶媒回収装置３４０から活性炭吸着塔３６０に送られてもよい。
【0054】
以上のように、本実施形態に係る金属担持炭化物１０の製造方法によると、金属担持炭化物１０を製造しつつ、その製造に用いられた金属化合物溶液１２０の有機溶媒の一部を再利用することで、有機溶媒が製造装置３００の外に排出される量を低減することができる。このため、金属担持炭化物１０の製造における環境負荷を低減することができ、有機溶媒の無害化に用いられる活性炭の寿命を長くすることができる。また、有機溶媒の使用量を低減することができるため、金属担持炭化物１０の製造コストを下げることができる。
【0055】
また、金属化合物溶液１２０の溶媒として、有機溶媒を用いることで、金属化合物溶液１２０を炭化物１００に染みこませた後に有機溶媒を乾燥させるために必要なエネルギーを小さくすることができるため、金属担持炭化物１０の製造に必要な燃料もしくは電力の低減及び時間の短縮を実現することができる。
【0056】
【0057】
［溶液生成装置３１０の構成］
図３は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置における溶液生成装置の構成を示す図である。図３に示すように、溶液生成装置３１０は、容器部３１０３、蓋部３１０５、及び攪拌機３１０７を有する。容器部３１０３には有機溶媒１２３、１２５が貯められている。有機溶媒１２３、１２５が貯められた空間は、容器部３１０３及び蓋部３１０５によって密閉されている。容器部３１０３及び蓋部３１０５は、有機溶媒１２３、１２５によって変質しない部材が用いられる。例えば、これらの部材として、例えばステンレスなどの金属製又は硬質プラスチックなどの樹脂製の材料を用いることができる。
図３は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置における溶液生成装置の構成を示す図である。図３に示すように、溶液生成装置３１０は、容器部３１０３、蓋部３１０５、及び攪拌機３１０７を有する。容器部３１０３には有機溶媒１２３、１２５が貯められている。有機溶媒１２３、１２５が貯められた空間は、容器部３１０３及び蓋部３１０５によって密閉されている。容器部３１０３及び蓋部３１０５は、有機溶媒１２３、１２５によって変質しない部材が用いられる。例えば、これらの部材として、例えばステンレスなどの金属製又は硬質プラスチックなどの樹脂製の材料を用いることができる。
【0058】
容器部３１０３には、未使用有機溶媒供給ライン３１１１、再生有機溶媒供給ライン３１１３、及びドレンライン３１１５が設けられている。未使用有機溶媒供給ライン３１１１はポンプ３１２１を介して有機溶媒補充タンク３２０に接続されている。ポンプ３１２１が駆動することで、有機溶媒補充タンク３２０に格納されていた未使用の有機溶媒１２３が容器部３１０３に供給される。再生有機溶媒供給ライン３１１３はポンプ３１２３を介して有機溶媒回収装置３４０に接続されている。ポンプ３１２３が駆動することで、有機溶媒回収装置３４０に格納されていた再生された有機溶媒１２５が容器部３１０３に供給され、金属化合物投入口３１０１から投入された金属化合物１２１を溶解することで、金属化合物溶液１２０が生成される。なお、有機溶媒を容器３１０３に送り出す際に、容器部３１０３内のガスがポンプ３１２１、３１２３に逆流することを抑制するために、ポンプ３１２１、３１２３のそれぞれの出口側に逆流防止弁が設けられていてもよい。
【0059】
ドレンライン３１１５は、送液ライン３１３１、排液ライン３１３３、及び予備ライン３１３５に、それぞれバルブ３0１３２、３２３４、３１３６を介して接続されている。送液ライン３１３１は減圧浸透乾燥装置３３０に接続されている。溶液生成装置３１０及び減圧浸透乾燥装置３３０はともに密閉されているため、バルブ３１３２が開いた状態で減圧浸透乾燥装置３３０内が溶液生成装置３１０内に対して陰圧になると、その圧力差によって溶液生成装置３１０内の金属化合物溶液１２０が減圧浸透乾燥装置３３０に送られる。したがって、溶液生成装置３１０と減圧浸透乾燥装置３３０との間にポンプを設けなくてもよい。ただし、これらの間に金属化合物溶液１２０を送るためのポンプを設けてもよい。
【0060】
送液ライン３１３１に空気などの気体が混入すると、上記の圧力差によって金属化合物溶液１２０を送ることができなくなる場合がある。このような場合、バルブ３１３６を介して空気を抜く、又はバルブ３１３６を介して有機溶媒１２３、１２５又は金属化合物溶液１２０を供給し、空気を排除することで、上記の不具合を解消することができる。溶液生成装置３１０から金属化合物溶液１２０を排出する場合は、バルブ３１３４を開けることで、金属化合物溶液１２０を排液ライン３１３３に流すことができる。
【0061】
蓋部３１０５には、上述した金属化合物投入口３１０１及びガス導入口３１４１が設けられている。金属化合物投入口３１０１は、開閉可能な構造を有しており、金属化合物１２１を投入するとき以外は、容器部３１０３及び蓋部３１０５によって囲まれた空間を密閉する。ガス導入口３１４１は、ガス供給ライン３１４３及び空気供給ライン３１４５に、それぞれバルブ３１４４、３１４６を介して接続されている。ガス供給ライン３１４３はガス貯留装置３５０に接続されている。
【0062】
上記のように、溶液生成装置３１０は密閉されているため、溶液生成装置３１０内の金属化合物溶液１２０が減圧浸透乾燥装置３３０に送られると、金属化合物溶液１２０の液面が低下しただけ溶液生成装置３１０内が減圧され、減圧浸透乾燥装置３３０と溶液生成装置３１０との間の圧力差が小さくなってしまう。当該圧力差が小さくなると、金属化合物溶液１２０を減圧浸透乾燥装置３３０に送る力が小さくなってしまう。このような不具合を抑制するために、ガス導入口３１４１を介して溶液生成装置３１０内に有機溶媒ガス１２７又は空気を導入する。バルブ３１４４が開いた状態で溶液生成装置３１０内が減圧されると、溶液生成装置３１０とガス貯留装置３５０との間の圧力差によって、有機溶媒ガス１２７が溶液生成装置３１０内に供給される。ここで、溶液生成装置３１０に供給される有機溶媒ガス１２７の容積は、減圧浸透乾燥装置３３０に送られた金属化合物溶液１２０の容積と同じである。また、有機溶媒補充タンク３２０及び有機溶媒回収装置３４０から溶液生成装置３１０に有機溶媒１２３、１２５を補充する場合、補充された溶媒の容積分のガスをガス貯留装置３５０に流してもよい。なお、有機溶媒ガスが十分に供給可能な場合は、空気供給ライン３１４５及びバルブ３１４６を省略してもよい。
【0063】
攪拌機３１０７は、動力源３１５１、動力源３１５１によって回転する回転軸３１５３、及び回転軸３１５３に取り付けられたフィン３１５５を備える。このフィン３１５５が回転軸３１５３を中心に回転することで、容器部３１０３に貯まった金属化合物１２１及び有機溶媒１２３、１２５を攪拌し、金属化合物１２１の有機溶媒１２３、１２５への溶解を促進する。
【0064】
［減圧浸透乾燥装置３３０の構成］
図４及び図５は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置における減圧浸透乾燥装置の構成を示す図である。図４では、炭化物１００が入ったケース５００が金属化合物溶液１２０に浸漬された状態を示す。図５では、ケース５００が金属化合物溶液１２０の液面上に持ち上げられた状態を示す。ケース５００は、その内部空間を囲む形状であり、当該内部空間に炭化物１００が格納された状態で金属化合物溶液１２０に沈められている。つまり、ケース５００は、炭化物１００が浮き上がって金属化合物溶液１２０の液面より上に出ることを抑制し（図４参照）、ケース５００を減圧浸透乾燥装置３３０から取り出す際に金属化合物溶液１２０を下に落としながら炭化物１００を持ち上げることができる（図５参照）。なお、ケース５００は支持部材５１０によって支持されており、支持部材５１０の昇降に伴ってケース５００が昇降する。
図４及び図５は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置における減圧浸透乾燥装置の構成を示す図である。図４では、炭化物１００が入ったケース５００が金属化合物溶液１２０に浸漬された状態を示す。図５では、ケース５００が金属化合物溶液１２０の液面上に持ち上げられた状態を示す。ケース５００は、その内部空間を囲む形状であり、当該内部空間に炭化物１００が格納された状態で金属化合物溶液１２０に沈められている。つまり、ケース５００は、炭化物１００が浮き上がって金属化合物溶液１２０の液面より上に出ることを抑制し（図４参照）、ケース５００を減圧浸透乾燥装置３３０から取り出す際に金属化合物溶液１２０を下に落としながら炭化物１００を持ち上げることができる（図５参照）。なお、ケース５００は支持部材５１０によって支持されており、支持部材５１０の昇降に伴ってケース５００が昇降する。
【0065】
ケース５００には、金属化合物溶液１２０が通過可能な大きさ、かつ、炭化物１００が通過できない大きさの開口が設けられている。当該開口のサイズは、例えば０．０５ｍｍ以上５０ｍｍ以下、０．２ｍｍ以上２０ｍｍ以下、又は０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。ケース５００として、例えばステンレスなどの金属製又は硬質プラスチックなどの樹脂製の網状の籠を用いることができる。なお、ここではケース５００が炭化物１００の上下左右を囲んだ構成を例示したが、この構成に限定されない。例えば、ケース５００は、炭化物１００が上方に浮き上がることを抑制するように炭化物１００の上方を覆い、ケース５００を減圧浸透乾燥装置３３０から取り出す際に炭化物１００を持ち上げることができるように、炭化物１００の下方に設けられた形状であればよい。
【0066】
図４に示すように、減圧浸透乾燥装置３３０は、容器部３３０１及び蓋部３３０３を有し、これらによって炭化物１００を密閉することができる。容器部３３０１及び蓋部３３０３を併せて処理槽という場合がある。減圧浸透乾燥装置３３０として、金属化合物溶液１２０によって変質せず、減圧に耐えられる部材が用いられる。減圧浸透乾燥装置３３０として、例えばステンレスなどの金属製又は硬質プラスチックなどの樹脂製の材料を用いることができる。容器部３３０１は、金属化合物溶液１２０を貯めることが可能な形状を有する。蓋部３３０３は、容器部３３０１の上部に脱着可能に設けられる。容器部３３０１にはドレンライン３３１１が設けられている。ドレンライン３３１１は、バルブ３３１３を介して排液ライン３３１５に接続されている。減圧浸透乾燥装置３３０から金属化合物溶液１２０を排出する場合は、バルブ３３１３を開けることで、金属化合物溶液１２０を排液ライン３３１５に流すことができる。なお、容器部３３０１の形状は、有底の四角柱状であってもよく、有底の多角柱状であってもよく、有底の円柱状であってもよい。
【0067】
蓋部３３０３には、給液ライン３３２１が設けられている。給液ライン３３２１は、バルブ３３２３及び逆止弁３３２５を介して、溶液生成装置３１０に接続された送液ライン３１３１に接続されている。逆止弁３３２５は、送液ライン３１３１から給液ライン３３２１に向かう方向のみに金属化合物溶液１２０を流し、その逆方向の流れを規制する。バルブ３３２３は、液面計３３２７に接続されており、液面計３３２７の液面計測結果に応じて開閉を制御する。図４の例では、液面計３３２７としてボールタップが用いられているが、この構成に限定されない。液面計３３２７は、後述する図５のように炭化物１００が入ったケース５００が液面上に持ち上げられた状態における液面の高さを計測する。そのため、図４では、液面計３３２７が液中に沈んでいる。
【0068】
蓋部３３０３には、上記の給液ライン３３２１以外に、ガス導入口３３３１及び排気口３３３３が設けられている。ガス導入口３３３１は、ガス供給ライン３３３５及び空気供給ライン３３３７に、それぞれバルブ３３３６、３３３８を介して接続されている。ガス供給ライン３３３５はガス貯留装置３５０に接続されている。排気口３３３３は、バルブ３３３２及び真空ポンプ３３３４を介して有機溶媒回収装置３４０に接続されている。また、蓋部３３０３には真空圧力計３３４０が接続されている。真空圧力計３３４０は、減圧浸透乾燥装置３３０内の圧力を測定することができる。なお、有機溶媒ガスが十分に供給可能な場合は、空気供給ライン３３３７及びバルブ３３３８を省略してもよい。なお、真空ポンプ３３３４の代わりにアスピレータが用いられてもよい。
【0069】
バルブ３３３６、３３３８を閉じた状態、かつ、バルブ３３３２を開いた状態で真空ポンプ３３３４を動作させることで、減圧浸透乾燥装置３３０の中が減圧される。バルブ３３３２を閉じた状態、かつ、バルブ３３３６を開いた状態にすることで、ガス貯留装置３５０から有機溶媒ガスが供給され、減圧浸透乾燥装置３３０の中を所定の圧力よりも高い圧力にすることができる。例えば、減圧浸透乾燥装置３３０の中を大気圧まで戻すことができる。
【0070】
図４のように、炭化物１００を金属化合物溶液１２０に浸漬した状態で、これらが配置された処理槽内を減圧し、その後所定の圧力よりも高い圧力にすることで、金属化合物溶液１２０を炭化物１００の孔の中に染みこませることができる。具体的には、減圧後に、上記処理槽内の温度における有機溶媒１２３、１２５の蒸気圧よりも高い圧力まで、上記処理槽内の圧力を上げることで、金属化合物溶液１２０を炭化物１００の孔の中に染みこませる。このとき、金属化合物溶液１２０の液面は液面計３３２７に対して十分に高い位置にあるため、バルブ３３２３は閉じた状態である。したがって、この状態で減圧浸透乾燥装置３３０内が減圧されても給液ライン３３２１から新たな金属化合物溶液１２０は供給されない。
【0071】
一方、図５のように、孔の中に金属化合物溶液１２０が染みこんだ炭化物１００を液面上に持ち上げた状態（つまり、気相中）で、炭化物１００が置かれた処理槽内を減圧することで、炭化物１００の表面及び孔の中に存在する金属化合物溶液１２０の有機溶媒１２３、１２５を気化することができる。つまり、上記の減圧によって炭化物１００の乾燥を行うことができる。このとき、金属化合物溶液１２０の液面は液面計３３２７よりも低い位置にあり、液面の高さによってバルブ３３２３の開閉を制御する。液面が低下し、バルブ３３２３が開いた状態で、減圧浸透乾燥装置３３０内が減圧されると、減圧浸透乾燥装置３３０と溶液生成装置３１０との間の圧力差が生じ、溶液生成装置３１０から減圧浸透乾燥装置３３０に金属化合物溶液１２０が供給される。
【0072】
ケース５００を減圧浸透乾燥装置３３０から取り出すときは、蓋部３３０３を開けて、炭化物１００ごとケース５００を取り出す。
【0073】
なお、本実施形態では、炭化物１００に金属化合物溶液１２０を染みこませるための減圧と、金属化合物溶液１２０が染みこんだ炭化物１００を乾燥させるための減圧とを同じ処理槽で行う製造方法を例示したが、これらの減圧を異なる処理槽で行ってもよい。
【0074】
図６は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置における減圧浸透乾燥装置の昇降機構を示す図である。図４及び図５に示す支持部材５１０は、図６に示す昇降機構５９０の一部である。昇降機構５９０は、支持部材５１０、昇降レール５２０、ワイヤ５３０、及び巻き取り部５４０を有する。支持部材５１０は昇降レール５２０に沿って移動する。支持部材５１０にはワイヤ５３０が接続されており、ワイヤ５３０が上方に引っ張られることで、支持部材５１０が上方に持ち上げられる。ワイヤ５３０は、巻き取り部５４０によって巻き取られることで上方に引っ張られる。巻き取り部５４０はワイヤ５３０を手動で巻き取ってもよく、自動で巻き取ってもよい。図６では、支持部材５１０を上方から引っ張り上げる構成を例示したが、支持部材５１０を下方から持ち上げる、いわゆるリフトアップ型の構成であってもよい。
【0075】
［有機溶媒回収装置３４０の構成］
図７は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置における有機溶媒回収装置の構成を示す図である。図７に示すように、有機溶媒回収装置３４０は、液化機構３４００、３４１０、及び貯留タンク３４２０を有する。液化機構３４００は減圧浸透乾燥装置３３０の排気口３３３３に接続されている。なお、図７では、バルブ３３３２、真空ポンプ３３３４、及び液化機構３４００には減圧浸透乾燥装置３３０で気化した有機溶媒ガス１２７が供給される。有機溶媒ガス１２７は、真空ポンプ３３３４によって有機溶媒回収装置３４０に送られるため、有機溶媒回収装置３４０（特に、液化機構３４００）の内部は大気圧又は大気圧よりも高圧の加圧状態である。この有機溶媒回収装置３４０の圧力によって、有機溶媒ガス１２７の一部は液化する。また、有機溶媒ガス１２７の他の一部は、下記の液化機構によって液化する。
図７は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置における有機溶媒回収装置の構成を示す図である。図７に示すように、有機溶媒回収装置３４０は、液化機構３４００、３４１０、及び貯留タンク３４２０を有する。液化機構３４００は減圧浸透乾燥装置３３０の排気口３３３３に接続されている。なお、図７では、バルブ３３３２、真空ポンプ３３３４、及び液化機構３４００には減圧浸透乾燥装置３３０で気化した有機溶媒ガス１２７が供給される。有機溶媒ガス１２７は、真空ポンプ３３３４によって有機溶媒回収装置３４０に送られるため、有機溶媒回収装置３４０（特に、液化機構３４００）の内部は大気圧又は大気圧よりも高圧の加圧状態である。この有機溶媒回収装置３４０の圧力によって、有機溶媒ガス１２７の一部は液化する。また、有機溶媒ガス１２７の他の一部は、下記の液化機構によって液化する。
【0076】
液化機構３４００は、容器部３４０１、冷却機構３４０３、排出口３４０５、及び排気口３４０７を有している。容器部３４０１は、密閉された空間を構成する。容器部３４０１の密閉された空間に減圧浸透乾燥装置３３０で気化された有機溶媒ガス１２７が供給される。有機溶媒ガス１２７は、容器部３４０１内で冷却機構３４０３によって冷やされて液化する。液化した有機溶媒１２５は、容器部３４０１の下方に設けられた排出口３４０５を介して貯留タンク３４２０に貯まる。液化機構３４００によって液化しなかった有機溶媒ガス１２７は、排気口３４０７を介して、液化機構３４００に隣接する液化機構３４１０に送られ、そこで液化される。液化機構３４１０の構成は、上記の液化機構３４００と同様なので、説明は省略する。なお、冷却機構３４０３は、配管内に冷却水が流れることで、その周囲を冷却する。ただし、この構成に限定されず、容器部３４０１内に冷風を送ることで冷却を行ってもよく、容器部３４０１自体を冷却してもよい。
【0077】
液化機構３４１０でも液化しなかった有機溶媒ガス１２７は、排気口３４０９から排出されて、バルブ３４１１を介してガス貯留装置３５０に送られる、又はバルブ３４１３を介して活性炭吸着塔３６０に送られる。活性炭吸着塔３６０に送られた有機溶媒ガス１２７は、環境に対して有害な成分が活性炭吸着塔３６０の活性炭に吸着され、無害な成分だけが排気口３６０１を介して大気に放出される。
【0078】
貯留タンク３４２０にはドレンライン３４２１が設けられている。ドレンライン３４２１はポンプ３４２３を介して溶液生成装置３１０に接続されている。ポンプ３４２３によって貯留タンク３４２０の有機溶媒１２５は溶液生成装置３１０に送られ、金属化合物１２１を溶解する有機溶媒として再利用される。また、液化しなかった有機溶媒ガス１２７もガス貯留装置３５０に送られて再利用される。
【0079】
図７では、液化機構が２つ接続された構成を例示したが、この構成に限定されない。液化機構は１つであってもよく、３つ以上接続されていてもよい。液化機構が１つの場合は、排気口３４０７がガス貯留装置３５０又は活性炭吸着塔３６０に送られる。
【0080】
［ガス貯留装置３５０の構成］
図８は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置におけるガス貯留装置の構成を示す図である。図８に示すように、ガス貯留装置３５０は、バルーンのような膜式のガスホルダである。ガス貯留装置３５０は、有機溶媒回収装置３４０から流入する有機溶媒ガス１２７によって膨らみ、溶液生成装置３１０及び減圧浸透乾燥装置３３０の内部が減圧され、有機溶媒ガス１２７がガス貯留装置３５０からこれらの装置に引き抜かれることで縮む。ガス貯留装置３５０には、給気口３５０１、再利用ガス供給口３５０３、低圧逃がし弁３５０９、及び安全弁３５０７、３５１７が設けられている。
図８は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置におけるガス貯留装置の構成を示す図である。図８に示すように、ガス貯留装置３５０は、バルーンのような膜式のガスホルダである。ガス貯留装置３５０は、有機溶媒回収装置３４０から流入する有機溶媒ガス１２７によって膨らみ、溶液生成装置３１０及び減圧浸透乾燥装置３３０の内部が減圧され、有機溶媒ガス１２７がガス貯留装置３５０からこれらの装置に引き抜かれることで縮む。ガス貯留装置３５０には、給気口３５０１、再利用ガス供給口３５０３、低圧逃がし弁３５０９、及び安全弁３５０７、３５１７が設けられている。
【0081】
給気口３５０１は、逆止弁３５１１及びバルブ３５１３を介して有機溶媒回収装置３４０に接続されている。逆止弁３５１１は、有機溶媒回収装置３４０からガス貯留装置３５０に向かう方向のみに有機溶媒ガス１２７を流し、その逆方向の流れを規制する。給気口３５０１のラインには真空圧力計３５１５が設けられている。圧力計３５１５はガス貯留装置３５０内の圧力を反映する。圧力計３５１５が所定の値に達した場合に、ガス貯留装置３５０の破裂を防ぐために、安全弁３５１７が開く。
【0082】
安全弁３５０７は、ガス貯留装置３５０の内部から外部に抜けるライン上に設けられている。安全弁３５０７は、ガス貯留装置３５０の破裂を防ぐために、ガス貯留装置３５０内の圧力が所定の値に達した場合に開く。低圧逃がし弁３５０９は、ガス貯留装置３５０と活性炭吸着塔３６０との間のライン上に設けられている。低圧逃がし弁３５０９は、ガス貯留装置３５０内の圧力が管理圧力（例えば０．１ｋＰａ以上５ｋＰａ以下の範囲で適宜設定される圧力値）を超した場合に開き、有機溶媒ガス１２７を活性炭吸着塔３６０に送る。
【0083】
ガス貯留装置３５０の膜の素材として、貯留対象となる有機溶媒ガス１２７によって変質しない材料が用いられる。例えば、ガス貯留装置３５０の膜の素材として、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル、ポリ塩化ビニル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリ乳酸等、ロジン、及び天然ゴムを用いることができる。また、ガス貯留装置３５０の膜として、これらの膜を複数重ねた積層膜構造を用いることができる。
【0084】
［金属担持炭化物１０の製造方法］
図９～図１４を用いて、第１実施形態に係る金属担持炭化物１０及びその製造方法について説明する。本実施形態において、金属担持炭化物１０に用いられる炭化物１００として、有機物が炭化された炭化物が用いられ、図１～図８で説明した各装置を用いて、この炭化物１００から金属担持炭化物１０を生成する方法について説明する。
図９～図１４を用いて、第１実施形態に係る金属担持炭化物１０及びその製造方法について説明する。本実施形態において、金属担持炭化物１０に用いられる炭化物１００として、有機物が炭化された炭化物が用いられ、図１～図８で説明した各装置を用いて、この炭化物１００から金属担持炭化物１０を生成する方法について説明する。
【0085】
図９は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造方法を示すフローチャートである。図１０は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物に用いられる炭化物の孔形状を示す断面図である。図１１～図１３は、それぞれ本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造方法を示す図である。図１４は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置における還元炉の構成を示す図である。
【0086】
本実施形態では、炭化物１００を形成するための有機物として木材が用いられる。有機物の炭化は、大気雰囲気に比べて酸素比が小さい雰囲気での熱処理によって行われる。なお、炭化物１００として、木材以外の有機物が炭化されたものが用いられてもよい。また、金属化合物溶液１２０に溶解する金属化合物１２１として鉄が用いられる。鉄は金属化合物溶液１２０中で鉄イオン１１０として存在し、有機溶媒が気化することで析出して鉄化合物１１１となる。
【0087】
炭化炉には主に二種類あり、炭化に必要な熱を外部から供給する炭化炉を外熱式と呼び、材料から熱を確保するものを内燃式と呼ぶ。外熱式は酸素を遮断して炭化し、内燃式は炭化に必要な最低限の熱量を確保するために必要な燃焼のための酸素を供給する。つまり、基本的には低酸素または無酸素条件下、高温で加熱するプロセスを炭化と呼ぶ。有機物を低酸素または無酸素条件下で加熱すると、昇温途中（例えば、約２８０℃）で有機物中の組成分解が始まり、有機物内の酸素、水素が、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、炭化水素などのガスとして揮発し、炭素分の多い無定形炭素に変化していく。さらに高温で加熱し続けることで、有機物内の酸素、水素がさらに減少し、純度の高い固定炭素及び灰分から構成される炭化物を形成する。このような変化により、有機物は炭化物に変わる。有機物内の水分や構成成分が揮発性ガス等として脱離し、一定量の炭素が残存するため、有機物の炭化によって形成される炭化物には多数かつ大小様々な連続多孔が形成されることになる。炭化温度の上昇に伴い炭素化が進行して形成される炭化物は、耐熱性（耐火性）、吸着性、導電性の性質を有するようになる。有機物の炭化によって形成された炭化物１００は多孔質材の一例である。この場合、炭化物１００は導電性を有している。
【0088】
ここで、図１０を用いて、炭化物１００の孔形状について説明する。図１０に示すように、炭化物１００は、マクロ孔２００、メソ孔２１０、及びミクロ孔２２０を有する。マクロ孔２００は、炭化物１００の表面に繋がる孔である。炭化物１００の内部において、マクロ孔２００が細分化されてメソ孔２１０が形成されており、メソ孔２１０が細分化されてミクロ孔２２０が形成されている。マクロ孔２００のサイズは、おおよそ５０ｎｍ～４０μｍである。メソ孔２１０のサイズは、おおよそ２ｎｍ～５０ｎｍである。ミクロ孔２２０のサイズは、おおよそ０．５ｎｍ～２ｎｍ以下である。
【0089】
図９に示すように、ステップＳ２１で、炭化物１００を金属化合物溶液１２０に浸漬する。このときの状態を図１１に示す。図１１に示すように、金属化合物溶液１２０が炭化物１００に供給されると、金属化合物溶液１２０が炭化物１００の孔（マクロ孔２００、メソ孔２１０、及びミクロ孔２２０（図１０参照））に染みこむ。これに伴い、金属化合物溶液１２０中の鉄イオン１１０も炭化物１００の孔に侵入する。つまり、炭化物１００を金属化合物溶液１２０に浸漬することで、鉄イオン１１０を炭化物１００の孔の中に染みこませる。
【0090】
ここで、メソ孔２１０及びミクロ孔２２０は、マクロ孔２００に比べてサイズが非常に小さく、その先端が炭化物１００の内部で行き止まりになっている。このため、金属化合物溶液１２０が炭化物１００の孔の中に染みこんだときに、例えばミクロ孔２２０の先端に気泡１３０が生じてしまう場合がある。図１１の例では、ミクロ孔２２０の先端にだけ気泡１３０が発生した状態を例示したが、気泡１３０はメソ孔２１０まで広がっている場合もあり、マクロ孔２００まで広がっている場合もある。気泡１３０が存在する領域には金属化合物溶液１２０が染みこむことができないため、この領域に鉄イオン１１０を供給することができない。
【0091】
このような現象を解消するために、図９のステップＳ２３において、炭化物１００が金属化合物溶液１２０に浸漬した状態で、これらが配置された処理槽内を減圧する。このときの状態を図１２に示す。図１２に示すように、炭化物１００に金属化合物溶液１２０が供給された状態で、これらが配置された処理槽内を減圧すると、図１１に示すようなミクロ孔２２０の先端に存在していた気泡１３０が孔の外に拡散される。図１２に示すように気泡１３０が孔の外に拡散されると、図１１で気泡１３０が存在していた位置に金属化合物溶液１２０が侵入することができるため、気泡１３０が存在していた領域（この例では、ミクロ孔２２０）に鉄イオン１１０を供給することができる。なお、ステップＳ２３の工程は、図４に示す状態で減圧浸透乾燥装置３３０内を減圧することで行われる。
【0092】
また、この減圧によって、金属化合物溶液１２０に含まれる有機溶媒１２３、１２５が上記の孔の中で気化する。気化した有機溶媒（有機溶媒ガス１２７）は、上記気泡１３０を押し退け、孔の中の気泡１３０を孔の外に拡散させる。有機溶媒ガス１２７は気泡１３０とともに孔の外に拡散するが、一部の有機溶媒ガス１２７は孔の中に留まる。ただし、孔の中に留まった有機溶媒ガス１２７も、後の工程（ステップＳ２５）で雰囲気の圧力がその温度における有機溶媒１２３、１２５の蒸気圧よりも高い圧力になると、有機溶媒ガス１２７は液化して、有機溶媒ガス１２７が存在していた領域に金属化合物溶液１２０が侵入する。
【0093】
なお、上記のように孔の内部に気泡１３０が生じない場合、又は孔の内部に気泡１３０が生じる場合であっても、その気泡１３０の存在が金属担持炭化物１０の特性に悪影響を及ぼさない程度であれば、このステップＳ２３及び次のステップＳ２５は省略してもよい。
【0094】
ステップＳ２５で、ステップＳ２３で減圧された雰囲気の圧力を、その雰囲気の温度における有機溶媒１２３、１２５の蒸気圧よりも高い圧力にする。圧力を蒸気圧よりも高い圧力とする際に、ガス貯留装置３５０から供給される有機溶媒ガス１２７が減圧浸透乾燥装置３３０内に供給されることで、圧力が調整される。ステップＳ２５によって、有機溶媒ガス１２７が存在していた領域に金属化合物溶液１２０が侵入する。ステップＳ２３、Ｓ２５の工程を併せて脱気という場合がある。脱気によって、気泡１３０が存在していた領域にも鉄イオン１１０が入り込む。
【0095】
この状態で炭化物１００を金属化合物溶液１２０から取り出し、ステップＳ２７で金属化合物溶液１２０を染みこませた炭化物１００の乾燥を行う。この乾燥によって金属化合物溶液１２０に含まれる有機溶媒１２３、１２５を気化する。ステップＳ２７の乾燥は、図５に示す状態で減圧浸透乾燥装置３３０内を減圧することで行われる。このとき、減圧浸透乾燥装置３３０内の温度を上げることで、有機溶媒１２３、１２５の気化を促進してもよい。
【0096】
ステップＳ２７の乾燥における減圧時間は、炭化物１００のサイズ、減圧浸透乾燥装置３３０の容量、有機溶媒１２３、１２５の蒸気圧、及び真空度によって異なるが、おおよそ１分以上１０時間以下、１０分以上３時間以下、又は２０分以上１時間以下とすることができる。また、ステップＳ２７の乾燥における圧力は、有機溶媒１２３、１２５の蒸気圧よりも低ければよい。例えば、有機溶媒１２３、１２５としてメタノールが用いられ、減圧浸透乾燥装置３３０内の温度が２０℃以上の場合、減圧時の圧力は１３ｋＰａよりも低ければよい。つまり、通常大気圧をゼロとした所定のゲージ圧で－０．１０１ＭＰａ以上－０．０８８ＭＰａ以下とすることができる。
【0097】
金属化合物溶液１２０に浸漬した後に炭化物１００を乾燥した状態を図１３に示す。図１３に示すように、金属化合物溶液１２０に含まれる有機溶媒１２３、１２５を除去することで、鉄イオン１１０が析出し、鉄化合物１１１が形成される。そして、この鉄化合物１１１が、炭化物１００の孔の中及びその表面に付着する。つまり、この状態において、金属担持炭化物１０は鉄化合物を担持している。具体的には、鉄化合物１１１はマクロ孔２００、メソ孔２１０、及びミクロ孔２２０のうち少なくともいずれか一の孔の内壁に付着する。なお、図１３では、鉄化合物１１１がこれら全ての孔の内壁に付着している。ステップＳ２１～Ｓ２５において、金属化合物溶液１２０をメソ孔２１０及びミクロ孔２２０にも供給することができるため、ステップＳ２７で鉄化合物１１１をこれらの孔の内壁に付着させることができる。
【0098】
図９のステップＳ２９で、炭化物１００の孔の中及びその表面に付着した鉄化合物１１１の還元処理が行われる。言い換えると、鉄化合物１１１は、マクロ孔２００、メソ孔２１０、及びミクロ孔２２０のうち少なくともいずれか一の孔の内壁に付着した状態で還元される。還元処理は、例えば図１４に示す還元装置１７０によって、還元ガス雰囲気での熱処理によって行われる。この還元処理によって、二価もしくは三価の鉄化合物１１１が還元され、ゼロ価の鉄になる。つまり、ステップＳ２９で、金属担持炭化物１０が担持する対象物が鉄化合物からゼロ価の鉄に変化する。このようにして、本実施形態に係る金属担持炭化物１０が製造される。金属担持炭化物１０に含まれるゼロ価の鉄が、リンやヒ素などを吸着する。また、鉄化合物１１１を孔の中に充填することで、金属担持炭化物１０の機械的強度を向上させることができるが、ゼロ価の鉄は水や有機溶媒に不溶なので、鉄化合物１１１をゼロ価の鉄に変えることで、より安定した機械的強度の向上を得ることができる。機械的強度が向上することで、金属担持炭化物１０を建設材料などの、高い強度が要求される材料として利用することができる。
【0099】
なお、本実施形態で用いられる有機物として、生立木（広葉樹、針葉樹、竹などの間伐材、林地廃材を含む）、製材工場又は木材加工工場の廃材（鋸屑、樹皮屑、チップ屑、端切材を含む）、植物性の殻、建築解体材又は家具材の木質系廃材を用いることができる。ステップＳ２１で用いられる炭化物は、例えば木炭又は竹炭である。木炭は、白炭、黒炭、オガ炭、ヤシ殻炭、モミ殻炭、粉炭を含んでもよい。
【0100】
また、本実施形態で用いられる有機物の炭化温度は、４００℃以上１２００℃以下、５００℃以上１１００℃以下、６００℃以上１０００℃以下、又は７００℃以上９００℃以下である。有機物の炭化雰囲気は、窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気、無酸素雰囲気、還元雰囲気、又は減圧雰囲気である。有機物の炭化を減圧雰囲気で行う場合、１００Ｐａ以上１０５Ｐａ以下の低真空状態、０．１Ｐａ以上１００Ｐａ以下の中真空状態、１０－５Ｐａ以上０．１Ｐａ以下の高真空状態、又は１０－５Ｐａ以下の超高真空状態で行うことができる。有機物の炭化時間は１０分以上１０日以下、１０分以上５時間以下である。また、有機物の炭化を低酸素雰囲気で行う場合、酸素濃度は０．０１％以上３％以下、又は０．１％以上１％以下で行うことができる。有機物の炭化は、内燃式もしくは外熱式で、バッチ式の開放型や密閉型の炭窯炉、連続式のロータリーキルンや揺動式炭化炉、スクリュー炉、加熱チャンバ、蓋がされた耐熱容器（坩堝）を用いて行うことができる。
【0101】
本実施形態では、有機物を炭化することで炭化物１００を得る方法を例示したが、炭化物１００として市販されたものを用いてもよい。
【0102】
本実施形態で用いられる金属化合物溶液１２０に含まれる鉄の質量パーセント濃度は１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下、５ｗｔ％以上３５ｗｔ％以下、又は１０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下である。
【0103】
ステップＳ２１で炭化物１００が金属化合物溶液１２０に浸漬する時間は、ゲージ圧に達してから１秒以上１時間以下、１０秒以上１０分以下、又は３０秒以上５分以下である。炭化物１００を金属化合物溶液１２０に浸漬後、減圧する場合、用いられる有機溶媒１２３、１２５の蒸気圧によって異なるが、おおよそゲージ圧で－０．１０１ＭＰａ以上－０．０２０ＭＰａ以下、－０．１０１ＭＰａ以上－０．０４０ＭＰａ以下、又は－０．１０１ＭＰａ以上－０．０８０ＭＰａ以下とすることができる。
【0104】
金属化合物溶液１２０に、鉄イオン１１０の分散を促進する分散剤を追加してもよい。当該分散剤として、例えば界面活性剤を用いることができる。界面活性剤として、陰イオン（アニオン）界面活性剤、陽イオン（カチオン）界面活性剤、両性（双性）界面活性剤、非イオン（ノニオン）界面活性剤、及び高分子界面活性剤を用いることができる。陰イオン界面活性剤として、脂肪酸ナトリウム、モノアルキル硫酸塩、アルキルポリオキシエチレン硫酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルエーテル硫酸エステル塩、アルキル硫酸トリエタノールアミン、及びアルキルベンゼンスルホン酸塩を用いることができる。陽イオン界面活性剤として、アルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウム塩クロリド、アルキルピリジウムクロリド、及びアルキルベンジルジメチルアンモニウム塩を用いることができる。両性界面活性剤として、アルキルジメチルアミンオキシド及びアルキルカルボキシベタインを用いることができる。非イオン界面活性剤として、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、脂肪酸ソルビタンエステル、アルキルポリグルコシド、脂肪酸ジエタノールアミド、オクチルフェノールエトキシレート、及びアルキルモノグリセリルエーテルを用いることができる。高分子界面活性剤として、ポリアクリル酸塩、ポリスチレンスルホン酸塩、ポリビニルアルコール、及びポリエチレンイミンを用いることができる。分散剤の濃度は０．０１％以上２０％以下、または０．０１％以上１％以下である。なお、炭化物は高温で炭化しないと疎水性（非親水性）を有するため、水が内部に入りにくい。このため、金属化合物溶液１２０に界面活性剤を含ませることにより、金属化合物溶液１２０を炭化物１００の内部に浸透しやすくさせることができる。
【0105】
ステップＳ２１において、炭化物１００を金属化合物溶液１２０に浸漬する前に、炭化物１００に上記の界面活性剤を供給してもいい。界面活性剤の供給は、炭化物１００の上面に塗布することで行われてもよく、界面活性剤を含む溶液に炭化物１００を浸漬することで行われてもよい。また、ステップＳ２３、Ｓ２５と同様に、界面活性剤を炭化物１００に供給した状態で脱気を行ってもよい。
【0106】
また、炭化物１００は金属化合物溶液１２０に浸漬しなくてもよい。例えば、炭化物１００の表面に金属化合物溶液１２０を塗布することで、金属化合物溶液１２０を炭化物１００の孔の中に染みこませてもよい。
【0107】
ステップＳ２３、Ｓ２５において、より効率的に気泡１３０を孔の外に拡散させるために、脱気の際に振動を与えてもよい。この振動は超音波振動であってもよい。また、脱気の際に炭化物１００を加熱してもよい。また、脱気の際に、炭化物１００を金属化合物溶液１２０中で傾ける又は回転させてもよい。脱気の際の圧力は、通常大気圧をゼロとしたゲージ圧で－０．１０１ＭＰa以上－０．０３０Ｍｐａ以下で、脱気時間は１０秒以上１時間以下、または３０秒以上１０分以下である。
【0108】
炭化物１００の孔（マクロ孔２００、メソ孔２１０、ミクロ孔２２０）に存在する空気によって、炭化物１００の多くは液面に浮いてしまう。このような状態であっても、減圧することで、上記の孔に存在する空気を炭化物１００の外に引き出し、金属化合物溶液１２０の外に排出することができる。これにより、炭化物１００の孔において、気泡１３０が存在していた領域に、鉄イオン１１０を含む金属化合物溶液１２０を充填させることができる。
【0109】
なお、上記のように減圧すると、炭化物１００内の気泡１３０が大きくなり、炭化物１００の浮力が上昇し、炭化物１００が液面上に浮いてしまう場合がある。この現象を抑制するために、金属化合物溶液１２０を入れた容器に、炭化物１００よりも小さな網目状の浮上防止板を設置してもよい。炭化物１００が液面上まで浮上してしまうと、液面上における気泡１３０と金属化合物溶液１２０との置換効率が悪くなり、また有機溶媒の蒸気圧よりも高い圧力にする際に、金属化合物溶液１２０ではなく空気が炭化物１００内に入ってしまう可能性がある。しかし、上記のようにケース５００の中に炭化物１００を配置することで、このような現象を抑制することができる。また、減圧浸透乾燥装置３３０内に有機溶媒ガス１２７を供給しておくことで、仮に上記のように炭化物１００が液面上まで浮上した状態で減圧状態から有機溶媒の蒸気圧よりも高い圧力にしたとしても、炭化物１００の孔の中に有機溶媒ガス１２７を入れることができる。
【0110】
上記のステップＳ２１～Ｓ２７の工程は、複数回繰り返し行われてもよい。また、ステップＳ２３及びＳ２５の工程が、複数回繰り返し行われてもよい。また、上記の乾燥及び還元を同一工程で行ってもよい。上記の工程を複数回繰り返すことで、炭化物１００に付着する鉄化合物１１１の量を増やすことができる。これによって、金属担持炭化物１０の機械的強度を向上させることができる。
【0111】
ステップＳ２９における鉄化合物１１１の還元温度は、少なくとも５００℃以上であればよい。還元温度の範囲は、例えば５００℃以上１２００℃以下、５００℃以上１０００℃以下、５００℃以上９００℃以下、又は７００℃以上９００℃以下である。鉄化合物１１１の還元処理に用いられる還元ガスは、一酸化炭素ガス、水素ガス、硫化水素ガス、二酸化硫黄ガス又は炭化水素ガスである。また、一酸化炭素と水素を混ぜるなど、還元ガスを混合しても構わない。さらに還元ガスは爆発性や可燃性の観点から取り扱いが難しいガスも多いため、これらを不活性ガスで希釈しても構わない。例えば、一酸化炭素濃度を１％～２０％になるように、窒素ガスで希釈することができる（つまり、窒素の濃度が９９％～８０％である）。還元時間は１分以上１０時間以下、１０分以上２時間以下である。当該還元は、バッチ式、連続式のどちらでも構わなく、加熱と還元ガス（不活性ガスとの混合でも構わない）の導入ができる構造であれば、管状炉、箱型炉を適宜用いることができる。還元性ガスとして一酸化炭素ガスを用いる場合、還元温度は、少なくとも５００℃以上であればよい。この場合の還元温度の範囲は、例えば５００℃以上１２００℃以下、５００℃以上１０００℃以下、５００℃以上９００℃以下、又は７００℃以上９００℃以下とすることができる。また、還元性ガスとして水素ガスが用いられる場合、還元温度は、少なくとも１００℃以上であればよい。この場合の還元温度の範囲は、例えば１００℃以上１２００℃以下、１００℃以上９００℃以下、又は７００℃以上９００℃以下とすることができる。
【0112】
なお、鉄化合物１１１を還元する際に、還元ガスに加えて、二酸化炭素ガス、酸素ガス、水蒸気を加え、賦活することで、還元と同時に炭化物１００に微細な孔を増やす（活性炭化する）ことができる。炭化物１００を活性炭化することで、炭化物１００の表面積をより大きくすることができる。
【0113】
図９のステップＳ２９で用いられる還元装置１７０として、例えば図１４に模式的に示した連続炉型の構造を採用することができる。ここに示した還元装置１７０は、還元炉１７２、還元炉１７２を加熱するためのヒータ１８０、及び例えば炭化装置から供給される乾留ガスを還元炉１７２に導入するための第１のガス供給管１８２を備える。第１のガス供給管１８２には、還元性ガスの流量を制御するためのバルブ１８４が設けられる。
【0114】
還元炉１７２には、金属担持炭化物１０を投入するためのロータリーバルブ１７６やホッパー１７４を設けてもよい。還元炉１７２の底部には、還元処理された金属担持炭化物１０を取り出すためのロータリーバルブ１７８を設けることができる。二つのロータリーバルブ１７６、１７８を設けることで、還元炉１７２内部に導入される乾留ガスの漏洩を抑制することができ、安全に鉄化合物１１１の還元を行うことができる。また、これらを設置することで、連続的に金属担持炭化物１０を還元炉１７２に投入し、還元処理された金属担持炭化物１０を取り出すことができる。なお、還元炉１７２の底部は傾斜を有しいてもよく（図１４の点線参照）、この構造により、金属担持炭化物１０を還元炉１７２の底部に集めることができる。還元炉１７２にはさらにガス捕集管１９４が設けられ、金属担持炭化物１０と反応した乾留ガス、あるいは過剰の乾留ガスなどがガス捕集管１９４を介して回収される。
【0115】
還元装置１７０はさらに、炭化装置で生成した還元性ガス以外の還元性ガスを供給するための第２のガス供給管１８６を有してもよい。第２のガス供給管１８６には還元性ガス源が接続される。還元性ガス源から供給される還元性ガスの流量はバルブ１８８によって制御される。これにより、例えば炭化装置で生成する還元性ガスの量が不足する場合、あるいは炭化装置が駆動していないときでも、還元装置１７０内に十分な還元性ガスを供給して金属担持炭化物１０に対して還元処理を行うことができる。還元性ガス源から供給される還元性ガスは、水素や一酸化炭素、アルカンの単体でも良く、これらの混合物でも良い。あるいは還元性ガスに窒素やアルゴンなどの不活性ガスが混合されていてもよい。
【0116】
還元装置１７０はさらに、還元炉１７２内の雰囲気（ガス）を置換するためのガス置換装置と連結される第３のガス供給管１９０を備えてもよい。乾留ガスには水素やアルカンなどの可燃性ガスや一酸化炭素などの有毒ガスが含まれるため、還元後にガス置換装置から第３のガス供給管１９０を介して、少なくとも空気、窒素、および希ガス（ヘリウム、アルゴンなど）の不活性ガスのいずれかを供給することで、未反応の乾留ガスを還元炉１７２から排出することができる。第３のガス供給管１９０には、窒素やアルゴンなどの不活性ガス源を接続してもよい。第３のガス供給管１９０は、外気を導入するためのファンやコンプレッサーに接続されてもよい。さらに、第１のガス供給管１８２、第２のガス供給管１８６、第３のガス供給管１９０をそれぞれ独立に還元炉１７２に接続せずに、一本の供給管として還元炉１７２に接続しても構わない。この場合、還元炉の外部でこれらのガス供給管を接続し、バルブの切り替えによってこれらのガスの供給を制御してもよい。
【0117】
上記の還元装置１７０は一例に過ぎず、その他の構成の還元装置が用いられてもよい。図１４の還元装置１７０は連続炉型の装置であるが、複数の金属担持炭化物１０をまとめて還元処理を行うバッチ式の装置であってもよい。
【0118】
炭化物の内部に鉄化合物を形成する場合は、炭化する前の乾燥した有機物を、当該鉄化合物が溶解した溶液中に浸漬し、乾燥した後に、炭化を行うことがあるが、上記のマクロ孔２００は、木の仮道管孔に起因する孔であるため、マクロ孔２００の内壁には還元されたゼロ価の鉄結晶が析出すると考えられる。また、生木等の乾燥前の生の有機物を、当該鉄化合物を溶解した溶液中に浸漬した場合、拡散浸透により、有機物の内部にまで鉄化合物を浸漬することができるが、炭化後の炭化物の孔表面にゼロ価の鉄結晶が十分に析出していない可能性がある。
【0119】
それに対して、本実施形態では、炭化物１００にメソ孔２１０及びミクロ孔２２０が形成された後に、金属化合物溶液１２０を炭化物１００の孔の中に染みこませ、乾燥させるため、鉄化合物１１１をこれらの孔の内壁に付着させることができ、還元後には、これらの孔の内壁にゼロ価の鉄結晶を形成することができる。
【0120】
また、有機物を炭化する熱処理で、炭化の際に発生する一酸化炭素や水素を利用して上記の鉄化合物の還元を行う場合、炭化の条件と還元処理の条件とを個別に制御することができない。例えば、鉄化合物の還元に必要な還元性ガスの量を調整することが難しい。
【0121】
それに対して、本実施形態では、還元を炭化とは別の熱処理で行うため、還元に適した条件を適宜選択することができる。例えば、炭化と還元処理とを異なる装置で行うことができる。又は、炭化温度と還元温度とを異なる温度や時間で処理することができる。又は、炭化と還元処理とを異なる雰囲気で行うことができる。
【0122】
なお、本実施形態では、有機物を炭化した炭化物１００を用いて金属担持炭化物１０を形成する構成を例示したが、炭化物１００の代わりに、炭化物以外の多孔質材料を用いてもよい。また、有機物として木材を炭化することで炭化物１００を得る構成を例示したが、木材以外の有機物を炭化してもよい。
【0123】
炭化物１００は導電性が高いため、炭化物１００とその孔の中に付着したゼロ価の鉄の結晶粒子との間で電子交換が速やかに行われる。したがって、ゼロ価の鉄の結晶粒子を含む炭化物１００を水中に入れると、多孔質体表面でゼロ価の金属鉄が速やかにイオン化し、オキシ水酸化鉄（ＦｅＯＯＨ）などの水酸化物を生成し、水中に存在するリン酸イオンと反応し、リン酸鉄を形成して炭化物１００に吸着固定することができる。したがって、炭化物１００の代わりに炭化物以外の多孔質材料を用いる場合、当該多孔質材料として導電性を有する材料を用いることで、効率よくリンやその他の物質を吸着することができる。
【0124】
〈第２実施形態〉
［減圧浸透乾燥装置３３０Ａの構成］
図１５を用いて、第２実施形態に係る減圧浸透乾燥装置３３０Ａの構成について説明する。減圧浸透乾燥装置３３０Ａの構成は、図４及び図５に示す減圧浸透乾燥装置３３０と類似しているが、図１５の構成では、二つの減圧浸透乾燥装置（第１減圧浸透乾燥装置３３０Ｂ及び第２減圧浸透乾燥装置３３０Ｃ）が接続されており、これらの装置間で金属化合物溶液１２０ＢＣが循環する点において、図４及び図５に示す減圧浸透乾燥装置３３０とは相違する。以下の図１５の説明において、図４及び図５と共通する部分については説明を省略し、主に相違点について説明する。以下の説明において、減圧浸透乾燥装置３３０Ａの構成の中で、減圧浸透乾燥装置３３０と同様の構成については、減圧浸透乾燥装置３３０で用いられる符号と同一の符号の後にアルファベットを付し、その説明は省略する。
［減圧浸透乾燥装置３３０Ａの構成］
図１５を用いて、第２実施形態に係る減圧浸透乾燥装置３３０Ａの構成について説明する。減圧浸透乾燥装置３３０Ａの構成は、図４及び図５に示す減圧浸透乾燥装置３３０と類似しているが、図１５の構成では、二つの減圧浸透乾燥装置（第１減圧浸透乾燥装置３３０Ｂ及び第２減圧浸透乾燥装置３３０Ｃ）が接続されており、これらの装置間で金属化合物溶液１２０ＢＣが循環する点において、図４及び図５に示す減圧浸透乾燥装置３３０とは相違する。以下の図１５の説明において、図４及び図５と共通する部分については説明を省略し、主に相違点について説明する。以下の説明において、減圧浸透乾燥装置３３０Ａの構成の中で、減圧浸透乾燥装置３３０と同様の構成については、減圧浸透乾燥装置３３０で用いられる符号と同一の符号の後にアルファベットを付し、その説明は省略する。
【0125】
図１５に示すように、減圧浸透乾燥装置３３０Ａは第１減圧浸透乾燥装置３３０Ｂ及び第２減圧浸透乾燥装置３３０Ｃを有する。第１減圧浸透乾燥装置３３０Ｂ及び第２減圧浸透乾燥装置３３０Ｃは、それぞれ図４及び図５に示す減圧浸透乾燥装置３３０と同様の構成であるが、他の装置との接続関係が異なっている。
【0126】
第１減圧浸透乾燥装置３３０Ｂ及び第２減圧浸透乾燥装置３３０Ｃのそれぞれの蓋部３３０３Ｂ、３３０３Ｃには、循環給液ライン３３５１Ｂ、３３５１Ｃ、循環ポンプ３３５３Ｂ、３３５３Ｃ、循環送液ライン３３５５Ｂ、３３５５Ｃ、バルブ３３５７Ｂが設けられている。循環給液ライン３３５１Ｂ、３３５１Ｃは、両装置間を循環する金属化合物溶液１２０ＢＣを、それぞれの装置内に供給する。循環給液ライン３３５１Ｂは循環送液ライン３３５５Ｃに接続されている。循環送液ライン３３５５Ｃは循環ポンプ３３５３Ｃを介してドレンライン３３１１Ｃに接続されている。同様に、循環給液ライン３３５１Ｃは循環送液ライン３３５５Ｂに接続されている。循環送液ライン３３５５Ｂは循環ポンプ３３５３Ｂを介してドレンライン３３１１Ｂに接続されている。
【0127】
上記の構成によって、容器部３３０１Ｂに金属化合物溶液１２０ＢＣが貯まった状態で、バルブ３３５７Ｂが開き、循環ポンプ３３５３Ｂが駆動することで、金属化合物溶液１２０ＢＣが、ドレンライン３３１１Ｂ、循環送液ライン３３５５Ｂ、及び循環給液ライン３３５１Ｃを介して第２減圧浸透乾燥装置３３０Ｃに供給される。同様に、容器部３３０１Ｃに金属化合物溶液１２０ＢＣが貯まった状態で循環ポンプ３３５３Ｃが駆動することで、金属化合物溶液１２０ＢＣが、ドレンライン３３１１Ｃ、循環送液ライン３３５５Ｃ、及び循環給液ライン３３５１Ｂを介して第１減圧浸透乾燥装置３３０Ｂに供給される。それぞれの減圧浸透乾燥装置から金属化合物溶液１２０ＢＣを排出する場合は、バルブ３３１３Ｂ、３３１３Ｃを開けることで、金属化合物溶液１２０ＢＣを排液ライン３３１５Ｂ、３３１５Ｃに流すことができる。
【0128】
図１５に示す状態は、第１減圧浸透乾燥装置３３０Ｂ（第１処理槽）に金属化合物溶液１２０ＢＣが貯まり、炭化物１００Ｂが金属化合物溶液１２０ＢＣに浸漬された状態で、第１減圧浸透乾燥装置３３０Ｂの減圧が行われ、第２減圧浸透乾燥装置３３０Ｃ（第２処理槽）から金属化合物溶液１２０ＢＣが排出された状態で、第２減圧浸透乾燥装置３３０Ｃの減圧が行われている。つまり、第１減圧浸透乾燥装置３３０Ｂでは、炭化物１００Ｂの孔に金属化合物溶液１２０ＢＣを染みこませており、第２減圧浸透乾燥装置３３０Ｃでは、金属化合物溶液１２０ＢＣが染みこんだ炭化物１００Ｃを乾燥している。
【0129】
上記の動作が完了した後に、第２減圧浸透乾燥装置３３０Ｃから乾燥された炭化物１００Ｃを取り出し、金属化合物溶液１２０ＢＣを染みこませる新たな炭化物を投入する。そして、バルブ３３５７Ｂを開けて循環ポンプ３３５３Ｂを駆動することで、容器部３３０１Ｂに貯まった金属化合物溶液１２０ＢＣが容器部３３０１Ｃに送られ、第２減圧浸透乾燥装置３３０Ｃ内に新たに投入された炭化物及びケース５００Ｃを金属化合物溶液１２０ＢＣに浸漬することができる。その状態で、第１減圧浸透乾燥装置３３０Ｂ内を減圧すれば、炭化物１００Ｂの乾燥が行われ、第２減圧浸透乾燥装置３３０Ｃ内を減圧すれば、上記炭化物へ金属化合物溶液１２０ＢＣを染みこませることができる。
【0130】
上記の装置構成の場合、図示しないが、送液ライン３１３１Ｂ、３１３１Ｃの途中に、金属化合物溶液１２０ＢＣを溶液生成装置３１０ＢＣから容器部３３０１Ｂ、３３０１Ｃに送るためのポンプが設けられる。なお、説明の便宜上、図１５では、送液ライン３１３１Ｂ、３１３１Ｃがそれぞれ異なる溶液生成装置３１０ＢＣに接続されるように図示されているが、送液ライン３１３１Ｂ、３１３１Ｃは共通の溶液生成装置３１０ＢＣに接続されている。したがって、１台のポンプで駆動する場合は、溶液生成装置３１０ＢＣから送液ライン３１３１Ｂ、３１３１Ｃに分岐する前にポンプを設ける。容器部３３０１Ｂ又は３３０１Ｃに金属化合物溶液１２０ＢＣが貯められた状態で、上記のポンプを駆動させる。このとき、それぞれの容器部内の金属化合物溶液１２０ＢＣの液面の高さを液面計３３２７Ｂ、３３２７Ｃで計測する。液面計３３２７Ｂ、３３２７Ｃの値が所定のしきい値以下の場合は、バルブ３３２３Ｂ、３３２３Ｃが開き、溶液生成装置３１０ＢＣから金属化合物溶液１２０ＢＣが補充される。図１５の第２減圧浸透乾燥装置３３０Ｃのように、炭化物１００Ｃを乾燥させるときは金属化合物溶液１２０ＢＣが容器部３３０１Ｃから抜かれているため、液面計３３２７Ｃは下限値を示すが、上記のように制御することで、不要な金属化合物溶液１２０ＢＣの供給を防ぐことができる。
【0131】
以上のように、本実施形態に係る減圧浸透乾燥装置３３０Ａによると、第１実施形態と同様の効果に加え、２つの装置で減圧浸漬と乾燥を行うことで、処理時間を短縮することができる。
【0132】
〈第３実施形態〉
［金属担持炭化物１０Ｄの製造方法］
図１６及び図１７を用いて、第３実施形態に係る金属担持炭化物１０Ｄ及びその製造方法について説明する。本実施形態において、第１実施形態で形成された金属担持炭化物１０が担持する鉄化合物１１１をアルカリ溶液によって水酸化物化してから還元処理を行う製造方法において、当該アルカリ溶液の有機溶媒を再利用する方法について説明する。
［金属担持炭化物１０Ｄの製造方法］
図１６及び図１７を用いて、第３実施形態に係る金属担持炭化物１０Ｄ及びその製造方法について説明する。本実施形態において、第１実施形態で形成された金属担持炭化物１０が担持する鉄化合物１１１をアルカリ溶液によって水酸化物化してから還元処理を行う製造方法において、当該アルカリ溶液の有機溶媒を再利用する方法について説明する。
【0133】
図１６は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造方法における有機溶媒の再利用方法を示すフローチャートである。図１７は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造装置の構成を示す図である。図１７に示す金属担持炭化物の製造装置３００Ｄは、溶液生成装置３１０Ｄ、有機溶媒補充タンク３２０Ｄ、減圧浸透乾燥装置３３０Ｄ、有機溶媒回収装置３４０Ｄ、ガス貯留装置３５０Ｄ、活性炭吸着塔３６０Ｄ、アルカリ溶液生成装置３７０Ｄ、有機溶媒補充タンク３８０Ｄ、及び水酸化物化乾燥装置３９０Ｄを有する。ここで、溶液生成装置３１０Ｄ、有機溶媒補充タンク３２０Ｄ、減圧浸透乾燥装置３３０Ｄ、有機溶媒回収装置３４０Ｄ、ガス貯留装置３５０Ｄ、及び活性炭吸着塔３６０Ｄについては、図２を用いて説明したものと同じなので、ここでは説明を省略する。有機溶媒補充タンク３２０Ｄ及び有機溶媒補充タンク３８０Ｄは共通の１つのタンクであってもよい。
【0134】
図１６に示すように、まずステップＳ３１で、アルカリ６２１Ｄを有機溶媒６２３Ｄ、６２５Ｄに溶解することでアルカリ溶液６２０Ｄを生成する。図１７に示すように、アルカリ溶液６２０Ｄの生成は、アルカリ溶液生成装置３７０Ｄで行われる。アルカリ溶液生成装置３７０Ｄは、有機溶媒補充タンク３８０Ｄ、水酸化物化乾燥装置３９０Ｄ、有機溶媒回収装置３４０Ｄ、及びガス貯留装置３５０Ｄに接続されている。有機溶媒補充タンク３８０Ｄから、未使用の有機溶媒６２３Ｄがアルカリ溶液生成装置３７０Ｄに供給される。同様に、有機溶媒回収装置３４０Ｄから、金属化合物溶液１２０Ｄ又はアルカリ溶液６２０Ｄから回収された有機溶媒ガス１２７Ｄ又は６２７Ｄが液化された、液体状の有機溶媒６２５Ｄ（再生された有機溶媒６２５Ｄ）がアルカリ溶液生成装置３７０Ｄに供給される。
【0135】
アルカリ溶液生成装置３７０Ｄの構成は、図３に示す溶液生成装置３１０の構成とほぼ同じなので図示は省略する。アルカリ溶液生成装置３７０Ｄでは、溶液生成装置３１０の金属化合物投入口３１０１の代わりに、アルカリ投入口が設けられる。また、アルカリ溶液生成装置３７０Ｄに設けられたラインが接続される装置は図１７に示す通りである。このような構成によって、アルカリ溶液生成装置３７０Ｄ内で、アルカリ６２１Ｄが未使用の有機溶媒６２３Ｄ及び再生された有機溶媒６２５Ｄに溶解される。ここで、未使用な有機溶媒６２３Ｄとは、減圧浸透乾燥装置３３０Ｄ又は水酸化物化乾燥装置３９０Ｄで使用された金属化合物溶液１２０Ｄ又はアルカリ溶液６２０Ｄから回収され、再生された有機溶媒６２５Ｄを除く有機溶媒であり、まだ製造装置３００Ｄ内で金属化合物１２１Ｄ又はアルカリ６２１Ｄが溶解していない有機溶媒である。
【0136】
本実施形態では、アルカリ溶液６２０Ｄとして、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、酢酸ナトリウム、ホウ酸ナトリウムなどが用いられる。例えば、金属化合物１２１Ｄとして塩化鉄又は硝酸鉄が用いられ、有機溶媒６２３Ｄ、６２５Ｄとして、メタノール、エタノール、ヘキサン、アセトンが用いられた場合、アルカリとして、水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムを用いることができる。
【0137】
有機溶媒６２３Ｄ、６２５Ｄは、水よりも蒸気圧が高く、常温で液体であり、溶質である金属化合物及びアルカリを溶かすことができる溶媒であれば特に指定はない。例えば、当該有機溶媒として、３０℃における蒸気圧が５０ｍｍＨｇ以上であるものを用いることができる。アルカリ溶液６２０Ｄの溶媒として、第１実施形態で説明した金属化合物溶液１２０の溶媒と同じものを用いることができる。
【0138】
また、アルカリ溶液６２０Ｄから回収された気体状の有機溶媒ガス６２７Ｄが、ガス貯留装置３５０Ｄからアルカリ溶液生成装置３７０Ｄ及び水酸化物化乾燥装置３９０Ｄに供給される。このような構成によって、アルカリ溶液生成装置３７０Ｄ内及び水酸化物化乾燥装置３９０Ｄ内は有機溶媒ガス６２７Ｄで満たされる。
【0139】
アルカリ溶液６２０Ｄにおけるアルカリ６２１Ｄの濃度は、有機溶媒６２３Ｄ、６２５Ｄへの溶解度よりも低ければよい。具体的には、金属化合物１２１Ｄとして塩化鉄又は硝酸鉄が用いられ、有機溶媒６２３Ｄ、６２５Ｄとして、メタノール、エタノール、アセトン、又はヘキサンが用いられ、アルカリ６２１Ｄとして、水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムが用いられた場合、アルカリ溶液６２０Ｄにおけるアルカリ６２１Ｄの濃度は、０．１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下、０．５ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、又は１ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下とすることができる。
【0140】
アルカリ溶液生成装置３７０Ｄで生成されたアルカリ溶液６２０Ｄは水酸化物化乾燥装置３９０Ｄに供給される。そして、図１６のステップＳ３３で、水酸化物化乾燥装置３９０Ｄ内においてアルカリ溶液６２０Ｄを金属担持炭化物１０Ｄに染みこませる。金属担持炭化物１０Ｄをアルカリ溶液６２０Ｄに浸漬し、その状態でこれらが配置された処理槽内を調圧することで、金属担持炭化物１０Ｄの孔の中にアルカリ溶液６２０Ｄを染みこませる。つまり、水酸化物化乾燥装置３９０Ｄはアルカリ溶液６２０Ｄが配置された処理槽内の圧力を調整する調圧機構を有している。ステップＳ３３によって、金属担持炭化物１０Ｄの孔の中に付着している鉄化合物１１１Ｄを水酸化物化し、水酸化鉄を生成する。つまり、鉄化合物１１１を担持する金属担持炭化物１０Ｄは、水酸化鉄を担持する金属担持炭化物１０Ｄになる。
【0141】
続いて、図１６のステップＳ３５で、アルカリ溶液６２０Ｄが染みこんだ金属担持炭化物１０Ｄから有機溶媒６２３Ｄ、６２５Ｄを気化させる。上記金属担持炭化物１０Ｄが配置された処理槽内を減圧することで、有機溶媒６２３Ｄ、６２５Ｄを気化させる。
【0142】
水酸化物化乾燥装置３９０Ｄで気化された有機溶媒ガス６２７Ｄは、有機溶媒回収装置３４０Ｄに送られる。つまり、図１６のステップＳ３７で、アルカリ溶液６２０Ｄから気化した有機溶媒ガス６２７Ｄを回収する。ステップＳ３７で回収された有機溶媒ガス６２７Ｄは、一部が冷却又は加圧されて液化し、液体状の有機溶媒６２５Ｄ（再生された有機溶媒６２５Ｄ）として溶液生成装置３１０Ｄ又はアルカリ溶液生成装置３７０Ｄに供給される。例えば、有機溶媒ガス６２７Ｄは、大気圧下で４０℃以下に冷却されることで液化することができる。ステップＳ３７で回収され、液化されなかった有機溶媒ガス６２７Ｄは、気体状のままガス貯留装置３５０Ｄに送られる。再生された有機溶媒６２５Ｄは、溶液生成装置３１０Ｄ内又はアルカリ溶液生成装置３７０Ｄ内で、他の金属化合物１２１Ｄ又は他のアルカリ６２１Ｄを溶解する溶媒として用いられる。つまり、ステップＳ３７で回収された有機溶媒の一部は、金属化合物１２１Ｄ又はアルカリ６２１Ｄを溶解する有機溶媒６２５Ｄとして再利用される（図１６のステップＳ３９）。
【0143】
有機溶媒回収装置３４０Ｄによって回収された有機溶媒ガス６２７Ｄのうち、液化されなかった有機溶媒ガス６２７Ｄは、ガス貯留装置３５０Ｄに送られる。ガス貯留装置３５０Ｄは、回収された有機溶媒ガス６２７Ｄを貯留し、必要に応じて貯留した有機溶媒ガス６２７Ｄを溶液生成装置３１０Ｄ、減圧浸透乾燥装置３３０Ｄ、アルカリ溶液生成装置３７０Ｄ、及び水酸化物化乾燥装置３９０Ｄに供給する。つまり、ステップＳ３７で回収された有機溶媒の一部は、気体状の有機溶媒ガス６２７Ｄとして金属担持炭化物１０Ｄの製造工程に再利用される。
【0144】
以上のように、本実施形態に係る金属担持炭化物１０Ｄの製造方法によると、第１実施形態と同様の効果に加え、金属担持炭化物１０Ｄを製造しつつ、その製造に用いられたアルカリ溶液６２０Ｄの有機溶媒の一部を再利用することで、有機溶媒が製造装置３００Ｄの外に排出される量を低減することができる。このため、金属担持炭化物１０Ｄの製造における環境負荷を低減することができ、有機溶媒の無害化に用いられる活性炭の寿命を長くすることができる。また、有機溶媒の使用量を低減することができるため、金属担持炭化物１０Ｄの製造コストを下げることができる。
【0145】
また、アルカリ溶液６２０Ｄの溶媒として、有機溶媒を用いることで、アルカリ溶液６２０Ｄを金属担持炭化物１０Ｄに染みこませた後に有機溶媒を乾燥させるために必要なエネルギーを小さくすることができるため、金属担持炭化物１０Ｄの製造に必要な電力の低減及び時間の短縮を実現することができる。
【0146】
［金属担持炭化物１０Ｄの製造方法］
図１８を用いて、第３実施形態に係る金属担持炭化物１０Ｄ及びその製造方法について説明する。本実施形態において、図１～図８、図１６、図１７で説明した各装置を用いて、金属担持炭化物１０Ｄを生成する方法について説明する。図１８は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造方法を示すフローチャートである。
図１８を用いて、第３実施形態に係る金属担持炭化物１０Ｄ及びその製造方法について説明する。本実施形態において、図１～図８、図１６、図１７で説明した各装置を用いて、金属担持炭化物１０Ｄを生成する方法について説明する。図１８は、本発明の一実施形態に係る金属担持炭化物の製造方法を示すフローチャートである。
【0147】
図１８のステップＳ４１～Ｓ４７は、図９のステップＳ２１～Ｓ２７と同じなので、説明を省略する。ステップＳ４７で、金属化合物溶液１２０Ｄを染みこませた炭化物１００Ｄの乾燥を行った後に、ステップＳ４９で、金属担持炭化物１０Ｄをアルカリ溶液６２０Ｄに浸漬する。このとき、金属担持炭化物１０Ｄの孔の内壁には、図１３に示すように鉄化合物１１１Ｄが付着している。したがって、金属担持炭化物１０Ｄがアルカリ溶液６２０Ｄに浸漬され、アルカリ溶液６２０Ｄが金属担持炭化物１０Ｄの孔の中に染みこみ、鉄化合物１１１Ｄと接触すると、上記鉄化合物１１１Ｄの少なくとも一部が水酸化される。このようにして、鉄化合物１１１Ｄを担持する金属担持炭化物１０Ｄは、水酸化鉄を担持する金属担持炭化物１０Ｄになる。ステップＳ４９の後に、ステップＳ４３、Ｓ４５と同様に、金属担持炭化物１０Ｄがアルカリ溶液６２０Ｄに浸漬した状態で、これらが配置された処理槽内を減圧し、その後、有機溶媒の蒸気圧より高くする。
【0148】
この水酸化鉄を担持した炭化物の乾燥（ステップＳ５５）の後に、金属担持炭化物１０Ｄを水洗する（ステップＳ５７）。この水洗によって、金属担持炭化物１０Ｄの孔の中に生成されたアルカリ溶液中のアルカリ金属イオンと鉄化合物において鉄と結合していた陰イオンとが結合したアルカリ金属塩、及び当該孔の中に残ったアルカリを除去することができる。ここで、金属担持炭化物１０Ｄの孔の内壁に存在する水酸化鉄は、溶解度が低いため、上記の水洗を行っても金属担持炭化物１０Ｄの外に排出されにくい。また、金属担持炭化物１０Ｄの内部がアルカリ性に偏っていると、吸着後の処理水もアルカリ性となり、環境へ悪影響を与えるが、上記のように水洗によって金属担持炭化物１０Ｄ内のアルカリ金属塩、及びアルカリを除去することで、金属担持炭化物１０Ｄの内部がアルカリ性に偏ることを抑制することができる。なお、ステップＳ５７の水洗は省略しても構わない。
【0149】
上記のステップＳ４９～Ｓ５７の工程は、複数回繰り返し行われてもよい。また、上記のステップＳ５１及びＳ５３の工程が、複数回繰り返し行われてもよい。ステップＳ５１及びＳ５３の工程が省略されてもよい。
【0150】
以上のように、本実施形態に係る金属担持炭化物１０Ｄの製造方法によると、鉄化合物１１１Ｄが水酸化された状態で還元処理（ステップＳ５９）を行うことができる。この還元処理によって、水酸化鉄を担持する金属担持炭化物１０Ｄは、ゼロ価の鉄を担持する金属担持炭化物１０Ｄになる。ここで、還元処理で発生するガスは、無害な水蒸気である。
【0151】
【0152】
図１９に示す工程は、図１８からステップＳ４３～Ｓ４７のステップが省略された工程である。つまり、炭化物１００Ｄを金属化合物溶液１２０Ｄに浸漬した後、乾燥せずにアルカリ溶液６２０Ｄに浸漬する。図１８では、金属担持炭化物１０Ｄの孔の内壁１０１Ｄに鉄化合物１１１Ｄを析出させた状態で、鉄化合物１１１Ｄを化学反応させて水酸化鉄１４１Ｄを生成する製造方法を示したが、図１９では、金属化合物溶液１２０Ｄ中の鉄イオン１１０Ｄとアルカリ溶液６２０Ｄ中の水酸化物イオンとを化学反応させて、内壁１０１Ｄに水酸化鉄を沈殿させる。
【0153】
第３実施形態の変形例によると、金属担持炭化物１０Ｄを金属化合物溶液１２０Ｄに浸漬させた後に乾燥する必要がないため、製造工程の簡易化を図ることができる。
【0154】
第３実施形態の変形例では、金属担持炭化物１０Ｄをアルカリ溶液６２０Ｄに浸漬する製造方法を例示したが、アルカリ溶液６２０Ｄは拡散浸透によって金属担持炭化物１０Ｄの孔の中に入り込むため、金属化合物溶液１２０Ｄに浸漬した金属担持炭化物１０Ｄの表面にアルカリ溶液６２０Ｄを供給する方法を採用してもよい。例えば、金属担持炭化物１０Ｄの表面にスプレーなどでアルカリ溶液を吹き付けてもよい。
【0155】
なお、ステップＳ４１とステップＳ４９との間で、ステップＳ５１及びステップ５３と同様の処理を行ってもよい。すなわち、ステップＳ４１において、炭化物１００Ｄを金属化合物溶液１２０Ｄに浸漬した後に、脱気処理を行ってもよい。次に、乾燥の処理を行わずに、ステップＳ４９において金属担持炭化物１０Ｄをアルカリ溶液６２０Ｄに浸漬する。この後、ステップＳ５５において、水酸化鉄を担持した炭化物の乾燥した後、ステップＳ５７において金属担持炭化物１０Ｄを水洗してもよい。
【実施例0156】
第１実施形態～第３実施形態に用いられる有機溶媒について、図２０を用いて、蒸気圧を評価した結果を説明する。図２０は、本発明の一実施例において用いられる溶媒の蒸気圧曲線の一例を示す図である。図２０では、有機溶媒の候補であるエタノールの蒸気圧曲線７１０及びジエチルエーテルの蒸気圧曲線７２０を、比較対象である水の蒸気圧曲線７３０と比較した結果を示す。
【0157】
図２０において、実線はエタノールの蒸気圧曲線７１０を示し、二重線はジエチルエーテルの蒸気圧曲線７２０を示し、点線は水の蒸気圧曲線７３０を示す。図２０に示すように、水の蒸気圧が１０１．３ｋＰａとなる温度（沸点）が１００℃であるのに対して、エタノールの沸点は約７８℃、ジエチルエーテルの沸点は約３５℃である。また、約２０℃の温度において、エタノールは約５．９ｋＰａ以下（ゲージ圧で－０．０９５ＭＰａ）で気化させることができ、ジエチルエーテルは約５８．６ｋＰａ以下（ゲージ圧で－０．０４３ＭＰａ）で気化させることができる。上記のように、大気圧では液体であり、水よりも蒸気圧が高い有機溶媒を用いて金属化合物溶液又はアルカリ溶液が構成されることで、溶媒として水を用いた場合に比べて低い真空度かつ低温で有機溶媒を気化させることができるため、有機溶媒を乾燥させるために必要なエネルギーを小さくすることができる。
【0158】
以上、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明したが、本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本実施形態の吸着材を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。さらに、上述した各実施形態は、相互に矛盾がない限り適宜組み合わせが可能であり、各実施形態に共通する技術事項については、明示の記載がなくても各実施形態に含まれる。
【0159】
上述した各実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。
【符号の説明】
【0160】
１０：金属担持炭化物、 １００：炭化物、 １０１Ｄ：内壁、 １１０：鉄イオン、 １１１：鉄化合物、 １２０：金属化合物溶液、 １２１：金属化合物、 １２３：有機溶媒、 １２５：有機溶媒、 １２７：有機溶媒ガス、 １３０：気泡、 １７０：還元装置、 １７２：還元炉、 １７４：ホッパー、 １７６：ロータリーバルブ、 １７８：ロータリーバルブ、 １８０：ヒータ、 １８２：第１のガス供給管、 １８４：バルブ、 １８６：第２のガス供給管、 １８８：バルブ、 １９０：第３のガス供給管、 １９４：ガス捕集管、 ２００：マクロ孔、 ２１０：メソ孔、 ２２０：ミクロ孔、 ３００：製造装置、 ３１０：溶液生成装置、 ３２０：有機溶媒補充タンク、 ３３０：減圧浸透乾燥装置、 ３３０Ｂ：第１減圧浸透乾燥装置、 ３３０Ｃ：第２減圧浸透乾燥装置、 ３４０：有機溶媒回収装置、 ３５０：ガス貯留装置、 ３６０：活性炭吸着塔、 ３７０Ｄ：アルカリ溶液生成装置、 ３８０Ｄ：有機溶媒補充タンク、 ３９０Ｄ：水酸化物化乾燥装置、 ５００：ケース、 ５１０：支持部材、 ５２０：昇降レール、 ５３０：ワイヤ、 ５４０：巻き取り部、 ５９０：昇降機構、 ６２０Ｄ：アルカリ溶液、 ６２１Ｄ：アルカリ、 ６２３Ｄ：有機溶媒、 ６２５Ｄ：有機溶媒、 ６２７Ｄ：有機溶媒ガス、 ７１０：エタノールの蒸気圧曲線、 ７２０：ジエチルエーテルの蒸気圧曲線、 ７３０：水の蒸気圧曲線、 ３１０１：金属化合物投入口、 ３１０３：容器部、 ３１０５：蓋部、 ３１０７：攪拌機、 ３１１１：未使用有機溶媒供給ライン、 ３１１３：再生有機溶媒供給ライン、 ３１１５、３３１１：ドレンライン、 ３１２１、３１２３：ポンプ、 ３１３１：送液ライン、 ３１３２、３１３４、３１３６、３１４４、３１４６、３２３４、３３１３、３３２３、３３３２：バルブ、 ３１３３、３３１５：排液ライン、 ３１３５：予備ライン、 ３１４１：ガス導入口、 ３１４３：ガス供給ライン、 ３１４５：空気供給ライン、 ３１５１：動力源、 ３１５３：回転軸、 ３１５５：フィン、 ３３０１：容器部、 ３３０３：蓋部、 ３３２１：給液ライン、 ３３２５：逆止弁、 ３３２７：液面計、 ３３３１：ガス導入口、 ３３３３：排気口、 ３３３４：真空ポンプ、 ３３３５：ガス供給ライン、 ３３３６、３３３８：バルブ、 ３３３７：空気供給ライン、 ３３４０：真空圧力計、 ３３５１Ｂ：循環給液ライン、 ３３５３Ｂ：循環ポンプ、 ３３５５Ｂ：循環送液ライン、 ３３５７Ｂ：バルブ、 ３４００：液化機構、 ３４０１：容器部、 ３４０３：冷却機構、 ３４０５：排出口、 ３４０７、３４０９：排気口、 ３４１０：液化機構、 ３４１１、３４１３、３５１３：バルブ、 ３４２０：貯留タンク、 ３４２１：ドレンライン、 ３４２３：ポンプ、 ３５０１：給気口、 ３５０３：再利用ガス供給口、 ３５０７、３５１７：安全弁、 ３５０９：低圧逃がし弁、 ３５１１：逆止弁、 ３５１５：真空圧力計、 ３６０１：排気口
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【手続補正書】
【提出日】2022-08-22
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１金属化合物が第１有機溶媒に溶解した金属化合物溶液を炭化物に染みこませ、
前記炭化物から前記第１有機溶媒を気化させて、前記炭化物に前記第１金属化合物を担持させ、
第１アルカリが第２有機溶媒に溶解したアルカリ溶液を前記炭化物に染みこませて、前記炭化物に担持した前記第１金属化合物を水酸化し、
前記炭化物から前記第２有機溶媒を気化させて、前記炭化物に前記第１金属化合物の水酸化物を担持させ、
前記水酸化物を還元する金属担持炭化物の製造方法。
前記炭化物から前記第１有機溶媒を気化させて、前記炭化物に前記第１金属化合物を担持させ、
第１アルカリが第２有機溶媒に溶解したアルカリ溶液を前記炭化物に染みこませて、前記炭化物に担持した前記第１金属化合物を水酸化し、
前記炭化物から前記第２有機溶媒を気化させて、前記炭化物に前記第１金属化合物の水酸化物を担持させ、
前記水酸化物を還元する金属担持炭化物の製造方法。
【請求項2】
気化した前記第１有機溶媒を液化して回収し、
回収した前記第１有機溶媒を、第２金属化合物又は第２アルカリの溶解に用いる、請求項１に記載の金属担持炭化物の製造方法。
回収した前記第１有機溶媒を、第２金属化合物又は第２アルカリの溶解に用いる、請求項１に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項3】
気化した前記第２有機溶媒を液化して回収し、
回収した前記第２有機溶媒を、第２金属化合物又は第２アルカリの溶解に用いる、請求項１または請求項２に記載の金属担持炭化物の製造方法。
回収した前記第２有機溶媒を、第２金属化合物又は第２アルカリの溶解に用いる、請求項１または請求項２に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項4】
気化した前記第１有機溶媒を気体状で貯留し、
気体状の前記第１有機溶媒を、前記金属担持炭化物の製造工程に再利用する、請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
気体状の前記第１有機溶媒を、前記金属担持炭化物の製造工程に再利用する、請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項5】
気化した前記第２有機溶媒を気体状で貯留し、
前記気体状の前記第２有機溶媒を、前記金属担持炭化物の製造工程に再利用する、請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
前記気体状の前記第２有機溶媒を、前記金属担持炭化物の製造工程に再利用する、請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項6】
処理槽内を減圧することによって、前記炭化物が気相中に配置された状態で、前記炭化物から前記第２有機溶媒を気化させる、請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項7】
前記第１金属化合物は、鉄化合物である、請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。
【請求項8】
前記金属化合物溶液は、塩化物溶液又は硝酸化物溶液である、請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載の金属担持炭化物の製造方法。