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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-06-22
(45)【発行日】2023-06-30
(54)【発明の名称】浄水カートリッジ
(51)【国際特許分類】
B01J 20/20 20060101AFI20230623BHJP
B01J 20/28 20060101ALI20230623BHJP
C02F 1/28 20230101ALI20230623BHJP
【ＦＩ】
B01J20/20 B
B01J20/28 Z
C02F1/28 D
C02F1/28 R
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2019060237
(22)【出願日】2019-03-27
(65)【公開番号】P2020157242
(43)【公開日】2020-10-01
【審査請求日】2021-12-20
(73)【特許権者】
【識別番号】504163612
【氏名又は名称】株式会社ＬＩＸＩＬ
(73)【特許権者】
【識別番号】504180239
【氏名又は名称】国立大学法人信州大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000497
【氏名又は名称】弁理士法人グランダム特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】甲斐 友邦
(72)【発明者】
【氏名】前浪 洋輝
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 一博
(72)【発明者】
【氏名】竹内 健司
(72)【発明者】
【氏名】遠藤 守信
【審査官】柴田 昌弘
(56)【参考文献】
【文献】特開平０９－１１０４０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／１１６８５９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００７－１８６４０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１７１１１１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ０１Ｊ ２０／２０
Ｂ０１Ｊ ２０／２８
Ｃ０２Ｆ １／２８
Ｃ０１Ｂ ３２／３５４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
活性炭を含んでなる活性炭成形体を備えた浄水カートリッジであって、
前記活性炭は、
浄水カートリッジに用いられる遊離塩素除去用の活性炭であって、
ＢＥＴ－ＤＦＴ法により測定される、細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔容積が０．１９６７ｃｍ３／ｇ以上であり、
積算粒度分布での５０％粒子径が６０μｍ～９０μｍの粒子状であり、
前記活性炭成形体の体積が３７．６ｃｍ３以下である浄水カートリッジ。
【請求項2】
ＪＩＳ Ｓ３２０１に準拠した測定方法により測定した、ろ過流量２．５Ｌ／ｍｉｎの通水条件下で濃度２ｐｐｍの遊離塩素含有水を連続通水した際の遊離塩素除去率が８０％に低下するまでの累積通水量が、前記活性炭成形体の体積１ｃｍ３当たり３７．７Ｌ以上である請求項１に記載の浄水カートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は活性炭及び浄水カートリッジに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には有機塩素化合物吸着用活性炭が開示されている。この活性炭は、フェノール樹脂粉末の炭化、賦活粒子が結合してなる粒状炭素成形物であり、細孔直径１００Å以下の細孔容積が０．２０～０．８０ｃｃ／ｇであり、かつ細孔直径１００Å以下の細孔容積に占める細孔直径６～８Åの細孔容積の割合が６５ｖｏｌ％以上である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平９－１１０４０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、特許文献１に開示の構成では、遊離塩素の除去という観点で、不十分である。具体的には、有機塩素化合物は主に活性炭による吸着作用により除去される一方、遊離塩素は有機塩素化合物とは異なる作用を受けて除去されるため、上述の要件を満たすのみでは十分な遊離塩素除去性能が得られないのが実情である。
【0005】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、遊離塩素除去性能に優れた活性炭及びそれを用いた浄水カートリッジを提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
遊離塩素が活性炭により除去される作用は、主に、細孔内に遊離塩素が吸着される吸着作用と、活性炭により遊離塩素が酸化分解される酸化分解作用の２つに分類される。本願発明者らは、遊離塩素である次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）の分子径が約０．４ｎｍであることに着目し、活性炭における所定の細孔径の細孔容積と、塩素除去寿命との関係について研究し、本発明をするに至った。
【0007】
〔１〕浄水カートリッジに用いられる遊離塩素除去用の活性炭であって、
ＢＥＴ－ＤＦＴ法により測定される、細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔容積が０．０１７７ｃｍ３／ｇ以上である活性炭。このような活性炭を用いることにより、遊離塩素除去性能に優れた浄水カートリッジを提供することができる。さらに、この活性炭によれば、細孔容積が０．０１７７ｃｍ３／ｇ以上であるから、例えば、汎用されているスパウトインタイプの浄水カートリッジの活性炭成形体の体積より小さい体積で、浄水カートリッジの塩素除去寿命９００Ｌを達成することが可能となる。
ＢＥＴ－ＤＦＴ法により測定される、細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔容積が０．０１７７ｃｍ３／ｇ以上である活性炭。このような活性炭を用いることにより、遊離塩素除去性能に優れた浄水カートリッジを提供することができる。さらに、この活性炭によれば、細孔容積が０．０１７７ｃｍ３／ｇ以上であるから、例えば、汎用されているスパウトインタイプの浄水カートリッジの活性炭成形体の体積より小さい体積で、浄水カートリッジの塩素除去寿命９００Ｌを達成することが可能となる。
【0008】
〔２〕前記細孔容積が、０．０４７５ｃｍ３／ｇ以上である〔１〕に記載の活性炭。この活性炭によれば、細孔容積が０．０４７５ｃｍ３／ｇ以上であるから、さらに小さい活性炭成形体の体積により、浄水カートリッジの塩素除去寿命９００Ｌを達成することが可能となる。
【0009】
〔３〕前記細孔容積が、０．１９６７ｃｍ３／ｇ以上である〔１〕に記載の活性炭。この活性炭によれば、細孔容積が０．１９６７ｃｍ３／ｇ以上であるから、例えば、汎用されているスパウトインタイプの浄水カートリッジの活性炭成形体の体積より小さい体積で、浄水カートリッジの塩素除去寿命１２００Ｌを達成することが可能となる。
【0010】
〔４〕上記〔３〕の活性炭を含んでなる活性炭成形体を備えた浄水カートリッジであって、
前記活性炭成形体の体積が３７．６ｃｍ３以下である浄水カートリッジ。この浄水カートリッジによれば、例えば、汎用されているスパウトインタイプの浄水カートリッジの活性炭成形体の体積より小さい体積で、浄水カートリッジの塩素除去寿命１２００Ｌを達成することが可能となる。
前記活性炭成形体の体積が３７．６ｃｍ３以下である浄水カートリッジ。この浄水カートリッジによれば、例えば、汎用されているスパウトインタイプの浄水カートリッジの活性炭成形体の体積より小さい体積で、浄水カートリッジの塩素除去寿命１２００Ｌを達成することが可能となる。
【0011】
〔５〕上記〔３〕の活性炭を含んでなる活性炭成形体を備えた浄水カートリッジであって、ＪＩＳ Ｓ３２０１に準拠した測定方法により測定した、ろ過流量２．５Ｌ／ｍｉｎの通水条件下で濃度２ｐｐｍの遊離塩素含有水を連続通水した際の遊離塩素除去率が８０％に低下するまでの累積通水量が、前記活性炭成形体の体積１ｃｍ３当たり３７．７Ｌ以上である浄水カートリッジ。この浄水カートリッジによれば、例えば、汎用されているスパウトインタイプの浄水カートリッジの活性炭成形体の体積より小さい体積で、浄水カートリッジの塩素除去寿命１２００Ｌを達成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】一実施形態に係る水栓装置の側面図である。
【図2】活性炭成形体を模式的に示す断面図である。
【図3】活性炭成形体中の０．７ｎｍの細孔容積と塩素除去寿命の関係を表すグラフである。
【図4】次亜塩素酸イオンの中心から水分子の酸素までの距離（ｒ）の動径分布（ＲＤＦ）を表すグラフである。
【図5】（ａ）は、細孔径０．６７９ｎｍ未満の細孔と次亜塩素酸の水和構造を模式的に示す説明図である。（ｂ）は、細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔と次亜塩素酸の水和構造を模式的に示す説明図である。（ｃ）は、細孔径０．７３３ｎｍ超の細孔と次亜塩素酸の水和構造を模式的に示す説明図である。
【図6】実施例１～実施例４の細孔分布を表すグラフである。
【図7】活性炭成形体中の細孔径０．７ｎｍの細孔容積と塩素除去寿命との関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施形態を詳しく説明する。なお、本明細書において、数値範囲について「～」を用いた記載では、特に断りがない限り、下限値及び上限値を含むものとする。例えば、「１０～２０」という記載では、下限値である「１０」、上限値である「２０」のいずれも含むものとする。すなわち、「１０～２０」は、「１０以上２０以下」と同じ意味である。
【0014】
本実施形態の浄水カートリッジ２０は、図１に示す水栓装置に装着される。水栓装置は、キッチンのキャビネットの天板１に取り付けられている。この水栓装置は、水栓本体１０、操作ハンドル１１、吐水ヘッド１３、浄水カートリッジ２０を備えている。浄水カートリッジ２０は、吐水ヘッド１３の内部に装着されている。
【0015】
吐水ヘッド１３は、グリップ部１３Ａと、グリップ部１３Ａに対して着脱自在に設けられたヘッド部１３Ｂと、を備えている。吐水ヘッド１３は、浄水カートリッジ２０の通水量が塩素除去寿命を超えた場合に、ヘッド部１３Ｂをグリップ部１３Ａから外して浄水カートリッジ２０を交換できるようになっている。
【0016】
浄水カートリッジ２０は円筒状である。浄水カートリッジ２０は、図２に示す活性炭成形体２１と、活性炭成形体２１を外周面側から覆う不織布（不図示）と、活性炭成形体２１の両端に設けられた封止キャップ（不図示）と、を備える。浄水カートリッジ２０は、円筒形状の活性炭成形体２１の外周面から中心に向けて水を通過させることによって、水を浄化することができる。
【0017】
活性炭成形体２１は、図２に示すように、円筒状の中芯２３と、中芯２３の外周面上に配置される活性炭層２５とを備える。中芯２３は、任意の材料を使用可能であるが、活性炭成形体２１を成形する際に変形せず、また、得られた活性炭成形体２１を浄水カートリッジ２０に組み込み、ユーザーが実際に使用した際に変形しないものとされる。このような中芯の材料としては、多孔質セラミック、多孔質金属フィルタ、硬質不織布等が挙げられる。
【0018】
活性炭層２５は、活性炭を含んでなる。活性炭の形状は特に限定するものではないが、粒子状、繊維状とすることができる。粒子状の活性炭を用いる場合には、保形性の観点から、活性炭層２５が更にフィブリル繊維を含む構成とすることができる。活性炭としては、任意の出発原料から得られる活性炭を使用できる。具体的には、ヤシ殻、石炭、フェノール樹脂等を賦活させて活性炭としたものを使用できるが、ここに例示した以外の出発原料で製造した活性炭も使用できる。フィブリル繊維としては、粒子状活性炭を絡めて保形でき、且つ、中芯の表面と結合するものであれば、任意の繊維を使用できる。このようなフィブリル繊維としては、例えば、アクリル繊維、ポリエチレン繊維、セルロース繊維が挙げられる。
【0019】
活性炭は、粒子状の場合には積算粒度分布での５０％粒子径（メジアン径）が５０μｍ～１３０μｍのものを使用することが好ましく、６０μｍ～９０μｍのものを使用することがより好ましい。粒子径を調整するために、粒度分布の異なる２種以上の粒子状活性炭を混合させてもよい。粒子状活性炭の５０％粒子径が５０μｍ以上であると、中芯の細孔径に関わらず活性炭成形体のろ過流量を確保することができ、目詰まりしにくくなる。また、粒子状活性炭の５０％粒子径が１３０μｍ以下であると、活性炭成形体が十分な遊離塩素除去性能を発揮できる傾向にある。
【0020】
また、活性炭は、繊維状の場合には繊維径が５μｍ～３０μｍのものを使用することが好ましく、１０μｍ～２０μｍのものを使用することがより好ましい。繊維径が５μｍ以上であると、中芯の細孔径に関わらず活性炭成形体のろ過流量を確保することができ、目詰まりしにくくなる。また、繊維径が５μｍ以上であると、活性炭の強度が高くなり活性炭成形体を成形する際等に壊れにくくなる。また、繊維径が３０μｍ以下であると、活性炭成形体が十分な遊離塩素除去性能を発揮できる傾向にある。
【0021】
この活性炭は、比表面積が５００ｍ２／ｇ～４０００ｍ２／ｇのものを使用することが好ましく、１０００ｍ２／ｇ～２０００ｍ２／ｇのものを使用することがより好ましい。比表面積が５００ｍ２／ｇ以上であると、活性炭成形体が十分な遊離塩素除去性能を発揮できる傾向にある。比表面積が４０００ｍ２／ｇ以下であると、活性炭の強度が高くなり活性炭成形体を成形する際等に壊れにくくなる。また、活性炭は、全細孔容積が０．１ｃｍ３／ｇ～５．０ｃｍ３／ｇのものを使用することが好ましく、０．３ｃｍ３／ｇ～１．５ｃｍ３／ｇのものを使用することがより好ましい。全細孔容積が０．１ｃｍ３／ｇ以上であると、活性炭成形体が十分な遊離塩素除去性能を発揮できる傾向にある。全細孔容積が５．０ｃｍ３／ｇ以下であると、活性炭の強度が高くなり活性炭成形体を成形する際等に壊れにくくなる。活性炭は、真密度が１．６ｇ／ｃｍ３以上が好ましく、１．８ｇ／ｃｍ３以上が更に好ましい。活性炭の真密度は、通常２．２ｇ／ｃｍ３以下である。さらに、活性炭は、嵩密度が０．１ｇ／ｃｍ３～２．０ｇ／ｃｍ３のものを使用することが好ましく、０．４ｇ／ｃｍ３～１．３ｇ／ｃｍ３のものを使用することがより好ましい。嵩密度が０．１ｇ／ｃｍ３以上であると、活性炭の強度が高くなり活性炭成形体を成形する際等に壊れにくくなる。嵩密度が５．０ｇ／ｃｍ３以下であると、活性炭成形体が十分な遊離塩素除去性能を発揮できる傾向にある。
【0022】
本実施形態の活性炭は、ＢＥＴ（Ｂｒｕｎａｕｅｒ－Ｅｍｍｅｔｔ－Ｔｅｌｌｅｒ）－ＤＦＴ法（Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｔｈｅｏｒｙ）により測定される、細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔容積（「細孔径０．７ｎｍの細孔容積」とも称する）が０．０１０２ｃｍ３／ｇ以上である。この細孔容積は、遊離塩素除去性の観点において、０．０１７７ｃｍ３／ｇ以上であることが好ましく、０．０６４７ｃｍ３／ｇ以上であることがより好ましく、０．１９６７ｃｍ３／ｇ以上であることが更に好ましい。活性炭の細孔径０．７ｎｍの細孔容積は、通水に耐えうる十分な強度を確保するという観点において、５．０ｃｍ３／ｇ以下であることが好ましく、１．５ｃｍ３／ｇ以下であることがより好ましい。なお、細孔容積１．５ｃｍ３／ｇは、比表面積４０００ｍ２／ｇに相当する。
なお、細孔径０．７ｎｍの細孔容積は、活性炭の出発原料、賦活法、賦活後の後処理の有無、後処理の種類等により適宜設計可能である。
なお、細孔径０．７ｎｍの細孔容積は、活性炭の出発原料、賦活法、賦活後の後処理の有無、後処理の種類等により適宜設計可能である。
【0023】
詳細には、汎用されているスパウトインタイプの浄水カートリッジの活性炭成形体の体積は４５ｃｍ３程度である。細孔径０．７ｎｍの細孔容積が０．０１７７ｃｍ３／ｇ以上である場合、汎用品より小さい約４０ｃｍ３で９００Ｌの塩素除去寿命を達成することが可能となる。なお、９００Ｌの塩素除去寿命は、１日１０Ｌの浄水を使用すると想定して、３ヶ月分に相当する。
また、細孔径０．７ｎｍの細孔容積が０．０４７５ｃｍ３／ｇ以上である場合、さらに小さい約３７．６ｃｍ３で９００Ｌの塩素除去寿命を達成することが可能となる。
さらに、細孔径０．７ｎｍの細孔容積が０．１９６７ｃｍ３／ｇ以上である場合、例えば、汎用品より小さい約３１．８ｃｍ３で１２００Ｌの塩素除去寿命を達成することが可能となる。約３１．８ｃｍ３以下の活性炭成形体を用いた場合、従来の浄水カートリッジ（直径約２．６６ｃｍ）の長さ寸法をそのままに直径２．２８ｃｍ程度まで小型化することができる。これは、呼径２５の規格のパイプ中にそのまま組み込めるサイズであり、水栓のデザイン性が格段に高まる。なお、１２００Ｌの塩素除去寿命は、１日１０Ｌの浄水を使用すると想定して、４ヶ月分に相当する。なお、呼径２５とは、給水栓を規定するＪＩＳ Ｂ２０６１や一般配管用ステンレス鋼管を規定するＪＩＳ Ｇ３４４８に示されるものである。
また、細孔径０．７ｎｍの細孔容積が０．０４７５ｃｍ３／ｇ以上である場合、さらに小さい約３７．６ｃｍ３で９００Ｌの塩素除去寿命を達成することが可能となる。
さらに、細孔径０．７ｎｍの細孔容積が０．１９６７ｃｍ３／ｇ以上である場合、例えば、汎用品より小さい約３１．８ｃｍ３で１２００Ｌの塩素除去寿命を達成することが可能となる。約３１．８ｃｍ３以下の活性炭成形体を用いた場合、従来の浄水カートリッジ（直径約２．６６ｃｍ）の長さ寸法をそのままに直径２．２８ｃｍ程度まで小型化することができる。これは、呼径２５の規格のパイプ中にそのまま組み込めるサイズであり、水栓のデザイン性が格段に高まる。なお、１２００Ｌの塩素除去寿命は、１日１０Ｌの浄水を使用すると想定して、４ヶ月分に相当する。なお、呼径２５とは、給水栓を規定するＪＩＳ Ｂ２０６１や一般配管用ステンレス鋼管を規定するＪＩＳ Ｇ３４４８に示されるものである。
【0024】
所定の細孔径における細孔容積の算出に当たっては、活性炭に形成された細孔の形状をスリット状と仮定して算出した。まず、測定中に窒素ガスが活性炭に吸着していく累積体積を測定し、解析ソフト（ＡＳＡＰ２０２０分析プログラム）を用いて活性炭１ｇ当たりの所定の細孔径における細孔容積（ｃｍ３／ｇ）を算出した。活性炭１ｇ当たりの細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔容積Ｘ（ｃｍ３／ｇ）は、細孔径０．６７９ｎｍ以下の細孔容積Ｂ（ｃｍ３／ｇ）と細孔径０．６４３ｎｍ以下の細孔容積Ａ（ｃｍ３／ｇ）との差分値と、細孔径０．７３３ｎｍ以下の細孔容積Ｃ（ｃｍ３／ｇ）と細孔径０．６７９ｎｍ以下の細孔容積Ｂ（ｃｍ３／ｇ）との差分値の合算値として求めた（Ｘ＝Ｃ－Ａ）。
【0025】
細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔において、遊離塩素が除去される作用について説明する。
本願発明者らは、図３に示すように、浄水カートリッジ２０に含まれる細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔容積と、塩素除去寿命との間に正の相関関係があることを新たに見出した。なお、図３のグラフ中、各プロットは後述する実施例１～実施例４の活性炭において得られたデータに対応する。一方、カートリッジに含まれる細孔径０．６７９ｎｍ以下の細孔径を有する細孔の細孔容積と、塩素除去寿命との間には相関関係がみられなかった。また、カートリッジに含まれる細孔径０．７３３ｎｍ以上の細孔径を有する細孔の細孔容積と、塩素除去寿命との間には相関関係がみられなかった。なお、この塩素除去寿命は、ＪＩＳ Ｓ３２０１に準拠して測定した、ろ過流量２．５Ｌ／ｍｉｎの通水条件下で濃度２ｐｐｍの遊離塩素含有水を連続通水した際の遊離塩素除去率が８０％に低下するまでの累積通水量として求めた。
本願発明者らは、図３に示すように、浄水カートリッジ２０に含まれる細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔容積と、塩素除去寿命との間に正の相関関係があることを新たに見出した。なお、図３のグラフ中、各プロットは後述する実施例１～実施例４の活性炭において得られたデータに対応する。一方、カートリッジに含まれる細孔径０．６７９ｎｍ以下の細孔径を有する細孔の細孔容積と、塩素除去寿命との間には相関関係がみられなかった。また、カートリッジに含まれる細孔径０．７３３ｎｍ以上の細孔径を有する細孔の細孔容積と、塩素除去寿命との間には相関関係がみられなかった。なお、この塩素除去寿命は、ＪＩＳ Ｓ３２０１に準拠して測定した、ろ過流量２．５Ｌ／ｍｉｎの通水条件下で濃度２ｐｐｍの遊離塩素含有水を連続通水した際の遊離塩素除去率が８０％に低下するまでの累積通水量として求めた。
【0026】
細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔が、塩素除去作用に有効である理由は定かではないが、次のように推察される。第一原理分子動力学法により水和構造計算を行い、次亜塩素酸イオンの中心から、水分子の酸素の中心までの距離（ｒ）の動径分布（ＲＤＦ）を算出すると、図４のグラフに示すように溶媒和イオン半径約３．２Å（０．３２ｎｍ）付近にピークを有することが示された。つまり、親水性の次亜塩素酸イオンＭ１は、水中において周囲に水分子Ｍ２を伴って直径約０．６４ｎｍの水和構造を形成していると考えられる（図５参照）。図５（ａ）に示すように、この水和構造を形成した次亜塩素酸イオンＭ１は、細孔径０．６７９ｎｍ未満の細孔２５Ａの内部に進入しにくく、細孔径０．６７９ｎｍ未満の細孔２５Ａによる遊離塩素の除去作用は小さいと考えられる。図５（ｃ）に示すように、この水和構造を形成した次亜塩素酸イオンＭ１は、細孔径０．７３３ｎｍ超の細孔２５Ｃの内部に進入することが許容され得る。しかし、細孔２５Ｃは水和構造を形成した次亜塩素酸イオンＭ１に対して細孔径が大きすぎるため、細孔２５Ｃの内壁と内部に進入した次亜塩素酸イオンＭ１との距離が大きくなり、活性炭による遊離塩素の吸着や酸化分解が十分に促進されないと考えられる。また、浄水カートリッジ２０のようにろ過流量が大きい条件（例えば空間速度（ＳＶ）が３５００／ｈ以上）で使用される場合には、細孔径０．７３３ｎｍ超の細孔２５Ｃでは水和構造を有する次亜塩素酸イオンＭ１を十分に捕捉しておくことができないものと推測される。一方、細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔２５Ｂは、図６（ｂ）に示すように、好適に水和構造を有する次亜塩素酸イオンＭ１を補足して、遊離塩素の吸着や酸化分解が促進されると考えられる。
【0027】
続いて、本実施形態の一態様である、ＢＥＴ－ＤＦＴ法により測定される、細孔径０．７ｎｍの細孔容積が０．１９６７ｃｍ３／ｇ以上である活性炭を含んでなる活性炭成形体２１を備えた浄水カートリッジ２０について説明する。
【0028】
浄水カートリッジ２０は、活性炭成形体２１の体積が３７．６ｃｍ３以下であることが好ましい。活性炭成形体２１の体積の下限値は、特に定めるものではないが、３１．８ｃｍ３以上とすることができる。さらに、浄水カートリッジ２０は、ＪＩＳ Ｓ３２０１に準拠した測定方法により測定した、ろ過流量２．５Ｌ／ｍｉｎの通水条件下で濃度２ｐｐｍの遊離塩素含有水を連続通水した際の遊離塩素除去率が８０％に低下するまでの累積通水量が、活性炭成形体の体積１ｃｍ３当たり３７．７Ｌ以上であることが好ましい。このような塩素除去寿命が長い活性炭を用いた浄水カートリッジ２０は、十分な塩素除去寿命を確保しつつ、従来の浄水カートリッジより小型化可能である。
【0029】
この活性炭成形体２１の体積及び単位体積当たりの累積通水量は、本願発明者らが別に得た、塩素除去寿命Ｌが、活性炭成形体の体積Ｖの２乗に比例するとの知見に基づき算出されたものである。この知見に基づき、細孔径０．７ｎｍの細孔容積が異なる活性炭について、活性炭の体積３７．６ｃｍ３のカートリッジを作成して、ＪＩＳ Ｓ３２０１に準拠して通水試験を行って比例定数を算出し、活性炭成形体の体積と塩素除去寿命との関係式を導き出した。図７において実施例１と記された太い実線のグラフが、細孔径０．７ｎｍの細孔容積が０．１９６７ｃｍ３／ｇの活性炭における関係式（Ｌ＝１．１８８０×Ｖ２）を表すグラフである。この関係式から、本実施形態の活性炭成形体２１の体積と、活性炭成形体１ｃｍ３当たり累積通水量を算出した。なお、図７において、各グラフにプロットされた、活性炭成形体の体積１９．３ｃｍ３、２４．８ｃｍ３、３０．１ｃｍ３、４４．８ｃｍ３、５２．５ｃｍ３における塩素除去寿命は、上記の関係式に基づき算出された理論値である。
【実施例】
【0030】
本実施形態に係る活性炭成形体を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0031】
１．活性炭（実施例１～実施例４）
（１）比表面積、全細孔容積、細孔径０．７ｎｍの細孔容積、細孔分布
実施例１～実施例４の活性炭は、表１に示す比表面積、全細孔容積、細孔径０．７ｎｍの細孔容積であった。この比表面積、全細孔容積、細孔径０．７ｎｍの細孔容積は、次のようにして測定した。
まず、活性炭０．１ｇを３８０℃にて真空加熱した後、Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｒｅａ Ｐｏｒｏｓｉｔｙ Ａｎａｌｙｚｅｒ（マイクロメリティックス社製、ＡＳＡＰ－２０２０）を用いて、窒素ガスを吸着させて吸着等温線を求め、ＢＥＴ法により比表面積（ｍ２／ｇ）を算出した。そして、この吸着等温線から細孔直径３００ｎｍ以下の細孔の全細孔容積（ｃｍ３／ｇ）を算出した。
活性炭１ｇ当たりの細孔径０．７ｎｍの細孔容積は、上述の実施形態に記載したようにＢＥＴ－ＤＦＴ法により算出した。実施例１の細孔径０．７ｎｍの細孔容積は、０．１９６７ｃｍ３／ｇであった。実施例２の細孔径０．７ｎｍの細孔容積は、０．０１７７ｃｍ３／ｇであった。実施例３の細孔径０．７ｎｍの細孔容積は、０．０４７５ｃｍ３／ｇであった。実施例４の細孔径０．７ｎｍの細孔容積は、０．１１６６ｃｍ３／ｇであった。
また、ＢＥＴ－ＤＦＴ法により所定の細孔径の細孔容積を算出し、細孔分布を求めた。その結果を、図６に示す。図６のグラフは、横軸が細孔径（ｎｍ）を示し、縦軸が細孔容積（ｃｍ３／ｇ）を示す。
（１）比表面積、全細孔容積、細孔径０．７ｎｍの細孔容積、細孔分布
実施例１～実施例４の活性炭は、表１に示す比表面積、全細孔容積、細孔径０．７ｎｍの細孔容積であった。この比表面積、全細孔容積、細孔径０．７ｎｍの細孔容積は、次のようにして測定した。
まず、活性炭０．１ｇを３８０℃にて真空加熱した後、Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｒｅａ Ｐｏｒｏｓｉｔｙ Ａｎａｌｙｚｅｒ（マイクロメリティックス社製、ＡＳＡＰ－２０２０）を用いて、窒素ガスを吸着させて吸着等温線を求め、ＢＥＴ法により比表面積（ｍ２／ｇ）を算出した。そして、この吸着等温線から細孔直径３００ｎｍ以下の細孔の全細孔容積（ｃｍ３／ｇ）を算出した。
活性炭１ｇ当たりの細孔径０．７ｎｍの細孔容積は、上述の実施形態に記載したようにＢＥＴ－ＤＦＴ法により算出した。実施例１の細孔径０．７ｎｍの細孔容積は、０．１９６７ｃｍ３／ｇであった。実施例２の細孔径０．７ｎｍの細孔容積は、０．０１７７ｃｍ３／ｇであった。実施例３の細孔径０．７ｎｍの細孔容積は、０．０４７５ｃｍ３／ｇであった。実施例４の細孔径０．７ｎｍの細孔容積は、０．１１６６ｃｍ３／ｇであった。
また、ＢＥＴ－ＤＦＴ法により所定の細孔径の細孔容積を算出し、細孔分布を求めた。その結果を、図６に示す。図６のグラフは、横軸が細孔径（ｎｍ）を示し、縦軸が細孔容積（ｃｍ３／ｇ）を示す。
【0032】
（２）真密度、嵩密度
実施例１～実施例４の活性炭は、表１に示す真密度、嵩密度であった。活性炭の真密度（ｃｍ３／ｇ）は、ＪＩＳ Ｚ ８８０７の比重瓶による密度及び比重の測定方法に従い、測定液に１－ブタノールを用いて求めた。活性炭の嵩密度（ｃｍ３／ｇ）は、以下の式により求めた。
嵩密度＝真密度／｛１＋（全細孔容積×真密度）｝
実施例１～実施例４の活性炭は、表１に示す真密度、嵩密度であった。活性炭の真密度（ｃｍ３／ｇ）は、ＪＩＳ Ｚ ８８０７の比重瓶による密度及び比重の測定方法に従い、測定液に１－ブタノールを用いて求めた。活性炭の嵩密度（ｃｍ３／ｇ）は、以下の式により求めた。
嵩密度＝真密度／｛１＋（全細孔容積×真密度）｝
【0033】
【表1】
【0034】
２．浄水カートリッジ（実施例１～実施例４）
（１）実施例１～実施例３の活性炭（粒子状）を用いた浄水カートリッジの作製
実施例１～実施例３の活性炭を含むスラリーに、吸引ポンプに接続された中芯を投入し、吸引ポンプを作動して活性炭を中芯の周囲に付着させた。そして、活性炭が付着した中芯を乾燥機にて十分乾燥させた後、外径２４．５ｍｍ×内径８．３ｍｍ×長さ９０ｍｍ、体積３７．６ｃｍ３の円筒形状に成形し、活性炭成形体を得た。なお、中芯は、ＳｉＯ２を主成分とした多孔質セラミックによって作製されたものを用いた。得られた活性炭成形体の外周面に透水性を有する不織布を巻き、さらに、円筒形状の活性炭成形体の長手方向の一端側に、一端側の面を完全に閉塞できる円形状のキャップを装着させ、他端側に中心部分が開口した円形状のキャップを装着させることで、浄水カートリッジを作製した。
（１）実施例１～実施例３の活性炭（粒子状）を用いた浄水カートリッジの作製
実施例１～実施例３の活性炭を含むスラリーに、吸引ポンプに接続された中芯を投入し、吸引ポンプを作動して活性炭を中芯の周囲に付着させた。そして、活性炭が付着した中芯を乾燥機にて十分乾燥させた後、外径２４．５ｍｍ×内径８．３ｍｍ×長さ９０ｍｍ、体積３７．６ｃｍ３の円筒形状に成形し、活性炭成形体を得た。なお、中芯は、ＳｉＯ２を主成分とした多孔質セラミックによって作製されたものを用いた。得られた活性炭成形体の外周面に透水性を有する不織布を巻き、さらに、円筒形状の活性炭成形体の長手方向の一端側に、一端側の面を完全に閉塞できる円形状のキャップを装着させ、他端側に中心部分が開口した円形状のキャップを装着させることで、浄水カートリッジを作製した。
【0035】
（２）実施例４の活性炭（繊維状）を用いた浄水カートリッジの作製
実施例４の活性炭を中芯の周りに巻き回して、外径２４．５ｍｍ×内径８．３ｍｍ×長さ９０ｍｍ、体積３７．６ｃｍ３の円筒形状の活性炭成形体を得た。その他は、実施例１～実施例３と同様にして浄水カートリッジを作製した。
実施例４の活性炭を中芯の周りに巻き回して、外径２４．５ｍｍ×内径８．３ｍｍ×長さ９０ｍｍ、体積３７．６ｃｍ３の円筒形状の活性炭成形体を得た。その他は、実施例１～実施例３と同様にして浄水カートリッジを作製した。
【0036】
（３）活性炭の重量、活性炭成形体における活性炭の充填率
活性炭の重量Ｗは、浄水カートリッジ（活性炭成形体）に含まれる活性炭全体の重さとして求めた。活性炭成形体における活性炭の充填率は、活性炭成形体の体積Ｖに対する活性炭の体積（細孔を含む）の比率である。細孔を含む活性炭の体積は、活性炭の重量Ｗを活性炭の嵩密度で除して求めた。その結果を、表２に示す。
（４）活性炭成形体における細孔径０．７ｎｍの細孔容積
得られた浄水カートリッジについて、活性炭成形体中の細孔径０．７ｎｍの細孔容積と、活性炭成形体１ｃｍ３当たりの細孔径０．７ｎｍの細孔容積を算出した。活性炭成形体中の細孔径０．７ｎｍの細孔容積Ｙ（ｃｍ３）は、活性炭１ｇ当たりの細孔径０．７ｎｍの細孔容積Ｘ（ｃｍ３／ｇ）に浄水カートリッジの活性炭の重量Ｗ（ｇ）を乗じて算出した（Ｙ＝Ｘ×Ｗ）。また、活性炭成形体１ｃｍ３当たりの細孔径０．７ｎｍの細孔容積Ｚ（ｃｍ３／ｃｍ３）は、活性炭成形体中の細孔径０．７ｎｍの細孔容積Ｙ（ｃｍ３）を活性炭成形体の体積Ｖ（ｃｍ３）で除して算出した（Ｚ＝Ｙ／Ｖ）。その結果を、表２に示す。
活性炭の重量Ｗは、浄水カートリッジ（活性炭成形体）に含まれる活性炭全体の重さとして求めた。活性炭成形体における活性炭の充填率は、活性炭成形体の体積Ｖに対する活性炭の体積（細孔を含む）の比率である。細孔を含む活性炭の体積は、活性炭の重量Ｗを活性炭の嵩密度で除して求めた。その結果を、表２に示す。
（４）活性炭成形体における細孔径０．７ｎｍの細孔容積
得られた浄水カートリッジについて、活性炭成形体中の細孔径０．７ｎｍの細孔容積と、活性炭成形体１ｃｍ３当たりの細孔径０．７ｎｍの細孔容積を算出した。活性炭成形体中の細孔径０．７ｎｍの細孔容積Ｙ（ｃｍ３）は、活性炭１ｇ当たりの細孔径０．７ｎｍの細孔容積Ｘ（ｃｍ３／ｇ）に浄水カートリッジの活性炭の重量Ｗ（ｇ）を乗じて算出した（Ｙ＝Ｘ×Ｗ）。また、活性炭成形体１ｃｍ３当たりの細孔径０．７ｎｍの細孔容積Ｚ（ｃｍ３／ｃｍ３）は、活性炭成形体中の細孔径０．７ｎｍの細孔容積Ｙ（ｃｍ３）を活性炭成形体の体積Ｖ（ｃｍ３）で除して算出した（Ｚ＝Ｙ／Ｖ）。その結果を、表２に示す。
【0037】
（５）塩素除去寿命の測定
塩素除去寿命は、株式会社ＬＩＸＩＬ製の浄水器内蔵水栓「ＪＦ－ＡＢ４６１ＳＹＸ（ＪＷ）」に浄水カートリッジを装着し、ＪＩＳ Ｓ３２０１に準拠した測定方法により測定した、ろ過流量２．５Ｌ／ｍｉｎの通水条件下で濃度２ｐｐｍの遊離塩素含有水を連続通水した際の遊離塩素除去率が８０％に低下するまでの累積通水量として求めた。通水時の印加水圧は、２．５Ｌ／ｍｉｎの流速を確保できるように表２のとおりに調整した。なお、印加水圧がほぼ同じになるように浄水カートリッジ中の活性炭の粒度や活性炭成形体の充填率などを制御して圧力損失を調整した。また、通水試験時の空間速度（ＳＶ）は３９８９／ｈである。通水試験は、実施例毎に３本の浄水カートリッジについて行い、３回の通水試験により求められた塩素除去寿命の平均値を各実施例における浄水カートリッジの塩素除去寿命とした。その結果を、表２に示す。
塩素除去寿命は、株式会社ＬＩＸＩＬ製の浄水器内蔵水栓「ＪＦ－ＡＢ４６１ＳＹＸ（ＪＷ）」に浄水カートリッジを装着し、ＪＩＳ Ｓ３２０１に準拠した測定方法により測定した、ろ過流量２．５Ｌ／ｍｉｎの通水条件下で濃度２ｐｐｍの遊離塩素含有水を連続通水した際の遊離塩素除去率が８０％に低下するまでの累積通水量として求めた。通水時の印加水圧は、２．５Ｌ／ｍｉｎの流速を確保できるように表２のとおりに調整した。なお、印加水圧がほぼ同じになるように浄水カートリッジ中の活性炭の粒度や活性炭成形体の充填率などを制御して圧力損失を調整した。また、通水試験時の空間速度（ＳＶ）は３９８９／ｈである。通水試験は、実施例毎に３本の浄水カートリッジについて行い、３回の通水試験により求められた塩素除去寿命の平均値を各実施例における浄水カートリッジの塩素除去寿命とした。その結果を、表２に示す。
【0038】
【表2】
【0039】
３．活性炭成形体中の細孔径０．７ｎｍの細孔容積と塩素除去寿命との関係
活性炭成形体中の細孔径０．７ｎｍの細孔容積と塩素除去寿命とは、図３に示すような正の相関関係を有することが分かった。この結果から、細孔径０．７ｎｍの細孔が遊離塩素除去に有効であることが示された。
活性炭成形体中の細孔径０．７ｎｍの細孔容積と塩素除去寿命とは、図３に示すような正の相関関係を有することが分かった。この結果から、細孔径０．７ｎｍの細孔が遊離塩素除去に有効であることが示された。
【0040】
４．実施例１～実施例４の活性炭の細孔分布
図６のグラフに示されるように、実施例１の活性炭は０．７３３ｎｍに細孔分布のピークがあり、細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔容積が０．１９６７ｃｍ３／ｇであった。この実施例１の活性炭を用いた浄水カートリッジは、実施例２、実施例３、実施例４の活性炭より、細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔容積が大きく、浄水カートリッジに用いた場合の塩素除去寿命が長かった。また、実施例４の活性炭も０．７３３ｎｍに細孔分布のピークがあり、実施例１の活性炭の次に浄水カートリッジに用いた場合の塩素除去寿命が長かった。これらの結果から、細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔が塩素除去に有効であることが示唆された。また、細孔分布において、細孔径０．６７９ｎｍ～０．７３３ｎｍに細孔容積のピークを有する活性炭において塩素除去性能が高いことが示された。
また、実施例２と実施例３の活性炭は、細孔径０．６７９ｎｍ未満に細孔容積のピークを有するが、これらの活性炭は実施例１及び実施例４の活性炭より塩素除去寿命が短かった。この結果から、細孔径０．６７９ｎｍ未満の細孔が塩素除去に有効でないことが示唆された。
図６のグラフに示されるように、実施例１の活性炭は０．７３３ｎｍに細孔分布のピークがあり、細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔容積が０．１９６７ｃｍ３／ｇであった。この実施例１の活性炭を用いた浄水カートリッジは、実施例２、実施例３、実施例４の活性炭より、細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔容積が大きく、浄水カートリッジに用いた場合の塩素除去寿命が長かった。また、実施例４の活性炭も０．７３３ｎｍに細孔分布のピークがあり、実施例１の活性炭の次に浄水カートリッジに用いた場合の塩素除去寿命が長かった。これらの結果から、細孔径０．６７９ｎｍ以上０．７３３ｎｍ以下の細孔が塩素除去に有効であることが示唆された。また、細孔分布において、細孔径０．６７９ｎｍ～０．７３３ｎｍに細孔容積のピークを有する活性炭において塩素除去性能が高いことが示された。
また、実施例２と実施例３の活性炭は、細孔径０．６７９ｎｍ未満に細孔容積のピークを有するが、これらの活性炭は実施例１及び実施例４の活性炭より塩素除去寿命が短かった。この結果から、細孔径０．６７９ｎｍ未満の細孔が塩素除去に有効でないことが示唆された。
【0041】
５．カートリッジに含まれる活性炭の体積と塩素除去寿命との関係
実施例１～実施例４の活性炭について、浄水カートリッジに含まれる活性炭成形体の体積Ｖと塩素除去寿命Ｌの関係式を導きだした。この関係式を表すグラフを図７に示す。図７のグラフより、基準値として設定される塩素除去寿命１２００Ｌにおいて、実施例１の活性炭を用いることが浄水カートリッジの小型化に有利であることが示された。また、実施例１の活性炭より細孔径０．７ｎｍの細孔容積が大きい活性炭を用いることで、十分な遊離塩素除去性能を有する小型の浄水カートリッジを実現可能であることが示唆された。
実施例１～実施例４の活性炭について、浄水カートリッジに含まれる活性炭成形体の体積Ｖと塩素除去寿命Ｌの関係式を導きだした。この関係式を表すグラフを図７に示す。図７のグラフより、基準値として設定される塩素除去寿命１２００Ｌにおいて、実施例１の活性炭を用いることが浄水カートリッジの小型化に有利であることが示された。また、実施例１の活性炭より細孔径０．７ｎｍの細孔容積が大きい活性炭を用いることで、十分な遊離塩素除去性能を有する小型の浄水カートリッジを実現可能であることが示唆された。
【0042】
本発明は上記で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形又は変更が可能である。
例えば、活性炭成形体の形状は、円筒状に限られず、また、活性炭成形体は中芯を備えていなくても構わない。
例えば、活性炭成形体の形状は、円筒状に限られず、また、活性炭成形体は中芯を備えていなくても構わない。
【符号の説明】
【0043】
２０…浄水カートリッジ
２１…活性炭成形体
２１…活性炭成形体
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】