JP2019005680A

JP2019005680A - 有機溶剤処理システム

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Publication number: JP2019005680A
Application number: JP2017121498A
Authority: JP
Inventors: 瞬坂口; shun Sakaguchi; 増森　忠雄; Tadao Masumori; 忠雄増森
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2019-01-17

Abstract

【課題】環状有機シリコンを含む有機溶剤含有ガス処理において活性炭を吸着材とした水蒸気脱着式の有機溶剤処理装置を使用する場合において、より効率よく環状有機シリコンを装置上流側で除去することができるシステムを提供する。【解決手段】有機溶剤処理システムは前処理装置と吸脱着装置とを備え、前処理装置は、多孔質体と、酸解離指数（ｐＫａ）が２．２以下である分子量が１０００以下である酸性化合物とを含有する前処理材を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、有機溶剤含有ガスの処理に好適な有機溶剤処理システムに関するものである。

有機溶剤を含む被処理ガスから有機溶剤吸着して、有機溶剤を含まない清浄な空気を排出する装置として、従来、吸着材を充填させた吸着槽を２基以上有し、各吸着槽へ有機溶剤含有ガスを供給し吸着処理を行う吸着工程と、吸着材に吸着された有機溶剤を吸着材に水蒸気を導入して脱着処理を行う脱着工程を交互に繰り返す有機溶剤処理装置が知られている。ここで吸着材の脱着に使用される水蒸気の温度は一般的には１００℃〜１３０℃である（例えば、特許文献１、２参照）。

有機溶剤処理装置の吸着材の例として活性炭素繊維が使用されている。活性炭素繊維は低濃度の有機溶剤含有ガス吸着する機能に優れている。

また、有機溶剤処理装置は、処理対象の被処理ガス中に含まれる有機溶剤の種類、濃度、及び排ガスの温湿度、風量といった条件を元にして最適なサイズの有機溶剤処理装置を選定している。

ところが、有機溶剤中に微量の有機シリコンが含まれている被処理ガスを活性炭吸着材による水蒸気脱着式有機溶剤処理装置で処理を行う場合、吸着材の吸着性能が徐々に低下していき、有機溶剤の回収率が低下したり、装置より排出されるガス中に有機溶剤が含まれたりする。これは、有機シリコンの沸点が高く難脱着性を示す為に、１００〜１３０℃の水蒸気では吸着材より完全に脱着することができず、吸着材に蓄積していくことによる。

上述の問題を解決する為に、有機溶剤処理装置の脱着用水蒸気をヒーターを用いて加熱し１５０℃〜３００℃の過熱水蒸気にて吸着材より難脱着成分を脱着させる技術が提唱されている（例えば特許文献３、４参照）。

また、有機溶剤処理装置における吸着材を劣化させうる難脱着性成分を被処理ガスより除去する為に、従来、装置上流側に前処理設備を設置するシステムが提唱されている（例えば特許文献５参照）。前処理設備には一般的に粒状活性炭やシリカゲル等の吸着材が搭載されており、被処理ガス中の低濃度の難脱着性成分を吸着させ、ガス成分の主体である有機溶剤は破過させることで、下流側の有機溶剤回収装置に有機溶剤のみを供給することができる為、有機溶剤処理装置の吸着材を延命させうることが可能となる。

特公昭６４−１１３２６号公報特開２００１−１７９０４１号公報特開平３−１９３１１３号公報特開２０１１−１２５８００号公報特開平１０−３２３５３５号公報

しかし、過熱水蒸気にて脱着を行う場合、有機溶剤を含む排ガス中に含まれる有機シリコンが環状有機シリコンであると、過熱水蒸気によって吸着材上で重合され、より難脱着性成分に変化することもあり、常時、過熱水蒸気による脱着を行うことは得策ではなく、また過熱水蒸気にするために脱着水蒸気温度を昇温させることはランニングコスト増加に繋がる。

また、前処理設備を設置する場合、前処理設備において除去する難脱着性成分が有機シリコンである場合、前処理設備中の活性炭やシリカゲルといった吸着材（前処理材）にて吸着された環状有機シリコンは、被処理ガス中の有機溶剤によって脱離もされる。それゆえ、通常の難脱着性成分除去用に使用する前処理材の量と比較して過剰量搭載する必要があり、イニシャルコスト及び設置スペースが増加してしまう問題がある。

本発明は、かかる従来技術の課題を背景になされたものである。すなわち、本発明の目的は、環状有機シリコンを含む有機溶剤含有ガス処理において活性炭を吸着材とした水蒸気脱着式の有機溶剤処理装置を使用する場合において、より効率よく環状有機シリコンを装置上流側で除去することができるシステムを提供することにある。

本発明者らは鋭意検討した結果、以下に示す手段により、上記課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。すなわち、本発明は、以下の構成からなる。

１．有機溶剤を含有する被処理ガスを処理する有機溶剤処理システムであり、前記被処理ガスを前処理して前処理済ガスとして排出する前処理装置と、吸着材を充填した吸着槽を備え、当該吸着槽に前記前処理済ガスを供給して前記有機溶剤を吸着させる、当該吸着槽に脱着用ガスを供給して吸着材に吸着された前記有機溶剤を脱着する吸脱着装置と、を備え、前記前処理装置は、多孔質体と、酸解離指数（ｐＫ_ａ）が２．２以下である分子量が１０００以下である酸性化合物とを含有する前処理材を備えていることを特徴とする有機溶剤処理システム。
ここで、酸解離指数（ｐＫ_ａ）とは酸解離定数（Ｋ_ａ）から以下の式に従って算出される。
ｐＫａ＝−ｌｏｇＫ_ａ
また，酸解離定数（Ｋ_ａ）とは常温常圧（２５℃、１ａｔｍ）の条件における水中での酸解離定数（Ｋ_ａ）のことを指し、もし酸解離指数（ｐＫ_ａ）が複数ある場合は、最も小さい酸解離指数（ｐＫ_ａ）のことを指す。
２．前記前処理装置では、前記被処理ガスを５０℃以下で処理することを特徴とする上記１に記載の有機溶剤処理システム。
３．前記前処理装置に前記被処理ガスを通気線速０．１〜０．５ｍ／ｓで供給することを特徴とする上記１または２に記載の有機溶剤処理システム。
４．前記被処理ガスは環状有機シリコンを含有していることを特徴とする上記１から３のいずれか１つに記載の有機溶剤処理システム。
５．前記吸着材は繊維状活性炭であることを特徴とする上記１から４のいずれか１つに記載の有機溶剤処理システム。

本発明により、有機溶剤含有ガス処理において、環状有機シリコンを含有していた場合でも、重合を抑制しつつ吸着材の再生を行うことができることで吸着材の寿命を大きく向上させ、且つ常時過熱水蒸気による吸着材の脱着を行う場合と比較してランニングコストを小さくすることができる。

本発明に係る実施形態の有機溶剤処理システムの構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図を参照にして説明する。なお、以下に示す実施の形態においては、同一のまたは共通する構成、部材については、図中に同一の符号を付し、説明は繰り返さない。

図１に示す本実施形態の有機溶剤処理システム１は、前処理装置１２及び吸脱着装置２０を備えており、有機溶剤を含有する被処理ガス（処理対象ガス）を処理して、清浄ガスを排出するシステムである。

前処理装置１２は、被処理ガス供給ダクト１１より導入された被処理ガスを前処理して前処理済ガスを排出する装置である。前処理装置１２には、前処理材１３が充填されている。これについては後段で詳細に説明する。

吸脱着装置２０は、前処理装置１２から排出された前処理済ガスを処理して清浄ガス（処理済ガス）を排出する装置であり、吸着材１６が充填された吸着槽１５を備えている。本実施形態では２つの吸着槽１５を備えているが、備える数に限定はなく、１つでも、３つ以上でもよい。

吸着材１６は、粒状、粉状、繊維状、ハニカム状の活性炭、ゼオライト、シリカゲルや活性アルミナなどを用いることができる。特に繊維状活性炭を使用することが好ましい。繊維状活性炭は表面にミクロ孔を有すること及び繊維状構造であることにより、被吸着物質の吸着速度及び脱着速度が速く、被処理ガス中の有機溶剤を効率よく処理することが可能である為である。なお、本実施形態では、２つの吸着槽１５には同じ材料の吸着材１６が充填されているが、異なる材料の吸着材が充填されていてもよい。

有機溶剤処理装置１は、吸着槽１５に被処理ガスを導入して有機溶剤を吸着材１６に吸着させて清浄ガスを排出する吸着処理を実施する。また、吸着槽１５に脱着用ガスを導入して吸着材１６から有機溶剤を脱着する脱着処理を実施する。本実施形態では、脱着用ガスとして水蒸気を用いる。なお、図１は、図面向かって左側の吸着槽１５にて吸着処理、右側の吸着槽１５にて脱着処理を実施している状態を示している。

吸着槽１５には下ダンパー１７および上ダンパー１８が取付けられており、これらダンパーの開閉によりガスの流路を切替えることができる。

被処理ガスは、本実施形態では有機シリコンを含む有機溶剤含有ガスであり、被処理ガス供給ダクト１１より前処理装置１２へ導入され、被処理ガス中の有機シリコンは前処理設備１２の前処理材１３によって除去される。その後、被処理ガスは、送風機１４へ送り込まれ、下ダンパー１７及び上ダンパー１８が開いて吸着処理できる状態となっている吸着槽１５に導入される。吸着槽１５での吸着処理により、被処理ガスから有機溶剤が吸着材１６に吸着されて、清浄ガスとなって清浄ガス排出ダクト１９より排出される。

一方、下ダンパー１７および上ダンパー１８が閉じられて脱着処理できる状態となっている吸着槽１５には、この吸着槽１５に設けられたけられた水蒸気供給口２３から脱着用ガスとして水蒸気が導入される。水蒸気は、水蒸気供給ライン２１より水蒸気切替弁２２を経由して水蒸気供給口２３へ供給される。吸着槽１５への水蒸気の導入により、吸着材１６に吸着された有機溶剤の脱着処理が行われる。脱着処理後の吸着槽１５は次の吸着処理に移行するまで待機状態となる。

吸着材１６から脱着された有機溶剤を含む水蒸気は、吸着槽１５に接続した脱着水蒸気排出口３１より脱着水蒸気ライン３２を経由して凝縮器３２へ供給される。凝縮器３３は、供給された有機溶剤を含む水蒸気を、液化凝縮する装置である。凝縮器３３にて液化凝縮された水と有機溶剤とは、回収液タンク３４へ供給され、分離して回収される。

本実施形態では、被処理ガスに含まれる有機シリコンは環状有機シリコンである。環状有機シリコンとは、シロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ結合）による環状分子構造骨格を有する環式有機化合物を示す。例えば、ヘキサメチルシクロトリシロキサン（Ｄ３）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（Ｄ４）、デカメチルシクロペンタシロキサン（Ｄ５）ドデカメチルシクロヘキサシロキサン（Ｄ６）などが挙げられるが、特に限定されるものではない。

本実施形態では、被処理ガスに含まれる有機溶剤とは、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、塩化エチレン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、Ｏ−ジクロロベンゼン、ｍ−ジクロロベンゼン、フロン−１２２、フロン−１１３、ＨＣＦＣ、ＨＦＣ、臭化プロピル、ヨウ化ブチル、酢酸メチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸ビニル、プロピオン酸メチル、アクリル酸メチル、アクリル酸ブチル、メタクリル酸メチル、炭酸ジエチル、蟻酸エチル、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、ジブチルエーテル、アニソール、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、２−ブタノール、イソブタノール、ｔ−ブタノール、アリルアルコール、ペンタノール、ヘプタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、フェノール、０−クレゾール、ｍ−クレゾール、ｐ−クレゾール、キシレノール、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、ホロン、アクリロニトリル、ｎ−ヘキサン、イソヘキサン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ｎ−ヘプタン、ｎ−オクタン、ｎ−ノナン、イソノナン、デカン、ドデカン、ウンデカン、テトラデカン、デカリン、ベンゼン、トルエン、ｍ−キシレン、ｏ−キシレン、ｐ−キシレン、エチルベンゼン、１，３，５−トリメチルベンゼン、Ｎ−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等から選ばれる１つのガスまたは複数の混合体であるガスを指し、特に限定されるものではない。

ここで、前処理装置１２が備える前処理材１３は、多孔質体と、酸解離指数（ｐＫａ）が２．２以下であり、分子量が１０００以下である酸性化合物と、を含有する吸着材である。

本実施形態の多孔質体は、粒状、粉状、繊維状、ハニカム状の活性炭、シリカゲル、ゼオライト、またはメソポーラスシリカ等から選ばれる１つ以上が挙げられるが、環状有機シリコンの吸着量、製造コストの面から活性炭及び／またはシリカゲルを使用することが好ましい。

本実施形態では、多孔質体は、有機物であっても無機物であってもよく、その平均細孔径についても特に限定されないが、１〜２０ｎｍであることが好ましい。平均細孔径が１ｎｍよりも小さければ、細孔が小さいが故に環状有機シリコンが細孔に入りにくく、効率的に除去することができない。また、平均細孔径が２０ｎｍよりも大きければ、細孔が大きいため、環状有機シリコンを吸着する速度が遅くなり、結果として除去効率が低下する。

本実施形態の多孔質体のＢＥＴ比表面積については特に限定されるものではないが、５００〜２０００ｍ^２／ｇであることが好ましい。ＢＥＴ比表面積が５００ｍ^２／ｇよりも小さければ、環状有機シリコンとの接触面積が小さい為、環状有機シリコンを効率よく除去することができない。また、ＢＥＴ比表面積が２０００ｍ^２／ｇよりも大きければ、製造が非常に困難となり価格が大きく上昇してしまう。

本実施形態の、酸解離指数が２．２以下であり、分子量が１０００以下である酸性化合物は、特に限定されるものではないが、例えば、シュウ酸、マレイン酸、ベンゼンヘキサカルボン酸、ピロメリット酸等のカルボン酸類、亜硫酸、硫酸、リン酸、亜リン酸、次亜リン酸等の無機酸類、リン酸メチル、リン酸ジメチル、イノシン酸等のリン酸エステル類、システイン、ヒスチジン等のアミノ酸類、ｐ−トルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸等のスルホン酸類等およびこれらを含む混合物が挙げられる。

前処理装置１２に、多孔質体と、酸解離指数が２．２以下であり、分子量が１０００以下である酸性化合物との複合物である、前処理材１３を充填することで、通常の吸着材を使用する場合と比較して、環状有機シリコンを被処理ガス中より除去する過程において、開環重合させることでより分子サイズの大きい環状有機シリコンに変化させてより吸着能力を高めることができる。そのため、被処理ガス中の有機溶剤によって脱離されることなく効率よく被処理ガス中から環状有機シリコンのみを除去することが可能となる。

前処理装置１２へ供給する被処理ガスの通気線速は特に限定されるものではないが、０．１〜０．５ｍ／ｓとすることが好ましい。通気線速が０．１ｍ／ｓよりも小さければ、前処理材１３の充填量が増えてしまい、充填量及び設置スペースが増加してしまう。また、通気線速が０．５ｍ／ｓよりも大きければ、環状有機シリコンを効率よく除去することが困難となってしまう。

本実施形態では、前処理装置１２へ供給する被処理ガスの温度は特に限定されるものではないが、７０℃以下、好ましくは５０℃以下である。被処理ガスの温度が５０℃を超えると、前処理材１３での環状有機シリコンの除去効率が低下し、充填量および設置スペースが増加してしまう。

以下に上記で説明した本実施形態の有機溶剤処理システム１００を用いた実施例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の内容に限定されるものではない。

［実施例１］
前処理装置１２の前処理材１３として、ｐ−トルエンスルホン酸を添着させた粒状活性炭を用いた。吸着槽１５の吸着材として、繊維状活性炭を用いた。

まず、トルエン１０００ｐｐｍとオクタメチルテトラシロキサン１ｐｐｍとを含む２５℃の被処理ガスを、風量４．０Ｎｍ^３／分で前処理装置１２に導入し、被処理ガス中に含まれているオクタメチルテトラシロキサンの除去を行った。続いて、前処理済ガスを送風機１４にて吸着槽１５に送り、吸着材１６により１０分間トルエンの吸着処理を行った。その後、トルエンを吸着した吸着材１６に１３０℃の水蒸気を導入して脱着処理を行った。脱着処理により排出されたトルエンを含んだ脱着ガスは、脱着水蒸気排出口３１から脱着水蒸気ライン３２を経由して凝縮器３３へ供給され、トルエンと水とに液化凝縮された後に、回収液タンク３４で回収された。

脱着処理を終えた吸着槽１５は次の吸着処理を迎えるまで待機状態とした。有機溶剤処理システム１００にて、吸着処理、脱着処理、待機状態、を順に吸着槽１５を切替えながら繰り返すことで、トルエン及びオクタメチルシクロテトラシロキサンを含む被処理ガスの処理を３００時間連続して行った。その後、吸着槽１５に搭載された吸着材１６を抜出し、吸着材１６に残存した環状有機シリコン及びその重合物量の測定を行った。

［実施例２］
前処理装置１２の前処理材１３として、実施例１と同じｐ−トルエンスルホン酸を添着させた粒状活性炭を用い、吸着槽１５の吸着材として、実施例１と同じ繊維状活性炭を用いた。

まず、トルエン１０００ｐｐｍとオクタメチルテトラシロキサン１ｐｐｍとを含む５０℃の被処理ガスを、風量４．０Ｎｍ^３／分で前処理装置１２に導入し、被処理ガス中に含まれているオクタメチルテトラシロキサンの除去を行った。続いて、前処理済ガスを送風機１４にて吸着槽１５に送り、吸着材１６により１０分間トルエン吸着処理を行った。その後、トルエンを吸着した吸着材１６に１３０℃の水蒸気を導入して脱着処理を行った。脱着処理により排出されたトルエンを含んだ脱着ガスは、脱着水蒸気排出口３１より脱着水蒸気ライン３２を経由して凝縮器３３へ供給され、トルエンと水とに液化凝縮された後に、回収液タンク３４で回収された。

［実施例３］
前処理装置１２の前処理材１３として、実施例１と同じｐ−トルエンスルホン酸を添着させた粒状活性炭を用い、吸着槽１５の吸着材として、実施例１と同じ繊維状活性炭を用いた。

まず、トルエン１０００ｐｐｍとオクタメチルテトラシロキサン１ｐｐｍとを含む７０℃の被処理ガスを、風量４．０Ｎｍ^３／分で前処理装置１２に導入し、被処理ガス中に含まれているオクタメチルテトラシロキサンの除去を行った。続いて、前処理済ガスを送風機１４にて吸着槽１５に送り、吸着材１６により１０分間トルエン吸着処理を行った。その後、トルエンを吸着した吸着材１６に１３０℃の水蒸気を導入して脱着処理を行った。脱着処理により排出されたトルエンを含んだ脱着ガスは、脱着水蒸気排出口３１より脱着水蒸気ライン３２を経由して凝縮器３３へ供給され、トルエンと水とに液化凝縮された後に、回収液タンク３４で回収された。

［比較例］
前処理装置１２の前処理材１３として粒状活性炭（添着無し）を用い、吸着槽１５の吸着材として、実施例と同じ繊維状活性炭を用いた。

まず、トルエン１０００ｐｐｍとオクタメチルテトラシロキサン１ｐｐｍとを含む２５℃の被処理ガスを、風量４．０Ｎｍ^３／分で前処理装置１２に導入し、被処理ガス中に含まれているオクタメチルテトラシロキサンの除去を行った。続いて、前処理済ガスを送風機１４にて吸着槽１５に送り、吸着材１６により１０分間トルエン吸着処理を行った。その後、トルエンを吸着した吸着材１６に１３０℃の水蒸気を導入して脱着処理を行った。脱着処理により排出されたトルエンを含んだ脱着ガスは、脱着水蒸気排出口３１より脱着水蒸気ライン３２を経由して凝縮器３３へ供給され、トルエンと水とに液化凝縮された後に、回収液タンク３４で回収された。

［比較例２］
有機溶剤処理システム１００から前処理装置１２を除いたシステムを用いた。吸着槽１５の吸着材１６として、実施例１と同じ繊維状活性炭を用いた。

まず、トルエン１０００ｐｐｍとオクタメチルテトラシロキサン１ｐｐｍとを含む２５℃の被処理ガスを、風量４．０Ｎｍ^３／分で送風機１４にて吸着槽１５に送り、吸着材１６により１０分間トルエン吸着処理を行った。その後、トルエンを吸着した吸着材１６に１３０℃の水蒸気を導入して脱着処理を行った。脱着処理により排出されたトルエンを含んだ脱着ガスは、脱着水蒸気排出口３１から脱着水蒸気ライン３２を経由して凝縮器３３へ供給され、トルエンと水とに液化凝縮された後に、回収液タンク３４で回収された。

実施例１〜３および比較例１〜２の結果を表１に示す。

表１が示すように、実施例１〜３における吸着材１６への環状有機シリコン及びその重合物の残存量は、比較例１，２に対して少なく、前処理装置１２により高効率で除去できている。実施例１、２では、環状有機シリコン及びその重合物の残存量が１ｍｇ／ｇ以下であり、特に高効率で環状有機シリコンを除去できていることがわかる。一方、比較例１、２では、効率よく環状有機シリコンを除去できていないことがわかかる。

上記各実施形態及び実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明により、被処理ガスである有機溶剤含有ガスが環状有機シリコンを含んでいて、前処理装置にて高効率で除去することが可能となり、後段の有機溶剤処理装置の吸着材の劣化進行を抑制して長寿命化することができる。結果としてシステムのランニングコストを低くすることができる。これらのことから、産業界に大きく寄与することが期待される。

１１被処理ガス供給ダクト
１２前処理装置
１３前処理材
１４送風機
１５吸着槽
１６吸着材
１７下ダンパー
１８上ダンパー
１９清浄ガス排出ダクト
２０吸脱着装置
２１水蒸気供給ライン
２２水蒸気切替弁
２３水蒸気供給ノズル
３１脱着水蒸気排出口
３２脱着水蒸気ライン
３３凝縮器
３４回収液タンク
１００有機溶剤処理システム

Claims

有機溶剤を含有する被処理ガスを処理する有機溶剤処理システムであり、
前記被処理ガスを前処理して前処理済ガスとして排出する前処理装置と、
吸着材を充填した吸着槽を備え、当該吸着槽に前記前処理済ガスを供給して前記有機溶剤を吸着させる、当該吸着槽に脱着用ガスを供給して吸着材に吸着された前記有機溶剤を脱着する吸脱着装置と、を備え、
前記前処理装置は、多孔質体と、酸解離指数（ｐＫ_ａ）が２．２以下である分子量が１０００以下である酸性化合物とを含有する前処理材を備えていることを特徴とする有機溶剤処理システム。
前記前処理装置では、前記被処理ガスを５０℃以下で処理することを特徴とする請求項１に記載の有機溶剤処理システム。
前記前処理装置に前記被処理ガスを通気線速０．１〜０．５ｍ／ｓで供給することを特徴とする請求項１または２に記載の有機溶剤処理システム。
前記被処理ガスは環状有機シリコンを含有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の有機溶剤処理システム。
前記吸着材は繊維状活性炭であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の有機溶剤処理システム。