[go: up one dir, main page]

JP2024064550A - Apparatus and method for recovering volatile organic compounds - Google Patents

Apparatus and method for recovering volatile organic compounds Download PDF

Info

Publication number
JP2024064550A
JP2024064550A JP2022173217A JP2022173217A JP2024064550A JP 2024064550 A JP2024064550 A JP 2024064550A JP 2022173217 A JP2022173217 A JP 2022173217A JP 2022173217 A JP2022173217 A JP 2022173217A JP 2024064550 A JP2024064550 A JP 2024064550A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
volatile organic
vapor
carbon material
organic compound
porous carbon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2022173217A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
和樹 曽根
Kazuki Sone
仁 伊藤
Hitoshi Ito
靖 市川
Yasushi Ichikawa
允宣 内村
Masanobu Uchimura
洋知 西原
Hirotomo Nishihara
和也 金丸
Kazuya Kanamaru
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tohoku University NUC
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Tohoku University NUC
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tohoku University NUC, Nissan Motor Co Ltd filed Critical Tohoku University NUC
Priority to JP2022173217A priority Critical patent/JP2024064550A/en
Publication of JP2024064550A publication Critical patent/JP2024064550A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

To provide means which may recover a volatile organic compound by a method that can achieve miniaturization while reducing energy loss.SOLUTION: A recovery device makes a vapor of a volatile organic compound adsorbed by a porous carbon material that adsorbs the vapor of the volatile organic compound by releasing and applying stress and desorbs the vapor or a liquefied material thereof, applies the stress to the porous carbon material that adsorbs the vapor, makes the vapor or the liquefied material thereof desorbed from the porous carbon material, and recovers the vapor or the liquefied material thereof desorbed from the porous carbon material.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本発明は、揮発性有機化合物の回収装置および回収方法に関する。 The present invention relates to a recovery device and recovery method for volatile organic compounds.

大気環境中に含まれる微小粒子状物質の規制は世界的規模でなされており、我が国は、大気汚染防止法その他の関係法令により、微小粒子状物質の大気中への放出を規制している。 Regulations on fine particulate matter contained in the air environment are in place on a global scale, and in Japan, the Air Pollution Control Act and other relevant laws and regulations regulate the release of fine particulate matter into the atmosphere.

微小粒子状物質とは、大気中に浮遊する小さな粒子のうち、粒子径が2.5μm以下の粒子のことをいう。その成分には、炭素成分、硝酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩のほか、ケイ素、ナトリウム、アルミニウムなどの無機元素などが含まれる。さまざまな粒径のものが含まれており、地域や季節、気象条件などによって組成が変動する。この微小粒子状物質は、物の燃焼などによって直接排出されるもの(一次生成粒子)と、環境大気中での化学反応により生成されたもの(二次生成粒子)とに大別される。このうち二次生成粒子は、溶剤・塗料の使用時や石油取扱施設からの蒸発、森林などから排出される揮発性有機化合物(VOC)等のガス状物質が、大気中で光やオゾンと反応することにより生成される。特に、揮発性有機化合物の排出量は、発生源として塗料、洗浄剤、接着剤、インキからの排出が全体の約75%を占め、業種別に見ても、塗料等を多く扱う業種からの排出が大部分を占める現状にある。 Fine particulate matter refers to small particles suspended in the air with a particle diameter of 2.5 μm or less. Its components include carbon components, nitrates, sulfates, ammonium salts, and inorganic elements such as silicon, sodium, and aluminum. It contains particles of various particle sizes, and its composition varies depending on the region, season, and weather conditions. This fine particulate matter is broadly divided into those directly emitted by burning materials (primary particles) and those generated by chemical reactions in the ambient air (secondary particles). Of these, secondary particles are generated when gaseous substances such as volatile organic compounds (VOCs) emitted during the use of solvents and paints, evaporation from oil handling facilities, and forests react with light and ozone in the atmosphere. In particular, emissions of volatile organic compounds from paints, cleaning agents, adhesives, and inks account for approximately 75% of the total, and even when viewed by industry, emissions from industries that handle a lot of paints, etc. account for the majority.

例えば、一般的な塗装工場は、建屋内にいくつかの塗装ブースと乾燥ライン、塗料の配合・供給場所、また被塗装材の搬入と塵埃除去、研磨装置等があり、排気は複数の排気口に設けたプレフィルタで大粒のミストや塵埃を除き、専用の排気ダクトを通って外部の活性炭やゼオライトなどを充填した回収システムで吸着処理してから大気中に放出する。また、揮発性有機化合物の処理手法としては、大別して、燃焼法、吸着法、その他の手法がある。このうち吸着法は、揮発性有機化合物を物理的・化学的に吸着して回収する手法であり、揮発性有機化合物の吸着と脱離を繰り返して、吸着剤を再生しながら行う手法である。 For example, a typical paint factory has several painting booths and drying lines, paint mixing and supply areas, as well as equipment for transporting and removing dust from materials to be painted, and polishing equipment. The exhaust air passes through pre-filters installed at multiple exhaust ports to remove large particles of mist and dust, and passes through a dedicated exhaust duct before being absorbed and treated in an external recovery system filled with activated carbon or zeolite before being released into the atmosphere. Methods for treating volatile organic compounds can be broadly divided into combustion methods, adsorption methods, and other methods. Of these, the adsorption method is a method of physically and chemically adsorbing and recovering volatile organic compounds, and is a method in which the adsorption and desorption of volatile organic compounds is repeated while regenerating the adsorbent.

従来、吸着法を用いて揮発性有機化合物を回収する手段として、特許文献1には、吸着剤を充填した吸着槽を備えた有機溶剤吸脱着装置に、有機溶剤を含有する被処理ガスを導入し、有機溶剤を当該吸着槽で吸着処理して有機溶剤濃度が減少した処理済みガスを排出し、当該吸着槽における吸着処理が完了した後に、前記有機溶剤吸脱着装置へスチームを導入して吸着剤から有機溶剤を脱離し、それによって吸着剤を再生する有機溶剤含有ガス処理システムが開示されている。そして、スチームの導入により有機溶剤を脱離可能な吸着剤としては、粒状活性炭や活性炭素繊維、ゼオライト、シリカゲルなどが挙げられている。 As a conventional means for recovering volatile organic compounds using an adsorption method, Patent Document 1 discloses an organic solvent-containing gas treatment system in which a gas to be treated containing an organic solvent is introduced into an organic solvent adsorption/desorption device equipped with an adsorption tank filled with an adsorbent, the organic solvent is adsorbed in the adsorption tank, and treated gas with a reduced organic solvent concentration is discharged. After the adsorption process in the adsorption tank is completed, steam is introduced into the organic solvent adsorption/desorption device to desorb the organic solvent from the adsorbent, thereby regenerating the adsorbent. Examples of adsorbents that can desorb organic solvents by the introduction of steam include granular activated carbon, activated carbon fiber, zeolite, and silica gel.

特開2009-273975号公報JP 2009-273975 A

上記特許文献1に開示されているような従来の有機溶剤含有ガス処理システムでは、揮発性有機化合物(有機溶剤)を吸着した吸着剤に対して加熱したガス(スチーム等)を供給することで溶剤蒸気を脱離させることから、エネルギーロスがあって低効率であり、配管も多く体積が大きいという問題があった。 In conventional organic solvent-containing gas treatment systems such as that disclosed in Patent Document 1, the solvent vapor is desorbed by supplying heated gas (steam, etc.) to an adsorbent that has adsorbed volatile organic compounds (organic solvents), which results in energy loss and low efficiency, as well as a large number of piping and a large volume.

そこで本発明は、エネルギーロスを低減しつつ小型化が可能な手法により、揮発性有機化合物を回収しうる手段を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide a means for recovering volatile organic compounds using a method that reduces energy loss and allows for miniaturization.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った。その結果、応力を解放および印加することによって揮発性有機化合物の蒸気を吸着し前記蒸気またはその液化物を脱離する多孔質炭素材料に対して揮発性有機化合物の蒸気を吸着させ、当該蒸気を吸着した多孔質炭素材料に対して応力を印加して当該蒸気またはその液化物を脱離させ、多孔質炭素材料から脱離した当該蒸気またはその液化物を回収するという方法により上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have conducted intensive research to solve the above problems. As a result, they have found that the above problems can be solved by a method in which a volatile organic compound vapor is adsorbed onto a porous carbon material that adsorbs the vapor of a volatile organic compound and desorbs the vapor or a liquefied product thereof by releasing and applying stress, a stress is applied to the porous carbon material that has adsorbed the vapor to desorb the vapor or a liquefied product thereof, and the vapor or a liquefied product thereof that has been desorbed from the porous carbon material is recovered, and the present invention has been completed.

すなわち本発明の一形態は、揮発性有機化合物の蒸気を吸着剤に吸着させた後に前記蒸気またはその液化物を脱離させて回収する揮発性有機化合物の回収装置であって、応力を解放および印加することによって前記蒸気を吸着し前記蒸気またはその液化物を脱離する多孔質炭素材料を含む吸脱着部と、前記多孔質炭素材料に対して、前記応力の解放および印加を行う応力印加部と、前記多孔質炭素材料から脱離した前記蒸気またはその液化物を回収する回収部とを備える、揮発性有機化合物の回収装置である。 That is, one aspect of the present invention is a volatile organic compound recovery device that adsorbs the vapor of a volatile organic compound onto an adsorbent and then desorbs and recovers the vapor or its liquefied product, and includes an adsorption/desorption section including a porous carbon material that adsorbs the vapor and desorbs the vapor or its liquefied product by releasing and applying stress, a stress application section that releases and applies the stress to the porous carbon material, and a recovery section that recovers the vapor or its liquefied product desorbed from the porous carbon material.

また、本発明の他の形態は、応力を解放および印加することによって揮発性有機化合物の蒸気を吸着し前記蒸気またはその液化物を脱離する多孔質炭素材料に対して、前記揮発性有機化合物の蒸気を吸着させることと、前記蒸気を吸着した前記多孔質炭素材料に対して応力を印加することにより、前記多孔質炭素材料から前記蒸気またはその液化物を脱離させることと、前記多孔質炭素材料から脱離した前記蒸気またはその液化物を回収することとを含む、揮発性有機化合物の回収方法である。 Another aspect of the present invention is a method for recovering a volatile organic compound, comprising: adsorbing a vapor of a volatile organic compound to a porous carbon material that adsorbs the vapor of the volatile organic compound and desorbs the vapor or a liquefied product thereof by releasing and applying stress; applying stress to the porous carbon material that has adsorbed the vapor, thereby desorbing the vapor or a liquefied product thereof from the porous carbon material; and recovering the vapor or a liquefied product thereof desorbed from the porous carbon material.

本発明によれば、エネルギーロスを低減しつつ小型化が可能な手法により、揮発性有機化合物を回収することができる。 According to the present invention, it is possible to recover volatile organic compounds using a method that reduces energy loss and allows for miniaturization.

本発明の一実施形態に係る揮発性有機化合物の回収システムの構成を示す概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a volatile organic compound recovery system according to one embodiment of the present invention. 多孔質炭素材料に応力を印加して収縮させて揮発性有機化合物を脱離させる様子を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a state in which a porous carbon material is contracted by applying stress to the material, thereby desorbing volatile organic compounds. GMSおよびCMSのXRDスペクトルを表す図である。FIG. 1 shows XRD spectra of GMS and CMS. 数式Aの意義をメタノールの飽和蒸気圧曲線を用いて説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the meaning of Equation A using a saturated vapor pressure curve of methanol. 吸着剤としてのGMSに対し、吸着質(揮発性有機化合物)としてメタノールを用い、GMSに対して応力を印加しない場合(応力無印加)と、100[MPa]の応力を印加した場合のそれぞれについて取得した吸着等温線である。The graph shows adsorption isotherms obtained when GMS was used as an adsorbent and methanol was used as an adsorbate (volatile organic compound), with no stress being applied to GMS (no stress applied) and when a stress of 100 MPa was applied to GMS. 吸着剤としてのGMSに対し、吸着質(揮発性有機化合物)としてジエチルエーテルを用い、GMSに対して応力を印加しない場合(応力無印加)と、100[MPa]の応力を印加した場合のそれぞれについて取得した吸着等温線である。The graph shows adsorption isotherms obtained when GMS was used as an adsorbent and diethyl ether was used as an adsorbate (volatile organic compound) and when no stress was applied to GMS (no stress applied) and when a stress of 100 MPa was applied to GMS. 吸着剤に吸着したメタノールを脱離させるのに必要とされるエネルギーを、従来技術の方法(活性炭からの加熱による脱離)と本発明の方法(GMSからの応力印加による脱離)とで比較するグラフである。1 is a graph comparing the energy required to desorb methanol adsorbed on an adsorbent for a prior art method (desorption by heating from activated carbon) and the method of the present invention (desorption by applying stress from GMS). GMS粉末にメタノールを吸着させた後、プレス機を用いてプレス処理を施す前後におけるプレス装置の様子を、サーモカメラを用いて撮影した結果を示す写真である。1 is a photograph showing the state of a pressing machine taken with a thermo camera before and after a pressing process was performed using a pressing machine after methanol was adsorbed into the GMS powder. GMS粉末に空気の存在下でジエチルエーテルを吸着させた後、プレス機を用いてプレス処理を施す前後におけるプレス装置の様子を示す説明図および写真である。FIG. 2 is an explanatory diagram and photographs showing the state of a pressing machine before and after a pressing process is carried out using a pressing machine after diethyl ether is adsorbed on GMS powder in the presence of air.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the claims, and is not limited to the following form. Note that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for the convenience of explanation, and may differ from the actual ratios.

<揮発性有機化合物の回収システム>
図1は、本発明の一実施形態に係る揮発性有機化合物の回収システム(以下、単に「VOC回収システム」とも称する)の構成を示す概略断面図である。
<Volatile organic compound recovery system>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a volatile organic compound recovery system (hereinafter, also simply referred to as a "VOC recovery system") according to one embodiment of the present invention.

VOC回収システム10は、揮発性有機化合物の回収装置(以下、単に「VOC回収装置」とも称する)100と、揮発性有機化合物の発生源である塗装ブース200と、システムの動作を制御する制御部150と、から構成されている。VOC回収システム10は、例えば、自動車等の産業製品の塗装プロセスなどから排出される揮発性有機化合物や、自動車等のエアコンの廃棄時に排出される代替フロン等の冷媒の回収に適用されうる。 The VOC recovery system 10 is composed of a volatile organic compound recovery device (hereinafter also simply referred to as "VOC recovery device") 100, a paint booth 200 which is a source of volatile organic compounds, and a control unit 150 which controls the operation of the system. The VOC recovery system 10 can be used to recover volatile organic compounds emitted from the painting process of industrial products such as automobiles, and refrigerants such as alternative fluorocarbons emitted when air conditioners for automobiles are disposed of.

図1に示すように、VOC回収装置100は、揮発性有機化合物の蒸気を吸着可能なグラフェンメソスポンジ(GMS)112(多孔質炭素材料)が内部に配置された密封可能なセル114からなる吸脱着部110と、セル114内のグラフェンメソスポンジ(GMS)112に対して応力の解放および印加を行うピストン120と、グラフェンメソスポンジ(GMS)112から脱離した揮発性有機化合物の蒸気またはその液化物を回収する回収チャンバー130とを備えている。また、VOC回収装置100は、セル114と回収チャンバー130との間を揮発性有機化合物の蒸気またはその液化物が移動可能に連通する配管142と、配管142の連通状態と遮断状態とを切り替えるバルブ144とを有する。バルブ144を開くと配管142は連通状態となり、バルブ144を閉じると配管142は遮断状態となる。制御部150は、ピストン120が印加する応力の大きさを変化させ、また、バルブ144の開閉を切り替えることによってVOC回収装置100の動作を制御する。 As shown in FIG. 1, the VOC recovery device 100 includes an adsorption/desorption section 110 consisting of a sealable cell 114 in which a graphene meso sponge (GMS) 112 (porous carbon material) capable of adsorbing volatile organic compound vapor is disposed, a piston 120 that releases and applies stress to the graphene meso sponge (GMS) 112 in the cell 114, and a recovery chamber 130 that recovers the vapor of the volatile organic compound or its liquefied product desorbed from the graphene meso sponge (GMS) 112. The VOC recovery device 100 also includes a pipe 142 that communicates between the cell 114 and the recovery chamber 130 so that the vapor of the volatile organic compound or its liquefied product can move between the cell 114 and the recovery chamber 130, and a valve 144 that switches the pipe 142 between a connected state and a blocked state. When the valve 144 is opened, the pipe 142 is in a connected state, and when the valve 144 is closed, the pipe 142 is in a blocked state. The control unit 150 controls the operation of the VOC recovery device 100 by changing the magnitude of the stress applied by the piston 120 and by switching the valve 144 between open and closed.

図1に示すように、VOC回収装置100のセル114は、配管212を介して塗装ブース200と接続されている。この配管212は、セル114と塗装ブース200との間を揮発性有機化合物の蒸気が移動可能に連通している。また、配管212には、上記と同様に配管212の連通状態と遮断状態とを切り替えるバルブ214が設置されている。VOC回収装置100の制御部150は、配管212に設置されたバルブ214の開閉を切り替えることによってVOC回収システム10の動作を制御する。以下、VOC回収システム10の各構成要素について、説明する。 As shown in FIG. 1, the cell 114 of the VOC recovery device 100 is connected to the paint booth 200 via a pipe 212. This pipe 212 communicates between the cell 114 and the paint booth 200 so that vapors of volatile organic compounds can move between them. In addition, a valve 214 is installed in the pipe 212 to switch the pipe 212 between an open state and a closed state, as described above. The control unit 150 of the VOC recovery device 100 controls the operation of the VOC recovery system 10 by switching the valve 214 installed in the pipe 212 between open and closed. Each component of the VOC recovery system 10 will be described below.

[吸脱着部]
図1に示すように、吸脱着部110は、揮発性有機化合物の蒸気を吸着可能なグラフェンメソスポンジ(GMS)112(多孔質炭素材料)が内部に配置された密封可能なセル114を有する。本形態において、GMS112は、多孔質炭素材料の一例として用いられている。
[Adsorption/Desorption Part]
1, the adsorption/desorption unit 110 has a sealable cell 114 in which a graphene meso sponge (GMS) 112 (a porous carbon material) capable of adsorbing vapor of a volatile organic compound is disposed. In this embodiment, the GMS 112 is used as an example of a porous carbon material.

(多孔質炭素材料)
多孔質炭素材料は、炭素を主成分として含有し、好ましくは炭素のみからなる多孔質の材料であり、弾性を有し、応力の印加により収縮して揮発性有機化合物を脱離可能で、かつ、応力の解放により膨張して揮発性有機化合物を吸着可能である。これにより、多孔質炭素材料は、応力印加部として機能するピストン120から応力を印加されて収縮して揮発性有機化合物を脱離し、応力を解放すると自由膨張して揮発性有機化合物を吸着する。
(Porous carbon materials)
The porous carbon material is a porous material containing carbon as a main component, preferably consisting of only carbon, has elasticity, and is capable of contracting to desorb volatile organic compounds when stress is applied, and of expanding to adsorb volatile organic compounds when stress is released. Thus, the porous carbon material contracts to desorb volatile organic compounds when stress is applied from the piston 120 functioning as a stress application section, and freely expands to adsorb volatile organic compounds when the stress is released.

なお、「弾性」とは、ピストン120(応力印加部)によって外部から応力を印加して収縮させても、応力を解放することによって、可逆的に大きく変形してほぼ元の形状に回復する性質を意味する。多孔質炭素材料の弾性限度は、揮発性有機化合物を脱離するために必要な応力印加よりも大きくなるように設計されることが好ましい。多孔質炭素材料の弾性限度は、VOC回収装置100の適用対象の規模等に応じて適宜設計することが好ましい。 The term "elasticity" refers to the property of being able to reversibly deform significantly and recover to nearly its original shape when stress is released, even if it is contracted by applying external stress by the piston 120 (stress application section). The elastic limit of the porous carbon material is preferably designed to be greater than the stress required to desorb volatile organic compounds. The elastic limit of the porous carbon material is preferably designed appropriately according to the scale of application of the VOC recovery device 100, etc.

また、「多孔質」とは、複数の(好ましくはナノレベルの)細孔を有することを意味する。ナノレベルの細孔とは、好ましくは直径0.5~100nmであり、より好ましくは直径0.7~50nmであり、さらに好ましくは直径0.7~6nmのミクロ孔またはメソ孔である。なお、IUPAC(国際純正及び応用化学連合)では、直径2nm以下の細孔をミクロ孔(micropore)、直径2~50nmの細孔をメソ孔(mesopore)、直径50nm以上の細孔をマクロ孔(macropore)と定義している。 "Porous" also means having multiple (preferably nano-level) pores. Nano-level pores are preferably micropores or mesopores with a diameter of 0.5 to 100 nm, more preferably 0.7 to 50 nm, and even more preferably 0.7 to 6 nm. The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) defines pores with a diameter of 2 nm or less as micropores, pores with a diameter of 2 to 50 nm as mesopores, and pores with a diameter of 50 nm or more as macropores.

一般的に、固体表面はファンデルワールス力によるポテンシャルエネルギーが高く、揮発性有機化合物の分子を凝縮させる作用がある。特に、本形態において、多孔質炭素材料に吸着された揮発性有機化合物は、ナノレベルの小さな細孔壁に囲まれているため、固体表面のファンデルワールス力(物理吸着力)によるポテンシャルエネルギーが著しく高い。このとき、気体状態の揮発性有機化合物は、多孔質炭素材料の細孔壁に液体の密度で吸着される。すなわち、多孔質炭素材料への吸着は気体から液体への相変化と同質の現象であり、吸着熱は凝縮潜熱にほぼ等しい。以下の説明において、揮発性有機化合物は、多孔質炭素材料に吸着すると気体から液体へ相変化し、脱離すると液体から気体へ相変化するものとする。また、吸着熱は、凝縮潜熱に等しいとする。 In general, the surface of a solid has a high potential energy due to van der Waals forces, and acts to condense the molecules of a volatile organic compound. In particular, in this embodiment, the volatile organic compound adsorbed to the porous carbon material is surrounded by small pore walls at the nano level, so the potential energy due to van der Waals forces (physical adsorption forces) of the solid surface is extremely high. At this time, the volatile organic compound in a gaseous state is adsorbed to the pore walls of the porous carbon material at the density of a liquid. In other words, adsorption to a porous carbon material is a phenomenon of the same nature as a phase change from gas to liquid, and the heat of adsorption is approximately equal to the latent heat of condensation. In the following explanation, it is assumed that a volatile organic compound changes phase from gas to liquid when adsorbed to a porous carbon material, and changes phase from liquid to gas when desorbed. It is also assumed that the heat of adsorption is equal to the latent heat of condensation.

多孔質炭素材料の細孔壁に吸着された細孔内部の液体密度の揮発性有機化合物は、飽和蒸気圧以下の圧力の蒸気と平衡状態となっている。すなわち、多孔質炭素材料の細孔壁に吸着された気体は、飽和蒸気圧以下の圧力で液体の状態となる。 Volatile organic compounds with liquid density inside the pores of the porous carbon material that are adsorbed on the pore walls are in equilibrium with vapor at a pressure below the saturated vapor pressure. In other words, the gas adsorbed on the pore walls of the porous carbon material becomes liquid at a pressure below the saturated vapor pressure.

多孔質炭素材料に応力を印加すると、図2の(A)応力印加前から(B)応力印加下のように多孔質炭素材料20の細孔が収縮し、細孔壁に吸着していた揮発性有機化合物30は脱離する。このとき、液体の密度で吸着された揮発性有機化合物30は、再び気体として多孔質炭素材料20の外部に放出される。VOC回収装置100は、このようにして脱離した揮発性有機化合物30を回収することによって、エネルギーロスを低減しつつ小型化が可能な手法により、揮発性有機化合物を回収することが可能である。 When stress is applied to the porous carbon material, the pores of the porous carbon material 20 shrink as shown in FIG. 2 (A) before the application of stress and (B) under the application of stress, and the volatile organic compounds 30 adsorbed on the pore walls are desorbed. At this time, the volatile organic compounds 30 adsorbed at the density of a liquid are released again as a gas to the outside of the porous carbon material 20. By recovering the desorbed volatile organic compounds 30 in this way, the VOC recovery device 100 is able to recover volatile organic compounds using a method that reduces energy loss and allows for miniaturization.

一方、多孔質炭素材料20において、応力を解放すると、多孔質炭素材料20は自由膨張して細孔が元の大きさに戻り、揮発性有機化合物30を再び吸着させることができる。上述したように、揮発性有機化合物30は、多孔質炭素材料20の細孔壁に液体の密度で吸着される。すなわち、揮発性有機化合物30は、多孔質炭素材料20へ吸着される際に、気体から液体へ相変化して、凝縮潜熱を発生する。 On the other hand, when the stress is released in the porous carbon material 20, the porous carbon material 20 expands freely, the pores return to their original size, and the volatile organic compound 30 can be adsorbed again. As described above, the volatile organic compound 30 is adsorbed on the pore walls of the porous carbon material 20 at the density of a liquid. That is, when the volatile organic compound 30 is adsorbed into the porous carbon material 20, it undergoes a phase change from gas to liquid, generating latent heat of condensation.

多孔質炭素材料の具体的な種類としては、弾性を有し、収縮して揮発性有機化合物30を脱離可能で、かつ、膨張して揮発性有機化合物30を吸着可能な材料であれば特に限定されない。 The specific type of porous carbon material is not particularly limited as long as it is a material that has elasticity, can contract to release volatile organic compounds 30, and can expand to adsorb volatile organic compounds 30.

多孔質炭素材料のBET比表面積は特に制限されないが、例えば、800~4200m/gの範囲であり、好ましくは800~2600m/gの範囲である。BET比表面積がこれらの範囲内の値のように大きい多孔質炭素材料を使用することによって吸着質の吸着量を増加させることができる。また、多孔質炭素材料の細孔容積も特に制限されないが、例えば、1.0~6.0mL/gであることが好ましく、1.8mL/g以上であることがより好ましく、2.0mL/g以上であることが特に好ましい。多孔質炭素材料の細孔容積が1.0mL/g以上であれば、比較的相対圧の高い蒸気圧領域であっても吸着、脱離する吸着質の量が少なくなりすぎないため好ましい。また、細孔容積が6.0mL/g以下であれば、細孔径が十分に小さくなり、吸着量が高くなるため好ましい。 The BET specific surface area of the porous carbon material is not particularly limited, but is, for example, in the range of 800 to 4200 m 2 /g, and preferably in the range of 800 to 2600 m 2 /g. By using a porous carbon material with a large BET specific surface area within these ranges, the amount of adsorbate adsorbed can be increased. The pore volume of the porous carbon material is also not particularly limited, but is, for example, preferably 1.0 to 6.0 mL/g, more preferably 1.8 mL/g or more, and particularly preferably 2.0 mL/g or more. If the pore volume of the porous carbon material is 1.0 mL/g or more, the amount of adsorbate adsorbed and desorbed does not become too small even in a vapor pressure region with a relatively high relative pressure, so this is preferable. If the pore volume is 6.0 mL/g or less, the pore diameter becomes sufficiently small, and the amount of adsorption becomes high, so this is preferable.

そのような材料としては、単層グラフェン骨格を含み、揮発性有機化合物30の脱離および吸着に必要な多孔性および弾性特性を有する炭素材料が挙げられる。このような炭素材料として、具体的には、ゼオライトテンプレートカーボン(ZTC;Zeorite Template Carbon)、グラフェンメソスポンジ(GMS;Graphene MesoSponge)、炭素メソスポンジ(CMS;Carbon MesoSponge)等が挙げられる。ゼオライトテンプレートカーボン(ZTC)、グラフェンメソスポンジ(GMS)、および炭素メソスポンジ(CMS)は、いずれも単層グラフェン骨格からなり、揮発性有機化合物30の脱離および吸着に必要な多孔性および弾性特性を有している。 Such materials include carbon materials that include a single-layer graphene skeleton and have the porosity and elasticity required for desorption and adsorption of volatile organic compounds 30. Specific examples of such carbon materials include zeolite template carbon (ZTC), graphene meso sponge (GMS), carbon meso sponge (CMS), and the like. Zeolite template carbon (ZTC), graphene meso sponge (GMS), and carbon meso sponge (CMS) are all made of a single-layer graphene skeleton and have the porosity and elasticity required for desorption and adsorption of volatile organic compounds 30.

ZTCは、単層のグラフェンシートにより構成される。また、均一な細孔(直径約1.2nm)が三次元的に規則配列し、相互に連結しており、極めて高いBET比表面積と細孔容積を有する(最大でBET比表面積が4100m/g、細孔容積が1.8mL/g)ことが知られている。なお、ZTCの規則構造は、X線回折装置(株式会社リガク製、MiniFlex600,CuK)を用いて分析した。また、ZTCのBET比表面積は、液体窒素吸着(77K)(Microtrac BEL,BELSORB-max)を用いて分析した。 ZTC is composed of a single-layer graphene sheet. It is known that uniform pores (diameter about 1.2 nm) are three-dimensionally ordered and interconnected, and that it has an extremely high BET specific surface area and pore volume (maximum BET specific surface area of 4100 m 2 /g and pore volume of 1.8 mL/g). The ordered structure of ZTC was analyzed using an X-ray diffraction device (MiniFlex600, CuK, manufactured by Rigaku Corporation). The BET specific surface area of ZTC was analyzed using liquid nitrogen adsorption (77 K) (Microtrac BEL, BELSORB-max).

ZTCの製造方法については、Nishihara, H. et al., Chemistry-European Journal 15, 5355 (2009)等に記載されている。具体的には、まず、構造内部に空孔を有し、この空孔が網目状に連結した構造を有する多孔質材料(例えば、ゼオライト等)を鋳型として準備する。そして、この多孔質材料の表面および空孔の内部に加熱条件下で有機化合物(例えば、アセチレン、エチレン等)を導入し、加熱することによって当該有機化合物を炭化し、多孔質材料に炭素を堆積させる。ここで、有機化合物の炭化・炭素の堆積は、例えば化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法により行うことができる。そして、鋳型である多孔質材料を除去する。この方法により、鋳型の三次元構造を反映した炭素材料(すなわち、ZTC)を容易に製造することができる。上記の方法により製造されたZTCは柔軟性および弾性に優れ、細孔の直径が約1.2nmから約0.7nmになるまで可逆的に変形することができる。 The method for producing ZTC is described in Nishihara, H. et al., Chemistry-European Journal 15, 5355 (2009), etc. Specifically, first, a porous material (e.g., zeolite, etc.) having pores inside the structure and a structure in which the pores are connected in a network form is prepared as a template. Then, an organic compound (e.g., acetylene, ethylene, etc.) is introduced into the surface and inside the pores of this porous material under heating conditions, and the organic compound is carbonized by heating, and carbon is deposited on the porous material. Here, the carbonization of the organic compound and the deposition of carbon can be performed, for example, by a chemical vapor deposition (CVD) method. Then, the porous material serving as the template is removed. This method makes it possible to easily produce a carbon material (i.e., ZTC) that reflects the three-dimensional structure of the template. The ZTC produced by the above method has excellent flexibility and elasticity, and can reversibly deform from a pore diameter of approximately 1.2 nm to approximately 0.7 nm.

GMSもまた、細孔壁の大部分が単層グラフェンから構成され、約6nm程度の微小な細孔を有するスポンジ状のメソ多孔体であり、ZTCと同様、活性炭に匹敵する極めて高いBET比表面積(約2000m/g)を有している。その一方で、活性炭やカーボンブラックとは異なり腐食の原因となるグラフェンの端部をほとんど含んでいないことから、優れた耐食性(酸化耐性)も備えている。また、柔軟かつ強靭であるというグラフェンの性質に起因して、GMSは柔軟性および弾性に優れ、細孔の直径が約5.8nmから約0.7nmになるまで可逆的に弾性変形することができる。 GMS is also a sponge-like mesoporous material with micropores of about 6 nm in size, with most of the pore walls being composed of single-layer graphene. Like ZTC, it has an extremely high BET specific surface area (about 2000 m 2 /g) comparable to that of activated carbon. On the other hand, unlike activated carbon and carbon black, it contains almost no graphene ends that cause corrosion, so it also has excellent corrosion resistance (oxidation resistance). In addition, due to the properties of graphene, which is flexible and tough, GMS has excellent flexibility and elasticity, and can reversibly elastically deform from about 5.8 nm to about 0.7 nm in pore diameter.

GMSの製造方法については、Nishihara, H. et al., Advanced Functional Materials, Vol. 26, 2016, 6418-6427.等に記載されている。具体的には、まず、ナノサイズの球状基材として、アルミナ等(例えば、SBa-200(商品名)等のγ-アルミナ)からなる金属酸化物ナノ粒子を準備する。この材料は後述するCVD法による炭素被覆に対する高い触媒活性と、優れた耐焼結耐性を有している。 The manufacturing method of GMS is described in Nishihara, H. et al., Advanced Functional Materials, Vol. 26, 2016, 6418-6427. Specifically, first, metal oxide nanoparticles made of alumina or the like (for example, gamma alumina such as SBa-200 (trade name)) are prepared as nano-sized spherical substrates. This material has high catalytic activity against carbon coating by the CVD method described below and excellent sintering resistance.

続いて、有機化合物を炭素源として用いたCVD法により、上記で準備した球状基材(金属酸化物ナノ粒子)の表面を炭素で被覆する。このCVD法を用いた炭素被覆によれば、球状基材(金属酸化物ナノ粒子)の全表面に均一な炭素層を形成することが可能である。なお、この際に用いられる有機化合物としては、メタン、アセチレン、エチレン、プロピレン、ベンゼン等が挙げられるが、なかでも特に欠陥の少ないグラフェンシートによる被覆が達成されうるという観点からは、メタンを炭素源として用いることが好ましい。なお、CVDプロセスにおいては、ガス流の流れを良くする目的で、石英砂(珪砂)などのスペーサーを球状基材(金属酸化物ナノ粒子)と混合した状態で有機化合物を導入してもよい。また、有機化合物の導入には窒素等の不活性ガスをキャリアガスとして用いてもよく、キャリアガスと炭素源(有機化合物)との混合ガスにおける炭素源の濃度は10~30体積%程度とすることが好ましい。 Next, the surface of the spherical substrate (metal oxide nanoparticles) prepared above is coated with carbon by a CVD method using an organic compound as a carbon source. This carbon coating using the CVD method makes it possible to form a uniform carbon layer on the entire surface of the spherical substrate (metal oxide nanoparticles). In addition, examples of organic compounds used in this case include methane, acetylene, ethylene, propylene, and benzene, but it is preferable to use methane as the carbon source from the viewpoint that a coating with a graphene sheet with particularly few defects can be achieved. In addition, in the CVD process, the organic compound may be introduced in a state where a spacer such as quartz sand (silica sand) is mixed with the spherical substrate (metal oxide nanoparticles) in order to improve the flow of the gas flow. In addition, an inert gas such as nitrogen may be used as a carrier gas for introducing the organic compound, and the concentration of the carbon source in the mixed gas of the carrier gas and the carbon source (organic compound) is preferably about 10 to 30% by volume.

CVDプロセスが進行すると試料の色は黒色に変化する一方で当該試料を内包する反応容器(例えば、石英管)は透明に維持されることから、炭素の堆積は球状基材(金属酸化物ナノ粒子)の表面上のみに生じていることが確認できる。ここで、CVDプロセスを経ても球状基材(金属酸化物ナノ粒子)は焼結していないため、炭素被覆された球状基材の形状は炭素被覆前からほとんど変化しない。このようにして球状基材(金属酸化物ナノ粒子)の表面に被覆された炭素層の(平均)積層数は、CVDプロセスにおいて投入した炭素源(有機化合物)の量のほか、CVDの際の処理温度および処理時間などに基づいて制御可能であり、最終的に得られるGMSにおけるグラフェン層の(平均)積層数に対応している。この(平均)積層数の値は特に制限されないが、揮発性有機化合物30に対して優れた脱離/吸着特性を示すという観点から、好ましくは0.90~3.0であり、より好ましくは0.95~2.0であり、さらに好ましくは0.98~1.5であり、特に好ましくは1.0~1.1である。なお、CVDプロセスにおける処理温度および処理時間についても特に制限はないが、処理温度は好ましくは800~1000℃であり、より好ましくは850~950℃である。また、処理時間は好ましくは1~10時間であり、より好ましくは2~6時間である。 As the CVD process progresses, the color of the sample changes to black, while the reaction vessel (e.g., quartz tube) containing the sample remains transparent, so that it can be confirmed that carbon deposition occurs only on the surface of the spherical substrate (metal oxide nanoparticles). Here, since the spherical substrate (metal oxide nanoparticles) is not sintered even after the CVD process, the shape of the carbon-coated spherical substrate hardly changes from before carbon coating. The (average) number of layers of the carbon layer coated on the surface of the spherical substrate (metal oxide nanoparticles) in this way can be controlled based on the amount of carbon source (organic compound) input in the CVD process as well as the processing temperature and processing time during CVD, and corresponds to the (average) number of layers of the graphene layers in the finally obtained GMS. The value of this (average) number of layers is not particularly limited, but from the viewpoint of exhibiting excellent desorption/adsorption properties for volatile organic compounds 30, it is preferably 0.90 to 3.0, more preferably 0.95 to 2.0, even more preferably 0.98 to 1.5, and particularly preferably 1.0 to 1.1. There are no particular limitations on the processing temperature and processing time in the CVD process, but the processing temperature is preferably 800 to 1000°C, and more preferably 850 to 950°C. The processing time is preferably 1 to 10 hours, and more preferably 2 to 6 hours.

その後、鋳型として用いられた球状基材(金属酸化物ナノ粒子)を化学エッチングによって除去し、当該球状基材の表面に被覆された炭素層のみを残す。この際、化学エッチングには強酸または強塩基の水溶液を用いればよい。強酸としては、例えば、フッ酸(HF)が挙げられる(この場合には室温でのエッチングが可能である)。また、強塩基としては、例えば、水酸化ナトリウム(NaOH)が挙げられる(この場合には200~300℃程度に加熱することが好ましい)。化学エッチングによって球状基材(金属酸化物ナノ粒子)が除去されると、GMSの前駆体として、球状のメソ孔を有する炭素メソスポンジ(CMS;Carbon MesoSponge)が得られる。 Then, the spherical substrate (metal oxide nanoparticles) used as the template is removed by chemical etching, leaving only the carbon layer coated on the surface of the spherical substrate. In this case, an aqueous solution of a strong acid or strong base may be used for the chemical etching. For example, hydrofluoric acid (HF) is an example of a strong acid (etching can be performed at room temperature in this case). For example, sodium hydroxide (NaOH) is an example of a strong base (heating to about 200 to 300°C is preferable in this case). When the spherical substrate (metal oxide nanoparticles) is removed by chemical etching, a carbon mesosponge (CMS) with spherical mesopores is obtained as a precursor of GMS.

最後に、このようにして得られたCMSを必要に応じて水洗した後、減圧または常圧の条件下において、1500~2000℃(好ましくは1600~1800℃)程度の温度で、30分間~2時間程度の熱処理を施す。雰囲気は特に制限されないが、量産を考慮すると窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気を採用することが好ましい。これにより、炭素層のグラフェンへの結晶化が進行し、GMSが得られる。ここで、CMSの有する球状のメソ孔は上述した熱処理の際の高温に対しても非常に安定であることから、このようにして得られたGMSにおいてもCMSと同様のメソ孔が保持されている。GMSはこのようなメソ孔を有していることから、スポンジのように柔軟に弾性変形が可能である。このため、収縮して揮発性有機化合物30を脱離可能であると共に、膨張しては揮発性有機化合物30を吸着可能であり、VOC回収装置100における多孔質炭素材料20として好適に用いられうる。 Finally, the CMS thus obtained is washed with water as necessary, and then heat-treated for about 30 minutes to 2 hours at a temperature of about 1500 to 2000°C (preferably 1600 to 1800°C) under reduced pressure or normal pressure conditions. The atmosphere is not particularly limited, but in consideration of mass production, it is preferable to adopt an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon. This advances the crystallization of the carbon layer into graphene, and GMS is obtained. Here, the spherical mesopores of CMS are very stable even at high temperatures during the above-mentioned heat treatment, so that the GMS thus obtained also retains mesopores similar to those of CMS. Since GMS has such mesopores, it can be flexibly and elastically deformed like a sponge. Therefore, it can contract to desorb volatile organic compounds 30, and expand to adsorb volatile organic compounds 30, and can be suitably used as the porous carbon material 20 in the VOC recovery device 100.

多孔質炭素材料についてのCu-Kα線を用いたX線回折スペクトルにおいては、2θ=44°付近に炭素の(10)面に由来するピークが観察されることが好ましく、その半値幅が1.2~3.2°であることが好ましい。このような多孔質炭素材料としては、GMSまたはCMSが挙げられる。なお、本発明者らがGMSおよびCMSについてのX線回折スペクトルを測定したところ、図3に示すように、これらのX線回折スペクトルにおいて、2θ=44°付近に炭素の(10)面に由来するピークが観察され、その半値幅は2.2°であった。なお、X線回折測定は、シリコン無反射板にサンプルを載せ、株式会社島津製作所社製X線回折装置XRD-6100を用いて行った。線源はCu-Kα、電圧40kV、電流30mAで行った。 In the X-ray diffraction spectrum of the porous carbon material using Cu-Kα radiation, a peak derived from the (10) plane of carbon is preferably observed near 2θ=44°, and the half-width is preferably 1.2 to 3.2°. Examples of such porous carbon materials include GMS and CMS. When the inventors measured the X-ray diffraction spectra of GMS and CMS, as shown in Figure 3, a peak derived from the (10) plane of carbon was observed near 2θ=44° in these X-ray diffraction spectra, and the half-width was 2.2°. The X-ray diffraction measurement was performed by placing a sample on a silicon non-reflective plate and using an X-ray diffractometer XRD-6100 manufactured by Shimadzu Corporation. The radiation source was Cu-Kα, the voltage was 40 kV, and the current was 30 mA.

なお、本形態に係る多孔質炭素材料は、バインダによって結着された成形体の形態で用いられてもよい。 The porous carbon material according to this embodiment may be used in the form of a molded body bound by a binder.

(セル)
図1に示す実施形態において、セル114は、吸脱着部110を構成する容器であり、GMS112(多孔質炭素材料)を内部に配置することができ密封可能なものであればその具体的な構成は特に制限されない。なお、セル114の壁の一部には、ピストン120(応力印加部)による多孔質炭素材料への応力の印加および解放が可能となるように、ピストン120(応力印加部)を通すための貫通孔が設けられている。また、セル114の内部は、真空または真空に近い低圧に保たれている。このため、セル114の内部に導入された揮発性有機化合物は比較的低い温度において液体から気体へ相変化することができる。
(cell)
In the embodiment shown in FIG. 1, the cell 114 is a container constituting the adsorption/desorption unit 110, and the specific configuration is not particularly limited as long as the GMS 112 (porous carbon material) can be placed inside and can be sealed. A through hole is provided in a part of the wall of the cell 114 for passing the piston 120 (stress application unit) so that the piston 120 (stress application unit) can apply and release stress to the porous carbon material. The inside of the cell 114 is kept at a vacuum or a low pressure close to a vacuum. Therefore, the volatile organic compound introduced into the inside of the cell 114 can change phase from liquid to gas at a relatively low temperature.

[応力印加部]
図1に示す実施形態において、ピストン120は、吸脱着部110に含まれるGMS112(多孔質炭素材料)に対して、応力の解放および印加を行う応力印加部として機能する。より具体的に、ピストン120(応力印加部)は、多孔質炭素材料に応力を印加して収縮させ、印加した応力を解放して多孔質炭素材料を自由膨張させる。これにより、応力印加部は、多孔質炭素材料の細孔径を外部からの応力で制御することができる。
[Stress application part]
In the embodiment shown in Fig. 1, the piston 120 functions as a stress application part that applies and releases stress to the GMS 112 (porous carbon material) included in the adsorption/desorption part 110. More specifically, the piston 120 (stress application part) applies stress to the porous carbon material to cause it to contract, and releases the applied stress to cause the porous carbon material to freely expand. This allows the stress application part to control the pore size of the porous carbon material by external stress.

応力印加部は、多孔質炭素材料に対して接近離反する方向に往復運動して多孔質炭素材料に応力を印加および解放することができる限り、その具体的な構成は特に限定されない。応力印加部としては、例えば、モーターの回転運動を利用した機械式プレス機や油圧等の流体圧を利用した液圧式プレス機などを使用することができる。 The specific configuration of the stress application unit is not particularly limited, as long as it can reciprocate in a direction approaching and receding from the porous carbon material to apply and release stress to the porous carbon material. For example, a mechanical press using the rotational motion of a motor or a hydraulic press using fluid pressure such as hydraulic pressure can be used as the stress application unit.

[回収チャンバー130]
図1に示す実施形態において、回収チャンバー130は、応力を印加された多孔質炭素材料から脱離した揮発性有機化合物の蒸気またはその液化物を回収する回収部として機能する。上述したように、回収チャンバー130は、配管142を介してセル114と接続されている。セル114中の多孔質炭素材料に吸着された揮発性有機化合物の蒸気またはその液化物を回収チャンバー130へと回収する際には、多孔質炭素材料に対して応力を印加して多孔質炭素材料を収縮させた状態で配管142状のバルブ144を連通状態とする。なお、回収チャンバー130には、回収された揮発性有機化合物またはその液化物をVOC回収システム10の外部へとさらに回収する際に、回収チャンバーから上記化合物またはその液化物を排出させるための排出口(図示せず)がさらに設けられていてもよい。
[Collection chamber 130]
In the embodiment shown in FIG. 1, the recovery chamber 130 functions as a recovery section for recovering the vapor of the volatile organic compound or its liquefied product desorbed from the porous carbon material to which stress has been applied. As described above, the recovery chamber 130 is connected to the cell 114 via the pipe 142. When recovering the vapor of the volatile organic compound or its liquefied product adsorbed on the porous carbon material in the cell 114 into the recovery chamber 130, a valve 144 on the pipe 142 is opened in a state in which the porous carbon material is contracted by applying stress to the porous carbon material. The recovery chamber 130 may further be provided with an outlet (not shown) for discharging the recovered volatile organic compound or its liquefied product from the recovery chamber when the recovered volatile organic compound or its liquefied product is further recovered outside the VOC recovery system 10.

[制御部150]
制御部150は、例えば、図示しないCPU(中央演算装置)、RAM(Random Access Memory)、およびコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。図1に示す実施形態において、制御部150は、ピストン120(応力印加部)および、配管142に設置されたバルブ144の動作を制御する。また、本実施形態において、制御部150は、後述する塗装ブース200とセル114とを連通する配管212に設置されたバルブ214の動作も制御する。具体的に、制御部150は、吸脱着部110における動作モードを、揮発性有機化合物30を多孔質炭素材料20から脱離させる脱離モードと、揮発性有機化合物30を多孔質炭素材料20に吸着させる吸着モードとの間で切り替える。
[Control unit 150]
The control unit 150 is composed of, for example, a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), and a computer-readable recording medium (not shown). In the embodiment shown in FIG. 1, the control unit 150 controls the operation of the piston 120 (stress application unit) and a valve 144 installed in the pipe 142. In this embodiment, the control unit 150 also controls the operation of a valve 214 installed in a pipe 212 that communicates between a coating booth 200 (described later) and the cell 114. Specifically, the control unit 150 switches the operation mode of the adsorption/desorption unit 110 between a desorption mode in which the volatile organic compound 30 is desorbed from the porous carbon material 20 and an adsorption mode in which the volatile organic compound 30 is adsorbed to the porous carbon material 20.

[塗装ブース200]
本実施形態において、塗装ブース200は、VOC回収システム10における回収対象物である揮発性有機化合物のうち、有機溶剤の蒸気の発生源の一例として挙げられている。この塗装ブースは、揮発性有機化合物の蒸気を発生するのであれば、その具体的な構成は特に制限されず、従来公知の任意の塗装工程が実施される環境でありうる。塗装ブースの一例としては、例えば自動車の製造工程の一つである塗装工程が挙げられる。揮発性有機化合物としての有機溶剤としては、例えば、アセトン、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、イソブチルアルコール、プロピレングリコールモノエチルエーテル、酢酸エチル、メチルエチルケトン、ベンゼン、トルエン、キシレン、N,N-ジメチルホルムアミドなどが挙げられる。また、ミネラルスピリットなどであってもよい。なお、これらの有機溶剤の発生源は、塗装ブースに特に制限されず、各種の洗浄工程、コーティング工程などの産業工程を発生源とするものであってももちろんよい。
[Painting booth 200]
In this embodiment, the paint booth 200 is cited as an example of a source of organic solvent vapor among volatile organic compounds that are the target of recovery in the VOC recovery system 10. The specific configuration of the paint booth is not particularly limited as long as it generates volatile organic compound vapor, and it can be an environment in which any conventionally known painting process is performed. An example of the paint booth is, for example, a painting process, which is one of the manufacturing processes of automobiles. Examples of organic solvents as volatile organic compounds include acetone, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, isobutyl alcohol, propylene glycol monoethyl ether, ethyl acetate, methyl ethyl ketone, benzene, toluene, xylene, and N,N-dimethylformamide. Mineral spirits and the like may also be used. The source of these organic solvents is not particularly limited to the paint booth, and may of course be an industrial process such as various cleaning processes and coating processes.

また、VOC回収システム10における回収対象物である揮発性有機化合物は、有機溶剤のほか、代替フロンなどの冷媒であってもよい。例えば、一般的な蒸気圧縮式の熱交換装置では、フルオロカーボン系の代替フロンであるHFC-134aが揮発性有機化合物(冷媒)として広く用いられている。本形態に係るVOC回収システム10は、空調や冷凍・冷蔵分野で用いられているこれらの代替フロン等の冷媒を回収対象物(揮発性有機化合物)としてもよい。 The volatile organic compounds to be recovered in the VOC recovery system 10 may be refrigerants such as alternative fluorocarbons, in addition to organic solvents. For example, in typical vapor compression heat exchange devices, HFC-134a, a fluorocarbon alternative fluorocarbon, is widely used as a volatile organic compound (refrigerant). The VOC recovery system 10 according to this embodiment may recover refrigerants such as alternative fluorocarbons used in the fields of air conditioning and refrigeration/freezing as volatile organic compounds.

<揮発性有機化合物の回収システムの動作>
続いて、本実施形態に係るVOC回収システム10(VOC回収装置100)の動作について説明する。
<Operation of the volatile organic compound recovery system>
Next, the operation of the VOC recovery system 10 (VOC recovery device 100) according to this embodiment will be described.

本実施形態に係るVOC回収システム10(VOC回収装置100)は、揮発性有機化合物の蒸気を多孔質炭素材料からなる吸着剤に吸着させた後に、吸着剤(吸脱着部)に応力を印加することによって、前記蒸気またはその液化物を脱離させて回収するものである。 The VOC recovery system 10 (VOC recovery device 100) according to this embodiment adsorbs the vapor of a volatile organic compound onto an adsorbent made of a porous carbon material, and then applies stress to the adsorbent (adsorption/desorption section) to desorb and recover the vapor or its liquefied form.

[吸着モード]
吸着モードは、回収対象物である揮発性有機化合物(有機溶剤や冷媒など)を吸脱着部110が有する多孔質炭素材料112に吸着させるモードである。
[Adsorption mode]
The adsorption mode is a mode in which the volatile organic compounds (organic solvents, refrigerants, etc.) to be recovered are adsorbed into the porous carbon material 112 of the adsorption/desorption section 110 .

吸着モードにおいて、制御部150は、図1の(A)に示すように、バルブ144を閉じるように制御するとともにバルブ214を開くように制御し、さらにピストン120を制御して多孔質炭素材料112に対して印加する応力を解放する。これにより、塗装ブース200において発生した揮発性有機化合物を吸脱着部110のセル114の内部に導入し、多孔質炭素材料112に吸着させる(図1の(A)に示す矢印)。この際、塗装ブース200から排出される揮発性有機化合物は各種のフィルターや精製装置等を経て生成されたものであることが好ましい。また、必要に応じて、塗装ブース200からの揮発性有機化合物の導入を促進するためにポンプ(図示せず)等の装置を用いてもよい。吸着モードにおいて所望の量の揮発性有機化合物を多孔質炭素材料112に吸着させたら、制御部150は、バルブ214を閉じるように制御する。 In the adsorption mode, as shown in FIG. 1A, the control unit 150 controls the valve 144 to close and the valve 214 to open, and further controls the piston 120 to release the stress applied to the porous carbon material 112. As a result, the volatile organic compounds generated in the paint booth 200 are introduced into the cell 114 of the adsorption/desorption unit 110 and adsorbed into the porous carbon material 112 (arrow shown in FIG. 1A). At this time, it is preferable that the volatile organic compounds discharged from the paint booth 200 are generated through various filters, purification devices, etc. In addition, if necessary, a device such as a pump (not shown) may be used to promote the introduction of the volatile organic compounds from the paint booth 200. When a desired amount of volatile organic compounds is adsorbed into the porous carbon material 112 in the adsorption mode, the control unit 150 controls the valve 214 to close.

吸着モードにおいてセル114の内部に導入される揮発性有機化合物の量は特に制限されず、揮発性有機化合物の少なくとも一部が多孔質炭素材料112に吸着される量であればよい。ここで、上述したように揮発性有機化合物が多孔質炭素材料112に吸着される際には液体状態となるが、セル114内部において揮発性有機化合物が存在しうる空間Sに、揮発性有機化合物の蒸気は存在していてもよいし、していなくともよい。また、上記空間Sに揮発性有機化合物の蒸気が存在する場合、飽和蒸気量未満の量で存在してもよいし、飽和蒸気量で存在してもよい(それ以上の量で導入された場合には吸着モードにおいても液体状態の揮発性有機化合物がセル114内部の空間Sに存在する)。吸着モードにおいて空間Sに揮発性有機化合物の蒸気が存在するか否か、どの程度の蒸気が存在するかについては、多孔質炭素材料112への揮発性有機化合物の吸着平衡により定まる。したがって、VOC回収装置100に用いる多孔質炭素材料112および回収対象物である揮発性有機化合物を用いた予備実験により、吸着モードにおいて所望の量の揮発性有機化合物を多孔質炭素材料112に吸着させるための条件を予め求めておくことができる。吸着モードにおけるセル114内の蒸気圧Pは、特に制限されないが、後述する多孔質炭素材料の温度Tにおける揮発性有機化合物の飽和蒸気圧P以下(換言すれば、相対圧P/P=1以下)であることが好ましい。 The amount of the volatile organic compound introduced into the cell 114 in the adsorption mode is not particularly limited, and may be an amount that allows at least a part of the volatile organic compound to be adsorbed by the porous carbon material 112. Here, as described above, when the volatile organic compound is adsorbed by the porous carbon material 112, it becomes a liquid state, but the vapor of the volatile organic compound may or may not be present in the space S in the cell 114 where the volatile organic compound may be present. In addition, when the vapor of the volatile organic compound is present in the space S, it may be present in an amount less than the saturated vapor amount, or may be present in the saturated vapor amount (when the volatile organic compound is introduced in an amount greater than the saturated vapor amount, the liquid-state volatile organic compound is present in the space S in the cell 114 even in the adsorption mode). Whether or not the vapor of the volatile organic compound is present in the space S in the adsorption mode and how much vapor is present are determined by the adsorption equilibrium of the volatile organic compound to the porous carbon material 112. Therefore, the conditions for adsorbing a desired amount of the volatile organic compound to the porous carbon material 112 in the adsorption mode can be obtained in advance by a preliminary experiment using the porous carbon material 112 used in the VOC recovery device 100 and the volatile organic compound that is the recovery target. The vapor pressure P in the cell 114 in the adsorption mode is not particularly limited, but is preferably equal to or lower than the saturated vapor pressure Pe of the volatile organic compound at the temperature T of the porous carbon material described below (in other words, the relative pressure P/ Pe = 1 or lower).

[脱離モード]
脱離モードは、吸着モードにおいて吸脱着部110が有する多孔質炭素材料112に吸着された揮発性有機化合物を脱離させるモードである。
[Desorption mode]
The desorption mode is a mode in which the volatile organic compounds adsorbed in the porous carbon material 112 of the adsorption/desorption section 110 in the adsorption mode are desorbed.

脱離モードにおいて、制御部150は、図1の(B)に示すように、バルブ144を開くように制御するとともにピストン120(応力印加部)を制御して多孔質炭素材料112に対して応力を印加する。これにより、吸着モードにおいて多孔質炭素材料112に吸着された揮発性有機化合物の少なくとも一部が多孔質炭素材料112から気体状態または液体状態で脱離し、配管142を通じて回収チャンバー130に回収される。このようにして、塗装ブース200において発生した揮発性有機化合物の蒸気を、蒸気またはその液化物として回収することができる。 In the desorption mode, as shown in FIG. 1B, the control unit 150 controls the valve 144 to open and the piston 120 (stress application unit) to apply stress to the porous carbon material 112. As a result, at least a portion of the volatile organic compounds adsorbed to the porous carbon material 112 in the adsorption mode is desorbed from the porous carbon material 112 in a gaseous or liquid state, and is recovered in the recovery chamber 130 through the pipe 142. In this way, the vapor of the volatile organic compounds generated in the coating booth 200 can be recovered as vapor or its liquefied form.

ここで、従来、応力の印加・解放により、揮発性有機化合物はGMS等の多孔質炭素材料との間で、専ら気相状態で脱着すると考えられていた。言い換えれば、蒸気で吸着させて液体で回収することが可能な、高い応力印加条件が存在しうるという事実がまったく認識されていなかったのである。しかしながら、本発明は、揮発性有機化合物の少なくとも一部が液体として脱着する条件を新たに発見したことにより完成されたものである。したがって、既存の揮発性有機化合物の回収装置の吸着剤を、仮にGMS等の多孔質炭素材料に変更したとしても、従来の認識の枠内で採用可能と思われていた応力印加条件を採用する限り、脱着させた後に揮発性有機化合物蒸気を凝縮する工程が必要となることから、エネルギーが余分に必要とされる問題があった。これに対し、本発明では、液体として揮発性有機化合物が流出する条件を新たに見出したことで、脱着した蒸気の凝縮工程を必要とせず、応力印加によって揮発性有機化合物を液体として回収することが可能となり、高効率を実現するに至ったのである。 Here, it was previously believed that volatile organic compounds are desorbed exclusively in a gas phase state between porous carbon materials such as GMS by applying and releasing stress. In other words, the fact that there may be high stress application conditions that allow adsorption as vapor and recovery as liquid was not recognized at all. However, the present invention was completed by newly discovering conditions under which at least a portion of volatile organic compounds are desorbed as liquid. Therefore, even if the adsorbent of an existing volatile organic compound recovery device is changed to a porous carbon material such as GMS, as long as the stress application conditions that were thought to be adoptable within the framework of conventional recognition are adopted, a process of condensing the volatile organic compound vapor after desorption is required, which causes a problem of requiring extra energy. In contrast, in the present invention, by newly discovering conditions under which volatile organic compounds flow out as liquid, it is possible to recover volatile organic compounds as liquid by applying stress without the need for a condensation process of the desorbed vapor, thereby achieving high efficiency.

脱離モードにおいて多孔質炭素材料112に印加する応力の大きさは特に制限されず、揮発性有機化合物の少なくとも一部が多孔質炭素材料112から気体状態または液体状態で脱離する量であればよい。この条件を満たす場合、印加する応力Pは、下記数式Aを満足する程度に大きいものである。なお、下記数式Aの右辺は、脱離モードにおけるセル内蒸気圧に相当する。 The magnitude of the stress applied to the porous carbon material 112 in the desorption mode is not particularly limited, and it is sufficient that at least a portion of the volatile organic compounds are desorbed from the porous carbon material 112 in a gaseous or liquid state. When this condition is met, the applied stress P is large enough to satisfy the following formula A. Note that the right side of the following formula A corresponds to the vapor pressure inside the cell in the desorption mode.

ここで、数式Aにおいて、Tは多孔質炭素材料の温度[K]であり、Rは気体定数(8.31[J/(K・mol)])であり、Pは前記温度T[K]における前記揮発性有機化合物の飽和蒸気圧である。また、Vは前記セル内で揮発性有機化合物の蒸気が存在可能な空間Sの体積[m]であり、セルの内容積から多孔質炭素材料の実体積(多孔質炭素材料の質量/真密度)を減算した値として求めることができる。さらに、nは前記応力の印加により前記多孔質炭素材料から脱離する前記揮発性有機化合物の物質量[mol]であり、回収対象物である揮発性有機化合物の吸着等温線(図5を参照)におけるプレス前後における吸着量の差分から算出することができる(このため、印加する応力をパラメータとした系内圧力(揮発性有機化合物の蒸気の分圧)と吸着量との関係線図を予め求めておくことで、印加応力の値からnを算出可能である)。また、nは前記応力の印加前に前記セル内の空間Sに存在する前記揮発性有機化合物の蒸気の物質量[mol]であり、応力印加前のセル内の蒸気圧Pを用いてn=PV/RTとして算出することができる。 Here, in the formula A, T is the temperature [K] of the porous carbon material, R is the gas constant (8.31 [J/(K·mol)]), and P e is the saturated vapor pressure of the volatile organic compound at the temperature T [K]. V is the volume [m 3 ] of the space S in which the vapor of the volatile organic compound can exist in the cell, and can be calculated by subtracting the actual volume of the porous carbon material (mass/true density of the porous carbon material) from the internal volume of the cell. Furthermore, n 2 is the amount of substance [mol] of the volatile organic compound desorbed from the porous carbon material by the application of the stress, and can be calculated from the difference in the amount of adsorption before and after pressing in the adsorption isotherm (see FIG. 5 ) of the volatile organic compound to be recovered (for this reason, by obtaining in advance a relationship diagram between the system pressure (partial pressure of the vapor of the volatile organic compound) and the amount of adsorption, with the applied stress as a parameter, n 2 can be calculated from the value of the applied stress). Further, n1 is the amount of substance [mol] of the vapor of the volatile organic compound present in the space S within the cell before the application of the stress, and can be calculated as n1 = PV/RT using the vapor pressure P within the cell before the application of the stress.

上記数式Aは、図4にメタノールの飽和蒸気圧曲線とともに示すように、揮発性有機化合物の物質量nと物質量nとの和から算出される圧力が、当該温度における飽和蒸気圧を上回っていることを意味する。 As shown in FIG. 4 along with the saturated vapor pressure curve of methanol, the above formula A means that the pressure calculated from the sum of the substance amount n1 and the substance amount n2 of the volatile organic compound exceeds the saturated vapor pressure at the temperature.

また、上述した脱離モードの好ましい一実施形態において、応力印加部は、セル114内の空間Sに揮発性有機化合物の蒸気が存在しないときに、下記数式1: In addition, in a preferred embodiment of the above-mentioned desorption mode, when no vapor of a volatile organic compound is present in the space S in the cell 114, the stress application unit satisfies the following formula 1:

式中、Tは前記多孔質炭素材料の温度[K]であり、Rは気体定数(8.31[J/(K・mol)])であり、Pは前記温度T[K]における前記揮発性有機化合物の飽和蒸気圧であり、Vは前記チャンバー内で前記蒸気が存在可能な空間の体積[m]であり、nは前記応力の印加により前記多孔質炭素材料から脱離する前記揮発性有機化合物の物質量[mol]である、
を満たす条件で多孔質炭素材料に対して応力を印加することが好ましい。
In the formula, T is the temperature [K] of the porous carbon material, R is the gas constant (8.31 [J/(K·mol)]), P e is the saturated vapor pressure of the volatile organic compound at the temperature T [K], V is the volume [m 3 ] of the space in the chamber in which the vapor can exist, and n 2 is the amount of substance [mol] of the volatile organic compound desorbed from the porous carbon material by the application of the stress.
It is preferable to apply stress to the porous carbon material under the condition that satisfies the following:

上記数式1は、応力印加部による応力印加の時点において空間Sに揮発性有機化合物の蒸気が存在しない場合に、応力印加によって多孔質炭素材料112から脱離した揮発性有機化合物の蒸気の20%超が液化物として回収されることを意味する。ここで、後述する実施例に記載のように、脱離した揮発性有機化合物の約14%以上を液化物として回収することができれば、従来技術と比較して高いエネルギー効率が実現できているといえる。よってここでは、脱離した揮発性有機化合物の蒸気の20%超が液化物として回収されることを好ましい実施形態の指標としたものである。 The above formula 1 means that if no vapor of the volatile organic compound is present in the space S at the time of the application of stress by the stress application unit, more than 20% of the vapor of the volatile organic compound desorbed from the porous carbon material 112 by the application of stress is recovered as a liquefied product. Here, as described in the examples below, if approximately 14% or more of the desorbed volatile organic compound can be recovered as a liquefied product, it can be said that a high energy efficiency has been achieved compared to conventional technology. Therefore, in this case, the recovery of more than 20% of the vapor of the desorbed volatile organic compound as a liquefied product is set as an indicator of a preferred embodiment.

次に、上述した脱離モードの好ましい他の実施形態において、応力印加部は、セル114内の空間Sに揮発性有機化合物の蒸気が多孔質炭素材料の温度における飽和蒸気量未満の量で存在するときに、下記数式2: Next, in another preferred embodiment of the desorption mode described above, when the amount of vapor of the volatile organic compound present in the space S in the cell 114 is less than the saturated vapor amount at the temperature of the porous carbon material, the stress application unit satisfies the following formula 2:

式中、Tは前記多孔質炭素材料の温度[K]であり、Rは気体定数(8.31[J/(K・mol)])であり、Pは前記温度T[K]における前記揮発性有機化合物の飽和蒸気圧であり、Vは前記チャンバー内で前記蒸気が存在可能な空間の体積[m]であり、nは前記応力の印加により前記多孔質炭素材料から脱離する前記揮発性有機化合物の物質量[mol]であり、nは前記応力の印加前に前記チャンバー内の空間に存在する前記揮発性有機化合物の蒸気の物質量[mol]である、
を満たす条件で前記多孔質炭素材料に対して応力を印加することが好ましい。
In the formula, T is the temperature [K] of the porous carbon material, R is the gas constant (8.31 [J/(K·mol)]), P e is the saturated vapor pressure of the volatile organic compound at the temperature T [K], V is the volume [m 3 ] of the space in the chamber in which the vapor can exist, n 2 is the amount of substance [mol] of the volatile organic compound desorbed from the porous carbon material due to the application of the stress, and n 1 is the amount of substance [mol] of the vapor of the volatile organic compound present in the space in the chamber before the application of the stress.
It is preferable to apply stress to the porous carbon material under the condition that satisfies the following:

上記数式2は、応力印加部による応力印加の時点において空間Sに揮発性有機化合物の蒸気が飽和蒸気量未満の量(n)で存在する場合に、応力印加によって多孔質炭素材料112から脱離した揮発性有機化合物の蒸気の20%超が液化物として回収されることを意味する。 The above formula 2 means that when the amount of vapor of a volatile organic compound present in the space S at the time of application of stress by the stress application section is less than the saturated vapor amount (n 1 ), more than 20% of the vapor of the volatile organic compound desorbed from the porous carbon material 112 by the application of stress is recovered as a liquefied product.

さらに、上述した脱離モードの好ましいさらに他の実施形態において、応力印加部は、セル114内の空間Sに揮発性有機化合物の蒸気が多孔質炭素材料の温度における飽和蒸気量で存在するときに、下記数式3: In yet another preferred embodiment of the above-mentioned desorption mode, when the vapor of the volatile organic compound is present in the space S in the cell 114 at the saturated vapor amount at the temperature of the porous carbon material, the stress application unit satisfies the following formula 3:

式中、Tは前記多孔質炭素材料の温度[K]であり、Rは気体定数(8.31[J/(K・mol)])であり、Pは前記温度T[K]における前記揮発性有機化合物の飽和蒸気圧であり、Vは前記チャンバー内で前記蒸気が存在可能な空間の体積[m]であり、nは前記応力の印加前に前記チャンバー内の空間に存在する前記揮発性有機化合物の蒸気の物質量[mol]である、
を満たす条件で前記多孔質炭素材料に対して応力を印加することが好ましい。
In the formula, T is the temperature [K] of the porous carbon material, R is the gas constant (8.31 [J/(K·mol)]), P e is the saturated vapor pressure of the volatile organic compound at the temperature T [K], V is the volume [m 3 ] of the space in the chamber in which the vapor can exist, and n 1 is the amount of substance [mol] of the vapor of the volatile organic compound present in the space in the chamber before the stress is applied.
It is preferable to apply stress to the porous carbon material under the condition that satisfies the following:

上記数式3は、応力印加部による応力印加の時点において空間Sに揮発性有機化合物の蒸気が飽和蒸気量(n=n)で存在する場合に、応力印加によって多孔質炭素材料112から脱離した揮発性有機化合物の蒸気の全量が液化物として回収されることを意味する。このように、本実施形態によれば、応力の印加によって脱離した揮発性有機化合物の全量が液化物として回収されることから、吸着モードにおいては空間Sに揮発性有機化合物の蒸気が飽和蒸気量(n=n)で存在するように揮発性有機化合物の蒸気を導入することが好ましいといえる。 The above formula 3 means that when the vapor of the volatile organic compound is present in the space S at a saturated vapor amount ( n1 = n e ) at the time of stress application by the stress application unit, the entire amount of the vapor of the volatile organic compound desorbed from the porous carbon material 112 by the application of stress is recovered as a liquefied product. Thus, according to this embodiment, since the entire amount of the volatile organic compound desorbed by the application of stress is recovered as a liquefied product, it can be said that in the adsorption mode, it is preferable to introduce the vapor of the volatile organic compound so that the vapor of the volatile organic compound is present in the space S at a saturated vapor amount ( n1 = n e ).

なお、以下の実施形態も本発明の範囲に含まれる:請求項2の特徴を有する請求項1に記載の回収装置;請求項3の特徴を有する請求項2に記載の回収装置;請求項4の特徴を有する請求項2に記載の回収装置;請求項5の特徴を有する請求項2に記載の回収装置;請求項6の特徴を有する請求項1~5のいずれかに記載の回収装置;請求項7の特徴を有する請求項1~6のいずれかに記載の回収装置;請求項8の特徴を有する請求項1~7のいずれかに記載の回収装置;請求項9の特徴を有する請求項1~8のいずれかに記載の回収装置。 The following embodiments are also within the scope of the present invention: the recovery device according to claim 1 having the features of claim 2; the recovery device according to claim 2 having the features of claim 3; the recovery device according to claim 2 having the features of claim 4; the recovery device according to claim 2 having the features of claim 5; the recovery device according to any one of claims 1 to 5 having the features of claim 6; the recovery device according to any one of claims 1 to 6 having the features of claim 7; the recovery device according to any one of claims 1 to 7 having the features of claim 8; the recovery device according to any one of claims 1 to 8 having the features of claim 9.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples.

[実験例1]
多孔質炭素材料として、GMS(SBa-200由来、BET比表面積1692m/g)を準備した。このGMSに対し、吸着質(揮発性有機化合物)としてメタノールを用い、飽和蒸気圧P=16.9[kPa]、温度T=25[℃]の下で吸着等温線を取得した。この際、GMSに対して応力を印加しない場合(応力無印加)と、100[MPa]の応力を印加した場合のそれぞれについて吸着等温線を取得した。結果を図5に示す。図5に示すように、メタノールの分圧が大きくなるほど、同一相対圧で比較した際の応力無印加と応力印加との間でのメタノール吸着量の差分が大きくなることがわかる。このことから、GMSと同様の吸着等温線を示す多孔質炭素材料は、本発明の一形態に係るVOC回収装置の吸脱着部の構成材料として好適であるといえる。
[Experimental Example 1]
As a porous carbon material, GMS (derived from SBa-200, BET specific surface area 1692 m 2 /g) was prepared. For this GMS, methanol was used as an adsorbate (volatile organic compound), and an adsorption isotherm was obtained under a saturated vapor pressure P 0 = 16.9 [kPa] and a temperature T = 25 [°C]. In this case, the adsorption isotherm was obtained for each of the cases where no stress was applied to GMS (no stress application) and where a stress of 100 [MPa] was applied. The results are shown in FIG. 5. As shown in FIG. 5, it can be seen that the difference in the amount of methanol adsorbed between no stress application and stress application when compared at the same relative pressure increases as the partial pressure of methanol increases. From this, it can be said that a porous carbon material showing an adsorption isotherm similar to that of GMS is suitable as a constituent material of the adsorption/desorption part of the VOC recovery device according to one embodiment of the present invention.

また、揮発性有機化合物としてジエチルエーテルを用いて飽和蒸気圧P=71.6[kPa]、温度T=25[℃]の下で同様に吸着等温線を取得したところ、図6に示すようにメタノールの場合と同様の挙動を示した。 In addition, when an adsorption isotherm was similarly obtained using diethyl ether as a volatile organic compound under a saturated vapor pressure P 0 =71.6 [kPa] and a temperature T =25 [°C], it showed the same behavior as in the case of methanol, as shown in Figure 6.

[実験例2]
従来技術のように、吸着剤としての活性炭に吸着質としてのメタノールを吸着させ、吸着させたメタノールを加熱することにより脱離させる場合に、吸着したメタノール量を1kgとし、メタノールを脱離させるのに必要とされるエネルギーを算出したところ、図7の「活性炭使用時の動力」に示すように、脱離するメタノールの量に比例して増大する結果となった。これは、脱離させるメタノール量が多くなるほど熱容量が大きくなるためであると考えられる。これに対し、本発明の一形態に係るVOC回収装置のように、加熱によらず応力の印加によってメタノールを脱離させる場合には、メタノールの脱離量によらず約40kJであった。ここで、図7に示すように、2つのグラフは脱離メタノール量が約14%のときに交わっている。このことから、吸着させたメタノールの約14%以上を脱離させるのであれば、加熱ではなく応力の印加によってメタノールを脱離させる方式のほうが、加熱方式と比較してエネルギー効率が高いことがわかる。なお、上記の「約14%」との値は、吸着質をエタノールやジエチルエーテルに変更してもほぼ同等の値であった。
[Experimental Example 2]
In the case of the conventional technology, when the amount of adsorbed methanol is adsorbed on activated carbon as an adsorbent and the adsorbed methanol is desorbed by heating, the amount of adsorbed methanol is set to 1 kg, and the energy required to desorb the methanol is calculated. As shown in "Power when activated carbon is used" in FIG. 7, the result is that the energy required increases in proportion to the amount of desorbed methanol. This is thought to be because the heat capacity increases as the amount of desorbed methanol increases. In contrast, in the case of the VOC recovery device according to one embodiment of the present invention, when methanol is desorbed by applying stress rather than heating, the energy required is about 40 kJ regardless of the amount of desorbed methanol. Here, as shown in FIG. 7, the two graphs intersect when the amount of desorbed methanol is about 14%. From this, it can be seen that if about 14% or more of the adsorbed methanol is to be desorbed, the method of desorbing methanol by applying stress rather than heating is more energy efficient than the heating method. The value of "about 14%" above was almost the same even when the adsorbent was changed to ethanol or diethyl ether.

[実験例3]
GMS粉末を樹脂メッシュ性のパックに入れ、メタノールを吸着させた後、プレス機を用いてプレス処理を施した。このプレス処理の前後におけるプレス装置の様子を、サーモカメラを用いて撮影した結果を図8に示す。図8に示すように、プレス処理後には、液対状態のメタノールがパックから流れ出ていることがわかる。このことからも、GMS等の多孔質炭素材料は、本発明の一形態に係るVOC回収装置の吸脱着部の構成材料として好適であり、適切なプレス処理を施すことによって吸着質である揮発性有機化合物を脱離させることができることがわかる。
[Experimental Example 3]
The GMS powder was placed in a resin mesh pack, and after the methanol was adsorbed, a pressing process was performed using a pressing machine. The state of the pressing device before and after the pressing process was photographed using a thermo camera, and the results are shown in FIG. 8. As shown in FIG. 8, it can be seen that methanol in a liquid state flows out of the pack after the pressing process. This also shows that a porous carbon material such as GMS is suitable as a constituent material of the adsorption/desorption part of a VOC recovery device according to one embodiment of the present invention, and that volatile organic compounds, which are adsorbates, can be desorbed by performing an appropriate pressing process.

[実験例4]
GMS粉末が配置され、大気を35.0[kPa]含んだセルに、ジエチルエーテルの蒸気を十分充填し、12時間静置することでジエチルエーテルをGMSに吸着させた。この際、セル内圧力は96.2[kPa][空気(air):35.0[kPa]、ジエチルエーテル(DEE):61.2[kPa]]で、セル周囲温度は24.2[℃](飽和蒸気圧:69.5[kPa])であった。
[Experimental Example 4]
The cell containing the GMS powder and 35.0 kPa of atmospheric air was filled with sufficient diethyl ether vapor and allowed to stand for 12 hours to adsorb the diethyl ether to the GMS. At this time, the pressure inside the cell was 96.2 kPa [air: 35.0 kPa, diethyl ether (DEE): 61.2 kPa], and the temperature around the cell was 24.2°C (saturated vapor pressure: 69.5 kPa).

この状態で、30秒間かけてGMSを100[MPa]の圧力でプレスしたところ、ジエチルエーテルが液体として流れ出る様子が観察された(図9)。このことから、本発明に係る回収装置の動作時に、セル内の空間を真空状態に保つ必要はないことがわかる。 In this state, the GMS was pressed at 100 MPa for 30 seconds, and the diethyl ether was observed to flow out as a liquid (Figure 9). This shows that it is not necessary to maintain a vacuum state in the space inside the cell when the recovery device according to the present invention is in operation.

以上のことから、本発明によれば、エネルギーロスを低減しつつ小型化が可能な手法により、揮発性有機化合物を回収することができることがわかる。 From the above, it can be seen that the present invention makes it possible to recover volatile organic compounds using a method that reduces energy loss while enabling miniaturization.

10 VOC回収システム、
20 多孔質炭素材料、
30 揮発性有機化合物、
100 VOC回収装置、
110 吸脱着部、
112 グラフェンメソスポンジ(GMS)(多孔質炭素材料)、
114 セル、
120 ピストン(応力印加部)、
130 回収チャンバー、
142 配管、
144 バルブ、
150 制御部、
200 塗装ブース、
212 配管、
214 バルブ。
10 VOC recovery system,
20 Porous carbon materials,
30 Volatile organic compounds,
100 VOC recovery device,
110 Adsorption/Desorption Unit,
112 Graphene meso sponge (GMS) (porous carbon material),
114 cells,
120 Piston (stress application part),
130 recovery chamber,
142 Piping,
144 valve,
150 control unit,
200 paint booths,
212 Piping,
214 Valve.

Claims (10)

揮発性有機化合物の蒸気を吸着剤に吸着させた後に前記蒸気またはその液化物を脱離させて回収する揮発性有機化合物の回収装置であって、
応力を解放および印加することによって前記蒸気を吸着し前記蒸気またはその液化物を脱離する多孔質炭素材料を含む吸脱着部と、
前記多孔質炭素材料に対して、前記応力の解放および印加を行う応力印加部と、
前記多孔質炭素材料から脱離した前記蒸気またはその液化物を回収する回収部と、
を備える、揮発性有機化合物の回収装置。
A volatile organic compound recovery device that adsorbs vapor of a volatile organic compound into an adsorbent and then desorbs and recovers the vapor or a liquefied product thereof,
an adsorption/desorption section including a porous carbon material that adsorbs the vapor and desorbs the vapor or a liquefied product thereof by applying and releasing a stress;
a stress application unit that applies and releases the stress to the porous carbon material;
a recovery section for recovering the vapor or a liquefied product thereof desorbed from the porous carbon material;
A volatile organic compound recovery device comprising:
前記吸脱着部は、密封可能なセルと、前記セルの内部に配置された前記多孔質炭素材料と、を含む、請求項1に記載の揮発性有機化合物の回収装置。 The volatile organic compound recovery device according to claim 1, wherein the adsorption/desorption unit includes a sealable cell and the porous carbon material disposed inside the cell. 前記応力印加部は、前記セル内の空間に前記蒸気が存在しないときに、下記数式1:

式中、Tは前記多孔質炭素材料の温度[K]であり、Rは気体定数(8.31[J/(K・mol)])であり、Pは前記温度T[K]における前記揮発性有機化合物の飽和蒸気圧であり、Vは前記セル内で前記蒸気が存在可能な空間の体積[m]であり、nは前記応力の印加により前記多孔質炭素材料から脱離する前記揮発性有機化合物の物質量[mol]である、
を満たす条件で前記多孔質炭素材料に対して応力を印加し、前記回収部は前記揮発性有機化合物の蒸気の少なくとも一部を前記液化物として回収する、請求項2に記載の揮発性有機化合物の回収装置。
The stress application unit satisfies the following formula 1 when the vapor is not present in the space within the cell:

In the formula, T is the temperature [K] of the porous carbon material, R is the gas constant (8.31 [J/(K·mol)]), P e is the saturated vapor pressure of the volatile organic compound at the temperature T [K], V is the volume [m 3 ] of the space in the cell in which the vapor can exist, and n 2 is the amount of substance [mol] of the volatile organic compound desorbed from the porous carbon material by the application of the stress.
3. The device for recovering a volatile organic compound according to claim 2, wherein the stress is applied to the porous carbon material under a condition satisfying the following: and the recovery section recovers at least a part of the vapor of the volatile organic compound as the liquefied product.
前記応力印加部は、前記セル内の空間に前記蒸気が前記多孔質炭素材料の温度における飽和蒸気量未満の量で存在するときに、下記数式2:

式中、Tは前記多孔質炭素材料の温度[K]であり、Rは気体定数(8.31[J/(K・mol)])であり、Pは前記温度T[K]における前記揮発性有機化合物の飽和蒸気圧であり、Vは前記セル内で前記蒸気が存在可能な空間の体積[m]であり、nは前記応力の印加により前記多孔質炭素材料から脱離する前記揮発性有機化合物の物質量[mol]であり、nは前記応力の印加前に前記セル内の空間に存在する前記揮発性有機化合物の蒸気の物質量[mol]である、
を満たす条件で前記多孔質炭素材料に対して応力を印加し、前記回収部は前記揮発性有機化合物の蒸気の少なくとも一部を前記液化物として回収する、請求項2に記載の揮発性有機化合物の回収装置。
When the steam is present in the space within the cell in an amount less than the saturated steam amount at the temperature of the porous carbon material, the stress application unit satisfies the following formula 2:

In the formula, T is the temperature [K] of the porous carbon material, R is the gas constant (8.31 [J/(K·mol)]), P e is the saturated vapor pressure of the volatile organic compound at the temperature T [K], V is the volume [m 3 ] of the space in the cell in which the vapor can exist, n 2 is the amount of substance [mol] of the volatile organic compound desorbed from the porous carbon material due to the application of the stress, and n 1 is the amount of substance [mol] of the vapor of the volatile organic compound present in the space in the cell before the application of the stress.
3. The device for recovering a volatile organic compound according to claim 2, wherein the stress is applied to the porous carbon material under a condition satisfying the following: and the recovery section recovers at least a part of the vapor of the volatile organic compound as the liquefied product.
前記応力印加部は、前記セル内の空間に前記蒸気が前記多孔質炭素材料の温度における飽和蒸気量で存在するときに、下記数式3:

式中、Tは前記多孔質炭素材料の温度[K]であり、Rは気体定数(8.31[J/(K・mol)])であり、Pは前記温度T[K]における前記揮発性有機化合物の飽和蒸気圧であり、Vは前記セル内で前記蒸気が存在可能な空間の体積[m]であり、nは前記応力の印加前に前記セル内の空間に存在する前記揮発性有機化合物の蒸気の物質量[mol]である、
を満たす条件で前記多孔質炭素材料に対して応力を印加し、前記回収部は前記揮発性有機化合物の蒸気の少なくとも一部を前記液化物として回収する、請求項2に記載の揮発性有機化合物の回収装置。
When the steam is present in the space within the cell in an amount of saturated steam at the temperature of the porous carbon material, the stress application unit satisfies the following formula 3:

In the formula, T is the temperature [K] of the porous carbon material, R is the gas constant (8.31 [J/(K·mol)]), P e is the saturated vapor pressure of the volatile organic compound at the temperature T [K], V is the volume [m 3 ] of the space in the cell in which the vapor can exist, and n 1 is the amount of substance [mol] of the vapor of the volatile organic compound present in the space in the cell before the stress is applied.
3. The device for recovering a volatile organic compound according to claim 2, wherein the stress is applied to the porous carbon material under a condition satisfying the following: and the recovery section recovers at least a part of the vapor of the volatile organic compound as the liquefied product.
前記多孔質炭素材料についてのCu-Kα線を用いたX線回折スペクトルにおける炭素の(10)面に由来するピークの半値幅が1.2~3.2°の範囲内の値である、請求項1または2に記載の揮発性有機化合物の回収装置。 The volatile organic compound recovery device according to claim 1 or 2, wherein the half-width of the peak derived from the (10) plane of carbon in the X-ray diffraction spectrum of the porous carbon material using Cu-Kα radiation is within the range of 1.2 to 3.2°. 前記多孔質炭素材料のBET比表面積が800~2600m/gである、請求項1または2に記載の揮発性有機化合物の回収装置。 3. The device for recovering volatile organic compounds according to claim 1, wherein the porous carbon material has a BET specific surface area of 800 to 2600 m 2 /g. 前記多孔質炭素材料の細孔容積が2.0mL/g以上である、請求項1または2に記載の揮発性有機化合物の回収装置。 The volatile organic compound recovery device according to claim 1 or 2, wherein the pore volume of the porous carbon material is 2.0 mL/g or more. 前記多孔質炭素材料が、ゼオライトテンプレートカーボン(ZTC)、グラフェンメソスポンジ(GMS)または炭素メソスポンジ(CMS)を含む、請求項1または2に記載の揮発性有機化合物の回収装置。 The volatile organic compound recovery device according to claim 1 or 2, wherein the porous carbon material comprises zeolite template carbon (ZTC), graphene meso sponge (GMS) or carbon meso sponge (CMS). 応力を解放および印加することによって揮発性有機化合物の蒸気を吸着し前記蒸気またはその液化物を脱離する多孔質炭素材料に対して、前記揮発性有機化合物の蒸気を吸着させることと、
前記蒸気を吸着した前記多孔質炭素材料に対して応力を印加することにより、前記多孔質炭素材料から前記蒸気またはその液化物を脱離させることと、
前記多孔質炭素材料から脱離した前記蒸気またはその液化物を回収することと、
を含む、揮発性有機化合物の回収方法。
adsorbing a vapor of a volatile organic compound onto a porous carbon material that adsorbs the vapor of a volatile organic compound and desorbs the vapor or a liquefied product thereof by releasing and applying a stress;
applying a stress to the porous carbon material having adsorbed the vapor, thereby desorbing the vapor or a liquefied product thereof from the porous carbon material;
recovering the vapor or a liquefied product thereof desorbed from the porous carbon material;
A method for recovering volatile organic compounds, comprising:
JP2022173217A 2022-10-28 2022-10-28 Apparatus and method for recovering volatile organic compounds Pending JP2024064550A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022173217A JP2024064550A (en) 2022-10-28 2022-10-28 Apparatus and method for recovering volatile organic compounds

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022173217A JP2024064550A (en) 2022-10-28 2022-10-28 Apparatus and method for recovering volatile organic compounds

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2024064550A true JP2024064550A (en) 2024-05-14

Family

ID=91034620

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022173217A Pending JP2024064550A (en) 2022-10-28 2022-10-28 Apparatus and method for recovering volatile organic compounds

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2024064550A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Abdullah et al. Automobile adsorption air-conditioning system using oil palm biomass-based activated carbon: A review
Henninger et al. New materials for adsorption heat transformation and storage
Jeremias et al. Water and methanol adsorption on MOFs for cycling heat transformation processes
Xu et al. Effect of textural properties on the adsorption and desorption of toluene on the metal-organic frameworks HKUST-1 and MIL-101
Huang et al. Adsorptive properties in toluene removal over hierarchical zeolites
AU2015205332B2 (en) Hybrid adsorber heat exchanging device and method of manufacture
Van Heyden et al. Kinetics of water adsorption in microporous aluminophosphate layers for regenerative heat exchangers
RU2675874C2 (en) Separation and storage of fluids with use of itq-55
Chen et al. Environmentally friendly synthesis of flexible MOFs M (NA) 2 (M= Zn, Co, Cu, Cd) with large and regenerable ammonia capacity
Shirazian et al. Synthesis of substrate-modified LTA zeolite membranes for dehydration of natural gas
JP5744193B2 (en) Zeolite-containing washcoats for adsorption heat exchangers and temperature controlled adsorbers
Bonaccorsi et al. Synthesis of SAPO-34 on graphite foams for adsorber heat exchangers
US20140020413A1 (en) Thermal management by means of a tatano-alumo-phosphate
Khoramzadeh et al. Equilibrium adsorption and kinetic study of CO2 and N2 on synthesized carbon Black–Zeolite composite
Bonaccorsi et al. Synthesis of SAPO-34/graphite composites for low temperature heat adsorption pumps
JP7242011B2 (en) heat exchanger
Mankar et al. High performance CO2 capture at elevated temperatures by using cenospheres prepared from solid waste, fly ash
JP2023548072A (en) Adsorbent material for removing nitrogen oxides from indoor or cabin air
Chauhan et al. Synthesis and characterization of MIL–101 (Cr) adsorbent coating on microchannel walls for water adsorption heat pumps
KR100940464B1 (en) Porous filter that can simultaneously reduce dust and carbon dioxide from combustion exhaust
Tiwari et al. Urea-formaldehyde derived porous carbons for adsorption of CO 2
JP2024064550A (en) Apparatus and method for recovering volatile organic compounds
DE19800395A1 (en) Apparatus for adsorption of water and other fluids in air conditioners
CN116669837A (en) Method for reducing carbon dioxide in living space, carbon dioxide adsorbing material, and manufacturing method thereof
JP2023146196A (en) Nanoporous molded body and heat exchange device using the same

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20221116

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20250826