活性炭と炭の比較から見えてきたこと

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前回(2008/03/29(土))、
活性炭は無機イオンを吸着できず、「脱臭・脱色・毒物中毒物質の除去が出来る」ことを示しました。しかし、活性炭があたかも無機イオンを吸着出来るかのような知識が蔓延しているのも現実です。そこで今回はこのような誤解が蔓延した原因を、との比較を通じて書きたいと思います。


■誤解の原因その1 : メーカー側の責任
活性炭を用いた商品は多くあり、私が確認できるのはほんの一部であることが前提ですが・・・
時々、商品のパッケージにこのような記述があります

「にごり・黄ばみ・悪臭・有害物質・アンモニアを吸着・除去


前回(2008/03/29(土))の文を読んだ方は、ぇ?って感じになりませんか??
そうです。にごり、黄ばみ、悪臭は間違いないのですが、アンモニアの吸着と言うとダウトだと思います。
正確に言えば、「アンモニアは活性炭に繁殖した硝化菌によって、硝酸塩になる」ではないでしょうか?

ちなみに昨日近くのホームセンターに行ってきましたが、置いてあった2商品に同様の記述がありました。
DSC02018.jpg
DSC02021.jpg




では、メーカー側の立場にたって弁解してみる(?)と、
アンモニアは「吸着」ではなく「除去」されるのです!
っと言うところでしょうか。

除去:[名]スルじゃまなものをのぞき去ること。取りのけること。「障害物を―する」

つまり、
吸着というのは、にごり、黄ばみ、悪臭に対して。
アンモニアに対しては、硝化菌によってアンモニアが硝酸塩への移行することをもってして、アンモニアが取り除かれる(=除去される)
と解釈したら、日本語的には問題はない・・・・・かな~(苦笑)
とわいえ、個人的には利用者を混乱させる記述のように思えます。
普通は「吸着・除去」と書かれると、「すべて活性炭に吸着することによって除去する」と解釈してしまうのではないでしょうか?

私はこの記述をもってして、利用者が「イオンも吸着できる・・・」と、誤った拡大解釈してしまうことにより、上記の様な誤解が発生しているのではないかと考えています。
また、日本語的解釈の問題は置いておいて結果的に混乱が生じている現状を見るに、メーカー側の表示が適切では無いと思いますし、この辺JARO(: 社団法人「日本広告審査機構」)はどう思っているのでしょうかね?(笑)



■誤解の原因その2 : 炭の能力との混同
活性炭は炭を再加熱処理することによって作られることは前回述べましたが、この炭の能力と活性炭の能力を混同したために、より多くの人が誤解してしまったのではないかと思います。

まず、お互いの性質の違いを先に示しておきます。
●活性炭:極めて多孔質。無極性。分子間力と物理的に引っかかることによって物質を吸着。
●炭:多孔質。極性有り。分子間力と物理的吸着に加え、官能基による化学的吸着も可能。

どうでしょうか?
加減の違いはあれどどちらも多孔質ではありますが、極性の有無により発生する化学吸着性の有無が大きな違いであることが分かります。
つまり、炭は表面に官能基を有しており、それによってイオンを化学的に吸着することが出来るということです。

活性炭は原料である炭を再加熱を行うことにより多孔質性を得ますが、その代償として化学吸着性を失っています。それを理解せず、原料が同じだから同じ性質があると考えてしまった結果、上記のような誤解が発生したのではないかと思います。


■まとめ
活性炭がイオン吸着出来るような誤解が蔓延した原因は・・・・

・メーカーの表示があいまいで(特にアンモニアの表記)、利用者の誤解を招いている。
・炭が有する化学吸着性を、活性炭も引き継いでいると誤解した。或いは混同したため。

です。


------------------------------------------------

でわ、その誤解を招く要因となった炭の能力とはどのようなものなのでしょうか?
ここで少し細かく説明してみようと思います。
■炭とは?
①種類
・焼く温度の違い: 低温なら黒炭。高温なら白炭。
・原材料の違い: ナラ炭、マツ炭、竹炭、バーク炭 など。
・炉の違い: 乾留炭、流動炭化炭、素炭 など。
・硬さの違い: 軟質炭、硬質炭。


②基本構造
多孔質だが、原材料や焼く温度によってその性質が大きく変化する。
加熱することにより、木の基本骨格を残して炭化する。
加熱温度が高くなってもこの基本構造はこわれず収縮していくため、高温の方がより密度が細かくなり、マクロの孔が減り、ミクロの孔が増える。結果的な表面積はあまり変化しない。
また、原材料によっても違いが有り・・・
アカマツ・カラマツ、スギ等の針葉樹は孔が大きく、軟質の炭。
ナラ、クヌギ、カシ等は孔が小さく、硬質の炭になる。
水質浄化・土壌改良の観点から見ると、孔が大きい針葉樹の炭の方が良いとされています。


③吸着力
炭の吸着能力は、ミクロの孔による物質的吸着と、表面の官能基による化学的吸着がある。
物理的吸着によってガスや有機酸を吸着し、化学的結合によりイオン状の物質も吸着できる。
高温で処理した炭は、ミクロの孔も増え(=多孔質化)、物質的吸着力が低温処理したものより高くなる。
これを更に高温処理したものが活性炭。活性炭は非常に多孔質で表面積が多いため物理吸着性は極めて高いが、化学吸着性は失われている。


④温度処理の違いと官能基
炭化温度を上げていくと、炭を構成する成分の割合が変化していきます。
●低温(400~500℃)の場合
-COOH、-OHといった酸性の官能基が表面に多くあり、酸性表面と呼ばれる。
これによって、塩基性の物質やアンモニア、アミノ酸と化学結合する。また、低温炭ほど酸性基が多いため、化学吸着性が増す。

●高温[中温炭化炭(600~700℃)、高温炭(1000℃以上)]の場合
〉C=Oが多くなり、塩基性の表面に変わる。
無機酸、有機酸等の酸性を持った物質と化学結合する。
また、炭化温度を高めていくと、徐々に化学吸着性をなくしていく(≒活性炭)。

この性質の変化は目的を持って水質浄化を行う際、非常に重要な性質となってきます。
尚、一般的に化学吸着性と物理吸着性を兼ね備えることを目的とする場合、中高温炭化物(600~800℃)が良いと考えられています。
とわいえ、取り除きたい物質によって低温か中温か高温かを使い分けるのが、一番効率的だとは思います。


⑤微量要素補給
炭には灰分(ミネラル)が2~3%含まれています。
この灰分は材料となった植物が多年にわたって土壌中から吸い上げたもので、有害物質ではありません。時々有害なものもあるそうですが、極めて微量とされています。
この灰分は植物への微量要素補給(≒肥料)の役割もあります。


■まとめ
・広葉樹より針葉樹由来の炭が望ましい。
・低温炭化物(400~500℃)= 塩基性物質を吸着 + 物理吸着
・中高温炭化物(600~700℃)= 酸性物質を吸着 + 物理吸着(強)
・高温炭化物(1000℃前後)= 物理吸着のみ

(ちなみに活性炭は 極めて強い物理吸着のみを示す)
・微量ながら養分溶出による微量要素の施肥につながる

ってあたりを覚えておけば、闇雲に炭を利用するより良い結果が得られると思います。
活性炭と違って炭は様々な作用があるので、活性炭より気を使って使用していきたいですね。



■おまけ
たまには我が家の水槽をUP
DSC02007-1.jpg

何と言うか・・・あんまり手をかけれない状態なんで(==)。
すみません。


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コメント
この記事へのコメント
炭信仰
黒炭と白炭の性質の違い、そうだったんですか。気になるのは黒炭の官能基の力ですが、空気中と水中で能力の違いはあるのでしょうかね?

備長炭に代表される白炭信仰みたいなのありますね。通販サイト見ると何でも効くみたいな書き方しているところ多いです。万能の様に言い過ぎるから読む方がマユツバで、疑似科学やプラシーボとか幸運の壷(関係ないか?)じゃないかと勘ぐってしまうんです。
2008/04/03(木) 21:37 | URL | cheepappa #SQbl7Cak[ 編集]
>cheepappa 様
黒炭の官能基の能力ですが、空気中でも水中でも官能基は官能基なので、極性があるものはある程度吸着すると思います。ただ、吸着できる分子の種類(分子の大きさ)は、加熱温度による孔の大きさに依存しますし、その詳細となると現時点ではお答え出来ません。


白炭と黒炭の比較として、幾つかデータを持ち合わせているので教えますね。
成分的な違いとしては・・・
●硬度 黒炭:白炭=7:11
●水分 黒炭:白炭=7~8%:10%
●揮発分 黒炭:白炭=7~9%:5%
●炭素 黒炭:白炭=90%:94%
色々違いますが、結局の所、白炭が黒炭より優れている点はミクロの孔の量です。表面積の観点から言うと、高温になるほどマクロの孔が収縮してミクロの孔が発生するので、結果的な表面積の差は殆ど無いそうですが・・・・。

具体的な水質浄化作用としては・・・
●ヨウ素吸着量(小さい分子の吸着性能を示す指標)
黒炭 0.20g/g
白炭 0.08g/g
つまり、水溶液中における小さい分子の吸着量としては、白炭より黒炭の方が優れています。
尚、500℃位から吸着量が増加し、600℃でピーク、800℃を過ぎた辺りから急に減少します。

一方、空気中(ガス)の吸着という観点から見ると・・・・
●水蒸気吸着
500℃~600℃炭化木炭を底として、高温で加熱した方が多くの水蒸気を吸着することが明らかになっています。
つまり、空気中の物質(ガス)の吸着に関しては、黒炭より白炭の方が優れています。でも、活性炭の方が白炭よりも吸着します。

私の手元にあるデータはこんなところです。
結論としては、水質浄化に関しては化学的吸着もできる黒炭の方が良く、中でも微生物が繁殖しやすい中高温(600~700℃)の黒炭が優れていると思います。一方、物理吸着性のみを望む場合は、活性炭の方が非常に優れた結果を示します。
空気中の物質(ガスなど)の吸着に関しては、白炭の方が黒炭よりも優れていますが、活性炭の方が白炭より優れたデータを示すそうなので、白炭使うなら活性炭を使ったほうが良い結果が得られると思います。
ようは何を目的にするか・・・・ですよね。

個人的には、
「空気綺麗にしたいなら、備長炭買う金で活性炭を沢山買って来い。いや、むしろ空気清浄機買って来い。」
「上手い水が飲みたいなら(上手いの定義によりますが・・・)、イオン交換の機能がある浄水器買ってこい」
って感じです。
まぁマイナスイオンと同じく、使用者の気持ち次第。病は気からって感じだと思うんで、お好きにしてください・・・・・って所でしょう。
あくまで、個人的な感想ですけど(^^A
2008/04/03(木) 22:18 | URL | 浩之 #x9c5GV3o[ 編集]
相変わらずの深い研究、素晴らしい
メーカーの曖昧な表記は、これに限らず色々ありますね
おとともよく引っ掛かり「全然ダメじゃん!これ」
なんて事はしょっちゅう (´・ω・`)ショボーン
除去と吸着、これはわかりやすい表現でした
読んでいて「そっか!こうやって説明すれば」
って感心しております
そして、このような知識を惜しみなく披露してくれる
これにも感謝です <(_ _)>
おととなんか、フィーリングでやっているからなぁ~
ま、フィーリングって書くと聞こえはいいけど
平たく言ったら「てきとー」ですから
ブフッ∵(´ε(○=(゚∀゚ )おい
2008/04/04(金) 20:10 | URL | おとと #-[ 編集]
>おとと様
いやー自分の場合情報収集の結果をまとめてるだけなんで。。自分でデータ出して無いから、怖さもありますよ。HPLCとか気軽に使える環境だったら良いんですけど(==)。
とわいえ、メーカー表示は不親切ですもんねぇ。もう少し具体的な情報公開してくれれば良いんですけど。。。。
2008/04/06(日) 00:26 | URL | 浩之 #x9c5GV3o[ 編集]
すんばらしい
炭の研究をしようとおもっているものです。いやー、このまとまり具合にびっくりして、はじめましてながらかきこませていただきました。

ありがとございます
2008/09/26(金) 13:51 | URL | あご #sLnesphA[ 編集]
ありがとうございます
>あご 様
お返事遅れてすみません。
炭の研究をされるのですかぁ。これらの記事は、市販で販売されている書物を参考にしたものですのです。
炭の研究されるなら、これらの知識を前提にして、例外や詳細を明らかにしていただければ、我々アクアリストとしても助かります。もしよろしければ、研究成果を何らかの形でお知らせいただけると幸いです。
私自身、学生とはいえ研究者として6年間過ごしたので、研究の大変さは認識しているつもりです。どのような研究をされるかは分かりませんが、研究である以上新たな知見を得る必要があると思いますし、努力の先の成果に期待しています。頑張ってください♪
2008/10/25(土) 23:10 | URL | 浩之@管理者 #7on8HzD6[ 編集]
承認待ちコメント
このコメントは管理者の承認待ちです
2017/06/21(水) 23:19 | | #[ 編集]
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