活性炭と炭の違いは何?―浄水器のカートリッジに活性炭が使われる理由

ガラス瓶に入った粒状活性炭

浄水器のカートリッジや、冷蔵庫の脱臭剤など、様々なところで使われている活性炭。
の炭との違いをご存じでしょうか?
今回は、普段何気なく使っている活性炭について、詳しく見ていきましょう。

活性炭と炭の違い

もともと炭はいろんな物質を吸着する性質をもっています。これに特別な処理(賦活、活性化反応とも言う)をして、吸着する性質を強化したものが、活性炭です。

炭の表面には、直径20~60μmの小さな孔が沢山空いています。この孔が、サイズに応じた物質を吸着します。孔の中に物質を引き寄せて閉じ込めるので、水の汚れなどを除去することができます。
また、孔によって表面積が大きくなっていることも、物質を吸着しやすい理由のひとつです。

活性炭は、炭に「賦活」という処理を施すことで、目に見えないほど小さな孔を無数にあけています。その大きさは、0.8nm~数nmという細かさです。
活性炭は、賦活によって小さな孔が増えたおかげで、より小さな物質まで吸着できるようになっています。
また、活性炭の表面積は1gあたり1,000〜2,000㎡にもなります。これは、小さじ半分ほどの量でテニスコート約4面分の面積を持つことになります。

木炭

 

炭と活性炭の概念図

活性炭の種類

活性炭は形状によって次のように分類されます。

粉末活性炭:100Mesh(0.15mmφ)より小さい粉末状の活性炭。

粒状活性炭:活性炭を細かく破砕したもの。円柱形などに成形されたものもあります。

繊維状活性炭:活性炭をフェルト状や布状、ファイバー繊維などの形に成形したもの。

特殊成型活性炭:活性炭を上記の分類以外の形状に成形したもの。ハニカム状、シート状、板状、などがあります。

浄水器のろ材には、粒状活性炭や繊維状活性炭を圧縮して固めた「ブロック活性炭」が使われることがあります。
圧縮して隙間を小さくすることで、ろ過膜としても機能するようになります。

活性炭の原料

現在、世界で広く使用されている活性炭の原料は次の通りです。

粉末活性炭:オガ屑硬質の木材チップ木炭(素灰)草炭(ピート)等

粒状活性炭:木炭ヤシ殻炭石炭(亜炭、褐炭、瀝青炭、無煙炭等)オイルカーボンフェノール樹脂 等

繊維状活性炭:レーヨンアクリロニトリル石炭ピッチ石油ピッチフェノール樹脂 等

浄水器のろ材としては、ヤシ殻を原料にした活性炭がもっとも適しています。弊社でも、浄水器のフィルターにヤシ殻活性炭を使用しています。

活性炭の作り方

活性炭は、原料を炭化したのち、更に賦活と呼ばれる処理を加えるという、二つの工程によって製造されます。

炭化とは中温(200℃~600℃)且つ無酸素状態で蒸焼きにすることです。

賦活の方法はたくさんありますが、現在最も多く採用されているのが、「ガス賦活法」です。
炭に、高温(800~900℃)の水蒸気を吹き付けると、孔をあける事ができます。
他に、原料あるいは炭化物を薬品処理する「薬品賦活法」がありますが、現在では「薬品賦活法」は特定の用途に対してのみ用いられます。

一般にガス賦活炭のほうが、ろ過性に優れるといわれています。

浄水器のフィルターと粒状活性炭

浄水器の「ろ材」としての活性炭

活性炭によるろ過は、逆浸透膜方式と異なり、ミネラル分をそのまま残すことができます。これにより、天然水のようなおいしい水を毎日手軽に利用できます。

水の浄化にはろ材を用いますが、1種類で全ての有害物質を除去できるろ材はありません。そのため、いくつかのろ材を組み合わせて使用します。
活性炭が除去できるとされている有害物質は、次のとおりです。

  • ビスフェノールA
  • トリハロメタン類(ただし良質な活性炭が大量に必要)
  • 塩素消毒副生成物(臭素酸以外)
  • 合成有機化合物
  • 農薬の大半
  • ダイオキシン類の一部
  • 環境ホルモンの一部
  • 界面活性剤
  • 塩素
  • 2-MIB、ジオスミン

活性炭の表面は有機物と相性がいいので、有機物をよく吸着します。
活性炭は塩素も除去しますが、吸着するのではなく、化学反応によって殺菌作用のない無害な物質に変換しています。
ちなみに、市販されている備長炭の多くは賦活が施されておらず、活性炭になっていません。そのため、塩素以外はほとんど除去できません。

浄水器の性能は活性炭の量が決め手!

水の中の有害物質を効率的に除去するには、水と活性炭ができるだけ長い時間接触する必要があります。
そのため、ろ材の活性炭は量が多いほど効果が高く、持続力が長くなります。

活性炭の表面には、微細な孔が無数に開いています。この孔が、水道水の中の有害物質を吸着します。
孔の大きさは0.8nm前後の孔が多いのですが、0.5nm~数nmの範囲で、様々な大きさの孔が存在します。この孔が、サイズに応じた物質を吸着します。

しかし、大きめの物質(カビ臭の原因物質など)や小さめの物質(トリハロメタン類など)は対応する大きさの孔が少ないため、除去できる期間が短いです。長い期間除去し続けるためには、多量の活性炭が必要です。

良質なブロック活性炭を使用!約100項目の有害物質を除去する浄水器「磨水Ⅳ」

浄水器「磨水Ⅳ」

除去項目一覧のバナー

高性能な4層のフィルターで約100項目もの有害物質を高度除去

磨水Ⅳが高性能な理由は「ブロック活性炭」という活性炭を使用しているからです。ブロック活性炭は、活性炭を微細な粉末にし、それを型に入れて圧縮成型することによって作られます。

一般的な浄水器のフィルターは、サビや微生物などをこし取るためのろ過層と、トリハロメタンなどの化学物質を吸着する層に分かれています。一方ブロック活性炭では、非常に高密度な活性炭の中を水が通るため「ろ過」と「吸着」の働きを同時に行うことができます。これによって、フィルターの体積が実質2倍になり、除去性能が高まっています。

また、ブロック活性炭内部の微細孔は極めて複雑な構造のため、水と活性炭が接触する表面積が広くなっています。水との接触時間も長いため、ろ過能力と化学物質の吸着力が大幅に高くなります。

ブロック活性炭の概念図

 

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参考

株式会社エム・イー・ティ「「活性炭」と「炭」の違い」
https://www.metac.jp/user_data/about.php

株式会社クラレ「活性炭とは」
https://www.kuraray-c.co.jp/activecarbon/about/index.html

太平化学産業株式会社
https://www.taihei-chem.co.jp/chemical_products_business/activated_carbon/

池 裕次郎『安全でおいしい水が飲みたい!浄水器 かしこい選び方・使い方』亜紀書房 2008年

深見 輝明『誤解だらけの浄水器選び’99』八峰出版株式会社 1999年