JP6142376B2 - 水質浄化材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、不純物としてリン酸イオンを含有した水を浄化する水質浄化材の製造方法に関するものである。

排水などに不純物として含まれる例えばリン酸イオン、ホウ酸イオンおよびフッ化物イオンなどの陰イオン類を除去するには、例えば非特許文献１に記載された凝集沈殿法、ＨＡＰ法およびＭＡＰ法、特許文献１に記載された陰イオン除去用材料などを用いたイオン交換法などの方法が用いられている。

凝集沈殿法は、排水に、水質浄化材としてアルミニウム塩やカルシウム塩などの凝集剤を混合し、フロックを生成し沈殿させて、陰イオン類を分離除去するものである。

ＨＡＰ法は、リンを含む排水に、水質浄化材として石灰および種結晶を混合して、種結晶にヒドロキシアパタイト（ＨＡＰ）を晶析させて、陰イオン類を分離除去するものである。

ＭＡＰ法は、リンを含む排水に、水質浄化材としてマグネシウムイオンおよびアンモニウムイオンを添加して、リン酸マグネシウムアンモニウム六水和物（ＭＡＰ）を生成させて、陰イオン類を分離除去するものである。

イオン交換法は、排水に、水質浄化材としてリン酸選択性イオン交換樹脂、ホウ素選択性イオン交換樹脂およびフッ素選択性イオン交換樹脂のいずれかを投入し、リン酸イオン、ホウ酸イオンおよびフッ素イオンを吸着して、陰イオン類を分離除去するものである。

特開２０１０−６５１４０号公報（第３−７頁）

大竹久夫、「リン資源の回収と有効利用」、サイエンス＆テクノロジー株式会社、２００９年１１月２７日、ｐ３４−３６，ｐ４６

しかしながら、上述のいずれの方法においても陰イオン類を除去するために排水に添加する水質浄化材を準備する必要があり、水質浄化材によってコストが上昇してしまう問題が考えられる。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、リン酸イオンを含有した水を浄化する水質浄化材を廉価に製造できる水質浄化材の製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載された水質浄化材の製造方法は、リン酸イオンを含有した水を浄化する水質浄化材の製造方法であって、コンクリート製品の遠心成形、コンクリートの製造、生コンクリート使用現場、コンクリート製造設備の清掃およびコンクリート輸送車両の清掃の少なくともいずれかにて発生する粒径が１０μｍ以上５ｍｍ以下のコンクリートスラッジと水とを混合して水和処理し、水和処理後にセメント水和物と水和処理水とに固液分離し、固液分離により得られた固形分であるセメント水和物を５０℃以上６００℃以下の温度で加熱処理して前記セメント水和物中の結晶水を除去するものである。

請求項１に記載された発明によれば、コンクリートスラッジを水に分散して水和処理した後に固液分離したセメント水和物を加熱処理するだけであるので、特殊な設備や工程を必要としないため、製造コストの上昇を防止でき、リン酸イオンを含有した水を浄化する水質浄化材を廉価に製造できる。

また、コンクリートスラッジと水とを原料として用いるだけであるため、原料コストの上昇を防止でき、リン酸イオンを含有した水を浄化する水質浄化材を廉価に製造できる。

さらに、粒径１０μｍ以上５ｍｍ以下とすることにより、水質浄化材において排水との反応に寄与しない不活性な骨材の含有量を少なくできるので、リン酸イオンを含有した水を浄化する水質浄化材の反応性を向上できる。

また、セメント水和物を５０℃以上６００℃以下で加熱することによって、セメント水和物のうちのエトリンガイト中の結晶水を確実に取り除くことができるため、リン酸イオンを含有した水を浄化する水質浄化材をより正確に製造できる。

本発明の水質浄化材の製造方法を示すフロー図である。 リン吸着実験の結果を示すグラフである。

以下、本発明の水質浄化材の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、リン酸イオンを含有した水を浄化する水質浄化材を製造する際には、まず、セメントを含有するコンクリート系廃棄物であるコンクリートスラッジと水とを混合し、コンクリートスラッジを水に分散させて、コンクリートスラッジのセメント分を水和処理する。

水和処理後、セメント水和物と水和処理水とに固液分離し、得られた固形分であるセメント水和物を一旦自然乾燥した後、加熱処理により強制乾燥して水質浄化材が生成される。

コンクリートスラッジは、例えばコンクリート製品の遠心成形、コンクリートの製造、生コンクリート使用現場、コンクリート製造設備の清掃、および、コンクリート輸送車両の清掃などにて発生するものであり、水中にセメント粒子や骨材由来の微粒子分が懸濁したコンクリート材料の残渣である。

コンクリートスラッジは、粒径が１０μｍ以上５ｍｍ以下のものを用いると、コンクリートスラッジに含まれる不活性な骨材の含有量を少なくでき、コンクリートスラッジの粒径が５０μｍ以上１ｍｍ以下であればより好ましい。

コンクリートスラッジと混合する水は、水道水、工業用水および地下水などのように一般的に入手可能な水を用いることができる。

コンクリートスラッジと水とを混合する際には、例えば、一般的な開放型の反応槽などを用い、この反応槽にコンクリートスラッジと水とを投入して、攪拌機などで攪拌する。

コンクリートスラッジと水とを混合すると、コンクリートスラッジに含まれる未水和のセメントが水和反応を起こし、セメント水和物としてのケイ酸カルシウム水和物類や水酸化カルシウム類などの塩基性カルシウム化合物が生成される。

水和処理では、コンクリートスラッジと水との比率を水／固形分の重量比が０．５以上２００以下となるように調整することにより、水和反応が進行しやすいので好ましく、水／固形分の重量比が２．０以上５０以下となるように調整することにより、製造装置や設備が小型化できるのでより好ましい。

また、コンクリートスラッジには、既に水和反応が進行したセメント水和物も含まれており、このセメント水和物部分は水酸化カルシウム等の塩基性のカルシウム化合物を多く含有している。したがって、コンクリートスラッジを水に分散させると、Ｃａ（ＯＨ）_２→Ｃａ^２＋＋２ＯＨ⁻の反応式に示すように水酸化カルシウムの溶解反応が起こり、表面積が増加する。

固液分離では、沈殿やろ過法などによる一般的な固液分離手段で、固形分であるセメント水和物と液体である水和処理水とを固液分離して、セメント水和物を回収する。沈殿により固液分離する場合は、例えば自然沈降による方法や凝集剤を添加する方法などを採用できる。また、ろ過法により固液分離する場合は、例えば表面ろ過、深層ろ過、ケーキろ過および遠心ろ過などの方法を採用できる。

加熱処理では、固液分離で得られたセメント水和物を加熱することにより、例えばセメント水和物のうちのエトリンガイト（（Ｃａ_６Ａｌ_２（ＯＨ）_１２・２４Ｈ_２Ｏ）・（ＳＯ_４）_３・２Ｈ_２Ｏ）中の結晶水（Ｈ_２Ｏ）が失われる反応が生じ、セメント水和物から水が除去される。また、このような反応が生じることにより、セメント水和物の構造が変化するとともに、結晶性が低下するので、処理対象の排水へ添加した際の溶解反応速度およびイオン交換速度が向上し、水質浄化に適した表面構造になる。

加熱処理は、５０℃以上６００℃以下でセメント水和物を加熱することにより、セメント水和物のうちのエトリンガイト中の結晶水（Ｈ_２Ｏ）が脱水されて、セメント水和物から水を確実に取り除くことができるため、セメント水和物が水質浄化に適した表面構造となりやすく、水質浄化材をより正確に製造できる。なお、加熱処理の温度が６００℃より高いと、エトリンガイトの分解が起こる。

また、加熱処理の温度を１００℃以上２００℃以下にすることにより、エトリンガイト中の結晶水（Ｈ_２Ｏ）３２分子のうち２６分子を脱水できるとともに、例えば他の設備などからの排熱を利用できるので、製造コストの観点から好ましい。

上記のように得られた水質浄化材は、セメント水和物の加熱処理物を主成分としていればよく、その他に不純物などが含まれていてもよい。

また、このような水質浄化材は、溶解反応速度およびイオン交換速度が良好であるため、処理対象の排水に投入するだけで、主成分であるセメント水和物の加熱処理物の晶析除去能やイオン交換能を利用して、排水中のリン酸イオンを排水から除去でき、排水を浄化できる。

次に、上記水質浄化材の製造方法の効果を説明する。

上記水質浄化材の製造方法によれば、コンクリートスラッジを水に分散して水和処理した後に固液分離したセメント水和物を加熱処理することにより、セメント水和物の表面構造が変化するとともに結晶性が低下して、溶解反応速度およびイオン交換速度が良好な水質浄化材が得られる。したがって、特殊な設備や工程を必要としないため、製造コストの上昇を防止でき、水質浄化材を廉価に製造できる。

また、原料として、本来廃棄されるコンクリートスラッジと水とを用いるだけであるので、原料コストの上昇を防止でき、水質浄化材を廉価に製造できる。

ここで、コンクリートスラッジは、今後も廃棄量の増加が見込まれているものの、有効に再利用されることなく廃棄される場合が多いため、その処理について問題視されている。したがって、水質浄化材の原料としてコンクリートスラッジを利用することにより、水質浄化材を製造する際の原料コストの上昇を防止できるだけでなく、コンクリートスラッジの廃棄量を低減でき環境問題への対策としても有効である。

また、コンクリートスラッジは、粒径１０μｍ以上５ｍｍ以下とすることにより、水質浄化材において排水との反応に寄与しない不活性な骨材の含有量を少なくできるので、水質浄化材の反応性を向上できる。特に、コンクリートスラッジの粒径が５０μｍ以上１ｍｍ以下であると反応性をより向上できる。

水和処理は、コンクリートスラッジと水との比率を水／固形分の重量比で０．５以上２００以下となるように調整することにより、セメントの水和反応が進行しやすくなるので、効率的に水質浄化材を製造できる。

また、水和処理は、コンクリートスラッジと水との比率を水／固形分の重量比が２．０以上５０以下となるように調整することにより、製造設備が小型化できるので、より廉価に水質浄化材を製造できる。

加熱処理は、セメント水和物を５０℃以上６００℃以下で加熱することによって、セメント水和物のうちのエトリンガイト中の結晶水を確実に取り除くことができ、セメント水和物を水質浄化に適した表面構造にできるので、水質浄化材をより正確に製造できる。

また、加熱処理の温度を１００℃以上２００℃以下とすることにより、エトリンガイト中の結晶水（Ｈ_２Ｏ）３２分子のうち２６分子を脱水できるとともに、他の設備などからの排熱を利用できるので、より効率的に水質浄化材を製造できる。

なお、上記一実施の形態では、コンクリートスラッジと水とを混合して水和反応させる際に反応槽内で攪拌して混合する構成としたが、このような構成には限定されず、反応槽内でコンクリートスラッジと水とを混合できればよい。

また、セメント水和物を一旦自然乾燥した後に、加熱処理にて強制乾燥する構成としたが、このような構成には限定されず、セメント水和物をそのまま加熱処理して強制乾燥する構成にしてもよい。

以下、本発明の実施例および比較例について説明する。

コンクリートポール製造工場から採取したコンクリートスラッジと水とを攪拌しながら混合して水にコンクリートスラッジを分散させた後、脱水して固液分離し、固形分を乾燥処理して水質浄化材とした。

ここで、水にコンクリートスラッジを分散させる際に、コンクリートスラッジが５倍希釈になるようにコンクリートスラッジと水とを混合し、乾燥処理にて固形分を１０５℃で強制乾燥させたものを実施例１とした。

また、水にコンクリートスラッジを分散させる際に、コンクリートスラッジが１０倍希釈になるようにコンクリートスラッジと水とを混合し、乾燥処理にて固形分を１０５℃で強制乾燥させたものを実施例２とした。

さらに、水にコンクリートスラッジを分散させる際に、コンクリートスラッジが５倍希釈になるようにコンクリートスラッジと水とを混合し、乾燥処理にて固形分を２０℃で自然乾燥させたものを比較例１とした。

また、水にコンクリートスラッジを分散させる際に、コンクリートスラッジが１０倍希釈になるようにコンクリートスラッジと水とを混合し、乾燥処理にて固形分を２０℃で自然乾燥させたものを比較例２とした。

このように製造した各水質浄化材をリン水溶液に投入して、水溶液中のリン濃度の変化を測定するリン吸着実験を行った。その測定結果を図２に示す。

図２に示すように、混合する際のコンクリートスラッジと水との比率に関わらず、自然乾燥したものより強制乾燥したものの方が、水溶液中のリン濃度が急速に低下するとともに、最終的な濃度も低くなった。

ここで、実施例および比較例の水質浄化材をＸＲＤ（粉末Ｘ線回析分析装置）で調べたところ、比較例には明確に観察されたエトリンガイトのピークが、実施例には見られなくなっていた。このことは、強制乾燥によって、エトリンガイトから水の脱離が起こり、非晶質化したことを示している。

Claims (1)

1. リン酸イオンを含有した水を浄化する水質浄化材の製造方法であって、
   コンクリート製品の遠心成形、コンクリートの製造、生コンクリート使用現場、コンクリート製造設備の清掃およびコンクリート輸送車両の清掃の少なくともいずれかにて発生する粒径が１０μｍ以上５ｍｍ以下のコンクリートスラッジと水とを混合して水和処理し、
   水和処理後にセメント水和物と水和処理水とに固液分離し、
   固液分離により得られた固形分であるセメント水和物を５０℃以上６００℃以下の温度で加熱処理して前記セメント水和物中の結晶水を除去する
   ことを特徴とする水質浄化材の製造方法。

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