JP2009519829A - 石炭灰からシリカ、次いでアルミナを回収する方法 - Google Patents

石炭灰からシリカ、次いでアルミナを回収する方法 Download PDF

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Abstract

集塵灰からシリカ、アルミナを回収する方法であって、40%以上のNaOH溶液で集塵灰からシリカをNaSiOの形で浸出させ、NaSiO溶液とAl/Si比≧2のアルカリ浸出残渣とに分離し、NaSiO溶液を蒸発濃縮する方法、あるいは分離後炭酸化によりシリカを回収し、アルカリ浸出残渣からAlを回収し、Al回収残渣からフィラー又はセメントを得る方法。
本発明は、集塵灰からのAlの直接回収法として画期的であり、新手法によりAl回収、続いてSi回収できるので、アルカリ浸出残渣のAl/Si比向上、Al回収技術の簡素化、集塵灰からのAl回収率の向上が可能。ゆえに、簡素、低投資額、低コスト、高付加価値な方法であり、集塵灰資源利用産業として有望である。
本発明は、Al高含有の石炭鉱石、カオリナイト及び中・低級ボーキサイトを900〜1100℃で焼成することも含む。

Description

本発明は、集塵灰(フライアッシュ)の利用方法に関し、特に、集塵灰からシリカ(ケイ素酸化物)及びアルミナ(酸化アルミニウム)を回収する方法に関するものである。さらに詳しくは、まず集塵灰から、Al/Si比≧2となるようにしてシリカを回収した後、従来技術により精錬アルミナを得て、その残渣をフィラー材として、あるいはセメント製造用として用いる方法に関するものである。
石炭火力発電プラントから放出される大量の集塵灰が深刻な環境汚染を引き起こし、プラント周辺の農業生態系や自然生態系を破壊している。そこで現在、集塵灰を上手に利用することが課題となっている。
集塵灰は鉱物資源でもある。集塵灰には、約15%〜40%のAl2O3、約40%以上のSiO2が含まれており、さらに高アルミナ集塵灰では、約40%のAl2O3、約50%のSiO2が含まれている。
中国では年間3億トン以上の集塵灰が火力発電プラントから放出されており、このうち1億トンもが高アルミナ集塵灰である。現在は廃棄されている高アルミナ集塵灰を資源として回収することができれば、中国全土におけるAl2O3製造量をはるかに上回る、年間3千万トン以上のAl2O3が製造できることになる。中国におけるボーキサイトの貯蔵量は世界平均のわずか1/10である。したがって、中国のアルミニウム産業の健全な発展のためには、高アルミナ集塵灰を資源として利用することが極めて重要である。
高アルミナ集塵灰からAl2O3を回収する方法は酸処理法とアルカリ処理法とに大別される。酸処理法は、SiO2を損失することなく、集塵灰からAl酸化物を効率的に回収できる。しかしながら、酸処理法は、Al2O3を浸出させる際に、集塵灰中に含まれる多種の可溶性不純物、例えば、Fe、Ti、Mgなどが溶液に混入するため、後処理剤を添加する必要があるという欠点がある。酸処理法の他の欠点として、酸処理法を行う装置は高い耐酸性を有していなければならず、反応設備を構築するのが難しいという点がある。酸処理法による集塵灰からのAl2O3回収におけるさらなる欠点として、エネルギー消費量が高いことと、環境保護のためのコストが必要となることが挙げられる。
1960年代、ポーランドでは、集塵灰からのAl2O3回収にソーダ石灰焼結法が用いられており、年間数万トンのAl2O3及び年間数十万トンのセメントを製造可能な実験プラントが建設された。1980年代には、中国安微省の治金学研究所(Metallurgy Institute)及び合肥セメント研究所(Hefei Cement Institute)は、ソーダ石灰を焼結し、Na2CO3を溶解することにより、集塵灰からAl2O3を回収すること、並びに残渣を含むセメントを製造することに成功したと発表した。この研究成果は1982年3月に専門試験を通過した。1987年9月には、寧夏自治区の建築材料研究所(Building Material Institute)によって研究されたソーダ石灰焼結法による集塵灰からのAl2O3回収方法、及びその残渣を用いたセメント製造方法が、寧夏自治区の技術委員会によって審査された。2004年12月には、夢溪高新技術集団公司の研究開発による「集塵灰からのAl2O3回収法及びセメント製造法の産業化」と題されたプロジェクトが、内モンゴル自治区の科学技術省によって審査された。また、同集団は独自にほぼ5千トンクラスの予備実験を終えている。しかしながら、アルカリ処理法によるSi・Al高含有集塵灰の処理は、一般的に複雑で時間がかかり、大量の処理剤を要し、膨大な設備投資が必要であり、エネルギー消費量が大きく、コストが高いという欠点がある。さらには、集塵灰の数倍もの量の残渣が生じること、残渣より製造したセメントが市場をカバーできる範囲は限られていること、包括的経済効率及び合成的利用のレベルが低いことがある。これらは全て、集塵灰の合成的利用におけるアルカリ処理法の適用を妨げる要因である。
現在世界中で90%のAl2O3がバイヤー法によって製造されている。しかしながら、バイヤー法では、原鉱でAl/Si比≧7という比較的高いAl/Si比が要求される。Al/Si比が7>Al/Si比>3であるボーキサイトからAl2O3を製造しようとする場合、バイヤー法を直接適用するのは経済的に好ましくないため、原鉱粉を焼結した後アルカリ剤及びカルシウムを添加するか、あるいは他の複雑な処理法によって、Al2O3を回収することとなるが、その結果バイヤー法よりも時間当たり20〜50$高いコストがかかってしまう。集塵灰のAl/Si比は通常1未満であるが、従来のバイヤー法による工業的設備を利用して直接的にAl2O3を回収できる条件には程遠い。
本発明の目的は、集塵灰からシリカ及びアルミナを回収する方法であって、まず集塵灰から、Al/Si比≧2となるようにしてシリカを回収した後、従来技術により精錬アルミナを得て、その残渣をフィラー材として、あるいはセメント製造用として用いる方法を提供することである。
本発明は、詳しくは、集塵灰からシリカ及びアルミナを回収する方法であって、
1)40%(w/w)より高い濃度のNaOH溶液を用いて、70から150℃で、集塵灰からSiをケイ酸ナトリウムとして浸出させ、ケイ酸ナトリウム溶液とAl/Si比が2以上であるアルカリ浸出残渣とに分離する工程と、
2)前記ケイ酸ナトリウム溶液を任意の濃度に蒸発濃縮して分離するステップ、又は炭酸化によりホワイトカーボンブラックを生成する工程と、
3)従来技術によりAl2O3を生成するとともに、アルカリ浸出残渣資源を得る工程と、
4)Al回収後の残渣を用いてフィラー又はセメントを生成する工程をさらに含む方法を提供するものである。
本発明は、さらに、上記工程の前に、
a.集塵灰を焙焼して活性化する工程、
b.集塵灰をH2SO4溶液中に浸漬する工程、
c.集塵灰をNaOH溶液中に浸漬する工程のいずれかを行うことにより、集塵灰を活性化することを特徴とする。
焙焼し、酸浸漬又はアルカリ浸漬することにより集塵灰が活性化される。焙焼条件は、950℃以下で1〜1.5時間である。集塵灰の浸漬は、任意の濃度のH2SO4溶液を用いることができ、また、常温ないしは任意の温度下で行うことができる。一方、集塵灰の浸漬に適したアルカリ溶液は、5〜20%(w/w)NaOH溶液である。
アルカリ浸出残渣からAl2O3を生成する従来技術とは、ソーダ石灰焼結法又は石灰焼結法であり、クリンカ焼結、クリンカ浸出、アルミン酸ナトリウム溶液の脱シリカ化及び炭酸化による分解を行った後、高温で焙焼することによりAl2O3を生成するものである。
40%(w/w)より高い濃度のNaOH溶液を用いて集塵灰からSiをケイ酸ナトリウムとして浸出させた後、浸出液を水で希釈して、アルミン酸ナトリウム溶液とアルカリ浸出残渣とを分離しやすくする。
炭酸化法によってアルミン酸ナトリウム溶液から二酸化ケイ素を生成する際に、アルミン酸ナトリウム溶液をCaO又はCa(OH)2で塩基化することが可能であり、これにより得られる希NaOH溶液をアルカリ浸出処理のために必要な濃度まで蒸発濃縮することにより、再利用可能となる。
本発明の方法は、高Si・Al材料からの資源回収及び脱シリカ化に関する従来の理論を陵駕するものであり、高Al集塵灰などの高Si・Al資源を用いて、二酸化ケイ素を回収した後にAl2O3を生成する新規な方法を提供するものである。
1.集塵灰処理に関する従来技術は、集塵灰からのAl2O3回収のみに限られ、残渣は全てセメント製造に用いることとしており、Al2O3の回収率は低く、製造工程の付加価値は低かった。これに対して、本発明によれば、集塵灰からSiを回収した後、広い用途を有するNa2SiO3溶液及びホワイトカーボンブラックを生成することができるので、製造工程の付加価値は飛躍的に高まり、Si含有資源の産業チェーンの拡大につながる。まず効率的に集塵灰からSiを回収することにより、アルカリ浸出残渣のAl/Si比が高まり、この残渣がAl2O3生成用低コスト材料となるため、集塵灰の利用価値が向上する。
2.Al2O3生成後の残渣はフィラー又はセメントの製造用に用いることができる。
3.本発明の方法における液相は全て効率的に再利用することが可能であり、その過程においていかなる残渣も有害ガスも生じることはない。
4.本発明の方法は、簡易で、要する投資が少なく、低コストで高付加価値であり、集塵灰の主要成分を完全利用することが可能である。本発明の方法は、集塵灰資源の産業的利用方法として有望である。
好ましい実施形態の詳細を説明する。
平均粒径≦30μmかつAl2O3含有率≧40%の集塵灰100Kgを400℃より低い温度で焙焼した後、反応槽に投入し、80%NaOH溶液150Lを加え、撹拌しながら115〜125℃で1時間熱水浴し、水又は希アルカリ溶液200Lを加えて希釈した。Al/Si比約3.25となるようアルカリ浸出を行うことにより、SiO2を118g/Lの割合で含む310LのNa2SiO3溶液と、65Kgの残渣とが得られた。
このNa2SiO3溶液をSiO2含率118g/Lから60g/Lまで希釈した後、炭酸化槽に移した。炭酸化槽にCO2ガスを充填し、70〜85℃で撹拌しながらpH=9となるまで炭酸化を行った。炭酸化を停止した後、ろ過及び分離を行い、SiO2含率>98.5%の白色カーボンブラック35Kgを得た。
炭酸化されたろ液にはCaOを混合し、75℃で塩基化した後、アルカリ浸出できる濃度となるまで蒸発濃縮したものを、アルカリ浸出工程に還元して再利用した。
アルカリ浸出後の脱シリカ残渣に対して、CaO/SiO2比≦2となるようCaを添加し、Na2O/Al2O3+Fe2O3比≧1:1.1となるようアルカリ剤を添加することにより、スラリーを作製した。このスラリーを950〜1350℃で焼成してクリンカを得た。このクリンカを希アルカリ溶液に溶解し浸漬した後、固液分離をした。脱シリカ溶液を炭酸化槽に移し、CO2ガスを充填し、炭酸沈殿により、Al(OH)3を沈殿させた。溶液をpH=8としてろ過及び分離を行い、34KgのAl(OH)3を得た。
洗浄後、Al(OH)3を焼成してAl2O3とした。
Al回収後の残渣は、適切な処理を施すことにより、高性能のフィラーとすることができ、また、セメントを製造するのに利用することもできる。
200℃で焙焼した平均粒径≦30μmかつAl2O3含有率≧41%の集塵灰100Kgを反応槽に投入し、70%NaOH溶液160Lを加え、撹拌しながら120℃で2時間熱水浴した後、水又は希アルカリ溶液200Lを加えて希釈した。Al/Si比≧3でとなるようアルカリ浸出を行うことにより、SiO2を113g/Lの割合で含む300LのNa2SiO3溶液と、66Kgの残渣とが得られた。
アルカリ浸出後の炭酸ナトリウム溶液及び残渣の後処理は、実施例1と同様に行った。
粒径≦50μmの集塵灰100Kgを850℃で焙焼し、Cを除去した後、アルカリ浸出槽に移した。これに60%NaOH溶液220Lを加え、撹拌しながら125℃で2.5時間熱水浴した後、希アルカリ溶液200Lを加えて希釈した。Al/Si比>4でとなるようアルカリ浸出を行うことにより、SiO2を110g/Lの割合で含む350LのNa2SiO3溶液と、65Kgの残渣とが得られた。
アルカリ浸出後の炭酸ナトリウム溶液及び残渣の後処理は、実施例1と同様に行った。
電力プラントから取得した100Kgの湿性集塵灰を直接ボールミルに投入し、粒径≦30μmの粒子になるまですり潰し、集塵灰の含水率を測定した。70%(w/w)NaOH溶液を調製し、撹拌しながら120〜130℃で2時間集塵灰を浸漬した後、希アルカリ溶液200Lを加えて希釈した。Al/Si比≧3となるようアルカリ浸出を行うことにより、SiO2を103g/Lの割合で含む310LのNa2SiO3溶液と、66Kgの残渣とが得られた。
アルカリ浸出後の炭酸ナトリウム溶液及び残渣の後処理は、実施例1と同様に行った。
1tの集塵灰をすり潰し、磁力分離により鉄を除去した。続いて、常温下で10%H2SO4溶液に240時間浸漬した。この浸漬溶液をろ過した後、残留物をpH=5となるまで洗浄し、活性集塵灰を得た。
この活性集塵灰を反応槽に移し、75%NaOH溶液1.6tを加え、撹拌しながら100℃で2時間熱水浴した後、2.5tの水を加えて希釈した。この溶液を炭酸化槽に導入した後、CO2ガスを充填し、80℃で撹拌しながらpH=9となるまで炭酸化を行った。炭酸化を停止した後、ろ過及び分離を行い、420Kgのシリカを得た。純度は98.7%と測定された。
アルカリ浸出後の炭酸ナトリウム溶液及び残渣の後処理は、実施例1と同様に行った。
1tの集塵灰をすり潰し、磁力分離により鉄を除去した。続いて、常温下で18%NaOH溶液に150時間浸漬した。この浸漬溶液をろ過して、活性集塵灰を得た。
この活性集塵灰を反応槽に移し、65%NaOH溶液2tを加え、撹拌しながら110℃で3時間熱水浴した後、2.5tの水を加えて希釈した。炭酸化槽にこの溶液及びCO2ガスを充填し、80℃で撹拌しながらpH=9となるまで炭酸化を行った。炭酸化を停止した後、ろ過及び分離を行い、400Kgのシリカを得た。純度は98.5%と測定された。
アルカリ浸出後の炭酸ナトリウム溶液及び残渣の後処理は、実施例1と同様に行った。
1tの集塵灰をすり潰し、磁力分離により鉄を除去した。続いて、常温下で30%H2SO4溶液に480時間浸漬した。この浸漬溶液をろ過した後、残留物をpH=5となるまで洗浄し、活性集塵灰を得た。
この活性集塵灰を反応槽に移し、75%NaOH溶液1.6tを加え、撹拌しながら105℃で3時間熱水浴した後、2.5tの水を加えて希釈した。炭酸化槽にこの溶液及びCO2ガスを充填し、80℃で撹拌しながらpH=9となるまで炭酸化を行った。炭酸化を停止した後、ろ過及び分離を行い、420Kgのシリカを得た。純度は98.7%と測定された。
アルカリ浸出後の炭酸ナトリウム溶液及び残渣の後処理は、実施例1と同様に行った。
本発明が有用であることは上記より明らかであると理解される。簡易で、要する投資が少なく、低コストで高付加価値であるという利点のため、集塵灰を資源として多面的に利用することは将来有望な技術である。

Claims (8)

  1. アルカリ剤により集塵灰を処理して、集塵灰からシリカ及びアルミナを回収する方法であって、
    1)40%(w/w)より高い濃度のNaOH溶液を用いて、70から150℃で、集塵灰からSiをNaSiOとして浸出させ、NaSiO溶液とAl/Si比が2以上であるアルカリ浸出残渣とに分離する工程と、
    2)前記NaSiO溶液を任意の濃度に蒸発濃縮するステップ、又は炭酸化によりシリカを生成する工程と、
    3)従来技術によりAlを生成するとともに、アルカリ浸出残渣資源を得る工程とを含む方法。
  2. 前記各工程の前に、
    a.集塵灰を焙焼して活性化する工程、
    b.集塵灰をHSO溶液中に浸漬する工程、
    c.集塵灰をNaOH溶液中に浸漬する工程
    のいずれかを行うことにより、集塵灰を活性化することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 集塵灰がAl高含有の石炭鉱石、カオリナイト及び中低級ボーキサイトである場合には、
    900から1100℃で処理し、苛性アルカリ剤を用いてSiOを浸出させた後に、アルミナ生成のための処理を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
  4. 4)Al回収後の残渣を用いてフィラー又はセメントを生成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
  5. 前記焙焼して活性化する工程を950℃以下の温度で行うことを特徴とする請求項2に記載の方法。
  6. 前記HSO溶液は任意の濃度のHSO溶液中であることを特徴とする請求項2に記載の方法。
  7. 前記NaOH溶液は5〜20%(w/w)濃度のNaOH溶液であることを特徴とする請求項2に記載の方法。
  8. 炭酸化法によりNaSiO溶液からSiOを生成した後のNaSiO溶液を、CaO又はCa(OH)で塩基化して再利用可能なNaOH溶液とすることを特徴とする請求項1に記載の方法。
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