JP2011057461A - 粒状物およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】かさ密度が比較的小さく、吸水率が大であり、かつ低コスト化を可能とする粒状物およびその製造方法を提供する。
【解決手段】１）粉砕して得たセラミック粒子にゲル化剤を水の存在下で混合してスラリーを作製する。２）そのスラリーの所定量をアルカリ土類金属成分水溶液中に注入して、ゲル化剤とアルカリ土類金属成分とを反応させてなるゲルにより、セラミック粒子を相互に結合するとともに、全体として粒状に固化したセラミック集合体を形成する。３）水洗する。４）水洗した粒状のセラミック集合体を乾燥して、軽量化するとともに好ましい取扱い強度を持った粒状物とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、粒状物およびその製造方法に関するものであって、特に、水耕栽培用培地材、湿度調節材、脱臭剤などに応用される粒状物に関するものである。

従来、粘土瓦を製造する際に発生する規格外瓦などは、そのうち約７０％程度は微粉砕され、原料中に適量添加されて再利用されている。しかし、その他の年間約１万トン以上が再利用に供することができず、産業廃棄物として処分されている。粘土瓦以外にも、食器用陶器、各種レンガ、セラミックタイルなどの業界においても、不可避的に発生する不良品について同様な問題が存在している。

このような大量に発生するセラミック廃棄物の利用分野として、有用植物の栽培用培地材としての利用が考えられる。
植物の生育に好ましい基本的な条件は、植物を支える堅固な培地となり得ること、適度な水分、養分を保有し供給できること、根が伸びる適度な空間があること、腐敗することなく衛生的であることなどであるが、特に大量に使用されることから、低コストに供給されること、取り扱いが容易であること、使用後には環境に悪影響を与えることなく廃棄できること、などコスト面、環境面での要件が重視されている。

セラミック材料を培地材として利用する技術として、適度な大きさに成形した粘土を高温度で焼成して製造した粒状のセラミックスボール（特許文献１）があり、硬質で多孔質であることから保水性にすぐれ、積重ねられた隙間に根が成長可能であり、衛生的でもあることが開示されている。

また、特許文献２には、植物育成用多孔質セラミック培地材が開示され、微粉砕珪砂５０部、石灰石５０部、粘土１０部を配合した素地から中空ハニカムを成形し、１１５０℃で焼成した後、２０ｍｍ以下の粒状に粗砕して培地材として好ましく利用できることが紹介されている。

このようなセラミック培地材は、かさ密度が１．３ｇ／ｃｍ^３程度、吸水率が４０％程度であって、この点ではある程度利用可能であるが、前記したセラミック廃棄物の利用技術ではないうえ、いずれも高温度で焼成することが必要なことから、製造コストに焼成コストの上乗せを避けることができず、どうしてもコスト面の制約から用途が限定されるという問題があった。

さらに、特許文献３には、緩効性肥料成分を含ませたガラスを高温度で溶融して形成した後、粉体、塊状体、粒状物，球状体などに加工して得られるガラス質の栽培用材が記載されている。

このようなセラミック培地材やガラス質水耕栽培用培地材は、かさ密度が大きく砂利などと同様な重量物となることから取り扱いの容易性に劣る、また吸水率が少ないうえ保水性に乏しいので水分補給の能力が小さい、高温焼成工程または溶融工程を要するので製造コストを下げることが困難などの問題があった。

また、特許文献４には、廃棄ガラス、廃棄陶磁器を５〜１５０ｍｍ程度に粗破砕した後、相互に衝突させて角部を研磨除去しかつ粒径を調整して粒状物を作成して、天然砂代替材、コンクリート用砂材、水耕栽培用培地などに用いることが記載されている。この材料は、廃棄物を利用するので原料入手コストは前記のものより低廉であるものの、重量物であること、さらにそれ自体、吸水性および保水性に乏しいなどの問題があった。

（１）特開平８−３１７７３１号公報「水耕栽培装置」：特許請求の範囲、段落０００８など。
（２）特開平１１−１０３７０２号公報「多孔質セラミック培地材」：特許請求の範囲、段落００１４、００１５など。
（３）特開平７−１７０８５２号公報「植物栽培用硝子質組成物」：段落０００１、００２４〜０００２６など。
（４）特開平９−２０６７３０号公報「不要廃棄無機物の処理加工法」：請求項１、請求項３、段落００２４など。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、かさ密度が比較的小さく、吸水率が大であり、かつ低コスト化を可能とする粒状物およびその製造方法を提供するものである。本発明によって得られる粒状物は、植物栽培用培地材、吸湿放湿可能な湿度調節材、吸着性を利用した脱臭剤などに好ましく応用され得るものである。

（粒状物）
上記の問題は、主としてセラミック粒子を集合してなる粒状セラミック集合体であって、少なくともその表層部分のセラミック粒子が親水性有機質バインダで結合され、全体として固化し、かつ吸水性を備えていることを特徴とする本発明の粒状物によって、解決することができる。

そして、本発明は、次の形態に好ましく具体化される。
１）前記セラミック粒子がセラミックス廃棄物の粉砕物であることを特徴とする上記の粒状物。
２）前記粒状セラミック粒子を結合する親水性有機質バインダが、アルカリ土類金属成分と有機質ゲル化剤との反応により形成されたゲルである上記いずれかの粒状物。
３）かさ密度が１．3ｇ／ｃｍ^３未満、吸水率が５０％以上である上記いずれかの粒状物。
４）前記粒状セラミック集合体に、多孔質軽量材、抗菌剤、脱臭剤、着色剤の１種または2種以上を添加したことを特徴とする上記いずれかの粒状物。

（粒状物の製造方法）
さらに、上記の問題は、主としてセラミック粒子を集合して形成した粒状セラミック集合体からなる粒状物の製造方法において、その粒状セラミック集合体の少なくとも表層部分におけるセラミック粒子をアルカリ土類金属成分と親水性有機質ゲル化剤とを反応させてなるゲルにより結合して全体として固化させて、吸水性を有する粒状物を得ることを特徴とする本発明の粒状物の製造方法によって解決できる。

また、方法に係る本発明は、多数のセラミック粒子に親水性有機質ゲル化剤を水の存在下で混合してスラリーを形成し、そのスラリーの所定量をアルカリ土類金属成分水溶液中に注入して、そのスラリー中の親水性有機質ゲル化剤とアルカリ土類金属成分とを反応させてなるゲルにより、粒状のセラミック集合体を形成させるとともに、少なくとも表層部分を構成するセラミック粒子を結合して全体として固化させた後、乾燥して取扱い強度を付与し、吸水性を有する粒状物を得ることを特徴とする本発明の粒状物の製造方法として具体化できる。

また、方法に係る本発明は、セラミックス廃棄物の粉砕物である粉砕セラミック粒子に、多孔質軽量材、抗菌剤、脱臭剤、着色剤の１種または2種以上と、アルギン酸ナトリウムゲル化剤を水の存在下で混合してスラリーを形成し、そのスラリーの所定量をカルシウム塩水溶液中に注入して、そのスラリー中のアルギン酸ナトリウムとカルシウム塩とを反応させてなるゲルにより、粒状のセラミック集合体を形成すると同時にその粒状セラミック集合体を構成するセラミック粒子を結合して、全体として固化させた後、そのセラミック集合体を水洗し、乾燥して取扱い強度を付与し、かさ密度が１．３ｇ／ｃｍ^３未満、吸水率が５０％以上である粒状物を得ることを特徴とする本発明の粒状物の製造方法として好ましく具体化される。

本発明の粒状物およびその製造方法では、先ず、本発明の粒状物は、セラミック粒子が集合した粒状セラミック集合体からなるので、粒子間に所要の空間が配置されるからかさ密度を小さく全体の重量が小さくなると同時に大きな吸水率が得られる。また、この粒状セラミック集合体は、少なくともその表層部分のセラミック粒子が親水性有機質バインダ、例えば、アルカリ土類金属成分と有機質ゲル化剤との反応により形成されたゲルによって結合され固化しているので、取扱い強度があって粒状形状が保持されるものであるから、高温焼成や溶融工程のような高コストの工程が不要となり、低コスト化が可能となる。

本発明の粒状物の製造方法では、セラミック粒子を集合して形成した粒状セラミック集合体のセラミック粒子を、アルカリ土類金属成分と親水性有機質ゲル化剤とを反応させてゲルによって結合させて粒状物が得られる。さらに、水洗して不要塩分を除去し、乾燥することにより強度を高めかつ軽量化し、吸水性を向上するようになるから、如上のかさ密度、吸水率および吸水性の利点が得られるうえ、高コストの原因となる高温度工程を必要としないから、低コストの粒状物が得られるという格別の利点がある。
かくして得られた粒状物は、特に、植物栽培用培地材、吸湿放湿可能な湿度調節材、吸着性を利用した脱臭剤などに好ましく利用されるのである。
よって本発明は、従来の問題点を解消した粒状物およびその製造方法として、工業的価値はきわめて大なるものがある。

次に、本発明の粒状物およびその製造方法に係る実施形態について説明するが、説明の都合上、粒状物の製造方法により説明する。
本発明の製造方法は、１）セラミック粒子スラリーの準備、２）粒状セラミック集合体の成形、３）水洗、４）乾燥の各工程からなり、以下の主たる内容を含む。

１）セラミック粒子スラリーの準備工程：粉砕して得たセラミック粒子にゲル化剤を水の存在下で混合してスラリーを作製する。
２）粒状セラミック集合体の成形工程：そのスラリーの所定量をアルカリ土類金属成分水溶液中に注入して、ゲル化剤とアルカリ土類金属成分とを反応させてなるゲルにより、セラミック粒子を相互に結合するとともに、全体として粒状に固化したセラミック集合体を形成する。
３）水洗工程：固化した粒状のセラミック集合体を取り出し、水洗する。
４）乾燥工程：水洗した粒状のセラミック集合体を乾燥して、軽量化するとともに好ましい取扱い強度を持った粒状物を得る。

以下、各工程についてそれぞれ説明する。
（セラミック粒子スラリーの準備工程）
セラミック粒子にゲル化剤を水の存在下で混合してスラリーを作製する工程であり、セラミック粒子としては、粘土瓦、陶器質タイル、同レンガなど多孔質セラミック製品の廃材が用いられ、用途に応じた粒径の粉砕粒子が用いられるが、本発明の製造方法では、粒径２．０ｍｍ以下に粉砕したものが適当である。粒度の下限値は特にないが、０．１ｍｍより小さくするのは粉砕コストが大幅に増加するので好ましくはない。

また、セラミック粒子としては、多孔質セラミックはそれ自体が吸水性を持っているので好ましいが、吸水性が殆どない磁器質、ガラス質の廃材であっても、これら粒子を多数集合させた集合体として用いるうえ、粒子間を結合するゲル自体が吸水性を有するため、十分に利用可能である。

ゲル化剤としては、カルシウムなどアルカリ土類金属塩と反応してゲル化する親水性有機質材料が用いられる。この目的に利用できる材料として、アルギン酸ナトリウム、その他のアルギン酸塩、ペクチン、寒天、グルコマンナン、キサンタンガム、グアーガム、カラギーナン、カルボキシメチルセルローズ塩など親水性有機質が適当であり、これらの１種または２種以上を適宜に選択できる。入手が容易なこと、低価格であること、比較的配合量が少なく済むなどからアルギン酸ナトリウムがもっとも好適である。

これらセラミック粒子とゲル化剤に水を加えて、混合して適度な粘性を持ったスラリーを作製する。この場合、セラミック粒子（添加材料として多孔質軽量材を添加する場合は、その合計量に対して）に対するゲル化剤の配合比率は、1％水溶液の粘度が４５±１５ｍＰａ・ｓ（ミリパスカル秒）のゲル化剤の場合、少なくとも２．０％である。その理由は、水を加えてスラリーとしたときに２.０％未満では、スラリー中のセラミック粒子などが沈降し易くなり、適度に流動する粘性を発現できないからである。また、配合比率を高めるほど、吸水率は向上し、取扱い強度も増大するので、配合比率の上限はないが、ほぼ１５．０％以上は配合比率に比較して効果の向上が得られないので、不必要である。

このスラリーの作成において、得られるスラリーの流動性は、内部でセラミック粒子が流動可能であって、後記の粒状セラミック集合体の成形工程において、配合されたゲル化剤の効果とあいまって、このスラリーが押出しノズルから押出し可能な粘性を持つように配合水分量が調節される。
この場合、セラミック粒子とゲル化剤と水との配合順序は、上記の場合の他、最初にセラミック粒子と水を混合しゲル化剤を混合する、またはゲル化剤と水を混合しセラミック粒子を混合するなどの順に配合して、全体を混合するようにしてもよい。

さらに、この工程において、各種添加材料が必須な材料ではないものの配合可能である。例えば、多孔質軽量材、抗菌剤、脱臭剤、着色剤の１種または2種以上が用いられる。
多孔質軽量材には、パーライト、シラス、ゼオライト、珪藻土などの天然原料粉体が用いられ、それらを適宜な割合で配合することにより、粒状物の出来上がりを軽量にすることができ、吸水率を高め、保水性を向上させることができる効果がある。このような添加材は粉体または粒体として添加させるが、その粒度は、最大３ｍｍとするのがよい。

また、抗菌剤には銀、銅など金属成分、脱臭剤には活性炭素など、着色剤には鉄、クロム、コバルトなどの酸化物質顔料が適宜に利用できる。かくして、本発明粒状物の用途に応じた品質、性能を発現することができる。

（粒状セラミック集合体の成形工程）
以上により準備したそのスラリーの所定量をアルカリ土類金属成分水溶液、例えば、常温の塩化カルシウム水溶液の中に注入して、粒状のセラミック集合体を形成する工程である。塩化カルシウムの濃度は、５％以上、好ましくは１０％程度を基準にすればよい。また、スラリーを注入するに従い、塩化物成分は消耗するので、適宜に補給する必要がある。

この場合、上記スラリーを筒状ノズルから押出すことにより、所定量のスラリーをカルシウム塩水溶液中に滴下するように注入する。注入されたスラリーは、カルシウム塩水溶液中において、カルシウム塩とゲル化剤が直ちに反応して、スラリー中のセラミック粒子相互間にゲルが生成し、セラミック粒子がゲルにより結合されるので、注入されたスラリーは液中に分散することなく、その構成材料からなるセラミック集合体である粒状物が形成される。

このようなゲル化反応において、カルシウム塩によるゲル化は、その粒状セラミック集合体の表層部分から始まり、カルシウム塩成分が浸透するに従い内部に向かってゲル化が進むことになり、ゲル化が進むに従い最終的に粒状体の取扱い強度が向上する。そこで、好ましい取扱い強度が得られるようゲル化反応の程度を調節するのがよい。

得られる粒状物の大きさは、押出しノズルの口径、押出し速度などにより調節することができ、直径1ｍｍ〜１５ｍｍ程度の粒状物を連続的に製造することができる。なお、この粒状物の大きさに対応して、予め原料のセラミック粒子などの粒度の大小を調製することは言うまでもない。
かくして、得られた反応液中の粒状物は、エアリフト水中ポンプなどにより反応容器内から外部に取り出すことができる。

（水洗工程）
取り出したゲル被膜付きの粒状のセラミック集合体を、適宜な方法で水洗する。この目的は、得られた粒状のセラミック集合体から残留したカルシウム塩などを除去するためのものである。従って、最終的に得られる粒状物にカルシウム塩などが残留していてもよい場合はこの水洗工程は省略可能であるから、本発明において必ずしも必須工程ということではない。

（乾燥工程）
水洗した粒状のセラミック集合体を乾燥して、ゲルから水分を除去してセラミック粒子間の結合をより強化して取扱い強度を向上させるとともに、水分の除去に伴い重量を軽くするための工程であり、メッシュベルト式コンベヤ乾燥装置などを用いて、熱風加熱、赤外線加熱など適宜な加熱により乾燥を行えばよい。
本発明で用いる取扱い強度という用語は、運搬など取扱い上の実用強度を意味しており、好ましい取扱い強度とは、粒状物を１００ｃｍの高さから硬いコンクリート面に自然落下させたときに、衝撃によって割れない強度のことを意味することとしている。

このように、水洗後のセラミック集合体を乾燥することにより、セラミック粒子間のゲルの大きく体積収縮に基づく隙間が生じて、内部気孔と連通する水分の出入通路が形成される。かくして、本発明では、吸水率が５０％以上の吸水性を備えるとともに、かさ密度が１．３ｇ／ｃｍ^３未満のより軽量化した粒状物を得ることができる。この粒状物は、表層部分は乾燥ゲルによって固化しているとともに、内部にまでゲル化が進まない場合でも、内部のセラミック粒子が相互に乾燥したゲル化剤によって結合されているので、好ましい取扱い強度を付与することができる。そして、得られた粒状物を植物栽培用培地材などとして利用する際のハンドリングにおいて、手動または機械的取り扱いのいずれに於いても支承がない強度を持った材料として利用されるのである。

かくして製造される本発明の粒状物およびその製造方法により、次の作用、利点が得られることになる。
（１）粘土瓦などの吸水性セラミックス廃棄物を好ましくリサイクルすることができる。
（２）セラミックス粒子間の気孔と粒子自体の存在によって、かさ密度が小さく、大きな吸水率の粒状セラミック集合体が得られる。
（３）少なくとも表層部分の乾燥ゲルにより、吸水した水分を保留する好ましい保水性が得られると同時に、粒状形状が保持できる好ましい取扱い強度も得られる。
（４）高コストの高温焼成など不要であるから低コスト化が可能となる。
（５）原料の配合から造粒まで液状形態で扱われるので、製造方式が乾式に較べて比較的取扱い容易な湿式工程が採用され得る。
（６）得られる粒状物は、植物栽培用培地材、吸湿放湿可能な湿度調節材、吸着性を利用した脱臭剤などに活用される。

以上、本発明の粒状物の製造方法では、粒状のセラミック集合体をセラミック粒子とゲル化剤からなる水性スラリーを塩水溶液に注入して製作する方法に基づいて説明したが、本発明はこの方法に限定されるものではない。
粒状のセラミック集合体に表層部分にゲル結合を付与する手法として、例えば、セラミック粒子を公知の造粒装置を用いて所要の粒度のゲル化剤を含まないセラミック集合体を作製した後、その外周面に、ゲル化剤溶液を塗布、浸透させ、ついでアルカリ土類金属成分と反応させて、表層部分のセラミック粒子を生成ゲルによって結合し固化した後、乾燥して粒状物を製造するようにしてもよいのである。

Claims (2)

1. 主としてセラミック粒子を集合してなる粒状セラミック集合体であって、少なくともその表層部分のセラミック粒子が親水性有機質バインダで結合され、全体として固化し、かつ吸水性を備えていることを特徴とする粒状物。
2. 主としてセラミック粒子を集合して形成した粒状セラミック集合体からなる粒状物の製造方法において、その粒状セラミック集合体の少なくとも表層部分におけるセラミック粒子をアルカリ土類金属成分と親水性有機質ゲル化剤とを反応させてなるゲルにより結合して全体として固化させ、吸水性を有する粒状物を得ることを特徴とする粒状物の製造方法。