JP2013189347A - 石膏多孔質構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】砒素等が混入している水溶液中の重金属を、ｐＨの調整を行うことなく吸着回収することが可能な、透水性を備えた石膏多孔質構造体を提供する。
【解決手段】石膏と発泡剤と水を混合して得られる石膏多孔質構造体であって、前記石膏が、少なくとも半水石膏を含むことを特徴とする。前記石膏が、無水石膏に難溶性物質を添加し、それを混合攪拌・転圧することにより得られる無水石膏を含むことを特徴とする。前記難溶性物質が、少なくても結晶セルロース又は酢酸セルロースのいずれか１種を含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、砒素等の重金属を物理的に吸着させる機能を有する石膏多孔質構造体に関するものである。

発展途上国に於ける飲料水に含まれる砒素による奇形児問題は、世界の人類の話題として知られ、先進国ではこれらの問題を解決するための支援について研究が進められている。また我国に於いても、ガラスを溶融する清澄剤として長い間大気中に揮発放出されたものが蓄積しており、近時砒素の無害化処理が環境改善のテーマの一つとなっている。

我国が発電用に輸入する約１５，０００万トンを超える石炭にも、産出国により高い含有率で砒素が存在しており、コンクリート混和剤のフライアッシュとして大量に使用する場合には、水質基準である０．０１ｐｐｍという厳しい基準をクリアすることが困難な状況となりつつあり、電力会社に於いても脱砒素は極めて大きい障害となっている。

砒素の不溶化又は回収は、砒素を除去する鉱物である硫化物又は活性アルミナ、鉄化合物等により不溶化する方法が化学書等に記載されており、また、主として鉄化合物によるフェライトを主成分とするものが多く提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

これらは、主として粒状吸着材とするか、又はｐＨを調整してフロックとして濾過する方法である。

特開２００４−２９３０９８号公報 特開２００５−２５７５号公報 特開２００５−６８９００号公報

しかしながら、多くの鉄化合物は希土類として扱われるものがほとんどであり、精製のためのコストがかかり、短期間で大量に製造することができず、広く市場に拡大していないのが現状である。

そのため、発展途上国でも容易かつ低コストで製造できる砒素を回収するための製品の開発が切望されていた。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、砒素等が混入している水溶液中の重金属を、ｐＨの調整を行うことなく吸着回収することが可能な、透水性を備えた石膏多孔質構造体を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、石膏と発泡剤と水を混合して得られる石膏多孔質構造体であって、前記石膏が、少なくとも半水石膏を含むことを特徴とする。

第２に、上記第１の発明の石膏多孔質構造体において、前記石膏が、無水石膏に難溶性物質を添加し、それを混合撹拌・転圧することにより得られる無水石膏を含むことが好ましい。

第３に、上記第２の発明の石膏多孔質構造体において、前記難溶性物質が、少なくとも結晶セルロース又は酢酸セルロースのいずれか１種を含むことが好ましい。

第４に、上記第１から第３の発明の石膏多孔質構造体において、前記発泡剤が、硫酸アルミニウム及び炭酸水素ナトリウムであることが好ましい。

第５に、上記第１から第４の発明の石膏多孔質構造体において、前記石膏多孔質構造体が、下記式（１）で表される透水係数（ｋ）の条件を満足する透水性を有することが好ましい。
９×１０^−２＞ｋ＞１×１０^−２ （１）
（ここで、ｋの単位は、ｃｍ／ｓｅｃである。）

第１の発明の石膏多孔質構造体によれば、水溶液のｐＨに依存しない吸着機能がえられ、前処理及び後処理が不要であり、且つアルカリ性の溶液に対しては中和機能を有する石膏多孔質構造体とすることができる。

また、石膏と発泡剤及び水との固化作用のみによる簡単な成型が可能であり、極めて安価な材料で短期間に大量製造することができるので、環境上及び経済上の価値は極めて大きい。

また、第２の発明によれば、適切な透水性とともに圧縮強度を保持する機能を保証することができるので、自然地下水のみならず廃棄物処理場等の広範囲な用途に適用することが可能となる。

また、第３及び第４の発明によれば、難溶性物質及び発泡剤として適切なものを選択することにより、上記第１又は第２の発明の効果を、さらに確実に顕著なものとした石膏多孔質構造体とすることができる。

また、第５の発明によれば、多孔質構造体の透水係数を測定し、それを所定値に調整することによって、除去したい現場の水質に対応した透水性に管理することができるので、使用する石膏に対する難溶性物質の種類と配合量の最適化、試験体による事前測定による配合割合の決定等のため、有用な手段が得られる。

本発明の無水石膏の団粒構造を含む多孔質構造を有する石膏多孔質構造体の顕微鏡写真である。 本発明の多孔質構造を有する半水石膏を用いた石膏多孔質構造体である。 本発明の多孔質構造を有する半水石膏と結晶セルロースを含んだ無水石膏の混合を用いた石膏多孔質構造体である。

以下、本発明の石膏の多孔質構造について詳細に説明する。

本発明の石膏多孔質構造体は、石膏と発泡剤と水を混和させ水和固化した透水性を有する石膏多孔質構造体である。

本発明で用いられる石膏は、少なくとも半石膏を含むものである。半水石膏は、水と反応し水和固化して二水石膏となるため、固化材としての機能も有する。

また、石膏として半水石膏と共に無水石膏を用いることができる。なお、この無水石膏は純粋な無水石膏を用いてもよいが、廃石膏ボードから得られるリサイクル石膏（ＩＩ型無水石膏）を用いてもよい。

本発明で用いられる発泡剤は、硫酸アルミニウム及び炭酸水素ナトリウムである。発泡剤の添加量は、本発明の石膏多孔質構造体の透水係数を決定するために重要であり、目的とする透水係数にするために適宜設定することができる。

具体的な発泡剤の合計量は、通常、水以外の配合成分の合計質量に対して２〜２０質量％、好ましくは４〜１０質量％の範囲で設定することができる。

また本発明では、石膏に対して難溶性物質を添加しそれを混合撹拌・転圧しておくことができる。なお、難溶性物質を添加する石膏は無水石膏が好ましい。

本発明においては、石膏多孔質構造体として、無水石膏に難溶性物質を添加しそれを混合撹拌・転圧することにより、比表面積の増加と石膏結晶体の団粒化がファンデルワールス力による物理的吸着作用を促進させ、半水石膏と発泡剤と水を混和させ水和固化させて透水性を付与させることが重要である。

図１に、本発明の重金属類吸着作用を有する無水石膏の団粒構造を含む多孔質構造を有する石膏多孔質構造体の顕微鏡写真を示す。

本発明で用いられる難溶性物質としては、結晶セルロース、酢酸セルロースを好適に用いることができる。これらの難溶性物質は、１種単独で用いてもよいし、２種を併用して用いてもよい。

なお、無水石膏としてリサイクル石膏（ＩＩ型無水石膏）を用いる場合には、リサイクル石膏（ＩＩ型無水石膏）に僅かな紙等が含まれており、予め前記の難溶性物質が付加された状態であり、そのまま用いることができるため好ましい。

本発明の石膏多孔質構造体においては、固化材として、凝結硬化する性質を有する半水石膏、市販の焼石膏が用いられる。

上記固化材の配合は、処理しようとする水溶液の性質によって適切な透水性が付与されるように行うことが望ましい。例えば、水溶液中の重金属の濃度が高く、石膏多孔質構造体のスペースが小さい場合、発泡剤を混入したあとの撹拌時間を長くして空隙率を低くする代わりに、水と固化材との接触時間が長く得られるように設定する。

上記固化材の具体的な配合量としては、繰り返しろ過を行っても所望の透水性が維持できるように、また、得られる石膏多孔質構造体の圧縮強度を考慮して適宜設定することができ、通常、水以外の配合成分の合計質量に対して３０〜９５質量％、好ましくは４５〜９５質量％の範囲である。

本発明の石膏多孔質構造体の透水係数（ｋ）としては、特に限定されるものではないが、下記式（１）を満足するように、固化材の種類、配合量等を調整することが、所望の透水性を得るために好ましい。

９×１０^−２＞ｋ＞１×１０^−２ （１）
（ここで、ｋの単位は、ｃｍ／ｓｅｃである。）

透水係数（ｋ）が１×１０^−２未満では、透水性がやや低い状態であり、吸着は生じるが給水機能が発揮されにくい場合がある。一方、透水係数（ｋ）が９×１０^−２を超えると、透水性が高い状態であり、石膏との接触時間が短く、吸着機能が発揮されにくい場合がある。

また、調製された石膏多孔質構造体の透水係数を予め測定することにより、使用する土砂に対する固化材の種類、配合量の最適化を図ることができる。特に、固化材の選定においては、試験体による事前の測定により、配合割合を決めることができるので、設計及び施工に際して有用な手段となる。

上記のとおりの本発明の石膏多孔質構造体によれば、あらゆるフィールドにおける砒素等の重金属類を含んだ溶液をろ過することが可能となり、良質な生活用水が得られる。溶液のｐＨ調整等の前処理・後処理を必要とせず、且つあらゆるｐＨの水質に対して回収機能を発揮させることができる。また、同時に、半水石膏と水との水和固化機能を利用し、構造に圧縮力を保持する機能を付与することができる。

以下に、本発明の実施例及び比較例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例によってなんら限定されるものではない。

（実施例１）
重量比で半水石膏９４質量％、発泡剤として、硫酸アルミニウム５質量％及び炭酸水素ナトリウム１質量％を容器に混入し、水７５質量％を入れて１０秒撹拌した。次に、これを型に入れた状態で８０℃の乾燥炉内に２４時間空気中で養生して、石膏多孔質構造体を得た。得られた石膏多孔質構造体を図２に示す。

そして、得られた石膏多孔質構造体の透水係数を測定した。その結果、石膏多孔質構造体の透水係数（ｋ）は４×１０^−２ｃｍ／ｓｅｃとなり、所望の透水性が得られることが確認された。

次に、上記の透水係数（ｋ）が４×１０^−２ｃｍ／ｓｅｃである石膏多孔質構造体を直径５ｃｍ、高さ５ｃｍの円柱に納め、１．０ｍｇ／Ｌの３価の砒素を含んだ水溶液１Ｌをろ過させた。

その結果、１回のろ過で１８％の砒素が除去され、これを１０回くりかえすと除去率は４０％に達した。さらに２０回まで繰り返すと除去率は５０％に達した。
なお、透水係数の測定は、ＪＩＳ Ａ １２１８：２００９に準拠した定水位透水試験で行った。

（実施例２）
重量比で半水石膏４７質量％、無水石膏４６質量％、結晶セルロース１質量％、発泡剤として、硫酸アルミニウム５質量％及び炭酸水素ナトリウム１質量％を容器に混入し、水７５％を入れて１０秒撹拌した。次に、これを型に入れた状態で８０℃の乾燥炉内に２４時間空気中で養生して、石膏多孔質構造体を得た。得られた石膏多孔質構造体を図３に示す。

そして、得られた石膏多孔質構造体の透水係数を測定した。その結果、石膏多孔質構造体の透水係数（ｋ）は４×１０^−２ｃｍ／ｓｅｃとなり、所望の透水性が得られることが確認された。

次に、上記の透水係数（ｋ）が４×１０^−２ｃｍ／ｓｅｃである石膏多孔質構造体を直径５ｃｍ、高さ５ｃｍの円柱に納め、１．０ｍｇ／Ｌの３価の砒素を含んだ水溶液１Ｌをろ過させた。

その結果、１回のろ過で２５％の砒素が除去され、これを１０回くりかえすと除去率は５０％に達した。さらに２０回まで繰り返すと除去率は６０％に達した。

なお、透水係数の測定は、ＪＩＳ Ａ １２１８：２００９に準拠した定水位透水試験で行った。

このことから、無水石膏及び、結晶セルロースを配合した、石膏多孔質構造体は、これらを配合しない石膏多孔質構造体に比べて砒素の除去率が高いことが確認された。

（比較例１）
自然のろ過材として、透水係数（ｋ）が３×１０^−２ｃｍ／ｓｅｃである砂を直径５ｃｍ、高さ５ｃｍの円柱に納め、１．０ｍｇ／Ｌの３価の砒素を含んだ水溶液１Ｌを２０回繰り返し、溶液の砒素含有量を測定した。

その結果、砒素の吸着は見られず、ファンデルワールス力による物理吸着機能は確認されなかった。

（実施例３）
濃度１ｍｇ／Ｌの３価の砒素を含んだ４０ｍｌ溶液中に、重量比１％の結晶セルロースを含んだ無水石膏１ｇをコニカルチューブに入れ、２時間振とうさせ、振とう後の溶液の砒素濃度を測定した。振とう後の砒素濃度は０．１５ｍｇ／Ｌであった。

（実施例４）
濃度１ｍｇ／Ｌの５価の砒素を含んだ４０ｍｌ溶液中に、重量比１％の結晶セルロースを含んだ無水石膏１ｇをコニカルチューブに入れ、２時間振とうさせ、振とう後の溶液の砒素濃度を測定した。振とう後の砒素濃度は０．１５ｍｇ／Ｌであった。

（比較例２）
濃度１ｍｇ／Ｌの３価の砒素を含んだ４０ｍｌ溶液中に、半水石膏１ｇをコニカルチューブに入れ、２時間振とうさせ、振とう後の溶液の砒素濃度を測定した。振とう後の砒素濃度は０．２５ｍｇ／Ｌであった。

（比較例３）
濃度１ｍｇ／Ｌの５価の砒素を含んだ４０ｍｌ溶液中に、半水石膏１ｇをコニカルチューブに入れ、２時間振とうさせ、振とう後の溶液の砒素濃度を測定した。振とう後の砒素濃度は０．２５ｍｇ／Ｌであった。

以上の結果から、本発明の石膏多孔質構造体は、無水石膏に難溶性物質を添加しそれを混合撹拌・転圧することにより得られる無水石膏の団粒に、半水石膏と発泡剤を混和させ水和固化した透水性を有する多孔質ブロックとすることで、水溶液をろ過させるだけで砒素等重金属の物理的吸着機能を持たせた石膏多孔質構造体として有用であることが確認された。

また、石膏多孔質構造体の透水係数の測定により、使用する石膏に対する発泡剤の配合量や攪拌時間を調整し最適化を図ることができることが確認された。

Claims (5)

1. 石膏と発泡剤と水を混合して得られる石膏多孔質構造体であって、前記石膏が、少なくとも半水石膏を含むことを特徴とする石膏多孔質構造体。
2. 前記石膏が、無水石膏に難溶性物質を添加し、それを混合撹拌・転圧することにより得られる無水石膏を含むことを特徴とする請求項１に記載の石膏多孔質構造体。
3. 前記難溶性物質が、少なくとも結晶セルロース又は酢酸セルロースのいずれか１種を含むことを特徴とする請求項２に記載の石膏多孔質構造体。
4. 前記発泡剤が、硫酸アルミニウム及び炭酸水素ナトリウムであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の石膏多孔質構造体。
5. 前記石膏多孔質構造体が、下記式（１）で表される透水係数（ｋ）の条件を満足する透水性を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の石膏多孔質構造体。
   ９×１０^−２＞ｋ＞１×１０^−２ （１）
   （ここで、ｋの単位は、ｃｍ／ｓｅｃである。）