JP2014028728A - ジオポリマー組成物を用いたイオン交換体、当該イオン交換体の作製方法及び当該イオン交換体を用いたイオン交換ブロック - Google Patents

Abstract

【課題】 ジオポリマー組成物のイオン交換能を効果的に発揮させることが可能なイオン交換体と、当該イオン交換体を用いたイオン交換ブロックを提供する。
【解決手段】 フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに、珪酸アルカリ又はアルカリ溶液を加えて得られる無機ポリマーを結合材として用いて、ジオポリマー組成物を用いたイオン交換体を作製する。骨材として、クリンカアッシュ又はゼオライトを用いる。添加剤として、糖類、酸、アルカリ性の溶液中で作用するキレート剤を添加して、凝結時間又は流動性を調整することができる。比重調整材として、気泡剤を用いる。当該イオン交換体を、単位容積あたりの表面積を増加させたブロック形状とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ジオポリマー組成物を用いたイオン交換体、当該イオン交換体の作製方法及び当該イオン交換体を用いたイオン交換ブロックに関するものであり、詳しくは、ジオポリマー組成物のゼオライト類似構造を利用したイオン交換体及びイオン交換能を高めた形状のイオン交換ブロックに関するものである。

近年、一般的に使用されているコンクリート（炭酸カルシウムを主成分とする石灰石を原料としたコンクリート）に替えて、ＣＯ₂排出量を抑制すると共に、産業副産物を再利用して環境負荷を低減することが可能なジオポリマー組成物を用いた硬化体が注目されている。ジオポリマーとは、活性フィラーと称される鉱物質粉体を、珪酸アルカリ又はアルカリ溶液で処理して得られる無機ポリマーである。活性フィラーには、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリン等があり、これらを原料としたジオポリマー組成物の作製方法が種々提案されている（特許文献１〜４参照）。

特許文献１（特開２００８−２３９４４６号公報）に記載された技術は、フィラーと、アルカリ活性剤と、骨材とを原料としたジオポリマー組成物に関するものである。このジオポリマー組成物のフィラーは、少なくともフライアッシュを含んでおり、アルカリ活性剤は、少なくとも水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、珪酸ナトリウム、珪酸カリウムのいずれかを含んでいる。

特許文献２（特開平８−３０１６３８号公報）に記載された技術は、珪酸ナトリウム水溶液と生のカオリン質粉体を混合して型枠に流し込み、常温でそのまま固化させたジオポリマー組成物に関するものである。そして、固化反応を促進させる薬剤として、珪弗化カリウム又は高炉水砕スラグを混和する。

特許文献３（特開平８−３０１６３９号公報）に記載された技術は、珪酸ナトリウム水溶液とフライアッシュを混合して型枠に流し込み、常温でそのまま固化させるか蒸気養生により固化させたジオポリマー組成物に関するものである。

特許文献４（特表２００８−５３６１０５号公報）に記載された技術は、ジオポリマーモノリスを含んだモノリス内の化学結合形成により、モノリス中へ廃棄物を封入して廃棄物処理を行う技術に関するものである。

特開２００８−２３９４４６号公報 特開平８−３０１６３８号公報 特開平８−３０１６３９号公報 特表２００８−５３６１０５号公報

上述したように、ジオポリマー法を用いた硬化体の作製方法については、従来より種々の手法が提案されている。また、ジオポリマー硬化体が、非晶質ではあるがゼオライトに類似した構造を有していることが知られている。

ところで、天然ゼオライト（沸石）は天然鉱物であるため、用途に応じて粉砕方法を選択することにより、大小様々な粒径とすることができるが、任意の形状に加工するには多大な労力を要してしまう。さらに、十分なイオン交換能を発揮させるためには、粉末状にする必要がある。

また、人工ゼオライトを用途に合わせて粒状化した製品が存在するが、粒状体そのものの強度が弱い（低い）。このため、セメント系材料と混合してブロックなどの固化体を作製しようとした場合、モルタルやコンクリートの製造に用いられるミキサ（可傾式、強制二軸式等）による撹拌過程において、粒状ゼオライトが粉砕されてしまうという問題点がある。さらに、セメント系材料と混合する場合には、良好なハンドリング性能を保持するために、ゼオライトの混合量に限界がある。

また、イオン交換能を十分に発揮させるためには、できる限りイオン交換能を有する物質を多く含有させて、イオン交換もしくは吸着させたい物質とゼオライトなどのイオン交換能の高い物質がより接触しやすいよう（接触面積が増えるよう）にする必要がある。このため、例えば、空隙を多く有するブロック等、任意の形状に作製できることが重要となる。

上述したように、ジオポリマー組成物はゼオライト類似の構造を有しているため、ジオポリマー組成物自体がイオン交換能を有していると考えられるが、ジオポリマー組成物をイオン交換材として利用するための技術は確立されていない。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、ジオポリマー組成物のイオン交換能を効果的に発揮させることが可能なイオン交換体、当該イオン交換体の作製方法及び当該イオン交換体を用いたイオン交換ブロックを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係るジオポリマー組成物を用いたイオン交換体、当該イオン交換体の作製方法及び当該イオン交換体を用いたイオン交換ブロックは、以下の特徴点を有している。すなわち、本発明に係るジオポリマー組成物を用いたイオン交換体は、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに、珪酸アルカリ又はアルカリ溶液を加えて得られる無機ポリマーを結合材として用いたことを特徴とするものである。

また、当該ジオポリマー組成物を用いたイオン交換体において、骨材として、クリンカアッシュ又はゼオライトの少なくとも一方を用いることが可能である。

また、当該ジオポリマー組成物を用いたイオン交換体において、比重調整材として、気泡剤を用いることが可能である。

また、このような構成からなるイオン交換体を任意の粒状に粉砕して骨材とすると共に、結合材として、セメント系材料を用いることが可能である。

本発明に係るジオポリマー組成物を用いたイオン交換体の作製方法は、上述した各イオン交換体を作製する際に、添加剤として、糖類、酸、アルカリ性の溶液中で作用するキレート剤の少なくとも１種類を添加して、凝結時間又は流動性の少なくとも一方を調整することを特徴とするものである。

本発明に係るイオン交換ブロックは、上述した各イオン交換体を、単位容積あたりの表面積を増加させたブロック形状として、流体との接触時間及び接触面積を高めたことを特徴とするものである。単位容積あたりの表面積を増加させたブロック形状とは、例えば、格子状のブロック、ポーラス状のブロック等である。

本発明に係るジオポリマー組成物を用いたイオン交換体によれば、ジオポリマー組成物のイオン交換能を十分に発揮することが可能なイオン交換体とすることができる。

また、当該イオン交換体を作製する際に、添加剤として、糖類、酸、アルカリ性の溶液中で作用するキレート剤の少なくとも１種類を用いることにより、凝結時間又は流動性の少なくとも一方を調整することができるので、容易かつ適切に、任意の形状のイオン交換体を作製することができる。

また、単位容積あたりの表面積を増加させたブロック形状に形成したイオン交換ブロックは、流体との接触時間及び接触面積が高まり、イオン交換もしくは吸着させたい物質と効果的に接触させることができるので、ジオポリマー組成物を用いたイオン交換体におけるイオン交換能を十分に発揮させることが可能となる。

本発明の実施形態に係るイオン交換ブロック（第１部材）の形状を示す模式図。 本発明の実施形態に係るイオン交換ブロック（第２部材）の形状を示す模式図。 本発明の実施形態に係るイオン交換ブロックを積み上げた形状（第１部材と第２部材とを多層構造とした格子状ブロック集合体）を示す模式図。

以下、本発明に係るジオポリマー組成物を用いたイオン交換体、当該イオン交換体の作製方法及び当該イオン交換体を用いたイオン交換ブロックの実施形態を説明する。

＜ジオポリマー組成物＞
本発明の実施形態に係るジオポリマー組成物は、活性フィラーと、アルカリ活性剤と、骨材とを原料として得られる組成物であり、活性フィラーをアルカリ活性剤溶液で活性化し、重合固化させることにより硬化体を作製する。すなわち、活性フィラーから溶出したアルミニウム等の金属が水ガラス成分を含む水と接触すると、珪酸錯体（ＳｉＯ₄）が架橋されてポリマー化することにより、硬化体を得ることができる。

＜活性フィラー＞
本発明の実施形態で使用する活性フィラーは、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類である。これらの活性フィラーのうち、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥は、ガラス成分を含む産業副産物であり、これらを再利用することにより環境負荷を低減することができる。

フライアッシュは、石炭火力発電所において燃焼副産物として排出される石炭灰であり、シリカ（ＳｉＯ₂）及びアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分としている。高炉スラグは、銑鉄製造工程で発生する産業副産物であり、石灰（ＣａＯ）及びシリカ（ＳｉＯ₂）を主成分とし、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）やマグネシア（ＭｇＯ）を含んでいる。下水焼却汚泥は、下水処理において発生する汚泥を焼却したもので、シリカ（ＳｉＯ₂）及びアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分とし、リン酸（Ｐ₂Ｏ₅）を含んでいる。カオリン（Ａｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₅（ＯＨ）₄）は、天然に産出する珪酸塩鉱物の１種である。

＜アルカリ活性剤＞
アルカリ活性剤としては、例えば、水ガラス（珪酸ナトリウム溶液又は珪酸カリウム溶液）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液、メタ珪酸ナトリウム粉体等を用いることができる。

＜骨材＞
骨材としては、一般的なコンクリートやモルタルに使用されているものを用いることができる。

＜実施例１＞
実施例１に係るジオポリマー組成物を用いたイオン交換体は、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに、珪酸アルカリ又はアルカリ溶液を加えて得られる無機ポリマーを結合材として用いると共に、骨材として、クリンカアッシュ又はゼオライトの少なくとも一方を用いて作製する。

実施例１に係るジオポリマー組成物を用いたイオン交換体は、非晶質ではあるがゼオライトに類似した構造を有しており、高いイオン交換能を発揮する。また、良好なハンドリング性能を有しており、任意の形状のイオン交換体を作製することができる。

＜実施例２＞
実施例２に係るジオポリマー組成物を用いたイオン交換体は、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに、珪酸アルカリ又はアルカリ溶液を加えて得られる無機ポリマーを結合材として用いると共に、骨材として、クリンカアッシュ又はゼオライトの少なくとも一方を用いて作製する。

クリンカアッシュは、石炭火力発電所等において、石炭を燃焼させた際に発生する石炭灰であり、ボイラの底部に落下した石炭灰の塊を回収して脱水及び粉砕して製造する。このクリンカアッシュは、多孔質で排水性及び通気性に優れた産業副産物である。クリンカアッシュの主成分はフライアッシュとほぼ同様で、シリカ（ＳｉＯ₂）及びアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分としている。

ゼオライトは、天然ゼオライト（沸石）も存在するが、人工的に製造することもできる。ゼオライトは、ケイ素（Ｓｉ)とアルミニウム(Ａｌ)が酸素（Ｏ）を介して結合した骨格構造からなり、イオン交換能を有している。

実施例２に係るジオポリマー組成物を用いたイオン交換体は、骨材としてクリンカアッシュはゼオライトを用いているので、イオン交換能をより一層高めることができる。

＜実施例３＞
実施例３に係るジオポリマー組成物を用いたイオン交換体は、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに、珪酸アルカリ又はアルカリ溶液を加えて得られる無機ポリマーを結合材として用いると共に、骨材として、クリンカアッシュ又はゼオライトの少なくとも一方を用い、比重調整材として気泡剤を用いて作製する。

比重調整材である気泡剤としては、一般的に使用されている界面活性剤からなるＡＥ剤を用いることができる。本実施例では、気泡材による混入空気量は、最大で３０ｖｏｌ％程度であることが好ましい。

実施例３に係るジオポリマー組成物を用いたイオン交換体は、比重調整材を用いているため、比重を適切に管理することができ、良好なハンドリング性能を有する任意の形状のイオン交換体を作製することができる。

＜実施例４＞
実施例４に係るジオポリマー組成物を用いたイオン交換体は、実施例１、実施例２、実施例３のイオン交換体を任意の粒状に粉砕して用いると共に、結合材としてセメント系材料を用いて作製する。すなわち、実施例４のイオン交換体は、まず、ジオポリマー組成物を用いてイオン交換体を作製し、このイオン交換体を任意の粒状に粉砕して、セメント系材料からなる結合材により結合して作製したものである。

実施例１、実施例２、実施例３のイオン交換体はジオポリマー組成物を主成分とするため、容易に任意の粒状に粉砕することができる。これにより、天然ゼオライト（沸石）を用いた場合と比較して、粉砕に要する多大な労力を軽減することができる。また、人工ゼオライトを粒状化した製品と比較して、強度が高いため、モルタルやコンクリートの製造に用いられるミキサ（可傾式、強制二軸式）による撹拌過程において、粒状ゼオライトが粉砕されてしまうおそれがない。

このように、実施例４のイオン交換体は、天然ゼオライトや人工ゼオライトをセメント系材料により結合させた製品と比較して、作製が容易であるばかりでなく、十分なイオン交換能を発揮することができる。

＜実施例５＞
実施例５のジオポリマー組成物を用いたイオン交換体の作製方法は、実施例１、実施例２、実施例３、実施例４のイオン交換体を作製する際に、添加剤として、糖類、酸、アルカリ性の溶液中で作用するキレート剤の少なくとも１種類を添加して、凝結時間又は流動性の少なくとも一方を調整するものである。

糖類としては、例えば、二糖類、ショ糖を用いることができる。酸としては、特に限定されるものではない。アルカリ性溶液中で作用するキレート剤としては、凝結時間の遅延効果を発揮するものとして、例えば、カルボン酸塩（オキシカルボン酸、ポリヒドロキシカルボン酸等）、グルコン酸塩（グルコン酸ナトリウム等）を用いることができ、流動性調整効果を発揮するものとして、例えば、ポリオール化合物、スルホン酸塩（メラミン、ナフタリン、アルキルアリル等）を用いることができる。

実施例５のイオン交換体の作製方法によれば、添加剤を用いて凝結時間あるいは流動性を調整することができるため、イオン交換体を任意の形状とする場合に、作業性が向上するだけでなく、所望の形状のイオン交換体を作製することができる。

＜実施例６＞
実施例６のイオン交換ブロックは、実施例１、実施例２、実施例３、実施例４のイオン交換体を格子状に形成したものである。すなわち、実施例６のイオン交換ブロックは、図１及び図２に示すように、格子状の第１部材１０及び第２部材２０からなる。各部材１０、２０は、それぞれ、本体部１１、２１と脚部１２、２２とを備えており、両部材１０、２０を交互に積み重ねることにより、多層構造の格子状ブロック集合体３０を構成することができる。

なお、図１は第１部材を示すもので、（ａ）は平面模式図、（ｂ）は断面模式図（Ａ−Ａ‘矢視図）である。また、図２は第２部材を示すもので、（ａ）は平面模式図、（ｂ）は断面模式図（Ｂ−Ｂ‘矢視図）である。また、図３は多層構造の格子状ブロック集合体を示すもので、（ａ）は平面模式図、（ｂ）は断面模式図である。

このような格子状ブロック集合体３０は、ブロック内部の流体（気体、液体）の流れを妨げることなく、単位容積あたりの表面積を増加させることができる。また、各構成部材は取り外しが可能であるため、破損や目詰まり等が生じた場合に、各部材を個別に交換することができる。なお、格子状ブロック集合体３０の形状は、特に限定されるものではなく、各部材１０、２０を結束部材により束ねたり、枠内に収容したり、通水性を有する箱内に収容したりすることができる。

また、イオン交換ブロックの形状は、図１及び図２に示すものに限られず、単位容積あたりの表面積を増加させることができればどのような形状であってもよく、例えば、ポーラス状のブロックとすることができる。

１０ 第１部材（イオン交換ブロック）
１１ 本体部
１２ 脚部
２０ 第２部材（イオン交換ブロック）
２１ 本体部
２２ 脚部
３０ 格子状ブロック集合体

Claims (6)

1. フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに、珪酸アルカリ又はアルカリ溶液を加えて得られる無機ポリマーを結合材として用いたことを特徴とするジオポリマー組成物を用いたイオン交換体。
2. 骨材として、クリンカアッシュ又はゼオライトの少なくとも一方を用いたことを特徴とする請求項１に記載のジオポリマー組成物を用いたイオン交換体。
3. 比重調整材として、気泡剤を用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載のジオポリマー組成物を用いたイオン交換体。
4. 骨材として、前記請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオン交換体を任意の粒状に粉砕して用いると共に、結合材として、セメント系材料を用いたことを特徴とするジオポリマー組成物を用いたイオン交換体。
5. 前記請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン交換体を作製する際に、添加剤として、糖類、酸、アルカリ性の溶液中で作用するキレート剤の少なくとも１種類を添加して、凝結時間又は流動性の少なくとも一方を調整することを特徴とするジオポリマー組成物を用いたイオン交換体の作製方法。
6. 前記請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン交換体を、単位容積あたりの表面積を増加させたブロック形状として、流体との接触時間及び接触面積を高めたことを特徴とするイオン交換ブロック。

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