JP2019037924A

JP2019037924A - 重金属吸着材及び重金属吸着材の製造方法

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Publication number: JP2019037924A
Application number: JP2017160440A
Authority: JP
Inventors: 孝敏田島; Takatoshi Tajima; 甚野　智子; Tomoko Jinno; 智子甚野
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2037-08-23
Also published as: JP6955200B2

Abstract

【課題】産業副産物を用いた重金属吸着材及び重金属吸着材の製造方法を提供する。【解決手段】重金属吸着材は、製鋼スラグを有する。製鋼スラグにマイクロ波を照射、電気炉による加熱、炎による加熱のうちのいずれかの加熱により加熱処理を行う加熱処理工程を行い、この加熱処理工程によって、製鋼スラグを加熱することにより、重金属吸着材が形成される。【選択図】なし

Description

本発明は、重金属吸着材及び重金属吸着材の製造方法に関し、特に、砒素やセレンを吸着する重金属吸着材及び重金属吸着材の製造方法に関する。

従来から、汚染水や汚染土壌から重金属を除去するために、重金属吸着材が用いられている。このような重金属吸着材として、鉄やマグネシウムを含むものが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１６−１８５４９９号公報

一方、近年では、各種製品の製造過程において生成される副産物の有効利用が益々求められるようになっており、産業副産物の用途の拡大が求められていた。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、産業副産物を用いた重金属吸着材及び重金属吸着材の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の重金属吸着材は、製鋼スラグを有することを特徴とする。

本発明の一態様に係る重金属吸着材において、前記製鋼スラグは、加熱処理がなされている。

本発明の一態様に係る重金属吸着材において、前記製鋼スラグは、マイクロ波の照射による加熱、電気炉による加熱、炎による加熱のうちのいずれかの加熱により前記加熱処理がなされている。

本発明の一態様に係る重金属吸着材において、前記製鋼スラグの粒子は、表面に亀裂を有している。

本発明の一態様に係る重金属吸着材において、前記製鋼スラグの粒子において、磁鉄鉱の含有率はウスタイトの含有率よりも多い。

上記目的を達成するために、本発明の重金属吸着材の製造方法は、製鋼スラグを用いることを特徴とする。

本発明の一態様に係る重金属吸着材の製造方法は、前記製鋼スラグに加熱処理を行う加熱処理工程を含む。

本発明の一態様に係る重金属吸着材の製造方法においては、前記加熱処理工程において、前記製鋼スラグにマイクロ波を照射、電気炉による加熱、炎による加熱のうちのいずれかの加熱処理を行う。

本発明の一態様に係る重金属吸着材の製造方法においては、前記加熱処理工程において、前記製鋼スラグの表面温度を１０００℃以上１２００℃以下に加熱する。

本発明に係る重金属吸着材及び重金属吸着材の製造方法によれば、産業副産物を用いた重金属吸着材及び重金属吸着材の製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る重金属吸着材（試験例１、試験例２、試験例３）の粒子の表面画像を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る重金属吸着材及び重金属吸着材の製造方法について、説明する。

はじめに、重金属吸着材の製造方法について説明する。本発明の実施の形態に係る重金属吸着材の製造方法は、製鋼スラグを用いる重金属吸着材の製造方法であり、製鋼スラグに加熱処理を行う加熱処理工程を含む。

具体的には、加熱処理工程では、製鋼スラグの表面温度が所定の温度になるまで、製鋼スラグをマイクロ波の照射によって、電気炉によって、又は炎によって加熱する。この所定の製鋼スラグの表面温度は、例えば、１０００℃以上１２００℃以下であり、より具体的には、１１００℃又は略１１００℃である。加熱は、直接加熱もしくはマイクロ波の照射による加熱であり、直接加熱では電気炉や、木炭、重油、ガス等の生じる炎を熱源とする窯等の加熱装置、マイクロ波の照射による加熱ではマイクロ波加熱装置（例えば、電子レンジ）を用いて行う。マイクロ波の照射による加熱は、例えば、製鋼スラグが内部に収容された焼成炉にマイクロ波を照射することにより、製鋼スラグを加熱する。焼成炉は、例えば、内部空間がセラミック等の断熱材により覆われて画成される箱状の容器であり、断熱材の内面には炭化ケイ素等の発熱体が塗布されている。直接加熱もしくはマイクロ波の照射により加熱する製鋼スラグは、例えば、粒径が２ｍｍ以下の製鋼スラグである。

上述の加熱処理工程によって製鋼スラグを加熱又は加熱処理をしていない製鋼スラグにより、本発明の実施の形態に係る重金属吸着材が形成される。

次いで、上述した本発明の実施の形態に係る重金属吸着材の製造方法によって製造された重金属吸着材の吸着性能について説明する。

本発明者は、上述した本発明の実施の形態に係る重金属吸着材の製造方法のうち、マイクロ波の照射又は電気炉による加熱によって重金属吸着材を製造し（試験例１、試験例２）、この重金属吸着材に対して重金属の吸着試験を行い、重金属の吸着性能を評価した。また、加熱処理をしていない製鋼スラグを用いた重金属吸着材（試験例３）に対して同様の重金属の吸着試験を行い、重金属の吸着性能を評価した。その評価結果について説明する。

具体的には、粒径が０．０７５ｍｍ以上２ｍｍ以下の製鋼スラグを用意し、この製鋼スラグに対して、本発明の実施の形態に係る重金属吸着材の製造方法における加熱処理を行い、重金属吸着材を製造した。この重金属吸着材が試験例１と試験例２である。試験例１においては、粒径が０．０７５ｍｍ以上２ｍｍ以下の製鋼スラグをアルミナるつぼに入れ、このアルミナるつぼをマイクロウェーブキルン内に置き、このマイクロウェーブキルンを電子レンジにて加熱した。電子レンジでの加熱は出力７００Ｗで行い、製鋼スラグがオレンジ色に発光した後（加熱開始から約８分後）さらに４分間加熱を行った。加熱により、製鋼スラグの表面温度が１０９８℃となった。加熱された製鋼スラグの表面温度の測定には、放射温度計を用いた。

試験例２は、上述したマイクロ波を照射する加熱処理とは異なり、電気炉による加熱処理が行われた製鋼スラグである。試験例２においては、粒径が０．０７５ｍｍ以上２ｍｍ以下の製鋼スラグに対し電気炉による加熱処理が行われた。電気炉での加熱は１時間行われ、製鋼スラグの表面温度は１１５０℃に達した。試験例３は、加熱処理が行われていない粒径が０．０７５ｍｍ以上２ｍｍ以下の製鋼スラグである。

重金属の吸着試験の具体的内容を以下に示す。重金属である砒素とセレンの標準液を夫々希釈し、各１ｍｇ／Ｌの混合溶液を調製する。そして、各混合溶液５０ｍＬと、評価対象（試験例１、試験例２、試験例３）５ｇとを１００ｍＬのポリ容器に入れ、このポリ容器を６時間往復振とうし、混合液と評価対象とを十分に混合する。そして、このポリ容器内の混合液をろ過により固液分離させ、ろ液中の砒素とセレンの濃度を測定する。この重金属の吸着試験により得られた、各評価対象に対する、ろ液中の砒素及びセレンの濃度を表１に示す。

表１に示すように、試験例１の重金属吸着材においては、砒素濃度が０．０００２ｍｇ／Ｌであり、ほぼ全量の砒素が試験例１の重金属吸着材によって吸着され、セレン濃度は０．０３１ｍｇ／Ｌであり、約９７％のセレンが試験例１の重金属吸着材により吸着された。

試験例２の重金属吸着材においては、砒素濃度は０．００２６ｍｇ／Ｌであり、９９％以上の砒素が試験例２の重金属吸着材によって吸着され、セレン濃度は０．０２３ｍｇ／Ｌであり、約９７％のセレンが試験例２の重金属吸着材により吸着された。

試験例３の重金属吸着材においては、砒素濃度は０．２５０８ｍｇ／Ｌであり、セレン濃度は０．７７５ｍｇ／Ｌであった。このように、重金属の吸着試験から、製鋼スラグは、重金属を吸着する性能を有しており、マイクロ波の照射又は電気炉によって加熱されると、重金属の吸着性能が増加することが分かる。

次いで、上述した本発明の実施の形態に係る重金属吸着材の製造方法で製造された重金属吸着材の粒子の変化について説明する。具体的には、上述したマイクロ波の照射による加熱処理が行われた製鋼スラグ（試験例１）の粒子と、上述した電気炉による加熱処理が行われた製鋼スラグ（試験例２）の粒子と、粒径が０．０７５ｍｍ以上２ｍｍ以下で加熱処理が行われていない製鋼スラグ（試験例３）の粒子とに対して、主な化学組成、構成鉱物の含有量の変化を評価した。その評価結果について説明する。また、表面の状態の視認を行った。その視認結果について説明する。

具体的には、本発明の実施の形態に係る重金属吸着材（試験例１、試験例２、試験例３）の粒子にＸ線を照射する蛍光Ｘ線分析により、化学組成を評価し、Ｘ線回折分析により、粒子の主な構成鉱物を検出して含有量の変化を評価した。また、走査型電子顕微鏡で本発明の実施の形態に係る重金属吸着材（試験例１、試験例２、試験例３）の粒子の表面の状態を観察した。本発明の実施の形態に係る重金属吸着材（試験例、試験例２、試験例３）の構成鉱物の含有量の測定結果を表２に示す。なお、構成鉱物の含有量は、含有量が非常に多い（３０％以上）構成鉱物を４＋、含有量が多量（１５％〜３０％）の構成鉱物を３＋、含有量が中量（５％〜１５％）の構成鉱物を２＋、含有量が少量（５％以下）の構成鉱物を１＋、未検出（０％）の構成鉱物を−として示した。また、走査型電子顕微鏡の拡大倍率を５０倍、１００倍、２００倍、５００倍、１０００倍とした際の、本発明の実施の形態に係る重金属吸着材（試験例１、試験例２、試験例３）の粒子の表面画像を図１に示した。

表２に示すように、試験例１、試験例２、試験例３の重金属吸着材の粒子の主成分は、Ｃａ，Ｆｅ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｍｎ，Ｐ，Ｔｉの順で多く、これらの重金属吸着材の粒子の成分の値に顕著な差は認められなかった。

また、試験例１の重金属吸着材の粒子においては、試験例３の加熱処理がなされていない製鋼スラグの粒子と比較して、磁鉄鉱Ｆｅ_３Ｏ_４の割合が増加し、ウスタイトＦｅＯの割合が減少していることが認められた。試験例２の重金属吸着材の粒子においては、試験例３の製鋼スラグの粒子と比較して、磁鉄鉱Ｆｅ_３Ｏ_４の割合が増加し、ウスタイトＦｅＯの割合が減少していることが認められ、赤鉄鉱Ｆｅ_２Ｏ_３の割合が増加していることが認められた。試験例１及び試験例２の重金属吸着材の粒子においては、磁鉄鉱Ｆｅ_３Ｏ_４の含有率がウスタイトＦｅＯの含有率よりも多いことが認められた。

また、図１の拡大倍率が５０倍及び１００倍の走査型電子顕微鏡の検出画像が示すように、試験例１の重金属吸着材の粒子は、試験例２の重金属吸着材及び試験例３の重金属吸着材よりも粒径が小さいものが多く認められた。また、図１の拡大倍率が２００倍、５００倍、及び１０００倍の走査型電子顕微鏡の検出画像が示すように、試験例１及び試験例２の重金属吸着材の粒子の表面には、亀裂の発生が認められた。

上述のように、製鋼スラグは砒素やセレンを吸着する性能を有しており、加熱処理が行われた試験例１及び試験例２の重金属吸着材では吸着性能が高いことが分かった。これは、鉄化合物の量的な変化、粒子表面の亀裂発生などの物理・化学性状の変化のためであると考えられる。試験例１の重金属吸着材の亀裂に関しては、製鋼スラグに含まれる鉄化合物がマイクロ波エネルギーを吸収しやすくなり、粒子内部の鉄化合物が発熱、膨張し、粒子が細かく破砕されたと推察される。また、試験例２の重金属吸着材の亀裂に関しては、熱膨張によるものと推察される。

このように、本発明の実施の形態に係る重金属吸着材及び重金属吸着材の製造方法によれば、産業副産物である製鋼スラグを用いた重金属吸着材を提供することができる。

以上、本発明の実施の形態に係る重金属吸着材及び重金属吸着材の製造方法について説明したが、本発明は上述の実施の形態に係る重金属吸着材及び重金属吸着材に限定されるものではなく、本発明の概念及び特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含む。また、上述した課題及び効果の少なくとも一部を奏するように、各構成を適宜選択的に組み合わせてもよい。

Claims

製鋼スラグを有することを特徴とする重金属吸着材。
前記製鋼スラグは、加熱処理がなされていることを特徴とする請求項１記載の重金属吸着材。
前記製鋼スラグは、マイクロ波の照射による加熱、電気炉による加熱、炎による加熱のうちのいずれかの加熱により前記加熱処理がなされていることを特徴とする請求項１又は２記載の重金属吸着材。
前記製鋼スラグの粒子は、表面に亀裂を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の重金属吸着材。
前記製鋼スラグの粒子において、磁鉄鉱の含有率はウスタイトの含有率よりも多いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の重金属吸着材。
製鋼スラグを用いることを特徴とする重金属吸着材の製造方法。
前記製鋼スラグに加熱処理を行う加熱処理工程を含むことを特徴とする請求項６記載の重金属吸着材の製造方法。
前記加熱処理工程において、前記製鋼スラグにマイクロ波を照射、電気炉による加熱、炎による加熱のうちのいずれかの加熱処理を行うことを特徴とする請求項７記載の重金属吸着材の製造方法。
前記加熱処理工程において、前記製鋼スラグの表面温度を１０００℃以上１２００℃以下に加熱することを特徴とする請求項７又は８記載の重金属吸着材の製造方法。