JP2019158705A - 骨材原料の融液生成開始温度の推定方法及び調製方法並びに骨材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】骨材原料の調製を効率化し、放射性セシウムの揮発除去率を高く維持しながら良質の骨材を安定して得る。【解決手段】示差熱分析法又は示差走査熱量測定法を用いて骨材原料の温度と、該温度での基準物質との温度差又は熱量差との関係を測定し、該測定結果に基づいて前記骨材原料の融液生成開始温度を推定し、該推定に基づいて、融液生成開始温度が１１５０℃以上１３００℃以下となるように骨材原料を調製する骨材原料の調製方法。この調製方法によって調製された骨材原料の推定融液生成開始温度に応じて、１２５０℃以上１３５０℃以下の温度で前記調製した骨材原料を焼成する骨材の製造方法。骨材原料は、放射性セシウムで汚染された廃棄物を含んでもよい。骨材原料をロータリーキルンで焼成してフリーライムの含有率が２質量％以下、放射性セシウムの除去率が８０％以上の骨材を得ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、骨材原料の融液生成開始温度の推定方法及び調製方法並びに骨材の製造方法に関し、特に石炭灰等の廃棄物を原料として骨材を製造する方法に関する。

近年、埋立処分場の逼迫化に鑑み、石炭灰、都市ごみ焼却灰、高炉スラグ等の廃棄物を骨材等に有効利用する技術が開発されている。例えば、特許文献１、２には、非晶質相の生成割合を低く抑えながら、石炭灰を主成分としてアノーサイト（ＣａＡｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈）を含有する焼成物を得て、セメント混合材や細骨材等に利用する技術が開示される。

一方、原子力発電所の大きな事故によって生じた放射性セシウムを含有する土壌等の廃棄物を処理するため、例えば、特許文献３には、放射性セシウムで汚染された廃棄物と、酸化カルシウム源又は／及び酸化マグネシウム源と、塩素源とを調合して加熱することで焼成骨材等を製造し、放射性セシウムを含有する廃棄物から放射性セシウムを除去してその減容化を図りながら、放射性セシウム濃度の低い建築資材を製造する方法が提供されている。

特開２０１５−１４５３１９号公報 特開２０１７−１４７７０８号公報 特開２０１７−１５０９５５号公報

しかし、廃棄物等を原料として焼成装置を安定的に運転し、良質の骨材を得るためには、原料の化学成分や粉末度等を適切に調整する必要があり、これらの分析、測定及び原料の調合が煩雑であるという問題があった。

さらには、放射性セシウムで汚染された廃棄物等を原料として焼成装置を安定的に運転し、放射性セシウムの揮発除去率を高く維持しながら良質の骨材を得ることも求められている。

そこで、本発明は、上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであって、骨材原料の調製を効率化し、放射性セシウムの揮発除去率を高く維持しながら良質の骨材を安定して得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、骨材原料の融液生成開始温度推定方法であって、示差熱分析法又は示差走査熱量測定法を用いて骨材原料の温度と、該温度での基準物質との温度差又は熱量差との関係を測定し、該測定結果に基づいて前記骨材原料の融液生成開始温度を推定することを特徴とする。

本発明によれば、示差熱分析法又は示差走査熱量測定法の測定結果を利用して融液生成開始温度を容易に推定することができる。

上記骨材原料の融液生成開始温度推定方法において、前記融液生成開始温度を、示差熱分析法又は示差走査熱量測定法で測定した発熱のピークとすることができる。

また、本発明は、骨材原料の調製方法であって、上記各々の骨材原料の融液生成開始温度の推定方法による推定結果に基づいて、融液生成開始温度が１１５０℃以上１３００℃以下となるように骨材原料を調製すること特徴とする。ここで、前記測定結果に基づいて推定した骨材原料の融液生成開始温度が既に１１５０℃以上１３００℃以下の範囲にある場合には、調製をせずにそのまま骨材原料として使用してもよく、また、他の骨材原料を添加してさらに融液生成開始温度が１１５０℃以上１３００℃以下となるように調製してもよい。

本発明によれば、骨材原料を調製するにあたって、示差熱分析法又は示差走査熱量測定法の測定結果を利用して推定した融液生成開始温度を所定の範囲に収めるだけであるため、骨材原料の化学成分や粉末度等の測定及び煩雑な原料調合が不要で、効率よく骨材原料の調製を行うことができる。

上記骨材原料の調製方法において、前記骨材原料を、放射性セシウムで汚染された廃棄物を含むものとすることができる。これによって、土壌等から放射性セシウムを除去しつつ、放射性セシウムを含有する土壌等の廃棄物を骨材原料として有効利用することができる。

さらにまた、本発明は、骨材の製造方法であって、上記各々の調製方法によって調製された骨材原料の推定融液生成開始温度に応じて、１２５０℃以上１３５０℃以下の温度で前記調製した骨材原料を焼成することを特徴とする。

本発明によれば、骨材原料の推定融液生成開始温度に応じた焼成温度で焼成することで、良質の骨材を安定して得ることができ、放射性セシウムを含有する骨材原料の場合には、放射性セシウムの揮発除去率を高く維持しながら良質の骨材を安定して得ることができる。

上記骨材の製造方法において、前記骨材原料をロータリーキルンで焼成してフリーライムの含有率が２質量％以下の骨材や、放射性セシウムの除去率が８０％以上の骨材を得ることができる。

以上のように、本発明によれば、骨材原料の調製を効率化し、放射性セシウムの揮発除去率を高く維持しながら良質の骨材を安定して得ることが可能となる。

本発明に係る骨材の製造方法の一実施の形態を説明するための工程図である。 本発明に係る骨材原料の融液生成開始温度の推定工程を説明するためのグラフである。 本発明に係る骨材の製造方法の試験例を説明するためのグラフである。

次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る骨材の製造方法の一実施形態を示し、この骨材製造方法は、２種類の骨材原料Ａ、Ｂを加熱して骨材原料の温度と、該温度での基準物質との温度差又は熱量差との関係を測定する工程と、この測定結果に基づいて骨材原料Ａ、Ｂの融液生成開始温度を推定する工程と、この推定結果に基づいて骨材原料Ａ、Ｂの調合割合を調整して骨材原料を調製する工程と、調製した骨材原料を焼成する工程とを含む。

測定工程は、示差熱分析法又は示差走査熱量測定法を用いて行う。示差熱分析(Differential Thermal Analysis: ＤＴＡ）は、試料及び基準物質を加熱炉内の対称位置に配置し、ヒーターによって加熱炉の温度をプログラムに従って変化させながら、その試料と基準物質との温度差を温度の関数として測定する方法（ＪＩＳ Ｋ ０１２９ 「熱分析通則」）であり、示差熱分析装置や、熱重量示差熱分析装置（Thermogravimeter-Differential Thermal Analyzer（ＴＧ−ＤＴＡ））を用いて測定する。一方、示差走査熱量測定（Differential scanning calorimetry: ＤＳＣ）は、示差走査熱量計を用い、試料及び基準物質を一定速度で加熱した際の両者の熱量の差を測定することで、試料の相転移や化学反応を推定するものである。

推定工程は、上記示差熱分析法又は示差走査熱量測定法による測定結果に基づいて骨材原料の融液生成開始温度を推定する工程である。図２は、ある骨材原料を示差走査熱量測定（ＤＳＣ）した例を示す。図２（ａ）はＤＳＣ線図、図２（ｂ）はＤＤＳＣ（ＤＳＣの微分に相当）線図である。グラフの縦軸は熱流 (Heat Flow/mW）、横軸は骨材原料の温度（℃）を示す。また、ＤＳＣ線図で上方への移行は発熱反応を、下方への移行は吸熱反応を示す。

図２（ａ）のＤＳＣ線図において、１２８０℃に発熱のピーク（極大値、図２（ｂ）のＤＤＳＣ線図では縦軸で０）が存在し、ここから融液の生成が開始している。そこで、この骨材原料については、その発熱のピークを吸熱反応の開始点とみなし、融液生成開始温度を１２８０℃と推定する。尚、示差熱分析（ＤＴＡ）を用いた場合でも、上記示差走査熱量測定（ＤＳＣ）の場合と同様の推定を行うことができる。

調製工程は、上記の要領で骨材原料Ａ、Ｂの各々の融液生成開始温度を推定し、各々の推定値に基づいて骨材原料Ａ、Ｂの調合割合を調整し、融液生成開始温度が１１５０℃以上１３００℃以下となるように骨材原料を調製する工程である。尚、骨材原料Ａ又はＢの融液生成開始温度を推定した際に、融液生成開始温度が既に１１５０℃以上１３００℃以下の範囲にある場合には、骨材原料Ａ又はＢのみを用いることも可能である。また、骨材原料Ａ、Ｂのいずれか一方又は両方の融液生成開始温度が既に１１５０℃以上１３００℃以下の範囲にある場合でも、骨材原料Ａ、Ｂの調合割合を調整し、融液生成開始温度が１１５０℃以上１３００℃以下の骨材原料を調製してもよい。尚、骨材原料を２種類用いる場合を例示したが、３種類以上の骨材原料を用いることもできる。

融液生成開始温度の調整は、ＣａＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃等の成分を添加したり、諸々の組成の廃棄物を混合して、塩基度やＣａ／Ｓｉ比を調整すればよい。基本的に塩基度やＣａ／Ｓｉ比が高いほど融液生成開始温度を高くすることができる。また、放射性セシウムを高温揮発除去するためや、骨材の安定性を高めるために必要に応じてＣｌやＰなどの添加剤を用いてもよい。

焼成工程は、上記の要領で調製した骨材原料を１２５０℃以上１３５０℃以下の範囲の温度で焼成する工程である。この温度範囲は、上記融液生成開始温度１１５０℃以上１３００℃以下に対応させたものであり、実際の融液生成開始温度の５０℃以上１００℃以下の範囲に調整する。焼成装置としてロータリーキルン等を用いる。焼成温度を実際の融液生成開始温度の５０℃以上１００℃以下とすることで、キルン内での原料の融着による安定運転が妨げられることがなく、密実な骨材が得られ、放射性セシウム除去率も高く維持できる。また、焼成を行いながら原料の融液生成開始温度を監視し、その変動に応じて焼成温度を変化させてキルンの安定運転を維持することができる。

次に、本発明の実施例について説明する。

図３に示すように、１１種の骨材原料について示差熱分析（ＤＴＡ）を行い、融液生成開始温度を推定した。同図において印を付した極大箇所が発熱のピークを示し、融液生成開始温度と推定される。具体的な推定融液生成開始温度を表１に示す。推定融液生成開始温度が１１５０℃以上１３００℃以下のものを実施例１〜９とし、推定融液生成開始温度が１１５０℃未満のものを比較例１、１３００℃を超えるものを比較例２とした。

上記１１種の骨材原料についてロータリーキルンを用い、同表に記載した運転温度で焼成した。実施例１〜９については、ロータリーキルンを安定した状態で運転することができ、放射性セシウム除去率（Ｃｓ除去率）を９０％以上に、フリーライム（ｆ−ＣａＯ）も２質量％以下、良品率８０％以上の骨材を製造することができた。一方、比較例１については、骨材原料の一部がロータリーキルン内で溶融し、ロータリーキルンを安定して運転することができなかった。また、比較例２については、熱量不足で十分に焼成することができず、放射性セシウム除去率が低く、フリーライムが２質量％を超え、良品率が３４％に留まった。実施例１〜９より、良品率８０％以上の骨材を製造することができる運転温度は１２５０℃以上１３５０℃以下であり、融液生成開始温度の５０℃以上１００℃以下高温側が目安となることがわかる。

Claims (7)

1. 示差熱分析法又は示差走査熱量測定法を用いて骨材原料の温度と、該温度での基準物質との温度差又は熱量差との関係を測定し、
   該測定結果に基づいて前記骨材原料の融液生成開始温度を推定することを特徴とする骨材原料の融液生成開始温度推定方法。
2. 前記融液生成開始温度を、示差熱分析法又は示差走査熱量測定法で測定した発熱のピークとすることを特徴とする請求項１に記載の骨材原料の融液生成開始温度の推定方法。
3. 請求項１又は２に記載の骨材原料の融液生成開始温度の推定方法による推定結果に基づいて、融液生成開始温度が１１５０℃以上１３００℃以下となるように骨材原料を調製すること特徴とする骨材原料の調製方法。
4. 前記骨材原料は、放射性セシウムで汚染された廃棄物を含むことを特徴とする請求項３に記載の骨材原料の調製方法。
5. 請求項３又は４に記載の骨材原料の調製方法によって調製された骨材原料の推定融液生成開始温度に応じて、１２５０℃以上１３５０℃以下の温度で前記調製した骨材原料を焼成することを特徴とする骨材の製造方法。
6. 前記骨材原料をロータリーキルンで焼成してフリーライムの含有率が２質量％以下の骨材を得ることを特徴とする請求項５に記載の骨材の製造方法。
7. 前記骨材原料をロータリーキルンで焼成して放射性セシウムの除去率が８０％以上の骨材を得ることを特徴とする請求項５又は６に記載の骨材の製造方法。