JP2022034149A - 疎水性シリカを含む廃ガスの処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリカの表面処理等に際して発生する、疎水性シリカを含む廃ガスを、効率的かつ確実に処理する方法を提供する。【解決手段】 疎水性シリカを含む廃ガスを、バーナーとバーナー下方に設けられた燃焼室を有する燃焼炉で燃焼処理した後、水と接触させる。疎水性シリカは水に分散しないが、燃焼処理により疎水性を与えていた有機基が除去され、水と接触させることにより、ガスから容易に分離できる。さらに廃ガス中に未反応の有機ケイ素化合物が含まれている場合でも、当該化合物は燃焼により親水性シリカへと変換され除害できる。水との接触で生じたシリカスラリーは、脱水してシリカケーキとして処理すればよい。【選択図】 図１

Description

本発明は疎水性シリカを含む廃ガスの処理方法に関する。詳しくは疎水性シリカを含む廃ガスをバーナーで燃焼処理後、水と接触させることで前記廃ガスを簡便に処理する方法を提供するものである。

乾式シリカは一般的に樹脂等の増粘・揺変効果や補強効果などの付与を目的に、添加剤として使用されている。これらの所望の応用特性を得るために、使用する樹脂等の種類により、親水性シリカあるいは親水性シリカの表面を疎水化処理した疎水性シリカが適宜、選択される。

疎水性シリカは一般に親水性シリカの表面をヘキサメチルジシラザンや環状ジメチルシロキサンなどの有機ケイ素化合物で処理することで、疎水性が付与される。（特許文献１、２等参照）
親水性シリカの表面処理工程では、表面処理のため導入したガスを系外へ排出する必要がある。その際、排出するガスに疎水性シリカが同伴するのが一般的であるため、発生する疎水性シリカを含む廃ガスを処理する工程が必要となる。特に粒径やかさ密度が小さく、ガスに同伴しやすいフュームドシリカの表面処理においては顕著である。

シリカ等の微粒子を含む廃ガスの処理方法としては、水と接触させて含まれる微粒子を水へ懸濁させて除去するなどの方法が考えられるが、疎水性シリカの場合、本質的に水との馴染みが悪いため懸濁させることが困難であるといった問題がある。

廃ガスに含まれる微粒子が疎水性シリカである場合には、該ガスを接触させる液体を、疎水性の微粒子が懸濁しやすい有機溶媒として処理する等の方法があるが、使用する有機溶媒の費用や有機溶媒廃液の処理費用が発生するため、疎水性シリカを大量に処理する場合、経済的な面で実現性が低いものである。

特開平８－２５９２１６号公報 特開２００４－３５２６０６号公報

従って、本発明の目的は、疎水性シリカを含む廃ガスを簡便に処理可能な方法について提供するものである。

本発明者は疎水性シリカを含む廃ガスを効率的に処理可能な方法を開発すべく鋭意検討を重ねた。その結果、火炎を形成したバーナーで疎水性シリカを燃焼処理することにより、シリカに疎水性を与えている有機物が燃焼除去され、よってシリカが親水化することで、水への懸濁処理が可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、疎水性シリカを含む廃ガスの処理方法であって、当該廃ガスを、バーナーとバーナー下方に設けられた燃焼室を有する燃焼炉で燃焼処理した後、水と接触させる工程を含むことを特徴とする前記廃ガスの処理方法である。

本発明の廃ガス処理方法によれば、従来法では処理の困難な疎水性シリカを含んだ廃ガスを、有機溶媒等を使用することなく効率的に処理することが可能となり、廃棄物の処理方法として極めて有用である。

廃ガスには有機ケイ素化合物を含んでいてもよく、その場合、含まれた有機ケイ素化合物は燃焼処理により、親水性シリカとして処理することが可能である。

本発明の廃ガスの処理方法で用いられる燃焼炉の一様態を示す横断面模式図。 本発明における燃焼室の旋回エアー投入方法の一様態を示す上面模式図。

本発明において、処理の対象となる疎水性シリカを含む廃ガスの発生要因は特に限定されるものではないが、代表的な発生要因の例を挙げると以下のようなものがある。

疎水性シリカを原料として使用するプロセスから排出されるガス、具体的には排煙脱硫装置にて脱硫成分の固結防止剤として疎水性シリカを用いている場合に当該排煙脱硫装置から排出されるガス、シリコーン材料あるいはその他の樹脂組成物の製造時に、フィラーとして疎水性シリカを配合・混練する工程において排出されるガス（より具体的には、例えば真空処理における吸気ガス）などが挙げられる。

さらには、疎水性シリカを生産するプロセスから排出されるガス、具体的にはシリカをシランカップリング剤などで表面処理する工程において未処理の表面処理剤を回収する際において飛散した疎水性シリカが同伴したガスが挙げられる。なお、このようなガスには、表面処理に用いた有機ケイ素化合物、具体的には、メチルトリクロロシラン、ジメチルジクロロシラン、トリメチルクロロシラン、フェニルトリクロロシラン、ジフェニルジクロロシラン、ｔｅｒｔ－ブチルジメチルクロロシラン、ビニルトリクロロシラン等のクロロシラン類やテトラメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ｏ－メチルフェニルトリメトキシシラン、ｐ－メチルフェニルトリメトキシシラン、ｎ－ブチルトリメトキシシラン、ｉｓｏ－ブチルトリメトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、オクチルトリメトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、ドデシルトリメトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、ｉｓｏ－ブチルトリエトキシシラン、デシルトリエトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、γ－メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ－グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ－グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ－メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ－クロロプロピルトリメトキシシラン等のアルコキシシラン類、ヘキサメチルジシラザン、ヘキサエチルジシラザン、へキサプロピルジシラザン、ヘキサブチルジシラザン、ヘキサペンチルジシラザン、ヘキサヘキシルジシラザン、ヘキサシクロヘキシルジシラザン、ヘキサフェニルジシラザン、ジビニルテトラメチルジシラザン、ジメチルテトラビニルジシラザン等のシラザン類等やその誘導体（加水分解や熱による解裂などにより生じた化合物、さらにはその縮合物など）が含まれるのが一般的である。

または疎水性シリカを包装するプロセスにおいて粉塵として飛散した疎水性シリカの吸引回収に伴って発生したガスが挙げられる。

また含まれる疎水性シリカは特に限定なく、如何なるシリカであってもよいが、粒径やかさ密度が小さく、ガスに同伴しやすい点で、疎水性のフュームドシリカに対して適用することが好ましい。

以下、上記のようにして生じる疎水性シリカを含む廃ガスを処理する本発明を更に具体的に説明するため、添付図面を参照しつつ説明を行うが、本発明はこれらの添付図面に限定されるものではない。

本発明の処理方法において用いられる処理設備（図１参照）は、バーナー１および燃焼室２とを有する燃焼炉８で構成される。さらに当該燃焼炉８は、燃焼処理によって生じた高温のガスやシリカ等を冷却するための冷却室３を備えることが一般的である。

燃焼処理されたシリカが炉内をスムースに移動していきやすいという観点等から、このような燃焼炉では、バーナー１の下方に燃焼室２を有し、さらにその下方に冷却室３が設けられる構造となっている。

バーナー１は燃料ガスおよび酸素または空気を投入することで、火炎が形成される。使用する燃料ガスは特に制限されないが、取り扱い性の観点から水素を使用することが好ましい。

疎水性シリカを含む廃ガスは、バーナー１で形成される火炎により、疎水性シリカの有する有機基（表面処理剤に由来する）が燃焼して、二酸化炭素や水等となってシリカから離脱し、シリカ表面に存在する基がシラノール基（さらにはこれが脱水縮合した状態）へ変換されることで、親水性シリカとなる。火炎温度は、このような燃焼反応が生じる範囲に設定されていればよいが、一般的には１，０００℃以上である。

図１に示す態様では、燃焼炉８へ廃ガスを導入するための廃ガス導入口４をバーナー内部に設けているが、導入された廃ガスがバーナー火炎と接触するような流れを形成できるのであれば、燃焼室２の天井や側壁に設けてもよい。

また前述のように、疎水性シリカを含む廃ガスは、このシリカの疎水化に用いた有機ケイ素化合物やその誘導体を含む場合も少なくない。ここで、このような有機ケイ素化合物も通常は燃焼させるとシリカを生じるため、上記のようにして廃ガスをバーナー火炎で燃焼処理すると、同時に当該有機ケイ素化合物もシリカ（親水性シリカ）となる。そして、このように有機ケイ素化合物の燃焼で生じた親水性シリカも、廃ガスに含まれていた疎水性シリカから燃焼処理により生じた親水性シリカと同じものとして取り扱える。

即ち、廃ガスを燃焼処理に供することにより、疎水性シリカを親水性シリカに変換できるとともに、ガス中の有機ケイ素化合物も燃焼処理により無害化でき、さらには有機ケイ素化合物処理のための追加の工程も必要がない。

なお当然のことながら、有機ケイ素化合物以外の物質でも可燃性物質であれば同時に燃焼するから、その燃焼生成物が無害であれば、この工程で同時に無害化できる。例えば、前記表面処理を有機溶媒を用いる湿式法で行った場合、処理後の乾燥工程等において当該有機溶媒が合わせて排出される可能性があるが、多くの有機溶媒は燃焼により無害化できる。

バーナー１で燃焼処理した生じた親水性シリカは燃焼炉内を通過する際に該燃焼炉内壁へ付着しやすい。そのため、シリカの堆積による燃焼炉内の閉塞を発生させやすく、頻繁な装置のメンテナンスが必要となってしまう。従って、連続的に燃焼処理を行うためには燃焼炉内壁へのシリカ付着、堆積を防止する技術を採用することが好ましい。

当該技術としては、例えば、燃焼室２の壁面に設けた旋回ガス吹き出し口６より旋回ガスを導入し、燃焼室内壁に旋回流を生じさせた状態で燃焼処理することで、燃焼室内壁へのシリカ付着、堆積を防止する方法がある。

導入する旋回ガスは、通常は不活性ガスまたは空気であればよく、経済性の観点から窒素、空気が好適である。

旋回流を生じさせる方法についての制限は特にないが、例えば、燃焼室内壁に旋回ガス吹き出し口６を設け、そこから旋回ガスを導入する方法がある。

当該方法を図２を参照して説明する。この方法において、旋回ガス吹き出し口６は上面から見て、０°、９０°、１８０°、２７０°の少なくとも４方向に設けることが好ましい。また、燃焼室２の高さ方向の全体に旋回流を生じさせるため、高さ方向の異なる位置に複数の旋回ガス吹き出し口を設けることが好ましい。また、異なる旋回ガス吹き出し口から導入される旋回ガス同士の干渉を避けることも好ましい。これらを同時に達成するため、隣り合った旋回ガス吹き出し口は、高さ方向が異なる位置に設けることが特に好ましく、例えば上記した４つの方向に旋回ガス吹き出し口を設ける態様においては、０°、１８０°の投入口と９０°、２７０°の投入口は、互いに高さ方向の異なる位置に設けることが好ましい。

燃焼室外壁の接線に対する旋回ガス吹き出し口６の角度θは、燃焼炉内に旋回流を生じさせることが可能な範囲で適宜設定すればよいが、当該角度θが大きすぎる場合、燃焼室壁面近傍で旋回流が発生し難く、燃焼室壁面へのシリカ付着防止効果が弱くなることから、旋回ガス吹き出し口６の角度θは１０～４０°であることが好ましく、２０～３０°であることがより好ましい。

旋回ガス吹き出し口６から燃焼室内に導入するガスの流速は、廃ガス中に含まれる疎水性シリカ量及びその付着性に応じて適宜設定すればよいが、ガス線速が遅いと、燃焼室内壁へのシリカ付着防止効果が弱くなり、ガス線速が速いと、燃焼室内壁の摩耗が進行することから、ガス流速は６０～９０Ｎｍ／ｓ程度が好ましい。

旋回ガス吹き出し口６の内径およびガス旋回ガス吹き出し口数は燃焼室の内径、高さ等に応じて適宜設定すればよい。

本発明においては、上記のようにして燃焼処理することにより高温のガスが発生する。前記したように、このような高温のガスは一般に冷却室３で冷却されるが、本発明の処理方法において廃ガスに含まれるシリカは、この冷却室３の内壁に付着してしまい、運転トラブル等の原因になる場合がある。

そこで、本発明の処理方法においては当該冷却室３の壁面に水を流化させることでぬれ壁を形成しながら実施することが好ましい。濡れ壁を形成することで、冷却室内壁へのシリカ付着を防止すると同時に、流化させる水により燃焼処理したシリカおよび廃ガスを冷却させる。濡れ壁を採用すると、同時に冷却室内壁を保護する効果も得られる。

ぬれ壁に流化させる水量は、燃焼処理で生じたシリカおよびガスを、機器の設計温度等を考慮した温度まで冷却するために必要な量とすればよい。

またぬれ壁を用いる方法以外で、燃焼処理後の廃ガスを水と接触させる方法としては、スクラバー、棚段塔、充填塔などの方法が知られてり、これらを単独で、或いは適宜組み合わせて採用してもよい。

上記のように焼成処理に供したシリカを含む廃ガスと水を接触させると、焼成により親水化しているシリカは水に懸濁してシリカスラリーを生じる。当該シリカスラリーはタンク等に送液された後、フィルタープレス等の脱水機等により固液分離され脱水処理してシリカケーキとすればよい。なおこの際、燃焼炉出口等からタンク等への送液に必要な水を追加投入してもよい。生じたシリカケーキの処分方法は、公知の方法を適宜採用すればよい。

一方、燃焼処理した廃ガスは、有機ケイ素化合物等の可燃性物質は除去されており、さらに上記のような水との接触でシリカ等の固形分も除去されているが、さらに該廃ガスの出所に応じて様々な物質を含む可能性があり、そのまま大気放出はできない場合もある。そのような場合は、含まれる物質に応じて更なる除害処理を行った上で、大気放出すればよい。

上記したような原理に基づき、本発明においては、疎水性シリカの廃棄方法も提供される。例えば、製造装置の清掃や製造品目の切り替えやなど様々な理由で廃棄すべき疎水性シリカが生じることがある。この場合、該廃棄疎水性シリカはいったんホッパー等に貯蔵されるが、該疎水性シリカを粉体輸送用の空気または窒素を用いて気送すれば、そのガスは前述した「疎水性シリカを含む廃ガス」と同じものとして扱うことができる。従って、これをバーナー１へ送って燃焼処理するなど、上述した方法と同様の処理に供すれば、廃棄対象の疎水性シリカをシリカケーキとすることが可能である。水を含むシリカケーキは、粉末状の疎水性シリカよりも遙かに扱いやすいため、その後の処理が容易となる。

本発明における上記したような原理は、ガス状の有機ケイ素化合物の処理に応用することも可能である。即ち、疎水性シリカが含まれていないが有機ケイ素化合物が含まれる廃ガスであれば、燃焼による疎水性シリカの親水化が生じないだけで、有機ケイ素化合物の燃焼等の他の現象は全て生じうるため、同様の処理により最終的に無害化されたガスとシリカケーキへとできる。このようなガスとしては、例えばシリカの表面処理に用いた未反応の有機ケイ素化合物や有機ケイ素化合物を充填した容器等のパージガスが挙げられる（疎水性シリカを事実上含まないもの）。有機ケイ素化合物の具体例は前記した化合物と同様である。

さらには、有機ケイ素化合物に限らず、燃焼して酸化物を生じる有機金属化合物を含む各種の廃ガスへの適用もできる。

１：バーナー
２：燃焼室
３：冷却室
４：廃ガス導入口
５：旋回ガス入口
６：旋回ガス吹き出し口
７：冷却水入口
８：燃焼炉

Claims (6)

1. 疎水性シリカを含む廃ガスの処理方法であって、当該廃ガスを、バーナーとバーナー下方に設けられた燃焼室を有する燃焼炉で燃焼処理した後、水と接触させる工程を含むことを特徴とする前記廃ガスの処理方法。
2. 前記燃焼室中に旋回流を生じさせた状態で燃焼処理を行う、請求項１記載の廃ガスの処理方法。
3. 前記燃焼室の下方に冷却室が設けられており、当該冷却室の壁面に水を流下させた状態で燃焼処理を行う、請求項１または２記載の前記廃ガスの処理方法。
4. 前記廃ガスが、有機ケイ素化合物を含む廃ガスである、請求項１乃至３いずれか１項に記載の前記廃ガスの処理方法。
5. 前記疎水性シリカが、フュームドシリカである請求項１乃至４いずれか１項に記載の前記廃ガスの処理方法。
6. 疎水性シリカの廃棄方法であって、
   バーナーとバーナー下方に設けられた燃焼室を有する燃焼炉に、廃棄対象とする疎水性シリカを気送して当該炉内で燃焼処理する工程、
   燃焼処理に供されたシリカを含むガスを水と接触させて、シリカを水へ懸濁させてスラリーとする工程、及び
   シリカスラリーを固液分離に供してシリカケーキを得る工程、
   をこの順に含んでなることを特徴とする疎水性シリカの廃棄方法。

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