JP2775525B2 - 結晶化ガラスの製造方法 - Google Patents
結晶化ガラスの製造方法Info
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Description
の灰分を原料として結晶化ガラスを製造する方法に関す
るものである。
が埋立や投棄処分されていたが、埋立地の確保が困難に
なってきたことと悪臭等の環境問題から焼却により、減
容化、安定化された焼却灰として処分されてきた。とこ
ろが、近年、この焼却灰においても、重金属の溶出等の
二次公害問題等により、そのまま廃棄処分することが困
難になってきたことから、汚泥を溶融処理してスラグ化
し有効利用することが試みられている。
の灰分を瞬時に溶融させる、あるいは廃棄物を焼却して
灰にしてその灰を高温にして溶融させて取り出し冷却し
溶融スラグにして骨材等に利用する方法としては、溶融
スラグを水の中に落下させて急冷することにより小塊状
のガラス質骨材を得る水砕スラグ化法、あるいは、金型
に溶融物を受け、徐冷することにより大塊状の結晶化ス
ラグにする徐冷スラグ化法がある。
MgO)/SiO2の比を0.8〜1.2に組成を調整
し1350〜1500℃で溶融し、この溶融物を急冷し
て熱衝撃破砕したのち1000〜1200℃で30分間
保持して結晶化する方法(特公平1−24739号公報
参照)、あるいは上記溶融物を300〜600℃に保持
した型中に入れ成形したのち1020〜1180℃の温
度で30分以上保持して結晶化する方法(特公昭61−
24074号公報参照)等がある。
砕スラグ化法にあっては、得られた骨材がガラス質のた
め衝撃強度がなく、また上記徐冷スラグ化法にあって
は、意図的に特定の結晶を析出させるものではないた
め、成形物をそのまま利用するには曲げ、衝撃等の強度
の点で問題があり、破砕して路盤材や骨材として利用す
るものであった。
ては、下水汚泥で主流を占める高分子凝集剤の脱水汚泥
の焼却灰や都市ごみの焼却灰の場合、Caを含む添加剤
を多量に加える必要があり、また特定の結晶の析出によ
り、その結晶の特性をいかしたものでなく主として骨材
をめざしたものであった。
で、その目的とするところは、従来のような骨材として
焼却灰を利用するのではなく、少ない量の添加物でより
優れた性質の結晶化ガラスを製造することができ、かつ
内外壁面仕上材,床材,内装材などの高級建材として利
用可能な品質にすることができる結晶化ガラスの製造方
法を提供することにある。
に、本発明は、SiO2 35〜55%(重量%以下同
じ)、Al2O3 5〜20%、Fe2O3 2〜15%、
CaO 5〜30%、C 0.2〜5%、S 0.2〜
6%の範囲内でかつCaO/(SiO2+Al2O3)の
比が0.15〜0.7の範囲内にある廃棄物または焼却
灰あるいは上記範囲内に調整された廃棄物または焼却灰
を1300〜1500℃で溶融し、該溶融物を冷却して
ガラス質物質にし、再加熱して結晶コロイドとしてFe
Sを析出させ、さらに昇温してアノーサイトとβ−ウォ
ラストナイトの少くとも一つを含む結晶化ガラスを得る
ようにしたものである。
と、廃棄物の灰分または焼却灰の主たる組成がSiO2
35〜55%、Al2O3 5〜20%、Fe2O3 2
〜15%、CaO 5〜30%、C 0.2〜5%、S
0.2〜6%の範囲内にあり、かつCaO/(SiO
2+Al2O3)の比が0.15〜0.7の範囲内にある
廃棄物または焼却灰あるいはCaCO3、砂、炭素化合
物、硫黄化合物により上記範囲内に調整した廃棄物また
は焼却灰を、1300〜1500℃で溶融し、1200
〜1400℃でできるだけ脱泡した後に冷却してガラス
質物質にして取り出し、再加熱して好ましくは800〜
900℃に15分以上保持して、結晶コロイドとしてF
eSを析出させ、さらに昇温して1000〜1200℃
で15分以上保持することによって、アノーサイト(C
aO・Al2O3・2SiO2)やβ−ウォラストナイト
(CaO・SiO2)を含む針状結晶を上記結晶コロイ
ドを核にして全体的に析出させ、さらに40〜60%の
ガラス質部分を残した結晶化ガラスにすることを特徴と
する。
汚泥あるいは都市ゴミ等で、焼却灰は廃棄物あるいは他
の可燃物の焼却灰であって、主たる灰分の組成は下記表
1に示される高分子凝集剤使用の下水汚泥の脱水ケーキ
の灰分のように、SiO2,Al2O3,CaO,Mg
O,Fe2O3,P2O5,Na2O,K2O等である。この
ような灰分の組成の溶融特性即ち溶融する温度あるいは
溶融物が流れ易くなる温度(溶流点)は組成比によって
異なりCaO/SiO2の比が0.8〜1.2では14
00℃以下になり溶融炉から流し出すことができる。
溶融後結晶化させるには、CaO/SiO2の比が0.
8〜1.2であることが重要とされていたが、組成がS
iO235〜55%、Al2O3 5〜20%、Fe2O3
2〜15%、CaO 5〜30%の範囲内でかつCa
O/(SiO2+Al2O3)の比を0.15〜0.7に
することによって1300〜1500℃で溶融し、12
00℃〜1400℃で脱泡した後に冷却してガラス質物
質にして取り出し、再加熱して好ましくは800〜90
0℃で15分以上保持することによって、結晶コロイド
としてFeSを析出させ、さらに昇温して1000〜1
200℃で15分以上保持することによって、アノーサ
イトやβ−ウォラストナイトのような針状結晶を析出さ
せることができることがわかった。
的、熱的、化学的物質に優れた結晶化ガラスにするに
は、表面から結晶が析出するのではなくて内部を含めた
全体的に均一に結晶化が起こることが望ましい。結晶核
が存在することによって全体的に結晶化が進行すること
は知られているが、アノーサイトやβ−ウォラストナイ
トのような結晶を析出させるには、FeSあるいはZn
Sのような硫化物が核形成剤として適している。廃棄物
または焼却灰あるいは添加物中に含まれているFeやS
はFe2O3やNa2SO4等の酸化物の形で存在してお
り、単に溶かすだけではFeSあるいはZnSのような
硫化物はできない。そして、溶融炉の中で廃棄物または
焼却灰あるいは該調整物の中に混在しているCが前記F
e2O3やNa2SO4のような酸化物の還元剤として機能
し、Fe3+をFe2+にすることによってFeSを生成さ
せることができる。
却灰あるいは組成調整された廃棄物または焼却灰を、1
300〜1500℃で溶融しさらに1200〜1400
℃に保持して気泡を十分に除去した後に、溶融炉湯口か
ら流し出せる粘度(温度1200〜1300℃)に保ち
ながら、鋳鉄性容器へ流下させ成形するとともに冷却し
てガラス質物質にする。続いて、該ガラス質物質を熱処
理炉の中に入れ昇温して、好ましくは800〜900℃
で15分以上保持させて結晶コロイドとしてFeSを生
成させ、引き続き1000〜1200℃に昇温し所定の
温度に15分以上好ましくは30分以上加熱保持して、
結晶コロイドを核にしてアノーサイトあるいはβ−ウォ
ラストナイトの結晶を成長させるのである。
したのは、35%未満でアノーサイトあるいはβ−ウォ
ラストナイトを含む結晶化ガラス形成骨格としてのSi
O2が不足しているからであり、55%を越えると、溶
融温度が上昇して粘度が上がり湯口から流しにくくなる
ことや、流下の段階で析出する結晶が多くなるため、熱
処理後の結晶化ガラスの品質が悪くなるためである。ま
た、Al2O3を5〜20%とするのは、5%未満にする
ためには多量の添加物を加える必要があり、また20%
を越えるとアノーサイト、β−ウォラストナイト以外の
結晶の析出が多くなり強度が低下するためである。
Oが5%未満、あるいは30%を越えると、アノーサイ
ト、β−ウォラストナイト以外の結晶の析出が多くな
り、また30%を越えれば越えるほど石灰や炭酸カルシ
ウムなどの添加物の量が多くなるからである。さらに、
Fe2O3を2〜15%とするのはFe2O3は融剤あるい
は結晶核形成剤として重要な役割を果すが、15%を越
えると結晶生成の上で悪影響を及ぼすからであり、2%
未満では融剤としての効果が低下し、他の添加剤を使用
したり、その添加剤の使用量が多くなるからである。
2%未満では還元剤としての効果が少なく、還元剤とし
ては5%を越えることを必要としないからである。さら
に、Sを0.2〜6%としたのは、0.2%未満では一
部気相中に飛び出し核形成剤として不足し、6%を越え
ると多すぎるためである。
3)の比を0.15〜0.7とするのはアノーサイト、
β−ウォラストナイトの結晶を析出させ、さらにガラス
質部分を40〜60%残すため必要であるからである。
1300℃〜1500℃としたのは、上記記載の組成の
廃棄物または焼却灰あるいは上記範囲内に調整された廃
棄物または焼却灰は、1300℃未満では十分に溶融せ
ず粘度も高く湯口より流下させにくくなり、結晶が析出
してガラス質物質の生成が困難になる。1500℃を越
えると、溶融炉の炉材の侵食が起きたり放散熱等のエネ
ルギーロスが大きく、経済性が低下するためである。
できるだけ脱泡させるのは、1200℃未満では粘性が
低下して流れにくくなるためであり、1400℃を越え
ると加熱する必要が生じ不経済になるためである。
900℃にするのは、結晶の生成は転移点と融点の間に
あるが、800℃未満ではFeを含む結晶コロイドが生
成しない為であり、900℃を越えると他の結晶も析出
してくるため、FeSコロイドが核としての役割を十分
に発揮できないからである。さらに加熱して温度を10
00℃〜1200℃で15分以上保持するのは、100
0℃未満ではアノーサイト、β−ウォラストナイトの結
晶が十分に成長せず、1200℃を越えると結晶化物の
一部の再溶融が起こるなど安定した結晶の生成が妨げら
れるためである。また保持時間を15分以上とするのは
15分未満では結晶化が十分に進まないためである。
アノーサイトやβ−ウォラストナイトの針状の結晶の間
にガラス質物質が入り込んだ構造になっているため、強
度が高く、化学的安定性にも優れている。また、被溶融
物は金型に流し込んで冷却することで容易に成形でき、
熱処理して得られた結晶化ガラスは表面を研磨すること
によって透光感のある高級な製品が得られる。
載する成分組成に調整し、それぞれの溶融特性から決定
される溶融温度1300℃〜1500℃に維持された溶
融炉内で4時間溶融し、さらに1200〜1400℃で
脱泡した後に、湯口より鋳鉄製容器に流下させ冷却させ
たガラス成形品または上記溶融物を水冷容器に落下さ
せ、急冷して得られたガラス小塊を熱処理炉に入れ、昇
温していき、800〜900℃で一定時間保持後さらに
昇温していき1000〜1200℃で一定時間保持して
得られた結晶化ガラスを本発明の実施例1〜12として
表3(処理条件),表4(結果特性)に記載した。次に
本発明の組成の範囲外に調整した下水汚泥焼却灰を上記
実施例1〜12と同一条件で溶融、脱泡、冷却ガラス
化、熱処理して得られたものを表2,表3,表4に参考
例13〜15として記載した。また、本実施例で得られ
た結晶化ガラスをX線回折により分析した結果を図1に
示す。本実施例1〜8についてはアノーサイトの結晶が
析出し、実施例9〜12についてはβ−ウォラストナイ
トの結晶が析出していることがあきらかになった。ま
た、結晶化ガラスの基になる成形基礎ガラスについて熱
膨張試験を実施した。代表事例として実施例5の測定結
果を図2に示す。熱膨張係数aは81×10-7で一般の
ガラスより低く、転移点および屈服点も一般ガラスより
約100℃高いので耐熱性に優れている。また以上のよ
うにして得られた結晶化ガラスを用いてJIS規格に準
じて曲げ強度、硬度、耐酸性および耐アルカリ性試験を
実施した結果を表4に記載した。また、参考値として本
発明の組成の範囲外に調整した焼却灰から得られたもの
の試験結果も表4に記載した。この表から明らかなよう
に、本発明で得られた結晶化ガラス(1〜12)が参考
例として記載した範囲外の製品(13〜15)および天
然石(16)よりも機械的強度、衝撃及び化学的安定性
に優れていることが確認された。
の組成(重量%)とCaO/(SiO2+Al2O3)の
比(Aと称す)を示している。
の処理条件を示している。
及び大理石16の析出結晶及び特性比較を示している。
ここで、特性比較のうち耐酸性(1%硫酸)及び耐アル
カリ性(1%水酸化ナトリウム)については、大きさ1
5×15×10mmの試料を25℃で650時間浸漬後の
重量減少率を表わしている。
集剤を使用した脱水汚泥や都市ごみ等、SiO2分を主
成分とする灰分を有する廃棄物または焼却灰に対して、
少量の添加剤の使用で溶融、ガラス化、再加熱により均
一な結晶化ガラスをつくることによって、機械的強度と
化学的に安定な優れた透光感のある結晶化ガラス製品を
得ることができる。また、廃棄物の灰分または廃棄物焼
却灰の組成中に所定量のFe 2 O 3 、C及びSを含んでい
ることにより、ガラス質物質にした後の再加熱時に、C
がFe 2 O 3 を還元して、Fe 3+ をFe 2+ にすることによ
って結晶コロイドとしてFeSを生成させることができ
る。従って、このFeSを結晶核としてさらに昇温する
ことによりアノーサイトとβ−ウォラストナイトの少く
とも一つを含む結晶化ガラスを容易にかつ確実に製造す
ることができる。
線回折結果を示す特性図である。
になる成形基礎ガラスの熱膨張試験結果を示す特性図で
ある。
Claims (1)
- 【請求項1】 主たる廃棄物の灰分または廃棄物焼却灰
の組成が、SiO235〜55%(重量%以下同じ)、
Al2O3 5〜20%、Fe2O3 2〜15%、CaO
5〜30%、C 0.2〜5%、S 0.2〜6%の
範囲内にあり、かつCaO/(SiO2+Al2O3)の
比が0.15〜0.7の範囲内にある該廃棄物または廃
棄物焼却灰、あるいはCaCO3、砂、炭素化合物、硫
黄化合物により上記範囲内に調整した廃棄物または廃棄
物焼却灰を、1300〜1500℃で溶融し、該溶融物
を冷却して、ガラス質物質にし、再加熱して結晶コロイ
ドとしてFeSを析出させ、さらに昇温してアノーサイ
トとβ−ウォラストナイトの少くとも一つを含む結晶化
ガラスを製造することを特徴とする結晶化ガラスの製造
方法。
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