JP3567170B2 - 重金属固定化処理剤 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ごみ焼却炉等で発生する燃焼排ガス中に含まれる重金属を捕捉して固定化する重金属固定化処理剤及び処理方法に関するものであり、さらに詳しくは、燃焼排ガス中の重金属を４００〜９００℃の高温で捕捉・固定化することを可能とする新しい重金属固定化処理剤及び当該処理剤を用いて燃焼排ガス中の重金属を高温で捕捉して固定化する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
都市ごみを焼却すると、ごみ中に紛れ込んでいる重金属が気化し、飛灰に吸着することにより、炉外へ排出される。重金属が吸着した飛灰をそのまま廃棄すると、環境中に重金属が溶出し、環境汚染を引き起こすため、そのままでは捨てることが出来ない。重金属を溶出しないように、飛灰を化学的あるいはセメント固化等の物理的処理を施した後、廃棄しなければならない。もし、重金属が高温の燃焼排ガス中で気化しているときに捕捉・固定化することができれば、廃棄のための化学的あるいは物理的処理を必要とせず、処理費用の削減が期待できるが、それを可能にする高温で使用できる重金属固定化処理剤は未だ見出されていないのが現状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
都市ごみ焼却炉から発生する焼却飛灰中に含まれる重金属の一例を挙げると、銅：４４０ｍｇ／ｋｇ、カドミウム：４６ｍｇ／ｋｇ、鉛：８５０ｍｇ／ｋｇ、ヒ素：２．３ｍｇ／ｋｇ、亜鉛：４０００ｍｇ／ｋｇ、水銀：１．３ｍｇ／ｋｇ、マンガン：５４０ｍｇ／ｋｇ、クロム：８２０ｍｇ／ｋｇである（株式会社エヌ・ティー・エス発行、「飛灰対策 有害物質除去・無害化・再資源化技術」ｐ．１５、１９９８年７月）。
これらの重金属を含む飛灰が廃棄されることにより、土壌や水質汚染が生じる。また、銅等の塩化物はダイオキシン類が再合成で生成される際に触媒としての役割を果す。重金属による環境汚染防止、ダイオキシン類再合成の抑制からも、高温で重金属を捕捉し、固定化することが重要である。
本発明は、上記の従来技術に存在する課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、都市ごみ焼却炉等から排出される燃焼排ガス中に含まれる重金属を捕捉・固定化することができ、その結果、化学的あるいは物理的処理を施さずに廃棄、あるいは再資源化することを可能にする、４００〜９００℃の高温で使用することの出来る重金属固定化処理剤を提供すること、及び該重金属固定化処理剤を用いて、燃焼排ガス中の重金属を高温で捕捉・固定化する方法を提供すること、にある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、燃焼排ガスに含まれる重金属を４００〜９００℃の高温で捕捉して固定化する重金属固定化処理剤であって、方ソーダ石群の一種あるいは二種以上の混合物を有効成分として含むこと、及び当該重金属固定化処理剤を炉内あるいは煙道に吹き込むこと、流動させること、あるいは固定して設置することにより燃焼排ガス中の重金属を高温で捕捉・固定化すること、を要旨としている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明における重金属固定化処理剤は、好適には、方ソーダ石群の一種以上を有効成分として含むものであり、方ソーダ石群に属するソーダライトを有効成分として含むものである。方ソーダ石群は、アルミニウム、ナトリウムのテクトケイ酸塩鉱物であり、ソーダライトの他に、ノゼアン、アウイン、セイキン石がこれに属する。
方ソーダ石群の一般的な化学組成は、Ｒ_4-8 （ＸＳｉＯ₄ ）₆ （Ｙ）と表される。
ここでＲ、Ｘ、Ｙは、それぞれ以下の元素から成る。
Ｒ＝Ｎａ，Ｃａ，Ｋ，Ｍｎ²⁺，Ｆｅ²⁺，Ｚｎ，Ｌｉ，Ａｇ
Ｘ＝Ａｌ，Ｆｅ³⁺，Ｂｅ
Ｙ＝Ｃｌ₂ ，Ｂｒ₂ ，Ｉ₂ ，（ＯＨ）₂ ，ＣＯ₃ ，ＳＯ₄ ，ＷＯ₄ ，ＭｏＯ₄，ＣｒＯ₄ ，Ｓ
【０００６】
方ソーダ石群は、天然に存在しているが、合成することも出来る。方ソーダ石群の一種であるハイドロソーダライト（Ｎａ₈ （ＡｌＳｉＯ₄ ）₆ （ＯＨ）₂ ）の製造法の一例を紹介する。シリカ及びアルミナ源としてのカオリナイトと、ナトリウム源としての苛性ソーダからなるモル比で３：１０の混合物に少量の水を加えて、ペーストを作製する。得られたペーストを１００℃の恒温槽に入れて、２５時間保持することによりハイドロソーダライトが合成される。ハイドロソーダライトは、燃焼排ガス中の高温塩化水素回収剤として既に知られており（例えば、鈴木憲司、芝崎靖雄、工藤芳子、相藤茂、「工業材料」、Ｖｏｌ．４６、Ｎｏ．３、ｐｐ．６９〜７１（１９９８）．：鈴木憲司、「化学装置」、Ｖｏｌ．４０、Ｎｏ．７、ｐｐ．７０〜７３（１９９８）．）、塩化水素と反応した後にソーダライト（Ｎａ₈ （ＡｌＳｉＯ₄ ）₆ Ｃｌ₂ ）に変化する。ソーダライトも方ソーダ石群の一種である。
【０００７】
次に、重金属固定化処理剤と重金属の反応について、前者にハイドロソーダライト、後者に塩化銅（ＣｕＣｌ₂ ）の場合を例に挙げて説明する。ハイドロソーダライトは３００〜４００℃でβケージ内に存在するＯＨ基の脱水、すなわち、構造水の脱水が生じ、βケージ内は空孔となり、もし、燃焼排ガス中に塩化水素や塩素が存在すると、βケージに塩素が入り込むようになる。βケージ内に入り込んだ塩素は固定化され、水中でも溶出しなくなる。さらに、温度が高くなり９００℃を越えると構造が壊れ、ソーダライト構造ではなくなってしまうため、使用温度は９００℃までが望ましい。一方、塩化銅は、融点が４２２℃である固体であるが、温度が高くなると溶解して気相中に存在するようになる。気相中に存在する塩化銅の量は、温度が高いほど蒸気圧が高くなることにより多くなるが、４００℃より低い温度では気体状態の塩化銅はほとんど存在しないために、ハイドロソーダライトは、４００℃以上での使用が望ましい。上記使用温度は、方ソーダ石群に属する他の成分の場合もハイドロソーダライトとほぼ同様である。
【０００８】
ハイドロソーダライトと塩化銅が固気反応すると、ハイドロソーダライトはＮａとＣｕとの交換が起こり、さらに、βケージ内に塩素が固定化されることによりＣｕ_x Ｎａ_8-2x（ＡｌＳｉＯ₄ ）₆ （ＯＨ_1-x Ｃｌ_x ）₂ に変化する。ＣｕとＮａの比は反応量により異なり、ｘ値は最大４である。なお、燃焼排ガス中に塩化水素等の塩素源が存在すると反応後のハイドロソーダライト中の塩素量は増える。
また、ソーダライト（Ｎａ₈ （ＡｌＳｉＯ₄ ）₆ Ｃｌ₂ ）と塩化銅の反応は、ハイドロソーダライトの場合と同様に、ＮａとＣｕとの交換が起こりＣｕ_x Ｎａ_8-2x（ＡｌＳｉＯ₄ ）₆ Ｃｌ₂ が生成される。この場合、新たな塩素の固定化は生じない。以下に反応式を示す。
Ｎａ₈ （ＡｌＳｉＯ₄ ）₆ （ＯＨ）₂ ＋ＸＣｕＣｌ₂ →
Ｃｕ_x Ｎａ_8-2x（ＡｌＳｉＯ₄ ）₆ （ＯＨ_1-x Ｃｌ_x ）₂ ＋ＸＨ₂ Ｏ
本発明では、上記ハイドロソーダライトに限らず、方ソーダ石群に属するものであれば同様に使用することができる。
【０００９】
本発明の重金属固定化処理剤は、燃焼排ガス温度が４００〜９００℃、最も好ましくは７００〜９００℃である箇所において使用すると効果的である。重金属回収装置は、重金属固定化処理剤の燃焼排ガス中への吹き込み、排ガス中での流動、あるいは固定床で設置することのいづれか、あるいはこれらを組み合せることが望まれる。重金属が固定化された重金属固定化処理剤は、燃焼排ガスから除去する必要があり、例えば、バグフィルターやサイクロン等で回収することが出来る。
【００１０】
以上詳述した本発明によれば、次のような効果が発揮される。
１）燃焼排ガス中に含まれる重金属のＣｕ，Ｃｄ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｈｇ，Ｍｎ，Ｃｒ等を４００〜９００℃の高温で捕捉・固定化することができる。
２）重金属固定化処理剤に固定化された重金属は、水と接触しても重金属イオンや塩素イオンを溶出する恐れがない。このため、使用後の処理剤の再利用が可能であり、仮に使用後の処理剤を埋立処分したとしても、雨水による環境汚染の恐れがない。
３）燃焼排ガスからダイオキシン類再合成に必要な触媒を除去することになり、ダイオキシン類再合成の抑制が期待できる。
４）都市ごみ焼却炉から排出される飛灰は重金属で汚染されているが、本処理剤を使用することにより、汚染された飛灰量の減量が期待できる。
【００１１】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
（１）装置
はじめに、以下の各実施例において、重金属固定化処理剤の特性を実験的に示すために用いた装置について、図１に基づき説明する。
この装置には、塩化水素、酸素、二酸化炭素、窒素、水蒸気と金属塩化物、重金属固定化処理剤との反応場となる反応管１１が備えられている。反応管には２個のボートが入れられ、上流側のボートには金属塩化物、下流側のボートには重金属固定化処理剤が充填される。この反応管１１は管状炉１２に設置されており、反応管１１内の温度は自由に制御できるようになっている。反応管１１の上流側には、塩化水素、酸素、二酸化炭素、窒素をそれぞれ貯留するガスボンベ１３が接続されており、これらのガスボンベ１３から導出されるガスは所定の流量で反応管１１内に供給されるようになっている。また、反応管１１の下流側には、吸収液を貯留する吸収槽１４が接続されており、反応管１１から導出されるガスがこの吸収槽１４内に導入されるようになっている。
【００１２】
（２）処理方法
上流側のボートに塩化銅を０．５ｇ、下流側のボートに重金属固定化処理剤としてハイドロソーダライト０．５ｇとタイルセルベント７．０ｇの混合物をそれぞれ充填し、図１に示す反応管１１に装填した。温度を４００℃まで昇温し、４００℃に設定された反応管内に酸素１０体積％、二酸化炭素１０体積％、水蒸気１０体積％、塩化水素１０００ｐｐｍ及び窒素（残部）からなる混合ガスを５００ｍｌ／ｍｉｎの流量で導入した。１時間を経過したところで試験を終了し、反応管からハイドロソーダライトを回収した。
回収したハイドロソーダライトを水洗して乾燥したものについて分析を行い、酸化銅、酸化ナトリウム、塩素、アルミナ、シリカを測定した。なお、金属酸化物、酸化ナトリウム、アルミナ、シリカは、蛍光Ｘ線分析法、塩素は、硝酸銀滴定法にて測定した。その結果を表１に示す。表１より、酸化銅と塩素がわずかに固定化していることが分かる。
【００１３】
実施例２〜６
実施例２〜６では、反応温度を表１に示すように５００〜９００℃まで変更し、それ以外は実施例１と同様に操作してそれぞれ試験を行った。試験終了後に回収したハイドロソーダライトについて、酸化銅、酸化ナトリウム、塩素、アルミナ、シリカを測定した。その結果を表１に示す。表１より、反応温度の上昇とともに固定化した酸化銅が増加すること、ナトリウムが銅により置換されることにより酸化ナトリウムが減少することが分かる。
【００１４】
【表１】

【００１５】
実施例７
重金属固定化処理剤をソーダライト、反応温度を７００℃にして、それ以外は実施例１と同様に操作して試験を行った。試験終了後に回収したソーダライトについて、酸化銅、酸化ナトリウム、塩素、アルミナ、シリカを測定した。その結果を表２に示す。表２より、ソーダライトに固定化した酸化銅の量はハイドロソーダライトに固定化したそれとほぼ同じであることが分かる。
【００１６】
比較例１
比較試料をアルミナとし、それ以外は実施例７と同様に操作して試験を行った。試験終了後に回収したアルミナについて、酸化銅、酸化ナトリウム、塩素、アルミナ、シリカを測定した。その結果を表２に示す。表２より、２．６％の酸化銅が吸着しているが、その量はハイドロソーダライトあるいはソーダライトの約１／２と少量であることが分かる。
【００１７】
【表２】

【００１８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、燃焼排ガス中の重金属を４００〜９００℃の高温で捕捉・固定化する重金属固定化処理剤であって、方ソーダ石群の一種以上を有効成分として含むことを特徴とする重金属固定化処理剤及び処理方法に係るものであり、本発明により、１）燃焼排ガス中の重金属を４００〜９００℃の高温で捕捉・固定化することができる、２）重金属固定化処理剤に固定化された重金属は、水と接触しても重金属イオンや塩素イオンを溶出する恐れがない、３）このため、使用後の処理剤の再利用が可能であり、仮に使用後の処理剤を埋立処分したとしても、雨水による環境汚染の恐れがない、４）燃焼排ガスからダイオキシン類再合成に必要な触媒を除去することになり、ダイオキシン類再合成の抑制が期待できる、５）都市ごみ焼却炉から排出される飛灰は重金属で汚染されているが、本処理剤を使用することにより汚染された飛灰量の減量が期待できる、等の格別の効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃焼排ガス中の重金属を処理する装置を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１１ 反応管
１２ 管状炉
１３ ガスボンベ
１４ 吸収槽

Claims (3)

1. 燃焼排ガス中の重金属を４００〜９００℃の高温で捕捉・固定化する重金属固定化処理剤であって、方ソーダ石群の一種以上を有効成分として含むことを特徴とする重金属固定化処理剤。
2. 方ソーダ石群が、ソーダライト、ハイドロソーダライトから選択される一種あるいは二種以上の混合物である請求項１に記載の重金属固定化処理剤。
3. 請求項１又は２に記載の重金属固定化処理剤を、炉内あるいは煙道に吹き込むこと、流動させること、あるいは固定して設置すること、により燃焼排ガス中の重金属を捕捉・固定化することを特徴とする燃焼排ガス中の重金属の捕捉・固定化法。

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