JP3760261B2

JP3760261B2 - 飛灰からの重金属の電気化学的回収方法

Info

Publication number: JP3760261B2
Application number: JP2001003384A
Authority: JP
Inventors: 近稲住; 雅芳近藤; 浩史辰己
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2001-01-11
Filing date: 2001-01-11
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2021-01-11
Also published as: JP2002205030A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃棄物の再資源化技術として焼却飛灰、溶融飛灰から金属類、とりわけ銅、鉛、カドミウム、亜鉛等の有害な金属類を電気化学的に回収する方法に関する。通常、廃自動車、廃家電製品などはシュレッダーにより破砕して金属を回収するが、その際残ったシュレッダーダストは焼却減容し、発生する焼却飛灰あるいは焼却飛灰をさらにプラズマなどで溶融処理する。本発明は、このようにシュレッダーダストの焼却の際に発生する焼却飛灰、あるいはこの焼却飛灰の溶融の際に発生する溶融飛灰から、各種金属を分離回収する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ごみ焼却施設などから排出される飛灰中には有害な金属類類が高濃度で含有されている。そのため、飛灰は厚生省の定めるつぎの４方法▲１▼溶融法▲２▼セメント固化▲３▼薬剤処理▲４▼酸抽出のうちいずれかで中間処理することが定められている。中間処理された飛灰は最終処分地で埋め立て処分されるが、有害な金属類の除去、浸出水中の塩類による悪影響、最終処分量の減容化、あるいは金属類の再資源化の観点から、飛灰中の金属類を回収する技術の確立が望まれている。例えば、湿式処理によって金属を溶出し、次いで金属の種類ごとにこれを濃縮し、各金属を非鉄精錬用原料として使用できる程度の濃縮物として回収し、精錬する方法（特開平７−１３８６３０号公報参照）などが提案されている。
【０００３】
しかし、この方法では、金属溶出用の液に高価な薬品を使用しなければならず、工程が複雑であり、加えて濃縮物が水酸化物や硫化物からなるスラッジであるため、容積が大きく、また有害物であることから運搬面上多くの問題を抱えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、シュレッダーダスト等の廃棄物を焼却した際に発生する焼却飛灰、あるいは焼却飛灰をさらにプラズマなどで溶融した際に発生する溶融飛灰から、各種金属を効率よくかつ簡単に分離回収することができる方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、先に、飛灰中の金属類の分離回収を行うために鋭意研究を進めた結果、各種飛灰中の重金属を塩酸酸性水溶液などで溶解抽出後、各種金属の電気化学的析出電位に差異がある点を利用し、陰極電位を貴な電位から卑な電位へ徐々にまたは段階的に変化させ、銅、鉛、カドミウム、亜鉛等の重金属を金属インゴットの形態で析出させることが可能であることを知見した（特願２０００−３７０８７７）。
【０００６】
ここで、飛灰中の重金属の内で廃棄規制の観点から重要なものは銅、鉛、カドミウム、亜鉛である。この内、銅、カドミウム、亜鉛はｐＨ１以上の酸性領域で十分に抽出できるが、鉛に関してはＰｂＣｌ_２やＰｂＳＯ_４の溶解度が小さいために、ｐＨを１以下にして、Ｈ_２ＰｂＣｌ_４やＰｂ（ＨＳＯ_４）^＋という溶解度の高い錯体を生成させないと、鉛は抽出できない。従って、抽出工程を１段にするためには、ｐＨを１以下にする必要があり、この場合、銅、カドミウム、亜鉛の電解析出工程において析出に関する電流効率が低くなる欠点があった。また、鉛の電解析出時に銅イオンが一定のモル比率（Ｃｕ^＋＋／Ｐｂ^＋＋＝０．５）以上で存在すると、鉛の電解析出が起こらないという問題もあった。
【０００７】
本発明は、この点に鑑み、抽出工程を２段にして、１回目の抽出（ｐＨ１以上）において銅、カドミウム、亜鉛を抽出し、２回目の抽出（ｐＨ１以下）において鉛を抽出することからなる、飛灰からの重金属の電気化学的回収方法を提供する。
【０００８】
すなわち、請求項１記載の発明は、飛灰のスラリーをｐＨ１以上に調整して飛灰から銅、カドミウム、亜鉛等の重金属を抽出し、該スラリーの固液分離により得られた分離液中で陽極と陰極の間で電気分解を行い、陰極電位を徐々にまたは段階的に負の方向に変化させることにより、銅、カドミウム、亜鉛を分別して電解析出させ、その後、上記固液分離で残った固体残渣のスラリーをｐＨ１以下に調整して鉛を抽出し、該スラリーの固液分離により得られた分離液から鉛を電解析出させることを特徴とする電気化学的重金属の回収方法である。
【０００９】
また、このような電解析出を行うと、反応が進行するにつれて水溶液中の金属イオンの濃度が薄くなり、析出に関する電流効率が低くなる欠点がある。この問題を解決するために、本発明では、電解析出により溶融中の金属イオン濃度が下がる際の目安として、１０^−４〜１０^−２mol ／l 程度に置き、あまり低い濃度まで反応をさせないで、低濃度の金属イオンを含有する水溶液を循環再利用する。本方法によると、析出に関する電流効率を下げずに効率よく電解析出を行うことができる。
【００１０】
すなわち、請求項２記載の発明は、請求項１記載の方法により鉛の回収を終えた後の液を用いて、新たな飛灰に対し請求項１記載の方法に従って金属抽出および電解析出を行うことを特徴とする電気化学的重金属の回収方法である。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、陽極に、酸化イリジウム被覆したチタン上に二酸化マンガンと酸化モリブデンを析出させた電極または白金メッキしたチタン電極を使用し、陰極には、銅の電解析出時には銅を、鉛の電解析出時には鉛あるいは鉛めっきした鋼板を、カドミウムの電解析出時にはアルミニウムを、亜鉛の電解析出時にはアルミニウム、亜鉛あるいは亜鉛めっき鋼板を順番に取り替えて使用することを特徴とする電気化学的重金属の回収方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
まず、第１工程では、飛灰を水に投入してスラリーとし、このスラリーを攪拌しながら塩酸、硝酸、硫酸などの鉱酸を添加してｐＨを１〜５に調整する。ここで、ｐＨを１以上にするのは、Ｈ_２ＰｂＣｌ_４やＰｂ（ＨＳＯ_４）^＋という溶解度の高い錯体が生成して液中に鉛が溶解するのを防止するためである。また、ｐＨを５以下にするのは、ｐＨが５以上であると銅、カドミウム、亜鉛を十分に抽出できないためである。上記ｐＨを維持しての攪拌時間は３０分以上であればよい。スラリーの温度は室温でもよいが上記錯体の生成速度を促進するために、５０℃以上にするのが望ましい。次いで、上記スラリーを濾過槽やフィルタープレスなどの分離装置で固液分離する。
【００１３】
つぎに、第２工程では、濾液中に設けられた陽極と陰極との間で電気分解を行って、銅、カドミウム、亜鉛等の重金属を析出させるにあたり、陰極電位を徐々にまたは段階的に負の方向に変化させることにより、銅、カドミウム、亜鉛を分別して析出させる。
【００１４】
陽極としては、環境面から塩素が発生しないように考慮して、藤村らが製作した酸化イリジウム被覆したチタン板上に二酸化マンガンと酸化モリブデンを析出させた電極（Electrochimica Acta 45, （2000）2297-2303 ）を使用するのが好ましい。また、経済性を考慮して、白金メッキしたチタン電極を陽極に使用することもできる。この場合、発生した塩素を水酸化ナトリウム溶液に吸収させ、次亜塩素酸ナトリウムを生成させるのが好ましい。チタンに白金メッキを施す理由は、チタンをメッキなしで用いると、その表面が酸化されて酸化チタンとなり、電解電圧が上昇し、電解電力コストが高くなるからである。
【００１５】
陰極としては、回収金属種と電流効率を考慮して、銅の析出時には銅板を、カドミウムの析出時にアルミニウム板を、亜鉛の析出時にはアルミニウム板、亜鉛板あるいは亜鉛めっきした鋼板を使用するのが望ましい。また、電流密度は０．１Ａ／ｃｍ^２以下であるのが好ましい。なぜなら、使用した酸化イリジウム被覆チタン板上に二酸化マンガンと酸化モリブデンを析出させた電極を陽極に用いて、電流密度０．１Ａ／ｃｍ^２以下で電解を行うと、陽極側で発生するガスが１００％酸素ガスであり、塩素ガスが発生せず、環境面から好ましいからである。
【００１６】
電解析出により溶融中の金属イオン濃度が下がる際の目安として、１０^−４〜１０^−２mol ／l 程度に置き、あまり低い濃度まで反応をさせないようにする。なぜなら、溶液中の金属イオン濃度が１０^−４mol ／l 以下になると、電流効率が２０％以下と小さくなるからである。
【００１７】
第３工程では、第１工程で固液分離した後の固体残渣を水に投入してスラリーとし、このスラリーを攪拌しながら塩酸、硝酸、硫酸などの鉱酸を添加してｐＨを１以下に調整し、鉛を抽出する。
【００１８】
第４工程では、陰極として鉛板を使用し電解析出により鉛を析出させる。また、電流密度および陽極は第２工程と同じものであってよい。
【００１９】
第５工程では、第２工程と第４工程が終了して銅、鉛、カドミウム、亜鉛の各イオン濃度が１０^−２mol ／l 以下になった溶液を合わせて用いて、第１〜４工程を再度行う。
【００２０】
なお、このような操作を繰り返し行うと、アルミニウム、カリウム、ナトリウムなどは次第に濃縮して自身の溶解度にまで達して、第４工程において溶解しなくなる。また、鉄、クロムは亜鉛めっき時に合金めっきとして析出する。
【００２１】
実施例
（第１工程）
まず、５００ｍｌビーカーに溶融飛灰１０ｇを入れ、そこに０．１Ｎ−ＨＣｌを２００ｍｌ入れて全体を５０℃で１時間攪拌し、生じたスラリーを固液分離した。得られた分離液のｐＨは４．２であった。
【００２２】
（第２工程）
その後、分離液中に、陽極として面積１０ｃｍ^２の酸化イリジウム被覆したチタン上に二酸化マンガンと酸化モリブデンを析出させた電極を、陰極として面積１０ｃｍ^２の銅板を入れて、０．０５Ａの一定電流で電解を行った。その時、陰極電位は−０．２３Ｖ（ｖｓ．標準水素電位）から−０．３０Ｖ（ｖｓ．標準水素電位）まで徐々に低下し、銅の濃度は表１に示すように０．１７（ｇ／ｌ）から０．０１２（ｇ／ｌ）まで減少した。
【００２３】
その後、陰極を面積１０ｃｍ^２の亜鉛めっき銅板に変えて同じく０．０５Ａの一定電流で電解した。その時、陰極電位は−０．３０Ｖ（ｖｓ．標準水素電位）から−１．２１Ｖ（ｖｓ．標準水素電位）まで徐々に低下し、亜鉛の濃度は表１に示すように３．２（ｇ／ｌ）から０．０４８（ｇ／ｌ）まで減少した。
【００２４】
（第３工程）
第１工程で固液分離した後の固体残渣８．５ｇを５００ｍｌのビーカーに入れ、その中に、１Ｎ−ＨＣｌを１７０ｍｌ入れて５０℃で１時間攪拌し、生じたスラリーを固液分離した。得られた分離液のｐＨは０．３８であった。
【００２５】
（第４工程）
第３工程で得た分離液中に、陽極として面積１０ｃｍ^２の酸化イリジウム被覆したチタン上に二酸化マンガンと酸化モリブデンを析出させた電極を、陰極として面積１０ｃｍ^２の鉛板を入れて、０．０５Ａの一定電流で電解を行った。その時、陰極電位は−０．４６Ｖ（ｖｓ．標準水素電位）から−０．６９Ｖ（ｖｓ．標準水素電位）まで徐々に低下し、鉛の濃度は表１に示すように１．４４（ｇ／ｌ）から０．２１（ｇ／ｌ）まで減少した。
【００２６】
（第５工程）
第２工程と第４工程を終えた後の溶液を合わせて用いて、新しい飛灰に対し、より第１工程〜第４工程を行った。その場合にも、表１の２回目抽出液、２回目電解後液に示すように、１回目と同様に抽出および電解ができた。このような操作を繰り返し行ったところ、５回目以降では、抽出液中のカドミウム濃度が高くなり、カドミウムの電解が可能となったので、銅の電解時に−０．４２Ｖ（ｖｓ．標準水素電位）になった時点で陰極を面積１０ｃｍ^２のアルミニウム板に変更して−１．０３Ｖ（ｖｓ．標準水素電位）になるまで０．０５Ａの電流で電解した。この後は４回目までと同様に陰極を亜鉛めっき鋼板に変更し、亜鉛のめっきを行った。各々の抽出操作時の収率は９０％以上、電解操作時の効率は６０％以上であり、飛灰から効率的に重金属を回収できることが明らかになった。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、飛灰から銅、カドミウム、亜鉛、鉛等の重金属を効率的に回収することができる。

Claims

飛灰のスラリーをｐＨ１以上に調整して飛灰から銅、カドミウム、亜鉛等の重金属を抽出し、該スラリーの固液分離により得られた分離液中で陽極と陰極の間で電気分解を行い、陰極電位を徐々にまたは段階的に負の方向に変化させることにより、銅、カドミウム、亜鉛を分別して電解析出させ、その後、上記固液分離で残った固体残渣のスラリーをｐＨ１以下に調整して鉛を抽出し、該スラリーの固液分離により得られた分離液から鉛を電解析出させることを特徴とする電気化学的重金属の回収方法。
請求項１記載の方法により鉛の回収を終えた後の液を用いて、新たな飛灰に対し請求項１記載の方法に従って金属抽出および電解析出を行うことを特徴とする電気化学的重金属の回収方法。
請求項１または２記載の発明において、陽極に、酸化イリジウム被覆したチタン上に二酸化マンガンと酸化モリブデンを析出させた電極または白金メッキしたチタン電極を使用し、陰極には、銅の電解析出時には銅を、鉛の電解析出時には鉛あるいは鉛めっきした鋼板を、カドミウムの電解析出時にはアルミニウムを、亜鉛の電解析出時にはアルミニウム、亜鉛あるいは亜鉛めっき鋼板を順番に取り替えて使用することを特徴とする電気化学的重金属の回収方法。