JP4462526B2 - 廃棄物を原料とした軽量混合焼結生成物の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、廃棄物を再資源化し土木建築分野に活用可能な軽量、無菌、無機質、無害、安全であり圧壊強度および耐磨耗性が高く安定した軽量混合焼結生成物の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
原料として使用される廃棄物は、従来において、以下のように取り扱われている。
【０００３】
まず、アルミ鉱滓のうち、金属アルミを３０重量％以上含有するものは製鋼用副資材として（製鋼用脱酸素剤・脱硫促進剤・昇温剤・造滓材等として）活用されているが、金属アルミの含有量が３０重量％に満たないものは、水処理ガス抜き工程が行われた後、最終処分工程として埋め立てられている。
【０００４】
また、製紙スラッジを焼却処理後減容したＰＳ灰は、年間 700万トン発生しており、その有効利用率は２０％程度であるため大半が埋め立て（最終処分として）られていた。
【０００５】
また、ガラス屑は、一般的には再溶解原料としての資源化が行われているが、ワインボトル等の色付きのものについては再溶解原料とならないため資源化は不可能である。このため、これらの色付きのものについては破砕し顆粒状品にしてインターロッキングブロック等の表面化粧材に活用しているが、破砕工程時に発生する微粉末のガラス屑については活用方法がなく埋め立て（最終処分として）られているのが現状である。
【０００６】
また、浚渫底泥（港湾域、河川域、湖沼、ダムなどの底に堆積し、浚渫された底泥のこと、以下同じ）および浚渫汚泥（浚渫された上水道汚泥及び下水道汚泥のこと、以下同じ）については、年間約1200万トン発生しており、再資源化率は半分にも達していない状態である。このため、大半のものは焼却処理されるか、セメント、石灰等によって混合固化処理された後埋め立て（最終処分として）られていた。
【０００７】
従来、これらの廃棄物の処理としては、無害化・安定化の方法として溶融スラグ化プロセス（高温で廃棄物を溶融しガラス質の粒塊にする方法）が取られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる従来における溶融スラグ化プロセスにあっては、莫大な設備費が掛かるとともに溶融処理に大きなエネルギーが必要であるため、処理コストが高額化せざるを得ないという問題点があった。さらに、溶融スラグ化プロセスには再資源化のための設計思想が乏しく多様性がないため、主としてその用途も路盤材に限られざるを得ないという問題点を有した。
【０００９】
本発明の課題はこれらの問題点を解消するために、このような埋め立て最終処分されている廃棄物を土木建築用軽量骨材として資源化すると共に、多用途に活用可能にして低コストで前記廃棄物の再資源化及び消滅化を図るための多孔質軽量焼結生成物の製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る廃棄物を原料とした軽量混合焼結生成物の製造方法においては、金属アルミが３重量％以上３０重量％以下含まれているアルミ鉱滓２５〜５０重量％、ＰＳ灰２５〜５０重量％、ガラス屑２０〜３０重量％を混合造粒し、１０００°Ｃ〜１２５０°Ｃで焼結することにより、圧壊強度の高い軽量骨材を製造するため、従来に比し、設備を簡易化することができるるとともに溶融処理のように大きなランニングコストを必要とせずエネルギーは少なくてすむため、処理コストを低額化でき、さらに、製造される多孔質軽量焼結生成物は多孔質で軽量であるためその用途も、従来に比し、拡大させることができるものである。また、前記アルミ鉱滓に、金属アルミが３重量％以上30重量％以下含まれているため、この金属アルミの酸化反応熱の発熱カロリー〔２Ａｌ＋３／２Ｏ₂ →Ａｌ₂ Ｏ₃ ＋４００．５Ｋｃａｌ（７４２２Ｋｃａｌ／ＡｌＫｇ）〕と主成分であるＡｌ₂ Ｏ₃ を利用することができ、炉内設定焼結雰囲気温度を下げ、圧壊強度および耐磨耗性の高い骨材焼結が可能となる有効な原料である。なお、この場合、アルミ鉱滓の配合比を２５〜５０重量％とすればよい。
【００１１】
なお、この発明に係る軽量混合焼結生成物の製造方法にあっては、廃棄物として、アルミ鉱滓・ＰＳ灰・ガラス屑・浚渫底泥・汚泥等のＡｌ₂ Ｏ₃ 及びＳｉＯ₂ の２成分の何れかを主成分とする廃棄物を２種以上混合して原料とするが、原料配合比、造粒方法又は／及び焼結温度を任意に設定することによって、使用用途に適した焼結状態、気孔率、機械的強度を得ることができ、土木建築分野で活用可能な資材を製造することができる。
【００１２】
また、この発明に係る軽量混合焼結生成物の製造方法において、Ａｌ₂ Ｏ₃ 及びＳｉＯ₂ の何れかが主成分の浚渫底泥および汚泥等の廃棄物であれば成分構成材料として添加も有効であり、成分構成的に一定の範囲であれば主となる原料としての活用も可能である。
【００１３】
配合原料を乾式高圧成形方式のブリケットマシン又はロータリープレス、湿式方式の円盤の回転を利用したペレタイザー若しくは低圧造粒機で造粒するが、使用用途に合わせた各種造粒機を使用することができる。土木建築用材料骨材は、圧壊強度および耐磨耗性が必要であるため、ブリケットマシン又はロータリープレス等の乾式高圧成形方式が好ましい。
【００１４】
焼結においては、ロータリーキルン、トンネル炉、シャトル炉、回転炉等の１０００〜１２５０°酸化雰囲気焼成の炉であれば焼結は可能であるが、生産性およびコスト面において連続操業可能な連続式回転炉が好ましい。
【００１５】
この発明に係る軽量混合焼結生成物の製造方法において、ＰＳ灰を２５〜５０重量％配合することにより、安定した鉱物組成を形成させる目的においてのＳｉＯ₂ およびＣａＯ源となり、また、表面積の大きな微粉末を含んでいるため焼結反応促進においても有効な原料である。
【００１６】
また、この軽量混合焼結生成物の製造方法において、ガラス屑を２０〜３０重量％で配合することにより、１０００〜１２００°Ｃの温度帯で焼結生成物の外表面をＳｉＯ₂ の膜で覆うようにすれば、化学的性質の安定した焼結生成物を得ることができる。
【００１７】
また、浚渫底泥又は汚泥等のＡｌ₂ Ｏ₃ 及びＳｉＯ₂ が主成分である廃棄物は、浚渫場所又は上水道・下水道等の発生場所により成分のバラツキが大きいため、成分調整配合原料として有効である。更に、発生場所の特定により成分構成的に一定の範囲であれば主となる原料としての活用も可能であり、資源化活用面からも有効である。
【００１８】
前述のように、任意に廃棄物原料を組み合わせることにより、成分構成の調整が可能となり、造粒方法及び焼成温度を選定することにより機械的強度の特性の設定をすることができるため、土木建築分野の建築用骨材から道路用骨材までの幅広い混合焼成生成物を製造することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
廃棄物原料においては、アルミ鉱滓、ＰＳ灰、ガラス屑、底泥・汚泥等の混合原料および配合比率を換えた原料構成物を作成した。
【００２０】
アルミ鉱滓は、アルミ二次合金メーカー又はアルミ圧延・サッシメーカー等のアルミ業界でアルミリサイクルに当たり溶解工程で排出されるものである。
【００２１】
ＰＳ灰は、製紙業界から排出される製紙スラッジを約８００°Ｃで燃焼した焼却灰である。
【００２２】
ガラス屑は、ワインボトル等の色付きガラス瓶を約１ｍｍ以下に粉砕した物である。
【００２３】
底泥・汚泥は、含水比が８０〜９５重量％あるため、乾燥工程を通し水分を５重量％以下に乾燥後の乾燥底泥・汚泥を使用した。
【００２４】
造粒においては、乾式高圧成形機であるブリケットマシンを使用したが、同じ方式であるロータリープレスでの成型も可能である。また、湿式造粒方式であるペレタイザー並びに低圧ブリケットマシンでの造粒も可能であり、使用用途に適した造粒方式の選択が可能である。
【００２５】
焼結工程においては、電気炉で配合原料比率および造粒方式の違いによる焼結物性を８００〜１２５０°Ｃの温度帯別に確認し、評価確認試験材料は、アルミ溶解用３Ｔｏｎ／ｃｈｒｇｅバッチ式回転炉と連続式小型回転炉をデーター取りのため１００Ｋｇ／ｃｈｒｇバッチ式にて８００〜１２５０°Ｃで焼結を行った。
【００２６】
また、炉内焼結雰囲気温度確認のため、アルミ鉱滓・ＰＳ灰・ガラス屑を配合した資料Ａと底泥・アルミ鉱滓・ガラス屑を配合した資料Ｂおよび試薬で成分構成を調整した純原料配合品の３種類を８００〜１０００°Ｃ迄は１００°Ｃ単位で摂取し、１０００〜１２５０°Ｃ迄は５０°Ｃ単位で摂取し焼結状態を確認すると、アルミ鉱滓配合品は、純原料配合品と比較し１００〜１５０°Ｃ低い温度帯で焼結をしている。この様な結果からあきらかにアルミ公滓配合品は炉内雰囲気温度を下げることが可能とあり、アルミ鉱滓に含まれる金属アルミの酸化発熱反応〔２Ａｌ＋３／２Ｏ₂ →Ａｌ₂ Ｏ₃ ＋４００．５Ｋｃａｌ（７４２２Ｋｃａｌ／ＡｌＫｇ）〕を利用することができるため、焼結を促進させると共に炉内雰囲気温度を下げることが可能となり、生産コストの低減化が図れる（表１を参照のこと）。
【００２７】
焼成炉は、バッチ式の回転炉でも焼成は可能であるが、焼成温度のコントロールが非常に重要な因子である。そのため、バッチ式より連続式の回転炉の方が温度管理の点で有利である。
【００２８】
原料配合比率の物性を確認した結果、アルミ鉱滓とＰＳ灰の配合において焼結反応が進行し、ガラス添加により圧壊強度は増加し、一方、気孔率は低下する。アルミ鉱滓の配合比が大きい程、圧壊強度が高く気孔率が低くなる傾向にある。
【００２９】
アルミ鉱滓／ＰＳ灰の成分配合比が０．５〜１．５の範囲にわたって、ガラス屑添加量２０〜３０重量％の配合比において建築軽量骨材の基本性能を有する混合焼結物が作成できる。
【００３０】
また、底泥・汚泥を原料として添加配合の場合でも、Ａｌ₂ Ｏ₃ ２５〜４０重量％、ＳｉＯ₂ ３０〜５０重量％、ＣａＯ５〜２０重量％の成分構成範囲であれば、建築軽量骨材の基本性能を有する混合焼結物の作成も可能である。
【００３１】
焼成加工時の煤塵や排ガス成分は、（社）静岡県産業環境センター（『住所を記入して下さい。』）に測定を依頼した結果、環境測定管理成分において殆ど測定限界以下であり、通常の排ガス処理設備で対応可能である。
【００３２】
混合焼結生成物の品質性能においては、（財）建材試験センター（『住所を記入して下さい。』）に試験を依頼した結果、人体に影響を及ぼす重金属などの有害成分も定量限界以下で、生活環境状安全である。建築材料軽量骨材各種性能評価においても非常によい結果であり、建築用材料としての評価の高い材料となっている。また、コンクリートの骨材としても現行の人工軽量骨材より機械的性能が優れており、新しい土木建築リサイクル材料として活用が可能である。
【００３３】
軽量混合焼結生成物施工においては、マンション１階・２階のバリヤフリー外廊下透水性通路１５０ｍ² とサンハウス透水性通路４０ｍ² に施工した結果、現行の人工軽量骨材と比べて、粒径等が均一化されているので作業性が良好で施工し易く、透水性能に優れ使用量も一般人工骨材と比較し８５％で施工ができレジン系バインダーの添加量も０．５重量％下げることができた。
【００３４】
廃棄物であるアルミ鉱滓、ＰＳ灰、ガラス屑、底泥・汚泥等Ａｌ₂ Ｏ₃ およびＳｉＯ₂ を主成分とする原料を配合し、混合、成型、焼結をすることにより品質や施工性に関して、物理的特性が優れ化学的性質も安定した軽量混合焼結生成物の製造を可能とし、建築分野においては、透水性床材のレジンフロアー軽量骨材として活用することにより建設費のトータルコストの低減を図れる。
【００３５】
【実施例】
混合試料として、アルミ二次精錬メーカーから発生した溶解滓を粉砕分級し１ｍｍ以下に加工したアルミ鉱滓を３７重量％、製紙スラッジをし８００°Ｃで燃焼したＰＳ灰を３０重量％、ワインボトル等の色付きガラスを約１ｍｍ以下に粉砕したガラス屑を２３重量％配合した試料Ａと田子の浦港から浚渫し回転炉で水分を５％以下に乾燥した底泥４２．５重量％、アルミ鉱滓を４２．５重量％、ガラス屑を１５重量％配合した試料Ｂの２種類の試料を作成した（表２を参照のこと）。
【００３６】
各試料を混合機にて混合し、プリケットマシン（表３を参照のこと）で長さ２０ｍｍ×厚み１０ｍｍのアーモンド状に成形した。
【００３７】
混合成型物をアルミ溶解用３Ｔｏｎ／ｃｈｒｇｅバッチ式回転炉と連続式小型回転炉（表４を参照のこと）を併用し（データ取りのため１００Ｋｇ／ｃｈｒｇバッチ式焼成）１１６０°Ｃで焼結を行い約２０Ｔｏｎの軽量混合焼結生成物を製造した（表５を参照のこと）。
【００３８】
このとき排出される煤塵や排ガス成分について、（社）静岡県産業環境センターに委託し、煤煙量（煤塵・窒素酸化物・硫黄酸化物・カドミウム・鉛・塩化水素・塩素・フッ素化合物）を測定した。いずれも測定限界以下の値である（表６参照のこと）。
【００３９】
また、排ガスの煤塵や焼結生成物中のダイオキシン類について測定した分析結果においては、いずれの毒性等量値（ＴＥＱ）も環境基準（環境庁告示６８号）と比べて、はるかに低く実用化において問題はない結果である（表７を参照のこと）。
【００４０】
軽量混合焼結生成物の基礎物質評価および組織・成分構造解析は東海大学で測定した結果、一般的に使用されている人工軽量骨材と比較し圧壊強度においては２．５倍以上となり、気孔率・吸水率・レジン使用量など総合的にも軽量骨材として使用可能な測定値となっている（表８を参照のこと）。
【００４１】
レジンフロアー材の骨材ならびにブロックとしての品質性能試験およびコンクリート材の骨材としての品質性能試験は、（財）建材試験センターにての各種性能試験においては、
【００４２】
（ａ）骨材の微粉分量試験（ＪＩＳＡ１１３０）
微粉量は０．０８％と非常に少ない数値であった。
【００４３】
（ｂ）密度・吸水率の試験（ＪＩＳＡ１１００）
材料密度は表乾材・絶乾材共に人工骨材（平均１．３２ｇ／ｃｍ² ）よりやや大きかった。しかし、吸水率では人工軽量骨材の５０％程度となっており、レジンフロアー等に使用する場合には、吸水率の少ない材料の方が床材として適している。
【００４４】
（ｃ）ロサンゼルス試験機によるすりへり試験（ＪＩＳＡ１１２１）
普通コンクリートの減少率１８．５％程度と比較しても、非常に良好な結果であった。参考値として岩石を立方体に近い粒形に手割にしたものをロサンゼルス試験機にて試験した場合、８５％程度のすりへり減量であり、アスファルト用粗骨材にて１８％前後である。
【００４５】
（ｄ）骨材中に含まれる粘土塊量の試験（ＪＩＳＡ１１３７）
粘土塊量０．１８％は、焼結灰等が本材の表面に付着したものと考えられる。ＪＩＳの基準値は１０％以下であり、人工軽量骨材メサライト（０．２８％）と比較しても、非常に安定した材料である。
【００４６】
（ｅ）破砕試験（Ｂ．Ｓ．８１２）
破砕試験では、４００ＫＮの加圧にて２０．６％であるが、以前行った曲げ圧縮試験結果では６１２．５Ｋｇｆ／ｃｍ² であり、人工軽量骨材（４７８Ｋｇｆ／ｃｍ² ）の１．２倍であり、強度の点で優れている。
【００４７】
（ｆ）透水性試験（ＪＩＳＳ７Ｈ１０１）
レジンフロアー材の透水性能の平均値は１．６４ｃｍ／ｓであった。対比する材料のインターロッキングブロック透水計数の基準（０．０１ｃｍ／ｓ以上）と比べて１６４倍の性能がある。
【００４８】
一般的に使用されている土木・建築材料と比べて総合的に非常によい評価結果となっている。
【００４９】
また、人体に影響を及ぼす重金属（１９９１年環境庁告示第４６号）などの有害成分も定量限界以下で、生活環境上安全である測定値となっている（表９を参照のこと）。
【００５０】
施工評価においては、前記製造工程で軽量混合焼結生成物を７５００Ｋｇ製造し、駿東郡清水町に建設のマンション１階・２階のバリヤフリー外廊下透水性通路に１５０ｍ² と東海大学沼津校舎サンサンハウス透水性通路４０ｍ² に施工した。施工結果においては、通常施工人工軽量骨材と比較し粒径が均一化されているので作業性が良好で施工し易く使用量も８５重量％となり施工時間も早い。また、骨材を結合させるバインダーも通常使用人工軽量骨材６．０重量％施工であるが、混合焼結生成物においては５．５重量％で施工が可能である。以上のような総合評価において、混合焼結生成物を使用することにより建設トータルコストも下げることが可能となる。
【００５１】
以下、表１０〜表１４に普通コンクリートと今回製造した混合軽量焼結生成物の各種比較試験結果を記載する。
【発明の効果】
本発明に係る廃棄物を原料とした軽量混合焼結生成物の製造方法においては、金属アルミが３重量％以上３０重量％以下含まれているアルミ鉱滓２５〜５０重量％、ＰＳ灰２５〜５０重量％、ガラス屑２０〜３０重量％を混合造粒し、１０００°Ｃ〜１２５０°Ｃで焼結することにより、圧壊強度の高い軽量骨材を製造するため、従来に比し、設備を簡易化することができるるとともに溶融処理のように大きなランニングコストを必要とせずエネルギーは少なくてすむため、処理コストを低額化でき、さらに、製造される多孔質軽量焼結生成物は多孔質で軽量であるためその用途も、従来に比し、拡大させることができるものである。よって、この軽量混合焼結生成物の製造方法を使用すれば、廃棄物を多用途に活用可能にして前記廃棄物の再資源化及び消滅化を図ることにより、循環型リサイクルの構築ができる。また、前記アルミ鉱滓に、金属アルミが３重量％以上30重量％以下含まれているため、この金属アルミの酸化反応熱の発熱カロリー〔２Ａｌ＋３／２Ｏ₂ →Ａｌ₂ Ｏ₃ ＋４００．５Ｋｃａｌ（７４２２Ｋｃａｌ／ＡｌＫｇ）〕と主成分であるＡｌ₂ Ｏ₃ を利用することができ、炉内設定焼結雰囲気温度を下げ、圧壊強度および耐磨耗性の高い骨材焼結が可能となる有効な原料である。なお、この場合、アルミ鉱滓の配合比を２５〜５０重量％とすればよい。
【００５２】
【表１】

【００５３】
【表２】

【００５４】
【表３】

【００５５】
【表４】

【００５６】
【表５】

【００５７】
【表６】

【００５８】
【表７】

【００５９】
【表８】

【００６０】
【表９】

【００６１】
【表１０】

【００６２】
【表１１】

【００６３】
【表１２】

【００６４】
【表１３】

【００６５】
【表１４】

Claims (1)

1. 金属アルミが３重量％以上３０重量％以下含まれているアルミ鉱滓２５〜５０重量％、ＰＳ灰２５〜５０重量％、ガラス屑２０〜３０重量％を混合造粒し、１０００°Ｃ〜１２５０°Ｃで焼結することにより、圧壊強度の高い軽量骨材を製造することを特徴とする軽量混合焼結生成物の製造方法。