JP4474906B2 - 炭酸固化体の製造方法 - Google Patents
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Description
したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、高い強度を有する炭酸固化体を安定して製造することができる炭酸固化体の製造方法を提供することにある。
また、これも理由は明らかではないが、細粒状の未炭酸化Ca含有原料に微粉原料を混合すると、製造中における原料層の膨張が抑制され、寸法精度が高い炭酸固化体が得られることも判明した。
[1]細粒状の未炭酸化Ca含有原料を主体とする原料を、水分を含んだ状態で炭酸ガスと接触させて炭酸化反応で固結させることにより、炭酸固化体を製造する方法であって、
粒径10mm以下であり、且つ粒径1.18mm以上の割合が10質量%以上の細粒状の未炭酸化Ca含有原料に、石灰石微粉末、アルミナ微粉末及び製鋼ダストの中から選ばれる1種以上である粒径100μm以下の微粉原料を、混合原料中の微粉原料の配合割合が1〜10質量%となるように混合し、該混合原料を炭酸化反応により固結させることを特徴とする炭酸固化体の製造方法。
[3]上記[1]又は[2]の製造方法において、混合原料の充填層を形成し、該原料充填層に炭酸ガス又は炭酸ガス含有ガスを吹き込むことを特徴とする炭酸固化体の製造方法。
本発明で使用する細粒状の未炭酸化Ca含有原料の種類に特別な制限はないが、例えば、コンクリートや鉄鋼製造プロセスで発生したスラグなどが挙げられる。
未炭酸化Ca含有原料中に含まれる未炭酸化Ca、すなわちCaO及び/又はCa(OH)2は、少なくとも固体粒子の組成の一部として含まれるものであればよく、したがって、鉱物としてのCaO、Ca(OH)2の他に、2CaO・SiO2、3CaO・SiO2、ガラスなどのように組成の一部として固体粒子中に存在するものも含まれる。
なお、使用可能な未炭酸化Ca含有原料の種類などについては、後に詳述する。
微粉原料の種類としては、疎水性を有しない材料、すなわち水に対する適度な濡れ性を示す材料であれば特に制限はない。例えば、石灰石微粉末、アルミナ微粉末や製鋼ダストなどのような金属酸化物微粉末が例示でき、これらの中から選ばれる1種以上を用いることができる。
なお、微粉原料を細粒状の未炭酸化Ca含有原料に添加・混合するに当たっては、微粉原料そのもの(すなわち、100%微粉原料)を細粒状の未炭酸化Ca含有原料に添加・混合する以外に、微粉分を含む原料を細粒状の未炭酸化Ca含有原料に添加・混合してもよく、この場合には、当該微粉分が微粉原料として機能することになる。
混合原料中での未炭酸化Ca含有原料の割合は、70質量%以上であることが好ましい。混合原料中での未炭酸化Ca含有原料の割合が70質量%未満では、炭酸化反応時の析出CaCO3量が不足するため、製品の強度が低下する。
(1) 微粉原料がCaCO3の反応サイト(析出核)となることによってCaCO3の生成が促進される。
(2) 微粉原料が析出核となって生成したCaCO3が細粒状の原料粒子間のブリッジとなり(CaCO3の生成時には、微粉原料がCaCO3の析出に必要な表面付着水を原料粒子間でブリッジする役目をする)、原料粒子間の結合を強固なものにする。
(3) 最終的に、微粉原料は生成したCaCO3中に取り込まれる状態となるため、この微粉原料の分だけCaCO3の見掛け上のボリュームが増加し、原料粒子間の結合が強化される
さらに、従来製法では、製造(炭酸化処理)中に原料層が膨張して、製品を寸法精度の許容範囲に収めることが難しくなるケースがあるが、未炭酸化Ca含有原料に微粉原料を混合する本発明製法では、そのような原料層の膨張が適切に抑制され、寸法精度が高い炭酸固化体が得られることも判明した。この理由は必ずしも明確ではないが、微粉原料を添加することによりCaCO3の析出核が増大する結果、未炭酸Ca含有原料の原料粒子間の空隙を埋める方向でCaCO3層が生成するためであると考えられる。
混合原料を炭酸化処理する方法に特別な制限はないが、一般には、型枠などの容器に混合原料を装入して原料充填層を形成し、この原料充填層に炭酸ガスを吹き込むことにより原料充填層を固化させる方法が簡便である。
既に述べたように、未炭酸化Ca含有原料を炭酸ガス存在下で炭酸化反応により固化させるには原料が適量の水分を含んでいること、より具体的には原料粒子の表面に表面付着水が存在することが必要である。また、図1(b)からも判るように、本発明製法の場合には、未炭酸化Ca含有原料に添加・混合された微粉原料自体も水の存在下でCaCO3の析出核となる。このため、未炭酸化Ca含有原料と微粉原料の混合原料には、必要に応じて水分が添加される。なお、この水分添加を未炭酸化Ca含有原料に対して行い、しかる後、この水分添加された未炭酸化Ca含有原料に微粉原料を添加・混合するようにしてもよい。
図2は本発明の一実施形態を示すもので、型枠1に原料を充填して原料充填層Aを形成し、この原料充填層A内に炭酸ガスを吹き込むようにしたものである。図1は、原料充填層Aを形成する型枠1を縦断面した状態を示している。
前記型枠1は実質的に気密又は半気密にすることが可能な型枠であって、本実施形態では、容器状の本体100とその上部を閉塞する蓋体101とから構成されている。前記本体100の底部にはガス給気部2(ガス給気用空間)が設けられるとともに、このガス給気部2と本体100との間の隔壁には多数のガス通孔20が形成されている。前記ガス給気部2にはガス供給管3が接続され、このガス供給管3を通じてガス給気部2内に炭酸ガス又は炭酸ガス含有ガス(以下、総称して“炭酸ガス”という)が供給される。また、型枠1の上部には型枠内に供給されたガスの排気を行うための排気管4が接続されている。その他図面において、5,6は各配管系に設けられた開閉弁である。
以上のような炭酸ガスの供給を所定時間行った後、固結した原料充填層Aを脱型し、製品である炭酸固化体を取り出す。
処理容器1aは実質的に気密にすることが可能な容器であって、その側部には原料出し入れ部102が設けられている。この処理容器1aにはガス供給管3aが接続され、このガス供給管3を通じて処理容器1a内に炭酸ガスが供給される。また、処理容器1aの上部には処理容器内に供給されたガスの排気を行うための排気管4aが接続されている。その他図面において、5a,6aは各配管系に設けられた開閉弁である。
以上のような炭酸化処理を所定時間行った後、製品である固結した予成形体B(炭酸固化体)を処理容器1aから取り出す。
また、本発明により製造される炭酸固化体は、漁礁・藻礁造成用石材、築磯用石材、水質浄化用石材、通水性舗装用石材、通水性被覆ブロック、埋設排水溝用ブロック、水耕栽培用ベース材、浄水用フィルター、給水用容器をはじめとする種々の用途に使用することができる。
細粒状の未炭酸化Ca含有原料としては、少なくとも組成の一部として未炭酸化Caを含むものであれば特に制限はないが、未炭酸化Caの含有率が高く、しかも資源のリサイクルを図ることができるという点で、鉄鋼製造プロセスで発生するスラグ、コンクリート(例えば、廃コンクリート)などが特に好ましい。一般に、鉄鋼製造プロセスで発生するスラグのCaO濃度は約13〜55mass%、また、コンクリート(例えば、廃コンクリート)のCaO濃度は約5〜15mass%(セメント中のCaO濃度:50〜60mass%)であり、また、これらは入手も容易であるため、未炭酸化Ca含有原料として極めて好適な素材であるといえる。したがって、未炭酸化Ca含有原料の少なくとも一部が、また特に望ましくは主たる原料がスラグ及び/又はコンクリートであることが好ましい。
また、鉄鋼製造プロセスで発生するスラグには相当量の鉄分(粒鉄などの鉄分)が含まれており、このようなスラグをそのまま使用すると、この鉄分の分だけ原料中でのCaO濃度が低下するため、スラグとしては地金(鉄分)回収処理を経たスラグを用いることが好ましい。
また、未炭酸化Ca含有材としては、上記のスラグやコンクリート以外に、モルタル、ガラス、アルミナセメント、CaO含有耐火物などが挙げられ、これらの1種以上を単独でまたは混合して、或いはスラグ及び/又はコンクリートと混合して使用することもできる。
これらの材料は必要に応じて細粒状に破砕処理され、原料として用いられる。
未炭酸化Ca含有原料は、その全量が未炭酸化Caを含む固体粒子である必要はない。すなわち、未炭酸化Ca含有原料に含まれる未炭酸化Caの炭酸化によって炭酸固化体のバインダーとして十分な量のCaCO3が生成されるのであれば、未炭酸化Ca含有原料に未炭酸化Caを含まない固体粒子が含まれていてもよい。このような固体粒子としては、例えば、天然石、砂、可溶性シリカ、金属(例えば、金属鉄、酸化鉄)などが挙げられる。
また、これらのうち金属鉄、酸化鉄、可溶性シリカなどは、本発明法により製造された炭酸固化体が水中沈設用材料として用いられる場合に、水中の硫黄や燐の固定剤、海藻類などの水生植物の栄養源などとして有効に作用する。また、これら以外にも任意の成分(粒子)を適量、すなわち炭酸固化体の強度低下などを招かない限度で含むことができる。
また、炭酸ガスの供給量にも特別な制限はないが、一般的な目安としては0.004〜0.5m3/min・t(原料ton)程度のガス供給量が確保できればよい。また、ガス供給時間(炭酸化処理時間)にも特別な制約はないが、目安としては炭酸ガスの供給量が未炭酸化Ca含有原料の重量の3%以上となる時点、すなわち、ガス量に換算すると原料1t当たり15m3以上、好ましくは200m3以上の炭酸ガスが供給されるまでガス供給を行うことが好ましい。
また、炭酸ガス又は炭酸ガス含有ガスは原料の乾燥を防ぐために加湿した状態で混合原料に供給されることが好ましい。このため混合原料にガスを供給するに当たっては、炭酸ガス又は炭酸ガス含有ガスを一旦水中に吹き込んでH2Oを飽和させた後、原料に供給することが好ましく、これにより混合原料の乾燥を防止して炭酸化反応を促進させることができる。
比較例として、全量が製鋼スラグ(粒径3mm以下で、且つ粒径1.18mm以上の割合が約22質量%の製鋼スラグ)からなる原料を、同様に型枠に装入・加振して高さ約0.5mの原料充填層を形成し、炭酸ガス含有ガス(CO2:25%)を100L/分の供給量で48時間かけて型枠の底部から前記原料充填層内に吹き込み、原料を炭酸固化させた。
以上のようにして製造された炭酸固化体から100mmφ×200mm高さの試験体(コア)を採取し、その圧縮強度(10本の平均値)を測定した結果を以下に示す。
本発明例:120kgf/cm2
比較例 :85kgf/cm2
Claims (3)
- 細粒状の未炭酸化Ca含有原料を主体とする原料を、水分を含んだ状態で炭酸ガスと接触させて炭酸化反応で固結させることにより、炭酸固化体を製造する方法であって、
粒径10mm以下であり、且つ粒径1.18mm以上の割合が10質量%以上の細粒状の未炭酸化Ca含有原料に、石灰石微粉末、アルミナ微粉末及び製鋼ダストの中から選ばれる1種以上である粒径100μm以下の微粉原料を、混合原料中の微粉原料の配合割合が1〜10質量%となるように混合し、該混合原料を炭酸化反応により固結させることを特徴とする炭酸固化体の製造方法。 - 混合原料中での未炭酸化Ca含有原料の割合が70質量%以上であることを特徴とする請求項1に記載の炭酸固化体の製造方法。
- 混合原料の充填層を形成し、該原料充填層に炭酸ガス又は炭酸ガス含有ガスを吹き込むことを特徴とする請求項1又は2に記載の炭酸固化体の製造方法。
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