JP4494311B2

JP4494311B2 - ガラス発泡体

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Publication number: JP4494311B2
Application number: JP2005235007A
Authority: JP
Inventors: 改造古川
Original assignee: 改造古川
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2025-08-12
Also published as: JP2007070125A

Description

本発明は、ガラス質材粉、鹿沼土粉等および貝殻粉から成る混合材料を溶融発泡させ、連続気泡を形成させたガラス発泡体に関する。

従来より、無機系廃材の一種であるガラス質や石炭灰などの再資源化のために、該無機系廃材の数種を混合加熱し、ガラス質等のマトリックス中に独立気泡を形成して、断熱性や防音性に優れたガラス質発泡体や軽量の人工骨材等が開発されている。
また最近では、所望する比重のガラス質発泡体を形成する無機系発泡体組成物が提供されている。具体的には、特許文献１において板状の長尺発泡体として形成し、水質改善に実用化している。
その内容の概略は、ガラス質廃材、燃焼灰、煉瓦質廃材などの無機系発泡体組成物粉体と貝殻粉体を混合し、メッシュベルトの上に厚さ７ｍｍ、幅０.４ｍ、長さ１.２ｍに堆積させ、６００〜９６０℃の段階的加熱を３０〜６０分間行った。その結果、該無機系発泡体組成物粉体は厚さ１５ｍｍ、幅０.４ｍ、長さ１.２ｍに容積が約２倍に発泡し、板状の長尺無機系発泡体を形成している。
該発泡体の製造方法はメッシュベルト上に粉体を積載する方式であるので、比重の異なる層の一体化が可能であり、このような方法で形成された板状の長尺発泡体は、低比重発泡体層と高比重発泡体層が一体となっている。この一体化発泡体の低比重発泡体層を上にし、高比重発泡体層を下にして湖底などに設置、固定することが可能になっている。湖底において水流が当たり易くなるので、水中の有機物の分解など水質浄化を効率良く行うことができるようになると共に、金属イオンの溶出による漁礁が形成され、藻が付着して生物膜が生息し易くなっている。

溶融したガラス質等の中においては、自身の持つ粘性のために、発生した二酸化炭素がガラス層から抜け出ることができず、独立気泡は形成できるが、通気孔を有する連続気孔は形成できていない。連続気泡の場合は連通孔の作用で、水質改善、空気質改善などに有効であるが、独立気泡の場合は、種々の改善には限度があり、断熱性や防音性などに限定されているのが実情である。

特願２００２−２８７７０５

そこで本発明は、鹿沼土等による金属や汚濁物を吸着することに着目すると共に、ガラス質材、鹿沼土等、発泡材の粉体材料を溶解融合させて連続気泡保持のガラス発泡体を形成する技術を提案するものである。

上記目的を達成するために、本発明請求項１記載のガラス発泡体にあっては、ガラス質材粉１００重量部、鹿沼土粉および赤玉土粉を合量で５０〜１００重量部、および発泡材粉１０〜２０重量部を採取混合して、８００〜１１００℃の炉中で焼成発泡させた後、粉体、粒体とすることを特徴とする。

請求項２記載のガラス発泡体は、ガラス質材粉を窓用板ガラス、コップ、ビンなどとし、その粒子径を１〜１０００μｍの粉体、粒体とすることを特徴とする。

請求項３記載のガラス発泡体は、鹿沼土粉、赤玉土粉の粒子径を１〜１０００μｍの粉体、粒体とすることを特徴とする。

請求項４記載のガラス発泡体は、発泡材粉をあこや貝殻、ほたて貝殻、牡蠣殻など貝殻由来の炭酸カルシウム粉体とし、その粒子径を１〜１０００μｍの粉体、粒体とすることを特徴とする。

本発明の懸かるガラス発泡体は、鹿沼土粉等がガラス質材粉および発泡材粉と混合され、連続焼成炉中で階段状に焼成されるので、連続気泡を有するCaO-Al₂O₃-SiO₂系非晶質体を形成する。表面積が大きい非晶質体であるのでＶＯＣ、重金属イオン等の吸着ができる。CaO-Al₂O₃-SiO₂系であるので重金属イオン等の吸着、還元、イオン交換を促進する機能を内在することができる。

そこで本発明は、ガラス質材粉、鹿沼土粉等および発泡材粉を構成素材とし、各素材の機能とその選択理由を説明する。
最初に、配合量の最も多いガラス発泡体組成物であるガラス質材粉について説明する。ガラス質材粉は窓用板ガラス、コップ、ビンなどを原料とし、クラッシャーに掛けて粉砕し、粒子径を１〜１０００μｍの粉体、粒体とした。ガラス質材粉は、鹿沼土粉等や発泡材粉より先に８００℃位の低い温度でその表面が軟化溶融する。次の段階で、やや高温の９００℃に加熱すると鹿沼土粉等と発泡材粉に溶融ガラスが付着し、更に１０００℃へ高温に加熱すると、溶融ガラスに包まれた発泡材粉から二酸化炭素ガスが発生し、鹿沼土粉等を撹拌・混合させながら溶融ガラスを膨らます。このとき、元の容積に比べて１．５倍以上に膨張させることができる。最終的に更に高温の１１００℃に加熱すると、該発生ガスにより溶融ガラスの中の気泡が破裂し、ガスが溶融物の表面から噴出す。この噴出したガスの通路が固まってできたのが通気孔となる。
ガラス質材の粒子径を１〜１０００μｍに制御したことが鹿沼土粉等や発泡材粉の機能を生かし、配合を有効にしている。１μｍ未満の粒子径では加熱溶融して鹿沼土粉等粉体間の隙間を埋める程度で、鹿沼土粉等の表面を被覆するまでに至らない。また、１０００μｍ超の粒子径では加熱時鹿沼土粉等の隙間が大きいため溶融して結合しがたく機械的強度が低下する。

次に、鹿沼土粉、赤玉土粉などは、その粒子径を１〜１０００μｍの粉体、粒体とした。該粉体を拡大した状況を、図２４〜図２５の電子顕微鏡写真で示す。また、図２６には鹿沼土粉と赤玉土粉及びガラス質材とを溶融混合した状態における電子顕微鏡写真を示す。これらの写真に示されるように、鹿沼土、赤玉土などが本発明において使用可能であり、そのいずれの写真にも通気孔がはっきりと現れ、通気孔の深さが確認できる。
該鹿沼土粉等の表面はガラス質材の粘性によって被覆され、炉内温度が１０００〜１１００℃に達すると、該鹿沼土粉等は次第に溶融を開始すると共に、該溶融ガラス質材中の気泡は破裂し、二酸化炭素ガスがその表面から噴出して通気孔となる。この通気孔は、溶融した鹿沼土粉等と結合し、鹿沼土粉等はガラスを介して通気できることになる。すなわち、ガラス質材粉と鹿沼土粉等は連続気泡を形成して一体化される。一体化により、例えば板状に形成されたガラス発泡体の上から水をかけると、板下に水が抜け落ちてしまう。
鹿沼土粉等の粒子径を１〜１０００μｍの粉体、粒体としたのは、連続気泡を形成して一体化する範囲である知見を得たことによる。また、鹿沼土粉等の主成分であるケイ酸アルミニウムは、１μｍ以下の中空形状で微細な孔を有し、電気的な結合により化学物質を吸着したり、ガス吸着が可能である。
この鹿沼土粉と赤玉土粉とは共に混合されることが必要であるが、その混合割合には限定されず、壁材のＶＯＣ吸着・分解能や、重金属吸着、色素吸着等、その用途に応じて互いの混合割合を変化させるものとする。
又、本発明の混合素材には、用途に応じて、例えば鉄、チタン等の第三成分を追加混合させることも自由である。

三つ目の構成素材である発泡材粉は、あこや貝殻、ほたて貝殻、牡蠣殻など貝殻由来の炭酸カルシウム粉体とし、その粒子径を１〜１０００μｍの粉体、粒体とした。特に貝殻の場合、海水の塩分は該無機系粉体の発泡を阻害するので、水洗するか、自然放置して塩分を除去することが必要である。また、粒子径を１〜１０００μｍとしたのは、炭酸カルシウムが熱分解して最も多量に二酸化炭素を発生させ得る粒子径とした。

以上のように、各構成素材の機能と品質に勘案して、ガラス発泡体を実現するものである。その基本配合を表１に示す。この配合表に従って混合し、焼成炉内温度を８００〜１１００℃とし、階段状に温度を上昇させて発生する二酸化炭素がガラス発泡体配合剤を撹拌・混合・溶融しながら連続気泡を形成する。

本発明の懸かるガラス発泡体は、鹿沼土粉等がガラス質材粉、および発泡材粉と混合され、連続焼成炉中で階段状に焼成される。
焼成温度が８００〜９００℃の段階において、ガラス質材粉は溶融すると共に、発泡材粉は熱分解して二酸化炭素を発生させる。この二酸化炭素は、該溶融ガラス質材と鹿沼土粉等の撹拌・混合を行い、該溶融ガラス質材中に連続気泡を形成し始める。
次工程の焼成温度が９００〜１１００℃の炉中では、鹿沼土粉等は溶融したガラス質材に覆われ、ガラス質材の溶融熱が鹿沼土粉粒子の表層へ均等に伝播される。該溶融熱が１０００〜１１００℃に達したら、鹿沼土は軟化点に至るので、該鹿沼土粉粒子は次第に溶解して、CaO-Al₂O₃-SiO₂系非晶質体を形成する。ここで、CaOは発泡材に由来し、Al₂O₃、SiO₂は鹿沼土に由来するものであり、更にSiO₂はガラスにも由来するものである。
最終段階において、連続焼成炉から排出され、急冷されるので、形成された該ガラス発泡体は連続気泡を維持しつつ、非常に脆い非晶質粉粒体となる。粉砕し易く、配合剤として利用し易い。
形成された非晶質粉粒体は、連続気泡を有し、且つ１粉粒体の表面積が大きいので、気体等の吸着は表層から内部に至るまで広範囲において可能となる。更に、形成された非晶質粉粒体は、１粉粒体表面および内部に金属イオンを通すのに都合の良い隙間が多く、イオン伝導を内在する。その結果、特にCaO-Al₂O₃-SiO₂系は、PO₄ ^2-、NH₄ ⁺、Ni²⁺、その他重金属イオンの複合吸着を行い、Ca²⁺とNi²⁺のイオン交換を可能にし、Cr⁶⁺をCr³⁺に還元機能を保持して、水中や土中の重金属イオン等を捕獲することができる。

（実施例）
この発明の実施例を、上記実施の形態に基づいて製作し、各種性能の確認を行った。その実施状況を図１〜図２３、更に表２、表３、表４に従って説明する。

（実施例１）
上記の形態に基づいて製作したガラス発泡体は、用途に応じた配合で発泡させ、所定の粒子径に粉砕した。表２は、本実施例のガラス発泡体に係わる配合を示し、混合加熱発泡して粉砕し、粉体として採取した。次に、該粉状ガラス発泡体を採取し、１２ｍｍ厚さのプラスターボードに２〜３ｍｍ厚さのガラス発泡体配合材を塗布した。その配合を表３に示す。

（試験１）
上記の実施例に基づいて製作したガラスチャンバー内に、本壁材を入れ、ＶＯＣの代表としてホルムアルデヒド３０％溶液を1.6ppm（vol）添加して吸着試験を行った。その結果を図１および図２に示す。図によれば、この素材で１時間後に濃度は0.2ppm（vol）に減少し、除去率は89％に達した。

（試験２）
上記のガラスチャンバー内に上記壁材を入れ、アンモニアを30ppm（vol）添加して吸着試験を行った。その結果を図３および図４に示す。図によれば、この素材で１時間後に濃度は0.5ppm（vol）に減少し、除去率は85％に達した。

（試験３）
同様に、上記のガラスチャンバー内に上記壁材を入れ、窒素酸化物を3.4ppm（vol）添加して吸着試験を行った。その結果を図5および図6に示す。図によれば、この素材で１時間後に濃度は0.2ppm（vol）に減少し、除去率は96％に達した。

（実施例２）
上記の形態に基づいて製作した、もう一つのガラス発泡体配合を形成した。表４は、本実施例の粉状ガラス発泡体を製造するための配合を示し、混合加熱発泡して粉砕し、所定の粒子径を得た。次に、該粉状ガラス発泡体を採取し、板状、球状、粒状などのガラス発泡体を製作した。

（試験４）
上記の形態に基づき、ヒ素濃度10ppm水溶液に粒状ガラス発泡体を投入し、吸着試験を行った。その結果を図７および図８に示す。図によれば、この素材で１日後に濃度は1ppm（vol）以下に減少し、除去率は95％に達した。

（試験５）
上記の形態に基づき、リン酸イオン濃度100ppm水溶液に板状ガラス発泡体を投入し、凝集吸着試験を行った。その結果を図９および図１０に示す。図によれば、この素材で６時間後に濃度は4.9ppm（vol）に減少し、除去率は95.1％に達した。

（試験６）
上記の形態に基づき、カドミウム濃度100ppm水溶液に板状ガラス発泡体を投入し、凝集吸着試験を行った。その結果を図１１および図１２に示す。図によれば、この素材で６時間後に濃度は1.3ppm（vol）に減少し、除去率は98.7％に達した。

（試験７）
上記の形態に基づき、ニッケル濃度100ppm水溶液に板状ガラス発泡体を投入し、凝集吸着試験を行った。その結果を図１３および図１４に示す。図によれば、この素材で６時間後の濃度は残渣程度となり、ほぼ全濃度を吸着した。

（試験８）
上記の形態に基づき、クロム濃度100ppm水溶液に板状ガラス発泡体を投入し、凝集吸着試験を行った。その結果を図１５および図１６に示す。図によれば、この素材で６時間後に濃度は86.5ppm（vol）に減少し、除去率は13.5％であった。

（試験９）
上記の形態に基づき、銅濃度100ppm水溶液に板状ガラス発泡体を投入し、凝集吸着試験を行った。その結果を図１７および図１８に示す。図によれば、この素材で６時間後の濃度は残渣程度となり、ほぼ全濃度を吸着した。

（試験１０）
上記の形態に基づき、フッ素濃度100ppm水溶液に粒状ガラス発泡体を投入し、吸着試験を行った。その結果を図１９に示す。図によれば、６時間後の除去率は、粒子の大きい素材で40.1％、粒子の小さい素材で46％であった。粒子の小さい素材の方がその表面積が大きいことから、吸着力が大きいことを示している。

（試験１１）
上記の形態に基づき、ホウ素濃度100ppm水溶液に粒状ガラス発泡体を投入し、吸着試験を行った。その結果を図２０に示す。図によれば、６時間後の除去率は、粒子の大きい素材で22.5％、粒子の小さい素材で28％であった。

（試験１２）
上記の形態に基づき、鉛濃度100ppm水溶液に粒状ガラス発泡体を投入し、吸着試験を行った。その結果を図２１に示す。図によれば、６時間後の除去率は、粒子の大きい素材で92％、粒子の小さい素材で99％であった。

（試験１３）
上記の形態に基づき、亜鉛濃度100ppm水溶液に粒状ガラス発泡体を投入し、吸着試験を行った。その結果を図２２に示す。図によれば、６時間後の除去率は、粒子の大きい素材で78％、粒子の小さい素材で88％であった。

（試験１４）
上記の形態に基づき、色素濃度1000ppm水溶液を水道水100mlに１ml添加し、1gずつの板状および粒状ガラス発泡体を投入して、色素吸着試験を行った。色素が該水道水に吸着され、透明になると随時追加して、吸着不能になるまで継続した。その結果を図２３に示す。図によれば、板状ガラス発泡体１gは７〜10mlの色素を吸着し、粒状ガラス発泡体１gは９〜13mlの色素を吸着した。なお、色素にはクリスタルバイオレットおよびメチレンブルーを使用した。

本発明は、新建材から放出されるＶＯＣの吸着、湖水などの水質浄化、水中や土中の重金属イオン等を捕獲して、地球環境の保護に広く利用され得る。

本発明のホルムアルデヒド３０％溶液の吸着状況を示すグラフ図。本発明のホルムアルデヒド３０％溶液の除去率を示すグラフ図。本発明のアンモニア30ppm（vol）の吸着状況を示すグラフ図。本発明のアンモニア30ppm（vol）の除去率を示すグラフ図。本発明の窒素酸化物濃度3.4ppm（vol）の吸着状況を示すグラフ図。本発明の窒素酸化物濃度3.4ppm（vol）の除去率を示すグラフ図。本発明のヒ素濃度10ppm水溶液の吸着状況を示すグラフ図。本発明のヒ素濃度10ppm水溶液の除去率を示すグラフ図。本発明のリン酸イオン濃度100ppm水溶液の吸着状況を示すグラフ図。本発明のリン酸イオン濃度100ppm水溶液の除去率を示すグラフ図。本発明のカドミウム濃度100ppm水溶液の吸着状況を示すグラフ図。本発明のカドミウム濃度100ppm水溶液の除去率を示すグラフ図。本発明のニッケル濃度100ppm水溶液の吸着状況を示すグラフ図。本発明のニッケル濃度100ppm水溶液の除去率を示すグラフ図。本発明のクロム濃度100ppm水溶液の吸着状況を示すグラフ図。本発明のクロム濃度100ppm水溶液の除去率を示すグラフ図。本発明の銅濃度100ppm水溶液の吸着状況を示すグラフ図。本発明の銅濃度100ppm水溶液の除去率を示すグラフ図。本発明のフッ素濃度100ppm水溶液の除去率を示すグラフ図。本発明のホウ素濃度100ppm水溶液の除去率を示すグラフ図。本発明の鉛濃度100ppm水溶液の除去率を示すグラフ図。本発明の亜鉛濃度100ppm水溶液の除去率を示すグラフ図。本発明の色素濃度1000ppm水溶液の吸着状況を示すグラフ図。本発明の使用材料である鹿沼土の電子顕微鏡による拡大写真（500倍）本発明の使用材料である赤玉土の電子顕微鏡による拡大写真（2,000倍）本発明の使用材料である鹿沼土と赤玉土及びガラス質材とを溶融した状態の電子顕微鏡による拡大写真（1,000倍）

Claims

ガラス質材粉１００重量部、鹿沼土粉および赤玉土粉を合量で５０〜１００重量部、および発泡材粉１０〜２０重量部を採取混合して、８００〜１１００℃の炉中で焼成発泡させた後、粉体、粒体とすることを特徴とするガラス発泡体。
ガラス質材粉を窓用板ガラス、コップ、ビンなどとし、その粒子径を１〜１０００μｍの粉体、粒体とすることを特徴とする請求項１記載のガラス発泡体。
鹿沼土粉、赤玉土粉の粒子径を１〜１０００μｍの粉体、粒体とすることを特徴とする請求項１記載のガラス発泡体。
発泡材粉をあこや貝殻、ほたて貝殻、牡蠣殻など貝殻由来の炭酸カルシウム粉体とし、その粒子径を１〜１０００μｍの粉体、粒体とすることを特徴とする請求項１記載のガラス発泡体。