JP4580321B2 - Continuous synthesis method of high-performance zeolite - Google Patents
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- Silicates, Zeolites, And Molecular Sieves (AREA)
Description
本発明は、シリカ及び/又はアルミナを含む固体原料からゼオライトを合成する方法に関し、固体原料のアルカリ水溶液との混合,加熱,溶解,温度調節,副原料の添加を経て連続的に反応させ、環境基準を満足するレベルまで重金属が除去された所望の型(A型,X型,Y型)のゼオライトを連続合成する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for synthesizing zeolite from a solid raw material containing silica and / or alumina, and reacts continuously by mixing, heating, dissolving, adjusting the temperature, adding a secondary raw material with an alkaline aqueous solution of the solid raw material, The present invention relates to a method for continuously synthesizing a desired type (A type, X type, Y type) zeolite from which heavy metals have been removed to a level satisfying the standard.
ゼオライトは、シリカとアルミナが規則的な立体構造をもち、結晶水を含んだアルミノケイ酸塩に属するケイ酸塩鉱物で、イオン交換性の陽イオンを含み、可逆脱水されやすい弱く保持された水と結合し、三次元網目状構造をもつなどの特徴がある。ゼオライトはその強い吸着性から乾燥材や脱臭剤として使用され、また水溶液中で陽イオン交換性をもつため土壌改良材,廃水処理,養魚池の浄化などに使用されている。また、固体酸としての触媒作用もあることから、例えば、ガソリン製造用の触媒として使用されることもあり、更に、分子ふるいとして、潤滑油の精製などにも使用されている。 Zeolite is a silicate mineral that belongs to an aluminosilicate that has a regular three-dimensional structure of silica and alumina and contains crystal water, contains ion-exchangeable cations, and is weakly retained water that is easily reversibly dehydrated. It has features such as being connected and having a three-dimensional network structure. Zeolite is used as a desiccant and deodorant because of its strong adsorptivity, and because it has cation exchange in aqueous solution, it is used for soil improvement materials, wastewater treatment, and purification of fish ponds. Moreover, since it also has a catalytic action as a solid acid, it may be used, for example, as a catalyst for gasoline production, and further used as a molecular sieve for purification of lubricating oil.
ゼオライトは大きく天然ゼオライトと合成ゼオライトに分けられるが、特に石炭灰から合成されたゼオライトは人工ゼオライトと呼ばれることが多い。天然ゼオライトは、鉱物資源として2〜3種類のゼオライトが主に産出されているが、天然鉱物のため、廉価であるものの、不純物が多く、また不純物の含有量が不定であることから、ゼオライトの機能が低く、更に不純物の含有量により品質に大きなばらつきが出るという使用上の問題がある。廉価であることから一部農業土壌改良,排水水質浄化分野で使用され年々需要が増えてきているが、天然鉱物のため、産出量に限度があり、今後増大する需要に対応できないおそれがある。 Zeolite is roughly classified into natural zeolite and synthetic zeolite, and especially zeolite synthesized from coal ash is often called artificial zeolite. Natural zeolites are mainly produced in two or three types of zeolite as mineral resources, but they are inexpensive, but they contain many impurities and the content of impurities is indefinite. There is a problem in use that the function is low and the quality varies greatly depending on the content of impurities. Due to its low price, it has been used in some fields such as agricultural soil improvement and drainage water purification, and its demand has been increasing year by year.
合成ゼオライトは、主に工業原料から製造され、従来からアルミン酸ソーダ、水ガラス及び苛性ソーダを主原料として回分式(バッチ式)装置により多種類の純度の高い単結晶ゼオライトが合成されている。この合成ゼオライトは不純物のない純度の高い単結晶であるため、高機能を発揮するが、原料が工業原料であること、及び、回分式装置による少量生産のため製造コストが高いという問題がある。従って、利用分野は特殊な分野に限られ、農業土壌改良、一般土壌改良、排水水質浄化等の大規模消費分野には利用されていない。 Synthetic zeolites are mainly produced from industrial raw materials, and conventionally, various types of single crystal zeolites with high purity are synthesized by a batch type apparatus using sodium aluminate, water glass and caustic soda as main raw materials. Since this synthetic zeolite is a single crystal having a high purity without impurities, it exhibits high functions, but there are problems that the raw material is an industrial raw material and that the production cost is high due to a small amount of production using a batch apparatus. Therefore, the application field is limited to a special field, and it is not used for large-scale consumption fields such as agricultural soil improvement, general soil improvement, and drainage water purification.
次に、人工ゼオライトは、一部のメーカーによって石炭灰からの合成が行われ、人工ゼオライトと呼称して製造販売されている。このような人工ゼオライトは、例えば、特許文献1〜特許文献3に開示されているような回分式或は半回分式装置により製造されている。 Next, artificial zeolite is synthesized from coal ash by some manufacturers, and is manufactured and sold under the name of artificial zeolite. Such artificial zeolite is manufactured by a batch type or semi-batch type device as disclosed in Patent Documents 1 to 3, for example.
上記の人工ゼオライトは、多種類あるゼオライトのうちP型のものを主成分としたもので、ときには1種類から数種類のゼオライト及び/又はゼオライトではないソーダライトを少量含む混結晶のゼオライトを含むものもあり、回分式装置により製造されている。廃棄物である石炭灰から単結晶のゼオライトを合成するには、合成するゼオライト毎に違った一定の狭い合成条件を作る必要があるが、回分式装置では合成条件を狭い範囲で一定に保つことができないため、P型ゼオライトを主成分とした混結晶のゼオライトが製造されることになる。一般にP型ゼオライトはその細孔径が2.6Åと多数種あるゼオライトの中で一番小さく、仮に、陽イオン交換容量が他のゼオライトと同等としても、用途先が限られてくるという問題があった。 The above artificial zeolite is mainly composed of P-type zeolites among many kinds of zeolites, and sometimes contains one to several kinds of zeolites and / or mixed crystal zeolites containing a small amount of non-zeolite sodalite. Yes, manufactured by batch-type equipment. In order to synthesize single-crystal zeolite from coal ash, which is a waste product, it is necessary to create specific narrow synthesis conditions that differ for each zeolite to be synthesized. However, in batch equipment, the synthesis conditions must be kept constant within a narrow range. Therefore, a mixed crystal zeolite composed mainly of P-type zeolite is produced. In general, P-type zeolite has the smallest pore size among 2.6 kinds of zeolites, and there is a problem that applications are limited even if the cation exchange capacity is equivalent to other zeolites. .
更に、人工ゼオライトは、上述したように回分式装置により製造されているため、現在までA型、X型又はY型の単結晶高機能ゼオライトの合成に至らず、各製造バッチ毎に混結晶の上に、主成分のP型ゼオライトの純度がばらつくと共に、混結晶の割合もばらつくので、品質が均一でないという問題があり、このような問題ゆえに、その利用先があまり広がっていない。なお、上記において単結晶高機能ゼオライトとは、A型、X型又はY型のいずれかの結晶タイプのものを単独で含有するという意味で、例えば、A型の場合は、他のX型,Y型,P型のものは含有しないという意味であるが、ゼオライト結晶以外のものが全く含有されないという意味ではない。この点は、以下も同じである。 Furthermore, since artificial zeolite is manufactured by a batch-type apparatus as described above, it has not led to synthesis of single-crystal high-performance zeolite of A type, X type or Y type until now, and mixed crystals are produced for each production batch. In addition, the purity of the main component P-type zeolite varies and the proportion of mixed crystals also varies, so there is a problem that the quality is not uniform. Due to these problems, the usage destinations are not so wide. In the above, the single crystal high-functional zeolite means that any one of the crystal types of A type, X type and Y type is contained alone. For example, in the case of A type, other X type, This means that Y-type and P-type materials are not contained, but it does not mean that anything other than zeolite crystals is not contained. This also applies to the following.
回分式装置には上記のような問題があったことから、最近、ゼオライトの連続製造方法や装置が、例えば、特許文献4や特許文献5に提案されている。
Since there existed the above problems in a batch type apparatus, the continuous manufacturing method and apparatus of a zeolite are proposed by patent document 4 and
特許文献4の例は、循環流動槽により人工ゼオライトを連続的に製造する方法とそのための装置に関するもので、この装置によれば撹拌は比較的よく行われるが、循環により反応生成物と原料が混ざるバックミキシングが起こるため、P型を主成分とする混結晶ゼオライトが合成され、A型、X型又はY型のいずれかの単結晶高機能ゼオライトを選択的に合成できないという問題があった。 The example of Patent Document 4 relates to a method for continuously producing artificial zeolite in a circulating fluidized tank and an apparatus therefor. According to this apparatus, stirring is performed relatively well, but reaction products and raw materials are circulated. Since mixed backmixing occurs, there is a problem that a mixed crystal zeolite mainly composed of P type is synthesized, and any single crystal high-functional zeolite of A type, X type or Y type cannot be selectively synthesized.
特許文献5の例は、特許文献4の例における問題点を解決するために提案されたもので、反応工程を、管接触反応工程と回転ディスク接触反応工程の二工程に分け、管接触反応工程においてゼオライト原料を接触反応管内に連続的に通過させてゼオライト中間組成物を生成し、その中間組成物を回転ディスク接触反応工程において多段回転ディスクにより順次撹拌して所望のゼオライトを生成する方法である。
The example of
しかし乍ら、特許文献5の方法では、第一工程の管接触反応工程における石炭灰及び副原料の溶解温度に比べ、溶解後の初期反応のための反応温度が低いため、適正初期反応温度より高温の溶解温度で初期反応が起こるとA型、X型又はY型ゼオライト前駆体の他にP型ゼオライトの前駆体もでき、A型、X型又はY型の単結晶高機能ゼオライトを合成できず、P型ゼオライトが混結晶する問題が生じる。
However, in the method of
更に、特許文献5の発明では、ゼオライト原料又はゼオライト中間組成物に特定のSi/Al比を有する一種又は二種以上の結晶鉱物を添加してゼオライト化反応をさせることによって、多種多様な廃棄物等を原料として使用した場合であっても、添加した結晶鉱物に対応した特定の種類のゼオライトを誘導するようにしているので、その結果、予めSi/Al比を所定の値に調整することなく、任意のSi/Al比を有する廃棄物等をゼオライト原料として容易に採用することができるとしているが、これはP型ゼオライトを主成分に混結晶のゼオライトを合成する場合であり、これでは単結晶の高機能ゼオライト(A型,X型,Y型)を選択的に製造することはできない。加えて、循環工程も設けられていることから、バックミキシングが起こるため、P型を主成分とする混結晶ゼオライトが合成され、A型、X型又はY型の単結晶高機能ゼオライトを合成できないという問題があった。
Further, in the invention of
次に、特許文献6には、石炭灰を主原料としたA型ゼオライトの製造方法についての発明が記載されているが、特許文献6の発明には、A型、X型又はY型のいずれかの単結晶高機能ゼオライトを選択的に合成する構成はなく、また、特許文献6にはこれらのゼオライトを連続的に製造する方法や装置については開示されていない。また、特許文献6の発明では、主原料となる石炭灰をアルカリ溶液中で所定の温度,時間において撹拌した後、副原料となるアルミニウム源,ナトリウム源及び水を添加して加熱撹拌し反応させているが、加熱しながら反応させるため、反応温度の調整が難しく、所望の型のゼオライトを効率良く製造することは勿論、連続して製造することができないという問題があった。 Next, Patent Document 6 describes an invention relating to a method for producing A-type zeolite using coal ash as a main raw material, but the invention of Patent Document 6 includes any of A-type, X-type, and Y-type. There is no structure for selectively synthesizing such single-crystal high-functional zeolite, and Patent Document 6 does not disclose a method or apparatus for continuously producing these zeolites. In the invention of Patent Document 6, coal ash as a main raw material is stirred in an alkaline solution at a predetermined temperature and time, and then an aluminum source, a sodium source and water as auxiliary raw materials are added and heated to stir to react. However, since the reaction is carried out while heating, there is a problem that it is difficult to adjust the reaction temperature, and it is impossible to produce a desired type of zeolite efficiently, as well as to produce continuously.
また、石炭灰や下水道汚泥焼却灰などには重金属が濃縮されたかたちで残っているため、現在はこれらはセメント原料に利用されるか、不要な分は重金属が流出しない保全対策を講じたうえで埋立処分される場合が多い。石炭灰、下水汚泥焼却灰、都市ゴミ焼却灰などのSiO2,Al2O3を含む産業廃棄物を原料として水熱合成によってゼオライトを製造することができるが、製造されたゼオライト中にも重金属が一部含まれることが確認されており、用途拡大の制限となっている。石炭灰などに濃縮された重金属を資源化に必要な成分を溶出させずに、資源化の前処理として環境基準を満足するレベルまで除去できれば、製品のゼオライトなどを土壌改良材などに幅広く使う用途が開ける。しかしながら、特許文献1〜6の発明では、ゼオライトの製造において重金属を除去することやそのための技術についての検討はなされていない。 Also, since heavy metals remain in the form of coal ash and sewage sludge incineration ash, etc., these are currently used as cement raw materials, or after taking measures to prevent unnecessary heavy metals from flowing out. In many cases, landfills are disposed of. Zeolite can be produced by hydrothermal synthesis using industrial waste containing SiO 2 and Al 2 O 3 such as coal ash, sewage sludge incineration ash, municipal waste incineration ash, etc., but heavy metals are also included in the produced zeolite Has been confirmed to be partly included, limiting the use expansion. If the heavy metals concentrated in coal ash, etc. can be removed to a level that satisfies environmental standards as a pretreatment for resource recovery without eluting the components necessary for resource recovery, the product can be used in a wide variety of soil improvement materials, etc. Will open. However, in the inventions of Patent Documents 1 to 6, no study has been made on the removal of heavy metals and the technology therefor in the production of zeolite.
なお、一般的な従来の重金属除去方法として酸を利用した含有重金属を溶解して除去する方法は既に良く知られている。しかしながら、この方法によれば、石炭灰等の産業廃棄物に含有されている重金属類は除去できるが、石炭灰等に含まれているゼオライト合成に必要なシリカとアルミナ成分が溶出してしまうため、従来の酸を利用した重金属除去方法をそのまま適用できないという問題があった。 In addition, as a general conventional heavy metal removal method, a method of dissolving and removing contained heavy metal using an acid is already well known. However, according to this method, heavy metals contained in industrial waste such as coal ash can be removed, but silica and alumina components required for zeolite synthesis contained in coal ash etc. are eluted. However, there is a problem that the conventional heavy metal removal method using an acid cannot be applied as it is.
また、焼却灰は粒状又は不定形の粒子で構成されており、石炭灰の場合はフライアッシュで1μmから200μmの粒子で構成されている。例えば、石炭灰等の焼却灰を主原料にしてゼオライト合成を行った時、ゼオライト合成の原料となるシリカ、アルミナは焼却灰の各粒子の表面から溶出し、各粒子の表面でゼオライト合成が行われる。従って、合成されたゼオライトは石炭灰の粒子に合成されたゼオライト分の粒径が追加されるため、合成されたゼオライト粒径は主原料の焼却灰の粒径以下にはならないという問題もあった。
因みに、苛性ソーダ、アルミン酸ソーダ、水ガラス等の工業原料から合成されたゼオライトは粒径が10μm以下のため、一例として細粒ゼオライトをコンクリートに混合したとき、流動性が向上するためコンクリートの水分を減少できることが確認されているが、現在のところは工業原料から回分式装置により製造されているため、ゼオライト製造コストが高くなってしまい、用途の普及がなされていない。
Incidentally, the zeolite synthesized from industrial raw materials such as caustic soda, sodium aluminate, water glass, etc. has a particle size of 10 μm or less. Although it has been confirmed that it can be reduced, since it is currently produced from industrial raw materials by a batch-type apparatus, the production cost of zeolite is increased, and its use is not widespread.
従来の回分式装置による製造方法に代え提案されている人工ゼオライトの連続製造方法や装置には上記のような問題があり、また、加熱撹拌しながら反応させる方法では所望の型のゼオライトの連続合成は難しいという問題があり、更に、合成されたゼオライトには環境基準で定められた値以上の重金属が含まれているという問題があった。 The proposed continuous production method and apparatus for artificial zeolite, which replaces the conventional batch-type production method, have the above-mentioned problems, and the method of reacting while stirring with heating continuously synthesizes the desired type of zeolite. In addition, there is a problem that the synthesized zeolite contains heavy metals exceeding the value determined by the environmental standards .
本発明は、上記問題を解決すると共に、所望の型(A,X,Y型)の高機能ゼオライトを合成率を下げることなく連続的に合成することができ、併せて、同じ技術でこれらの細粒ゼオライトも合成できる新たな方法を提供することを、その課題とするものである。 The present invention solves the above problems and can continuously synthesize a high-performance zeolite of a desired type (A, X, Y type) without lowering the synthesis rate. An object of the present invention is to provide a new method capable of synthesizing fine zeolite.
上記課題を解決することを目的としてなされた本発明の構成は、シリカ及び/又はアルミナを含む固体原料からアルカリ水熱反応によりゼオライトを合成する方法であって、ゼオライト化反応前に、前記原料をアルカリ水溶液と混合し、加熱工程において溶解を促進するために必要な温度に加熱し、溶解工程においてシリカ及び/又はアルミナ成分の溶解を進めた後、当該溶解液をA型、X型、Y型のいずれかの型のゼオライトの合成に適した温度に冷却し、この冷却の後、当該ゼオライトの合成に適した組成を得るために必要なSiO2源及び/又はAl2O3源と所定の型の種ゼオライトを添加することによって、副反応を抑え高い合成率でゼオライトを合成する方法において、前記固体原料を、アルカリ水溶液と混合する前に酸の水溶液と撹拌混合し、前記固体原料に含まれるカドミウム,鉛,6価クロム,ヒ素,水銀,セレン,フッ素,ホウ素の中から選ばれた少なくとも一つの除去成分を、当該固体原料中の有効成分であるシリカ及び/又はアルミナ成分を失うことなく酸の水溶液に溶出させてから、その除去成分溶出液を分離する除去工程を設け、当該除去工程は、調合槽内において固体原料を酸の水溶液と調合し、撹拌混合しながら除去成分を酸の水溶液中に溶出させ、濾過器に連続供給して除去成分溶出液を分離し、分離した溶出液の除去成分溶出濃度を判別して所定濃度以上のものを廃棄し、所定濃度以下のものは前記調合槽に戻して酸を追加し循環使用する工程を含むことを特徴とするものである。 The constitution of the present invention made for the purpose of solving the above problems is a method of synthesizing zeolite from a solid raw material containing silica and / or alumina by an alkaline hydrothermal reaction, wherein the raw material is added before the zeolitization reaction. After mixing with an alkaline aqueous solution, heating to a temperature required to promote dissolution in the heating step, and proceeding with dissolution of the silica and / or alumina component in the dissolution step, the solution is converted into A-type, X-type, Y-type. cooled to any type temperature suitable for synthesis of the zeolite of, after the cooling, SiO 2 source required to obtain a composition that is suitable for synthesis of the zeolite and / or Al 2 O 3 source and by adding a predetermined type of seed zeolites, in the method for synthesizing the zeolite side reactions with depressive example high synthesis rate, the acid before the solid material is mixed with an aqueous alkaline solution of water The mixture is stirred and mixed, and at least one removal component selected from cadmium, lead, hexavalent chromium, arsenic, mercury, selenium, fluorine, and boron contained in the solid raw material is an effective component in the solid raw material. After removing the silica and / or alumina components without losing them into an acid aqueous solution, a removal step for separating the removed component eluate is provided. In the preparation step, the solid raw material is mixed with an acid aqueous solution in a preparation tank. Elution of the removed component into the aqueous acid solution while mixing with stirring, continuously supplying to the filter to separate the removed component eluate, and determining the removed component elution concentration of the separated eluate In the case where the concentration is less than a predetermined concentration, the step of returning to the preparation tank and adding an acid to circulate is included.
本発明は、上記構成において、ゼオライト合成後の反応回収液をアルカリ水溶液の一部として使用し、細粒ゼオライトを合成することもできる。 In the above-mentioned configuration, the present invention can also synthesize fine-grained zeolite by using the reaction recovery solution after synthesis of zeolite as part of the alkaline aqueous solution.
また、本発明では、上記反応回収液にSiO2源とAl2O3源及びNa2O源を添加することもある。 In the present invention, a SiO 2 source, an Al 2 O 3 source and a Na 2 O source may be added to the reaction recovery liquid.
更に、本発明は、上記構成において、溶解工程における溶解を、内部に多段回転円盤を具備する流動円盤式溶解器に固体原料とアルカリ水溶液の混合液を連続投入し、当該溶解器内の多段回転円盤により順次撹拌しながら行うことができる。 Further, the present invention is the above-described configuration, in the melting step, the mixed liquid of the solid raw material and the aqueous alkaline solution is continuously charged into a fluid disk type dissolver having a multistage rotating disk inside, and the multistage rotation in the dissolver is performed. It can be carried out while stirring sequentially with a disk.
なお、ゼオライト合成反応を、内部に多段回転円盤を具備する流動回転円盤式反応器に溶解液を連続投入し、当該反応器内の多段回転円盤により順次撹拌しながら行うこともできる。 Note that the zeolite synthesis reaction can also be carried out while continuously stirring the solution in a fluidized rotary disk reactor equipped with a multistage rotating disk inside and sequentially stirring with the multistage rotating disk in the reactor.
ここで、細粒ゼオライトとは、株式会社堀場製作所製のレーザー回析/散乱式粒子径分布測定装置(型式LA-920湿式)で測定した最大粒径が20μm以下の合成ゼオライトをいう。 Here, the fine-grained zeolite refers to a synthetic zeolite having a maximum particle size of 20 μm or less measured with a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device (model LA-920 wet type) manufactured by Horiba, Ltd.
本発明は以上の通りであって、本発明によれば、固体原料をアルカリ水溶液と混合し、加熱した後にこの原料中に含まれるシリカ及び/又はアルミナ成分を十分溶解させてから反応に適した温度に調節し、副原料を添加するので、従来、原料中のシリカ及び/又はアルミナ成分がアルカリ水溶液に十分溶解しない状態で副原料を添加したのと比較し、ゼオライトの合成効率をより高くすることができるという効果が得られる。また、固体原料から所望の型(A型,X型,Y型)の高機能ゼオライトを連続的に合成することができるので、製造コストが安く、その性能も従来の工業原料から合成されたゼオライトに匹敵し、極めて利用価値が高い。 The present invention is as described above. According to the present invention, the solid raw material is mixed with an alkaline aqueous solution and heated, and then the silica and / or alumina components contained in the raw material are sufficiently dissolved and then suitable for the reaction. Since the auxiliary material is added after adjusting the temperature, the synthesis efficiency of the zeolite is increased compared with the case where the auxiliary material is added in a state where the silica and / or alumina components in the raw material are not sufficiently dissolved in the alkaline aqueous solution. The effect that it can be obtained. Moreover, since a high-performance zeolite of a desired type (A type, X type, Y type) can be continuously synthesized from a solid raw material, the production cost is low and the performance is also synthesized from conventional industrial raw materials. It is comparable to and extremely useful.
更に、本発明では、重金属をアルカリ水溶液と混合する前の原料の段階で除去してしまうので、ゼオライト製品の利用分野も農業土壌改良、排水水質浄化等の大規模分野に大量かつ安心して使用することができ、循環型環境社会の達成に貢献できるという優れた効果が得られる。 Furthermore, in the present invention, heavy metals are removed at the stage of raw materials before mixing with an alkaline aqueous solution, so that the field of use of zeolite products can be used in large quantities and safely in large-scale fields such as agricultural soil improvement and drainage water purification. It is possible to obtain an excellent effect that it can contribute to the achievement of a recycling-oriented environmental society.
更には、本発明では、流動回転円盤式反応器内における回転円盤の回転速度を調節することによって、原料成分溶解液の撹拌混合をバックミキシングを伴わずに行うことができ十分な接触反応を行わせることができるので、高純度のものが得られるという効果がある。 Furthermore, in the present invention, by adjusting the rotational speed of the rotating disk in the fluidized rotating disk reactor, stirring and mixing of the raw material component solution can be performed without back mixing, and sufficient catalytic reaction is performed. Therefore, there is an effect that a high-purity product can be obtained.
加えて、本発明ではゼオライト合成反応後に回収される反応回収液を再度アルカリ水溶液の一部として使用し、適宜、SiO2源,Al2O3源,Na2O源を添加して不足する成分を補い、A型,X型,Y型の細粒ゼオライトを連続合成することができるので、これら細粒ゼオライトをコンクリートに混合し流動性を向上させてコンクリートの水分を減少させたり、塗装原料に添加し、家屋内の防臭、シックハウス対策、調湿効果を持つ塗装原料の製造に用いることができるという効果が得られる。更には、紙、布の折込、防臭、調湿効果を持つ原料の製造にも用いることもできる。 In addition, in the present invention, the reaction recovery solution recovered after the zeolite synthesis reaction is used again as a part of the alkaline aqueous solution, and the components which are insufficient due to the appropriate addition of SiO 2 source, Al 2 O 3 source and Na 2 O source A type, X type and Y type fine-grained zeolite can be synthesized continuously, so that these fine-grained zeolites can be mixed with concrete to improve fluidity and reduce the moisture content of the concrete. The effect that it can be used for the production of coating raw materials having the deodorizing effect in the house, the countermeasure against sick house, and the humidity control effect is obtained. Furthermore, it can also be used to manufacture raw materials having paper, cloth folding, deodorization and humidity control effects.
次に、本発明の実施の形態例を図に拠り説明する。図1は本発明の一例の合成工程のフロー図、図2は固体原料からの重金属除去工程の一例のフロー図、図3は本発明の連続合成方法を実施する装置の一例のブロック図、図4は図3に示した装置における流動回転円盤式反応器の内部構造を示す断面図、図5は図4の流動回転円盤式反応器の回転円盤の拡大図で、(a)は鳥瞰図、(b)は断面で示す側面図、図6は石炭灰からのA型単結晶合成X線解析図、図7は石炭灰からのX型単結晶合成X線解析図、図8は石炭灰からのY型単結晶合成X線解析図である。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart of an example synthesis process of the present invention, FIG. 2 is a flowchart of an example of a heavy metal removal process from a solid material, and FIG. 3 is a block diagram of an example of an apparatus for carrying out the continuous synthesis method of the present invention. 4 is a cross-sectional view showing the internal structure of the flow rotating disk reactor in the apparatus shown in FIG. 3, FIG. 5 is an enlarged view of the rotating disk of the flow rotating disk reactor of FIG. 4, (a) is a bird's eye view, ( b) is a cross-sectional side view, FIG. 6 is an A-type single crystal synthesis X-ray analysis diagram from coal ash, FIG. 7 is an X-type single crystal synthesis X-ray analysis diagram from coal ash, and FIG. It is a Y-type single crystal synthetic | combination X-ray-analysis figure.
図1は本発明の一例の合成工程を示すフロー図で、固体原料からの重金属除去工程(波線で囲った部分)、重金属が除去された固体原料とアルカリ水溶液との混合工程,加熱工程を経て、溶解工程において固体原料に含まれるシリカ,アルミナ成分をアルカリ水溶液中に十分溶解させた後、反応温度に適した温度に調節し、副原料となるSiO2源とAl2O3源を添加し、連続反応工程、冷却工程、固液分離工程を経て合成されたゼオライトを回収する。上記の溶解工程を設けたことによって、ゼオライトの合成率が、A型についていえば、従来21%程度だったものが51%に上昇させることができた。なお、残った反応回収液はアルカリ水溶液の一部として再使用されるが、反応回収液は、反応工程に戻すことも、溶解工程に戻すことも、原料混合工程に戻すこともできる。また、反応回収液を戻すとき、不足するSiO2源,Al2O3源及びNa2O源を適宜添加して補充する。 FIG. 1 is a flow chart showing an example of a synthesis process of the present invention, through a heavy metal removal process (part surrounded by a wavy line) from a solid raw material, a mixing process of a solid raw material from which heavy metals have been removed and an alkaline aqueous solution, and a heating process. After the silica and alumina components contained in the solid raw material are sufficiently dissolved in the alkaline aqueous solution in the dissolving step, the temperature is adjusted to a temperature suitable for the reaction temperature, and the SiO 2 source and the Al 2 O 3 source as auxiliary materials are added. The zeolite synthesized through the continuous reaction step, the cooling step, and the solid-liquid separation step is recovered. By providing the above-described dissolution step, the synthesis rate of zeolite was able to be increased to 51%, which was about 21% in the case of Type A. The remaining reaction recovery liquid is reused as part of the alkaline aqueous solution, but the reaction recovery liquid can be returned to the reaction process, returned to the dissolution process, or returned to the raw material mixing process. Further, when returning the reaction recovery liquid, a deficient SiO 2 source, Al 2 O 3 source and Na 2 O source are appropriately added and replenished.
次に、図2により、固体原料から重金属を除去する工程の一例について説明する。この重金属除去工程では、固体原料、ここでは石炭灰を調合槽内において酸の水溶液と混合した後、ポンプPにより撹拌溶解槽に供給し、撹拌混合しながら重金属を酸の水溶液中に溶出させ、濾過器に連続供給して重金属溶出液を分離し、分離した溶出液の重金属溶出濃度を判別して所定の濃度以上のものを廃棄すると共に、所定の濃度以下のものは前記調合槽に戻して酸を追加し循環使用するようにしている。なお、循環工程を設けない構成にすることもできる。また、調合と撹拌溶解を兼ねる1つの調合撹拌溶解層(図示せず)を用いることもできる。 Next, an example of the process of removing heavy metals from the solid raw material will be described with reference to FIG. In this heavy metal removal step, after mixing the solid raw material, here coal ash, with the aqueous acid solution in the mixing tank, it is supplied to the stirring dissolution tank by the pump P, and the heavy metal is eluted into the aqueous acid solution while stirring and mixing. Continuously supply to the filter to separate the heavy metal eluate, discriminate the heavy metal elution concentration of the separated eluate and discard the one with a predetermined concentration or higher, and return the one with the predetermined concentration or lower to the preparation tank. An acid is added for recycling. In addition, it can also be set as the structure which does not provide a circulation process. Moreover, one mixing stirring dissolution layer (not shown) which combines mixing and stirring dissolution can also be used.
図3は本発明の連続合成方法を実施する装置の一例を示す。図3は、図2に示した重金属除去工程において重金属が除去された固体原料を主原料とするもので、1は主原料をアルカリ水溶液と混合するための原料調合槽、1aはこの原料調合槽1内に設けた撹拌翼、1bはこの撹拌翼1aを回転させるためのモータ、2は原料調合槽1で混合した原料混合液を加熱装置Qで加熱した後、固体原料に含まれるシリカ及び/又はアルミナ成分を溶解させるための流動回転円盤式溶解器である。2aはこの溶解器2内に上下適宜間隔を開けて水平に多段に設けられている回転円盤、2bはこれらの回転円盤2aをそれらの中心部において支持する回転軸で、モータ2cによって回転駆動され、回転円盤2aを回転させるようになっている。これら回転円盤2aの回転速度は、モータ2cにより所定速度に調節することができる。なお、図3において、符号Pは原料調合槽1から加熱装置Qに混合液を送るためのポンプや副原料槽S1,S2から副原料を送るためのポンプその他のポンプを示している。また、図3において、符号Mは、原料や副原料、製品を槽内で撹拌するときの撹拌翼Cを回転させるためのモータを示している。更に、溶解器には上記の流動回転円盤式溶解器2の他、図示しないが、連続接触管式溶解器などを用いることもできる。
FIG. 3 shows an example of an apparatus for carrying out the continuous synthesis method of the present invention. FIG. 3 shows the main raw material, which is a solid raw material from which heavy metals have been removed in the heavy metal removal step shown in FIG. 2, wherein 1 is a raw material mixing tank for mixing the main raw material with an alkaline aqueous solution, 1a is this raw material mixing tank 1 is a motor for rotating the stirring blade 1a, 2 is a raw material mixed liquid mixed in the raw material preparation tank 1, heated by a heating device Q, and then silica and / or contained in the solid raw material Alternatively, it is a fluid rotary disk type dissolver for dissolving the alumina component.
3は流動回転円盤式溶解器2においてシリカ及び/又はアルミナ成分が十分溶解したスラリー状の原料混合液を、熱交換器4において反応に適した温度に調節した後、副原料であるSiO2源,Al2O3源を添加した原料成分溶解液を連続投入し、反応させるための流動回転円盤式反応器である。この流動回転円盤式反応器3の構造は、流動回転円盤式溶解器2と略同様のもので、3aはこの反応器3内に上下適宜間隔を開けて水平に多段に設けられている回転円盤、3bはこれらの回転円盤3aをそれらの中心部において支持する回転軸で、モータ3cによって回転駆動され、回転円盤3aを回転させるようになっている。これら回転円盤3aの回転速度は、モータ3cにより所定速度に調節することができる。この回転円盤3aの回転速度の調節、回転円盤3a及びインナートレイ3dの寸法、形状及び段数によってバックミキシングの防止、反応時間を制御し、各型に対応したゼオライトの合成、また各型に対応したゼオライトの合成率を変化させることができる。なお、流動回転円盤式溶解器2及び流動回転円盤式反応器3の内部構造については後に詳述する。
3, after adjusting the slurry-like raw material mixture in which the silica and / or alumina components are sufficiently dissolved in the fluid rotating disk type dissolver 2 to a temperature suitable for the reaction in the heat exchanger 4, the SiO 2 source as a secondary raw material , A fluidized rotary disk reactor for continuously charging and reacting a raw material component solution added with an Al 2 O 3 source. The structure of the fluid rotary disk reactor 3 is substantially the same as that of the fluid
上記の流動回転円盤式溶解器2と流動回転円盤式反応器3との間に設けられている反応温度調節用の熱交換器4は、流動回転円盤式溶解器2からの原料混合液を、反応に適した温度に下げるためのもので、ここでは流動回転円盤式反応器3の合成されたゼオライトの取出口ZTに接続して設けた冷却器5において冷却され、固液分離装置6において分離された反応回収液との間で熱交換することによって温度を下げるようにしている。その温度の調節は、合成するゼオライトの型によって異なってくる。熱交換器4において反応回収液の温度が上がることにより熱が回収されるので、熱資源の有効利用を図ることができる。また、合成するゼオライトの型は、後述するように、原料成分溶解液中におけるSiO2/Al2O3の構成比も関連する。因みに、温度の調節は、熱交換器4を通過するときの原料混合液の流量,流速を調節することによって行うことができ、また、原料混合液をバイパス路により迂回させることによっても行うことができる。なお、合成するゼオライトの型の固定は、冷却器5における冷却、例えば常温に冷却することによって行われる。
The heat exchanger 4 for adjusting the reaction temperature provided between the fluidized rotary disc type dissolver 2 and the fluidized rotary disc type reactor 3 is prepared by using the raw material mixture from the fluidized rotary disc type dissolver 2 as follows: The temperature is lowered to a temperature suitable for the reaction. Here, the temperature is cooled in the cooler 5 connected to the synthesized zeolite outlet ZT of the fluidized rotary disk reactor 3 and separated in the solid-liquid separator 6. The temperature is lowered by exchanging heat with the recovered reaction solution. The temperature adjustment varies depending on the type of zeolite to be synthesized. Since heat is recovered by raising the temperature of the reaction recovery liquid in the heat exchanger 4, it is possible to effectively use heat resources. The type of zeolite to be synthesized is also related to the composition ratio of SiO 2 / Al 2 O 3 in the raw material component solution, as will be described later. Incidentally, the temperature can be adjusted by adjusting the flow rate and flow rate of the raw material mixture when passing through the heat exchanger 4, and can also be performed by bypassing the raw material mixture by a bypass. it can. The zeolite mold to be synthesized is fixed by cooling in the
上記の冷却器5は、流動回転円盤式反応器3内における反応により合成されたゼオライトを冷却し、速やかに合成の進まない温度以下にするためのものである。また、図示しないが、上述した合成装置における反応システム系の圧力を一定に保つため圧力調節弁が設けられており、この圧力調節弁の操作により、反応システム系内の圧力を一定に保ち、反応液が沸騰による蒸気化さらに蒸気化によるベーパーロック(流動固着)を防ぐようにしている。
The
次に、流動回転円盤式溶解器2と流動回転円盤式反応器3の内部構造は略同一であるので、流動回転円盤式反応器3の内部構造について図4により説明する。図4において、流動回転円盤式反応器3は、多段の回転円盤3aと、これらの回転円盤3aを上下適宜間隔で水平に支持する回転軸3bと、この回転軸3bを回転させるモータ3cと、各回転円盤3a間に設けられ、流動回転円盤式反応器3の内側面からリング状に突出したインナートレイ3dと等から構成され、A型,X型又はY型の高機能ゼオライトの合成要素であるバックミキシングの防止、反応時間を制御している。また、図4において、RTはゼオライトの原料成分溶解液の連続投入口、ZTは合成されたゼオライトの取出口である。なお、回転円盤3aには、図5に示したように、邪魔板jや突起物tを必要に応じて任意の個所に複数個設けることが好ましく、またインナートレー3dは流動回転円盤式反応器3への取付部をR形状にすることが好ましい。なお、図4においては、インナートレー3dの取付部の上下をR形状にしているが、図5に示したようにR形状は上部のみに設けてもよく、下部のみに設けてもよい。また、回転軸3bへの回転円盤3aの取付部もR形状にすることが好ましい(図4,5参照)。これらの回転円盤3aの邪魔板jや突起物t及びインナートレー3dの取付部のR形状はバックミキシング防止作用をさらに向上させることができる。流動回転円盤式溶解器2にも取付部をR形状にしたインナートレー2dが設けられ(図4,5の流動回転円盤式反応器3における取付部をR形状にしたインナートレー3d参照)、また、回転円盤2aには邪魔板j,突起物tが設けられており、これらが相俟って、原料中のSiO2,Al2O3成分がアルカリ水溶液中に溶解するのを促進することができる。
Next, since the internal structures of the fluid rotary disk type dissolver 2 and the fluid rotary disk type reactor 3 are substantially the same, the internal structure of the fluid rotary disk type reactor 3 will be described with reference to FIG. In FIG. 4, the flow rotating disk reactor 3 includes a multi-stage
而して、ゼオライトは、原料中のSiO2源及びAl2O3源がアルカリ水溶液中に溶解する溶解工程と、ゼオライト結晶化の前の前駆体の生成とゼオライトの結晶化・結晶成長工程が混合せずに順次行われて合成される。因みに、上記各工程が混合されるとバックミキシングが発生してゼオライトの合成が止まり、所定のゼオライトが合成されず、P型ゼオライトや最後にソーダライト又はアナルサイム結晶物が合成されてしまう。本発明は、流動回転円盤式溶解器2、流動回転円盤式反応器3によりバックミキシングの発生を好適に防止するとともに、予め調節された反応温度,時間,組成,撹拌速度を制御し、所望のA型,X型,Y型のゼオライトを合成することができる。 Thus, the zeolite has a dissolution process in which the SiO 2 source and Al 2 O 3 source in the raw material are dissolved in an alkaline aqueous solution, a precursor generation prior to zeolite crystallization, and a crystallization / crystal growth process of the zeolite. Sequentially synthesized without mixing. By the way, when the above steps are mixed, backmixing occurs and synthesis of the zeolite stops, and a predetermined zeolite is not synthesized, so that P-type zeolite and finally sodalite or an analcyme crystal are synthesized. The present invention suitably prevents the occurrence of backmixing by the fluidized rotating disk type dissolver 2 and the fluidized rotating disk type reactor 3, and controls the reaction temperature, time, composition, and stirring speed that are adjusted in advance, A-type, X-type, and Y-type zeolites can be synthesized.
本発明の固体原料からの高機能ゼオライトの連続合成方法は、上述した合成装置の一例において実施されるが、この装置の運転開始時はアルカリ水溶液を導入し、装置内を循環させ装置系内が合成運転に必要な温度になるようにする。装置系内が所定の温度になったら、原料混合液を加熱した後、溶解工程に導入し、ゼオライト合成運転を開始する。 The continuous synthesis method of the high-performance zeolite from the solid raw material of the present invention is carried out in the above-described example of the synthesis apparatus. At the start of operation of this apparatus, an alkaline aqueous solution is introduced and the inside of the apparatus system is circulated. Ensure that the temperature is necessary for the synthesis operation. When the inside of the apparatus system reaches a predetermined temperature, the raw material mixture is heated and then introduced into the dissolution step to start the zeolite synthesis operation.
以下、合成工程の流れを順を追って説明すると、原料調合槽1において、所定の濃度のアルカリ水溶液に、ここでは固体原料として産業廃棄物である石炭灰を使用し、十分撹拌して混合させる。なお、このとき合成するゼオライトの型に応じて対応するA型、X型、Y型のいずれかの種結晶を添加する。次に、加熱装置Qにおいて、原料混合液を85℃〜140℃、好ましくは85℃〜120℃に加熱した後、流動回転円盤式溶解器2内に連続投入し、回転円盤2aにより撹拌しながら石炭灰に含まれるSiO2,Al2O3成分をアルカリ水溶液に十分溶解させる。
Hereinafter, the flow of the synthesis process will be described in order. In the raw material blending tank 1, coal ash, which is industrial waste, is used as a solid raw material in the alkaline aqueous solution having a predetermined concentration, and is sufficiently stirred and mixed. At this time, a seed crystal of any of A type, X type, and Y type corresponding to the type of zeolite to be synthesized is added. Next, in the heating device Q, the raw material mixture is heated to 85 ° C. to 140 ° C., preferably 85 ° C. to 120 ° C., and then continuously charged into the fluidized rotary disk dissolver 2 while stirring with the
その後、流動回転円盤式溶解器2からの原料混合液を熱交換器4において反応に適した温度(80℃〜120℃)に調節した後、流動円盤式反応器3の直前の原料供給ラインに接続した副原料槽Sからの副原料供給ラインLから供給される副原料と一緒に流動回転円盤式反応器3に連続投入する。なお、副原料は流動円盤式反応器3に直接添加することもできる。ここでは副原料として副原料槽Sには水ガラス、アルミン酸ソーダまたはアルミニウム及び/又はシリカを含む排液などが入れられている。 Then, after adjusting the raw material mixture from the fluid rotary disk type dissolver 2 to a temperature (80 ° C. to 120 ° C.) suitable for the reaction in the heat exchanger 4, the raw material mixture line immediately before the fluid disk type reactor 3 Together with the auxiliary material supplied from the auxiliary material supply line L from the connected auxiliary material tank S, it is continuously charged into the fluidized rotary disk reactor 3. The auxiliary material can also be added directly to the fluid disk reactor 3. In this case, water glass, sodium aluminate or drainage liquid containing aluminum and / or silica is put in the auxiliary material tank S as an auxiliary material.
流動円盤式反応器3内において、連続投入された原料成分溶解液は、回転する上段の回転円盤3aによりその中心部からこの反応器3の内周壁側に移動させられると共にインナートレイ3dにより下段の回転円盤3aの中心部側に移動させられ、回転円盤3aの上段から下段に至るまで、このような移動が繰り返しなされるので、その移動中において原料成分溶解液は十分反応し、ゼオライト前駆体の形成及び単結晶成長を高効率で生成することができる。なお、回転円盤3aの回転速度を調節することによって、ゼオライト原料成分溶解液の撹拌混合をバックミキシングを伴わずに行うことができ、十分な接触反応を行わせることができるので、原料成分溶解液の供給と反応を連続して行うことができる。
In the fluid disk reactor 3, the raw material component solution that has been continuously charged is moved from its central portion to the inner peripheral wall side of the reactor 3 by the rotating upper
上記の流動円盤式反応器3において生成したゼオライトは、取出されて冷却器5に送られ、速やかに合成が進まない温度以下にして所望型のゼオライトを合成する。なお、合成装置の停止時に装置系内の固化を防ぐために、ソーダにて一挙に入替える。
The zeolite produced in the fluidized disk reactor 3 is taken out and sent to the
次に、本発明において使用される原料成分について説明すると、本発明の実施の形態例では、上述のように固体原料として石炭灰を使用しているので、ゼオライトの合成率をより向上させ、また合成時間をより短縮させるには、石炭灰を前処理、具体的には粉砕又は分級する。粉砕は石炭灰の粒径を平均粒径10μm以下で、30μm以上のものが全体の1%以下にするのが好ましい。分級は45μm、好ましくは25μmで分級し、粒子の小さい方で合成するのが好ましい。 Next, the raw material components used in the present invention will be described. In the embodiment of the present invention, since coal ash is used as a solid raw material as described above, the synthesis rate of zeolite is further improved, and In order to further shorten the synthesis time, the coal ash is pretreated, specifically, pulverized or classified. In the pulverization, it is preferable that the coal ash has an average particle diameter of 10 μm or less, and 30 μm or more is 1% or less of the whole. Classification is preferably performed at 45 μm, preferably 25 μm, and the particles are synthesized with the smaller one.
而して、ゼオライト合成には、SiO2,Al2O3,Na2O,H2Oの4種類の化合物が必要である。石炭灰にはSiO2とAl2O3が含まれているが、その成分量はA型,X型,Y型の各ゼオライト合成に必要な割合に合っておらず、合成するゼオライトの型により、SiO2又はAl2O3のいずれかが不足し、いずれか一方が未反応分として余剰となる。この未反応分をもゼオライト合成に使用するために、不足分の補充に副原料を添加する。副原料は固体又は液体のいずれでもよい。石炭灰を基準として各型のゼオライトを製造するときに不足する成分は、A型の場合はAl2O3が不足成分となり、X型の場合はAl2O3又はSiO2(石炭灰中のSiO2の含有量による)が不足成分となり、Y型の場合はSiO2が不足成分となる。 Thus, for the synthesis of zeolite, four kinds of compounds of SiO 2 , Al 2 O 3 , Na 2 O, and H 2 O are required. Coal ash contains SiO 2 and Al 2 O 3, but the amount of components does not match the proportions required for the synthesis of A-type, X-type, and Y-type zeolites, depending on the type of zeolite being synthesized. , SiO 2 or Al 2 O 3 is insufficient, and one of them becomes surplus as an unreacted component. In order to use this unreacted portion for the synthesis of zeolite, the auxiliary raw material is added to supplement the shortage. The auxiliary material may be either solid or liquid. The components that are insufficient when producing each type of zeolite based on coal ash are Al 2 O 3 in the case of Type A and Al 2 O 3 or SiO 2 in the case of Type X (in the coal ash). (Depending on the content of SiO 2 ) becomes an insufficient component, and in the case of the Y type, SiO 2 becomes an insufficient component.
使用する副原料としては、SiO2源として、例えば、水ガラス等のSiO2を含む工業原料、珪藻土等のようなSiO2を含む天然原料、製紙スラッジ焼却灰,籾殻焼却灰,等のようなSiO2を含む産業廃棄物などの固体原料が挙げられる。 As an auxiliary material to be used, as an SiO 2 source, for example, industrial raw materials containing SiO 2 such as water glass, natural raw materials containing SiO 2 such as diatomaceous earth, papermaking sludge incineration ash, rice husk incineration ash, etc. Solid raw materials such as industrial waste containing SiO 2 can be mentioned.
また、Al2O3源として、例えば、アルミン酸ソーダ,水酸化アルミニウム等のようなAl2O3を含む工業原料、アルミニウムドロス,赤泥,アルミニウム缶,アルミニウム加工廃液、アルミニウム加工スラッジ等のようなAl2O3を含む産業廃棄物などの固体原料が挙げられる。 Further, as an Al 2 O 3 source, for example, industrial raw materials containing Al 2 O 3 such as sodium aluminate, aluminum hydroxide, aluminum dross, red mud, aluminum can, aluminum processing waste liquid, aluminum processing sludge, etc. And solid raw materials such as industrial waste containing Al 2 O 3 .
上記の主原料及び副原料を規定の濃度のアルカリ水溶液に混合,反応させてゼオライトを合成するが、アルカリ水溶液の原料としては、例えば、水酸化ナトリウム,炭酸ナトリウム等のNa2Oを含む工業原料や、各種廃ソーダ等のNa2Oを含む産業廃棄物が挙げられる。なお、上記装置においてゼオライトの連続合成は開始され、合成後に固液分離装置6において分離された反応回収液は、アルカリ水溶液の一部として再使用することができる。なお、回収液にはシリカ、アルミナ成分が含まれているので、この回収液を再度反応させると粒の細かい細粒のゼオライトを合成することができる。固液分離した反応回収液を再使用するとき、図1に示したように、直接反応工程(流動回転円盤式反応器3)に戻すことができ、また、溶解工程(流動回転円盤式溶解器2)に戻すこともできる。また、主原料の混合工程(原料調合槽1)に戻すこともできる。更に、細粒ゼオライトの回収は、目の細かい固液分離機で分離するのが好ましい。 Zeolite is synthesized by mixing and reacting the above main raw materials and auxiliary raw materials in an aqueous alkali solution of a prescribed concentration, and the raw materials for the aqueous alkali solution include, for example, industrial raw materials containing Na 2 O such as sodium hydroxide and sodium carbonate. And industrial waste containing Na 2 O such as various types of waste soda. In the above apparatus, continuous synthesis of zeolite is started, and the reaction recovery liquid separated in the solid-liquid separation apparatus 6 after the synthesis can be reused as a part of the alkaline aqueous solution. Since the recovered liquid contains silica and alumina components, fine zeolite with fine particles can be synthesized by reacting the recovered liquid again. As shown in FIG. 1, when the reaction recovery liquid separated into solid and liquid is reused, it can be directly returned to the reaction process (fluid rotating disk reactor 3), and the dissolving process (fluid rotating disk dissolver). It is also possible to return to 2). Moreover, it can also return to the mixing process (raw material preparation tank 1) of the main raw material. Further, the fine zeolite is preferably recovered with a fine solid-liquid separator.
次に、本発明連続合成方法を実施する装置の一例では、図1,2に示したように、固体原料をアルカリ水溶液と混合する前に、酸の水溶液と撹拌混合し、前記原料に含まれる重金属を、当該原料中の有効成分であるシリカ及び/又はアルミナ成分を失うことなく酸の水溶液に溶出させた後、重金属溶出液を分離する重金属除去工程を設けているが、ここで重金属を除去する意義について再度説明すると、石炭灰などの資源化の一方法としてゼオライト化の技術は既に確立している。固体中に含まれる重金属を溶出させるために、塩酸などの水溶液が有効であることはよく知られているが、石炭灰を原料にゼオライトを製造するには、石炭灰中の有効成分であるSiO2及びAl2O3などを固体中にとどめ、重金属類をできるだけ溶出させ良質のゼオライトを経済的に製造する条件を求めることが重要である。上述したように従来も酸により重金属の除去が行われていたが、従来の方法では石炭灰等に含まれているゼオライト合成に必要なシリカとアルミナ成分が溶出してしまうため、使用する酸の濃度の調整が極めて重要である。
本発明では、混合槽内で0.1mol/l以上の塩酸に石炭灰などを加え固液比3~30w/v%に調整して、スラリーを流動回転円盤式溶解器に送り、常温ないしそれ以上の温度範囲で0.5~3時間で重金属類を溶出させる。流動回転円盤式溶解器を使用することにより、はげしい撹拌を避けて、粒子の極端な破壊を防止しつつ、有効に重金属の溶出を行なわせることができる。処理後の石炭灰などは、濾過器で脱液してケーク状態にして原料調合槽1に回収し、ゼオライト原料として使用することができる。酸処理した石炭灰などから合成したゼオライトの重金属の溶出はその製品自身が土壌汚染対策法に係わる溶出基準(=環境基準)をクリアしており、環境汚染を引き起こすことがないため、農業・土木関係での土壌改良など幅広く用途が開ける可能性をもっている。
Next, in an example of an apparatus for performing the continuous synthesis method of the present invention, as shown in FIGS. There is a heavy metal removal process to separate heavy metal eluate after eluting heavy metal into acid aqueous solution without losing silica and / or alumina components which are active ingredients in the raw material. To explain again the significance of this, the zeolitic technology has already been established as a method for recycling coal ash and other resources. It is well known that aqueous solutions such as hydrochloric acid are effective for eluting heavy metals contained in solids. To produce zeolite using coal ash as a raw material, SiO, which is the active ingredient in coal ash, is used. It is important to keep the conditions such as 2 and Al 2 O 3 in the solid and to elaborate heavy metals as much as possible to find the conditions for economical production of high quality zeolite. As described above, heavy metals have been removed by acid in the past, but the conventional method elutes the silica and alumina components required for zeolite synthesis contained in coal ash, etc. Concentration adjustment is extremely important.
In the present invention, coal ash or the like is added to 0.1 mol / l or more hydrochloric acid in a mixing tank to adjust the solid-liquid ratio to 3 to 30 w / v%, and the slurry is sent to a fluid rotating disk type dissolver, at room temperature or higher. The heavy metals are eluted in a temperature range of 0.5 to 3 hours. By using a fluidized rotating disk type dissolver, heavy metals can be effectively eluted while avoiding severe stirring and preventing extreme destruction of particles. The treated coal ash and the like can be drained with a filter, made into a cake state, recovered in the raw material preparation tank 1, and used as a zeolite raw material. The elution of heavy metals in zeolite synthesized from acid-treated coal ash, etc., has cleared the elution standards (= environmental standards) related to the Soil Contamination Countermeasures Law, and does not cause environmental pollution. It has the potential to open up a wide range of applications such as soil improvement in relations.
本発明において除去する重金属類は、カドミウム,鉛,6価クロム,ヒ素,水銀,セレン,フッ素,ホウ素などである。ここで、1molの塩酸水溶液で石炭灰を洗浄した重金属溶出実験を行った結果を下記の表1に示す。 Heavy metals to be removed in the present invention are cadmium, lead, hexavalent chromium, arsenic, mercury, selenium, fluorine, boron and the like. Table 1 below shows the results of heavy metal elution experiments in which coal ash was washed with a 1 mol hydrochloric acid aqueous solution.
次に、主原料、副原料、アルカリ成分、水との構成比を、各ゼオライトの型毎に次の表2に示したようにモル比で調合する。なお、合成時間の短縮のために、調合された主原料、副原料、アルカリ水溶液を80℃以下で6時間以上熟成させるのが好ましい。 Next, the constituent ratios of the main raw material, auxiliary raw material, alkali component, and water are prepared in molar ratios as shown in the following Table 2 for each zeolite type. In order to shorten the synthesis time, it is preferable to age the prepared main raw material, auxiliary raw material and alkaline aqueous solution at 80 ° C. or lower for 6 hours or longer.
また、合成時間の短縮のために、調合された主原料、副原料及びアルカリ水溶液に、種結晶として合成されたゼオライトを下記の表3に示す比率で添加するのがより好ましい。なお、種結晶として使用するゼオライトは市販の工業原料からのゼオライト又は本発明で合成された細粒ゼオライトを使用することができる。
また、添加するゼオライトを予め調合されるアルカリ水溶液中に常温若しくは80℃以下で熟成させた後、添加するのがより好ましい。
Further, in order to shorten the synthesis time, it is more preferable to add zeolite synthesized as seed crystals to the prepared main raw material, auxiliary raw material and alkaline aqueous solution in the ratio shown in Table 3 below. In addition, the zeolite used as a seed crystal can use the zeolite from a commercial industrial raw material, or the fine-grained zeolite synthesize | combined by this invention.
Further, it is more preferable to add the zeolite to be added after aging it at room temperature or 80 ° C. or less in an alkaline aqueous solution prepared in advance.
次に、本発明を実施するための合成装置におけるゼオライトの合成条件について説明する。
(1)合成時の調合された主原料、副原料、アルカリ水溶液の装置内の流速
装置における配管内で石炭灰が沈降しないように流速を0.3m/秒以上に保つ。なお、石炭灰を粉砕したときは、流速を0.2m/秒以上にすることができる。
(2)加熱装置における加熱温度
シリカ、アルミナ両成分を含む固形原料の場合は70℃から120℃好ましく80℃から105℃であり、シリカ、アルミナの一方しか含まない場合は上限の温度を更に150℃程度まで上げてもよい。アルカリに溶解しやすい固体原料では温度を50℃から60℃程度に下げてもよい。
(3)流動回転円盤式溶解器における溶解時間
シリカ、アルミナ両成分を含む場合は、安定型の低品位ゼオライトの生成を防ぐために温度が高い場合には短い時間、温度が低い場合には長い時間で溶解する。
温度が80℃から105℃の場合は溶解時間は105℃の場合で、20分から1時間、80℃の場合で1時間から5時間程度行なうのがよい。
(4)流動回転円盤式反応器内における回転円盤の回転数
流動回転円盤式反応器内で調合された原料の流動がレイノルズ数で10の5乗から10の6乗になるように回転円盤を回転させる。好ましくは、レイノルズ数が50,000〜250,000になる回転数がよい。
ここで、回転数を入れた変形レイノルズ数(NRe)の式は、次の通りである。
NRe=nDi2ρ/μ
n:回転数(rps)
Di:撹拌羽根の径(m)
ρ:液密度(kg/m3)
μ:液粘度(kg/m・sec)
なお、流動回転円盤式反応器の場合はDiは回転円盤の径となる。
(5)合成に適した温度(温度調節)
ゼオライトの型で、A型の場合は90℃〜105℃、好ましくは98℃〜102℃、X型の場合は85℃〜100℃、好ましくは85℃〜98℃、Y型の場合は、85℃〜105℃である。
(6)合成時間
ゼオライトの型で、A型の場合は、1時間〜3時間、好ましくは2時間〜3時間、X型の場合は、2時間〜6時間、好ましくは3時間〜4時間、Y型の場合は、2時間〜6時間、好ましくは3時間〜4時間である。
(7)冷却温度
冷却器5における冷却温度は、A型、X型、Y型いずれの場合でも80℃以下であり、冷却は生成したゼオライトの型を固定するために行われる。
Next, the zeolite synthesis conditions in the synthesis apparatus for carrying out the present invention will be described.
(1) Flow velocity of the main raw material, auxiliary raw material, and aqueous alkaline solution prepared during synthesis in the apparatus Keep the flow speed at 0.3 m / sec or more so that coal ash does not settle in the piping in the apparatus. When coal ash is pulverized, the flow rate can be increased to 0.2 m / second or more.
(2) Heating temperature in the heating device In the case of a solid raw material containing both silica and alumina components, it is 70 ° C to 120 ° C, preferably 80 ° C to 105 ° C. If only one of silica and alumina is contained, the upper limit temperature is further increased to 150 ° C. It may be raised to about ° C. For solid raw materials that are easily dissolved in alkali, the temperature may be lowered from 50 ° C. to about 60 ° C.
(3) Dissolution time in a fluid rotating disk type dissolver When both the silica and alumina components are included, a short time is required when the temperature is high and a long time when the temperature is low in order to prevent the formation of stable low-grade zeolite. Dissolve with.
When the temperature is 80 ° C. to 105 ° C., the dissolution time is 105 ° C., preferably 20 minutes to 1 hour, and when 80 ° C., the dissolution time is preferably 1 hour to 5 hours.
(4) Number of revolutions of the rotating disk in the fluidized rotating disk reactor The rotating disk is adjusted so that the flow of the raw material prepared in the fluidized rotating disk reactor changes from 10 5 to 10 6 in Reynolds number. Rotate. Preferably, the rotational speed is such that the Reynolds number is 50,000 to 250,000.
Here, the equation of the modified Reynolds number (N Re ) including the rotational speed is as follows.
N Re = nDi 2 ρ / μ
n: Number of revolutions (rps)
Di: Diameter of stirring blade (m)
ρ: Liquid density (kg / m3)
μ: Liquid viscosity (kg / m · sec)
In the case of a fluid rotary disk reactor, Di is the diameter of the rotary disk.
(5) Temperature suitable for synthesis (temperature control)
Zeolite type, 90 ° C to 105 ° C in the case of A type, preferably 98 ° C to 102 ° C, 85 ° C to 100 ° C in the case of X type, preferably 85 ° C to 98 ° C, 85% in the case of Y type ° C to 105 ° C.
(6) Synthesis time In the case of zeolite type A, it is 1 hour to 3 hours, preferably 2 hours to 3 hours, and in the case of form X, it is 2 hours to 6 hours, preferably 3 hours to 4 hours. In the case of Y type, it is 2 hours to 6 hours, preferably 3 hours to 4 hours.
(7) Cooling temperature The cooling temperature in the
次に、本発明の実施例について説明する。ゼオライト製造原料の各型における調合割合を下記の表4に示す。 Next, examples of the present invention will be described. The blending ratio of each type of raw material for producing zeolite is shown in Table 4 below.
次に、ゼオライト合成原料の各型における合成条件を次に表5に示す。 Next, Table 5 shows the synthesis conditions for each type of zeolite synthesis raw material.
上記の実施例において合成されたゼオライトをX線解析の結果、A,X,Y型の合成が確認された。これらの解析結果は、図6に石炭灰からのA型単結晶合成X線解析図として、図7に石炭灰からのX型単結晶合成X線解析図として、図8に石炭灰からのY型単結晶合成X線解析図としてそれぞれ示してある。 As a result of X-ray analysis of the zeolite synthesized in the above examples, synthesis of A, X, and Y types was confirmed. These analysis results are shown in FIG. 6 as an A-type single crystal synthesis X-ray analysis diagram from coal ash, FIG. 7 as an X-type single crystal synthesis X-ray analysis diagram from coal ash, and FIG. Type single crystal synthetic X-ray analysis diagrams.
上記実施の形態例では、固体原料として石炭灰を使用したが、その中でも粒子径が小さいフライアッシュが好ましく、また、成分としてシリカ及び/又はアルミナが含有されているものなら石炭灰以外の下水道汚泥焼却灰,珪藻土,籾殻灰,ごみ焼却灰等を使用することができる。汚泥焼却灰等はシリカ、アルミナ成分を多く含んでおり好ましい。珪藻土、モミ殻焼却灰等はシリカ成分を多く含んでいる。これらの固体原料は一部セメント等に混入、使用している例があるが大部分のものは固体原料として管理型埋め立て処分されておりこれらの固形原料から産業上有効な高性能ゼオライトが得られれば環境問題の上からも大変好ましい。なお、石炭灰以外の固体原料として使用するときは、含有するシリカ成分とアルミナ成分の割合が石炭灰とは異なっているので、副原料(SiO2源,Al2O3源)の添加割合も、固体原料により異なってくる。 In the above embodiment, coal ash is used as the solid raw material. Among them, fly ash having a small particle size is preferable, and if the component contains silica and / or alumina, sewer sludge other than coal ash is used. Incineration ash, diatomaceous earth, rice husk ash, waste incineration ash, etc. can be used. Sludge incineration ash and the like are preferable because they contain a large amount of silica and alumina components. Diatomaceous earth, fir shell incineration ash, etc. contain a lot of silica components. Some of these solid materials are mixed and used in cement, etc., but most of them are disposed of as a solid material in a managed landfill, and industrially effective high-performance zeolite can be obtained from these solid materials. It is very preferable from the viewpoint of environmental problems. When used as a solid raw material other than coal ash, the ratio of the silica component and alumina component contained is different from that of coal ash, so the addition ratio of secondary raw materials (SiO 2 source, Al 2 O 3 source) is also Depends on the solid raw material.
本発明は、固体原料により、重金属が環境基準を満足するレベルまで除去された高機能ゼオライト(A型,X型,Y型)を連続的に且つ廉価に製造することができ、利用分野も農業土壌改良、排水水質浄化等の大規模分野に大量使用することができることになり、循環型環境社会の達成に貢献できる。 The present invention can continuously and inexpensively produce high-performance zeolite (A type, X type, Y type) from which heavy metals have been removed to a level that satisfies environmental standards by using a solid raw material, and is also used in agriculture. It can be used in large-scale fields such as soil improvement and drainage water purification, contributing to the achievement of a recycling-oriented environmental society.
1 原料調合槽
1a 撹拌翼
1b モータ
2 流動回転円盤式溶解器
2a 回転円盤
2b 回転軸
2c モータ
3 流動回転円盤式反応器
3a 回転円盤
3b 回転軸
3c モータ
3d インナートレイ
4 反応温度調節用の熱交換器
5 冷却器
6 固液分離装置
Q 加熱器
j 邪魔板
t 突起物
1 Raw material mixing tank
1a stirring blade
1b Motor 2 Flowing disk type dissolver
2a rotating disc
2b Rotating shaft
2c Motor 3 Fluidized rotary disk reactor
3a rotating disk
3b Rotation axis
3c motor
3d Inner tray 4 Heat exchanger for adjusting
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