JP4605754B2 - 珪素含有廃水の処理方法、並びにその生成物を用いた難燃性断熱材および難燃性積層物 - Google Patents

Description

本発明は、珪素含有廃水の処理方法、並びにその生成物を用いた難燃性断熱材および難燃性積層物に関する。

珪素は、シリコンウェハーなどの用途で大量に使用されており、産業廃棄物としては、基板またはそれに近い形状のものもあるが、大半はそれを加工する際に発生した研削くずや研磨くずなどの珪素である。この珪素は、通常水分散液の形で排出されてくるが、その水分散液の中には加工工程の中で使用される研磨材、酸アルカリの薬品、接着剤、それを溶かすための溶剤等種々の夾雑物及び反応したゲル状物質が存在する。この水分散液の処理方法としては、（ａ）これを濾過して珪素を回収して再利用する方法や（ｂ）凝集剤を加えて沈殿させ、沈殿物をセメント原料として使用する方法などにより処理されている。

しかし、前記（ａ）の方法は夾雑物を除去する工程やゲル状物質のための複数の濾過工程が必要であり、大変時間が掛かり、コスト高を招くし、前記（ｂ）の方法は凝集剤が混入しており、珪素の純度が著しく低下しているため、セメント原料位しか用途がないというのが実状である。

特許文献１〜４は、同一の出願人と同一の発明者にかかる発明であり、半導体装置の製造工場から発生する珪素屑などを含有する廃水から珪素を回収する技術が開示されている。そして、これらの廃水から珪素を回収する工程で強い酸やアルカリが混入されると、反応物が形成され、この反応物の存在によりフィルタがつまったりして、濾過が困難になるので、廃水のｐＨを中性または弱酸性に調整することにより、薬品と珪素屑（シリコン屑）の反応物である一見藻のようなフロックを生成させ、これにより濾過を容易にすることを提案している。
しかしながら、これらの特許文献１〜４には、珪素屑を含む廃水を処理して水素を製造するとともに珪酸塩の発泡体などを製造しようという本発明の技術思想は全く存在しないし、考え方としても、これらの特許文献１〜４は、珪素廃棄物を珪素として再利用するというものであって、本発明の目指す方向とは全く逆方向である。

特開２００２−１９２４６５号公報 特開２００２−１８７０００号公報 特開２００２−１７６０１６号公報 特開２００１−３４７１４４号公報

本発明の目的は、珪素含有廃水の新規な処理方法並びにその生成物を用いた難燃性断熱材および難燃性積層物を提供する点にある。

本発明の第１は、珪素含有廃水に、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属の水酸化物を加え、発生する水素ガスを回収する一方、生成した処理溶液を加熱発泡させて無機質発泡体として回収することを特徴とする珪素含有廃水の処理方法に関する。
本発明の第２は、珪素含有廃水に、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属の水酸化物を加え、発生する水素ガスを回収する一方、生成した処理溶液を難燃化剤水溶液として回収することを特徴とする珪素含有廃水の処理方法に関する。
本発明の第３は、請求項１記載の無機質発泡体よりなることを特徴とする難燃性断熱材に関する。
本発明の第４は、請求項２記載の難燃化剤水溶液を薄膜に含浸することにより得られた含浸薄膜の積層物であることを特徴とする難燃性積層物に関する。

本発明で用いるアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属の水酸化物としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウムなどを挙げることができるが、コスト、反応性などから水酸化ナトリウムの使用が一般的である。前記水酸化物は固体状で珪素含有廃水に添加してもよいが、水溶液たとえば５ｗｔ％水溶液〜飽和水溶液の形で添加してもよい。

本発明の処理に際しては、式
Ｓｉ＋ＯＨ⁻＋２Ｈ_２Ｏ → ＨＳｉＯ_３ ⁻＋２Ｈ_２
で示すように、珪素１元素に対し水酸化物はＯＨイオン１当量の割合で用いればよい。この際、反応液のｐＨは１０を越す。

本発明における珪素は、粉末や粒子状のものが取り扱い易いが、塊状のものであっても本発明の処理方法は可能である。塊状のものは、場合により粉末化あるいは粒状化してから処理することもできる。

上記反応は、反応開始時においては加熱することにより反応を早めることができるが、反応自体は発熱反応であるから、必要な温度に上昇した後は、温度制御により所望の反応温度に保つことができる。水素ガスの発生がほとんどなくなった時点で反応が終了したものと見なし、反応液をつぎの段階の処理にかけることができる。

珪素と前記水酸化物とを反応させて水素を発生させる時の珪素に対する水の量について検討した。珪素０．２８ｇ（０．０１当量）と水酸化ナトリウム０．１４ｇ（０．０１当量）とを反応させる時の溶媒である水の量についてみると、珪素1当量に対して水５当量（珪素０．２８ｇに対して水０．９ｍｌ）を用いた場合は反応中に固形物が析出してくる。珪素1当量に対して水６．２当量（珪素０．２８ｇに対して水１．１２ｍｌ）を用いた場合は反応液が６０℃程度より高いときは反応液に固形物が析出することはないが、反応液が室温程度になると反応液に固形物が析出する。珪素1当量に対して水７．５当量（珪素０．２８ｇに対して水１．３５ｍｌ）以上をを用いた場合には反応液に固形物が析出することはなく、反応液は液状を保つ。これらの結果を下記表１に示す。

水素ガスがほとんど発生しなくなった時点で、反応はつぎの段階に移すことができる。廃水から水素を回収するだけではなく、処理廃水中に含有されている珪酸塩の有効利用を計ることも大切である。

処理廃水からは、図１にみられるようにいろいろの用途に用いることができる材料を回収することができる。
処理廃水から発泡体の回収を狙う場合には、必要に応じて処理廃水を所望の濃度まで濃縮し（通常は、処理廃液を濃縮する必要はない）、それを加熱すると発泡固化がおこり、発泡体が得られる。この発泡体は珪酸塩を主成分とするものであって、難燃性断熱材として有用である。またこの難燃性断熱材はガラス質であるため、廃物となってもふたたびガラスとして再利用が可能である。現在断熱材の多くはポリスチレン製のものであるが、これは可燃性であるため極めて危険であるから、この点でも本発明の難燃性断熱材が社会に貢献する点は大きい。

前記発泡体の体積は、廃水中に存在する珪素および珪素化合物の量に大きく左右される。珪素に対して当量の水酸化ナトリウムおよび２０当量の水を反応させ、水素発生終了後の残液を加熱発泡させて、その発泡量を調査したところほぼ５倍量の体積をもつ発泡体になることがわかった。すなわち、１４ｍｌの反応液を加熱、発泡させたところ、約７０ｍｌの体積となった。

処理廃水を不燃剤や難燃剤として利用する場合は、そのまま水溶液の形で、あるいは必要に応じて中和した後、生成した珪酸塩沈殿物が溶解するまで水を加えて得られた水溶液の形で、難燃化剤水溶液として、紙、不織布、織布、木材などに塗布、含浸などを行い、紙などの対象物を不燃化または難燃化をすることができる。

とくに、紙、織布、不織布および木材を薄くはいで得られた単板などの薄膜に、前記
難燃化剤水溶液を含浸し、これを、必要に応じて接着剤などを用いて、積層することにより得られた積層物は極めて難燃性に優れており、建材、家具などの材料として有用である。

珪素含有廃水中には、珪素以外の不純物が粉末、粒状、塊状などの固体として混っている場合があるが、このような場合は処理廃水の用途により、必要ならば珪素以外の不純物を濾別することができる。

原料である珪素含有廃水の珪素含有量が高すぎる場合には、水や海水により所望の含有量に調整することが好ましい。廃水中の珪素含有量が低い場合には、廃水を濾過、あるいは凝集沈殿剤を添加して得られる珪素沈殿物いわゆるスラッジとして濃縮し、これを適切な濃度に調整すればよい。

本発明におけるアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属の水酸化物は、珪素含有廃水に固体のまま添加することもできるし、水溶液の形で添加することもできる。水溶液化のためには水でも海水でも使用可能である。

珪素含有廃水に、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属の水酸化物を加えて得られた処理廃水に、塩酸、硫酸、リン酸などの酸を加えて中和すると沈澱がおこり、この沈殿物は膜による固液分離が容易であり、前記特許文献１〜４の技術におけるようなろ過が困難という現象はなく、ろ過により得られた固体は主成分が珪酸塩よりなる無機固形物として取り扱うことができる。

本発明の処理により、珪素は珪酸塩に変化するとともに反応系からは水素が発生する。
そこで、水素は自動車の燃料や燃料電池の原料などとして用いることができるほか、種々の用途があり、また、処理により生成した水素以外の残留物は、それをそのまま加熱、発泡させてガラス質の発泡体とすることができ、断熱材として使用できるほか、これを難燃剤として木材、紙、布などの加工に使用したり、耐火レンガの原料とすることもできる。また、本発明の処理廃水はアルカリ性であるから、これをそのまま焼却炉に散布すればダイオキシンの発生を抑制することができる。さらには、この処理廃水に種々の化合物を添加して、人工宝石の原料とすることもできる。
これらの用途をフローシート化したのが図１である。

以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。

実施例１
珪素基板の加工により得られた産業廃棄物としての珪素粉末０．２８ｇと水１．８ｍｌとを含む廃水に水酸化ナトリウム０．４ｇと水１．８ｍｌとを含むアルカリ水を混合し、系の温度が６０℃に達したら、その温度に保って水素ガスの発生が終了するまで反応を行った。
その結果、４２５ｍｌの水素と珪酸塩含有水とが得られた。この結果、珪素に対して同一当量の水酸化ナトリウムが反応し、２当量の水素が発生していることが分った。珪酸塩含有水は濾過し、固形分を加熱処理したところ、発泡体が得られた。

実施例２
珪素基板の加工により得られた産業廃棄物としての珪素粉末０．２８ｇと水１．８ｍｌおよび凝集沈殿剤であるポリ塩化アルミニウム{〔ＡＬ_２（ＯＨ）_ｎＣ_１６−ｎ〕_ｍ}を０．１％含む廃水に水酸化ナトリウム０．４ｇと水１．８ｍｌとを含むアルカリ水とを混和し、系の温度が６０℃に達したら、その温度に保って水素ガスの発生が終了するまで反応を行った。
その結果、４２０ｍｌの水素を得た。さらに０．１ｇの水酸化ナトリウムを添加し反応を進めると更に２０ｍｌの水素が得られた。

珪素含有廃水を本発明により処理した結果得られる生成物の用途を示す。

Claims (4)

1. 珪素含有廃水に、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属の水酸化物を加え、発生する水素ガスを回収する一方、生成した処理溶液を加熱発泡させて無機質発泡体として回収することを特徴とする珪素含有廃水の処理方法。
2. 珪素含有廃水に、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属の水酸化物を加え、発生する水素ガスを回収する一方、生成した処理溶液を難燃化剤水溶液として回収することを特徴とする珪素含有廃水の処理方法。
3. 請求項１記載の無機質発泡体よりなることを特徴とする難燃性断熱材。
4. 請求項２記載の難燃化剤水溶液を薄膜に含浸することにより得られた含浸薄膜の積層物であることを特徴とする難燃性積層物。

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