JP5658270B2 - スラッジ廃棄物を用いた軽量建設資材の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明はスラッジ廃棄物を用いた軽量建設資材の製造方法に係り、さらに詳しくは、スラッジ廃棄物に長石、ベントナイト、ゼオライト、黄土、雲母及びろう石を添加して製造されるスラッジ廃棄物を用いた軽量建設資材の製造方法及びこれにより製造された軽量建設資材に関する。
一般に、浄水場や下水終末処理場、工場または焼却設備などで発生するスラッジ及び有機物ではないあらゆる残渣は廃棄物として分類されて、回収過程を経て指定された方法により廃棄されていた。しかしながら、上記の廃スラッジを回収して廃棄するためには、大型の回収施設及び回収装置を備えることを余儀なくされ、回収されたままで埋め立てて廃棄されるのではなく、環境的な側面において自然な再生作用を得るために、採取された粘土と廃スラッジとを混合した状態で埋め立てることとなる。これにより、粘土の消費量が多いだけではなく、混合粘土による体積及び埋設量が増大し過ぎるため、廃棄場の指定及び設置に多くの困難があった。
上記の廃棄過程で多大な廃棄費用がかかることはもとより、指定された廃棄場もまた隣り合う地域の土壌や環境に影響を及ぼしてはならないため、前処理及び事後管理が極めて厳しくなる結果、相当の経費がかかるのが現状である。
また、産業社会が発達するに伴い、天然資材がかなり不足しているのが現状であるため、これに着目して、スラッジ廃棄物を無機物と混合加工して成形した後に、乾燥、焼成過程を経て建設資材を製造する方法が提案されている。このようにして製造された軽量骨材は、使用したコンクリートの比重を減らすだけではなく、軽量骨材の内部における無数な気孔によって断熱及び防音の効果も得られるというメリットがある。
このため、韓国登録特許１０−０８５９００２では、下水スラッジ、石炭フライアッシュ（coal fly ash）及び粘土をそれぞれ１ｍｍ以下に粉砕した後に成形し、１１００℃〜１２００℃の温度で１０〜１５分間焼成して人工軽量骨材を製造する方法が提示されていて、韓国登録特許１０−０４５０８９８では、脱水ケーキ状態の下水スラッジを２４時間１次的に乾燥し且つ粉砕した後、粘土、硅砂、石膏及び高炉スラグ粉末と混合して成形し、２次的に乾燥し、９００℃〜１１００℃の温度で１３時間焼成して焼成建設資材を製造する方法が提案されている（例えば、下記の特許文献２参照）。しかしながら、これらの発明は、重金属の溶出がなく、軽量の骨材を製造することができるという効果は得られるが、製造中に多大なエネルギーが消費され、製品の多変化が困難であり、焼却後の残渣を用いた製品の場合に強度が弱いという問題点があった。
そこで、本発明者らは、上記問題点を解消するために鋭意努力した結果、スラッジ廃棄物に長石、ベントナイト、ゼオライト、黄土、雲母及びろう石を添加した場合に、単純な工程により物性に優れた軽量建設資材を製造することができるということを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明の目的は、単純な工程により廃スラッジを再活用して物性に優れた軽量建設資材を製造することのできるスラッジ廃棄物を用いた軽量建設資材の製造方法を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明は、（ａ）スラッジ廃棄物１００重量部、長石１０〜６０重量部、ベントナイト３０〜１１０重量部、ゼオライト４０〜１００重量部、黄土４０〜１１０重量部、雲母３０〜１６０重量部及びろう石３０〜４０重量部を含む混合物を製造するステップと、（ｂ）前記混合物を成形するステップと、（ｃ）前記成形された混合物を焼成して建設資材を製造するステップと、を含むとスラッジ廃棄物を用いた軽量建設資材の製造方法を提供する。
また、本発明は、スラッジ廃棄物１００重量部、長石１０〜６０重量部、ベントナイト３０〜１１０重量部、ゼオライト４０〜１００重量部、黄土４０〜１１０重量部、雲母３０〜１６０重量部及びろう石３０〜４０重量部であることを特徴とする軽量建設資材を提供する。
他の方式で定義されない限り、本明細書において使用されたあらゆる技術的・科学的用語は、本発明が属する技術分野に熟練した専門家によって通常理解されるものと同じ意味を有する。通常、本明細書において使用された命名法及び以下で詳述する実験方法は、本技術分野において周知であり、しかも汎用されるものである。
一観点において、本発明は、（ａ）スラッジ廃棄物１００重量部、長石１０〜６０重量部、ベントナイト３０〜１１０重量部、ゼオライト４０〜１００重量部、黄土４０〜１１０重量部、雲母３０〜１６０重量部及びろう石３０〜４０重量部を含む混合物を製造するステップと、（ｂ）前記混合物を成形するステップと、（ｃ）前記成形された混合物を焼成して建設資材を製造するステップと、を含むことを特徴とするスラッジ廃棄物を用いた軽量建設資材の製造方法に関する。
本発明において、軽量建設資材とは、軽量煉瓦、歩道ブロック、軽量パネル及び軽量骨材など建物や構造物を施工するときに必要とされる資材のことをいう。
本発明において、スラッジは、下水処理場の処理過程や工場の廃液処理過程などで生じる、または、取水管、取水井から取り込まれる原水を浄水する過程でろ過及び沈殿により生じる、有機質の最終生成物が凝集して出来た固体のことであり、汚泥ともいう。スラッジは有機物を含有しており、含水率も高いため、これまでは、嫌気処理によってスラッジを安定化させた後、脱水して埋め立てるといった方法により処分するか、あるいは、水中投棄法や揚水法により処理した後に海に送り出していた。しかしながら、埋立法は、スラッジ量の増加により埋立地の確保が困難であり、海に投棄する方法は、その処理過程が極めて煩雑であり、しかも、環境汚染の可能性を完全に排除することができないという欠点がある。そこで、本発明においては、簡略化した工程によりスラッジ廃棄物を再活用して軽量の建設資材を製造する方法を提示することにより、経済的な効果が得られると共に、環境汚染が低減される。
本発明において、長石は、アルミニウムケイ酸塩鉱物であり、モース硬度は６であり、比重は２〜２．７であり、破断したときの両方向は９０°をなし、白色、灰色、濃い褐色などを帯びている。本発明において長石を添加することにより、建設資材の接力が向上し、焼成温度が下げられてエネルギーが節減される他、強度が向上する。
本発明において、黄土とは、シルトを主とした粒径０．００２〜０．００５ｍｍの細粒性の堆積物をいい、黄褐色を帯び、あまり風化せず、尖った垂直の壁面を形成し、主として石英を含有し、その他に、輝石、角閃石などを含有する石灰質である。建設資材を製造するときに、黄土が添加されることにより、焼結性に優れており、強度を向上させ、遠赤外線の放出効果及び脱臭効果が得られ、機器による磨耗が少なく、焼成温度が下げられてエネルギーを節減することができるという効果がある。
本発明において、ベントナイトとは、火山灰由来の微細な琉璃質粒子が変質して生じた粘土鉱物であり、雲母などの結晶構造を有する単斜晶系に属する鉱物であるモンモリロナイトが主として含有されている粘土をいう。白色、灰色、淡褐色、淡緑色などを帯び、建設資材を製造する際にベントナイトを添加することにより、接力及び吸収力が高まる。
本発明において、ゼオライトは、アルカリ及びアルカリ土類金属のケイ酸アルミニウム水和物である鉱物を総称であり、（Ｓｉ、Ａｌ）Ｏ４の四面体が立体網状に結合されている構造であり、中央部に大きな隙間が存在することが特徴である。種類は多いが、含水量が多い点、結晶の性質、産出（occurrences）などに共通点がある。硬度は６を超えず、比重は約２．２である。一般に、無色透明、または、白色半透明である。多孔質物質であるため、製造される建設資材の吸収力を向上させ、製品の軽量化が図れる他、匂いを除去する役割を果たす。
本発明において、粉塵は、空気やガス中に存在する固体微粒子である。主として固体が機械的な作用によって爆発、破解、切断される作業中に発生する。また、粉塵は、自然系においても火山爆発、風、岩石破壊、風化、隕石などの作用によって空気中に浮かんでいたり、植物の花粉、動物の落屑、バクテリアなどによるものもある。粒子は１００μｍよりもやや大きなものもあれば、約０．０１μｍに至るものもある。粉塵を製造に適用することにより、粘土の含量を減らすことできるので、製造コストを節減するという効果が得られる。なお、焼成温度が下げられてエネルギーを節減することができるという効果もあり、しかも、焼結性を向上させる。
本発明において、雲母は、花崗岩に属する重要な造岩鉱物であり、層状ケイ酸塩鉱物である。硬度は２．５〜４であり、比重は２．７５〜３．２であり、黄色、褐色、緑色を帯びる。ゲルマニウム（Ｇｅ）が約２．８２ｐｐｍ含有されており、人体に有益な遠赤外線の分光分布が高くて遠赤外線の放射度が高い。製品に雲母を添加することにより、脱臭性及び抗菌性を示し、成形時に粘力を向上させ、砂質がなくて機械的な磨耗を低減する効果を示す。
本発明において、ろう石は、通常、化学式がＡｌ２Ｏ３・４ＳｉＯ２・Ｈ２Ｏであり、理論的な含量比は、Ａｌ２Ｏ３：２８．３％、ＳｉＯ２：６６．７％、Ｈ２Ｏ：５％である。白色から緑色に至るまでいろいろな色を帯び、比重は２．７〜２．９であり、硬度は約１〜２と非常に低い。ろう石を建設資材の製造に添加することにより、水と一緒にポゾラン反応を誘導して建設資材に強度を与え、耐水性及び耐腐食性を向上させ、騒音や水分を吸収するという効果を示す。
本発明において、粘土は、直径０．００４ｍｍ以下の微細な土粒子をいうが、砂やシルトに比べて単位重量当たりの表面積が非常に広いため、保水特性に優れている。粘土を製品に添加されることにより、成形時に粘力を向上させ、低温下でも焼結し易いという効果がある。
本発明において、スラッジ廃棄物を用いた軽量建設資材の製造方法により製造された軽量建設資材は、スラッジ廃棄物１００重量部に対して、長石１０〜６０重量部と、ベントナイト３０〜１１０重量部と、ゼオライト４０〜１００重量部と、黄土４０〜１１０重量部と、雲母３０〜１６０重量部及びろう石３０〜４０重量部を含む。
本発明において、長石を１０重量部未満で添加する場合に、強度が低下する虞があり、６０重量部を超えて添加する場合には、コストが高くつくという問題がある。
本発明において、ベントナイトを３０重量部未満で添加する場合に、製品の吸収力が低下する虞があり、１１０重量部を超えて添加する場合には、コストが高くつくという問題がある。
本発明において、ゼオライトを４０重量部未満で添加する場合に、吸収力が低下し、軽量化が不足しがちになる虞があり、１００重量部を超えて添加する場合には製品の強度が弱くなる虞がある。
本発明において、黄土を４０重量部未満で添加する場合に、強度低下及び焼成温度の上昇によるエネルギー損失を引き起こす虞があり、１１０重量部を超えて添加する場合には、コストが高くつくという問題がある。
本発明において、雲母を３０重量部未満で添加する場合、成形力が低下する虞があり、１６０重量部を超えて添加する場合には、コストが高くつくという問題がある。
本発明において、ろう石を３０重量部未満で添加する場合、強度が低下する虞があり、４０重量部を超えて添加する場合には、コストが高くつくという問題がある。
本発明において、粉塵を１０重量部よりも少量添加する場合に、焼成温度が高くなってエネルギーの無駄につながる虞があり、２０重量部を超えて添加する場合には、強度が弱くなる虞がある。
本発明において、成形は、通常の方法により行うことができ、好ましくは、乾式プレスに入れ、１２００〜１５００トンの圧力にて押圧して行う。
本発明において、焼成は、トンネル炉、炉（かま）などを用いた通常の焼成方法により行うことができ、１１４０〜１１９０℃の温度で３〜５時間行うが、焼成温度の調整によって製造された建設資材の透水性が決められる。焼成温度が１１４０℃未満であれば、強度が低下する虞があり、１１９０℃を超えると、透水気孔の目詰まりによって透水性が低下する。
他の観点において、本発明は、スラッジ廃棄物１００重量部、長石１０〜６０重量部、ベントナイト３０〜１１０重量部、ゼオライト４０〜１００重量部、黄土４０〜１１０重量部、雲母３０〜１６０重量部及びろう石３０〜４０重量部を含むことを特徴とする軽量建設資材に関する。
本発明に係るスラッジ廃棄物を用いた軽量建設資材は、比重を低く調節されており、水に入れたときに浮かぶ現象が観察できる。図１に示す。
本発明に係るスラッジ廃棄物を用いた軽量建設資材の製造方法及びこれにより製造された軽量建設資材は、スラッジ廃棄物をケーキ状態で運んで前処理を行うことなく無機物と混合して成形し且つ焼成して軽量建設資材を製造することにより、乾燥過程を省略して、水及びエネルギーの節減と、砒素、粉塵及び匂いの発生の抑制及び量産の効果を示し、様々な無機物を混合する方法により比重及び気泡を種々に調節し、しかも、強度の向上した、スラッジを再活用した建設資材を提供する。
以下、本発明を実施例を挙げて詳述する。これらの実施例は単に本発明をより具体的に説明するためのものであり、本発明の範囲がこれらの実施例に制限されないことは当業者において通常の知識を有する者にとって自明である。
実施例１：下水スラッジ廃棄物を用いた軽量建設資材の製造方法
ケーキ状態の下水スラッジ廃棄物を用いた軽量建設資材の製造は、図２に示す工程を用いて、下記表１に示す配合比、焼成温度及び焼成時間に従い行った。下水スラッジ廃棄物及び鉱物は混合機により混合された後、プレス乾式成形機（ＩＮＯＣＡＴＯＲ社製）により成形され、焼成は、トンネル炉（コヌ社製）を用いて行った。
ケーキ状態の下水スラッジ廃棄物を用いた軽量建設資材の製造は、図２に示す工程を用いて、下記表１に示す配合比、焼成温度及び焼成時間に従い行った。下水スラッジ廃棄物及び鉱物は混合機により混合された後、プレス乾式成形機（ＩＮＯＣＡＴＯＲ社製）により成形され、焼成は、トンネル炉（コヌ社製）を用いて行った。
実施例において、ケーキ状態の下水スラッジは、京畿道廣州市所在の下水処理場でケーキとして生産した後、他の処理過程を経ることなく、直ちに運搬され、鉱物と混合して使用した。含水率は７５〜８０％である。長石は、Ｋ２Ｏ９Ｎａ２Ｏ３ＳｉＯ２の成分からなるものであり、インゲ鉱産から粒度２ｍｍ以下のものを購入して使用し、黄土は、プンヒャン黄土（株）から粒度２ｍｍ以下のものを購入して使用し、ベントナイトは、エスアールグリーン（株）から粒度３ｍｍ以下のものを購入して使用した。ゼオライトは、エスアールグリーン（株）から購入して使用し、粉塵は、粒径約３７５メッシュのものを使用した。
前記実施例において、焼成は、３時間３０分〜４時間３０分間行われ、焼成温度は、１１５０〜１１９０℃であるが、焼成温度１１６０℃までは軽量透水製品となり、１１８０〜１１９０℃の範囲において焼成すると、軽量一般煉瓦を生産することができる。
実験例１：実施例１に従い製造された建設資材の物理的な特性の実験
実験により圧縮強度を測定したところ、比較例に比べて同等以上の結果を示し、比重は低く測定されて軽量製品として活用可能であることが確認できた。吸収率は焼成温度によって異なり、１１８０℃以上において焼成した場合に吸収率が低く測定された。実験結果を表２に示す。実施例１、実施例２及び実施例３の圧縮強度について、ＫＳＦ４００４：２００８試験法により実験した結果を図３に示す。
実験により圧縮強度を測定したところ、比較例に比べて同等以上の結果を示し、比重は低く測定されて軽量製品として活用可能であることが確認できた。吸収率は焼成温度によって異なり、１１８０℃以上において焼成した場合に吸収率が低く測定された。実験結果を表２に示す。実施例１、実施例２及び実施例３の圧縮強度について、ＫＳＦ４００４：２００８試験法により実験した結果を図３に示す。
実施例２：上水スラッジ廃棄物を用いた軽量建設資材の製造方法
ケーキ状態の上水スラッジを用いた軽量建設資材の製造は、図４に示す工程を用いて、下記表３に示す配合比、焼成温度及び焼成時間に従い行った。上水スラッジ廃棄物及び鉱物は、混合機により混合された後、プレス乾式成形機（ＩＮＯＣＡＴＯＲ社製）により成形され、焼成は、トンネル炉（コヌ社製）を用いて行った。実施例において、ケーキ状態の上水スラッジは、京畿道廣州市所在の処理場でケーキとして生産した後、他の処理過程を経ることなく、直ちに運搬され、鉱物と混合して使用した。含水率は７５〜８０％である。雲母は、慶尚北道奉化から粒度２ｍｍ以下のものを購入して使用し、ろう石は、慶州のろう石鉱産から購入して使用し、ゼオライトは、エスアールグリーン（株）から購入して使用した。長石は、Ｋ２Ｏ９Ｎａ２Ｏ３ＳｉＯ２の化学式からなるものであり、インゲ鉱産から粒度２ｍｍ以下のものを購入して使用し、ベントナイトは、エスアールグリーン（株）から粒度３ｍｍ以下のものを購入して使用した。
ケーキ状態の上水スラッジを用いた軽量建設資材の製造は、図４に示す工程を用いて、下記表３に示す配合比、焼成温度及び焼成時間に従い行った。上水スラッジ廃棄物及び鉱物は、混合機により混合された後、プレス乾式成形機（ＩＮＯＣＡＴＯＲ社製）により成形され、焼成は、トンネル炉（コヌ社製）を用いて行った。実施例において、ケーキ状態の上水スラッジは、京畿道廣州市所在の処理場でケーキとして生産した後、他の処理過程を経ることなく、直ちに運搬され、鉱物と混合して使用した。含水率は７５〜８０％である。雲母は、慶尚北道奉化から粒度２ｍｍ以下のものを購入して使用し、ろう石は、慶州のろう石鉱産から購入して使用し、ゼオライトは、エスアールグリーン（株）から購入して使用した。長石は、Ｋ２Ｏ９Ｎａ２Ｏ３ＳｉＯ２の化学式からなるものであり、インゲ鉱産から粒度２ｍｍ以下のものを購入して使用し、ベントナイトは、エスアールグリーン（株）から粒度３ｍｍ以下のものを購入して使用した。
焼成温度１１８０℃までは透水製品となり、１１８０℃を超える温度で焼成すると、不透水製品を生産することができる。
実験例２：実施例２に従い製造された建設資材の物理的な特性の実験
実験により圧縮強度を測定したところ、比較例に比べて優れた結果を示し、比重の測定値は低く、軽量製品として活用可能であることが確認できた。なお、吸収率は、下水スラッジを用いた製品に比べて全般的に高く測定された。その実験結果を下記表４に示す。
実験により圧縮強度を測定したところ、比較例に比べて優れた結果を示し、比重の測定値は低く、軽量製品として活用可能であることが確認できた。なお、吸収率は、下水スラッジを用いた製品に比べて全般的に高く測定された。その実験結果を下記表４に示す。
本発明に係るスラッジ廃棄物を用いた軽量建設資材の製造方法は、廃スラッジを再活用することができ、乾燥、破砕及び焼却の過程を省略または短縮することによりエネルギーを節減して、ダイオキシンを発生しないだけではなく、特定の無機物を混合することにより強度に優れており、しかも、透水性に優れた軽量建設資材を製造することができるという効果がある。
Claims (3)
- （ａ）含水率が７５〜８０％であるスラッジ廃棄物と、長石、ベントナイト、ゼオライト、黄土、雲母、及びろう石からなる群から選択される少なくとも１つとを含む混合物を製造するステップであって、
前記スラッジ廃棄物１００重量部に対して、前記長石が１０〜６０重量部であり、前記ベントナイトが３０〜１１０重量部であり、前記ゼオライトが４０〜１００重量部であり、前記黄土が４０〜１１０重量部であり、前記雲母が３０〜１６０重量部であり、そして前記ろう石が３０〜４０重量部である、前記ステップと
（ｂ）前記混合物を成形するステップと、
（ｃ）前記成形された混合物を焼成して建設資材を製造するステップと、を含むことを特徴とするスラッジ廃棄物を用いた軽量建設資材の製造方法。 - 前記ステップ（ｃ）の焼成は、１１４０〜１２００℃の温度で３〜５時間行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 含水率が７５〜８０％であるスラッジ廃棄物と、長石、ベントナイト、ゼオライト、黄土、雲母、及びろう石からなる群から選択される少なくとも１つとを含む混合物から、請求項１または２に記載の方法により製造された軽量建設資材。
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