JP5924566B2

JP5924566B2 - 雑草抑制材

Info

Publication number: JP5924566B2
Application number: JP2011127524A
Authority: JP
Inventors: 小野　裕司; 裕司小野; 一成加茂; 裕亮多田; 友紀川真田; 越智　隆; 隆越智; 小笠原　勝; 勝小笠原
Original assignee: Utsunomiya University; Nippon Paper Industries Co Ltd
Current assignee: Utsunomiya University; Nippon Paper Industries Co Ltd
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2031-06-07
Also published as: JP2012017323A

Description

本発明は雑草を防除ないし抑制する技術に関する。特に本発明は、ペーパースラッジを原料とする雑草抑制材、および、それを用いた雑草の生育を抑制する方法に関する。

一般に、製紙工場のパルプ製造工程、紙製造工程、古紙処理工程等から発生するペーパースラッジは、サーマルリサイクルされ、焼却処理により熱エネルギーが回収される。
しかし、ペーパースラッジを焼却した際に生じるペーパースラッジ焼却灰は、嵩高であるため輸送費がかかり、また、灰の形状が不均一であるためセメント原料などとしての用途が限定されることが多い。また、ペーパースラッジ焼却灰には、重金属類の有害物質が含まれる場合があり、直接埋立処分をすることが制限されている。ペーパースラッジ焼却灰を埋立処理する場合、有害物質の溶出を抑制するために薬剤（キレート）処理や溶融固化処理が必要になるが、薬剤処理には高価なキレート剤が必要であり、溶融固化処理では設備費や多くのエネルギーが必要となるため、焼却灰の処理費用が増大する。そして、近年では、埋立処分場を確保すること自体が困難になってきている。

このような状況の中、ペーパースラッジ焼却灰を有効活用する技術が強く望まれている。例えば、特許文献１には、ペーパースラッジ焼却灰の水熱固化体を土壌改良剤として用いて土壌の水捌けを改善することが提案されている。

特開２００５−３１３０３２号公報

本発明の課題は、ペーパースラッジ焼却灰を有効活用する技術を提供することである。

上記課題に鑑み、ペーパースラッジ焼却灰の利用法を鋭意検討したところ、本発明者は、ペーパースラッジ焼却灰を造粒固化して得られる造粒固化体が雑草の生育抑制に極めて有効であることを見出し、本発明を完成させた。

これに限定されるものではないが、本発明は以下の発明を包含する。
（１）ペーパースラッジ焼却灰を含む造粒固化体を含んでなる雑草抑制材。
（２）前記造粒固化体が、ペーパースラッジ焼却灰を含む焼却灰から水熱反応によって得られる、（１）に記載の雑草抑制材。
（３）（１）または（２）に記載の雑草抑制材を土壌表面および／または土壌中に敷設することを含む、雑草の生育を抑制する方法。

本発明によれば、雑草の生育を効果的に抑制することができる。本発明によって雑草の生育が効果的に抑制されるメカニズムの詳細は明らかでなく、本発明は以下の推測に拘束されるものではないが、高い吸水性を有する本発明の雑草抑制剤によって雑草の生育に必要な水分が雑草に行き渡らなくなり、その結果、雑草の生育を抑制できるものと推測される。

図１は、雑草の生育抑制試験の方法を示す模式図である。１が種子、２が造粒固化体、３が土壌である。図２は、本発明の雑草抑制材を用いなかった場合の雑草の生育状況を示す写真である（比較例）。図３は、本発明の雑草抑制材を用いた場合の雑草の生育状況を示す写真である。図４は、本発明の雑草抑制材を用いた場合の雑草の生育状況を示す写真である。

ペーパースラッジ焼却灰
本発明においてペーパースラッジとは、パルプ製造工程、紙製造工程、古紙処理工程などから発生する廃棄物を意味する。ペーパースラッジには、顔料や填料として製紙に使用されるシリカ、炭酸カルシウム、硅砂、タルク、カオリンなどの無機物質に加え、パルプ、インク、製紙用薬品などの有機物質が含有される。

本発明においてペーパースラッジ焼却灰とは、ペーパースラッジを焼却装置で焼却処理した際に発生する焼却灰のことである。本発明において焼却装置の形式などは特に限定されず、例えば、流動層ボイラーやストーカ焼却炉などの公知の焼却装置などを挙げることができる。この場合、助燃用とするため、重油や石炭などの燃料をペーパースラッジと共に混焼しても構わない。さらに、ＲＤＦ（ごみ固形燃料）、ＲＰＦ（産業系廃プラスチック・古紙類固形燃料）、その他一般可燃物もペーパースラッジと共に、ボイラーでの混焼は構わない。

ペーパースラッジ焼却灰の造粒固化
本発明において造粒固化体は、ペーパースラッジ焼却灰を原料として種々の方法で調製することができ、公知の加圧成形法や造粒法を用いることができる。ペーパースラッジ焼却灰はそのままでは飛散しやすく、ハンドリングしにくい場合があるが、本発明によってペーパースラッジ焼却灰を造粒固化することによって、土壌への敷設などの施工時や輸送時などに取り扱いやすくなる。また、造粒固化することによって、ある程度の強度を有し、長期的に安定な雑草抑制剤を得ることができる。本発明においては、ペーパースラッジ焼却灰に加えて、石炭灰、バイオマス焼却灰をさらに混合し、造粒固化体の原料として使用してもよい。石炭灰、バイオマス灰の混合比率は、ペーパースラッジ焼却灰１００重量部に対して０〜１０００重量部が好ましく、１０〜５００重量部がより好ましく、１０〜１００重量部がさらに好ましい。

ペーパースラッジ焼却灰の造粒固化には、生石灰、二水石膏などの石膏、セメントなどを固化剤として使用することができ、安定剤などの各種添加剤を用いてもよい。例えば、ペーパースラッジ焼却灰に水、固化剤を加え、必要により硬化促進剤、分散剤を加え、造粒機に供給し、本発明の造粒固化体を製造することができる。造粒工程は、例えば、常温〜９８℃、望ましくは６０〜９５℃で行うことができる。造粒時間は特に制限されないが、例えば５〜６０分間、好ましくは５〜３０分間、より好ましくは５〜１０分間程度とすることができる。ペーパースラッジ焼却灰に加える水は、焼却灰１００重量部に対して６０〜１００重量部が好ましく、７５〜９５重量部がより好ましい。また、生石灰などの固化剤は、焼却灰１００重量部に対して０〜３０重量部程度用いることが好ましい。

本発明において造粒固化体を製造する際に用いる造粒機としては、特に制限はなく、例えば、押出造粒機、転動造粒機、ロール成形機、打錠式造粒機、フレーカ式造粒機などを使用することができる。押出造粒機は、一定の穴径を備えたダイスから材料を強制的に圧縮押出するものである。転動造粒機は、回転体に供給された材料が回転運動により相互に付着成長しながら、比較的ソフトで形状の整った球状物を大量に作るのに適している。ロール成形機は、相対する一対の回転ロールに凹状のポケットが刻んであり、上部より材料を供給し形状一定の造粒物を作る装置である。打錠式造粒機は、円板上に放射線上に並んだ金型に材料が充填され、押棒により圧縮され、次いで造粒物が排出される、これを連続で行うものである。フレーカ式造粒機は、溶融物やスラリー状の材料を回転ドラムやスチームベルトに付着させ、冷却又は加熱することによりフレーク状に造粒するものである。粒子自体がソフトに成形でき、大量生産にも適するため、転動造粒機が好適である。

ペーパースラッジ焼却灰を造粒した後、それを固化することによって、ある程度の強度を有する造粒固化体を得ることができる。例えば、上記のように造粒した造粒物を養生し、恒温槽やオートクレーブなどにおいて処理することにより造粒固化体を得ることができる。処理温度は特に制限されないが、４０〜２５０℃が好ましく、７０〜２２０℃がより好ましく、１００〜２００℃がさらに好ましい。処理温度も特に制限されないが、例えば、３〜２４時間、望ましくは４〜１５時間、より望ましくは４〜１０時間である。

硬化促進剤や分散剤の使用は必須ではないが、水和作用を促進して早期に強度を発現させる役割があり、ある程度の強度を有する造粒固化体を短い処理時間で得ることができる。硬化促進剤ないし分散剤としては、例えば、塩化カルシウム、塩化第二鉄、塩化アルミニウム、塩化マグネシウム、炭酸ソーダ、炭酸カリウム、珪弗化亜鉛、珪弗化マグネシウム、珪弗化ソーダなどを挙げることができる。

本発明においては、ペーパースラッジ焼却灰を原料とするため、固化剤として添加される生石灰などと水熱固化反応しやすく、強度が高く安定な粒状の水熱固化体を得ることができる。一般に、ペーパースラッジには木質系有機物（微細繊維、柔細胞、紙で使われる有機顔料・填料等）が含有されるため、ペーパースラッジ焼却灰にはシリカなどの無機材料中に適当な間隔を持って空隙部が存在するため、造粒固化しやすいものと考えられる。また、ペーパースラッジ焼却灰は、上記構造からも明らかなように細孔性と多孔性を有し、その造粒固化体は比較的高い吸水性や保水性を有している。さらに粒状の造粒固化体とすることにより表面積が大きくなる。本発明においては、これらの特性が本発明の雑草抑制効果に寄与しているものと考えられる。

本発明において造粒固化体の大きさは特に制限されないが、１ｍｍ〜５ｃｍ程度の直径を有することが好ましく、１ｍｍ〜３ｃｍ程度の直径がより好ましい。直径の上限は、５ｃｍが好ましく、３ｃｍがより好ましいが、１ｃｍとすることも可能であり、直径の下限は、１ｍｍが好ましく、５ｍｍとすることも可能である。本発明においては、雑草ないしその種子に水分が供給されないように、造粒固化体が細孔性および多孔性であり、吸水性や保水性を有することが必要である。粒子の表面積が大きい方が吸水性や保水性には有利であり、粒径が小さいほど粒子の表面積が大きくなる。また、粒子が球状に近い場合、小粒径だけでは施工上締め固めがしにくく、また逆に大粒径だけでも同様に締め固めがしにくいため、ある程度の幅の粒度分布を有する造粒固化体であると、粒径の大きなものの間隙に粒径の小さなものが充填されることにより締め固めしやすくなる。
また、本発明の造粒固化体は、全体の７０重量％以上の粒子の直径が１ｍｍ〜３ｃｍであることが好ましく、１ｍｍ〜２ｃｍであることがより好ましく、１ｍｍ〜１ｃｍであることがさらに好ましい。このような範囲であると、造粒固化体による雑草の発生抑制効果が特に大きくなる。
本発明の造粒固化体の水銀圧入法で測定した平均細孔半径は０．１μｍ以下であることが好ましい。また、造粒固化体の水銀圧入法で測定した累積細孔容積は０．４ｍｌ／ｇ以上であることが好ましい。平均細孔半径が０．１μｍ以下であることにより、材料としての吸液力が向上し、土壌水分をより効果的に吸収することができると考えられる。また、累積細孔容積が０．４ｍｌ／ｇ以上であることにより、材料としての水分保持能が向上し、土壌水分をより多く吸収することができると考えられる。平均細孔半径、累積細孔容積がこれらの範囲であれば、結果的に雑草の生育抑制の効果がより良好となる。

雑草の生育抑制
本発明においては、ペーパースラッジ焼却灰の造粒固化体を用いて雑草の生育を抑制する。本発明の雑草抑制材は、土壌表面に敷設してもよく、土壌中に敷設してもよい。本発明の雑草抑制材を層状に敷設する場合、その厚さは、３〜３０ｃｍ程度であることが好ましく、４〜１５ｃｍ程度であることがより好ましく、５〜１０ｃｍ程度あることがさらに好ましい。このような厚さで本発明の雑草抑制材を敷設することにより、雑草ないしその種子への水分移行を効果的に阻止することができ、雑草の生育を効果的に抑制することができる。

本発明の雑草抑制剤の適用場所は特に制限されず、雑草の生長制御を必要とする場所に対して適用することができる。例えば、庭や広場、公園などの緑地の他、道路法面、中央分離帯、路肩、植栽帯、植樹桝、河川堤防法面などに好適に適用することができる。本発明の雑草抑制剤は、除草剤のように化学的に雑草の生育を抑制するものでないため、環境に与える影響が少なく、環境面でも好適である。

本発明において雑草とは、ヒトの活動を妨げるあらゆる植物を意味し、人間の攪乱のあるところに生育できるが、作物のように栽培すなわち人間の積極的な保護を必要としない植物群をいう。

以下に本発明の実施例を示し、本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。また、本明細書において％および部は特に記載のない限り重量基準であり、数値範囲はその端点を含むものとして記載される。

＜実験１＞
造粒固化体の製造
以下の手順により、ペーパースラッジ焼却灰の造粒固化体を得た。
・造粒固化体Ａ：製紙工場から排出されたペーパースラッジを、流動層式焼却炉を用い、酸素濃度７％、滞留時間２秒、約７７０℃の条件で焼却し、ペーパースラッジ焼却灰を得た。このペーパースラッジ焼却灰１００重量部に対し、水２４重量部、スラリー状消石灰（生石灰濃度１４％スラリー）１０２．５重量部、石炭灰１２５重量部を、造粒機（北川鉄工所社製、商品名ペレガイヤ）で、温度５０℃、時間３００秒で混合し、粒状の造粒物を得た。この造粒物を２週間そのまま放置して自然養生した後、１８０℃で５時間水熱固化処理を行って、ペーパースラッジ焼却灰の水熱固化体を得た（直径は１ｍｍ〜５ｃｍであり、１．１８ｍｍ〜１．６ｃｍの粒が全体重量の７０重量％以上を占めていた）。
・造粒固化体Ｂ：製紙工場から排出されたペーパースラッジを、流動層式焼却炉を用い、酸素濃度７％、滞留時間３秒、約８５０℃の条件で焼却し、ペーパースラッジ焼却灰を得た。このペーパースラッジ焼却灰７３０重量部に対し、石炭灰１５０重量部、水７００重量部、二水石膏１０１重量部を、造粒機（クリハラ社製、商品名ELBAミキサー）で、温度５０℃、時間２６５秒で混合し、この造粒物を２日間自然養生して、粒状の造粒固化体を得た（直径は１ｍｍ〜５ｃｍであり、１．１８ｍｍ〜１．６ｃｍの粒が全体重量の７０重量％以上を占めていた）。

このようにして得られた造粒固化体ＡおよびＢについて、その吸水性、元素組成および結晶組成を測定した。
・吸水性：造粒固化体の吸水性について、吸水倍率および点滴吸水度を測定した。吸水倍率とは、サンプルを水に１時間浸漬させ、サンプルの重量の何倍の水を吸収したかというものであり、長時間での吸水性を評価するものである。点滴吸水度は、サンプル表面に水を１０μｌ載せ、水が内部に浸透するまでの時間であり、短時間での吸水性を評価するものである。
・元素組成：蛍光Ｘ線（OXFORD INSTRUMENTS社製、商品名ED2000）により元素分析を行った。
・結晶組成：Ｘ線回折（PANalytica社製、商品名X'Pert PRO）により結晶組成について分析した。

雑草の生育抑制試験
上記造粒固化体の雑草抑制効果を評価した。ワグネルポット（直径１６ｃｍ、高さ２０ｃｍ）に、供試土壌として火山灰土壌（埴壌土）を入れ、その上に上記造粒固化体を約５ｃｍの厚さで敷設した（図１）。供試雑草としてメヒシバを用い、ポット当たり０．１５ｇのメヒシバ種子を、造粒固化体層の上下に０．０７５ｇずつに分けて播種した。播種後のワグネルポットをポットはガラス室内に設置し、適宜に灌水し、播種から１ヶ月後の雑草の生育状況を観察した。

試験結果を表２および図２〜４に示す。表２および図２〜４から明らかなように、本発明の雑草抑制材によると効果的に雑草の生育を抑制することができた。本発明の造粒固化体Ａを用いた場合、対照に比べて、雑草の発生本数を１／４以下まで抑制することができ、また、造粒固化体Ｂを用いた場合も雑草の発生本数を３５％以上抑制できた。

有害物質の溶出性試験
上記造粒固化体について有害物質の溶出性を評価した。環境省告示第４６号付表に定める通りに溶出処理を行って、溶出量測定のための検液を作成した。試料（造粒固化体）を非金属製の２ｍｍの目のふるいを通過させ、試料５０ｇと溶媒（純水に塩酸を加え、水素イオン濃度指数が５．８以上６．３以下となるようにしたもの）５００ｍｌを混合し、調製した試料液を常温常圧で振とう機（振とう回数毎分約２００回、振とう幅４ｃｍ以上５ｃｍ以下）を用いて、６時間連続して振とうした。得られた液を３０分間静置後、毎分約３０００回転で２０分間遠心分離した後の上澄み液を孔径０．４５μｍのメンブランフィルターでろ過してろ液を取り、定量に必要な量を正確に計り取って、これを検液とした。
環境省告示第１８号に準拠し、フッ素は水質環境基準告示付表６に記載のイオンクロマトグラフ法、ホウ素はＪＩＳＫ０１０２４７．３に記載のＩＣＰ発光分光法、全クロムはＪＩＳＫ０１０２６５．２．４に記載のＩＣＰ発光分光法、鉛はＪＩＳＫ０１０２５４．３に記載のＩＣＰ発光分光法にて測定した。

以下の表から明らかなように、本発明の造粒固化体は土壌環境基準を満たしており、実用的に問題がないことが分かった。

＜実験２＞
造粒固化体の製造
以下の手順により、直径１ｍｍ〜５ｃｍの造粒固化体を得た。
・造粒固化体Ｃ：製紙工場から排出されたペーパースラッジを、流動層式焼却炉を用い、酸素濃度７％、滞留時間３秒、約８５０℃の条件で焼却し、ペーパースラッジ焼却灰を得た。このペーパースラッジ焼却灰１００重量部に対し、水７５重量部、二水石膏２０重量部を、造粒機（北川鉄工所社製、商品名ペレガイヤ）で、温度５０℃、時間３００秒で混合し、粒状の造粒物を得た。この造粒物を２日間自然養生して、直径が１ｍｍ〜５ｃｍである粒状の造粒固化体を得た（１．１８ｍｍ〜１．０ｃｍの粒子が全体重量の７０重量％以上を占めていた）。
・造粒固化体Ｄ：水の添加量を、ペーパースラッジ焼却灰１００重量部に対し、８０重量部とした以外は、造粒固化体Ｃと同様に製造を行って、直径が１ｍｍ〜５ｃｍである粒状の造粒固化体を得た（５．０ｍｍ〜１．６ｃｍの粒子が全体重量の７０重量％以上を占めていた）。
・造粒固化体Ｅ：水の添加量を、ペーパースラッジ焼却灰１００重量部に対し、８５重量部とした以外は、造粒固化体Ｃと同様に製造を行って、直径が１ｍｍ〜５ｃｍである粒状の造粒固化体を得た（１．０ｃｍ〜５．０ｃｍの粒子が全体重量の７０重量％以上を占めていた）。
・造粒固化体Ｆ：製紙工場から排出されたペーパースラッジを、流動層式焼却炉を用い、酸素濃度７％、滞留時間２秒、約７７０℃の条件で焼却し、ペーパースラッジ焼却灰を得た。このペーパースラッジ焼却灰１００重量部に対し、水２２重量部、スラリー状消石灰（生石灰濃度１４％スラリー）１０２．５重量部を、造粒機（北川鉄工所社製、商品名ペレガイヤ）で、温度５０℃、時間３００秒で混合し、粒状の造粒物を得た。この造粒物を２週間そのまま放置して自然養生した後、１８０℃で５時間水熱固化処理を行って、直径が１ｍｍ〜５ｃｍであるペーパースラッジ焼却灰の水熱固化体を得た（１．１８ｍｍ〜１．０ｃｍの粒が全体重量の７０重量％以上を占めていた）。
・造粒固化体Ｇ：製紙工場から排出されたペーパースラッジと、廃木屑を主体とする木質系廃棄物を、乾燥重量比１：１の比率で混合した。この混合物を、流動層式焼却炉を用い、酸素濃度７％、滞留時間３秒、約８５０℃の条件で焼却し、ペーパースラッジ焼却灰を得た。このペーパースラッジ焼却灰１００重量部に対し、水５５重量部、二水石膏２０重量部を、造粒機（北川鉄工所社製、商品名ペレガイヤ）で、温度５０℃、時間３００秒で混合し、粒状の造粒物を得た。この造粒物を２日間自然養生して、直径が１ｍｍ〜５ｃｍである粒状の造粒固化体を得た（１．１８ｍｍ〜１．０ｃｍの粒が全体重量の７０重量％以上を占めていた）。
・市販固化体：比較として、一般ゴミを原料として、これを燃焼後、再焼成（溶融）、造粒して得られる市販固化体を使用した（製品名：アークサンド、多機能エコソイル工法協会製：直径が１ｍｍ〜５ｃｍであり、１．１８ｍｍ〜１．０ｃｍの粒子が全体重量の７０重量％以上を占めていた）。
このようにして得られた造粒固化体及び市販固化体について、吸水性の測定、雑草の生育抑制試験、有害物質の溶出性試験を、実験１と同様にして行った。また、造粒固化体Ｃ、Ｆ、Ｇ、市販固化体については、水銀ポロシメーターを用いて水銀圧入法により、平均細孔半径と累積細孔容積を測定した。
試験結果を表４〜５に示す。表４から明らかなように、本発明の造粒固化体のいずれもが雑草の発生本数を効果的に抑制できた。特に、１．１８ｍｍ〜１．０ｃｍの粒子が全体重量の７０重量％以上を占める造粒固化体Ｃ、Ｆ、Ｇは雑草抑制効果が大きく、対照（無処理）に比べて、雑草の発生本数を約１／８まで抑制することができた。
また、表４から明らかなように、ペーパースラッジ焼却灰を原料とする本発明の造粒固化体は、一般ゴミの焼却灰を原料とする造粒固化体と比較して、雑草の発生本数を効果的に抑制できた。ペーパースラッジ焼却灰を原料とする本発明の造粒固化体は、一般ゴミの焼却灰を原料とする市販の固化体と比較して平均細孔半径は小さく、累積細孔容積は大きくなっており、このような細孔特性の違いが雑草の発生抑制効果と関係していると推測された。
さらに、表５から明らかなように、本発明の造粒固化体は土壌環境基準を満たしており、実用的に問題がないことが分かった。

Claims

ペーパースラッジ焼却灰を含む造粒固化体を含んでなる雑草抑制材であって、
造粒固化体の平均細孔半径が０．１μｍ以下、累積細孔容積が０．４ｍｌ／ｇ以上であり、造粒固化体全体の７０重量％以上が１ｍｍ〜３ｃｍの直径を有する、上記雑草抑制材。
前記造粒固化体が、ペーパースラッジ焼却灰を含む焼却灰の水熱反応物である、請求項１に記載の雑草抑制材。
前記造粒固化体の直径が、１ｍｍ〜５ｃｍである、請求項１または２に記載の雑草抑制材。
請求項１〜３のいずれかに記載の雑草抑制材を土壌表面および／または土壌中に敷設することを含む、雑草の生育を抑制する方法。