JP6029234B2

JP6029234B2 - ベントナイト懸濁水からのベントナイトの回収方法

Info

Publication number: JP6029234B2
Application number: JP2012269710A
Authority: JP
Inventors: 浩幸坂本; 真仁柴田
Original assignee: 株式会社太平洋コンサルタント
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2032-12-10
Also published as: JP2014114185A

Description

本発明は、土木工事、建設工事の際排出されるベントナイトを含有した懸濁水、即ち、ベントナイト懸濁水といわれている泥水からのベントナイトの回収方法に関する。

建設工事の際発生する建設発生土の中には、地中連続壁工法より発生する廃ベントナイト泥水、シールド工法、場所打杭工法より発生する廃泥水等がある。即ち、いずれの工法においても、対象となる地中の層が粘性に乏しく崩壊しやすい土質であるために、掘削した土砂にベントナイト等を含んだ泥土調整剤を注入することにより、不透水性および塑性流動性を有する泥水を調製し使用する泥水工法が用いられている。

これらのベントナイトを含有する泥水は工事が進むにつれ、地上に排出され、流動性を呈する産業廃棄物となるが、建設工事に伴い大量に排出されるために、そのままでは運搬に多額の費用が掛かるうえ、埋立て処分には広大な土地を必要とするばかりか、その埋立て処分地の再利用をも困難とするものである。

そこで、この排出されたベントナイト懸濁水を減量化、固形化することにより、運搬が容易で、また一般土砂として埋戻土、盛土に有効利用されるような残土とし、更には、これから再利用可能な膨潤性のベントナイトを得ることが望ましい。しかしながら、単純な泥／水系であれば、高分子凝集剤を用いる、又は、自然沈降により固液分離をするのであるが、これらの泥水は、その粘性のために自然沈降することもなく、また高分子凝集剤を使用する処理においても、かなり多量に添加して固液分離をする場合が散在するにすぎない。

上記問題点を解決する手段として、例えば、カチオン性有機高分子凝集剤とアニオン性有機高分子凝集剤を添加する方法（特公昭５５−１６７１８号公報）、または無機物とカチオン性有機高分子凝集剤とアニオン性有機高分子凝集剤を添加する方法（特公昭５５−３０３６号公報）などがある。

前記特公昭５５−１６７１８号公報および特公昭５５−３０３６号公報のような２成分、または３成分の物質を順次添加する方法は、それぞれを同時に添加できないばかりか、添加順序も決定されているために操作方法が煩雑であり、必ずしも効率的な方法とは言えないものである。

前記固液分離を可能とする課題は、所定３成分（カチオン性有機高分子凝集剤、アニオン性有機高分子凝集剤またはノニオン性有機高分子凝集剤、水溶性塩）からなるベントナイト泥水用脱水剤を用いることで解決できる（特開平０５−０３８４０４号公報）が、ベントナイトを回収する場合は、凝集体を沈降させたのち、フィルターでろ過して、水分を除去する際、ろ過性が不十分であり、水分が乾燥しにくいという難点があり、現場での作業を困難にしていた。

特公昭５５−１６７１８号公報特公昭５５−３０３６号公報特開平０５−０３８４０４号公報特開平０６−１５４７６６号公報

即ち、使用済みのベントナイト懸濁水を減量化のために、沈降処理に有機系凝集剤を用いた場合、沈降の後のろ過性が不十分であり、ベントナイトに水分が、かなり強固に結合し、水分を加熱蒸発処理し除くことが通常であり、ベントナイト懸濁水からベントナイトを抽出して、再度利用可能とすることが困難であった（特開平０６−１５４７６６号公報）。
そこで、使用済みベントナイト懸濁水から、ベントナイトを簡便に回収して、再利用する方法を見出すことを課題とした。

ベントナイト懸濁水に、鉱酸を添加して、水素イオン濃度をｐＨ２からｐＨ３として、ベントナイト結晶層間の水分子を抜き取り凝集体として沈降させ、次いで、水酸化ナトリウムを添加して、ｐＨ８からｐＨ１０に調製して、凝集体と上澄み水とを分離したのち、含水ナトリウム型ベントナイトとして再生することを特徴とする、ベントナイト懸濁水からベントナイトの回収方法、を提供する。

ナトリウム型ベントナイトの懸濁水に、塩酸又は硝酸を添加して、水素イオン濃度をｐＨ２からｐＨ３として、前記ベントナイト結晶層間の水分子を抜き取り凝集体として沈降させ、次いで、水酸化ナトリウムを添加して、ｐＨ８からｐＨ１０に調製して、凝集体と上澄み水と分離したのち、含水ナトリウム型ベントナイトとして再生することを特徴とする、ベントナイト懸濁水からベントナイトの回収方法、を提供する。

前記含水ナトリウム型ベントナイトを加熱乾燥して、再生ベントナイトを得ることを特徴とするベントナイト懸濁水からベントナイトの回収方法、を提供する。

前記含水ナトリウム型ベントナイトに水を加えて攪拌し、ベントナイト懸濁水とすることを特徴とする、ベントナイト懸濁水からベントナイトの回収方法、を提供する。

ベントナイトの主成分は粘土鉱物であるモンモリロナイトである。モンモリロナイトの結晶は層状構造であり、２枚のシリカテトラへドロン層によってアルミナオクトヘドロン層がはさまれて結合した３層構造の繰り返し単位から形成される。アルミナオクトヘドロン層において、Ａｌ^３＋が占める位置の一部が電荷の低いＭｇ^２＋によって置換しているため、結晶層は陽電荷が不足し、負電荷となる。

この負電荷に応じる陽イオン（Ｎａ^＋、Ｋ^＋、Ｍｇ^２＋、Ｃａ^２＋など）を結晶層の表面に吸着し，電気的に中性を保っている。この３層構造の結晶層が積み重なると、結晶層と結晶層との間に層間位置が形成され、吸着された陽イオンは、大部分がこの層間位置に介在することになる。このような吸着陽イオンは、モンモリロナイトのカウンターイオンとなっている。

前記陽イオンが主としてＮａ^＋であるものがＮａ−モンモリロナイト、Ｃａ^２＋であるものがＣａ−モンモリロナイトである。このモンモリロナイトの３層構造の積重なりは、Ｎａ−モンモリロナイトの数枚から、Ｃａ−モンモリロナイトでは２０枚ぐらいであるといわれている。積重なりの層間位置の陽イオンに水が配位すると層間距離が増大する。モンモリロナイトが水中で膨潤するのはこのためである。Ｎａ−モンモリロナイトは層間の結合力が弱いため、十分な量の水中で膨潤すると分散し、安定なコロイドゾルを形成する。

Ｃａ−モンモリロナイトは層間結合力が強いため、ある程度までしか膨潤しない。土木、建築工事に用いられるベントナイトは、高い粘度増大作用、優れた泥壁形成性などが要求されるため、Ｎａ−モンモリロナイトを主成分とするナトリウム型ベントナイトが好ましい。

ベントナイト懸濁水中のナトリウム型ベントナイトは、Ｎａ−モンモリロナイトを主成分とするベントナイトである。処理対象とするナトリウム型ベントナイトの懸濁濃度は、２〜３０質量％が好ましい。２質量％未満では、泥水としての粘性が不足であり、３０質量％以上では、粘性がおおきくなりすぎて、ハンドリングが困難である。添加する鉱酸は、塩酸が好ましい。

ナトリウム型ベントナイト懸濁水中のＮａ−モンモリロナイトは、水との接触により、層間のナトリウムイオンに水分子が次々に水和するため結晶の底面同士の間隔である底面間隔が増加して膨潤し、層間のナトリウムイオンに水分子の酸素原子が配位結合する。更にＮａ−モンモリロナイトは、Ｎａ^＋イオンの介在によるアルミノシリケート層同士の電気的引力が弱いため、Ｎａ^＋イオンに水分子が水和して層間に次々に多くの水分子をインターカレートし、底面間隔が４ｎｍ以上に広がった状態である、おおきな体積膨張を示している。この状態は、ベントナイトが充分に分散した、高粘性で泥水工法に好適なベントナイト懸濁水の状態である。

図１に、本発明方法を含む処理方法のフロー図を示した。
使用済みベントナイト懸濁水は、ナトリウム型に限定されない。これに、鉱酸を添加すると、鉱酸からの水素イオンが、モンモリロナイト結晶層面に存在する酸素と水素結合することにより、他の陽イオンよりも優先的に結晶層間にインターカレートし、モンモリロナイト結晶層間の陽イオンがヒドロニウムイオンに置換して、モンモリロナイト結晶同士の相互作用が大幅に変化して、凝集しやすくなる。このｐH領域は、ｐＨ２からｐＨ３であった。また、アルカリを使用して、ｐＨ１２からｐＨ１３としても凝集体が生じた。しかし、ｐH４からｐH１３、特に、未処理のｐH10懸濁水では、凝集体は全く生じなかった。ところが、鉱酸で、ｐＨ２からｐＨ３の懸濁水とし凝集体を形成し、次いで、これをすみやかにアルカリでｐH８からｐH10とした懸濁水は、凝集体を保持したままであった。

本願発明に使用する鉱酸は、塩酸又は硝酸が好ましく、水素イオン濃度をｐＨ２からｐＨ３とすることが好ましい。水素イオン濃度が高くなり過ぎ、ｐＨが２より小さいとベントナイト懸濁水の粘性が高くなる傾向があり、ｐＨ３より大きいと沈降性が充分でない。水素イオン濃度をｐＨ２からｐＨ３とすると、そのまま沈降させることができるが、意外にも引き続き水酸化ナトリウムをすみやかに添加してｐＨ８からｐＨ１０に調製しても、凝集体を保持したままであり、デカンテーション、遠心分離で、凝集体として取り出せることが判明した。中和したｐＨ８からｐＨ１０の懸濁水は、その後の工程において、酸性の懸濁水と異なり、接触する処理機器の損傷が少なく、ハンドリング上も大変好都合となった。

こうして、生じた凝集体と上澄み水とを分離すると、含水ナトリウム型ベントナイトとして再生でき、ベントナイト懸濁水からベントナイトが回収できる。

また、前記含水ナトリウム型ベントナイトを通常の方法で、加熱乾燥して、再生ベントナイトを得ることができる。また、前記含水ナトリウム型ベントナイトに水を加えて攪拌し、このままベントナイト懸濁水とすることもでき、使用済みベントナイト懸濁水から再性したベントナイト懸濁水（ナトリウム型ベントナイトの分散体）が容易に得られた。

本発明は、使用済みのベントナイト懸濁水を、通常の沈降処理用有機系凝集剤を用いず、沈降後の、ろ過操作も不要で、ベントナイト懸濁水から、ベントナイトを沈降させて、簡便に回収して、再利用することができるという効果を奏する。

本発明方法を含む、処理方法のフロー図である。所定ｐＨでのベントナイトモデル懸濁水の沈降分離状況を示す図である。ｐＨ２とした後、ｐＨ８、１０に中和したベントナイトモデル懸濁水の沈降分離状況を示す図である。当初ベントナイトと再生ベントナイトの沈降分離状況（図４上）及び、当初ベントナイトと、再生ベントナイトを、純水で１０倍希釈して、自然沈降状況を示す（図４下）。

以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。
実験例
モデル懸濁水として、３ｗｔ％ベントナイトスラリーを調製した。用いた試料、組成は、次の通りである。

１．試料：
ベントナイト乾燥クニゲルＶ１（クニミネ工業株式会社製）３０ｇ
純水（蒸留水）９７０ｇ
２．ｐＨ調整試薬：
塩酸１ｍｏｌ／Ｌ
硝酸０．５ｍｏｌ／Ｌ
水酸化ナトリウム水溶液１ｍｏｌ／Ｌ

乾燥クニゲルＶ１３０ｇを、純水９７０ｇに懸濁させ、良く振り混ぜた後、上記酸、アルカリを用いて、所定のｐＨとなるまで酸、アルカリの調製液を徐々に添加し、ｐＨを調整した。懸濁液の固液分離特性を、促進沈降試験で行った。固液分離は、遠心分離機を用いて３０００ｒｐｍの回転数で１０分間処理した。図２は、所定ｐＨでの沈降分離状況を示す図である。右からｐＨ１、２、３、１０（ブランク）、１２、１３に調製した遠心分離セルである。その結果（上澄み体積割合）を表１に示した。

表１の通り、ベントナイトが効果的に沈降するｐＨは、ｐＨ３以下及びｐＨ１３以上である。酸、アルカリどちらでもｐＨが中性領域から大きく離れるとベントナイトは沈降する傾向が認められた。酸性状態に調製すると、コントール範囲が広く制御しやすい。また、ベントナイト中にアルカリ鉱物（カルサイト、ドロマイト）が含有しているため、弱酸性環境では、酸と鉱物が中和反応し、徐々にｐＨが変化し、安定しない。ｐＨ３以下ではｐＨの調製が容易であるが、ｐＨが１以下と低すぎると粘性が高くなり、沈降の効果が低下する。

ｐＨを１３以上としたベントナイト懸濁液では、上澄み液除去、輸送等の、その後の鋼材を使用した機器類での処理でも支障が生じない。しかし、ｐＨ３以下としたベントナイト懸濁液では、そのまま処理すると、機器やパイプ類の腐食の原因となる。

そこで、先ず、ｐＨを下げた後で、アルカリを添加して、沈降の効果を判定した。具体的には、上記調製液の酸を添加し攪拌棒で１分間攪拌しｐＨを低下させた後で引き続き、アルカリを添加し攪拌棒で１分間攪拌したベントナイト懸濁液について、上記と同様の条件で促進沈降試験を行った。図３は、ｐＨ２とした後、ｐＨ８、ｐＨ１０に中和した試料の沈降分離状況を示す図である。右からｐＨ１０、ｐＨ８とした遠心分離セルを、当初からｐＨ１０としたブランクの結果（上澄み体積割合）と比較して示した。その結果を表２に示す。

表２が示す通り、一度、ｐＨを２に下げた後で、アルカリを添加して、ｐＨを８、１０としても、即ち、弱アルカリからアルカリ性の範囲にしても、凝集体は保持され、沈降の効果は同様という結果が得られた。（更に、ｐＨ１、ｐＨ３に一旦、ｐＨを下げて、その後、弱アルカリからアルカリ性の範囲とする処理でも同様の効果が得られた。）

従って、ｐＨを１３以上としたベントナイト懸濁液、或いは、ｐＨ１からｐＨ３に一旦、ｐＨを下げて凝集体を形成し、その後すみやかに、弱アルカリからアルカリ性とした、ベントナイト懸濁液は、凝集体を保持していた。本処理によるベントナイト凝集体は、沈降分離特性が優れており、上澄み水の形成が速やかであった。

次いで、ｐＨ１からｐＨ３に一旦、ｐＨを下げる際、使用する酸の種類の影響を硝酸と塩酸とでおこなった結果、両者で、遠心分離後の上澄み体積に差異が認められなかった。

更に、塩酸でｐＨ２に下げて凝集体形成後、すみやかに水酸化ナトリウム溶液でｐＨ１０に調製し、遠心分離し、上澄み水を廃棄して、沈降したベントナイトを取り出した。これを乾燥機で、８０℃で２４時間乾燥した。この回収した再生ベントナイトに、促進沈降試験と同様に、回収ベントナイトに純水を加えて分散後に遠心分離処理をしたところ、処理前のベントナイト（当初ベントナイト）と同様に上澄み液は、発生しなかった（図４上）。また、当初ベントナイトと、再生ベントナイトを同条件で、純水で１０倍希釈して、自然沈降性状を確認した（図４下）。図４に示す通り、再生したベントナイトの沈降が遅い。層間イオンを酸で置換し、新たにナトリウムイオンを加えているので、Ｎａ−モンモリロナイトとしての純度が高いと考えられ、膨潤性が高まったものと考えられる。

Claims

ベントナイト懸濁水に、鉱酸を添加して、水素イオン濃度をｐＨ２からｐＨ３として、ベントナイト結晶層間の水分子を抜き取り凝集体として沈降させ、次いで、水酸化ナトリウムを添加して、凝集体を保持したまま、ｐＨ８からｐＨ１０に調製して、前記凝集体と上澄み水とを分離したのち、含水ナトリウム型ベントナイトとして再生することを特徴とする、ベントナイト懸濁水からベントナイトの回収方法。
ナトリウム型ベントナイトの懸濁水に、塩酸又は硝酸を添加して、水素イオン濃度をｐＨ２からｐＨ３として、ベントナイト結晶層間の水分子を抜き取り凝集体として沈降させ、次いで、水酸化ナトリウムを添加して、凝集体を保持したまま、ｐＨ８からｐＨ１０に調製して、前記凝集体と上澄み水と分離したのち、含水ナトリウム型ベントナイトとして再生することを特徴とする、ベントナイト懸濁水からベントナイトの回収方法。
請求項１又は２の含水ナトリウム型ベントナイトを加熱乾燥して、再生ベントナイトを得ることを特徴とする、ベントナイト懸濁水からベントナイトの回収方法。
請求項１又は２の含水ナトリウム型ベントナイトに水を加えて攪拌し、ベントナイト懸濁水とすることを特徴とする、ベントナイト懸濁水からベントナイトの回収方法。