JP6173663B2 - 無機粒子の製造方法 - Google Patents
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Description
原料として新聞古紙脱墨スラッジを主成分とする製紙スラッジを使用し、脱水工程、燃焼工程及び焼成工程を含む無機粒子の製造方法であって、
上記燃焼工程において、酸素含有ガスの供給及び5容量%以上10容量%以下の酸素濃度の排気ガスの排出により燃焼物を得、そして
上記焼成工程において、上記製紙スラッジ中に含まれる炭酸カルシウムの酸化カルシウムへの分解率が50質量%未満となるよう焼成物を得ることを特徴とする無機粒子の製造方法である。
上記製造方法により得られる無機粒子であって、
カルシウム系化合物含量が、カルシウムの酸化物換算で70質量%以上であることを特徴とする無機粒子である。上記無機粒子は白色度が高い。
本発明の無機粒子の製造方法は、少なくとも、脱水工程、燃焼工程及び焼成工程を含む。燃焼工程及び焼成工程以外のその他の工程は、特に限定されず、公知の方法に従って行うことができる。以下、使用する原料、各工程及び生成物について説明する。
本発明では、原料として新聞古紙脱墨スラッジを主成分とする製紙スラッジを使用する。「製紙スラッジ」とは、脱墨処理のような製紙製造工程でパルプ繊維から分離されるスラッジをいう。「新聞古紙脱墨スラッジ」とは、新聞脱墨パルプ(NDIP)の製造工程で、脱墨処理の際にパルプ繊維から分離されるスラッジをいい、雑誌脱墨パルプ(MDIP)等のその他のスラッジは極力含まないことが好ましい。
脱水工程では、製紙スラッジを脱水して脱水物を得ることができる。この工程を行うことで、製紙スラッジ中の過剰な水分を除去し、燃焼工程を効率的に行うことができる。
本発明の製造方法は、任意に、脱水工程後、上記脱水物を破砕する破砕工程を含むこともできる。この工程を行うことで、脱水物をより均等に小粒径に破砕し、粒径を一定に保つことで燃焼工程をより効率的に行うことができる。なお、均等に小粒径に破砕し、粒径を一定に保つことで破砕工程前後の脱水物中の水分率は略同一となる。
脱水物、或いは破砕又は乾燥後の脱水物は、燃焼工程に送られ、次いでこれらを燃焼させる。水分を含んだ脱水物は、燃焼工程で乾燥と燃焼とを行う。燃焼工程の前工程として独立した乾燥工程を設けてもよい。
焼成工程において、製紙スラッジ中に含まれる炭酸カルシウムの酸化カルシウムへの分解率が、50質量%未満、好ましくは20質量%以上45質量%以下、より好ましくは20質量%以上30質量%以下となるように、燃焼工程後の燃焼物を焼成させて焼成物を得ることができる。焼成工程を設けることで、燃焼物を十分に焼成させることができ、その結果、白色度のより高い無機粒子を製造することができる。分解率の上限が50質量%以上であると、低いエネルギーコストで白色度の高い無機粒子を簡便かつ安定に製造することはできない。他方、分解率の下限が20質量%より低いと、焼成が不十分となることがある。
スラリー化工程では、燃焼物を水中に分散させてスラリーを得ることができる。この工程を行うことで、燃焼物に含まれる酸化カルシウムを水中に分散させて水酸化カルシウム溶液を得、二酸化炭素吹込工程をより効率的に行うことができる。上記のような燃焼工程及び焼成工程を経て得られた焼成物は炭酸カルシウムの分解率が少なく、異物の混入量も少ないため、従来問題となっていたスラリーの増粘、固化の問題を解消することができ、乳濁色のスラリーが得られる。
本発明の製造方法は、任意に、スラリー化工程後に、スラリー中の焼成物を粉砕する粉砕工程を経て微粒子化させてもよい。粉砕物の平均粒子径は、通常0.5μm以上10μm以下、好ましくは1μm以上8μm以下、より好ましくは1μm以上4μm以下である。平均粒子径の上限が10μmより高いと、製紙用の填料又は顔料として用いるに当たり紙粉の発生や異物として紙表面の平坦性を損なう問題が生じることがある。他方、平均粒子径の下限が0.5μmより低いと、粒子同士が凝集しブロードな粒子径分布を示したり、抄紙系内で流失し歩留りが低下する問題、粉砕のために過大なエネルギーが必要になる問題が生じることがある。ここでいう平均粒子径は、レーザー回折方式の粒度分布径(島津製作所社製、製品名SA−LD−2200)を用いて測定した体積平均粒子径(D50)である。
二酸化炭素吹込工程では、スラリー中に二酸化炭素を吹き込んで、酸化カルシウムやそれに由来する水酸化カルシウムから炭酸カルシウムを得(炭酸化処理)、そして無機粒子中の炭酸カルシウム含量を増加させることで、白色度の高い高品質な無機粒子を得ることができる。また、スラリー中の粗粒子が少量のメタカオリンや含水珪酸マグネシウムを含む場合であっても、酸化カルシウムやそれに由来する水酸化カルシウムから得られる炭酸カルシウムがその表面に付着や被覆することができ、この観点からも、白色度の高い高品質な無機粒子を得ることができる。
各工程における温度、圧力、時間や設備のようなその他の工程条件は、特に限定されず、使用原料等に従って適宜設定される。また、各工程の段階数も、特に限定されず、1段階で行ってもよく、多段階で行ってもよい。他方、原料や生成物の定量、定性は、NMR、IR、元素分析、マススペクトル等の公知の方法に従って行うことができる。
本発明に係る無機粒子は、原料として新聞古紙脱墨スラッジを主成分とする製紙スラッジを使用し、上述のような製造工程を経て製造されるため、従来の多種多様な成分が混在する製紙スラッジを原料とする場合と異なり、得られる無機粒子は異物の混入量は少ないものとなる。具体的には、本発明によれば、無機粒子中のカルシウム系化合物は、カルシウムの酸化物換算で、好ましくは70質量%以上、より好ましくは75質量%以上である。「無機粒子」は、二酸化炭素吹込工程後スラリー中より回収される粒子を意味する。「カルシウム系化合物」は、炭酸カルシウムのみならず、炭酸化未反応の酸化カルシウムや水酸化カルシウム等の少量のその他の成分もコンタミとして含む場合がある。
JIS P 8251に準拠して、試料を灰化した残渣をX線マイクロアナライザー(堀場製作所社製、製品名E−MAX・S−2150)を用い、元素分析をして得た酸化物換算におけるカルシウムの含有割合値である。
定温乾燥機内に試料を静置し、約105℃で6時間以上保持することで質量変動を認めなくなった時点を乾燥後質量とし、下記式により得た値である。
水分率(%)=(乾燥前質量−乾燥後質量)/乾燥前質量×100
目穴の異なる篩で篩い分けを行い、各篩い分けを行った試料の質量を測定した。平均粒子径は、この測定値の合計値が全体の50質量%に相当する段階における篩の目穴の大きさであり、JIS Z 8801−2:2000に基づき金属製の板ふるいを用いて測定した値である。
工程設備内の温度を、熱電対等を用いて測定した値である。
炭酸カルシウムの分解率は、試料を測定装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー社製、製品名TG/DTA6200)を用い、測定条件を(1)昇温速度 20℃/分(25℃以上1050℃以下)、(2)供給ガス 空気(酸素濃度約5容量%)、(3)供給ガス流量約48mL/分で求めた値である。
設備本体内の酸素濃度を、自動酸素濃度測定装置(堀場製作所社製、製品名ENDA−5250)を用いて測定した値である。
電気マッフル炉を予め600℃に昇温後、ルツボに試料を入れ約3時間で完全燃焼させ、燃焼前後の重量変化から未燃分を算出した値である。
設備内部を目視により観察し、充填率を測定した値である。
レーザー回折方式の粒度分布径(島津製作所社製、製品名SA−LD−2200)を用いて体積平均粒子径(D50)を測定した値である。
雰囲気温度20℃、ローター回転数60rpmの条件下において、B型粘度計(東機産業社製、製品名TVM−10M)を用いて測定した値である。なお、粘度(mPa・s)が低いほど分散性は良好であると判断される。
スラリーの外観を目視により観察し、増粘、固化等の有無を判定した。
二酸化炭素濃度を、自動二酸化炭素濃度測定装置(テックジャム社、商品名TESTO−535)を用いて測定した値である。
pH(反応後pH及び製品pH)を、自動pH測定装置(横河電機社製、製品名PH450G)を用いて測定した値である。
色差計(東京電色社製、製品名SP−80)を用い、粉体試料を乳鉢で磨り潰し、ガラスセルに詰めて測定した値である。
JIS K 5101の練り合わせ法に準拠して測定した。即ち、105℃以上110℃以下で2時間乾燥した試料2gをガラス板に取り、精製アマニ油(酸価4以下のもの)をビュレットから少量ずつ試料の中央に滴下し、その都度ヘラで練り合わせた。この滴下及び練り合わせを繰り返し、全体が初めて1本の棒状にまとまったときを終点とし、この時点における精製アマニ油の滴下量を求め、次の式によって算出した値である。
吸油度=[アマニ油量(mL)×100]/試料(g)
プラスチックワイヤー摩耗度(日本フィルコン社製、製品名:ワイヤー摩耗度試験機、3時間)、スラリー濃度2重量%で測定した値である。
元素分析装置(X線マイクロアナライザー(日立製作所/堀場製作所社製、製品名E−MAX・S−3400N))を用いて当該燃焼物に含まれる各種元素の酸化物換算質量割合から求めた値である。
(製紙スラッジ(原料))
新聞古紙脱墨工程において、浮遊選別法(フローテーション法)によって新聞古紙パルプから浮上分離除去された泡沫状の脱墨浮選廃液に、凝集剤(ハイモ社製、製品名:MX2101)を添加して廃液中の固形分を凝集させ、原料として酸化カルシウム換算でカルシウム含有割合80質量%の製紙スラッジを得た。
次いで、原料をロータリースクリーン(富国工業社製)及びスクリュープレス(北凌製作所社製)に順次通液して水分率40質量%の脱水物を回収した。
次いで、破砕機を用いて脱水物を破砕し、平均粒子径3.0mmの破砕後の脱水物を得た。
次いで、造粒後の乾燥物を、内燃式回転キルン炉(アクトリー社製)を用いて、燃焼温度450℃、燃焼時間4時間、充填率40容量%で燃焼させた。この燃焼工程では、乾燥物を、ホッパを用いて200kg/時間の供給速度で原料投入口から供給し、原料供給手段であるスクリューフィーダーによって回転胴の原料供給口に送り込み、回転胴内を移動させて燃焼させた。燃焼の際、乾燥物を酸素含有ガスの供給、排気ガスの排出方向とは逆方向に燃焼炉内を移動させながら、酸素含有ガスを燃焼炉内へ供給し、731℃、酸素濃度6.9容量%の排気ガスを燃焼炉外へ排出させた。製紙スラッジ中に含まれる炭酸カルシウムの酸化カルシウムへの分解率は24質量%であり、燃焼物中の未燃率は7質量%であった。
次いで、燃焼物を、回転式キルン炉(アクトリー社製)を用いて、焼成温度720℃、焼成時間3時間で焼成させた。焼成工程後、製紙スラッジ中に含まれる炭酸カルシウムの酸化カルシウムへの分解率は35質量%であった。
次いで、燃焼物を水と混合し、次いでこれらをミキサー(アイリッヒ社製)を用いて分散させて、濃度20質量%スラリーの外観について、増粘、固化等は確認されなかった。
次いで、燃焼物のスラリーをビーズミル式湿式粉砕機(アイリッヒ社製)を用いて粉砕し、平均粒子径2.5μmの燃焼物を得た。粘度100mPa・sのスラリーであった。
次いで、濃度15容量%の二酸化炭素を含む排気ガスを得られたスラリーに導入し(反応後pH7.0、製品pH9.4)、酸化物換算でのカルシウム含有割合79質量%の目的とする無機粒子を回収した。
実施例2から実施例16、比較例1から比較例3及び参考例は、原料及び工程条件を表1から表4のように変更したこと以外は、実施例1と同様に行った。
R 無機粒子
Claims (7)
- 原料として酸化物換算による炭酸カルシウムの含有量が60質量%以上の新聞古紙脱墨スラッジを主成分とする製紙スラッジを使用し、脱水工程、燃焼工程及び焼成工程を含む無機粒子の製造方法であって、
上記燃焼工程において、酸素含有ガスの供給及び5容量%以上10容量%以下の酸素濃度の排気ガスの排出を伴う300℃以上500℃以下の新聞インキ由来の油脂成分の自燃による燃焼により燃焼物を得、
上記焼成工程において、上記製紙スラッジ中に含まれる炭酸カルシウムの酸化カルシウムへの分解率が50質量%未満となるよう上記燃焼物から焼成物を得ることを特徴とする無機粒子の製造方法。 - 上記燃焼工程において、燃焼温度が300℃以上450℃以下である請求項1に記載の無機粒子の製造方法。
- 上記燃焼工程において、上記脱水工程後の脱水物を上記酸素含有ガスの流通方向と逆方向に移動させつつ燃焼させる請求項1又は請求項2に記載の無機粒子の製造方法。
- 上記燃焼工程において、燃焼炉として回転キルン炉を使用する請求項1、請求項2又は請求項3に記載の無機粒子の製造方法。
- 上記焼成工程において、焼成温度が680℃以上750℃以下である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の無機粒子の製造方法。
- 上記焼成工程において、焼成炉として回転キルン炉を使用する請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の無機粒子の製造方法。
- 得られる無機粒子のカルシウム系化合物含量が、カルシウムの酸化物換算で70質量%以上である請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の無機粒子の製造方法。
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