JP6293492B2

JP6293492B2 - 使用済み高吸水性ポリマーを含有した紙おむつの脱水脱塩方法及びその装置

Info

Publication number: JP6293492B2
Application number: JP2014005624A
Authority: JP
Inventors: 忠治藤原; 洋一郎北野; 悠也國政; 修治迫原
Original assignee: 特定非営利活動法人広島循環型社会推進機構
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2034-01-16
Also published as: JP2015134845A

Description

本発明は、紙おむつ等に使用されている使用済み高吸水性ポリマー（以下、ＳＡＰとも記載する。）からの脱水脱塩方法及びその装置に関する。

高吸水性ポリマーやパルプ成分等からなる使用済み紙おむつの処理としては、通常は一般廃棄物として焼却処分されている。

また、使用済み高吸水性ポリマーを焼却しない処理技術としては、使用済み高吸水性ポリマーの再生方法であって、使用済みの高吸水性ポリマーを多価金属塩水溶液で処理する工程および多価金属塩水溶液で処理した高吸水性ポリマーをアルカリ金属塩水溶液で処理する工程を含む方法が開示されている（特許文献１参照。）。そして、前記使用済みの高吸水性ポリマーを多価金属塩水溶液で処理する工程の処理方法として、撹拌することが開示されている。

特開２０１３−１９８８６２号公報

紙おむつにはポリアクリル酸ナトリウム等を含有する高吸水性ポリマーが含まれており、該高吸水性ポリマーは難脱水性を有するために使用済み紙おむつには尿を含む水分が多量に含まれている。このため使用済み紙おむつを焼却処分するときには、焼却時間がかかり焼却コストが高くなるという問題があり、吸水性ポリマー由来のナトリウムイオンやカリウムイオンによって、焼却炉耐火レンガの耐火温度が１３００℃から約６００℃まで低下する、炉壁のシリカとの反応によって水ガラス化し炉壁が損傷する、尿由来の塩素イオン等の各種の塩類によってダイオキシンが排出される等の問題があった。そして、前記問題を顕在化させないためには、使用済み紙おむつを少量ずつ分けて焼却処分しなければならず、焼却時間や焼却コストがかかるという問題があった。

特許文献１に記載の方法は、吸水した使用済み高吸水性ポリマーを脱水させるために、使用済み高吸水性ポリマーを多価金属塩水溶液に浸漬し撹拌しなければならず、アルカリ土類金属塩や遷移金属塩等の多価金属塩を必要とし処理コストが高くなるという問題があった。

また、吸水した使用済み吸水性ポリマーを多価金属塩水溶液に浸漬し撹拌し、脱水に要する時間は特許文献１の段落［００１６］に記載されているように１０分以上、さらに好ましい時間は４０〜９０分であり、脱水時間がかかるという問題もあった。

そこで、本発明の課題は、使用済み紙おむつ等の吸水性ポリマー含む製品を、低コスト、短時間で脱水脱塩処理して、焼却処分する場合であっても、ダイオキシンの排出が抑制され、焼却炉の炉壁損傷が生じない方法及びその装置を提供することである。

請求項１に記載の高吸水性ポリマーを含有した紙おむつの脱水脱塩方法１は、使用済み高吸水性ポリマーを含有した紙おむつの脱水脱塩方法１であって、前記使用済み高吸水性ポリマー７を含有した紙おむつを破砕し洗浄する破砕・洗浄工程、前記使用済み高吸水性ポリマー７を含有した紙おむつを対向させた電極８間で該電極８と当接させて接触抵抗を減じさせる当接工程４、前記当接させながら前記電極８間に電場を形成して前記使用済み高吸水性ポリマー７の塩基解離イオンと水の電気分解によって生じた水素イオンとのイオン交換を実施して塩類を分離させると共に、イオン解離の抑制による高吸水性ポリマーの収縮によって脱水を生じさせる脱水脱塩工程５を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の使用済み高吸水性ポリマーを含有した紙おむつの脱水脱塩装置２は、使用済み高吸水性ポリマーを含有した紙おむつの脱水脱塩装置２であって、前記使用済み高吸水性ポリマー７を含有した紙おむつを破砕し洗浄する破砕・洗浄手段、前記使用済み高吸水性ポリマー７を含有した紙おむつを対向させた電極８間で該電極８と当接させて接触抵抗を減じさせる当接手段４０、前記当接させながら前記電極８間に電場を形成して前記使用済み高吸水性ポリマー７の塩基解離イオンと水の電気分解によって生じた水素イオンとのイオン交換を実施して塩類を分離させると共に、イオン解離の抑制による高吸水性ポリマーの収縮によって脱水を生じさせる脱水脱塩手段５０を備えることを特徴とする。

請求項１及び２に記載の発明は、多価金属塩やアルカリ土類金属塩を使用しないでかつ液体中に浸漬させないという簡易な方法又は装置によって、使用済み高吸水性ポリマー７からの脱水及び脱塩を極めて短時間に実現できるという効果を奏する。

また、難脱水性を有することとなるナトリウムイオンやカリウムイオンを分離して脱水させて、その後の再吸水性を防止できるので、水分含有量の僅少の使用済みＳＡＰ７自体又は使用済みＳＡＰ７を使用した製品を焼却することから、燃料コスト等のランニングコストを安くできるという効果を奏する。

さらに、高吸水性ポリマー自体に含有されるナトリウムイオンやカリウムイオン、及び、尿由来の塩素イオン等の各種の塩類を使用済み高吸水性ポリマー７から脱塩させるので、ダイオキシン問題が解消でき、焼却炉の炉壁に損傷を生じさせにくくし、補修工事などのメンテナンスコストを安価化でき、塩類の影響が生じにくくなるので一度に大量に焼却できるという効果を奏する。

そして、使用済み紙おむつ等の使用済み高吸水性ポリマー７から脱水脱塩ができるので、従来はリサイクルが困難であったが、セメント材などの、塩類や水分が排除されていることを要件とする様々な材料や製品への再利用やイオン交換樹脂等への再利用が可能になるという効果を奏する。

本発明の使用済み高吸水性ポリマーの脱水脱塩方法のフロー図である。本発明の使用済み高吸水性ポリマーのバッチ処理のタイプの脱水脱塩装置の構成の一例を説明する構成説明図である。本発明の使用済み高吸水性ポリマーの連続処理のタイプの脱水脱塩装置の構成の一例を説明する、電極自体が電界形成と搬送を担う装置の構成説明図である。本発明の使用済み高吸水性ポリマーの連続処理のタイプの脱水脱塩装置の構成の一例を説明する、電極自体が電界形成し、コンベアが搬送を担う装置の構成説明図である。

本発明に係る使用済み高吸水性ポリマーの脱水脱塩方法１は、図１に示すように、使用済み高吸水性ポリマー７を対向させた電極８間で該電極８と当接させて接触抵抗を減じさせる当接工程４、前記当接させながら前記電極８間に電場を形成して前記使用済み高吸水性ポリマー７の塩基解離イオンと水の電気分解によって生じた水素イオンとのイオン交換を実施して塩類を分離させると共に、イオン解離の抑制による高吸水性ポリマーの収縮によって脱水を生じさせる脱水脱塩工程５を備える。そして、当接工程４の前工程として使用済み高吸水性ポリマー７の破砕、洗浄又は滅菌を実施する前準備３、及び脱水脱塩工程５の後工程として使用済み高吸水性ポリマー７の組織内に残留している水を脱水させる後処理６が実施される。

高吸水性ポリマーは、親水性が高くかつ高い水分保持性を有する高分子からなる製品であり、吸水性や保水性を必要とする製品に使用され、例えば、高吸収性ポリマーとパルプとを混合させて、紙おむつ、生理用品、携帯簡易トイレ等に使用され、他には園芸用保水材、ドリップ吸収材、結露防止剤又は芳香剤等に使用されている。また、ポリアクリル酸ナトリウムを顆粒状にした高吸水性ポリマーは紙おむつや生理用品に使用されている。

使用済み高吸水性ポリマー７とは、水又は尿等の液体を吸収した後の高吸水性ポリマーを意味し、高吸水性ポリマーは高い保水性を有しゲルの形態を有している。また、使用済み高吸水性ポリマーの脱水脱塩装置２にセットする前準備３として、使用済み紙おむつ等の使用済み高吸水性ポリマー７を含む商品を、破砕し洗浄しておく。さらに前準備３として滅菌処理を実施することもあるが、滅菌処理は使用済み高吸水性ポリマーの脱水脱塩方法１の過程で実施してもよい。ここで、使用済み高吸水性ポリマー７を、使用済み高吸水性ポリマー７を含有した製品に替えてもよく、該製品の場合も使用済み高吸水性ポリマー７と同じ効果を奏する。

使用済み高吸水性ポリマーの脱水脱塩装置２は、使用済み高吸水性ポリマー７と電極８とを当接させて使用済み高吸水性ポリマー７と電極８との接触抵抗をゼロ化する当接手段４０と、該当接手段４０の使用済み高吸水性ポリマー７当接面に配設された電極８で電場を形成する脱水脱塩手段５０と、該電極８を含む脱水脱塩手段５０及び当接手段４０と接続された電源１１と、該電極８間に通電させる電圧や通電時間及び当接させる力や当接時間を制御する制御装置１２と、使用済み高吸水性ポリマー７から脱水脱塩された液体を収容する収容容器１３を備える。

使用済み高吸水性ポリマーの脱水脱塩装置２は、使用済み高吸水性ポリマー７の脱水脱塩処理をバッチ処理する場合は、例えば図２に示すような電極８部分が上下動する構造を備え、連続処理する場合は、例えば図３に示すような電極８部分がベルト状で回転する構造を備える。

図２に示すようなバッチ処理の形態の使用済み高吸水性ポリマーの脱水脱塩装置２は、使用済み高吸水性ポリマー７を上側電極８、２１と下側電極８、２２で挟む対向する電極８と、上側電極２１を上下動させる当接手段４０と、上側電極８、２１と下側電極８、２２等により電場を形成する脱水脱塩手段５０と、使用済み高吸水性ポリマー７から滲出する液体を収容する収容容器１３と、電極８を含む脱水脱塩手段５０及び当接手段４０と接続された電源１１、当接手段４０及び脱水脱塩手段５０を制御する制御機器１２を備える。

図３に示すような連続処理の形態の使用済み高吸水性ポリマーの脱水脱塩装置２は、使用済み高吸水性ポリマー７を破砕、洗浄及び滅菌処理する前準備機器３１と、前準備が完了した使用済み高吸水性ポリマー７を使用済み高吸水性ポリマーの脱水脱塩装置２に搬送するコンベア３２と、使用済み高吸水性ポリマー７を回転するベルト状の上側電極８、２１とベルト状の下側電極８、２２間で挟む対向する電極８等により電場を形成する脱水脱塩手段５０と、上側電極２１及び下側電極２２を回転駆動させながら上側電極２１と下側電極２２間の間隔を入口側は広くし出口側を狭くしていくベルトプレス機構２０の構成からなる当接手段４０と、使用済み高吸水性ポリマー７から滲出する液体を収容する収容容器１３と、電極８を含む脱水脱塩手段及び当接手段４０と接続された電源１１と、当接手段４０及び脱水脱塩手段５０を制御する制御機器１２と、脱水脱塩した使用済み高吸水性ポリマー７を搬出するコンベア３３とを備える。また、コンベア３２、３３及びベルト状電極８のそれぞれの出口側には処理対象物を剥ぎ取るためのプレート（図示なし）が配設されている。図２に示す構造の装置の場合は、ベルト状で移動する電極８自体が電場形成と使用済み高吸水性ポリマー７の搬送を担う。

また、図４には、固設された複数の対向する電極８、２１、２２が電場を形成し、回転するベルト３４、３５が使用済み高吸水性ポリマー７の搬送を担う構造の装置を示している。コンベア３２、３３及びベルト３４、３５のそれぞれの出口側には処理対象物を剥ぎ取るためのプレート（図示なし）が配設されている。この装置の場合には脱水脱塩過程で、例えばプラス極とマイナス極を電極単位で交互に極の極性を切り替えることができる等、電極ごとに任意に電極の極性を設定することができる。

当接手段４０は、使用済み高吸水性ポリマー７と電極８間の接触抵抗をゼロ化させる手段であればよく、例えば図３に示すような使用済みＳＡＰを回転するベルト型電極８で挟むベルトプレス機構２０、又は図２に示すような使用済みＳＡＰを上下動する平板型電極８で挟む形態であるスクリュープレス機構、モーター回転を往復運に変えた機構、空圧シリンダーで往復動させた機構や油圧シリンダーで往復動させた機構等がある。また、当接させる方向は、使用済み高吸水性ポリマー７を挟みながら当接可能な方向であればよく、例えば上下方向や左右方向がある。

電極８は、当接手段４０と被当接対象物である使用済み高吸水性ポリマー７との間に介在するように当接手段４０側に配設され、被当接対象物の脱水や脱塩させたい部位に電場を形成できればよく、例えば図３に示すベルトプレス機構２０の場合のベルト状、図２に示す上下動のプレス機構の場合の平板状、あるいは、図４に示す柱状体又は板状体等がある。

対向する電極８のプラス極やマイナス極の配置は電場が形成されれば、対向する方向は上下方向又はや左右方向のうちのどちらでもよい。また、電極８のプラス極とマイナス極の設定については、脱水脱塩工程５においてプラス極とマイナス極とを変えない設定にしてもよいし、又は脱水脱塩工程５においてプラス極とマイナス極とを脱水脱塩過程の途中で入れ替えてもよい。いずれにおいても使用済みＳＡＰからの滲出された水が落下しやすい極性の方に合わせて極性を設定するのがよい。電極８の極性の入れ替えは、上側電極２１と下側電極２２で電気的にプラス極とマイナス極を入替する形態、又は、上側電極２１がプラス極で下側電極２２がマイナス極からなる電極８の領域と、上側電極２１がマイナス極で下側電極２２がプラス極からなる電極８の領域とを交互に連続して設置する形態によりできる。

電源１１は、商用電源１１や蓄電池等があり、前記電極８間に電流を流して、該電極間に電場を形成する。

制御装置１２は、当接させるときの圧力や当接時間を制御し、電極８間に流す電圧や通電時間を制御する。さらには、例えばベルトプレス機構２０の場合には、ベルト速度等のベルト駆動に関する制御など装置の作動に関する制御も行う。

収容容器１３は、液体を収容する容器であればよく、使用済み高吸水性ポリマー７の脱水脱塩過程で滲出した液体を収容する容器である。

次に、使用済み高吸水性ポリマー７の脱水脱塩方法１について説明する。まず、前準備３として、使用済み高吸水性ポリマー７の場合には洗浄し滅菌処理を実施し、又は、使用済み紙おむつ等の使用済み高吸水性ポリマー７を含む商品の場合には破砕し洗浄し滅菌処理を実施する。滅菌処理については脱水脱塩工程５で実施してもよい。

洗浄によって、使用済み高吸水性ポリマー７又は使用済み紙おむつ等の使用済み高吸水性ポリマー７を含む製品の表面には水が付着しており導電性が確保されている。ここで、使用済み高吸水性ポリマー７、又は使用済み紙おむつ等の使用済み高吸水性ポリマー７の導電性を高めるために、使用済みＳＡＰ又は使用済み紙おむつ等の使用済みＳＡＰを含有する製品に対して電解液を吹きかけたり、使用済みＳＡＰ又は使用済み紙おむつ等の使用済みＳＡＰを含有する製品を電解液槽に浸漬させてもよい。

そして、当接工程４である。当接手段が上下動するプレス機構の場合は、使用済み高吸水性ポリマー７を開放した当接手段４０の間にセットする。または、当接手段４０がベルトプレス機構２０の場合は、使用済み高吸水性ポリマー７を当接手段４０の間に挟入するようにセットする。

そして、制御装置１２を操作して、プレス機構の場合は上側電極８を下降させて設定圧力で使用済み高吸水性ポリマー７と当接し、電極８と使用済み高吸水性ポリマー７との接触抵抗をゼロ化にする。又は、ベルトプレス機構２０の場合は、ベルトを回転させて設定圧力で使用済み高吸水性ポリマー７を当接し、電極８と使用済み高吸水性ポリマー７との接触抵抗をゼロ化にしながら搬送する。

当接手段４０が、上下動機構やベルトプレス機構のいずれであっても、設定圧をかけて当接させたのみでは、高い保水力を有するゲル状の使用済み高吸水性ポリマー７から液体は全く滲出してこない。ここで、設定圧は、使用済み高吸水性ポリマー７と電極８との接触抵抗をゼロ化する目的で挟む設定圧であり、使用済み高吸水性ポリマー７を押圧させて含有している液体を滲出させる目的の設定圧ではない。

次に、脱水脱塩工程５である。設定された圧力で当接しながら、制御装置１２を操作して設定した電圧や通電時間により電極８間に電場を形成する。

高吸水性ポリマーはポリアクリル酸ナトリウムやポリアクリル酸カリウム等から組成されている。そのため、使用済み高吸水性ポリマー７、又は使用済み高吸水性ポリマー７を含む製品に通電すると、まずポリアクリル酸ナトリウムからナトリウムイオンが分離し水素イオンとイオン交換がされ、又は、ポリアクリル酸カリウムからカリウムが分離し水素イオンとイオン交換がなされる。これによって、高吸収性ポリマーの収縮が起こり、ナトリウムイオン又はカリウムイオン等の塩類が使用済み高吸水性ポリマー７から除去される。

次に、使用済み高吸水性ポリマー７の収縮によって高吸水性ポリマー、又は高吸水性ポリマーを含有する製品から水が下方にしずくとなって垂れ落ちてくる。図２において下側の電極８及び電極８受け台は例えばスリット状に孔部が形成されており、該しずくが該スリット状の孔部を通過して収容容器１３に収容される。

したがって、使用済み高吸水性ポリマー７を、液体槽を使用せずに空間において電極８で挟んで電場を形成することによってイオン交換を生じさせて、脱水効果と脱塩効果が生ずる。ここで、高吸水性ポリマーの収縮によって離水して垂れ落ちてくる液体は吸水した液体含有量の約８０〜９０重量％である。そして、残量としての約１０〜１５重量％は高吸水性ポリマーの保水力によりまだ保水されている水が残量となっているのではなく、高吸水性ポリマー、又は高吸水性ポリマーを含有する製品を構成する物体の組織に付着している水が残量となっている。

前記収容容器１３に収容された液体には、ナトリウムイオン又はカリウムイオン等の塩類が、液体槽を使用して液中でイオン交換させた場合に比較して希釈されずに存しているので、該イオンを取り出しやすく他の用途に利用しやすいという効果もある。

さらに、後処理６として、収縮した使用済み高吸水性ポリマー７又は使用済み高吸水性ポリマー７を含む製品に対して、押圧をかける、遠心分離させる、乾燥させる、電気泳動又は電気浸透させる等の脱水作業を加える。使用済み高吸水性ポリマー７、又は使用済み高吸水性ポリマー７を含む製品から一般的に知られている脱水方法を実施することにより、高吸水性ポリマー、又は高吸水性ポリマーを含有する製品の組織に付着し残量となっている水を出し尽くす。

次に、本発明の使用済み高吸水性ポリマー７の脱水脱塩方法又は装置の実施例を示すが、本発明はこれらに限定されない。

本発明の使用済み高吸水性ポリマーの脱水脱塩方法１の脱水効果を確認した。使用済み高吸水性ポリマー７として、３種の試料を準備した。試料として、純水であるならば５００ｃｃを吸水可能な高吸水性ポリマー０．５ｇに、大人の尿約一回分の純水を吸水させて２２０ｇの吸水済みポリマーを準備した。吸水率は約４００倍である。

電圧８０Ｖ、通電時間１分で、使用済み高吸水性ポリマー７２２０ｇが３２ｇに減量した。脱水率は約８５％である。

本発明の使用済み高吸水性ポリマーの脱水脱塩方法１の脱水効果を確認した。純水４０ｃｃを吸水した吸水後の重量を４０ｇとし、吸水後の高吸水性ポリマーを本発明である使用済み高吸水性ポリマー７の脱水脱塩方法１を１分実施した場合（イ）、吸水後の高吸水性ポリマーを１００℃で低温乾燥を６０分実施した場合（ロ）、吸水後のペーパー（チリ紙）を１００℃で定温乾燥を６０分実施した場合（ハ）について脱水率（重量％）を比較した。その結果を表１に示す。

表１より、本願発明の使用済み高吸水性ポリマーの脱水脱塩方法１を実施した場合が最も早くかつ最も多く脱水したことが示された。さらに、使用済み高吸水性ポリマーの脱水脱塩方法１を使用しない場合には、ナトリウムイオンの潮解性の影響により保水力が残存していることを示唆している。

本発明の使用済み高吸水性ポリマーの脱水脱塩方法１の脱塩効果を確認した。なお、純水はナトリウムイオン濃度０である。
試料ニは、ＳＡＰ（住友精化株式会社、ＳＡ６０Ｓ）０．２００ｇを純水３００ｃｃに２０分間浸漬し８１．４ｇの試料を取り出した。試料ホは、ＳＡＰ（住友精化株式会社、ＣＡ１８０Ｎ）０．２００ｇを純水３００ｃｃに２０分間浸漬し６５ｇの試料を取り出した。

試料ニ及び試料ホともに、電圧８０Ｖ、通電時間１分を実施した。その結果、試料ニは重量が１１．９ｇ（分離水約７０ｃｃ）となり、ｐＨが１１．８９で、離水中のナトリウムイオン濃度が２２３ｍｇ／Ｌ（０．００９７ｍｏｌ／Ｌ）であった。また、試料ホは重量が１１．５ｇ（分離水約５４ｃｃ）となり、ｐＨが１１．８０で、離水中のナトリウムイオン濃度が１５４ｍｇ／Ｌ（０．００６７ｍｏｌ／Ｌ）であった。

したがって、ＳＡＰ構成成分であるポリアクリル酸ナトリウムのナトリウムイオンが脱落したことが示唆されている。

本発明の使用済み高吸水性ポリマー７の脱水脱塩方法１による吸水性が失われる現象を確認した。純水を２０分間浸漬させて吸水させたＳＡＰ１００ｇを電圧８０Ｖで通電時間１分処理した結果、ＳＡＰ重量は１７．５ｇに減量された。この状態から再度純水に２０分間浸漬させ再吸水させた結果、再吸水後にＳＡＰに付着した水を取りきれない状態で測定すると２２ｇであった。このことは、ＳＡＰ構成成分であるポリアクリル酸ナトリウムのナトリウムイオンが脱落したことによって吸水性が失われることを示唆している。

１使用済み高吸水性ポリマーの脱水脱塩方法
２使用済み高吸水性ポリマーの脱水脱塩装置
３前準備
４当接工程
５脱水脱塩工程
６後処理
７使用済み高吸水性ポリマー
８電極
１１電源
１２制御装置
１３収容容器
２０ベルトプレス機構
２１電極
２２電極
３１前準備機器
３２コンベア
３３コンベア
３４ベルト
３５ベルト
４０当接手段
５０脱水脱塩手段

Claims

使用済み高吸水性ポリマーを含有した紙おむつの脱水脱塩方法であって、前記使用済み高吸水性ポリマーを含有した紙おむつを破砕し洗浄する破砕・洗浄工程、前記使用済み高吸水性ポリマーを含有した紙おむつを対向させた電極間で該電極と当接させて接触抵抗を減じさせる当接工程、前記当接させながら前記電極間に電場を形成して前記使用済み高吸水性ポリマーの塩基解離イオンと水の電気分解によって生じた水素イオンとのイオン交換を実施して塩類を分離させると共に、イオン解離の抑制による高吸水性ポリマーの収縮によって脱水を生じさせる脱水脱塩工程を備えることを特徴とする使用済み高吸水性ポリマーを含有した紙おむつの脱水脱塩方法。
使用済み高吸水性ポリマーを含有した紙おむつの脱水脱塩装置であって、前記使用済み高吸水性ポリマーを含有した紙おむつを破砕し洗浄する破砕・洗浄手段、前記使用済み高吸水性ポリマーを含有した紙おむつを対向させた電極間で該電極と当接させて接触抵抗を減じさせる当接手段、前記当接させながら前記電極間に電場を形成して前記使用済み高吸水性ポリマーの塩基解離イオンと水の電気分解によって生じた水素イオンとのイオン交換を実施して塩類を分離させると共に、イオン解離の抑制による高吸水性ポリマーの収縮によって脱水を生じさせる脱水脱塩手段を備えることを特徴とする使用済み高吸水性ポリマーを含有した紙おむつの脱水脱塩装置。