JP7232403B2 - ホウ素含有物質からのホウ素溶出判定方法、これを利用したホウ素含有物質からのホウ素溶出抑制方法及びこれらを利用した土木建築用資材の製造方法、並びにスラグ - Google Patents
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Description
後述する本発明の各実施形態は、この知見に基づくものである。
本発明の第1の実施形態に係るホウ素含有物質のホウ素溶出判定方法(以下、単に「第1実施形態」と記載することがある。)は、ホウ素含有物質の組成に基づく平衡計算により、該ホウ素含有物質が固液共存状態にある所定温度Tでの液相中のホウ素濃度を算出すること、及び前記ホウ素濃度が所定の閾値C以下の場合に合格と判定し、該閾値Cを超える場合に不合格と判定することを含む。
平衡計算に用いるホウ素含有物質の組成は、判定対象とするホウ素含有物質について、蛍光X線(XRF)分析等により定量したものを使用できる。また、所定の条件で生成したホウ素含有物質の分析結果に基づいて、該条件の変化から予想されるホウ素含有物質の組成を使用してもよい。
平衡計算では、まず、ホウ素含有物質の組成から、該ホウ素含有物質が固液共存状態にある温度範囲を算出し、該温度範囲内にある所定温度Tを決定する。次いで、ホウ素含有物質の組成及び該所定温度Tから、該所定温度Tにおいて存在する液相中のホウ素濃度を算出する。
前記所定の閾値Cは、ホウ素含有物質中に常温で存在するガラス相中のホウ素の安定性を考慮して、該ホウ素含有物質から溶出するホウ素の量が環境基準を超えない範囲で適宜決定すればよい。例えば、ホウ素含有物質が、溶融物を冷却・固化して得られたスラグである場合、急冷により得られたものは、ガラス中のホウ素の安定性が高く溶出しにくいため、前記閾値Cは比較的大きく設定できる。反対に、溶融状態から徐冷により得られたホウ素含有物質では、ホウ素が溶出し易いため、前記閾値Cを比較的小さく設定する。溶融状態にあるホウ素含有物質について閾値Cを設定する場合には、通常の操業条件における冷却速度等を考慮して該閾値Cを設定すればよい。
前記所定温度Tを1100℃~1200℃とすることで、平衡計算から算出される液相の割合及びその組成を、判定対象となるホウ素含有物質中に常温で存在するガラス相の割合及びその組成により近いものとすることができ、合否判定の精度が向上する。前記所定温度Tは、前記ホウ素含有物質の粉末X線回折測定結果から算出した該ホウ素含有物質中に常温で存在するガラス相の割合に、前記平衡計算で算出される固液共存状態における液相の割合が一致する温度±50℃とすることがより好ましい。
前記閾値Cを1.0質量%以下とすることで、ガラス相中に含まれるホウ素の安定性が低い場合でも、ホウ素含有物質から実際に溶出するホウ素の量が環境基準を超えることを効果的に防止できる。前記閾値Cは、0.8質量%以下とすることがより好ましい。
他方、前記閾値を0.5質量%以上とすることで、実際に溶出するホウ素の量が環境基準を満たすホウ素含有物質を不合格と判定する可能性を小さくできる。前記閾値Cは、0.6質量%以上とすることがより好ましい。
本発明の第2の実施形態に係るホウ素含有物質からのホウ素溶出抑制方法(以下、単に「第2実施形態」と記載することがある。)は、前記ホウ素含有物質について、前述した第1実施形態により合否を判定すること、該判定方法で不合格と判定されたホウ素含有物質に、前記所定温度T以上にある状態で改質材を添加して、前記平衡計算で算出される前記所定温度Tでの液相中のホウ素濃度を、前記閾値C以下とすること、及び前記ホウ素含有物質を薄層状に流し込み、該薄層の厚み方向中央部における冷却速度が、前記所定温度Tから1000℃まで、10℃/min以上となるように冷却することを含む。
前記所定温度T以上のホウ素含有物質は、常温にあるものを加熱して得てもよく、溶融状態で生成したものを温度調節して得てもよい。前記所定温度T以上のホウ素含有物質は、溶融状態又は固液共存状態となり、液相を含むものとなる。この状態における液相の割合は、50質量%以上とすることが、高い流動性を示し、後述する改質材による改質が迅速に進行する点で好ましい。
ホウ素含有物質に改質材を添加した後は、撹拌や流動を行うことが、改質が均一に進行する点で好ましい。
改質後のホウ素含有物質を薄層状に流し込むことで、該ホウ素含有物質全体を高速で冷却することができ、生成するガラス相中に含まれるホウ素の安定性が高まるとともに、生産性が向上する。薄層の厚みは、高い冷却速度を得る点で、70mm以下とすることが好ましく、50mm以下とすることがより好ましい。他方、薄層の厚みは、冷却に要する面積を抑える点で、5mm以上とすることが好ましい。
その際には、1000℃までの冷却速度を10℃/min以上とすることで、生成するガラス相中に含まれるホウ素の安定性が高まり、ホウ素含有物質からのホウ素の溶出が抑制される。前記冷却速度は、20℃/min以上とすることが好ましく、30℃/min以上とすることがより好ましい。
本発明の第3の実施形態に係る土木建築資材の製造方法(以下、単に「第3実施形態」と記載することがある。)は、上述した第1実施形態に係るホウ素含有物質のホウ素溶出判定方法で合格と判定されたホウ素含有物質、又は上述した第2実施形態に係るホウ素含有物質からのホウ素溶出抑制方法により得られたホウ素含有物質を材料として使用することを特徴とする。
本発明の第4実施形態に係るスラグ(以下、単に「第4実施形態」と記載することがある)は、ホウ素を0.15質量%以上含有するホウ素含有スラグであって、組成に基づく平衡計算により算出される、1100℃~1200℃の範囲内にある所定温度Tにおける液相中のホウ素濃度が、0.5~1.0質量%の範囲内にあり、かつ環境庁告示第46号に定める溶出試験によるホウ素溶出量が1mg/L以下であることを特徴とする。
ホウ素含有物質として、表1に示す組成を有する4種類のスラグ(A~D)を準備した。これらのスラグは、金属製錬工程で常態的に発生するものである。なお、表1に示すスラグの組成は、普段の操業条件から推定したものである。
スラグのホウ素溶出判定方法において不合格となったスラグ(A、C、D)について、ホウ素溶出抑制方法の適用効果を検証した。
対象となる溶融状態のスラグ(温度:1250℃)に、改質材として、1250℃に加熱した珪砂(主成分:SiO2)を種々の量で添加し、撹拌した。この際のスラグ組成に基づいて、平衡計算により、所定温度T(1150℃)における液相中のホウ素濃度を算出した。次いで、厚さ20mmの鉄板上に、スラグを種々の厚みで薄層状に流し込み、該各厚みに対応する冷却速度にて冷却して凝固させた。凝固したスラグを鉄板上で3時間ほど静置し、完全に凝固した後スラグを採取し、40mm以下となるように破砕して、該スラグからのホウ素溶出量を、環境庁告示第46号の規定に準拠して実測し、これが自主基準値以下となったものを合格と判定した。なお、自主基準値はそれぞれの用途により公に定められる基準値と同じか、それよりも低く設定できる。公に定められる基準値としては、例えば、環境庁告示第46号によれば1mg/Lである。
また、改質材の添加効果を確認するため、改質材としての珪砂を添加しなかった以外は実施例5、8、11と同様にして、比較例1~3に係る処理を行った。
さらに、冷却速度によるホウ素溶出量の変化を確認するため、スラグBについて、改質材としての珪砂を添加しなかった以外は実施例7、10、13と同様にした参考例1に係る処理、及び1250℃から1000℃までの温度範囲における、薄層の厚み方向中央部の冷却速度を5℃/minと遅くした以外は参考例1と同様にした比較例4に係る処理を行った。
各実施例、比較例及び参考例の処理条件及びホウ素溶出量の判定結果を、まとめて表3に示す。
Claims (5)
- ホウ素含有スラグのホウ素溶出判定方法であって、
前記ホウ素含有スラグの組成に基づく、熱力学平衡計算ソフトウェアを用いた平衡計算により、該ホウ素含有スラグが固液共存状態にある所定温度Tでの液相中のホウ素濃度を算出すること、及び
前記ホウ素濃度が所定の閾値C以下の場合に合格と判定し、該閾値Cを超える場合に不合格と判定すること
を含む、ホウ素含有スラグのホウ素溶出判定方法。
ただし、前記所定温度Tは1100℃~1200℃とし、かつ前記閾値Cは0.5質量%~1.0質量%とする。 - 前記所定温度Tを、前記ホウ素含有スラグの粉末X線回折測定結果から算出した該ホウ素含有スラグ中に常温で存在するガラス相の割合に、前記平衡計算で算出される固液共存状態における液相の割合が一致する温度±50℃とする、請求項1に記載のホウ素含有物質のホウ素溶出判定方法。
- ホウ素含有スラグからのホウ素溶出抑制方法であって、
前記ホウ素含有スラグについて、請求項1又は2に記載のホウ素溶出判定方法により合否を判定すること、
該判定方法で不合格と判定されたホウ素含有スラグに、前記所定温度T以上にある状態で、SiO2を70質量%以上含有する改質材を添加して、前記平衡計算で算出される前記所定温度Tでの液相中のホウ素濃度を、前記閾値C以下とすること、及び
前記ホウ素含有スラグを薄層状に流し込み、該薄層の厚み方向中央部における冷却速度が、前記所定温度Tから1000℃まで、10℃/min以上となるように冷却すること
を含む、ホウ素含有スラグからのホウ素溶出抑制方法。 - 前記スラグのホウ素含有量が0.15質量%を超える、請求項3に記載のホウ素含有スラグからのホウ素溶出抑制方法。
- 土木建築用資材の製造方法であって、請求項1又は2に記載のホウ素含有スラグのホウ素溶出判定方法で合格と判定されたホウ素含有スラグ、又は請求項3若しくは4に記載のホウ素含有スラグからのホウ素溶出抑制方法により得られたホウ素含有スラグを材料として使用することを特徴とする、土木建築用資材の製造方法。
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