JP7462251B2

JP7462251B2 - 土壌の解泥方法及び分級方法

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Publication number: JP7462251B2
Application number: JP2023051308A
Authority: JP
Inventors: 一彦三浦; 宏辻本; 麻衣子大橋; 英史日下
Original assignee: Kajima Corp; Kyoto University
Current assignee: Kajima Corp; Kyoto University
Priority date: 2019-07-08
Filing date: 2023-03-28
Publication date: 2024-04-05
Anticipated expiration: 2039-07-08
Also published as: JP2021012115A; JP7260114B2; JP2023073351A

Description

本発明は、土壌の解泥方法及び分級方法に関する。

従来、土壌をドラムウォッシャーやボールミルで粉砕することが行われている（例えば、特許文献１及び２参照）。粉砕及びその後の分級は、一般に所望の粒径を分級点として土壌を分離することを目的としている。

特開２０１６－１３８８４６号公報特開２０１４－１４２３１１号公報

粉砕及び分級の対象とする土壌に有機物が含まれている場合は、土壌が団粒化している傾向があり、所望の解砕（解泥）・粉砕及び分級を達成することができない場合がある。また、上記特許文献１及び２の方法では、土壌を数μｍ程度にまで粉砕することは容易ではなく、数μｍ程度の粒径の土壌を得る要求に応えることが困難であった。

本発明は、土壌が有機物を含み団粒を形成している場合であってもこれを確実に解泥・粉砕でき、数μｍ程度の粒径の土粒子を含む土壌を得ることができる、土壌の解泥方法を提供することを目的とする。また、その解泥方法を使用した土壌の分級方法を提供することを目的とする。

本発明は、有機物を含む土壌を湿式ミルで粉砕し、湿式ミル内で用いる粉砕媒体は、粒径が２～１８ｍｍである、土壌の解泥方法を提供する。

有機物を含む土壌は団粒化している傾向があり、湿式ミル内にて粒径が数十ｍｍの粉砕媒体を用いた場合は、所定の粒径以下の団粒を粉砕することが困難である。ここで、粉砕媒体として粒径が２～１８ｍｍであるものを用いることにより、これと同程度の大きさの団粒を粉砕することが容易となる。これによれば、土壌を数μｍ程度の粒子にまで粉砕することができる。

土壌は、放射性セシウムを含有しているものであってもよい。放射性セシウムは一般に、粒径が数μｍ～２０μｍの粘土に付着している。従って、上記の粉砕を達成することができれば、放射性セシウムの濃度が高い数μｍ～２０μｍの粘土粒子を粒径が大きな他の部分から分離することで、放射性被処理物の減容化に資する。

粉砕媒体は、砂又は礫であってもよい。

土壌は、農地由来の土壌であって腐植質を含有しているものであってもよい。農地由来の土壌は特に団粒化している傾向が強いので、本発明の適用対象として好適である。

本発明において、湿式ミルでの粉砕に際し、湿式ミル内の内容物のｐＨを９～１３に調整することが好ましい。また、湿式ミルでの粉砕をする前に、土壌を水と混合し、これを所定の時間２５～１００℃に保つことが好ましい。これらによれば、解泥速度が高まる。

また、本発明は、上記解泥方法によって解泥した後の泥水を、固液分離手段により固液分離する分級方法を提供する。これによれば、対象土壌から粒径が数μｍ程度の粘土を分級することができる。

本発明によれば、土壌が有機物を含み団粒を形成している場合であってもこれを確実に解泥・粉砕でき、数μｍ程度の粒径の土粒子を含む土壌を得ることができる、土壌の解泥方法を提供することができる。また、その解泥方法を使用した土壌の分級方法を提供することができる。

参考例１～３の結果を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。本実施形態の土壌の解泥方法及び分級方法では、有機物を含む土壌を湿式ミルで粉砕する。以下では、放射性セシウムを含有している農地由来の土壌を対象として説明する。

農地由来の土壌は、有機物を多く含む。ここで有機物とは、例えば腐植質、菌類、微生物、根毛、難腐植性セルロースが挙げられる。腐植質とは、植物や動物由来の有機物が分解して生じた物質であり、大きさとしては、数ｎｍ～数ｃｍのものまで様々である。

有機物を含む土壌は、有機物が土粒子同士を結合させて団粒化している傾向がある。団粒は、土壌を粉砕しようとする力に抵抗するので、任意の粉砕装置を用いた場合において、所望の粉砕を達成できない場合がある。従って、土壌を粉砕、更には分級する際には、団粒状態を解消すること（これを「解泥」と呼ぶ。）が望ましい。

本実施形態の解泥方法では、初めに対象土壌を水と混合して泥水とする。次に、この泥水を篩にかけて、粒径の大きな（例えば２ｍｍ以上）砂や礫を取り除く。篩を通過した泥水を湿式ミルに投入し、湿式ミルを稼働して土壌を粉砕する。

ここで、湿式ミル内で用いる粉砕媒体は、金属球、合金球、金属酸化物球又は金属複合酸化物球等であってもよく、砂又は礫であってもよい。金属としては鉄、アルミニウム等、合金としてはステンレス等、金属酸化物及び金属複合酸化物としては鉄の酸化物やアルミニウム、ジルコン等の酸化物及び複合酸化物が挙げられる。砂又は礫としては、対象土壌とは別に用意した砂又は礫を用いてもよく、上記の篩で分離した砂又は礫を洗浄して用いてもよい。後者の場合は、同一の土壌に含まれていた粒子を再利用することとなるので経済的である。粉砕媒体の密度は、２．０～８．０ｇ／ｃｍ^３であることが好ましく、２．２～６．０ｇ／ｃｍ^３であることがより好ましく、２．４～３．６ｇ／ｃｍ^３であることが更に好ましい。

湿式ミル内で用いる粉砕媒体は、粒径が２～１８ｍｍである。当該粒径は、３～１４ｍｍであることが好ましく、４～１２ｍｍであることがより好ましい。土壌の団粒は大きさがこれらの範囲内である場合が多いので、粉砕媒体の粒径がこれらの範囲内であると、団粒を粉砕する効率が高い。なお、粉砕媒体として粒径が砂又は礫である場合の粒径の測定方法は、湿式振動篩い分け法、又は、水簸傾斜法による。

湿式ミルの外周移動距離（すなわち外周速度に解泥時間又は滞留時間を乗じた数値）は、解泥を十分なものとする観点から８０ｍ以上であることが好ましく、２４０ｍ以上であることがより好ましく、３９０ｍ以上であることが更に好ましい。

以上の方法で土壌を解泥すると、土壌の粒度分布が、粒径の小さなほうへ偏っていく。その後、湿式ミルから泥水を取り出し、これを篩にかけて所定の粒径以上（例えば７５μｍ以上）の土壌を取り除く。更に、例えばサイクロン等の分級機を用いて、粒径が３０μｍ以上又は２０μｍ以上又は１０μｍ以上の土壌を取り除く。

そして、その分級後に残った泥水を固液分離手段によって固液分離する。固液分離手段としては、マイクロバブル浮選や凝集沈殿法を用いることができる。マイクロバブル浮選とは、μｍ程度の大きさの泡（マイクロバブル）を利用して懸濁液中の所定の微粒子を分離する方法である。マイクロバブルが所定の微粒子に付着して水面に浮上するので、これを回収することで粒径がμｍレベルの粘土粒子の分離が達成される。

他方、凝集沈殿法は、凝集剤を添加して凝集物を生成して沈降速度を高める方法であり、粒子の表面電荷の中和、又は、表面の疎水性化がその原理となっている。凝集剤としては、表面電荷の中和を目的とする場合は特に多価金属イオンの塩が好ましく、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）、硫酸アンモニウム、塩化鉄、硫酸鉄等が好ましい。表面の疎水性化を目的とする場合は、界面活性剤を用いることができる。

以上に示した解泥方法及び分級方法によって、有機物を含む土壌から、粒径が数μｍ程度の粘土を分離することができる。

本実施形態の解泥方法では、粉砕媒体の粒径が２～１８ｍｍであるので、同程度の粒径に団粒化した土壌を粉砕するのに適している。粉砕媒体と団粒との粒径がこのような関係にあると、土壌粒子の表面を削り取るように粉砕すること（表面粉砕）、及び、土壌粒子を同程度の大きさの複数の小粒子に分割するように粉砕すること（体積粉砕）がバランスよく生じて、土壌中の有機団粒粒子が効率的に小さくなっていく。

放射性セシウムは一般に、粒径が２０μｍ以下の粘土粒子、特に粒径が数百ｎｍ～２０μｍの粘土粒子に多く付着している。従って、上記の解泥方法及び分級方法によれば、放射性セシウムの濃度が高い当該粘土粒子を粒径が大きな他の部分から分離することができる。これにより、当該他の部分（例えば粒径が２０μｍ以上の土壌）を資材として再利用することができるとともに、放射性セシウムを含有する部分を濃縮することができ、放射性被処理物の減容化に資することになる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、粒径が比較的大きな（例えば２ｍｍ以上）砂や礫を取り除いた直後に当該泥水を湿式ミルに投入したが、当該分級をする前に泥水を湿式ミルに投入してもよく、反対に、更に目の小さな篩を用いて分級（例えば７５μｍ以上）した後に湿式ミルに投入してもよい。土壌が団粒化しているということは、本来であれば粒径が小さくて篩を通過する粒子であっても団粒化によって粒径が大きくなっており篩を通過しない場合がある。この場合、放射性セシウムを含有している粘土粒子が篩の上に残り得ることとなるため、これを避けるべく、湿式ミルによる解泥を分級工程全体における早い段階で行うことが好ましい。

また、湿式ミルでの解泥に際し、解泥補助剤を添加してもよい。解泥補助剤としては、例えばｐＨ調整剤や分散剤が挙げられる。ｐＨ調整材としては、水酸化カルシウム（消石灰）、や水酸化ナトリウムのように、液性をアルカリ性にするものが挙げられる。対象土壌が酸性又は中性を示すものである場合、湿式ミルで解泥する泥水に対して、カルシウムイオンを添加して、泥水のｐＨを９～１３、又は、１０～１２、又は、１０．５～１１．５程度に調整してもよい。これにより、解泥速度が高まる。カルシウムイオンの供給源としては水酸化カルシウム（消石灰）が好ましく、カルシウムイオンの供給源の添加量は、土壌（原土）１ｇに対して、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）の量として、２．３×１０^－６～５．０×１０^－３ｍｏｌとすることが好ましく、２．３×１０^－５～２．３×１０^－３ｍｏｌとすることがより好ましく、５．０×１０^－５～１．０×１０^－３ｍｏｌとすることが更に好ましく、１．０×１０^－４～８．０×１０^－４ｍｏｌとすることが更により好ましく、２．３×１０^－４～３．０×１０^－４ｍｏｌとすることが特に好ましい。

また、湿式ミルで粉砕をする前に、対象土壌を水と混合し、これを所定の時間２５～１００℃に保ったあとで、湿式ミルで粉砕してもよい。この温度の下限は３０℃であってもよく、３５℃であってもよい。この温度の上限としては、８０℃であってもよく、６０℃であってもよい。排水の温度基準の観点から上限は４５℃であることが好ましい。温度を保つ時間は、５～６０分であってもよく、１０分～５０分であってもよい。この時間が経過する間に、温度は上記範囲内で変動してもよい。これらの条件を満たした処理を行ったうえで解泥をすると、解泥速度が一層高まり、解泥後の最終的な粒径として、より小さな粒径を有する土壌粒子の割合が一層高くなる。なお、この処理を行った場合、解泥時の温度は問わず、常温で解泥してもよい。

また、上記実施形態では放射性セシウムを含有している農地由来の土壌を対象としたが、有機物を含む土壌であれば、農地由来のものに限らず他の土壌を対象としてもよい。

以下、参考例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明する。なお、本発明は下記参考例に限定されるものではない。参考例の記載において「粉砕」という場合、湿式ミルで行う行為を指しており、内部で実際に生じる「粉砕」と「解泥」の両方を指しているものとする。

＜参考例１～４＞
粉砕容器として市販の９００ｍＬ容器の磁性ポッドミル（外径１３０ｍｍ）、粉砕媒体として直径が６ｍｍ又は１０ｍｍのアルミナボール（比重３．６）、更にはマルチングストーン（比重２．５～２．７；主成分は石灰石＝炭酸カルシウム）を用意した。腐植質を含む土壌として、鹿沼産黒ボク土（平均水分率３１％）１０７ｇ、水５００ｍＬ、及び、粉砕媒体３００ｍＬを磁性ポッドに投入し、これを下記条件にてそれぞれ市販の卓上ボールミル架台で粉砕を行った（表１も参照）。
・共通条件…回転速度：２４ｒｐｍ；ミル外周速度：１６．３ｃｍ／秒；室温（約２０℃）
・（原土）…粉砕時間：０分（つまり粉砕なし）
・参考例１…粉砕時間：１０分；粉砕媒体：１０ｍｍ径アルミナボール
・参考例２…粉砕時間：４０分；粉砕媒体：１０ｍｍ径アルミナボール
・参考例３…粉砕時間：４０分；粉砕媒体：６ｍｍ径アルミナボール
・参考例４…粉砕時間：４０分；粉砕媒体：５ｍｍ径マルチングストーン

磁性ポッドミルから粉砕産物を取り出し、湿式振動篩分けにより分級した。このとき、３８μｍ以上の篩はＪＩＳ規格のステンレス篩を用い、２０μｍ以下の篩は伊藤製作所製プラスチック篩を用いた。原土及び参考例１～３の粒度分布（頻度分布）の結果を図１に示す。

図１に示したグラフから、参考例１～３では黒ボク土の解泥が進み、粒径が小さくなったことが分かる。粉砕時間（解泥時間）を長くするほど、又は、アルミナボールの径を１０ｍｍから６ｍｍへ小さくしたことにより、粗粒側の頻度のピークが細かい粒度のほうへシフトする傾向が認められた。

また、原土、並びに参考例１～４の粉砕産物における０～２０μｍ、２０～７５μｍ、７５μｍ～の粒子の割合（ｗｔ％；回収乾土ベース）を表１に示す。これによれば、各参考例において粒径２０μｍ以下にまで選択的に解泥されていることが分かる。

＜参考例５～７＞
粉砕容器として市販の４８００ｍＬ容器の磁性ポッドミル（外径２１５ｍｍ）、粉砕媒体として径が５ｍｍの朝明砂（比重２．６）を用意した。腐植質を含む土壌として、茨城大子の田の土（平均水分率３６％）を用意し、表２に示した量で対象土、水、及び、朝明砂を磁性ポッドに投入し、これを下記条件にてそれぞれ市販の卓上ボールミル架台で粉砕を行った。

参考例６及び７では消石灰を添加し、ｐＨを１１．５とした。さらに参考例７では、対象土、水、朝明石、消石灰を混合した後、これを４５℃の恒温槽内で１０分間静置した後に、ミルで粉砕した。参考例５～７における粉砕前と粉砕産物の粒子のアンダーサイズを表２に示す。このアンダーサイズは、粒度分布測定装置により測定した。

表２に示した結果から、茨城大子の田の土を対象とした場合でも粒径１０μｍ以下にまで有効に解泥することができたことが分かる（参考例５）。また、粉砕時（解泥時）に消石灰を添加してｐＨを１１．５に調整したことで、消石灰を添加しなかった場合と比べて粉砕後の粒子のサイズがより小さくなったことが分かる（参考例６）。また、粉砕前にｐＨ１１．５にして対象土を加温したことで、粉砕後の粒子のサイズが一層小さくなったことが分かる（参考例７）。

＜参考例８～１６＞
参考例１の黒ボク土に代えて、茨城の畑土（平均水分率２１％）を対象とした。粉砕時間、回転速度、ミル外周速度、アルミナボール（又は、朝明砂（花崗岩質。比重２．６）、マルチングストーン）径を表３に示したとおり変更して粉砕を行った。粉砕に際し、表３に示したとおりの量で、磁性ポッド内に消石灰を添加した。原土、及び、粉砕産物における粒径割合を表３に示す。

表３に示した結果から、茨城の畑土を対象とした場合でも粒径２０μｍ以下にまで有効に解泥することができたことが分かる。

＜参考例１７～１９＞
粉砕容器として市販の４８００ｍＬ容器の磁性ポッドミル（外径２１５ｍｍ）、粉砕媒体として径が５ｍｍの朝明砂（比重２．６）を用意した。腐植質を含む土壌として、参考例８～１６と同一の茨城の畑土（平均水分率２１％）、又は、茨城大子の田の土（平均水分率３６％）を用意し、表４に示した量で対象土、水、及び、朝明砂を磁性ポッドに投入し、これを下記条件にてそれぞれ市販の卓上ボールミル架台で粉砕を行った。粉砕産物における粒径割合を表４に示す。

表４に示した結果から、茨城大子の田の土を対象とした場合でも有効に解泥することができたことが分かる。

本発明は、団粒化している土壌を解泥及び分級することに利用することができる。

Claims

有機物を含む土壌を湿式ミルで表面粉砕し、
前記湿式ミル内で用いる粉砕媒体は、粒径が２～１８ｍｍであり、
前記粉砕媒体は、砂又は礫であり、
前記砂又は前記礫は、対象土壌と水とを混合して泥水とし、前記泥水を篩にかけて取り除いた砂又は礫であり、
前記湿式ミルで表面粉砕する土壌は、前記篩を通過した泥水中の土壌である、土壌の解泥方法。
前記土壌は、放射性セシウムを含有しているものである、請求項１記載の土壌の解泥方法。
前記土壌は、農地由来の土壌であって腐植質を含有しているものである、請求項１又は２記載の土壌の解泥方法。
前記湿式ミルでの粉砕に際し、前記湿式ミル内の内容物のｐＨを９～１３に調整する、請求項１～３のいずれか一項記載の土壌の解泥方法。
請求項１～４のいずれか一項記載の土壌の解泥方法によって解泥した後の泥水を、固液分離手段により固液分離する、土壌の分級方法。