JP4498461B2 - 発泡ガラス材およびこれを用いた水処理方法、底質改善方法および土壌改善材 - Google Patents

Description

本発明は、廃板ガラスや廃ガラスびんなどの各種ガラス廃材を原料とする発泡ガラス材およびこれを用いた水処理方法、底質改善方法および土壌改善材に関する。

多数の空隙を内蔵した多孔質構造を備えた発泡ガラス材は、従来、土木資材あるいは建築用骨材などとして利用されている。このような発泡ガラス材を、廃ガラスびんを主原料としたガラスカレットから製造する技術として、例えば特許文献１に記載の発泡ガラス製造方法が知られている。

特許文献１に記載の発泡ガラス製造方法は、ガラスカレットを微粉砕し、発泡剤として、炭酸カルシウム、炭化珪素、ホウ砂などを０．１〜５．０％添加し、これらの混合微粉末をベルトコンベアを内蔵するローラハースキルン内のベルト上に５〜５０ｍｍ厚に連続的に敷き詰め、当該ローラハースキルン内にて７００〜１，０００℃に加熱して溶融、発泡、焼成せしめ、キルン内滞留時間を５〜６０分として生成された板状発泡ガラスを、常温あるいは冷却された空気に曝しめ、または水掛けによって急冷し、このときに生じた歪により自然崩壊せしめることにより不定形塊状の発泡ガラスを得るものである。

なお、発泡ガラスを得るために使用する発泡剤としては、上記の他、例えば特許文献２，３に記載のように、炭酸マグネシウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸バリウム、微粉カーボン、石灰石、ドロマイト、タルクなどが挙げられる。

ところで、排水処理技術の一つとして、非特許文献１，２に記載のような排水中のリン酸イオンを結晶として除去回収するＭＡＰ（リン酸マグネシウムアンモニウム）法が知られている。ＭＡＰ法では、排水にマグネシウムを添加し、ＭＡＰ顆粒状にしてリンを系外に取り出すことにより排水処理を行う。

特開平１０−２０３８３８号公報 特開２００４−３４５９６号公報（段落０００６） 特開２０００−３１７３１６号公報（段落００１２）

"高度処理について"，第８−１１行、ＭＡＰ法，［online］，福岡市下水道局，［平成１７年９月３０日検索］，インターネット＜ＵＲＬ：http://gesui.city.fukuoka.jp/sewage/koudosyori.htm＞ "研究室紹介"，第１５頁右欄第５−２９行目、ＭＡＰ晶析法を用いた排水処理技術，早稲田応用化学会，［平成１７年９月３０日検索］，インターネット＜ＵＲＬ：http://www.waseda-oukakai.gr.jp/bulletin/bulletin-68/68_06.pdf＞

従来のＭＡＰ法では、排水にマグネシウムそのものを添加するものであるが、排水中のリンはこの添加されたマグネシウムの表面にしか吸着されないので、排水中のリン酸イオンを充分に除去するためには多くのマグネシウムが必要となる。そのため、排水処理に掛かる費用が嵩み、実際には利用しにくい排水処理技術である。

そこで、本発明においては、排水処理に利用可能なマグネシウム系発泡ガラス材を提供することを目的とする。

本発明の発泡ガラス材の製造方法は、粒径５μｍ〜１００μｍのガラス粉粒体と、マグネシウム成分を含む粉粒体と、発泡剤とを混合して得られた混合物を６００℃〜１０００℃に加熱して溶融、発泡、焼成する焼成工程と、焼成工程で形成された焼成物を急冷する急冷工程とを含むことを特徴とする。

本発明の発泡ガラス材の製造方法では、粒径５μｍ〜１００μｍのガラス粉粒体と、マグネシウム成分を含む粉粒体と、発泡剤とを混合して得られた混合物を６００℃〜１０００℃に加熱して溶融、発泡、焼成することにより、焼成物として、マグネシウム成分が内蔵され、かつ空隙を有した板状発泡ガラス材が得られる。そして、この焼成物は急冷されることにより、この急冷時に生じた歪みによって自然破砕され、平均粒径５．０〜４０．０ｍｍ程度（最大粒径５０ｍｍ程度）の粒状発泡ガラス材が得られる。

なお、急冷工程については、常温の送風空気に曝したり、常温の水を掛けたりすることにより行うこともできるが、常温以下の冷却液体を霧状にして噴射または常温以下の冷却気体を噴射することにより行うことも可能である。なお、冷却液体の温度は５℃〜１０℃程度、冷却気体の温度も５℃〜１０℃程度が望ましい。また、冷却液体としては水が好適であり、冷却気体としては空気が好適である。また、ガラス粉粒体としては、使用済みガラスびんなどの各種廃ガラス材を破砕したものを用いることができる。

ここで、混合物中のマグネシウム成分を含む粉粒体の含有率は、１〜２０質量％、より好ましくは１０〜２０質量％とすることが望ましい。１〜２０質量％であれば、発泡ガラス材の焼成状態が最も良く、マグネシウム成分を含む粉粒体が発泡ガラス材と一体化され、分離しにくくなる。また、マグネシウム成分によるリンの吸着効果を充分に発揮させるためには、１０質量％以上とするのが望ましい。一方、２０質量％を超えると、発泡ガラス材の焼成状態が悪くなり、マグネシウム成分を含む粉粒体が分離しやすくなる。

また、マグネシウム成分を含む粉粒体としてはマグネサイトを使用することが望ましい。マグネシウム純度の高い高純度マグネサイトは、金属元素の含有量が少なく、塩基性炭酸マグネシウムに比べてＭｇＯ含有率が少ない。また、比表面積が小さく、重質で粉体の流動性に優れる。さらに、粒子径が揃った立方体の結晶で、シャープな粒度分布を持ち、結晶水を持たないため、粒径１００μｍ以下のガラス粉粒体と混合した場合に噛み合わせが良く、結合力が強くなるという利点がある。

また、発泡剤としては、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸バリウム、炭化珪素、ホウ砂、微粉カーボン、石灰石、ドロマイト、タルクなど従来公知のものを単体でまたは組み合わせて使用することができるが、この発泡剤の含有率としては０．１〜５．０質量％とするのが望ましい。炭酸カルシウムなどの合計含有率が０．１重量％未満であると発泡不足となり、気泡も小さくなって比重が大となり、５．０重量％を超えると気泡が大きくなって、いわゆる巣が増加するので素材としての価値が無くなるため、前記範囲が適正範囲である。なお、発泡ガラス材の比重はこの発泡剤の含有率を調整することにより、０．３〜１．５の範囲のものを自在に得ることができる。

なお、炭酸カルシウムなどの合計含有率が０．１重量％〜２．０重量％であれば全般的に独立間隙構造が形成される傾向が生じ、０．１重量％〜５．０重量％とすれば連続間隙構造が形成される傾向が生じる。また、加熱温度が６００℃〜９００℃で、焼成時間が１０分〜２０分であれば独立間隙構造が形成され、非吸水性の素材が焼成されるという傾向が生じ、加熱温度が８００℃〜１０００℃で、焼成時間が１５分〜３０分であれば連続間隙構造が形成され、吸水性の素材が焼成されるという傾向が生じる。なお、加熱温度が６００℃より低いと素材内部に独立間隙構造が形成されにくくなり、発泡されない状態になり、１０００℃より高いと素材内部に連続間隙構造が形成されにくくなり、気泡も非常に弱い状態となる。

また、上記のように得られた発泡ガラス材は、表面および空隙内壁面にマグネシウム成分を含む粉粒体が露出している。そのため、この発泡ガラス材を被処理水へ添加すれば、被処理水に含まれるリンを発泡ガラス材に吸着させて水処理することができる。また、発泡ガラス材を被処理水域の底泥中または底泥上に散布し、底泥から溶出するリンを発泡ガラス材に吸着させることにより底質改善を行うことができる。また、このリンを吸着した発泡ガラス材は肥料等の土壌改善材として使用することができる。

（１）粒径５μｍ〜１００μｍのガラス粉粒体と、マグネシウム成分を含む粉粒体と、発泡剤とを混合して得られた混合物を６００℃〜１０００℃に加熱して溶融、発泡、焼成する焼成工程と、焼成工程で形成された焼成物を急冷する急冷工程とを含むことにより、平均粒径５．０〜４０．０ｍｍ程度（最大粒径５０ｍｍ程度）であって、表面および空隙内壁面にマグネシウム成分を含む粉粒体が露出した発泡ガラス材を効率良く製造することができる。

（２）混合物中のマグネシウム成分を含む粉粒体の含有率を１〜２０質量％とすることにより、ガラス粉粒体を良く混合でき、焼成時においても分離することなく、発泡ガラス材を効率良く製造することができる。

（３）マグネシウム成分を含む粉粒体としてマグネサイトを使用することにより、結合力が強く、品質の良い発泡ガラス材を製造することができる。

（４）発泡剤の含有率を０．１〜５．０質量％とすることにより、適切な大きさの気泡を内蔵する独立間隙構造あるいは連続間隙構造の粒状発泡ガラスを得ることができる。また、発泡剤の含有率を調整することで、浮力または水没性を具備しつつ、使用目的や用途に適した嵩比重の粒状発泡ガラス材を得ることができる。

（５）ガラス粉粒体を発泡させて空隙を形成した発泡ガラス材であって、表面および空隙内壁面にマグネシウム成分を含む粉粒体が露出した発泡ガラス材により、同量のマグネシウムと比較してリン酸の強い吸着作用を示す発泡ガラス材が得られるので、少ないマグネシウム量で多くのリンを吸着することができる。

（６）上記発泡ガラス材を被処理水へ添加し、被処理水に含まれるリンを発泡ガラス材に吸着させる水処理方法により、ダム等の閉鎖性水域の直接浄化、閉鎖性水域への流入河川や水路等の直接浄化、下水処理水や畜産排水等の高度処理が可能となる。

（７）上記発泡ガラス材を被処理水域の底泥中または底泥上に散布し、底泥から溶出するリンを発泡ガラス材に吸着させる底質改善方法により、干潟域、深水域、沿岸域や海域等の底質改善、ダムや湖畔等の底質改善が可能となる。

（８）上記発泡ガラス材にリンを吸着させることにより、肥料等の土壌改善材として再利用することが可能となるため、最終的にも廃棄物とならない。したがって、社会のニーズにマッチした発泡ガラス材となり、循環型社会にも貢献できる。

本発明の第一実施形態である発泡ガラス材の製造方法を示す工程図である。 本発明の第二実施形態である発泡ガラス材の製造方法を示す工程図である。 被処理水のＰＯ４−Ｐ濃度と経過時間との関係を示す図である。

図１は本発明の第一実施形態である発泡ガラス材の製造方法を示す工程図である。

図１に示すように、回収された使用済み廃ガラスびんや廃板ガラスなどの廃ガラス１は、分離装置３において金属成分やラベルが分離、除去され、粗粉砕装置４で粗粉砕されカレット状にされた後、微粉砕装置５でさらに細かく微粉砕されて粒径５μｍ〜１００μｍのガラス粉粒体にされた後、混合装置６に投入される。また、混合装置６には別ルートを経て供給される、炭酸カルシウム、ドロマイト、炭化珪素、ホウ砂等の発泡剤およびマグネサイトの粉粒体を含む添加剤２が投入され、混合装置６内において前記ガラス粉粒体と添加剤２とが十分に混合され、混合物７が形成される。この場合、混合物７における、発泡剤の含有率を０．１〜５．０質量％、マグネサイトの粉粒体の含有率を１〜２０質量％とする。

なお、マグネサイトの粉粒体は、粒径１０μｍ〜３０μｍ程度のものを使用するが、これより大きい場合には粉砕装置により粉砕して使用する。また、ガラス粉粒体は、特に粒径４０μｍ〜６０μｍのものを８０％含有するものであることが望ましい。平均粒径４０μｍ〜６０μｍのガラス粉粒体を８０％含有していた場合、発泡剤と最も良く混合できる。そのため、発泡状態が良くなり、連続間隙構造に近い内部構造を持ち、吸水率が４０〜１２０％の発泡ガラス材が得られる。

混合装置６内においてガラス粉粒体と添加剤２とを混合して形成された混合物７は、長さ３０ｍ程度のベルトコンベア８の始端部上に一定厚さの層状に敷き詰められ、ベルトコンベア８の回転によって焼成炉９内に装入され、その中を移動していきながら６００℃〜１０００℃に加熱される。これによって混合物７中のガラス成分は焼成炉９内において溶融、発泡、焼成され、焼成炉９の終端部から出た時点で、温度が４００℃〜８００℃程度の板状の焼成物１０が形成される。

焼成炉９内を通過して形成された焼成物１０はベルトコンベア８の回転により焼成炉９の終端部から出た後もそのまま水平移動していくが、焼成炉９の後段のベルトコンベア８の上方に配置されたジェット噴水装置１２から５℃〜１０℃程度の冷却のジェット水１３が焼成物１０に向かって霧状にして噴射され、焼成物１０は急冷される。１５はジェット噴水装置１２へ高圧水を供給する送水ポンプである。

ベルトコンベア８とともに水平移動しながら冷たい霧状のジェット水１３を浴びた焼成物１０は、４００℃〜８００℃程度の高温から室温まで一挙に急冷されるため、冷却時に生じる歪みによって焼成物１０は細かく砕けていき、ベルトコンベア８の終端部では粒径５．０ｍｍ〜３０．０ｍｍ程度の粒状発泡ガラス材１４を得ることができる。本実施形態の場合、焼成物１０に対してジェット水１３を霧状にして吹き付けて冷却するので、粒状発泡ガラス材１４は濡れるが、急冷時の破砕で発生するガラス微粉体などが空気中に飛散したり、浮遊したりするのを防止することができる。また、ジェット水１３を霧状にして噴射することにより粒状発泡ガラス材１４は水で洗浄されることとなるため、焼成されただけの粒状発泡ガラス材がｐＨ８〜９程度のアルカリ性を示すのに対し、粒状発泡ガラス材１４はｐＨ７程度の中性となる。

このように、図１で示した工程を経ることにより、廃ガラス１を原料とするガラス粉粒体から粒径が５．０ｍｍ〜３０．０ｍｍ程度の粒径の細かい粒状発泡ガラス材１４を効率的に製造することができる。また、常温の送風空気に曝したり、常温水を掛けたりしただけでも焼成物は急冷され、この冷却時に生じる歪みによって焼成物１０は細かく砕けていくので、平均粒径５．０〜４０．０ｍｍ程度（最大粒径５０ｍｍ程度）の粒状発泡ガラス材が得られる。したがって、このような発泡ガラス材の製造方法では、焼成物を再クラッシャして細粒化する工程が不要であるため、製造工程が簡略化され、コスト削減を図ることができる。

なお、粒状発泡ガラス材１４の嵩比重は、添加剤２の添加量、ガラス粉粒体の粒径、ベルトコンベア８上に敷き詰められる混合物７の厚さ、加熱温度あるいは加熱時間などによって調整することができる。また、ガラス粉粒体の原料は廃ガラスびんや廃板ガラスなどの廃ガラス１に限定するものではなく、様々な種類の廃ガラス材を使用することができる。

次に図２を参照して本発明の第二実施形態である発泡ガラス材製造方法について説明する。なお、図２において、図１で示した発泡ガラス材製造方法の場合と同様の機能、効果を発揮する部分は図１と同じ符号を付して説明を省略する。

図２に示す本実施形態の発泡ガラス材の製造方法では、図１の場合と同じ工程を経て４００℃〜８００℃程度の焼成物１０を形成した後、ベルトコンベア８とともに水平移動していく焼成物１０に対し、送風ファン２０から強制的に送風されエア噴射装置２１から噴出する５℃〜１０℃程度の高圧エア２２を吹き付ける。このような冷たい高圧エア２２を浴びた焼成物１０は４００℃〜８００℃程度の高温から室温まで一挙に急冷されるため、冷却時に生じる歪みによって焼成物１０は細かく砕け、ベルトコンベア８の終端部では粒径５．０ｍｍ〜３０．０ｍｍ程度の粒状発泡ガラス材２４が得られる。

本実施形態の場合、高圧エア２２を用いて焼成物１０を冷却する、いわゆる空冷方式であるため、冷却水供給用の配管や排水設備などが不要であり、粒状発泡ガラス材２４が水濡れすることもないので、乾燥状態の粒状発泡ガラス材２４を得ることができる。その他の部分の機能、効果などについては、図１で示した発泡ガラス材製造方法と同様である。

また、上記本実施形態における発泡ガラス材の製造方法により得られた発泡ガラス材は、表面および空隙内壁面にマグネシウム成分を含む粉粒体が露出している。そのため、この発泡ガラス材は、同量のマグネシウムと比較して多くのマグネシウム成分が露出しているので、リン酸の強い吸着作用を示し、被処理水へ添加すれば、被処理水に含まれるリンを発泡ガラス材に吸着させて水処理することができる。この発泡ガラス材の適用範囲としては、例えば、ダム等の閉鎖性水域の直接浄化、閉鎖性水域への流入河川や水路等の直接浄化、下水処理水や畜産排水等の高度処理が挙げられる。

また、この発泡ガラス材は、被処理水域の底泥中または底泥上に散布し、底泥から溶出するリンを発泡ガラス材に吸着させることにより底質改善を行うことができる。また、これにより、底泥を高ｐＨにすることができるので、硫酸還元菌の活性を下げ、硫化水素の発生を防ぐことができる。例えば、干潟域、沿岸域や海域等の底質改善、ダムや湖畔等の底質改善が可能である。

また、このリンを吸着した発泡ガラス材は肥料等の土壌改善材として使用することもできる。

上記実施形態において得られた発泡ガラスのリンの吸着性を確認するために実験を行った。図３は被処理水のオルトリン酸態リン（ＰＯ₄−Ｐ）濃度と経過時間との関係を示す図である。図３に示すように、被処理水中のＰＯ₄−Ｐ濃度は、マグネシウムを含まない発泡ガラス材と比較して、マグネシウムを７％含むものでは６時間経過時点で１／３、マグネシウムを１４％含むものでは１／６に減少した。

本発明の発泡ガラス材は、水処理、底質改善および土壌改善材に有用である。

１ 廃ガラス
２ 添加剤
３ 分離装置
４ 粗粉砕装置
５ 微粉砕装置
６ 混合装置
７ 混合物
８ ベルトコンベア
９ 焼成炉
１０ 焼成物
１２ ジェット噴水装置
１３ ジェット水
１４，２４，３４ 粒状発泡ガラス材
１５ 送水ポンプ
２０ 送風ファン
２１ エア噴射装置
２２ 高圧エア

Claims (5)

1. ガラス粉粒体と、マグネシウム成分を含む粉粒体と、発泡剤とを混合して得られた混合物であって、前記マグネシウム成分を含む粉粒体に含まれるマグネシウムが２．８８〜５．７６質量％である混合物を発泡させて空隙を形成した発泡ガラス材であり、
   表面および前記空隙内壁面に前記マグネシウム成分を含む粉粒体由来のマグネシウム成分を含む粉粒体が露出した発泡ガラス材。
2. 前記混合物中のマグネシウム成分を含む粉粒体は、マグネサイトである請求項１記載の発泡ガラス材。
3. 請求項１または２に記載の発泡ガラス材を被処理水へ添加し、前記被処理水に含まれるリンを前記発泡ガラス材に吸着させる水処理方法。
4. 請求項１または２に記載の発泡ガラス材を被処理水域の底泥中に混合または底泥上に散布し、前記底泥から溶出するリンを前記発泡ガラス材に吸着させる底質改善方法。
5. 請求項１または２に記載の発泡ガラス材にリンを吸着させた土壌改善材。

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