(57)【要約】【課題】  従来、埋め立てなどにより廃棄されてきた、サファイアの切断、切削、研磨等の加工に際して発生するサファイア加工くずを有効利用する。【解決手段】  サファイア加工くずを、少なくとも石炭灰及びカルシウム源の双方と混合し、焼成してアノーサイト含有率が２０質量％以上、好ましくは５０質量％以上、特に７０質量%以上の焼成物とする。効率的にアノーサイト含有量の高い焼成物を得るためには、上記原料を、ＳｉＯ２を３４〜６３質量％、Ａｌ２Ｏ３を２２〜４２質量％、ＣａＯを１２〜２８質量％含むようにすることが好ましく、ＳｉＯ２を４０〜５５質量％、Ａｌ２Ｏ３を２７〜３７質量％、ＣａＯを１５〜２３質量％含むようにし、これを焼成することが好ましい。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイアの加工時に排出される加工くずの処理方法であって、該加工くずを少なくとも石炭灰及びカルシウム源の双方と混合し、焼成してアノーサイト含有率が２０質量％以上の焼成物とするサファイア加工くずの処理方法。
【請求項２】
加工くずが、サファイア単結晶をＬＥＤ基板に成形されるときに排出される排出スラリーを固液分離して得た固体分である請求項１の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はサファイア加工くずの有効利用方法に係わる。詳しくは、通常、埋め立て処分等により破棄されることの多かったサファイア加工くずを、セメント等の混合材として有用なアノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）を２０質量％以上含有する焼成物製造の原料とする有効利用方法を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
サファイアはＡｌ２Ｏ３の結晶体で、機械的、熱的特性、化学的安定性、光透過性に優れていることから、電子デバイスなどの工業製品の材料として広く普及しており、ＬＥＤ基板としても用いられている。
【０００３】
単結晶サファイアからＬＥＤ基板を作製する過程で発生するサファイア加工くずは、一部は単結晶サファイアの原料としてリサイクルされるが、材料を切断、研削もしくは研磨する際に発生する粉末状のものは、切断機の刃や研削液由来の不純物が混入するためリサイクルできずに廃棄物として排出される。その発生量は年間約５００トンになると言われており、今後も増加する見込みであるが、それらが有効利用されずに埋め立て処分されているのが現状である。
【０００４】
一方、近年の地球環境問題と関連して、廃棄物、副産物等の有効利用は重要な課題となっている。セメント産業、セメント製造設備の特徴を生かし、セメントクリンカー製造時に原料や燃料として廃棄物を有効利用あるいは処理を行うことは、安全かつ大量処分が可能という観点から有効とされている。
【０００５】
しかしながら、廃棄物、副産物等の中で、石炭灰、都市ゴミ焼却灰、高炉水砕スラグ、高炉徐冷スラグ等、特に石炭灰は、通常のセメントクリンカー組成に比べ、Ａｌ２Ｏ３含有量が多い。そのためこのような廃棄物、副産物等の使用量を増加させた場合、セメントクリンカー成分のうち間隙相に当たるアルミネート相の含有量が増加することになり、セメント物性に影響が生じる。従って、セメントクリンカー原料としての廃棄物、副産物等の使用量は、Ａｌ２Ｏ３成分の量により制約を受ける。  そのような中、石炭灰を主原料とし、アノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）を含有する焼成物を製造し、セメント混合材や細骨材とする技術が提案されており（特許文献１、２参照）、廃棄物、副産物等の新たな処理方法として有望である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４４９４７４３号公報
【特許文献２】特許第４４５６８３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述のように埋め立て処分により破棄されることが多かったサファイア加工くずの有効な利用方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った。そして、サファイア加工くずは９７％以上がＡｌ２Ｏ３からなり、アノーサイト原料のアルミニウム源として利用が可能なこと、アルミニウム以外の少量成分であるＣ及び有機物は高温での熱分解が可能なこと、その他の微量金属はアノーサイト内に固溶されることに見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明は、サファイアの加工時に排出される加工くずの処理方法であって、該加工くずを少なくとも石炭灰及びカルシウム源の双方と混合し、焼成してアノーサイト含有率が２０質量％以上の焼成物とするサファイア加工くずの処理方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の処理方法によれば、サファイア加工くずを原料とし、セメント混合材や細骨材として有用なアノーサイトを２０質量％以上含有する焼成物を得ることができる。従って、従来技術に比べて多量の廃棄物処理が可能となり、環境問題対応策として高度な方法である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の処理方法は、サファイア加工くずと石炭灰、カルシウム含有原料粉末とを混合し、これを焼成する。当該サファイア加工くずは、サファイア単結晶のインゴットからＬＥＤチップを作製する工程で、切断、研削や研磨する際に発生するものを使用することができる。サファイア加工くずは、固形分のうちの主成分は９７〜９９質量％がＡｌ２Ｏ３であり、少量成分として切断機の刃や研削液に由来するＣ、有機物が１〜２質量％、その他の金属１質量％以下程度を含む。
【００１２】
当該切断、研削及び研磨の工程としては、インゴットの上下端切断や円筒研削によるサファイアコアの製造、当該サファイアコアのマルチワイヤーソー等による薄板状物への切断、及び切断により得られた薄板の両面又は片面研磨による基板への加工などがある。本発明においてはいずれの工程から排出された加工くずでも使用できる。
【００１３】
サファイアの切断や研磨は、水もしくは少量の有機物を水に溶かした研削液を用いて行うことが多いので、通常、サファイアの加工くずは、その際に排出される排出スラリーに含まれる。排出スラリーとその他の原料を混ぜて、焼成することでアノーサイトを得ることも可能であるが、ハンドリング性や熱エネルギーの有効活用の観点から、その排出液を固液分離して、サファイア加工くずを固形分として回収した後、乾燥、粉砕し、粉末状にしたものを原料として用いることが望ましい。固液分離は、公知の方法でよく、例えば、フィルタープレス、真空ろ過、ベルトプレス、遠心分離等により行うことができる。
【００１４】
本発明においては、アノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）を２０質量％以上含有する焼成物を得るために、上記サファイア加工くずに加えて、少なくともＳｉＯ２源として石炭灰を用いる。むろん周知のように、石炭灰は、ＳｉＯ２以外にＡｌ２Ｏ３を多く含んでいるが、当該Ａｌ２Ｏ３もアノーサイトを構成する成分であるため、有効に利用できる。
【００１５】
当該石炭灰は、公知の石炭灰、即ち、火力発電所等から排出されるものを特に制限されることなく使用できる。一般的な石炭灰は、主成分としてＳｉＯ２を３５〜７６質量％、Ａｌ２Ｏ３を１７〜４０質量％含み、その他の少量成分をして、ＣａＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ等を含む。石炭灰は、その語が示すように粉末状のものである。
【００１６】
本発明においてはアノーサイトを２０質量％以上含有する焼成物を得るために、上記サファイア加工くず及び石炭灰に加えてカルシウム源を原料として用いる。なお本発明においてカルシウム源とは９７５℃での強熱残分におけるＣａＯの割合が４０質量％以上のものをいう。
【００１７】
当該カルシウム源としては、ＣａＯ、ＣａＣＯ３、Ｃａ（ＯＨ）２の粉末などが使用できる。入手の容易さから石灰石（ＣａＣＯ３）を用いることが望ましい。又、その他に、これを単独で焼成した際、ポルトランドセメントクリンカーを生じるように石灰石を主成分とし化学組成が調整された粉末（セメントクリンカー原料）も用いることができる。
【００１８】
本発明においては、アノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）を２０質量％以上含有する焼成物を得るために、上記サファイア加工くず、石炭灰及びカルシウム源以外に、セメントクリンカーの原料として公知の各種原料をさらに混合して用いてもかまわない。このような原料としては、珪石、粘土、高炉スラグ、製鋼スラグ、非鉄鉱滓、廃白土、ボタ、浄水汚泥、製紙スラッジ、建設発生土、都市ゴミ、都市ゴミ焼却灰、下水汚泥、下水汚泥焼却灰等が挙げられる。
【００１９】
本発明において、よりアノーサイト含有量の高い焼成物を得るためには、混合後の原料が、ＳｉＯ２を３４〜６３質量％、Ａｌ２Ｏ３を２２〜４２質量％、ＣａＯを１２〜２８質量％含むようにすることが好ましく、ＳｉＯ２を４０〜５５質量％、Ａｌ２Ｏ３を２７〜３７質量％、ＣａＯを１５〜２３質量％含むようにすることがより好ましい。
【００２０】
なお、原料の強熱残分の化学組成が上記範囲に入っているか否かについては、当該原料をＪＩＳ  Ｒ５２０２「ポルトランドセメントの化学分析法」やＪＩＳ  Ｒ５２０４「セメントの蛍光Ｘ線分析法」などに準拠した方法により測定、確認すれば良い。また、９５０℃での強熱はＪＩＳ  Ｒ５２０２中の「５．強熱減量の定量方法」に準じて行う。
【００２１】
本発明において、上記焼成物の原料の焼成温度は１０００℃以上である。焼成温度が１０００℃未満の場合には上記鉱物の生成が不十分となる。より好ましい焼成温度は１１５０℃以上である。また、焼成温度が１４００℃を上回る場合には、原料が溶融、ガラス化するため、上記鉱物の生成が困難となる。従って、焼成時の最高温度は１４００℃以下であり、１３５０℃以下が好ましい。
【００２２】
焼成時間は、焼成温度にもよるが、一般的には０．５〜１０時間、好ましくは１〜５時間である。
【００２３】
焼成に際しては各原料を粉末にしておくことが望ましい。粉末度としては、セメントクリンカー焼成原料と同程度でよく、一般には９０ミクロン篩残が２０〜３０％程度である。
【００２４】
焼成方法は特に限定されず、上記温度を得られる装置であれば特に限定されないが、既存のポルトランドセメント製造設備を使用できるという観点からＮＳＰキルンや、ＳＰキルンに代表されるセメントキルン等の高温加熱が可能な装置が好適に使用できる。また、大量生産あるいは大量処理の観点からも当該セメント設備を用いることが好ましい。
【００２５】
本発明においては、アノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）を２０質量％以上含有する焼成物を得る。好ましくはアノーサイトが５０質量％以上であり、より好ましくは７０質量％以上である。
【００２６】
本発明で製造された焼成物は、ポルトランドセメントクリンカーおよび石膏と共に粉砕、または個別に粉砕した後、混合することにより水硬性組成物とすることができる。該焼成物の混合割合は、一般的にはポルトランドセメントクリンカー１００質量部に対して１〜５０質量部、好ましくは１〜３０質量部である。使用する石膏については、二水石膏、半水石膏、無水石膏等のセメント製造として公知の石膏が特に制限なく使用できる。石膏の添加量は、水硬性組成物中のＳＯ３量が１．５〜５．０質量％となるように添加することが好ましく、１．８〜３．０質量％となるような添加量がより好ましい。本発明の製造方法で製造された焼成物、ポルトランドセメントクリンカーおよび石膏の粉砕方法については、公知の技術が特に制限なく使用できる。ポルトランドセメントクリンカーは、その製造方法、組成に特に制限なく公知のものが使用できる。
【００２７】
また、当該水硬性組成物には、さらに高炉スラグ、シリカ質混合材、フライアッシュ、炭酸カルシウム、石灰石等の混合材や粉砕助剤を適宜、添加混合、混合粉砕してもよい。また、塩素バイパスダスト等を混合してもよい。
【００２８】
当該水硬性組成物の粉末度は、特に制限されないが、２８００〜４５００ｃｍ２／ｇに調整されることが望ましい。
【００２９】
さらに必要に応じ、粉砕後に高炉スラグ、フライアッシュ等を混合し、高炉スラグセメント、フライアッシュセメント等にすることも可能である。
【００３０】
本発明の焼成物は、ＪＩＳ規格外のセメント製造原料や、セメント系固化材等の原料としてもよい。
【００３１】
さらに本発明の製造方法で得られた焼成物は、ふるい法で粒径２．５ｍｍ以下になるまで粉砕することにより、モルタルやコンクリートを製造する際の細骨材とすることも可能である。
【実施例】
【００３２】
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３３】
サファイア加工くずは、サファイア単結晶のインゴットをウェハ状に切断する際に発生したものを用いた。石炭灰は、日本国内の火力発電所から排出されたものを用いた。カルシウム含有粉末は、石灰石を主成分とするセメントクリンカー原料を用いた。これら原料の化学分析結果（蛍光Ｘ線分析）を以下の表１に示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
サファイア加工くず１４質量％と石炭灰５０質量％、セメントクリンカー原料３６質量％を混合したものを１２５０℃で、０．５時間焼成し、焼成物を得た（実施例１）。サファイア加工くず７質量％と石炭灰５４質量％、セメントクリンカー原料３９質量％を混合したものを１１００℃で０．５時間焼成し、焼成物を得た（実施例２）。得られた焼成物を蛍光Ｘ線分析による化学組成および粉末Ｘ線回折の内部標準を用いたリートベルト解析により、含有されるアノーサイト量を求めた。結果を表２に示す。
【００３６】
また、石炭灰単独（参考例１）、もしくは、石炭灰５８質量％とセメントクリンカー原料４２質量％を混合したもの（参考例２）、１１００℃で０．５時間焼成して、それぞれの焼成物を得た。これらの評価結果も併せて表２に示す。
【００３７】
【表２】
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