(57)【要約】【課題】  発泡剤を加えることなく、下水汚泥焼却灰と石炭灰のみからなる軽量セラミックスであって、見掛比重が1.00g/cm3を大きく下回る0.80g/cm3以下の軽量セラミックスを提供する。【解決手段】  下水汚泥焼却灰と石炭灰との混合物に結合剤を加えたものを炉で焼結する際に、焼結時における炉内の空気流速を0〜3.62cm/minとすることにより、JIS R2205-1992に基づく見掛比重が0.60〜0.80g/cm3である軽量セラミックスを得ることができる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水汚泥焼却灰と石炭灰とを含む混合物を炉で焼結してなる軽量セラミックスであって、JIS R2205-1992掛比重が0.60〜0.80g/cm3であることを特徴とする軽量セラミックス。
【請求項２】
請求項１に記載された軽量セラミックスからなる断熱材。
【請求項３】
下水汚泥焼却灰と石炭灰とを含む混合物を炉で焼結してなる軽量セラミックスの製造方法において、焼結時における炉内の空気流速を0〜3.62cm/minにすることを特徴とする軽量セラミックスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽量セラミックス及び該軽量セラミックスからなる断熱材並びに軽量セラミックスの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、下水処理施設から排出される年間約7,000万tに及ぶ下水処理汚泥は、焼却して下水汚泥焼却灰とされた後、約６〜７割が建築資材や土壌改良材などとしてリサイクルされているが、残りの約３〜４割は埋め立て処分されている。
【０００３】
また、火力発電施設から排出される年間920万tにおよぶ石炭灰も、前記下水処理汚泥と同様に約６〜７割はリサイクルされているが、残りの約３〜４割は埋め立て処分されている。
【０００４】
前記各産業廃棄物は、今後更に増加する傾向にあり、埋立地が飽和状態になりつつあることから、当該各産業廃棄物のリサイクル率の向上が緊急に求められており、当該各産業廃棄物を用いた軽量セラミックスの開発が試みられている。
【０００５】
例えば、後出特許文献１には、産業廃棄物である石炭灰及び／若しくは重油灰と焼成によって得られた下水汚泥とを適宜の比率で混合し、焼成若しくは溶融手段を施す廃棄物のセラミック化方法が開示されている。
【０００６】
当該セラミックスは、見掛け比重が小さく軽量であり、レンガやタイルなどの建築資材として利用した場合には、建築物に対する負荷を軽くすることができ、また、近年においては、微生物が定着し易い多孔性の表面形状を備えることから、河川や池などに設置することにより水質浄化材としても利用されている。
【特許文献１】特開昭６２−２１２２６０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前記特許文献１に開示されたセラミック化方法によって得られたセラミックスは、二酸化珪素や炭化珪素などの発泡材又は発泡助材を加えなければ、見掛比重が水の比重1.00よりも小さいものはできなかった。そして、見掛比重が1.00よりも大きなセラミックは、河川や池などに設置した際に、藻や砂などが僅かに付着しただけで水中に沈んでしまい設置場所が特定できなくなるという問題点がある。また、建築資材として用いる場合においては、建築物に対する負荷をより軽減できるように見掛比重の更に小さな軽量セラミックスの開発が望まれている。
【０００８】
そこで、本発明者は、発泡剤を加えることなく、下水汚泥焼却灰と石炭灰のみからなる軽量セラミックスであって、見掛比重が1.00g/cm3を大きく下回る0.80g/cm3以下の軽量セラミックスを得ることを技術的課題として、試行錯誤的な実験を繰り返したところ、下水汚泥焼却灰と石炭灰との混合物を焼結する際に、炉内の環境を変化させると、得られる軽量セラミックスの見掛比重が変化する現象を見出した。
【０００９】
そして、この現象について更に研究を重ねた結果、焼結時における炉内の空気流速が、得られる軽量セラミックスの見掛比重に大きく影響を及ぼしているという刮目すべき知見を得、前記技術的課題を解決したものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は前記技術的課題を次のとおり解決したものである。
【００１１】
即ち、本発明に係る軽量セラミックスは、下水汚泥焼却灰と石炭灰との混合物に結合剤が加えられたものを炉で焼結してなる軽量セラミックスであって、JIS R2205-1992に基づく見掛比重が0.60〜0.80g/cm3のものである。
【００１２】
また、本発明に係る断熱材は、前記軽量セラミックスによって形成されたものである。
【００１３】
また、本発明に係る軽量セラミックスの製造方法は、下水汚泥焼却灰と石炭灰との混合物に結合剤を加えたものを炉で焼結する軽量セラミックスの製造方法において、焼結時における炉内の空気流速を0〜3.62cm/minとするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、下水汚泥焼却灰と石炭灰との混合物に結合剤を加えたものを炉で焼却する際に、炉内の空気流速を低下させることで、下水汚泥灰中の残留炭素の燃焼が不十分となり、僅かに残った炭素が高温でCO,CO2に変化して膨張するため、発泡剤を加えることなく、得られる軽量セラミックスの見掛比重を0.80以下まで小さくすることができる。当該軽量セラミックスによれば、見掛比重が水の比重より大幅に小さいため、河川や池などに設置した後、長期間放置して表面に藻や砂などが付着しても、水中に沈まないため、定期的な清掃の回数を減らすことができる。また、建築資材として利用した場合には、建築物への負荷を格段に低減させることができる。
【００１５】
従って、本発明の産業上利用性は非常に高いといえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
実施の形態．
【００１８】
本発明に係る軽量セラミックスの製造方法は、先ず、下水汚泥焼却灰と石炭灰とを一定の割合で混ぜ合わせた混合物に水を加えて撹拌した後に乾燥させる。次に、結合剤を加えて練り合わせて加圧成形した後に乾燥させる。最後に、炉内空気流速0〜3.62cm/minの炉で焼結する。これにより、見掛比重が0.60〜0.80g/cm3の軽量セラミックスを得ることができる。
【００１９】
下水汚泥焼却灰は、下水処理施設において排出される下水処理汚泥を焼却した後に残存する灰である。なお、下水汚泥焼却灰の主な組成は、SiO2：35〜50mass％、Al2O3：10〜25mass％、Fe2O3：5〜10mass％、CaO：10〜15mass％、P2O5：7〜12mass％である。
【００２０】
石炭灰は、火力発電施設のボイラから排出されるものであり、フライアッシュ、クリンカアッシュなどが含まれる。フライアッシュは、火力発電施設のボイラから発生するガスを集塵器に通して集められた微細球形状の灰であり、また、クリンカアッシュは、ボイラの底部に落下した塊状の灰である。なお、クリンカアッシュについては、塊状になっているため、使用する際には粉砕した後に分級する必要がある。石炭灰の主な組成は、SiO2：55〜65mass％、Al2O3：30〜40mass％であり、不純物として、Fe2O3、CaO、TiO2などの物質を約１mass％以下含んでいる。
【００２１】
なお、石炭灰は、火力発電施設のボイラから排出されるものに限らず、石炭を燃焼させた後に残存する灰であればよい。
【００２２】
下水汚泥焼却灰と石炭灰とを混合する際には、下水汚泥焼却灰に対して石炭灰を30〜60mass％にて混合すればよく、35〜40mass％にて混合することがより好ましい。下水汚泥焼却灰に対して石炭灰の重量比が前記所定範囲から外れると、得られる軽量セラミックスの見掛比重が0.80g/cm3よりも大きくなる。
【００２３】
結合剤は、下水汚泥焼却灰と石炭灰との混合物を成形し易いように加えられるものであり、焼結時になくなるため、得られた軽量セラミックスには殆ど残存しないものである。例えば、ポリビニルアルコール、リグニン、パルプ廃液、スチレンブタジエン系ラテックス、カルボキシメチルセルロースなどから選ばれる１種又は２種以上のものがある。特に、ポリビニルアルコールが好適である。なお、結合剤は、水に5〜10mass％溶解した状態で加えればよい。従って、下水汚泥焼却灰と石炭灰との混合物に対して0.25〜0.50mass％の割合で加えることが好ましい。
【００２４】
成形圧力は、5〜20MPaであることが好ましく、5〜15MPaであることがより好ましい。圧力を5MPaより小さくなると、混合物が固化されず、20MPaより大きくすると、石炭灰の粒子が潰れて焼結時に気泡が発生せず、多孔質の軽量セラミックスにならないため、見掛比重が小さくならないからである。
【００２５】
焼結温度は、焼結時の石炭灰によって形成される気泡の発生に影響を及ぼす。焼結温度は、1050〜1200℃であることが好ましく、1150〜1200℃であることがより好ましい。焼結温度が1050℃より低くなると、下水汚泥焼却灰が完全に溶融しないため、石炭灰によって形成された気泡の隙間に入り込んで当該気泡を包むことができず、1200℃より高くなると、下水汚泥焼却灰が石炭灰と溶け合うことにより、石炭灰によって形成された気泡が潰されてしまうため、多孔質の軽量セラミッックスにならず、見掛比重が小さくならないからである。
【００２６】
焼結時における炉内の空気流速は、0〜3.62cm/minであることが好ましく、0〜0.72cm/minであることがより好ましい。なお、空気流速が小さいほど得られる軽量セラミックスの見掛比重は小さくなるため、空気流速は0cm/minに近づけることが好ましい。一方、空気流速が3.62cm/minより多くなると、得られる軽量セラミックスの見掛比重が0.80g/cm3よりも大きくなる。
【００２７】
なお、焼結時における炉内の空気流速は非常に重要であり、得られた軽量セラミックスの見掛比重に大きく影響を及ぼす。これは、空気流速が小さい場合には、炉内に酸素が十分に供給されずに不足した状態となり、下水汚泥焼却灰中の残留炭素が低温で十分に燃焼されずに高温で燃焼されるため、残留炭素が膨張して得られる軽量セラミックス中に多数の気泡が形成されるからであると考えられる。一方、空気流速が大きい場合には、炉内に酸素が十分に供給された状態となり、下水汚泥焼却灰中の残留炭素が低温で十分に燃焼されるため、残留炭素が膨張し難くなって得られた軽量セラミックス中に気泡が形成され難くなるからであると考えられる。
【実施例】
【００２８】
石炭灰として平均粒径50μｍ・比重0.64のフライアッシュ（商品名：イーストフィアーSL75・太平洋セメント株式会社製）を用意し、下水汚泥焼却灰として目開き75μｍのメッシュを通した比重2.5・最大粒径75μｍのものを用意し、さらに、結合剤としてポリビニルアルコールを用意した。
【００２９】
先ず、下水汚泥焼却灰に対して石炭灰を40mass％にて混合し、水を適量加えて撹拌した後、自然乾燥させて下水汚泥焼却灰と石炭灰との混合物を作成した。次に、混合物に対して結合剤を適量加えて練り合わた後、型に入れて10MPaにて一軸加圧成形した。続いて、成形体を自然乾燥させた後、断面積が13.8cm2の炉心管を有する炉内に入れて所定温度にて１時間焼結して試料用軽量セラミックを作成した。この時、焼結温度と炉内の空気流速とを表１のように変化させて実施例１、比較例１乃至比較例５の試料用軽量セラミックスを作成した。なお、炉内の空気流速は、エアーポンプによって炉内に空気を送り込むことによって炉内の圧力を変化させることによって調節した。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
また、炉の状態を変えることによって炉内の空気流速を表２のように変化させて実施例４及び５の軽量セラミックスを作成した。なお、密閉状態とは、炉内外を繋ぐ全ての開口に栓をした状態であり、開放状態とは、当該開口の一部を開通させた状態であり、開放状態においては、炉内が大気圧と同じ圧力になる。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
さらに、下水汚泥焼却灰に対する石炭灰の混合量を35mass％とし、炉内の圧力を1300mmH2Oとして炉内の空気流速を0cm/minに変化させた他は前記実施例１と同様にして実施例６の試料用軽量セラミックスを作成した。
【００３４】
そして、得られた実施例１乃至６の試料用軽量セラミックスを用いてJIS R2205-1992に基づき見掛比重を測定し、また、かさ比重、見掛気孔率、吸水率を測定した結果を表３に示す。
【００３５】
【表３】
2008247641.tif 000004
【００３６】
表３によれば、炉内の空気流速が減少するに従って得られる軽量セラミックスの見掛比重が小さくなっており、炉内の空気流速を0cm/min近傍にすることによって見掛比重が0.80g/cm3よりも小さな軽量セラミックが得られることが分かった。
【００３７】
また、炉内の空気流速が0cm/minになっていても、焼結温度が1200℃を越える場合には、見掛比重が0.80g/cm3を越えてしまうことが分かる。
【００３８】
次に、前記実施例1の試料用軽量セラミックスを直径1cm、厚さ2mmに成形し、レーザーフラッシュ法を用いて比熱及び熱拡散率を測定したところ、比熱が0.953×103Ws/kg・K、熱拡散率が5.542×10-7m2/sの結果が得られた。そして、当該測定結果に基づいて、熱伝導率を算出したところ、熱伝導率は0.3327W/(m・K)となった。当該熱伝導率は、通常のレンガの熱伝導率である0.69W/(m・K)の50％以下であり、非常に高い断熱効果があることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係る軽量セラミックは、断熱材として用いることもでき、この場合、多孔質であり、熱伝導率が非常に低く断熱効果に優れたものとなる。また、見掛比重が低いことから、レンガやタイルなどの建築用外壁材として用いることもできる。