(57)【要約】【課題】簡易な脱アルカリ水ガラス溶液の製造方法とする。【解決手段】水ガラスＧを電気透析（１０）して脱アルカリ水ガラス溶液を得るにあたり、電気透析（１０）に先立って、水ガラスＧに中和量の３〜５０質量％の酸を添加する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水ガラスを電気透析して脱アルカリ水ガラス溶液を製造する方法であって、
前記電気透析に先立って、前記水ガラスに中和量の３〜５０質量％の酸を添加することを特徴とする脱アルカリ水ガラス溶液の製造方法。
【請求項２】
電気透析後、水ガラスのシリカ濃度を高める請求項１記載の脱アルカリ水ガラス溶液の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の方法によって脱アルカリ水ガラス溶液を得、この脱アルカリ水ガラス溶液を主材とすることを特徴とする地盤改良用注入材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脱アルカリ水ガラス溶液の製造方法及び地盤改良用注入材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、掘削等により崩壊のおそれのある地盤、湧水等により掘削が困難な地盤などに地盤改良用注入材を注入して地盤を改良する薬液注入工法が汎用されている。
この工法において使用される地盤改良用注入材としては、近年、水ガラスを電気透析して得た脱アルカリ水ガラス溶液を主材とするものが注目を集めている（例えば、特許文献１参照。）。この注入材には、注入液が一液でありゲルタイムの調整が容易で取り扱いに便利である、改良すべき地盤の土質の応用範囲が広い、環境に与える影響が少ない、水ガラス自体が安価であることとあいまって大変経済的なものとなる、などのさまざまな利点がある。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３１０４１２８号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の地盤改良用注入材は、製造されたもの自体は以上のような優れた効果を有するものの、電気透析による脱アルカリ効率が悪く、製造に時間がかかり、あるいは大きな電圧で電気透析しなければならないなど、製造には不便な点があった。
【０００５】
そこで、本発明の主たる課題は、簡易な脱アルカリ水ガラス溶液の製造方法及び地盤改良用注入材の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明は、次のとおりである。
＜請求項１記載の発明＞
水ガラスを電気透析して脱アルカリ水ガラス溶液を製造する方法であって、
前記電気透析に先立って、前記水ガラスに中和量の３〜５０質量％の酸を添加することを特徴とする脱アルカリ水ガラス溶液の製造方法。
【０００７】
（作用効果）
電気透析に先立って、水ガラスに中和量の３〜５０質量％の酸を添加するので、水ガラス溶液中のアルカリ成分が添加された酸との塩として溶液中に遊離する。したがって、電気透析による脱アルカリ効率が高まるので、簡易な脱アルカリ水ガラス溶液の製造方法となる。
【０００８】
＜請求項２記載の発明＞
電気透析後、水ガラスのシリカ濃度を高める請求項１記載の脱アルカリ水ガラス溶液の製造方法。
【０００９】
（作用効果）
電気透析後、水ガラスのシリカ濃度を高める（濃縮する）ので、輸送コストを抑えることができる脱アルカリ水ガラス溶液の製造方法となる。
【００１０】
＜請求項３記載の発明＞
請求項１又は請求項２記載の方法によって脱アルカリ水ガラス溶液を得、この脱アルカリ水ガラス溶液を主材とすることを特徴とする地盤改良用注入材の製造方法。
【００１１】
（作用効果）
請求項１又は請求項２記載の方法によって脱アルカリ水ガラス溶液を得るので、簡易な地盤改良用注入材の製造方法となり、又は加えて輸送コストを抑えることができる地盤改良用注入材の製造方法となる。
【００１２】
また、脱アルカリ水ガラス溶液を主材とするので、従来の脱アルカリ水ガラス溶液を主材とする地盤改良用注入材と同様の作用効果を得ることができる地盤改良用注入材の製造方法となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
＜水ガラス＞
本発明において使用することができる水ガラスは、その種類が特に限定されない。例えば、ＪＩＳ１４０８規定の珪酸ソーダ（ＸＮａ２Ｏ・ＹＳｉＯ２）相当品、すなわち、ＪＩＳ１号、２号、３号水ガラスや、珪素を溶解してモル比（ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏ）４程度の高モル比とした水ガラスなどを使用することができる。ただし、３号水ガラスの場合は、電気透析時に、通電量が上がらず、脱アルカリ効率が極めて悪いことから、３号水ガラスを使用する場合は、特に好ましい製造方法となる。
【００１４】
なお、ＪＩＳ３号水ガラスは、ＳｉＯ２（２８〜３０質量％）、Ｎａ２Ｏ（９〜１０質量％）及び水（残部）からなるものであり、モル比（ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏ）が２．８〜３．３３とされる。
【００１５】
＜水ガラスの希釈＞
水ガラスは、まず、水で希釈するのが好ましい。水で希釈すると、酸を添加した際における水ガラスのゲル化を防止することができる。水での希釈は、シリカ濃度１５質量％以下の水溶液となるように、好ましくは４〜７質量％の水溶液となるように行う。
【００１６】
＜酸の添加＞
水で希釈して得た水ガラス水溶液は、図１に示すように、例えば、酸添加槽１に供給し、中和量の３〜５０質量％の、好ましくは中和量の１５〜３５質量％の、より好ましくは中和量の２０〜３０質量％の酸を添加する。添加量が少なすぎると、電気透析による脱アルカリ効率の向上を図ることができない。逆に、添加量が多すぎると、特に、水ガラス水溶液が酸性となるように添加すると、ゲル化が生じ易くなり得られる地盤改良用注入材の安定性が欠けることになる。
【００１７】
水珪酸Ｈ２ＳｉＯ２（ＯＨ）２の酸解離定数は、ｐＫａ１＝９．８６、ｐＫａ２＝１３．１であるので、添加する酸としては、その酸解離定数が、９．８６以下のものを使用するのが望ましい。例えば、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、ギ酸、クエン酸などを使用することができる。コストの観点からは、硫酸を使用するのが好ましく、安定性の観点からは、塩酸を使用するのが好ましい。本実施の形態では塩酸を使用する。
【００１８】
希釈した水ガラス水溶液と塩酸とは、撹拌翼２で攪拌し混合する。攪拌時間は、例えば、２〜５分間とすることができる。
【００１９】
撹拌後の液は、好ましくは１０分以上、より好ましくは３０分以上放置する。この放置により、珪酸ナトリウム分子中のナトリウムと塩酸との反応が進む。
【００２０】
＜電気透析＞
酸を添加した水ガラス水溶液Ｇは、イオン交換膜を隔膜とした電気透析装置１０に送り、電気透析をすることによって、脱アルカリ処理する。この脱アルカリ処理によって、例えば、ＳｉＯ２　濃度が１質量％以上、モル比（ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏ）が６以上、かつｐＨが７〜１２の範囲の脱アルカリ水ガラス溶液を得ることができる。
【００２１】
本電気透析においては、陰イオン交換膜として、公知のものを使用することができる。陰イオン交換膜の種類は、例えば、重合型、縮合型、均一型若しくは不均一型等、炭化水素系若しくはフッ素系等又は補強芯材の有無等、などによって限定されない。
【００２２】
また、陰イオン交換膜の陰イオン交換基としても、公知のものを使用することができる。例えば、アンモニウム塩基、ピリジニウム塩基、１級アミノ基、２級アミノ基、３級アミノ基などを使用することができる。ただし、本実施の形態では、塩基に接触することになるため、耐塩基性を有し、塩基性下においても交換基が解離するアンモニウム塩基を使用するのが好ましい。
【００２３】
さらに、本電気透析においては、陽イオン交換膜としても、公知のものを使用することができる。例えば、スルホン酸基や、カルボン酸基、あるいはこれらのイオン交換基が複数混在する陽イオン交換膜などを使用することができる。この陽イオン交換膜の種類は、例えば、重合型、縮合型、均一型若しくは不均一型等、炭化水素系若しくはフッ素系等又は補強芯材の有無等、などによって限定されない。ただし、本実施の形態では、塩基に接触することになるため、耐塩基性の陽イオン交換膜を使用するのが好ましい。
【００２４】
本電気透析においては、電極としても、公知のものを使用することができる。陽極としては、例えば、白金、チタン／白金、カーボン、ニッケル、ルテニウム／チタン、イリジウム／チタンなどを使用することができる。陰極としては、鉄、ニッケル、白金、チタン／白金、カーボン、ステンレス鋼などを使用することができる。電極の構造も、公知の構造でよい。例えば、一般的な構造である板状、メッシュ状、格子状などでよい。ただし、陰陽極としては、ニッケルを使用するのが好ましい。
【００２５】
また、本電気透析においては、電解質溶液としても公知の液を使用することができ、その種類が特に限定されるものではない。ただし、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムを使用すると好ましいものとなる。
【００２６】
本発明において、電気透析を行う装置としては、例えば、電極間に陽イオン交換膜と陰イオン交換膜とが交互に配列されて脱塩室と濃縮室とが形成されたものを使用することができる。ただし、各室（脱塩室及び濃縮室）を形成するための陰イオン交換膜と陽イオン交換膜とが交互に配列されており、両端より締め付けを行うことができる、いわゆるフィルタープレス型の電気透析装置を使用するのが好ましい。
【００２７】
次に、このイオン交換膜電気透析の原理を脱アルカリ水ガラス溶液の製造方法とともに説明する。
電解質溶液に一対の陽極、陰極をセットし直流電流を流すと陽イオンは陰極に向かって、陰イオンは陽極に向かってそれぞれ移動する。イオン交換膜電気透析は、このようなイオンの性質を利用したものである。
【００２８】
本実施の形態では、図２に例示した電気透析装置１０を使用することによって、脱アルカリ処理をする。
すなわち、電気透析槽１１内の両端各部に陽極１２及び陰極１３を、最も陽極１２側に陽イオン交換膜Ｋを、最も陰極１３側に陰イオン交換膜Ａを、それぞれ配置し、かつ、これらの間に陽イオン交換膜Ｋと陰イオン交換膜Ａとを交互に配置して濃縮室２０と脱塩室３０とを交互に形成する。そして、各電極１２，１３に通電するとともに、脱塩室３０に水ガラス水溶液を流通させ、かつ濃縮室２０に電解質溶液（水酸化ナトリウム水溶液又は水酸化カリウム水溶液）を流通させて電気透析を行う。
【００２９】
この場合、両電極１２，１３間に直流電流を通電させると、解離性の極めて高い強電解質である塩化ナトリウムのナトリウムイオンは、容易に陽イオン交換膜Ｋを透過して隣室に移動する。他方、塩化ナトリウムの塩素イオンは、容易に陰イオン交換膜Ａを透過して隣室に移動する。そして、珪酸は、弱電解質であるため、陰イオン交換膜Ａを透過し難いことから、隔室毎に脱ナトリウムイオン室（脱塩室３０）とナトリウムイオン濃縮室（濃縮室２０）とになる。このようにして、電気透析により、水ガラス水溶液の脱アルカリ処理がなされることになる。
【００３０】
＜濃縮工程＞
脱アルカリ処理した水ガラス水溶液Ｇは、図１に示すように、次いで、濃縮工程に送り、濃縮液とする。
この濃縮工程は、電気透析装置１０から、脱アルカリ処理された水ガラス水溶液Ｇを受け入れる処理槽３と、この処理槽３からの液を膜分離する膜分離装置４と、から主になる。これらの装置による水ガラス水溶液Ｇの濃縮方法は、特に限定されない。図１の上段に示すように、回分方式とすることも、図１の中断に示すように、半回分方式とすることも、図１の下段に示すように、連続方式とすることもできる。
【００３１】
膜分離装置４は、水分を除去して水ガラス水溶液のシリカ濃度を高める（濃縮する）ためのものである。したがって、水分を除去することができる例えば、蒸発などの方法によることもできる。ただし、作業効率の観点からは、本実施の形態のように膜分離によるのが好ましい。
【００３２】
膜分離装置４で使用する膜は、その形状が何ら限定されるものではなく、例えば、スパイラル、キャピラリー、チューブラー、カートリッジ、プレートなどとすることができる。また、濃縮液の流れと膜面との接触方向も何ら限定されるものではなく、膜面に垂直に液を流す全量ろ過方式とすることも、膜面と平行に液を流し液の流れの側方でろ過を行うクロスフローろ過方式とすることもできる。本実施の形態では、平膜方式かつクロスフローろ過方式とした。平膜方式の膜は、安価でしかも取り扱いが容易であるという利点を有する。また、クロスフローろ過方式によると、膜面へのゲル物質の蓄積が少なくなる。
【００３３】
膜分離装置４の膜としては、限外ろ過膜（ＵＦ）、ナノフィルトレーション膜（ＮＦ）、逆浸透膜（ＲＯ）を使用するのが好ましい。これらの膜によれば、効率的に濃縮を行うことができる。ただし、ＵＦ膜は、分画分子量が１５００００Ｄａ以下であるのが好ましく、５００００Ｄａ以下であるのがより好ましい。
【００３４】
以上の濃縮を行うことができる膜としては、ＵＦ膜としては、例えば、ＮＴＵ‐２１２０を、ＮＦ膜としては、例えば、ＮＴＲ‐７４１０を、ＲＯ膜としては、例えば、ＮＴＲ‐７２９ＨＦを挙げることができる（以上、日東電工（株）製）。
【００３５】
この膜分離は、シリカ濃度が６質量％以上になるまで、好ましくは９〜１８質量％になるまで行う。たしかに、本発明に係る方法により製造された脱アルカリ水ガラス溶液を地盤改良用注入材の主材として使用する場合は、シリカ濃度が６質量％程度であれば足りるが、シリカ濃度を高める方が、輸送コストの点からは、好ましいものとなる。ただし、あまりに高濃度にすると溶液の安定性に欠けるので、１８質量％以下とするのが好ましい。本溶液は、シリカ濃度１４質量％程度まで、安定して利用に供することができることが確認されている。
【００３６】
＜地盤改良用注入材＞
以上の脱アルカリ水ガラス溶液は、地盤改良注入材の主材として好適に用いることができる。脱アルカリ水ガラス溶液の反応材としては、有機酸及び無機酸を用いることができる。反応材としては、例えば、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、ポリりん酸、ほう酸、炭酸等の無機酸、酢酸、酒石酸、クエン酸等の有機酸などを使用することができる。
【００３７】
脱アルカリ水ガラス溶液と反応材とを使用した地盤改良用注入材の作液は、脱アルカリ水ガラス溶液を攪拌しながら反応材を投入するだけで足りる。したがって、極めて簡易であり、攪拌槽を用いることなく、ラインミキサー等で作液することもできる。作液した地盤改良用注入材は、一液の注入材として適宜の注入管を用いて地盤に注入することができる。
【００３８】
本発明において主材となる溶液（脱アルカリ水ガラス溶液）は、脱アルカリ処理されているため、少量の反応材を使用するだけで地盤改良用注入材を得ることができる。また、注入材に含まれるアルカリ性陽イオン及び酸の濃度が低くなるので、環境への影響も少なくなる。もちろん、前述した従来の注入材同様の優れた効果も有している。
【００３９】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。
＜実施例１：脱アルカリ効率に関する考察＞
下記のようにして得た希釈３号水ガラス水溶液４Ｌを、ＥＣＯ　Ｉ　型電気透析装置にて１５Ｖ電圧スタットで電気伝導度が５〜６ｍＳ／ｃｍとなるまで電気透析して脱アルカリ処理した。
【００４０】
（サンプル１）
シリカ濃度６質量％に希釈した３号水ガラス（つまり、従来例）。
【００４１】
（サンプル２）
シリカ濃度６質量％に希釈した３号水ガラスに中和量の２５質量％の塩酸を添加し、一晩放置。
【００４２】
（サンプル３）
シリカ濃度６質量％に希釈した３号水ガラスに中和量の２５質量％の塩酸を添加し、１時間放置。
【００４３】
（サンプル４）
シリカ濃度６質量％に希釈した３号水ガラスに中和量の２５質量％の硫酸を添加し、１時間放置。
【００４４】
各サンプルについて、電気透析時の電気伝導度経時変化、電気透析時の電気量経時変化及び透析時間を測定した。結果を、図３及び図４並びに表１に示した。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
図３及び図４より、電気透析に先立って、水ガラスに酸を添加すると、通電量の上昇及び電気伝導度の急激な低下が確認され、著しく脱アルカリ効率が向上することがわかる。また、表１より、添加する酸としては、残留量が少ないこと、透析効率が良いことなどから、硫酸より塩酸が好ましいことがわかる。
【００４７】
＜実施例２：酸添加量に関する考察＞
シリカ濃度が６質量％又は４質量％となるように希釈した３号水ガラス水溶液に、１０％塩酸を添加して攪拌し、ゲル化するまでの時間を測定した。結果を、表２に示した。
【００４８】
【表２】
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【００４９】
表２より、シリカ濃度によって若干異なるものの、概ね塩酸の添加量が中和量の５０質量％を超えると、ゲル化が生じ易く、安定性に劣ることがわかる。
【００５０】
＜実施例３：濃縮に膜を用いることの考察＞
シリカ濃度が６質量％となるように希釈した３号水ガラス水溶液に、中和量の２５質量％の塩酸を添加して攪拌した。３０分放置後、電気透析により脱アルカリ処理した。さらにその後、ＵＦ膜（ＮＴＵ‐２１２０、日東電工（株）製）、ＮＦ膜（ＮＴＵ‐７４１０、日東電工（株）製）又はＲＯ膜（ＮＴＲ‐７２９ＨＦ、日東電工（株）製）を用いて全量ろ過を行い、シリカ濃度などを測定した。結果を、表３に示した。
【００５１】
【表３】
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【００５２】
表３より、いずれの膜によってもシリカ阻止率が８０％以上となり、効率的に濃縮しうることがわかる。
【００５３】
＜実施例４：地盤改良用注入材の考察＞
上記サンプル３の水ガラス水溶液６０Ｌを実施例１と同様の方法で脱アルカリ処理した。その後、りん酸を添加してｐＨ２．５〜３．０に調節した後、水で希釈してシリカ濃度を６質量％にした。豊浦砂にて供試体を作成し、一軸圧縮強度（７日）などを調べた。従来法（酸無添加）と比較した結果を表４に示した。
【００５４】
【表４】
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【００５５】
表４より、酸を添加して脱アルカリ効率を向上させても、従来法と同様の安定性及びサンドゲル強度が得られることがわかる。
【００５６】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、簡易な脱アルカリ水ガラス溶液の製造方法及び地盤改良用注入材の製造方法となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】脱アルカリ水ガラス溶液の製造方法を説明するためのフロー図である。
【図２】電気透析装置の構成例である。
【図３】電気透析時の電気伝導度経時変化を示すグラフである。
【図４】電気透析時の電気量経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１…酸添加槽、３…処理槽、４…膜分離装置、１０…電気透析装置、１２，１３…電極、２０…濃縮室、３０…脱塩室、Ａ，Ｋ…イオン交換膜、Ｇ…水ガラス水溶液。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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