(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水汚泥焼却灰を用いたセラミック製品の製造方法であって、
ｉ）下水汚泥焼却灰、粘土粉末、及びセラミック焼成体を粉砕して得たセラミック粉末から成る混合粉末を含む坏土を調製する工程（但し、前記粘土粉末全体の９８質量％以上が粒径５０μｍ以下の粒子で占められており、かつ前記粘土粉末における９０％粒径ｄ９０の５０％粒径ｄ５０に対する比が３以上である。）、
ｉｉ）得られた坏土を成形する工程、および、
ｉｉｉ）得られた成形体を、焼成時の最高温度が１０００℃〜１２００℃の範囲となるように焼成する工程、
を含み、
前記粘土粉末が前記混合粉末全体に対して３０〜４０質量％であることを特徴とする製造方法。
【請求項２】
前記粘土粉末全体の１５質量％以上が粒径１０μｍ以上の粒子で占められていることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記粘土粉末が該粉末全体に対して２５質量％以上のＡｌ２Ｏ３を含有していることを特徴とする、請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記セラミック粉末全体の９８質量％以上が粒径５０μｍ以下の粒子で占められていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
【請求項５】
前記下水汚泥焼却灰全体の９８質量％以上が粒径２００μｍ以下の粒子で占められていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
【請求項６】
前記混合粉末は、分級処理により粒径３００μｍ以上の粒子が除去されている粉末であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
【請求項７】
前記下水汚泥焼却灰が焼却灰全体の２５質量％以上のＦｅ２Ｏ３および／または１５質量％以上のＰ２Ｏ５を含有していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
【請求項８】
下水汚泥焼却灰が混合粉末全体に対して２０〜４０質量％であり、セラミック粉末が混合粉末全体に対して３０〜４０質量％であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法。
【請求項９】
前記工程ｉｉ）において、脱気しながら成形を行なうことを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の製造方法。
【請求項１０】
前記工程ｉｉｉ）において、成形体を最高温度１０３０〜１０８０℃で焼成することを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水汚泥焼却灰、特にＦｅ２Ｏ３および／またはＰ２Ｏ５含有量の多い下水汚泥焼却灰を主要原料の１つとして用いたセラミック製品の製造方法、およびこの方法によって得られた機械的強度が大きくかつ吸水率の小さいセラミック製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般家庭から排出された生活排水、工場排水、および下水管に流れ込んだ土砂を含む雨水等から構成されるいわゆる下水汚泥は、凝集剤の添加により固形成分を凝集した後、脱水、焼成することによって下水汚泥焼却灰に加工される。この下水汚泥焼却灰は、資源の有効利用の観点から、廃棄することなく再利用するのが望ましく、現在までに、煉瓦、透水性ブロック、陶管（セラミックパイプ）等のセラミック製品への加工の検討が行なわれている。
【０００３】
特に、下水汚泥焼却灰を原料として製造された吸水率が小さい陶管（セラミックパイプ）は、耐蝕性および機械的強度に優れることから、塩化ビニル管やヒューム管に代わる管として期待され、例えば特開２０００−２４７７３０号公報(特許文献１)には、天然粘土、陶管を砕いたシャモット、および下水汚泥焼却灰からなる混合原料を管状に成形して焼成した吸水率が小さい陶管の製造方法が開示されており、ＳｉＯ２：５０〜７０重量％、Ａｌ２Ｏ３：１５〜２５重量％、Ｎａ２Ｏ：０．５〜２重量％、Ｋ２Ｏ：１〜３重量％、ＣａＯ：１〜３重量％、ＭｇＯ：０．５〜２重量％、Ｆｅ２Ｏ３：４〜８重量％、Ｐ２Ｏ５：２〜８重量％を含む混合原料が使用されている。また、特開２００３−０２６４６８号公報(特許文献２)には、セラミック製品製造用の下水汚泥焼却灰と粉末状の粘土材とセラミック粉材とからなるセラミック成形用混合粉末において、該混合粉末を構成する全粒子のうちの８５ｗｔ％以上を粒径５０μｍ以下に、０．１ｗｔ％以下を粒径２５０μｍ以上にすることによって、下水汚泥焼却灰の利用率を高めるとともに得られるセラミック製品の機械的強度を高める方法が開示されている。この公報における実施例では、ＳｉＯ２：５２．４ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３：１４．２ｗｔ％、Ｎａ２Ｏ：０．９ｗｔ％、Ｋ２Ｏ：１．６ｗｔ％、ＣａＯ：５．５ｗｔ％、ＭｇＯ：１．５ｗｔ％、ＴｉＯ２：０．６ｗｔ％：Ｆｅ２Ｏ３：６．５ｗｔ％、Ｐ２Ｏ５：１１．７ｗｔ％を含む下水汚泥焼却灰が使用されている。
【０００４】
下水汚泥焼却灰は、上記実施例からもわかるように、主成分としてのＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３の他に、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５等のいわゆるフラックス成分を比較的多く含んでいるが、下水汚泥焼却灰におけるこれらの成分の含有量は、下水汚泥の発生源（回収場所）、天候（降雨量）、使用される凝集剤等によって大きく変動する。例えば、雨天が連続すると雨水とともに土砂が下水に流れ込むため、下水汚泥焼却灰中のＳｉＯ２量が増加する。また、下水汚泥に一般家庭等からの糞尿等の汚物が多く含まれる場合には、下水汚泥焼却灰中のＰ２Ｏ５量が増加する。さらに、鉄分を多く含む工場排水が下水に混入された場合や、塩化第二鉄溶液、ポリ硫酸第二鉄溶液等の鉄系凝集剤が使用されたなど下水汚泥焼却灰に加工する処理の過程で鉄分が付加された場合には、下水汚泥焼却灰中のＦｅ２Ｏ３量が大幅に増加することになる。
【０００５】
下水汚泥焼却灰中のＦｅ２Ｏ３量やＰ２Ｏ５量が増加すると、これらはフラックス成分であるため、下水汚泥焼却灰を用いて形成した成形体を焼成する際に成形体が変形しやすくなり、また、焼成途中で成形体中に気泡が発生しやすくなるため、得られたセラミック製品の吸水率が増大するとともに機械的強度が低下する。そのため、品質が均一で吸水率が小さいセラミック製品を製造する場合には、下水汚泥焼却灰の化学組成変動に応じて成形体の焼成温度を予め設定しておき、そのうえで、使用する下水汚泥焼却灰の化学組成をその都度調べ、標準化学組成焼却灰との差異に応じて焼成条件が適宜調整される。例えばＰ２Ｏ５含有量が１％異なると、焼成時の最高温度が１０〜２０℃程度調整される。また、特開２００３−０２６４６７号公報（特許文献３）は、１箇月以上の所定の期間、その期間内に生産された下水汚泥焼却灰であって入手できたものを順次ストックしておき、その期間が経過した後に、その期間中ストックしておいた下水汚泥焼却灰のほぼ全量から相互にほぼ均等な化学組成となるように分割したものを順次セラミック製品製造のための原料として使用する方法を開示しており、均一な化学組成の下水汚泥焼却灰を使用することにより、焼成温度を大幅に変更することなく品質の均一なセラミック製品を得ることを提案している。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２４７７３０号公報
【特許文献２】特開２００３−０２６４６８号公報
【特許文献３】特開２００３−０２６４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、セラミック製品を大量に低コストで製造しようとする場合に、使用する下水汚泥焼却灰の化学組成をその都度分析することは極めて煩雑であり、またセラミック製品の生産効率を低下させることにもつながる。さらに、特開２００３−０２６４６７号公報の方法によると、均一な化学組成の下水汚泥焼却灰を使用して品質が均一なセラミック製品を製造することができるものの、例えば２〜４ヶ月もの長期間にわたって下水汚泥焼却灰をストックするための広い空間が必要となる上に、下水汚泥焼却灰をストックする期間はセラミック製品の製造を停止する必要が生じる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、下水汚泥焼却灰を用いたセラミック製品の製造方法において、下水汚泥焼却灰の化学組成が変化しても、特にフラックス成分であるＦｅ２Ｏ３量および／またはＰ２Ｏ５量が大幅に増加しても、下水汚泥焼却灰を含む坏土を成形して得た成形体の焼成条件を大幅に変更する必要のないセラミック製品の製造方法、従ってまた下水汚泥焼却灰を一定期間ストックしておくことにより下水汚泥焼却灰の化学組成の均一化を図る必要もないセラミック製品の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者等は、上記目的を達成すべく検討を重ねた結果、セラミック製品を製造するための下水汚泥焼却灰と粘土粉末とセラミック粉末とから成る混合粉末を含む坏土を調製する工程において、粘土粉末として実質的に粒径５０μｍ以下の微粒子からなる粉末であって粉末の粒度分布が比較的広いものを使用すると、下水汚泥焼却灰の化学組成が大幅に変化した場合でも、下水汚泥焼却灰を含む坏土を成形して得た成形体の焼成温度を大幅に変更せずに吸水率が小さくかつ機械的強度が大きいセラミック製品が得られることを発見し、発明を完成させた。
【００１０】
即ち本発明は、下水汚泥焼却灰を用いたセラミック製品の製造方法であって、
ｉ）下水汚泥焼却灰、粘土粉末、及びセラミック焼成体を粉砕して得たセラミック粉末から成る混合粉末を含む坏土を調製する工程（但し、上記粘土粉末全体の９８質量％以上が粒径５０μｍ以下の粒子で占められており、かつ上記粘土粉末における９０％粒径ｄ９０の５０％粒径ｄ５０に対する比が３以上である。）、
ｉｉ）得られた坏土を成形する工程、および、
ｉｉｉ）得られた成形体を、焼成時の最高温度が１０００℃〜１２００℃の範囲となるように焼成する工程、
を含み、前記粘土粉末が前記混合粉末全体に対して３０〜４０質量％であることを特徴とする製造方法である。
【００１１】
本明細書において、「粒径」の語はストークス径を意味し、「５０％粒径ｄ５０」とは粉末全体の５０質量％までがｄ５０の値以下の粒径を有していることを意味し、「９０％粒径ｄ９０」とは同様に粉末全体の９０質量％までがｄ９０の値以下の粒径を有していることを意味する。従って、９０％粒径ｄ９０の５０％粒径ｄ５０に対する比ｄ９０／ｄ５０の値が大きくなるほど粉末の粒度分布が広くなる。本発明において、ｄ９０／ｄ５０の値は一般には３以上である。このような粒子の粒度分布が広い粘土粉末、好ましくはさらに粘土粉末全体の１５質量％以上が粒径１０μｍ以上の粒子で占められている粉末を使用すると、下水汚泥焼却灰の化学組成が変化しても、特にフラックス成分であるＦｅ２Ｏ３量および／またはＰ２Ｏ５量が大幅に増加しても、下水汚泥焼却灰を含む坏土を成形して得た成形体の焼成温度を大幅に変更せずに吸水率が小さくかつ機械的強度が大きいセラミック製品を得ることができる。また、本発明では、従来技術における温度（一般的には１１００℃以上）よりも低温（１０３０〜１０８０℃）で成形体の焼成を行なっても吸水率が小さくかつ機械的強度が大きいセラミック製品が得られ、また焼成時の最高温度を３０〜５０℃程度変更しても吸水率および機械的強度の値がほぼ等しいセラミック製品が得られる。
【００１２】
上述のような良好な結果が得られる理由は、以下のように考えられる。すなわち、様々な粒径の粒子を含む下水汚泥焼却灰の粒子どうしの間にやはり様々な粒径の粘土粒子が密に充填されるため、緻密な成形体が形成されると考えられる。また、坏土中の各成分の反応によって、例えば鉄成分とＣやＳ等との反応によって、ＣＯ２やＳＯｘ等の気体が成形体中に発生しうるが、下水汚泥焼却灰の粒子どうしの間に密に充填された粘土粒子が、これらの気体が焼成途中に成形体から脱離するための通路（細隙）を提供すると考えられる。その結果、比較的低温で焼成した場合でも緻密な焼結体が得られ、また、ＣやＳ等との反応を引き起こす鉄成分が多い下水汚泥焼却灰を使用した場合でも緻密な焼結体が得られるものと考えられる。
【００１３】
従って、本発明の製造方法は、従来は焼成温度の変更を余儀なくされていたフラックス成分の多い下水汚泥焼却灰を使用する場合、特に、Ｆｅ２Ｏ３の含有量が焼却灰全体の２５質量％以上、および／または、Ｐ２Ｏ５の含有量が焼却灰全体の１５質量％以上であるような下水汚泥焼却灰を使用する場合に好適である。本発明では、上記先行技術文献では使用されていない化学組成を有する混合粉末、具体的には、混合粉末全体に対してＳｉＯ２：４９〜５４質量％、Ａｌ２Ｏ３：１８〜２４質量％、Ｆｅ２Ｏ３：１０〜１６質量％、ＴｉＯ２：０．５〜０．７５質量％、ＣａＯ：１〜３質量％、ＭｇＯ：１〜２．５質量％、Ｎａ２Ｏ：１〜１．５質量％、Ｋ２Ｏ：１〜２．５質量％、Ｐ２Ｏ５：４〜７質量％の化学組成を有する混合粉末を使用することもできる。
【００１４】
本発明のセラミック製品の製造方法において、粘土粉末は、カオリン（カオリナイト、ナクライト、ディッカイト、ハロイサイト、加水ハロイサイト等の１種以上からなる粘土）のようにＡｌ２Ｏ３含有量が多いものが望ましい。Ａｌ２Ｏ３含有量は、粘土粉末全体に対して２５質量％以上であるのが好ましい。このような粘土を使用すると、特にＦｅ２Ｏ３の含有量が多い下水汚泥焼却灰を使用する場合でも、機械的強度が大きい上に吸水率が小さい緻密質のセラミック製品を得ることができる。
【００１５】
また、混合粉末に含まれるセラミック粉末全体の９８質量％以上が粒径５０μｍ以下の微粒子で占められているのが好ましく、下水汚泥焼却灰全体の９８質量％以上が粒径２００μｍ以下の粒子で占められているのが好ましい。このような各粉末を使用すると、得られるセラミック製品の均質性が増し、セラミック製品の強度の向上、吸水率の低下につながる上に、焼成温度が比較的低くても吸水率の小さいセラミック製品が得られるため、省エネルギー化に貢献することができる。
【００１６】
さらに、上記混合粉末は、分級処理により粒径３００μｍ以上の粒子が除去されているのが望ましい。粗い粒子が残っていると、得られたセラミック製品の表面の平坦でなくなり、セラミック製品の強度低下、吸水率の増加をより的確に防止するためには望ましくない。
【００１７】
本発明のセラミック製品の製造方法において、下水汚泥焼却灰が混合粉末全体に対して２０〜４０質量％であり、セラミック粉末が混合粉末全体に対して３０〜４０質量％であり、粘土粉末が混合粉末全体に対して３０〜４０質量％であるのが好ましい。この範囲内で各成分が混合された混合粉末を使用すると、均質で機械的強度が大きく、その上吸水率の小さい緻密質のセラミック製品が得られる。
【００１８】
本発明のセラミック製品の製造方法における上記工程ｉｉ）において、脱気しながら成形を行なうのが望ましい。このようにすることによって、坏土を調製する間に坏土中の各成分の反応によって発生した気体、例えば鉄成分とＣやＳ等との反応によって発生したＣＯ２やＳＯｘが成形体から脱離するため、緻密な成形体を得ることができ、従って成形体の焼成後に均質で緻密なセラミック製品を得ることができる。また、上述したように、工程ｉｉｉ）では、従来技術における焼成温度よりも低い１０３０〜１０８０℃で成形体の焼成を行なっても吸水率が小さくかつ機械的強度が大きいセラミック製品が得られ、従って省エネルギー化に貢献することができる。
【００１９】
本発明はまた、上述の製造方法によって得られたセラミック製品にも関する。本発明のセラミック製品は、吸水率が好適には２．５％以下の緻密質である上に、化学的に安定でありかつ機械的強度が大きいセラミック製品である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のセラミック製品の製造方法によると、下水汚泥焼却灰の化学組成が変化しても、特にフラックス成分であるＦｅ２Ｏ３量および／またはＰ２Ｏ５量が大幅に増加しても、下水汚泥焼却灰を含む坏土を成形して得た成形体の焼成温度を大幅に変更せずに吸水率が小さくかつ機械的強度が大きいセラミック製品を得ることができる。本発明の製造方法によって得られたセラミック製品は、吸水率が小さく緻密質である上に化学的に安定でありかつ機械的強度が大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明のセラミック製品の製造方法は、ｉ）下水汚泥焼却灰と粘土粉末とセラミック粉末とから成る混合粉末を含む坏土を調製する工程（但し、上記粘土粉末全体の９８質量％以上が粒径５０μｍ以下の粒子で占められており、かつ上記粘土粉末における９０％粒径ｄ９０の５０％粒径ｄ５０に対する比が３以上である。）、ｉｉ）得られた坏土を成形する工程、および、ｉｉｉ）得られた成形体を焼成する工程、を含む。
【００２２】
まず、上記工程ｉ）について説明する。本発明の製造方法において、下水汚泥焼却灰は、種々の下水汚泥焼却灰を特に化学組成上の制限なしに用いることができる。典型的な下水汚泥焼却灰は、石灰長石、リン酸化合物、石英等から構成されており、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3の他、Ｆｅ2Ｏ3、ＴｉＯ２、Ｎａ2Ｏ、ＣａＯ、Ｋ2Ｏ、ＭｇＯ、Ｐ2Ｏ5等を含有している。本発明では、種々の下水汚泥焼却灰をこれらの化学組成に関りなく用いることができ、また他の微量成分、例えばＣｄ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ａｓ、Ｈｇ、Ｓｅ等の重金属を含むものも利用することができる。本発明の製造方法は、Ｆｅ2Ｏ3およびＰ2Ｏ5等のフラックス成分の多い下水汚泥焼却灰を使用する場合、特に、焼却灰全体に対して２５質量％以上のＦｅ２Ｏ３および／または焼却灰全体に対して１５質量％以上のＰ２Ｏ５を含む下水汚泥焼却灰を使用する場合に好適である。このようなフラックス成分の多い下水汚泥焼却灰を使用する場合には、従来は焼成条件を大幅に変更する必要があったが、本発明によると焼成条件をほとんど変更するがない。
【００２３】
本発明のセラミック製品の製造方法において、下水汚泥焼却灰の粒径はあまり影響を与えないが、粗大な粒子が存在する場合には、得られたセラミック製品の機械的強度が低下する場合があるため、粒径が３００μｍ以下であるのが好ましい。より好ましくは下水汚泥焼却灰全体の９８質量％以上が２００μｍ以下であり、特に好ましくは１００μｍ以下である。入手した下水汚泥焼却灰が粗大な粒子を含む場合には、篩分け、ボールミルやハンマーミルのような粉砕機による粉砕処理により粒度調製しておくのが好ましい。
【００２４】
本発明において、セラミック粉末としては、耐火性に優れるセラミック焼成体を粉砕して得た粉末であれば、特に制限なく使用することができる。例えば、陶器や磁器等の陶磁器質材料、セメント、ガラス、煉瓦等を粉砕して得た破砕物を使用することができる。セラミック粉末としては、後述する工程ｉｉｉ）の焼成途中で成形体中に発生し得る気体（例えば、ＣＯ２、ＳＯｘ等）を外部に逃がすための細隙を提供し得るものが好ましい。本発明の製造方法において実施されるセラミック成形体の焼成温度よりも高温域（好適には１１００℃以上）で焼成した陶管や瓦の粉状シャモットが特に好適である。このような粉状シャモットは、本発明の製造方法で形成される焼成体中においても粒子の形態でそのまま残存するため、これらの残存粒子によって、成形体中で発生した気体を外部に放出するための細隙（気孔）を確保することができる。
【００２５】
このようなセラミック粉末において、セラミック粉末全体の９８質量％以上が粒径５０μｍ以下、好適には３０μｍ以下、の微粒子で占められているのが好ましい。このような微細なセラミック粉末を使用すると、坏土中にセラミック粉末が微細に分散し、坏土を所定形状に成形した際に、下水汚泥焼却灰粒子どうしの間に微細なセラミック粉末が充填されるため、成形体の緻密度が増し、従って、焼成後に得られるセラミック製品の均質性が増し、セラミック製品の機械的強度が向上するとともに吸水率が低下する。また従来技術における成形体の焼成温度（一般的には１１００℃以上）よりも低い焼成温度を採用しても吸水率の小さいセラミック製品が得られるため、省エネルギー化に貢献することができる。入手したセラミック粉末が比較的粗大な粒子で構成されている場合には、篩分けの他、ボールミルやハンマーミル等の粉砕機を使用して粒度調製した上で使用する。
【００２６】
粘土粉末は、岩石または鉱物の風化、変成作用によって生じた含水珪酸塩を主体とした粒子の集合体である。本発明のセラミック製品の製造方法において、粘土粉末の種類に特に制限はなく、一般的なカオリン、ベントナイト、木節粘土、ガイロメ粘土等を使用することができるが、カオリンのようにＡｌ２Ｏ３含有量が多いものが望ましい。Ａｌ２Ｏ３が全体の２５質量％以上、好ましくは３０質量％以上である粘土粉末を使用するのが好ましい。このような粘土粉末を使用すると、Ｆｅ2Ｏ3およびＰ2Ｏ5等のフラックス成分の多い下水汚泥焼却灰を使用する場合にも、機械的強度が大きくかつ緻密質のセラミック製品が製造されることがわかっている。
【００２７】
本発明のセラミック製品の製造方法における主要な特徴は、粘土粉末として、粘土粉末全体の９８質量％以上が粒径５０μｍ以下の粒子で占められており、かつ９０％粒径ｄ９０の５０％粒径ｄ５０に対する比が３以上、好ましくは４以上、特に好ましくは５以上である粉末を使用することである。言い換えると、微粒子から構成される粒度分布の広い粘土粉末を使用することである（図１参照）。粘土粉末の１５質量％以上は１０μｍ以上の粒径を有しているのが好ましい。このような粘土粉末を使用すると、坏土中に粘土粉末が微細に分散し、坏土を所定形状に成形した際に、粒度分布の広い下水汚泥焼却灰粒子どうしの間に粘土粉末が緻密に充填されるため、成形体の緻密度が増し、また、下水汚泥焼却灰の粒子どうしの間に密に充填された粘土粒子が、坏土中の各成分の反応によって発生した気体（例えば鉄成分とＣやＳ等との反応によって発生したＣＯ２やＳＯｘ等）が焼成途中に成形体から脱離するための通路（細隙）を提供するため、焼成後に得られるセラミック製品の均質性が増し、セラミック製品の機械的強度が向上するとともに吸水率が低下すると考えられる。また、下水汚泥焼却灰の化学組成が変化しても、特にフラックス成分であるＦｅ２Ｏ３量および／またはＰ２Ｏ５量が大幅に増加して、例えば、Ｆｅ２Ｏ３の含有量が焼却灰全体の２５質量％以上、特に４０質量％以上であり、および／または、Ｐ２Ｏ５の含有量が焼却灰全体の１５質量％以上、特に２０質量％以上であるような下水汚泥焼却灰を使用する場合でも、成形体の焼成温度を大幅に変更せずに吸水率が小さくかつ機械的強度が大きいセラミック製品を得ることができる。入手した粘土粉末が比較的粗大な粒子で構成されている場合には、篩分けの他、ボールミルやハンマーミル等の粉砕機を使用して粒度調製した上で使用する。
【００２８】
上述の下水汚泥焼却灰と粘土粉末とセラミック粉末とから成る混合粉末を含む坏土の調製に当たっては、分級処理により粒径３００μｍ以上の粒子を除去するのが好ましい。粗い粒子が残っていると、得られたセラミック製品の表面が平坦でなくなる上に、セラミック製品の機械的強度の低下、吸水率の増加につながるため望ましくない。尚、分級処理は一般に篩を使用して行なわれる。分級処理は、下水汚泥焼却灰、粘土粉末、およびセラミック粉末のそれぞれについて行ってもよく、また下水汚泥焼却灰と粘土粉末とセラミック粉末のうちの少なくとも２つを混合した後に行ってもよい。さらには、各粉末または混合粉末を水等の媒体に分散させた後に分級処理を行ってもよい。
【００２９】
上述した下水汚泥焼却灰、粘土粉末、およびセラミック粉末を水とともに十分に混錬して坏土を調製する。坏土には、必要に応じてバインダーその他の添加剤が添加されていてもよい。このとき、下水汚泥焼却灰が混合粉末全体に対して２０〜４０質量％であり、セラミック粉末が混合粉末全体に対して３０〜４０質量％であり、粘土粉末が混合粉末全体に対して３０〜４０質量％であるのが好ましい。この範囲内で各成分が混合された混合粉末を使用すると、均質で機械的強度が大きく、その上吸水率の小さい緻密質のセラミック製品が得られる。混合粉末の化学組成は、例えば混合粉末全体に対して下水汚泥焼却灰３０質量％、粘土粉末３５質量％、セラミック粉末３５質量％の量で配合した場合には、混合粉末全体に対してＳｉＯ２：４９〜６４質量％、Ａｌ２Ｏ３：１８〜２４質量％、Ｆｅ２Ｏ３：４〜１６質量％、ＴｉＯ２：０．５〜０．７５質量％、ＣａＯ：１〜３質量％、ＭｇＯ：１〜２．５質量％、Ｎａ２Ｏ：１〜１．５質量％、Ｋ２Ｏ：１〜２．５質量％、Ｐ２Ｏ５：２〜７質量％となる。また、Ｆｅ２Ｏ３の含有量が焼却灰全体の２５質量％以上であり、Ｐ２Ｏ５の含有量が焼却灰全体の１５質量％以上であるような下水汚泥焼却灰を使用する場合には、混合粉末全体に対してＳｉＯ２：４９〜５４質量％、Ａｌ２Ｏ３：１８〜２４質量％、Ｆｅ２Ｏ３：１０〜１６質量％、ＴｉＯ２：０．５〜０．７５質量％、ＣａＯ：１〜３質量％、ＭｇＯ：１〜２．５質量％、Ｎａ２Ｏ：１〜１．５質量％、Ｋ２Ｏ：１〜２．５質量％、Ｐ２Ｏ５：４〜７質量％となる。
【００３０】
坏土を調製する際の混合は、慣用の各種混合機、例えば、土練機、リボンミキサー、ローラーミキサー等を使用することにより行なうことができる。坏土の水分含有率は、一般的には坏土全体に対して１５〜２５質量％、好ましくは１７〜２３質量％である。坏土の水分含有率が１５質量％よりも低すぎると坏土が固くなりすぎて押出し成形が困難になる場合があり、坏土の水分含有率が２５質量％よりも高すぎるとセラミック成形体を成形した際の保形性が低下するため好ましくない。混練時間に特に制限がなく、均質な坏土が調製される時間でよいが、一般的には１０分〜２時間の範囲である。
【００３１】
次に、本発明のセラミック製品の製造方法における工程ｉｉ）について説明する。工程ｉｉ）の成形工程におけるセラミック製品の成形方法に特に制限がなく、製造すべきセラミック製品に応じて公知の方法が選択され、セラミック製品の製造において慣用の種々の方法、例えば、一般的な鋳込み成形、押出し成形、プレス成形（１軸プレス法、ＣＩＰ成形法等）により、所望形状の成形体を得ることができる。例えばセラミックパイプを製造する場合には、押出し成形が好適である。一定のサイズ・形状の口金を有する押出成形機に坏土を供給しつつ当該口金から成形体を押し出すことによって、一定の横断面形状を有するセラミックパイプを成形することができる。成形は、脱気しながら行なうのが望ましい。脱気により、坏土を調製する間または成形処理の間に坏土中に含まれる各成分の反応によって発生した気体、例えば鉄成分とＣやＳ等との反応によって発生したＣＯ２やＳＯｘ、が成形体から脱離するため、緻密な成形体を得ることができ、従って成形体の焼成後に均質で緻密なセラミック製品を得ることができる。脱気しながらの成形は、慣用の真空押出し成形機によって行なうことができる。
【００３２】
得られた成形体は、焼成処理前に乾燥させることが望ましい。特に残存水分量が２％またはそれよりも低くなるまで乾燥処理を施すことが好ましい。乾燥方法に特に制限がなく、自然乾燥のほか、定温乾燥機内に成形体を入れて乾燥することもできる。乾燥処理によって焼成時における水蒸気膨張を抑止することができ、従って緻密質のセラミック製品を得ることができる。
【００３３】
次に、好ましくは乾燥後の成形品を、本発明のセラミック製品の製造方法における工程ｉｉｉ）において、焼成時の最高温度が１０００〜１２００℃、好ましくは１０３０〜１０８０℃で焼成する。最高温度が１０００℃より低いと、得られるセラミック製品の機械的強度が十分でなく、また吸水率も大きくなる。本発明では、従来技術における温度（一般的には１１００℃以上）よりも低温（１０３０〜１０８０℃）で焼成を行なっても吸水率が小さくかつ機械的強度が大きいセラミック製品が得られる。さらには焼成時の最高温度を３０〜５０℃程度変更しても吸水率および機械的強度の値がほぼ等しいセラミック製品が得られる。本発明では、混合粉末における下水汚泥焼却灰の含有率や下水汚泥焼却灰の化学組成によって焼成温度を大幅に変更する必要がないのでセラミック製品を大量に連続して製造する場合に特に有利である。最高温度に保持する時間は製造するセラミック製品の種類に依存するが、一般的には１０分以上２０時間以内である。
【００３４】
焼成時の昇降温速度も製造するセラミック製品の種類に依存するが、常温から最高温度に到達するまでの昇温時間、最高温度から常温に到達するまでの降温時間は、一般的には少なくとも１時間、好ましくは４時間以上要するように設定することが好ましい。昇温速度が速すぎると、成形体中に発生した気体（ＣＯ２、ＳＯｘ等）が外部に抜けずにセラミック製品内に残存してしまうおそれがある。また昇降温速度が速すぎると、成形体に過度の熱的歪がかかり、セラミック製品の変形、亀裂発生を助長してしまうおそれがある。
【００３５】
上述のセラミック製品の製造方法によると、吸水率が約４％以下、好ましくは２．５％以下、特に好ましくは１％以下の緻密質である上に、化学的に安定でありかつ機械的強度が大きいセラミック製品、例えば、セラミックパイプ、瓦、壁用パネル、マンホール内壁面補修用パネル等を好適に製造することができる。特に環状に成形して得たセラミックパイプは、塩ビ管やヒューム管に代わる地中埋設用等の管として好適に使用することができる。また、上述したように、本発明では重金属を含む下水汚泥焼却灰を使用することもできるが、重金属は焼成中に外部に放出されるため、得られたセラミック製品は重金属をほとんど含まない安全なものである。
【実施例】
【００３６】
以下に実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に示す形態に限定されるものではない。
【００３７】
以下の実施例において、化学組成は、ＪＩＳ  Ｋ  ０１１９に従い蛍光Ｘ線分析法によって測定した。但し、強熱減量は、ＪＩＳ  Ｍ  ８８５３  ７に従い測定した。粒度分布は、ＪＩＳ  Ｒ  １６２９に従い、レーザー回折方式で測定した。吸水率は、乾燥した試験片を水に浸漬した後の重量増加を測定して決定した。曲げ強度は、３点曲げ試験により測定した。試験における試験速度は１ｍｍ／分であり、押金具の半径は５ｍｍであり、支え金具の半径は５ｍｍであり、支点間の距離は５０ｍｍである。
【００３８】
（１）下水汚泥焼却灰
使用した下水汚泥焼却灰の化学組成および粒径（分級処理後）を表１に示す。Ｆｅ２Ｏ３含有量が２８．７７〜４３．５質量％、Ｐ２Ｏ５含有量が１５．９〜２０．０７質量％と、フラックス成分の多い下水汚泥焼却灰を使用した。
【００３９】
0004717364.tif 000002
【００４０】
（２）セラミック粉末
使用したセラミック粉末(シャモット)の化学組成および粒径（分級処理後）を表２に示す。
【００４１】
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【００４２】
（３）粘土粉末
使用した粘土粉末の化学組成を表３に示す。また、粒度分布の測定結果を図１および図２に示す。
【００４３】
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【００４４】
（４）試験片の作成、および吸水率、曲げ強度の測定
実施例１〜１５、比較例１〜９
以下の表４に示す組み合わせの下水汚泥焼却灰、セラミック粉末、および粘土粉末を、それぞれ混合粉末全体に対して３０質量％、３５質量％、３５質量％にあたる量で小型ソイルミキサーＳＳ−Ｓ−３３８（篠原製作所製）に投入し、１０分間混錬を行なった。その後、坏土の水含有率が坏土全体に対して２１質量％になるように加水し、さらに１０分間混錬を行なった。次に、得られた坏土を真空押出し成形機ＰＺＶＭ８ｄ（ヘンドレェ製）内に投入し、直径１５ｍｍ、長さ１００ｍｍの円柱状に成形した。得られた成形体を、定温乾燥器ＳＳＮ−１５５Ｓ（いすゞ製作所製）内に入れ、４５℃で１２時間、さらに９０℃で２時間、さらに１１０℃で２時間、さらに１５０℃で１２時間保持し、成形体を十分に乾燥した。次に、乾燥後の成形体を以下の表４に示す最高温度で焼成した。尚、焼成に当たって、１０００℃まで２８℃／分で昇温し、さらに１０００℃で１０分間保持し、さらに最高温度まで１０℃／分で昇温し、さらに最高温度で１０分間保持した。
【００４５】
得られた試験片（焼結体）について、吸水率と曲げ強度を測定した。得られた結果を以下の表４にまとめた。尚、今回の実験において、曲げ強度６０ＭＰａは、呼び径１５０ｍｍφのセラミックパイプの外圧強さに換算すると４１．４ｋＮ／ｍ（規格値は３６ｋＮ／ｍ）、呼び径２００ｍｍφのセラミックパイプの外圧強さに換算すると４７．４ｋＮ／ｍ（規格値は４３ｋＮ／ｍ）にあたる。従って、以下の表４において、曲げ強度の値が６０ＭＰａ以上である場合には、規格値を満足するセラミックパイプが形成されると判断される。
【００４６】
表４より、粘土粉末Ｂを使用した比較例１〜９においては、吸水率と曲げ強度の値は下水汚泥焼却灰の種類および焼成温度によって大きく変化するが、粘土粉末Ａを使用した実施例１〜１５においては、吸水率と曲げ強度の値は下水汚泥焼却灰の種類(化学組成等)および焼成温度が変化してもあまり変化せず、しかも吸水率の値が小さくかつ曲げ強度の値が大きい試験片が得られていることがわかる。すなわち、粘土粉末Ａのような粒度分布幅の広い粉末を使用することにより、下水汚泥焼却灰の組成が大きく変化しても、焼成温度を大幅に変更せずに、機械的強度が大きくかつ吸水率が小さく緻密質のセラミック製品を得ることができる。
【００４７】
さらに、比較例１につき環境告示第１３号に定める方法により重金属の溶出試験を行なった。下水汚泥焼却灰Ａは、Ｃｄを０．０１０ｍｇ／ｌ、Ｐｂを０．０２ｍｇ／ｌ未満、Ｃｒ（ＶＩ）を０．０４ｍｇ／ｌ未満、Ａｓを２．１ｍｇ／ｌ、Ｈｇを０．０００５ｍｇ／ｌ未満、Ｓｅを０．０１ｍｇ／ｌ未満含んでいたが、焼成後の試験片は、Ｃｄを０．００１ｍｇ／ｌ未満、Ｐｂを０．００５ｍｇ／ｌ未満、Ｃｒ（ＶＩ）を０．００５ｍｇ／ｌ未満、Ａｓを０．００４ｍｇ／ｌ、Ｈｇを０．００００５ｍｇ／ｌ未満、Ｓｅを０．００１ｍｇ／ｌ未満しか含んでおらず、環境基準値であるＣｄ０．３ｍｇ／ｌ以下、Ｐｂ０．３ｍｇ／ｌ以下、Ｃｒ（ＶＩ）１．５ｍｇ／ｌ以下、Ａｓ０．３ｍｇ／ｌ以下、Ｈｇ０．００５ｍｇ／ｌ以下、Ｓｅ０．３ｍｇ／ｌ以下の値と比較して、極めて少量の重金属しか含んでいなかった。
【００４８】
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【００４９】
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【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施例において使用した粘土粉末Ａの粒度分布を示す図である。
【図２】本発明の比較例において使用した粘土粉末Ｂの粒度分布を示す図である。
【図１】
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【図２】
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