(57)【要約】【課題】乾燥処理を大幅に省力化させて製造効率の向上を図り、汚泥焼却灰の有効な再利用を図るとともに、優れた調湿材料として適用することができる多孔質粉体の製造方法及び当該方法により得られた多孔質粉体を提供する。【解決手段】  多孔質粉体の製造方法は、汚泥焼却灰と酸性ガスとの接触により酸処理を行い、次いで粉体中和剤により中和処理を行うことで、乾燥工程の省力化が大幅に図れる。また好ましくは、酸性ガスは水溶性であり、これにより、汚泥焼却灰中の水分に溶解して、効率良く多孔質化が図れることとなる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚泥焼却灰と酸性ガスとの接触により酸処理を行い、次いで粉体中和剤により中和処理を行うことを特徴とする、多孔質粉体の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の多孔質粉体の製造方法において、酸性ガスが水溶性であることを特徴とする、多孔質粉体の製造方法。
【請求項３】
請求項１および２記載の多孔質粉体の製造方法において、汚泥焼却灰が５〜４０質量％の水分を含むことを特徴とする、多孔質粉体の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３いずれかの項記載の製造方法により得られる多孔質粉体。
【請求項５】
請求項４記載の多孔質粉体を有効成分とする調湿材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質粉体の製造方法、多孔質粉体及び調湿材料に関し、特に、汚泥焼却灰を用いて効率よく製造することできる、調湿性にすぐれた多孔質粉体の製造方法、当該方法により製造された調湿性にすぐれた多孔質粉体、当該多孔質粉体を調湿材料として用いる用途に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、下水道の普及に伴い下水処理量は年々増加しており、それとともに発生する汚泥量も着実に増加してきている。
かかる増大する汚泥を処理するために、汚泥を減量化（減容化）することが行われており、そのため汚泥を焼却処理したり、汚泥を溶融処理したりすることが実施されている。
特に汚泥の焼却処理が積極的に行われており、それに伴い焼却灰の発生量も増加している。
【０００３】
このような現状下では、発生した汚泥や当該汚泥を焼却した焼却灰のほとんどが最終処分場で埋め立て処分されており、処分地の制約が大きい大都市のみならず、新たに下水処理を開始した中小都市においても莫大な埋め立て費用が大きな問題となっている。
そのため、例えば汚泥の焼却灰を加圧成形した後焼成してレンガを製造したり、前記焼却灰を加圧造粒して人造骨材にしたり、また、当該焼却灰を溶融して得られたスラグを路盤材に利用する技術等が提案されているが、その適用には限界がある。
【０００４】
また、最近、生活環境の快適性、具体的には快適な居住空間を実現するために住居の気密性が高くなってきている。
かかる居住空間の気密性を高めた結果、屋外と屋内で温度差が生じ、特に冬期の結露により、カビ、ダニが発生し、室内の汚れだけでなく、人体に対してもアレルギーを引き起こす等の問題が生じている。
【０００５】
これらの問題を解決すべく、調湿性にすぐれた建材の開発が進められている。
従来より、吸放湿性材料、例えば調湿性を有する材料として、木質系の建材を使用することによりこれらの問題を緩和してきたが、近年木材資源の高騰により、かかる木質系建材は非常にコスト高の材料となっており、使用が難しくなっている。
また、例えば、無機質系建材では、珪藻土、ゾノトライト、トバモライト等を主成分とするものが開発されているが、より安価に製造でき、所望する高い調湿性を得ることは難しく、より調湿性の高い材料の開発が望まれている。
【０００６】
かかる点に鑑み、特開２０００−２６３０１２号公報には、汚泥焼却灰に、硫酸水溶液を添加後、乾燥することにより、ＢＥＴ比表面積が６．５ｍ２／ｇ以上の多孔質粉体を製造する方法が開示されており、かかる方法によって得られた多孔質粉体は、調湿材料または脱臭剤として利用できることが記載されている。
更に、特開２００２−７９０８１号公報には、汚泥焼却灰に、塩酸水溶液又は硝酸水溶液を添加後、乾燥することにより、ＢＥＴ比表面積が７ｍ２／ｇ以上の多孔質粉体を製造する方法が開示されており、かかる方法は、更に中和処理（水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム又は消石灰）をすることにより、製造設備の耐酸性対策が不要となり、また弱アルカリ性とすることでカビの発生を抑制できることが記載されている。かかる方法により得られた多孔質粉体は、調湿材料または脱臭剤として利用することができることも記載されている。
【０００７】
また、特開２００４−１３６１８９号公報には、汚泥焼却灰を酸処理（硫酸水溶液、塩酸水溶液又は硫酸水溶液）および中和処理（水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム又は消石灰）して得られた処理物を押し出し成形し、多孔質粒状成形体を製造する方法、及び当該方法により得られた多孔質粉体成形体を、調湿材料または脱臭剤として利用することが記載されている。
【０００８】
しかし、これら従来の多孔質粉体は、図１に模式的に示すように、その製造にあたり汚泥焼却灰を酸処理および中和処理した後に乾燥することで製造していたが、酸水溶液との接触により酸処理を行っているため、含まれる水分含量が多くなってしまい、酸処理・中和処理後に水分を蒸発させるための乾燥処理に多大なエネルギーを要するとともに時間がかかり、製造効率が悪いという問題があった。
【特許文献１】特開２０００−２６３０１２号公報
【特許文献２】特開２００２−７９０８１号公報
【特許文献３】特開２００４−１３６１８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の目的は、上記問題点を解決し、乾燥処理を大幅に省力化させて製造効率の向上を図り、汚泥焼却灰の有効な再利用を図るとともに、優れた調湿材料として適用することができる多孔質粉体の製造方法及び当該方法により得られた多孔質粉体を提供することである。
また、本発明の他の目的は、上記本発明の多孔質粉体を用いて、吸放湿性能に優れる調湿材料を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、汚泥焼却灰を酸処理及び中和処理を施して多孔質粉体を調製するにあたり、酸処理工程にて酸性ガスを汚泥焼却灰と混練することで、上記課題が達成できることを見出し、達成するにいたった。
すなわち、本発明の請求項１記載の多孔質粉体の製造方法は、汚泥焼却灰と酸性ガスとの接触により酸処理を行い、次いで粉体中和剤により中和処理を行うことを特徴とする製造方法である。
【００１１】
請求項２記載の多孔質粉体の製造方法は、請求項１記載の多孔質粉体の製造方法において、酸性ガスが水溶性であることを特徴とするものである。
更に、請求項３記載の多孔質粉体の製造方法は、請求項１または２記載の多孔質粉体の製造方法において、汚泥焼却灰が５〜４０質量％の水分を含むことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の多孔質粉体は、上記本発明の製造方法により得られるものであることを特徴とする。
また、本発明の調湿材料は、前記多孔質粉体を有効成分とする調湿材料である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のように、多孔質粉体の製造方法は、汚泥焼却灰と酸性ガスとの接触により酸処理を行い、次いで粉体中和剤により中和処理を行うことで、酸処理・中和処理後に水分を蒸発させるための乾燥処理の省力化が図られ、優れた製造効率で製造することが可能となる。
【００１４】
しかも、好適には、酸性ガスが水溶性であることにより、汚泥焼却灰と酸性ガスとの接触により、含有する水分と酸性ガスとが反応して部分的に酸水溶液の状態となり、汚泥焼却灰が酸処理され、多孔質化が容易に図られる。
【００１５】
本発明の製造方法により得られた多孔質粉体は、空孔や特性が均質であり、多孔質粉体として優れた特性を有するものである。
さらに、この多孔質粉体を調湿材料の有効成分として用いることにより、良好でかつ安定した調湿効果を発揮することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を好適例により説明するが、これらに限定されるものではない。
本発明の多孔質粉体の製造方法は、汚泥焼却灰と酸性ガスとの接触により酸処理を行い、次いで粉体中和剤により中和処理を行うもので、特に酸性ガスが水溶性であるものを用いることが望ましい方法である。
このような方法とすることで、汚泥焼却灰と酸性ガスとの接触により酸処理が、次いで粉体中和剤により中和処理が行われることで、水分を蒸発させるための乾燥処理に時間がかかるという問題を解決することができる。
【００１７】
本発明の製造方法において使用する原料汚泥焼却灰としては、下水処理場で発生する汚泥を焼却した汚泥焼却灰の他に、し尿、家庭用雑排水、産業用排水処理等によって発生した汚泥の焼却灰等があげられ、これらは、一般に処理場で汚泥を脱水処理した後、焼却処理したものである。また焼却灰の運搬に際しては発塵防止のため、加水処理が施されることが多く、運搬される焼却灰は含水率５〜４０質量％程度となる。
本発明においては、これらの焼却灰をいずれも使用でき、１種または混合して用いてもよい。
特に、下水処理場で発生する汚泥量は、前記したように年々下水道の普及とともに増加しているので、本発明の方法は、汚泥の有効な再利用として極めて有用である。
【００１８】
また一般に、焼却灰には、高分子凝集剤を使用した汚泥を焼却したものと、石灰系凝集剤を使用した汚泥を焼却したものがあるが、減容化対策から最近では高分子凝集剤を使用したものが多く、本発明においては両者とも利用が可能ではあるが、石灰系凝集剤を使用した場合は石灰が多量に生成されるため、あまり好ましくない。
汚泥焼却灰の形態は、酸添加により十分な溶解反応が行われ、最終的に均質な多孔質粒状体が得られれば特に制限はされず、粉末等の成形されていないものに限らず、ペレット状、板状、錠剤状等に成形されたものでも酸添加による接触処理が可能であり、本発明の方法において使用することができる。
【００１９】
汚泥焼却灰の酸処理工程で配合される酸性ガスには、塩化水素、窒素酸化物、硫黄酸化物等の酸性ガスが例示され、特に水溶性を示す塩化水素ガスを用いることが望ましい。
これは、水溶性の酸性ガスは、汚泥焼却灰に含まれる水分に溶解して水溶液として焼却灰と効率よく反応することができるからである。
例えば、塩化水素ガスは、塩化カリウム、塩化ナトリウム、塩化カルシウム等の塩素系化合物に硫酸や硫酸化合物を混合して、加熱することにより発生させることができ、塩素系廃棄物処理工場において発生する有害ガスを有効に利用することも可能である。
塩化水素ガスを汚泥焼却灰の酸処理工程で両者を接触させると、焼却灰に含まれる水分に塩化水素ガスが溶解し、塩酸として該焼却灰と反応し、効率良く酸処理反応が行われ、多孔質化される。
【００２０】
このような、酸性ガスを汚泥焼却灰の酸処理に用いることで、従来酸性溶液を用いたために汚泥焼却灰に多大な水分が含有され、乾燥工程おいて、多大なエネルギーの使用や長時間を要する必要がなくなり、乾燥工程の省力化が図れることとなる。
【００２１】
また、汚泥焼却灰に配合される酸性ガス配合量としては、１００％の酸（硫酸、塩酸、硝酸等）に換算して、汚泥焼却灰１００質量部に対し、１質量部以上、好ましくは４．０〜２５質量部添加する。
これは、４．０質量部未満では、溶解反応が十分でないため、得られる多孔質粉体の調湿性能が劣る場合があり、一方、２５質量部を超えて添加すると、乾燥後に表面が固くなり、多孔質化が阻害されて、得られる吸放湿性能が低下する場合があるからである。
また、配合時の温度は１０〜９０℃程度が、反応を促進する面から好ましい。
【００２２】
このように、汚泥焼却灰に、酸性ガスを添加して混合又は混練することにより、焼却灰に含有されている水分に酸性ガスが溶解し、焼却灰中に含有されている酸可溶性成分が溶解除去されて、酸処理物を多孔質化することができる。
焼却灰と酸製ガスとの混練時間は、汚泥焼却灰の特性に応じて、任意に設定することができる。
【００２３】
かかる酸処理混練時間を調整することにより細孔容積を変化させることが可能である。
すなわち、混練時間を長くすることにより、例えば、１０ｎｍ以下、特に６ｎｍ以下の微細な細孔容積を更に増加させることが可能であり、これらの微細な細孔容積が増加するほど、水蒸気等の吸放湿性能を高めることができる。
通常、酸性ガス添加後、０．１時間〜１０日程度、好ましくは、０．１時間〜１日程度とするのが適当である。
【００２４】
次いで、得られた酸処理物を中和処理する。
これは、多孔質の粉体とする場合、そのままでは、粉体製造設備の耐酸性対策が必要となるからであり、これらの問題は、当該中和処理を行うことにより解決できる。
【００２５】
上記中和処理は、汚泥焼却灰に酸水溶液を添加し接触処理した後、粉体中和剤を添加してｐＨを５．５〜９．０程度にすることにより行われる。
中和剤としては、例えば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）２）、消石灰、アンモニア、ＣａＣＯ３を主成分とするライムストーン（石灰岩）、コーラルサンド等のアルカリ性の材料を挙げることができ、特に、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム等が好適である。
また、中和剤の添加量は、処理物がｐＨ５．５〜９．０となるように添加する。
このように、酸処理物に、中和剤を添加して混合又は混練することにより、粉体製造設備の耐酸性対策が不必要となり、多孔性が良好な粉体を得ることができる。
【００２６】
より具体的に、本発明の多孔質粉体の製造方法及び製造装置について最適例を挙げて説明する。
良質な多孔質粉体を製造するには、汚泥焼却灰と酸性ガスとの混合・混練作業、酸処理された汚泥焼却灰（酸処理物）と中和剤との混合・混練作業を、十分に行うと共に、好適には連続的に処理する必要がある。
また、酸処理効果の低減を防止し、作業環境を良好に保つためには、混練時に発生する水蒸気および酸性ガスが大気中に拡散することを抑制することが望ましい。
【００２７】
このような観点から、本発明の多孔質粉体の製造方法は、特に密閉型混練機により行われることが適しており、特に、混練機構として二軸押し出し混練機が最も好ましく用いられる。
好適な二軸押し出し混練機の具体的構成としては、スクリュー本数が２本または３本であり、二本軸は、平行なタイプあるいはコニカルなタイプでスクリューが軸を斜交させたもののいずれでも可能である。
また、スクリューフライトは、かみ合い型又は非かみ合い型のいずれでも可能であるが、前者の方が混練効果が大きいので好ましい。
スクリュー回転方向は、同方向又は異方向のいずれでも可能であるが、前者の方が混練効果が大きいので好ましい。
【００２８】
このような二軸押し出し混練機を用いて、当該押し出し混練機の同一軸上に沿って、汚泥焼却灰投入部、酸水溶液投入部、中和剤投入部を、押し出し方向の上流側から下流に向かって順次配置して、それぞれ、汚泥焼却灰を投入し、上記した酸性ガスを用いて酸処理を行い、上記中和剤を用いて中和処理を行う。
本発明の方法においては、各前記処理を密閉状態で連続して実施して、混練機全体の密閉度を高めることが必要であり、このため、各投入部には以下のような構造を採用する。
汚泥焼却灰投入部では、汚泥焼却灰をサークルフィーダーやロータリーフィーダーなどの定量供給機により、二軸押し出し混練機に投入する。
【００２９】
酸性ガス混合部では、上記したように別途発生した酸性ガスを、例えば定量ポンプで注入する。
また、中和剤投入部では、水酸化ナトリウム水溶液または水酸化カルシウム又は消石灰のスラリーなどの中和剤を定量ポンプで注入する。
なお、これらの投入部の機構は、全て自動化することが可能であり、これらの機構を用いて、二軸押し出し混練機を含む多孔質粉体の製造工程全体を自動化することも可能となる。
【００３０】
二軸押し出し混練機の同一軸上に沿って汚泥焼却灰や酸処理物が連続的に搬送されているが、これら搬送物の送出密度は通常一定では無く、主に搬送に寄与する部分と混練に居する部分とがある。
二軸押し出し混練機に対す酸性ガス混合部及び中和剤投入部の配置位置は、汚泥焼却灰及び酸処理物である搬送物の送出密度が最も高い位置に配置されることが好ましい。
【００３１】
搬送物の送出密度が高い場所は、最も搬送物が集中している場所であり、二軸押し出し混練機内のシリンダー全体に搬送物が詰まっている場所でもある。
このような場所では、投入される液体（スラリー状を含む）や固体は、搬送物に強く押し付けられ、搬送物と均一に混じり合うことが可能となる。
また、シリンダーの周囲からこれらの酸性ガスや中和剤が投入されるため、搬送物とシリンダーと隙間にこれらの投入物が入り込み、搬送物とシリンダーとの摩擦力を緩和し、円滑な搬送を実現するための潤滑作用も期待できる。
【００３２】
搬送物の送出密度が高い場所とは、スクリューの軸に対する角度が直角に近づく場所であり、同一軸方向で搬送部分と混練部分とが分けられる場合には、混練部分に入る入口部分などがこれに該当する。
【００３３】
二軸押し出し混練機の下流端から押し出された処理物は、このまま乾燥・粉砕して多孔質粉体として使用される。また、押し出された処理物を成形機に入れ、成形後乾燥して使用することも可能である。
また、直接乾燥しても良いし、一旦水洗後濾過しその残留物を乾燥しても良い。
一旦水洗後乾燥することにより処理物表面の不純物等を除去することが可能であり、吸着性能も向上する。
【００３４】
乾燥方法としては、特に制限はないが、例えば、回転ドラム式乾燥機、パドル式乾燥機、流動層式乾燥機、気流乾燥機、遠心薄膜式乾燥機等を用いた乾燥方法が挙げられ、下水処理場で現状使用している乾燥機を用いた乾燥方法でも十分に対応可能である。また、乾燥温度は、制限されないが、例えば９０〜３００℃が好ましい。
【００３５】
乾燥後の含水率は、５質量％以下が好ましく、絶乾状態が特に優れた効果を示す。乾燥が不十分では細孔容積が減少すると共に水分の吸放湿性能が低下してしまう。
ここで、含水率は、「下水試験方法（１９９７年度版）第４章第６節蒸発残留物及び含水率」に準拠して、乾燥前の試料質量と、１０５〜１１０℃で２時間乾燥後の試料質量とを測定し、（乾燥前の質量−乾燥後の質量）／（乾燥前の質量）に対する百分率で表される。
【００３６】
以上、本発明の多孔質粉体の製造方法により、得られた乾燥処理物である多孔質粉体は、汚泥焼却灰に対する酸処理および中和処理効果が十分に発揮されたものであり、極めて微細な細孔容積が増大された多孔質であるため吸湿性が高く、又放湿性も良好であるため、吸放湿性能が従来のものより向上した調湿材料として、好適に利用することができる。
【実施例】
【００３７】
本発明を次の実施例、比較例及び試験例により一層具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
参考例１
塩化カリウムと硫酸とを混合加熱することにより、塩化水素ガスの発生量を測定する方法を模式図２により説明する。
容積２５０ｍｌの容器（１）に塩化カリウム（和光純薬Ｓ）７．３５ｇと硫酸（和光純薬Ｓ  ９５％）９．６５ｇとを投入し、容積２５０ｍｌの容器（２）に純水を１５０ｍｌ、容積１００ｍｌの容器（３）に純水を６０ｍｌ投入し、ポンプを１５〜２０Ｌ／分で稼動させて、吸気した。
１５分間ポンプを稼動させた後、ヒーターを加熱して７０℃に温度を保持しながら、更に１５分間、ポンプを稼動させて吸気した。
その後、ポンプの稼動を停止するとともに、ヒーターの加熱も停止して、硝酸銀溶液による電位差滴定法にて、各容器（１）、（２）、（３）内容物中のCｌ量を測定した。
その結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
上記表１より、塩化カリウムの約６０質量％が塩化水素ガスに変換されたことがわかる。
【００４０】
実施例１
下水汚泥焼却灰としては、高分子凝集剤を添加後脱水した汚泥を、流動床型焼却炉にて焼却したものを使用した。模式図２の容器（２）に当該下水汚泥焼却灰（含水率：３０質量％）４２ｇを入れ、参考例で示したのと同様の条件で発生させた塩化水素ガス（図２の容器（１）で発生させたガス）と接触させて十分に混練して酸処理を施した。これは、乾灰１００質量部に対して、ＨＣｌが７．２質量部添加されることと同等の割合である。
【００４１】
次いで、当該下水汚泥焼却灰に水酸化カルシウム（和光純薬Ｓ）４．５ｇを添加して、中和処理を行った。これは、当該下水汚泥焼却灰を乾燥灰に換算して乾灰１００質量部に対し、水酸化カルシウムが１５質量部配合される割合と同等の割合である。
酸処理後の灰と水酸化カルシウムとを十分に混練して中和処理を施した後、１１０℃で２時間保持して乾燥させ、多孔質粉体を得た。
多孔質粉体の含水率は、０質量％であった。
【００４２】
（比較例）
表２に示す割合で、下水汚泥焼却灰、水酸化カルシウムを用い、また、塩化水素ガスに代えて表２に規定する３６％塩酸水溶液を表２に示す割合で用い、酸処理・中和処理した後、１１０℃で４時間乾燥し多孔質粉体を得た。
【００４３】
【表２】
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【００４４】
試験例
上記実施例及び比較例で得られた各多孔質粉体の吸放湿試験を、次の方法で行った。
シャーレに入れた各多孔質粉体試料５ｇを、飽和溶液法により相対湿度（ＲＨ）を調節したデシケータ内に静置して行った。
具体的には、２０℃の恒温室において、このデシケータの底に塩類飽和溶液を入れることにより相対湿度５０％の環境を設定し、水分吸着量がほぼ平衡に達する２４時間後の質量（事前調湿）Ａを測定した。
【００４５】
次いで前記平衡状態に達した各多孔質粉体試料を、前記と同様に、２０℃の恒温室において、このデシケータの底に塩類飽和溶液を入れることにより相対湿度９０％の環境を設定し、２４時間保持し（吸湿）、次いで、吸湿後の試料を再び、２０℃の恒温室において、相対湿度５０％の環境を設定したデシケータ中で２４時間保持し（放湿）、この吸放湿サイクルを２サイクル繰り返した。
該２サイクル目の吸湿時試料質量Ｂと放湿時試料質量Ｃを秤量して、吸放湿量（％）を以下の式により求めた。
吸放湿量（％）＝（Ｂ−Ｃ）／Ａ×１００
【００４６】
その試験結果を表３に示す。
但し、最初に試料を２０℃の恒温室において相対湿度５０％の環境を設定して２４時間静置した事前調湿後の試料の質量を質量変化率１００％として表して、各吸湿過程及び放出過程における各試料の質量の変化率で表示した。
【００４７】
【表３】
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【００４８】
実施例では乾燥時間が２時間であるのに対し、比較例では絶乾状態となるまで４時間であったことから、乾燥工程の省力化が確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の多孔質粉体の製造方法は、廃棄物処理工場等からの酸性ガスを有効に使用することができ、本発明の多孔質粉体は、調湿材料のみならず、悪臭ガス吸着材としても有効に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、従来の多孔質粉体の製造工程を模式的に示す図である。
【図２】図２は、本発明の多孔質粉体を製造するにあたり、酸性ガスを用いた酸処理工程を模式的に示す図である。
【図１】
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【図２】
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