(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高モル比水ガラス〔ＳｉＯ2（２４±１質量％）、Ｎａ2Ｏ（６．５±０．５質量％）、モル比（ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ）（４±０．１）〕を、水でシリカ濃度４．０質量％以下となるように希釈してから酸を加え、流動性を保った中性又はアルカリ性の状態で、撹拌した後、放置してシリカ粒子を造粒する養生をし、
その後、Ｎａｃｌ透過阻止率４０％以下のナノフィルトレーション膜（ＮＦ）及び分画分子量１５００００Ｄａ以下の限外濾過膜（ＵＦ）の少なくとも一方の膜が使用された膜分離装置により、シリカ濃度が６〜１４質量％になるまで濃縮するとともに、アルカリイオンを除去して濃縮液を得、
この濃縮液に水を添加するとともに、前記濃縮において使用した膜分離装置を使用して前記酸イオン濃度の低下を図るダイアフィルトレーション処理をする、
ことを特徴とする低アルカリ水ガラス溶液の製造方法。
【請求項２】
前記酸は、前記養生後のｐＨが１０未満とならないように加え、前記撹拌は２〜５分間、前記養生は４時間以上行う、請求項１記載の低アルカリ水ガラス溶液の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低アルカリ水ガラス溶液の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
土木工事において、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等に対して、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ている。
【０００３】
使用される地盤改良用注入材としては種々のものが知られているが、水ガラスそのもののほか、最近では、水ガラスに酸を加えて酸性にした非アルカリ系シリカゾル系地盤改良用注入材が広く用いられている。この地盤改良用注入材は、注入による固化体の強度が高くその耐久性に優れる、注入液が一液でありゲルタイムの調整も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、地盤改良後の固化物から溶出成分がほとんど無い、環境に与える影響が小さいなどのさまざまな利点を有する。また、かかる地盤改良用注入材は、原料として酸、特に安価な硫酸を用いるため、水ガラス自体も安価であることとあいまって大変経済的なものとなる。
【０００４】
そして、近年では、さらに固結体（改良体）の強度や耐久性をよりいっそう向上することができないかが検討されはじめている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この観点から、水ガラスをイオン交換樹脂に通すことによりアルカリ分を除去する手法が検討され、例えば特開平１１−２７９５５２号公報などに代表される種々の手法が提案されている。しかしながら、水ガラスをイオン交換樹脂に通す手法は、そのイオン交換樹脂の再生処理が必要となるため、ランニングコストが嵩む。
【０００６】
そこで、例えば特許第３１０４１２８号に示されるような電解透析手法も提案され、実用化も図られているが、電解透析手法は、装置コストがきわめて嵩み、汎用性に欠ける。
【０００７】
そこで、本発明の主たる課題は、装置自体及びランニングコストが低く、しかも確実にアルカリ分の少ない低アルカリ水ガラス溶液を得ることができる低アルカリ水ガラス溶液の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【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＞
高モル比水ガラス〔ＳｉＯ2（２４±１質量％）、Ｎａ2Ｏ（６．５±０．５質量％）、モル比（ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ）（４±０．１）〕を、水でシリカ濃度４．０質量％以下となるように希釈してから酸を加え、流動性を保った中性又はアルカリ性の状態で、撹拌した後、放置してシリカ粒子を造粒する養生をし、
その後、Ｎａｃｌ透過阻止率４０％以下のナノフィルトレーション膜（ＮＦ）及び分画分子量１５００００Ｄａ以下の限外濾過膜（ＵＦ）の少なくとも一方の膜が使用された膜分離装置により、シリカ濃度が６〜１４質量％になるまで濃縮するとともに、アルカリイオンを除去して濃縮液を得、
この濃縮液に水を添加するとともに、前記濃縮において使用した膜分離装置を使用して前記酸イオン濃度の低下を図るダイアフィルトレーション処理をする、
ことを特徴とする低アルカリ水ガラス溶液の製造方法。
【０００９】
＜請求項２記載の発明＞
前記酸は、前記養生後のｐＨが１０未満とならないように加え、前記撹拌は２〜５分間、前記養生は４時間以上行う、請求項１記載の低アルカリ水ガラス溶液の製造方法。
【００１０】
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１に示した処理フロー図を参照しながら説明する。
＜水ガラス及びその希釈＞
本形態において使用しうる水ガラスは、その種類が特に限定されるものではない。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、珪素を溶解させることによりモル比（Ｎａ2Ｏ：ＳｉＯ2）４程度の高モル比とされた水ガラスなどを使用することができる。
【００１２】
ただし、ナトリウム（アルカリ）の除去という観点からは、モル比の高い（Ｎａ2Ｏの少ない）水ガラスを使用するのが好ましく、ＪＩＳ３号水ガラス又は高モル比水ガラスを使用するのが特に好ましい。本実施の形態では、高モル比水ガラスを使用する。
【００１３】
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。また、本実施の形態の高モル比水ガラスは、ＳｉＯ2（２４±１質量％）、Ｎａ2Ｏ（６．５±０．５質量％）及び水（残部）からなるものであり、モル比（ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ）が４±０．１とされる。
【００１４】
上記水ガラスは、まず、水で希釈する。水による希釈を行わない場合、水ガラスの種類により、酸を添加したときに水ガラスがゲル化することがある。希釈は、シリカ濃度４．０質量％以下、好ましくは３．５質量％以下の水溶液にするのが望ましい。
【００１５】
＜酸の添加＞
水で希釈し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、酸性側にならないように、中性又はアルカリ性に、例えば養生後にｐＨ１０未満とならないように酸を加える。水ガラス水溶液に酸を加えるのは、そのままでは膜分離を行い難いためである。酸の添加によりシリカ粒子の造粒が図られ、もってシリカ分とナトリウム分（アルカリ分）との膜分離が容易になる。また、酸添加により酸性側にするほど、ゲル化が生じやすく、得られる注入材の安定性が欠けるようになるので、中性又はアルカリ性に、特に養生後にｐＨ１０以上となるようにするのが好ましい。酸性側にならないように酸を添加することにより、水ガラス水溶液は、ゲル化が生じず、流動性が保たれることになる。
【００１６】
添加する酸としては、水珪酸Ｈ2ＳｉＯ2（ＯＨ）2の酸解離定数がｐＫａ1＝９．８６、ｐＫａ2＝１３．１であるので、その酸解離定数ｐＫａ１以下のものを使用すればよく、例えば、硫酸、塩酸、リン酸、ギ酸、クエン酸などを使用することができる。実際に、その種の酸について、シリカ粒子の造粒効果を確認済である。コストの観点からは、硫酸を使用するのが好ましく、本実施の形態では希硫酸を使用する。
【００１７】
希釈した水ガラス水溶液と酸とは、撹拌翼２によって均一に混合する程度に２〜５分間撹拌する。
【００１８】
撹拌後の液は、シリカモノマーの重合反応に基づいてその粒子が造粒されるまで、好ましくは４時間以上、より好ましくは８時間以上放置して養生する。通常は、１２時間放置すれば、シリカが完全に造粒され膜分離が容易となる。液を加熱することにより造粒完了時間を短くすることができる。例えば６０〜７０℃で加熱すれば、３〜４時間程度でシリカが造粒され膜分離が可能となる。
【００１９】
＜濃縮工程＞
シリカ粒子が造粒されるまで養生した液は、次いで、濃縮工程に送り、濃縮液を得るようにする。
この濃縮工程は、酸添加槽１から造粒済原液Ｇを受け入れて濃縮液Ｎ１を得るための処理槽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、それらの間を液を全循環させるため送液路５Ａ及び返送路５Ｂと、膜分離装置４を透過した透過液Ｒ１を送液路７を介して受け入れ貯留する透過液槽６とによって主に構成される。
【００２０】
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もできる。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、膜面に垂直に被処理液を流す全量濾過方式とすることも、膜面と平行に被処理液を流し被処理液の流れの側方で濾過を行うクロスフロー濾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濾過方式とした。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、クロスフロー濾過方式によると、膜面へのゲル物質の蓄積が少なくなる。
【００２１】
膜分離装置４で使用する膜としては、ナトリウムイオンは透過するがシリカ分は透過しない限外濾過膜（ＵＦ）、ナノフィルトレーション膜（ＮＦ）などを挙げることができる。ただし、ナトリウムイオンは透過するといってもその阻止率が０％でなければならないというものではなく、またシリカ分は透過しないといってもその阻止率が１００％でなければならないというものではないのは当然である。ナトリウムイオンの阻止率は適宜選定できるが、後述する値を満たすものが望ましい。
【００２２】
このＮＦ膜のＮａＣｌ透過阻止率は、４０％以下であるのが好ましく、５〜２０％であるのがより好ましい。また、ＵＦ膜の分画分子量は、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。かかるＮａＣｌ阻止率、分画分子量では、先に述べたシリカの造粒を行わないと、シリカ分の阻止率が低すぎるため効果的な分離が困難となり、また、阻止率を高くすると、処理時間がかかる、膜表面でゲルが発生しやすくなるといった問題が生じる。
【００２３】
以上のようなＮａＣｌ阻止率、分画分子量を有する膜としては、例えば、ＮＴＲ−７４１０（ＲＯ膜（ＮＦ型））、ＮＴＲ−７４５０（ＲＯ膜（ＮＦ型））、ＮＴＵ−２１２０（ＵＦ膜）（以上、日東電工（株）製）、等がある。
【００２４】
逆浸透膜を形成する材料としては、例えば、ポリスルホン、ポリビニルアルコール、酢酸セルロース等を挙げることができる。また、限外濾過膜を形成する材料としては、例えば、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリビニルアルコール、ポリアミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等の有機高分子化合物や、多孔質ガラス、セラミックス等の無機材料を挙げることができるが、水ガラスとの親和性、耐塩基性を考慮すれば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンが好ましい。
【００２５】
膜分離装置４による膜分離により、造粒済原液Ｇ中のナトリウムイオンが、透過液Ｒ１とともに除去される。また、この膜分離装置４は、シリカ分は透過させないので、溶液自体の容量が減少することにより、シリカ濃度は上昇する。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８〜１４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低アルカリ水ガラス溶液を、地盤改良用注入材の主材と使用する場合は、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８質量％以上とする方が輸送コストを考慮すればより好適である。
【００２６】
ただし、あまりに高濃度とすると溶液の安定性に欠けるので、１４質量％以下とするのがよい。本溶液は、シリカ濃度１３質量％程度まで、安定して利用に供すことができることが確認されている。
【００２７】
＜脱塩工程＞
以上の濃縮工程によって、濃縮された濃縮液Ｎ１は、酸イオンを、本実施の形態では硫酸イオンを、少なからぬ量含有している。そして、硫酸イオンが多いとシリカが不安定になり、溶液がたとえば２０日程度でゲル化してしまう。そこで、得られた濃縮液Ｎ１は、さらに、ダイアフィルトレーション処理し、硫酸イオン濃度を、好ましくは５０００ｐｐｍ以下となるまで、より好ましくは２０００ｐｐｍ以下となるまで低下させるのが好ましい。
【００２８】
この脱塩処理は、本実施の形態では、濃縮工程において使用した装置をそのまま使用した。具体的には、処理槽３に貯留された濃縮液Ｎ１に対して、図２に示すように、水槽８から所定量の水Ｗを添加し、膜分離装置４により膜分離する。膜分離は、添加した水の量と同量の透過液Ｒ２が排出されるまで行う。同量の透過液Ｒ２が排出され処理槽３における濃縮液Ｎ２が最初の濃縮液Ｎ１の量と同量になったら、新たに濃縮液Ｎ１に対して水槽８から所定量の水Ｗを添加する。以後、同様の作業を所定回数繰り返す。
【００２９】
水Ｗを供給するタイミングは、本実施の形態のように供給された水Ｗの量と同量の透過液Ｒ２が排出された時点に限られるものではなく、脱塩が限界となった時点とすることもでき、これによれば透過液Ｒ２の量を最小限とすることができる。だだし、この方法は、膜に対する負担が大きくなることに注意を要する。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
４号水ガラス１２ｋｇを水８４Ｌで希釈することにより水溶液とし、この水溶液に７５％硫酸１４１０ｇを加え、３分間撹拌した後、一晩放置した（以下、この状態の溶液を原液という。）。
次に、原液９０Ｌを、実施の形態で示した方法により濃縮して、３５Ｌの濃縮液とし、さらにこの濃縮液を実施の形態で示した方法により脱塩して低アルカリ水ガラス溶液を得た。膜分離装置の膜としては、膜面積１．８ｍ2のＲＯ膜（日東電工（株）製、ＮＴＵ−７４１０）を使用した。ろ過圧力は０．１８ＭＰａとし、循環流量は１０Ｌ／ｍｉｎとした。また、ダイアフィルトレーション処理は、供給する水の量を１回につき５Ｌとし、５回繰り返した。
【００３１】
低アルカリ水ガラス溶液の成分を、原液及び透過液の成分とともに表１に示した。
【００３２】
【表１】
0004124611.tif 000002
【００３３】
表１より、モル比７．４の低アルカリ水ガラス溶液が生成されていることがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、装置自体及びランニングのコストを低く、しかも確実にアルカリ分の少ない低アルカリ水ガラス溶液を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施の形態の濃縮処理工程のフロー図である。
【図２】  脱塩処理工程のフロー図である。
【符号の説明】
１…酸添加槽、３…処理槽、４…膜分離装置、６…透過液槽、Ｇ…造粒済原液、Ｎ１，Ｎ２…濃縮液、Ｒ１，Ｒ２…透過液。
【図１】
0004124611.tif 000003
【図２】
0004124611.tif 000004