(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
製紙過程で発生した製紙スラッジの焼却残渣にアルカリ溶液を加え混合攪拌した後、酸溶液を添加し中和し得られたゾルに、製紙過程で発生した製紙スラッジを脱水して水分含有率を３０〜６０％に調整した脱水製紙スラッジを混ぜ合わせ、静置もしくは脱水処理により固液分離して得られる紙繊維質と、二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルとを混合した混合物の沈殿物を焼成することにより多孔質物質を製造することを特徴とする製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法。
【請求項２】
二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルとして、二酸化ケイ素を少なくとも１０％以上含むケイ酸塩ゲルを用いることを特徴とする請求項１記載の製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法。
【請求項３】
二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルとして、製紙過程で発生した製紙スラッジの焼却残渣をアルカリ溶液中で溶出させた二酸化ケイ素を含むケイ酸塩を酸により中和処理することにより得られる二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルを用いることを特徴とする請求項１又は２記載の製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法。
【請求項４】
アルカリ溶液として水酸化ナトリウムを用い、酸溶液として塩酸もしくは硫酸溶液を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法。
【請求項５】
焼成として、無酸素雰囲気で焼成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法。
【請求項６】
焼成として、製紙スラッジとケイ酸塩ゲルの混合物の炭素を完全に燃焼させない程度に酸素量をコントロールした有酸素雰囲気で焼成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法。
【請求項７】
焼成として、製紙スラッジとケイ酸塩ゲルの混合物の炭素を充分に燃焼させる有酸素雰囲気で焼成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、製紙過程で発生する製紙スラッジおよび製紙スラッジの焼却残渣から製造される液体中もしくは気体中に含まれる諸物質を吸着する多孔質物質を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭素系の多孔質物質は、古くから多くの分野で利用されている。炭素系の多孔質物質としては、例えば活性炭などがあり、その原料としては、木材屑、大鋸屑などのバイオマスに依存する炭素を利用したものや石油や石炭などの化石鉱物に依存する炭素を利用したものなどがよく知られている。産業から発生する廃棄物である石炭灰や製紙スラッジを使ったものも提言されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
炭素系ろ過材を使って吸着する物質を捉えるためには細孔が必要であるが、様々な物質を吸着するためにはそれぞれの物質に合った細孔を必要とする。しかし、従来の原料を使って様々な物質を吸着するための細孔をコントロールした炭素系ろ過材を製造するには、その製造費が高く、さらに広範囲な細孔を有した炭素系ろ過材を製造しようとすると吸着性能を高められないなどの欠点を有していた。
【０００４】
論点を変えて、製紙過程で発生する製紙スラッジやその焼却残渣の処理に対して困窮している現状がある。そのため、製紙スラッジの有効利用を図るため製紙スラッジを原料とした炭素系ろ過材について色々な方法が提案されているが、その性能は概して高くないという課題がある。
【０００５】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、製紙スラッジとその焼却残渣を利用し廃棄物をなくすると共に様々な物質を吸着するろ過材を低価格で得る製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法は、製紙過程で発生した製紙スラッジの焼却残渣にアルカリ溶液を加え混合攪拌した後、酸溶液を添加し中和し得られたゾルに、製紙過程で発生した製紙スラッジを脱水して水分含有率を３０〜６０％に調整した脱水製紙スラッジを混ぜ合わせ、静置もしくは脱水処理により固液分離して得られる紙繊維質と、二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルとを混合した混合物の沈殿物を焼成することにより多孔質物質を製造することを特徴とする。
【０００８】
また本発明は、前記製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法において、二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルとして、二酸化ケイ素を少なくとも１０％以上含むケイ酸塩ゲルを用いることを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、前記製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法において、二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルとして、製紙過程で発生した製紙スラッジの焼却残渣をアルカリ溶液中で溶出させた二酸化ケイ素を含むケイ酸塩を酸により中和処理することにより得られる二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルを用いることを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、前記製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法において、アルカリ溶液として水酸化ナトリウムを用い、酸溶液として塩酸もしくは硫酸溶液を用いることを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、前記製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法において、焼成として、無酸素雰囲気で焼成することを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法において、焼成として、製紙スラッジとケイ酸塩ゲルの混合物の炭素を完全に燃焼させない程度に酸素量をコントロールした有酸素雰囲気で焼成することを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、前記製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法において、焼成として、製紙スラッジとケイ酸塩ゲルの混合物の炭素を充分に燃焼させる有酸素雰囲気で焼成することを特徴とする。
【００１４】
本発明は、前記課題を解決するために種々の検討をした結果、製紙過程で発生する製紙スラッジおよびその焼却残渣を原料とする多孔質物質を製造することができることを明らかにさせた。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施形態例を詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施形態例に係る製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法を示すフロー図である。
【００１７】
すなわち、ステップＳ１において、製紙過程で製紙スラッジが発生し、この製紙スラッジを焼いて焼却残渣を得る。ステップＳ２において、ステップＳ１で得られた製紙スラッジの焼却残渣に、アルカリ溶液例えば水酸化ナトリウム溶液を加え十分混合攪拌した後、酸溶液例えば塩酸もしくは硫酸溶液等の強酸溶液を添加し中和してゾルを生成する。ステップＳ３において、ステップＳ２で得られたゾルに、製紙過程で発生した製紙スラッジを脱水して水分含有率を概ね３０〜６０％に調整した脱水製紙スラッジを混ぜ合わせて混合物を得る。ステップＳ４において、ステップＳ３で得られた混合物を、静置もしくは脱水処理により固液分離して紙繊維質を得る。ステップＳ５において、ステップＳ４で得られた紙繊維質と、二酸化ケイ素を少なくとも１０％以上含むケイ酸塩ゲルを混合して混合物を得る。ステップＳ６において、ステップＳ５で得られた混合物を静置して沈殿物を得る。ステップＳ７において、ステップＳ６で得られた沈殿物を適当な容器等で所定の形に整形した後、無酸素雰囲気で焼成することにより多孔質物質を製造する。
【００１８】
なお本発明は、前記製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法において、焼成として、製紙スラッジとケイ酸塩ゲルの混合物の炭素を完全に燃焼させない程度に酸素量をコントロールした有酸素雰囲気で焼成するようにしてもよい。
【００１９】
また本発明は、前記製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法において、焼成として、製紙スラッジとケイ酸塩ゲルの混合物の炭素を充分に燃焼させる有酸素雰囲気で焼成するようにしてもよい。
【００２０】
図２は本発明の実施形態例に係る二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルを製造する方法を示すフロー図である。
【００２１】
すなわち、ステップＳ１１において、製紙過程で製紙スラッジが発生し、この製紙スラッジを焼いて焼却残渣を得る。ステップＳ１２において、ステップＳ１１で得られた製紙スラッジの焼却残渣を、アルカリ溶液例えば水酸化ナトリウム溶液中で溶解することにより溶出させて二酸化ケイ素を含むケイ酸塩のゾルを得る。ステップＳ１３において、ステップＳ１２で得られた二酸化ケイ素を含むケイ酸塩のゾルに、酸溶液例えば塩酸もしくは硫酸溶液等の強酸溶液を加え十分混合攪拌して中和処理することにより二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルを製造する。
【００２２】
本発明の原料とする製紙スラッジの主成分は、紙繊維を構成するセルロースなどの炭素を含有する有機物と紙の表面に塗工された粘土鉱物等の無機物質に分けられる。一般には、有機物質を燃焼させて無機物質即ち焼却残渣として減量し埋め立て処分や一部はプラスチック材料の充填材やセメントの材料などに用いられている。
【００２３】
本発明では、製紙スラッジと、二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルの混合物質を無酸素雰囲気で焼成させると製紙スラッジが炭化するとともに、二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルに含まれる水が放出されそのときに無数の孔が開孔して多孔質物質となる。このとき二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルは、製紙スラッジの繊維質を連結するほか、焼成により硬化する効果を発揮する。
【００２４】
また、製紙スラッジと、二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルの混合物質を有酸素雰囲気で焼成させると製紙スラッジの有機物質が燃え尽きる。このとき二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルは、脱水された多孔質物質となり硬化する。製紙スラッジの紙繊維は、複雑に絡み合った状態で燃焼されて、その有姿が空間として形成される。
【００２５】
製紙スラッジと、二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルの混合物質を無酸素雰囲気で焼成する場合において、製紙スラッジの有機物質が完全に燃え尽きない程度の酸素を補給して有酸素雰囲気で焼成させてやると製紙スラッジが炭化する部分と炭化して空間が形成される部分が生じる。
【００２６】
このようにして得られた多孔質物質は、液体中および気体中の様々な物質を吸着し、吸着性能に優れたろ過材として提供できる。
【００２７】
【実施例】
以下に本発明の実施例について説明する。原料となる製紙スラッジは製紙工場で発生する製紙スラッジをフィルタープレス機などの脱水装置により、水分含有率を概ね３０〜６０％に調整したものを用いる。
【００２８】
ケイ塩ゲルは、製紙スラッジの焼却残渣をアルカリ水溶液中で溶出した後、酸により中和することにより得られる二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルを用いることが廃棄物の利用の観点からは好ましいが、必ずしも製紙スラッジの焼却残渣から得られる二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルに限定されることなく、他の二酸化ケイ素を含む物質から抽出した二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルであっても、または、化学的合成された二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルであっても構わない。
【００２９】
なお、本実施例は、製紙スラッジとその焼却残渣から得られるケイ酸塩ゲルの混合物を焼成することを例示するが、その生成条件に関しては製紙スラッジの含水率やケイ酸塩ゲル中に含まれる二酸化ケイ素含有量により、焼成温度および焼成時間は異なり、本実施例に限定されるものではない。
【００３０】
（実施例１）
製紙スラッジの焼却残渣には、概ね二酸化ケイ素が５０〜７０％含有している。この製紙スラッジの焼却残渣１００ｇを１０％の水酸化ナトリウム水溶液に入れてスラリー状となした混合液をホットプレート上で沸騰しない程度の温度、即ち７０〜８０℃程度に加熱しながら混ぜ合わせる。約１時間後１μｍのメンブランフィルタで製紙スラッジの焼却残渣と液を分離する。分離されたろ液に塩酸を滴下させ中和させると二酸化ケイ素を含んだケイ酸塩ゲルが生成される。
【００３１】
このケイ酸塩ゲル生成工程において、製紙スラッジ焼却残渣に含まれる二酸化ケイ素は、水酸化ナトリウム水溶液中ですべてが溶出することがないため、原料である製紙スラッジの焼却残渣に含まれる二酸化ケイ素含有率が低い場合において水酸化ナトリウム溶液中に溶出する二酸化ケイ素が少なくなることがある。
【００３２】
ケイ酸塩ゲルに含まれる二酸化ケイ素の含有率は、ケイ酸塩の硬化効果や脱水後の有孔物質を造るため１０％以上含まれている必要がある。化学組成を分析して二酸化ケイ素の含有率の異なる製紙スラッジの焼却残渣から上述の方法によりケイ酸塩ゲルを抽出し、電気炉で２００℃±１０℃を保ち２時間脱水させ乾燥ケイ酸塩ゲルを得た。
【００３３】
得られた乾燥ケイ酸塩ゲルを１ｃｍ角のキューブ形状に整形して圧縮強度を測定した。図３は、ケイ酸塩ゲルに含まれる二酸化ケイ素の含有量とケイ酸塩ゲルの乾燥硬化物質の圧縮強度を示したものである。二酸化ケイ素含有率が１０％以下では、硬化力が弱いため強度が発現せず、本発明の趣旨である製紙スラッジを連結硬化させることができないといえる。
【００３４】
つぎに、このようにして得られたケイ酸塩ゲル１０ｇを脱水してその含水率を概ね３０〜６０％に調整した製紙スラッジ１００％に混ぜ合わせて、概ね直径２ｍｍの粒状に加工してセラミック製の炉芯管に入れ電気管状炉を用いて無酸素雰囲気で８００±１０℃、３時間焼成させたところ玉粒状の黒色硬化多孔質物質が生成された。
【００３５】
（実施例２）
実施例１で示された製紙スラッジの焼却残渣から抽出されたケイ酸塩ゲルと概ね含水率を３０〜６０％に調整した製紙スラッジの混合物を概ね直径２ｍｍの粒状に加工してセラミック製の炉芯管に入れ、炉芯管の片側から空気を供給しながら、電気管状炉を用いて８００±１０℃、３時間焼成させ玉粒状の白色硬化多孔質物質を生成できた。
【００３６】
また、同じく製紙スラッジの焼却残渣から抽出されたケイ酸塩ゲルと概ね含水率を３０〜６０％に調整した製紙スラッジの混合物を概ね直径２ｍｍの粒状に加工して石英ガラス製の炉芯管に入れ、炉芯管の片側から製紙スラッジが燃え尽きないよう目視により空気量を制限供給して、電気管状炉を用いて８００±１０℃、３時間焼成させ玉粒状の灰色硬化多孔質物質を生成した。
【００３７】
実施例１および２で示された黒色硬化多孔質物質、白色硬化多孔質物質ならびに灰色硬質多孔質物質の表面積を測定したところ、一般的に比表面積が大きいとされる活性炭に比べて、いずれも２５〜５０％程度大きく、液体中もしくは気体中の様々な物質をろ過する多孔質物質として有用である。
【００３８】
つぎにその例として液体中の物質の除去効果を示す。実施例１で示された黒色の硬化多孔質物質および実施例２で示した白色硬化多孔質物質ならびに灰色硬質多孔質の吸着性能を製紙スラッジから作られた活性炭と比較したところ、つぎのような結果を得た。
【００３９】
下部に開口コックが付いた直径１０ｍｍ、長さ３００ｍｍのガラス製カラムを３本用意し、上に示した３種類の多孔質物質をそれぞれのガラス製のカラムに１００ｇ充填した。ガラス製のカラムの上端から、鉄を２ｐｐｍ含んだ水をガラス製カラムに充満するよう注水し、ガラス製カラムの下部にあるコックを開き３０秒で１ｍｌ滴下するよう調整し滴下された水の鉄の濃度を比較した結果を図４に示す。
【００４０】
同様に、実際の生活廃水をカラムに注ぎＢＯＤ（生物化学的酸素要求量），ＣＯＤ（化学的酸素要求量）および色を比較した結果を図５，図６に示す。
【００４１】
このように本発明の効果は、上述のように製紙スラッジから作られた活性炭などと比べても性能面で大きな効果が期待できるほか、これまでの活性炭を代表とする焼成による多孔質物質は、粉体であるため薬品をコーティングしたり、連結材により固化する必要があった。
【００４２】
これらの従来の技術による固化状多孔質物質は、水の浄化材として用いる場合水流により、コーティング材や連結材が剥がれ多孔質物質がバラバラになることがあったが、製紙スラッジに製紙スラッジ焼却残渣から抽出されたケイ酸塩ゲルを混ぜ合わせ焼成するだけで強固な多孔質物質ができるという優れた効果がある。
【００４３】
また、製紙過程で排出される製紙スラッジの有効利用の観点からも有用な発明である。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、製紙スラッジとその焼却残渣を利用し廃棄物をなくすると共に様々な物質を吸着するろ過材を低価格で得る製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法を提供することがでる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例に係る製紙スラッジから多孔質物質を製造する方法を示すフロー図である。
【図２】本発明の実施形態例に係る二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲルを製造する方法を示すフロー図である。
【図３】本発明の実施例に係るケイ酸塩ゲル中に含まれる二酸化ケイ素含有率と強度の関係を示す特性図である。
【図４】本発明の実施例に係る鉄イオンの除去効果を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例に係るＢＯＤの除去効果を示す説明図である。
【図６】本発明の実施例に係るＣＯＤの除去効果を示す説明図である。
【符号の説明】
Ｓ１  製紙スラッジの焼却残渣生成ステップ
Ｓ２  ゾル生成ステップ
Ｓ３  脱水製紙スラッジ混合ステップ
Ｓ４  紙繊維質生成ステップ
Ｓ５  二酸化ケイ素を含むケイ酸塩ゲル混合ステップ
Ｓ６  沈殿物生成ステップ
Ｓ７  焼成ステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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