(57)【要約】【課題】酸性、またはアルカリ土壌の効率的な中性化処理方法を提供する。【解決手段】酸性土壌をアーク中心温度が前記土壌の粒子に吸着する酸性イオンの結合力以上に相当する温度（例えば、２，５５０Ｋ以上）のアークプラズマにより処理をして、中性化焦土とする土壌の中性化処理方法。および、アルカリ土壌をアーク中心温度が前記土壌の粒子に吸着するアルカリ土類金属（カルシウムやマグネシウム等）を溶発させるエネルギー相当（例えば、カルシウムの場合１，７５０Ｋ）以上の温度のアークプラズマにより処理する土壌の中性化処理方法。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸性土壌をアーク中心温度が前記土壌の粒子に吸着する酸性イオンの結合力以上に相当する温度のアークプラズマにより処理をして中性化焦土とすることを特徴とする土壌の中性化処理方法。
【請求項２】
酸性土壌をアーク中心温度２，５５０Ｋ以上のアークプラズマにより処理をして中性化焦土とすることを特徴とする土壌の中性化処理方法。
【請求項３】
前記アークプラズマによる処理が、アーク照射時間５〜２０秒で行うことを特徴とする請求項１または２に記載の土壌の中性化処理方法。
【請求項４】
アルカリ土壌をアーク中心温度が前記土壌の粒子に吸着するアルカリ土類金属を溶発させるエネルギー相当以上の温度のアークプラズマにより処理することを特徴とする土壌の中性化処理方法。
【請求項５】
アルカリ土壌をアーク中心温度１，７５０Ｋ以上のアークプラズマにより処理することを特徴とする土壌の中性化処理方法。
【請求項６】
前記アークプラズマが被処理土壌を有する導電性坩堝と陰極の炭素電極との間に電圧を印加して発生させたものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の土壌の中性化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は酸性・アルカリ土壌の中性化処理方法に関し、詳しくは、アークプラズマによる酸性・アルカリ土壌の中性化処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、酸性雨によって酸性化した土壌は、植物の成長に欠かすことのできない養分であるＭｇやＣａが酸と反応して流出し、植物の成長が止まったり、病気に対する抵抗力が弱まり、農作物の収穫量の減少を引き起こす問題を起こしていた。また、土壌からの重金属の溶出は、土壌の種類よりもｐＨに支配され、ＺｎはｐＨが約５．５以下、Ｃｕは約４．０以下で溶出量が増加するとの研究結果も報告されている（非特許文献１参照）。酸性雨の主な被害地域としては、東ヨーロッパ・北欧・北米・東南アジアが挙げられるが、我が国においても、従来酸性雨による被害は報告されていないとされてきたが、日本政府は1994年に「日本にも酸性雨の被害があり、その原因は中国からの大気汚染物質の影響もある」という異例のコメントを発表していることから決して楽観視できる状況ではない。
【０００３】
また、アルカリ土壌に関しては、塩分の問題だけでなく土も堅くなり改善が大変困難であり、燐酸を始めとする有用成分の多くが水に溶けない形態になるため、植物が養分を吸い上げられず不毛化するという問題がある。アルカリ土壌に関しては、ｐＨにして８．５以上の状態と定義される（非特許文献２参照）。アルカリ土壌は雨が少なく乾燥した地域に分布するが、このような地域では、土中の水分の蒸発が激しく、塩類が集積してアルカリ性を示す。現在中国では日本の国土の面積を上回る約４２万平方キロメートルの土地がアルカリ化しており、将来的な土地の枯渇が懸念されている。日本国内においては、コンクリートやセメントという強アルカリ建築資材の残りが工事完成後・解体後、放置分散された場合や、大規模な土木造成地では、地盤安定処理のために大量のセメント系固化材が使用されており、都市の土壌や植物を取り巻く環境が急速にアルカリ化に向かっている。
このような酸性土壌およびアルカリ土壌の問題に対する有効な対策が求められている。
【０００４】
一方、アークプラズマによる廃棄物処理が汎用技術となりつつある昨今、鉛・六価クロム等の重金属類やダイオキシン等の化学物質などによって汚染された土壌の処理、改質に関する報告がなされている。
【非特許文献１】服部浩之著、「汚泥施用土壌からの重金属溶出の潜在的な危険性」、日本土壌肥料学雑誌、６９巻、第２号、ｐｐ．１３５−１４３（１９９８）
【非特許文献２】岩生周一著、粘土の事典、朝倉書店、ｐ．９（１９８５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、酸性、またはアルカリ土壌の効率的な中性化処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
通常土壌は陰性に帯電しているとされているが、その原因は土壌コロイドによるものである。土壌コロイドとは、土壌を構成する数μｍ以下から数ｎｍ以上の微細な画分を総称した名称であり、土壌中では主に粘土分がこれに相当する。粘土分が負電荷を発生させる原因として、第１に粘土粒子中では結晶格子中での置換および表面、特に格子末端での欠陥が粘土粒子に負電荷を発生させる。第２の原因としては、粒子端部における不備な満たされない原子価（破壊原子価)の電荷である。これらの理由から土壌表面は陰性に帯電している。よって土壌は交換性陽イオンを含む陽イオンを表面に吸着している。この様子を図１に示す。交換性陽イオンとは、土壌に吸着している陽イオンの内、他の陽イオンにより容易に交換される陽イオンのことであり、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、Ｋ＋、ＮＨ４＋、Ｎａ＋がこれにあたる。そして図２の（ａ）状態に酸性物質が負荷されると土壌中の交換性陽イオンが順次Ｈ＋に置換されて（ｂ）に示す状態になる。（ｂ）の状態で土はすでにＨ＋が支配的になっているために酸性を示すが、Ｈ＋を保持した土（粘土粒子）は、これ自体が酸であるため、さらに粘土自体の酸が粘土を構成しているアルミニウムをイオンとして溶出する。溶出したアルミニウムイオンＡｌ３＋は（ｃ）に示すように、水と反応してＨ＋を生じる。以上のように、土壌粒子に吸着されるＨ＋と、土壌粒子から溶出するＨ＋によって土壌は酸性化する（松野健太郎著、「酸性雨と酸性霧」裳華房、（1993））。
【０００７】
酸性土壌の粒子表面と水素イオンのさらなる反応状態を図３に示す。水素イオン（Ｈ＋）１は土粒子表面２の負の電荷（−）をもつ部分に引き寄せられ、水素結合により強く結合する（「土質工学ハンドブック」、社団法人土質工学会、ｐｐ．３２〜３３（１９８２））。引きつけられた水素イオン１の濃度は、図３のように土粒子表面２でもっとも高く，表面から遠ざかるほど低くなる。粒子表面近くのイオン膜を固着層３、その外側のイオンが拡散している層を拡散層４という。そこで、本発明者らは、鋭意検討した結果、熱プラズマ処理を行い、その水素結合エネルギー以上に相当する高温度（約２，５５０Ｋ）を与えれば、水素結合を破壊し、拡散層に点在している水素イオンを粒子外部に離散させ、中性化させることが可能であることを見出した。また、アルカリ土壌においても同様に熱プラズマ処理することにより中性化させることが可能であることを見出した。
本発明はこの知見に基づきなすにいたったものである。
【０００８】
すなわち、本発明は、
（１）酸性土壌をアーク中心温度が前記土壌の粒子に吸着する酸性イオンの結合力以上に相当する温度のアークプラズマにより処理をして中性化焦土とすることを特徴とする土壌の中性化処理方法、
（２）酸性土壌をアーク中心温度２，５５０Ｋ以上のアークプラズマにより処理をして中性化焦土とすることを特徴とする土壌の中性化処理方法、
（３）前記アークプラズマによる処理が、アーク照射時間５〜２０秒で行うことを特徴とする（１）または（２）項に記載の土壌の中性化処理方法、
（４）アルカリ土壌をアーク中心温度が前記土壌の粒子に吸着するアルカリ土類金属を溶発させるエネルギー相当以上の温度のアークプラズマにより処理することを特徴とする土壌の中性化処理方法、
（５）アルカリ土壌をアーク中心温度１，７５０Ｋ以上のアークプラズマにより処理することを特徴とする土壌の中性化処理方法、および
（４）前記アークプラズマが被処理土壌を有する導電性坩堝と陰極の炭素電極との間に電圧を印加して発生させたものであることをより行うことを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１項に記載の土壌の中性化処理方法
を提供するものである。
なお、上記の印加させられる電圧は、高電圧なら、直流、交流、高周波、インパルス等の任意の手段を用いることが可能である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、非常に短時間で酸性土壌およびアルカリ性土壌を中性化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、酸性土壌またはアルカリ性土壌を、高温アークプラズマを用いて中性化処理するものである。本発明において、用いられる高温アークプラズマは中心温度が２，５５０〜１８，０００Ｋ、好ましくは８，０００〜１８，０００Ｋ、さらに好ましくは１５，０００〜１８，０００Ｋであるものである。また、平均のアーク温度は、好ましくは３，０００〜９，０００Ｋ、さらに好ましくは７，０００〜９，０００Ｋである。
中心温度が２，５５０Ｋ以上である理由を以下に述べる。水素結合の結合力は約５ｋｃａｌ／ｍｏｌ（２１ｋＪ／ｍｏｌ）であり、電子ボルト単位に換算するとおよそ０．２２ｅＶ／ｍｏｌになる。プラズマの温度とｅＶの関係は、１１，６００Ｋで１ｅＶに対応する。すなわち、水素結合の強さに匹敵するエネルギーを生み出すのに必要な温度は２，５５０Ｋ、約２，３００度と求められる。よって、熱プラズマ処理を行い、その結合エネルギー以上に相当する温度を与えれば、水素結合を打ち破り中性化することが可能である。
【００１１】
本発明の一つの実施態様は、酸性土壌をアーク中心温度１５，０００〜１８，０００Ｋのアークプラズマによる処理をして、中性化焦土とする酸性土壌の中性化処理を行った。処理される酸性土壌のｐＨは、特に限定されるものではないが、例えばｐＨ４．３の酸性土壌を、本実施態様の方法により、ｐＨが通常７．２〜９．１、好ましくは７．０前後の焦土とすることができる。また、被処理酸性土壌としては、例えば、活性汚泥の余剰汚泥を用いることができる。
なお、本発明において、処理後の焦土とは坩堝内に固形化したスラグとは別に残留した土壌のことをいい、ｐＨはその焦土を攪拌したものを任意に測定している。好ましくは平均粒径が処理前とほぼ同一粒径であるものをいう。
【００１２】
本実施態様におけるアークプラズマ処理時間は、アークの発生から、好ましくは５〜２０秒、さらに好ましくは数秒以下で行うものである。アークプラズマ処理時間がこれより短いとアーク温度の制御が困難であり、また、アークプラズマ処理時間が長すぎると、発生するスラグ成分の割合が多くなり、そのままでは土壌として再利用することができない。ただし、生成されるスラグ自体も中性の物質であり、上記の２０秒以下の処理時間では焦土に含有される量も少ないので、実用上問題はない。また、アークプラズマ処理時間後に常法によりスラグを分別しても良い。スラグ自体も別途路盤材料に有効活用でき、用途によってはスラグを得る方が得策の場合も有りうる。
【００１３】
本発明の別の実施態様は、アルカリ土壌をアーク中心温度１５，０００〜１８，０００Ｋのアークプラズマにより処理するアルカリ土壌の中性化処理方法である。処理されるアルカリ土壌のｐＨは、特に限定されるものではないが、例えばｐＨ１０のアルカリ土壌を、本実施態様の方法により、ｐＨが通常７．５〜７．６、好ましくは７．０前後の中性化土壌とすることができる。
また、本実施態様におけるアークプラズマ処理時間は、アークの発生から２分間処理したが、好ましくは酸性土壌処理と同様に５〜２０秒、さらに好ましくは数秒以下行うものである。この処理時間で処理を行うことにより、アルカリ土壌における成分中、カルシウムやマグネシウム等のアルカリ土類金属の割合を大幅に減少することができる。
【００１４】
本発明においてアークプラズマの発生方式に特に限定はないが、例えば、被処理土壌を有する導電性坩堝（例えば炭素坩堝）と陰極の炭素電極との間に電圧を印加して発生させる方式を用いて行うことができる。電圧は、直流、交流、高周波、インパルス等の任意の手段を用いることが可能である。
上記電圧として、直流電流が用いられる場合は、与えられる直流電流は２００Ａ程度が好ましく、電力コスト低減の観点からより低電流がさらに好ましい。陰極電極としては、例えば、炭素、タングステンなどを用いることができる。電極間距離Ｌ＝５０ｍｍ程度が好ましい。プラズマガスとしては、Ａｒ、さらに電極損耗対策を施せば窒素、空気などを用いることができる。ガス流量Ｆｃは８Ｌ／ｍｉｍ（ｓｌｍ）程度が好ましい。雰囲気は空気、アルゴン、窒素などを用いることができる。
上記方式は乾式であり、時間も短く、極めて簡便な手法である。
また、酸性土壌を中性化焦土に処理する方法では、酸性度の強い状態の被処理土を、ほぼ同粒径の微粒化した乾燥状態の土壌として得ることができ、その処理後の土壌はそのまま造成、植林等に再利用することができる。
【実施例】
【００１５】
次に本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１６】
実施例１  酸性土壌処理
図４の概略斜視図に示すアークプラズマ発生装置を用いて酸性土壌の中性化処理を行った。図４のアークプラズマ発生装置は、チャンバー（放電室）１１内に、トーチＡ１２とトーチＢ１３の２つのトーチが設置しており、本実施例ではトーチＡ１２を用いる。トーチＡ１２における陰極電極は中空であり、そこからプラズマガスを流入させることでアークプラズマの制御が可能である。陰極先端の形状は、角度６０度の円錐形で最先端は丸みを帯びており、中軸直径はφ＝４０ｍｍである。また水冷銅帯板上に炭素坩堝を配置し、これを陽極１４とした。なお、図４中、１５，１６は陰極、１７は高速カメラ、１８，１９は電極、２０，２１は窓、２２，２３はケーブルである。
【００１７】
図５に炭素坩堝２４と陰極電極（トーチ）２５の概略を示す。炭素坩堝２４の内径は６．５ｃｍ、深さは８．８ｃｍのものを用いた。プラズマ条件は、直流電流Ｉ＝２００Ａ、陰極電極：炭素、電極間距離Ｌ＝５０ｍｍ、プラズマガス：Ａｒ、ガス流量Ｆｃ＝８ｓｌｍ（Ｎｌ／ｍｉｎ）、雰囲気は空気で行い、酸性土（ｐＨ４．３）５．０ｇをアーク発生から５〜３０秒を５秒間隔で処理を行った。なお、図５中、２６は土壌であり、トーチ２５は矢印方向に挿入される。
【００１８】
処理時間５〜３０ｓ間の処理では、坩堝内に黒色の焦土（黒焦土）と生成されたスラグ（固溶体）が混在していた。その結果を図６〜８に示す。図６は、処理時間に対する黒焦土重量の変化を示すグラフである。図７は、処理時間に対するスラグ重量の変化を示すグラフである。図８は、黒焦土重量（Ｍ）に対するスラグ重量（ｍ）の割合（ｍ／Ｍ）の処理時間による変化を示すグラフである。図６〜８において、横軸は処理時間（秒）を示す。
図６〜８に示されるように、処理時間が長くなるほどスラグの発生割合が多くなった。
【００１９】
次に、処理された焦土のｐＨを測定した。処理して得られた焦土は、ほぼ同一粒径の形状を有する土であった。固体である土において、溶液中の水素イオン濃度を示す指数のｐＨを測定するために、土質工学会基準では、土に水Ｈ２Ｏ又は塩化カリウム溶液ＫＣｌを滴下し、そのｐＨ値を土のｐＨと規定している。土と蒸留水（ｐＨ７．０）を１：２．５の重量比で水を滴下し、１分間撹拌した後測定されたｐＨをｐＨ（Ｈ２Ｏ）と表記する。この方法では、土と平衡状態になっている土中の水溶液中に含まれる水素イオンがｐＨとして表れる。一般に土のｐＨといえばｐＨ（Ｈ２Ｏ）を指す。一方、土と塩化カリウム溶液（ｐＨ７．０，１ｍｏｌ）を１：２．５の重量比で塩化カリウムを滴下し、撹拌した後測定されたｐＨをｐＨ（ＫＣｌ）と表記する。この方法では、土と平衡状態になっている土中の水溶液中に含まれる水素イオンだけではなく、土粒子表面に付着している水素イオンがカリウムイオンで置換されるために、その遊離された水素イオンも含めて測定される。よって、基本的にｐＨ（Ｈ２Ｏ）より値が低くなる。本実施例では、上記の土質工学会基準に基づいたｐＨ測定を行った。
【００２０】
図９は、焦土の処理時間とｐＨの関係を示すグラフである。
焦土に関しては、処理前の土のｐＨがｐＨ（Ｈ２Ｏ）で４．３、ｐＨ（ＫＣｌ）で３．５であったものが、処理時間に応じて、ｐＨ（Ｈ２Ｏ）、ｐＨ（ＫＣｌ）共に上昇している。これは、土の拡散層に存在している水素イオンが熱エネルギーを受け取り、土粒子外部へ離散し、土全体に占める水素イオンの割合が徐々に減少していったためと思われる。さらに、ｐＨ（Ｈ２Ｏ）、ｐＨ（ＫＣｌ）の値が全ての時間において、処理前と同等の差が生じているため、この時点では土粒子表面（固着層）に水素イオンが吸着していると考えられる。
【００２１】
また、アーク中心温度Ｔ０（Ｋ）が、Ａｒアークの場合、アーク半径Ｒ（ｃｍ）を用いて
【００２２】
【数１】
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【００２３】
と近似できる（稲葉次紀，楠茂幸，岩尾徹，遠藤正雄：大電流器壁安定化アークの放射パワーに及ぼす電流と電力のパラメータの解析的試算,  電気学会，基礎・材料・共通部門論文誌,  Vol.118-A,  No.1,  pp.10-15(1998)）。本実施例におけるアーク写真よりアーク半径Ｒを求め、（１）式より温度を算出すると、アーク中心温度Ｔ０は図１０のように求められる。アーク中心温度は、陰極から５ｃｍのところ、つまり土が処理される領域において、約１５，０００Ｋと高い値を示している。
【００２４】
実施例２  アルカリ土壌処理
被処理土壌としてアルカリ土（ｐＨ１０）５．０ｇを用い、空気中またはＡｒ中で、アーク発生から２分間で処理を行った以外は実施例１と同様にアークプラズマ処理を行った。
アークプラズマ点弧から２分後に生成されたスラグと、それを砕いた微砕粉（粒径約０．１ｍｍ以下）のｐＨを実施例１と同様に測定した。ただし、ｐＨ（Ｈ２Ｏ）のみ測定した。アルカリ土の処理前後のｐＨ試験結果を図１１に示す。
【００２５】
同図より、処理前に強アルカリの１０であったｐＨが、空気中・Ａｒ中の両方共に，スラグ時には中性の約７．５に改善され、スラグを砕いた微砕粉においても砕く前のスラグとほぼ変わらない値となった。この理由として、土壌がアルカリ性を示す場合の最要因である塩類（今回の実験条件においては水酸化カルシウム：融点８３９℃，沸点１，４８０℃，１，７５０Ｋ）の減少が考えられる。つまり、熱プラズマ処理によって塩類であるカルシウムやマグネシウムが溶発し、土全体の成分におけるカルシウムやマグネシウムの成分割合が減少したことが原因の１つと考えられる。また、酸性土の測定結果と同様に、空気中、Ａｒ中共に同一の結果であることから、化学反応的な事象が原因ではないと解せる。
【００２６】
次に処理前後のアルカリ土壌について蛍光Ｘ線分析装置による成分分析を行った。
処理前の供試アルカリ土壌（ｐＨ１０）の成分分析結果を図１２に、処理後のスラグ表面の成分分析結果を図１３に、またスラグ内部の成分分析結果を図１４に示す。一般的な土のカルシウムの割合はカリウムと同程度で数％しか無いが、図１２より、処理前の土に水酸化カルシウムとマグネシウムが主成分である苦土石灰を添加させ、ｐＨを１０に調整してあるために、一般的な土よりカルシウムの成分が多いことが解る。
【００２７】
しかし、処理後にスラグとなった試料は、他元素も多少の増減が見られるが、スラグ表面・内部共にカルシウムの割合がほぼ半分と大幅に減少している。具体的にその減少率を計算する。処理前の成分量を１とすると、スラグ表面におけるアルミニウムの減少率は２１．０％、カルシウムの減少率は４９．３％、スラグ内部のアルミニウムの減少率は１０．２％、カルシウムの減少率は４１．６％であり、スラグの表面・内部共にアルミニウムの減少率よりカルシウムの減少率の方が２倍以上と圧倒的に大きい。これは、カルシウムは測定される主な元素の中で沸点が最も低いため、熱プラズマ処理により他の元素より容易に蒸発し、外部へ離散しためと思われる。表１に土中に含まれる主な元素の融点と沸点に示す。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
つまり、前項のｐＨ試験結果において、アルカリ土が、熱プラズマ処理後ｐＨが２．５も大幅減少し、中性化できた主な原因として、カルシウムの蒸発、離散の可能性が高い。この分析結果から、処理後のスラグでは、アルカリ性となる原因であったカルシウムの減少が示された。よって、熱プラズマ処理によるアルカリ土壌処理の妥当性を示すことができた。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】土壌粒子の陽イオン吸着の様子を示す模式図である。
【図２】土壌酸性化の過程の説明図である。
【図３】酸性土壌粒子表面のイオン拡散状態の説明図である。
【図４】ビッグトーチ装置の構成を示す概略図である。
【図５】実施例で用いた坩堝の概略図である。
【図６】処理時間に対する黒焦土重量の変化を示すグラフである。
【図７】処理時間に対するスラグ重量の変化を示すグラフである。
【図８】黒焦土重量に対するスラグ重量の割合の処理時間による変化を示すグラフである。
【図９】焦土の処理時間とｐＨの関係を示すグラフである。
【図１０】実施例におけるアーク中心温度分布を示すグラフである。
【図１１】生成スラグのｐＨ試験結果を示すグラフである。
【図１２】供試アルカリ土壌の成分分析結果を示すグラフである。
【図１３】アルカリスラグ表面の成分分析結果を示すグラフである。
【図１４】アルカリスラグ内部の成分分析結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１  水素イオン
２  土粒子表面
３  固着層
４  拡散層
１１  チャンバー
１２  トーチＡ
１３  トーチＢ
１４  陽極
１５，１６  陰極
１７  高速カメラ
１８，１９  電極
２０，２１  窓
２２，２３  ケーブル
２４  炭素坩堝
２５  陰極電極（トーチ）
２６  土壌
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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