(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水汚泥焼却灰溶融スラグ粉砕物の１００重量部に、５〜３０重量部のソーダ長石およびカリ長石の少なくとも一方の長石と、炭酸カルシウム換算で１０〜４０重量部のカルシウム成分を添加し、１１００〜１２５０℃の溶化により緻密化したのち、１０５０〜１２００℃の温度で結晶化させて、アノーサイト（CaO ・Al2O3・２SiO2）の結晶を含有し、四点曲げ強度が350kg/cm2以上である酸化物セラミックスを得ることを特徴とする酸化物セラミックスの製造方法。
【請求項２】
下水汚泥焼却灰の１００重量部に、１５〜３０重量部の長石と、炭酸カルシウム換算で２０重量部のカルシウム成分を添加し、１１００〜１２５０℃の溶化により緻密化したのち、１０５０〜１２００℃の温度で結晶化させて、アノーサイト（CaO ・Al2O3・２SiO2）の結晶を含有し、四点曲げ強度が420kg/cm2 以上である酸化物セラミックスを得ることを特徴とする酸化物セラミックスの製造方法。
【請求項３】
前記下水汚泥焼却灰溶融スラグが、ＳｉＯ2を４１．８〜４７．９重量％、Ａｌ2Ｏ3を１６．７３〜１９．１０重量％、ＣａＯを７．７７〜１２．１１重量％含むものである請求項１に記載の酸化物セラミックスの製造方法。
【請求項４】
カルシウム成分がカルサイト、ドロマイト、灰長石、ケイ灰石から選択されたものである請求項１、２または３に記載の酸化物セラミックスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水処理場から大量に発生する下水汚泥焼却灰などを原料とする酸化物セラミックスの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
下水処理場から大量発生する下水汚泥の有効利用を図るために、下水汚泥の焼却灰を溶融してスラグ化し、これを粉砕してコンクリート骨材や路盤材として利用することが古くから行われている。しかしこの下水汚泥焼却灰溶融スラグはガラス質であるために、強度の点で従来の砕石等と同様に扱うことは難しい。
【０００３】
そこで下水汚泥焼却灰溶融スラグを結晶化させることにより強度を増加させる工夫がなされてきた。このための従来の方法は、下水汚泥焼却灰溶融スラグに炭酸カルシウムを添加することにより塩基度（Ca/Si）を0.8 〜1.0 に調整したうえ、１４００℃程度で完全に溶融させ、その後１１００℃で数時間保持して結晶を成長させる方法であった。
【０００４】
ところがこのような従来方法は、[1]高い熱処理温度が必要であるため、設備費やランニングコストが嵩むこと、[2]完全に溶融してガラス化させるため、そのための容器が必要であること、[3]冷却工程において微細なクラックが発生しやすく、得られた酸化物セラミックスの四点曲げ強度が３００kg/cm２程度と低いこと、[4]均一な結晶化が困難であること、等の問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来の問題点を解決して、従来よりも低温処理を行うことができ、溶融のための容器が不要であり、クラックの発生が少ないために強度が大きく、均一な結晶化が可能である下水汚泥焼却灰などを原料とする酸化物セラミックスの製造方法を提供するためになされたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためになされた本発明の酸化物セラミックスの製造方法は、下水汚泥焼却灰溶融スラグ粉砕物の１００重量部に、５〜３０重量部のソーダ長石およびカリ長石の少なくとも一方の長石と、炭酸カルシウム換算で１０〜４０重量部のカルシウム成分を添加し、１１００〜１２５０℃の溶化により緻密化したのち、１０５０〜１２００℃の温度で結晶化させて、アノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）の結晶を含有し、四点曲げ強度が３５０kg/cm2以上である酸化物セラミックスを得ることを特徴とするものであり、また、下水汚泥焼却灰の１００重量部に、１５〜３０重量部の長石と、炭酸カルシウム換算で２０重量部のカルシウム成分を添加し、１１００〜１２５０℃の溶化により緻密化したのち、１０５０〜１２００℃の温度で結晶化させて、アノーサイト（CaO ・Al2O3・２SiO2）の結晶を含有し、四点曲げ強度が420kg/cm2 以上である酸化物セラミックスを得ることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
下水汚泥焼却灰の化学組成は、処理場や使用する凝集剤の種類、季節等によって多少変化するが、高分子凝集剤を使用している下水処理場の場合にはその焼却灰の溶融スラグは表１に示すような化学組成（単位：重量％）となっている。
【０００８】
【表１】
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【０００９】
本発明においては、上記のような下水汚泥焼却灰溶融スラグを粉砕したもの、あるいは下水汚泥焼却灰に対してソーダ長石、カリ長石等の長石を添加し、さらに好ましくはカルサイト、ドロマイト、灰長石、ケイ灰石等のカルシウム成分を添加する。具体的には、例えば、下水汚泥溶融スラグ粉砕物の１００重量部に、５〜３０重量部のソーダ長石およびカリ長石の少なくとも一方の長石と、炭酸カルシウム換算で１０〜４０重量部のカルシウム成分を添加するものとする。
【００１０】
【００１１】
上記のような組成調整を行った後、この混合物を例えばアルミナ製のるつぼに入れ、１１００〜１２５０℃で溶化処理する。この溶化とは一般的な陶磁器の焼成時に見られる現象であり、長石類が比較的低温で融液となるが、その粘性が高いために更に温度を上げても製品の形状を保ったままで緻密化することをいう。本発明では従来のように混合物を完全溶融するのではなく、溶化処理するのであるから、従来よりも低温処理が可能となり、また溶融のための高温に耐える容器を必要としない。なお、１１００℃未満の温度では溶化が不十分であり、１２５０℃を越えると溶融が始まり製品の形状が崩れてしまうこととなる。
【００１２】
この溶化後、１０５０〜１２００℃に５時間程度保持して結晶化を進行させる。一般に酸化物セラミックスの製造においては、均一に結晶を生じさせるために核形成物質が用いられるが、本発明では、下水汚泥焼却灰または下水汚泥焼却灰溶融スラグ中にはＦｅ２Ｏ３、Ｃ、Ｓが含まれており、これらが反応して得られるＦｅＳを核形成物質として用いることができるので、外部からの添加を必要としない。結晶化工程ではこれらの核形成物質を核としてアノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）の結晶が析出する。なお、結晶化温度が１０５０℃未満では結晶が十分に成長せず、１２００℃を越えると結晶が再びガラス化するので好ましくない。
【００１３】
図１のグラフは本発明の方法により製造された酸化物セラミックスのＸ線回折パターンを示すもので、主結晶としてアノーサイトの結晶が現れることを示している。このアノーサイトの結晶は針状であり、これらが互いに絡まりあった結晶相を有する酸化物セラミックスが得られるので、後の実施例のデータに示すように四点曲げ強度が３５０kg/cm2以上という優れた強度を得ることができる。また、本例は酸化鉄(Ｆｅ２Ｏ３) の結晶が全てＦｅＳの核形成物質とならず残り、結晶が現れている。
【００１４】
【作用】
以上に詳細に説明したように、本発明の方法により製造された酸化物セラミックスは、アノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）の結晶を主結晶として含有するものであるが、アノーサイトの結晶は針状で強度が高く、かつたがいに絡み合うように均一に析出させることができるので、強度に優れた酸化物セラミックスとなる。さらに本発明の酸化物セラミックスの製造方法によれば、添加物の比率をできるだけ少なくしてアノーサイトを析出させることができる。また本発明の酸化物セラミックスの製造方法によれば、下水汚泥焼却灰または下水汚泥焼却灰溶融スラグ粉砕物などの原料粉末を溶化により緻密化したのち結晶化させるので、従来のように高温に加熱して完全溶融させる必要がない。このために１２００℃以下の低温処理が可能であり、溶融のための容器も不要である。
【００１５】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示す。
〔実施例１〕
下水汚泥焼却灰を１４００℃で溶融後、水冷粉砕して溶融スラグを得た。このスラグをロールクラッシャーで粉砕後、篩により３５０μｍ以下に粒度を整えたものをスラグ試料とした。このスラグ試料とソーダ長石、カリ長石、カルサイト（炭酸カルシウム）を表２の各割合で秤量し、乾式ポットミルを用いて混合した。
【００１６】
【表２】
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【００１７】
それぞれの混合物を４cm×４cmで深さ３cmのアルミナ製の角るつぼに詰め、電気炉で焼成した。焼成は１２００℃で２時間保持して溶化処理を行い、その後に１１５０℃で５時間保持して結晶化し、炉冷した。得られたバルク体を角るつぼごと切断し、幅４mm、高さ３mm、長さ３５mmの抗折強度測定サンプルを切り出した。また抗折強度を測定したサンプルを粉砕して粉末Ｘ線回折用試料とした。四点曲げ強度試験の結果と、Ｘ線回折による同定結晶相を表３に示す。
【００１８】
【表３】
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【００１９】
以上のデータに示されるように、下水汚泥焼却灰溶融スラグに対して長石を５重量％以上、カルサイトを１０重量％以上、外配添加したサンプルは全て３５０kg/cm2 以上の強度が得られた。但し、長石の添加量を０としたNo.13 、14では溶化が起こらず緻密化しないため、１００kg/cm2  程度の強度が得られたのみであった。更にカルサイトの添加量を０としたNo.15 ではアノーサイトが析出しないため、３５０kg/cm2 以上の強度は得られなかった。逆にカルサイトの添加量が多過ぎても、No.16 のように強度の低下が見られた。
【００２０】
〔実施例２〕
下水汚泥焼却灰１００重量％に対して、ソーダ長石、カリ長石、カルサイトを表４に示す割合で外配添加し、乾式ポットミルを用いて混合した。混合物を90mm×80mmの金型に入れ、成形圧力３００kgｆ/cm2 で一軸プレスにより成形を行なった。焼成は１１２５℃で５時間保持して溶化処理を行い、その後に１０７５℃で５時間保持して結晶化し、炉冷した。焼成後のサンプルから幅４ｍｍ、高さ３ｍｍ、長さ４０ｍｍの抗折強度測定サンプルを切り出した。また、抗折強度を測定したサンプルを粉砕して粉末Ｘ線回折用試料とした。四点曲げ強度試験の結果と、Ｘ線回折による同定結晶相を表５に示す。
【００２１】
【表４】
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【００２２】
【表５】
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【００２３】
上記のように、下水汚泥焼却灰を出発原料とした場合にも、強度の優れた酸化物セラミックスを得ることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の製造方法によれば下水汚泥焼却灰または下水汚泥焼却灰溶融スラグを原料として、強度の大きい酸化物セラミックスを得ることができる。しかも溶化により緻密化したのち、結晶化させる方法を採用したので、従来よりも低温処理を行うことができること、溶融のための容器が不要であること、クラックの発生が少なく均一な結晶が得られること等の多くの効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法により製造された酸化物セラミックスのＸ線回折パターンである。
【図１】
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