(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ素を含むガラス状物質及び／又はセラミックスからケイ酸を得る方法であって、ケイ酸アルカリを形成させる工程と、該ケイ酸アルカリをケイ酸アルカリ水溶液とする工程と、該ケイ酸アルカリ水溶液中の不溶物を分離する工程と、該不溶物を分離したケイ酸アルカリ水溶液に酸を添加してケイ酸を得る工程と、を有する、ケイ酸を得る方法。
【請求項２】
ケイ素を含むガラス状物質及び／又はセラミックスからケイ酸を抽出する方法であって、ケイ酸アルカリを形成させる工程と、 該ケイ酸アルカリをケイ酸アルカリ水溶液とする工程と、該ケイ酸アルカリ水溶液中の不溶物を分離する工程と、該不溶物を分離したケイ酸アルカリ水溶液に酸を添加してケイ酸を得る工程と、を有する、ケイ酸の抽出方法。
【請求項３】
純度９９．６％以上のケイ酸を得ることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のうち何れか一項に記載の得られたケイ酸を、乾燥させて二酸化ケイ素を得ることを特徴とする、二酸化ケイ素を得る方法。
【請求項５】
前記ケイ酸アルカリ水溶液に酸を添加してケイ酸を得る工程後の溶液に、水酸化ナトリウム及び／又は水酸化カリウムを添加して中和させる中和工程をさらに有することを特徴とする、請求項１乃至４のうち何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記ケイ酸アルカリを形成させる工程で使用するアルカリと、前記中和に使用するアルカリとが、いずれも水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムである請求項５に記載の方法。
【請求項７】
ケイ素を含むガラス状物質及び／又はセラミックスからのケイ酸の抽出方法であって、ケイ酸アルカリが生じるように、前記ガラス状物質及び／又はセラミックスと水酸化物とを融解させる融解工程と、ケイ酸アルカリ水溶液が生じるように、前記ケイ酸アルカリを水に溶解させる溶解工程と、前記溶解工程にて水に溶解しなかった不溶物を除去するために、前記ケイ酸アルカリ水溶液と不溶物を分離する分離工程と、分離後のケイ酸アルカリ水溶液に酸を添加してケイ酸を析出させる析出工程と、を具備することを特徴とするケイ酸の抽出方法。
【請求項８】
ケイ素を含むガラス状物質及び／又はセラミックスからの二酸化ケイ素の抽出方法であって、ケイ酸アルカリが生じるように、前記ガラス状物質及び／又はセラミックスと水酸化物とを融解させる融解工程と、ケイ酸アルカリ水溶液が生じるように、前記ケイ酸アルカリを水に溶解させる溶解工程と、前記溶解工程にて水に溶解しなかった不溶物を除去するために、前記ケイ酸アルカリ水溶液と不溶物を分離する分離工程と、分離後のケイ酸アルカリ水溶液に酸を添加してケイ酸を析出させる析出工程と、二酸化ケイ素を生じさせるように、前記ケイ酸を乾燥させる乾燥工程と、を具備することを特徴とする二酸化ケイ素の抽出方法。
【請求項９】
前記融解工程において、前記ガラス状物質及び／又はセラミックスと前記水酸化物とは、５〜２０：８０〜９５の重量比で混合されることを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記融解工程は、二酸化炭素が含まれない状態で行なわれることを特徴とする請求項７乃至９のうち何れか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記融解工程は、二酸化炭素が分解しない条件で行なわれることを特徴とする請求項７乃至９のうち何れか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記融解工程において、前記水酸化物は水酸化ナトリウム及び／又は水酸化カリウムを主とすることを特徴とする請求項７乃至１１のうち何れか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記水酸化物として水酸化ナトリウムを主として利用した場合には、前記融解工程は４００〜６００℃で行うことを特徴とする請求項７乃至１２のうち何れか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記水酸化物として水酸化カリウムを主として利用した場合には、前記融解工程は３００〜４００℃で行うことを特徴とする請求項７乃至１２のうち何れか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記融解工程後に、前記ケイ酸アルカリを固化させる固化工程を、さらに具備することを特徴とする請求項７乃至１４のうち何れか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記融解工程後に、融解させたケイ酸アルカリと水とを混合してケイ酸アルカリ水溶液を生じさせることを特徴とする請求項７乃至１４のうち何れか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記析出工程において利用される前記酸は、塩酸、硫酸、硝酸及び燐酸からなる群から選択されることを特徴とする請求項７乃至１６のうち何れか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記析出工程後の溶液に、アルカリを添加して中和させる中和工程をさらに有する請求項７乃至１７のうち何れか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記アルカリは、水酸化ナトリウム及び／又は水酸化カリウムである請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
水酸化物を得るために、前記中和工程で生成した塩を電気分解させる電気分解工程をさらに具備することを特徴とする請求項１８又は１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記二酸化ケイ素を水に接触させ、該二酸化ケイ素に含まれる塩化ナトリウム及び／又は塩化カリウムを分離する工程をさらに有する、請求項４乃至６、８乃至２０のうち何れか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記二酸化ケイ素を酸に接触させ、該二酸化ケイ素に含まれる不純物である金属を分離する工程と、次いで該二酸化ケイ素を水に接触させ、該二酸化ケイ素に含まれる塩化ナトリウム及び／又は塩化カリウムを分離する工程と、をさらに有する、請求項４乃至６、８乃至２０のうち何れか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記二酸化ケイ素に含まれる塩化ナトリウム及び／又は塩化カリウムを分離する工程は、１．０μｍ以上５．０μｍ以下のメッシュフィルターを用いて分離される請求項２１又は２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ケイ酸アルカリ水溶液と不溶物を分離する分離工程は、０．５μｍ以上１．０μｍ以下のメッシュを有するフィルターを用いて行われることを特徴とする請求項７乃至２３のうち何れか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記ケイ酸アルカリ水溶液と不溶物を分離する分離工程は、遠心分離により行なわれる請求項７乃至２３のうち何れか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記酸は、塩酸である請求項１乃至２５のうち何れか一項に記載の方法。
【請求項２７】
請求項４乃至６、８乃至２６のうち何れか一項に記載の方法により得られた二酸化ケイ素を用いて、セラミックスを製造することを特徴とするガラス状物質及び／又はセラミックスのリサイクル方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス、ケイ砂、ケイ石、焼却灰、焼却灰をガラス状物質としたもの、陶器、磁器等のケイ素を含む物質から、ケイ酸ないしは二酸化ケイ素を得る方法に係り、より詳細には、アルカリ融解を利用して、廃棄ガラス及び／又はセラミックス等からのケイ酸ないしは二酸化ケイ素の抽出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
容器・包装リサイクル法等の施行により、種々の物質のリサイクルや再利用に対する関心が高まっており、それを可能とするための分別回収も広く行なわれている。
【０００３】
例えば、産業廃棄物として大量に処分されるガラス製品の再利用においては、廃棄ガラス容器の形状、着色又はガラスに含有する成分の相違に基づいて、発生する廃棄ガラスの分別処理を行っている。しかし、透明ガラスや褐色ガラスは再利用されてはいるが、上記以外の着色ガラス容器は、色や形状が多種類存在するため、再利用ガラス容器としての利用が困難である。
【０００４】
なお、最近では、かかる飲料用着色ガラス容器などを用いて、カレットを作製し、道路の舗装剤などに利用されているが、広くは普及している状態ではない。
【０００５】
上記ガラス廃棄物の主成分は二酸化ケイ素であるため、着色ガラス容器から二酸化ケイ素を回収できれば、多様な用途に応用可能である。
【０００６】
かかる状況下において、無色透明及び着色のガラス容器を問わず、産業廃棄物のガラス製品から二酸化ケイ素を回収する方法、さらには、陶器、磁器、焼却灰、焼却灰を溶融したガラス状物質から二酸化ケイ素を回収する方法が要望されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記した事情に鑑み、本発明は廃棄ガラスから二酸化ケイ素を抽出する方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、ケイ素を含むガラス状物質及び／又はセラミックスからケイ酸を得る方法であって、ケイ酸アルカリを形成させる工程と、該ケイ酸アルカリをケイ酸アルカリ水溶液とする工程と、該ケイ酸アルカリ水溶液中の不溶物を分離する工程と、該不溶物を分離したケイ酸アルカリ水溶液に酸を添加してケイ酸を得る工程と、を有するケイ酸を得る方法により達成される。
【０００９】
前記不溶物は、金属塩や炭素等である。
【００１０】
本発明の好ましい態様では、高い純度のケイ酸を得ることを特徴とする。
【００１１】
また、上記目的は、ケイ素を含むガラス状物質及び／又はセラミックスからケイ酸を抽出する方法であって、ケイ酸アルカリを形成させる工程と、該ケイ酸アルカリをケイ酸アルカリ水溶液とする工程と、該ケイ酸アルカリ水溶液中の不溶物を分離する工程と、該不溶物を分離したケイ酸アルカリ水溶液に酸を添加してケイ酸を得る工程と、を有する、ケイ酸の抽出方法により達成される。
【００１２】
本発明の好ましい態様では、高い純度のケイ酸を抽出することを特徴とする。
【００１４】
本発明の好ましい態様では、上述の得られたケイ酸を、乾燥させて二酸化ケイ酸を得ることを特徴とする。
【００１５】
本発明の好ましい態様では、前記ケイ酸アルカリ水溶液に酸を添加してケイ酸を得る工程後の溶液に、水酸化ナトリウム及び／又は水酸化カリウムを添加して中和させる中和工程をさらに有することを特徴とする。
【００１６】
本発明の好ましい態様では、前記ケイ酸アルカリを形成させる工程で使用するアルカリと、前記中和に使用するアルカリとが、いずれも水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムである。
【００１７】
上記目的は、ケイ素を含むガラス状物質及び／又はセラミックスからのケイ酸の抽出方法であって、ケイ酸アルカリが生じるように、前記ガラス状物質及び／又はセラミックスと水酸化物とを融解させる融解工程と、ケイ酸アルカリ水溶液が生じるように、前記ケイ酸アルカリを水に溶解させる溶解工程と、前記溶解工程にて水に溶解しなかった不溶物を除去するために、前記ケイ酸アルカリ水溶液と不溶物を分離する分離工程と、分離後のケイ酸アルカリ水溶液に酸を添加してケイ酸を析出させる析出工程と、を具備することを特徴とする抽出方法により達成される。
【００１８】
また、上記目的は、ケイ素を含むガラス状物質及び／又はセラミックスからの二酸化ケイ素の抽出方法であって、ケイ酸アルカリが生じるように、前記ガラス状物質及び／又はセラミックスと水酸化物とを融解させる融解工程と、ケイ酸アルカリ水溶液が生じるように、前記ケイ酸アルカリを水に溶解させる溶解工程と、前記溶解工程にて水に溶解しなかった不溶物を除去するために、前記ケイ酸アルカリ水溶液と不溶物を分離する分離工程と、分離後のケイ酸アルカリ水溶液に酸を添加してケイ酸を析出させる析出工程と、二酸化ケイ素を生じさせるように、前記ケイ酸を乾燥させる乾燥工程と、を具備することを特徴とする抽出方法により達成される。
【００１９】
本発明の好ましい態様では、前記融解工程において、前記ガラス状物質及び／又はセラミックスと前記水酸化物とは、５〜２０：８０〜９５の重量比で混合されることを特徴とする。
【００２０】
本発明の好ましい態様では、前記融解工程は、二酸化炭素が含まれない状態で行なわれることを特徴とする。
【００２１】
本発明の好ましい態様では、前記融解工程は、二酸化炭素が分解しない条件で行なわれることを特徴とする。
【００２２】
本発明の好ましい態様では、前記融解工程において、前記水酸化物は水酸化ナトリウム及び／又は水酸化カリウムを主とすることを特徴とする。
【００２３】
本発明の好ましい態様では、前記水酸化物として水酸化ナトリウムを主として利用した場合には、前記融解工程は４００〜６００℃で行うことを特徴とする。
【００２４】
本発明の好ましい態様では、前記水酸化物として水酸化カリウムを主として利用した場合には、前記融解工程は３００〜４００℃で行うことを特徴とする。
【００２５】
本発明の好ましい態様では、前記融解工程後に、前記ケイ酸アルカリを固化させる固化工程を、さらに具備することを特徴とする。
【００２６】
本発明の好ましい態様では、前記融解工程後に、融解させたケイ酸アルカリと水（特に、高温水が好ましい）を混合してケイ酸アルカリ水溶液を生じさせることを特徴とする。
【００２７】
本発明の好ましい態様では、前記析出工程において利用される前記酸は、塩酸、硫酸、硝酸及び燐酸からなる群から選択されることを特徴とする。
【００２８】
本発明の好ましい態様では、前記析出工程後の溶液に、アルカリを添加して中和させる中和工程をさらに有する。
【００２９】
本発明の好ましい態様では、前記アルカリは水酸化ナトリウム及び／又は水酸化カリウムである。
【００３０】
本発明の好ましい態様では、水酸化物を得るために、前記中和工程で生成した塩を電気分解させる電気分解工程をさらに具備することを特徴とする。
【００３１】
本発明の好ましい態様では、前記二酸化ケイ素を水に接触させ、該二酸化ケイ素に含まれる塩化ナトリウム及び／又は塩化カリウムを分離する分離工程をさらに有する。
【００３２】
本発明の好ましい態様では、前記二酸化ケイ素を酸に接触させ、該二酸化ケイ素に含まれる不純物である金属を分離する工程と、次いで該二酸化ケイ素を水に接触させ、該二酸化ケイ素に含まれる塩化ナトリウム及び／又は塩化カリウムを分離する分離工程と、をさらに有する。
【００３３】
本発明の好ましい態様では、前記二酸化ケイ素に含まれる塩化ナトリウム及び／又は塩化カリウムを分離する分離工程は、１．０μｍ以上５．０μｍ以下のメッシュフィルターを用いて分離される。
【００３４】
本発明の好ましい態様では、前記不溶物の分離工程は、０．５μｍ以上１．０μｍ以下のメッシュを有するフィルター（例えば、ガラス繊維ろ紙）を用いて行なわれる。
【００３５】
本発明の好ましい態様では、前記分離工程は、遠心分離により行なわれる。
【００３６】
本発明の好ましい態様では、前記酸は、塩酸である。
【００３７】
上記目的は、上記得られた二酸化ケイ素を用いて、セラミックス（例えば、ガラス）を製造することを特徴とするセラミックスのリサイクル方法により達成される。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明によるガラスからの二酸化ケイ素の抽出方法を、好ましい実施態様に基づいて詳細に説明する。
【００３９】
本発明の対象であるガラスの主成分は、通常、ＳｉＯ２である。本発明による含ケイ素ガラスからの二酸化ケイ素の抽出方法は、図１に示すように、ガラス物質と水酸化物とを電気炉で融解、具体的にはアルカリ融解させる。本発明に利用する水酸化物には、水酸化ナトリウムと水酸化カリウムとがある。上記水酸化物とガラス物質との混合比は、ＳｉＯ２を主成分とする石英ガラスと水酸化物とを用いた後述するモデル実験１から、重量比で５〜２０：８０〜９５、好ましくは７〜１３：８７〜９３、より好ましくは８〜１２：８８〜９２であることが好ましい。これは、アルカリ融解の条件及び生成するケイ酸アルカリの水に対する溶解性から、全固形分に対して、ＳｉＯ２が２０重量％を越え、水酸化物が８０重量％未満では、十分にアルカリ融解せず、また生成したケイ酸アルカリの水に対する溶解性が低下するためである。
【００４０】
前記アルカリ融解に水酸化ナトリウムを利用する場合を図１に示すが、後述するモデル実験１から、溶融温度としては４００〜６００℃、好ましくは４２０〜５８０℃、より好ましくは４５０〜５５０℃で行う。また、前記アルカリ融解に水酸化カリウムを利用する場合には、溶融温度としては、３００〜４００℃、好ましくは３１０〜３９０℃、より好ましくは３３０〜３８０℃で行う。さらに、溶融時間は、２時間以上であることが好ましい。
【００４１】
なお、この反応を効率よく進行させるため、予めケイ素を含むセラミックスを粉砕することが望ましい。
【００４２】
かかるアルカリ融解によりケイ酸ナトリウムが生成する（図１を参照）。具体的には、水に良く溶解するケイ酸ナトリウムやケイ酸カリウムを生じさせる。このアルカリ融解の際に、大気中で接触させると、大気中の二酸化炭素が炭素と酸素になり、特に炭素がケイ酸アルカリに混入して、その色は黒くなる黒化現象が確認される。これは、ニッケル坩堝を使用した際に起こる現象であることが判明した。なぜならば、モリブデン坩堝を利用した場合には、ケイ酸アルカリの黒化現象は観測されなかったからである。ただし、モリブデン坩堝を使用した際の温度はニッケル坩堝よりも低温で使用しなければならない。
【００４３】
ニッケル坩堝を利用した場合には、ニッケルが触媒として作用して二酸化炭素を分解し、その分解により生成した炭素がケイ酸アルカリに混入し、黒化現象を引き起こしているものと考えられるが、後述するろ過法により、混入した炭素は容易に除去できる。
【００４４】
次に、生成したケイ酸アルカリを水（好ましくは蒸留水）に接触させる。この時、水溶液は高濃度のアルカリ水溶液になる。
【００４５】
なお、アルカリ融解の際には、大気中の二酸化炭素が分解して炭素が反応物に混在するので、得られた反応物に蒸留水を加えた後、炭素が水溶液中を溶解せずに混在する。また、反応物に蒸留水を加えてケイ酸ナトリウム水溶液を生成させる際、溶解が困難な水酸化金属（例えば、水酸化鉄、水酸化マンガン等）の沈殿物も水溶液中に混在する。
【００４６】
したがって、ケイ酸ナトリウム水溶液を得る際には、反応物に水を加えて水溶液とした後に、この水溶液をろ過して、ケイ酸ナトリウム水溶液と炭素及び水酸化金属の沈殿物を分離する必要がある。なお、ケイ酸ナトリウム水溶液及び炭素と水酸化金属の沈殿物をろ過により分離する段階で、純粋なケイ酸ナトリウム水溶液を得ることが望ましいが、水酸化金属の存在はこの段階で水溶液として溶解していればこの方法において許容できる。
【００４７】
着色ガラス製品に含有される鉄やマンガン由来の水酸化物は高濃度のアルカリ水溶液に不溶性であるので、ろ過することにより、着色原因である鉄やマンガン等の金属を除去することができる。ただし、微量に存在する金属イオンは水に溶解させたケイ酸アルカリ水溶液にまだ残存する。ろ過の際には、０．５〜１．０μｍ、好ましくは０．６〜０．９μｍ、より好ましくは０．６〜０．８μｍのメッシュを有するガラス繊維ろ紙を用いると、不純物をろ過する目的を達成させることが可能である。０．５μｍ以下のメッシュではろ過に時間がかかり、１．０μｍ以上のメッシュでは不純物を除去することが難しい。
【００４８】
また、ニッケル坩堝を利用した際の問題である炭素は、それ自体水に溶解しないので、前記したろ過により容易に除去可能である。
【００４９】
しかる後に、ケイ酸アルカリ水溶液に酸を加える。酸の具体例には、塩酸、硫酸、硝酸及び燐酸などの無機酸があるが、特に、実用上、塩酸を添加することが好ましい。酸をケイ酸アルカリ水溶液に添加させて酸性（例えばｐＨが１以下）の水溶液とした後、煮沸させてケイ酸（Ｓｉ（ＯＨ）４）を沈殿・析出させる。その後、このケイ酸を乾燥させて二酸化ケイ素とする。ここで、ケイ酸は高濃度の酸には溶解しないのに対し、微量の金属は酸に溶解する。
【００５０】
前記した抽出方法を要約すると、以下に記載する３つの化学反応式にて記載される反応により、主に構成される（図２）。
【００５１】
次に、図３によって、この発明における二酸化ケイ素の回収方法の一例を説明する。
【００５２】
図３は、本発明における二酸化ケイ素の回収に必要となる装置を示したものである。反応容器１に上記方法で得た酸性のケイ酸ナトリウム水溶液を入れ、加熱装置２により反応容器１を過熱して水溶液を煮沸する。加熱により発生する水蒸気は、ボンベ３から反応容器１に導入されたアルゴンガスとともにケルダール傾斜管４を経て、冷却管５で冷却されて液体として回収容器６に回収される。また、反応容器１の水溶液に含まれる塩酸も煮沸により塩化水素として蒸発し、ボンベ３から反応容器１に導入されたアルゴンガスとともにケルダール傾斜管４及び冷却管５を経て塩酸として回収容器６に回収される。
【００５３】
この方法により反応容器１内に存在する水分は、煮沸を継続するにともない初期の量に比べ減少する。この水分の減少は、ケイ酸ナトリウムを溶解する役目である水分の減少を示す。したがって、煮沸を継続することは、反応容器１内でのケイ酸の沈殿及び塩化ナトリウム結晶の析出の進行を促す。この煮沸は、反応容器１内の水溶液中にケイ酸の沈殿及び塩化ナトリウム結晶の析出が確認できるまで継続する。煮沸に関しては、初めにケイ酸の沈殿が確認でき、次いで塩化ナトリウム結晶の析出が確認できるので、この塩化ナトリウム結晶の確認が煮沸の終了を意味する。なお、この煮沸の終了を塩化ナトリウム結晶の確認とした理由については、塩化ナトリウムの水に対する溶解度がケイ酸に比べて大きいことによる。すなわち、反応容器１内の塩化ナトリウム結晶の存在は、ケイ酸を溶解するために必要とされる水分子が同反応容器１内に存在しないことを意味するからである。
【００５４】
次いで、反応容器１で得られたケイ酸及び塩化ナトリウムと水溶液をろ過法（２．７μｍのガラス繊維ろ紙を用いた）により分離して、ケイ酸及び塩化ナトリウムを抽出する（このろ過の際にも若干の金属が混在する可能性もあるが、後述するとおりこの混在した金属は酸を用いて分離できる）。
【００５５】
抽出されたケイ酸及び塩化ナトリウムを予め洗浄した反応容器１に移し、さらにこの反応容器１に蒸留水を加えて、再度、加熱装置２により反応容器１を加熱し、反応容器１内の水溶液を乾固させる。煮沸及び乾固の際に発生する水蒸気は、ボンベ３から反応容器１に導入されたアルゴンガスとともにケルダール傾斜管４を経て、冷却管５で冷却されて液体として回収容器６に回収される。この方法により、ケイ酸は乾固により水分が蒸発して二酸化ケイ素となる。先に述べたように、乾固後、得られた二酸化ケイ素及び塩化ナトリウムには若干の金属が混在している可能性があるので、この反応容器１内に塩酸を加え、加熱装置２により反応容器１を再度加熱して反応容器１内の塩酸を煮沸して金属を溶解する。塩酸の煮沸により発生する塩化水素は、ボンベ３から反応容器１に導入されたアルゴンガスとともにケルダール傾斜管４及び冷却管５を経て塩酸として回収容器６に回収される。
【００５６】
煮沸後、ろ過法（２．７μｍのガラス繊維ろ紙を用いた）により反応容器１内の二酸化ケイ素及び塩化ナトリウムと金属が溶解している塩酸溶液を分離して、二酸化ケイ素及び塩化ナトリウムを抽出し、この二酸化ケイ素及び塩化ナトリウムに蒸留水を加えて塩化ナトリウムを溶解させ、塩化ナトリウム水溶液中の二酸化ケイ素をろ過法（２．７μｍのガラス繊維ろ紙を用いた）により抽出する。なお、塩化ナトリウムは水に溶解するので、蒸留水を加えながらろ過を行い二酸化ケイ素をさらに洗浄することが望ましい。ろ過後、得られた二酸化ケイ素を乾燥する。
【００５７】
このようにして、ガラス形成物質である二酸化ケイ素を回収することができる。
【００５８】
さらに、ケイ酸を析出させた後の、塩酸を添加したケイ酸アルカリ水溶液を水酸化ナトリウムで中和すると、ＮａＣｌ水溶液またはＫＣｌ水溶液が生成する。これらの塩化物を常法の電気分解により水酸化ナトリウム又は水酸化カリウム及び塩酸を回収すること可能であり、前記融解工程にて再利用することもできる。更に、回収容器６に回収された塩酸についても、前記融解工程にて再利用することができる。
【００５９】
以上説明した通り、本発明による二酸化ケイ素の抽出方法は、ケイ酸ナトリウムの作製工程と、ケイ酸の沈殿・析出工程と、乾燥工程とからなる。
【００６０】
着色ガラス製品は、通常、金属を含有している。具体的には、ワインビンの緑は鉄イオンやマンガンイオンに、ビールビンの褐色は鉄イオンに、それぞれ起因している。
【００６１】
本願では、上記事実に基づき、着色ガラス製品の成分として主に使用されているＳｉＯ２と、他の金属元素Ａｌ、Ｃａ、Ｆｅ及びＭｎに着目した。
【００６２】
モデル実験２として、ＳｉＯ２、Ａｌ、ＣａＣＯ３、Ｆｅ２Ｏ３及びＭｎＯ２の粉末試料を利用し、上記成分の所定重量比の所定量に溶解した水溶液を作製し、水溶液に溶解したＳｉＯ２を収率よく、且つ、高純度で回収可能な方法を検討した。
【００６３】
その後、上記のモデル実験で確立した方法を、実際の着色ガラス製品に適用し、着色ガラスから二酸化ケイ素の抽出を試み、産業廃棄物である着色ガラスへの応用を行い、首尾よく着色ガラス製品から二酸化ケイ素を回収することができることを確認した。
【００６４】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本実施例は本発明の範囲を限定するものではない。
【００６５】
[モデル実験１]
ＳｉＯ２を主成分とする石英ガラスと水酸化ナトリウムを、種々の重量比で混合し、ニッケル坩堝にて５００℃でアルカリ融解させたモデル実験１を行った。その際に、溶融時間を１〜３時間と変化させた。本実験では、アルカリ融解の条件を求めることを目的とした。
【００６６】
石英ガラスの溶融状態及び生成したケイ酸ナトリウムの水に対する溶解性を評価した。その結果を図４に示す。
【００６７】
図４は、電気炉を用いて、石英ガラスと水酸化ナトリウムとのアルカリ融解において、水酸化ナトリウムの重量濃度と溶融時間を変化させた場合の結果を示す図である。図中の×は石英ガラスが未溶融であり、◎は生成したケイ酸ナトリウムが十分に水に溶解した結果を示す。モデル実験１から、ＳｉＯ２と水酸化ナトリウムとからなるアルカリ融解の条件としては、ＳｉＯ２が２０重量％以下、水酸化ナトリウムが８０重量％で、溶融温度２時間以上にて、本願の目的を達成するための条件であることが判明した。
【００６８】
図示してないが、ＳｉＯ２と水酸化カリウムとのアルカリ融解では、ニッケル坩堝とモリブデン坩堝を利用し、３６０℃で行ったが、ＳｉＯ２と水酸化カリウムとの混合割合、溶融時間に関しては、同様の結果が得られた。
【００６９】
[モデル実験２]
産業廃棄物である着色ガラスを収集し、粉砕させた。エネルギー分散Ｘ線分光（Energy  Dispersive  X-ray  Spectroscopy、以下、「ＥＤＸ」という）法により粉砕ガラスを分析したところ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｋ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｕ元素が含まれていることが判明した。
【００７０】
実際の廃棄ガラス製品から二酸化ケイ素を回収するに先立ち、ＥＤＸによる上記結果を基礎とした、モデル実験２を以下のように行った。
【００７１】
ＳｉＯ２：Ａｌ：ＣａＣＯ３：Ｆｅ２Ｏ３：ＭｎＯ２＝７０：１０：１０：５：５（重量比率）となるように秤量した。ＳｉＯ２と水酸化ナトリウムを１０：９０の重量比で混合し、５００℃で２時間アルカリ融解させた。アルカリ融解により生成したケイ酸ナトリウムを水に溶解させ、溶液Ａを得た。
【００７２】
次に、Ａｌ、ＣａＣＯ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｎＯ２を前記した重量比で塩酸に溶解させ、Ａｌ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｍｎイオンを含有させた塩酸水溶液Ｂを得た。
【００７３】
前記した溶液Ａ及び塩酸水溶液Ｂとを混合させた溶液Ｃを調製した。本溶液Ｃを煮沸させるとケイ酸と塩化ナトリウムとが生成し、沈殿・析出した。この場合に塩酸による強酸であるため、他の金属イオンは溶解したままである。このケイ酸は塩酸溶液中では溶解しないので、その塩酸溶液からろ過し、加熱乾燥させることにより、二酸化ケイ素を得た。ＮａＯＨを用いたアルカリ融解により得た水溶液からの二酸化ケイ素の収率は、９８．３±０．９％であった。
【００７４】
得られた二酸化ケイ素は、フッ化水素酸（ＨＦ）を用いて、以下の化学式に従い、その二酸化ケイ素の純度を算出したところ、９９．７５±０．１５％であった。
【００７５】
ＳｉＯ２    ＋    ４ＨＦ  ―＞  ＳｉＦ４    ＋    ２Ｈ２Ｏ
なお、ＫＯＨを用いたアルカリ融解により得た水溶液からの二酸化ケイ素の収率は、９７．７５±１．０５％であり、上記化学式より純度を算出したところ、９９．８５±０．０５％であった。
【００７６】
例  １
前述のモデル実験の結果をもとに、ワインビン及びビールビンを含む緑、青、褐色及び黒の着色ガラスビンなどの廃棄ガラスビンを粉砕させた各着色ガラスビンの粒子５ｇと、水酸化ナトリウム４５ｇとを混合し、電気炉にて、５００℃、２時間でアルカリ融解させた。自然冷却により固化させた後、水を添加してケイ酸ナトリウムの水溶液を作製し、次いで０．７μｍのメッシュを有するガラス繊維ろ紙を用いて前記水溶液をろ過した。ろ過後、ケイ酸ナトリウムを含有する水溶液に塩酸を添加し、煮沸するとケイ酸の沈殿物が析出した。このケイ酸を取出し加熱させると、水が蒸発して、モデル実験２と同様に純度９９．９％の二酸化ケイ素が得られた（表１のサンプル１〜４を参照）。他方、ＫＯＨを用いたアルカリ融解により得た水溶液からの二酸化ケイ素の純度も９９．９％であった（表１のサンプル１〜４を参照）。
【００７７】
【表１】
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各着色ガラスビン及び着色ガラスビンの混合物からの二酸化ケイ素の抽出結果を示す表である。
【００７８】
例  ２
例１では、各着色ガラスビン毎の二酸化ケイ素の抽出を例示したが、本例では、着色ガラスビンを混合させて、二酸化ケイ素の抽出を行った。
【００７９】
ワインビン及びビールビンを含む緑、青、黒又は褐色の着色ガラスビンの廃棄ガラスビンを集めてまとめた。そのまとめた廃棄ガラスビンを粉砕させた５ｇのガラス粒子と、水酸化ナトリウム４５ｇとを混合し、電気炉にて、５００℃、２時間アルカリ融解を行った。融解させた高温度のケイ酸ナトリウムを水に投入させてケイ酸ナトリウムの水溶液を生成させた。遠心分離機による分離・ろ過後、ケイ酸ナトリウムを含有する水溶液に塩酸を添加し、煮沸するとケイ酸の沈殿物が析出した。このケイ酸を取出して加熱させると、水を蒸発させると収率９９．９％（ＫＯＨにより算出）、純度９９．９％の二酸化ケイ素が得られた（表１のサンプル５を参照）。なお、ＫＯＨについても同様の結果が得られ、９９．９％の純度を持つ二酸化ケイ素を回収できたことが確認できた。
【００８０】
また、ケイ酸を析出させた溶液に水酸化ナトリウムを添加して中和させる。その際に生成する塩化ナトリウムを、従来公知の電気分解により水酸化ナトリウム及び塩酸として回収し、アルカリ融解及び塩酸添加の際に再利用可能となる。また、前記回収容器６で回収された塩酸についても塩酸添加の際に再利用可能となる。
【００８１】
さらに、アルカリ融解を水酸化カリウムで行った際には、前述と同様に水酸化カリウム及び塩酸が回収され、再利用可能となる。また、前記回収容器６で回収された塩酸についても塩酸添加の際に再利用可能となる。
【００８２】
【発明の効果】
発明によれば、廃棄ガラス製品から二酸化ケイ素を抽出することができ、産業廃棄物の一つである廃棄ガラスを二酸化ケイ素として再利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による二酸化ケイ素の抽出方法の工程図を示す。
【図２】本発明による二酸化ケイ素の抽出における主要な化学反応式を示す図である。
【図３】本発明による二酸化ケイ素の回収に必要となる装置を示す図である。
【図４】石英ガラスと水酸化ナトリウムとのアルカリ融解において、水酸化ナトリウムの重量濃度と溶融時間を変化させた場合の結果を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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