各種廃棄物からの利材化

著者： 吉田　悟、西島信一  ／  講演者： 中平　敦 ／  講演日： 2024年1月17日 ／  カテゴリ： 環境研究会  ／  更新日時： 2024年05月26日

　

近畿本部登録　環境研究会 第108回特別講演会

講演　各種廃棄物からの利材化
溶液プロセスからのセラミックス合成

日　時：　2024年1月17日（土）14時～16時
場　所：　アーバネックス備後町ビル（Zoom併用形式）
講　師：　中平 敦氏　  大阪公立大学・物質化学生命系マテリアル工学科教授

はじめに

　中平先生は永らく「構造制御によるセラミックス材料の高機能化に関する研究」を続けてこられた。研究室では企業から各社の廃棄物を利材化できないか相談され研究を進めておられる。そこで「各種廃棄物の利材化」に焦点を当てたテーマでご講演をいただいた。

１．材料と合成方法の紹介

１－１　材料紹介

本講演で紹介された各種廃棄物の利材化は、スラグ→ゼオライトやトバモライト、廃ガラス→ゼオライト、もみ殻や火山灰→ゼオライト、石膏・牛骨・魚骨→アパタイト　などである。

(１) ゼオライト　Zeolite

ゼオライトとは、水分子を結晶水の形で構造中に主成分として含む、含水アルミノケイ酸塩鉱物で、1756年クローンステッドにより発見された。国内でも天然ゼオライとトを鉱物資源として算出している。ゼオライトの機能は・陰イオン交換能・吸着能・分子ふるい能・触媒能など特殊な特性を持つ材料である。

(２) ケイ酸カルシウム

健康被害で問題となったアスベストの代替で耐火断熱性に優れた材料として、ケイカル板などの名前で建材として使用されているケイ酸塩類の一種で、酸化カルシウム、二酸化ケイ素、水などが様々な割合で結合した組成物の総称。水熱処理によりケイ酸カルシウム水和物は合成可能。ケイ酸カルシウムの中でCSH、トバモライ、ゾノライト、ジャイロライトが主要である。

(３) 水酸アパタイト

バイオセラミックスとして歯や骨はコラーゲンとアパタイトでできている。歯や骨の無機成分は ハイドロキシアパタイト（Hydroxyapatite：HAp）であり、硬組織として体の保護や荷重に耐える。アパタイトの特徴は他の材料に比べ高いイオン貯蔵能を持ち、それ故、アパタイト構造中に生体必須の元素（Fe、Zn、Mn、Cuなど）がイオンとして取り込まれ貯蔵され、「恒常性の維持、骨形成・吸収」に重要な役割を果たす。

１－２　合成方法

材料合成の手法には・固相法・液相法・気相法があるが、廃棄物の利材化では液相法で水溶液プロセスが主流である。水溶液プロセスのソフトケミストリー合成に分類される中でも水熱反応が良く使われる。

(１) 水熱合成とは

水熱合成は地球科学的な物質生成を模倣して始められた合成法で、特徴は熱水の下で結晶を育成させる結晶合成法で高温・高圧ではなく、比較的低温で物質を合成するのに有効な方法で、工業的には水晶やルビーの合成に用いられる。水熱合成の定義100℃、1気圧以上の高温高圧下の水が関与する反応であり、合成にかかわる際は水熱合成という。水熱反応を実施するためには通常、オートクレープが用いられる。

２．各種廃棄物の利材化

２－１　スラグ

日本では製鉄所で約３千万t/年のスラグが排出され、その多くは道路の路盤材やセメントの添加剤に用いられており、それ以外の用途に利用できないかを研究している。スラグの利材化としては、回転水熱でトバモライト、静置水熱でゼオライトを合成する研究を進めた。

(１) 回転水熱処理

通常の水熱処理と比べて、結晶性の良いトバモライトが短時間で合成可能である。170°24hではC-S-H単一層の生成、170°48hでトバモライトの生成が可能で、実験室で得られてもなかなか企業化が見られていない。トバモライトは数万トン／年の規模で水熱合成する企業がある。（壁や外壁建材の原料）

(２)水砕スラグからゼオライトの合成

Caを除去してHNO3処理し静置水熱処理で条件を変えて A型ゼオライト、Y型ゼオライト、P型ゼオライト、ANAゼオライトを合成した。重金属除去試験では、スラグから合成したトバモライトとA型ゼオライトも重金属除去機能を有し、A型ゼオライトは非常に高い除去機能を示した。これらの研究は20年前の成果である。

２－２　液晶テレビのリサイクル

液晶テレビリサイクルについてメーカーと共同研究を行った。それは、
①廃液晶ガラスのゼオライト化、
②堺浜などの環境浄化模擬実験、
③メカノケミカル法を用いた蓄光材料開発、
④LED等の植物工場への応用研究（ドバイ職位物工場研究センター）で、

そのうち当研究室では、主として廃液晶ガラスのゼオライト化をメーカー出向研究者と共同研究を行った。

液晶パネルのゼオライト化について、ガラス基板は・液晶パネルの大半を占め、アルミノホウケイ酸ガラスが使用され、現状有価物へリサイクルされていない。アルミノホウケイ酸ガラスからLTAゼオライト合成実験を、粉砕ガラスに酸処理を行い水熱処理プロセスで行った。実験は約5年間におよび市販のA型ゼオライトに比べて微細な結晶構造を生成できた。

その後メーカーの事情で一定の成果を上げて終了となった。

２－３植物性廃棄物

籾殻、藁などの再利用はシリカが多く含まれることから研究を行った。籾殻には20％シリカが含まれ燃やすとシリカが90％となる。この焼却灰を利用してシリコンを抽出これにAl源を加えてA型ゼオライト100％単一相が生成できた。

２－４火山灰

桜島周辺では年間600万トン以上の降灰がありほとんど産業廃棄物として処分されており、有効利用方策が模索されている。火山灰には約60％のSiO2と15％のAL2O3が含まれゼオライトの合成に期待があり研究した。実験はギ酸処理した火山灰を用いてゼオライト合成を行った。

まとめ

中平研究室では廃棄物利材化を目指して研究室に企業から持ち込まれた無期系廃棄物を利用した利材化の研究を行ってきたが、廃棄物の利材化は生成するものが比較的安価で、商業ベースに乗ることが非常に難しいのが実情である。しかし今後社会のニーズや環境が変化し、持続可能な社会の実現に貢献できると思っている。このように利材化研究は地域の特徴を活かしつつ、人材も活用できるので、今後地域に根差したプロジェクト化が望まれる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　以上

（文責　吉田　悟、西島信一　  監修　中平　敦）