3,発泡石膏ブロックの作成と重金属類除去効果の評価

Report
発泡石膏ブロックの作成と重金属類除去効果の評価
10ME222 :姜 東(キョウ トウ)
方法
背景
世界中、湖底や地下水にヒ素などの重金属類が高濃度で含まれていることが報告
されている。特に、地下水を生活用水として利用する途上国では、長期にわたる摂
取により人体に重大な影響を与えているものの、これを安価で簡易に取り除く方法
がないため、問題はますます深刻になっている。
本プロジェクトは、年々廃棄量が増加する石膏の有効利用法として、ヒ素をはじめ
とする重金属除去のためのフィルターとして活用することを試みる。ここでは、細粒
化した半水石膏を発泡させ、ブロック状にすることで、透水性を確保し、速やかに除
去するための工夫を考える。
(担当教員: 藤野 毅)
発泡石膏の成分(重量比):
石膏(無水)
CaSO4
94%
硫酸アルミニウム Al2(SO4)3
5%
炭酸水素ナトリウム NaHCO3
1%
これを、紙コップに入れて、
水
H2O
75%
を加えて、すぐに5秒間、すばやく攪拌する。これを、乾燥炉(ADVANTEC製定温乾燥器,
DRA330DA)に入れて80℃で24時間乾燥させた。
発泡中の化学反応式
Al2(SO4)3+6 NaHCO3=3 Na2SO4+2 Al(OH)3↓+6 CO2 ↑
発泡石膏の乾燥
80度で乾燥して 24時間後質量減らないで乾燥終了です
サンプル平均値
写真1: 攪拌直後の状態
写真2:出来上がった発泡石膏
発泡剤の用量と発泡石膏穴の体積の関係
名称
発泡剤の量g
密石膏
無い
直後質量、g
87.97
1時間後
83.52
3時間後
79.5
5時間後
72.09
22時間後
56.66
24時間後
56.34
24時間後/直後
0.64
体積cm3 質量g 吸水後質量g 質量差g 穴に吸水の質量g
穴の体積cm
3
51.7
48
66
18
0
0
発泡石膏1 Al2(SO4)3 1.5g NaHCO3 0.3g
83.9
35.2
82.1
46.9
17.68
17.68
発泡石膏2
発泡石膏3
発泡石膏4
発泡石膏5
88.4
79.6
96.8
81.4
34.6
34.7
33.8
33
86.4
82.5
106.1
95.8
51.67
52.5
72.33
65.8
20.8
25.39
38.62
34.46
20.8
25.39
38.62
34.46
Al2(SO4)3
Al2(SO4)3
Al2(SO4)3
Al2(SO4)3
2g NaHCO3 0.4g
2.5g NaHCO3 0.5g
3g NaHCO3 0.6g
3.5g NaHCO3 0.7g
図1:発泡石膏質量の変化
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Series
1
密石膏
発泡石膏1 発泡石膏2 発泡石膏3 発泡石膏4 発泡石膏5
図2:発泡剤の用量と発泡石膏穴の体積の関係
発泡石膏の透水試験
0.040
0.0376
透水係数 , cm/s
KT:透水係数(cm/s) h:水位差(cm)
0.035
定水位法:水位差hを一定に保持し、土試 Q:透水量(cm ) (t -t ):測定時間
0.030
2
2
1
料を通過した水量(透水量Q)を測定する (s)
0.025
方法で、透水係数kは下の式を使って求め A:供試料の断面積(cm2)
0.020
た。
0.0132
0.015
L:供試料の長さ(cm)
L
Q
0.010
L=4.8cm, h=6cm,
KT  
0.005
A=πr2=3.14*5.76=18.09cm2
0.000147
0.000
h A ( t 2  t 1) (t2-t1)=180秒の場合は
砂
ローム土
発泡石膏
Q=54ml
KT=0.0132(cm/s)
対照するために砂と土の透水係数も測りました」
図3:透水率。同様の試験を砂とローム土で行い、比較を行った結果、発泡石膏
砂の場合:
(t2-t1)=60秒 KT=0.0376(cm/s) は砂とローム土の間に位置し、フィルターとして適度な範囲に収まってる。
土の場合:
(t2-t1)=300秒 KT=0.000147(cm/s) 石膏の組成分析
攪拌時間と透水係数の関係
市販石膏
攪拌時間t (s) 透水係数(cm/s)
炭素平均値%
廃石膏ボードの組成をX線回折により解析した。 60℃加熱
サンプル (5)
0.082
0.14
2水石膏から半水石膏へ変換はスクリューコンベ 160℃加熱
サンプル (10)
0.053
0.20
アの加熱時間を長く、出口温度を高くするほど増
0.00
650℃加熱
サンプル (15)
0.031
発泡石膏(無水)を水が入ってるビーカーに入れて 24時間後どのぐ
らいイオンが浸みだすか、イオン濃度(Na, Ca, Mg, PO4などのプラスイ
オン)を測定した結果、何も検出されませんでした。
大し、164℃では残存する二水石膏が1.8%になり、
半水石膏は89.2%であった。残りの9.0%は残存し
廃石膏
た無水石膏とパルプ分であった。
炭素平均値%
さらに、廃石膏は市販の石膏と比べてやや灰色
1.19
がかっており、付着成分が影響していると思われ 60℃加熱
1.20
る。そこで、炭素量がどれほど残存しているかを 160℃加熱
0.00
元素分析装置(CHNコーダー,Yanaco社)で調べ 650℃加熱
た。
亜ヒ酸PHの測定 (PH測定装置:品番HM-5s)
吸着促進剤入りの振動実験
濃度mg/L
40mmol Na2CO3+10mmol CaCl2と40mM Na2SO4+10mM CaCl2 別々 濃度0.3mg
/Lのヒ素溶液にいれて 1gの吸着材をこの溶液40mlにいれると24時間の振とう
実験やります。(Na2CO3 + CaCl2は触媒)
サンプル (20)
サンプル (25)
0.021
0.013
イオン測定
図4:攪拌時間と透水係数の関係
PH値
PH値
0.01
0.1
1.0
10
100
1000
8
7
6
5
4
3
2
1
0
6.8
6.5
5.6
5.2
4.3
3.0
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00 1000.00 1200.00
濃度mg/L
ひ素の吸着効果の評価
図5:亜ヒ酸PHの測定
竹炭原料、竹炭粉末、備長炭原料と備長炭粉末を0.4gを取って 濃度0.3mg/Lのひ素
溶液40mlに入れると24時間振とう実験を行います。
吸着材
ひ素溶液
(0.3mg/L)
振とう後
(0.3mg/L)
0.3
0.09
70
廃石膏
0.3
0.18
40
市販石膏
0.3
0.24
20
大谷石粉末
0.3
0.18
40
大谷石焼却品
0.3
0.19
37
備長炭原料
0.3
0.23
23
備長炭粉末
0.3
0.16
47
竹炭
0.3
0.21
30
竹炭粉末
0.3
0.18
40
備長炭原料
竹炭原料
0.21
0.20
0.18
0.21
0.25
0.20
図6 石膏による砒素除去率
振とう後PHの測定
商品
Na2CO3+CaCl2(mg/L)(4:1) Na2SO4+CaCl2(mg/L)(4:1)
Na2SO4+CaCl2(mg/L)(1:1)
0.13
0.20
0.22
0.13
0.11
0.1
0.17
0.17
0.16
0.16
0.17
0.21
除去率
(%)
商品
吸着材
吸着材
石膏
廃石膏
大谷石
大谷石焼却品
PH
図8:振とう後のデータ
10.8
廃石膏
7.2
市販石膏
7.4
大谷石粉末
8.1
大谷石焼却品
8.4
備長炭原料
8.0
備長炭粉末
8.5
竹炭
8.4
竹炭粉末
8.5
今後の課題
ポイント:物理吸着比表面積が大きい、いろいろな粒度を持つ
石膏を発泡させ、大小様々な空隙中を溶液が通ることによる1回の重金属の除去率
は35-56%にとどまった。滞留時間が1分であるため、十分な除去を行うためには、
今後も空隙率と滞留時間による効果を検証し、一度でなく、数回循環させて除去する
ことを考える。
図7:振とう後PHの測定
*発泡石膏の作成には、(株)クレーバーン技術研究所の後藤優一研究員にご協力いただきました。

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