図2：発泡剤の用量と発泡石膏穴の体積の関係

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1 図2：発泡剤の用量と発泡石膏穴の体積の関係
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） (担当教員：　藤野　毅) 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。 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 ｻﾝﾌﾟﾙ平均値 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 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 図１：発泡石膏質量の変化 名称 発泡剤の量ｇ 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ｃｍ３ 密石膏 無い 51.7 48 66 18 発泡石膏１ Ａｌ２（ＳＯ４）３　1.5ｇ　ＮａＨＣＯ３　０．３ｇ 83.9 35.2 82.1 46.9 17.68 発泡石膏２ Ａｌ２（ＳＯ４）３　2ｇ　ＮａＨＣＯ３　０．４ｇ 88.4 34.6 86.4 51.67 20.8 発泡石膏３ Ａｌ２（ＳＯ４）３　2.5ｇ　ＮａＨＣＯ３　０．５ｇ 79.6 34.7 82.5 52.5 25.39 発泡石膏４ Ａｌ２（ＳＯ４）３　3ｇ　ＮａＨＣＯ３　０．６ｇ 96.8 33.8 106.1 72.33 38.62 発泡石膏５ Ａｌ２（ＳＯ４）３　3.5ｇ　ＮａＨＣＯ３　０．７ｇ 81.4 33 95.8 65.8 34.46 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 ＫＴ：透水係数（ｃｍ/ｓ）　ｈ：水位差（ｃｍ） Ｑ：透水量（ｃｍ２）　（ｔ２－ｔ１）：測定時間（ｓ） Ａ:供試料の断面積（ｃｍ２） Ｌ：供試料の長さ（ｃｍ） Ｌ＝4.8ｃｍ, ｈ＝6ｃｍ, Ａ＝πｒ２＝3.14＊5.76＝18.09ｃｍ２ （ｔ２－ｔ１）＝180秒の場合は 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」 砂の場合： （ｔ２－ｔ１）＝60秒 ＫＴ＝0.0376（ｃｍ/ｓ） 土の場合： （ｔ２－ｔ１）＝300秒 ＫＴ＝ （ｃｍ/ｓ） 定水位法：水位差ｈを一定に保持し、土試料を通過した水量（透水量Ｑ）を測定する方法で、透水係数ｋは下の式を使って求めた。 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。 攪拌時間と透水係数の関係 石膏の組成分析 市販石膏 炭素平均値％ 60℃加熱 0.14 160℃加熱 0.20 650℃加熱 0.00 廃石膏 1.19 1.20 攪拌時間t (ｓ) 透水係数(cm/s) サンプル （5） 0.082 サンプル （10） 0.053 サンプル （15） 0.031 サンプル （20） 0.021 サンプル （25） 0.013 　廃石膏ボードの組成をX線回折により解析した。2水石膏から半水石膏へ変換はスクリューコンベアの加熱時間を長く、出口温度を高くするほど増大し、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％は残存した無水石膏とパルプ分であった。 　さらに、廃石膏は市販の石膏と比べてやや灰色がかっており、付着成分が影響していると思われる。そこで、炭素量がどれほど残存しているかを元素分析装置（CHNコーダー，Yanaco社）で調べた。 イオン測定 図4：攪拌時間と透水係数の関係 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。　 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 PH値 0.01 6.8 0.1 6.5 1.0 5.6 10 5.2 100 4.3 1000 3.0 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） 吸着材 Na2CO3+CaCl2(mg/L)(4:1) Na2SO4+CaCl2(mg/L)(4:1) Na2SO4+CaCl2(mg/L)(1:1) 石膏 0.13 0.20 0.22 廃石膏 0.11 0.1 大谷石 0.17 0.16 大谷石焼却品 0.21 備長炭原料 0.18 0.25 竹炭原料 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 除去率 （％） 商品 0.3 0.09 70 廃石膏 0.18 40 市販石膏 0.24 20 大谷石粉末 大谷石焼却品 0.19 37 備長炭原料 0.23 23 備長炭粉末 0.16 47 竹炭 0.21 30 竹炭粉末 図6　石膏による砒素除去率 振とう後PHの測定 吸着材 PH 商品 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 竹炭粉末 図8:振とう後のデータ 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。