市販石膏（半水）とリサイクル石膏（無水）の表面構造

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1 市販石膏（半水）とリサイクル石膏（無水）の表面構造
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) 背景 廃石膏ボードの排出量（推定値） 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。 2010年3月　(社)石膏ボード工業会 石膏の基本特性 リサイクル石膏の製造過程例　（(株)クレーバーン技術研究所） 石膏の物理的性質　（技法堂：セメント・石灰・石膏ハンドブックより） 項目 α-半水石膏 β-半水石膏 ＩＩ－無水石膏 比表面積 (cm2/g) 3,490 5,790 7,840 比重 2.74 2.59 2.93 標準混水量(%) 36.7 84.7 35 フロー値(mm) 226 276 170 曲げ強度(kg/cm2) 147.7 45 82.1 圧縮強度(kg/cm2) 398 73 381 無水石膏は比表面積が大きく、難溶性である。利用後の処理が簡単な物理吸着を考える リサイクル石膏の製造過程例 石膏の組成分析 市販石膏（半水）とリサイクル石膏（無水）の表面構造 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 高分解能走査型電子顕微鏡 FE-SEM (HITACHI S-4100)による撮影 倍率：2,500倍 超高分解能走査型電子顕微鏡 FE-SEM (HITACHI S-4800) による成分分析結果 市販石膏（半水） リサイクル石膏（無水） 水中ヒ素除去の振とう実験 振とう時間による影響 　　吸着剤として、リサイクル石膏、市販石膏の他に、竹炭など６種類１g を取って　濃度0.3 mg/L のひ素溶液 40ｍｌの24時間振とう実験を行いました。 下の図は振とう後の砒素濃度を表します。 市販石膏とリサイクル石膏を対象に、振とう時間による吸着の違いを調べた。ここでは、純水中に砒素を入れたものと、硝酸ナトリウムおよび炭酸カルシウム溶液中に溶かしたものを比較した。どちらもリサイクル石膏で吸着量が多い。また、１０分以降、大きな変化は見られなかった。 水中ヒ素除去の振とう実験 振とう時間による影響 発泡石膏の作り方 PHは吸着効果への影響 発泡石膏の成分（重量比）：石膏（半水）CaSO4　· 　H2O 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。攪拌後、乾燥炉内（80℃）で24時間乾燥させる。 （10mM Na2SO4+10mMCaCl2）の溶液を濃度0.3ｍｇ/Lの砒素溶液にいれてpHを8.5に調整した。 同じ条件でpH調整をしていない条件（7．5）と比較した。振とう時間は２４時間　吸着剤質量は1g. 　　結果は下図に表す。特に、石膏とリサイクル石膏において、アルカリ化でより多く砒素濃度を低くすることができる。 写真：　攪拌直後の状態 写真：出来上がった発泡石膏 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） 発泡石膏フィルター材としての水中重金属の除去の効果 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。 　発泡石膏フィルターとして(底面半径2.5センチ ×高さ6センチ)濃度0.2mg/Lのひ素溶液1Lを そのフィルターで濾過する。ひ素除去の効果を 評価する 1回濾過の場合：0.165mg/Lになりました　 除去率は17.5% 10回濾過の場合：0.12g/Lになりました 　除去率は40% 20濾過の場合：0.1mg/Lになりました　 除去率は50% 図 ひ素の濾過実験 今後の課題 　石膏・リサイクル石膏は、主成分であるカルシウムを多く含んでいるため、pHを調整して、砒素をアパタイトCa5(AsO4)3OHとして固着させることも可能である。 しかし、いずれ、吸着後の処理、廃棄物管理の面で問題が生ずる。 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。 *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。