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公開番号2025035970
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-14
出願番号2023191008
出願日2023-11-08
発明の名称酸化カルシウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムの配合に基づく多源固体廃棄物の再資源化方法
出願人北京科技大学
代理人個人,個人
主分類B09B 3/40 20220101AFI20250306BHJP(固体廃棄物の処理;汚染土壌の再生)
要約【課題】多源固体廃棄物の相乗的な資源化を実現し、合金と無機非金属材料になり、プロセスが短く、応用面が広く、操作性が高く、産業化が容易であるという利点を有する、多源固体廃棄物の再資源化方法を提供する。
【解決手段】方法は、多源固形廃棄物成分データを収集するステップと、酸化カルシウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムに対して成分計算を行い、調合して、目標成分の無機非金属材料原料を得るステップと、原料を溶融させ、スラグになり、多源固体廃棄物中の炭素、金属アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素が還元剤とするステップと、スラグが、高温均質反応環境を提供し、反応物の溶媒として作用するステップと、還元剤がスラグ中の有価金属を還元して合金とし、有価金属回収を実現するステップと、スラグを高値化して無機非金属材料に使用するステップと、を含む。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
酸化カルシウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムの配合に基づく多源固体廃棄物の再資源化方法であって、
多源固形廃棄物成分データを収集するステップと、
酸化カルシウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムに対して成分計算を行い、調合して、目標成分の無機非金属材料原料を得るステップと、
原料を溶融させ、スラグになり、多源固形廃棄物中の還元剤がスラグ中の有価金属を還元して合金とし、有価金属回収を実現するステップと、
スラグを高値化して無機非金属材料に使用するステップと、を含むことを特徴とする、酸化カルシウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムの配合に基づく多源固体廃棄物の再資源化方法。
続きを表示（約 2,200 文字）【請求項２】
前記酸化カルシウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム及び酸化マグネシウムの単位組成マトリックスは、以下のように計算され
JPEG
2025035970000031.jpg
20
151
ここで、Ｐ
ｎ
はｎ番目の固形廃棄物中の添加量であり、
Ｑ
ｎ－ＣａＯ
は、ｎ番目の固体廃棄物中のＣａＯの含有量であり、
Ｑ
ｎ－ＳｉＯ２
は、ｎ番目の固体廃棄物中のＳｉＯ
２
の含有量であり、
Ｑ
ｎ－Ａｌ２Ｏ３
は、ｎ番目の固体廃棄物中のＡｌ
２
Ｏ
３
の含有量であり、
Ｑ
ｎ－ＭｇＯ
は、ｎ番目の固体廃棄物中のＭｇＯの含有量であり、
Ｇ
ｉ
は、ｉ番目の固体廃棄物中のＣａＯ、ＳｉＯ
２
、Ａｌ
２
Ｏ
３
およびＭｇＯの合計含有量であり、
αは、対象鉱物相組成領域におけるＣａＯ含有量であり、
βは、対象鉱物相組成領域におけるＳｉＯ
２
含有量であり、
γは、対象鉱物相組成領域におけるＡｌ
２
Ｏ
３
含有量であり、
δは、対象鉱物相組成領域におけるＭｇＯ含有量であり、
α、β、γ、δの合計は１であり、
ここで、前記添加量および含有量は重量％を意味することを特徴とする請求項１に記載の酸化カルシウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムの配合に基づく多源固体廃棄物の再資源化方法。
【請求項３】
前記スラグが、高温均質反応環境を提供し、反応物の溶媒として作用し、還元反応を固体／固体と固体／液体の不均質反応から均質反応に変化させることを特徴とする請求項１に記載の酸化カルシウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムの配合に基づく多源固体廃棄物の再資源化方法。
【請求項４】
前記多源固体廃棄物の還元剤が、炭素、アルミニウム金属、窒化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素のうちの少なくとも１つから選択されることを特徴とする請求項１に記載の酸化カルシウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムの配合に基づく多源固体廃棄物の再資源化方法。
【請求項５】
前記無機非金属材料が、ケイ酸塩系の無機非金属材料、アルミネート系の無機非金属材料、アルミノケイ酸塩系の無機非金属材料、およびアルミニウム－マグネシウム系の無機非金属材料のうちの少なくとも１つから選択されることを特徴とする請求項１に記載の酸化カルシウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムの配合に基づく多源固体廃棄物の再資源化方法。
【請求項６】
前記酸化カルシウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムの配合に基づく多源固体廃棄物の再資源化方法は、
Ｓ１：データ収集：多源固形廃棄物成分データを収集する、すなわち、多源固形廃棄物中のＣａＯ、ＳｉＯ
２
、Ａｌ
２
Ｏ
３
及びＭｇＯの含有量を決定するステップと、
Ｓ２：目標鉱物相組成と固体廃棄物原料を決定：無機非金属材料に使用するために価値の高いスラグの主鉱物相を決定し、ＣａＯ－ＳｉＯ
２
－Ａｌ
２
Ｏ
３
、ＣａＯ－ＳｉＯ
２
－ＭｇＯ、ＣａＯ－Ａｌ
２
Ｏ
３
－ＭｇＯ、ＳｉＯ
２
－Ａｌ
２
Ｏ
３
－ＭｇＯの三元相図に基づいて目標鉱物相組成領域を決定する、すなわち、ＣａＯ、ＳｉＯ
２
、Ａｌ
２
Ｏ
３
、ＭｇＯの含有重量％の範囲、原料として二つ以上の固形廃棄物または工業原料を選択するステップと、
Ｓ３：成分計算を行い、調合：選択された固体廃棄物の組成データと目標鉱相組成データを組成計算マトリックスに代入し、マトリックスを解き、選択された固体廃棄物の添加量を求め、調合して混合し、目標組成の無機非金属材料原料を得るステップと、
Ｓ４：溶融：前記原料を１３００～１８００℃に加熱した後、１．０～３．０時間の温度に保持し、溶融してスラグにするステップと、
Ｓ５：還元：前記スラグは高温の均一な反応環境を提供し、反応物の溶媒として作用し、還元剤はスラグ中の価金属を合金に還元するステップと、
Ｓ６：スラグと金属の分離：前記合金は、スラグよりも密度が高いため、スラグの底に沈降し、スラグから分離するステップと、
Ｓ７：スラグ高値化：前記スラグは目標鉱物相組成によって、それぞれケイ酸塩系の無機非金属材料、アルミネート系の無機非金属材料、アルミノケイ酸塩系の無機非金属材料、アルミニウム－マグネシウム系の無機非金属材料の高値化に適用されるステップと、をさらに含む酸化カルシウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムの配合に基づく多源固体廃棄物の再資源化方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、固形廃棄物再資源化の分野に関し、特に、酸化カルシウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムの配合に基づく多源固体廃棄物の再資源化方法に基づくマルチソース固形廃棄物再資源化方法に関する。
続きを表示（約 3,100 文字）【背景技術】
【０００２】
産業の発展と生活水準の向上に伴い、固形廃棄物の発生量は年々増加している。合理的な処理方法が確立されていないため、固形廃棄物は依然として主に杭や埋立地に堆積されている。しかし、固形廃棄物は、酸化カルシウム、シリカ、アルミナ、酸化マグネシウムなどの無機非金属原料のほか、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、カドミウム、スズ、鉛などの有価金属元素を多量に含む誤廃棄資源である。固形廃棄物の無機非金属材料化が実現できれば、固形廃棄物による環境圧力を効果的に緩和し、従来の無機非金属原料の消費を減らすことができる。
【０００３】
無機非金属材料は、主に酸化カルシウム、二酸化ケイ素、アルミナ、酸化マグネシウムの展開によって調製され、ケイ酸塩、アルミネート、アルミノケイ酸塩、アルミニウムマグネシウム塩などの形で存在する。ケイ酸塩としては、ケイ酸三カルシウム（Ｃａ
３
ＳｉＯ
５
）、ケイ酸二カルシウム（Ｃａ
２
ＳｉＯ
４
）、ウォラストナイト（ＣａＳｉＯ
３
）、珪灰石（Ｃａ
３
Ｓｉ
２
Ｏ
７
）、アスベスト（ＣａＭｇ
３
Ｓｉ
４
Ｏ
１２
）、カンラン石（Ｍｇ
２
ＳｉＯ
４
）を含み、アルミネートは、ヘプタアルミン酸十二カルシウム（Ｃａ
１２
Ａｌ
１４
Ｏ
３３
）、アルミン酸三カルシウム（Ｃａ
３
Ａｌ
２
Ｏ
６
）
、
カルシウムアルミネート（ＣａＡｌ
２
Ｏ
４
）
、
カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ
４
Ｏ
７
）を含み、アルミノケイ酸塩は、カルシウムアルミニウムイエロー長石（Ｃａ
２
Ａｌ
２
ＳｉＯ
７
）、カルシウム長石（ＣａＡｌ
２
Ｓｉ
２
Ｏ
８
）、ムライト（Ａｌ
６
Ｓｉ
２
Ｏ
１３
）を含み、アルミニウムマグネシウム酸塩は、マグネシウムアルミニウムスピネル（ＭｇＡｌ
２
Ｏ
４
）を含む。
【０００４】
無機非金属材料は主に建築材料の分野で使用され、セメント、ガラス、セラミックなどの伝統的な建築材料と透水性レンガ、微結晶ガラス、ジオポリマー、ロックウール、多孔質材料などの新建築材料が含まれる。我が国の建材市場は巨大で成長しており、固形廃棄物を無機非金属材料に転換する価値が高く、建材分野に応用することで、大量の固形廃棄物を排除し、固形廃棄物がもたらす環境圧力を効果的に緩和し、従来の無機非金属材料原料の消費を削減することができる。
【０００５】
現在、固形廃棄物資源利用については、湿式法と熱法の２種類があるが、いずれも特定の種類の固形廃棄物を対象としており、固形廃棄物に含まれる基本的な酸化物単位から出発しておらず、固形廃棄物成分を科学的に展開する仕組みとプログラムが欠けている。湿式法は主にセメントコンクリートと透水性レンガなどのセメント系材料で、それぞれ活性成分と不活性成分を含む固形廃棄物をセメント系材料と骨材として使用する。固形廃棄物をセメント原料や骨材として選択する。固形廃棄物を粉砕して微粉末にし、均一に混合して混合物を得る。混合物を水と混ぜてスラリーを得、型枠に注入して成形する。常温または高温で維持管理した後、セメントコンクリートや透水性レンガを得る。熱法は主にセラミックスと微結晶ガラスである。その工程は次の通りである。適切な固形廃棄物を選択してバッチ化し、混合して混合物を得る。混合物を成形した後、高温で焼結してセラミックスを得る。混合物を溶融し、鋳造し、熱処理して微結晶ガラスを得る。
【０００６】
中国特許出願公開第１１４６７１６３３号明細書は、アルカリスラグ、鉄鋼スラグ、赤泥、廃石膏、バイオマスアッシュおよびスラグを原材料とする全固形廃棄物クリンカーフリーセメント系材料、導電性モルタルおよびその調製方法を開示している。このうち、アルカリスラグ、製鋼スラグ、赤泥はアルカリ加振材として、廃石膏は硫酸加振材として、スラグとバイオマスアッシュは活性材として使用され、スラグとバイオマスアッシュはアルカリ－硫酸二重加振の作用により水和ケイ酸カルシウムゲルとカロメルを生成するため、スラリーは接着性を有し、セメントの代替となる。しかし、この技術は、固形廃棄物中の基本酸化物単位の科学的配合を考慮していないため、技術的制約が大きく、固形廃棄物中の塩類不純物やアルカリ性不純物の含有量が多いため、製品性能が不安定である。
【０００７】
中国特許出願公開第１１５４７７５０２号明細書には、固形廃棄物を利用した透水性レンガの製造方法が開示されており、その原料には鉄滓スラグ、フライアッシュ、砂、珪藻土、セメント、わら粉が含まれる。このうち、鉄滓スラグ、フライアッシュ、風成堆積砂は骨材、珪藻土とセメントはセメント系材料、わら粉は補強材である。しかし、この技術は固形廃棄物中の基礎酸化物ユニットの科学的配置を考慮しておらず、技術的制約が大きく、鉄滓スラグとフライアッシュの固形廃棄物添加量が少なく、固形廃棄物処理能力が低すぎる。
【０００８】
中国特許出願公開第１０６６３０６４０号明細書は、微結晶ガラス、銅滓スラグ、赤泥滓スラグ、炭化カルシウムスラグ及びその他の産業廃棄物を一定の割合で包括的に利用し、ワラストナイト微結晶ガラスを調製し、建材及び装飾材料に使用することを開示している。しかし、扱う固形廃棄物は銅滓スラグ、赤泥滓スラグ、炭化カルシウムスラグの３種類のみであり、微結晶ガラス製品の鉱物相はワラストナイトのみであるため、大きな制約があり、固形廃棄物中の有価金属はリサイクルされていない。
【０００９】
中国特許出願公開第１１２９５８５８４号明細書は、有害固形廃棄物重金属の二次アルミ灰スラグ還元とスラグ利用方法を開示し、二次アルミ灰スラグと有害固形廃棄物、廃ガラスと生石灰を混合し、二次アルミ灰スラグを還元剤として窒化アルミニウムで、溶融方法の使用は、金属相の有害固形廃棄物重金属の還元となり、建築材料に利用価値の高いスラグ。しかし、扱う固形廃棄物は二次アルミ灰スラグ、有害固形廃棄物、廃ガラスだけで、製品の対象鉱物相組成は狭く、体系的な組成計算とバッチ手順がないので、応用範囲が狭い。
【００１０】
中国特許出願公開第１１１９９５４３６号明細書は、固形廃棄物セラミックタイルとその調製方法を開示し、セラミック廃棄物、赤泥、ガングー、玄武岩、ベントナイト、ジルコン砂を含む原料、ボールミル、乾燥、プレス成形、乾燥、底釉を適用し、表面釉を適用し、乾燥、焼成によって最終的に固形廃棄物セラミックタイルを得る。しかし、赤泥は貴重な鉄を多く含み、鉄資源のセラミックス廃棄物を直接焼成し、酸化鉄の化学的性質と高温耐性が悪く、セラミックスのサービス性能に影響を与えます。
（【００１１】以降は省略されています）

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