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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022078704
(43)【公開日】2022-05-25
(54)【発明の名称】溶融スラグからの有価物の製造方法
(51)【国際特許分類】
B09B 3/70 20220101AFI20220518BHJP
C01B 33/12 20060101ALI20220518BHJP
【ＦＩ】
B09B3/00 304A
C01B33/12 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020189574
(22)【出願日】2020-11-13
(71)【出願人】
【識別番号】592141927
【氏名又は名称】ＪＦＥ環境テクノロジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100101340
【弁理士】
【氏名又は名称】丸山 英一
(74)【代理人】
【識別番号】100205730
【弁理士】
【氏名又は名称】丸山 重輝
(74)【代理人】
【識別番号】100213551
【弁理士】
【氏名又は名称】丸山 智貴
(72)【発明者】
【氏名】遠山 朋子
(72)【発明者】
【氏名】和田 恵
(72)【発明者】
【氏名】山本 誠
(72)【発明者】
【氏名】藤田 理人
【テーマコード（参考）】
4D004
4G072
【Ｆターム（参考）】
4D004AA43
4D004AB03
4D004AC04
4D004CA12
4D004CA22
4D004CA35
4D004CB31
4D004CC12
4D004DA06
4D004DA10
4G072AA25
4G072GG01
4G072GG03
4G072HH38
4G072JJ15
4G072KK01
4G072LL06
4G072MM03
4G072MM22
4G072MM23
4G072MM31
4G072PP05
4G072RR07
4G072RR12
(57)【要約】 （修正有）
【課題】ゾル状のＳｉＯ２をゲル状のＳｉＯ２にゲル化する際に、酸を外添することなく、ゲル化を制御することが可能な、溶融スラグからの有価物の製造方法を提供する。
【解決手段】ＳｉＯ２と、ＣａＯと、Ａｌ２Ｏ３とを少なくとも含む溶融スラグと硫酸を第１タンク１０に添加し、液中で得られるＳｉＯ２ゾルと、Ａｌ２Ｏ３を溶解して得られる硫酸アルミニウムと、余剰の硫酸とからなる液体成分と、第１タンク１０内で、ＣａＯと硫酸との反応により得られる石膏からなる固形分とを、固液分離する第１工程と、第１工程で生じた成分を第２タンク２０内で、ＳｉＯ２ゾルをゲル化してＳｉＯ２ゲルを固形分として生成し、該固形分を固液分離してＳｉＯ２ゲルと硫酸アルミニウムを含む液体成分を分離取得する第２工程とを有し、第２工程において、第１タンク１０から送られてくる液体成分中の余剰の硫酸を酸成分を触媒してゲル化を促進する処理を行う。
【選択図】図１
【解決手段】ＳｉＯ２と、ＣａＯと、Ａｌ２Ｏ３とを少なくとも含む溶融スラグと硫酸を第１タンク１０に添加し、液中で得られるＳｉＯ２ゾルと、Ａｌ２Ｏ３を溶解して得られる硫酸アルミニウムと、余剰の硫酸とからなる液体成分と、第１タンク１０内で、ＣａＯと硫酸との反応により得られる石膏からなる固形分とを、固液分離する第１工程と、第１工程で生じた成分を第２タンク２０内で、ＳｉＯ２ゾルをゲル化してＳｉＯ２ゲルを固形分として生成し、該固形分を固液分離してＳｉＯ２ゲルと硫酸アルミニウムを含む液体成分を分離取得する第２工程とを有し、第２工程において、第１タンク１０から送られてくる液体成分中の余剰の硫酸を酸成分を触媒してゲル化を促進する処理を行う。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＳｉＯ２と、ＣａＯと、Ａｌ２Ｏ３とを少なくとも含む溶融スラグから有価物を製造する方法であり、
前記溶融スラグと、硫酸を第１タンクに添加し、
前記硫酸の添加量は、該スラグに含まれるＣａＯおよびＡｌ２Ｏ３の反応に必要な硫酸のモル当量よりも、１．０５～１．５倍のモル当量であり、
前記第１タンク内で、液中で得られるＳｉＯ２ゾルと、Ａｌ２Ｏ３を溶解して得られる硫酸アルミニウムと、消費されたモル当量分を除いた余剰の硫酸とからなる液体成分と、該第１タンク内で、ＣａＯと硫酸との反応により得られる石膏からなる固形分とを、固液分離する第１工程と、
前記第１工程で生じるＳｉＯ２ゾル、硫酸アルミニウム、余剰の硫酸からなる液体成分を第２タンクに移行して、該第２タンク内でＳｉＯ２ゾルをゲル化してＳｉＯ２ゲルを固形分として生成し、該固形分を固液分離してＳｉＯ２ゲルと硫酸アルミニウムを含む液体成分を分離取得する第２工程とを有し、
前記第２工程において、前記第２タンク内の液体成分中に前記第１タンクから送られるＳｉＯ２ゾル粒子と水素イオンが存在する系を形成する際に、
該第２タンク内で酸成分を新たに添加することなく第１タンクから送られてくる液体成分中の余剰の硫酸を酸成分として用いて水素イオンが存在する系を形成し、
前記形成された系内で水素イオンを触媒とするゲル化を促進する処理を行うことを特徴とする溶融スラグからの有価物の製造方法。
前記溶融スラグと、硫酸を第１タンクに添加し、
前記硫酸の添加量は、該スラグに含まれるＣａＯおよびＡｌ２Ｏ３の反応に必要な硫酸のモル当量よりも、１．０５～１．５倍のモル当量であり、
前記第１タンク内で、液中で得られるＳｉＯ２ゾルと、Ａｌ２Ｏ３を溶解して得られる硫酸アルミニウムと、消費されたモル当量分を除いた余剰の硫酸とからなる液体成分と、該第１タンク内で、ＣａＯと硫酸との反応により得られる石膏からなる固形分とを、固液分離する第１工程と、
前記第１工程で生じるＳｉＯ２ゾル、硫酸アルミニウム、余剰の硫酸からなる液体成分を第２タンクに移行して、該第２タンク内でＳｉＯ２ゾルをゲル化してＳｉＯ２ゲルを固形分として生成し、該固形分を固液分離してＳｉＯ２ゲルと硫酸アルミニウムを含む液体成分を分離取得する第２工程とを有し、
前記第２工程において、前記第２タンク内の液体成分中に前記第１タンクから送られるＳｉＯ２ゾル粒子と水素イオンが存在する系を形成する際に、
該第２タンク内で酸成分を新たに添加することなく第１タンクから送られてくる液体成分中の余剰の硫酸を酸成分として用いて水素イオンが存在する系を形成し、
前記形成された系内で水素イオンを触媒とするゲル化を促進する処理を行うことを特徴とする溶融スラグからの有価物の製造方法。
【請求項2】
前記硫酸の添加量は、該スラグに含まれるＣａＯおよびＡｌ２Ｏ３の反応に必要な硫酸のモル当量よりも、１．０５～１．１倍のモル当量であることを特徴とする請求項１記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
【請求項3】
前記第２工程におけるゲル化を促進する処理が、前記系内の溶液中のＳｉＯ２ゾル濃度を高くする処理であることを特徴とする請求項１又は２記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
【請求項4】
前記第２工程におけるゲル化を促進する処理が、前記系内の溶液中の水素イオン濃度を高くする処理であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
【請求項5】
前記第２工程におけるゲル化を促進する処理が、前記系内の溶液の温度を９５℃以上に加熱する処理であることを特徴とする請求項１～４の何れかに記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
【請求項6】
前記溶融スラグが、Ｐｂを含み、
前記第１工程で、ＰｂをＰｂＳＯ４として固液分離し、
Ｐｂを含まない硫酸アルミニウムからなる有価物を取得することを特徴とする請求項１～５の何れかに記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
前記第１工程で、ＰｂをＰｂＳＯ４として固液分離し、
Ｐｂを含まない硫酸アルミニウムからなる有価物を取得することを特徴とする請求項１～５の何れかに記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
【請求項7】
前記第２工程で得られた硫酸アルミニウムを含む液体を、再び前記第１工程で用いる硫酸の一部として再利用することを特徴とする請求項１～６の何れかに記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
【請求項8】
前記第１工程又は前記第２工程で分離した固形分を洗浄する洗浄水を、前記第１工程で用いる硫酸調整の希釈水とすることを特徴とする請求項１～７の何れかに記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、溶融スラグからの有価物の製造方法に関し、詳しくは溶融スラグを硫酸で溶解して得られる硫酸アルミニウムを液状成分の有価物として回収でき、ゾル状のＳｉＯ２をゲル化してゲル状のＳｉＯ２を固体状の有価物として回収できる溶融スラグからの有価物の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、溶融スラグに対して、酸を加えて溶解処理して、未溶解物を取得する溶融スラグの処理方法と、環境エネルギー施設から発生する溶融スラグに対し、酸を加えて、溶解処理して未溶解物を取得するシリカ製造方法が開示されている。
【0003】
特許文献１に記載する未溶解物は、塩酸溶液で溶解した際の未溶解物はＳｉＯ２以外にない（００１９）。特許文献１の溶融スラグにＣａを含むのであるから、未溶解物に石膏がない以上、酸として硫酸を使うことはなく、明細書の記載や実施例を見ても酸として使用するのは塩酸である。
【0004】
特許文献１の方法は、ゾル化とゲル化が同時に起こるため、スラグの溶け残りによって不純物が混ざるおそれがあり、溶融スラグから得られる有価物の種類が少ないという課題が残されている。
【0005】
一方、特許文献２には、スラグを硫酸と反応させて石膏を生成させ、析出した石膏を固液分離し、分離された液の酸濃度を１規定以上に高めて非晶質シリカを析出させる手法が記載されている。
【0006】
特許文献２は、鉄鋼スラグとして、製鉄所、精錬所等で発生する高炉スラグを用いており、高炉スラグの化学組成は、シリカ：３３％、アルミナ：１４％、酸化カルシウム：４１％、マグネシア：７％、イオウ：１％と記載されており、鉛は含まれていない。この特許文献２は、鉛を含む溶融スラグから有価物を回収する技術は開示されていない。
【0007】
特許文献２の実施例１によると以下の記載がある。高炉水砕スラグ粉末１０重量部に対し、３規定硫酸を１００重量部添加して室温で３０分間攪拌した。析出した固形分は二水石膏であった。ついで、上記濾液に更に濃硫酸を１０重量部加え、攪拌しながら９０℃で、約１／２となるまで加熱濃縮したところ、ゲル状物質が析出した。
この記載からすると、ゲル状物質を析出する際に、濃硫酸を加えているので、酸使用量が増加し、コスト高となる欠点がある。
この記載からすると、ゲル状物質を析出する際に、濃硫酸を加えているので、酸使用量が増加し、コスト高となる欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開２０１８－１４９５３８号公報
【特許文献2】特開平９－２８６６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明の課題は、ゾル状のＳｉＯ２をゲル状のＳｉＯ２にゲル化する際に、濃硫酸などの酸を外添する必要がなく、ゲル化の促進処理を可能にし、ゲル化時間を短縮できたり、ゲル化を制御できたりすることが可能な溶融スラグからの有価物の製造方法を提供することにある。
【0010】
また本発明の課題は、溶融スラグを硫酸で溶解して得られる硫酸アルミニウムを液状成分の有価物として回収でき、ゾル状のＳｉＯ２をゲル化してゲル状のＳｉＯ２を固体状の有価物として回収でき、高純度のＳｉＯ２を回収できる溶融スラグからの有価物の製造方法を提供することにある。
【0011】
さらに本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【0013】
（請求項１）
ＳｉＯ２と、ＣａＯと、Ａｌ２Ｏ３とを少なくとも含む溶融スラグから有価物を製造する方法であり、
前記溶融スラグと、硫酸を第１タンクに添加し、
前記硫酸の添加量は、該スラグに含まれるＣａＯおよびＡｌ２Ｏ３の反応に必要な硫酸のモル当量よりも、１．０５～１．５倍のモル当量であり、
前記第１タンク内で、液中で得られるＳｉＯ２ゾルと、Ａｌ２Ｏ３を溶解して得られる硫酸アルミニウムと、消費されたモル当量分を除いた余剰の硫酸とからなる液体成分と、該第１タンク内で、ＣａＯと硫酸との反応により得られる石膏からなる固形分とを、固液分離する第１工程と、
前記第１工程で生じるＳｉＯ２ゾル、硫酸アルミニウム、余剰の硫酸からなる液体成分を第２タンクに移行して、該第２タンク内でＳｉＯ２ゾルをゲル化してＳｉＯ２ゲルを固形分として生成し、該固形分を固液分離してＳｉＯ２ゲルと硫酸アルミニウムを含む液体成分を分離取得する第２工程とを有し、
前記第２工程において、前記第２タンク内の液体成分中に前記第１タンクから送られるＳｉＯ２ゾル粒子と水素イオンが存在する系を形成する際に、
該第２タンク内で酸成分を新たに添加することなく第１タンクから送られてくる液体成分中の余剰の硫酸を酸成分として用いて水素イオンが存在する系を形成し、
前記形成された系内で水素イオンを触媒とするゲル化を促進する処理を行うことを特徴とする溶融スラグからの有価物の製造方法。
（請求項２）
前記硫酸の添加量は、該スラグに含まれるＣａＯおよびＡｌ２Ｏ３の反応に必要な硫酸のモル当量よりも、１．０５～１．１倍のモル当量であることを特徴とする請求項１記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
（請求項３）
前記第２工程におけるゲル化を促進する処理が、前記系内の溶液中のＳｉＯ２ゾル濃度を高くする処理であることを特徴とする請求項１又は２記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
（請求項４）
前記第２工程におけるゲル化を促進する処理が、前記系内の溶液中の水素イオン濃度を高くする処理であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
（請求項５）
前記第２工程におけるゲル化を促進する処理が、前記系内の溶液の温度を９５℃以上に加熱する処理であることを特徴とする請求項１～４の何れかに記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
（請求項６）
前記溶融スラグが、Ｐｂを含み、
前記第１工程で、ＰｂをＰｂＳＯ４として固液分離し、
Ｐｂを含まない硫酸アルミニウムからなる有価物を取得することを特徴とする請求項１～５の何れかに記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
（請求項７）
前記第２工程で得られた硫酸アルミニウムを含む液体を、再び前記第１工程で用いる硫酸の一部として再利用することを特徴とする請求項１～６の何れかに記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
（請求項８）
前記第１工程又は前記第２工程で分離した固形分を洗浄する洗浄水を、前記第１工程で用いる硫酸調整の希釈水とすることを特徴とする請求項１～７の何れかに記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
ＳｉＯ２と、ＣａＯと、Ａｌ２Ｏ３とを少なくとも含む溶融スラグから有価物を製造する方法であり、
前記溶融スラグと、硫酸を第１タンクに添加し、
前記硫酸の添加量は、該スラグに含まれるＣａＯおよびＡｌ２Ｏ３の反応に必要な硫酸のモル当量よりも、１．０５～１．５倍のモル当量であり、
前記第１タンク内で、液中で得られるＳｉＯ２ゾルと、Ａｌ２Ｏ３を溶解して得られる硫酸アルミニウムと、消費されたモル当量分を除いた余剰の硫酸とからなる液体成分と、該第１タンク内で、ＣａＯと硫酸との反応により得られる石膏からなる固形分とを、固液分離する第１工程と、
前記第１工程で生じるＳｉＯ２ゾル、硫酸アルミニウム、余剰の硫酸からなる液体成分を第２タンクに移行して、該第２タンク内でＳｉＯ２ゾルをゲル化してＳｉＯ２ゲルを固形分として生成し、該固形分を固液分離してＳｉＯ２ゲルと硫酸アルミニウムを含む液体成分を分離取得する第２工程とを有し、
前記第２工程において、前記第２タンク内の液体成分中に前記第１タンクから送られるＳｉＯ２ゾル粒子と水素イオンが存在する系を形成する際に、
該第２タンク内で酸成分を新たに添加することなく第１タンクから送られてくる液体成分中の余剰の硫酸を酸成分として用いて水素イオンが存在する系を形成し、
前記形成された系内で水素イオンを触媒とするゲル化を促進する処理を行うことを特徴とする溶融スラグからの有価物の製造方法。
（請求項２）
前記硫酸の添加量は、該スラグに含まれるＣａＯおよびＡｌ２Ｏ３の反応に必要な硫酸のモル当量よりも、１．０５～１．１倍のモル当量であることを特徴とする請求項１記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
（請求項３）
前記第２工程におけるゲル化を促進する処理が、前記系内の溶液中のＳｉＯ２ゾル濃度を高くする処理であることを特徴とする請求項１又は２記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
（請求項４）
前記第２工程におけるゲル化を促進する処理が、前記系内の溶液中の水素イオン濃度を高くする処理であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
（請求項５）
前記第２工程におけるゲル化を促進する処理が、前記系内の溶液の温度を９５℃以上に加熱する処理であることを特徴とする請求項１～４の何れかに記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
（請求項６）
前記溶融スラグが、Ｐｂを含み、
前記第１工程で、ＰｂをＰｂＳＯ４として固液分離し、
Ｐｂを含まない硫酸アルミニウムからなる有価物を取得することを特徴とする請求項１～５の何れかに記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
（請求項７）
前記第２工程で得られた硫酸アルミニウムを含む液体を、再び前記第１工程で用いる硫酸の一部として再利用することを特徴とする請求項１～６の何れかに記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
（請求項８）
前記第１工程又は前記第２工程で分離した固形分を洗浄する洗浄水を、前記第１工程で用いる硫酸調整の希釈水とすることを特徴とする請求項１～７の何れかに記載の溶融スラグからの有価物の製造方法。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、ゾル状のＳｉＯ２をゲル状のＳｉＯ２にゲル化する際に、濃硫酸などの酸を外添する必要がなく、ゲル化の促進処理を可能にし、ゲル化時間を短縮できたり、ゲル化を制御できたりすることが可能な溶融スラグからの有価物の製造方法を提供することにある。
【0015】
また本発明によれば、溶融スラグを硫酸で溶解して得られる硫酸アルミニウムを液状成分の有価物として回収でき、ゾル状のＳｉＯ２をゲル化してゲル状のＳｉＯ２を固体状の有価物として回収でき、高純度のＳｉＯ２を回収できる溶融スラグからの有価物の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明の溶融スラグからの有価物の製造方法の一例を示すフロー図
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明について好ましい実施の形態について説明する。
本発明は、ＳｉＯ２と、ＣａＯと、Ａｌ２Ｏ３とを少なくとも含むスラグから有価物を製造する方法である。
スラグは、ごみ焼却設備等から発生する溶融スラグ、製鉄所、精錬所等で発生する鉄鋼スラグなどが挙げられる。
製鉄所、精錬所等では、例えば、温度が１８００℃以上、つまり鉛の沸点以上の温度で溶融された鉄鋼スラグが発生する。この場合、鉛の沸点以上の温度であるため、鉄鋼スラグに鉛が残留することはない。
しかしながら、ごみ焼却設備等では、例えば、温度が１２００℃程度、つまり鉛の沸点未満の温度で溶融された溶融スラグが発生する。この場合、鉛の沸点未満の温度であるため、溶融スラグに鉛が残留することになる。
溶融スラグが発生するプラント設備の溶融温度は、プラント設計の段階で定められているため、プラント設備を容易に設計変更はできない。
したがって、溶融スラグが発生する設備によらず、つまり鉛が含まれる溶融スラグが発生する場合についても、様々な有価物を製造する方法が求められた。
本発明は、ＳｉＯ２と、ＣａＯと、Ａｌ２Ｏ３とを少なくとも含むスラグから有価物を製造する方法である。
スラグは、ごみ焼却設備等から発生する溶融スラグ、製鉄所、精錬所等で発生する鉄鋼スラグなどが挙げられる。
製鉄所、精錬所等では、例えば、温度が１８００℃以上、つまり鉛の沸点以上の温度で溶融された鉄鋼スラグが発生する。この場合、鉛の沸点以上の温度であるため、鉄鋼スラグに鉛が残留することはない。
しかしながら、ごみ焼却設備等では、例えば、温度が１２００℃程度、つまり鉛の沸点未満の温度で溶融された溶融スラグが発生する。この場合、鉛の沸点未満の温度であるため、溶融スラグに鉛が残留することになる。
溶融スラグが発生するプラント設備の溶融温度は、プラント設計の段階で定められているため、プラント設備を容易に設計変更はできない。
したがって、溶融スラグが発生する設備によらず、つまり鉛が含まれる溶融スラグが発生する場合についても、様々な有価物を製造する方法が求められた。
【0018】
本発明において、溶融スラグの主要組成はＳｉＯ２（３０～５５％）、ＣａＯ（２０～３５％）、Ａｌ２Ｏ３（１０～２２％）であり、これ以外に、Ｆe２Ｏ３、ＰｂＯ２を含むこともできる。
【0019】
本実施形態においては、酸との接触効率を高めるために溶融スラグの粒径は細かい方が好ましい。例えば、後述する第１工程の前に、例えば、溶融スラグを破砕、磨砕等の前処理手段を用いることができる。
【0020】
これにより、溶融スラグの溶け残りを最小限に抑えることができ、更に一様にゾル化・ゲル化を進行することができる。この結果、シリカの回収効率を向上させることができる。
【0021】
更に、細かくする溶融スラグの粒径を、同程度の粒径に揃えることが好ましい。これにより、シリカの回収効率を更に向上させることができる。
【0022】
溶融スラグの粒径としては、例えば、３００μｍ未満に細かくすることが好ましい。これによって、上述したシリカの回収効率を向上させることができる。
【0023】
＜第１工程＞
第１工程は、図１に示すように、溶融スラグと硫酸を第１タンク１０に添加する。
第１工程は、図１に示すように、溶融スラグと硫酸を第１タンク１０に添加する。
【0024】
ここで、第１工程での第１タンク１０内の温度は、２０～４０℃の範囲であることが好ましい。つまり、常温近傍の範囲で反応させることが好ましい。
溶融スラグに硫酸を添加すると、反応熱を生じるため、溶融スラグと硫酸との固液比によっては、上記範囲を超える場合があり、冷却の必要が生じる場合がある。この場合、第１タンク内の温度が、２０～４０℃の範囲になるように、温度を制御しながら反応させることが好ましい。
溶融スラグに硫酸を添加すると、反応熱を生じるため、溶融スラグと硫酸との固液比によっては、上記範囲を超える場合があり、冷却の必要が生じる場合がある。この場合、第１タンク内の温度が、２０～４０℃の範囲になるように、温度を制御しながら反応させることが好ましい。
【0025】
硫酸の添加量は、該スラグに含まれるＣａＯおよびＡｌ２Ｏ３の反応に必要な硫酸モル当量を計算し、その計算された硫酸モル当量よりも１．０５～１．５倍のモル当量過剰な硫酸量であることが好ましい。より好ましくは、計算された硫酸モル当量よりも、１．０５～１．１倍の硫酸モル当量であることが好ましい。
【0026】
ここで、硫酸添加量（当量比）について説明する。
本発明において、「スラグ中で硫酸塩生成に使われる硫酸必要量」を「１モル当量」と定義する。
酸イオンと反応して硫酸塩を生成する主要成分は、ＣａＯおよびＡｌ２Ｏ３である。
なお、ＳｉＯ２の反応はゾル化であり、硫酸イオンとは反応しないので含まない。
本発明において、「スラグ中で硫酸塩生成に使われる硫酸必要量」を「１モル当量」と定義する。
酸イオンと反応して硫酸塩を生成する主要成分は、ＣａＯおよびＡｌ２Ｏ３である。
なお、ＳｉＯ２の反応はゾル化であり、硫酸イオンとは反応しないので含まない。
【0027】
本発明においては、ＣａＯおよびＡｌ２Ｏ３の量から、１モル当量あたりの硫酸必要量を計算し、その量よりも少し多めの硫酸量をゾル生成タンクに添加することで、酸使用量を最小限に抑えつつ、シリカのゾルゲル化が可能となる。
【0028】
ここで、「１モル当量」の計算方法を説明する。
〔1〕スラグの組成から、スラグ重量ｘｇあたりの重量を計算する。
（例）スラグ組成ＣａＯ：２８．２％、Ａｌ２Ｏ３：１０．８％の場合、
スラグ１０ｇには、
ＣａＯ …１０×２８．２／１００＝２．８２ｇ
Ａｌ２Ｏ３ …１０×１０．８／１００＝１．０８ｇ
含まれる。
〔2〕ＣａＯおよびＡｌ２Ｏ３の分子量から、Ｃａ、Ａｌのモル数を計算する。
ＣａＯ ： ５６．０８ｇ／ｍｏｌ
Ａｌ２Ｏ３：１０１．９６ｇ／ｍｏｌ
（例）ＣａＯ：２．８２ｇ、Ａｌ２Ｏ３：１．０８ｇの時、
それぞれのモル数は
ＣａＯ ：２．８２／ ５６．０８＝０．０５０３ｍｏｌ…（ａ）
Ａｌ２Ｏ３：１．０８／１０１．９６＝０．０１０６ｍｏｌ…（ｂ）
と算出することができる。
〔3〕Ｃａ２＋およびＡｌ３＋の反応に必要なＳＯ４ ２－数を確認すると、
Ｃａ２＋＋ＳＯ４ ２－ → ＣａＳＯ４↓
この反応から、１個のＣａ２＋にＳＯ４ ２－が１個必要であることがわかる。
２Ａｌ３＋＋３ＳＯ４ ２－ → Ａｌ２(ＳＯ４)３
この反応から、１個のＡｌ３＋にＳＯ４ ２－が１．５個必要であることがわかる。
〔4〕〔3〕から、必要な硫酸のモル当量は（ａ）×１＋（ｂ）×１．５ｍｏｌとなる。
この量を「１モル当量」と定義する。
〔1〕スラグの組成から、スラグ重量ｘｇあたりの重量を計算する。
（例）スラグ組成ＣａＯ：２８．２％、Ａｌ２Ｏ３：１０．８％の場合、
スラグ１０ｇには、
ＣａＯ …１０×２８．２／１００＝２．８２ｇ
Ａｌ２Ｏ３ …１０×１０．８／１００＝１．０８ｇ
含まれる。
〔2〕ＣａＯおよびＡｌ２Ｏ３の分子量から、Ｃａ、Ａｌのモル数を計算する。
ＣａＯ ： ５６．０８ｇ／ｍｏｌ
Ａｌ２Ｏ３：１０１．９６ｇ／ｍｏｌ
（例）ＣａＯ：２．８２ｇ、Ａｌ２Ｏ３：１．０８ｇの時、
それぞれのモル数は
ＣａＯ ：２．８２／ ５６．０８＝０．０５０３ｍｏｌ…（ａ）
Ａｌ２Ｏ３：１．０８／１０１．９６＝０．０１０６ｍｏｌ…（ｂ）
と算出することができる。
〔3〕Ｃａ２＋およびＡｌ３＋の反応に必要なＳＯ４ ２－数を確認すると、
Ｃａ２＋＋ＳＯ４ ２－ → ＣａＳＯ４↓
この反応から、１個のＣａ２＋にＳＯ４ ２－が１個必要であることがわかる。
２Ａｌ３＋＋３ＳＯ４ ２－ → Ａｌ２(ＳＯ４)３
この反応から、１個のＡｌ３＋にＳＯ４ ２－が１．５個必要であることがわかる。
〔4〕〔3〕から、必要な硫酸のモル当量は（ａ）×１＋（ｂ）×１．５ｍｏｌとなる。
この量を「１モル当量」と定義する。
【0029】
（例）〔1〕～〔3〕の条件を使うと、
（ａ）×１＋（ｂ）×１．５＝０．０５０３×１＋０．０１０６×１．５
＝０．０６６２ｍｏｌ …（ｃ）
（ａ）×１＋（ｂ）×１．５＝０．０５０３×１＋０．０１０６×１．５
＝０．０６６２ｍｏｌ …（ｃ）
【0030】
次に、（例１）３Ｎ硫酸を１００ｇ添加した場合の当量比を計算する。
３Ｎ硫酸の比重は、１．０９ｋｇ／ｌなので、
１００／１０００(ｋｇ)÷１．０９（ｋｇ／ｌ）＝０．０９２
３Ｎ硫酸のモル濃度は、１．５ｍｏｌ／ｌなので、
０．０９２×１．５＝０．１４ｍｏｌ …（ｄ）
当量比は（ｄ）÷（ｃ）＝０．１４／０．０６６２＝２．１となる。
３Ｎ硫酸の比重は、１．０９ｋｇ／ｌなので、
１００／１０００(ｋｇ)÷１．０９（ｋｇ／ｌ）＝０．０９２
３Ｎ硫酸のモル濃度は、１．５ｍｏｌ／ｌなので、
０．０９２×１．５＝０．１４ｍｏｌ …（ｄ）
当量比は（ｄ）÷（ｃ）＝０．１４／０．０６６２＝２．１となる。
【0031】
また、（例２）１．５Ｎ硫酸を１００ｇ添加した場合の当量比を計算する。
１．５Ｎ硫酸の比重１．０５ｋｇ／ｌなので、
１００／１０００(ｋｇ)÷１．０５（ｋｇ／ｌ）＝０．０９５
１．５Ｎ硫酸のモル濃度は、０．７５ｍｏｌ／ｌなので、
０．０９５×０．７５＝０．０７１ｍｏｌ …（ｅ）
当量比は（ｅ）÷（ｃ）＝０．０７１／０．０６６２＝１．１となる。
１．５Ｎ硫酸の比重１．０５ｋｇ／ｌなので、
１００／１０００(ｋｇ)÷１．０５（ｋｇ／ｌ）＝０．０９５
１．５Ｎ硫酸のモル濃度は、０．７５ｍｏｌ／ｌなので、
０．０９５×０．７５＝０．０７１ｍｏｌ …（ｅ）
当量比は（ｅ）÷（ｃ）＝０．０７１／０．０６６２＝１．１となる。
【0032】
本発明において、硫酸モル当量よりも、好ましくは１．０５～１．５倍のモル当量、より好ましくは、１．０５～１．１倍過剰の硫酸量としているが、この過剰量は、後述の第２工程のゲル化反応において、必要とされる酸の必要量を考慮して定めたものである。
【0033】
第１タンク１０内で、液中で得られるＳｉＯ２ゾルと、Ａｌ２Ｏ３を溶解して得られる硫酸アルミニウムと、消費されたモル当量分を除いた余剰の硫酸とからなる液体成分と、第１タンク１０内で、ＣａＯと硫酸との反応により得られる石膏からなる固形分とを、固液分離する処理を行う。
【0034】
＜第２工程＞
第２工程は、図１に示すように、第１工程で固液分離された液体成分を第２タンク２０に移行して、液体成分中のＳｉＯ２ゾルをゲル化してＳｉＯ２ゲルを固形分として生成し、例えば、液体成分に含まれる硫酸アルミニウムを分離取得することにより、硫酸アルミニウムを有価物として回収する。これにより、液体成分を分離取得されたことにより、残った固形分であるＳｉＯ２ゲルを有価物として取得することができる。
第２工程は、図１に示すように、第１工程で固液分離された液体成分を第２タンク２０に移行して、液体成分中のＳｉＯ２ゾルをゲル化してＳｉＯ２ゲルを固形分として生成し、例えば、液体成分に含まれる硫酸アルミニウムを分離取得することにより、硫酸アルミニウムを有価物として回収する。これにより、液体成分を分離取得されたことにより、残った固形分であるＳｉＯ２ゲルを有価物として取得することができる。
【0035】
第２工程において重要なのは、第２工程において、第２タンク２０内の溶液中に第１タンク１０から送られるＳｉＯ２ゾル粒子と水素イオンが存在する系を形成する際に、第２タンク２０に、新たに酸成分を添加することなく第１タンク１０から送られてくる液体成分中の余剰の硫酸を酸成分として用いて水素イオンが存在する系を形成する点である。
【0036】
本発明では、第２工程において、前記形成された系内でゲル化を促進する処理を行う。
本発明においては、溶融スラグを硫酸で処理した場合には、石膏とＳｉＯ２ゲルの二つの固形物を回収できるが、第１工程と第２工程の間に固液分離を挟むことにより、石膏とＳｉＯ２ゲルを分けて回収できる効果がある。
以下に、第１工程及び第２工程について詳しく説明する。
本発明においては、溶融スラグを硫酸で処理した場合には、石膏とＳｉＯ２ゲルの二つの固形物を回収できるが、第１工程と第２工程の間に固液分離を挟むことにより、石膏とＳｉＯ２ゲルを分けて回収できる効果がある。
以下に、第１工程及び第２工程について詳しく説明する。
【0037】
第１工程において、第一に、溶融スラグのＳｉＯ２網目構造内に入っていたＣａＯやＡｌ２Ｏ３が酸で溶出し、可溶性もしくは難溶性の塩を形成する。硫酸で処理した場合、ＣａはＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏに、ＡｌはＡｌ２(ＳＯ４)３の形態になる。
【0038】
第１工程において、第二に、残ったスラグのＳｉＯ２網目構造から、徐々にシリカが、下記反応のように加水分解の形を経てゾル化する。ここで、加水分解の形を経てゾル化するものには、溶融スラグの全てのシリカ成分が加水分解反応まで至らなくても、網目構造内のＣａやＡｌが溶解することにより、脆くなった網目構造が自然崩壊して、ゾルに近いサイズになったものも含まれる。
【0039】
（加水分解反応）
ＳｉＯ２＋２Ｈ２Ｏ → Ｓｉ(ＯＨ)４
ＳｉＯ２＋２Ｈ２Ｏ → Ｓｉ(ＯＨ)４
【0040】
次に、第２工程において、Ｓｉ(ＯＨ)４粒子が接触することにより縮重合が始まる。この時、Ｈ＋（水素イオン）が触媒として働く。
【0041】
（化学反応式）
【0042】
第２工程において、上記反応式による反応工程で、縮重合反応が進行すると、目視可能な一つの大きなカタマリとなる。これがゲル化した状態である。
【0043】
本発明においては、第２工程において、ＳｉＯ２ゾルをＳｉＯ２ゲルにゲル化する際に、溶液中にＳｉＯ２ゾル粒子と水素イオンが存在するような系内で、ゲル化を促進する処理を行う。
【0044】
第２工程において、ゲル化を促進する処理の第１は、系内の溶液中のＳｉＯ２ゾル濃度を高くする処理を行うことである。
【0045】
この処理としては、溶媒が蒸発してシリカ粒子間の距離が小さくなると、縮重合が進行し短時間でゲル化する。すなわち、水分蒸発により、ＳｉＯ２粒子の粒子間距離が、１５ｍμｍ（＝ｎｍ）になると、ＳｉＯ２粒子が相互に接触するところまで接近すると、縮合反応が活発化し、塊状のAmorphousシリカを形成するものと考えられる。
【0046】
次に、第２工程におけるゲル化を促進する処理の第２は、系内の溶液中の水素イオン濃度を高くする処理を行うことである。
水素イオンはＳｉＯ２ゾルの縮重合において、触媒として寄与する。酸濃度・酸使用量に反映される部分である。
水素イオンはＳｉＯ２ゾルの縮重合において、触媒として寄与する。酸濃度・酸使用量に反映される部分である。
【0047】
次に、第２工程におけるゲル化を促進する処理の第３は、前記系内の溶液の温度を９５℃以上に加熱する処理を行うことである。
ゲル化する系を、例えば９５℃で加熱することにより、水分蒸発の結果、ＳｉＯ２ゾル濃度が高くなる。また、溶液中の粒子運動が活発化することにより粒子の接触が促進される。
ゲル化する系を、例えば９５℃で加熱することにより、水分蒸発の結果、ＳｉＯ２ゾル濃度が高くなる。また、溶液中の粒子運動が活発化することにより粒子の接触が促進される。
【0048】
上述したゲル化を促進する処理の第１～第３のうち、何れか一つ又は複数の処理をすることにより、ゲル化が促進されるため、シリカの製造時間の短縮化を図ることができる。
【0049】
本発明において、第２工程において、ゲル化の促進処理を行う理由は、以下の通りである。すなわち、上記処理を、第１工程のゾル化のステップ工程（石膏を固液分離する前）で行ってしまうと、第１工程でゾル化とゲル化が同時に起こってしまい、第２工程で純度の高いＳｉＯ２ゾルを回収することができない。
【0050】
そのため、第２工程に移る時点で、あるいは移った後に、ゲル化の促進処理を行うと、ゲル化のタイミングを制御し、第２工程で純度の高いＳｉＯ２ゾルを回収できる。
【0051】
次に、本発明における溶融スラグが、Ｐｂを含む場合について説明する。
Ｐｂはスラグ中において酸化物と含まれているので、第１工程で、ＰｂＯ２と硫酸との反応で、ＰｂＳＯ４の固形物が生成し、その固形物を固液分離すれば、Ｐｂを含まない硫酸アルミニウムからなる有価物を取得することができる。ＰｂやＰｂＯ２を含む溶融スラグは、ごみ焼却設備から発生する溶融スラグが挙げられる。
Ｐｂはスラグ中において酸化物と含まれているので、第１工程で、ＰｂＯ２と硫酸との反応で、ＰｂＳＯ４の固形物が生成し、その固形物を固液分離すれば、Ｐｂを含まない硫酸アルミニウムからなる有価物を取得することができる。ＰｂやＰｂＯ２を含む溶融スラグは、ごみ焼却設備から発生する溶融スラグが挙げられる。
【0052】
図１において、ＰｂＯ２を含む溶融スラグと硫酸を第１タンク１０に添加されると、第１工程で、ＰｂＯ２と硫酸が反応し、ＰｂＳＯ４を生成する。ＰｂＳＯ４は固形分として沈殿するために、第１タンク１０内で、固液分離できる。
液中で加水分解して得られるＳｉＯ２ゾルと、Ａｌ２Ｏ３を溶解して得られる硫酸アルミニウムと、余剰の硫酸とからなる液体成分は、第２タンク２０へ送られる。
液中で加水分解して得られるＳｉＯ２ゾルと、Ａｌ２Ｏ３を溶解して得られる硫酸アルミニウムと、余剰の硫酸とからなる液体成分は、第２タンク２０へ送られる。
【0053】
従って、第１タンク１０内で、ＣａＯと硫酸との反応により得られる石膏と、ＰｂＯ２と硫酸との反応により得られるＰｂＳＯ４からなる固形分が回収される。
【0054】
この方法によると、ＰｂＯ２が第１工程で除去されるので、Ｐｂを含まない硫酸アルミニウムからなる付加価値の高い有価物を取得することができる。
【0055】
以上の説明において、前記第２工程で得られた硫酸アルミニウムを含む液体を、再び第１工程で用いる硫酸の一部として再利用してもよい。これにより、硫酸アルミニウムの濃度を上げると共に、酸の有効活用ができる。更に、水の使用量を削減し、排水（廃酸）の削減を図ることができる。
【0056】
また、第１工程又は第２工程で分離した固形分に、洗浄水を使用して洗浄する。この洗浄水を第１工程で用いる硫酸調整の希釈水として使用してもよい。これにより、更に、水の使用量を削減し、排水（廃酸）の削減を図ることができる。
【実施例0057】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は、かかる実施例によって限定されない。
【0058】
実施例１
（１）試験工程
＜第１工程＞
３Ｎに調整した硫酸１００gに溶融スラグ１０gを加えて、常温で３０分攪拌した。
０．４５μｍのメンブレンフィルターで固液分離し、得られた固形物を水洗浄後乾燥させて固形物Ａとした。
ろ液は、第２工程に使用する。
（１）試験工程
＜第１工程＞
３Ｎに調整した硫酸１００gに溶融スラグ１０gを加えて、常温で３０分攪拌した。
０．４５μｍのメンブレンフィルターで固液分離し、得られた固形物を水洗浄後乾燥させて固形物Ａとした。
ろ液は、第２工程に使用する。
【0059】
＜第２工程＞
ろ液は、攪拌させながら、９５℃のオイルバスで加熱させた。
加熱を開始してから、１００分程度で、液にトロミが付いてきたのを確認できた。
１０分後には、ろ液全てがゲル化し、容器を傾けても液面が動かなくなった。
ゲルを０．４５μｍのメンブレンフィルターで固液分離し、得られた固形物を水洗浄後乾燥させて固形物Ｂとした。
ろ液は回収して、ろ液Ｃとした。
ろ液は、攪拌させながら、９５℃のオイルバスで加熱させた。
加熱を開始してから、１００分程度で、液にトロミが付いてきたのを確認できた。
１０分後には、ろ液全てがゲル化し、容器を傾けても液面が動かなくなった。
ゲルを０．４５μｍのメンブレンフィルターで固液分離し、得られた固形物を水洗浄後乾燥させて固形物Ｂとした。
ろ液は回収して、ろ液Ｃとした。
【0060】
（２）分析方法
ＳｉＯ２ ・・・重量法
Ｃa（元素ベース） ・・・ＩＣＰ発光分光分析法
Ａl（元素ベース） ・・・ＩＣＰ発光分光分析法
Ｐb（元素ベース） ・・・フレーム原子吸光分析法
ＳｉＯ２ ・・・重量法
Ｃa（元素ベース） ・・・ＩＣＰ発光分光分析法
Ａl（元素ベース） ・・・ＩＣＰ発光分光分析法
Ｐb（元素ベース） ・・・フレーム原子吸光分析法
【0061】
（３）分析結果
分析結果を表1に示す。
分析結果を表1に示す。
【0062】
【表1】
＊1 検出限界 0.01％ ＊2 検出限界 0.1mg/kg
【0063】
（４）評価
表１から、溶融スラグの各組成は以下のように移行し有価物として製造されたことがわかる。
ＳｉＯ２は、３４％程度が固形物Ａに、５８％程度が固形物Ｂに移行していることがわかる。
固形物Ｂの純度は１００％近くであり、高純度のＳｉＯ２が回収できていることがわかった。
Ｃａは、９０％が固形物Ａに移行していることがわかった。Ｘ線回折の結果、石膏（ＣａＳＯ４・１／２Ｈ２Ｏ）であることがわかった。この石膏は有価物である。
Ａlは、７３％程度が、ろ液Ｃに移行していることがわかった。ろ液Ｃには、ＳｉＯ２ゾルも含まれるが、硫酸アルミニウム液も含まれ、この硫酸アルミニウム液は、硫酸バンドとして活用できる有価物である。
Ｐｂは、固形物Ｂと、ろ液Ｃでは検出限界以下であり、固形物Ａでのみ検出された。固形物Ａは、硫酸鉛である。
また第２工程で、濃硫酸を添加することなく、第１工程から送られる余剰分硫酸を使用したので、ＳｉＯ２ゲルの製造において、硫酸使用量を削減できた。
表１から、溶融スラグの各組成は以下のように移行し有価物として製造されたことがわかる。
ＳｉＯ２は、３４％程度が固形物Ａに、５８％程度が固形物Ｂに移行していることがわかる。
固形物Ｂの純度は１００％近くであり、高純度のＳｉＯ２が回収できていることがわかった。
Ｃａは、９０％が固形物Ａに移行していることがわかった。Ｘ線回折の結果、石膏（ＣａＳＯ４・１／２Ｈ２Ｏ）であることがわかった。この石膏は有価物である。
Ａlは、７３％程度が、ろ液Ｃに移行していることがわかった。ろ液Ｃには、ＳｉＯ２ゾルも含まれるが、硫酸アルミニウム液も含まれ、この硫酸アルミニウム液は、硫酸バンドとして活用できる有価物である。
Ｐｂは、固形物Ｂと、ろ液Ｃでは検出限界以下であり、固形物Ａでのみ検出された。固形物Ａは、硫酸鉛である。
また第２工程で、濃硫酸を添加することなく、第１工程から送られる余剰分硫酸を使用したので、ＳｉＯ２ゲルの製造において、硫酸使用量を削減できた。
【符号の説明】
【0064】
１０ ：第１タンク
２０ ：第２タンク
２０ ：第２タンク
【図1】