特開 2024-1531 アルミニウムドロスの無害化処理方法、及び処理装置

(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】P2024001531

(43)【公開日】2024-01-10

(54)【発明の名称】アルミニウムドロスの無害化処理方法、及び処理装置

(51)【国際特許分類】

   B09B 3/70 20220101AFI20231227BHJP

   C01F 7/30 20220101ALI20231227BHJP

   C01F 7/42 20220101ALI20231227BHJP

   B09B 101/55 20220101ALN20231227BHJP

【ＦＩ】

B09B3/70 ZAB

C01F7/30

C01F7/42

B09B101:55

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022100241

(22)【出願日】2022-06-22

(71)【出願人】

【識別番号】313004414

【氏名又は名称】株式会社燃焼合成

(71)【出願人】

【識別番号】504173471

【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(74)【代理人】

【識別番号】100174528

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 晋朗

(74)【代理人】

【識別番号】100121049

【弁理士】

【氏名又は名称】三輪 正義

(72)【発明者】

【氏名】原田 和人

(72)【発明者】

【氏名】鏡 好晴

(72)【発明者】

【氏名】能村 貴宏

【テーマコード（参考）】

4D004

4G076

【Ｆターム（参考）】

4D004AA44

4D004BA03

4D004CA04

4D004CA13

4D004CA22

4D004CA32

4D004CA34

4D004CA36

4D004CA37

4D004CA40

4D004CA42

4D004CB04

4D004CC01

4D004CC03

4D004DA01

4D004DA02

4G076AA02

4G076AB28

4G076BA17

4G076CA01

(57)【要約】

【課題】アルミニウムドロスの無害化及び再資源化を行うことができるアルミニウムドロスの無害化処理方法、及び処理装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、アルミニウムドロスの無害化処理方法であって、前記アルミニウムドロスに含まれるＡｌ及びＡｌＮを、ＣＯ_２とテルミット反応及び酸化還元反応させ、前記前記テルミット反応及び前記酸化還元反応によって生じる発熱を利用して、前記アルミニウムドロスを無害化する、ことを特徴とする。また、アルミニウムドロスの無害化処理する処理装置であって、前記アルミニウムドロスを投入し、着火する合成炉と、前記合成炉にＣＯ_２ガスを導入するＣＯ_２ガス導入部と、を有する、ことを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルミニウムドロスの無害化処理方法であって、
前記アルミニウムドロスに含まれるＡｌ及びＡｌＮを、ＣＯ_２とテルミット反応及び酸化還元反応させ、
前記テルミット反応及び前記酸化還元反応によって生じる発熱を利用して、前記アルミニウムドロスを無害化する、ことを特徴とするアルミニウムドロスの無害化処理方法。

【請求項2】

Ａｌ及びＡｌＮと、ＣＯ_２との前記テルミット反応及び前記酸化還元反応により、アルミナを生成する、ことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウムドロスの無害化処理方法。

【請求項3】

水蒸気ガス化反応により、前記テルミット反応及び前記酸化還元反応で生じたＣを除去する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアルミニウムドロスの無害化処理方法。

【請求項4】

前記テルミット反応及び酸化還元反応によって生じる発熱を、無害化処理とともに、発電、或いは、他の熱エネルギーへの応用に用いる、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアルミニウムドロスの無害化処理方法。

【請求項5】

アルミニウムドロスの無害化処理する処理装置であって、
前記アルミニウムドロスを投入し、着火する合成炉と、
前記合成炉にＣＯ_２ガスを導入するＣＯ_２ガス導入部と、を有する、ことを特徴とする処理装置。

【請求項6】

さらに、
着火された前記アルミニウムドロスの温度計測に基づいて、燃焼合成の終了を判断する判定部と、を有する、ことを特徴とする請求項５に記載の処理装置。

【請求項7】

さらに、
加熱された水蒸気を前記合成炉に導入する水蒸気導入部と、
前記合成炉から排出される合成ガスを回収し、回収された前記合成ガスの濃度計測に基づいて、ガス合成反応の終了を判定するガス回収部と、を有することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の処理装置。

【請求項8】

前記合成炉から排出された水蒸気を、前記ガス回収部を介して前記水蒸気導入部に戻す、ことを特徴とする請求項７に記載の処理装置。

【請求項9】

さらに、
合成終了後の前記合成炉内を冷却し、前記合成炉内から排出される排熱を回収する冷却排熱回収装置と、を有することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アルミニウムドロスを無害化するための無害化処理方法、及び処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

アルミニウムドロス（以降、「ドロス」と称する）は、アルミニウムの溶解過程で不可避的に発生する副生成物である。副生成物は、金属アルミニウム（Ａｌ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを主成分とする粉粒状の物である。

【0003】

ところで、ドロス内部に残留するアルミニウム及びＡｌＮは活性であるため、水と反応しやすい。したがって、ドロスの廃棄中、或いは、廃棄後に、雨水などと反応して、有害なアンモニアが発生し、公害を発生する恐れがあった。このため、ドロスの処理が問題とされた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５－１７７５５６号公報

【特許文献2】特開平７－９６２６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献に記載されたドロスの無害化処理には、大きく分けて２種類の方法が示されている。
特許文献１には、ドロスを温水に浸漬させ、金属ＡｌとＡｌＮを加水分解により、水酸化アルミニウムに変化させ、無害化する方法を提案する。

【0006】

より具体的には、特許文献１では、温水温度を上げることで、反応速度を上げドロスを無害化する処理と、有毒であるアンモニアの回収とを同時に行うことが提案されているが、外部加熱によるエネルギー消費や、４ＭＰａという高圧での処理が必要とされるため、設備コストが高くなり、また処理に時間がかかる問題があった。また、特許文献１では、有害なアンモニアが発生することを排除できない。

【0007】

特許文献２には、ドロス残灰中に残留するＡｌとＡｌＮ、また塩素成分の除去をするために、加熱処理を行い、処理物はセメント原料として使用することを提案している。この処理では塩素成分除去のための外部からの加熱温度が、１３００℃～１４５０℃と高温であり、その熱を得るため石灰粉や重油等の化石燃料を使用する。したがって、大量のエネルギー消費が課題であり、現在のＣＯ_２削減の観点からも好ましくない。

【0008】

ＣＯ_２に関しては、工業的には、膜分離や深冷分離により、ＣＯ_２を分離固定し、それを地中貯留、又は、海洋隔離する方法が行われている。しかしながら、この方法は、ＣＯ_２を分解しているわけではないため、再び、大気中に放出される可能性があるなど完全なる固定化に至らない問題があった。

【0009】

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、アルミニウムドロスの無害化及び再資源化を行うことができるアルミニウムドロスの無害化処理方法、及び処理装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、アルミニウムドロスの無害化処理方法であって、前記アルミニウムドロスに含まれるＡｌ及びＡｌＮを、ＣＯ_２と前記テルミット反応及び酸化還元反応させ、前記テルミット反応及び前記酸化還元反応によって生じる発熱を利用して、前記アルミニウムドロスを無害化する、ことを特徴とする。

【0011】

本発明におけるアルミニウムドロスの無害化処理方法の一態様は、Ａｌ及びＡｌＮと、ＣＯ_２との前記テルミット反応及び前記酸化還元反応により、アルミナを生成する、ことを特徴とする。
本発明におけるアルミニウムドロスの無害化処理方法の一態様は、水蒸気ガス化反応により、前記前記テルミット反応及び及び前記酸化還元反応で生じたＣを除去する、ことを特徴とする。
本発明におけるアルミニウムドロスの無害化処理方法の一態様は、前記テルミット反応及び酸化還元反応によって生じる発熱を、無害化処理とともに、発電、或いは、他の熱エネルギーへの応用に用いる、ことを特徴とする。

【0012】

本発明は、アルミニウムドロスの無害化処理する処理装置であって、前記アルミニウムドロスを設置し、着火する合成炉と、前記合成炉にＣＯ_２ガスを導入するＣＯ_２ガス導入部と、を有する、ことを特徴とする。

【0013】

本発明における処理装置の一態様は、さらに、着火された前記アルミニウムドロスの温度計測に基づいて、燃焼合成の終了を判断する判定部と、を有する、ことを特徴とする。

【0014】

本発明における処理装置の一態様は、さらに、加熱された水蒸気を前記合成炉に導入する水蒸気導入部と、前記合成炉から排出される合成ガスを回収し、回収された前記合成ガスの濃度計測に基づいて、ガス合成反応の終了を判定するガス回収部と、を有することを特徴とする。
本発明における処理装置の一態様は、前記合成炉から排出された水蒸気を、前記ガス回収部を介して前記水蒸気導入部に戻す、ことを特徴とする。

【0015】

本発明における処理装置の一態様は、さらに、合成終了後の前記合成炉内を冷却し、前記合成炉内から排出される排熱を回収する冷却排熱回収装置と、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明のアルミニウムドロスの無害化処理方法によれば、ドロス内に残留する金属Ａｌ及びＡｌＮを、アルミナに変化させて無害化できるとともに、ドロスの再資源化を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、本実施の形態におけるアルミニウムドロスの無害化処理方法を示す工程フロー図である。

【図2】図２は、本実施の形態におけるアルミニウムドロスの処理装置のブロック図である。

【図3】図３は、図２に示す処理装置を用いた合成フロー図である。

【図4】図４は、Ａｌを含む原料を燃焼合成して得られた生成物のＸ線回折スペクトルである。

【図5】図５は、Ａｌを含む原料を燃焼合成して得られた生成物（アルミナ）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の一実施の形態（以下、「実施の形態」と略記する。）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。また、「～」の表記は、下限値及び上限値の双方の数値を含む。

【0019】

＜本実施の形態におけるアルミニウムドロスの無害化処理方法の概要＞
本実施の形態における無害化処理方法は、ドロス中に含まれる金属Ａｌ及びＡｌＮをＣＯ_２とのテルミット反応及び酸化還元反応により、アルミナに変化させて無害化し、且つＣＯ_２をＣに還元することによる炭素固定化に特徴がある。

【0020】

すなわち、以下の式（１）（２）が成立する。
２Ａｌ＋３／２ＣＯ_２→Ａｌ_２Ｏ_３＋３／２Ｃ （１）
２ＡｌＮ＋３／２ＣＯ_２→Ａｌ_２Ｏ_３＋３／２Ｃ＋Ｎ_２（ｇ） （２）

【0021】

式（１）におけるエンタルピーΔＨは、－１０８４ＫＪ／ｍｏｌであり、断熱火炎温度は、４４９０℃である。また、式（２）におけるエンタルピーΔＨは、－４４８ＫＪ／ｍｏｌであり、断熱火炎温度は、２０５４℃である。式（２）に示す（ｇ）は、ガスであることを示す。

【0022】

上記式（１）（２）により、Ａｌ及びＡｌＮともに、ＣＯ_２との反応において発熱反応であることがわかる。また、一般的に、断熱火炎温度が１５００℃以上であれば、燃焼伝播することができ、燃焼合成が可能とされる。

【0023】

このように、本実施の形態では、燃焼合成法の一つであるテルミット反応及び酸化還元反応を利用し、ドロスの無害化及び再資源化を行う。式（１）が、テルミット反応、式（２）が酸化還元反応と定義できる。

【0024】

再資源化に関しては、高純度のアルミナの生成に加えて、水蒸気ガス化反応により、Ｃを分離除去することが好ましい。水蒸気ガス反応では、以下の式（３）が成立する。
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２ （３）

【0025】

式（１）～（３）により、本実施の形態の無害化処理方法では、アルミナと、ＣＯ及びＨ_２の合成ガスを得ることができる。これらは有用な工業材料であり再利用が可能である。このように、本実施の形態では、有害廃棄物としてのドロスを無害化し、更に、再資源化することができる。

【0026】

＜本実施の形態におけるアルミニウムドロスの無害化処理方法の工程フロー＞
図１は、本実施の形態におけるアルミニウムドロスの無害化処理方法を示す工程フロー図である。

【0027】

まず、図１に示すステップＳＴ１では、ドロスを粉砕する。これにより、合成反応性を上げることができる。例えば、平均粒径が１５０μｍ以下となるまで粉砕する。

【0028】

次に、図１に示すステップＳＴ２では、ドロス中のＡｌ量の調整を行う。一般的に、ドロスには、Ａｌを、１０質量％～３０質量％程度、Ａｌ_２Ｏ_３を、５０質量％～７５質量％程度、ＡｌＮを、１５質量％～２０質量％程度、及びドロスの圧搾処理中に添加されるハロゲン化物（ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＮａＦ等）を２質量％程度含む粒状体である。このうちＡｌ量が少ないと自己燃焼が不十分となるため、本実施の形態では、ステップＳＴ２で、Ａｌ含有量を調整している。限定されるものではないが、Ａｌ含有量を２５質量％～３０質量％程度となるように調整及び混合を行う。混合には、ボールミルやブレンダーを用いる。なお、ドロス圧搾によるＡｌ回収処理段階で、Ａｌを自己燃焼可能な濃度（例えば、２５質量％以上）で残留させることができれば、ステップＳＴ２をスキップすることができる。
次に、図１に示すステップＳＴ３では、ドロス原料を、合成炉中に投入する。

【0029】

次に、図１に示すステップＳＴ４では、ドロス原料を備えた合成炉中に、ＣＯ_２ガスを導入して燃焼合成を行う。燃焼合成により、上記の式（１）（２）のテルミット反応及び酸化還元反応が生じ、アルミナとＣとが生成される。

【0030】

次に、図１に示すステップＳＴ５では、合成炉中に水蒸気を導入する。これにより、上記の式（３）の水蒸気ガス化反応が生じ、Ｈ_２とＣＯとの合成ガスが生成される。水蒸気温度を限定するものではないが、例えば、１０００℃～１２００℃である。

【0031】

次に、図１に示すステップＳＴ６では、水蒸気ガス化反応の終了後、炉内雰囲気を循環させて、合成物及び炉内を冷却する。この際、排熱が発生するので、それを回収して所望の用途に使用することができる。例えば、暖房や発電など、或いは、他の熱エネルギーへの応用に利用できる。

【0032】

次に、図１に示すステップＳＴ７では、合成物の排出を行う。合成炉に反転機構が設けられていると、排出作業を簡易的に行うことができる。ここで、合成物の主成分は、アルミナである。

【0033】

合成物は、塊状になっているため、図１に示すステップＳＴ８では、合成物を粉砕する。まず、合成物を、ジョークラッシャやロールミルなどで粗粉砕し、続いて、ハンマークラッシャなどで中粉砕する。限定するものではないが、合成物の平均粒径が２０μｍ程度になるまで粉砕を行う。

【0034】

次に、図１に示すステップＳＴ９では、粉砕物を水中で一定時間、攪拌する。これにより、粉砕物の内部に残留しているハロゲン化物質を除去する。
次に、図１に示すステップＳＴ１０では、粉砕物を含む液体を、フィルタープレスなどで固液分離し、粉砕物を乾燥炉で乾燥させる。
上記した各ステップを得ることで、ドロスから高純度のアルミナ粉末を得ることができる。

【0035】

＜本実施の形態の効果について＞
本実施の形態では、上記ステップのうち、ステップＳＴ４では、式（１）（２）のテルミット反応及び酸化還元反応を生じさせ、この反応は発熱反応であり、しかもその際の断熱火炎温度が１５００℃以上であることから、燃焼合成を起こすことができる。また燃焼合成後の余熱は、ステップＳＴ５の水蒸気ガス化反応で、Ｃを除去するに十分な熱量を有している。

【0036】

このように、本実施の形態では、ドロス中の金属Ａｌ及びＡｌＮを、ＣＯ_２とテルミット反応及び酸化還元反応させ、テルミット反応及び酸化還元反応により生じる発熱を利用することで、高純度のアルミナ粉末、及び、好ましくは、該アルミナ粉末と、Ｈ_２とＣＯの合成ガスを回収でき、ドロスを無害化することが可能である。しかも回収したアルミナ粉末と、Ｈ_２とＣＯの合成ガスは、有用な工業材料であり、再利用が可能である。

【0037】

以上のように、本実施の形態のアルミニウムドロスの無害化処理方法によれば、ドロスの無害化と再資源化が可能である。

【0038】

＜合成方法の詳細な説明＞
本実施の形態における合成方法の詳細な説明を、図２及び図３を用いて説明する。図２は、本実施の形態におけるアルミニウムドロスの処理装置のブロック図である。図３は、図２に示す処理装置を用いた合成フロー図である。

【0039】

図２に示す処理装置１は、合成炉２と、ＣＯ_２ガス導入部３と、燃焼合成の終了を判断する判定部４と、水蒸気を合成炉２内に導入する水蒸気導入部５と、合成炉から排出される合成ガスを回収するガス回収部６と、合成炉２内を冷却し、排熱を回収する冷却排熱回収装置７と、を有して構成される。
図３のフローチャートを交えながら合成方法について説明する。

【0040】

図２に示す合成炉２内にドロス原料を設置（投入）する（図３のステップＳＴ１１）。合成炉２の内壁は、アルミナファイバー、又は、ジルコニアなどの低熱伝導性の断熱材により構成されている。これにより、熱が合成炉２の外部に逃げにくい構造となっている。合成炉２の炉上面は、開閉式になっており、ドロス原料を炉上面より投入できる。

【0041】

投入の際に、ドロス原料と断熱材の間に、アルミナなどの既反応物を入れておき、ドロス原料と断熱材とが直接接触しないようにしておくことが好ましい。断熱材の耐熱温度は１８００～２０００℃であり、一方、燃焼温度は２５００℃程度まで上がり、断熱材の耐熱温度を超えている。このため、断熱材が溶けて消耗するのを防ぐために、ドロス原料と断熱材の間に、アルミナなどの既反応物を入れることで、ドロス原料の燃焼熱による断熱材のダメージを低減でき、且つ、燃焼反応後にて生成される合成物（高純度のアルミナ）の排出性も向上できる。

【0042】

また、合成炉２内へのドロス原料の充填完了後に、ドロス原料の上面に、カーボンフィラメントやタングステンフィラメントなどの着火電極を設置し、炉上面を閉めて密閉する。

【0043】

図２に示すように、合成炉２の下部には真空ポンプ８が接続されている。この真空ポンプ８を用いて、炉内下部より、合成炉２内を真空引きする（図３のステップＳＴ１２）。このときの真空度を限定するものではないが、例えば、１ＫＰａ程度まで真空引きを行う。

【0044】

図２に示すように、合成炉２の下部には、ＣＯ_２ガス導入部３が接続されている。ＣＯ_２ガス導入部３よりＣＯ_２ガスを合成炉２内に導入する。このとき、ＣＯ_２ガスのガス圧を所定圧になるまで引き上げる（図３のステップＳＴ１３）。例えば、７００ＫＰａまでＣＯ_２ガスを導入する。

【0045】

続いて、合成炉２内では、フィラメント通電により着火させ、これにより、合成炉２の下部に向かい、燃焼合成が開始される（図３のステップＳＴ１４）。このとき、燃焼合成の進行に伴い、合成炉２内のＣＯ_２ガスは減少するが、都度、ＣＯ_２ガスを導入し、７００ＫＰａを維持する。

【0046】

図２に示すように、合成炉２の下部付近には、燃焼合成の終了を判断する判定部４が設置されている。判定部４は、熱電対を有する。熱電対は、ドロス原料の端部付近（着火点より最も離れた場所）の温度を計測している。そして、熱電対により計測された温度が低下に転じることで、判定部４では、燃焼合成の終了を判断する（図３のステップＳＴ１５）。燃焼合成の終了判定後、判定部４は、停止信号をＣＯ_２ガス導入部３に送り、ＣＯ_２ガスの供給を止める。

【0047】

燃焼合成終了後、判定部４は、例えば、合成炉２の下部に接続された水蒸気導入部５に開始信号を送り、水蒸気導入部５から加熱された水蒸気を連続導入する（図３のステップＳＴ１６）。図２に示すように、水蒸気導入部５は、水蒸気発生器１０と、Ａｒガス導入部１１と、加熱器１２とを有して構成される。水蒸気発生器１０からの水蒸気と、Ａｒガス導入部１１からのＡｒガスとの混合ガス（例えば、モル比を、１：１とする）を、加熱器１２により、１２００℃程度まで加熱し、加熱された混合ガスを合成炉２内に導入する。これにより、合成炉２内部では、水蒸気ガス化反応が起こり、上記の式（３）により、Ｈ_２とＣＯとの合成ガスが生成される。この結果、上記の式（１）（２）にて生成されたＣを除去できる。

【0048】

水蒸気ガス化反応は、吸熱反応である。しかしながら、アルミナとＣとを有する合成物は、燃焼合成後の余熱により、１７００℃程度の熱を有している。したがって、Ｃを除去するには十分な熱量を備えている。

【0049】

水蒸気導入部５により合成炉２内に導入された混合ガスの未反応ガス、及び、式（３）により生成された合成ガスは、合成炉２の上部から排出される。これにより、合成炉２内は、一定圧に保たれる。

【0050】

図２に示すように、合成炉２の上部には、ガス回収部６が接続されている。ガス回収部６は、コンデンサー１５、ガスセンサー１３、及び合成ガス回収装置１４を有して構成される。

【0051】

合成炉２の上部から排出された合成ガス中に含まれる水蒸気は、コンデンサー１５により除去されて液体になり、コンデンサー１５を介して水が、水蒸気発生器１０に戻される。このように、水蒸気（水）を、ガス回収部６を介して、合成炉２と水蒸気導入部５との間で循環させることができる。

【0052】

一方、合成ガス回収装置１４に回収されたガスは、Ａｒ、Ｎ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２、及びＣＯから構成される。このうち、Ａｒは、混合ガス由来であり、Ｎ_２は、上記の式（２）により生成され、Ｈ_２、及びＣＯは、上記の式（３）により生成されたガスである。これらのガスのうち、例えば、ＰＳＡ法などにより、Ｈ_２及び、ＣＯを分離して回収することができる。

【0053】

図２に示すように、ガスセンサー１３は、合成ガス回収装置１４の手前に配置されている。これにより、合成ガス回収装置１４に導入されるＨ_２及びＣＯの濃度を、ガスセンサー１３により計測できる。計測による濃度値により、水蒸気ガス化反応の終了を判定することができる（図３のステップＳＴ１７）。終了判定後、合成炉２への混合ガスの導入を停止する。

【0054】

次に、合成炉２の上部と下部との間をつなぐ冷却排熱回収装置７により、合成炉２内のガスを循環させて冷却させる（図３のステップＳＴ１８）。この際に放出される排熱を、例えば、排熱を暖房や発電など、或いは他の熱エネルギーへの応用に利用することができる。

【0055】

合成炉２内の温度が所定値以下、例えば、室温程度まで低下したら、合成炉２内の圧力を大気圧程度まで減圧し、合成炉２内より合成物を排出する（図３のステップＳＴ１９）。このとき、合成炉２につながる各種配管及び電極類等の着脱を簡素化することで、合成炉２を反転させることが可能になり、合成物を合成炉２内から容易に排出することができる。

【0056】

＜燃焼合成の最適条件の検討＞
本実施の形態では、ドロス中に含まれる金属Ａｌ及びＡｌＮを、ＣＯ_２ガスとテルミット反応及び酸化還元反応させることで燃焼合成を起こし、その際に生じる発熱でドロスを効果的に無害化させるための最適条件を実験により求めた。

【0057】

実験で使用したドロス成分として、Ａｌ（粒子径は１５μｍ）、Ａｌ_２Ｏ_３（粒子径は１０μｍ）、及びＡｌＮ（粒子径は２μｍ）の各試薬をボールミルにて混合した原料を使用した。このとき、原料１００ｇを、カーボン坩堝に入れ、燃焼合成炉内に設置後、真空置換を行い、ＣＯ_２（純度＞９９．５ｖｏｌ％、ガス圧：５００ＫＰａ）の雰囲気下で燃焼合成を行った。
実験では、原料中、Ａｌ_２Ｏ_３：ＡｌＮの混合比を、７：２で固定し、Ａｌ量を変化させて、燃焼温度と、得られた生成物とを測定した。

【0058】

燃焼温度の測定は、原料中にタングステン－レニウム熱電対を挿入し測定した。また、Ｘ線回折強度（ＸＲＤ）分析には、Ｒｉｇａｋｕ ＭｉｎｉＦｌｅｘ ６００－Ｃを使用し、定性解析には、解析ソフトＰＤＸＬを用いた。その実験結果を表１に示す。

【0059】

【表1】

【0060】

生成物検出の判定方法は以下の通りとした。すなわち、同定無は「未検出」と判定し、主同定組成の最大ピーク積分強度に対し、最大ピークの積分強度が５％未満の組成は、「微量検出」と判定し、主同定組成の最大ピーク積分強度に対し、最大ピークの積分強度が５％以上の組成は、「検出」と判定した。

【0061】

表１に示すように、Ａｌ量が増加するに従い、燃焼温度が上昇し、その結果、ＡｌＮの残留量が低下し、Ａｌ量が３０質量％以上では、ＡｌＮは、未検出となった。その一方で、Ａｌ量が３０質量％以上になると、Ａｌ同士の溶着が起こり、未反応のＡｌが増加した。この結果より、ドロス中に含まれるＡｌ量は、２５～３０質量％程度が適正量と考えられる。

【0062】

次に、ドロス中のＡｌ量を３０質量％に固定した原料１００ｇを、カーボン坩堝に入れ、燃焼合成炉内に設置後、真空置換を行い、ＣＯ_２（純度＞９９．５ｖｏｌ％）の雰囲気下で燃焼合成を行った。実験では、ＣＯ_２ガス圧を変化させて、燃焼温度と、得られた生成物を測定した。その実験結果を表２に示す。

【0063】

【表2】

【0064】

表２に示すように、ＣＯ_２ガス圧を７００ＫＰａ以上にすると、燃焼温度は１８００℃以上になり、未反応の金属Ａｌ及びＡｌＮは未検出となった。この結果により、ＣＯ_２ガス圧は、７００ＫＰａ以上が適正値であると判断した。ガス圧を９００ＫＰａ程度まで高めても同様の効果を得ることができるが、処理に要するコストや設備費用を考慮すると、ＣＯ_２ガス圧は、７００ＫＰａ～９００ＫＰａの範囲内であることが好ましく、７００ＫＰａ～８５０ＫＰａの範囲であることがより好ましく、７００ＫＰａ～８００ＫＰａの範囲であることが更に好ましい。

【0065】

以上により燃焼合成の最適化条件として、ドロス中の金属Ａｌ量を、２５質量％～３０質量％とし、ＣＯ_２ガス圧を、７００ＫＰａ～９００ＫＰａとすることが好ましい。
なお、表２に示すように、ＡｌＯＣＮも検出されるが、最終的には熱により、アルミナとＣに分解される。

【0066】

＜坩堝の断熱性向上による燃焼温度変化と生成物について＞
反応用坩堝を熱伝導性に優れたカーボン材質から、熱伝導性の低いアルミナファイバーからなる断熱材に変更して検証を行った。実験では、原料量３００ｇ中、Ａｌ量を３０ｗｔ％とし、残りを、Ａｌ_２Ｏ_３：ＡｌＮ＝７：２とした。また、ＣＯ_２ガス圧を７００ＫＰａとした。

【0067】

その結果、坩堝の断熱性が向上したことにより、燃焼温度は２３２０℃以上（熱電対の検出限界）となった。また、図４のＸ線回折スペクトル結果に示すように、生成物から、アルミナとＣの２組成が検出された。図５に示すＳＥＭ写真に示すように、生成物としてのアルミナの表面は多孔質であることが確認された。これにより、水蒸気ガス化反応には有利に作用すると推測される。

【産業上の利用可能性】

【0068】

本発明のアルミニウムドロスの無害化処理方法によれば、設備コストを低く抑えるとともに、化石燃料を使用することなく、エネルギー消費も低減でき、高純度のアルミナと、ＣＯ及びＨ_２の合成ガスを生成でき、ドロスの無害化とともに再資源化を図ることができる。

【符号の説明】

【0069】

１ ：処理装置
２ ：合成炉
３ ：ＣＯ_２ガス導入部
４ ：判定部
５ ：水蒸気導入部
６ ：ガス回収部
７ ：冷却排熱回収装置
８ ：真空ポンプ
１０ ：水蒸気発生器
１１ ：Ａｒガス導入部
１２ ：加熱器
１３ ：ガスセンサー
１４ ：合成ガス回収装置
１５ ：コンデンサー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】