特開 2025-35970 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

(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】P2025035970

(43)【公開日】2025-03-14

(54)【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

(51)【国際特許分類】

   B09B 3/40 20220101AFI20250306BHJP

   C22B 7/00 20060101ALI20250306BHJP

   C22B 5/04 20060101ALI20250306BHJP

   C22B 5/10 20060101ALI20250306BHJP

   C22B 5/06 20060101ALI20250306BHJP

   B09B 3/70 20220101ALI20250306BHJP

   B09B 101/30 20220101ALN20250306BHJP

   B09B 101/50 20220101ALN20250306BHJP

   B09B 101/55 20220101ALN20250306BHJP

【ＦＩ】

B09B3/40

C22B7/00 F ZAB

C22B5/04

C22B5/10

C22B5/06

B09B3/70

B09B101:30

B09B101:50

B09B101:55

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023191008

(22)【出願日】2023-11-08

(31)【優先権主張番号】202311126109.5

(32)【優先日】2023-09-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(71)【出願人】

【識別番号】516265780

【氏名又は名称】北京科技大学

(74)【代理人】

【識別番号】100091683

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100179316

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 寛奈

(72)【発明者】

【氏名】張深根

(72)【発明者】

【氏名】沈漢林

(72)【発明者】

【氏名】劉波

【テーマコード（参考）】

4D004

4K001

【Ｆターム（参考）】

4D004AA02

4D004AA16

4D004AA18

4D004AA31

4D004AA36

4D004AA37

4D004AA43

4D004BA02

4D004BA05

4D004CA29

4D004CA37

4D004CB31

4D004CC15

4D004DA03

4D004DA06

4D004DA16

4D004DA20

4K001AA02

4K001AA10

4K001AA23

4K001AA35

4K001AA36

4K001AA38

4K001BA12

4K001BA14

4K001BA22

4K001BA24

4K001DA05

4K001HA01

4K001HA03

4K001HA12

(57)【要約】      （修正有）

【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。

【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

【数1】

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_２Ｏ_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_２Ｏ_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_２Ｏ_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_２Ｏ_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_２Ｏ_３、ＣａＯ－ＳｉＯ_２－ＭｇＯ、ＣａＯ－Ａｌ_２Ｏ_３－ＭｇＯ、ＳｉＯ_２－Ａｌ_２Ｏ_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_２Ｏ_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。

【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_３ＳｉＯ_５）、ケイ酸二カルシウム（Ｃａ_２ＳｉＯ_４）、ウォラストナイト（ＣａＳｉＯ_３）、珪灰石（Ｃａ_３Ｓｉ_２Ｏ_７）、アスベスト（ＣａＭｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１２）、カンラン石（Ｍｇ_２ＳｉＯ_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_１２Ａｌ_１４Ｏ_３３）、アルミン酸三カルシウム（Ｃａ_３Ａｌ_２Ｏ_６）_、カルシウムアルミネート（ＣａＡｌ_２Ｏ_４）_、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ_４Ｏ_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_２Ａｌ_２ＳｉＯ_７）、カルシウム長石（ＣａＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８）、ムライト（Ａｌ_６Ｓｉ_２Ｏ_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_２Ｏ_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】

まとめると、既存の固形廃棄物資源化技術は、固形廃棄物中の基本的な酸化物単位から出発することなく、特定の種類の固形廃棄物を対象としており、固形廃棄物成分の科学的展開の仕組みと応用案が欠けている。したがって、すべての無機固形廃棄物を無機非金属材料に資源化し、固形廃棄物中の有価金属を回収することを実現するために、多源固形廃棄物協同資源化技術が急務である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】中国特許出願公開第１１４６７１６３３号明細書

【特許文献2】中国特許出願公開第１１５４７７５０２号明細書

【特許文献3】中国特許出願公開第１０６６３０６４０号明細書

【特許文献4】中国特許出願公開第１１２９５８５８４号明細書

【特許文献5】中国特許出願公開第１１１９９５４３６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

本発明の目的は、既存技術の欠陥を克服し、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を提供することであり、前記方法は、固体廃棄物中の有価金属を合金に還元し、スラグの高い価値を無機非金属材料に利用し、多資源固体廃棄物の処分問題を完全に解決することである。

【課題を解決するための手段】

【0014】

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、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。

【0015】

さらに、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る。

【0016】

【数1】

【0017】

ここで、Ｐ_ｎはｎ番目の固形廃棄物中の添加量（重量％）であり、
Ｑ_{ｎ－ＣａＯ}は、ｎ番目の固体廃棄物中のＣａＯの含有量（重量％）であり、
Ｑ_{ｎ－ＳｉＯ２}は、ｎ番目の固体廃棄物中のＳｉＯ_２の含有量（重量％）であり、
Ｑ_{ｎ－Ａｌ２Ｏ３}は、ｎ番目の固体廃棄物中のＡｌ_２Ｏ_３の含有量（重量％）であり、
Ｑ_{ｎ－ＭｇＯ}は、ｎ番目の固体廃棄物中のＭｇＯの含有量（重量％）であり、
Ｇ_ｉは、ｉ番目の固体廃棄物中のＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３およびＭｇＯの合計含有量（重量％）であり、
αは、対象鉱物相組成領域におけるＣａＯ含有量（重量％）であり、
βは、対象鉱物相組成領域におけるＳｉＯ_２含有量（重量％）であり、
γは、対象鉱物相組成領域におけるＡｌ_２Ｏ_３含有量（重量％）であり、
δは、対象鉱物相組成領域におけるＭｇＯ含有量（重量％）であり、
α、β、γ、δの合計は１である。

【0018】

さらに、前記多様な固形廃棄物は、産業固形廃棄物および家庭固形廃棄物を含み、前記産業固形廃棄物は、脱硫石膏、鉄鋼スラグ、マグネシウムスラグ、電気炉スラグ、廃棄物焼却飛灰、リン酸化石膏、高炉スラグ、酸洗汚泥、廃ガラス、鉄滓、石炭飛灰、石炭がら、脱硫マンガンスラグ、アルミニウムクリンカ、および赤泥のうちの少なくとも１つを含むが、これらに限定されず、前記家庭固形廃棄物は、廃棄物焼却飛灰、廃棄物焼却ボトムアッシュ、および都市汚泥のうちの少なくとも１つを含むが、これらに限定されない。

【0019】

さらに、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。

【0020】

さらに、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。

【0021】

さらに、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。

【0022】

さらに、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_２Ｏ_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_２Ｏ_３、ＣａＯ－ＳｉＯ_２－ＭｇＯ、ＣａＯ－Ａｌ_２Ｏ_３－ＭｇＯ、ＳｉＯ_２－Ａｌ_２Ｏ_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_２Ｏ_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、を含む。

【0023】

本発明の原理は以下の通りである。
（１）多源固形廃棄物にはＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯが多量に含まれており、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯは無機非金属材料の基本単位である鉱相の主成分である。本発明は、固形廃棄物の資源性を生かし、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯを溶融法により目的とする鉱相に合成し、無機非金属材料の調製に高付加価値で利用することで、あらゆる無機固形廃棄物の資源性を実現するものである。
（２）本発明は、科学的かつ合理的な組成配合により、多源固形廃棄物の協同資源化を実現する。ＣａＯ－ＳｉＯ_２－Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ－ＳｉＯ_２－ＭｇＯ、ＣａＯ－Ａｌ_２Ｏ_３－ＭｇＯ、ＳｉＯ_２－Ａｌ_２Ｏ_３－ＭｇＯの三元相図における目標鉱物相の組成領域（ソフトウェアＦａｃｔＳａｇｅ７．０およびより高度なバージョンによる）および選択された多元固体廃棄物のＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯの含有量に従って、マトリックス計算を行うことにより、各固形廃棄物の添加量を求め、多源固形廃棄物から目的の鉱物相無機非金属材料を正確に調製する。
（３）本発明では、目的とする無機非金属材料の組成要求に応じて、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯの含有量を調製するために、各固形廃棄物の添加量を調整することにより、任意の鉱物相の無機非金属材料を調製することができる。珪酸塩鉱物相として、珪酸三カルシウム（Ｃａ_３ＳｉＯ_５）、珪酸二カルシウム（Ｃａ_２ＳｉＯ_４）、ウォラストナイト（ＣａＳｉＯ_３）、珪灰石（Ｃａ_３Ｓｉ_２Ｏ_７）、石綿（ＣａＭｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１２）、カンラン石（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）などである。アルミネート鉱物相として、ヘプタアルミン酸十二カルシウム（Ｃａ_１２Ａｌ_１４Ｏ_３３）、アルミン酸三カルシウム（Ｃａ_３Ａｌ_２Ｏ_６）、カルシウムアルミネート（ＣａＡｌ_２Ｏ_４）、カルシウムジアルミネート（ＣａＡｌ_４Ｏ_７）などである。アルミノケイ酸塩鉱物相として、カルシウム－アルミニウム黄長石（Ｃａ_２Ａｌ_２ＳｉＯ_７）、カルシウム長石（ＣａＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８）、ムライト（Ａｌ_６Ｓｉ_２Ｏ_１３）などである。アルミニウム－マグネシウム塩鉱物相として、マグネシウム－アルミニウムスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）である。
（４）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、窒化ケイ素、炭化ケイ素とＶ_２Ｏ_５、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＺｎＯ、ＭｏＯ_３、ＣｄＯ、ＳｎＯ_２、ＰｂＯ_２との反応のギブズ自由エネルギーを図３に示し、異なる温度における異なる還元剤と酸化物との反応のギブズ自由エネルギーを決定することができ、その反応式を式（１）～（６）に示す。図に示すように、温度が１２００℃を超えると、Ｖ_２Ｏ_５、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＺｎＯ、ＭｏＯ_３、ＣｄＯ、ＳｎＯ_２、ＰｂＯ_２の還元反応における炭素、金属アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素のギブズ自由エネルギーはすべてゼロ以下となり、金属アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化ケイ素によるＣｒ_２Ｏ_３、ＭｎＯの還元のギブス自由エネルギーは、すべてゼロ以下である。したがって、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、窒化ケイ素、炭化ケイ素を還元して有価金属を回収することは、熱力学的に可能である。
Ｃ＋２／ｙＭ_ｘＯ_ｙ＝２ｘ／ｙＭ＋ＣＯ_２（ｇ） （１）
Ａｌ＋３／２ｙＭ_ｘＯ_ｙ＝３ｘ／２ｙＭ＋１／２Ａｌ_２Ｏ_３ （２）
ＡｌＮ＋３／２ｙＭ_ｘＯ_ｙ＝３ｘ／２ｙＭ＋１／２Ａｌ_２Ｏ_３＋１／２Ｎ_２（ｇ） （３）
Ａｌ_４Ｃ_３＋１２／ｙＭ_ｘＯ_ｙ＝１２ｘ／ｙＭ＋２Ａｌ_２Ｏ_３＋３ＣＯ_２（ｇ） （４）
Ｓｉ_３Ｎ_４＋６／ｙＭ_ｘＯ_ｙ＝６ｘ／ｙＭ＋３ＳｉＯ_２＋２Ｎ_２（ｇ） （５）
ＳｉＣ＋４／ｙＭ_ｘＯ_ｙ＝４ｘ／ｙＭ＋ＳｉＯ_２＋ＣＯ_２（ｇ） （６）
（５）混合物は溶融によってスラグに変化し、スラグは水溶液のように高温の均一な反応環境を提供し、反応物の溶媒として働き、有価金属の酸化物や窒化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素を溶解することができる。有価金属の酸化物は金属陽イオンのスラグ解離に、窒化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素は炭素／窒素基を含む陰イオンのスラグ錯体に、金属陽イオンと炭素／窒素基を含む陰イオンの二重イオン反応に電子の移動を達成するために、反応過程は図３に示すように、炭素、金属、アルミニウムはアルミノケイ酸塩スラグに入ることができないが、炭素とスラグの濡れ性がよく、アルミニウムの金属とスラグの密度はスラグの密度に似ているので、炭素、金属、アルミニウムはスラグと混合することができます。したがって、炭素とアルミニウム金属はスラグ中の金属陽イオンと長時間接触することができる。したがって、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、窒化ケイ素、炭化ケイ素を還元して有価金属を回収することは、動力学的に実現可能である。

【発明の効果】

【0024】

（１）固形廃棄物再資源化のための既存の解決策は、いずれも１種類または数種類の固形廃棄物に限定されている。本発明は、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を提供し、これは普遍的であり、すべての無機固体廃棄物の再資源化に適用可能である。
（２）本発明は、各地に分布する固体廃棄物の種類に応じて、無機非金属材料の基本単位として適当な鉱相を選択することができ、適応性、操作性、工業化が容易であるという利点を有する。
（３）既存の固体廃棄物乾式冶金資源利用投入方式は、ほとんどが経験に由来し、固体廃棄物の基本酸化物単位に由来せず、成分の科学的配置のメカニズムと方式を欠いている。本発明は多資源固体廃棄物の組成データを収集し、選択した固体廃棄物の目標鉱物相の組成領域及びＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ含有量によって、マトリックス計算を利用して各固体廃棄物の添加量（投与計画）を求め、多資源固体廃棄物から目標鉱物相の無機非金属材料の正確な調製を実現する。
（４）既存の固形廃棄物サーマルリサイクルのメカニズムは明確でなく、設計スキームも経験に基づくものがほとんどである。本発明はアルミノケイ酸塩「溶液」（スラグ）の高温均質反応環境の概念を提案し、アルミノケイ酸塩スラグ、例えば水溶液は有価金属の酸化物と窒化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素を溶解することができる。有価金属の酸化物はアルミノケイ酸塩スラグに入り、金属陽イオンに解離し、窒化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素はアルミノケイ酸塩スラグに入り、炭素／窒素基を含む陰イオンに形成し、金属陽イオンと炭素／窒素基を含む陰イオンは電子移動のために双イオン反応を起こす。アルミノケイ酸塩「溶液」高温均質反応環境の概念は、固体廃棄物の熱資源の設計のための理論的なガイダンスを提供することができます。
（５）既存の還元性固体廃棄物（二次アルミ灰、石炭がらなど）は反応性のため、杭廃棄は環境を汚染しやすく、火災を引き起こし、アルミナ、シリカなどの不純物を多く含むため、資源化が困難である。本発明は、還元性固形廃棄物中の炭素、金属アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素を還元剤として使用し、固形廃棄物中の有価金属を合金に還元し、還元性固形廃棄物の資源化を実現する。
（６）既存の固形廃棄物の資源化解決策は、ほとんどが有価金属の回収を無視しており、有価金属は無機非金属材料に入り込み、資源の無駄になっている。本発明は還元性固形廃棄物の還元により有価金属を回収し、グリーン低炭素、低コスト、高収率の効果がある。
（７）本発明では、目標鉱相組成に応じて、ケイ酸塩系無機非金属材料、アルミネート系無機非金属材料、アルミノケイ酸塩系無機非金属材料、アルミ・マグネシウム系無機非金属材料それぞれのスラグを高付加価値化（高値化）する。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の工程フロー図である。

【図2】異なる物質とＶ_２Ｏ_５、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＺｎＯ、ＭｏＯ_３、ＣｄＯ、ＳｎＯ_２、ＰｂＯ_２との反応のギブス自由エネルギーを反応温度に対して示した図であるので、横座標は反応温度、縦座標は反応のギブス自由エネルギーであり、図２（ａ）は炭素であり、図２（ｂ）は金属アルミニウムであり、図２（ｃ）は窒化アルミニウムであり、図２（ｄ）は炭化アルミニウムであり、図２（ｅ）は窒化ケイ素であり、図２（ｆ）は炭化ケイ素であることを示している。

【図3】窒化アルミニウムによる有価金属酸化物の還元反応プロセスを示している図である。

【図4】実施例１５のアルミネート系無機非金属材料のＸＲＤパターンを示す図である。

【図5】実施例１７のアルミネート系無機非金属材料のＸＲＤパターンを示す図である。

【図6】実施例２１のアルミノケイ酸塩系無機非金属材料のＸＲＤパターンを示す図である。

【図7】比較例１の非晶質状態のスラグのＸＲＤパターンを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明の目的、技術的解決策および利点をより明確かつ理解しやすくするために、添付の図面および実施形態と併せて本発明をさらに詳細に説明する。なお、本明細書で説明する具体的な実施形態は、本発明を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定することを意図するものではないことを理解されたい。

【0027】

本発明の実施形態に提供される、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。

【0028】

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る。

【0029】

【数2】

【0030】

ここで、Ｐ_ｎはｎ番目の固形廃棄物中の添加量（重量％）であり、
Ｑ_{ｎ－ＣａＯ}は、ｎ番目の固体廃棄物中のＣａＯの含有量（重量％）であり、
Ｑ_{ｎ－ＳｉＯ２}は、ｎ番目の固体廃棄物中のＳｉＯ_２の含有量（重量％）であり、
Ｑ_{ｎ－Ａｌ２Ｏ３}は、ｎ番目の固体廃棄物中のＡｌ_２Ｏ_３の含有量（重量％）であり、
Ｑ_{ｎ－ＭｇＯ}は、ｎ番目の固体廃棄物中のＭｇＯの含有量（重量％）であり、
Ｇ_ｉは、ｉ番目の固体廃棄物中のＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３およびＭｇＯの合計含有量（重量％）であり、
αは、対象鉱物相組成領域におけるＣａＯ含有量（重量％）であり、
βは、対象鉱物相組成領域におけるＳｉＯ_２含有量（重量％）であり、
γは、対象鉱物相組成領域におけるＡｌ_２Ｏ_３含有量（重量％）であり、
δは、対象鉱物相組成領域におけるＭｇＯ含有量（重量％）であり、
α、β、γ、δの合計は１である。

【実施例0031】

廃棄物焼却飛灰、廃棄物焼却ボトムアッシュおよび石炭廃棄物を原料として、ケイ酸三カルシウム（Ｃａ_３ＳｉＯ_５）を主鉱物相とするケイ酸塩系無機非金属材料を調製した。多源固体廃棄物の組成データを収集した（表１参照）。珪酸三カルシウム相を含むＣａＯ－ＳｉＯ_２－Ａｌ_２Ｏ_３相図を選択し、相図から珪酸三カルシウムの組成範囲を読み取り、不純物ＭｇＯの含有量を制限して、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯの含有量を６５．０～７５．０ｗｔ．％、１５．０～２５．０ｗｔ．％、０～１０．０ｗｔ．％、０～１０．０ｗｔ．％とそれぞれ決定した。廃棄物焼却飛灰、廃棄物焼却ボトムアッシュ、石炭廃棄物の組成データおよびケイ酸三カルシウムの組成データを組成計算マトリックスに代入した。

【0032】

【数3】

【0033】

それから、マトリックスを解いて、廃棄物焼却飛灰、廃棄物焼却ボトムアッシュ、及び石炭廃棄物の添加量Ｐ_{廃棄物焼却飛灰}、Ｐ_{廃棄物焼却ボトムアッシュ}、Ｐ_{石炭廃棄物}を、それぞれ９０．８ｗｔ．％、１．７ｗｔ．％、及び７．５ｗｔ．％とした。原料を均一に混合して混合物を得た。前記混合物を１８００℃に加熱した後３時間保持し、溶融スラグにした。石炭廃棄物中の炭素還元スラグ中の有価金属が合金である。スラグ高値化は珪酸塩系無機非金属材料に利用されている。

【0034】

【表1】

【実施例0035】

廃棄物焼却飛灰、廃棄物焼却ボトムアッシュおよび石炭廃棄物を原料として、ケイ酸三カルシウム（Ｃａ_３ＳｉＯ_５）を主鉱物相とするケイ酸塩系無機非金属材料を調製した。多源固体廃棄物の組成データを収集した（表１参照）。珪酸三カルシウム相を含むＣａＯ－ＳｉＯ_２－Ａｌ_２Ｏ_３相図を選択し、相図から珪酸三カルシウムの組成範囲を読み取り、不純物ＭｇＯの含有量を制限して、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯの含有量を６５．０～７５．０ｗｔ．％、１５．０～２５．０ｗｔ．％、０～１０．０ｗｔ．％、０～１０．０ｗｔ．％とそれぞれ決定した。廃棄物焼却飛灰、廃棄物焼却ボトムアッシュ、石炭廃棄物の組成データおよびケイ酸三カルシウムの組成データを組成計算マトリックスに代入した。

【0036】

【数4】

【0037】

それから、マトリックスを解いて、廃棄物焼却飛灰、廃棄物焼却ボトムアッシュ、及び石炭廃棄物の添加量Ｐ_{廃棄物焼却飛灰}、Ｐ_{廃棄物焼却ボトムアッシュ}、Ｐ_{石炭廃棄物}を、それぞれ８３．２ｗｔ．％、１２．９ｗｔ．％、及び３．９ｗｔ．％とした。原料を均一に混合して混合物を得た。前記混合物を１７６０℃に加熱した後２．５時間保持し、溶融スラグにした。石炭廃棄物中の炭素還元スラグ中の有価金属が合金である。スラグ高値化は珪酸塩系無機非金属材料に利用されている。