JP2001506964A - 汚染堆積物および土壌の除染による環境的に安定な物質 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、有機汚染物質ならびに無機物質で汚染された堆積物や土壌の熱化学除染および浄化とその後の有益な再利用に関する。酸化カルシウムや金属酸化物などの特定の添加物を汚染された物質と混合することで商業価値のある新規な耐環境安定性生成物を生成する。このプロセスでは、混合物を１１５０℃〜１５００℃に加熱して溶融反応生成物を生成し、過剰な量の酸素混合気または空気の少なくとも一部を連続的に溶融物に吹き込むことで混合して有機汚染物質の高い熱破壊と除去効率を達成している。次に溶融物を湿気た空気、蒸気または水で急冷して、無定形物質の結晶化を防止する。クロム、ニッケル、鉛などの無機汚染物質を無定形珪酸塩網状構造内に組み込み完全に固定する。このプロセスでの大気への排出物は無害で、現在の規定の健康と環境規制に適合するものである。無定形物質は粉砕して、アルカリ溶液との反応または他の物質と混合して混合セメントを生成するセメント質の特性を明示する粉末にできる。本発明の粉末およびその混合物から製造したコンクリートの圧縮強度は、汎用コンクリート用途に関するＡＳＴＭ規定に匹敵またはより高いものである。本発明の粉末、混合セメント、およびそのコンクリート／モルタルはＥＰＡのＴＣＬＰ浸出試験に容易に合格して、環境基準合格を達成している。

Description

【発明の詳細な説明】 汚染堆積物および土壌の除染による環境的に安定な物質 発明の分野 本発明は、多様な有機および無機化合物により汚染された堆積物や土壌の熱化 学的除染や浄化に関する。新規な環境的に安定な物質は、除染方法と連携して酸 化カルシウムや金属酸化物などの添加物を汚染された物質に添加することで生成 される。 発明の背景 我々の環境を汚染するあらゆるタイプの人工の汚染された物質が、世界的に発 生している。こうした汚染物質は、空気中、水中、河川堆積物、都市ガス基地な どに見られる。汚染物質には一般に有機と無機の２つのタイプがある。堆積物や 土壌に関係する最も一般的な有機汚染物質には、多核の芳香性炭化水素(PAH)、 ポリ塩化ビフェニル（PCB）などの塩素化炭化水素、ダイオキシン、フランなど の他に化石燃料派生炭化水素やその誘導体がある。最も一般的な無機汚染物質に は、揮発性および不揮発性重金属およびアスベストなどの鉱物由来物質がある。 上記廃棄物を処理する現在の熱式には、ガラス化、プラズマ処理、溶融金属処 理および水蒸気改質の４つの処理システムがある。こうした方法はいずれも、大 規模な除染用途には経済的に十分ではなかった。さらに、これらの技術は処理後 に不経済な廃棄を必要とする多量の二次的なゴミの流れを発生する。 本発明は、汚染堆積物や土壌を一般的建設用途に有用な生成物、すなわち混合 セメントにする新規な熱化学的変換を教示するものであり、このような付加価値 のある最終製品を生み出すことで除染の経済性を飛躍的に改善できるものである 。 発明の要約 本発明の主要な利益は、有機ならびに無機汚染物質により汚染された堆積物や 土壌を下記のように除染する経済的な方法を提供することである。 ａ）汚染物質をＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、ＣａＣｌ₂などの無害な化合物に変換することで 、堆積物や土壌に含まれる有機汚染物質の高熱破壊（９９．９９％以上）を確保 する。 ｂ）重金属などの無機汚染物質を無定形耐浸出性珪酸塩網状構造に取り込んで固 定する方法を提供する。 ｃ）汚染された堆積物や土壌を有用な建設製品に変換する。 本発明のその他の利点は、過剰酸素または酸素含有ガスの存在下での溶融段階 中の適量の石灰石、アルミナ、酸化鉄および融剤との反応により、特定の望まし い反応特性を除染堆積物や土壌に付与する能力である。 さらに本発明の利点は、埋立および焼却方法に代わる新規な廃棄物管理処理技 術である。 以上およびその他の利点および利益は、ＰＡＨ、ＰＣＢ、ダイオキシン、フラ ンなどの有機汚染物質および揮発性や不揮発性重金属などの無機汚染物質により 汚染された堆積物や土壌から成る有害物質の除染のための新規な方法に関する本 発明に具体化されている。有機汚染物質は、本方法における１１５０℃から１５ ００℃の高温により汚染された堆積物や土壌から蒸発される。蒸発した有機汚染 物質は、反応室内の過剰酸素との反応により９９．９９％超の破壊および除去効 果で熱破壊される。つぎに、有機汚染物質が激減した堆積物や土壌は、汚染した 混合物に添加する適切な量の石灰石、アルミナ、酸化鉄その他の適切な添加物と 更に反応し、無機汚染物質や安定酸化物状態の鉛、カドミウム、砒素、バリウム 、クロム、水銀、セレニウム、銀などの重金属陽イオンが珪酸塩網状構造に取り 込まれ固定された無定形溶融反応物が生成される。溶融反応生成物は湿気を含ん だ空気、蒸気または水により大気温度に急冷して、非晶材料が結晶化するのを防 止し、重金属陽イオンが無定形の非晶質材料に取り込まれる可能性を高めている 。急冷した金属を粉砕することで本発明の反応性 溶融物を生成する。 このように、本発明の方法は、有機汚染物質ならびに無機汚染物質で汚染され た堆積物や土壌の熱化学的除染と浄化を含み、汚染された堆積物や土壌を酸化カ ルシウム源、アルミナ、酸化鉄、融剤などの混合物と混合する工程と、この混合 物を加熱して溶融反応生成物を生じる工程と、酸素を溶融物中に吹き込んで有機 汚染物質を破壊する工程と、湿った空気、蒸気または水の存在下で溶融物を急冷 して無定形物質を生成する工程と、この無定形物質を粉砕して粉末を生成する工 程と、その粉末をセメントと混合して混合セメントを生成する工程とから構成さ れる。本発明の生成物は、請求項２の反応性溶融物から成り、マグネシア(Ｍｇ Ｏ)、アルカリ(Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏ)、石膏として存在する三酸化硫黄(ＳＯ₃)、 酸化燐(Ｐ₂Ｏ₅)、酸化チタン（ＴｉＯ₂）および酸化ストロンチウム（ＳｒＯ） をさらに含む。 図面の説明 図１は、本発明のＸ線回折グラフである。 図２は、図１の反応性溶融物が生成された堆積物のＸ線回折グラフである。 図３は、市販のポートランドセメントのＸ線回折グラフである。 図４は、４０重量％の反応性溶融物と６０重量％のタイプＩポートランドセメン トとから生成した混合セメントのＸ線回折グラフである。 図５は、７０重量％の反応性溶融物と３０重量％のタイプＩポートランドセメン トとから生成した混合セメントのＸ線回折グラフである。 図６は、市販のポートランドセメントモルタルのＸ線回折グラフである。 図７は、混合セメントモルタルのＸ線回折グラフである。 図８は、キューポラを使用した本発明による反応性溶融物の製造を示す概略図で ある。 図９は、天然ガス燃焼溶融炉を使用した本発明による反応溶融物の製造を示す概 略図である。 図１０は、電気溶融炉を使用した本発明による反応溶融物の生成を示す概略図 である。 図面の詳細な説明 本発明の方法は、反応性溶融物の製造に必要な化合物を含んだ汚染された堆積 物や土壌、石灰、金属酸化物、融剤などの原料供給材料を適切な割合で炉に入れ る。より具体的には、本発明の方法は、有機汚染物質ならびに無機汚染物質によ り汚染された堆積物や土壌の熱化学的除染および浄化を含み、汚染された堆積物 や土壌を酸化カルシウム源、アルミナ、酸化鉄、融剤などの混合物と混合する工 程と、この混合物を加熱して溶融反応生成物を生成する工程と、酸素を溶融物中 に吹き込んで有機汚染物質を破壊する工程と、湿った空気、蒸気または水の存在 下で溶融物を急冷して無定形物質を形成する工程と、この無定形物質を粉砕して 粉末を生成する工程と、その粉末をセメントと混合して混合セメントを生成する 工程とから構成する。 具体例としての反応性溶融物が見られるのは、この方法により除染される堆積 物（表１）が約２０〜約４０重量％の石灰(ＣａＯ)、約４５〜約６５重量％のシ リカ(ＳｉＯ₂)、約５〜約２０重量％のアルミナ(Ａｌ₂Ｏ₃)、約２〜約１０重量 ％の酸化鉄(Ｆｅ₂Ｏ₃)、石膏として存在する約０．１〜約５重量％の三酸化硫黄 (ＳＯ₃)、約１〜約３重量％のマグネシア(ＭｇＯ)、約０．１〜約５重量％のア ルカリ（Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏ）および約０〜５重量％の融剤を含有する場合であ る。得られる反応性溶融物の性質はポートランドセメントとの組合せにより変わ ることがある。 反応性溶融物の非晶性は透過光による光学顕微鏡によってまたはＸ線回折（Ｘ ＲＤ）技術によりこの生成物の組成を検証することで確認された(図１)。図１は 、結晶構造の存在を示すピークを示していない。それは、石英、亜塩素酸塩、イ ライトおよびマイカ（図示したように）の主要ピークのある元の汚染された堆積 物（図２）または図３に示すようにＣ₂Ｓ、Ｃ₃Ｓ、エーライトの主要ピークのあ る市販ポートランドセメントまたは非晶反応性溶融物によるポートランドセメン ト成分の希釈による幾分小さいピークの混合セメント（反応性 溶融物とポートランドセメントとの４０：６０および７０：３０重量％の混合物 ）（図４および図５）のＸＲＤパターンとは全く異なるものである。 堆積物または土壌（ニューヨークのニュータウンクリークの堆積物およびイリ ノイ州のスーパーファンドサイトの土壌のサンプルの主要鉱物の元素酸化物の成 分が表１に示してある）を除染した時に、このように生成された１つの生成物（ 反応性溶融物）は反応性であり、その化学成分は一般に下記の通りである。 酸化カルシウム（ＣａＯ） ２０〜４０重量％ シリカ（ＳｉＯ） ４５〜６５重量％ アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃） ５〜２０重量％ 酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃） ２〜１０重量％ 融剤 ０〜 ５重量％ 表１ 堆積物の主要鉱物成分 反応性溶融物のその他の少量の化学組成は、マグネシア(ＭｇＯ)、アルカリ( Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏ)、石膏として存在する三酸化硫黄(ＳＯ₃)、ハロゲン化無機 物として存在するハロゲン、酸化燐(Ｐ₂Ｏ₅)、酸化チタン(ＴｉＯ₂)、酸化スト ロンチウム（ＳｒＯ）等と重金属がある。上記化学組成が結合した反応性溶融物 の融点は、約１１５０℃〜約１４００℃の温度である。 微粉砕反応性溶融物は、アルカリ水溶液との反応（実施例Ｉ）またはポートラ ンドセメントなどの材料と混合（実施例ＩＩとIII）によりセメント質の特徴を 明示している。反応性溶融物対ポートランドセメントの重量比は、１０部の反応 性溶融物対９０部のポートランドセメントから最高７０部の反応溶融物対３０部 のポートランドセメントの範囲である。 溶融相における、シリカ（ＳｉＯ₂）自体およびアルミナ(Ａｌ₂Ｏ₃)、酸化鉄( Ｆｅ₂Ｏ₃)、酸化ナトリウム(Ｎａ₂Ｏ)、石灰（ＣａＯ）等のその他の酸化物との 化合により、重金属原子を組み込む珪酸塩網状構造を形成する。珪酸塩網状構造 に組み込み可能な特定の重金属の量は、網状構造にすでに存在するその他の原子 に対する重金属の類似性に左右される。元素置換は、電気イオン価、イオン半径 、配位数および陽イオンの電子構造から計算された「イオン置換の指数」の比較 により概算できる(ジャック・グリーン、「元素の地球化学表」、米国地質学会会 報、Vol．７０、１１２７−１１８４頁、１９５９年９月)。関連する全ての陽イ オンのイオン置換の指数を表２に示す。 表２ イオン置換の指数 図２によれば、Ａｇ⁺、Ｂａ⁺²、Ｐｂ⁺²、Ｓｒ⁺²およびＣｄ⁺²は、アルカリ金 属に代わるもので、Ｈｇ⁺²，Ｍｎ⁺²、Ｚｎ⁺²，Ｃｕ⁺²、Ｓｎ⁺²およびＮｉ⁺²はＭ ｇ⁺²やＦｅ⁺²に代わるもので、Ｃｒ⁺³は、Ｆｅ⁺³に代わるものなどとなっている 。 溶融物を急冷することで珪酸塩網状構造に歪みを生じ、高冷却率では固化した 溶融物の珪酸塩網状構造は、非常にむらのあるものとなり、その分子は固化して 不規則な非晶ガラスとなる。網状構造のむらがひどくなると、網状構造にすでに 存在する他の陽イオンと異なるイオン置換指数を有する重金属陽イオンの取り込 まれるチャンスが高められる。 固化溶融物の安定性は、重金属不純物が取り込まれる珪酸塩網状構造の強さに 左右される。この強さは、溶融物の酸性酸化物の合計のその塩基性酸化物の合計 に対するモル比である溶融物のモル酸性を計算することで概算できる。シリカの ほかに、溶融物内のその他の一般的酸性酸化物は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、Ｆｅ₂Ｏ 、Ｐ₂Ｏ₅、Ｃｒ₂Ｏ₃およびＺｒＯ₂である。溶融物内の一般的塩基性酸化物には 、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、ＦｅＯ、硫化物および塩化物がある。溶融 物のモル酸性が高い場合は、珪酸塩網状構造が強く溶融物は安定する。例えば、 ２１．３重量％のＳｉＯ₂、５．３重量％のＡｌ₂Ｏ₃、２．３重量％のＦｅ₂Ｏ₃ 、６５．２重量％のＣａＯ、２．９重量％のＭｇＯ、３．０重量％のＳＯ₃を含 有する代表的なタイプＩのポートランドセメントは、モル酸性が０．３３である 。代表的な反応性溶融物は約１．０から約２．５の範囲のモル酸性を有し、これ はポートランドセメントよりも環境に安定している。 小規模浸出性試験［(毒性浸出工程、すなわちＴＣＬＰに準拠)Anon.Analyt.Co ntrol、TCLP：改良方法、１２(１)、１−６、ＮＵＳ社発行、ピッツバーグ、ペ ンシルベニア州、１９８７年］を使用して本発明の発見を確認した。反応性溶融 物、混合セメント、ポートランドセメントおよびこれらのモルタル試験片 のＴＣＬＰ試験結果が実施例ＩＶからVIIIに示してある。 本発明の金属組み込み態様を実証するために、クロム酸化物(Ｃｒ₂Ｏ₃）を使 用原料と混合して反応溶融物とポートランドセメントのサンプルを用意した。そ れらは実施例ＩＶとＶＩに説明する。反応性溶融物内のクロムのレベルは、約１ １１０ｍｇ／ｋｇ（表５）とし、ポートランドセメントのレベルは３０７ｍｇ／ ｋｇ（表９）とした。各サンプルの浸出性は、ＴＣＬＰテスト（ｐＨ調整済み） により求めた。その結果は表６と１０に示す。反応性溶融物から０．９４ｍｇ／ Ｌのクロムが浸出した。ポートランドセメントからは１１．８ｍｇ／Ｌのクロム が浸出し、これはクロムについてのＴＣＬＰ規定限度５ｍｇ／Ｌよりも相当高い 。各サンプルの最初のクロム分をそれらの結果としての浸出性と比較すると、反 応性溶融物はポートランドセメントよりも浸出性がおよそ４５倍低い。 反応性溶融物から得た混合セメント生成物は、従来のポートランドセメント内 の消石灰の消失速度と比較すると、混合セメントのポートランドセメント成分内 の消石灰［Ｃａ(ＯＨ)₂］を急速に消費する特徴がある。これは、アルカリ−シ リカ反応（ＡＳＲ）などの有害な副反応を本質的に取り除くことにより反応性溶 融物からの混合セメントで生成したコンクリートまたはモルタルの耐久性を極め て向上している。これは実施例ＩＸに実証および説明してある。 実施例Ｉ １部の粉砕反応性溶融物を２．７５部の砂および０．４８４部の２０重量％の ＮａＯＨ水溶液と混合してモルタルを生成した。モルタルは、５ｃｍ（２インチ ）の立方体にキャストし、５５℃の湿った条件で２３時間硬化させた。その後、 サンプルを型から取りだして、一時間以内に圧縮強さを試験した。２１．４Ｍｐ ａ（３１００ｐｓｉ）の強度が反応性溶融物の液圧活性として報告された。これ は、反応性溶融物が本来反応性でありセメント質であるこを示している。その手 順及びモルタル配合は、ＡＳＴＭ（アメリカ材料検査協会）基準Ｃ−１０７３の 一部である。 実施例ＩＩ ４０重量％の微粉砕（約４０００ｃｍ²／ｇ）反応性溶融物を６０重量％のタ イプＩポートランドセメントと混合し、ＡＳＴＭ基準Ｃ−５９５に準拠したタイ プＩＰ／Ｐ混合セメント仕様に合わせた。性能を強化する添加物を混合物に添加 しなかった。次に１部の混合セメントをＡＳＴＭ基準Ｃ−１０９手順に記載のよ うに２．７５部の砂と０．４８４部の脱イオン水と混合してモルタルを生成した 。モルタルは５ｃｍ（２インチ）の立方体にキャストし、大気温度の湿った部屋 に一晩放置した。次に、立方体を型から取り出し、飽和石灰水溶液中で硬化させ た。３日、７日および２８日後に試験した圧縮強度は、ＡＳＴＭの要求レベルに 匹敵またはそれ以上である。表３に示した結果は、３つの圧縮強度試験の平均で ある。 表３ ４０重量％の反応性溶融物と６０重量％のタイプＩポートランドセメントとから 生成したタイプＩＰ／Ｐ混合セメントの圧縮強度＊下側の値はタイプＰについてのＡＳＴＭの規定であり、上側の値はタイプＩＰ 混合セメントのものである。 ＊＊相互比較のため、汎用タイプＩポートランドセメントについての強度要求も 、ＡＳＴＭ基準Ｃ−１５０からの表３に入れてある(表３，表４)。 実施例III ７０重量％の微粉砕反応性溶融物を３０重量％のタイプＩポートランドセメン トと混合して変成タイプＰ混合セメントを生成した以外には性能強化用添加物を 添加しないで、モルタルの立方体を実施例IIの手順通りに生成した。タイプＰは 初期段階に高強度が要求されない場合のコンクリート建物用混合セメントである 。ＡＳＴＭは、変成タイプＰ混合セメントに関する３日間圧縮強度要件を規定し ていない。 表４ ７０％の反応性溶融物と３０％のタイプＩポートランドセメントとから生成した 変成タイプＰ混合セメントの圧縮強度実施例IV 原料の浚渫堆積物と反応性溶融物の金属分析を表５に示す。また反応性溶融物 の毒性浸出進行（ＴＣＬＰ）試験の結果を表６に示す。反応性溶融物の浸出 液の金属分析によれば、金属のほとんどは、工程の溶融反応段階により反応性溶 融物の珪酸塩網状構造内に保持されていた。砒素や水銀などの一部の金属は熱処 理中に蒸発し、必須の大気汚染防止装置の下流で捕捉される。 表５ 原料の浚渫堆積物および反応性溶融物の金属分析 ＊ 分析せず。 ＊＊ ＜は、分析物の分析検出限度未満であることを意味する。 表６ 反応性金属浸出物の金属分析とＴＣＬＰ規定限度＊ ＜は、分析物の分析検出限度未満であることを意味する。 実施例Ｖ 混合セメント（反応性溶融物：ポートランドセメント＝４０重量％：６０重量 ％）を反応性溶融物の代わりに使用した以外は、実施例IVの手順により金属分析 を行った。その結果を表７に示す。浸出性試験の結果は表８に示す。 表７ 原料の浚渫堆積物および混合セメントの金属分析 ＊ 分析せず。 ＊＊ ＜は、分析物の分析検出限度未満であることを意味する。 表８ 混合セメント浸出物の金属分析とＴＣＬＰ規定限度＊ ＜は、分析物の分析検出限度未満であることを意味する。 実施例ＶＩ ポートランドセメントのサンプルを反応性溶融物の代わりに使用した以外は、 実施例IVの手順により金属分析を行った。その結果を表９に示す。浸出性試験の 結果は表１０に示す。 表９ 原料の浚渫堆積物およびポートランドセメントの金属分析 ＊ ＜は、分析物の分析検出限度未満であることを意味する。 表１０ ポートランドセメント浸出物の金属分析とＴＣＬＰ規定限度＊ ＜は、分析物の分析検出限度未満であることを意味する。 実施例VII ポートランドセメントと混合セメントモルタルの代表的サンプルをＸ線回折（ XRD）技術で分析して化合物の組成を確認した。XRDの結果は、XRDパターンの違 いを比較して図６と７に示してある。モルタルは主として珪砂から成るので、図 示した主なピークの多くは石英および類似の結晶によるものである。 実施例VII 反応性溶融物モルタル試験片、ポートランドセメントモルタル試験片および混 合セメントモルタル試験片を使用した以外は、実施例IVの手順に従って金属分析 を行った。 表１１ 反応性溶融物モルタル試験片及びポートランドセメントモルタル試験片の金属分 析＊ ＜は、分析物の分析検出限度未満であることを意味する。 表１２ 反応性溶融物モルタルとポートランドセメントモルタルの浸出物の金属分析対TC LP規定限度 ＊ ＜は、分析物の分析検出限度未満を意味する。 実施例IX 反応性溶融物から生成した混合セメント生成物は、混合セメントのポートラン ドセメント成分内の消石灰［Ｃａ(ＯＨ)₂］を急速に消費する特徴がある。これ は、アルカリ−シリカ反応（ＡＳＲ）などの有害な副反応を本質的に取り除くこ とにより、反応性溶融物からの混合セメントで生成したコンクリートまたはモル タルの耐久性を極めて向上している。本実施例では、混合セメント（反応性溶融 物から）またはポートランドセメントのサンプルのどちらかからのペーストと水 とを差動走査熱量測定法（DSC）により分析して、３日〜２８日間の硬化の初期 段階でのCa(OH)₂の消失を測定した。 本発明のその他の利点や利益は、以下の詳細な説明および添付の工程図面から 明らかであろう。 以上の通り、本発明の方法は、反応性溶融物の生成に必要な化合物を含有する 汚染堆積物と土壌、石灰、金属酸化物および融剤などの原料供給材料を適切な割 合で溶融装置に入れる事から構成される。 石灰の最も一般的な源は主に炭酸カルシウム（CaCO₃）を含有する石灰石であ る。およそ９００℃に加熱することで、この化合物は石灰（CaO）と二酸化炭素 （CO₂）とに分解される。後者はガスであり普通は影響を受けていない工程から 漏れる。普通、石灰石は溶融装置に導入する前に予熱することで二酸化炭素を追 い出すだけでなく溶融装置に対するエネルギ要求度を低くするものでも ある。その他のアラゴナイト、チョーク、泥灰土、岩、頁岩、海洋貝類などの自 然発生物も同様に、工程中に供給原料としての使用に適している。 供給原料はシリカ源も含有し、シリカの優れた源は汚染された堆積物と土壌で ある。シリカ源は、粉鉱として溶融物に導入できるが、大気温度かまたは、好ま しくは予熱する。 供給原料は、石灰源およびシリカ源を含有する他に、アルミナ源、酸化鉄源、 フッ化カルシウムなどの融剤源も含有するが、こうした有用な原料の量は、石灰 やシリカの量よりもかなり少ない。 その他の原料は、上記のように反応性溶融物内に少量存在するが、様々な供給 材料にも存在している。これらにはアルカリ（ナトリウムやカリウム）および硫 黄、チタン、マグネシウム、マンガン、燐、バリウム、ストロンチウムの化合物 がある。 溶融装置内で供給材料が化学的に結合および反応し、取り出されて急冷された 生成溶融物は適切な特性を持っている。鉛やカドミウムなどの有害金属は、無定 形珪酸塩網状構造内に取り込まれて固定される。 反応性溶融物の生成における上記供給材料の溶融、結合および反応は、特製キ ューポラ炉(図８)、天然ガス燃焼溶融炉(図９)、電気溶融炉（図１０）またはそ の他の溶融装置で行う。 キューポラ１０は高炉に似た縦型円筒柱炉で、効果的な変換溶融がその主な機 能である。キューポラ１０は、耐熱材ライニングの円筒形水冷鋼鉄シェル１２製 で、風箱（ウィンドドラム、バッスル、図示せず）と水冷羽口１４を備え、空気 や酸素混合気を柱体に供給する。空気または酸素混合気の少なくとも一部はキュ ーポラ１０の底部に位置する溶融ゾーンに連続的に吹き込まれる。充填ドアは上 部に設けられ、底部近くの穴や放出口１８から溶融材料が流れ出る。 酸素消失ゾーンでは、全体の反応が支配的で、 Ｃ＋Ｏ₂ → ＣＯ₂ そこを酸化ゾーンまたは燃焼ゾーンとする。 Ｃ＋Ｏ₂ → ＣＯ₂ ΔＨ=-94kcal/モル このゾーンにおける反応により発生する熱により溶融工程を達成される。溶融 ゾーン１６の温度は約１１５０℃〜１５００℃に維持する。燃焼ゾーンの温度は 溶融温度と約１０００℃の間の範囲である。溶融温度は主に反応性溶融物から成 る材料によって変化する。燃焼ゾーンは、有機汚染物質の高熱破壊を達成するた めに燃料ガスの滞在時間を約０．５〜約４秒にしてある。 燃焼ゾーンの上方には約８７０℃〜１０００℃で石灰石を生石灰に分解する熱 伝達ゾーンがある。生石灰は、溶融装置の燃料ガスからの微粒子や混入不揮発性 重金属を補足するフィルタとしても作用する。熱伝達ゾーンは、必要であれば縦 型シャフトキルンなどの別体の装置にすることもできる。 熱伝達ゾーンの上方には予熱ゾーンがあり、それはその上部の別体の装置２８ でもよい。予熱ゾーンでは、投入石灰石は約８７０℃に加熱する。発生ガスは約 ２５０℃〜約３５０℃で予熱ゾーンから出る。更に廃熱を発生ガスから回収して 、溶融装置に供給する前に堆積物や土壌中の過剰水分を除去できる。湿った供給 原料は約５５℃〜９５℃の温度で別体の装置（図８，９，１０に示してない）で 乾燥して、塩化有害化合物やその他の有害化合物の燃料ガス中への揮発を最小限 にできる。必要であれば、燃料ガスは洗浄後に大気中に排気できる。 上記工程の有益な利点の１つは、充填材料の逆流予熱が溶融工程の固有部分に なることである。上方へ流れる高温ガスが降下する負荷量と密着し、直接的で効 果的な熱交換を行える。 キューポラ溶融炉から出る排出物により、大気排出規制がよりきびしい地域で は、天然ガス燃焼溶融炉内のコークスの代わりに天然ガスを燃料として使用でき る。天然ガスを使用する別の理由は、キューポラで使用するコークスや石炭によ る灰汚染がある。 図９に示すように、天然ガス燃焼溶融炉３０は、水冷の耐熱縦型円筒スチール 容器３１と非消耗性中空スチールランス３２とから構成される。また、炉３０は 、供給口３４，３５と、上方のガス出口３５と、炉の底部の少し上方のタ ップホール１８とを備えている。炉壁と底部の外表面は、冷却ジャケット３６内 を流れる水流により冷却される。 添加成分（アルミナ、ボーキサイト、酸化第二鉄、融剤を含む）と生石灰とは 、供給口３４、３５から重力により供給される。ランス３２は、天然ガス（また は燃料オイル）と超過量の酸素混合気または空気とを容器３０内に注入する。溶 融炉内にて溶融を達成するメカニズムは、天然ガスと酸素との燃焼による熱の放 出である。 CH₄+2O₂ → CO₂+2H₂O ΔＨ＝-192ｋｃａｌ／モル 固定化スラグ３７の保護膜が、ランスを燃えないようにしている。普通の運転 のため、ランスの先端を溶融槽１６内に入れて適切に混合し、有機汚染物質の高 熱破壊および除去効率を達成している。 あるいは図１０に示すように、電気溶融炉４０を使用して同じ目的を達成でき る。電気溶融炉４０は、反応性溶融物の生成のために使用する供給材料を連続溶 融するもので、耐熱ライニング炉容器２を備えている。炉容器の側面または頂部 からその内部へ複数の電極４４が延びている様子が図１０に示してある。電極４ ４のそれぞれは所定の挿入深さに調節するため、ウォーム駆動機構（図示せず） により溶融槽６にミリ単位で出し入れ可能である。高い溶融性能を得るために、 電気溶融炉は３相交流炉とする。エネルギの導入は抵抗加熱により行うことがで きる。 電極４４の挿入深さは電極を個々に制御することで調節して、性能を一定にす る。電極４４からの熱が約１１５０℃〜１５００℃の温度で廃棄物を含む供給材 料を溶融し、液相酸化物反応の結果として実質的に均一な組成の溶融反応性溶融 物が形成される。表面より下のより高温部分からの溶融反応性溶融物は、タップ 装置２６を通って炉容器から連続的に取り出される。タップ装置の位置は炉容器 の底部より若干上が好ましい。 電気溶融炉または天然ガス燃焼溶融炉内の燃焼ゾーンの温度範囲は、キューポ ラの場合と同様、溶融温度から約１０００℃である。加熱段階で発生する燃 焼排気ガスの約０．５〜約４秒の滞在時間は、燃焼ゾーン内の有機汚染物質の高 熱破壊を可能とする上で有効なものである。キューポラの場合と同じように、石 灰石から生石灰への反応は、別体の装置でも行うことができる(例えば、縦型シ ャフトキルン)。燃焼ゾーンからの高温ガスは、石灰石の分解に必要なエネルギ を生むものであり、高温の生石灰は溶融炉に連続して充填される。 CaCO₃ → CO₂ ＋ CaO ΔＨ ＝ 42.82 kcal/モル 生石灰の縦型シャフトキルン28は、追加のエネルギが必要な場合は、燃料油や 天然ガスにより燃焼可能である。 キューポラ、電気溶融炉または天然ガス燃焼溶融炉の出口１８からの溶融反応 性溶融物は、普通、約１３００℃を超える温度に維持される。溶融物は湿った空 気、蒸気または水中で急冷して結晶化を防止し、重金属の取り込みを高める。次 に、急冷溶融物は、粉砕して生成物である反応性溶融物とし、ポートランドセメ ントやその他のセメントと混合することで混合セメントを製造できる。急冷した 溶融物は最長寸法１〜１００ミクロンの粒径、好ましくは粒径５〜４０ミクロン に粉砕することで、得られる混合セメントの固化をより早くすることができる。 考察した方法では、水切りやサイジングなどの前処理が必要なく、あらゆるタ イプの汚染された河口、河川、海洋や湖の堆積物および汚染された土壌（砂、粘 土、頁岩）などの供給材料を利用する。汚染された堆積物や土壌は、汚染物質の 性質やタイプによって炉の溶融ゾーンまたは燃焼ゾーンに供給される。有機汚染 物質を減少させた堆積物および土壌プラス適量の石灰、金属酸化物および融剤が 溶融物に取り込まれ、その後の反応性溶融物が生成される。 溶融物中にカルシウムがあるため、HCl、塩素、SOxは生成されない。通常、発 生ガス中の塩素（もしあれば）または塩素化合物、SOx（もしあれば）およびNOx は浄化または洗浄する。水銀や砒素などの高揮発性の重金属は、簡単なインライ ンバッグタイプフィルタまたは活性炭または水銀または硫黄含浸活性炭により発 生ガスから除去する。発生ガス中のナトリウム、カリウムおよび燐 の揮発化合物はスクラブして除去する。発生ガス中に取り込まれた不揮発性重金 属もスクラブして本発明による取り込みのために溶融ゾーンへ戻される。 以上のすべての溶融炉は、こうした炉を非常に高温で運転する場合の廃棄供給 材料およびエネルギ源としての破砕スクラップタイヤの利用に非常に適したもの であり、長い滞在時間を持っている。炉の温度は、一般的に約１３００℃（２３ ７２°Ｆ）よりも高い。高温、長い滞在時間および適切な酸素供給によって有機 物を完全燃焼して、固形廃棄物の燃焼における主たる検討事項であるダイオキシ ンやフランの生成を防止する。 さらに、本発明の反応性溶融物生成方法は、タイヤのスチールビーズやベルト に含まれる鉄を利用できる。多量の鉄化合物が主成分の１つとして既に存在して いるので、スチールは反応性溶融物の品質を変化させない。ある場合には、供給 材料中の鉄化合物が不十分な場合は、スチールベルトタイヤに含まれる鉄が最終 反応性溶融物の特性向上に役立つ。タイヤに含まれる硫黄が石灰石と反応して反 応性溶融物生成に必要な成分の１つである石膏を生成する。この反応は、ゴムタ イヤ内の硫黄からのSOxの大気放出問題についての懸念を軽減するものである。 一般に、炉でスクラップのタイヤを燃やすことで、より高いエネルギ分および タイヤのより均一な組成により、炉の性能を向上し、天然ガス要求量を低減し、 より安定した運転を達成できる。灰による汚染が問題でなく大気排出レベルが適 切に監視されている場合は、粉砕したスクラップタイヤを供給材料に添加して、 燃料および電力消費を低減できる。 本発明は好ましい実施例について説明したが、当業者であれば本発明の範囲を 逸脱することなく多様な変更を加え、その要素に代えて同等物とすることは明白 である。さらに、多様な変更を加えて、本発明の本質的範囲を逸脱することなく 特定の状況や材料を本発明の教示に適用することもできる。したがって、本発明 は、本発明を実施するために最良のモードとして記載した特定の実施例に限定す るものではない。しかし、本発明は、請求の範囲に属する全ての実施例および相 当する態様を含むものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＵ ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＥ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＶ ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ， ＲＯ，ＳＧ，ＧＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ (72)発明者 ランドハーバ、サージット、エス アメリカ合衆国、イリノイ州60201、エバ ンストン、マーシーストリート2406 (72)発明者 メンシンジャー、マイケル、シー アメリカ合衆国、イリノイ州60561、ダリ エン、69ス ストリート1021 (72)発明者 レフマット、アミラーリ、ジー アメリカ合衆国、イリノイ州60561、ダリ エン、ダリエンクラブドライブ1413 (72)発明者 リー、アンソニー、エル アメリカ合衆国、イリノイ州60137―3815、 グレンエリン、オークストリート305

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．有機物並びに無機汚染物質および重金属で汚染された堆積物や土壌を熱化学 除染および浄化して生成される環境的に安定な生成物であって、前記方法は、 ａ）前記汚染された堆積物または前記土壌を酸化カルシウム源、アルミナ、酸化 鉄および融剤と混合して混合物を生成する工程と、 ｂ）前記混合物を加熱して溶融反応生成物を生成する工程と、 ｃ）酸素を前記反応生成物に吹き込んで前記有機汚染物質を分解する工程と、 ｄ）湿り空気、蒸気または水の存在下で前記反応生成物を急冷して珪酸塩網状構 造を有する無定形物質を形成し、前記珪酸塩網状構造内に前記無機汚染物質と前 記重金属とを取り込む工程と、 ｅ）前記無定形物質を粉砕して、粉末を生成する工程と、 ｆ）前記粉末をセメントと混合して混合セメントを生成する工程と を具備する生成物。 ２．前記融剤がフッ化カルシウムである請求項１記載の生成物。 ３．無定形であって、約２０乃至４０重量％の酸化カルシウム(ＣａＯ)、約４５ 乃至６５重量％のシリカ(ＳｉＯ₂)、約５乃至２０重量％のアルミナ(Ａｌ₂Ｏ₃) 、約２乃至１０重量％の酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）約０乃至５重量％の融剤の組成を有 する反応性溶融生成物。 ４．マグネシア(ＭｇＯ)、アルカリ(Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏ)、石膏として存在する 三酸化硫黄(ＳＯ₃)、ハロゲン化無機物として存在するハロゲン、酸化燐(Ｐ₂Ｏ₅ )、酸化チタン（ＴｉＯ₂）および酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）などの少量の化 学成分を更に含む請求項３記載の反応性溶融生成物。 ５．前記反応溶融物の融点が約１１５０℃乃至約１４００℃である請求項３記載 の反応性溶融生成物。 ６．前記反応性溶融生成物１部当たり、２．７５部の砂と０．４８４部の２０重 量％のＮａＯＨ水溶液とがさらに混合されて、２１．４Ｍｐａ超の高圧縮強度の モルタルが生成される請求項３記載の反応性溶融生成物。 ７．ポートランドセメントが更に混合されて、混合セメントが生成される請求 項３記載の反応性溶融生成物。 ８．前記反応性溶融生成物内の、珪酸塩網状構造に重金属が取り込まれる請求項 ３記載の反応性溶融生成物。 ９．ポートランドセメントと反応性溶融生成物との混合物を具備する混合セメン トであって、前記反応性溶融生成物はＣａＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、 およびＣａＦ₂を含み、該反応性溶融生成物のポートランドセメントに対する重 量比は、約１０部の反応性溶融生成物対して約９０部のポートランドセメント乃 至約７０部の反応性溶融生成物対して約３０部のポートランドセメントである混 合セメント。 １０．前記反応性溶融生成物の成分が前記ポートランドセメント内の消石灰を消 費する請求項９記載の混合セメント。 １１．前記反応性溶融生成物は、約２０乃至４０重量％の酸化カルシウム(Ｃａ Ｏ)、約４５乃至６５重量％のシリカ(ＳｉＯ₂)、約５乃至２０重量％のアルミナ (Ａｌ₂Ｏ₃)、約２乃至１０重量％の酸化鉄(Ｆｅ₂Ｏ₃)、約０乃至５重量％の融剤 の組成を有する請求項９記載の混合セメント。