JP6012996B2 - 製紙用填料の製造方法 - Google Patents
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一方でこれら焼却灰を用いた製品を再利用するためには、多くのコストとエネルギーを必要とする場合があり、あるいは、再利用品の品質が要求される品質に達しないことも少なくない。また、ライフサイクルアセスメントの観点からは、焼却灰の再利用に要したコストやエネルギーと、得られた再利用品の品質とを総合的に判断して、現実的に実用レベルとはいえない場合も多い。例えば、特許文献2のように、非酸素雰囲気下での炭化処理およびアルカリ水溶液中での水熱処理を行うためには、多大なエネルギーが必要となり、工程も複雑なものとなる。特許文献3でも複数の燃焼炉を用いて複数段の燃焼行程を行うことが好ましいとされているため、やはりエネルギーを多量に消費するほか、必要な設備空間も多大なものとなり、工業的および土地利用的観点からコスト面で不利となる可能性がある。このように、焼却灰再利用のための各種前処理を行うためには、多くの費用と手間が必要となり、実際には困難であることが多い。これも、焼却灰の再利用が積極的に進められない理由の一つである。
焼却工程
本発明において使用する原料の焼却灰としては、製紙スラッジ(PS:Paper Sludge)焼却灰、石炭焼却灰、紙を含む廃棄物の焼却灰、バイオマス焼却灰、複合燃料焼却灰からなる群より選択される1種以上を用いることができる。原料の焼却灰は製紙スラッジ焼却灰を含むことが好ましく、原料の焼却灰に占める製紙スラッジ焼却灰の割合は50重量%以上が好ましく、70重量%以上がより好ましい。また、原料の焼却灰として、製紙スラッジ及び/または石炭の焼却灰を使用することが好ましい。また、焼却灰の熱処理の温度は、温度650〜950℃であることが好ましく、700〜900℃がより好ましく、700〜800℃がさらに好ましい。このような温度で焼却することによって、最終的に得られる製紙用填料を抄紙機での抄紙に用いた場合に、抄紙機のワイヤーを摩耗させにくいという効果が得られる。
本発明の製紙用填料を製造するには、まず、原料である焼却灰を平均粒径5〜250μmまで分級する。一般に焼却灰は、各種金属及びそれらの酸化物、硫化物、塩化物などの無機物を主に構成されているが、その組成は非常に複雑であり、焼却物や産地によっても種々異なる。焼却灰には、SiO2、Al2O3、CaO、MgOなどの無機酸化物、未燃カーボンのような燃焼原料中の有機物の他、ハロゲンや重金属を含んでいることがある。このように焼却灰は、場所、季節などによってその組成が変動するが、工業的に安定して再利用するためには、このような組成が一定しない焼却灰を原料としても一定レベルの製紙用填料を安定して製造できることが要求される。このような状況の中、本発明者は、分級処理により焼却灰の平均粒径を5〜250μmの範囲に制御することによって、驚くべきことに、焼却灰のワイヤー磨耗度が改善されることを見出した。つまり、本発明によれば、熱処理を施す時間、燃焼設備の形状等の燃焼条件に関係なく、種々の原料から、ワイヤー摩耗性に優れた製紙用填料を安定的に製造することが可能である。後述する実施例において実証されているように、平均粒径を250μm以下にした焼却灰を粉砕することにより、ワイヤー磨耗性が著しく低下し、製紙用填料として好適に使用することが可能になる。一方、平均粒径を250μmより大きくすると、粉砕効率が低下し、ワイヤー磨耗度が高くなってしまうため、好ましくない。粉砕効率などの観点から、分級後の焼却灰の平均粒径は、30〜150μmとすることがより好ましく、50〜100μmとすることがさらに好ましい。
本発明においては焼却灰の粉砕を湿式で行うが、湿式粉砕に先立って焼却灰をスラリー化する。スラリーの濃度は、湿式粉砕を行うことができる濃度であれば特に制限はないが、0.05〜50%が好ましく、1〜40%がより好ましい。0.05%未満では生成される粒子の量が少なくなり粉砕の効率が悪く、50%を越えるとスラリーの流動性が悪化し粉砕工程の操業性が低下するおそれがある。スラリーを粉砕機に施用する前には、攪拌・分散処理を行って焼却灰粒子をスラリー中に均一に分散させることが望ましい。この攪拌・分散処理は、焼却灰が十分に分散し、極端に凝集していなければ問題はなく、時間や攪拌強度等の制限は特にない。撹拌機または分散機としては、例えばアジテータ、ホモミキサー、ホモジナイザー、ミキサー等をはじめとする、既知の攪拌機または分散機を問題なく使用できる。焼却灰スラリーの溶媒は水系溶媒であることが好ましい。
本発明においては、平均粒径を5〜250μmに分級処理した焼却灰に粉砕処理を施す。粉砕処理を行うことによって、焼却灰の尖鋭な部分や角が少なくなり、得られる製紙用填料を抄紙機に用いた場合にワイヤー摩耗性を小さくすることができる。粉砕後の平均粒径は、製紙用填料としての用途を考慮すると、0.1〜10μmが好ましく、0.5〜5μmがより好ましい、1.0〜3.0μmがさらに好ましい。一般に製紙用填料として使用される炭酸カルシウム、カオリン、タルク、含水珪酸(ホワイトカーボン)、二酸化チタン等は、製紙用填料として用いる場合、平均粒径を0.1〜30μmとすることが好ましいとされている。しかし、焼却灰は比較的硬度が高いものを含むことがあるため、単に前述の粒度範囲にある焼却灰を内添して紙を製造すると、主に抄紙機のワイヤーを大きく磨耗させてしまうためワイヤー寿命を短縮させ、生産性が著しく低下するという問題があった。本発明においては、焼却灰を通常よりも小粒径まで粉砕して粒径を0.1〜10μmの範囲にすることにより、ワイヤー摩耗性が大きく改善される。この理由の詳細は明らかでなく、本発明は以下に拘束されるわけではないが、粉砕処理によって硬度の高い焼却灰が適度に粉砕されるとともに、填料粒子の重量が減少して粒子が抄紙機内を移動する際の運動エネルギーが減少するため、ワイヤー摩耗性が改善されるものと推測される。また、平均粒径が0.1μmより小さいと、抄紙工程において製紙用填料が紙中に留まりにくくなり、填料の紙中歩留りが低くなるため、工業的に好ましくない。
以下に示す方法により、焼却灰を原料として製紙用填料を製造した。原料としては、製紙工程由来のスラッジ(古紙リサイクル工程由来のスラッジ約80重量%、製紙白水由来のスラッジ約20重量%)または石炭を用いた。なお、焼却灰材料の物性評価(粒径、ワイヤー磨耗度、白色度)は前述した方法で実施した。なお、物性値本発明における各特性値は、下記の測定方法により得られた値である。
(1) 粒度分布測定(レーザー法):レーザー回折法により粒度分布を測定する。試料スラリーを、分散剤(ヘキサメタリン酸ソーダ)0.2重量%(対試料固形分)を添加した純水中に滴下混合して均一分散体とし、レーザー法粒度測定器(使用機器:マルバーン社製マスターサイザー)を使用して粒度測定する。
(2) ワイヤー磨耗度:リン青銅線円盤(以下ワイヤー)を用いてアインレーナー(Einlehner)AT1000磨耗試験機により、ワイヤー摩耗性を測定する。測定に用いるワイヤーは超音波浴中で5分間洗浄した後、イオン交換水で洗浄し、さらにアセトンにより洗浄を行った。これを105℃で1時間以上乾燥させ、デシケータ中で放冷した後、0.1mgの精度で重量を測定した。このワイヤーを試験円筒機の底に固定し、撹拌機を下ろしてワイヤーに接しさせた。イオン交換水で10%濃度としたスラリーを測定試料とし、試験円筒機に注入した。この状態で、撹拌機を174000回転させて、ワイヤーを摩耗させた。摩耗試験後のワイヤーを、再び超音波浴中で5分間洗浄した後、イオン交換水で洗浄し、さらにアセトンにより洗浄を行った。これを105℃で1時間以上乾燥させ、デシケータ中で放冷した後、0.1mgの精度で重量を測定した。摩耗試験前のワイヤー重量から摩耗試験後のワイヤー重量を差し引き、ワイヤー磨耗度(mg)とした。
(3) ISO白色度:測定光が裏側に透けない程度の厚みを持つよう、試料をリング状の測定器具の中に入れ、約20kg/cm2の圧力をかけてペレット状にした。このペレットについて、村上色彩技術研究所CMS−35SPXを用いて、D65光源、10度視野、紫外光を含む条件で白色度を測定した。
(4) 結晶組成:X線回折測定装置(X’Pert PRO:PANalytical製)により、試料の結晶組成を測定した。
(5) 元素分析:蛍光X線測定装置(ED2000:Oxford Instruments製)により、試料の元素組成を測定した。
出発原料として、製紙工程由来のスラッジを用いた。このスラッジを、流動床炉を用い、酸素濃度7%、滞留時間2秒、770℃で焼却して、焼却灰10tを得た。この焼却灰を測定したところ、平均粒径は230μm、白色度は51%だった。
実施例1で使用した焼却灰1000kgを用いて乾式分級処理を行った。乾式分級機としてサイクロン型の風力式分級機を用い、焼却灰を粗粒成分と微粒成分に分画した。このうち微粒成分の収量は410kg(収率として40重量%)であり、平均粒径は86.3μmだった。この微粒成分を以下の製造工程に使用した。
実施例1で使用した乾式分級処理する前の焼却灰300kgに、水2700kgを添加し、分散剤としてポリアクリル酸ナトリウム(アロンT−40:東亜合成製)を焼却灰に対して固形分で1%添加し、アジテータにて攪拌を十分行って、固形分濃度10%の焼却灰スラリーを得た。
実施例1で使用した乾式分級後であって粉砕前の焼却灰を製紙用填料として各種測定を行った。その結果、平均粒径156.4μm、ワイヤー磨耗度は97mgだった。
実施例2で使用した乾式分級後であって粉砕前の焼却灰を製紙用填料として各種測定を行った。その結果、平均粒径86.3μm、ワイヤー磨耗度は117mgだった。
実施例1で使用した乾式分級処理前の焼却灰を製紙用填料として各種測定を行った。その結果、平均粒径230.0μm、ワイヤー磨耗度は82mgだった。
実施例1で使用した焼却灰1000kgを用いて乾式分級処理を行った。乾式分級機としてサイクロン型の風力式分級機を用い、焼却灰を粗粒成分と微粒成分に分画した。このうち微粒成分の収量は105kg(収率として10重量%)であり、平均粒径は6.2μmだった。この微粒成分を粉砕することなく、製紙用填料として各種測定を行った。その結果、ワイヤー磨耗度は122mgだった。
Claims (6)
- 製紙スラッジ、石炭、紙を含む廃棄物、バイオマス、複合燃料からなる群より選択される1種以上を含んでなる原料を温度650〜800℃にて焼却して焼却灰を得る工程、
焼却灰を平均粒径が30〜150μmの範囲となるように乾式分級する工程、
分級した焼却灰を水中に分散してスラリーを得る工程、
分級した焼却灰を分散したスラリーを湿式粉砕して所望の平均粒径に調製する工程、
を含む、製紙用填料の製造方法。 - 前記焼却灰を平均粒径が30〜100μmの範囲となるように分級する、請求項1に記載の方法。
- 前記分級した焼却灰を平均粒径が0.1〜10μmの範囲となるように粉砕する、請求項1または2に記載の方法。
- 粉砕助剤および/または分散剤をスラリーに添加することを含む、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 製紙用填料のISO白色度が10〜60%である、請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
- 製紙スラッジ、石炭、紙を含む廃棄物、バイオマス、複合燃料からなる群より選択される1種以上を含んでなる原料を温度650〜800℃にて焼却して焼却灰を得る工程、
焼却灰を平均粒径が30〜150μmの範囲となるように乾式分級する工程、
分級した焼却灰を水中に分散してスラリーを得る工程、
分級した焼却灰を分散したスラリーを湿式粉砕して所望の平均粒径を有する製紙用填料を得る工程、
得られた製紙用填料を内添して抄紙機で抄紙する工程、
を含む、紙の製造方法。
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