JPH10167754A - 廃棄物固化用ガラス化材及び廃棄物固化ガラス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 廃棄物をガラス化する際に、揮発性分を実質
的に無くし１４００℃以下の温度で溶融可能な化学的耐
久性の高い廃棄物固化用ガラス化材及び廃棄物固化ガラ
スを提供することを目的とする。 【解決手段】 質量％で、ＳｉＯ₂ ３５〜４８％，Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ ６〜１３％，Ｆｅ₂ Ｏ₃ ６〜２０％，Ｍｇ
Ｏ ３〜７％，ＣａＯ ４〜１５％，ＺｎＯ２〜５％，
ＴｉＯ₂ ０〜５％，Ｎａ₂ Ｏ ０〜１５％，Ｋ₂ Ｏ
０〜１５％，Ｌｉ₂ Ｏ ０〜５％，ただし、Ｎａ₂ Ｏ＋
Ｋ₂ Ｏ＋Ｌｉ₂ Ｏ ２〜２５％，ＳＯ₃ ０〜３％，Ｐ
₂ Ｏ₅ ０〜７％になるように焼却灰などにガラス形成
成分を加え調整した廃棄物固化ガラス。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は下水汚泥及び濃縮廃
液の乾燥物、廃溶媒残渣などの低レベル放射性廃棄物の
焼却灰（以下、単に焼却灰などという）をガラス化する
廃棄物固化用ガラス化材及び焼却灰をガラス化した廃棄
物固化ガラスに関する。

【０００２】

【従来技術】従来、下水汚泥や低レベル放射性廃棄物
は、その容積を減らしかつ含有している重金属物質及び
放射性物質の放出を防止するために、一旦焼却灰などし
た後にガラス形成成分を加えガラス化していた。

【０００３】低レベル放射性物質のガラス化に関して
は、特開平３−２３５０９８号公報に開示されている。
この公報に開示の技術は、原子力発電所などの施設の管
理区域内の床清掃や、有機溶媒を炭酸ナトリウムや硝酸
などによって洗浄する際に生じる溶媒洗浄廃液を乾燥粉
粒化した硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ₃ ）及び、廃溶媒残
渣として溶媒回収設備から排出される廃溶媒を乾燥粉末
としたピロリン酸カルシウム（Ｃａ₂ Ｐ₂ Ｏ₇ ）にＳｉ
Ｏ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，Ｂ₂ Ｏ₃ ，ＣａＯ，Ｐ₂ Ｏ₅などの
ガラス化材を加えてガラス化することで低温度溶融や固
化物の耐久性向上を図ったものであった。

【０００４】また、下水汚泥の処理に関しては、その焼
却灰にガラス形成成分を加え建材などの資材へ有効利用
できる結晶化ガラスとしていた。この結晶化ガラスは、
下水汚泥の焼却灰にＣａＯを添加して溶融し、熱処理に
よってアノーサイト、ウォラスナイトなどの結晶を析出
させていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したようなガラス
化材の中のＢ₂ Ｏ₃ 及びＰ₂ Ｏ₅ は、通常ホウ酸やリン
酸などの形でガラス原料に加えられ、ホウ酸やリン酸な
どが化学反応することによって、Ｂ₂ Ｏ₃ やＰ₂ Ｏ₅ と
なる。しかし、ホウ酸やリン酸は、反応する過程で揮発
しやすく、炉の排気部での除塵の負荷や炉の浸食力が大
きくなるという問題が生じていた。また、Ｂ₂ Ｏ₃ やＰ
₂ Ｏ₅ の形でガラス原料として加えても、ガラス溶融の
際にホウ素やリン成分が揮発してしまい、炉の排気部で
の除塵の負荷や炉の浸食が発生していた。

【０００６】次に、結晶化ガラスの製造に関しては、そ
の溶融温度が１４５０〜１５００℃の高温が必要とな
り、溶融設備が大掛かりになっていた。また、析出結晶
の種類や状態を安定にするためには、焼却灰の組成変動
に対して添加成分を細かく調整しなければならなかっ
た。

【０００７】したがって、本発明は上記事情を考慮して
なされたもので、焼却灰などをガラス化する際に、揮発
性分を実質的に無くし１４００℃以下の温度で溶融でき
化学的耐久性の高い廃棄物固化用ガラス化材及び廃棄物
固化ガラスを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は課題を解決する
ために、請求項１に対応する発明は、焼却灰などをガラ
ス化する廃棄物固化用ガラス化材において、質量％で、
ＳｉＯ₂ ２８〜４８％，Ａｌ₂ Ｏ₃ １〜１６％，Ｆ
ｅ₂ Ｏ₃ ５〜２６％，ＭｇＯ ３〜１０％，ＣａＯ
３〜２０％，ＺｎＯ ０〜６％，ＴｉＯ₂ ０〜５％，
Ｎａ₂ Ｏ ０〜２２％，Ｋ₂ Ｏ ０〜１５％，Ｌｉ₂ Ｏ
０〜５％，ただし、Ｎａ₂ Ｏ＋Ｋ₂ Ｏ＋Ｌｉ₂ Ｏ ３
〜２２％を含有するようにした。

【０００９】以下に廃棄物固化用ガラス化材のガラス組
成を限定した理由を示す。なお、本明細書で用いる組成
物の“％”表示は質量％を表すものである。

【００１０】ＳｉＯ₂ はガラスを形成する主成分であ
り、その含有量が２８％未満では安定してガラスになる
ことが難しく、ガラスに分相や粗大な結晶の析出を生じ
やすくなり、化学的耐久性が悪化する。また、４８％を
越えるとガラスの粘度が上昇し、１４００℃以下の温度
で溶融することが難しくなる。

【００１１】Ａｌ₂ Ｏ₃ は化学的耐久性を向上させ、分
相を抑制する効果があるが、１％未満ではその効果が十
分ではなく、１６％を越えるとガラスの粘度が上昇し溶
融性が悪化する。

【００１２】Ｆｅ₂ Ｏ₃ は融剤として働き、化学的耐久
性を悪化させずに溶融温度を下げ溶融性を改善する効果
を有するが、５％未満ではその効果が十分ではなく、２
６％を越えるとガラスが不安定になり、化学的耐久性が
悪化する。

【００１３】ＭｇＯは化学的耐久性を向上させ、分相や
結晶の析出を抑制する効果があるが、３％未満ではその
効果が十分ではなく、１０％を越えると逆にガラスが不
安定となる。

【００１４】ＣａＯは化学的耐久性を向上させる効果が
あるが、３％未満ではその効果が十分ではなく、２０％
を越えると結晶の析出を生じやすくなる。

【００１５】ＺｎＯは化学的耐久性を向上させ、分相や
結晶の析出を抑制する効果があるので、６％まで加える
ことができる。しかし、６％を越えると結晶の析出を生
じやすくなる。

【００１６】アルカリ成分としてＮａ₂ Ｏを２２％、Ｋ
₂ Ｏを１５％，Ｌｉ₂ Ｏを５％、までならば、化学的耐
久性を悪化することがない。また、これらの合量が３％
未満では溶融温度を低下させることができず、２２％を
越えると化学的耐久性を悪化させてしまう。

【００１７】請求項２に対応する発明は、廃棄物固化ガ
ラスにおいて、質量％で、ＳｉＯ₂３５〜４８％，Ａｌ
₂ Ｏ₃ ６〜１３％，Ｆｅ₂ Ｏ₃ ６〜２０％，ＭｇＯ
３〜７％，ＣａＯ ４〜１５％，ＺｎＯ ２〜５％，Ｔ
ｉＯ₂ ０〜５％，Ｎａ₂ Ｏ ０〜１５％，Ｋ₂ Ｏ ０
〜１５％，Ｌｉ₂ Ｏ ０〜５％，ただし、Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ
₂ Ｏ＋Ｌｉ₂ Ｏ ２〜２５％，ＳＯ₃ ０〜３％，Ｐ₂
Ｏ₅ ０〜７％となるように焼却灰などにガラス形成成
分を加え調整した。

【００１８】以下に廃棄物固化ガラスのガラス組成を限
定した理由を示す。なお、このガラス組成には焼却灰な
どから混入してくる成分も含有している。

【００１９】ＳｉＯ₂ はガラスを形成する主成分であ
り、その含有量が３５％未満では安定してガラスになる
ことが難しく、ガラスに分相や粗大な結晶の析出を生じ
やすくなり、化学的耐久性が悪化する。また、４８％を
越えるとガラスの粘度が上昇し１４００℃以下の温度で
溶融することが難しくなる。

【００２０】Ａｌ₂ Ｏ₃ は化学的耐久性を向上させ、分
相を抑制する効果があるが、６％未満ではその効果が十
分ではなく、１３％を越えるとガラスの粘度が上昇し１
４００℃以下の温度で溶融することが難しくなる。

【００２１】Ｆｅ₂ Ｏ₃ は融剤として働き、化学的耐久
性を悪化させずに溶融温度を下げる効果を有するが、６
％未満ではその効果が十分ではなく、１４００℃以下の
温度で溶融することが難しくなり、２０％を越えるとガ
ラスが不安定になり、化学的耐久性が悪化する。

【００２２】ＭｇＯは化学的耐久性を向上させ、分相や
結晶の析出を抑制する効果があるが、３％未満ではその
効果が十分ではなく、７％を越えると逆にガラスが不安
定となる。

【００２３】ＣａＯは化学的耐久性を向上させる効果が
あるが、４％未満ではその効果が十分ではなく、１５％
を越えると結晶の析出を生じやすくなる。

【００２４】ＺｎＯは化学的耐久性を向上させ、分相や
結晶の析出を抑制する効果があるが、２％未満ではその
効果が十分ではなく、５％を越えると結晶の析出を生じ
やすくなる。

【００２５】ＴｉＯ₂ は、６％までならガラスを不安定
にすることなく含有することができる。

【００２６】アルカリ成分としてＮａ₂ Ｏを１５％、Ｋ
₂ Ｏを１５％，Ｌｉ₂ Ｏを５％までなら、化学的耐久性
を悪化させることなく含有することができる。また、こ
れらアルカリ成分の合量が２％未満だと溶融温度を低下
させる効果がなく、２５％を越えると化学的耐久性を悪
化させてしまう。これにより、低レベル放射性廃液を乾
燥して得られた硝酸ナトリウムなどのアルカリ金属成分
を含有しても安定したガラスとすることができる。

【００２７】ＳＯ₃ は、焼却灰などから混入してくる成
分であり、含有量が増加するとガラス溶融中に芒硝を生
成してガラス融液上に浮き、不均質部分を生じてしまう
が、３％までは含有することができる。

【００２８】Ｐ₂ Ｏ₅ は、焼却灰などから混入してくる
成分であり、溶融温度を下げる効果を有し、少量であれ
ばＡｌ₂ Ｏ₃ とともに含有すると化学的耐久性を改善す
る効果を有するが、溶融時に揮発しやすく、含有量の増
加により耐水性が悪化する。溶融炉への負担、溶融時の
揮発量の減少のため７％までの含有が望ましい。

【００２９】なお、上記酸化物以外にも焼却灰などに含
まれるＭｎＯ₂ 、Ｓｂ₂ Ｏ₃ などの金属酸化物をそれぞ
れ２％以下、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＰｂＯ、ＺｒＯ₂ をそれ
ぞれ４％以下含有させてもよい。

【００３０】以上のように、ガラス組成の範囲を限定す
ることにより、廃棄物固化用ガラス化材では、揮発性を
有するホウ素やリンを実質的に含まないので、溶融時の
発煙量を低減することができる。また、１４００℃以下
の溶融温度で溶融でき、化学的耐久性の優れたものを得
ることもできる。次に、廃棄物固化ガラスでは、揮発性
を有する物質を実質的に焼却灰などから混入する少量の
リンのみとすることにより、ガラス形成成分と焼却灰な
どとを加熱溶融しガラス化する際の発煙量を低減させる
ことができる。また、１４００℃以下の溶融温度で溶融
でき、化学的耐久性の優れたものを得ることもできる。

【００３１】

【発明の実施の形態】

（実施の形態１）この実施の形態は、本発明の廃棄物固
化用ガラス化材に関するものであり、４２％のＳｉ
Ｏ₂ 、１４．５％のＡｌ₂ Ｏ₃ 、２０％のＦｅ₂ Ｏ₃ 、
５．５％のＭｇＯ、８％のＣａＯ、４．５％のＺｎＯ、
４．５％のＮａ₂ Ｏ、１％のＫ₂ Ｏを混合し白金ルツボ
を用いて、電気溶融炉で３〜４時間加熱溶融したときの
溶融温度、発煙量、揮発物の付着量などを評価した。さ
らに、この溶融ガラスを均質化及び清澄させてから粉末
の形状にした廃棄物固化用ガラス化材を得て、この耐水
性を評価した。

【００３２】この実施の形態で用いた電気溶融炉は上部
に開口を有したものを用いて、この開口は発煙量、揮発
物付着量を評価するためにレンガなどの耐火物で蓋をし
た。また、ガラスの耐水性は、粉末状に成形された廃棄
物固化用ガラス化材の４２０μｍ以上５９０μｍ以下の
大きさのガラス粉末を、沸騰水中に６０分間漬水させ乾
燥させた後の質量の減量を減量率として算出したもので
ある。次に、発煙は、蓋材として用いている耐火物の隙
間を通過してくる煙を、白金ルツボの原料が融解し始め
てから完全に融解するまでの間観察し、揮発物付着は、
溶融後の蓋材として用いた耐火物の表面を観察すること
で行なった。

【００３３】（評価結果）この実施の形態１のガラス組
成物は１３５０℃で溶融することができ、粉末状に成形
した廃棄物固化用ガラス化材も失透することなく成形す
ることができた。前記ガラス組成物を溶融する際の発煙
量は、上記したようにガラス組成中にＢ₂ Ｏ₃ ，Ｐ₂ Ｏ
₅ を実質的に含有しないので、極少量にすることができ
た。また、溶融後の蓋部材に付着した揮発物付着量は、
発煙量が極少量であったこともあり、揮発物がほとんど
付着していない状態であった。最後に廃棄物固化用ガラ
ス化材の耐水性は、上記したように光学ガラス工業会法
を用いて評価した結果、質量の減量率が０．０２％とな
り、優れた耐水性を有していた。

【００３４】（実施の形態２）この実施の形態は、本発
明の廃棄物固化ガラスに関するものであり、ガラス形成
成分と焼却灰などを８：２の割合で混合し、白金ルツボ
を用いて電気溶融炉で３〜４時間加熱溶融したときの溶
融温度、発煙量、揮発物の付着量を評価した。さらに、
この溶融ガラスを均質化及び清澄させてからブロック状
に鋳込み徐冷し廃棄物固化ガラスとし耐水性の評価をし
た。

【００３５】この実施の形態で用いたガラス形成成分
は、上記実施の形態１で作製した粉末状の廃棄物固化用
ガラス化材とし、焼却灰などはＳｉＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，
Ｆｅ₂Ｏ₃ ，ＣａＯ，Ｐ₂ Ｏ₅ ，ＮａＮＯ₃ ，Ｃａ₂ Ｐ
₂ Ｏ₇ などを含んでいるものとした。また、電気溶融炉
は上記実施の形態１と同様に上部に開口を有したもの
で、この開口は実施例の評価のためにレンガなどの耐火
物で蓋をするものを用いた。また、廃棄物固化ガラスの
耐水性、発煙、揮発物付着は上記実施の形態１と同様な
方法で評価した。

【００３６】（評価結果）この実施の形態２のガラス形
成成分と焼却灰などの混合物は、１３８０℃で溶融する
ことができ、ブロック状に成形した廃棄物固化ガラスも
失透することなく成形することができた。前記混合物を
溶融する際の発煙量は、上記したように実質的に廃棄物
中の少量のＰ₂ Ｏ₅ が含有しただけなので、少量に抑え
ることができた。また、溶融後の蓋部材に付着した揮発
物付着量は、少量の発煙が生じたが、揮発物の付着を極
少量とすることができた。最後に廃棄物固化ガラスの耐
水性は、上記したように光学ガラス工業会法を用いて評
価した結果、質量の減量率が０．０２％となり、優れた
耐水性を有していた。

【００３７】なお、この実施の形態２ではガラス形成成
分に本発明の廃棄物固化用ガラス化材を用いたが、これ
に限定されることなく焼却灰などを上記した請求項２に
対応する発明の範囲でガラス化できるように、焼却灰な
どにガラス形成成分を含有させれば同様な効果を生ず
る。また、この実施の形態２ではガラス形成成分と焼却
灰などの混合比率を８：２としたがこれに限定されるこ
となく、焼却灰などをガラス化したときのガラス組成が
請求項２に記載された発明の範囲を満たすように、ガラ
ス形成成分と焼却灰などを混合すればよい。

【００３８】

【実施例】

（実施例１）この実施例は上記実施の形態１と同様に、
以下に示す表１に記載した組成物について、溶融温度、
失透性、耐水性、発煙量、揮発物付着量を評価した。な
お、上記実施の形態１は表１中の“１”として記載し
た。

【００３９】

【表１】

【００４０】この表１から分かるように、本発明の廃棄
物固化用ガラス化材は１４００℃以下の温度で溶融で
き、Ｂ₂ Ｏ₃ 及びＰ₂ Ｏ₅ を実質的に含まないので、発
煙量及び揮発物の付着量が極めて少なく耐水性にも優れ
ている。したがって、ガラス化する焼却灰などにＢ₂ Ｏ
₃ 及びＰ₂ Ｏ₅ が含まれていても、廃棄物固化用ガラス
化材と焼却灰などの混合割合を調整すれば発煙及び揮発
を抑えたガラス溶融ができ、かつ耐水性の優れたガラス
を製造することが可能となる。

【００４１】（実施例２）この実施例は上記実施の形態
２と同様に、以下に示す表２に記載した廃棄物固化ガラ
スについて、溶融温度、失透性、耐水性、発煙量、揮発
物付着量を評価した。なお、上記実施の形態２は表２中
の“１”として記載した。

【００４２】

【表２】

【００４３】表２から分かるように、本発明の廃棄物固
化ガラスは１４００℃以下の溶融温度でガラス化でき、
Ｂ₂ Ｏ₃ を実質的に含まないので、発煙量及び揮発物の
付着をほとんど無くすことができ、耐水性にも優れてい
る。また、焼却灰などから混入するＰ₂ Ｏ₅ を含むもの
でも７％以下であれば発煙量を少量に揮発物付着も極少
量に抑えることができる。

【００４４】さらに、実施例４及び５から、ガラスの成
分としてＮａ₂ Ｏなどのアルカリ成分を１５％まで含有
させても耐水性が悪化しないガラスを得ることができ
る。

【００４５】

【発明の効果】本発明の廃棄物固化用ガラス化材は、上
記のような組成物としたことにより、１４００℃以下の
温度で溶融することができる。また、溶融の際に揮発し
やすいホウ素及びリンを実質的に含有させないことによ
り、溶融の際の発煙量が低減し炉の排気部での除塵の負
荷や浸食を低減させることができ、溶融炉を長寿命とす
ることができる。

【００４６】本発明の廃棄物固化ガラスは、上記のよう
な組成物としたことにより、１４００℃以下の溶融温度
で、ガラス形成成分とともに焼却灰などを完全にガラス
化することができる。また、溶融の際に揮発しやすいホ
ウ素を実質的に含有させず、かつリンを含有させる場合
でも少量とすることにより、ガラス溶融の際の発煙量が
低減し炉の排気部での除塵の負荷や浸食を低減させるこ
とができ、溶融炉を長寿命とすることができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、ＳｉＯ₂ ２８〜４８％，Ａ
   ｌ₂ Ｏ₃ １〜１６％，Ｆｅ₂ Ｏ₃ ５〜２６％，Ｍｇ
   Ｏ ３〜１０％，ＣａＯ ３〜２０％，ＺｎＯ０〜６
   ％，ＴｉＯ₂ ０〜５％，Ｎａ₂ Ｏ ０〜２２％，Ｋ₂
   Ｏ ０〜１５％，Ｌｉ₂ Ｏ ０〜５％，ただし、Ｎａ₂
   Ｏ＋Ｋ₂ Ｏ＋Ｌｉ₂ Ｏ ３〜２２％を含有し、焼却灰な
   どをガラス固化することを特徴とする廃棄物固化用ガラ
   ス化材。
2. 【請求項２】 質量％で、ＳｉＯ₂ ３５〜４８％，Ａ
   ｌ₂ Ｏ₃ ６〜１３％，Ｆｅ₂ Ｏ₃ ６〜２０％，Ｍｇ
   Ｏ ３〜７％，ＣａＯ ４〜１５％，ＺｎＯ２〜５％，
   ＴｉＯ₂ ０〜５％，Ｎａ₂ Ｏ ０〜１５％，Ｋ₂ Ｏ
   ０〜１５％，Ｌｉ₂ Ｏ ０〜５％，ただし、Ｎａ₂ Ｏ＋
   Ｋ₂ Ｏ＋Ｌｉ₂ Ｏ ２〜２５％，ＳＯ₃ ０〜３％，Ｐ
   ₂ Ｏ₅ ０〜７％になるように焼却灰などにガラス形成
   成分を加え調整した廃棄物固化ガラス。