もみ殻を活用した鉱物改質による廃棄物焼却飛灰の重金属不溶化

• 研究課題/領域番号: 24K23931
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 1101:環境解析評価、環境保全対策およびその関連分野
• 研究機関: 八戸工業高等専門学校
• 研究代表者: 北村 洋樹 八戸工業高等専門学校, その他部局等, 助教 (70867035)
• 研究期間 (年度): 2024-07-31 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2025年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 焼却飛灰 / もみ殻 / ポゾラン反応 / 有害金属

研究開始時の研究の概要

重金属を含有する廃棄物焼却飛灰を埋立処分するため、国内では有機系キレート剤を用いた重金属の不溶化が行われている。しかし、有機汚濁源であるキレート剤は埋立地の浸出水処理を長期化させるだけでなく、キレート剤分解に伴う重金属の再溶出が懸念されている。本研究は、農業廃棄物である「もみ殻」を有効活用し、廃棄物焼却飛灰を安定な二次鉱物（ケイ酸塩鉱物）へ転化する「鉱物改質」により、重金属を不溶化する処理方法を提案する。

研究実績の概要

本研究では、自治体が運営および管理する一般廃棄物焼却施設において、ストーカ式焼却炉および流動床式焼却炉から発生する一般廃棄物焼却飛灰を試料として採取した。焼却飛灰試料は、蛍光X線分析（XRF）に供し、含有する主要元素の定量分析を行った。焼却飛灰試料を構成する鉱物組成については、X線回折分析（XRD）に供し、同定した。飛灰粒子の形態学的特性については、走査型電子顕微鏡（SEM）を用いてマイクロスケールレベルで観察した。また、SEMに付属するエネルギー分散型蛍光X線分析装置（EDX）を用いて、個々の粒子レベルでの元素分布や局所的な組成分析を行い、飛灰粒子表面に存在する元素組成の解析を行った。さらに、焼却飛灰試料を溶出試験に供することで、廃棄物に含有する有害物質の溶出性を評価し、最終処分場への埋立判定可否を判定した。
焼却飛灰の特性評価の他、本研究では廃棄物資源の有効利用の一環として、ポゾラン材料としての活用が期待されるもみ殻灰についても検討を行った。市販のもみ殻を電気炉により焼成し、焼成温度を段階的に変化させることで、ポゾラン活性（水酸化カルシウムとの反応性）の異なる複数のもみ殻灰を作製した。これらのもみ殻灰はXRFおよびXRDに供し、反応性シリカの含有量や結晶・非晶質の割合など、ポゾラン反応に寄与する特性を評価した。さらに、作製したもみ殻灰を飽和水酸化カルシウム水溶液に添加し、時間経過による電気伝導度の変化を測定することで、各試料のポゾラン活性を定量的に評価した。これにより、焼成条件とポゾラン反応性との相関関係を明らかにし、もみ殻灰をセメント代替材料として活用するための基礎的知見を得た。

現在までの達成度

2: おおむね順調に進展している

理由

2024年度は複数の焼却施設から一般廃棄物焼却飛灰を採取し、飛灰試料の基礎的特性についてXRF、XRD、SEM-EDX、溶出試験により確認した。溶出試験の結果から、各試料について不溶化が必要とされる有害金属の種類が明らかとなった。また、もみ殻の焼成温度に応じてポゾラン活性が異なることが明らかとなった。焼成温度がある温度を超えてしまうと、結晶性のクリストバライト（SiO2）が生成し、ポゾラン活性が低いことを確認した。以上の理由から、本研究は概ね計画通りに進展していると考える。

今後の研究の推進方策

今後の研究方針としては、もみ殻灰を焼却飛灰に加えて湿潤養生し、ケイ酸カルシウム鉱物を生成する。また、もみ殻灰と酸化マグネシウムを同時に焼却飛灰へ加えて湿潤養生し、ケイ酸マグネシウム鉱物の生成を試みる。もみ殻灰や酸化マグネシウムの添加量、養生温度、養生期間を変化させ、重金属不溶化の最適条件を探索する。湿潤養生により生成した二次鉱物はXRD分析により同定する。重金属の鉱物学的不溶化は、SEM-EDXを用いて鉱物結晶構造内部への取り込みを観察する。さらに、溶出試験に供して重金属の鉱物学的不溶化を定量的に評価し、重金属溶出量が埋立判定基準を満たしているか確認する。