3,発泡石膏ブロックの作成と重金属類除去効果の評価

発泡石膏ブロックの作成と重金属類除去効果の評価
10ME222 ：姜東（キョウトウ）
方法
背景
世界中、湖底や地下水にヒ素などの重金属類が高濃度で含まれていることが報告
されている。特に、地下水を生活用水として利用する途上国では、長期にわたる摂
取により人体に重大な影響を与えているものの、これを安価で簡易に取り除く方法
がないため、問題はますます深刻になっている。
本プロジェクトは、年々廃棄量が増加する石膏の有効利用法として、ヒ素をはじめ
とする重金属除去のためのフィルターとして活用することを試みる。ここでは、細粒
化した半水石膏を発泡させ、ブロック状にすることで、透水性を確保し、速やかに除
去するための工夫を考える。
(担当教員：藤野毅)
発泡石膏の成分（重量比）：
石膏（無水）
CaSO4
９４％
硫酸アルミニウム Al2（SO4）3
５％
炭酸水素ナトリウム NaHCO3
１％
これを、紙コップに入れて、
水
H2O
７５％
を加えて、すぐに５秒間、すばやく攪拌する。これを、乾燥炉(ADVANTEC製定温乾燥器，
DRA330DA)に入れて80℃で24時間乾燥させた。
発泡中の化学反応式
Al2(SO4)3＋6 NaHCO3＝3 Na2SO4＋2 Al(OH)3↓＋6 CO2 ↑
発泡石膏の乾燥
80度で乾燥して 24時間後質量減らないで乾燥終了です
ｻﾝﾌﾟﾙ平均値
写真1：攪拌直後の状態
写真2：出来上がった発泡石膏
発泡剤の用量と発泡石膏穴の体積の関係
名称
発泡剤の量ｇ
密石膏
無い
直後質量、ｇ
87.97
１時間後
83.52
３時間後
79.5
５時間後
72.09
２２時間後
56.66
２４時間後
56.34
２４時間後/直後
0.64
体積ｃｍ３質量ｇ吸水後質量ｇ質量差ｇ穴に吸水の質量ｇ
穴の体積ｃｍ
３
51.7
48
66
18
0
0
発泡石膏１Ａｌ２（ＳＯ４）３ 1.5ｇＮａＨＣＯ３０．３ｇ
83.9
35.2
82.1
46.9
17.68
17.68
発泡石膏２
発泡石膏３
発泡石膏４
発泡石膏５
88.4
79.6
96.8
81.4
34.6
34.7
33.8
33
86.4
82.5
106.1
95.8
51.67
52.5
72.33
65.8
20.8
25.39
38.62
34.46
20.8
25.39
38.62
34.46
Ａｌ２（ＳＯ４）３
Ａｌ２（ＳＯ４）３
Ａｌ２（ＳＯ４）３
Ａｌ２（ＳＯ４）３
2ｇＮａＨＣＯ３０．４ｇ
2.5ｇＮａＨＣＯ３０．５ｇ
3ｇＮａＨＣＯ３０．６ｇ
3.5ｇＮａＨＣＯ３０．７ｇ
図１：発泡石膏質量の変化
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Series
1
密石膏
発泡石膏１発泡石膏２発泡石膏３発泡石膏４発泡石膏５
図2：発泡剤の用量と発泡石膏穴の体積の関係
発泡石膏の透水試験
0.040
0.0376
透水係数 , cm/s
ＫＴ：透水係数（ｃｍ/ｓ）ｈ：水位差（ｃｍ）
0.035
定水位法：水位差ｈを一定に保持し、土試Ｑ：透水量（ｃｍ）（ｔ－ｔ）：測定時間
0.030
２
２
１
料を通過した水量（透水量Ｑ）を測定する（ｓ）
0.025
方法で、透水係数ｋは下の式を使って求めＡ:供試料の断面積（ｃｍ２）
0.020
た。
0.0132
0.015
Ｌ：供試料の長さ（ｃｍ）
0.010
Ｌ＝4.8ｃｍ, ｈ＝6ｃｍ,
T
0.005
Ａ＝πｒ２＝3.14＊5.76＝18.09ｃｍ２
0.000147
0.000
2 1 （ｔ２－ｔ１）＝180秒の場合は
砂
ローム土
発泡石膏
Ｑ＝54ｍｌ
ＫＴ＝0.0132（ｃｍ/ｓ）
対照するために砂と土の透水係数も測りました」
図3：透水率。同様の試験を砂とローム土で行い、比較を行った結果、発泡石膏
砂の場合：
（ｔ２－ｔ１）＝60秒ＫＴ＝0.0376（ｃｍ/ｓ）は砂とローム土の間に位置し、フィルターとして適度な範囲に収まってる。
土の場合：
（ｔ２－ｔ１）＝300秒ＫＴ＝0.000147（ｃｍ/ｓ）石膏の組成分析
攪拌時間と透水係数の関係
市販石膏
攪拌時間t (ｓ) 透水係数(cm/s)
炭素平均値％
廃石膏ボードの組成をX線回折により解析した。 60℃加熱
サンプル（5）
0.082
0.14
2水石膏から半水石膏へ変換はスクリューコンベ 160℃加熱
サンプル（10）
0.053
0.20
アの加熱時間を長く、出口温度を高くするほど増
0.00
650℃加熱
サンプル（15）
0.031
L Q
K  
h A(t  t )
発泡石膏（無水）を水が入ってるビーカーに入れて２４時間後どのぐ
らいイオンが浸みだすか、イオン濃度(Na, Ca, Mg, PO4などのプラスイ
オン)を測定した結果、何も検出されませんでした。
大し、164℃では残存する二水石膏が1.8％になり、
半水石膏は89.2%であった。残りの9.0％は残存し
廃石膏
た無水石膏とパルプ分であった。
炭素平均値％
さらに、廃石膏は市販の石膏と比べてやや灰色
1.19
がかっており、付着成分が影響していると思われ 60℃加熱
1.20
る。そこで、炭素量がどれほど残存しているかを 160℃加熱
0.00
元素分析装置（CHNコーダー，Yanaco社）で調べ 650℃加熱
た。
亜ヒ酸ＰＨの測定（PH測定装置：品番HM-5s）
吸着促進剤入りの振動実験
濃度ｍｇ/L
40mmol Na2CO3+10mmol CaCl2と40mM Na2SO4+10mM CaCl2 別々濃度0.3ｍｇ
/Lのヒ素溶液にいれて１ｇの吸着材をこの溶液40mlにいれると24時間の振とう
実験やります。（Na2CO3 + CaCl2は触媒）
サンプル（20）
サンプル（25）
0.021
0.013
イオン測定
図4：攪拌時間と透水係数の関係
PH値
PH値
0.01
0.1
1.0
10
100
1000
8
7
6
5
4
3
2
1
0
6.8
6.5
5.6
5.2
4.3
3.0
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00 1000.00 1200.00
濃度ｍｇ/L
ひ素の吸着効果の評価
図5：亜ヒ酸ＰＨの測定
竹炭原料、竹炭粉末、備長炭原料と備長炭粉末を0.4ｇを取って濃度0.3ｍｇ/Lのひ素
溶液40ｍｌに入れると24時間振とう実験を行います。
吸着材
ひ素溶液
（0.3ｍｇ/L）
振とう後
（0.3ｍｇ/L）
0.3
0.09
70
廃石膏
0.3
0.18
40
市販石膏
0.3
0.24
20
大谷石粉末
0.3
0.18
40
大谷石焼却品
0.3
0.19
37
備長炭原料
0.3
0.23
23
備長炭粉末
0.3
0.16
47
竹炭
0.3
0.21
30
竹炭粉末
0.3
0.18
40
備長炭原料
竹炭原料
0.21
0.20
0.18
0.21
0.25
0.20
図6 石膏による砒素除去率
振とう後PHの測定
商品
Na2CO3+CaCl2(mg/L)(4:1) Na2SO4+CaCl2(mg/L)(4:1)
Na2SO4+CaCl2(mg/L)(1:1)
0.13
0.20
0.22
0.13
0.11
0.1
0.17
0.17
0.16
0.16
0.17
0.21
除去率
（％）
商品
吸着材
吸着材
石膏
廃石膏
大谷石
大谷石焼却品
PH
図8:振とう後のデータ
10.8
廃石膏
7.2
市販石膏
7.4
大谷石粉末
8.1
大谷石焼却品
8.4
備長炭原料
8.0
備長炭粉末
8.5
竹炭
8.4
竹炭粉末
8.5
今後の課題
ポイント：物理吸着比表面積が大きい、いろいろな粒度を持つ
石膏を発泡させ、大小様々な空隙中を溶液が通ることによる１回の重金属の除去率
は35－56％にとどまった。滞留時間が１分であるため、十分な除去を行うためには、
今後も空隙率と滞留時間による効果を検証し、一度でなく、数回循環させて除去する
ことを考える。
図7:振とう後PHの測定
*発泡石膏の作成には、(株)クレーバーン技術研究所の後藤優一研究員にご協力いただきました。

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