JP6765661B1 - 土壌改良剤 - Google Patents

Abstract

【課題】土壌改良剤を混合することで土壌が短時間で付着性を失い、粘性の高い土壌の団粒状態を解消させて、機材への付着を防止しながら、短時間かつ連続的な分別処理を可能にする土壌改良剤を提供すること。
【解決手段】土壌改良剤を混合した土壌が短時間で付着性を低減させ、土壌の団粒状態を解消して、篩分けによる連続的な分別処理が可能になるような粒径まで改良できる土壌改良剤であって、粒径１５０μｍ以下の粉末状のアクリル酸塩系高吸水性樹脂を含有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、土壌改良剤に関し、特に、付着性の高い土壌を改良し、機材への付着性の低減や改良後の土壌における篩での分別や分級作業を容易にし、かつ短時間で連続処理を可能とする土壌改良剤に関するものである。

建築や建設工事から発生する混合廃棄物や災害により発生した災害廃棄物や土壌には、植物や木材などの可燃物と土砂やコンクリートガラなどの不燃物が混在しているため、これらを処理する際には一般的に分別作業を実施して、処分するものと再生利用されるものとに分別することが必要とされている。例えば、災害廃棄物は、中間処理施設に運ばれ、分別、破砕、焼却炉などの処理を経て最終処分又は再生利用される。

しかし、一度発生した災害廃棄物は、災害の程度次第では膨大な量であるため、可燃物や不燃物等を迅速に分別できなければ、焼却設備の短命化や廃棄物量の増大によるコストの問題や、含まれる有機物の腐敗などによる土砂の軟弱化が発生し、保管や転用に問題がある場合があった。

また、放射性物質を含む汚染土壌（以下、「除去土壌」という。）の処理において、中間貯蔵施設では、除去土壌の再生利用化を目標として、土壌貯蔵施設に埋め立て保管するために、除去土壌中の植物根等の有機物や金属等の不燃物の分別作業や除去土壌の減容処理などが行われている。分別された植物根やフレコン片などの可燃物は焼却処理され、所定の粒径による篩分け、具体的には２０ｍｍアンダーに分級された土壌（以下、「処理土」という。）は土壌貯蔵施設へ埋め立てられる。特に、この分級分別処理を効率よく実施するために、一般的に除去土壌に土壌改質材を混合させて改質処理を施すことが必要となる。ここで改質材は、土壌の間隙水に作用する高吸水性樹脂や高分子凝集剤等の高分子系材料と、その他各種無機鉱物とを組み合わせたものが一般的である。高分子系材料は、間隙水と迅速に反応し、土粒子の凝集又は吸水作用を持つことで土壌の付着性を低減させることを特徴とする。特に、高吸水性樹脂は、吸水倍率が数百倍になるものがあり、理論的には少量の添加率で土壌中の水分をすべて吸水するが、土壌量が膨大になると効率的に土壌全体に撹拌させることが困難であり、また、分散しにくく継粉を生じやすいため、吸水性能が低下する。そこで、無機鉱物を併用することで、無機鉱物が分散材となり、高分子系資材を土壌全体に分散させる役割を担っている。

また、無機鉱物において、改良土の強度付与を目的としたセメントや脱水効果を目的とした生石灰を用いる場合には、その改良土のｐＨを１２以上の強アルカリ土壌に変えてしまい、埋め立て後の改良土の再生利用を考慮した場合に植物生育に適した土壌にはなり得ない。また、石膏等も使用されるが、種類によっては電気伝導度を上昇させたり、有害なガスを発生させたりするため、転用に適した土壌とはいえなくなる場合があった。ここで改良土とは、土壌改良剤と土壌を混合させ、改良処理された土壌のことを指す。

例えば、特許文献１においては、ブレーン比表面積が１，５００ｃｍ²／ｇ以上の炭酸カルシウム、ゼオライトやベントナイト等の無機粉末、増粘用材料及びアクリルアミド系高分子凝集剤やアクリル酸塩系の高吸水性樹脂を含む土壌造粒用添加材が提案されている。ここでは、改良処理後の土の強度を得るための材料として、セメントやスラグを併用することが記載されているが、これらはカルシウムイオンやマグネシウムイオン等の二価以上の金属イオンを放出する材料であるためアクリル酸塩系高吸水性樹脂と相性が悪く、吸水した水を吐き出させる等の吸水性を阻害する要因になる問題があった。

一方、特許文献２においては、粉末状の高分子凝集剤と焼石膏を併用した土壌改質用組成物及び土壌改質方法が提案されている。この方法は、粉末状の高分子凝集剤を用いる利点があり、併用することが記載されている石膏との相性は良いと考えられる。一方で、特許文献２では記載されていないアクリル酸塩系高吸水性樹脂と石膏を併用した改質材を考慮した場合に、半水石膏やIII型無水石膏等の二価のカルシウムイオンを放出する石膏では前段と同様にアクリル酸塩系高吸水性樹脂との相性が悪いという問題があった。また、石膏を用いることによる硫化水素の発生の懸念もある。

近年では大規模災害が頻繁に発生し、その度に大量の災害廃棄物や有機物混じりの土砂が発生しているため、それら廃棄物等を迅速かつ効率よく分別処理できる方法や手段が求められている。

特開２０１９−１３７７６３号公報 特開２００９−２６３５８３号公報

ところで、分別作業を実施する工事分野において、具体的には建築工事や大規模災害で発生した可燃物混じりの土壌や廃棄物等の分別処理では、土壌が水分を含んで付着性及び粘性が高くなり、処理施設の機材などに付着しやすく、また、塊状に団粒化しているため分別作業に時間がかかり、連続的な処理が困難となる場合がある。したがって、可燃物と不燃物を効率よく分別できなければ、施工の進捗に影響が出ることとなる。

本発明は、土壌が短時間で付着性を失い、粘性の高い土壌の団粒状態を解消させて、機材への付着を防止しながら、短時間かつ連続的な分別処理を可能にする土壌改良剤を提供することを目的とする。

ところで、これまで土壌の改良剤に関する無機鉱物における微粉末化や高分子凝集剤の微粉末化について検討はなされてきたが、アクリル酸塩系高吸水性樹脂における粒径に言及した技術は存在していない。

上記目的を達成するため、本発明では高吸水性樹脂の粒径に着目し、その吸水性能を評価した上で、土壌改良に適した粒径の範囲を選定した。
本発明の土壌改良剤は、土壌に混合することで土壌が短時間で付着性を失い、団粒状態を解消させて篩分けによって規定される粒径以下の改良土にできる土壌改良剤であって、粒径１５０μｍ以下の粉末状のアクリル酸塩系高吸水性樹脂を含有することを特徴とする。
ここで、高吸水性樹脂の例としては、モノマーとして、（メタ）アクリル酸系の単独重合物又はデンプン、酢酸ビニル、マレイン酸、ポリビニルアルコール系、ＣＭＣ系等の共重合物が挙げられ、例えば、安価で汎用性が高い、アクリル酸塩系架橋重合物、その中でも好ましくは、アクリル酸ナトリウムが挙げられるが、本件発明の効果を逸脱しない限り、一般的に用いられるアクリル酸塩系高吸水性樹脂を用いることができる。
なお、「（メタ）アクリル酸」とは、アクリル酸又はメタクリル酸を意味する。
ところで、高吸水性樹脂は一般的に紙おむつの吸水性材料などで用いられるため、その求められる性能は、吸水速度ではなく吸水能力などに重点が置かれるが、本発明の土壌改良剤は、土壌と混合した後に、より短時間での反応が求められるため、短時間で水を吸水する性能を追求している。したがって、本発明でいう「短時間」とは、対象土壌の機械的な連続処理が可能であって、土壌の付着性がなくなり、団粒状態を解消できるまでの時間として具体的には、９０秒〜１８０秒程度とした。

この場合において、前記アクリル酸塩系高吸水性樹脂は、吸水倍率１５０〜４００倍、吸水速度４０〜８０ｇ／ｇ／ｓのアクリル酸塩系高吸水性樹脂を用いることができる。

また、前記土壌改良剤は、粒径１０〜５０μｍの多孔質物質及び粒径１０〜８０μｍのｐＨ調整剤を含有したものを用いることができる。

また、本発明の土壌改良剤に用いられる粉末状のアクリル酸塩系高吸水性樹脂は、高吸水性樹脂のみを土砂、具体的には粘性土が多く含まれる土壌に接触すると粉末状のものが固まって継粉となり、吸水阻害を起こしたり、吸水速度が遅くなったりするような障害が生じる場合もあるため、無機鉱物と混合して、粉末状の樹脂同士がなるべく接触しないように分散させることが望ましい。このことから、膨潤性がなく、吸水性に影響を与えない粉末状の無機鉱物が望ましく、更に土壌中の水分にミネラルが多く含まれる場合を考慮して、高吸水性樹脂の吸水性能を阻害しないように多孔質物質がミネラルを吸着できることが望ましく、塩基置換容量（陽イオン交換容量ともいい、以下、「ＣＥＣ」という。）が高いものがより望ましい。
ここで、多孔質物質の例としては、粒径が１０〜８０μｍの範囲にあって、ＣＥＣが高い、具体的には、ＣＥＣが１００〜３００ｍｅｑ／１００ｇ、より望ましくは１５０〜２００ｍｅｑ／１００ｇの範囲にある、ゼオライト、スメクタイト、バーミキュライト、活性炭等が挙げられる。

また、粉末状のアクリル酸塩系高吸水性樹脂は、土壌が５．９以下の酸性土壌では吸水性が低下するため、弱アルカリ側（中性又は弱アルカリ、具体的には、ｐＨが６．０〜９．０程度）へｐＨ調整が可能な無機鉱物が混合されることが望ましい。
ここで、ｐＨ調整が可能な無機鉱物の例としては、炭酸塩、粘土、ベントナイト、ＰＳ灰等のｐＨ調整剤が挙げられる。

また、前記土壌改良剤が、アクリル酸塩系高吸水性樹脂を５〜３０質量％、多孔質物質を３０〜６０質量％、ｐＨ調整剤を３０質量％〜６０質量％含有したものを用いることができる。

本発明の土壌改良剤は、土壌改良剤を土壌に混合することで、土壌の付着性を低減させ、団粒状態を解消し、機械装置への付着を低減できる改良土、例えば、粒径９．５ｍｍ以下の付着性の低い改良土となることで、分級機等の目詰まりや改良土同士の団粒化等を防ぐ効果があり、短時間における機械的な連続改良を可能とする。ここで、通過させる篩目についてはここに限定されるものではなく、対象土壌の定められている処理方法に応じて施工者が決定できるものである。

以下、本発明の土壌改良剤の実施の形態を、具体的な実施例に基づいて説明する。

表１に、顆粒状のアクリル酸塩系高吸水性樹脂、具体的には、アクリル酸塩系架橋重合物であるアクリル酸ナトリウムを粉砕、分級したものの吸水速度及び吸水倍率の試験結果を示す。
ここで、本発明の土壌改良剤は、吸水速度を重視しているが、一定以下の吸水倍率では高吸水性樹脂の使用量が多くなりコストが増えることから、短時間での吸水倍率として、３分浸漬、及び、改良土に含まれた高吸水性樹脂が長時間において吸水する量を確認するため、１８０分浸漬の吸水量について確認を行った。

表１から、粒径が７５μｍ以下の高吸水性樹脂は、吸水速度は非常に速く、吸水倍率においては、１８０分浸漬した場合には吸水倍率の低下はわずかであったが、実際の処理時間と考えられる浸漬３分で行った場合には吸水倍率が顕著に低下することが分かった。また、粒径が１５０μｍ以上の吸水性樹脂は、吸水倍率が３５０倍以上のものが多いが、吸水速度が１５０μｍ以下のものより大きく低下することが明らかとなった。

表２に、表１に示したアクリル酸塩系高吸水性樹脂の各粒径範囲における改良性能の評価、具体的には模擬土壌を対象とした分級試験結果を示す。模擬土壌に対して所定量の高吸水性樹脂を添加・撹拌し、得られた改良土の篩通過率を確認した。ここでは、孔径１９ｍｍ篩及び９．５ｍｍ篩通過率の高い粒径範囲が、改良土の付着性を低減させ、分級効果が高く、土壌改良剤として好ましい性状を成していることを示す。

［試験条件］
・模擬土壌：赤土と黒土の混合土９００ｇ（含水率４９％程度）
・添加量：土壌量９００ｇに対して０．１％（０．９ｇ）のアクリル酸塩系高吸水性樹脂
・撹拌時間：ホバートミキサで３０秒
・φ２０ｍｍの孔径１９ｍｍ及び９．５ｍｍ篩を重ねて上から約３００ｇの改良土を投入し、自動振とう機で２０秒間振動後の篩上残留土から各篩通過率を算出（Ｎ＝３の平均値）

表２から、粒径が７５〜１５０μｍの高吸水性樹脂が最も篩通過率が高く、粒径が１５０μｍから大きくなるにつれて、篩通過率は低下傾向であった。一方で、７５μｍ以下の高吸水性樹脂は吸水速度が速いため、土壌添加直後に即時に水と反応し、撹拌操作による分散が生じる前に継粉を形成するものが多かったことから、分散性が低くなり、篩通過率は最も低いことが確認された。

表３に、表１及び表２から判定されるアクリル酸塩系高吸水性樹脂の各粒径における改良性能の評価（◎、○、△の順に性能が高いことを示す。）を示す。

表３に示す改良性能の評価から、１５０μｍ以下、好ましくは、７５〜１５０μｍ、すなわち、１５０μｍ以下のものから７５μｍ以下のものを除去したものが改良剤として最もバランスの良い粒径範囲であるといえる。すなわち、本発明の土壌改良剤には、高い吸水量と高い吸水速度が求められるが、それがアクリル酸塩系高吸水性樹脂の粒径によって影響することが判明した。粒径が小さくなると吸水速度が上がることから、１５０μｍ以下が適していること、さらに、粒径が小さくなると単位重量当たりの吸水量が下がることから、好ましくは、７５〜１５０μｍが適しているといえる。

表４に、本発明の土壌改良剤の配合決定を行うために実施した配合試験結果を示す。表４に示す構成材料を組み合わせた各改良剤１〜６について、対象土壌に所定量添加して撹拌し、改良土の性状を目視にて確認した。
ここで構成材料において、粉末状の高吸水性樹脂には、粒径７５〜１５０μｍのアクリル酸塩系高吸水性樹脂、具体的には、アクリル酸塩系架橋重合物であるアクリル酸ナトリウムを、多孔質物質には、粒径２０μｍのゼオライトを、ｐＨ調整剤として、粒径７５μｍ以下の炭酸カルシウムをそれぞれ用いた。また、本発明の土壌改良剤に含まれる粉末状の高吸水性樹脂の対比として、粉末状のアニオン系高分子凝集剤、具体的には、粒径１５０μｍ以下の直鎖状のアクリル酸塩・アクリルアミド共重合体を用いた。
なお、改良剤１及び２の配合においては、強度発現等の性能を考慮して、ｐＨ調整を行った中性の酸化マグネシウムを併用した。
［試験条件］
・対象土壌：川砂７０％、田園土３０％の混合土（含水率２４．５％程度）
・添加量：３０ｋｇ/ｍ³
・撹拌時間：６０秒
・評価は目視にて改良土の粒径が小さいもの及び付着性の低いものを良好とし、粒径が大きいもの及び付着性が高いものは不良とした。

表５に、表４の試験結果より良好な評価が得られた改良剤１及び６について、対象土壌と混合撹拌後に、得られた改良土を孔径９．５ｍｍ篩による通過率を測定して、分級効果を確認した試験結果を示す。ここで、９．５ｍｍ篩通過率の高いものが、分級効果が高いことを示す。
［試験条件］
・対象土壌１：川砂７０％＋田園土３０％（含水率２０％程度）
・対象土壌２：田園土１００％（含水率２０％程度）
・添加量：３０ｋｇ/ｍ³
・撹拌時間：ホバートミキサで９０秒

表５に示す試験結果から、粒径７５〜１５０μｍのアクリル酸塩系高吸水性樹脂を含有する改良剤６は、粉末状のアニオン系高分子凝集剤を含有する改良剤１よりも、いずれの対象土壌において分別における篩通過率が高く、土質に影響されない高い改良効果を示すことを確認した。
また、表４に示す試験結果より、経済性、作業性、効率性を鑑み、土壌改良剤として、アクリル酸塩系高吸水性樹脂を５〜３０質量％、多孔質物質を３０〜６０質量％、ｐＨ調整剤を３０質量％〜６０質量％含有するものが好ましいことが分かった。

以上、本発明の土壌改良剤について、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。

本発明の土壌改良剤は、土壌が短時間で付着性を失い、機材への付着を防止しながら、土壌の団粒状態を迅速に解消するため、連続改良にて短時間による分別処理が可能であることから、災害時などに発生する木片やゴミなどが混じる土壌から木片やゴミを取り除く篩分けを行う際に、土壌を改質して篩分け効率を高める材料として好適に用いることができる。

Claims (3)

1. 土壌改良剤を混合した土壌が９０秒〜１８０秒の短時間の撹拌で付着性を失い、塊状になりやすい粘性の高い土壌の団粒状態を解消して、土壌の篩分けを行う際に短時間での有機物と不燃物及び土壌との篩分けが可能で、篩分けによる連続的な分級処理が可能になるような粒径まで改良できる土壌改良剤であって、粒径７５〜１５０μｍの粉末状のアクリル酸ナトリウムを１０〜２０質量部及び粒径１０〜５０μｍの多孔質物質を４０〜５０質量部含有することを特徴とする土壌改良剤。
2. 前記アクリル酸ナトリウムが、吸水倍率１５０〜４００倍、吸水速度４０〜８０ｇ／ｇ／ｓのアクリル酸ナトリウムであることを特徴とする請求項１に記載の土壌改良剤。
3. 前記土壌改良剤が、粒径１０〜８０μｍのｐＨ調整剤を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の土壌改良剤。