石炭燃焼生成物

フライアッシュは排ガス中に浮遊した状態で固化し、電気集塵機またはフィルターバッグによって捕集されます。粒子は排ガス中に浮遊した状態で急速に固化するため、フライアッシュ粒子は一般的に球形であり、サイズは0.5μmから300μmの範囲です 。急速冷却の主な結果として、結晶化する鉱物はほとんどなく、主に非晶質の急冷ガラスが残ります。しかしながら、粉砕石炭中の一部の耐火性相は（完全に）溶融せず、結晶のまま残ります。したがって、フライアッシュは不均質な物質です。

フライアッシュには、 SiO ₂、Al ₂ O ₃、Fe ₂ O ₃、および場合によっては CaO が主な化学成分として含まれています。^{[ 8 ]}フライアッシュの鉱物組成は非常に多様です。主な相は、ガラス相と、石英、ムライト、および鉄酸化物であるヘマタイト、マグネタイト、および/またはマグヘマイトです。その他によく見られる相は、クリストバライト、無水石膏、遊離石灰、ペリクレース、方解石、シルバイト、岩塩、ポートランダイト、ルチル、およびアナターゼです。Ca含有鉱物であるアノーサイト、ゲーレナイト、アケルマナイト、およびポルトランドセメントに含まれるものと同じさまざまなケイ酸カルシウムおよびアルミン酸カルシウムが、Ca リッチなフライアッシュで確認されています。^{[ 9 ]} 水銀含有量は1 ppmに達することもありますが、^{[ 10 ]}一般的には瀝青炭の場合は 0.01～1 ppm の範囲に収まります。他の微量元素の濃度も、それを生成するのに燃焼された石炭の種類によって変化します。

かつては、石炭燃焼によって発生する飛灰は、排ガスに混入して大気中に拡散されていました。このため、環境や健康への懸念が生じ、米国などの工業化が進んだ国々では、飛灰の排出量を全体の1%未満にまで削減する法律が制定されました。世界的に見ると、石炭火力発電所から発生する飛灰の65%以上が、埋立地や灰池に処分されています。

屋外に保管または投棄された灰は、最終的に有害物質を地下水帯水層に溶出させる可能性があります。そのため、現在、フライアッシュの処分に関する議論の多くは、化学物質が地下水や地域の生態系に溶出するのを防ぐための特殊な遮水シートを備えた埋立地の建設を中心に展開されています。

石炭は数十年にわたり米国で主要なエネルギー源であったため、電力会社は石炭火力発電所を大都市圏の近くに建設することが多かった。環境問題をさらに悪化させているのは、石炭火力発電所はボイラーの運転に大量の水を必要とするため、石炭火力発電所（そして後にはフライアッシュ貯蔵池）が大都市圏や、近隣の都市で飲料水として利用されることが多い河川や湖の近くに建設されることになった点である。これらのフライアッシュ貯蔵池の多くは裏打ちされておらず、近くの河川や湖からの流出や洪水のリスクも高かった。例えば、ノースカロライナ州のデューク・エナジーは、石炭灰貯蔵と、灰が水貯蔵池に漏れ出したことに関連するいくつかの大きな訴訟に関わっている。^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

近年、埋立コストの増加と持続可能な開発への関心の高まりにより、フライアッシュのリサイクルがますます重要視されるようになっている。2024年には、米国の石炭火力発電所が2470万ショートトン（22.4 × 10 ^ ⁶ t）のフライアッシュを生産し、そのうち78%がさまざまな用途で再利用されたと報告されている。^{[ 18 ]}フライアッシュのリサイクルによる環境上の利点としては、採石が必要となるバージン材料の需要の削減や、ポルトランドセメントなどの材料の安価な代替品としての利用などが挙げられる。  

ポゾラン特性を持つため、フライアッシュはコンクリートのポルトランドセメントの代替として使用されています。^{[ 30 ]}ポゾラン成分としてのフライアッシュの使用は1914年には既に認識されていましたが、その使用に関する最も初期の注目すべき研究は1937年に行われました。^{[ 31 ]}ローマの水道橋やパンテオンなどのローマの建造物では、コンクリートのポゾランとして火山灰またはポゾラン（フライアッシュと同様の特性を持つ）が使用されていました。^{[ 32 ]}ポゾランはコンクリートの強度と耐久性を大幅に向上させるため、灰の使用はそれらの保存における重要な要素となっています。

ポルトランドセメントの一部代替材としてフライアッシュを使用することは、特にC級フライアッシュに適しており、ただしC級フライアッシュに限定されるものではありません。F級フライアッシュはコンクリートの連行空気量に揮発性の影響を及ぼし、凍結融解による損傷に対する抵抗力を低下させる可能性があります。フライアッシュは通常、ポルトランドセメントの質量比で最大30%まで代替しますが、用途によってはそれ以上の量を使用することができます。場合によっては、フライアッシュはコンクリートの最終強度を高め、耐薬品性と耐久性を向上させる効果もあります。

フライアッシュはコンクリートの作業性を大幅に向上させることができます。最近では、セメントの一部を高容量のフライアッシュ（セメントの50%を置換）で置き換える技術が開発されています。ダム建設に使用されるローラー転圧コンクリート（RCC）では、インドのマハラシュトラ州のガートガルダムプロジェクトで、処理されたフライアッシュによる70%の置換が達成されています。フライアッシュ粒子は球形であるため、水の必要量を減らしながらセメントの作業性を向上させることができます。^{[ 33 ]}フライアッシュの支持者は、ポルトランドセメントをフライアッシュで置き換えることで、コンクリートの温室効果ガス「フットプリント」が削減されると主張しています。ポルトランドセメント1トンの生産で約1トンのCO2_が発生するのに対し、フライアッシュでは_CO2が発生しないためです。新しいフライアッシュの生産、つまり石炭の燃焼では、フライアッシュ1トンあたり約20～30トンの_CO2が発生します。ポルトランドセメントの世界生産量は2010年までに約20億トンに達すると予想されているため、このセメントの大部分をフライアッシュに置き換えることができれば、フライアッシュの生産量を前提とすれば、建設に伴う二酸化炭素排出量を大幅に削減できる可能性がある。

フライアッシュの特性は、土木材料の中でも特異なものです。盛土工事に一般的に使用される土壌とは異なり、フライアッシュは均一係数が大きく、粘土サイズの粒子で構成されています。盛土におけるフライアッシュの使用に影響を与える工学的特性には、粒度分布、圧縮特性、せん断強度、圧縮性、透水性、および凍害感受性などがあります。^{[ 33 ]}盛土に使用されるフライアッシュのほぼすべての種類はクラスFです。

土壌安定化とは、土壌の物理的特性を向上させるために、土壌に恒久的な物理的・化学的変化を与えることです。安定化によって土壌のせん断強度を高めたり、膨張・収縮特性を制御したりすることで、舗装や基礎を支える路盤の耐荷重能力を向上させることができます。安定化は、膨張性粘土から粒状材料まで、幅広い路盤材料に適用可能です。安定化には、石灰、フライアッシュ、ポルトランドセメントなど、さまざまな化学添加剤を用いることができます。適切な設計と試験は、あらゆる安定化プロジェクトにおいて重要な要素です。これにより、設計基準を確立し、望ましい工学的特性を実現するための適切な化学添加剤と混合率を決定することができます。土壌安定化プロセスの利点には、抵抗値 (R) の向上、塑性の低下、透水性の低下、舗装厚の削減、掘削、資材運搬/取り扱い、および基礎材搬入の不要化、締固めの促進、プロジェクト現場への全天候型アクセスの提供などが含まれます。土壌安定化と密接に関連するもう 1 つの土壌処理方法は、土壌改良であり、これは「泥乾燥」または土壌調整と呼ばれることもあります。土壌改良では本質的にある程度の安定化が行われますが、土壌改良は単に土壌の含水率を下げて建設を迅速化する手段であるのに対し、安定化は材料のせん断強度を大幅に高めてプロジェクトの構造設計に組み込むことができるという違いがあります。土壌改良と土壌安定化に関連する決定要因は、既存の含水率、土壌構造の最終用途、そして最終的に得られるコストメリットである可能性があります。安定化および改質プロセスに使用される機器には、化学添加剤散布機、土壌混合機（再生機）、可搬式空気圧式貯蔵コンテナ、散水車、深層圧縮機、モーターグレーダーなどがあります。

フライアッシュは、流動性充填材（制御低強度材料、CLSM とも呼ばれる）の製造における成分としても使用され、これは圧縮土や粒状充填材の代わりに、自己水平化、自己圧縮性の埋め戻し材として使用されます。流動性充填材混合物の強度は、対象となるプロジェクトの設計要件に応じて、50 ～ 1,200 lbf/in ² (0.3 ～ 8.3 MPa ) の範囲になります。流動性充填材は、ポルトランドセメントと充填材の混合物で構成され、鉱物混和材を含む場合があります。充填材として、ポルトランドセメントまたは細骨材（ほとんどの場合、川砂）の代わりにフライアッシュを使用できます。フライアッシュ含有量の多い混合物は、ほぼすべてフライアッシュで構成され、少量のポルトランドセメントと、混合物を流動性にするのに十分な量の水が含まれています。フライアッシュ含有量の少ない混合物は、充填材の割合が高く、フライアッシュ、ポルトランドセメント、水の割合が低いものです。クラスFフライアッシュは高フライアッシュ含有量の混合物に最適であり、クラスCフライアッシュはほぼ常に低フライアッシュ含有量の混合物に使用されます。^{[ 33 ] [ 34 ]}

アスファルトコンクリートは、アスファルトバインダーと鉱物骨材からなる複合材料で、一般的に道路の舗装に使用されます。クラスFとクラスCのフライアッシュはどちらも、アスファルトコンクリート混合物中の大きな骨材粒子間の空隙を埋め、接触点を提供する鉱物充填材として一般的に使用できます。この用途は、他のバインダー（ポルトランドセメントや消石灰など）と併用するか、それらの代替として使用されます。アスファルト舗装に使用する場合、フライアッシュはASTM D242に規定されている鉱物充填材の仕様を満たす必要があります。フライアッシュの疎水性により、舗装の剥離に対する耐性が向上します。フライアッシュは、アスファルトマトリックスの剛性を高め、わだち掘れ抵抗性を向上させ、混合物の耐久性を向上させることも示されています。^{[ 33 ] [ 35 ]}

石炭やシェールオイルのフライアッシュは、射出成形用途に使用できる熱可塑性樹脂の充填剤として使用されてきた。^{[ 36 ]}

2021年には、フライアッシュがジオポリマーの成分として使用されていることが報告されており、フライアッシュガラスの反応性を利用して、外観は水和ポルトランドセメントに似ているが、配合によってはCO2排出量の削減など、より優れた特性を持つバインダーを作成できる可能性が_ある。^{[ 37 ]}

フライアッシュのもう一つの用途は、ローラー転圧コンクリートダムです。米国では、多くのダムが高濃度のフライアッシュを使用して建設されています。フライアッシュは水和熱を低下させるため、より厚い層を打設することが可能になります。これらのデータは、米国開拓局のウェブサイトで入手できます。この効果は、インドのガートガルダムプロジェクトでも実証されています。

フライアッシュから建築用レンガを製造する技術はいくつかあり、多種多様な製品が生産されています。フライアッシュレンガの一種は、フライアッシュと同量の粘土を混合し、約1000℃の窯で焼成することによって製造されます。この方法の主な利点は、必要な粘土の量を削減できることです。別の種類のフライアッシュレンガは、土、石膏、フライアッシュ、水を混合し、乾燥させることによって製造されます。この方法は加熱を必要としないため、大気汚染を軽減できます。より現代的な製造プロセスでは、フライアッシュの割合を増やし、高圧製造技術を用いることで、環境面でメリットのある高強度レンガを製造しています。

英国では、フライアッシュは50年以上前からコンクリートブロックの製造に使用されています。これらは、二重壁の内側の外装材として広く使用されています。他の骨材で作られたブロックよりも自然に断熱性が高いです。^{[ 39 ]}

ナミビアの首都ウィントフックでは、1970年代から住宅建設に灰レンガが使われてきました。しかし、灰レンガには、湿気に触れると化学反応が起こり膨張し、破損したり、見苦しい突起が生じたりするという問題があります。

インドでは、フライアッシュレンガが建設に使用されています。大手メーカーは、「石灰ポゾラン混合物用の粉砕燃料灰」として知られる工業規格を使用しており、75%以上の産業廃棄物リサイクル材と圧縮プロセスを使用しています。これにより、断熱性に優れ、環境にも優しい丈夫な製品が生まれます。^{[ 40 ] [ 41 ]}

フライアッシュ粒子はアルミニウム合金の優れた強化材としてその可能性を証明しており、物理的および機械的特性の改善を示しています。特に、フライアッシュの含有量が増加すると圧縮強度、引張強度、硬度が増加する一方、密度は減少します。^{[ 42 ]}純粋なAlマトリックス中にフライアッシュ中空球が存在すると、熱膨張係数（CTE）が低下します。^{[ 43 ]}

真空蒸留法を用いて、フライアッシュからゲルマニウムとタングステンを抽出し、リサイクルすることが可能かもしれない。 ^{[ 44 ]}

フライアッシュは、そのアルカリ性と吸水能力から、他のアルカリ性物質と組み合わせて、下水汚泥を有機肥料やバイオ燃料に変換するために使用できる。^{[ 45 ] [ 46 ]}

フライアッシュは、水酸化ナトリウムで処理すると、熱分解と呼ばれる高温プロセスでポリエチレンを原油に似た物質に変換する触媒としてうまく機能し^{[ 47 ]}、廃水処理に利用される^{[ 48 ] 。}

さらに、フライアッシュ（主にクラスC）は、有害廃棄物や汚染土壌の安定化/固化プロセスで使用されることがあります。^{[ 49 ]}例えば、レニパルプロセスでは、フライアッシュを添加剤として使用して下水汚泥やその他の有毒汚泥を安定化させています。このプロセスは、1996年以来、ポルトガルのアルカネナで大量のクロム(VI)汚染皮革汚泥を安定化させるために使用されています。^{[ 50 ] [ 51 ]}

フライアッシュには、十分な量で人体や生態系の健康に有害であることが知られている重金属やその他の物質が微量含まれています。 ^{[ 53 ]}石炭に含まれる潜在的に有毒な微量元素には、ヒ素、ベリリウム、カドミウム、バリウム、クロム、銅、鉛、水銀、モリブデン、ニッケル、ラジウム、セレン、トリウム、ウラン、バナジウム、亜鉛などがあります。^{[ 54 ]}フライアッシュが環境に及ぼす影響は、それが生成される火力発電所や、廃棄物中のフライアッシュとボトムアッシュの比率によって異なる場合があります。これは、石炭が発見された地域の地質や発電所での石炭の燃焼プロセスによって、石炭の化学組成が異なるためです。^{[ 54 ]}

流出および漏出

フライアッシュを大量に保管する場合、飛散する粉塵を最小限に抑えるため、通常は乾燥状態ではなく湿潤状態で保管されます。^{[ 52 ]}その結果生じる貯水池（灰池）は通常、長期間にわたって大きく安定していますが、ダムや堤防が決壊すると、急速に大規模な被害が発生します。^{[ 52 ]}

アメリカ合衆国

鉛は、環境中で非常に移動性の高いフライアッシュに含まれる有害な重金属です。CCPから放出されると、水系や土壌を汚染し、海洋生物に害を与え、生物多様性を減少させる可能性があります。^{[ 53 ]}生体内で鉛に曝露すると、血液循環、中枢神経系、腎臓、心臓に損傷を与える可能性があります。^{[ 53 ]}低レベルの曝露であっても、鉛への曝露はヘム合成を阻害し、神経機能に影響を与える可能性があります。鉛への曝露は、特に子供にとって危険です。^{[ 53 ]}

水銀は石炭燃焼生成物（CCP）の潜在的な構成成分でもあります。石炭燃焼プロセス中に元素状水銀、粒子結合水銀、または酸化水銀²⁺として放出されます。^{[ 53 ]}元素状水銀は反応性が非常に高いです。CCPから放出された元素状水銀が水系に放出されると、細菌と反応してメチル水銀（MeHg）に変換される可能性があります。^{[ 53 ]} MeHgは食物連鎖を介して移動し、哺乳類に生物濃縮される可能性があります。^{[ 53 ]}水銀は神経毒であるため、これは有害です。^{[ 53 ]} MeHgへの曝露は、妊娠中に特に懸念されます。^{[ 53 ]}

ヒ素は多くの酸化状態をとるため、多くの化学反応に関与する可能性があります。^{[ 53 ]}ヒ素の健康への影響は、その酸化状態に大きく依存します。人間がヒ素を直接摂取すると、嘔吐や吐き気などの軽度なものから精神病などの重度なものまで、急性毒性を引き起こす可能性があります。^{[ 53 ]}慢性的な曝露は、心不全や白血球減少症などの血液疾患を引き起こす可能性があります。^{[ 53 ]}

安全データシートでは、フライアッシュを取り扱う際や作業する際に、いくつかの安全対策を講じることを推奨しています。^{[ 64 ]}これには、保護ゴーグル、呼吸器、使い捨ての衣服を着用し、フライアッシュをかき混ぜないようにして、空気中に飛散する量を最小限に抑えることが含まれます。

フライアッシュの最大生産国である中国では、国家発展改革委員会と環境保護部が管理を監督している。フライアッシュは固体廃棄物に分類され、リサイクルされない場合は指定された施設に保管することができる。しかし、これらの施設が住宅地に近いことから、保管規制に違反しているという懸念がある。^{[ 52 ]}

EUは、廃棄物を種類と製造方法に基づいて分類するための欧州廃棄物カタログ（EWC）を確立し、2014年以降、加盟国の法律に組み込むことが義務付けられました。^{[ 52 ]} EWCでは、フライアッシュも非有害廃棄物として指定されています。^{[ 52 ]}

インドの環境・森林・気候変動省は、 1999年に初めて官報でフライアッシュの使用を規定し、すべての火力発電所が100%の利用を確保することで遵守すべき目標日を義務付けました。^{[ 82 ]} 2003年と2009年のその後の改正により、遵守期限は2014年に延期されました。ニューデリーの中央電力庁の報告によると、2015年時点では、生産されたフライアッシュの60%しか利用されていませんでした。^{[ 83 ]}このため、2015年の最新の通知では、100%の利用を達成するための改訂期限が2017年12月31日に設定されました。利用されたフライアッシュの約55.7%のうち、大部分（42.3%）はセメント製造に使用され、コンクリートの添加剤として使用されるのは約0.74%のみです。

インドの研究者たちは、フライアッシュをコンクリートの混和材やジオポリマーなどの活性化ポゾランセメントに用いることで、100%利用という目標達成に向けて積極的に取り組んでいます。^{[ 84 ]}明らかに、最も大きな可能性は、コンクリートに混入されるフライアッシュの量を増やすことにあります。インドは2016年に2億8000万トンのセメントを生産しました。住宅部門がセメントの67%を消費しているため、増加傾向にあるPPCと低～中強度コンクリートの両方にフライアッシュを組み込む余地は非常に大きいと言えます。コンクリートと鉄筋コンクリートに関するインド規格IS 456:2000とフライアッシュに関するIS 3812.1:2013では、フライアッシュの使用が35%未満に制限されているという誤解があります。米国^{[ 85 ]}のような国でも同様の誤解が存在​​するが、厳格な品質管理の下で設計配合が使用されている多くの大規模プロジェクトでHVFAが使用されていることは、その反証である。本論文で提示された研究結果を最大限に活用するために、インドでは地元のフライアッシュを使用して超高容量フライアッシュコンクリート（UHVFA）コンクリートを緊急に開発し、広く使用することが提案されている。