JP2005193129A - 電気化学的処理による砒素除去方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、地下水、飲料水、ダム湖や湖沼水に含まれる微量の砒素を、酸化剤、凝集剤等の薬品類を一切使わないで、効率よく、安定的に、かつ確実に砒素を除去する処理技術および処理システム。
【解決手段】
砒素汚染水を気体溶解装置によって溶存酸素を高めた後、鉄電極を用いた電気分解槽に入れ電気分解すると、鉄電極から鉄イオンが溶出する。この鉄イオン類は溶存酸素によって３価イオンになり、負に帯電している砒酸、亜砒酸と容易に結合して、不溶性水和物をつくる。この不溶性水和物を沈殿槽で静置沈殿させて取り除くと、砒素が除去できる。

Description

本発明は、酸化剤、凝集剤等の薬品を全く用いないで、電気化学的処理方法で飲料水として使用されている地下水やダム湖水に含まれる砒素分を飲料水の基準値以下、あるいは完全に取り除く技術と装置に関するものである。

国内においては、飲料水中の砒素を除去した実績はほとんどないが、国外では飲料水用の地下水中に砒素が含有している場合がある、そのような場合は加マンガン酸カリウムを投入して、地下水に含まれている砒素と鉄イオンを結合させた後、硫酸アルミニュウム等の凝集剤で凝集、沈殿させて砒素を除去する方法が用いられている。その外、地下水を曝気させて、地下水に含まれる砒素を同水中の鉄に吸着させた後、凝集、ろ過して砒素を除去する方法などもある。
凝集剤としては、硫酸アルミニュウム、塩基性塩化アルミニュウム、硫酸第二鉄、塩化第二鉄等の塩類が用いられるが、これらの凝集剤に含まれるアルミニュウムイオンや硫酸イオン、塩素イオンは健康や環境への悪影響が指摘されている。そのため、このような酸化、凝集する方法は、添加する薬品が過剰にならないように注意することが必要である。
また、この方法で砒素を除去するには、地下水中の鉄分の量に左右されるため、常に
鉄分量を測定することが必要である、その上、多量の地下水を処理して確実に砒素を除去するためには、大型撹拌装置、大容量の沈殿槽が必要である。
最近、ダム湖、湖沼などではプランクトンや藻類が腐敗して酸素を消費するため、ダム湖や湖沼の低層水は貧酸素となり、湖底が還元環境になると、湖底に堆積しているヘドロや周囲の岩石から金属類や砒素などが溶出することが明になっている。このようなメカニズムで溶出した砒素についても問題視されているが、このような砒素の発生を抑制、防止した、溶出した砒素を除去する方法はまだない。

これまでに国内で出願されている砒素除去技術に関する背景技術の説明として、例えば下記の特許文献を例示する。
特開平０６−３０４４７２号公報「水質浄化材及びその製造方法」 特開平１０−５７８０４号公報「浄化発生土から製造するリン酸、砒素吸着材」 特開平０６−３０４４７２号公報「水質浄化材及びその製造方法」 特願２００１−５５９８０８号公報「凝集剤製造装置およびこれを用いた水浄化装置」 特開平０６−２５４５８４号公報「「排水中のリン除去装置とその方法」 特開平２０００−１６７５６０号公報「リン酸イオン含有水の処理装置」 上記に例示した、特許文献１、２は吸着材利用による砒素除去技術であり、ダム湖水のような大量な水中の砒素を連続的に除去する方法、処理に関しては開示されてなく、示唆されていない。 また、電気分解による鉄電極から鉄イオンを溶出させて、水中の金属イオンや無機物を凝集、除去する技術としては、特許文献３、４、５に開示されているが、砒素を対象としたものは示唆されていない。

アジアの各地域では砒素汚染が社会問題になっている。日本では、都市部で地下水の砒素汚染が進行しており、地下水を飲料水として使用すると砒素中毒が発生する危険性がある。
沖縄県では県内に広く分布している赤色土の中に砒素が検出され、水質汚染に繋がるのではと危惧されている。
最近、湖沼やダム、内湾等の閉鎖系水域では、生活廃水、畜産・農耕排水が流入し、これらの中に含まれる有機物、塩類が栄養源となり繁殖する植物プランクトンや有機物の一部が湖底に沈降して有機汚泥になる。この汚泥は溶存酸素を消費するため底層水を貧酸素状態にする、湖底が還元状態になると湖底に堆積したヘドロや周辺の岩石から鉄、マンガン、リンなどと一緒に砒素が溶出することがわかってきた。これらの砒素濃度はまだ低くいため放置されているが、将来的には深刻な問題となる恐れがある。
一方、インドやバングラデシュなどでは飲料水として使用している地下水に砒素が多く含まれているため、地下水を曝気、酸化剤によって酸化させ、凝集剤を投入し、木炭・砂などでろ過処理を行って飲料水として使用されていることが多い。
この処理方法は、手間がかかる、大量処理が困難、原水の水質に左右される、安全性、凝集剤の残存など技術的に、効率的に多くの問題を抱えている。
本発明は、現在用いられている砒素除去法に代わる安全な砒素除去法、およびダムや湖沼水中の微量の砒素を効率的に除去する方法として、健康、環境に悪影響を及ぼさない電気化学的砒素処理を提案するものである。

本発明は、砒素汚染水中の砒素化学種は砒酸、亜砒酸が主であり負に帯電している。そのため、正に帯電している鉄イオンが存在すれば、砒素は鉄イオンと化学結合され不溶性水和物になる、また鉄の水和物にも砒素は吸着される。これらの水和物は時間の経過とともに自然沈降するので、沈殿物を取り除くことによって砒素の除去を行う方法である。
また、湖底のヘドロや周囲の岩石から砒素が溶出する場合、鉄も溶出している、この溶出した鉄イオンは酸化してFeOとして存在することが多い。このFeOを電気分解によりイオン化すれば、鉄電極から溶出する鉄イオンと同じような作用で、砒素を不溶性水和物にするために役立つ。
本発明の装置は、汚染水中の砒素と鉄を反応させる電気分解槽、汚染水中の溶存酸素濃度を高める気体溶解装置、鉄イオンを溶出する鉄電極、電極に付着するスラッジを取り除く装置、鉄と砒素が結合した不溶性水和物を沈殿、分離する沈殿槽、汚染水を電気分解槽に汲み上げるエア−リフトポンプ、電極に電流を供給する電源、およびその電流を制御するコントロ−ルパネルからなる。
電極の素材としては、陰極に棒状、板状の白金系貴金属、チタン、白金をメッキした金属、鉄等を用い、陽極に鉄棒、鉄板を用いる。両極に鉄を用いると、両極を＋−反転させて用いることが可能である。
両電極の大きさ、表面積、数量、電極間隔、電圧・電流は汚染水の砒素濃度、電気伝導率、処理量などで決めることができる。
本発明では、電気分解槽の中に汚染水を導き電極に通電する時、鉄製の陽極から鉄が溶出するが、溶出した鉄はFe2+、Fe3+イオンになる。この内Fe2+は直ぐに酸化されてFeOになりやすいので、Fe2+イオンをより安定的なFe3+イオンにするため、気体溶解装置を用いて汚染水の溶存酸素を予め高くし、Fe2+イオンを高速酸化させてFe3+イオンにすると汚染水中の砒素と鉄の結合・凝集を容易させ、沈降分離する。
汚染水を長時間電気分解すると、その過程で電極の表面に汚染水に含まれるカルシュウム等の微量成分が付着し、電気分解性能を劣化させる。これを防ぐためには、電極の表面を定期的にワイ−ヤブラシ等で磨く装置が必要である。

飲料水の砒素汚染で困っている地域に対し、薬品類を一切使用しない環境・健康に優しい方法で、砒素を確実に、完全に取り除きが出来る小規模処理装置の提供が可能になるので、砒素汚染地域の飲料水確保に役立つと考えられる。
本発明は、連続式完全自動化砒素除去装置の製造が可能であるから、将来、必ず問題となるダムや湖沼の砒素汚染水対策に十分な効果を奏するものである。

汚染水（１）を電気分解槽（４）に投入する時、汚染水の溶存酸素濃度は、鉄イオンの酸化手段として高いことが望ましいので、汚染水は気体液溶装置（２）におい酸素発生装置（３）で製造された酸素と接触させることが好ましい。溶存酸素濃度の高い汚染水を電気分解槽内（４）に流入させた状態で電極に通電すると、陽極の鉄板、棒（５）から溶出した鉄イオン、また汚染水中にすでに溶解している鉄イオンは正に帯電しており、負に帯電している砒素と容易に化学結合して、砒素・鉄不溶性水和物となる。
汚染水中の鉄含有量、汚染水の導電率などから、汚染水の電気分解槽への送水量や電極の印加電圧、電流などをコントロ−ルパネル（８）で制御する。
電気分解槽内で反応した砒素・鉄不溶性水和物を含む汚染水を沈殿槽（６）に移し、砒素・鉄不溶性水和物を自然沈降させ、沈殿物を取り除く。
長時間電気分解を続けると、電極の表面はスラッジが付着して電気分解の性能が低下するので、定期的に電極表面をブラッシ（７）で定期的に上下運動させて、電極の機能を再生する。

中国地方にあるダム湖の湖底近くから採取した砒素汚染水を電気分解した後、沈殿槽に移し、静置凝集沈澱させた上澄水を採取して分析した結果、採取した汚染水の砒素濃度は激減した。
実験条件
実験に供した汚染水 砒素濃度 0.018 mg／ｌ、ＤＯ値 1.8 mg／ｌ
電気分解水槽の大きさ（内寸） 48cmＷ×16cmＬ×51cmＨ
電極の種類 両極とも鉄板
電極の大きさ 47cmＷ×44cmＨ×0.35cmＤ
汚染水の流入速度 21ｌ／min
印加電圧 電圧V 電流A
第１回 5.0 30
第２回 9.5 50
第３回 12 65
電気分解後の静置時間 60分
汚染水・処理水の分析方法 ゼ−マン原子吸光高度計による分析
実験結果

本発明は、化学工場、食品工場、金属製造工場等からの排水中に砒素、又は砒素と同様な負に帯電している物質が存在している場合、これらの工場廃水処理にも応用可能である。

本発明の機構を示す概略説明図である。 他の実施例を示す電気分解槽の概略説明図である。

符号の説明

１ 汚染水
２ 気体溶解装置
３ 酸素発生装置
４ 電気分解水槽
５ 鉄電極
６ 沈殿槽
７ スラッジ除去用ブラシ
８ コントロールパネル

Claims (4)

1. 砒素汚染水を陽極に鉄を用いた電気分解槽に導き通電し、鉄電極から鉄イオンを溶出させ、この鉄イオンと汚染水中の砒素を化学結合させる電気化学処理で砒素を不溶性化合物として沈殿、除去する方法。
2. 鉄を用いた陽極と対峙する金属陰極を複数セットした電気分解槽に、汚染水を導き通電し、鉄電極から鉄イオンを溶出させ、この鉄イオンと汚染水中の砒素を化学結合させ、砒素を不溶性化合物とした汚染水を電気分解槽に連結した沈殿槽に投入して砒素の不溶性化合物を沈殿、除去する装置。
3. 砒素汚染水を酸素や空気に接触させ、汚染水の溶存酸素を高めることにより、鉄電極から溶出した鉄イオンFe2+、および汚染水中にもとから存在する鉄イオンFe2+、をより安定なFe3+にして、砒素との結合を容易にすることを特徴とする請求項１記載の電気化学的処理による砒素除去方法。
4. 汚染水の電気分解中、両電極の表面に付着するスラッジ、ゴミ類を各電極間に挟み込んだワイヤ−ブラシ付き金属板を動力で上下、左右に運動させることにより取り除き、電極の性能を維持することを特徴とする請求項２記載の電気化学的処理による砒素除去装置。

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