JP2006242511A

JP2006242511A - 光触媒を用いた循環冷却水再生装置

Info

Publication number: JP2006242511A
Application number: JP2005061112A
Authority: JP
Inventors: Taeko Ushiyama; 妙子牛山; Hideki Kobayashi; 秀樹小林
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】
光触媒技術を用いて、冷却水などの循環水中に含まれる有機物の分解、スライムやスケールの発生原因となる藻類や細菌類の発生及び増殖の防止をより効果的に実施する。
【解決手段】
冷却水系を流動する流体を、気液接触によって冷却処理して循環冷却水を再生する装置であり、上方から散布された前記流体を気液接触させながら充填材の間隙を流下させる構成である気液接触部１２と、該気液接触部１２から落下してくる流体を貯留する貯水部１５と、を少なくとも備えている。そして、前記気液接触部１２の充填材表面と前記貯水部１５の壁面１５１のいずれか一方又は両方に光触媒層を設け、被処理水Ｗ_１の殺菌、殺藻、有機物分解などを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却水系を循環流動する冷却水を浄化処理するための技術に関する。より詳しくは、冷却水系を循環流動する冷却水を光触媒の酸化反応によって処理して殺菌や有機物分解などを行い、配管などの水系設備におけるスライムやスケールなどの発生を防止する技術に関する。

冷却水系などに代表される循環水系、特に開放型の冷却塔などを利用する循環水系では、アオコなどの藻類やレジオネラ菌などの微生物群の発生、並びにこれらが原因となるスケールやスライムの発生によって、水系設備の機能が経時的に低下することが従前から問題になっている。

例えば、スライムやスケールの発生によって、熱交換器の熱交換効率の低下や濾過機などに目詰まりが起きたり、配管などの金属部材の局部腐食が促進されたりするという問題が起きている。また、レジオネラ菌などの病原細菌の繁殖は、病気の発生の原因となり得るので、衛生上放置することはできない。

これらの問題を解決するために、従来から所定の化学薬品を水系に添加する対策が講じられてきている。例えば、塩素系などの殺菌剤を水系に添加する方法、スライム剥離剤として過酸化水素やヒドラジンを用いる方法、スライムコントロール剤としてイソチアゾロン系化合物などを利用する方法などを挙げることができる。

しかし、このような薬剤を用いる水処理技術では、その多くの薬剤に皮膚刺激性があるなどの安全性に問題を抱えている。また、水系への塩素系薬品などの強酸化剤の添加によって配管などの腐食が促進するという問題があり、化学薬品の使用は、ブロー水などの排水処理の際の環境負荷という観点でも好ましくはない。また、水系における一定の薬剤効果を維持し、かつ配管設備を腐食から保護するためには、水系中の薬剤濃度を一定レベルに管理する技術が必要となるため、手間がかかりランニングコストも高くなる。

このため、薬剤を用いない代替水処理技術が提案されている。例えば、紫外線照射やオゾン曝露（接触）による酸化殺菌処理技術が提案されており、さらにはこれらを組み合わせた技術についても、特許文献１や特許文献２に開示されている。

また、特許文献３には、光触媒技術を用いて、細菌、ウイルス、スライムの発生を防止する技術が開示されている。この技術では、冷却水の取り込み口近くの水槽上部に紫外線ランプを配設しておき、かつ装置上方の散水板の上面や紫外線劣化を防ぐために設けられた遮光板の上面に光触媒をコーティングしておいて酸化殺菌効果を得る。

特許文献４には、スライム発生防止や有機物分解を目的として、光触媒である酸化チタンを担持する粒体を収容した部材を被処理水の流路中に配設するとともに、前記粒体への光照射手段が設けられている光触媒反応装置が開示されている。
特開２００３−２６６０８８号公報。特開２００４−０９７９９２号公報。特開１１−１９０５９８号公報。特開２００１−１９１０６７号公報。

化学薬品を水系から排除することを前提とする水処理技術において、上掲した紫外線照射やオゾン処理を利用する代替水処理技術では、コストが高くなるなどの解決困難な問題がある。

そこで、本発明では、光触媒技術を用いて、冷却水などの循環水中に含まれる有機物の分解、スライムやスケールの発生原因となる藻類や細菌類の発生及び増殖の防止をより効果的に実施できるように工夫した水処理技術を提供することを主な目的とする。

本発明は、まず、冷却水系を流動する流体を、気液接触によって冷却処理して循環冷却水を再生する装置であって、上方から散布された前記流体を気液接触させながら充填材の間隙を流下させる構成である気液接触部と、該気液接触部から落下してくる流体を貯留する貯水部と、を少なくとも備え、前記気液接触部の充填材表面と前記貯水部の壁面のいずれか一方又は両方に光触媒層が設けられている循環冷却水再生装置を提供する。

本発明において「気液接触部」は、熱交換器等を経て温度が上昇している循環水を、水滴にした状態で外気に接触させ、気化熱（蒸発熱）により水温を下げる役割を担う箇所であり、「貯水部」は前記気液接触部で冷却された循環水を一時貯留する場所である。前記気液接触部には酸素が充分に存在しており、また、該気液接触部を経て貯水部に入ってくる流体には酸素が充分に溶解しているため、酸素を要求する光触媒反応に好適な条件となる。

本発明のような構成の循環冷却水再生装置では、該装置に流入してくる被処理水（循環水）を、流入直後の段階（例えば、散水部）において光触媒による殺菌、殺藻などを実施しても、続く気液接触部で被処理水と空気の接触過程での雑菌の混入は避けられない。従って、本発明のように、菌類や藻類などが外部から混入する気液接触部以降の段階で、光触媒処理を行うことが特に有効である。

本発明では、上記の気液接触部を覆うカバー部材又は／及び前記底部貯水部の壁面部材を太陽光透過性部材で形成したり、太陽光を反射させて装置内部に導くための反射部材を配設するようにし、あるいは、前記気液接触部の近傍又は／及び前記底部貯水部内に、紫外線や可視光などの光を照射するような光照射部を設けておくようにする。これにより、光触媒の機能を活性化し、その酸化力による殺菌や有機物分解を効果的に行う。

本発明によれば、光触媒技術を用いて、冷却水などの循環水中に含まれるＴＯＣ（有機炭素量）に相当する有機物などの分解、スライムやスケールの発生原因となる藻類や細菌類の発生及び増殖の防止をより効果的に実施できる。特に、冷却水循環ラインの配管の閉塞や熱交換器の効率低下などを有効に防止できる。

また、光触媒の表面の非常に強い親水性化現象により、気液接触部の充填材表面や底部貯水部の壁面に対する油類の付着が起こり難くなり、仮に油類の付着が起こっても水流の作用によって容易に除去することができる。即ち、本発明に係る循環冷却水再生装置は、特に油類による汚染に対するセルフクリーニング効果を発揮するので、メンテナンスフリー、あるいはメンテナンス頻度の低減を達成できる。

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。まず、図１は、本発明に係る循環冷却水再生装置の第一実施形態の構成を簡略に示す図である。

第一実施形態である循環冷却水再生装置１ａは、一般に冷却塔（クーリングタワー）と称される装置であって、例えば、熱交換器２を経て水温が上昇した被処理水Ｗ_１を、装置１ａの上段に配置された散水部１１に導入する。

そして、被処理水Ｗ_１を、前記散水部１１を介して、その下方に設置された気液接触部１２に対して水滴を散らすように供給し、そして、この気液接触部１２では、被処理水Ｗ_１を水滴状態で外気に接触させることによって、気化熱（蒸発熱）により水温を下げる。

なお、気液接触部１２は、一般に、所定の間隙を置いて配設された合成樹脂製充填材から構成されており、該合成樹脂充填材の周囲は、カバー部材１３によって覆われている。このカバー部材１３の所定箇所には、前記充填材に外気を供給するための外気取り込み口１４，１４が設けられている（図１参照）。

気液接触部１２を流下してきた被処理水Ｗ_１は、該気液接触部１２から落下して、さらにその下方に配置されている貯水部１５に一次貯留される。このようにして冷却された被処理水Ｗ_１は、水の補給を一部受けて、再び循環冷却水Ｗ_２となって、空調設備、冷凍または冷蔵装置などの熱交換に利用される。

このような構成の循環冷却水再生装置１ａでは、外気開放型の装置構成であるので、外部から雑菌や藻類などは被処理水Ｗ_１へ混入することは避けられない状態にある。雑菌や藻類などが混入した状態の被処理水Ｗ_１を冷却処理しただけで循環冷却水として再利用すると、水系配管設備などでのスケールやスライムの発生を招き、配管の閉塞、配管や熱交換器などでの局部腐植を誘引する原因となり、スライムが熱交換器に付着した場合では、付着面における伝熱阻害も問題となる。

このため、本発明では、気液接触部１２を構成する合成樹脂充填材の表面や貯水部１５の壁面１５１に光触媒層を形成する。気液接触部１２には外気が取り込まれて酸素が充分に存在しており、また、該気液接触部１２を経て貯水部１３に入ってくる被処理水Ｗ_１には酸素が充分に溶解しているので、酸素を要求する光触媒反応に好適な条件が整っている。

ここで、本発明における「光触媒」は、狭く限定されない。例えば、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化チタン、酸化セリウム、硫化亜鉛、硫化カドミウム、硫化水銀など、さらにこれらに対して窒素イオンや硫黄イオンなどの不純物をドープしたもの、あるいはこれらに対して白金などの金属を担持させたものを挙げることができる。

特に、酸化チタンは代表例であり、その触媒表面に大きな酸化力を有するヒドロキシラジカルとスーパーオキサイドイオンが生成し、酵母、大腸菌・レジオネラ菌などの細菌、藻類等に作用して殺菌、殺藻を達成し、水系中の有機物を酸化分解する。この酸化チタンとしては、二酸化チタンのほかに、メタチタン酸、オルトチタン酸、含水酸化チタン、水和酸化チタン、水酸化チタン、過酸化チタンなどのチタン酸化物や水酸化チタンなどを挙げることができ、なかでもアナタースやルチル結晶構造酸化チタンは比較的安価で性能に優れ、白金等の金属を担持することにより光触媒反応の効率が高まる。

また、酸化チタンは、通常、３８０ｎｍ以下の紫外光領域を吸収して光触媒機能を発揮するが、窒素イオンや硫黄イオンなどの不純物をドープすることにより３８０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の可視光領域でも光触媒機能を発揮させることができる。

光触媒層は、例えば、酸化チタンなどの光触媒物質を混入させたゾルを合成樹脂充填材の表面や貯水部１５を形成する壁面１５１にスプレーする方法や浸漬コーティングする方法などによって成膜した跡に乾燥処理し、その後５０〜６００℃未満の温度で焼き付けて形成することができる。また、光触媒層を形成する基体表面に保護皮膜を形成するなどの下地処理を施した上で、光触媒層を前記方法で形成してもよい。

気液接触部１２を構成する合成樹脂充填材の表面や貯水部１５の壁面１５１に設けられた光触媒層に対して太陽光が照射されるようにして、光触媒反応を活性化するため、カバー部材１３や貯水部１５の壁面部材を、ガラスやアクリル樹脂などの太陽光透過性部材で形成する。強度面を考慮すると、対衝撃性のあるアクリル樹脂などの透明樹脂で形成するのが好ましい。

また、図２に示す変形実施形態である装置１ｂのように、外気取り込み口１４，１４などの近傍位置に太陽光Ｐを反射させて、該太陽光Ｐを装置内部へ入射させるための反射部材１６，１６を必要数設置してもよい。この実施形態は、例えば、装置１ｂが、太陽光Ｐがあまり照射されない箇所に設置される場合などに特に好適である。反射部材１６，１６には、手動又は自動の角度調整機構を付設することによって、装置１ｂの設置場所における太陽光条件に応じて、太陽光の取り込み角度と反射角度を調整できるようにしてもよい。なお、反射部材１６，１６は、例えば、アルミニウム板などの金属板、鏡面仕上げされた金属板、光反射機能を有する樹脂板、鏡などを用いて形成する。

また、図３に示す他の変形実施形態である装置１ｃのように、気液接触部１２に隣接した位置（例えば、合成樹脂充填材を取り囲む位置）に第一光照射部１７を設けるようにしてもよい。さらには、貯水部１５の内部領域に第二光照射部１８を配置するようにしてもよい。前記第一光照射部１７と第二光照射部１８を両方配置するようにしてもよい。

光照射部１７、１８は、光触媒活性に効果のある波長の光を照射できる手段、例えば、水素放電管、キセノン放電管、水銀ランプ、レーダー光源、発光ダイオード、紫外線出射装置などを適宜採用できる。

紫外線照射手段を採用すると、紫外線殺菌などの効果も期待できるが、一方では紫外線によって合成樹脂充填材の劣化が懸念される。この場合は、合成樹脂充填材（気液接触部１２）に紫外線が照射されないようにするための遮蔽手段（例えば、遮蔽板）を装置内の適当な箇所に設けるようにしてもよい。

例えば、合成樹脂充填材の表面には太陽光Ｐで活性化する光触媒層を形成し、一方、貯水部１５には紫外線照射によって活性化する光触媒層を形成するような構成を採用した場合を想定すると、貯水部１５側から出射される紫外線が上方の合成樹脂充填材に照射されないようにするための遮蔽板などの遮蔽手段を設けるように工夫してもよい。

紫外線照射による合成樹脂充填材（気液接触部１２）の劣化の懸念を根本的に払拭する目的で、可視光領域で光触媒機能を発揮する光触媒材料、例えば、窒素イオンや硫黄イオンをドープした酸化チタンを、樹脂充填材表面や貯水部１５の壁面に形成する光触媒層として採用することもできる。

光照射部１７、１８を設けることにより、太陽光の照射が不足する場所に装置１ｃが配置された場合や夜間においても、光触媒反応を活性化させることができる。また、被処理水Ｗ_１が濁って太陽光透過能が低くなった場合でも、光触媒反応の活性を維持できる。なお、光照射部１７、１８に加えて、上記した反射部１６，１６を併用するようにしてもよい。

循環冷却水再生装置１ａ〜１ｃにおいて、菌類に対する殺菌効果や藻類に対する殺藻効果を検証するための基礎実験（実施例１、実施例２）を行ったので、以下、説明する。

厚木市水を活性炭で脱塩素した脱塩素水を試料水として使用した。内壁に酸化チタンによる光触媒層（光触媒薄膜）を形成したビーカーに前記試料水を１００ｍｌ採取し、これに冷却塔から採取した緑藻主体で藍藻や珪藻も含まれる藻類サンプルを０．５ｇずつ添加し、直射日光のあたる場所に３日間放置して藻類の状態を観察した。なお、光触媒層は、日本曹達（株）製ビストレイター（登録商標）を用い、高温焼付けによって成膜した。比較例としては、光触媒層が形成されていない通常のビーカーを使用して、同様の実験を行った。

その結果、比較例であるビーカーでは、試験開始時よりも明らかに藻類の増殖が認められたが、実施例に係わるビーカー内では、藻類の緑色が消失し、死滅した状態として観察できた。

図４に示したような循環通水装置３を用意した。この装置は、保有水量が５Ｌであるピット３１、ポンプ３２、サンプルチューブ３３，３３を備えている。このピット３１の内壁には、実施例１と同じ方法により光触媒層を形成した。使用した前記サンプルチューブ３３，３３は、ＳＵＳ３０４製、内径１７ｍｍ、長さ３００ｍｍ、内面積１６０ｃｍ^２である。

厚木市水を活性炭で脱塩素した脱塩素水を補給水として使用し、微生物の栄養源としてグルコースを前記補給水に１０ｍｇ／Ｌとなるように添加した。ピット３１に補給水を０．２５Ｌ／ｈで補給して同量のブロー水を廃棄し（図４参照）、滞留時間を２０時間に設定して運転した。７日ごとにサンプルチューブ３２から面積３０ｃｍ２分のスライムをかき採ることを試みたが、４２日間の試験運転中、スライムは全く付着していなかった。

本発明は、温度が上昇した循環冷却水の冷却再生を行う装置、例えば、冷却塔（クーリングタワー）における被処理水の殺菌、殺藻、有機物分解などを行い、水系の配管設備や熱交換器などにおけるスケールやスライムの発生を防止する技術として利用できる。本発明に係る循環冷却水再生装置は、光触媒による油類の自己洗浄などが発揮されるので、セルフクリーニング機能を有し、メンテナンスフリーの循環冷却水再生技術を提供できる。

本発明に係る循環冷却水再生装置の実施形態例を簡略に示す図である。同装置の他の実施形態例を簡略に示す図である。同装置のさらに他の実施形態例を簡略に示す図である。実施例で用いた循環通水装置（３）の構成を表す図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ循環冷却水再生装置
２熱交換器
１１散水部
１２気液接触部
１３カバー部材
１４外気取り込み口
１５貯水部
１５１貯水部の内壁面
Ｗ_１被処理水
Ｗ_２冷却再生された循環水

Claims

冷却水系を流動する流体を、気液接触によって冷却処理して循環冷却水を再生する装置であって、
上方から散布された前記流体を気液接触させながら充填材の間隙を流下させる構成である気液接触部と、該気液接触部から落下してくる流体を貯留する貯水部と、を少なくとも備え、
前記気液接触部の充填材表面と前記貯水部の壁面のいずれか一方又は両方に光触媒層が設けられている循環冷却水再生装置。
前記気液接触部を覆うカバー部材又は／及び前記貯水部の壁面部材が太陽光透過性部材で形成されたことを特徴とする請求項１記載の循環冷却水再生装置。
太陽光を反射させて装置内部に導くための反射部材が配設されたことを特徴とする請求項２記載の循環冷却水再生装置。
前記気液接触部の近傍又は／及び前記貯水部内に光照射部が設けられたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の循環冷却水再生装置。
前記光照射部は、紫外線照射部であることを特徴とする請求項４記載の循環冷却水再生装置。