JP2007275713A

JP2007275713A - 液体中の金属の酸化除去方法

Info

Publication number: JP2007275713A
Application number: JP2006102657A
Authority: JP
Inventors: Norihisa Toki; 典久土岐; Kenji Takeda; 賢二竹田; Masaki Imamura; 正樹今村
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2007-10-25

Abstract

【課題】２価鉄などの金属イオンを含む液体中に効率的に酸素を溶存させ、短時間で金属イオンを酸化させて、効率的に分離する方法を提供する。
【解決手段】剪断場において気泡を細分化する微小バブル発生装置を用いることにより、空気などの酸素を含む気体を液体中において気泡径１００μｍ以下に微小バブル化させ、微小バルブから液体中に溶解した溶存酸素により液体中の金属を酸化させる。特に２価の鉄イオンを含む液体に、酸素を含む気体を微小バルブ化させて吹き込むと共に、その液体のｐＨを４〜１０に調整することにより、液体中の２価の鉄イオンを３価に酸化させ、水酸化第２鉄として沈澱させることができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、液体中に含まれる鉄などの金属を、酸素により酸化して分離除去する方法に関する。

製鉄所や金属精練工場などから発生する排水中には、主に２価の鉄などの金属が含まれている。例えば、鋼板表面のスケール、汚れ、酸化膜、錆などを除去するために、硫酸または塩酸による鋼板の洗浄が行なわれているが、その排水中には多量の２価の鉄イオンが含まれている。また、鋼板や金属板にはメッキやエッチングなどの表面処理が施されることがあるが、これらの排水には２価の鉄、亜鉛、錫、クロムなどの金属イオンが含まれている。

このような排水は、２価の鉄などの金属を多量に含むうえ、ｐＨが２〜３程度と低いため、そのまま公共用水域に放流することはできない。このような排水を公共用水域に放流するためには、含有されている２価の鉄などの金属を分離除去する必要がある。

従来から、水溶液中の２価の鉄イオンを分離除去する方法として、２価の鉄イオンを３価まで空気酸化し、水酸化第２鉄として除去する方法が知られている。ところが、２価鉄から３価鉄への酸化速度はｐＨが４以下では極めて遅く、ほとんど反応が進行しない。そのため、通常のｐＨが２〜３程度と低い排水から、曝気によって２価鉄を３価鉄まで酸化して水酸化第２鉄として回収する方法は、処理速度が極めて遅く、実用化はほとんど不可能である。

そこで、通常は、２価の鉄を含む排水に、水酸化カルシウム、炭酸カルシウムなどのアルカリ剤を添加してｐＨを９〜９.５に維持し、大量の空気を吹き込むことによって、２価鉄を３価鉄まで空気酸化した後、水酸化第２鉄として除去している。なお、水酸化第２鉄は、ｐＨを４以上にすれば溶解度が５.６ｍｇ／ｌ以下と小さく、また沈降性も良好なため、容易に沈澱として分離することができる。しかし、水酸化第1鉄は、ｐＨを９以上にしなければ溶解度が５.６ｍｇ／ｌ以下とならず、また沈降速度も遅いため、鉄の分離にはほとんど用いられない。

上記のごとく２価の鉄を含む排水に対し、水酸化カルシウム、炭酸カルシウムなどのアルカリ剤を添加してｐＨを９〜９.５に維持し、空気を吹き込んで２価鉄を３価鉄まで空気酸化した後、水酸化第２鉄として鉄を回収する方法は、水酸化第２鉄の溶解度が５.６ｍｇ／ｌ以下と小さく且つ沈降性も良好なため、鉄などが処理水中に流出することが少ないという利点がある。しかし、従来の空気の吹き込みによる方法では、２価鉄を３価鉄まで酸化するために非常に長い時間を必要とするため、処理効率が極めて悪かった。

また、排水に含まれている２価鉄を３価鉄まで酸化する方法として、次亜塩素酸ソーダ、過酸化水素などの酸化剤を用いて酸化し、水酸化第２鉄として処理する方法も広く知られている。しかしながら、２価鉄を次亜塩素酸ナトリウムや過酸化水素などの酸化剤で酸化する方法は、酸化剤の添加量の制御が難しく、処理された排水の水質が安定しないという問題がある。また、２価鉄の濃度が高い場合には、酸化剤の処理コストが極めて高くなるという欠点がある。

更に、２価鉄を含む排水の処理方法として、特開平８−１７３９９０号公報には、処理槽の中央部に設けた曝気部で鉄酸化細菌により２価鉄を３価鉄に酸化した後、処理槽の周辺部に設けた沈澱部で処理水と鉄酸化菌を沈降分離する方法が記載されている。しかし、この方法は、生物学的な方法であるため排水処理に長い時間を要し、処理効率が低いという欠点があった。また、曝気部における空気の吹き込みにも、通常のボールフィルターを用いているに過ぎない。
特開平８−１７３９９０

本発明は、上記した従来の問題点を解決し、２価鉄などの金属イオンを含む液体中に効率的に酸素を溶存させ、短時間で金属イオンを酸化させて効率的に分離除去する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明が提供する液体中に含まれる金属を酸化分離する方法は、酸素を含む気体を液体中において気泡径１００μｍ以下に微小バブル化させ、微小バルブから液体中に溶解した溶存酸素により液体中の金属を酸化させることを特徴とする。

また、上記本発明による金属の酸化除去方法は、剪断場において気泡を細分化する微小バブル発生装置を用いることにより、酸素を含む気体を液体中において微小バブル化させることを特徴とするものである。

上記本発明による金属の酸化除去方法においては、前記液体中に含まれる金属が２価の鉄イオンであることが望ましい。その場合、前記酸素を含む気体を液体中において微小バルブ化させると共に、その液体のｐＨを４〜１０に調整することにより、液体中の２価の鉄イオンを３価に酸化させ、水酸化第２鉄として沈澱させることができる。

本発明によれば、酸素を含む気体を微小バブル化することで気体中の酸素を溶存酸素として液体中に溶解させ、その溶存酸素によって液体中の金属イオンを効率よく酸化させることが可能である。従って、空気などの酸素を含む気体を従来に比べて少量使用するだけで、短時間で液体中の金属イオンを酸化させ、特に２価鉄を３価鉄まで酸化させて、沈澱として容易に分離除去することができる。

本発明で用いる微小バブルは、バブル発生時の気泡径が１００μｍ以下と非常に小さい微細な気泡からなる。このような微小バブルは、剪断場において気泡を細分化する方法、例えば、気液２相の流体を高速旋回させることで起こる遠向心分離を応用することにより発生させることができる。

更に具体的には、例えば、（有）バブルタンクから市販されている微小バブル発生装置（商品名：ミクロバブル発生器）を使用して、まず、装置の中央部とその周辺部にそれぞれ旋回する気体部と液体部を形成させ、次に、その旋回気体部を装置出口付近の圧力制御によって切断・粉砕することによって、気泡径が１００μｍ以下の微小バブルを発生させることが可能である。

使用する酸素を含む気体としては、純酸素、酸素富化空気、通常の空気などを使用することができ、当然オゾンでも同様の効果が期待できる。これらの酸素を含む気体は、気泡径１００μｍ以下の微小バブルとして液体中に放出させることにより、効率よく液体に溶解して溶存酸素となる。このような微小バブルの挙動の詳細は解明されていないが、圧壊挙動と比表面積の大きさにより、効率よく液体中に溶解して溶存酸素となるものと考えられる。

上記微小バルブが液体中に溶解した溶存酸素は、通常のパイプやボールフィルターを用いて空気や酸素を吹き込んだ場合に比べて、はるかに効率よく液体中の金属イオンを酸化すること、例えば、２価の鉄イオン（Ｆｅ^２＋）を３価の鉄イオン（Ｆｅ^３＋）に酸化することができる。特に液体のｐＨを４〜１０に調整することにより、液体中の２価の鉄イオンを容易に３価に酸化させ、水酸化第２鉄として沈澱させることができる。

［従来例］
溶存酸素濃度７ｍｇ／ｌの水２０リットルに、内径１０ｍｍの直管から空気を流量１リットル／分で吹き込むことにより、水中の溶存酸素濃度が７ｍｇ／ｌから８ｍｇ／ｌに上昇するまでの時間を測定したところ、３０分を要した。また、このときの酸素効率は０.２３％であった。

また、ボールフィルター（規格５０３Ｇ、気孔径１００〜１２０μｍ）を用いて空気を吹き込んだ以外は上記と同様にして、水中の溶存酸素濃度が７ｍｇ／ｌから８ｍｇ／ｌに上昇するまでの時間を測定したところ、９分を要した。また、このときの酸素効率は０.７８％であった。

［実施例１］
溶存酸素濃度が７ｍｇ／ｌの水２０リットルに、（有）バブルタンク製の微小バブル発生装置（商品名：ミクロバブル発生器、型式ＢＴ−５０Ｆ）を用いて、空気を流量０.１リットル／分で吹き込んで、循環させた水中に平均気泡径４０〜６０μｍの微小バブルを発生させた。その際、循環させた水中の溶存酸素濃度が７ｍｇ／ｌから８ｍｇ／ｌに上昇するまでの時間を測定した結果、４分間を要した。また、このときの酸素効率は１７.５％であった。

この実施例１の実験結果から、微小バブルで吹き込みを行った場合、上記従来例における直管あるいはボールフィルターで吹き込みを行った場合に比較して、空気の流量が１／１０であるにもかかわらず、半分以下の時間で水中の溶存酸素量を１ｍｇ／ｌ高めることが可能であった。

［実施例２］
硫酸鉄（II）を水に溶解して、Ｆｅ濃度１ｇ／ｌ、初期ｐＨ２.０及びＯＲＰ４００ｍＶ（Ａｇ／ＡｇＣｌ電極）の水溶液２０リットルを調整した。このＦｅ含有水溶液のｐＨを２００ｇ／ｌの消石灰スラリーを用いて４.５に調整した後、その水溶液を循環させながら、上記実施例１と同じ微小バブル発生装置を用いて、流量０.１リットル／分で空気を平均粒径３０〜７０μｍの微小バブルとして吹き込むことにより、２価鉄を３価鉄に酸化させた。

その結果、微小バブルの吹き込み開始から、４時間でＯＲＰが１２５ｍＶ及びＦｅ濃度が３０ｍｇ／ｌとなり、５時間でＯＲＰが１６２ｍＶ及びＦｅ濃度が１０ｍｇ／ｌ以下となり、６時間でＯＲＰが２５０ｍＶを越えて上昇し、Ｆｅ濃度は１０ｍｇ／ｌ未満となった。このときの酸素効率は、水酸化第２鉄として沈澱したＦｅ除去量と吹き込み酸素量から算出すると、３０.７7％であった。

［比較例］
上記実施例１と同様に、Ｆｅ濃度１ｇ／ｌ、初期ｐＨ２.０及びＯＲＰ４００ｍＶ（Ａｇ／ＡｇＣｌ電極）の水溶液２０リットルを調整した。このＦｅ含有水溶液のｐＨを２００ｇ／ｌの消石灰スラリーを用いて４.５に調整した後、その水溶液を循環させながら、ボールフィルター（規格５０３Ｇ、気孔径１００〜１２０μｍ）を用いて、流量０.９リットル／分で空気を吹き込むことにより、２価鉄を３価鉄に酸化させた。

その結果、空気の吹き込み開始から、４時間でＯＲＰが９７ｍＶ及びＦｅ濃度が４０ｍｇ／ｌとなり、５時間でＯＲＰが１４７ｍＶ及びＦｅ濃度が１０ｍｇ／ｌとなり、６時間でＯＲＰが１７８ｍＶ及びＦｅ濃度が１０ｍｇ／ｌ以下となった。７時間を越えたあたりで、ＯＲＰは２２０ｍＶ付近まで上昇して止まり、Ｆｅ濃度は１０ｍｇ／ｌ未満となった。このときの酸素効率は、Ｆｅ除去量と吹き込み酸素量から算出すると、３.１％であった。

上記の実施例２と比較例の実験結果から、本発明により空気の微小バブルを吹き込んだ場合、従来のボールフィルターで空気を吹き込んだ場合に比べて、空気の流量が１／９であるにもかかわらず、短い時間で且つ約１０倍高い酸素効率で液体中の鉄を除去することができた。これは、微小バルブの気泡径がボールフィルターのバブルに比べて格段に小さいため比表面積が大きく、酸化反応の反応性が向上したためと思われる。また、空気を微小バブルとして吹き込みを行った場合に、ボールフィルターの場合よりもＯＲＰが高く上昇したのは、酸素活量が高いためであると思われる。

Claims

液体中に含まれる金属を酸化除去する方法であって、酸素を含む気体を液体中において気泡径１００μｍ以下に微小バブル化させ、微小バルブから液体中に溶解した溶存酸素により液体中の金属を酸化させることを特徴とする金属の酸化除去方法。
剪断場において気泡を細分化する微小バブル発生装置により、酸素を含む気体を液体中において微小バブル化させることを特徴とする、請求項１に記載の金属の酸化除去方法。
前記液体中に含まれる金属が２価の鉄イオンであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の金属の酸化除去方法。
前記酸素を含む気体を液体中において微小バルブ化させると共に、その液体のｐＨを４〜１０に調整することにより、液体中の２価の鉄イオンを３価に酸化させ、水酸化第２鉄として沈澱させることを特徴とする、請求項３に記載の金属の酸化除去方法。