JP2010022987A - 水中の金属成分の除去方法とその装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】グラフト吸着材成分を両側表面に有し、パネル状に配置した多数の同一サイズのシート状物2を所定の間隔を開けて並列配置して全体に箱状のスリット体としたグラフト吸着材槽3と、該グラフト吸着材槽3に鉄及び/又は銅イオンを含む金属イオンを溶解する被処理水又は鉄成分及び/又は銅成分を含む金属成分を含有する不溶解性物質を含む被処理水の少なくとも一部を循環供給する循環流路を備えた水中の金属成分の除去装置である。
【選択図】図1
Description
上記凝集沈殿処理法では薬品使用により水中の塩分濃度が逆に増加する事によって「腐食性」及び「スケール性」が増加すること、発生する水酸化物の除去費用が大きいこと及び処理装置自体が大きくなり、処理においては専門的技術者による管理を伴なうことなどが問題点である。
さらに、膜分離法は、微細な穴を持つ膜を通して水をろ過して、懸濁物質から溶解性の化合物までの不純物質を除去する技術である。この方法では、膜自体が非常に高価であり、汚染(ファウリング)により透水性能を維持するために定期的な薬品洗浄を行なう必要があり、また、洗浄廃液処理の処理コストも大きく、さらに分離された濃厚廃液の処理を行う必要がある。また、膜分離法により不純物をほぼ除去した水は「腐食性」が高くなる欠点がある。
物理処理法には、電磁処理、磁気処理、セラミック処理等があり、薬品添加がないので後処理のトラブルがないことが大きな利点となる。
請求項1記載の発明は、グラフト吸着材成分を両側表面に有し、パネル状に配置した多数の同一サイズのシート状物を所定の間隔を開けて並列配置して全体に箱状のスリット体としたグラフト吸着材槽と、該グラフト吸着材槽に鉄及び/又は銅イオンを含む金属イオンを溶解する被処理水又は鉄成分及び/又は銅成分を含む金属成分を含有する不溶解性物質を含む被処理水の少なくとも一部を循環供給する循環流路を備えたことを特徴とする水中の金属成分の除去装置である。
(1)グラフト吸着材成分による金属イオン及び金属成分を含む不溶解性物質の捕集
a.平面型(図3に示すように水の流れ方向に対して垂直方向にシート状物2を配置)にて使用した場合、1段目の表面吸着量が多くなるが、合わせて被処理液中に浮遊物が存在する場合にフィルター的に捕集してしまい、グラフト吸着材表面の官能基と金属イオンの吸着反応が著しく阻害される。
上記グラフト吸着材とは次のような材料である。
ポリオレフィン若しくは天然高分子材を材質とする繊維、織布、不織布、フィルム、中空糸膜、平膜又は糸から製造される高分子基材と、該高分子基材にビニル反応性モノマーをグラフト重合させて形成したグラフト鎖と、該グラフト鎖に導入されたリン酸系、アミドキシム系キレート形成基とを有することを特徴とする金属イオン類を回収する為の吸着材をいう。
a.グラフト吸着材表面への液中浮遊物の付着は吸着能力を阻害する。
(+)帯電性の浮遊物は(−)帯電するグラフト吸着材表面に付着し易いので、電磁場処理を採用する事で液中浮遊物の付着を防止する。
(+)帯電性薬剤の種類は不明であるが、リン酸型グラフト吸着材は液中のFeイオン及びCaイオン吸着能力に優れている事から(+)帯電性薬剤中の陽イオン物質の吸着・捕集が生じた結果であるものと推定される。
この場合、冷却循環が常に行われる配管を選択する必要が有り、2ヶ所以上に設置する必要があった。大型水槽に対してはグラフト吸着材槽の前段にて循環処理ラインに電磁処理する事で水槽内被処理水のスケール性を抑制する事が可能である。
不溶解性金属物質とは鉄又は銅、カルシウム・マグネシウム水酸化物、酸化物、炭酸塩、硫酸塩を含む化合物、特に、pH7以下でも不溶解性物質を形成し易い鉄水酸化物は当発明における主たる除去物質であり、溶解性金属物質とは鉄・銅・マンガン・砒素を含む金属イオンである。
空調用冷温水設備における冷水貯槽は大量の水を保有している。冷却機で冷やされた冷水を個々の空調用ファンコイルに送り、室内を冷房している。一度、保有した水は長年の間循環使用されているが、「腐食」によって徐々に鉄イオン・銅イオンが溶出してくる。溶出した鉄イオン・銅イオンは水中のアルカリ分と反応して水酸化物として不溶解性の浮遊物を形成し、カルシウム・シリカ成分を吸着して「スケール性」が増す。そのため、空調用ファンコイルの細管部に付着して水の流れを悪くしたり、熱交換効率を悪くする。更に、冬季において温水に切り替わると水のスケール性は増加するので徐々に空調設備の熱交換効率が悪化する。
空調用冷温水設備では1000m3を超える大量の水を地下水槽に貯留し、長期間の循環使用が行なわれている。貯留水中には設備内の金属類のために「腐食」によって徐々に溶解し、某ビルの冷水使用期間15年の設備(保有水量2500m3)では鉄4ppm・銅0.7ppmにも濃縮・増加している。
なお、空調設備の末端に備えられたファンコイルは非常に口径が小さく、清掃作業にはコストも莫大となる。設備を停止する事無く、電磁処理を併用して既存付着物の除去とスケール付着防止はグラフト吸着材による金属類除去と合わせて低コストの処理技術を可能とする。
例えば、容量700m3の蓄熱槽に対して吸着処理量(循環水量)150m3/日を最低条件とする。電磁場処理を行った被処理水の電磁場処理の残留効果は導電率200μS/cm程度で約7日間保持する事が可能である。処理回数によって電磁処理水の処理効果は増大する事から被処理水の全体量を処理する必要が無い事が判った。
また、グラフト材は再生使用(塩酸再生)が可能で有るため、グラフト吸着材による処理装置がコンパクト化でき、水質検査及びグラフト材の再生を容易に行うことができる。
なお、事前調査としてグラフト吸着材の選択試験とスケール性と電磁処理効果を確認する机上試験を実施することで容易に本発明の実施効果を確認できる。
図1にはグラフト吸着材を用いて水中の鉄・銅等金属イオン及び前記金属成分を含んだ浮遊物の同時除去を行うための原水処理装置の概略図を示す。
原水処理装置1は中央部にスリット体からなるグラフト吸着材槽(スリット体)3を配置し、グラフト吸着材槽(スリット体)3は多数のグラフト吸着材を両側表面に有するパネル状に配置した多数の同一サイズの水透過性のシート状物2(図3,図4参照)を2mm間隙で並列配置して得られる全体に箱状のスリット体3である。各シート状物2の平面が鉛直方向に向くように配置しているので、シート状物2の平面に直交する方向、すなわち並列配置した互いの間隔を開けた多数のシート状物2の平面を原水処理装置1内での原水の流れに直交する方向に向けて配置する(図3)か又は原水の流れ方向に沿って配置する(図4)。したがってグラフト吸着材槽(スリット体)3に流入した原水はシート状物2を透過して流れるか又はシート状物2同士の間隔を通過することになる。
図2に示す原水タンク7内の原水をポンプでくみ出し、グラフト吸着材を有するシート状物2を収納したグラフト吸着材槽(スリット体)3を含む原水処理装置1を経由して原水タンク7に再び戻すような実験装置を用いて次のような実験条件で原水を処理した。
対象処理水量:300L
グラフト吸着材:下記の製造方法で得られるポリエチレン製高分子基材にビニル反応性モノマーをグラフト重合させて形成したグラフト鎖と、該グラフト鎖に導入されたリン酸系キレート形成基とを有するもの。
循環水量:0.6L/分、SV(空間速度):500/時間
初期Feイオン濃度:地下水+硝酸鉄(全鉄)4.6ppm
pH:4.6(硝酸pH調整)
高分子基材として不織布(倉敷繊維加工(株)製のポリエチレン製(型番EX−02)のもの)を使用し、これに放射線照射することにより反応活性点を生成させた。放射線照射は、電子線を用いて窒素雰囲気下でトータル線量が200kGyになる条件で行った。次いで、リン酸基を有するモノマーとしてモノ(2−メタクリロイルオキシエチル)アシッドホスフェートとジ(2−メタクリロイルオキシエチル)アシッドホスフェートの混合モノマー(モノ/ジ=70/30%)を10〜30%の濃度で、メタノールと純水の混合溶媒(メタノール10〜30重量%)中で3〜24時間、40〜60℃で反応させ、不織布にグラフト鎖を導入した。反応率は60℃で2時間及び12時間反応させると、それぞれ90%、200%であった。
鉄イオン及び鉄水酸化物の様な不溶解性物質が含まれている場合、流入原水に対して垂直な方向に平面を向けて多段に配置した前記製法で得られたグラフト吸着材を有するシート状物2からなるスリット体3の1段目にて2価の鉄イオン吸着と鉄水酸化物の捕捉が行われ、2段目以降のシート状物2による鉄イオン吸着が阻害されている。そこで、2段目以降も鉄イオン吸着が同時に生じる工夫が必要である。
図2に示す実験装置を用いて次のような実験条件で原水を処理した。
対象処理水量:300L
グラフト吸着材:前記したグラフト吸着材を使用
前記グラフト吸着材を有する平型(幅60mm×高さ80mm)のシート状物2を3枚並列配置したグラフト吸着材槽(スリット体)3はA(原水流路断面面積)=144cm2 、V(体積)=0.86cm3、 W(重量)=0.17g からなる。
循環水量:0.6L/分、SV(空間速度):500/時間
初期Feイオン濃度:地下水+硝酸鉄( 全鉄5.2ppm)
pH:4.8(硝酸pH調整)
処理条件
処理対象液:模擬水(上水+塩化第二鉄(FeCl3))
対象処理水量:300L
グラフト吸着材:前記したグラフト吸着材を使用
シート状物2(幅100mm×高さ540mm)の89枚/組(図6の写真に示す。)をスリット状に配置する。
A=48000cm2、V=2884cm3、W=577g
使用組数:1組又は3組(89枚/組)
循環水量:3,170L/時間
SV:1,100/h
処理液は精製水に硝酸鉄として全鉄1ppm含む水を用いて、図18に示す(−)帯電型電磁場発生器により以下の条件により電磁場処理を行った。
出力コイル電流値を0.75A(交流)とし、主要周波数:8000Hzとし、塩化ビニール製配管にコイルを11巻きし、該配管に合計5回にわたり、前記処理液を繰り返し流した(通液処理)。
判定方法は、図8(a)の顕微鏡写真に示すように界面付近への結晶集合性があるとスケール性有りと判定し、図8(b)の顕微鏡写真に示すように界面付近へ結晶集合性が無い場合はスケール性が低下または無しと判定する。
被処理水中に鉄イオンが多く含まれるほどスケール性が高くなる傾向が見られるので、グラフト吸着材による鉄イオンの除去によってスケール性の低下を図った。
スケール性の判定を被処理水をガラスプレート上で乾燥させて得られる界面付近の結晶の状況を顕微鏡検査(100倍)で行った。
下記の表3に示す性質を有する被処理水として某ホテルの空調設備の一次冷水を用いて電磁場処理机上試験及びグラフト吸着材処理の机上試験を行った。
またグラフト吸着材処理の机上試験はグラフト吸着材からなるシート状物2を被処理水100mlに対して1cm2使用して16時間浸漬処理した(ビーカー200mlに被処理水100mlを採取し、グラフト吸着材1cm2を浸漬させる。)。
スケール性の判定を被処理水をガラスプレート上で乾燥させて得られる界面付近の結晶の状況を顕微鏡検査(100倍)で行った。
図10(a)には電磁場処理を行ってない場合の顕微鏡写真を示し、図10(b)には前記条件での電磁場処理を行った場合の顕微鏡写真を示す。
図10(a)に示すように電磁場処理を行ってない場合には界面への結晶集合性が大きく、また、上記電磁場処理を行うと、被処理水中に(+)帯電性薬品の含まれる影響によって逆にスケール性が増加した。
グラフト吸着材によって、界面への結晶集合性が低下していることが分かった。グラフト吸着材処理前の鉄分の検出量は0.13mg/Lであったが、グラフト吸着材処理により、鉄分が検出されなかった。
なお、図7に示すスリット型グラフト吸着材はカートリッジ型として使用したので取り替え性、メンテナンス性に優れている。
原水(被処理流体)に還元(−)型変調電磁場処理を行うことができる変調電磁場発生器を用いる変調電磁場処理装置を利用するものである。
P=K×i2×t
P:被処理水液体への変調電磁場照射エネルギー[W]
i:コイルに流れる電流[A]
t:照射時間[秒]
K:定数[H/m3]
図21には被処理水配管11の外側にコイルを設置する例を示す。コイル部12は被処理水が流れる配管11の外側へ設置され、該コイル部12へ還元(−)型変調電磁場発生器13から変調電磁波を流すとコイル部12より発生する変調電磁場が配管11を透過して被処理水に照射される。配管11の材質によっては電磁波の透過量が異なり、鋼鉄管<ステンレス管<塩化ビニル管の順に電磁波透過量は多くなる。透過率の悪い材質に対してはコイル電流値を増加させて被処理水に必要な変調電磁波量を確保する。
なお、変調電磁場の処理効果判定は従来より用いている図24に示す机上テスト(ラボテスト)による顕微鏡判定を行うことができる。
図23(a)は被処理水配管11の外側に位置するコイル部12から変調電磁波を照射する外部照射方式コイル部12であり、図23(b)は水槽14内の水面より上側に設置するコイル部12から被処理水に変調電磁波を照射する様子を示す。
(a)被処理水を用いて壁面にスケールが付着し易い性質又は壁面が腐食性を有する設備へ適用することが最も適している。
特に、被処理水の性質として壁面に対して腐食性を有する場合には壁面を構成する、例えば鋼材の腐食防止を行う必要がある。このような腐食性を有する被処理水を扱う設備に還元(−)型変調電磁場処理が有効である。また、被処理水と(−)帯電性薬剤との併用により還元(−)型変調電磁場処理の相乗効果を生む。
本出願人の特許である特許第3247942号公報に変調電磁場処理が対象とする被処理水に有効に作用するか否かを机上試験(ラボテスト)で行う方法を開示した。
前記ラボテストは、変調電磁場発生器13を用いて経過時間に対して周波数が変化する方形波の交流電流を流すコイル部12を設けたテスト流路中に結晶化可能な物質を含む被処理水を流した後、該被処理水の水滴試料をガラス板上で乾燥させる際に水滴界面付近へ結晶が集合性を有する場合を「スケール性有り」と判定し、前記界面への結晶集合性を失って小粒子化する場合を「スケール性消失」と判定するものである。
2 シート状物
3 グラフト吸着材槽(スリット体)
4 第1仕切り板
5 第2仕切り板
7 原水タンク
8 電磁場処理装置
11 被処理水配管
12 コイル部
13 還元(−)型変調電磁場発生器
14 原水槽
Claims (7)
- グラフト吸着材成分を両側表面に有し、パネル状に配置した多数の同一サイズのシート状物を所定の間隔を開けて並列配置して全体に箱状のスリット体としたグラフト吸着材槽と、該グラフト吸着材槽に鉄及び/又は銅イオンを含む金属イオンを溶解する被処理水又は鉄成分及び/又は銅成分を含む金属成分を含有する不溶解性物質を含む被処理水の少なくとも一部を循環供給する循環流路を備えたことを特徴とする水中の金属成分の除去装置。
- グラフト吸着材槽内の並列された多数のシート状物の間隔に並行して被処理水を流すように循環流路が設けられていることを特徴とする請求項1記載の水中の金属成分の除去装置。
- 循環流路に被処理水照射用のコイル部を配置し、該コイル部に20Hz〜1MHzの帯域で周波数が時間的に変化する交流電流を流す還元(−)型変調電磁場発生器を備えたことを特徴とする請求項1又は2記載の水中の金属成分の除去装置。
- 全体に箱状のスリット体としたグラフト吸着材槽内の多数の同一サイズの両側表面にグラフト吸着材成分を有するシート状物を所定の間隔を開けて並列配置して、該パネル状のシート状物の間に鉄及び/又は銅イオンを含む金属イオンを溶解する被処理水又は鉄成分及び/又は銅成分を含む金属成分を含有する不溶解性物質を含む被処理水の少なくとも一部を循環供給することを特徴とする水中の金属成分の除去方法。
- 鉄及び/又は銅イオンを含む金属イオンを溶解する被処理水又は鉄成分及び/又は銅成分を含む金属成分を含有する不溶解性物質を含む被処理水の少なくとも一部に還元(−)型変調電磁場発生器から20Hz〜1MHzの帯域で周波数が時間的に変化する交流電流を流すコイルにより変調電磁場を与えることを特徴とする請求項4記載の水中の金属成分の除去方法。
- 鉄及び/又は銅イオンを含む金属イオンを溶解する被処理水又は鉄成分及び/又は銅成分を含む金属成分を含有する不溶解性物質を含む被処理水の少なくとも一部を前記グラフト吸着材を有する所定の間隔を開けて並列配置したパネル状のシート状物の間に流す工程とグラフト吸着処理前に前記変調電磁場を与える工程を有することを特徴とする請求項5記載の水中の金属成分の除去方法。
- 還元(−)型変調電磁場発生器から20Hz〜1MHzの帯域で周波数が時間的に変化する交流電流を流すコイルを巻いたテスト流路中に前記被処理水を流した後、該被処理水を乾燥させ、乾燥後にできる結晶体粒径が小粒子化する度合及び前記被処理水の乾燥物の界面付近への結晶体の集合性を失う度合を確認して、前記被処理水の変調電磁場処理の効果の程度を判定する机上試験を行った後に、該被処理水に対して変調電磁場処理をすることを特徴とする請求項4ないし6のいずれかに記載の水中の金属成分の除去方法。
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JP2000308886A (ja) * | 1999-04-27 | 2000-11-07 | Japan Atom Energy Res Inst | 金属捕集装置 |
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2008
- 2008-07-23 JP JP2008190334A patent/JP2010022987A/ja active Pending
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