JP2010110754A - 水質浄化材の製造方法及び水質浄化方法並びに水質浄化用溶液 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、河川、湖沼、工業排水、又は生活排水などの浄化に有効な水質浄化材を製造すること及びこの水質浄化材を使用して前記河川、湖沼等を浄化することを目的としたものである。
【解決手段】この発明は、ゼオライト、トバモライト、アルミニウム、カーボンを混合し、その所定量を加圧成形することを特徴とした水質浄化材の製造方法により目的を達成した。
【選択図】図１

Description

この発明は、河川、湖沼、工業排水又は生活排水などの浄水に有効な水質浄化材の製造方法及びこれを用いた水質浄化方法並びに水質浄化用溶液に関するものである。

従来河川、湖沼、工業排水又は生活排水等の浄水は、活性汚泥処理法、活性炭利用による浄水又は薬剤散布による浄水が実用化されていた。

また大量水の浄化については、水中の溶存酸素量を増大させ、好気性微生物の繁殖による浄水の為に湖沼の水を上下対流させる方法が知られている。更に上水道などの最終浄水には、活性炭が多量に使用されているのが現状である。

特開平７−２６５６１１号公報 特許第３４９１１２５号公報

従来、好気性微生物を利用する場合には、微生物の環境を整える必要があるが、広大な湖沼においては、良好な環境を整えることが難しい問題点があった（特許文献１）。

また活性炭による吸着浄水は、濾過により目的を達成することが見込まれているが、活性炭の老化により、吸着能力が低下するので、毎年膨大な量の活性炭を必要とする問題点があった。更に薬品処理による浄水処理の場合には、処理後における使用薬品の除去乃至希釈化が必須要件であり、魚類の影響があるのみならず、多大の費用を要するなどの問題点があった。

この発明は、珪藻土を加工して得た焼結セラミックスと、ＣａＣｌ_２，（ＮＨ_４）_２ＳＯ_４、ＭｇＳＯ_４，ＦｅＳＯ_４，リン酸カリウム及びビタミン、コハク酸などを含む溶液（以下、ＦＯＳ溶液という）との共用によって、活性炭に優る有機汚物の吸着能力を有する焼結セラミックスと容存酸素量を増大させ、無害でそのまま排水できるＦＯＳ溶液とにより、効率よく浄水することができたのである。

即ち前記ＦＯＳ溶液は、水中、土中の水分を利用して溶存酸素量を増加させることができると共に、含まれているミネラル類、ビタミン類、たんぱく質などにより、好気性微生物の必須栄養素を提供するものである。従って好気性微生物が急激に増殖し、水中の汚物（有機物）を急速に分解処理し、浄水目的を達成する。

前記のように多孔質の焼結セラミックスによる汚物の吸着微生物処理と、ＦＯＳ溶液の添加により、急速かつ確実に浄水し、前記従来の問題点を解決したのである。前記におけるセラミックスに吸着された有機物は、微生物により分解されるので、前記セラミックスは必然的に自浄作用があり、長く使用しても老化するおそれはない。

この発明の焼結セラミックスは、２種の鉱物を使うものである。１つは珪藻土を１０００℃〜１２００℃で焼結しセラミックス化したものを使用し、木炭の５千から６千倍の超多孔、超微細構造を持ち非常に効率の良い資材である。またこれとは別に劣化石炭、低品質石炭を併用することもできる。ここに使用する石炭は特に熱カロリーが高い必要はなく、熱源として利用価値のない低品質のものをＦＯＳ溶液で処理することによって、灰成分が溶出し、多孔体となる。この場合に使用したＦＯＳ溶液は、そのまま水質浄化剤として利用できる。通常の石炭から活性炭を製造する場合には前記低品位炭を硫酸、塩酸等で処理をする。また、その酸類は使用した後、中和して処理するが、この発明のＦＯＳ溶液の場合には、中和の必要がなく、そのまま排水処理剤として使用できるため、コストの低減及び薬品による２次汚染がないという大きなメリットがある。

前記で処理した焼結セラミックス又は活性炭などの鉱物資材は、従来使用されている活性炭のように頻繁な交換を要しない。１年に１度程度摩耗、消耗することから全体の１０％程度の補充で済ませることができる。また、この鉱物資材の内部は年間を通して、５〜１０℃の内部温度を保持することから寒冷地における使用にも適する。その結果、好気性微生物が生息しやすい環境となっている。また、現在使用されている砕石、プラスチック等のハニカム方式の担体は生物膜が多く発生し、パイプを詰まらせたり、河川等の再汚染を発生させたりしているが、前記この発明における鉱物資材にはそのような問題点はない。

また前記ＦＯＳ溶液によれば、水中の溶存酸素量を増加させることができるので、好気性微生物の増殖を促進し、水中の浮遊有機物を分解して、水中の汚濁を急速に改善することができる（当然のことだが、水底の有機物も分解する）。

この発明におけるＦＯＳ溶液の利用は、ＯＨ触媒を利用し、Ｄ_２ＳＯ_４を水と反応させ、水素を発生させる金属を酸化させる水分子（Ｈ_２Ｏ）を励起あるいは電離化し（ＯＨ,Ｏ）、水素ラジカル（Ｈ・）、水和電子（ｅａｑ⁻）、Ｈ₂、Ｈ_２Ｏ_２などのラジカル、あるいは分子生成物を生じさせることにより水素を容易に生成し、前記従来の問題点を解決することに成功したのである。次にＯＨ触媒及びＦＯＳ溶液について説明する。

（１）ＯＨ触媒を濃縮したものと、カーボン（０．１〜０．４重量％）とを混合したものは水と反応し、Ｈ_２ＯＨ⁻に分離され、セラミックスに添加混合したＡｌ，Ｍｇ，Ｃａが空気に触れ、酸化して、金属を還元し、他の鉱物に含まれる酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウムを還元する。

前記ＯＨ触媒は、ＦＯＳ溶液の５％水にＯ溶液を等量混合したものである。前記Ｏ溶液は、アルコール類、エチル、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）又は、エタノールを７８℃〜９０℃で熱処理し、プラズマ処理した水９５％の中へ５％添加して再度プラズマ処理（３相電源、高圧電源）して作る。前記プラズマ処理とは、荷電粒子を強制流動させて水を高速流動し、混合する状態の処理（強制混合）をいう。

また前記ＦＯＳ溶液は次の溶液を混合して作成する。

（イ）溶液１ 試薬 Vitamine-free basal salts ４Ｌ〜６Ｌ
ＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏ １０ｇ〜１２ｇ
(ＮＨ_４)_２ＳＯ_４ ２００ｇ〜３００ｇ
ＭｇＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ ６０ｇ〜６５ｇ
ＦｅＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ １．０ｇ〜２．０ｇ
トレースエレメント ２００ｍＬ〜２５０ｍＬ
Ｎａ−ＥＤＴＡ ７００ｍＬ〜９００ｍＬ
Ｈ_２Ｏ ３．０Ｌ〜５．０Ｌ
ＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏは溶けにくいので最初に入れる。

ＰＨ６．８になるまでＰＨ調整用ＮａＯＨを少しずつ滴下して混合液とする。

（ロ）溶液２ 硝酸エステルK-phosphate（１Ｍ）,ＰＨ６．８ ４Ｌ〜６Ｌ
リン酸カリウム ６００ｇ〜７００ｇ
Ｈ_２Ｏ ４Ｌ〜６Ｌ
ＰＨ６．８になるまでＰＨ調整する為にＫＯＨを少しずつ滴下する。

（ハ）溶液３ Na-succinate（コハク酸）（０．５Ｍ）,ＰＨ６．８ ５Ｌ
コハク酸 ２９２．５ｇ
Ｈ_２Ｏ ５Ｌ
ＰＨ６．８になるまでＰＨ調整する為にＮａＯＨを少しずつ滴下して混合液とする。

コハク酸はナトリウム塩でないものを使う。

（ニ）溶液４ ビタミン ０．５Ｌ〜１．５Ｌ
ニコチン １ｇ〜３ｇ
ＨＣｌ １ｇ〜４ｇ
ビオチン ３０ｍｇ〜５０ｍｇ
Ｈ_２Ｏ ０．５Ｌ〜１．５Ｌ
前記ビタミンは痛みやすいので、−１０℃以下で冷凍保存することが好ましい。

前記ＯＨ触媒を利用し、Ｄ_２ＳＯ_４を水と反応させ、水素を発生させ、金属を酸化還元させ、且つ、Ｈ₂Ｏの水分子を励起あるいは電離化し、（ＯＨ，Ｏ）水素ラジカル（Ｈ・）、水和電子（ｅａｑ⁻）、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ_２などのラジカル、あるいは分子生成物を生じさせる。そしてＨ_２Ｏ＝Ｈ^＋＋ＯＨ⁻によって酸化還元反応を促進する。

（２）天然ゼオライトには、Ｓｉ_２Ｏ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｆｅ_２Ｏ_３，ＭｇＯ，ＣａＯ，Ｋ_２Ｏ，Ｐ_２Ｏ_５、ＭｎＯ，ＴｉＯ_２が多く含まれる。これを１０００℃〜１２００℃の温度で焼成したものを８０〜１００メッシュに粉砕する。

穀物の廃棄物、稲、麦、豆、樹木等の残渣物、特にもみ殻等を焼却した灰に二糖類を添加し、これに３相１００００Ｖでアーク放電（空気中）し、または水中で放電して得た有機シリカを利用する。

前記天然ゼオライトを焼成した物と、有機シリカとを１０〜８８重量％で混合する。この場合に天然ゼオライトと有機シリカの水との反応は
ＳｉＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ＝Ｈ_３ＳｉＯ_４ ⁻、Ｈ_４ＳｉＯ_４＝Ｈ^＋＋Ｈ_３ＳｉＯ_４
Ｈ_２Ｏ＝Ｈ^＋＋ＯＨ⁻となり水素を発生する。

（３）ドロマイトを１０００℃以上で焼成して、トマボライトとし、このトマボライトと水との反応で次式のようになり水素を発生する。

Ｃａ＋２Ｈ_２Ｏ＝Ｃａ(ＯＨ) _２＋Ｈ_２
（４）セラミックスに添加した金属粉１０〜９３重量％、ＡｌまたはＭｇと水との反応は次式のようになり水素を発生する。

２ＣａＯ＋２Ａｌ＋３Ｈ_２Ｏ＝Ｃａ₂Ａｌ_２Ｏ_５＋３Ｈ_２
２ＭｇＯ＋２Ａｌ＋３Ｈ_２Ｏ＝Ｍｇ₂Ａｌ_２Ｏ_５＋３Ｈ_２
前記セラミックパウダーにＮａＣｌを添加する。この場合に、Ａｌは原子価が３価であり、ケイ素は４価であるからケイ素と置換するにはマイナス１価の陰イオンとなる必要があり、このマイナス電荷を補償するために、ナトリウムイオンなどの陽イオンがアルミニウムの対イオンとして存在する。この添加によって水素発生率が大いに上がる。

前記のように、水（Ｈ_２Ｏ）のＨ_２を分離する為に、必然的にＯ₂が遊離し、水中の溶存酸素量が増大し、好気性微生物の繁殖を助長することができる。

この発明によれば、多孔質のセラミックスによって有機微粒子を吸着し、これを好気性微生物によって分解するので、有機微粒子の分解系全体が自動的に活性化し、効率よく浄化作用が促進しうる効果がある。またこの発明のＦＯＳ溶液によれば、ＦＯＳ溶液と水との作用により、硫化ジュテリーム（Ｄ_２ＳＯ_４）が反応し、ヒドロキシラジカル（ＯＨ・）水素ラジカル（Ｈ・）、水和電子（ｅａｑ⁻）、Ｈ_２，Ｈ_２Ｏ_２などのラジカルあるいは、分子生成物が生じるので、必然的に水中の溶存酸素量を著しく増大させることができる効果がある。

この発明により製造した水質浄化を行う実施例の概念図。 図１に示す揚水筒の空気室の断面拡大図。

この発明は、ゼオライト、トバモライト、アルミニウム及びカーボン（何れも粉末、例えば１００〜２００メッシュ）を混合し、加圧成形して用いる。この成形物は通常１０ｇ以上の大きさで用いるが、粉末（０．１ｍｍ〜１ｍｍ）として用いる場合もある。

またＦＯＳ溶液は、下記溶液１，２，３，４を混合して生成する。

（イ）溶液１は、ＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏ、(ＮＨ_４)_２ＳＯ_４、ＭｇＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ、ＦｅＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ、Ｎａ−ＥＤＴＡ、に水を混合して用いる。

（ロ）溶液２は、リン酸カリウムの水溶液である。

（ハ）溶液３は、コハク酸の水溶液である。

（ニ）溶液４は、ビタミン、ニコチン、塩化水素、ビオチンの水溶液である。

この発明のセラミックス製造の実施例は、次のとおりである。

ゼオライト４５ｇ、有機シリコン２ｇ、トバモライト２０ｇ、マグネシウム２０ｇ、アルミニウム１０ｇ、ＯＨ触媒、カーボン３ｇで計１００ｇを１０ｇずつ分けて加圧成型する。前記各材料は、何れも粉末（ほぼ同径粒、例えば１００〜２００メッシュ）とする。

前記加圧力は、５００ｋｇ／ｃｍ^２〜２０００ｋｇ／ｃｍ^２とする。前記加圧によって固化することを目的としており、加圧力に制限はないが、通常の取扱い中に破損しない程度の強度と、密度が必要である。即ち５００ｋｇ／ｃｍ^２未満にあっては、強度的不安定性がある。２０００ｋｇ／ｃｍ^２以上は不必要である。

前記において、ゼオライトを３５％〜５０％、トバモライト１５％〜３０％とし、有機シリコン１％〜５％、マグネシウム１０％〜２０％、アルミニウム２０％〜１０％、カーボン入りＯＨ触媒１％〜５％とする。特にゼオライト、トバモライト及びマグネシウムとアルミニウムについて所定の割合とすることが好ましい（前記は何れも重量％とする）。

前記加圧力について、５００ｋｇ／ｃｍ^２以上ならば使用に耐え得るが、強固な固形を保たせるためには、少なくとも１０００ｋｇ／ｃｍ^２前後が好ましい。

前記セラミックス触媒は、１０ｇ以上の固形物として用いるが、粉末（０．１ｍｍ〜１ｍｍ）として用いる場合もある。

この発明に用いるＯＨ溶液と、ＦＯＳ溶液を作成する実施例について説明する。

前記ＯＨ溶液は、ＦＯＳ溶液の５％水にＯ溶液を等量混合したものである。前記Ｏ溶液は、アルコール類、エチル、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）又は、エタノールを７８℃〜９０℃で熱処理し、プラズマ処理した水９５％の中へ５％添加して再度プラズマ処理（３相電源、高圧電源）して作る。前記プラズマ処理とは、荷電粒子を強制流動させて水を高速流動し、混合する状態の処理（強制混合）をいう。

また前記ＦＯＳ溶液は次の溶液を混合して作成する。

（イ）溶液１ Vitamine-free basal salts ５Ｌ
ＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏ １１ｇ
（ＮＨ_４）_２ＳＯ_４ ２５０ｇ
ＭｇＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ ６２．５ｇ
ＦｅＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ １．４ｇ
Trace elements ２５０ｍＬ
Ｎａ−ＥＤＴＡ ８００ｍＬ
Ｈ_２Ｏ ３．９Ｌ
ＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏは溶けにくいので最初に入れる。

ＰＨ６．８になるまでＰＨ調整用ＮａＯＨを少しずつ滴下する。

（ロ）溶液２ K-phosphate（１Ｍ）,ＰＨ６．８ ５Ｌ
リン酸カリウム ６８０．５ｇ
Ｈ_２Ｏ ５Ｌ
ＰＨ６．８になるまでＰＨ調整する為にＫＯＨを少しずつ滴下する。

（ハ）溶液３ Na-succinate（０．５Ｍ）,ＰＨ６．８ ５Ｌ
コハク酸 ２９２．５ｇ
Ｈ_２Ｏ ５Ｌ
ＰＨ６．８になるまでＰＨ調整する為にＮａＯＨを少しずつ滴下する。

コハク酸はナトリウム塩でないものを使う。

（ニ）溶液４ Vitamines １Ｌ
nicotinic acid ２ｇ
thimine-ＨＣｌ ２ｇ
biotin ４０ｍｇ
Ｈ_２Ｏ １Ｌ
Vitaminesは痛みやすいので、−１０℃以下で冷凍保存すること。

前記ＯＨ触媒を利用し、Ｄ_２ＳＯ_４を水で反応させ、水素を発生させ、金属を酸化還元させ、且つ、Ｈ_２Ｏの水分子を励起あるいは電離化し、（ＯＨ、Ｏ）水素ラジカル（Ｈ・）、水和電子（ｅａｑ⁻）、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ_２などのラジカル、あるいは分子生成物を生じさせる。そしてＨ_２Ｏ＝Ｈ^＋＋ＯＨ⁻によって酸化還元反応を促進する。

（１）前記により得たＦＯＳ原液を２０倍に希釈し、し尿、肥料成分混入、家畜用井戸水に混入に用いた所、表１の結果を得た（前記は、０．１ｍ^３／分流速、急速濾過）。

（２）次に前記ＦＯＳ原液を２０倍に希釈し、池、沼の処理に用いた所、表２の結果を得た。

（３）また前記ＦＯＳ原液を２０倍に希釈し、食品加工場排水に用いた所、表３の結果を得た。

（４）また前記ＦＯＳの希釈液をクロムメッキ廃液の処理に用いた所、表４の結果を得た。

（５）次にこの発明のＦＯＳ溶液を１０００分の１希釈になるように対象水に入れ、撹拌した所、表５の結果を得た。

この発明の水質浄化方法の実施例について説明する。この発明の水質浄化材を間欠空気揚水筒の上部に保持させて、揚水することにより水中の小固形物を吸着させると共に、ＦＯＳ溶液を供給して溶存酸素量を増大させ、急速な改善を容易にしたものである。

即ち揚水筒１の下部に空気室２を設置し、該空気室２内へ水深により生じる水圧を越える圧力の加圧空気を送気パイプ３により給送し、前記空気室２のサイフォン作用によって、空気室内の空気を間欠的に揚水筒１内へ空気泡６として矢示４のように送り込む。送り込まれた空気泡６は、矢示５、７のように揚水筒１内を上昇し、水面下（例えば３ｍ〜５ｍ下部）で矢示８のように放出される。前記における空気泡６は、２０秒〜３０秒間隔で放出されるので、各空気泡６間の水は空気泡６の浮力によって矢示７のように上昇して放出される。実験の結果によれば、揚水筒１の下端まで（空気室２）の水深Ｈ２０ｍ揚水筒１の上端の水深ｈ５ｍとし、送入空気圧を４．５ｋｇ／ｃｍ^２とした場合に、前記空気泡の上昇速度は毎秒１．０〜１．２ｍであった。そこで揚水筒内の水の流速もほぼ同一とみられる。従って揚水筒の直径を５０ｃｍとすれば、揚水筒内を下部の水が毎秒ほぼ０．２ｍ^３上昇することになる。すなわち１分間に１２ｍ^３、１時間に７２０ｍ^３、１日に１７２８０ｍ^３流動することになる。

前記揚水筒の上端の水深が５ｍあると、揚水筒から上昇する水量の２倍以上の水量が連行して水面へ矢示９のように吹き上げられ、水面の水を巻き込んで水温が自動的に調整される。例えば水温１０℃の水面下２５ｍの水が上昇し、水温２０℃の水面の多量の水と混合すると、水温１８℃〜１９℃となる。仮に水温が平均１８．５℃となったとすれば、この水は水面下２ｍ〜３ｍの水温１８．５℃の層を矢示１０のように横方向に拡散する。即ち一旦上昇した水は、水底に戻ることなく水面下の温度躍層（同一温度層）を拡散する。実測によれば、前記温度躍層による流動は揚水筒を中心として１ｋｍ〜１．５ｋｍの湖岸まで流動していた。

そこで湖岸において水底側へ矢示１１のように反転するので、前記揚水筒を中心として矢示７，９，１０，１１，１２，１３のように上下対流を完成し、遂には全水量を混合し、温度差を少なくすることができる。実測によれば、水面水温２０℃、水底水温１８℃〜１９℃（１００万トンの水量で運転１ヶ月）になったとされている。

前記において、揚水筒の上端の上方の水中に水質浄化材１５を収容しておけば、該水質浄化材１５に接触した水の微小固形物は吸着される。また高所でＦＯＳ溶液を滴下させれば、水中の溶存酸素量が急速に増加する。そこで水中の好気性微生物が繁殖し、前記吸着された汚物は勿論、浮遊する汚物も分解するので、急速に浄水することができる。揚水筒の実績によれば、水量１００万トンの湖の水質基準値以下の水質が前記処理を１ヶ月〜２ヶ月継続して、水質基準以上に改善されたと報告されているのであるから、この発明と併用すれば、１ヶ月以内に改善される。

１ 揚水筒
２ 空気室
３ 送気パイプ
６ 空気泡
１５ 水質浄化材

Claims (6)

1. ゼオライト、トバモライト、アルミニウム、カーボンを混合し、その所定量を加圧成形することを特徴とした水質浄化材の製造方法。
2. ゼオライト、トバモライト、アルミニウムを主材とし、これに少量の有機シリコン及びカーボンを加えて混合し、この混合物の所定量を加圧成形したことを特徴とする水質浄化材の製造方法。
3. 水と作用してヒドロキシラジカル（ＯＨ・）水素ラジカル（Ｈ・）、水和電子（ｅａｑ⁻）、Ｈ_２，Ｈ_２Ｏ_２のラジカル、及び分子生成物が生じる硫化ジュテリューム（Ｄ_２ＳＯ_４）生成溶液を浄水処理すべき水に加えることを特徴とした水質浄化方法。
4. ＣａＣｌ_２、(ＮＨ_４)_２ＳＯ_４、ＭｇＳＯ_４、ＦｅＳＯ_４、リン酸カリウム、ビタミン及びコハク酸を含みＯＨ触媒を利用し、水と反応させて硫化ジュテリュームを生成することを特徴とした水質浄化用溶液。
5. ＯＨ触媒は、ＣａCｌ_２、(ＮＨ_４)_２ＳＯ_４、ＭｇＳＯ_４、ＦｅＳＯ_４、リン酸カリウム、ビタミン及びコハク酸を含む溶液の５％水にＯ溶液を等量混合したことを特徴とする請求項４記載の水質浄化用溶液。
6. Ｏ溶液は、アルコール類、エチル、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）又はエタノールを７８℃〜９０℃で熱処理し、プラズマ処理した水９５％の中へ５％添加して再度プラズマ処理したことを特徴とする請求項５記載の水質浄化用溶液。

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