JP2012045461A

JP2012045461A - ホウ素含有水の処理方法

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Publication number: JP2012045461A
Application number: JP2010188271A
Authority: JP
Inventors: Sumio Horiuchi; 澄夫堀内; Masato Kawaguchi; 正人川口
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2012-03-08
Anticipated expiration: 2030-08-25
Also published as: JP5553160B2

Abstract

【課題】種々のイオンを含有する地下水から溶存ホウ素を低電流で有効に除去できる安価な方法を提供する。
【解決手段】本発明のホウ素含有水の処理方法は、溶存ホウ素を含有する被処理水を、鉄を成分として含む電極を陽極として使用すると共に、溶存マグネシウムが通電処理後の被処理水中に残存するように溶存マグネシウム存在下で通電処理し、凝集物を被処理水から分離する。
【選択図】なし

Description

本発明は、溶存ホウ素を含有する被処理水を通電処理し、凝集物を被処理水から分離するホウ素含有水の処理方法に関する。

多量のホウ素の摂取は食欲不振、嘔吐等の健康被害を起こす可能性がある。そこで、１９９９年２月、「ホウ素１ｍｇ／Ｌ以下」が水の環境基準（水質汚濁に係る環境基準）に追加され、その後、「ホウ素」が土壌の環境基準（土壌の汚染に係る環境基準）の項目に追加された。更に、２００４年７月からのホウ素及びその化合物の排水基準は海域で２３０ｍｇ／Ｌ以下、海域以外で１０ｍｇ／Ｌ以下とされている。
溶存ホウ素を含有する被処理水からホウ素を除去する主な方法は次のとおりである。
（１）薬剤を、溶存ホウ素を含有する被処理水に添加し、溶存ホウ素を難溶性物質として沈殿させ分離させる。例えば、多価陰イオン性物質と希土類元素イオンを、溶存ホウ素を含有する被処理水に存在させ、ｐＨを９〜１３にして溶存ホウ素を難溶性物質として沈殿させ分離させるホウ素含有排水の処理方法が、当該方法の１つとして検討された（例えば、特許文献１参照）。
（２）逆浸透膜を使用して、溶存ホウ素を含有する被処理水から溶存ホウ素を膜分離する（例えば、特許文献２参照）。
（３）溶存ホウ素を含有する被処理水を木材粉に接触させ、溶存ホウ素を木材粉に吸着させる（例えば、非特許文献１参照）。
（４）溶存ホウ素を含有する被処理水をアルミニウム電極を使用して電気分解し、溶存ホウ素を凝集物として分離する（例えば、非特許文献２参照）。
（５）溶存ホウ素を含有する被処理水を樹脂に接触させ、溶存ホウ素を除去する。溶存ホウ素を含有する被処理水をホウ素濃度３０ｍｇ／Ｌ以下、ｐＨ７．０〜９．５に調整し、ホウ素選択吸着樹脂塔に通水してホウ素を除去する方法が、当該方法の１つとして検討された（例えば、特許文献３参照）。

特開２００４−９６３号公報特開２００６−１０２６２４号公報特開２００１−３４０８５１号公報

化学工学論文集、第３５巻第１号、２００９、第５５頁〜第５９頁 J.-Q.Jiang et al., Environ. Chem. 3, 2006, 第３５０頁〜第３５４頁

種々のイオンを含有する地下水を上記（３）〜（４）の方法で処理しても、当該地下水から溶存ホウ素を有効に除去できず、相当量のホウ素が当該地下水中に残存した。上記（１）の方法は、多量の薬剤が必要となり、また、残渣が大量に発生するため、実用的ではなかった。上記（２）の方法は、飲料水用に開発されている方法であり、膜分離の効率を高めるために様々な前処理が必要であるほか、高濃度ホウ素排水の処理が必要となるなどの課題がある。更に、上記（４）の方法は、アルミニウム電極から溶出する被処理水中のアルミニウムイオンの濃度が７００ｍｇ／Ｌ以上（消費電流値が１０００Ａ・ｈｒ／ｍ³
以上）になると、被処理水の粘度が大きくなり、凝集物の濾過が困難になるほか、本発明者の実験的検討結果によれば、除去効果が共存成分により著しく失われる。上記（５）の
方法は、種々のイオンを含有する地下水から比較的有効に溶存ホウ素を除去できたが、溶存ホウ素を除去する樹脂はかなり高価であり、樹脂再生等で発生する残渣を別途処理しなければならない。従って、上記（５）の方法による種々のイオンを含有する地下水からの溶存ホウ素除去のランニングコストは高価である。
近年、種々のイオンを含有する地下水から溶存ホウ素を有効に除去できる安価な方法が希求されていたが、有効な方法は見出されていなかった。そこで、本発明の発明者らは、種々のイオンを含有する地下水から溶存ホウ素を有効に除去できる安価な方法を提供するため、溶存ホウ素を含有する被処理水を、鉄を成分として含む電極を陽極として使用して通電処理し、凝集物を被処理水から分離する、ホウ素含有水の処理方法を検討した（特願２０１０−１４８４６０号）。

上記処理方法（以下、「先願の処理方法」という。）における通電処理後の被処理水の好ましいｐＨは７．５〜１０．５である。先願の処理方法で処理される被処理水から溶存ホウ素が除去される機構は未解明であるが、Ｆｅ²⁺、Ｆｅ（ＯＨ）₂を主成分とする凝集
体とホウ素との相互作用で、ホウ素が当該凝集体に吸着してくると推察される。しかしながら、先願の処理方法では、排水中の成分、通電中に発生する水酸化物イオン、その他の含有成分が通電中に変化して生成する物質が存在するため、被処理水のｐＨ変化は複雑であった。更に、建設現場からの排水等のように排水中の成分が変化することを考え併せると、先願の処理方法における通電処理後の被処理水のｐＨを７．５〜１０．５に制御することは容易ではなかった。本発明が解決しようとする課題は、溶存ホウ素を含有する被処理水を、鉄を成分として含む電極を陽極として使用すると共に被処理水のｐＨ変化を小さくして通電処理し、凝集物を被処理水から分離する、ホウ素含有水の処理方法の提供である。

本発明の発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意検討した結果、溶存ホウ素を含有する被処理水を鉄を成分として含む電極を陽極として使用して通電処理する際、溶存マグネシウムが通電処理後に被処理水中に残存するように溶存マグネシウム存在下で通電処理すると、先願の処理方法より溶存ホウ素濃度を小さくできることを見出し、本発明を完成させるに至った。

本発明のホウ素含有水の処理方法は、溶存ホウ素を含有する被処理水を、鉄を成分として含む電極を陽極として使用すると共に、溶存マグネシウムが通電処理後の被処理水中に残存するように溶存マグネシウム存在下で通電処理し、凝集物を被処理水から分離する。

好ましくは、通電処理後の被処理水中のマグネシウム濃度が２０ｍｇ／Ｌ以上となるよう通電処理する。

上記通電処理後の被処理水の好ましいｐＨは７．５〜１０．５である。水溶性マグネシウム塩は通電処理前に溶存ホウ素を含有する被処理水に添加されねばならない。

本発明のホウ素含有水の処理方法は、種々のイオンを含有する地下水から低電流で有効に溶存ホウ素を除去でき、また、残渣量が少ないため、そのランニングコストは安価である。

通電処理槽を示す図初期マグネシウム濃度と通電処理後のｐＨ及び通電処理後のホウ素濃度の関係を示す図初期マグネシウム濃度と通電処理後の残留マグネシウム濃度及び通電処理後のホウ素濃度の関係を示す図初期ｐＨと通電処理後のｐＨ及び通電処理後のホウ素濃度の関係を示す図消費電流と通電処理後のホウ素濃度の関係を示す図消費電流とマグネシウム消費量の関係を示す図

本発明のホウ素含有水の処理方法で処理される溶存ホウ素を含有する被処理水は、ホウ素イオン以外のイオンを含有し得る。ホウ素イオン以外の当該イオンの具体例は、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、アンモニウムイオン、フッ素イオン、塩素イオン、硫酸イオンである。これらのイオンは、地下水に含有されている。

本発明のホウ素含有水の処理方法で使用される装置の陽極の少なくとも１つは鉄を成分として含む電極である。鉄を成分として含む電極からＦｅ²⁺が溶出し、Ｆｅ²⁺とＯＨ^-が
反応してＦｅ（ＯＨ）₂が生成する。本発明のホウ素含有水の処理方法で処理される被処
理水から溶存ホウ素が除去される機構は未解明であるが、Ｆｅ²⁺、Ｆｅ（ＯＨ）₂を主成
分とする凝集体とホウ素との相互作用で、ホウ素が当該凝集体に吸着してくると推察される。鉄以外の金属で構成される電極が陽極の一部として併用されていてもよいが、あくまでも主体は鉄で構成される。鉄以外の金属の具体例は、アルミニウム、アルミニウム／マグネシウム合金（ジュラルミン）である。

本発明のホウ素含有水の処理方法で使用される装置の陰極は、鉄、アルミニウム、炭素等の材料を使用して構成する。

溶存ホウ素を含有する被処理水は、溶存マグネシウムが通電処理後の被処理水中に残存するように溶存マグネシウム存在下で通電処理される。溶存マグネシウムが通電処理中に被処理水からなくなると、被処理水のｐＨが高くなりすぎ、ホウ素が凝集物から再溶出するおそれがある。

好ましくは、通電処理後の被処理水中のマグネシウム濃度を２０ｍｇ／Ｌ以上、より好ましくは５０ｍｇ／Ｌ以上とする。通電処理前の被処理水が十分な量のマグネシウムを含有している場合、被処理水をそのまま通電処理に付せばよい。通電処理前の被処理水が十分な量のマグネシウムを含有していない場合、塩化マグネシウム、硫酸マグネシウム等の水溶性マグネシウム塩を通電処理前に被処理水に溶解する。被処理水中に溶解される水溶性マグネシウム塩の量は、後述する方法で決定される。
通電処理後の被処理水中のマグネシウム濃度の上限は特定されないが、コストの観点から、１０００ｍｇ／Ｌより大きい当該マグネシウム濃度は好ましくない。

本発明における通電処理は、多段階で実施され得る。多段階の通電処理における水溶性マグネシウム塩の添加は、第１段階の通電処理の前、第２段階以降の各通電処理の前のいずれでも実施され得る。

被処理水中の溶存ホウ素濃度は、通電処理後の被処理水のｐＨに影響される。地下水の成分によって影響を受けるが、好ましい当該ｐＨは７．５〜１０．５であり、更に好ましい当該ｐＨは７．７〜９．０である。通電処理後の被処理水のｐＨは、被処理水の初期ｐＨ、電流、通電処理時間等により調整される。被処理水の初期ｐＨは、水溶性マグネシウム塩の添加前又は添加後に調整される。

高分子凝集剤が、通電処理後の凝集物の分離を容易化するため、通電処理前に添加され得る。
通電処理後、凝集物は濾過、遠心分離等の分別手段で被処理水から分離される。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
水中の各種イオンの定性分析及び定量分析は、高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）法により行われた。
図１は、通電処理槽を示す図である。被処理水２が通電処理槽１中に貯えられており、２つのカーボン電極３が陰極とされ、２つの金属電極が陽極とされている。一方の金属電極４ａは１つのカーボン電極３と面している。他方の金属電極は２つの金属電極４ｂと４ｃが溶接されており、２つのカーボン電極３と面している。

３種類の地下水が準備された。それらの地下水に含まれるイオンの種類と濃度を表１に示す。

参考例１
図１に示される通電処理槽の３つの金属電極４ａ、４ｂ及び４ｃを鉄電極とし、塩化マグネシウムを地下水Ａ〜Ｃに溶解して通電処理し、地下水Ａ〜Ｃ中の溶存ホウ素が１０ｍｇ／Ｌ、１ｍｇ／Ｌになるまでの消費電流量及び鉄電極消費量を測定した。結果を表２に示す。

塩化マグネシウムの溶解量が多くなると、ホウ素が目標となる溶存ホウ素濃度まで除去された被処理水を得るまでの消費電流量及び鉄電極消費量が少なくなった。

参考例２
図１に示される通電処理槽の３つの金属電極４ａ、４ｂ及び４ｃを鉄電極とし、塩化マグネシウムを地下水Ａ〜Ｃに溶解して通電処理し、初期マグネシウム濃度と通電処理後のｐＨ（ｐＨｔｒｔ）、通電処理後の残留マグネシウム濃度及び通電処理後のホウ素濃度の関係を調べた。結果を図２及び図３に示す。一定の初期マグネシウム濃度まで、初期マグネシウム濃度が大きくなるほど、通電処理後のｐＨ及び通電処理後のホウ素濃度が低下していった（図２）。更に、地下水Ａ中の残留マグネシウム濃度が３０ｍｇ／Ｌ以上、地下水Ｂ中の残留マグネシウム濃度が２０ｍｇ／Ｌ以上、地下水Ｃ中の残留マグネシウム濃度が８０ｍｇ／Ｌ以上になると、通電処理後のホウ素濃度はあまり変化しなくなった（図３）。

参考例３
図１に示される通電処理槽の３つの金属電極４ａ、４ｂ及び４ｃを鉄電極と共に、地下水Ａ〜Ｃの初期ｐＨ（ｐＨｉｎｉ）を１Ｍ−ＨＣｌ又は１Ｍ−ＮａＯＨで調整し、塩化マグネシウムを地下水Ａ〜Ｃに溶解して通電処理し、初期ｐＨと通電処理後のｐＨ及び通電処理後のホウ素濃度の関係を調べた。結果を図４に示す。初期マグネシウム濃度（Ｍｇ）が大きくなると、ｐＨ変化が小さくなり、通電処理後のホウ素濃度が低下した。

実施例
図１に示される通電処理槽の３つの金属電極４ａ、４ｂ及び４ｃを鉄電極と共に、地下水Ａ〜Ｃに溶解される塩化マグネシウムの量を変化させ、消費電流と通電処理後のマグネシウム濃度（Ｍｇ−ｒ）及び通電処理後のホウ素濃度の関係を調べた。結果を図５に示す。地下水Ａ〜Ｃの通電処理後のマグネシウム濃度が５０ｍｇ／Ｌ未満である場合、消費電力が大きくなっても、残留ホウ素濃度はあまり低下しなくなった。一方、地下水Ａ〜Ｃの通電処理後のマグネシウム濃度が５０ｍｇ／Ｌ以上である場合、最大のホウ素除去効率を保持できた。

参考例４
図１に示される通電処理槽の３つの金属電極４ａ、４ｂ及び４ｃを鉄電極とし、塩化マグネシウムを地下水Ａ〜Ｃに溶解して通電処理し、消費電流とマグネシウム消費量の関係を調べた。結果を図６に示す。目的とするホウ素濃度に対応する消費電流を図５から求め、次に、当該消費電流に相当するマグネシウム消費量を図６から求める。そして、地下水Ａ〜Ｃに溶解するマグネシウム塩の量を当該マグネシウム濃度から計算できる。
なお、図５に示されるごとき消費電流と通電処理後のホウ素濃度の関係を示す図、図６に示されるごとき消費電流とマグネシウム消費量の関係を示す図を地下水毎に作成し、目的とするホウ素濃度までホウ素を除去するために必要な、地下水に溶解する最低マグネシウム塩の量を計算できる。

本発明のホウ素含有水の処理方法は、種々のイオンを含有する地下水からの有効でかつ安価な溶存ホウ素除去に好適である。本発明のホウ素含有水の処理方法でホウ素をはじめとする種々のイオンを含有する地下水からホウ素を除去する際に必要とされる電圧は１２Ｖ以下、通常５Ｖ程度であるから、太陽電池で得られる電力で本発明のホウ素含有水の処理方法を実施できる。更に、本発明のホウ素含有水の処理方法は、大量の薬剤及び大規模な設備を必要としない。従って、本発明のホウ素含有水の処理方法を僻地で実施できる。

１…通電処理槽、２…被処理水、３…カーボン電極、４…金属電極

Claims

溶存ホウ素を含有する被処理水を、鉄を成分として含む電極を陽極として使用すると共に、
溶存マグネシウムが通電処理後の被処理水中に残存するように溶存マグネシウム存在下で通電処理し、凝集物を被処理水から分離する、ホウ素含有水の処理方法。
通電処理後の被処理水中のマグネシウム濃度が２０ｍｇ／Ｌ以上となるよう通電処理する、請求項１に記載されたホウ素含有水の処理方法。
通電処理後の被処理水のｐＨが７．５〜１０．５である、請求項１又は２に記載されたホウ素含有水の処理方法。
水溶性マグネシウム塩を通電処理前に溶存ホウ素を含有する被処理水に添加する、請求項１〜３のいずれか１項に記載されたホウ素含有水の処理方法。