JP2012179512A - 電解処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気分解の際に発生するガスのより十分な有効利用ができる電解処理方法を提供しようとするもの。
【解決手段】被電解水を電気分解する際、陽極で揮発する塩素ガスと水素ガスとを反応させて塩化水素ガス（塩酸ガス）を生成せしめる塩化水素ガス生成工程を具備し、前記塩化水素ガスの反応生成熱をエネルギーとして利用するようにした。塩化水素ガスの反応生成熱（92.3ｋJ/モル）をエネルギーとして利用するようにしたので、従前は意識されていなかった揮発ガス（塩素ガス、水素ガス）を反応させる工程（塩化水素ガスが生成する工程）を新たに設けることによって、この塩化水素ガス生成工程に於いて放出される熱量をエネルギーとして活用することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、工場廃水、家庭排水、飲食店排水、その他の各種の排水の浄化処理その他の電解処理方法に関するものである。

従来、電気分解を利用した排水処理方法に関する提案があった（特許文献１）。
この排水処理方法は、排水と酸化剤含有水とを混合して汚れ評価指標を略0ppmに処理する混合工程と、処理水の少なくとも一部を電気分解して残留塩素を生成させる電解工程とを有し、前記残留塩素を生成させた処理水を酸化剤含有水として排水と混合するようにしたものである。
この排水処理方法は、排水と酸化剤含有水とを混合して汚れ評価指標を略0ppmに処理する“混合工程”を有し、排水の汚れ成分と酸化剤とを遭遇・衝突・反応させて汚れ評価指標が略0ppmとなるように酸化分解することにより処理系内に汚れ成分が蓄積されていくことを抑制することができ、従来よりも処理を安定させることができるという利点がある、というものである。
とはいうものの、電気分解の際に液相から気相中へと揮発するガスのより十分な有効利用は出来ないものか、という疑問が発生した。
特開２０１１−１１１６７号公報

そこでこの発明は、電気分解の際に発生するガスのより十分な有効利用ができる電解処理方法を提供しようとするものである。

前記課題を解決するためこの発明では次のような技術的手段を講じている。
(１)この発明の電解処理方法は、被電解水を電気分解する際、陽極で揮発する塩素ガスと水素ガスとを反応させて塩化水素ガス（塩酸ガス）を生成せしめる塩化水素ガス生成工程を具備し、前記塩化水素ガスの反応生成熱をエネルギーとして利用するようにしたことを特徴とする。
前記水素ガスとして、陰極で揮発する水素ガスや、水素ボンベにより供給する水素ガスを例示することができる。

（1）電解処理方法として、例えば排水処理方法、次亜塩素酸の生成方法、溶存塩素の生成方法などを例示することができる。
被電解水を電気分解すると、次のような反応が生じる。すなわち、陽極で塩素イオン２Ｃｌ⁻から塩素Ｃｌ_２が発生し、次いで前記塩素が水Ｈ_２Ｏと反応して次亜塩素酸ＨＯＣｌが生成する。
陽極：２Ｃｌ⁻→Ｃｌ_２+２e⁻
Ｃｌ_２+Ｈ_２Ｏ→ＨＯＣｌ+ＨＣｌ
電解処理が排水の浄化処理の場合、この次亜塩素酸により、被電解水（排水）中の汚れ成分（例えば有機化合物）が酸化されて分解されることにより浄化されていくこととなる。ここで、陽極で生成した塩素Ｃｌ_２は、次亜塩素酸ＨＯＣｌに変化する分と揮発（排水自体からは離脱することになる）して塩素ガスＣｌ_２になる分とがある。

（2）この電解処理方法では、陽極で揮発する塩素ガス（前記のうち後者）と陰極で揮発する水素ガスとを反応させて塩化水素ガスを生成せしめる塩化水素ガス生成工程を具備するようにしているところ、陰極で水素Ｈ_２が生成する化学反応式は次の如くである。
陰極：２Ｈ_２Ｏ+２e⁻→Ｈ_２+２ＯＨ⁻
そして、被電解水（排水）から揮発した塩素ガスと水素ガスによる気相における塩化水素ガスの反応式は次の通りである。
1/2Cl₂（ガス）+1/2H₂（ガス）→HCｌ（ガス）+92.3ｋJ/モル

（3）前記塩化水素ガスの反応生成熱（92.3ｋJ/モル）をエネルギーとして利用するようにしたので、従前は意識されていなかった揮発ガス（塩素ガス、水素ガス）を反応させる工程（塩化水素ガスが生成する工程）を新たに設けることによって、この塩化水素ガス生成工程に於いて放出される熱量をエネルギーとして活用することができる。
前記反応生成熱92.3ｋJ/モルは、ジュールからカロリーに換算すると21976cal≒22 kcal
/モルに相当する。前記熱量22kcal=22000calは、水100ｃｃ＝0.1リットルを、“水の蒸発を無視した単純計算”では220℃ほど昇温させる熱量に相当する。熱量22kcal=22000calは、水1000ｃｃ＝1リットルを、同様に“水の蒸発を無視した単純計算”では22℃ほど昇温させる熱量に相当する。

（4）ところで、陽極側で揮発する塩素ガスと陰極側で揮発する水素ガスとは、連続的に混合して反応させて塩化水素ガスを生成せしめるようにすると、持続的に熱エネルギーを取り出すことが出来ることとなる。
(２)前記被電解水として排水を電気分解して浄化するようにしてもよい。
（1）前記被電解水として排水を選択し、電解処理方法を排水処理とするようにした。具体的には、この排水処理方法は、排水を電気分解して浄化する際、陽極で揮発する塩素ガスと陰極で揮発する水素ガスとを反応させて塩化水素ガスを生成せしめる塩化水素ガス生成工程を具備し、前記塩化水素ガスの反応生成熱をエネルギーとして利用するようにした。
（2）排水を電気分解すると、次のようにして浄化される。すなわち、陽極で塩素イオン２Ｃｌ⁻から塩素Ｃｌ_２が発生し、次いで前記塩素が水Ｈ_２Ｏと反応して次亜塩素酸ＨＯＣｌが生成する。
陽極：２Ｃｌ⁻→Ｃｌ_２+２e⁻
Ｃｌ_２+Ｈ_２Ｏ→ＨＯＣｌ+ＨＣｌ
この次亜塩素酸により、排水中の汚れ成分（例えば有機化合物）が酸化されて分解されることにより浄化されていくこととなる。ここで、陽極で生成した塩素Ｃｌ_２は、次亜塩素酸ＨＯＣｌに変化する分と揮発（排水自体からは離脱することになる）して塩素ガスＣｌ_２になる分とがある。

（3）この排水処理方法では、陽極で揮発する塩素ガス（前記のうち後者）と陰極で揮発する水素ガスとを反応させて塩化水素ガスを生成せしめる塩化水素ガス生成工程を具備するようにしているところ、陰極で水素Ｈ_２が生成する化学反応式は次の如くである。
陰極：２Ｈ_２Ｏ+２e⁻→Ｈ_２+２ＯＨ⁻
そして、排水から揮発した塩素ガスと水素ガスによる気相における塩化水素ガスの反応式は次の通りである。
1/2Cl₂（ガス）+1/2H₂（ガス）→HCｌ（ガス）+92.3ｋJ/モル

（３）前記塩化水素ガスを被電解水に溶解させて電気分解するようにしてもよい。このように構成することにより、塩化水素ガスが水に溶解すると塩素イオンと水素イオンに電離するところ、揮発した塩素ガスと水素ガスとを循環サイクルで再利用することができる。
HCｌ（ガス）+Ｈ_２Ｏ（液体）→H⁺+Cｌ⁻+Ｈ_２Ｏ（液体）

すなわち、被電解水（例えば、排水）を電気分解する際の塩素イオンCｌ⁻を再利用することにより、電解質（塩素イオンCｌ⁻の供給源である食塩ＮａＣｌや次亜塩素酸ソーダＮａＯＣｌなどの薬剤）の補充量を削減してコストを低減することができる。
具体的には、塩化水素ガスHCｌが水に溶解して電離した塩素イオンCｌ⁻により陽極で塩素Cl₂が生成することとなり、塩素イオンCｌ⁻生成→陽極で塩素Cl₂生成→水素ガスＨ_２と反応して塩化水素ガスHCｌ生成→水に溶解・電離して塩素イオンCｌ⁻生成→陽極で塩素Cl₂生成→・・・というふうに塩素（Cｌ⁻、Cl₂、HCｌ）を循環サイクルで反復してリサイクルしつつ有効活用することができる。

（４）前記反応生成熱をエネルギーとして水蒸気の発生に利用するようにしてもよい。このように構成すると、電解処理（例えば、排水処理）に付随して水蒸気を得るとができる。
（５）発生した前記水蒸気を加圧してタービンを回して発電するようにしてもよい。このように構成すると、電解処理（例えば、排水処理）に付随して発電を行うことができる。

（６）前記反応生成熱をエネルギーとして温水の温度上昇に利用するようにしてもよい。このように構成すると、電解処理（例えば、排水処理）に付随して温水を得ることができる。

従前は意識されていなかった揮発ガスをエネルギーとして活用することができるので、電気分解の際に発生するガスのより十分な有効利用ができる電解処理方法を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
〔実施形態１〕
図１に示すように、この実施形態の電解処理方法は、被電解水１を電気分解する際、陽極２で揮発する塩素ガス３と陰極４で揮発する水素ガス５とを反応させて塩化水素ガス６を生成せしめる塩化水素ガス生成工程を具備し、前記塩化水素ガス６の反応生成熱をエネルギーとして利用するようにしている。

電解処理方法として、本実施形態のような排水処理方法の他に、次亜塩素酸の生成方法、溶存塩素の生成方法を例示することができる。そして、前記被電解水１自体を排水にする直接処理法（本実施形態）と、塩化水素ガス６の反応生成熱をエネルギーとして発生させた熱により排水を浄化する間接処理法（実施形態２参照）とがある。

被電解水１（排水）を電気分解すると、次のような反応が生じる。すなわち、陽極２で塩素イオン２Ｃｌ⁻から塩素Ｃｌ_２が発生し、次いで前記塩素が水Ｈ_２Ｏと反応して次亜塩素酸ＨＯＣｌが生成する。
陽極：２Ｃｌ⁻→Ｃｌ_２+２e⁻
Ｃｌ_２+Ｈ_２Ｏ→ＨＯＣｌ+ＨＣｌ

この次亜塩素酸により、被電解水１（排水）中の汚れ成分（例えば有機化合物）が酸化されて分解されることにより浄化されていくこととなる。ここで、陽極２で生成した塩素Ｃｌ_２は、次亜塩素酸ＨＯＣｌに変化する分と揮発（排水自体からは離脱することになる）して塩素ガスＣｌ_２になる分とがある。
陽極２側で揮発する塩素ガス３と陰極４側で揮発する水素ガス５とは、連続的に混合して反応させて塩化水素ガス６を生成せしめるようにしており、持続的に熱エネルギーを取り出すようにしている。

この装置では、陽極２と陰極４との間に隔膜７を配しており、有隔膜で電気分解を行うようにしている。塩素ガス３と水素ガス５との結合反応を開始するための起動熱源として、13Ａ都市ガス、電気ヒーター、灯油・重油バーナーなどを利用することができる。そして、一旦反応が開始すると継続的に連鎖反応が起こることになる。反応は金属製のパイプ状の反応槽８で行うこととし、この管状反応槽８の周囲を通水ジャケット９で囲むことにより反応熱ボイラー10を形成するようにしている。

そして、前記反応熱ボイラー10で生成した蒸気を蒸気貯留槽11に導くようにしており、この蒸気を加圧して蒸気タービン発電機12に送り電力を発生させるようにしている。この電力を外部機器や設備（図示せず）に供給して消費するようにする。前記蒸気タービン発電機12で冷却されて液化した水蒸気は気化冷却貯槽13に導き、この気化冷却水14を前記反応熱ボイラー10へと循環させるようにしている。このようにして、蒸気発生発電システムを構成している。

すなわち、前記塩化水素の反応生成熱をエネルギーとして水蒸気の発生に利用するようにしており、電解処理（排水処理）に付随して水蒸気を得ることができる。そして、発生した前記水蒸気を加圧してタービンを回して発電するようにしており、電解処理に付随して発電を行うことができる。

次に、この実施形態の電解処理方法の使用状態を説明する。
この電解処理方法では、陽極２で揮発する塩素ガス３と陰極４で揮発する水素ガス５とを反応させて塩化水素ガス６を生成せしめる塩化水素ガス生成工程を具備するようにしているところ、陰極４で水素Ｈ_２が生成する化学反応式は次の如くである。なお、陰極４で水素ガス５を揮発させる代わりに水素ボンベを使用したり、陰極４で水素ガス５を揮発させる補助として水素ボンベの水素ガス５を追加したりすることができる。
陰極：２Ｈ_２Ｏ+２e⁻→Ｈ_２+２ＯＨ⁻
そして、被電解水１（排水）から揮発した塩素ガス３と水素ガス５による気相における塩化水素ガス６の反応式は次の通りである。
1/2Cl₂（ガス）+1/2H₂（ガス）→HCｌ（ガス）+92.3ｋJ/モル

前記塩化水素ガス６の反応生成熱（92.3ｋJ/モル）をエネルギーとして利用するようにしたので、従前は意識されていなかった揮発ガス（塩素ガス３、水素ガス５）を反応させる工程（塩化水素ガス６が生成する工程）を新たに設けることによって、この塩化水素ガス生成工程に於いて放出される熱量をエネルギーとして活用することができる。
前記反応生成熱92.3ｋJ/モルは、ジュールからカロリーに換算すると21976cal≒22 kcal
/モルに相当する。前記熱量22kcal=22000calは、水100ｃｃ＝0.1リットルを、“水の蒸発を無視した単純計算”では220℃ほど昇温させる熱量に相当する。熱量22kcal=22000calは、水1000ｃｃ＝1リットルを、同様に“水の蒸発を無視した単純計算”では22℃ほど昇温させる熱量に相当する。

また、前記塩化水素ガス６を被電解水１に溶解させて電気分解するようにしており、塩化水素ガス６が水に溶解すると塩素イオンと水素イオンに電離するところ、揮発した塩素ガス３と水素ガス５とを循環サイクルで再利用することができる。
HCｌ（ガス）+Ｈ_２Ｏ（液体）→H⁺+Cｌ⁻+Ｈ_２Ｏ（液体）
すなわち、被電解水１（例えば、排水）を電気分解する際の塩素イオンCｌ⁻を再利用することにより、電解質（塩素イオンCｌ⁻の供給源である食塩ＮａＣｌや次亜塩素酸ソーダＮａＯＣｌなどの薬剤）の補充量を削減してコストを低減することができる。

具体的には、塩化水素ガスHCｌが水に溶解して電離した塩素イオンCｌ⁻により陽極２で塩素Cl₂が生成することとなり、塩素イオンCｌ⁻生成→陽極２で塩素Cl₂生成→水素ガスＨ_２と反応して塩化水素ガスHCｌ生成→水に溶解・電離して塩素イオンCｌ⁻生成→陽極２で塩素Cl₂生成→・・・というふうに塩素（Cｌ⁻、Cl₂、HCｌ）を循環サイクルで反復してリサイクルしつつ有効活用することができるという利点を有する。

この実施形態では、前記被電解水１として排水を電気分解して浄化するようにした。すなわち、前記被電解水１として排水を選択し、電解処理方法を排水処理とするようにしている。
換言すると、この排水処理方法は、排水を電気分解して浄化する際、陽極２で揮発する塩素ガス３と陰極４で揮発する水素ガス５とを反応させて塩化水素ガス６を生成せしめる塩化水素ガス生成工程を具備し、前記塩化水素ガス６の反応生成熱をエネルギーとして利用するようにしている。
この実施例のものによると、排水を浄化することができると共に、発電を行うことができるという利点を有する。

〔実施形態２〕
この実施形態では廃液気化処理システムを構成しており、上記実施形態との相違点を中心に説明する。
図２に示すように、既述の反応熱ボイラー10で生成した蒸気を熱交換ボイラー15に導くようにしている。熱交換ボイラー15の周囲には工場廃液を供給する廃液加熱槽16を設けており、高温の蒸気で工場廃液を高温に加熱し、廃液中の有機系の汚れ成分を熱分解させるようにしている。

前記廃液加熱槽16で生成した廃液からの蒸気はスクラバー17で浄化して大気開放するようにしている。このスクラバー水は、スクラバー水貯槽18と電解直接酸化装置19との間で循環して電解浄化するようにしている。
この実施形態では、塩化水素ガス６の反応生成熱をエネルギーとして発生させた熱により排水（工場廃液）を加熱・昇温し熱分解して浄化する間接処理法としており、被処理水として排水ではなく清浄な水を用いて電解することとなり、電極（陽極２、陰極４）その他が汚染されないクリーンな状態を維持して処理を行うことができるという利点がある。
そして、この実施形態では、塩化水素ガス６の反応生成熱をエネルギーとして温水（排水）の温度上昇（高温で蒸発させて汚れ成分の熱分解）に利用するようにしており、電解処理（塩素ガス３の生成）に付随して排水を温水（熱水）→蒸気として熱分解して浄化することができるという利点がある。

〔実施形態３〕
この実施形態では廃液・廃棄物炭化処理システムを構成しており、上記実施形態との相違点を中心に説明する。
図３に示すように、塩素ガス３と水素ガス５との塩化水素ガス６への反応は金属製のパイプ状の反応槽８で行うこととし、この管状反応槽８の周囲を反応熱炭化装置20で囲むようにしている。前記反応槽８の周囲には電熱・攪拌フィンFを複数個設けており、このパイプ状の反応槽８自体をモータMにより回転駆動できるようにしている。
そして、塩化水素ガス６の反応生成熱により高温に昇温される前記反応熱炭化装置20に、工業廃液や有機性廃棄物を供給するようにしている。例えば、前記反応熱炭化装置20は100〜600℃程度に昇温することが好ましい。これにより、工業廃液や有機性廃棄物は熱分解し、蒸発し、炭化することになる。

前記反応熱炭化装置20で生成した蒸気はスクラバー17で浄化して大気開放するようにしている。このスクラバー水は、スクラバー水貯槽18と電解直接酸化装置19との間で循環して電解浄化するようにしている。

電気分解の際に発生するガスのより十分な有効利用ができることによって、種々の電解処理方法の用途に適用することができる。

この発明の電解処理方法の実施形態１を説明するシステム・フロー図。 この発明の電解処理方法の実施形態２を説明するシステム・フロー図。 この発明の電解処理方法の実施形態３を説明するシステム・フロー図。

１ 被電解水
２ 陽極
３ 塩素ガス
５ 水素ガス
６ 塩化水素ガス

Claims (6)

1. 被電解水１を電気分解する際、陽極２で揮発する塩素ガス３と水素ガス５とを反応させて塩化水素ガス６を生成せしめる塩化水素ガス生成工程を具備し、前記塩化水素ガス６の反応生成熱をエネルギーとして利用するようにしたことを特徴とする電解処理方法。
2. 前記被電解水１として排水を電気分解して浄化するようにした請求項１記載の電解処理方法。
3. 前記塩化水素ガス６を被電解水１に溶解させて電気分解するようにした請求項１又は２記載の電解処理方法。
4. 前記反応生成熱をエネルギーとして水蒸気の発生に利用するようにした請求項１乃至３のいずれかに記載の電解処理方法。
5. 発生した前記水蒸気を加圧してタービンを回して発電するようにした請求項４記載の電解処理方法。
6. 前記反応生成熱をエネルギーとして温水の温度上昇に利用するようにした請求項１乃至５のいずれかに記載の電解処理方法。