JP2012206108A

JP2012206108A - 水中有害イオンの安全確認型簡易濾過方法とその器具

Info

Publication number: JP2012206108A
Application number: JP2011224433A
Authority: JP
Inventors: Yukiaki Harada; 幸明原田; Sherif Elsafty; エルザフティシェリフ; Yoshiharu Ichikawa; 吉晴市川
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2012-10-25

Abstract

【課題】ヒ素などの有害な重金属イオンで汚染された水の浄化を、家庭などで出来る容易な操作で、安全な飲料水としうる浄化装置を提供する。
【解決手段】本重金属イオン除去装置は、重金属イオンの選択吸着材を充填した脱重金属イオンカラム部３を備え、被処理水中の重金属イオンを選択除去する浄化装置である。また本装置には、上記脱重金属イオンカラム部３の下流域に呈色反応を利用した重金属イオンセンサを配置したセンサ部５が設けられており、浄化水の安全性を目視確認できるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒ素等の有害重金属に汚染された可能性のある飲用水から吸着剤を用いて有害重金属イオンを吸着・濾過し、浄化する方法において、該吸着剤として呈色反応性を有する逆抽出型重金属イオン吸着剤を用いることにより、浄化の状態を確認しつつろ過できる装置に関するものである。

重金属汚染水の浄化に関しては、逆浸透法（特許文献１，２，非特許文献１，２）やイオン交換法（特許文献３，非特許文献３）、キレート吸着法（特許文献４，５）などがあるが、いずれもその設備規模やコスト面、さらには操作の煩雑さを伴うものであり、家庭内等の生活の場で水を浄化するには不適な方法である。

また、ヒ素などを吸着するものとしてはゼオライトなどの鉱物系吸着剤（特許文献６，７）があるが、十分な吸着・除去の確認には処理水（浄化水）の水質検査を継続的に（理想的には連続的に）行う必要があり、上述のような家庭内等の生活の場で水を浄化する方法としては極めて煩雑なものである。
さらに、これらの吸着剤は吸着後に有害重金属を吸着したまま廃棄した場合、その廃棄物による再汚染の可能性があり、重要な環境汚染源問題となりつつある。

上述の環境汚染源問題を極力避ける手段の一つとして、有害金属を吸着したフィルタから有害金属のみを除去し、フィルタを再利用することのできる逆抽出型金属イオン選択的フィルタの利用が考えられる。
この逆抽出型金属イオン選択的フィルタとしては有価金属の回収方法（特許文献８，９）などが開発されているが、それらはいずれも対象とする金属イオンが異なるとともに、飲料水という温和な条件下で使用できるものではない。
これに対し、本発明で使用する逆抽出型重金属イオン選択吸着フィルタは、発明者らが開発した逆抽出型金属イオン選択的吸着剤をＴｉＯ２ナノチューブに担持したフィルタであり、ｐＨ７付近の温和な条件下で吸着反応を生じるとともに、重金属イオンの吸着に伴う呈色反応の進行を色相変化として短時間で発現する特性を有するものであり，この呈色反応特性を利用することで、処理水の安全確認を継続的に行うことのできるその場濾過器の構築が可能となる（非特許文献４）。
なお、上記逆抽出型重金属イオン選択吸着剤としては，現在までにＡｓ、Ｃｄ、Ｈｇなどの重金属イオンに対応するものが開発済みであるが（非特許文献４）、他の重金属イオンや有機有害物質に対する同等の呈色性選択吸着剤が開発されれば、本法の方法を用いてそれらの有害物質を除去することができる。

特開2011-147911号報特開2001-232361号報特開2011-098267号報特開2005-000747号報特開2011-116944号報特開2000-9394号報特開2006-95394号報特開2006-37125号報特開2007-126716号報

クリーンテクノロジー：日本工業出版，1993，Vol.3,No.5 究極の水‐RO(逆浸透膜)水：日刊工業新聞社，2009. 水の健康学：新潮新書，2004. Nanomaterials for Life Sciences Vol 2: NanostructuredOxides. 2009.

本発明の目的は、有害重金属イオンを吸着・除去する浄化装置において、該有害重金属イオンのフィルタに、有害重金属イオンの逆抽出によって再利用可能で、かつ、呈色反応特性を有する逆抽出型重金属イオン選択吸着物質を担持した多孔体（以下、脱重金属イオンカラム）を用いるとともに、これと同一の反応特性を有するセンサ材（以下、センサ材）とを組合せて、浄化の進行状況や終了時点等を目視によって把握できる機構に構築することにある。

前記課題を解決するための本発明は、脱重金属イオンカラムの担持多孔体の材質としては、無機系の白色多孔体、特にチタニアナノチューブを用いたメソポーラス材の成形体が白色度や耐久性などの観点から推奨される。
なお、原水中の不溶解固形不純物による脱重金属イオンカラムの目詰まり等を防止するため、同フィルタの上流には一般的に多用されるセラミックスあるいは活性炭、中空糸膜などによる濾材で構成された濾過部を設けることが望ましい。

脱重金属イオンカラム部の下流域には、濾過水の純度を監視するため、上記脱重金属イオンカラムと同一の特性を有するセンサ材を配置したセンサ部を設ける。

呈色反応による色相変化の連続監視を可能とするため、脱重金属イオンカラム部およびセンサ部の側面壁に無色透明な窓を設ける（側面壁全体を無色透明としてもよい）。
なお、脱重金属イオンカラム部とセンサ部の間、およびセンサ部と浄水貯槽との間に流路に各々流水抵抗部を設け、脱重金属イオンカラム部とセンサ部における十分な反応時間を確保するとともに、流路上部と下部との流水混合を防止する。

センサ部の下部に設けた流水抵抗部の下流には、センサの色相に所定の重金属イオン濃度の存在が確認された際に、流路を閉鎖するための閉鎖弁を設ける。
なお、通常の機器分析などによる重金属イオン濃度の測定はその測定開始時点における濃度値を示すものであるが、本法におけるセンサの色相変化から導かれる値は測定開始からその時点までの積算濃度値であり、極めて安全側の値となる（実際の重金属イオン濃度は上述の積算濃度値を処理全水量で除した値となる）。

なお、脱重金属イオンカラム部およびセンサ部は、それぞれ単独で流路から脱着・交換できるように構成する。これは各部の交換を容易にすることが主目的であるが、脱重金属イオンカラムあるいはセンサ材の単独交換を可能とするものである。

取り外した脱重金属イオンカラムおよびセンサ材は、外部の逆抽出施設（依頼）において重金属を逆抽出・削除すれば、脱色を確認し再利用できる。

上述のような呈色反応特性を有する脱重金属イオンカラムを用いた濾過器は、一般家庭の浄化槽に設置できる程度の小型化も極めて容易であり、これにより重金属イオンを除去した安全な水を得ることができ、かつその取り換えタイミングを専門的知識なしで判断できる。と同時に、取り外した脱重金属イオンカラムおよびセンサ材に吸着した重金属イオンは逆抽出によって除去でき、脱重金属イオンカラムおよびセンサ材として再利用できるため、環境汚染への負担を著しく低減することができる。

また、複数の重金属イオンの浄化が望まれる場合、それぞれの金属イオンに対応した脱重金属イオンカラムが開発されるとともに、それらのカラムによる吸着反応過程に相互作用がなければ、それぞれの重金属イオンに対応した重金属イオンカラム部、センサ部を直列に配置することにより複数の重金属汚染を一段階の処理によって行うことも可能となる。

本発明に基づき構成した重金属イオン吸着浄化器の一例として、Ａｓイオン吸着浄化器の概要を図１に示す。ここで，１は被処理水用水槽，２は被処理水中に含まれる不溶解物質を濾過するための濾過フィルタ部，３は重金属イオンカラム部，４は濾過流量調節と５の重金属イオンセンサ部からの逆流防止を兼ねた流速制御用フィルタ部，６は重金属イオンセンサ部の流量調節と下流域からの逆流防止を兼ねた流速制御用フィルタ部、７は流路閉鎖弁、８は浄水用タンクである。

図１の基本構造を基に，具体的な最良形態を記す。
濾過に必要な各部は浄水用タンク８の上部もしくは上流に配置する。被処理水用水槽１の下部に濾過フィルタ部２を配置し、水に不溶な懸濁微粒子、微生物、殺菌処理などで生成した不溶物質や沈殿物などを濾過する。さらに、その下流域に脱重金属イオンカラム（この場合はＡｓイオン）部３を配置して重金属イオンを選択吸着する。この脱重金属イオンカラム部の下部には、流速制御用フィルタ部４を経由してセンサ部５が配置さている。このセンサ部５を通過した処理水は流速制御用フィルタ部６を経由して浄水用タンク８へと導かれる。なお，上記の脱重金属イオンカラム部およびセンサ部は外部から脱重金属イオンカラムおよびセンサの色相が目視で判定できる構造となっている。また、センサ部の流路の前後に設けられた流速制御用フィルタ部４および流速制御用フィルタ部６は、処理水の流れに抵抗を与えてセンサ部５内の処理水が上流のカラム部の水および下流域の水との混合を防止するとともに、処理水がセンサ部５を通過する時間をセンサによる安全確認に必要な時間（通常，数分から十数分）に制御する目的で設置されている。

上記構造で被処理水を被処理水水槽１に入れ、数時間から一昼夜かけて濾過フィルタ部２、脱重金属イオンカラム部３、センサ部５を経由して浄水用タンク８に溜める。なお、センサ部５における安全確認反応に所定の滞留時間が必要なため、この５から流出する浄水を蛇口やポンプに接続して流水を得ることは困難であるが、浄化処理を継続しつつ、浄水用タンク８から浄化水を汲み取ることは可能である。

表１に、本装置によるＡｓイオン汚染水の浄化試験の一例を示す。なお，この試験におけるＡｓイオン汚染水としては，環境基準の最大値（０．００１ｍｇ／Ｌ）の１０倍の汚染度に相当するＡｓイオン濃度０．０１ｍｇ／Ｌの模擬汚染水を使用した。
また，脱Ａｓイオンカラムとしては直径約３０ｃｍ、厚さ約１５ｃｍ（体積約１０Ｌ）のヒ素イオン選択吸着剤を使用し，同カラム部への模擬汚染水の送給速度を３０〜５００ｍｌ／ｍｉｎの範囲で種々変化させるとともに，センサ部に流入した濾過水のＡｓイオン検出を継続的（最大５日）におこなった。
なお，この試験で使用した吸着カラムは，非特許文献４に記載されているチタニアナノチューブを用いたメソポーラス材であり，その比表面積は約１００ｃｍ２／ｇ，Ａｓイオン吸着能力は約０．２１ｍｇ／ｇである。

なお、この試験におけるＡｓイオン汚染水としては、環境基準の最大値（０．００１ｍｇ／Ｌ）の１０倍の汚染度に相当するＡｓイオン濃度０．０１ｍｇ／Ｌの模擬汚染水を使用した。同表に見られるように，模擬汚染水の送給速度１００ｍｌ／ｍｉｎ以下の領域においては，７２００ｍｉｎ（５日）経過後も濾過水中にＡｓイオンの存在が全く認められず，良好な吸着濾過の継続していることが判る。なお，送給速度１００ｍｌ／ｍｉｎで５日間運転した場合に得られる濾過水は大略０．７２ｔｏｎである。

一方，模擬汚染水の送給速度５００ｍｌ／ｍｉｎの場合には，処理時間が１０時間を越えた付近から徐々に濾過水中のＡｓイオン濃度が増大し，約１日経過後はかなり高いＡｓイオン濃度が検出されている。これは，送給速度１００ｍｌ／ｍｉｎの結果から判るように，この時点でＡｓイオン選択吸着体の吸着機能が消失したためではなく，吸着フィルタへのＡｓイオン吸着の進行とともに吸着フィルタ単位体積当たりの吸着点が減少し，模擬汚染水の処理量に見合った反応時間が得られなくなったためと考えられる。

なお，このように汚染水の送給速度が大きい場合においても，脱Ａｓイオンカラムをカラム内での吸着反応時間を考慮した形状、サイズに変更することによって、長時間に渡ってＡｓイオンの完全除去は十分可能である。

また、Ａｓイオン選択吸着体としては直径約３ｃｍ、厚さ約１５ｃｍ（体積約１００ｃｍ^３）のヒ素イオン選択吸着剤を使用し、同吸着フィルタ部への模擬汚染水の送給量を３０〜５００ｍｌ／ｍｉｎの範囲で種々変化させるとともに、センサ部に流入した吸着濾過水のＡｓイオン検出を継続的（最大５日）に測定した。

本発明によれば、人体に有害な重金属イオンで汚染された水の浄化を浄化機器以外の付帯設備や特別な技術・知識を必要としない単純操作によって行うことができるとともに、使用した脱重金属イオンカラムやセンサ材を産業廃棄物化することなく再利用することができる。
また、このような特性を有する浄水器は、重金属イオン汚染水で苦慮している人々にとって大きな朗報となるものと考えられる。

１被処理水用水槽
２濾過フィルタ部
３脱重金属イオンカラム部
４濾過流量調節
５センサ部
６流速制御用フィルタ部
７流路閉鎖弁
８浄水用タンク

Claims

有害重金属イオンに汚染された可能性のある飲用水から吸着剤を用いて有害重金属イオンを吸着・濾過し，浄化する方法において，吸着剤として呈色反応特性を有する逆抽出型重金属イオン選択吸着体フィルタを使用したことを特徴とする浄化装置。
請求項１に記載の浄化装置であって、重逆抽出型金属イオン選択吸着体フィルタの下流域に呈色反応特性を有する逆抽出型重金属イオン検出器を配置し，濾過水の浄化状況を連続的に目視確認できる機構としたことを特徴とする浄化装置。