JP2012232253A - 多段階海水浄化システム - Google Patents
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Abstract
【課題】連続して海中の有害金属を回収することのできる多段階海水浄化システムを提供する。
【解決手段】汚有害金属を含む汚染水および水中で鉄イオンとなる処理剤を含む処理水からなる被処理水１を混合する混合手段と、該混合手段から得られる被処理水２を浄化する浄化手段とを備えた多段階海水浄化システムであって、前記混合手段がその入り口付近に水の向きを回転方向に変換する回転板およびその容器の内壁に突起物を有し高圧で送水された前記被処理水１を前記容器内で前記回転板により回転させ前記突起物に衝突を繰り返させて前記汚染水および処理水を混合することで前記処理剤へ前記有害金属が取りこまれた粒子を含む被処理水２を生成する手段であり、前記浄化手段が前記被処理水２から前記粒子および前記有害金属を回収する手段である。
【選択図】図１
【解決手段】汚有害金属を含む汚染水および水中で鉄イオンとなる処理剤を含む処理水からなる被処理水１を混合する混合手段と、該混合手段から得られる被処理水２を浄化する浄化手段とを備えた多段階海水浄化システムであって、前記混合手段がその入り口付近に水の向きを回転方向に変換する回転板およびその容器の内壁に突起物を有し高圧で送水された前記被処理水１を前記容器内で前記回転板により回転させ前記突起物に衝突を繰り返させて前記汚染水および処理水を混合することで前記処理剤へ前記有害金属が取りこまれた粒子を含む被処理水２を生成する手段であり、前記浄化手段が前記被処理水２から前記粒子および前記有害金属を回収する手段である。
【選択図】図１
Description
本発明は、海水中の有害物質を回収することにより海水を浄化するシステムであり、より詳細には、磁力を用いて有害物質を回収して海水を浄化する多段階海水浄化システムに関する。
現代の海水は、経済活動に伴う廃棄物、汚染水などにより有害物質を含むようになり、近海で採れる水産物にも影響が出て大きな社会問題になっている。特に、原子力発電所から漏れ出た放射性物質については、プランクトンに取り込まれた放射性物質が小魚に食べられさらに大型魚類が小魚を食べるという食物連鎖により凝縮されることもあって人体への影響が懸念されている。
有害物質である放射性セシウム１３７を吸着させる材料として表面に微細な穴の多い「天然ゼオライト」１０グラムを、放射性セシウム１３７を溶かした海水１００ミリ・リットルに入れて混ぜると５時間で約９割のセシウムが吸着されることが確認されている。しかし、この方法は時間が掛かりしかも海水の約１０％の重量のゼオライトを投入する必要があるので、一旦海に放出された放射性物質を回収するには不向きである。
そして、問題になる放射性物質は、規制値を大幅に上回る状態でも海水中ではその濃度は非常に低いので、海水中の有害物質の除去を実効的に行うためには、大量の海水を迅速に連続的に処理する必要がある。
連続的に有害物質の回収を行うために、特許文献１にはゼオライトと磁性粒子の混合物を造粒した粒子に、流体中の有害物質を吸着等により捕集させ、有害物質を捕集した粒子を磁気分離により磁石で回収して流体中の有害物質を除去する方法が提案されている。
磁気分離についてはこれまでに多くの検討がなされているが、その方法は水中に凝集剤を添加した後、もしくは凝集剤と同時に磁性体を投入することで、水中の溶存成分および浮遊物を吸着した凝集剤と磁性体とでフロックを形成させ、このフロックに対して強い磁場を印加することで強制的にフロックを分離または水中から除去することである。
フロックを効率よく回収する方法として、特許文献２では、金網や高分子膜でフロックと水を分離させてから磁場を印加することでフロックを回収する方法が開示されている。この中では、汚濁粒子を有する水に対して凝集剤及び磁性粉を段階的に混入させ攪拌することで磁性フロックを形成し、フロックを含む水を数ミクロンから数十ミクロンの目開きを有したステンレス鋼の網で作られた回転ドラムに投入することで水とフロックを分離し、その後磁場発生手段によってフロックを回収している。
しかしながら、従来提案されている何れの方法も、磁性体以外の材料を併用して有害物質の回収をおこなっており、複合された材料からなる回収物の処理も新たな問題となる。
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、磁性体以外の材料を併用することなく連続的に海水中の有害物質を回収して海水を浄化するシステムを提供することを目的とする。
本願発明者は、鉄の酸化物を用いたフェライト化による水中金属の回収方法において、金属は必ずしも２価でなくても鉄の酸化物と汚染水をミクロのレベルで十分に混ぜることによりフェライトのスピネル構造の中に金属が取り込まれることに着目した。また、ミクロレベルでの撹拌により鉄の酸化物による金属の包摂が起り鉄の酸化物に金属が付着することにも着目して本願発明を完成した。
請求項１に係る多段階海水浄化システムは、汚有害金属を含む汚染水および水中で鉄イオンとなる処理剤を含む処理水からなる被処理水１を混合する混合手段と、該混合手段から得られる被処理水２を浄化する浄化手段とを備えた多段階海水浄化システムであって、
前記混合手段が、その入り口付近に水の向きを回転方向に変換する回転板およびその容器の内壁に突起物を有し、高圧で送水された前記被処理水１を前記容器内で前記回転板により回転させ前記突起物に衝突を繰り返させて前記汚染水および処理水を混合することで前記処理剤へ前記有害金属が取りこまれた粒子を含む被処理水２を生成する手段であり前記浄化手段が前記被処理水２から前記粒子および前記有害金属を回収する手段であることを特徴としている。
前記混合手段が、その入り口付近に水の向きを回転方向に変換する回転板およびその容器の内壁に突起物を有し、高圧で送水された前記被処理水１を前記容器内で前記回転板により回転させ前記突起物に衝突を繰り返させて前記汚染水および処理水を混合することで前記処理剤へ前記有害金属が取りこまれた粒子を含む被処理水２を生成する手段であり前記浄化手段が前記被処理水２から前記粒子および前記有害金属を回収する手段であることを特徴としている。
汚水と処理水をミクロレベルで混合するには水をミクロレベルまで細分化する必要がある。高速で羽を回転させることによる水の細分化はキャビティー現象を起こすので混合が充分に行われない。そこで、本発明におけるミクサでは容器内の中心部に置かれた螺旋形状の羽に高圧で噴出する水を当てることで水を高速に回転させ、水が遠心力で容器の壁に沿って回転しながら進行する途中にある突起に衝突することで汚水と処理水がミクロレベルで混合されることを利用している。このミキサは空気を含む水でマイクロバブルを形成する事にも応用できる。
このミクロレベルでの混合の際、汚水中の有害金属イオンは高い頻度で鉄イオンを生成する処理剤と衝突する。その際２価金属と鉄イオンの間で起こるフェライト反応に類似した反応が起り１価〜６価の金属イオンが処理剤へ包摂により取り込まれる。従って非処理水２は、包摂により有害金属を取り込んだ粒子を含むことになる。
この被処理水２はサイクロンフィルタの上部へ導入されて容器の壁に沿って回転しながら下降する。水中の粒子は水よりも重いので遠心力で壁に張り付くようになり速度が低下して重力によって下へ落下する。つまり、サイクロンフィルタによって有害金属を含む粒子が汚水から分離される。
この粒子はサイクロンフィルタの下部から１次回収物として取り出され、有害金属の濃度が下がった被処理水３がサイクロンフィルタから生成される。
被処理水３に残留する有害金属、例えば放射性のセシウム１３７は常磁性であり通常は磁石に付着しないものとして扱われる。しかし、熱による擾乱を上回る磁界を印加されるとスピンがある程度揃えられて磁石へ付着するようになる。このように非常に強い磁界による常磁性体への影響を利用した例として水素原子のスピンの歳差運動を用いたＭＲＩがある。つまり、常磁性体も非常に強い磁場中では全体として磁場をかけた向きに巨視的磁化ができて磁界に反応するようになる。
巨視的磁化を生じたセシウムイオンは磁石に付着するので磁界を印加してセシウムイオンを吸着し、一定時間経過後に磁界の印加を中止して磁気フィルタの下部から濃縮されたセシウムイオンを含む被処理水を２次回収物として取りだす。
そうすると、磁気フィルタの上部からは有害金属の濃度の減った被処理水４を得ることができる。
次に請求項３に記載された多段階海水浄化システムは、前記被処理水４を沈殿処理して被処理水５を生成する沈殿槽をさらに備えることを特徴としている。
沈殿槽ではミキサ、サイクロンフィルタ、磁気フィルタによって回収されなかった海水中の微粒子を重力によりろ過して、被処理水５を生成する。この沈殿槽は、海水の状態によってはミキサの手前に置いても良い。
また請求項３に記載された多段階海水浄化システムは、前記被処理水５をキレート処理して被処理水６を生成する沈殿槽をさらに備えることを特徴としている。
キレート処理により特定の重金属イオンをキレート材に吸着して回収する。有害金属などが回収されて有害金属濃度の減った被処理水６を生成する。
請求項４に記載された多段階海水浄化システムは前記被処理水６を前記被処理水１に混合して処理を繰り返す循環路をさらに有していることを特徴とする。
海水の浄化は上記の過程を繰り返すことでさらに有害金属を取り除くことができる。
請求項５に記載された多段階海水浄化システムは、前記ミキサへ流入する被処理水１にさらに空気を混入する手段を有することを特徴としている。
空気を混ぜて混合をすることにより気泡が生成され、気泡と処理剤の相互作用により処理剤の海水中での分散が促進されて金属イオンと処理剤の接触頻度が上昇する。
請求項６に記載された多段階海水浄化システムは、前記混合手段が１０μｍ以下の気泡を生じるマイクロミキサであることを特徴としている。
ミキサの中でも、空気と水を混合して生成される気泡の大きさが１０ミクロン以下のマイクロキサは汚染水と処理水をミクロレベルで混合することに大きな効果を発揮する。
請求項７記載された多段階海水浄化システムは、前記磁気フィルタの磁界印加手段が超電導磁石であることを特徴としている。
超電導磁石を用いることで、常磁性体である金属イオンを励磁して吸着させる大きな磁界を発生することができる。また磁界の印加を制御するためには、磁石を電磁石で構成する方が有利である。
請求項８には、前記請求項１乃至７何れか１項に記載の多段階海水浄化システムおよび発電装置が搭載され海面上に浮かんで海水の浄化を行う海水浄化構造体が記載されている。
海中に海域を区切るシートを降ろして閉海域とした状態の海へ多段階海水浄化システムおよび発電装置が搭載され海面上に浮かんで海水の浄化を行う海水浄化構造体を浮かべて連続的に海水の処理を行うことで海水の浄化が効果的に行われる。
本発明によれば、有害金属を含んで汚水となった海水から有害金属を連続的に回収することが可能になり海の有効利用が図れる。
図１を用いて本発明に係る多段階海水浄化システムの詳細を説明する。
有害金属を含んで汚染水となった海水をポンプ１で汲み上げて導入貯留槽２へ一旦蓄える。この蓄えられた汚染水に処理水をポンプ４を使って混入する。この状態では汚染水と処理水の混合は十分ではない。
処理水としては処理剤として水中で鉄イオンとなるマグネタイト、鉄粉、水酸化鉄、重炭酸鉄などを１％重量程度混ぜて使用する。これらのマグネタイト以外の材料は酸化してマグネタイトへと変化させる。この混合は汚染水の状態に依存する。
必要に応じて、被処理水にポンプ５を使って空気を混ぜても良い。
汚水と処理水からなる被処理水１はミキサ６によってミクロレベルで混合される。図２を用いて混合手段（「ミキサ」とも言う。）２０について説明する。汚染水には処理水２２が混入される。混入の割合は、ポンプ２３により調節する。
ミクロレベルで混合するには被処理水にポンプ６（２１）により高圧を掛けてミキサ２０の容器内へ噴出させる。ミキサ２０の容器内の入り口に近い中心部に水の進行方向に向けて螺旋状になった回転板２５を用意する。高速で容器内へ噴出された水はこの回転板に衝突して噴出方向のエネルギもあることから螺旋状に運動する。螺旋状に運動する水２４は遠心力により容器の内壁に沿って移動するが、内壁には突起２６が設けられているので、回転する水はこの突起に激しく衝突して分断される。この突起２６は容器の内壁に複数設けられているので、移動する水は繰り返し分断されることになる。この分断過程で汚染水と処理水が激しく混ざり合ってミクロレベルでの混合が起こる。
ミキサとしては、送水圧として数Ｋｇ／ｃｍ2 で、数１００リットル／分を用いた。この混合の過程で水は０．５〜３μｍ程度に分断されて、処理水中の鉄イオンを生成する処理財と有害金属イオンが取り込まれる。この取り込み過程は所謂フェライト反応に近いものである。
所謂フェライト反応は、Ｍ1-xＦｅxＯＦｅ2Ｏ3（Ｍは２価の金属）の形でスピネル構造のフェライト中に金属Ｍが取り込まれるが、マイクロミキサを使うことでＭは必ずしも２価でなくても１価〜６価の金属でも同様な反応が起こるので、例えば、水中で１価のイオンとなるセシウムもフェライト反応に類似した反応によって鉄の酸化物中に取り込まれる。
フェライト化して粒子を含む被処理水２は遠心力で粒子を沈殿させるサイクロンフィルタ８へ送られる。
図３に示すサイクロンフィルタ３０（８）中の汚染水は回転しながらサイクロンフィルタの内壁に沿って下降する。被処理水２中の粒子は水よりも重いので遠心力を強く受けてサイクロンフィルタの内壁に沿うことになり内壁との摩擦によって速度が低下して下降する。
サイクロンフィルタ３０の下部にはスラッジの取り出し口３３が設けられており、スラッジのたまり具合により適宜外部へ１次回収して貯蔵箱９へ蓄える。
粒子が取り除かれた被処理水３は、磁気フィルタ１０へ入り超電導磁石による非常に強い磁界に置かれる。磁界中ではマグネタイトはもちろん、常磁性の金属イオンもごく小さい値ではあるが磁化を示すので磁極に引きつけられて被処理水から分離される。
図４に示す磁気フィルタについて説明する。磁気フィルタ４０はステンレスなどで作られた容器に対して磁気回路を構成するヨーク４１に付着した磁石４２で挟んで磁界を印加する、磁石４２は永久磁石でもよいが、磁界の印加をオン・オフする必要があるので電磁石が好ましい。容器中には磁気抵抗を減らし、粒子を引きつけるためのフィルタ素子４３が複数枚処理水の流れに沿って設けられている。
磁石に超電導磁石を使い、これをオンすると強い磁界によって常磁性体のイオンも弱く磁化されてフィルタ素子４３へ付着する。適宜、磁界をオフすると粒子は下へ落ちて貯まるのでこれをスラッジとしてスラッジ回収口４５から外部へ第２回収として取り出して蓄積箱１１へ蓄積する。
こうして、磁気フィルタからはスラッジが除かれた被処理水４を得ることができる。
被処理水４はさらに沈殿槽１２で処理されて沈殿槽が被処理水５を生成する。沈殿槽は比較的ひろい面積を必要とするので、省略してもよく、設置する位置として海水をくみ上げた直後に設けても良い。
沈殿槽から得られた被処理水５に対して、特定の金属を吸着するキレート剤を用意してキレート処理を行うことで被処理水６を得ることができる。
上記の処理で不十分な場合は、図１の循環経路１６を使って処理システムの初段へ戻して繰り返し処理を行うこともできる。
このような、多段階海水浄化システムを稼働させるには、閉海域へこのシステムと電源を備えた海水浄化構造体を浮かべると効果的である。閉海域にこの海水浄化構造体を浮かべた様子を図５に示す。閉海域は海中カーテン６０により外部と遮断されている。
図５において、汚染水５２はポンプ５１によって汲み上げられて処理水が混入されて被処理水１となり貯留槽から多段階海水処理システム５５へと送られる。多段階処理システム５５により処理された被処理水は閉海域の外へきれいな水５８として放出されて閉海域の海水の浄化が効果的に行われる。
本発明は従来の海水が工業化で汚染された現代社会において、特に原子力発電所から出る不測の有害金属を回収することができるシステムを提供するものでありその社会的な効用は大きい。
１ 汲み上げポンプ
２ 導入貯留槽
３ 処理水貯留槽
４ 処理水送水ポンプ
５ 空気送出ポンプ
６ ミキサ用加圧ポンプ
７ ミキサ
８ サイクロンフィルタ
９ 一次回収箱
１０ 磁気フィルタ
１１ 二次回収箱
１２ 沈殿槽
１３ キレート処理部
１４ 送出貯留槽
１５ 外部送出ポンプ
１６ 循環路
２０ ミキサ
２１ ミキサ用加圧ポンプ
２２ 処理水
２３ 処理水送出ポンプ
２４ 回転する被処理水
２５ 回転板
２６ 突起物
３０ サイクロンフィルタ
３１ 導入管
３２ 導出管
３３ スラッジ排出口
４０ 磁気フィルタ
４１ ヨーク
４２ 磁石
４３ 磁気フィルタ素子
４４ 被処理水４
５０ 海水浄化構造体
５１ 水中ポンプ
５２ 海水導入管
５３ 入口貯留槽
５５ 多段階海水処理システム
５６ 出口貯留槽
５７ 電源
５８ 海水排出管
５９ 浮遊体
６０ 海中カーテン
６１ 外海
６２ 閉域海
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１５ 外部送出ポンプ
１６ 循環路
２０ ミキサ
２１ ミキサ用加圧ポンプ
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２３ 処理水送出ポンプ
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５７ 電源
５８ 海水排出管
５９ 浮遊体
６０ 海中カーテン
６１ 外海
６２ 閉域海
Claims (8)
- 汚有害金属を含む汚染水および水中で鉄イオンとなる処理剤を含む処理水からなる被処理水１を混合する混合手段と、該混合手段から得られる被処理水２を浄化する浄化手段とを備えた多段階海水浄化システムであって、
前記混合手段が、その入り口付近に水の向きを回転方向に変換する回転板およびその容器の内壁に突起物を有し、高圧で送水された前記被処理水１を前記容器内で前記回転板により回転させ前記突起物に衝突を繰り返させて前記汚染水および処理水を混合することで前記処理剤へ前記有害金属が取りこまれた粒子を含む被処理水２を生成する手段であり、
前記浄化手段が前記被処理水２から前記粒子および前記有害金属を回収する手段であることを特徴とする多段階海水浄化システム。 - 前記浄化手段が、前記被処理水２を容器の内壁に沿って回転させて前記粒子を一次回収して被処理水３を生成するサイクロンフィルタと、前記被処理水３に磁界を掛けて有害金属と前記粒子を二次回収して被処理水４を生成する磁気フィルタを備えることを特徴とする請求項１に記載の多段階海水浄化システム。
- 前記浄化手段が、前記被処理水４を沈殿処理して被処理水５を生成する沈殿槽および前記被処理水５に含まれる有害金属を吸着処理して被処理水６を生成するキレート処理部をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の多段階海水浄化システム。
- 前記被処理水６を前記被処理水１に混合して処理を繰り返す循環路をさらに有する請求項３に記載の多段階海水浄化システム。
- 前記混合手段へ流入する被処理水１にさらに空気を混入する手段を有することを特徴とする請求項１乃至４何れか１項に記載の多段階海水浄化システム。
- 前記混合手段が１０μｍ以下の気泡を生じるマイクロミキサであることを特徴とする請求項５に記載の多段階海水浄化システム。
- 前記磁気フィルタの磁界印加手段が超電導磁石であることを特徴とする請求項１乃至６何れか１項に記載の多段階海水浄化システム。
- 前記請求項１乃至７何れか１項に記載の多段階海水浄化システムおよび発電装置が搭載され海面上に浮かんで海水の浄化を行う海水浄化構造体。
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| JP2011101782A JP2012232253A (ja) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | 多段階海水浄化システム |
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