JP2014014783A

JP2014014783A - 吸着材再生方法及び吸着材再生装置並びに当該吸着材再生装置を用いた水浄化システム

Info

Publication number: JP2014014783A
Application number: JP2012154400A
Authority: JP
Inventors: Makoto Okai; 誠岡井; Hirotaka Yamamoto; 浩貴山本; Hiroshi Sasaki; 佐々木　　洋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2014-01-30

Abstract

【課題】比較的低温度の熱処理によって活性炭の吸着能を再使用可能な程度に再生する方法および装置を提供する。
【解決手段】汚染水の浄化に用いた吸着材に付着した吸着物質を除去して再生する吸着材再生装置において、吸着材設置部１０２と、キャリアガス供給部１と、水供給部１０１と、熱源部１０３とを備え、吸着材設置部１０２に水を含む１００℃以下のキャリアガスを供給し、熱源部１０３は、吸着材設置部１０２の吸着材を４００℃以下の温度に加熱し、吸着材に付着した吸着物質を除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸着材の再生方法及び再生装置並びに当該再生装置を用いた水浄化システムに関する。

水浄化用活性炭の再生には、一般に、過熱水蒸気雰囲気で８００℃以上の高温熱処理が必要である。

特許文献１には、粒状物に過熱水蒸気を当てる過熱水蒸気ステップと、粒状物に冷却液を兼ねる酸性溶液又はアルカリ溶液を接触させる溶液処理・冷却ステップとを含む粒状物の付着物脱離方法が開示されている。この文献においては、過熱水蒸気の温度を３００℃とする例が記載されている。

特開２００９−１６６０２３号公報

特許文献１に記載の技術は、溶液処理を組み合わせたものであり、単に３００℃の過熱水蒸気に当てるだけで再生処理が完了するものではない。対象物質もニッケル等の重金属物質である。

本発明は、比較的低温度の熱処理によって活性炭の吸着能を再使用可能な程度に再生する方法および装置を提供することを課題とする。

本発明は、汚染水の浄化に用いた吸着材に付着した吸着物質を除去して再生するものであって、吸着材に水を含む１００℃以下のキャリアガスを供給し、吸着材を４００℃以下の温度に加熱することを特徴とする。

本発明によれば、４００℃以下の低温度で、活性炭の吸着能を９０％以上に再生可能であるため、活性炭の再生に必要なエネルギーを大幅に低減することができる。その結果、活性炭を用いた水浄化プラントのランニングコストを大幅に低減することができる。

一実施形態に係る吸着材再生装置を示す概略構成図である。実施例の活性炭のフェノール水溶液に対する等温吸着曲線を示すグラフである。実施例の活性炭の酢酸水溶液に対する等温吸着曲線を示すグラフである。実施例の活性炭のフェノール吸着能の再生率に対する再生温度依存性を示すグラフである。実施例の活性炭の酢酸吸着能の再生率に対する再生温度依存性を示すグラフである。一実施形態に係る水浄化システムを示す概略構成図である。

本発明は、吸着材に付着した吸着物質を脱離除去する方法及び装置並びに当該装置を用いた水浄化システムに関する。

以下、本発明の実施形態に係る吸着材再生方法及び吸着材再生装置並びに当該吸着材再生装置を用いた水浄化システムについて説明する。

前記吸着材再生方法は、汚染水の浄化に用いた吸着材に付着した吸着物質を除去して再生する方法であって、吸着材に水を含む１００℃以下のキャリアガスを供給する含水ガス供給工程と、吸着材を４００℃以下の温度に加熱する加熱工程とを含むことを特徴とする。

前記吸着材再生方法において、含水ガス供給工程は、キャリアガスを液体の水に注入してバブリングすることによってキャリアガスに水を混合する工程を含むことが望ましい。

前記吸着材再生方法において、含水ガス供給工程は、液体の水を加熱する工程を含むことが望ましい。

前記吸着材再生方法において、含水ガス供給工程は、液体の水に超音波を印加してキャリアガスに霧を混合する工程を含むことが望ましい。

前記吸着材再生方法において、吸着材は、活性炭であることが望ましい。

前記吸着材再生方法において、吸着物質は、分子量２００以下の低分子アルコール又は低分子酸であることが望ましい。

ここで、分子量２００以下のアルコールとしては、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、フェノール、エチレングリコール、グリセリン等を挙げることができる。分子量２００以下の低分子酸としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸等を挙げることができる。分子量２００以上のアルコール、酸等については、吸着槽の上流側に配置した凝集槽における処理により除去することが可能であるため、吸着材によって除去する対象となる吸着物質は、分子量２００以下の低分子アルコール又は低分子酸に限定することができる。

前記吸着材再生方法において、キャリアガスは、不活性ガスであることが望ましい。

前記吸着材再生方法においては、キャリアガスに酸化性ガスを混合することが望ましい。

前記吸着材再生方法においては、液体の水に酸化剤を混合することが望ましい。

前記吸着材再生方法においては、液体の水に酸性又は塩基性の化学物質を混合することが望ましい。

ここで、酸性化学物質としては、酸素、過酸化水素、塩酸、硝酸等を挙げることができる。また、塩基性化学物質としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム等を挙げることができる。

前記吸着材再生方法において、キャリアガスは、循環して再利用することが望ましい。

前記吸着材再生方法は、さらに、吸着材からキャリアガスに移動した吸着物質を水溶液として回収する工程を含むことが望ましい。

前記吸着材再生方法は、さらに、吸着材からキャリアガスに移動した吸着物質を燃焼処理する工程を含むことが望ましい。

前記吸着材再生方法において、加熱工程は、昇温工程、定温工程及び冷却工程を含むことが望ましい。

前記吸着材再生装置は、汚染水の浄化に用いた吸着材に付着した吸着物質を除去して再生する装置であって、吸着材設置部と、吸着材にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部と、キャリアガスに水を混合する水供給部と、吸着材を加熱する熱源部とを備え、吸着材設置部には、水を含む１００℃以下のキャリアガスが供給され、熱源部は、吸着材設置部の吸着材を４００℃以下の温度に加熱し、吸着材に付着した吸着物質を除去することを特徴とする。

前記吸着材再生装置において、水供給部は、キャリアガスを液体の水に注入してバブリングする構成を有することが望ましい。

前記吸着材再生装置において、水供給部は、液体の水を加熱する構成を有することが望ましい。

前記吸着材再生装置において、水供給部は、液体の水超音波を印加する構成を有することが望ましい。

前記吸着材再生装置において、吸着材は、活性炭であることが望ましい。

前記吸着材再生装置において、吸着物質は、分子量２００以下の低分子アルコール又は低分子酸であることが望ましい。

前記吸着材再生装置において、キャリアガスは、不活性ガスであることが望ましい。

前記吸着材再生装置においては、キャリアガスに酸化性ガスを混合する構成を有することが望ましい。

前記吸着材再生装置においては、液体の水に酸化剤を混合する構成を有することが望ましい。

前記吸着材再生装置においては、液体の水に酸性又は塩基性の化学物質を混合する構成を有することが望ましい。

前記吸着材再生装置においては、キャリアガスを循環して再利用する構成を有することが望ましい。

前記吸着材再生装置は、さらに、吸着材からキャリアガスに移動した吸着物質を水溶液として回収する液貯留部を含むことが望ましい。

前記吸着材再生装置は、さらに、吸着材からキャリアガスに移動した吸着物質を燃焼処理する燃焼部を含むことが望ましい。

前記水浄化システムは、吸着材再生装置を用いたことを特徴とする。

前記水浄化システムは、汚染水に凝集剤を混合する凝集槽と、凝集物を沈殿させる沈殿槽と、残った凝集物を除去する濾過槽と、吸着材を設置した吸着槽とを備え、吸着槽は、吸着材にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部と、キャリアガスに水を混合する水供給部と、吸着材を加熱する熱源部とを有することを特徴とする。

前記水浄化システムは、吸着槽を複数備えることが望ましい。

以下、水浄化システムの全体構成について説明する。

図６は、吸着材として活性炭を用いた水浄化システムの概略構成を示したものである。

本図において、汚染水は、凝集槽６０１、沈殿槽６０２、濾過槽６０３、吸着槽６０４を順に通過することにより、浄化されて浄化水となる。この浄化水は、河川若しくは海に放出され、又は再生水として利用される。

凝集槽６０１では、汚染水に凝集剤を混合し、撹拌することにより、汚染水中の有害物質等を凝集させる。沈殿槽６０２では、時間をかけて凝集物を沈殿させる。さらに、濾過槽６０３では、残った凝集物を除去する。その後、吸着槽６０４により、凝集剤では除去できなかった有害物質等を活性炭に吸着させることにより除去する。この水浄化システムにより、汚染水に含まれる浮遊物質、有機高分子、有機低分子及び有害金属イオンを取り除くことが可能である。

ここで、吸着材は、微細孔を有する物質であり、例えば、活性炭、ゼオライト、ポーラスシリカ、表面を炭素で被覆したゼオライト、表面を炭素で被覆したポーラスシリカ等である。以下では、代表例として活性炭を用いた場合について説明する。

図１は、図６の吸着槽６０４の吸着材に付着した吸着物質を脱離除去する構成を示したものである。すなわち、図６の吸着槽６０４は、再生機能付きであり、吸着材再生装置と呼ぶこともできる。

図１において図６の吸着槽６０４に該当するものは、活性炭カラム１０２である。

図１の活性炭カラム１０２（吸着材設置部）は、ヒータ１０３（熱源部）で加熱することができるようになっている。そのほか、活性炭カラム１０２には、水タンク１０１（水供給部）及びドレインタンク１０４（液貯留部）が接続してある。

水を浄化する場合は、符号３から浄化すべき水（図６においては濾過槽６０３からの水に対応する。）を導入し、活性炭カラム１０２を通って浄化された水（図６においては吸着槽６０４からの浄化水に対応する。）が符号４から排出される。

活性炭カラム１０２の活性炭の浄化能力が低下してきた場合には、次の手順により活性炭に付着した吸着物質を脱離除去することにより、再生を行う。

まず、符号１（キャリアガス供給部）からキャリアガスを水タンク１０１に導入する。キャリアガスにより水タンク１０１中の水をバブリングすることにより、キャリアガスを加湿する。加湿量を高めるために、水タンク１０１を加熱することも有効である。また、バブリングの替わりに、水タンク１０１に超音波を印加し、より小さいクラスターの水をキャリアガスに含有させる方法も有効である。

次に、加湿したキャリアガスを活性炭カラム１０２に導入する。この際、活性炭カラム１０２は、ヒータ１０３により加熱する。加湿キャリアガスは、活性炭カラム１０２を通った後、ドレインタンク１０４に導入し、符号２から排出する。キャリアガスの加湿量は、キャリアガスの流量やバブリング方法を変えることにより調整することができる。また、水タンク１０１中の水を加熱することによっても、加湿量を増加させることができる。また、必要に応じて、ドレインタンク１０４の内部又は下流側に触媒燃焼装置等の燃焼部を設置することにより、符号２からの排気を浄化することができる。ドレインタンク１０４を設けずに活性炭カラム１０２の下流側に燃焼部を設けてもよい。

なお、ヒータ１０３は、電気式のものでもよいが、石油、天然ガス等の燃焼によって発生する熱を利用するものでもよい。また、活性炭カラム１０２において除去した有害物質等の有機物を燃焼する際に発生する熱を利用するものでもよい。この場合、上記の触媒燃焼装置の排熱を利用してもよい。

以上の水浄化システムの構成によれば、吸着槽から吸着材を取り出すことなく、再生することができる。

ここで、ヒータ１０３の制御方法について説明する。

ヒータ１０３は、活性炭カラム１０２で水を浄化する工程（浄水工程）においては、電源を切った状態（オフ）とし、又は、熱源からの熱の供給を遮断する。

活性炭カラム１０２を再生する工程においては、電源を入れた状態（オン）とし、又は、熱源からの熱を供給する。そして、活性炭カラム１０２が所定の温度となった段階では、その温度を一定に保つように加熱量を調節する。所定の時間が経過し、活性炭カラム１０２の再生が終了した段階で電源を切った状態（オフ）とし、又は、熱源からの熱の供給を遮断することにより、活性炭カラム１０２を冷却する。

言い換えると、ヒータ１０３による活性炭カラム１０２の再生工程（加熱工程）は、昇温工程、定温工程及び冷却工程を含むものである。

以上のように、活性炭カラム１０２においては、浄水工程及び再生工程という２つの工程によって繰り返し操作が行われるため、ヒータ１０３を付設した活性炭カラム１０２を２基以上設けることが望ましい。この構成によれば、一方の活性炭カラム１０２で浄水工程を行っている間に、他方の活性炭カラム１０２で再生工程を行うことができ、水浄化システムによる浄水工程を中断することなく行うことができる。

以上のような方法で、活性炭に付着した吸着物質を脱離除去し、吸着能を再生させることが可能である。

水タンク１０１に入れて用いる水としては、純水でもよいが、脱離除去能力を高めるために、水に過酸化水素等の酸化剤、又は酸性若しくは塩基性の化学物質を添加することも有効である。また、キャリアガスとしては、窒素、アルゴン等の不活性ガスを用いることが可能である。また、脱離除去能力を高めるために、キャリアガスに酸素等の酸化性ガスを含有させる方法も有効である。さらには、符号２からの排気を、再び、符号１から導入することによりキャリアガスの再利用を行い、吸着材の再生コストを削減することも可能である。

次に、活性炭Ａ及び活性炭Ｂを用いて、上記方法で吸着能を再生した例を説明する。活性炭Ａ及び活性炭Ｂは、石炭系の粒状活性炭であり、微細孔の構造がやや異なる。吸着物質としてフェノール及び酢酸を用いた例を示す。

ここで、フェノール及び酢酸は、オイルサンド等から石油を生産する場合に発生する汚水に含まれる有機物の中でも、凝集分離等による除去が困難なものである。このため、活性炭等による吸着分離が必要となる。

図２は、両活性炭のフェノール水溶液に対する等温吸着曲線を示したものである。また、図３は、両活性炭の酢酸水溶液に対する等温吸着曲線を示したものである。

温度は２０℃であり、５０００ｐｐｍ、２０００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ、５００ｐｐｍ、２００ｐｐｍの標準溶液１００ｍＬを作製し、それに活性炭１ｇを浸漬し、１５時間撹拌した後、溶液の平衡濃度をガスクロマトグラフィで定量することにより、等温吸着曲線を作製した。

これらの図から、フェノール及び酢酸のいずれの場合においても、活性炭Ａの方が、活性炭Ｂに比較して吸着量が多い傾向にあることがわかる。

次に、再生率の測定手順について説明する。

まず、５０００ｐｐｍのフェノール又は酢酸の水溶液１００ｍＬに活性炭１ｇを加え、１５時間撹拌して、平衡状態に達した活性炭を取出す。このときの平衡吸着量を「吸着量１」と呼ぶことにする。

次に、この活性炭を図１の装置を用いて再生処理を行う。処理時間は１時間であり、キャリアガスである窒素の流量は２００ｍＬ／ｍｉｎである。また、使用した水分量は１ｍＬ／ｈｒである。

その後、再度、上述の手順により平衡吸着量を測定する。このときの平衡吸着量を「吸着量２」と呼ぶことにする。

再生率は、下記計算式により算出した。単位は％である。

（再生率）＝（吸着量２）／（吸着量１）×１００
図４は、活性炭Ａ及び活性炭Ｂのフェノール吸着能の再生率に対する再生温度依存性を示したものである。

活性炭Ａ及び活性炭Ｂのいずれの場合においても、２５０℃、３００℃、４００℃のいずれの温度においても、９５％以上の再生率を得ることができた。ただし、水がない場合、すなわち、キャリアガスを加湿せずに供給した場合は、再生率は４００℃においても５０％弱であった。

図５は、活性炭Ａ及び活性炭Ｂの酢酸吸着能の再生率に対する再生温度依存性を示したものである。

活性炭Ａ及び活性炭Ｂのいずれの場合においても、２５０℃、３００℃、４００℃のいずれの温度においても、９５％以上の再生率を得ることができた。ただし、水がない場合、すなわち、キャリアガスを加湿せずに供給した場合は、再生率は３００℃においても３０％弱であった。

なお、昇温は、キャリアガスを供給し始めてから開始し、上記の各温度で一定に保ち、その後、ヒータをオフにして自然に冷却した。

以上のように、加湿した窒素ガス中で、２５０℃以上の温度で１時間の熱処理を施すことにより、活性炭の吸着能を９５％以上に回復させることが可能である。

本発明は、窒素等のキャリアガスに水蒸気が含まれるか否かによって再生率が大きく異なるという上述の実験結果に基づいてなされたものである。また、キャリアガスの温度は、通常の再生に用いられている５００℃以上の温度に比べて低くてもよいため、再生のためのランニングコストを抑制することができる。

また、本発明によれば、比較的低温度の熱処理によって活性炭の有機物質の吸着能を再使用可能な程度に再生する方法および装置を提供することができる。

本発明においては、水を含有するキャリアガス雰囲気で、活性炭を４００℃以下の低温で熱処理を行う。このように希薄な水分を含有するキャリアガスを用いた場合に再生率が高まる理由については、十分に解明されていないが、単一の水分子もしくは数個の分子が結合したクラスター水が、活性炭の微細孔の内部にまで入り込み、吸着物質の脱離に寄与していることが考えられる。

従来の水蒸気が大量に対流しているところに活性炭を曝露する方法では、水分子が大きなクラスターとして存在するため、表面が撥水性の活性炭表面の微細孔内部に入り込めず、結果として付着物を脱離させる効果が大幅に低減してしまうと考える。

１０１：水タンク、１０２：活性炭カラム、１０３：ヒータ、１０４：ドレインタンク、６０１：凝集槽、６０２：沈殿槽、６０３：濾過槽、６０４：吸着槽。

Claims

汚染水の浄化に用いた吸着材に付着した吸着物質を除去して再生する方法であって、前記吸着材に水を含む１００℃以下のキャリアガスを供給する含水ガス供給工程と、前記吸着材を４００℃以下の温度に加熱する加熱工程とを含むことを特徴とする吸着材再生方法。
前記含水ガス供給工程は、前記キャリアガスを液体の水に注入してバブリングすることによって前記キャリアガスに前記水を混合する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の吸着材再生方法。
前記含水ガス供給工程は、液体の水を加熱する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の吸着材再生方法。
前記含水ガス供給工程は、液体の水に超音波を印加して前記キャリアガスに霧を混合する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の吸着材再生方法。
前記吸着材は、活性炭であることを特徴とする請求項１記載の吸着材再生方法。
前記吸着物質は、分子量２００以下の低分子アルコール又は低分子酸であることを特徴とする請求項１記載の吸着材再生方法。
前記キャリアガスは、不活性ガスであることを特徴とする請求項１記載の吸着材再生方法。
前記キャリアガスに酸化性ガスを混合することを特徴とする請求項１記載の吸着材再生方法。
前記液体の水に酸化剤を混合することを特徴とする請求項２記載の吸着材再生方法。
前記液体の水に酸性又は塩基性の化学物質を混合することを特徴とする請求項２記載の吸着材再生方法。
前記キャリアガスは、循環して再利用することを特徴とする請求項１記載の吸着材再生方法。
さらに、前記吸着材から前記キャリアガスに移動した前記吸着物質を水溶液として回収する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の吸着材再生方法。
さらに、前記吸着材から前記キャリアガスに移動した前記吸着物質を燃焼処理する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の吸着材再生方法。
前記加熱工程は、昇温工程、定温工程及び冷却工程を含むことを特徴とする請求項１記載の吸着材再生方法。
汚染水の浄化に用いた吸着材に付着した吸着物質を除去して再生する装置であって、吸着材設置部と、前記吸着材にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部と、前記キャリアガスに水を混合する水供給部と、前記吸着材を加熱する熱源部とを備え、前記吸着材設置部には、前記水を含む１００℃以下の前記キャリアガスが供給され、前記熱源部は、前記吸着材設置部の前記吸着材を４００℃以下の温度に加熱し、前記吸着材に付着した前記吸着物質を除去することを特徴とする吸着材再生装置。
前記水供給部は、前記キャリアガスを液体の水に注入してバブリングする構成を有することを特徴とする請求項１５記載の吸着材再生装置。
前記水供給部は、液体の水を加熱する構成を有することを特徴とする請求項１５記載の吸着材再生装置。
前記水供給部は、液体の水超音波を印加する構成を有することを特徴とする請求項１５記載の吸着材再生装置。
前記吸着材は、活性炭であることを特徴とする請求項１５記載の吸着材再生装置。
前記吸着物質は、分子量２００以下の低分子アルコール又は低分子酸であることを特徴とする請求項１５記載の吸着材再生装置。
前記キャリアガスは、不活性ガスであることを特徴とする請求項１５記載の吸着材再生装置。
前記キャリアガスに酸化性ガスを混合する構成を有することを特徴とする請求項１５記載の吸着材再生装置。
前記液体の水に酸化剤を混合する構成を有することを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の吸着材再生装置。
前記液体の水に酸性又は塩基性の化学物質を混合する構成を有することを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の吸着材再生装置。
前記キャリアガスを循環して再利用する構成を有することを特徴とする請求項１５記載の吸着材再生装置。
さらに、前記吸着材から前記キャリアガスに移動した前記吸着物質を水溶液として回収する液貯留部を含むことを特徴とする請求項１５記載の吸着材再生装置。
さらに、前記吸着材から前記キャリアガスに移動した前記吸着物質を燃焼処理する燃焼部を含むことを特徴とする請求項１５記載の吸着材再生装置。
請求項１５〜２７のいずれか一項に記載の吸着材再生装置を用いたことを特徴とする水浄化システム。
汚染水に凝集剤を混合する凝集槽と、凝集物を沈殿させる沈殿槽と、残った凝集物を除去する濾過槽と、吸着材を設置した吸着槽とを備え、前記吸着槽は、前記吸着材にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部と、前記キャリアガスに水を混合する水供給部と、前記吸着材を加熱する熱源部とを有することを特徴とする水浄化システム。
前記吸着槽を複数備えたことを特徴とする請求項２９記載の水浄化システム。