JP2019181404A - 電気二重層を用いた排水処理方法および排水処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】安定した処理を長時間持続できる排水処理方法の提供。【解決手段】第一電極１１に正極を、第二電極１２に負極を接続して直流電圧を印加して排水中のイオン性物質を各電極に吸着させる第一吸着除去工程と、第一電極１１に負極を、第二電極１２に正極を接続して直流電圧を印加して、所定液に各電極に吸着しているイオン性物質を脱着させる第一脱着工程と、第一吸着除去工程と第一脱着工程とを交互に行う第一吸脱工程と、第一電極１１に負極を、第二電極１２に正極を接続して直流電圧を印加して排水中のイオン性物質を各電極に吸着させる第二吸着除去工程と、第一電極１１に正極を、第二電極１２に負極を接続して直流電圧を印加して、各電極に吸着しているイオン性物質を脱着させる第二脱着工程と、第二吸着除去工程と第二脱着工程とを交互に行う第二吸脱工程とを含み、第一吸脱着工程と第二吸脱着工程とを交互に行う。【選択図】図１

Description

本発明は、電気二重層を用いた排水（例えばイオン性物質含有液）の処理方法および排水処理システムに関する。

電気二重層を用いた液中のイオン性物質除去について特許文献１〜９がある。特許文献１〜９の電気二重層の電極への印加方法は、電極にイオン性物質を吸着させる際に正負電極間に直流定電圧を印加し、電極からイオン性物質を脱着（脱離）させる際に正負電極間を短絡または逆接続で直流定電圧を印加する。

特許３３０２４４３号 特開２００２−２７３４３４号 特開２００２−２１０４６７号 特開２００２−２１０４６９号 特開２００２−２７３４４１号 特開２００２−３３６８６３号 特開２００２−３３６８６０号 特開２０１２−０８６１９２号 特開２０１２−０８６１８９号

電気二重層において、長時間吸着および脱着を繰り返すと、電極上にイオン性物質が固着し蓄積され徐々に電気二重層を形成するサイト（吸着機能を発揮する電極表面積）が減少し、処理性能が低下することが知られている。
性能が低下した電極は、水洗浄、薬品洗浄などの簡易な再生処理では、性能を回復することが困難であり、新品の電極へ交換する必要があった。
しかしながら上記特許文献１〜９は、いずれも、脱着処理において短絡または逆接続で直流定電圧を印加するため、ある程度のイオン性物質は電極から脱着するものの、長時間運転において、吸着および脱着を繰り返し行うとイオン性物質の吸着性能が低下していた。
そして、排水には多種のイオン性物質が含まれており、排水中のイオン含有濃度も一定していない。

そこで上記実情に鑑み本発明の目的は、電気二重層の処理性能の低下を抑制し、安定した処理を長時間持続することを可能とする、電気二重層を用いた排水処理方法および排水処理システムを提供することである。

本発明者は、まず、処理性能が低下した電気二重層の電極（集電極とも呼ぶ）に堆積したイオン性物質を評価した。その結果、１族元素（価数１）よりも２族元素（価数２）のイオンが多く固着している傾向を発見した。例えば、ごみ焼却施設内のプラント排水、焼却灰の洗浄廃水を被処理排水とした場合に、カルシウム（Ｃａ^２＋）、マグネシウム（Ｍｇ^２＋）が高濃度に含まれており、電極から高濃度のカルシウム、マグネシウムを検出した。また、高濃度の価数１のナトリウム（Ｎａ^＋）、カリウム（Ｋ^＋）も検出した。
次に、本発明者は、処理性能が低下した電気二重層の電極において、第一電極に電源の正極を、第二電極に電源の負極を接続して行った吸着処理に対し、この吸着処理時の接続と逆接続となるように第一電極に電源の負極を、第二電極に電源の正極を接続して電圧を印加し、電極からそれに固着したイオンを強制的に脱着できるか否かを評価した。その結果、長時間にわたり吸着除去時の接続と逆の接続で電圧を印加させても、固着したイオンを電極から脱着させる効果は低くかった。特に、価数の高いイオンほど電極から脱着しにくい傾向であることを発見した。
さらに、長時間電圧印加をさせると陽極酸化を起こすことが懸念された。また、印加電圧を高くすると水分解が生じるので印加電圧の値にもある程度の制限が必要であった。
以上の実験を含む鋭意研究の結果、本発明者は、電気二重層の処理性能の低下を抑制し、安定した処理を長時間持続することを可能とする、電気二重層を用いた排水処理方法および排水処理システムを創作するに至った。

本発明の電気二重層を用いた排水処理方法は、
（１）電気二重層の第一電極に正極を、第二電極に負極を接続して直流電圧を印加して、電気二重層にある排水中のイオン性物質を第一電極および第二電極に吸着させる第一吸着除去工程と、
（２）第一電極に負極を、第二電極に正極を接続して直流電圧を印加して、または第一電極と第二電極との間を短絡して、電気二重層にある所定液に第一電極および第二電極に吸着しているイオン性物質を脱着させる第一脱着工程と、
（３）前記第一吸着除去工程と前記第一脱着工程とを交互に行う第一吸脱着工程と、
（４）電気二重層の第一電極に負極を、第二電極に正極を接続して直流電圧を印加して、電気二重層にある排水中のイオン性物質を第一電極および第二電極に吸着させる第二吸着除去工程と、
（５）第一電極に正極を、第二電極に負極を接続して直流電圧を印加して、または第一電極と第二電極との間を短絡して、電気二重層にある所定液に第一電極および第二電極に吸着しているイオン性物質を脱着させる第二脱着工程と、
（６）前記第二吸着除去工程と前記第二脱着工程とを交互に行う第二吸脱着工程と、を含み、前記第一吸脱着工程と前記第二吸脱着工程とを交互に行う。

排水は、イオン性物質含有液であり、例えば、ごみ焼却施設内のプラント排水、焼却灰の洗浄廃水を含む。
第一吸着除去工程および第二吸着除去工程において、電気二重層にある排水は、例えば電気二重層に流通している排水、あるいは電気二重層に滞留している排水を含む。
第一脱着工程および第二脱着工程において、電気二重層にある所定液は、例えば電気二重層に流通している所定液、あるいは電気二重層に滞留している所定液を含む。
第一脱着工程および第二脱着工程における所定液は、排水、または排水と異なる液体であってもよい。
第一脱着工程および／または第二脱着工程は、第一、第二電極に電圧を印加せずに行ってもよい。
第一吸脱工程および／または第二吸脱着工程の繰返回数は、１または２以上でもよく、３以上が好ましい。また、第一吸脱着工程および／または第二吸脱着工程の繰返回数は、１００以下であることが好ましい。
第一吸脱着工程と第二吸脱着工程とを交互に行う切替回数は、１または２以上でもよく、３以上が好ましい。また、第一吸脱着工程と第二吸脱着工程とを交互に行う切替回数は、１００以下であることが好ましい。

吸着除去工程と脱着工程との切り替えタイミングあるいは工程終了のタイミングは、例えば、排水の流速、排水の流通時間、排水中のイオン性物質のイオン濃度、電気伝導率に基づいて設定されてもよい。
例えば、吸着除去工程において、電気二重層の入口側の排水の電気伝導率σ＿ｉｎと、電気二重層の出口側の排水の電気伝導率σ＿ｏｕｔとの差が、電気伝導率σ＿ｉｎの７０％以上（（σ＿ｉｎ−σ＿ｏｕｔ）／σ＿ｉｎ×１００）の場合に吸着除去工程を終了してもよい。例えば、電気伝導率σ＿ｉｎの７０％以上の場合に排水中のイオン性物質が電極に吸着しにくくなったと仮定して脱着工程に切り替えることが好ましい。
また、吸着除去工程は、排水を一定流速とし、予め設定した流通時間が経過したら終了してもよい。排水の種類あるいは排水中のイオン濃度に応じて流速、流通時間を設定してもよい。
また、吸着除去工程は、電気伝導率が予め設定された閾値に達したら終了してもよい。例えば、閾値として、機器冷却水補給水の基準値である３０ｍＳ/ｍを採用してもよい。
また、脱着工程は、電気二重層の出口側の所定液の電気伝導率σ＿ｏｕｔが流通時間と共に増加してから減少し、入口側の所定液の電気伝導率σ＿ｉｎと同じまたは略同じになったら終了してもよい。ここで、略同じは、適宜設定可能であるが、例えば、差（（σ＿ｉｎ−σ＿ｏｕｔ）／σ＿ｉｎ×１００）が０．１％〜１０％の範囲であってもよい。
また、脱着工程は、所定液の流速を一定とし、予め設定した流通時間が経過したら終了してもよい。排水の種類あるいは排水中のイオン濃度に応じて流速、流通時間を設定してもよい。

第一吸脱着工程は、第一脱着工程において、電気二重層の出口側の排水の電気伝導率σ＿ｏｕｔが流通時間の増加に伴い増加してから減少する場合に、その増加量が閾値未満であった、あるいはその増加量が閾値未満であった回数が所定値に達したら、終了してもよい。
また、第一吸脱着工程は、第一脱着工程において、電気二重層の出口側の排水の電気伝導率σ＿ｏｕｔが入口側の排水の電気伝導率σ＿ｉｎと同じまたは略同じであったら終了してもよく、あるいは同じまたは略同じであった回数が所定値に達したら終了してもよい。ここで、略同じは、適宜設定可能であるが、例えば、差（（σ＿ｉｎ−σ＿ｏｕｔ）／σ＿ｉｎ×１００）が０．１％〜１０％の範囲であってもよい。閾値、所定値は、予め設定されていてもよく、運転中に変更されてもよい。

第二吸脱着工程は、第二脱着工程において、電気二重層の出口側の排水の電気伝導率σ＿ｏｕｔが流通時間の増加に伴い増加してから減少する場合に、その増加量が閾値未満であった、あるいはその増加量が閾値未満であった回数が所定値に達したら、終了してもよい。
また、第二吸脱着工程は、第二脱着工程において、電気二重層の出口側の排水の電気伝導率σ＿ｏｕｔが入口側の排水の電気伝導率σ＿ｉｎと同じまたは略同じであったら終了してもよく、あるいは同じまたは略同じであった回数が所定値に達したら終了してもよい。ここで、略同じは、適宜設定可能であるが、例えば、差（（σ＿ｉｎ−σ＿ｏｕｔ）／σ＿ｉｎ×１００）が０．１％〜１０％の範囲であってもよい。閾値、所定値は、予め設定されていてもよく、運転中に変更されてもよい。

第一吸脱着工程と第二吸脱着工程とを交互に行う工程は、第一、第二脱着工程において、電気二重層の出口側の排水の電気伝導率σ＿ｏｕｔが流通時間の増加に伴い増加してから減少する場合に、その増加量が閾値未満であった回数が所定値に達したら、終了してもよい。
また、第一吸脱着工程と第二吸脱着工程とを交互に行う工程は、第一、第二脱着工程において、電気二重層の出口側の排水の電気伝導率σ＿ｏｕｔが入口側の排水の電気伝導率σ＿ｉｎと同じまたは略同じになった回数が所定値に達したら終了してもよい。ここで、略同じは、適宜設定可能であるが、例えば、差（（σ＿ｉｎ−σ＿ｏｕｔ）／σ＿ｉｎ×１００）が０．１％〜１０％の範囲であってもよい。閾値、所定値は、予め設定されていてもよく、運転中に変更されてもよい。
第一吸脱着工程と第二吸脱着工程とを交互に行う工程の終了は、電極の性能が低下しているため、例えば、電極を交換するタイミングであってもよい。

他の本発明は、電気二重層を用いた排水処理システムであって、
電気二重層と、
前記電気二重層の第一電極および第二電極に直流電圧を印加する電源と、
前記第一電極に前記電源の正極および前記第二電極に前記電源の負極を接続する第一配線と、
前記第一電極に前記電源の負極および前記第二電極に前記電源の正極を接続する第二配線と、
前記第一配線と前記第二配線を切り替える切替部と、
上記電気二重層を用いた排水処理方法の各工程に応じて前記第一配線と前記第二配線を切り替えるように、前記切替部を制御する制御部と、を有する。

上記排水処理システムは、前記電気二重層の入口側を流通する排水の電気伝導率を測定する入口測定部と、
前記電気二重層の出口側を流通する排水の電気伝導率を測定する出口測定部と、を有していてもよい。

前記制御部は、入口測定部で測定される電気伝導率σ＿ｉｎと、出口測定部で測定される電気伝導率σ＿ｏｕｔを取得し、前記電気伝導率σ＿ｉｎおよび前記電気伝導率σ＿ｏｕｔに基づいて前記排水処理方法の（１）〜（６）の各工程を終了するタイミングを決定してもよい。

電気伝導率を測定する入口測定部、出口測定部としては、例えば、電気伝導率計、イオンクロマトグラフなどが挙げられる。

［発明の効果］
上記発明によれば、電気二重層の処理性能の低下を抑制し、安定した処理を長時間持続することが可能である。
また、イオン堆積による電極の吸着除去性能の低下を抑制できるため、電極の長期間使用が可能となり、電極の交換頻度を減少させることができる。

実施形態１に係る排水処理システムの機能概略図である。 実施形態１に係る排水処理方法のフローである。

本発明に係る実施形態１の排水処理システムおよび排水処理方法を図１、２を参照しながら説明する。実施形態１の排水処理システム１００は本発明の排水処理方法を好適に実施しうるが、本発明の排水処理方法が本実施形態１に限定されるものではない。

図１において、排水処理システム１００は、電気二重層１と、電気二重層１の第一電極１１および第二電極１２に直流電圧を印加する電源２と、第一電極１１に電源２の正極２１および第二電極１２に電源２の負極２２を接続する第一配線４１と、第一電極１１に電源２の負極２２および第二電極１２に電源２の正極２１を接続する第二配線４２と、第一配線４１と第二配線４２を切り替える切替部３と、第一配線４１と第二配線４２を切り替えるように、切替部３を制御する制御部５を有する。

切替部３は、例えば、回路配線を切り替えるスイッチ、電磁開閉器、リレーなどで構成される。実施形態１では、切替部３は電磁接触器ＭＣ１、ＭＣ２を有して構成される。
制御部５は、専用回路、ファームウエアおよび組み込みプログラムで構成されていてもよく、プログラムとそれを格納するメモリとそのプログラムを実行するプロセッサーとで構成されていてもよい。

実施形態１において、第一電極、第二電極は、活性炭繊維を有して構成されているが、特にこれに制限されない。

吸着除去工程において、電気二重層１の入口側から排水７１が送り込まれ、電気二重層１の出口側から処理済排水７２が排出される。入口測定部６１は、排水７１の電気伝導率を測定する。出口測定部６２は、処理済排水７２の電気伝導率を測定する。
また、脱着工程において、電気二重層１の入口側から所定液（不図示）が送り込まれ、電気二重層１の出口側からイオン性物質含有所定液（不図示）が排出される。入口測定部６１は、所定液の電気伝導率を測定する。出口測定部６２は、イオン性物質含有所定液の電気伝導率を測定する。

制御部５０は、図２に示す排水処理フローに基づいて切替部３および電源２を制御する。

ステップＳ１の第一吸着除去工程は、電源２をＯＮ、ＭＣ１をＯＮにする。第一配線４１により、正極２１が第一電極１１に、負極２２が第二電極１２に接続される。第一電極１１、第二電極１２に、イオン性物質が吸着する。
第一吸着除去工程は、電気二重層の入口側の排水の電気伝導率σ＿ｉｎと、電気二重層の出口側の排水の電気伝導率σ＿ｏｕｔとの差が、電気伝導率σ＿ｉｎの７０％以上（（σ＿ｉｎ−σ＿ｏｕｔ）／σ＿ｉｎ×１００）の場合に終了する。

ステップＳ２の第一脱着工程は、電源２をＯＦＦ、ＭＣ１をＯＦＦにする。または、第一脱着工程は、第一電極と第二電極との間を短絡してもよく、ＭＣ２をＯＮ、電源２をＯＮにしてもよい。第二配線４２により、正極２１が第二電極１２に、負極２２が第一電極１１に接続される。第一吸着除去工程とは異なる逆配線接続となり、電極に吸着したイオン性物質が脱離される。
第一脱着工程において、所定液として、電気二重層１に排水７１を流通させた状態で行ってもよく、排水が溜まった状態で行ってもよく、排水と異なる液体、例えば水を流通させてもよい。
第一脱着工程は、電気二重層の出口側の所定液の電気伝導率σ＿ｏｕｔが流通時間と共に増加してから減少し、入口側の所定液の電気伝導率σ＿ｉｎと同じまたは略同じになったら終了する。

ステップＳ３の第一吸脱着工程において、第一吸着除去工程と第一脱着工程とを交互に、所定回数繰り返す。所定回数Ｎ１が閾値Ｎｍａｘ未満まで繰り返し、閾値Ｎｍａｘに達したら第一吸脱着工程は終了する。
実施形態１において、閾値Ｎｍａｘは、１以上１００以下の範囲が例示され、好ましくは２以上１００以下であり、より好ましくは３以上１００以下である。
別実施形態として、第一吸脱着工程は、第一脱着工程において、電気二重層の出口側の所定液の電気伝導率σ＿ｏｕｔが流通時間の増加に伴い増加してから減少する場合に、その増加量が閾値未満であった、あるいはその増加量が閾値未満であった回数が所定値に達したら、終了してもよい。また、第一吸脱着工程は、第一脱着工程において、電気二重層の出口側の所定液の電気伝導率σ＿ｏｕｔが入口側の所定液の電気伝導率σ＿ｉｎと同じまたは略同じであったら終了してもよく、あるいは同じまたは略同じであった回数が所定値に達したら終了してもよい。

ステップＳ４の第二吸着除去工程は、電源２をＯＮ、ＭＣ２をＯＮにする。第二配線４２により、正極２１が第二電極１２に、負極２２が第一電極１１に接続される。第一吸着除去工程とは異なり、逆接続（極性変換）により、第二吸着除去工程を行う。
第二吸着除去工程は、電気二重層の入口側の排水の電気伝導率σ＿ｉｎと、電気二重層の出口側の排水の電気伝導率σ＿ｏｕｔとの差が、電気伝導率σ＿ｉｎの７０％以上（（σ＿ｉｎ−σ＿ｏｕｔ）／σ＿ｉｎ×１００）の場合に終了する。

ステップＳ５の第二脱着工程は、電源２をＯＦＦ、ＭＣ２をＯＦＦにする。または、第二脱着工程は、第一電極と第二電極との間を短絡してもよく、ＭＣ１をＯＮ、電源２をＯＮにしてもよい。第一配線４１により、正極２１が第一電極１１に、負極２２が第二電極１２に接続される。
第二脱着工程において、所定液として、電気二重層１に排水７１を流通させた状態で行ってもよく、排水が溜まった状態で行ってもよく、排水と異なる液体、例えば水を流通させてもよい。
第二脱着工程は、電気二重層の出口側の所定液の電気伝導率σ＿ｏｕｔが流通時間の増加に伴い増加してから減少し、入口側の所定液の電気伝導率σ＿ｉｎと同じまたは略同じになったら終了する。

ステップＳ６の第二吸脱着工程において、第二吸着除去工程と第二脱着工程とを交互に、所定回数繰り返す。所定回数Ｎ２が閾値Ｎｍａｘ未満まで繰り返し、閾値Ｎｍａｘに達したら第二吸脱着工程は終了する。
実施形態１において、閾値Ｎｍａｘは、１以上１００以下の範囲が例示され、好ましくは２以上１００以下であり、より好ましくは３以上１００以下である。
別実施形態として、第二吸脱着工程は、第二脱着工程において、電気二重層の出口側の所定液の電気伝導率σ＿ｏｕｔが流通時間の増加に伴い増加してから減少する場合に、その増加量が閾値未満であった、あるいはその増加量が閾値未満であった回数が所定値に達したら、終了してもよい。また、第二吸脱着工程は、第二脱着工程において、電気二重層の出口側の所定液の電気伝導率σ＿ｏｕｔが入口側の所定液の電気伝導率σ＿ｉｎと同じまたは略同じであったら終了してもよく、あるいは同じまたは略同じであった回数が所定値に達したら終了してもよい。

ステップＳ６の終了後、ステップ１へ戻り、ステップ１からステップ６を所定回数繰り返す。本実施形態において、所定回数として、１以上１００以下の範囲が例示され、好ましくは２以上１００以下であり、より好ましくは３以上１００以下であってもよい。
別実施形態として、第一、第二脱着工程において、電気二重層の出口側の所定液の電気伝導率σ＿ｏｕｔが流通時間の増加に伴い増加してから減少する場合に、その増加量が閾値未満であった回数が所定値に達したら、ステップ１へ戻らずに第一、第二吸脱着工程を繰り返さずに終了してもよい。または、第三繰返工程は、第一、第二脱着工程において、電気二重層の出口側の所定液の電気伝導率σ＿ｏｕｔが入口側の所定液の電気伝導率σ＿ｉｎと同じまたは略同じになった回数が所定値に達したら、ステップ１へ戻らずに第一、第二吸脱着工程を繰り返さずに終了してもよい。
ステップＳ１へ戻らない場合において、性能低下しているため電極を交換してもよい。

制御部５は、入口測定部６１で測定された電気伝導率σ＿ｉｎと、出口測定部６２で測定された電気伝導率σ＿ｏｕｔを取得し、電気伝導率σ＿ｉｎおよび電気伝導率σ＿ｏｕｔに基づいて上記各ステップを終了するタイミングを決定してもよい。

実施形態１において、電気二重層の電極へ印加される電圧は、１Ｖ〜５Ｖの範囲であり、好ましくは１．５Ｖ〜２Ｖである。

１００ 排水処理システム
１ 電気二重層
１１ 第一電極
１２ 第二電極
２ 電源
２１ 正極
２２ 負極
３ 切替部
４１ 第一配線
４２ 第二配線
５ 制御部
６１ 入口測定部
６２ 出口測定部

Claims (3)

1. 電気二重層を用いた排水処理方法であって、
   （１）電気二重層の第一電極に正極を、第二電極に負極を接続して直流電圧を印加して、電気二重層にある排水中のイオン性物質を第一電極および第二電極に吸着させる第一吸着除去工程と、
   （２）第一電極に負極を、第二電極に正極を接続して直流電圧を印加して、または第一電極と第二電極との間を短絡して、電気二重層にある所定液に第一電極および第二電極に吸着しているイオン性物質を脱着させる第一脱着工程と、
   （３）前記第一吸着除去工程と前記第一脱着工程とを交互に行う第一吸脱着工程と、
   （４）電気二重層の第一電極に負極を、第二電極に正極を接続して直流電圧を印加して、電気二重層にある排水中のイオン性物質を第一電極および第二電極に吸着させる第二吸着除去工程と、
   （５）第一電極に正極を、第二電極に負極を接続して直流電圧を印加して、または第一電極と第二電極との間を短絡して、電気二重層にある所定液に第一電極および第二電極に吸着しているイオン性物質を脱着させる第二脱着工程と、
   （６）前記第二吸着除去工程と前記第二脱着工程とを交互に行う第二吸脱着工程と、を含み、前記第一吸脱着工程と前記第二吸脱着工程とを交互に行う排水処理方法。
2. 電気二重層を用いた排水処理システムであって、
   電気二重層と、
   前記電気二重層の第一電極および第二電極に直流電圧を印加する電源と、
   前記第一電極に前記電源の正極および前記第二電極に前記電源の負極を接続する第一配線と、
   前記第一電極に前記電源の負極および前記第二電極に前記電源の正極を接続する第二配線と、
   前記第一配線と前記第二配線を切り替える切替部と、
   請求項１に記載の電気二重層を用いた排水処理方法の（１）〜（６）の工程に応じて前記第一配線と前記第二配線を切り替えるように、前記切替部を制御する制御部と、を有する排水処理システム。
3. 前記電気二重層の入口側を流通する排水の電気伝導率を測定する入口測定部と、
   前記電気二重層の出口側を流通する排水の電気伝導率を測定する出口測定部と、を有し、
   前記制御部は、入口測定部で測定される電気伝導率σ＿ｉｎと、出口測定部で測定される電気伝導率σ＿ｏｕｔを取得し、前記電気伝導率σ＿ｉｎおよび前記電気伝導率σ＿ｏｕｔに基づいて前記排水処理方法の（１）〜（６）の各工程を終了するタイミングを決定する、請求項２に記載の排水処理システム。

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