JP2020032321A - Ion removal system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、イオン除去システムに関する。 The present invention relates to an ion removal system.
従来より、硬水中の金属イオンを除去するイオン除去システムが開示されている(例えば、特許文献1参照)。 BACKGROUND ART Conventionally, an ion removal system for removing metal ions in hard water has been disclosed (for example, see Patent Document 1).
特許文献1のイオン除去システムは、硬水中の金属イオン(カルシウムイオン及びマグネシウムイオン)をイオン交換樹脂により除去するものである。具体的には、ナトリウムイオンを表面に付着させたイオン交換樹脂を含む処理槽に硬水を流すことにより、硬水中の金属イオンをナトリウムイオンと置換し、硬水中から金属イオンを除去する。これにより、硬水の硬度を低下させて軟水を生成する。硬水中に存在していた金属イオンは、イオン交換樹脂の表面に捕捉される。
The ion removal system of
しかしながら、特許文献1のイオン除去システムでは、金属イオンを捕捉したイオン交換樹脂を再生するには大量の塩水が必要であり、メンテナンスに手間が掛かるという課題がある。また、再生処理を行うと、大量の塩水を含む再生排水が生じ、土壌汚染や下水処理の負荷が増大するという課題もある。さらに、イオン除去装置によって軟水化された処理水はナトリウムイオンの濃度が高く、地域によっては飲用水として推奨されない場合がある。
However, in the ion removal system of
このように、イオン交換樹脂を用いたイオン除去システムでは、メンテナンス性及び環境性という観点で改善の余地がある。 As described above, the ion removal system using the ion exchange resin has room for improvement in terms of maintainability and environmental friendliness.
従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、メンテナンス性及び環境性に優れたイオン除去システムを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide an ion removal system excellent in maintainability and environment.
前記目的を達成するために、本発明に係るイオン除去システムは、
硬水に含まれる二酸化炭素を脱気する脱気装置と、
前記脱気装置により二酸化炭素が脱気された硬水を収容する硬水収容部と、微細気泡を発生させて前記硬水収容部に供給する微細気泡発生部とを備え、前記硬水収容部において硬水中の金属イオンを前記微細気泡に吸着させて、硬水中から金属イオンを除去するイオン除去装置と、
を備える。
In order to achieve the above object, an ion removal system according to the present invention comprises:
A degassing device for degassing carbon dioxide contained in hard water,
A hard water storage unit that stores hard water in which carbon dioxide has been degassed by the deaerator, and a fine bubble generation unit that generates fine bubbles and supplies the hard water to the hard water storage unit. An ion removal device that removes metal ions from hard water by adsorbing metal ions to the microbubbles,
Is provided.
本発明によれば、メンテナンス性及び環境性に優れたイオン除去システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the ion removal system excellent in maintainability and environmental characteristics can be provided.
本発明者らは、鋭意検討した結果、硬水中から金属イオンを除去するイオン除去技術(軟水化技術)において、従来使用されていなかった「微細気泡」を用いることで金属イオンの除去を促進できるという新規な知見を見出し、以下の発明に至った。 The present inventors have conducted intensive studies and as a result, in ion removal technology (softening technology) for removing metal ions from hard water, removal of metal ions can be promoted by using “fine bubbles” that have not been used conventionally. And found the following invention.
本発明の一態様に係るイオン除去システムは、
硬水に含まれる二酸化炭素を脱気する脱気装置と、
前記脱気装置により二酸化炭素が脱気された硬水を収容する硬水収容部と、微細気泡を発生させて前記硬水収容部に供給する微細気泡発生部とを備え、前記硬水収容部において硬水中の金属イオンを前記微細気泡に吸着させて、硬水中から金属イオンを除去するイオン除去装置と、を備える。
An ion removal system according to one embodiment of the present invention includes:
A degassing device for degassing carbon dioxide contained in hard water,
A hard water storage unit that stores hard water in which carbon dioxide has been degassed by the deaerator, and a fine bubble generation unit that generates fine bubbles and supplies the hard water to the hard water storage unit. An ion removal device that removes metal ions from hard water by adsorbing metal ions to the microbubbles.
この構成によれば、微細気泡を用いて硬水中から金属イオンを除去するので、イオン交換樹脂を再生するのに必要な大量の塩水を不要にすることができる。これにより、再生処理を簡単にして、メンテナンスを容易にすることができる。また、塩水を含む再生排水も生じないため、土壌汚染や下水処理の負荷を抑えることができ、環境性を向上させることができる。さらに、処理水におけるナトリウムイオンの濃度も高くならないため、生成した処理水を飲用水として使用することができる。さらに、硬水に含まれる二酸化炭素を脱気することで、硬水のpHを上昇させることができる。その結果、微細気泡の表面に存在する負の電荷を増加させて、微細気泡による金属イオンの吸着力を増加させ、金属イオンの除去効率を向上させることができる。 According to this configuration, since the metal ions are removed from the hard water using the fine bubbles, a large amount of salt water necessary for regenerating the ion exchange resin can be eliminated. As a result, the reproduction process can be simplified and the maintenance can be facilitated. Further, since no regenerated wastewater containing salt water is generated, the load of soil pollution and sewage treatment can be suppressed, and the environmental performance can be improved. Furthermore, since the concentration of sodium ions in the treated water does not increase, the produced treated water can be used as drinking water. Further, by degassing carbon dioxide contained in the hard water, the pH of the hard water can be increased. As a result, it is possible to increase the negative charge existing on the surface of the fine bubbles, increase the adsorption of metal ions by the fine bubbles, and improve the efficiency of removing metal ions.
なお、前記脱気装置は、硬水をミスト状に噴霧することにより、当該硬水に含まれる二酸化炭素を脱気するように構成されてもよい。この構成によれば、比較的簡易な構成で硬水に含まれる二酸化炭素を脱気することができる。 The degassing device may be configured to degas carbon dioxide contained in the hard water by spraying hard water in a mist. According to this configuration, carbon dioxide contained in hard water can be degassed with a relatively simple configuration.
また、前記脱気装置は、硬水中に気体を供給してバブリングさせることにより、当該硬水に含まれる二酸化炭素を脱気するように構成されてもよい。この構成によれば、比較的簡易な構成で硬水に含まれる二酸化炭素を脱気することができる。 Further, the deaerator may be configured to supply gas into hard water and perform bubbling to degas carbon dioxide contained in the hard water. According to this configuration, carbon dioxide contained in hard water can be degassed with a relatively simple configuration.
また、前記バブリングさせることにより前記硬水中に発生する気泡は、前記微細気泡発生部が発生させる微細気泡よりも平均外径が大きくてもよい。この構成によれば、硬水中における気泡の割合(気液比)を大きくして、気泡の比表面積を大きくすることができ、硬水に含まれる二酸化炭素の脱気効果を向上させることができる。 The bubbles generated in the hard water by the bubbling may have a larger average outer diameter than the fine bubbles generated by the fine bubble generating section. According to this configuration, the ratio (gas-liquid ratio) of the bubbles in the hard water can be increased to increase the specific surface area of the bubbles, and the degassing effect of carbon dioxide contained in the hard water can be improved.
以下に、本発明に係る実施の形態1−3を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments 1-3 according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1におけるイオン除去システム1の概略構成を示す図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of the
<全体構成>
実施形態1におけるイオン除去システム1は、一次側流路2と、イオン除去装置3と、分離装置4と、二次側流路5とを備えている。
<Overall configuration>
The
一次側流路2は、イオン除去装置3に接続されている。一次側流路2は、イオン除去装置3に硬水を供給する流路である。実施の形態1において、一次側流路2とイオン除去装置3との接続部分には、ポンプPが設けられている。ポンプPは、一次側流路2を流れる硬水を、イオン除去装置3を通じて分離装置4へ流すように機能する。ポンプPの駆動は、制御部6により制御される。
The
一次側流路2には、硬水に含まれる二酸化炭素を脱気する脱気装置16が設けられている。脱気装置16が硬水に含まれる二酸化炭素を脱気することで、硬水のpHを上昇させることができる。実施の形態1において、脱気装置16は、硬水を空気中でミスト状に噴霧することにより、当該硬水に含まれる二酸化炭素を脱気するように構成されている。二酸化炭素を脱気することで硬水のpHが上昇する原理については、後で詳しく説明する。脱気装置16の駆動は、制御部6により制御される。
The
イオン除去装置3は、硬水を収容する硬水収容部3Aと、微細気泡を発生させて硬水収容部3Aに供給する微細気泡発生部3Bとを備えている。イオン除去装置3は、硬水収容部3Aにおいて硬水中の金属イオンを微細気泡に吸着させて、硬水中から金属イオンを除去する装置である。実施の形態1において、硬水収容部3Aは、脱気装置16により二酸化炭素が脱気された硬水を収容する。微細気泡発生部3Bは、ポンプPにガスが入らないように、ポンプPよりも硬水の流れ方向の下流側に配置されている。
The
実施の形態1において、金属イオンとは、カルシウムイオン(Ca2+)又はマグネシウムイオン(Mg2+)である。また、実施の形態1において、微細気泡とは、直径100μm以下の気泡である。微細気泡には、マイクロバブル(直径が例えば1μm以上100μm以下)と、ナノバブル(直径が例えば1μm未満)が含まれる。マイクロバブルは、水処理の分野における当業者がマイクロオーダーの気泡径と認識できる気泡としてもよい。また、ナノバブルは、水処理の分野における当業者がナノオーダーの気泡径と認識できる気泡としてもよい。微細気泡は、水中での滞留時間が長いこと、気泡単体として直径が大きくなりにくく他の気泡と合体しにくいこと、接触面積が大きく化学反応が生じやすいこと等、通常の気泡とは異なった性質を有する。 In the first embodiment, the metal ion is a calcium ion (Ca 2+ ) or a magnesium ion (Mg 2+ ). In the first embodiment, the fine bubbles are bubbles having a diameter of 100 μm or less. The microbubbles include microbubbles (having a diameter of, for example, 1 μm or more and 100 μm or less) and nanobubbles (having a diameter of, for example, less than 1 μm). The microbubbles may be bubbles that can be recognized by those skilled in the field of water treatment as having a microscopic bubble diameter. The nanobubbles may be bubbles that can be recognized by those skilled in the field of water treatment as having a nanometer-order bubble diameter. Fine bubbles have properties that are different from ordinary bubbles, such as long residence time in water, difficulty in increasing their diameter as a single bubble, and difficulty in merging with other bubbles, and a large contact area that tends to cause a chemical reaction. Having.
なお、微細気泡としては、直径100μm以上の気泡(ミリバブルなど)を少しの割合で含むものでもよい。例えば、直径100μm以下の割合が90%以上のものを微細気泡と定義してもよい。これに加えて、直径60μm以下の割合が50%以上、直径20μm以下の割合が5%以上などの条件を加えてもよい。また、気泡の直径(気泡径)を測定する際には、例えば、高速度カメラで微細気泡を含む硬水を直接撮影して、画像処理により3点法で気泡径を算出してもよく、あるいは、それ以外の任意の方法で測定してもよい。気泡径を測定するタイミングは、微細気泡が滞留している時間であれば任意のタイミングであってもよい。なお、前述した高速度カメラを用いた測定方法の条件の一例は、以下の通りである。 Note that the fine bubbles may include bubbles having a diameter of 100 μm or more (such as millibubbles) at a small ratio. For example, those having a diameter of 100 μm or less and a proportion of 90% or more may be defined as fine bubbles. In addition to this, a condition that the ratio of the diameter of 60 μm or less is 50% or more and the ratio of the diameter of 20 μm or less is 5% or more may be added. When measuring the diameter of a bubble (bubble diameter), for example, a hard water containing fine bubbles may be directly photographed by a high-speed camera, and the bubble diameter may be calculated by a three-point method by image processing. May be measured by any other method. The timing for measuring the bubble diameter may be any timing as long as the fine bubbles remain. An example of the conditions of the measurement method using the high-speed camera described above is as follows.
高速度カメラ :FASTCAM 1024 PCI (株式会社フォトロン)
レンズシステム :Z16 APO (Leica社)
対物レンズ :Planapo 2.0x(Leica社)
撮影速度 :1000fps
シャッター速度 :1/505000sec
画像領域 :1024×1024 pixel(マイクロバブル撮影領域 1.42mm×1.42mm、ミリバブル撮影領域 5.69mm×5.69mm)
画像処理ソフト :Image−Pro Plus (Media Cybermetics社)
High-speed camera: FASTCAM 1024 PCI (Photron Co., Ltd.)
Lens system: Z16 APO (Leica)
Objective lens: Planapo 2.0x (Leica)
Shooting speed: 1000fps
Shutter speed: 1/505000 sec
Image area: 1024 × 1024 pixels (micro bubble shooting area 1.42 mm × 1.42 mm, milli bubble shooting area 5.69 mm × 5.69 mm)
Image processing software: Image-Pro Plus (Media Cybermetrics)
実施の形態1において、微細気泡発生部3Bには、イオン除去用ガス供給部7と溶解剤供給部8とがガス切替機構9を介して接続されている。
In the first embodiment, an ion removing
イオン除去用ガス供給部7は、硬水中の金属イオンを除去するイオン除去用ガスを微細気泡発生部3Bに供給するように構成されている。実施の形態1において、イオン除去用ガス供給部7は、イオン除去用ガスとして「空気」を微細気泡発生部3Bに供給するように構成されている。なお、イオン除去用ガス供給部7は、例えば、イオン除去用ガスが充填されたタンクを備えてもよい。また、イオン除去用ガス供給部7は、イオン除去用ガスを生成する装置であってもよい。さらに、イオン除去用ガス供給部7は、イオン除去用ガス供給源に接続される装置であってもよい。
The ion removing
溶解剤供給部8は、硬水中から除去された金属イオンを結晶化して析出した金属成分の結晶を溶解させる溶解剤の一例である溶解用ガスを微細気泡発生部3Bに供給するように構成されている。実施の形態1において、溶解剤供給部8は、溶解用ガスとして「二酸化炭素(CO2)」を微細気泡発生部3Bに供給するように構成されている。溶解剤供給部8は、分離装置4に溶解剤を供給できるように、分離装置4よりも硬水の流れ方向の上流側に配置されている。なお、溶解剤供給部8は、例えば、溶解剤が充填されたタンクを備えてもよい。また、溶解剤供給部8は、溶解剤を生成する装置であってもよい。さらに、溶解剤供給部8は、溶解剤供給源に接続される装置であってもよい。
The dissolving
ガス切替機構9は、イオン除去用ガス又は溶解用ガスのいずれか一方が微細気泡発生部3Bに供給されるように切り替える機構である。ガス切替機構9を切り替えることにより、イオン除去用ガスによる軟水化処理と溶解用ガスによる再生処理とを選択的に行うことができる。ガス切替機構9は、例えば、1以上の弁によって構成されている。ガス切替機構9の切替動作は、制御部6により制御される。
The
微細気泡発生部3Bは、イオン除去用ガスが供給されるようにガス切替機構9が切り替えられたとき、イオン除去用ガスを含む微細気泡を発生させる。この微細気泡が硬水中から金属イオンを除去して金属成分の結晶を分離することにより、硬水が軟水化処理される。軟水化処理の原理については、後で詳しく説明する。
When the
一方、微細気泡発生部3Bは、溶解用ガスが供給されるようにガス切替機構9が切り替えられたとき、溶解用ガスを含む微細気泡を発生させる。この微細気泡により、後述するように分離装置4に付着した金属成分の結晶を溶解させて再生処理することができる。再生処理の原理については、後で詳しく説明する。
On the other hand, when the
分離装置4は、硬水収容部3Aの上方外周部に設けられた接続流路3Cを介してイオン除去装置3に接続されている。分離装置4は、イオン除去装置3によって硬水中から除去された金属イオンを結晶化して析出した金属成分の結晶を分離する装置である。イオン除去装置3及び分離装置4により、硬水中における金属イオンの濃度(硬度)を所定濃度以下まで低下させて、軟水を製造することが可能になる。なお、硬水及び軟水の定義としては、例えば、WHOの定義を用いてもよい。すなわち、硬度120mg/L未満を軟水と定義し、硬度120mg/L以上を硬水と定義してもよい。
The
実施の形態1において、分離装置4は、下方に向けて直径が小さくなるテーパ状の内周面4Aaを有し、硬水が内周面4Aaに沿って下方に向けて螺旋状に流れることによって金属成分の結晶を分離するサイクロン方式の遠心分離装置である。実施の形態1において、分離装置4は、内周面4Aaを有する分離部4Aと、金属成分の結晶を貯留する結晶貯留部4Bとを備えている。
In the first embodiment, the
分離部4Aには、分離部4Aの中心軸から偏心した方向にイオン除去装置3を通過した水を吐出するように接続流路3Cが接続されている。このような偏心配置により、分離部4A内に吐出される水は、内周面4Aaに沿って下方に向けて螺旋状に流れる。硬水中から除去された比重の大きな金属イオンは、遠心分離によって内周面4Aa側に移動し、内周面4Aaの近傍で金属成分の結晶として析出する。当該結晶の一部は内周面4Aaに付着する。
The
結晶貯留部4Bは、分離部4Aの下方に配置されている。結晶貯留部4Bは、金属成分の結晶を含む水を排出する排出流路4Baを備えている。排出流路4Baには、排出流路4Baを開閉可能な開閉弁10が設けられている。開閉弁10の開閉動作は、制御部6により制御される。また、排出流路4Baの開閉弁10よりも排出方向の下流側には、排出側逆流防止機構11が設けられている。
Crystal storage unit 4B is arranged below
排出側逆流防止機構11は、金属成分の結晶が分離装置4内に逆流するのを防止する機構である。この排出側逆流防止機構11により、硬水から金属成分の結晶が分離された処理水(軟水)に、再び金属成分の結晶が混入することを抑えることができる。排出側逆流防止機構11は、例えば、1以上の逆止弁で構成されている。また、排出側逆流防止機構11は、例えば、バキュームブレーカで構成されてもよい。さらに、排出側逆流防止機構11は、排出流路4Baの出口に吐水口空間を設けて逆流を防止するように構成されてもよい。
The discharge-side
二次側流路5は、分離装置4に接続されている。二次側流路5は、金属成分の結晶が分離された処理水を分離装置4から取り出す流路である。実施の形態1において、分離装置4はサイクロン方式の遠心分離装置であるので、金属成分の結晶を内周面4Aaの近傍に集めることができる。二次側流路5内に金属成分の結晶が侵入するのを抑えるため、二次側流路5は、内周面4Aaから離れた位置である分離部4Aの上方中央部に接続されている。
The secondary flow path 5 is connected to the
二次側流路5を流れる処理水は、例えば、キッチン、浴室、トイレ、洗面などに供給される。処理水の使用により、一次側流路2から二次側流路5まで流れる液体の流量が急激に減少した場合、硬水中から金属イオンを遠心分離する速度が低下し、金属イオンの除去効率が低下することが起こり得る。また、金属成分の結晶が処理水中に混入することが起こり得る。
The treated water flowing through the secondary flow path 5 is supplied to, for example, a kitchen, a bathroom, a toilet, a wash surface, and the like. When the flow rate of the liquid flowing from the
このため、実施の形態1において、分離装置4と一次側流路2とには、分離装置4により硬水から金属成分の結晶が分離された処理水の一部を一次側流路2に戻す戻し流路12が接続されている。すなわち、一次側流路2とイオン除去装置3と分離装置4と戻し流路12とで循環流路が構成されている。この循環流路により、一次側流路2から二次側流路5まで流れる液体の流量の変動をより安定化させて、金属イオンの除去効率の低下を抑えることができる。また、ポンプPを駆動することにより、強制的に循環流路内で液体を循環させることで、当該液体の流量の変動をより安定化させて、金属イオンの除去効率の低下を抑えることができる。また、金属成分の結晶が処理水中に混入することを抑えることができる。
For this reason, in the first embodiment, a part of the treated water in which the crystal of the metal component is separated from the hard water by the
なお、循環流路を流れる液体の流量は、軟水の使用流量以上(例えば、2リットル/分)であることが好ましい。循環流路を流れる液体の流量が軟水の使用流量よりも大きければ大きいほど、液体の流量の変動をより安定化させて、安定して軟水を製造することができる。また、循環流路は、密閉系であることが好ましい。これにより、循環流路内に空気が取り込まれることを抑えて、液体の流量の変動をより安定化させることができる。 The flow rate of the liquid flowing through the circulation channel is preferably equal to or higher than the usage flow rate of the soft water (for example, 2 liter / minute). As the flow rate of the liquid flowing through the circulation flow path is larger than the usage flow rate of the soft water, the fluctuation of the flow rate of the liquid is more stabilized, and the soft water can be produced more stably. Further, the circulation channel is preferably a closed system. Thereby, it is possible to suppress the intake of air into the circulation flow path, and to further stabilize the fluctuation of the flow rate of the liquid.
実施の形態1において、戻し流路12の一端部12aは、分離部4Aの中心軸側で開口している。これにより、内周面4Aaの近傍に析出する金属成分の結晶が戻し流路12内に侵入するのを抑えている。また、イオン除去装置3の接続流路3Cは、戻し流路12の一端部12aよりも下方で分離部4Aに接続されている。すなわち、戻し流路12の一端部12aは、金属イオンが除去された硬水が下方に向けて螺旋状に吐出される接続流路3Cの出口よりも上方に位置する。これにより、内周面4Aaの近傍に析出する金属成分の結晶が戻し流路12内に侵入するのをさらに抑えている。
In the first embodiment, one
また、一次側流路2には、供給側逆流防止機構13が設けられている。供給側逆流防止機構13は、微細気泡や処理水が硬水の供給側に逆流するのを防止する機構である。供給側逆流防止機構13は、例えば、1以上の逆止弁で構成されている。実施の形態1において、供給側逆流防止機構13は、戻し流路12よりも一次側流路2の硬水の流れ方向の上流側に設けられている。これにより、微細気泡や処理水などが硬水の供給側に逆流するのをより確実に防止することができる。
Further, a supply side
また、例えば、イオン除去装置3が故障するなどしてメンテナンスが必要な場合、当該メンテナンス中は水の使用ができなくなる。このため、実施の形態1において、一次側流路2と二次側流路5とは、バイパス流路14により接続されている。また、イオン除去システム1は、一次側流路2を流れる硬水の流れ方向を、イオン除去装置3又はバイパス流路14のいずれか一方へ向けるように切り替える流れ切替機構を備えている。当該流れ切替機構を切り替えることにより、一次側流路2を流れる硬水をバイパス流路14を通じて二次側流路5に流すことができるので、メンテナンス中でも硬水の使用を可能にすることができる。また、メンテナンス中でなくても、流れ切替機構を切り替えることにより、硬水と処理水(軟水)とを選択的に使用することが可能になる。
Further, for example, when maintenance is required due to a failure of the
実施の形態1において、流れ切替機構は、一次側流路2を開閉可能な第1弁15Aと、二次側流路5を開閉可能な第2弁15Bと、バイパス流路14を開閉可能な第3弁15Cとを備えている。第1弁15A、第2弁15B、及び第3弁15Cの開閉動作は、制御部6により制御される。
In the first embodiment, the flow switching mechanism can open and close a
制御部6は、第1弁15A及び第2弁15Bを開放するとともに第3弁15Cを閉塞する第1制御と、第1弁15A及び第2弁15Bを閉塞するとともに第3弁15Cを開放する第2制御とを選択的に実行するように構成されている。制御部6が第1制御を実行することで、一次側流路2を流れる硬水がイオン除去装置3へ流れて軟水化処理され、二次側流路5に流入する。これにより、二次側流路5の出口には処理水(軟水)が吐水されることになる。また、制御部6が第2制御を実行することで、一次側流路2を流れる硬水が、バイパス流路14を通じて二次側流路5に流入する。これにより、二次側流路5の出口には硬水が吐水されることになる。すなわち、制御部6が第1制御又は第2制御を実行することで、二次側流路5の出口から硬水又は処理水(軟水)を選択的に吐水させることができる。
The
<脱気によるpHの上昇>
次に、硬水から二酸化炭素を脱気することにより、硬水のpHが上昇する原理についてより詳しく説明する。
<Increase in pH due to degassing>
Next, the principle of increasing the pH of hard water by degassing carbon dioxide from hard water will be described in more detail.
図2に示すように、硬水には、少なくともH+(水素イオン)とOH−(水酸化物イオン)とCO2(二酸化炭素)とH2CO3(炭酸水素)とHCO3 −(炭酸水素イオン)とH2O(水)が含まれる。硬水をミスト状に噴霧すると、空気に触れる硬水の表面積が拡大することにより、硬水に含まれるCO2が空気中に抜けていく。これにより、硬水中のCO2が減少する。 As shown in FIG. 2, hard water contains at least H + (hydrogen ions), OH − (hydroxide ions), CO 2 (carbon dioxide), H 2 CO 3 (hydrogen carbonate), and HCO 3 − (hydrogen carbonate). Ions) and H 2 O (water). When the hard water is sprayed in the form of a mist, the surface area of the hard water that comes into contact with the air increases, so that CO 2 contained in the hard water escapes into the air. Thus, CO 2 is reduced in hard water.
減少したCO2を補うため、緩衝作用により硬水中のH2CO3がCO2とH2Oとに変化する。これにより、硬水中のH2CO3が減少する。具体的な化学式で表すと、以下の式1の通りである。
In order to compensate for the reduced CO 2 , H 2 CO 3 in hard water changes to CO 2 and H 2 O due to a buffering action. As a result, H 2 CO 3 in hard water is reduced. When expressed by a specific chemical formula, the following
(式1)
H2CO3→CO2+H2O
(Equation 1)
H 2 CO 3 → CO 2 + H 2 O
減少したH2CO3を補うため、緩衝作用により硬水中のHCO3 −がH+と結合して、H2CO3に変化する。具体的な化学式で表すと、以下の式2の通りである。
In order to compensate for the reduced H 2 CO 3 , HCO 3 − in hard water binds to H + and changes to H 2 CO 3 by buffering action. When expressed by a specific chemical formula, it is as the following
(式2)
HCO3 −+H+→H2CO3
(Equation 2)
HCO 3 − + H + → H 2 CO 3
このとき、H+が消費されることで、硬水のpHが上昇する。このような緩衝作用が平衡状態になるまで繰り返される。なお、この脱気処理より、硬水のpHを例えば8.5程度まで上昇させることが可能である。 At this time, the consumption of H + increases the pH of the hard water. Such a buffering action is repeated until an equilibrium state is reached. In addition, it is possible to raise the pH of hard water to about 8.5 by this deaeration treatment, for example.
<軟水化処理>
次に、微細気泡による軟水化処理の原理についてより詳しく説明する。
<Softening treatment>
Next, the principle of the water softening treatment using fine bubbles will be described in more detail.
空気を含む微細気泡が硬水中に供給されることで、硬水中の金属イオンに対して以下の(1)、(2)の欄に記載するような作用が生じると推測される。具体的には、硬水中の金属イオンを微細気泡に吸着させるとともに、吸着した金属イオンを結晶化させて、硬水中から金属成分の結晶を除去することができると推測される。より具体的には、以下の通りである。なお、以下の(1)、(2)の欄に記載する特定の原理に拘束される訳ではない。 It is presumed that the action as described in the following columns (1) and (2) occurs on metal ions in hard water by supplying microbubbles containing air into hard water. Specifically, it is presumed that the metal ions in the hard water are adsorbed to the fine bubbles and the adsorbed metal ions are crystallized, so that the crystal of the metal component can be removed from the hard water. More specifically, it is as follows. It should be noted that the present invention is not limited to the specific principles described in the following sections (1) and (2).
(1)金属イオンの吸着
図2に示すように、空気を含む微細気泡が硬水中に供給されると、微細気泡の表面にはH+(水素イオン)とOH−(水酸化物イオン)が混在し、H+は正の電荷に帯電し、OH−は負の電荷に帯電する(図2ではOH−のみを図示)。一方で、硬水中には、正の電荷に帯電した金属イオンとして、Ca2+及びMg2+が存在する。以降の説明では、金属イオンとしてCa2+を例として説明する。
(1) Adsorption of Metal Ions As shown in FIG. 2, when microbubbles including air are supplied into hard water, H + (hydrogen ions) and OH − (hydroxide ions) are formed on the surfaces of the microbubbles. H + is charged to a positive charge and OH − is charged to a negative charge (FIG. 2 shows only OH − ). On the other hand, in hard water, Ca 2+ and Mg 2+ exist as positively charged metal ions. In the following description, Ca 2+ will be described as an example of the metal ion.
正の電荷を持つCa2+は、分子間力の作用(イオン間相互作用)によって、微細気泡の表面に存在するOH−に吸着される。このようにしてCa2+を微細気泡に吸着させることができる。なお、微細気泡の表面にはCa2+に反発するH+が存在するが、H+よりもOH−が優先的に作用してCa2+を吸着すると考えられる。この「金属イオンの吸着」は、主としてイオン除去装置3内で行われる。
Ca 2+ having a positive charge is adsorbed on OH − existing on the surface of the microbubbles by the action of intermolecular force (interionic interaction). Thus, Ca 2+ can be adsorbed by the fine bubbles. Although H + repelling Ca 2+ is present on the surface of the fine bubbles, it is considered that OH − acts preferentially over H + to adsorb Ca 2+ . This “adsorption of metal ions” is mainly performed in the
また、実施の形態1においては、脱気により硬水のpHが上昇されている。硬水のpHが上昇するに従い、微細気泡の表面に存在する負の電荷を持つOH−が増加し、Ca2+が微細気泡に吸着されやすくなる。その結果、後述するように金属イオンの結晶化を促進することができる。 In the first embodiment, the pH of the hard water is increased by degassing. As the pH of the hard water increases, the amount of negatively charged OH − present on the surface of the fine bubbles increases, and Ca 2+ is easily adsorbed by the fine bubbles. As a result, crystallization of metal ions can be promoted as described later.
(2)金属イオンの結晶化
図3で示した反応に加えて、空気を含む微細気泡を硬水中に供給することにより、図4で示す反応が促進される。具体的には、硬水中に供給された微細気泡は通常の気泡とは異なり浮上しにくく、硬水中に溶け出していくため、表面張力が増加して、図4に示すように徐々に収縮していく。前述したように、微細気泡の表面にはCa2+が吸着されている。より具体的には、可溶性のCa(HCO3)2(炭酸水素カルシウム)のカルシウムイオンとして存在している。ここで、微細気泡が徐々に収縮していくと、微細気泡の表面におけるCa2+の溶解濃度が上昇する。溶解濃度の上昇により、ある時点で過飽和の状態となり、Ca2+が結晶化して析出する。具体的な化学式で表すと、以下の式3の通りである。
(2) Crystallization of metal ions In addition to the reaction shown in FIG. 3, by supplying microbubbles containing air into hard water, the reaction shown in FIG. 4 is promoted. Specifically, fine bubbles supplied into hard water are unlikely to float unlike ordinary bubbles, and are dissolved in hard water, so that the surface tension increases and gradually contracts as shown in FIG. To go. As described above, Ca 2+ is adsorbed on the surface of the fine bubbles. More specifically, it is present as calcium ions of soluble Ca (HCO 3 ) 2 (calcium hydrogen carbonate). Here, as the fine bubbles gradually contract, the dissolved concentration of Ca 2+ on the surface of the fine bubbles increases. Due to an increase in the dissolution concentration, a supersaturation state is reached at some point, and Ca 2+ crystallizes and precipitates. The specific chemical formula is as shown in the following
(式3)
Ca(HCO3)2→CaCO3+CO2+H2O
(Equation 3)
Ca (HCO 3 ) 2 → CaCO 3 + CO 2 + H 2 O
CaCO3(炭酸カルシウム)は不溶性(非水溶性)であるため、金属成分の結晶として析出する。これにより、Ca(HCO3)2のCa2+として溶解していたものが、金属成分の結晶として析出される。このような反応が促進されることにより、硬水中から金属イオンのCa2+を結晶化して析出したCaCO3を分離することができる。この「金属イオンの結晶化」は、主として分離装置4の分離部4A内で行われる。
Since CaCO 3 (calcium carbonate) is insoluble (insoluble in water), it precipitates as crystals of the metal component. As a result, Ca (HCO 3 ) 2 dissolved as Ca 2+ is precipitated as crystals of the metal component. By promoting such a reaction, CaCO 3 precipitated by crystallization of Ca 2+ of metal ions from hard water can be separated. This “crystallization of metal ions” is mainly performed in the
なお、同じ水の中で式3とは逆向きの反応も生じうるが、微細気泡を継続的に供給することにより、当該平衡関係において式3の向きの反応が優先的に行われるものと推測される。
In addition, although the reaction in the opposite direction to the
実施の形態1において、分離装置4はサイクロン方式の遠心分離装置であるので、金属成分の結晶は、分離部4Aの内周面4Aaの近傍に析出し、結晶貯留部4Bに貯留される。結晶貯留部4Bに貯留された金属成分の結晶は、開閉弁10が開放されることにより、排出流路4Baを通じて排出される。このようにして、硬水中から金属成分の結晶を分離することで、硬水を軟水化することができる。
In the first embodiment, since the
<再生処理>
次に、微細気泡による再生処理の原理についてより詳しく説明する。
<Playback processing>
Next, the principle of the regeneration process using fine bubbles will be described in more detail.
軟水化処理を行うことで、金属イオンを結晶化して析出したCaCO3の一部は、分離部4Aの内周面4Aaに付着する。このCaCO3をCa(HCO3)2に戻すための処理として、再生処理を行う。具体的には、微細気泡発生部3Bが、軟水化処理時とは異なる気体である二酸化炭素を含む微細気泡を発生させる。
By performing the water softening treatment, a part of CaCO 3 crystallized and precipitated from the metal ions adheres to the inner peripheral surface 4Aa of the
図5に示すように、分離部4Aの内周面4Aaに付着したCaCO3に対して二酸化炭素の微細気泡を供給することで、以下の反応が促進される。
As shown in FIG. 5, the following reaction is promoted by supplying fine bubbles of carbon dioxide to CaCO 3 attached to the inner peripheral surface 4Aa of the
(式4)
CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2
(Equation 4)
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O → Ca (HCO 3 ) 2
当該反応により、不溶性のCaCO3から可溶性(水溶性)のCa(HCO3)2が生成される。Ca(HCO3)2は水の中に溶け出していき、結晶貯留部4Bに移動する。結晶貯留部4Bに移動したCa(HCO3)2は、開閉弁10が開放されることにより、排出流路4Baを通じて排出される。これにより、分離部4Aの内周面4Aaに付着していた不溶性のCaCO3を外部に排出し、元の状態に戻すことができる。その後、前述した軟水化処理を改めて実施することができる。
By this reaction, soluble (water-soluble) Ca (HCO 3 ) 2 is produced from insoluble CaCO 3 . Ca (HCO 3 ) 2 dissolves into the water and moves to the crystal storage unit 4B. The Ca (HCO 3 ) 2 that has moved to the crystal storage unit 4B is discharged through the discharge flow path 4Ba when the on-off
なお、前記では、金属イオンとしてCa2+を例として説明したが、Mg2+についても同様の反応が起こると推測される。 Although Ca 2+ has been described as an example of the metal ion in the above description, it is assumed that the same reaction occurs with Mg 2+ .
前述したように、イオン交換樹脂を用いて硬水中から金属イオンを除去するようにした場合には、イオン交換樹脂を再生するのに大量の塩水を必要とする。これに対して、実施の形態1のイオン除去システム1によれば、微細気泡を用いて硬水中から金属イオンを除去するので、イオン交換樹脂を再生するのに必要な大量の塩水を不要にすることができる。これにより、再生処理を簡単にして、メンテナンスを容易にすることができる。また、塩水を含む再生排水も生じないため、土壌汚染や下水処理の負荷を抑えることができ、環境性を向上させることができる。さらに、処理水におけるナトリウムイオンの濃度も高くならないため、生成した処理水を飲用水として使用することができる。さらに、硬水に含まれる二酸化炭素を脱気することで、硬水のpHを上昇させることができる。その結果、微細気泡の表面に存在する負の電荷を増加させて、微細気泡による金属イオンの吸着力を増加させ、金属イオンの除去効率を向上させることができる。
As described above, when metal ions are removed from hard water using an ion exchange resin, a large amount of salt water is required to regenerate the ion exchange resin. On the other hand, according to the
また、実施の形態1のイオン除去システム1によれば、イオン除去用ガスとして空気を用いるので、微細気泡の発生にかかるコストを極めて低く抑えることができる。
In addition, according to the
さらに、実施の形態1のイオン除去システム1によれば、硬水中から金属イオンを除去した後に、溶解用ガスとして二酸化炭素の微細気泡を供給することで、再生処理を行う。これにより、不溶性のCaCO3から可溶性のCa(HCO3)2を生成する反応を促進することができ、再生処理を促進することができる。
Further, according to the
(実験例1)
次に、脱気によるpHの上昇の原理を確認するために行った実験例1について説明する。ここでは、図6に示す装置を用いて実験を行った。
(Experimental example 1)
Next, Experimental Example 1 performed to confirm the principle of the increase in pH due to degassing will be described. Here, an experiment was performed using the apparatus shown in FIG.
図6は、実験例1で用いる装置90の概略構成を示す図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a schematic configuration of the
図6に示すように、装置90は、水槽91と、第1配管92と、ポンプ93と、第2配管94と、ミストノズル95とを備えている。
As shown in FIG. 6, the
水槽91は、硬水96を収容する水槽である。水槽91は、第1配管92を介してポンプ93に接続されている。ポンプ93は、第2配管94を介してミストノズル95に接続されている。ミストノズル95は、サンプル97から上方にミスト距離H1だけ離れた位置に設けられている。ポンプ93は、硬水96をミストノズル95へ揚水するポンプである。ミストノズル95は、第2配管94を介して供給された硬水をサンプル97に向けてミスト状に噴射するノズルである。なお、水槽91に残った残水は、第1配管92に設けられた開閉弁98が開放されることにより、外部に排水される。
The
図7は、実験例1の結果を示すグラフである。ここでは、ミストノズル95として、噴射するミスト径(ミストの平均外径)が異なる3つのノズル1,2,3を用いた。具体的には、ノズル1は、ミスト径290μm、瞬間流量1.3L/minのミストを噴射するノズルである。ノズル2は、ミスト径760μm、瞬間流量4.2L/minのミストを噴射するノズルである。ノズル3は、ミスト径2500μm、瞬間流量0.2L/minのミストを噴射するノズルである。
FIG. 7 is a graph showing the results of Experimental Example 1. Here, as the
図7は、横軸にミスト距離H1(mm)を表し、縦軸に硬水96のpHを表す。図7に示すように、ミスト径が小さくなるほど、すなわち、比表面積が大きくなるほど、硬水96のpHが上昇することが確認された。また、ミスト距離H1が長くなるほど、硬水96が空気に接触する時間が長くなるため、硬水96のpHが概ね上昇することが確認された。
In FIG. 7, the horizontal axis represents the mist distance H1 (mm), and the vertical axis represents the pH of the
(実験例2)
次に、微細気泡による軟水化処理の原理を確認するために行った実験例2について説明する。ここでは、図8A、8Bに示す装置20を用いて実験を行った。
(Experimental example 2)
Next, a description will be given of Experimental Example 2 performed to confirm the principle of water softening treatment using fine bubbles. Here, an experiment was performed using the
図8A、8Bは、実験例2で用いる装置20の概略構成を示す図である。図8Aは、微細気泡を発生させてから所定時間経過後(具体的には15秒経過後)の状態を示し、図8Bは、図8Aに示す状態からさらに所定時間経過後(具体的には45秒経過後)の状態を示す。図8Aの状態は、図9における微細気泡発生からの経過時間が15秒の状態に対応し、図8Bの状態は、図9における微細気泡発生からの経過時間が60秒の状態に対応する。
8A and 8B are diagrams illustrating a schematic configuration of the
図8A、8Bに示す装置20は、硬水21を収容する水槽22(硬水収容部)において底面側から微細気泡23を供給可能とする実験装置である。装置20では、硬水21中における金属イオンの濃度を底面側と水面側の2箇所で測定することができる。このような装置20を用いて水槽22内に微細気泡23を供給し、底面側と水面側の金属イオンの濃度推移を検出したところ、図9に示す結果が得られた。
The
図9に示す結果により、前述した「微細気泡による金属イオンの吸着」の効果を実証することができた。具体的な結果については後述する。 From the results shown in FIG. 9, the above-described effect of “adsorption of metal ions by fine bubbles” was able to be demonstrated. Specific results will be described later.
図8A、8Bに示すように、装置20は、水槽22と、ガス供給部24と、第1配管25と、微細気泡発生部26と、第2配管27と、ポンプ28と、第1取水部30と、第2取水部32と、金属イオン濃度検出器34とを備えている。
As shown in FIGS. 8A and 8B, the
水槽22は、硬水21を収容する水槽である。図8A、8Bに示す例では、水槽22は上下方向に長い槽として構成されている。ガス供給部24は、第1配管25を介して微細気泡発生部26にガスを供給する部材である。微細気泡発生部26は、ガス供給部24から供給されるガスをもとに微細気泡23を発生させる装置である。微細気泡発生部26は、前述した微細気泡発生部3Bに対応する。ガス供給部24から微細気泡発生部26へのガスの供給は、ポンプ28による第2配管27を介した負圧作用により行われる。
The
第1取水部30は、水槽22の底面22a付近から硬水21のサンプル水を取水する部材である。第2取水部32は、水槽22の水面22b付近からサンプル水を取水する部材である。第1取水部30及び第2取水部32の高さ位置は任意の位置に設定してもよく、第1取水部30から第2取水部32までの距離D1を所望の値に調整することができる。
The first
図8A、8Bに示す例では、第1取水部30の高さ位置は、微細気泡発生部26が微細気泡23を発生させる高さ位置と略同じ位置に設定されている。
In the example shown in FIGS. 8A and 8B, the height position of the first
金属イオン濃度検出器34は、第1取水部30及び第2取水部32から取水されたサンプル水における金属イオンの濃度を検出する部材である。
The metal
前記構成において微細気泡発生部26及びポンプ28を運転すると、ポンプ28による第2配管27を介した負圧作用により、ガス供給部24から第1配管25を介して微細気泡発生部26へガスが送られる。このガスを原料として微細気泡発生部26は微細気泡23を発生させ、水槽22へ供給する(図8Aの矢印A1)。
When the
微細気泡発生部26及びポンプ28を所定期間運転させて(実験例2では15秒)、微細気泡23を継続的に発生させる。
The
その後、微細気泡発生部26及びポンプ28の運転を停止する。運転停止後、所定の休止期間を設ける(実験例2では45秒)。
Thereafter, the operations of the fine
図8Aに示すように、運転期間の終了時(微細気泡発生から15秒後)には、水槽22内に供給された微細気泡23が硬水21内を上昇して(矢印A2)、水槽22の下方部分に滞留していることが目視により確認された。
As shown in FIG. 8A, at the end of the operation period (15 seconds after the generation of microbubbles), the
図8Bに示すように、休止期間の終了時(微細気泡発生から60秒後)には、硬水21中に供給された微細気泡23がさらに上昇して水面22bまで到達し(矢印A3)、水槽22の上方部分に滞留していることが目視により確認された。
As shown in FIG. 8B, at the end of the rest period (60 seconds after the generation of microbubbles), the
前記運転中における所定のタイミングで第1取水部30及び第2取水部32からサンプル水を取り出し、金属イオン濃度検出器34により金属イオンの濃度を測定した結果を図6に示す。
FIG. 6 shows the result of taking out sample water from the first
図9の結果に関する具体的な実験条件を以下に記載する。 Specific experimental conditions for the results of FIG. 9 are described below.
(実験条件)
ガス供給部24が供給するガスの種類: 空気
硬水21の硬度: 約300mg/L
硬水21の温度: 25℃
第1取水部30から第2取水部32までの距離D1: 約1m
微細気泡発生部26及びポンプ28の運転期間: 15秒
微細気泡発生部26及びポンプ28の休止期間: 45秒
金属イオン濃度検出器34: 堀場製作所製・LAQUA F-70
測定対象の金属イオン: Ca2+
サンプル水の取出タイミング:運転開始から0秒後、15秒後、30秒後、60秒後
(Experimental conditions)
Type of gas supplied by gas supply unit 24: air Hardness of hard water 21: about 300 mg / L
Temperature of hard water 21: 25 ° C
Distance D1 from first
Operation period of the
Metal ion to be measured: Ca 2+
Sample water removal timing: 0, 15, 30, 30 or 60 seconds after the start of operation
図9は、横軸に微細気泡発生からの経過時間(秒)を表し、縦軸に金属イオン濃度検出器34で検出した金属イオン(Ca2+)の濃度推移(%)を表す。金属イオンの濃度推移は、運転開始時に測定した金属イオン濃度を100%としたときの金属イオン濃度の推移を表すものである。
In FIG. 9, the horizontal axis represents the elapsed time (seconds) from the generation of the microbubbles, and the vertical axis represents the concentration transition (%) of the metal ion (Ca 2+ ) detected by the metal
図9に示すように、水槽22の底面22a付近で第1取水部30から抽出されたサンプル水の濃度は、15秒経過時には約108%まで上昇している。その後の休止期間では徐々に減少し、最終的には約97%まで漸減している。
As shown in FIG. 9, the concentration of the sample water extracted from the first
一方、水槽22の水面22b付近で第2取水部32から抽出されたサンプル水の濃度は、15秒経過時までほぼ100%を維持した後、その後の休止期間では徐々に増加し、最終的には約115%まで漸増している。
On the other hand, the concentration of the sample water extracted from the second
前記金属イオンの濃度推移の結果と、微細気泡23の挙動とを関連付けると、以下の通りである。
The result of the change in the concentration of the metal ions and the behavior of the
図8Aに示す15秒経過時においては、微細気泡23が滞留している第1取水部30のサンプル水では金属イオン濃度が上昇している。一方で、微細気泡23が滞留していない第2取水部32のサンプル水では金属イオン濃度がほとんど変化していない。
At the lapse of 15 seconds shown in FIG. 8A, the metal ion concentration has increased in the sample water of the first
図8Bに示す60秒経過時においては、微細気泡23が滞留していない第1取水部30のサンプル水では金属イオン濃度が100%弱まで減少している。一方で、微細気泡23が滞留している第2取水部32のサンプル水では金属イオン濃度が大幅に上昇している。
At the elapse of 60 seconds shown in FIG. 8B, the metal ion concentration in the sample water of the first
このような結果によれば、硬水21中の金属イオンであるCa2+は微細気泡23によって吸着され、微細気泡23の上昇に伴ってともに上昇していると推測される。
According to such a result, it is presumed that Ca 2+, which is a metal ion in the
前記推測に基づき、前述した「微細気泡による金属イオンの吸着」の効果を実証することができた。 Based on the above presumption, the effect of the above-mentioned "adsorption of metal ions by fine bubbles" could be demonstrated.
(実施の形態2)
本発明に係る実施の形態2のイオン除去システムについて説明する。なお、実施の形態2では、主に実施の形態1と異なる点について説明する。実施の形態2においては、実施の形態1と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態2では、実施の形態1と重複する記載は省略する。
(Embodiment 2)
Second Embodiment An ion removal system according to a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, differences from the first embodiment will be mainly described. In the second embodiment, the same or equivalent components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and described. In the second embodiment, descriptions overlapping with the first embodiment are omitted.
実施の形態2では、軟水化処理における微細気泡の気体として、空気ではなく窒素を用いる点が、実施の形態1と異なる。 The second embodiment is different from the first embodiment in that nitrogen is used instead of air as gas of fine bubbles in the water softening treatment.
微細気泡発生部3Bから窒素の微細気泡を発生させて硬水中に供給することで、前述した「(1)金属イオンの吸着」、「(2)金属イオンの結晶化」の作用に加えて、以下の(3)、(4)の欄に記載するような作用が促進されると推測される。なお、以下の(3)、(4)の欄に記載する特定の原理に拘束される訳ではない。
By generating nitrogen microbubbles from the
(3)金属イオンの吸着の促進
図10(a)に示すように、微細気泡の周囲には、H+とOH−が帯電している。前述したように、負の電荷に帯電したOH−には、正の電荷に帯電したCa2+が吸着される。このような状況下で、微細気泡として窒素を用いた場合、以下の式5の反応が促進される。
(3) Promotion of adsorption of metal ions As shown in FIG. 10A, H + and OH − are charged around the microbubbles. As described above, the positively charged Ca 2+ is adsorbed on the negatively charged OH − . Under such circumstances, when nitrogen is used as the microbubbles, the reaction of the following formula 5 is promoted.
(式5)
N2+6H++6e−→2NH3
NH3+H2O→NH4 ++OH−
(Equation 5)
N 2 + 6H + + 6e − → 2NH 3
NH 3 + H 2 O → NH 4 + + OH −
式5の反応が促進されることにより、図10(b)に示すように、OH−イオンの数に対してH+イオンの数が減少する。これにより、微細気泡としては負の電荷が強くなり、正の電荷をもつCa2+が吸着されやすくなる。 By promoting the reaction of Formula 5, as shown in FIG. 10B, the number of H + ions is reduced with respect to the number of OH − ions. As a result, the negative charge becomes stronger as fine bubbles, and Ca 2+ having a positive charge is easily adsorbed.
実施の形態2のように窒素を用いた場合では、実施の形態1のように空気を用いた場合と比較して、前記式5の反応を促進できるため、金属イオンの吸着がより促進される。これにより、硬水中からより多くの金属イオンを分離して除去することができる。 In the case where nitrogen is used as in the second embodiment, the reaction of the above formula 5 can be promoted as compared with the case where air is used as in the first embodiment, so that the adsorption of metal ions is further promoted. . Thereby, more metal ions can be separated and removed from hard water.
なお、前記原理は窒素に限らず、H+イオンと反応し、OH−イオンの数に対してH+イオンの数を減少させることができる気体であれば、同様に当てはまると推測される。 Note that the above principle is not limited to nitrogen, and it is presumed that the same applies to any gas that can react with H + ions and reduce the number of H + ions with respect to the number of OH − ions.
(4)金属イオンの結晶化の促進
窒素は、空気とは異なる不活性ガスであるため、硬水中に供給されたときに、硬水中に含まれる気体の分圧のバランスが崩れた状態となる。これにより、図11に示すような反応が促進される。
(4) Acceleration of crystallization of metal ions Since nitrogen is an inert gas different from air, when supplied into hard water, the partial pressure of the gas contained in the hard water is imbalanced. . Thereby, the reaction as shown in FIG. 11 is promoted.
図11に示すように、窒素で構成される微細気泡に対して、硬水中に溶けた他の気体成分が置き換わろうと作用する。図11に示す例では、微細気泡の周囲に存在するCa(HCO3)2にCO2が含まれており、このCO2が抽出されて窒素に置き換わろうと作用する。すなわち、以下の反応が促進される。 As shown in FIG. 11, another gas component dissolved in hard water acts on microbubbles composed of nitrogen to replace them. In the example shown in FIG. 11, it includes a CO 2 to Ca (HCO 3) 2 which is present around the fine bubbles act tries Okikawaro this CO 2 is extracted to the nitrogen. That is, the following reactions are promoted.
(式6)
Ca(HCO3)2→CaCO3+CO2+H2O
(Equation 6)
Ca (HCO 3 ) 2 → CaCO 3 + CO 2 + H 2 O
このように、可溶性のCa(HCO3)2から不溶性のCaCO3が生じる反応が生じる。このとき、CO2とH2Oが生じる。CaCO3は不溶性であるため、金属成分の結晶として析出する。 In this way, a reaction occurs in which soluble Ca (HCO 3 ) 2 generates insoluble CaCO 3 . At this time, CO 2 and H 2 O are generated. Since CaCO 3 is insoluble, it precipitates as crystals of the metal component.
前記反応により、硬水中にCa(HCO3)2のCa2+として含まれていた金属イオンを結晶化して析出させることができる。これにより、硬水中から金属成分の結晶を除去することができる。 By the above reaction, metal ions contained as Ca 2+ of Ca (HCO 3 ) 2 in hard water can be crystallized and precipitated. Thereby, the crystal of the metal component can be removed from the hard water.
なお、前記原理は窒素に限らず、硬水中に溶けている気体の分圧のバランスを崩れさせる空気以外の気体であれば、同様に当てはまると推測される。 Note that the above principle is not limited to nitrogen, and it is presumed that the same applies to any gas other than air that disrupts the balance of the partial pressure of the gas dissolved in hard water.
前述したように、実施の形態2では、窒素を取り込んで微細気泡を発生させて硬水中に供給することで、空気を用いた場合に比べて、「(3)金属イオンの吸着の促進」、「(4)金属イオンの結晶化の促進」の欄で説明した反応を促進することができる。これにより、硬水中から金属イオンを除去する精度を向上させることができる。 As described above, in the second embodiment, nitrogen is taken in to generate microbubbles and supplied into hard water, so that “(3) promotion of metal ion adsorption” can be achieved as compared with the case of using air, The reaction described in the section of “(4) Promotion of crystallization of metal ions” can be promoted. Thereby, the accuracy of removing metal ions from hard water can be improved.
なお、前記実施の形態1において、脱気装置16は、硬水を空気中でミスト状に噴霧することにより、当該硬水に含まれる二酸化炭素を脱気するように構成されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、脱気装置16は、硬水を窒素雰囲気中でミスト状に噴霧することにより、当該硬水に含まれる二酸化炭素を脱気するように構成されてもよい。この構成によれば、硬水中の二酸化炭素が窒素に置き換わろうと作用することにより、硬水中から二酸化炭素が抜けやすくなる。これにより、二酸化炭素の脱気効率を向上させることができる。 In the first embodiment, the deaerator 16 is configured to degas carbon dioxide contained in the hard water by spraying hard water in the form of mist in the air. The invention is not limited to this. For example, the deaerator 16 may be configured to degas carbon dioxide contained in the hard water by spraying hard water in a mist state in a nitrogen atmosphere. According to this configuration, the carbon dioxide in the hard water acts to replace the nitrogen, so that the carbon dioxide easily escapes from the hard water. Thereby, the degassing efficiency of carbon dioxide can be improved.
また、脱気装置16は、例えば、硬水中に気体を供給してバブリングさせることにより、当該硬水に含まれる二酸化炭素を脱気するように構成されてもよい。この場合、気体として、二酸化炭素の濃度が低い気体、例えば空気を用いることが好ましい。また、気体として、二酸化炭素を含まない気体、例えば窒素を用いることが更に好ましい。この構成によれば、図12に示すように、硬水中でバブリングさせることにより発生する気泡内の窒素が硬水に含まれる二酸化炭素に置き換わろうと作用することにより、硬水中から二酸化炭素が抜けやすくなる。これにより、二酸化炭素の脱気効率を向上させることができる。 The deaerator 16 may be configured to degas carbon dioxide contained in the hard water by, for example, supplying a gas into the hard water and bubbling the gas. In this case, it is preferable to use a gas having a low concentration of carbon dioxide, for example, air as the gas. Further, as the gas, it is more preferable to use a gas that does not contain carbon dioxide, for example, nitrogen. According to this configuration, as shown in FIG. 12, nitrogen in bubbles generated by bubbling in hard water acts to replace carbon dioxide contained in hard water, and carbon dioxide escapes from hard water. It will be easier. Thereby, the degassing efficiency of carbon dioxide can be improved.
なお、バブリングさせることにより硬水中に発生する気泡は、微細気泡発生部3Bが発生させる微細気泡よりも平均外径が大きくてもよい。例えば、バブリングさせることにより硬水中に発生する気泡は、ミリバブル(直径が1mm以上10mm以下)であってもよい。ミリバブルは、水処理の分野における当業者がミリオーダーの気泡径と認識できる気泡としてもよい。この構成によれば、硬水中における気泡の割合(気液比)を大きく(例えば、数%→50%)して、気泡の比表面積を大きくすることができ、硬水に含まれる二酸化炭素の脱気効果を向上させることができる。
Note that bubbles generated in hard water by bubbling may have a larger average outer diameter than the fine bubbles generated by the fine
なお、硬水に含まれる二酸化炭素を脱気する方法としては、前述したミストを噴霧するストリッピング法、バブリング法以外に、膜脱気法、真空脱気法、加熱脱気法がある。これらの脱気法を利用した装置を用いて硬水に含まれる二酸化炭素を脱気してもよい。但し、前述したストリッピング法、バブリング法を利用した装置の方が、比較的簡易な構成で硬水に含まれる二酸化炭素を脱気することができる。 In addition, as a method of degassing carbon dioxide contained in hard water, there are a film degassing method, a vacuum degassing method, and a heating degassing method, in addition to the stripping method and the bubbling method of spraying the mist described above. The carbon dioxide contained in the hard water may be degassed using an apparatus utilizing these degassing methods. However, an apparatus using the above-described stripping method or bubbling method can degas carbon dioxide contained in hard water with a relatively simple configuration.
(実施の形態3)
本発明に係る実施の形態3のイオン除去システムによる金属イオンの除去方法について説明する。なお、実施の形態3では、主に実施の形態1、2と異なる点について説明し、実施の形態1、2と重複する記載は省略する。
(Embodiment 3)
A method for removing metal ions by the ion removal system according to the third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, differences from the first and second embodiments will be mainly described, and descriptions overlapping with the first and second embodiments will be omitted.
実施の形態1、2では、微細気泡発生部3Bが空気を含む微細気泡を発生させるのに対して、実施の形態3では、複数種類の気体を混合した混合ガスを含む微細気泡を発生させる点が、実施の形態1、2と異なる。
In
実施の形態3では、微細気泡を発生させるための混合ガスとして、塩基性ガスである第1のガスと、第1のガスに比べて溶解速度が遅い性質のガスである第2のガスの2種類のガスを混合したものを用いる。すなわち、図1に示すイオン除去用ガス供給部7は、イオン除去用ガスとして、第1のガスと第2のガスを混合した混合ガスを微細気泡発生部3Bに供給する。
In the third embodiment, the mixed gas for generating fine bubbles includes a first gas that is a basic gas and a second gas that is a gas having a dissolution rate lower than that of the first gas. A mixture of different gases is used. That is, the ion removing
第1のガスと第2のガスとを含む混合ガスにより微細気泡を発生させることで、前述した「(1)金属イオンの吸着」、「(2)金属イオンの結晶化」の作用に加えて、以下の(5)、(6)の欄に記載するような作用が促進されると推測される。なお、以下の(5)、(6)の欄に記載する特定の原理に拘束される訳ではない。 By generating microbubbles using a mixed gas containing the first gas and the second gas, in addition to the above-described operations of “(1) adsorption of metal ions” and “(2) crystallization of metal ions”, It is presumed that the effects described in the following sections (5) and (6) are promoted. In addition, it is not necessarily restricted by the specific principle described in the following columns (5) and (6).
(5)第1のガスによる微細気泡表面の電位変化
混合ガスに含まれる第1のガスは、酸塩基反応でH+を受け取る塩基性ガスである。第1のガスは水に溶けることで、OH−を生じさせる。具体的には、以下の式7−1の反応を生じさせる。
(5) Change in potential on the surface of microbubbles due to first gas The first gas contained in the mixed gas is a basic gas that receives H + by an acid-base reaction. The first gas is dissolved in water to generate OH − . Specifically, the reaction of the following formula 7-1 is caused.
(式7−1)
X+H2O→XH++OH−
(Equation 7-1)
X + H 2 O → XH + + OH -
式7−1では、第1のガスを化学式Xで表している。式7−1の反応が生じることで、図13に示すように、微細気泡40の周囲に存在するOH−の割合が、H+の割合に比べて増加する(図13ではH+の図示を省略している)。固体−液体の界面の電位は水中のH+/OH−が電位決定イオンであるため水質のpHの依存が強く、H+が多くなると正の電荷が強くなり、OH−が多くなると負の電荷が強くなる。これにより、微細気泡40としては負の電荷が強くなり、正の電荷をもつCa2+が吸着されやすくなる。このようにして、微細気泡40による金属イオンの吸着効果を向上させることができる。
In the formula 7-1, the first gas is represented by the chemical formula X. As a result of the reaction of Equation 7-1, as shown in FIG. 13, the ratio of OH − present around the
さらに実施の形態3では、第1のガスとして塩基性ガスのアンモニアを用いている。アンモニアを用いた場合、前述した式7−1は以下の式8に具体化される。
Further, in
(式8)
NH3+H2O→NH4 ++OH−
(Equation 8)
NH 3 + H 2 O → NH 4 + + OH −
水への溶解度が高く汎用的な気体であるアンモニアを用いて微細気泡40を発生させることで、前述した金属イオンの吸着効果を向上させながら微細気泡40の発生コストを低減することができる。
By generating the
なお、前記原理はアンモニアに限らず、塩基性ガスであれば、同様に当てはまると推測される。このような塩基性ガスとしては例えば、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、イソプロピルアミン、ブチルアミン、ヘキシルアミン、シクロヘキシルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジイソプロピルアミン、ジプロピルアミン、ジ−n―ブチルアミン、エタノールアミン、ジエチルエタノールアミン、ジメチルエタノールアミン、エチレンジアミン、ジメチルアミノプロピルアミン、N.N―ジメチルエチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、テトラメチレンジアミン、ジエチレントリアミン、プロピレンイミン、ペンタメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、モルホリン、N―メチルモルホリン、N―エチルモルホリンが挙げられる。 It is assumed that the above principle is not limited to ammonia but applies to any basic gas. Examples of such a basic gas include methylamine, ethylamine, propylamine, isopropylamine, butylamine, hexylamine, cyclohexylamine, dimethylamine, diethylamine, diisopropylamine, dipropylamine, di-n-butylamine, ethanolamine, Diethylethanolamine, dimethylethanolamine, ethylenediamine, dimethylaminopropylamine, N.P. Examples include N-dimethylethylamine, trimethylamine, triethylamine, tetramethylenediamine, diethylenetriamine, propyleneimine, pentamethylenediamine, hexamethylenediamine, morpholine, N-methylmorpholine, and N-ethylmorpholine.
また、式7−1に示す通り、Xは塩基性ガスに限らず、水(H2O)と反応して水酸基イオン(OH−)を供与する「水酸基イオン供与ガス」であれば、同様の効果を奏すると考えられる。水酸基イオン供与ガスとしては、例えば、可溶性のオゾンガス(O3)が挙げられる。オゾンガスを水に供給した場合、前記式7−1に類似する以下の式7−2に示す反応が生じると考えられる。 In addition, as shown in Formula 7-1, X is not limited to a basic gas, and the same applies to a “hydroxyl ion donor gas” that reacts with water (H 2 O) to provide a hydroxyl ion (OH − ). It is considered to be effective. Examples of the hydroxyl group ion donating gas include soluble ozone gas (O 3 ). When the ozone gas is supplied to water, it is considered that a reaction represented by the following formula 7-2 similar to the formula 7-1 occurs.
(式7−2)
O3+H2O+2e−→O2+2OH−
(Equation 7-2)
O 3 + H 2 O + 2e − → O 2 + 2OH −
前記式7−2によれば、以下の式7−3に示す反応を生じさせる水酸基イオン供与ガス「X」も同様の効果を奏すると考えられる。 According to the formula 7-2, it is considered that the hydroxyl ion donating gas “X” that causes the reaction shown in the following formula 7-3 also exerts the same effect.
(式7−3)
XO+H2O+2e−→X+2OH−
(Equation 7-3)
XO + H 2 O + 2e − → X + 2OH −
なお、オゾンに関しては実験例7で説明する。 The ozone will be described in Experimental Example 7.
(6)第2のガスによる微細気泡の維持
「(5)第1のガスによる微細気泡表面の電位変化」の欄で説明したように、混合ガスに含まれる塩基性ガスである第1のガスは水に溶解して、微細気泡40の表面におけるOH−の割合を増加させる。このような第1のガスに対して、第1のガスに比べて溶解速度が遅い性質のガスである第2のガスを混合している。このような第2のガスを混合することで、第1のガスが水に溶けた状態でも微細気泡40の全体が水に溶けることが防止され、微細気泡40の状態を維持することができる。微細気泡40の状態を維持することで、実施の形態1、2で説明した微細気泡に由来するCa2+イオンの吸着効果を維持することができる。
(6) Maintenance of Fine Bubbles by Second Gas As described in the section of “(5) Change in potential of microbubble surface by first gas”, first gas which is a basic gas contained in the mixed gas Dissolves in water to increase the proportion of OH − on the surface of the
実施の形態3では、第2のガスとして窒素を用いている。人体に無害で汎用的な気体である窒素を用いて微細気泡40を発生させることで、安全性を担保しながら微細気泡40の発生コストを低減することができる。また、窒素は非水溶性ガス(非可溶性ガス)であるため、微細気泡40の状態を維持する効果をより効果的に発揮することができる。
In
前記原理は窒素に限らず、塩基性ガスである第1のガスに比べて溶解速度が遅い性質のガスであれば、同様に当てはまると推測される。なお、第2のガスを選択する際には、温度及び圧力を含む条件が同一条件下で水への溶解速度(溶解度)が第1のガスよりも遅い(低い)ものを選択してもよい。このような第2のガスとしては、例えば、溶解度が低い順に、窒素、水素、一酸化炭素、ブタン、酸素、メタン、プロパン、エタン、一酸化窒素、エチレン、プロペン、アセチレン、二酸化炭素が挙げられる。この中でも特に、一酸化窒素、酸素、水素などの非水溶性ガスを用いた場合、微細気泡40の状態を維持する効果をより効果的に発揮することができる。 The above principle is not limited to nitrogen, and it is assumed that the same applies to any gas having a dissolution rate lower than that of the first gas which is a basic gas. When selecting the second gas, a gas having a lower (lower) dissolution rate (solubility) in water than the first gas under the same conditions including temperature and pressure may be selected. . Examples of such a second gas include nitrogen, hydrogen, carbon monoxide, butane, oxygen, methane, propane, ethane, nitrogen monoxide, ethylene, propene, acetylene, and carbon dioxide in order of solubility. . In particular, when a water-insoluble gas such as nitric oxide, oxygen, and hydrogen is used, the effect of maintaining the state of the fine bubbles 40 can be more effectively exerted.
なお、「(3)金属イオンの吸着の促進」、「(4)金属イオンの結晶化の促進」の欄では、図10、図11を用いて、窒素が硬水中に溶けていくことについて説明したが、この反応も同時に起こっているものと考えられる。窒素は非水溶性であるために水に溶けにくく、微細気泡40の状態を維持する作用を強く発揮するが、水に溶ける分も少なからず存在する。よって、「(3)金属イオンの吸着の促進」、「(4)金属イオンの結晶化の促進」の欄で説明した窒素が水に溶ける現象も少なからず、「(6)第2のガスによる微細気泡の維持」の欄で説明した窒素が微細気泡を維持する現象と同時に起こるものと考えられる。
In the columns of “(3) Promotion of adsorption of metal ions” and “(4) Promotion of crystallization of metal ions”, it is described with reference to FIGS. 10 and 11 that nitrogen is dissolved in hard water. However, it is considered that this reaction occurred at the same time. Nitrogen is insoluble in water because it is insoluble in water, and has a strong effect of maintaining the state of the
前述したように、本実施の形態3の微細気泡発生部は、水と反応して水酸基イオンを供与する第1のガスと、第1のガスに比べて溶解速度が遅い性質の第2のガスとを混合した混合ガスによる微細気泡40を発生させる。水酸基イオン供与ガスである第1のガスは水と反応して、微細気泡40の表面におけるOH−の割合を増加させる。これにより、Ca2+などの金属イオンを微細気泡40に吸着させる効果を増加させることができる。さらに、第1のガスに比べて溶解速度が遅い性質の第2のガスを混合することで、微細気泡40が完全に水に溶けてしまうことを防止し、微細気泡40の状態を維持することができる。
As described above, the microbubble generating section according to the third embodiment includes the first gas which reacts with water to provide hydroxyl ions and the second gas having a dissolution rate lower than that of the first gas. To generate
また、本実施の形態3では、第1のガスは可溶性の塩基性ガス(アンモニア)である。このように塩基性ガスである第1のガスを先に水に溶かし、塩基性ガスに比べて溶解速度が遅い性質の第2のガスをマイナスに帯電させており、2つのガスの溶解速度の差を利用して前記効果を奏することができる。 In the third embodiment, the first gas is a soluble basic gas (ammonia). As described above, the first gas, which is a basic gas, is dissolved in water first, and the second gas having a lower dissolution rate than the basic gas is negatively charged. The effect can be obtained by utilizing the difference.
微細気泡40におけるアンモニアと窒素の混合割合は任意の値に設定してもよいが、例えば、アンモニアに対する窒素の混合割合が大きくなるように設定してもよい(例えば、アンモニア:窒素の物質量(体積比)が1:99)。このような設定によれば、アンモニアの溶解によってOH−が増加する領域が微細気泡40の表面近傍のみに留まり、微細気泡40から離れた位置ではOH−の割合が変化しにくくなる。このようにして、微細気泡40の表面近傍のみを変化させながら、水全体の水質を変えないようにすることができる。一方で、窒素の割合を多くすることで、微細気泡40の状態をより長く維持することができる。このように、混合ガスにおいて、塩基性ガスである第1のガスの物質量よりも、塩基性ガスよりも溶解速度が遅い第2のガスの物質量を多く設定することで、前記効果を奏することができる。なお、同温、同圧の条件下では、物質量と体積は比例するものであるため、物質量と体積のいずれを用いて第1のガスと第2のガスとの混合割合を設定してもよい。
The mixing ratio of ammonia and nitrogen in the
あるいは、窒素に対するアンモニアの混合割合が大きくなるように設定してもよい。このような設定によれば、硬水中に含まれる金属イオンをより結晶化して除去することができる。このような結晶化促進の原理については、実験例3−5で説明する。 Alternatively, the mixing ratio of ammonia to nitrogen may be set to be large. According to such a setting, metal ions contained in hard water can be more crystallized and removed. The principle of such crystallization promotion will be described in Experimental Example 3-5.
また、実施の形態3では、アンモニアと窒素とを別々に微細気泡化してそれらを混合せずに別々に硬水に供給する供給形態とは異なり、アンモニアと窒素とを混合した混合ガスによる微細気泡40を硬水に供給する。このような供給形態によれば、アンモニアが微細気泡40から離れた位置で単体で溶解することが防止されるため、微細気泡40の表面近傍のみでOH−を増加させるという機能を十分に発揮することができる。
Further, in the third embodiment, unlike the supply mode in which ammonia and nitrogen are separately formed into fine bubbles and the mixed bubbles are separately supplied to hard water without being mixed, fine bubbles 40 formed by a mixed gas in which ammonia and nitrogen are mixed are used. To hard water. According to such a supply form, since ammonia is prevented from being dissolved alone at a position away from the
次に、前述した第1のガスであるアンモニアと第2のガスである窒素とを混合した混合ガスによる微細気泡40の金属イオンの吸着効果、特に、金属イオンを最終的に結晶化させるまでの仮説原理について、図14の模式図を用いて説明する。
Next, the effect of adsorbing metal ions on the
図14に示すように、微細気泡40を硬水中に供給すると、微細気泡40を構成するアンモニアと窒素のうち、水溶性のアンモニアが周囲の水に溶解していく(アンモニアガス溶解)。これにより、「(5)第1のガスによる微細気泡表面の電位変化」の欄で説明したように、微細気泡40の表面にNH4 +が生じるとともに、OH―の割合が増加する(表面濃縮)。このとき、Ca2+イオンの吸着効果が増大している。
As shown in FIG. 14, when the
表面濃縮がさらに進むと、微細気泡40の表面におけるOH−の濃度が最大になる。すなわち、微細気泡40の表面におけるpHが最大となり、微細気泡40のゼータ電位が最大となる(局所pH大、ゼータ電位大)。
As the surface concentration further proceeds, the concentration of OH − on the surface of the
前述した「アンモニアガス溶解」、「表面濃縮」、「局所pH大、ゼータ電位大」の状態では、Ca2+は微細気泡40に吸着された状態にある。このとき、Ca2+を吸着した微細気泡40を硬水から分離すれば、硬水中から金属イオンを除去することができる。 In the above-described states of “dissolution of ammonia gas”, “surface concentration”, and “large local pH and large zeta potential”, Ca 2+ is in a state of being adsorbed by the fine bubbles 40. At this time, if the fine bubbles 40 adsorbing Ca 2+ are separated from the hard water, metal ions can be removed from the hard water.
前記分離を行わなかった場合あるいは分離を行ったものの微細気泡40として残ったものについて、微細気泡40の表面で吸着されていたCa2+の結晶化が始まる。具体的には、Ca2+が結晶化して結晶42として析出される。さらに結晶42の析出に伴って、微細気泡40の消滅が始まる(消滅)。
When the separation is not performed or the separation is performed and the fine bubbles 40 remain, crystallization of Ca 2+ adsorbed on the surface of the fine bubbles 40 starts. Specifically, Ca 2+ is crystallized and precipitated as
Ca2+の結晶化及び微細気泡40の消滅が進むと、微細気泡40の状態を維持していた非水溶性の窒素が溶存ガスとして水の中に拡散していく(溶存ガス拡散)。 As the crystallization of Ca 2+ and the disappearance of the fine bubbles 40 progress, the water-insoluble nitrogen, which has maintained the state of the fine bubbles 40, diffuses into water as a dissolved gas (dissolved gas diffusion).
前述した「消滅」、「溶存ガス拡散」の状態では、硬水中に金属イオンとして含まれていたものが結晶42として析出している。このように析出した結晶42を硬水から分離することで、硬水中の金属イオンを結晶化して除去することができる。
In the state of “disappearance” and “dissolved gas diffusion” described above, those contained as metal ions in hard water are precipitated as
(実験例3−5)
次に、微細気泡40におけるアンモニアと窒素の混合割合による金属成分の結晶化への影響を確認するために行った実験例3−5について説明する。ここでは、図15に示す装置50を用いて実験を行った。
(Experimental example 3-5)
Next, a description will be given of Experimental Example 3-5 performed to confirm the effect of the mixing ratio of ammonia and nitrogen in the
図15は、実験例3−5で用いる装置50の概略構成を示す図である。図15に示す装置50は、混合ガス供給部52と、処理槽54と、第1の配管56と、第2の配管58と、採水バルブ60と、採水器62と、貯水タンク64と、ポンプ66と、流量調整バルブ68と、流量計70とを備えている。
FIG. 15 is a diagram illustrating a schematic configuration of an
混合ガス供給部52は、処理槽54に混合ガスを供給する部材である。混合ガス供給部52は、アンモニア供給源72と、窒素供給源74と、混合比調整バルブ76と、供給用配管78と、微細気泡発生部80とを備える。
The mixed
混合ガス供給部52は、アンモニア供給源72と窒素供給源74を用いて、アンモニア(第1のガス)と窒素(第2のガス)を混合した混合ガスを生成する。アンモニアと窒素の混合割合は、混合比調整バルブ76によって任意の比率に設定可能である。混合ガスは供給用配管78を通じて、処理槽54の底部に設けられた微細気泡発生部80に供給される。微細気泡発生部80は混合ガスを微細気泡化する部材である。
The mixed
処理槽54は、処理対象の処理水として硬水を収容する槽(硬水収容部)である。処理槽54の硬水中に混合ガスによる微細気泡を供給することにより、実施の形態3で説明した原理によって、硬水中から金属成分の除去、特に結晶化が行われる。処理後の処理水は第1の配管56に送られる。第1の配管56の途中には採水バルブ60が設けられている。採水バルブ60の開閉によって、第1の配管56内を通る処理水の採水が行われる。採水された処理水は採水器62に入れられる。
The
第1の配管56は貯水タンク64に接続されている。貯水タンク64は処理水を貯留するタンクである。貯水タンク64に貯留される処理水は、第2の配管58を通じて処理槽54に戻される。これにより処理水が循環する。
The
第2の配管58には、ポンプ66、流量調整バルブ68、及び流量計70が取り付けられている。ポンプ66は、貯水タンク64内の処理水を第2の配管58に流す推進力を発生させる部材である。流量調整バルブ68は、第2の配管58を通る処理水の流量を調整するバルブである。流量計70は、第2の配管58に流れる処理水の流量を測定する機器である。
A
このような装置50を用いて、ポンプ66を連続運転しながら処理槽54において硬水中の金属成分の除去処理を行うとともに、処理後の処理水を採水器62から採取して、各種パラメータを測定した。実験例3−5では、処理水に含まれていた金属成分が結晶化する割合(結晶化率)について調査した。なお、本明細書における結晶化率とは、原子、分子が規則正しく周期的な配列で構成されたものに限らず、単に固体として析出した物質の割合を意味する。結晶化率は「析出率」と称してもよい。
Using such an
実験例3−5で実際に処理した処理水を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した結果の例を図16に示す。図16に示すように、処理水82の中に多数の結晶84が析出している。
FIG. 16 shows an example of the result of observing the treated water actually treated in Experimental Example 3-5 with a scanning electron microscope (SEM). As shown in FIG. 16,
実験例3、4では、処理対象の処理水として硬水1を用いた。硬水1はエビアン(登録商標)・硬度約300mg/Lである。実験例5では、硬水1、硬水2の2種類を用いた。硬水2はコントレックス(登録商標)・硬度約1400mg/Lである。
In Experimental Examples 3 and 4,
(実験例3)
実験例3は前述した装置50を用いて、ポンプ66を動作させて硬水を処理槽54に流入させながら、所定時間経過後の処理水を採水器62にてサンプル水として採取したものである。実験例3では、混合ガスにおけるアンモニアと窒素の混合割合を変化させて、それぞれの混合割合における結晶化率の違いについて調査した。実験例3の具体的な実験条件を以下に示す。実験例3では、処理槽54から第1の配管56に供給される処理水は、採水器62で採取されるもの以外は全て廃棄し、貯水タンク64には供給しないようにした。
(Experimental example 3)
In Experimental Example 3, using the above-described
(実験条件)
処理水の種類: 硬水1
混合ガスにおけるアンモニアの混合比率: 0%(窒素のみ)、30%、40% 、50%、60%、70%、80% 、90%、100%(アンモニアの み)
処理水の流量: 2.6L/分
混合ガスの流量: 0.03L/分
ポンプを動作させてから採取するまでの時間: 3分
サンプル水の測定項目: pH、Ca硬度(mg/L)、全炭 酸濃度(mg/L)
(Experimental conditions)
Type of treated water:
Mixing ratio of ammonia in mixed gas: 0% (nitrogen only), 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100% (only ammonia)
Flow rate of treated water: 2.6 L / min Flow rate of mixed gas: 0.03 L / min Time from starting operation of pump to collection: 3 minutes Measurement items of sample water: pH, Ca hardness (mg / L), Total carbonic acid concentration (mg / L)
サンプル水の測定項目については、採取したサンプル水をろ過することにより、サンプル水中に析出した金属成分の結晶を取り除いたもので測定を行った。Ca硬度は、単位体積当たりの処理水に含まれるCa2+の含有量を炭酸カルシウム(CaCO3)に換算した値である。pH、Ca硬度、全炭酸濃度の測定には、それぞれ市販の計測器を用いた。 Regarding the measurement items of the sample water, the measurement was performed by filtering the collected sample water to remove the crystal of the metal component precipitated in the sample water. The Ca hardness is a value obtained by converting the content of Ca 2+ contained in the treated water per unit volume into calcium carbonate (CaCO 3 ). A commercially available measuring instrument was used for measuring the pH, Ca hardness, and total carbonic acid concentration.
実験例3による実験結果を図17A、図17Bに示す。 FIGS. 17A and 17B show experimental results according to Experimental Example 3. FIG.
図17Aは、横軸に混合ガスにおけるアンモニアの混合比率(%)を表し、縦軸にサンプル水の結晶化率(%)を表す。図17Bは、横軸にサンプル水のpHを表し、縦軸にサンプル水の結晶化率(%)を表す。 In FIG. 17A, the horizontal axis represents the mixing ratio (%) of ammonia in the mixed gas, and the vertical axis represents the crystallization ratio (%) of the sample water. In FIG. 17B, the horizontal axis represents the pH of the sample water, and the vertical axis represents the crystallization ratio (%) of the sample water.
「結晶化率」は、(運転前のサンプル水のCa硬度―運転後のサンプル水のCa硬度)/運転前のサンプル水のCa硬度、により計算した。このように計算される結晶化率は、単位体積当たりのサンプル水においてどれだけの金属イオンが結晶化したかを表す。結晶化率が高いほど、サンプル水からより多くの金属イオンが結晶化したことを示す。 The “crystallization rate” was calculated by (Ca hardness of sample water before operation−Ca hardness of sample water after operation) / Ca hardness of sample water before operation. The crystallization ratio calculated in this manner indicates how much metal ion has crystallized in the sample water per unit volume. A higher crystallization rate indicates that more metal ions have crystallized from the sample water.
図17A、17Bに示すように、アンモニアの混合比率が高くなるほど、結晶化率が上昇している。特にアンモニアの混合比率が70%以上になると、結晶化率が飛躍的に上昇している。 As shown in FIGS. 17A and 17B, the higher the mixing ratio of ammonia, the higher the crystallization ratio. In particular, when the mixing ratio of ammonia is 70% or more, the crystallization ratio is dramatically increased.
図17A、17Bに示すように、アンモニアの混合比率が高くなるほど、pHも上昇していることがわかる。ただしpHは上昇しているが、最大でも8.5〜9の間の値である。厚生労働省が定めている上水のpH基準は5.8〜8.6の範囲であり、アンモニアの混合比率が高い場合でもその範囲に近い値で推移していることがわかる。また薬機等法で規定されているアルカリイオン水の望ましい飲用範囲はpH9〜10である。この範囲よりもpHの値を低く抑えることができているため、飲用水としても適していることがわかる。 As shown in FIGS. 17A and 17B, it can be seen that the higher the mixing ratio of ammonia, the higher the pH. However, although the pH is rising, it is a value between 8.5 and 9 at the maximum. The pH standard of clean water specified by the Ministry of Health, Labor and Welfare is in the range of 5.8 to 8.6, and it can be seen that even when the mixing ratio of ammonia is high, the value is kept close to the range. A desirable drinking range of alkaline ionized water specified by the Pharmaceutical Equipment Act is pH 9-10. Since the pH value can be kept lower than this range, it can be seen that it is suitable as drinking water.
アンモニアの混合比率が高い場合でもpHの上昇が過度に大きくならない要因としては、前述の図14を用いて説明したように、処理水全体のpHを上昇させるのではなく、微細気泡40周辺の局所pHを主に上昇させている点にあると考えられる。
The reason why the increase in pH does not become excessively large even when the mixing ratio of ammonia is high is not to increase the pH of the whole treated water but to increase the local pH around the
(実験例4)
実験例4は実験例3と同様に、前述した装置50を用いて、ポンプ66を動作させて硬水を処理槽54に流入させながら、所定時間経過後の処理水を採水器62にてサンプル水として採取したものである。実験例4では、混合ガスにおけるアンモニアの混合比率を70%と100%の2パターンのみ用いた。また、実験例3とは異なり、ポンプ66の運転から所定間隔ごとにサンプル水を採取して各種パラメータを測定した。さらに、実験例3とは異なり、処理槽54から第1の配管56に供給される処理水は、採水器62で採取されるもの以外は全て貯水タンク64に戻して処理水を循環させた。実験例4の具体的な実験条件を以下に示す。
(Experimental example 4)
In Experimental Example 4, similarly to Experimental Example 3, while using the
(実験条件)
処理水の種類: 硬水1
混合ガスにおけるアンモニアの混合比率: 70%、100%(アンモニアのみ )
処理水の流量: 2.6L/分
混合ガスの流量: 0.03L/分
サンプル水の測定項目: pH、Ca硬度(mg/L)、全炭 酸濃度(mg/L)
(Experimental conditions)
Type of treated water:
Mixing ratio of ammonia in mixed gas: 70%, 100% (only ammonia)
Flow rate of treated water: 2.6 L / min Flow rate of mixed gas: 0.03 L / min Measurement items of sample water: pH, Ca hardness (mg / L), total carbonic acid concentration (mg / L)
実験例4による実験結果を図18A、図18B、図18Cに示す。 18A, 18B, and 18C show experimental results according to Experimental Example 4. FIG.
図18Aは、横軸にポンプ66の運転時間(分)を表し、縦軸にサンプル水の結晶化率(%)を表す。図18Bは、横軸にポンプ66の運転時間(分)を表し、縦軸にサンプル水のCa硬度(mg/L)を表す。図18Cは、横軸にポンプ66の運転時間(分)を表し、縦軸にサンプル水のpHを表す。
18A, the horizontal axis represents the operation time (minute) of the
図18Aに示すように、アンモニアの混合比率が70%、100%のいずれの場合でも、運転時間が経過するにつれて結晶化率が上昇している。また、図18Bに示すように、運転時間が経過するにつれてCa硬度は低下している。これより、混合ガスによる微細気泡の投入によって、硬水中に溶けていた金属成分のCa2+がCaCO3として結晶化していることが分かる。 As shown in FIG. 18A, the crystallization ratio increases as the operation time elapses, regardless of whether the mixing ratio of ammonia is 70% or 100%. Also, as shown in FIG. 18B, the Ca hardness decreases as the operation time elapses. From this, it can be seen that the metal component Ca 2+ dissolved in the hard water was crystallized as CaCO 3 by the introduction of the fine bubbles by the mixed gas.
一方で、アンモニアの混合比率が70%の場合よりも100%の場合の方が、結晶化率の上昇速度及びCa硬度の低下速度は早くなっている。これより、Ca2+をCaCO3に結晶化させることに関してアンモニアが大きく寄与していることが分かる。 On the other hand, when the mixing ratio of ammonia is 100%, the rate of increase in the crystallization rate and the rate of decrease in Ca hardness are faster when the mixing ratio of ammonia is 100%. This indicates that ammonia greatly contributes to the crystallization of Ca 2+ into CaCO 3 .
図18Cに示すように、運転時間が経過するにつれて、アンモニアの混合比率が70%、100%のいずれの場合でもpHがゆるやかに上昇している。アンモニアの混合比率が70%の場合と100%の場合とではpHの値にそれほど大きな違いは見られない。また運転時間が50分を経過したときでも、pHは9〜10の間であり、過度には上昇していない。このようにpHの上昇速度がそれほど早くならない要因としては、図14を用いて説明したように、処理水全体のpHを上昇させるのではなく、微細気泡40周辺の局所pHを主に上昇させている点にあると考えられる。
As shown in FIG. 18C, as the operation time elapses, the pH gradually increases regardless of whether the mixing ratio of ammonia is 70% or 100%. There is no significant difference in the pH value between the case where the mixing ratio of ammonia is 70% and the case where the mixing ratio of ammonia is 100%. Further, even when the operation time has passed 50 minutes, the pH is between 9 and 10, and has not risen excessively. As described above with reference to FIG. 14, the reason why the rate of increase in pH is not so fast is that, instead of increasing the pH of the entire treated water, the local pH around the
(実験例5)
実験例5は実験例3、4と同様に、前述した装置50を用いて、ポンプ66を動作させて硬水を処理槽54に流入させながら、所定時間経過後の処理水を採水器62にてサンプル水として採取したものである。実験例4と同様に、ポンプ66の運転から所定間隔ごとにサンプル水を採取して各種パラメータを測定した。また、実験例4と同様に、処理槽54から第1の配管56に供給される処理水は、採水器62で採取されるもの以外は全て貯水タンク64に戻して処理水を循環させるようにした。一方で、実験例5では、混合ガスにおけるアンモニアの混合比率を70%の1パターンのみ用いた。また、実験例3、4とは異なり、処理水として、硬水1(硬度約300mg/L)、硬水2(硬度約1400mg/L)の2種類の硬水を用いた。実験例5の具体的な実験条件を以下に示す。
(Experimental example 5)
In Experimental Example 5, similarly to Experimental Examples 3 and 4, while using the above-described
(実験条件)
処理水の種類: 硬水1、硬水2
混合ガスにおけるアンモニアの混合比率: 70%
処理水の流量: 2.6L/分
混合ガスの流量: 0.03L/分
サンプル水の測定項目: pH、Ca硬度(mg/L)、全炭
酸濃度(mg/L)
(Experimental conditions)
Type of treated water:
Mixing ratio of ammonia in mixed gas: 70%
Flow rate of treated water: 2.6 L / min Flow rate of mixed gas: 0.03 L / min Measurement items of sample water: pH, Ca hardness (mg / L), total coal
Acid concentration (mg / L)
実験例5による実験結果を図19A、図19B、図19C、図19Dに示す。 19A, 19B, 19C, and 19D show experimental results according to Experimental Example 5.
図19Aは、横軸にポンプ66の運転時間(分)を表し、縦軸にサンプル水の結晶化率(%)を表す。図19Bは、横軸にポンプ66の運転時間(分)を表し、縦軸にサンプル水のCa硬度(mg/L)を表す。図19Cは、横軸にポンプ66の運転時間(分)を表し、縦軸にサンプル水のpHを表す。図19Dは、図19Bのグラフで、縦軸に全炭酸濃度(mg/L)を追加したものである。
In FIG. 19A, the horizontal axis represents the operation time (minutes) of the
図19A、図19Bに示すように、硬水1、硬水2ともに、運転時間が経過するにつれて結晶化率が上昇するとともに、Ca硬度が低下している。これより、混合ガスによる微細気泡の投入によって、硬水中に溶けていた金属成分のCa2+がCaCO3として結晶化していることが分かる。
As shown in FIGS. 19A and 19B, in both the
また、図19A、図19Cに示すように、硬水1と硬水2では、結晶化率の上昇速度及びpHの上昇速度が大きく異なっていることがわかる。具体的には、硬水1の方が硬水2よりも、結晶化率の上昇速度及びpHの上昇速度が速いことがわかる。この点に関して本発明者らは「全炭酸濃度」に着目し、図19Dに示すデータをもとに考察した。
Further, as shown in FIGS. 19A and 19C, it can be seen that the
図19Dに示すように、硬水1の全炭酸濃度に関して、運転時間が50分のときの値は150〜200mg/Lである。すなわち、硬水1にはHCO3 −及びCO3 2―が多く含まれている。なお、運転時間が50分のときの硬水1の結晶化率は、図19Aに示すように70〜80%に到達している。これに対して、硬水2の全炭酸濃度については、運転時間が70分のときの値は約20mg/Lとなっている。硬水1と比較すると、硬水2ではHCO3 −及びCO3 2―の含有量が大幅に少ないことがわかる。なお、運転時間が70分のときの硬水2の結晶化率は、図19Aに示すデータによれば約40%と見込まれる。
As shown in FIG. 19D, the value when the operation time is 50 minutes is 150 to 200 mg / L with respect to the total carbonic acid concentration of the
HCO3 −及びCO3 2―は、実施の形態1−3の原理で説明したようにCa2+をCaCO3として結晶化するための成分として機能する。このようなHCO3 −及びCO3 2―を多く含むため、硬水1の方が硬水2よりも結晶化率の上昇速度が早いものと考えられる。
HCO 3 - and CO 3 2- functions as a component for crystallizing the Ca 2+ as CaCO 3 as described in the principle of embodiment 1-3. It is considered that the
硬水1、2に含まれる金属成分の含有量及び全炭酸濃度に関して次の表1に示す。
Table 1 below shows the content of the metal components contained in the
表1に示すように、硬水1であるエビアン(登録商標)に含まれる単位体積当たりのCa、Mg、CO3 2―の含有量はそれぞれ80、26、357mg/Lである。硬水2であるコントレックス(登録商標)に含まれる単位体積当たりのCa、Mg、CO3 2―の含有量は468、74.8、372mg/Lである。このように硬水1、硬水2に含まれる単位体積当たりのCO3 2―の含有量は357mg/Lと372mg/Lでほぼ同じである。これに対して、硬水中に含まれるCa及びMgの含有量に対するCa及びMgの溶解に必要なCO3 2―の量は、硬水1で約184mg/L、硬水2で約887mg/Lである。すなわち、硬水1では、Ca及びMgの溶解に必要なCO3 2―の量に対して、実際に含まれるCO3 2―の量が約173mg/L余っている。これは、微細気泡による混合ガスを投入したときに、Ca2+を結晶化させるためのCO3 2―が豊富に存在していることを意味する。これに対して、硬水2では、Ca及びMgの溶解に必要なCO3 2―の量に対して、実際に含まれるCO3 2―の量が約515mg/L不足している。これは、微細気泡による混合ガスを投入したときに、Ca2+を結晶化させるためのCO3 2―が少なく、結晶化が促進されないと考えられる。
As shown in Table 1, the contents of Ca, Mg, and CO 3 2- per unit volume contained in Evian (registered trademark), which is
前記結果より、処理される硬水にHCO3 −及びCO3 2―などの炭酸が豊富に含まれていれば、結晶化の上昇速度を向上できると考えられる。これに基づいて硬水の全炭酸量を増加させるために、微細気泡を投入する前に硬水中に炭酸ガスを投入するようにしてもよい。具体的には、炭酸ガスを発生させる炭酸ガス発生部をさらに備えてもよい。そして、微細気泡発生部が発生させた微細気泡を硬水に供給する前に、炭酸ガス発生部により炭酸ガスを発生させて硬水中に供給してもよい。これにより、硬水中の金属成分の結晶化を促進することができると考えられる。 Than the results, HCO 3 in hard water to be treated - if it contains and the rich carbonate CO 3 2-, etc., is considered to be improved to increase the rate of crystallization. In order to increase the total carbonic acid amount of the hard water based on this, carbon dioxide gas may be injected into the hard water before the fine bubbles are injected. Specifically, the apparatus may further include a carbon dioxide gas generator that generates carbon dioxide gas. Then, before supplying the microbubbles generated by the microbubble generating unit to the hard water, the carbon dioxide gas may be generated by the carbon dioxide generating unit and supplied to the hard water. Thereby, it is considered that crystallization of the metal component in the hard water can be promoted.
前述したように、実験例3−5によれば、混合ガスにおける窒素の物質量よりもアンモニアの物質量が多くなるように設定することで、金属成分の結晶化を促進することができる。さらに、混合ガスにおけるアンモニアの混合比率を70%以上に設定することで、金属成分の結晶化を大幅に促進することができる。 As described above, according to Experimental Example 3-5, crystallization of the metal component can be promoted by setting the amount of ammonia to be larger than the amount of nitrogen in the mixed gas. Further, by setting the mixing ratio of ammonia in the mixed gas to 70% or more, crystallization of the metal component can be greatly promoted.
(実験例6)
実験例6は、前述した装置50を用いて処理したサンプル水(軟水)に関して、「泡立ち」を評価する官能性評価の実験である。泡立ちは、水面から生じる泡の高さ・大きさによる起泡力に関連する。一般的には、硬度成分が少ないほど泡立ちが大きいとされ、例えば洗浄用途で使用した際に洗浄効果が高いなどの利点を有する。
(Experimental example 6)
Experimental example 6 is a sensory evaluation experiment for evaluating “foaming” with respect to the sample water (soft water) treated using the
実験例6では、実験例3−5と異なり、混合ガスではなく単独のガスとしてのアンモニアをもとに微細気泡を発生させた。すなわち、図15に示す装置50において、窒素供給源74を使用せずにアンモニア供給源72のみを使用して微細気泡を発生させた。なお、装置50の使用方法については実験例3−5と同様であるため、説明を省略する。
In Experimental Example 6, unlike Experimental Example 3-5, fine bubbles were generated based on ammonia as a single gas instead of a mixed gas. That is, in the
実験例6の実験方法は、空気調和・衛生工学会の「泡立ち」に関する規格:SHASE−S 218に基づく。具体的には、純石鹸1.5gを200mlの水で希釈した希釈水を準備し、希釈水を1mL、対象となる処理水9mLを混合して、10mLの評価水としてメスシリンダーに入れた。なお、純石鹸は、化粧石鹸カウブランド赤箱a1(牛乳石鹸共進社株式会社)を使用し、200mlの水は、オートスチル、WG221(ヤマト科学株式会社)の蒸留水を使用した。メスシリンダーを50回振った後、1分後における水面から立つ泡の高さを測定した。 The experimental method of Experimental Example 6 is based on the standard for foaming of the Society of Air Conditioning and Sanitary Engineers: SHASE-S218. Specifically, diluting water prepared by diluting 1.5 g of pure soap with 200 ml of water was prepared, and 1 mL of the diluting water and 9 mL of the target treated water were mixed and put into a measuring cylinder as 10 mL of evaluation water. The pure soap used was a cosmetic soap cow brand red box a1 (Milk Soap Co., Ltd.), and the 200 ml of water used was distilled water from Auto Still, WG221 (Yamato Kagaku Co., Ltd.). After the measuring cylinder was shaken 50 times, the height of the foam rising from the water surface one minute later was measured.
実験例6では、装置50で処理したサンプル水に加えて、硬水、水道水、純水の3種類を使用して同様の実験を行った。これらの水およびサンプル水の硬度は、以下の通りである。
In Experimental Example 6, the same experiment was performed using three types of hard water, tap water, and pure water in addition to the sample water treated by the
硬水の硬度 :全硬度300mg/L、Ca硬度200mg/L、Mg硬度100mg/L
水道水の硬度 :全硬度72mg/L、Ca硬度49mg/L、Mg硬度23mg/L
純水の硬度 :全硬度0mg/L、Ca硬度0mg/L、Mg硬度0mg/L
サンプル水の硬度 :全硬度118mg/L、Ca硬度21mg/L、Mg硬度97mg/L
Hard water hardness:
Tap water hardness:
Pure water hardness:
Sample water hardness: Total hardness 118 mg / L,
実験例6による実験結果を図20に示す。図20は、横軸に水の種類を表し、縦軸に、評価水の水面から延びる泡の高さ(mm)を表す。縦軸は泡立ち・起泡力を表す。 FIG. 20 shows an experimental result according to Experimental Example 6. In FIG. 20, the horizontal axis represents the type of water, and the vertical axis represents the height (mm) of bubbles extending from the water surface of the evaluation water. The vertical axis represents foaming / foaming power.
図20に示すように、Ca硬度、Mg硬度のいずれも最も高い「硬水」は泡立ちがほとんどなく0に近いのに対して、「水道水」、「サンプル水」および「純水」は同じぐらいの高い泡立ちを示した。すなわち、装置50を用いて処理した「サンプル水」は、処理前の硬水に対して泡立ちが改善されており、「水道水」、「純水」に近い泡立ちを実現している。これより、実施の形態の方法により硬水から金属イオンを除去することで泡立ちを改善できるとともに、軟水である水道水、純水と同じレベルの泡立ちを実現できることが示された。
As shown in FIG. 20, "hard water", which has the highest Ca hardness and Mg hardness, has almost no bubbling and is close to 0, whereas "tap water", "sample water" and "pure water" are about the same. High foaming. That is, the “sample water” treated using the
図20に示す結果と前記硬度の具体値を比較すると、Ca硬度が小さいほど、泡立ちが大きくなっている。これより、Mg硬度よりもCa硬度の値の方が、泡立ちに対して直接的に影響する支配的なパラメータであることがわかる。 Comparing the results shown in FIG. 20 with the specific values of the hardness, the lower the Ca hardness, the greater the foaming. This shows that the value of Ca hardness is a dominant parameter that directly affects foaming rather than Mg hardness.
(実験例7)
実験例7は、実験例3−5と同様の装置50(図15)を用いて処理水(硬水)を処理し、処理したサンプル水の結晶化率を比較するものである。
(Experimental example 7)
In Experimental Example 7, treated water (hard water) was treated using the same device 50 (FIG. 15) as in Experimental Example 3-5, and the crystallization ratio of the treated sample water was compared.
実験例7では、微細気泡であるマイクロバブルを用いた場合と、微細気泡でないミリバブルを用いた場合の結晶化率の違いを比較した。すなわち、図15に示す装置50において、微細気泡発生部80をそのまま使用してマイクロバブルを発生させた場合と、微細気泡発生部80の代わりに別の気泡発生部(図示せず)を使用してミリバブルを発生させた場合の2パターンで実験を行った。
In Experimental Example 7, the difference in crystallization ratio between the case where microbubbles which are fine bubbles were used and the case where millibubbles which were not fine bubbles were used were compared. That is, in the
さらに、実験例7では、実験例3−5と異なり、混合ガスではなく単独のガスであるオゾンをもとに気泡を発生させた。すなわち、図15に示す装置50において、アンモニア供給源72と窒素供給源74の代わりにオゾン供給源(図示せず)を使用した。なお、実施の形態3で説明したように、オゾンガスは水酸基イオン供与ガスである。
Further, in Experimental Example 7, unlike Experimental Example 3-5, bubbles were generated based on ozone which was a single gas instead of a mixed gas. That is, in the
実験例7の実験条件は以下の通りである。 The experimental conditions of Experimental Example 7 are as follows.
処理水の種類(共通) :硬水1
処理水の流量(共通) :12L/min
処理槽54の貯留水量(共通) :9L
オゾンガスの流量(共通) :0.12L/min
マイクロバブルの平均気泡径 :56μm
ミリバブルの平均気泡径 :1021μm
サンプル水の測定項目(共通) :Ca硬度(mg/L)、全硬度(mg/L)
Type of treated water (common):
Treated water flow rate (common): 12 L / min
Amount of water stored in processing tank 54 (common): 9L
Ozone gas flow rate (common): 0.12 L / min
Average bubble diameter of microbubbles: 56 μm
Average bubble diameter of millibubbles: 1021 μm
Measurement items of sample water (common): Ca hardness (mg / L), total hardness (mg / L)
実験例7による実験結果を図21A、図21Bに示す。 Experimental results according to Experimental Example 7 are shown in FIGS. 21A and 21B.
図21Aは、横軸に時間(分)を表し、縦軸にCa硬度の結晶化率(%)を表す。図21Bは、横軸に時間(分)を表し、縦軸に全硬度の結晶化率(%)を表す。 In FIG. 21A, the horizontal axis represents time (minutes), and the vertical axis represents the crystallization ratio (%) of Ca hardness. In FIG. 21B, the horizontal axis represents time (minutes), and the vertical axis represents the crystallization ratio (%) of the total hardness.
図21A、図21Bに示すように、Ca硬度と全硬度のいずれに関しても、ミリバブルよりもマイクロバブルの方が高い結晶化率を実現していることがわかる。すなわち、微細気泡でないミリバブルを用いた場合よりも、微細気泡であるマイクロバブルを用いた場合の方が結晶化率は高く、微細気泡による金属イオンの結晶化の効果が実証されたといえる。 As shown in FIGS. 21A and 21B, it can be seen that the microbubbles achieve a higher crystallization rate than the millibubbles with respect to both the Ca hardness and the total hardness. In other words, the crystallization rate is higher when microbubbles, which are microbubbles, are used than when microbubbles, which are not microbubbles, are used, demonstrating the effect of crystallization of metal ions by the microbubbles.
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記では、軟水化処理においてイオン除去用ガスとして空気又は窒素を用いたが、本発明はこれに限定されない。イオン除去用ガスとして空気、窒素以外のガスを用いてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be implemented in other various modes. For example, in the above description, air or nitrogen was used as the ion removing gas in the water softening treatment, but the present invention is not limited to this. A gas other than air and nitrogen may be used as the ion removing gas.
また、前記では、再生処理を行う溶解用ガスとして二酸化炭素を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、溶解用ガスとして、水に溶けた際に水素イオンを出すガスである硫化水素(H2S→H++HS−)や塩化水素(HCL→H++CL−)を用いてもよい。 In the above description, carbon dioxide is used as a dissolving gas for performing the regeneration treatment, but the present invention is not limited to this. For example, as the dissolution gas, hydrogen sulfide is a gas emitted hydrogen ions when dissolved in water (H 2 S → H + + HS -) and hydrogen chloride (HCL → H + + CL - ) may be used.
また、前記では、再生処理を行う溶解剤の一例として溶解用ガスを用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、溶解剤として、金属成分の結晶を溶解させる液体(溶解用液)を用いてもよい。このような液体としては、例えば、塩酸、硫酸、クエン酸、アスコルビン酸などが挙げられる。このような液体を用いることで、溶解剤供給部8の大きさを小さくすることができる。また、溶解剤を交換する頻度を少なくすることができる。また溶解剤として液体を用いる場合には、ポンプPに気体が入ることを抑えることができるので、ポンプPの硬水の流れ方向の下流側に溶解剤供給部8を配置する必要性を無くすことができる。すなわち、溶解剤供給部8は、一次側流路2とイオン除去装置3と分離装置4と戻し流路12とで構成される循環流路内に配置すればよい。この構成によっても、分離装置4に溶解剤を供給して分離装置4に付着した結晶を溶解させて再生処理することができる。
In the above description, a dissolving gas is used as an example of the dissolving agent for performing the regeneration treatment, but the present invention is not limited to this. For example, a liquid (solution for dissolving) that dissolves the crystal of the metal component may be used as the solubilizer. Examples of such a liquid include hydrochloric acid, sulfuric acid, citric acid, and ascorbic acid. By using such a liquid, the size of the dissolving
また、前記では、分離装置4がサイクロン方式の遠心分離装置であるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、分離装置4は、中空糸膜などの浄水フィルタであってもよい。
In the above description, the
また、前記では、硬水中にイオン除去用ガスを含む微細気泡のみを供給するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、硬水中にイオン除去用ガスを含む微細気泡に加えて、別のガスを供給してもよい。この場合、別のガスは、微細気泡として硬水に供給してもよいし、通常の気泡として硬水に供給してもよい。 In the above description, only the fine bubbles containing the ion removing gas are supplied into the hard water, but the present invention is not limited to this. For example, another gas may be supplied in addition to the microbubbles containing the ion removing gas in hard water. In this case, another gas may be supplied to hard water as fine bubbles, or may be supplied to hard water as ordinary bubbles.
また、前記では、第1弁15A、第2弁15B、及び第3弁15Cの開閉動作を制御部6により自動的に制御するようにしたが、本発明はこれに限定されない。第1弁15A、第2弁15B、及び第3弁15Cの開閉動作を手動で行うようにしてもよい。
In the above description, the opening and closing operations of the
また、前記では、塩基性ガスである第1のガスと、第1のガスに比べて溶解速度が遅い性質の第2のガスの2種類のガスを混合した微細気泡を用いる場合について説明したが、これら2種類のガスに加えて別のガスを混合してもよい。すなわち、第1のガスと第2のガスを含む2種類以上のガスを混合した混合ガスによる微細気泡を用いてもよい。 In the above description, a case is described in which fine bubbles are used in which two types of gases, a first gas which is a basic gas and a second gas having a dissolution rate lower than that of the first gas, are mixed. Alternatively, another gas may be mixed in addition to these two types of gases. That is, fine bubbles of a mixed gas obtained by mixing two or more types of gases including the first gas and the second gas may be used.
なお、前記様々な実施の形態及び変形例のうちの任意の実施の形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。 Note that by appropriately combining any of the above-described various embodiments and modified examples, the effects of the respective embodiments can be achieved.
本開示は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した特許請求の範囲による本開示の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。また、各実施の形態における要素の組合せや順序の変化は、本開示の範囲及び思想を逸脱することなく実現し得るものである。 While this disclosure has been fully described in connection with preferred embodiments thereof with reference to the accompanying drawings, various variations and modifications will be apparent to those skilled in the art. It is to be understood that such changes and modifications are included therein unless they depart from the scope of the present disclosure as set forth in the appended claims. In addition, combinations of elements and changes in the order in each embodiment can be realized without departing from the scope and spirit of the present disclosure.
本発明に係るイオン除去システムは、メンテナンス性及び環境性に優れているので、家庭用のイオン除去システムにも、業務用のイオン除去システムにも有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The ion removal system according to the present invention is excellent in maintainability and environmental friendliness, and therefore is useful for both home-use ion removal systems and business-use ion removal systems.
1 イオン除去システム
2 一次側流路
3 イオン除去装置
3A 硬水収容部
3B 微細気泡発生部
3C 接続流路
4 分離装置
4A 分離部
4Aa 内周面
4B 結晶貯留部
4Ba 排出流路
5 二次側流路
6 制御部
7 イオン除去用ガス供給部
8 溶解剤供給部
9 ガス切替機構
10 開閉弁
11 排出側逆流防止機構
12 戻し流路
13 供給側逆流防止機構
14 バイパス流路
15A 第1弁
15B 第2弁
15C 第3弁
16 脱気装置
20 装置
21 硬水
22 水槽
22a 底面
22b 水面
24 ガス供給部
25 第1配管
26 微細気泡発生部
27 第2配管
28 ポンプ
30 第1取水部
32 第2取水部
34 金属イオン濃度検出器
40 微細気泡
42 結晶
D1 第1取水部から第2取水部までの距離
50 装置
52 混合ガス供給部
54 処理槽
56 第1の配管
58 第2の配管
60 採水バルブ
62 採水器
64 貯水タンク
66 ポンプ
68 流量調整バルブ
70 流量計
72 アンモニア供給源
74 窒素供給源
76 混合比調整バルブ
78 供給用配管
80 微細気泡発生部
82 処理水
84 結晶
90 装置
91 水槽
92 第1配管
93 ポンプ
94 第2配管
95 ミストノズル
96 硬水
97 サンプル
98 開閉弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ion removal system 2 Primary side flow path 3 Ion removal device 3A Hard water storage part 3B Fine bubble generation part 3C Connection flow path 4 Separation device 4A Separation part 4Aa Inner peripheral surface 4B Crystal storage part 4Ba Discharge flow path 5 Secondary flow path Reference Signs List 6 Control part 7 Ion removal gas supply part 8 Solvent supply part 9 Gas switching mechanism 10 Open / close valve 11 Drain side backflow prevention mechanism 12 Return path 13 Supply side backflow prevention mechanism 14 Bypass flow path 15A First valve 15B Second valve 15C Third valve 16 Deaerator 20 Device 21 Hard water 22 Water tank 22a Bottom surface 22b Water surface 24 Gas supply unit 25 First pipe 26 Microbubble generator 27 Second pipe 28 Pump 30 First water intake unit 32 Second water intake unit 34 Metal ion Concentration detector 40 Microbubbles 42 Crystal D1 Distance from first water intake section to second water intake section 50 Device 52 Mixed gas supply section 54 Processing tank 56 First pipe 5 Second piping 60 Water sampling valve 62 Water sampling device 64 Water storage tank 66 Pump 68 Flow rate adjustment valve 70 Flow meter 72 Ammonia supply source 74 Nitrogen supply source 76 Mixing ratio adjustment valve 78 Supply pipe 80 Microbubble generator 82 Treated water 84 Crystal 90 Device 91 Water tank 92 First pipe 93 Pump 94 Second pipe 95 Mist nozzle 96 Hard water 97 Sample 98 Open / close valve
Claims (4)
前記脱気装置により二酸化炭素が脱気された硬水を収容する硬水収容部と、微細気泡を発生させて前記硬水収容部に供給する微細気泡発生部とを備え、前記硬水収容部において硬水中の金属イオンを前記微細気泡に吸着させて、硬水中から金属イオンを除去するイオン除去装置と、
を備える、イオン除去システム。 A degassing device for degassing carbon dioxide contained in hard water,
A hard water storage unit that stores hard water in which carbon dioxide has been degassed by the deaerator, and a fine bubble generation unit that generates fine bubbles and supplies the hard water to the hard water storage unit. An ion removal device that removes metal ions from hard water by adsorbing metal ions to the microbubbles,
An ion removal system comprising:
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