JP2021053569A

JP2021053569A - 軟水化装置

Info

Publication number: JP2021053569A
Application number: JP2019178416A
Authority: JP
Inventors: 珠里向; Juri Mukai; 唯松本; Yui Matsumoto; 大樹石川; Daiki Ishikawa
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2021-04-08

Abstract

【課題】水中の硬度成分であるカルシウムイオン・マグネシウムイオンを、省メンテナンスで長期間除去可能な軟水化装置を提供する。【解決手段】第一処理部４、第二処理部５、第三処理部６からなり、前記第一処理部４は、原水に水酸化イオンを供給し、該原水に含まれるカルシウムイオンを炭酸カルシウムの結晶に変化させるアルカリ供給体９を備え、その後段に炭酸カルシウムの結晶化を促進させる反応槽を備え、前記第二処理部５は、前記第一処理部４において、結晶化した炭酸カルシウムを物理除去させるろ過体１１を備え、前記第三処理部６は、前記原水中のマグネシウムイオンを取り除く、マグネシウムイオン除去体１２を備え、前記第一処理部４から第三処理部６の順に各処理を行うものである。【選択図】図１

Description

本発明は、水道水などに含まれる硬度成分を除去する軟水化装置に関するものである。

従来、水道蛇口にイオン交換樹脂を用いた軟水器を接続して、硬水に含まれるカルシウムイオンとマグネシウムイオンを吸着していた。イオン交換樹脂の吸着力がなくなると、食塩水を通して、吸着したカルシウムイオンとマグネシウムイオンをナトリウムイオンで置換して吸着能力を再生、活性化していた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１４０８４０号公報

このような従来の軟水器では、イオン交換樹脂を再生するために定期的に高濃度の塩水を軟水器に送り込まなければならず、メンテナンスの手間がかかっていた。

そこで、本発明は、水中の硬度成分であるカルシウムイオン・マグネシウムイオンを、長期間に渡り除去可能な軟水化装置を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明に係る軟水化装置は、第一処理部、第二処理部、第三処理部からなり、前記第一処理部は、原水に水酸化イオンを供給し、該原水に含まれるカルシウムイオンを炭酸カルシウムの結晶に変化させるアルカリ供給体を備え、その後段に炭酸カルシウムの結晶化を促進させる反応槽を備え、前記第二処理部は、前記第一処理部において、結晶化した炭酸カルシウムを物理除去させるろ過体を備え、前記第三処理部は、前記原水中のマグネシウムイオンを取り除くマグネシウムイオン除去体を備え、前記第一処理部から第三処理部の順に各処理を行うものであり、これにより所期の目的を達成する。

本発明によれば、第一処理部、第二処理部、第三処理部からなり、前記第一処理部は、原水に水酸化イオンを供給し、該原水に含まれるカルシウムイオンを炭酸カルシウムの結晶に変化させるアルカリ供給体を備え、その後段に炭酸カルシウムの結晶化を促進させる反応槽を備え、前記第二処理部は、前記第一処理部において、結晶化した炭酸カルシウムを物理除去させるろ過体を備え、前記第三処理部は、前記原水中のマグネシウムイオンを取り除く、マグネシウムイオン除去体を備え、前記第一処理部から第三処理部の順に各処理を行う軟水化装置の構成にしたことにより、最初にカルシウムイオンを炭酸カルシウムに結晶化させて物理的に除去し、次にマグネシウムイオンを除去することで、マグネシウムイオン除去体の消耗が減り、該グネシウムイオン除去体を長期に渡り使用することができる。また、第一処理部に備えられた反応槽により、炭酸カルシウムの結晶化率を上げることができ、カルシウムイオンを高効率に除去することができる。且つ、反応時間が延びることで炭酸カルシウムの結晶サイズがより大きくなり、第二処理部のろ過が容易になる。

本発明の実施の形態１の軟水化装置の概略図実施例１におけるカルシウムイオン量の変化を示すグラフ（（ａ）カルシウムイオンの推移を示したグラフ、（ｂ）ｐＨの変化を示したグラフ））実施例２の軟水化装置の概略図実施例２の各処理ステップでの硬度変化を示したグラフ実施例３の反応時間による結晶化率変化を示したグラフ実施例３の反応時間による結晶粒子径変化を示したグラフ

本発明の請求項１に係る軟水化装置は、第一処理部、第二処理部、第三処理部からなり、前記第一処理部は、原水に水酸化イオンを供給し、該原水に含まれるカルシウムイオンを炭酸カルシウムの結晶に変化させるアルカリ供給体を備え、その後段に炭酸カルシウムの結晶化を促進させる反応槽を備え、前記第二処理部は、前記第一処理部において、結晶化した炭酸カルシウムを物理除去させるろ過体を備え、前記第三処理部は、前記原水中のマグネシウムイオンを取り除く除去体を備え、前記第一処理部から第三処理部の順に各処理を行うものである。

これにより、最初にカルシウムイオンを炭酸カルシウムに結晶化させて物理的に除去し、次にマグネシウムイオンを除去することで、マグネシウムイオン除去体の消耗が減り、該マグネシウムイオン除去体を長期に渡り使用することができる。また、第一処理部に備えられた反応槽により、炭酸カルシウムの結晶化率を上げることができ、カルシウムイオンを高効率に除去することができる。且つ、反応時間が延びることで炭酸カルシウムの結晶サイズがより大きくなり、第二処理部のろ過が容易になる。

また、請求項２に係る軟水化装置は、前記アルカリ供給体は、水中のカルシウムイオンは結晶化するが、マグネシウムイオンは結晶化しにくいｐＨへ調整するものである。

これにより、第三処理部よりも上流側で水中のカルシウムイオンを選択的に結晶化させろ過体により除去することができるので、第三処理部では主としてマグネシウムイオンを除去するだけとなり、マグネシウムイオン除去体の消耗が減り、該マグネシウムイオン除去体を長期に渡り使用することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に示すように、軟水化装置１の本体２は、硬水供給口３と、第一処理部４と、第二処理部５と、第三処理部６と、軟水流出口７と、それぞれを連結させる配管８を備えている。

硬水供給口３は、水道管と連結され、原水である硬水が供給される。

第一処理部４は、硬水供給口３から流入してきた硬水をアルカリ性にするアルカリ供給体９を備えており、カルシウムイオンを炭酸カルシウムの結晶へ変化させるものである。

アルカリ供給体９は、水中のカルシウムイオンは結晶化するが、マグネシウムイオンは結晶化しにくいｐＨへ調整可能なものであり、気体・液体・固体のいずれの形態でも良い。アルカリ剤であれば、炭酸ナトリウムや水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の添加等や、水の電解により水酸化イオンの添加を行っても良い。また、水と金属または金属の酸化物が反応して水酸化イオンを水中に供給するものでも良い。具体的には、水と反応する金属であれば良く、Ｌｉ,Ｋ，Ｃａ，Ｎａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｆｅ等が考えられる。Ｌｉ，Ｋ，Ｃａ，Ｎａは、水と激しく反応し、水をアルカリ化させる。Ａｌ，Ｚｎ，Ｆｅは高温の水と反応し、水をアルカリ化させる。Ｍｇは常温の水と反応するため、実用的には、Ｍｇ水を使用したアルカリ化が最適であると考えられる。
このマグネシウム固体と水との反応式を以下に示す。
Ｍｇ＋２Ｈ_２Ｏ→Ｍｇ^２＋＋２ＯＨ^-＋Ｈ２↑ ・・・（式１）
また、酸化マグネシウムと水との反応を以下に示す。
ＭｇＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｍｇ^２＋＋２ＯＨ^- ・・・（式２）
この反応であれば、水素が発生せずに使用することが可能である。
また、上記の金属が化合物となった金属化合物であっても良い。

反応槽１０は、硬水とアルカリ供給体から供給された水酸化物イオンを反応させる槽であり、全ての水酸化物イオンが反応で消費される時間を確保できる容量であることが好ましい。反応時間を確保するためにアルカリ供給体９に対する接触時間を伸ばすと、（式１）の反応が過剰に進行し、マグネシウム固体の消耗が速くなってしまう。そのため、マグネシウム固体とは接触しない別の容器である反応槽１０を備える必要がある。

反応槽１０における反応時間は、硬水とマグネシウム固体の接触時間に対し、１倍以上の時間を取ることが好ましく、つまり反応槽１０の容積はマグネシウム固体の１倍以上であることが好ましい。

反応槽１０の形状は、該反応槽１０への流入水と流出水が混ざらない形状になっており、例えば、槽の内部は円筒形の二重構造となっており、通水時に逆流はせずに一方向へ流れる構造である。

また、他の構造として、通水しながら反応時間を取る配管形状などを備えて反応槽１０の代わりとしても良い。反応槽１０内に結晶化を促進させる攪拌機構を付けたり、結晶化しやすくする凹凸形状を反応槽１０備えても良い。

第二処理部５は、第一処理部４から流入してきた炭酸カルシウムを含む水をろ過するろ過体１１を備えている。

ろ過体１１は、結晶化した炭酸カルシウムを除去できれば良く、結晶化した炭酸カルシウムの粒径はレーザ回折/散乱式粒子径分布測定装置で測定を行い、メジアン径で０．１μｍ〜３０μｍ程度である。これらの粒子を除去するために、フィルターや膜、砂、繊維など、ろ過による水浄化用途において一般的に使用されているろ材であればこれに限らない。なお、上述したレーザ回折/散乱式粒子径分布測定装置を用いた測定器の一例はＨＯＲＩＢＡ社製ＬＡ‐９６０である。

第三処理部６は、第二処理部５から流入してきたマグネシウムイオンを含む水のマグネシウムイオンを取り除くマグネシウムイオン除去体１２を備えている。

マグネシウムイオン除去体１２は、マグネシウムイオンを水中から取り除くものであれば良い。特に、樹脂であれば、カルボキシル基を有する不飽和化合物の付加重合体であって、カルシウムを１ｗｔ％から２０ｗｔ％含有する粒子径が０．１ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。その他、ゼオライトや強酸性イオン交換樹脂、弱酸性イオン交換樹脂等、一般的に使用されているカルシウム・マグネシウム交換体や吸着材、収着材であればこれに限らない。

軟水流出口７は、配管と連結され、軟水が浴室やキッチンなどに分配される。

上記構成において、第一処理部４を通過した水は炭酸カルシウムの固体と、マグネシウムイオンを含む水へと改質され、第二処理部５に流入する。このとき、第二処理部５は、炭酸カルシウムを水から除去する。第二処理部５を通過した水は、マグネシウムイオンを含む水へと改質され、第三処理部６に流入する。

第三処理部６では、マグネシウムイオン除去体１２により、マグネシウムイオンを水から除去する。第三処理部６を通過した水は、軟水となり、軟水流出口７へと流出させ、浴室やキッチンで使用することができる。

以上のように、本実施の形態の軟水化装置は、マグネシウムイオン除去体を備えた第三処理部よりも上流側で水中のカルシウムイオンを選択的に結晶化させろ過体により除去することができる。これにより、最初に第一処理部と第二処理部によりカルシウムイオンを炭酸カルシウムに結晶化させて物理的に除去し、次に第三処理部でマグネシウムイオンを水中から取り除くことで、マグネシウムイオン除去体の消耗が減り、該マグネシウムイオン除去体を長期に渡り使用することができる。また、第一処理部に備えられた反応槽１０により、炭酸カルシウムの結晶化率を上げることができ、カルシウムイオンを高効率に除去することができる。且つ、反応時間が延びることで炭酸カルシウムの結晶サイズがより大きくなり、第二処理部のろ過が容易になる。

まず、カルシウムイオンを結晶化する例について説明をする。

アルカリ供給体９の一例としてマグネシウム固体を第一処理部４に備えた構成における反応を示す。

第一処理部４にはアルカリ土類金属の固体である６ｍｍ程度のマグネシウム固体を備えており、硬水供給口から流入した原水がマグネシウムと接触する構成となっている。このマグネシウム固体と水との反応式を以下に示す。
Ｍｇ＋２Ｈ_２Ｏ→Ｍｇ^２＋＋２ＯＨ^―＋Ｈ２↑・・・（式３）
ＨＣＯ^３―＋ＯＨ^―→ＣＯ_３ ^２―＋Ｈ_２Ｏ・・・（式４）
Ｃａ^２＋＋ＣＯ_３ ^２―→ＣａＣＯ_３↓ ・・・（式５）
マグネシウム固体と水が反応し、水酸化イオン（ＯＨ^―）が生成される。水酸化イオン（ＯＨ^―）と重炭酸イオン（ＨＣＯ^３―）とが反応し、炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２―）となる。カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）は、炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２―）と反応することで、炭酸カルシウムの結晶に変化する。

図２（ａ）にこの反応によるカルシウムイオンの推移グラフ、図２（ｂ）にｐＨの変化の結果を示す。図２は、硬度３１０ｐｐｍの水道模擬水１００ｍｌに対しマグネシウム固体を２ｇ添加して攪拌した際の結果である。マグネシウム固体を２ｇ添加した後の各時間に得られた水溶液を採取し、０．２μｍフィルターで結晶を取り除き、イオン量を測定している。これによると、時間と共にｐＨが上昇し、ｐＨの上昇とともにカルシウムイオンが減少する。カルシウムイオンはｐＨ８．５程度になるまで一定だが、ｐＨ８．５に到達すると減少していくことが分かる。これは、炭酸カルシウムの結晶の増加に伴っていることを示唆している。なお、ｐＨは徐々に上昇し、２０分経過後にはｐＨ１０に到達し、７５％程度のカルシウムイオンが結晶化した。このとき、マグネシウムイオンの結晶は検出できなかった。以上から、前記アルカリ供給体は、水中のカルシウムイオンは結晶化するが、マグネシウムイオンは結晶化しにくいｐＨとして、ｐＨ８〜ｐＨ１１程度に調整することが必要である。

イオン量はイオンクロマトグラフィーを用いて測定を行った。測定器の一例はダイオネクス社製ＩＣＳ―２１００である。

以上のように、マグネシウムイオンに対してカルシウムイオンを選択的に結晶化させることができる。アルカリ剤でアルカリ化させる場合は、大量の薬剤が必要であることや、対イオンが増加して、生活水として適さないなどの問題がある。一方で、マグネシウム固体を使用してアルカリ化することで、水中にあるマグネシウムイオンが増加するのみであり、生活水として問題なく使用することができる。

次に、本実施の形態の軟水化装置の実施例を説明する。

図３に示すように、第一処理部４にはマグネシウム固体１３、第二処理部５にはフィルター１４、第三処理部６にはカルボキシル基を有する不飽和化合物の付加重合体であって、カルシウムを１ｗｔ％から２０ｗｔ％含有する粒子径が０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲である樹脂１５を備えている。

図４に第一処理部４、第二処理部５、第三処理部６の原理確認試験を行った結果を示す。原理確認試験の手順は、原水として硬度３１０ｐｐｍの水道模擬水１００ｍＬを用意し、第一処理部４として、前記水道模擬水に対しマグネシウム固体を１ｇとなるように添加して６０分攪拌した。次に、第二処理部５として、その水を０．２μｍのフィルターでろ過した。その後、第三処理部６として、前記ろ過水にカルボキシル基を有する不飽和化合物の付加重合体である樹脂を０．５ｍＬ添加して６０分攪拌したものである。

第三処理部６の処理を行った後の原水は、３１０ｐｐｍの硬水中のカルシウムが２０４ｐｐｍ、マグネシウムイオンが１０６ｐｐｍである。これが第一処理層を通過すると、カルシウムが減少し、１４ｐｐｍとなるが、一方でマグネシウムイオンが２４４ｐｐｍとなり全硬度は２５８ｐｐｍとなる。第三処理部を通過すると、カルシウムイオンが２２ｐｐｍ、マグネシウムイオンが３ｐｐｍとなり、全硬度を２５ｐｐｍまで下げることができた。第二処理部と第三処理部の工程を経てカルシウムイオンが増加しているのは測定誤差である。
これにより、マグネシウムイオン除去体の寿命を約１．２倍に伸ばすことができた。測定には実施例１と同様のイオンクロマトグラフィーを用いた。

つまり、第一処理部４、第二処理部５、第三処理部６を順番に通過させることで、マグネシウムイオン除去体の寿命を伸ばすことが可能となり、硬水を軟化することができる。

反応槽１０を通過する際の反応時間の有効性を確認するために、図５、６に流水をしながら反応時間を確保した場合の結晶化と粒子径の大型化の検証を行った。

効果検証は、第一処理部のアルカリ供給直後の水を５分攪拌し、攪拌前後の結晶化率と粒子径を測定した。図５に示す通り、攪拌前の炭酸カルシウムの結晶化率は３６％であったのに対し、攪拌後は結晶化率が６８％に上昇した。また、図６に示す通り、攪拌前の炭酸カルシウムの粒子径のメジアン径が２．８μｍであったのに対し、攪拌後は６．０μｍとなった。よって、結晶化率と結晶粒子径はアルカリ供給後の反応時間の影響を受けることが解る。

これは反応槽１０を通過させる時間においても同様であり、第一処理部のアルカリ供給体の後段に結晶化を十分に促進する流路を有する反応槽を備えることで、炭酸カルシウムの結晶化率の上昇させることができ、後段のマグネシウムイオン除去体の寿命を伸ばすことが可能となる。また、炭酸カルシウムの結晶粒子径を大きくすることができ、後段のろ過率を上げることが可能となる。

軟水化装置は、硬水地域においてスケール被害を抑えるために有用である。

１軟水化装置
２本体
３硬水供給口
４第一処理部
５第二処理部
６第三処理部
７軟水流出口
８配管
９アルカリ供給体
１０反応槽
１１ろ過体
１２マグネシウムイオン除去体
１３マグネシウム固体
１４フィルター
１５樹脂

Claims

第一処理部、第二処理部、第三処理部からなり、
前記第一処理部は、原水に水酸化イオンを供給し、該原水に含まれるカルシウムイオンを炭酸カルシウムの結晶に変化させるアルカリ供給体を備え、その後段に炭酸カルシウムの結晶化を促進させる反応槽を備え、
前記第二処理部は、前記第一処理部において、結晶化した炭酸カルシウムを物理除去させるろ過体を備え、
前記第三処理部は、前記原水中のマグネシウムイオンを取り除く、マグネシウムイオン除去体を備え、前記第一処理部から第三処理部の順に各処理を行う軟水化装置。
前記アルカリ供給体は、水中のカルシウムイオンは結晶化するが、マグネシウムイオンは結晶化しにくいｐＨへ調整することを特徴とする請求項１に記載の軟水化装置。