JP3970460B2

JP3970460B2 - 水熱電気分解方法及び装置

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Publication number: JP3970460B2
Application number: JP3340099A
Authority: JP
Inventors: 芹川ロベルト正浩; 高史臼井; 慶泉蘇
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2019-02-10
Also published as: JP2000233191A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リグニン含有廃液を処理する方法及び装置に関する。特に、リグニン含有廃液を水熱電気分解反応により分解して処理する方法及び装置に関する。より好ましくは、パルプ廃液中に含有されるリグニン又はその誘導体を処理するに適する水熱電気分解方法及び装置に関する。
【０００２】
本明細書において、「水熱電気分解反応」とは、水熱反応と電気分解反応とを同時に行うことを意味し、「水熱酸化反応」とは、積極的に外部から投入した酸化剤により水熱雰囲気下で還元性物質を酸化する反応を意味する。
【０００３】
【従来の技術】
一般に、パルプ工場等から排出される廃液には大量のリグニンが含まれており、ＴＯＣ、ＢＯＤ，ＣＯＤが非常に高い。リグニンは、木材、タケ、ワラなど木化した植物体の主成分の一つで、フェニルプロパンを骨格とする構成単位体が縮合してできた網状高分子化合物である。
【０００４】
パルプ工場等において、パルプを製造する際には、木材等の植物体原料に薬剤を添加し、１〜５気圧、９０〜１６０℃において処理することで、リグニンが蒸解され、繊維質と分離される。パルプの製造方法には、硫化ソーダと苛性ソーダを使う硫酸塩パルプ（クラフトパルプ）方法と、亜硫酸塩（亜硫酸ソーダ、亜硫酸アンモニウム、亜硫酸マグネシウム、亜硫酸カルシウムなど）を用いる亜硫酸パルプ方法と、がある。蒸解廃液（以下パルプ廃液と称す）中に含有されるリグニンは、クラフトパルプ方法の場合には、チオリグニンの形で、また亜硫酸パルプ方法の場合にはリグニンスルホン酸塩の形で、それぞれ溶存している。これらのパルプ廃液にはリグニン誘導体以外にヘキソース、ペントース、糖誘導体、揮発性有機物、無機化合物などが含まれている。
【０００５】
パルプ廃液の処理方法としては、濃縮燃焼方法がある。この濃縮燃焼方法は、パルプ廃液の可燃性物質濃度を減圧多重効用缶等の濃縮器を用いて、５〜１０倍に濃縮して、ついでボイラー等の蒸気回収機構を設けた噴霧燃焼炉で燃焼させるものである。しかし、この濃縮燃焼方法は、パルプ廃液に含有される水分（約９０％）を燃焼可能な程度まで濃縮するために必要な熱量が膨大である、という欠点がある。
【０００６】
また、濃縮の際には、水蒸気に随伴されて揮発性悪臭成分等も発生する、という欠点がある。この揮発性悪臭成分を除去するためには、別個の凝縮水処理設備が必要となり、設備投資が高額となってしまう、という欠点もある。
【０００７】
さらにパルプの蒸解工程でもメチルサルファイト、硫化水素、メチルメルカプタン類の悪臭成分が発生する、という欠点がある。この悪臭成分を処理するためには、別個のガス処理設備が必要となり、設備投資が高額となってしまう、という欠点もある。
【０００８】
そこで、パルプ廃液の処理方法として、水熱酸化方法（湿式酸化、ジンマーマン法とも呼ばれている）が提案されている。この水熱酸化方法は、パルプ廃液のような水分を多く含んだ溶液に対して、水分が蒸発しないように適当な圧力をかけて、空気等の酸化剤を圧入し、約２００℃〜３００℃の温度範囲で液相酸化させる方法である。しかし、この水熱酸化方法のみでは、酢酸等で代表される難分解性の低級脂肪酸はほとんど分解されず、パルプ廃液の高度処理が不可能である、という欠点がある。
【０００９】
したがって、高額な設備投資を必要としない簡易なパルプ廃液処理方法及び装置が必要となっているのが現状である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、低コストで簡易に且つ効率的に、リグニン又はその誘導体、特にパルプ廃液中に含有されているリグニン又はその誘導体を処理する方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１１】
また、高エネルギーを必要とする濃縮工程を排除し、安価で安全なパルプ廃液処理方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、水と、リグニン又はその誘導体と、強電解質と、を含有する水媒体を、１００℃以上前記水媒体の臨界温度以下の温度において、前記水媒体が液相を維持する圧力の下、直流電流を供給する水熱電気分解工程、を有することを特徴とする水熱電気分解方法が提供される。
【００１３】
上記水熱電気分解工程において、上記水媒体の温度は、１８０℃〜３５０℃の範囲に維持され、上記圧力は、１０気圧〜２２０気圧の範囲に維持されることが好ましい。また、電気分解の際には、陽極の表面の電流密度は、０．１ｍＡ／ｄｍ²〜５００Ａ／ｄｍ²であることが好ましい。電流密度が５００Ａ／ｄｍ²より高い場合には、陽極の表面が剥離したり、溶出し易くなる。一方、電流密度が０．１ｍＡ／ｄｍ²より低い場合には、陽極の面積を大きくする必要があり、装置が大型化する。電流密度は、１０ｍＡ／ｄｍ²〜１００Ａ／ｄｍ²であることが更に好ましく、１００ｍＡ／ｄｍ²〜５０Ａ／ｄｍ²であることが更になお好ましい。なお、陽極の新材料が開発された場合などには、陽極の電流密度を更に高くすることもできる。
【００１４】
さらに、上記水熱電気分解工程の前に、水と、リグニン又はその誘導体と、酸化剤とを含有する水媒体を、１００℃以上前記水媒体の臨界温度以下の温度で、上記水媒体が液相を維持する圧力に維持して処理する水熱酸化反応工程を行うことが好ましい。上記水熱酸化反応工程において、上記水媒体の温度は、１８０℃〜３５０℃の範囲に維持され、上記圧力は、１０気圧〜２２０気圧の範囲に維持されることが好ましい。この水熱酸化反応工程を備えることで、リグニン又はその誘導体を含有する処理水のうち易分解性物質成分をあらかじめ酸化分解することができ、水熱電気分解工程で処理すべき成分を減少させることにより、負荷電気量を減少させることができ、より低コスト化を図ることができる。また、この場合には、上記酸化剤として安価で且つ安全性の高い空気を用いることが好ましい。また、上記酸化剤は、前記リグニン又はその誘導体を含有する処理水中の還元性物質を完全酸化するに必要な化学量論以上、好ましくは０．０１当量以上含まれていることが好ましい。また、酸化剤としては、酸素ガス、オゾンガス、過酸化水素、次亜ハロゲン酸が好ましく、酸素ガスが更に好ましい。酸素ガスとしては、酸素ガスを含有する気体を用いてもよく、例えば、空気が好適に用いられる。
【００１５】
また、上記強電解質としては、ハロゲン化物塩、硫酸塩、リン酸塩等の水媒体中で溶解する塩類を好ましく用いることができる。特に好ましくは、ハロゲン化物塩を用いることができる。この場合、ハロゲン化物塩濃度は、５０ｐｐｍ〜２０ｗｔ％の範囲になることが好ましい。ハロゲン化物イオン源としては、食塩、岩塩、塩化カリウム、臭化カリウム、臭化ナトリウム又はその他のハロゲン塩類を好ましく挙げることができる。
【００１６】
本発明の水熱電気分解方法は、特に、パルプ廃液由来のリグニン又はその誘導体の処理に適する。本発明の水熱電気分解方法をパルプ廃液由来のリグニン又はその誘導体の処理に用いる場合には、上記水熱酸化反応工程の前に、酸化剤を供給する酸化剤供給工程を備え、この酸化剤供給工程にパルプ廃液由来の悪臭成分を含有する気体を添加する工程を備えることがさらに好ましい。この場合には、廃液処理のみならず、排ガス処理も同時に行うことができる。
【００１７】
また、本発明によれば、水と、リグニン又はその誘導体と、強電解質とを含有する水媒体を調整する水媒体調整部と、少なくとも上記水媒体を１００℃以上該水媒体の臨界温度以下の温度において、上記水媒体が液相を維持する圧力の下、直流電流を供給する水熱電気分解部と、上記水熱電気分解部に水媒体を供給する水媒体供給ラインと、上記水熱電気分解部から処理物を排出する処理物排出ラインと、を備える水熱電気分解装置が提供される。ここで、上記水熱電気分解部に酸化剤を供給する酸化剤供給ラインをさらに備えることが好ましい。
【００１８】
本発明の一実施形態においては、上記水媒体調整部は、水供給ラインと、リグニン又はその誘導体を含有する処理物供給ラインと、強電解質源を供給する強電解質源供給ラインと、これらの供給ラインと接続されており、これらの供給ラインから供給された水と処理物と強電解質とを攪拌混合する調整タンクとを有する。上記水熱電気分解部は、陽極と、陰極と、を有する。電気分解の際には、陽極の表面の電流密度は、０．１ｍＡ／ｄｍ²〜５００Ａ／ｄｍ²であることが好ましい。電流密度が５００Ａ／ｄｍ²より高い場合には、陽極の表面が剥離したり、溶出し易くなる。一方、電流密度が０．１ｍＡ／ｄｍ²より低い場合には、陽極の面積を大きくする必要があり、装置が大型化する。電流密度は、１０ｍＡ／ｄｍ²〜１００Ａ／ｄｍ²であることが更に好ましく、１００ｍＡ／ｄｍ²〜５０Ａ／ｄｍ²であることが更になお好ましい。なお、陽極の新材料が開発された場合などには、陽極の電流密度を更に高くすることもできる。水熱電気分解部において、水媒体は１８０℃〜３５０℃の範囲の温度に維持され、１０気圧〜２２０気圧の範囲の圧力に維持される。陽極の材料としては、放電電極又は陽極の表面が、ルテニウム、イリジウム、白金、パラジウム、ロジウム、錫若しくはこれらの酸化物又はフェライトを有することが好ましい。例えば、放電電極そのものがこれらの物質で構成されていてもよい。あるいは、放電電極の基材の表面がこれらの物質で被覆されていてもよい。ルテニウム、イリジウム、白金、パラジウム、ロジウム、錫は、金属元素そのものであってもよいし、酸化物であってもよい。また、これらの金属の合金も好適に用いられる。合金としては、例えば、白金−イリジウム、ルテニウム−錫、ルテニウム−チタンなどが挙げられる。上記した金属等は、防食性に優れており、陽極として用いる場合に優れた不溶性を示す。実施態様によっては、特に、パラジウム、ルテニウム、白金とイリジウムとの合金を主成分とするものが好ましい。
【００１９】
さらに、上記水熱電気分解部の上流側に、水と、リグニン又はその誘導体と、酸化剤とを含有する水媒体を、１００℃以上前記水媒体の臨界温度以下の温度において、前記水媒体が液相を維持する圧力に維持する水熱酸化反応部を備えることが好ましい。この場合には、上記水熱電気分解部及び上記水熱酸化反応部に酸化剤を供給する酸化剤供給ラインをさらに設けることが好ましい。上記酸化剤としては、酸素ガス、オゾンガス、過酸化水素、次亜ハロゲン酸が好ましく、酸素ガスが更に好ましい。酸素ガスとしては、酸素ガスを含有する気体を用いてもよく、例えば、空気が好適に用いられる。
【００２０】
また、上記水熱酸化反応部において酸化される水媒体は強電解質を含有しているため、水熱酸化反応部は強い腐食雰囲気にさらされることになる。そこで、水熱酸化反応部の腐食を防止するため、防食用電極を設けることが好ましい。好ましい実施形態においては、水熱酸化反応室の壁面を陰極とし、水熱酸化反応室内に陽極用金属を位置付けている。この防食用電極は、上記水熱電気分解部とは異なり、大きな電流密度を必要としない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施形態を示す概略図である。図１において、本発明の水熱電気分解装置１は、水とリグニン又はその誘導体と強電解質とを含有する水媒体を１００℃以上前記水媒体の臨界温度以下の温度において、上記水媒体が液相を維持する圧力の下、直流電流を供給する水熱電気分解部２０と、上記水熱酸化反応部１０及び上記水熱電気分解部２０に水媒体を供給する第１水媒体供給ライン３０ａ及び第２水媒体供給ライン３０ｂからなる水媒体供給ライン３０と、上記水熱電気分解２０から処理物を排出する処理物排出ライン４０と、を有する。
【００２３】
また、図１に示す水熱電気分解装置１は、上記水熱電気分解部２０の上流側に、水とリグニン又はその誘導体と酸化剤とを含有する水媒体を１００℃以上前記水媒体の臨界温度以下の温度において、上記水媒体が液相を維持する圧力に維持する水熱酸化反応部１０と、水熱酸化反応部１０及び水熱電気分解部２０に酸化剤を供給する酸化剤供給ライン５０と、を設けている。なお、水熱酸化反応を行わない場合には、水熱酸化反応部１０は、不要である。
【００２４】
さらに、図１に示す水熱電気分解装置１は、上記水媒体供給ライン３０に連結されており、処理すべきリグニン含有廃液を水及び強電解質と混合させて水媒体を調整する水媒体調整タンク６０を有する。
【００２５】
上記水媒体調整タンク６０には、リグニン含有廃液流入ライン６１と、強電解質供給ライン６２と、水供給ライン６３と、水媒体供給ライン３０と、が連結されており、水媒体調整タンク６０内部には、攪拌装置６６が設けられている。本実施形態において、強電解質供給ライン６２は、ホッパー６４及びスクリューコンベヤ６５を含み、強電解質が固体状態でホッパー６４及びスクリューコンベヤ６５を介して供給される場合を示す。なお、強電解質が液体状態で供給される場合には、ホッパー６４及びスクリューコンベヤ６５に代えて、導管を設けることができる。各ライン６１，６２及び６３から供給されたリグニン含有廃液、強電解質及び水は、水媒体調整タンク６０内において、攪拌装置６６により、十分に攪拌されて水媒体に調整され、水媒体供給ライン３０に流出して、水熱電気分解部２０又は水熱酸化反応部１０に送られる。本実施形態においては、まず水熱酸化反応部１０に送られ、次いで、水熱電気分解部２０に送られる形態を示す。
【００２６】
上記水媒体供給ライン３０は、本実施形態においては、上記水媒体調整タンク６０にて調整された水媒体を水熱酸化反応部１０に供給する第１の水媒体供給ライン３０ａと、水熱電気分解部２０に供給する第２の水媒体供給ライン３０ｂと、を有する。しかし、水熱電気分解装置１が水熱酸化反応部１０を具備しない場合には、第１の水媒体供給ライン３０ａは、第２の水媒体供給ライン３０ｂと同じラインでよい。水媒体供給ライン３０には、水媒体調整タンク６０にて調整された水媒体を加圧するための加圧ポンプ３１と、水媒体用熱交換器３２と、が設けられており、水媒体を水熱電気分解に適する圧力及び温度条件に維持する。しかし、水熱酸化反応部１０を備える場合には、水熱電気分解装置１の運転初期に、水媒体用熱交換器３２のみで水熱酸化反応に必要な温度まで水媒体を上昇させることは困難であるので、水媒体用熱交換器３２の下流側、好ましくは水熱酸化反応器１０に加熱器（図示せず）を設けることもできる。
【００２７】
上記酸化剤供給ライン５０は、酸化剤導入ライン５１と、酸化剤導入ライン５１に連結されており導入された酸化剤を圧縮（一次圧縮）する第１のコンプレッサー５２と、一次圧縮された酸化剤に含有されている水分を凝縮分離する第１のアキュムレーター５３と、アキュムレーター５３により分離された気体成分をさらに圧縮（二次圧縮）する第２のコンプレッサー５４と、二次圧縮された酸化剤に含有されている水分を凝縮分離する第２のアキュムレーター５５と、第２のアキュムレーター５５により分離された気体成分を予熱する酸化剤用熱交換器５６と、酸化剤用熱交換器５６にて予熱された酸化剤を水熱酸化反応部１０に供給する水熱酸化用酸化剤供給ライン５０ａ及び水熱電気分解部２０に供給する水熱電気分解用酸化剤供給ライン５０ｂと、を有する。もちろん、水熱酸化反応部１０を設けていない場合には、水熱酸化用酸化剤供給ライン５０ａは、不要である。上記第１のアキュムレーター５３及び第２のアキュムレーター５５には、凝集分離された液体成分をそれぞれ水媒体供給ライン３０の高圧ポンプ３１の前後に供給する凝縮分離液体供給ライン５３ａ及び５５ａが連結されている。すなわち、第１のアキュムレーター５３で凝縮分離された液体成分は、水媒体供給ライン３０の高圧ポンプ３１で再度圧縮されることになる。また、この凝縮分離液体供給ライン５３ａ及び５５ａには、それぞれバルブ５３ｂ及び５５ｂが設けられており、水媒体供給ライン３０に供給する凝縮分離液体の量を調整するようになされている。こうして、酸化剤供給ライン５０において得られる液体成分は、水媒体供給ライン３０に導入され、水媒体の組成成分となる。
【００２８】
上記水熱酸化反応部１０は、水媒体供給ライン３０ａを受け入れる水媒体導入口１１と、酸化剤供給ライン５０ａを受け入れる酸化剤導入口１２と、水熱酸化反応を行う水熱酸化反応室１３と、水熱酸化反応後の水媒体を第２の水媒体供給ライン３０ｂを介して水熱電気分解部２０に流出させるための水媒体排出口１４と、を有する。水熱酸化反応室１３は、適当なシール手段によって密封されており、耐圧構造となされている。水熱酸化反応室１３内部では、水熱酸化反応が強電解質存在下で行われるため、反応室１３内部を耐食雰囲気とする必要がある。このため、水熱酸化反応室１３の内壁１３ａは導電性金属から形成され、内部には防食用電極１３ｂが配置されている。内壁１３ａは、外部直流電源１３ｃから少量の負の電流を与えられて陰極として作用し、防食用電極１３ｂは、外部直流電源１３ｃから少量の正の電流を与えられて陽極として作用するようになされている。なお、ここで与えられる電流密度は、０．０１ｍＡ／ｄｍ²〜１Ａ／ｄｍ²の範囲とすることが好ましい。０．０１ｍＡ／ｄｍ²以下であれば十分な防食効果が得られず、また１Ａ／ｄｍ²以上であれば水熱電気分解反応が活発的に進行し始め、本来水熱酸化反応で十分分解できる還元性物質も高価な酸化剤で分解され、ランニングコストを高めることになるので好ましくない。
【００２９】
上記水熱電気分解部２０は、水媒体供給ライン３０ｂを受け入れる水媒体導入口２１と、酸化剤供給ライン５０ｂを受け入れる酸化剤導入口２２と、水熱電気分解反応を行う水熱電気分解反応室２３と、水熱電気分解反応後の処理水を処理水排出ライン４０に流出させるための処理水排出口２４と、を有する。水熱電気分解室２３は、適当なシール手段によって密封されており、耐圧構造となされている。水熱電気分解反応室２３は、導電性金属製の内壁２３ａを有し、内部には放電性電極２３ｂが配置されている。内壁２３ａは外部直流電源２３ｃの負極に接続されており、放電電極２３ｂは外部直流電源２３ｃの正極に接続されている。なお、水熱電気分解効率を上げるためには、水媒体に与える電流密度を大きくすればよい。例えば、本実施形態においては、一対の陰極２３ａと陽極２３ｂとの組み合わせであるが、水熱電気分解室２３に、内壁を陰極とし内部に陽極を具備する電気分解ユニット（図示せず）を複数本設けて、この電気分解ユニット内部にそれぞれ水媒体を流入させて、水熱電気分解反応を行わせる構成にすることもできる。なお、ここで与えられる電流密度は、０．０１ｍＡ／ｄｍ²〜５００Ａ／ｄｍ²の範囲とすることが好ましい。
【００３０】
上記処理物排出ライン４０は、気体用熱交換器４１と、液体用熱交換器４２と、気液分離器４３と、気体回収ライン４４と、濾過器４５と、液体回収ライン４６と、固体回収ライン４７と、処理水貯蔵タンク４８と、を有する。濾過器４５は、液体と固体とを分離するフィルター４５ａを有する。なお、処理水を水熱電気分解装置１の水媒体調整用の水として再利用するため、処理水貯蔵タンク４８から水供給ライン６３に接続する処理水供給ライン４８ａを設けてもよい。また、気体用熱交換器４１は上記酸化剤用熱交換器５６と、液体用熱交換器４２は上記水媒体用熱交換器４２と、それぞれ同一の熱交換器を併用してもよい。ただし、この強電解質を含む水媒体と酸化剤とが熱交換器で混合状態にあるため、腐食が起こる可能性がある。そのため、熱交換器の構成材料を耐食性材料とするか、あるいは防食電極を挿入することが好ましい。
【００３１】
次に、図１に示す水熱電気分解装置１を用いて、パルプ廃液を処理する方法について説明する。
本実施形態の水熱電気分解方法は、水媒体調整工程と、酸化剤供給工程と、水熱酸化反応工程と、水熱電気分解工程と、処理水排出工程と、からなる。
【００３２】
まず、水媒体調整工程において、リグニン又はその誘導体を含有するパルプ廃液を被処理物流入ライン６１より、強電解質源を強電解質供給ライン６２より、水を水供給ライン６３より、それぞれ水媒体調整タンク６０に流入させる。一般的に、パルプ廃液には、悪臭を発生する成分、特に硫黄系の成分（硫化水素、メチルメルカプタン類）が含まれていることが多いので、水媒体調整タンク６０は呼吸ベント（図示せず）を設ける以外、基本的には密閉構造とされていることが好ましい。
【００３３】
上記強電解質源は、後の水熱電気分解工程で触媒として作用するものであり、固体又は液体の状態で添加される。固体状態の強電解質源としては、例えば食塩、岩塩、塩化カリウム、臭化カリウム、臭化ナトリウム又はその他のハロゲン塩類を用いることができる。これらの固体状態の強電解質源は、ホッパー６４に一次貯蔵され、スクリューコンベヤ６５により、定量的に、水媒体調整タンク６０に添加される。これは、強電解質源を搬送するスクリューコンベヤ６５の搬送速度を、被処理物供給ライン６１から流入されるパルプ廃液の負荷量に応じて調節することによりなされる。すなわち、水媒体調整タンク６０における強電解質濃度が５０ｐｐｍ〜２０ｗｔ％の範囲になるように、スクリューコンベヤ６５の搬送速度を調節することが好ましい。なお、パルプ工場によっては、パルプ廃液中に、蒸解廃液と漂白廃液とが混合されている場合がある。この漂白廃液が混合されている場合には、パルプ廃液にすでに塩素イオンが含まれているので、添加する強電解質源は少量でよい。
【００３４】
また、上記水は、パルプ廃液を適切な可燃性物質濃度に維持するために利用される。パルプ廃液には通常１０％前後の可燃性物質が含まれているが、水熱酸化工程で自燃により反応温度を維持できる廃液中の最低可燃性物質量は１％前後である。すなわち、９％以上の可燃性物質は余剰な熱量を発生することになる。しかし、水熱酸化反応部１０又は水熱電気分解反応部２０に、この余剰な可燃性物質をすべて投入すると、反応温度が暴走し、温度制御が困難となる場合がある。したがって、水媒体調整タンク６０内であらかじめパルプ廃液を調整して、安定運転ができる適切な可燃性物質濃度に維持してから、水熱酸化反応部１０又は水熱電気分解反応部２０に投入することが好ましい。これは、水媒体調整タンク６０に、水を水供給ライン６３から添加することによりなされる。ここで、本実施形態の水熱電気分解装置１による処理水の有効利用のために、水供給ライン６３に水熱電気分解後の処理水を添加する処理水供給ライン４８ａが設けられている。この場合には、処理水供給ライン４８ａから添加される処理水には、すでに強電解質が含まれているので、新たに添加する強電解質源は少量で足りることになる、という利点もある。
【００３５】
次に、水媒体調整工程により調整された水媒体は、水媒体供給ライン３０を介して、水熱酸化反応部１０及び／又は水熱電気分解部２０に供給される。水媒体は、水媒体供給ライン３０に設けられている高圧ポンプ３１により所定圧力まで加圧され、次いで、水媒体用熱交換器３２において所定温度まで予熱される。しかし、水熱電気分解装置２０の運転初期には、水媒体用熱交換器３２における熱交換のみでは、水熱電気分解反応に必要な温度まで昇温されないので、別に設けた加熱器（図示せず）により予熱するか又は水熱酸化反応部１０を直接加熱することにより、所定温度まで昇温させることが必要となる。
【００３６】
水媒体を水熱酸化反応部１０に供給する際に、同時に、酸化剤供給ライン５０から、水熱酸化反応部１０及び水熱電気分解部２０に、酸化剤を添加する。酸化剤は、酸化剤導入ライン５１を介してコンプレッサー５２に導入され、５〜１０気圧の範囲まで、一次加圧される。このとき、酸化剤導入ライン５１から、酸化剤と共にパルプ工場で発生する悪臭気体成分を導入することが好ましい。この悪臭気体成分としては、パルプ蒸解時に発生する揮発性成分等がある。悪臭が少量の水蒸気に随伴されている場合においてもコンプレッサー５２により取り込むことができる。なお、パルプ工場においては、蒸解工程はバッチ操作であり、蒸解工程からバッチ式に悪臭成分が発生するため、水封されたタンク等に悪臭成分含有気体を一次貯蔵しておいて、酸化剤導入ライン５０に取り入れることができる。コンプレッサー５２で圧縮された空気、悪臭成分、少量の水蒸気は、次いで第１のアキュムレーター５３において、凝縮分離される。すなわち、第１のアキュムレーター５３において、水蒸気の一部は、悪臭成分を伴った状態で凝縮され、凝縮した液体は、第１のアキュムレーター５３の下部に溜まり、気体と分離されるのである。分離された凝縮液体は、第１の凝縮分離液体供給ライン５３ａを介して、水媒体供給ライン３０に供給される。このとき、バルブ５３ｂを調整することによって、水媒体供給ライン３０に供給される凝縮分離液体の量は調節することができる。なお、第１の凝縮分離液体供給ライン５３ａは、高圧ポンプ３１の上流側に接続されており、凝縮分離液体は高圧ポンプ３１により圧縮される。一方、第１のアキュムレーター５３において分離された酸化剤を含む気体は、さらに、第２のコンプレッサー５４によって、後続の工程である水熱酸化反応工程及び水熱電気分解工程で必要な圧力、１０〜２２０気圧まで加圧される。次いで、加圧された酸化剤を含む気体は、第２のアキュムレーター５５において、凝縮分離される。第２のアキュムレーター５５において凝縮した液体は、第２のアキュムレーター５５の下部に溜まり、バルブ５５ｂの調整により、第２の凝縮分離液体供給ライン５５ａを介して、水媒体供給ライン３０に供給される。なお、第２の凝縮分離液体供給ライン５５ａは、高圧ポンプ３１の下流側に接続されている。一方、第２のアキュムレーター５５において凝縮されなかった悪臭成分は、酸化剤に随伴されて、酸化剤用熱交換器５６にて予熱されてから、水熱酸化反応部１０及び水熱電気分解部２０に供給される。このとき、本装置の初期運転時には、上述の水媒体の場合と同様に、酸化剤用熱交換器５６のみでは水熱酸化反応工程及び水熱電気分解工程で必要とされる温度まで昇温できないので、上記別の加熱器（図示せず）又は水熱酸化反応部１０を直接加熱することが好ましい。この加熱の方法は特に限定するものではなく、電気ヒーター、オイルバーナー、熱媒体を用いた加熱方法のいずれも利用可能である。
【００３７】
このように、本発明の水熱電気分解装置１において、酸化剤供給ライン５０にパルプ工場から排出される排ガスを取り込むことにより、パルプ廃液ばかりでなく、パルプ排ガスを処理することも可能となる。ただし、臨界点が常温より低い成分は、凝縮した水に溶解している分を除いては、基本的に凝縮分離できない。また、凝縮液をまったく分離しなかった場合には、水熱酸化反応部１０及び水熱電気分解部２０までの各ライン５０ａ及び５０ｂ、酸化剤用熱交換器５６等で液ためなどができ、ウォーターハンマー現象等の装置の破損の原因、不安定な運転の原因となるので、好ましくない。さらに、悪臭成分には可燃性の物質が多いため、悪臭成分を随伴する酸化剤の組成によっては、酸化剤供給ライン５０の途中で酸化発熱し、破損等も起こりうるため、凝縮した悪臭成分は分離することが好ましい。また、酸化剤としては、空気などが好ましい。純酸素など、空気より酸化能力が高い酸化剤は、特に加圧後、可燃性の悪臭成分と反応しやすく、危険であるから好ましくない。
【００３８】
次いで、水媒体は水媒体供給ライン３０から水媒体流出口１１を介して、酸化剤は酸化剤供給ライン５０から酸化剤導入口１２を介して、それぞれ水熱酸化反応部１０に供給される。水熱酸化反応部１０に供給された水媒体及び酸化物は、水熱酸化反応室１３内で、２５０℃で、７０気圧で、０．５時間、水熱酸化され、酸化剤とパルプ廃液に溶存している可燃性物質及び酸化剤に随伴されてきた悪臭成分とが反応して炭酸ガス、窒素、硫酸イオン、リン酸イオンと水などに分解される。なお、水熱酸化反応部１０ではいわゆる湿式酸化反応しか起こらないので、例えば酢酸、アンモニア等の難分解性物質は分解されず、分子状の溶存酸素で分解可能な易分解性物質のみが分解される。
【００３９】
次に、水熱酸化反応部１０で分解されずに残存する難分解性物質を多く含む水媒体は、排出口１４を介して第２の水媒体供給ライン３０ｂより水熱電気分解部２０に供給される。水熱電気分解部２０には、酸化剤供給ライン５０ｂから酸化剤も供給される。水媒体及び酸化剤は、水熱電気分解室２３において、例えば２５０℃、７０気圧、０．５時間、水熱電気分解される。ここでの酸化分解反応は、陽極２３ｂにおいて生成する次亜ハロゲン酸など発生基状態の酸化剤と、陰極２３ａ近辺で生成される活性酸素等の非常に活性の高い酸化剤で促進される。水媒体調整タンク６０で添加された強電解質源すなわちハロゲンイオンは、この発生基状態の次亜ハロゲン酸を生成するために必要である。なお、ハロゲンイオン以外の電解質が含まれていてもよく、この場合には、陽極２３ｂと陰極２３ａとに所定の電流を通電するために電解質が多いほど負荷電圧が低減できるので好ましい。なお、本発明においては、必ずしも酸化剤を水熱電気分解部２０に供給する必要はないが、酸化剤として空気を用いた場合には、陰極２３ａにおいて、空気に含まれていた分子状の酸素が電気化学的に活性酸素等の高活性酸化剤に変換され、パルプ廃液の可燃性物質や悪臭成分を分解できる、という利点がある。さらに、水素生成を抑制させる、という利点もある。本来、水を電気分解した場合には、水素の発生が進行するが、水熱電気分解を行い、さらに酸化剤を外部から投入した場合には、水素の発生が著しく抑制されるのである。ただし、水素発生を抑制させるために、酸化剤は、パルプ廃液中に含有される可燃性物質および悪臭成分を完全酸化するのに必要な化学当量以上を添加する必要がある。酸化剤が当該化学当量未満であると、水熱電気分解反応により水素の発生が促進されるので、好ましくない。これは、水熱電気分解部２０において、外部から酸化剤がほとんど供給されない場合には、被処理物である水媒体から酸素原子を抽出して還元性物質を酸化させるため、余った水の水素原子が水素ガスとして発生するおそれがある。なお、水熱酸化反応部１０に導入され残存した酸化剤は水媒体と共に流路３０ｂから水熱電解分解部２０に供給されるので、水熱電気分解部２０に導入する酸化剤は、この残存した酸化剤を考慮して導入することが好ましい。いずれにしても、水熱酸化反応部１０と、水熱電気分解部２０とに導入する酸化剤の合計量は水媒体に含まれている還元性物質を完全酸化するのに必要な当量以上であることが好ましい。
【００４０】
次に、水熱酸化反応部１０及び水熱電気分解部２０にて水熱酸化及び水熱電気分解された処理水は、処理物排出ライン４０に排出される。処理排出ライン４０において、処理水は、気体熱交換器４１にて気体成分の熱交換が行われ、次いで液体熱交換器４２にて液体成分の熱交換が行われ、さらに気液分離器４３にて気体成分と液体成分とに分離される。炭酸ガス、窒素、残存酸素等の気体成分は、気体回収ライン４４を介して処理水貯蔵タンク４８に導入される。水、硫酸イオン、リン酸イオンその他溶解している電解質イオン及び微細な粒子を含有する液体は、気液分離器４３の下部から、濾過器４５に導入される。濾過器４５において、固体成分はフィルター４５ａにより捕捉され、液体成分は液体回収ライン４６を介して処理水貯蔵タンク４８に導入される。パルプ原料として、特にわら類を用いた場合、微細なＳｉＯ₂（シリカ）がパルプ廃液に含まれているが、このＳｉＯ₂の粒子は、水熱酸化反応工程及び水熱電気分解工程で特に変換されることがないため、フィルター４５ａに捕捉され、回収されたシリカ粒子４７ａは比較的純度が高いため、各種セラミックス材料、半導体原料等として再利用され得る。一方、処理水貯蔵タンク４８に導入された液体には、強電解質源として添加した電解質物質がそのまま含まれているため、水媒体調整タンク６０に戻して、パルプ廃液の希釈水及び電解質源として再利用が可能となり、外部から添加すべき水及び強電解質源を少量化することができる。
【００４１】
次に、水熱酸化反応部１１０と水熱電気分解部１２０とが同一の反応器１０１内に設けられている実施形態を図２に示す。
図２において、水熱酸化反応部１１０と水熱電気分解部１２０とは、一つの反応器１０１内に配置されており、両者の間に特に物理的な境界を設けずに分割されている。水熱酸化反応部１１０は、水熱電気分解部１２０の上流側すなわち図２においては反応器１０１の下部に配置されている。これは、反応器１０１の壁面１２３ａを導電性金属から形成して、外部電極１２３ｃの負極と連結させ、反応器１０１の上部にのみ放電電極１２３ｂを位置付けて、外部電極１２３ｃの正極と連結させ、反応器１０１の下部には電極を配置しないことによってなされる。このとき、水熱酸化反応部１１０の反応器内壁は、水熱電気分解部１２０の反応器内壁と同じ電位を有するので、防食される。図２においては、１枚の電極１２３ｂのみが示されているが、複数の電気分解ユニットを設けてもよいことは上述の図１に示す実施形態の場合と同様である。
【００４２】
反応器１０１は、水媒体供給ライン３０に連結されており水媒体を導入する水媒体導入口１２１及び酸化剤供給ライン５０に連結されており酸化剤を導入する酸化剤導入口１２２を有する。また、反応器１０１は、適当なシール手段によって密封されて、耐圧構造となされている。
【００４３】
図２に示す水熱酸化反応部１１０及び水熱電気分解部１２０を有する水熱電気分解装置を用いてパルプ廃液を処理する方法についても、水熱酸化反応部１１０と水熱電気分解部１２０とが同一の反応器１０１内部に配置されているため、水熱酸化反応部１１０から水熱電気分解部１２０に水媒体を供給するラインを別に経由する必要がなく、酸化剤を水熱電気分解部１２０に別途導入する必要がない点を除いて、水熱電気分解装置１で処理する方法と同じ方法である。
【００４４】
次に、複数の電気分解ユニットを用いる場合の反応器２０１の内部構造を図３を用いて説明する。
反応器２０１は、容器下方部２０１ａと容器中間部２０１ｂと容器上方部２０１ｃとからなる。容器下方部２０１ａには、水媒体導入口２２１と、酸化剤導入口２２２と、導入された水媒体及び酸化剤を混合する混合室２２３と、が設けられている。容器中間部２０１ｂには、それぞれ酸化剤と混合された水媒体を加圧・加熱状態で酸化する水熱酸化反応部２１０及び加圧・加熱状態で電気分解する水熱電気分解部２２０を含む複数の反応室２３１が設けられている。容器上方部２０１ｃには、各反応室２３１に対応した電流導入端子２４２が設けられている。
【００４５】
電流導入端子２４２は、反応器２０１と絶縁するための絶縁材料を有することが好ましい。各々の電流導入端子２４２には、放電電極２４１が接続されており、放電電極２４１は反応室２３１のほぼ上半分まで内部に延びている。放電電極２４１は、反応室２３１の内径よりも径の細い棒状体であり、各反応室２３１に一つずつ挿入されるように所定位置に配置されている。もっとも、放電電極は、メッシュ又は網を円筒形状に形成したものでもよいし、軸方向に中空部が形成されている円筒形状であってもよい。一方、各反応室２３１の内壁２３１ａは、例えばステンレス鋼製などの導電性金属から形成されており、導電性金属からなる容器中間部２０１ｂと一体成形若しくは別体として成形し嵌め込むなどして一体化されており、容器中間部２０１ｂには外部の直流定電流電圧電源の負極が接続されている。このように、反応室２３１の内壁２３１ａが陰極として作用するため、電気分解による腐食が防止される。
【００４６】
なお、陽極（放電電極２４１）と陰極（反応室内壁２３１ａ）との距離は、均等であることが好ましい。この距離にばらつきがある場合には、距離が短い部分に局部的に過大な電流が流れ、その部分の陽極の劣化が促進されるからである。本実施態様では、反応室２３１の内壁２３１ａが、円筒形状を有することが好ましい。また、放電電極２４１の外周面も円筒形状を有し、放電電極２４１の中心軸が反応室２３１の内壁２３１ａの中心軸と実質的に一致することが好ましい。
【００４７】
そして、反応室２３１の内面２３１ａと放電電極２４１との間に、水熱電気分解チャンバー２０７が形成されており、水熱電気分解チャンバー２０７は、容器中間部２０１ｂと容器上方部２０１ｃとの連結部分に形成された排出流路２０８に連通されている。排出流路２０８は、容器中間部２０１ｂの上端側に設けられている処理終了後の被処理物を反応器２０１から排出する処理物排出口２３４に連通されている。
【００４８】
水熱酸化反応部２１０と水熱電気分解部２２０の容積比率は本発明において特に限定されない。難分解性物質が多く含まれている場合、水熱電気分解反応を行う水熱電気分解部２１０の容積を大きくし、易分解性物質が多い場合には水熱酸化工程を行う水熱酸化反応部２１０の容積を大きくすればよい。さらに、水熱酸化反応部２１０はなくてもよい。
【００４９】
混合室２２３は、抵抗板２２４で仕切られており、内部に撹拌機２２５が設置されている。抵抗板２２４は、水媒体の流れを乱すことにより混合するものであり、公知のものを特に制限なく用いることができる。また、撹拌機２２５は、混合を促進するために用いられるものであり、撹拌羽２２５ａを有する通常のもので、モータ一（図示せず）に連結されている。
【００５０】
容器下方部２０１ａと容器中間部２０１ｂとの連結部分には、混合室２２３で酸化剤と混合された水媒体を反応室２３１にスムーズに導入するための導入室２０６が設けられている。
【００５１】
【実施例】
図１に示す装置を用いて、リグニンを含有する模擬パルプ廃液の処理実験を行う場合を実施例に沿って説明する。ここで、模擬パルプ廃液は、市販の可溶性リグニンスルフォン酸ナトリウム塩粉を蒸留水に２．５ｇ／ｌとなるように溶解して調整する。
【００５２】
この模擬パルプ廃液を水媒体調整タンク６０に流入させ、さらに、強電解質供給ライン６２から強電解質源としてＮａＣｌ及び水供給ライン６３から水を添加して、模擬パルプ廃液中にＮａＣｌ濃度が２ｗｔ％となるように調整する。また、リグニンスルフォン酸のスルフォン基は酸化反応後硫酸として安定化するので、中和剤としてＮａＯＨを添加し、模擬パルプ廃液中のＮａＯＨ濃度が０．７ｇ／ｌとなるように調整する。
【００５３】
ここで、模擬パルプ廃液のＴＯＣは９５０ｍｇ／ｌ、ｐＨは１２．０９、色は濃いこげ茶色〜黒色である。
水媒体供給ライン３０における加圧ポンプ３１の流量は１００ｃｃ／ｍｉｎ（６ｌ／ｈ）に設定し、酸化剤供給ライン５０における第１のコンプレッサーの流量は５Ｎｌ／ｍｉｎ（０．３ｍ³／ｈ）とした。酸化剤としては、空気を用いる。
【００５４】
水熱酸化反応部１０の内容積は６ｌとし、耐食用電極１３ｂとして円筒状のイリジウム焼成電極を装備している。水熱電気分解部２０の内容積は６ｌとし、放電電極２３ｂとして円筒状のイリジウム焼成電極を装備している。水熱酸化反応部１０と水熱電気分解部２０とは、図１に示すように直列に連結されている。
【００５５】
上記の模擬パルプ廃液の処理を行う前に、水熱酸化反応部１０及び水熱電気分解部２０を処理条件に適するよう環境条件設定を行う。すなわち、水道水を高圧ポンプのサクションにつなぎ、１００ｃｃ／ｍｉｎの水道水を圧入しながら、水熱酸化反応部１０及び水熱電解反応部２０に水を注入し、ついで、バックプレッッシャー弁を７ＭＰａに設定し、５Ｎｌ／ｍｉｎの空気、１００ｃｃ／ｍｉｎの水道水を圧入しつつ、水熱酸化反応部１０及び水熱電解反応部２０内の圧力を７Ｍｐａまで加圧し、さらに、空気、水道水を流通しつつ、水熱酸化反応部１０及び水熱電解反応部２０の周りに設置した電気ヒーター（図示せず）を作動させ、各反応部１０及び２０の上部に設けてある温度制御用熱伝対（図示せず）で測温しながら２５０℃となるまで加熱し、各反応部１０及び２０の温度を２５０℃に維持する、ことにより、環境条件設定を完了する。７ＭＰａ、２５０℃の反応条件に達した後、水道水の注入を止め、模擬パルプ廃液を含む水媒体の供給を開始し、水熱酸化反応部１０に０．１Ａ、水熱電解反応部２０に２０Ａの直流電流の通電を開始する。
【００５６】
こうして、水媒体を供給しながら連続運転３時間経過後、処理物排出ライン４０に排出される処理水の水質は一定となる。水熱酸化反応部１０の出口１４で水媒体は黄色、ＴＯＣは４２１ｍｇ／ｌ（ＴＯＣ分解率５５．７％）、ｐＨは５．７１である。水熱電気分解反応部２０の出口２４で処理水は無色透明、ＴＯＣは１４ｍｇ／ｌ（ＴＯＣ分解率９８．５％）、ｐＨは５．５０である。
【００５７】
以上の実験結果より、本発明の処理方法により、リグニンが非常に良好に分解されたことがわかる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、低コストで、且つ簡易にリグニン又はその誘導体を処理する水熱電気分解方法及び装置が提供される。すなわち、本発明をパルプ廃液処理に適用する場合には、高エネルギー消費を必要とする多量の水分を含有するパルプ廃液の濃縮蒸発工程を排除して、高い分解効率でパルプ廃液を処理することができ、パルプ廃液中のＴＯＣ、ＢＯＤ、ＣＯＤを低減することができる。
【００５９】
また、あらかじめ外部酸化剤を投入することによる水熱酸化工程をさらに有することにより、電力消費の高い水熱電気化学工程に供される被処理物を予め減少させることができ、より安価で安全な水熱電気分解方法及び装置が提供される。すなわち、本発明をパルプ廃液処理に適用する場合には、より安価で安全な処理が可能となる。
【００６０】
さらに、酸化剤として空気を用いることにより、薬品酸化剤の前使用を排除し、安価で且つ安全なパルプ廃液処理に適する水熱電気分解方法及び装置が提供される。
【００６１】
また前記酸化剤を少なくともリグニン含有廃液に含まれる還元性物質を完全酸化するのに必要な化学量論以上添加することにより、水熱電解酸化工程で爆発性の高い水素発生を防ぐことができ、より安全性に優れる水熱電気分解方法及び装置が提供される。
【００６２】
さらに本発明の水熱電気分解方法及び装置をパルプ廃液の処理に適用する場合には、水熱酸化反応工程において、パルプ蒸解工程において発生する悪臭成分を含む気体を酸化剤とともに添加することにより、悪臭成分の処理も同時に行うことができる。
【００６３】
さらに水熱電気分解工程で必要な電流より低い電流を供給する直流電源を設けることにより、水熱電気分解部の腐蝕を防止することができ、水熱電気分解部の寿命を長期化することができる。
【００６４】
パルプ蒸解工程で発生する悪臭成分を加圧圧縮後、凝集する悪臭成分をリグニン含有廃液と混合し、安定的な運転処理が可能なパルプ工場廃液および排ガスの処理方法及び装置が提供される。さらに水熱電気分解後の処理水はパルプ廃液の希釈液として用いることが可能であり、パルプ工場廃液および排ガスを処理するに当り水資源の節約ができる方法を提供する。
【００６５】
すなわち、本発明では今まで、濃縮操作及び燃焼が必要であったリグニン含有廃液の処理に、濃縮操作無しで高い分解率が得られる方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の水熱電気分解装置の第１の実施形態を示す概略図である。
【図２】図２は、水熱酸化反応部と水熱電気分解部とを１つの反応器内に設けた水熱電気分解装置の第２の実施形態を示す概略図である。
【図３】図３は、水熱酸化反応部及び水熱電気分解部を有する複数の電気分解ユニットが１つの反応器内に設けられている実施形態における反応器の拡大図である。
【符号の説明】
１：水熱電気分解装置
１０、１１０、２１０：水熱酸化反応部
２０、１２０、２２０：水熱電気分解部
３０：水媒体供給ライン
４０：処理物排出ライン
５０：酸化剤供給ライン
６０：水媒体調整タンク

Claims

水と、リグニン又はその誘導体と、ハロゲン化物とを含有する水媒体及び酸化剤を、１００℃以上前記水媒体の臨界温度以下の温度で、前記水媒体が液相を維持する圧力に維持して処理する水熱酸化反応工程を行い、
次いで、得られた水媒体に対して、１００℃以上前記水媒体の臨界温度以下の温度において、前記水媒体が液相を維持する圧力の下、直流電流を供給する水熱電気分解工程を行うことを特徴とする水熱電気分解方法。
前記水熱酸化反応工程において、前記酸化剤として空気を用いることを特徴とする請求項１に記載の水熱電気分解方法。
リグニンを含有する廃液を水熱電気分解するための装置であって、
水と、リグニン又はその誘導体と、ハロゲン化物とを含有する水媒体を調整する水媒体調整部と、
前記水媒体及び酸化剤を１００℃以上前記水媒体の臨界温度以下の温度において、前記水媒体が液相を維持する圧力に維持する水熱酸化反応部と、
前記水熱酸化反応部の下流側に設けられていて、少なくとも前記水媒体を１００℃以上前記水媒体の臨界温度以下の温度において、前記水媒体が液相を維持する圧力の下、直流電流を供給する水熱電気分解部と、
前記水熱酸化反応部に、前記水媒体を供給する水媒体供給ラインと、
前記水媒体に酸化剤を供給する酸化剤供給ラインと、
前記水熱電気分解部から、前記水媒体を処理した処理物を排出する処理物排出ラインと、
を備えることを特徴とする水熱電気分解装置。