JP4447702B2

JP4447702B2 - 液体浄化用リアクター

Info

Publication number: JP4447702B2
Application number: JP29795399A
Authority: JP
Inventors: ナッパーデビッド
Original assignee: アデプトウォーターテクノロジーズエー／エス
Priority date: 1998-10-20
Filing date: 1999-10-20
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2019-10-20
Also published as: JP2000126776A; US20020029976A1; DE69925433D1; ATE296263T1; EP0997437A2; US6652733B2; CA2286628A1; GB9822958D0; US6309519B1; EP0997437A3; EP0997437B1; ES2243036T3; DK0997437T3; DE69925433T2

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はリアクターに関し、特に電気化学手段により水などの液体から不純物を除去するための液体浄化用リアクターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来廃水等の液体は、化学的処理や生物的処理、沈殿作用により浄化されていた。通気装置内で酸化処理が施され、微生物により重金属イオンや栄養塩分が処理される。これらの処理は容易に実施できるが、処理には長時間を要し、また大規模な施設が必要とされる。このためこれらの処理は、廃水に対しては頻繁に行われるが、使用の目的で汲み上げられた真水や地表水に対してはさほど行われない。廃水に対しては、膜濾過作業を行うのが一般的となっている。例えば、逆浸透性を利用して塩分を除去したり、微少濾過作用により微生物を除去することが行われている。時には塩素殺菌や、紫外線照射処理、オゾン処理も行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの施設は非常に複雑であり、また大きな運転圧力が必要となることから、使用ポンプに多大な条件を課すことになる。これまで知られてきた通常の浄化施設は、ある特定の不純物を除去する目的で建設されているため、他の不純物を好適に除去できるように改装することは、複雑且つ時間の浪費に繋がる。
【０００４】
今日では建設事業者は、自己の廃水がもたらす汚染度に応じて課金を支払う必要があるため、これが事業運営費の相当部分を占めていたり、事業施設内における大規模廃水処理施設建設の必要性から、新たなコスト産出を招いていた。
【０００５】
このため従来より、大きな運転圧力を伴う大規模施設を必要とせず、浄化規制の変更にも容易に対応できる装置或いはリアクターに対する要望があった。
【０００６】
電気化学処理においては、電流が被処理液に含まれるバクテリアに対し致命的効果を有することがある。また廃水中の有機物質に対する酸化／還元処理に対し、機械的、触媒作用的、磁気的刺激を引き起こすことも良く知られている。異種電気化学作用のリアクターを使用することにより、上述した問題を解決できる可能性がる。しかしながら、電気化学処理において使用可能な既存の機器は、有機化合物や有機金属化合物の合成用に開発されたものであり、廃水のような大容量の液体流を処理するにはあまり適さない。単にこのような機器を、上記使用目的のために改良するのは、不経済であることは今までにも証明されている。
【０００７】
そこで本発明は、浄化処理に適し、大量の液体流や廃液パラメータに適応でき、既存の浄化装置に対し容易に特定機能を付加できる装置或いはリアクターを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、相互に電気的に絶縁された一連の板状電極体の間を、要素ガスへ分裂しない最低速度以上の速度且つ該板状電極体の間を流れる電流との反応を妨げない速度で、液体を通過させることにより電気化学手段を用いて該液体から不純物を除去し、該板状電極体同士の電気化学効果を高めるために該板状電極体は波型の形態を有し及び又はエンボス加工によりレリーフパターンが形成された表面を有するリアクターであり、該板状電極体（１，２）の間へ流れ込む液体や該板状電極体の間の液体の流れ方向を制御するために、一連の板状電極体のバルブ手段（８）と該板状電極体に形成された孔（５，６）とを備えた１個の又は相互に接続された２個以上のユニット（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）と、該流入孔（３）付近に配置され、該液体の導電性、含有有機物質、流れを検出するセンサ（９，１０，１１）と、次の処理用に検出結果をプロセッサ（７）へ伝達する手段（９'、１０'、１１'）と、液体流を修正させ該ユニットを起動或いは停止させるために、検出結果に基づいてプロセッサ（７）からバルブ手段（８）へ出力コマンドを伝達する手段（１３，１４，１５）とを有する制御システムを有するリアクターを提供している。
【０００９】
ここで、一連の該板状電極体は、それぞれ接続手段（１６，１７）を介して電源に接続されたカソード板（１）とアノード板（２）が交互に積層された板状電極体を有するのが好ましい。
【００１０】
また、隣接する該板状電極体（１，２）の間に介在する電気絶縁体が、電気的絶縁性を有する防水密封性ガスケット（１９）を有し、該ガスケット（１９）は、該板状電極体（１，２）の周辺部及び該孔（５）の周囲に形成された溝（２０）の内に備えられ、一連の該板状電極体の間を流れる液流の制御手段及びマニホルドとしての役割を果たすことが好ましい。
【００１１】
更に、プロセッサ（７）が該板状電極体（１，２）の間を流れる電流濃度を調整するための調整手段を有するのが好ましい。
【００１２】
更に、該板状電極体（１，２）の少なくとも幾つかの表面は、純金属を含む触媒合成物質によりコーティングされているのが好ましい。
【００１３】
更に、該板状電極体（１，２）の間に該液体からの熱を回収する熱交換板（２１）が介在するのが好ましい。
【００１４】
更に、液体状或いは気体状の分子及びイオンを該液体から隔離する隔離膜（２２）が相互作用関係にある該板状電極体（１，２）の間に介在するのが好ましい。
【００１５】
更に、該板状電極体（１，２）の周辺に磁気領域を形成して、該板状電極体（１，２）の両端で起こる反応処理を刺激するための電磁石装置（２３，２４）が、磁性体から成る多数の板状電極体（１，２）に取付けられているのが好ましい。
【００１６】
更に、一連の板状電極体（１，２）間で起こる反応処理を刺激するために、流路（２６）内で超音波を発生させるための超音波装置（２２，２９）が、一連の該板状電極体（１，２）を貫いて長手方向に延びる流路（２６）に取り付けられているのが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態によるリアクターについて図１乃至図８に基づき説明する。
【００１８】
図１は本発明によるリアクターユニットの主要部分を示す。ユニットは、交互に積層された複数のカソード板状電極体１及びアノード板状電極体２と、下方液体流入孔３と、上方液体流出孔４とを有する。図に示されるように、ユニットは従来の板熱交換機と良く類似した形状を有する。しかしながら、熱交換板は一般的に垂直方向に配置されるに対し、ユニットの板状電極板は水平方向に配置されている点で異なる。このように、板状電極体を水平方向に配置するのは、リアクター内の被処理液中に発生した空気泡を、浄化処理を妨害しないように自然にシステム外へ放出させるためである。板状熱交換機の場合と同様に、板状電極板は図示しない接続ロッドにより層状に保持され、ユニットを形成する。
【００１９】
図２は、上下に位置する一対のカソード電極体１の上面とアノード電極体２の下面を示す。通常、板状電極体の各端付近には、孔５，６が形成されている。板状電極体が積層状態にあるとき、これらの孔はユニットを貫く縦方向の流路を形成し、その長さはユニットの高さと等しい。各電極体１，２の上面には、電極体の周辺部、及び孔５の周囲に溝２０が形成されており、各電極体の下面側でこれらと対応する位置には、リム２０ａが形成されている。溝２０は、図４に示す防水性絶縁ガスケット１９を保持するものである。板状電極板をユニット状に積層し図示せぬ接続手段により固定させると、溝２０内のガスケット１９は真上に位置する板状電極板の底面に形成されたリム２０ａに対して押接し、圧縮され、液的に密封状態になる。このような構成により、電解液中の電極体により起こるうエッジ効果（電位の集中）も確実に防止される。液体が外側のガスケット内に密封保持されることで、予期せぬ処理反応の原因要素を排除しているためである。
【００２０】
通常、板状電極体の各端部分には孔５，６が形成されている。孔が積層状態に配置されることにより、積層の高さと同じ長さを有する縦方向の流路が形成される。該流路と、各板状電極板１，２対の間に形成された処理空間との間には空間的な繋がりができる。しかしながら、孔５の周囲がガスケット１９で塞がれると、孔５により形成される流路は、ガスケット１９の外側に形成される空間から遮断される。その結果、流路内の液体流は処理空間を迂回して流れ、該流路はマニホルドの役割を果たすようになる。また、図２において、板状電極体１，２間に形成された処理空間における液体流の流れは、供給／排出路としての孔６により決定される。
【００２１】
図３は波形に形成された板１，２を示す。これは、処理空間内を流れる液体を継続的且つより好適に撹拌するための乱流を増大させるのに好ましい形態である。エンボス加工を施すことにより電極体表面にレリーフパターンを形成しても良い。このような電極体を用いることにより、電極体に伴う溶媒和電子 (solvated electron)、基やイオンの「雲」の中へ液体流が継続的に導かれる。また、各板状電極体１，２における処理反応範囲が拡大する。図に示されるように、一連の板状電極体は、カソード電極体１とアノード電極体２が交互に積層されたものであり、各電極体は図示しない電源に接続されている。
【００２２】
図４は各電極体１，２間でガスケット１９が密接された状態を示す拡大断面図である。ガスケット１９は、電極体が積層される前に、溝２０の中へ接着固定される。この電極体を積層し接続ロッドによりこれを締め付け圧縮すると、各ガスケット１９の上部分が真上に位置するリム２０ａと当接し、圧縮力により固定される。
【００２３】
本発明による実施の形態におけるリアクターを図５に示す。リアクターは相互に接続されたユニット或いは積層構造体Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと、液体流入孔３と、液体流出孔４とを有する。各ユニットＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、カソード電極体１とアノード電極体２からなる電極体対が積層されたものである。また、各ユニットＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、液体流路６と液体流路５を有する。液体流路６は電極体の間に形成された処理空間と空間的繋がりを有する。一方液体流路５は該処理空間から遮断されており、液体を迂回させるマニホルドとしての役割を果たす。電極体は、ライン１６，１７により図示しない電源に接続されている。各ユニットの下方部には、周知の自動制御バルブ手段８が配置されており、これによりユニットＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ内を流れる液体流が誘導、変更される。リアクターは更に、ライン９'、１０'、１１'を介してセンサ９，１０，１１に接続されたプロセッサ７を有する。センサ９，１０，１１は流入孔３上に搭載され、リアクター内に流入する液体の導電性、含有有機物質、流れ（体積）を検出する。プロセッサ７により検出結果の処理が行われると、出力データがプロセッサからライン１２，１３，１４，１５を介してバルブ手段８へコマンドとして送信される。すると、バルブ手段８は検出結果に応じてユニットＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ内の液体の流れを誘導、変更させる。
【００２４】
プロセッサ７は、各電極体対間を流れる電流を調整する図示しない手段を備えてもよい。
【００２５】
廃水から除去される対象物質に応じて、様々な種類の純金属含有触媒合成物により、電極体表面をコーティングしてもよい。適切なコーティング物質としては、ステンレススチールやグラファイト、プラチナ、二酸化鉛等の薄膜が挙げられる。
【００２６】
図６に、ユニットＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおけるバルブ手段８の動作原理を示す。図６の（ａ）及び（ｂ）の右側部分には、カソード電極体１に対しては記号−が、アノード電極体に対しては記号＋を付してある。密封性絶縁ガスケット１９は、各電極体１，２の両端に示され、電極体の周辺部外側を液体が漏れ出るのを防止している。バルブ１８ａ乃至１８ｈは、液体流路６内に配置されている。該液体流路６は電極体間の処理空間と空間的に繋がっている。バルブ１８a乃至１８ｈは、各ユニットＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの下方に配置されたバルブ体８により、周知の方法により機械的、電気的、液圧的に制御される。バルブ体８は、図５に示すプロセッサ７からの電気コマンドを受信する。図６の（ａ）（ｂ）は２つの異なるバルブ状態を示す。図６（ａ）では、流入孔３から流入した液体は、液体流路６を介してユニットのユニット内全体を充満する。図中左側の液体流路６の上方部は、バルブ１８ａにより閉鎖され、それと平行して延びる右側の液体流路６の下方は、バルブ１８ｈにより閉鎖され、残りのバルブ１８ｂ乃至１８ｇは全て開放されていることから、全ての液体は、左側液体流路６から右側液体流路６へ水平に移動し、右側液体流路６の上方の流出孔４より流出する。ユニット内全体で液体流が起こるが、液体がカソード電極体／アノード電極体の間を通過するのは一度だけである。
【００２７】
図６（ｂ）では、バルブ１８ｂ乃至１８ｈが閉鎖され、左側液体流路６のバルブ１８ａのみが開放されている。このため流入孔３より流入した液体は、ユニット内を水平方向に一度通過するごとに方向転換しながら、カソード電極体１／アノード電極体２の間に形成された処理空間を６回通過（６回の蛇行）することになる。これによりユニットの処理効果が６倍に高められる。しかしながら、液体流（容積）は反比例して１／６に減少する。
【００２８】
図７に本発明における第２の実施の形態を示す。図７では、カソード電極体１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄとアノード電極体２，２ａ，２ｂ，２ｃとが交互に積層され、電極対２ａ，１ｂの間及び電極対２ｂ，１ｃの間にはそれぞれ熱交換板２１，２１ａが介在している。これにより、処理中における電極体間の温度をより好適に制御することができる。また処理中に発生した熱を回収し、本発明が使用される施設内で回収熱を活用することが可能となる。
【００２９】
図８に本発明における第３の実施の形態を示す。図８では、膜２２が各電極対の間に介在している。膜２２には周知の半透過膜が使用できる。これは処理中における気体や液体の分子やイオンを分離するものである。多くの場合はその後、気体を遊離させ、特定の電極に接続された膜の上方で作り出された真空状態により、発生した気体が除去される。また膜を使用することにより、浄化処理の対象物質に応じて、分子と特定のイオンのみを通過させるように制御することもできる。
【００３０】
図９に本発明における第４の実施の形態を示す。図９に示す電極体１は、電極体の両側で行われる処理における磁気的刺激用のものである。変形ラミネーションのような磁気導電性物質からなる電極片２３，２４が、図示しない巻き線と共に電磁石を形成し、特定のステンレススチール等の磁気物質から成る電極体１の端に固定される。周知の方法で電磁石２３，２４に通電すると、処理空間に磁気領域が形成され、これが処理反応を刺激する。
【００３１】
図１０に本発明における第５の実施の形態を示す。図１０には、ユニットＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ内での処理反応に対する超音波刺激用の超音波装置を示す。図中２６で示されるのは、図５における孔６により形成された縦長の流路である。該流路２６はユニットを貫通し、処理空間と空間的に繋がっている。流路２６には、被処理水を流入する流入パイプ２７と、被処理水を排出する流出パイプ２８が設けられている。超音波変換器２５は、ロッド２９に搭載され、流路２６に固定されている。ロッド２９の長さは、刺激の発生対象となる処理空間を形成するユニットの高さに対応する。超音波変換器２５が起動すると、被処理液内の音速が高速であることに加え、音速があまり低下しないことから、超音波が流路６に亘って拡散し、その後処理空間へ届く。これにより処理空間における処理反応が刺激される。棒状の超音波装置２５，２９は、該装置が搭載状態にあっても、液体がパイプ２６，２７，２８を通過できる大きさを有するように設計されている。
【００３２】
次に、本発明におけるリアクター、特に図５に示されるリアクターの機能を簡単に説明する。４つのユニットＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは等しい大きさに形成され、各ユニットには１３の電極処理空間が形成されている。被処理液は各処理空間を４００ｍｌ／ｈの速さで通過する。従って、全てのユニットが平行且つ同一の流れ方向に作用場合、各ユニットを通過する液流は５．２Ｌ／ｈであり、従って、全４ユニットを通過する液流は２０．８Ｌ／ｈとなる。この場合、最大液流と最小物理効果が得られる。一方、液体がユニットＡ，Ｂ内を同一方向に平行に流れ、その後方向転換し、ユニットＣ，Ｄ内を平行且つ反対方向に流れると、通過液体量は半減し１０．４Ｌ／ｈになるが、効果は２倍になる。つまり、２つの連続ユニットの液体流となる。
【００３３】
また液体が、各ユニットの通過ごとに方向転換しながら、４つの連続ユニットを継続的に流れると、液体はユニットＡ，Ｃでは一方向に、ユニットＢ．Ｄではそれとは逆方向に流れることになり、リアクターを流れる液体量は最小になる。つまり、単一ユニットを通過するのと等しい５．２Ｌ／ｈとなる。しかし、液体が同一形態を有する処理空間を４回通過することになるため、得られる効果は最大となる。
【００３４】
上記液流制御に加え、プロセッサにより電流濃度を調節することによっても、処理効果を調節することが可能である。もしリアクターへ供給される液体流が減少し、処理効果を維持したまま少量の処理を行う必要が発生した場合、バルブ手段の図示しない流出孔から被処理液を排出するだけで、液体体積を必要レベルまで減少させることができる。
【００３５】
上述したように、本発明によるリアクターは非常に汎用性に富み、基本原理に基づき不適当な条件を伴うことなく所望の液体浄化処理に適応できる。
【００３６】
本発明によるリアクターは上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１記載の液体浄化用リアクターによれば、大量の液体流や廃液パラメータに適応でき、既存の浄化装置に対して容易に特定機能を付加することができ、所望のリアクターが実現できる。特に、下水システムに廃液を流す前の事前処理を行うための廃水浄化システムに備えられた既存の熱交換設備に、本発明によるリアクターを付加させることができる。また、リアクターが比較的小さな大きさを有し、簡単な建設で済むことから、該リアクターは画期的な廃液浄化手段を提供することができる。
【００３８】
請求項２記載の液体浄化用リアクターによれば、各カソード板とアノード板の間に処理空間が形成される。
【００３９】
請求項３記載の液体浄化用リアクターによれば、標準化された板状電極体を用いて液流の変更を簡素化、高速化、効率的に行うことができる。
【００４０】
請求項４記載の液体浄化用リアクターによれば、電流濃度を調節することにより、本発明におけるリアクターの処理効率を調節することが可能となる。
【００４１】
請求項５記載の液体浄化用リアクターによれば、リアクターの処理能力を向上させることができる。
【００４２】
請求項６記載の液体浄化用リアクターによれば、処理中の温度制御をより好適に行い、被処理液からの熱を回収することができる。
【００４３】
請求項７記載の液体浄化用リアクターによれば、処理中における気体や液体の分子やイオンを分離することができる。
【００４４】
請求項８記載の液体浄化用リアクターによれば、電極体の間に形成された処理空間に磁気領域が形成され、処理空間で起こる処理反応が刺激される。
【００４５】
請求項９記載の液体浄化用リアクターによれば、該ユニットの処理空間で行われる処理反応が刺激され、処理能力が向上する。また、処理空間で起こる電気化学反応により気体が発生し、もし該気体が蓄積すると、気体量が増え続ける。その結果、処理中の発生気体が液体に溶け込む。超音波を使用することにより気体泡が刺激され、膨張し、内側に破裂し、その結果気体が溶液に戻る。また、超音波アクチュエーターを接続することにより、処理中に電極板を洗浄できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による下方流入孔と上方流出孔とを有する板状電気化学反応電極体ユニットを示す透視図。
【図２】一対の板状電極体の上面及び下面を示す平面図。
【図３】波形に形成されたアノード板及びカソード板により形成されたプロセス路を示す模式図。
【図４】電極間に設けられた絶縁性密封ガスケットを示す断面図。
【図５】バルブ手段とプロセッサと複数の板状電極体からなる４つの相互接続ユニットからなる本発明によるリアクターを示す分解斜視図。
【図６】バルブ手段の配置位置を示す概略断面図であり、（ａ）はバルブ開閉状態の一例、（ｂ）はバルブ開閉状態の他の例を示す図。
【図７】熱交換板を間に介在させた板状電極体を示す模式図。
【図８】隔離膜の板状電極体間における配置位置を示す模式図。
【図９】板状電極体に固定された電磁石を示す平面図。
【図１０】ユニットを貫く流路に配置された超音波装置を示す概略図。
【符号の説明】
１カソード板状電極体
２アノード板状電極体
３流入孔
４流出孔
５、６孔
７コントローラ
８バルブ手段
１９ガスケット
２０溝
２０ａリム
２１熱交換板
２２隔離膜
２３、２４電磁石
２５超音波変換器

Claims

相互に電気的に絶縁された一連の板状電極体の間を、要素ガスへ分裂しない最低速度以上の速度且つ該板状電極体の間を流れる電流との反応を妨げない速度で、液体を通過させることにより、電気化学手段を用いて該液体から不純物を除去し、該板状電極体同士の電気化学効果を高めるために該板状電極体は波型の形態を有し及び／又はエンボス加工によりレリーフパターンが形成された表面を有するリアクターであり、
孔が形成された一連の板状電極体と、該板状電極体の間へ流れ込む液体や該板状電極体の間の液体の流れ方向を制御するために、板状電極体に設けられたバルブ手段と、を備えた１個の又は相互に接続された２個以上のユニットと、
該液体の導電性、含有有機物質、流れを検出するセンサと、次の処理用に検出結果をプロセッサへ伝達する手段と、液体流を修正させ該ユニットを起動或いは停止させるために、検出結果に基づいてプロセッサから該バルブ手段へ出力コマンドを伝達する手段とを有する制御システムを有し、該一連の板状電極体は該孔を通じて流入孔と流出孔とに接続され、該センサは該流入孔付近に配置されていることを特徴とするリアクター。
一連の該板状電極体は、それぞれ接続手段を介して電源に接続されたカソード板とアノード板が交互に積層された板状電極体を有することを特徴とする請求項１記載のリアクター。
隣接する該板状電極体の間に介在する電気絶縁体が、電気的絶縁性を有する防水密封性ガスケットにより構成され、該ガスケットは、該板状電極体の周辺部及び該孔の周囲に形成された溝の内に備えられ、一連の該板状電極体の間を流れる液流の制御手段及びマニホールドとしての役割を果たすことを特徴とする請求項１或いは２記載のリアクター。
該プロセッサが、該板状電極体の間を流れる電流濃度を調整するための調整手段を有することを特徴とする請求項３記載のリアクター。
該板状電極体の少なくとも幾つかの表面は、純金属を含む触媒合成物質によりコーティングされていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のリアクター。
該板状電極体の間に該液体からの熱を回収する熱交換板が介在することを特徴とする請求項１乃至３の何れか或いは請求項５に記載のリアクター。
液体状或いは気体状の分子及びイオンを該液体から隔離する隔離膜が相互作用関係にある該板状電極体の間に介在することを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のリアクター。
該板状電極体の周辺に磁気領域を形成して、該板状電極体の両端で起こる反応処理を刺激するための電磁石装置が、磁性体から成る多数の板状電極体に取付けられていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のリアクター。
一連の板状電極体間で起こる反応処理を刺激するために、流路内で超音波を発生させるための超音波装置が、一連の該板状電極体を貫いて長手方向に延びる流路に取り付けられていることを特徴とする請求項１或いは請求項２に記載のリアクター。