JP4471551B2 - 水の電気分解によって発生するオゾンで水を処理する装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、バクテリアおよびウィルスに加えて、さまざまな汚染物質、特に有機汚染物質を水から除去するために、現場で水中にオゾンを発生する方法および装置に関する。
【０００２】
（従来技術の説明）
塩素や他の薬剤などの殺菌剤を使用しないで水の浄化を行うために、殺菌剤としてオゾン（Ｏ₃）を使用することが当該技術分野では周知である。オゾンは一般的に、媒体（水）の外で準備されてから、噴射器によって水中に噴射されるか、コンタクトコラム内でバブリング(bubbling in a contact column)される。そのため、幾つかの装置を使用する必要があるので、処理が大掛かりになると共に高コストになる。
【０００３】
オゾンを水の電気分解によって発生することができることも、当該技術分野では既知である。たとえば、米国特許第５，２５０，１７７号および第５，１５４，８９５号は、電気分解によってオゾンを発生する装置を開示している。そのように発生したオゾンは、その後に水の浄化に使用される。米国特許第４，７２８，４４１号は、電気分解によって発生した酸素からオゾンを発生する装置を開示している。しかし、そのように発生したオゾンは回収されて、装置の外で使用される。米国特許第４，４１６，７４７号、第５，２０５，９９４号、第５，６８６，０５１号、第５，２０３，９７２号および第５，７７９，８６５号は、オゾンを発生するために固体の電解質を使用した装置を開示している。米国特許第３，６２３，９７０号は、水の電気分解と、それによって生じた酸素をオゾンに変えることとによって、オゾン蒸気を発生する装置を開示している。
【０００４】
さらに、オゾンを紫外線によって発生することができることも、当該技術分野では周知である。たとえば、米国特許第４，１８９，３６３号（ベイツゼル(Beitzel)）および第４，９９２，１６９号（イズミヤ）を参照することができる。
【０００５】
さらに、オゾンを浄化すべき水と混合すると、微生物を破壊するために紫外線を使用する装置の有効性が高まることも知られている。これに関しては、米国特許第５，２６６，２１５号（エンジェルハード(Engelhard)）を参照することができる。
【０００６】
米国特許第５，１５１，２５２号（マス(Mass)）には、光作用物質成分(photoreactants components)で汚染された流体を処理する光化学反応器が開示されている。この特許は、反応器の処理領域内の壁に触媒を塗布することによって、最初の光化学反応によって生じた反応生成物によって二次反応速度を高めることを開示している。
【０００７】
本発明者が個人的に知る限りでは、知っているいずれの従来技術の参考も、汚染物質および微生物を経済的に破壊するために、高レベルの溶解オゾン（Ｏ₃）および他の種類の活性酸素(other active oxygen species)を現場で発生する一方、電気分解の望ましくない副産物を分離することができる装置または処理を開示していない。
【０００８】
（発明の概要）
本発明は、電気分解によって発生した酸素と波長が１８９ｎｍの紫外線との相互作用によって、現場で水蒸気内にオゾンを発生させることができるという発見に基づく。そのように現場でオゾンを発生させることによって、オゾン発生器および／またはオゾン噴射周辺装置を使用する必要が無くなる。そのように発生したオゾンは非常に溶けやすい状態にある。さらに、本発明は、作動中に発生した水素および他の陽イオンが本流に再流入することを防止する手段を備えている。
【０００９】
したがって、本発明の第１の目的は、現場で発生させたオゾンで水の汚染物質を酸化することによって、水を、限定するものではないが特に飲み水を処理する効果的かつ経済的な方法を提供することである。この方法または、バクテリアやウィルスなどの汚染生物も殺すと共に、望ましくない電気分解副産物を分離することもできる。
【００１０】
本発明による方法は、汚染物質含有水を、その汚染物質の酸化によって酸化生成物を生じ、その酸化生成物を除去することによって浄化するのに使用するためのものである。本発明によれば、この方法は、電気分解によって生じた発生期の酸素に紫外線を照射することによって現場でオゾンを発生させる槽内で汚染物質含有水を処理することを特徴としている。
【００１１】
本発明の別の目的は、上記方法を実施する装置を提供することである。
【００１２】
本発明による装置は、汚染物質含有水を、その汚染物質の酸化によって酸化生成物を生じ、その酸化生成物を除去することによって浄化するのに使用するためのものである。この装置は、
ａ）少なくとも１つの反応器を備え、その反応器は、
−槽、
−浄化すべき汚染物質含有水を槽に導入する少なくとも１つの入口手段、
−浄化された水を槽から回収する少なくとも１つの出口手段、
−槽内の中央に延在する紫外線透過材料製の少なくとも１つのダクト、
−この少なくとも１つのダクト内に取り付けられて、紫外線を発生する紫外線ランプ、
−その少なくとも１つのダクト付近に延在してそれを包囲する第１電極、および、
−第１電極から離れた位置に延在して該第１電極を包囲する第２電極を有する反応器と、
ｂ）前記第１および第２電極に作動接続されて、その間に電位差を発生する電源と、
ｃ）酸化生成物を水から除去する手段とを含む。
本装置は、
−前記第１電極は、アノードとして機能するように前記電源に接続された導電性材料製の金網からなり、
−前記第２電極は、カソードとして機能するように前記電源に接続されており、
−多孔質材料が、前記アノードおよび前記カソード間に延在して、該アノードを包囲する一方、前記カソードによって包囲されており、
−前記反応器は、カソードに引きつけられた陽イオンを槽から回収する別の出口手段をさらに含むことを特徴とする。
使用においては、電気分解によってアノードに酸素が発生して、紫外線ランプによって発生した紫外線によって現場（in situ）でオゾンに変えられ、このように発生したオゾンが水中に含有される汚染物質と反応してそれらを酸化生成物に変える一方、その間に重金属の陽イオンＣａ⁺⁺およびＭｇ⁺⁺がカソードに引きつけられる。
【００１３】
好ましくは、ダクトは、石英製であり、紫外線ランプは、１８９ｎｍの波長の電磁波を発生するように選択される。
【００１４】
添付図面を参照した本発明の好適な実施形態の以下の非制限的な説明を読めば、本発明をさらに十分に理解できるであろう。
【００１５】
（発明の好適な実施形態の説明）
添付図面に示された本発明の好適な実施形態に従った装置は、基本的に、直流電源５と、生じた酸化生成物を除去するための手段７、９とに作動接続された反応器１を含む。
【００１６】
反応器１は、適当な寸法（すなわち、２〜３インチから数フィートまで）にすることができる槽３を含む。槽３はまた、適当な形状にすることができる。しかし、図１に示されているように、槽３は好ましくは、両端部１９および２１と中間部分２３とを有する細長い管の形である。槽３は、適当な金属または非金属材料で作製することができる。槽３の端部１９には、浄化すべき汚染物質含有水を槽３内へ導入するための入口手段が設けられている。図１に示されているように、この入口手段は、槽３の端部１９の円周内に開口した導管２５を含むことができる。他方の端部２１には、処理水を槽３から回収するための出口手段が設けられている。図１に示されているように、この出口手段は、端部１９の中央に配置された導管２７を含むことができる。
【００１７】
反応器１はまた、紫外線を透過する材料製の中央ダクト３１を含む。このダクト３１は、槽３内に同軸的に延在しており、金属またはグラファイトにすることができる導電性材料製の金網３２で包囲されている。好ましくは、金網３２を形成する導電性材料は、白金チタン、ジルコニウムおよびコロンビウムから選択される。金網３２は、白金、金、グラファイト、または他の水溶性でない導電性材料で形成された電気コネクタ３３によって直流電源５に接続されている。このコネクタ３３は、直流電源の陽極に接続されている。その結果、金網３２はアノードとして機能する。
【００１８】
反応器１はさらに、ダクトを包囲する多孔質材料３４を含む。この多孔質材料は、多孔質セラミック、焼結ガラス、焼結セラミック、焼結金属、穿孔金属、布または非金属管、金網、または透水性かつ多孔質の他の材料にすることができる。別の金網３５が、多孔質材料３４を包囲している。この金網３５は、金網３２と同じ導電性材料、すなわち、グラファイトまたは金属で形成することができる。好ましくは、この金網３５は、マグネシウム、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、パラジウム、白金、コロンビウム、バナジウム、鉄、マグネシウム、グラファイト、それらの組み合わせ、およびそれらを含有する合金から選択された材料で形成することができる。金網３５は、白金、金、グラファイト、または他の水溶性でない導電性材料で形成された別の電気コネクタによって直流電源に接続されている。そのような接続の結果、金網３５はカソードとして機能する。
【００１９】
図２に示されているように、それぞれ金網３２および３５によって形成されたアノードおよびカソードは、同心状に延在して、多孔質材料３４によって分離されている。しかし、必要ならば、ダクト３１付近に酸素を発生させる他の構造を考案することもできる。
【００２０】
前述したように、金網３２および３５は、その間に電位差を発生するように電源５に接続されている。電源によって発生した直流は、ストレート(straight)またはパルス直流、直流と交流の重畳電流(superimposed A.C on D.C.)、または一時的に逆にした直流(temporarily reversed D.C.)でもよい。もちろん、電源によって発生する電流および電圧は、ダクト３１の周囲に大量の酸素を発生するのに十分でなければならない。
【００２１】
酸素をオゾンに変えることができる波長（約１８９ｎｍ）の紫外線を発生する紫外線ランプ３６を、前述したように紫外線を透過するダクト３１の中央に挿入する。このダクトは好ましくは、石英（ＳｉＯ₂）で形成されるが、（１）高い水圧に耐えることができ、（２）波長が約１８９ｎｍの紫外線を透過することができるものであれば、他の材料で形成することもできる。紫外線ランプ３６の目的は、電気分解によって槽内に発生した酸素を現場でオゾンに変えることである。電気分解によって現場でアノード３２に発生した酸素に１８９ｎｍの紫外線を照射することによって、オゾンが現場で発生するだけでなく、容易に溶けることは注目に値する。もちろん、そのように発生したオゾンは、水中に含有される汚染物質と反応して、それを酸化生成物に変える。
【００２２】
図１に示されているように、そのように生じた酸化生成物を水から除去するために、導管２７の下流に手段７、９が設けられている。これらの手段は、ハイドロサイクロン７と１つまたは複数の濾過装置とを含むことができる。これらの手段は当該技術分野では周知であり、これ以上説明する必要がない。
【００２３】
あるいは、水中に生じた酸化生成物は、分離タンク内に貯留することによって水から除去してもよい。所定時間後、水が２相に分離し、一方の相は浄水からなり、他方の相は溶解水素および／または陽イオン汚染物質を含有する。それから、浄水を回収し、必要ならばさらに濾過してもよい。所望ならば、酸化生成物の除去効率を高めるために、反応器に導入する前または後で、水に凝集剤を添加してもよい。
【００２４】
汚染物質含有水の流れを誘導して一時的に貯留し、従って反応器内での水の経路を増加させ、それによって処理の持続時間および効果を高めるために、槽３内に乱流手段を設けるのが好都合である。図１に示されているように、乱流手段は、槽３の内表面に連結された不活性材料製のバッフル３７で構成することができる。そのようなバッフル３７は好ましくは、処理すべき水の全体的流れ方向に直交する方向に延在してる。図１および図２に示されているように、バッフル３７は、連続した半円形プレートで構成することができる。
【００２５】
使用する場合、浄化すべき水を槽３の端部１９の入口手段２５から、水が槽３内を通り抜けることができるようにする大きさの圧力を加えて導入する。好ましくは、水が槽内を連続流として通り抜けるようにするために、ポンプ（図示せず）を使用する。ポンプの流量は、槽３内で登録滞留時間(registered time of residence)を達成できるように選択する。この滞留時間は、当該技術分野の専門家であれば、槽内での酸素発生率および汚染水を十分に処理するために印加される電圧(tension)に関連させて容易に決定することができる。槽内で汚染物質含有水を、電気分解によって現場で発生させた酸素の照射によって現場で発生したオゾンで処理する。この処理水は次に、出口手段２７から放出する。処理中に生じた酸化生成物は主に、ＣＯ₂などの無毒ガスおよび／または濾過によって容易に除去可能な粒子である。必要ならば、反応器の作動中に生じると思われる望ましくない電気分解副産物を除去するために、槽の外周に別の出口３０を設けてもよい。
【００２６】
もちろん、以上に開示された好適な実施形態に対して、併記の特許請求項によって定義される本発明の範囲から逸脱して（訳注：without departingではなくwithin departingとなっている）多くの変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好適な実施形態に従った装置の反応器の長手方向断面図である。
【図２】 図１に示された反応器のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。

Claims (15)

1. 汚染物質含有水を、その汚染物質の酸化によって酸化生成物を生じ、その酸化生成物を除去することによって浄化する装置であって、
   ａ）少なくとも１つの反応器を備え、その反応器は、
   −槽（３）、
   −浄化すべき汚染物質含有水を前記槽に導入する少なくとも１つの入口手段（２５）、
   −浄化された水を前記槽から回収する少なくとも１つの出口手段（２７）、
   −前記槽内の中央に延在する紫外線透過材料製の少なくとも１つのダクト（３１）、
   −該少なくとも１つのダクト内に取り付けられて、紫外線を発生する紫外線ランプ（３６）、
   −前記少なくとも１つのダクト付近に延在する第１電極（３２）、および
   −前記第１電極から離れた位置に延在して該第１電極を包囲する第２電極（３５）を有し、
   ｂ）前記第１電極および前記第２電極に作動接続されて、その間に電位差を発生する電源（５）と、
   ｃ）酸化生成物を水から除去する手段（７、９）であって、
   −前記第１電極（３２）は、アノードとして機能するように前記電源（５）に接続された導電性材料製の金網からなり、
   −前記第２電極（３５）は、カソードとして機能するように前記電源（５）に接続されており、
   −多孔質材料が、前記アノード（３２）および前記カソード（３５）間に延在して、該アノードを包囲する一方、前記カソードによって包囲されており、
   −前記反応器（１）は、カソードに引きつけられた陽イオンを槽から回収する別の出口手段（３０）をさらに含むことを特徴とする手段を含み、
   これによって、使用時、電気分解によってアノード（３２）に酸素が発生して、紫外線ランプ（３６）によって発生した紫外線によって現場でオゾンに変えられ、このように発生したオゾンが水中に含有される汚染物質と反応してそれらを酸化生成物に変える一方、その間に重金属の陽イオンＣａ⁺⁺およびＭｇ⁺⁺がカソード（３５）に引きつけられることを含む装置。
2. 前記少なくとも１つのダクト（３１）は、石英製であり、前記紫外線ランプ（３６）は、１８９ｎｍの波長の電磁波を発生するように選択されることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記カソード（３５）は、導電性材料製の金網で形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. 前記アノードおよびカソード（３２、３５）を形成する導電性材料は、不溶性であることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 前記アノードおよびカソード（３２、３５）を形成する導電性材料は、マグネシウム、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、パラジウム、白金、コロンビウム、それらの組み合わせ、およびそれらを含有する合金から選択されることを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 前記アノードおよびカソード（３２、３５）を形成する導電性材料は、グラファイトからなることを特徴とする請求項４記載の装置。
7. 前記槽（３）は、浄化すべき水を前記反応器内で誘導して一時的に貯留するための乱流手段（３７）を備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の装置。
8. 酸化生成物を水から除去する前記手段は、ハイドロサイクロン（hydrocyclone）を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
9. 水から酸化生成物を除去する前記手段は、貯留タンクを含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
10. 水から酸化生成物を除去する前記手段は、少なくとも１つの濾過装置を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
11. 汚染物質含有水を、その汚染物質の酸化によって酸化生成物を生じ、そのように生じた酸化生成物を除去することによって浄化する方法であって、
    （ｉ）請求項１乃至１０のいずれかに記載の装置を設ける段階と、
    （ｉｉ）汚染物質含有水を前記装置に通して処理する段階とを含むことを特徴とする方法。
12. さらに、処理水を別のタンク内に貯留して、回収することができる１つの浄水相と、廃棄することができる別の酸化生成物含有相とを生じることによって、酸化生成物を除去する段階を含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 凝集剤を水に添加することを特徴とする請求項１１又は１２記載の方法。
14. さらに、酸化生成物を濾過によって除去する段階を含むことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれかに記載の方法。
15. さらに、望ましくない電気分解副産物を別の出口を通して前記槽から除去する段階を含む請求項１１乃至１４のいずれかに記載の方法。

Images