JP4585436B2

JP4585436B2 - 活性炭のｐＨ調整方法

Info

Publication number: JP4585436B2
Application number: JP2005349204A
Authority: JP
Inventors: 保幸薄衣; 克彦小栗; 一志松浦; 洋史山口
Original assignee: カーボンテック株式会社; カルゴンカーボンジャパン株式会社
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2025-12-02
Also published as: JP2007152197A

Description

本発明は、水を浄化するときに使用される活性炭を適切なｐＨに調整するための方法に関するものである。

純水製造装置や、排水処理装置等の各種の水処理装置には、原水に含まれる有機物の吸着除去や、残留塩素などの酸化性物質の分解除去などを目的として、活性炭を充填した活性炭塔が使用されている（例えば、下記特許文献１，２）。活性炭を使用するユーザーは、特に飲料用途に使用する場合、活性炭メーカーから活性炭が供給されると、これを活性炭塔に充填し、事前処理として逆洗浄（水洗）や湯殺菌などを行ない、通水を始めるが、この通水は、処理水のｐＨが目標ｐＨ値内に安定するまで行なわれ、ｐＨ値が安定した後に初めて処理水を利用できるようになる。この点を説明するために、まず、活性炭の原料について説明を行なう。

活性炭の原料について説明すると、活性炭の原料は特に限定されるものではないが、一般的にはヤシガラ、オガクズ、石炭などの天然物を炭材として、これらを炭化及び賦活して製造される。賦活方法としては、水蒸気賦活法や薬品賦活法などがある。この炭化・賦活した活性炭には、数％〜１５％の灰分が残存している。この灰分には、アルカリ金属やアルカリ土類金属が含まれているため、通常の活性炭のｐＨは８以上となる。活性炭製造メーカーは、活性炭を酸溶液により洗浄（酸洗浄）し、活性炭のｐＨを６〜８に調整した後、活性炭ユーザーに納入している。このときに使用される酸は、一般的に１種類の酸（通常は塩酸）が使用されている。

活性炭を使用するユーザーは、活性炭の殺菌のための湯洗浄を行うが、原水を活性炭充填層に通した後の処理水のｐＨ値は、原水のｐＨ値よりも高くなるため直ちに使用することができない。その理由としては、原水中にはＣｌ⁻（塩素イオン）、ＮＯ₃ ⁻（硝酸イオン）、ＳＯ₄ ⁻（硫酸イオン）などのアニオンと、Ｎａ⁺（ナトリウムイオン）、Ｃａ²⁺（カルシウムイオン）、Ｋ⁺（カリウムイオン）、Ｍｇ⁺（マグネシウムイオン）などのカチオンが存在し、原水を活性炭に通すと、アニオンとカチオンが結合したＨＮＯ₃やＨ₂ＳＯ₄のような酸類が活性炭に吸着（加水乖離吸着）され、その結果として、ＮａＯＨやＣａ（ＯＨ）₂のようなアルカリ類が処理水中に流出し、処理水のｐＨが高くなるためと考えられる。なお、そのときの反応式は下記の通りである。

ＮａＮＯ₃＋Ｈ₂Ｏ → ＨＮＯ₃＋ＮａＯＨ
ＣａＳＯ₄＋２Ｈ₂Ｏ → Ｈ₂ＳＯ₄＋Ｃａ（ＯＨ）₂
特開２００２−１７２３８６号公報特開２００３−１８３０１３号公報

従って、加水乖離吸着現象が起こっている間は処理水のｐＨは安定せず、吸着現象が終了するまで通水を続ける必要がある。かかる通水量は、上記説明したように、ユーザーの使用する原水の水質（上記アニオンやカチオンの種類など）に依存するものと考えられ、従来のような一律の酸洗浄を行なうと、ｐＨが安定するまでに大量の通水を必要とする場合もあった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、活性炭により処理した水のｐＨが安定するまでに使用する水量を減らすことができる活性炭のｐＨ調整方法を提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る活性炭のｐＨ調整方法は、活性炭が使用される原水のアニオン濃度を分析する工程と、分析結果に基づいて、活性炭を酸洗浄する酸溶液として、原水に含まれるアニオンの酸が所定レベル以上含まれる混合液と、硫酸ナトリウム（ＮａＮＯ _３）あるいは硝酸カリウム（ＫＮＯ _３）の混合液を作製する工程と、作製された酸溶液を用いて、加水乖離吸着により生じる酸を活性炭に予め吸着させることによってｐＨを調整する工程と、を有することを特徴とするものである。

かかる構成による活性炭のｐＨ調整方法の作用・効果を説明する。この構成によると、活性炭が使用される原水の水質を分析する。そして、この分析結果に基づいて、酸溶液を作製する。すなわち、画一的に酸洗浄を行なうのではなく、活性炭が使用される原水の水質にふさわしい酸洗浄を行ない、ｐＨ調整が行われる。かかる酸洗浄を行うことで、予め活性炭に効果的に酸を吸着させておくことができ、活性炭を使用するユーザー側で湯殺菌後の通水において、加水乖離吸着による酸の吸着を抑制し、加水乖離吸着を早期に終了させることができた。また、後述するように試験によりその効果を確認することもできた。その結果、活性炭により処理した水のｐＨが安定するまでに使用する水量を減らすことができる活性炭のｐＨ調整方法を提供することができる。

処理水のｐＨ変動の要因物質には、アニオンとカチオンがあるが、本発明においては、加水乖離吸着による処理水ｐＨ変動を抑制するものであり、アニオンに着目することで、原水の水質を分析し適切な酸洗浄を行なうことができる。

本発明に係る水浄化用活性炭のｐＨ調整方法の好適な実施形態を図面を用いて説明する。

既に説明したように本発明においては、活性炭を使用するユーザーが使用する原水の水質に着目し、原水水質に適した活性炭のｐＨ調整をする。活性炭を使用して水質浄化を行なう活性炭ユーザーでは、活性炭を活性炭塔へ充填した後、活性炭を殺菌処理するために湯洗浄（１００℃程度の湯水を使用）を行い、その後通水を行いｐＨを安定化させる。本発明においては、この通水量を大幅に低減することで、ランニングコストの低減に貢献する。湯殺菌後の初期ｐＨ変動は、ユーザーが使用する原水中のイオン濃度に依存するため、この初期ｐＨ変動を小さくするように使用する原水に適した性状（例えば、活性炭ｐＨ値）を有する活性炭を製造する。

そこで、活性炭ユーザーが使用する原水の水質を分析し、この分析結果に基づき活性炭メーカーがｐＨ等を調整し、原水の水質に適した活性炭を当該ユーザーに納入する。従って、個々のユーザー毎に適切な活性炭のｐＨ調整を行うものである。

原水の分析にあたっては、ユーザーが使用する原水中のアニオン濃度（塩素イオン、硝酸イオン、硫酸イオン等をｍｇ／ｌの単位で測定）と、ｐＨ値を分析する。アニオン濃度分析は、ＪＩＳＫ０１０２、及び、ｐＨ分析は、ＪＩＳＫ１４７４に定められている測定方法を用いる。本発明においては、加水乖離吸着に着目するものであるため、アニオン濃度を測定し、カチオンに関しては考慮しなくてもよい。

次に、活性炭のｐＨ調整方法について説明する。ｐＨ調整にあたり使用される装置の概念図を図１に示す。図１に示すように酸洗浄槽１の中に、活性炭と酸溶液を入れて攪拌機２により攪拌・混合する。攪拌せずに放置してもよいが、例えば１０〜２０分攪拌することで洗浄効果を向上させることができる。酸洗浄に用いる酸溶液は、原水の分析結果に基づいて作製されるものである。すなわち、原水に含まれるアニオンの酸が所定レベル以上含まれる酸溶液を使用する。例えば、塩酸イオンが含まれるのであれば、ＨＣｌ（塩酸）が少なくとも使用される。

従って、酸溶液については、塩酸（ＨＣｌ）、硝酸（ＨＮＯ₃）、硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）のうちの１種または２種以上から選ばれる混合液と、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ₃）あるいは硝酸カリウム（ＫＮＯ₃）の混合液で洗浄する。その後、さらに水洗を行なってもよい。

あるいは、塩酸（ＨＣｌ）、硝酸（ＨＮＯ₃）、硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）のうちの１種または２種以上から選ばれる混合液で洗浄し（その後、さらに水洗してもよい）、その後、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ₃）あるいは硝酸カリウム（ＫＮＯ₃）のいずれかで洗浄する。その後、さらに水洗を行なってもよい。

酸のうちどれを選択するかについては、水質の分析結果に基づいて決められるものである。上記において、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ₃）あるいは硝酸カリウム（ＫＮＯ₃）の使用量については、活性炭量１００ｋｇに対して、硝酸イオン（ＮＯ₃ ⁻）を０．１ｋｇ以上含有する硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ₃）あるいは硝酸カリウム（ＫＮＯ₃）の溶液を使用する。

酸洗浄を行った後は、酸洗浄槽１から酸を取り出し、「洗浄水の注入→攪拌逆洗浄→排水」を少なくとも１回以上繰り返して行なう。逆洗浄により、酸洗浄における余剰の酸の除去や酸洗浄等で生じた活性炭微粉を洗い落とす。その後、活性炭を酸洗浄槽１から取り出し、湿潤状態あるいは乾燥させて製品の活性炭とする。

活性炭を用いた処理水浄化装置の構成例を図２に示す。活性炭塔１０の内部には、原水の浄化作用を行う活性炭充填層１１が設けられる。活性炭塔１０の上流側と下流側には夫々切り換えバルブ１２，１３が設けられる。これら切り換えバルブ１２，１３の間には、循環水配管１４が接続されており、湯洗浄を行なうときには、バルブを切り換えて湯水を循環させる。原水及び湯は、上流側から切り換えバルブ１２を介して活性炭塔１０内へ導かれる。処理水は、下流側の切り換えバルブ１３を介して下流側へと送出される。また、洗浄に使用した水は、切り換えバルブ１３を切り換えて下方から排水させる。ｐＨ測定装置１５は、排水あるいは処理水のｐＨを測定する。

次に、本発明による方法でｐＨ調整した活性炭を用いて通水テストを行った。まず、原水の水質を分析し、前述の酸溶液を用いてｐＨ値の異なる複数水準の活性炭サンプルを作製した。処理水のｐＨは活性炭のｐＨに影響を受け、また、活性炭から溶出するアニオンの量によっても影響を受ける。そこで、どの程度のレベルの活性炭が適切であるかを確認するために、複数水準を用意した。

試作した活性炭サンプルについて、活性炭ユーザーが使用する原水を用いて、ユーザーの使用条件（例えば、逆洗浄→通水→湯殺菌→通水）に合った通水テストを行い、その処理水のｐＨ変動（連続分析）から活性炭の好適な酸洗浄条件を決定することができる。酸洗浄条件とは、例えば、洗浄時間、使用する酸の種類、活性炭に対する酸の量、酸洗浄後に余分な酸を洗い落とす水洗時間、洗浄回数などである。

湯殺菌後の活性炭処理水のｐＨ値変動を連続分析し、処理水ｐＨの変動終了を確認する。合わせて、処理水の水質分析を行い、加水乖離吸着の終了を確認し、処理水ｐＨ値変動終了の裏づけとする。加水乖離吸着とは、原水にあるアニオンを酸の形として活性炭に吸着される現象であり、吸着が平衡に達すればアニオンが処理水中に検出されてくる。原水のアニオン濃度に近い値が検出されれば、平衡に近づいたものと見なすことができる。なお、厳密な平衡点ではなく、処理水ｐＨ変動が問題ないレベルであれば、ほぼ終了と見なすことができる。

複数水準の活性炭サンプルの通水テスト結果より、処理水ｐＨ変動が小さく、ユーザーの使用基準ｐＨ値内に速やかに安定化するサンプルを選出し、そのサンプルの酸洗浄条件を当該ユーザーに納入すべき活性炭の酸洗浄方法として決定する。すなわち、活性炭性状の確認指標として、活性炭のｐＨ値を用いる。

図３は、本発明による効果を示す通水倍量の低減ラボテスト結果である。横軸は通水倍量を示す。通水倍量Ｗとは、
Ｗ＝湯洗浄に使用する水量（ｍ³）÷活性炭量（ｋｇ）÷活性炭充填密度（ｋｇ／ｍ³）で表される数値である。縦軸は、活性炭処理水のｐＨ値である。逆洗浄、湯殺菌を行った後、通水を行う。湯殺菌直後は、酸の溶出量が酸の吸着量よりも大きいため、ｐＨ値は低下していくが、その後は、逆に酸の吸着量のほうが大きくなりｐＨ値が上がっていき、酸の吸着が平衡に達し、ｐＨは安定化する。処理水の使用可能なｐＨ値の範囲を６〜８とすれば、一般的なｐＨ調整を行った活性炭の場合は、安定領域に入るまでのかなりの通水倍量が必要である。本発明の場合は、原水の水質に適したｐＨ調整を行っており、加水乖離吸着が抑制されるため、処理水のｐＨ変動を早期に抑制できる。従って、図３に示すように、早期にｐＨ値が安定領域に入る。

図４は、Ａ工場における活性炭塔の湯洗浄後の処理水のｐＨ変動と、ラボテストを行ったときの湯洗浄後のｐＨ変動を比較したものである。これをみるとラボテストを行なったのとほぼ同じ通水倍量でＡ工場の活性炭塔での処理水が使用可能な状態になっていることが分かる。図５は、別のＢ工場で同様のｐＨ変動とラボテストを行なったときの湯洗浄後の処理水のｐＨ変動を比較したものである。従って、現場（工場）においても、ラボテストの結果どおり、ほぼ同じ通水倍量で処理水が使用可能な状態になったことが確認された。

また、これら本発明による場合の通水倍量は、従来の通水倍量の１／５以下のレベルに大幅低減することができる。

酸洗浄装置を示す概念図処理水浄化装置本発明の効果を示す通水倍量の低減ラボテスト結果Ａ工場における活性炭塔の湯洗浄後の処理水のｐＨ変動と、ラボテストによる湯洗浄後の処理水のｐＨ変動を比較したグラフＢ工場における活性炭塔の湯洗浄後のｐＨ変動と、ラボテストによる湯洗浄後の処理水のｐＨ変動を比較したグラフ

符号の説明

１０活性炭塔
１１活性炭充填層
１２切り換えバルブ
１３切り換えバルブ
１４循環水配管
１５ｐＨ測定装置

Claims

活性炭が使用される原水のアニオン濃度を分析する工程と、
分析結果に基づいて、活性炭を酸洗浄する酸溶液として、原水に含まれるアニオンの酸が所定レベル以上含まれる混合液と、硫酸ナトリウム（ＮａＮＯ _３）あるいは硝酸カリウム（ＫＮＯ _３）の混合液を作製する工程と、
作製された酸溶液を用いて、加水乖離吸着により生じる酸を活性炭に予め吸着させることによってｐＨを調整する工程と、を有することを特徴とする活性炭のｐＨ調整方法。