JP5981863B2 - 粒状型環境用水処理剤およびそれを用いた有害物質に汚染された水の処理方法 - Google Patents
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Description
特許文献4では、土壌に混合し、汚染土壌若しくは廃棄物の下方若しくは側方若しくはその双方に5cm以上の厚みで設置する浄化材料であって、水との接触によって重金属等を吸着可能な鉄、水酸化鉄、酸化鉄若しくはその水和物、水酸化マグネシウム、酸化マグネシウム若しくはその水和物、炭酸フッ化セリウム、水酸化セリウム、酸化セリウム若しくはその水和物、若しくはこれらを一つ以上含む粉体材料を、平均直径1〜1000μm未満の繊維状素材と、繊維状素材/粉体材料=0.33〜3の割合で混合して構成することを特徴とする浄化材料が提案されている。
この技術では、汚染土壌若しくは廃棄物の下方若しくは側方若しくはその双方に前述の浄化材を配することで、汚染土壌若しくは廃棄物からの浸出した重金属等を含む水のスムーズな流れを得つつ、スピーディに浄化を進行させることができることが開示されている。しかしながら、この技術では、各種粉体材料の適正な組合せや配合割合、あるいは吸着除去能力を長い期間維持させるための工夫や検討がなされておらず、更なる改善の余地が残されている。
この技術では、重金属等に複合的に汚染されている汚染土壌に対して、金属鉄粉と酸化マグネシウムと、酸化マグネシウムの水和によって生成する水酸化マグネシウムによるpH値上昇の影響を軽減するためのpH調整剤とを含めて造粒した浄化材では、各種材料を均一に調製でき、常に金属鉄粉の浄化作用が発揮できる最適なpH値に維持できることが開示されている。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の粒状型環境用水処理剤は、人体に対して有害であり健康障害をもたらす有害物質に汚染された汚染水を対象とするものである。本発明において、粒状型環境用水処理剤とは、粒状であり、かつ環境汚染を引き起こすことがなく、有害物質を吸着・除去できる水処理剤のことをいう。
また、従来のバインダーの代わりに水を用いて、マグネシアと水、マグネシアと酸性無機硫酸塩と水等の化学反応により水硬作用を発現させて、造粒物としての硬度を高めて、長期間に渡って汚染水の有害物質を吸着除去することもできる。さらに、従来のバインダーを使用することもないことから環境汚染を及ぼすことがない。
A.鉄粉
構成物である鉄粉の役割としては、(1)鉄粉表面近傍において溶出した鉄イオン(Fe2+)が、汚染水中の陰イオン(セレン酸イオン(SeO4 2-)、ヒ酸イオン(AsO4 3-))と反応して生成した難溶性の鉄化合物を鉄粉表面に吸着し、固定化する効果、(2)陽イオン(鉛イオン(Pb2+)、カドミウムイオン(Cd2+))の形態で水中に溶解している有害物質を、鉄のアノード反応(Fe→Fe2++2e-)により金属に還元し、鉄粉表面に析出させて固定化する効果、あるいは(3)鉄のアノード反応により水に電子が供給されて生成する水酸化物イオンと、クロムイオン(Cr3+、Cr6+)が反応して生成した難溶性の水酸化クロムを鉄粉表面に吸着し、固定化する効果等が挙げられ、これらによって、汚染水から有害物質を吸着除去する。
本発明では、本発明の効果を奏する限り、上記アトマイズ鉄粉のほかに、スポンジ鉄粉、鋳鉄粉、鉄基合金粉(プレアロイ合金粉末)等も使用することもできる。
また、造粒工程で鉄粉が骨材としての働きにより造粒体の硬度を向上させる原料の鉄粉の好ましい平均粒径は、1000μm以下であり、より好ましくは100μm以下、さらに好ましくは80μm以下である。また、鉄粉の平均粒径の下限値は、50μm以上が好ましく、55μm以上がより好ましく、60μm以上がさらに好ましい。
尚、本発明において「平均粒径」とは、JIS Z 8801に規定されるふるい(篩)を用いた乾式ふるい分け試験によって得られた粒度分布を累積ふるい上百分率、もしくは累積ふるい下百分率が50質量%となる粒径をいう。
構成物であるマグネシアの役割としては、(1)マグネシア(MgO)が水和して生成する水酸化マグネシウム(Mg(OH)2)に、有害物質(鉛、砒素等)が吸着する効果、(2)水酸化マグネシウムの生成により、その近傍のpHが10〜11程度に上昇し、この範囲のpHで難溶性の水酸化物を形成する有害物質(鉛、カドミウム等)を沈殿させて不溶化する効果、あるいは(3)水酸化マグネシウムと炭酸ガスが反応し、塩基性炭酸マグネシウム(mMgCO3・Mg(OH)2)・nH2O)が生成する際に、有害物質を吸着する効果等が挙げられ、これらによって、汚染水から有害物質を吸着除去する。
構成物である酸性無機硫酸塩の役割としては、主にマグネシアとの水硬反応を促し、硬化性物質を形成させる効果等が挙げられる。本発明で用いる酸性無機硫酸塩としては、工業製品として流通しており、容易に入手可能であり、一般的に多岐に渡って使用されており、pH酸性を呈するものが好ましく、鉄(II)塩、鉄(III)塩、およびアルミニウム塩から選ばれる1種以上を使用することができる。好ましい酸性無機硫酸塩としては、硫酸第一鉄、硫酸第二鉄等の硫酸鉄、硫酸アルミニウム等が挙げられる。なかでも、硫酸第一鉄(FeSO4)またはその水和物(例えば、一水和物、四水和物、五水和物、七水和物)が特に好ましい。
マグネシアの水和反応によって水酸化マグネシウムが生成する際に、水硬性を発現する。生成する微細な水酸化マグネシウムは、粗粒子間の空隙を埋めることにより水和硬化体の緻密化を促す。
MgO + H2O → Mg(OH)2
Mg(OH)2 + CO2 + 2H2O → MgCO3・3H2O
[m+1]Mg(OH)2 + mCO2 + xH2O → mMgCO3・Mg(OH)2・nH2O
(m=3〜5, n=3〜7, x=0〜2)
軽焼マグネシアと硫酸第一鉄は、水の存在化で反応すると、次のような化合物(マグネシアと硫酸マグネシウムの複塩(マグネシウムオキシサルフェイト)、及び水酸化鉄(II))を生成し、このうちマグネシウムオキシサルフェイトは造粒物の硬度を増進させる。
[m+1]MgO + FeSO4・H2O + nH2O → mMgO・MgSO4・nH2O + Fe(OH)2
前記造粒工程における清水の加水量は、材料の組合せ、材料の配合割合、材料の粒径および採用する造粒方法によって異なるので、条件にあわせて最適な量に調整すればよい。前記清水は、前記組成物100質量部に対して、好ましくは1質量部以上50質量部以下であり、より好ましくは3質量部以上45質量部以下、さらに好ましくは5質量部以上40質量部以下、さらにより好ましくは10質量部以上35質量部以下である。或いは、鉄粉、マグネシアおよび酸性無機硫酸塩のそれぞれに対する加水量は以下の通りであり、例えば、粒状化するための加水量は、(1)鉄粉100質量部に対して5〜15質量部、(2)マグネシア100質量部に対して30〜150質量部、(3)酸性無機硫酸塩100質量部に対して10質量部以下の量であることも好ましい。ただし、清水の量が多すぎる場合は、粒状物当りの固形分含有率が小さくなり、重質の粒状物が得られなくなるため、粒状物の硬度が不足してしまう恐れがあり、清水の量が少なすぎる場合は、マグネシアの水硬性作用の不足や水酸化マグネシウムの生成量の不足によって、粒状化できない、あるいは十分な硬度が得られない恐れがあるので、注意が必要である。
本発明の有害物質に汚染された水の処理方法は、有害物質を含む汚染水と、本発明の水処理剤とを接触させることを特徴とする。これによって、汚染水から有害物質を吸着除去し、処理前よりも有害物質の濃度を低減することができる。汚染水と水処理剤を接触させる方法は、別段限定されるものではなく、例えば、水処理剤を適当な容器に充填し、これに汚染水を通過させて接触させる方法、水処理剤を汚染水に加えたあと、撹拌・分散させて有害物質を吸着する方法等が挙げられる。
本発明の方法において、汚染水と水処理剤との接触方法において、本発明の水処理剤を充填した充填層を設け、充填層に、有害物質を含む汚染水を通過させて接触させてもよい。かかる方法は、水処理剤と汚染水との接触時間を十分に確保できることから、汚染水から有害物質を吸着除去する効率が高くなるので、好ましい。水処理剤の充填層としては、粒状物を緻密に充填でき、水処理剤と汚染水との接触面積および接触時間を十分に確保できるものであれば、別段限定されるものではなく、例えば、汚染水処理用カラムに水処理剤を充填したもの、あるいは水処理剤を敷き均し、積み重ねて十分な厚みを持たせたもの等が挙げられる。汚染水処理用カラムは、目標とする汚染水の処理量および処理時間によって、適切な大きさのものを選択する。また、水処理剤を敷き均した充填層については、充填層への汚染水の通過量、有害物質の濃度および種類によって層厚を調整する。
(1) 鉄粉:平均粒径65μm
(2) 軽焼マグネシア:海水由来の水酸化マグネシウムを約500℃で焼成後、粒度調整して得られた軽焼マグネシア粉末:MgO含有率89.0質量%
マグネシアの最大粒径:0.045mm
最大粒径の測定方法:JIS Z 8801に規定されるふるい(篩)を用いた湿式ふるい分け試験
マグネシアの平均粒径:3.4μm
平均粒径の測定方法:堀場製作所製、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置LA−920により測定された体積基準粒径の累積50%に相当する粒径(分散媒としてイソプロパノールを使用)
(3) 硫酸第一鉄・一水和物:FeSO4含有率92.9質量%
硫酸第一鉄・一水和物の最大粒径:1.00mm
最大粒径の測定方法:JIS Z 8801に規定されるふるい(篩)を用いた乾式ふるい分け試験
硫酸第一鉄・一水和物の平均粒径:26μm
平均粒径の測定方法:JIS Z 8801に規定されるふるい(篩)を用いた乾式ふるい分け試験
(4) 粒状活性炭:(株)クラレ製 クラレコール KW10X32(硬さおよび通水抵抗試験の比較参照材として適用)
表1記載の原料種および各原料種の配合量を秤量し、小型ソイルミキサー(回転数140r.p.m.)にて混合撹拌しながら、所定量の清水をスプレー噴霧しながら添加した。得られた混合物を直径1.5mmの排出口を有する押出造粒機にて押出成型し、24時間大気放置した。この操作によって得られた棒状の固形物を粉砕し、篩いによって1.4mmを超える粒と0.25mm未満の粒を取り除き、分級し粒度調整して粒状型環境浄化用水処理剤を得た。
<水処理剤の強度(硬さ)の測定>
JIS K 1474−2007に従って水処理剤の強度を測定した。まず、篩分けした試料(水処理剤)を100mL採取した。直径:12.7mm、9.5mmの鋼球を各々15個ずつと共に、前記採取試料を硬さ試験用皿に入れ、篩振とう機に取り付け、30分振とうした。次いで、篩分け時の下限粒度よりも目開きが2段下の篩の上に、鋼球を除いた試料を全部入れた。篩振とう機にて3分間振とうし、夫々の試料を計量した。篩の上に残った試料の質量割合(全体に対する質量%)を測定し、強度(硬度)の指標とした(この値が大きいほど、強度が高いことを示す)。得られた結果を表2に示す。
<損失水頭測定装置による通水抵抗の測定>
φ25mm×1200mm長の石英ガラス製カラムに水処理剤を1000mmの高さに充填し、カラム上部と各チューブとを、これらに水を注入して空気を噛まないようにしながら接続した。送液ポンプを用い、所定のLV(線速度)で下降流に通水し、差圧が安定した時点で差圧を測定した(差圧計は木幡計器製作所製で最大20kPaのものを用いた)。差圧は通水量でLV=30m/hrにして差圧が安定した後に測定した。得られた結果を表2に示すと共に、損失水頭測定装置の概要を図1に示す。
有害物質の吸着除去性能を判断する上で、ヒ素、セレン、鉛、カドミウムおよびクロムの重金属種を用いた吸着性能による試験を実施した。ヒ素含有排水のモデル液としてヒ酸カリウム(KH2AsO4)を、セレン含有排水のモデル液としてセレン酸ナトリウム(Na2SeO4)を、鉛含有排水のモデル液として硝酸鉛(II)(Pb(NO3)2)を、カドミウム含有排水のモデル液として塩化カドミウム2.5水和物(CdCl2・2.5H2O)を、クロム含有排水のモデル液として二クロム酸カリウム(K2Cr2O7)を各々水に溶かした液を用いた。5種類の重金属種の原水濃度としては、環境基準値の10倍(すなわちヒ素、セレン、鉛、カドミウムでは0.1mg/L。クロムでは0.5mg/L)とした被処理水を調製した。各被処理水を500mLのポリ容器に250mL入れて、実施例で調製した各水処理剤を各々2.5g(固液比 1:100)となるように添加し、室温で24時間振とうさせた。次いで、振とうを止めて水処理剤と上澄液を0.45μmの目開きを有したメンブレンフィルターで濾過分離し、該上澄液中の残留重金属濃度を以下の通りに測定した。
ヒ素はJIS K0102 61.3、セレンはJIS K0102 67.3に則った水素化物発生ICP発光分析法、鉛はJIS K0102 54.4に則ったICP質量分析法、カドミウムはJIS K0102 55.4に則ったICP質量分析法、クロムはJIS K0102 65.1.5に則ったICP質量分析法により測定した。結果を表3に示す。
2:タンク
3:定量ポンプ
4:水処理剤
5:充填塔
6:差圧計
Claims (7)
- 有害物質を除去するための水処理剤であって、鉄粉、マグネシア、および酸性無機硫酸塩から構成される組成物に清水を加えて造粒形態としたものであり、
前記組成物が、鉄粉100質量部に対して、マグネシアを10〜50質量部、酸性無機硫酸塩を5〜50質量部含有し、
前記清水が、前記組成物100質量部に対して、1質量部以上50質量部以下であり、
前記組成物に清水を加え、造粒することによって粒状物の形態としたものの硬さが、JIS K 1474−2007によって測定したとき80%以上であることを特徴とする粒状型環境用水処理剤。 - 前記マグネシアが、酸化マグネシウムを60質量%以上含有する軽焼マグネシアを粉砕して得られたものであり、かつ最大粒径が2.0mm以下の粉末状であることを特徴とする請求項1に記載の粒状型環境用水処理剤。
- 前記酸性無機硫酸塩が、鉄(II)塩、鉄(III)塩、およびアルミニウム塩から選ばれる1種以上であり、かつ最大粒径が2.0mm以下の粉末状であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の粒状型環境用水処理剤。
- 前記組成物に清水を加えて造粒したのち、0.1〜2.0mmの範囲に粒度を調整して粒状物の形態としたものであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の粒状型環境用水処理剤。
- 有害物質を含む汚染水と、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の粒状型環境用水処理剤とを接触させることを特徴とする有害物質に汚染された水の処理方法。
- 前記汚染水が、有害物質を含む土壌、汚泥、石炭灰、焼却灰、煤塵、および産業廃棄物から選ばれる少なくとも一種に含まれるものであることを特徴とする請求項5に記載の有害物質に汚染された水の処理方法。
- 前記粒状型環境用水処理剤を充填した充填層に、有害物質を含む汚染水を通過させて接触させることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の有害物質に汚染された水の処理方法。
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