JP6864930B1 - 多孔性物質再生装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】多孔質物質の再生を適正温度で行うことができ、かつ設備コストや設置スペースを低減できる多孔性物質再生装置を提供すること。【解決手段】被吸着物が吸着された多孔性物質を再生する多孔性物質再生装置１であって、多孔性物質が充填された多孔性物質槽１０と、多孔性物質に接触するように多孔性物質槽１０に流通する第１気体を加熱する加熱装置１１及び１６と、多孔性物質の再生時に脱着された被吸着物を燃焼させる燃焼装置１２と、を有し、燃焼装置１２において被吸着物の燃焼時に発生する第２気体を用いて、多孔性物質を加熱する、多孔性物質再生装置１。【選択図】図１
Description
本発明は、多孔性物質再生装置に関する。
従来、有機化合物等の汚染物質を含有する被処理水に対し、多孔性物質等の吸着材により汚染物質を吸着させ、被処理水を清浄化する水処理装置が知られている。被吸着物として汚染物質等が吸着された吸着材は、例えば加熱されることで被吸着物が脱着され、再生される。このような被吸着物の吸着と脱着を交互に行える水処理装置が知られている（例えば、後述する特許文献１）。
特許文献１には、水処理装置の脱着工程における加熱ガスとして１８０℃の空気を使用することが記載されている。しかし、多孔性物質等の吸着材に吸着される被吸着物の種類によっては、上記温度では被吸着物が脱着されない場合がある。他方で、加熱ガスの温度を高温化するには、加熱装置の容量を増大させる必要があり、装置コストや設置スペースの点で課題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、多孔質物質の再生を適正温度で行うことができ、かつ設備コストや設置スペースを低減できる多孔性物質再生装置を提供することを目的とする。
（１）本発明は、被吸着物が吸着された多孔性物質を加熱して再生する多孔性物質再生装置であって、前記多孔性物質が充填された多孔性物質槽と、前記多孔性物質に接触するように前記多孔性物質槽に流通する第１気体を加熱する加熱装置と、前記多孔性物質の再生時に脱着された前記被吸着物を燃焼させる燃焼装置と、を有し、前記多孔性物質の再生時の温度は３００℃〜８００℃の範囲内であり、前記燃焼装置において前記被吸着物の燃焼時に発生する第２気体を用いて、前記多孔性物質を加熱する、多孔性物質再生装置に関する。
（２）前記第２気体を、前記多孔性物質槽に流通させて前記多孔性物質を加熱する（１）に記載の多孔性物質再生装置。
（３）前記加熱装置は、前記第２気体と前記第１気体との間で熱交換を行う熱交換装置を含む、（１）又は（２）に記載の多孔性物質再生装置。
（４）前記第１気体は、水蒸気を含み、水蒸気を発生させる水蒸気発生装置を有する、（１）〜（３）いずれかに記載の多孔性物質再生装置。
（５）前記第２気体は、前記水蒸気発生装置において熱交換を行う、（４）に記載の多孔性物質再生装置。
（６）前記燃焼装置には、前記被吸着物と共に燃焼される燃料が供給される、（１）〜（５）いずれかに記載の多孔性物質再生装置。
（７）前記多孔性物質は、活性炭である、（１）〜（６）いずれかに記載の多孔性物質再生装置。
（８）前記多孔性物質の再生時の温度は、前記多孔性物質に吸着された前記被吸着物が蒸発及び分解のうち少なくともいずれかを開始する温度以上の温度であり、かつ、前記多孔性物質が加熱により分解を開始する温度未満の温度である、（１）〜（７）いずれかに記載の多孔性物質再生装置。
（９）前記多孔性物質に吸着された前記被吸着物が蒸発及び分解のうち少なくともいずれかを開始する温度と、前記多孔性物質が加熱により分解を開始する温度は、前記被吸着物が吸着された前記多孔性物質を熱重量分析し、前記被吸着物が吸着された前記多孔性物質が重量減少を開始する温度を測定することにより決定される、（８）に記載の多孔性物質再生装置。
（１０）（１）〜（９）いずれかに記載の多孔性物質再生装置を備える水処理装置であり、前記被吸着物が脱着された前記多孔性物質が充填された前記多孔性物質槽を、被処理水が流通可能な吸着層として用いる、水処理装置。
本発明によれば、多孔質物質の再生を適正温度で行うことができ、かつ設備コストや設置スペースを低減できる多孔性物質再生装置を提供できる。
以下、本発明の実施形態について説明する。但し、以下に示す実施形態は、本発明を例示するものであって、本発明は以下の実施形態に限定されない。
［第１実施形態］
本発明の実施形態に係る多孔性物質再生装置１は、図１に示すように、多孔性物質槽１０と、加熱装置１１及び１６と、燃焼装置１２と、水蒸気発生装置１３と、軟水器１４と、ポンプ装置１５と、流体が流通するラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５と、を有する。多孔性物質再生装置１は、被処理物の吸着に用いる多孔性物質の再生が可能であると共に、再生後の多孔性物質を用い、オンサイトでの水処理が可能な水処理装置として使用できる。
本発明の実施形態に係る多孔性物質再生装置１は、図１に示すように、多孔性物質槽１０と、加熱装置１１及び１６と、燃焼装置１２と、水蒸気発生装置１３と、軟水器１４と、ポンプ装置１５と、流体が流通するラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５と、を有する。多孔性物質再生装置１は、被処理物の吸着に用いる多孔性物質の再生が可能であると共に、再生後の多孔性物質を用い、オンサイトでの水処理が可能な水処理装置として使用できる。
多孔性物質槽１０は、多孔性物質が充填される槽である。多孔性物質槽１０に充填される多孔性物質は、被処理水から有機化合物等の被吸着物を吸着して処理する水処理に用いられ、上記被吸着物が吸着されている。多孔性物質槽１０に第１気体を流通させることで、被吸着物の蒸発及び分解のうち少なくともいずれかが行われて多孔性物質から脱着され、多孔性物質を再生できる。なお、本明細書中において、「脱着」は、「吸着」とは反対の概念を示し、蒸発や分解等の現象により対象が物体表面から脱離することを意味する。多孔性物質槽１０には、被処理水が流通可能であり、多孔性物質の再生を行った後に、水処理における吸着槽としても使用できる。
多孔性物質としては、例えば活性炭等の炭素質材料や、ゼオライト、アルミナ、チタニア、ジルコニア、シリカ、アルミナ等の無機質材料等が挙げられる。多孔性物質としては、活性炭が用いられることが好ましい。活性炭としては、特に制限されないが、石炭由来、石油由来、バイオマス由来等の活性炭が用いられる。形状としても特に制限されず、粉状、粒状、成形品、繊維等の形状を有するものが用いられる。上記多孔性物質としては、２種以上が混合されたものを用いてもよい。
被吸着物としては、例えば、炭化水素化合物、含酸素化合物、含窒素化合物、含硫黄化合物、及びハロゲン化合物等の有機化合物が挙げられる。本実施形態に係る多孔性物質再生装置１は、１００℃未満の沸点を有する被吸着物を多孔性物質から脱着できる。上記被吸着物としては特に制限されないが、例えばベンゼン（沸点８０℃程度）、トリクロロエチレン（沸点８７℃程度）等が挙げられる。本実施形態に係る多孔性物質再生装置１は、多孔性物質槽１０に充填される多孔性物質の再生を適正温度で行うことができる。従って、被吸着物として例えば１００℃以上、或いは２００℃以上の沸点を有する有機化合物が含まれている場合であっても、被吸着物の脱着を行うことができる。上記有機化合物としては特に制限されないが、例えば１，４−ジオキサン（沸点１０１℃程度）、トリエチレングリコール（沸点２８５℃程度）、石炭酸（沸点１８２℃程度）、ｐ−ｔｅｒｔ−オクチルフェノール（沸点２８０℃程度）、ポリエチレングリコール、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム等が挙げられる。
多孔性物質槽１０には、多孔性物質に接触するように第１気体が流通する。
第１気体は、例えば水蒸気、窒素、二酸化炭素、及びヘリウム、アルゴン等の希ガス、及びフロン等の不活性ガスのうち少なくともいずれかであり、上記２種以上の気体が混合されていてもよい。第１気体には、水蒸気が含まれることが好ましい。第１気体に水蒸気が含まれることで、後述する水蒸気ガス化反応により、被吸着物質の分解による脱着が促進される。以下の説明では、第１気体に水蒸気が含まれるものとして説明する。上記に加え、第１気体は酸素を実質的に含まないことが好ましい。例えば第１気体に含まれる酸素が０．０１体積％以下であることが好ましい。上記により、酸素と反応して劣化する活性炭等の炭素質材料を多孔性物質として用いることができる。
第１気体は、例えば水蒸気、窒素、二酸化炭素、及びヘリウム、アルゴン等の希ガス、及びフロン等の不活性ガスのうち少なくともいずれかであり、上記２種以上の気体が混合されていてもよい。第１気体には、水蒸気が含まれることが好ましい。第１気体に水蒸気が含まれることで、後述する水蒸気ガス化反応により、被吸着物質の分解による脱着が促進される。以下の説明では、第１気体に水蒸気が含まれるものとして説明する。上記に加え、第１気体は酸素を実質的に含まないことが好ましい。例えば第１気体に含まれる酸素が０．０１体積％以下であることが好ましい。上記により、酸素と反応して劣化する活性炭等の炭素質材料を多孔性物質として用いることができる。
第１気体が加熱されて多孔性物質に接触することで、被吸着物が加熱され、多孔性物質から脱着される。第１気体に水蒸気が含まれる場合、水蒸気と多孔性物質に吸着された被吸着物とが以下の式（１）で示す水蒸気ガス化反応や、式（２）で示すシフト反応を起こすことで、被吸着物が分解されると考えられる。
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ＝ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ２ （１）
ｎＣＯ＋ｎＨ２Ｏ＝ｎＣＯ２＋ｎＨ２ （２）
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ＝ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ２ （１）
ｎＣＯ＋ｎＨ２Ｏ＝ｎＣＯ２＋ｎＨ２ （２）
多孔性物質の再生時の温度は、本実施形態において、３００℃〜８００℃である。上記再生時の温度は、例えば４００℃以上であることが好ましく、５００℃以上であることがより好ましい。また、７００℃以下であることが好ましい。多孔性物質の再生時の温度が上記条件を満たすことで、再生時に多くの被吸着物を脱着することができる。また、多孔性物質が活性炭である場合、活性炭の賦活による重量減少を抑制することができる。
多孔性物質槽１０に充填される多孔性物質の再生時の温度は、被吸着物が蒸発及び分解のうち少なくともいずれかを開始することで脱着する温度以上の温度であることが好ましい。多孔性物質に吸着された被吸着物が脱着する温度は、被吸着物の沸点以上の温度である。例えば、ｐ−ｔｅｒｔ−オクチルフェノール（沸点２８０℃程度）が被吸着物として吸着された多孔性物質としての活性炭を再生する場合、活性炭の再生時の温度を例えば２８０℃とした場合であっても、活性炭の再生を行うことができない。これは、被吸着物が活性炭等の多孔性物質における微細孔中で、分子間力や場合により化学結合を形成して吸着しているためと考えられる。また、多孔性物質の再生時の温度は、多孔性物質が加熱により分解を開始する温度未満の温度であることが好ましい。多孔性物質が例えば活性炭である場合、被吸着物質の種類により、活性炭が分解を開始する温度は変動する。
上記被吸着物が脱着する温度及び多孔性物質が分解を開始する温度は、熱重量分析によって決定することが好ましい。熱重量分析は、例えば所定の温度領域、例えば室温から１０００℃の間の被吸着物が吸着された多孔性物質の重量変化を測定することで行うことができる。熱重量分析は、例えば熱重量分析装置（ＴＧＡ）や示差熱量同時測定装置（ＴＧ−ＤＴＡ）を用いて行うことができる。なお、熱重量分析は窒素、アルゴン、空気、水蒸気等の雰囲気下で行うことができる。多孔性物質が加熱により分解される温度を測定するため、水蒸気雰囲気下で分析を行うことが好ましい。
多孔性物質の再生時の温度は、上記熱重量分析装置等による分析により、被吸着物が蒸発及び分解のうち少なくともいずれかを開始する温度と、多孔性物質が加熱により分解を開始する温度に基づき決定される。例えば、多孔性物質槽１０に流通する第１気体の温度は、上記熱重量分析により求めた、被吸着物が蒸発及び分解のうち少なくともいずれかを開始する温度に基づき決定される。
加熱装置１１及び１６は、第１気体を加熱する装置である。加熱装置１１は、特に制限されないが、例えば通電されて加熱される電気式のヒータ装置である。加熱装置１１は、第１気体が水蒸気である場合、水蒸気を加熱して所定温度の過熱水蒸気を生成する。加熱装置１６は、熱交換装置であり、加熱装置１１の上流側に設けられる。加熱装置１６は、後述する第２気体と第１気体とを熱交換することで、第１気体を加熱する。加熱装置１６として用いられる熱交換装置は、特に制限されず、二重管式、ジャケット式、シェル＆チューブ式、スパイラル式、プレート式等の熱交換装置が挙げられる。
燃焼装置１２は、多孔性物質の再生時に脱着された被吸着物を燃焼させる。燃焼装置１２としては、特に限定されないが、例えば直接燃焼装置や触媒燃焼装置等を用いることができる。燃焼装置１２は、バーナ装置を備え、外部から導入した空気と有機化合物等の被吸着物とを混合して燃焼させる。燃焼装置１２は、空気を導入する空気ブロワを備えていてもよい。上記燃焼により、被吸着物がＣＯ２やＨ２Ｏ等に分解され、脱臭及び無害化される。上記燃焼装置１２から排出される排ガスである第２気体は高温であり、熱交換装置としての加熱装置１６で第１気体と熱交換される。
水蒸気発生装置１３は、第１気体としての水蒸気を発生させる装置である。水蒸気発生装置１３は、例えばボイラ装置であり、燃料を燃焼させることで熱を発生させる。水蒸気発生装置は、熱交換装置を備え、発生させた熱と水との間で熱交換を行い、水を気化させて水蒸気を発生させる。水蒸気発生装置１３としてのボイラ装置は、燃焼室や送風機等を含んでいてもよい。このようなボイラ装置としては、特に制限されず、公知のものを用いることができる。
軟水器１４は、原水中の硬度成分を除去し軟水化させる。軟水器１４は、例えばイオン交換樹脂を備える。イオン交換樹脂は、原水に含まれるＣａイオンやＭｇイオン等の硬度成分を吸着し、代わりに自身が有するＮａイオン等を放出することで原水を軟水化する。これにより、ラインＬ１に対するスケールの発生を抑制できる。このような軟水器１４としては、公知のものを用いることができる。
ポンプ装置１５は、被処理水を多孔性物質槽１０に圧送して流通させる。ポンプ装置１５により、被処理水が多孔性物質槽１０に流通される場合、多孔性物質槽１０は水処理における吸着槽として用いられる。ポンプ装置１５としては、液体を圧送できるものであれば特に制限されず、例えば渦巻式等の遠心ポンプ、ダイアフラムポンプ等の容積移送式ポンプ等が挙げられる。
（多孔性物質再生装置１を用いた多孔性物質の再生方法）
ラインＬ１は、図１に示すように、第１気体が流通する経路である。ラインＬ１には、上流側から順に軟水器１４、水蒸気発生装置１３、加熱装置１６、加熱装置１１が設けられる。ラインＬ１を通じ、水道水等の水が軟水器１４に流通される。ラインＬ１には、水を軟水器１４に圧送するポンプ装置（図示省略）が設けられていてもよい。軟水器１４を通じ軟水化された水は水蒸気発生装置１３に流入し、気化されて第１気体としての水蒸気が生成される。生成された水蒸気は、加熱装置１６及び加熱装置１１により沸点以上に加熱され、例えば３００℃以上の過熱水蒸気となる。上記過熱水蒸気は多孔性物質槽１０に流通され、多孔性物質に吸着された被吸着物が脱着されて多孔性物質が再生される。
ラインＬ１は、図１に示すように、第１気体が流通する経路である。ラインＬ１には、上流側から順に軟水器１４、水蒸気発生装置１３、加熱装置１６、加熱装置１１が設けられる。ラインＬ１を通じ、水道水等の水が軟水器１４に流通される。ラインＬ１には、水を軟水器１４に圧送するポンプ装置（図示省略）が設けられていてもよい。軟水器１４を通じ軟水化された水は水蒸気発生装置１３に流入し、気化されて第１気体としての水蒸気が生成される。生成された水蒸気は、加熱装置１６及び加熱装置１１により沸点以上に加熱され、例えば３００℃以上の過熱水蒸気となる。上記過熱水蒸気は多孔性物質槽１０に流通され、多孔性物質に吸着された被吸着物が脱着されて多孔性物質が再生される。
ラインＬ２は、多孔性物質槽１０から排出される気体が流通する経路である。ラインＬ２の上流側は多孔性物質槽１０と接続される。ラインＬ２には、燃焼装置１２が設けられる。多孔性物質槽１０から排出される気体には、水蒸気と、多孔性物質から脱着された被吸着物とが含まれる。被吸着物には有機化合物等が含まれ、未処理で外部へ放出されることは好ましくない。このため、多孔性物質槽１０から排出された気体は、ラインＬ２を通じ燃焼装置１２に流入し、空気と混合されて燃焼される。これにより、被吸着物が脱臭及び無害化される。
ラインＬ３は、燃焼装置１２から排出される第２気体が流通する経路である。ラインＬ３の上流側は、燃焼装置１２と接続される。ラインＬ３には、熱交換装置である加熱装置１６が設けられる。第２気体は、被吸着物が燃焼により分解されて生成される気体と、水蒸気とを含む高温の気体である。加熱装置１６において、第１気体と、第１気体より高温の第２気体とが熱交換される。即ち、第２気体を用いて、間接的に多孔性物質が加熱される。ラインＬ３において熱交換を行った後の第２気体は、まだ熱量を有しているため、他の系統と熱融通を行ってもよいし、脱臭及び無害化されているため、外部に放出されてもよい。
（排水処理方法）
次に、上記再生方法により再生された多孔性物質が充填された多孔性物質槽１０を吸着槽として用い、排水処理を行う方法について説明する。
ラインＬ４は、図１に示すように、被処理水が流通する経路である。ラインＬ４には、ポンプ装置１５が設けられる。例えば有機化合物を含む被処理水は、ポンプ装置１５により圧送され、ラインＬ４を通じ、吸着槽として用いられる多孔性物質槽１０に流入する。吸着槽としての多孔性物質槽１０に充填された多孔性物質に、上記被処理水に含まれる有機化合物等の被吸着物が吸着されることで水処理が行われる。被吸着物が吸着された後の無害化された処理水は、ラインＬ５を通じて例えば外部に放出される。
次に、上記再生方法により再生された多孔性物質が充填された多孔性物質槽１０を吸着槽として用い、排水処理を行う方法について説明する。
ラインＬ４は、図１に示すように、被処理水が流通する経路である。ラインＬ４には、ポンプ装置１５が設けられる。例えば有機化合物を含む被処理水は、ポンプ装置１５により圧送され、ラインＬ４を通じ、吸着槽として用いられる多孔性物質槽１０に流入する。吸着槽としての多孔性物質槽１０に充填された多孔性物質に、上記被処理水に含まれる有機化合物等の被吸着物が吸着されることで水処理が行われる。被吸着物が吸着された後の無害化された処理水は、ラインＬ５を通じて例えば外部に放出される。
上記第１実施形態に係る多孔性物質再生装置１によれば、以下の効果が奏される。被吸着物が吸着された多孔性物質が充填された多孔性物質槽１０に対し、加熱された第１気体を流通させて被吸着物を脱着させ、多孔性物質を再生する多孔性物質再生装置１において、脱着させた被吸着物の燃焼時に発生する第２気体を用いて、多孔性物質を加熱することとした。上記により、第２気体の有する熱エネルギーを利用して第１気体を加熱し、間接的に多孔性物質を加熱できるため、多孔性物質の再生に要するエネルギーコストを低減できる。また、加熱装置１１の装置コストや設置スペースを抑え、かつ多孔性物質の再生時の温度を、被吸着物の脱着に適した温度とすることができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る多孔性物質再生装置１ａについて説明する。以下の説明において、既に説明した実施形態と同様の構成については、記載を省略する場合がある。
次に、本発明の第２実施形態に係る多孔性物質再生装置１ａについて説明する。以下の説明において、既に説明した実施形態と同様の構成については、記載を省略する場合がある。
多孔性物質再生装置１ａは、図２に示すように、加熱装置として１１ａ及び１１ｂを有する。加熱装置１１ａ及び１１ｂは、加熱装置１１と同様、例えば通電されて加熱される電気式のヒータ装置である。加熱装置１１ａは、加熱装置１１と同様、ラインＬ１に設けられて第１気体を加熱する。加熱装置１１ｂは、多孔性物質槽１０の外側に設けられ、多孔性物質槽１０を加熱する。
上記第２実施形態に係る多孔性物質再生装置１ａによれば、以下の効果が奏される。加熱装置１１ａに加え、多孔性物質槽を直接加熱する加熱装置１１ｂを設けることで、第１気体の温度を被吸着物の脱着に適した高温の気体とすることができる。また、多孔性物質槽１０を吸着槽として使用した後の水分が残存した状態の多孔性物質の加熱に際しては、水分の気化を行うため、大きな熱量が必要となる。加熱装置１１ｂにより、上記水分の気化に要する熱を直接加熱装置１１ｂから付与できるため、エネルギーコストを低減できる。また、多孔性物質に残存した水分を気化させることで、被吸着物の脱着が促進される。
［第３実施形態］
第３実施形態に係る多孔性物質再生装置１ｂは、図３に示すように、燃焼装置１２ａと、加熱装置１６ａとを有する。
燃焼装置１２ａには、図３に示すように、空気と共に燃料が供給される。このような燃焼装置１２ａは、例えば直接燃焼装置である。上記燃料としては、特に制限されず、例えば灯油、重油、軽油等の液体燃料や、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）等の気体燃料が用いられる。上記燃料は、多孔性物質の再生時に脱着された被吸着物と共に燃焼される。燃焼装置１２ａにより、燃焼装置１２ａから排出される第２気体を、より高温にすることができる。
第３実施形態に係る多孔性物質再生装置１ｂは、図３に示すように、燃焼装置１２ａと、加熱装置１６ａとを有する。
燃焼装置１２ａには、図３に示すように、空気と共に燃料が供給される。このような燃焼装置１２ａは、例えば直接燃焼装置である。上記燃料としては、特に制限されず、例えば灯油、重油、軽油等の液体燃料や、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）等の気体燃料が用いられる。上記燃料は、多孔性物質の再生時に脱着された被吸着物と共に燃焼される。燃焼装置１２ａにより、燃焼装置１２ａから排出される第２気体を、より高温にすることができる。
加熱装置１６ａは、熱交換装置であり、燃焼装置１２ａから排出される第２気体が流通可能である。加熱装置１６ａに流通する第２気体は、第１実施形態及び第２実施形態に係るものよりも高温である。従って、ラインＬ１に他の加熱装置を設けずとも、第２気体と第１気体との熱交換により、十分に第１気体を加熱できる。
上記第３実施形態に係る多孔性物質再生装置１ｂによれば、以下の効果が奏される。多孔性物質再生装置１ｂを、空気と共に燃料が供給されて被吸着物と共に燃焼させる燃焼装置１２ａを設けて構成した。これにより、燃焼装置１２ａから発生する第２気体を高温化できる。従って、第２気体と第１気体との熱交換を行う加熱装置１６ａのみを用いて第１気体を加熱できるため、多孔性物質再生装置の設置スペースを低減できる。
［第４実施形態］
第４実施形態に係る多孔性物質再生装置１ｃは、図４に示すように、多孔性物質槽１０ａを有する。また、第３実施形態と同様、燃焼装置１２ａと、加熱装置１６ａとを有する。
第４実施形態に係る多孔性物質再生装置１ｃは、図４に示すように、多孔性物質槽１０ａを有する。また、第３実施形態と同様、燃焼装置１２ａと、加熱装置１６ａとを有する。
多孔性物質槽１０ａは、図４に示すように、第１気体及び被処理水が流通可能であると共に、第２気体が流通可能である。図７は、多孔性物質槽１０ａの構成を示す縦断面図である。図７に示すように、多孔性物質槽１０ａは、充填部１０１と、伝熱管１０２と、ジャケット１０３と、を有する。
充填部１０１は、多孔性物質としての例えば活性炭が充填される箇所である。充填部１０１には、第１気体及び被処理水が入口部１０１ａを介して流入可能であり、出口部１０１ｂを介して流出可能である。第１気体としての水蒸気は、活性炭と直接接するように充填部１０１に流通することで、活性炭から被吸着物を脱着させる。被処理水は、活性炭と直接接するように充填部１０１に流通することで、含有する被吸着物が活性炭に吸着されて浄化され、処理水として外部に排出される。
伝熱管１０２は、燃焼装置１２ａから排出される第２気体が流通可能な管である。図７に示すように、伝熱管１０２は充填部１０１内を流通する複数の折り返し流路を有する。上記流路は、充填部１０１の内部で分岐箇所を有していてもよい。図８は、図７におけるＡ−Ａ’断面図である。図８に示すように、充填部１０１の全体にわたり伝熱管１０２が流通している。第２気体は伝熱管入口１０２ａを介して伝熱管１０２に流入し、伝熱管出口１０２ｂを介して伝熱管１０２から流出する。伝熱管１０２に高温を有する第２気体が流通することで、充填部１０１に充填された多孔性物質を加熱できる。伝熱管１０２の材質としては特に制限されないが、例えばステンレス鋼材（ＳＵＳ）、チタン、銅等が用いられる。
ジャケット１０３は、伝熱管１０２同様、燃焼装置１２ａから排出される第２気体が流通可能な流路である。図７及び図８に示すように、ジャケット１０３は充填部１０１の周囲を覆うように形成される。第２気体はジャケット入口１０３ａを介してジャケット１０３に流入し、ジャケット出口１０３ｂを介してジャケット１０３から流出する。伝熱管１０２に加え、ジャケット１０３に第２気体を流通させることで、充填部１０１に充填された多孔性物質に対し、より多くの熱量を与えることができる。
（多孔性物質再生装置１ｃを用いた多孔性物質の再生方法）
多孔性物質再生装置１ｃのラインＬ１及びラインＬ２は、第１実施形態と同様の構成を有するため説明を省略する。ラインＬ３１及びラインＬ３２は、第２気体が流通する経路である。
多孔性物質再生装置１ｃのラインＬ１及びラインＬ２は、第１実施形態と同様の構成を有するため説明を省略する。ラインＬ３１及びラインＬ３２は、第２気体が流通する経路である。
ラインＬ３１は、燃焼装置１２ａと多孔性物質槽１０ａとを接続する経路である。ラインＬ３１の上流側は、燃焼装置１２ａと接続される。ラインＬ３１の下流側は、多孔性物質槽１０ａの伝熱管入口１０２ａ及びジャケット入口１０３ａと接続される。例えば、多孔性物質槽１０ａを吸着槽として使用した後の、水分が残存した状態の多孔性物質の加熱の際は、多くの熱量を要するため、伝熱管１０２及びジャケット１０３に第２気体を流通させて多孔性物質を加熱できる。残存水がなくなった後は、伝熱管１０２及びジャケット１０３のうち、いずれかに第２気体を流通させて多孔性物質を加熱してもよい。
ラインＬ３２は、多孔性物質槽１０ａの下流側の経路である。ラインＬ３２の上流側は、多孔性物質槽１０ａの伝熱管出口１０２ｂ及びジャケット出口１０３ｂと接続される。ラインＬ３２には、熱交換装置としての加熱装置１６ａが設けられる。多孔性物質槽１０ａから排出される第２気体はまだ多くの熱量を有しているため、加熱装置１６ａにおいて第１気体と熱交換を行うことで第１気体を加熱できる。
［第５実施形態］
第５実施形態に係る多孔性物質再生装置１ｄは、図５に示すように、水蒸気発生装置１３ａを有する。また、第４実施形態と同様、多孔性物質槽１０ａと、燃焼装置１２ａと、加熱装置１６ａとを有する。
第５実施形態に係る多孔性物質再生装置１ｄは、図５に示すように、水蒸気発生装置１３ａを有する。また、第４実施形態と同様、多孔性物質槽１０ａと、燃焼装置１２ａと、加熱装置１６ａとを有する。
多孔性物質再生装置１ｄは、多孔性物質槽１０ａの下流側の流路であるラインＬ３２に、加熱装置１６ａに加え水蒸気発生装置１３ａが設けられる。
水蒸気発生装置１３ａは、第２気体が流通可能であり、第２気体と水との熱交換を行うことで、水を気化させて第１気体としての水蒸気を発生させる。加熱装置１６ａから流出する第２気体は、第１気体と熱交換を行った後も十分な熱量を有している。このため、加熱装置１６ａの下流側に水蒸気発生装置１３ａを設けることで、第２気体から更に熱回収を行うことができる。従って、多孔性物質の再生に要するエネルギーコストを更に低減できる。
水蒸気発生装置１３ａは、第２気体が流通可能であり、第２気体と水との熱交換を行うことで、水を気化させて第１気体としての水蒸気を発生させる。加熱装置１６ａから流出する第２気体は、第１気体と熱交換を行った後も十分な熱量を有している。このため、加熱装置１６ａの下流側に水蒸気発生装置１３ａを設けることで、第２気体から更に熱回収を行うことができる。従って、多孔性物質の再生に要するエネルギーコストを更に低減できる。
［第６実施形態］
第６実施形態に係る多孔性物質再生装置１ｅは、図６に示すように、第５実施形態と同様、多孔性物質槽１０ａと、燃焼装置１２ａと、水蒸気発生装置１３ａと、加熱装置１６ａとを有する。
第６実施形態に係る多孔性物質再生装置１ｅは、図６に示すように、第５実施形態と同様、多孔性物質槽１０ａと、燃焼装置１２ａと、水蒸気発生装置１３ａと、加熱装置１６ａとを有する。
多孔性物質再生装置１ｅは、多孔性物質槽１０ａの上流側の流路であるラインＬ３１に、熱交換装置である加熱装置１６ａが設けられる。ラインＬ３１の上流側は燃焼装置１２ａと接続されている。燃焼装置１２ａから排出される第２気体は、例えば８００℃以上の高温である場合がある。従って、第２気体を多孔性物質槽１０ａに直接流通させず、熱交換装置である加熱装置１６ａで第１気体と熱交換を行った後に多孔性物質槽１０ａに流通させる。上記により、多孔性物質槽１０ａに流通する第２気体の温度を制御でき、多孔性物質の再生時の温度を適正な温度にすることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明した。しかし、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の効果を損なわない範囲内において適宜変更が可能である。
上記実施形態に係る多孔性物質再生装置を、単一の多孔性物質槽１０又は１０ａを有するものとして説明した。しかし、上記に限定されない。多孔性物質再生装置は、複数の多孔性物質槽を有していてもよい。例えば、多孔性物質槽を２つ設けることもできる。上記により、１つの多孔性物質槽を用いて水処理を行っている間に、他の多孔性物質槽を多孔性物質の再生に用い、或いはメンテナンスを行うことで、連続的に水処理を行うことができる。また、一時的に被処理水の負荷が増大した場合に、被処理水を複数の多孔性物質槽に流通させて水処理を並行して行うことで、一時的に水処理能力を向上できる。上記以外に、多孔性物質槽を３つ又はそれ以上の数とすることもできる。これにより、水処理における予備力を確保できるため、被処理水の負荷の変動が激しい場合であっても水処理を行うことができる。
［多孔性物質再生試験］
上記実施形態に係る多孔性物質再生装置に使用される多孔性物質を用い、以下の方法で多孔性物質の再生試験を行った。
上記実施形態に係る多孔性物質再生装置に使用される多孔性物質を用い、以下の方法で多孔性物質の再生試験を行った。
（定温熱分析試験）
多孔性物質としての活性炭に対し、被吸着物としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム（以下、「ＡＢＳ」と記載）及びポリエチレングリコール（分子量４０００、以下、「ＰＥＧ」と記載）が所定量吸着されたものを試験用のサンプルとして用いた。第１気体としては２０％水蒸気、８０％窒素の混合気体を用いた（水蒸気分圧２０．２ｋＰａ）。温度条件は、７０〜８０℃付近の温度からそれぞれ以下の表１に示す所定温度まで１０℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、それぞれ所定温度で合計２時間保持を行った。
多孔性物質としての活性炭に対し、被吸着物としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム（以下、「ＡＢＳ」と記載）及びポリエチレングリコール（分子量４０００、以下、「ＰＥＧ」と記載）が所定量吸着されたものを試験用のサンプルとして用いた。第１気体としては２０％水蒸気、８０％窒素の混合気体を用いた（水蒸気分圧２０．２ｋＰａ）。温度条件は、７０〜８０℃付近の温度からそれぞれ以下の表１に示す所定温度まで１０℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、それぞれ所定温度で合計２時間保持を行った。
上記定温熱分析試験において、活性炭の再生率Ｒを、脱着された被吸着物の重量を被吸着物の初期重量で除したものとして定義した。具体的には、以下の式（３）により活性炭の再生率Ｒを求めた。なお、ＡＢＳが吸着された活性炭には、ＡＢＳに含有される硫酸ナトリウムが残存するものと仮定して再生率Ｒを求めた。
再生率Ｒ＝（Ｗｄｒｙ−Ｗｔ）／（Ｗｄｒｙ×Ａ／１００）×１００ （３）
ここで、式中の記号は以下を示す。
Ｒ ：処理時間ｔにおける再生率（％）
Ｗｄｒｙ ：乾燥試料重量（ｍｇ）
Ｗｔ ：処理時間ｔにおける試料重量（ｍｇ）
Ａ ：被吸着物の初期吸着率（ｗｔ％）
再生率Ｒ＝（Ｗｄｒｙ−Ｗｔ）／（Ｗｄｒｙ×Ａ／１００）×１００ （３）
ここで、式中の記号は以下を示す。
Ｒ ：処理時間ｔにおける再生率（％）
Ｗｄｒｙ ：乾燥試料重量（ｍｇ）
Ｗｔ ：処理時間ｔにおける試料重量（ｍｇ）
Ａ ：被吸着物の初期吸着率（ｗｔ％）
被吸着物がＡＢＳである活性炭の再生率Ｒを、以下表１及び図９に示す。被吸着物がＰＥＧである活性炭の再生率Ｒを、以下表２及び図１０に示す。
表１及び図９を参照すると、ＡＢＳが吸着された活性炭は、４５０℃の条件で１２０分再生を行った場合の再生率Ｒが８３．５％である。５００℃の条件では１２０分後の再生率Ｒが１００％に達し、５５０℃の条件では３０分後に再生率Ｒが１００％に達した。従って、活性炭の再生時の温度をＡＢＳの沸点（約２０５℃）以上とした場合であっても、再生温度によっては活性炭を短時間で完全に再生することができない結果が示された。
表２及び図１０を参照すると、ＰＥＧが吸着されている活性炭は、３５０℃の条件で３０分再生を行った場合の再生率Ｒが８６．５％であり、６０分再生後の再生率Ｒが１００％である。４００℃の条件では５分後に再生率Ｒが１００％に達した。従って、表１及び図９との比較により、活性炭の被吸着物の種類によって好ましい再生温度が異なる結果が示された。
（昇温熱分析試験）
多孔性物質として活性炭（石炭破砕炭、標準粒度８／３２メッシュ、比表面積９６５ｍ２／ｇ）を用い、水処理の実地使用を行って被吸着物が吸着された状態の上記活性炭を準備した。第１気体としては２０％水蒸気、８０％窒素の混合気体を用いた（水蒸気分圧２０．２ｋＰａ）。昇温条件は、７０〜８０℃付近の温度から１０００℃まで１０℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温した。結果を図１１に示す。
多孔性物質として活性炭（石炭破砕炭、標準粒度８／３２メッシュ、比表面積９６５ｍ２／ｇ）を用い、水処理の実地使用を行って被吸着物が吸着された状態の上記活性炭を準備した。第１気体としては２０％水蒸気、８０％窒素の混合気体を用いた（水蒸気分圧２０．２ｋＰａ）。昇温条件は、７０〜８０℃付近の温度から１０００℃まで１０℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温した。結果を図１１に示す。
図１１は、上記昇温熱分析試験の結果を示すグラフである。図１１中、横軸は温度（℃）を示し、縦軸は重量（ｍｇ）を示す。図１１中、サンプルの温度変化が実線で示される。図１１に示すように、まず昇温開始直後の８０℃付近から１００℃付近の温度帯で重量減少が示された。これは、活性炭に含有される水分の蒸発に起因するものと考えられる。次に、温度Ｔ１において重量減少の開始が示された。これは、活性炭に吸着された被吸着物の蒸発及び分解のうち少なくともいずれかによる、被吸着物の脱着に起因すると考えられる。上記重量減少は、温度Ｔ２になるまで継続し、それ以降の重量変化は一定値を示した。これは、活性炭に吸着された被吸着物が全て脱着したことに起因すると考えられる。次に、温度Ｔ３において重量減少の開始が示された。これは、活性炭の賦活による分解に起因すると考えられる。
上記の分析結果より、活性炭の再生時の温度を、被吸着物が蒸発及び分解のうち少なくともいずれかを開始する温度であるＴ１以上の温度であり、活性炭が賦活による分解を開始する温度であるＴ３未満の温度とすることで、被吸着物の脱着が行われ、かつ活性炭が賦活により分解することなく活性炭を再生できることが確認された。
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 多孔性物質再生装置（水処理装置）
１０、１０ａ 多孔性物質槽（吸着槽）
１１、１１ａ、１１ｂ 加熱装置
１２、１２ａ 燃焼装置
１３、１３ａ 水蒸気発生装置
１６、１６ａ 熱交換装置（加熱装置）
１０、１０ａ 多孔性物質槽（吸着槽）
１１、１１ａ、１１ｂ 加熱装置
１２、１２ａ 燃焼装置
１３、１３ａ 水蒸気発生装置
１６、１６ａ 熱交換装置（加熱装置）
Claims (8)
- 被吸着物が吸着された多孔性物質を加熱して再生する多孔性物質再生装置であって、
前記多孔性物質が充填された多孔性物質槽と、
前記多孔性物質に接触するように前記多孔性物質槽に流通する第１気体を加熱する加熱装置と、
前記多孔性物質の再生時に脱着された前記被吸着物を燃焼させる燃焼装置と、
水蒸気を発生させる水蒸気発生装置と、を有し、
前記第１気体は、前記水蒸気を含み、
前記多孔性物質の再生時の温度は３００℃〜８００℃の範囲内であり、
前記燃焼装置において前記被吸着物の燃焼時に発生する第２気体を前記多孔性物質槽に流通させて、前記多孔性物質を加熱する、多孔性物質再生装置。 - 前記加熱装置は、前記第２気体と前記第１気体との間で熱交換を行う熱交換装置を含む、請求項１に記載の多孔性物質再生装置。
- 前記第２気体は、前記水蒸気発生装置において熱交換を行う、請求項１に記載の多孔性物質再生装置。
- 前記燃焼装置には、前記被吸着物と共に燃焼される燃料が供給される、請求項１〜３いずれかに記載の多孔性物質再生装置。
- 前記多孔性物質は、活性炭である、請求項１〜４いずれかに記載の多孔性物質再生装置。
- 前記多孔性物質の再生時の温度は、前記多孔性物質に吸着された前記被吸着物が蒸発及び分解のうち少なくともいずれかを開始する温度以上の温度であり、かつ、前記多孔性物質が加熱により分解を開始する温度未満の温度である、請求項１〜５いずれかに記載の多孔性物質再生装置。
- 前記多孔性物質に吸着された前記被吸着物が蒸発及び分解のうち少なくともいずれかを開始する温度と、前記多孔性物質が加熱により分解を開始する温度は、前記被吸着物が吸着された前記多孔性物質を熱重量分析し、前記被吸着物が吸着された前記多孔性物質が重量減少を開始する温度を測定することにより決定される、請求項６に記載の多孔性物質再生装置。
- 請求項１〜７いずれかに記載の多孔性物質再生装置を備える水処理装置であり、
前記被吸着物が脱着された前記多孔性物質が充填された前記多孔性物質槽を、被処理水が流通可能な吸着層として用いる、水処理装置。
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