JP6865399B2 - 水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法 - Google Patents

水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法に関する。詳細には、本発明は、水処理装置に用いられる活性炭に、複雑な装置を用いず短時間で鉄を担持させる鉄担持活性炭の製造方法に関する。
地下水には、鉄が重炭酸鉄(Fe(HCO)などの形態で、二価の鉄イオン(Fe2+)として存在している。重炭酸鉄(Fe(HCO)は水に対する溶解性が高く、重炭酸鉄(Fe(HCO)を含む水は無色透明である。
しかし、地下水が地上にくみ上げられると、二価の鉄イオン(Fe2+)が空気中の酸素により酸化されて三価の鉄イオン(Fe3+)となり、水酸化鉄(Fe(OH))や酸化鉄(Fe)が形成される。これらの水酸化鉄や酸化鉄は、水に溶けにくく、赤褐色を有している。そのため、このような鉄を含む水を洗濯などに用いた場合は洗濯物などに色がついてしまう。また、このような鉄を多く含む水は異臭の原因となるため、飲料水としても好ましくない。
そのため、地下水などの被処理水中の鉄を取り除いて被処理水を浄化する水処理装置の開発が進められている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。
特開平9−239361号公報 特開2005−21765号公報
特許文献1には、被処理地下水に酸化剤と鉄シリカ系無機高分子凝集剤を添加した後、接触酸化ろ過することで被処理地下水中の鉄を除去する水処理方法が開示されている。
特許文献2には、鉄・マンガンを含む原水に塩素剤を添加し、生じた水酸化第二鉄を中空子膜ろ過装置でろ過した後、マンガン砂充填槽を通過させて除鉄・除マンガンを行う方法が開示されている。
一方、社会基盤の整備が進んでいない新興国等においては、公共の水処理施設を有していない地域も多く存在する。このような地域においては、各家庭に水処理装置を設置することにより、水を浄化したいというニーズがある。特に、被処理水中に含まれている金属イオンなどの金属関連物質を、家庭に設置された水処理装置によって除去したいというニーズがある。ただ、家庭の水需要に見合った処理時間で金属関連物質を被処理水から除去するためには、従来の水処理装置の原理によれば、大型の貯留槽を設ける必要性が生じてしまう。
しかしながら、一般家庭においては、大型の水処理装置を設置するために適した大きさのスペースを有していない場合が多い。そのため、前述のニーズに応えるためには、大型の貯留槽を設けることなく、被処理水中に含まれる鉄成分を必要とされる程度まで十分に除去することが可能な水処理装置が必要になる。したがって、小さなスペースで被処理水中に含まれる鉄成分を効率的に除去することができる水処理装置が求められている。
このような課題を解決するため、鉄成分を含む被処理水を酸化させ、鉄を担持させた活性炭を備える凝集促進部を通過させることにより、被処理水中の鉄成分を凝集させてコロイドを形成し、この凝集物をろ過して水を浄化する技術が検討されている。ただ、この鉄を担持させた活性炭は、複雑な装置を用いず短時間で作製できることが望まれている。
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、水処理装置に用いられる活性炭に、複雑な装置を用いず短時間で鉄を担持させることである。
上記課題を解決するために、本発明の態様に係る水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法は、活性炭と鉄系凝集剤水溶液を混合し、活性炭に鉄を担持させる混合工程を備える。
図1は、本実施形態に係る鉄担持活性炭の製造方法において、活性炭に鉄系凝集剤水溶液を加えて浸漬させる工程の一例を示す図である。 図2は、本実施形態に係る鉄担持活性炭の製造方法において、鉄系凝集剤水溶液に活性炭を加えて浸漬させる工程の一例を示す図である。 図3は、水処理装置の全体構成を示す模式図である。 図4は、水処理装置における水処理の原理を説明する図である。 図5は、水処理装置における凝集促進部の一例を示す概略図である。 図6は、水処理装置におけるフィルタ部の一例を示す概略図である。 図7は、実施例に用いた水処理装置の全体構成を説明するための模式図である。 図8は、実施例1及び比較例1における、累積ろ過流量と鉄濃度との関係を示すグラフである。 図9は、実施例1及び実施例2における、累積ろ過流量と鉄濃度との関係を示すグラフである。
以下、図面を用参照しながら、本実施形態の水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法を説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
本明細書においては、金属関連物質という用語が用いられる。金属関連物質は、金属イオンM、金属粒子M、金属酸化物粒子MO、及び金属水酸化物粒子MOHからなる群より選ばれた1又は2以上の物質を意味する。また、被処理水Wは、金属関連物質である金属イオンM、金属粒子M、金属酸化物粒子MO、及び金属水酸化物粒子MOHのうちの少なくともいずれか1つを含むものとする。
[鉄担持活性炭の製造方法]
本実施形態は、水処理装置に用いられる水処理装置用鉄担持活性炭を製造する方法に関する。鉄担持活性炭は、活性炭に鉄を担持させたものである。
水処理装置については後述するが、鉄成分を含む被処理水を酸化させ、鉄担持活性炭を備える凝集促進部に、この水を通過させることにより、被処理水中の鉄成分を凝集させてコロイドを形成し、この凝集物をろ過して水を浄化する装置を想定している。ただし、本実施形態の製造方法により作製された鉄担持活性炭を用いることができる水処理装置であれば、このような装置に限定されない。
水処理装置用鉄担持活性炭を製造する方法としては、様々な製造方法が考えられる。例えば、まず、二価の鉄イオンを含む地下水を酸化剤で酸化することにより、三価の鉄からなる酸化鉄及び水酸化鉄の少なくともいずれか一方が含まれた鉄粒子を含む水を形成する。そして、活性炭からなる層に、この鉄粒子を含む水を通過させ、活性炭に鉄を担持させることが考えられる。
しかしながら、この製造方法を用いる場合には、被処理水に元々含まれている鉄を用いることができるものの、被処理水中に数mg/L程度の鉄が含まれている必要がある。そのため、鉄の含有量が少ない水を用いる場合には、この製造方法は適さない。また、多量の鉄を活性炭に担持させる場合には、凝集促進部に多量の被処理水を数日程度通過させる必要があるため、多くの時間と水が必要になり、排水量も多くなる傾向にある。
そこで、本実施形態に係る水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法は、活性炭1と鉄系凝集剤水溶液2を混合し、活性炭1に鉄を担持させる混合工程を備える。この製造方法によれば、水処理装置に用いられる活性炭1に、複雑な装置を用いず短時間で鉄を担持させることができる。
活性炭1と鉄系凝集剤水溶液2を混合し、活性炭1に鉄を担持させる工程は、特に限定されず、公知の方法にて活性炭1と鉄系凝集剤水溶液2を混合することができる。
例えば、上記混合工程は、活性炭1に鉄系凝集剤水溶液2を加えて浸漬させる工程とすることができる。具体的には、本実施形態の水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法は、活性炭1に鉄系凝集剤水溶液2を加えて浸漬させ、活性炭に鉄を担持させる混合工程を備えることができる。図1の実施形態では、上部が開口しているビーカーなどの容器に、活性炭1が収容されている。そして、この活性炭1に、所定量の鉄系凝集剤水溶液2が加えられる。活性炭1は鉄系凝集剤水溶液2に浸漬し、混合溶液3となり、活性炭1に鉄が担持されて鉄担持活性炭となる。
また、別の例として、上記混合工程は、鉄系凝集剤水溶液2に活性炭1を加えて浸漬させる工程とすることができる。具体的には、本実施形態の水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法は、鉄系凝集剤水溶液2に活性炭1を加えて浸漬させ、活性炭に鉄を担持させる混合工程を備えることができる。図2の実施形態では、上部が開口しているビーカーなどの容器に、鉄系凝集剤水溶液2が収容されている。そして、この鉄系凝集剤水溶液2に、所定量の活性炭1が加えられる。活性炭1は鉄系凝集剤水溶液2に浸漬し、混合溶液3となり、活性炭1に鉄が担持されて鉄担持活性炭となる。
なお、特に限定されないが、混合工程における鉄系凝集剤水溶液2の水面の高さは、活性炭1の上面の高さと略同一であることが好ましい。具体的には、活性炭1と鉄系凝集剤水溶液2を混合した後の鉄系凝集剤水溶液2の水面の高さは、活性炭1の上面の高さと略同一であることが好ましい。このようにすることで、鉄系凝集剤水溶液2の量を必要最低限の量まで低減することができるため、鉄担持活性炭を作製するコストをより低減することができる。以下、各構成要素について詳細に説明する。
(活性炭1)
本実施形態に用いられる活性炭1は特に限定されず、種々の活性炭1を用いることができる。一般的に、活性炭1は、大きな比表面積と吸着能を有する主に炭素からなる多孔質体である。一般的には、活性炭1は、活性炭の全重量の90%以上が炭素により形成されている。また、活性炭1の比表面積は特に限定されないが、一般的には、500〜2500m/gである。なお、活性炭1の比表面積は、窒素をガス吸着させて、BET法により測定することができる。
活性炭1は、ファンデルワールス力により、鉄系凝集剤を引きつけて物理吸着させることができる。また、活性炭1は、上述のように、大きな比表面積を有するため、毛管現象により、吸着を助長させることができる。
このように、本実施形態では、活性炭1と鉄系凝集剤水溶液2を混合することにより、活性炭1の細孔内に鉄系凝集剤水溶液2が入り込むことができる。そして、鉄系凝集剤水溶液2中の鉄成分が、活性炭1の細孔内などの表面に物理吸着することにより、活性炭1に鉄を容易に担持することができる。なお、活性炭1に特別な処理を施して、鉄成分を化学吸着させてもよい。
活性炭1の粒子径は、特に限定されないが、0.1mm〜3.0mmであることが好ましい。活性炭1の粒子径をこのような範囲とすることにより、被処理水中の鉄成分をより効率的に除去することができる。なお、活性炭1の粒子径は0.3mm〜0.8mmであることがより好ましい。活性炭1の粒子径をこのような範囲とすることにより、被処理水中の鉄成分をさらに効率的に除去することができる。なお、活性炭1の粒子径は、例えばレーザー回折法により測定した体積基準における粒度分布の累積値が50%の時の粒子径とすることができる。また、顕微鏡観察によっても活性炭1の粒子径を測定することができる。
(鉄系凝集剤水溶液2)
本実施形態の鉄系凝集剤水溶液2は、特に限定されないが、鉄系凝集剤を溶質として含む水溶液である。鉄系凝集剤水溶液2は、一般的に、被処理水などの溶媒に分散したコロイド粒子を凝析させるために用いられる物質である。凝集剤は凝析剤又は凝結剤とも言われる。
鉄系凝集剤水溶液2に用いられる鉄系凝集剤は、無機化合物を含む電解質であることが好ましい。また、鉄系凝集剤は、硫酸第一鉄(FeSO)、硫酸第二鉄(Fe(SO)、塩化第二鉄(FeCl)、ポリ硫酸第二鉄([Fe(OH)(SO3−n/2)、及びポリシリカ−鉄凝集剤([SiO・[Fe])からなる群より選択される少なくとも一つを含むことが好ましい。これらのなかでも、有機物の凝集に優れ、汚泥の脱水性が高いことから、ポリ硫酸第二鉄を用いることが好ましい。
鉄系凝集剤は、水に溶かして水溶液にすると、二価の鉄イオンが水中の酸素などの影響で酸化されて三価の鉄イオンとなり、水中で反応して酸化鉄粒子及び水酸化鉄粒子の少なくともいずれか一方を形成すると考えられる。そして、これらの粒子の表面はわずかに正の電荷を帯びているため、この酸化鉄粒子及び水酸化鉄粒子の少なくともいずれか一方が担持鉄として、活性炭1に吸着されることにより、鉄担持活性炭が形成される。すなわち、活性炭1に担持される鉄は、酸化鉄粒子及び水酸化鉄粒子の少なくともいずれか一方の形態で担持される。
酸化鉄粒子及び水酸化鉄粒子は、Fe、Fe、Fe(OH)及びFeOOHからなる群より選ばれる少なくとも一種の三価の鉄イオン化合物を含むことが好ましい。なお、酸化鉄粒子及び水酸化鉄粒子は、Fe(OH)及びFeOOHの少なくともいずれか一方を含むことがより好ましい。Fe(OH)及びFeOOHは、三価の鉄イオンとの親和性が特に高いことから、水処理装置に用いた場合に、被処理水中の金属関連物質による凝集物を生成しやすくなり、被処理水から金属関連物質を効率的に除去することができるためである。
本実施形態では、鉄系凝集剤水溶液2を用いることにより、酸化鉄粒子及び水酸化鉄粒子の少なくともいずれか一方が形成される。そして、酸化鉄粒子及び水酸化鉄粒子の少なくともいずれか一方が、活性炭1に吸着されることにより、活性炭1に鉄を容易に担持させることができる。
そのため、本実施形態の水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法によれば、鉄系凝集剤水溶液中に十分な量の鉄成分が含まれているため、塩素系薬剤のような特別な酸化剤を用いなくても、活性炭1に鉄を担持させことができる。そのため、塩素系薬剤を送液するための定量ポンプや薬剤タンクのような複雑な装置が不要である。
また、活性炭1と鉄系凝集剤水溶液2を混合するだけで活性炭1に鉄を担持させることができるため、酸化剤を用いて鉄担持活性炭を作製する場合のように、長時間かけて活性炭1を処理しなくとも、活性炭1に鉄を担持させることができる。
鉄系凝集剤水溶液2中の鉄系凝集剤におけるFe3+の濃度は特に限定されないが、1.0質量%〜10質量%であることが好ましい。鉄系凝集剤の濃度をこのような範囲とすることにより、短時間で所望の量の鉄を活性炭1に担持することができる。
活性炭1と鉄系凝集剤水溶液2との混合時間が12時間以下であることが好ましい。活性炭1に鉄をより高密度で担持させる場合、一般的に、活性炭1を長時間かけて鉄で処理することが好ましい。ただ、本実施形態の水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法によれば、処理時間を短時間にしても水処理装置の凝集促進層として必要な量の鉄を活性炭1に担持させることができる。そのため、水処理装置の凝集促進層としての役割を果たす範囲において、鉄系凝集剤水溶液2中への活性炭1の浸漬時間は短い方が、経済性の観点から好ましい。なお、鉄系凝集剤水溶液2中への活性炭1の浸漬時間は、4時間以下とすることがより好ましく、2時間以下とすることがさらに好ましい。
鉄系凝集剤水溶液2中への活性炭1の浸漬温度は特に限定されず、活性炭1や鉄系凝集剤水溶液2の性質により適宜定めることができ、例えば温度制御が容易なことから、15℃〜30℃の室温で浸漬してもよい。
なお、特に限定されないが、混合工程の後に水で洗浄する洗浄工程をさらに備えることが好ましい。このような工程により、余分な鉄系凝集剤水溶液を鉄担持活性炭から除去することができ、水処理装置に用いた場合に、悪影響が及ぶ可能性を低減することができるためである。
以上の通り、本実施形態の水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法は、活性炭1と鉄系凝集剤水溶液2を混合し、活性炭1に鉄を担持させる混合工程を備える。この水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法は、活性炭1と鉄系凝集剤水溶液2を混合することにより、活性炭1に鉄を担持させることができる。そのため、この水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法によれば、水処理装置に用いられる活性炭に、複雑な装置を用いず短時間で鉄を担持させることができる。
[水処理装置100]
上述した水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法により作製された鉄担持活性炭は、以下で説明する水処理装置100に用いることができる。すなわち、本実施形態の水処理装置は、上述した水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法により作製された鉄担持活性炭を備える。
図3に示すように、本実施形態の水処理装置100は、混合部10と、凝集促進部20と、フィルタ部30と、酸化剤供給部40と、を備えている。また、本実施形態の水処理装置100は、被処理水Wが流れる第一被処理水流路51と、第二被処理水流路52と、第三被処理水流路53と、を備えている。第一被処理水流路51と第二被処理水流路52との間には、混合部10が接続されている。第二被処理水流路52と第三被処理水流路53との間には、凝集促進部20が接続されている。混合部10には、酸化剤供給部40から酸化剤Oが供給される。凝集促進部20から第三被処理水流路53へ流れ出た被処理水Wは、フィルタ部30によってろ過され、供給流路54を経由して、処理済みの水として水栓等に至る。以下、本実施形態の水処理装置100の各構成要素について詳細に説明する。
(混合部10)
図4に示すように、水処理装置100においては、金属関連物質を含む被処理水Wが、第一被処理水流路51から混合部10へ流れ込む。つまり、金属イオンM、金属粒子M、金属酸化物粒子MO、及び金属水酸化物粒子MOHを含む被処理水Wが、第一被処理水流路51から混合部10へ流れ込む。なお、被処理水Wに含まれる金属関連物質において、金属イオンMは、例えば、二価の鉄イオン(Fe2+)及び三価の鉄イオン(Fe3+)である。金属粒子Mは、例えば、鉄(Fe)の粒子である。金属酸化物粒子MOは、例えば、鉄酸化物(FeO,Fe,Fe)の粒子である。金属水酸化物粒子MOHは、水酸化鉄(Fe(OH),Fe(OH),FeO(OH))の粒子である。
酸化剤供給部40は、酸化剤Oを混合部10へ供給する。混合部10は、第一被処理水流路51を流れる被処理水Wと酸化剤供給部40から供給された酸化剤Oとを混合するように構成されている。混合部10から流れ出た被処理水Wは、第二被処理水流路52を経由して凝集促進部20へ流れ込む。
酸化剤Oは、被処理水W中の金属関連物質を酸化させる。具体的には、金属関連物質が二価の鉄イオンの場合には、三価の鉄イオンに酸化させる作用を有する。二価の鉄イオンは、水に対する溶解性の高い重炭酸鉄(Fe(HCO)などの形態で存在している。
ここで、二価の鉄イオンは、空気中の酸素によって酸化され、水に溶けにくいFe(OH)やFeなどの形態に徐々に変化し、生活用水中に含まれてしまう場合がある。そのため、本実施形態の水処理装置100では、酸化剤供給部40から酸化剤Oを供給している。このことにより、水に溶解した二価の鉄イオンを、強制的に三価の鉄イオンに酸化させ、水に溶けにくいコロイドを形成することで、凝集促進部20で金属関連物質として凝集させることができる。
酸化剤Oは、被処理水Wへの添加が容易にでき、金属関連物質を効率的に酸化させることから、オゾン又は塩素を含むことが好ましい。これらのなかでも、酸化剤Oとしては塩素系薬剤が好ましく、特に被処理水Wの内部で次亜塩素酸が生成するものが好ましい。
塩素系薬剤としては、次亜塩素酸ナトリウム、次亜塩素酸カルシウム及び塩素化イソシアヌル酸からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。次亜塩素酸カルシウムとしては、さらし粉(有効塩素30%)及び高度さらし粉(有効塩素70%))の少なくとも一つを用いることができる。塩素化イソシアヌル酸としては、トリクロロイソシアヌル酸ナトリウム、トリクロロイソシアヌル酸カリウム、ジクロロイソシアヌル酸ナトリウム、及びジクロロイソシアヌル酸カリウムからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。この中でも、次亜塩素酸ナトリウムは液体であり、定量ポンプによる注入方式を用いて被処理水Wに定量的に添加できるため、特に好ましく用いることができる。また、無機系の高度さらし粉は被処理水Wに対する溶解性が非常に高いため、高い酸化作用を発揮することができる。
(凝集促進部20)
凝集促進部20は、第二被処理水流路52から酸化剤Oを含む被処理水Wを受け入れる。凝集促進部20は、金属関連物質、及び酸化剤Oの作用によって酸化された金属関連物質を鉄担持活性炭へ吸着させ、凝集物MDAを生成する。
すなわち、二価の鉄イオンは活性炭1に吸着されやすい性質を有するため、酸化剤Oによって酸化されなかった二価の鉄イオンは活性炭1に吸着され、活性炭1の表面に存在する担持鉄4と凝集物MDAを生成する。
一方、二価の鉄イオンが酸化されて三価の鉄イオン(Fe3+)になった場合、三価の鉄イオンは瞬時に酸素と結合し、数nmレベルの酸化鉄微粒子に変化する。そのため、特段の対策を施さなければ、三価の鉄イオンは吸着されずに活性炭1を通過してしまう場合が多い。このような数nmレベルの酸化鉄微粒子を除去するには逆浸透膜(RO膜)などを用いなければならず、コストが大きく増大してしまう。
一方、被処理水W中の三価の鉄イオンは、担持鉄4における三価の鉄イオン化合物との親和性が高い。そのため、三価の鉄イオン、鉄粒子、酸化鉄、及び水酸化鉄は、担持鉄4に含まれる三価の鉄イオン化合物が核となり、担持鉄4の表面に吸着することができる。その結果、担持鉄4の表面で、金属関連物質は、直径が1μm以上の鉄酸化物の粒子及び水酸化鉄等からなる凝集物MDAへ成長する。なお、三価の鉄イオンは、担持鉄4に吸着されるが、被処理水Wに含まれる二価の鉄イオン(Fe2+)は、活性炭1の表面に吸着され、凝集物MDAへ成長する。
なお、被処理水Wは、金属関連物質として、鉄の他にヒ素やマンガン、シリカ、アルミナなどを含む場合がある。シリカ及びアルミナは、懸濁成分として水質を悪化させる。ただ、これらの金属関連物質は、鉄イオンにより巻き込まれる形で担持鉄4の表面に凝集することができるため、鉄と共に凝集物MDAを形成して除去することが可能となる。
ここで、凝集物MDAの粒子径が数μmレベルとなった後に、凝集物MDAは担持鉄4の表面から脱離する。つまり、被処理水W中の鉄イオンは鉄酸化物や水酸化鉄の凝集物MDAとして、担持鉄4の表面に凝集する。そして、凝集物MDAが数μm以上となった場合には、被処理水Wの水流により担持鉄4の表面から脱離し、フィルタ部30に到達する。ただ、凝集物MDAは数μm以上となっているため、逆浸透膜を用いなくても、例えば砂ろ過等で容易に除去することが可能となる。
鉄担持活性炭の表面で凝集した凝集物MDAは、ある程度の大きさ以上になると、図4に示すように、被処理水Wの水流によって鉄担持活性炭の表面から脱離し、被処理水Wと共に下流へ流れる。つまり、凝集物MDAを含む被処理水Wは、凝集促進部20から第三被処理水流路53を経由してフィルタ部30へ流れ込む。
なお、凝集促進部20は、図5に示すような形態としてもよい。すなわち、凝集促進部20には、第二被処理水流路52を経由して酸化剤Oが添加された被処理水Wが流れ込む。そして、凝集促進部20は、基材22と、基材22の内部に設けられた鉄担持活性炭層23とを備える。鉄担持活性炭層23は、上述の鉄担持活性炭により形成される。鉄担持活性炭層23における鉄担持活性炭の密度は、例えば0.3g/cm〜0.7g/cmとすることができる。
基材22は、第二被処理水流路52から流れ込んだ被処理水Wが鉄担持活性炭層23を透過し、第三被処理水流路53から流れ出るように、鉄担持活性炭層23を保持する。基材22としては、例えば、内部に鉄担持活性炭層23を保持できる空間を有する筒体や箱体を用いることができる。また、基材22としては、表面に鉄担持活性炭層23を保持できる枠体を用いることができる。なお、図5に示す凝集促進部20は、凝集促進部20における基材22の上面に第二被処理水流路52が接続され、基材22の下面に第三被処理水流路53が接続されている。そして、鉄担持活性炭層23を構成する鉄担持活性炭が第三被処理水流路53に流れ出ないように、鉄担持活性炭層23と鉄担持活性炭の間には網24が設けられている。
なお、凝集促進部20の形態は上述したような形態に限られず、例えば後述する図6のようなフィルタ部30を形成するような形態のものを用いることもできる。この場合、フィルタ部30におけるマンガン砂31に代えて上述のような鉄担持活性炭層23を用いることができる。
(フィルタ部30)
フィルタ部30は、凝集促進部20の下流に設けられ、凝集促進部20から被処理水Wと共に流れてきた凝集物MDAを捕捉する。本実施形態においては、フィルタ部30は、砂ろ過部である。このフィルタ部30によれば、被処理水Wから凝集物MDAを除去することができる。その結果、フィルタ部30の下流においては、金属イオンM、金属粒子M、金属酸化物粒子MO、及び金属水酸化物粒子MOHの凝集物MDAが除去された処理済みの水が生成される。この処理済みの水は、供給流路54を経由して水栓まで供給される。
砂ろ過部は、例えばマンガン砂などの砂粒により形成することができる。マンガン砂の密度は、例えば2.57g/cm〜2.67g/cmとすることができる。マンガン砂のマンガン付着量は、0.3mg/g以上であることが好ましい。ただし、フィルタ部30は、一般のろ過砂(2.5g/cm)で形成されていてもよい。
フィルタ部30としては、例えば図6に示す構成とすることができる。図6に示す実施形態において、フィルタ部30は、マンガン砂31と、内部にマンガン砂31を収納する容器32と、容器32の底部に設けられたろ過砂33とを備えている。そして、容器32の中心には、マンガン砂31及びろ過砂33を通じてろ過された水をフィルタ部30の外部へ流出させるための流出パイプ34が設けられている。流出パイプ34の下端には、ろ過砂33が流出パイプ34の内部に侵入しないように、スリット状の長穴が複数設けられたスクリーン部35が設けられている。
容器32の上端には、流路切替弁を備えた蓋部36が設けられている。蓋部36は、第三被処理水流路53と接続された流入口37と、流出パイプ34と連通した流出口38と、を備えている。流出口38は、供給流路54と接続されている。排出口39は、マンガン砂31及びろ過砂33を、逆流させて洗浄した水を排出するために用いられる。第三被処理水流路53を通過してフィルタ部30に進入した被処理水は、流入口37、マンガン砂31、ろ過砂33、スクリーン部35、流出パイプ34、流出口38、供給流路54の順番で流れる。
以上の通り、本実施形態の水処理装置100によれば、三価の鉄イオン化合物を含む担持鉄4が高密度に存在する鉄担持活性炭層23に、酸化剤と共に鉄イオンを含む被処理水Wを通過させる。それにより、二価の鉄イオンは、活性炭1の表面に吸着される。また、三価の鉄イオンは、活性炭1の表面に付着した担持鉄4としての鉄酸化物の粒子又は水酸化鉄の粒子等に吸着される。その結果、鉄担持活性炭の表面で、金属関連物質の凝集が促進される。これによれば、被処理水Wに含まれる鉄イオンの価数によらず、必要とされる程度まで鉄イオンを除去することができる。
以下、本実施形態を実施例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれら実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
(鉄担持活性炭の作製)
まず、Fe3+の濃度が11質量%のポリ硫酸第二鉄溶液(多木化学株式会社製 ダンパワー)4mLを、純水400mLに添加し、鉄系凝集剤水溶液を調整した。したがって、ポリ硫酸第二鉄水溶液中のポリ硫酸第二鉄の濃度は約0.11質量%である。
次に、0.5mm〜2.3mmの粒子径を有する活性炭(株式会社トーケミ社製 TA−30C)を、1000mLのビーカーに、400mL入れた。その後、ビーカー内の活性炭に、上記のようにして得られた鉄系凝集剤水溶液を水面が活性炭の高さを超えるように加えて浸漬させて、室温(約20℃)で12時間放置した。
その後、ビーカー内の液体を取り除いた後、ビーカー内の粒子を純水で、洗浄に用いた水の水質(色度)が洗浄前後で同程度となるまで洗浄し、鉄担持活性炭を得た。
[実施例2]
活性炭の粒子径を0.3mm〜0.8mmとした以外は、実施例1と同様の方法にて鉄担持活性炭を作製した。
[比較例1]
凝集促進部に、鉄を担持させない活性炭を用いた。活性炭は、実施例1で用いた0.5〜2.3mmの粒子径を有する活性炭を用いた。
[評価]
上述のようにして得られた鉄担持活性炭を凝集促進部として用い、以下のようにして作製した水処理装置を用いて地下水を浄化し、処理済みの水の鉄濃度を測定することにより鉄担持活性炭の性能を評価した。
(水処理装置の作製)
図7に示すように、本実施例で用いる水処理装置100は、混合部10と、凝集促進部20と、フィルタ部30と、酸化剤供給部40と、を備えている。第一被処理水流路51と第二被処理水流路52との間には、混合部10が接続されている。第二被処理水流路52と第三被処理水流路53との間には、凝集促進部20が接続されている。凝集促進部20から第三被処理水流路53へ流れ出た被処理水Wは、フィルタ部30によってろ過され、供給流路54を経由して処理済みの水となる。
水源である地下水と混合部10との間の第一被処理水流路51には、吸水ポンプ55が設けられ、約4.5ppmの鉄濃度を有する被処理水としての地下水を2.0L/minの速度でくみ上げて混合部10に送水した。また、混合部10には、酸化剤供給部40から酸化剤が供給される。
酸化剤供給部40は、液体の塩素系薬剤を保持する塩素薬剤タンク41と、塩素薬剤タンク41と混合部10とを接続し、塩素薬剤タンク41から混合部10に塩素系薬剤を送るための薬剤送給管42と、を備えている。さらに酸化剤供給部40は、薬剤送給管42に設けられ、塩素系薬剤を所定量送給するための定量ポンプ43を備えている。酸化剤供給部40では、薬剤送給管42及び定量ポンプ43により、塩素薬剤タンク41から所定量の塩素系薬剤を原水に注入することができる。
なお、塩素系薬剤としては、有効塩素濃度が17000mg/Lの次亜塩素酸ナトリウム水溶液を用いた。また、定量ポンプ43の送液量を9.5mL/minに設定し、次亜塩素酸ナトリウム水溶液を混合部10に送液した。
凝集促進部20は、図6に示す形態のものを用いた。具体的には、内径100mm、高さ500mmの円筒型の容器32に、直径2mm〜4mmのろ過砂33を400mL入れた。次に、ろ過砂33の上に、上述のようにして得られた400mLの鉄担持活性炭を容器32に入れ、凝集促進部20を作製した。
フィルタ部30は、図6に示す形態のものを用いた。具体的には、内径100mm、高さ500mmの円筒型の容器32に、直径2mm〜4mmのろ過砂33を400mL入れた。次に、ろ過砂33の上に、粒径0.35mmのマンガン砂31を1200mL入れ、フィルタ部30を作製した。
(全鉄濃度の測定)
全鉄濃度は、FERROVER法により測定した。具体的には、上述のようにして処理した水10mLに、粉末状の鉄試薬(HACH社製 HACH0583)を添加し、ポータブル吸光光度計(HACH社製 DR900)を用いて全鉄濃度を測定した。なお、処理水と鉄試薬との反応時間は3分間とし、測定は室温(約20℃)にて実施した。
実施例の評価結果を図8及び図9に示す。図8に示すように、実施例1のように鉄を担持させた活性炭を用いた方が、比較例1のような鉄を担持させていない活性炭を用いた場合と比較して、累積ろ過流量が多くなっても、全鉄濃度が低下する時間が長く継続することが分かる。このことから、本実施形態の製造方法により作製した鉄担持活性炭は、被処理水中の鉄の除去に効果的であることが分かる。なお、累積ろ過流量は、フィルタ部30のマンガン砂31の上面視における断面積当たりのろ過流量の総量を示す。
また、図9に示すように、実施例2のような粒径を有する活性炭を用いた場合は、実施例1のような粒径を有する活性炭を用いた場合と比較して、累積ろ過流量が多くなっても、全鉄濃度が低下する時間が長く継続することが分かる。このことから、活性炭の粒径を小さくすることにより、被処理水中の鉄の除去に効率的であることが分かる。
特願2017−033425号(出願日:2017年2月24日)の全内容は、ここに援用される。
以上、実施例に沿って本実施形態の内容を説明したが、本実施形態はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。
本発明によれば、水処理装置に用いられる活性炭に、複雑な装置を用いず短時間で鉄を担持させることができる。
1 活性炭
2 鉄系凝集剤水溶液
100 水処理装置

Claims (10)

  1. 活性炭と鉄系凝集剤水溶液を混合し、活性炭に三価の鉄イオン化合物を含む酸化鉄粒子及び三価の鉄イオン化合物を含む水酸化鉄粒子の少なくともいずれか一方を担持させる混合工程を備える水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法であって、
    前記鉄担持活性炭は被処理水中の鉄成分の凝集物を形成し、前記水処理装置は前記凝集物をろ過して水を浄化する、水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法。
  2. 前記混合工程は、前記活性炭に前記鉄系凝集剤水溶液を加えて浸漬させる工程である請求項1に記載の水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法。
  3. 前記混合工程は、前記鉄系凝集剤水溶液に活性炭を加えて浸漬させる工程である請求項1に記載の水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法。
  4. 前記混合工程における前記鉄系凝集剤水溶液の水面の高さは、前記活性炭の上面の高さと略同一である請求項1〜3のいずれか1項に記載の水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法。
  5. 前記活性炭と前記鉄系凝集剤水溶液との混合時間が12時間以下である請求項1〜4のいずれか1項に記載の水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法。
  6. 前記混合工程の後に水で洗浄する洗浄工程をさらに備える請求項1〜5のいずれか1項に記載の水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法。
  7. 前記活性炭の粒子径は0.1mm〜3.0mmである請求項1〜6のいずれか1項に記載の水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法。
  8. 前記活性炭の粒子径は0.3mm〜0.8mmである請求項1〜7のいずれか1項に記載の水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法。
  9. 前記鉄系凝集剤水溶液は鉄系凝集剤を溶質として含む水溶液であり、
    前記鉄系凝集剤は無機化合物を含む電解質である請求項1〜8のいずれか1項に記載の水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法。
  10. 前記鉄系凝集剤は、硫酸第一鉄、硫酸第二鉄、塩化第二鉄、ポリ硫酸第二鉄、及びポリシリカ−鉄凝集剤からなる群より選択される少なくとも一つを含む請求項9に記載の水処理装置用鉄担持活性炭の製造方法。
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