JP7196332B2

JP7196332B2 - 液体の処理方法

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Publication number: JP7196332B2
Application number: JP2021550370A
Authority: JP
Inventors: 健夫朝倉; 睦浩大野; 政一関口
Original assignee: JDC Corp
Current assignee: JDC Corp
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2022-12-26
Anticipated expiration: 2040-07-21
Also published as: WO2021070446A1; JPWO2021070446A1

Description

本発明は液体の処理方法に関する。

層状複水酸化物は、陰イオン交換作用を有していることが知られている。そして、この陰イオン交換作用によって、ヒ素、フッ素、ホウ素、セレン、六価クロム、亜硝酸イオン、その他の陰イオン系の有害物質を固定化すれば、廃棄物の安全性向上技術、無害化環境改善技術において、汚染水の水質改善、有害物質の溶出防止、土壌改良、廃棄物処分場での有害物質の安定化促進等に寄与できるものと期待されている。そして、層状複水酸化物の製造方法に関してはいくつかの提案がなされている（例えば特許文献１）。

国際公開第２００９／０７２４８８号

しかしながら、層状複水酸化物の製造に関してはまだまだ改善の余地があり、また、層状複水酸化物は有害物質の固定化以外にもまだその用途があると考えられている。

そこで、本発明は、層状複水酸化物を用いた効率的な液体の処理方法を提供することを目的とする。

本発明に係る酸性溶液とアルカリ性溶液とを混合して製造する層状複水酸化物により液体を処理する液体の処理方法において、前記層状複水酸化物により前記液体に溶解した溶解物質を吸着するステップと、前記層状複水酸化物により前記液体の浮遊物質を凝集沈殿するステップと、を含み、前記酸性溶液と前記アルカリ性溶液とを混合する際に用いる第１回転攪拌部の回転数は、前記凝集沈殿の際に用いる第２回転攪拌部の回転数よりも多く、前記第２回転攪拌部の回転数を、前記凝集沈殿の間に減少させている。

本発明によれば、層状複水酸化物により、溶解物質を吸着するとともに浮遊物質を凝集沈殿するので、効率的な液体の処理方法を提供することができる。

一実施形態の液体の処理システムを表す概要図である。一実施形態の処理部のブロック図である。一実施形態の処理部の処理のフローチャートである。

以下に、本発明の一実施形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態により、本発明が限定されるものではない。

図１は本実施形態の液体の処理システム１を表す概要図である。本実施形態の液体の処理システム１は、層状複水酸化物を生成する生成部１０と、工場廃液（工場排水）などの汚染水を溜めるとともに後述の処理部３０に供給する液体供給部２５と、液体供給部２５から供給された汚染水や凝集沈殿した沈殿物質などを生成部１０で生成された層状複水酸化物を用いて処理する処理部３０と、を有している。なお、処理部３０は、汚染水を浄化する浄化部４０と、沈殿物質を濾過する濾過部５０と、図２のブロック図の示す制御部１００と、を有している。
本実施形態においては、液体の処理システム１は、層状複水酸化物を生成する生成部１０がインラインとして組み込まれている。なお、図１の処理システム１は、断面図として示しているが、図面を見やすくするためにハッチングは一部のみとしている。

（生成部）
本実施形態の生成部１０は、２価の金属イオンと３価の金属イオンを含有する酸性溶液とアルカリ性溶液とを混合して、層状複水酸化物を製造するためのものである。生成部１０は、酸性溶液を供給する第１供給部１１と、アルカリ性溶液を供給する第２供給部１２と、回転軸１３及び羽根１４を有し、酸性溶液とアルカリ性溶液を撹拌して混合液とする第１回転攪拌部１５と、第１回転攪拌部１５の下方において、製造された層状複水酸化物の熟成を止めるために混合液の水素イオン指数を調節するｐＨ調節部１６と、で主に構成される。

ここで、層状複水酸化物とは、一般式がM²⁺ _1-xM³⁺ _x（OH）₂（A^n-）_x/n・mH₂O（ここで、M²⁺は２価の金属、M³⁺は３価の金属、A^n-はｎ価の陰イオン、０＜ｘ＜１、ｍ＞０）で表されるものを意味する。層状複水酸化物は、ハイドロタルサイト様化合物と呼ばれることもある。
２価の金属としては、例えば、Mg²⁺、Fe²⁺、Zn²⁺、Ca²⁺、Li²⁺、Ni²⁺、Co²⁺、Cu²⁺等が挙げられる。
３価の金属としては、例えば、Al³⁺、Fe³⁺、Mn³⁺等が挙げられる。
陰イオンとしては、例えば、HCO₃ ^-、PO₄ ^3-、SO₄ ^2-、Cl^-、NO₂ ^-、NO₃ ^-等が挙げられる。

酸性溶液に含まれる酸としては、水溶液を酸性とするものであれば良く、例えば、硝酸や塩酸等を用いることができる。
また、アルカリ性溶液に含まれるアルカリとしては、水溶液をアルカリ性とするものであれば良く、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウムなどを用いることができる。また、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸アンモニウム、アンモニア水、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸カリウムなども用いることができる。これらアルカリはいずれかを単独で用いても、２種類以上を組み合わせて用いても良い。

具体的には、一般式がMg²⁺ _1-xAl³⁺ _x(OH)₂(A^n-)_x/n・mH₂Oで表される層状複水酸化物や、一般式Zn²⁺ _1-xAl³⁺ _x(OH)₂(A^n-)_x/n・mH₂O（A^n-はｎ価の陰イオン、ｍ＞０）で表される層状複水酸化物が挙げられる。

第１供給部１１は、別途調製された３価の金属イオンと２価の金属イオンを含有する酸性溶液を供給するものである。酸性溶液は、例えば酸性溶液調製槽で必要となる材料から２価の金属イオンと３価の金属イオンを調製および混合し、第１供給部１１を介して第１回転攪拌部１５に供給すれば良い。

第２供給部１２は、アルカリ性溶液を第１回転攪拌部１５に供給するためのものである。アルカリ性溶液は、例えばアルカリ性溶液調製槽で必要となる材料から調製すればよい。

第１供給部１１および第２供給部１２は、適宜酸性溶液およびアルカリ性溶液の流量を調節する流量調節装置を具備しても良い。流量調節装置としては、従来から知られている一般的なものを用いれば良く、例えば、流量調節弁等を用いることができる。

第１回転攪拌部１５は、回転軸１３の下方に複数の羽根１４を有し、例えば６０～３００ｒｐｍ、好ましくは１００～３００ｒｐｍで回転して、酸性溶液とアルカリ性溶液とを速やかに撹拌し混合液とするものである。酸性溶液とアルカリ性溶液との合成により生成された層状複水酸化物は、スラリー状またはジェル状であり、第１回転攪拌部１５を１００～３００ｒｐｍで回転することにより、スラリー状内またはジェル状内の層状複水酸化物の粒度を適正な大きさにすることができる。なお、スラリー状またはジェル状を保つために、合成された層状複水酸化物は、第１回転攪拌部１５による撹拌後に速やかに後述のタンク４１に流入させることが好ましい。
なお、第１回転攪拌部１５の回転軸１３には、生成された層状複水酸化物が堆積し易い。そこで、回転軸１３に層状複水酸化物が堆積するのを防止するために回転軸１３の上方から水等の液体を供給して流し、回転軸１３の表面を当該液体で覆うようにすれば良い。これにより、回転軸１３の表面に層状複水酸化物が堆積するのを防止することができる。

例えば、一般式が、Mg²⁺ _1-xAl³⁺ _x(OH)₂(A^n-)_x/n・mH₂O（A^n-はｎ価の陰イオン、ｍ＞０）である層状複水酸化物を製造する場合には、まず、アルミニウムイオンとマグネシウムイオンを含む酸性溶液を調製する。

アルミニウムイオンのアルミニウム源としては、水中でアルミニウムイオンを生成するものであれば良く、特定の物質に限定されるものではない。例えば、アルミナ、アルミン酸ソーダ、水酸化アルミニウム、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、ボーキサイト、ボーキサイトからのアルミナ製造残渣、アルミスラッジ等を用いることができる。また、これらアルミニウム源は、いずれかを単独で用いても、２種類以上を組み合わせて用いても良い。

また、マグネシウムイオンのマグネシウム源としては、水中でマグネシウムイオンを生成する物であれば良く、特定の物質に限定されるものではない。例えば、ブルーサイト、水酸化マグネシウム、マグネサイト、マグネサイトの焼成物等を用いることができる。これらマグネシウム源は、いずれかを単独で用いても、２種類以上を組み合わせて用いても良い。

なお、前記アルミニウム源としてのアルミニウム化合物、マグネシウム源としてのマグネシウム化合物は、前記酸性溶液にアルミニウムイオン、マグネシウムイオンが存在していれば完全に溶解している必要はない。したがって、酸性溶液中に溶解していないアルミニウム化合物やマグネシウム化合物を含んでいても問題なく層状複水酸化物を製造することができる。

また、Mg²⁺ _1-xAl³⁺ _x(OH)₂(A^n-)_x/n・mH₂Oで表される高結晶質の層状複水酸化物は、アルミニウムイオンとマグネシウムイオンのモル比が１：３（ｘ＝０．２５）となっていることが知られている。したがって、酸性溶液中のアルミニウムイオンとマグネシウムイオンのモル比は、１：５から１：２の範囲とするのが好ましい。この範囲とすることによって、アルミニウム源とマグネシウム源を無駄にすることなく、物質収支的に有利に層状複水酸化物を製造することができる。なお、酸性溶液を酸性に調整するには、硝酸又は塩酸を用いるのが好ましい。

アルカリ性溶液は、ｐＨが８から１４のものを調製するのが好ましい。ここで、アルカリ性溶液に含まれるアルカリとしては、水溶液をアルカリ性とするものであれば良く、特定の物質に限定されるものではない。例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウムなどを用いることができる。また、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸アンモニウム、アンモニア水、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸カリウムなども用いることができる。これらアルカリはいずれかを単独で用いても、２種類以上を組み合わせて用いても良い。
この酸性溶液とアルカリ性溶液を所定の割合で混合することにより、層状複水酸化物が生成する。

ｐＨ調節部１６は、第１回転攪拌部１５の下方に配置され、製造された層状複水酸化物の熟成を止めるために混合液の水素イオン指数を調節するためのものである。熟成を行わないようにするには、酸性溶液とアルカリ性溶液の混合が完了した後、当該混合液のｐＨを層状複水酸化物の結晶成長が止まる値まで下げれば良い。

例えば、一般式がMg²⁺ _1-xAl³⁺ _x(OH)₂(A^n-)_x/n・mH₂Oで表される層状複水酸化物は、ｐＨを９以下とすれば熟成を止めることができる。また、一般式Zn²⁺ _1-xAl³⁺ _x(OH)₂(A^n-)_x/n・mH₂Oで表される層状複水酸化物は、ｐＨを５以下とすれば熟成を止めることができる。

ｐＨ調節部１６は、例えば、水素イオン指数を調節可能な液体（ｐＨ調節液）を、製造された層状複水酸化物を含む混合液に供給するｐＨ調節液供給流路とすることができる。ｐＨ調節液としては、熟成を止めるのに必要なｐＨ以下の液体であればどのようなものでも良く、例えば、水や酸性溶液を用いれば良い。また、混合液のｐＨを下げることができる気体（ｐＨ調節気体）や、固体（ｐＨ調節固体）を用いることも可能である。また、ｐＨ調節液の流量を調節する量調節装置を適宜設けても良い。

撹拌槽１７は、内部に羽根１４を収容し、酸性溶液とアルカリ性溶液を混合して層状複水酸化物を生成する。
ｐＨ調節槽１８は、下部にｐＨ調節部１６が連接されるとともに、排出流路１９が連接されており、生成された層状複水酸化物のｐＨを下げることにより熟成を止めている。

酸性溶液とアルカリ性溶液との混合液のオーバーフローによって製造されたスラリー状またはジェル状の層状複水酸化物はｐＨ調節液とともに排出流路１９から処理部３０を構成する浄化部４０に流入する。なお、生成部１０で生成されたスラリー状またはジェル状の層状複水酸化物は、切替弁２０が開状態の際に浄化部４０に搬送される。例えば、排出流路１９に不図示の流量計を設けて、生成部１０から浄化部４０に供給されるスラリー状またはジェル状の層状複水酸化物の流量を計測するようにしてもよい。これに代えて、浄化部４０を構成するタンク４１側にスラリー状またはジェル状の層状複水酸化物の流量を計測する流量計を設けてもよい。
処理部３０による処理の説明に先立って、液体供給部２５につき説明を続ける。

（液体供給部）
液体供給部２５は、工場廃液（工場排水）などの汚染水を溜めるタンクを有し、切替弁２１が開状態の際に不図示のポンプにより汚染水を浄化部４０に供給するものである。本実施形態において、汚染水は、工場排水や下水や自然発生的な廃水など有害物質を含む水であり、ヒ素、フッ素、ホウ素、セレン、六価クロム、亜硝酸イオンや、ＳＳ浮遊物質などのうちいずれかが含まれている。なお、ヒ素、フッ素、ホウ素、セレン、六価クロム、亜硝酸イオンは、汚染水に溶解されている。

例えば、液体供給部２５の流出側（切替弁２１側）に不図示の流量計を設けて、液体供給部２５から浄化部４０に供給される汚染水の流量を計測するようにしてもよい。これに代えて、浄化部４０を構成するタンク４１側に汚染水の流量を計測する流量計を設けてもよい。

（処理部）
処理部３０は、汚染水を浄化する浄化部４０と、沈殿物質を濾過する濾過部５０と、を有している。浄化部４０は、スラリー状またはジェル状の層状複水酸化物及び汚染水を流入して貯蔵可能なタンク４１と、層状複水酸化物と汚染水とを撹拌する回転可能な第２回転攪拌部４２と、を有している。
タンク４１は、切替弁２０を介して生成部１０で生成されたスラリー状またはジェル状の層状複水酸化物を流入する第１流入部４１ａと、切替弁２１を介して液体供給部２５からの汚染水を流入する第２流入部４１ｂと、を有している。タンク４１内にスラリー状またはジェル状の層状複水酸化物と汚染水を貯蔵することにより、層状複水酸化物が、汚染水に溶解された溶解物質（ヒ素等の有害物質）を吸着する。また、タンク４１は、凝集沈殿された汚泥などの沈殿物質を切替弁２２を介して濾過部５０に流出する第１流出部４１ｃと、浄化部４０にて浄化された汚染水を切替弁２３を介してタンク４１外に流出する第２流出部４１ｄと、を有している。

本実施形態において、タンク４１に流入する汚染水とスラリー状またはジェル状の層状複水酸化物との重量比率は、９９．９対０．１～９８対２、好ましくは、９９．９対０．１～９９対１程度である。なお、例えば、事前に検査機関において汚染水の成分分析を行い、この成分分析結果に基づいて、タンク４１に流入する汚染水とスラリー状またはジェル状の層状複水酸化物との重量比率を決めるようにしてもよい。本実施形態においては、生成部１０と浄化部４０とがインラインとなっているので、汚染水の成分分析の結果に基づいて、ｐＨ調節部１６のｐＨ調節液の流量を調節してｐＨ値を調整するようにしてもよい。また、汚染水の成分分析の結果に基づいて、生成部１０は、スラリー状またはジェル状の層状複水酸化物の生成速度を調整するようにしてもよい。

第２回転攪拌部４２は、タンク４１内に設けられ、汚染水のＳＳ浮遊物質をスラリー状またはジェル状の層状複水酸化物により凝集沈殿するために、例えば６～６０ｒｐｍで回転するものである。本実施形態においては、第２回転攪拌部４２の回転数は、第１回転攪拌部１５の回転数よりも少ない回転数で回転している。これは、第１回転攪拌部１５は、撹拌によりスラリー状内またはジェル状内の層状複水酸化物の粒度を適正な大きさにするのに対して、第２回転攪拌部４２は凝集されたＳＳ浮遊物質の沈殿を妨げないように回転するからである。なお、図１の第２回転攪拌部４２は高さ方向に４枚の羽根を有しているが、羽根の枚数は任意に設定することができる。

濾過部５０は、濾過用のポンプ５１と、本体５２と、この本体５２の内側に設けられたろ布５３と、ろ布５３に沈殿物質を供給するための開口部５４と、濾過による液体を排出する排出部５５と、を備えている。なお、濾過部５０の下方には切替弁２４を介して濾過された沈殿物質を濾過部５０外部に排出する沈殿物質排出部が設けられている。

ポンプ５１は、切替弁２２が開状態の際にタンク４１底部の沈殿物質を開口部５４を介してろ布５３に供給し、フィルタープレスを行うポンプである。
本体５２は、金属製または樹脂製であり、ろ布５３が設けられている。

ろ布５３は、ナイロン、ポリエステル、ポリプロピレンなどの化学繊維を用いることができ、通気性が０．１から１ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｓｅｃのものを用いることができる。通気性が０．１から１ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｓｅｃのろ布５３を用いることにより、フィルタープレスを行った際に、浄化された汚染水が排出部５５に排出され、沈殿物質をろ布５３に残留させることができる。
排出部５５は、ろ布５３を通過した浄化された汚染水を濾過部５０の外部に排出するものである。図１では２つの排出部５５を図示しているが、排出部の数は１つでもよく、３つ以上でもよい。
以上のように構成された本実施形態の液体の処理システム１の処理部３０の処理につき説明を続ける。

（フローチャートの説明）
図３は、本実施形態の処理部３０の処理のフローチャートであり、このフローチャートは、処理部３０の制御部１００の制御により実施されるものである。
制御部１００は、液体供給部２５に蓄えられた汚染水を第２流入部４１ｂからタンク４１に供給するように、切替弁２１を閉状態から開状態に切替る（ステップＳ１）。例えば、タンク４１に９９リットルの汚染水を供給する場合に、制御部１００は、前述した液体供給部２５の流出側の流量計を用いて９９リットルが供給された時点で切替弁２１を開状態から閉状態に切替ればよい。なお、切替弁２１の切替操作はマニュアルにより行うようにしてもよい。

制御部１００は、ステップＳ１の処理に続いて、生成部１０で生成されたスラリー状またはジェル状の層状複水酸化物を第１流入部４１ａからタンク４１に供給するように、切替弁２０を閉状態から開状態に切替る（ステップＳ２）。例えば、タンク４１に１リットルのスラリー状またはジェル状の層状複水酸化物を供給する場合に、制御部１００は、前述した排出流路１９に設けられた流量計を用いて１リットルが供給された時点で切替弁２０を開状態から閉状態に切替ればよい。なお、切替弁２０の切替操作はマニュアルにより行うようにしてもよい。なお、ステップＳ１とステップＳ２とを実行する順番は入れ替えてもよい。また、汚染水の成分分析に基づいて、タンク４１に流入する汚染水とスラリー状またはジェル状の層状複水酸化物との重量比率を決めるようにしてもよい。ステップＳ２において、タンク４１内にスラリー状またはジェル状の層状複水酸化物と汚染水を貯蔵することにより、相乗複水酸化物が、汚染水に溶解されている溶解物質（ヒ素、フッ素、ホウ素、セレン、六価クロム、亜硝酸イオンなど）を吸着する。

制御部１００は、ステップＳ２の処理に続いて、第２回転攪拌部４２を６～６０ｒｐｍで回転させる（ステップＳ３）。なお、汚染水に溶解されているヒ素、フッ素、ホウ素、セレン、六価クロム、亜硝酸イオンなどの吸着は、スラリー状またはジェル状の層状複水酸化物を用いて数秒から数分程度で行われる。これに対して、汚染水に浮遊しているＳＳ浮遊物質の凝集沈殿には数時間程度の時間を要する。このため、本実施形態において、制御部１００は、第２回転攪拌部４２を数時間（例えば２時間から４時間）撹拌（回転）している。なお、制御部１００は、撹拌開始からの時間経過に伴って、第２回転攪拌部４２の回転数が減少するように第２回転攪拌部４２を制御してもよい。これにより、第２回転攪拌部４２の撹拌（回転）によるＳＳ浮遊物質の浮遊を低減することができる。

本実施形態では、タンク４１内における有害物質の吸着および凝集沈殿をバッチ処理にて行っている。このため、例えば、異なる汚染水が蓄えられた液体供給部２５を複数設けた場合でも、それぞれの汚染水の成分分析に基づいて、タンク４１に流入する汚染水とスラリー状またはジェル状の層状複水酸化物との重量比率を決めることができる。また、生成部１０が処理部３０とインラインになっているので、生成部１０は、それぞれの汚染水の成分分析の結果に基づいて、ｐＨ調節部１６のｐＨ調節液の流量を調節してｐＨ値を調整することができたり、スラリー状またはジェル状の層状複水酸化物の生成速度を調整したりすることができる。

制御部１００は、ステップＳ３の処理に続いて、切替弁２３を閉状態から開状態にして浄化された汚染水を第２流出部４１ｄからタンク４１の外部に排水する（ステップＳ４）。本実施形態では、浄化された汚染水の排水にあたって、浄化された汚染水が排水基準を満たしていることを確認した後に行うものとする。
また、制御部１００は、ステップＳ４において、切替弁２２を閉状態から開状態にするとともに、ポンプ５１を駆動して、凝集沈殿した沈殿物質および浄化された汚染水を第１流出部４１ｃ及び開口部５４を介してろ布５３に供給する。

制御部１００は、ろ布５３とポンプ５１とを用いてフィルタープレスによる濾過を行い、浄化された汚染水を排出部５５から排出する（ステップＳ５）。次いで、制御部１００は、切替弁２４を閉状態から開状態にして濾過された沈殿物質を廃棄する（ステップＳ６）。廃棄される沈殿物質は産業廃棄物として処理すればよい。

本実施形態では、スラリー状またはジェル状の層状複水酸化物を用いるので、層状複水酸化物の濾過工程、洗浄工程、乾燥工程、粉砕工程を省略することができる。このため、本実施形態によれば層状複水酸化物の製造コストを低減することができる。

以上説明した実施形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。本実施形態においては、スラリー状またはジェル状の層状複水酸化物を用いたが、例えば、顆粒状の層状複水酸化物を用いてもよい。

１液体の処理システム
１０生成部
３０処理部
４０浄化部
５０濾過部
５３ろ布
１００制御部

Claims

酸性溶液とアルカリ性溶液とを混合して製造する層状複水酸化物により液体を処理する液体の処理方法において、
前記層状複水酸化物により前記液体に溶解した溶解物質を吸着するステップと、
前記層状複水酸化物により前記液体の浮遊物質を凝集沈殿するステップと、を含み、
前記酸性溶液と前記アルカリ性溶液とを混合する際に用いる第１回転攪拌部の回転数は、前記凝集沈殿の際に用いる第２回転攪拌部の回転数よりも多く、
前記第２回転攪拌部の回転数を、前記凝集沈殿の間に減少させる液体の処理方法。
前記層状複水酸化物は、スラリー状又はジェル状である請求項１記載の液体の処理方法。
前記凝集沈殿した沈殿物質を濾過するステップを含む請求項１または２記載の液体の処理方法。
前記層状複水酸化物の製造と、前記液体の処理とはインラインで行われる請求項１から３のいずれか一項に記載の液体の処理方法。
前記液体の成分に応じて前記層状複水酸化物の製造工程を変更する請求項４記載の液体の処理方法。
前記液体の処理はバッチ処理で行われる請求項４または５記載の液体の処理方法。
前記液体の成分に応じて、前記層状複水酸化物と前記液体の重量比を変更する請求項４から６のいずれか一項に記載の液体の処理方法。