JP7209255B2 - イオン除去システム - Google Patents
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Description
硬水を電気分解して酸性水とアルカリ水とを生成する電気分解装置と、
前記電気分解装置により生成された前記アルカリ水を収容する硬水収容部と、微細気泡を発生させて前記硬水収容部に供給する微細気泡発生部とを備え、前記硬水収容部において前記アルカリ水中の金属イオンを前記微細気泡に吸着させて、前記アルカリ水中から金属イオンを除去するイオン除去装置と、
を備える。
硬水を電気分解して酸性水とアルカリ水とを生成する電気分解装置と、
前記電気分解装置により生成された前記アルカリ水を収容する硬水収容部と、微細気泡を発生させて前記硬水収容部に供給する微細気泡発生部とを備え、前記硬水収容部において前記アルカリ水中の金属イオンを前記微細気泡に吸着させて、前記アルカリ水中から金属イオンを除去するイオン除去装置と、
を備える。
図1は、実施の形態1におけるイオン除去システム1の概略構成を示す図である。
実施形態1におけるイオン除去システム1は、一次側流路2と、イオン除去装置3と、分離装置4と、二次側流路5とを備えている。
レンズシステム :Z16 APO (Leica社)
対物レンズ :Planapo 2.0x(Leica社)
撮影速度 :1000fps
シャッター速度 :1/505000sec
画像領域 :1024×1024 pixel(マイクロバブル撮影領域 1.42mm×1.42mm、ミリバブル撮影領域 5.69mm×5.69mm)
画像処理ソフト :Image-Pro Plus (Media Cybermetics社)
次に、微細気泡による軟水化処理の原理についてより詳しく説明する。
図2に示すように、空気を含む微細気泡が硬水中に供給されると、微細気泡の表面にはH+(水素イオン)とOH-(水酸化物イオン)が混在し、H+は正の電荷に帯電し、OH-は負の電荷に帯電する(図2ではOH-のみを図示)。一方で、硬水中には、正の電荷に帯電した金属イオンとして、Ca2+及びMg2+が存在する。以降の説明では、金属イオンとしてCa2+を例として説明する。
図2で示した反応に加えて、空気を含む微細気泡を硬水中に供給することにより、図3で示す反応が促進される。具体的には、硬水中に供給された微細気泡は通常の気泡とは異なり浮上しにくく、硬水中に溶け出していくため、表面張力が増加して、図3に示すように徐々に収縮していく。前述したように、微細気泡の表面にはCa2+が吸着されている。より具体的には、可溶性のCa(HCO3)2(炭酸水素カルシウム)のカルシウムイオンとして存在している。ここで、微細気泡が徐々に収縮していくと、微細気泡の表面におけるCa2+の溶解濃度が上昇する。溶解濃度の上昇により、ある時点で過飽和の状態となり、Ca2+が結晶化して析出する。具体的な化学式で表すと、以下の式1の通りである。
Ca(HCO3)2→CaCO3+CO2+H2O
次に、微細気泡による再生処理の原理についてより詳しく説明する。
CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2
次に、微細気泡による軟水化処理の原理を確認するために行った実験例1について説明する。ここでは、図5A、5Bに示す装置20を用いて実験を行った。
ガス供給部24が供給するガスの種類: 空気
硬水21の硬度: 約300mg/L
硬水21の温度: 25℃
第1取水部30から第2取水部32までの距離D1: 約1m
微細気泡発生部26及びポンプ28の運転期間: 15秒
微細気泡発生部26及びポンプ28の休止期間: 45秒
金属イオン濃度検出器34: 堀場製作所製・LAQUA F-70
測定対象の金属イオン: Ca2+
サンプル水の取出タイミング:運転開始から0秒後、15秒後、30秒後、60秒後
本発明に係る実施の形態2のイオン除去システムについて説明する。なお、実施の形態2では、主に実施の形態1と異なる点について説明する。実施の形態2においては、実施の形態1と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態2では、実施の形態1と重複する記載は省略する。
図7(a)に示すように、微細気泡の周囲には、H+とOH-が帯電している。前述したように、負の電荷に帯電したOH-には、正の電荷に帯電したCa2+が吸着される。このような状況下で、微細気泡として窒素を用いた場合、以下の式3の反応が促進される。
N2+6H++6e-→2NH3
NH3+H2O→NH4 ++OH-
窒素は、空気とは異なる不活性ガスであるため、硬水中に供給されたときに、硬水中に含まれる気体の分圧のバランスが崩れた状態となる。これにより、図8に示すような反応が促進される。
Ca(HCO3)2→CaCO3+CO2+H2O
本発明に係る実施の形態3のイオン除去システムによる金属イオンの除去方法について説明する。なお、実施の形態3では、主に実施の形態1、2と異なる点について説明し、実施の形態1、2と重複する記載は省略する。
混合ガスに含まれる第1のガスは、酸塩基反応でH+を受け取る塩基性ガスである。第1のガスは水に溶けることで、OH-を生じさせる。具体的には、以下の式5-1の反応を生じさせる。
X+H2O→XH++OH-
NH3+H2O→NH4 ++OH-
O3+H2O+2e-→O2+2OH-
XO+H2O+2e-→X+2OH-
「(5)第1のガスによる微細気泡表面の電位変化」の欄で説明したように、混合ガスに含まれる塩基性ガスである第1のガスは水に溶解して、微細気泡40の表面におけるOH-の割合を増加させる。このような第1のガスに対して、第1のガスに比べて溶解速度が遅い性質のガスである第2のガスを混合している。このような第2のガスを混合することで、第1のガスが水に溶けた状態でも微細気泡40の全体が水に溶けることが防止され、微細気泡40の状態を維持することができる。微細気泡40の状態を維持することで、実施の形態1、2で説明した微細気泡に由来するCa2+イオンの吸着効果を維持することができる。
次に、微細気泡40におけるアンモニアと窒素の混合割合による金属成分の結晶化への影響を確認するために行った実験例2-4について説明する。ここでは、図11に示す装置50を用いて実験を行った。
実験例2は前述した装置50を用いて、ポンプ66を動作させて硬水を処理槽54に流入させながら、所定時間経過後の処理水を採水器62にてサンプル水として採取したものである。実験例2では、混合ガスにおけるアンモニアと窒素の混合割合を変化させて、それぞれの混合割合における結晶化率の違いについて調査した。実験例2の具体的な実験条件を以下に示す。実験例2では、処理槽54から第1の配管56に供給される処理水は、採水器62で採取されるもの以外は全て廃棄し、貯水タンク64には供給しないようにした。
処理水の種類: 硬水1
混合ガスにおけるアンモニアの混合比率: 0%(窒素のみ)、30%、40% 、50%、60%、70%、80% 、90%、100%(アンモニアの み)
処理水の流量: 2.6L/分
混合ガスの流量: 0.03L/分
ポンプを動作させてから採取するまでの時間: 3分
サンプル水の測定項目: pH、Ca硬度(mg/L)、全炭 酸濃度(mg/L)
実験例3は実験例2と同様に、前述した装置50を用いて、ポンプ66を動作させて硬水を処理槽54に流入させながら、所定時間経過後の処理水を採水器62にてサンプル水として採取したものである。実験例3では、混合ガスにおけるアンモニアの混合比率を70%と100%の2パターンのみ用いた。また、実験例2とは異なり、ポンプ66の運転から所定間隔ごとにサンプル水を採取して各種パラメータを測定した。さらに、実験例2とは異なり、処理槽54から第1の配管56に供給される処理水は、採水器62で採取されるもの以外は全て貯水タンク64に戻して処理水を循環させた。実験例3の具体的な実験条件を以下に示す。
処理水の種類: 硬水1
混合ガスにおけるアンモニアの混合比率: 70%、100%(アンモニアのみ )
処理水の流量: 2.6L/分
混合ガスの流量: 0.03L/分
サンプル水の測定項目: pH、Ca硬度(mg/L)、全炭 酸濃度(mg/L)
実験例4は実験例2、3と同様に、前述した装置50を用いて、ポンプ66を動作させて硬水を処理槽54に流入させながら、所定時間経過後の処理水を採水器62にてサンプル水として採取したものである。実験例3と同様に、ポンプ66の運転から所定間隔ごとにサンプル水を採取して各種パラメータを測定した。また、実験例3と同様に、処理槽54から第1の配管56に供給される処理水は、採水器62で採取されるもの以外は全て貯水タンク64に戻して処理水を循環させるようにした。一方で、実験例4では、混合ガスにおけるアンモニアの混合比率を70%の1パターンのみ用いた。また、実験例2、3とは異なり、処理水として、硬水1(硬度約300mg/L)、硬水2(硬度約1400mg/L)の2種類の硬水を用いた。実験例4の具体的な実験条件を以下に示す。
処理水の種類: 硬水1、硬水2
混合ガスにおけるアンモニアの混合比率: 70%
処理水の流量: 2.6L/分
混合ガスの流量: 0.03L/分
サンプル水の測定項目: pH、Ca硬度(mg/L)、全炭
酸濃度(mg/L)
実験例5は、前述した装置50を用いて処理したサンプル水(軟水)に関して、「泡立ち」を評価する官能性評価の実験である。泡立ちは、水面から生じる泡の高さ・大きさによる起泡力に関連する。一般的には、硬度成分が少ないほど泡立ちが大きいとされ、例えば洗浄用途で使用した際に洗浄効果が高いなどの利点を有する。
水道水の硬度 :全硬度72mg/L、Ca硬度49mg/L、Mg硬度23mg/L
純水の硬度 :全硬度0mg/L、Ca硬度0mg/L、Mg硬度0mg/L
サンプル水の硬度 :全硬度118mg/L、Ca硬度21mg/L、Mg硬度97mg/L
実験例6は、実験例2-4と同様の装置50(図11)を用いて処理水(硬水)を処理し、処理したサンプル水の結晶化率を比較するものである。
処理水の流量(共通) :12L/min
処理槽54の貯留水量(共通) :9L
オゾンガスの流量(共通) :0.12L/min
マイクロバブルの平均気泡径 :56μm
ミリバブルの平均気泡径 :1021μm
サンプル水の測定項目(共通) :Ca硬度(mg/L)、全硬度(mg/L)
次に、微細気泡による金属イオンの結晶化促進の作用を検証するために行った実験例7について説明する。ここでは、図18に示す装置90を用いて実験を行った。
本発明に係る実施の形態4のイオン除去システムについて説明する。なお、実施の形態4では、主に実施の形態1と異なる点について説明する。実施の形態4においては、実施の形態1と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態4では、実施の形態1と重複する記載は省略する。
2 一次側流路
3 イオン除去装置
3A 硬水収容部
3B 微細気泡発生部
3C 接続流路
4 分離装置
4A 分離部
4Aa 内周面
4B 結晶貯留部
4Ba 排出流路
5 二次側流路
6 制御部
7 イオン除去用ガス供給部
8 溶解剤供給部
9 ガス切替機構
10 開閉弁
11 排出側逆流防止機構
12 戻し流路
13 供給側逆流防止機構
14 バイパス流路
15A 第1弁
15B 第2弁
15C 第3弁
16 電気分解装置
16a 排出流路
17 開閉弁
18 排出側逆流防止機構
20 装置
21 硬水
22 水槽
22a 底面
22b 水面
24 ガス供給部
25 第1配管
26 微細気泡発生部
27 第2配管
28 ポンプ
30 第1取水部
32 第2取水部
34 金属イオン濃度検出器
40 微細気泡
42 結晶
D1 第1取水部から第2取水部までの距離
50 装置
52 混合ガス供給部
54 処理槽
56 第1の配管
58 第2の配管
60 採水バルブ
62 採水器
64 貯水タンク
66 ポンプ
68 流量調整バルブ
70 流量計
72 アンモニア供給源
74 窒素供給源
76 混合比調整バルブ
78 供給用配管
80 微細気泡発生部
82 処理水
84 結晶
90 装置
91 電気分解装置
92 第1の配管
93 処理槽
94 第2の配管
95 ポンプ
96 微細気泡発生部
101 酸性水貯留部
102 酸性水流路
103 開閉弁
Claims (5)
- 硬水を電気分解して酸性水とアルカリ水とを生成する電気分解装置と、
前記電気分解装置により生成された前記アルカリ水を収容する硬水収容部と、微細気泡を発生させて前記硬水収容部に供給する微細気泡発生部とを備え、前記硬水収容部において前記アルカリ水中の金属イオンを前記微細気泡に吸着させて、前記アルカリ水中から金属イオンを除去するイオン除去装置と、
を備え、
前記イオン除去装置に接続され、前記電気分解装置に硬水を供給する一次側流路と、
前記イオン除去装置に接続され、前記イオン除去装置によって前記アルカリ水中から除去された金属イオンを結晶化して析出した金属成分の結晶を分離する分離装置と、
前記分離装置に接続され、前記結晶が分離された処理水を前記分離装置から取り出す二次側流路と、
前記分離装置に接続され、前記結晶を含む処理水の一部を前記一次側流路に戻す戻し流路と、を更に備え、
前記分離装置は、下方に向けて直径が小さくなるテーパ状の内周面を有し、前記アルカリ水が前記内周面に沿って下方に向けて螺旋状に流れることによって前記結晶を分離するサイクロン方式の遠心分離装置であり、
前記戻し流路の一端部は、前記分離装置の内周面側で開口している、イオン除去システム。 - 前記電気分解装置により生成された前記酸性水を貯留する酸性水貯留部と、
前記酸性水貯留部に貯留された前記酸性水を前記イオン除去装置へ流す酸性水流路と、
前記酸性水流路を開閉する開閉弁と、
を更に備える、請求項1に記載のイオン除去システム。 - 前記一次側流路を流れる硬水を、前記電気分解装置及び前記イオン除去装置を通じて前記分離装置へ流すポンプを更に備える、請求項2に記載のイオン除去システム。
- 前記一次側流路と、前記電気分解装置と、前記イオン除去装置と、前記分離装置と、前記戻し流路とで、密閉系の循環流路が構成されている、請求項1~3のいずれか1つに記載のイオン除去システム。
- 前記イオン除去装置は、前記戻し流路の一端部よりも上方で前記分離装置に接続される接続流路を備える、請求項1~4のいずれか1つに記載のイオン除去システム。
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