JP7253880B2

JP7253880B2 - 浄水カートリッジおよびその利用

Info

Publication number: JP7253880B2
Application number: JP2018097439A
Authority: JP
Inventors: はつ美竹田
Original assignee: Mitsubishi Chemical Cleansui Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Cleansui Corp
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2018-05-21
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2038-05-21
Also published as: JP2023011939A; JP2019202249A

Description

本発明は浄水カートリッジおよびその利用に関する。

平均細孔半径が異なる２種類の活性炭を有する浄水カートリッジが知られている（特許文献１）。細孔直径のピークを２個有する活性炭を備えた浄水器が知られている（特許文献２）。また、細孔径の異なる活性炭で各々構成された複数の活性炭層を有して、これら活性炭層を細孔径の大きい順に直列に並べた浄水装置が知られている（特許文献３）。

特開２００３－３４０４４５号公報（２００３年１２月２日公開）特開２０００－３５１６１３号公報（２０００年１２月１９日公開）特開平６－７７７２号公報（１９９４年１月１８日公開）

水中に含まれる不純物の中でも、特にクロロホルムを除去することは非常に難しいことが知られている。そのため、クロロホルムを好適に除去することができる浄水器が求められていた。

そこで本発明の一態様は、クロロホルムを効率よく除去することができ、かつ高い浄水性能を有する浄水器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る浄水カートリッジは、細孔幅が０．６ｎｍ～１．５ｎｍの範囲において少なくとも１個のピークを有する第一活性炭と、細孔幅が０．６ｎｍ～１．５ｎｍの範囲において、前記第一活性炭とは異なるピークを、少なくとも１個有する第二活性炭と、を備え、前記第一活性炭、および前記第二活性炭が、通水方向に対して直列配置されている、浄水カートリッジ。

本発明の一態様によれば、クロロホルムを効率よく除去することができ、かつ高い浄水性能を有する浄水器を提供することができる。

本発明の（ａ）実施形態１、（ｂ）実施形態２、および（ｃ）比較例１に係る浄水カートリッジの概略構成を示す図である。本発明の実施形態１に係る第一活性炭の細孔直径分布を示す図である。本発明の実施形態１に係る第二活性炭の細孔直径分布を示す図である。本発明の実施形態１に係る積算流量とクロロホルムの除去率との関係を示す図である。

本発明の一態様に係る浄水カートリッジは、細孔幅が０．６ｎｍ～１．５ｎｍの範囲において少なくとも１個のピークを有する第一活性炭と、細孔幅が０．６ｎｍ～１．５ｎｍの範囲において、第一活性炭とは異なるピークを、少なくとも１個有する第二活性炭と、を備え、前記第一活性炭、および前記第二活性炭が、通水方向に対して直列配置されている。本発明の一態様によれば、第一活性炭及び第二活性炭のうち、細孔幅が低い値でピークを有する方の活性炭によってクロロホルムを良好に除去し、第一活性炭及び第二活性炭のうち、細孔幅が高い値でピークを有する方の活性炭によって水中に含まれる各種不純物を良好に除去できる。以下、本実施の形態では、細孔幅が他方の活性炭に比べて低い値でピークを有する方の活性炭を「第一活性炭」、細孔幅が他方の活性炭に比べて高い値でピークを有する方の活性炭を「第二活性炭」という。本発明の一態様によれば、例えば、日本のように元々良好な水質の水道水を用いる場合、第一活性炭によって良好にクロロホルムを除去でき、日本以外の国に適用する場合には、水質にばらつきがあり様々な物質が混ざっていることがあるが、第二活性炭によって各種不純物を良好に除去でき、且つ、第一活性炭によってクロロホルムを好適に除去できる。例えば、米国のＮＳＦ基準の対象の一般の試験水では、ＴＯＣを１．０ｍｇ／Ｌより多く含むが、このような試験水（浄化対象の原水）に対しても、クロロホルムを第一活性炭で除去し、その他のＴＯＣ、ＴＤＳ（total dissolved solids（ＮＳＦ基準の対象の一般の試験水では２００～５００ｍｇ／Ｌ））を第二活性炭で除去することができる。従って、本発明の一態様によれば、米国のＮＳＦ基準により適した除水カートリッジを提供できる。つまり、本願発明の一態様によれば、幅広い水質の水道水に対して、良好な浄水を得られ、特に除去が難しいクロロホルム等に対しても良好な除去能力を有する。以下、本発明の実施の形態について、図１～４を参照して詳細に説明する。

〔実施形態１〕
図１は、本実施形態に係る浄水カートリッジ１の概略構成を説明するための図である。図１の（ａ）は、本実施形態に係る浄水カートリッジ１の概略構成を示す。

図１の（ａ）に示される通り、本実施形態に係る浄水カートリッジ１は、第一活性炭を含む第一層１０と、第二活性炭を含む第二層２０とを備えている。第一活性炭を含む第一層１０と、第二活性炭を含む第二層２０とは、通水方向に対して直列配置されており、浄水カートリッジ１の通水方向に対して、第二活性炭を含む第二層２０の下流側に、第一活性炭を含む第一層１０が配置されている。水は浄水カートリッジ１の下部から注入され、第二活性炭を含む第二層２０を通過した後、第一活性炭を含む第一層１０を通過し、上部から排出される。

（第一活性炭）
第一活性炭は、細孔幅が０．６ｎｍ～１．５ｎｍの範囲において少なくとも１個以上のピークを有し、且つ、後述する第二活性炭に比べて細孔幅が低い値で当該ピークを有する。また、第一活性炭は、ｄＶｐ／ｄＷで表した細孔直径分布において、ピーク値は、ｄＶｐ／ｄＷが０．５～５．０の範囲内であることがより好ましい。この構成により、水中に含まれるクロロホルム等のトリハロメタンを好適に除去することができる。

なお、本願において、Ｖｐは細孔容積（ｃｍ^３／ｇ）、Ｗは細孔幅を表す。後述するように、本願において、細孔幅および細孔分布は、窒素吸着法により窒素吸着等温線を求め、該窒素吸着等温線を解析することによって算出した値をいう。細孔直径分布は、非局在化密度汎関数法（NLDFT, Non Localized Density Functional Theory）およびＧＣＭＣ法を用いて算出した。

（第二活性炭）
第二活性炭は、細孔幅が０．６ｎｍ～１．５ｎｍの範囲において少なくとも１個以上のピークを有し、且つ、第一活性炭に比べて細孔幅が高い値で当該ピークを有する。また、第二活性炭は、ｄＶｐ／ｄＷで表した細孔直径分布において、ピーク値は、ｄＶｐ／ｄＷ値が０．２５～１．０の範囲内であることがより好ましい。この構成により、水中に含まれる臭気物質等の各種不純物を好適に除去することができる。

好ましくは、ｄＶｐ／ｄＷで表した細孔直径分布において、第一活性炭のピーク値は、第二活性炭のピーク値よりも、ｄＶｐ／ｄＷが大きいことが好ましい。この構成によれば、第一活性炭は、クロロホルムの除去に特化した細孔直径および細孔幅を有する。また、第二活性炭は、様々な細孔直径および細孔幅を有する。そのため、浄水カートリッジ１は、クロロホルムを好適に除去しつつも、水中に含まれる各種不純物をバランス良く除去することができる。

本実施形態に係る浄水カートリッジ１は、細孔直径が互いに異なる第一活性炭および第二活性炭を有するので、クロロホルム、およびクロロホルムとは分子サイズの異なる不純物を、好適に除去することができる。

第一活性炭、および第二活性炭は、通水方向に対して直列配置されている。この構成により、後述する実施例において示すように、第一活性炭および第二活性炭を混合したものを吸着材とする構成よりも寿命の長い浄水カートリッジを実現することができる。

なお、当業者は上述した第一活性炭、第二活性炭を容易に入手することができる。つまり、市販されている様々な活性炭において、細孔幅、細孔直径分布を測定して、上記の範囲に入るものを用いればよく、また、従来公知の製造方法に従って製造してもよい。

第一層１０、および第二層２０の容量は、浄水カートリッジ１が備えられる浄水器のサイズ、浄化の程度、所望の通水速度等に応じて、適宜に設定することができる。

また、第一層１０と第二層２０との容量比は、浄化する水の水質、および浄化後の所望の水質に応じて、適宜に設定することができる。例えば、水中に含まれるクロロホルムの量が多い場合、クロロホルムを吸着する第一層１０の容積比を高めることができる。第一層１０と第二層２０との容積比は、一例においては、１～１０：１である。また、第一層１０と第二層２０との容積比は、１～８：１、１～７：１であってもよい。第一層１０の容積を、第二層２０の容積よりも多くすることにより、日本の水道水又は米国のＮＳＦ認証を受けた水を浄水した際に、第一層１０に含まれる第一活性炭と、第二層２０に含まれる第二活性炭との寿命が同程度となる。

第一活性炭、および第二活性炭の形状は、特に限定されないが、例えば、粉末状、破砕状、球状、粒状、繊維状、成形された円筒状、円盤状、顆粒状、および球状等にすることができる。

第一活性炭を含む第一層１０、および第二活性炭を含む第二層２０は、第一活性炭および第二活性炭以外に、その他の吸着材を含んでいてもよい。そのような吸着材としては、例えば、イオン交換樹脂が挙げられる。第一層１０または第二層２０がイオン交換樹脂を含むことにより、カルシウム、マグネシウム、鉄、マンガン、セシウム、ヨウ素等のイオン化物質を好適に除去することができる。その他の吸着材を設ける場合、その他の吸着材は、第二層２０に設けられていることが好ましい。

なお、図１の（ａ）に示した第一活性炭、および第二活性炭の他に、追加で第一活性炭、および第二活性炭を設けてもよい。例えば、第一層１０および第二層２０の他に、第一活性炭または第二活性炭を含む第三層を、第一層１０の上部、または第二層２０の下部に設けてもよい。

浄水カートリッジ１は、第一層１０および第二層２０の間に、フィルタを有していてもよい。これにより、第一層１０に含まれる第一活性炭および第二層２０に含まれる第二活性炭が混合することを防ぐことができるため、浄水カートリッジ１の性能を長く保つことができる。フィルタの材質は特に限定されず、不織布等、従来公知の浄水器において用いられるフィルタを用いることができる。

浄水カートリッジ１の形状として、図１の（ａ）においては、略円柱状であるが、これに限定されず、角柱状等、任意の形状であってよい。

また、第一活性炭と、第二活性炭とを、通水方向に対して直列配置する構成は、特に限定されない。例えば、第一活性炭および第二活性炭を、それぞれ別の浄水カートリッジ（第一の浄水カートリッジ、および第二の浄水カートリッジ）に充填し、第一活性炭を含む第一の浄水カートリッジの上流に、第二活性炭を含む第二の浄水カートリッジを設けてもよい。

浄水カートリッジ１が備えられる浄水器は特に限定されない。例えば、浄水カートリッジ１は、自重式のろ過装置に備えられる浄水カートリッジであってもよい。この場合、一例においては、第一層１０は第二層２０の上部に配置されており、浄水カートリッジ１は、上部から下部へと通水される。

〔実施形態２〕
次に、図１の（ｂ）に基づいて、実施形態２について説明する。

図１の（ｂ）は、本実施形態に係る浄水カートリッジ１ａの概略構成を示す図である。

本実施形態においては、第一活性炭の下流側に、第二活性炭が配置されている点において実施形態１と異なり、その他の点については、実施形態１において説明したとおりである。

後述する実施例において示すように、第一活性炭を含む第一層１０の下流に第二活性炭を含む第二層２０を配置しても、第一活性炭および第二活性炭を混合したものを吸着材とする構成よりも寿命の長い浄水カートリッジを実現することができる。

〔浄水の製造方法〕
本発明の一態様に係る浄水カートリッジを用いて原水を浄化する方法、浄水を製造する方法も本発明の一態様である。例えば、上述の通り本発明の一態様は米国のＮＳＦ基準を準拠し、その対象として試験水とされる原水を好適に浄化できるので、本発明の意一態様に係る浄水の製造方法は、ＴＯＣを１．０ｍｇ／Ｌより多く含む原水を、本発明の一態様に係る浄水カートリッジを用いて浄化する工程を含めばよい。当該工程を実施するための方法は、例えば、上述した浄水カートリッジ１、浄水カートリッジ１ａのように第一活性炭、第二活性炭を配置して、当該カートリッジ内に原水を通過させて、通過した水を回収すればよい。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

（付記事項）
本発明の態様１に係る浄水カートリッジは、細孔幅が０．６ｎｍ～１．５ｎｍの範囲において少なくとも１個のピークを有する第一活性炭と、細孔幅が０．６ｎｍ～１．５ｎｍの範囲において、前記第一活性炭とは異なるピークを、少なくとも１個有する第二活性炭と、を備え、前記第一活性炭、および前記第二活性炭が、通水方向に対して直列配置されている。

本発明の態様２に係る浄水カートリッジは、前記第一活性炭のピークは、前記第二活性炭のピークと比べて細孔幅が低い値にあり、かつ、当該第一活性炭のピークの値は、当該第二活性炭のピークの値に比べて高い、態様１に記載の浄水カートリッジ。

本発明の態様３に係る浄水カートリッジは、前記通水方向に対して、前記第二活性炭の下流側に、前記第一活性炭が配置されている、態様１又は２に記載の浄水カートリッジ。

本発明の態様４に係る浄水カートリッジは、前記通水方向に対して、前記第一活性炭の下流側に、前記第二活性炭が配置されている、態様１又は２に記載の浄水カートリッジ。

本発明の態様５に係る浄水カートリッジは、前記第一活性炭と前記第二活性炭との間に、フィルタを有する、態様１から４のいずれか１に記載の浄水カートリッジ。

本発明の態様６に係る浄水カートリッジは、ｄＶｐ／ｄＷ（Ｖｐ：細孔容積、Ｗ：細孔幅）で表した細孔直径分布において、前記第一活性炭のピーク値は、ｄＶｐ／ｄＷ値が０．５～５．０の範囲内であり、前記第二活性炭のピーク値は、ｄＶｐ／ｄＷ値が０．２５～１．０の範囲内である、態様１から５のいずれか１に記載の浄水カートリッジ。

本発明の態様７に係る浄水カートリッジは、態様１から６のいずれか１に記載の浄水カートリッジを有する浄水器。

本発明の態様８に係る浄水の製造方法は、ＴＯＣを１．０ｍｇ／Ｌより多く含む原水を、態様１～６のいずれか１に記載の浄水カートリッジを用いて浄化する工程を含む。

〔第一活性炭および第二活性炭の物性分析〕
第一活性炭、および第二活性炭の物性分析を行った。

（試料および試料数）
第一活性炭および第二活性炭を、各５検体ずつ測定に用いた。

（分析方法）
第一活性炭および第二活性炭の細孔分布を、窒素吸着法を用いて行った。分析方法の詳細は、以下の通りである。

・前処理方法：７０℃で８時間、真空脱気を行った。
・測定方法：定容法を用いて、窒素による吸着脱離等温線（窒素吸着等温線とも称する）を測定した。
・吸着温度：７７Ｋ
・吸着質：窒素
・飽和蒸気圧：実測
・吸着質断面積：０．１６２ｎｍ^２
・平衡待ち時間：５００ｓｅｃ
なお、上記平衡待ち時間は、吸着平衡状態（吸脱着の際の圧力変化が所定の値以下になる状態）に達してからの待ち時間を意味する。

測定装置：ＢＥＬＳＯＲＰ‐１８（マイクロトラック・ベル株式会社製）
前処理装置：ＢＥＬＳＯＲＰ‐１８（マイクロトラック・ベル株式会社製）。

（分析結果）
第一活性炭の細孔直径分布を図２に、および第二活性炭の細孔直径分布を図３に示す。図２および図３に示すように、ｄＶｐ／ｄＷで表した細孔直径分布において、前記第一活性炭のピーク値は、ｄＶｐ／ｄＷ値が０．５～５．０の範囲内であり、前記第二活性炭のピーク値は、ｄＶｐ／ｄＷ値が０．２５～１．０の範囲内であった。

〔積算流量とクロロホルムの除去率との関係〕
（浄水カートリッジの作成）

［実施例１］
上述した分析に用いた第一活性炭および第二活性炭を吸着材として用いて、図１の（ａ）に示す実施例１の浄水カートリッジを作成した。上述した第一活性炭および第二活性炭を、容積比１：１で、カラムに積層した。第一活性炭を含む第一層１０が第二活性炭を含む第二層２０の上部に配置されるように積層した。

［実施例２］
第二活性炭を含む第二層２０が、第一活性炭を含む第一層１０の上部に配置されるように積層したこと以外は、実施例１と同様にして、実施例２の浄水カートリッジを作成した。

［比較例］
第一活性炭と第二活性炭とを直列配置せずに、予め混合させたのちにカラムに充填したこと以外は、実施例１と同様にして、実施例２の浄水カートリッジを作成した。

（浄水能力試験方法）
作成した実施例１、実施例２、および比較例の浄水カートリッジの浄水能力を試験した。浄水能力は、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ５３のＶＯＣ（Volatile Organic Compound:揮発性有機化合物）ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｃｌａｉｍｓに準拠して試験した。Ｉｎｆｌｕｅｎｔｃｈａｌｌｅｎｇｅは、０．３±３０％ｍｇ／Ｌとした。試験には一般試験水を用いた。用いた一般試験水の物性を、表１に示す。

通水は、以下の条件で行った。
通水カラム：２００ｍｌ
通水方向：up flow
活性炭粒度：５０～１００ｍｅｓｈ
ろ過流量：０．６Ｌ／ｍｉｎ（ＳＶ１８０ｈｒ^－１）

（試験結果）
試験結果を、図４に示す。図４に示すように、実施例１および実施例２においては、比較例に比べて、寿命の長い浄水カートリッジを実現することができた。図４に示すように、比較例の浄水カートリッジにおいては、水の積算流量が約1200Lを超えると、クロロホルム除去率が９５％を下回ってしまう。これに対し、実施例１の浄水カートリッジ１、および実施例２の浄水カートリッジ１ａにおいては、水の積算流量が約1450Lを超えるまでは、クロロホルム除去率が９５％を上回っていた。実施例１の浄水カートリッジ１は、最も寿命が長かった。

１、１ａ浄水カートリッジ
１０第一層
２０第二層

Claims

細孔幅が０．６ｎｍ～１．５ｎｍの範囲において少なくとも１個のピークを有する第一活性炭と、
細孔幅が０．６ｎｍ～１．５ｎｍの範囲において、前記第一活性炭とは異なるピークを、少なくとも１個有する第二活性炭と、を備え、
前記第一活性炭、および前記第二活性炭が、通水方向に対して直列配置されており、
ｄＶｐ／ｄＷ（Ｖｐ：細孔容積、Ｗ：細孔幅）で表した細孔直径分布において、前記第一活性炭のピーク値は、ｄＶｐ／ｄＷ値が０．５～５．０の範囲内であり、前記第二活性炭のピーク値は、ｄＶｐ／ｄＷ値が０．２５～１．０の範囲内である、浄水カートリッジ。
請求項１に記載の浄水カートリッジを有する浄水器。
ＴＯＣを１．０ｍｇ／Ｌより多く含む原水を、請求項１に記載の浄水カートリッジを用いて浄化する工程を含む、浄水の製造方法。