JP7344805B2 - 吸着システム、および吸着方法 - Google Patents
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本実施形態では、多孔質炭化物を利用する吸着システム100、およびこの吸着システム100を利用する吸着方法を説明する。吸着システム100は、リン含有化合物を含む水(以下、被処理水と記す)からリン含有化合物を吸着することで被処理水を浄化する。吸着システム100により、下水などの汚染水に含まれるリン含有化合物を効果的に吸着し、河川、湖沼、海などの水域の浄化や水質改善を行うことができる。ここで、リン含有化合物としては、無機態と有機態のリン含有化合物が挙げられ、これらはそれぞれ溶解性と不溶性のリン含有化合物に分類される。溶解性無機態リンとしては、オルトリン酸、メタリン酸、ピロリン酸、ポリリン酸などが挙げられる。溶解性有機態としては、リン脂質などのリン酸エステル類、農薬などが挙げられる。不溶性無機態リンとしては、カルシウムや鉄、アルミニウム、ナトリウム、カリウムなどの金属のリン酸塩が挙げられる。不溶性有機態リンとしては、バクテリアやプランクトンなどの生態あるいは死骸の構成成分が例示される。
本実施形態に係る吸着システム100のブロック図を図1に示す。図1に示すように、吸着システム100は、鉄供給槽110、鉄供給槽110に接続される吸着槽140、鉄供給槽110に接続され、鉄供給槽110内に供給される処理水を酸性化するための酸性化装置120、および吸着槽140に接続され、吸着槽140に対して酸素含有ガスを供給するための酸素供給装置150を含む。
鉄供給槽110と吸着槽140の断面を中心とする吸着システム100の模式図を図2に示す。鉄供給槽110は、金属鉄(0価の鉄)または鉄化合物が担持された多孔質炭化物102を収容し、被処理水と多孔質炭化物102が接触する空間を提供するように構成される。以下、金属鉄または鉄化合物が担持された多孔質炭化物を鉄担持多孔質炭化物と記す。鉄供給槽110はガラスや石英、セラミック、コンクリート、あるいは高分子材料で形成することができる。高分子材料としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィンなどが挙げられる。ポリオレフィンは、ポリテトラフルオロエチレンなどの含フッ素ポリオレフィンでもよい。また、鉄担持多孔質炭化物102を鉄供給槽110内に安定的に支持するため、鉄供給槽110はセパレータ110aを有してもよい。セパレータ110aには開口が設けられ、被処理水が通過できるように構成される。図示しないが、セパレータ110aに替わり、砕石などの支持体を鉄供給槽110内に配置し、その上に鉄担持多孔質炭化物102を配置してもよい。さらに任意の構成として、鉄担持多孔質炭化物102が被処理水に浮くことを防止して被処理水を鉄担持多孔質炭化物102と十分に接触させるための中蓋110bを設けてもよい。中蓋110bには、鉄担持多孔質炭化物102よりも小さい複数の開口が設けられ、鉄担持多孔質炭化物102の浮遊が防止される。図示しないが、吸着槽140には、多孔質炭化物を投入し、取り出すための開口または蓋が設けられる。
酸性化装置120は、鉄供給槽110に供給される被処理水を弱酸性にするために設けられる。具体的には、酸性化装置120は、二酸化炭素、または酸性の液体を鉄供給槽110に供給するように構成される。酸性の液体としては、例えば塩酸や硝酸、硫酸が挙げられる。酸性の液体中のプロトン濃度に制約はなく、例えばpH0以上pH7以下、またはpH3.5以上pH6.5以下の範囲から選択してもよい。以下、最初に二酸化炭素を供給するように構成される酸性化装置120が備えられた吸着システム100について、図2を用いて説明する。
吸着槽140は、多孔質体106を収容し、一次処理水と多孔質体106が接触する空間を提供するとともに、酸素供給装置150から供給される酸素含有ガスと一次処理水中に含まれる2価の鉄イオンを反応させ、3価の鉄化合物を生成するための反応場を提供する。
酸素供給装置150は、吸着槽140に酸素含有ガスを供給することができるように構成される。酸素含有ガスとしては、酸素でも空気でもよく、酸素含有ガス中における酸素濃度も任意に決定される。例えば酸素供給装置150は、酸素ガスまたは空気が貯蔵されたボンベと接続されるレギュレータを含んでもよい。あるいは空気を供給可能なコンプレッサーやファンでもよい。
本実施形態に係る吸着システム100を用い、被処理水中に含まれるリン含有化合物を吸着する方法を以下に述べる。
鉄担持多孔質炭化物102の原料としては、炭素を主成分として有し、数nmから数十μmの断面径を有する細孔を備える多孔質材料を用いることができる。この一例として、バイオマスなどの有機物を炭化して得られる多孔質炭化物が挙げられる。バイオマスとしては、木に由来する材料が挙げられる。具体的には、板状や柱状の木材、間伐材、剪定廃材、建築廃木材、粉末状のおがくず、パーティクルボートなどの木製成形品が挙げられる。木の種類に制約はなく、スギやヒノキ、竹でもよい。あるいは籾殻、バガス、トウモロコシの軸や葉などの農業廃棄物、藁や麦わら、乾草などの農業副産物もバイオマスの一例として挙げられる。あるいは麻や亜麻、綿、サイザル麻、アバカ、ヤシ毛などの繊維の原料となる植物もバイオマスとして挙げられる。あるいは、バイオマスは海藻などの藻類でもよく、食品残渣や、動物の糞尿から得られるサイレージでもよい。
吸着槽140において使用される多孔質体106としては、上述した鉄担持多孔質炭化物102を用いてもよいが、鉄を担持する前の多孔質炭化物101を用いてもよい。あるいは、ゼオライトやシリカゲル、活性炭などの多孔質材料でもよい。
リン含有化合物の吸着は、連続式で行ってもよく、バッチ式で行ってもよい。以下、連続式で吸着を行う方法について述べる(図2参照)。
リン含有化合物は、種々の植物の生長を促進する養分として働くことができる。本実施形態では、リン含有化合物を吸着した多孔質体106を肥料として使用する方法について述べる。第1実施形態で述べた構成と同様、または類似する構成については説明を省略することがある。なお、ここでは、多孔質体106には鉄または鉄化合物が担持されていなくもよく、この場合には、金属鉄または鉄化合物が担持されていない多孔質炭化物101を用いることができる。あるいは多孔質体106として鉄担持多孔質炭化物102を用いてもよい。
本実施例では、第1実施形態で述べた吸着システム100を用い、鉄担持多孔質炭化物102のリン含有化合物に対する吸着特性を検討した結果について述べる(図2参照)。
比較例として、吸着槽140は用いず、鉄供給槽110に鉄担持多孔質炭化物102を配置し、二酸化炭素のみを供給した。具体的には、内径約3cm、長さ40cmの円筒形のアクリル樹脂製鉄供給槽110に鉄担持多孔質炭化物102を25g配置し、2.1L/Dの流速で被処理水を鉄供給槽110に連続的に供給した。用いた鉄担持多孔質炭化物102、被処理水の水理学的滞留時間、および線速度はそれぞれ、実施例1と同じであった。鉄供給槽110内の鉄担持多孔質炭化物102が被処理水に浸漬したことを確認した後、被処理水の供給を維持したまま、同じ流速で一次処理水の排出を開始した。その後、鉄供給槽110に二酸化炭素を供給し、被処理水中でバブリングさせた。二酸化炭素の流速は50mL/minであった。二酸化炭素のバブリングを維持しつつ、鉄供給槽110から排出される一次処理水をサンプリングしてpHと溶解性無機態リン濃度を測定し、溶解性無機態リン濃度に基づいてリン除去率を算出した。
比較例として、鉄供給槽110は用いず、吸着槽140に鉄担持多孔質炭化物102を配置し、空気や二酸化炭素を供給することなく、被処理水を吸着槽140に供給した。具体的には、内径約3cm、長さ40cmの円筒形のアクリル樹脂製吸着槽140に鉄担持多孔質炭化物102を25g配置し、2.1L/Dの流速で被処理水を吸着槽140に連続的に供給した。用いた鉄担持多孔質炭化物102、被処理水の水理学的滞留時間、および線速度はそれぞれ、実施例1と同じであった。吸着槽140内の鉄担持多孔質炭化物102が被処理水に浸漬したことを確認した後、被処理水の供給を維持したまま、同じ流速で処理水の排出を開始した。吸着槽140から排出される処理水をサンプリングしてpHと溶解性無機態リン濃度を測定し、溶解性無機態リン濃度に基づいてリン除去率を算出した。
比較例1で確認されたように、二酸化炭素の供給の開始とともに処理液のpHが低下する。これは、二酸化炭素の供給によって炭酸が発生するからである。金属鉄は弱アルカリ性条件下で徐々に酸化され、水酸化鉄(II)を与えることが知られている。また、水酸化鉄(II)は溶解度積Kspが1×10-15であるため、pHが中性付近で2価の鉄イオン(Fe2+)として溶解する。したがって、実施例、および比較例1では、鉄供給槽110において鉄担持多孔質炭化物102上に担持された金属鉄または鉄化合物が徐々に溶解し、被処理水に2価の鉄イオン(Fe2+)が供給されていることが示唆される。実際、実施例では、吸着槽140に空気を供給することで吸着槽140内部が赤色に呈色することが確認されたことから、鉄供給槽110で2価の鉄イオン(Fe2+)が生成し、これが吸着槽140内で水酸化鉄(III)および/または酸化鉄(III)に酸化されるものと考えられる。
Claims (21)
- 鉄および鉄化合物の少なくとも一方が担持された多孔質炭化物を収容し、リン含有化合物を含む被処理水が供給されるように構成される鉄供給槽、
前記鉄供給槽内の前記被処理水を酸性化するように構成される酸性化装置、
多孔質体を収容し、前記鉄供給槽から前記被処理水が供給されるように構成される吸着槽、および
前記吸着槽に酸素含有ガスを供給するように構成される酸素供給装置を含む吸着システム。 - 前記多孔質体は炭化物である、請求項1に記載の吸着システム。
- 前記鉄化合物は、水酸化鉄(II)、水酸化鉄(III)、酸化鉄(II)、酸化鉄(III)から選択される、請求項1に記載の吸着システム。
- 前記多孔質炭化物中の鉄含有量は、前記多孔質炭化物に対して1質量%以上50質量%以下である、請求項1に記載の吸着システム。
- 前記吸着槽は、前記酸素含有ガスが前記被処理水中でバブリングされるように構成される、請求項1に記載の吸着システム。
- 前記酸性化装置は、塩酸、硫酸、または硝酸を前記鉄供給槽に供給するように構成される、請求項1に記載の吸着システム。
- 前記酸性化装置は、二酸化炭素を前記鉄供給槽に供給するように構成される、請求項1に記載の吸着システム。
- 前記鉄供給槽は、二酸化炭素が前記被処理水中でバブリングされるように構成される、請求項7に記載の吸着システム。
- 前記鉄供給槽は、供給された前記二酸化炭素を回収し、再度前記鉄供給槽に供給するように構成される、請求項7に記載の吸着システム。
- 鉄および鉄化合物の少なくとも一方が担持された多孔質炭化物が収容された鉄供給槽にリン含有化合物を含む被処理水を供給すること、
前記鉄供給槽中の被処理水を酸性化すること、
多孔質体が収容された吸着槽に前記被処理水を前記鉄供給槽から供給すること、および
前記吸着槽に酸素含有ガスを供給することを含む吸着方法。 - 前記多孔質体は炭化物である、請求項10に記載の吸着方法。
- 前記鉄化合物は、水酸化鉄(II)、水酸化鉄(III)、酸化鉄(II)、酸化鉄(III)から選択される、請求項10に記載の吸着方法。
- 前記多孔質炭化物中の鉄含有量は、前記多孔質炭化物に対して1質量%以上50質量%以下である、請求項10に記載の吸着方法。
- 前記酸素含有ガスの前記供給は、前記被処理水に前記酸素含有ガスをバブリングすることで行われる、請求項10に記載の吸着方法。
- 前記酸素含有ガスの前記供給は、前記鉄供給槽と前記吸着槽を接続する配管に対して前記酸素含有ガスを供給することで行われる、請求項10に記載の吸着方法。
- 前記被処理水の前記吸着槽への前記供給は、前記被処理水を前記多孔質体に散布することで行われる、請求項10に記載の吸着方法。
- 前記酸性化は、塩酸、硫酸、または硝酸を前記鉄供給槽に供給することで行われる、請求項10に記載の吸着方法。
- 前記酸性化は、二酸化炭素を前記鉄供給槽に供給することで行われる、請求項10に記載の吸着方法。
- 前記二酸化炭素の前記供給は、前記二酸化炭素を前記被処理水中にバブリングすることによって行われる、請求項18に記載の吸着方法。
- 前記被処理水に供給された前記二酸化炭素を回収すること、および
回収された前記二酸化炭素を再度前記鉄供給槽に供給することをさらに含む、請求項18に記載の吸着方法。 - 前記多孔質体を前記吸着槽から取り出し、前記多孔質炭化物を前記吸着槽へ配置すること、および
鉄が担持された第2の多孔質炭化物を、前記鉄供給槽に配置することをさらに含む、請求項10に記載の吸着方法。
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