JPH081167A

JPH081167A - 水処理装置

Info

Publication number: JPH081167A
Application number: JP15797594A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kitamura; 雅紀北村; Yuko Fujita; 雄耕藤田
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Current assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Priority date: 1994-06-16
Filing date: 1994-06-16
Publication date: 1996-01-09

Abstract

(57)【要約】【目的】薬剤投入不要かつ操作が簡単な水処理装置を
提供する。【構成】処理すべき水を、陰極８、陽極９及び隔膜１
２を備え、かつ隔膜によって陰極液室と陽極液室とを形
成する電気化学セル１に供給し、直流電圧を印加するこ
とによって陰極液のｐＨをより大きくし、陽極液のｐＨ
をより小さくし、得られた所望のｐＨの陰極液もしくは
陽極液を目的とする酸化還元反応を有効に進行させるの
に適した触媒充填部２に供給し、そこで触媒的に水処理
を行い、その後段において触媒充填部を通った液と触媒
充填部を通らない液とを合流させ、再循環させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、河川、湖沼、海洋等の
環境水、工業用水，農業用水，上水、あるいは染色廃
水、食品廃水、製紙廃水等の各種水処理中における有害
物質を化学的に処理するための水処理装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】一般に水中でおこる化学反応において、
その反応速度のほとんどが水溶液のｐＨの影響を受け
る。また、反応生成物が、反応場のｐＨにより異なる場
合もある。特に水処理分野の化学反応は、比較的希薄な
濃度の物質を処理する反応が多いため、水のｐＨが反応
に直接影響することが多い。従って、目的とする反応を
迅速に行わせるためには、反応水のｐＨを制御すること
が非常に重要である。

【０００３】例えば、酸化チタンを光触媒とし、水中に
溶存するアンモニアを酸化する反応は、次のような２段
階のプロセスで進むことが知られている（Monashefte f
urChemie, 123,333(1992))。

【０００４】ＮＨ_３＋６ｈ^＋＋２Ｈ_２Ｏ→ＮＯ_２ ⁻＋７Ｈ^＋ＮＯ_２ ⁻＋２ｈ^＋＋Ｈ_２Ｏ→ＮＯ_３ ⁻＋２Ｈ^＋ここで、ｈ^＋は光触媒中に生成した電子の抜け穴すなわ
ち正孔を示す。一方、アンモニアはそのｐＫａが９．２
程度であることから、中性付近のｐＨではＮＨ^４＋の形
で存在するため、この反応はｐＨが９以上の条件でしか
進行しない。

【０００５】また、ＡｌとＣｕとＺｎの合金であるデバ
ルダ合金を用いた硝酸イオンの還元反応は、溶液のｐＨ
が１１以上でしか進行しないことが知られている（電気
化学および工業物理化学，６２，４，３５８（１９９
４））。これは、ｐＨが６〜１１の範囲では、合金中に
含まれるＡｌの表面に不働態皮膜が生成するためであ
る。いずれの場合も、その反応に与えるｐＨの影響は非
常に大きい。

【０００６】このように、水処理における化学反応の重
要なパラメーターであるｐＨを制御する方法には、従来
から弱酸、弱塩基を緩衝剤として水中に混入させる方法
がある。またあるいは強酸、強塩基を徐々に添加して制
御する方法もある。いずれの場合も、反応をおこす水中
にはじめから溶解しておくか、または反応の進行にとも
なって徐々に添加する方法がとられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】これらの場合、目的の
ｐＨを得るために添加した緩衝剤が、反応水中に残留す
るという問題があった。

【０００８】また、水処理反応プロセス中で正確なｐＨ
を得るためには、上述のような酸、塩基の水溶液をポン
プ等の手段を用いて正確に反応液中に混入するか、酸、
塩基を一定量正確に溶解する必要がある。そのため、ｐ
Ｈの測定デバイスや定量注入のための各種装置、さらに
はこれらの複雑な制御が必要であった。

【０００９】さらに、上述のどのような場合において
も、酸，塩基等の薬品を必要とするため、消耗材料とし
て適宜これらを補充する必要があった。

【００１０】また特に環境水等の処理や廃水処理におい
ては、処理後に環境中に放出する前に、反応後の処理水
を環境に適したｐＨに戻す必要がある。従って、処理の
前後で２回ものｐＨ調整が必要となるといった問題点が
あった。

【００１１】一方近年、健康意識の高まりからいわゆる
アルカリイオン水生成器が市販され、飲料水質改質器と
して注目されている。これは、アルカリ金属イオンや塩
素イオン，硫酸イオンなどを微量含む上水を、比較的高
電圧で電解すると、隔膜を介して陰極液がアルカリ性に
なり、陽極液が酸性になり、その陰極液を利用するもの
である。また、陽極液である酸性水は、美容のために利
用されている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、処理すべき水
を、陰極、陽極及び隔膜を備え、かつ隔膜によって陰極
液室と陽極液室とを形成する電気化学セルに供給し、直
流電圧を印加することによって陰極液のｐＨをより大き
くし、陽極液のｐＨをより小さくし、得られた所望のｐ
Ｈの陰極液もしくは陽極液を目的とする酸化還元反応を
有効に進行させるのに適した触媒充填部に供給し、そこ
で触媒的に水処理を行い、その後段において触媒充填部
を通った液と触媒充填部を通らない液とを合流させ、再
循環させることにより、上述の如き問題を解決しようと
するものである。

【００１３】

【作用】本発明は、前述の従来公知の考え方をさらに進
め、被処理水の中に含まれる有害物質を無害化するため
のｐＨ調整手段に電気化学セルを用い、その電解後のｐ
Ｈが調整された水を触媒的に処理するという、従来例を
みない全く新しい発想により生まれた。つまり、処理し
ようとする水の中に含まれる、有害物質の化学反応の最
適なｐＨ条件を、被処理水そのものを電気化学セルで電
解することにより得るものである。またさらには、目的
の反応を終えた陰極水もしくは陽極水と触媒充填部を通
らない液とを、最終的に合流させることにより、薬剤を
添加することなく処理以前のｐＨ条件に戻すものでもあ
る。

【００１４】ここで、電解により陰極液のｐＨをより大
きくし、また陽極液のｐＨをより小さくするためには、
被処理水中に少量でも溶存するイオン種が必要である。
しかしながら、たとえば河川水や廃水などの実際の処理
水中には、ほとんどの場合多種のイオン種が十分な濃度
で溶解している。従って本発明の構成が、薬剤を添加す
ることなく目的とする化学反応を進行させるための触媒
充填部でのみｐＨを制御し、かつ処理後のｐＨの再調節
の必要のないものとなることを見いだした。

【００１５】従って本発明の構成は、目的とする反応に
必要なｐＨを得るための電気化学セル部と、被処理水中
に含まれる有害物質の無害化反応を進行させるための触
媒反応部で構成されている。

【００１６】そこで、本発明の代表的な構成を図１を用
いて説明する。まず、電気化学セル部１は、陽極９、陰
極８、及び隔膜１２を備え、隔膜１２によって陽極室１
１と陰極室１０とが形成される。電極は陽極端子５およ
び陰極端子４と電気的に接続されており、外部の電源か
ら電圧が印加される。電極材料にはたとえばステンレ
ス、チタン、白金あるいは白金メッキを施した金属電極
等耐食性に優れるものが好ましいが、これに限定するも
のではない。隔膜には、イオンが流通することができる
材料であればいずれも用いることができる。たとえば、
ガラス繊維を抄造したガラスマット、多孔性高分子シー
ト、多孔性セラミックシート等である。

【００１７】次に、触媒充填部２は化学反応をおこさせ
るために十分な空間が確保されており、該触媒充填部中
に反応を促進する触媒１７が充填されている。また、触
媒に光触媒を用い、光触媒を励起するための光源を導入
したり、また、触媒充填部に光を導入する窓を設け、外
部より紫外光を照射したりすることも可能である。

【００１８】図１において、被処理水はポンプ等でまず
被処理水入口３から電気化学セル部１に導入される。導
入された被処理水は通路６を通り、分岐部７を通って陽
極室１１及び陰極室１０へ分岐される。陽極端子５及び
陰極端子４を通じて外部電源から電圧を印加すると、次
式に示す如く陽極９で水素イオン、陰極８で水酸化物イ
オンができる。

【００１９】陽極反応Ｈ_２Ｏ→１／２Ｏ_２＋Ｈ^＋＋２ｅ⁻ 陰極反応２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→Ｈ_２＋２ＯＨ⁻ 同時に、被処理水側にふくまれていたＣｌ⁻，ＳＯ_４
^２−，ＮＯ_３ ⁻などの陰イオンは陽極近傍の陽極液に、
一方Ｎａ^＋，Ｋ^＋，Ｃａ^２＋，Ｍｇ^２＋などの陽イオン
は陰極近傍の陰極液に引き寄せられ、酸性水と、アルカ
リ水とになる。

【００２０】ｐＨの調整は、最初の被処理水のｐＨにも
よるが、通電すべき電流の加減によって行われる。この
とき、例えばｐＨメーターと電流とを精密に連動させる
ことも有効である。

【００２１】こうして、陽極液及び陰極液はそれぞれ酸
性水、アルカリ水となり、それぞれの水は両極室１１，
１０から、電気化学セル出口１４、１３を通じて排出さ
れる。電気化学セル出口１３より排出される水（この場
合は陰極液）は触媒充填部２へ、電気化学セル出口１４
より排出される水はバイパス１６へと導かれる。

【００２２】次に触媒充填部２では、こうして得られた
ｐＨ環境で、目的とする化学反応がおこる。ここでは目
的の酸化還元反応に適した触媒を選択し、触媒充填部中
に導入して反応を促進する。

【００２３】目的の反応が触媒充填部２で行われた後、
触媒充填部出口１８より排出され、バイパス１６を通じ
てきた電解水と混合部１９で再び合流し、排出口より系
外へと放出される。このとき両極水は電解前のｐＨに中
和されている。

【００２４】このように本発明においては、すべての反
応の後、陽極水と陰極水を再度混合することで、電気化
学セルで分けた酸及び塩基が再び中和し、生成物由来の
ものを除いて出発時のｐＨを得ることができる。

【００２５】さて、このような構成は、必ずしも電気化
学セル部と触媒充填部とを分離する必要はなく、両者を
一体型にしても良い。

【００２６】また触媒としては、当然、水処理の目的に
よって適当なものを選択しなければならないが、例えば
アンモニアや有害有機化合物が溶存する水、あるいは染
色廃水の処理等の目的には、ＴｉＯ_２等の光触媒が有効
である。なおこの場合には、光触媒に光を照射する手段
を付加しなければならない。また硝酸イオンの還元処理
には、デバルダ合金が有効である。いずれにしても、本
発明は水処理反応系及び触媒の種類については、これら
に限定するものではない。

【００２７】触媒の形状あるいは充填構造は適宜選択さ
れる。例えば、ＴｉＯ_２光触媒を用いた場合には、セラ
ミックシートあるいはガラスビーズにＴｉＯ_２をコート
したものなどが用いられる。触媒は電気化学セル部の陽
極室もしくは陰極室に充填してもよいし、ＴｉＯ_２光触
媒のように本質的に電気伝導性を持たない場合には、陽
・陰両極間に充填して、隔膜の機能を持たせることも有
効である。

【００２８】また電気化学セル部に光触媒を充填する場
合には、光の透過が可能なように電気化学セル部に窓を
設けたり、電気化学セル部の電極を網状にすることが有
効である。

【００２９】本発明の用途としては、前述のような一般
的な廃水処理あるいは上水の改質の他にも、例えば家庭
用観賞魚槽、水族館、あるいは魚介類の人工飼育場
（槽）での水の浄化、特にアンモニアの処理がある。

【００３０】家庭用観賞魚槽では、魚からの排出物及び
餌の投与によりアンモニア濃度が時間とともに増大し、
ついには魚の死の原因となることが多い。魚槽では一般
に、循環ポンプにより水が循環され、その循環系の中途
にフィルターが付設されていて、このフィルターに自然
に硝化菌が付着し、アンモニアがこの菌により分解され
はするが、硝化菌による分解は、魚の飼育を開始してか
ら約１４日経過しないと起こらず、それまでは硝化菌以
外の手段でアンモニアの処理を行う必要がある。従来、
そのための有効な手段がなかったのに対し、本発明のよ
うな電気化学セルによるｐＨ調整と光触媒によるアンモ
ニアの分解が極めて有効であることがわかった。

【００３１】

【実施例】

［実施例１］まず、図２に示す水処理装置を製作した。
図２では触媒充填部２の触媒１７として光触媒１７を用
いた。光触媒１７には直径１ｍｍのガラスビーズ上に酸
化チタンを担持したものを用いた。ガラスビーズ上への
酸化チタンの担持は、次のように行った。まず、テトラ
エトキシシラン１５ｇを３００ｍｌ中に溶解し、ここに
塩酸酸性の３％の水を含むエタノールを滴下してシリカ
ゾルを得た。得られたシリカゾル中に日本アエロジル
（株）製酸化チタンＰ−２５の２０ｇを分散し、ここに
ガラスビーズを浸漬し、濾過し、得られたビーズを室温
で放置し、ゲル化し、これを４００℃で３時間焼成して
光触媒を得た。

【００３２】次に、光源２０には３６０ｎｍの紫外光を
放射する、三菱電機（株）製光化学用蛍光ランプＦＬ１
０ＳＢＬ３６０を用いた。

【００３３】そこで、図２に示した処理装置を用いて、
水中に溶存するアンモニアの分解を実施した。被処理水
には表１に示したような無機イオンを含む５ｐｐｍのア
ンモニア水溶液を用いた。

【００３４】

【表１】この水２リットルを流速毎分２００ｍｌで流通し循環し
た。陽極９及び陰極８間には２０Ｖの電圧を印加し、光
源２０はランプ電力１０Ｗで運転した。ブランクとし
て、電気化学セルに通電しないものも同時に行った。そ
の結果、３時間後のアンモニア濃度は表２のようになっ
た。反応後のｐＨは両者とも６．５であった。

【００３５】

【表２】［実施例２］図３に示す装置を製作した。本装置では、
電気化学セル部１と触媒充填部２とを一体型の構造とし
た。陽極９には白金をメッキしたチタン板を、陰極８に
はステンレス板を、隔膜１２には繊維径１０ミクロンの
ガラス繊維を抄造したガラスマットを用いた。触媒１７
には直径３ｍｍの粒状デバルダ合金を用い触媒充填部２
中に充填した。

【００３６】［実施例３］図４に示す装置を製作し、ア
ンモニアの分解実験を実施した。触媒には、実施例１で
使用したものを同様に使用した。光源には、定格電力が
２０Ｗの光化学用蛍光ランプＦＬ２０ＳＢＬ３６０を使
用した。被処理水には実施例１で使用した表１の組成の
ものを用いた。

【００３７】この水２リットルを流速毎分５００ｍｌで
流通し循環した。光源はランプ電力で２０Ｗとした。電
気化学セルには２６Ｖの電圧を印加し、ブランクとして
電気化学セルに電圧を印加しないものも平行しておこな
った。その結果、２時間後のアンモニア濃度は表３のよ
うになった。反応後のｐＨは両者とも６．２であった

【００３８】。

【表３】［実施例４］図１の装置を用い、触媒１７にデバルダ合
金を用いて硝酸イオンの除去を実施した。まず被処理水
には３ｐｐｍの硝酸イオンを含む河川水１リットルを用
いた。電気化学セルには２５Ｖの電圧を印加し、流速は
毎分２００ｍｌとした。粒径が２ｍｍの粒状のデバルダ
合金２０ｇを、触媒充填部２中に充填した。ブランクと
して電気化学セルに通電しないものを並行しておこなっ
た。その結果、１時間後の硝酸イオン濃度は表４のよう
になった。

【００３９】

【表４】

【００４０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明を実施する
と、従来薬剤の投入に頼っていたｐＨの制御を電気化学
セルで行うことができ、薬剤を投入することなくしかも
目的の反応を速やかに進行せしめることができる。加え
て処理後に目的の反応物質を得ると同時に再びもとのｐ
Ｈへと戻すことができる。しかも、これらの制御は、電
気的な手段によって行うことができる点も、煩雑な操作
を必要とする薬剤投入と比較して非常に簡便である。

【００４１】本発明の構成は、電気化学セルを用いて被
処理水のｐＨを分別するだけの従来公知の考え方をさら
に進め、被処理水に含まれる物質の化学的な反応の環境
を整える手段として電気化学セルを用いるといった、従
来例をみない全く新しい考え方によるものである。従っ
て、従来行われてきた様々な反応プロセス中で本発明を
実施することができると考えられ、その工業的価値は極
めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる水処理装置の概念図であるとと
もに、第４の実施例にかかる水処理装置の断面を示した
図である。

【図２】本発明の第１の実施例にかかる、水処理装置の
断面を示した図である。

【図３】本発明の第２の実施例にかかる、水処理装置の
断面を示した図である。

【図４】本発明の第３の実施例にかかる、水処理装置の
断面を示した図である。

【符号の説明】

３被処理水入口８陰（陽）極９陽（陰）極１２隔膜１６バイパス１７触媒１９混合部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】陰極、陽極及び隔膜を備え、かつ該隔膜
によって陰極液室と陽極液室とを形成し、電解によって
陰極液のｐＨをより大きくすると共に陽極液のｐＨをよ
り小さくすることを目的とする電気化学セル部と、被処
理水を該電気化学セル部に供給する手段と、前記陰極液
もしくは陽極液中に含有している処理の対象となる物質
を酸化もしくは還元することを目的とする触媒充填部
と、該触媒充填部を通過することによって処理された後
の陰極液もしくは陽極液と該触媒充填部を通過しない未
処理の陽極液もしくは陰極液とを合流させる手段とを備
えてなることを特徴とする水処理装置。
【請求項２】電気化学セル部と触媒充填部とを分離した
ことを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
【請求項３】電気化学セル部の陰極液室内もしくは陽極
液室内に触媒充填部を形成したことを特徴とする請求項
１記載の水処理装置。
【請求項４】触媒充填部が電気化学セル部の隔膜を形成
するように構成したことを特徴とする請求項１記載の水
処理装置。
【請求項５】触媒充填部に充填される触媒が光触媒であ
り、該光触媒に光を照射する手段を備えてなることを特
徴とする請求項１、２、３又は４記載の水処理装置。
【請求項６】処理の対象となる物質が硝酸イオンであ
り、触媒充填部に充填される触媒がデバルダ合金であ
り、かつ電気化学セル部の陰極液を触媒充填部に導入す
るように構成してなることを特徴とする請求項１、２、
３又は４記載の水処理装置。
【請求項７】処理の対象となる物質がアンモニアであ
り、電気化学セル部の陰極液を触媒充填部に導入するよ
うに構成してなることを特徴とする請求項１、２、３、
４又は５記載の水処理装置。