JPS58215454A - 高分子電解質組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は各種産業廃水処理、下水・し尿処理場等より発
生する汚泥の凝集性状を改質強化することによって、汚
泥脱水機におけるＥ過・脱水の促進及び　１　− ケーキ剥離性の改良をはかる新規な高分子電解質組成物
に関するものである。

近年、ｐ過圧搾脱水機による汚泥の脱水に水溶性高分子
電解質を利用することが急速に普及して来た。

これは汚泥を構成する微細粒子に高分子電解質が架橋吸
着して汚泥の粒子構造を強化しながら疎大粒子状のフロ
ックを形成し、その際大量の分離水をフロックの外部に
解放する性質を利用したものである。

汚泥の徽細粒子表面は通常電荷を帯び、静電気的斥力に
よって安定に分散していることが多いから、粒子表面電
荷と反対符号の電荷を有する水溶性のイオン性高分子即
ち高分子電解質を適用して粒子との間に静電気的相互作
用が働くようにする方が凝集効果を上げやすい。例えば
、有機性汚泥は一般に構成する粒子群が負の電荷を帯び
て安定に分散［７ていることが多いからカチオン性の高
分子電解質を適用すると効果的であることが広く知られ
ている。

従来の無機糸＃原剤（例えば塩化第二鉄、硫酸パン士な
ど）と比較した場合、有機性高分子電解質を適用する一
般的利点と１−で ■　生成するフロックが大きく、濾過性が大巾に改善さ
れる。

■　添加量が少なく、凝集剤によるケーキの増量がない
。

■　ケーキの発熱量が高い。

■　腐食や重金属混入など二次公害発生の危険がないＯ などが知られており、高分子電解質の有用性は広く認め
られている。

しかしながら、高分子電解質を適用して生成するフロッ
クは一般に綿状の圧縮性に富む性状を示し、濾過性が大
巾に改善される反面、圧搾作用下では圧力作用の及ばな
い方向へ向けて７０ツクが変形されやすく、従って圧搾
脱水工程で汚泥のリークやｐ布の目詰り、脱欠ケーキの
剥離性不良などの好１しくない現象を起しやすいため、
圧搾力を制限せざるを得す、従って汚泥を十分に絞り切
ることができない欠点があった。無機系凝集剤或いはこ
れと消石灰を併用する方法は一般にフロックは小さいが
緻密な構造とな妙濾過性は高分子電解質より劣るが、汚
泥の圧縮性が改善されるので圧搾効果を上げやすいとい
う利点があるため、無機系凝集剤特有の欠点があるが、
下水処理場などで未だ大量に使用されているの吃実情で
ある。一方、高度な廃水処理方式が普及するにつれて難
濾過性の生物処理汚泥（活性汚泥）の発生量は増大して
お妙、また、エネルギー問題に端を発して乾燥、焼却な
どこれらの最終処分に消費するエネルギーは極力節約す
る技術の確立が強く望塘れているところであり、更に安
全性が特に要求される脱水ケーキのフンポスト化、緑農
地還元など廃棄物有効利用の見地からも有機性高分子凝
集剤の有用性を活かして脱水ケーキをより一層低含水率
にする意義は大きいものがある。

高分子電解質単独使用の利点を活かし、欠点を補う方法
として次の方法が有効であることが認められている。そ
の（１）は無機系凝集剤と高分子電解質を汚泥と別々に
作用するように適用する方法であり、濾過性の向上とフ
ロックの圧縮性状を改善する効果があり、脱水性とケー
キ剥離性が高分子電解質単独使用の場合より改善される
。しかし無機系凝集剤の使用は機材の腐食性ろ液の酸性
化、脱水ケーキの増量、乾燥焼却処分の困難性などの欠
点および脱水ケーキのコンポスト化、緑農地還元など有
価物の回収を図る場合には二次公害を起すおそれがある
などの欠点がある。その（２）は互釦イオン性の異る２
種類の水溶性高分子電解質を別々に添加する方法であり
、高分子凝集剤単独使用の場合よりフロックの性状が強
化されて有効であることが多く、シげしげ汚泥処理に適
用されている。しかしイオン性の相反する２種類の水溶
性高分子電解質を同一の溶解槽で溶解すると高分子を担
体にして両極性基間で化学量論的に中和反応が進行１−
１不溶性の物質を生じるため定量ポンプを閉塞するなど
して汚泥に送液することが困難となり、またそれぞれ高
分子電解質のイオン活性が失われて凝集効果が発揮され
なくなる。このためそれぞれの高分子電解質を別々に溶
解する必要があること、一般に高分子溶液は粘性が高い
ので汚泥への分散および汚泥粒子表面への拡散が遅いこ
とから、それぞれの高分子電解質と汚泥との反応を十分
にとる必要上、この方法は凝集反応装置が大型化するこ
と、　５− 高分子電解質単独の場合より添加率が増大するなどの作
業上および経済上の欠点があった。

さらに凝集性状を改善する方法としてイオン性の異る高
分子電解質同士の複合体によって凝集効果の改善をはか
ることが提案されている。

例えば、ポリアクリルアミドのアニオン変性物に特定の
カチオン性高分子電解質（ポリ−２−メチルー−Ｎ−ビ
ニルイミダゾール）の一部を水溶液中で反応させて複合
体とし、これを懸濁物に添加して凝集性能を改善する方
法（特公昭４７−１９５２２）、あるいはアニオン性高
分子電解質に第二級、第三級アミノ基よりなるカチオン
性高分子電解質を水溶液中で反応させて変性したうえ、
これを懸濁物に添加して凝集性能を改良する方法（特公
昭４９−３３７４２）がある。

両者はいずれもアニオン性高分子電解質の一部にカチオ
ン性高分子電解質を導入して変性した複合体の水溶液を
使用するものであるから複合体に占めるカチオン性高分
子の比率に限界があり、これが一定量以上に増大すると
高分子間の化学量論的な反応にょって水に溶けにくくな
り、ついＫは不溶性物質を析出するに至るものである。

したがって複合体水溶液の調整が難しく、シかもアニオ
ン性高分子に結合するカチオン性高分子の比率が少量に
限定されるため、カチオン性高分子電解質が適する有機
性汚泥に対しては凝集効果が上りにくい欠点がある。

本発明は上記のような従来の凝集剤の欠点を解消するた
めのもので、粉末状のアニオン性高分子電解質およびカ
チオン性高分子電解質に対してアニオン性高分子電解質
の極性基が水中で解離しない程度のＰＨ（ＰＨ５，０以
下）になるように固体酸を配合してなり、アニオンとカ
チオンのイオン性の異る高分子電解質同士を配合してな
るにもかかわらず単一溶解槽で容易に水に溶解できるこ
と、およびその水溶液の少量を大量のスラリー状汚泥に
添加することによって大きく、シかも締って強度の高い
フロックを形成して濾過脱水性を改善することができる
とともに脱水ケーキの性状が高分子電解質に特有の粘性
がなくきわめてすぐれたケーキ剥離性を発揮すること、
およびケーキが団塊にならず容品に破砕できるなど、従
来の凝集剤では得られないすぐれ定性能を発揮する高分
子電解質組成物を提供することを目的としている。

本発明の高分子電解質組成物におけるアニオン性高分子
電解質としては粉末状のポリアクリルアミド加水分解物
、アクリルアミドアクリル酸塩共重合物あるいはこれら
にスルホン酸塩を導入した変性物、ポリアクリル酸塩な
どから選択さね、その分子量は少くとも２００万以上を
必要とし、できる限り高分子量であることが好ましい。

アニオン変性率は特に制限はないが、通常５〜３０モル
チの変性物が適用される。カチオン性の高分子電解質と
しては粉末状のポリメタクリル酸ジアルキルアミノアル
キルエステル、ポリメタクリル酸トリアルキルアンモニ
オエチル塩およびこれらとアクリルアミドの共重合物な
どのポリアクリル酸エステル系、ポリジアリル４級アン
モニウム塩、あるいはポリビニルイミダシリンおよびこ
れとアクリルアミドの共重合物、ポリアクリルアミドマ
ンニッヒ変性物、ポリビニルピリジニウム塩およびこれ
とアクリルアミドの共重合物、キトサン等から選択され
る。その分子量は少くとも１万以上を必要とし、できる
限り高分子量であることが好ましい。カチオン変性率は
少くとも５モル係以上の変性物が好着しい。本発明の高
分子電解質組成物のアニオン性及びカチオン性高分子電
解質はそれぞれが汚泥と反応するほかに高分子電解質同
士の反応生成物が関与してこれらの協同によって汚泥の
改質が達成されるもので、アニオン性高分子電解質とカ
チオン性高分子電解質の混合割合＃−１ｔ１：１０〜５
：１（重量比）の範囲が好ましく、この範囲を越えると
高分子電解質同士の反応生成物による汚泥の改質効果が
減少する。この混合比率については対象とする汚泥の性
状によって上記比率の範囲内で自由に選定できるが、一
般に有機性汚泥に対してはカチオン性高分子電解質の割
合が多い方が効果的で、カチオン性高分子電解質／アニ
オン性高分子電解質＝１０／１〜１／１の範囲で適用さ
れ、無機性汚泥の割合が多い場合にはその比率に応じて
カチオン性高分子電解質／アニオン性高分子電解質＝２
／１〜１１５の範囲で適　９− 用すると効果的である。

本発明の高分子電解質組成物に使用する酸は粉末状の固
体酸で容易に氷に溶けることが必要であり、このような
要件を満たす酸としては蓚酸、酒石酸、リンゴ酸、クエ
ン酸などのカルボン酸類およびアミドスルホン酸等から
選択される。また実用上、高分子電解質組成物は［１１
，１〜５．０チ濃度の水溶液として適用されるので酸と
してはアミドスルホン酸のごとく少量で水溶液のＰＨ低
下効果が犬きく、強酸型でしかも機材の腐食性が少ない
ものが好ましく、また迅速に溶解できるように粉末また
は顆粒状であることが望ましい。なお必要によってはこ
れに少量の粉末状防錆剤を配合しても良い。

高分子電解質組成物中に占める固体酸の混合割合はあま
り多すぎてもまた少なすぎて吃好ましくなく、水溶液が
アニオン性高分子電解質の解離ＰＨ以下になるように、
しかも後記するようにこれを汚泥に添加混合した際に非
イオン性高分子変性物が容易にアニオン性高分子として
再び解離できるよりなＰＨ環境となるように組成物全体
の２０〜６０重ｔ％の範囲が好筐しい。

このように本発明の高分子電解質組成物は対象とする汚
泥の性状および処理目的に応じて広範囲に選択すること
が可能であり、これを構成する単位成分も必要に応じて
１種類に限定することなく複数のものを適用することが
できる。

上述のごとく本発明における高分子電解質組成物は粉末
状であり、これを水中に分散し、攪拌混合した場合に固
体酸が高分子電解質よりもはるかに速かに溶解するため
、粉末状の高分子電解質のうちのアニオン性高分子電解
質が徐々に膨潤、拡散、溶解する際にその酸がアニオン
性高分子電解質の極性基の解離を抑制するのでアニオン
性高分子電解質Ｖｉ酸性水溶液下で非イオン性の水溶性
高分子に変質さね、る。

すなわち、−例としてコロイド滴定法で測定したアクリ
ルアミド・アクリル酸塩共重合物（アニオン変性率２０
モルチ）水溶液のＰＨと解離の関係を第１図に示す。こ
の場合、アクリルアミド・アクリル酸塩共重合物の活性
基は非解離性の官能基であるアミド基および解離性の極
性基であるカルボキシル基によって構成され、それぞれ
が水との親和性を有すること罠よって溶解されるがＰＨ
が中性付近ではカルボキシル基の解離によって電荷がア
ニオン性の高分子電解質として存在する。

この場合、酸によってＰＨを低下させるとカルボキシル
基の解離がしだいに抑制されＰＨ６口以下ではほぼ非イ
オン性の水溶性高分子に変質されることが判る。したが
って本発明ではアニオン性高分子を水中でこのように変
質できるように、すなわち水溶液のＰＨが３０以下とな
るように固体酸を配合することによってアニオン性高分
子電解質を非イオン性水溶性変性物とし、もう一方の高
分子電解質であるカチオン性水溶性高分子を同じ溶解槽
で相溶しつ＼容易にかつ完全に溶解することができるも
のである。

’１１ｃ第２図の曲線Ａはアニオン性高分子電解質水溶
液のＰＨと粘度の関係を示すものでポリアクリルアミド
アニオン変性物がＩ’Ｈの低下とともに同一分子量のポ
リアクリルアミド（非イオン性）の粘度（曲線Ｂ）に近
似する傾向を例示したものである。

このようにアニオン性高分子電解質は酸性水溶液中で非
イオン性に変性されるとともに変性前の７ニオン性高分
子電解質より粘度が大巾に低下し、しかも水に対する溶
解性は維持されるから、酸性溶液中での非イオン性水溶
性変性物とカチオン性高分子との相溶物げ比較的高濃度
とすることができる。

一般に高分子電解質の溶解濃度は０．１〜０，５重量係
に調整されるが、本発明における高分子電解質の相溶物
濃度は０１〜２％として使用することができ、したがっ
て酸を含む高分子電解質組成物の溶％１濃度は０５〜５
．０％程度の高濃度で実用的に使用することが可能であ
る。

本発明の高分子電解質組成物の汚泥に対する添加率は汚
泥の種類や性状、汚泥の濃度にもよるが通常汚泥に対し
てＱ、ＤＯ１〜００５重量係の範囲で使用して所望の効
果を上げることができる。

本発明の高分子電解質組成物の水溶液を汚泥に適用する
ことにより生成されるフロックの強度が改善され、汚泥
の脱水工程における濾過、脱水性および脱水ケーキの剥
離性の向上が達成される理由については必ずしも定見が
おるわけではないが、次のように＝１３− 考えられる。すなわち酸による解離抑制効果によって非
イオン性高分子に変質さね、たアニオン性高分子電解質
と酸によって解離を抑制されないカチオン性高分子電解
質の相溶物が大鎗のスラリーに提供され混和されると相
溶物の酸濃度が希釈され或Ｉ／ＩＶｉ酸成分が汚泥に吸
着されてＰＨが上昇し、汚泥との反応途次において非イ
オン性高分子変性物はアニオン性高分子電解質としての
機能を回復しつつ汚泥粒子の架橋吸着に参与し、一方力
チオン性高分子電解質は汚泥粒子表面との静電気的相互
作用および架橋吸着作用によって凝集に参与しこれらが
協同してフロックの形成に寄与するためであると考えら
れる。このため汚泥が強い酸性を呈するときはＰＨを調
整して本高分子電解質組成物を有効に適用させる必要が
ある。更に特娘すべきことは、これと同時に解離機能を
回復したアニオン性高分子がカチオン性高分子とも汚泥
粒子の界面で高分子間反応を生じて不溶性物質を析出し
、これが凝集粒子の表面を強固にコーティングするため
フロックは引き締って容易に圧密化され、これらの相乗
効果が発揮されてフロックの強度と圧縮性状を著しく改
善するものと考えられるが詳細な機構については明らか
ではない。−ｔたこのような高分子間反応によって不溶
性物質が生じると高分子電解質の粘性は著しく減少する
もので、これはイオン性の異る高分子電解質の水溶液を
混合することによって容易に確かめることができる。

また凝集粒子の表面をこの不溶性物質でコーティングす
ることによって、フロックは水との親和性が減って疎水
化し、脱水機で圧搾された際、フロック内部の水も容易
に解放されることとなって脱水効果が上がるとともに脱
水ケーキは粘稠性が失われできわめて剥離性がよくなり
、しかも破砕さｈ易い性状に改質されるものである。

以上のように、本発明の高分子電解質組成物はアニオン
性高分子電解質、カチオン性高分子電解質および酸から
なる粉末状混合物であって、通常の単一成分からなる粉
末状凝集剤と同様にその１１欠に溶解して所望の濃度に
調整することができるから溶液の調整が簡単かつ容易で
、従来のアニオン性高分子電解質およびカチオン性高分
子電解質を別々に添加する二液添加法あるいは予め調製
した両者の複合体を使用する方法のごとく、溶液調整作
業の煩雑さ、反応装置の大型化などの不便不都合がなく
、しかも凝集反応においでは汚泥に対する特異な改質効
果により濾過脱水性にすぐれたフロックが生成さｈ１脱
水効果が上がることおよび脱水ケーキは含水率が低く剥
離性にすぐれ、破砕し易く取扱いが容易であることなど
の種々の利点を有している。

次に本発明の高分子電解質組成物による汚泥改質の効果
を実証する実施例を示す。

実施例１ アニオン性高分子電解質としてアニオン変性率２０モル
係のアクリルアミド・アクリル酸共重合物、カチオン性
高分子を解質としてカチオン変性率１５モルチのメタク
リル酸ジエチルアミノエチルアクリルアミド共重合物、
酸としてアミドスルホン酸をそれぞれ使用し、表−１の
ごとき割合で調整した粉末状の高分子電解質組成物を試
料１および試料２とし、下水処理場の消化汚泥（汚泥濃
度４．５％）に添加（７てベルトプレス脱水機で脱水処
理した結果を表−２に示す。但し、比較例の試料３Ｖｉ
力チオン性高分子電解質単独を、また試料４はアニオン
性高分子電解質とカチオン性高分子電解質をそれぞれ別
々に汚泥に添加する場合を示す。

表　−１ 表−２ 実施例２゜ アニオン性高分子電解質としてアニオン変性率２０モル
憾のアクリルアミド・アクリル酸共重合物、カチオン性
高分子電解質としてカチオン変性ｓ＄１００モルチのポ
リメチルジエチルアミノエチルメタクリレートホモポリ
マー、酸としてアミドスルホン酸をそれぞれ使用し、表
−３のごとき割合で調整した粉末状の高分子電解質組成
物を試料５および試料６とし食品工場の混合汚泥（活性
汚泥＋３次処理汚泥、汚泥濃度４優）に添加してベルト
プレス脱水機で脱水処理した結果を表−４に示す。

但し、比較例の試料７にアニオン性高分子電解質とカチ
オン性高分子電解質を別々に、また試料８はカチオン性
高分子電解質と硫酸パン士を別々に汚泥に添加する場合
を示す。

１８− 表−３ 表　−４

【図面の簡単な説明】

第１図はアニオン変性率２０モルチのアクリルアミド・
アクリル酸共重金物水溶液のＰＨと解離の関係を示すグ
ラフ、第２図はポリアクリルアミドアニオン変性物およ
びポリアクリルアミドのＰＨと粘度の関係を示すグラフ
である。 （ｖＩｇｇｕＬ）　　画　ｌ　見 （↓Ｓつ）裏　在　ＱＩ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）粉末状のアニオン性高分子電解質、カチオン性高
   分子電解質および酸からなる粉末状混合物であって、そ
   の水溶液のＰＨ７５１＆０以下を呈することを特徴とす
   る高分子電解質組成物。
2. （２）粉末状のアニオン性高分子電解質とカチオン性高
   分子電解質の重量割合が１＝１０〜５：１の範囲である
   特許請求の範囲第１項記載の高分子電解質組成物。
3. （３）粉末状のアニオン性およびカチオン性高分子から
   なる高分子電解質の重量割合が粉末状混合物全体に対′
   して４０〜８０％の範囲である特許請求の範囲第１項、
   第２項記載の高分子電解質組成物。