JPWO2018124190A1 - 層状複水酸化物を用いた浄水装置および浄水方法 - Google Patents
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Abstract
層状複水酸化物を有効に活用することができ、取り扱いが容易な浄水装置および浄水方法を提供することを目的とする。汚染水から汚染物質を除去するための浄水装置であって、汚染水と固形物を分離する固液分離部と、固液分離部で分離した汚染水が含有する汚染物質を層状複水酸化物で除去する汚染物質除去部と、を具備する。
Description
この発明は、層状複水酸化物を用いた浄水装置および浄水方法に関するものである。
天然に存在する層状粘土鉱物の一種である層状複水酸化物は、マグネシウム、アルミニウムなど、天然に豊富に存在する元素の水酸化物を主骨格としており、その合成も比較的簡単に行うことができることから、種々の合成方法が開示されている。例えば、マグネシウム源として水酸化マグネシウムを用い、水溶媒中で層状複水酸化物を製造する方法（例えば、特許文献１参照）やアルカリの存在下、水溶液中でマグネシウムイオンとアルミニウムイオンとを反応させる方法（例えば、特許文献２参照）等が開示されている。
また、層状複水酸化物は陰イオン交換作用を有していることが知られている。そして、この陰イオン交換作用によって、ヒ素、フッ素、ホウ素、セレン、六価クロム、亜硝酸イオン、その他の陰イオン系の有害物質を固定化することができれば、廃棄物の安全性向上技術、無害化環境改善技術において、汚染水の水質改善、有害物質の溶出防止、土壌改良、廃棄物処分場での有害物質の安定化促進等に寄与できるものと期待される。
特に、ヒ素に汚染された地下水を生活水として使用している地域では、ヒ素汚染水の浄水技術の開発が望まれている。そして、低コストかつ高性能であり、高い利便性と持続可能性を有した浄水装置を提供することが強く求められている。
ここで、従来のヒ素汚染水の浄水技術としては、共沈法、逆浸透法、イオン交換樹脂法、鉄系吸着剤への吸着法等があるが、これらの技術には種々の問題が生じていた。例えば、共沈法は、鉄、活性アルミナ、水酸化セリウム等を用いるが、凝集・沈殿によってスラッジが発生するため、当該スラッジの処理や一定期間でのバックフラッシングが必要であり、取り扱いが面倒であるという問題があった。また、逆浸透法やイオン交換樹脂法は、処理性能は高いが、ｐＨ調整などの前処理や後処理、洗浄、脱離再生など高度なメンテナンスが必要であり、コストも高いという問題があった。さらに、鉄系吸着剤を用いる方法は、一般に装置は重くなり、ｐＨ調整などの前処理や後処理が必要となり、洗浄などのメンテナンスが必要であるという問題があった。
そこで本発明は、層状複水酸化物を有効に活用することができ、取り扱いが容易な浄水装置および浄水方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の浄水装置は、汚染水から汚染物質を除去するためのものであって、前記汚染水と固形物を分離する固液分離部と、前記固液分離部で分離した汚染水が含有する汚染物質を層状複水酸化物で除去する汚染物質除去部と、を具備することを特徴とする。
ここで、前記固液分離部は、前記層状複水酸化物の汚染物質吸着能を低下させる固形物を分離するものである。
この場合、前記固液分離部は、前記汚染水から鉄、ヒ素、マンガンのいずれか１以上を析出させる触媒としての機能を有する濾過フィルタからなる方が好ましい。
前記固液分離部は、セラミックフィルタ又はポリプロピレンフィルタであれば良い。
また、前記汚染物質はヒ素であり、前記汚染物質除去部はヒ素を除去するものであっても良い。
また、前記層状複水酸化物は、層状複水酸化物と水とを含む材料から含水率が７０％以下になるまで所定の圧力をかけて水分を除去した後、温度が９０℃以上１１０℃以下でかつ湿度が９０％以上となる条件下で乾燥して製造された粒状体である方が好ましい。この場合、前記粒状体は、含水率が１０％以上である方が良い。また、前記粒状体は、例えば、粒径が０．２４ｍｍ以上であるものを用いることができる。
また、前記層状複水酸化物は、層状複水酸化物を成型した成形体であっても良い。
また、前記層状複水酸化物は、一般式がM2+ 1-xM3+ x（OH）2（An-）x/n・mH2O（ここで、M2+はMg2+又はFe2+、M3+はAl3+又はFe3+、An-はｎ価の陰イオン、０＜ｘ＜１、ｍ＞０）で表されるものであれば良い。
また、前記層状複水酸化物は、結晶子サイズが２０ｎｍ以下である方が好ましい。
また、前記汚染物質除去部は、前記層状複水酸化物に吸着しない成分を除去可能な濾過材を有していても良い。
また、本発明の浄水方法は、汚染水から汚染物質を除去するための方法であって、前記汚染水と固形物を分離する固液分離工程と、前記固液分離工程で分離した汚染水を層状複水酸化物に供給する汚染水供給工程と、前記汚染水供給工程で供給された汚染水が含有する汚染物質を前記層状複水酸化物で除去する汚染物質除去工程と、を有することを特徴とする。
ここで、前記固液分離工程は、前記層状複水酸化物の汚染物質吸着能を低下させる固形物を分離する工程である。
この場合、前記固液分離工程は、前記汚染水から鉄、ヒ素、マンガンのいずれか１以上を析出させる触媒としての機能を有する濾過フィルタを用いて行う方が好ましい。
前記固液分離工程は、セラミックフィルタ又はポリプロピレンフィルタを用いて行えば良い。
また、前記汚染物質はヒ素であり、前記汚染物質除去工程はヒ素を除去する工程であっても良い。
また、前記層状複水酸化物は、層状複水酸化物と水とを含む材料から含水率が７０％以下になるまで所定の圧力をかけて水分を除去した後、温度が９０℃以上１１０℃以下でかつ湿度が９０％以上となる条件下で乾燥して製造された粒状体である方が好ましい。この場合、前記粒状体は、含水率が１０％以上である方が良い。また、前記粒状体は、例えば、粒径が０．２４ｍｍ以上のものを用いることができる。
また、前記層状複水酸化物は、層状複水酸化物を成型した成形体であっても良い。
また、前記層状複水酸化物は、一般式がM2+ 1-xM3+ x（OH）2（An-）x/n・mH2O（ここで、M2+はMg2+又はFe2+、M3+はAl3+又はFe3+、An-はｎ価の陰イオン、０＜ｘ＜１、ｍ＞０）で表されるものであれば良い。
また、前記層状複水酸化物は、結晶子サイズが２０ｎｍ以下である方が好ましい。
また、少なくとも前記汚染物質除去工程の前又は後のいずれかにおいて、前記層状複水酸化物に吸着しない成分を除去する汚染物質除去補助工程を有する方が好ましい。
本発明によれば、層状複水酸化物を有効に活用することができ、取り扱いが容易な浄水装置および浄水方法を提供することができる。
また、取り扱いが容易であると共に、低コストで汚染物質の除去効果が高い浄水装置および浄水方法を提供するができる。
まず、本発明に係る層状複水酸化物について説明する。
層状複水酸化物は、一般式がM2+ 1-xM3+ x（OH）2（An-）x/n・mH2O（ここで、M2+は２価の金属イオン、M3+は３価の金属イオン、An-はｎ価の陰イオン、０＜ｘ＜１、ｍ＞０）で表される不定比化合物であり、ハイドロタルサイト様化合物と呼ばれることもある。２価の金属イオン（M2+）としては、例えば、Mg2+、Fe2+、Zn2+、Ca2+、Li2+、Ni2+、Co2+、Cu2+等が挙げられる。また、３価の金属イオン（M3+）としては、例えば、Al3+、Fe3+、Cr3+、Mn3+等が挙げられる。また、陰イオン（An-）としては、例えば、ClO4 -、CO3 2-、HCO3 -、PO4 3-、SO4 2-、SiO4 4-、OH-、Cl-、NO2 -、NO3 -等が挙げられる。
本発明に係る層状複水酸化物は、２価の金属イオン（M2+）、３価の金属イオン（M3+）、陰イオン（An-）として、どのようなものを用いたものでもよい。例えば、２価の金属イオン（M2+）がMg2+であり３価の金属イオン（M3+）がAl3+であるMg2+ 1-xAl3+ x(OH)2(An-)x/n・mH2O（Mg-Al型）や、２価の金属イオン（M2+）がMg2+であり３価の金属イオン（M3+）がFe3+であるMg2+ 1-xFe3+ x(OH)2(An-)x/n・mH2O（Mg-Fe型）や、２価の金属イオン（M2+）がFe2+であり３価の金属イオン（M3+）がFe3+であるFe2+ 1-xFe3+ x(OH)2(An-)x/n・mH2O（Fe-Fe型）とすることができる。なお、Mg-Fe型は、ヒ素の吸着の効果が高い点、比重が高く沈降分離が容易である点、原料コストを抑えられる点において、Mg-Al型よりも優れている。
また、本発明に係る層状複水酸化物は、結晶子サイズが２０ｎｍ以下である方が良く、更に好ましくは１０ｎｍ以下である方が良い。また、平均結晶子サイズが１０ｎｍ以下であることが好ましい。
また、本発明に係る層状複水酸化物の比表面積は、特に限定されるものではないが、ＢＥＴ法による比表面積が２０ｍ２／ｇ以上のものとすることができ、好ましくは３０ｍ２／ｇ以上のものが良く、更に好ましくは５０ｍ２／ｇ以上のものが良く、更に好ましくは７０ｍ２／ｇ以上のものが良い。比表面積の上限は特に限定されない。なお、ＢＥＴ法による比表面積は、例えば、窒素吸脱着等温線を比表面積・細孔分布測定装置を用いて測定し、当該測定結果からＢＥＴ−ｐｌｏｔを作成して求めることができる。
また、本発明に係る層状複水酸化物は、層状複水酸化物の焼成物であってもよい。当該焼成物は、例えば、層状複水酸化物を約５００℃以上で焼成することにより得ることができる。
次に、本発明に係る層状複水酸化物の製造方法を説明する。
層状複水酸化物の製造は、２価の金属イオンと３価の金属イオンを含有する酸性溶液とアルカリ性溶液とを混合して行う。この際、前記混合の後、少なくとも１２０分以内、好ましくは６０分以内、更に好ましくは混合と同時に中和する方が良い。
例えば、構造式がMg2+ 1-xAl3+ x(OH)2(An-)x/n・mH2Oで表される層状複水酸化物は、以下のような方法で製造することができる。
まず、アルミニウムイオンとマグネシウムイオンを含む酸性溶液を調製する。
アルミニウムイオンのアルミニウム源としては、水中でアルミニウムイオンを生成するものであれば良く、特定の物質に限定されるものではない。例えば、アルミナ、アルミン酸ソーダ、水酸化アルミニウム、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、ボーキサイト、ボーキサイトからのアルミナ製造残渣、アルミスラッジ等を用いることができる。また、これらアルミニウム源は、いずれかを単独で用いても、２種類以上を組み合わせて用いても良い。
また、マグネシウムイオンのマグネシウム源としては、水中でマグネシウムイオンを生成する物であれば良く、特定の物質に限定されるものではない。例えば、ブルーサイト、水酸化マグネシウム、マグネサイト、マグネサイトの焼成物等を用いることができる。これらマグネシウム源は、いずれかを単独で用いても、２種類以上を組み合わせて用いても良い。
なお、前記アルミニウム源としてのアルミニウム化合物、マグネシウム源としてのマグネシウム化合物は、前記酸性溶液にアルミニウムイオン、マグネシウムイオンが存在していれば完全に溶解している必要はない。
また、Mg2+ 1-xAl3+ x(OH)2(An-)x/n・mH2Oで表わされる高結晶質の層状複水酸化物は、アルミニウムイオンとマグネシウムイオンのモル比が１：３（ｘ＝０．２５）となっていることが知られている。したがって、酸性溶液中のアルミニウムイオンとマグネシウムイオンのモル比は、１：５〜１：２の範囲とするのが好ましい。この範囲とすることによって、アルミニウム源とマグネシウム源を無駄にすることなく、物質収支的に有利に層状複水酸化物を製造することができる。
酸性溶液に含まれる酸としては、水溶液を酸性にするものであれば特に限定されないが、例えば、硝酸や塩酸を用いることができる。
次に、アルミニウムイオンとマグネシウムイオンを含んだ前記酸性溶液と、アルカリを含むアルカリ性溶液とを所定の割合で混合する。これにより、層状複水酸化物が生成する。混合は、酸性溶液をアルカリ性溶液へ一気に加えて混合するか、酸性溶液をアルカリ性溶液へ滴下して行うことができるが、これら以外の方法であっても良い。
ここで、アルカリ性溶液に含まれるアルカリとしては、水溶液をアルカリ性にするものであれば特に限定されないが、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム等を用いることができる。また、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸アンモニウム、アンモニア水、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸カリウムなどを用いることもできる。これらはいずれかを単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。アルカリ性溶液は、ｐＨを８〜１４に調製したものを用いることができ、ｐＨを８〜１１に調製したものを用いるのが好ましい。
なお、酸性溶液とアルカリ性溶液の混合が完了した後の熟成時間を短くするほど、結晶の成長を抑制することができ、結晶子サイズの小さい層状複水酸化物や比表面積の大きい層状複水酸化物を製造することができる。
熟成を止める方法としては、酸性溶液とアルカリ性溶液の混合が完了した後、当該混合液のｐＨを層状複水酸化物の結晶成長が止まる値まで下げる方法が挙げられる。例えば、一般式Mg2+ 1-xAl3+ x(OH)2(An-)x/n・mH2Oで表される層状複水酸化物の場合、ｐＨが９以下となるようにすれば良い。具体的には、酸性溶液とアルカリ性溶液との混合が完了した後１２０分以内、好ましくは６０分以内、更に好ましくは混合と同時に、水で希釈することで、熟成を止めることができる。また、水分を除去することによっても熟成を止めることができる。水分を除去するためには、吸引濾過、遠心分離など水分と層状複水酸化物とを分離するための適当な分離方法を用いれば良い。また、確実に熟成を行わせないためには、酸性溶液とアルカリ性溶液の混合が完了した後、速やかに層状複水酸化物を洗浄するのも良い。なお、合成過程で生成されるＮａＣｌ等の塩化物は含有させておいても構わない。
なお、上記説明では、酸性溶液側にアルミニウムイオンとマグネシウムイオンを含有させる場合について説明したが、これに限られるものではなく、酸性溶液側にアルミニウムイオンを含有させアルカリ性溶液側にマグネシウムイオンを含有させたり、酸性溶液側にマグネシウムイオンを含有させアルカリ性溶液側にアルミニウムイオンを含有させたり、あるいは、アルカリ性溶液側にアルミニウムイオンとマグネシウムイオンの両方を含有させたりすることも可能である。
また、構造式がMg2+ 1-xFe3+ x(OH)2(An-)x/n・mH2Oで表される層状複水酸化物は、以下のような方法で製造することができる。
まず、鉄イオンとマグネシウムイオンを含む酸性溶液を調製する。
鉄イオンの鉄源としては、水中で鉄イオンを生成するものであれば良く、特定の物質に限定されるものではない。例えば、塩化鉄等を用いることができる。また、これら鉄源は、いずれかを単独で用いても、２種類以上を組み合わせて用いても良い。
また、マグネシウムイオンのマグネシウム源としては、水中でマグネシウムイオンを生成する物であれば良く、特定の物質に限定されるものではない。例えば、ブルーサイト、水酸化マグネシウム、マグネサイト、マグネサイトの焼成物等を用いることができる。これらマグネシウム源は、いずれかを単独で用いても、２種類以上を組み合わせて用いても良い。
なお、前記鉄源としての鉄化合物、マグネシウム源としてのマグネシウム化合物は、前記酸性溶液に鉄イオン、マグネシウムイオンが存在していれば完全に溶解している必要はない。
また、Mg2+ 1-xFe3+ x(OH)2(An-)x/n・mH2Oで表わされる高結晶質の層状複水酸化物は、鉄イオンとマグネシウムイオンのモル比が１：３（ｘ＝０．２５）となっていることが知られている。したがって、酸性溶液中の鉄イオンとマグネシウムイオンのモル比は、１：５〜１：２の範囲とするのが好ましい。この範囲とすることによって、鉄源とマグネシウム源を無駄にすることなく、物質収支的に有利に層状複水酸化物を製造することができる。
酸性溶液に含まれる酸としては、水溶液を酸性にするものであれば特に限定されないが、例えば、硝酸や塩酸を用いることができる。
次に、鉄イオンとマグネシウムイオンを含んだ前記酸性溶液と、アルカリを含むアルカリ性溶液とを所定の割合で混合する。これにより、層状複水酸化物が生成する。混合は、酸性溶液をアルカリ性溶液へ一気に加えて混合するか、酸性溶液をアルカリ性溶液へ滴下して行うことができるが、これら以外の方法であっても良い。
ここで、アルカリ性溶液に含まれるアルカリとしては、水溶液をアルカリ性にするものであれば特に限定されないが、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム等を用いることができる。また、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸アンモニウム、アンモニア水、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸カリウムなどを用いることもできる。これらはいずれかを単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。アルカリ性溶液は、ｐＨを８〜１４に調製したものを用いることができ、ｐＨを８〜１１に調製したものを用いるのが好ましい。
なお、酸性溶液とアルカリ性溶液の混合が完了した後の熟成時間を短くするほど、結晶の成長を抑制することができ、結晶子サイズの小さい層状複水酸化物や比表面積の大きい層状複水酸化物を製造することができる。
熟成を止める方法としては、酸性溶液とアルカリ性溶液の混合が完了した後、当該混合液のｐＨを層状複水酸化物の結晶成長が止まる値まで下げる方法が挙げられる。例えば、一般式Mg2+ 1-xFe3+ x(OH)2(An-)x/n・mH2Oで表される層状複水酸化物の場合、ｐＨが９以下となるようにすれば良い。具体的には、酸性溶液とアルカリ性溶液との混合が完了した後１２０分以内、好ましくは６０分以内、更に好ましくは混合と同時に、水で希釈することで、熟成を止めることができる。また、水分を除去することによっても熟成を止めることができる。水分を除去するためには、吸引濾過、遠心分離など水分と層状複水酸化物とを分離するための適当な分離方法を用いれば良い。また、確実に熟成を行わせないためには、酸性溶液とアルカリ性溶液の混合が完了した後、速やかに層状複水酸化物を洗浄するのも良い。なお、合成過程で生成されるＮａＣｌ等の塩化物は含有させておいても構わない。
なお、上記説明では、酸性溶液側に鉄イオンとマグネシウムイオンを含有させる場合について説明したが、これに限られるものではなく、酸性溶液側に鉄イオンを含有させアルカリ性溶液側にマグネシウムイオンを含有させたり、酸性溶液側にマグネシウムイオンを含有させアルカリ性溶液側に鉄イオンを含有させたり、あるいは、アルカリ性溶液側に鉄イオンとマグネシウムイオンの両方を含有させたりすることも可能である。
上述のようにして水分を除去した直後の層状複水酸化物はゲル状である。本発明に用いられる層状複水酸化物は、当該ゲル状のものであっても良いし、これを乾燥させて粉末状や粒状にしたものであっても良い。なお、当該粒状にした層状複水酸化物粒状体は、形態が安定しており、ハンドリングが容易である点において、粉末状にしたものよりも優れている。
本発明に係る層状複水酸化物粒状体は、層状複水酸化物と水とを含む材料から含水率が７０％以下になるまで所定の圧力、例えば０．９ＭＰａ以上の圧力をかけて水分を除去した後、温度が９０℃以上１１０℃以下でかつ湿度が９０％以上となる条件下で乾燥して製造されたものであり、例えば以下のような方法で製造することができる。
まず、上述のように本発明に係る層状複水酸化物の製造方法により生成された水分を多量に含む層状複水酸化物に、フィルタプレス等の脱水装置を用いて所定の圧力、例えば０．９ＭＰａ以上の圧力をかけ、水分をできるだけ除去する。次に、層状複水酸化物の結晶水の脱水温度以下で乾燥させる。換言すると、層状複水酸化物の結晶外の水のみを乾燥させる。具体的には、所定の圧力をかけて、含水率が７０％以下、好ましくは６５％以下、更に好ましくは６０％以下にした層状複水酸化物を、最終生成物である層状複水酸化物の粒状体の含水率が１０％以上２０％以下、好ましくは１０％以上１５％以下、更に好ましくは、１１％以上１２％以下になるように乾燥させる。ここで、層状複水酸化物粒状体の含水率を１０％以上に保持する理由は、層状複水酸化物粒状体の含水率が１０％未満であると、溶液等に触れた際に層状複水酸化物粒状体が水分を吸収して体積が急激に膨張し、粒度を保持できなくなるためである。なお、含水率とは水分を含む層状複水酸化物全体の質量に対する水の質量である。層状複水酸化物が含んでいる水分の質量の測定は、日本工業規格「土の含水比試験方法」（ＪＩＳ Ａ １２０３：１９９９）に準拠して行った。
なお、乾燥させる温度は、層状複水酸化物の結晶水の脱水温度以下であればどのような温度でも良いが、層状複水酸化物粒状体の粒径を大きくするためには比較的低温で乾燥させる方が好ましい。ただし、あまり低すぎる温度で乾燥すると、層状複水酸化物粒状体が水に解け易くなる。したがって、具体的な乾燥温度は、２５℃以上１２５℃以下が良く、好ましくは９０℃以上１１０℃以下が良く、更に好ましくは９５℃以上１０５℃以下が良い。
また、この乾燥はどのように行っても良く、例えば、通常の乾燥炉等を用いれば良い。勿論、室温で自然乾燥にすることも可能である。また、乾燥時の湿度を高く調節する方が層状複水酸化物粒状体の形態安定性の点で良い。例えば、乾燥炉内の水蒸気の量を飽和水蒸気量付近（湿度が９０％〜１００％）となるように調節すれば良い。
また、このようにして乾燥した層状複水酸化物粒状体をふるいにかけ、析出した塩化物等を除去しても良い。
また、層状複水酸化物粒状体は、用途に応じて粒径を調製しても良い。この場合、粒径は、例えば、０．２４ｍｍ以上が良く、好ましくは０．３６ｍｍ以上が良く、更に好ましくは１ｍｍ以上２ｍｍ以下が良い。粒径の調製は、どのように行っても良いが、例えば、ハンマー等により破砕し、目的とする大きさの目をもったふるいにかけて行えば良い。
次に、本発明に係る層状複水酸化物成形体について説明する。
本発明に係る層状複水酸化物の成形体は、前記層状複水酸化物を成形したものである。当該成形体は、例えば、層状複水酸化物の粉末体や粒状体をバインダーや加圧等の所望の方法にて成形加工することにより、製造することができる。
次に、本発明の浄水装置について説明する。
本発明の浄水装置10は、汚染水９が含有する汚染物質を層状複水酸化物で除去する汚染物質除去部１と、汚染水９と固形物を分離する固液分離部２と、で主に構成される。
ここで、汚染物質としては、ヒ素、フッ素、ホウ素、セレン、六価クロム、亜硝酸イオン、その他の陰イオン系の有害物質が挙げられる他、カドミウムや鉛等の陽イオン系の有害物質も含まれる。なお、汚染水とは、これらの有害物質により汚染された水を意味する。
汚染物質除去部１は、層状複水酸化物20を用いて、汚染水９が含有する汚染物質の除去が行われる（汚染物質除去工程）。
層状複水酸化物20は、層状複水酸化物の粉末、層状複水酸化物成形体又は層状複水酸化物粒状体の中から、用途に応じて任意に選択して用いることができる。
汚染物質除去部１は、層状複水酸化物に吸着しない成分を除去可能な濾過材を有していても良い。これにより、少なくとも汚染物質除去工程の前又は後のいずれかにおいて、層状複水酸化物に吸着しない成分を除去する汚染物質除去補助工程を行えば、層状複水酸化物20に吸着しない成分の除去や、脱臭の効果が期待できる。当該濾過材としては、例えば、活性炭やアンスラサイト等を用いることができる。
また、本発明の浄水装置10は、汚染水９と固形物を分離する固液分離部２を具備する。この場合、汚染水９は、まず初めに固液分離部２に供給されて、汚染水９と固形物に分離され（固液分離工程）、その後、固液分離部２を通過した水が汚染物質除去部１の層状複水酸化物に供給される（汚染水供給工程）。そして、上述した汚染物質除去工程により、汚染水供給工程で供給された汚染水に含まれる汚染物質が層状複水酸化物によって除去される。
固液分離部２で分離する固形物は特に限定されないが、汚染物質除去部１や当該汚染物質除去部１に配置される層状複水酸化物の汚染物質吸着能を低下させる固形物を除去できる方が好ましい。例えば、井戸水は空気中に暴露され酸化することによって錆水となるが、当該錆水に含まれる鉄とヒ素の共沈物は、汚染物質除去部１の機能を低下させるため、汚染物質除去部１に供給する前に除去することが好ましい。
また、固液分離部２は、汚染水９から鉄、ヒ素、マンガンのいずれか１以上を析出させる触媒としての機能を有する濾過フィルタからなるものであるほうが好ましい。当該触媒機能により、前記層状複水酸化物の汚染物質吸着能を低下させる物質を固液分離部２において効果的に排除することができるため、汚染物質供給部１による汚染物質の除去を効率良く行うことができる。濾過フィルタとしては、セラミックフィルタ等の無機性フィルタや、ポリプロピレンフィルタ、紙フィルタ等が挙げられる。この場合、フィルタの構造としては、糸巻きフィルタや樹脂成型フィルタ等のデプスフィルタ（深層濾過型）や、プリーツフィルタやメンブレンフィルタ等のサーフェスフィルタ（表面濾過型）を用いることができる。
本発明の浄水装置10は、汚染水の種類に応じてその構成を変更すれば良い。例えば、錆水を浄水する場合は、汚染物質除去部１及び固液分離部２を具備する装置とすれば良い。これにより、固液分離部２でスラッジが除去された後に、汚染物質除去部１での汚染物質の除去がなされるため、優れた汚染物質の除去効果が得られる。一方で、錆等の固形物を含まない汚染水を浄水する場合は、汚染物質除去部１のみを有する装置とすれば良い。
以下に、本発明に係る層状複水酸化物粒状体およびその製造方法の実施例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、本実施例の層状複水酸化物粒状体は、上述した製法とほぼ同様に製造するため、その同様な部分についての重複する説明は省略する。
実施例１（結晶子サイズ）
製造方法等が異なる３種類の層状複水酸化物１〜３を準備し、Ｘ線回折測定を行って、シェラーの式により結晶子サイズを計算した。その結果を表１に示す。
製造方法等が異なる３種類の層状複水酸化物１〜３を準備し、Ｘ線回折測定を行って、シェラーの式により結晶子サイズを計算した。その結果を表１に示す。
なお、各層状複水酸化物１〜３の詳細は以下の通りである。
（１）層状複水酸化物１
和光純薬株式会社製の層状複水酸化物（販売元コード：３２４−８７４３５）を層状複水酸化物１とした。
（２）層状複水酸化物２
まず、塩化マグネシウム六水和物（和光純薬工業株式会社製）１６．９２ｇと塩化アルミニウム六水和物（和光純薬工業株式会社製）１０．０６ｇを２６．９８ｇの蒸留水に溶解させ、酸性溶液を調製する。また、水酸化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製）１０ｇを３０ｇの蒸留水に溶解させ、アルカリ性溶液を調製する。次いで、当該酸性溶液とアルカリ溶液を混合し、当該混合溶液に２８１．８５ｇの蒸留水を、時間をおかず速やかに添加して、ｐＨ７．５−８．５に調整した。続いて、当該溶液を濾過し、得られた濾過物を１２０℃で１０時間乾燥したものを層状複水酸化物２とした。
（３）層状複水酸化物３
まず、塩化マグネシウム六水和物（和光純薬工業株式会社製）１５．１０ｇと塩化鉄六水和物（和光純薬工業株式会社製）１０．０６ｇを２５．１６ｇの蒸留水に溶解させ、酸性溶液を調製する。また、水酸化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製）８．９ｇを１４．２８ｇの蒸留水に溶解させ、アルカリ性溶液を調製する。次いで、当該酸性溶液とアルカリ溶液を混合し、当該混合溶液に２５８．０ｇの蒸留水を、時間をおかず速やかに添加して、ｐＨ７．５−８．５に調整した。続いて、当該溶液を濾過し、得られた濾過物を１２０℃で１０時間乾燥したものを層状複水酸化物３とした。
（１）層状複水酸化物１
和光純薬株式会社製の層状複水酸化物（販売元コード：３２４−８７４３５）を層状複水酸化物１とした。
（２）層状複水酸化物２
まず、塩化マグネシウム六水和物（和光純薬工業株式会社製）１６．９２ｇと塩化アルミニウム六水和物（和光純薬工業株式会社製）１０．０６ｇを２６．９８ｇの蒸留水に溶解させ、酸性溶液を調製する。また、水酸化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製）１０ｇを３０ｇの蒸留水に溶解させ、アルカリ性溶液を調製する。次いで、当該酸性溶液とアルカリ溶液を混合し、当該混合溶液に２８１．８５ｇの蒸留水を、時間をおかず速やかに添加して、ｐＨ７．５−８．５に調整した。続いて、当該溶液を濾過し、得られた濾過物を１２０℃で１０時間乾燥したものを層状複水酸化物２とした。
（３）層状複水酸化物３
まず、塩化マグネシウム六水和物（和光純薬工業株式会社製）１５．１０ｇと塩化鉄六水和物（和光純薬工業株式会社製）１０．０６ｇを２５．１６ｇの蒸留水に溶解させ、酸性溶液を調製する。また、水酸化ナトリウム（和光純薬工業株式会社製）８．９ｇを１４．２８ｇの蒸留水に溶解させ、アルカリ性溶液を調製する。次いで、当該酸性溶液とアルカリ溶液を混合し、当該混合溶液に２５８．０ｇの蒸留水を、時間をおかず速やかに添加して、ｐＨ７．５−８．５に調整した。続いて、当該溶液を濾過し、得られた濾過物を１２０℃で１０時間乾燥したものを層状複水酸化物３とした。
実施例２（比表面積）
層状複水酸化物１〜３について、それぞれの比表面積を測定した。比表面積の測定は、各層状複水酸化物の粉体粒子表面に窒素ガスを液体窒素の温度（−１９６℃）で吸着させ、その量からＢＥＴ法によって計算した。その結果を表２に示す。
層状複水酸化物１〜３について、それぞれの比表面積を測定した。比表面積の測定は、各層状複水酸化物の粉体粒子表面に窒素ガスを液体窒素の温度（−１９６℃）で吸着させ、その量からＢＥＴ法によって計算した。その結果を表２に示す。
この結果より、本発明に係る層状複水酸化物は、従来市販されている物よりも比表面積が大きいことが確認された。
実施例３（吸着性能の評価）
本発明に係る層状複水酸化物の各種イオンに対する吸着特性を調べるために、等温吸着試験を実施した。試験は、恒温室内（設定温度：２０℃）、水温２０℃の条件で以下の方法により行った。
まず、対象イオン別に試薬を計量し、イオン交換水１Ｌに溶解させて、各イオン標準液を作製し、当該標準液を希釈して濃度調整した反応溶液を１００ｍＬ用意した。次に、各反応溶液に本発明に係る層状複水酸化物（上述した層状複水酸化物２または層状複水酸化物３）を１ｇ添加し、マグネチックスターラーで１時間撹拌した後、濾紙（５Ｂ）を用いて濾過を行った。各濾液（反応溶液）の濃度は、測定可能レンジに希釈した後にＩＣＰで測定した。
亜ヒ酸イオン（AsO(OH)2 -）に対する試験結果を表３及び表４に示す。表３は層状複水酸化物２（Mg-Al型）、表４は層状複水酸化物３（Mg-Fe型）の吸着試験結果である。また、これらのデータから得られた吸着等温線を図１に示す。
ヒ酸イオン（H2AsO4 -）に対する試験結果を表５及び表６に示す。表５は層状複水酸化物２（Mg-Al型）、表６は層状複水酸化物３（Mg-Fe型）の吸着試験結果である。また、これらのデータから得られた吸着等温線を図２に示す。
等温吸着試験結果により、本発明に係る層状複水酸化物は、各種のイオンに対して吸着特性を示し（図示せず）、亜ヒ酸イオン及びヒ酸イオンに対して顕著な吸着特性を示すことが確認された（図１及び図２参照）。また、本発明に係る層状複水酸化物は、結晶子サイズの大きい市販の層状複水酸化物よりも優れた吸着特性を示すことが確認された（図示せず）。さらに、本実施例３の試験条件においては、亜ヒ酸イオンに対して、Mg-Al型よりもMg-Fe型の吸着能力が高いことが確認された（図１参照）。
実施例４（吸着性能の比較）
層状複水酸化物２（Mg-Al型）と層状複水酸化物３（Mg-Fe型）とにおけるヒ素吸着能の違いを確認するため、初期濃度を一定にして等温吸着試験を実施した。実験は実施例３に記載の方法に準じて行い、層状複水酸化物の添加量は０．５ｇとした。
層状複水酸化物２（Mg-Al型）と層状複水酸化物３（Mg-Fe型）とにおけるヒ素吸着能の違いを確認するため、初期濃度を一定にして等温吸着試験を実施した。実験は実施例３に記載の方法に準じて行い、層状複水酸化物の添加量は０．５ｇとした。
亜ヒ酸イオン（AsO(OH)2 -）の吸着試験結果を表７、ヒ酸イオン（H2AsO4 -）の吸着試験結果を表８に示す。
これらの結果より、本発明に係る層状複水酸化物は、低濃度（ｐｐｂオーダー）の亜ヒ酸イオン及びヒ酸イオンに対しても顕著な吸着特性を示すことが確認された。また、この場合、Mg-Al型よりもMg-Fe型の層状複水酸化物のほうが高い吸着特性を示し、当該吸着能の差異は、亜ヒ酸イオンの吸着において特に顕著であることが確認された。
次に、本発明の浄水装置100の一例を図３および図４を用いて示す。ただし、本発明の浄水装置は、これに限定されるものではない。
浄水装置100は、汚染水から汚染物質を除去するためのものであって、汚染物質除去部１、固液分離部２、汚染物質除去部１と固液分離部２を連結する連通管３、汚染物質除去部１が内部に配置される下段容器10、固液分離部２が内部に配置される上段容器20、上段容器20と下段容器10とを連結する蓋部30、とで主に構成される。
汚染物質除去部１は、少なくとも層状複水酸化物で汚染水から汚染物質を除去するためのものである。層状複水酸化物の形状としては、用途に応じて、粉末状や粒状、成形体状等のいずれであっても良い。図３に示す汚染物質除去部１は、層状複水酸化物粒状体を内包する層状複水酸化物フィルタ部11の他、活性炭を内包する下部活性炭フィルタ部12及び上部活性炭フィルタ部13で構成されている。
下段容器10は、汚染物質除去部１を通過した水を貯留するためのものである。下段容器10には、図示しないが、貯留された水を外部に供給可能な開閉手段、例えばコック等を設けても良い。
また、汚染水によっては、鉄やマンガン等の析出物であるスラッジを含有することがある。当該スラッジが汚染物質除去部１内に溜まると汚染物質除去部における汚染物質の除去機能が低下するという問題がある。そこで、浄水装置100は、汚染水とスラッジ等の固形物、特に層状複水酸化物の汚染物質吸着能を低下させる固形物を分離する固液分離部２を有していても良い。また、固液分離部２は、鉄やマンガン等のスラッジの元となるイオンや、ヒ素等の汚染物質であるイオンを固体として析出させる触媒としての機能を有する濾過フィルタからなる方が好ましい。例えば、中空円柱状等に形成されるセラミックフィルタを用いることができる。
連通管３は、汚染物質除去部１と固液分離部２を連結するためのものである。連通管３は、例えば図４に示すように、汚染物質除去部１と連結される下部連通管31と、固液分離部２と連結される上部連通管32とからなり、下部連通管31と上部連通管32は連結可能に形成される。下部連通管31と上部連通管32の連結部39は、例えば一対の雄ねじおよび雌ねじで形成すれば良い。
上部連通管32は、先端側に複数の小孔32ａを有しており、当該先端側が固液分離部２の濾過フィルタの中心に差し込まれている。これにより、濾過フィルタを通過して濾過された水が小孔32ａを通して連通管３内に流れる。
層状複水酸化物フィルタ部11は、内部に層状複水酸化物を内包可能な容器状に形成され、当該容器の上面および下面の中心部にはＯリング等のシール部材を介して密閉した状態で下部連通管31を嵌挿可能な穴を有している。また、容器の上面および下面には、層状複水酸化物を通さず、水のみが通過可能な大きさの連通孔（図示せず）が形成される。連通孔としては、丸穴状でもスリット状でも構わない。なお、容器の上面および下面は、内部の層状複水酸化物を交換するために開閉可能な蓋として形成されていても良い。
また、上部活性炭フィルタ部13も層状複水酸化物フィルタ部11と同様に、内部に活性炭を内包可能な容器状に形成され、当該容器の上面および下面の中心部にはＯリング等のシール部材を介して密閉した状態で下部連通管31を嵌挿可能な穴を有している。また、容器の上面および下面には、活性炭を通さず、水のみが通過可能な大きさの連通孔13ａが形成される。連通孔13ａとしては、丸穴状でもスリット状でも構わない。なお、容器の上面および下面は、内部の活性炭を交換するために開閉可能な蓋として形成されていても良い。
また、下部活性炭フィルタ部12は、内部に活性炭を内包可能な容器状に形成され、当該容器の上面の中心部にはＯリング等のシール部材を介して密閉した状態で下部連通管31を嵌挿可能な穴を有している。また、容器の上面には、活性炭を通さず、水のみが通過可能な大きさの連通孔（図示せず）が形成される。連通孔としては、丸穴状でもスリット状でも構わない。なお、容器の上面には、当該連通孔を開閉可能な蓋を設けても良い。なお、容器の上面および下面は、内部の活性炭を交換するために開閉可能な蓋として形成されていても良い。
層状複水酸化物フィルタ部11の上端と上部活性炭フィルタ部13の下端、および層状複水酸化物フィルタ部11の下端と下部活性炭フィルタ部12の上端には、例えば一対の雄ねじおよび雌ねじ等からなる連結部が形成され、互いに連結可能に形成される。
次に、このように構成された浄水装置100の使用方法について説明する。
まず、上段容器20に汚染水を供給する。すると、汚染水は固液分離部２を通過する際に濾過され、スラッジ等の固形物が除去される。なお、固液分離部２に用いられるフィルタの種類によっては、この際、鉄やマンガン等のスラッジの元となるイオンや、ヒ素等の汚染物質であるイオンを固体として析出させ、これらも除去される。固形物が除去された汚染水は、上部連通管32の小孔32ａを介して連通管３に流れる。
連通管３に流れた汚染水は、その下端から活性炭フィルタ部12に流れる。活性炭フィルタ部12では、汚染水に含まれる鉄やマンガン、ヒ素等が除去される。活性炭フィルタ部12を通過した汚染水は、活性炭フィルタ部12の上面にある連通孔を通って層状複水酸化物フィルタ部11に流れる。
層状複水酸化物フィルタ部11では、汚染水に含まれるヒ素等の汚染物質が除去される。層状複水酸化物フィルタ部11を通過した水は、層状複水酸化物フィルタ部11の上面にある連通孔を通って活性炭フィルタ部13に流れる。
活性炭フィルタ部13では、水に含まれる鉄やマンガン、ヒ素等が除去される。活性炭フィルタ部13を通過した水は、活性炭フィルタ部13の上面にある連通孔13ａを通って下段容器10に貯留される。下段容器10に貯留された浄化された水は、コック等の開閉手段から取り出すか、あるいは、下段容器10の蓋部30を外して取り出せば良い。
なお、上記説明では、連通管３を汚染物質除去部１の下部活性炭フィルタ部12に接続し、下部活性炭フィルタ部12、層状複水酸化物フィルタ部11、上部活性炭フィルタ部13の順番に汚染水を流しているが、これに限られるものではなく、連通管３を汚染物質除去部１の上部活性炭フィルタ部13に接続し、上部活性炭フィルタ部12、層状複水酸化物フィルタ部11、下部活性炭フィルタ部12の順番に汚染水を流すことも可能である。
次に、本発明の浄水装置を用いて、バングラデシュ国の井戸水を浄水した結果を表９に示す。固液分離部２にはセラミックフィルタを用い、汚染物質除去部１には活性炭フィルタは用いず、層状複水酸化物２（Mg-Al型）の粒状体のみを用いた。
本発明の浄水装置を用いることにより、バングラデシュ国内の井戸水に含まれるヒ素、鉄およびマンガンの濃度を極低濃度にまで下げられることがわかった。この場合、ヒ素は汚染物質除去部において、鉄およびマンガンは固液分離部において、それぞれ効果的に除去されることが確認された。また、浄水後のヒ素、鉄およびマンガンの濃度は、バングラデシュ国が規定する飲料水中の各種濃度基準値を大幅に下回るものであり、ＷＨＯが規定する当該基準値をも下回るものであることが確認された。
１ 汚染物質除去部
２ 固液分離部
３ 連通管
10 下段容器
11 層状複水酸化物フィルタ部
12 活性炭フィルタ部
13 活性炭フィルタ部
13ａ 連通孔
20 上段容器
30 蓋部
31 下部連通管
32 上部連通管
32ａ 小孔
39 連結部
100 浄水装置
２ 固液分離部
３ 連通管
10 下段容器
11 層状複水酸化物フィルタ部
12 活性炭フィルタ部
13 活性炭フィルタ部
13ａ 連通孔
20 上段容器
30 蓋部
31 下部連通管
32 上部連通管
32ａ 小孔
39 連結部
100 浄水装置
Claims (24)
- 汚染水から汚染物質を除去するための浄水装置であって、
前記汚染水と固形物を分離する固液分離部と、
前記固液分離部で分離した汚染水が含有する汚染物質を層状複水酸化物で除去する汚染物質除去部と、
を具備することを特徴とする浄水装置。 - 前記固液分離部は、前記層状複水酸化物の汚染物質吸着能を低下させる固形物を分離するものであることを特徴とする請求項１記載の浄水装置。
- 前記固液分離部は、前記汚染水から鉄、ヒ素、マンガンのいずれか１以上を析出させる触媒としての機能を有する濾過フィルタからなることを特徴とする請求項１又は２記載の浄水装置。
- 前記固液分離部は、セラミックフィルタ又はポリプロピレンフィルタであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の浄水装置。
- 前記汚染物質はヒ素であり、前記汚染物質除去部はヒ素を除去するものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の浄水装置。
- 前記層状複水酸化物は、層状複水酸化物と水とを含む材料から含水率が７０％以下になるまで所定の圧力をかけて水分を除去した後、温度が９０℃以上１１０℃以下でかつ湿度が９０％以上となる条件下で乾燥して製造された粒状体であることを特徴とする請求項１０ないし５のいずれかに記載の浄水装置。
- 前記粒状体は、含水率が１０％以上であることを特徴とする請求項６記載の浄水装置。
- 前記粒状体は、粒径が０．２４ｍｍ以上であることを特徴とする請求項６又は７記載の浄水装置。
- 前記層状複水酸化物は、層状複水酸化物を成型した成形体であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の浄水装置。
- 前記層状複水酸化物は、一般式がM2+ 1-xM3+ x（OH）2（An-）x/n・mH2O（ここで、M2+はMg2+又はFe2+、M3+はAl3+又はFe3+、An-はｎ価の陰イオン、０＜ｘ＜１、ｍ＞０）で表されるものであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の浄水装置。
- 前記層状複水酸化物は、結晶子サイズが２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の浄水装置。
- 前記汚染物質除去部は、前記層状複水酸化物に吸着しない成分を除去可能な濾過材を有することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の浄水装置。
- 汚染水から汚染物質を除去するための浄水方法であって、
前記汚染水と固形物を分離する固液分離工程と、
前記固液分離工程で分離した汚染水を層状複水酸化物に供給する汚染水供給工程と、
前記汚染水供給工程で供給された汚染水が含有する汚染物質を前記層状複水酸化物で除去する汚染物質除去工程と、
を有することを特徴とする浄水方法。 - 前記固液分離工程は、前記層状複水酸化物の汚染物質吸着能を低下させる固形物を分離する工程であることを特徴とする請求項１３記載の浄水方法。
- 前記固液分離工程は、前記汚染水から鉄、ヒ素、マンガンのいずれか１以上を析出させる触媒としての機能を有する濾過フィルタを用いて行うことを特徴とする請求項１３又は１４記載の浄水方法。
- 前記固液分離工程は、セラミックフィルタ又はポリプロピレンフィルタを用いて行うことを特徴とする請求項１３ないし１５のいずれかに記載の浄水方法。
- 前記汚染物質はヒ素であり、前記汚染物質除去工程はヒ素を除去する工程であることを特徴とする請求項１３ないし１６のいずれかに記載の浄水方法。
- 前記層状複水酸化物は、層状複水酸化物と水とを含む材料から含水率が７０％以下になるまで所定の圧力をかけて水分を除去した後、温度が９０℃以上１１０℃以下でかつ湿度が９０％以上となる条件下で乾燥して製造された粒状体であることを特徴とする請求項１３ないし１７のいずれかに記載の浄水方法。
- 前記粒状体は、含水率が１０％以上であることを特徴とする請求項１８記載の浄水方法。
- 前記粒状体は、粒径が０．２４ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１８又は１９記載の浄水方法。
- 前記層状複水酸化物は、層状複水酸化物を成型した成形体であることを特徴とする請求項１３ないし１７のいずれかに記載の浄水方法。
- 前記層状複水酸化物は、一般式がM2+ 1-xM3+ x（OH）2（An-）x/n・mH2O（ここで、M2+はMg2+又はFe2+、M3+はAl3+又はFe3+、An-はｎ価の陰イオン、０＜ｘ＜１、ｍ＞０）で表されるものであることを特徴とする請求項１３ないし２１のいずれかに記載の浄水方法。
- 前記層状複水酸化物は、結晶子サイズが２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１３ないし２２のいずれかに記載の浄水方法。
- 少なくとも前記汚染物質除去工程の前又は後のいずれかにおいて、前記層状複水酸化物に吸着しない成分を除去する汚染物質除去補助工程を有することを特徴とする請求項１３ないし２３のいずれかに記載の浄水方法。
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