TWI448435B - Drainage treatment method - Google Patents
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Description
本發明係有關於可並用熱能利用之工廠廢水，家庭排水，飲食店排水、其他各種排水之排水處理方法。
以往，已有利用電解之排水處理方法的提案(專利文獻1)。
該排水處理方法具有混合排水與含氧化劑水而將污染評價指標處理至大約0ppm之混合步驟，及電解處理水之至少一部份而生成殘留氯之電解步驟，且使生成前述殘留氯之處理水作為含氧化劑水而與排水混合。
該排水處理方法具有混合排水與含氧化劑水而將污染評價指標處理至大約0ppm之“混合步驟”，且使排水之污染成分與氧化劑遭遇、衝突、反應而氧化分解使得污染評價指標為大約0ppm，藉此可抑制在處理系統中累積污染成分，有所謂可使處理比以往更安定之優點。
雖說如此，但是仍產生無法更充分有效利用在電解時由液相揮發至氣相中之氣體的疑問。
【專利文獻1】特開2011-11167號公報
因此本發明之目的在於提供可更充分有效利用電解時產生之氣體的排水處理方法。
為了解決前述課題，在本發明採用以下之技術手段。
(1)本發明之排水處理方法的特徵在於：包含使氫氣與以電解機構電解時生成之氯氣反應，而生成氯化氫氣體的氯化氫氣體產生步驟；及使前述氯化氫氣體溶解於排水中之氯化氫氣體溶解步驟；並且將已溶解有氯化氫氣體之排水送至前述電解機構。
在此，電解機構可為有隔膜方式，亦可為無隔膜方式。前述氫氣可使用氫氣鋼瓶，以電解機構生成，或以氫氣鋼瓶補充在前述電解機構中之不足部份。
因為該排水處理方法具有使氫氣與以電解機構電解時生成之氯氣反應而生成氯化氫氣體的氯化氫氣體產生步驟，所以氫氣與氯氣反應生成氯化氫氣體。在此，因為氯化氫氣體生成時產生如下之大反應生成熱，所以可以該反應生成熱作為熱能來利用能量。
1/2Cl2
(氣體)+1/2H2
(氣體) → HCl(氣體)+92.3kJ/莫耳
又，因為具有使前述氯化氫氣體溶解於排水中之氯化氫氣體溶解步驟，所以氯化氫氣體可在排水中電解而在水中摻入氯離子及氫離子。
然後，因為將已溶解有氯化氫氣體之排水送至前述電解機構，所以藉由將含有氯離子之排水以電解機構電解，氯(Cl2
)會在陽極側生成。在此，前述氯(Cl2
)由排水中揮發而成為氯氣，
或與水反應而生成次氯酸(HOCl)。
Cl2
+H2
O → HCl+HOCl
藉該次氯酸，排水中之污染成分(有機成分等)會被氧化分解而淨化。又，排水會藉陽極接受直接氧化作用而被分解淨化。在此，一如上述氯與水之化學反應式，排水中之氯(Cl2
)與水反應而生成次氯酸(HOCl)及鹽酸(HCl)，且藉增加前述鹽酸，pH傾向於酸性側。因此，由於pH下降，而構成次氯酸(HOCl)變成氯(Cl2
)而容易由排水中揮發之環境。
(2)該排水處理方法在利用以有隔膜電解機構電解時在陽極側生成之氯氣方面與上述不同。
即，該排水處理方法包含使氫氣與以有隔膜電解機構電解時在陽極側生成之氯氣反應而生成氯化氫氣體的氯化氫氣體產生步驟，及使前述氯化氫氣體溶解於排水中之氯化氫氣體溶解步驟，並且將已溶解有氯化氫氣體之排水送至前述有隔膜電解機構。
在此，前述氫氣可使用氫氣鋼瓶，在有隔膜電解機構之陰極側生成，或以氫氣鋼瓶補充在前述有隔膜電解機構之陰極側之不足部份。
因為在該排水處理方法具有使氫氣與氯氣反應而生成氯化氫氣體的氯化氫氣體產生步驟，所以氫氣與氯氣反應生成氯化氫氣體，前述氯氣係在以有隔膜電解機構電解時在陽極側所生成者。在此，因為氯化氫氣體生成時產生如下之大反應生成熱，所以可以該反應生成熱作為熱能來利用能量。
1/2Cl2
(氣體)+1/2H2
(氣體) → HCl(氣體)+92.3kJ/莫耳
又，因為具有使前述氯化氫氣體溶解於排水中之氯化氫氣體溶解步驟，所以氯化氫氣體可在排水中電解而在水中摻入氯離子及氫離子。
然後，因為將已溶解有氯化氫氣體之排水送至前述有隔膜電解機構，所以藉由將含有氯離子之排水以有隔膜電解機構電解，氯(Cl2
)會在陽極側生成。在此，前述氯(Cl2
)由排水中揮發而成為氯氣，或與水反應而生成次氯酸(HOCl)。
Cl2
+H2
O → HCl+HOCl
藉該次氯酸，排水中之污染成分(有機成分等)會被氧化分解而淨化。又，排水會藉陽極接受直接氧化作用而被分解淨化。在此，如上述氯與水之化學反應式，排水中之氯(Cl2
)與水反應而生成次氯酸(HOCl)及鹽酸(HCl)，且藉增加前述鹽酸，pH傾向於酸性側。因此，由於pH下降，構成次氯酸(HOCl)變成氯(Cl2
)而容易由排水中揮發之環境。
(3)亦可具有能量產生機構，該能量產生機構係藉生石灰與水來使反應生成熱產生，且使藉前述生石灰與水之反應所生成之熟石灰升溫而分解成生石灰及水蒸氣，並且藉使再生之生石灰與新供給之水接觸來繼續產生反應生成熱，又，係將上述氯化氫氣體之反應生成熱作為用以再生前述生石灰之輔助能量來利用者。
當如此構成時，可將藉該排水處理方法所生成之熱能利用於補充能量產生機構之熱。在此，藉生石灰與水之反應，產生如下之反應生成熱。
CaO+H2
O → Ca(OH)2
+64 kJ/莫耳
然後，該能量產生機構具有如下之機能。
(A)因為該能量產生機構係藉生石灰與水來使反應生成熱產生，且使藉前述生石灰與水之反應生成之熟石灰升溫而分解成生石灰及水蒸氣，所以可以前述反應生成熱(作為熱源利用)或水蒸氣(作為動力利用)作為能量利用。
又，因為藉由使再生之生石灰與新供給之水接觸，來繼續使反應生成熱產生，所以藉將生石灰與水反應而化學變化成熟石灰時之反應生成熱利用於熟石灰之升溫、分解，可連續取得能量。
在此，雖然來自化石燃料之重油或氣體燃燒時變成二氧化碳等而原本之燃料消失，但是該能量產生機構可使化學構造在生石灰與熟石灰之間一邊變換一邊連續地反應。
(B)當由外部補給熱量之不足部份使得前述熟石灰升溫至分解溫度之580℃以上時，貯存生石灰、熟石灰而供給水且使水蒸氣產生之“反應槽”維持在熟石灰之分解溫度580℃以上之高溫，藉此生石灰與熟石灰可繼續成為渾然一體之反應。該反應槽亦可攪拌生石灰及熟石灰。
(C)利用前述熟石灰藉熱分解產生之水蒸氣作為能量，可藉由加壓在高溫下藉熱分解產生之水蒸氣而使渦輪旋轉來進行發電。因為熟石灰之分解溫度為580℃，所以可得到高溫之水蒸氣。
在此，除了藉前述熟石灰Ca(OH)2
分解產生之水蒸氣以外，可利用藉生石灰CaO與水H2
O之反應生成熱產生之放熱而使水蒸發產生之水蒸氣。
(D)利用將前述繼續產生之反應生成熱作為熱源，可由貯存該生石灰及熟石灰之“反應槽”周壁(例如透過液體等)取出熱。
(E)當供給排水作為前述水時，可在取出能量之同時進行排水之淨化處理。
即，排水藉與生石灰之放熱反應，一部份蒸發成為水蒸氣，且一部份與生石灰結合而化學變化成熟石灰。該熟石灰在高溫下藉與生石灰分離而成為水蒸氣。接著，排水中之污染成分，特別是有機成分會因暴露於高溫而熱分解且被淨化。
(4)亦可使氫氧化鈉混合在前述生石灰中。
當如此構成時，可與生石灰化學變化成熟石灰時之反應生成熱一起，利用氫氧化鈉之溶解熱作為熱能。即，由於氫氧化鈉晶格破壞且進一步鈉離子與羥離子水和而安定化，故產生以下之溶解熱。
NaOH(固體)+H2
O → Na+
+OH-
-+H2
O+44.5kJ/莫耳
(5)亦可使鐵混合在前述排水中。
當如此構成時，混合在排水中之鐵與溶存之氧、水會反應且放熱，使水溫上升，構成氯氣、氫氣容易揮發之環境。其化學反應式可考慮如下之內容。因為關於熱量數值本身有各種說法，所以在此係以熱記載在下述式中。
4Fe+3O2
→ 2Fe2
O3
+熱
4Fe+2H2
O+3O2
→ 4FeOOH+熱
Fe+3/2H2
O+3/4O2
→ Fe(OH)3
+熱
本發明係如上所述之構成，且具有以下效果。
因為可將氯化氫氣體生成時之反應生成熱作為熱能來利用能量，所以可提供可更充分有效利用電解時產生之氣體的排水處理方法。
以下，說明本發明之實施形態。
如第1圖之主要左側所示，該實施形態之排水處理方法包含：氯化氫氣體生成步驟，係使藉有隔膜電解機構1電解時在陰極側2生成之氫氣3與在陽極側4生成之氯氣5反應，來生成氯化氫氣體6；及氯化氫氣體溶解步驟，係使前述氯化氫氣體溶解在排水(高濃度廢液7)中。
然後，使溶解有氯化氫氣體6之排水送至前述有隔膜電解機構1。又，在將已溶解有該氯化氫氣體6之排水送回有隔膜電解機構1途中，分出廢棄物排放管D。
在前述有隔膜電解機之陰極側2與陽極側4之間，配置離子交換膜8作為隔膜。又，在氫氣3與氯氣5之反應槽9中，設有用以使相互之反應開始之熱源10。
前述氫氣3係在有隔膜電解機構1之陰極側2生成，但是可使用氫氣鋼瓶(未圖示)，或以氫氣鋼瓶補充在前述有隔膜電解機構1之陰極側2之不足部份。
接著，說明該實施形態之排水處理方法的使用狀態。
因為該排水處理方法具有使氫氣3與以有隔膜電解機構1
電解時在陽極側4生成之氯氣5反應而生成氯化氫氣體6的氯化氫氣體產生步驟，所以氫氣3與氯氣5反應生成氯化氫氣體6。
然後，因為氯化氫氣體6生成時產生如下式之大反應生成熱，所以可以該反應生成熱作為熱能來利用能量，且具有所謂可更充分有效利用電解時產生之氣體的優點(參照實施例2)。
1/2Cl2
(氣體)+1/2H2
(氣體) → HCl(氣體)+92.3kJ/莫耳
又，具有使前述氯化氫氣體6溶解於排水中之氯化氫氣體溶解步驟，可在排水中電解氯化氫氣體6而在水中摻入氯離子及氫離子。
然後，將已溶解有氯化氫氣體6之排水送至前述有隔膜電解機構1，且藉由以有隔膜電解機構1電解含有氯離子之排水會在陽極側4生成氯(Cl2
)。
在此，前述氯(Cl2
)由排水中揮發而成為氯氣5，或與水反應而生成次氯酸(HOCl)。
Cl2
+H2
O → HCl+HOCl
藉該次氯酸，排水中之污染成分(有機成分等)會被氧化分解而淨化。又，排水會藉陽極接受直接氧化作用而被分解淨化。
此外，如上述氯與水之化學反應式，排水中之氯(Cl2
)與水反應而生成次氯酸(HOCl)及鹽酸(HCl)，且藉增加前述鹽酸，pH傾向於酸性側。因此，由於pH下降，成為次氯酸(HOCl)變成氯(Cl2
)而容易由排水中揮發之環境。
如第1圖之主要右側所示，具有能量產生機構13，該能量產生機構13係藉生石灰11與水(自來水W)產生反應生成熱，且
使藉前述生石灰11與水之反應生成之熟石灰12升溫而分解成生石灰11及水蒸氣，並且藉使再生之生石灰11與新供給之水接觸來繼續產生反應生成熱。槽內係藉由馬達M攪拌。
能量產生機構13係藉生石灰11與水之反應，產生如下之反應生成熱。
CaO+H2
O → Ca(OH)2
+64 kJ/莫耳
然後，利用實施形態1之氯化氫氣體6之反應生成熱作為用以由前述熟石灰12再生成生石灰11之補助熱能。在此，使用清淨之自來水作為水，且不產生如利用排水時之污染的累積。在生石灰11、水及熟石灰12之反應區域中，連接廢棄物排放管D。
該能量產生機構13係利用以實施形態1之排水處理方法生成之氯化氫氣體6之熱能(反應生成熱)來補充用以使熟石灰12再生成生石灰11之熱能。此外，藉由供給水，生石灰11與熟石灰12成為渾然一體，且生石灰11成為熟石灰12之放熱反應及熟石灰12再生成生石灰11之反應繼續。
另外，能量產生機構13係藉由加壓供給之水蒸發之水蒸氣或藉熱分解前述熟石灰12(分解溫度580℃)產生之水蒸氣而藉蒸氣發電機14使渦輪旋轉來進行發電。因此，藉該能量產生機構13得到電。
又，使氫氧化鈉15混合在前述生石灰111中。氫氧化鈉15首先因水而晶格破壞(吸熱)，接著鈉離子與羥離子會水和而安定化(放熱)，且因吸熱與放熱之差產生如下之溶解熱而放熱。
NaOH(固體)+H2
O → Na+
+OH-
+H2
O+44.5kJ/莫耳
因此，可與生石灰11化學變化成熟石灰12時之反應生成熱
一起，利用氫氧化鈉15之溶解熱作為熱能(蒸氣發電)。
如第1圖所示，本實施例係使鐵(未圖示)混合在前述排水中。因此，混合在排水中之鐵與溶解之氧、水反應且放熱，使水溫上升，成為氯氣5、氫氣3容易揮發之環境。
該化學反應式可考慮如下之態樣。因為關於熱量數值本身有各種說法，所以在此係以熱記載在下述式中。
4Fe+3O2
→ 2Fe2
O3
+熱
4Fe+2H2
O+3O2
→ 4FeOOH+熱
Fe+3/2H2
O+3/4O2
→ Fe(OH)3
+熱
本實施形態係電解機構1不是如上述實施形態之有隔膜方式而是無隔膜方式。
如第2圖所示，本實施形態之排水處理方法包含：使以無隔膜電解機構1電解時由圓筒狀陰極電極16生成之氫氣3、與由圓柱狀陽極電極17生成之氯氣5反應，來生成氯化氫氣體6之氯化氫氣體生成步驟(氯化氫氣體生成區域Z1)；及使前述氯化氫氣體6溶解在排水7中之氯化氫氣體溶解步驟(氯化氫氣體溶解區域Z2)。
然後，將已溶解有氯化氫氣體6之排水7循環至前述無隔膜電解機構1。無隔膜電解機構1本身亦以泵P引出內部之水而循環。因此，排水7會被淨化。
無隔膜電解機構1係在圓筒狀陰極電極16之內側配置圓柱狀陽極電極17。此外，向電解機構1上方揮發之氫氣3(對空氣之
比重0.07)係藉上側之配管收集，且氯氣5(對空氣之比重2.49)藉下側之配管依比重分開而分別捕集。接著，使該等氣體合流，且在反應槽9藉電熱源10使其開始互相結合反應而使其變化成氯化氫氣體6。
藉氫氣3與氯氣5之反應生成熱放熱之氯化氫氣體6被傳導至下方冷卻水區域Z3，且加熱該冷卻水18(自來水)而產生蒸氣19。此外，將該蒸氣19作為能量利用(例如發電)。
然後，使氯化氫氣體6溶解於排水7中。且再送至無隔膜電解機構1中電解。
前述氫氣3係在無隔膜電解機構1之陰極電極16生成，但是可使用氫鋼瓶(未圖示)，或以氫氣鋼瓶補充在前述無隔膜電解機構1之陰極電極16之不足部份。
接著，說明該排水處理方法的使用狀態。
因為該排水處理方法具有使氫氣3與以電解機構1電解時之氯氣5反應而生成氯化氫氣體6的氯化氫氣體產生步驟(氯化氫氣體生成區域Z1)，所以氫氣3與氯氣5反應而生成氯化氫氣體6。在此，因為氯化氫氣體6生成時產生如下式之大反應生成熱，所以可以該反應生成熱作為熱能來利用能量。
1/2Cl2
(氣體)+1/2H2
(氣體)→HCl(氣體)+92.3kJ/莫耳
又，因為具有使前述氯化氫氣體6溶解於排水中之氯化氫氣體溶解步驟(氯化氫氣體溶解區域Z2)，所以可在水中摻入在排水7中氯化氫氣體6電解後之氯離子及氫離子。
然後，因為使溶解有氯化氫氣體6之排水7送至前述電解機構1，所以藉由以電解機構1將含有氯離子之排水7電解，氯(Cl2
)
會在陽極側4生成。在此，前述氯(Cl2
)由排水7中揮發而成為氯氣3，或與水反應而生成次氯酸(HOCl)。
Cl2
+H2
O→HCl+HOCl
藉該次氯酸，排水7中之污染成分(有機成分等)會被氧化分解而淨化。又，排水會藉陽極電極17接受直接氧化作用而被分解淨化。在此，如上述氯與水之化學反應式，排水中之氯(Cl2
)與水反應而生成次氯酸(HOCl)及鹽酸(HCl)，且藉增加前述鹽酸，pH傾向於酸性側。因此，由於pH下降，成為次氯酸(HOCl)變成氯(Cl2
)而容易由排水中揮發之環境。
在該電解機構，電解機構1可為有隔膜方式，亦可為無隔膜方式。
如第3圖所示，本實施形態之排水處理方法包含：使以無隔膜電解機構1電解時由圓筒狀陰極電極16生成之氫氣3、與由圓柱狀陽極電極17生成之氯氣5反應而生成氯化氫氣體(未圖示)之氯化氫氣體生成步驟(獨立之另一步驟)；及使前述氯化氫氣體溶解在排水7中之氯化氫氣體溶解步驟(獨立之另一步驟)。無隔膜電解機構1係以泵P引出內部之水而循環。
無隔膜電解機構1係在圓筒狀陰極電極16之內側配置圓柱狀陽極電極17。此外，向電解機構1上方揮發之氫氣3(對空氣之比重0.07)係藉上側之配管收集，且氯氣5(對空氣之比重2.49)藉下側之配管依比重分開而分別捕集。
然後，氯氣5吹入含有氫氧化鈉(NaOH)之排水7而生成次氯酸(HOCl)。然後，在使氯氣生成時，使氯氣由該排水7揮發。
另一方面，氫氣3係藉泵P暫時積存在氫氣貯存區域Z4，且在使氯化氫氣體生成時，係由該貯存區域Z4供給氫氣。
接著，必要時使該等氣體合流，且使其開始互相結合反應，並使其變化成氯化氫氣體(未圖示)。藉氫氣3與氯氣5之反應生成熱放熱之氯化氫氣體，加熱水而產生蒸氣，將該蒸氣作為能量利用(例如發電)。
然後，使氯化氫氣體溶解於排水7中。且再送至無隔膜電解機構1中電解。
接著，說明該排水處理方法的使用狀態。
因為該排水處理方法具有使氫氣3與以電解機構1電解時之氯氣5反應而生成氯化氫氣體的氯化氫氣體產生步驟(獨立之另一步驟)，所以氫氣3與氯氣5反應生成氯化氫氣體。此外，因為氯化氫氣體生成時產生如下式之大反應生成熱，所以可以該反應生成熱作為熱能來利用能量。
1/2Cl2
(氣體)+1/2H2
(氣體)→HCl(氣體)+92.3kJ/莫耳
又，因為具有使前述氯化氫氣體溶解於排水中之氯化氫氣體溶解步驟(獨立之另一步驟)，所以可在水中摻入在排水7中氯化氫氣體電解後之氯離子及氫離子。
進一步，因為將已溶解有氯化氫氣體6之排水7送至前述電解機構1，所以藉由以電解機構1將含有氯離子之排水7電解，氯(Cl2
)會在陽極側生成。在此，前述氯(Cl2
)由排水7中揮發而成為氯氣3，或與水反應而生成次氯酸(HOCl)。
Cl2
+H2
O→HCl+HOCl
藉該次氯酸，排水7中之污染成分(有機成分等)會被氧化分
解而淨化。又，排水會藉陽極電極17接受直接氧化作用而被分解淨化。在此，如上述氯與水之化學反應式，排水中之氯(Cl2
)與水反應而生成次氯酸(HOCl)及鹽酸(HCl)，且藉增加前述鹽酸，pH傾向於酸性側。因此，由於pH下降，成為次氯酸(HOCl)變成氯(Cl2
)而容易由排水中揮發之環境。
由於可更充分有效利用電解時產生之氣體，所以可適用於各種排水處理方法之用途。
1‧‧‧電解機構；有隔膜電解機構；無隔膜電解機構
2‧‧‧陰極側
3‧‧‧氫氣
4‧‧‧陽極側
5‧‧‧氯氣
6‧‧‧氯化氫氣體
7‧‧‧高濃度廢液；排水
8‧‧‧離子交換膜
9‧‧‧反應槽
10‧‧‧熱源
11‧‧‧生石灰
12‧‧‧熟石灰
13‧‧‧能量產生機構
14‧‧‧蒸氣發電機
15‧‧‧氫氧化鈉
16‧‧‧陰極電極
17‧‧‧陽極電極
18‧‧‧冷卻水(自來水)
19‧‧‧蒸氣
D‧‧‧廢棄物排放管
M‧‧‧馬達
P‧‧‧泵
W‧‧‧自來水
Z1‧‧‧氯化氫氣體生成區域
Z2‧‧‧氯化氫氣體溶解區域
Z3‧‧‧冷卻水區域
Z4‧‧‧貯存區域
第1圖是本發明之排水處理方法之實施形態1~3的說明圖。
第2圖是本發明之排水處理方法之實施形態4的說明圖。
第3圖是本發明之排水處理方法之實施形態5的說明圖。
1‧‧‧電解機構
2‧‧‧陰極側
3‧‧‧氫氣
4‧‧‧陽極側
5‧‧‧氯氣
6‧‧‧氯化氫氣體
7‧‧‧高濃度廢液；排水
8‧‧‧離子交換膜
9‧‧‧反應槽
10‧‧‧熱源
11‧‧‧生石灰
12‧‧‧熟石灰
13‧‧‧能量產生機構
14‧‧‧蒸氣發電機
15‧‧‧氫氧化鈉
D‧‧‧廢棄物排放管
M‧‧‧馬達
P‧‧‧泵
W‧‧‧自來水
Claims (7)
- 一種排水處理方法，其特徵在於：包含使氫氣與以電解機構電解時生成之氯氣反應，而生成氯化氫氣體的氯化氫氣體產生步驟；及使前述氯化氫氣體溶解於排水中之氯化氫氣體溶解步驟；並且將已溶解有氯化氫氣體之排水送至前述電解機構。
- 一種排水處理方法，其特徵在於：使氫氣與以有隔膜電解機構電解時在陽極側生成之氯氣反應，而生成氯化氫氣體的氯化氫氣體產生步驟；及使前述氯化氫氣體溶解於排水中之氯化氫氣體溶解步驟；並且將已溶解有氯化氫氣體之排水送至前述有隔膜電解機構。
- 如申請專利範圍第1項之排水處理方法，其具有能量產生機構，該能量產生機構係：藉生石灰與水產生反應生成熱，且使藉前述生石灰與水之反應所生成之熟石灰升溫而分解成生石灰及水蒸氣，並且藉使再生之生石灰與新供給之水接觸來繼續使反應生成熱產生者；又，係將上述氯化氫氣體之反應生成熱作為用以再生前述生石灰之輔助能量來利用者。
- 如申請專利範圍第2項之排水處理方法，其具有能量產生機構，該能量產生機構係：藉生石灰與水產生反應生成熱，且使藉前述生石灰與水之反應所生成之熟石灰升溫而分解成生石灰及水蒸氣，並且藉使再生之生石灰與新供給之水接觸來繼續使反應生成熱產生者；又，係將上述氯化氫氣體之反應生成熱作為用以再生前述生石 灰之輔助能量來利用者。
- 如申請專利範圍第3項之排水處理方法，其係使氫氧化鈉混合在前述生石灰中。
- 如申請專利範圍第4項之排水處理方法，其係使氫氧化鈉混合在前述生石灰中。
- 如申請專利範圍第1至6項中任一項之排水處理方法，其係使鐵混合在前述排水中。
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