JP2000503295A - 処理水のｐＨ安定化のためおよび処理水中のアルミニウム制御のための、二酸化炭素により処理した活性炭 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 二酸化炭素による、または二酸化炭素次いで空気による湿った活性炭の処理は、減少した接触ｐＨを有する炭素を生じる。この活性炭は、約９．０未満の、典型的には約７．３と９．０の間の変性した接触ｐＨを特徴としている。水処理系におけるこの炭素の使用は、活性炭で普通起こる過度の流出水ｐＨの上昇を排除する。更に、水処理系におけるこの炭素の使用は、未処理炭素に比べたとき、水のアルミニウム濃度を減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】 処理水のｐＨ安定化のためおよび処理水中のアルミニウム制御のための、二酸 化炭素により処理した活性炭 関連出願の相互参照 本出願は、「処理水ｐＨの安定化のための二酸化炭素により処理した活性炭」 と題する、１９９６年２月６日出願の米国特許出願番号（連続番号０８／５９７ ，１１５）の一部係属出願である。 発明の分野 本発明は、水処理プロセスにおけるｐＨの安定化のためおよびアルミニウム濃 度の制御のために用いる活性炭の製造方法に関する。更に詳しくは、本発明は、 二酸化炭素を使うか、または二酸化炭素を使い次いで空気処理を行う、接触ｐＨ を減少させた表面変性の活性炭の製造、および処理水中のアルミニウム濃度に対 するこの処理の影響に関する。 発明の背景 都市のものであるか、産業上のものであるか、または治療上(remediation)の ものであるかを問わず、水処理事業において、標準炭素製品を連続使用すると、 流入水のｐＨに対応して流出水のｐＨが増大し、そしてしばしば流出水のｐＨは ９を越える。このｐＨの逸脱(excursion)は、まだ用いられていない再活性化し た炭素で起こり、原料には無関係である。たとえば、ｐＨの逸脱は、歴青炭、亜 歴青炭、泥炭、木材、ヤシから作った活性炭で確認されまたは関連づけられてき た。水処理におけるｐＨ安定化のため、接触ｐＨを低下させた炭素の使用は、こ れらの問題を克服する助けとして役立つようになってきた。たとえば、米国特許 第5,368,738号，第5,368,739号および第5,466,378号参照。 これらの新しい変性活性炭を用いた研究によると、炭素表面が、高温では酸素 または空気により、周囲温度では酸素または空気により、または次亜塩素酸塩、 硝酸、およびオゾンのような他の酸化剤により、酸化することが示された。この 酸化により、活性炭の表面は変化し、硫酸塩のような陰イオンに対する親和力ま たは吸着容量が減少する。これら陰イオンの吸着はｐＨ逸脱と関連づけられてき た。ｐＨ逸脱により生じる問題には、高ｐＨ水の循環による減少した処理量、ｐ Ｈ制御による透析系の操作の休止時間、ｐＨが高くて高純度水用の逆浸透系の要 求に合わない廃水、廃水排出における許容ｐＨ水準を越えたことに対する金銭的 罰金が含まれる。歴史的には、高ｐＨ水は、炭素の過剰な逆洗浄、または塩酸ま たは硫酸のような強酸または炭酸のような弱酸を使うことによる水の中和により 、軽減される。これらの方法は時間を浪費しかつ高価でもある。 ｐＨ逸脱について特定の特性が、米国特許第5,368,738号，第5,368,739号およ び第5,466,378号に記載されている。総括すると、これらの特許は、活性炭水処 理系から排出される流出水のｐＨ増加は、当然水中に発生する塩化物、硝酸塩、 硫酸塩のような陰イオンの存在により誘発されることを教えている。この技術は 、また、接触ｐＨが約８．５乃至９．０であることを特徴とする活性炭は、上記 のような陰イオンを含む水によりｐＨ逸脱を示すことを教示している。更に、炭 素の接触ｐＨが高くなればなるほど、逸脱の度合いは大きいものとなる。米国特 許第5,368,738号および第5,466,378号は、炭素の接触ｐＨは高温での酸化により 低下させることができることを教示している。米国特許第5,368,739号は、周囲 温度で、あるいはその付近の温度で酸化することにより、炭素の接触ｐＨを減少 させることができることを教示している。 また、炭素吸着器から排出される流出水中のアルミニウム濃度は、流入水濃度 よりも高いことが観察により認められてきた。アルミニウム濃度は、それだけで は、許容される指針を越える水準まで増加するかもしれない。このような状況で は、ｐＨ逸脱と同様に、水を循環させまたは廃水したりまたは活性炭を強酸で処 理するような改善技術は、時間を浪費し、かつまた高価ともなりうる。 従って、本発明の目的は、６．０と９．０の間の接触ｐＨを有する変性した活 性炭の製造方法を提供するにある。更に本発明の目的は、減少した炭素収量のよ うな、高温酸化に関連した方法に関する諸問題を排除し、そして周囲温度又は周 囲温度の近くでの酸化に関連した長い処理時間または高いガス体積を克服する、 変性活性炭の製造方法を提供するにある。本発明の更なる目的は、水処理系にお けるｐＨ逸脱の予防に使うために、高度に効率的で、かつ費用的に有効である、 変性活性炭の製造方法を提供するにある。最後に、本発明の目的は、水処理系に おけるアルミニウム濃度を制御するために、変性活性炭を使用することである。 発明の総括 本発明は、水処理系において特に有用な変性活性炭を製造するために、酸化用 の酸素の存在なしで、二酸化炭素を使用する方法を提供する。この方法は、湿っ た活性炭を二酸化炭素と接触させることからなる。二酸化炭素は、炭素表面と反 応し、通常は水処理中陰イオンを除去して水のｐＨを増加させる表面部位を中和 する。好ましくは、湿った活性炭を、周囲温度またはその近くで二酸化炭素と接 触させる。あるいは、そうする代わりに、湿った活性炭を、二酸化炭素と、次い で空気と接触させる。得られた変性炭素は、水処理系のｐＨ変動を最小にし、そ して水処理系のアルミニウム濃度変動を最小にするのに、著しく効果的である。 本発明の処理した活性炭は、減少した接触ｐＨを特徴としている。接触ｐＨは 、分析部分で後記するように、活性炭を硫酸ナトリウム溶液と３０分接触させた 後に測定する。特に、処理した活性炭は、約９．０未満の接触ｐＨを特徴として いる。次いで、活性炭は、水を精製するために吸着／濾過系で使用することがで きる。上記水処理系からの水のｐＨおよびアルミニウム濃度を、使用者に許容さ れる水準まで制御する。本発明の他の特徴は、添付図面に関連した本発明の現在 好ましい実施態様を熟読すれば明らかとなる。 図面の簡単な説明 図１は、未使用の炭素および本発明の炭素に対する、処理水の体積に関連して 起こるｐＨプロフィルをグラフで示す。図１の流出水のｐＨプロフィルは、商業 上入手できる活性炭についてのもの、本発明の方法により二酸化炭素で処理した 活性炭についてのもの、本発明の方法により二酸化炭素次いで空気により処理し た活性炭についてのものである。 図２は、本発明の炭素の性能は、流入水のｐＨに依存しないことをグラフで示 している。 現在好ましい実施態様実験 ： 内径１インチのパイレックスガラスカラムで、試験を実施した。二酸化炭素ま たは二酸化炭素／空気接触に使ったカラムは、１２インチ長さで、活性炭５０ｃ ｃまたは１００ｃｃを含んでいた。炭素を二酸化炭素と接触させる前に、ビーカ ー中で炭素を水道水に約１６時間浸けることにより湿らせた。次いで、湿った炭 素を12インチカラムに移し、水をカラムから切り、ガス流を始めた。校正したロ ータメーターおよびストップウオッチを使い、全ガス流を測定した。活性炭１０ ０ｃｃを使ったこれらの試験でのガス接触完了後、処理した炭素の半分を、接触 ｐＨのために試験した（カルゴン カーボン コーポレーション(Calgon Carbon Corporation)テスト方法(Test Method)TM-70)。他の半分を、流出水ｐＨプロフ ィルを測定するため、６インチ長さのカラムに移した。ｐＨプロフィル展開のた めに使ったカラムは、６インチ長さで、活性炭５０ｃｃを含んでいた。この６イ ンチカラムを通過した水は、ロビンソン タウンシップ 地方自治体当局(Robin son Township Municipal Authority)の水道水であった。流量は、５分の空床接 触時間について１０ｃｃ／分であった。カラム流出液のｐＨを、ライン内ｐＨ電 極を使い連続して監視した。活性炭５０ｃｃを使ったこれらの試験では、接触ｐ Ｈのみを測定した。 パイロット規模の研究では、テムズ水道事業(Thames Water Utilities)の遅い サンドウイッチ濾過パイロット器装置を使い、再活性化したフィルトラソーブ(F iltrasorb)400の１０メートルトンを試験した。炭素が再活性化炉を出たとき、 熱い炭素を水で急冷することにより、炭素を湿らせた。パイロット濾過器を出た 水から、分離した試料を採取した。分析 ： 二酸化炭素、または二酸化炭素次いで空気による処理前および処理後の活性炭 の接触ｐＨは、活性炭５０ｃｃを硫酸ナトリウム溶液１００ｃｃと３０分接触さ せることにより測定した。水中の硫酸塩濃度が８０ｍｇ／Ｌであるように、ミリ −キュウ プラス(Milli-Q Plus)水処理系（ミリポアー コーポレーシヨン ベ ッドフォールド、マサチューセッツ）(Millipore Corp．Bedford，MA)から得ら れた水およびフィッシャー認証(Fisher Certified)のACS等級硫酸ナトリウム（ フィッシャー サイエンティフィック コーポレーション、ピッツバーグ、ペン シルヴァニア）（Fisher Scientific Corp．Pittsburgh，PA）から、硫酸ナトリ ウム溶液を作った。この硫酸塩溶液を、炭素を含むビーカーに加え、磁気撹拌機 で３０分穏やかにかきまぜた。３０分の時間間隔の終わりに、撹拌を止め、溶液 のｐＨを測定した。活性炭 ： 幾つかの異なる型の活性炭を使い、本発明を例示する試験を実施した。これら の活性炭の型には、幾つかの異なるメッシュ寸法の新しい活性炭および再活性化 した活性炭の両者が含まれていた。選んだ炭素は、空気流および液流を処理する ために使われる炭素の典型的なものであった。評価した炭素には、ＢＰＬ ４× ６、Ｆ３００ ８×３０、Ｒｅａｃｔ ＡＷ ８×４０、Ｆ４００ １２×４０ 、およびＰＣＢ ２０×５０（カルゴン カーボン コーポレーション、ピッツ バーグ、ペンシルヴァニア、製造）（Calgon Carbon Corporation，Pittsburgh ，PA製造）が含まれていた。ヤシに基づく炭素であるＰＣＢ以外は、試験した製 品の全ては、歴青炭に基づく炭素であった。更に、ケミヴィロン カーボン(Che miviron Carbon)、ブラッセルベルギー、カルゴン カーボン コーポレーショ ン(Calgon Carbon Corporation)の子会社により稼働されたケンプトン パーク( Ke mpton Park)の設備で再活性化されたＦ４００を使い、パイロット装置の研究を 実施した。本発明による炭素処理 ： 先の実験部分に記載したように、内径１インチ、長さ１２インチのパイレック スガラスカラムで、炭素を二酸化炭素（ＣＯ₂）または二酸化炭素次いで空気で 処理した。ＣＯ₂による処理では、ＣＯ₂ガス体積は１カラム床体積（約１００ｃ ｃ）乃至２４０カラム床体積の範囲であった。カラム床体積は、活性炭の体積に 等しいガス体積と定義される。活性炭の体積は、活性炭の見掛け密度で割った活 性炭の重量である。二酸化炭素流量は、典型的には１００ｃｃ／分、すなわち毎 分１カラム床体積にセットされ、全処理時間は１分乃至４時間の範囲であった。 二酸化炭素、次いで空気による処理では、ＣＯ₂流量は１００ｃｃ／分にセット され、二酸化炭素による処理時間は５分にセットされた。この処理に次いで、１ ００ｃｃ／分（毎分１カラム床体積）の流量で空気を注入した。全空気処理時間 は、５分乃至６０分の範囲であった。 表１は、二酸化炭素による湿ったＦ４００活性炭の処理は、活性炭０．１リッ トルに対しガス０．１リットル（すなわち１カラム床体積）の少量で、炭素の接 触ｐＨを許容できる水準（約８．５乃至９．０未満）に減少することを示してい る。接触ｐＨのこの減少は、ロビンソン タウンシップの水道水を流入水として 使い図１に示されるように、未処理Ｆ４００炭素で起こるｐＨ逸脱を防ぐのに十 分である。表１のデータはまた、極く類似の炭素接触ｐＨ測定が得られるから、 ＣＯ₂による炭素の処理は、上昇流または下降流で実施することができることを 示している。 表１は、二酸化炭素による湿った活性炭の処理は、一般的に許容されると見な される水準まで、その炭素の接触ｐＨを減少させることを示している。水処理系 流出液の更なるｐＨの減少が望まれる状況では、ＣＯ₂処理に次いで、空気によ り処理を行い、水処理系流出液のｐＨを更に減少させることができる。酸素含有 ガスの効果を示すために、空気を使った。図１に示すように、二酸化炭素単独で 処理した炭素を先ず配置すると、初期の流出水のｐＨは約６．２であり、８．５ の最高流出液ｐＨを典型的には期待することができる。しかし、二酸化炭素に次 いで空気で処理すると、図１に示したように、最高流出液ｐＨは減少する。この 方法は、水のｐＨが中性に近いことが要求される系に利用することができる。表 ２は、また、先ず二酸化炭素で、ついで空気で処理した炭素の変性接触ｐＨは、 ｐＨ安定炭素として分類される領域、すなわち長い空気体積処理に対し、約８． ５乃至９．０以下に留まることを示している。 活性炭についての炭素接触ｐＨを減少させるための二酸化炭素による処理また は二酸化炭素および空気による処理は、多くの型の活性炭に応用することができ る。表３に示すように、二酸化炭素処理または二酸化炭素／空気処理は、種々の メッシュ寸法の炭素に応用することができる。また、この方法を、再活性化炭素 に応用でき、７．３の接触ｐＨが得られる。最後に、この方法は、ヤシに基づく 炭素（ＰＣＢ ２０×５０）に応用することができる。これは、酸化するとヤシ に基づく炭素についての９．７の接触ｐＨを与えることから、周囲温度酸化(米 国特許第5,368,739号)を教示する従来技術の改良である。 希釈二酸化炭素も、本発明で使用することができる。表４は、接触ガス中の二 酸化炭素のパーセントは重要ではないことを示している。むしろ、活性炭と接触 する二酸化炭素の体積が重要である。約９．０のまたはそれ以下の接触ｐＨをも つ活性炭を得るのに要求される二酸化炭素の体積は、処理ガス中の二酸化炭素の パーセントには関係なく、二酸化炭素１カラム床体積および２カラム床体積の間 であることを必要とする。従って、より低い二酸化炭素分圧をもつ他のプロセス からのオフガスを利用することができる。たとえば、本発明の炭素を製造するた めに、燃焼ガスまたは排煙を使い、湿った活性炭と接触させることができる。 活性炭の接触ｐＨを減少するための二酸化炭素処理または二酸化炭素および空 気処理は、また、処理水中のアルミニウム濃度を減少させる利点をもつ。表５は 、 二酸化炭素処理または二酸化炭素及び空気処理なしで、活性炭で処理した水は、 アルミニウム含量を１８μｇ／Ｌから１，８５２μｇ／Ｌまで増大することを示 している。これに対して、二酸化炭素または二酸化炭素および空気で処理した活 性炭を使い処理した水は、アルミニウム濃度を１８μｇ／Ｌから７μｇ／Ｌに減 少させた。この結果は、水中のアルミニウム制御にｐＨ法が有利なことを示して おり、炭素濾過器を通し変化を示さないヒ素およびアンチモンのような他のｐＨ に敏感な金属とは異なる。 本発明では、ガス対炭素比を体積対体積比で表現している。よく知られた変換 係数および式を使って、これらの値を変換し、そしてガス対炭素比を体積対質量 、質量対体積、または質量対質量の関係で表現することは、同じく適当である。 表１ 活性炭ｐＨに対する二酸化炭素体積の効果 ガス／炭素 全ガス体積 ガス流の方向 炭素 接触時間、分 リットル ｐＨ ０ ０ なし １０．６−１０．７ ２４０ ２４．０ 下降流 ７．８ ６０ ６．０ 下降流 ７．９ 1５ １．５ 下降流 ７．８ 上昇流 ７．６ １０ １．０ 下降流 ７．９ ５ ０．５ 下降流 ７．９−８．０ ３ ０．３ 下降流 ７．８ １ ０．１ 下降流 ８．５ 活性炭：Filtrasorb 400（Ｆ４００）１００ｃｃ， 二酸化炭素流量：０．１Ｌ／分。 表２ 活性炭ｐＨに対する二酸化炭素、次いで空気の効果 ガス 時間、 体積、 ガス流の方向 炭素 分 リットル 接触ｐＨ 空気 ５ ０．５ 下降流 ７．６−７．８ 空気 １５ １．５ 上昇流 ８．３ 空気 ６０ ６．０ 下降流 ８．５ 活性炭：Filtrasorb 400（Ｆ４００） １００ｃｃ， 二酸化炭素流量：すべての場合、０．１Ｌ／分で５分間。 表３ 活性炭粒度の効果 炭素 ガス 体積 炭素 リットル 接触ｐＨ ＢＰＬ ４×６ ＣＯ₂／空気 ０．５／０．５ ８．７ ＢＰＬ ４×６ ＣＯ₂ ０．５ ８．８ Ｆ３００ ８×３０ ＣＯ₂ ０．５ ７．７ Ｒｅａｃｔ ＡＷ ８×４０ ＣＯ₂ ０．３ ７．３ ０．５ ７．３ ＰＣＢ ２０×５０ ＣＯ₂ ０．５ ８．２ ガス流量： ０．１Ｌ／分。 表４ 活性炭ｐＨに対する希釈二酸化炭素の効果 二酸化炭素 全ガス体積 二酸化炭素体積 炭素 パーセント ｃｃ ｃｃ 接触ｐＨ １０ ５００ ５０ ９．２ １０ ６０００ ６００ ８．４ ２０ ２００ ４０ ９．６ ２０ ４００ ８０ ９．０ ２０ ８００ １６０ ８．４ ５０ １００ ５０ ９．５ ５０ ２００ １００ ８．７ ５０ ５００ ２５０ ８．３ 活性炭：Filtrasorb 400，５０ｃｃ， ガス流量：０．１Ｌ／分、 ガス組成：二酸化炭素および窒素。 表５ パイロット濾過器試験 アルミニウム濃度に対する二酸化炭素処理の効果 二酸化炭素処理 処理水 濾過器流出水中の カラム床体積 アルミニウム濃度、μｇ／Ｌ なし ７．５ １，８５２ １５．０ １，５００ ２２．５ １６４ ＣＯ₂ ２．７カラム床体積 ７．５ ７ １５．０ ７ ２２．５ ８ 活性炭：再活性化Ｆ４００，１メートルトン、 ガス流量：約１１００Ｌ／ｈｒ， 流入水分析：１８μｇ／Ｌ． 本発明の現在好ましい実施態様を特に説明してきたが、本発明は請求の範囲内 において他の態様で具体化できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ (72)発明者 ピンカー，ブレット，レスリー ベルギー，ビー―1030 ブリュッセル，リ ュ グンラル グラティ 28 (72)発明者 マトヴィヤ，トマス，エム. アメリカ合衆国，15205 ペンシルヴァニ ア，ピッツバーグ，ウエスト ポイント ドライヴ 100，アパートメント 225 (72)発明者 ワドハ，ネタール，ピー. アメリカ合衆国，25504 ウエスト ヴァ ージニア，バーボースヴィル，ドーハーテ ィ ドライヴ 245

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ａ．活性炭を水で湿らせて湿った活性炭を作る工程、および ｂ．該湿った活性炭を実質上二酸化炭素からなるガスと接触させる工程から なり、該湿った活性炭と接触する二酸化炭素の量が該二酸化炭素の約１カラ ム床体積より多いことを特徴とする約９．０以下の接触ｐＨを有する活性炭 の製造方法。 ２． 該湿った活性炭を二酸化炭素と接触させた後、空気と接触させる請求の範 囲１記載の方法。 ３． 請求の範囲１記載の方法で製造した、約９．０未満の接触ｐＨを有する変 性活性炭。 ４． 請求の範囲２記載の方法で製造した、約９．０未満の接触ｐＨを有する変 性活性炭。 ５． 水の処理に使用する、請求の範囲１記載の方法で製造した約９．０未満の 接触ｐＨを有する変性活性炭。 ６． 水の処理に使用する、請求の範囲２記載の方法で製造した約９．０未満の 接触ｐＨをもつ変性活性炭。 ７． 処理しようとする水を、請求の範囲１記載の方法で製造した約９．０未満 の接触ｐＨを有する変性活性炭と接触させることからなる、処理水中のｐＨ を制御し、そしてアルミニウム濃度を減少させるための水の処理方法。 ８． 処理しようとする水を、請求の範囲２記載の方法で製造した約９．０未満 の接触ｐＨをもつ変性活性炭と接触させることからなる、処理水中のｐＨを 制御し、そしてアルミニウム濃度を減少させるための水の処理方法。