JP2017104792A

JP2017104792A - 排水処理装置

Info

Publication number: JP2017104792A
Application number: JP2015239541A
Authority: JP
Inventors: 昌弘浅野; Masahiro Asano
Original assignee: Ryukoku University
Current assignee: Ryukoku University
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2017-06-15

Abstract

【課題】簡素な構成でありながら、排水中の有機化合物、特に水溶性有機フッ素化合物を高速で分解処理できる排水処理装置を提供する。
【解決手段】この排水処理装置１は、排水Ｓ中の有機化合物を分解処理するものであって、排水Ｓが流入する排水流入口２ａと処理された排水Ｓが流出する排水流出口２ａ’を有する処理容器２と、処理容器２の内部で先端が互いに向き合うよう処理容器２の側面に取り付けられる２個の電極３Ａ、３Ｂと、２個の電極３Ａ、３Ｂに高周波数の高電圧パルスを印加し２個の電極３Ａ、３Ｂの先端の間にプラズマを発生させる高電圧パルス印加器４と、処理容器２の内部であって２個の電極３Ａ、３Ｂの排水流入口２ａ側及び排水流出口２ａ’側の両方に配置され、前記プラズマからの光により光触媒反応を起こす光触媒物質を担持する多孔質体５、５’と、を備えてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機化合物を含有する排水を処理する排水処理装置、特にＰＦＯＳなどの水溶性有機フッ素化合物を含有する排水の処理に好適な排水処理装置に関する。

パーフルオロオクタンスルホン酸（ＰＦＯＳ）などの水溶性有機フッ素化合物は、界面活性剤など様々な用途に用いられてきたが、これを含有する排水を処理する場合、化学的安定性が高いため分解処理が難しく、生物分解は言うまでもなく、種々の生物難分解性の処理に適用されているオゾン処理でも分解が難しい。そのため、従来の水溶性有機フッ素化合物の除去方法としては、一般に、活性炭処理や膜処理による分離での一定の除去が図られていた。

近年、プラズマによる水溶性有機フッ素化合物の分解処理が報告されている。例えば、特許文献１には、液体中に気泡を供給しその気泡内にプラズマを発生させて、水溶性有機フッ素化合物の一つであるパーフルオロオクタン酸（ＰＦＯＡ）を分解処理する排水処理装置が開示されている。

特開２０１１−５６４５１公報

しかしながら、特許文献１に開示されている排水処理装置にあっては、水溶性有機フッ素化合物を高速で分解処理するためには、酸素ガスの気泡を連続して供給する必要があり、そのために、排水処理装置が大規模なものとなる。

本発明は係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡素な構成でありながら、排水中の有機化合物、特に水溶性有機フッ素化合物を高速で分解処理できる排水処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の排水処理装置は、排水中の有機化合物を分解処理する排水処理装置であって、前記排水が流入する排水流入口と前記排水中の前記有機化合物を分解処理した後の前記排水が流出する排水流出口を有する処理容器と、該処理容器の内部で先端が互いに向き合うよう該処理容器の側面に取り付けられる２個の電極と、該２個の電極の間に高周波数の高電圧パルスを印加し該２個の電極の前記先端の間にプラズマを発生させる高電圧パルス印加器と、前記処理容器の内部であって前記２個の電極の前記排水流入口側及び前記排水流出口側の両方又は一方に配置され、前記プラズマからの光により光触媒反応を起こす光触媒物質を担持する多孔質体と、を備えてなることを特徴とする。

請求項２に記載の排水処理装置は、請求項１に記載の排水処理装置において、前記有機化合物は、水溶性有機フッ素化合物であることを特徴とする。

請求項３に記載の排水処理装置は、請求項２に記載の排水処理装置において、前記水溶性有機フッ素化合物は、ＰＦＯＳであることを特徴とする。

請求項４に記載の排水処理装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の排水処理装置において、前記多孔質体は、セラミックスの多孔質体であることを特徴とする。

本発明の排水処理装置によれば、簡素な構成でありながら、排水中の有機化合物、特に水溶性有機フッ素化合物を高速で分解処理できる。

本発明の実施形態に係る排水処理装置の概略図である。同上の排水処理装置においてプラズマが発生したときの様子を示す概略図である。同上の排水処理装置の実験で使用した実験装置の模式図である。同上の排水処理装置の実験結果を示す特性グラフである。同上の排水処理装置のもう１つの実験結果を示す特性グラフである。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。本発明の実施形態に係る排水処理装置１は、有機化合物、特に難分解性の有機化合物として広く知られているＰＦＯＳなどの水溶性有機フッ素化合物を含有する排水Ｓの処理が可能なものである。この排水処理装置１は、図１に示すように、処理容器２と、２個の電極３Ａ、３Ｂと、高電圧パルス印加器４と、多孔質体５、５’と、を備えてなる。

処理容器２は、排水Ｓが流入する排水流入口２ａと、排水Ｓ中の有機化合物を分解処理した後の排水Ｓが流出する排水流出口２ａ’を有する。処理容器２は、円筒状の処理容器本体２１と、処理容器本体２１の一方側に取り付けられ排水流入口２ａが設けられるキャップ体２２と、処理容器本体２１の他方側に取り付けられ排水流出口２ａ’が設けられるキャップ体２２’と、で構成したものとすることができる。処理容器本体２１は、例えば、耐熱ガラス製、キャップ体２２とキャップ体２２’は、例えば、プラスチック製とすることができる。また、排水流入口２ａにはチューブ６Ａを接続してそれから排水Ｓを流入させ、排水流出口２ａ’にはチューブ６Ａ’を接続してそれに排水Ｓを流出させることができる。なお、図１において符号２３、２３’で示すものは、処理容器本体２１にキャップ体２２、２２’を固定する固定用部材である。

処理容器２は、処理容器本体２１の一方側端部近傍に、大きな固形物が流入しないようにそれを阻止するフィルター６Ｂを配置し、他方側端部近傍に、多孔質体５、５’などが万一削れたりしたときにそれが流出しないように阻止するフィルター６Ｂ’を配置することができる。

２個の電極３Ａ、３Ｂは、処理容器２（より詳細には、処理容器本体２１）の内部で先端が互いに向き合うよう処理容器２の側面に取り付けられる。２個の電極３Ａ、３Ｂは、細い線材であり、例えば、タングステン製である。詳細には、２個の電極３Ａ、３Ｂはそれぞれ、電極固定材６ＣＡ、６ＣＢに形成された貫通孔に挿通した状態でそれに固定され、電極固定材６ＣＡ、６ＣＢは、互いに向き合うよう処理容器２の側面に取り付けられる。２個の電極３Ａ、３Ｂの先端は、その間にプラズマが発生可能なように所定の距離だけ離れている。

高電圧パルス印加器４は、２個の電極３Ａ、３Ｂの間に高周波数の高電圧パルスを印加し２個の電極３Ａ、３Ｂの先端の間にプラズマを発生させるものである。高電圧パルスは、例えば、周波数が２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ、電圧が２００Ｖ〜２５０Ｖのパルスである。

多孔質体５、５’は、処理容器２の内部であって２個の電極３Ａ、３Ｂの一方側、すなわち排水流入口２ａ側、及び他方側、すなわち排水流出口２ａ’側に配置される。多孔質体５、５’は、２個の電極３Ａ、３Ｂの先端の間に発生するプラズマからの光により光触媒反応を起こす光触媒物質を担持している。光触媒反応は、光（特に、紫外線）を光触媒物質に照射することによって、その表面において発生する強い酸化力を有する正孔を利用する反応である。また、多孔質体５、５’は、通常、セラミックスの多孔質体である。光触媒物質は、二酸化チタンとすることができる。

このような構成の排水処理装置１は、２個の電極３Ａ、３Ｂの間に高周波数の高電圧パルスが高電圧パルス印加器４により印加されると、２個の電極３Ａ、３Ｂの先端の間に電流が流れ、ジュール熱により２個の電極３Ａ、３Ｂの先端の間は局所的に高温になる。そうすると、２個の電極３Ａ、３Ｂの先端の間に気泡が発生し、その気泡内に、図２に示すように、プラズマ（図２において符号Ｐで示す。）が発生する。排水Ｓに含有される有機化合物は、プラズマによって起こる反応で分解される。プラズマによって起こる分解反応は、プラズマ粒子による酸化分解反応、プラズマ発生に伴う温度上昇による熱分解反応、プラズマ粒子と排水Ｓとの接触により生成されるＯＨラジカルなどの各種ラジカルによる酸化分解反応、である。

２個の電極３Ａ、３Ｂの先端の間に発生するプラズマは、紫外線を含む強い光（図２において中央の放射状の矢印付き実線で示す。）を発する。この光は、多孔質体５、５’に照射される。多孔質体５、５’は、その多数の空孔に光触媒物質を担持しており、光触媒物質は、２個の電極３Ａ、３Ｂの先端の間に近接する部分から光の到達する部分までの広い範囲で、光触媒反応で排水Ｓに含有される有機化合物を分解する。この光触媒反応は、正孔による酸化分解反応、正孔と排水Ｓとの接触により生成されるＯＨラジカルなどの各種ラジカルによる酸化分解反応、である。

このように排水処理装置１は、有機化合物を、プラズマによって起こる反応で分解するとともに、プラズマから発せられる強い光を利用して広い範囲で光触媒反応で分解することができる。そうすることで、排水処理装置１は、排水Ｓ中の有機化合物を高速に分解処理することができ、しかも、簡素な構成とすることができる。

次に、本願発明者が行った実験（実験１〜３）について以下説明する。実験装置としては、図３に示すように、排水処理装置１、排水Ｓを貯留する水槽７、この水槽７から排水処理装置１に排水Ｓを送り込むポンプ８、排水処理装置１から水槽７に排水Ｓを戻すときに排水Ｓの温度を水槽７の温度に戻す冷却管９、を備えた構成である。排水処理装置１の中の２個の電極３Ａ、３Ｂは、パナソニック溶接システム株式会社製の直径１．０ｍｍの溶接用タングステン電極ＹＮ１０Ｌ２Ｓを用いた。高電圧パルス印加器４は、株式会社栗田製作所製のパルス電源装置ＭＰＳ−０６Ｋ０を用い、パルストランスを介して出力するようにした。

多孔質体５、５’はそれぞれ、光触媒物質を担持する円柱状の２個のセラミックスの多孔質体を重ね合わせたものを用いた。つまり、合計４個のセラミックスの多孔質体を用いた。各々のセラミックスの多孔質体は、直径２５ｍｍ、長さ１５ｍｍのものである。光触媒物質は、二酸化チタンを用いた。各々のセラミックスの多孔質体は、以下のようにして作製されたものである。すなわち、ポリオールとポリイソシアネートから発泡ウレタンフォームを合成する。その発泡ウレタンフォームに対しセラミック剤を塗布し、これを約１２００℃にて焼成してセラミックの多孔質体を作製する。そのセラミックの多孔質体を二酸化チタン分散スラリーに浸漬すると共に、余剰付着分をエアーブラシで取り除く。そして、約６０℃で乾燥し、その後、約５００℃にて焼成し、その後、冷却する。

分解処理すべき有機化合物はＰＦＯＳとした。ＰＦＯＳの濃度が１００ｍｇ／Ｌの排水Ｓを３００ｍＬ作製して水槽７に注入した。処理に要する時間は２４０分間とし、ポンプ８による排水Ｓの流速を７６ｍＬ／ｍｉｎとし、排水Ｓを水槽７、ポンプ８、排水処理装置１、冷却管９を通して循環させた。実験時間中２０分毎に水槽７の排水Ｓから１００μＬをマイクロピペットを用いて採取した。採取した排水Ｓを超純水で１００倍希釈し、液体クロマトグラフ質量分析装置（アジレント・テクノロジー株式会社製１１００シリーズＬＣ／ＭＳ）による定量分析を行った。

実験１では、２個の電極３Ａ、３Ｂの間に、電圧２５０Ｖ、周波数２０．０ｋＨｚ、パルス幅３．００μＳの高周波数の高電圧パルスを印加した。実験１では、１個のセラミックスの多孔質体について二酸化チタンを２．２４ｍｇ担持させた。また、実験１との比較のために、比較実験１〜３を行った。比較実験１は、実験１に対して、２個の電極３Ａ、３Ｂの間に高周波数の高電圧パルスを印加せず（プラズマを発生させず）、光触媒物質を担持しないセラミックスの多孔質体を用いた実験である。比較実験２は、実験１に対して、２個の電極３Ａ、３Ｂの間に高周波数の高電圧パルスを印加し（プラズマを発生させ）、セラミックスの多孔質体を用いない実験である。比較実験３は、実験１に対して、２個の電極３Ａ、３Ｂの間に高周波数の高電圧パルスを印加し（プラズマを発生させ）、光触媒物質を担持しないセラミックスの多孔質体を用いた実験である。

図４に、実験１の結果を曲線ａ、比較実験１の結果を曲線ｂ、比較実験２の結果を曲線ｃ、比較実験３の結果を曲線ｄ、で示す。横軸は処理時間（分）、縦軸は排水Ｓ中のＰＦＯＳの濃度（ｍｇ／Ｌ）である。同図から、実験終了時（実験開始から２４０分後）における排水Ｓ中のＰＦＯＳの濃度が最も低い値を示したのは、曲線ａの場合であり、実験を通じ排水Ｓ中のＰＦＯＳの約８９．７％の除去が認められた。これに対し、曲線ｂの場合における排水Ｓ中のＰＦＯＳの除去率は約９．９％、曲線ｃの場合における排水Ｓ中のＰＦＯＳの除去率は約４５％、曲線ｄの場合における排水Ｓ中のＰＦＯＳの除去率は約７９．３％、であった。また、曲線ａは曲線ｄに比べて、処理時間の早いうちからＰＦＯＳの除去が進んでいることが認められた。このように得られた実験結果から、有機化合物を、プラズマによって起こる反応で分解するとともに、プラズマから発せられる強い光を利用して多孔質体５、５’の中における広い範囲で光触媒反応で分解すると、排水Ｓ中の有機化合物を高速に分解して除去できることが分かる。

実験２及び実験３では、２個の電極３Ａ、３Ｂの間に、電圧２００Ｖ、周波数３０．０ｋＨｚ、パルス幅５．５０μＳの高周波数の高電圧パルスを印加した。実験２及び実験３は、実験１とは２個の電極３Ａ、３Ｂの間に印加される高周波数の高電圧パルスを異ならせてプラズマのエネルギーを小さくしており、実験１よりも高電圧パルス印加器４にかかる負荷を小さくしている。そして、実験２では、１個のセラミックスの多孔質体について二酸化チタンを２．２４ｍｇ担持させたものを用い、実験３では、１個のセラミックスの多孔質体について二酸化チタンを４．５０ｍｇ担持させたものを用いた。

図５に、実験２の結果を曲線ｅ、実験３の結果を曲線ｆ、で示す。横軸は処理時間（分）、縦軸は排水Ｓ中のＰＦＯＳの濃度（ｍｇ／Ｌ）である。同図から、実験終了時（実験開始から２４０分後）における排水Ｓ中のＰＦＯＳの濃度は、曲線ｅでは約７３．７ｍｇ／Ｌであったことに対し、曲線ｆでは約１３．９ｍｇ／Ｌまで低減している。これらの結果をＰＦＯＳの除去率で換算すると、曲線ｅでは排水Ｓ中のＰＦＯＳの除去率は約２１．２％であり、曲線ｆでは排水Ｓ中のＰＦＯＳの除去率は約８６．０％となった。曲線ｅと曲線ｆの比較においては、光触媒物質の担持量を増やすことにより、排水Ｓ中の有機化合物の分解除去を促進できることが分かる。また、曲線ｆと上述した曲線ａとの比較においては、プラズマのエネルギーを小さくしても、光触媒反応を増強することで、排水Ｓ中の有機化合物を高速に分解して除去できることが分かる。

以上、本発明の実施形態に係る排水処理装置について説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、多孔質体５、５’のうちどちらかを省略することも、場合によっては可能である。また、本発明の実施形態に係る排水処理装置は、ＰＦＯＳに限らず、ＰＦＯＡなどの他の水溶性有機フッ素化合物を含有する排水を処理することが可能であり、更には、水溶性有機フッ素化合物に限らず、その他の有機化合物を含有する排水を処理することが可能である。

１排水処理装置
２処理容器
２ａ処理容器の排水流入口
２ａ’ 処理容器の排水流出口
２１処理容器本体
２２、２２’ キャップ体
２３、２３’ 固定用部材
３Ａ、３Ｂ電極
４高電圧パルス印加器
５、５’ 多孔質体
６Ａ、６Ａ’ チューブ
６Ｂ、６Ｂ’ フィルター
６ＣＡ、６ＣＢ電極固定材
７水槽
８ポンプ
９冷却管
Ｓ排水

Claims

排水中の有機化合物を分解処理する排水処理装置であって、
前記排水が流入する排水流入口と前記排水中の前記有機化合物を分解処理した後の前記排水が流出する排水流出口を有する処理容器と、
該処理容器の内部で先端が互いに向き合うよう該処理容器の側面に取り付けられる２個の電極と、
該２個の電極の間に高周波数の高電圧パルスを印加し該２個の電極の前記先端の間にプラズマを発生させる高電圧パルス印加器と、
前記処理容器の内部であって前記２個の電極の前記排水流入口側及び前記排水流出口側の両方又は一方に配置され、前記プラズマからの光により光触媒反応を起こす光触媒物質を担持する多孔質体と、
を備えてなることを特徴とする排水処理装置。
請求項１に記載の排水処理装置において、
前記有機化合物は、水溶性有機フッ素化合物であることを特徴とする排水処理装置。
請求項２に記載の排水処理装置において、
前記水溶性有機フッ素化合物は、ＰＦＯＳであることを特徴とする排水処理装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の排水処理装置において、
前記多孔質体は、セラミックスの多孔質体であることを特徴とする排水処理装置。