JPH04267995A - 水濾過装置及び不純物除去方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は水濾過装置、とりわけ地
下水から鉄及びマンガン分を除去するための装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】水源から鉄及びマンガン分を除去するた
めの技術及び方法はいろいろとあるが、ほとんどの除去
方法は次の三つの主な部類に一般化されることができる
。すなわち、酸化処理に続く固体／液体分離処理；イオ
ン交換処理；並びに配位処理（金属封鎖及び／または安
定化）である。例えば、Ｓｕｎｇ，Ｗ．及びＦｏｒｂｅ
ｓ，Ｅ．Ｊ．のＳｏｍｅ　Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ
ｓ　Ｏｎ　Ｉｒｏｎ　Ｒｅｍｏｖａｌ　（Ｊｏｕｒｎａ
ｌｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅ
ｒｉｎｇ，Ｖｏｌｕｍｅ　１１０，Ｎｏ．６，　Ｄｅｃ
ｅｍｂｅｒ，１９８４）を参照されたい。Ｓｕｎｇ及び
Ｆｏｒｂｅｓは、第一の部類に入る塩素化処理に続く濾
過処理が、最も普通の制御技法でありうると記述してい
る。しかしながら彼らは、最近の進歩が高いレベルのト
リハロメタン類の生成と予備塩素化処理とを結び付け、
このことがこの方法の改変、都合の良い通気、または酸
化を余儀なくさせうる、と記述している。

【０００３】水系から鉄分を除去するための従来の酸化
処理は、第一鉄（Ｆｅ２＋）を第二鉄（Ｆｅ３＋）に酸
化し（すなわち、水溶性Ｆｅ２＋を水不溶性Ｆｅ３＋に
変化させ）、次いで不溶性の鉄分を沈降させる大規模な
濾過池においてＦｅ３＋を除去する工程を含む。このよ
うな従来法では、典型的には原水に通気を施し（または
酸化剤を添加し）てから大規模な酸化池に投入し、そこ
で遅い酸化反応（自発酸化）を起こさせる。しかしなが
ら、この手順が主として不溶性鉄分の自然沈降によるた
め、このような除鉄法の酸化速度はかなり遅い。

【０００４】この方法を改良するための試みが行われて
きた。ある装置は、第一鉄、有機物、及びＨ２　Ｓを含
有する水に空気を加える工程を含む。特開昭５１−１０
２３４３号明細書を参照されたい。水−空気混合物は、
石灰石、炭素、及び任意触媒としてオキシ水酸化鉄（Ｆ
ｅＯＯＨ）を加えたような濾過層を通過する。この装置
では、流入する原水は酸素で飽和されており、濾過層は
常に好気性条件下で運転される。仏国特許第７７−３５
９９４号明細書（Ｆｏｅｓｓｅｌ）は、水から鉄、マン
ガン、及びカルシウム分を除去する重力濾過装置を開示
している。第一の濾過床は各種粒子寸法の砂を含み、こ
れが大部分の鉄分及びいくらかのマンガン分並びに有機
化合物を除去する。砂濾材と炭素濾材との間に多孔質要
素接触器が存在する。砂濾材を通過した後に残るマンガ
ン分は多孔質要素接触器の出口に付着する。水が炭素濾
材を通過すると、鉄、マンガン、及びカルシウム分を含
まない水が得られる。第一の砂濾材へは、向流式に空気
を送り込む。この装置では、砂濾材の上面に形成する固
体（オキシ水酸化鉄を含みうる固体）が導水管を通して
排せつされるので、砂濾材の目詰まりが防止される。

【０００５】Ｆｅ２＋の酸素化速度論について報告され
ている速度定数の幅広い変動を説明する試みが行われて
きた。Ｓｕｎｇ及びＭｏｒｇａｎのＫｉｎｅｔｉｃｓ　
ａｎｄ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｏｆＦｅｒｒｏｕｓ　Ｉｒ
ｏｎ　Ｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ａｑｕｅｏｕｓ
　Ｓｙｓｔｅｍｓ（Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｃｈｅｍｉｃａ
ｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ｖｏｌｕｍｅ　１４，Ｎｏ．　５
，　Ｍａｙ，　１９８０）には、酸素化速度論に対する
イオン、アルカリ度、及び温度の影響に関する研究、並
びに酸素化生成物を同定する試みが報告されている。均
質系及び不均質系両方の酸素化速度論が研究されている
。水中の一定のｐＨ及び酸素濃度における均質系酸化速
度定数は、イオン強度の増大に伴い減少し且つ温度の上
昇に伴い増加することがわかった。クロリドイオン及び
スルフィドイオンが酸素化速度を低減した。不均質系酸
化に関する研究では、７以上のｐＨ付近では明らかに粒
子面がより速く形成し且つＦｅ２＋の吸着がより有利に
なるので、７以上のｐＨ付近においてのみ自触媒作用が
顕著になると結論されている。 上述のＳｕｎｇ及びＦｏｒｂｅｓは、水から鉄分を除去
する一つの秘訣は、凝集または濾過のどちらかによって
ＦｅＯＯＨ粒子を除去する方法であると記述している。 彼らはまた、濾過による鉄分の除去がよくは理解されて
おらず、シリカが除鉄の促進及び妨害両方を行うと報告
され、そして鉄沈澱物に影響することも記述している。 ＳｕｎｇのＩｄｅｎｔｉｔｙ　ａｎｄ　Ｃｈａｒａｃｔ
ｅｒ　ｏｆ　Ｉｒｏｎ　Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ　（
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｖｏｌｕｍｅ　１０９，Ｆ
ｅｂｒｕａｒｙ，１９８３）には、典型的な水酸化鉄固
体の表面積が約２００ｍ２　／ｇｍを示し、そしてこれ
らの固体の老化過程によって表面積及びＦｅ２＋吸着の
活性部位総量が約１０分の１に減少することが記述され
ている。特開昭５８−１８６４９３号明細書には、塩素
化／酸化組合せ装置に続く濾過処理によって地下水から
鉄分を除去する方法が開示されている。粒状のカキ殻を
ＮａＣｌＯ中に浸漬し、次いで中に酸素を溶解させた水
を通過させる。処理剤は逆流洗浄によって再生するとし
ている。さらに興味あるものはＷＯ８９−１１４５４号
明細書（Ｐａｒｔａｎｅｎ）であり、それには濾材表面
からスケールの除去を助ける水及び空気の向流が開示さ
れている。 化学的または生物学的材料が第一の除鉄段階として作用
し、次いで濾過スクリーン処理を行う。

【０００６】上述の方法及び装置の多くは運転コストが
かかり且つ制御が複雑なものである。水からの鉄及びマ
ンガン分除去能は、ｐＨ、アルカリ度、スルフェートイ
オン濃度、可溶性シリカなどのようないくつかの因子に
依存する。触媒としてオキシ水酸化鉄を明らかに使用す
る方法でさえも、触媒表面の鉄吸着部位総量が時間と共
に減少する老化過程を示す。さらにまた、上述の装置の
ほとんどは不溶物を除去するための大規模な逆流洗浄を
必要とする。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】製造及び運転コストを
著しく低減し、実質的に老化または消耗しない濾材を提
供し、交換を必要とせず、環境的に清浄であり、そして
逆流洗浄が短期間（約１０分未満）で行われる、そのよ
うな鉄及び／またはマンガン分の除去装置を開発するこ
とは有利であろう。

【０００８】

【課題を解決するための手段、作用、及び効果】数十年
の経験及び数多くの実験を通して、水源に存在するＦｅ
２＋と接触すると即座に反応して接触酸化を継続する濾
材が、特定の化学条件下で製造されうることが発見され
た。Ｆｅ３＋がＦｅ２＋の急速酸化によって生成し、そ
して除去される。本濾材を使用することによって、酸化
速度が自発酸化速度の約６０倍となる。従って、鉄分の
除去時間が大幅に短縮され、そして工程が簡略化される
。さらに、大規模な酸化池も必要ではない。

【０００９】本発明に従う水濾過装置は、濾過母材が含
まれている収納容器を含んで成る。濾過母材は複数の粒
子を含んで成り、その粒子面上に再生性の膜が直接形成
する。数多くの実験を通して、収納容器に流入する原水
のｐＨ及びＦｅ３＋量を単に制御することによって、容
器に流入する水から鉄及びマンガン分を低減するのに適
した条件を達成できることがわかった。このことは、地
下水の化学的特性が変化する場合においてさえも当ては
まる。

【００１０】ある実施態様では、母材は約１．４〜約２
．７の範囲の比重を有する粒子から選択された複数の粒
子（例えば、アンスラサイト、石英砂、または無毒性プ
ラスチック粒体）を含んで成る。さらに粒子は、約２以
下の不均等係数及び約１．０ｍｍ〜約１．６ｍｍの範囲
の平均粒径を有する。Ｆｅ２＋及びＭｎ４＋から成る群
より選択された不純物と酸素との間の反応生成物である
膜が、このような粒子床上面に形成することが好ましい
。膜がオキシ水酸化鉄（ＦｅＯ（ＯＨ））を含んで成る
ことが好ましい。

【００１１】本発明の水濾過装置及び方法には多くの利
点がある。地下水を本容器に流入した場合、地下水は約
６〜１０分間の洗浄によって濾過される。次の地下水を
開放するための期間、処理を停止する（装置を止める）
必要はない。二重容器の濾過装置を通過してきた地下水
は人による消費に適したものである。鉄及びマンガン分
が除去されているので、本処理水は日常用途及び人によ
る消費の国際基準（すなわち、濾過された水の鉄分濃度
が約０．３ｍｇ／Ｌ未満でなければならない）を満たす
ものである。

【００１２】容器内に且つ複数の粒子上に形成した膜は
接触酸化膜である。この膜は、流出水中のＦｅ３＋濃度
及びｐＨが適切に制御されている限り、現存する濾材よ
りもおよそ２５倍速い酸化速度を有する。本膜は決して
老化せず、消耗せず、または交換を必要としない。

【００１３】本濾過装置を運転するために、コストがか
かり且つ複雑である自動制御装置を必要とすることはな
い。電動制御パネルによって、鉄及びマンガン分の除去
及び濾過、逆流洗浄、並びに停止などを操作することが
できる。本水濾過装置は、先行技術の装置よりも少量の
エネルギー及び逆流洗浄水を必要とする。高圧水の代わ
りに流入水（深い井戸からポンプでくみ出した水）を使
用して逆流洗浄することができるので、特別な給水塔ま
たは高圧水ポンプを設置する必要がない。このことは初
期設備経費を削減するだけではなく、水濾過装置の運転
をも簡略化する。本濾過装置は、設置及びメンテナンス
を非常に便利にする、収納容器または容器、空気圧縮器
（または放出器）、管状ミキサー、及び関連するパイプ
ラインを含む。本濾過装置は、一般の除鉄装置よりも狭
い占有面積及び低い運転コストを達成する。本水濾過装
置は、人による消費用の日常用水と工業用水とを別々に
処理することで、濾過するのに必要な水量を低減するこ
とによって水処理コストを低減することができる。

【００１４】本水濾過装置は家庭用に適しているばかり
ではなく、大都市用にも適している。本水濾過装置から
供給された水の品質はすばらしいものである。さらに、
本水濾過装置を建造するために必要な技工は非常に簡単
なものである。鉄及びマンガン分を含有する地下水を、
本明細書で説明した驚くべき酸化力を有する濾過装置に
流入すると、その流出水は、鉄及びマンガン分を実質的
に含まない、人による消費に適したものとなる。

【００１５】本水濾過装置は唯一の手順を必要とするが
、他の濾過装置は三つ以上の手順を必要とする。この新
技術を利用して工場を建設すると、投資コストが約４２
％節約される。他の濾過装置では必要である二つの余計
な手順は、コストのかかる設備を有する複雑な構造工学
及び大きな建物を必要とする。さらに、本水濾過装置を
導入すると、利用できる土地空間のおよそ５０％を節約
することが可能である。

【００１６】本発明の水濾過装置は容易に且つ便利に維
持される。必要なすべては、強力な酸化力を有し、空間
を節約する低コストの濾過装置またはプール濾過装置で
ある。鉄及びマンガン分を含有する地下水を本濾過装置
に流入すると、鉄及びマンガン分は除去され、一方電力
消費は従来の水濾過装置に比べて約６０％削減される。

【００１７】本発明のさらなる特徴は、濾過装置収納容
器の底部に取り付けられたストレーナヘッドの使用であ
る。この特徴あるストレーナヘッドが、必要な粒子の高
さを低減し、そして必要な収納容器の寸法を減小するこ
とによって濾過装置のコストをさらに低減する。さらに
、本ストレーナヘッドは、逆流洗浄がより効果的である
ために全体の濾過速度を増大させる。

【００１８】本発明のさらなる特徴及び利点は、以降の
図面及びその詳細な説明を参照することによって明らか
になる。

【００１９】好ましい実施態様の説明 図１は、鉄及びマンガン分を除去するための地下水処理
方法の略線図を示す。原水に酸素含有ガス（典型的には
空気）を通気する。以降にさらに説明するように、制御
された〔Ｆｅ２＋〕Ｏ　／〔Ｆｅ２＋〕比率及びｐＨを
有するこの混合物を、濾過母材粒子（アンスラサイト、
石英砂、無毒性プラスチック粒体など）を含有する一つ
以上の容器に供給する。ＦｅＯ（ＯＨ）膜が粒子床上面
に付着する。

【００２０】図２は、本発明に従う典型的な水濾過装置
及びその方法をより詳細に示す略線図である。参照番号
１で一般に示された濾過装置には、井戸水または他の原
水源からポンプ１４によって送られた水を受容する、第
一収納容器１０及び第二収納容器１２が含まれる。生産
水は参照番号１６で示されたような連接によって直接取
り出すことができる。飲料水製造のためには、圧縮器ま
たは放出器１８によって水に空気を送り込む。空気はフ
ィルター２０を通過し、次いで管状ミキサー２２に送り
込まれて、そこで空気と水が混合される。収納容器１０
及び１２は各々リリーフバルブ（２４ａ及び２４ｂ）を
有し、これらは通常の水圧条件下では閉鎖したままであ
る。

【００２１】図２に示した装置の運転は、三つの運転様
式（濾過、逆流洗浄、及び停止または静止様式）によっ
て進行する。鉄分及び他の可溶性イオンを不溶性化合物
へと変化させる濾過様式においては、流入水が収納容器
１０及び１２に連続的に流入するように、バルブ３０，
３２，２６ａ、及び２６ｂを閉じそしてバルブ２８ａ，
２８ｂ、及び３４を開ける。給水塔に貯蔵するために直
接使用する清浄で実質的に除鉄された水は、バルブ３４
または栓３６若しくは３８を通して装置から出る。濾過
目的で収納容器１０及び１２両方を使用すべき場合には
バルブ３６を閉じ、一方収納容器１０だけを利用すべき
場合にはバルブ３８を閉じそしてバルブ３６を開けるこ
とが理解されよう。必要とされる濾過段階数または収納
容器数の選択は原水源に依存する。図２中の点線は、濾
過様式における水の概略経路を示しており、そしてＤ１
　，Ｄ２　，Ｄ３　、及びＤ４　は、本装置に有用なパ
イプ径を表している（表３参照）。

【００２２】逆流洗浄様式においては、バルブ２８ａ，
２８ｂ、及び３４を閉じそしてバルブ３０，３２，２６
ａ、及び２６ｂを開ける。深い井戸または他の源からポ
ンプでくみ上げた原水を収納容器１０及び収納容器１２
に逆流洗浄様式で流入し、そして「汚れた」水をパイプ
３５によって排水する。停止または静止様式においては
、バルブ２６ａ，２６ｂ，２８ａ，２８ｂ，３２，３０
、及び３４をすべて閉じる。

【００２３】濾過様式において本装置を使用する場合に
は、管状ミキサー２２への空気の混入量は流入原水体積
の約０．１〜約０．３倍であるべきで、このことが空気
圧縮器または放出器１８の選択を容易にする。濾過装置
の定格容量は１日当たり１２時間の作業時間を基準にし
て計算されており、そしてこの類比に基づくと、２４時
間の運転によって飲料水供給が二倍になるであろう。

【００２４】流出濾過水圧は流入原水圧に依存する。一
般に、流入水圧が約２〜４ｋｇ／ｃｍ２　（好ましくは
約５ｋｇ／ｃｍ２　以下）の範囲にある場合、流出水圧
は約２．０ｋｇ／ｃｍ２　〜約２．５ｋｇ／ｃｍ２　と
なる。この水圧は一般に、ほぼ４〜５階建てのビルに相
当する４０〜５０フィート水を押し上げるのに十分な高
さである。

【００２５】逆流洗浄様式においては、逆流洗浄にかか
る実際の時間は、収納容器１０及び１２の実際寸法並び
に装置に供給される原水中の汚染物または不純物の実際
量にはほとんど依存しない。本実施態様において用いら
れた収納容器の寸法に対しては、約６分〜約１０分間の
逆流洗浄時間が適当である。

【００２６】図３は一つの収納容器の部分断面側面図を
示す。この図は原水入口ライン３６を有する第一収納容
器１０を示しており、このライン３６からいかなる方法
で収納容器１０へ水を入れてもよい。図３では、原水が
垂直方向に流れて、そしてノズル３８から出る。粒子母
材４０は、収納容器１０の下からおよそ２／３の部分に
示されている。この母材は、約１．４〜約２．７の範囲
の比重を有し、約２未満の不均等係数Ｋ（ｄ８０／ｄ１
０）を有し、そして約１．０〜約１．６ｍｍの範囲の平
均粒径を有する各種材料から選択できる。このような材
料の例として、アンスラサイト粒体、各種メッシュ寸法
の石英砂、及びポリエチレンのような材料からできた無
毒性プラスチック粒体が挙げられる。母材床の上面には
、ｐＨを約６以上に制御し且つ容器に流入するＦｅ３＋
を約１〜約５ｍｇ／Ｌの範囲内に制御しながらＦｅ３＋
と酸素とを反応させて形成したＦｅＯ（ＯＨ）（時々Ｆ
ｅＯＯＨとして記載される）の層が存在する。粒子母材
４０は、収納容器１０の底部のストレーナヘッド４２上
にとどまる。ストレーナヘッド４２はフランジ連接４４
及び流出水ライン４６によって収納容器１０に固定され
ている。

【００２７】図４は本発明に従うストレーナヘッドの部
分断面側面図を示す。ストレーナヘッド４２は、外部ボ
ディー４８を貫通する複数の長い通路５０を有する鐘形
外部ボディー４８を有する。長い通路５０は、ストレー
ナヘッドの上部から鐘形ボディーの底部に向かって徐々
に幅広くなっている。他の形状のストレーナヘッドも同
様に機能することができ、本請求の範囲がこの特定の形
状によって限定されることはない。

【００２８】図３及び４（図６及び７も参照されたい）
は、本発明に従う収納容器及びストレーナヘッドの実際
の実施態様に対する長さ寸法を示す参照文字を明らかに
している。このデータは表中に示されている。本明細書
の表１，２、及び３を参照されたい。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】

【表３】

【００３２】例えば、モデルＴ１　は直径Ｄ１　１１２
ｍｍ、直径Ｄ２　１００ｍｍ、直径Ｄ３　２５ｍｍなど
を有する。表２は各種ストレーナヘッドに対応する空気
吸入量を示す。 例えば、Ｔ１　ストレーナヘッドは１．４リットル／分
の空気吸入量を供給することができ、一方Ｔ２　ストレ
ーナヘッドは２．４リットル／分の空気要求量を有する
。表３は、例えば濾過装置モデルＹ１　は０．１１６リ
ットル／秒の処理容量を有し、約５〜８人に飲料水を着
実に供給することを示している。モデルＹ１　の寸法は
表３の第一列の数字で示されている。例えば濾過装置モ
デルＹ１　の全高「Ａ」は９００ｍｍである。

【００３３】図５〜７を参照する。図５は、二つの収納
容器１０及び１２を有する本発明に従う水濾過装置の正
面図を示す。図５には、濾過様式、逆流洗浄様式、及び
停止様式のそれぞれに対応する三つのボタンを有する制
御盤５６がさらに示されている。例えば、ボタンＡは濾
過様式、ボタンＢは逆流洗浄様式、そしてボタンＣは停
止または静止様式用に利用することができる。本発明の
この実施態様においては、バルブ２６ａ，２６ｂ，２８
ａ，２８ｂ，３０，３２、及び３４はすべて自動バルブ
である。すなわち、制御盤５６からの信号によって各バ
ルブを作動させる。自動バルブは、例えばモーター駆動
バルブであることができる。図６は、本装置の各種モー
ター駆動バルブの位置をより詳細に示す、図５の装置の
平面図である。図７は、図５及び６の収納容器１０の側
面図を示す。特に、逆流洗浄様式において水を装置から
排水設備６０へ排出させる排水管５８が示されている。 排水管５８は図５にも示されている。

【００３４】図２〜７に示されていような濾過装置を用
いて、約３０ｍｇ／Ｌ未満、より好ましくは約２５ｍｇ
／Ｌ未満の鉄分を含有するｐＨ約６以上の地下水を濾過
することが可能である。２５ｍｇ／Ｌを超える鉄分また
はマンガン分を伴う鉄分のどちらかを含有する原水につ
いては、収納容器１２のような容器を一つ以上付加する
ことによって鉄及びマンガン分を除去することが可能で
ある。二重の収納容器濾過装置を通過して出てくる地下
水は、流出水が日常用途及び人による消費に対する国際
基準（鉄分約０．３ｍｇ／Ｌ未満）を満たすように鉄及
びマンガン分が除去されているので、人による消費に適
する。

【００３５】収納容器１０及び１２、連結管、バルブ、
ストレーナヘッド、及び管状ミキサーはすべて、鋳鉄、
ステンレス鋼、またはレギュラー（ｒｅｇｕｌａｒ）炭
素鋼のような通常知られている材料でできている。プラ
スチック製の装置も使用できるが、これは好ましい実施
態様ではない。収納容器、バルブ、連結管などに対する
好ましい構造材料は、３１６ステンレス、３０４ステン
レスなどのような各種グレードのステンレス鋼の一種で
ある。また、これは処理されるべき原水の不純物含量に
依存する。原水中に腐食性の不純物が多く含まれている
場合には、黄銅かまたはニッケルめっき金属かのような
他の構造材料を使用することが必要でありうる。

【００３６】収納容器１０及び１２内部に含まれている
粒子上に形成した再生性膜は、特定の化学条件下で生産
することができ、そして収納容器に入ってくるＦｅ２＋
と接触すると即座に反応する（すなわち、接触酸化を継
続する）。こうして第一鉄（Ｆｅ２＋）が第二鉄（Ｆｅ
３＋）に酸化されて、水から除去される。この再生性膜
を使用する酸化速度は、自発酸化（すなわち、大規模な
酸化池を使用する）による速度の約５０〜７０倍である
。それゆえ、除鉄にかかる時間が大幅に短縮され且つ工
程が簡略化される。再生性膜の生産及びその膜の再生に
関する反応経路を以下に示す。 　　４Ｆｅ２＋＋Ｏ２　＋６Ｈ２　Ｏ　−−−＞４Ｆｅ
Ｏ（ＯＨ）＋８Ｈ＋　　−−−−（１）ＦｅＯＯＨは濾
過母材粒子表面に付着する膜である。この材料は各種結
晶形を有しており、そして接触酸化による鉄分の除去能
が強力であることが知られている。

【００３７】ＦｅＯＯＨの再生性膜の形成時は、鉄分含
有原水のｐＨが一般にＦｅＯ（ＯＨ）の等電点（約６．
０）を超える値に維持されている場合には、膜はカチオ
ン交換吸着特性を示す。まず水中のＦｅ２＋がイオン交
換吸着し、続いて等モルのＨ＋　が水中に移動する。こ
の反応は以下の通りである。 　　Ｆｅ２＋＋ＦｅＯ（ＯＨ）　−−−＞ＦｅＯ（ＯＦ
ｅ）　＋　＋Ｈ＋　　　　−−−−（２）

【００３８】
このように、Ｆｅ２＋のＦｅ３＋への酸化は、新しい接
触酸化による除鉄を保証し且つ膜の老化を防止する自触
媒反応であるということができる。最終反応は以下の通
りである。 　　ＦｅＯ（ＯＦｅ）　＋　＋１／４Ｏ２　＋３／２Ｈ
２　Ｏ　−−−＞２ＦｅＯ（ＯＨ）＋Ｈ＋　　　　−−
−−（３）

【００３９】母材に含まれる粒子表面におけるＦｅＯＯ
Ｈ膜の形成は、（シリカ、スルフェートイオン、アルカ
リ度、カーボネート、及び他の化学成分の濃度のような
）化学特性、水温、濾材の種類、並びに濾過速度が変化
する場合でさえも、収納容器１０及び１２に流入する原
水中のＦｅ３＋濃度及びｐＨを調節することによって、
制御することが可能である。

【００４０】水濾過膜の生産及び再生が以下の関数によ
って記述されることがわかった。

【００４１】

【数１】

【００４２】再度図１を参照すると、上述の化学反応を
用いて鉄及びマンガン分を除去するための地下水処理方
法を示す図式がある。原水に酸素含有ガス（典型的には
空気）を通気する。以下にさらに説明するように、［Ｆ
ｅ２＋］Ｏ　／［Ｆｅ２＋］比及びｐＨを制御したこの
ガス＋原水混合物を、濾過母材粒子（アンスラサイト、
石英砂、無毒性プラスチック粒体など）を含有する一つ
以上の容器に供給する。ＦｅＯ（ＯＨ）膜が粒子床上面
に付着する。方程式（４）、（５）、及び（６）は、他
の因子もまた反応式（２）及び（３）に影響するが、最
良の処理［φ］Ｃ　が［Ｆｅ２＋］Ｏ　／［Ｆｅ２＋］
比及びｐＨを単に制御することによって得られることを
示している。換言すると、収納容器に流入する水中のＦ
ｅ３＋濃度を約１ｍｇ／Ｌ〜約５ｍｇ／Ｌの範囲内に制
御することによって、原水中のアルカリ度、スルフェー
トイオン濃度、カーボネートイオン濃度、可溶性シリカ
濃度、水温などが変化しても、十分に除鉄を制御するこ
とが可能である。

【００４３】反応式（１）、（２）、及び（３）が典型
的に起こるときの水流速、酸素（空気）添加速度、水入
口温度及び圧力、並びに攪はん若しくは混合程度は、容
器内部の制御不可能な圧力及び温度上昇、流出水への鉄
漏出、または容器の目詰まりを生じず、しかし合理的且
つ産業的に有用な期間内において反応を進行させるいか
なる値でもよい。

【００４４】前記三つの反応に対する容器内温度は約０
℃〜約９０℃の範囲にあることができる。より低温にす
ると容器の目詰まり及び凍結を生じうり、一方より高温
にすると水の蒸発を引き起こしうるので、どちらも効率
的な運転にとって望ましくはない。好ましい温度範囲は
約０℃〜約３０℃である。

【００４５】容器の運転圧は変化することができ、そし
て原水源の圧力にいくらか依存する。しかしまた運転圧
は水のポンプ送出圧及び空気添加によっても影響されう
る。約２〜約５ｋｇ／ｃｍ２　の圧力範囲が好ましい。 より高圧は（好ましくはないが）、上述の反応を用いる
装置性能に対して重大な影響を与えることはない。より
低圧の運転では、管及び容器の壁をより薄くできるので
必要な資本支出が少なくて済む。しかしより低圧で運転
した場合には、要求される距離及び高さへ水をポンプで
送ることができない可能性がある。

【００４６】上述のように、ｐＨはＦｅＯＯＨ膜のほぼ
等電点である約６．０以上に通常維持される。このｐＨ
以上においては、ＦｅＯ（ＯＨ）膜がカチオン交換体と
して作用して、Ｈ＋　の代わりにＦｅ２＋が吸着される
。このｐＨ以下では、この反応は実質的な程度には起こ
らない。

【００４７】［Ｆｅ２＋］Ｏ　／［Ｆｅ２＋］比は、当
該技術分野において周知の計測機器を用いてＦｅ３＋を
計測することによって間接的に測定する。反応容器に流
入するＦｅ３＋濃度は約１ｍｇ／Ｌ〜約５ｍｇ／Ｌの範
囲である。より高い濃度は、酸素が十分に容器に送りこ
まれていないこと、あるいは空気及び水の混合が不十分
であることを示す。

【００４８】本再生性膜の主な利点は、濾過装置に流入
するＦｅ３＋濃度及びｐＨを制御すること以外、他の化
学的因子及びそれらの相関関係に対して注意を払う必要
がまったくないので、膜の形成及び再生方法が簡単であ
り、修得し易く、そして生産用途として実用的であると
いう点である。膜の形成コストは低く、そしてさらにこ
の膜は耐老化性である。母材中の複数の粒子に付着した
膜は、逆流洗浄中に離脱したりまたは洗い流されたりす
ることはない。従って、除鉄が逆流洗浄によって影響さ
れることはない。濾過装置の規格は、家庭給水の所望の
処理容量に従い選択することができる。

【００４９】

【実施例】以下の例は、図８〜１５とともに、形成させ
た再生性膜を含む濾過装置に対する各種変数の影響を示
すものである。

【００５０】記述してきた装置及び方法を用いて、濾過
装置の運転に対する各種変数を変化させたときの結果を
図８〜１５に示す。図８は水のｐＨに対してプロットし
た残留鉄分濃度（ｍｇ／Ｌ）を示したものであり、図中
の曲線ａは運転開始８時間後を、そして曲線ｂは運転開
始８日後を表す。どちらの曲線についても、ｐＨが約６
の場合に残留鉄分濃度が最小値となった。

【００５１】図９は、装置温度３０℃（曲線ａ）及び５
℃（曲線ｂ）の場合の水ｐＨに対するＦｅ２＋／全Ｆｅ
比率（％）のプロットを示したものである。より高い温
度では、装置のＦｅ２＋除去がより高くなることがわか
った。

【００５２】図１０及び１１は、各種母材（図１０）及
び濾過速度（図１１）を用いて、濾過時間に対してプロ
ットした残留鉄分濃度（ｍｇ／Ｌ）を示したものである
。 図１０では三種類の母材（石英材、アンスラサイト、及
びＧｕａｎｇｘｉ　ｍａｎｇｅｓｅ　砂）について比較
した。図１１では四種類の濾過速度（２０，１５，１０
、及び５ｍ３　／ｈｒ）について比較した。より高い濾
過速度では原水１リットル当たりの除鉄量はより少ない
が、しかし除鉄効率の差は濾過時間の増加につれてより
小さくなることがわかる。（これはおそらく以下に記述
する図１４を参照してより明確に示される。）

【００５３】図１２及び１３は、流入原水に添加したＮ
ａＨＣＯ３　に対してプロットした残留鉄分濃度（図１
２）及びＮａ２　ＳＯ４　添加に対する装置系の応答（
図１３）を示したものである。予想どうり、ＮａＨＣＯ
３　添加量を２０ｍｇ／Ｌから８０ｍｇ／Ｌに増加して
も残留鉄分濃度は直線的には増加しなかった。このよう
に本膜はこの不純物の変化に対して非常に回復性である
ように見えた。Ｎａ２　ＳＯ４　の添加（図１３）は流
出水の残留鉄分濃度に顕著な影響を与えた。しかしなが
ら、本膜は添加後短期間で通常の運転状態へ良好に回復
した。

【００５４】図１４は、異なる濾過速度及び母材におけ
る各種実験結果をまとめたものを示した。すべての場合
において、同じ原水に対して、母材及び膜が三つの段階
（Ｆｅ２＋の吸着段階、熟成段階、安定運転段階）を経
て進行したことに着目された。これは、時間とともに除
鉄効率の減少（老化）を示したＦｅＯ（ＯＨ）採用の先
行技術の濾過装置とは非常に対照的である。図１４は、
濾過装置に流入するＦｅ３＋及びｐＨを適切に制御する
とＦｅＯＯＨ膜が実際に安定化するので、膜を交換する
必要がないことを示している。これは膜の再生特性に起
因するものである。表４は濾過層厚Ｌｉの差が除鉄速度
の増加に与える影響を示したものである。

【００５５】上述の記載は主として例示目的で提供した
ものである。本発明の精神及び範囲から逸脱することな
く、本構造の各種要素の材料、形状、及び配置に対して
さらなる改質、改変等を導入しうることは、当業者には
明らかである。

【００５６】

【表４】

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に従う地下水処理方法の概略を示
す工程流れ図である。

【図２】図２は本発明に従う飲料水濾過器及び方法のよ
り詳細な概略図である。

【図３】図３は本発明に従う飲料水濾過装置用の収納容
器を示す断面側面図である。

【図４】図４は本発明に従うストレーナヘッドの部分断
面側面図である。

【図５】図５は本発明に従う飲料水濾過装置の正面図で
ある。

【図６】図６は本発明に従う飲料水濾過装置の平面図で
ある。

【図７】図７は本発明に従う飲料水濾過装置の側面図で
ある。

【図８】図８は本発明に従う水濾過装置の濾過特性を示
すグラフである。

【図９】図９は本発明に従う水濾過装置の濾過特性を示
すグラフである。

【図１０】図１０は本発明に従う水濾過装置の濾過特性
を示すグラフである。

【図１１】図１１は本発明に従う水濾過装置の濾過特性
を示すグラフである。

【図１２】図１２は本発明に従う水濾過装置の濾過特性
を示すグラフである。

【図１３】図１３は本発明に従う水濾過装置の濾過特性
を示すグラフである。

【図１４】図１４は本発明に従う水濾過装置の濾過特性
を示すグラフである。

【図１５】図１５は本発明に従う水濾過装置の濾過特性
を示すグラフである。

【符号の説明】

１…濾過装置 １０，１２…収納容器 １４…ポンプ １８…空気圧縮器 ２０…フィルター ２２…管状ミキサー ２４ａ，２４ｂ…リリーフバルブ ２６ａ，２６ｂ，２８ａ，２８ｂ，３０，３２，３４…
バルブ ３６，３８…栓 ４０…粒子母材 ４２…ストレーナヘッド ４４…フランジ連接 ４６…流出水ライン ４８…外部ボディー ５０…通路 ５６…制御盤 ５８…排水管 ６０…排水設備

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　収納容器；前記収納容器内部に存在す
   る、複数の粒子を含んで成る濾過母材；並びに前記収納
   容器に入ってくる水中の鉄及びマンガン分を低減するの
   に適した条件において、前記粒子の上面に形成及び付着
   した再生性膜；を含んで成ることを特徴とする水濾過装
   置。
2. 【請求項２】　　前記粒子が、約１．４〜約２．７の範
   囲の比重、約２未満の不均等係数Ｋ（ｄ８０／ｄ１０）
   、及び約１．０ｍｍ〜約１．６ｍｍの範囲の平均粒径を
   有することを特徴とする、請求項１記載の水濾過装置。
3. 【請求項３】　　前記粒子が、アンスラサイト、石英砂
   、及び無毒性プラスチック粒体から成る群より選択され
   たことを特徴とする、請求項２記載の水濾過装置。
4. 【請求項４】　　前記膜が、前記装置に入ってくるＦｅ
   ２＋と水源中のＦｅ２＋との比率を制御し且つｐＨを約
   ６．０以上に制御することによって形成させたＦｅＯＯ
   Ｈであることを特徴とする、請求項１記載の水濾過装置
   。
5. 【請求項５】　　前記容器内の底部にストレーナヘッド
   をさらに含み、前記ストレーナヘッドが外部ボディーを
   有し、複数の長い通路が前記外部ボディーを貫通し、そ
   して前記通路が前記ボディーの上部から底部に向かうに
   つれて幅広くなっていることを特徴とする、請求項１記
   載の水濾過装置。
6. 【請求項６】　　前記収納容器と実質的に同一であり、
   且つ前記収納容器に連続して配置された複数の収納容器
   をさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の水濾過
   装置。
7. 【請求項７】　　Ｆｅ２＋を含有する水と空気とを混合
   して通気水流を形成させる工程；前記通気水流を、複数
   の粒子を中に有する第一の収納容器に流入させる工程；
   前記容器に入ってくる前記通気水流中のｐＨ及びＦｅ３
   ＋量を制御することによって、前記粒子上に再生性膜を
   形成させる工程；並びに前記Ｆｅ２＋を前記膜と接触さ
   せることで前記通気水流から実質的にすべてのＦｅ２＋
   を除去することにより、実質的に除鉄した水流を形成さ
   せる工程；を含んで成ることを特徴とする、水から不純
   物を除去する方法。
8. 【請求項８】　　前記粒子が約１．４〜約２．７の範囲
   の比重を有することを特徴とする、請求項７記載の方法
   。
9. 【請求項９】　　前記粒子が約２以下の不均等係数を有
   することを特徴とする、請求項７記載の方法。
10. 【請求項１０】　　前記粒子が約１．０ｍｍ〜約１．６
    ｍｍの範囲の平均粒径を有することを特徴とする、請求
    項７記載の方法。
11. 【請求項１１】　　前記制御工程が、前記水流と混合す
    る空気量の調節工程を含んで成ることを特徴とする、請
    求項７記載の方法。
12. 【請求項１２】　　前記膜が、酸素とＦｅ２＋とが反応
    してオキシ水酸化鉄を生成することによって形成したこ
    とを特徴とする、請求項７記載の方法。
13. 【請求項１３】　　前記ｐＨを前記オキシ水酸化鉄の等
    電点よりも高く制御して、カチオン交換による前記Ｆｅ
    ２＋の吸着と前記オキシ水酸化鉄からの水素イオンの脱
    着とを行わせることによって前記Ｆｅ２＋を除去するこ
    とを特徴とする、請求項１２記載の方法。
14. 【請求項１４】　　前記オキシ水酸化鉄を連続して再生
    するのに十分な酸素を提供するために、混合される前記
    空気量が十分であることを特徴とする、請求項１３記載
    の方法。
15. 【請求項１５】　　実質的に除鉄した前記水流を、前記
    第一の収納容器と実質的に同一である複数の収納容器に
    流入させることで、前記除鉄した水流から残存するＦｅ
    ２＋及びマンガン分を実質的に除去する工程をさらに含
    むことを特徴とする、請求項７記載の方法。
16. 【請求項１６】　　前記第一の収納容器の逆流洗浄工程
    をさらに含み、そして前記逆流洗浄を十分な時間継続し
    て望ましくない粒状物を前記容器から除去することを特
    徴とする、請求項７記載の方法。
17. 【請求項１７】　　前記再生性膜の除鉄効率が、初期時
    点では時間経過とともに低減し、次いで最小除鉄効率を
    示し、その後の時間経過において前記膜が熟成して最終
    的に高い除去効率を示すことを特徴とする、請求項７記
    載の方法。