電気凝固

電気凝集法（EC）は、廃水処理、洗浄水処理、工業用水、医療に用いられる技術です。乳化油、全石油系炭化水素、難分解性有機物、浮遊物質、重金属など、ろ過や化学処理システムでは除去が困難な汚染物質を除去できるため、電気凝集法は廃水処理の分野で急速に成長しています。電気凝集装置には多くのブランドがあり、その複雑さは、単純な陽極と陰極から、電極電位、不動態化、陽極消費量、セル酸化還元電位の制御に加え、超音波、紫外線、様々なガスや反応物の導入によって難分解性または処理困難な有機物質のいわゆる高度酸化処理を実現する、より複雑な装置まで様々です。[ 1 ]

水と廃水処理

最新の技術、電力要件の削減、必要な電源の小型化により、ECシステムは現在、世界中の水処理プラントや産業プロセスで手頃な価格になっています。[ 2 ]

背景

電気凝集（「電気」は水に電荷を付与すること、「凝集」は粒子の表面電荷を変化させ、浮遊物質を凝集させるプロセスを意味する）は、高度で経済的な水処理技術である。この技術は、サブミクロンレベルの浮遊物質を効果的に除去し、油脂やラテックスなどの乳化物を分解し、フィルターや分離剤の添加なしに水中の重金属を酸化・除去する。[ 3 ]

廃水処理技術には幅広い種類があり、硝化、脱窒、リン除去のための生物学的プロセスに加え、化学物質の添加を必要とする様々な物理化学的プロセスが含まれます。一般的に用いられる物理化学的処理プロセスには、ろ過、エアストリッピング、イオン交換、化学沈殿、化学酸化、炭素吸着、限外ろ過（UF）、逆浸透（RO）、電気透析、揮発、ガスストリッピングなどがあります。

利点

  • 機械ろ過は、洗浄ラック洗浄水における2つの問題、すなわち30μmを超える浮遊物質と遊離油脂の除去にのみ対処します。乳化した油脂はメディアフィルターを損傷し、メンテナンスコストの増大につながります。一方、電気凝集法は、粒子サイズによる物理的な分離は行いません。
  • 化学処理は、浮遊物質、油脂、および一部の重金属に対処しますが、適切な処理のためには、様々な凝集剤や凝固剤の添加、およびpH調整が必要になる場合があります。この技術では、化学薬品の添加が必要であり、これは高価で、汚れやすく、危険で、労働集約的な処理となる可能性があります。また、このプロセスでは、凝集した汚染物質を浮上させるために圧縮空気の添加も必要です。一般的に、ろ過は研磨の後処理段階としてのみ使用されます。

テクノロジー

電気凝固法（EC）による廃水および洗浄水の処理は、20世紀の大半にわたって実施され、その人気は高まっています。過去10年間、この技術は米国、南米、ヨーロッパで金属を含む産業廃水の処理にますます利用されています。[ 4 ]また、北米ではECは主にパルプ・製紙産業、鉱業、金属加工産業からの廃水処理に使用されています。テキサス州エルパソで毎分1,000ガロンの処理能力を持つ大規模な冷却塔が稼働していることは、電気凝固法が産業界においてますます認知され、受け入れられていることを示しています。さらに、ECは、食品廃棄物、廃油、染料、公共交通機関やマリーナからの排出物、洗浄水、インク、浮遊粒子、化学・機械研磨廃棄物、埋立地浸出液からの有機物、水の脱フッ素化、合成洗剤廃水、重金属を含む溶液などの処理にも利用されています。電気凝固法は、家庭廃水処理には通常使用されません。[ 5 ] [ 6 ]

凝固プロセス

凝集は、水処理において最も重要な物理化学反応の一つです。イオン（重金属）とコロイド（有機・無機）は、主に電荷によって溶液中に保持されます。反対の電荷を持つイオンを加えると、コロイドは不安定になり、凝集します。凝集は、化学凝集剤または電気的方法によって行われます。ミョウバン（Al 2 (SO 4 ) 3 . 18 H 2 O）は、そのような化学物質であり、古くから廃水処理に広く使用されてきました。

凝集のメカニズムは、常に研究されてきました。凝集は、主に正味表面電荷が減少し、静電気反発によって安定化されていたコロイド粒子が、ファンデルワールス力によって互いに引き寄せられ、凝集できる程度まで接近することで起こると一般的に考えられています。表面電荷の減少は、反対電荷を持つ電解質の存在によって電気二重層の反発電位が低下する結果です。ECプロセスでは、適切な陽極材料の電解酸化によって凝集剤が原位置で生成されます。このプロセスでは、金属などの荷電イオン種が、反対電荷を持つイオン、または排水中に生成された金属水酸化物のフロックと反応することで、排水から除去されます。

電気凝固は、安定したエマルジョンや懸濁液を破壊するために、金属塩やポリマー、高分子電解質の添加に代わる技術です。この技術は、高電荷の高分子金属水酸化物種を導入することで、水性媒体から金属、コロイド状固体および粒子、そして可溶性無機汚染物質を除去します。これらの種は、浮遊物質や油滴の静電荷を中和し、凝集または凝固を促進し、結果として水相からの分離を促進します。この処理により、特定の金属および塩の沈殿が促進されます。

化学凝集は、懸濁液を不安定化し、水流から可溶性金属種やその他の無機種を沈殿させ、沈降またはろ過によって除去するために、数十年にわたり利用されてきました。化学凝集剤としては、ミョウバン、石灰、および／またはポリマーが使用されてきました。しかし、これらのプロセスでは、結合水含有量の高い大量の汚泥が発生する傾向があり、ろ過速度が遅く、脱水が困難になる場合があります。また、これらの処理プロセスは、排水中の総溶解固形物（TDS）含有量を増加させる傾向があり、産業用途での再利用には適していません。[ 7 ]

電気凝固のメカニズムは、陽イオン種が表面電荷の中和を担うという点で化学凝固に類似していますが、電気凝固フロックの特性は化学凝固によって生成されるものとは大きく異なります。電気凝固フロックは、結合水が少なく、せん断抵抗が高く、ろ過しやすい傾向があります。[ 8 ]

説明

最も単純な形態の電気凝固リアクターは、陽極と陰極をそれぞれ1つずつ備えた電解セルで構成されています。外部電源に接続すると、陽極材料は酸化により電気化学的に腐食し、陰極は不動態化処理されます。

ECシステムは、基本的に並列に配置された導電性金属板のペアで構成され、単極電極として機能します。さらに、直流電源、電流密度を調整するための抵抗ボックス、および電流値を読み取るためのマルチメーターが必要です。導電性金属板は一般に「犠牲電極」と呼ばれます。犠牲陽極は陽極の溶解電位を低下させ、陰極の不活性化を最小限に抑えます。犠牲陽極と陰極は、同じ材料でも異なる材料でも構いません。

単極電極とセルを直列に接続した配置は、多数の電極と相互接続部を持つ単一のセルと電気的に類似しています。直列セル配置では、直列接続されたセルの抵抗が高いため、一定の電流を流すにはより高い電位差が必要です。しかし、すべての電極に流れる電流は同じです。一方、並列または双極配置では、電流は個々のセルの抵抗に応じてすべての電極に分配され、電極の各面は異なる極性を持ちます。

電気分解中、正極側では陽極反応が起こり、負極側では陰極反応が起こります。鉄やアルミニウムなどの消耗金属板は通常、犠牲電極として使用され、水中でイオンを継続的に生成します。放出されたイオンは粒子の電荷を中和し、凝固を開始します。放出されたイオンは化学反応と沈殿、またはコロイド物質の凝集を引き起こして浮選によって除去することにより、望ましくない汚染物質を除去します。さらに、コロイド粒子、油、またはその他の汚染物質を含む水が印加電界を通過すると、イオン化、電気分解、加水分解、およびフリーラジカル形成が起こり、水と汚染物質の物理的および化学的特性が変化する可能性があります。その結果、反応性と励起状態によって汚染物質が水から放出され、破壊されるか、または溶解度が低下します。

電気凝集技術では、無限溶解性物質を除去できないことに注意することが重要です。したがって、Ca +2または Mg +2より分子量の小さいイオンは、水性媒体から解離できません。

電気凝固反応器内の反応

電気凝固反応器内では、いくつかの異なる電気化学反応が独立して発生します。これらは以下の通りです。

  • シーディングは、金属イオンの陽極還元によって生じ、複合金属イオンとして沈殿する、より大きく安定した不溶性錯体の新たな中心となります。
  • エマルジョン破壊は、乳化した油分子の水受容体部位に結合した酸素イオンと水素イオンによって起こり、水に溶けない複合体を形成し、油、掘削泥、染料、インク、脂肪酸などから水を分離します。[ 9 ] [ 10 ]
  • ハロゲン錯体形成では、金属イオンが塩素化炭化水素分子内の塩素と結合し、水と殺虫剤、除草剤、塩素化PCBなど
  • 反応室内で生成された酸素イオンによる漂白により、染料、シアン化物、細菌、ウイルス、バイオハザードなどが酸化されます。電極の電子フラッディングによりイオンが強制的に形成され、水に電荷が運ばれ、それによって水複合体の極性効果が除去され、コロイド物質が沈殿し、電極間の電流制御イオン輸送により浸透圧が生成され、通常は細菌、嚢子、ウイルスが破裂します。
  • 酸化および還元反応は、反応タンク内で自然な終点に強制的に進められ、湿式化学で起こる自然のプロセスが加速されます。湿式化学では、濃度勾配と溶解度積 (KsP) が、反応が化学量論的完了に達するための主な決定要因となります。
  • 電気凝固により pH が中性方向に変化します。

反応の最適化

反応タンクの材質を慎重に選定し、電流、流量、pHを制御することが重要です。電極は、処理する廃水と除去する汚染物質に応じて、鉄、アルミニウム、チタン、グラファイトなどの材料から選択できます。温度と圧力はプロセスにわずかな影響を与えるようです。

ECプロセスでは、水と汚染物質の混合物は浮遊層、ミネラルを豊富に含む凝集沈殿物、そして清澄な水に分離します。浮遊層は通常、越流堰などの除去方法によって除去されます。凝集した凝集塊は、重力によって反応槽内または後続の沈殿槽に沈降します。

汚泥回収タンクに移送された後、通常はスクリュープレスを用いて半乾きケーキまで脱水されます。その後、処理済みの透明な水（上澄み水）は、通常、バッファータンクにポンプで送られ、その後廃棄またはプラントの指定プロセスで再利用されます。

利点

  • EC は必要な設備がシンプルで、操作も容易であり、運転中に発生するほとんどの問題に対処できる十分な操作範囲を備えています。
  • EC で処理された廃水は、口当たりがよく、透明で、無色、無臭の水になります。
  • EC によって生成されるスラッジは、主に金属酸化物/水酸化物に残留電荷がないため、従来のミョウバンまたは水酸化鉄スラッジと比較して、容易に固まり、脱水しやすい傾向があります。
  • ECによって形成されるフロックは化学フロックに似ていますが、ECフロックははるかに大きく、結合水が少なく、耐酸性があり、より安定しているため、ろ過によってより速く分離できます。[ 11 ]
  • EC処理は、化学処理と比較してTDS含有量の低い排水を生成することができます。特に金属イオンが水酸化物または炭酸塩（マグネシウムやカルシウムなど）として沈殿できる場合、その効果は顕著です。ECは、溶液中のナトリウムイオンやカリウムイオンにはほとんど影響を与えません。
  • ECプロセスは、印加電界が残留電荷を中和し、それによって凝固を促進するため、最小のコロイド粒子を除去できるという利点がある。[ 12 ]
  • EC プロセスでは、一般的に化学物質の過剰な使用が回避されるため、過剰な化学物質を中和する必要性が減り、廃水の化学凝固を使用する場合のように高濃度で添加された化学物質によって引き起こされる二次汚染の可能性が低くなります。
  • 電気分解中に生成されるガス泡は、汚染物質の成分を溶液の上部に運ぶことができ、そこでモーター付きスキマーによって汚染物質の成分をより簡単に濃縮、収集、除去することができます。
  • EC セル内の電解プロセスは電気的に制御され、可動部品がないため、メンテナンスの必要性が少なくなります。
  • 次亜塩素酸ナトリウムを廃水に添加すると、生物化学的酸素要求量（BOD）とそれに伴う化学的酸素要求量（COD）の低減に役立ちます。ただし、有機化合物や溶存アンモニア（NH4+）を多く含む廃水では、トリハロゲン化メタン（THM）やその他の塩素化有機物の生成を防ぐため、次亜塩素酸ナトリウムの添加は避けるべきです。次亜塩素酸ナトリウムは、白金などの不活性電極を用いたEセル内で電気分解するか、外部の電気塩素発生器を使用することで生成できます。[ 13 ]
  • 米国海軍研究局が実施した試験では、ECによる浮遊物質の除去性能の優秀さと操作の簡便さから、膜システムにおけるECの最も有望な用途は、 UF/ROまたは精密濾過/逆浸透（MF/RO）の多層膜システムの前処理であると結論付けられました。この機能において、ECは低圧膜を保護し、化学凝集法よりも汎用性が高く、より効果的です。ECは、膜汚染物質（シリカ、アルカリ土類金属水酸化物、遷移金属など）の除去に非常に効果的であるだけでなく、化学凝集法だけでは除去できない多くの物質も除去します。（「難溶性有機物」を参照）

医療

電気凝固
メッシュD004564
医療用電気凝固装置

細いワイヤープローブまたはその他の送達機構を用いて、プローブ近傍の組織に電波を照射します。組織内の分子が振動することで温度が急上昇し、組織内のタンパク質が凝固して組織を効果的に死滅させます。より高出力のアプリケーションでは、組織を完全に乾燥させることも可能です。

参照

参考文献

  1. ^ Vong, YM; Garey, DG (2014).電気凝集法による廃水処理. Kreysa, G., Ota, Ki., Savinell, RF (eds) Encyclopedia of Applied Electrochemistry . Springer, New York, NY. doi : 10.1007/978-1-4419-6996-5_137 .
  2. ^ Ebba, M.; Asaithambi, P.; Alemayehu, E. (2021). 「廃水処理における電気凝集プロセスを用いた運転パラメータとコストの調査」 . Appl Water Sci . 11 (175): 175. Bibcode : 2021ApWS...11..175E . doi : 10.1007/s13201-021-01517-y . S2CID 239460756 . 
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