JP4375880B2 - 水処理用凝集剤 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種用排水の凝集処理に使用される水処理用凝集剤に関するものであり、さらに詳しくは、保存安定性の向上した重合ケイ酸を含有する水処理用凝集剤に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、各種用排水中の懸濁質、溶存有機物、リン酸イオンを除去するために広く水の凝集処理が行われている。これらの水の凝集処理においては、凝集剤として、硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、硫酸第二鉄、ポリ硫酸第二鉄、塩化第二鉄などのアルミニウム系もしくは鉄系の無機金属塩凝集剤が利用されている。一方、これらの無機金属塩凝集剤を単独で使用すると十分な凝集力が得られないため、高分子凝集剤が用いられることも多く、特に上水処理の分野においては安全性の高い高分子凝集剤として重合ケイ酸溶液を使用することが検討されているが、重合ケイ酸溶液を用いた凝集剤は極めてゲル化しやすいという欠点があり実用化には至っていない。そこで、こうしたゲル化の問題を解消し、長時間の保存が可能な凝集剤とするための種々の試みがなされている。
【0003】
例えば、特許第2732067号には、第二鉄イオンを安定剤として含有し、かつpH1.5以下であるケイ酸溶液からなる水処理用凝集剤が開示されている。この公報において開示されている凝集剤は、水ガラスを酸性溶液に溶解させて得られるケイ酸溶液を重合させた後、塩化第二鉄をはじめとする鉄塩を添加することによって安定化を図るものである。
【0004】
また、特許第2759853号には、アルカリ金属ケイ酸塩の水溶液に脱アルカリ金属処理を施した後、これを意図的にゲル化させ、再び液状化させて得られる水処理用凝集剤が開示されている。ここで明らかにされている凝集剤は、アルカリ金属濃度を低減させたケイ酸溶液のpHをいったん中性付近にすることによりゲル化させ、再び液状化させることで長期間保存可能としたものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者らがこれらの技術を詳細に検討したところ、以下のような問題点があることが判明した。
【0006】
特許第2732067号に示される重合ケイ酸溶液は、Si濃度が0.5〜2%という低濃度の重合ケイ酸溶液に第二鉄塩を大量に添加することによってゲル化時間を伸ばし、長期間の保存を可能にしたものであるが、この重合ケイ酸溶液はSi濃度を低濃度に維持している間は安定であるものの、2%より高めると不安定な状態になりゲル化しやすくなる。また、第二鉄塩を大量に添加することによって5000時間以上という長期の保存を可能とした実施例が示されているが、鉄濃度が下がると途端にゲル化するという非常に不安定な状態であることも判明した。また、使用時には用排水の組成に応じてシリカ及び鉄の濃度をそれぞれ調整する必要があるが、鉄の含有量が多すぎるとこうした調整が困難になるという問題点を有する。
【0007】
また、特許第2759853号における重合ケイ酸溶液は、脱アルカリ金属処理を施した水ガラスのpHを中性付近まで上昇させることで重合させ、いったんゲル化させた後、加熱することによって再溶解させて安定状態の重合ケイ酸溶液を得るという、三段階にわたる製造工程が必要となる。またアルカリ金属ケイ酸溶液の脱アルカリ金属処理にイオン交換樹脂を用いるため、イオン交換樹脂の再生が必要となる。そのため操作が非常に煩雑であり製造コストも高くなる。
また、重合装置内でいったんゲル化させる工程を経るとなると、機器の取扱い上の問題があり工業的に生産することは困難である。
【0008】
本発明は、以上のような問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、長時間にわたってゲル化しにくく保存安定性の向上した水処理用凝集剤を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
以上のような従来技術の状況に鑑み、種々研究を重ねた結果、本発明者らは、脱アルカリ金属処理を施しアルカリ金属濃度を低減させた重合ケイ酸溶液に水溶性アルコールを含有させることによって、重合ケイ酸を含有する凝集剤がゲル化しにくい安定な状態になることを見出し、本発明を完成させた。
【0010】
すなわち、本発明は、水処理用凝集剤が、脱アルカリ金属処理を施すことによってSi/X(X:アルカリ金属)のモル比を10〜40とした重合ケイ酸溶液を主成分とし、水溶性アルコールを5〜30 vol%含有し、SiO2 濃度が1〜10重量%、pHが1〜4であることを第一の特徴とするものであり、水溶性アルコールが、メタノール、エタノール、プロパノールおよびエチレングリコールからなる群から選ばれる少なくとも一種であることを第二の特徴とする。また、前記水処理用凝集剤中に、金属塩を0.1〜10重量%含有することを第三の特徴とするものであり、金属塩が第二鉄塩であることを第四の特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における水処理用凝集剤を詳細に説明する。
【0012】
本発明の水処理用凝集剤は、脱アルカリ金属処理を施すことによってSi/X(X:アルカリ金属)のモル比が10〜40である重合ケイ酸溶液を主成分とし、水溶性アルコールを5〜30 vol%含有することを特徴としている。
【0013】
重合ケイ酸溶液としては特に限定されないが、例えば、酸性溶液(塩酸、硫酸等の強酸)中に、水ガラス原液を水で希釈したアルカリ金属ケイ酸水溶液を添加することにより得られたものを用いることができる。
【0014】
重合ケイ酸溶液におけるSi/X(X:アルカリ金属)のモル比は10〜40とすることが好ましい。10より小さい領域では、アルカリ金属の含有量が多いため安定化の効果が得られにくい傾向にあり、40を超える領域まで脱アルカリ金属処理を施すと、安定化には効果があるものの、脱アルカリ金属処理に要する時間が長くなりコストアップにつながるからである。通常、アルカリ金属ケイ酸水溶液中には、Na,K等のアルカリ金属がSi/X(X:アルカリ金属)のモル比で2.5〜5含まれているが、このアルカリ金属濃度を低減させることによって、重合ケイ酸溶液のゲル化を遅らせることができ、凝集剤の保存安定性が向上する。
【0015】
水溶性アルコールは、凝集剤中に5〜30 vol%含有することが好ましい。5 vol%より小さいと、安定化の効果が見られにくい傾向にあり、30 vol%を超えて添加すると、安定化には効果があるもののコストアップにつながるからである。
【0016】
また、水溶性アルコールは特に限定はされないが、炭素数が1〜6の低級アルコールが好適であり、特に、メタノール、エタノール、プロパノールおよびエチレングリコールが好ましい。これらの水溶性アルコールは単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
【0017】
また、本発明の水処理用凝集剤はSiO2 濃度が1〜10重量%、pHが1〜4の範囲内であることを特徴としている。
【0018】
SiO2 濃度が1%より小さくなると凝集力が小さすぎて実用に供さないし、10%を超えるとゲル化しやすくなり、長期間保存することが困難となる。また、凝集剤のpHが1より小さいかもしくは4より大きい領域では、ケイ酸の反応性が非常に高くゲル化しやすくなるという理由から、pHを1〜4の範囲内に調整する必要がある。
【0019】
本発明の水処理用凝集剤は、単独でも使用可能であるが、用排水処理に使用する場合には、金属塩と併用することで十分な凝集力が発揮される。
【0020】
併用される金属塩は、硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウムなどのアルミニウム塩、あるいは硫酸第二鉄、ポリ硫酸第二鉄、塩化第二鉄などの第二鉄塩が好適であるが、その中でも特に第二鉄塩が好ましい。
【0021】
金属塩は凝集剤中に0.1〜10重量%となるように含有させるのが好ましい。0.1重量%より少ないと凝集力が十分でなく実用に供さないし、10重量%を越えて過剰に添加すると、用排水中における懸濁物質の荷電状態が変化し、凝集力を失ってしまうからである。
【0022】
また、金属塩は上記方法で得られた凝集剤に使用時に添加してもよいが、あらかじめ凝集剤中に添加した状態で保存してもよい。特に、第二鉄塩は重合ケイ酸溶液を安定化する作用を有しており、脱アルカリ金属処理および水溶性アルコール類による安定化作用との相乗効果によって、より良好な保存安定性が得られる。
【0023】
本発明における水処理用凝集剤の製造方法を以下に示す。
【0024】
まず、重合ケイ酸を製造する。重合ケイ酸溶液は、酸性溶液中にアルカリ金属ケイ酸水溶液を添加し、室温〜60℃において撹拌することによって得られる。
【0025】
アルカリ金属ケイ酸水溶液は、水ガラス原液を水で希釈し、SiO2 濃度2〜20重量%となるように調整したものを用いるのがよい。SiO2 濃度が2重量%より小さくなると重合に長時間必要となる傾向があり、20重量%を越えると重合中にゲル化しやすくなる傾向があるからである。
【0026】
酸性溶液の種類は特に限定されないが、塩酸、硫酸等の強酸を使用するのが好ましい。
【0027】
ケイ酸の重合過程においては、酸性溶液にアルカリ性のアルカリ金属ケイ酸水溶液を添加するのに伴ってpHが上昇する。この際、アルカリ金属ケイ酸水溶液を急速に添加するとpHの局所的な上昇によって反応が進行しゲル化しやすくなるため、pHが緩やかに上昇するように適度な速度で滴下することが好ましい。
【0028】
本発明においては、脱アルカリ金属処理を施すことによってアルカリ金属濃度を低減させることを特徴とするが、重合前のアルカリ金属ケイ酸水溶液に脱アルカリ金属処理を施しても良く、また、重合後の重合ケイ酸溶液に対して脱アルカリ金属処理を施しても良い。
【0029】
この脱アルカリ金属処理の方法としては特に限定されないが、電気透析法が好適である。この電気透析法においては、陽極と陰極の間に陽イオン交換膜と陰イオン交換膜を交互にならべて構成される電気透析装置を用いる。例えば、重合ケイ酸溶液を脱アルカリ金属処理する場合には、脱塩室に重合ケイ酸溶液を、濃縮室に電解質水溶液をそれぞれ供給する。さらに、両極に直流電流を通電すると、脱塩室中のアルカリ金属イオンは陽イオン交換膜を介して隣接する濃縮室へ透過し、脱アルカリ金属処理された重合ケイ酸溶液が得られる。アルカリ金属ケイ酸水溶液を脱アルカリ金属処理する場合も同様である。
【0030】
このようにして得られた脱アルカリ金属処理された重合ケイ酸溶液に水溶性アルコールを含有させることによって本発明の水処理用凝集剤が完成する。
【0031】
水溶性アルコールは、ケイ酸溶液の重合後に添加してもよく、また、酸性溶液中に添加しておいてもよい。前者の場合は、重合ケイ酸溶液のゲル化を遅らせる作用によって凝集剤の保存安定化が図られ、また、後者の場合には、重合中にゲル化しにくくなるという効果がある。さらに、水溶性アルコールをケイ酸の重合前及び重合後のいずれにも添加すれば、重合中のゲル化トラブルを回避でき、かつ得られた凝集剤の保存安定化も図られ、いっそう効果的である。
【0032】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0033】
尚、本実施例における極限粘度の値は、ウベローデ粘度計を用いて測定した比粘度からHuggins式を用いて算出した。
【0034】
(実施例1)
水ガラス原液4号品(日本化学工業製)を水道水で希釈し、SiO2 濃度7重量%、Si/Naのモル比4.7のケイ酸ソーダ水溶液2500mlを作成した。これを溶液(A)とする。
【0035】
電気透析装置(旭化成工業製SV−3型)の脱塩室に溶液(A)1000mlを、濃縮室に2重量%の水酸化ナトリウム水溶液1000mlを各々導入し、電流密度1.0A/dm2 で、1時間通電し、脱塩室から、SiO2 濃度7重量%、Si/Naのモル比11.3のケイ酸ソーダ水溶液1000mlを得た。
【0036】
このケイ酸ソーダ水溶液500mlを、0.3N−HCl 500ml中に滴下しながら室温中で撹拌混合し、pH1.5、SiO2 濃度3.5重量%、Si/Naのモル比11.3の重合ケイ酸溶液1000mlを得た。これをビーカーに168ml分取し、水道水12mlとエタノール20mlを加え、SiO2 濃度2.4重量%、Si/Naのモル比11.3、エタノール10 vol%、pH1.8、極限粘度0.10の凝集剤200mlを得た。
【0037】
(実施例2)
実施例1の凝集剤を100ml分取し、塩化第二鉄を4.8g加え、SiO2 濃度2.4重量%、Si/Naのモル比11.3、エタノール10 vol%、pH1.5、極限粘度0.20、鉄濃度1重量%の凝集剤100mlを得た。
【0038】
(実施例3)
実施例1において、通電時間を3時間とした以外は同様の方法で溶液(A)1000mlに電気透析を施し、脱塩室から、SiO2 濃度7重量%、Si/Naのモル比35.3のケイ酸ソーダ水溶液1000mlを得た。
【0039】
このケイ酸ソーダ水溶液500mlを0.15N−HCl 500ml中に滴下しながら室温中で撹拌混合し、pH1.5、SiO2 濃度3.5重量%、Si/Naのモル比35.3の重合ケイ酸溶液1000mlを得た。これをビーカーに168ml分取し、水道水12mlとエタノール20mlを加え、SiO2 濃度2.4重量%、Si/Naのモル比35.3、エタノール10 vol%、pH1.8、極限粘度0.10の凝集剤200mlを得た。
【0040】
(実施例4)
実施例3の凝集剤を100ml分取し、塩化第二鉄を4.8g加え、SiO2 濃度2.4重量%、Si/Naのモル比35.3、エタノール10 vol%、pH1.5、極限粘度0.20、鉄濃度1重量%の凝集剤100mlを得た。
【0041】
(比較例1)
溶液(A)を100ml分取し、1.3NのHCl 100ml中に、30分間かけて滴下しながら室温下で撹拌混合した後、水137mlを加え、SiO2 濃度2.4重量%、Si/Naのモル比4.7、pH1.5、極限粘度0.10の凝集剤337mlを得た。
【0042】
(比較例2)
比較例1で得られた凝集剤100mlを分取し、塩化第二鉄を4.8g加え、SiO2 濃度2.4重量%、Si/Naのモル比4.7、pH1.3、極限粘度0.30、鉄濃度1重量%の凝集剤100mlを得た。
【0043】
以上のようにして得られた各凝集剤について、以下の方法で安定化試験、凝集力試験を行った。
【0044】
(安定性試験)
凝集剤の保存安定性を評価するために、以下のような安定性試験を行なった。実施例1〜4および比較例1〜2の各凝集剤を25℃の恒温槽中に保存し、ゲル化時間及び一定時間毎の極限粘度を測定した。尚、ゲル化時間は凝集剤がゼリー状に固まり流動性を失った時点までの時間とした。この結果を表1に示し、さらに図1にグラフ化した。
【0045】
【0046】
表1に示すように、比較例1のゲル化時間が720時間であったのに対して、実施例1〜4ではいずれも2000時間を越える著しく長いゲル化時間を有していた。この結果から、脱アルカリ金属処理と水溶性アルコール類の添加が重合ケイ酸溶液の安定化に作用し、凝集剤を安定な状態で長時間保存できることが確認された。
【0047】
(凝集力試験)
前記実施例2,4及び比較例2で得た水処理用凝集剤の凝集力をジャーテストにより評価した。水道水にカオリンを添加して原水濁度100度としたものを処理対象原水とし、凝集剤添加率0.5ml/L、水温21℃、120rpm 3分の条件で撹拌し、フロック出現時間、フロック粒径及び上澄み液濁度を測定した。これらの試験の結果を表2に示す。
【0048】
【0049】
表2より、本発明の凝集剤が、フロック出現時間、フロック粒径および上澄液濁度の各項目について従来の凝集剤と同じく十分な凝集力を有することも確認された。
【0050】
【発明の効果】
本発明によると、脱アルカリ金属処理によってアルカリ金属濃度を低減させ、さらに水溶性アルコールを含有させることによって、重合ケイ酸溶液のゲル化を遅らせることができ、長期間保存可能な水処理用凝集剤が得られる。したがって、重合ケイ酸を含有する凝集剤を容易に量産化することが可能となり、工業的にも非常に有益である。
【図面の簡単な説明】
【図1】凝集剤の経過時間と極限粘度の関係を示したグラフである。
Claims (4)
- 脱アルカリ金属処理を施すことによってSi/X(X:アルカリ金属)のモル比を10〜40とした重合ケイ酸溶液を主成分とし、水溶性アルコールを5〜30 vol%含有し、かつSiO2 濃度が1〜10重量%、pH1〜4であることを特徴とする水処理用凝集剤。
- 水溶性アルコールが、メタノール、エタノール、プロパノールおよびエチレングリコールからなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項1記載の水処理用凝集剤。
- 金属塩を0.1〜10重量%含有することを特徴とする請求項1または2記載の水処理用凝集剤。
- 金属塩が第二鉄塩であることを特徴とする請求項3記載の水処理用凝集剤。
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