世の中には、良い面と悪い面があります。社会の発展と人々の生活水準の向上は、必然的に環境汚染につながります。廃水もその一つです。石油化学、繊維、製紙、農薬、医薬品、冶金、食品生産といった産業の急速な発展に伴い、世界全体の廃水排出量は大幅に増加しています。さらに、廃水には高濃度、高毒性、高塩分、高着色成分が含まれることが多く、分解・処理が困難で、深刻な水質汚染を引き起こしています。
日々発生する大量の産業廃水を処理するため、人々は物理的、化学的、生物学的アプローチを組み合わせたり、電気、音、光、磁気といった力を利用したりと、様々な方法を採用してきました。本稿では、この問題に対処するための電気化学的水処理技術における「電気」の活用について概説します。
電気化学的水処理技術とは、特定の電気化学反応、電気化学プロセス、または特定の電気化学リアクター内で、電極または印加電界の影響下で物理的プロセスを介して廃水中の汚染物質を分解するプロセスを指します。電気化学システムと装置は比較的シンプルで、設置面積が小さく、運用・保守コストが低く、二次汚染を効果的に防止し、反応の制御性が高く、産業オートメーションにも適しているため、「環境に優しい」技術として知られています。
電気化学的水処理技術には、電気凝集・電気浮上法、電気透析、電気吸着法、電気フェントン法、電気触媒促進酸化法など、様々な技術が含まれます。これらの技術は多岐にわたり、それぞれに適した用途と分野があります。
電気凝固-電気浮選
電気凝固法は、実際には電気浮選法であり、凝固プロセスが浮選と同時に起こるためです。したがって、これらを総称して「電気凝固-電気浮選法」と呼ぶことができます。
この方法は、外部電圧を印加することで陽極に可溶性陽イオンを発生させます。これらの陽イオンはコロイド状の汚染物質を凝集させる効果があります。同時に、陰極では電圧の影響下で多量の水素ガスが発生し、凝集物が表面に浮上するのを助けます。このように、電気凝集法は陽極凝集と陰極浮上によって汚染物質の分離と水の浄化を実現します。
金属（通常はアルミニウムまたは鉄）を可溶性陽極として使用すると、電気分解中に生成されるAl3+またはFe3+イオンが電気活性凝集剤として機能します。これらの凝集剤は、コロイド二重層を圧縮して不安定化し、以下の方法でコロイド粒子を架橋して捕捉することで作用します。
Al -3e→ Al3+ または Fe -3e→ Fe3+
Al3+ + 3H2O → Al(OH)3 + 3H+ または 4Fe2+ + O2 + 2H2O → 4Fe3+ + 4OH-
一方、形成された電気活性凝集剤M(OH)nは可溶性高分子ヒドロキソ錯体と呼ばれ、凝集剤として作用し、廃水中のコロイド懸濁液（微細な油滴や機械的不純物）を迅速かつ効果的に凝集させ、それらを架橋・連結してより大きな凝集体を形成し、分離プロセスを加速します。一方、コロイドはアルミニウム塩や鉄塩などの電解質の影響下で圧縮され、クーロン効果または凝集剤の吸着によって凝集が起こります。
電気活性凝集剤の電気化学的活性（寿命）はわずか数分ですが、二重層電位に大きな影響を与え、コロイド粒子や懸濁粒子に対して強力な凝集効果を発揮します。その結果、アルミニウム塩試薬を添加する化学的方法と比較して、吸着容量と活性がはるかに高く、試薬量も少なく、コストも低くなります。電気凝集法は、環境条件、水温、生物学的不純物の影響を受けず、アルミニウム塩や水酸化物との副反応も起こしません。そのため、排水処理において広いpH範囲に対応できます。
さらに、陰極表面での微細気泡の放出により、コロイドの衝突と分離が促進されます。陽極表面での直接的な電解酸化と、Cl-から活性塩素への間接的な電解酸化は、水中の可溶性有機物と還元性無機物に対して強力な酸化能力を有します。陰極から新たに生成された水素と陽極から生成された酸素は、強力な酸化還元能力を有します。
その結果、電気化学リアクター内で発生する化学プロセスは非常に複雑になります。リアクター内では、電気凝集、電気浮上、電気酸化の各プロセスが同時に進行し、水中の溶解コロイドと浮遊汚染物質の両方を、凝集、浮上、酸化によって効果的に変換・除去します。
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投稿日時: 2023年9月8日
