電気凝固

電気凝集（EC）は、廃水処理、洗浄水処理、工業用処理水、医療に使用される技術です。電気凝集は、乳化油、全石油炭化水素、難治性有機物、浮遊物質、重金属など、ろ過や化学処理システムでは一般的に除去が難しい汚染物質を除去できるため、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、セルの酸化還元電位の制御、超音波、紫外線、さまざまなガスや反応物の導入など、難治性または扱いにくい有機物質のいわゆる高度酸化プロセスを実現するより複雑な装置まで多岐にわたります。^[1]

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で利用できるようになりました。^[2]

電気凝固（「電気」は水に電荷を加えることを意味し、「凝固」は粒子の表面電荷を変化させ、浮遊物質が凝集体を形成するプロセスを意味する）は、高度で経済的な水処理技術です。これは、サブミクロンレベルの浮遊固形物を効果的に除去し、油やグリース、ラテックスなどのエマルジョンを分解し、フィルターの使用や分離化学物質の添加なしで水から重金属を酸化して除去します^[3]

廃水処理技術には、硝化、脱窒、リン除去などの生物学的プロセスや、化学物質の添加を必要とするさまざまな物理化学的プロセスなど、幅広い技術が知られています。一般的に使用される物理化学的処理プロセスは、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です。

• 機械ろ過は、洗浄ラック洗浄水における 2 つの問題、つまり 30 μm を超える浮遊物質と遊離油脂のみに対処します。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 コストが高くなります。電気凝固法では、粒子サイズを使用して物理的に分離することはありません。
• 化学処理は浮遊物質、油脂、一部の重金属に対処しますが、適切な処理のためには、さまざまな凝集剤や凝固剤の追加、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、高価で、面倒で、危険で、労働集約的な処理となる可能性のある化学物質の追加が必要です。このプロセスでは、凝固した汚染物質を浮上させるために圧縮空気の追加も必要です。一般的に、濾過は研磨の後処理段階としてのみ使用されます。

EC による廃水および洗浄水の処理は、20 世紀のほとんどの期間にわたって実施され、人気が高まっています。過去 10 年間、この技術は、金属を含む産業廃水の処理に米国、南米、ヨーロッパでますます使用されています。^{[4]また、北米では、EC は主に}パルプおよび製紙産業、鉱業、金属加工産業からの廃水の処理に使用されていることが指摘されています。テキサス州エルパソの 1 分間に 1,000 ガロンの大規模な冷却塔の適用は、電気凝固が産業界にますます認識され、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、油廃棄物、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、化学および機械研磨廃棄物、埋立地 浸出液からの有機物、水の脱フッ素化、合成洗剤の廃水、および重金属を含む溶液を含む水の処理に適用されています。電気凝固は、通常、家庭廃水処理には使用されません。^{[5] [6]}

凝固は、水処理で使用される最も重要な物理化学反応の 1 つです。イオン(重金属) とコロイド(有機および無機) 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追加すると、コロイドが不安定になり、凝固できるようになります。凝固は、化学凝固剤または電気的方法によって行うことができます。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、長年にわたって^{[いつ? ]}廃水処理に広く使用されてきました。

凝固のメカニズムは、継続的に検討されてきました。一般的に認められているのは^{、凝固は主に、正味の表面電荷が減少し、それまで静電反発力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保持され凝集できるほど接近できる点まで減少することによって起こるということです [要出典]。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減少する結果です。EC プロセスでは、適切な陽極材料の電解酸化によって凝固剤がその場で生成されます。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、または排水内で生成された金属水酸化物のフロックと反応することで、廃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、高分子電解質を使用する代わりに使用できます。この技術では、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、可溶性無機汚染物質を除去します。これらの種は、浮遊固体および油滴の静電荷を中和して、凝集または凝固を促進し、その結果として水相から分離します。この処理により、特定の金属および塩が沈殿します。

化学凝固は、数十年にわたって懸濁液を不安定にし、水溶性金属種やその他の無機種を水流から沈殿させ、沈殿または濾過によって除去するために使用されてきました。ミョウバン、石灰、および/またはポリマーが化学凝固剤として使用されてきました。しかし、これらのプロセスでは、濾過に時間がかかり、脱水が困難な結合水含有量の高い大量のスラッジが発生する傾向があります。これらの処理プロセスでは、排水中の総溶解固形物（TDS）含有量も増加する傾向があり、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似ていますが、電気凝固した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。電気凝固したフロックは結合水が少なく、せん断抵抗が高く、濾過しやすい傾向があります。^[8]

最も単純な形態では、電気凝固反応器は、1 つの陽極と 1 つの陰極を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、陰極は不動態化されます。

EC システムは基本的に、単極電極として機能する、並列に配置された導電性金属板のペアで構成されています。さらに、直流電源、電流密度を調節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下げ、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かまいません。

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を備えた単一のセルと電気的に似ています。直列セル配置では、直列に接続されたセルの抵抗が高いため、所定の電流を流すにはより高い電位差が必要です。ただし、すべての電極に同じ電流が流れます。対照的に、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間で分割され、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、化学反応と沈殿によって、またはコロイド状物質を凝集させてから浮選によって除去することによって、望ましくない汚染物質を除去します。さらに、コロイド状粒子、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、溶解性が低下します。

^{電気凝固技術では、無限に溶解する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より小さい分子量を持つイオンは、水性媒体から解離できません。

電気凝固反応器内では、いくつかの異なる電気化学反応が独立して生成されます。これらは次のとおりです。

• 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しい中心になります。
• エマルジョン破壊は、酸素イオンと水素イオンが乳化した油分子の水受容体部位に結合して水不溶性の複合体を形成し、油、掘削泥、染料、インク、脂肪酸などから水を分離することによって起こります。^{[9] [10]}
• ハロゲン錯体形成。金属イオンが塩素化炭化水素分子内の塩素と結合し、大きな不溶性錯体を形成して水から殺虫剤、除草剤、塩素化PCBなどを分離します。
• 反応室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形成され、電荷が水中に運ばれるため、水複合体の極性効果が排除され、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って浸透圧が生成され、通常、細菌、嚢胞、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、湿式化学で発生する自然のプロセスを加速します。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。

反応タンクの材質を慎重に選択することは、電流、流量、 pHの制御とともに不可欠です。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、またはその他の材料で作ることができます。温度と圧力は、プロセスにわずかな影響しか与えないようです。

EC プロセスでは、水と汚染物質の混合物が浮遊層、ミネラルを豊富に含む凝集沈殿物、および清澄な水に分離します。浮遊層は通常、オーバーフロー堰または同様の除去方法によって除去されます。凝集した凝集塊は、重力により反応容器または後続の沈殿タンクに沈殿します。

汚泥収集タンクに移された後、通常は機械式スクリュープレスを使用して半乾燥ケーキに脱水されます。その後、処理された透明な水 (上澄み水) は通常、バッファー タンクにポンプで送られ、後で廃棄されるか、またはプラントの指定プロセスで再利用されます。

• EC は必要な機器がシンプルで、操作も簡単で、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。^{[引用が必要]}
• EC によって生成されるスラッジは、従来のミョウバンや水酸化鉄スラッジに比べて、主に金属酸化物/水酸化物に残留電荷がないため、固まりやすく、脱水しやすい傾向があります。^{[引用が必要]}
• 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 は、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、化学処理に比べて TDS 含有量の少ない排水を生成できます。EC は一般に、溶液中のナトリウムイオンやカリウムイオンにほとんど影響を与えません。^[要出典]
• ECプロセスには、印加電界が残留電荷を中和し、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使用が避けられるため、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。^{[引用が必要]}
• 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が、高濃度の有機化合物や溶解アンモニア（NH4+）を含む廃水では、トリハロゲン化メタン（THM）やその他の塩素化有機物の形成により、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使用してEセルで電気分解するか、外部の電気塩素発生器を使用して生成できます。^[13]
• EC は懸濁物質を非常によく除去し、操作も簡単なため、米国海軍研究局が実施したテストでは、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)の多重膜システムの前処理であることがわかったという結論が出ました。この機能では、EC は低圧膜を保護しますが、これは化学凝固よりも一般的で効果的です。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ほか、化学凝固だけでは除去できない多くの物質の除去にも効果的です (難溶性有機物を参照) ^{[引用が必要]}

細いワイヤープローブまたはその他の伝達機構を使用して、プローブ付近の組織に電波を送信します。組織内の分子が振動して温度が急上昇し、組織内のタンパク質が凝固して組織が効果的に死滅します。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が可能です。

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