投稿者: ケイト
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日付: 2024 年 11 月 13 日
産業活動や家庭活動は大量の水資源を消費し、大量の廃水を発生させ、多くの国で水不足と水質悪化の問題を引き起こしています。したがって、廃水の無公害処理とリサイクルの実現は、取り組むべき緊急の課題となっています。凝集と沈殿の方法は操作が簡単で費用対効果が高く、産業廃水処理に広く適用されています。一般的に使用される凝集剤は、無機凝集剤、有機高分子凝集剤、微生物凝集剤の 3 つの主なカテゴリに分類できます。このうち、現在では安価な無機凝集剤が最も広く使用されており、有機凝集剤が最も優れた処理効果を発揮します。微生物凝固剤はまだ実験室での研究段階にあります。効率的、安全、経済的な新しい複合凝固剤の開発は、凝固剤開発の将来の主な傾向です。
凝固剤の分類
最も広く受け入れられている凝固のメカニズムには、凝固と凝集という 2 つのプロセスが含まれます。凝固プロセスとは、コロイド粒子の不安定化と小さな凝集体の形成を指します。凝集プロセスでは、凝集剤の影響下でこれらの小さな凝集体が結合して、より大きな凝集塊を形成します。凝集剤の主なメカニズムには、二重電気層の圧縮、吸着架橋効果、および水中でコロイド粒子を不安定化し、それらの凝集と沈降をもたらし、凝集効果を達成する掃引凝集が含まれます。一般的な凝集剤は、無機凝集剤、有機ポリマー凝集剤、微生物凝集剤の 3 つの主なカテゴリに分類できます。
01 無機凝集剤
無機凝集剤の作用原理には、電気二重層圧縮と電荷中和が含まれます。凝集剤は廃水中で対イオンを形成し、二重電気層を圧縮し、その結果コロイドのゼータ電位が低下し、表面の水和層が消失してコロイドが不安定になります。その後、帯電したコロイド粒子が分子間相互作用と静電気力によって凝集し、大きくて緻密なフロックを形成します。
無機凝集剤はさまざまな基準に基づいて分類できます。アニオン組成により、硫酸塩系と塩化物系に分類できます。分子量によって、高分子と低分子に分類できます。金属塩の種類により、鉄塩（塩化第二鉄、硫酸第一鉄、硫酸第二鉄など）とアルミニウム塩（硫酸アルミニウム、硫酸アルミニウムカリウム、アルミン酸ナトリウムなど）に分類できます。
鉄塩によって形成されるフロックは大きくて緻密であるため、必要な用量が少なくなり、適切な pH 範囲が広い (5.0 ～ 11) の低温で良好に機能します。ただし、鉄塩は機器を腐食させる可能性があるため、使用中に機器やパイプラインの状態を注意深く監視する必要があります。アルミニウム塩は、処理後の沈降時間が短く、色が低くなりますが、その有効性は pH に大きく依存します。さらに、水中の Al3⁺ の残留レベルが高いと二次汚染を引き起こす可能性があり、人体に入るとアルツハイマー病や貧血を引き起こす可能性があるため、二次汚染を避けるために特別な注意を払う必要があります。
これらの低分子量凝集剤は安価で広く入手できますが、使用量が多い、スラッジが大量に発生する、効果が低いなどの問題があります。したがって、無機凝集剤は低分子から高分子へ徐々に移行しています。現在、一般的に使用されている高分子無機凝集剤には、高分子アルミニウム凝集剤、高分子鉄凝集剤、反応性シリカ凝集剤、複合凝集剤などがあります。それらの作用は主に架橋効果に依存しており、pH および温度に対する感度が低い、安定した吸着効果、用量が少ない、残留色が少ないなどの利点を示します。近年、高分子無機凝集剤の生産規模は徐々に拡大し、凝集剤生産量全体の80％を占め、特に高濁度排水の処理に大きな効果を発揮しています。
02 有機高分子凝集剤
有機凝集剤の作用原理には主に次のようなものがあります。
(1)水素結合、静電相互作用、ファンデルワールス力によるコロイド粒子の吸着。
(2) ポリマー鎖セグメントは、架橋吸着機構を通じて粒子の沈降を促進します。有機高分子凝集剤は、無機凝集剤と比較して、処理効率が良い、凝集時間が短い、低温適性、pH範囲が広い、汚泥の発生が少ないなどの利点があります。
有機高分子凝集剤は、天然変性高分子凝集剤と合成高分子凝集剤の 2 つのカテゴリーに分類できます。合成ポリマー凝集剤は、制御可能で比較的高い分子量を有し、鎖セグメントに多数の官能基を導入することができ、優れた凝集効果を提供します。現在、中国市場における最も代表的な合成高分子凝固剤はポリアクリルアミド（PAM）およびその誘導体であり、市場全体の80％を占めています。
高い製造コストと環境毒性を有する合成ポリマーとは対照的に、天然変性ポリマー凝集剤には、幅広い入手可能性、低コスト、安全性、非毒性、カスタマイズ可能な分子特性などの利点があります。天然変性ポリマー凝固剤には、主にデンプン誘導体、キトサン、セルロース、グアーガム、その他の植物ベースのガム、タンパク質、藻類が含まれており、これらはすべて動植物から供給されます。
たとえば、加工デンプン分子は優れた凝集効果を達成できます。カチオン性エーテル化デンプンとその誘導体は、負に帯電した粒子を効果的に凝集させることができますが、分岐デンプン構造は、銅、水銀、鉛などの重金属イオンに対して強い凝集効果をもたらします。他のモノマーと共重合したデンプングラフトコポリマーも重金属イオンを効果的に除去できます。キトサンの修飾は、グラフト化、エステル化、架橋、アルキル化などの方法によって実現できます。さまざまな種類の天然高分子凝集剤は、実際の生産や日常生活のニーズに合わせて、化学修飾や改質によってさまざまな目的の特性を得ることができます。
03 微生物凝集剤
微生物凝集剤とは、特定の培養微生物が一定段階で増殖・代謝して生成される高分子量生成物およびバイオマスです。それらは廃水中の固体浮遊粒子の凝集と沈降を引き起こし、それによって水域を浄化するという目的を達成します。微生物凝集剤には幅広い供給源があり、費用対効果が高くなります。それらは通常、多糖類、タンパク質、DNA 鎖、糖タンパク質、およびポリアミノ酸で構成されています。二次汚染を引き起こすことなく自然に分解できます。
凝集剤を生産する微生物は数多く存在しており、ルート設計により容易に工業化が可能です。しかし、中国における微生物凝集剤の研究はまだ限られており、現在の研究はほとんどが実験室レベルであり、工業生産には程遠い。
凝集剤の開発展望
凝集剤は廃水処理に幅広い用途があり、さまざまな浮遊または可溶性不純物、金属イオン、細菌、ウイルス、その他の汚染物質を効果的に除去します。これらは脱酸素、脱色、リン除去の達成に役立ち、その結果、無公害で資源効率の高い廃水処理が実現します。中国の廃水処理に使用される凝集剤の種類は、研究の進歩に伴い、効率性、費用対効果、環境への配慮を目的として、低分子の無機凝集剤から高分子の有機凝集剤へ、また単一タイプから複合タイプへ移行してきました。
天然高分子凝集剤は、無機凝集剤や広く使用されている合成高分子凝集剤と比較して、入手しやすさ、低コスト、安全性、無毒性、環境に優しいなどの優れた利点を持っています。工業廃水は多くの場合、量が多く、組成が複雑で、安定した分散液で構成されています。したがって、単一の凝集剤ではすべての成分を効果的に除去できない可能性があります。
最近では、無機-有機凝集剤の相乗効果を利用して、無機-有機、無機-微生物複合凝集剤を使用する傾向にあります。まず、無機凝集剤が電荷を中和して不純物を大きな分子クラスターに凝集させ、次に有機高分子凝集剤が架橋作用によってこのクラスターを捕捉し、効果的に沈降させます。無機凝集剤を使用すると、必要な有機凝集剤の量を減らすことができ、より低コストで最適な結果を達成できます。ただし、廃水の種類に応じて、特定の配合と投与量を継続的にテストする必要があります。
現在、ポリ塩化アルミニウムとポリアクリルアミドの複合凝集剤が一般的に使用されており、優れた効果を示しています。ただし、それらは特定の環境リスクをもたらします。将来の研究は、環境への配慮を高めるために、ポリマーシリカ無機凝集剤と天然有機高分子凝集剤を組み合わせることに焦点を当てる可能性があります。微生物凝集剤の工業生産が実現できれば、無機微生物複合凝集剤システムでも優れた処理結果が得られるはずです。
人間の生産活動による水質の悪化により、廃水の無公害かつ資源効率の高い処理が緊急の課題となっています。適切な凝集法と凝集剤を使用することで、低コストで優れた処理結果を得ることができます。現在、凝集剤は低分子量から高分子量、単一タイプから複合タイプへと移行し、廃水中の浮遊・溶解不純物、重金属、色素などを効果的に除去します。