JP3973353B2

JP3973353B2 - 電気透析方法およびその装置

Info

Publication number: JP3973353B2
Application number: JP2000269594A
Authority: JP
Inventors: 栄治田代; 忠男副島; 晃中島; 渡辺　　誠; 忠芳松田; 一男大隅; 智久太田; 秀幸西澤
Original assignee: Takuma Co Ltd
Current assignee: Takuma Co Ltd
Priority date: 2000-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2020-09-06
Also published as: JP2002079255A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ごみ焼却設備を含む燃焼設備、化学プラントから出る排ガス中の酸性ガス成分の脱酸処理を行う電気透析方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ごみ焼却設備（一般廃棄物もしくは産業廃棄物焼却プラント等）において、これらごみ焼却設備から出る排ガス中に含まれるＨＣｌ，ＳＯｘ等の酸性ガス成分を脱酸処理する方法としては、これら酸性ガス成分を水で洗浄し、苛性ソーダなどのアルカリ剤の中和によってｐＨ６〜７に調整することにより塩に変える方法が最も一般的に採られている。
【０００３】
この従来方法を図３に示されるシステム構成図によって説明する。この図３に示される従来システムは、第１洗浄塔５１と第２洗浄塔５２とを備えてなる構成とされている。図示されないごみ焼却設備からの排ガスは煙道５３を通して第１洗浄塔５１の頂部に導入され、この第１洗浄塔５１の下部に溜められた洗浄液５４が循環ポンプ５５にてその第１洗浄塔５１の上部に配されるスプレーノズル５６から噴霧され、これによって第１洗浄塔５１内に導入された排ガス中の酸性ガス成分（ＨＣｌ，ＳＯｘ等）が洗浄液５４にて吸収される。この酸性ガス成分の吸収に伴って洗浄液５４のｐＨは小さな値になるため、循環する洗浄液５４中に苛性ソーダヘッドタンク５７から苛性ソーダが補給され、その洗浄液５４のｐＨが６〜７に保持される。なお、第１洗浄塔５１内の過剰の洗浄液５４は排出ポンプ５８により系外に排出される。
【０００４】
前記第１洗浄塔５１を出た排ガスは煙道５９により第２洗浄塔５２に導入される。この第２洗浄塔５２に導入された排ガス中にはまだ酸性ガス成分を含有しており、この第２洗浄塔５２の下部に溜められた洗浄液６０が循環ポンプ６１にてその第２洗浄塔５２の上部から投入されることで、排ガスと気液接触させて排ガス中の酸性ガス成分が洗浄液６０にて吸収される。この酸性ガス成分の吸収に伴って洗浄液６０のｐＨはやはり小さな値になるため、第１洗浄塔５１と同様、循環する洗浄液６０中に苛性ソーダヘッドタンク５７から苛性ソーダが補給され、その洗浄液６０のｐＨが６〜７に保持される。そして、この第２洗浄塔５２を出た排ガスは煙道６３から図示されないガス再加熱器等を経て煙突により大気に放出される。なお、第１洗浄塔５１および第２洗浄塔５２はスプレー塔に限定されず、ラシヒリング等の充填物を充填した方式など他の各種方式のものも使用可能である。
【０００５】
ところが、この図３に示される従来方法においては、次のような問題点がある。
（１）酸性ガス成分を中和させるために苛性ソーダが必要になる。
（２）苛性ソーダによる中和によって塩が生成されるが、この塩は、従来の排水処理設備では除去できず、その処理水を特に河川等に放流した場合に、地域によっては塩害の問題が発生する恐れがある。
（３）生成された塩のリサイクルを行う方法として蒸発乾固技術があるが、この技術を適用した場合には膨大なエネルギーが必要になる。
（４）生成された塩を酸とアルカリに分解して再利用する方法として、バイポーラ膜電気透析法があるが、この方法はバイポーラ膜を使うためにコストがかかり、また分解した酸、アルカリの純度、濃度にも問題があり、利用が進んでいない。
（５）ＲＯ（ＲｅｖｅｒｓｅＯｓｍｏｓｉｓ）膜による脱塩技術を利用することも考えられるが、この方法ではランニングコストがかかるだけでなく、濃縮塩の処分の問題が残ってしまう。
【０００６】
そこで、このような問題点を解消するために、本出願人は、酸性ガス中のＨＣｌガスを一旦洗浄液に吸収させ、このＨＣｌ吸収後の洗浄液からプロトン選択透過性陽イオン交換膜を用いた電気透析によりＨＣｌを分離回収するようにした排ガス処理方法を既に提案している（特願平１１−１３８２５７号）。この先願発明に係る排ガス処理方法によれば、中和用の苛性ソーダ等のアルカリ剤の量を極端に少なくすることができるとともに、塩の排出を削減することができ、かつ純度の高い酸を回収してリサイクルを行うことができるという利点を有している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の先願発明においては、電気透析装置が、プロトン選択透過性陽イオン交換膜と陰イオン交換膜とが交互に配されるとともに、ＨＣｌガス成分吸収後の洗浄液が１つおきの区画室に導入される構成であるために、プロトン選択透過性陽イオン交換膜により、プロトン以外の陽イオン（重金属イオン）を一定レベルまで遮断することができるものの、極微量の陽イオンのリークが避けられないという問題点があった。このようなことから、リーク率を抑えてより純度の高い濃縮塩酸を得るための更なる改良が望まれているところである。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、プロトン選択透過性陽イオン交換膜を用いて電気透析を行うようにしたものにおいて、ＨＣｌの分離回収効率を高めてより高純度のＨＣｌを得ることのできる電気透析方法およびその装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために、第１発明による電気透析方法は、
排ガス中に含まれる酸性ガス成分中のＨＣｌガスを一旦洗浄液に吸収させた後、このＨＣｌガス吸収後の洗浄液からプロトン選択透過性陽イオン交換膜と陰イオン交換膜とを用いた電気透析によりＨＣｌを分離回収する電気透析方法において、互いに対をなす陰イオン交換膜の間に複数枚のプロトン選択透過性陽イオン交換膜を介挿することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明においては、第１段階で、排ガス中に含まれるＨＣｌ，ＳＯｘ等の酸性ガス成分のうちＨＣｌガスが洗浄液にて選択的に吸収され、第２段階で、この吸収後の洗浄液がプロトン選択透過性陽イオン交換膜によって水溶液中のカチオンのうちプロトンのみが透過することを利用して、プロトン選択透過性陽イオン交換膜を通過した水素イオンと、陰イオン交換膜を通過した塩素イオンとが結び付くことによってＨＣｌが回収・濃縮される。こうして、排ガス中のＨＣｌガスを中和することなく、脱酸処理を行うことが可能となる。この場合、互いに対をなす陰イオン交換膜の間に複数枚のプロトン選択透過性陽イオン交換膜が介挿されているので、このプロトン選択透過性陽イオン交換膜を通して極微量の重金属イオンが通過するのをより確実に抑えることができ、ＨＣｌの分離回収効率を上げて、高純度の濃縮塩酸を回収することができる。
【００１１】
次に、第２発明による電気透析装置は、前記第１発明による電気透析方法を具体的に実施するための装置に関わるものであって、
排ガス中に含まれる酸性ガス成分中のＨＣｌガスを洗浄液に吸収する排ガス洗浄部と、この排ガス洗浄部から抽出されるＨＣｌガス吸収後の洗浄液を導入する電気透析部とを備える電気透析装置であって、前記電気透析部は、互いに対をなす陰イオン交換膜の間に複数枚のプロトン選択透過性陽イオン交換膜が配されてなるユニットが複数ユニット連設されて区画室が形成されてなり、この電気透析部の各ユニットに前記排ガス洗浄部から抽出される洗浄液が導入されるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明においては、排ガスが排ガス洗浄部に導入されると、この排ガス中に含まれるＨＣｌ，ＳＯｘ等の酸性ガス成分のうちＨＣｌガスはその排ガス洗浄部にて選択的に吸収される。次いで、この排ガス洗浄部によりＨＣｌガスを吸収した洗浄液は電気透析部に導かれる。この電気透析部においては、互いに対をなす陰イオン交換膜の間に複数枚のプロトン選択透過性陽イオン交換膜が配されてなるユニットが複数ユニット連設されて区画室が形成されており、ＨＣｌガス吸収後の洗浄液がそれら各ユニットに導入されると、荷電により水素イオンはプロトン選択透過性陽イオン交換膜を通過するが、陰イオン交換膜を通過せず、またＮａ^＋，Ｋ^＋，Ｍｇ^２＋，Ｃａ^２＋等の陽イオンはプロトン選択透過性陽イオン交換膜を通過しないため、各ユニットにおいてはプロトン選択透過性陽イオン交換膜を通過した水素イオンと、陰イオン交換膜を通過した塩素イオンとが結び付くことによってＨＣｌが回収・濃縮される。こうして、排ガス中のＨＣｌガスを中和することなく、脱酸処理を行うことが可能となる。この場合、各ユニットにおいては、互いに対をなす陰イオン交換膜の間に複数枚のプロトン選択透過性陽イオン交換膜が介挿されているので、このプロトン選択透過性陽イオン交換膜を通して極微量の重金属イオンが通過するのをより確実に抑えることができ、ＨＣｌの分離回収効率を上げて、高純度の濃縮塩酸を回収することができる。
【００１３】
また、第３発明は、前記第２発明において、前記プロトン選択透過性陽イオン交換膜に挟まれた区画室に中間液を循環させるとともに、この中間液に濃縮ＨＣｌを補給するようにしたものである。こうすることで、より純度の高い濃縮塩酸を得ることができる。
【００１４】
次に、第４発明は、前記第２発明または第３発明に係る電気透析装置をごみ焼却設備における排ガス処理装置に用いたものである。このようにごみ焼却設備に用いることで、このごみ焼却設備から出る排ガス中の酸性ガス成分の脱酸処理を効果的に行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による電気透析方法およびその装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
図１には、本発明の一実施例に係る排ガス処理装置のシステム構成図が示され、図２には、電気透析槽の詳細構造が示されている。
【００１７】
本実施例の排ガス処理装置においては、第１洗浄塔（排ガス洗浄部）１１と第２洗浄塔１２と電気透析槽（電気透析部）１３とが備えられている。図示されないごみ焼却設備より煙道１４を介して送られてきた排ガスは、第１洗浄塔１１の頂部からその第１洗浄塔１１内へ導入され、この第１洗浄塔１１の下部に溜められた洗浄液１５が循環ポンプ１６にて上方へ循環されて上部のスプレーノズル１７から塔内に噴霧され、これによって第１洗浄塔１１内に導入された排ガス中のＨＣｌガスを吸収するようにされている。このＨＣｌガスの吸収に伴って洗浄液１５中のＨＣｌ濃度は高くなるので、後述の電気透析槽１３によって処理してその濃度が例えば０．０４〜１０重量％の範囲になるように制御される。ここで、ＨＣｌ濃度を上記範囲に規定したのは、０．０４重量％未満になると電気透析を行うためのプロトンが不足し、電気透析の安定運転ができなくなるためであり、１０重量％以上になるとＨＣｌガス吸収率の低下が大きくなるからである。洗浄液のｐＨが酸性側になるほど、ＳＯ_２成分はほとんど洗浄液に吸収されなくなるため、ＨＣｌ成分のみの回収が可能となる。
【００１８】
このＨＣｌガス吸収後の洗浄液１５はポンプ１８により送液され、前処理装置１９にて固形物（ＳＳ），重金属等、電気透析槽１３の安定運転にとって有害なものが除去された後、水冷却器２０にて温度が６０℃以下に下げられて、電気透析槽１３に送入される。この前処理装置１９と水冷却器２０は、順序を逆に設置しても何ら問題はないことは勿論である。
【００１９】
前記電気透析槽１３においては、両端に陽極２１と陰極２２とがそれぞれ配されるとともに、これら電極２１，２２間に後述のプロトン選択透過性陽イオン交換膜Ｃ１と陰イオン交換膜Ａが多数枚設けられている。なお、陽極２１、陰極２２に隣接する陽イオン交換膜Ｃ２は、少なくとも１枚以上設けるものとする。こうして、前処理装置１９および水冷却器２０を介して送入される洗浄液は原液室２３内に流され、この電気透析槽１３における処理によってＨＣｌ濃度の低くなった洗浄液が配管２４を介して第１洗浄塔１１に戻される。
【００２０】
一方、前記電気透析槽１３の透過室２５には、ＨＣｌタンク２６からポンプ２７によって希薄ＨＣｌ液が送入される。この希薄ＨＣｌ液は、原液室２３からイオン交換膜を透過するＨ^＋イオンおよびＣｌ⁻イオンとによって濃縮され、この濃縮ＨＣｌ液が配管２８からＨＣｌタンク２６に戻されるとともに、その一部が製品ＨＣｌとして配管２９から系外に抜き出される。
【００２１】
また、陽極２１と陰極２２の接液流路には使用目的に応じ各種の電解液が流通されている。これらの電解液は循環タンク３１に貯溜され、ポンプ３２によって陽極２１側および陰極２２側に送液されるとともに、電気透析槽１３を出た後、再度循環タンク３１に戻される。なお、循環タンク３１およびポンプ３２は、陽極２１側、陰極２２側それぞれ別個に専用のものを設けることもできる。
【００２２】
ＳＯｘを主とする酸性ガス成分および前記第１洗浄塔１１にて吸収されなかったＨＣｌガスなどの酸性ガス成分を吸収するために、第１洗浄塔１１を出た排ガスは煙道３３によって第２洗浄塔１２に導入される。この第２洗浄塔１２においては、下部に溜められた洗浄液３４が循環ポンプ３５にて上方へ循環されて投入され、これによって第２洗浄塔１２内に導入された排ガスと気液接触させて、この排ガス中のＳＯ_２ガスおよび第１洗浄塔１１では吸収されなかったＨＣｌガスなどの酸性ガス成分を吸収するようにされている。また、この第２洗浄塔１２における洗浄液３４のｐＨを６〜７に維持するために、苛性ソーダなどのアルカリ剤がヘッドタンク３６から洗浄液３４に補給される。なお、この第２洗浄塔１２を出た排ガスは配管３７からガス再加熱器等を経て煙突（いずれも図示せず）から大気に放出される。
【００２３】
次に、電気透析槽１３における処理について図２を参照しつつより詳細に説明する。
【００２４】
この電気透析槽１３においては、陽極２１と陰極２２との間にプロトン選択透過性陽イオン交換膜Ｃ１と陰イオン交換膜Ａとが多数枚配されるとともに、各電極２１，２２に近接する側には陽イオン交換膜Ｃ２が１枚以上重ねて配され、かつ互いに対をなす陰イオン交換膜Ａ，Ａの間に複数枚（本実施例では２枚）のプロトン選択透過性陽イオン交換膜Ｃ１，Ｃ１が配されて、これらイオン交換膜Ｃ１，Ｃ２，Ａによって多数の区画室が形成されている。
【００２５】
そして、第１洗浄塔１１より抽出されて前処理装置１９および水冷却器２０を介して送入される洗浄液（ＨＣｌ水溶液）は、プロトン選択透過性陽イオン交換膜Ｃ１と陰イオン交換膜Ａとにより画成される区画室内もしくは陽イオン交換膜Ｃ２と陰イオン交換膜Ａとにより画成される区画室内に供給される（図において実線の矢印にて示す）。電気透析によりそのＨＣｌ水溶液中の水素イオンＨ^＋はプロトン選択透過性陽イオン交換膜Ｃ１，Ｃ１を通過するが、陰イオン交換膜Ａを通過しない。したがって、プロトン選択透過性陽イオン交換膜Ｃ１と陰イオン交換膜Ａとにより画成される区画室内もしくは陽イオン交換膜Ｃ２と陰イオン交換膜Ａとにより画成される区画室内においては、２枚のプロトン選択透過性陽イオン交換膜Ｃ１，Ｃ１を順次通過した水素イオンＨ^＋と、陰イオン交換膜Ａを通過した塩素イオンＣｌ⁻とが結びついてＨＣｌが回収・濃縮される。この回収・濃縮されたＨＣｌは前述のように濃縮ＨＣｌ液として配管２８からＨＣｌタンク２６に戻される（図において一点鎖線の矢印にて示す）。
【００２６】
また、２枚のプロトン選択透過性陽イオン交換膜Ｃ１，Ｃ１に挟まれた区画室内には中間液が循環され、水素イオンＨ^＋のみが選択的に移動される（図において二点鎖線にて示す）。この中間液は、ＨＣｌタンク２６より適宜濃縮ＨＣｌが補給されるとともに、陽イオン濃度に応じて脱塩側にブローされる。
【００２７】
さらに、図２には示されていないが、陽極２１と陰極２２の接液流路には前述のように循環タンク３１から電極液が流通される。この電極液としては、一般的には、陽極２１側には硫酸、陰極２２側には脱塩水が用いられる。
【００２８】
本実施例において、プロトン選択透過性陽イオン交換膜Ｃ１の一例としては、カチオン交換膜の上にアニオン交換膜の薄層を積層してなるものであって、このアニオン交換膜の膜厚を従来のものに比して著しく薄くするために、薄く製膜できる溶媒可溶型のポリマーを用いるとともに、アニオン交換層として、溶媒に可溶なポリスルホン骨格のアニオン交換ポリマーを用いるのが好適である（「硫酸と工業」平成８年４月号、Ｐ５１〜Ｐ５８参照）。
【００２９】
本実施例の電気透析槽１３によれば、純度の高いＨＣｌを回収してリサイクルすることができ、しかもその処理時に苛性ソーダ等のアルカリ剤の消費量を極端に少なくすることができるという効果を奏するものである。また、塩の排出量も最小限に抑えることができ、塩害の発生や塩のリサイクル時における各種問題点を解消することが可能である。また、互いに対をなす陰イオン交換膜Ａ，Ａの間に複数枚のプロトン選択透過性陽イオン交換膜Ｃ１が介挿されているので、このプロトン選択透過性陽イオン交換膜Ｃ１を通して極微量の重金属イオンが通過するのをより確実に抑えることができ、ＨＣｌの分離回収効率を上げて、高純度の濃縮塩酸を回収することができる。
【００３０】
本実施例においては、陰イオン交換膜Ａ，Ａの間にプロトン選択透過性陽イオン交換膜Ｃ１を２枚配設したものについて説明したが、このプロトン選択透過性陽イオン交換膜Ｃ１の配設枚数は３枚以上であっても良いのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係る排ガス処理装置のシステム構成図である。
【図２】図２は、本実施例における電気透析槽の詳細構造を示す図である。
【図３】図３は、従来の排ガス処理装置のシステム構成図である。
【符号の説明】
１１第１洗浄塔
１２第２洗浄塔
１３電気透析槽
１５洗浄液
１９前処理装置
２０水冷却器
２１陽極
２２陰極
２３原液室
２５透過室
２６ＨＣｌタンク

Claims

排ガス中に含まれる酸性ガス成分中のＨＣｌガスを一旦洗浄液に吸収させた後、このＨＣｌガス吸収後の洗浄液からプロトン選択透過性陽イオン交換膜と陰イオン交換膜とを用いた電気透析によりＨＣｌを分離回収する電気透析方法において、互いに対をなす陰イオン交換膜の間に複数枚のプロトン選択透過性陽イオン交換膜を介挿することを特徴とする電気透析方法。
排ガス中に含まれる酸性ガス成分中のＨＣｌガスを洗浄液に吸収する排ガス洗浄部と、この排ガス洗浄部から抽出されるＨＣｌガス吸収後の洗浄液を導入する電気透析部とを備える電気透析装置であって、前記電気透析部は、互いに対をなす陰イオン交換膜の間に複数枚のプロトン選択透過性陽イオン交換膜が配されてなるユニットが複数ユニット連設されて区画室が形成されてなり、この電気透析部の各ユニットに前記排ガス洗浄部から抽出される洗浄液が導入されるように構成されていることを特徴とする電気透析装置。
前記プロトン選択透過性陽イオン交換膜に挟まれた区画室には中間液が循環されるとともに、この中間液に濃縮ＨＣｌが補給される請求項２に記載の電気透析装置。
ごみ焼却設備における排ガス処理装置に用いられる請求項２または３に記載の電気透析装置。