(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉鎖系空間内で生じた人体排出水及び／又は生活排水を含む被処理水をカチオン交換樹脂でカチオン交換処理するカチオン交換装置と、
該カチオン交換装置からの水中の有機成分を分解する有機成分分解装置と、
該有機成分分解装置からの水を電気透析処理する電気透析装置と
を有する閉鎖系空間用の水回収装置。
【請求項２】
請求項１において、該電気透析装置で生じた酸を前記カチオン交換樹脂の再生に用いる再生手段を備えたことを特徴とする水回収装置。
【請求項３】
請求項１において、該電気透析装置で生じた酸及びアルカリを前記カチオン交換樹脂の再生に用いる再生手段を備えたことを特徴とする水回収装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、前記カチオン交換樹脂がＮａ型の弱酸性カチオン交換樹脂であることを特徴とする水回収装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、
該有機成分分解装置が導電性ダイアモンドを電極とするダイアモンド電極電解装置であることを特徴とする水回収装置。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれか１項において、前記有機成分分解装置として、ダイアモンド電極電解装置と、触媒分解装置とを備えたことを特徴とする水回収装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項において、前記電気透析装置からの処理水にミネラル成分を添加するミネラル添加手段を備えたことを特徴とする水回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、閉鎖系空間で生じる尿、生活排水などの排水を処理して水を回収する水回収装置に関するものである。詳しくは、本発明は、核シェルター、災害避難所、宇宙ステーションまたは月・火星ミッションの有人宇宙船、月面基地などの閉鎖系空間にて用いるのに好適な水回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
閉鎖系空間で生じる排水から水を回収する方法として、特開２００６−０９５５２６にパーベーパレーションによる方法が記載されている。しかしながら、尿、生活排水などの排水にはアンモニア等の揮発性成分が含まれていることがあり、回収水にこの揮発成分が混入するおそれがある。また、排水が硬度成分を含んでいると、パーベーパレーション膜にスケール障害がおこる。また、排水がタンパクなどの有機物を含んでいると、ファウリングが起こったりして膜蒸留性能が低下する。なお、パーベーパレーション法はエネルギー消費量が大きい。
【０００３】
特開２０１０−１１９９６３には、閉鎖系空間で生じた排水を生物処理した後、膜分離処理し、次いで蒸留又は凍結して水を回収する方法が記載されている。しかしながら、生物処理法では、運転条件が適正値を外れると微生物が失活し易い。微生物は、失活してしまうと元に戻らない。また、活性汚泥は、有機物の１／３〜１／２を汚泥としてしまうため、汚泥という貴重な水を含んだ廃棄物が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０９５５２６
【特許文献２】特開２０１０−１１９９６３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、高回収率にて、また、低消費エネルギーにて、安定して水を回収することができる閉鎖系空間用水回収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の閉鎖系空間用の水回収装置は、閉鎖系空間内で生じた人体排出水及び／又は生活排水を含む被処理水をカチオン交換樹脂でカチオン交換処理するカチオン交換装置と、該カチオン交換装置からの水中の有機成分を分解する有機成分分解装置と、該有機成分分解装置からの水を電気透析処理する電気透析装置とを有するものである。
【０００７】
本発明装置は、該電気透析装置で生じた酸、もしくは酸及びアルカリをカチオン交換樹脂の再生に用いる再生手段を備えることが好ましい。
【０００８】
カチオン交換樹脂としてはＮａ型の弱酸性カチオン交換樹脂が好ましい。
【０００９】
上記の有機成分分解装置は、導電性ダイアモンドを電極とするダイアモンド電極電解装置であってもよい。白金電極などの一般工業電解向けの電極を使用した電解装置では、尿素や難分解性のビリルビンなど有機物種によって分解できないものもあるが、ダイアモンド電極電解装置を用いることにより、尿素や難分解性であるビリルビンなども分解可能となる。
【００１０】
本発明装置では、上記有機成分分解装置として、ダイアモンド電極電解装置と、触媒分解装置とを備えてもよい。
【００１１】
本発明装置は、前記電気透析装置からの処理水にミネラル成分を添加するミネラル添加手段を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、閉鎖系空間で生じた排水をまずカチオン交換樹脂装置でカチオン交換処理する。これにより硬度成分が除去されるので、後段の各機器におけるスケール障害が防止（抑制を含む。）される。
【００１３】
このようにして硬度成分が除去された水を有機成分分解装置にて処理し、有機物や尿素、ビリルビンなどその他の窒素化合物を分解処理する。
【００１４】
有機成分を分解する装置として、導電性ダイアモンド電極を有する電解装置を用いてもよい。この電解装置での電解で生じた次亜塩素酸を利用して、タンパク等の有機物や尿素、ビリルビンなどを触媒分解装置で分解し、後段の電気透析装置で除去できる有機酸、アンモニア等のイオンに変換することができる。なお、このダイアモンド電極による電解工程でアンモニアの一部が分解されＮ２ガスとなる。
【００１５】
この分解処理により生じた有機酸、アンモニア、無機イオンなどを電気透析装置で分離する。この電気透析装置としては、３室式の電気透析装置が好適である。この３室式の電気透析装置は、陽極と陰極の間に酸室、アニオン交換膜、脱塩室、カチオン交換膜、バイポーラ膜、酸室、アニオン交換膜、脱塩室カチオン交換膜を繰り返し配列した構造を有する。ここで生じた酸は、カチオン交換樹脂の再生に用いることができる。
【００１６】
上記の各処理が施された水にミネラルを添加することにより、飲用に好適な水が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施の形態に係る水回収装置のブロック図である。
【図２】別の実施の形態に係る水回収装置のブロック図である。
【図３】電気透析装置の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明について図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１は実施の形態に係る閉鎖系空間向け排水処理装置のブロック図である。
【００２０】
この排水処理装置は、宇宙ステーション等で使用した排水または人体排出水、空気中の水蒸気を凝縮させた水等の被処理水をそのままカチオン交換処理するカチオン交換装置１と、該カチオン交換装置１からの水中の有機物や尿素その他の窒素化合物を分解するダイアモンド電極電解装置２と、残留有機成分を触媒と接触させて分解する触媒分解装置３と、触媒分解装置３からの水を電気透析処理して酸、アルカリを生成させつつ脱塩水を製造する電気透析装置４と、この脱塩水にミネラルを添加するミネラル添加装置５とを具備するものである。
【００２１】
この実施の形態では、カチオン交換装置１のカチオン交換樹脂としてＮａ型の弱酸性カチオン交換樹脂が用いられる。Ｎａ型の弱酸性カチオン交換樹脂は、強酸性カチオン交換樹脂よりもカチオン交換容量が大きい。また、Ｎａ型の弱酸性カチオン交換樹脂はＨ型の弱酸性カチオン交換樹脂よりもＣａ２＋、Ｍｇ２＋の交換容量が大きい。
【００２２】
この実施の形態においては、カチオン交換装置１において硬度成分を除去するため、電気透析装置４のイオン交換膜の目詰まりが防止される。また、イオン交換膜をファウリングさせるたんぱく質などの有機物はダイアモンド電極電解装置２及び触媒分解装置３で分解される。
【００２３】
該電気透析装置４で生成した酸は、タンク６に貯蔵される。そして、カチオン交換装置１のカチオン交換樹脂を再生するときにカチオン交換装置１に供給され、カチオン交換樹脂の再生に使用される。この再生廃液は廃液タンク７に導入される。この実施の形態においては、電気透析装置４で生じた酸をカチオン交換樹脂の再生に利用するので、専用の酸源が不要である。
【００２４】
電気透析装置４では尿素は除去されないが、この実施の形態においては、尿素をダイアモンド電極電解装置２及び触媒分解装置３でアンモニアと炭酸に分解している。そのため、尿素が処理水にリークすることが防止される。
【００２５】
この実施の形態における不純物除去の反応機構の詳細は次の通りである。
【００２６】
カチオン交換装置１では、Ｎａ型弱酸性カチオン交換樹脂とのカチオン交換反応によりＣａ２＋，Ｍｇ２＋と一部の１価陽イオンが除去される。
【００２７】
イオン交換による軟化反応（硬度成分除去反応）は次の通りである。  
ＣａＸ、ＭｇＸ  ＋  Ｒ−Ｎａ  →  Ｒ＝Ｃａ、Ｒ＝Ｍｇ  ＋  ＮａＸ
ここで
Ｒ−：イオン交換樹脂交換基
【００２８】
ダイアモンド電極電解、触媒分解では以下の反応により有機物、尿素が分解される。
【００２９】
有機物  →（酸化）→  有機酸、ＣＯ２
尿素  →  ＮＨ４＋  ＋ＣＯ３２−
２ＮＨ３  ＋  ３ＨＣｌＯ  →  Ｎ２  ＋  ３Ｈ２Ｏ  ＋  ３ＨＣｌ
【００３０】
なお、触媒分解装置３の触媒としては、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｃｏなどを用いることができるが、これに限定されない。触媒分解装置３の操作温度は常温〜３５０℃程度が好適である。
【００３１】
電気透析装置では次の反応が進行する。  
ＹＸ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＨＸ（酸）  ＋  ＹＯＨ（アルカリ）
【００３２】
なお、３室式の電気透析装置での反応を図３に模式的に図示する。この３室式の電気透析装置は、陽極と陰極の間に酸室、アニオン交換膜、脱塩室、カチオン交換膜、バイポーラ膜、酸室、アニオン交換膜、脱塩室カチオン交換膜を繰り返し配列した構造を有する。図３の通り、被処理水中の陰イオンＸ及び陽イオンＹがアニオン膜又はカチオン膜を透過して陽極室又は陰極室に移動し、脱塩水が生産される。前述の通り、電気透析により生じた酸溶液はカチオン交換樹脂の再生剤として利用される。また、電気透析により生じたアルカリ溶液は廃液タンク７に送られるが、一部を生産水に添加してｐＨ調整に用いてもよい。廃液タンク７の廃液は、必要に応じ他の排水と混合されて被処理水として再利用される。
【００３３】
図１では、電気透析により生じたアルカリ溶液を廃液タンク７に送っているが、図２のように、このアルカリ溶液をタンク８に貯蔵し、カチオン交換樹脂の再生剤として利用してもよい。カチオン交換樹脂がＮａ型に再生される場合、酸に次いでアルカリで再生する。アルカリ溶液の一部は生産水に添加してｐＨ調整に用いることができる。図２の装置のその他の構成は図１と同様であり、同一符号は同一部分を示している。
【００３４】
上記のダイアモンド電極電解装置、触媒分解装置、電気透析装置などからは、化学反応により水素、酸素、塩素などのガスが発生するが、脱気膜や遠心分離などで、適宜、気液分離することが好ましい。
【００３５】
図１，２の実施の形態では、電気透析装置４からの脱塩水をミネラル添加装置５に通水してミネラルを添加すると共にｐＨを中性に調整している。ミネラル添加装置としては、サンゴ石など炭酸カルシウムを含む天然石充填層に通水するよう構成されたものが好適である。
【００３６】
上記図１，２の水回収装置は、簡単な構成により生活排水や人体排出水から不純物を取り除くことができるため、宇宙ステーションなどの閉鎖系空間における生命維持装置に適している。
【００３７】
閉鎖系空間において、被処理水の発生の水源となる主なものは尿、空気中の水蒸気、生活排水である。これらの水質は異なるため、本発明の水回収装置で処理するに当たり、必要に応じてそれぞれの水種を単独で処理しても良いし、それらを予め混合して処理しても良い。また、処理工程の途中から特定の水種の被処理水を合流させることも可能である。これらの処理方法は処理効率を考慮して決めることが望ましい。
【００３８】
一般的に前記被処理水のうち、スケール成分は尿に最も多く含まれるため、カチオン交換装置１での硬度成分の除去は尿のみを処理対象とし、有機成分分解工程前に空気中の水蒸気の凝縮水を合流させて処理することにより、各工程における被処理水の水量を無駄に増やすこともなく、効率的に処理できるので望ましい。
【実施例】
【００３９】
本発明装置による処理フローに従って、尿を処理する実験を行った。前述の通り、尿は、閉鎖系空間より排出されうる被処理水の代表的なものである。この尿中の主なイオン組成を表１に示す。
【００４０】
【表１】
0005482917.tif 000002
【００４１】
［１］  カチオン交換処理
上記尿１ＬをＮａ型弱酸性カチオン交換樹脂（ピュオライト製Ｃ１０４Ｅ）５０ｍＬに通液した。その結果、Ｎａ型カチオン樹脂処理水は硬度成分がすべて除去され、一部のＮＨ３，Ｋ＋が除去されていた。残存濃度はＮＨ３５２０ｍｇ／Ｌ、Ｋ＋１７４０ｍｇ／Ｌであった。また、このカチオン交換樹脂処理水のＴＯＣは７６００ｍｇ／Ｌであった。
【００４２】
［２］  ダイヤモンド電極電解装置による有機物分解試験
上記のカチオン交換樹脂処理水２００ｍLを５ｃｍ角のダイヤモンド電極電解装置を用い、循環流量１．７Ｌ／ｍｉｎの流速で電解分解した。電解は２．５Ａの一定電流で、１００時間行った。電圧は１０Ｖから５Ｖの変動があった。触媒はエヌイーケムキャット社製のＴｉ−Ｐｔ触媒を用い、２０ｍｍφ×５００ｍｍＨアクリルカラムに充填したものを循環系に組み入れた。１００時間後、電解循環水のＴＯＣは１ｍｇ／Ｌ以下となっていた。
【００４３】
［３］  電気透析装置による脱塩、酸・アルカリ生成
（株）アストム社製アシライザーＳ３を改造した電気透析装置を試験に用いた。セルの構成は、陽極、電極室、バイポーラ膜、酸室、アニオン交換膜、脱塩室、カチオン交換膜、アルカリ室、バイポーラ膜、電極室、陰極とした。電極液としては０．５モル／Ｌ硫酸ナトリウム溶液を用いた。
【００４４】
電解は２．２Ａ一定電流で行い、ダイヤモンド電極処理水を５０ｍＬ／ｍｉｎの流量で循環通水した。電圧は１０Ｖから３０Ｖの範囲で変動した。
【００４５】
なお、酸室、アルカリ室は５０ｍＬの純水を１０ｍＬ／ｍｉｎの流量でそれぞれ別に循環した。酸室循環水は８時間後約１Ｎ濃度となっており、カチオン樹脂の再生にもいられる濃度となっていた。８時間循環後の脱塩水の水質を表２に示す。表２中の「基準値」とは水道水基準値である。
【００４６】
【表２】
0005482917.tif 000003
【００４７】
表２の通り、各イオン濃度は水道水基準値を満たしており、飲用しても問題ない水質であった。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明によれば、スケール発生による目詰まり、有機物によるファウリング等を懸念することなく、また、蒸発のような多量のエネルギーを消費することなく、人間の生命維持に不可欠な水を再利用することが出来、核シェルターや宇宙などの閉鎖系空間において人間の長期滞在が可能となる。
【符号の説明】
【００４９】
１  カチオン交換装置
２  ダイアモンド電極電解装置
３  触媒分解装置
４  電気透析装置
５  ミネラル添加装置
６，７，８  タンク
【図１】
0005482917.tif 000004
【図２】
0005482917.tif 000005
【図３】
0005482917.tif 000006