多段流動床式活性炭吸着装置
AbMsTcfge

FIuid盲zed‑bed

CclrbonAc†iyc]Ted
Equipmenll

Adsorp†ion

技術開発本部

The

progressof

strengthening

田Noda

佐藤

Eisuke

Sato

まof

water

introduce

paper

describe

adsorption

of

water

waste

qualitycontrolofaandisotherms

sorptioncharacteristics

がfluidized‑bed

multistage

characteristics

ofFurther

thetreatment.

adsorption

えtechnology

treatment

advanced

waste

water

demandofis strongly
byreuse枯

becauserequiredthe栄insufficiency

ofresources.

water
Thisof

晃

Akira

野and

the

fixed

without

activatedcarbons

activatedbreakthroughoverallconsideration

carbonfor

curve

optimum

coefficient･

capacityofa

is sim山ated

contact

Theandequlpment

adsorption
designin

use

curve

theonoftheprocess

measuredtheexpress

ad‑I.

efficiency･

き

排水規制の強化,水不足に伴う再利用の要請などにより,目的である場合に限られていた｡

排水の高度処理技術の進歩が強く望まれている｡活性炭吸

理想的な吸着装置とは,常に一定の処理水を得ることが着は,その高度処理技術の主要な一つであり,最近では生できるものであり,そのためには吸着塔の処理水側には常物活性炭(BAC)や繊維活性炭(ACF)など応用技術に新炭に近い十クJiな吸着能力を持つ活性炭が存在し,さらの開発も行われている｡に,活性炭の消費量を削減するために吸着能力を十分使い活性炭吸着塔の形式には,固定床,膨張床,移動床,及切った活性炭を原水側から抜き出すことが必要である｡こび流動床があるが,固定床式の吸着振作は解析法,設計法の条件を満たし,上記の固定床や流動床が持つ欠点を解決するのが多度流動床式である｡多段流動床式には,次のよとも既に確立されており,当社でも多くの実績を持っている｡多段流動床式活性炭吸着装置は,出現して開発が進むにつれて,敷地面積が′トさい,活性炭保有量が少ない,さらに,活性炭を効率よく使用できるなどの理由から多く用うな利点がある｡(1)多長如こすることによって活性炭のショ‑I‑/ヾスを防ぐことができる｡(2)活性炭の逆混合を防止して排水と活性炭の接触効率いられるようになってきた｡を向上させる｡

当社でも,従来の固定床式に加え多段流動床式活性炭吸ll̲

着装置の研究を行ってきたが,今回活性炭の吸着特性のデ(3)敷地面積を小さくできる｡

ータを用いた各段の吸着破過曲線のシミュレーション方法を検討したのでその結果を報告する｡(4)活性炭の抜き出しおよび供給が連続的に行えるた

1.多段流動床式活性炭吸着装置(5)活性炭の吸着能力を十分使い切れるので,活性炭の消費量が少ない｡

め,吸着塔内の活性炭保有量が少ない｡

1. 1従来の国定床式と多段流動床式
1.

用いている｡しかるに,エ場排水などによく見られる多成分系の吸着されにくい排水では,一定形の吸着帯が形成さシー†を示す｡この装置は,‑塔多段式の吸着塔で,排水中の汚濁物質は各段の流動した活性炭によって接触除去されないため,固定床式では層高が高く活性炭の利用効率がれる｡また,流動床式の活性炭吸着装置には,悪くなってくる｡

シュの粒状活性炭が使用される場合が多い｡簡単に排水と活性炭のフローを説明すると,排水は,吸着塔の底部より

また,流動床式が最近まで利用例が少なかったのは,ショーT･/ミスなどの影響により吸着不十分のまま系外に流出される活性炭の存在によって効率が悪くなってしまい,処理精度の点でも固定床式に及ばないとされていたこと,さ2

多良流動床式活性炭吸着装置のプロセス=学的手法による固定床式吸着苓の解析法は,吸着され易い系において一定形の吸着帯が形成されるという概念を第1園に多段流動床式活性炭吸着装置の一般的なフロー

20‑40メッ

流入し,上向流で活性炭と接触後塔頂部より処理水として取り出され,活性炭は,最下段の吸着能力が無くなった老炭から水位差を利用してスラ1)

らに確立された解析法や設計法が無かったことに原因があ‑状で抜き出し,段間移送を行った後,塔頂部に新炭を供給する仕組みになっている｡唯一利用されていたのは,排水に浮遊固体が多く含まれるため層が閉塞する危険があり,溶解成分のみの吸着ができる｡

10る｡排水の処理はほぼ連続的に,全自動運転で行うことが神鋼パンテツク技報

VTol. 36No.

1(1992/3)

LT1;,

C肌1t†(,'',ノiooo(良‑aI°ill

Flコ
(2〕

第2囲

〔,i:jFll□F,1.I:aFig.

'L.r‑))

吸着モテンレの概念図
2

Schematic

adsorption

mode一q‑kC*t/‖lQ) Adsorption
Sperlt Carbon

@
第1図

屯Fig.

2.

columllstrage(彰Waste watertank@ Treated(垂Carbonstragetar)k@

Ejectortank

water

1

Multistage

fluidized･bed

activatedk,mは定数である｡

ここで,多段流動体式f[Tf性炭吸着装置呈初期および境界条件は,次のように表される｡
Carbonads()rption equipment

吸着破過曲線のシミュレ‑ショソt‑∩,Z‑0:

C‑Co,C*‑0t‑0,C‑C*‑0Z>0:

活性炭の吸着樽陛を把握することは,流動床式吸着塔の設計およひ安定運転を行う上で重要であるが,それらを調2.

べる方法として,吸着等温線と通水カラムテスl一による吸着速度の測定が広く行われている｡しかし,原水了糞度や空このシミュレーションを行う際,空隙率,活性炭充填量,空塔速度などは実験の操作条件として既に決まってお塔速度など多種多様な操作条件において実験することは,かなりの労力と時間を要する｡そこで,当社では吸着モデり,総括容量係数KLaは,通水カラムテス†より得られる破過曲線と吸着等温線のデータから推定することができ)i,を考え,破過曲線をシミュレ‑ジョンする方法を開発しる1,2)｡次にその手順の概要を示す｡

た｡
2.

(3)

C‑Co

t>0,Z‑0:

総括容量係数l(Laの推定2(1)破過曲線より,任意の時間tにおける吸着量qを求1吸着モデル
第2園に,【茨着モデルの物質収支の概念図を示す｡流体e1)る.

(2)吸着等温線からそれぞれのqに対する(C‑C*)

は栓流,充填剤は完全混合状態とし,さらに,吸着速度過程は線形推進力の仮定が成立すると,層内の微小区間のd∠を決定する｡(3)単位時間当りの吸着量の増加量を,破過曲線より次式を用いて求める｡

における流体内およひ[夜着剤内での物質収支より次式が導かれる｡

IL8J｡

流体内;

Jt
∂C=F

ここに,

事茨着剤内;

ここに,･pF:流量[m3/s]

W:活性炭充填量[lくg‑AC](4)一方,吸着速度式は次式が成立すると仮定すれは,KLaが決定できる｡:流体内i濃度[kg/m3]c*:一葉度基準の平衡て景度[kg/m3]:空塔速度[m/s]Z:塔軸方向の位置[In]t:時間[s]

KLa:濃度基準の総括容量係数[1/s]〃

Co:原水濃度[kg/m3](2)‑KIJa(C‑C*)
03?‑

Cu

W』t

(1)

‑‑KLa(CIC*)
u･aa2＋三･∂t(1‑i)･/:'＋Jt■与co‑c)dt(4)

(1‑三)

･.IJ

･謡‑K,+a(C‑C*):空隙率[‑]

また,吸着等温線の測定と通水カラムテスTlは,次の方法に従って行った｡:真密度[kg‑AC/m3]

2. 3:攻着量[kg/kg‑AC]
また,吸着量qと平衡凍度C*の間にほ,吸着等温線の測定

吸着等温線実験は,q

Freundlich型

(5)

JIS

K1474の方法に準拠して測定され,平衡吸着量qは,次式によって算出できる｡の吸着等温式が成り立つものとする｡
Vol.

36

No.

1

(1992/3)

神鋼パンテツク技報

11

第1表

使用した活性炭の諸物性
1

Table

Properties

of applied

carbonactivated

Packeddensity[kg‑AC/m3]

adsorptive

capacity

Average[%]numberdiametergrain

づvalues462

A

コ⊂デReal[m8/kg‑AC][一二]
specific gravity

Meshsize

porep⊂】

9.0ンく10ー4

volumeA

(=)1

｢コq)

5.5:く1014⊂)Total△(川2(ロ[m]△と･◆三96.2

△△△A

こ望

1.062

[kg/kg‑AC]△△̲普of properties

IodineHardness

U

TypicalItems.0()5遥i

2.10()().o1 0.O2

20/40

0.05

0,1

().21

().525l

DilTtellSionlessequilibrium concentratiollFig.
2

表r吸着力ラムの諸jL.

Table

第2

Specificationsof the adsorption;●

waste'鳩t.iiiiec三言ilcwc言三;1?,S:ate?.Tl｡t｡d)1Taste‑ater＼1￣atビr第4国
Fig.

通水カラムテストのフロー
4ColumrlS

test

3Table表3equipment

1..=)

l

第isotherms

頓憧朋憧朋tal〕

1･3m

I E.a3e5keg̲wAeig/盟.'um｡

carbonAdsorption

ITsaitdeeriadliまmpeotley,v;in.y.15･Height of columns;

columnActivated

3columns
sat‑叩1jl‑質CJihloride:‑

吸着等温線(Co‑0.06kg/m3)

第3園

1()

1

通水カラム吸fF'j'･実験条件
0perationalconditionsof columns

Concentration

LinearFirst coltlmll
SecondcolumII

r3

test

(̲JEj‑;

o･ of eEPeriment

●

●

▲

●I‑t▲

●lP
▲

IJV, […/s]oEk,7a[steg/wma3t∃r:

Thirdcolumn

Fourthcolumnt≡velocity■ロo一三i0.064.2〉く1〔)￣3

0.094.2〉こ10J30.06

5.6×10ー3().066.9〉く10￣3=..r‑)

冒

㌔.旦==

●'E7J

●▲

o01,()ad, I,0q=(6)W[kg.kg‑AC!

多段吸着塔の淑過曲線(Experiment

第5図L(Co‑C苧)1OJ)〔コ5Fig.

Breakthroughcurveof mtlltistage

NO･1)

adsorption

columnsr

ここに,

LCo
C*

First

:供試水量[m3二】し∋:試料初期濃度[kg/m3]≡:平衡濃度[kg/m3]

lf'L･衡て柴度C*と qとの間には,colunlnSec()ll(IこJも■＋3Freundlich塑ゆ吸清等温練が成立する｡.･

E:

今回の実験では,試料原水として家庭用洗剤の希釈液をCOD襟度の吸着等温線を求めた｡また,使用した活性炭の諸物性を第1表に示す｡
第3図に,吸着等温線の一例を示す｡ただし,グラフのcolumnFotlrt hEIE3ヒ

人工排水に用い,c()1t1111II
Third:2'り:;'o仁nluI11IlI)I)

し:′

一箪･表≡

().5〔=1Lpoad, LO

横軸は試料初期濃度によって除した無次元潰度である｡吸

第6園

着等温線が2本の直線で表されることは,本試料内に難吸Fig.

6[kg/kg‑Act

多段吸着塔の破過曲線(Experiment
Breakthroughcurveof multistageNO･2)

adsorption

colum‑‑s

着成分が存在していることを示唆しており,単一成分系で分の割合を表している｡

ないことがわかる｡屈折点は,原水中むこ含まれる難吸着成には吸着等温線測定実験と同じ洗剤希釈液を用いた｡
今回の実験では,原水濃度と空塔速度の吸着量におよほ

2. 4す影響を調べた｡実験条件の詳細を第3表に示す｡

通水カラムテストによる吸着速度の測定

実験装置の簡単なフローを二第4園に示す｡また,カラ∴第5‑8図に,各条件で得られた第4塔めまでの破過曲の諸元を第2表に示すo吸着カラムは多段式で,各段ごと線を示す｡ただし,縦軸は原水潰度によって除した各軌土r.にサンプリングロを取り付け,一定濃度の原水を一定の流速で通水し,各塔出口水濃度の経時変化を測定する｡原水

口水の無次元濃度,横軸は,次式で表される流入負荷量でJ2ある｡

神鋼パンテツク技報

T7Tol. 36No.

1(1992/3)

I=くFFirst column
Sec()nd columll

こぅこ̲)E)‑

≡

●

●

Third

望c()1tlmn
Fりし1rthc()IulllI1▲

▲

▲

‑

113

■■

冒:i

▲

≡

Third

columnFourthcolumn･=
ユ

▲

賀1戻ちリ

｢こコHJ)

≡:

←ノ･ぐ弓

芯o▲
▲

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●

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●

■吉▲

o00

く1コ
コ

⊂ア().;‑)こ⊃

1ノ()a⊂l,LO

第7図
Fig.

BreakthrougllCurve

Of multistage(),5Lillear

NO.

多段吸岩塔u)破過曲線(Experiment7､′0｢kg./kg‑AC+3)

adsorption

第9図

columns

1Veloc巾, LVx[m//s]

100

吸着量の空塔速度による影響

Fig.

9Effeetlinear velocityofon

quantityof

adsorpt10ni..rl)l

FiI‑St(ヱc()1Llmn
Sec()lldUd⊂)リ

●1▲
■

▲

1.il

■t一

⊂=

(山】
1､hir(I),'2い)lu】1川Fourthl･()c⊂)

ー1∃tll ll⊂)▲･B&First column
Secondcolumn

4‑ly().5∈こ:(=)

oT･3

▲

0.1

0.2

0.6

こJ

O.4;.b‑1‑I‑I‑().占読q)●I(un2c()1し1111Il

0▲'F71}⊂二Runl‑｡00=,5〔=〕.冒

L()a(i L(̲)(I.2rkg'kg‑ACluO

第8図Fig･

多段吸着塔の破過曲線(Experimerlt
8

Breakthroughcurveof multistageNO.

adsorption

Ⅰ′ocolumns

Coxt

LO=()Jう

u.4(7)/'×(1一三)女丁().7

fkg lくg‑AC】

第10園

シミュレ‑ションによる破過曲線

Fig.

Simulated

第10breaktl】rough4

表

シミュレーションデータ

Table

4

Simulation

curve

data

LO:流入負荷量[kg/kg‑AC]

ここに,0.6り.54)Run

丁:滞留時間[s]また,これらのグラフから次式を用いて図積分すること

Concentratiopof wasteLinear veloclty:く103
Void fraction [‑]water[kg/m3]

Lm/s]

12

Run0106;

4.2

≡ 4.2

0.853

:

O･09:

Run3

き O106
6.9･ 0.890

0.853

によって各塔の吸着量を算出することができる｡【Commonq‑Itol〜(1‑ C/Co)dLO(8)(LowLOB:C‑Co時の流入負荷量[kg/kg‑AC]
第9園に,空塔速度の吸着量に及ぼす影響を示す｡実験NO.

1, 3,0.575.56〉く10ー2(HighIsotherms

q‑1.09×104(C/Co)1'0･162

concentration

q‑o.192(C/Co)

1/2･18side)4を比較すると,各塔とも空塔速度5.6×10ー3m/s(20m/也)付近が最も吸着効率がよいことがわかる｡ま1, 2の比較による原水深度による影響は,た,実験NO･

本実験条件範囲では各塔ともほとんどなかった｡

2. 5.

1原水i濃度による影響

原水壬柴度に関係なく被過曲線は全く一致しており,通水カラムテスTlでG])結果と同じであった｡原水潰度が高くなると,吸着速度ほ大きくなるが,破過するまでの時間が短シミュレーション

2. 5[m/stage]

cor!centration side)

AdosorptlOn
ここに,data】

Heightof fluidized bed
K1‑a [1/s]Adosorption
isotherms

式(1), (2)で表される連立偏徴クJi方程式を,差分法による数値計算によって解けは破過曲線が得られる｡
2.4節において総括容量係数KI.aの推定法を述べた方KLaは活性炭の飽和度とともに変化くなるためである｡しかし,これほ原水に含まれる各成分の割合は同じであると仮定したためで,実排水については多成分系の場合が多いので,原水i濃度が大きくなったとき法よりわかるように,難吸着成分のみが増加し各成分の割合が変化することも考すると考えられるが,今凹はKIJaを一定と仮定して原水慮しなけれはならない｡

襟度と空塔速度の変化による影響を検討した｡シ′ミュレー

2. 5.

2

空塔速度による影響

ションに用いたデータを第4表に,シミュレーションによ?.?塔速度の変化による影響を考える場合,空塔速度によって得られた破過曲線を第10園に示す.ただし,縦軸ほ無次元濃度,横軸は流入負荷量である｡って活性炭層の展開率が変化するので,その時の空隙率を考慮してデータを入力した｡第10図より,空塔速度が大きVol.

36No.

1(1992/3)

神鋼パンテツク技報J3

いほど吸着される速度が遅くなっている(破過曲線の傾き
KLaが一定の場合,空塔速度が/トさい)ことがわかる｡

通水カラムテスTl結果とS/ミュレーション結果を比較すが大きけれは空隙率ほ大きくなり,接触時間も短くなるこると,原水潰度による影響はどちらも見られないが,空塔5･6×1013
速度による影響については,実験では空塔速度とを考慮するとこの結果は妥当であると考えられる｡しかm/s(20m/h)付近で最も吸着量が大きかったが,シミュし,上記の結果にかかわらず活性炭単位量当りの全吸着量

レ‑ジョンでは空塔速度によって吸着量ほ変わらなかっ
KLaを一定にして接た.これは,シミュレーションでは,は,空塔速度によってほとんど差はないo2. 6 考察

触効率の考慮がなされていないためと考えられ,操作条件実験で得られた破過曲線と,シミュL,‑ジョンによる破る()れる必要があるようである｡一般に,吸着現象ほ次の3段む階を経て進行する｡

KLaの推算法を確立することは今後の課題であにおける過曲線の挙動を議論するにほ,吸着現象そのものに少し触すび

本文中でも述べたように,シミュレーションを完全なも第1段階:･液本体から吸着剤一流体界面に到達する.のにしていくには,データを蓄積して吸着現象を試行錯誤をしながら,接触効率を考慮した総括容量係数KLaの推算法を確立していく必要がある｡コストの高い活性炭の消第2段階:吸着剤の細孔内を拡散する｡
第3段階:内部表面で吸着され平衡に達する｡
通常は第2段階が支配的であるが,吸着され易い物質や希費量を少なくするには,活性炭の吸着能力をどこまで使い薄物質の吸着では,第1段階の影響も大きい｡空塔速度の切るかが重要なポイントとなることから,より精度の高い増加などによって接触効率が良くなると,第1段階の支配シミュレーションを行えることは将来必要となってくると思われる｡今後は,これらの問題点を解決して定量的な議論を行い,実排水に見られる多成分系‑の適用を進める予が弱くなってくるため,吸着速度が大きくなる｡しかし,ある程度まで大きくなると支配が第2段階に移るため,それ以上空塔速度を大きくしても吸着速度は増加せず,接触時間が短くなる分だけ吸着効率は悪くなってしまう｡そのため,活性炭の吸着能力を十分に使い切らない内に出口水潰度が原水i濃度に達してしまうため,見かけの吸着量が減少してしまうことが推測される｡

14定である｡〔参考文献〕
1)後藤忠一ほか:環境技術,
2)後藤忠一ほか:環境技術,

神鋼パンテツク技報

No･

Vol.

9,

Vol･

10,Vol.

(1980),

9
8

No･

S6

p･6931
6081(1981),

p･

No.

(1992/3)

1