Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
次に広島県内の生コンクリート工場3箇所（以後、工場P1～P3と呼ぶ）を選定し、電力測定を行った。月産能力の観点から、2工場は大～中規模に、1工場は中～小規模に分類される。一般に電力会社によって課金用の電力測定が行われている。しかしながら予備調査によると、生コンクリート工場では、機器プロセス別の電力量は測定されておらず、既設の電力測定機器を用いた情報収集はできない。そこで、クランプ電力計を受電設備内に設置して測定を行った。本装置は、電圧を抵抗分圧方式、電流をクランプ式で測定し、2電力計法によって有効電力量を算定するものである。特長は以下のようにまとめられる。1）原理的には工場の電力供給を止めることなく設置可能、2）小さいので、配電盤などに特殊な工作なしで設置可能、3）データの自動記録が可能、4）工場で一般的な三相3線式に対応。

## 4 ．結果・考察

はじめに、点検業務に関する環境負荷量の結果を示す。本研究において対象とした点検は、日常点検、詳細点検に区分でき、詳細点検については、橋梁とトンネルについて調査を行うことができた。なお、調査を実施した高速道路は、中国地方の一部区間（ある管理事務所管内の区間、道路延長102.8km）である。ただし、入手ができた過去5年間の点検内容は、日常点検、詳細点検（橋梁）、詳細点検（トンネル）のそれぞれで対象年度が異なる。また、それぞれの対象年度5年間における点検日数は、日常点検で522日、詳細点検（橋梁）で142日、詳細点検（トンネル）で72日となっている。日常点検は車上目視で実施されており、ここでは点検車の平均走行時速を60km/hと仮定した。詳細点検では、点検車両等がインターチェンジ（以下、IC）あるいはジャンクション（以下、JCT）から入り、点検を行った後に次のICあるいはJCTでUターンして元のICあるいはJCTに戻ること、また、大型の点検機械等ではリースが多く、これらはICあるいはJCTの事務所を基地として搬入・搬出が行われることを考慮して、車両の走行に関する環境負荷量の算出を行うのは点検箇所を挟むICあるいはJCT間の距離を基として、その倍の距離（往復分）を走行距離とした。ただし、点検車両では、点検箇所まで自走して点検箇所にて機械を稼働し点検作業が行われるが、走行時の環境負荷量と点検停車時のアイドリングや機械の稼働に伴う環境負荷量をここでは区別することができなかった。

以上の条件の下で算出された環境負荷量を表 23、図 53に示す。表、図中では、詳細点検（トンネル）と詳細点検（橋梁）を合計して詳細点検として記している。表から明らかなように、点検業務に伴う環境負荷の絶対量は、それほど大きくはない。先述のとおり、ここでデータを収集した日常点検、詳細点検（トンネル）、詳細点検（橋梁）の過去5年間については、それぞれで年度が異なるため、単純にそれぞれを比較することはできないが、日常点検と詳細点検を比較したとき、CO₂排出量は日常点検の方が詳細点検をやや上回るのに対して、SOx排出量、NOx排出量、ばいじん排出量は詳細点検の方が日常点検よりも圧倒的に大きい。特に、NOx排出量とばいじん排出量において、その傾向が顕著である。

日常点検では、点検車による車上点検のため、燃料としてはガソリンの使用が大半であるが、詳細点検では大型車両が多くなり燃料として軽油の使用が多くなる。このために、点検の総日数としては、詳細点検は日常点検よりも大幅に少ないものの、詳細点検では1回の点検規模が大きく、点検機械を多く使用し、軽油の使用量が多くなることから、表 23、図 53に示される結果となったものと思われる。
表 23 高速道路の点検業務に伴う環境負荷量の計算結果（道路延長102.8km、5ヶ年）

点検の種類	5ヶ年の点検総日数	CO₂排出量 (kg-CO₂)	SOx排出量 (kg-SOx)	NOx排出量 (kg-NOx)	ばいじん排出量 (kg-PM)
日常点検	522日	33,924	8.66	13.55	0.97
詳細点検	85日(トンネル)、44日(橋梁)	29,278	22.18	212.84	17.87

図 53 高速道路の点検業務に伴う環境負荷量の計算結果（道路延長102.8km、5ヶ年）

次に、補修業務に関する環境負荷量の結果を示す。環境負荷評価を行った環境影響要因の中から、一例としてCO₂排出量、NOx排出量の計算結果をそれぞれ図54、図55に示す。なお、A橋では床版の解体撤去と床版の架設が一連の工事の中で行われ、両者を分離することができないため、A橋では施工・解体として示している。図54に示すとおり、B橋と比較してA橋の単位セメント量が多く、コンクリート量も多いことから、CO₂排出量が大きくなっている。材料に由来するCO₂排出量のうち、約6割をセメント、残りの大半を鋼材が占めている。A橋では、PCa床版端部のループ筋を介して順次床版を接合していく構造となっているが、ループ筋の折曲げ最小半径の制約から版厚がRC床版よりも大きくなっている。そのため、A橋におけるコンクリート量がB橋よりも大きくなっている。一方、B橋では、ブレーカーやウォータージェットを用いて床版コンクリートが解体されるが、腐食等の著しい鋼材を除いて、鋼材はそのまま使用するため、材料に由来するCO₂排出量の中で鋼材の占める割合は極めて低い。大半は、セメントに由来するCO₂排出量である。これらの相違が、材料に由来するCO₂排出量の相違となり、大きな差が生じる結果となっている。概して新設構造物では、総CO₂排出量に占める個々の段階の割合が材料6～7割、施工2～3割、輸送1割程度となる。補修の場合には、B橋が端的な例となるが、異なった比率となることがわかった。材料と同程度の割合を解体が占める場合もあることから、解体工法の選定が環境負荷の低減には非常に重要となる。また、図55に示されるように、B橋の場合には、NOx排出量の大半を解体が占めていることがわかる。この傾向は、ばいじん排出量においても示されている。このことから、解体機器類の低環境負荷化は、CO₂排出量のみならず、NOx排出量やばいじん排出量の低減にも寄与することがわかる。
図 54 高速道路の橋梁補修に伴う CO_{2} 排出量の計算結果

図 55 高速道路の橋梁補修に伴うNOx排出量の計算結果

以上の結果を基に、補修後の耐用年数を考慮して、長期にわたる環境負荷を算出した結果を、一例として $ CO_{2} $ 排出量について図56に示す。ここで、A橋の場合には、補修後の耐用年数を70年とし、B橋の場合には、10年ごとに30％の部分補修をした場合と、35年ごとに全面補修をした場合で試算を行っている。いずれの補修方法においても、補修後の耐用年数の設定値には議論の余地はあるが、A橋のライフサイクル(LC) $ CO_{2} $ はB橋と同程度となることが予想される。このとき、NOx排出量やばいじん排出量は、A橋においてB橋の2分の1から3分の1程度にまで抑えることができる。よって、本研究において着目した $ CO_{2} $ 排出量、NOx排出量、SOx排出量、ばいじん排出量を総合的に考慮したときには、PCa床版による全面取換えの方が、従来工法よりも環境負荷低減に資すると考えられる。

図 56 高速道路の橋梁補修における $ LCCO_{2} $ の試算結果
上記の結果を基に、道路構造物の維持管理・補修の全体に関する考察を行う。ただし、ここでは道路舗装に関する環境負荷量の検討結果がないことから、別途実施している道路舗装に関する環境負荷の検討例 $ ^{2)} $ ， $ ^{3)} $ を適用することとする。なお、この検討例は一般道を対象としたものであり、高速道とは異なる点がある。主な相違点は、アスファルトの種類の相違と、高速道では再生アスファルト合材を使用していない点である。これらの相違は認識しつつ、一般道の結果をそのまま高速道に準用できるとして、ここでは検討に用いることとする。アスファルト舗装の補修に伴う大型交通量別の環境負荷量を表24に示す。大型車交通量を1000台/日・方向とし、道路の幅員が一律に10mであると仮定すると、アスファルト舗装の補修に伴う環境負荷量は、CO $ _{2} $ 排出量167t/km、SO $ _{x} $ 排出量387kg/km、NO $ _{x} $ 排出量691kg/km、ばいじん排出量124kg/kmとなる。

表 24 アスファルト舗装の補修に伴う環境負荷量

CO₂排出量
(kg-CO₂/100m²)	SOₓ排出量
(kg-SOₓ/100m²)	NOₓ排出量
(kg-NOₓ/100m²)	ばいじん排出量
(kg-PM/100m²)
大型車
交通量
(台/日·方向)	100未満	966	2.051	5.373	0.715
100以上250未満	966	2.051	5.373	0.715
250以上1000未満	1,671	3.870	6.910	1.236
1000以上3000未満	1,671	3.870	6.910	1.236
3000以上	2,376	5.688	9.963	1.758

一方、点検業務に関する評価は、ある管理事務所管内を対象として行ったが、この管理事務所管内の鋼橋すべてに対して、上述した橋梁補修が実施されたとして試算すると、橋梁補修に伴う環境負荷の総量は次のようになる。

PCa床版補修を採用した場合：

CO $ _{2} $ 排出量31,300t、SO $ _{x} $ 排出量33.8t、NO $ _{x} $ 排出量166t、ばいじん排出量8.96t

RC床版補修（全面補修）を採用した場合：

CO $ _{2} $ 排出量18,000t、SO $ _{x} $ 排出量9。43t、NO $ _{x} $ 排出量168t、ばいじん排出量8。44t

以上の数値を用い、アスファルト舗装表層の補修間隔を10年としたとき、上述の管理事務所管内における点検業務、橋梁補修、舗装補修に伴う将来100年間の環境負荷量を概算すると、表 25 のようにまとめられる。

表 25 中国地方の高速道路における点検・橋梁補修・舗装補修に伴う100年間の環境負荷量の試算結果（ある管理事務所管内、道路延長102.8km）

CO2排出量(t-CO2)	SOx排出量(t-SOx)	NOx排出量(t-NOx)	ばいじん排出量(t-PM)
点 検	1,260	0.617	4.53	0.377
橋梁補修	PCa床版(70年)	31,300	33.8	166	8.96
RC床版(全面,35年)	36,000	18.9	336	16.9
RC床版(30%,10年)	54,000	28.3	504	25.3
舗装補修	17,200	39.8	71.0	12.7
合計	PCa床版(70年)	49,800	74.2	242	22.0
RC床版(全面,35年)	65,800	59.3	412	30.0
RC床版(30%,10年)	72,500	68.7	580	38.4
橋梁補修で採用する工法・補修面積によって結果は異なるものの、総じてCO_{2}排出量、NOx排出量では橋梁補修に伴う環境負荷が大きな比率を占め、SOx排出量、ばいじん排出量では橋梁補修の工法・補修面積によって、橋梁補修と舗装補修の占める割合が大きく変化する。ただし、全橋にわたって均等に補修が繰り返されることは、経済的な観点から現実的には考えにくいことを勘案すると、巨視的には橋梁補修と舗装補修が全体の環境負荷の大半を占め、その両者が環境負荷の発生に同程度の寄与をなしているとみなせるものと思われる。

ここで、橋梁補修における環境負荷量の低減策を検討する。現実的な策として、コンクリートの結合材において混和材による多量置換を行うこと、また、A橋の場合に該当するが、プレキャストコンクリート製造時の蒸気養生を湿空養生あるいは散水養生に変更することを考える。普通ポルトランドセメントの50％を高炉スラグ微粉末に置換し、プレキャストコンクリート製造時の蒸気養生を湿空養生とした場合のA橋における試算結果を、例としてCO $ _{2} $ 排出量、SO $ _{x} $ 排出量についてそれぞれ図57、図58に示す。A橋では、この低減策によってCO $ _{2} $ 排出量約23%、SO $ _{x} $ 排出量約39%の削減を図ることができ、NO $ _{x} $ 排出量、ばいじん排出量についてもそれぞれ約7%、約20%が削減される。一方、舗装補修では、補修間隔の長期化による環境負荷量の低減策が考えられる。その一つとして、アスファルトの高耐久化が挙げられるが、各種アスファルト混合物のインベントリデータが明らかでなく、これに関する検討は行えていない。補修間隔を長期化させるもう一つの方法としては、コンクリート舗装への変更が挙げられる。舗設時の交通規制などの制約から、現実的には実現性に乏しいかもしれないが、アスファルト舗装の耐用年数を10年、コンクリート舗装の耐用年数を29年とした試算結果では、コンクリートに使用する結合材を高炉スラグ微粉末50％置換とし、連続鉄筋コンクリート舗装とした場合、新規舗設から100年間の環境負荷量が、アスファルト舗装の場合と比較して、SO $ _{x} $ 排出量で約73％削減、ばいじん排出量で約58％削減となる結果が得られている（大型車交通量1000以上3000未満のとき） $ ^{3)} $ 。ただし、CO $ _{2} $ 排出量は約25%、NO $ _{x} $ 排出量は約30％増加する。

以上の低減策の中で、橋梁補修の低減策は有効と考えられ、これを表 22 の A 橋の場合に適用すると、全体での環境負荷量では $ CO_{2} $ 排出量で約15%、 $ SO_{x} $ 排出量で約18%、 $ NO_{x} $ 排出量で約5%、ばいじん排出量で約8%の削減が図れる計算となる。

図 57 低減策におけるCO_{2}排出量の試算結果（A橋）
図 58 低減策におけるSOx排出量の試算結果（A橋）

表 26 社会資本整備における新しい環境政策の仕様と効果詳細

政策名	道路構造物の維持補修における低環境負荷誘導政策
政策の仕様	十分な環境負荷低減効果が見込まれる補修技術を採用する場合には、その採用によって発生する費用増分（工期の長期化に伴い発生する費用増分を含む）を相殺させる補助金支給を行う（相殺の程度は、環境負荷低減効果の程度と連動させる）。
政策の目的	今後、比重が増大すると考えられる維持補修工事の低炭素化・低環境負荷を目指すことで、社会資本整備全体のCO₂排出量削減ならびにSOₓ排出量、NOₓ排出量、ばいじん排出量削減をめざす。
政策導入効果と効果場所	単発の補修工事の実施では、環境負荷低減効果は限定的で、環境負荷低減効果が見込まれる補修技術を長期的に採用することによって、政策導入効果が有効となる。100年スパンで見たときには、従来技術による維持補修と比較して、補修工法の適切な選択によりCO₂排出量で約15%、SOₓ排出量で約18%、NOₓ排出量で約5%、ばいじん排出量で約8%を上回る削減が見込まれる。
政策の地域性および、どのように導入すれば効果がよく出るか。	補修工事に伴う交通渋滞が発生しやすい地域では、交通渋滞に伴う環境負荷が新たに発生し、政策導入効果を低下させることから、交通渋滞の発生が生じにくい地方圈での導入が効果的と考えられる。

続いて、工場の稼働状況と電力消費の定量的な相関関係について検討した結果を示す。

平成21年度までの成果を踏まえて、工場の稼働状況と電力消費の定量的な相関関係について検討した。稼働状況を示す時刻歴情報として、A～C系統は計量印字記録、D系統は骨材搬入の日報を用いた。計量印字記録の記録値のうち、各材料質量は計量値(kg)、出荷量は練混ぜ指示値(m³)を用いた。工場の稼働時間(min)は、計量印字記録に記入された最初の時刻から最後の時刻までとして算定した。

表 27 電力負荷からみた製造プロセス機器の系統(A～E)

記号	概要	接続機器（電力負荷上、主なものを抜粋）
A	工場本体 棟	ミキサ、コンプレッサ、計量機器
B	セメント 搬送	ブロワ（サイロ→本体棟）
C	骨材搬送	ベルトコンベア（サイロ→本体棟）
D	骨材搬入	ベルトコンベア（工場搬入口→サイロ）
E	排水処理設備	トロンメル、攪拌機、ポンプなど

注：本報では以後、表 27 の記号を各系統の名称として記載した。

図 59にB系統の稼働状況と電力消費量の関係を示す。全3工場で決定係数は0.85を上回っており、セメント搬送量と電力消費には非常に高い相関があった。本測定は受電設備で行っているので、セメントブロワ以外にも雑多な電力負荷が接続されているが、電力消費量予測の観点からは、セメント搬送量のみを説明変数とすれば十分に評価可能といえる。出荷量から電力消費量が予測可能であれば、さらに簡便である。図 59（右）によると電力消費量は出荷量とも高い相関がみられる。本測定は1週間～1か月程度の短期間の結果であるので、調合が均一であるために擬似的に相関を示した可能性もある。そこで、1m³あたりのセメント量のばらつきについて検討した（図 60参照）。短い測定期間内においても比較的幅広い値を示しており、調合の多様さが読み取れる。すなわち、B系統においては、調合がある程度多様であっても出荷量を説明変数として電力消費量が推測可能であるといえる。なお、出荷1m³あたりセメント量の算定には先送りモルタルなどの出荷量を含めているため、単位セメント量と異なる。

図 59 B系統の電力消費量とセメント搬送量，生コンクリート出荷量の関係

図 60 出荷1m^{3}あたりセメント量（日平均値の推移）（左）工場P1、（右）工場P2
結果の一部を抜粋して示しているが、他の搬送プロセスについても、生産量や材料質量と線形の関係であった。図61にA系統の電力消費量と生コンクリート出荷量の関係を示す。A～C系統と比べると値にばらつきがみられ、出荷量以外の因子の介在が示唆された。文献18や実地調査によると、工場本体棟ではミキサ以外にコンプレッサが大きな電力負荷源であり、これが、ばらつきの原因と推測される。コンプレッサの稼働状況と直接的に対応する時刻歴情報は存在しない。しかし、コンプレッサは出荷前に起動してその日の最終清掃後に停止するのが一般的であることから、工場の稼働時間から説明可能と考えられる。また、高強度コンクリートでは一般に練混ぜ時間が長く設定されることから電力量消費が普通コンクリートより大きくなると予想される。以上の考察に基づいて、工場の稼働時間と高強度コンクリートの生産比率を説明変数とした重回帰分析を行った。念のためAIC stepwise法を用いて2次相互作用までのモデル選択について検討し、モデル式が選択されることを確認した。

生コンクリート生産量(m³)

図 61 A系統の電力消費量と生コンクリート出荷量の関係

(左上)工場P1，(右上)P2，(左下)P3，(右下)說明図

前節までの結果を踏まえると、生コンクリート工場の電力消費量は式(1)～(3)のように表現でき、式(4)の係数推定が可能である。すなわち、数理的な手順によって製造プロセスの電力消費量の定量的予測が可能である。計量印字記録と日報は日本国内のほとんどの生コンクリート工場
で記録・管理されていると期待される。したがって、本手順はほとんどの生コンクリート工場に適用可能と推察される。但し、E系統については今後のさらなる検討が必要である。

$$ E_{all}=E_{A}+E_{B}+E_{C}+E_{D}+E_{E}+E_{ 事 } $$

$$ \begin{aligned}=(\boldsymbol{\alpha}_{1}^{A}\boldsymbol{p}_{N}+\boldsymbol{\alpha}_{2}^{A}\boldsymbol{p}_{H}+\boldsymbol{\alpha}_{3}^{A}\boldsymbol{t}+\boldsymbol{\alpha}_{4}^{A})+(\boldsymbol{\alpha}_{1}^{B}\boldsymbol{m}_{c e}+\boldsymbol{\alpha}_{4}^{B})+\end{aligned} $$

$$ (\boldsymbol{\alpha}_{1}^{C}\boldsymbol{m}_{ag}+\boldsymbol{\alpha}_{4}^{C})+(\boldsymbol{\alpha}_{1}^{D}\boldsymbol{m}_{ag}+\boldsymbol{\alpha}_{4}^{D})+(\boldsymbol{\alpha}_{1}^{E}\boldsymbol{p}+\boldsymbol{\alpha}_{4}^{E})+E_{ 事 } $$

$$ =E(p,m)+E(t)+E_{constant}+E_{ 事 } $$

ここで、 $ E_{i}:i $ 系統の電力消費量 $$ \mathrm{kWh} $$ 。ただし $ i=\operatorname{all} $ は工場全体、 $ i=\operatorname{事} $ は事務所棟・試験室・整備室の総和、 $ i=\operatorname{constant} $ なら E は定数、 $ E(x_{1},x_{2}) $ は E が $ x_{1},x_{2} $ に対して線形であることを表す。p:生コンクリートの出荷量 $$ \mathrm{m}^{3} $$ （添え字 H は高強度コンクリート、N はそれ以外。添え字無しは総出荷量）、t:工場の稼働時間 $$ \mathrm{min} $$ 、 $ \alpha_{j}^{i}:i $ 系統の最小自乗推定値、 $ m_{k} $ :材料の重量 $$ \mathrm{ton} $$ $ k=\{\mathrm{ce}:\mathrm{セメント}, \mathrm{ag}:\mathrm{骨材} \} $

現在一般に行われているLCAでは原単位法によって環境負荷因子を算定することが多い。図62（左）に原単位法の説明図を示す。原単位法では、環境負荷の発生に関わる因子（ex.エネルギー消費量，廃棄物発生量）を機能単位の出力や入力に比例すると仮定している $ ^{2} $ 。建築分野ではこの機能単位を"工場"あるいは"工場群"として一体に捉えてきており、これまでの建設分野の検討事例では全て製品量に比例すると仮定されている。一方、式(3)と対応する形で、図62（右）に生コンクリート工場における電力量消費傾向の概念図を示す。式(3)・第1項は生産量や材料重量に比例する項であり、ベルトコンベヤ、セメントブロワ、ミキサなどの生産機器と対応する。第2項は工場の稼働時間に比例する項であり、コンプレッサや洗車機ポンプの一部など工場が稼働中にのみ起動される機器と対応する。第3項は混和剤タンクやスラッジ貯水槽の攪拌機など出荷量と直接的な関係がなく恒常的に利用される機器と対応する。式(3)は、原単位法では考慮しない時間的な要因(式3第2項)，や固定費的な要因(式3第3項)が電力消費量の推計において無視できないことを示している。

図 62 原単位法との比較からみた生コンクリート工場の電力量消費の特徴

以上の考察から、電力消費量の低減に関して、一つの可能性を見出せる。表 28 に電力消費量に影響を与える因子を示す。一般的に、省エネルギーの議論では機器の違い（因子F1）のみに着目することが多い。生コンクリート製造においては、ミキサの新旧や排水処理設備方式の違いなどが
該当する。設備投資を行えば改善の可能性があるが、費用を伴うので中小企業では必ずしもすぐに採用できるものではない。工場配置の違い(因子F2)とは、ベルトコンベアの長さや敷地の高低差などに起因するプロセス特性の違いである。これは無視できない違いを生むことがあるが、工場の取組みによる改善は実質的に不可能であろう。したがって、仮に省エネルギーへの取り組みについて工場を評価するとすれば、このような因子は排除するのが妥当と思われる。また、生産量の削減(因子F3)も環境負荷低減の観点からは議論されることがある。しかし、このような産業縮小につながる環境政策は（当然のことながら）可能な限り避けるべきであろう。

表 28 電力消費量・原単位に影響する因子と削減手法

記号	電力消費量・原単位に影響を与える因子	省エネルギー手法(非現実的な案含む)	式(5)との対応
F1	機器の性能の違い	高効率機器への更新	第1項
F2	工場の立地・配置の違い	工場の全面改修・移転	第1項
F3	生産量の違い	受注量の削減	第1項
F4	発注タイミングの違い	発注者の工夫・協議	第2項

注：因子F3は電力消費原単位には影響しない。

以上のように、表 28のF1～3はいずれも省エネルギー対策（あるいはCO₂排出削減策）の実施にあたって生コンクリート製造者側の負担となるものである。一方で、工場の稼働時間や稼働日の変更（因子F4）は、生産量の削減や設備の更新を伴わず、工場の負担が比較的小さく、発注者側への負担となるものと推測される。以上のような考察をもとに、多様な省エネルギー手法を模索する観点から、因子F4のみを対象として、省エネルギーポテンシャルに関するシナリオ分析を行った。

表 29 シナリオ分析の仮定条件

シナリオ	稼働状況
シナリオ1	生産量：平日は毎日同一の量工場の稼働時間=10h/dayで一定
シナリオ2	生産量：平日は毎日同一の量工場の稼働時間=8h/dayで一定
シナリオ3	月産能力の範囲で特定日に発注を集中工場の稼働時間=8h/dayで一定
シナリオ4	月産能力の範囲で特定日に発注を集中工場の稼働時間=最小化（1。15分/バッチ）

注：生産無の平日＝排水処理設備の恒常的消費＋平日の事務棟など平均値

日曜日＝排水処理設備の恒常的消費量＋休日の事務棟など平均値
図 63 省エネルギーポテンシャルの算定（工場P2）

## まとめ

生コンクリート製造プロセスの電力量実測に基づく分析によって、電力消費量は生産量や材料質量だけではなく、工場の稼働時間の影響を大きく受けることを見出した。また、排水処理設備では恒常的な電力量消費の比率が高く、工場全体としても無視できない電力消費量であることを示した。また、このような時間依存特性を持つ製造プロセスのエネルギー消費量推計において、原単位法は不適切であることを示した。上述の時間依存性を利用して、生産量や設備更新を伴わない省エネルギー方策が見いだせることを示した。提案した電力消費量推計式を用いて、定量的に省エネルギーポテンシャルを算定した。例えば、一般的な生コンクリート工場の稼働率10%においても電力消費量を30%以上削減できる可能性がある。このような省エネルギーは、1工場への集中した発注やタイミング制御、発注量増加による稼働率の向上など、発注者の意思決定によって実現可能である。したがって特に公共投資の比率の高い地方政策として有効と考えられる。

表 6 社会資本整備における新しい環境政策の仕様と効果詳細

政策名	生コンクリートの発注タイミングの制御政策
政策の仕様	生コンクリートの製造に伴うCO₂排出は工場への発注時間帯をの集中、発注日の集中によって生産量の増減なしで削減可能であることが明らかとなった。そこで、公共工事の現場間で調整を発注時間帯を調製することを可能にする。
•現場間での発注時間リアルタイム評価調整システムの運用発注時間のタイミング調整へのインセンティブ
(グリーン調達・VE提案などへの採用)
政策の目的	生コンクリート製造プロセスからのCO₂排出の削減
(エネルギー消費の削減)
政策導入効果と効果場所	生コンクリートの製造を行う全国どこでも適用可能。ただし、発注タイミングの制御政策は、公共投資の比率の高い地方都市において特に効果が高いと推察される。
政策の地域性および、どのように導入すれば効果がよく出るか。	地方都市やその周辺地域では比較的生コンクリートの需要があり、公共投資の比率も高い。したがって、公共工事の現場間の発注タイミング調整が可能な状況が生まれやすい。現場間での発注時間調整を義務付けるリアルタイム評価調整システムの開発とその運用のための政策レベルでの裏付け（発注時間の現場間調整作業の義務付けなど）によって効果が発揮される。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

高速道路の維持管理、補修・補強等の保全業務に伴う環境負荷量をCO_{2}排出量、SO_{x}排出量、NO_{x}排出量、ばいじん排出量について明らかとし、一例ではあるが、長期スパンでみた場合にどの業務が大きな環境負荷をもたらすこととなるのかを示すことができた。また、環境負荷の低減策について考察し、低減効果を把握した。

また、通常の工業製品の製造では、一定の設定条件を維持して持続的な生産を行うため、工場の稼働状況（例 稼働時間）が著しく変動することは少ない。しかし、生コンクリート製造のような受注産業においては、稼働状況は発注者の都合によって大きく変動する。とりわけ生コンクリート製造はバッチプロセス方式であるため稼働への影響が大きい。したがって、生コンクリート製造の電力消費量推計においては、通常用いられる「原単位法」を用いた評価は適切ではないことを発見した。さらに、代替となる適切な評価手法を提示した。

## （２）環境政策への貢献

一例ではあるが、地方圏における高速道路の点検業務、橋梁補修、舗装補修に伴う環境負荷量を把握し、環境負荷低減に効果的な低減策を考察した。本研究より得られた結果の範囲では、橋梁補修時のコンクリートに使用する結合材で普通ポルトランドセメントを高炉スラグ微粉末置換すること、プレキャストコンクリート製造で蒸気養生を用いないことが、最も効果的な環境負荷低減をもたらすと判断された。そして、この低減策を誘導できる環境政策を検討した。

また、生コンクリートの製造プロセスの時間依存性を発見し、これを利用して、生産量や設備更新を伴わない省エネルギー方策が見いだせることを示した。提案した電力消費量推計式を用いて、定量的に省エネルギーポテンシャルを算定した。例えば、稼働率5%では48.6%（7.1 kWh/m³）、関東の平均値（10.7%）に近い稼働率10%では41.5%（3.28 kWh/m³）、稼働率20%では30.0%（1.37 kWh/m³）など、高い削減ポテンシャルがあることを示した。

### 6 \. 引用文献

1）土木学会：コンクリート技術シリーズNo.62 コンクリートの環境負荷評価（その2）、土木学会，2004年

2）河合研至・岩谷祐太・青木雄祐：各種道路舗装の補修に伴う環境負荷評価，土木学会第64回年次学術講演会講演概要集第5部，pp.563-564，2009年9月.

## 7 ．国際共同研究等の状況
なし

## 8 ．研究成果の発表状況

（1）誌上発表

<論文（査読あり）>

なし

<査読付論文に準ずる成果発表>（社会科学系の課題のみ記載可）なし

くその他誌上発表（査読なし）>

1) Satoshi Fujimoto, Takafumi Noguchi, Takaaki Ohkubo, Hiroshi Furui: Effect of Order Placement on Energy Efficiency in Ready-mixed Concrete Plants in Japan, Concrete Sustainability Conference, pp.1-12, Tempe, Arizona, April 13-15th, 2010

（2）口頭発表（学会等）

1）藤本郷史，野口貴文，大久保孝昭，古井博，北垣亮馬，兼松学，長井宏憲：生コンクリート工場の電力消費傾向に関する一考察，2009年度日本建築学会中国支部研究報告集，Vol.33，

117.1–117.4, 2010.03

（3）出願特許

なし

（４）シンポジウム，セミナーの開催（主催のもの）

なし

（５）マスコミ等への公表・報道等

なし

(6) その他（総説）

1) 藤本郷史, 野口貴文: 資源循環シミュレーションの開発について, 建材試験情報 (JTCCM Journal), Vol. 47, pp. 57-60, 2011.01
# 平成 25 年度 環境研究総合推進費補助金 研究事業 補助金 研究報告書 電気二重層イオン除去による焼却灰洗浄廃水の 高度処理技術の開発 (3K122012)

平成26年3月

立命館大学 吉原 福全

ダイネン(株) 向井 明

(有)ターナープロセス 棚橋 正和

日立造船(株) 田中 朝都

エコソリューション(株) 武 輝幸
補助事業名 平成25年度環境研究総合推進費補助金研究事業

所 管 環境省

国庫補助金 40,135,363 円（複数年度の総計）

研究課題名 電気二重層イオン除去による焼却灰洗浄廃水の高度処理技術の開発

研究期間 平成24年6月8日～平成26年3月31日

研究代表者名 吉原 福全（立命館大学）

研究分担者名 向井 明（ダイネン(株)）

棚橋 正和 ((有) ターナープロセス)

田中朝都(日立造船(株))

武 輝幸（エコソリューション(株))
総合研究報告書概要 …… 1

本文

1. 研究の目的 …… 5

2. 電極の開発 …… 6
2.1 電気二重層によるイオン除去 …… 6
2.2 電極の構成と電極材料 …… 7
2.3 電極の電気化学特性 …… 9
2.4 電極容量の最適化 …… 11

3. 洗浄廃液処理システムの開発 …… 14
3.1 バッチ処理とフロースルー処理の比較 …… 14
3.2 積層構造化 …… 17
3.3 エネルギー回生 …… 18
3.4 塩素濃縮液のリサイクル …… 20

4. 焼却灰の水洗脱塩 …… 21
4.1 分析方法および実験手順 …… 21
4.2 水洗浄による脱塩効果 …… 32
4.3 水洗液の性状調査 …… 35
4.4 凝集沈殿による重金属除去 …… 37
4.5 炭酸ガス吹き込みによるカルシウムの沈殿除去 …… 39

5. クローズド脱塩洗浄システム …… 45
5.1 焼却主灰を対象とする場合 …… 45
5.2 焼却主灰および飛灰を対象とする場合 …… 48

6. 焼却灰のセメント原料化の現状と展望 …… 51
6.1 はじめに …… 51
6.2 セメント原料化への広がり …… 51
6.3 セメント原料化を阻む障害とセメント原料化を促進する事情 …… 53
6.4 終わりに …… 54

7. 参考文献 …… 55

8. 研究発表 …… 56
論文発表

学会等発表

9. 知的財産権の取得状況 …… 56

研究概要図 …… 57
英文概要 …… 58
研究課題名：電気二重層イオン除去による焼却灰洗浄廃水の高度処理技術の開発

研究番号 : 3K122012

国庫補助金清算所要額：40,135,363 円（複数年度の総計）

研究期間：平成24年6月8日～平成26年3月31日

研究代表者名：吉原 福全（立命館大学）

研究分担者：向井 明（ダイネン(株)）、棚橋 正和（(有)ターナープロセス）、田中朝都（日立造船(株)）、武 輝幸（エコソリューション(株)）

## 研究目的

近年、最終処分場の埋立容量の逼迫に伴い都市ごみ焼却残渣の資源化は喫緊の課題であり、これまで溶融スラグ化が行われてきたが、大量のエネルギーを要することや生成したスラグが溶出試験や品質試験をクリア出来ない場合もあり、新たな効率的再資源化技術の開発が急務となっていた。このような状況の中、焼却灰のセメント原料化が有望視され、受入も進みつつあるが、塩素を含む焼却主灰や焼却飛灰をセメント原料として利用するには制約があり、その受入量はセメント製造時に塩素を除去する塩素バイパス装置の能力によって制限されている。焼却灰のセメント原料化の更なる促進を目的として、本研究では電気二重層によるイオン除去を骨子とした焼却灰の水洗による脱塩システムとその洗浄廃液のクローズド化について開発を行った。併せて、本方式が逆浸透圧膜(RO膜)法など既存技術に比べてエネルギー効率および運転経費の面で優れていることを明らかにした。

## 研究方法

焼却灰および飛灰を脱塩素洗浄処理によるセメント原料化の促進と電気二重層を用いた洗浄水廃液の脱塩を行うクローズド処理システムの開発を以下の項目に従って行った。

(1) 活性炭電極の開発およびその基礎特性把握と基本性能向上

電気二重層によるイオン除去を可能とするための活性炭電極の開発を行った。多孔質かつ高い比表面積を持つ活性炭を主材料とし、これらに電気導電性を向上させるためのカーボンブラック、およびこれらを結合させるためのバインダーを溶媒によってスラリー化し、スクリーン印刷およびドクターブレード法によって集電体に塗布し、電極を製作した。開発した活性炭電極の電気化学性能はサイクリックボルタンメトリー法を用いて、また、イオン吸着性能はNaCl模擬廃液および実際の灰洗浄液を用いて、イオン濃度および電気伝導度から測定し、電極材料の選定や作製工程の最適化によって、その基本性能の向上を図った。

## (2) スタックユニットの開発

単セルを積層したスタックユニットの試作を行い、積層システムにおける基本設計データの収集を行った。また、供給電源のジュール損失の低減を図るための要件、イオン除去システムにおける溶液処理シークエンスについてフロースルーおよびバッチ処理法の両方について検討を行った。
## (3) エネルギー回生システムの基本設計

スタックユニット間の連携によるエネルギー回生について基礎データ収集を行い、最適エネルギー回生システムの基礎設計を行った。

## (4) 焼却灰の脱塩洗净によるセメント原料化の要件

実際の焼却主灰および飛灰を用いて、処理水量、処理時間、脱塩量などの関係を測定し、最適洗浄条件を明らかにすると共に、重金属処理の必要性を調査した。飛灰処理の場合、重金属処理が必要となるが、そのための凝集沈殿処理の基礎データを収集した。また、高濃度のカルシウムが共存する場合、CDI処理による塩素イオン除去過程で、カルシウムのスケーリングが問題となる可能性があり、燃焼排ガスを想定した炭酸ガスの吹き込みによるカルシウムの凝縮沈殿除去について調査を行った。

## (5) クローズド脱塩システムの開発

前処理レベルの有無、処理量、濃縮濃度、除去塩の処理等について検討を行い、システム全体の提案を行うとともに、詳細なマテリアルバランスについて調査・検討を行った。また、濃縮塩のリサイクルについても検討を行った。

## 結果と考察

電極の開発を行い、電極材料の選定や作製工程の最適化によってイオン除去性能の向上を図った。また開発した電極を用い、バッチ処理とフロースルー処理の効率を検討した結果、バッチとフロースルーの併用処理が効率よくイオンを吸着除去でき、実用化に有効であることが分かった。当初、バッチ処理によるシステムの構築を想定していたが、この場合、電極面積あたり0.1 mol/m²程度のClイオン除去能力が求められたが、フロースルー処理で0.093 mol/m²の電極性能を得ることができ、ほぼ目標を達成できた。ただ、フロースルー処理では0.1 mol/m²の除去性能以下であっても十分な塩素除去を達成できることも併せて明らかにした。さらに、実際の焼却灰洗浄廃液を用いた実験から、同システムが実用化に必要な塩素除去能力を有することが確認できた。

また、スタックユニットの試作を行い、積層化の要件を明らかにしたほか、試作したスタックユニットを用いて、ユニポーラ型接続とバイポーラ型接続の比較を行った。その結果、バイポーラ型接続がコンパクト化だけでなく、イオン吸着性能にも優れており、実用化にはバイポーラ型接続が有効であることがわかった。また、スタックユニット間の連携によるエネルギー回生について基礎データ収集を行い、最適エネルギー回生システムの基礎設計を行った。

実際の焼却主灰および飛灰を用いて、最適洗浄条件を明らかにすると共に、重金属処理の必要性を調査した。この結果、飛灰処理の場合は凝集沈殿による重金属処理が必要となるが、焼却主灰の場合には不要であることを明らかにした。一方、飛灰洗浄処理で必要となる凝集沈殿処理の基礎データを収集した。また、高濃度のカルシウムが共存する場合、塩素イオン除去過程で、カルシウムのスケーリングが問題となる可能性があり、燃焼排ガスを想定した炭酸ガスの吹き込みによるカルシウムの凝縮沈殿除去の基礎データを収集した。

焼却炉の灰冷却方式として過去に多くの採用事例があった湿式灰搬出装置が、脱塩洗浄槽を兼ねることができる点に注目し、本システムの適用例として74t/日の湿式灰冷却式ストーカ炉への適用について、詳細なマテリアルバランスを基に検討を行い、適用可能であることを明らかにした。また、その経済性についても検討を行った。さらに、濃縮塩廃水が下水滅菌用の次亜塩素酸としてリサイクル可能であることが分かった。また、本研究開発成果の利活用者である、地方自治体およびセメント大手4社を行脚し、廃棄物のセメント原料化の現状とその展望について実地調査を行った。
## 環境政策への貢献

## (1) 電気二重層イオン除去による焼却灰セメント原料化の促進

最終処分場の埋立容量が逼迫した昨今、都市ごみ焼却残渣の資源化は喫緊の課題であり、これまで溶融スラグ化が行われ、リサイクル率の向上に繋がったが、大量のエネルギーを要することおよび生成したスラグが溶出試験や物理試験等をクリア出来ない場合もあり、新たに効率的な資源化技術の開発が急務となっている。このような状況の中、焼却灰のセメント原料化が有望視され、受入も進みつつあるが、国内で使用されるセメントの約7割を占める普通ポルトランドセメントでは、JIS規格により塩化物イオン濃度が0.035%以下と規定されており、塩素濃度1〜2%程度の都市ごみ焼却主灰や10%以上の焼却飛灰を無制限にセメント原料として利用することはできない。現在の受入量はセメント製造時に塩素を除去する塩素バイパス装置の能力によって制限されている。そこで、焼却灰の水洗によって塩素を除去することができれば、セメント原料としての受入量を増加させることができ、リサイクル率も高めることができる。ただこの場合、塩素洗浄廃水の処理が必要となり、高濃度の塩を含む洗浄廃液処理を如何に低コスト、低エネルギーでできるかが課題となる。

一般にイオン等の分離除去には逆浸透圧膜(RO 膜)法が用いられるが、懸濁物や析出物で目詰まりしないための高度な前処理が求められ、維持コストが高いことなどから、水洗処理による焼却灰のセメント原料化は経済的に成立しない。これに対し、本研究で開発した電気二重層イオン除去を骨子とした洗浄廃液のクローズド処理システムでは電極間の距離がセパレーターを介して約1mm程度であり、懸濁物や析出物による目詰まりの可能性が低いほか、繰り返し充放電に対し高い耐性を持ち、装置の維持管理コストはRO膜に比べて極めて安価に抑えることができるほか、本システムでは最高約80%エネルギー回生が可能であり、経済的なシステムを構築できる。

## (2) 既存焼却施設の焼却灰セメント原料化に向けた改修

本研究の結果から、ストーカ炉から排出される焼却主灰の水洗脱塩処理では、洗浄廃水の重金属処理は不要であることが判明しており、既存施設に焼却主灰のセメント原料化に向けた改修を行う場合、新たに設ける洗浄槽は塩素の洗浄だけを目的とした小型のもので良く、スペースやコストを低減できる。

また、各種焼却方式の中で大半を占めるストーカ炉ではストーカの隙間および最終燃焼ゾーンから排出された焼却主灰は冷却と飛散防止のために灰冷却装置に送られるが、その灰冷却装置には湿式方式（水槽方式）と半湿式方式（灰押出方式）があり、近年は廃水処理の不要な半湿式方式が一般的に用いられているが、過去において多くの採用事例がある湿式灰冷却システムでは、冷却水槽は脱塩洗浄樽を兼ねることが可能であり、この場合イオン除去装置を設置するだけで良く、僅かな改修によって焼却灰の洗浄が可能となる。詳細なマテリアルバランスを考慮した検討において、その経済性を試算した結果、ほぼ1年で導入および用役費を回収可能であることがわかった。

## (3) 電気二重層イオン除去技術の環境技術への応用について

本研究で開発した活性炭電極の能力と、バッチとフロースルーの併用処理によるシステム構築によって、クローズド焼却灰水洗脱塩処理システムとして実用化に耐え得る高い塩素除去能力および濃縮性能を得ることができた。溶液中のイオンを除去あるいは濃縮する技術は、本研究で目的とした塩素除去だけでなく他の多様なイオン除去が可能であり、下記の多様な用途への適用が期待できる。

近年ごみ焼却施設における高効率発電の普及により、上水に比べて経済性の高い地下水や下水高度処理水のボイラー給水への利用期待が高まっている。このためには、軟水化処理が必要となるが、このような処理イオン濃度が極低いレベルである場合も電気二重層イオン除去(CDI、capacitive de-ionization)はイオン交換膜やRO膜に比べて高い経済性を有している。また、ボイラーおよび配管のスケール防止のため、薬注およびボイラーブローによって高温高压水を系外に逃がしている。これによるエネルギー損失は
数パーセントに及ぶといわれている。また、工業用水の約80％が冷却搭の冷媒水を中心とした冷却・温調用に使用されているが、これらの冷却塔ではスケール防止を目的に大量の水を廃棄し、新水を投入しており、冷却搭運転経費は約70％が上水使用料になっている。凝縮水からCDIによってCa等のスケール成分除去することでボイラーブローや新水の投入を不要とすることができ、省エネルギーおよび経費削減に繋がると期待される。

海水の淡水化は濃度範囲が広く、CDIを適用するには複数段で濃度範囲を分担する必要があるが、淡水化や製塩の前処理としての利用は経済性の向上に繋がる可能性がある。また、離島では淡水レンズに貯水された淡水資源が不足する事態が生じており、効率の良い汽水の淡水化に応用できる。

CDI 処理では電気分解が起こる電圧以下の範囲を利用してイオンを除去するが，電圧および電極構成を適切に制御することによって、電解反応を生じさせることができる。本研究では洗浄廃水の処理によって生じる濃縮塩のリサイクルについて、当初想定していた蒸発固化による工業塩あるいは融雪剤としての利用の他に、上記電解反応を用いた下水滅菌用の次亜塩素酸としてのリサイクルについても検討を行った。塩素イオン水溶液の場合、電気分解によって次亜塩素酸を生成でき、滅菌用途などに活用することができる。上述の海水や汽水の淡水化では、殺菌も兼ねることが可能である。

## 研究成果の実現可能性

詳細なマテリアルバランスと電気二重層イオン除去に関する基礎テータから、本研究で開発を行った都市ごみ焼却灰のクローズ下水洗脱塩システムは、実用化可能であり、高い経済性も有していることが分かった。また、本システムの実用化によって、都市ごみ焼却施設から排出される焼却灰のセメント原料としての受入量を増やし、リサイクル率を向上することによって、資源循環型社会の構築に貢献できるものと期待される。さらに、本研究で開発を行った電気二重層によるイオン除去システムは電気化学的な手法であり、印可電圧を正極の酸化還元電位より高くすることで、洗浄分離された塩から容易に次亜塩素酸を生成でき、下水滅菌剤として再利用することにより、付加価値の高いリサイクルシステムを構築できる。また、地下水や下水高度処理水のボイラー給水および汽水の淡水化、工業廃水処理へ応用が可能であり、本研究から多くの派生効果が期待される。

## 結論

廃棄物焼却施設で発生する焼却灰は一部セメント原料として再利用されているが、その受け入れの上限はセメント製造時の塩素バイパス装置の能力によって制限されていることから、焼却灰の水洗塩素除去によるセメント原料化の促進を目的として、電気二重層によるイオン除去を用いた洗浄液の再生クローズドシステムの開発を行った。具体的には、活性炭電極の開発とシステムの最適化を行い、エネルギー回生に関する基礎データの収集を行ったほか、水洗による焼却灰の脱塩効果を明らかにし、クローズド焼却灰水洗脱塩システムの実用化に目途を付けることができた。
## 本文

### 1. 研究の目的

最終処分場の埋立容量が逼迫した昨今、都市ごみ焼却残渣の資源化は喫緊の課題であり、これまで溶融スラグ化が行われ、リサイクル率の向上に繋がったが、大量のエネルギーを要することおよび生成したスラグが溶出試験や物理試験等をクリア出来ない場合もあり、その利用が十分ではなく、新たに効率的な資源化技術の開発が急務となっている。このような状況の中、焼却灰のセメント原料化が有望視され、受入も進みつつあるが、国内で使用されるセメントの約7割を占める普通ポルトランドセメントでは、JIS規格により塩化物イオン濃度が0.035％以下と規定されており、塩素濃度1～2％程度の都市ごみ焼却主灰や10％以上の焼却飛灰を無制限にセメント原料として利用することはできない。一般に、セメント中の塩素濃度を規定以下の濃度に制限するために、セメント焼成工程で揮発したアルカリ塩化物を含むガスを一定量抽気(バイパス)し、冷却することで、セメント原料と分離する塩素バイパス装置が設けられている。したがって、焼成ガスのバイパス量が増えると、必然的にエネルギー効率が低下するほか、焼却残渣のような塩素を含む原料の受入量は塩素バイパス装置の能力によって制限されていると言える。そこで、焼却灰の水洗によって塩素を除去することによって、セメント原料としての受入量を増加させることができ、リサイクル率も高めることができる。ただこの場合、塩素洗浄廃水の処理が必要となり、高濃度の塩を含む洗浄廃液処理を如何に低コスト、低エネルギーでできるかが課題となる。

一般にイオン等の分離除去には逆浸透圧膜(RO膜)法が用いられるが、懸濁物や析出物で目詰まりしないための高度な前処理が求められ、維持コストが高いなどの難点がある。このため、水洗処理による焼却灰のセメント原料化ではコストが高く、経済的に成立しない。これに対し、本研究で提案する電気二重層によるイオン除去を骨子とした洗浄廃液のクローズド処理システムでは電極間の距離がセパレーターを介して約1mm程度であり、懸濁物や析出物による目詰まりの可能性が低いほか、繰り返し充放電に対し高い耐性を持ち、装置の維持管理コストはRO膜に比べて極めて安価に抑えることができる。さらに、本システムではエネルギー回生を行なうことが可能であり、RO膜より高いエネルギー効率を達成できる可能性がある。

本研究では、焼却灰のセメント原料化に資する電気二重層を用いた洗浄廃液の処理システムの開発を目的とし、平成24年度には溶液中のイオン除去システム用の活性炭電極の基本特性の把握と性能向上について検討を行うとともに、焼却灰の水洗浄による脱塩化の要件、重金属などの挙動について調査を行った。平成25年度では焼却灰洗浄廃水を処理対象とし、クローズド処理システムにおける、具体的な廃水の循環と運転手法の開発、およびエネルギー回生システムの構築を行った。また、地方自治体およびセメント業界における現状調査を実施し、焼却残渣である焼却主灰のみ、あるいは焼却主灰と飛灰の両方をセメント原料化に向け水洗処理を行う二つのケースについて、装置の構成および物質収支を明らかにし、その経済性についても検討を行った。
### 2. 電極の開発

### 2.1 電気二重層によるイオン除去

一対の電極間に電解液を浸し、電極間に電圧を印加すると、分極により電極表面にイオンが吸着され、電気二重層が形成される。この現象を利用して図2-1に示すように溶液中のイオンを除去することができる。この手法はCDI(capacitive deionization)と呼ばれ、その原理はよく知られている $ ^{1-4)} $ 。電極表面へのイオンの吸着が飽和したら、放電することでイオンを脱離させて電極を再生する。また、イオンが吸着した状態はコンデンサの充電状態にあたり、放電のエネルギーを他段の充電(イオン吸着)に利用することで、エネルギーを回生できる。表2-1に海水から淡水を1m³作る場合の所要エネルギーの比較を示す。溶液からイオンを除去する手法は種々あるが、最も所要エネルギーが低いのはRO膜の理想仕事であり、浸透圧(2.8MPa)に等しい圧力までの昇圧だけでよく、1m³の淡水を得るのにて0.72kWhのエネルギーで済む。ところが実際の稼働圧力は5.5MPa程度であり、イオンを濃縮水として排出する必要があり、淡水として回収できる割合(回収率)が40～60%程度である。回収率60%の場合、必要エネルギーは2.5kWhとなるが、それでも他の方法に比べて圧倒的に必要エネルギーが低いことがわかる。これに対し、電気二重層によるイオン除去では約10.0kWhのエネルギーが必要であり(電圧E=0～1.2Vで稼働、平均電圧を0.6Vとして試算)、単純比較ではRO膜の方が優れている。しかし、電気二重層によるイオン除去では電極再生時のエネルギーを繰り返し利用するエネルギー回生によって消費電力を削減でき、80～90%のエネルギー回生により、2.0～1.0kWhまで必要エネルギーを削減できる。また、構造がシンプルである他、ほぼメンテナンスフリーであり、RO膜に比べてランニングコストの極めて低いシステムの構築が可能である。

図 2-1 電気二重層によるイオン除去

表 2-1 海水淡水化のエネルギー比較

分離プロセス	必要エネルギー [kWh/m³]
理想仕事	0.72*
RO 膜 (回収率 60%)	2.5**
RO 膜 (回収率 40%)	3.5**
冷凍法	9.3
溶媒抽出法	25.6
イオン交換膜 (電気透析)	32.2
多段フラッシュ	62.8
CDI本研究	エネルギー回生無し	10.0
エネルギー回生率 90～80%	1.0～2.0

* 逆浸透压 2.8 MPa で理想仕事を算定，** 稼働圧力 5.5 MPa として算定