JP2010058084A - 磁気分離膜および磁気分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で原水に含まれる物質の分離効率を向上することができる。
【解決手段】磁気を利用して原水に含まれる異物を分離する磁気分離装置１０に収納され、磁性体金属で形成された複数の金網１０１〜１０３により、供給される原水の上流から下流に向けて磁場が強くなるように配置されて磁場勾配が形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原水に含まれる物質を分離する磁気分離膜および磁気分離装置に関する。

上水、廃水又は汚水等の原水に含まれる物質を分離する方法として、磁気を利用する磁気分離がある。磁気分離には、金属等の磁気に反応する物質を分離する方法や、磁気に反応しない物質を磁性活性炭等に吸着させて分離する方法がある。

例えば、磁気に反応する物質を分離する場合、磁石や超伝導磁石で発生させる磁場を利用して対象物質を回収することで、原水から対象物質を分離する。また、磁性活性炭を利用して物質を分離する場合、水に溶解している染料、揮発性有機化合物（VOC）又はビスフェノールA等の対象物質を磁性活性炭に吸着させ、磁場を利用して対象物質を吸着している磁性活性炭を回収することで、原水から対象物質を分離する。

磁気分離の一例に、超伝導磁石の高い磁場勾配によって作用する強い磁気力により、磁性フロック円筒体表面に高速で磁気吸引して分離する「高勾配磁気分離」がある（例えば、非特許文献１参照）。

非特許文献１に記載去れる高勾配磁気分離を利用する「水浄化用磁気分離装置」は、「ろ過分離」と「磁気分離」を組み合わせて行い、具体的には、原水（被処理水）中の対照物質を磁性化する「前処理部」、生成した磁性フロックをろ過して浄化水を得る「ろ過分離部」及び、フィルター面に蓄積した磁性フロックを磁気力で捕集し、磁性フロックを高濃度汚泥として原水から分離する「磁気分離部」の３つの構成を有している。

「前処理部」では、原水に磁性粉（マグネタイト）、凝集剤（ポリ鉄）及び高分子ポリマーを添加して攪拌及び混合し、対象物質である汚濁粒子と磁性体とを含有する磁性フロックを生成する。続く「ろ過部」では、回転フィルターを利用してろ過する。ろ過により、磁性フロックは回転フィルター面上に蓄積され、原水は浄化されてドラムの内側より浄化水として取り出される。一方、回転フィルター面上に蓄積した磁性フロックは、前処理水の水面近傍に配置したバルク超伝導磁石が発生する高磁界の空間を通過し、フィルター内側から放出されるシャワー状の洗浄水と磁気力によりフィルターから剥離される。その後の「磁気分離部」では、真空断熱容器内で冷却され、予め着磁されたバルク超伝導磁石を回転円筒体の内部に固定する。水面下に落下した磁気フロックは、強い磁気吸引力により磁石側に高速移動し、円筒体外表面に磁気力で吸引されて付着し、円筒体の回転に伴って汚泥として放出される。

また、磁気分離の他の例に、磁性体を利用して物質をフロックとして集め、処理液によって処理して再利用する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載される方法では、原水に磁性体と凝集剤を連続的に供給して攪拌することにより、対象物質を含む磁性フロックを形成し、磁場を発生して磁性フロックが通過できない目開きを有する網と磁性フロックを磁気吸引し、磁性フロックをカキ取り板で回収して塩酸を加えて攪拌し、分解された磁性フロックを含む処理液を比重分離し、磁性粉及び凝集剤を含む処理液を再利用している。
佐保典英、水守隆司、西嶋規世、村上雅人著、「バルク超伝導磁石を応用した水浄化用磁気分離装置の開発」、用水と配水 Vol.44 No.12、株式会社産業用水質調査会、2002年12月１日、26-30頁 特開２００５−１１１４２４号公報

上述したような構成で磁場を発生させて網を利用して原水から対象物質を分離する場合、対象物質は上流に集中する。また、上述した構成の他にも例えば複数の網を多段に設ける磁気分離装置も考えられるが、このように複数の網を多段に設ける磁気分離装置でも、対象物質は上流に集中することが考えられる。

上流で対象物質が堆積すると、網の目開き部分に徐々につまりが発生し、最終的に目詰まりが生じて上流で閉塞する可能性があり、原水からの対象物質の分離が困難になる問題がある。

上記課題に鑑み、本発明は、簡単な構成で原水に含まれる物質の分離効率を向上する磁気分離膜およびこの磁気分離膜を用いた磁気分離装置を提供する。

本発明の特徴に係る磁気分離膜は、磁気分離装置内に収納され、供給される原水に含まれる異物を磁気を利用して分離する磁気分離膜であって、磁性体金属で形成された複数の金網を備え、複数の金網が供給される原水の上流から下流に向けて磁性が強くなるように配置されて磁場勾配が形成される。

また、本発明の特徴に係る磁気分離装置は、原水に含まれる異物を分離する磁気分離装置であって、磁気分離膜のメンテナンス時期の判定に利用する原水の流れの状態を検出するセンサを備える。

本発明によれば、簡単な構成で原水に含まれる物質の分離効率を向上することができる。

以下に、図面を用いて、本発明に係る磁気分離膜および磁気分離装置について説明する。以下の説明において、同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本発明に係る磁気分離装置１０は、流入管１２を介して原水貯水槽１１で貯水される分離対象の物質（異物）を含む原水が供給される。この磁気分離装置１０では、超伝導磁石等を利用する磁場発生装置（図示せず）によって磁場を発生させ、流入管１２から供給された原水から異物を分離する。また、磁気分離装置１０は、原水から異物を分離して得られた処理水を、排出管１３を介して処理水貯水槽１４に排出する。

磁気分離装置１０は、図２に示すように、複数の分離膜１０１〜１０３で形成される磁気分離膜１０４を備えている。各分離膜１０１〜１０３は、それぞれ金網（図３を用いて後述）である点で同様であるが、それぞれ材料が異なり、磁性が異なっている。具体的には、第１分離膜１０１の材料は弱磁性金属（例えば、ステンレス系の金属に疎水加工を施した材料）、第２分離膜１０２の材料は常磁性金属（例えば、フェライト系の金属材料）、第３分離膜１０３の材料は強磁性金属（例えば、鉄やフェライト系の金属材料）である。すなわち、磁気分離膜１０４は、複数の分離膜１０１〜１０３によって磁場勾配が形成されている。

流入管１２から磁気分離装置１０に供給された原水は、図４に示すように、第１分離膜１０１、第２分離膜１０２、第３分離膜１０３の順に通過する。したがって、原水は、磁性の弱い分離膜から徐々に磁性の強い分離膜を通過することになる。磁気分離装置１０に供給された原水に含まれる異物が磁気に反応する性質を有している物質（例えば、金属）であるとき、磁気分離膜１０４に磁場を発生させるると、磁気分離装置１０を通過する原水に含まれる異物は、分離膜１０１〜１０３によって捕捉され、原水から取り除くことができる。また、各分離膜１０１〜１０３は磁性が異なるから、磁気に対する反応の度合いの強い異物から順に、第１分離膜１０１、第２分離膜１０２、第３分離膜１０３で取り除かれる。

第１分離膜１０１は、図３に示すように、目開きの粗い金属性の網（粗金網）１０１ａと目開きの細かい金属製の網（細金網）１０１ｂとが接合される層構造である。図３に示す例では、２枚の粗金網１０１ａの間に細金網１０１ｂが接合される例である。ここで、粗金網１０１ａと細金網１０１ｂの接合方法には、焼結接合等が利用される。

また、第２分離膜１０２および第３分離膜１０３の構造も、第１分離膜１０１と同様に、粗金網と細金網が積層した構成である。

目開きの細かい金網（例えば、１００メッシュ）は、異物を原水から回収しやすいが、目開きが細かい場合には原水の流れで生ずる抵抗によって変形しやすい特性がある。また、目開きの粗い金網（例えば、２０メッシュ）は、原水の流れによる影響は受けにくいが、異物を十分に回収することは困難な特性がある。そのため、分離膜１０１〜１０３を目開きの粗い粗金網１０１ａと、目開きの細かい細金網１０１ｂとによる多層構造とすることで、粗金網１０１ａで変形を防ぎ、細金網１０１ｂで異物を回収することが可能となり、水流による分離膜の変形を防ぎつつ、異物を回収することができる。

上述した本発明の実施形態に係る磁気分離装置１０では、分離膜１０１〜１０３によって磁場勾配を設けた磁気分離膜１０４を利用することで、各分離膜１０１〜１０３で分散して異物を原水から分離することができるため、目詰まりを防止し、異物の分離効率を向上することができる。

なお、図２に示す例では、磁気分離膜１０４は、磁性の異なる分離膜１０１〜１０３の三段で磁場勾配を形成しているが、複数の膜で磁場勾配を形成していれば、分離膜の数は限定されない。

〈第１変形例〉
図５を用いて、第１変形例に係る磁気分離装置１０について説明する。第１変形例に係る磁気分離装置１０も、図２で上述した磁気分離装置１０と同様に、複数の分離膜で磁気勾配が形成された磁気分離膜１０４を有している。

第１変形例に係る磁気分離装置１０は、流入管１２を介して微粒子供給装置１５と接続されている。微粒子供給装置１５は、異物を吸着する性質を有する金属酸化物の微粒子（金属酸化物微粒子）を原水に供給する。金属酸化物微粒子は、磁気に反応する性質を有するため、磁気分離装置１０を通過する際に、分離膜１０１〜１０３によって捕捉される。

したがって、第１変形例に係る磁気分離装置１０では、異物が磁気に反応しない異物（例えば、油等）であっても、原水に供給された金属酸化微粒子に異物を吸着させることができる。これにより、原水から異物を分離することができる。また、金属酸化物微粒子の若干のサイズの違いや異物の吸着量の違いによって磁気に反応する程度も異なるため、複数の膜で磁場勾配が形成されている磁気分離膜１０４では、目詰まりを防止することができる。

〈第２変形例〉
次に、第２変形例に係る磁気分離装置について説明する。第２変形例に係る磁気分離装置でも、図２で上述した磁気分離装置１０と同様に、複数の分離膜で磁場勾配が形成された磁気分離膜１０４を有している。したがって、図２の磁気分離装置１０を参照して説明する。

図６は、第２変形例に係る磁気分離装置１０で利用される第１分離膜１０１の一例を示している。図６に示す第１分離膜１０１では、金網に予め金属酸化物微粒子を付着させた微粒子保持網１０１ｃを使用している。この微粒子保持網１０１ｃは、上述した細金網１０１ｂの内部に金属酸化物微粒子を付着させて焼結した網である。

金属酸化物微粒子を原水に添加した場合、金属以外の磁気に反応しない異物も磁気分離装置１０で分離することがでる。一方、金属酸化物微粒子は微少であり、取扱いが困難である。例えば、微粒子供給装置１５によって金属酸化物微粒子を供給する際、大気中や原水中で、金属酸化物微粒子が浮遊しないように取り扱う必要があり、磁気分離装置１０や微粒子供給装置１５の構成が複雑になることもある。

図６に示すように、粗金網１０１ａと、金属酸化物微粒子を保持する微粒子保持網１０１ｃと、粗金網１０１ａとが積層された第１分離膜１０１を使用することにより、金属酸化物微粒子を添加するために磁気分離装置１０や微粒子供給装置１５の構成が複雑になる問題を解決することができる。

ここで、金属酸化物微粒子を金網の内部に保持して粗金網１０１ａと細金網１０１ｂ（微粒子保持網１０１ｃ）を接合するために真空中で焼結接合を行なった場合、粗金網１０１ａと細金網１０１ｂとの接合面は溶けて一旦接合されるが、細金網１０１ｂの表面で金属酸化物微粒子が保持されていたとき、焼結終了後に接合部分が剥離するおそれがある。したがって、細金網１０１ｂでは、焼結面に金属酸化物微粒子が付着しないようにする必要がある。

また、第２変形例に係る磁気分離装置１０では、第２分離膜及び第３分離膜も、第１分離膜１０１と同様に、粗金網１０１ａと微粒子保持網１０１ｃとによって構成されており、第１分離膜の材料は弱磁性金属、第２分離膜の材料は常磁性金属、第３分離膜の材料は強磁性金属である。したがって、第２変形例に係る磁気分離装置１０で利用する磁気分離膜１０４も分離膜によって磁場勾配が形成されており、磁気に対する反応の度合いの強い異物又は金属酸化物微粒子から順に、第１分離膜１０１、第２分離膜１０２、第３分離膜１０３によって分離される。

上述した本発明の第３変形例に係る磁気分離装置１０では、微粒子保持網１０１ｃが保持する金属酸化物微粒子によって磁気に反応しない異物を容易に原水から分離することができる。また、磁場勾配が設けられる磁気分離膜１０４を利用することで、分離膜１０１〜１０３における目詰まりを防止することができる。

〈第３変形例〉
続いて、第３変形例に係る磁気分離装置について説明する。第３変形例に係る磁気分離装置も、図２で上述した磁気分離装置１０と同様に、複数の分離膜で磁場勾配が形成された磁気分離膜１０４を有している。したがって、図２の磁気分離装置１０を参照して説明する。

図７は、第３変形例に係る磁気分離装置で利用される第１分離膜１０１の一例を示している。図７に示す第１分離膜１０１では、金網に予め金属酸化物微粒子を付着させた微粒子電着網１０１ｄを使用している。この微粒子電着網１０１ｄは、上述した粗金網１０１ａに金属酸化物微粒子が電着によって付着された網である。

上述したように、微粒子供給装置１５によって金属酸化微粒子を供給する場合には取扱が困難であって装置構成も複雑になる問題があるため、図７に示すように、微粒子電着網１０１ｄと、細金網１０１ｂと、粗金網１０１ａとが積層された第１分離膜１０１を使用することにより、金属酸化物微粒子を添加するために磁気分離装置１０や微粒子供給装置１５の構成が複雑になる問題を解決することができる。

また、第３変形例に係る磁気分離装置１０では、第２分離膜及び第３分離膜も、第１分離膜１０１と同様に、微粒子電着網１０１ｄと細金網１０１ｂと粗金網１０１ａとによって構成されており、第１分離膜の材料は弱磁性金属、第２分離膜の材料は常磁性金属、第３分離膜の材料は強磁性金属である。したがって、第３変形例に係る磁気分離装置１０で利用する磁気分離膜１０４も分離膜によって磁場勾配が形成されており、磁気に対する反応の度合いの強い異物から順に、第１分離膜１０１、第２分離膜１０２、第３分離膜１０３によって分離される。

上述した本発明の第３変形例に係る磁気分離装置１０では、微粒子電着網１０１ｄに電着されている金属酸化物微粒子によって磁気に反応しない異物を容易に原水から分離することができる。また、磁場勾配が設けられる磁気分離膜１０４を利用することで、分離膜１０１〜１０３における目詰まりを防止することができる。

〈第４変形例〉
図８及び図９を用いて、第４変形例に係る磁気分離装置１０について説明する。第４変形例に係る磁気分離装置１０も、図２で上述した磁気分離装置１０と同様に、複数の分離膜で磁場勾配が形成された磁気分離膜１０４を有している。

第４変形例に係る磁気分離装置１０は、図８に示すように、磁気分離装置１０における原水の流れを検出する第１センサ１０５ａおよび第２センサ１０５ｂを備えている。また、この磁気分離装置１０は、センサ１０５ａ，１０５ｂにおける測定結果に応じてメンテナンス時期を判定する判定装置１６と接続されている。

センサ１０５ａ，１０５ｂは、磁気分離装置１０において原水の流れの状態を音波として検出するセンサである。第１センサ１０５ａは、磁気分離装置１０において原水が流入する入口に設けられ、第２センサ１０５ｂは、磁気分離装置１０から処理水が排出される出口に設けられている。

判定装置１６では、例えば、センサ１０５ａ，１０５ｂによって予め測定された清浄な液体の流れの音波形や、異物や金属酸化物微粒子を多く含む液体の流れの音波形等が基準波形として記憶されており、センサ１０５ａ，１０５ｂによって新たに検出された音の波形と、記憶されている基準波形を比較することで、磁気分離装置１０内における磁気分離膜１０４による異物の回収状態を把握し、メンテナンス時期を決定することができる。

上述した本発明の第４変形例に係る磁気分離装置１０では、原水の流れの音波形を検出するセンサ１０５ａ，１０５ｂで音波形を検出して物質の回収状態に応じて磁気分離装置１０の適切なメンテナンス時期を決定することができる。

なお、図８では、磁気分離装置１０の入口と出口にセンサが設けられるものとして示されているが、センサが設けられる位置はこれに限定されず、磁気分離装置１０内の状態を把握してメンテナンス時期の判断に利用することができる音波形を検出することができる位置であれば良い。

〈第５変形例〉
続いて、第５変形例に係る磁気分離装置について説明する。変形例５に係る磁気分離装置も、図２で上述した磁気分離装置１０と同様に、複数の分離膜で磁場勾配が形成された磁気分離膜１０４を有している。したがって、図２の磁気分離装置１０を参照して説明する。

第５変形例に係る磁気分離装置１０の磁気分離膜１０４では、分離膜１０１〜１０３の材料が鉄系の金属であるとき、この分離膜１０１〜１０３に水蒸気と５５０℃以下の熱処理により、表面に磁鉄鉱の酸化反応を生じさせている。

３Ｆｅ ＋ ４Ｈ₂Ｏ → Ｆｅ₃Ｏ₄ ＋ ４Ｈ₂
上記の反応により、金属網の表面Ｆｅ₃Ｏ₄の酸化被膜を形成させ、通常の鉄の耐食性と硬さが向上し、磁性も向上させることができる。

なお、熱処理温度が５５０℃以上になると、下記の反応が生じる。

Ｆｅ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＦｅＯ ＋Ｈ₂
この場合、耐食性が損なわれるおそれがあるので、熱処理温度を５５０℃以下にする点が重要になる。

上述した本発明の第５変形例に係る磁気分離装置１０では、分離膜１０１〜１０３に酸化被膜を形成されることで、分離膜１０１〜１０３の耐食性と硬度を向上させることができる。また、磁場勾配が設けられる磁気分離膜１０４を利用することで、分離膜１０１〜１０３における目詰まりを防止することができる。

本発明の実施形態に係る磁気分離装置について説明する図である。 本発明の実施形態に係る磁気分離装置の構成について説明する図である。 図１の磁気分離装置で利用する分離膜について説明する図である。 図１の磁気分離装置における物質の分離について説明する図である。 金属酸化物微粒子が供給される場合について説明する図である。 第１変形例に係る磁気分離装置で利用される分離膜について説明する図である。 第２変形例に係る磁気分離装置で利用される分離膜について説明する図である。 第４変形例に係る磁気分離装置について説明する図である。 第４変形例に係る磁気分離装置の構成について説明する図である。

符号の説明

１０…磁気分離装置
１１…原水貯水槽
１２…流入管
１３…排出管
１４…処理水貯水槽
１５…微粒子供給装置
１６…判定装置
１０１〜１０３…分離膜（金網）
１０１ａ…粗金網
１０１ｂ…細金網
１０１ｃ…微粒子保持網
１０１ｄ…微粒子電着網
１０４…磁気分離膜
１０５ａ，１０５ｂ…センサ

Claims (10)

1. 磁気分離装置内に収納され、供給される原水に含まれる異物を磁気を利用して分離する磁気分離膜であって、
   磁性体金属で形成された複数の金網を備え、
   前記複数の金網が供給される原水の上流から下流に向けて磁性が強くなるように配置されて磁場勾配が形成されることを特徴とする磁気分離膜。
2. 上流には強磁性体の金網が配置され、中流に常磁性体の金網が配置され、下流には弱磁性体の金網が配置されることを特徴とする請求項１に記載の磁気分離膜。
3. 前記金網は、金属材料からなる短繊維の焼結体、粉末焼結体、繊維の織布焼結体、板状の打ち抜き材焼結体、エキスパンド焼結体、又は金網焼結体の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気分離膜。
4. 前記金網は、目開きの粗い粗金網と目開きの細かい細金網との層構造であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の磁気分離膜。
5. 前記金網は、原水に含まれる異物を吸着する金属酸化微粒子が焼結されて保持していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の磁気分離膜。
6. 前記金網は、原水に含まれる異物を吸着する金属酸化微粒子が電着されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の磁気分離膜。
7. 前記金網は、前記金属材料を水蒸気と熱処理によって酸化反応で鉄の酸化被膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の磁気分離膜。
8. 前記金網は、水蒸気と５００℃以下の熱処理によって酸化反応でＦｅ₃Ｏ₄の酸化被膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の磁気分離膜。
9. 請求項１乃至８のいずれか１に記載の磁気分離膜を備え、原水に含まれる異物を分離する磁気分離装置であって、
   前記磁気分離膜のメンテナンス時期の判定に利用する原水の流れの状態を検出するセンサを備えることを特徴とする磁気分離装置。
10. 原水が流入する上流と原水を流出する下流とにセンサを備えることを特徴とする請求項９に記載の磁気分離装置。

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