JP5343246B2 - 液中の粒子の浮上分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、液中に混在する粒子を、ナノバブルおよびマイクロバブルを使用して浮上分離させる技術に関するものである。

微細バブルを使用して液中の粒子を浮上させて分離する技術について、従来から多くの提案がなされている。

例えば、特許文献１には、塗料スラッジ等の分離対象物を浮上分離させる分離処理槽内の処理液中に粒径が約１〜１００μｍのマイクロバブル又は粒径が１μｍ未満のナノバブル等の微小粒径バブルを発生させるバブル発生手段を設けた浮上分離装置が記載されている。

また、特許文献２にはマイクロバブルまたはナノバブルと水性媒体を接触させて水性媒体中に含まれる疎水性化合物をバブル界面に捕集した後、バブルを水性媒体から分離する方法が記載されている。

また、特許文献３には、懸濁液内にマイクロバブル発生装置を用いてマイクロバブルを発生させ、マイクロバブル表面に懸濁物を付着させ、このマイクロバブルを分散させた懸濁液に超音波を照射することにより、マイクロバブルどうしの凝集を促し、懸濁物の浮上分離を促進することが記載されている。
特開２００８−１１９６１２号公報 特開２００８−０４９２４３号公報 特開２００８−０３６５８５号公報

前記特許文献では、使用するバブル径は単一径のバブルもしくは発生させる装置の特性上、多分散気泡を使用しているが、比重が大きい粒子を十分に浮上分離することができない。

そこで本発明は、従来は浮上分離できなかった液中の比重が大きい粒子を、サイズが異なる微細バブルを同時に使用して浮上分離させることができる、液中の粒子の浮上分離装置を提供するものである。

本発明の液中の粒子の浮上分離方法は、液中の粒子の浮上分離に、ナノバブルおよびマイクロバブルを同時に使用するもので、ナノバブルおよびマイクロバブルのサイズおよび、ナノバブルおよびマイクロバブルを含むそれぞれの液体の量の混合割合を、目的、用途、浮上させたい粒子のサイズ、比重、表面粗度、濡れ性に応じて調整する。

本発明の液中の粒子の浮上分離装置は、粒子を含む液を収容した分離槽にナノバブルを発生させるナノバブル発生用配管およびマイクロバブルを発生させるマイクロバブル発生用配管が接続され、ナノバブル発生用配管からのナノバブルおよびマイクロバブル発生用配管のマイクロバブルが共に粒子を含む液中にナノバブルを含む液とマイクロバブルを含む液のそれぞれの量を調節して導入割合を調整して液中の粒子を浮上分離する浮上分離装置であって、前記ナノバブル発生用配管およびマイクロバブル発生用配管のそれぞれが、気体を加圧溶解した加圧液体が導入される加圧液体導入用配管に圧力調整弁を介して接続され、前記ナノバブル発生用配管内およびマイクロバブル発生用配管内にはそれぞれ縮径部が設けられ、前記縮径部の吐出流路の直径が、加圧液体導入用配管内の圧力と前記ナノバブル発生用配管内の圧力およびマイクロバブル発生用配管内の圧力の比（前記ナノバブル発生用配管内の圧力／加圧液体導入用配管内の圧力及び、前記マイクロバブル発生用配管内の圧力／加圧液体導入用配管内の圧力）がナノバブルおよびマイクロバブルを発生する比になるようにそれぞれ設定されていることを特徴とする。

図４は、粒子への気泡吸着の模式図である。図４（ａ）に示すように、例えば、比重３．８でサイズ１５μｍの粒子には２μｍ程度のマイクロバブルＢ３さえ吸着率が悪く、結果として粒子の浮上に必要な浮力を得ることができないために、粒子Ｐが沈降してしまい浮上させることができなかった。

これに対して、図４（ｂ）の模式図に示すように、０．０５μｍ、２μｍの微細気泡Ｂ１、Ｂ２を同時に導入すると、比重３．８でサイズ１５μｍの粒子Ｐを浮上させることができた。これは、粒子Ｐの周りに、先ず表面張力（物質への吸着力）が最も大きい０．０５μｍの微細気泡Ｂ１が吸着し、この微細気泡Ｂ１に２μｍの微細気泡Ｂ２が環状に吸着し、浮上に必要な浮力を獲得することで粒子Ｐが浮上したものと考えられる。

本発明は、粒子に応じて気泡径が制御された２種類以上のサイズが異なる微細気泡を同時に導入するとともに、液体の混合割合を調整する事で、従来装置では成しえなかった液中に含まれる比重が大きい粒子（例：比重３．８、サイズ：１５ミクロン）を浮上分離させることができる。

また、本発明は、気泡径と流量割合を制御することで、液中に含まれる比重やサイズが異なる粒子（例：５ミクロン、１５ミクロン）の選別浮上や、表面粗度、濡れ性等が異なる粒子の選別浮上ができる。

本発明は、図４（ｂ）に示すように、粒子を含む液中に気泡径を制御したナノバブルとマイクロバブルを同時に使用することで、先ず対象となる粒子Ｐに最も気泡径が小さく表面張力が大きいナノバブルＢ１が吸着し、次にナノバブルＢ１より気泡径が大きいマイクロバブルＢ２が環状に吸着することで、粒子への気泡吸着が確実となると同時に、吸着した気泡により粒子の浮上に必要な浮力を獲得する。

この時のＢ１、Ｂ２の気泡径およびＢ１、Ｂ２を含む液体の混合割合を調整することで、対象となる粒子の比重、サイズ、表面粗度、濡れ性等の異なる粒子の選別浮上ならびに浮上時間の短縮が可能となる。

なお、Ｂ１、Ｂ２の微細気泡は通常同時に導入するが、選別対象物や選別内容によっては時間差を設けて導入することもできる。

本発明の浮上分離装置を図面により説明する。

図１は本発明の分離装置の全体図、図２はナノバブルとマイクロバブルの系統毎に加圧溶解装置を設けた全体図、図３（a）は気泡発生部９の断面図、（b）はＡ−Ａの断面図である。

図１において、分離槽１に処理対象となる粒子を含む液体２が収容される。

分離槽１内の液体２を液送するための供給用配管３が加圧ポンプ４に接続されている。供給用配管３の途中には、液体２に混入される気体を取り入れるための気体取入れ用配管５が接続されている。液体中に取り込まれる気体は、空気、酸素、窒素、オゾンなど液の処理内容や選別浮上の内容に応じて適宣選択することができる。

加圧ポンプ４の下流には加圧タンク６が配置されている。加圧ポンプ４により分離槽１から粒子を含む液体２が吸引され、液体中に気体取入れ用配管５から気体が取り入れられ、加圧タンク６へ送られる。加圧タンク６では、液体中に取り込まれた気体が加圧下で溶解する。

加圧タンク６の加圧液体の吐出側は、加圧液体導入用配管７が接続され、加圧液体導入用配管７は圧力調整弁８を介して、気泡発生部９に接続されている。気泡発生用配管１０は、図１では分離槽１に気泡径および液体の混合割合を調整され、気泡発生用配管１０a、１０ｂとして各々接続される。

図２はナノバブルとマイクロバブルの系統毎に加圧溶解装置を設けた例であるが、図１と同一部材には同一符号を付してその説明は重複するので省略する。

図３において、気泡発生部９は加圧液体導入用配管７に気泡を発生させる気泡発生用配管１０が圧力調整弁８を介して接続されている。圧力調整弁８は、気泡発生部９への送水圧を所定の圧力に調整するために設けられる。

気泡発生用配管１０の吐出側には直径が絞られた吐出流路１１を形成する縮径部１２が配設される。異なる径の吐出流路の縮径部１２が気泡発生用配管１０にネジなどの螺合などにより交換可能に接続される。

ナノバブルにする場合は、縮径部１２の少なくとも一方の端部に、アールまたはテーパー１３を施す。

液体中に加圧溶解させた空気を圧力開放する際、乱流の発生を防止することにより、気泡の析出を抑えることができる。

加圧液体導入用配管７には、加圧液体導入用配管内の圧力（Ｐ１）を測定する圧力計１４が設けられ、気泡発生用配管１０に気泡発生用配管内の圧力（Ｐ２）を測定する圧力計１５が設けられている。

前記構成の気泡発生方法は次のとおりである。

加圧液体導入用配管側７の圧力（Ｐ１）と気泡発生用配管側の圧力（Ｐ２）の比（以下「Ｐ２／Ｐ１比」という）を調整することにより、サイズの異なる気泡を発生する。Ｐ２／Ｐ１比の調整は、吐出流路１１の直径が異なる縮径部１２を交換して、吐出流路１１の直径を変化させて気泡発生用配管内の圧力（Ｐ２）を調整し、気泡径を制御する。

縮径部がない場合、気泡発生用配管１０側の圧力（Ｐ２）は大気開放となり、Ｐ２／Ｐ１比が０となって、白濁したマイクロバブルの気泡を生成する。

縮径部１２を設け、気泡発生用配管１０側の圧力（Ｐ２）が大気圧を超える圧力になるようにし、吐出流路１１の直径をＰ２／Ｐ１比がナノバブルを発生させる範囲になるよう設定することにより、ナノバブルの発生が可能となる。

図５はＰ２／Ｐ１と気泡水の白濁度の関係を示すグラフである。

縮径部１２が設けられていない場合、大気開放となるため気泡発生用配管１０側の圧力（Ｐ２）は０となる。したがって、Ｐ２／Ｐ１比が０となり、ナノバブルはほとんど発生せずにマイクロバブルが発生し、液体が白濁する。

吐出流路１１の直径が異なる縮径部１２を吐出流路１１の直径が小さくなるように交換して変化させていくと、気泡は徐々に小さくなり、液体の白濁が減少し透明に変化することでナノバブルの発生を確認することができる。縮径１２の吐出流路１１の直径を小さくさせていくことにより、気泡発生用配管１０側の圧力（Ｐ２）が上がってＰ２／Ｐ１比が徐々に大きくなる。

これに伴い、気泡径はＰ２／Ｐ１比に反比例して徐々に小さくなる。この気泡径の変化はＰ２／Ｐ１比が大きくなるに連れ、液体の白濁度が徐々に薄くなり、透明な状態に近づくことでナノバブルの発生を確認できる。

本件装置にて、気液比を一定にして生成した気泡水を水槽に溜めて観察したところ、Ｐ２／Ｐ１比が０．５７７の場合を境に、その前後において白濁度が濃くなることを確認した。

表１は、Ｐ２／Ｐ１比と白濁度、吐出流路の直径の関係を示すものである。

縮径部を設けない開放の状態では気泡が目視でき、縮径部の吐出流路の直径が小さくなるにつれ、すなわちＰ２／Ｐ１比が増加するにつれて気泡径も小さくなっていき白濁度が小さくなって試験ＮＯ．４で透明になるのが確認された。試験ＮＯ．５で吐出流路の直径をさらに小さくすると、試験ＮＯ．３と同程度に白濁した。

＜試験例１＞
サイズ１５ミクロンの機械研磨スラッジの粒子を分散させた洗浄液を分離槽１に供給して試験した。

マイクロバブルの発生用配管１０ｂから２μｍのマイクロバブルのみを分離槽１に導入し、表面に浮上した泡を分離槽１外に除去し静置したところ、静置後も粒子は液中に分散し、分離槽１の底部に機械研磨スラッジが堆積し始めた。

＜試験例２＞
本発明に従ってナノバブルとマイクロバブルの発生用配管１０a、１０ｂから各々を、ナノバブルとマイクロバブルの混合割合を調整して導入した。

ナノバブルとマイクロバブルの径は、０．０５μｍ、２μｍ混合割合は４：６である。

表面に浮上した泡を分離槽１外に除去し静置したところ、静置後液中の粒子の分散はほとんど見られず、分離槽１の底部にも機械研磨スラッジの堆積はほとんど確認できなかった。

本発明の分離装置の全体図である。 本発明の分離装置において、ナノバブルとマイクロバブルの系統毎に加圧溶解装置を設けた全体図である。 （ａ）は気泡発生部９の断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 は、粒子への気泡吸着の模式図である。 は、Ｐ２／Ｐ１と気泡径の相関を示すグラフである。

符号の説明

１：分離槽
２：粒子を含む液体
３：供給用配管
４：加圧ポンプ
５：気体取入れ用配管
６：加圧タンク
７：加圧液体導入用配管
８：圧力調整弁
９：気泡発生部
１０：気泡発生用配管
１１：吐出流路
１２：縮径部
１３：アールまたはテーパー
１４：圧力計
１５：圧力計

Claims (4)

1. 粒子を含む液を収容した分離槽にナノバブルを発生させるナノバブル発生用配管およびマイクロバブルを発生させるマイクロバブル発生用配管が接続され、ナノバブル発生用配管からのナノバブルおよびマイクロバブル発生用配管のマイクロバブルが共に粒子を含む液中にナノバブルを含む液とマイクロバブルを含む液のそれぞれの量を調節して導入割合を調整して液中の粒子を浮上分離する浮上分離装置であって、
   前記ナノバブル発生用配管およびマイクロバブル発生用配管のそれぞれが、気体を加圧溶解した加圧液体が導入される加圧液体導入用配管に圧力調整弁を介して接続され、
   前記ナノバブル発生用配管内およびマイクロバブル発生用配管内にはそれぞれ縮径部が設けられ、
   前記縮径部の吐出流路の直径が、加圧液体導入用配管内の圧力と前記ナノバブル発生用配管内の圧力およびマイクロバブル発生用配管内の圧力の比（前記ナノバブル発生用配管内の圧力／加圧液体導入用配管内の圧力および、前記マイクロバブル発生用配管内の圧力／加圧液体導入用配管内の圧力）がナノバブルおよびマイクロバブルを発生する比になるようにそれぞれ設定されていることを特徴とする液中の粒子の浮上分離装置。
2. 加圧液体導入用配管に加圧液体導入用配管内の圧力を測定する圧力計が設けられ、ナノバブル発生用配管内の圧力およびマイクロバブル発生用配管内の圧力を測定する圧力計がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液中の粒子の浮上分離装置。
3. 縮径部の少なくとも一方の端部の全周に、アールもしくはテーパーを施したことを特徴とする請求項１または２に記載の液中の粒子の浮上分離装置。
4. 前記ナノバブル発生用配管および前記マイクロバブル発生用配管の先端に縮径部が交換可能に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液中の粒子の浮上分離装置。

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