JP2005211745A

JP2005211745A - 水浄化装置

Info

Publication number: JP2005211745A
Application number: JP2004019669A
Authority: JP
Inventors: Keizo Sekine; 啓藏関根
Original assignee: SEKINE SANGYO KK
Current assignee: SEKINE SANGYO KK
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2005-08-11
Also published as: KR20050078623A

Abstract

【課題】低廉なコストで効果的に溜水系の水を浄化する。
【解決手段】溜水系の所定位置にて水面に浮かべられて、駆動モータ１２ａによって回転駆動される翼体２ｃにより前記対流を発生させる対流発生ユニット２と、太陽電池パネル８と、該太陽電池パネル８が起電した電流を充電するコンデンサ１２ｃと、該コンデンサ１２ｃに充電された電流を前記駆動モータ１２ａに一定量ずつ送り出すように放電量を制御する放電制御回路１２ｂと、を有し、前記対流発生ユニット２と前記太陽電池パネル８と、前記駆動モータ１２ａと前記コンデンサ１２ｃと前記放電量制御回路１２ｂを支持した支持筐体３は、その外面にフロート体５が連結されていると共に溜水の水底から立設したガイド柱７に上下動自在に係合する係合手段６を突設した。
【選択図】図１

Description

本発明は、自然湖沼、ダム湖等の水を浄化するのに適用する水浄化装置に関する。

自然湖沼、ダム湖等の溜水系の水を浄化する装置として、特許文献１に開示されているような、溜水系の内部に対流を起こして内部の水が腐敗したり、内部に藻が発生することを防止する浄水装置が知られている。この浄水装置は、回転軸から半径方向外側に延びる回転羽根を水面で回転させ、この回転羽根で溜水系内の水に対流を発生させる構成を採用している。

他方、溜水系に対流を起こして藻類の発生を防止する装置として特許文献２に開示の装置がある。この装置は、溜水系に当該装置を浮かべ、溜水系の水面で冷却剤を断熱膨張させることで、溜水系に温度差を発生させている。即ち、温度差を発生させることで溜水系に自然対流を起こさせている。そして、この装置では、冷却剤を断熱膨張させるに当たり、太陽電池パネルで起電された電力を使用している。
特開平４−１４１３００号公報特開平９−７０５７８号公報

しかし、特許文献１に開示の発明では、回転羽根を回転させる駆動モータと、これを駆動させる電源とを接続する配線設備が必要となる。この場合、対象となる溜水系がダムのように規模の大きなものでは配線設備が大がかりとなり、多大な費用が必要となる。

他方、特許文献２に開示の発明では、溜水系内に温度差による対流を発生させる装置ではあるが、効果的に温度差を発生させることができない場合には、対流を十分に起こすことができない。

本発明は、これらの問題点に鑑みなされたものであり、簡素な構造、低廉なコストの装置でありながらも効果的に溜水系の水を浄化することができる水浄化装置を提供する。

本発明は、上記の課題を解決するために、溜水系の所定位置にて水面に浮かべられて、駆動モータに回転駆動されるにより対流を発生させる対流発生ユニットと、太陽電池パネルと、該太陽電池パネルが起電した電流を充電するコンデンサと、該コンデンサに充電された電流を前記駆動モータに一定量ずつ送り出すように放電量を制御する放電量制御回路とを有する。

本発明によれば、溜水系の水を浄化するにあたり、水浄化装置を極めて簡素にできる。そして、水浄化装置の構造を簡素にできるが故、製造コストを大幅に低減できる。具体的には、駆動モータの電源として太陽電池パネルを使用することで、対流発生ユニットに電源を搭載できる点で、陸地から対流発生ユニットまでの間に配線設備を設ける必要がない。また、太陽電池パネルで起電するので、ランニンコストをかけずに作動させることができ、更にコンデンサを使用して、太陽電池パネルの起電した電流を充電させているので、夜間でも対流発生ユニットを作動させることができる。

本発明の最良の実施の形態である実施例１を以下に説明する。

本発明の実施例１を図面に従って説明する。

１は水浄化装置、２は該水浄化装置１の対流発生ユニットを示し、該対流発生ユニット２は、回転筒２ａと、その上端部の外周から放射状に突設したロッド等の接続部材２ｂと、これら接続部材２ｂの先端部に固定されている板状の翼体２ｃとからなる。

３は有底円筒状の支持筐体を示し、該支持筐体３の外周にアーム４を介してフロート体５を複数固定すると共にガイドリング６からなる係合手段を１対固定し、水底から立設したガイド柱７をこれらガイドリング６に上下動自在に挿通し、水面の変位に応じて、前記支持筐体３は前記フロート体５により浮きながらガイド柱７に沿って上下動するようにした。

８は角錐状或いは円錐状に形成されている太陽電池パネルを示し、該太陽電池パネル８は、その仕様が矩形状の標準サイズのもの（１．１１５ｍｍ×５３１ｍｍ）に換算した場合に７０〜８０Ｗの起電力を有するものが使用され、各太陽電池パネル８のほぼ中央部分には、これらの内面に面ヒータ１１が付着されている。

そして該太陽電池パネル８は、前記支持筐体３の内底面の中央部に立設した支柱９の上方部に固定されており、該支柱９に軸受体１０を介して前記回転筒２ａを回転可能に支持した。

１２は前記支持筐体３内に設けた駆動制御ユニットを示し、該駆動ユニット１２は駆動モータ１２ａと、該駆動モータ１２ａに一定の電流を徐々に送り出す放電制御回路１２ｂと、前記太陽電池パネル８の起電した電流を充電する電気二重層コンデンサからなるコンデンサ１２ｃとからなる。但し、電気二重電気コンデンサに限定されず、通常のコンデンサを使用することもできる。

前記駆動モータ１２ａの回転駆動力は減速機及びベルトとローラの組合せその他の動力伝達機構１２ｄを介して前記回転筒２ａに伝達するようにした。

図３は、太陽電池パネル８、電気二重層コンデンサ１２ｃ、放電量制御回路１２ｂ、及び駆動モータ１２ａの接続状態を示す回路図の概要を示している。この図３に示すとおり、太陽電池パネル８と駆動モータ１２ａとは、電気二重層コンデンサ１２ｃ及び放電量制御回路１２ｂを介して接続されている。さらに、面ヒータ１１が、太陽電池パネル８に、電気二重層コンデンサ１２ｃ及び放電量制御回路１２ｂを介して接続されている。

太陽電池パネル８は、日中に、太陽光が照射されることで起電する。起電により生じた電力は、駆動モータ１２ａの回転駆動に使用されると共に、電流の一部が電気二重層コンデンサ１２ｃに流されて、電気二重層コンデンサ１２ｃが充電される。即ち、上述のように太陽電池パネル８の起電力は７０〜８０Ｗである。一方、駆動モータ１２ａの消費電力は約６０Ｗである。この差が電気二重層コンデンサ１２ｃに充電される。

夜間は、太陽電池パネル８が起電するだけの光量を受けることができないため、太陽電池パネル８の起電により駆動モータ１２ａを駆動させることができない。この対流発生ユニット２は、日中に充電された電気二重層コンデンサ１２ｃが、夜間に、駆動モータ１２ａに放電することで、太陽光のない夜間でも駆動モータ１２ａを駆動可能に構成されている。放電量制御回路１２ｂは、充電された電気二重層コンデンサ１２ｃから電流が瞬時に放電されることを防止し、駆動モータ１２ａを所定の回転数で回転させることができる所定の電流を徐々に放電する。

このように、当該水浄化装置１は、日中は、太陽電池パネル８が起電する電力を直接使用し、夜間には、日中に充電した電気二重層コンデンサ１２ｃからの電流を使用することで、対流発生ユニット２を停止させることなく運転することが可能である。

なお、太陽電池パネル８の起電力、駆動モータ１２ａの駆動力及び電気二重層コンデンサ１２ｃの容量は、浄化する溜水系の大きさに応じてた仕様のものを適宜選択すればよい。

ここで、図４を参照して、電気二重層コンデンサ１２ｃの構造及びその原理を簡単に説明する。

電気二重層コンデンサ１２ｃは、外殻をなすケーシング１２ｃａを有し、このケーシング１２ｃａの内部がその中央部でセパレータ１２ｃｂにより二分割されている。また、ケーシング１２ｃａの内部には電解液１２ｃｃが充填されている。そして、ケーシング１２ｃａの左右両端部には、太陽電池パネル８の両極と接続された集電極１２ｃｄと、集電極１２ｃｄと近接するように設けられた分極性電極１２ｃｅとがそれぞれ設けられている。この図４に示す例では、太陽電池パネル８が直流電圧を起電し電気二重層コンデンサ１２ｃに電圧を印加すれば、左側の集電極１２ｃｄが正極、右側の集電極１２ｃｄが負極をそれぞれ構成する。

この電気二重層コンデンサ１２ｃに太陽電池パネル８から電圧が印加されると、分極性電極１２ｃｅの内面と電解液１２ｃｃとの接触面の近傍では、この接触面を境にして、左側に位置する正極側がプラスに、右側の負極側がマイナスにそれぞれ分布される。その結果、この図４において、左側が正極、右側が負極となるように当該電気二重層コンデンサ１２ｃには電位差が形成される。これにより、当該電気二重層コンデンサ１２ｃをバッテリーとして機能させることができる。

次に、太陽電池パネル８の内面に付着される面ヒータ１１の詳細を説明する。

図５及び図６は、この面のヒータ１１の構造を詳細に示す図である。図５は、面ヒータ１１の正面図であり、図６は面ヒータ１１の断面図である。面ヒータ１１は、これら図５及び図６に示すようにシート状に形成された半導体熱交換素子である。面ヒータ１１は、絶縁性フィルムを基材１１ａとし、その上に一定間隔をおいて幅方向に複数の発熱機能材１１ｂを付着させ、これらの発熱機能材１１ｂの両端に銀ろうからなる電極１１ｃを接続し、さらに、これらの発熱機能材１１ｂ及び電極１１ｃの上に前記基材１１ａと同様の絶縁性フィルム１１ｄを積層して形成されている。

このように本実施例１の面ヒータ１１は、シート形状に形成されているため、取付位置、形状、大きさを自由に選定して、太陽電池パネル８の内面に付着させることができる。

かかる面ヒータ１１の発熱機能材１１ｂは、炭素と四ふっ化エチレン樹脂とを主たる成分としている。また、当該発熱機能材１１ｂにおいては、副成分として、酸化アンチモン、酸化ビスマス、酸化鉛、酸化ガリウム、酸化インジウム、ＩＴＯ等の他の金属酸化物が少量含有されてもよい。上記金属酸化物としては種々の原子価の酸化物を使用することができる。また、亜鉛、スズ、アンチモン、ビズマス、鉛、ガリウム、インジウム等の金属単体を少量含有してもよい。一般的に高原子価酸化物は高抵抗値を与え、低原子価酸化物および金属単体は低抵抗値を与える。

このように発熱機能材１１ｂは、発火がなく、熱交換率が高く、低コストに多量生産できる効果がある。

次に前記翼体２ｃの表面に被着された光触媒１３について説明する。

光触媒１３は、水中に含まれる細菌、有害物質等を分解するもので、図７に示すように、光半導体粉末と金属粉末からなる光触媒１３とアパタイト等の吸着剤１４とを含有する混合剤が前記翼体２ｃの表面に溶射され、この混合剤の皮膜が形成されている。

この混合剤に含有される光触媒１３は、融点が２０００℃以下の酸化チタン（Ｔ_ｉＯ_２）微粒子（５〜２５μｍ）と、銀の粒子（１〜１０μｍ）とからなり、この光触媒１３は、酸素、アセチレン等を使用したガス溶射法により約２９００〜３０００℃で吸着剤１４とともに溶射される。

溶射した状態では、光触媒１３の粒子は一方の電極として作用する酸化チタン粒子１３ａと、当該酸化チタン粒子１３ａにより担持され、他方の電極として作用する銀粒子１３ｂとからなる。溶射後、光触媒１３は、３０〜４０μｍの粒子となりガスの高温により溶融しつつ、アンカ３３効果により表面に被着する。酸素、アセチレン等を使用するガス溶射による低温溶射法において、光触媒１３の微粒子を噴射するガストーチと溶射面とを相対的に移動させ、表面温度が５０℃以上にならないようにして行われている。

一般に、アナターゼ結晶形態の酸化チタン（チタニア）は、強力な光触媒使用を有するが、溶射後の光触媒１３がすべてアナターゼ結晶を有していると、その分解作用が強すぎて付着された基材をも犯してしまうので実用化できない。しかり、ルチル型結晶粒子の粒径、溶射温度、基材表面温度及び使用加熱源をそれぞれ５〜２５μｍ、約２９００〜３０００℃、４０〜５０℃及びガスに調整選択することにより、アナターゼ結晶２０〜３０％とすることができる。すなわち、アナターゼとルチルとの変態点である約７５０℃を超えれば、結晶はすべてルチル型結晶になる。上述の低温溶射法によれば、全てルチル結晶の粒子を準備してこれを溶射すると、２０〜３０％のアナターゼ結晶が生成され、残りがルチル結晶となる。種々の実験によれば、溶射後のアナターゼ対ルチルの重量比は１：３が好適である。

また、光触媒１３にアパタイト、ゼオライト等の活性炭素等の菌、有害物質を吸着する吸着剤１４を混合して溶射すれば、基材を犯さないようにアナターゼ結晶の量を減少させることによって光触媒１３作用が弱められた点が補強される。

すなわち、溶射後のアパタイトは、水中の菌、有害物質の処理対象を吸着保持し、この吸着保持した処理対象を２０〜３０重量の％のアナターゼ結晶を有する光触媒１３が分解するので、光触媒１３作用が補強されることとなる。光触媒１３作用を強めるためには、粒子が対象物に触れる接触面積を増やす必要があるが、低温溶射法によれば、プラズマ溶射に比較して粒子が細かく表面積の大なる膜が形成されるので好ましい。

光半導体粉末としては、Ｔ_ｉＯ_２の他、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＷＯ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＳｒＴ_ｉＯ_３、ＫＮｂＯ_３等を挙げることができる。電極を形成する金属粉末としては、銀の他、金、白金、銅等の種々の金属粉末を用いることができる。光触媒１３としての金属粉末には、光触媒１３が本来的な機能を発揮するための不可欠な要素の一つとして水分が要求されるため、水の存在下で経時変化がなく安定していることが必要となることから、前記の金属粉末の中でも白金が最も好ましいが、経済性を考慮し、更に前記特性を具備しており、無毒でそれ自体も殺菌性を有しているため銀が好ましい。また、電極としては、必ずしも金属には限定されず、これら金属代わりに例えば、ケイ素Ｓｉが使用可能である。銀、金、白金等は価格が高くケイ素の使用は経済的に大きな効果を果すものである。

吸着剤１４は、細菌、ウィルス、かび等の処理対象物を吸着、保持するためのものである。かかる吸着剤１４としては、アパタイト（リン灰石）、ゼオライト又はセピオライト等のセラミック粉末、活性炭及び絹繊維含有物によりなる群から選ばれる１以上を上げることができ、これらは必要に応じて２以上を組み合わせて用いることができる。ここでアパタイトとしては、細菌、ウィルス、かび等の蛋白質を選択的に吸着するハイドロキシアパタイト［Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６（ＯＨ）_２］が好ましい。また、絹繊維含有物としては、絹繊維粉末のほか、顆粒状に成形したものやゲル状物等も含まれる。これらの吸着材料（絹繊維含有物は粉末の場合）の粒径はより大きな表面積を確保するとともに、良好な被着作業性を考慮すると０．００１〜１．０μｍが好ましく、特に０．０１〜０．０５μｍが好ましい。光半導体粉末と吸着剤１４の混合割合は、細菌、脱臭作用等を好適に発揮するためには、光半導体粉末１００重量部に対して吸着剤１４が１〜５０重量部が好ましく、特に１０〜３０重量部が好ましい。ハイドロキシアパタイトを混合した溶射皮膜の原料は、１例としてＴ_ｉＯ_２８０重量％、Ａｇ１０重量％、ハイドロキシアパタイト１０重量％が好適である。

以上、溶射して光触媒１３を含有する混合剤を被着する方法について説明したが、以下に示すように混合剤を塗料としてディッピングにより付着してもよい。

図８は、ディッピングにより光触媒１３を被着させた一例を示すもので、光触媒１３は、吸着剤としてのハイドロキシアパタイト１５に被覆され、バインダ１６により前記翼体２ｃに被着される。塗料は、光半導体粉末、金属粉末及び吸着材料に加えて、少なくともバインダ１６としての塗膜形成成分及び分散剤を含有し、必要に応じてその他の成分を含有するものである。

塗膜形成成分としては、セルロース誘導体、フタル酸樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、アミノアルド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、塩化ビニル樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、エマルジョン、水溶性樹脂等の合成樹脂を挙げることができる。分散剤としては、石油系溶剤、芳香族系溶剤、アルコール系溶剤、エステル系溶剤、ケトン系溶剤、セルゾルブ系溶剤、水等を挙げることができる。なお、粉体塗料にする場合には、分散剤としての溶剤は不要となる。また、その他の成分としては、顔料、例えば、二酸化チタン、黄鉛、ベンガラ、酸化クロム、カーボンブラック等の無機顔料、ハンザイエロー、ノバパームオレンジ、キナクリドンバイオレット、銅フタロシアニン等の有機顔料、沈降性炭酸カルシウム、硫酸バリウム、タルク、クレー、ホワイトカーボン等の体質顔料、ジンククロメート、ストロンチウムクロメート、リン酸亜鉛、リン酸アルミニウム等の防食顔料に代表される特殊機能顔料等を挙げることができる。

塗料における光半導体粉末、金属粉末及び吸着材料の合計配合量は、殺菌作用を発揮し、適度な塗装性を確保するため、塗料全量中３〜５５重量％が好ましく、特に１５〜３５重量％が好ましい。

なお、光半導体粉末及び金属粉末（Ａｇ）対吸着材料（ハイドロキシアパタイト）の重量比は、７０〜８０重量％対１０〜２０重量％が好適である。

なお、塗料の塗装方法はディッピングに制限されるものではくなく、刷毛塗り、エアスプレー塗装、静電塗装、粉体塗装、電着塗装、カーテンフロー塗装、ロール塗装等の方法を適用することができる。

又前記翼体２ｃの表面において光触媒１３が被着されていない部分、特に該翼体２ｃの進行方向の後背面に銀又は銅等の殺菌性を有する金属をコーティング等の手段により付着し、更に前記接続部材２ｂのロッド等に鉄線１７を巻付けておく。

次に湖沼等の溜水における上記実施例の水浄化装置の作動について説明する。

太陽光の十分に照射される日中は、太陽電池パネル８からの起電による電力を直接利用して、駆動モータ１２ａを回転駆動させると、該駆動モータ１２ａの回転駆動により回転筒２ａと共に翼体２ｃを回転させる。一方、夜間など、太陽光が十分に照射されない場合には、電気二重層コンデンサ１２ｃに充電された電流を徐々に放電することで駆動モータ１２ａを駆動させる。

前記翼体２ｃが回転すると、溜水に対流を発生させる。このとき、水浄化装置１は翼体２ｃの表面に光触媒１３が被着されており、この光触媒１３は、細菌類を殺菌分解する作用を発揮する。このため、溜水の水が循環し、この翼体２ｃに触れることで、溜水の水が順次殺菌浄化される。この光触媒１３により殺菌された水が循環するので、溜水の水が腐敗することを効果的に防止でき、更に、前記翼体２ｃの表面の特に後背面に付着した銀又は銅等が、該後背面に発生する乱流と作用して殺菌性が更に行われて溜水の水の腐敗を極めて効果的に防止できる。

又、対流発生ユニット２の接続部材２ｂのロッド等に鉄線１７が巻付かれているので、該鉄線１７により水中の酸化リンＰＯ_４を吸着することができる。

又、前記コンデンサ１ｃにこれに並列にリチウム電池等の電池を接続しておけば、例えば梅雨の頃のように雨天或いは曇天が続いて太陽光が乏しく太陽電池パネル８の起電力によるコンデンサ１ｃへの充電が十分でないときにも翼体２ｃの回転の継続が可能となる。

なお、雪国においてこの水浄化装置１を使用する場合、対流発生ユニット２の屋根部を構成する太陽電池パネル８に雪が積もってしまい、太陽光が太陽電池パネル８に照射されないことが考えられる。このような場合に、各太陽電池パネル８の内面に付着された面ヒータ１１が効果的に機能する。

電気二重層コンデンサ１２ｃから電圧が印加され、面ヒータ１１が加熱される。面ヒータ１１の加熱作用により、太陽電池パネル８に積もった雪は、中央部から溶け出す。太陽電池パネル８の表面は、滑らかに形成されているため、一部の雪が溶け出せば、容易に落下する。また、一部でも太陽光を受けることが可能となれば、その部分では起電作用が機能する。この太陽電池パネル８自体、起電作用により発熱するため、面ヒータ１１の加熱作用との相乗効果により、極めて効果的に積もった雪を溶かすことができる。

図９は実施例１の変形例を示し、この変形例においては、翼体２ｃの表面の光触媒１３の被着された部分の上方で接続部材２ｂのロッド等の上方にＬＥＤ等の発生素子１８の複数個を装着し、夜間にこれら発光素子１８に前記コンデンサ１２ｃや前記電池より電流を流して該発光素子１８を発光させれば、夜間においても光触媒１３が作用して翼体２ｃの回転に伴って水を順次殺菌浄化する。

本発明は自然湖沼やダム湖等の溜水系における水の浄化を行うのに適用できる。

本発明の実施例１の水浄化装置の断面図図１のII−II線截断面図対流発生ユニットの駆動回転系の回路図電気二重層コンデンサを模式的に示す構造図面ヒータの平面図面ヒータの縦断面図溶射で光触媒を被着させた状態を示す説明図ディッピングで光触媒を被着させた状態の説明図翼体の個所の変形例の正面図

符号の説明

１水浄化装置
２対流発生ユニット
２ｂ接続部材
２ｃ翼体
３支持筐体
５フロート体
６係合手段
７ガイド柱
８太陽電池パネル
１２ａ駆動モータ
１２ｂ放電量制御回路
１２ｃコンデンサ
１３光触媒
１７鉄線
１８発光素子

Claims

溜水系の所定位置にて水面に浮かべられて、駆動モータによって回転駆動される翼体により対流を発生させる対流発生ユニットと、太陽電池パネルと、該太陽電池パネルが起電した電流を充電するコンデンサと、該コンデンサに充電された電流を前記駆動モータに一定量ずつ送り出すように放電量を制御する放電量制御回路と、を有する水浄化装置。
前記対流発生ユニットと前記太陽電池パネルと、前記駆動モータと前記コンデンサと前記放電量制御回路を支持した支持筐体は、その外面にフロート体が連結されていると共に溜水の水底から立設したガイド柱に上下動自在に係合する係合手段を突設した請求項１に記載の水浄化装置。
前記翼体の表面に光触媒を被着させた請求項１又は請求項２に記載の水浄化装置。
前記翼体の表面に発光素子を設けた請求項３に記載の水浄化装置。
前記翼体の表面において、光触媒の被着させた部分以外の部分に殺菌性を有する金属を付着させた請求項３又は請求項４に記載の水浄化装置。
前記翼体を支持する接続部材に鉄線を取付けた請求項１乃至請求項５のいずれか１に記載の水浄化装置。