JP2005517831A

JP2005517831A - 固体粒子を含む液相をオゾン処理する方法

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Publication number: JP2005517831A
Application number: JP2003569564A
Authority: JP
Inventors: トリシェ、アラン
Priority date: 2002-02-18
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2005-06-16
Also published as: WO2003070648A2; US20050109475A1; AU2003222908A8; CA2475684A1; FR2836163A1; WO2003070648A3; AU2003222908A1; EP1478803A2; FR2836163B1

Abstract

本発明は、固体粒子を含む液相、特に紙パルプの新規なオゾン処理方法に関する。前記方法は、0.5〜5wt.%の固体を含む液相(3)とオゾンを含むガスを、管状反応器(T)へ並流で導入することを特徴とする。

Description

本発明は、固体粒子を含む液相をオゾン処理する方法に関する。本発明は、特に紙パルプをオゾン処理する方法に関する。

オゾンは、紙パルプ（バージンパルプおよびリサイクル用の古紙で生産したパルプの両方）の処理にますます使用される。

実際には、オゾン処理工程は、バージン紙パルプを製造する方法、特にこの紙パルプを漂白する方法に取り入れられる。

オゾン処理工程はまた、古紙のリサイクル、漂白、脱蛍光、脱インク、および古紙によって運ばれる微生物および酵素の除去のために古紙を処理する方法において実施されている。

紙パルプ（バージンパルプおよびリサイクルされる紙からのパルプの両方）は、固体粒子（これらの固体粒子は離解された紙である）を含む液相とみなすことができる。

パルプの全重量の約25〜40重量%の固体濃度を有するときに紙パルプをオゾン処理する紙パルプオゾン処理方法が知られている。

この方法では、塔を使用しパルプをその中に入れるか、フィードスクリュータイプ(feed screw type)のシステムを使用する。この方法では、前もってフィルタープレス上でパルプを濃縮し適切な濃度を得る必要があり、紙繊維を脆くしかねない。さらに、このようなフィルタープレスは高価である。

さらに、オゾンの高い反応性のために、このような高い固体濃度では不均一な処理の危険性が存在する。

また、パルプの全重量の約8〜12重量%の固体濃度をもつ紙パルプを使用する紙パルプオゾン処理方法が知られている。

この方法では、「ダイナミックミキサー」という名称で製紙業者に知られているミキサー(実際には遠心ポンプである)を使用する。反応はここでは加圧して行い、滞留時間は約数秒である。ここではまた、損傷を与えかねない強い機械的応力を紙繊維に加える。

さらに、反応は加圧して行うので、この方法ではオゾンを圧縮する必要がある。圧縮機は購入するのに費用がかかり、かなりの維持費を必要とする。

オゾンはまた、多数の他の部門の産業において使用され、液相の中にある固体をオゾン処理する。この場合において、同じ問題に直面する。

本発明の目的は、固体粒子を含む液相とみなすことができるパルプをオゾン処理する方法を提案することによって、先行技術のオゾン処理方法の欠点を克服することであり、パルプに加えられる機械的応力を制限し、パルプの均一なオゾン処理を達成し、オゾン圧縮工程を減らし完全になくすのに役に立つ。

この目的のために、本発明は、ガス状オゾンとの接触によって固体粒子を含む液相をオゾン処理する方法であって、液体およびガスを並流で流して作動するガス−液体タイプの二相管状コンタクターの中で実施し、固体粒子を含む液相を、固体粒子を含む液相の全重量の0.5〜5重量%の固体濃度でコンタクターに導入することを特徴とする方法を提案する。

好ましくは、固体粒子を含む液相を、固体粒子を含む液相の全重量の0.5〜3重量%の固体濃度でコンタクターに導入する。

有利には、オゾンを、空気−オゾンまたは酸素−オゾンのガス混合物の形態でコンタクターに導入する。

好ましくは、オゾンを、1m³のガス混合物当たり50〜200gのオゾンを含むガス混合物の形態でコンタクターに導入する。

全ての場合において、オゾンまたはガス混合物を、0.5m/sを超えかつ10m/s以下の速度でコンタクターに導入するのが好ましい。

好ましい実施例では、コンタクターを波レジームで実施する。

他の好ましい実施例では、コンタクターをプラグレジームで実施する。

すなわち、好ましくはオゾンまたはガス混合物を、0.5〜2m/sの速度でコンタクターに導入し、固体粒子を含む液相を、0.5〜2m/sの速度でコンタクターに導入する。

特に好ましい実施例では、管状コンタクターは、パルプの流速の観点からみて、0.5〜2m/sの液相およびオゾンまたはガス混合物の導入速度を得ることを可能にする内径および長さをもつ水平のステンレス鋼の管状コンタクターである。

本発明による方法は、特に固体粒子を含む液相が紙パルプである場合に適している。

添付図面を参照しながら以下の説明的な記述を読むと、本発明はより理解され、本発明の他の目的、特徴および利点がより明瞭に現れるだろう。

オゾンの高い反応性は、有機化学の大部分の主要な官能基と、特に、古紙の中によくある全ての不飽和ベンゼンまたはフェノール基と速やかに反応することを可能にする。

さらに、オゾンは、特に古紙の中によくいる微生物例えば細菌、菌類、酵母、および酵素例えばカタラーゼ酵素を破壊する。

それゆえ、バージンパルプであろうとリサイクル用の古紙で生産したパルプであろうと、紙パルプの製造においてオゾンに特定の用途がある。

従って、紙パルプを製造する多数の方法においてオゾンを使用し、パルプを漂白し、染料、光学増白剤、接着剤およびインクを除去し、さらに製造方法を実施する装置の回路をきれいにすることができる。

しかしながら、現時点で、特に紙パルプのためのオゾン処理方法は、パルプがバージンパルプであろうと古紙から生産されたものであろうと、100gのパルプ当たり8〜40gの固体濃度で行う。

紙パルプは、オゾン処理反応の間、固体粒子、特に木質繊維が懸濁状態にある液体媒体、一般には水性媒体とみなすことができるので、その状況は、二相混合物（ガス相および固体粒子を含む液相）とみなすことができる混合物の１つである。固体のオゾン処理の化学反応は速いので、前記固体粒子を含む液相への非常に速いガス溶解速度をもたせ、オゾンが全ての固体粒子と素早く反応し、反応がオゾンの溶解速度によって制限されないようにする必要がある。

先行技術に従って大気圧で行うとき、パルプの高い固体濃度とオゾンの高い反応性は、不均一な処理の危険性があることを意味する。これに応じて、先行技術の他の方法は、液体−固体相へのオゾン溶解速度を増加させるために、圧力をかけてオゾン処理方法を行うことを提案し、オゾンを圧縮することを必要とする。

これは、紙パルプに損傷を与えかねない高い機械的応力を加えることを意味する；さらに、オゾンを圧縮することは、購入および維持の観点から、高価な圧縮機の使用を必要とする。

全てのこれらの欠点は、固体粒子を含む液体例えば紙パルプ（但し、低い固体濃度をもつ、すなわち低いまたは非常に低いコンシステンシーをもつ紙パルプ）でオゾン処理方法を行うことによって克服されることが見出された。

前述の議論および以下に続くものにおいて、用語「低いコンシステンシーの紙パルプ」は、紙パルプ、意味を広げると、固体粒子の濃度が液体／固体混合物の全重量の0.5〜5重量%である液体−固体混合物を意味する。実際には、パルプの上限濃度は、ニュートン挙動から非ニュートン挙動へのパルプの移行によって決定される；この値は木の種類に依存する。

前述の議論および以下に続くものにおいて、用語「非常に低いコンシステンシーの紙パルプ」は、紙パルプ、意味を広げると、固体粒子の濃度が液体−固体混合物の全重量の約１重量%である液体−固体混合物を意味する。

実際には、そのような固体濃度をもつ液相では、固体粒子を含む液相の中で非常に高い値のガス溶解速度を得るのに役に立つ二相管状ガス−液体コンタクターを使用することができる。

本発明のオゾン処理方法は、それゆえガス−液体タイプの二相管状コンタクターで実施し、固体粒子を含む液相を低いまたは非常に低いコンシステンシーで導入するということを特徴とする。

本発明の方法を実施するための管状コンタクターは、固体粒子を含む液相を並流で作動する、水平または垂直（または任意の中間の傾斜）の管状コンタクターであり得る。

単一のパイプまたはより複雑なシステム例えばスタティックミキサーによってガスを導入することができる。

固体粒子を含む液相へのオゾン溶解速度は、ガス−液体物質移動係数に依存し、ここでの目的は、良好なガス−パルプエマルジョンを得ることである。

ガスおよびパルプの各導入速度に応じて、反応器は分離レジーム、波レジーム、プラグレジームまたは分離泡レジームで作動する。

図１は、分離レジームで作動する水平の管状コンタクターTの模式的な断面図であり、ガス相を1で示し、固体粒子を含む液相を3で示す。図１では、界面領域を、ガス相1と液相3との間の接触面として示す。

管状コンタクターが図１に示すような分離レジームであるとき、この接触面2は平面とみなすことができる。

この場合において、接触面2に相当する界面の面積は、以下で議論する図２〜４に示された場合よりも小さい。このために、オゾン溶解速度はあまり有利ではない。

このような分離レジームは、ガス相と液相の各導入速度が0.5m/s未満であるときに得られる。

ガス相と固体粒子を含む液相との間の接触面は、コンタクターTが図2に示すような波レジームで作動するときに大きくなる。

図２に示すように、2'で示されるガス相1と固体粒子を含む液相3との間の接触面は、波を形成する。接触面はこの範囲の中で増加する。従って、この場合におけるガスは、図１に示す場合すなわち分離レジームよりもより素早く溶解する。

オゾンの溶解速度、すなわち液相にある固体とのオゾンの反応速度は、図３に示すように管状コンタクターTがプラグレジームで作動するとき、さらに向上する。図３に示すように、管状コンタクターTがプラグレジームで作動するとき、コンタクターの２つの水平な内壁に触れさせるような動きで液相3を作動させる。

従って、コンタクターがこのようなプラグレジームで作動するとき、ガス相1は、2''で示した、液相3との大きな接触面をもつ。

ガス相と固体粒子を含む液相の各導入速度が1〜2m/sの間にあるとき、コンタクターTは波レジームまたはプラグレジームで作動する。

コンタクターが図４に示すような分散泡フローレジームであるとき、最高の結果が得られる。この場合において、液相3はガス相1の中に分散する泡を形成し、ガス相1と固体粒子を含む液相3との間の接触面2'''は非常に大きくなる。

このような分散泡レジームは、ガスと固体粒子を含む液相の各導入速度が2m/sより大きくかつ10m/sまでのときに得られる。

しかしながら、そのような分散泡作動レジームを得るために、非常に高いガス圧を必要とし、これは本発明による方法に好ましくない。なぜなら、関連した購入費および維持費のかかるガス圧縮機を使用する必要性を再び伴うからである。さらに、液相、特に紙繊維に加えられる機械的応力と関連した欠点がここで再び生じる。

従って、上記に述べたこの理由のために、本発明によるオゾン処理方法は、分離レジーム、波レジーム、プラグレジームまたは分散泡レジームで作動するコンタクターTを実施することができるけれども、波レジームまたはプラグレジームで、すなわち、0.5〜2m/sの間のガス導入速度および0.5〜2m/sの間の固体粒子を含む液相の導入速度で実施するのが好ましい。

上記および下記に与えられた導入速度は、コンタクターTが空のときに得られる速度である。言い換えれば、コンタクターが固体粒子を含む液相を含まないときに0.5〜2m/sの間のガス導入速度を得るために、使用されるコンタクターの内断面の関数としてガス導入速度を計算する。

同様に、空のコンタクターへの導入速度の関数として、およびコンタクターの内断面の関数として固体粒子を含む液相の導入速度を計算する。

十分なガス導入速度を与えるために、オゾンおよびキャリアガス例えば空気または酸素を含むガス混合物を、高オゾン濃度で使用することが有利である。

オゾンは高い反応性があり、必要なオゾンの量は一般的に少ない；例えば、紙パルプの場合において、オゾンは20kg/tパルプ未満である。

従って、１m³のガス混合物当たり50〜200gのオゾンを含むオゾン−空気ガス混合物が最適であることが測定された。

本発明をより良く理解するために、その実施例の具体的かつ非限定的な例をここで記述する。

例
4.5cmの内径と100mの長さをもつ水平のステンレス鋼の管状コンタクターを使用した。コンタクターに、2.5%のコンシステンシーをもつバージン紙パルプを供給した。

（空のコンタクターで）1〜2m/sの間のパルプ速度を得るために、紙パルプの流速を計算した。

100g/m³混合物のオゾン含有量をもつ空気とオゾンの混合物で形成されたガス混合物に関して同じ速度を使用した。

このような条件のもとで、圧力損失は2〜3barであった。

オゾンの移動容量は、それに応じて約１分間の滞留時間で1.5〜3kg/tパルプであった。

2〜3barの圧力損失は、オゾン発生器がわずかな超過圧力に耐えるならば、既存のオゾン圧縮システムであって圧縮機のないものとさえ適合するほどに十分に低い。従って、装置は安価であり使いやすい。

明らかに、本発明は、記述され図示された実施例に限定されるものではなく、実施例は例として提供されたにすぎない。

従って、本発明は、バージン紙パルプに関して記述されているけれども、本発明による方法は、固体粒子を含む液相とみなすことができる全ての他の相、特にリサイクルされる紙のオゾン処理に、固体内容物がパルプの全重量の5重量%を超えない限りにおいて、適用することができる。

同様に、上記の議論において、管状コンタクターはステンレス鋼製であるものとして記述したけれども、湿性オゾンと適合性のある任意の他の材料で作ることもできる。

同様に、上記の議論において、管状コンタクターは、4.5cmの内径と100mの長さをもつものとして記述したけれども、その寸法は異なるものとすることもでき、必須の要素は、コンタクターへのパルプの供給速度を考慮して、その寸法がオゾン処理反応を完了させるのに必要な時間だけコンタクターの中にパルプを滞留させることができることである。

さらに、ガス混合物は、一般に空気−オゾンまたは酸素−オゾン混合物であるけれども、オゾンと反応しない任意の他のガスまたはガスの混合物をキャリアガスとして使用することができる。

これは、本発明が記述した手段の全ての技術上の均等物およびその組み合わせを（これらが本発明の精神に従って行われるならば）含むことを意味する。

分離レジームで作動するガス−液体タイプの二相管状コンタクターの模式的な断面図。波レジームで作動するガス−液体タイプの二相管状コンタクターの模式的な断面図。プラグレジームで作動するガス−液体タイプの二相管状コンタクターの模式的な断面図。分散泡レジームで作動するガス−液体タイプの二相管状コンタクターの模式的な断面図。

Claims

ガス状オゾンとの接触によって固体粒子を含む液相をオゾン処理する方法であって、液体およびガスを並流で流して作動するガス−液体タイプの二相管状コンタクター(T)の中で実施し、固体粒子を含む液相(3)を、固体粒子を含む液相の全重量の0.5〜5重量%の固体濃度でコンタクター(T)に導入することを特徴とする方法。
固体粒子を含む液相(3)を、固体粒子を含む液相の全重量の0.5〜3重量%の固体濃度でコンタクター(T)に導入することを特徴とする請求項１に記載のオゾン処理方法。
オゾン(1)を、空気−酸素または酸素−オゾンのガス混合物の形態でコンタクター(T)に導入することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
オゾン(1)を、1m³のガス混合物当たり50〜200gのオゾンを含むガス混合物の形態でコンタクター(T)に導入することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
オゾン(1)またはガス混合物を、0.5m/sを超えかつ10m/s以下の速度でコンタクター(T)に導入することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
波レジームで実施することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
プラグレジームで実施することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
オゾン(1)またはガス混合物を、0.5〜2m/sの速度でコンタクター(T)に導入し、固体粒子を含む液相(3)を、0.5〜2m/sの速度でコンタクター(T)に導入することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
管状コンタクター(T)は、固体粒子を含む液相の流速の観点からみて、0.5〜2m/sの液相およびオゾンまたはガス混合物の導入速度を得ることを可能にする内径および長さをもつ水平のステンレス鋼の管状コンタクターであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
固体粒子を含む液相（3）が紙パルプであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。