JP2006232583A - 大気中の湿分から淡水を発生させる多孔質加工石及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多孔質加工石から発生する凝縮水の製造を効率的ならしめ、環境に負荷を与えることなく安価に大気中の湿分から淡水を製造する。
【解決手段】自然石，シリカ，珪藻土，鹿沼土，フライアッシュ，ゼオライト，石灰岩，貯水岩，粘土，玄武岩，ガラス，金属，セラミックスからなる群より選ばれた単独又は２種以上の混合からなる粉状，粒状または砕石状の多孔質材料を素材としてセメント，水を加え円筒，中空円筒，角形，多角形など任意の形状１，１Ａに成形、固化して多孔質加工石とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は大気中の湿分から淡水を製造するための多孔質加工石及びその製造方法に係り、詳しくは、多孔質の自然の材料及び石炭燃焼から出るフライアッシュ等の産業廃棄物、更に熱処理されたゼオライト等の多孔質な粉体、貯水岩やポーラスな珪藻土や鹿沼土等、日常広く存在する多孔質材料を利用し、大気中の湿分から淡水を発生させる多孔質加工石を製造する方法ならびに該方法で得られる多孔質加工石に関するものである。

従来、淡水の供給源としては表流水や地下水、雨水利用があるが、環境破壊による安定した水量は得られず水処理において複雑化させている。一方、雨水以外の水資源として溜水淡水化もあるが、これは多大の設備、動力、メンテナンスを要して高価な水となつている。

また従来、海岸地帯から内陸の砂漠や高山地帯、あるいは直射日光の強い熱帯や極寒地帯も含めた全陸地一般において、淡水製造設備を設置することが試みられたが、小規模設備(例えば特許文献１参照)を除けば殆ど皆無というに等しかった。これは個人向けの携帯式小規模設備にすぎず、多量の水を製造できないという限界の外に、コスト高の外部エネルギーと多数の機械設備とを要するという問題点もあった。

そのため、前記表流水、地下水、雨水以外の水資源である大気中の湿分から淡水を製造するための様々な規模で実施しうる画期的システムが開発されるに至ったが(例えば特許文献２参照)、このシステムはようやく研究の端緒についたばかりで、諸々の技術的、経済的改良の余地、課題が見出されつつあり、未だ実用化段階には至っていない現状にある。

本出願人も上記のような現状に対処し、大気中の湿分から淡水を製造するシステムの実用化を可能にするためには湿分を凝縮させる凝縮装置の構成が最大の鍵であるとの認識に立ってさきに特開２００４−３１３８４２を提案した。

すなわち、これは飲料水、工業用水、農業用水等を使用する小規模コミュニティ、工場、農場等から大規模のそれらに至る所望の規模で、如何なる気象条件、地形条件の場所でも使用可能であり、基本的に電気エネルギーに頼る経済的かつ環境に余分な負荷を与えずに済むシステムである。

一方、これと前後して大気中の湿分を凝縮させるための凝縮装置の構造および凝縮材について若干の特許が公開され、例えば凝縮部材として樹脂状、コルゲート、フィン付き構造など(例えば特許文献３参照)が提起される外、石灰岩等、原石を利用するものやガラス凝縮効果の利用も試みられているが、効率面、取り扱い面で未だ充分とは云えない。

また親水性、疎水性の特殊ポリマー、超吸収性ポリマーの例(例えば特許文献３、４参照)も提案されているが、その具体的適用方法は明記されていない。
ドイツ特許公開公報 ３３１３７１１A１ アメリカ特許 第６１１６０３４ アメリカ特許公開 第２００３／０１４５７２９A１ アメリカ特許公開 第２００４／００００／６５A１

本発明者らは上述の如き実状に鑑み、大気中の湿分から淡水を製造システムの実用化を可能にするために湿分を凝縮させる凝縮装置、特に凝縮材の開発が最大の鍵であるとの知見にもとづき研究を進め、その結果、淡水発生には太陽光を利用するもの、廃熱を利用する等があるが、自然界には多孔質でミクロンやナノといった微細なポーラス状のものがあり、ナノにおいては湿気による凝縮水が発生することが科学的にも証明されているため、自然界にあるナノの素材、石炭灰であるフライアッシュ、ゼオライト等シリカ系、珪素系の成分を持ち廃棄物や廃棄同然の材料を利用し人工的に石として加工することを見出した。

ところで、多孔質加工石には一般的に焼結方法が用いられるが、焼結の他に無焼結方法も取り入れられ、既に安価なレンガや舗装道路等、建築物にも利用されている。特にフライアッシュ及び多孔質の岩石や鹿沼土、珪藻土は一般家庭にも利用され、フライアッシュ等は埋め立て利用として通例、廃棄物扱いにされていて、セメントに混入し利用されいるのは１０％程度に過ぎず、殊にゼオライトに加工し製品化されているのは殆どない。

以上のような状況下、本発明は従来の石灰岩やフライアッシュ、ガラスビン等では凝縮効果も悪く、設備が大型となり、そのため発生水の単価が高く水道水を始め海水淡水化による水より高くつくことに着目し、これに対処して、特に多孔質の原石及び粉砕、粉末等を使用して淡水を製造するための多孔質加工石を製造することを見出すことにより自給エネルギーの外に必要最小限の外部エネルギーを併用してた加工石から発生する水の製造をより効率的に、かつ安価にし、コスト低減を図り環境に負荷を与えることなく、大気中の湿分から淡水を製造するシステムの実用化に寄与することを目的とするものである。

即ち、上記目的に適合する本発明は、先ず基本的に粉状，粒状または砕石状の多孔質材料にセメント，水を加え、円筒，中空円筒，角形，多角形など、任意の形状に成形し、固化してなる大気中の湿分から淡水を発生させるための多孔質加工石にある。

請求項２は上記発明における多孔質材料であり、自然石，シリカ，珪藻土， 鹿沼土，フライアッシュ，ゼオライト，石灰岩，貯水岩，粘土，玄武岩，ガラス，金属，セラミックスからなる群より選ばれた単独又は２種以上の混合であることを特徴としている。また、請求項３は上記多孔質材料の１つである金属の具体例であり、鉄，銅，ニッケル，ステンレス鋼，アルミ合金から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする。

請求項４は上記多孔質材料からなる加工石に親水剤又は撥水剤が添加含有されまたは表面に付与され、あるいは両者が併用されることを特徴としている。請求項５は本発明多孔質加工石の実用的な硬度としては８．０Ｎ／ｍｍ²以上、好ましくは８．５Ｎ／ｍｍ²以上であることを特徴としている。

請求項６は上記本発明多孔質加工石の製造方法であり、前記の如き多孔質材料にセメント及び水を添加して混練し、スラリー状(泥状)多孔質素材として、該素材を型枠に入れ、焼結し、または焼結しないで任意の形状の加工石に成形、固化することを特徴とする。

請求項７は、上記方法においてセメントに樹脂を混合し、また混練状態に親水剤または撥水剤を添加することを特徴とする。請求項８は上記方法において添加する水として還元水電位(−)４００ｍｖ以下の還元水を用いることが効果的であることを特徴とする。

前記多孔質加工石は耐重量にも耐え、破損をしない硬度８．０Ｎ／ｍｍ²以上、殊に８．５Ｎ／ｍｍ²以上を有しており、温度変化，気候変化，風速にも耐える外、保水性に加え、多孔質による凝縮効果を発揮し、また吸水性も高く、放出性もあり、例えば多孔質素材の混合比率の最適な組み合わせの加工石により湿度９０％、７５％、６０％に対し温度変化で１０℃〜３０℃の変化条件において、淡水の発生が従来の単品製品である石灰石，玄武岩等、珪藻(ガラス系)に比し３倍以上発生し、既存の中で一番淡水が発生しやすいとされているガラス(水入り)製品に対し、１．５倍以上の淡水発生が認められた。

なお、この多孔質加工石に対し、温度，湿度の必要条件に加え風速０〜５ｍ／ｓｅｃ以内が最適である。更に風速に加え、この淡水発生に用いる多孔質加工石も従来品と同様に外部エネルギー(ヒートパイプによる冷却)が好ましい。

以下、更に、添付図面に基づいて本発明の具体的実施態様を説明する。

図１(イ)(ロ)は本発明に係る多孔質加工石の例を示し、(イ)はポーラスな素材を配合し、例えばフライアッシュを化学処理し熱処理したゼオライトに貯水岩粉を用い、セメントを少々加え親水剤を添加して強固な人口加工石としたもので、使用する材料は全て人体に無害な証明のあるものを利用する。そして、混練した泥状(スラリー状)の多孔質石材を型枠に入れ乾燥させた人口加工石が(イ)(ロ)の加工石である。

(イ)は円柱の中心に筒状に穴抜きしたもので、(ロ)は円柱とした加工石で、何れもヒートパイプを利用し、毛細管凝縮で湿分と温度、風量で淡水が発生するかを検証するための試料に作成されたものである。

ここで、上記多孔質加工石を作成する素材である多孔質材料は、自然石 ，シリカ ，珪藻土 ，鹿沼土，フライアッシュ，ゼオライト，石灰岩，貯水岩，粘土，玄武岩，ガラス，金属，セラミックスからなる群より選ばれた単独又は２種以上の混合であり、自然石及び珪藻土 ，鹿沼土，フォーム，ゼオライト，ガラス，シリカ等について先ず無害であり、水の製造に飲料水として適合性がある。

また、多孔質で表面物理的処理や化学処理を施され大きい表面積を有する材料であることも有用である。更に金属系であれば多孔質に加工した金属として鉄，銅，ニッケル，ステンレス鋼 ，アルミ合金等が挙げられる。とりわけ、例えばフライアッシュにおいては電気集塵器で集められた２０ミクロン以下の品質が有効で、またフライアッシュを電気炉で処理したゼオライトについては数ナノメーターの多孔質で鉄系が有効である。

珪藻土については微粉状の５００メッシュ前後で食品添加剤が無害で良質である。鹿沼土については粉体を利用し、保水量が多いが放水性も高い性質を利用する。貯水岩の如く貯水性の高い岩石もあるが、単体よりも粉砕にし、他の多孔質材料との配合を組み合せることにより効率の良いものとなる。なお、多孔質加工石と混合する樹脂としては連続気泡型のウレタン系，ポリオレフィン系，スチレン系などが挙げられる。

前記多孔質材料は単体にて多孔質加工石としてもよく、また多孔質材料のもつ性質と物性を考慮し、配合比率を変え、より安価で効率のよい水製造が出来るようにすることも好適である。なお、固形化するために少量のセメントに樹脂を混合することも可能である。

ゼオライトとは主成分にシリカ(二酸化ケイ素)とアルミナ(酸化アルミニウム)が８０％を占め、鉄系７〜８％を含む。珪藻土とは植物性のプランクトンが化石となつたもので無数の大小様々なる孔を持つ。木炭の５，０００〜６，０００倍の超多孔質と微細構造をもつ軽い石で吸放湿性を持つ。貯水岩粉とは貯水する機能がある自然石，シリカ(二酸化ケイ素)８０％、アルミナ(酸化アルミニウム)８％を主成分とする珪素質鉱物である。

上記の多孔質材料からなる素材に対し、単体または配合比率を変えた素材には、親水剤に適した多孔質と撥水剤に適した多孔質を用いる。撥水剤、親水剤とも混練機に入れる場合と表面に付与されたもの、或いはその利用法の性質を適宜組み合わせる場合もある。

前記多孔質加工石は、大気中の湿分を凝縮水として取り出すには固形化が必要である。固形化には少量のセメントを混ぜると共に水は還元水電位(−)４００ｍｖ以下を使用することにより強度と結合力を増し、より固形化を図る。また、親水剤，撥水剤も水と共に混練をする。

固形化には焼結方法と無焼結方法があり、焼結及び無焼結とも枠に入れ形状を整えるが、形状には形状には凝縮水として発生しやすい形、大きさがある。例えば多孔質加工石はミクロンからナノメートルの穴を利用し湿度，温度変化、風速との関係が重要である。このため大きくても一般市販のレンガまでの大きさの容積が有効で円柱状から角型，多角形等、小さくても５ｃｍ角か円柱状が好ましい。型においては、通気性 ，熱伝導性等、物理的 ，科学的な観点から通気穴を施すことが好適である。

そして、前記の混練から型枠で形状ができた製品について焼結方法は１，０００〜１，５００℃の窯で焼き製品とする。一方、無焼結についてはセメントの効果により自然乾燥により４週間、強制乾燥すれば二週間程度で多孔質加工石となる。多孔質加工石は充分な強度として８．０Ｎ／ｍｍ²以上、好ましくは８．５Ｎ／ｍｍ²以上あることが肝要である。

多孔質加工石の性質，性状は大気中の湿度に対し吸湿性が高く、乾燥状態からある一定の湿度、例えば９０％の湿度と３０℃の温度条件でヒートパイプを利用し、ナノメートル
の加工石が毛細管凝縮が作用し、重量減少は少なく、重量が増加してゆく。一方、受け皿に水を入れ、上記と同じ条件で測定すると、水は蒸発し、重量が段々と減少してなくなる。これから判断しても多孔質加工石は乾燥状態の場合、重量が減少することなく増加し、毛細血管凝縮作用により加工石の表面に水滴となり、淡水となる。

なお、完全乾燥状態から多孔質加工石を同じ湿度と温度でヒートパイプを用い、毛細管の凝縮効果を測定した結果、最良の多孔質材料を組み合わせた多孔質加工石は、重量が増加し、数時間後には表面に水滴が発生し、淡水となって流れてくる。通常の多孔質加工石重量は増加するも飽和状態となり、一定の重さで止まり水の発生は起こらない。

前記多孔質加工石で湿分放出試験で含水状態からヒートパイプを使用せず湿度９０％、温度３０℃の状態で重量減少を測定した。

多孔質材料で多孔質加工石を作る場合、大きさ，形状等、様々のものが考えられ作成できるが、熱伝導率比熱と多孔質な材料から、例えばヒートパイプを使用するとレンガの大きさまで穴抜き(１〜３個)丸型であれば５０φ×１００程度の範囲が効率がよい。

多孔質加工石への添加物としては親水剤，撥水剤があり、この種の液は人体に無害な製品を使用し、多孔質材料により親水剤が適合するものと撥水剤が適合するものがあり、混合比により必ずしも固定はできない。例えばゼオライトであれば親水剤、珪藻土でも親水剤といった選択肢となる。

そして、製品化には前述した多孔質材料に少量のセメント及び還元水(少クラスター)と親水剤，撥水剤を入れて混練したスラリー状物を型枠に入れ焼き固める方法と安価で無焼結な方法の一つで真空引き圧縮による成形(角形，丸形等、任意の寸法が可能)で製品を作り、自然乾燥する方法と、二つ目は混練機より出た泥状(スラリー状)の多孔質の素材を型枠にいれそのまま乾燥させる方法がある。一般的に多量に作る上，安価にする上にはこの自然乾燥方法の無焼結は適している。

図２は恒温恒湿槽７の中でヒートパイプ３を使い、本発明多孔質加工石１が毛細管凝縮し淡水が発生するか、ガラス製品と比較検証ができる装置の１例を示す。

ゼオライト６０％、セメント３０％、貯水岩粉１０％からなり、水に撥水剤３０％を加え、無焼結方式で固化して本発明多孔質加工石を作り、別途これと同様形態の発泡ガラス中空の水入りビンを作り、両者について恒温恒湿槽７内で測定するため、ヒートパイプアルミ製３において中空・多孔質加工石、及び中空ガラス水入りを夫々セットすると共に、ヒートパイプアルミ棒３の冷源から発生する水を防止するため、下部シール４について断熱剤の上にシールテープで完全密封する。多孔質加工石及び水入りガラス中空部の上部シールは図３のように断熱材の上にシールテープで完全密封し、更にその上に断熱材の栓５を取り付け、上部から湿気の吸収を防ぐようにする。

この手法で熱源との影響は最小限に出来、各加工石の試験が時系列にもまた環境変化に対応してできるため、多孔質加工石との性能比較ができ、最良の加工石を選択できる。ヒートパイプ３の熱源は冷却氷の収納ボックス７に氷８を詰め込み、熱伝導効率のよいアルミ棒を使用した。

多孔質加工石及び水入りガラスビンから発生した水滴を水滴淡水受け６に溜める。時間ごとに発生量を測定し評価をする。多孔質加工石が円柱製である場合は外部からのヒートパイプを間接的に接触させる装置で測定できる。同じように水入りガラスビンについても同様に測定できる。以上の装置を用いることにより冷媒には氷(−１６℃冷蔵庫で製造)を用いた。

上記の結果、多孔質加工石の評価で大気中の常温湿度の保管から完全乾燥するためオートクレーブを使い２４時間放置後、恒温，恒湿器を使い完全乾燥から湿分吸収し、毛細管凝縮により多孔質加工石から水滴が発生し、淡水となって、水の発生量を時系列毎に確認し、最適な加工石の評価ができる。

前記の試験結果から多孔質素材の材料の内、単体の加工石から最適な多孔質材料の混合比率を定め、大気中の湿分，温度，風量から最適な配合率をもって多孔質加工石を作るため、安価な無焼結固化方式でも加工石を製作することができ、大気中から淡水を効率的に発生させることができる。

(イ)，(ロ)は本発明多孔質加工石の形状の各例を示す概略斜視図である。 同多孔質加工石の最適な製品を作るため多孔質素材の単体から混合比率を変え毛細管凝縮の効率よい加工石を選定するための試験装置の概略斜視図である。 上記試験装置の試料の状態を示す斜視概要図である。

符号の説明

１：加工石の１例
１Ａ：多孔質筒状加工石
２：筒状穴抜き
３：ヒートパイプ
４：下部断熱シール
５：断熱栓
６：水滴淡水受け
７：恒温恒湿槽
８：氷

Claims (8)

1. 粉状、粒状又は砕石状の多孔質材料にセメント、水を加え、円筒、中空円筒、角形、多角形など任意の形状に成形、固化せしめてなることを特徴とする大気中の湿分から淡水を発生させる多孔質加工石。
2. 多孔質材料が自然石、シリカ、珪藻土、鹿沼土、フライアッシュ、ゼオライト、石灰岩、貯水岩、粘土、玄武岩、ガラス、金属、セラミックからなる群より選ばれた単独又は２種以上の混合である請求項１記載の大気中の質分から淡水を発生させる多孔質加工石。
3. 金属が鉄，銅，ニッケル，ステンレス鋼，アルミ合金から選ばれた少なくとも１種である請求項２記載の大気中の湿分から淡水を発生させる多孔質加工石。
4. 多孔質材料とセメント，水の配合に親水剤又は撥水剤が添加され又は／及び表面に付与されている請求項１〜３の何れかの項に記載の大気中の湿分から淡水を発生させる多孔質加工石。
5. 多孔質加工石の硬度が８．０Ｎ／ｍｍ²以上である請求項１〜４の何れかの項に記載の大気中の湿分から淡水を発生させる多孔質加工石。
6. 請求項２記載の多孔質材料にセメント及び水を添加して混練し、スラリー状多孔質素材として該素材を型枠に入れ、焼結し、又は無焼結で任意の形状に成形、固化して任意形状の多孔質加工石を製造することを特徴とする大気中の湿分から淡水を発生させる多孔質加工石の製造方法。
7. セメントに樹脂を混合し、かつ混練状態に親水剤又は撥水剤を添加する請求項６記載の大気中の湿分から淡水を発生させる多孔質加工石の製造方法。
8. 添加水として還元水電位(−)４００ｍｖ以下の還元水を用いる請求項６または７に記載の大気中の湿分から淡水を発生させる多孔質加工石の製造方法。

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