JP2007209936A - Ultrasonic decomposition apparatus and ultrasonic decomposition method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機化合物を含む被処理液体中に超音波を照射して、その有機化合物を分解する超音波分解装置、及び超音波分解方法に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic decomposition apparatus and an ultrasonic decomposition method for decomposing an organic compound by irradiating ultrasonic waves into a liquid to be treated containing the organic compound.
汚染土壌や工場排水などには、有害物質として有機化合物、例えば有機塩素化合物や揮発性有機化合物(VOC)が含まれる。これら有機化合物を無害化するためには、微生物処理のみでは有機化合物の分解が困難であるため、オゾン、過酸化水素、紫外線、光触媒、超音波などを用いた酸化処理が行われている。特に、超音波を利用した分解処理は、操作が簡単であること、反応温度が高くダイオキシンなどの有害な副生成物ができにくいこと、低濃度でも分解できることなどの利点を有しており、近年では超音波を利用した分解装置の開発が進められている。 Contaminated soil, industrial wastewater, and the like contain organic compounds such as organic chlorine compounds and volatile organic compounds (VOC) as harmful substances. In order to detoxify these organic compounds, it is difficult to decompose the organic compounds only by microbial treatment, and therefore, oxidation treatment using ozone, hydrogen peroxide, ultraviolet rays, a photocatalyst, ultrasonic waves, or the like is performed. In particular, decomposition treatment using ultrasonic waves has advantages such as easy operation, high reaction temperature, difficulty in producing harmful by-products such as dioxin, and decomposition even at low concentrations. Therefore, development of a decomposition device using ultrasonic waves is underway.
例えば、特許文献1には、超音波を照射することにより水溶液に含まれるVOCを無害化する装置が提案されている。この装置では、VOCを含む水溶液に塩基性金属塩からなる触媒物質を添加して、比較的低い周波数(例えば、20kHz〜100kHz)の超音波を照射する。水溶液中に超音波を照射すると、キャビテーションと呼ばれる気泡が発生し、その圧縮、崩壊過程を経てホットスポットと呼ばれる数千度、数千気圧の反応場が局所的に形成される。そして、この極限反応場でVOCが熱分解されると考えられている。
ところで、有機化合物の分解処理を低コストで行うには、上記の触媒物質の添加を省略することが好ましい。また、このような触媒物質を用いないでVOCを無害化するためには、現状よりも高い周波数(具体的には、200kHz以上)の超音波を照射する必要がある。ところが、高周波数の超音波を照射する超音波振動子は、低周波数の超音波振動子と比較してその耐久性に課題があるため、好適な反応場を形成するのに必要な強い超音波を照射することが困難となる。また、例えば、汚染土壌から抽出したVOCの水溶液を浄化処理する場合、その水溶液中には土壌粒子が含まれている。よって、超音波の周波数を高めると、水溶液中の土壌粒子が超音波の伝播の障害となり、有機化合物を効率よく分解できなくなることが予想される。 By the way, in order to perform the decomposition treatment of the organic compound at a low cost, it is preferable to omit the addition of the catalyst substance. Further, in order to render VOC harmless without using such a catalyst substance, it is necessary to irradiate ultrasonic waves having a frequency higher than the current level (specifically, 200 kHz or more). However, ultrasonic vibrators that irradiate high-frequency ultrasonic waves have problems in durability compared to low-frequency ultrasonic vibrators, so strong ultrasonic waves necessary to form a suitable reaction field are required. It becomes difficult to irradiate. For example, when purifying the aqueous solution of VOC extracted from the contaminated soil, the aqueous solution contains soil particles. Therefore, when the frequency of the ultrasonic wave is increased, it is expected that the soil particles in the aqueous solution become an obstacle to the propagation of the ultrasonic wave and the organic compound cannot be decomposed efficiently.
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、被処理液体中に含まれる有機化合物を効率よく分解することができる超音波分解装置、及び超音波分解方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an ultrasonic decomposition apparatus and an ultrasonic decomposition method capable of efficiently decomposing an organic compound contained in a liquid to be treated. It is in.
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明では、超音波照射により分解される有機化合物を含む被処理液体を入れる分解槽と、前記被処理液体に向けて第1の方向から超音波を照射する第1超音波振動子と、前記第1の方向からの超音波に重なるようにその第1の方向とは異なる第2の方向から前記被処理液体に向けて超音波を照射する第2超音波振動子とを備えたことを特徴とする超音波分解装置をその要旨とする。
In order to solve the above-mentioned problem, in the invention described in
請求項1に記載の発明によれば、分解槽内の被処理液体に向けて複数の異なる方向から超音波を照射することにより、超音波の重ね合わせによる相乗効果を得ることができる。すなわち、複数の異なる方向から超音波を照射した場合、超音波の単独照射ではキャビテーションが発生しなかった気泡核が、他の方向からの超音波照射によってキャビテーションの根源として利用される。従って、被処理液体中にキャビテーションをより多く発生させることができ、それらキャビテーションによって高温・高圧の反応場の領域が広くなるため、被処理液体に含まれる有機化合物を効率よく短時間で分解することができる。 According to the first aspect of the present invention, a synergistic effect by superimposing ultrasonic waves can be obtained by irradiating ultrasonic waves from a plurality of different directions toward the liquid to be treated in the decomposition tank. That is, when ultrasonic waves are irradiated from a plurality of different directions, bubble nuclei that did not generate cavitation by single ultrasonic irradiation are used as the root of cavitation by ultrasonic irradiation from other directions. Therefore, more cavitation can be generated in the liquid to be treated, and the cavitation broadens the region of the high-temperature and high-pressure reaction field, so that the organic compound contained in the liquid to be treated can be efficiently decomposed in a short time. Can do.
なお、本発明における有機化合物としては、PCB、DDT、ダイオキシン類などの有機塩素化合物や、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、ベンゼン、トルエン、キシレン、アセトンなどの揮発性有機化合物(VOC)などを挙げることができる。 In addition, as an organic compound in this invention, volatile organic compounds (VOC), such as organic chlorine compounds, such as PCB, DDT, dioxins, trichloroethylene, tetrachloroethylene, benzene, toluene, xylene, acetone, etc. can be mentioned.
請求項2に記載の発明は、請求項1において、前記第1超音波振動子は、前記分解槽の底面外側に設けられ、前記第2超音波振動子は、前記分解槽の側面外側に設けられていることをその要旨とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the first ultrasonic transducer is provided outside the bottom surface of the decomposition tank, and the second ultrasonic transducer is provided outside the side surface of the decomposition tank. The gist of this is
請求項2に記載の発明によれば、第1超音波振動子及び第2超音波振動子をいずれも分解槽の内面側ではなく外面側に設けているため、分解槽の内面側における凹凸が少なくなり、分解槽内の被処理液体中に超音波を均一に伝播させることができる。またこの場合、分解槽の下方及び側方から直交するよう超音波を照射することができるため、超音波の重ね合わせによる相乗効果を確実に得ることができる。さらにこのような配設態様であれば、第1超音波振動子の発する超音波と第2超音波振動子が発する超音波とが打ち消し合うリスクも小さくなる。
According to the invention described in
請求項3に記載の発明は、請求項1において、前記分解槽の底部に、対向する第1及び第2の傾斜面を有し、前記第1超音波振動子は、前記第1の傾斜面外側に設けられ、前記第2超音波振動子は、前記第2の傾斜面外側に設けられていることをその要旨とする。 A third aspect of the present invention provides the first inclined surface according to the first aspect, wherein the decomposition tank has first and second inclined surfaces opposed to each other at the bottom thereof, and the first ultrasonic transducer is the first inclined surface. The gist is that the second ultrasonic transducer is provided outside and provided outside the second inclined surface.
請求項3に記載の発明によれば、第1超音波振動子及び第2超音波振動子をいずれも分解槽の内面側ではなく外面側に設けているため、分解槽の内面側における凹凸が少なくなり、分解槽内の被処理液体中に超音波を均一に伝播させることができる。また、各傾斜面から異なる方向に超音波を照射することができ、超音波の重ね合わせによる相乗効果を確実に得ることができる。さらにこのような配設態様であれば、第1超音波振動子の発する超音波と第2超音波振動子が発する超音波とが打ち消し合うリスクも小さくなる。
According to the invention described in
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか1項において、前記分解槽内にて被処理液体の流れを生じさせる液流れ発生手段を備えたことをその要旨とする。 The gist of a fourth aspect of the present invention is that the apparatus according to any one of the first to third aspects further comprises a liquid flow generating means for generating a flow of the liquid to be processed in the decomposition tank.
請求項4に記載の発明によれば、液流れ発生手段によって被処理液体の流れを生じさせることにより、被処理液体に含まれる有機化合物が均一化されて有機化合物とキャビテーションとの反応頻度が高くなることに加え、有機化合物の反応に起因する有効なキャビテーションが増加する。よって、有機化合物を効率よく短時間で分解することができる。この液流れ発生手段の具体例としては、被処理液体を撹拌する撹拌機や被処理液体を循環させるポンプなどを挙げることができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the flow of the liquid to be processed is generated by the liquid flow generating means, so that the organic compound contained in the liquid to be processed is made uniform and the reaction frequency between the organic compound and cavitation is high. In addition, the effective cavitation due to the reaction of organic compounds increases. Therefore, the organic compound can be efficiently decomposed in a short time. Specific examples of the liquid flow generating means include a stirrer for stirring the liquid to be processed and a pump for circulating the liquid to be processed.
請求項5に記載の発明では、超音波照射により分解される有機化合物を含む被処理液体に向けて第1の方向から超音波を照射するとともに前記第1の方向からの超音波に重なるようにその第1の方向とは異なる第2の方向から前記被処理液体に向けて超音波を照射することを特徴とする超音波分解方法をその要旨とする。
In the invention according to
請求項5に記載の発明によれば、分解槽内の被処理液体に向けて超音波を複数の異なる方向から照射することにより、請求項1に記載の発明と同様に、超音波の重ね合わせによる相乗効果を得ることができる。すなわち、被処理液体中にキャビテーションをより多く発生させることができ、それらキャビテーションによって高温・高圧の反応場の形成領域が広くなるため、被処理液体に含まれる有機化合物を効率よく分解することができる。 According to the fifth aspect of the present invention, the ultrasonic wave is applied to the liquid to be treated in the decomposition tank from a plurality of different directions, and as in the first aspect, the superposition of the ultrasonic waves is performed. A synergistic effect can be obtained. That is, more cavitation can be generated in the liquid to be processed, and the formation region of the high-temperature and high-pressure reaction field is widened by the cavitation, so that the organic compound contained in the liquid to be processed can be efficiently decomposed. .
前記第1及び第2の方向から被処理液体に向けて照射する超音波は、周波数が100kHz〜1000kHzであればよく、さらには200kHz〜600kHzが好ましく、特には400kHz〜500kHzが好ましい(請求項6)。被処理液体に400kHz〜500kHzの超音波を照射すると、キャビテーションが多く発生するため、有機化合物の分解効率をより高めることができる。さらに、複数の異なる方向から同じ周波数域の超音波を照射することにより、定在波の存在領域が広くなるため、超音波の重ね合わせによる相乗効果を増大させることができる。また、同じ周波数域の超音波を照射する場合、超音波の発振回路を共通化することができ、超音波分解装置の製造コストを低減することができる。 The ultrasonic wave applied to the liquid to be processed from the first and second directions may have a frequency of 100 kHz to 1000 kHz, more preferably 200 kHz to 600 kHz, and particularly preferably 400 kHz to 500 kHz. ). When the liquid to be treated is irradiated with ultrasonic waves of 400 kHz to 500 kHz, a lot of cavitation occurs, so that the decomposition efficiency of the organic compound can be further increased. Furthermore, by irradiating ultrasonic waves in the same frequency range from a plurality of different directions, the existence area of the standing wave is widened, so that the synergistic effect by superposition of ultrasonic waves can be increased. Moreover, when irradiating the ultrasonic wave of the same frequency range, the ultrasonic oscillation circuit can be made common and the manufacturing cost of the ultrasonic decomposition apparatus can be reduced.
以上詳述したように、請求項1〜6に記載の発明によると、被処理液体中に含まれる有機化合物を効率よく分解することができる。 As described in detail above, according to the first to sixth aspects of the invention, the organic compound contained in the liquid to be treated can be efficiently decomposed.
以下、本発明を超音波分解装置を備えた汚染土壌浄化システムに具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図1は汚染土壌浄化システムを示す概略構成である。なお、図1において、破線で示す矢印は各装置の電気的な接続を示し、実線で示す矢印は各装置間の流路的な接続を示している。 Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied in a contaminated soil purification system equipped with an ultrasonic decomposition apparatus will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration showing a contaminated soil purification system. In FIG. 1, an arrow indicated by a broken line indicates an electrical connection between the devices, and an arrow indicated by a solid line indicates a flow-like connection between the devices.
図1に示されるように、汚染土壌浄化システム1は、ホッパー2、超音波洗浄装置3、固液分離装置4、超音波分解装置5、排水槽6、及び制御装置7を備える。この汚染土壌浄化システム1は、工場跡地などの汚染現場において、トリクロロエチレン(TCE)などの揮発性有機化合物(VOC)を含む汚染土壌を浄化するとともに、その汚染土壌から抽出したVOCを分解して無害化するためのシステムである。なお、この汚染土壌浄化システム1は、例えばトラックなどの車両に搭載可能な大きさを有する可搬式のシステムである。勿論、この汚染土壌浄化システム1は、特に搬送を目的としない固定式のシステムであってもよい。
As shown in FIG. 1, the contaminated
具体的には、図示しない掘削機で掘削された汚染土壌E1がホッパー2に投入され、そのホッパー2で混合された後に超音波洗浄装置3に供給される。
Specifically, the contaminated soil E1 excavated by an unillustrated excavator is put into the
超音波洗浄装置3は、汚染土壌E1と洗浄水W1との混合物を入れる洗浄槽31と、その洗浄槽31内の汚染土壌E1と洗浄水W1とを撹拌する撹拌機32と、洗浄槽31内の洗浄水W1に超音波を照射する超音波振動子33と、その超音波振動子33を駆動するための発振回路34とを備える。本実施の形態の洗浄槽31は、110リットルの容量を有し、1回の洗浄処理において、例えば、10kgの汚染土壌E1と100リットルの洗浄水W1が入れられる。そして、撹拌機32によって撹拌されることによって、洗浄水W1中に土壌粒子が分散される。なお、この超音波洗浄装置3の洗浄槽31に供給される洗浄水W1としては、水道水などの安価な水が用いられる。勿論、水道水以外の水(例えば雨水、海水など)や、水以外の液体を用いることも許容される。
The
超音波振動子33は、平板状の圧電セラミックスからなり、発振回路34の発振信号に基づいて、低周波数(具体的には20kHz)の超音波を自身の厚さ方向に出力する。本実施の形態の超音波洗浄装置3では、複数の超音波振動子33が洗浄槽31の底部に設けられており、各超音波振動子33から上方に向けて超音波が照射される。このとき、その超音波が洗浄水W1中の土壌粒子に作用し、その超音波の振動エネルギーにより汚染土壌E1が超音波洗浄される。その際、汚染土壌E1側から洗浄水W1側にVOCが抽出される。
The
固液分離装置4は、超音波洗浄装置3から超音波分解装置5に洗浄水W1を供給する供給通路の途中に設けられている。この固液分離装置4は、洗浄水W1に含まれる土壌粒子と洗浄水W1とを分離して、土壌粒子を除去した洗浄水W1を超音波分解装置5に供給する。なお、固液分離装置4において分離された土壌E2は、図示しない乾燥機で水分が除去された後、装置外部に排出されてVOCを含まない浄化土壌として再利用される。
The solid-
図2に示されるように、超音波分解装置5は、固液分離装置4で分離された洗浄水W1を入れる分解槽51と、その分解槽51内の洗浄水W1に超音波10を照射する第1超音波振動子52及び第2超音波振動子53と、各超音波振動子52,53を駆動するための発振回路54とを備える。
As shown in FIG. 2, the
分解槽51は、直方体をなす箱状に形成され、例えば、100リットルの容量を有する。そして、その分解槽51の底面外側には複数の第1超音波振動子52が設けられ、分解槽51の側面外側には複数の第2超音波振動子53が設けられている。各超音波振動子52,53は、平板状の圧電セラミックスからなり、発振回路54の発振信号に基づいて、高周波数(具体的には500kHz)の超音波10を自身の厚さ方向に出力する。従って、第1超音波振動子52により、分解槽51内の洗浄水W1に向けて下方(第1の方向)から超音波10が照射される。また、第2超音波振動子53により、その超音波10に直交するように側方(第2の方向)から洗浄水W1に向けて超音波10が照射される。
The
本実施の形態における分解槽51には、その槽内を仕切って上下に区画する仕切り板56が設けられている。ここでは、仕切り板56として、超音波10の波長の1/2の厚さを有する板材(例えば、アクリル樹脂プレート)を用いている。具体的にいうと、周波数500kHzの超音波10の波長は約3mmであるため、ここでは厚さ約1.5mmのアクリル樹脂プレートを用いている。なお、この程度の厚さのアクリル樹脂プレートは、仕切り板56に必要とされる所望の剛性、強度も備えている。従って、使用時に水圧が加わったとしても変形や破壊が起きにくいものとなっている。また、波長の1/2の厚さの仕切り板56を用いることにより、超音波10がその仕切り板56を透過して上方の領域に効率よく伝播される。
The
仕切り板56によって仕切られた分解槽51は、上側半分の領域が、超音波10による洗浄水W1の処理を最初に行う一次処理室57となっていて、下側半分の領域が、超音波10による洗浄水W1の処理をその次に行う二次処理室58となっている。また、分解槽51の底面に設けられた第1超音波振動子52を基準とすると、二次処理室58のほうが第1超音波振動子52から近い位置にあり、一次処理室57のほうが第1超音波振動子52から遠い位置にある。また、分解槽51の側面において第2超音波振動子53は、一次処理室57及び二次処理室58に対応する位置にそれぞれ設けられている。
In the
分解槽51の一次処理室57には、前記固液分離装置4から一次処理室57内に洗浄水W1を供給するための供給用配管60が接続されている。一方、分解槽51の二次処理室58には、二次処理室58内から洗浄水W1を排出するための排出用配管61が接続されている。そして、分解槽51の外部には、一次処理室57及び二次処理室58間を連通させる通路としての移送用配管62が配設されている。移送用配管62における一方の端部は一次処理室57の側面上部に接続され、他方の端部は二次処理室58の側面上部に接続されている。なお、図2では半円状に湾曲した移送用配管62を例示しているが、その形状は特に限定されず変更してもよい。
Connected to the
また、供給用配管60の途中には開閉バルブ63が設けられている。開閉バルブ63を開状態にすると、洗浄水W1が供給用配管60を通してまず分解槽51の一次処理室57内に供給される。この一次処理室57において、下方及び側方から直交するよう超音波10が照射されることにより洗浄水W1中のVOCが分解される。次に、一次処理室57内の洗浄水W1は、移送用配管62を介して二次処理室58内に供給され、そこでも下方及び側方から直交するよう超音波10が照射されることにより洗浄水W1中のVOCが分解される。その後、二次処理室58内の洗浄水W1は、排出用配管61を通して分解槽51から排出される。
An opening / closing
さらに、本実施の形態では、分解槽51の上部に、一次処理室57の洗浄水W1を撹拌するための撹拌機65が設けられている。この撹拌機65は、分解槽51の上面に固定されるモータ66と、そのモータ66の回転軸に連結される撹拌部材(プロペラ)67とをから構成され、モータ66の駆動に伴い撹拌部材67が回転して洗浄水W1を撹拌する。撹拌部材67は、分解槽51において第2超音波振動子53を設けた面に対向する面の近傍に配置されているため、第2超音波振動子53から離間した位置にある。従って、撹拌部材67が第2超音波振動子53と近接した位置にある場合とは異なり、撹拌部材67が超音波の伝播を妨げるおそれがなく、よって一次処理室57内の洗浄水W1中に超音波を均一に伝播させることができる。
また、分解槽51の上部、すなわち一次処理室57内の洗浄水W1の上部には、空気層A1が存在している。
Furthermore, in the present embodiment, an
An air layer A1 exists above the
超音波分解装置5から排出された洗浄水W1は、排水槽6に一旦蓄えられた後、ポンプなどの圧送手段(図示略)により超音波洗浄装置3の洗浄槽31に戻されて再利用されたり、下水として下水道に排水されたりする(図1参照)。
The cleaning water W1 discharged from the
制御装置7は、CPU71、ROM72、RAM73、入出力ポート(図示略)などからなる周知のマイクロコンピュータにより構成され、超音波洗浄装置3(撹拌機32及び発振回路34)や超音波分解装置5(発振回路54、開閉バルブ63及び撹拌機65)などと電気的に接続されている。制御装置30を構成するROM32は制御プログラムを記憶しており、CPU31はRAM33を利用してその制御プログラムを実行する。その結果、制御装置30は各種の制御信号を超音波洗浄装置3や超音波分解装置5などに出力してシステム全体を統括的に制御する。
The
ここで、本実施の形態における超音波分解装置5の動作について詳述する。
Here, the operation of the
先ず、制御装置7は、開閉バルブ63に制御信号を出力してその開閉バルブ63を開状態にする。これにより、固液分離装置4で分離された洗浄水W1が分解槽51(一次処理室57)に供給される。またこのとき、制御装置7は、撹拌機65に制御信号を出力してその撹拌機65の撹拌部材67を回転させて一次処理室57の洗浄水W1を撹拌する。
First, the
そして、制御装置7は、発振回路54に制御信号を出力してその発振回路54から発振信号を出力させる。この発振信号に基づいて第1及び第2超音波振動子52,53が振動することにより、500kHzの超音波10が同時に照射される。
Then, the
ここで、第1超音波振動子52の発生した超音波10は、先ず第1超音波振動子52から近い位置にある二次処理室58内の洗浄水W1に伝達し、その洗浄水W1中を上方に進行する。その際にある程度音場が整えられる。二次処理室58内の洗浄水W1を通過した超音波10は、仕切り板56を通過した後、さらに第1超音波振動子52から遠い位置にある一次処理室57内の洗浄水W1に伝播する。つまり、二次処理室58内の洗浄水W1は、第1超音波振動子52の発生した超音波10を一次処理室57内の洗浄水W1に伝播させる媒体として作用する。一次処理室57内に伝播した超音波10は、洗浄水W1中をさらに上方向に進行し、最終的には洗浄水W1の液面(洗浄水W1と空気層A1との界面)で反射される。このため、液面近傍では定在波が発生する。
Here, the
また、本実施の形態では、分解槽51の側面に設けられた第2超音波振動子53から一次処理室57内の洗浄水W1に向けて超音波10が照射される。従って、一次処理室57内の洗浄水W1には、下方及び側方から直交するよう超音波10が照射され、音場が多重化されることで定在波が増加する。その結果、ナノレベルからミクロンレベルのキャビテーションがより多く発生し、洗浄水W1中の広い範囲で高温・高圧の反応場が形成される。VOCは、疎水性、揮発性であるため、キャビテーション周辺(洗浄水W1と気泡との界面)に自発的に集まり、さらに揮発してキャビテーションの中に入り込む。その結果、高温・高圧の反応場の作用によってVOCが熱分解され無害化される。具体例を挙げると、例えば、VOCがトリクロロエチレンやテトラクロロエチレンである場合には、塩素イオンと無害な炭化水素とが生成される。また、一次処理室57内の洗浄水W1は、キャビテーションの発生により脱気される。
In the present embodiment, the
この一次処理室57内の洗浄水W1は、続いて移送用配管62を通過して二次処理室58内に供給される。二次処理室58は一次処理室57の下方に位置しているため、とりわけポンプ等の圧送手段を用いなくても、洗浄水W1は重力の作用により移送用配管62を介して自然に流下する。従って、この構成によれば二次処理室58内への洗浄水W1の供給をスムーズに行うことができる。また、二次処理室58には脱気された洗浄水W1が供給されるため、第1超音波振動子52の発生した超音波10を一次処理室57内の洗浄水W1に効率よく伝播させることができる。
The cleaning water W <b> 1 in the
また、この二次処理室58内においても洗浄水W1には超音波10が作用する。具体的には、第1超音波振動子52の発生した超音波10と第2超音波振動子53の発生した超音波10とが直交するよう照射されることにより、二次処理室58内の洗浄水W1には音場が多重化される。この二次処理室58では一次処理室57ほど定在波が発生しないため、VOCの分解反応が起こるエリアも少ないと考えられる。しかし、二次処理室58内に洗浄水W1を通じることにより、洗浄水W1に残存するVOCが確実に分解され無害化される。
Also in the
本実施の形態のように、分解槽51の下方及び側方から直交するように超音波10を照射して音場を多重化することにより、洗浄水W1に含まれるVOCが効率よく短時間で分解される。
As in the present embodiment, the sound field is multiplexed by irradiating the
本願発明者は、超音波の重ね合わせ条件を変更して実験を行い、その音場の多重化の効果について確認した。なお、この実験装置としては、図3に示すように、上下に分割しない小型の処理槽81(具体的には、縦、横、高さのサイズが175×175×195mmの容器)を用い、その処理槽81の底面外側の中央に第1超音波振動子52を配置し、側面外側の中央に第2超音波振動子53を配置している。また、処理槽81内に供給される被処理液体としてテレフタル酸水溶液W2(濃度200μmol/L,体積5L)を用いた。
The inventor of the present application conducted experiments by changing the superposition conditions of ultrasonic waves, and confirmed the effect of multiplexing the sound field. As shown in FIG. 3, this experimental apparatus uses a small processing tank 81 (specifically, a container having a size of 175 × 175 × 195 mm in length, width, and height) that is not divided vertically. The first
テレフタル酸水溶液に超音波10を照射する場合、その水溶液W2中の水分子が水素ラジカルやOHラジカル(ヒドロキシラジカル)に分解される。そのOHラジカルがテレフタル酸と反応すると発光(ルミノール発光)するため、蛍光強度を測定することにより、化学反応性能を評価することができる。なお、超音波照射の条件としては、第1及び第2超音波振動子52,53の印加電力を60Wとし、周波数を200〜600kHzの範囲で変化させて、各周波数の超音波10を15分間照射した。
When the
図4には、各周波数(200kHz,500kHz,600kHz)に対応する蛍光強度Iの測定結果を示している。図4に示されるように、第1及び第2超音波振動子52,53の周波数f1,f2をともに500kHzとしたときに反応性能が高くなることが確認された。なお、図示しないが、第1超音波振動子53のみから超音波を単独照射した場合には、周波数f1を400kHz〜500kHzとしたときに最も反応性能が高くなることが確認された。
In FIG. 4, the measurement result of the fluorescence intensity I corresponding to each frequency (200 kHz, 500 kHz, 600 kHz) is shown. As shown in FIG. 4, it was confirmed that the reaction performance was improved when the frequencies f1, f2 of the first and second
また、第1及び第2超音波振動子52,53から超音波10を同時照射する場合、各超音波振動子52,53から超音波10を単独照射する場合よりも反応性能が高くなることが確認された。図5には、その結果を示している。なおここでは、第1超音波振動子52から超音波10を単独照射したときの蛍光強度をI1、第2超音波振動子53から超音波10を単独照射したときの蛍光強度をI2、各超音波振動子52,53から同時照射したときの蛍光強度をIとしている。そして、それら単独照射時の蛍光強度I1,I2の和と同時照射時の蛍光強度Iとの強度比(I/(I1+I2)))を示している。
Further, when the
図5に示されるように、第1及び第2超音波振動子52,53から同時照射すると、強度比が1よりも大きくなることから、超音波10の重ね合わせによる相乗効果が確認された。また、第1及び第2超音波振動子52,53から同じ周波数の超音波10を照射したときに、強度比が大きくなり、反応性能が高くなることが確認された。
As shown in FIG. 5, when the first and second
さらに、本願発明者は、超音波照射による分解反応に与える液流れの影響を実験にて確認した。なおこの実験では、分解槽内に入れる被処理液体としては、超音波照射による一次反応で分解するテトラフェニルポルフィリンテトラスルホン酸(TPPS)水溶液(濃度3.3×10-3mol/m3)を用い、炭酸塩標準溶液と水酸化ナトリウム水溶液とでpHを10.6に調節した。そして、分解槽内のTPPS水溶液を撹拌機で撹拌するとともに、分解槽の底面から超音波(周波数22.8kHz、電力520W)を30分間照射して、超音波照射後の分解率Xを測定した。ここでは、超音波照射前のTPPS濃度に対する超音波照射後のTPPS濃度の減少量の比を分解率Xと定義する。なお、TPPS濃度はUVスペクトロメータで測定した。 Furthermore, the inventor of the present application confirmed the effect of the liquid flow on the decomposition reaction by ultrasonic irradiation through experiments. In this experiment, as the liquid to be treated which is put into the decomposition tank, an aqueous solution of tetraphenylporphyrin tetrasulfonic acid (TPPS) (concentration: 3.3 × 10 −3 mol / m 3 ) decomposed by a primary reaction by ultrasonic irradiation is used. The pH was adjusted to 10.6 with a carbonate standard solution and an aqueous sodium hydroxide solution. And while stirring TPPS aqueous solution in a decomposition tank with a stirrer, the ultrasonic wave (frequency 22.8kHz, electric power 520W) was irradiated for 30 minutes from the bottom face of the decomposition tank, and the decomposition rate X after ultrasonic irradiation was measured. . Here, the ratio of the decrease amount of the TPPS concentration after the ultrasonic irradiation to the TPPS concentration before the ultrasonic irradiation is defined as the decomposition rate X. The TPPS concentration was measured with a UV spectrometer.
図6に示されるように、撹拌機の回転数nを高めてTPPS水溶液の液流れの量を増大させると、TPPSの反応が促進されて分解率Xの値が高くなる。つまり、TPPS水溶液に液流れを生じさせることによって、TPPS濃度が均一になるとともに、超音波照射により発生するキャビテーションが均一に分散される。より詳しく言うと、液流れの促進は、凝集したキャビテーションを分散させる反面、崩壊しない比較的大きなキャビテーション(安定キャビテーション)の数を減少させるものと考えられる。 As shown in FIG. 6, when the rotation speed n of the stirrer is increased to increase the amount of the liquid flow of the TPPS aqueous solution, the reaction of TPPS is promoted and the value of the decomposition rate X increases. That is, by causing a liquid flow in the TPPS aqueous solution, the TPPS concentration becomes uniform and cavitation generated by ultrasonic irradiation is uniformly dispersed. More specifically, the promotion of the liquid flow is considered to reduce the number of relatively large cavitations (stable cavitations) that do not collapse, while dispersing the aggregated cavitations.
従って、上記実施の形態の超音波分解装置5(図2参照)のように、分解槽51の一次処理室57の洗浄水W1を撹拌機65により撹拌することにより、その洗浄水W1に含まれるVOCの分解効率を高めることが可能となる。
Therefore, as in the ultrasonic decomposition apparatus 5 (see FIG. 2) of the above embodiment, the cleaning water W1 in the
また、分解槽51の一次処理室57において、洗浄水W1の流れを発生させる手段としては、上記撹拌機65の他に、図7に示すように循環ポンプ91を設けてもよい。なお、図7は、分解槽51の上方から見た一次処理室57の断面図を示している。図7において、循環ポンプ91は循環用配管92の途中に設けられ、循環用配管92の一端が一次処理室57の右側端部に接続され、循環用配管92の他端が一次処理室57の左側端部に接続されている。また、一次処理室57と二次処理室58とを接続する移送用配管62の途中には開閉バルブ93が設けられている。循環ポンプ91及び開閉バルブ93は、制御装置7に電気的に接続され、制御装置7から出力される制御信号に応じて動作する。
Further, in the
具体的には、第1及び第2超音波振動子52,53から超音波10を同時照射して洗浄水W1のVOCの分解処理をするとき、制御装置7は、開閉バルブ93を閉状態にするとともに、循環ポンプ91を駆動する。これにより、循環用配管92内を洗浄水W1が流れ、その循環用配管92内と一次処理室57との間で洗浄水W1が循環される。その結果、撹拌機65で洗浄水W1を撹拌する場合と同様に、キャビテーションが均一に分散されることにより、洗浄水W1に含まれるVOCの分解効率が向上する。また、所定時間(例えば、5時間)超音波を照射して一次処理室57での分解処理が終了した時点で、開閉バルブ93が開状態にされることにより、一次処理室57の洗浄水W1が移送用配管62を通して二次処理室58に供給される。
Specifically, when the
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1)本実施の形態の超音波分解装置5では、箱状をなす分解槽51の底面外側に第1超音波振動子52を設け、その側面外側に第2超音波振動子53を設けた。この場合、分解槽51内の洗浄水W1に向けて下方及び側方から直交するよう超音波10を照射することができ、超音波10の重ね合わせによる相乗効果を確実に得ることができる。具体的には、超音波10の単独照射ではキャビテーションが発生しなかった気泡核が、他の方向からの超音波照射によりキャビテーションの根源として利用される。従って、洗浄水W1中にキャビテーションをより多く発生させることができ、それらキャビテーションによって高温・高圧の反応場の領域が広くなるため、洗浄水W1に含まれるVOCを効率よく短時間で分解することができる。
(1) In the
(2)本実施の形態の超音波分解装置5では、分解槽51の一次処理室57内の洗浄水W1が撹拌機65を用いて撹拌されるので、超音波照射により発生するキャビテーションが均一に分散され、洗浄水W1に含まれるVOCを効率よく分解することができる。また、図7に示すように、分解槽51の一次処理室57内の洗浄水W1を循環させる循環ポンプ91を設ける場合でも、キャビテーションが均一に分散され、洗浄水W1に含まれるVOCを効率よく分解することができる。
(2) In the
(3)本実施の形態の超音波分解装置5では、分解槽51内の洗浄水W1に向けて下方及び側方から500kHzの超音波を同時照射するよう構成したので、超音波の多重化による相乗効果が増し、VOCの分解効率を高めることができる。また、第1超音波振動子52及び第2超音波振動子53の発振回路54を共通化することができ、装置コストも抑えることができる。
(3) The
(4)本実施の形態の超音波分解装置5では、分解槽51内を仕切って上下に区画する仕切り板56を設け、その下側の領域を二次処理室58として用い、その上側の領域を一次処理室57として用いている。そして、主に一次処理室57内において超音波照射によるVOCの分解反応を促進させるとともに、併せて二次処理室58内においても洗浄水W1に超音波10を照射することにより、残存するVOCを分解することができ、処理効率を向上させることができる。
(4) In the
(5)本実施の形態の超音波分解装置5では、洗浄水W1が一次処理室57内での超音波処理により脱気された後に二次処理室58内に供給されるので、分解槽51の下方から照射される超音波10を一次処理室57内の洗浄水W1に効率よく伝播させることができる。
(5) In the
(6)本実施の形態の超音波分解装置5では、一次処理室57及び二次処理室58を連通する移送用配管62が分解槽51の外部に設けられている。この場合、その移送用配管62を分解槽51の内部に設ける場合と比較して、配管62が超音波10の伝播に障害にならないため、反応効率の高い好適な音場を形成しやすくなる。
(6) In the
(7)本実施の形態の超音波分解装置5では、特許文献1の装置とは異なり、触媒物質を添加しなくても、VOCを分解することができる。また、被処理液体としての洗浄水W1は、安価な水道水であるので、超音波分解装置5のランニングコストを抑えることができる。さらに、超音波分解装置5でVOCが分解され無害化された洗浄水W1を超音波洗浄装置3で再利用することできるため、汚染土壌浄化システム1のランニングコストを抑えることができる。
(7) Unlike the apparatus disclosed in
なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。 In addition, you may change embodiment of this invention as follows.
・上記実施の形態の超音波分解装置5では、分解槽51は、直方体をなす箱状に形成されるものであったが、その形状は特に限定されず、例えば円筒形状であってもよい。
-In the
・上記実施の形態の超音波分解装置5では、分解槽51の底面及び側面に第1及び第2超音波振動子52,53を設け、下方及び側方から直交するよう超音波を照射するものであったが、この構成に限定されるものではない。具体的には、図8に示す超音波分解装置95のように構成してもよい。すなわち、この超音波分解装置95の分解槽96の底部は、対向する第1及び第2の傾斜面(テーパ面)97,98を有し、底部の幅が徐々に狭くなるよう形成されている。そして、その第1の傾斜面97外側に第1超音波振動子52が設けられるとともに、第2の傾斜面98外側に第2超音波振動子53が設けられている。なお、この分解槽96においても、上記実施の形態と同様に、洗浄水W1を供給するための供給用配管60が接続されるとともに、洗浄水W1を排出するための排出用配管61が接続されている。さらに、供給用配管60の途中には開閉バルブ63が設けられ、分解槽96の上部には撹拌機65が設けられている。
In the
このように構成しても、分解槽96内の洗浄水W1に向けて超音波10を複数方向から照射することができ、各超音波10の重ね合わせによる相乗効果を得ることができる。
Even if comprised in this way, the
なお、図8の分解槽96には、上下に分割する仕切り板は設けられていないが、図9に示すように、分解槽96内に仕切り板100を設けて一次処理室101と二次処理室102とに区画するように構成してもよい。なお、この分解槽96においては、供給用配管60や排出用配管61に加えて、一次処理室101及び二次処理室102を連通する移送用配管62が設けられる。
8 is not provided with a partition plate that is divided into upper and lower parts. However, as shown in FIG. 9, a
・上記実施の形態では、分解槽51を仕切り板56により一次処理室57及び二次処理室58に区画し、一次処理室57内及び二次処理室58内で洗浄水W1のVOCを分解するよう構成したが、これに限定されるものではない。例えば、仕切り板56より上側の領域のみをVOCを分解する処理室として利用してもよい。なおこの場合、仕切り板56より下側の領域には、超音波10の伝播効率を高めるために脱気した水を充填する。勿論。仕切り板56により2つの処理室57,58に区画する必要はなく、仕切り板56を設けない分解槽51としてもよい。
In the above embodiment, the
・上記実施の形態では、水平に設けられた仕切り板56によって分解槽51内を上下に区画していたが、垂直に設けられた仕切り板56によって分解槽51内を左右に区画してもよい。
In the above embodiment, the inside of the
・上記実施の形態では、第1及び第2超音波振動子52,53から500kHzの超音波10を照射する構成であったが、この周波数に限定するものではない。具体的には、例えば、400kHz〜500kHzの周波数域であれば、第1及び第2超音波振動子52,53から異なる周波数の超音波10を照射しても、十分な分解効率を得ることができる。また、200kHzや600kHzの周波数を照射する場合でも、400kHz〜500kHzの場合よりも分解効率は多少劣るが、単独照射の場合よりも相乗効果を得ることができる。従って、200kHz〜600kHzの周波数域の超音波10を第1及び第2超音波振動子52,53から照射するよう構成してもよい。
In the above embodiment, the first and second
・上記実施の形態の超音波分解装置5は、洗浄水W1に含まれるVOCを分解するものであったが、これに限定されるものではなく、不揮発性の有機化合物を分解するための分解装置に具体化してもよい。勿論、被処理液体としては洗浄水W1以外に、有機化合物を含む工場廃液や汚染土壌の地下水などであってもよい。
-Although the
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。 Next, in addition to the technical ideas described in the claims, the technical ideas grasped by the embodiment described above are listed below.
(1)請求項1乃至4のいずれか1項において、前記分解槽内を前記第1超音波振動子から遠い一次処理室と前記第1超音波振動子から近い二次処理室とに区画する仕切り部材と、一次処理室及び二次処理室を連通させる通路とを備え、前記一次処理室内には、超音波照射により分解されるべき被処理液体が最初に供給可能であり、前記二次処理室内には、前記一次処理室を通過した前記被処理液体が前記通路を介して供給可能であることを特徴とする超音波分解装置。
(1) In any one of
(2)技術的思想(1)において、前記一次処理室内と二次処理室内との被処理液体に超音波を照射する第2超音波振動子をそれぞれ設けるようにしたことを特徴とする超音波分解装置。 (2) In the technical idea (1), an ultrasonic wave characterized in that a second ultrasonic transducer for irradiating ultrasonic waves to the liquid to be processed in the primary processing chamber and the secondary processing chamber is provided. Disassembly equipment.
(3)技術的思想(1)または(2)において、前記一次処理室及び二次処理室を連通する通路が前記分解槽の外部に設けられていることを特徴とする超音波分解装置。 (3) The ultrasonic decomposition apparatus according to (1) or (2), wherein a passage communicating the primary processing chamber and the secondary processing chamber is provided outside the decomposition tank.
5,95…超音波分解装置
10…超音波
51,96…分解槽
52…第1超音波振動子
53…第2超音波振動子
65…液流れ発生手段としての撹拌機
91…液流れ発生手段としての循環ポンプ
97,98…傾斜面
W1…被処理液体としての洗浄水
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記被処理液体に向けて第1の方向から超音波を照射する第1超音波振動子と、
前記第1の方向からの超音波に重なるようにその第1の方向とは異なる第2の方向から前記被処理液体に向けて超音波を照射する第2超音波振動子と
を備えたことを特徴とする超音波分解装置。 A decomposition tank containing a liquid to be treated containing an organic compound decomposed by ultrasonic irradiation;
A first ultrasonic transducer for irradiating ultrasonic waves from a first direction toward the liquid to be treated;
A second ultrasonic transducer for irradiating the liquid to be treated from a second direction different from the first direction so as to overlap the ultrasonic wave from the first direction; A featured ultrasonic decomposition apparatus.
前記第1超音波振動子は、前記第1の傾斜面外側に設けられ、前記第2超音波振動子は、前記第2の傾斜面外側に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の超音波分解装置。 The bottom of the decomposition tank has first and second inclined surfaces facing each other,
The first ultrasonic transducer is provided outside the first inclined surface, and the second ultrasonic transducer is provided outside the second inclined surface. The ultrasonic decomposition apparatus as described.
Priority Applications (1)
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