JP2008229513A - 散気板および散気板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 微細な気泡を発生させて高い酸素移動効率が得られる散気板を提供する。
【解決手段】 複数の開孔を有する薄膜からなり、前記開孔を通して液体中に気泡を発生させる散気板である。前記薄膜は、算術平均粗さＲａが１μｍ以下の凹凸を表面に有することを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、散気板および散気板の製造方法に関する。

下水処理などの生物反応槽における散気装置には、散気板、散気筒、および水中攪拌機等が使用されている（例えば、非特許文献１参照）。近年、微細な気泡を形成して酸素溶解効率の向上が可能である点で、メンブレン散気装置の需要が高まりつつある（例えば、非特許文献２参照）。メンブレン散気装置は、微細孔を有する合成樹脂または合成ゴム製のメンブレン膜を、ベースプレート上に固定することによって構成される。散気時にはベースプレートとメンブレン膜との間に空気が送られ、膜が膨らんで内圧が水圧を上回る。こうして、メンブレン膜表面の孔から平均径１ｍｍ程度の気泡を散気させ、高い酸素移動効率が得られるというものである。

気泡の微細化技術が、種々提案されている。例えば、多孔質フッ素樹脂材料からなる散気板表面に、親水基を有する含フッ素高分子を付着結合させて親水性を付与する方法（例えば、特許文献１参照）、および、多孔質の散気板表面に多数の凹凸を均一に配置する方法（例えば、特許文献２参照）が挙げられる。

しかしながら、メンブレン散気装置には、以下の（１）〜（４）の欠点があった。

（１）合成樹脂や合成ゴムを用いたメンブレンは、実際に汚水中で用いると耐久性が低く、劣化しやすい。

（２）メンブレン用の樹脂素材は強度が弱く、保守点検時の工事等で損傷を受けやすい。

（３）メンブレン用素材である合成樹脂や合成ゴムは、親水性の性質を有していないため、メンブレンからの気泡の離脱性が悪く、微細な気泡が得られない。

（４）メンブレンの伸びや表面の親水性が均一でないため発泡が安定せず、生成する気泡径のばらつきが大きくなる。

また、多孔質材を用いた散気板の場合は、孔間隔が一定ではないために、気泡発生も不均一となる。その結果、散気面上での気泡合体が生じやすくなって、気泡の粗大化が生じる。散気板表面の凹凸が気泡径よりも大きい場合には、散気板表面での孔間距離より気泡発生直後の気泡間距離が小さくなる。そのため、気泡がより近接し気泡合体が生じやすくなり、結果として気泡粗大化が生じることとなる。
「下水道施設計画・設計指針と開設２００１年度版」社団法人 日本下水道協会 （「メンブレンパネル式散気装置 技術マニュアル」財団法人 下水道新技術推進機構） 特開平５−３８４２４号公報 特開平９−１６４３９６号公報

本発明は、微細な気泡を発生させて高い酸素移動効率が得られる散気板、およびかかる散気板を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる散気板は、複数の開孔を有する薄膜からなり、前記開孔を通して液体中に気泡を発生させる散気板であって、前記薄膜の表面が微細な凹凸に覆われており、その凹凸の算術平均粗さＲａが１μｍ以下であることを特徴とする。

本発明にかかる散気板の製造方法は、複数の開孔を有する薄膜からなり、前記開孔を通して液体中に気泡を発生させる散気板であって、前記薄膜は、算術平均粗さＲａが１μｍ以下の均質かつ微細な凹凸を表面に有し、ステンレスまたはチタンまたはそれらの合金から選択される金属薄板からなる散気板の製造方法であって、前記金属薄板の表面を酸により処理する工程を具備することを特徴とする。

本発明によれば、微細な気泡を発生させて高い酸素移動効率が得られる散気板、およびかかる散気板を製造する方法が提供される。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態にかかる散気装置の断面図である。図示するように、散気装置１０においては、散気板１が散気板押さえ用リング２によってケーシング４の上部に装着されており、このケーシング４は、給気用配管３と連通している。ケーシング４と給気用配管３との間には、給気用配管３への水の逆流を防ぐために逆止弁５が設けられている。参照符号７は、散気板１とケーシング４との間の間隙をさす。

図２には、かかる散気装置１０の平面図を示す。図示するように、散気板１は、格複数の開孔を有する薄膜から構成される。図示する例においては、複数の開孔は、格子状に等ピッチ間隔で配列されているが、必ずしもこれに限定されない。薄膜の材質は、例えば、樹脂およびゴム等の弾性体や、ステンレスまたはチタンまたはそれらの合金等の金属薄板とすることができる。

一般に、金属薄板は、樹脂製またはゴム製の膜および板に比較して強度が高く、優れた耐久性および親水性を有する。金属薄板のなかでも、ステンレス鋼板や純チタン板は、汚水中での耐久性に特に優れている。ステンレス鋼板およびチタン板の表面は、不動態皮膜で覆われているが、均質かつ緻密な構造の不動態皮膜を形成させることによって、親水性がさらに大きくなる。このため、気相と固体表面（散気面）との間に液相が入りやすくなり、開孔の縁からの気泡の離脱が促進されて微細な気泡が生成し、かつ発泡状態が安定するものと推測される。

いずれの材質の場合も薄膜は、板状のみならず、円筒状にして散気装置に用いることができる。

図２に示した散気板１における領域ｃの拡大図を、図３に示す。散気板１には、図示するように、複数の開孔６が設けられている。開孔６は丸孔や多角形の孔としてもよいが、孔の製造の寸法精度およびコストの観点から、短辺と長辺とから構成される矩形のスリット形を用いることが好ましい。開孔の寸法は、一般に小さいほどよいが、孔の大きさが小さいほど散気の圧力損失が大きくなり、加工コストも高くなる。例えば、スリット形の場合には、短辺０．０１〜０．２ｍｍ程度、長辺０．５〜３．０ｍｍ程度が一般的であり、丸孔の場合には、孔径０．０４〜０．２ｍｍ程度とするのが一般的である。

この散気装置１０を用いる場合は、例えば、水（汚水を含む）等の液体中において散気板１を上方に向け、給気用配管３から空気等の気体を給気して、散気板１へと通過させることにより、散気板１に設けられた孔６から微細な気泡を発生させ、散気することができる。以下、散気板１の気泡が発生する側の面（散気側の表面）を散気面と称する。

図４には、液体中における散気板１の断面の拡大図を示す。図示するように、散気板１の散気面は、均質かつ微細な凹凸で覆われている。触針式表面粗さ測定器によって測定された算術平均粗さ（以下、Ｒａと称する）は１μｍ以下に規定される。本願発明者らは、Ｒａを所定の範囲に規定することによって、発生する気泡２１，２２の直径を減少させることができることを見出した。散気板表面の凹凸のＲａを１μｍ以下に規定することによって、表面の親水性が高められたものと推測され、平均気泡径０．５ｍｍ以下程度の微細な気泡を生成させることが可能となった。

散気板１の散気面の凹凸のＲａは、散気板１を製造する際の成形過程で、前述の範囲に規定することができる。また、成形後に研磨などの物理的または化学反応を利用した処理法によって、凹凸のＲａを前述の範囲に規定することもできる。

ステンレス鋼板およびチタン板等の金属薄板からなる散気板の場合には、酸処理を施すことによって、凹凸の算術平均粗さＲａを前述の範囲に規定することができる。まず、こうした金属薄板の表面に、塩酸等を用いた第１の酸処理を施すことによって、金属薄板の表面の不均質な不動態皮膜が剥離される。引き続いて硝酸等を用いた第２の酸処理を行なうことによって、金属薄板の表面には、より均質かつ緻密な凹凸をもつ親水性の高い不動態皮膜が形成される。このような酸処理によって、Ｒａが１μｍ以下の凹凸を表面に有する金属薄板が得ることができる。

塩酸および硝酸は、いずれも１〜３０％の水溶液として、酸処理に用いることができる。こうした酸水溶液に金属散気板を１０〜９０分間程度浸漬することによって、酸処理を達成することができる。

また、樹脂およびゴム等の弾性体からなる薄膜の場合には、例えば、薄膜の材質にＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエンゴム）を用いる場合、フッ化水素等の水溶液に浸漬して腐食させるという手法によって、凹凸のＲａを前述の範囲に規定することができる。

本発明の実施形態にかかる散気板１の散気面には、上述したような特定のＲａを有する凹凸が存在するので、かかる散気板を含む散気装置１０を、好気性生物反応を利用した水処理槽で用いた際には、微細な気泡を発生させることができる。このため、同一の空気量を給気した場合に、空気と汚水との接触面積（気液接触界面の面積）が増大し、酸素移動効率の向上につながる。

以下、散気される液体が水であり、給気される気体が空気である例を説明するが、こうした組み合わせのみに限定されるものではない。本発明の散気板を用いた散気装置は、例えば海水等の他の液体に対しても散気することができ、例えば、純酸素ガス、あるいは、酸素、窒素、水素および二酸化炭素ガスのうち２種以上を混合した混合ガス等の他の気体を給気することもできる。

なお、図１に示した散気装置は、通常、複数個を接続して用いられる。一般的に水処理装置においては、散気装置と比較して処理槽のスケールが大きいためであり、こうした散気装置の例を図５に示す。図示するように、散気装置３１，３２，３３，３４は、それぞれの散気面が上方を向き、かつ互いがほぼ水平となるように並設されている。各散気装置３１〜３４の給気用配管は、共通の給気配管３５に連通しており、ヘッダー管３６を通して送気される。

以下、具体例を示して本発明の散気板を詳細に説明する。

（実施例１）
厚さ０．３ｍｍ、直径２０ｃｍの円板状のステンレス鋼板（鋼種：ＳＵＳ３１６）を用意し、スリット状（短辺０．０４ｍｍ、長辺１．４５ｍｍ）の開孔を複数形成した。隣接するスリットのピッチは３．３ｍｍとして、千鳥状に多数配列した。次いで、濃度１０％の塩酸に１時間浸漬した後、濃度１０％の硝酸に１時間浸漬して、酸処理を行なった。

触針式表面粗さ測定器により散気面表面の凹凸を測定したところ、Ｒａは０．３μｍ程度であった。

この散気板１を、給気用配管３に連通する樹脂製のケーシング４上部に散気板押さえ用リング２で固定し、図１に示す構造を有する散気装置１０を組み立てた。

さらに、スリットの開孔の短辺を０．０８ｍｍおよび０．１ｍｍに変更する以外は上述と同様にして、２種類の散気板を作製した。得られた散気板を用いて、前述と同様にして散気装置を組み立てた。

（比較例１）
散気板の表面加工を行なわない以外は、実施例１と同様にして、開孔径の異なる３種類の散気板を作製した。触針式表面粗さ測定器により測定したところ、Ｒａは１．２μｍ程度であった。それぞれの散気板を用いて、前述と同様にして散気装置を組み立てた。

実施例１および比較例１の散気装置について、性能試験を行なった。具体的には、散気面を上方に向けて水中に配置し、給気用配管から空気を、散気面積当たり流量２０Ｎｍ³／ｈ／ｍ²で給気することにより散気を行ないつつ、暗所においてストロボ一回発光で写真撮影を行なった。写真の視野において、散気面の直上から上方３ｃｍまでの焦点の合っている気泡を抽出して画像処理し、平均気泡径を得た。なお、楕円形の気泡は、短半径を軸にしてできる回転体の体積と同体積の球として直径を算出した。この結果を、図６に示す。

いずれの場合も、散気板の表面処理を行なうことによって、平均気泡径が減少することが、図６に示されている。特に、スリット状の開孔の短辺が０．０４μｍの場合には、１．７μｍ程度であった気泡の平均径は、表面処理により０．５ｍｍ程度まで微小化している。

平均気泡径は、散気板の孔径の増加とともに増大する傾向にある。しかしながら、散気板の表面処理を行なうことによって、平均気泡径の増大が抑制される。

（実施例２）
厚さ０．３ｍｍ、直径２０ｃｍの円板状のステンレス鋼板（鋼種：ＳＵＳ３１６）を用意し、スリット状（短辺０．０４ｍｍ、長辺１．４５ｍｍ）の開孔を複数形成した。隣接するスリットのピッチは３．３ｍｍとして、千鳥状に多数配列した。最後に、粒度＃４０００の研磨剤により手動で研磨を施した。触針式表面粗さ測定器により測定したところ、０．７μｍ程度であった。

得られた散気板を用いて、実施例１と同様にして散気装置を組み立てた。

実施例１、２および比較例１の散気装置を用いて、前述と同様にして性能試験を行なった。表面処理と平均気泡径との関係を、図７に示す。

図示するように、表面処理を行なわない散気板を用いた散気装置の場合には、平均気泡径は１．８ｍｍ程度であった。散気板の表面を研磨することによって、平均気泡径は０．９ｍｍ程度に微小化し、酸処理を行なった場合には０．５ｍｍ程度に微小化している。

このように、散気板の表面に凹凸を設けることによって、１ｍｍ以下の微細な気泡が生成できることがわかる。

次に、実施例１および比較例１のスリット状の開孔の短辺０．４ｍｍの散気装置、および実施例２の散気装置を用いて、清水で酸素移動効率を測定した。送風量と酸素移動効率との関係を図８のグラフに示す。酸素移動効率は散気水深４ｍで測定し、水温２０℃の換算値である。

図８のグラフに示されるように、送風量が大きくなると、酸素移動効率は低下する傾向にある。しかしながら、研磨または酸処理を行なって散気板の表面に凹凸のＲａを所定の範囲内に規定した場合には、その低下の程度は低減されている。特に、酸処理を施した場合には、その効果は大きいことがわかる。

ステンレス鋼板をチタン板に変更した場合も、表面処理を施して表面の凹凸のＲａを所定の範囲に規定することによって、発生する気泡径を、同様に微小化させることができた。

以上のように、本発明の実施形態にかかる散気板は、微細な気泡を発生させて高い酸素移動効率を得ることができる。

本発明の一実施例にかかる散気装置の断面図。 本発明の一実施例にかかる散気装置の平面図。 本発明の一実施例にかかる散気板の表面の拡大図。 散気板表面の拡大図。 本発明の他の実施例にかかる散気装置を示す断面図。 散気板のスリット状の開孔の短辺と平均気泡径との関係を示すグラフ図。 散気板の表面状態と平均気泡径との関係を示すグラフ図。 送気量と酸素移動効率との関係を示すグラフ図。

符号の説明

１…散気板； ２…散気板押さえ用リング； ３…給気用配管； ４…ケーシング
５…逆止弁； ６…開孔； ７…間隙； １０…散気装置； ２１…気泡
２２…気泡； ２３…散気板表面； ２４…散気板
３１，３２，３３，３４…散気装置； ３５…枝管； ３６…ヘッダー管。

Claims (5)

1. 複数の開孔を有する薄膜からなり、前記開孔を通して液体中に気泡を発生させる散気板であって、前記薄膜の表面が微細な凹凸に覆われており、その凹凸の算術平均粗さＲａが１μｍ以下であることを特徴とする散気板。
2. 前記開孔は、短辺と長辺とから構成される矩形のスリット孔であることを特徴とする請求項１に記載の散気板。
3. 前記薄膜は、ステンレスまたはチタンまたはそれらの合金から選択される金属薄板からなることを特徴とする請求項１または２に記載の散気板。
4. 請求項３に記載の散気板の製造方法であって、前記金属薄板の表面を酸により処理する工程を具備することを特徴とする散気板の製造方法。
5. 前記酸による処理は、塩酸による第１の処理と硝酸による第２の処理とによって行なわれることを特徴とする請求項４に記載の散気板の製造方法。

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