JP2008253924A - 微細気泡発生方法及び微細気泡発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型の気液接触槽を用いることなく、かつ低い動力により多量の微細気泡を発生させることができる省スペースで低コストの微細気泡発生方法及び微細気泡発生装置を提供する。
【解決手段】複数の中空糸を、その中間部分を拘束することなく揺動可能に緩めた状態で両端を支持し、気液接触槽内の液体中に浸漬させ、中空糸内に気液混合流体を圧送し、気液混合流体中に含まれる気体成分を中空糸の微細孔に通過させて気泡化する際に、気液混合流体が中空糸の内側から微細孔を通って外側に流出するときの流動エネルギにより中空糸を揺動させ、中空糸の表面から気泡を離脱させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、空気浮上法や泡沫分離法等による懸濁物や油分を分離する分離装置、あるいは溶存酸素供給のための曝気装置等において、空気、不活性ガス、その他の各種ガスを微細気泡として水等の液体中に供給する微細気泡発生方法及び微細気泡発生装置に関する。

例えば水処理設備などにおいて気体を液体中に溶解させるには、加圧した気体を微細な孔が多数開口する散気管と呼ばれる管に供給し、散気管から気泡として液体中へ供給する方法が一般的である。この散気管方式では、気泡径が数ミリメートル程度と大きく、溶解効率が小さいため、気泡を液中に十分に溶解させるためには気泡の行程路を長くかせげる深さのある気液接触槽が必要になる。例えば、浄水処理におけるオゾン処理では、気液接触槽内での接触水深を４〜６メートルとするのが適切であることが非特許文献１に記載されている。

これに対して例えば特許文献１では、散気管の代わりに中空糸を用いて気泡径を微細化する微細気泡発生装置を提案している。この装置では、発生する気泡をせん断する方法として、液体と中空糸との間に相対運動を与えるため、液体の流速を高める方法を採用している。
日本水道協会発行 水道施設設計指針(2000)p317（2000年3月) 特許第２７６２３７２号公報

しかしながら、非特許文献１の装置においては、気液接触槽の接触水深を大きくする必要があるため、その建設費用が高くなり、装置コストが増大するという欠点がある。また、散気管方式では、散気管から気泡が発生する際に、気泡が散気管の孔から出た直後に散気管表面で大きく成長し、その浮力が表面張力（気泡の吸着力）に打ち勝つとき、気泡が散気管表面から離れる。そのため、気泡が成長する前に、すなわち、気泡径が小さい段階で気泡を散気管から浮上させるためにはエネルギーが必要となるが、非特許文献１の方法では必要な動力が得られず、発生する気泡径を小さくできないという欠点がある。

一方、特許文献１の装置では、上記のような問題点はないが、動力が無い状態か又は動力を有する場合であっても低い動力で微細な気泡を多量に発生させることができない。すなわち、この従来方式では、液体の加圧に用いる高圧ポンプやコンプレッサー、加圧に耐えうる圧力タンクなどの付帯設備を用いることにより、気泡径を微細に制御することは可能になるが、多量の微細気泡を発生させることが困難である。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、大型の気液接触槽を用いることなく、かつ低い動力により多量の微細気泡を発生させることができる省スペースで低コストの微細気泡発生方法及び微細気泡発生装置を提供することを目的とする。

本発明に係る微細気泡発生方法は、気液接触槽に貯留された液体中に微細気泡を発生させる方法において、（i）表面に微細孔を有する複数の中空糸を、前記中空糸の中間部分を拘束することなく揺動可能に緩めた状態で両端を支持し、前記気液接触槽内の液体中に浸漬させ、（ii）前記中空糸内に気液混合流体を圧送し、前記気液混合流体中に含まれる気体成分を前記中空糸の微細孔に通過させて気泡化する際に、前記気液混合流体が前記中空糸の内側から前記微細孔を通って外側に流出するときの流動エネルギにより前記中空糸を揺動させ、前記中空糸の表面から気泡を離脱させることを特徴とする。

本発明に係る微細気泡発生装置は、処理対象となる液体を貯留する気液接触槽と、表面に微細孔を有し、前記気液接触槽内の液体中に浸漬され、両端が支持され、中間部分が拘束されることなく前記液体中において揺動可能に緩んだ状態にある複数の中空糸と、前記中空糸の内部に気液混合流体を圧送する流体供給手段と、を具備することを特徴とする。

上記の場合に、複数の中空糸は、気液接触槽の底部に沿って敷き並べられていることが好ましい。このようにすると、気液接触槽の全域にわたる広い範囲に微細気泡が発生し、全体として多量の微細気泡を供給することができる。

また、複数の中空糸は、同じ方向に揃えて配置されていることが望ましい。このような配置にすると、中空糸同士が絡み合って縺れて動かなくことが有効に防止され、長期間にわたり中空糸が液体中で自由に揺動しうる。

また、複数の中空糸の両端を支持し、流体供給手段および中空糸にそれぞれ連通し、複数の中空糸に気液混合流体を分配する流体分配部材をさらに有することが望ましい。このような流体分配部材から複数の中空糸に気液混合流体を分配することにより、微細気泡の発生量を増加させることができる。

本発明によれば、気液混合流体の流動エネルギを利用して中空糸を揺動させ、気泡が成長する前の初期の段階において中空糸の表面から気泡を離脱させるので、低動力の利用により微細気泡を多量に発生させることができる。このため、大型の設備を増設することなく、既存の設備を改良改善して用いることができるので、省スペースと低コストを実現させることができる。マイクロバブル、ナノバブルといった微細気泡は、酸素などの気体を液中に高い溶解効率で溶け込ませることができること、長く液中に気泡を残存させることができること、気泡により固形物（汚濁物）を浮上分離させることができること、殺菌効果が得られるなどの性質から環境浄化、水処理、医療分野など幅広い分野での利用が期待されている。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための種々の形態を説明する。

本実施の形態においては、高度浄水処理として、オゾン化空気を被処理水に供給する水処理設備を例にとって説明する。

水処理設備１は、図１に示すように、反応槽としての気液接触槽２を備えている。気液接触槽２は、上部に流入口３を有し、下部に排水口４を有する。被処理水７は、上部の流入口３を通って供給源５からポンプＰ１により送水され、下部の排水口４からポンプＰ２により貯水槽６へ排出されるようになっている。図１では、被処理水７がオゾン処理され、処理水として次工程へ流れる様子を示している。

水処理設備１は制御器２０を備えている。制御器２０はプロセスコンピュータ等を含むプラントコントロールシステムの一部を構成するものであり、この制御器２０によって水処理設備１の全体の動作が統括的に制御されるようになっている。すなわち、制御器２０の入力部には図示しない圧力センサ、流量センサ、温度センサなどから各種の信号が入力され、そのＣＰＵは入力信号とデータベースに格納された処理条件データとに基づき制御量の演算を実行し、出力部からポンプＰ１〜Ｐ４およびバルブＶ１〜Ｖ４にそれぞれ制御指令信号が出力されるようになっている。

気液接触槽２内の被処理水７中には複数基の微細気泡発生装置１０が浸漬されている。複数の微細気泡発生装置１０は、気液接触槽２の底部に沿って配置されている。本実施形態では、例えば縦３列×横３列の合計９基の微細気泡発生装置１０を気液接触槽２の底部に敷き並べている。微細気泡発生装置１０は図２に示すように平面的な構造であり、これを気液接触槽２の底部に敷き詰めることにより気液接触槽２の全域にわたって微細気泡を発生させることができるようになっている。

図１では９基のうち第１〜第３の微細気泡発生装置１０を図示している。各微細気泡発生装置１０には流体供給ラインがそれぞれ接続され、気液混合流体が供給されるようになっている。すなわち、第１の微細気泡発生装置１０には第１のラインＬ１を介して水供給源８とガス供給源９が接続されており、制御器２０がポンプＰ３，Ｐ４およびバルブＶ１，Ｖ４の動作をそれぞれ制御すると、所望の流量と圧力とで気液混合流体が供給されるようになっている。同様に、第２の微細気泡発生装置１０には第２のラインＬ２を介して水供給源８とガス供給源９が接続され、ポンプＰ３，Ｐ４およびバルブＶ２，Ｖ４により気液混合流体の流量・圧力が調整されるようになっている。同様に、第３及び図示しない第４〜第９の微細気泡発生装置１０においても気液混合流体の流量・圧力が調整されるようになっている。なお、本実施形態では微細気泡発生装置１０の各々に独立の供給ラインを接続して個々に気液混合流体の流量と圧力を制御するようにしているが、１つの流体供給ラインを複数の微細気泡発生装置１０で共有するようにしてもよい。

微細気泡発生装置１０は、有機系材料からなる多数の中空糸１２と、これら中空糸１２の両端を支持する一対のマニホールド１１と、マニホールド１１を支持する一対の補強リブ１３とを備えている。図２に示すように、一対のマニホールド１１と一対の補強リブ１３とは井桁状に組まれており、この井桁状のアッセンブリによって取り囲まれたスペースに多数の中空糸１２がほぼ平行に配置されている。これら中空糸１２のアレイは全体として膜状をなすようにほぼ水平に配列されている。中空糸１２の膜状アレイを水平に配置する理由は、気液接触槽２の全域の広範囲にわたり微細気泡１６を発生させることができるからである。

また、図３の（ａ）に示すように、中空糸１２の膜状アレイは一対のマニホールド１１の間に上下二段に配置され、かつ中間部分に張力が掛らないように緩んだ状態で中空糸１２の両端が角筒状のマニホールド１１に支持されている。このように中空糸１２の膜状アレイを複数段の構造とし、緩んだ状態に支持することにより、中空糸１２の膜状アレイがゆらゆらと揺動しやすくなると共に、隣り合う中空糸１２が互いに接触するため、気泡が成長する時間的余裕を与えることなく初期の段階で微細気泡が中空糸１２の表面から離脱するようになり、多量の微細気泡１６を発生させることができるようになる。

なお、本実施形態では中空糸１２の膜状アレイを上下二段としているが、これをさらに三段、四段、五段、六段の多段構造としてもよい。このように中空糸１２の膜状アレイの段数を増やすと、微細気泡の発生量がさらに増加する。

また、本実施形態ではマニホールド１１を角筒状にしているが、図３の（ｂ）に示す円筒状のマニホールド１１Ａを用いることもできる。このような円筒状のマニホールド１１Ａは、市販品を入手しやすく、製造が容易であるという利点がある。さらに、図示していないがマニホールドを半割円筒状、六角筒状、三角筒状、楕円筒状などの他の形状とすることもできる。

図４に示すように、中空糸１２は、固液分離に利用される中空糸膜と表面細孔密度は同程度のものを用いる。中空糸の空孔１２ａの内径ｄは、０．１〜５ｍｍ程度であり、好ましくは１〜３ｍｍ程度である。また、表面に開口する細孔の径は、低圧で水と気体を水中に送り込むことから、０．１〜１０μｍ程度であり、好ましくは０．５〜５μｍである。中空糸の材質特性としては、疎水性が高いことが好ましい。

中空糸１２は、例えば次のようにして製造されたものを使用することができる。

中空糸の原料となるドープには、ポリスルホンＰ−１７００（ユニオンカーバイト社の製品）をＮ−メチル−２−ピロリドン（三菱化成株式会社製品）中に２５質量％溶解し、増乳剤としてエチレングリコールを１〜１０質量％（好ましくは３〜５質量％）添加する。エチレングリコールを添加したドープを真空状態に保持して脱泡を行ない、その後、通常の二重管型の紡糸金口により紡糸する。このとき内部凝固液および外部凝固液には水を用いる。

紡糸工程は外部凝固液である水を満たした浴槽中で行われる。この浴槽水面と紡糸金具との間の乾式距離は、１０ｃｍ以下とすることが望ましく、さらに５ｃｍ程度とすることが操作上好ましい。

外部凝固液から引き上げられた前駆体中空糸はドラムに巻き取られる。ドラム巻取り速度を速くすると、前駆体中空糸は延伸されて高分子の配向が促進されるため、気泡が発生しにくい緻密な構造の中空糸となる。２つの巻取りドラムを直列に配置し、最初のドラムの巻取りでは延伸作用を生じないようにドラフト倍率を１．０とし、ドラム上でスリップしないように中空糸を１巻きした後に、次のドラムで延伸率が１．１〜１．４の範囲となるように巻取り速度を調整する。ここでドラフト倍率とは、実際の巻取り線速度Ｓ１と、延伸作用がない場合に金口から押し出される中空糸の線速度Ｓ２との比率Ｓ１／Ｓ２をいう。このように二段階に分けて巻き取る理由は、紡糸開始後における凝固作用の進行が不十分で完全に凝固するまでには到らない状態で中空糸を延伸するためである。ドラム巻き取り後、中空糸を十分に水洗し、完全に凝固した後に、乾燥させ、さらに１．１〜１．３倍の延伸加工を施す。

このようにして製造された中空糸は、その内表面と外表面がともに緻密層となっており、その中間部分はスポンジ状（網目状）の構造をなしている。中空糸の内表面の緻密層には孔径１０ｎｍ以下の多数の微細孔が形成され、外表面の緻密層には孔径が数ミクロン以下の多数の微細孔が形成されている。

このような中空糸内に加圧気体を例えば０．０１〜０．１５ＭＰａ（好ましくは０．０５〜０．１２ＭＰａ、より好ましくは０．０５ＭＰａ）の圧力で供給することにより、中空糸の外表面に０．１〜０．３ｍｍ径の微細気泡が発生し、気体の流動エネルギにより中空糸が揺動して微細気泡が中空糸表面から離脱する。

気泡径は次の方法のうちのいずれかを用いて測定される。

電子顕微鏡（デジタルスコープ）と画像撮影装置と画像処理装置を組み合わせて用いることにより、微細気泡を直接観察し、その画像解析をおこなうことによって気泡径を求めることができる。また、レーザー計測器のような光学測定機器を用いて微細気泡の径を測定することができる。さらに、粒径分子計を用いても微細気泡の径を測定することができる。

次に本実施形態の作用の概要を説明する。

気液混合流体を微細気泡発生装置１０に供給する際に、ポンプＰ３の直前でオゾン化空気がポンプＰ４によりラインＬ４を通って導入され、ラインＬ１上のポンプＰ３で被処理水とオゾン化空気とが混合される。このような気液混合流体は、微細気泡発生装置１０の中空糸１２に供給され、さらに中空糸１２から気液混合流体が気液接触槽２内の被処理水７中に供給される。このとき、混合流体が中空糸１２の内側から表面の微細孔を通過して中空糸の外側に流れ出る際に、中空糸１２を揺動させる力が作用する。このように気泡径が小さい初期の段階において中空糸１２の表面から気泡を分離・浮上させるのに十分なエネルギが得られるため、発生する気泡の径を小さくすることができる。なお、供給する気体は、空気、不活性ガス、その他の各種ガスなどを用いることができる。

また、ポンプＰ１〜Ｐ４を制御器２０でインバータ制御し、周期的に供給量を増減することで、中空糸１２の表面から気泡を分離・浮上させるのに必要なエネルギを増大させることができる。

気液接触槽２の底部に広く分布するように敷き詰めることで、気液接触槽２の全域において微細気泡１６を発生させることができ、必要とされる微細気泡１６の発生量を確保することができる。

中空糸１２から水とオゾン化空気の混合流体を送り込む際に、圧力が不足している場合は、ポンプを用いて圧送する。水として、水道水、被処理水、処理水のいずれを用いるようにしてもよいが、被処理水を利用するとより効率的である。ポンプの上流側でオゾン化空気を供給し、被処理水とオゾン化空気を供給し、被処理水とオゾン化空気の混合流体が気液接触槽２に供給される。

本発明を用いて微細気泡を被処理水中に供給すると次の効果が得られる。

１）酸素、オゾンなどの気体を効率よく液中に溶解させることができる。

２）固形物（汚濁物）を効率よく浮上分離させることができ、高い除去率を得ることができる。

効果１）では、微細気泡の径が小さいと、体積あたりの表面積がより大きくなり、浮力の影響が少なく液中残存時間が長くなる。したがって、微細気泡の気泡径が小さいほど高い溶解効果を得られる。

効果２）では、微細気泡は液中で気泡表面が負に帯電しているため、微細気泡の表面に、汚泥、油、泡などを付着させて、浮力で上昇した気泡と気泡に付着した物質を取り除く方法である。微細気泡の気泡径が小さいほど、体積あたりの表面積は大きくなり、除去したい物質と気泡が接触する面積も大きくなる。同時に、小さな径の気泡は、表面張力が大きく、気泡表面に物質が付着しにくい可能性がある。よって、本発明を用いることで、できるだけ表面積が大きく、かつ物質が付着しやすい適切な径の気泡を発生させることができ、高い浮上分離効果が得られる。

以上、種々の実施の形態を挙げて説明したが、本発明は上記各実施の形態のみに限定されるものではなく、種々変形および組み合わせることが可能である。

本発明の実施の形態に係る微細気泡発生装置を有する浄水処理システムを模式的に示す構成ブロック図。 本発明の実施の形態に係る微細気泡発生装置の要部を示す斜視図。 （ａ）は実施形態の微細気泡発生装置の要部を側方から見て示す断面図。（ｂ）は他の実施形態の微細気泡発生装置の要部を側方から見て示す断面図。 中空糸から微細気泡が発生するときの状態を説明するための模式図。

符号の説明

１…水処理設備、
２…気液接触槽（反応槽）、
３…流入口、４…排水口、
５…被処理水供給源、６…貯水槽、７…被処理水、
８…水供給源、９…ガス供給源、
１０，１０Ａ…微細気泡発生装置、
１１…マニホールド（流体分配部材）、
１２…中空糸、１２ａ…空孔、
１３…補強リブ、
１６…微細気泡、
２０…制御器、
Ｌ１〜Ｌ３…加圧流体供給ライン、
Ｐ１〜Ｐ４…ポンプ、
Ｖ１〜Ｖ４…バルブ。

Claims (7)

1. 気液接触槽に貯留された液体中に微細気泡を発生させる方法において、
   （i）表面に微細孔を有する複数の中空糸を、前記中空糸の中間部分を拘束することなく揺動可能に緩めた状態で両端を支持し、前記気液接触槽内の液体中に浸漬させ、
   （ii）前記中空糸内に気液混合流体を圧送し、前記気液混合流体中に含まれる気体成分を前記中空糸の微細孔に通過させて気泡化する際に、前記気液混合流体が前記中空糸の内側から前記微細孔を通って外側に流出するときの流動エネルギにより前記中空糸を揺動させ、前記中空糸の表面から気泡を離脱させることを特徴とする微細気泡発生方法。
2. 前記複数の中空糸を前記気液接触槽の底部に沿って敷き並べることを特徴とする請求項１記載の微細気泡発生方法。
3. 前記複数の中空糸を、同じ方向に揃えて配置することを特徴とする請求項２項記載の微細気泡発生方法。
4. 処理対象となる液体を貯留する気液接触槽と、
   表面に微細孔を有し、前記気液接触槽内の液体中に浸漬され、両端が支持され、中間部分が拘束されることなく前記液体中において揺動可能に緩んだ状態にある複数の中空糸と、
   前記中空糸の内部に気液混合流体を圧送する流体供給手段と、
   を具備することを特徴とする微細気泡発生装置。
5. 前記複数の中空糸は、前記気液接触槽の底部に沿って敷き並べられていることを特徴とする請求項４記載の微細気泡発生装置。
6. 前記複数の中空糸は、同じ方向に揃えて配置されていることを特徴とする請求項５記載の微細気泡発生装置。
7. 前記複数の中空糸の両端を支持し、前記流体供給手段および前記中空糸にそれぞれ連通し、前記複数の中空糸に前記気液混合流体を分配する流体分配部材をさらに有することを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項記載の微細気泡発生装置。

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