JP2009101263A - 超微細気泡発生器及び水溶液浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目詰まりを簡単に解消できると共に、効果的にマイクロバブル等の超微細気泡を発生する。
【解決手段】超微細気泡発生器２０では、両端面が閉塞された筒状体２１内に、複数（多数）の独立した固体である衝突小体２４が備えられている。閉塞板２２側から気液二相流体を筒状体２１内に圧入・供給すると、気液二相流体の流動力により、衝突小体２４は閉塞板２３側に寄って相互に密着した一塊となる。このように一塊となった衝突小体２４に気液二相流体が衝突することによりマイクロバブル等が発生する。目詰まりが発生したときには、気液二相流体の供給を停止する。そうすると、衝突小体２４はバラバラの散乱状態となり、目詰まり物質が衝突小体２４から離れ、目詰まり状態が簡単に解消する。
【選択図】図２

Description

本発明は超微細気泡発生器及び水溶液浄化装置に関し、汚濁度が高い水溶液であっても、目詰まりを簡単に解消して超微細気泡を継続して発生できるように工夫したものである。

なお、本願でいう「超微細気泡」とは、マイクロバブルやマイクロナノバブルやナノバブルを含むものを意味する。
マイクロバブルとは、その発生時において気泡の直径が、１０μｍ〜数十μｍの気泡であり、
マイクロナノバブルとは、気泡の直径が、数百ｎｍ〜１０μｍの気泡であり、
ナノバブルとは、気泡の直径が、数百ｎｍ以下の気泡である。

油や粉塵や金属粉や砥粒や繊維片や垢や土砂や塵などの混入物が混入した水溶液から、混入物を分離する手法として、超微細気泡を利用した浮上分離法がある。

この浮上分離法を利用した水溶液浄化装置の従来例を、図５を参照して説明する。
図５に示すように、分離槽１内には、水溶液２が貯溜される。この水溶液２は、水に混入物（油や粉塵や金属粉や砥粒や繊維片や垢や土砂や塵など）が混入したものである。

液配管３は、その入口端３ａが分離槽１に接続され、その出口端３ｂが分離槽１の内部に挿入されている。このため、液配管３は、分離槽１内に貯溜されている水溶液２を循環流通させる循環流通配管となっている。

液配管３には、ポンプ４とマイクロバブル発生器５が介装されている。ポンプ４が作動すると、分離槽１内の水溶液２は、入口端３ａから液配管３内に吸引され、液配管３内を矢印α方向に沿い流通し、出口端３ｂから分離槽１内に吐出される。
このとき、マイクロバブル発生器５は、マイクロバブルを発生する。したがって、マイクロバブルが混入した水溶液２が出口端３ｂから分離槽１内に供給される。

分離槽１内の水溶液２中に供給されたマイクロバブルは、水溶液２内においてゆっくりとした速度で上昇していく。このとき、水溶液２中に混入している混入物にマイクロバブルが付着する。そして、マイクロバブルが付着した混入物は上昇していき、液面２ａの上に浮上する。

液面２ａ上のマイクロバブル（混入物を含むマイクロバブル）を、分離槽１外に取り出すことにより、混入物を排出すること、即ち、水溶液２から混入物を分離除去することができる。

このような水溶液浄化装置を用いることにより、工場排水の浄化や、温泉やプールやクーリングタワーで使用する水（湯）の浄化などを行なうことができる。

なおマイクロバブルは、一般的にマイナスに帯電しているため、プラスに帯電している混入物と、良く結びつく性質を有している。
また、マイクロバブル同士は、同じ帯電極性となっているため、マイクロバブル濃度が濃くても、マイクロバブル同士が結合して成長することはないという特性を有している。
更に、マイクロバブルは微細であるため、単位体積あたりに多量のマイクロバブルを注入することができ、単位体積あたりにおけるマイクロバブルの総表面積が広く、混入物が付着し易いという特性を有している。

マイクロバブルを発生させるマイクロバブル発生器としては、
（１）加圧された液体中に、気体を過飽和状態で溶解させ、その後に、減圧開放してマイクロバブルを発生させる加圧溶解型や、
（２）気液二相流体を円筒状本体の内部で超高速回転させることによって、円筒状本体の内部で液体と気体の遠心分離作用を利用し、装置中心部に形成された旋回空洞部を、装置出口前後における旋回速度差で剪断することでマイクロバブルを発生させる旋回流型や、
（３）空気と水を同時にポンプに送り込み、羽根車などの小物体を回転させ、キャビテーションを形成しマイクロバブルを発生させるキャビテーション型や、
（４）多孔質フィルタをガス分散器としてガス出口に取り付け、ガスを圧入してマイクロバブルを発生させる多孔質型や、
（５）気液二相流体を衝突物体に衝突させることにより混合・攪拌してマイクバブルを発生させる静止混合器型、など各種のタイプのものがある。

このうち、静止混合器型のマイクロバブル発生器は、可動部や回転部が無く、またモータや電気配線が不要であるため、メンテナンスが容易で構成が比較的簡単であるという利点がある。

ここで、静止混合器型のマイクロバブル発生器５−１を、図６を参照して説明する。同図に示すように、静止混合器型のマイクロバブル発生器５−１は、中空容器５ａの内部空間に、複数のミキシングブレード５ｂが配置されている。
このミキシングブレード５ｂとしては、ブレード形状のものや、突起形状のものや、リベット形状のものや、柱状のものや、板材を複雑に組み合わせたもの等がある。つまり衝突物体として機能するものとして、各種のタイプのものがある。
更に、液配管３のうち中空容器５ａよりも上流側には、空気管５ｃが接続されている。

ポンプ４により圧送された水溶液２が液配管３を介してマイクロバブル発生器５に供給されると、空気管５ｃを介して吸入された空気も、マイクロバブル発生器５に供給される。つまり、空気と水溶液２（水）とが混合した気液二相流体が、中空容器５ａ内に供給される。
空気と水溶液２（水）とが混合した気液二相流体は、ミキシングブレード５ｂに衝突しつつ攪拌・混合されて激しい乱流となって流通する。このとき、ミキシングブレード５ｂの下流に渦が生じてキャビテーションが発生し、空気が剪断されてマイクロバブルが発生する。

特開２００７−３８１９５ 特開２００７−４４６３５

ところで図６に示す従来技術に係る静止混合器型のマイクロバブル発生器５−１では、水溶液２の汚濁度が高く多量の混入物が混入されている場合には、混入物が固定部材であるミキシングブレード５ｂに引っかかって目詰まりを起こしてしまい、マイクロバブルの発生や、水溶液２の流通ができなくなってしまうという問題があった。
しかも、ミキシングブレード５ｂは、固定部材であるため、一旦、目詰まりが発生すると、目詰まり状態から解除されることなく、目詰まり状態が急激に悪化していく。

同様に、装置内部の構造体が固定されている、加圧溶解型や、旋回流型や、多孔質型においても、同様に、目詰まりが発生しやすいという問題があった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、気液二相流体を衝突体に衝突させてマイクロバブル等の超微細気泡を発生させる超微細気泡発生器であっても、目詰まりを簡単に解消できる超微細気泡発生器及び水溶液浄化装置を提供することを目的とする。
これにより、汚濁度の高い水溶液を使用しても目詰まりを簡単に解消でき、マイクロバブル等の超微細気泡の発生を継続することができる。

上記課題を解決する本発明に係る超微細気泡発生器の構成は、
両端面が閉塞されており、一端側から圧入・供給された気液二相流体が軸方向に流れて他端側から排出される筒状体と、
前記筒状体の内部空間内で移動自在に前記筒状体の内部に備えられている、それぞれ独立した固体である複数の衝突小体と、
を有することを特徴とする。

また本発明に係る超微細気泡発生器の構成は、
前記筒状体の内部空間の体積に対して、複数の前記衝突小体を相互に密着させて一塊にしたときに前記衝突小体が占める体積の方が小さくなっていることを特徴とする。

また本発明に係る超微細気泡発生器の構成は、
両端面が閉塞されており、一端側から圧入・供給された気液二相流体が軸方向に流れて他端側から排出される筒状体と、
前記筒状体の内部空間に充填状態で備えられている、それぞれ独立した固体である複数の衝突小体と、
を有することを特徴とする。

また本発明に係る超微細気泡発生器の構成は、
前記衝突小体は、パイプ形状または球形状または塊形状になっていることを特徴とする。

また本発明に係る水溶液浄化装置の構成は、
液体を貯溜する分離槽と、
前記液体を前記分離槽から取り出して流通させた後に、再び前記分離槽に戻す液配管と、
前記液配管に介装されて前記液体を前記液配管に圧送・流通させるポンプと、
前記液配管内に圧送・流通されている液体に対して空気を混入して気液二相流体とする空気混入手段と、
前記液配管に介装されて前記気液二相流体が流通する前記超微細気泡発生器と、
を有することを特徴とする。

また本発明に係る水溶液浄化装置の構成は、
液体を貯溜する分離槽と、
前記液体を前記分離槽から取り出して流通させた後に、再び前記分離槽に戻す液配管と、
前記液配管に介装されて前記液体を前記液配管に圧送・流通させるポンプと、
前記液配管に介装されて前記液体が内部に流通する箱状体と、この箱状体の外表面に装着された超音波発振子とを具備する超音発振装置と、
前記液配管内に圧送・流通されている液体に対して空気を混入して気液二相流体とする空気混入手段と、
前記液配管に介装されて前記気液二相流体が流通する前記超微細気泡発生器と、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、超微細気泡発生器は、気液二相流体が軸方向に流れる筒状体の内部に、移動自在に複数の衝突小体を備えた構成となっているため、気液二相流体を供給すると気液二相流体の流動力により、複数の前記衝突小体は相互に密着して一塊になる。このため、この一塊となった各衝突小体に気液二相流体が衝突しつつ攪拌・混合されてキャビテーションが発生し、空気が剪断されて超微細気泡が効果的に発生する。
一方、気液二相流体の供給を停止すると、各衝突小体はバラバラの散乱状態となり、これにより衝突小体に引っかかっていた目詰まり物質が、衝突小体から離れて、目詰まり状態を簡単且つ迅速に解消することができる。

このような目詰まりを簡単に解消できる超微細気泡発生器を用いて水溶液分離装置を構成することにより、汚濁度の高い水溶液に対しても、超微細気泡を利用した浮上分離を行なうことが可能になった。

以下に本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。

図１〜図４を参照して、本発明の実施例に係る、超微細気泡発生器２０、及びこれを用いた水溶液浄化装置１０を説明する。

図１に示すように、分離槽１内には、水溶液２が貯溜される。この水溶液２は、水に混入物（油や粉塵や金属粉や砥粒や繊維片や垢や土砂や塵など）が混入したものである。

液配管３は、その入口端３ａが分離槽１に接続され、その出口端３ｂが分離槽１の内部に挿入されている。このため、液配管３は、分離槽１内に貯溜されている水溶液２を循環流通させる循環流通配管となっている。

液配管３には、ポンプ４と、超音波発振装置３０と、超微細気泡発生器２０が介装されている。
ポンプ４が作動すると、分離槽１内の水溶液２は、入口端３ａから液配管３内に吸引され、液配管３内を矢印α方向に沿い圧送・流通され、出口端３ｂから分離槽１内に吐出される。

ここで、超微細気泡発生器２０の構成を、図２及び図３を参照して説明する。
超微細気泡発生器２０の筒状体２１は、その一端面（上流側面）が閉塞板２２により閉塞されており、その他端面（下流側面）が閉塞板２３により閉塞されている。そして、一端側では液配管３が閉塞板２２を貫通し、また他端側では液配管３が閉塞板２３を貫通しており、ちょうど筒状体２１が、液配管３に介装されている。
このため液配管３により供給された水溶液２が、筒状体２１の軸方向に沿い流れる。

なお、図２の例では液配管３が閉塞板２２，２３を貫通しているが、これに限らず、上流側の液配管３を、筒状体２１の周面のうちの一端側に接続し、下流側の液配管３を、筒状体２１の周面のうちの他端側に接続するようにしてもよい。

この筒状体２１の内部空間には、多数の衝突小体２４が備えられている。衝突小体２４は、例えば図３に示すようなパイプ形状となった固体であり、各衝突小体２４はステンレスや樹脂等からなる剛性を有する独立した固体である。
なお、衝突小体２４の形状は、パイプ形状に限らず、球形状や、立方形状等の塊形状であってもよい。
また、液配管３の開口端面のうち、筒状体２１の内部に臨む開口端面に、網部材を配置して、液配管３内に衝突小体２４が入り込むことを防止するようにしてもよい。特に、衝突小体２４が、液配管３の径よりも小さい場合に、この網部材が必要である。

多数（複数）の衝突小体２４は、筒状体２１の内部空間に充満する状態ではなく、隙間を空けた状態で備えられているため、筒状体２１の内部空間を自由に移動することができる。
換言すると、筒状体２１の内部空間の体積に対して、各衝突小体２４を相互に密着させて一塊にしたとき（図２に示すような状態にしたとき）に衝突小体２４が占める空間の方が小さくなるように、筒状体２１の内部空間に備える衝突小体２４の数を設定している。

超微細気泡発生器２０よりも上流側の液配管３には空気管２５が接続されており、この空気管２５を介して液配管３内に空気Ａが流入して混入される。例えば、圧縮空気源から空気管２５を介して空気Ａを供給したり、自然吸入により空気管２５を介して空気Ａを供給したりしている。
液配管３内に圧入・流通されている液体（水溶液２）に空気Ａが混入すると、空気Ａと液体（水、具体的には水溶液２）とが混合した気液二相流体となり、この気液二相流体が筒状体２１内に圧入・供給される。

空気Ａと水溶液２とが混合した気液二相流体が、超微細気泡発生器２０の上流側（閉塞板２２側）から圧入・供給されると、この気液二相流体２の流動力により、多数の衝突小体２４は、図２に示すように、下流側（閉塞板２３側）に押し流されて相互に密着した一塊となる。
つまり、筒状体２１の内部空間の下方（上流側）は衝突小体２４が存在しない空き空間となり、筒状体２１の内部空間の上方（下流側）には一塊となった多数の衝突小体２４が密着状態で存在することになる。

気液二相流体は、筒状体２１の内部空間の上方（下流側）において、相互に密着状態となった一塊の多数の衝突小体２４に衝突しつつ攪拌・混合されて激しい乱流となって流通し、キャビテーションが発生する。これにより、空気Ａが剪断されてマイクロバブルが発生する。

なお、水溶液２中に、予めマイクロバブルが存在している場合には、つまり超微細気泡発生器２０により発生したマイクロバブルを含む水溶液２が分離槽１に流れ込み、マイクロバブルを含む水溶液２が再び超微細気泡発生器２０に供給された場合には、このマイクロバブルを含む気液二相流体が超微細気泡発生器２０を通過して攪拌・混合されることにより、マイクロバブルが更に微細化されてマイクロナノバブルやナノバブルが発生する。

このようにして発生したマイクロバブル等（超微細気泡）が混入した水溶液は、液配管３を流通し、出口端３ｂから分離槽１内に供給される。

次に超音波発振装置３０について、図４を参照して説明する。
この超音波発振装置３０の箱状体３１は、液配管３に介装された状態で配置されており、この箱状体３１の内部には水溶液２が流通する。
箱状体３１の外表面には、複数の超音波発振子３２が装着されており、この超音波発振子３２には、図示しない超音波発振源から発振信号が供給される。そうすると、超音波発振子３２が超音波振動して、箱状体３１の内部を流通する水溶液２を超音波振動させる。

このように、箱状体３１の内部を流通する水溶液２を超音波振動させることにより、水溶液２に含まれている微生物が超音波振動により破壊される。この結果、超音波による殺菌をすることができる。
なお、水溶液２を超音波振動させることによっても、マイクロバブルの発生をさせることができる。

上記構成となっている水溶液浄化装置１０では、ポンプ４が作動すると、分離槽１内の水溶液２は、入口端３ａから液配管３内に吸引され、液配管３内を矢印α方向に沿い流通し、出口端３ｂから分離槽１内に吐出される。
このとき、水溶液２は超音波発振装置３０内を流通する際に、超音波が照射されるため、水溶液２に含まれている微生物が超音波照射により破壊されて殺菌される。

また空気Ａと水溶液２とが混合した気液二相流体が超微細気泡発生器２０内を流通することにより、マイクロバブル等の超微細気泡が発生する。このようにして発生した超微細気泡が混入した水溶液２は、液配管３を流通して出口端３ｂから分離槽１内に供給される

分離槽１内の水溶液２中に供給されたマイクロバブル等の超微細気泡は、水溶液２内においてゆっくりとした速度で上昇していく。このとき、水溶液２中に混入している混入物にマイクロバブル等が付着する。そして、マイクロバブル等が付着した混入物は上昇していき、液面２ａの上に浮上する。

液面２ａ上のマイクロバブル等（混入物を含むマイクロバブル）を、分離槽１外に取り出すことにより、混入物を排出すること、即ち、水溶液２から混入物を分離除去することができる。
なお、マイクロバブルによる殺菌作用により、分離装置１内に貯溜された水溶液２の殺菌をすることもできる。

このような水溶液浄化装置を用いることにより、工場排水の浄化や、温泉やプールやクーリングタワーで使用する水（湯）の浄化などを行なうことができる。

水溶液２が汚濁度の高い液体であった場合には、超微細気泡発生器２０の筒状体２１内で一塊となった筒状小体２４に混入物が引っかかって目詰まりすることがある。
目詰まりが生じて、液配管３に流れる水溶液２の流通量が減少してきたら、ポンプ４を一旦停止する。そうすると、液配管３内に水溶液２が流通しなくなる。

このようにして水溶液２の流通がなくなると、水溶液２の流動力がなくなり、筒状体２１の内部空間の上方（下流側）で一塊となった多数の衝突小体２４は、密着状態がくずれて自由に下方に移動してバラバラの散乱状態となる。
このようにして、多数の衝突小体２４が塊状態から個々に分かれた散乱状態になることにより、目詰まりとなっていた物体（混入物）が衝突小体２４から離れたり、目詰まりとなっていた大きな物体（混入物）が壊れて区々の小さい物体になる。
つまり、目詰まり状態を解消することができる。

そして、再びポンプ４を作動して水溶液２を液配管３に圧送・流通させると、筒状体２１の内部空間の上方（下流側）に、多数の衝突小体２４が一塊となって密着し、この一塊の衝突小体２４に、水溶液２（気液二相流体）が衝突して、超微細気泡が再び発生する。

このように、本発明の超微細気泡発生器２０では、汚濁度の高い水溶液を流通させても、水溶液の流通を一旦停止するだけで、目詰まりを簡単に解消することができ、連続的に超微細気泡の発生を行なうことができる。

また、このような超微細気泡発生器２０を備えた水溶液浄化装置１０では、汚濁度の高い水溶液の浄化を長時間に渡り連続的に行なうことができる。また、浄化作業の途中で、目詰まりにより液配管３の流通量が減少したときには、一旦、ポンプ４の運転をやめて水溶液２の流通を止めるだけで、超微細気泡発生器２０での目詰まりを簡単に解消することができる。

この結果、本発明の超微細気泡発生器や、この超微細気泡発生器を用いた水溶液浄化装置を使用することにより、汚濁度の高い水溶液に対しても、超微細気泡を利用した浮上分離を行なうことが可能になった。

なお、図１，図２に示す例では、超微細気泡発生器２０の筒状体２１を、その軸が垂直状態になるようにして配置したが、筒状体２１を、その軸が水平状態になるようにして配置してもよい。

また図２に示す例では、筒状体２１の内部に、衝突小体２４を充満させることなく備えているが、筒状体２１の内部に充満させる状態で衝突小体２４を充填してもよい。
筒状体２１の内部に衝突小体２４を充填した場合には、衝突小体２４の自由な移動は規制されてしまうが、目詰まりが発生したときには、閉塞板２２または閉塞板２３を外して内部の衝突小体２４を攪拌することにより、簡単に目詰まり状態を解消することができる。

本発明の実施例に係る水溶液浄化装置を示す構成図。 本発明の実施例に係る超微細気泡発生器を示す構成図。 衝突小体を示す斜視図。 本発明の実施例に係る水溶液浄化装置に用いる超音波発振装置を示す構成図。 従来の水溶液浄化装置を示す構成図。 従来の静止混合型のマイクロバブル発生器を示す構成図。

符号の説明

１ 分離槽
２ 水溶液
３ 液配管
４ ポンプ
１０ 水溶液浄化装置
２０ 超微細気泡発生器
２１ 筒状体
２２，２３ 閉塞板
２４ 衝突小体
２５ 空気管
３０ 超音波発振装置
３１ 箱状体
３２ 超音波発振子

Claims (6)

1. 両端面が閉塞されており、一端側から圧入・供給された気液二相流体が軸方向に流れて他端側から排出される筒状体と、
   前記筒状体の内部空間内で移動自在に前記筒状体の内部に備えられている、それぞれ独立した固体である複数の衝突小体と、
   を有することを特徴とする超微細気泡発生器。
2. 請求項１において、
   前記筒状体の内部空間の体積に対して、複数の前記衝突小体を相互に密着させて一塊にしたときに前記衝突小体が占める体積の方が小さくなっていることを特徴とする超微細気泡発生器。
3. 両端面が閉塞されており、一端側から圧入・供給された気液二相流体が軸方向に流れて他端側から排出される筒状体と、
   前記筒状体の内部空間に充填状態で備えられている、それぞれ独立した固体である複数の衝突小体と、
   を有することを特徴とする超微細気泡発生器。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
   前記衝突小体は、パイプ形状または球形状または塊形状になっていることを特徴とする超微細気泡発生器。
5. 液体を貯溜する分離槽と、
   前記液体を前記分離槽から取り出して流通させた後に、再び前記分離槽に戻す液配管と、
   前記液配管に介装されて前記液体を前記液配管内で圧送・流通するポンプと、
   前記液配管内で圧送・流通されている液体に対して空気を混入して気液二相流体とする空気混入手段と、
   前記液配管に介装されて前記気液二相流体が流通する、請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載した超微細気泡発生器と、
   を有することを特徴とする水溶液浄化装置。
6. 液体を貯溜する分離槽と、
   前記液体を前記分離槽から取り出して流通させた後に、再び前記分離槽に戻す液配管と、
   前記液配管に介装されて前記液体を前記液配管内で圧送・流通させるポンプと、
   前記液配管に介装されて前記液体が内部に流通する箱状体と、この箱状体の外表面に装着された超音波発振子とを具備する超音発振装置と、
   前記液配管内で圧送・流通されている液体に対して空気を混入して気液二相流体とする空気混入手段と、
   前記液配管に介装されて前記気液二相流体が流通する、請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載した超微細気泡発生器と、
   を有することを特徴とする水溶液浄化装置。

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