JP2009297698A - 揮発性有機化合物除去装置および揮発性有機化合物除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有機塗料の溶剤型塗料を使用する際に発生する揮発性有機化合物を除去し、大気汚染防止法に対応する。
【解決手段】 キャビテーションにより水流中の溶存気体などを気化してマイクロバブルを形成するマイクロバフル発生器と、これに接続するスプレーノズルとを、気流中に配置し、気流中に噴霧される水微粒子に付着する揮発性有機化合物を、マイクロバブル消滅による歪みエネルギー解放により無害化する。マイクロバブルの気泡径分布ピークが、１０乃至３０μｍの範囲内にあるマイクロバブル発生器を採用することで、揮発性有機化合を確実に酸化処理する。
【選択図】図１

Description

本発明は塗装時に発生するトルエンやキシレンなどの揮発性有機化合物を、捕捉し分解することで作業滝環境改善と大気汚染防止を企図する。

塗装作業で使用される有機塗料からは大気汚染、水質汚濁、悪臭の原因となる、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）が排出される。大気汚染防止法を遵守すべく、メーカーや業者は、低溶剤型塗料への切り替えを余儀なくされている。しかし、塗装品質の面から有機塗料への執着心は強い。本願発明者は既に塗装ブース内の環境改善と排出配慮のために水フィルタシステムを提唱している。特開平０６−１１５４１２号は、「排出ファンの作動により，塗装ブースの天井からの気流は噴霧空間へと強制吸引され，貯水槽内一部を通過して外部に放出される。この噴霧空間内には多量の水が噴霧手段によって噴霧されており，一種の水スクリーンが形成されている。微粒水滴はこの噴霧空間内を通過する気流中の塗料粉末を吸着する」。特開平１１−３０９３９７号は、・・このように水フィルタと繊維フィルタの相乗効果によって，塗装ブース内の作業者には常に新鮮な空気が供給される。室温度１３．０℃，湿度４９％の条件下でメチルエチルケトン，酢酸イソブチル，トルエン，酢酸ブチル，キシレンの濃度を測定したところ，いづれも１．０ｐｐｍ以下であった。

更に、特開平０９−１０３７２３号では、「扇状散水器から放出される扇状薄膜（角度θ）は，通過する汚染空気中のＶＯＣや塗料粉末を溶着除去する。互いに対向する扇状散水器対を多数配置したため，ウオーターカーテンにより汚染空気の多くはこの水膜にて捕捉されることになる」。

近年、マイクロバブルが注目されている。特開２００８−４３９０６号−−「マイクロバブルは、気体と液体との混合液よりなる気液二相流体を、内側形状が円筒形又は円錐形の容器内で毎秒約３００〜７００回転させて、同容器の中心部に液体及び気体の２相旋回流を形成させ、その２相旋回流の回転軸に沿って気体の負圧空洞部を形成させて、旋回気体空洞部を形成させ、その旋回によって気体を千切り、かつ粉砕して製造される。発生後は徐々に微細化し消滅する。寿命は、大気圧が作用する水面近くの常圧の場合は数秒前後である。マイクロバブルの物理的特性として、発生時に直径が１０〜４０μｍで、電位が−４０〜−１００ｍＶの微細気泡で、その後、気泡径が小さくなるに従い、その電位量の絶対値は逆比例して増加するものである。数百ミクロンの気泡と比較して、表面張力が極端に大きく、内圧が高い。マイクロバブルが消滅する際の内圧は、数千気圧にも達するといわれている。消滅時には、暗闇で自発光が確認できる程の高エネルギーを有する。

このマイクロバブルの機能に注目して、特開２００６−２０５０３６号公報−−「直径０．０１ｍｍのマイクロバブルにしてタンク部の水に通すバブル発生部とを備え、外気を超微細な気泡として水に通すことで、外気に含まれる水溶性の大気汚染物質を水に溶かし込んだり、大気汚染物質を水によって洗い流すことで、外気に含まれる大気汚染物質を効果的に除去する。厚生労働省ガイドラインでは、室内における総揮発性有機化合物（Ｔ−ＶＯＣ）の濃度指針値が示されているが、実際には、これら濃度指針値まで濃度を低下させても、化学物質過敏症の人の場合、シックハウス症候群の諸症状が出ることがある。このことから、室内の各ＶＯＣの濃度については、例えば濃度指針値の約１／１０以下、Ｔ−ＶＯＣについては、例えば濃度指針値以下に目標値を設定して対策を進めるのが望ましい」。

汚染気流中に直接マイクロバブル噴霧水を撒く、特開２００１−５８１４２号公報では、「マイクロバブル吐出ノズルは、加圧液体と気体との導入部と円筒状の気泡発生空間を有し、導入部内に、気泡発生空間に開口する加圧液体導入孔と気体導入孔を形成し、加圧液体導入孔を導入部の端面に開口し、気体導入孔を導入部の側面に開口し、気体導入孔と連通する気体導入管に気体導入量を調整する調整弁を設けたものである。加圧液体導入孔の開口から気泡発生空間内に導入された加圧液体は、高圧の下で空間内に吐出されてはがれ域を生じる。このはがれ現象によって、気体導入孔から導入された気体は、マイクロバブル（微細気泡）として吐出水流中に分散される。そして、このマイクロバブルの分散量と大きさは、気体導入量調整弁の開口程度を調節することによって任意に調整できる。また、導入部内に気泡発生空間に開口を有する気体導入孔を設けることによって、分散する気泡の分散状態と大きさを微細化できる。さらに、気泡発生空間形成用筒体に流速低下抑制孔を設けることにより、はがれ域で生じるエネルギー損失の抑制および接続された吐出側の配管内の液体に微細気泡を混入させることができる。また、気泡発生空間形成用筒体の下方位置に縮径部分または活性剤等充填部分を設けることにより、マイクロバブルを大気中に吐き出す用途に適用することができる」。

ダストやミストを帯電させ、この下流域で水を噴霧し、更に下流でこの噴霧水を帯電させ、ミストを噴霧水にクーロン付着させる方式も提案されている（特開平１０−１７４８９９号）・・「石炭、重油等を燃焼させた際に発生する排ガスを搬送し、前記放電極に高電圧発生装置によって例えば−（マイナス）の高電圧を印加すると、コロナ放電が生じ、マイナスの単極性イオンが発生する。このイオンによって処理ガス中のダストをマイナスに帯電させることができる。マイナスに帯電したダストは、散布手段（スプレー部）に搬送される。散布手段のノズルから水をダストにミスト状に散布する。ノズルの粒径は、数十ミクロン〜数ｍｍにすると良い。水とダストは、電界形成手段へ搬送される。電界形成手段には、平行平板電極間の直流電界により水を誘電分極させることができる。平均電界強度は、５ｋＶ／ｃｍに設定した。誘電分極された水は、マイナスに帯電したダストをクーロン力によって捕捉することができる」。

塗装粉末ミストや揮発性有機化合物（ｖｏｃ）を水カーテンにより吸着・除去する方式では、噴霧水の粒径が大きいので揮発性有機化合物の吸着は十分ではなく、かつ、いったん、吸着されても再分離しやすいので、排気流量を大きくして希釈し、大気汚染規制をクリアしていた。水中でのマイクロバブルの解明は理論先行で実証を待たれるものの、極めて高い表面張力による吸着能力は注目に値する。このマイクロバブル噴霧水を気流中に拡散して、揮発性有機化合物を吸着しようと検討された。

５０μｍ以下の気泡（以下マイクロバブルと称する）を内包する水微粒子を、気流中に拡散させる。キャビテーションにより水流内に５０μｍ以下のマイクロバブルを発生させ、この水流を微細化して円錐状に気流中に散布する。

マイクロバブルは発生時に気泡径に反比例する歪みエネルギーを表面張力として与えられ、かつ、マイナスの電位をもつ。永久双極子モーメントをもつ水分子をこのマイナス電位により配向するので、水微粒子の表面はプラスの電位として揮発性有機化合物を吸着する。大きな表面張力に抗すべく水微粒子内の水分子は激しく回転しており、光触媒の酸化チタンのように、酸化触媒として機能する。このマイクロバブルは消滅時に歪みエネルギーを光として発散するので、揮発性有機化合物は酸化分解され無害化される。

発明の実施するための最良の形態

水道水に直結するマイクロバブル発生器９は、キャビテーションにより水道水流内に気泡径が５０μｍ以下のマイクロバブルを発生させる。流路内に段差や絞り部を配することで乱流等により局所減圧が起こり、局所圧力が飽和水蒸気圧より低下すると溶存気体による気泡が形成される。キャビテーション現象である。ｃａｖｉｔｙ（空洞）が流体内に発生するのである。この不自然な現象をエネルギー面から分析すると、「乱流エネルギーが歪みエネルギーとして表面張力に表現された」と理解できる。その表面張力は気泡径（ｒ）の２乗に反比例することが知られている。小さいマイクロバブルほど歪みエネルギーは大きいのである。乱流による静電摩擦によりマイクロバブル表面の電位はマイナス４０〜マイナス１００ｍＶとなる。気泡径が小さくなるに従い、その電位量の絶対値は逆比例して増加する。表面張力が極端に大きく、内圧が高いために、マイクロバブルが消滅する際の内圧は、数千気圧にも達するといわれている。消滅時には、暗闇で自発光が確認できると言われている。
マイクロバブル発生器９は、直接に水道蛇口に接続するのみで、空気や酸素を供給しなくても、第２図の如きマイクロバブル発生特性を有する。水道圧：０．４Ｍｐａ，流量：２７Ｌ／ｍｉｎの時、ピーク気泡径は１０〜１９μｍである。
マイクロバルブの発生は、攪拌羽根を高速回転させる、焼結金属のようなポーラスな細孔から空気を噴出させる、水噴流を突起物へ衝突させる、圧力急変部に空気を導入して引きちぎる、などの方法が採用される。第２図のようなマイクロバブル特性を水道圧で果たすには、キャビテーション方式が好ましい。

マイクロバブル発生器９からの水流を気流中に散布すべく、スプレーノズル７と継ぎ手８を取り付ける（図３）。円錐状に水微粒子を散布するスプルーノズル７は、フルコーン型の周知ノズルでメッシュにより水微粒子として気流中に拡散する。マイナス電位のマイクロバブルを含んだ水微粒子の表面は、分極によるプラスとマイナスの両電位を示す。揮発性有機化合物である、トルエン、キシレン、酢酸ブチル、アセトン、イソプロピールアルコール、テトラクロロエチレン等は、マイナスあるいはプラスの表面電位をもつので、霧のように気流中に広がる水微粒子に、クーロン吸着する。

マイクロバブルは熱平衡状態に戻ろうとして、水微粒子内で急激に小さくなる。マイクロバブルの歪みエネルギーは表面張力として表現されるので、小さくなるにつれて表面張力のエネルギー密度が指数函数的に増加−−−歪みエネルギーの急上昇−−−する。そして、臨界値で破裂してその歪みエネルギーを光や衝撃波として発散する。水微粒子に付着している揮発性有機化合物は、この開放エネルギーにより酸化分解される。紫外線酸化法と同じようにこの開放エネルギーが振舞うと思われる。

第１図は塗装作業の際に発生する揮発有機物質を除去する実施例である。マイクロバブルを含んだ水微粒子を散布するノズル２は、スプレーノズル７とマイクロバブル発生器９よりなる。水道水に直結していが、循環水をポンプで加圧しても良い。第２図のような１０〜１９μｍがピーク気泡径のマイクロバブルを含んだ水微粒子群が噴霧される。
ガイド１内で下方に噴霧される。ノズル２上方のファン３の上昇気流は、落下する水微粒子群に浮遊力を与え、ガイド１内にサイクロンを発生させる。気流との接触時間の長いこの水微粒子は、微細かつマイナス電位に帯電しているので、上昇気流内の揮発有機物質を吸着する。ピーク気泡径が１０〜１９μｍであるため、この気液接触中に臨界径まで小さくなり急激に増加した歪みエネルギー密度を開放し、揮発有機物質を酸化処理して無害化する。符号５は塗装スプレーノズル、符号４は取り入れ口、符号６は排水管である。

第４図の実施例は、塗装ブースや室内等の吸気口に配置する空気浄化装置である。空気フィルタ１１を通過した気流は、ガイド１２内のノズル２を通過し、マイクロバブルを含んだ水微粒子により揮発有機物質を吸着除去される。吐出口１４から塗装ブース内に入る。ガイド１２の底部に溜まる水を加圧してノズル２へと循環させても良い。

キャビテーションにより水流中の溶存気体などを気化してマイクロバブルを形成するマイクロバブル発生器と、これに接続するスプレーノズルとを、気流中に配置し、気流中に噴霧される水微粒子に付着する揮発性有機化合物を、マイクロバブル消滅による歪みエネルギー解放により無害化する、揮発性有機化合物除去装置。

マイクロバブルの気泡径分布ピークが、１０乃至３０μｍの範囲内にある、請求項１記載の揮発性有機化合除去装置。この範囲のマイクロバブルが水微粒子内で更に小さくなって消滅する際には、極めて大きな歪みエネルギーが電磁波として解放される。水微粒子に吸着された揮発性有機化合物は光酸化により無害化される。

円錐状に噴霧するスプレーノズルにメッシュ体を配置する、請求項２記載の揮発性有機化合物除去装置。メッシュ体により水流は微細化される。

上昇気流に対向して水微粒子を噴霧するノズルを下向に配置し、その上部に気流を排出するファンを配置してなる、請求項１、２または３記載の揮発性有機化合物除去装置。

５０μｍ以下のマイクロバブルを発生するマイクロバブル発生器と、このマイクロバブルを含んだ水流を水微粒子として散布するスプレーノズルと、気流を発生させるファンと、塗装作業が行われる雰囲気の気流をこのファン側へと導く取り入れ口からなる、揮発性有機化合物除去装置。

５０μｍ以下のマイクロバブルを発生するマイクロバブル発生器と、このマイクロバブルを含んだ水流を水微粒子として散布するスプレーノズルとを、塗装ブースや室内に導入される気流中に配置して、導入される大気中の揮発性有機化合物を水微粒子にて吸着除去する、揮発性有機化合物除去装置。

マイクロバブル発生器で５０μｍ以下の気泡径のマイクロバブルを水流中に発生させ、これをスプレーノズルで気流中に水微粒子として拡散させ、水微粒子に気流中に含まれる揮発性有機化合物を付着させ、マイクロバブル消滅時に発生する電磁波により揮発性有機化合物を無害化する、揮発性有機化合物除去方法。

マイクロバブルの気泡径分布ピークが、１０乃至３０μｍの範囲内にある、請求項７記載の揮発性有機化合物除去方法

塗装排気流を浄化する概略説明図である。 噴霧されるマイクロバブルの気泡径分布図である。 マイクロバブル発生器とスプレーノズルの組み合わせ図である。 吸気空気を浄化する概略説明図である。

符号の説明

２ ノズル
７ スプレーノズル
９ マイクロバブル発生器

Claims (8)

1. キャビテーションにより水流中の溶存気体などを気化してマイクロバブルを形成するマイクロバブル発生器と、これに接続するスプレーノズルとを、気流中に配置し、気流中に噴霧される水微粒子に付着する揮発性有機化合物を、マイクロバブル消滅による歪みエネルギー解放により無害化する、揮発性有機化合物除去装置。
2. マイクロバブルの気泡径分布ピークが、１０乃至３０μｍの範囲内にある、請求項１記載の揮発性有機化合除去装置。
3. 円錐状に噴霧するスプレーノズルにメッシュ体を配置する、請求項２記載の揮発性有機化合物除去装置。
4. 上昇気流に対向して水微粒子を噴霧するノズルを下向に配置し、その上部に気流を排出するファンを配置してなる、請求項１、２または３記載の揮発性有機化合物除去装置。
5. ５０μｍ以下のマイクロバブルを発生するマイクロバブル発生器と、このマイクロバブルを含んだ水流を水微粒子として散布するスプレーノズルと、気流を発生させるファンと、塗装作業が行われる雰囲気の気流をこのファン側へと導く取り入れ口からなる、揮発性有機化合物除去装置。
6. ５０μｍ以下のマイクロバブルを発生するマイクロバブル発生器と、このマイクロバブルを含んだ水流を水微粒子として散布するスプレーノズルとを、塗装ブースや室内に導入される気流中に配置して、導入される大気中の揮発性有機化合物を水微粒子にて吸着除去する、揮発性有機化合物除去装置。
7. マイクロバブル発生器で５０μｍ以下の気泡径のマイクロバブルを水流中に発生させ、これをスプレーノズルで気流中に水微粒子として拡散させ、水微粒子に気流中に含まれる揮発性有機化合物を付着させ、マイクロバブル消滅時に発生する電磁波により揮発性有機化合物を無害化する、揮発性有機化合物除去方法。
8. マイクロバブルの気泡径分布ピークが、１０乃至３０μｍの範囲内にある、請求項７記載の揮発性有機化合物除去方法。

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