JP2011056344A - 磁気分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性を向上できる磁気分離装置を提供する。
【解決手段】磁気分離装置１は、磁性粒子２２を含む流体を流すためのカラム配管１１と、流体が流れるようにカラム配管１１内に配置され、磁性体を含むフィルター部１５と、フィルター部１５の上流側または下流側に配置され、カラム配管１１の内面と接する弾性変形可能なリング状のシール部材１４と、カラム配管１１の外側に配置された磁石２とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、金網等を有するフィルター部を備える磁気分離装置に関する。

従来、磁気分離装置は、半導体のシリコンウェハ加工工場から出る廃液中に含まれるシリコン粒子や鉄粉等の回収や、廃液の浄化やその他古紙製紙工場排水の浄化、地熱発電所で排出される地熱水中の砒素を除去するため等、主に地球環境保全や資源回収のために活用されている。磁気分離装置において廃水中から磁性物質を磁気分離する部分は、排水系配管内に内径を埋めるように円形の磁性金網が数百枚から数千枚収納したカラムと称するものから成り、そのカラムから成る配管を磁石で囲むように構成される。例えば、特許文献１には、長方形状の配管に複数の金網が配列された磁気分離装置が開示されている。

磁性金網は、磁石により磁化されており、磁性粒子を含んだ排水がそこを通ると鉄粉は金網に捕獲され、下流域には磁性粒子は流れ出ない。非磁性の砒素の場合では、磁性粒子に砒素を化学的に吸着できる機能を持たせたいわゆる磁性粒子を排水中に混入させる。その後に砒素を吸着した磁性粒子は磁化した金網によって捕獲される。ある程度磁性金網が磁性粒子を吸引して、吸収効率が低下した段階で一旦捕獲工程を中断する。磁石を金網群から離脱させて、金網の磁化を除いてからきれいな水を金網群の下流から流す。金網に着いた磁性粒子は水によって洗い流される。いわゆる逆洗工程を繰り返せばきれいに洗われた磁性金網は再組み立ての手間がかからない。最初に設置したカラムのまま再び磁性粒子の捕獲に利用できる。磁性金網に吸着した磁性粒子は別の配管経路に流れ出て一括回収され河川に流れ出ない。よって河川環境は保全される。回収された機能粉は薬品で化学処理され磁性粒子から砒素のみが回収される。磁性粒子そのものもまた再利用が可能である。

特開平７−６８１０９号公報

しかしながら、上述した特許文献１の磁気分離装置では、配管の内面と金網との間に隙間が形成される。排水は、抵抗の大きい金網よりも抵抗の小さい隙間に多く流れる。このため、隙間を流れる排水中の磁性粒子が回収されない。この結果、磁気分離装置の信頼性が低下するといった課題が生じる。

更に、ろ過時間が長くなり、捕獲した磁性粒子が増加するに伴って、金網の圧力損失は大きくなる。一方、上述の隙間は、圧力損失が増大することがない。このため、ろ過時間が長くなると、回収されない磁性粒子が増大するので、より信頼性が低下する。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、信頼性を向上できる磁気分離装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、磁性粒子を含む流体を流すためのカラム配管と、前記流体が流れるように前記カラム配管内に配置され、磁性体を含むフィルター部と、前記フィルター部の上流側または下流側に配置され、前記カラム配管の内面と接する弾性変形可能なリング状のシール部材と、前記カラム配管の外側に配置された磁石とを備えるものである。

また、請求項２に記載の発明は、押圧された前記シール部材の外径が、前記カラム配管の内径よりも大きいものである。

また、請求項３に記載の発明は、前記シール部材の上流側と下流側を挟むように配置された平面状の一対のリング部材を備えるものである。

また、請求項４に記載の発明は、前記流体の流路と平行な流路を有するハニカム構造体を備えるものである。

また、請求項５に記載の発明は、前記複数のフィルター部と前記複数のシール部材とが、繰り返し配置されているものである。

また、請求項６に記載の発明は、前記フィルター部及び前記シール部材の上流側及び下流側から押圧する押え治具を備えるものである。

また、請求項７に記載の発明は、前記選択的に特定の物質を吸着する表面を有する磁性粒子を磁気分離するものである。

本発明によれば、カラム配管の内面と接する弾性変形可能なシール部材によって、フィルター部とカラム配管の内面との隙間を流れる流体を遮ることができる。これにより、流体は、フィルター部が配置されている領域を流れるので、磁性粒子の捕獲率を向上させることができる。この結果、信頼性を向上させることができる。

第１実施形態による磁気分離装置の全体構成図である。 カラムの縦断面図である。 カラム内部の斜視図である。 第１実施形態と比較するための比較例の磁気分離装置の構造を説明する縦断面図である。 第１実施形態と比較例の捕獲率と捕獲時間との関係を説明するグラフである。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、本発明による第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態による磁気分離装置の全体構成図である。図２は、カラムの縦断面図である。図３は、カラム内部の全体斜視図である。以下の説明において、図１の矢印で示す上流及び下流を、磁性粒子を含む流体の流れの上流及び下流とする。

図１に示すように、第１実施形態による磁気分離装置１は、磁石２と、カラム３とを備えている。

磁石２は、後述するカラム３に積層される金網１７を磁化するものである。磁石２は、円筒状の永久磁石からなる。磁石２は、カラム３の外周を囲むように配置されている。

図２及び図３に示すように、カラム３は、カラム配管１１と、２個の押え治具１２ａ、１２ｂと、６対の金属リング１３ａ、１３ｂと、６個のシール部材１４と、６組のフィルター部１５と、ハニカム構造体１６とを備えている。ここで、金属リング１３ａ、シール部材１４、金属リング１３ｂ、フィルター部１５が順に積層されている。これらが、更に３組繰り返し配置されたものが、ハニカム構造体１６の上流側及び下流側に配置されている。

カラム配管１１は、樹脂からなる。カラム配管１１は、内径が約４０ｍｍの円筒形状に形成されている。カラム配管１１の内側には、流路２１が形成されている。カラム配管１１の下端部及び上端部には、内側に広がる押圧部１１ａ、１１ｂが形成されている。押圧部１１ａ、１１ｂは、押え治具１２ａ、１２ｂを押圧する。

一対の押え治具１２ａ、１２ｂは、間接的にシール部材１４を押圧するものである。押え治具１２ａ、１２ｂは、カラム配管１１の上端部と下端部に配置される。押え治具１２ａ、１２ｂは、円筒形状に形成されている。

一対の金属リング１３ａ、１３ｂは、流体の水圧を受けて、シール部材１４を押圧して弾性変形させるものである。金属リング１３ａは、各シール部材１４の上流側に配置されている。金属リング１３ｂは、各シール部材１４の下流側に配置されている。また、換言すると、一対の金属リング１３ａ、１３ｂは、押え治具１２ａ、１２ｂとフィルター部１５との間、及び、フィルター部１５とフィルター部１５との間に配置されている。金属リング１３ａ、１３ｂは、平面状に構成されている。ここで、金属リング１３ａ、１３ｂの平面積は、シール部材１４の平面積よりも大きい。これにより、金属リング１３ａ、１３ｂは、流体の水圧を受け易くなる。この結果、金属リング１３ａ、１３ｂは、効率よく、シール部材１４を押圧して、弾性変形させることが可能となる。金属リング１３ａ、１３ｂの内径は、金網１７の外径よりも大きい。

シール部材１４は、弾性変形可能なゴム製のオーリングからなる。シール部材１４は、一対の金属リング１３ａ、１３ｂの間に配置される。シール部材１４の外径は、金属リング１３ａ、１３ｂによって押圧されることにより、カラム配管１１の内径よりも大きくなるように構成されている。これにより、シール部材１４の外周とカラム配管１１の内面との密着性が向上する。

各フィルター部１５は、積層された５０枚の金網１７を有する。即ち、６組のフィルター部１５は、合計３００枚の金網１７が積層されている。各フィルター部１５は、約２５ｍｍの高さを有する。金網１７は、磁石２によって磁化されて流体中の磁性粒子２２を捕獲するものである。金網１７は、約３８ｍｍの直径を有する。金網１７は、７０メッシュに形成されている。金網１７は、磁性体であるＳＵＳ４３０等のステンレスの針金が編まれた構造を有する。

ハニカム構造体１６は、流路２１の一部となる中空部が形成された六角柱がマトリックス状に配置された構造を有する。ハニカム構造体１６の六角柱は、流体の流れる方向に沿って延びるように構成されている。ハニカム構造体１６は、カラム配管１１の略中央部に配置される。具体的には、ハニカム構造体１６は、下から３組目のフィルター部１５と上から３組目のフィルター部１５との間に配置される。

次に、磁気分離装置１の周辺の構成について説明する。

図１に示すように、磁気分離装置１のカラム配管１１の上端及び下端には、配管３１、３２が接続されている。

配管３１の一端は、三方弁３３に接続されている。三方弁３３は、磁性粒子２２を含む流体である排水供給用の配管３４と、逆洗水排出用の配管３５とに接続されている。三方弁３３は、この２つの配管３４、３５を切り替えて、配管３１に接続する。逆洗水排出用の配管３５の端部には、磁性粒子２２を回収するための回収槽３６が配置されている。

配管３３の一端は、三方弁３７に接続されている。三方弁３７は、逆洗水供給用の配管３８と、清水排出用の配管３９とに接続されている。三方弁３７は、この２つの配管３８、３９を切り替えて、配管３２に接続する。

次に、上述した磁気分離装置１の動作を説明する。

まず、磁気分離装置１では、磁石２に電流が流され、磁場を発生させる。これにより、カラム３の金網１７が磁化される。次に、三方弁３３によって配管３１と配管３４とが接続されるとともに、三方弁３７によって配管３２と配管３９とが接続される。この状態で、配管３４、三方弁３３及び配管３１を介して、磁性粒子２２を含む流体である排水がカラム３のカラム配管１１に供給される（図１の矢印Ａ１参照）。排水の磁性粒子２２は、磁化された金網１７によって捕獲される。

ここで、排水が、カラム配管１１内を流れている間は、排水の水圧により、平面状の金属リング１３ａ、１３ｂが押圧される。これにより、金属リング１３ａ、１３ｂは、シール部材１４を押圧するので、シール部材１４は、外径が大きくなるように変形される。このため、シール部材１４の外周とカラム配管１１の内面との密着性が向上するので、排水は、カラム配管１１の内面の近傍を流れることができない。この結果、排水は、金網１７が配置されている領域を流れるので、流体内の磁性粒子２２の捕獲率が高くなる。

更に、金網１７が磁性粒子２２を捕獲するにつれて、金網１７が受ける排水の水圧も大きくなる。これにより、金網１７が受ける水圧が、金属リング１３ａ、１３ｂを介してシール部材１４に作用するので、捕獲時間が長くなるに連れて、シール部材１４の外周とカラム配管１１の内面との密着性が向上する。

また、排水は、カラム配管１１の中央部に配置されたハニカム構造体１６によって、カラム配管１１の中央部へと導かれつつ流れる。これにより、磁性粒子２２の捕獲率が、より高くなる。

この後、磁性粒子２２が除去された排水は、清水となって配管３２、三方弁３７及び配管３９を介して排出される（図１の矢印Ａ２参照）。

次に、金網１７が、磁性粒子２２の捕獲限界まで達して、捕獲能力が低下すると、排水の供給を停止する。この後、磁石２への電力供給を停止して、磁場の発生を停止する。三方弁３３、３７が配管３１、３２の接続先を変更する。具体的には、三方弁３３は、配管３４を遮断して、配管３１と配管３５とを接続する。一方、三方弁３７は、配管３９を遮断して、配管３２と配管３８とを接続する。

次に、逆洗水が、配管３８、３２及び三方弁３７を介して、カラム配管１１に給水される（図１の矢印Ａ３参照）。カラム配管１１を流れる逆洗水は、金網１７から捕獲された磁性粒子２２を除去する。この後、磁性粒子２２を含む逆洗水は、配管３１、３５及び三方弁３３を介して、回収槽３６へと排水される（図１の矢印Ａ４参照）。この後、回収槽３６内の磁性粒子２２が回収されて、再利用される。

上述したように第１実施形態による磁気分離装置１では、フィルター部１５とフィルター部１５との間に弾性変形可能なシール部材１４を配置している。シール部材１４の外周は、弾性変形されて、カラム配管１１の内面と密着されるので、フィルター部１５の金網１７の外周とカラム配管１１の内面との間の隙間を流れる流体を遮断することができる。これにより、流体は、金網１７が配置されている領域を流れるので、磁性粒子２２の捕獲率を向上させることができる。この結果、磁気分離装置１は、信頼性を向上させることができる。

また、磁気分離装置１では、平面状の金属リング１３ａ、１３ｂがシール部材１４を挟むように配置されている。これにより、流体の水圧を受け易い平面状の金属リング１３ａ、１３ｂにより、シール部材１４を押圧することができる。この結果、シール部材１４とカラム配管１１との密着性を向上させることができるので、より信頼性を向上させることができる。

また、磁気分離装置１では、押え治具１２ａ、１２ｂによって、間接的に、シール部材１４を押圧している。これにより、シール部材１４とカラム配管１１との密着性をより向上させることができる。

また、磁気分離装置１は、ハニカム構造体１６を流路２１内に設けているので、流体の流れをカラム配管１１の中央へと向けることができる。

（実験）
次に、上述した第１実施形態の効果を実証するために行った実験について説明する。図４は、第１実施形態と比較するための比較例の磁気分離装置の構造を説明する縦断面図である。図５は、第１実施形態と比較例の捕獲率と捕獲時間との関係を説明するグラフである。

図４に示すように、比較例の磁気分離装置５１は、磁石５２と、カラム配管５３と、カラム配管５３の内部に金網５４が積層されたフィルター部５５とを備えている。即ち、比較例では、第１実施形態の金属リング１３ａ、１３ｂ、シール部材１４、ハニカム構造体１６が省略されている。

実験は、同濃度の磁性粒子を水溶液に混合した流体を約２０Ｌ／ｍｉｎの流速で流した。磁石２、５２の磁場は、０．１５Ｔとした。

図５に示すように、比較例は、第１実施形態に比べて、捕獲率の低下が速いことがわかる。具体的には、比較例は、約３分３０秒で捕獲率の低下が始まる。一方、第１実施形態は、約８分３０秒後に捕獲率の低下が始まる。

これは、比較例では、金網５４が磁性粒子２２の捕獲が進むにつれて、金網５４による流体の遮蔽率が高くなり、より多くの流体が金網５４とカラム配管５３との間の隙間を流れるためと考えられる。

一方、第１実施形態では、金網１７による磁性粒子２２の捕獲が進んでも、流体はシール部材１４によって遮られて、金網１７とカラム配管１１との間の隙間を流れることができない。このため、流体は、捕獲時間が経過しても、金網１７が配置されている領域を流れるためと考えられる。

以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。

上述した実施形態の各構成の形状、数値、材料等は適宜変更可能である。

上述した実施形態では、フィルター部を金網によって構成したが、フィルター部を金属の綿状の部材によって構成してもよい。

また、磁性粒子を選択的に特定の物質を吸着するように構成してもよい。例えば、磁性を有する鉄、コバルト、ニッケル等を核とし、その核の表面に特定の物質を吸着する吸着剤が被覆された磁性粒子をあげることができる。また、リンを回収する場合には、分子構造の一端にアミノ基を有する窒素含有化合物と、この窒素含有化合物に固定化された亜鉛イオン及び鉄イオンとを有する吸着剤として適用することができる。

１ 磁気分離装置
２ 磁石
３ カラム
１１ カラム配管
１１ａ 押圧部
１２ａ、１２ｂ 押え治具
１３ａ、１３ｂ 金属リング
１４ シール部材
１５ フィルター部
１６ ハニカム構造体
１７ 金網
２１ 流路
２２ 磁性粒子
３１、３２、３３、３４、３５、３８、３９ 配管
３３、３７ 三方弁
３６ 回収槽

Claims (7)

1. 磁性粒子を含む流体を流すためのカラム配管と、
   前記流体が流れるように前記カラム配管内に配置され、磁性体を含むフィルター部と、
   前記フィルター部の上流側または下流側に配置され、前記カラム配管の内面と接する弾性変形可能なリング状のシール部材と、
   前記カラム配管の外側に配置された磁石とを備えることを特徴とする磁気分離装置。
2. 押圧された前記シール部材の外径が、前記カラム配管の内径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁気分離装置。
3. 前記シール部材の上流側と下流側を挟むように配置された平面状の一対のリング部材を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気分離装置。
4. 前記流体の流路と平行な流路を有するハニカム構造体を備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の磁気分離装置。
5. 前記複数のフィルター部と前記複数のシール部材とが、繰り返し配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の磁気分離装置。
6. 前記フィルター部及び前記シール部材の上流側及び下流側から押圧する押え治具を備えることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の磁気分離装置。
7. 前記選択的に特定の物質を吸着する表面を有する磁性粒子を磁気分離することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の磁気分離装置。