JP2011179862A - 粒子沈降速度算定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正確に沈降速度を測定することができる粒子沈降速度算定方法を提供する。
【解決手段】複数種類の大きさの粒子４が液体中に分散した濁水中の粒子沈降速度算定方法である。粒子４を液体中に均一に分散させた後、分散からの所定時間Ｔｎ経過後において、所定位置Ｈの水深における最大のサイズを有する最大粒子を特定し、最大粒子の沈降速度を算出して、所定時間Ｔｎにおける最大粒子のサイズと沈降速度との関係を算出し、少なくとも２以上の異なる所定時間Ｔｎにおいて濁水を採水することにより採水回数ｎを２以上として、夫々の時間における濁水の最大粒子のサイズと沈降速度とを比較して、粒子のサイズと沈降速度との対応関係を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数種類の大きさの粒子が液体中に分散した濁水中の粒子沈降速度算定方法に関する。

水処理プラント等の運転管理および運転制御を行うために、水質シミュレーションを行うことがある（特許文献１）。例えば、粒子の沈降速度を求めることによって、液体中に濁りが発生した場合に、その濁りがどのように収まるのかを予測することができる。一般的に、液体中の粒子の沈降速度の算定には、数１に示すようなストークスの法則（数１）又はルビーの法則（数２）の理論式が用いられる。

特開２００１−３３４２５３号公報

前記特許文献１のように、ストークスの理論式を用いる場合は、粒子は全て単一粒径の球体であることを前提としている。しかしながら、実際の流体中の粒子には様々な粒径のものが混在している。また、その形状も様々なものがあり、球体でないものも含まれている。さらには、粒子間の相互作用により、粒子径や粒子の形状が変化することがある。このため、ストークスの理論式を用いて粒子の沈降速度を求めると、実際の沈降速度とずれが生じる場合が多い。このため、水質シミュレーションを正確に行えないという問題があった。

そこで、本発明は、上記事情に鑑み、正確に沈降速度を測定することができる粒子沈降速度算定方法を提供する。

本発明の粒子沈降速度算定方法は、複数種類の大きさの粒子が液体中に分散した濁水中の粒子沈降速度算定方法であって、粒子を液体中に均一に分散させた後、分散からの所定時間Ｔｎ経過後において、所定位置Ｈの水深における最大のサイズを有する最大粒子を特定し、前記最大粒子の沈降速度を算出して、所定時間Ｔｎにおける最大粒子のサイズと沈降速度との関係を算出し、少なくとも２以上の異なる所定時間Ｔｎにおいて濁水を採水することにより採水回数ｎを２以上として、夫々の時間における濁水の最大粒子のサイズと沈降速度とを比較して、粒子のサイズと沈降速度との対応関係を算出するものである。

本発明の粒子沈降速度算定方法によれば、粒子の分散から所定時間Ｔｎ経過後において、所定位置Ｈの水深における濁水を採水して、この中に含まれる最大の粒子のサイズ、及びその沈降速度を測定する。すなわち、この最大の粒子よりも大きな粒子は、所定時間Ｔｎにおいて、既に所定位置Ｈよりも深い場所に沈んでいることになる。これにより、所定時間Ｔｎにおける所定位置Ｈの水深での最大粒子を観測すると、この最大粒子の沈降速度を測定することになる。そして、少なくとも２以上の異なる経過時間において所定位置Ｈの水深での濁水を採水して、各経過時間における最大粒子のサイズと沈降速度の関係の変化を算出することにより、粒子のサイズに対応した沈降速度の関係を算出することができる。ここで、粒子のサイズとは、最大粒径、粒子の表面積、全周等である。

所定位置Ｈの水深における濁水をピペットにて吸い上げることにより、所定位置Ｈの水深での濁水を採水し、採水した濁水中において最大のサイズを有する最大粒子を特定することができる。

水面から所定位置Ｈの水深までの濁水を採水し、採水した濁水中において最大のサイズを有する最大粒子を特定することができる。

界面活性剤を濁水中に滴下して、粒子を単体とする分散処理を行うことができる。これにより、液体中で固まった２以上の粒子を単一の粒子に分散させることができる。

前記最大粒子の特定は、粒子の最大粒径を画像解析することにより行うことができる。これにより、視覚的に最大粒子を特定することができる。

本発明の粒子沈降速度算定方法は、粒子のサイズに対応した沈降速度を算出することができるため、理論式で生じる実際の現象とのずれを補正することができ、沈降速度を測定することができる。これにより、水質シミュレーションの精度向上を図ることができる。

所定位置Ｈの水深における濁水をピペットにて吸い上げると、１つの濁水から連続的に所定位置Ｈの水深の濁水を採水することができ、少ない試験器具にて水質シミュレーションができて手間を省略することができる。

水面から所定位置Ｈの水深までの濁水を採水すると、所定位置Ｈの水深における濁水を高い精度で採水することができる。

界面活性剤を濁水中に滴下すると、液体中で固まった２以上の粒子を単一の粒子に分散させることができるため、一層正確に沈降速度を測定し、正確な水質シミュレーションを行うことができる。

前記最大粒子の特定は、粒子の最大粒径を画像解析することにより行うと、視覚的に最大粒子を特定することができて、容易に最大粒子を判別することができる。

本発明の粒子沈降速度算定方法の概念図である。 本発明の粒子沈降速度算定方法により算定した粒径と沈降速度とを示すグラフ図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

本発明の粒子沈降速度算定方法は、複数種類の大きさの粒子が液体中に分散した濁水中の粒子の沈降速度を算定するものである。本実施形態では説明を簡単にするため、濁水２は、４種類の最大粒径を有する粒子４ａ〜４ｄが液体中に分散したものとする。

図１に示すように、濁水２は、液体３（例えば水）に、種々の大きさの粒子４ａ〜４ｄ（例えば砂）が分散したものである。粒子４は液体３に対して溶けないものである。この濁水２は、水質シミュレーションが必要な水処理プラント等に存在する濁水と略同一のものである。

まず、沈降筒１に一定量の濁水２を入れ、濁水２を撹拌させる等して、図１（ａ）に示すように、粒子４を液体中に均一に分散させる。このように、粒子４が液体３に均一に分散した時間を初期時間とする。沈降筒１には、濁水２を上方へ吸い上げるピペット５が設けられている。ピペット５の先端部は、濁水２の上下方向中間位置に配置されている。この場合、ピペット５の先端縁の位置を所定位置Ｈとする。

その後、図１（ｂ）に示すように、初期時間から時間Ｔ１経過後に、所定位置Ｈの水深における濁水をピペット５にて吸い上げることにより、所定位置Ｈの水深の濁水を採水する。この場合、濁水２には粒子４ｂ、４ｃ、４ｄが混在することになる。濁水を吸い上げる速度としては、所定位置Ｈより下方に沈んだ粒子の吸い上げを防止できるような速度する。そして、採水した濁水中に界面活性剤（図示省略）を滴下して、粒子の分散処理を行う。これにより、濁水中で固まった２以上の粒子４を、夫々単体の粒子４に分散させることができる。その後、この濁水２の画像解析を行って、最大のサイズを有する最大粒子を特定する。ここで、粒子のサイズを特定するパラメータとしては、粒子の表面積、粒子の全周、最大粒径等種々のものを設定することができ、本実施形態では最大粒径とする。すなわち、採水した濁水２において、最大粒径Ｄ２を有する粒子４ｂを最大粒子として特定する。

次に、最大粒子の沈降速度を求める。この場合、濁水を採水することにより、図１（ｂ）に示すように水面６は僅かに下降する（図１では、水面の下降をわかりやすくするために実際よりも誇張して表現している）が、最大粒子の移動距離としては、初期時間の水面６の位置から所定位置Ｈまでの距離Ｌである。これにより、最大粒子の沈降速度Ｖ１は、Ｖ１＝Ｌ／Ｔ１となる。これを時間Ｔ１における最大粒子４ｂの沈降速度とする。すなわち、この最大粒子４ｂの粒径Ｄ２よりも大きな粒径Ｄ１を有する粒子４ａは、沈降速度が粒子４ｂよりも速いため、図１（ｂ）に示すように時間Ｔ１では既に所定位置Ｈよりも深い場所に沈んでいる。一方、最大粒子４ｂの粒径Ｄ２よりも小さな粒径Ｄ３、Ｄ４を有する粒子４ｃ、４ｄは、沈降速度が粒子４ｂよりも遅いため、時間Ｔ１では所定位置Ｈの水深よりも上方に残っている。これにより、時間Ｔ１における水面から所定位置Ｈまでの最大粒子４ｂを観測すると、この最大粒子４ｂの沈降速度を測定することができる。これにより、この粒子４は、粒径Ｄ２のとき沈降速度Ｖ１となる。

初期時間から時間Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）経過後に、前記と同様の方法にて時間Ｔ１に採水した位置と同じ位置である所定位置Ｈの水深の濁水をピペット５にて吸い上げることにより、所定位置Ｈの水深の濁水を採水する。この場合、採水した濁水２における最大粒子４ｃの粒径はＤ３である。また、時間Ｔ１で求めた粒子の沈降速度と同様の方法で、粒子４ｃの沈降速度Ｖ２＝Ｌ／Ｔ２を算出する。これにより、粒径Ｄ３（Ｄ３＜Ｄ２＜Ｄ１）のときの粒子４の沈降速度はＶ２となる。また、Ｄ４の（Ｄ４＜Ｄ３＜Ｄ２＜Ｄ１）のときの粒子４の沈降速度はＶ３となる。

このようにして、少なくとも２以上の異なる経過時間（本実施系形態では３の異なる時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）において所定位置Ｈの水深での濁水を採水することにより、図３に示すように、採水回数ｎ＝３とする。これらの各濁水２における最大粒子の最大粒径Ｄ２〜Ｄ４と、最大粒子の沈降速度Ｖ１〜Ｖ３の関係を算出する。このようにして、種々の粒子の最大粒径Ｄに対応した沈降速度Ｖの関係を算出することができる。

このように、本発明の粒子沈降速度算定方法は、３つの異なる経過時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３において所定位置Ｈの水深における濁水２を採水して、複数の粒子の粒径Ｄと沈降速度Ｖの関係の変化を算出することにより、種々の粒子の粒径Ｄと沈降速度Ｖとの対応関係を算出することができる。これにより、理論式で生じる実際の現象とのずれを補正することができ、沈降速度を測定することができる。これにより、水質シミュレーションの精度向上を図ることができる。

所定位置Ｈの水深における濁水をピペットにて吸い上げると、１つの濁水から連続的に所定位置Ｈの水深の濁水を採水することができ、少ない試験器具にて水質シミュレーションができて手間を省略することができる。

界面活性剤を濁水中に滴下して、粒子４を単体とする分散処理を行うため、液体中で固まった２以上の粒子４を単一の粒子４に分散させることができる。これにより、一層正確に沈降速度Ｖを測定し、正確な水質シミュレーションを行うことができる。

最大粒子の特定は、粒子４の最大粒径Ｄを画像解析することにより行うことができる。これにより、視覚的に最大粒子を特定することができて、容易に最大粒子を特定することができる。

別の採水方法としては、同条件の濁水を有する沈降筒１を採水回数分だけ同時に用意する。そして、時間Ｔ１において１つの沈降筒１から所定位置Ｈの水深までの濁水を採水する。また、時間Ｔ２において別の沈降筒１から所定位置Ｈの水深までの濁水を採水する。このようにして、夫々異なる時間経過後に採水を行ない、採水した夫々の濁水中において最大のサイズを有する最大粒子を特定する。これにより、所定位置Ｈの水深における濁水を高い精度で採水することができる。

以上、本発明の実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、液体３は水以外のものであってもよく、粒子４は液体３に溶けないものであれば種類は問わない。また、沈降筒１の断面積、長さや、水面からの水深Ｈの長さは任意である。採水回数ｎや採水の時間間隔は任意とすることができ、採水の時間間隔は一定間隔でもランダムであってもよい。粒子４のサイズのパラメータとして実施形態では最大粒径Ｄとしたが、粒子４の表面積、全周とすることもできる。沈降筒１に濁水２を入れた後、採水を行う前に界面活性剤を沈降筒内に滴下してもよい。所定位置Ｈとしては、水面６及び沈降筒１の底面以外であれば、任意の深さに設定することができる。

１ 沈降筒
２ 濁水
３ 液体
４ 粒子
５ ピペット
ｎ 採水回数
Ｄ 粒径
Ｈ 所定位置
Ｔ 時間
Ｖ 沈降速度

Claims (5)

1. 複数種類の大きさの粒子が液体中に分散した濁水中の粒子沈降速度算定方法であって、
   粒子を液体中に均一に分散させた後、
   分散からの所定時間Ｔｎ経過後において、所定位置Ｈの水深における最大のサイズを有する最大粒子を特定し、
   前記最大粒子の沈降速度を算出して、所定時間Ｔｎにおける最大粒子のサイズと沈降速度との関係を算出し、
   少なくとも２以上の異なる所定時間Ｔｎにおいて濁水を採水することにより採水回数ｎを２以上として、夫々の時間における濁水の最大粒子のサイズと沈降速度とを比較して、粒子のサイズと沈降速度との対応関係を算出することを特徴とする粒子沈降速度算定方法。
2. 所定位置Ｈの水深における濁水をピペットにて吸い上げることにより、所定位置Ｈの水深での濁水を採水し、採水した濁水中において最大のサイズを有する最大粒子を特定することを特徴とする請求項１の粒子沈降速度算定方法。
3. 水面から所定位置Ｈの水深までの濁水を採水し、採水した濁水中において最大のサイズを有する最大粒子を特定することを特徴とする請求項１の粒子沈降速度算定方法。
4. 界面活性剤を濁水中に滴下して、粒子を単体とする分散処理を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項の粒子沈降速度算定方法。
5. 前記最大粒子の特定は、粒子の最大粒径を画像解析することにより行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項の粒子沈降速度算定方法。

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