JP2014108412A

JP2014108412A - 固液分離方法及び装置

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Publication number: JP2014108412A
Application number: JP2012264849A
Authority: JP
Inventors: Mariko Kato; 真理子加藤; Yoshiyuki Iso; 良行磯; Jian Huang; 健黄; Hiroyuki Uchida; 博幸内田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2032-12-04
Also published as: JP6070125B2

Abstract

【課題】固液密度差が無くても固液分離可能とする。
【解決手段】固液分離装置１Ａは、回転周壁２２と、その内側の逆円錐台面形状の固定周壁２５との間に、環状の液体充填空間２６を備える。液体充填空間２６は、下端部に原液供給管１４を接続し、上端部に濃縮粒子出口２８を設ける。固定周壁２５には、軸心方向に複数の清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃを設ける。固液分離処理を行う場合は、回転する回転周壁２２と固定周壁２５の間で、液体充填空間２６に原液供給管１４より供給される原液１２に、内周側から外周側に向けて増速する剪断速度勾配を有する流れ場を形成させる。原液１２中の粒子１１は、サフマン揚力により外周側に濃縮させ、これに伴い内周側の固定周壁２５近くで清澄化される清澄液１９を、清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃより順次回収させる。濃縮された粒子１１を含む粒子濃縮液２０は濃縮粒子出口２８より回収させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、液体中に含まれている固体粒子を濃縮して分離するための固液分離方法及び装置に関するものである。

海水の淡水化処理やシェールガス随伴水等の脱塩処理を行う手法として、逆浸透膜法や正浸透膜法がある。かかる逆浸透膜法や正浸透膜法を実施する場合は、膜処理の実施前に、前処理として、水中に含まれている砂、粘土、コロイド等の固体粒子を分離して除去することが求められる。更に、上記海水の淡水化処理やシェールガス随伴水等の脱塩処理の場合は、水中に含まれている藻類やその他の微生物、その死骸や代謝物等の固体粒子についても、前処理で分離して除去することが望まれる。

又、藻類、細胞やその他の微生物を培養して、医薬品、燃料やその他の有用物質を生産する場合は、上記有用物質の回収処理を開始する際、培養された微生物や細胞等を、水中（培養液中）より分離する前処理が必要とされる。

更には、湖沼の浄化を目的として、水から藻類等の微生物を分離することも行われている。

固液分離を実施する場合は、分離対象となる固体粒子と、該固体粒子の分散媒となっている液体との密度差を利用した固液分離手法が広く一般的に行われている。すなわち、固体粒子の密度が液体の密度よりも大きい場合は、沈降分離が行われる。一方、固体粒子の密度が液体の密度よりも小さい場合は浮上分離が行われている。又、上記固体粒子と液体との密度差が比較的小さい場合は、上記と同様の固液密度差に基づく固体粒子の沈降や浮上を、遠心力を利用して促進させるようにした遠心分離が広く行われている。

しかし、上記砂、粘土、コロイド、藻類、細胞やその他の微生物及びその死骸や代謝物は、粒径が小さく、更には、水との密度差がないか又は該密度差が微小な粒子となっている場合があり、このような固体粒子は、上記した沈降分離や浮上分離や遠心分離のような固液密度差を利用した従来の一般的な固液分離手法では、液体から分離させることが困難である。

又、上記沈降分離や浮上分離や遠心分離以外の固液分離手法としては、中立浮力粒子を含む流体を渦巻状チャネルに流通させて、中立浮力粒子に作用するようになる内壁からの揚力、サフマン力、マグヌス力、及び、遠心力の複合効果と平衡状態を利用する手法が従来提案されている。かかる手法によれば、上記流体中の中立浮力粒子は、上記渦巻状チャネルを流れる流体中で密集させて、上記チャネルの内壁近くを流れる管状帯とさせることができ、該管状帯を含む流体と、残りの流体とを分けて回収することで、該中立浮力粒子を分離できるとされている（たとえば、特許文献１参照）。

なお、液体中の粒子を或る分離粒径を基準として分離する手法の１つとしては、透過性を有する膜に液体の透過流を形成させるときに、該膜の上流面側に、膜表面に沿う方向の剪断速度勾配を有する液体の流れを生じさせて、上記分離粒径に対応する粒径の粒子に作用する剪断揚力が、上記透過流の速度と等しくなるようにさせる手法が従来提案されている。かかる手法によれば、上記分離粒径以上の粒径を持つ粒子は、上記膜の上流面側に保持されるようになることから、該膜を透過する上記分離粒径よりも小さい粒径の粒子との分離を行うことができるとされている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００９−１１３０３５号公報特表２００１−５０３６６９号公報

ところが、上記特許文献１に示された手法では、渦巻状チャネルに流通させる流体中の中立浮力粒子に対してサフマン力（サフマン揚力）を作用させるようにしてあるが、該中立浮力粒子を密集させるためには、上記サフマン力に加え、粒子に作用する遠心力を含むその他の力との複合効果と平衡状態が必要とされている。そのため、上記中立浮力粒子の密度と、該中立浮力粒子の分散媒となっている流体（液体）の密度に差（固液密度差）がない場合は、固液分離処理を行うことが困難である。

又、上記特許文献２に示された手法は、液体中の粒子を粒径に応じて分離するための手法であって、粒径が小さく、更に、液体との密度差がないか又は微小な粒子の固液分離処理を実施できるものではない。

したがって、上記特許文献１、２に示された手法は、いずれであっても、前述したような逆浸透膜法や正浸透膜法による海水やシェールガス随伴水の脱塩処理の前処理として、水中に含まれている砂、粘土、コロイド、藻類やその他の微生物及びその死骸や代謝物のような固体粒子を液体から分離させるための固液分離処理や、藻類、細胞や微生物を水中（培養液中）より分離するための固液分離処理への適用は難しい。

更に、上記特許文献１に示されたものでは、上記粒子に作用させるサフマン力、揚力、マグヌス力、遠心力は、上記渦巻状チャネルの形状と流体の流速により受動的に決定されてしまう。そのため、上記流体中の中立浮力粒子の分離効率を高めるためには、上記渦巻状チャネルの流路長を長く設定する必要が生じることから、装置構成が大型化するという問題がある。

ところで、一般に、流体中の粒子は、密集させられて粒子濃度が高くなると、粒子同士の干渉（相互作用）が著しくなるため、粒子拡散を生じるようになる。

そのため、上記特許文献１に示された手法では、渦巻状チャネルにおける流体の流れを適切に制御しないと、管状帯に密集させられて濃縮された中立浮力粒子が、粒子拡散を生じるようになることから、該渦巻状チャネルの下流側端部で上記管状帯を含まないように分離される流体の上記粒子に関する清澄度が低下してしまう。

しかも、上記特許文献１に示されたものでは、渦巻状チャネルにおける流体の流れは、該渦巻状チャネルの形状に大きく依存するため、設計の自由度が小さく、処理時間を短くすることや、処理量を増加させることは難しい。

なお、上記特許文献２に示されたものは、透過性の膜の透過流の抗力と、剪断揚力（サフマン揚力）との均衡を利用する必要があるため、上記膜を必要とすると共に、該膜の上流面に隣接して流体の剪断流を発生させるようにしてあり、そのため、上記膜の洗浄作業を要すると共に、処理速度が遅い。

そこで、本発明は、粒径が小さく、更には、固体粒子の分散媒となる液体との密度差がないか又は微小な固体粒子についても、固液分離を効率よく実施することができ、しかも、上記固体粒子に関する清澄度の高い液体を回収することができて、固液分離効率を高いものとすることができる等、上記した従来の問題点を解消できるようにする固液分離方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、液体を満たすための液体充填空間を、移動壁と、該移動壁との距離が液体充填空間の一端側から他端側に向けて連続的に又は段階的に小さくなる静止壁との間に形成し、上記液体充填空間に液体を満たした状態で、上記移動壁を静止壁に対して一方向に連続的に相対移動させることにより、該液体充填空間内の液体に、上記静止壁側から移動壁側に向けて流速が次第に増加する剪断速度勾配を有する流れ場を形成し、該液体充填空間に、一端側から粒子を含む原液を供給して、該原液中の粒子に対し、上記剪断速度勾配を有する流れ場により、上記静止壁側より移動壁側に向く方向のサフマン揚力を作用させ、その後、上記液体充填空間の一端側から他端側に至る途中の複数個所で、上記静止壁近くで粒子濃度が低下する領域の液体を清澄液として抜き出して回収すると共に、該液体充填空間の他端部より、上記サフマン揚力の作用により濃縮された上記粒子を含む粒子濃縮液を回収するようにする固液分離方法とする。

又、請求項２に対応して、液体を満たすための液体充填空間を、移動壁と、該移動壁との距離が液体充填空間の一端側から他端側に向けて連続的に又は段階的に小さくなる静止壁との間に形成し、上記移動壁は、上記静止壁に対して一方向へ連続的に相対移動可能として、該移動壁の上記静止壁に対する一方向への連続的な相対移動により、上記液体充填空間内の液体に、上記静止壁側より移動壁側に向けて流速が次第に増加する剪断速度勾配を有する流れ場を形成できるようにし、上記液体充填空間の一端側に、原液入口を設け、更に、上記静止壁に、上記液体充填空間の一端側から他端側に至る途中の複数個所で、上記液体充填空間内の剪断速度勾配を有する流れ場中で作用するサフマン揚力により粒子が上記移動壁寄りに濃縮されることに伴って該静止壁近くで粒子濃度が低下する領域の液体を、清澄液として回収するための清澄液出口を設け、上記液体充填空間の他端部に、粒子濃縮液を回収するための濃縮粒子出口を設けた構成を有する固液分離装置とする。

更に、請求項３に対応して、上記請求項２の構成において、液体充填空間は、回転駆動可能な移動壁としての回転周壁と、該回転周壁の内側に隙間を隔てて同心状に配置した静止壁としての固定周壁との間に軸心方向の一端側から他端側に間隔が大きくなるよう環状に形成させてなり、上記両周壁の間隔が大きい側の軸心方向一端側に原液入口を設けると共に、軸心方向他端側に、濃縮粒子出口を設け、更に、上記固定周壁に、軸心方向に配列した複数の清澄液出口を設けるようにした構成とする。

同様に、請求項４に対応して、上記請求項２の構成において、液体を貯留するための一方向に延びる樋状の容器の上端側開口部に、該容器の長手方向の全長に亘りベルトを循環駆動できるように設けたベルト蓋装置を設け、且つ上記容器内における上下方向複数個所に、該容器の長手方向途中位置から長手方向他端部まで水平に延びる仕切壁を、下段側の仕切壁がその上段側に隣接する仕切壁よりも、上記容器長手方向一端寄りに順次突出するように配置して、液体充填空間を、上記ベルトの下部走行部分と、該ベルトの下部走行部分に対向する上記容器の内底面、及び、上記各仕切壁の突出部分との間に形成し、更に、各仕切壁の下側を、清澄液出口とすると共に、上記容器の長手方向他端部における最上段の仕切壁よりも上側の部分を、濃縮粒子出口とするようにした構成とする。

本発明の固液分離方法及び装置によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）原液中に含まれる粒子は、分散媒となっている液体との固液密度差がないか又は微小な粒子、あるいは、粒径の小さい粒子であっても、該粒子に作用する流体力であるサフマン揚力を利用して濃縮することができる。このため、粒子を含む原液を連続的に固液分離処理して、濃縮された粒子を含む粒子濃縮液と、粒子の清澄化が図られた清澄液とを分離して回収することができる。
（２）したがって、本発明の固液分離方法及び装置は、逆浸透膜法や正浸透膜法による海水やシェールガス随伴水の脱塩処理の前処理として、水中に含まれている砂、粘土、コロイド等の固体粒子、更には、水中に含まれている藻類やその他の微生物、その死骸や代謝物等の固体粒子について分離して除去する処理、あるいは、藻類、細胞や微生物を水中（培養液中）より分離する処理に適した固液分離処理を実施することが可能になる。
（３）更に、液体充填空間では、一対の静止壁と移動壁のうち、移動壁を、静止壁に対して一方向に連続して相対移動させて、液体充填空間内の液体に剪断速度勾配を有する流れ場を強制的に形成させることができるため、原液中の粒子に対して作用させるサフマン揚力を、確実に且つ効率よく発生させることができる。よって、上記液体充填空間は、原液の供給側から、清澄液及び粒子濃縮液の出口側までの距離を短く設定することができて、固液分離処理を行う装置の全体構成をコンパクトなものとすることができる。
（４）しかも、清澄液の分離、回収は、粒子拡散の発生を抑制した状態で行うことができる。よって、回収される清澄液は、粒子に関する清澄度を高いものとすることができる。（５）以上により、固液分離効率を高めることができる。又、上記液体充填空間は、設計の自由度を大きくすることができて、清澄液の分離回収時間の短縮化を図ることができる。更には、固液分離処理の処理量の増加、及び、分離回収率の向上化を図ることができる。
（６）上記清澄液と粒子濃縮液との分離は、上記特許文献２に示されたような透過性の膜は使用しない。このため、膜の洗浄作業を要することはなく、固液分離処理の処理速度を高めることができる。

本発明の固液分離方法及び装置の実施の一形態を示す概略切断側面図である。図１の装置における各分離ゾーンで形成される剪断速度勾配を有する流れ場の概要を示す図である。図１の装置における液体充填空間内での上下方向の粒子濃度分布を示す図で、（ａ）は液体充填空間の長手方向一端部について、（ｂ）は一段目の分離壁の一端部の配置位置について、（ｃ）は二段目の分離壁の一端部の配置位置について、（ｄ）は三段目の分離壁の一端部の配置位置について、（ｅ）は四段目の分離壁の一端部の配置位置について、をそれぞれ示すものである。本発明の実施の他の形態として、固液分離装置の別の構成を示す概略切断側面図である。図４のＡ−Ａ方向矢視図である。図４の装置における分離ゾーンで形成される剪断速度勾配を有する周方向の流れ場の概要を示す図で、（ａ）は図４のＢの高さ位置について、（ｂ）は図４のＣの高さ位置について、（ｃ）は図４のＤの高さ位置について、をそれぞれ示すものである。図４の装置における液体充填空間内での粒子濃度分布を説明するもので、（ａ）は固定周壁と回転周壁との間に形成された液体充填空間の断面を、軸心方向を横にした状態で示す概要図、（ｂ）は原液位置入口側となる軸心方向一端部における径方向の粒子濃度分布を示す図、（ｃ）は、軸心方向他端側へ或る寸法移動した位置における径方向の粒子濃度分布を示す図、（ｄ）は軸心方向一端側から１番目の清澄液出口を設ける位置での径方向の粒子濃度分布を示す図、（ｅ）は軸心方向一端側から２番目の清澄液出口を設ける位置での径方向の粒子濃度分布を示す図、（ｆ）は軸心方向一端側から３番目の清澄液出口を設ける位置での径方向の粒子濃度分布を示す図である。図４の装置における清澄液出口を設ける位置の条件式を導くために用いる円筒座標系を示す図である。本発明の実施の更に他の形態として、図４の装置の応用例を示す概略切断側面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

図１乃至図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は本発明の固液分離方法及び装置の実施の一形態を示すものである。

すなわち、本発明の固液分離装置は、図１に符号１で示すもので、液体を貯留するための容器として、水平面内で一方向に延びる樋状の容器２を備える。

上記容器２の上側には、該容器２の長手方向の一端部と他端部（図１では左端部と右端部）と対応する位置に配置した一対のベルト車４ａ，４ｂと、該各ベルト車４ａと４ｂ同士の間に無端状に掛け回したベルト５と、いずれか一方のベルト車４ａ又は４ｂに接続した図示しない回転駆動装置とを備えてなる所謂ベルトコンベヤ構造のベルト蓋装置３を設ける。該ベルト蓋装置３は、上記ベルト５におけるベルト車４ａと４ｂの間で移動する上部と下部の走行部分５ａと５ｂのうちの下部の走行部分５ｂにより、上記容器２の上端側開口部全体を覆うことができるように配置してある。

上記容器２の上端側開口部の外周縁には、上記ベルト蓋装置３の外周を取り囲むように配置した矩形枠状の液体貯留枠６が一体に取り付けてある。これにより、上記容器２に液体を貯留するときには、その液面が上記液体貯留枠６の内側で上記ベルト５の下部走行部分５ｂよりも上方に位置するようにさせることで、該容器２に貯留する液体が、該容器２の長手方向の全長に亘り、上記ベルト５の下部走行部分５ｂに確実に接するようにしてある。

なお、上記ベルト５の下部走行部分５ｂと、上記容器２の上端側開口部の周縁との隙間は、小さくなるように設定して、該両者間の隙間を通る液体の流通を抑制できるようにしてあるものとする。

上記ベルト蓋装置３は、図示しない回転駆動装置を運転して、ベルト５を一方向（図１では反時計回り方向）に循環駆動させることにより、該ベルト５の下部走行部分５ｂを、上記容器２の長手方向の一端側から他端側（図１では左側から右側）に向く一方向に連続的に走行させることができるようにしてある。

更に、上記容器２内には、上下方向複数個所、たとえば、図１に示すように上下方向の４個所に、該容器２の長手方向途中位置から長手方向他端部まで水平に延びる仕切壁８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄが設けてある。

上記各仕切壁８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄは、下から一段目の仕切壁８ａ、二段目の仕切壁８ｂ、三段目の仕切壁８ｃ、四段目の仕切壁８ｄの順に、それぞれの容器２の長手方向一端寄りの端部（図１では左端部、以下、単に一端部と云う）が、順次、容器２の長手方向他端寄りにずれた配置となるようにしてある。すなわち、上下に隣接する仕切壁８ａと８ｂ同士，８ｂと８ｃ同士，８ｃと８ｄ同士では、相対的に下側に配置された仕切壁８ａ，８ｂ，８ｃの一端部が、上側に配置された仕切壁８ｂ，８ｃ，８ｄよりも、容器２の長手方向一端寄りに或る寸法突出するようにしてある。

これにより、図１に示すように、上記容器２内には、長手方向一端側より順に、容器内底面２ａを静止壁とし、その上方に対向配置されている上記ベルト５の下部走行部分５ｂが移動壁となる第１分離ゾーン９ａと、一段目の仕切壁８ａの一端部の突出部分を静止壁とし、それに対向するベルト５の下部走行部分５ｂが移動壁となる第２分離ゾーン９ｂと、二段目の仕切壁８ｂの一端部の突出部分を静止壁とし、それに対向するベルト５の下部走行部分５ｂが移動壁となる第３分離ゾーン９ｃと、三段目の仕切壁８ｃの一端部の突出部分を静止壁とし、それに対向するベルト５の下部走行部分５ｂが移動壁となる第４分離ゾーン９ｄとを備え、更に、四段目の仕切壁８ｄとベルト５の下部走行部分５ｂとの間に形成される濃縮粒子排出ゾーン１０を備えた液体充填空間７が形成されるようにしてある。

したがって、上記液体充填空間７では、容器長手方向一端側から他端側に向けて配列されている上記第１から第４の各分離ゾーン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの順に、それぞれの静止壁となる容器内底面２ａ及び一、二、三段目の各仕切壁８ａ，８ｂ，８ｃから、これらに対して一方向に連続的に相対移動させる共通の移動壁となる上記ベルト５の下部走行部分５ｂまでの間隔が、段階的に小さくなるようにしてある。

これにより、上記液体充填空間７に液体が満たされている状態では、上記ベルト蓋装置３によりベルト５を上記所定の方向へ循環駆動させると、下部走行部分５ｂの近傍の液体が同伴される。これにより、該液体充填空間７内の液体には、図２に概略を示すように、上述した各分離ゾーン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄにて、それぞれの静止壁となる容器内底面２ａ及び一、二、三段目の各仕切壁８ａ，８ｂ，８ｃ側から上記ベルト５の下部走行部分５ｂ側、すなわち、下側から上側に向けて流速が次第に増加する剪断速度勾配を有する流れ場が、容器２の長手方向の全域に亘り形成されるようにしてある。

更に、この際、上記各分離ゾーン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄでは、共通の移動壁となるベルト５の下部走行部分５ｂから、それぞれ対応する静止壁となる容器内底面２ａと一、二、三段目の各仕切壁８ａ，８ｂ，８ｃまでの間隔が順次小さくなることに起因して、形成される流れ場の剪断速度勾配が、第１、第２、第３、第４の分離ゾーン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの順に大きくなるようにしてある。これにより、上記液体充填空間７内では、貯留されている液体に対して、上記のような剪断速度勾配を有する流れ場が形成されることに伴い、該液体中に分散されているすべての粒子１１に対して、図２に矢印ｆａ，ｆｂ，ｆｃ，ｆｄで示すように、該液体充填空間７の下側から上側に向く方向のサフマン揚力が作用するようにしてある。更に、この粒子１１に作用するサフマン揚力は、分離ゾーン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの順に大きくなるようにしてある。

上記液体充填空間７の長手方向一端部となる上記容器２の長手方向一端部には、原液入口１３を設けて、原液供給管１４の下流側端部が接続してある。該原液供給管１４の上流側端部は、粒子１１が分散媒となる液体に分散された状態の原液１２を供給するための図示しない原液供給部に接続されている。これにより、上記液体充填空間７では、その長手方向一端部に、上記原液供給管１４を通して上記図示しない原液供給部より導かれる原液１２を、連続的に供給できるようにしてある。

上記液体充填空間７における各仕切壁８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄの下側は、それぞれが上記容器２の長手方向他端部に連通する清澄液出口１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄとしてあり、該各清澄液出口１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄには、個別の清澄液取出管１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが容器２の長手方向他端側の外部から接続してある。

更に、上記容器２の長手方向他端部における上記ベルト５の下部走行部分５ｂ寄りとなる上部には、四段目の仕切壁８ｄの上側に形成されている濃縮粒子排出ゾーン１０に連通する濃縮粒子出口１７が設けられている。該濃縮粒子出口１７には、容器２の長手方向他端側の外部から濃縮粒子取出管１８が接続されている。

ここで、上記構成としてある本発明の固液分離装置１による固液分離処理の具体的な内容と共に、上記容器２内における各仕切壁８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄの位置の設定手法について説明する。

図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、上記液体充填空間７内に供給された上記原液１２中の粒子１１の該液体充填空間７の上下方向に関する濃度分布を示すものである。図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）において、横軸は粒子濃度、縦軸は液体充填空間７における上下方向位置を示す。

上記液体充填空間７における長手方向一端部では、原液入口１３より原液１２が供給された直後であるため、図３（ａ）に示すように、該液体充填空間７の上下方向に関して粒子濃度分布は、一様になっている。

その後、上記液体充填空間７に供給された原液１２は、上記第１分離ゾーン９ａを、該液体充填空間７の長手方向他端側へ進む。この際、該原液１２中の粒子１１は、上記したように第１分離ゾーン９ａに形成される剪断速度勾配を有する流れ場の中でサフマン揚力を受けるため、該粒子１１は、原液１２中で、上記ベルト５の下部走行部分５ｂに近接する方向、すなわち、上方に移動させられるようになる。

このため、上記第１分離ゾーン９ａでは、原液１２が液体充填空間７の長手方向他端側に向けて進行するにしたがい、該原液１２中では、図３（ａ）に示したように当初上下方向に一様であった粒子濃度分布が、全体的に徐々に上方へシフトされるようになる。したがって、該第１分離ゾーン９ａを液体充填空間７の長手方向他端側へ或る距離進んだ位置では、該原液１２中の粒子濃度分布は、図３（ｂ）に示すようになり、上記ベルト５の下部走行部分５ｂに近接する該第１分離ゾーン９ａの上端寄りに、粒子１１が濃縮された領域が形成される。一方、上記容器内底面２ａに近接する該第１分離ゾーン９ａの下端寄りには、粒子濃度分布がゼロ近くまで低下した領域ｒが形成されるようになる。

このことに鑑みて、上記一段目の仕切壁８ａは、上記第１分離ゾーン９ａを液体充填空間７の長手方向他端側へ或る距離進んだ位置で、且つ図３（ｂ）に示したように粒子濃度分布がゼロ近くまで低下した領域ｒの上限となる位置に、該仕切壁８ａの一端部を配置させるようにしてある。

これにより、上記一段目の仕切壁８ａでは、上記粒子１１を含んだ状態の原液１２と、上記粒子１１の濃度分布がゼロ近くまで低下するように清澄化が図られた清澄液１９とを、該仕切壁８ａの上下に分離させて、それぞれ、該仕切壁８ａの上側の第２分離ゾーン９ｂと、該仕切壁８ａ下側の清澄液出口１５ａへ導くことができるようにしてある。

次に、上記のようにして第２分離ゾーン９ｂに導かれた原液１２は、該第２分離ゾーン９ｂを液体充填空間７の長手方向他端側へ進む。この際、該原液１２中の粒子１１は、上記したように第２分離ゾーン９ｂに形成される上記第１分離ゾーン９ａよりも大きな剪断速度勾配を有する流れ場の中で、サフマン揚力を受けるため、該粒子１１は、原液１２中で、上記ベルト５の下部走行部分５ｂ側となる上方に、上記第１分離ゾーン９ａよりも早く移動させられるようになる。

このため、上記第２分離ゾーン９ｂでは、原液１２が液体充填空間７の長手方向他端側に向けて進行するにしたがい、該原液１２中の粒子濃度分布が、全体的に更に上方へシフトされるようになる。したがって、該第２分離ゾーン９ｂを液体充填空間７の長手方向他端側へ或る距離進んだ位置では、該原液１２中の粒子濃度分布は、図３（ｃ）に示すようになり、上記ベルト５の下部走行部分５ｂ側の上端寄りに、粒子１１が更に濃縮された領域が形成される一方、上記一段目の仕切壁８ａに近接する該第２分離ゾーン９ｂの下端寄りには、粒子濃度分布がゼロ近くまで低下した領域ｒが形成されるようになる。

このことに鑑みて、上記二段目の仕切壁８ｂは、上記第２分離ゾーン９ｂを液体充填空間７の長手方向他端側へ或る距離進んだ位置で、且つ図３（ｃ）に示したように粒子濃度分布がゼロ近くまで低下した領域ｒの上限となる位置に、該仕切壁８ｂの一端部を配置させるようにしてある。

これにより、上記二段目の仕切壁８ｂでは、上記粒子１１を含んだ状態の原液１２と、上記粒子１１に関する清澄化が図られた清澄液１９とを、該仕切壁８ｂの上下に分離させて、それぞれ、該仕切壁８ｂの上側の第３分離ゾーン９ｃと、該仕切壁８ｂ下側の清澄液出口１５ｂへ導くことができるようにしてある。

次いで、上記のようにして第３分離ゾーン９ｃに導かれた上記原液１２は、該第３分離ゾーン９ｃを液体充填空間７の長手方向他端側へ進む際に、該原液１２中の粒子１１が、上記第２分離ゾーン９ｂよりも大きな剪断速度勾配を有する流れ場の中で、より大きなサフマン揚力を受けるため、該粒子１１は、原液１２中で、上記ベルト５の下部走行部分５ｂに近接する方向である上方に、より早く移動させられるようになる。

このため、上記第３分離ゾーン９ｃでは、原液１２が液体充填空間７の長手方向他端側に向けて進行するにしたがい、該原液１２中の粒子濃度分布が、全体的に更に上方へシフトされるようになる。したがって、該第３分離ゾーン９ｃを液体充填空間７の長手方向他端側へ或る距離進んだ位置では、該原液１２中の粒子濃度分布は、図３（ｄ）に示すようになり、上記ベルト５の下部走行部分５ｂ側の上端寄りに、粒子１１が更に濃縮された領域が形成される一方、上記二段目の仕切壁８ｂに近接する該第３分離ゾーン９ｃの下端寄りには、粒子濃度分布がゼロ近くまで低下した領域ｒが形成されるようになる。

このことに鑑みて、上記三段目の仕切壁８ｃは、上記第３分離ゾーン９ｃを液体充填空間７の長手方向他端側へ或る距離進んだ位置で、且つ図３（ｄ）に示したように粒子濃度分布がゼロ近くまで低下した領域ｒの上限となる位置に、該仕切壁８ｃの一端部を配置させるようにしてある。

これにより、上記三段目の仕切壁８ｃでは、上記粒子１１を含んだ状態の原液１２と、上記粒子１１に関する清澄化が図られた清澄液１９とを、該仕切壁８ｃの上下に分離させて、それぞれ、該仕切壁８ｃの上側の第４分離ゾーン９ｄと、該仕切壁８ｃ下側の清澄液出口１５ｃへ導くことができるようにしてある。

更に、上記のようにして第４分離ゾーン９ｄに導かれた上記原液１２は、該第４分離ゾーン９ｄを液体充填空間７の長手方向他端側へ進む際に、該原液１２中の粒子１１が、上記第３分離ゾーン９ｃよりも大きな剪断速度勾配を有する流れ場の中で、更に大きなサフマン揚力を受けるため、該粒子１１は、原液１２中で、上記ベルト５の下部走行部分５ｂに近接する方向である上方に、更に早く移動させられるようになる。

このため、上記第４分離ゾーン９ｄでは、原液１２が液体充填空間７の長手方向他端側に向けて進行するにしたがい、該原液１２中では、粒子濃度分布が、全体的に更に上方へシフトされるようになる。このため、該第４分離ゾーン９ｄを液体充填空間７の長手方向他端側へ或る距離進んだ位置では、該原液１２中の粒子濃度分布は、図３（ｅ）に示すようになり、上記ベルト５の下部走行部分５ｂ側の上端寄りに、粒子１１が更に濃縮された領域が形成される一方、上記三段目の仕切壁８ｃに近接する該第４分離ゾーン９ｄの下端寄りには、粒子濃度分布がゼロ近くまで低下した領域ｒが形成されるようになる。

このことに鑑みて、上記四段目の仕切壁８ｄは、上記第４分離ゾーン９ｄを液体充填空間７の長手方向他端側へ或る距離進んだ位置で、且つ図３（ｅ）に示したように粒子濃度分布がゼロ近くまで低下した領域ｒの上限となる位置に、該仕切壁８ｄの一端部を配置させるようにしてある。

これにより、上記四段目の仕切壁８ｄでは、上記濃縮された粒子１１を含んだ状態の原液１２と、上記粒子１１に関する清澄化が図られた清澄液１９とを、該仕切壁８ｄの上下に分離させて、それぞれ、該仕切壁８ｃの上側の濃縮粒子排出ゾーン１０と、該仕切壁８ｄ下側の清澄液出口１５ｄへ導くことができるようにしてある。

以上の構成としてある本発明の固液分離装置１を使用して固液分離処理を行う場合は、予め、上記容器２の内部の液体充填空間７に、液体、たとえば、固液分離処理の対象となる原液１２において粒子１１の分散媒となっている液体を、ベルト５の下部走行部分５ｂに接するレベルまで貯留させておく。

この状態で、ベルト蓋装置３における図示しない回転駆動装置による上記ベルト５の循環駆動を開始させることにより、上記液体充填空間７内の各分離ゾーン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄに、前記したように順次大きくなる剪断速度勾配を有する流れ場を形成させる。

又、同時に、上記液体充填空間７の長手方向一端側には、原液入口１３からの原液１２の連続的な供給を開始させる。この際、原液１２の供給量は、上記容器２内に形成される流れ場の平均流速と、該容器２の断面積との積の値に対応するように設定しておくようにする。

これにより、上記原液入口１３より液体充填空間７の長手方向一端側に供給された原液１２は、該液体充填空間７内を、長手方向一端側から他端側へ、上記各分離ゾーン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄで順に大きくなる剪断速度勾配を有する流れ場を形成しながら連続的に移動するようになる。この際、該原液１２に含まれている粒子１１は、粒径が小さくても、又、たとえ、分散媒となっている液体との密度差がないか又は微小であっても、上記各分離ゾーン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄでの剪断速度勾配を有する流れ場内で生じる上向きのサフマン揚力により、上記ベルト５の下部走行部分５ｂに近接する該液体充填空間７の上部寄りに次第に濃縮されるようになる。

その後、上記各分離ゾーン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを経ることで液体充填空間７の上部に濃縮された後、四段目の仕切壁８ｄの上側の濃縮粒子排出ゾーン１０に導かれた粒子１１は、液体の一部と一緒に粒子濃縮液２０となった状態で、液体充填空間７の長手方向他端部の上部に該濃縮粒子排出ゾーン１０に連通するよう設けられている濃縮粒子出口１７に達するようになる。よって、上記粒子濃縮液２０は、該濃縮粒子出口１７より濃縮粒子取出管１８へ取り出して回収されるようになる。

一方、上記各仕切壁８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄの下側に設けてある各清澄液出口１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄには、前記したように粒子１１の濃度が低下した清澄液１９が導かれるようになる。この清澄液１９は、その後、該各清澄液出口１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄに個別に接続してある各清澄液取出管１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄへ取り出されて回収されるようになる。

このように、本発明の固液分離方法及び装置によれば、粒径が小さい粒子１１、あるいは、分散媒の液体との固液密度差がないか又は微小な粒子１１であっても、サフマン揚力を利用して該粒子１１を濃縮することができるため、該粒子１１を含む原液１２を連続的に固液分離処理して、濃縮された粒子１１を含む粒子濃縮液２０と、清澄液１９とを分離して回収することができる。

したがって、本発明の固液分離方法及び装置は、逆浸透膜法や正浸透膜法による海水やシェールガス随伴水の脱塩処理の前処理として、水中に含まれている砂、粘土、コロイド等の固体粒子、更には、藻類やその他の微生物、その死骸や代謝物等の固体粒子を分離して除去する処理、あるいは、藻類、細胞や微生物を水中（培養液中）より分離する処理に適したものとすることができる。

上記において、上記液体充填空間７では、第１から第４の各分離ゾーン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄにて静止壁となる容器内底面２ａ及び各仕切壁８ａ，８ｂ，８ｃに対し、移動壁となるベルト５の下部走行部分５ｂを一方向に連続して相対移動させて、該液体充填空間７内の原液１２に剪断速度勾配を有する流れ場を強制的に形成させることができるため、上記液体充填空間７内では、原液１２中の粒子１１に対して作用させるサフマン揚力を、確実に且つ効率よく発生させることができる。よって、上記液体充填空間７は、原液１２の供給側となる長手方向一端側から、清澄液１９及び粒子濃縮液２０の取出側となる長手方向他端側までの距離を短く設定することができて、本発明の固液分離装置１の全体構成をコンパクトなものとすることができる。

しかも、上記本発明の固液分離方法及び装置では、液体充填空間７の長手方向一端側から他端側へ順に形成してある各分離ゾーン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄのうち、長手方向一端寄りに位置する各分離ゾーン９ａと９ｂと９ｃでは、原液１２中の粒子１１の濃度を、最終的に回収する粒子濃縮液２０の粒子濃度まで高めることなく、清澄液１９を清澄液出口１５ａ，１５ｂ，１５ｃに分離させることができる。したがって、上記各分離ゾーン９ａと９ｂと９ｃでは、粒子拡散の発生を抑制した状態で、清澄液１９を分離させて清澄液出口１５ａ，１５ｂ，１５ｃより清澄液取出管１６ａ，１６ｂ，１６ｃへ回収できるようになる。

更に、上記第４の分離ゾーン９ｄでは、移動壁となるベルト５の下部走行部分５ｂと、静止壁となる三段目の仕切壁８ｃとの間隔が狭くなっていることに起因して、原液１２の流れに生じさせる剪断速度勾配を大きくして、原液１２中の粒子１１に大きなサフマン揚力を作用させることができる。このため、上記第４の分離ゾーン９ｄでは、該粒子１１の粒子拡散の発生を抑制することができ、この粒子拡散を抑制した状態で、清澄液１９を清澄液出口１５ｄへ分離させて、清澄液取出管１６ｄへ回収させることができる。

これにより、本発明の固液分離方法及び装置では、回収される清澄液１９の粒子１１に関する清澄度を高いものとすることができる。

一方、上記濃縮粒子出口１７からは、上記回収される清澄液１９が粒子１１に関する清澄度の高いものになることに相関して、粒子１１が十分に濃縮された粒子濃縮液２０を、濃縮粒子取出管１８を経て回収することができる。

以上により、本発明の固液分離方法及び装置は、固液分離効率を高めることができ、又、清澄液１９の分離回収時間の短縮化を図ることができ、更には、固液分離処理の処理量の増加、及び、分離回収率の向上化を図ることができる。

しかも、本発明の固液分離方法及び装置では、上記清澄液１９と粒子濃縮液２０とを分離する際に、前述した特許文献２に示されたような透過性の膜は使用していないため、膜の洗浄作業を要することはなく、固液分離処理の処理速度を高めることができる。

なお、上記においては、液体充填空間７内に、四段の仕切壁８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを備える構成を示したが、仕切壁の段数は、二、三段、あるいは、五段以上としてもよい。

この場合、液体充填空間７内で発生させる流れ場の剪断速度勾配と、原液１２中の粒子１１に作用するサフマン揚力の大きさとの相関、及び、粒子１１に作用するサフマン揚力の大きさと、該粒子１１が原液１２中を上向きに移動する速度との相関、並びに、液体充填空間７内を原液入口１３側から粒子濃縮液２０と清澄液１９の出口側へ向かう原液１２の流れの速さを基に、原液１２が液体充填空間７内を長手方向一端側から他端側へ移動する距離（流れる距離）と、その移動距離に関して該液体充填空間７の下端寄りに粒子濃度分布がゼロ近くまで低下する領域ｒが形成される範囲が分かる。このため、上記粒子濃度分布がゼロ近くまで低下する領域ｒの範囲に合わせて、上記複数段の各仕切壁の上下方向間隔、及び、該各仕切壁の一端部の配置を液体充填空間７の長手方向にずらす量を設定するようにすればよい。

次に、図４乃至図８は本発明の実施の他の形態を示すものである。

すなわち、本実施の形態の固液分離装置は、図４及び図５に符号１Ａで示すもので、液体を貯留するための容器として、上下方向に延びる円筒形状の周壁２２と、該周壁２２の下端側を閉塞させる端壁２３とからなり、且つ該端壁２３の中央に取り付けた駆動軸２４を中心として上記周壁（以下、回転周壁と云う）２２を回転可能にした回転容器２１を備える。

上記回転周壁２２の内側には、該回転周壁２２に対応する軸心方向寸法を有し、且つ該回転周壁２２よりも小径としてある上端部から下端部に向けて徐々に縮径する逆円錐台面形状（截頭円錐面の上下を反転させた形状）の固定周壁２５を、同心状に配置する。これにより、上記固定周壁２５の外周面と、上記回転周壁２２の内周面との間には、軸心方向、すなわち、上下方向に延びる環状の液体充填空間２６が形成されるようにしてある。且つ該液体充填空間２６では、径方向の内外で互いに対向する壁面となる上記回転周壁２２と、固定周壁２５との間隔が、軸心方向一端部となる下端側から軸心方向他端部となる上端側に向けて次第に減少するようにしてある。なお、上記固定周壁２５の下端は、上記回転容器２１の端壁２３の内面に近接配置させることにより、両者間の隙間を小さくして、該隙間を通した固定周壁２５の内外方向の液体の流通を抑制できるようにしてある。

上記回転容器２１の駆動軸２４は、図示しない回転駆動装置に接続してある。これにより、該回転駆動装置を運転して上記駆動軸２４と一体に上記回転容器２１を回転駆動させると、上記液体充填空間２６では、静止壁となる上記固定周壁２５に対し、上記回転周壁２２を移動壁として周方向の一方向（図５では、平面視時計回り方向）に連続的に相対移動させることができるようにしてある。

このため、上記液体充填空間２６に液体が満たされている状態では、上記回転周壁２２を回転させると、該回転周壁２２近傍の液体が同伴される。これにより、該液体充填空間２６内の液体には、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に概略を示すように、上記固定周壁２５側から回転周壁２２側、すなわち、内周側から外周側に向けて流速が次第に増加する剪断速度勾配を有する流れ場が、周方向の全域に亘り形成されるようにしてある。

この際、上記液体充填空間２６は、図６（ａ）と（ｂ）と（ｃ）に、下端側（図４にＢで示す高さ位置）と、上下方向中間部（図４にＣで示す高さ位置）と、上端側（図４にＤで示す高さ位置）での切断平面図をそれぞれ示すように、該液体充填空間２６の下端側から上端側に向けて、回転周壁２２と固定周壁２５の間隔ｄが漸減している。このため、上記液体充填空間２６に形成される周方向の流れ場の剪断速度勾配は、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、該液体充填空間２６の下端側から上端側に向けて、次第に大きくなる。

これにより、上記液体充填空間２６内では、貯留されている液体に対して、上記のような剪断速度勾配を有する流れ場が形成されることに伴い、該液体中に分散されているすべての粒子１１に対して、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に矢印Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃで示すように、該液体充填空間２６の静止壁側である内周側から、移動壁側である外周側に向く方向のサフマン揚力が作用するようにしてある。更に、この粒子１１に作用するサフマン揚力は、上記液体充填空間２６の下端側から上端側に向けて、次第に大きくなるようにしてある。

上記液体充填空間２６の下端部には、図４に示すように、上記固定周壁２５の内側を通して配管した原液供給管１４（図１に示した原液供給管１４と同様のもの）の下流側端部が、固定周壁２５を貫通して開口させてある。これにより、上記液体充填空間２６には、上記原液供給管１４を通して図示しない原液供給部より導かれる原液１２を、該原液供給管１４の下流側端部の原液入口２７から連続的に供給できるようにしてある。

上記液体充填空間２６の軸心方向他端側（上端側）は、上記サフマン揚力の影響により外周方向に濃縮される粒子１１を、一部の液体と一緒に粒子濃縮液２０として、回転周壁２２の上端をオーバーフローさせて排出させるための濃縮粒子出口２８としてある。

上記固定周壁２５には、軸心方向の複数個所に、周方向に等間隔で配列させた複数の清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃが設けてある。図４、図５では、固定周壁２５の軸心方向の３個所に、周方向に９０度間隔で清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃを４つずつ設けた構成例が示してある。

ここで、上記液体充填空間２６の固定周壁２５に設ける清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃの位置の設定手法について説明する。

図７（ａ）は、上記液体充填空間２６の周方向の一部の断面図であり、軸心方向を横にして示すものである。

上記液体充填空間２６では、回転周壁２２の周方向の移動速度（回転速度）は一定のため、軸心方向の一端側から他端側（図７（ａ）では左端側から右端側）に向けて、回転周壁２２と固定周壁２５同士の間隔が徐々に狭くなると、前述したように、周方向の流れ場の剪断速度勾配が大きくなり、該液体充填空間２６に供給される原液１２中の粒子１１に作用するサフマン揚力が大きくなるため、該粒子１１の回転周壁２２側（外周方向）への移動による濃縮が速く進むようになる。

又、上記液体充填空間２６では、液体の供給排出による原液１２の流れ方向（移動方向）は、原液入口２７（図４参照）と濃縮粒子出口２８とを結ぶ軸心方向の一端側から他端側に向かう方向になる。

図７（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）は、それぞれ上記液体充填空間２６内に供給された上記原液１２中の粒子１１の該液体充填空間２６の径方向（内外周方向）に関する濃度分布を示すものであり、横軸は粒子濃度、縦軸は液体充填空間２６における径方向位置を示す。

上記液体充填空間２６における原液１２の供給側となる軸心方向一端部では、径方向の粒子濃度分布は、図７（ｂ）に示すように一様になっている。

その後、上記原液１２は、上記液体充填空間２６内を軸心方向他端側へ移動し、その間に、上記周方向の流れ場が形成されるため、該原液１２中の粒子１１（図４参照）には、上記サフマン揚力が作用するようになる。

この際、上記液体充填空間２６における上記両周壁２２と２５同士の間隔が広い原液入口２７に近い軸心方向一端寄り個所では、粒子１１に作用するサフマン揚力が比較的小さい。そのために、原液１２が軸心方向他端側へ或る距離移動する期間中に粒子１１がサフマン揚力によって回転周壁２２側（外周方向）に移動させられる距離よりも、該原液１２の軸心方向の移動距離分で両周壁２２と２５同士の間隔が減少する変化量の方が大きくなる場合がある。

この場合は、該液体充填空間２６内では、粒子１１の濃縮が十分に進行していない状態、すなわち、図７（ｃ）に示すように、径方向の粒子濃度分布において、粒子濃度がゼロ近くまで低下する領域は形成されない状態となる。

その後、上記原液１２が、上記液体充填空間２６内を更に軸心方向他端側へ移動すると、上記両周壁２２と２５同士の間隔が徐々に減少して、粒子１１に作用するサフマン揚力が大きくなる。このため、原液１２が軸心方向他端側へ或る距離移動する期間中に該サフマン揚力により粒子１１が回転周壁２２側（外周方向）に移動させられる距離が、上記両周壁２２と２５同士の間隔が減少する変化量を上回るようになると、径方向の粒子濃度分布は、図７（ｄ）に示すようになり、固定周壁２５に近接する液体充填空間２６の内周寄りに、粒子濃度分布がゼロ近くまで低下する領域ｒが形成されるようになる。

そこで、上記固定周壁２５における最も軸心方向一端寄りの清澄液出口２９ａは、この粒子濃度分布がゼロ近くまで低下する領域ｒが、固定周壁２５の近傍に或る大きさで形成される軸心方向位置に対応させて設けるようにしてある。これにより、上記清澄液出口２９ａでは、この固定周壁２５近傍の粒子濃度分布がゼロ近くまで低下した領域ｒに存在する液体を、清澄液１９として抜き出すことができるようにしてある。

上記のようにして、清澄液出口２９ａより清澄液１９を取り出すと、その直ぐ下流側となる軸心方向他端側位置では、径方向の粒子濃度分布にゼロ近くまで粒子濃度が低下する領域が一旦なくなる。

しかし、上記したように、清澄液出口２９ａの位置よりも軸心方向他端側では、原液１２が軸心方向他端側へ或る距離移動する期間中に、より大きなサフマン揚力により粒子１１が回転周壁２２側（外周方向）に移動させられるようになることから、その移動距離は、上記両周壁２２と２５同士の間隔が減少する変化量を上回るようになる。このため、上記原液１２が、上記清澄液出口２９ａの位置より軸心方向他端側へ或る距離移動すると、図７（ｅ）に示すように、固定周壁２５に近接する液体充填空間２６の内周寄りに、粒子濃度分布がゼロ近くまで低下する領域ｒが再び形成されるようになることから、該領域ｒが、固定周壁２５の近傍に或る大きさで形成される軸心方向位置に対応させて、上記固定周壁２５の軸心方向一端側から２番目の清澄液出口２９ｂを設けるようにしてある。更に同様の考えに基づいて、上記固定周壁２５の軸心方向一端側から３番目の清澄液出口２９ｃは、上記清澄液出口２９ｂより軸心方向他端側へ或る距離離れた位置で、図７（ｆ）に示すように、固定周壁２５に近接する液体充填空間２６の内周寄りに、粒子濃度分布がゼロ近くまで低下する領域ｒが再形成される軸心方向位置に設けるようにしてある。これにより、上記清澄液出口２９ｂと２９ｃでは、固定周壁２５近傍の粒子濃度分布がゼロ近くまで低下した領域ｒに存在する液体を、清澄液１９として抜き出すことができるようにしてある。

この清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃの位置の設定条件は、条件式で表現すると以下のようになる。

すなわち、図８は、固定周壁２５の軸心をｚ軸、該固定周壁２５の仮想の底面をｒθ面とする円筒座標系であり、この円筒座標系を基に考えるものとする。

上記円筒座標系において、原液入口２７の軸心方向位置で最も固定周壁２５に近い粒子１１の位置、あるいは、軸心方向一端側からｎ番目の清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃでの清澄液１９の取り出し後に、最も固定周壁２５に近い粒子１１の位置を、

とする。なお、Ｒ_ｉｎはｚ＝０での固定周壁２５の半径である。

この状態から時間Δｔ経過後に、この粒子１１がいる高さ（ｚ方向）以上の位置に清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃを設けて、清澄液１９を取り出すことを考える。

Δｔ後の粒子１１の位置は、

となる。なお、上記において、Ｖとｕ、すなわち、式（２）、式（３）のＦ_ｒとＶ_ｚはｔの関数である。

この高さｚ＝Δｚ_ｐにおける固定周壁２５の半径は、

αは固定周壁の水平面からの傾き（図８参照）
となる。

上記清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃの設置位置の条件は、ｔ＝０において最も固定周壁の近くにいた粒子１１が、該清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃからの清澄液１９の取出時（ｔ＝Δｔ）に、固定周壁２５よりも外側（回転周壁２２寄り位置）に存在しているようにすればよい。したがって、上記式（１）（２）（３）及び式（５）より、

となり、この式（６）より、Δｔの条件式が導出できる。このΔｔの条件式によれば、Δｔの下限値が求まる。Δｔが該下限値を下回る場合は、粒子１１が、まだ固定周壁２５より十分に離れていない状態であり、該粒子１１の濃縮とそれに伴う清澄液１９の分離が進行していない状態である。

上記Δｔの条件式を満たすｔ＝Δｔが求まったら、それを上記式（３）に代入することにより、Δｚ_ｐ、すなわち、上記原液入口２７の軸心方向位置から、軸心方向一端側より１番目の清澄液出口２９ａまでの軸心方向に沿う方向の距離、あるいは、固定周壁２５の軸心方向に配列される清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃ同士の距離を、導出することができる。

又、固定周壁２５の水平面からの傾斜に沿う方向に関する上記清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃの大きさＬ_ｓは、図８より、

を満たすように設定すればよい。

上記固定周壁２５は、上端側が閉塞板３０により気密に閉塞させてある。該閉塞板３０には、上記原液供給管１４が上下方向に貫通させてあり、該原液供給管１４は、上記閉塞板３０の貫通部で気密に保持されている。

更に、上記閉塞板３０には、ポンプ３２を備えた清澄液回収管３１の上流側端部が、外側から気密に接続してある。これにより、上記液体充填空間２６より固定周壁２５の内側に抜き出された清澄液１９は、上記ポンプ３２の運転により、上記清澄液回収管３１に回収することができるようにしてある。

上記閉塞板３０は、後述する外部固定容器３３に図示しない支持材を介して支持させるか、あるいは、図示しない支持構造に支持させることで、位置を固定できるようにしてある。これにより、該閉塞板３０と一体の上記固定周壁２５は、上記回転容器２１の回転に干渉する虞のない状態で、該回転容器２１の回転周壁２２及び端壁２３との相対位置を保持できるようにしてある。

上記回転容器２１の外側には、該回転容器２１の下方と外周を覆う外部固定容器３３が設けてある。なお、上記回転周壁２２の上端よりオーバーフローさせる粒子濃縮液２０は、上記回転容器２１の回転に伴う遠心力の作用により外周側へ飛ばされる可能性がある。よって、上記外部固定容器３３は、その上端の高さ位置が、上記回転容器２１の回転周壁２２の上端の高さ位置以上となるように設定してある。これにより、上記濃縮粒子出口２８より回転周壁２２の上端の外周側へオーバーフローされる粒子濃縮液２０は、上記外部固定容器３３の内側に受けることができるようにしてある。

上記外部固定容器３３の底部は、中央に上記駆動軸２４を貫通させて配置させるための開口部３４が設けてあり、且つ該開口部３４の周縁は、該外部固定容器３３の内底面より或る寸法立ち上げた形状として、上記粒子濃縮液２０を内底部に溜めることができるようしてある。更に、該外部固定容器３３は、底部の或る個所に、上記粒子濃縮液２０を回収するための粒子濃縮液回収口３５が設けてある。なお、上記外部固定容器３３の内底面には、全体に亘り上記粒子濃縮液回収口３５に向けて下方傾斜する傾斜面を設けるようにしてもよい。これにより、上記したように外部固定容器３３の内側に受けられた粒子濃縮液２０は、該外部固定容器３３の内底部に集められた後、上記粒子濃縮液回収口３５より回収できるようにしてある。

以上の構成としてある本実施の形態の固液分離装置１Ａを使用して固液分離処理を行う場合は、予め、回転容器２１の内部、すなわち、液体充填空間２６及び固定周壁２５の内側に、液体、たとえば、固液分離処理の対象となる原液１２において粒子１１の分散媒となっている液体を、回転周壁２２の上端と一致するレベルまで貯留させておく。

この状態で、図示しない回転駆動装置による上記回転容器２１の回転駆動を開始させることにより、上記液体充填空間２６内には、前記した内外周方向に剪断速度勾配を有する流れ場を、周方向の全域に亘り形成させる。

その後、上記液体充填空間２６には、原液供給管１４を通して導かれる原液１２を、原液入口２７から該液体充填空間２６の下端部へ、連続的に供給させる。更に、上記液体充填空間２６では、清澄液回収管３１のポンプ３２の運転開始に伴い、固定周壁２５の各清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃを通して該固定周壁２５の内側への清澄液１９の回収を開始させるようにする。

上記液体充填空間２６の下端部に供給された原液１２は、該液体充填空間２６内を、下端側（軸心方向一端側）から上端側（軸心方向他端側）へ、上記剪断速度勾配を有する周方向の流れ場が生じた状態で順次移動するようになる。この際、該原液１２に含まれている粒子１１は、粒径が小さくても、又、たとえ、分散媒となっている液体との密度差がないか又は微小であっても、上記剪断速度勾配を有する流れ場内で、該粒子１１に作用する流体力である外周方向に向いたサフマン揚力により、上記回転周壁２２に近接する外周寄りに次第に濃縮されるようになる。

この際、上記液体充填空間２６では、図７（ｄ）に示したように、上記粒子１１が外周寄りに濃縮されることに伴って、内周側の固定周壁２５付近に粒子濃度分布がゼロ近くまで低下した領域ｒが形成されるようになると、該領域ｒに存在する液体が、清澄液１９として、軸心方向の複数個所に設けてある上記各清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃを通して固定周壁２５の内側へ順次取り出される。

該固定周壁２５の内側に取り出された清澄液１９は、その後、上記清澄液回収管３１を通して回収される。

一方、上記清澄液１９の回収に伴って上記液体充填空間２６の外周寄りに濃縮された粒子１１は、残存している液体の一部と一緒に粒子濃縮液２０となった状態で、上記液体充填空間２６の上端側に設けられている濃縮粒子出口２８より回転周壁２２をオーバーフローさせられて、外部固定容器３３の内側に受けられる。しかる後、該粒子濃縮液２０は、外部固定容器３３内で集められ、粒子濃縮液回収口３５より回収されるようになる。

このように、本実施の形態の固液分離方法及び装置によれば、図１乃至図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示した実施の形態の場合と同様に、粒径が小さい粒子１１、あるいは、分散媒の液体との固液密度差がないか又は微小な粒子１１であっても、該粒子１１を含む原液１２を連続的に固液分離処理して、濃縮された粒子１１を含む粒子濃縮液２０と、清澄液１９とを分離して回収することができる。

したがって、本実施の形態の固液分離方法及び装置は、逆浸透膜法や正浸透膜法による海水やシェールガス随伴水の脱塩処理の前処理として、水中に含まれている砂、粘土、コロイド等の固体粒子、更には、藻類やその他の微生物、その死骸や代謝物等の固体粒子を分離して除去する処理、あるいは、藻類、細胞や微生物を水中（培養液中）より分離する処理に適したものとすることができる。

上記において、上記液体充填空間２６では、回転周壁２２を、固定周壁２５に対し一方向に連続的に相対移動させて、該液体充填空間２６内の原液１２に剪断速度勾配を有する流れ場を強制的に形成させることができるため、原液１２中の粒子１１に対して作用させるサフマン揚力を、確実に且つ効率よく発生させることができる。よって、上記液体充填空間２６は、原液１２の供給側となる軸心方向一端側から、粒子濃縮液２０の出口側となる軸心方向他端側までの距離を短く設定することができて、本実施の形態の固液分離装置１Ａの全体構成をコンパクトなものとすることができる。

更に、本実施の形態の固液分離方法及び装置では、原液１２中の粒子１１にサフマン揚力を作用させるために上記液体充填空間２６で発生させる剪断速度勾配を有する流れ場の方向と、上記原液入口２７側と濃縮粒子出口２８とを結ぶ液体の供給排出による原液１２の流れ方向とが、それぞれ周方向と軸心方向になっていて、直角に異なっている。このため、上記液体充填空間２６内では、上記原液１２の該液体充填空間２６内での供給排出による流れ方向（軸心方向）の移動速度に依存することなく、上記周方向の流れ場における剪断速度勾配の大きさを設定することが可能になる。よって、上記本実施の形態の固液分離装置１Ａは、上記回転周壁２２を有する回転容器２１の回転速度や、該回転容器２１（回転周壁２２）の高さ寸法、原液１２の処理量等を、それぞれ独立して変更できるため、装置の設計の自由度を大きいものとすることができる。

しかも、上記本実施の形態の固液分離方法及び装置では、液体充填空間２６の静止壁となる固定周壁２５に設けてある各清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃのうち、軸心方向一端寄りに位置する清澄液出口２９ａと２９ｂでは、原液１２中の粒子１１の濃度を、最終的に回収する粒子濃縮液２０の粒子濃度まで高める以前に、清澄液１９を該清澄液出口２９ａ，２９ｂを通して分離、回収することができる。したがって、上記清澄液出口２９ａ，２９ｂでは、粒子拡散の発生を抑制した状態で、清澄液１９を分離させて回収できるようになることから、回収される清澄液１９の粒子１１に関する清澄度を高いものとすることができる。

更に、上記液体充填空間２６の軸心方向一端側から３番目の清澄液出口２９ｃの配置個所では、移動壁となる回転周壁２２と、静止壁となる固定周壁２５との間隔が狭くなっていることに起因して、原液１２の周方向の流れ場に生じさせる剪断速度勾配を大きくして、原液１２中の粒子１１に大きなサフマン揚力を作用させることができる。このため、上記清澄液出口２９ｃでは、該粒子１１の粒子拡散の発生を抑制した状態で、清澄液１９を該清澄液出口２９ｃを通して固定周壁２５の内側へ、分離、回収することができる。

これにより、本実施の形態の固液分離方法及び装置では、回収される清澄液１９の粒子１１に関する清澄度を高いものとすることができる。

一方、上記液体充填空間２６の濃縮粒子出口２８からは、上記回収される清澄液１９が粒子１１に関する清澄度の高いものになることに相関して、粒子１１が十分に濃縮された粒子濃縮液２０を、外部固定容器３３に向けて排出させることができる。

以上により、本実施の形態の固液分離方法及び装置は、図１乃至図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

更に、本実施の形態の場合は、液体充填空間２６の移動壁となる回転周壁２２に対し、静止壁となる固定周壁２５を傾斜させた状態で対面させるよう配置し、この固定周壁２５の軸心方向の複数個所に清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃを設けるという構成で、上記原液１２からの清澄液１９の分離を多段階に行わせることができるため、構成部材の点数を削減できて、製造工数、製造コストの抑制を図ることができる。

次いで、図９は本発明の実施の更に他の形態として、図４乃至図８の実施の形態における固液分離装置１Ａの応用例を示すものである。

すなわち、本実施の形態の個液分離装置は、図９に符号１Ｂで示すもので、図４及び図５に示した固液分離装置１Ａと同様の構成において、回転周壁２２の内側に、上端側から下端側へ向けて縮径する逆円錐台面形状の固定周壁２５を同心状配置した構成に代えて、回転周壁２２の内側に、上端側から下端側に向けて拡径する円錐台面形状（截頭円錐面形状）の固定周壁２５ａを同心状に配置した構成としたものである。これにより、上記両周壁２２と２５ａの間に、上下方向に延びる環状の液体充填空間２６ａを形成すると共に、該液体充填空間２６ａでは、径方向の内外で互いに対向する壁面となる上記両周壁２２と２５ａとの間隔が、軸心方向一端部となる上端側から軸心方向他端部となる下端側に向けて次第に減少するようにしてある。

更に、上記液体充填空間２６ａは、両周壁２２と２５ａの間隔の減少する方向が、上端側から下端側に向かう方向になることに鑑みて、該液体充填空間２６ａの上端部を原液入口２７としてあり、その上方に原液供給管１４の下流側端部を配置させるようにしてある。

又、上記液体充填空間２６ａは、その下端側から濃縮された粒子１１を粒子濃縮液２０として排出するために、該液体充填空間２６ａの下端部に、上記固定周壁２５ａの内側を通して配管した粒子濃縮液回収管３６の上流側端部を接続して、該粒子濃縮液回収管３６の上流側端部が、上記液体充填空間２６ａの濃縮粒子出口２８となるようにしてある。上記粒子濃縮液回収管３６は、図示しないポンプに接続されているものとする。

これにより、本実施の形態の固液分離装置１Ｂでは、上記図示しないポンプの運転により、上記液体充填空間２６ａの外周寄りに濃縮された状態で該液体充填空間２６ａの下端部まで送られる粒子１１を、一部の液体と一緒の粒子濃縮液２０の状態で上記濃縮粒子出口２８を通して粒子濃縮液回収管３６へ抜き出して回収することができるようにしてある。

上記液体充填空間２６ａの固定周壁２５ａには、図４乃至図８の実施の形態で示した設定条件と同様の設定条件により設定された位置に、清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃが設けてある。

なお、本実施の形態の固液分離装置１Ｂは、上記したように、粒子濃縮液２０を、液体充填空間２６ａの下端部より粒子濃縮液回収管３６へ直接抜き出して回収するようにしてあることから、外部固定容器３３は省略した構成としてある。

その他の構成は図４乃至図８に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

以上の構成としてある本実施の形態の固液分離装置１Ｂによれば、回転容器２１の回転駆動により、回転周壁２２と固定周壁２５ａとの間に形成される液体充填空間２６ａにて、剪断速度勾配を有する周方向の流れ場を形成できると共に、該剪断速度勾配を、該液体充填空間２６ａの軸心方向の一端側から他端側に向けて次第に増大させることができる。

したがって、本実施の形態の固液分離装置１Ｂによっても、図４乃至図８に示した実施の形態の場合と同様に固液分離処理を行うことができる。よって、本実施の形態の固液分離装置１Ｂは、図４乃至図８に示した実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、図４乃至図８の実施の形態、及び、図９の実施の形態では、固定周壁２５，２５ａの軸心方向の３個所に清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃを設ける構成を示したが、上述した設定条件に当てはまるようにすれば、液体充填空間２６，２６ａの軸心方向寸法や、固定周壁２５，２５ａの回転周壁２２に対する傾斜角度や、液体充填空間２６，２６ａ内で発生させる剪断速度勾配を有する周方向の流れ場の速度や、液体充填空間２６，２６ａ内における原液１２の軸心方向の移動速度等、種々の条件に応じて、清澄液出口の軸心方向の配列数を２又は４以上としてもよい。更に、清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃの形状は適宜変更してもよい。又、固定周壁２５，２５ａが、回転周壁２２との間で剪断速度勾配を有する周方向の流れ場（層流）を形成させるための静止壁としての機能を果たせるようにしてあれば、上記清澄液出口２９ａ，２９ｂ，２９ｃの軸心方向や周方向のサイズ、周方向の配列数は適宜変更してもよい。

又、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、上記各実施の形態では、液体充填空間７，２６，２６ａ内で形成される粒子濃度分布がゼロ近くまで低下した領域ｒに存在する液体を清澄液１９として回収するものとして示したが、清澄液１９に所望される清澄度に応じた閾値を設定して、図１乃至図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）の実施の形態では、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示した如き液体充填空間７の上下方向の粒子濃度分布が、又、図４乃至図８の実施の形態、及び、図９の実施の形態では、図７（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）に示した如き液体充填空間２６，２６ａの径方向の粒子濃度分布が、それぞれ上記所定の閾値よりも小さくなる領域に存在する液体を、清澄液１９として回収するようにしてもよい。

図１乃至図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）の実施の形態では、液体充填空間７の断面積や長手方向寸法は、所望する原液１２の処理量や固液分離効率に応じて適宜変更してよい。又、液体充填空間７の濃縮粒子出口１７は、必要とされる粒子１１の濃縮率や、清澄液１９の清澄度に応じて、上下方向の寸法を適宜変更してもよい。

図４乃至図８の実施の形態、及び、図９の実施の形態では、液体充填空間２６，２６ａの断面積や軸心方向寸法は、所望する原液１２の処理量や固液分離効率に応じて適宜変更してよい。このことに関連して、固定周壁２５，２５ａの壁面の軸心方向からの傾斜角度は、図示した以外の角度に設定してよい。又、回転周壁２２と固定周壁２５，２５ａとの間隔は、必要とされる粒子１１の濃縮率や、清澄液１９の清澄度に応じて適宜変更してもよい。

図４乃至図８の実施の形態、及び図９の実施の形態では、固液分離処理の対象とする原液１２は、該原液１２において粒子１１の分散媒となっている液体の密度に比して、密度が大きくなる側へ比較的大きな密度差を有する粒子１１を含んでいてもよい。この場合、上記液体に対して大きな密度差を有する粒子１１は、環状の液体充填空間２６，２６ａ内で周方向に形成される流れ場内で、サフマン揚力に加えて、遠心力を利用して外周側に濃縮させて、濃縮粒子出口２８より回収することができる。

本発明の固液分離方法及び装置は、固液分離処理が必要とされる粒子１１を含んだ液体であれば、任意の粒子１１を含んだ原液１２や、水以外の分散媒に粒子１１が分散された原液１２の固液分離処理に適用してもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

１，１Ａ，１Ｂ固液分離装置
２容器
２ａ容器内底面（静止壁）
４ベルト蓋装置
５ベルト
５ｂ下部走行部分（移動壁）
７液体充填空間
８ａ，８ｂ，８ｃ８ｄ仕切壁（静止壁）
１１粒子
１２原液
１３原液入口
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ清澄液出口
１７濃縮粒子出口
１９清澄液
２０粒子濃縮液
２２回転周壁（移動壁）
２５，２５ａ固定周壁（静止壁）
２６，２６ａ液体充填空間
２７原液入口
２８濃縮粒子出口
２９ａ，２９ｂ，２９ｃ清澄液出口

Claims

液体を満たすための液体充填空間を、移動壁と、該移動壁との距離が液体充填空間の一端側から他端側に向けて連続的に又は段階的に小さくなる静止壁との間に形成し、
上記液体充填空間に液体を満たした状態で、上記移動壁を静止壁に対して一方向に連続的に相対移動させることにより、該液体充填空間内の液体に、上記静止壁側から移動壁側に向けて流速が次第に増加する剪断速度勾配を有する流れ場を形成し、
該液体充填空間に、一端側から粒子を含む原液を供給して、該原液中の粒子に対し、上記剪断速度勾配を有する流れ場により、上記静止壁側より移動壁側に向く方向のサフマン揚力を作用させ、
その後、上記液体充填空間の一端側から他端側に至る途中の複数個所で、上記静止壁近くで粒子濃度が低下する領域の液体を清澄液として抜き出して回収すると共に、該液体充填空間の他端部より、上記サフマン揚力の作用により濃縮された上記粒子を含む粒子濃縮液を回収するようにする
ことを特徴とする固液分離方法。
液体を満たすための液体充填空間を、移動壁と、該移動壁との距離が液体充填空間の一端側から他端側に向けて連続的に又は段階的に小さくなる静止壁との間に形成し、
上記移動壁は、上記静止壁に対して一方向へ連続的に相対移動可能として、該移動壁の上記静止壁に対する一方向への連続的な相対移動により、上記液体充填空間内の液体に、上記静止壁側より移動壁側に向けて流速が次第に増加する剪断速度勾配を有する流れ場を形成できるようにし、
上記液体充填空間の一端側に、原液入口を設け、
更に、上記静止壁に、上記液体充填空間の一端側から他端側に至る途中の複数個所で、上記液体充填空間内の剪断速度勾配を有する流れ場中で作用するサフマン揚力により粒子が上記移動壁寄りに濃縮されることに伴って該静止壁近くで粒子濃度が低下する領域の液体を、清澄液として回収するための清澄液出口を設け、
上記液体充填空間の他端部に、粒子濃縮液を回収するための濃縮粒子出口を設けた構成
を有することを特徴とする固液分離装置。
液体充填空間は、回転駆動可能な移動壁としての回転周壁と、該回転周壁の内側に隙間を隔てて同心状に配置した静止壁としての固定周壁との間に軸心方向の一端側から他端側に間隔が大きくなるよう環状に形成させてなり、上記両周壁の間隔が大きい側の軸心方向一端側に原液入口を設けると共に、軸心方向他端側に、濃縮粒子出口を設け、更に、上記固定周壁に、軸心方向に配列した複数の清澄液出口を設けるようにした請求項２記載の固液分離装置。
液体を貯留するための一方向に延びる樋状の容器の上端側開口部に、該容器の長手方向の全長に亘りベルトを循環駆動できるように設けたベルト蓋装置を設け、且つ上記容器内における上下方向複数個所に、該容器の長手方向途中位置から長手方向他端部まで水平に延びる仕切壁を、下段側の仕切壁がその上段側に隣接する仕切壁よりも、上記容器長手方向一端寄りに順次突出するように配置して、液体充填空間を、上記ベルトの下部走行部分と、該ベルトの下部走行部分に対向する上記容器の内底面、及び、上記各仕切壁の突出部分との間に形成し、更に、各仕切壁の下側を、清澄液出口とすると共に、上記容器の長手方向他端部における最上段の仕切壁よりも上側の部分を、濃縮粒子出口とするようにした請求項２記載の固液分離装置。