JP2014151221A - 気液混合システム - Google Patents

Abstract

【課題】液体にオゾンガスを混合し、ＰＣＢを含有した絶縁廃油や、環境ホルモン・有害な重金属を含む廃液を酸化分解により無害化し、また、放射性セシウム等の有害物質を固形物から酸化分解により液中に溶出分離させて除染する酸化分解除去が可能なガス混合液体を生成する気液混合システムを提供する。
【解決手段】気液混合装置１０は、気体を処理液体に粗混合する第１の装置としてエジェクター２０と、多段式凹凸回転刃と凹凸固定刃を具備する臼型湿式粉砕機３０による第２の装置を連続して処理作用させるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体を液体に粗混合する第１の装置と、多段式凹凸回転刃と凹凸固定刃を具備する臼型湿式粉砕機による第２の装置を連続して処理作用させる気液混合システムに関する。

従来ＰＣＢ含有絶縁油または各種溶剤や洗浄剤や固形物を含む廃液の処理方法として用いられている技術には、脱塩素化分解法（アルカリ触媒分解法、化学抽出分解法、有機アルカリ金属分解法、触媒水素化脱塩素化法など）、水熱酸化分解法（超臨界水酸化分解法、水熱分解法など）、還元熱化学分解法（溶融触媒抽出法、気相水素還元法など）、光分解法（紫外線分解・生物処理法、紫外線分解・蒸留分離法、ＵＶ／触媒分解法など）、プラズマ分解法などがある。超臨界水を用いた水熱酸化分解法は装置が極めて高額である。その他の方法も有効ではあるが装置設備および処理過程のコストが高額でありＰＣＢ廃棄物の累積が増える要因となっている。また、多量な薬液を用いる方法ではＰＣＢを分解する一方で薬液の廃棄物も出ることから二次処理が必要となる。高温での処理には多量のエネルギーが必要であるとともに環境負荷を増大させてしまう問題も併発してしまう。環境ホルモンや有害な重金属含有廃液についても安価で高効率な処理手段は未だ提供されていない。

一方、オゾンによりＰＣＢを分解する技術の提案は多数散見される。オゾンそのものは優れた酸化性能を持つ物質であり効果は期待できる。しかし、オゾンの物性があらゆる有機物を対象に酸化反応をして酸素に戻り、しかもその反応時間は測定ができない程短く瞬時であることを踏まえ実用可能な処理技術として有効な手段は提案されていない。

例えば、ＰＣＢ含有絶縁油または各種溶剤や洗浄剤や固形物を含む廃液にオゾンガスをバブリングしたり、あるいは気液混合にキャビテーションを起こす程度に強力な機構を採用して液中に拡散させる方法が提案されている。しかし、気液混合により発生するオゾン気泡は大口径で目視できる気泡であり液中のＰＣＢや環境ホルモン、重金属との接触は極めて低い確率でしかなかった。

特許文献１では、詳細の記載はないが、容器中の処理液に散気管を用いてオゾンガスを気泡供給し同時にＵＶランプの照射を与えている。

しかし散気管で発生できる気泡径は粗く、微細化されるようなせん断を与えられていないから未反応のオゾンが多く存在すると考えられる。

特許文献２も同様で、オゾン分子の酸化分解反応を液中への微細な気泡分散によって拡大し、しかも有害物質との接触反応までの時間を短くするという極めて重要な要素について提案がなされていない。

一方、特許文献３ではオゾンによる酸化分解効率を高めるためにキャビテーションの強い撹拌作用を与え微粒子化することが提案されている。

しかし気液混合する方法であるキャビテーション手段は、事例として、処理液濃度が２，０００ｃｐｓ以下に調整することが望ましいとされているが、現実には１００，０００ｃｐｓといった高濃度の液体でも処理できることが望まれていて、対応できない。

特許文献４では、高濃度安定化オゾン水により固形物からの除染ができる旨の記載がある。一方、土壌や汚泥、焼却灰を問わず、対象物は水で流れてしまう程に小さい固形物ほどセシウムなどによる汚染度が高く、オゾン水の散水に向かない傾向がある。本発明によれば対象物を水などの液体と混合したスラリーを処理液とするが、オゾンガスを極めて微細に混合するもので希釈することもない処理手段であることから、オゾン水では不可能な汚泥や微細粒の固形物に好適であるといえる。

さらに、気液混合をする装置であって、機械的せん断効果も活用している例としては、特許文献５の提案がある。当該特許は、気体混合ができることができるポンプとして渦流ポンプが提案されている。

このポンプの形態はインペラーの外周に小羽根を取付けて回転移動させ羽根の起こす渦流により気液混合ができるとされている。しかし、小羽根は外周部に設置されるだけなので作用の及ぶ容積が狭く、またケーシング側には特別に機械的せん断を起こす機構がないことから撹拌効果が強いとはいえない。さらに小羽根は固形物が混入すると容易に摩耗研磨されてしまう薄い羽根形状であることから処理液に固形物があるスラリー液などの場合には適応することは困難であった。

特開２００３−５３３５９号公報 特開２００３−１０８４２号公報 特開２００１−２０６８５８号公報 ＰＣＴ／ＪＰ２０１１／６８２０７ 特許第３０６１４５１号公報

ＰＣＢや環境ホルモン成分、重金属を含む液体であるが、オゾンはこれら有害物質に対しては直接接触させてこそ酸化効果が見込めるものである。

しかし、従来の処理方法では、処理液に散気管を用いて散気したり、キャビテーションとはいいながらも気液混合の方法、例えばエジェクター等を用いて処理液中にオゾンガスを供給する方法に限られていた。

その場合、オゾン気泡は表面積の少ない比較的大口径の気泡でしかなく、気泡内面の処理液と接触する部分にしか効果を及ぼすことがなく、総じて処理効果が低い結果となる。廃油や廃液は程度の差こそあれ粘性のある液体であるから、水でも混合し難い難溶解性のオゾンガスを微細にして液接触させることはガス混合による改良では効果が期待できない。

未反応で酸化に有効な高濃度オゾンガスの状態のまま、ＰＣＢ等の有害物質を含む液体に、しかも瞬時に分散させる方法が重要である。より微細化した気泡で対象液と接触させることでオゾンの酸化分解効果は飛躍的に促進される。オゾン気泡を分断し微細化して接触面積を増大させ、しかもそれを瞬時に起こすことができ、且つ、本発明は、装置コストと処理コストがともに安価であり、対象液の粘度や固形物含有もいとわない利用範囲の広い技術を提供することを課題とする。

以下のような本発明により、上記課題を解決することができる。

（１）気体を液体に粗混合する第１の装置と、直下流に連続する多段式凹凸回転刃による臼型湿式粉砕機により粗混合した気液を微細断する第２の装置とにより、液体に気体を溶存させることを特徴とする気液混合システム。

（２）（１）において、前記第２の装置により微細断された気液を、更に前記第１の装置から第２の装置に循環させる循環装置を設けたことを特徴とする気液混合システム。

（３）（２）において、前記気液の粘性を低下させるための加熱・温度調整手段を前記循環装置内に設けたことを特徴とする気液混合システム。

（４）（１）乃至（３）のいずれかにおいて、前記第１の装置に供給される気体がオゾンガス、酸素ガス、水素ガス、窒素ガス、炭酸ガスのいずれかであることを特徴とする気液混合システム。

（５）（１）乃至（４）において、前記ガスはオゾンガスであり、前記第１の装置の下流であり、前記第２の装置の上流に流通するオゾンをラジカル化させる紫外線ランプを配置したことを特徴とする気液混合システム。

（６）（１）乃至（５）のいずれかにおいて、前記第２の装置から流下した気体溶存液を、前記第１の装置に循環させ、さらに同連続する第１の装置及び第２の装置による処理を繰返し行うための循環装置を有することを特徴とする気体混合システム。

（７）（６）において、対象となる液体がＰＣＢ含有絶縁廃油または各種溶剤や洗浄剤や、環境ホルモンや有害な重金属を含む液体、または放射性物質に汚染された土壌や焼却灰など有害物質の結合した汚染物質を含む液体またはスラリー状液体であり、前記含有物質を溶存ガスにより酸化分解するようにされたことを特徴とする気液混合システム。

（８）（７）における、処理液中の有害物質の酸化分解程度を直接または間接的に把握できる計測装置による液成分分析手段を具備した制御方法。

（９）（８）における、酸化処理により発生する未反応の排オゾンガス、およびオゾン酸化による有害物質分解に伴い発生する酸化反応ガスを分解または分離除去する排気ガス処理手段を具備するシステム。

本発明はオゾンの物質特性を最も有効に活用するものである。

オゾンはフッ素に次ぐ極めて強い酸化性能を有する気体であり有機物の酸化分解反応に有効であることが知られている。また、水や液体に対して難溶解性であるから液中に存在する場合は気泡として存在することが知られている。

有害物質が酸化する対象物となるが、オゾンを有害物質にいかに接触させるかが重要であり、接触できないオゾンは気泡として未反応で脱気して液外に放出されて失われてしまう。また、オゾンは極めて酸化力が高い、すなわち不安定なガスであることによるが、有害物質や有機物と反応して酸素に戻る時間は計測不能な程に短時間であることもよく勘案する必要があった。そこで、オゾンガスを液体に注入混合する工程で一定の気泡の拡散状態をつくった上で、できるだけ強い機械的なせん断を与えてオゾンガス気泡を微細に分散させ、オゾンの接触する液体面積を膨大に増加せしめることが重要であり、同時にそのせん断微細化の時間ができる限り短く高い効率であることが求められると考えた。

発明者の独自の着目によれば、トリゴナル湿式粉砕機こそが最も好適であることが予測された。

トリゴナル湿式粉砕機は、元来鉱山で粉砕し難い比較大形の固形物を水などと共に液として供給し、湿式粉砕処理するために設計製造されているものである。従って対象物が当該処理液のような廃液であることと、さらにはオゾンを微細化混合する目的で用いられたことはなく、利用された事例の開示は一切ない。

トリゴナル湿式粉砕機は、３段階の臼状の刃により形成されたインペラーで構成されたポンプ構造をしており、サクション側から供給された流動液（本来は多くの固形物を含有する）を同インペラーの回転する遠心力を利用して中心部から外周部へと送り込む構造になっている。そのインペラーは、ケーシング側に配置された同様の臼状の凹凸刃を設けた固定刃面と極めて狭いクリアランスで摺り合され、その間隙で本来の用途では固形物が微粉砕される。

インペラー側（回転刃）、ケーシング側（固定刃）のそれぞれの面は、放射状の凹凸構造となり、凹凸刃の刃面が互いに鋏みのように連続的に近づいては固形物を切るまたは粉砕する訳である。凹凸が摺動することで近づき、離れる動作により凹凸の隙間の容量が変化するから、局所的にみると処理液にかかる圧力は大きく振幅変化し、同時に乱流が起こっている。トリゴナル湿式粉砕機内が３段階の処理である説明をする。

まず第１混合部で回転刃と固定刃で荒削り粗せん断され、その次に配置された第３混合部で回転刃と固定刃でより細かい気泡にせん断される。次に第３混合部で同様に回転刃と固定刃でせん断されるが、刃の凹凸は第１から第３の順で細かくなり、回転刃と固定刃のクリアランスは順に狭くなり第３混合部で最も狭くなっており、せん断する細密度は最も高い。

対象となる液体は、トリゴナルの中心部分である流入口から遠心力で外周へと流れる構造であるから、極めて短い時間で通常のポンプや粉砕機では考えられない回数の乱流に晒され、同時にせん断処理を施されるのである。

また、トリゴナルでは処理液の粘度が１００，０００ｃｐｓという高粘度の場合でも十分なトルクがあり前述オゾンガスの微細化処理には全く支障がなく、従って廃油といった粘性の高い処理液を対象にした場合にもオゾンを微細気泡にして有害物質と高効率で接触させることができるものである。

本発明で使用したエジェクターは、例えばカスケードポンプのように粗い気泡でオゾンを処理液に供給することができる構造であれば、それを用いることも可能である。しかし、より単純な構造で処理の操作性にも好適な方法としてはエジェクター構造が望ましい。トリゴナル湿式粉砕機については、図で示す構造であり刃の枚数は制限しないが、臼状の合わさる面の両面に凹凸の刃が形成されており、１ｍｍ以下（最狭部において）のクリアランスで処理液を挟みながら摺動する形態であり、その臼の摺動面が密閉されたケーシング内にあって回転中心部から円周方向に遠心力をもって処理液が噴出され、ポンプのような吐出力を発揮する形態を成している前記した形態のものであれば本発明に含むものとする。

上記のエジェクターによるオゾンガスの注入と粗い混合、その下流方向の直下に配置されたトリゴナル湿式粉砕機の二つの混合工程を一体とした混合微細化プロセスとして働かせしめ、オゾンガスと有害物質を含む処理液を反応させることが本発明の特徴である。これに加え、より確実に有害物質を所望する性状にまで無害化する手段として繰返し循環させ、反応を反復して作用させる構造であることが好ましい。

まず処理液タンクを配置し、処理液タンクからエジェクターに必要圧力で液相するためのポンプを配置する。エジェクター、次にトリゴナルと処理に供せられた処理液は処理液タンクに戻って再度処理に向かうこととなる。また、トリゴナル湿式粉砕機は前述高濃度の液体でも混合されたオゾン気泡のせん断および分散に十分な機能を有していることは後述するが、より微細にオゾンガスを拡散させる目的と、オゾン自体がヘンリー定数で知られるように温度が高いほど酸化反応が強くなることを併せて考慮し、処理液の液温を加熱により上昇させる手段と液温を適正に保持する手段を付加することが望ましい。

処理液の物性によるが、より効果の高いトリゴナル湿式粉砕機の回転数、トリゴナル湿式粉砕機内の臼領域に処理液の滞留する時間、エジェクターで処理液の液体温度に同調したオゾンが最も効果を示す温度帯を複合して検討の上、加熱保持する処理液温度は調整すればよい。またオゾンの反応が最も有効となるようトリゴナル湿式粉砕機の下流に配置する流速圧力可変バルブの開度を調整し、トリゴナルの臼領域で有害物質が最大の酸化作用を受けるための滞留通過に要する時間を調整することもできる。さらに記載の通り、処理液タンクに濁度計、色度計、ｐＨ計ほか液体の酸化分解反応による諸変化を把握するための計測器を配置しておき、処理液ごとに有害物質が無害化できたときの状態の計測値との差をセンサーで評価できるようにしておけば、処理の自動化が可能となる。本発明では、エジェクターおよびトリゴナル湿式粉砕機による処理に加え、システムとしての必要要素として発明に含むものである。

さらに、本発明のオゾンによる酸化効果をより高める手段として、オゾンの粗混合工程であるエジェクターの下流、トリゴナル湿式粉砕装置の上流で、望ましくはトリゴナル湿式粉砕機の直上流の位置に紫外線ＵＶランプなどによる照射装置を備える方法が有効となる。紫外線ＵＶランプは、トリゴナル湿式粉砕機の処理液流入口の手前の配管または配管内に設置する。本発明の２段階混合方法で、オゾンガスは微細気泡として瞬時に処理液中に拡散してオゾン分子が有害物質と接触するが、オゾンそのものをラジカル化して酸化分解効果をより高めることができる。

トリゴナル湿式粉砕機の直上流であるべき理由は、オゾンはラジカル化することで効果を増すのと同時にその反応時間も短くなるので、粗い気泡内のオゾン分子に作用を施してラジカル化した時点から僅かの時間差で微細化せん断を受けることが必要であるからである。

本実証試験では、対象物を処理液中のＰＣＢｓに絞って実施したが、環境ホルモンや有害な重金属に対してもオゾンそのものの酸化分解効果が及ぶことは確かであり、それを高効率に反応させられることが判明したことから、発明の利用範囲に含むことに問題はない。

計測センサーについて、オゾン酸化は有害物質と同時に処理液の様々な物質に酸化反応による変化を与えるわけで、そのいずれか変動を把握しながら、一方で目的たる有害物質の無害化された時点の相関を把握することで、自動制御による処理が可能となる。計測センサーの種類は特に限定しない。

また、トリゴナル湿式粉砕機がそもそも固形物の粉砕に用いる用途で使用される装置であることから処理液に、有害物質に汚染された固形物を含む場合にも有効であり本発明から除外されるものではない。従って、土壌などに付着汚染したＰＣＢなど有害物質を流動性のあるスラリーとして土から分離した液体を処理液として本発明の方法および装置で処理することも本発明に含むものである。

また、放射性セシウム等の有害物質の付着した、例えば焼却灰等を含有するスラリーに対して、本発明の方法および装置を用いることで、固形物からコロイド状または放射性物質そのものを単独で液中に分離させることも可能である。分離した放射性物質、および放射性物質がコロイド状に結着した母材などの物質は細かく沈降性が低いから、沈降分離法や精密膜ろ過法で一旦液相にして分離でき、その後凝集剤や吸着材と接触させて極く少量の廃棄物として濃縮することは容易である。

この除染用途でも機械的せん断がオゾンを有効に作用せしめるので、固体に強く結着しているセシウムを剥離溶解する効果が期待されるため、本発明のオゾン気泡微細化せん断力が効果を示すのである。

本発明のシステムにより、気体を液体に混合して溶存させ直後に機械的せん断を与えて、さらにガスを液体中に高密度分散して処理することが可能である。同システムの特長を示す解決事例として、オゾン処理における事例を示す。

本発明による課題の解決事例は、オゾンにより液体または固形物を含むスラリーに含有された有毒物質を酸化分解または酸化分解による分離し無害化するものである。

トランスやコンデンサーから抜液したＰＣＢ含有絶縁油か、トリクロロベンゼンなど混合された各種溶剤や洗浄剤を含むＰＣＢ含有廃液、または各種環境ホルモンや有害重金属を含有する廃液、さらに放射性セシウムなど放射性物質に汚染された固形物を含む液体（以下「処理液」と記載する）を対象とする。処理液に対して先ずエジェクターなどのガス混合部（オゾンガス流入粗混合部）でオゾンガスを処理液中に分散させる。

第１の混合工程となる当該ガス混合部が無いと、下流の第２の微細混合工程内にガスだまりができたり、微細混合が不均一になるといった効果を減ずる現象が出てしまう。また、第２の混合工程が、第１の混合工程の直下流である理由は、同様にできるだけガス気泡を細かく分散させたまま微細化混合工程に流入させるということによる。

オゾンガス気泡を含有した処理液は、直下流に連通するオゾンガス気泡の微細化混合工程となる多段式凹凸回転刃による臼型湿式粉砕機（後段で説明する）に供給されオゾン気泡の微細化作用を受ける。

微細化作用とは同粉砕機内に吸引導入された処理液が、回転部の発動する遠心力で粉砕機構内を移動されながら、多数の凹凸刃の摺動による極めて強い機械的せん断作用を瞬時に受け、オゾンガス気泡が粉砕微細化されるとともに処理液中にまんべんなく分散するのである。

多段式凹凸回転刃による臼型湿式粉砕機について説明する。

多段式凹凸回転刃による臼型湿式粉砕機とは、密閉されたケーシング内にあり駆動力により回転する円盤状の回転刃が、対面する固定刃と近接して摺動する臼型構造のポンプで、臼型構造の回転刃および固定刃の近接面が共に凹凸形状の刃を有し、流動する処理液および固形物を含有した処理液を、混合粉砕切断する機能を持つ。

さらに同臼型構造が内周から外周に向けて複数多段となり、段階ごとに凹凸刃の刃幅、凹凸溝寸法、近接面とのクリアランスを変化させており、流動する処理液の粉砕切断作用を変えて、多段階の混合処理を一度の流通で段階的に施せる構造の湿式粉砕機である。

摺動して摺り合い混合粉砕切断作用を及ぼす凹凸刃は、凹凸刃の最も細かい部分に於いて、工具周波数で毎分２００，０００回以上であることを条件とする。工具周波数が２００，０００回である理由は以下の通りである。

本来凹凸部におけるせん断回数は高速で多回数であることが望ましいが、同装置の動力となるモートルは毎分１，５００ｒｐｍから高速回転のものでも毎分６，０００ｒｐｍと考えられる。回転臼の摺動部の機械強度と耐久性を考慮すれば、凹凸刃の溝箇所数は外周で１５０か所程度となるが、実用可能な前述モーター回転数からすると、工具周波数は毎分２２５，０００回から毎分９００，０００回となる。周波数の上限は限定するものではないが少なくとも毎分２００，０００回以上であることが好ましい。

次に材質の条件を示す。処理する液体の性状、ガスの物性により条件は異なるが、少なくともオゾンによる処理をする場合に必須な条件は次の通りである。第１の混合工程、第２の混合工程である湿式粉砕機の接液部は、オゾンによる酸化に長期間耐えるための耐食性を有している必要がある。具体的にはＳＵＳ３０４以上の耐食性が不可欠である。

第２の混合工程においては、耐食性と共に、混合粉砕切断作用に伴う耐摩耗性を考慮するべきで、臼型回転体と凹凸刃および固定刃はＳＵＳ４４０Ｂ、ＳＵＳ３１６Ｆ、ＳＵＳ４３０Ｆ、ＳＵＳ４２０Ｆといった硫黄快削ステンレス鋼、ＳＵＳ４２０Ｆ２、ＤＡＲ６Ｆ、ＤＨＦ１、ＤＳＲ１０Ｆ、ＤＳＲ１６ＦＣ、ＤＳＲ２０ＦＤなどといった鉛快削ステンレス鋼やモリブデン鋼であることが望ましい。また、軸受構造にはステンレス鋼、シール部構成材としてＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＰＶＤＦ、シリコン、セラミック、テフロン（登録商標）系ゴム等の耐オゾン材料を用いるべきであることは言うまでもない。

同粉砕機は上記条件を満たすものであれば本発明に適用できるが、実施例を含め代表的な装置であるトリゴナル湿式粉砕機（以下、多段式凹凸回転刃による臼型湿式粉砕機を「トリゴナル湿式粉砕機」と記載する。）と称する。但し、その製品に限定されるものではない。

上記の通りの連結する処理機構、すなわち、オゾンガスを処理液に分散供給する機構と、次にトリゴナル湿式粉砕機にて混合粉砕切断される２段階の作用を一体化して作用させることで、オゾン分子とＰＣＢ、放射性物質に汚染された固形物表面の有害物質との接触が高められ、供給されるほぼ全量のオゾンが有効に酸化処理に供せられるのである。

粗混合および微細化混合の二つの工程は、それを反復して周回する循環工程により処理液はより確実に無害化または分離するまで酸化分解させることができるのである。

トリゴナル湿式粉砕機内では第１から第３までのせん断微細化作用を連続して与えられるから、有害物質を含む処理液は瞬時に段階的な混合に晒されるわけである。処理液の粘性が高い場合などは処理液タンクや循環系路内で処理液を加熱し適温に保持する加熱工程を有することで液体の粘度を好適に低下させることもできる。そうすればエジェクター、トリゴナル湿式粉砕機の両工程でオゾンガス気泡の微細化はより容易になりオゾン分子と有害物質の接触頻度をさらに高めることができる。

これらの処理液接液部は密閉したフロー内であるので、有害物質や酸化分解により発生する有毒ガスの漏洩は発生しない。有毒ガスは、局所排気してガス種ごとに適合する無害化処理をすればよい。

さらに、本発明では有害物質の酸化分解の程度を把握するための液性状を分析するセンサーによる計測工程を含む。計測工程は有害物質の処理段階を把握して処理を自動化するためのものである。

これらの方法と装置により低コストで所望の安全な物性にまで有害物質を大量に、容易に、また低コストで酸化分解することができる。

エジェクター２０はオリフィス形状のオゾンガス流入粗混合部（以下、粗混合部）２２と、この粗混合部２２に開口したオゾンガス供給管２４と、処理液流入路２６と、この処理液流入路２６と粗混合部２２を介して接続される粗混合液流出路２８と、を備えて構成されている。オゾンガス供給管２４の粗混合部２２との接続開口はエジェクター流入口２５とされている。

トリゴナル湿式粉砕機（以下、第２の装置）３０は、図２〜図４に示されるように、図１の左側の側面に回転刃を備えた円盤状の回転体４０とこの回転体４０の回転刃側から狭い隙間を解して対向する固定刃５０と、回転体４０を軸３２を解して回転駆動するモーター３４と、回転体４０及び固定刃５０を内包するトリゴナル湿式粉砕機ケーシング３６と、を備えて構成されている。

符号３８は、ケーシングの外側に開口してケーシング内側からの流体を外部に排出するためのトリゴナル湿式粉砕機排出側流路を、３９はメカニカルシーリングをそれぞれ示す。

図１における回転体４０の左側側面には、図２に詳細に示されるように、中心からトリゴナル第１混合部回転刃４２と、その外側に円環状に配置されたトリゴナル第２混合部回転刃４４と、さらにその外側に円環状に配置されたトリゴナル第３混合部回転刃４６と、を備えて構成されている。

トリゴナル第１混合部回転刃４２は、図１に明確に示されるように、円錐状の切刃からなり、また、トリゴナル第２混合部回転刃４４及びトリゴナル第３混合部回転刃４６は円周方向に一定ピッチで切刃が並べられた構成とされている。ここで、トリゴナル第１〜第３混合部回転刃４２、４４、４６における各切刃の円周方向のピッチは外側ほど小さくなるようにされている。

上記のトリゴナル第１〜３混合部回転刃４２、４４、４６に対向して、固定刃５０は、トリゴナル第１〜３混合部固定刃５２、５４、５６から構成されている。これらの切刃のピッチは、前記トリゴナル第１〜第３混合部回転刃４２、４４、４６の切刃のピッチと対応して設けられている。

上記の回転体４０側の切刃及び固定刃５０側の切刃との関係は、図５に示されるように、回転体４０側の切刃及び固定刃５０側の切刃はともに凹凸状に形成されて、回転体４０が固定刃５０に対して一方向に回転されることによって相互に凸部がすれ違う際に、液体をせん断する構成とされている。

次に、図６に示される本発明の実施形態に係る有害物質含有処理液の浄化装置によって浄化するためのシステムについて説明する。

このシステム６０は、オゾンガス供給装置６２と、このオゾンガス供給装置６２からのオゾンガスと処理液とを混合するエジェクター６４と、エジェクター６４によってオゾンガスが混合された液体を粉砕するためのトリゴナル湿式粉砕装置６６と、このトリゴナル湿式粉砕装置６６によってオゾン気泡がせん断混合された液体の流速凸圧力を制御する流速・圧力可変バルブ６８と、この流速・圧力可変バルブ６８を通った液体を貯留するための処理液タンク７０と、処理液タンク７０内の処理液をエジェクター６４に循環するための循環ポンプ７２と、を備えて構成されている。

図の符号７４は、排オゾンガス・酸化反応ガス分解装置を示す。７６は処理液タンク７０内の液体を加熱するための加熱温調装置、７８は処理液タンク７０内の液体を計測するため濁度・色度・ｐＨ等の計測装置をそれぞれ示す。

以上のように本発明によれば、ＰＣＢや環境ホルモン、重金属といった有害物質を含む廃油や廃液を希釈することなく、または希釈するにしても極めて少量の希釈倍率で有効に処理できる。また、ほぼ不可能であった放射能汚染固形物からセシウムをほぼ完全に分離して除染することができた。従来に利用されたことのない新たな組み合わせで成る本システムによれば、装置構成は単純で低コストであり、二次処理の不要な処理が可能となり、有害物質の無害化処理が実現できるのである。

また、液体の性状、ガス種によらず、気体を液体に混合する手段として、本システムは有効であるといえる。

本発明の実施形態で用いるトリゴナル湿式粉砕機の概要を模式的に示す断面図 同トリゴナル湿式粉砕機の概要を示す混合部の平面図 同トリゴナル湿式粉砕機の回転刃を搭載した動力側混合部の写真 同トリゴナル湿式粉砕機の固定刃を搭載したケーシング側混合部の写真 同トリゴナル湿式粉砕機の固定部凹凸刃と、回転部凹凸刃の摺動モデル図 本発明の実施の形態における有害物質含有処理液の浄化装置を示すフローシート 同浄化装置によるＰＣＢｓの酸化分解結果を従来技術の結果と比較して示す線図 土壌や焼却灰と放射性セシウムとの結合状態を示す概念図

［実施形態１］
本発明の実施形態に係る気液混合システムについて説明する。

この気液混合システム１０は、オゾンガスを液体に粗混合する第１の装置であるエジェクター２０と、直下流に連続する多段式凹凸回転刃による臼型湿式粉砕機により粗混合した気液を微細断する第２の装置であるトリゴナル湿式粉砕機３０とにより、液体にオゾンガスを溶存させるものである。

エジェクター２０として、米国マジェーインジェクター社（MAZZEI INJECTOR CORPORATION）の型式８７８、ＰＶＤＦ製を用いた。当該エジェクター２０に流入する処理液の液体送水圧力は０．３ＭＰａである。処理液量は毎分２２リットルで調整した。その時にエジェクター２０に吸引されるオゾンガス流量は毎分６リットルとなった。

本発明の実施形態としてエジェクターを用いているが、オゾンガスを液中に粗混合できる構造であればエジェクターに限定されない。例えば配管の外周部から複数の散気ノズルが接合していてオゾンガスを液体に分散注入するなど、対象物によりエジェクターのオリフィス部のように通流に都合が悪いなどを配慮して決めてよい。但し、後段のトリゴナル湿式粉砕機３０にオゾンがある程度拡散した上で到達するように選定するべきである。

オゾンガス供給装置について述べる。原料ガスはＰＳＡ酸素濃縮装置により大気より酸素濃縮し、その時の酸素濃度は９５％であった。これを高濃度オゾナイザー（住友精密工業株式会社製ＧＲ−ＲＧ２１：水冷式）に供給し、発生して処理に供されたときのオゾンガス濃度は３５０ｇ／Ｎｍ³であった。従って処理液に供給したオゾンガスは３５０ｇ／Ｎｍ³の高い濃度で毎分６リットルであった。

エジェクターのガス供給口から３００ｍｍ下流に流入口を配置したトリゴナル湿式粉砕機は次の仕様であった。同装置はドイツ製（国内販売元：三井三池化工機株式会社／現日本コークス工業株式会社）型式ＳＭ１８０ＨＫで、モーター出力は２２ｋｗ４Ｐ、刃材質はＳＵＳ４４０Ｂ（ＳＵＳ３１６相当）である。処理実施の際の臼刃（回転刃および固定刃の最狭部）のクリアランスギャップは調整の結果、当該トリゴナル湿式粉砕機に取り付けられたゲージの値で０．３ｍｍであった。

好適な範囲としては０．６ｍｍ以下、好ましくは０．３ｍｍから０．５ｍｍと考えられるが、対象処理液の性状との兼ね合いがあるので特に制限はしない。運転能力としての仕様上の回転数は４，８００ｒｐｍであるが実質３，５００ｒｐｍで運転して処理実施をした。

本実証試験で用いた装置の場合、トリゴナル湿式粉砕機の第３混合部の回転側刃に配置された凹凸刃は全周囲で約１５０溝であり、臼状のインペラーは毎分約３，５００ｒｐｍで回転するから凹凸刃の近接して作用する所謂、工具周波数は１分あたり５０万回、毎秒８，０００回を超える回数となり、固定刃と回転刃の凹凸部が擦れ合う程に近づき交差する作用は超音波を凌ぐ強い作用となる。

凹凸刃が擦れ違う度に流動する処理液とオゾン微細気泡は分断され、または凹凸の溝内では気液が乱流させられるのであるから、オゾンが有害物質と接触する頻度は気液混合による接触手段で得られない高密度なものとなっている。

トリゴナル湿式粉砕機の下流に設けた流速・圧力可変バルブを調整して前述の通り毎分２２リットルで循環処理した。後述するデータで有効性は確認されたが、より処理液ごとにより適正な調整方法があるはずで、さらに優良な結果が得られるはずである。

次に試験に供した処理液について説明する。

ＰＣＢｓ溶液は、鐘淵化学工業製ＰＣＢｓ製品であるカネクロール３００、４００、５００、６００を等量混合し、1，４−dioxanに溶解して、３ｍｇ−ＰＣＢｓ／ｍｌ−dioxaneを調製して原液とした。これを水道水で希釈して１００μｇ／ｍｌとし、処理液量は１００リットルとした。処理液の原料水は水道水であったが、実際の廃油または廃液を想定しての効果検証であるので、増粘多糖類を用いて粘度を５０ｃｐｓになるよう増粘して調製した。増粘多糖類はオゾンの酸化効果がＰＣＢ以外の増粘剤に消費されてしまい難く、適正な比較検討ができるように耐酸性能の高いアルギン酸プロピレングリコールエステル（株式会社キミカ製：Propylen Glycol Alginate キミロイドＬＶ）を用いた。調製後の処理液の粘度は５０ｃｐｓであった。

比較対象としては、オゾンガス濃度およびオゾンガス流量、処理液は全く同じとし、供給方法はアルミナ製微細散気管を用いて処理タンク内で散気して処理液にオゾンを反応させた。

両試験区共に処理液の水温は１５℃に温度調整保持した。処理タンク内から発生する未処理の排オゾンガスは金属製オゾン分解触媒（荏原実業株式会社製：ＮＣＯ１５Ｂ）で酸素に分解した。また、同触媒の前段で未反応オゾンガスの濃度を計測（荏原実業株式会社製：気相オゾンモニターＥＧ−５０００）し、オゾンの消費状態を把握した。

次に実証試験の結果について述べる。

先ず、エジェクターおよびトリゴナル湿式粉砕機での複合処理により気泡が微細化されているかの検証を行った。

計測装置は株式会社島津製作所製レーザー回折粒度計ＳＡＬＤ−７０００を用い、特に対象液が５０ｃｐｓと多重散乱の影響を受ける可能性があることからスライドガラスに処理液を挟んで計測する高濃度セルを用いて計測した。その結果が表１である。

散気管により発生したオゾンガス気泡は当然計測時には酸素気泡となっているが１０．７５μｍに中心をなす気泡分布となった。一方、エジェクターとトリゴナル湿式粉砕機の複合処理では０．１３μｍと著しく細かな気泡分布を示した。気泡径計測については、処理液を採取して３分以内に計測したが、本発明の装置内で作用している状態と変化している可能性はある。ただし、オゾン反応の差異について気泡の分布の傾向を把握するに値する。

次に、ＰＣＢｓの酸化分解試験結果について説明する。

前述の条件でオゾン酸化分解を施した結果は図７の通りである。

オゾン気泡のサイズと連動するように、エジェクターおよびトリゴナル湿式粉砕機による処理が高効率でありＰＣＢｓの分解に優位な効果があることが確認された。

それぞれの処理経過において、処理液タンクから脱気する気泡からエジェクターおよびトリゴナル湿式粉砕機では排オゾンガスが検出限界以下であったのに対して、散気管での処理区では２００ｐｐｍ程度の濃度で発生したことからも、いかにオゾンの微細化が重要であり、本発明の方法および装置が有効であることが確認された。

［実施形態２］
次に、実施形態２に係る、放射性セシウムに汚染された汚染土壌を水に懸濁させたスラリー状処理液での作用効果について説明する。

実験の装置および仕様については実施形態１と同様であった。

処理液は、液量が１００リットルの水道水に、０．６ｍｍメッシュの篩分けにより採取した汚染土壌を１０ｋｇ混合し撹拌しながら本発明の処理を行った。この対象汚染土壌は福島県赤宇木で採取した高濃度汚染土でガンマ線スペクトロメータでは１２７，０００Ｂｐ／ｋｇ，ｄｒｙであった。

水温は２０℃で維持し、エジェクターおよびトリゴナル湿式粉砕機による処理を１０分間行った。処理を終える時点で処理後液を直ぐに遠心分離機により脱水し、処理後の分析を実施した。この結果、スペクトロメータでの計測は検出限界以下でありほぼ全量のセシウム等放射性物質が汚染土から水へと移行分離していた。

土壌へのセシウムの結合について説明する。

図８に示されるように、セシウムは土壌の母材であるケイ素結晶構造に３つの形態で結合している。一つは静電引力で陰イオンの残基とセシウムの吸着である。次に有機物結合体という母材のフミン酸やフルボン酸とセシウムが錯体形成している状態である。さらにＦｅ、Ｍｎといった酸化物と共役結合した酸化物結合態である。いずれも結合は極めて強固で容易に剥がれるものではない。

しかし、本発明の処理によれば、高濃度オゾンが直接結合部に酸化分解作用を与えた結果、極めて有効に、完全にセシウムを剥がし取ることに成功した。

本発明の作用効果は、オゾンの有害物質であるセシウムへの接触というよりもセシウムの結合している部分を酸化分解し、それによりセシウムが分離できたといえる。さらにその作用効果は、オゾンそのものの酸化効果に加えてトリゴナル湿式粉砕刃による乱流や表面の研磨効果も複合されていたはずである。

実際の利用においては、固形物を無害化した上で、汚染液体は分離し、汚染液体にセシウム等放射性物質を吸着する性能の高い凝集剤や吸着剤により小容量に濃縮して保管するという手段を採ることが望ましい。

９…メカニカルシール機構
１０…気液混合システム
２０…エジェクター
２２…オゾンガス流入粗混合部
２４…オゾンガス供給管
２５…エジェクター流入口
２６…処理液流入路
２８…粗混合液流出路
３０…トリゴナル湿式粉砕機
３２…軸
３４…モーター
３６…トリゴナル湿式粉砕機ケーシング
３８…トリゴナル湿式粉砕機排出側流路
３９…メカニカルシーリング
４０…回転体
４２…トリゴナル第１混合部回転刃
４４…トリゴナル第２混合部回転刃
４６…トリゴナル第３混合部回転刃
５０…固定刃
５２…トリゴナル第１混合部固定刃
５４…トリゴナル第２混合部固定刃
５６…トリゴナル第３混合部固定刃

Claims (9)

1. 気体を液体に粗混合する第１の装置と、直下流に連続する多段式凹凸回転刃による臼型湿式粉砕機により粗混合した気液を微細断する第２の装置とにより、液体に気体を溶存させることを特徴とする気液混合システム。
2. 請求項１において、
   前記第２の装置により微細断された気液を、更に前記第１の装置から第２の装置に循環させる循環装置を設けたことを特徴とする気液混合システム。
3. 請求項２において、
   前記気液の粘性を低下させるための加熱・温度調整手段を前記循環装置内に設けたことを特徴とする気液混合システム。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記第１の装置に供給される気体がオゾンガス、酸素ガス、水素ガス、窒素ガス、炭酸ガスのいずれかであることを特徴とする気液混合システム。
5. 請求項１乃至４において、
   前記ガスはオゾンガスであり、前記第１の装置の下流であり、前記第２の装置の上流に流通するオゾンをラジカル化させる紫外線ランプを配置したことを特徴とする気液混合システム。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、
   前記第２の装置から流下した気体溶存液を、前記第１の装置に循環させ、さらに同連続する第１の装置及び第２の装置による処理を繰返し行うための循環装置を有することを特徴とする気体混合システム。
7. 請求項６において、
   対象となる液体がＰＣＢ含有絶縁廃油または各種溶剤や洗浄剤や、環境ホルモンや有害な重金属を含む液体、または放射性物質に汚染された土壌や焼却灰など有害物質の結合した汚染物質を含む液体またはスラリー状液体であり、前記含有物質を溶存ガスにより酸化分解するようにされたことを特徴とする気液混合システム。
8. 請求項７における、処理液中の有害物質の酸化分解程度を直接または間接的に把握できる計測装置による液成分分析手段を具備した制御方法。
9. 請求項８における、酸化処理により発生する未反応の排オゾンガス、およびオゾン酸化による有害物質分解に伴い発生する酸化反応ガスを分解または分離除去する排気ガス処理手段を具備するシステム。