JP2014533201A - 液体中の気体濃度を高める方法及び装置 - Google Patents

Abstract

第１の液体の気体濃度を高め、気体濃度が高められた第１の液体を第２の液体に導入する方法及び装置が記載される。一実施形態においては、この装置（１０）は、高圧力の気体を収容する容器（１２）と、第１の液体が容器に入って気体により気体濃度が高められるようにする容器への液体入口（１４）と、気体濃度が高められた第１の液体が容器（１２）から出た後に通過する開口を定める可変内部バルブ（１８）とを備え、内部バルブの開口は、気体濃度が高められた第１の液体がバルブを通って流れる際に、気体濃度が高められた第１の液体内に気体の気泡を生成するようになっており、さらに管体（２２）を備え、該管体を通って、気体濃度が高められた第１の液体が第２の液体に流れるようにされており、該管体（２２）は、入口（２６）を有する入口セクション（２４）と、該入口セクション（２４）に流体結合されたコイル状セクション（２８）と、コイル状セクション（２８）に流体結合された出口セクション（３０）と、出口セクション（３０）に流体結合された出口（３２）とを備え、管体（２２）は、バルブ手段（１８）によって、気体濃度が高められた第１の液体内に生成された酸素含有気体の気泡を維持するようになっている。【選択図】図１

Description

本開示は、一般的には、液体処理装置に関し、より詳細には、気体によって液体の気体濃度を高め、気体濃度が高められた液体を第２の液体に導入することができる方法及び装置に関する。

気体濃度が高められた液体を利用するシステムが知られている。例えば、ケリー他の特許文献１は、気体濃度が高められた流体を廃水処理のために使用すること、特に空気過飽和の流体を、廃水貯蔵プールに導入して、廃水内の固形物を懸濁状態にし、該固形物の除去を容易にすること開示しているものと理解される。その他の例は、ベルナンド他の特許文献２であり、これは、廃水の過酸化状態を実現するために大気圧を超える圧力に維持された処理用チャンバ内で廃水を処理することによって、廃水の生物分解が促進されるようにすることを教示しているものと理解される。

気体によって液体の気体濃度を高める方法及び装置もまた知られている。マリックの特許文献３は、噴霧液体が反応領域に導入され、霧状液体を気体相と緊密に接触させることを開示しているものと理解される。これを目的とするスプレーヘッドの一般的な形式が、エッピンク他の特許文献４に開示されており、特許文献４（エッピンク）の内容の全ては、参照により本明細書に組み入れられる。エッピンク他によって説明されているスプレーヘッドは、噴霧流体（例えば飲料水又は下水）を高圧の酸素を収容するチャンバ内に導入し、その結果として流体が酸素飽和状態になるようにする。次いで、酸素飽和した流体は、廃水流中に導入され、その結果として廃水が十分高い濃度の酸素と接触し、廃水内の廃物を生物分解する好気性微生物の活動を促進することができる。

スピアーズ他の特許文献５及び特許文献６の各々は、気体過飽和状態の流体を、実質的に無気泡状態で廃水に導入することを開示しているものと理解される。この目的のため、スピアーズ他は、毛細管を含む一又はそれ以上の流体出口ノズルを使用し、該毛細管を通して気体過飽和状態の液体を廃水内に噴射できるようにすることを開示している。スピアーズ他による特許文献６は、ノズル直径が約１５０マイクロメートルから４５０マイクロメートルであるプレート状構造の毛細管と、ノズルの毛細管直径が約０．００５インチ（約１２５マイクロメートル）である、一般的なスプレーヘッド型形状の毛細管を開示する。これらの毛細管の欠点は、気体過飽和状態の流体内に含まれる固形物及び反応生成物質によって詰まりやすいことである。

米国特許第２，７１３，０２６号明細書 米国特許第４，１９２，７４２号明細書 米国特許第３，９５７，５８５号明細書 米国特許出願番号１３／６０２，７９３号明細書 米国特許第７，００８，５３５号明細書 米国特許第７，２９４，２７８号明細書

気体によって第１の液体の気体濃度を高め、気体濃度が高められた第１の液体を、第２の液体に導入する方法及び装置が記載される。一実施形態において、この装置は、高圧の気体を収容する容器と、第１の液体が容器に入って気体により気体濃度が高められるようになった容器への液体入口と、気体濃度が高められた第１の液体が容器から出た後に通過する開口を定める可変内部バルブとを備え、内部バルブの開口は、気体濃度が高められた第１の液体がバルブを通って流れる際に、気体濃度が高められた第１の液体内に気泡を生成するようになっており、さらに管体を備え、該管体を通って、気体濃度が高められた第１の液体が第２の液体に流れ、管体は、入口を有する入口セクションと、該入口セクションに流体結合されたコイル状セクションと、該コイル状セクションに流体結合された出口セクションと、該出口セクションに流体結合された出口とを備え、管体は、バルブによって、気体濃度が高められた第１の液体内に生成された酸素含有気体の気泡を維持するようになっている。

本発明による様々な実施形態は、例示的に添付図面を参照して、例示目的の構成と一緒に以下に説明される。

気体によって液体の気体濃度を高め、気体濃度が高められた液体と気体の混合物をさらに第２の液体に導入するように構成される装置を示す。 一実施形態による管体を示す。 一実施形態による管体を示す。 一実施形態による管体を示す。 一実施形態による管体を示す。 一実施形態による管体を示す。

図１は、気体によって液体の気体濃度を高めるための装置１０を示し、装置は、気体濃度が高められた液体と気体との混合物を第２の液体にさらに導入するように構成されている。特に、装置１０は、気体（例えば酸素、又は酸素含有気体）によって液体（例えば水又は廃水）の気体濃度を高めて、気体濃度が高められた液体を生成するのに特に適している。一実施形態において、気体によって気体濃度が高められた液体は、酸素によって気体濃度が高められたものであり、その後、この液体は、廃水内の廃物を生物分解できる好気性微生物の活動を促進する目的で、廃水に導入することができる。また、様々な実施形態において、装置１０は、他の種類の気体によって、液体の気体濃度を高める目的で使用することができ、例えば、オゾンガス（Ｏ₃）によって水又は廃水の気体濃度を高めてオゾンガス濃度が高められた液体の乳濁液を生成し、次いで、この乳濁液を殺菌目的で廃水に投入すること、或いは、窒素ガス（Ｎ₂）によって水又は廃水の気体濃度を高めて窒素ガス濃度が高められた液体を生成し、次いで、この液体を硝化目的で水又は廃水に投入することができる。本発明は、ここで説明した例示的な実施形態に限定されるものではなく、例えば、濃度を高める気体として、酸素、オゾン、窒素、水素などを使用して濃度を高めることができることを示す実施例を提示したが、他の気体の使用も同様に想定されている。

一実施形態において、気体によって気体濃度が高められた液体は、その後、気体によって気体濃度が高められた液体内に気体の気泡を生成することができるように、十分高レベルの気体を含む。一実施形態においては、この装置１０は、液体が第２の液体（例えば廃水）に導入される前に、気体濃度が高められた液体内において望ましい分量及び大きさの気泡が制御された様式で生成されるようになっている。

さらに図１を参照すると、一実施形態において、装置１０は、加圧容器１２と液体入口１４とを備え、気体濃度が高められる液体は、該液体入口を通って容器１２に入る。一実施形態において、例えば、液体は、特許文献４に開示された形式の噴霧スプレーヘッドを用いて霧化される。一実施形態において、当該スプレーヘッド（図示せず）は、容器１２の内部に配置することができ、容器は、所望の高濃度化用気体（例えば空気又は酸素）によって加圧され、スプレーヘッドからの霧化された液体に高濃度化用気体が吸収されるのを助長する。図１は、高濃度化用気体が、バルブ１６と供給管体１７とを通して容器１２に供給される状態を示す。高濃度化用の気体が酸素である例においては、バルブ１６が容器１２に酸素を供給し、容器１２の中の酸素は十分に高い圧力状態であるため、スプレーを通して容器１２内に導入された液体は、酸素過飽和の状態になる。

一実施形態において、気体濃度が高められた液体は、容器１２から出る前に、所定の範囲内のレベルで容器１２内に蓄積される。気体濃度が高められた液体を容器１２の内部において適切なレベルに維持する効果は、高濃度化用の気体を吸収し保持する噴霧液体の能力を向上させることである。図１の装置１０を含む一つの実施構成において、気体濃度が高められた液体は、容器１２の内部体積全体の実質的に３０パーセントから７０パーセントの間の容積レベルで容器１２の内部に維持される。この範囲を下回るレベルでは、過剰なオフガスが引き起こされ、この範囲を上回るレベルでは、気体吸収を完了するためには不十分なヘッド空間が形成される。より好ましい範囲は、約４０体積パーセントから約６０体積パーセントの間であり、約５０体積パーセントのレベルも同様に有効であることが分かっている。

一実施形態において、気体濃度が高められた液体は、容器１２から開口（図示せず）を有するアナログバルブ１８を通して取り出され、開口は、完全に閉じられた状態から、開口としての最大の大きさまでの間で、大きさを選択することができる（つまり、可変内部バルブ開口を提供する）。一実施形態において、バルブ１８は、気体濃度が高められた液体が容器１２から取り出される際に、バルブ開口によって、気体濃度が高められた液体内に気泡を生成させるように作動する。非限定的な実施例において、高濃度化用の気体に酸素が用いられる場合には、気体濃度が高められた液体は、酸素過飽和状態の水であり、バルブ１８を通る液体の流速は、毎分約１５ガロン以上２０ガロン以下であり、バルブ１８は部分的に開いて、直径が約１００マイクロメートル以上約２００マイクロメートル以下の有効な体積率の気泡を生成することができる。一実施形態において、気泡の体積率と大きさを最適に制御するために、バルブ１８は、適切なセンサ（図示せず）からのフィードバックを用いて気泡の体積率と大きさを制御する電子制御装置（図示せず）によって制御される。

一実施形態において、一又はそれ以上のゾーンバルブ２０が、バルブ１８の下流側に設けられる。バルブ１８を出た後、混入された気泡を含む気体濃度が高められた液体は、一又はそれ以上のゾーンバルブを経由して様々な用途装置に供給することができる。高濃度化用気体が酸素であって、気体濃度が高められた液体の意図される用途が廃水内の廃物を生物分解し、デカントのための濃度分離を行うことである実施例において、気体濃度が高められた液体を廃水（図示せず）の一又はそれ以上の本体部分又は流れに導いて、好気性微生物の活動を促進するために、一又はそれ以上のゾーンバルブ２０が用いられる。アナログバルブ１８により生成された気泡の体積率と大きさを維持するために、気体濃度が高められた液体及びそれに混入された気泡が、図２Ａ−図２Ｅに示された形式の管体２２を通して廃水に導入される。一つの実施構成において、図２Ａ−図２Ｅに示されているように、管体２２は、入口セクション２４と、該入口セクション２４への入口にあって管体２２を装置１０の出口（例えばバルブ２０の一つ）に（直接的又は間接的に）流体結合するための入口継手２６と、螺旋状のコイル状セクション２８と、出口３２で終端する出口セクション３０とを備える。一実施形態においては、コイル状セクション２８は、３つの完全なコイル３４を備える。一実施形態において、該コイルの各々の直径は、実質的に同一である。ここでは、コイルの直径が等しくない場合も想定されており、本発明は、コイルの直径が３つとも等しい場合に限定されない。一実施形態においては、入口セクション２６及び出口セクション３０は、実質的に真っ直ぐで互いに平行である。管体２２全体は、一定の内径をもつことが好ましい。

一実施形態において、管体２２を通る気体濃度が高められた液体の流れが層流になるように、管体２２の長さ及び内径と、コイル状セクション２８内のコイル３４の直径と個数を選択することが好ましく、層流は、コイル状セクション２８内の表面摩擦と組み合わされて、気体濃度が高められた液体内の気泡の同伴を維持すると考えられている。この目的のため、管体２２の適切な長さ及び直径と、コイル３４の適切な個数と、コイル状セクション２８の適切な直径とは、管体２２を流れる気体濃度が高められた液体の圧力と流速、及び液体内の気体の飽和レベルに部分的に依存して定められる。実際には、最適な結果は、３つのコイル３４を有し、約１．５インチ以上約２インチ以下のほぼ一定のコイル直径であるコイル状セクション２８と組み合わせて使用した場合に、全長が約２４インチ以上約４８インチ以下であり、内径が約０．０５インチ以上約０．１５インチ以下（例えば、０．１０インチ又は約０．１０インチ）の値より大きい例示的な管体２２を用いて得られた。

本明細書における開示は、特定の実施形態についての方法及び製品を説明するものであるが、他の形態を適用できることは当業者にとって自明である。例えば、装置１０及びその部品は、図面において示された外見及び構造とは異なることができ、装置１０の部品の各々の機能は、（必ずしも等しい必要はないが）類似する部品だけでなく、異なる構造の部品によっても作動でき、様々な工程及び材料を装置１０及びその部品を製造するために用いることができる。従って、本発明は図面に示された特定の実施形態に限定されないことが理解できるはずである。上述の説明において使用した語句及び用語は、図示された実施形態を開示することを目的とするもので、必ずしも本発明の範囲を限定するように作用するものではない。最後に、請求項は、本発明に関連すると考えられる幾つかの態様を記載するものであるが、これら請求項は、必ずしも本発明の範囲を限定するように作用するとは限らない。

１０ 装置
１２ 容器
１４ 液体入口
１８ バルブ
２２ 管体
２４ 入口セクション
２６ 入口
２８ コイル状セクション
３０ 出口セクション
３２ 出口

Claims (20)

1. 第１の液体の気体濃度を気体によって高め、前記気体濃度が高められた第１の液体を第２の液体に導入するための装置（１０）において、
   高圧の気体を含む容器（１２）と、
   前記第１の液体が前記容器に入り、前記気体によって濃度が高められるようにする、前記容器（１２）への液体流体入口（１４）と、
   前記気体濃度が高められた第１の液体が前記容器（１２）を出た後に流れる開口を定める可変内部バルブ（１８）と、を備え、
   前記内部バルブ開口は、前記気体濃度が高められた第１の液体が前記内部バルブを流れる際に前記第１の液体の中に気体の気泡を生成するように選択的に開放され、
   前記装置は、
   前記気体濃度が高められた第１の液体が通って第２の液体に流れ込むようにする管体（２２）をさらに備え、
   前記管体（２２）は、入口（２６）を備える入口セクション（２４）と、前記入口セクション（２４）に流体結合されたコイル状セクション（２８）と、前記コイル状セクション（２８）に流体結合された出口セクション（３０）と、前記出口セクション（３０）に流体結合された出口（３２）とを備え、前記管体（２２）は、前記バルブ手段（１８）によって前記濃度が高められた第１の液体の中に生成された、酸素含有気体の気泡を維持するように構成されることを特徴とする装置（１０）。
2. 前記管体（２２）の前記入口及び前記出口セクション（２６、３０）が真っ直ぐである、請求項１に記載の装置（１０）。
3. 前記管体（２２）の前記入口及び前記出口セクション（２６、３０）が平行である、請求項２に記載の装置（１０）。
4. 前記管体（２２）の前記コイル状セクション（２８）が一定のコイル直径を有する、請求項１に記載の装置（１０）。
5. 前記管体（２２）が一定の内径を有する、請求項１に記載の装置（１０）。
6. 前記管体（２２）の内径が、実質的に約１ミリメートル又は４ミリメートルであるか、これらの値の間である、請求項１に記載の装置（１０）。
7. 前記気体が酸素含有気体である、請求項１に記載の装置（１０）。
8. 前記気体が窒素含有気体である、請求項１に記載の装置（１０）。
9. 前記第１の液体が水又は廃水である、請求項１に記載の装置（１０）。
10. 前記第２の液体が廃水である、請求項１に記載の装置（１０）。
11. 第１の液体が、気体により気体濃度を高められた状態となるようにする段階と、
    前記気体濃度が高められた第１の液体内に前記気体の気泡を発生させる段階と、
    前記気体濃度が高められた第１の液体及びその中の気泡を、管体（２２）を通して第２の液体へ流す段階と、
    を含み、
    前記気体濃度が高められた第１の液体が、順に、前記管体（２２）の入口セクション（２４）、コイル状セクション（２８）、出口セクション（３０）、及び出口（３２）を通って流れ、前記気体濃度が高められた第１の液体内に発生した前記気体の気泡を維持するようになっている方法。
12. 前記管体（２２）の前記入口及び前記出口セクション（２６、３０）が真っ直ぐである、請求項１１に記載の方法。
13. 前記管体（２２）の前記入口及び前記出口セクション（２６、３０）が平行である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記管体（２２）の前記コイル状セクション（２８）が一定のコイル直径を有する、請求項１１に記載の方法。
15. 前記管体（２２）が一定の内径を有する、請求項１１に記載の方法。
16. 前記管体（２２）の内径が、実質的に約１ミリメートル以上４ミリメートル以下である、請求項１１に記載の方法。
17. 前記気体が窒素含有気体である、請求項１１に記載の方法。
18. 前記気体が酸素含有気体である、請求項１１に記載の方法。
19. 前記第１の液体が水又は廃水である、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第２の液体が廃水であって、前記気体濃度が高められた第１の液体が、前記廃水内の廃物を生物分解することができる好気性微生物の活動を促進する、請求項１９に記載の方法。

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