JP3158129U

JP3158129U - 揮発性有機化合物・塗装ミスト除去装置

Info

Publication number: JP3158129U
Application number: JP2009009371U
Authority: JP
Inventors: 文男山口
Original assignee: 株式会社山口工業
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2019-12-18

Abstract

【課題】有機塗料の溶剤型塗料を使用する際に発生する揮発性有機化合物と塗装ミストの酸化処理。【解決手段】鏡筒１の上部に旋回用ファン４を配置し、鏡筒内へと塗装ミスト流を下方から吸い込み、マイクロバブルを発生するノズル２を下方に向けて配置し、ノズルからフィルム状に拡散する水微粒子群と塗装ミスト上昇流の混流により、旋回領域を形成し、この領域内を浮遊するマイクロバブルを含んだ水微粒子群に揮発性有機化合物や塗装ミストを吸着・酸化処理する。【選択図】図１

Description

本考案は塗装時に発生するトルエンやキシレンなどの揮発性有機化合物と塗装ミストを、捕捉し分解することで作業環境改善と大気汚染防止を企図する。

塗装作業で使用される有機塗料からは大気汚染、水質汚濁、悪臭の原因となる、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）が排出される。大気汚染防止法を遵守すべく、メーカーや業者は、低溶剤型塗料への切り替えを余儀なくされている。しかし、塗装品質の面から有機塗料への執着心は強い。本願考案者は既に塗装ブース内の環境改善と排出配慮のために水フィルタシステムを提唱している。特開平０６−１１５４１２号は、「排出ファンの作動により，塗装ブースの天井からの気流は噴霧空間へと強制吸引され，貯水槽内一部を通過して外部に放出される。この噴霧空間内には多量の水が噴霧手段によって噴霧されており，一種の水スクリーンが形成されている。微粒水滴はこの噴霧空間内を通過する気流中の塗料粉末を吸着する」。

更に、特開平０９−１０３７２３号では、「扇状散水器から放出される扇状薄膜（角度θ）は，通過する汚染空気中のＶＯＣや塗料粉末を溶着除去する。互いに対向する扇状散水器対を多数配置したため，ウオーターカーテンにより汚染空気の多くはこの水膜にて捕捉されることになる」。

近年、マイクロバブルが注目されている。特開２００８−４３９０６号−−「マイクロバブルは、気体と液体との混合液よりなる気液二相流体を、内側形状が円筒形又は円錐形の容器内で毎秒約３００〜７００回転させて、同容器の中心部に液体及び気体の２相旋回流を形成させ、その２相旋回流の回転軸に沿って気体の負圧空洞部を形成させて、旋回気体空洞部を形成させ、その旋回によって気体を千切り、かつ粉砕して製造される。発生後は徐々に微細化し消滅する。寿命は、大気圧が作用する水面近くの常圧の場合は数秒前後である。マイクロバブルの物理的特性として、発生時に直径が１０〜４０μｍで、電位が−４０〜−１００ｍＶの微細気泡で、その後、気泡径が小さくなるに従い、その電位量の絶対値は逆比例して増加するものである。数百ミクロンの気泡と比較して、表面張力が極端に大きく、内圧が高い。マイクロバブルが消滅する際の内圧は、数千気圧にも達するといわれている。消滅時には、暗闇で自発光が確認できる程の高エネルギーを有する。

汚染気流中に直接マイクロバブル噴霧水を撒く、特開２００１−５８１４２号公報では、「マイクロバブル吐出ノズルは、加圧液体と気体との導入部と円筒状の気泡発生空間を有し、導入部内に、気泡発生空間に開口する加圧液体導入孔と気体導入孔を形成し、加圧液体導入孔を導入部の端面に開口し、気体導入孔を導入部の側面に開口し、気体導入孔と連通する気体導入管に気体導入量を調整する調整弁を設けたものである。加圧液体導入孔の開口から気泡発生空間内に導入された加圧液体は、高圧の下で空間内に吐出されてはがれ域を生じる。このはがれ現象によって、気体導入孔から導入された気体は、マイクロバブル（微細気泡）として吐出水流中に分散される。そして、このマイクロバブルの分散量と大きさは、気体導入量調整弁の開口程度を調節することによって任意に調整できる。また、導入部内に気泡発生空間に開口を有する気体導入孔を設けることによって、分散する気泡の分散状態と大きさを微細化できる。さらに、気泡発生空間形成用筒体に流速低下抑制孔を設けることにより、はがれ域で生じるエネルギー損失の抑制および接続された吐出側の配管内の液体に微細気泡を混入させることができる。また、気泡発生空間形成用筒体の下方位置に縮径部分または活性剤等充填部分を設けることにより、マイクロバブルを大気中に吐き出す用途に適用することができる」。

ダストやミストを帯電させ、この下流域で水を噴霧し、更に下流でこの噴霧水を帯電させ、ミストを噴霧水にクーロン付着させる方式も提案されている（特開平１０−１７４８９９号）・・「石炭、重油等を燃焼させた際に発生する排ガスを搬送し、前記放電極に高電圧発生装置によって例えば−（マイナス）の高電圧を印加すると、コロナ放電が生じ、マイナスの単極性イオンが発生する。このイオンによって処理ガス中のダストをマイナスに帯電させることができる。マイナスに帯電したダストは、散布手段（スプレー部）に搬送される。散布手段のノズルから水をダストにミスト状に散布する。ノズルの粒径は、数十ミクロン〜数ｍｍにすると良い。水とダストは、電界形成手段へ搬送される。電界形成手段には、平行平板電極間の直流電界により水を誘電分極させることができる。平均電界強度は、５ｋＶ／ｃｍに設定した。誘電分極された水は、マイナスに帯電したダストをクーロン力によって捕捉することができる」。

塗装粉末ミストや揮発性有機化合物（ｖｏｃ）を水カーテンにより吸着・除去する方式では、噴霧水の粒径が大きいので揮発性有機化合物の吸着は十分ではなく、かつ、いったん、吸着されても再分離しやすいので、排気流量を大きくして希釈し、大気汚染規制をクリアしていた。水中でのマイクロバブルの解明は理論先行で実証を待たれるものの、極めて高い表面張力による吸着能力は注目に値する。このマイクロバブル噴霧水を気流中に拡散して、揮発性有機化合物を吸着しようと検討された。

鏡筒の上部に旋回用ファンを配置し、揮発性有機化合物と塗装ミストを含んだ塗装ミスト流を鏡筒の下方から吸い込み、マイクロバブルを発生するノズルを下方に向けて配置し、ノズルからフィルム状に拡散する水微粒子群と塗装ミスト上昇流の混流により、旋回領域を形成し、この領域内を浮遊するマイクロバブルを含んだ水微粒子群に揮発性有機化合物や塗装ミストを吸着・酸化処理する。

マイクロバブルを多数含んだ水微粒子群は、その歪みエネルギーを表面張力として与えられ、かつ、表面電荷をもつ。負に帯電した水微粒子表面には揮発性有機化合物と塗装ミストを吸着しやすい。水微粒子は旋回領域内を長く滞留するので、上昇する気流中の揮発性有機化合物とミストは殆んど吸着され、酸化処理される。鏡筒上部から大気中に排出される気流は環境基準をクリアし、鏡筒下部に溜まる水溶液には酸化分解された揮発性有機化合物と塗装ミストの残滓のみとなる。

「鏡筒やノズルそして旋回ファンとの配置を説明する概略説明図である。」「ノズルの断面図である。」

鏡筒１内に、塗装ミスト流を下部から吸い込んで上部へと放出する旋回用ファン４を配置する。このファン４の手前に、上昇する塗装ミスト流中に、水溶液散布用のノズル２を配置する。下向きに配置されるノズル２の先端に、フィイルム状に水溶液を散布するデフレクタ３を取り付ける。鏡筒内を下方から上昇する塗装ミスト流に対して、向流噴霧される水微粒子群との混流により、鏡筒１内には旋回領域が区画形成される（図１参照）。水微粒子群は自由落下しようとするが、上昇する塗装ミス流に押し戻される。この相互作用により旋回流が発生し、水微粒子群はこの旋回領域内を浮遊することになる。水微粒子の表面エネルギーと電荷により、上昇する揮発性有機化合物と塗装ミスト（帯電している）は、浮遊する水微粒子群に殆んどが吸着される。水微粒子の表面エネルギーにより吸着された揮発性有機化合物と塗装ミストは酸化・分解される。本願考案では、この酸化能力を著しく高めるために、散布される水溶液内に粒径が５０ミクロン以下のマイクロバブルを内包させる。そのため、ノズル２内で絞られた水流を急激に開放し、乱流を発生させるキャビテーション部７を配置する。渦エネルギーの開放はマイクロバブルを発生する。
ノズル２の先端にこのマイクロバブルを内包する水流をフィルム状に散布するデフレクタ３を取り付ける。デフレクタ３に衝突した水流は水微粒子群として扇状に散布される。キャビテーション部７を通過する際に、発生した粒径５０ミクロン以下のマイクロバブルは、この噴霧される水微粒子内に多数含まれる。旋回用フィン４による鏡筒内の上昇気流は、筒内に乱流を発生しながら上昇し、下方に向けて噴霧される水微粒子群（水カーテン）を抵抗と感じるので、図のように旋回領域を区画形成する。自由落下しようとする水微粒子群は、この上昇・旋回流に巻き込まれ、図で示した旋回領域内をしばらくは浮遊する。

そして、旋回浮遊する水微粒子は衝突・合体し、上昇気流に抗して落下する。旋回用ファン４の負圧が低すぎると、乱流は発生せず、噴霧される水微粒子群はそのまま自由落下するので、図のような旋回領域は形成されず、水微粒子群とミストや揮発性有機化合物との接触時間は極めて短い。逆に、旋回用ファン４の負圧が高すぎると、水微粒子群は落下せずに上昇気流ともに上方へとは放出される。
水圧：０．４Ｍｐａ，流量：２７Ｌ／ｍｉｎの水流をノズル２に供給する。図２のように、絞られた水流がキャビテーション部７で開放されると、曲率壁面にそって乱流が発生する。乱流に起因するキャビテーション現象により５０ミクロン以下のマイクロバブルが発生する。マイクロバブルを多量に含んだノズル内の高速水流は、デフレクタ３に衝突して水微粒子群（水カーテン）として気流中に拡散する。マイクロバブルの表面張力は気泡径（ｒ）の２乗に反比例することが知られている。小さいマイクロバブルほど歪みエネルギーは大きいのである。乱流による静電摩擦によりマイクロバブル表面の電位はマイナス４０〜マイナス１００ｍＶとなる。気泡径が小さくなるに従い、その電位量の絶対値は逆比例して増加する。表面張力が極端に大きく、内圧が高いために、マイクロバブルが消滅する際の内圧は、数千気圧にも達するといわれている。消滅時には、暗闇で自発光が確認できると言われている。

上記実施では、デフレクタ３を採用したが、円錐状に水微粒子を散布するフルコーン型の周知ヘッドでもよい。また、デフレクタ３表面に多数の突起を設けて、水微粒子を更に微細化しても良い。マイナス電位のマイクロバブルを含んだ水微粒子の表面は、分極によるプラスとマイナスの両電位を示す。揮発性有機化合物である、トルエン、キシレン、酢酸ブチル、アセトン、イソプロピールアルコール、テトラクロロエチレン等は、マイナスあるいはプラスの表面電位をもつので、霧のように旋回領域内に広がる水微粒子に、クーロン吸着される。

マイクロバブル消滅時の分解作用について。
酸素原子は二個の最外殻電子をもつ。この二個の電子のスピンが不対の時に基底状態（安定した三重項）であるが、スピンが対の一重項になると強い活性を呈する。アニオン酸素分子（ｓｕｐｅｒｏｘｉｄｅ）や活性水酸基（ｈｙｄｒｏｘｙｌｒａｄｉｃａｌ）の酸素原子は一重項で反応性が高い。この活性水酸基の半減期は１０のー９乗秒と非常に短い。ＶＯＣ（＝Ｒ−Ｈ）は活性水酸基によりＲ・（アルキルラジカル）へと変化し，Ｒ−Ｏ２へと落ち着く。一方、水溶液内の水分子［Ｈ２Ｏ］と水酸基イオン［ＯＨ］，水素イオン［Ｈ］の濃度は熱平衡状態にある。温度によって濃度が決まり、ポルツマン分布と呼ばれる。温度上昇により［ＯＨ］の方が［Ｈ］より僅かではあるが多くなる。マイクロバブルの高い表面張力は高い表面温度を意味する。それ故、マイクロバブルは負に帯電する。水が高い表面張力を呈するのは、水分子／水酸基イオンの分極と水素結合に依拠する。合成双極子モーメントを有する水分子は、激しく回転しており、１０のー６乗秒でクルっと回転しているが、物質と接する界面では１０のー１２乗秒で一回転する。温度が高いマイクロバブル壁面では、水素結合でスクラムを組んでいる水酸基イオン群からはじき出される。マイクロバブル壁面の水酸基イオン密度は高くなり、気泡は小さくなる。
マイクロバブルが小さくなるにつれてこの電荷密度は上昇し、ついには消滅する。このとき発生する電磁波や衝撃波で水酸基イオンは、活性水酸基（ｈｙｄｒｏｘｙｌｒａｄｉｃａｌ）になり、水微粒子に付着したＶＯＣや有機樹脂塗料はこの活性水酸基により不活性化される。

図において、符号５は旋回用ファン１を駆動するモーター、符号６は鏡筒１の底部に溜まった水溶液をポンプ（図示せず）から還流する連接管である。水道水をこの連接管６に供給して良い。マイクロバブルの平均粒径は、１０〜１９μｍである。塗装ガンを水面に吹き付けると、表面には極めて粘性の高いネバネバした塗膜ができる。この粘性体に触れると有機溶剤を使用しないと除去できない。本実施例では、塗装ガンから直接に塗料ミスト等を鏡筒１内に吹き付けても、底部に溜まる水溶液はさらさらの状態であり、この水溶液を金魚鉢に導いて、長期に亘って金魚とメダカを育成することができた。金魚鉢の入り口に目の粗いフィルタをおき、さらさらでまったく粘性のないの塗料固形物を定期的に水洗い除去した。塗装業界では驚愕の関心を呼び、本実施例の見学者は絶えない。
廃水処理や大気放出処理が全く不要となった本願考案の特徴は、旋回領域内を浮遊する帯電水微粒子表面に揮発性有機化合物と塗装ミストが吸着すると、微粒子の表面エネルギーにより吸着物からの電子移動（酸化）がおこり、無害化されることである。

有機塗料などの塗装作業において、塗装ガンから放出される揮発性有機化合物や塗装ミストを除去して廃液基準と大気排出基準を満たすことができる装置の提供。

１鏡筒
２ノズル
３デフレクタ
４旋回用ファン
７キャビテーション部

Claims

鏡筒１内に旋回用ファン４を配置し、鏡筒内へと塗装ミスト流を下方から吸い込み、この鏡筒１内に水溶液を散布するノズル２を配置し、上昇する塗装ミスト流と散布水との混流による旋回領域を区画形成し、この領域内を浮遊する水微粒子群に揮発性有機化合物と塗装ミストを吸着させる、揮発性有機化合物・塗装ミスト除去装置。
下方に向いたノズル２内に乱流を発生させるキャビテーション部７を配置し、このキャビテーション部７で発生するマイクロバブル流をノズル先端のデフレクタ３に衝突させ、上昇する塗装ミスト流に対向して水微粒子群を散布し、旋回領域を形成する、請求項１記載の揮発性有機化合物・塗装ミスト除去装置。
鏡筒１内の上部に旋回用ファン４を配置し、鏡筒内へと塗装ミスト流を下方から吸い込み、マイクロバブルを発生するノズル２を下方に向けて配置し、ノズルからフィルム状に拡散する水微粒子群と塗装ミスト上昇流の混流により、旋回領域を形成し、この領域内を浮遊するマイクロバブルを含んだ水微粒子群に揮発性有機化合物や塗装ミストを吸着・酸化処理する、揮発性有機化合物・塗装ミスト除去装置。