JP3954647B2 - 気体と液体の浄化方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は汚染気体および液体を処理する方法および装置に関する。
光透過率が低い、強く汚染された廃水に連続動作通水反応器内でＵＶ光を効果的に照射するため、特許願第ＤＥ−Ａ−４００５４８８号は流下膜または流水膜反応器を使用することを提案している。流下膜反応器は石英保護チューブで包囲されたＵＶ放射器が同心状に配置されている反応チューブからなっている。反応チューブは頂部に処理対象の液体の入口を、また底部に出口を有している。反応チューブ上端にあるリストリクタ（restrictor）は、処理対象水が若干の正圧で、底部で開いている反応チューブを通って流れるようにする。水は反応チューブの内壁を下方へ、流水膜の形態で流れる。水と石英保護チューブとが接触することはない。包囲気体による物質移動が膜の表面で生じる。特許願第ＤＥ−Ａ−４００５４８８号はこの効果を利用して、揮発性物質を除去することを提案している。上述の反応器の欠点は、これが適しているのが飲用水または液体の無毒化だけであるということである。流下膜との空気の接触時間が短すぎ、これらの条件の下で生じる物質移動が経験に照らして不適切なものであるため、反応器は空気の浄化に使用することを考慮していない。したがって、考慮されているのは、液相から気相への物質移動を利用して、液相から易揮発性物質を除去することだけである。
特許願ＤＥ−Ａ−３８３７９０５号は、さまざまな発光スペクトルのＵＶランプが同時に使用されるＵＶ光源による液および／または気体の処理装置を提案している。ＵＶランプはチューブ状反応室内またはその周囲に配置されている。処理媒体は反応室の構造に応じて、並流または向流となって反応室を通過する。この装置は液体の処理には適したものであるが、気体の効果的な処理に対する有用性は疑わしいものである。汚染廃気中で生じる多くの有機化合物、たとえば、ベンゼン、トルエンなどは、ＵＶ光吸収性であることが認められているが、化学的にきわめて安定しており、部分的に発生するほとんどが、反応器を通過する際に、分子に分解する。汚染気体を処理する周知の方法は、したがって、湿潤ステージをしばしば使用して、気体から付着汚染物質を除去している。湿潤ステージにおいて、気体は、たとえば、ラーシヒ・カラム中で、あるいはスプレイ・ミストによって液体に接触して、汚染物質を液相に変換している。この操作の後で、ほかの処理が行われる。
本発明の目的は、気体および／または液体の浄化に同等に適しており、上述の欠点を実質的に解消する方法を提供することである。本発明はこのプロセスを行う反応器も提供する。
本発明によれば、これは表面膜がノズルによって反応器内に形成され、気相から液相への物質移動が生じるように、気体が表面膜を通過する、冒頭で述べた種類の方法によって達成される。ノズルによって作成された液体膜は表面膜の形態であり、この膜を浄化対象気体が通過するが、この凝集膜を破壊することはない。気体の通過は主として、表面膜の縁部領域で生じる。このような状況において、表面膜は実際上完全な気体と液体の接触を可能とする細孔フィルタとして働く。
この方法には、放射により気相では分解しなかった汚染物質が、液体との接触により実用上完全に液相に移動できるという利点がある。特許願第ＤＥ−Ａ−４００５４８８号とは対照的に、本発明による方法は液体および／または気体の処理に適している。汚染物質は実際には、廃気中と廃水中の両方で生じる。
気体および液体を同時に照射するのが有利である。液体および気体の同時照射の結果として、気相では分解されなかった汚染物質を、液相で破壊することができる。一般に、除去対象の汚染物質は気相中と液相中とでは異なる反応性を有しているので、浄化効果を気体と（洗浄）液の照射によって実質的に改善できる。さらに、分解が液相で生じるため、液体中での汚染物質の溶解度が低くても、汚染物質を気体流から大量に除去するのを可能とするのに十分なものである。汚染物質が連続的に破壊されるため、液体は新たな汚染物質を反復して吸収できる。したがって、液体の吸収容量ないし飽和度に達することは、実際上まったくない。
気体と液体の接触がスプレイ・ノズルおよびラーシヒ・カラムによって行われ、放射線の露光が実際上不可能な従来の方法とは対照的に、本発明による方法では、汚染物質は減損なしに放射線にさらされるので、最適な放射が保証される。
気体を流下膜に対して向流で供給するのが有利である。したがって、気体は流下膜に接触してから、表面膜を通過する。表面膜を反応器中に作成するのが有利である。表面膜が特に有利なのは、気体流が表面膜との接触前にすでに回転していて、粒子が外部へ搬出されるからであり、これらの条件の下で、気体は液体と反復して接触できる。放射状の表面膜を作成する方法およびノズルがヨーロッパ特許願第ＥＰ−Ａ−０２０４７０９号に記載されており、この特許願の内容は本願の一部となるものである。ヨーロッパ特許願第ＥＰ−Ａ−０２０４７０９号の方法とは対照的に、本発明において汚染物質は、それ故、気体流から除去されるだけではなく、大量に−あらかじめ気相においてか、あるいは最終的に液相においてかのいずれかで−分解されるので、洗浄液の廃棄や、何らかの以降の処理は必要ない。流下膜、流水膜または散水膜には、使用される放射線に対する透過率が低い濁っている液体であっても、強く照射することができ、膜上だけでなく、流水時間全体にわたっても分解できるという利点がある。液体中の汚染物質は比較的高い濃度で存在していてもよい。
気体および／または液体と、照射によって活性化でき、気相内で少なくとも数種類の汚染物質と反応できる反応物質または化合物、たとえば酸素を混合させるのが有利である。それ故、本方法の効率をさらに向上させることができる。しばしば汚染空気である気体流中での酸素から、照射によってその場でオゾンを形成することができ、オゾン発生器を使用する必要がない。形成されたオゾンは気相で、未飽和の有機化合物と反応することができる。その他の利点は、形成されたオゾンを表面膜によって気体流から除去できることである。さらに、オゾンは水中で強力な酸化剤を構成する。放射により活性化できる化合物を、液体に添加するのが有利である。この種の化合物は、たとえば、過酸化水素であり、これはＵＶ照射により、きわめて反応性の高いヒドロキシル基を形成する。これらの基はほとんどの有機分子を冒す。鉄やマンガン塩などの触媒を液体に添加して、有機汚染物質の分解を向上させることができる。
液体を循環させるのが有利である。結果として、本方法を実施するのに、少量の液体で十分となる。汚染液体あるいは反応物質を連続的に、あるいは間隔をおいて、反応器中を循環する液体に添加することができる。また、汚染気体と汚染液体を同時に処理することもできる。これが多くの産業、たとえば、塗料業界で有利なのは、廃気だけでなく、廃水もきわめてしばしば汚染されるからである。気体流を部分的に循環できると、有利である。これが行われるのは、気体内の汚染物質の溶解度が液体中で低かったり、あるいは気体状汚染物質の液相への移動が、表面膜を通過する際に何らかの理由で不完全である場合である。液体中の汚染物質の濃度を測定し、これに基づいて、汚染気体および／または汚染液体の供給と排気、および／または液体および／または気体の通過数、および／または放射線の強度が制御され、かつ、該当する場合には、他の利点が得られる。これによって、浄化プロセスの完全な自動制御が可能となる。液体の供給および排出、あるいは液の通過数を、たとえば、２つ以上の点、好ましくは３点、すなわち、入口、出口およびこれらの間で液体および気体の放射線の吸収または放射線の放出の選択的な測定によって調整することができる。また、多くの場合、２つ以上の反応器を使用する必要はない。あるいは、さらに、放射線源の強度をこの調整によって調節することができる。最適化のためには、選択的放射器、すなわち除去対象の汚染物質に関して最適化された発光スペクトルを有する放射器が推奨される。同様に、ｐＨ、酸化還元電位、導電性、温度などのほかの特性を測定し、これらの信号をプロセスの調整に使用することもできる。
本発明は、また本方法を実施するための請求項１１の前文による装置に関し、液体搬送手段と連通しているノズルが容器ないし反応器壁とノズルとの間に表面膜を作成して、気体が表面膜を通過するのを可能とするように反応器に入口と出口が設けられていることを特徴とする装置にも関する。この装置には、汚染液体と汚染気体の処理に同等に適していることであるという利点があり、ノズルを使用することには、放射線の放出が損なわれることがないという大きな利点がある。ノズルは、たとえば、加圧された液体が通る環状ギャップを有していてもよい。このようにして、反応器を通る途中で、気体が通過しなければならない薄い表面膜を作成することができる。気体を流下膜に対する向流で容器内に導入することが有利である。ノズルが外方へ湾曲した出口、たとえば、トランペット状になるように広がっている出口を備えた回転対称で、ほぼ洋ナシ状の内部空間を有しており、供給管ないし入口がノズルの内部空間に接線方向でつながっているのが有利である。凝集性でコンパクトな表面膜を、たとえば、ヨーロッパ特許願第ＥＰ−Ａ−０２０４７０９号から周知のスピン・ノズルによって形成することができ、気体は実用上マイクロフィルタとして、この表面膜を通過する。このようにして、液体との気体の実用上完全な接触を確保することができる。このノズルの利点は、作成された表面膜がきわめて安定しているので、気体流の量を比較的多くできる点にある。また、表面膜を作成するための液体の量も、比較的少ない。さらに、膜の回転の結果として、気体内の汚染物質粒子が容器壁の外方へ搬送され、流水膜液体によって吸収される。ラーシヒ・カラムと対照的に、固体がヨーロッパ特許願ＥＰ−Ａ−０２０４７０９号のノズルに滞留することがなく、また少し時間がたった後、これを閉塞することがない。それ故、長い実用寿命が確保される。
反応器がチューブ状であり、ノズルがチューブに同心状に配置されていることが有利である。理想的には、細長い（ＵＶ）放射器が反応器全体にわたって延びており、これを通過する気体が放射線に連続的に露光される。これは第２の電流リード線を必要とするため放射線の一部を吸収する浸漬ウェルを使用せず、頂部と底部で開いているＵＶ反応器を使用して、第２のリード線、ならびに浸漬ウェルの底部へ冷却媒体（空気またはチッ素）を搬送するのに必要なパイプの吸収によるエネルギー損失なしに、考えられるもっとも高い放射線密度を印加できることを意味する。
また、放射線源をノズルの軸線に配置することも有利である。これはコンパクトな反応器構造を与える。さらに、放射線がいたるところに存在している、すなわちデッド・スペースがないため、バクテリアのネストが反応器内で形成されないので、反応器は水の殺菌にも優れたものである。しかしながら、放射線源を反応器外に配置し、かつ放射線透過材料製の反応器壁を使用することも、完全に可能である。また、反応チューブ内で上下に配置された複数のノズルを設けることもできる。複数の表面膜を形成することによって、反応器の効率をさらに改善することができる。液体を収集し、これを順次個々のノズルから送る手段を設けるのが有利である。反応器の内壁が放射線反射コーティングを有していると、さらに改善を行うことができる。ＵＶ照射の場合、反応器を放射線透過材料、たとえば石英で形成すると、たとえば汚染液体を付加的に供給する、反応器の外壁上の第２の散水膜を同時に照射することができる。浄化プロセスの効率も、したがって、向上させることができる。あるいは、反応器を包囲しており、それ故、汚染液体を供給する環状空間を形成するハウジングないしジャケットを設けることができる。２つの容器の間の距離が被照射液体の層の厚さを決定する。除去対象の汚染物質の組成および濃度、ならびに放射線源の強度にしたがって、層の厚さを選択し、調整することができる。外部容器がステンレス・スチールからなり、反射性内壁を備えていると有利である。
有利な実施の形態の１つは複数のチューブを組み合わせて、チューブないし反応器の束を形成することからなっている。得られる反応器の容積を、それ故、実質的に増やすことができる。集水部を液体の下流に設け、液体搬送手段と連通させると有利である。結果として、液体を実用上、希望するだけしばしば使用することができる。気体の入口と気体の出口の間に接続を設け、気体を反復して反応器に給送できるようにすると有利である。液体の供給および／または照射によって活性化できる化合物、たとえば過酸化水素の添加のための供給管を設けると有利である。通常は有機化合物である存在している化合物の加速分解を、それ故、液体内で達成することができる。
本発明による方法およびこの方法を実施する装置は、飲用水、工業廃水などの浄化および／または殺菌だけではなく、気体または液体の脱臭にも適している。
本発明の例示する実施の形態を、図面を参照して以下で説明する。
第１図は、シリンダ状のチューブで形成されており、ノズルと放射線源が縦断面で示されている反応器の基本図面である。
第２図は、２つのノズルを備えている、他の例示的な実施の形態の略図である。
第３図は、ネストを形成するように組み合わされた複数のチューブ状反応器からなる反応器の斜視図である。
第４図は、第３図に示した反応器の平面図である。
第５図は、第３図の反応器を備えた浄化装置の略図である。
第６図は、２重ジャケットを備えた反応器の例示的な実施の形態の略図である。
第１図を参照すると、反応器１１は本質的にチューブ１３からなっており、チューブ内にはノズル１５と放射線源１７が配置されている。ノズル１５は洋ナシ状の内部空間１９を有しており、この空間は底部が外方に向かって広がって、出口２１はトランペット型となっている。ノズルの形状は鐘になぞらえることもできる。液体をノズル１５へ搬送することのできる管ないし入口２３が接線方向で、内部空間１９につながっている。液体を内部空間１９内へ圧送した場合、液体はノズル１５の内壁２５上に凝集回転液層２７を形成する。これらの条件において、層２７の液体はノズル１５の頸部を通り、外方へ湾曲した出口２１へ移動し、この部分で、遠心力の作用により回転軸２９に対してほぼ直角に偏向される。これらの条件において、連続した表面膜３１がノズル１５とチューブ１３の間に形成され、これを浄化対象気体が通過する。それ故、表面膜３１が、適当なノズル（詳細にいえば、ヨーロッパ特許願第ＥＰ−Ａ−０２０４７０９号に記載されているようなスピン・ノズル）によってこのように形成され、気体入口４７からチューブ１３へ流入する気体流が表面膜３１を通過しなければならず、液体への気体状汚染物質の移動が生じることが重要な要因である。放射線源１７もノズルの下へ延びているので、放射線吸収汚染物質は、実際の気相において、放射線源１７が放射するエネルギーを吸収し、少なくとも部分的に分解される。残余の汚染物質は表面膜３１を通過する際に、洗浄液によって十分吸収され、浄化された気体流が気体出口４９から反応器１１を出る。次いで、表面膜３１を離れた汚染物質を含む液体は、チューブの内壁３５に沿って下方へ、流下膜ないし散水膜３３の形態で流れる。これらの条件において、液体はさらに放射線にさらされるので、汚染物質の広範囲にわたる分解を行うことができる。分解効果を向上させるため、反応器の内壁３５に反射コーティングを付加することができる。反応器底部にある出口３４により、液体を反応器から除去するか、あるいはポンプ６９によってノズル１５へ送り返すかのいずれかを行うことができる。
放射線源１７、たとえば選択的発光帯を発生する水銀高圧ランプまたは金属水素化物ランプを、ノズル１５と同心に配置し、これを通って延びるようにするのが好ましい。この利点は内部空間１９へ進入する液体に照射を容易に行い、たとえば、液体に添加された酸化剤、たとえば過酸化水素を活性化することができる。ランプ１７は密閉放射線透過保護チューブ３７に納められている。冷却剤用の入口スピゴット３９および出口スピゴット４１が保護チューブ３７につながっている。ランプ１７の電気リード線４３、４５も保護チューブ３７を通っている。第１図からわかるように、表面膜３１は保護チューブ３７に接触していない。この利点は電磁放射線に対する保護チューブ３７の透過性が、長期間動作させた後であっても、分解反応によって損なわれないということである。
浄化対象気体流５１（第１図）は底部気体入口４７からチューブ１３へ流入し、表面膜３１を通過した後、頂部気体出口４９から取り出される。気体の正圧は表面膜３１が動作時に実質的に保持されるように、調節される。
第２図は他の反応器１１’の略図であり、この反応器１１’と第１の反応器との相違は、放射線源１７またはこれを包囲している保護チューブ３７に２つのノズル１５、１５’が設けられていることだけである。もちろん、さらに多くのノズル１５を設けてもかまわない。連続して配置されているノズルには、浄化対象の気体流が液体と反復して接触する。上部ノズル１５から流下する液体が、その下にあるノズル１５’の上方のチューブ内壁に配置された樋（図示せず）に集められ、ポンプにより管（図示せず）から下にあるノズル１５’に圧送される場合、特定の実施の形態の１つが得られる。それ故、液体を段階的に、すなわちほとんどカスケード状に浄化することができる。液体の純度はノズルを通過するごとに高くなっていく。
第３図および第４図は複数の反応チューブを備える反応器５３を示している。チューブ１３は組み合わされて、反応器ないしチューブ・ネスト５５を形成しており、これは穿孔金属板５９によってまとめて保持されている。チューブ・ネスト５５自体はシリンダ状のジャケット５７内に配置されている。この反応器５３により、高い空気スループットが可能となり、高い浄化容量が得られる。
第５図は反応器ネスト５５を備えており、集水部６３を有している浄化装置６１を例示している。集水部６３はバルブ６５を備えている管６７によってポンプ６９に接続されている。ポンプ６９は反応器５３から流出する液体を管７１を介してノズル１５へ搬送するので、連続した液体の循環が行われる。付加的な液体をバルブ７５を含んでいる供給管７３から給送することも、あるいは酸化剤を添加することもできる。バルブ７８は液体を排出する働きをする。
第６図に略示されている反応器１１”は反応器ハウジング８１に納められている。処理対象液体が部分的に取り込まれるギャップないし環状空間８５が反応器ハウジングのジャケットとチューブ１３’の間に設けられている。チューブ１３’は放射線に対して透過性の材料で形成されているので、環状空間８５を通過する液体も動作中に照射される。一様な流下膜が環状空間８５に形成できるようにするためには、ハウジング８１を頂部で広げ、リザーバ８３を形成する。
反応器は次のようにして使用される。液体、たとえば水がポンプ６９によって、管６７、７１を介して集水部６３からノズル１５へ送られる。ノズル１５は反応器５３内に連続した液体のカーテンを形成する（第５図）。水はチューブの内壁に沿った流下膜の形で、下方の集水部６３へ流れ込む。同時に、水銀高圧ランプまたは水銀低圧ランプが好ましい放射線源１７がオンにされる。廃気または廃水を殺菌するために、アルファ放射器やガンマ放射器を使用することもできる。
浄化対象の気体流を反応器中へ、かつ底部からの表面膜、すなわち流下膜に対する向流によって導入するのが好ましい。反応器への途中で、気体流５１が放射線源７１によって照射されるので、汚染物質を気相中で簡単に分解したり、あるいは微生物を無害なものとすることができる。気相からの汚染物質またはその分解生成物が、その後表面膜３１と接触することによって、液相に移され、液相内で、同時照射により、あるいは照射によって活性化される適当な反応物質、たとえば強力な酸化剤、または化合物、たとえば過酸化水素との反応によって分解される。分解プロセス全体は放射線の吸収を測定する選択的測定によって制御される。測定を複数の点、すなわち、反応器の入口および出口、ならびにこれらの中間で行うのが好ましい。測定信号は自動化されたプロセスで使用されて、液体および気体の移動、ならびに、おそらくは、放射線の強度を制御する。
要約すると、気相または液相で生じる汚染物質の分解効率が、チューブ状反応器の通路を閉塞する流水膜、詳細にいえば、表面膜によって向上するということができる。気体が反応器を通過すると、気体と液体が効果的に接触するので、質量移動を行うことができる。反応器の形状およびノズルの形状は基本的に、記載した実施の形態とは別なものであり、使用されるノズルが反応器の内部空間を表面膜によって分割された２つの部分に分割する実質的に凝集性の安定した表面膜を生成し、気体が反応器からの通路にある表面膜またはその縁部領域を通過しなければならないことを条件とする。

Claims (12)

1. 反応器（１１；１１’；１１”；５３）と、
   電磁放射線によって反応器の内部を照射するために、反応器の内部またはその周囲に配置された少なくとも１つの放射線源（１７）と、
   液体の頂部入口（２３）および底部出口（３４）と、
   液体を入口（２３）へ圧送する搬送手段（６９）と、
   前記反応器内に配置され、液体搬送手段と連通するノズル（１５）と
   を備えた汚染気体および／または液体の処理装置において、
   ノズル（１５）が外方へ湾曲した出口（２１）を備えた回転対称形の洋ナシ状の内部空間（１９）を有し、
   液体供給管（２３）がノズルの内部空間（１９）に接線方向でつながっており、
   反応器の内壁（３５）とノズルの間に表面膜（３１）が生成され、
   反応器が入口と出口（４７、４９）を有していて、気体が表面膜（３１）を通過するのを可能とする、
   ことを特徴とする処理装置。
2. 反応器（１１；１１’；１１”；５３）が好ましくは垂直に配置されたチューブ（１３）で形成されており、ノズル（１５）がチューブと同心に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 放射線源（１７）がノズル（１５）の軸線に配置されていることを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の装置。
4. 上下に配置されている複数のノズル（１５、１５’）が反応器（１１’）に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の装置。
5. 液体を収集し、これを個々のノズル（１５）へ連続的に送る手段が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 反応器が放射線透過製材料からなっていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の装置。
7. チューブ（１３’）を包囲して、液体を供給する環状空間を形成する反応器のハウジング（８１）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。
8. 反応器の内部壁（３５）が放射線反射コーティングを有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の装置。
9. 複数のチューブがチューブまたは反応器の束（５５）を形成するために組み合わされることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の装置。
10. 反応器から流入する液体のための集水部（６３）が設けられており、かつ集水部（６３）が液体搬送手段（６９）と連通していることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載の装置。
11. 気体入口（４７）と気体出口（４９）の間に、気体を循環させるための接続が設けられていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 液体を供給する供給管を設けるか、および／または照射によって活動可能な化合物を添加する供給管（７３）を設けることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の装置。

Images