JP4893901B2 - 汚染環境水の処理装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、気液混合流体の噴射器から噴射された気液混合流体を汚水等で汚染された周辺の環境水に混合して汚染物質を処理する汚染環境水の処理装置に係り、特に噴射された気液混合流体を環境水中に放出する分散器の内壁面に金属シリコン粉末と、ゼオライト粉末と、チタン粉末と、トルマリン粉末と、無水珪酸ナトリウムとの混合物を焼結処理した多孔質のセラミック層を接触面として備えた汚染環境水の処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、気体の液中への溶解効率を向上させる技術として、例えば特開平9−201520号公報:「気液混合流体の分散方法及び該方法に使用する分散装置」があり、また、汚水処理技術として、例えば多孔質の複合半導体セラミックを使用して汚水処理を行う特開平11−179374号公報:「有機塩素化合物分解剤、その製法及び用途」、特開平11−104422号公報:「メタリックシリコン焼結濾過材、およびその製造方法」が、知られている。
しかしながら、上記各技術では、汚染環境水との気液混合を効率的に行い、かつ汚染環境水中の物質を処理して気液混合流体を活性化することはできなかった。
【0003】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記に鑑み鋭意実験研究の結果、下記の手段により前記課題を解決した。
(1)気液混合流体の噴射器から噴射された気液混合流体を汚水等で汚染された周辺の環境水に混合して汚染物質を処理する環境水の処理装置であって、前記気体混合流体の噴射器から噴射された気液混合流体を前記環境水中に放出するために、内側形状が前記混合流体の進入口から放出口に向けて先細りするメガホン形状をなし、かつその内壁面に金属シリコン粉末と、ゼオライト粉末と、チタン粉末と、トルマリン粉末と、無水珪酸ナトリウムとの混合物を焼結処理した多孔質のセラミック層を設けた筒状の分散器複数個を、前記噴射器の前側に、軸方向に連結して配設し、また、前記複数個の分散器を、前記流体の進入口の径が気液混合流体の移動方向に沿って段階的に大きくなるようにして直列に配設してなることを特徴とする汚染環境水の処理装置。
【0004】
(2)前記多孔質のセラミック層が、炭素含有還元雰囲気中で焼結処理されたものであることを特徴とする前項(1)に記載の汚染環境水の処理装置。
(3)前記多孔質のセラミック層が、更に陽イオンとして、ナトリウムと、アルミニウムと、チタンと、銀と、亜鉛と、鉄とを含有するものであることを特徴とする前項(1)又は(2)に記載の汚染環境水の処理装置。
(4)気液混合流体が、空気と水の混合流体であることを特徴とする前項1〜(3)のいずれか1項に記載の汚染環境水の処理装置。
【0005】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の筒状の分散器の内壁面に金属シリコン粉末と、ゼオライト粉末と、チタン粉末と、トルマリン粉末と、無水珪酸ナトリウムとの混合物を焼結処理した多孔質のセラミック層(以下複合半導体セラミック層と記す)を設けた汚染環境水の処理装置の正面外観図、図2は図1に示す汚染環境水の処理装置のC−C断面及びD−D断面の断面図、図3は本発明の汚染環境水の処理装置の平面外観図、図4は図3に示す汚染環境水の処理装置のA−A断面及びB−B断面の断面図である。
図において、1は噴射器、2は一次ノズル、3は二次ノズル、4は分散器、5は流体入り口、6は気体入り口、7は管材、8はフランジ、9は初段分散器入り口、10は二段分散器入り口、11は初段分散器、12は二段分散器、13は初段分散器出口、14は二段分散器出口、15は架台、16a、16bは分散器支持台、17はノズル用管材取り付け台、18aは初段分散器の区画壁状支持板、18bは二段分散器の区画壁状支持板、19は複合半導体セラミック層を示す。
【0006】
本発明の装置は、基本的には気液混合流体の噴射器1と、分散器4と、複合半導体セラミック層19によって構成されている。
図1に示したように噴射器1は、液体入口5、気体入口6と、その先端の一次ノズル2、二次ノズル3とからなり、前記液体入口5及び気体入口6はフランジ8を用いて、管材7に接続されている。また一次ノズル2及び二次ノズル3は中空の管材7を使用するが、流体抵抗を低減するため、入り口から出口に向けて細くしたテーパー部を設けて、先端部を細くしている。そして、前記一次ノズル2及び二次ノズル3は同一軸上に配置され、二次ノズル3の前方に配設された分散器4の配列軸に延長され連結されている。
そして、前記分散器4は、初段分散器11及び二段分散器12より構成され、その内壁面には複合半導体セラミック層19が貼着されている。
本発明で好適に採用される複合半導体セラミック層19としては、金属シリコン粉末と、ゼオライト粉末と、チタン粉末と、トルマリン粉末と無水珪酸ナトリウムとの混合物を燻煙焼処理(炭素含有還元雰囲気中での焼成処理)して得られた多孔質体セラミックの層が好ましいものである。
また、前記分散器4の初段分散器11、二段分散器12はそれぞれその内径を、初段分散器入口9から初段分散器出口13に向けて、また二段分散器入口10から二段分散器出口14に向けて漸減させている。
【0007】
また、前記分散器4は、汚染環境水の処理装置のC−C断面を示した図2の(イ)、D−D断面を示した図2の(ロ)、A−A断面を示した図4の(ハ)、及びB−B断面を示した図4の(ニ)(各断面の位置は図1及び図3参照)の4つの図に示すように、初段分散器11及び二段分散器12の内壁に、それぞれ前記筒状の分散器のセンターを出し、かつ筒状体を内部から強固に保持する3個の区画壁状支持板18a、18bを120°間隔で突設させている。
【0008】
そして、分散器4の内壁に装着する複合半導体セラミック層19の形状は、前記区画壁状支持板18a、18bの外側端部と分散器4の内壁に沿った形に所要板厚を有して成型されたものであり、この複合半導体セラミック層19は前記内壁に接着あるいは、ネジ止め等により貼着される。
上記の状態を図3の汚染環境水の処理装置の平面外観図及び、図4(ハ)のA−A断面、同図4(ニ)のB−B断面図によって図示した。
さらに、前記気液混合流体の進行方向に向けて内径を一様に漸減させた筒状分散器を、流体が拡開、縮小するように複数個直線状に配設することによって、強力な水流を発生させ、気液混合流体の飛射距離をより長くすれば、気液接触時間が長くなるから、汚染環境水中への酸素の溶解効率が高められる。
【0009】
次に、上記の状態において気液混合流体を、前記内径を一様に漸減させた筒状分散器の内壁に配設された複合半導体セラミック層19(図1〜図4)に衝突させることによって発生する作用について説明する。
図5は本発明装置の気液混合流体の流れを示す模式図で、装置の縦断面を示す。
図において、20は流入液体、21は流入気体、22、23は外部水圏から流入する汚染環境水、24は初段分散器内の気液混合流体、25は二段分散器内の気液混合流体、26は外部水圏に放出された気液混合流体を示す。
本発明装置への流入液体20は、ポンプで流入される。流入液体20は特に限定されず、ある一種の液体、あるいは複数種の混合液体、さらに気体を溶解した液体であってもよい。
また、本発明装置への流入気体21は、自然吸気状態あるいは、大量供給の場合にはコンプレッサ等で圧入する。
そして流入気体21は噴射器1の一次ノズル2から噴射され、二次ノズル3の管材7内で流入液体20と混合されて、二次ノズル3から分散器4の初段分散器11内に気液混合流体24として噴射される。
【0010】
そして、上記初段分散器11内において、外部水圏から汚染環境水22を初段分散器入り口9(図1参照)から取り込み、前記二次ノズル3から噴射された気液混合流体とさらに混合して初段分散器内の気液混合流体24とする。
図示したように該初段分散器内の気液混合流体24は、前方に噴射される際に前記初段分散器11の内壁に配設された複合半導体セラミック層19の表面に斜めに衝突し、反射した初段分散器内の気液混合流体24は二段分散器12内に噴射される。
さらに、二段分散器12内において、前記初段分散器で行われたのと同様に外部水圏から汚染環境水23を二段分散器入り口10(図1参照)から取り込み、前記初段分散器内の気液混合流体24とさらに混合して二段分散器内の気液混合流体25とする。
この時、図示したように該二段分散器内の気液混合流体25は、前方に噴射される際に前記二段分散器12の内壁に配設された複合半導体セラミック層19の表面に斜めに衝突し、反射した二段分目散器内の気液混合流体25は外部水圏に放出され、外部水圏に放出された気液混合流体26となる。
【0011】
次に、前述した組成による複合半導体セラミック層19の作用について説明する。
本発明で好適に採用される半導体セラミック層19としては、金属シリコン粉末と、ゼオライト粉末と、チタン粉末と、トルマリン粉末と無水珪酸ナトリウムとの混合物を燻煙焼処理(炭素含有還元雰囲気中での焼成処理)して得られた多孔質体セラミックが好ましい。
トルマリンは結晶体に応力を加えたとき電気分極が現れるものであり、また、酸化チタンは、光の照射を受けてO、OHラジカルを生成して、有機物等汚染物質の酸化分解を強力に進行させる。
【0012】
本発明の複合半導体セラミック層19には、光の照射を受けてO、OHラジカルを生成する酸化チタンと、結晶に応力を加えると電気分極を生ずるトルマリンとが混合して存在している。
まず、光の照射を受けてO、OHラジカルを生成する光触媒系半導体について述べる。その代表例として前記酸化チタンがあり、光の照射によって酸化還元反応を生じ水を分解することが知られている。
【0013】
半導体においては、そのエネルギーバンドの伝導帯(CB)の電位が水素生成電位よりも大きいと水素の発生が、また価電子帯(VB)の電位が酸素発生電位よりも小さいと酸素の生成が可能である。
そして前記複合半導体セラミック層19はその両方を満たしており、その結果水の分解が起こり水素と酸素が発生する。
また、光が複合半導体セラミック層19に吸収されると、電子と正孔の二つのキャリヤーができる。一般の物質ではこの両者はすぐに再結合してしまうが、複合半導体セラミックにおいては、両者がしばらく生き残っている。
このキャリヤー同士の再結合の割合は、光触媒反応の効率に大きな影響を与えるので、両者が素早く目的とするものと反応する雰囲気を作りだしてやる必要がある。
【0014】
このため、前記複合半導体セラミック層19に、汚染有機物質を含む空気と水の混合液(気液混合流体)を噴射し叩きつける。前記価電子帯の電子で生じた酸素、及び水素の結合相手として、空気中に豊富にある酸素、水の中の水素イオンが考えられ、酸素同士が結びつくとスーパーオキサイドができ、水素イオン同士が結びつくと水素原子ができる。
さらに上記噴射される気液混合流体は、通常の水よりも溶存酸素が多いため、スーパーオキサイドが生成される割合は高くなる。
また、価電子帯の正孔で生じたOHは、酸化性ラジカル(遊離基)であるので有機物を直ちに酸化分解する。この反応が連続して起こるため、素早く多量の有機物の分解を可能としている。
そして、複合半導体として酸化銀を含んでいるため、銀イオンによる高い光触媒活性が示され、還元サイトとして働き、電子と結びつくものを還元するが、正孔はそれと結びつくものを酸化する、水が相手の場合にはOHができる。
また半導体が形成した酸素(スーパーオキサイド)と反応して、O+やO2 -ができたり、あるいは半導体表面に存在する水酸イオン(OH-)と結びついてOHができる。
【0015】
これら生成されたO及びOHは、いずれも強力な酸化力を持っており、種々の酸化反応を起こす。これらのラジカルの存在が有機物を酸化分解し、さらに気液混合流体の噴射による動的な環境が酸化還元反応に対して非平衡状態を作り出す。前記ラジカルの中で、特にヒドロキシラジカル(OH)は有機化合物を酸化する。酸素がある場合はこの過程で有機化合物の中間体のラジカルと酸素分子がラジカル連鎖反応を起こし、酸素が消費され、やがて有機化合物は分解されて、最終的には二酸化炭素と水になる。
一方、対となる還元反応は空気中の酸素又は水中に溶存する酸素の還元であり、酸素がある場合には、水素の発生が起こる代わりに酸素の還元反応が進行し、スーパーオキサイドができる。このスーパーオキサイドは、酸化反応の過程で生ずる中間体とくっついて過酸化物を形成したり、過酸化水素を経て水になる。
一般に有機化合物は水よりも酸化されやすい。そして有機化合物の濃度が高くなると、正孔が有機化合物の酸化反応に使われる確率が高くなるため、電子と正孔との再結合の割合は減少する。このように正孔が十分消費される条件下では、電子が酸素分子へ移行しやすくなり、光触媒反応の効率を高めることができる。複合半導体セラミックはこの目的に合致したものである。
【0016】
一般に光触媒型半導体は光が存在しない限り機能しない。しかしながら、前記複合半導体セラミックは暗部においても有機物を分解する。これはイオンをキャリヤーとする電解型半導体としての機能を持つことを意味している。
複合半導体セラミックの主要成分であるシリコンは、4個の価電子を持っている。ここに価電子4個を持つ炭素、さらに3個持つホウ素、アルミニュウムやインジュウムを入れると、周りのシリコンから電子を奪ってマイナスイオンになる。
そして、電子を奪い取られたシリコンは電子不足となり、プラスの電荷の孔、即ち正孔ができる。
このような状態のところに外部から電気力を働かせると、電子が正孔に次々と飛び込んで、空席の正孔が移動することになる。
【0017】
一方、圧電体であるトルマリンは結晶に応力を加えると電気分極が現れ、結果としてシリコンに外部から電気力を働かせたと同じ効果、すなわちp型半導体の効果が生ずる。複合半導体セラミック層にはにはこれら電解型半導体と圧電型半導体の要素が複合して存在するため、前記気液混合流体の噴流による微弱な圧電効果によっても電気分極が生じ、前記光触媒型半導体のところで説明したものと同じ現象が光の存在がなくても起こると考えられる。
なお、複合半導体セラミック層を装着した気液混合流体分散装置は、明暗両反応系であり、高濃度の有機物の分解を効率的に行うことが立証されている。
本装置は、前記のようにこの現象を巧みに利用した構造となっている。
【0018】
【発明の効果】
本発明によれば下記のような優れた効果が発揮される。
気液混合流体を分散器によって汚染環境水中に噴射し、環境水への酸素の溶解効率を高める浄化機能と、分散器の内壁に装着した複合半導体セラミックによる明暗両反応系で高濃度の有機物を効率的に分解する機能との相乗効果によって、汚染環境水中の高濃度の汚染物質を短時間で分解し、除去できる。
このため、水中の汚染物質の分解除去や、ダム、農業用ダム、養殖池,溜池等におけるいわゆる「死に水」の活性化、あるいは高濃度の工場排水(食品、化学、バイオ関連、染色、製薬、電子関連等の諸工業)並びに、多量の工場排水(紙パルプ、染色、化学等の諸工業)の浄化等、汚染された環境水の処理装置として極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の本発明の筒状の分散器の内壁面に複合半導体セラミック層を設けた汚染環境水の処理装置の正面外観図である。
【図2】図1に示す汚染環境水の処理装置のC−C断面及びD−D断面の断面図である。
【図3】本発明の汚染環境水の処理装置の平面外観図である。
【図4】図3に示す汚染環境水の処理装置のA−A断面及びB−B断面の断面図である。
【図5】本発明装置の気液混合流体の流れを示す模式図である。
Claims (4)
- 気液混合流体の噴射器から噴射された気液混合流体を汚水等で汚染された周辺の環境水に混合して汚染物質を処理する環境水の処理装置であって、
前記気体混合流体の噴射器から噴射された気液混合流体を前記環境水中に放出するために、内側形状が前記混合流体の進入口から放出口に向けて先細りするメガホン形状をなし、かつその内壁面に金属シリコン粉末と、ゼオライト粉末と、チタン粉末と、トルマリン粉末と、無水珪酸ナトリウムとの混合物を焼結処理した多孔質のセラミック層を設けた筒状の分散器複数個を、前記噴射器の前側に、軸方向に連結して配設し、また、前記複数個の分散器を、前記流体の進入口の径が気液混合流体の移動方向に沿って段階的に大きくなるようにして直列に配設してなることを特徴とする汚染環境水の処理装置。 - 前記多孔質のセラミック層が、炭素含有還元雰囲気中で焼結処理されたものであることを特徴とする請求項1に記載の汚染環境水の処理装置。
- 前記多孔質のセラミック層が、更に陽イオンとして、ナトリウムと、アルミニウムと、チタンと、銀と、亜鉛と、鉄とを含有するものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の汚染環境水の処理装置。
- 気液混合流体が、空気と水の混合流体であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の汚染環境水の処理装置。
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