JP4990326B2 - 高圧水を用いた土壌と水の混合物の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、高圧水を用いた土壌と水の混合物の製造装置、及び該装置を使用した土壌と水の連続混合方法に関する。

被混合物と液体媒体の混合操作は、化学工業分野では固液反応、液液反応又は気液反応の反応促進や製品製造の手段として一般に行なわれており、また、混合手段は多岐に亘り、機械的方法としてパドル式攪拌機やプロペラ式攪拌機などが使用されている。
また、微粉末を液体に混合する装置としてホモジナイザーなどがあるが、その微粉末の粒径の上限が小さく、塊状でないことが使用上の拘束条件である。

土木分野においては、横型回転機械のトロンメルなどを使用して土壌と水を混合している。土壌は粒度分布のある岩石片の粒子の集合体であり、通常、粘土の存在により塊状になっている。したがって、トロンメルなどを使用した機械的な攪拌では土壌を構成している粒子に至るまで水に分散させることはできない。換言すれば、分散能力の観点からは、トロンメルは大型機械であるにもかかわらず、攪拌能力不足であるといえる。

他の攪拌装置としては、水エジェクターポンプを使用して被混合物を配管内移送する際に管内で混合を実現している例がある。以下の特許文献１には、ノズルからの高速噴流体を利用した真空形成用ジェットポンプが開示されている。これは、エジェクターの真空発生原理を利用したポンプであり、工業分野においては水ジェットポンプの範疇にある装置である。

以下の特許文献２では、被混合物が穀物と液体であり、インジェクションというノズルに液体媒体の高圧水を通過させて高速流体をつくり、その負圧吸引力を利用して貯槽から穀物と液体を吸引した後に、移送配管中を移送している。特許文献２の段落００３４には、移送配管中での穀物同士の接触や移送管内壁への衝突により穀物表面の洗浄が行われることが記載されている。この現象は、被混合物の粒子状固体及び液体と液体媒体との一種の混合操作であり、混合操作が移送配管中で行われているが、積極的な混合操作は存在しない。

以下の特許文献３には、噴射ノズルからの噴射流体を用いて土木工事の浚渫操作における土壌スラリーを吸引したあとその噴射流体の速度を減速して揚圧に変えて移送する方法が開示されている。この移送方法は、噴射ノズルからの噴流を使用したポンプ機能の発現である。特許文献３では、被混合物の土壌スラリーと液体媒体との混合であるが、配管移送中での混合であり、積極的な混合操作は存在しない。

以下の特許文献４では、水ジェットポンプの原理を利用した汚染土壌の分離方法及び装置が開示されている。特許文献４の段落０００６には、流路断面積を縮小した絞り部３が形成されている。その絞り部３の下流側近傍には空気吸引部４が形成されており、絞り部３を通過する高圧水ジェットのエジェクター作用によって発生した負圧によって空気が吸引され、液体流に注入されて高速の気液混合ジェットが形成されることが記載されている。また、特許文献４の段落０００９には、高速の気液混合ジェットに混入された被処理物は、搬送管内で気液混合ジェットと混合しながら攪拌され、その強力な物理作用によって被処理物中の洗浄目的物から不純物としての汚染物の離脱が行われるとも、記載されている。しかしながら、このような攪拌や汚染物の離脱は、水ジェットポンプのエジェクター機能の活用とポンプによる配管中の流体移送能力に付随して生じた離脱であって、積極的な混合機能の発現とはいえない。

以上のとおり、特許文献１〜４に記載された技術の本質は、高速噴流体のエジェクターでの真空発生と該エジェクターポンプ機能で移送する配管中の乱流流動の結果として汚染物の離脱等の現象であり、工業分野における水ジェットポンプ又は水ジェットエジェクターと呼ばれる装置の応用例であるといえる。このような水ジェットポンプ又は水ジェットエジェクターと呼ばれる装置は、特許文献１に記載されたポンプと同じ基本原理に基づいて機能するものであり、ポンプの吸い込み圧力で配管内に被混合物を流動させるため、被混合物には一定の流動性が要求される。したがって、被混合物が粒状固体のみである場合には、配管中の移送は困難であり、その粒状固体に流動性を付与する液体が必要になる。そして粒状固体と液体は完全スラリー状態でないと吸い込み配管中やエジェクターのスロート部での閉塞が発生するため、これを防止するために、液体中の粒子状固体の含有濃度を小さくせざるをえない。

特許文献１〜４では、移送中の被混合物が配管中で混合されると記載されているが、そのような混合は配管中での被混合物の乱流の発生によるものであり、積極的な混合を発現させたものとはいえない。特に、被混合物が土壌である場合には、特許文献１〜４に記載された装置を使用する際に土壌は水に十分懸濁してある必要があるため、水と混合することができない塊状態の土壌は移送することができない。したがって、土壌の水に対する含有率を数％程度まで低く抑えなければ、特許文献１〜４に記載された装置は、土壌に適用することはできない。

また、掘削土壌のような粉粒固体の塊を直接水に分散させることは、従来技術の装置においては、未だ実現されてない。
さらに、油で汚染された土壌を水で洗浄するためには、土壌の岩石片の粒子レベルに至るまで水に分散して粒子間に存在する油成分を水に分散させる必要があるが、従来技術では土壌中の粘土成分の影響で塊状になっている為、水に十分な分散が達成できない。そのため、装置が大型となり、さらに、処理時間が長くなるという欠点がある。

別の事例として、農業用の畑砂が使用中に砂の微細化がある。砂の微細化により通気性が悪化し、農作物の品質劣化の原因となる。そこで、砂の微細化が進行した畑砂から微細粒子を除去して砂の粒径分布の改善を図る研究が長年行われてきた。具体的にはトロンメルを使用しての砂と水の混合操作では、微細砂を十分に分離・除去できていない。別手段として、風による微細砂の分離等の技術開発が行われているが、経済的に許容しうる技術ではない。
したがって、被混合物が粒子状固体から主に構成される土壌の洗浄等を行う場合に、洗浄等されるべき土壌の質量に対してより少ない量の水を使用して、土壌と水を効率的に混合するための装置や混合方法を提供する必要が未だ在る。

特公昭６２−１２４００号公報 特許第３４８５２１５号公報 特許第３４０８３７７号公報 特開２００２−３３６７３１号公報

本発明が解決しようとする課題は、粒状固体から主に構成される土壌と水を均質かつ短時間で混合することができる小型の混合装置を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、高圧水を用いて、簡単な構造の小型の装置で、土壌と水を均質かつ短時間で混合することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は以下の通りである。

［１］２ＭＰａ〜２０Ｍｐａの圧力水を噴出するノズルと土壌の投入口を具備する入口缶、第１端と第２端を有する管、並びに衝突板と排出口と排気口を具備する飛散防止缶から構成される土壌と水の混合物の製造装置であって、ここで、該ノズルは、該土壌の投入方向の側面から圧力水を高速噴流体として噴出するように設置され、該管の第１端は、該圧力水の噴出方向に沿って、該入口缶に接続され、該管の第２端は該飛散防止缶に接続され、該ノズルの吐出口内径（Ｄｎ）は、１〜２０ｍｍであり、該管の内径（Ｄｐ）は、該ノズル吐出口内径（Ｄｎ）の５〜５０倍であり、該管の第１端から第２端までの長さ（Ｌｐ）は、該ノズル吐出口内径（Ｄｎ）の１０〜６００倍であり、該該ノズルの吐出口から該管の第１端までの距離（Ｌｓ）は、該ノズル吐出口内径（Ｄｎ）の５〜１００倍であり、これにより、該投入口に投入された土壌は、該管の第２端に到達する間に、該圧力水由来の水と混合されて土壌と水の混合物が製造されることを特徴とする、土壌と水の混合物の製造装置。

［２］前記投入口から投入される土壌に予め水が添加される、前記［１］に記載の製造装置。

［３］前記ノズル吐出口近傍に空気供給口が設けられている、前記［１］又は［２］に記載の製造装置。

［４］前記投入する土壌に空気を同伴させて投入することにより、前記管内で前記高速噴流体の周囲に、前記投入された土壌と空気の随伴流を発生させる、前記［１］〜［３］のいずれかに記載の製造装置。

［５］前記ノズル吐出口から噴出する圧力水の速度（Ｖｎ）は１０〜２００ｍ／秒である、前記［１］〜［４］のいずれかに記載の製造装置。

［６］前記飛散防止缶の排出口に、得られた土壌と水の混合物から所望の土壌を分離するための分離装置が設置されている、前記［１］〜［５］のいずれかに記載の製造装置。

［７］前記［１］〜［６］のいずれかに記載の土壌と水との混合物の製造装置を使用して土壌と水とを混合する方法であって、前記土壌を前記投入口に連続投入し、ここで、単位時間当たりの該土壌中の粒状固体体積をＳｓ、該土壌中の液体の体積をＳｗ（該土壌に予め水が添加される場合には当該水の体積を加算する）、前記ノズルから噴出する圧力水の体積をＥｎとするとき、以下の式（１）及び式（２）：
０≦Ｓｗ／Ｅｎ≦５０ 式（１）
１≦（Ｓｗ＋Ｅｎ）／Ｓｓ≦∞ 式（２）
を満たす条件で該製造装置を連続運転することを特徴とする、前記方法。

本発明により、粒状固体から主に構成される土壌と水を均質かつ短時間で混合することができる小型の混合装置が提供される。本発明に係る土壌と水の混合物の製造装置は、回転機構を使用しないで高圧水による高速噴流体と随伴流による混合のみで、混合性能が高く、かつ、コンパクトな装置であり、さらに混合される土壌として多種多様な土壌に適用できる。

本発明に係る装置の概略図である。 土壌と圧力水である高速噴流体の混合を効率よく行うための装置各部の寸法条件を示す図である。 本願発明に係る装置を含む、砂の中の微細砂を分離するプロセスの概略図である。 随伴流の概念図である。 速度分布図である。 畑砂の洗浄前の粒径加積曲線図である。 畑砂の洗浄後の粒径加積曲線図である。

以下、本発明を詳細に説明する。
本明細書中、用語「土壌」とは、例えば、粒子径が略１〜２０，０００ミクロンである岩石破片粒子の集合体であり、通常、粘土、含有水を含んで、塊状になって存在しているものといい、汚染土壌、畑砂、建築廃材のような固形で塊状の物質等を広く包含する。
本願明細書中、用語「高速噴流体」とは、ノズル吐出口から噴出された後の圧力水の状態をいい、一方、ノズル吐出口に至る前の状態は「圧力水」という。したがって、本願明細書中、用語「高速噴流体」は「土壌」と混合される水を意味し、「土壌」を含まない概念である。

本発明に係る装置は、土壌と水を混合することを目的とする。
本発明に係る装置を用いて、例えば、油で汚染された土壌を水と混合すれば、土壌は水に混合・分散されるが、土壌の大粒子から微細粒子に至るまで水に混合・分散されるため、土壌の粒子間に存在していた油も水に分散する。すなわち、水に微細粒子や油が分散している分散体が得られる。かかる分散体を、本発明に係る装置の下流に設置された分離装置を用いて土壌から分離すれば、汚染油の大部分は、水に分散・希釈されて土壌から分離されるので、回収された土壌中の汚染油の含有量は低下している。このように、本発明に係る装置を用いて、土壌を洗浄することができる。分離装置としては、一般に振動篩やスクリューコンベアなどが使用される。

また、本発明に係る装置を用いて、例えば、畑砂を水と混合すれば、畑砂が水に分散されて畑砂のシルトや粘土は水に分散して懸濁水になるので、本発明に係る装置の下流に設置された分離装置、例えば振動篩を用いて懸濁水を畑砂から分離して畑砂を回収すれば、シルトの如き微細粒子が削減された畑砂を得ることができる。得られた畑砂は通気性や通水性がよくなり芋などの農産物の品質向上に寄与する。現在、本分野において、経済的な観点から許容しうるシルトや粘土等の微細粒子の除去技術や除去装置が存在しないために、畑砂の通水性や通気性を確保するために、毎年、新しい砂を散布し混合しているが、近年そのような砂の確保が困難になってきている。

さらに、本発明に係る装置を用いれば、建築廃材のような固形で塊状の物質でも水と混合することができるので、建築廃材から砂などの回収も可能である。

以下、本発明を、図に基づいてさらに具体的に説明する。
図１に、本発明に係る装置の概要を示す。
土壌を入口缶（１）に設けられた投入口（２）から連続的に投入する。投入する土壌に、予め水を添加してもよい。土壌と水とのスラリーである必要はない。この操作は大気圧、真空又は高圧下でもよい。圧力水が入口缶（１）に設けられたノズル（３）から高速噴流体として噴出される。この高速噴流体は、ほぼ水平に飛翔して、前記ノズル（３）に対向して入口缶（１）に設置された管（４）の内部に侵入する。管（４）は、高速噴流体の飛翔を妨げない構造となっている。高速噴流体は水平方向の流線をもつのが望ましいが、勾配があっても支障はない。管（４）は、高速噴流体を包むように設置され管の中心部分を高速噴流体が飛翔する。

投入口（２）から連続的に投入された土壌は、入口缶（１）の内部で噴出された高速噴流体を包み込むようになると、高速噴流体は、土壌を貫通する状況になるので、土壌は、その衝突力で跳ね飛ばされると同時に、高速噴流体の表面の速度と土壌の速度との速度差による粘性抵抗力が発生することにより、土壌は、高速噴流体の流線方向に加速される。高速噴流体は、随伴流を発生し、この随伴流により発生した土壌と水との随伴流体は、体積を増加しつつ入口缶体（１）の内部から管（４）の内部に管の第１端から流入する。

土壌が、入口缶（１）に投入されると流入乱れによる簡単な混合が起こる。さらに土壌の内部に高速噴流体が貫通するので、衝突による混合も起こる。さらに高速噴流体と土壌との速度差に基づく粘性抵抗力を土壌が受けることにより、土壌を形成している岩石片の粒子間にもその粘性抵抗力が働くことになる。高速噴流体の速度や表面積が大きければその粘性抵抗力も非常に大きなものとなり、土壌の塊であっても岩石片の粒子にまで分離する。土壌中に水が存在すると、水にも粘性抵抗力が発生して高速噴流体の随伴流となり、その際にも土壌と水の混合が起こる。土壌の粒子と水の混合が行われながら、また、随伴流体の体積の増加を伴いながら、高速噴流体は、管（４）の内部に流入する。そして高速噴流体と随伴流体とが管（４）の内部を飛翔する際、高速噴流体の周囲には乱流が発生し、混合がさらに進行する。高速噴流体は、飛翔距離が長くなると分散する挙動を示し、その噴流体の外側の飛散状態部分において混合がさらに促進される。空気が随伴流として存在する場合には乱流の程度がさらに大きくなり、土壌と水がさらに混合された混合物を得ることができる。

以上を要約すると、土壌が高速噴流体と接触すると、土壌は瞬間的に加速されて高速流動状態(以下、加速状態ともいう。）になり、その際、せん断力により塊状の土壌は微粒子に分解され、同時に高速噴流体の一部に巻き込まれながら、高速噴流体の周囲に土壌の随伴流が形成され、土壌自体の分散や混合、高速噴流体との衝突、混合が実現する。管（４）内の流動（、以下、移送状態ともいう。）においては、高速噴流体の拡散流動と土壌との混合が更に加味されるが、管が長いと配管抵抗のため、処理能力の低下につながる。

土壌と水との混合物は、管（４）の第２二端から飛散防止缶（５）に噴出する。土壌と高速噴流体の混合物が管（４）から放出された時には、混合は既に十分に行われている。放出の環境は、大気圧でも真空や高圧でもよい。混合物は大気圧の下では、速度水頭のみを有する流体である。換言すれば、圧力水頭を有してないのでポンプのように、混合物を圧送する能力はない。このような混合物を排出口（６）から排出し、貯槽等に貯めることにより、目的の混合物を得ることができる。

前記したように、土壌は、投入口（２）から入口缶（１）に投入される。高圧水（圧力水）は、ノズル（３）を介して高速噴流体になっているので、土壌は、随伴流として高速噴流体とともに管（４）に流入した後、管（４）ら吐出して飛翔する混合物になる。その飛翔する方向は一般的には水平方向に直線性を有しているので、その飛翔を遮るように衝突板（７）を設置する。衝突により混合物の飛散を防止することが望ましいので、飛散防止のために飛散防止缶（５）を設置する。混合物は飛翔速度を減じながら飛散防止缶（５）に至り、排出口（６）から排出される。飛散防止缶（５）に流入する混合物には空気を同伴している場合があるので、その空気を除くために排気口（８）から排気ガスとして流出させてもよい。この衝突板（７）においても、飛翔する混合物の速度が急減速する際に混合が更に加速される効果が得られる。すなわち、放出された混合物は、速度エネルギーを保持しているので、そのエネルギーを混合に更に利用するために、放出された混合物の流線上に衝突板を設置して、混合物の速度を急減速(以下、減速状態ともいう。）することにより混合効率を高めることができる。混合は加速状態と移送状態で十分に実現できるが、必要なら減速状態での混合を付加すればよい。

土壌と水の混合物は、土壌の岩石片の粒子が水に混合した混合物であるため、混合物を振動篩にかけると、篩上に砂のような大きな粒子が得られ、一方、砂の中の粘土やシルトの微細粒子群は混合により水に懸濁されているので、篩を通過して、懸濁水（懸濁液、スラリー）になる。すなわち、土壌と水が混合した結果として、微細粒子が水に懸濁した懸濁水を土壌から分離することができる。

図２に、土壌と高速噴流体の混合を効率よく行うための装置各部の寸法条件を示す。
圧力水を高圧噴流体に変換する手段がノズル（３）である。高速噴流体のノズル（３）の出口の吐出口内径（Ｄｎ）と吐出速度（Ｖｎ）は、投入する土壌の組成や処理速度などに従って、また、目的とする混合物の仕様（混合の程度）から決定されるが、圧力水の仕様は、ノズル（３）の抵抗を考慮して選定すればよく、圧力水の圧力は、一般的な高揚程ポンプで実現することができるが、本発明においては、２ＭＰａ〜２０Ｍｐａであり、好ましくは３〜６ＭＰａである。本発明においては、該ノズルの吐出口内径（Ｄｎ）は、１〜２０ｍｍであり、好ましくは２〜６ｍｍである。ノズル吐出口から噴出する圧力水の吐出速度（Ｖｎ）は１０〜２００ｍ／秒であり、好ましくは５０〜１００ｍ／秒である。

ノズル（３）の吐出口の出口端と管（４）の入口端である第１端との距離（Ｌｓ）は、土壌の仕様に従って、決定される。Ｌｓが大き過ぎると、高速噴流体の随伴流形成能力よりも混合処理物堆積量が大きくなり、運転不能になるし、Ｌｓが小さくても随伴流形成能力が低下することにより、混合処理量の低下になるので、その中間の長さのＬｓを決定する。本発明においては、ノズルの吐出口から管の第１端までの距離（Ｌｓ）は、ノズル吐出口内径（Ｄｎ）の５〜１００倍であり、好ましくは２０〜５０倍である。

管（４）の断面形状は、円や角などの任意な形状を選べる。本発明においては、管の内径（Ｄｐ）は、ノズル吐出口内径（Ｄｎ）の５〜５０倍であり、好ましくは１０〜３０倍である。Ｄｐは、高速噴流体と随伴流体が通過する断面積の基準となるが、Ｄｐが大きすぎると随伴流に発生するせん断速度分布の勾配が小さくなり混合が減少するし、逆に小さすぎると随伴流体の流入量の低下による処理速度の低下につながる。

管の第１端から第２端までの長さ（Ｌｐ）は、土壌が管（４）内に流入した後、安定的な随伴流を形成するための一定の長さであることが必要であるが、Ｌｐを大きくすると、混合は良好になるが配管抵抗の増大のために混合物の飛翔が困難になる。したがって、管の第１端から第２端までの長さ（Ｌｐ）は、ノズル吐出口内径（Ｄｎ）の１０〜６００倍であり、好ましくは１００〜４００倍である。

図３に、本願発明に係る装置を含む、砂の中の微細砂を分離するプロセスの概略図を示す。
このプロセスにおいては、砂を水と混合した後に洗浄砂を回収すると同時に微細砂を懸濁水として取り出した後に凝集処理をして微細砂を分離する。
被混合物は、粒状固体（砂）と同伴水の２成分である。被混合物（砂）は、微細砂（特に粘土とシルトの多い砂）であり、本願発明に係る装置を使用して、被混合物（砂）を水と混合し、被混合物（砂）中の微細砂を分離して、洗浄砂を回収する。
被混合物を、本願発明に係る装置の投入口に連続して供給する。同時に投入口から同伴水を供給する。高圧水（圧力水）を、高圧水ポンプを介して供給する。高圧水ポンプの吐出圧力は、汎用の高揚程型ポンプの２Ｍｐａ〜２０Ｍｐａ程度で十分である。この高圧水は、ノズルを介して高速噴流体になる。被混合物（砂）と同伴水は、高速噴流体と衝突し、これと混合されつつ、高速噴流体の随伴流となって飛翔して、管の内部を飛翔し、その間に被混合物（砂）と水の混合物となる。この混合物を、振動篩で篩分処理することにより、大部分の砂は洗浄砂として回収する。

一方、振動篩で分離された懸濁水は、被混合物（砂）の中の微細砂を懸濁状態で含有しているので、凝集処理装置で凝集剤を使用して、凝集処理を行い、フロックとなった微細砂を回収し、一方、凝集装置で分離された清澄水は回収水として回収する。回収水の一部は、ポンプにより移送して同伴水として再利用し、残りの回収水は水槽に移送する。水槽には補給水が補給される。水槽からの水を、高圧ポンプを介して高圧水として利用する。本発明に係る装置を用いれば、砂を水と十分に混合することができ、砂中の微細粒子は水に懸濁した懸濁水として除去して微細砂の少ない洗浄砂を得ることができる。

図４に、随伴流の概念図を示す。
土壌が入口缶体（１）に流入する。ノズル(３)から高速噴流体が流出している。この高速噴流体に接触する土壌は、粘性抵抗により高速噴流体の流線方向に引っ張られて加速されながら、随伴流体が形成される。随伴流体は、ノズル(３)の吐出口のｎ断面から離れるほどその体積を増加させていって、管（４）の入り口付近のＢ断面で定常状態になり、管（４）の出口のＣ断面から流出する。
図４の下段に、縦軸に噴流の中心を断面中心とした基点としての半径方向の距離、そして横軸に速度分布を示す図を表す。
ｎ断面では、高速噴流体の速度分布のみである。高速噴流の太さはノズル径と略一致し、随伴流は形成されていない。
Ａ断面は、ノズル（３）と管（４）入り口の間に存在する断面であり、そこでは、随伴流体が形成し始めるので、高速噴流体の周囲に随伴流体が存在することになる。
Ｂ断面は、管（４）の入り口付近の断面である。Ａ断面に比べて随伴流の体積が増加している。
Ｂ断面からＣ断面までの随伴流の増加はないので、速度分布は、Ｂ断面とＣ断面とで同じである。
図４の下段では、噴流の速度分布は、各断面（ｎ、Ａ、Ｂ、Ｃ）で同一に図示しているが、実際にはこの噴流もノズル（３）から遠のく程、分散する傾向があるので、速度分布は拡散するが、同時に噴流自体が土壌と混合される。
このように、管（４）の出口からＣ断面の高速の飛翔体が混合物として流出する。

図５は、速度分布図である。速度とは各場所の平均速度のことである。
横軸は、ノズル(３)出口のｎ断面をゼロとしたときの距離である。縦軸は流体の平均速度である。
高速噴流体の速度は横軸の各場所で一定のＶｎである。高速噴流体の速度は、厳密には抵抗のために少しは減速するが、事実上、一定である。一方、土壌の速度は、ｎ断面でゼロであるが、徐々に上昇し、管（４）入り口付近のＢ断面でＶｚになる。管の内部で速度はＶｚで一定である。Ｖｚは随伴流体の平均速度であり、高速噴流体の速度Ｖｎとは相違する。すなわち、高速噴流体と随伴流体の２種類の流体が管（４）内を飛翔しているのである。

本発明に係る装置においては、従来技術の水ジェットポンプに見られる真空域は存在しない。換言すれば、本発明に係る装置は、流体を吸引、移送する目的で負圧を利用しない点で従来技術の装置とは異なる。すなわち、本発明に係る装置においては、入口缶の土壌投入口の開口面積は、土壌処理速度の観点から、より大きくすることが望ましく、また該投入口から大気中の空気も流入するので、管内では事実上負圧が生じない。尚、コスト低減の観点から、高圧水の量はより少ないことが望ましい。

前記した本願発明に係る土壌と水との混合物の製造装置を使用して土壌と水とを混合する方法においては、前記土壌を前記投入口に連続投入し、ここで、単位時間当たりの該土壌中の粒状固体体積をＳｓ、該土壌中の液体の体積をＳｗ（該土壌に予め水が添加される場合には当該水の体積を加算する）、前記ノズルから噴出する圧力水の体積をＥｎとするとき、以下の式（１）及び式（２）：
０≦Ｓｗ／Ｅｎ≦５０ 式（１）
１≦（Ｓｗ＋Ｅｎ）／Ｓｓ≦∞ 式（２）
を満たす条件で該製造装置を連続運転することを特徴とする。
ＳｗとＥｎの比率（Ｓｗ／Ｅｎ）において、Ｅｎが大きい条件では、随伴流体の形成に支障はないが、逆にＥｎが小さくなると随伴流体の形成能力は不足して混合操作ができない。また、土壌が粒状固体の場合には、Ｓｗ＋Ｅｎに対してＳｓが大きすぎると随伴流体を形成する能力が無くなり混合操作が不能になる。逆に粒状固体の体積が小さいことは支障にはならない。

本願発明に係る装置として、例えば、土壌処理能力３〜５トン／ｈｒのものである場合には、ノズル径（Ｄｎ）は２．５ｍｍ、管径（Ｄｐ）は１０倍、管長（Ｌｐ）は１２０倍、間隔（Ｌｓ）は２０倍であり、例えば、土壌処理能力１０〜２５トン／ｈｒのものである場合には、ノズル径（Ｄｎ）は４．５ｍｍ、管径（Ｄｐ）は１５倍、管長（Ｌｐ）は３００倍、間隔（Ｌｓ）は５０倍であることができる。

実施例１：畑砂からの微細砂の分離
本発明に係る装置を用いて、畑砂を水と混合した後に得た混合物を懸濁水と洗浄砂に分離して、洗浄砂を回収し、同時に懸濁水から微細砂を回収した（図３参照）。
畑砂の処理速度は１．５ｍ³／ｈｒの条件で入口缶に投入した。同時に同伴水１．２ｍ³／ｈｒを投入した。この畑砂と同伴水の２成分が被混合物であり、ノズルから吐出する高速噴流体の流量は１．０ｍ³／ｈｒであった。被混合物が高速噴流体の随伴流として飛翔して、管に流入した。管を通過した被混合物と高速噴流体が混合した混合物が管から流出した。この混合物から振動篩で懸濁水を分離して、砂を回収した。この砂が洗浄砂であり、シルト以下の微細砂が畑砂から減少していた。主な仕様は以下のとおりであった。

畑砂の条件： 畑砂の見かけ体積処理速度： １．５ｍ³／ｈｒ
： 畑砂の見かけ密度： １．８
： 含有水（畑砂の重量基準）： １１％
： 同伴水流入速度： １．２ｍ^３／ｈｒ
： 高速噴流体流入速度： １．０ｍ^３／ｈｒ
装置仕様： ノズルに供給する水の圧力： ４Ｍｐａ
： ノズル吐出口内径（Ｄｎ）： ２．５ｍｍ
： ノズル出口と管の入口端の距離（Ｌｓ）： ６０ｍｍ
： 管の断面は円形でその内径（Ｄｐ）： ３０ｍｍ
： 管の長さ（Ｌｐ）： ３００ｍｍ

洗浄前の畑砂の粒径加積曲線を図１０に、そして洗浄後の粒径加積曲線を図１１に示す。図１０に示すように、洗浄前の畑砂の７５ミクロン篩通過質量％は７．４％であり、一方、図１１に示すように、洗浄後の７５ミクロン篩通過質量％は約２％であった。すなわち、この混合操作により、微細粒子である７５ミクロン篩通過質量の（７．４−２）／７．４×１００％＝７３％を削減することができた。この削減された微細粒子は、振動篩を通過した懸濁水中に存在しており、凝集処置をして分離回収した。この結果は、畑砂と同伴水と高速噴流体との混合が十分に行われ、すなわち、畑砂の砂粒子が高速噴流体である水と混合した際に７５ミクロン篩通過質量と呼称される微細粒子レベルまでの混合が行われた結果、微細粒子が水に分散している懸濁水を得ることができたことを証明するものである。従来技術の混合装置を用いては、このような微細粒子に至るまでの水との混合物を得ることはできなかった。

実施例２：油汚染土壌からの油を除去した土壌の回収
本発明に係る装置を用いて、油を含有した土壌と水を混合してスラリーを作製した後、振動篩を用いて、粒子径の大きい土壌を、洗浄土壌として回収した。振動篩を通過した微細砂を含む懸濁液は別工程で凝集処理して、凝集物を分離した水を、本発明に係る装置のノズルへの高圧水や同伴水として循環使用した（図３参照）。洗浄対象の油種は、絶縁油であった。
油汚染土壌を処理速度１．５ｍ^３／ｈｒで入口缶に投入した。同時に、３．６ｍ^３／ｈｒの水を同伴水として投入した。この油汚染土壌と同伴水が被混合物である。この被混合物を混合するための動力源となるノズルから吐出する高速噴流体の流量は、２．７ｍ^３／ｈｒであった。
被混合物は、高速噴流体の随伴流おして飛翔し、管に流入し、管を通過した被混合物と高速噴流体の混合物が管から流出した。この混合物から振動篩で懸濁水を分離し、洗浄土壌を回収した。この洗浄土壌に含まれる油は大幅に減少しており、洗浄土壌として再利用可能なものであった。主な仕様は以下のとおりであった。

土壌の条件： 土壌の見かけ体積の処理速度： １．５ｍ^３／ｈｒ(３０００ｋｇ／ｈｒ)
： 土壌の見かけ比重： ２
： 含有水（土壌の重量基準）： １５％
： 同伴水流入速度： ３．６ｍ^３／ｈｒ
： 高速噴流体流入速度： ２．７ｍ^３／ｈｒ
装置仕様： ノズルに供給する水の圧力： ４Ｍｐａ
： ノズル吐出口内径（Ｄｎ）： ３．５ｍｍ
： ノズル出口と管の入口端の距離（Ｌｓ）： ６０ｍｍ
： 管の断面は円形でその内径（Ｄｐ）： ３０ｍｍ
： 管の長さ（Ｌｐ）： ３００ｍｍ

上記条件で連続土壌洗浄試験を行い、２４秒間運転後の試料を採取して分析した。２４秒間で使用した同伴水は、０．０２４ｍ^３、ノズル高圧水量は、０．０１８ｍ^３であった。
洗浄前の土壌２０ｋｇ（含水）から、洗浄後の洗浄土壌１８．３ｋｇ（含水）と懸濁液（スラリー）４３．７ｋｇ（油を除く）を回収した。油含有土壌の油濃度は５７００ｍｇ／ｋｇであったが、洗浄土壌の油量は、濃度検出下限値５０ｍｇ／ｋｇ未満であった。油含有土壌の油濃度５７００ｍｇ／ｋｇは、重量１１４ｇに相当する。一方、上記したように、洗浄土壌中に油は検出されなかったが、振動篩を通過した懸濁液（スラリー）中の油に合計重量は、１１２ｇであった。洗浄前後のマスバランスを以下の表１に示す。

表１から、土壌を汚染していた油のほとんどが、本願発明に係る装置により、油を含有しない洗浄土壌に変換されたことが分かる。

本願発明により、被混合物が粒子状固体から主に構成される土壌の洗浄等を行う場合に、洗浄等されるべき土壌の質量に対してより少ない量の水を使用して、土壌と水を効率的に混合するための装置や混合方法が提供される。したがって、本願発明に係る装置及び方法は、汚染土壌の洗浄や、農業用の畑砂からの微細粒子の除去等に、好適に利用することができる。

Claims (6)

1. ２ＭＰａ〜２０Ｍｐａの圧力水を噴出する単一のノズルと、大気圧下で土壌を投入する投入口とを具備する入口缶、第１端と第２端を有し、かつ、その断面積は長さ方向にわたり一定である管、並びに衝突板と排出口と排気口を具備する大気圧下の飛散防止缶から構成される土壌と水の混合物の製造装置であって、ここで、該ノズルは、該土壌の投入方向の側面から圧力水を高速噴流体として噴出するように設置され、該管の第１端は、該圧力水の噴出方向に沿って、該入口缶に接続され、該管の第２端は該飛散防止缶に接続され、該ノズルの吐出口内径（Ｄｎ）は、１〜２０ｍｍであり、該管の内径（Ｄｐ）は、該ノズル吐出口内径（Ｄｎ）の５〜５０倍であり、該管の第１端から第２端までの長さ（Ｌｐ）は、該ノズル吐出口内径（Ｄｎ）の１０〜６００倍であり、該該ノズルの吐出口から該管の第１端までの距離（Ｌｓ）は、該ノズル吐出口内径（Ｄｎ）の５〜１００倍であり、これにより、該投入口に投入された土壌は、該管の第２端に到達する間に、該圧力水由来の水と混合されて土壌と水の混合物が製造されるが、該管内で負圧は生じておらず、かつ、該ノズル吐出口近傍には空気供給口が設けられていないことを特徴とする、土壌と水の混合物の製造装置。
2. 前記投入口から投入される土壌に予め水が添加される、請求項１に記載の製造装置。
3. 前記投入する土壌に空気を同伴させて投入することにより、前記管内で前記高速噴流体の周囲に、前記投入された土壌と空気の随伴流を発生させる、請求項１又は２のいずれか１項に記載の製造装置。
4. 前記ノズル吐出口から噴出する圧力水の速度（Ｖｎ）は１０〜２００ｍ／秒である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造装置。
5. 前記飛散防止缶の排出口に、得られた土壌と水の混合物から所望の土壌を分離するための分離装置が設置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の土壌と水との混合物の製造装置を使用して土壌と水とを混合する方法であって、前記土壌を前記投入口に連続投入し、ここで、単位時間当たりの該土壌中の粒状固体体積をＳｓ、該土壌中の液体の体積をＳｗ（該土壌に予め水が添加される場合には当該水の体積を加算する）、前記ノズルから噴出する圧力水の体積をＥｎとするとき、以下の式（１）及び式（２）：
   ０≦Ｓｗ／Ｅｎ≦５０ 式（１）
   １≦（Ｓｗ＋Ｅｎ）／Ｓｓ≦∞ 式（２）
   を満たす条件で該製造装置を連続運転することを特徴とする、前記方法。

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