JP5818590B2 - 微細気泡形成装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、微細気泡形成装置に関する。

従来、気体を液中に気泡として分散させ、気泡の物理的、化学的作用を利用して、溶液や排水の物理的、化学的処理を行うプロセスは様々な工業分野で行われている。
例えば、特許文献１には、液中に溶け込んでいる懸濁粒子、コロイド粒子、分子、イオン等を含む溶液中へ多孔質膜材を通して気体を供給し、溶け込んでいる溶質を気体に付着同伴させて浮上させ、浮上させた分離対象物を溶液中から分離回収する浮遊分離装置が開示されている。
また、特許文献２には、ゴム製の多孔質膜材を通し、酸素を微細な泡として廃水槽に圧送することで、微生物を活性化し効率的に汚水処理を行う曝気技術が開示されている。

特開２００４−３５８４０６号公報 特開２００７−１１７８７１号公報

ところで、これらの技術は、液中の気泡の表面の性質を利用し、粒子の吸着や物質の移動を行う技術であり、気泡がより微細になれば、同一体積の気体を利用する際に、より高い効果を得ることができることが予測される。
しかしながら、従来技術においては、多孔質の膜材料として焼結金属や有機材料系の膜等、細孔形状が複雑に入り組んだ形状の材料や、ゴム製の板材に穿孔加工した膜材料が使用されている。焼結金属のような多孔質体は、細孔が互いに連通しているため、気泡が合体し粗大化する。板材に孔を加工した膜材の場合も細孔の径が数百μｍ程度であり、より微細な気泡を形成することは難しい。
また、多孔質材料の細孔から気体が気泡として液中に離れる際には、気泡は急激に成長し、細孔径以上の気泡径となって液中に分散されてしまい、所望の気泡径を有する微細な気泡を形成することは困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、気泡の粗大化を抑制し、より微細な気泡を液中に分散させることが可能な微細気泡形成装置を提供する。

実施形態の微細気泡形成装置のアルミナ多孔質膜は、膜面垂直方向に互いに交わること無く、異方性をもって連通孔として形成された径が均一な細孔を有し、加圧気体を通過させて微細気泡を生成する。
一方、多孔質部は、細孔を有し、前記微細気泡が接触した際に前記細孔の壁面が処理対象の液体で濡らされる所定の濡れ性を有する材料で形成され、アルミナ多孔質膜の少なくとも加圧気体が通過して放出される側に被覆され、あるいは、積層され、生成された微細気泡をアルミナ多孔質膜から離脱させる。

図１は、実施形態の微細気泡形成装置を適用した液体処理システムの一例の概要構成説明図である。 図２は、散気ユニットの外観斜視図である。 図３は、微細気泡形成装置の断面図である。 図４は、アルミナ多孔質膜の微細構造の模式図である。 図５は、微細気泡形成作用の説明図である。

次に好適な実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、実施形態の微細気泡形成装置を適用した液体処理システムの一例の概要構成説明図である。
液体処理システム１０は、バッチ処理で液体処理を行うシステムであり、処理対象水を貯留する貯留槽１１と、処理対象水のバッチ処理を行うためのバッチ処理槽１２と、貯留槽１１内の処理対象水をバッチ処理槽１２へ搬送する搬送ポンプ１３と、バッチ処理槽１２内へ微細気泡を散気するための散気ポンプ１４と、散気ポンプ１４に散気させる気体を供給する気体供給装置１５と、バッチ処理後の気体を回収するための気体回収装置１６と、を備えている。
バッチ処理槽１２の内底部には、散気ポンプ１４の気体供給経路の末端に接続された散気ユニット２０が設けられている。
この場合において、気体供給装置１５が供給する気体としては、空気、酸素、窒素、オゾン等処理目的に応じた気体（ガス）が用いられる。

図２は、散気ユニットの外観斜視図である。
散気ユニット２０は、散気ユニット本体２０Ａ内に複数の微細気泡形成装置２１が埋設された状態で設けられている。各微細気泡形成装置２１は、直径およそ１０ｃｍであり、散気ユニット本体２０Ａの上面に蜂の巣状に配置されている。

図３は、微細気泡形成装置の断面図である。
微細気泡形成装置２１は、耐圧構造を有するハウジング２２と、ハウジング２２内のハウジング２２の給気口２２Ｉ側に収納されたアルミナ多孔質膜２３と、アルミナ多孔質膜２３に積層あるいはアルミナ多孔質膜２３と一体に形成された多孔質部２４と、アルミナ多孔質膜２３及び多孔質部２４の変形を抑制すべく両者を保持する補強板２５と、アルミナ多孔質膜２３、多孔質部２４及び補強板２５をハウジング２２内で所定位置に保持するとともに、気密性を保持する一対のＯリング２６と、を備えている。

この場合において、ハウジング２２は、排気口２２Ｂが形成された蓋体２２Ａと、給気パイプの接続部２２Ｃが形成されたハウジング本体２２Ｄと、を備えている。また、ハウジング２２の形成材料としては、例えば、ステンレス等が用いられる。
また、アルミナ多孔質膜２３の厚さｈ１は、５０μｍ〜２００μｍとなっている。これは、５０μｍ以下では、十分な強度が得られなく、２００μｍを超えると均一な陽極酸化処理が行えなくなるからである。

ここで、アルミナ多孔質膜２３について説明する。
図４は、アルミナ多孔質膜の微細構造の模式図である。
アルミナ多孔質膜２３は、アルミニウム（Ａｌ）をリン酸水溶液やシュウ酸水溶液中で、陽極酸化することにより得られる。陽極酸化直後のアルミナ多孔質膜２３は、非晶質構造となっているが、その後の熱処理により結晶化し、結晶性のアルミナ多孔質膜２３とすることができる。

熱処理条件としては、６００℃以上９００℃未満であれば、γアルミナ及びアモルファス（非晶質）アルミナの混相状態のアルミナ多孔質膜２３が得られる。また、９００℃以上１２００℃未満であれば、γアルミナのアルミナ多孔質膜２３が得られる。さらに１２００℃以上であれば、αアルミナのアルミナ多孔質膜２３が得られる。

これらのうち、１２００℃以上の熱処理により得られるαアルミナで形成されたアルミナ多孔質膜２３は、化学的安定性を大きく向上させることができる。結晶化したアルミナ多孔質膜２３を用いることで、アモルファス（非晶質）アルミナと比較して、水中での長期安定性や、アルカリ溶液中での安定性が向上し、微細気泡形成装置２１の適用範囲を拡げることが可能となっている。また、結晶性のアルミナ多孔質膜２３を使用することで、微細気泡形成装置２１の耐久性、化学的安定性が求められる環境中での使用が可能になる。

アルミナ多孔質膜２３は、陽極酸化条件に応じた直径（約数μｍ〜数十ｎｍ程度）の細孔（連通孔）３１が均一に形成されている。細孔３１は、膜面垂直方向に互いに交わること無く、異方性をもって形成されている。このように細孔３１の径が微細で異方性を有した構造をしていることから、気泡の合体による泡の粗大化を抑制し、微細気泡の液中への分散を行うことができる。

また細孔径が均一であるため、焼結金属等のように焼結によって製造された多孔質材料に比べ、極端に大きな細孔が存在しないことも利点となっている。
また、細孔３１の形状は、円形に限るものではなく、矩形形状の細孔３１も同様に用いることが可能である。

次に多孔質部２４について説明する。
多孔質部２４の厚さｈ２は、図３に示すように、アルミナ多孔質膜２３の厚さｈ１と同様から２倍以下程度とするのが好ましい（ｈ１≦ｈ２≦２・ｈ１）。
多孔質部２４は、アルミナ多孔質膜２３の表面における気泡径の粗大化を抑え、微細なまま気泡を液中に分散させるために設けられている。多孔質部２４は、アルミナ多孔質膜２３に別部材として積層され、あるいは、アルミナ多孔質膜２３と一体に形成されている。

多孔質部２４は、処理対象の液体に対して、濡れ性の高い（濡れやすい）多孔質の材料で形成されている。多孔質部２４をアルミナ多孔質膜２３の表面に積層あるいは一体に形成することで、アルミナ多孔質膜２３から圧送される気泡が、多孔質部２４に接触した際に、多孔質部２４の壁面を液体で濡らす作用によって、液体が多孔質部２４と気泡の接触部に流れ込み、気泡をアルミナ多孔質膜２３表面から容易に離脱させることができ、アルミナ多孔質膜２３単体で気体を圧送するよりも、より微細な気泡を形成することができる。

この場合に、多孔質部２４の材料としては、有機系、セラミック系あるいは金属系の材料を用いることが可能である。
多孔質部２４に用いる有機系の材料としては、ニトロセルロース、ポリカーボネートやフッ素樹脂（例えば、親水化処理されたＰＴＦＥ膜。）等の比較的入手が容易で、細孔径についても選択の幅が広く、アルミナ多孔質膜２３の細孔径に合わせた選択が可能である。処理対象の液体が水である場合には、分子の一部に親水基、例えばヒドロキシル基を有する有機材料を選択することができる。また、物理蒸着や化学処理によって多孔質部２４をアルミナ多孔質膜２３と一体に形成する場合よりも、有機膜としての多孔質部２４を積層するだけで形成できるので、微細気泡形成装置２１の製造を簡素化できるという点も利点となる。

また、多孔質部２４に用いるセラミック系の材料としては、処理対象の液体が水である場合には、水に対する濡れ性から、酸化物系セラミック、シリカガラス等が挙げられる。多孔質部２４としてセラミック系の材料を用いた場合、処理対象の液体が水である場合には、親水性が高く、有機系の材料を用いる場合と比較して、気泡の離脱を促進でき、より微細な気泡を得ることが可能となる。

また、多孔質部２４に用いる金属系の材料としては、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）等が挙げられる。多孔質部２４として金属系の材料を用いた場合、処理対象の液体が水である場合には、有機系の材料を用いる場合と比較して高い親水性を得ることができる。また、導電性を利用して、電気化学処理を併用することが可能となり、気泡発生効率と処理能力の向上を図ることができる。例えば、金属系の材料として、金を蒸着し、電解を併用して液中のイオンの選択分離を促進することも可能である。

さらに、多孔質部２４に形成されている細孔４１（図５参照）の径は、アルミナ多孔質膜２３の細孔３１の径以上とすることが望ましい。より望ましくは、アルミナ多孔質膜２３の細孔３１の径の２倍程度とする。これは、多孔質部２４の細孔４１の径がアルミナ多孔質膜２３の細孔３１の径よりも小さい場合、両多孔質材料の接触面で気泡の通過の際に圧力損失が生じ、同量の気泡を発生させようとした場合に、より装置構成の大型化及び複雑化を招くこととなるからである。

補強板２５としては、ステンレスメッシュ等の比較的強度が高く、アルミナ多孔質膜２３及び多孔質部２４の変形を抑制しつつ、微細気泡の放出を妨げない材料が用いられる。

次に液体処理システム１０の動作について説明する。
液体処理システム１０において、液体のバッチ処理を行うに際しては、貯留槽１１から搬送ポンプ１３により、所定量の液体がバッチ処理槽１２内に搬送される。
この状態において、散気ポンプ１４は、気体供給装置１５から供給された気体を所定の圧力で、バッチ処理槽１２内の散気ユニット２０に給気パイプＰ１を介して圧送する。
これにより、圧送された気体は、散気ユニット本体２０Ａの複数の微細気泡形成装置２１の給気口２２Ｉを介してアルミナ多孔質膜２３に至る。

図５は、微細気泡形成作用の説明図である。
アルミナ多孔質膜２３に至った気体を、処理対象の液体ＬＱ中（例えば、水中）に微細気泡として、分散させる場合、アルミナ多孔質膜２３を通過して形成され気泡ＭＢ０は、より濡れ性（例えば、親水性）の高い多孔質部２４に接触する。
この結果、気泡ＭＢ０と、多孔質部２４との接触面に液体（例えば水）が浸入することとなり、アルミナ多孔質膜２３の表面から気泡ＭＢ０が微細気泡ＭＢとして離脱する。ここでの微細気泡ＭＢとは、５００μｍ以下の気泡、より望ましくは、１００μｍ以下の径の気泡をいう。

そして、バッチ処理槽１２内の液体を通過して、液体を通過した気体は、バッチ処理槽１２の上部より気体回収装置１６により回収され、再利用、あるいは、そのまま若しくは脱臭処理等の処理後に排出されることとなる。

以上の説明のように、本実施形態によれば、気泡の粗大化を抑制し、より微細な気泡を液中に効率的に分散させることができる。さらに簡易な構成で、耐久性の高い微細気泡形成装置を構成することができる。
以上の説明においては、微細気泡形成装置２１に気体を圧送するだけで、微細気泡を生成する構成を採っていたが、アルミナ多孔質膜２３および多孔質部２４により形成される気泡の微細化をより促進するため、超音波装置を設けるように構成することも可能である。

また、微細気泡形成装置２１の上面に対し、水流を平行に流す流路構造を有する水流供給装置を設けることにより、せん断力により気泡の微細化を図ることが可能である。
この結果、より気泡を微細化し、気体と液体との接触面積を増大させて気泡供給効率を向上させることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 液体処理システム
１１ 貯留槽
１２ バッチ処理槽
１３ 搬送ポンプ
１４ 散気ポンプ
１５ 気体供給装置
１６ 気体回収装置
２０ 散気ユニット
２０Ａ 散気ユニット本体
２１ 微細気泡形成装置
２２ ハウジング
２２Ａ 蓋体
２２Ｂ 排気口
２２Ｃ 接続部
２２Ｄ ハウジング本体
２２Ｉ 給気口
２３ アルミナ多孔質膜
２４ 多孔質部
２５ 補強板
ＭＢ 微細気泡

Claims (8)

1. 膜面垂直方向に互いに交わること無く、異方性をもって連通孔として形成された細孔を有し、加圧気体を通過させて微細気泡を生成するアルミナ多孔質膜と、
   細孔を有し、前記微細気泡が接触した際に前記細孔の壁面が処理対象の液体で濡らされる所定の濡れ性を有する材料で形成され、前記アルミナ多孔質膜の少なくとも前記加圧気体が通過して放出される側に被覆され、あるいは、積層され、生成された前記微細気泡を前記アルミナ多孔質膜から離脱させる多孔質部と、
   を備えた微細気泡形成装置。
2. 前記多孔質部に形成されている細孔の径は、アルミナ多孔質膜の細孔の径以上とされている、
   請求項１記載の微細気泡形成装置。
3. 前記多孔質部に形成されている細孔の径は、アルミナ多孔質膜の細孔の径の２倍程度とされている、
   請求項２記載の微細気泡形成装置。
4. 前記アルミナ多孔質膜の厚さをｈ１とし、前記多孔質部の厚さをｈ２とした場合に、
   ｈ１≦ｈ２≦２・ｈ１
   とされている、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の微細気泡形成装置。
5. 前記多孔質部は、処理対象の液体に対して前記所定の濡れ性を有する有機系材料、セラミック系材料あるいは金属系材料で形成されている、
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の微細気泡形成装置。
6. 前記多孔質部は、前記アルミナ多孔質膜に積層され、あるいは、前記アルミナ多孔質膜に一体に形成されている、
   請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の微細気泡形成装置。
7. 前記アルミナ多孔質膜は、αアルミナにより形成されている請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の微細気泡形成装置。
8. 前記アルミナ多孔質膜及び前記多孔質部の変形を抑制する補強板と、
   前記アルミナ多孔質膜、前記多孔質部及び補強板を収納する耐圧性を有するハウジングと、
   を備えた請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の微細気泡形成装置。

Images