JP6121877B2 - 磁性体の分離装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、磁性体の分離装置及びその方法に関する。

昨今、工業の発達や人口の増加により水資源の有効利用が求められている。そのためには、工業廃水などの廃水の再利用が非常に重要である。これらを達成するためには水の浄化、すなわち水中から他の物質を分離することが必要である。

液体からほかの物質を分離する方法としては各種の方法が知られており、たとえば膜分離、遠心分離、活性炭吸着、オゾン処理、凝集、さらには所定のろ過助材による浮遊物質質の除去などが挙げられる。このような方法によって、水に含まれるリンや窒素などの環境に影響の大きい化学物質を除去したり、水中に分散した油類、クレイなどを除去したりすることができる。

これらのうち、膜分離はもっとも一般的に使用されている方法のひとつであるが、水中に分散した油類や微小な浮遊物質（ｓｓ）を除去する場合には膜の細孔に油が詰まり易く、膜の寿命が短くなりやすいという問題がある。このため、水中の油類を除去するには膜分離は適切でない場合が多い。

このような問題に鑑み、近年においては、ボディーフィード法やプレコート法などの磁性体含有ろ過助材を用いて、水中に分散した浮遊物質を除去する方法が開発されている。

ボディーフィード法は、処理対象の原水中に磁性体含有ろ過助材を分散させ、このようなろ過助材が分散した原水を固液分離装置、すなわちろ過器のろ過面に供給し、ろ過面において、原水中に含まれる浮遊物質を除去すると同時に、ろ過助材によるろ過助材層を新たに形成し、当該ろ過助材層によって、ろ過面で除去しきれない微細な浮遊物質を除去する方法である。

プレコート法は、固液分離装置、すなわちろ過器のろ過面に磁性体含有ろ過助材を供給して、ろ過面上に予めろ過助材層（プレコート層）を形成した後、処理対象の原水を上記ろ過面に供給し、当該ろ過面及びプレコート層により、原水中に含まれる浮遊物質及びろ過面で除去しきれない微細な浮遊物質を除去するものである。

一方、ボディーフィード法やプレコート法などの磁性体含有ろ過助材を用いた浮遊物質の除去方法においては、ろ過器のろ過面で浮遊物質を除去した後のろ過助材層を構成する磁性体含有ろ過助材を回収して再利用に供する必要がある。特許文献１においては、逆洗時に磁石と超音波洗浄手段とを駆動するようにして、磁性体を磁石に付着させて磁性体の逸失を防止しながら、磁性体に付着した浮遊物質である固体粒子（非磁性体）を剥離する方法が開示されている。

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、磁性体の流出を防止することはできるが、磁性体と浮遊物質との分離効率は十分でなく、磁性体の回収及び再生効率を十分に向上させることができないという問題があった。

特開２０００−５５１２号公報

本発明が解決しようとする課題は、磁性体を浮遊物質等の除去対象物質（非磁性体）から高い効率で分離することにより、磁性体の回収及び再生効率を十分に向上させることである。

実施形態の磁性体の分離装置は、磁性体を含む被処理水が充填され上部に蓋体が配設された洗浄槽と、前記洗浄槽の蓋体に固定されるとともに、前記蓋体から前記洗浄槽の下部に向けて垂設し、前記洗浄槽の外周面に沿って配設された複数のケース部材、前記複数のケース部材それぞれの内部に出入自在に配設された棒状の複数の磁性部材、前記複数のケース部材によって画定された空間の中心部に配設された攪拌機、及び前記複数の磁性部材の、前記洗浄槽と反対側の端部に接続され、前記複数の磁性部材を、それぞれ前記複数のケース部材内に出入する昇降機構を含み、前記洗浄槽中の前記被処理水中に含まれた前記磁性体を吸着除去するための磁性体吸着機構とを具える。また、前記磁性体吸着機構によって前記磁性体が吸着除去された後の、処理後被処理水を一時的に貯留するための一時貯留槽と、前記磁性体吸着機構の、前記複数の磁性部材を前記複数のケース部材から抜脱した状態で、前記複数のケース部材の外周面に対して洗浄水を供給し、当該複数のケース部材の外周面に付着した前記磁性体を洗浄除去するための洗浄水供給槽と、前記洗浄除去された磁性体を貯留するための磁性体貯留槽とを具える。

実施形態の磁性体の分離装置の概略構成を示す図である。 図１に示す磁性体の分離装置の洗浄槽内部を示す平面図である。 実施形態の磁性体の分離方法における一工程を示す説明図である。

（磁性体）
最初に、本実施形態で対象にする磁性体について説明する。

磁性体としては、例えば鉄、および鉄を含む合金、磁鉄鉱、チタン鉄鉱、磁硫鉄鉱、マグネシアフェライト、マンガンマグネシウムフェライト、マンガン亜鉛フェライト、コバルトフェライト、ニッケルフェライト、ニッケル亜鉛フェライト、バリウムフェライト、銅亜鉛フェライトなどの粒子（磁性粒子）を挙げることができる。

この場合、上述した磁性粒子は、球状、多面体、不定形など種々の形状を取り得るが特に限定されない。また、望ましい粒径や形状は、製造コストなどを考慮して適宜選択すればよい。

また、磁力が作用し、磁力によって磁性体を吸着等出来る限りにおいて、Ｃｕメッキ、Ｎｉメッキなど、通常のメッキ処理を施したり、腐食防止などの目的で表面処理を施したりして、上記鋭角の角を丸めて使用することもできる。

同様の理由から、上述した磁性粒子は、スチレン樹脂、水添加スチレン樹脂、ブタジエン樹脂、イソプレン樹脂、アクリロニトリル樹脂、シクロオレフィン樹脂、フェノール樹脂、アルキルメタアクリレート樹脂及びフッ素樹脂等のバインダーで結合されたものであってもよい。また、磁性粒子の表面にメチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシシランなどのアルコキシシラン化合物が結合されたものであってもよい。

なお、一例として、磁性体が上述のような磁性粒子である場合、その大きさは、０．１〜１００μｍであり、好ましくは０．３〜５０μｍの範囲である。磁性粒子の平均粒子径の測定方法には、レーザー回折法により測定することができ、具体的には、株式会社島津製作所製のＳＡＬＤ−3100型測定装置（商品名）などにより測定することができる。

（磁性体の分離装置）
次に、本実施形態の磁性体の分離装置について説明する。
図１は本実施形態の磁性体の分離装置の概略構成を示す図であり、図２は、図１に示す磁性体の分離装置の洗浄槽内部を示す平面図である。

図１に示す磁性体の分離装置１０は、被処理水Ｗ０が充填され上部に蓋体１１Ａが配設された円筒状の洗浄槽１１と、この洗浄槽１１の蓋体１１Ａに固定されて下方に向けて垂設され、洗浄槽１１の外周面１１Ｂに沿って円形に配設された（図２参照）複数のケース部材１２と、複数のケース部材１２それぞれの内部に出入自在に配設された棒状の複数の磁性部材１３とを有している。また、図２に示すように、複数のケース部材１２（及び複数の磁性部材１３）によって画定された円形の領域Ｓの中心部には攪拌機１４が配設されている。

なお、本実施形態では洗浄槽１１の形態を円筒状としているが、必要に応じて任意の形態とすることができる。また、複数のケース部材１２は、洗浄槽１１の形態に従って円形に配設され、これら複数のケース部材１２で画定される領域Ｓも円形となっているが、領域Ｓの形態も必ずしも円形である必要はなく、洗浄槽１１の形態に合わせて任意の形態とすることができる。

また、ケース部材１２及び磁性部材１３の数は、例えば、被処理水Ｗ０中に含まれる磁性体Ｍの量を、磁性部材１３一本当たりの磁性体保持量（吸着量）で除することによって決定する。

攪拌機１４の上部にはモータ１４Ａが配設されており、当該モータ１４Ａによって攪拌機１４は必要に応じて連続的あるいは断続的に駆動される。

洗浄槽１１の外部にはシリンダー１５が配設されており、当該シリンダー１５の軸部材１６の上端部には板状部材１７が配設され、当該板状部材１７からは、複数の磁性部材１３の、洗浄槽１１の相対向する側の端部１３Ａと接続するようにして複数の支持部材１８が垂設されている。

シリンダー１５、軸部材１６、板状部材１７及び複数の支持部材１８は、複数の磁性部材１３に対する昇降機構を構成する。また、複数のケース部材１２、複数の磁性部材１３、攪拌機１４及び上記昇降機構は、本実施形態における磁性体の分離装置１０の磁性体吸着機構を構成する。なお、上記昇降機構は、シリンダー１５等からではなく、必要に応じて任意の構成とすることができる。例えば、洗浄槽１１の外方に枠体を配設し、当該枠体にギア等を配設し、当該ギアの回転等により昇降するような機構とすることもできる。

洗浄槽１１の上流側には、以下に説明するように、磁性体吸着機構によって磁性体Ｍが吸着除去された後の、処理後被処理水Ｗ１を一時的に貯留するための一時貯留槽２１が配設されている。

また、同じく、洗浄槽１１の上流側には、以下に説明するように、複数の磁性部材１３が複数のケース部材１２から抜脱した状態で、複数のケース部材１２の外周面１２Ａに対して洗浄水Ｗ２を供給し、複数のケース部材１２の外周面１２Ａに付着した磁性体Ｍを洗浄除去するための洗浄水供給槽２２が配設されている。

さらに、洗浄槽１１の下流側には、洗浄水Ｗ２によって洗浄除去された磁性体Ｍを貯留するための磁性体貯留槽２３が配設されている。

洗浄槽１１と一時貯留槽２１とは配管３１で接続されるとともに、配管３６及び３７で接続されており、配管３６にはポンプ３８が配設されている。なお、配管３１は、以下に説明するように、一時貯留槽２１から洗浄槽１１に処理後被処理水Ｗ１を供給するための送水ラインを構成する。

洗浄槽１１と洗浄水供給槽２２は配管３２で接続されており、配管３２にはポンプ３３が配設されている。洗浄槽１１と磁性体貯留槽２３は配管３４で接続されており、配管３４にはポンプ３５が配設されている。

本実施形態の磁性体の分離装置１０における各部材及び各構成要素は、ＳＵＳ等の高強度かつ高耐食性、非磁性の部材から構成することができる。但し、ケース部材１２は汎用プラスチックから構成してもよい。また、磁性部材１３は、Ｎｄ系、Ｓｍ系の磁石から構成することができる。

（磁性体の分離方法）
次に、図１に係る本実施形態の磁性体の分離装置１０を用いた磁性体の分離方法について説明する。図３は、本実施形態の磁性体の分離方法における一工程を示す説明図である。

最初に、洗浄槽１１内に被処理水Ｗ０を導入して充填する。被処理水Ｗ０は、例えばボディーフィード法やプレコート法を用いて、廃水中の浮遊物質、例えばアオコ、セリナイト、その他微生物などの汚泥成分、あるいはアルミナ、水酸化鉄等を除去したろ過器のろ過層を洗浄した後の洗浄水であるので、被処理水Ｗ０中には、上述した磁性体Ｍ及び汚泥成分等の非磁性体ＮＭが含まれる。なお、これら磁性体Ｍ及び非磁性体ＮＭは、分離装置１０を駆動させる前の状態においては、被処理水Ｗ０中に分散している。

次いで、図１に示すように、磁性体吸着機構、具体的には、洗浄槽１１の蓋体１１Ａに固定された複数のケース部材１２が被処理水Ｗ０中に浸漬され、さらに、各ケース部材１２中に磁性部材１３が挿入された状態で、攪拌機１４をモータ１４Ａで駆動させて回転させる。これによって、被処理水Ｗ０が撹拌され、被処理水Ｗ０中に分散した磁性体Ｍが、磁性部材１３が挿入されたケース部材１２と接触し、当該ケース部材１２の外周面１２Ａに、内部に挿入された磁性部材１３からの磁力によって吸着されるようになる。

また、攪拌機１４を駆動させることによって、被処理水Ｗ０中には渦流が生じるようになるので、磁性体Ｍの表面には被処理水Ｗ０によって比較的大きなせん断力が作用し、磁性体Ｍの表面に付着した比較的粘度の高い水酸化鉄等の水酸化物を剥離することができる。

なお、攪拌機１４の回転速度は、例えば２００ｒｐｍ〜３６０ｒｐｍとすることができる。この場合、例えば０．１〜１００μｍの大きさの磁性体Ｍを吸着することができる。

一方、攪拌機１４はモータ１４Ａを制御することによって断続的に駆動させることもできる。例えば、攪拌機１４を４５秒間〜１分間駆動した後、３０秒間〜４５秒間停止することができる。攪拌機１４を駆動させると、被処理水Ｗ０中には渦流が生じるが、このような渦流が生じると、比重が小さく、微細な磁性体Ｍは、ケース部材１２と接触しても、ケース部材１２の外周面１２Ａに作用する比較的大きなせん断力のために、当該外周面１２Ａに吸着されなくなる。

しかしながら、上述のように、攪拌機１４を一時的に停止させることにより、被処理水Ｗ０中に生成する渦流が小さくなるので、上述したケース部材１２の外表面１２Ａに作用するせん断力も小さくなる。この結果、微細な磁性体Ｍ、例えば０．１〜１０μｍの大きさの磁性体Ｍをもケース部材１２の外表面１２Ａに吸着することができるようになる。

但し、攪拌機１４を断続的に駆動させるという操作は本実施形態においては必須の構成要素ではない。

次いで、被処理水Ｗ０中の磁性体Ｍをケース部材１２の外表面１２Ａに吸着させた後、洗浄槽１１内に残留する被処理水Ｗ０は、処理後被処理水Ｗ１として、ポンプ３８を駆動させることにより、配管３６及び３７を介して一時貯留槽２１に送水し、一時的に貯留する。

次いで、図３に示すように、昇降機構を構成するシリンダー１５の軸部材１６を上方に駆動させ、板状部材１７及び支持部材１８に接続された磁性部材１３をケース部材１２から抜脱する。このとき、ケース部材１２の外表面１２Ａに吸着した磁性体Ｍには磁性部材１３からの磁力が作用しないので、磁性体Ｍの一部は自然に剥離して落下し、洗浄槽１１内に含まれるようになる場合がある。

一方、磁性体Ｍの、ケース部材１２の外表面１２Ａに吸着した残留分は、ポンプ３３を駆動させることにより、配管３２を介して洗浄水供給槽２２よりケース部材１２の外表面１２Ａに洗浄水Ｗ２を供給して洗浄除去する。なお、洗浄除去された磁性体Ｍは、洗浄水Ｗ２とともに洗浄槽１１内に含まれるようになる。

洗浄液は、除去すべき物質の種類に依存するが、例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、イソプロパノール、ヘキサン、アセトンなどの有機溶剤や、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤などを用いることができる。

なお、磁性体Ｍは、必ずしもケース部材１２の外表面１２Ａから自然剥離するものではないので、以下においては、当該外表面１２Ａから自然剥離した磁性体Ｍも洗浄除去された磁性体Ｍに含めて説明する。

次いで、洗浄槽１１内に含まれる、洗浄除去された磁性体Ｍは、ポンプ３５を駆動させることにより、配管３４を介して磁性体貯留槽２３に送水し、当該貯留槽２３内に貯留する。なお、上述した説明から明らかなように、磁性体貯留槽２３内において、磁性体Ｍは洗浄水Ｗ２中に分散した状態で貯留される。

次いで、一時貯留槽２１内に貯留された処理後被処理水Ｗ１を、配管３１を介して洗浄槽１１内に導入する。その後、洗浄槽１１内において、被処理水Ｗ０に対して行った操作と同一の操作、すなわち、磁性吸着機構による吸着、攪拌機１４による処理後被処理水Ｗ１の撹拌、磁性部材１３をケース部材１２から抜脱した状態での洗浄を行う。

処理後被処理水Ｗ１中には、磁性吸着機構によってケース部材１２の外表面１２Ａに吸着されない被処理水Ｗ０中の磁性体Ｍの残留分が含まれているので、上述の操作を行うことによって、当該磁性体Ｍの残留分、すなわち処理後被処理水Ｗ１中に含まれる磁性体Ｍが、洗浄水Ｗ２とともに磁性体貯留槽２３内に貯留されるようになる。

このように、一時貯留槽２１内に貯留された処理後被処理水Ｗ１に対して被処理水Ｗ０と同様の操作を行うことにより、処理後被処理水Ｗ１に含まれる磁性体Ｍの残留分が回収できるようになるので、当初の被処理水Ｗ０中に含まれる磁性体Ｍの回収効率を向上させることができる。

なお、処理後被処理水Ｗ１に対する上述した操作は、処理後被処理水Ｗ１に対する磁性吸着機構による吸着の後、再度、当該処理後被処理水Ｗ１を一時貯留槽２１に送水し、その後、配管３１を介して洗浄槽１１に送水することによって複数回行うことができ、これにより、当初の被処理水Ｗ０中に含まれる磁性体Ｍの回収効率をさらに向上させることができ、例えば９９．９９％の回収効率を達成することができる。

但し、本実施形態において、上述した処理後被処理水Ｗ１の、一時貯留槽２１から洗浄槽１１に対する送水後の、当該処理後被処理水Ｗ１に対する処理は必須の構成要素ではない。

また、磁性体Ｍを回収した後の処理後被処理水Ｗ１は、非磁性体ＮＭを含む廃水として、配管３６及び３９を介し、本実施形態の磁性体の分離装置１０の外部に放出する。なお、処理後被処理水Ｗ１に対して、上述した被処理水Ｗ０と同様の操作を行わない場合は、当該処理後被処理水Ｗ１を、非磁性体ＮＭを含む廃水として、配管３６及び３９を介し、本実施形態の磁性体の分離装置１０の外部に放出する。

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掲示したものであり、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 磁性体の分離装置
１１ 洗浄槽
１１Ａ 蓋体
１２ ケース部材
１３ 磁性部材
１４ 攪拌機
１４Ａ モータ
１５ シリンダー
１６ 軸部材
１７ 板状部材
１８ 支持部材
２１ 一時貯留槽
２２ 洗浄水供給槽
２３ 磁性体貯留槽
３１，３２，３４，３６，３７，３９ 配管
３３，３５，３８ ポンプ
Ｗ０ 被処理水
Ｗ１ 処理後被処理水
Ｗ２ 洗浄水

Claims (4)

1. 磁性体を含む被処理水が充填され上部に蓋体が配設された洗浄槽と、
   前記洗浄槽の蓋体に固定されるとともに、前記蓋体から前記洗浄槽の下部に向けて垂設し、前記洗浄槽の外周面に沿って配設された複数のケース部材、前記複数のケース部材それぞれの内部に出入自在に配設された棒状の複数の磁性部材、前記複数のケース部材によって画定された空間の中心部に配設された攪拌機、及び前記複数の磁性部材の、前記洗浄槽と反対側の端部に接続され、前記複数の磁性部材を、それぞれ前記複数のケース部材内に出入する昇降機構を含み、前記洗浄槽中の前記被処理水中に含まれた前記磁性体を吸着除去するための磁性体吸着機構と、
   前記磁性体吸着機構によって前記磁性体が吸着除去された後の、処理後被処理水を一時的に貯留するための一時貯留槽と、
   前記磁性体吸着機構の、前記複数の磁性部材を前記複数のケース部材から抜脱した状態で、前記複数のケース部材の外周面に対して洗浄水を供給し、当該複数のケース部材の外周面に付着した前記磁性体を洗浄除去するための洗浄水供給槽と、
   前記洗浄除去された磁性体を貯留するための磁性体貯留槽と、
   前記一時貯留槽から前記洗浄槽に前記処理後被処理水を供給するための送水ラインと、
   を具えることを特徴とする、磁性体の分離装置。
2. 前記攪拌機は断続的に駆動するように構成したことを特徴とする、請求項１に記載の磁性体の分離装置。
3. 上部に蓋体が配設された洗浄槽内に、磁性体を含む被処理水が充填する第１のステップと、
   前記洗浄槽の蓋体に固定されるとともに、前記蓋体から前記洗浄槽の下部に向けて垂設し、前記洗浄槽の外周面に沿って配設された複数のケース部材、前記複数のケース部材それぞれの内部に出入自在に配設された棒状の複数の磁性部材、前記複数のケース部材によって画定された空間の中心部に配設された攪拌機、及び前記複数の磁性部材の、前記洗浄槽と反対側の端部に接続され、前記複数の磁性部材を、それぞれ前記複数のケース部材内に出入する昇降機構を含む磁性体吸着機構によって、前記洗浄槽中の前記被処理水中に含まれた前記磁性体を吸着除去する第２のステップと、
   前記磁性体吸着機構によって前記磁性体が吸着除去された後の、処理後被処理水を一時貯留槽に一時的に貯留する第３のステップと、
   前記磁性体吸着機構の、前記複数の磁性部材を前記複数のケース部材から抜脱した状態で、前記複数のケース部材の外周面に対して洗浄水供給槽から洗浄水を供給し、当該複数のケース部材の外周面に付着した前記磁性体を洗浄除去する第４のステップと、
   前記洗浄除去された磁性体を磁性体貯留槽に貯留する第５のステップと、
   送水ラインを介して前記一時貯留槽から前記洗浄槽に前記処理後被処理水を供給する第６のステップと、
   を具えることを特徴とする、磁性体の分離方法。
4. 前記第２のステップにおいて、前記攪拌機は断続的に駆動することを特徴とする、請求項３に記載の磁性体の分離方法。

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