JP7455450B1 - Separation device - Google Patents
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Abstract
【課題】原料を液体の微粒子と溶質または分散質の微粒子とに分離することが可能な、低消費エネルギーの分離装置を提供する。【解決手段】分離装置は、原料を吐出する吐出口を有する吐出部を備えた導電性ノズルと、導電性ノズルの吐出部から原料を吐出する吐出方向と直交または略直交する噴射方向に気体を噴射する噴射口を有する噴射部を備えた気体噴射ノズルと、導電性ノズルの吐出口よりも吐出方向の下流側に、吐出口と対向するように配置された電極と、吐出部と電極との間に電圧を印加して静電結合を生じさせるように構成された電圧印加部と、を備え、導電性ノズルの吐出部は、グランドに電気的に接続され、気体噴射ノズルの噴射口は吐出口に近接して配置され、気体噴射ノズルは、電圧印加部によって吐出部と電極との間に電圧が印加された状態で、吐出部に気体を噴射することにより、原料を霧化して、液体の微粒子と溶質または分散質の微粒子とに分離するように構成されている。【選択図】図1An object of the present invention is to provide a separation device with low energy consumption that can separate a raw material into liquid particles and solute or dispersoid particles. [Solution] The separation device includes a conductive nozzle equipped with a discharge part having a discharge port for discharging raw material, and a gas jet direction that is perpendicular or substantially perpendicular to the discharge direction in which the raw material is discharged from the discharge part of the conductive nozzle. A gas injection nozzle equipped with an injection section having an injection port for ejecting; an electrode disposed on the downstream side of the ejection port of the conductive nozzle so as to face the ejection port; and a connection between the ejection section and the electrode. a voltage application section configured to apply a voltage between the conductive nozzles to generate electrostatic coupling, the discharge section of the conductive nozzle is electrically connected to the ground, and the discharge port of the gas injection nozzle is electrically connected to the ground. The gas injection nozzle is disposed close to the outlet, and the gas injection nozzle atomizes the raw material to form a liquid by injecting gas into the discharge part while a voltage is applied between the discharge part and the electrode by the voltage application part. is configured to separate into fine particles of solute or dispersoid. [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明は、液体原料を微粒化して分離する分離装置に関する。 The present invention relates to a separation device that atomizes and separates liquid raw materials.
液体状態の原料から水を分離する方法の一例として、従来、フラッシュ法、逆浸透(R/O)膜法などを用いた海水の淡水化方法などが知られている。これらの方法では、海水から水を分離することによって、「ブライン」と呼ばれる塩分濃度の高い(例えば10%程度)の排水物が大量に発生する。ブラインは、通常、海に戻されるが、環境に悪影響を与えるとして問題になっている。
また、特許文献1は、海水から効率よく淡水を得ることを目的として、静電霧化機を用いて塩分を含むミストを生成し、生成したミストのうち塩分濃度の低い微細ミストを回収して液化する方法および装置を開示している。
As an example of a method for separating water from raw materials in a liquid state, seawater desalination methods using a flash method, a reverse osmosis (R/O) membrane method, and the like are conventionally known. In these methods, by separating water from seawater, a large amount of wastewater called "brine" with a high salt concentration (for example, about 10%) is generated. Brine is normally returned to the sea, but this has been controversial due to its negative impact on the environment.
Furthermore,
しかしながら、上述した従来の方法では、いずれも、海水から固形の塩を分離することができず、塩分濃度の高い排水物(ブライン)が発生する。 However, none of the above-mentioned conventional methods are able to separate solid salt from seawater, and wastewater (brine) with a high salt concentration is generated.
また、フラッシュ法、逆浸透膜法では、海水から水を分離するために、膨大な熱エネルギーや電気エネルギーが必要である。特許文献1に記載の方法でも、海水またはキャリアガスを加温する装置が必要であり、消費エネルギーをさらに低くするという観点で改善の余地がある。
Furthermore, the flash method and reverse osmosis membrane method require enormous amounts of thermal energy and electrical energy to separate water from seawater. The method described in
このため、従来の方法によると、低い消費エネルギーで、海水を水と塩とに分離することは困難である。海水に限らず、例えば、工場排水を、水と重金属または油分とに低消費エネルギーで分離することは困難である。 Therefore, according to conventional methods, it is difficult to separate seawater into water and salt with low energy consumption. It is difficult to separate not only seawater but also, for example, industrial wastewater into water and heavy metals or oil with low energy consumption.
そこで、液体原料を、溶媒と溶質とに、または分散媒と分散質とに低消費エネルギーで分離する方法および装置が求められている。 Therefore, there is a need for a method and apparatus for separating a liquid raw material into a solvent and a solute, or a dispersion medium and a dispersoid, with low energy consumption.
本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、液体と、当該液体に溶解した溶質または液体に分散した分散質とを含む原料を、液体の微粒子と、溶質または分散質の微粒子とに分離することが可能な、低消費エネルギーの分離装置を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problem, and to combine a raw material containing a liquid and a solute dissolved in the liquid or a dispersoid dispersed in the liquid with fine particles of the liquid and fine particles of the solute or dispersoid. The objective is to provide a low energy consumption separation device that can separate
前記目的を達成するために、本発明の一態様に係る分離装置は、液体と当該液体に溶解した溶質または前記液体に分散した分散質とを含む原料を、前記液体の微粒子と前記溶質または前記分散質の微粒子とに分離する分離装置であって、前記原料を吐出する吐出口を有する吐出部を備えた導電性ノズルと、前記導電性ノズルの吐出部から前記原料を吐出する吐出方向と直交または略直交する噴射方向に気体を噴射する噴射口を有する噴射部を備えた気体噴射ノズルと、前記導電性ノズルの吐出口よりも前記吐出方向の下流側に位置し、前記導電性ノズルの吐出口と対向するように配置された電極と、前記導電性ノズルの吐出部と前記電極との間に電圧を印加して静電結合を生じさせるように構成された電圧印加部と、を備え、前記導電性ノズルの吐出部は、グランドに電気的に接続され、前記気体噴射ノズルの噴射口は、前記導電性ノズルの吐出口に近接して配置され、前記気体噴射ノズルは、前記電圧印加部によって前記導電性ノズルの吐出部と前記電極との間に電圧が印加された状態で、前記導電性ノズルの吐出部に前記気体を噴射することにより、前記原料を霧化して、前記液体の微粒子と前記溶質または前記分散質の微粒子とに分離するように構成されている。 In order to achieve the above object, a separation device according to one aspect of the present invention separates a raw material containing a liquid and a solute dissolved in the liquid or a dispersoid dispersed in the liquid into fine particles of the liquid and the solute or the dispersoid. A separation device that separates fine particles from dispersoids, comprising: a conductive nozzle including a discharge section having a discharge port for discharging the raw material; and a discharge direction perpendicular to the discharge direction in which the raw material is discharged from the discharge section of the conductive nozzle. or a gas injection nozzle including an injection part having an injection port that injects gas in a substantially orthogonal injection direction; an electrode disposed to face the outlet; and a voltage application unit configured to apply a voltage between the discharge part of the conductive nozzle and the electrode to generate capacitive coupling, The discharge part of the conductive nozzle is electrically connected to the ground, the discharge port of the gas injection nozzle is arranged close to the discharge port of the conductive nozzle, and the gas injection nozzle is connected to the voltage application part. By injecting the gas to the discharge part of the conductive nozzle while a voltage is applied between the discharge part of the conductive nozzle and the electrode, the raw material is atomized and fine particles of the liquid are formed. and fine particles of the solute or the dispersoid.
本発明に係る分離装置によれば、液体と、当該液体に溶解した溶質または液体に分散した分散質とを含む原料を、低消費エネルギーで、液体の微粒子と、溶質または分散質の微粒子とに分離することができる。 According to the separation device of the present invention, a raw material containing a liquid and a solute dissolved in the liquid or a dispersoid dispersed in the liquid is separated into fine particles of the liquid and fine particles of the solute or dispersoid with low energy consumption. Can be separated.
(本発明の基礎となった知見)
本願発明者は、低消費エネルギーで液体原料を分離する手法について鋭意検討した。この結果、溶媒と溶質を含む液体原料を帯電させた状態で微粒化し、静電爆発現象を起こさせることで、液体原料を溶媒の微粒子と溶質の微粒子とに分離することができることを見出した。本願発明者がさらに検討したところ、グランド(GND)から取り出した静電気で液体原料を帯電させることによって、消費エネルギーを小さく抑えることができることを見出した。また、液体原料の微粒化に霧吹きの原理を利用することで、液体原料が導電性を有する場合でも、液体原料を帯電した状態で微粒化することができることを見出した。この手法は、例えば分散媒と分散質を含むエマルジョンの分離にも適用可能である。本願発明者は、この新規な知見に基づき、本発明に至った。
(Findings that formed the basis of the present invention)
The inventors of the present application have conducted extensive studies on methods for separating liquid raw materials with low energy consumption. As a result, they discovered that by atomizing a liquid raw material containing a solvent and a solute in an electrically charged state and causing an electrostatic explosion phenomenon, it is possible to separate the liquid raw material into fine particles of the solvent and fine particles of the solute. Upon further investigation, the inventor of the present application found that energy consumption could be kept low by charging the liquid raw material with static electricity extracted from the ground (GND). We have also discovered that by using the principle of atomization to atomize a liquid raw material, even when the liquid raw material has conductivity, it is possible to atomize the liquid raw material in an electrically charged state. This technique can also be applied, for example, to the separation of emulsions containing a dispersion medium and a dispersoid. The inventors of the present application have arrived at the present invention based on this new knowledge.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態によって本発明が限定されるものではない。また、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to this embodiment. Further, in the drawings, substantially the same members are designated by the same reference numerals.
以下では、説明の便宜上、通常使用時の状態を想定して「上」、「下」、「側」、「左」、「右」などの方向を示す用語を用いるが、本発明に係る装置の使用状態などを限定することを意味するものではない。図面には、参考のために、互いに直交するX軸、Y軸およびZ軸が模式的に示されている。Z軸は、例えば鉛直方向である。以下の説明において、単に、X方向、Y方向、またはZ方向と記載した場合には、それぞれの軸方向であり、逆向きの2方向(例えば-X方向および+X方向)を含む。 For convenience of explanation, terms indicating directions such as "top", "bottom", "side", "left", and "right" will be used assuming the state during normal use, but the device according to the present invention It is not meant to limit the usage conditions. For reference, the X-axis, Y-axis, and Z-axis, which are perpendicular to each other, are schematically shown in the drawings. The Z axis is, for example, a vertical direction. In the following description, when simply referred to as an X direction, a Y direction, or a Z direction, it refers to the respective axial directions, and includes two opposite directions (for example, the −X direction and the +X direction).
《第1実施形態》
図1は、第1実施形態に係る分離装置の概略的な構造および原理を説明するため模式図である。
《First embodiment》
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the general structure and principle of the separation device according to the first embodiment.
本実施形態に係る分離装置1は、原料11を微粒化し、原料11に含まれる各物質の微粒子に分離する装置である。
The
原料11は、溶媒などの液体と、液体に溶解した溶質または液体に分散した分散質とを含む液体原料である。原料11は、導電性を有してもよい。原料11は、電解質水溶液などの溶液、あるいは、エマルジョンであってもよい。溶液あるいはエマルジョンには、他の物質が混合されていてもよい。原料11として、例えば、海水、工場排水、汚水、放射性汚染水、鉱山廃液などを用いることができる。
The
図1に示すように、分離装置1は、導電性ノズル3と、気体噴射ノズル4と、電極5と、電圧印加部6と、を備える。
As shown in FIG. 1, the
導電性ノズル3は、例えば、円筒状などの筒状の金属製ノズルである。導電性ノズル3は、導電性ノズル3の内部に供給された原料11を吐出する吐出部31を備える。吐出部31は、原料11を吐出するための吐出口32を有する。吐出口32は、例えば円形または略円形である。吐出口32の最大幅(ノズル径)は、例えば1.0mmである。導電性ノズル3が金属製ノズルの場合、金属製ノズルの吐出部31以外の部分が絶縁体で覆われていてもよい。これにより、吐出部31に電荷を集めやすくなる(図2参照)。なお、導電性ノズル3は、金属製ノズルに限定されない。導電性ノズル3の少なくとも吐出部31が金属などの導電性材料から形成されていればよい。
The
図1に示す例では、導電性ノズル3は鉛直方向(Z方向)に延在している。吐出部31は、導電性ノズル3の一方の端部(ここでは下端部)に位置している。吐出口32および吐出口32の開口縁31eは、吐出部31の下端に位置している。吐出口32は、原料11を下方に向かって、すなわち鉛直下向きに吐出するように構成されている。図1では、原料11の吐出方向を「+Z方向」とする。また、吐出方向に平行な方向(±Z方向)を「Z方向」とする。
In the example shown in FIG. 1, the
気体噴射ノズル4は、例えば、円筒状などの筒状の樹脂製ノズルである。気体噴射ノズル4は、気体噴射ノズル4の内部に供給された気体13を噴射する噴射部41を備える。噴射部41は、気体13を噴射するための噴射口42を有する。噴射口42は、例えば円形または略円形である。噴射される気体13は、例えば、加圧空気などの加圧気体であってもよい。気体13は、空気に限定されず、窒素などの不活性ガスであってもよい。
The
気体噴射ノズル4は、導電性ノズル3からの原料11の吐出方向(+Z方向)と直交または略直交する噴射方向に気体13を噴射するように構成されている。図1では、気体13の噴射方向を「+X方向」とする。また、噴射方向に平行な方向(±X方向)を「X方向」とする。なお、気体13が、噴射部41から離れるにつれて円錐状に広がる噴射流を形成する場合(図10参照)、「気体13の噴射方向」は、円錐状に広がる噴射流の中心軸(噴射軸)に沿った方向を指すものとする。
The
気体噴射ノズル4の噴射口42は、導電性ノズル3の吐出口32に近接して配置されている。気体噴射ノズル4は、気体13を導電性ノズル3の吐出部31に噴射するように配置されている。これにより、霧吹きの原理を利用して、原料11を吐出口32から噴射方向(+X方向)に噴霧することができる。
The
電極5は、金属などの導電性材料から形成されている。電極5の形状は特に限定されず、板状、棒状、球形状、半球形状など任意の形状を有してもよい。電極5は、導電性ノズル3の吐出口32よりも吐出方向の下流側(+Z側)に、吐出口32と対向するように配置されている。
The
電圧印加部6は、導電性ノズル3の吐出部31と電極5との間に電圧を印加して、静電結合を生じさせるように構成されている。本実施形態では、電圧印加部6は、高電圧電源を備える。電圧印加部6は、例えば、10kV以上100kV以下の高電圧を導電性ノズル3の吐出部31と電極5との間に印加するように構成されていてもよい。導電性ノズル3は、また、グランドGNDに接続されている(接地されている)。
The
(微粒子の生成)
本実施形態の分離装置1では、気体噴射ノズル4は、電圧印加部6によって導電性ノズル3の吐出部31と電極5との間に電圧が印加された状態で、導電性ノズル3の吐出部31に気体13を噴射することにより、原料11を霧化して微粒子p1を生成するように構成されている。原料11の微粒子p1は、静電爆発によりさらに微粒化され、液体の微粒子p2と溶質または分散質の微粒子p3とに分離する。
(Generation of fine particles)
In the
以下、図2、図3を参照しながら、原料11として海水(塩分濃度:3.5%程度)を用いる場合を例に、微粒子の生成および分離についてより詳しく説明する。
Hereinafter, with reference to FIGS. 2 and 3, the generation and separation of fine particles will be explained in more detail, taking as an example the case where seawater (salt concentration: about 3.5%) is used as the
図2は、導電性ノズルの吐出部と電極との間に電圧を印加した状態を説明する模式的な断面図である。図3は、導電性ノズルの吐出部に気体を噴射して微粒子を発生させる様子を例示する模式図である。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a state in which a voltage is applied between the discharge part of the conductive nozzle and the electrode. FIG. 3 is a schematic diagram illustrating how fine particles are generated by injecting gas into the discharge portion of a conductive nozzle.
図2に示すように、電圧印加部6によって導電性ノズル3の吐出部31と電極5との間に電圧を印加することで、吐出部31と電極5との間に静電結合を生じさせる。吐出部31と電極5との間に形成される電気力線61を図2に点線で示す。この例では、電極5と、吐出部31のうち吐出口32の開口縁31e(ここでは導電性ノズル3の下端)との間に電気力線61が形成されている。
As shown in FIG. 2, by applying a voltage between the
静電結合が生じた状態で導電性ノズル3内に原料11を供給すると、図3に示すように、吐出口32から吐出される直前の原料の表面のうち電極5に対向する部分11aに、静電誘導によって電荷(ここではマイナス電荷)が引き付けられる。
When the
電荷が引き付けられた状態の原料11に+X方向に気体13を噴射すると、霧吹きの原理によって、帯電した状態の原料11が霧化し、原料11の微粒子(液滴)p1が生成される。原料11が海水の場合、微粒子p1は、水の表面張力によって、例えば球状になる。微粒子p1中の電荷は同極同士(図3ではマイナス電荷同士)であるため、反発し合って球状の微粒子p1の表面に集まる。そうすると、同極の電荷同士が反発して静電爆発を生じ、より小さい微粒子となる。このようにして、原料11は、気体13とともに噴射方向(+X方向)に進みながら静電爆発を繰り返して、さらに微粒化される。この過程で、原料11は、水(H2O)からなる微粒子p2と、原料11に含まれていた塩化ナトリウム(NaCl)からなる微粒子p3とに分離される。微粒子p2、p3は、直径が例えば100nm以下の粒子(「ナノ粒子」)まで微粒化され得る。
When the
なお、図3に示す微粒子p1~p3の表面の電荷(ここではマイナス電荷)は、模式的に示したものであり、描かれた電荷の数が、実際の電荷の数に対応するものではない。図3では、静電爆発の前後で電荷の数が同じになるように描かれているが、実際には、微粒化に伴い電荷の数は減少する。 Note that the charges (here, negative charges) on the surface of the particles p1 to p3 shown in FIG. 3 are shown schematically, and the number of charges drawn does not correspond to the actual number of charges. . In FIG. 3, the number of charges is depicted as being the same before and after the electrostatic explosion, but in reality, the number of charges decreases as the particles become atomized.
本実施形態では、導電性ノズル3の吐出部31はグランドGNDに電気的に接続されている。このため、吐出部31から(ここではマイナスに)帯電された状態の原料11が吹き飛ばされると、図2に矢印62で示すように、グランドGNDから吐出部31に電荷(マイナス電荷)が誘導される。したがって、電圧印加部6の消費電力を低く(略ゼロに)抑えつつ、吐出部31から連続して吐出する原料11に電荷を供給し続けることができる。
In this embodiment, the
図2および図3では、水および塩化ナトリウムの微粒子p2、p3のみを示したが、海水に含まれている他の物質の微粒子も生成され得る。また、海水以外の原料を用いた場合も同様に、液体の微粒子と溶質または分散質の微粒子とに分離することができる。一例として、原料が、水と水に溶解した重金属(重金属イオン)とを含む工場排水である場合、水の微粒子と重金属の微粒子とを生成することができる。または、原料が、水および油を含むエマルジョンである場合、水の微粒子と油の微粒子とを生成することができる。 In FIGS. 2 and 3, only fine particles p2 and p3 of water and sodium chloride are shown, but fine particles of other substances contained in seawater may also be generated. Furthermore, when a raw material other than seawater is used, it can be similarly separated into liquid particles and solute or dispersoid particles. As an example, when the raw material is factory wastewater containing water and heavy metals (heavy metal ions) dissolved in the water, fine particles of water and fine particles of heavy metal can be generated. Alternatively, if the raw material is an emulsion containing water and oil, fine particles of water and fine particles of oil can be produced.
<導電性の原料の微粒化>
本実施形態では、導体である原料11を帯電した状態で微粒化させることができる。この理由を以下に説明する。
<Atomization of conductive raw materials>
In this embodiment, the
まず、図4Aおよび図4Bを参照して、導体を帯電した状態で微粒化させることが困難な理由を説明する。図4Aおよび図4Bは、導体(導電性を有する原料)の静電誘導を説明するための模式図である。 First, the reason why it is difficult to atomize a conductor in a charged state will be explained with reference to FIGS. 4A and 4B. FIGS. 4A and 4B are schematic diagrams for explaining electrostatic induction of a conductor (a raw material having conductivity).
図4Aに示すように、導体110に電荷A(ここではプラス電荷)を近づけると、静電誘導が生じる。すなわち、電荷Aによって導体110中の異極電荷(ここではマイナス電荷)がクーロン力で引かれる。この結果、導体110の表面に電荷の偏りが生じ、導体110の表面のうち電荷Aに近い第1部分110aに異極電荷、電荷Aから遠い第2部分110bに、電荷Aと同極の電荷が現れる。
As shown in FIG. 4A, when a charge A (here, a positive charge) is brought close to the
次に、図4Bに示すように、電荷Aを導体110から遠ざけると、静電誘導が解除され、導体110内に自由電子が分散する。この結果、導体110の電荷の偏りがなくなり、導体110が中性に戻る。このため、導体110を帯電させた状態で電荷Aから遠ざける(例えば導電性の原料を帯電した状態で電極から遠ざける)ことは困難である。
Next, as shown in FIG. 4B, when the charge A is moved away from the
これに対し、本実施形態では、導体である原料は、導電性ノズルを介してグランドGNDに電気的に接続されている。これにより、原料の自由電子(またはホール)を、原料の表面の一部(電荷A側)に集め、集めた自由電子を逃さないように吹き飛ばして、微粒化させることができる。 In contrast, in this embodiment, the raw material that is a conductor is electrically connected to the ground GND via a conductive nozzle. Thereby, the free electrons (or holes) of the raw material can be collected on a part of the surface of the raw material (charge A side), and the collected free electrons can be blown away so as not to escape, thereby making it atomized.
図5A~図5Dは、本実施形態における導体(導電性を有する原料)の微粒化を説明するための模式図である。 5A to 5D are schematic diagrams for explaining atomization of a conductor (a raw material having electrical conductivity) in this embodiment.
本実施形態では、図5Aに示すように、導体110の第2部分110bがグランドGNDに電気的に接続されている。この状態の導体110は、吐出口32にまだ接している状態の(吐出される直前の)原料に対応する。図示するように、導体110の第1部分110a側に電荷Aに近づけると、導体110の第1部分110a(図3の部分11aに対応)に異極電荷が現れる。また、導体110の第2部分110bとグランドGNDとの間に電位差が発生して、導体110から電荷(ここではプラス電荷)がグランドGNDに逃げる。
In this embodiment, as shown in FIG. 5A, the
この後、図5Bに示すように、導体110をグランドGNDから電気的に分離しても、電荷Aに引かれて導体110内の電荷分布は維持される。この状態の導体110は、吐出口32から吹き飛ばされた瞬間の原料に対応する。
After this, as shown in FIG. 5B, even if the
図5Cに示すように、導体110から電荷Aを遠ざけると、導体110内の電荷(ここではマイナス電荷)は、互いに反発して導体110の表面に分布する。この状態の導体110は、電極から遠ざかった状態の原料の微粒子(液滴)p1に対応する。例えば導体110が電解質水溶液などの水を含む原料の場合、水の表面張力は非常に大きいため、図5Dに示すように、微粒子p1が球状になる。微粒子p1の表面には、同極の電荷が反発し合って分布する。この後、図3に例示したように、微粒子p1は、静電爆発を繰り返すことで、水の微粒子と、電解質の微粒子とに分離される。
As shown in FIG. 5C, when the charge A is moved away from the
なお、原料11が絶縁体である場合には、原料11は導電性ノズル3内の流路で帯電し、その状態で噴霧されて静電爆発を生じる。
Note that when the
(液体の微粒子の気化)
分離装置1で生成された液体の微粒子p2は、微粒化されて気化するように構成されていてもよい。図6および図7を参照しながら、水の微粒子を例に、液体の微粒子の気化について説明する。
(vaporization of liquid particles)
The liquid particles p2 generated by the
図6に示すように、水の蒸気圧が大気圧以上になると、水の表面から水分子が飛び出し、水蒸気(気体)に変化することが知られている。 As shown in FIG. 6, it is known that when the vapor pressure of water exceeds atmospheric pressure, water molecules jump out from the surface of the water and change into water vapor (gas).
図7に示すように、大気は、主に酸素O2および窒素N2で構成されている。酸素および窒素の1気圧、0℃の平均自由行程は約68nmである。これに対し、静電爆発を繰り返した後の水の微粒子p2は、例えば直径10nm以下のナノ粒子である。水の微粒子p2のサイズが、酸素および窒素の平均自由行程よりも十分に小さいと、水の微粒子p2に大気圧をかけることができない。したがって、ナノ粒子化された水の蒸気圧は、真空状態での蒸気圧とみなすことができる。 As shown in Figure 7, the atmosphere is mainly composed of oxygen O2 and nitrogen N2 . The mean free path of oxygen and nitrogen at 1 atmosphere and 0° C. is about 68 nm. On the other hand, the water particles p2 after repeated electrostatic explosions are, for example, nanoparticles with a diameter of 10 nm or less. If the size of the water particles p2 is sufficiently smaller than the mean free path of oxygen and nitrogen, atmospheric pressure cannot be applied to the water particles p2. Therefore, the vapor pressure of nanoparticle water can be regarded as the vapor pressure in a vacuum state.
また、直径10nmの水のナノ粒子では、比表面積が大きくなり、それに伴って表面エネルギーが増大する。この結果、水の表面エネルギーが、水の表面張力(分子間力)を超えるので、積極的な加熱などを行わなくても、水を蒸発させることができる。したがって、水の蒸発に要する潜熱を小さく(例えば略ゼロに)抑えることが可能である。 Furthermore, water nanoparticles with a diameter of 10 nm have a large specific surface area and a corresponding increase in surface energy. As a result, the surface energy of water exceeds the surface tension (intermolecular force) of water, so water can be evaporated without active heating. Therefore, it is possible to suppress the latent heat required for water evaporation to a small value (for example, to approximately zero).
本願発明者の検討実験によると、水の微粒子p2の気化は、導電性ノズルから吐出された後、極めて短時間で、例えば原料の吐出口から噴射方向に沿って10cm~数10cmの間において生じ得ることが確認されている。また、水の微粒子p2が気化する空間(例えば、後述する図11の空間81a)の温度は、水の蒸発が生じてもほとんど変化しないことも確認されている。このことから、水の蒸発に要する潜熱が小さく抑えられていることが分かる。
According to the study conducted by the inventor of the present application, vaporization of the water particles p2 occurs within a very short time after being ejected from the conductive nozzle, for example, within 10 cm to several tens of cm along the injection direction from the raw material ejection port. It is confirmed that you will get it. It has also been confirmed that the temperature of the space where the water particles p2 are vaporized (for example, the
このように、この方式の水の蒸発は、真空状態の蒸気の発生であり、かつ、潜熱の小さい蒸発であると考えることができる。したがって、本実施形態によると、静電爆発を利用して、水の微粒子p2を低消費エネルギーで気化させることが可能である。 In this way, water evaporation in this manner can be considered to be the generation of steam in a vacuum state and evaporation with small latent heat. Therefore, according to this embodiment, it is possible to vaporize the water particles p2 with low energy consumption using electrostatic explosion.
一方、溶質または分散質の微粒子p3は、微粒化(ナノ粒子化)では気化しない。このように、微粒子p2、p3の一方を気化させ、他方を気化させないことで、両者を別々に回収しやすくなる。 On the other hand, the solute or dispersoid fine particles p3 are not vaporized by atomization (nanoparticle formation). In this way, by vaporizing one of the particles p2 and p3 and not vaporizing the other, it becomes easier to collect both particles separately.
分離装置1は、液体の微粒子p2の気化によって発生した蒸気を液化させる液化部をさらに備えてもよい。液化部では、気化した溶媒を凝縮し、液体状態に戻す。これにより、溶媒を、溶質や分散質から分離して回収することができる。液化部は、蒸気を冷却する冷却器を備えてもよいし、液体と接触させて蒸気を液化するように構成されていてもよい(図10、図12参照)。
The
(導電性ノズルと気体噴射ノズルとの位置関係)
気体噴射ノズル4の噴射部41と導電性ノズル3の吐出部31との位置関係、気体13の噴射量、吐出口32や噴射口42の向きなどは、霧吹きの原理を利用して、気体13の噴射によって原料11を吹き飛ばすことができるように適宜設定され得る。
(Positional relationship between conductive nozzle and gas injection nozzle)
The positional relationship between the
図8は、導電性ノズルと気体噴射ノズルとの位置関係を説明するための模式的な断面図である。図8に示すように、例えば、X方向に沿って見たときに、気体噴射ノズル4の噴射口42は、導電性ノズル3の吐出部31(この例では導電性ノズル3の下端)と少なくとも部分的に重なるように配置されていてもよい。これにより、気体13をより確実に吐出部31に噴射することができる。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining the positional relationship between the conductive nozzle and the gas injection nozzle. As shown in FIG. 8, for example, when viewed along the X direction, the
(導電性ノズルと電極との位置関係)
図1では、電極5は、導電性ノズル3の吐出部31の真下に配置されているが、電極5の位置は図1に示す例に限定されない。電極5は、導電性ノズル3の吐出部31と静電結合を形成可能な位置に配置されればよい。
(Positional relationship between conductive nozzle and electrode)
In FIG. 1, the
図9Aは、導電性ノズルの吐出部と電極との位置関係を説明するための模式的な正面図である。 FIG. 9A is a schematic front view for explaining the positional relationship between the discharge part of the conductive nozzle and the electrode.
図9Aに示すように、電極5は、導電性ノズル3の吐出口32の+Z側(吐出方向の下流側)に位置し、かつ、吐出口32と対向するように配置される。「電極が吐出口の+Z側に位置する」とは、電極5の中心が、導電性ノズル3の吐出口32よりも+Z側に位置していればよく、電極5の一部が吐出口32の-Z側に延在していてもよい。言い換えると、電極5の中心が、図9Aに示す仮想的な面αよりも下方(+Z側)に位置していればよい。仮想的な面αは、XY面に平行であり、かつ、吐出口32の開口縁を含む面である。このような構成により、図2に示したように、吐出口32の開口縁と電極5との間に電気力線を形成することができる。
As shown in FIG. 9A, the
図9Aに示す例では、電極5の-Z側の端(上端)が、導電性ノズル3の吐出口32の下方(+Z側)、すなわち面αよりも下方に位置している。このように、電極5の全体を面αよりも下方に配置することで、導電性ノズル3の下端面(吐出口32の開口縁)に、電荷がより集まりやすくなる。したがって、より効率的に吐出口32の原料11に静電誘導を生じさせることができる。
In the example shown in FIG. 9A, the −Z side end (upper end) of the
電極5と吐出部31との距離は、これらの間に静電結合が形成されるように設定される。なお、電極5と吐出口32との間に、樹脂製の気体噴射ノズル4の一部や、噴霧した原料11が電極5に付着することを防止するための絶縁性の遮蔽板の一部などが介在していてもよい。
The distance between the
電極5は、Z方向に沿って見たときに、導電性ノズル3の吐出口32と重ならない位置に配置されてもよい。これにより、吐出口32から吐出される帯電した原料11が、電極5の異極電荷に引き寄せられることを抑制できる。したがって、より効率的に原料11を+X方向に噴霧することができる。また、原料11の一部が電極5に付着することによる電極5の汚れや腐食を抑制することができる。
The
電極5は、吐出口32よりも後方に配置されてもよい。すなわち、電極5は、吐出口32から-X方向(噴射方向と反対方向)に距離を空けて配置されてもよい。言い換えると、電極5の+X側の端(ここでは右端)は、図9Aに示す仮想的な面βよりも-X側に位置してもよい。仮想的な面βは、YZ面に平行であり、かつ、吐出口32の-X側の端(ここでは左端)を含む面である。これにより、原料11を、電極5から離れる方向に噴霧することができる。したがって、帯電した微粒子が電極5側に引き寄せられにくくなる。このため、より効率的に原料の微粒子を+X方向に噴霧し、分離することができる。また、原料の一部が電極5に付着することによる電極5の汚れや腐食を抑制することができる。
The
なお、電極5は、例えば、吐出口32よりも+X側(右側)、すなわち仮想的な面βよりも+X側に位置しても構わない。この場合、電極5と吐出口32との間に、電極5に原料11の一部(水分など)が付着しないように絶縁性の遮蔽板を配置してもよい。また、電極5は、X方向に沿って見たときに、噴射口42と重なるように配置されてもよいし、気体13の噴射流および微粒子の流れを遮らないように、噴射口42と重ならない位置に配置されてもよい。
Note that the
電極5は、Z方向に沿って見たときに、導電性ノズル3と重なる位置にあってもよい。例えば、電極5は、導電性ノズル3の真下にあってもよい(後述する図10参照)。あるいは、図9Bに例示するように、電極5は、Z方向に沿って見たときに、導電性ノズル3からY方向に距離を空けて配置され、導電性ノズル3とは重ならない位置あってもよい。
The
(導電性ノズルのノズル径)
本実施形態では、導電性ノズル3のノズル径(吐出口32の最大幅)が大きくても、霧吹きの原理および静電爆発を利用して、原料11の微粒化が可能である。このため、ノズル径を大きく設定することできる。
(Nozzle diameter of conductive nozzle)
In this embodiment, even if the nozzle diameter of the conductive nozzle 3 (maximum width of the discharge port 32) is large, the
ノズル径は、例えば0.5mm以上であってもよい。これにより、原料11の供給速度を高めて、より多くの微粒子を生成することが可能になる。一例として、ノズル径が1mmである場合、1本の導電性ノズル3を用いて、20g/minの速度で微粒子を生成することができる。導電性ノズル3の本数を増加させることで、さらに大量の微粒子の生成が可能になる。
The nozzle diameter may be, for example, 0.5 mm or more. This makes it possible to increase the feed rate of the
従来のR/O膜を用いた淡水化装置では、ノズル径は0.2nm程度であり、メンテナンスや前処理(フィルタリングなど)が必要である。これに対し、本実施形態では、ノズル径を大きくすることによって目詰まりを生じにくくすることができる。したがって、導電性ノズルのメンテナンスや、導電性ノズル3に供給する原料の前処理を減らす(または不要にする)することができる。
In a desalination apparatus using a conventional R/O membrane, the nozzle diameter is about 0.2 nm, and maintenance and pretreatment (filtering, etc.) are required. In contrast, in this embodiment, clogging can be made less likely to occur by increasing the nozzle diameter. Therefore, maintenance of the conductive nozzle and pretreatment of the raw material supplied to the
導電性ノズル3のノズル径の上限は特に限定しないが、例えば2.0mm以下であってもよい。これにより、気体13の噴射によって、より効率的に霧化させることができる。
The upper limit of the nozzle diameter of the
(効果)
本実施形態の分離装置1は、電圧印加部6によって導電性ノズル3の吐出部31と電極5との間に電圧が印加された状態で、導電性ノズル3の吐出部31に、吐出方向(+Z方向)に直交または略直交する方向(+X方向)から気体13を噴射するように構成されている。このような構成により、帯電された原料11を吐出部31から噴霧して原料11の微粒子を生成することができる。生成された微粒子は、静電爆発現象を利用してさらに微粒化し、液体の微粒子p2と溶質または分散質の微粒子p3とに分離する。したがって、原料11を液体と溶質または分散質とに分離することができる。
(effect)
The
また、本実施形態の分離装置1では、導電性ノズル3の吐出部31は、グランドGNDに電気的に接続されている。このような構成により、図5A~図5Dを参照して前述したように、原料11が導電性を有する場合でも、帯電した状態の原料11を微粒化することができる。また、吐出部31において、導電性を有する原料11に、グランドGNDから静電誘導で電荷を供給することができる。このため、電圧印加部6(例えば高電圧電源)の消費電流は理論上略ゼロとなり、高電圧電源の消費電力を低く抑えつつ、原料11に電荷を供給し続けることができる。したがって、低消費エネルギーで、原料11の分離を連続的に行うことが可能になる。
Furthermore, in the
さらに、本実施形態の分離装置1によると、導電性を有する原料11に直接高電圧を印加しないので、安全性を確保することができる。
Furthermore, according to the
本実施形態の分離装置1は、原料11に含まれる液体(例えば水などの溶媒)が微粒化によって気化するように構成されていてもよい。これにより、図6および図7を参照して前述したように、気化に要する潜熱を小さく抑えることができる。また、液体の微粒子p2が気化し、溶質または分散質の微粒子p3が気化しない場合には、液体を溶質または分散質から分離して回収したり、溶質または分散質を液体から分離して回収したりすることが容易になる。
The
本実施形態の分離装置1の構成は、図1に示す構成に限定されない。
The configuration of the
図1では、電圧印加部6の正極側が電極5、負極側が導電性ノズル3に接続されているが、正極側が導電性ノズル3に接続され、負極側が電極5に接続されてもよい。
In FIG. 1, the positive side of the
図1では、原料11の吐出方向は鉛直下向きであるが、原料11の吐出方向は、例えば鉛直上向きであってもよい。あるいは、分離装置は、原料11が水平方向に吐出され、気体13が鉛直下向きに噴射されるように構成されていてもよい。さらに、図1では、吐出口32は、円筒状の導電性ノズル3の端面に形成されているが、導電性ノズル3の側面に形成されていてもよい。
In FIG. 1, the
さらに、図1では、単一の導電性ノズル3のみが示されているが、本実施形態の分離装置は、2以上の導電性ノズルを備えてもよい。本実施形態では、高電圧電源から大電流を流さなくてもよいので、高電圧電源を大型化することなく、導電性ノズルの数を増やすことができる。これにより、原料の処理速度を高めることができる。
Furthermore, although only a single
《第2実施形態》
図10および図11を用いて、本発明の第2実施形態に係る分離装置を説明する。第2実施形態の分離装置は、液体の微粒子と溶質または分散質の微粒子とを分離するフィルターを備える。以下では、第1実施形態と異なる点を主に説明し、重複する説明を適宜省略する。
《Second embodiment》
A separation apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described using FIGS. 10 and 11. The separation device of the second embodiment includes a filter that separates liquid particles from solute or dispersoid particles. In the following, points different from the first embodiment will be mainly explained, and redundant explanations will be omitted as appropriate.
図10は、分離装置の模式的な断面図である。図11は、本実施形態の分離装置の概要を示すブロック図である。ここでは、海水を分離する分離装置を例に説明するが、前述したように、原料は海水に限定されない。 FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the separation device. FIG. 11 is a block diagram showing an overview of the separation device of this embodiment. Here, a separation device that separates seawater will be explained as an example, but as mentioned above, the raw material is not limited to seawater.
図10および図11に示すように、分離装置2は、微粒子発生部S1と、フィルター7を備える分離部S2と、液化部S3と、回収部S4と、筐体8と、を備える。
As shown in FIGS. 10 and 11, the
(微粒子発生部S1)
微粒子発生部S1は、先端に導電性ノズル3を有する原料供給管35、気体噴射ノズル4、電極5、および電圧印加部6を備える。微粒子発生部S1は、図1~図9を参照して前述した方式を用いて、原料11から液体の微粒子および溶質または分散質の微粒子を発生させる。
(Particle generating section S1)
The particulate generation section S1 includes a raw
(筐体8)
筐体8は、例えば樹脂製である。筐体8は、例えば、X方向に延在する筒状(角筒状、円筒状など)である。筐体8の内部空間には、噴射された気体13および原料11から生成された微粒子の流れが形成される。
(Case 8)
The
筐体8には、微粒子発生部S1のうち少なくとも導電性ノズル3の吐出部31が収容されている。図10に示す例では、微粒子発生部S1のうち導電性ノズル3の吐出部31、気体噴射ノズル4の噴射部41、および電極5が、筐体8の内部空間に配置されている。
The
筐体8の内部空間は、吐出部31よりも噴射方向の下流側(+X側)に配置されたフィルター7によって、第1空間81と、第1空間81よりも噴射方向の下流側に位置する第2空間82とに仕切られている。第1空間81と第2空間82とは、少なくとも気体が通過可能なフィルター7を介して連通している。
The internal space of the
第1空間81は、吐出部31とフィルター7との間に、微粒子発生部S1で発生した微粒子が通過可能な空間(以下、「微粒子混在空間」と呼ぶ。)81aを含む。
The
微粒子混在空間81aにおいて、原料11の微粒子は、静電爆発を繰り返して、液体の微粒子と、溶質または分散質の微粒子とに分離される。液体の微粒子(例えば水の微粒子)は、微粒子混在空間81aで気化する。つまり、微粒子混在空間81aは、発生した原料11の微粒子、液体の微粒子、溶質または分散質の微粒子、および、液体の微粒子が気化することによって生じた蒸気などが混在する領域である。
In the
原料11が水を含む場合、微粒子混在空間81aは、吐出部31からX方向に例えば10cm以上延在していればよい。これにより、微粒子混在空間81a内で、水の微粒子の蒸発をより確実に生じさせることができる。
When the
(分離部S2)
分離部S2は、筐体8の内部空間を仕切るように配置されている。分離部S2は、フィルター7を備える。図10では、フィルター7は、X方向に交差(ここでは直交)する方向に、筐体8の内部空間を縦断している。
(Separation part S2)
The separation part S2 is arranged so as to partition the internal space of the
フィルター7は、気体を通過させるが、液体状態または固体状態の溶質または分散質の少なくとも一部を通過させないように構成されている。一例として、原料11として海水を用いる場合、原料11から生成された微粒子のうち、水の微粒子は気化して水蒸気となり、フィルター7を通過する。一方、溶質である塩化ナトリウムの微粒子は気化せずにフィルター7に捕捉される。これにより、原料11から水と塩とを別々に回収することが可能になる。
The filter 7 is configured to allow gas to pass through, but not to allow at least a portion of the solute or dispersoid in the liquid or solid state to pass through. As an example, when seawater is used as the
フィルター7は、例えば、ナノファイバーで構成されたナノファイバー層を備える。ナノファイバーとは、直径が1nmから100nm、長さが直径の100倍以上の繊維状物質である。このようなフィルター7は、水蒸気などの気体を通過させるとともに、ファンデルワールス力で微小粒子を補足することができる。このため、溶質または分散質の微粒子だけでなく、他の不純物、ウィルス(直径:例えば24nm~120nm)、バクテリア、重金属イオン、ヒ素、セシウムやプルトニウムなどの放射性物質(直径:例えば0.5nm程度)などの有害物質も捕捉することが可能である。例えば原料11が海水の場合、フィルター7を用いることで、海水に含まれる塩および種々の有害物質から水を分離することができるので、飲料に適した水が得られる。
The filter 7 includes, for example, a nanofiber layer made of nanofibers. Nanofibers are fibrous substances with a diameter of 1 nm to 100 nm and a length of 100 times or more the diameter. Such a filter 7 allows gases such as water vapor to pass through, and can also capture microparticles by van der Waals force. Therefore, not only solute or dispersoid particles but also other impurities, viruses (diameter: e.g. 24 nm to 120 nm), bacteria, heavy metal ions, arsenic, radioactive substances such as cesium and plutonium (diameter: e.g. about 0.5 nm) It is also possible to capture harmful substances such as For example, when the
ナノファイバーの材料として、特に限定しないが、例えば、撥水性を有する樹脂(ポリプロピレンなど)を用いることができる。ポリプロピレンを用いてナノファイバー層を形成すると、ポリプロピレンの比表面積が増加するため、さらに高い撥水性(超撥水性)を発現する。このようなナノファイバー層を有するフィルター7は、液体状態の水を弾くので、水分がフィルター7の表面を濡らしたり、フィルター7の内部に侵入したりすることを防ぐことができる。超撥水性を有するフィルター7として、例えば、株式会社ZettaのZ-Filter(商品名)を用いることができる。 The material for the nanofibers is not particularly limited, but for example, a water-repellent resin (such as polypropylene) can be used. When a nanofiber layer is formed using polypropylene, the specific surface area of the polypropylene increases, resulting in even higher water repellency (super water repellency). Since the filter 7 having such a nanofiber layer repels liquid water, it is possible to prevent water from wetting the surface of the filter 7 or from entering the inside of the filter 7. As the filter 7 having super water repellency, for example, Z-Filter (trade name) manufactured by Zetta Co., Ltd. can be used.
フィルター7は、例えば、ナノファイバー層と、ナノファイバー層を間に挟んで対向する2層の支持層とを含む積層構造を有してもよい。支持層は、例えば不織布であってもよい。ナノファイバーは、ポリプロピレンの熱可塑性樹脂を、溶剤溶融型メルトエアースピニング方式によって作製されてもよい。 The filter 7 may have a laminated structure including, for example, a nanofiber layer and two supporting layers facing each other with the nanofiber layer interposed therebetween. The support layer may be, for example, a nonwoven fabric. The nanofibers may be produced by a solvent melt type melt air spinning method using a polypropylene thermoplastic resin.
(液化部S3)
液化部S3は、筐体8の第2空間82に配置され、フィルター7を通過した蒸気を液化するように構成されている。図10では、液化部S3は、第2空間82に設けられた冷却器92を備える。
(Liquefaction part S3)
The liquefaction unit S3 is arranged in the
冷却器92は、フィルター7を通過した蒸気を冷却して液化させる。原料11が海水の場合、水蒸気が冷却器92で冷却されて液体状態の水(淡水)97となる。淡水97は、例えば、筐体8の底部に設けられた流出口93を介して、第2空間82の外部に排出されて回収される。
The cooler 92 cools and liquefies the vapor that has passed through the filter 7. When the
(回収部S4)
分離装置2は、フィルター7に捕集された溶質または分散質を回収するための回収部S4を備えてもよい。原料11として海水を用いる場合、海水に含まれる塩の少なくとも一部は、フィルター7に付着する。回収部S4において、フィルター7に付着した塩を固体の塩として回収してもよい。あるいは、フィルター7の-X側の表面に水を流すことにより、フィルター7に付着した塩を水に溶解させ、高濃度(例えば塩分濃度90%程度)の塩水として回収してもよい。この塩水は、ブライン(塩分濃度10%程度)とは異なり、極めて高い塩分濃度を有する。このため、容易に塩水から固体の塩を分離させることが可能である。
(Recovery Department S4)
The
(ブロア94)
分離装置2は、さらに、第1空間81からフィルター7を経由して第2空間82まで、+X方向に流れる空気流を形成するための送風機(ブロア)94を備えてもよい。図10に示す例では、ブロア94は、例えば、筐体8における+X側の端部に配置されている。ブロア94を設けることで、微粒子発生部S1で発生した微粒子や水蒸気を、より高い速度でフィルター7まで移動させることができるので、より効率的に水と塩とを分離することができる。
(Blower 94)
The
(効果)
本実施形態の分離装置2は、図1に示す分離装置1と同様の微粒子発生部S1を備えるので、低消費エネルギーで、原料11を微粒化し、液体の微粒子と溶質または分散質の微粒子とに分離することができる。
(effect)
Since the
本実施形態の分離部S2は、吐出部31よりも噴射方向の下流側に配置されたフィルター7をさらに備える。液体の微粒子は、筐体8およびフィルター7によって画定された第1空間81(例えば、微粒子混在空間81a)内で気化して蒸気となる。フィルター7は、当該蒸気を通過させ、溶質または分散質の微粒子を通過させないように構成されている。このような構成により、原料11に含まれる液体(溶媒または分散媒)とそれ以外の物質(溶質または分散質)とを、フィルター7の上流側と下流側とに分離することができる。したがって、液体と溶質または分散質とを別々に回収して資源として活用することが可能になる。
The separation section S2 of this embodiment further includes a filter 7 arranged downstream of the
また、本実施形態の分離装置2は、フィルター7を通過した蒸気を液化する液化部S3を備える。このような構成により、原料11に含まれる溶媒または分散媒を、液体状態で回収することが可能になる。原料11が水溶液やエマルジョンであり、液体の微粒子p2が水の微粒子である場合には、液化部によって、液体状態の水を回収することができる。すなわち、分離装置2を淡水化装置として機能させることが可能である。
Furthermore, the
さらに、本実施形態の分離装置2は、フィルター7に付着した溶質または分散質を回収する回収部S4を備える。このような構成により、原料11に溶解または分散されていた物質を、例えば固体状態で回収することができる。回収部において、例えば海水中の塩、工場排水中の重金属などを固体状態で回収することで、これらを資源として使用することができる。
Furthermore, the
さらに、本実施形態の分離装置2によると、積極的な加熱を行うことなく(例えば常温常圧で)原料11に含まれる溶媒(例えば水)の微粒子を気化させることができるので、原料11や液体の微粒子を加熱する加熱部を設ける必要がない。したがって、小型かつ安価な分離装置2が提供される。また、複数の導電性ノズル3から原料11を吐出させることで、原料11を高速で処理することができる。さらに、導電性ノズル3のノズル径を大きくすることで、最小限のメンテナンスで長期間動作させることも可能である。
Furthermore, according to the
さらに、本実施形態の分離装置2によると、例えば原料11として海水を用いる場合、海水を微粒化(ここではナノ粒子化)して塩と水蒸気とに分離することによって、淡水と塩とを生産することができる。ナノファイバーからなるフィルター7を用いることで、有害物質も除去された淡水が得られるので、別途殺菌処理を行わずに(または、最小限の殺菌処理で)、飲料水として使用することができる。また、海水中の塩化ナトリウムを、例えば固体の状態で回収し、資源として活用することができる。さらに、本実施形態では、高濃度塩水(ブライン)が生成されないので、従来の淡水化方法よりも環境に与える影響を小さくすることができる。
Furthermore, according to the
なお、原料11は海水に限らず、工場排水、汚水、鉱山廃液、放射性汚染水などを用いてもよい。この場合でも、原料11を水(淡水)と水以外の物質とに分離して回収することができる。回収された物質(重金属など)は資源として活用することができる。
Note that the
本実施形態の分離装置2の構成は、図10に示す構成に限定されない。
The configuration of the
図10では、液化部S3は冷却器92を備えるが、冷却器の代わりに、または冷却器に加えて、水を液化させる他の手段を備えてもよい。
図12は、変形例の分離装置の模式的な断面図である。図12に示す分離装置2aの液化部S3は、フィルター7を通過した水蒸気に液体状態の水を接触させることで、水蒸気を液化させるように構成されている。ここでは、液化部S3は、第2空間82に配置された流体ノズル95を備える。流体ノズル95は、フィルター7を通過した水蒸気に向かって水96をシャワー状に噴射する。これにより、水蒸気は、流体ノズル95から噴射される水と接触して液体状態に戻る。噴射された水96および液体状態に戻った水を含む淡水97は、第2空間82の流出口93から排出される。淡水97の一部を、流体ノズル95からの噴射用の水として利用してもよい。
In FIG. 10, the liquefaction section S3 includes a cooler 92, but instead of or in addition to the cooler, it may include other means for liquefying water.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a modification of the separation device. The liquefaction unit S3 of the
また、図10では、液化部S3が設けられる第2空間82は、吐出部31が収容される第1空間81の噴射方向の下流側(+X側)に並置されているが、第2空間82は、第1空間81の上方、あるいは、第1空間81の側方(±Y方向)に位置してもよい。
Further, in FIG. 10, the
さらに、フィルター7の構造および配置も図10に示す例に限定されない。フィルター7は曲面部を有してもよい。フィルター7は、気体を通過させ、かつ、溶質または分散質の微粒子の少なくとも一部を通過させないように構成されていればよく、フィルター7の材料、構造などは適宜選択され得る。例えば、フィルター7は、ナノフィルター層を有していなくてもよい。 Furthermore, the structure and arrangement of the filter 7 are not limited to the example shown in FIG. 10. The filter 7 may have a curved surface. The filter 7 only needs to be configured to allow gas to pass therethrough and not allow at least a portion of solute or dispersoid particles to pass therethrough, and the material, structure, etc. of the filter 7 may be selected as appropriate. For example, filter 7 may not have a nanofilter layer.
図10では、フィルター7が筐体8内に配置され、筐体8の内部空間を仕切っているが、フィルター7は、筐体8とともに微粒子混在空間81aを画定するように配置されていればよい。例えばフィルター7は、筐体8の噴射方向の下流側(+X側)の端部を覆うように配置されていてもよい。この場合、液化部S3は、筐体8の外側に別途設けられてもよい。
In FIG. 10, the filter 7 is placed inside the
分離装置2は、液化部S3において、蒸気の液化によって放出する熱を利用するように構成されていてもよい。例えば、ブロア94によって生じる搬送用の空気を温め、高温のエアを分離装置2の内部または外部で利用してもよい。
The
図10では、分離装置2は、液化部S3および回収部S4の両方を備えるが、原料11の種類や分離装置の用途によって、液化部S3、回収部S4、またはその両方を備えていなくてもよい。
In FIG. 10, the
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。また、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。 Note that the present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented in various other ways. Furthermore, by appropriately combining any of the various embodiments described above, the effects of each embodiment can be achieved.
《実施形態の概要》
[1]本発明の実施形態の分離装置は、
液体と当該液体に溶解した溶質または前記液体に分散した分散質とを含み、原料を、前記液体の微粒子と前記溶質または前記分散質の微粒子とに分離する分離装置であって、
前記原料を吐出する吐出口を有する吐出部を備えた導電性ノズルと、
前記導電性ノズルの吐出部から前記原料を吐出する吐出方向と直交または略直交する噴射方向に気体を噴射する噴射口を有する噴射部を備えた気体噴射ノズルと、
前記導電性ノズルの吐出口よりも前記吐出方向の下流側に位置し、前記導電性ノズルの吐出口と対向するように配置された電極と、
前記導電性ノズルの吐出部と前記電極との間に電圧を印加して静電結合を生じさせるように構成された電圧印加部と、
を備え、
前記導電性ノズルの吐出部は、グランドに電気的に接続され、
前記気体噴射ノズルの噴射口は、前記導電性ノズルの吐出口に近接して配置され、
前記気体噴射ノズルは、前記電圧印加部によって前記導電性ノズルの吐出部と前記電極との間に電圧が印加された状態で、前記導電性ノズルの吐出部に前記気体を噴射することにより、前記原料を霧化して、前記液体の微粒子と前記溶質または前記分散質の微粒子とに分離するように構成されている。
《Overview of embodiment》
[1] The separation device according to the embodiment of the present invention includes:
A separation device that includes a liquid and a solute dissolved in the liquid or a dispersoid dispersed in the liquid, and that separates a raw material into fine particles of the liquid and fine particles of the solute or the dispersoid,
a conductive nozzle including a discharge part having a discharge port for discharging the raw material;
a gas injection nozzle including an injection part having an injection port that injects gas in an injection direction perpendicular or substantially perpendicular to a discharge direction in which the raw material is discharged from the discharge part of the conductive nozzle;
an electrode located downstream of the discharge port of the conductive nozzle in the discharge direction and arranged to face the discharge port of the conductive nozzle;
a voltage application section configured to apply a voltage between the discharge section of the conductive nozzle and the electrode to cause capacitive coupling;
Equipped with
The discharge part of the conductive nozzle is electrically connected to ground,
The injection port of the gas injection nozzle is arranged close to the discharge port of the conductive nozzle,
The gas injection nozzle injects the gas to the discharge part of the conductive nozzle while a voltage is applied between the discharge part of the conductive nozzle and the electrode by the voltage application part. It is configured to atomize the raw material and separate it into fine particles of the liquid and fine particles of the solute or the dispersoid.
[2][1]に記載の分離装置において、
前記電極の中心が、前記導電性ノズルの吐出口よりも前記吐出方向の下流側に位置する。
[2] In the separation device according to [1],
The center of the electrode is located downstream of the discharge port of the conductive nozzle in the discharge direction.
[3][1]または[2]に記載の分離装置において、
前記吐出方向に沿って見たときに、前記電極は、前記導電性ノズルの吐出口と重ならない位置に配置されている。
[3] In the separation device according to [1] or [2],
When viewed along the ejection direction, the electrode is arranged at a position that does not overlap with the ejection opening of the conductive nozzle.
[4][3]に記載の分離装置において、
前記電極は、前記導電性ノズルの吐出口から、前記噴射方向と反対方向に距離を空けて配置されている。
[4] In the separation device described in [3],
The electrode is arranged at a distance from the discharge port of the conductive nozzle in a direction opposite to the spray direction.
[5][1]から[4]のいずれか1つに記載の分離装置において、
前記噴射方向に沿って見たときに、前記気体噴射ノズルの噴射口は、前記導電性ノズルの吐出部と重なるように配置されている。
[5] In the separation device according to any one of [1] to [4],
When viewed along the injection direction, the injection port of the gas injection nozzle is arranged so as to overlap the discharge part of the conductive nozzle.
[6][1]から[5]のいずれか1つに記載の分離装置において、
前記電圧印加部は、10kV以上100kV以下の高電圧を、前記導電性ノズルの吐出部と前記電極との間に印加するように構成されている。
[6] In the separation device according to any one of [1] to [5],
The voltage application section is configured to apply a high voltage of 10 kV or more and 100 kV or less between the discharge section of the conductive nozzle and the electrode.
[7][1]から[6]のいずれか1つに記載の分離装置において、
前記導電性ノズルの吐出口の最大幅は、0.5mm以上である。
[7] In the separation device according to any one of [1] to [6],
The maximum width of the discharge port of the conductive nozzle is 0.5 mm or more.
[8][1]から[7]のいずれか1つに記載の分離装置において、
液化部をさらに備え、
前記噴射方向において前記導電性ノズルの吐出部よりも下流側で、前記液体の微粒子は気化して蒸気となり、
前記液化部は、前記蒸気を液化させるように構成されている。
[8] In the separation device according to any one of [1] to [7],
Further equipped with a liquefaction section,
On the downstream side of the discharge part of the conductive nozzle in the jetting direction, the fine particles of the liquid are vaporized and become vapor,
The liquefaction section is configured to liquefy the vapor.
[9][1]から[8]のいずれか1つに記載の分離装置において、
少なくとも前記導電性ノズルの吐出部が収容された筐体と、
前記噴射方向において前記吐出部よりも下流側に配置されたフィルターと、
をさらに備え、
前記液体の微粒子は、前記筐体および前記フィルターによって画定された空間内で気化して蒸気となり、
前記フィルターは、前記蒸気を通過させ、前記溶質または分散質の微粒子を通過させないように構成されている。
[9] In the separation device according to any one of [1] to [8],
a casing housing at least a discharge part of the conductive nozzle;
a filter disposed downstream of the discharge section in the injection direction;
Furthermore,
The fine particles of the liquid evaporate into vapor within a space defined by the casing and the filter,
The filter is configured to allow the vapor to pass through, but not to allow the solute or dispersoid particles to pass through.
[10][9]に記載の分離装置において、
前記フィルターは、ナノファイバーから構成されるナノファイバー層を含む。
[10] In the separation device described in [9],
The filter includes a nanofiber layer composed of nanofibers.
[11][9]または[10]に記載の分離装置において、
前記フィルターを通過した蒸気を液化させる液化部をさらに備える。
[11] In the separation device according to [9] or [10],
The device further includes a liquefaction unit that liquefies the vapor that has passed through the filter.
[12][9]から[11]のいずれか1つに記載の分離装置において、
前記フィルターに付着した溶質または分散質を回収する回収部をさらに備える。
[12] In the separation device according to any one of [9] to [11],
The filter further includes a collection unit that collects solutes or dispersoids attached to the filter.
[13][9]から[12]のいずれか1つに記載の分離装置において、
前記原料または前記空間を加熱する加熱部を備えていない。
[13] In the separation device according to any one of [9] to [12],
It does not include a heating section that heats the raw material or the space.
[14][1]から[13]のいずれか1つに記載の分離装置において、
前記原料は、導電性を有する。
[14] In the separation device according to any one of [1] to [13],
The raw material has electrical conductivity.
[15][1]から[14]のいずれか1つに記載の分離装置において、
前記原料は、電解質水溶液を含む。
[15] In the separation device according to any one of [1] to [14],
The raw material includes an electrolyte aqueous solution.
[16][1]から[14]のいずれか1つに記載の分離装置において、
前記原料は、水と、水に溶解した重金属とを含む。
[16] In the separation device according to any one of [1] to [14],
The raw material includes water and heavy metals dissolved in the water.
[17][1]から[14]のいずれか1つに記載の分離装置において、
前記原料は、水および油を含むエマルジョンを含み、
前記原料は、水の微粒子と油の微粒子とに分離される。
[17] In the separation device according to any one of [1] to [14],
The raw material includes an emulsion containing water and oil,
The raw material is separated into fine water particles and fine oil particles.
[18][11]に記載の分離装置において、
前記原料は海水であり、
前記液体の微粒子は水の微粒子を含み、前記溶質の微粒子は塩化ナトリウムの微粒子を含み、
前記海水中の水は、前記液化部によって回収され、
前記海水中の塩化ナトリウムは、前記フィルターに捕捉されて固体の塩として回収される。
[18] In the separation device described in [11],
The raw material is seawater,
The liquid particles include water particles, the solute particles include sodium chloride particles,
The water in the seawater is recovered by the liquefaction section,
Sodium chloride in the seawater is captured by the filter and recovered as solid salt.
本発明に係る分離装置は、低消費エネルギーで原料を溶媒などの液体と溶質または分散質とに分離することができるので、海水、工場排水、汚水、鉱山廃液、放射性汚染水などの処理に有用である。本発明に係る分離装置は、地上だけでなく、潜水艦、タンカー、宇宙船、月のステーションなどにおける種々の原料の処理にも適用可能である。 The separation device according to the present invention can separate raw materials into liquids such as solvents and solutes or dispersoids with low energy consumption, so it is useful for treating seawater, industrial wastewater, sewage, mine wastewater, radioactively contaminated water, etc. It is. The separation apparatus according to the present invention is applicable not only to the ground but also to the processing of various raw materials in submarines, tankers, spacecraft, moon stations, etc.
1、2、2a 分離装置
3 導電性ノズル
4 気体噴射ノズル
5 電極
6 電圧印加部
7 フィルター
8 筐体
11 原料
13 気体
31 吐出部
32 吐出口
41 噴射部
42 噴射口
81 第1空間
82 第2空間
92 冷却器
93 流出口
94 ブロア
95 流体ノズル
96 水
97 淡水
p1 原料の微粒子
p2 液体の微粒子
p3 溶質または分散質の微粒子
S1 微粒子発生部
S2 分離部
S3 液化部
S4 回収部
1, 2,
Claims (18)
前記原料を吐出する吐出口を有する吐出部を備えた導電性ノズルと、
前記導電性ノズルの吐出部から前記原料を吐出する吐出方向と直交または略直交する噴射方向に気体を噴射する噴射口を有する噴射部を備えた気体噴射ノズルと、
前記導電性ノズルの吐出口よりも前記吐出方向の下流側に位置し、前記導電性ノズルの吐出口と対向するように配置された電極と、
前記導電性ノズルの吐出部と前記電極との間に電圧を印加して静電結合を生じさせるように構成された電圧印加部と、
を備え、
前記導電性ノズルの吐出部は、グランドに電気的に接続され、
前記気体噴射ノズルの噴射口は、前記導電性ノズルの吐出口に近接して配置され、
前記気体噴射ノズルは、前記電圧印加部によって前記導電性ノズルの吐出部と前記電極との間に電圧が印加された状態で、前記導電性ノズルの吐出部に前記気体を噴射することにより、前記原料を霧化して、前記液体の微粒子と前記溶質または前記分散質の微粒子とに分離するように構成されている、分離装置。 A separation device for separating a raw material containing a liquid and a solute dissolved in the liquid or a dispersoid dispersed in the liquid into fine particles of the liquid and fine particles of the solute or the dispersoid,
a conductive nozzle including a discharge part having a discharge port for discharging the raw material;
a gas injection nozzle including an injection part having an injection port that injects gas in an injection direction perpendicular or substantially perpendicular to a discharge direction in which the raw material is discharged from the discharge part of the conductive nozzle;
an electrode located downstream of the discharge port of the conductive nozzle in the discharge direction and arranged to face the discharge port of the conductive nozzle;
a voltage application section configured to apply a voltage between the discharge section of the conductive nozzle and the electrode to cause capacitive coupling;
Equipped with
The discharge part of the conductive nozzle is electrically connected to ground,
The injection port of the gas injection nozzle is arranged close to the discharge port of the conductive nozzle,
The gas injection nozzle injects the gas to the discharge part of the conductive nozzle while a voltage is applied between the discharge part of the conductive nozzle and the electrode by the voltage application part. A separation device configured to atomize a raw material and separate it into fine particles of the liquid and fine particles of the solute or the dispersoid.
前記噴射方向において前記導電性ノズルの吐出部よりも下流側で、前記液体の微粒子は気化して蒸気となり、
前記液化部は、前記蒸気を液化させるように構成されている、請求項1または2に記載の分離装置。 Further equipped with a liquefaction section,
On the downstream side of the discharge part of the conductive nozzle in the jetting direction, the fine particles of the liquid are vaporized and become vapor,
The separation device according to claim 1 or 2, wherein the liquefaction section is configured to liquefy the vapor.
前記噴射方向において前記吐出部よりも下流側に配置されたフィルターと、
をさらに備え、
前記液体の微粒子は、前記筐体および前記フィルターによって画定された空間内で気化して蒸気となり、
前記フィルターは、前記蒸気を通過させ、前記溶質または分散質の微粒子を通過させないように構成されている、請求項1または2に記載の分離装置。 a casing housing at least a discharge part of the conductive nozzle;
a filter disposed downstream of the discharge section in the injection direction;
Furthermore,
The fine particles of the liquid evaporate into vapor within a space defined by the casing and the filter,
The separation device according to claim 1 or 2, wherein the filter is configured to allow the vapor to pass through but not to allow the solute or dispersoid particles to pass through.
前記原料は、水の微粒子と油の微粒子とに分離される、請求項1または2に記載の分離装置。 The raw material includes an emulsion containing water and oil,
The separation device according to claim 1 or 2, wherein the raw material is separated into water particles and oil particles.
前記液体の微粒子は水の微粒子を含み、前記溶質の微粒子は塩化ナトリウムの微粒子を含み、
前記海水中の水は、前記液化部によって回収され、
前記海水中の塩化ナトリウムは、前記フィルターに捕捉されて固体の塩として回収される、請求項11に記載の分離装置。 The raw material is seawater,
The liquid particles include water particles, the solute particles include sodium chloride particles,
The water in the seawater is recovered by the liquefaction section,
12. The separation device according to claim 11, wherein the sodium chloride in the seawater is captured by the filter and recovered as a solid salt.
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