JPS6052859B2 - 固液接触法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固液接触法に関するものであり、より具体的
にいえば、液体より重い吸収吸着能を有する粒状固体を
液体の流れと接触させる方法に関するものである。

本発明の方法は第一義的には海水よりウランその他の有
価物を固体による吸着ないし吸収によつて回収すること
を目的とする。 近年核燃料の確保に関連して海水より
のウランの回収が注目されており、一つの有望な方法は
ウランをチタン酸によつて吸着捕捉する方法であるが、
何分にも海水中の濃度は極めて低い（３ｐｐｂ）ので、
大量の海水を処理しなければならず、その処理のための
多量のエネルギーを費したのでは全く経済的に引き合わ
ない。

エネルギーを消費しない大量の海水処理の手段として海
流を吸着剤粒子ど連続的に接触させることが考慮され始
めた。 例えば特開昭５２−６１１乃号には、吸着剤粒
子を海水の上昇流中て流動床化し、吸着を起して重量（
比重）の増加した粒子を沈下させ、新しい吸着剤粒子を
補給しつつ、向流的に接触させる方法であつて、先行水
路と戻し水路と称する２個の樋状の通路を海流と直角方
向に、平行に相接して設け、先行水路の中央部に前記の
流動床体を設置し、その中央位置から吸着剤粒子を補給
し、粒子を流動床化しながら次第に海流に直角の水平方
向に移動させ槽の末端で戻し水路に移し、その戻し水路
の中央位置て吸着ずみの吸着剤粒子を回収することが述
べられている。

こういうことが可能であるとしても、樋状槽は水平に配
置されているので、吸着剤粒子の水平移動はスムーズに
は行われず、部分的にいわゆるチヨーキング現象が起る
と考えられるし、また槽の末端で粒子が先行水路から戻
し水路にスムーズに移動して連続的に操業できるとは思
われない。本発明者等は改良された効果的に連続して実
施できる自然の液体の流れを利用した新規な固液接触方
式を開発した。

即ち本発明によれば、実質的に水平な液流中に実質的に
水平に配置した包囲された流路のなかに、流路の一端か
ら反対側の端に向つて連続的または階段状に降下する固
体粒子を載せるスクリーンを設け、該スクリーン上に間
隔をおいて堰（いせき）手段を設け、その堰の高さを、
該スクリーン上に載せられた固体粒子が、該流路中を流
れる液体がスクリーンを下から上へ越すことによつて流
動床化され且つ拡散によつて水平に移動する際に、予め
定めた量だけが該堰を越す程度に定め、全体としての固
体粒子の水平移動一量に相当する量の固体粒子を該スク
リーンの始点に供給することからなる連続固液接触法が
提供される。本発明の方法において、包囲された流路と
は具体的にいえば筒のようなものであり、その断面は（
それに限定されるわけではないが、実際的には長方形（
正方形を含む）である。

スクリーンとは単に網状物のみならず、多数の孔をうが
つた板を含み、要するに固体粒子をその上に保持しつつ
液体を下から上へ通過させる物体である。固体粒子は・
この場合、液体中に溶解、可溶化、乳濁、または懸濁し
て存在する物質を物理化学的およびもしくは化学的に捕
捉することのできる物質の粒子である。粒子という時、
その大きさに限定はないとはいえ、液流中で流動床化さ
れ、一定量が水平移動できるという意味において液体の
上昇流速と粒子の比重との相関関係において一定の限度
がある。液流とはこの場合、相当な大塊となつて流れる
実質的に定常的な流れを意味し、実際には海流または河
川流である。本発明において、堰手段と堰手段で画され
る部分は単位流動床帯域を構成するものであるから、本
発明はカスケード流動床方式とも呼ばれるべき・もので
ある。

この場合、固体粒子を供給するのは流路（流路の語は液
流について使用される）の入口側の端であつても出口側
の端であつてもよい。流動床化している固体粒子の水平
方向への移動は流路を流れている液流にも負うが、本来
流動床化している固体粒子の拡散作用によるものである
から、その水平移動は液流に抗しても起り得る。従つて
流路の下流端より上流端にむけて下降するスクリーンを
設けるならば、固体粒子は液流に抗して上流方向に移動
し得る。この場合流路の入口側においてスクリーンの上
側の流路に液流が入らないように制限し、出口側におい
て、スクリーンの下側の流路から液流が流出しないよう
に制限することが有利である。それ故、流路を垂直に多
数重ねて設け、スクリーンを第１段階では上流端から下
流端に傾斜させて設け、第２段階では下流端から上流端
に傾斜させて設け、このようにジグザグに固体粒子を水
平移動させつつ下降させることにより長い滞留時間と有
効な吸着を達成することがができる。以下の記載におい
て固体粒子を投入する位置を始点とよび、回収する位置
を終点とよぶ。本発明の方法において階段状に降下する
スクリーンという時、段を異にする相隣るスクリーンの
間の蹴上げ面は、液流を通さないか少くとも液流を制限
するもの、即ち少くとも開放されていないものとする。

それによつて液体の上昇流が助長される。連続傾斜スク
リーンの場合は、液流ベクトルのスクリーン面に対する
直角の方向の分力によつて上昇流が起される。前述のよ
うに本発明は海水中のウランのような有価物を海流を利
用して回収することを第一義的目的とするものであるが
、例えば河川中の有価物の回収もしくは汚染物の除去の
目的にも利用することが可能であろう。

以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明における代表的な流路の概念を示す図式
化した図である。流路を限定するものは要するに液流（
以下これを海流として説明する）の方向に水平に固定さ
れた断面が長方形の筒である。

第１図において、流路は天井板１と底板２と図には示さ
れない紙面の前後にある２枚の側板からなる筒であり、
長い矢印のように海流は左から右に流れ、左端を始点と
し右端が終点とする。始点から終点に向つて傾斜したス
クリーン４が設けられ、それに一定（一定であることは
必須ではないが）間隔に複数個の堰板５が設けられてい
る。固体粒子は短い矢印で示されるようにスクリーンの
左上端に供給され、左から流入する海流は曲つた長い矢
印のようにスクリーンを通つて下から上に流れ、その上
昇流が粒子を流動床化し、流動床化された粒子は自身の
拡散作用によつて、曲つた短い矢印で示されるように次
第に右方に移動し、右下端において回収される。このよ
うな流路を海流中に設けるとき、海流の流速、使用する
固体粒子の比重、サイズ、場合によつては硬さなど、と
所望の粒子移動度等によつて、スクリーンの傾斜角、ス
クリーンの孔の大きさとスクリーンの全面積に対する割
合、堰板の高さ及び数などが決定される。

選定された海流（流速）のなかで、選定された固体粒子
を流動床化するためのスクリーンの条件（傾斜、孔の大
きさ等）は簡単な基礎実験によつて決定することができ
る。

スクリーンの堰手段と堰手段によつて画される各区域は
一つの流動床帯域を構成するものてあるから、スクリー
ンにある程度以上の傾斜があることは好ましくなく、で
きるだけ水平に近い傾斜が好しい。

第２図はスクリーンを段階的に降下させた流路を示す。

スクリーンを段階状にしたこと以外は第１図の態様と同
じである。第３図は始点を下流側（右側）とした態様を
示す。

この場合、流路は天井板１と底板反２と図示されない側
壁の外に、流路の入口においてスクリーンの上側への海
流の流入を阻止するための閉塞板６と流路の出口におい
てスクリーンの下側からの海流の流出を阻止するための
閉塞板６″が設けられる。このようにすることによつて
スクリーンを下から上に越す上昇流が有効に起され粒子
の流動床化が起る。この実施態様は実際上は単独で採用
されることはなく、第１図または第２図の態様の第１の
流路の直下に設けられて第１流路の終点より排出される
固体粒子をその始点において受け取り、その終点より排
出された固体粒子を、さらにその直下に設けられた第１
図または第２図の態様の第３の流路の始点に送るような
連続操作の形式が取られよう。この逆移送型において第
２図と同様にスクリーンを段階上に降下させるように構
成できることは自明である。

次に、本発明を模疑実施例によつて詳細に説明する。

日本近海における海流の流速は１〜５ノットである。

仮に１．５ノットとするとそれは７５ｃｍ／秒である。
この海流を小規模に再現するために、埼玉県大宮市の株
式会社三菱金属中央研究所内に長さ５４０『、幅２０『
、深さ３０『の片面を透明アクリル板張りとした木製水
槽を設け、３０Ｈ．Ｐ．ポリユートポンプで強制回流方
式で水を流した。流量は吐出管の中途においたオリフィ
ス式流量計で測定し、槽内平均流速を（流量／断面積）
として算出した。この水槽内に第４図に示すような流路
体を置いた。

流路体は透明アクリル板製で、天井板１、底板２、図示
されていない側壁からなり幅１０ｄ１高さ１２ＣＷ１１
スクリーン部分の長さ７５０である。スクリーンは開度
１８０μのテトロン製の網を用い幅は流路一ぱい、即ち
Ｗｄｌｌ段の長さが７．５ｃ１となるように堰板４に固
定して図のように１鍛に構成した。スクリーンの段部の
詳細は第５図に示した。その寸法はａ：１ｃ７７！、ｂ
：０．５Ｃ７ｒ１．．Ｃ：２ｃｍ・である。即ち、スク
リーン段差０．５ｃｍ１堰の高さ２ｃｍである。スクリ
ーンの第１段に固体粒子を供給するためのホッパーバイ
ブ７を、最後の段に、排出バイブ８を設けた。

さらに流路の入口端（スクリーン部ノの開始端）には流
入量調節板９を、出口端（スクリーン部の終端）に粒子
流出防止のためのスクリーンを張つた。１００は水槽の
液面である。

このような装置を用い次の条件で操作した。吸着剤一尿
素法によつて調製し粉末としたチタン酸を０．７ｔ／Ｃ
７ｌｌの圧力でブレスし破砕整粒した径０．３５〜１．
００Ｔ！ＲｌＲの粒子。真比重２．９７、見掛比重１．
巳空隙率０．４６０吸着剤供給一吸着剤粒子を水で濃度
４０％程度のスラリー状にし、攪拌しながらチタン酸量
で５０ｇ／分の割合でホースでホッパーバイブに供給し
た。

水流−ポリユートポンプを運転して水槽に水を通じ、水
槽断面に対し平均７泗／Ｓｅｃの流速とした。

水流入口断面の調節一前記のような一定の条件のスクリ
ーンに対して、流入量調節板を上下することによつてス
クリーンを通過する上昇流速が１〜５ｃｍ／Ｓｅｃとな
るように調整した。

吸着剤の排出一排出バイブにホースを取りつけ粒子をス
ラリー状で排出した。観察結果 スラリー状で添加されたチタン酸粒子は１．５ｃｗｔ／
Ｓｅｃ以上の上昇水流で流動床化し、１段１０Ｃ７１×
７．５ｃｍの水平なスクリーン面上に水平に拡散し、高
さ２ｄの堰板を越えて順次ゆつくりと移動して行き排出
口よりスラリー状で出ていくことが確認された。

瞬間的には流動化現象の欠点とされるスラツギングやチ
ヤンネリングも部分的に観察されたが、経時と共に正常
な流動化現象に回復−し、ゆつくりと粒子は移動するこ
とがわかつた。Ｗｄ×７．５ｃ！ｎのスクリーンが全面
水平平坦であるとある程度は拡散により広がりを示すが
どうしてもチヨーキングによる粒子のたまり現象が生ず
るが、単位スクリーン面積を小さくし堰をもうけ．段差
をつけることによりチヨーキング防止が出来順次水平に
移動していくことが認められた。上昇流速の調節は入口
部開口面積のみで任意に調節出来るので水平流速の変動
に対して上昇流速を一定に保つことは容易に可能である
。また堰の高さを加減することによつて吸着剤粒子の流
路内（スクリーン上）滞留時間を如何様にも調節できる
ことが判明した。ところで海水中には先にも述べたよう
に、３ｐｐｂのウランが存在し、このウラン濃度の時の
チタン酸の有効吸着量は２００μＧＵ／ｇ吸着剤／１０
日であり（ここに有効量という語は吸着時間との・かね
あいから考えた飽和未満の経済的吸着量を意味する）こ
のような条件下に海水と接触させる時の海水中ウランの
回収率は６０％と見積られる。

そこで水槽内平均流速が７５Ｉｃｍ／秒の時、例えば７
０ｋ９のチタン酸が約１０日間流路内に滞留するように
設計し、これに海水を流すと１０日間で約７８００トン
の海水が流れ約１４ｇのウランが吸着捕捉される計算と
なる。この知見をもとにして実際に海洋中においてウラ
ンの吸着捕捉を操業するための装置を設計することは化
学工学、海洋工学の知識に基づいて可能であることは自
明である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法における代表的な流路を示す概念図
である。 第２図は本発明方法における別の流路の形態を示す概念
図である。第３図は本発明方法における更に別の流路の
形態を示す概念図である。第４図は本発明方法を実験室
的規模で実施するための装置の概念図である。第５図は
第４図に示す装置の一部を拡大して示す部分図である。
これらの図において、１：流路の天井板、２：流路の底
板、４：スクリーン、５：堰手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 実質的な水平な液流中に実質的に水平に配置した包
   囲された流路のなかに、流路の一端から反対側の端に向
   つて連続的または階段状に降下する固体粒子を載せるス
   クリーンを設け、該スクリーン上に間隔をおいて堰（い
   せき）手段を設け、その堰の高さを、該スクリーン上に
   載せられた固体粒子が、該流路中を流れる液体がスクリ
   ーンを下から上へ越すことによつて流動床化され且つ拡
   散によつて水平に移動する際に、予め定めた量だけが該
   堰を越す程度に定め、全体としての固体粒子の水平移動
   量に相当する量の固体粒子を該スクリーンの始点に供給
   することからなる連続固液接触法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の方法であつて、スクリ
   ーンが流路の流入口から流出口に向つて下降している方
   法。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の方法であつて、スクリ
   ーンが流路の流出口から流入口に向つて下降しており、
   流路の入口側においてスクリーンの上側の入口が閉鎖さ
   れており、流路の出口側においてスクリーンの下側の出
   口が閉鎖されている方法。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の方法であつて、スクリ
   ーンが流入口から流出口に向て下降している流路とスク
   リーンが流出口から流入口に向つて下降している流路を
   交互に縦に積み重ね、固体粒子がジグザグに移動下降す
   るように構成された方法。 ５ 特許請求の範囲第４項記載の方法であつて、その縦
   に積み重ねた流路体構成体をさらに横にも多数ならべて
   構成した方法。 ６ 特許請求の範囲第１ないし５項の何れかに記載の方
   法であつて、液体が海水であり、固体粒子がチタン酸粒
   子であつて、海水よりウランを回収することを目的とす
   る方法。