WO2014157118A1 - 海底資源リフト装置 - Google Patents

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transfer hose
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祥一 坂本
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坂本 美穂
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to a submarine resource lift device, and more particularly to a submarine resource lift device that can float a rare earth with a transfer hose even on a deep sea floor exceeding a depth of 5000 m.
  • the deep sea over 5000m depth is about 500 atmospheres (500kgf / cm 2 ), that is, about 50Mpa high pressure, and the total weight of the riser pipe that extends to the sea floor becomes large. Taking samples was the limit and it was difficult to mine on a commercial basis.
  • Patent Document 1 proposes a pumping device that can pump minerals from the seabed.
  • This pumping equipment includes a transfer pipe for pumping ore that transfers seawater containing minerals from the seabed to a marine base, a transfer pipe for returning seawater from the seabase to the seabed, a circulation pump that feeds seawater to the transfer pipe, It consists of a submersible pump that sucks seawater containing minerals from the suction port into the transfer pipe for uplifting and a water turbine that drives the submersible pump using seawater flowing through the circulation transfer pipe as a power source.
  • This pumping device is said to be applied at a water depth of 500-2000m. In order to recover mud containing minerals from the deep sea where the water depth exceeds 5000 m, a long and heavy pipe is hung and a powerful pump is required to push the seawater from the depth of 5000 m, which has not been realized yet.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a submarine resource lift device capable of floating mud containing rare earth from a deep sea exceeding a depth of 5000 m. There is to do.
  • a seabed resource lift device includes a transfer hose comprising a first hose and a second hose suspended from a resource recovery ship, a first suction chamber for sending seabed mud to the first hose, and seabed mud.
  • a crawler-type collector provided with a second suction chamber for feeding water into the second hose, and an electrolyzer for water that generates hydrogen gas and oxygen gas by electrolyzing water by power supply from the resource recovery ship;
  • a gas injection device for injecting the generated hydrogen gas and the oxygen gas into the first suction chamber and the second suction chamber, respectively, and mud containing rare earth is generated by buoyancy of hydrogen gas or oxygen gas. It is characterized by floating with seawater.
  • the transfer hose is characterized in that annular ribs are provided at regular intervals along the axial direction of the inner wall.
  • the transfer hose is made of insulating soft vinyl chloride and has a conductive wire embedded therein.
  • the resource recovery ship recovers hydrogen gas and oxygen gas from the transfer hose, generates electricity by reacting them, and is used as a part of power supplied to the water electrolyzer.
  • the transfer hose is equipped with a bubble crusher equipped with rotating blades that are driven by an upward flow and rotate in opposite directions.
  • the transfer hose 4 is composed of an inner pipe and an outer pipe, and a seawater drawing device is attached to increase the flow velocity of the inner pipe to lower the pressure and draw external seawater from between the inner pipe and the outer pipe. It is characterized by that.
  • an electrolyzer for water is installed on the seabed, and water is electrolyzed by power supply from a resource recovery ship to generate hydrogen gas and oxygen gas. Is sent to the first suction chamber and the second suction chamber where the mud on the seabed of the crawler type collector is collected, and the transfer hoses of the first hose and the second hose are raised from there. Due to buoyancy, mud containing rare earths (rare earth elements) can be levitated with seawater and recovered.
  • the inner wall of the transfer hose is provided with annular ribs at regular intervals along the axial direction, it becomes a resistance when hydrogen gas or oxygen gas rises in the transfer hose, and the total weight of the transfer hose can be reduced.
  • the transfer hose is made of soft vinyl chloride having an insulating property, and a conductive wire is embedded inside, so that the strength of the transfer hose can be improved. Moreover, electric power can be supplied from the marine resource recovery ship to the water electrolyzer installed on the sea floor using this wire. In that case, the outgoing line and the return line to the water electrolyzer can be shared by wires embedded in the first hose and the second hose.
  • the hydrogen gas and oxygen gas in the transfer hose can be collected and reacted to generate electricity and be used as part of the power supplied to the water electrolyzer.
  • the transfer hose is equipped with a seawater drawing device, external seawater can be drawn into the transfer hose. Even if the bubbles expand as the bubbles rise, it is possible to increase the seawater, maintain the proportion of seawater containing bubbles and mud, and prevent the bubbles from increasing.
  • Example 1 It is sectional drawing of the transfer hose of FIG. It is explanatory drawing of the electrolysis apparatus of the water of FIG. It is explanatory drawing which shows the inside of the crawler type collector of FIG. It is explanatory drawing of the bubble crushing apparatus attached to a transfer hose. It is explanatory drawing of the seawater drawing-in apparatus attached to a transfer hose. It is a flowchart which shows operation
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a submarine resource lift device 100 according to the present invention.
  • a resource recovery ship 1 On the sea, a resource recovery ship 1, a barge ship 2 and a tugboat 3 are prepared.
  • the tugboat 3 tows the barge 2.
  • the barge 2 is equipped with a separator 6 for separating mud from seawater containing mud.
  • the supernatant of the separation tank of the separator 6 is returned to the sea.
  • the submarine resource lift device 100 is attached to the transfer hose 4 including the first hose 4a and the second hose 4b suspended from the resource recovery ship 1 and the tip of the transfer hose 4, and collects and sucks mud 13 on the seabed.
  • a self-propelled crawler type collector 7 that feeds into the chamber 8 is provided.
  • the crawler type collector 7 includes a water electrolyzer 9 that performs electrolysis of water to generate hydrogen and oxygen, and a gas injection device 10 that injects the generated hydrogen gas and oxygen gas into the suction chamber 8. It is done.
  • the gas injection device 10 includes a high-pressure pump 23 and a nozzle 22 that injects hydrogen gas or oxygen gas.
  • the suction chamber 8 of the crawler type collector 7 is connected to the transfer hose 4, and serves as a place where the seabed resources are collected and collected and sent to the transfer hose 4.
  • FIG. 2 is a sectional view of the transfer hose 4 of FIG.
  • the transfer hose 4 is provided with annular ribs 15 at regular intervals along the axial direction of the inner wall.
  • the transfer hose 4 is made of soft vinyl chloride having insulating properties, and a conductive wire 14 is embedded in a mesh shape inside. Since the wire 14 is embedded, power can be supplied to the crawler-type collector 7, the water electrolyzer 9, and the gas injector 10 on the seabed. For example, when power is supplied with two DC power supply lines, two transfer hoses 4 are used. When the transfer hose 4 is made of soft vinyl chloride, the transfer hose 4 may be dented by deep sea pressure.
  • the outer diameter of the transfer hose 4 is not limited to this, but can be 10 to 20 cm.
  • FIG. 3 is an explanatory view of the water electrolyzer 9 of FIG.
  • the water electrolyzer 9 electrolyzes water in the electrolytic cell 11 to generate hydrogen and oxygen in a ratio of 2: 1.
  • An electrolytic solution 12 is formed by adding an electrolyte of sodium hydroxide or caustic potash to the electrolytic cell 11 so that electricity can be easily conducted.
  • the electrolytic cell 11 is divided into two chambers by a diaphragm 19 through which the electrolytic solution 12 can pass. Electrolysis is performed by installing an anode 17 on one side and a cathode 18 on the other side. At the cathode 18, electrons (e ⁇ ) react with water (H 2 O) to generate hydrogen (H 2 ).
  • the reaction formula is shown below.
  • Equation 2 2OH ⁇ ⁇ H 2 O + 1/2 (O 2 ) + 2e ⁇ (Hydroxide ion) (water) (oxygen) (electron)
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing the inside of the crawler-type collector 7.
  • the suction chamber 8 includes a first suction chamber 8a and a second suction chamber 8b.
  • the hydrogen gas 20 and the oxygen gas 21 generated by the water electrolyzer 9 are jetted at a pressure of 500 atm or higher when the seabed is 5000 m.
  • the hydrogen gas 20 and the oxygen gas 21 are gases that do not liquefy even when subjected to a water temperature of 1.5 degrees and a water pressure of 500 atmospheres. Therefore, the gas becomes bubbles and floats inside the transfer hose 4 composed of the first hose 4a and the second hose 4b by buoyancy.
  • the seawater 5 including the mud 13 also rises as the bubbles rise.
  • the first suction chamber 8a and the second suction chamber 8b were provided, and the hydrogen gas 20 and the oxygen gas 21 were injected separately. Even if the mixed gas is used, it will not burn unless it is ignited at a high temperature of about 570 degrees, but this is to prevent the hydrogen gas 20 from burning with the oxygen gas 21.
  • the bubble radius r1 at the seabed is r2 and the bubble radius r2 at the sea is r2
  • the bubble volume V1 at the seabed is (4/3) ⁇ (r1) 3
  • the bubble radius (r1) at the seabed is 1 mm
  • the bubble radius (r2) at the sea is calculated as 8 mm. If the bubble radius (r1) at the seabed is 6 mm, the bubble radius (r2) at the sea is 48 mm (96 mm in diameter). Note that the diameter of the transfer hose 4 may be increased stepwise from the seabed toward the seaside, paying attention to the proportion of seawater containing bubbles and mud. Moreover, it is desirable that the bubbles ejected from the nozzle 22 on the seabed be ejected at an appropriate size.
  • ⁇ is the density of water, 1000 kg / m 3
  • g is the acceleration of gravity, 9.8 m / s 2
  • V is the bubble volume (m 3 ).
  • F1 2.1 ⁇ 10 ⁇ 2 (kg ⁇ m / s 2 )
  • F2 4.62 (kg ⁇ m / s 2 ).
  • S is the projected area of the bubble, expressed as ⁇ r 2
  • ⁇ is the density of water, 1000 kg / m 3
  • U is the bubble rising speed (m / s). It is assumed that this resistance R and the above-described buoyancy F are balanced.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of the bubble crusher 30 attached to the transfer hose 4.
  • the bubble crushing device 30 includes rotating blades 31 and 31 that rotate in the opposite direction to the flow.
  • the rotor blades 31, 31 are driven by seawater and air bubbles containing rising mud.
  • the bubbles of the hydrogen gas 20 having a relatively large size are sandwiched between the rotary blades 31 and 31 and subdivided into small bubbles.
  • the bubbles stay on the rib 15 on the inner wall of the transfer hose 4 and may merge with bubbles that have risen later, resulting in larger bubbles.
  • larger bubbles have a higher buoyancy, they rise faster, so they may hit smaller bubbles that rise slowly, resulting in larger bubbles.
  • bubble crushing device 30 By providing the bubble crushing device 30, large bubbles can be reduced so that the bubbles do not occupy the interior of the transfer hose 4. As described above, small bubbles have a lower rising speed than large bubbles. Making the bubbles finer suppresses the rising speed of seawater. Even if the bubbles are crushed, for example, the total volume of bubbles occupying a certain length of the transfer hose 4 does not change.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of the seawater retraction device 40 attached to the transfer hose 4.
  • the seawater drawing device 40 includes an inner pipe 41 and an outer pipe 42, and draws external seawater from between the inner pipe 41 and the outer pipe 42.
  • the upper part of the inner pipe 41 is made smaller in diameter to increase the rising speed of seawater containing bubbles and mud and to reduce the internal pressure. If the amount of bubbles is small, the seawater containing mud cannot be driven, but if the number of bubbles in the transfer hose 4 on the seabed side is increased, the bubbles expand as they go to the seaside, and the flow rate of the seawater containing mud is increased.
  • the transfer hose 4 is provided with the seawater drawing device 40, and the seawater is drawn in so that the ratio of the seawater to the bubbles is not greatly changed even if the volume of the bubbles is increased. According to the seawater retractor 40, the flow rate can be adjusted.
  • the upper transfer hose 4 and the lower transfer hose 4 of the seawater retraction device 40 have the same outer diameter, but even if the outer diameter of the upper transfer hose 4 is larger than the outer diameter of the lower transfer hose 4. Good.
  • FIG. 7 is a flowchart showing the operation of the submarine resource lift device 100 according to the present invention.
  • S ⁇ b> 1 is an operation of connecting the crawler-type collector 7 equipped with the water electrolyzer 9 and the gas injection device 10 to one end of the two transfer hoses 4 and dropping it from the resource recovery ship 1.
  • S ⁇ b> 2 is an operation of generating hydrogen gas 20 and oxygen gas 21 by the water electrolysis apparatus 9. Electric power is supplied from the resource recovery ship 1 by two transfer hoses 4a and 4b.
  • S3 is an operation of injecting the hydrogen gas 20 and the oxygen gas 21 at high pressures, that is, higher than the water pressure in the deep sea, into the first suction chamber 8a and the second suction chamber 8b by the gas injection device 10, respectively.
  • S4 is an operation in which the mud 13 containing rare earth is collected together with the seawater 5 in the resource recovery ship 1, and the hydrogen gas 20 and the oxygen gas 21 are recovered and reacted to generate power.
  • the electric power obtained by power generation can be used as part of the electric power sent to the water electrolyzer 9.
  • S ⁇ b> 5 is an operation for pumping out mud 13 and seawater 5 and sending them out to the separator 6 of the barge 2 by the pump 16.
  • S6 is an operation for separating the mud 13 and the seawater 5 in the separation tank of the separator 6.
  • the present invention is suitable as a submarine resource lift device capable of recovering mud containing rare earth on the seabed.

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Abstract

水深５０００ｍを越えるような深海からレアアースを含む泥を浮上させることができる海底資源リフト装置を提供する。本発明による海底資源リフト装置は、資源回収船から海底に吊り下ろされる第１ホースと第２ホースからなる移送ホースと、海底の泥を第１ホースに送り込む第１吸い込み室と、海底の泥を第２ホースに送り込む第２吸い込み室が設けられたクローラ型収集機と、資源回収船からの給電により水の電気分解を行なって水素ガスと酸素ガスを生成する水の電気分解装置と、生成された水素ガスと酸素ガスをそれぞれ第１吸い込み室と第２吸い込み室に噴射するガス噴射装置と、が備えられ、水素ガス又は酸素ガスの浮力により、レアアースを含む泥を海水と共に浮上させる。

Description

海底資源リフト装置
　本発明は、海底資源リフト装置に係り、より詳しくは、水深５０００ｍを越えるような深海の海底であっても、移送ホースでレアアースを浮上させることができる海底資源リフト装置に関する。
　従来、水深５０００ｍを越える深海は、約５００気圧（５００ｋｇｆ／ｃｍ２）つまり約５０Ｍｐａもの高圧がかかり、しかも海底まで伸ばすライザー管の総重量が大きくなるので、ワイヤの先端にサンプリング装置を取り付け泥の試料を採取するのが限界であり、商業ベースで採掘することは困難であった。
　特許文献１には、海底から鉱物を揚鉱することのできる揚鉱装置が提案されている。この揚鉱装置は、海底から鉱物を含む海水を海上基地に移す揚鉱用移送管と、海上基地から海底に海水を戻す循環用移送管と、海水を循環用移送管に送り込む循環ポンプと、海底で鉱物を含む海水を吸込口から吸い込んで揚鉱用移送管に送り込む水中ポンプと、循環用移送管を流れる海水を動力源にして水中ポンプを駆動する水車と、から構成される。この揚鉱装置は、水深５００～２０００ｍに適用されるとしている。水深５０００ｍを越える深海から鉱物を含む泥などを回収するには、長くて重いパイプを吊り下げ、水深５０００ｍの深さから海水を押し上げる強力なポンプが必要であり未だ実現できていない。
特開２０１１－１９６０４７号公報
　本発明は、前記の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、水深５０００ｍを越えるような深海からレアアースを含む泥を浮上させることができる海底資源リフト装置を提供することにある。
　本発明による海底資源リフト装置は、資源回収船から海底に吊り下ろされる第１ホースと第２ホースからなる移送ホースと、海底の泥を前記第１ホースに送り込む第１吸い込み室と、海底の泥を前記第２ホースに送り込む第２吸い込み室が設けられたクローラ型収集機と、前記資源回収船からの給電により水の電気分解を行なって水素ガスと酸素ガスを生成する水の電気分解装置と、生成された前記水素ガスと前記酸素ガスをそれぞれ前記第１吸い込み室と前記第２吸い込み室に噴射するガス噴射装置と、が備えられ、水素ガス又は酸素ガスの浮力により、レアアースを含む泥を海水と共に浮上させることを特徴とする。
　前記移送ホースは、内壁の軸方向に沿って一定間隔で環状のリブが設けられることを特徴とする。
　前記移送ホースは、絶縁性を有する軟質塩化ビニールからなり、内部に通電性のワイヤが埋め込まれていることを特徴とする。
　前記資源回収船は、前記移送ホースから水素ガスと酸素ガスを回収し、これらを反応させることによって発電を行ない、前記水の電気分解装置に給電される電力の一部として利用されることを特徴とする。
　前記移送ホースには、上昇流により駆動され互いに反対方向に回転する回転翼を備えた気泡砕き装置が取り付けられることを特徴とする。
　前記移送ホース４には、内管と外管から構成され、前記内管の流速を速めて圧力を低下させ、前記内管と前記外管の間から外部の海水を引き込む海水引込み装置が取り付けられることを特徴とする。
　本発明による海底資源リフト装置によれば、海底に水の電気分解装置を設置し、資源回収船からの給電により水の電気分解を行なって水素ガスと酸素ガスを発生させ、水素ガスと酸素ガスをクローラ型収集機の海底の泥が集められる第１吸い込み室と第２吸い込み室に送り込み、そこから第１ホースと第２ホースの移送ホースを上昇させるようにしたので、水素ガス又は酸素ガスの浮力により、レアアース（希土類元素）を含む泥を海水と共に浮上させて、回収することができる。
　移送ホースの内壁には、軸方向に沿って一定間隔で環状のリブを設けたので、水素ガス又は酸素ガスが移送ホース内を上昇する時の抵抗となり、移送ホースの総重量を軽減できる。
　移送ホースは、絶縁性を有する軟質塩化ビニールとし、内部に通電性のワイヤを埋め込んだので、移送ホースの強度を向上することができる。また、このワイヤを使用して海底に設置する水の電気分解装置に、海上の資源回収船から電力を給電できる。その場合、水の電気分解装置への行きのラインと戻りラインは、第１ホースと第２ホースに埋め込まれたワイヤで分担することができる。
　移送ホースの水素ガスと酸素ガスを回収し、反応させることで発電を行ない、水の電気分解装置に給電される電力の一部として利用することができる。
　移送ホースに気泡砕き装置を設けたので、移送ホース内を上昇する大きな気泡を砕くことができる。気泡が小さくなれば浮力が小さくなり、気泡と泥を含む海水の上昇速度を抑えることができる。
　移送ホースに海水引込み装置を設けたので、移送ホース内に外部の海水を引き込むことができる。気泡が上昇するにしたがって膨張しても、海水を増やして、気泡と泥を含む海水の割合を維持し、気泡の割合が増えることを防止できる。
本発明による海底資源リフト装置の構成図である。（実施例１） 図１の移送ホースの断面図である。 図１の水の電気分解装置の説明図である。 図１のクローラ型収集機の内部を示す説明図である。 移送ホースに取り付けられる気泡砕き装置の説明図である。 移送ホースに取り付けられる海水引込み装置の説明図である。 本発明による海底資源リフト装置の動作を示すフロー図である。
　以下、図面を参照して、本発明による海底資源リフト装置を詳しく説明する。
　図１は、本発明による海底資源リフト装置１００の構成図である。海上には資源回収船１、バージ船２及びタグボート３が用意される。タグボート３は、バージ船２を曳航する。バージ船２には泥を含む海水から泥を分離するセパレータ６が搭載される。セパレータ６の分離タンクの上澄みは海に戻される。海底資源リフト装置１００は、資源回収船１から海底に吊り下ろされる第１ホース４ａと第２ホース４ｂからなる移送ホース４と、移送ホース４の先端に取り付けられ、海底で泥１３を集めて吸い込み室８に送り込む自走式のクローラ型収集機７を備える。クローラ型収集機７には、水の電気分解を行なって水素と酸素を生成する水の電気分解装置９と、生成した水素ガスと酸素ガスを吸い込み室８に噴射するガス噴射装置１０とが備えられる。ガス噴射装置１０は、高圧ポンプ２３と水素ガス又は酸素ガスを噴射するノズル２２を備える。クローラ型収集機７の吸い込み室８は、移送ホース４に接続されており、海底の資源が収集して集められ、移送ホース４に送り出す場所となる。
　図２は、図１の移送ホース４の断面図である。図２（Ａ）に示すように、移送ホース４は、内壁の軸方向に沿って一定間隔で環状のリブ１５が設けられる。図２（Ｂ）に示すように、移送ホース４は、絶縁性を有する軟質塩化ビニールからなり、内部に通電性のワイヤ１４が網目状に埋め込まれている。ワイヤ１４を埋め込んだので、海底のクローラ型収集機７、水の電気分解装置９、ガス噴射装置１０に給電することができる。例えば、直流の給電線２本で給電する場合、２本の移送ホース４を使用する。軟質塩化ビニールで移送ホース４を構成した場合、深海の圧力でへこむことがあるので、移送ホース４を海中に沈める際は、移送ホース４の内部に常に海水が入るようにする。これにより移送ホース４の外側と内側で圧力がバランスを保ち移送ホース４の変形を防止できる。移送ホース４の外径は、これに限られるものではないが、１０～２０ｃｍとすることができる。
　図３は、図１の水の電気分解装置９の説明図である。水の電気分解装置９は、電解槽１１の水を電気分解して水素と酸素を２：１の比で生成する。電解槽１１には、電気を通しやすくするため水酸化ナトリウム又は苛性カリの電解質を加えて電解液１２としている。電解槽１１は、電解液１２は通過できる隔膜１９で２室に仕切られており、一方に陽極１７、他方に陰極１８を設置して電気分解を行なう。陰極１８では、電子（ｅ－）が水（Ｈ２Ｏ）と反応し水素（Ｈ２）が発生する。反応式を次に示す。
（数１）
　　　２Ｈ２Ｏ　＋　２ｅ－　　⇒　　Ｈ２　＋　２ＯＨ－
　　　（水）　　　（電子）　　　　（水素）　　（水酸化物イオン）
　陰極１８で生成した水酸化物イオン（ＯＨ－）は陽極１７に移動する。そして陽極１７では、電子を失って酸素（Ｏ２）が発生する。反応式を次に示す。
（数２）
　　　２ＯＨ－　　　⇒　　Ｈ２Ｏ　＋　１／２（Ｏ２）　　＋２ｅ－
　（水酸化物イオン）　　　（水）　　　（酸素）　　　　　（電子）
　水の電気分解が進むと、水は水素ガス２０と酸素ガス２１に分解されるので、電解液１２が減少する。その場合、電解質は還元されずに電解液１２中に残るので補給は必要でなく、電解槽１１には水を補給する。水は、資源回収船からパイプ等で補給することができる。また、海底で、海水を逆浸透膜に通して真水とし、これを補給することでもよい。生成された水素ガス２０と酸素ガス２１はガス噴射装置１０で噴射される。
　図４は、クローラ型収集機７の内部を示す説明図である。吸い込み室８は、第１吸い込み室８ａと第２吸い込み室８ｂからなる。水の電気分解装置９で生成した水素ガス２０と酸素ガス２１を、海底５０００ｍの場合であれば、５００気圧以上に昇圧して噴射する。水素ガス２０と酸素ガス２１は、水温１．５度、水圧５００気圧を受けても液化せず気体である。そのため、気体は気泡となって、浮力で第１ホース４ａと第２ホース４ｂからなる移送ホース４の内部を浮上する。気泡の上昇に引きつられて、泥１３を含む海水５も上昇する。第１吸い込み室８ａと第２吸い込み室８ｂの２つを設け、水素ガス２０と酸素ガス２１を個別に噴射した。混合したガスを使用しても約５７０度の高温で着火しないかぎり燃えることはないが、水素ガス２０が酸素ガス２１で燃えることを避けるためである。
　水素ガス２０と酸素ガス２１は、水１リットルが水の電気分解により１気圧で１８６０リットルの気体となる。水深５０００ｍの海底では、１／５００に圧縮され、３．７２リットル（＝１８６０÷５００）となるが、海上に向かって圧力が低くなるので元の体積に増える。そのため、大きな浮上力が得られる。
　海底５０００ｍでの水素ガス２０又は酸素ガス２１の気泡は、海上で５００倍に膨張する。海底での気泡の半径ｒ１とし、海上での気泡の半径をｒ２すると、海底での気泡の体積Ｖ１は（４／３）π（ｒ１）３となり、海上での気泡の体積Ｖ２が（４／３）π（ｒ２）３となるから、Ｖ２／Ｖ１は（ｒ２）３／（ｒ１）３と計算される。Ｖ２／Ｖ１が５００なら、（ｒ２）３／（ｒ１）３＝５００が成立する。これから約ｒ２≒８ｒ１の関係が得られる。海底での気泡の半径（ｒ１）が１ｍｍなら、海上での気泡の半径（ｒ２）は８ｍｍと算出される。海底での気泡の半径（ｒ１）が６ｍｍなら、海上での気泡の半径（ｒ２）は４８ｍｍ（直径にして９６ｍｍ）の気泡となる。なお、気泡と泥を含む海水の割合に注目して、移送ホース４は、海底から海上側に向かって段階的に径が大きくされてもよい。また、海底でノズル２２から噴出する気泡は、適切なサイズで噴出させることが望ましい。
　気泡は、Ｆ＝ρｇＶで算出される浮力Ｆを受ける。ρは水の密度で１０００ｋｇ／ｍ３、ｇは重力の加速度で９．８ｍ／ｓ２、Ｖは気泡の体積（ｍ３）である。気泡の半径をｒとするとＶ＝（４／３）πｒ３である。これらを代入すると浮力Ｆは、Ｆ＝（４／３）×ρｇπｒ３と表される。例えば、半径８ｍｍの気泡は、Ｆ１＝２．１×１０－２（ｋｇ・ｍ／ｓ２）の浮力を受け、半径４８ｍｍの気泡は、Ｆ２＝４．６２（ｋｇ・ｍ／ｓ２）の浮力を受ける。このように、大きな気泡の方が小さな気泡より大きな浮力を受ける。
　気泡の上昇速度は、気泡に働く浮力Ｆと抗力Ｒが釣り合い、Ｆ＝Ｒの関係から算出される。抗力ＲはＲ＝（１／２）×Ｃｄ×ρＵ２Ｓで示され、Ｃｄは抗力係数である。Ｓは気泡の投影面積でπｒ２と表され、ρは水の密度で１０００ｋｇ／ｍ３、Ｕは気泡の上昇速度（ｍ／ｓ）である。この抗力Ｒと前述の浮力Ｆが釣り合うとする。Ｆ＝Ｒは、（４／３）×ρｇπｒ３＝（１／２）×Ｃｄ×ρＵ２×（πｒ２）と表せる。Ｕ２を求めるとＵ２＝（８／３）×（ｇｒ／Ｃｄ）を得る。水の抗力係数Ｃｄは１～２であることが知られる。ここでＣｄを２とし、ｇは９．８ｍ／ｓ２とし、半径ｒは、８×１０－３ｍ（＝８ｍｍ）とする。これら代入すると、Ｕ≒０．３２ｍ／ｓが得られる。半径が８ｍｍ気泡は、上昇速度が約３２ｃｍ／ｓと算出される。半径が８０ｍｍの気泡は、上昇速度が約１ｍ／ｓと算出される。このように、大きな気泡の方が小さな気泡より上昇速度が大きい。抗力係数を小さくしてＣｄを１とした場合、半径が８ｍｍの気泡では、約４５ｃｍ／ｓの上昇速度、半径が８０ｍｍの気泡では１．４５ｍ／ｓの上昇速度と算出される。
　図５は、移送ホース４に取り付けられる気泡砕き装置３０の説明図である。気泡砕き装置３０は、流れに対して反対方向に回転する回転翼３１、３１を備える。回転翼３１、３１は、上昇する泥を含む海水と気泡で駆動される。図５に示すように、比較的大きなサイズとなった水素ガス２０の気泡は、回転翼３１、３１で挟まれて小さな気泡に細分される。ここで気泡は、移送ホース４の内壁のリブ１５に留まり、後から上昇してきた気泡と合体して、より大きな気泡となる場合がある。また、大きな気泡ほど大きな浮力があるので早く上昇するので、ゆっくり上昇する小さな気泡にぶつかりより大きな気泡となる場合がある。気泡砕き装置３０を備えることで、大きな気泡を小さくし、気泡が移送ホース４の内部を占有しないようにできる。前述のように、小さな気泡は大きな気泡より上昇速度が小さい。気泡を細かくすることは、海水を含めその上昇速度を抑えることになる。なお、気泡を砕いても、例えば移送ホース４の一定長さに占める気泡の全体積は変化しない。
　図６は、移送ホース４に取り付けられる海水引込み装置４０の説明図である。海水引込み装置４０は、内管４１と外管４２からなり、内管４１と外管４２の間から外部の海水を内部に引き込む。海水を引き込みやすくするため、内管４１の上部は径を小さくして、気泡と泥を含む海水の上昇速度を上げ、内部の圧力を低下させている。気泡の量が少ないと泥を含む海水を駆動できないが、海底側での移送ホース４内の気泡を増やすと、海上側に進むに従って膨張し、泥を含む海水の流速を速める。そこで移送ホース４に海水引込み装置４０を設け、海水を引き込むことで、気泡の体積が増えても、海水と気泡の割合を大きく変えないようにできる。海水引込み装置４０によれば、流速を調節できる。なお、図６では、海水引込み装置４０の上側と下側の移送ホース４は同じ外径としたが、上側の移送ホース４の外径を下側の移送ホース４の外径より大きくしてもよい。
　図７は、本発明による海底資源リフト装置１００の動作を示すフロー図である。Ｓ１は、水の電気分解装置９、ガス噴射装置１０を搭載したクローラ型採集機７を２本の移送ホース４の一端に接続し、資源回収船１から降ろす動作である。Ｓ２は、水の電気分解装置９で、水素ガス２０と酸素ガス２１を生成する動作である。電力は資源回収船１から２本の移送ホース４ａ、４ｂで供給する。Ｓ３は水素ガス２０と酸素ガス２１を高圧で、つまり深海の水圧より高くしてガス噴射装置１０で第１吸い込み室８ａと第２吸い込み室８ｂのそれぞれに噴射する動作である。Ｓ４はレアアースを含む泥１３を海水５と共に資源回収船１に集め、水素ガス２０と酸素ガス２１を回収し、反応させて発電を行なう動作である。発電にて得た電力は、水の電気分解装置９に送る電力の一部として利用できる。Ｓ５は、泥１３と海水５を汲み出しポンプ１６でバージ船２のセパレータ６に送り出す動作である。Ｓ６は、セパレータ６の分離タンクで泥１３と海水５を分離する動作である。
　本発明は、海底のレアアースを含む泥を回収することができる海底資源リフト装置として好適である。
　１　　資源回収船
　２　　バージ船
　３　　タグボート
　４　　移送ホース
　４ａ　　第１ホース
　４ｂ　　第２ホース
　５　　海水
　６　　セパレータ
　７　　クローラ型収集機
　８　　吸い込み室
　８ａ　　第１吸い込み室
　８ｂ　　第２吸い込み室
　９　　水の電気分解装置
　１０　　ガス噴射装置
　１１　　電解槽
　１２　　電解液
　１３　　泥
　１４　　ワイヤ
　１５　　リブ
　１６　　汲み出しポンプ
　１７　　陽極
　１８　　陰極
　１９　　隔膜
　２０　　水素ガス
　２１　　酸素ガス
　２２　　ノズル
　２３　　高圧ポンプ
　３０　　気泡砕き装置
　３１　　回転翼
　４０　　海水引込み装置
　４１　　内管
　４２　　外管
　１００　　海底資源リフト装置

Claims (6)

  1. 　資源回収船から海底に吊り下ろされる第１ホースと第２ホースからなる移送ホースと、
    　海底の泥を前記第１ホースに送り込む第１吸い込み室と、海底の泥を前記第２ホースに送り込む第２吸い込み室が設けられたクローラ型収集機と、
    　前記資源回収船からの給電により水の電気分解を行なって水素ガスと酸素ガスを生成する水の電気分解装置と、
    　生成された前記水素ガスと前記酸素ガスをそれぞれ前記第１吸い込み室と前記第２吸い込み室に噴射するガス噴射装置と、が備えられ、
    　水素ガス又は酸素ガスの浮力により、レアアースを含む泥を海水と共に浮上させることを特徴とする海底資源リフト装置。
     
  2. 　前記移送ホースは、内壁の軸方向に沿って一定間隔で環状のリブが設けられることを特徴とする請求項１に記載の海底資源リフト装置。
     
  3. 　前記移送ホースは、絶縁性を有する軟質塩化ビニールからなり、内部に通電性のワイヤが埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の海底資源リフト装置。
     
  4. 　前記資源回収船は、前記移送ホースから水素ガスと酸素ガスを回収し、これらを反応させることによって発電を行ない、前記水の電気分解装置に給電される電力の一部として利用されることを特徴とする請求項１に記載の海底資源リフト装置。
     
  5. 　前記移送ホースには、上昇流により駆動され互いに反対方向に回転する回転翼を備えた気泡砕き装置が取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の海底資源リフト装置。
     
  6. 　前記移送ホース４には、内管と外管から構成され、前記内管の流速を速めて圧力を低下させ、前記内管と前記外管の間から外部の海水を引き込む海水引込み装置が取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の海底資源リフト装置。
     
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