(57)【要約】  本発明は、材料のサイズリダクションのための方法であり、供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに材料を送り込むステップであって、該サイクロンチャンバは切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有する、送り込むステップと、サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップと、サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を与えるステップとを含む、材料のサイズリダクションのための方法を提供する。本発明はまた、材料のサイズリダクションのための装置を提供する。本装置は、切頭円錐部分４ａを有する細長い円筒形導管を有するサイクロンチャンバ４と、サイクロンチャンバ４内にサイクロン性流体流を生成するためのデバイス５であって、サイクロンチャンバ４の切頭円錐部分４ａは該デバイスへの入口を形成する開口部において終端するようになっている、デバイス５と、切頭円錐部分４ａの反対端においてサイクロンチャンバ４と流体接続している空気入口管３と、サイクロンチャンバ４に材料を送り込むための供給アセンブリとを備えている。【選択図】図１
2013508141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料のサイズリダクションのための方法であって、
供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに材料を送り込むステップであって、該サイクロンチャンバは切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有する、送り込むステップと、
前記サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップと、
前記サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を与えるステップと、
を含む、材料のサイズリダクションのための方法。
【請求項２】
前記サイクロン性流体流は、１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓの動粘度（ｖ）を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記粘度改質剤は動粘度改質剤である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記粘度改質剤は、湿り空気、水、温風、冷風、酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、水性界面活性剤、硫酸カルシウム、ガラス、三酸化二ホウ素、フッ化カルシウム、酸化アルミニウム、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記サイクロンチャンバ内の空気の体積に対する前記供給アセンブリに送り込まれる材料の体積の比は、≦４０％である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップは、前記供給アセンブリを通して前記サイクロンチャンバに材料を送り込むステップの前又は後に実行される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記サイクロン性流体流はデバイスによって与えられ、該デバイスは前記サイクロンチャンバの前記切頭円錐部分の終端に形成される開口部内に配置される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記デバイスは、径方向に延在する複数の羽根と、ハブとを備えるインペラファンであり、前記複数の羽根は、それぞれ前記ハブの周囲に等間隔に配置されるようになっており、前記インペラファンは、前記ハブの前方において前記サイクロン性流体流を偏向させる、前記ハブ内に配置されるインタラプタを更に備える、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記供給アセンブリを通して送り込まれる前記材料は、金属鉱石、ガラス、プラスチック、石炭、亜炭、石油コークス、メゾトレース、オイルシェール、ドライ壁材、灰、堆肥、下水汚泥、塩結晶、ミネラル及び鉱石含有砂、化学肥料、セメント原料、黒砂、穀物、並びにそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記方法は、そのサイズが小さくされた材料を収集するステップを更に含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
そのサイズが小さくされた前記材料は、５ｎｍ〜１５０μｍの平均粒径を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法による、材料のサイズリダクションのための装置であって、
切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有するサイクロンチャンバと、
前記サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を生成するデバイスであって、前記サイクロンチャンバの前記切頭円錐部分は該デバイスへの入口を形成する開口部において終端するようになっている、デバイスと、
前記切頭円錐部分の反対端において前記サイクロンチャンバと流体接続している空気入口管と、
前記サイクロンチャンバに材料を送り込む供給アセンブリと、
を備えている、材料のサイズリダクションのための装置。
【請求項１３】
前記サイクロン性流体流を生成するデバイスは、径方向に延在する複数の羽根と、ハブとを備えるインペラファンであり、前記複数の羽根はそれぞれ前記ハブの周囲に等間隔に配置されるようになっており、前記インペラファンは、前記ハブの前方において前記サイクロン性流体流を偏向させる、前記ハブ内に配置されるインタラプタを更に備えている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記インタラプタの直径は、前記ハブの直径に実質的に等しい、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記空気入口管の長さは、前記デバイスの直径の２００％〜２４０％である、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記空気入口管の幅は、前記デバイスの直径の約３３％である、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
前記サイクロンチャンバの長さは、前記空気入口管の長さの６５％〜８５％である、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
前記デバイスの幅は、該デバイスの直径の３分の１である、請求項１２〜１７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
前記複数の羽根のそれぞれは、前記インペラファンの半径に対して３度〜１０度の角度で径方向に延在している、請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
前記複数の羽根のそれぞれは、その凹面が前記インペラファンの回転の欠如に面するような凹形のプロファイルを有している、請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
前記サイクロンチャンバ内の材料、空気及び粘度改質剤の量を制御するコンピュータ制御システムを更に備えている、請求項１２〜２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
材料のサイズリダクションのための方法であって、
供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに材料を送り込むステップであって、前記サイクロンチャンバは、切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有する、送り込むステップと、
前記サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を与えるステップと、
を含み、
前記サイクロン性流体流は、１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓの動粘度（ｖ）を有する、材料のサイズリダクションのための方法。
【請求項２３】
前記サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップを更に含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの粘度改質剤は動粘度改質剤である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップは、前記サイクロンチャンバ内の前記サイクロン性流体流の前記動粘度（ｖ）が１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓの範囲から外れているときに実行される、請求項２３又は２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記粘度改質剤は、湿り空気、水、温風、冷風、酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、水性界面活性剤、硫酸カルシウム、ガラス、三酸化二ホウ素、フッ化カルシウム、酸化アルミニウム、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項２３〜２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記サイクロンチャンバ内の空気の体積に対する前記供給アセンブリに送り込まれる材料の体積の比は、≦４０％である、請求項２２〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップは、前記供給アセンブリを通して前記サイクロンチャンバに材料を送り込むステップの前又は後に実行される、請求項２３〜２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記サイクロン性流体流はデバイスによって与えられ、該デバイスは前記サイクロンチャンバの前記切頭円錐部分の終端に形成される開口部内に配置される、請求項２２〜２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記デバイスは、径方向に延在する複数の羽根と、ハブとを備えるインペラファンであり、前記複数の羽根は、それぞれ前記ハブの周囲に等間隔に配置されるようになっており、前記インペラファンは、前記ハブの前方において前記サイクロン性流体流を偏向させる、前記ハブ内に配置されるインタラプタを更に備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記供給アセンブリを通して送り込まれる前記材料は、金属鉱石、ガラス、プラスチック、石炭、亜炭、石油コークス、メゾトレース、オイルシェール、ドライ壁材、灰、堆肥、下水汚泥、塩結晶、ミネラル及び鉱石含有砂、化学肥料、セメント原料、黒砂、穀物、並びにそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項２２〜３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
前記方法は、そのサイズが小さくされた材料を収集するステップを更に含む、請求項２２〜３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
そのサイズが小さくされた前記材料は、５ｎｍ〜１５０μｍの平均粒径を有する、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
請求項２２〜３３のいずれか一項に記載の方法による材料のサイズリダクションための装置であって、
切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有するサイクロンチャンバと、
前記サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を生成するデバイスであって、前記サイクロンチャンバの前記切頭円錐部分は該デバイスへの入口を形成する開口部において終端するようになっている、デバイスと、
前記切頭円錐部分の反対端において前記サイクロンチャンバと流体接続している空気入口管と、
前記サイクロンチャンバに材料を送り込む供給アセンブリと、
前記サイクロンチャンバ内の前記サイクロン性流体流の動粘度（ｖ）を監視するコンピュータ制御システムと、
を備えている、材料のサイズリダクションための装置。
【請求項３５】
前記サイクロン性流体流を生成するデバイスは、径方向に延在する複数の羽根と、ハブとを備えるインペラファンであり、前記複数の羽根は、それぞれ前記ハブの周囲に等間隔に配置されるようになっており、前記インペラファンは、前記ハブの前方において前記サイクロン性流体流を偏向させる、前記ハブ内に配置されるインタラプタを更に備えている、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記インタラプタの直径は、前記ハブの直径に実質的に等しい、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記空気入口管の長さは、前記デバイスの直径の２００％〜２４０％である、請求項３４〜３６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３８】
前記空気入口管の幅は、前記デバイスの直径の約３３％である、請求項３４〜３７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３９】
前記サイクロンチャンバの長さは、前記空気入口管の長さの６５％〜８５％である、請求項３４〜３８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４０】
前記デバイスの幅は、前記デバイスの直径の３分の１である、請求項３４〜３９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４１】
前記複数の羽根のそれぞれは、前記インペラファンの半径に対して３度〜１０度の範囲内の角度で径方向に延在している、請求項３５〜４０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４２】
前記複数の羽根のそれぞれは、その凹面が前記インペラファンの回転の欠如に面するような凹形のプロファイルを有している、請求項３５〜４１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４３】
材料のサイズリダクションのための装置であって、
切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有するサイクロンチャンバと、
前記サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を生成するデバイスであって、前記サイクロンチャンバの前記切頭円錐部分は該デバイスへの入口を形成する開口部において終端するようになっている、デバイスと、
前記切頭円錐部分の反対端において前記サイクロンチャンバと流体接続している空気入口管と、
前記サイクロンチャンバに材料を送り込む供給アセンブリと、
を備え、
前記空気入口管の直径に対する前記供給アセンブリの直径の比は、０．３〜０．５である、材料のサイズリダクションのための装置。
【請求項４４】
前記サイクロン性流体流を生成するデバイスは、径方向に延在する複数の羽根と、ハブとを備えるインペラファンであり、前記複数の羽根は、それぞれ前記ハブの周囲に等間隔に配置されるようになっており、前記インペラファンは、前記ハブの前方において前記サイクロン性流体流を偏向させる、前記ハブ内に配置されるインタラプタを更に備えている、請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
前記インタラプタの直径は、前記ハブの直径に実質的に等しい、請求項４４に記載の装置。
【請求項４６】
前記空気入口管の長さは、前記デバイスの直径の２００％〜２４０％である、請求項４３〜４５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４７】
前記空気入口管の幅は、前記デバイスの直径の約３３％である、請求項４３〜４６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４８】
前記サイクロンチャンバの長さは、前記空気入口管の長さの６５％〜８５％である、請求項４３〜４７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４９】
前記デバイスの幅は、前記デバイスの直径の３分の１である、請求項４３〜４８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５０】
前記複数の羽根のそれぞれは、前記インペラファンの半径に対して３度〜１０度の範囲内の角度で径方向に延在している、請求項４４〜４９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５１】
前記複数の羽根のそれぞれは、その凹面が前記インペラファンの回転の欠如に面するような凹形のプロファイルを有している、請求項４４〜５０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５２】
材料の送り込み及び前記サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流を制御するためのコンピュータ制御システムを更に備えている、請求項４３〜５１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５３】
請求項４３〜５２のいずれか一項に記載の装置における材料のサイズリダクションのための方法であって、前記サイクロンチャンバ内の空気の体積に対する、前記供給アセンブリに送り込まれる材料の体積の比を制御するステップを含み、前記比は≦４０％である、請求項４３〜５２のいずれか一項に記載の装置における材料のサイズリダクションのための方法。
【請求項５４】
材料のサイズリダクションのための方法であって、
供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに材料を送り込むステップであって、該サイクロンチャンバは切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有する、送り込むステップと、
前記サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を与えるステップと、
前記サイクロンチャンバ内の空気の体積に対する、前記供給アセンブリに送り込まれる材料の体積の比を制御するステップであって、前記比は≦４０％である、制御するステップと、
を含む、材料のサイズリダクションのための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は材料のサイズを低減するための装置及び方法を提供する。本装置及び本方法は材料の含水率を下げることも可能である。
【背景技術】
【０００２】
材料の粒径を小さくするために、機械的な作用を用いることなく材料を処理するための幾つかの記述されている装置がある。これらの装置の大部分は、入口管、サイクロンチャンバからなり、サイクロンチャンバは、空気と、システムを通して処理されることになる材料とを引き込むためのインペラファンを備えている。高圧の空気流を用いてサイクロンチャンバ内に渦が生成され、サイクロンチャンバは材料を取り込み、その材料をサイクロン性懸濁液（ｃｙｃｌｏｎｉｃ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）内に保持し、その懸濁液内で材料が細分化されることになる。
【０００３】
そのような装置の例が国際公開第９８／３５７５６号において記述されている。国際公開第９８／３５７５６号は、装置を同調させて、ファンによって生成された特定の高調波周波数において定在波を達成するように装置を調整する、調節可能な長さを有するサイクロンチャンバを備える機械を記述している。特許文献１には、国際公開第９８／３５７５６号のプロセスが複数の問題を抱えていることが述べられており、その主な１つの問題は、サイクロンチャンバにおいて行なわれる物理的な処理が全ての材料を要求されたサイズに分解するとは限らず、結果として、分解されていない材料がチャンバから出てインペラに衝突することである。この衝突の発生に伴う力によって、ファンが既知の材料のうちの最も強い材料から構成される場合であっても、そのファンは数時間ともたない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第００／２４５１８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記の問題に対処することを目指しており、詳細には、材料のサイズを小さくする改善された方法及び装置を提供するものである。また、本発明は、材料から水分を除去する方法及び装置も提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様によれば、本発明は、材料のサイズリダクションのための方法であって、
供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに材料を送り込むステップであって、該サイクロンチャンバは切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有する、送り込むステップと、
前記サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップと、
前記サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流（ｃｙｃｌｏｎｉｃ ｆｌｕｉｄ ｓｔｒｅａｍ）を与えるステップと、
を含む、材料のサイズリダクションのための方法を提供している。
【０００７】
特定の態様によれば、前記サイクロンチャンバ内の前記サイクロン性流体流は、１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓの動粘度（ｖ）を有することが可能である。
【０００８】
特定の態様によれば、前記粘度改質剤は動粘度改質剤とすることが可能である。
【０００９】
前記サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップは、前記サイクロンチャンバに材料を送り込むステップの前又は後に実行することが可能である。任意の適切な粘度改質剤を加えることが可能である。例えば、前記粘度改質剤は、湿り空気、水、温風、冷風、酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、水性界面活性剤、硫酸カルシウム、ガラス、三酸化二ホウ素、フッ化カルシウム、酸化アルミニウム、及びそれらの組み合わせからなる群から選択することができる。
【００１０】
任意の適切な量の粘度改質剤をサイクロンチャンバの中に加えることが可能である。詳細には、粘度改質剤は、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流（ｃｙｃｌｏｎｉｃ  ｆｌｕｉｄ ｓｔｒｅａｍ）の動粘度（ｖ）が１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓになるように、サイクロンチャンバの中に加えられる。
【００１１】
特定の態様によれば、前記サイクロン性流体流はデバイスによって与えられ、該デバイスは前記サイクロンチャンバの前記切頭円錐部分の終端に形成される開口部内に配置されている。
【００１２】
本方法は、そのサイズが小さくされた材料を収集するステップを更に含むことが可能である。詳細には、そのサイズが小さくされた前記材料の平均粒径は５ｎｍ〜１５０μｍとすることが可能である。
【００１３】
第２の態様によれば、本発明は、本発明の第１の態様の方法による、材料のサイズリダクションのための装置を提供している。該装置は、
切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有するサイクロンチャンバと、
前記サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を生成するデバイスであって、前記サイクロンチャンバの前記切頭円錐部分は該デバイスへの入口を形成する開口部において終端するようになっている、デバイスと、
前記切頭円錐部分の反対端において前記サイクロンチャンバと流体接続している空気入口管と、
前記サイクロンチャンバに材料を送り込む供給アセンブリと、
を備えている。
【００１４】
供給アセンブリは、少なくとも１つの粘度改質剤を送り込むためのものとすることも可能である。
【００１５】
前記装置は、前記供給アセンブリを通して前記サイクロンチャンバに送り込まれる材料、空気及び／又は粘度改質剤の量を制御するためのコンピュータ制御システムを更に備えることが可能である。前記粘度改質剤は、動粘度改質剤とすることが可能である。詳細には、前記コンピュータ制御システムは、前記サイクロンチャンバ内の前記サイクロン性流体流の動粘度（ｖ）を監視することが可能であり、それに応じて、前記供給アセンブリを通して前記サイクロンチャンバに送り込まれる材料、空気及び／又は粘度改質剤の量を調整するようになっている。
【００１６】
本発明の第３の態様は、材料のサイズリダクションのための方法であって、
供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに材料を送り込むステップであって、該サイクロンチャンバは、切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有する、送り込むステップと、
前記サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を与えるステップと、
を含み、
前記サイクロン性流体流は、１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓの動粘度（ｖ）を有する、材料のサイズリダクションのための方法である。
【００１７】
本方法は、前記サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップを更に含むことが可能である。前記少なくとも１つの粘度改質剤は、動粘度改質剤とすることが可能である。詳細には、前記サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップは、前記サイクロンチャンバに材料を送り込むステップの前又は後に実行することが可能である。任意の適切な粘度改質剤を加えることができる。例えば、前記粘度改質剤は、湿り空気、水、温風、冷風、酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、水性界面活性剤、硫酸カルシウム、ガラス、三酸化二ホウ素、フッ化カルシウム、酸化アルミニウム、及びそれらの組み合わせからなる群から選択することができる。前記粘度改質剤の他の例は、限定はしないが、ヘリウム、二酸化硫黄、ヒマシ油、コーンスターチ溶液、グリセリン及びタールを含んでいる。コーンスターチ溶液は、２２ボーメコーンスターチ溶液、２４ボーメコーンスターチ溶液又は２６ボーメコーンスターチ溶液とすることができる。
【００１８】
任意の適切な量の粘度改質剤をサイクロンチャンバの中に加えることが可能である。特定の態様によれば、粘度改質剤は、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流の動粘度（ｖ）が１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓになるように、サイクロンチャンバの中に加えられることが可能である。詳細には、前記少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップは、前記サイクロンチャンバ内の前記サイクロン性流体流の前記動粘度（ｖ）が１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓの範囲から外れるときに実行される。
【００１９】
特定の態様によれば、前記サイクロン性流体流はデバイスによって与えられ、該デバイスは前記サイクロンチャンバの前記切頭円錐部分の終端に形成される開口部内に配置されている。
【００２０】
前記方法は、そのサイズが小さくされた材料を収集するステップを更に含むことが可能である。詳細には、そのサイズが小さくされた前記材料の平均粒径は、５ｎｍ〜１５０μｍとすることが可能である。更に詳細には、そのサイズが小さくされた前記材料の平均粒径は、８ｎｍ〜１００μｍ、１５ｎｍ〜５０μｍ、２５ｎｍ〜２５μｍ、５０ｎｍ〜１０μｍ、７５ｎｍ〜５μｍ、１００ｎｍ〜８００ｎｍ、１５０ｎｍ〜７００ｎｍ、２００ｎｍ〜６００ｎｍ、３００ｎｍ〜５００ｎｍ、４００ｎｍ〜４５０ｎｍとすることが可能である。
【００２１】
本発明の別の態様は、本発明の第３の態様の方法による材料のサイズリダクションための装置であって、
切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有するサイクロンチャンバと、
前記サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を生成するデバイスであって、前記サイクロンチャンバの前記切頭円錐部分は該デバイスへの入口を形成する開口部において終端するようになっている、デバイスと、
前記切頭円錐部分の反対端において前記サイクロンチャンバと流体接続している空気入口管と、
前記サイクロンチャンバに材料を送り込む供給アセンブリと、
前記サイクロンチャンバ内の前記サイクロン性流体流の動粘度（ｖ）を監視するコンピュータ制御システムと、
を備えている装置である。
【００２２】
特定の態様によれば、前記供給アセンブリは、少なくとも１つの粘度改質剤をサイクロンチャンバに送り込むためのものとすることも可能である。前記少なくとも１つの粘度改質剤は動粘度改質剤とすることが可能である。詳細には、前記コンピュータ制御システムは、前記サイクロンチャンバ内の前記サイクロン性流体流の動粘度（ｖ）を監視することが可能であり、それに応じて、前記供給アセンブリを通して前記サイクロンチャンバに送り込まれる材料、空気及び／又は粘度改質剤の量を調整するようになっている。
【００２３】
本発明の別の態様は、材料のサイズリダクションのための装置であって、
切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有するサイクロンチャンバと、
前記サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を生成するデバイスであって、前記サイクロンチャンバの前記切頭円錐部分は該デバイスへの入口を形成する開口部において終端するようになっている、デバイスと、
前記切頭円錐部分の反対端において前記サイクロンチャンバと流体接続している空気入口管と、
前記サイクロンチャンバに材料を送り込む供給アセンブリとを備え、
前記空気入口管の直径に対する前記供給アセンブリの直径の比は０．３〜０．５である、材料のサイズリダクションのための装置である。
【００２４】
本装置は、材料の送り込み及び前記サイクロンチャンバ内の流体流を制御するためのコンピュータ制御システムを更に備えることが可能である。
【００２５】
別の態様によれば、本発明は、材料のサイズリダクションのための方法であって、
供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに材料を送り込むステップであって、該サイクロンチャンバは切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有する、送り込むステップと、
前記サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を与えるステップと、
前記サイクロンチャンバ内の空気の体積に対する、前記供給アセンブリに送り込まれる材料の体積の比を制御するステップであって、該比は≦４０％である、制御するステップと、
を含む、材料のサイズリダクションのための方法を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態による装置の斜視図である。
【図２】８７ｍの水頭損失の場合のレイノルズ数に対する動粘度のプロット図である。
【図３】種々の管内粗度値（ｐｉｐｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）（ｋｓ／ｄ）の場合の動粘度に対する水頭損失のプロット図である。
【図４】本発明の一態様の装置によってそのサイズが小さくされた褐炭のサンプル（サンプルＡ）のマルバーン粒径分布を示す図である。
【図５】ミリングによってそのサイズが小さくされた褐炭のサンプル（サンプルＢ）のマルバーン粒径分布を示す図である。
【図６】サンプルＡ及びＢのそれぞれの場合の温度に対する減量速度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本明細書において言及される書誌参照は、便宜上、参考文献のリストの形で記載され、実施例の最後に加えられている。そのような書誌参照の全内容は、引用することにより本明細書の一部を成すものとする。
【００２８】
幾つかの装置設計及び動作機構が従来技術において報告されており、その例が上記で与えられた。一般的に、そのような装置は、円錐形のサイクロンチャンバからなり、サイクロンチャンバは、空気と、システムを通して処理されることになる材料とを引き込むためのインペラファンを備えている。空気流を用いてサイクロンチャンバ内に渦が生成され、サイクロンチャンバは材料を取り込み、その材料をサイクロン性懸濁液内に保持し、その懸濁液内で材料が或る程度まで処理されている。処理中に、材料の粒径を小さくすることが可能となる。
【００２９】
渦式材料処理システムの流体動力学は、非常に複雑であり、プロセスサイクルを通して絶えず変化している。そのように複雑になるのは、処理システムに送り込まれる材料の粒子が慣性を有し、乱流条件下で、処理システム内の流体の残りの部分、主に空気及び水蒸気とは異なるように挙動することに起因する場合がある。
【００３０】
そのサイズが小さくされることになり、かつ流体内に懸濁される材料の粒子のサイズ及び濃度が絶えず変化し、それに伴って処理システム内の含水率が変化する結果として、粒子が有効な処理ゾーンの内外に動かされるという動的な状況が生じることになる。詳細には、処理システム内で処理されることになる材料が処理システム内の空気流に加えられるとき、システムの流体動力学が劇的に変化し、レイノルズ数が変化することになる。材料が処理システム内で実効的に処理されるために、粒子が渦の剪断力を可能な限り受けるのを確実にするように、流動条件を最適化する必要がある。
【００３１】
管又は管路内の流体の流れに関するレイノルズ数は、粘性力に対する慣性力の比を与える無次元数である。一般的に、大きなレイノルズ数を有する流れは乱流を示すのに対して、小さなレイノルズ数は粘性力に比べて慣性力が小さい流れを示しており、特徴として層流である（ｉｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｌｌｙ ａ ｌａｍｉｎａｒ  ｆｌｏｗ）。本発明では、レイノルズ数を一般的に以下のように定義することとする。
【数１】
2013508141.tif 000003
ただし、
【数２】
2013508141.tif 000004
は、管を通る流体の流れの平均流体速度（ｍ／ｓ）であり；
Ｄは管の直径（ｍ）であり；
μは流体の絶対粘度（Ｐａ．ｓ又はＮ．ｓ／ｍ２）であり；
ｖは流体の動粘度（すなわち、ｖ＝μ／ρ）（ｍ２／ｓ）であり；
ρは流体の密度（ｋｇ／ｍ３）であり；
Ｑは管内の流体の体積流量（ｍ３／ｓ）であり；
Ａは管の断面積（ｍ２）である。
【００３２】
２３００未満のレイノルズ数は層流を示し、２３００と４０００との間のレイノルズ数は過渡流を示し、４０００よりも大きなレイノルズ数は乱流を示すことは、当業者であればわかるであろう。
【００３３】
それゆえ、処理システムにおける材料の処理中に、流れのレイノルズ数をより良好に制御することが望ましい。本発明の第１の態様によれば、材料のサイズリダクションのための方法であって、
供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに材料を送り込むステップであって、該サイクロンチャンバは切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有する、送り込むステップと、
サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップと、
サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を与えるステップと、
を含む、材料のサイズリダクションのための方法が提供されている。
【００３４】
粘度は、流れに対する流体の内部抵抗である。流体の粘度が高いほど、その流体は流れに対して大きな抵抗を示すことになる。逆に、流体の粘度が低いほど、その流体は流れに対して小さな抵抗を示すことになる。本発明では、粘度改質剤は、システムの中に加えられるときに、システム内の流体の流れの粘度を変更することができる試剤と定義されている。詳細には、粘度改質剤は、システム内の流体の流れの動粘度を変更できる場合がある。流体の流れの動粘度は、流体の流れの絶対粘度と流体の密度との比である。
【００３５】
粘度改質剤は固体、液体又は気体の状態で存在することができる。粘度改質剤は、動粘度改質剤とすることが可能である。用語「粘度改質剤」は、流れ促進剤を含んでいる。粘度改質剤及び流れ促進剤の例には、限定はされないが、湿り空気、水、温風、冷風、酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、水性界面活性剤、硫酸カルシウム、ガラス、三酸化二ホウ素、フッ化カルシウム、酸化アルミニウム及びそれらの組み合わせが含まれる。粘度改質剤の他の例には、限定はされないが、ヘリウム、二酸化硫黄、ヒマシ油、コーンスターチ溶液、グリセリン及びタールが含まれる。コーンスターチ溶液は、２２ボーメコーンスターチ溶液、２４ボーメコーンスターチ溶液又は２６ボーメコーンスターチ溶液とすることができる。本発明では、湿り空気は周囲空気に比べて高い含水率を有する空気と定義されている。本発明では、温風は、周囲空気の温度よりも高い温度を有する空気と定義されている。本発明では、冷風は、周囲空気の温度よりも低い温度を有する空気と定義されている。
【００３６】
サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップは、供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに材料を送り込むステップの前又は後に実行することが可能である。サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップは、サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を与えるステップの後に実行することが可能である。サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップは、２回以上繰り返すことが可能である。詳細には、少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップは、供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに送り込まれる材料のサイズリダクションのための方法中に繰り返すことが可能である。
【００３７】
特定の態様によれば、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流は、１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓの動粘度（ｖ）を有することができる。サイクロン性流体流は、供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに送り込まれる材料を含むことが可能である。したがって、特定の動粘度を有するサイクロン性流体流というときは、サイクロンチャンバ内の材料を含む空気流の動粘度の尺度とすることが可能である。サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流が、１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓの動粘度（ｖ）を有するとき、流動条件が最適化され、材料のサイズを効率的に小さくすることが可能である。しかしながら、そのサイズが小さくされることになる材料がサイクロンチャンバの中に加えられるとき、流体動力学が変化する場合があり、結果として、サイクロン性流体流の動粘度（ｖ）が変化する場合がある。
【００３８】
したがって、少なくとも１つの粘度改質剤を加えることによって、サイクロン性流体流の動粘度（ｖ）を変更することが可能となる。例えば、少なくとも１つの粘度改質剤が加えられるとき、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流の動粘度（ｖ）を、１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓになるように変更することが可能である。
【００３９】
特定の態様によれば、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流は、４×１０３〜１×１０８のレイノルズ数を有することが可能である。
【００４０】
少なくとも１つの粘度改質剤を加えることは、少なくとも１つの粘度改質剤を制御しながら加えることとすることが可能である。少なくとも１つの粘度改質剤を加える結果として、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流の動粘度（ｖ）をより良好に制御することが可能となり、それにより、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流の流動性、安定性及び持続性を改善することができる。任意の適切な量の粘度改質剤を加えることが可能である。詳細には、加えられる粘度改質剤の量は、動粘度（ｖ）に依存することが可能である。更に詳細には、加えられる少なくとも１つの粘度改質剤の量は、サイクロン性流体流の動粘度（ｖ）を１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓにするために必要とされる量に依存することが可能である。加えられる少なくとも１つの粘度改質剤の量は、サイクロン性流体流のレイノルズ数を４×１０３〜１×１０８にするのに必要とされる量に依存することが可能である。
【００４１】
特定の態様によれば、加えられる粘度改質剤の量は、そのサイズが小さくされることになる材料に依存することが可能である。例えば、材料が非常に大きく、かつ／又は非常に湿っている場合には、サイクロンチャンバの中に加えられる粘度改質剤の量を増加させることになる。粘度改質剤を加えることによって、材料の処理を促進することが可能となる。
【００４２】
本発明では、任意の適切な粘度改質剤を用いることが可能である。例えば、粘度改質剤は、湿り空気、水、温風、冷風、酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、水性界面活性剤、硫酸カルシウム、ガラス、三酸化二ホウ素、フッ化カルシウム、酸化アルミニウム及びそれらの組み合わせからなる群から選択することができる。特に、粘度改質剤は、水及び／又は湿り空気である。粘度改質剤の他の例には、限定はされないが、ヘリウム、二酸化硫黄、ヒマシ油、コーンスターチ溶液、グリセリン及びタールが含まれる。コーンスターチ溶液は、２２ボーメコーンスターチ溶液、２４ボーメコーンスターチ溶液又は２６ボーメコーンスターチ溶液とすることが可能である。
【００４３】
特定の態様によれば、そのサイズが小さくされることになる材料は、処理後に、少なくとも１つの粘度改質剤とともに共添加剤として用いることも可能である。詳細には、そのサイズが既に小さくされている材料を、少なくとも１つの粘度改質剤とともに加えることが可能である。例えば、褐炭が処理され、５ｎｍ〜１００μｍのサイズまで小さくされた場合には、粗炭が処理されているときに、粘度を変更するためにこの材料のうちの或る量を加えることが可能である。
【００４４】
サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流はデバイスによって与えられる。本発明によるサイクロン性流体流は、好ましくは円形断面の導管を通り抜ける流体の流れの中に生成されるサイクロンを指している。サイクロン性流体流では、流体流の運動によって生成される求心力が、流体流内に同伴する任意の粒状材料を、導管の壁から離れ、該導管の中心領域に向かうように引き寄せている。導管内で広範な可聴周波数が生成される場合には、流体流内に強力な渦のパターンが生成されることになる。サイクロン内に生成される応力が微小な爆発を引き起こすことに起因して、位置エネルギーが運動エネルギーに変換されることによってエネルギーが解放されることになる。サイクロンの渦は内破の形をとり、材料を更に粉砕して、より小さな粒子にすることが可能となる。
【００４５】
サイクロン性流体流内に生成される渦は、特別に設計された装置によって生成される更なる高調波周波数を搬送している。これにより、システム内の定在波構成からパルスが引き起こされ、定在波内に流体ポケットが生じ、音波範囲を超えた速度が達成されることになる。これは特定のタイプの材料に対して同調させることができ、それにより、生成された渦が石のような非常に硬質の材料及び軟質の材料を粉砕し、かつ材料の含水率を低減する能力を高めることになる。
【００４６】
サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を与えるステップにおいて用いられるデバイスは、サイクロン性流体流を与えることができる任意の適切なデバイスとすることが可能である。特定の態様によれば、そのデバイスは、サイクロンチャンバの切頭円錐部分の終端部に形成される開口部内に配置することが可能である。サイクロン性流体流を与えることができるデバイスの一例はファンを含んでいる。サイクロン性流体流を与えることができる他のデバイスも本発明の範囲内にあることは当業者には明らかであろう。
【００４７】
特定の態様によれば、デバイスは、インペラファンとすることが可能である。特に、インペラファンは、径方向に延在する複数の羽根と、ハブとを備えることが可能であり、該複数の羽根は、それぞれ該ハブの周囲に等間隔に配置されるようになっている。インペラファンは、ハブの前方において流体流を偏向させるために、ハブ内に配置されるインタラプタを更に備えることが可能である。
【００４８】
特定の態様によれば、サイクロンチャンバ内の空気の体積に対する供給アセンブリに送り込まれる材料の体積の比は≦４０％とすることが可能である。供給アセンブリに送り込まれる材料の体積が、サイクロンチャンバ内の空気の体積の４０％を超える場合には、サイクロン性流体流内に生成される渦が潰れ、その処理能力を失う場合がある。
【００４９】
本方法は、そのサイズが小さくされた材料を収集するステップを更に含むことが可能である。そのサイズが小さくされた材料の平均粒径は、５ｎｍ〜１５０μｍとすることが可能である。更に詳細には、そのサイズが小さくされた材料の平均粒径は、８ｎｍ〜１００μｍ、１５ｎｍ〜５０μｍ、２５ｎｍ〜２５μｍ、３０ｎｍ〜２０μｍ、５０ｎｍ〜１０μｍ、７５ｎｍ〜５μｍ、１００ｎｍ〜８００ｎｍ、１５０ｎｍ〜７００ｎｍ、２００ｎｍ〜６００ｎｍ、３００ｎｍ〜５００ｎｍ、４００ｎｍ〜４５０ｎｍとすることが可能である。更に詳細には、そのサイズが小さくされた材料の平均粒径は２０μｍ〜１００μｍである。平均粒径が、そのサイズが小さくされた材料が使用されることになる応用形態、及びそのサイズが小さくされた材料の最終用途に依存することは当業者には理解されよう。例えば、石炭の場合、本発明のサイズリダクションのための方法後の石炭の平均粒径は５０μｍ〜１００μｍとすることが可能である。化粧品を調製する際に用いるための酸化亜鉛の場合、本発明のサイズリダクションのための方法後の酸化亜鉛の平均粒径は、２０ｎｍ〜４０ｎｍとすることが可能である。
【００５０】
本発明では、材料の平均粒径は、質量に基づく材料の平均粒径を指している。材料の粒径は、その最も大きな寸法によって規定することが可能である。平均粒径を求めるのに適した任意の標準的な方法を用いることが可能である。例えば、粒径を求めるのに、マスターサイザー２０００粒径分析装置（マルバーンインスツルメンツ社）を用いることができる。任意の適切な方法によって、粒径分布を求めることが可能である。例えば、ＡＳＴＭ  Ｃ１３６又はＡＳＴＭ  Ｃ１１７において記述されているような方法を用いて、ふるい分けによって細骨材及び粗骨材の粒径分布を求めることが可能である。例えば、そのサイズが小さくされた材料を含むバルクサンプルが、それぞれが或る範囲のサイズを有する１組の篩を通して篩分けされる。それらの篩は標準的な篩とすることが可能である。バルクサンプルを篩のスタックを通して篩分けし、各篩上に残っている材料の重量を測定することによって、粒径分布を求めている。
【００５１】
本発明の第２の態様は、上述した方法による、材料のサイズリダクションのための装置である。本装置は、
切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有するサイクロンチャンバと、
サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を生成するためのデバイスであって、サイクロンチャンバの切頭円錐部分は該デバイスへの入口を形成する開口部において終端するようになっている、デバイスと、
切頭円錐部分の反対端においてサイクロンチャンバと流体接続している空気入口管と、
サイクロンチャンバに材料を送り込むための供給アセンブリと、
を備えている。
【００５２】
サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を生成するためのデバイスは、任意の適切なデバイスとすることが可能である。サイクロン性流体流を生成するためのデバイスの一例にはファンが含まれている。
【００５３】
特定の態様によれば、デバイスは、インペラファンとすることが可能である。特に、インペラファンは、径方向に延在する複数の羽根と、ハブとを備えることが可能であり、該複数の羽根は、それぞれ該ハブの周囲に等間隔に配置されるようになっている。インペラファンは、ハブの前方においてサイクロン性流体流を偏向させるために、ハブ内に配置されるインタラプタを更に備えることが可能である。
【００５４】
本装置は、供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに送り込まれる材料を送り込む量を制御するためのコンピュータ制御システムを更に備えることが可能である。そのコンピュータ制御システムは、サイクロンチャンバ内の流体の量も制御することが可能である。このコンピュータ制御システムは、サイクロンチャンバの中に加えられる少なくとも１つの粘度改質剤の量も制御することが可能である。詳細には、このコンピュータ制御システムは、水頭損失及びサイクロン性空気（流体）速度を監視することが可能であり、これらは、任意の特定のシステム幾何構造の供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに送り込まれる材料の動粘度の直接の尺度である。
【００５５】
上記で言及されたように、少なくとも１つの粘度改質剤を加えることは、少なくとも１つの粘度改質剤を制御しながら加えることとすることが可能である。少なくとも１つの粘度改質剤を加えることは、コンピュータ制御システムによって制御することが可能である。例えば、コンピュータ制御システムは、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流の動粘度（ｖ）が所定の範囲から外れるような、該動粘度（ｖ）の変化を検出することが可能である。コンピュータ制御システムは、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流のレイノルズ数が所定の範囲から外れるような、該レイノルズ数の変化を検出することができる。それゆえ、コンピュータ制御システムは、動粘度（ｖ）をその所定の範囲内に戻すために、少なくとも１つの粘度改質剤を制御しながら加えるように指示することになる。それゆえ、コンピュータ制御システムは、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流の流動性、安定性及び持続性を改善するのを支援することができる。
【００５６】
本装置の種々の部分は後に更に詳細に説明する。
【００５７】
第３の態様によれば、本発明は、材料のサイズリダクションのための方法であって、
供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに材料を送り込むステップであって、該サイクロンチャンバは、切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有する、送り込むステップと、
サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を与えるステップと、
を含み、
サイクロン性流体流は、１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓの動粘度（ｖ）を有する、材料のサイズリダクションのための方法を提供している。
【００５８】
特定の態様によれば、サイクロン性流体流のレイノルズ数は、４×１０３〜１×１０８とすることが可能である。
【００５９】
本方法は、サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップを更に含むことが可能である。上記のように、本発明では、任意の適切な粘度改質剤を用いることが可能である。少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップは、供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに材料を送り込むステップの前又は後に実行することが可能である。サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップは、サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を与えるステップの後に実行することが可能である。サイクロンチャンバの中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップは、２回以上繰り返すことが可能である。詳細には、少なくとも１つの粘度改質剤を加えるステップは、供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに送り込まれる材料のサイズリダクションのための方法中に繰り返すことが可能である。
【００６０】
特定の態様によれば、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流が１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓの動粘度（ｖ）を有するとき、流動条件が最適化され、材料のサイズを効率的に小さくすることができる。しかしながら、そのサイズが小さくされることになる材料がサイクロンチャンバの中に加えられるとき、流体動力学が変化する場合があり、結果として、サイクロン性流体流の動粘度（ｖ）が変化する場合がある。
【００６１】
したがって、少なくとも１つの粘度改質剤を加えることによって、サイクロン性流体流の動粘度（ｖ）を変更することが可能である。例えば、少なくとも１つの粘度改質剤が加えられるとき、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流の動粘度（ｖ）を、１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓになるように変更することが可能である。
【００６２】
少なくとも１つの粘度改質剤を加えることは、少なくとも１つの粘度改質剤を制御しながら加えることとすることが可能である。少なくとも１つの粘度改質剤を加える結果として、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流の動粘度（ｖ）をより良好に制御することができ、それにより、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流の流動性、安定性及び持続性を改善することが可能となる。任意の適切な量の粘度改質剤を加えることが可能である。詳細には、加えられる粘度改質剤の量は、動粘度（ｖ）に依存することが可能である。更に詳細には、加えられる少なくとも１つの粘度改質剤の量は、サイクロン性流体流の動粘度（ｖ）を１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓにするために必要とされる量に依存することが可能である。特定の態様によれば、加えられる粘度改質剤の量は、そのサイズが小さくされることになる材料に依存することが可能である。例えば、材料が非常に大きく、かつ／又は非常に湿っている場合には、サイクロンチャンバの中に加えられる粘度改質剤の量を増加させることになる。粘度改質剤を加えることによって、材料の処理を促進することが可能となる。
【００６３】
特定の態様によれば、加えられる少なくとも１つの粘度改質剤の量は、サイクロン性流体流のレイノルズ数を４×１０３〜１×１０８にするのに必要とされる量に依存することが可能である。
【００６４】
特定の態様によれば、そのサイズが小さくされることになる材料は、処理後に、少なくとも１つの粘度改質剤とともに、共添加剤として用いることも可能である。詳細には、そのサイズが既に小さくされている材料を、少なくとも１つの粘度改質剤とともに加えることが可能である。例えば、褐炭が処理され、５ｎｍ〜１００μｍのサイズまで小さくされた場合には、粗炭が処理されているときに、粘度を変更するためにこの材料のうちの或る量を加えることが可能である。
【００６５】
サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を与えるステップにおいて用いられるデバイスは、サイクロン性流体流を与えることができる任意の適切なデバイスとすることができる。特定の態様によれば、そのデバイスは、サイクロンチャンバの切頭円錐部分の終端部に形成される開口部内に配置することが可能である。サイクロン性流体流を与えることができるデバイスの例は、上記で与えられている。
【００６６】
特定の態様によれば、デバイスは、インペラファンとすることが可能である。特に、インペラファンは、径方向に延在する複数の羽根と、ハブとを備えることが可能であり、該複数の羽根は、それぞれ該ハブの周囲に等間隔に配置されるようになっている。インペラファンは、ハブの前方においてサイクロン性流体流を偏向させるために、ハブ内に配置されるインタラプタを更に備えることが可能である。
【００６７】
特定の態様によれば、サイクロンチャンバ内の空気の体積に対する供給アセンブリに送り込まれる材料の体積の比は、≦４０％とすることが可能である。供給アセンブリに送り込まれる材料の体積が、サイクロンチャンバ内の空気の体積の４０％を超える場合には、サイクロン性空気流内に生成される渦が潰れ、その処理能力を失う場合がある。
【００６８】
本方法は、そのサイズが小さくされた材料を収集するステップを更に含むことが可能である。そのサイズが小さくされた材料の平均粒径は、５ｎｍ〜１５０μｍとすることが可能である。更に詳細には、そのサイズが小さくされた材料の平均粒径は、８ｎｍ〜１００μｍ、１５ｎｍ〜５０μｍ、２５ｎｍ〜２５μｍ、３０ｎｍ〜２０μｍ、５０ｎｍ〜１０μｍ、７５ｎｍ〜５μｍ、１００ｎｍ〜８００ｎｍ、１５０ｎｍ〜７００ｎｍ、２００ｎｍ〜６００ｎｍ、３００ｎｍ〜５００ｎｍ、４００ｎｍ〜４５０ｎｍとすることが可能である。更に詳細には、材料がサイズリダクションを受けた後の該材料の平均粒径は２０μｍ〜１００μｍである。平均粒径が、そのサイズが小さくされた材料が使用されることになる応用形態、及びそのサイズが小さくされた材料の最終用途に依存することは当業者には理解されよう。例えば、石炭の場合、本発明のサイズリダクションのための方法後の石炭の平均粒径は５０μｍ〜１００μｍとすることが可能である。化粧品を調製する際に用いるための酸化亜鉛の場合、本発明のサイズリダクションのための方法後の酸化亜鉛の平均粒径は、２０ｎｍ〜４０ｎｍとすることが可能である。
【００６９】
本発明は、上記の本発明の第３の態様の方法による材料のサイズリダクションための装置も提供するものである。本装置は、
切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有するサイクロンチャンバと、
サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を生成するためのデバイスであって、サイクロンチャンバの切頭円錐部分は該デバイスへの入口を形成する開口部において終端するようになっている、デバイスと、
切頭円錐部分の反対端においてサイクロンチャンバと流体接続している空気入口管と、
サイクロンチャンバに材料を送り込むための供給アセンブリと、
サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流の動粘度（ｖ）を監視するためのコンピュータ制御システムと、
を備えている。
【００７０】
サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を生成するためのデバイスは、任意の適切なデバイスとすることが可能である。サイクロン性流体流を生成するためのデバイスの一例は、ファンを含んでいる。
【００７１】
特定の態様によれば、デバイスは、インペラファンとすることが可能である。特に、インペラファンは、径方向に延在する複数の羽根と、ハブとを備えることが可能であり、該複数の羽根は、それぞれ該ハブの周囲に等間隔に配置されるようになっている。インペラファンは、ハブの前方において流体流を偏向させるために、ハブ内に配置されるインタラプタを更に備えることが可能である。
【００７２】
特定の態様によれば、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流の動粘度（ｖ）を監視するためのコンピュータ制御システムは、サイクロン性流体流の動粘度（ｖ）が所定の範囲から外れているか否かを検出することができるようになっている。所定の範囲は、１×１０−８ｍ２／ｓ≦ｖ≦１×１０−１ｍ２／ｓとすることが可能である。コンピュータ制御システムは、サイクロン性流体流のレイノルズ数が所定の範囲から外れているか否かを検出することが可能である。
【００７３】
このコンピュータ制御システムは、水頭損失及びサイクロン性空気（流体）速度を監視することが可能であり、これらは、任意の特定のシステム幾何構造の供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに送り込まれる材料の動粘度の直接の尺度である。詳細には、サイクロン性流体流の動粘度（ｖ）が所定の範囲から外れているとき、コンピュータ制御システムは、サイクロンチャンバ内の流動条件を変更するように指示することが可能である。さらに詳細には、コンピュータ制御システムは、サイクロン性流体流の動粘度（ｖ）及び／又はレイノルズ数を所定の範囲内に戻すために、少なくとも１つの粘度改質剤を加えさせることが可能である。それゆえ、コンピュータ制御システムは、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流の流動性、安定性及び持続性を改善するのを支援することができる。少なくとも１つ粘度改質剤を加えることは、以下に記述されるように行なうことが可能である。
【００７４】
本装置の種々の部分は後に更に詳細に説明する。
【００７５】
本発明の更なる態様は、材料のサイズリダクションのための装置であって、
切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有するサイクロンチャンバと、
サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を生成するためのデバイスであって、サイクロンチャンバの切頭円錐部分は該デバイスへの入口を形成する開口部において終端するようになっている、デバイスと、
切頭円錐部分の反対端においてサイクロンチャンバと流体接続している空気入口管と、
サイクロンチャンバに材料を送り込むための供給アセンブリと、
を備え、
空気入口管の直径に対する供給アセンブリの直径の比は０．３〜０．５である、材料のサイズリダクションのための装置である。
【００７６】
詳細には、空気入口管の直径に対する供給アセンブリの直径の比は０．５である。そのような比は、６０：４０の空気の最大体積と材料の体積との比を与えることが可能である。そのサイズが小さくされることになる材料がスラリーであるとき、空気入口管の直径に対する供給アセンブリの直径の比は０．３５である。
【００７７】
本装置は、供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに送り込まれる材料の量、及びサイクロンチャンバ内の流体の量を制御するためのコンピュータ制御システムを更に備えることが可能である。
【００７８】
本装置の種々の部分は後に更に詳細に説明する。
【００７９】
上記のような装置における材料のサイズリダクションのための方法も提供され、本方法は、サイクロンチャンバ内の空気の体積に対する供給アセンブリに送り込まれる材料の体積の比が≦４０％であるように（ｔｏ ｂｅ）制御するステップを含んでいる。詳細には、サイクロンチャンバ内の空気の体積に対する供給アセンブリに送り込まれる材料の体積の比は、≦３５％、≦３０％、≦２５％、≦２０％である。
【００８０】
特定の態様によれば、サイクロンチャンバ内の空気の体積に対する供給アセンブリに送り込まれる材料の体積の比を制御するステップは、コンピュータ制御システムによって実行することが可能である。任意の適切なコンピュータ制御システムを用いることが可能である。例えば、そのコンピュータ制御システムは、供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに送り込まれる材料の量、及びサイクロンチャンバ内の空気の量を制御することによって、その比を制御することが可能である。
【００８１】
本方法は、そのサイズが小さくされた材料を収集するステップを更に含むことが可能である。そのサイズが小さくされた材料の平均粒径は、５ｎｍ〜１５０μｍとすることが可能である。更に詳細には、そのサイズが小さくされた材料の平均粒径は、８ｎｍ〜１００μｍ、１５ｎｍ〜５０μｍ、２５ｎｍ〜２５μｍ、３０ｎｍ〜２０μｍ、５０ｎｍ〜１０μｍ、７５ｎｍ〜５μｍ、１００ｎｍ〜８００ｎｍ、１５０ｎｍ〜７００ｎｍ、２００ｎｍ〜６００ｎｍ、３００ｎｍ〜５００ｎｍ、４００ｎｍ〜４５０ｎｍとすることが可能である。更に詳細には、材料がサイズリダクションを受けた後の該材料の平均粒径は２０μｍ〜１００μｍである。平均粒径が、そのサイズが小さくされた材料が使用されることになる応用形態、及びそのサイズが小さくされた材料の最終用途に依存することは当業者には理解されよう。例えば、石炭の場合、本発明のサイズリダクションのための方法後の石炭の平均粒径は５０μｍ〜１００μｍとすることが可能である。化粧品を調製する際に用いるための酸化亜鉛の場合、本発明のサイズリダクションのための方法後の酸化亜鉛の平均粒径は、２０ｎｍ〜４０ｎｍとすることが可能である。
【００８２】
本発明の別の態様は、材料のサイズリダクションのための方法であって、
供給アセンブリを通してサイクロンチャンバに材料を送り込むステップであって、該サイクロンチャンバは切頭円錐部分を有する細長い円筒形導管を有する、送り込むステップと、
サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を与えるステップと、
サイクロンチャンバ内の空気の体積に対する、供給アセンブリに送り込まれる材料の体積の比を制御するステップであって、該比は≦４０％である、制御するステップと、
を含む、材料のサイズリダクションのための方法である。
【００８３】
詳細には、サイクロンチャンバ内の空気の体積に対する供給アセンブリに送り込まれる材料の体積の比は、≦３５％、≦３０％、≦２５％、≦２０％である。
【００８４】
サイクロンチャンバ内にサイクロン性流体流を与えるステップにおいて用いられるデバイスは、サイクロン性流体流を与えることができる任意の適切なデバイスとすることが可能である。特定の態様によれば、そのデバイスは、サイクロンチャンバの切頭円錐部分の終端部に形成される開口部内に配置することが可能である。サイクロン性流体流を与えることができるデバイスの例は、上記で与えられている。
【００８５】
特定の態様によれば、デバイスは、インペラファンとすることが可能である。特に、インペラファンは、径方向に延在する複数の羽根と、ハブとを備えることが可能であり、該複数の羽根は、それぞれ該ハブの周囲に等間隔に配置されるようになっている。インペラファンは、ハブの前方においてサイクロン性流体流を偏向させるために、ハブ内に配置されるインタラプタを更に備えることが可能である。
【００８６】
本方法は、そのサイズが小さくされた材料を収集するステップを更に含むことが可能である。そのサイズが小さくされた材料の平均粒径は、５ｎｍ〜１５０μｍとすることが可能である。更に詳細には、そのサイズが小さくされた材料の平均粒径は、８ｎｍ〜１００μｍ、１５ｎｍ〜５０μｍ、２５ｎｍ〜２５μｍ、３０ｎｍ〜２０μｍ、５０ｎｍ〜１０μｍ、７５ｎｍ〜５μｍ、１００ｎｍ〜８００ｎｍ、１５０ｎｍ〜７００ｎｍ、２００ｎｍ〜６００ｎｍ、３００ｎｍ〜５００ｎｍ、４００ｎｍ〜４５０ｎｍとすることが可能である。更に詳細には、材料がサイズリダクションを受けた後の該材料の平均粒径は、２０μｍ〜１００μｍである。平均粒径が、そのサイズが小さくされた材料が使用されることになる応用形態、及びそのサイズが小さくされた材料の最終用途に依存することは当業者には理解されよう。例えば、石炭の場合、本発明のサイズリダクションのための方法後の石炭の平均粒径は、５０μｍ〜１００μｍとすることが可能である。化粧品を調製する際に用いるための酸化亜鉛の場合、本発明のサイズリダクションのための方法後の酸化亜鉛の平均粒径は、２０ｎｍ〜４０ｎｍとすることが可能である。
【００８７】
本発明の任意の態様による方法に鑑みて、サイクロンチャンバ内のサイクロン性流体流の流体動力学条件が最適化されるとき、持続可能なサイクロン性流体流が生成されるように、サイクロン性流体流内の外渦の内側に逆渦を生成することが可能である。外渦及び内渦が交差することによって、乱流境界層が生成されている。境界層においてサイクロンチャンバ内の材料の粒子間の相互作用によって引き起こされる激しい破壊によって材料が砕けて、種々のサイズの粒子になる。主渦は一方向に渦を巻き、粗い粒子の大部分を搬送し、内渦は逆方向に渦を巻き、細かい粒子を搬送している。
【００８８】
また、粒子が圧力の低いゾーンに移動するのに応じて、材料の粒子内に含まれる場合がある水が迅速に気化することが可能である。この気化は、粒子を更に分解するのに十分に迅速であるものとすることが可能である。粒子が分解するのに応じて、粒子の表面の露出される部分が増え、これが更なる気化を容易にすることになる。
【００８９】
懸濁された材料粒子は、サイクロン性流体流周囲において滑らかな渦を描いて動かない。詳細には、大きな粒子及び小さな粒子が互いに衝突し、摩擦電気プロセスに起因して逆の電荷を持つようになる。粒子が大きいほど正に帯電し、粒子が小さいほど負に帯電することになる。
【００９０】
或る時点において、特にサイクロンチャンバ内の低圧のエリアにおいて、逆に帯電した粒子は、静電界が粒子間の空気をイオン化するだけの十分な影響を与えるように、十分に接近した状態となる。この結果、圧力に応じて、コロナ放電プラズマ、グロー放電プラズマのいずれかが形成される場合がある。
【００９１】
大気圧において、乾き空気内の破壊電圧は３０ＫＶ／ｃｍである。これは、圧力が低いほど、かつ湿度レベルが高いほど大きく低減される。さらに、電界強度は粒子の半径に反比例するので、粒子が小さいほど破壊電圧は低くくなる。それゆえ、粒子のサイズが小さくなり続けると、イオン化プロセスが生じる可能性が高くなり、かつ頻度が増すことになる。
【００９２】
それゆえ、静電放電が引き起こされ、高周波数の電波を送信し、この電波は、サイズリダクションの方法を監視するために、かつフィードバック制御のために用いることができる。
【００９３】
本発明による装置の一実施形態が図１に示されている。装置１００は、インペラ吸込ファン（ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｓｕｃｔｉｏｎ  ｆａｎ）５及びサイクロンチャンバ４を備えている。サイクロンチャンバ４は実質的に円筒形であり、その長軸がインペラ吸込ファン５の回転軸に沿って位置するように配置されている。インペラ吸込ファン５は、ハウジング６内に回転可能に支持されている。インペラ吸込ファン５は、空気の回転及び吸気を引き起こすようになっている。
【００９４】
インペラ吸込ファン５は、ハウジング６の後方に取り付けられたトンネルベアリング（ｔｕｎｎｅｌ ｂｅａｒｉｎｇ）９によって支持されるドライブシャフト（図示せず）の一端に止めピンで固定されている。シャフトの他端には、ドライブトレイン１０が固定されている。ドライブトレイン１０は、装置１００に動力を与えるものである。動作時に、ドライブトレイン１０は、変速モータ、内燃機関又は任意の機械的な駆動体１２によって駆動されるようになっている。インペラ吸込ファンは、９０ｍ／ｓ〜２５０ｍ／ｓの標準速度において駆動されている。しかしながら、本発明では、任意の適切な速度を用いることができることが当業者には理解されよう。詳細には、インペラ吸込ファンの速度は、処理される材料の動粘度に依存することが可能である。インペラ吸込ファンの速度は、材料の粉砕の程度に応じて変更することができる。ドライブトレイン１０は、ベンチ１１に固定されている。ベンチ１１は、クッションであってもよい。
【００９５】
サイクロンチャンバ４の一端は、ここで係合するようにして空気入口管３と嵌合されている。サイクロンチャンバ４の他端は、開口部（図示せず）を有する切頭円錐部分４ａにおいて終端している。
【００９６】
サイクロンチャンバ４は、例えば、ハウジング６の開口部及び切頭円錐部分４ａの口が合致するように溶接することによって固定されている。このようにして、インペラ吸込ファン５の入口は、サイクロンチャンバ４の切頭円錐部分４ａの中に部分的に延在している。詳細には、ハウジング６の内幅は、インペラ吸込ファン５の幅よりも約５ｃｍ広くなっている。
【００９７】
そのサイズが小さくされることになる材料を受け取るための供給アセンブリ２が、空気入口管３の開口端３ａに隣接して空気入口管３に取り付けられ、かつ空気入口管３内に部分的に延在している。本発明では、任意の適切な供給アセンブリを用いることができる。小さくされることになる材料は、供給アセンブリ２を通して送り込まれ、その後、空気入口管３に入ることになる。空気及び材料は、空気入口管３を通り抜け、その後、サイクロンチャンバ４に入ることになる。空気入口管３は、空気入口管３の開口端３ａにおいて固定子１にも接続されている。固定子１は卵形の焦点であり、サイクロンチャンバ４内のサイクロン性流体流内に生成される渦の末端を集中させるようになっている。
【００９８】
供給アセンブリ２は、装置１００の動作中に、サイクロンチャンバ４内の流体の体積に対する供給アセンブリ２を通して送り込まれる材料の体積の比を調節するようになっている。これは、空気入口管３の直径に対する供給アセンブリ２の直径によって制御することが可能である。
【００９９】
装置１００は排気ダクト８も備えている。空気及び材料は、サイクロンチャンバ４を通り抜けた後に、排気ダクト８を通り抜けるようになっている。排気ダクト８を通り抜けた空気及び材料は収集及び分配（ｄｉｓｂｕｒｓｅｍｅｎｔ）エリアに向けることが可能である。
【０１００】
インペラ吸込ファン５は、径方向に延在する複数の羽根５ａを備えている。羽根５ａの数は、粒状化されることになる材料のタイプに応じて、８枚〜１２枚であることが好ましい。羽根５ａの数が多いほど、排気ダクト８から出る材料の平均粒径を低減することができ、一方、羽根５ａの数が少ないほど、乾燥した材料が排気ダクトから出ることになる。羽根５ａを金属汚染から保護するために、かつキンバーライトのような鉱石から産出されたダイヤモンドのような脆弱な粒子を保護するクッションを与え、それにより、クッションがなければ粉砕されていた大きなダイヤモンドが無傷で現れるようにするために、羽根５ａは高い耐摩耗性の材料から形成され、高い耐摩耗性の材料層で更に被覆することが可能である。
【０１０１】
各羽根５ａは、インペラの半径から３度〜１０度の範囲内の角度だけオフセットされている。その角度が大きいほど、装置１００は、供給アセンブリ２を通して送り込まれる材料の水分をより少なくする必要がある応用形態に、より適している。その角度が小さいほど、供給アセンブリ２を通して送り込まれる材料のサイズをより小さくする必要がある応用形態に、より適している。羽根５ａは、ハブ（図示せず）の周囲に等間隔に配置されている。ハブは羽根５ａを支え、ドライブシャフトに固定されている。各羽根５ａは実質的に凹形であり、各羽根５ａの凹面はインペラ吸込ファン５の回転方向に面している。
【０１０２】
インタラプタ１３は、インペラ吸込ファン５の入口に面するハブの前面にある中央穴内に組み込まれている。インタラプタ１３は一致しない形状の物体を固定するロックナット（ｄｉｓｃｏｒｄａｎｔ ｓｈａｐｅｄ ｏｂｊｅｃｔ ｌｏｃｋ ｎｕｔ）であり、インペラ吸込ファン５をドライブシャフトに固定する。インタラプタ１３は、中央突起部に取り付けられる円板を備えている。インタラプタ１３をハブの中央穴内にねじ込むことができるように、その突起部にはねじ山が切られている。インタラプタ１３は、ハブの前面において静止流体を直接かき乱すようになっている。インタラプタ１３は、ハブの直径に実質的に等しい直径を有している。詳細には、インタラプタ１３の中心径は、ハブの直径と実質的に等しくなっている。
【０１０３】
インペラ羽根５ａの向き及びデザインは、コンピュータ支援設計によって更に最適化することができ、羽根の任意の摩耗を補償するために更に動的に調整することが可能である。詳細には、所与の生成物によって引き起こされる摩耗パターンを解析し、羽根を再設計して摩耗のない最適な条件を与える計算流体動力学によって、羽根の曲がり具合を調整することが可能である。
【０１０４】
装置１００はスクロール７も備えており、スクロール７は、ハウジングの内側にある複数の角度を成す螺旋形の渦巻き構造であり、空気入口管３と組み合わせられて、装置１００に収容され、排気される空気体積を決定している。特定の実施形態によれば、ハウジング６は、インペラ吸込ファン５の直径に比例する全容積を有するスクロール７を含み、インペラ吸込ファン５の直径３００ｍｍ毎に、スクロール７の容積は、０．１２０ｍ３〜０．１７７ｍ３にすべきである。詳細には、スクロール７の容積は、インペラ吸込ファン５の直径３００ｍｍ毎に０．１５０ｍ３とすることが可能である。
【０１０５】
スクロール７は、排気ダクト８の内壁から排気ダクト８の外壁まで螺旋形に延在し、装置１００の全空気容積容量を作り出すことが可能である。
【０１０６】
特定の実施形態によれば、排気ダクト８の排出エリアはスクロール７の容積の約３５％とすることが可能である。排気ダクト８は、スクロール７が終端するハウジング６に取り付けられている。
【０１０７】
例えば、スピーカ又は給電によって、外部で生成された周波数をサイクロン性流体流に導入することによって、材料の粒状化及び乾燥を更に改善することが可能となる。５７６０ｒｐｍで動作するファンの場合、代表的な周波数は２５Ｈｚ〜２８Ｈｚ、５７．６Ｈｚ、５７６Ｈｚとすることができる。約４２．７Ｈｚの周波数を導入することによって、水の解離を促進することができる。
【０１０８】
装置１００は、コンピュータ制御システム（図示せず）も備えることが可能である。コンピュータ制御システムは、装置１００の動作を維持及び／又は監視することが可能である。詳細には、そのサイズが小さくされることになる材料が装置１００に送り込まれるときに、コンピュータ制御システムは、動作の定常性を維持及び／又は監視することが可能となっている。更に詳細には、コンピュータ制御システムは、サイクロンチャンバ４内のサイクロン性流体流の動粘度（ｖ）及び／若しくはレイノルズ数、並びに／又はサイクロンチャンバ４内の流体の体積に対する供給アセンブリに送り込まれる材料の体積の比を監視することが可能となっている。
【０１０９】
特定の実施形態によれば、空気入口管３の長さはインペラ吸込ファン５の直径の２００％〜２４０％の範囲内である。更に詳細には、空気入口管３の長さは、インペラ吸込ファン５の直径の約２２０％である。
【０１１０】
別の特定の実施形態によれば、空気入口管３の幅はインペラ吸込ファン５の直径の約３３％である。
【０１１１】
別の特定の実施形態は、固定子１のサイズを変更して、供給アセンブリ２を通して同じ投入材料が送り込まれる際に異なる処理結果を生成することが可能である。例えば、排気ダクト８を通り抜ける材料の最終的な平均粒径は、小さな固定子１が用いられるときほど、大きな固定子１が用いられるときに比べて大きくなるであろう。詳細には、固定子の直径は、空気入口管の直径の５０％を超えるべきではない。
【０１１２】
特定の実施形態によれば、サイクロンチャンバ４の長さは、空気入口管３の長さの６５％〜８５％、７０％〜８０％、７５％〜７８％の範囲内にある。更に詳細には、サイクロンチャンバ４の長さは、空気入口管３の長さの７０％である。
【０１１３】
別の特定の実施形態によれば、サイクロンチャンバ４の幅は、その長さにわたって、インペラ吸込ファン５の幅から空気入口管３の幅まで減少している。
【０１１４】
特定の実施形態によれば、インペラ吸込ファン５の直径は、空気入口管３ａの幅の３倍にすることが可能である。インペラ吸込ファン５の羽根５ａは、インペラ吸込ファン５の回転軸に対して４５度の角度で、インペラ吸込ファン５のハブから固定用リングまで位置決めすることが可能である。また、インペラ吸込ファン５の幅は、インペラ吸込ファン５の直径の３分の１にすることが可能である。
【０１１５】
全ての構成要素の比が一定の縮尺に維持され、かつ装置１００の動作中に十分な電力が与えられるとすると、装置１００は、任意のサイズに拡大縮小することが可能である。
【０１１６】
動作時に、装置を材料の固有共振周波数に同調させることによって特定の材料を粒状化するための最適な条件に達するまで、モータ１２は最大速度で作動している。ドライブトレイン１０及びその制御は極めて重要である。モータ１２は、サイクロンチャンバ４内にサイクロン性流体流が形成されるのに十分な動力を与えなければならない。また、モータ１２は、そのサイズが小さくされることになる材料が供給アセンブリ２を通してサイクロンチャンバ４内に送り込まれると、サイクロンチャンバ４内のサイクロン性流体流内に形成される渦が潰れないように、該モータ１２の動力を増加しなければならない場合もある。
【０１１７】
本発明の任意の態様による装置によって粒状化することが可能である（ｍａｙ ｂｅ ｇｒａｎｕｌａｔｅｄ）材料のタイプは、金属鉱石、ガラス、プラスチック、石炭、亜炭（褐炭）、石油コークス、メゾトレース（ｍｅｚｏｔｒａｃｅ）、オイルシェール、ドライ壁材、灰、堆肥、下水汚泥、塩結晶、ミネラル及び鉱石含有砂、化学肥料、セメント原料、黒砂、並びに大豆、トウモロコシ、オートムギ、オオムギ、ミロ及び米のような穀物に及んでいる。
【０１１８】
本発明の任意の態様による装置を利用して、湿った粘土、製紙用パルプ、褐炭、リン酸塩、硫酸塩、魚及び骨のような多数の材料の含水率を低減し、細かい乾燥粉末を生成することが可能である。また、本装置は、最大で５０％の水を含むピグメンテーションケーク（ｐｉｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｃａｋｅ）を乾燥させるのにも有用である。鉱業スラリー（ｍｉｎｉｎｇ ｓｌｕｒｒｉｅｓ）を乾燥させて粉末状にするか、又は金属抽出の化学処理のために十分に脱水することができる。
【０１１９】
サイズが小さくされることになる材料は、供給アセンブリ２に送り込まれて、空気入口管３に入る。その後、その材料は空気入口管３を通り抜け、サイクロンチャンバ４内のインペラ吸込ファン５によって生成されるサイクロン性流体流の経路に入る。サイクロン性流体流内の渦によって搬送される同調した高調波に起因して、その材料は、インペラ吸込ファン５に入る前にサイクロンチャンバ４内で粉砕され、サイクロン性流体流によって、インペラ吸込ファン５の入口に吸い込まれる。
【０１２０】
その後、材料は排気ダクト８に入り、装置１００から出て、収集及び分配エリアに入る。排気ダクト８のサイズを変更して、装置１００を通る流体の流れを調整することは可能である。
【０１２１】
排気ダクト８を通って装置１００から出た材料は、当該技術分野において既知の任意の適切な方法によって平均粒径別に分けられる。所望のサイズよりも大きな平均粒径を有する材料は、再び処理するために、供給アセンブリ２を通してサイクロンチャンバ４に送り込まれ、装置１００に戻すことが可能である。
【０１２２】
上記のように、コンピュータ制御システムを導入することが可能である。通常動作中、特にインペラ吸込ファン５を駆動するためにＤＣ定トルクモータが利用される場合には、実質的に負荷は存在しない。それゆえ、センサを設けて、例えば、大きな粒子がインペラ吸込ファン５に衝突することに起因する負荷の任意の増加を検出し、それにより、カットオフスイッチを起動し、制動することが可能となる。
【０１２３】
代替的には、センサは、ダイヤモンドのような通過中の特に大きな粒子を検出し、同じ機能を実行することが可能である。また、センサを利用して、排気ダクト８内の大きな粒子を検出し、インペラ吸込ファン５の速度を高めて、その材料が細かく粒状化されるのを確実にすることが可能である。
【０１２４】
また、コンピュータ制御システムは、サイクロンチャンバ４内のサイクロン性流体流の動粘度（ｖ）の変化も検出することができる。特定の態様によれば、サイクロンチャンバ４内のサイクロン性流体流の動粘度（ｖ）が所定の範囲から外れている場合には、コンピュータ制御システムは、サイクロンチャンバ４内の流動条件を変更するように指示することが可能である。詳細には、コンピュータ制御システムは、サイクロンチャンバ４内のサイクロン性流体流の動粘度（ｖ）を所定の範囲内に戻すために、サイクロンチャンバ４の中に少なくとも１つの粘度改質剤を加えさせることが可能である。上記のように、本発明では、任意の適切な粘度改質剤を用いることが可能である。
【０１２５】
また、コンピュータ制御システムは、サイクロンチャンバ４内の流体の体積に対する、供給アセンブリ２を通して送り込まれる材料の体積の比の変化も検出することが可能である。その比が所定の値を超える場合には、コンピュータ制御システムは、インペラ吸込ファン５の速度、及び／又は供給アセンブリ２を通してサイクロンチャンバ４に送り込まれる材料の量を変更することによって、サイクロンチャンバ４内に存在する流体の量を調整することになる。詳細には、供給アセンブリ２を通してサイクロンチャンバに送り込まれる材料の体積がサイクロンチャンバ４内の空気の量の４０％を超える場合には、サイクロンチャンバ４内のサイクロン性流体流内の渦が潰れる場合がある。特定の実施形態によれば、サイクロンチャンバ４内の空気の体積に対する、供給アセンブリ２を通してサイクロンチャンバ４に送り込まれる材料の体積の比は、≦４０％である。
【０１２６】
本開示に照らして、全て添付の特許請求の範囲内にある、記述された実施形態の変更、及び他の実施形態が、ここで当業者には明らかになるであろう。本発明の任意の態様による装置の種々の部分の構成は、国際公開第９８／３５７５６号、米国特許第７，５００，８３０号及び国際公開第０３／００６１６６号等の従来技術において記述されている装置に類似しており、これらの文献は、引用することにより本明細書の一部を成すものとする。
【０１２７】
これまで本発明を概括的に説明してきたが、本発明は以下の実施例を参照することによって更に容易に理解されるようになる。これらの実施例は例示のために提供されており、本発明を制限することは意図していない。
【実施例】
【０１２８】
実施例１
以下の実施例は、本発明の任意の態様による方法を実行するのに適した動粘度（ｖ）範囲を求めることを例示するものである。
【０１２９】
コールブルック・ホワイトの式によって、ムーディ線図を表すことができる。
【数３】
2013508141.tif 000005
ただし、ｆは摩擦係数であり（ムーディ線図においてλと呼ばれることもある、ただし、λ＝４ｆ）、
ｋｓ／ｄは相対管内粗度を表し、
Ｒｅはレイノルズ数を表す。
【０１３０】
既知の値のＲｅ及びｋｓ／ｄについて、式１をｆについて繰返し解くことができる。
【数４】
2013508141.tif 000006
ただし、ｕは管内の空気流（流体）速度であり、
ｄは管の直径であり、
ｖは処理される材料の動粘度である。
【数５】
2013508141.tif 000007
ただし、μは絶対粘度であり、
ρは密度である。
【０１３１】
管内の圧力降下は以下のように式（４）によって表される。
【数６】
2013508141.tif 000008
ただし、ｈｆは管内の水頭損失であり、
ｇは重力に起因する加速度である。
【０１３２】
円形断面を有する管内の乱流に関するダルシー・ワイスバッハの式は以下のようにｈｆを表す。
【数７】
2013508141.tif 000009
ただし、Ｌは管の長さである。
【０１３３】
この解析において、幾つかのパラメータに関する代表的な実験値が用いられた。詳細には、ｄ＝０．３０５ｍ、Ｌ＝１．６１０ｍ及びｕ＝１６６ｍ／ｓである。
【０１３４】
管内の流体の流れの流体動力学解析では、ｋｓ／ｄが管の内部の粗度の尺度とみなされる。しかしながら、本解析では、ｋｓ／ｄは、粒径、形状等の、処理中の乱流のレベルを変更する任意のパラメータの尺度であるとみなされる。
【０１３５】
ムーディ線図は、材料処理のために用いることができる２つの異なる乱流領域−過渡的乱流領域及び完全乱流領域を示している。これら２つの領域が全く異なる処理特性を有することを示すことができる。
【０１３６】
空気流（流体）速度を変更し（すなわち、インペラの速度を変更し）、処理される材料の特性にとって最適な圧力降下、それゆえ、水頭損失を維持することによって、本発明のプロセスにわたって制御が行なわれる。これらの材料特性は、その流動特性を決定する材料の動粘度ｖによって特徴付けられる。
【０１３７】
滑らかな側面を有する管を表す過渡的乱流領域、すなわち、ｋｓ／ｄ＝１×１０−６内では、高いｖを有する材料が小さなレイノルズ数において処理され、低いｖを有する材料は大きなレイノルズ数において処理されることが図２からわかる。式１〜式５を数学的に操作することによって、図２が得られた。図２は、システムが過渡的乱流領域内の種々の（又は変化する）動粘度の材料をいかに取り扱うかを示すものである。空気流（流体）速度を変更することによって、水頭損失を特定の値、例えば、８７ｍに制御することにより、３桁にわたる動粘度範囲を有する材料を処理できるようになる。水頭損失を維持するために必要とされる速度に応じて、種々の動粘度の材料が種々の値のレイノルズ値において処理されている。
【０１３８】
詳細には、この実施例における材料は約８７ｍの水頭損失において処理され、材料の動粘度範囲（３桁）にわたってこのｈｆ値を維持するために、空気流（流体）速度ｕは１００ｍ／ｓ〜２００ｍ／ｓの間で変更されることになる。
【０１３９】
任意の所与の材料の場合に、流体の流速又は圧力降下に関して制限される場合があるシステム動作条件下で、その動粘度を変更して、より良好に処理できるようにすることが可能である。粘度改質剤を加えることによって材料の絶対粘度μが変更されることになるので、粘度改質剤を加えること等によって、多くの方法においてｖの変更をもたらすことができる。密度ρは、処理される材料の密度、気体／液体の密度、さらには処理される材料のサイズ及び形状にも依存する。詳細には、粒子／顆粒のサイズを変更することによって、及び界面活性剤を加えることによって粒子／顆粒の凝集する傾向を変更することによって、処理される材料の密度を変更することができる。処理される材料の絶対粘度μ及び密度ρの変更は、該材料の動粘度ｖ、及び乱流領域における該材料の流動性を変更することになる。
【０１４０】
図３は、約１６３ｍ／ｓの流体流速において動作する処理システムを表している。図３は、種々の管内粗度値の場合の動粘度に対する水頭損失のプロットを示している。管内粗度は、流体流内の固体含有量、並びにそれらの固体の運動によって引き起こされる摩擦及び乱流効果を考慮に入れている。図３は、式１〜式５を数学的に操作することによって得られた。過渡的乱流と完全乱流との間の境界を決定する線は、動粘度が変化しても水頭損失がもはや変化しない点の軌跡である。
【０１４１】
上記のように処理される材料の動粘度を変更することは、過渡的乱流領域においてのみ影響を及ぼすことがわかる。完全乱流領域では、動粘度を変更しても、システム水頭損失のレベルは制御されない。最適に処理できるようにするために、粉砕の程度（すなわち、摩擦係数）にかかわらず、図３に示されるように、過渡的乱流状況（ｒｅｇｉｍｅ）内で処理が行なわれるのを確実にするように、動粘度は特定の範囲内になければならない。この状況では、処理される材料のサイズリダクションのための方法は、サイクロン性流体流の速度を変更することによって水頭損失を制御することにより制御することが可能である。例えば、これは、インペラファン速度を変更することによって果たすことができる。完全乱流領域では、この制御は不可能である。それゆえ、粘度改質剤の使用は、本方法が制御可能であるのを確実にするのに役立っている。
【０１４２】
実施例２
オーストラリア国ビクトリア州から供給された褐炭のサンプルを２つに分けた。一方のバッチは上記の装置を用いて調製した（そのバッチはこれ以降「サンプルＡ］と呼ばれる）。第２のバッチ（これ以降「サンプルＢ」と呼ばれる）は、ＡＳＴＭ  Ｄ２０１３−０７（分析用石炭サンプルを調製するための標準的技法）において記述されるような、業界標準の石炭調製粉砕法を用いて、乾燥及び粉砕した。
【０１４３】
双方の石炭サンプルに対してともに以下の分析を行った。
ａ）近似分析及び元素分析−水分、灰、揮発性物質、硫黄、塩素、総発熱量、真発熱量を測定する；
ｂ）粒径分析；
ｃ）固有反応性；及び
ｄ）走査型電子顕微鏡法−エネルギー分散型分光法（ＳＥＭ−ＥＤＸ）。
【０１４４】
上記の各分析及びその結果を以下に詳細に説明する。
【０１４５】
ａ）近似分析及び元素分析
近似分析は、標準規格ＡＳＴＭ（米国材料試験協会）Ｄ３１７２の方法を用いて実行し、元素分析はＡＳＴＭ  Ｄ３１７６を用いて実行した。サンプルＡ及びＢの近似分析及び元素分析の結果は、以下の表１に示される通りである。それらの結果は、高い含水率及び低い発熱量を含む、未処理のサンプルを用いた低品位炭素（褐炭）に特有である。サンプルＡはサンプルＢよりもはるかに乾燥していた。灰含有量は、サンプルＡの場合に著しく低く、揮発性物質のパーセンテージが高く、有益であることを実証した。サンプルＡは、著しく高い総発熱量及び真発熱量を実証しており、それにより、より効率的な燃焼、より良好な効率、さらには褐炭燃焼からの低い温室効果ガス放出がもたらされることになる。
【０１４６】
近似分析及び元素分析の結果が表１に与えられている。
【０１４７】
【表１】
2013508141.tif 000010
【０１４８】
ｂ）粒径分析
粒径分析は、マスターサイザー２０００粒径分析装置（マルバーンインスツルメンツ社）を用いて実行した。その分析のために用いた方法は、マルバーンインスツルメンツオペレーターズガイドにおいて記述されているような汎用分析モデルであった。
【０１４９】
２つのサンプルの粒径分布は著しく異なる。サンプルＡははるかに細かく、５０μｍよりも大きな粒子は僅かであった。いずれのサンプルも類似の粒子形態を含み、或る量の細長い粒子を有するが、大部分の粒子は２未満のアスペクト比を有していた。サンプルＡ及びサンプルＢのための粒径測定は、マルバーンレーザー回折粒径分析装置（マルバーンインスツルメンツＧｍｂＨ）を用いて得られ、その結果が図４及び図５のそれぞれに示されている。
【０１５０】
粒径測定の違いは、異なるプロファイルから直ちに明らかになり、図４のライン「Ａ」によってわかるように、サンプルＡは約１０μｍの平均粒径を中心にして単純、かつ均等な分布を示している。サンプルＢは、図５のライン「Ａ」によってわかるように、約１０μｍ及び７０μｍに複数のピークを有する二峰性粒径分布を示した。図４及び図５それぞれのライン「Ｂ」は、どの程度の材料が特定の粒径にあるかがわかるような、材料の累積パーセンテージを指している。
【０１５１】
ｄ５０、ｄ１０及びｄ９０値が以下の表２に示される。ｄ５０は平均粒径中央値と定義され、一方、ｄ１０粒径は、粒子のうちの１０％がより小さな直径を有する（それゆえ、残りの９０％はそれよりも粗い）直径である。それゆえ、ｄ９０の定義は、粒子のうちの９０％がより小さな直径を有し、残りの１０％がより粗い粒径である。
【０１５２】
【表２】
2013508141.tif 000011
【０１５３】
表２において得られた結果から、サンプルＡは結果としてサンプルＢに比べてはるかに小さな粒径分布を生成したことがわかる。また、サンプルＡの平均粒径もサンプルＢの平均粒径よりも小さく、サンプルの処理が良好であることを示している。
【０１５４】
ｃ）固有反応性
固有反応性は、石炭が酸素と反応することによっていかに容易に燃焼し、二酸化炭素ＣＯ２を形成するかに関する尺度である。本実施例では、これは熱重量分析（ＴＧＡ）によって測定した。この試験では、石炭の加重サンプルを一定の速度で空気中で加熱し（毎分１０℃）、減量速度を求め、それにより曲線を生成した。サンプルＡ及びＢのＴＧＡプロファイルが図６に示されている。
【０１５５】
サンプルＡは、サンプルＢよりも速く燃え尽きるように見え、約４００℃においてプロファイル内に著しいスパイクを生成した。サンプルＢのピーク温度及び燃焼完了温度はサンプルＡよりも著しく高い。ピーク温度は、最大の減量速度が生じる温度である。燃焼完了温度は、実質的に完全に燃え尽きたとみなされる温度であり、＜０．１％／ｍｉｎの減量速度によって定義されている。ピーク温度及び燃焼完了温度はいずれも、反応性の低下とともに上昇するであろう。
【０１５６】
図６に基づいて、サンプルＡがサンプルＢよりも良好な結果をもたらすことがわかる。石炭の反応性が高いことが実証されるので、より低いピーク温度及び燃焼完了温度を有することが好ましい。さらに、ピーク温度が低い結果として、石炭燃焼からのＮＯｘ放出が少なくなり、炭素内の灰含有率も減少することになる。
【０１５７】
ｄ）ＳＥＭ−ＥＤＸ分析
酸素に対する炭素の比を、ＳＥＭ−ＥＤＸ分析を用いて求めた。ＳＥＭ／ＥＤＸは、選択されたエリアの元素組成とともに表面の画像表現を提供するものである。この技法は、約０．１ｗｔ％までの元素に対して高感度であり、用いられる電子ビームのエネルギー及びサンプルの平均原子数に応じて、０．２ｍｍ〜８ｍｍの深度を厳密に検査することができる。本実施例では、ＳＥＭ−ＥＤＸ分析のために準拠したプロトコルは、MJ Walzak他「The Use of XPS, FTIR, SEM/EDX, Contact Angle, and AFM in the Characterization of Coatings」（Journal of Materials Engineering and Performance, 7(3):317-323, 1998）において記述されているのと同じであった。
【０１５８】
得られた結果が以下の表３に示される。
【０１５９】
【表３】
2013508141.tif 000012
【０１６０】
重量％は質量を基にしており、原子量％は原子量に基づいている。
【０１６１】
ＳＥＭ−ＥＤＸ分析から、２つのサンプル間で酸素に対する炭素の比に違いがあり、酸素の比率が高いほど、完全燃焼につながることが明らかである。
【０１６２】
実施例３
１６％の含水率を有する、オーストラリア国クイーンズランド州からのボーキサイト材料のサンプルを入手した。サンプルに粘度改質剤を加える効果を試験した。選択した粘度改質剤は、約５０℃の温度で加熱した空気、及び水のミストスプレーであった。周囲温度及び湿度はそれぞれ２６℃及び３０％であった。
【０１６３】
その後、熱を加えることによって試験を行ない、水分を加えることによって繰り返した。
１．基準試験、水も加熱もなし：サンプルの水分が７％まで減少した。
２．空気取入口に加熱した空気を加えた：サンプルの水分が９％まで減少した。
３．空気取入口にミストスプレーを加えた：サンプルの水分が４％まで減少した。
【０１６４】
実施例４
亜炭は、大きな分子を取り込む空所を有する、複雑で硬質の格子微細構造を形成するように配列される芳香環から主に構成されている。亜炭は大きな表面積、及び有機物質を容易に吸収する高い多孔率を有している。また、亜炭は、或る脂肪族含有率も有し、例えば、その表面は、パラフィンワックス、及び化学反応性の高い有機種からなっている。
【０１６５】
亜炭、他の石炭、コケ、土壌等において、フミン酸を含むフミン酸塩が自然に生じている。フミン酸塩は、複雑な濃縮された有機酸であり、直接の化学反応及び触媒性の微生物活動の組み合わせによって、炭化水素油を含む炭化水素材料を、脂肪酸、アミノ酸及び糖のような、より小さな有機分子に分解するものである。また、フミン酸塩は、食物連鎖に入ると、生物学的及び薬理学的特性も示している。これらの、より小さな分子は、亜炭及び油内に存在する固有の油脂消化バクテリアのための食物となっている。バクテリアは通常増殖するが、フミン酸塩及び窒素の存在によって繁殖が大きく促進されることになる。
【０１６６】
バクテリアは最終的には、存在する全ての炭化水素材料を消費することになる。しかしながら、このプロセスは、フミン酸塩活性を高めることによって大きく促進されるものである。また、そのプロセスは、大量の特定の油分解バクテリア（エンテロバクター・サカザキ等）を吸収媒体に加えることによって加速させることもできる。
【０１６７】
油浄化のために或るバクテリアが有用であることが知られている。しかしながら、それらのバクテリアは、塩水を嫌うことに起因して、海上への油流出の場合よりも、油によって汚染された陸地を浄化する場合により効果的である。亜炭及びコケのような、油吸収媒体は十分な量のフミン酸塩を自然に含むので、バクテリアを追加する必要はない。
【０１６８】
炭化水素の吸収プロセス、及び高められた生分解及び分解を通して、フミン酸塩が油汚染の浄化を促進できることは広く認められている。フミン酸塩は、自然有機炭素サイクルの成分であり、環境的に無害であると考えられている。フミン酸塩は、固有微生物の成長を刺激及び触媒することによって、バイオレメディエーションを開始及び促進し、その成長は炭化水素を消費し、炭化水素を有益な水生及び土壌系栄養素に変換する。フミン酸塩は環境の至る所において自然に発生するので、フミン酸塩に基づく浄化は大きな利点を有している。
【０１６９】
通常、油消費微生物は、生き延びるために水からの酸素を使用し、それにより「デッドゾーン」が生成される（デッドゾーンは、高濃度の窒素及び酸素の欠乏によって生成される）。しかしながら、フミン酸塩は窒素が存在する中で繁殖し、それにより炭化水素の分解中に酸素が生成され、酸素はその後、水中に放出されることになる。分解段階中に、酸素は放出され続けることになり、その結果として最終的に、油が糖、脂肪酸及びアミノ酸に変換されることになる。これらの物質は植物栄養素であり、分解プロセスの最終的な結果である。それらの物質は、その後、動植物によって生態系に再吸収される。
【０１７０】
有機酸が硬い細胞壁及び粘着物質を分解する機能を果たすので、フミン酸塩は炭化水素との化学反応性が極めて高い。これらの天然化合物は、生細胞の内液から自然に形成される。細胞が酸素不足に陥り死ぬとき、内液が有機酸に変化する。フミン酸塩は、これらの酸の濃縮形であり、油炭化水素と植物内の細胞構造とを区別することはできない。これらの物質が互いに接触するとき、酸が分解プロセスを開始する。
【０１７１】
それゆえ、水から炭化水素油を除去し、炭化水素油を栄養素に変換するための吸着材料としての亜炭の有効性を調査するために、実験が行なわれた。その材料の特性及びその毒性を評価するために、追加の実験も行なわれた。
【０１７２】
オーストラリア国ビクトリア州からの亜炭のサンプルを２つに分けた。一方のバッチは上記のような本発明の方法から調製した（このバッチは、これ以降「バッチＡ」と呼ばれる）。亜炭の第２のバッチ（これ以降、「バッチＢ」と呼ばれる）は、ＡＳＴＭ  Ｄ２０１３−０７（分析用石炭サンプルを調製するための標準的技法）において記述されているような、業界標準の石炭調製粉砕法を用いて、乾燥及び粉砕した。
【０１７３】
（ａ）〜（ｆ）の各実験で、室温及び通常の大気圧において実行した。
【０１７４】
（ａ）亜炭の水溶性の比較
バッチＡ及びバッチＢからの２０グラムの亜炭をそれぞれ、３００ｍＬの海水を含む別々の容器に加えた。その後、その混合物を撹拌した。
【０１７５】
バッチＡからの亜炭は撹拌の前後いずれも湿らすことができないことが観察された。さらに、その亜炭粒子は水面に浮かぶことがわかった。一方、バッチＢからの亜炭は水を吸収し、湿り（ｂｅｃａｍｅ ｗｅｔ）、その粒子は凝集し、容器の底に沈降することがわかった。
【０１７６】
それゆえ、標準的な石炭調製粉砕法を用いて乾燥及び粉砕され、親水性のままであった亜炭に対して、本発明の装置を用いて処理された亜炭は疎水性になったと結論付けることができる。
【０１７７】
バッチＡの亜炭のそのような変更された特性は、更なる応用形態にとって役に立つ可能性がある。例えば、バッチＡの亜炭粒子表面（それは著しく高い表面電荷を示す）の疎水性及び変更された特性は、亜炭から灰を効率的に除去することができる。細かい灰粒子は、細かい亜炭粒子とは異なる表面電荷を示し、当業者がわかっている静電集塵器又は磁気選別機を用いて実効的に除去することができる。
【０１７８】
亜炭粒子の均一な粒径分布及び疎水性は、界面活性剤を利用する標準的なフロス浮選法を用いて、灰を実効的に除去するのにも役に立つものである。亜炭粒子の類のない疎水性に起因して、フロス浮選法を用いて亜炭から灰粒子を分離するのに、極めて小さな濃度の界面活性剤しか必要としない。これらの方法は当業者には既知である。また、水及び界面活性剤を含むことになる混合物から灰及び亜炭を分離するために、遠心力を用いることもできる。亜炭の高い疎水性及び均一な粒径分布並びに小さな粒径は、当業者に既知であるこれらの方法を用いるときに、灰の除去率、及び亜炭の回収可能な量を高めることになる。
【０１７９】
灰分離の更なる例は、高速撹拌器において水混合物内の疎水性亜炭をよく混ぜ合わせることである。少量の油が加えられ、亜炭が油相の中に分離され、水相に灰が残される。その後、亜炭をろ過することができる。
【０１８０】
（ｂ）海水及び炭化水素油と混合されるときの吸収剤としての亜炭の比較
オーストラリア国からの１０ｇの中質炭化水素原油を３００ｍＬの海水を含む２つの別々の容器に加えた。バッチＡからの５ｇの亜炭を一方の容器に加え、バッチＢからの５ｇの亜炭を他方の容器に加えた。各容器内の混合物を撹拌した。
【０１８１】
数分以内に、バッチＡからの亜炭は融合し、油のように見えるペースト状の物質になったことが観察された。バッチＡの亜炭は油を吸収し始めた。約４０分後に、バッチＡからの亜炭はもはや、形成された新たな物質と見分けがつかなくなった。また、その亜炭は、油と同質であるように見えた。数時間後、その物質は球形体を形成し、油マトリックスから離脱し始め、その後、球形体は容器の底に沈降した。７２時間以内に、容器内の水は透明になり、油の存在は目に見えなかった。油は容器の底にある球形体内に封入されたように見えた。その容器からの混合物がろ過されたとき、球形体に触ると堅かった。その球形体は圧力をかけても油を濾し出さなかった。
【０１８２】
一方、バッチＢからの亜炭は、数時間撹拌しても、油をほとんど、又は全く吸収しないように見えた。粒子のうちの或る量は凝集し、底に沈降した。それでも、海水の表面上で油を見ることができた。容器からの混合物が取り出され、ろ過されたとき、バッチＢからの亜炭粒子は油を含まなかった。また、亜炭粒子を乾燥したとき、粒子の大部分は容器に最初に加えられたときと同じ粉末の形を成し、一方或る量の粒子は凝塊を形成した。
【０１８３】
それゆえ、バッチＡからの亜炭は実効的な吸収剤であると結論付けることができる。その亜炭は、吸収及び化学吸着によって、海水から油を除去した。油は、バッチＡの粒子内に含まれ、かつその粒子の表面に化学結合された。
【０１８４】
（ｃ）海水及び有毒な分散剤と混合されたときの吸収剤としての亜炭の比較
２５０ｍＬの海水が２つの別々の容器に加えられ、２０ｍＬの軽質スイート原油（ウエスト・テキサス・インターミディエート原油）と混合され、８００００ｐｐｍの濃度を得た。１ｍＬのコレキシットＥＣ９５２７Ａ（ナルコ）を、海水及び油の混合物に加えた。その後、容器を撹拌した。その後、バッチＡからの１５ｇの亜炭を一方の容器に加え、一方、バッチＢからの１５ｇの亜炭を他方の容器に加えた。その後、容器を再び撹拌した。９６時間後に、両方の容器内の混合物を、流体溶媒抽出処理を用いてろ過し、水から任意の残存油を抽出した。その後、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）を用いて、油濃度を求めた。
【０１８５】
コレキシットＥＣ９５２７Ａを水に加えて、海洋流出状態を再現した。この分散剤はプロピレングリコール、２−ブトキシエタノール及びジオクチルスルホコハク酸ナトリウムを含む。２−ブトキシエタノールは、１９８９年のエクソン・バルディーズ号原油流出浄化に従事した労働者が受けた健康問題において、思いがけない作用物質として特定された。
【０１８６】
バッチＡからの亜炭が数分以内に混合物を吸上及び吸収し始めたことが観察された。バッチＡからの亜炭を含む混合物の色は、より暗い色に変化し、その後、見掛けが油のようになった。その後、ペースト状の物質が形成され始めた。約４０分後に、バッチＡからの亜炭はもはや新たに形成された物質と見分けることができなくなり、その混合物と同質であるように見えた。数時間以内に、新たに形成された物質は球形体を形成し、油マトリックスから離脱し始めた。これらの球形体は容器の底に沈降した。９６時間以内に、容器内の水は透明になり、油の存在は目に見えなかった。油は容器の底に沈降した球形体内に封入されたように見えた。ＦＴＩＲ分析は、混合物の油濃度が５００ｐｐｍ未満であることを示した。
【０１８７】
一方、バッチＢからの亜炭は、数時間撹拌しても油を全く吸収しないように見えた。その亜炭は凝集し、容器の底に沈降したが、それでも油は海水の表面において見ることができた。ＦＴＩＲ分析は、サンプルの油濃度が７５０００ｐｐｍであることを示した。
【０１８８】
それゆえ、バッチＡからの亜炭を用いるとき、コレキシット分散剤が、油で汚染された海水から油を除去するのを妨げないと結論付けることができる。
【０１８９】
（ｄ）海水及び有毒な分散剤と混合されるときの吸収剤としての亜炭
２５０ｍＬの海水を容器に加え、２０ｍＬの軽質スイート原油（ウエスト・テキサス・インターミディエート原油）と混合し、１００００ｐｐｍの濃度を得た。１ｍＬのコレキシットＥＣ９５２７Ａ（ナルコ）を、海水及び油の混合物に加えた。その後、容器を撹拌した。その後、その混合物を、バッチＡからの亜炭を含む重力式ろ過カラムに通した。その後、その混合物を収集し、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）を用いて分析した。
【０１９０】
バッチＡからの亜炭が数分以内に混合物を吸上及び吸収し始めたことが観察された。その後、ペースト状の物質が形成され始めた。約４０分後に、バッチＡからの亜炭はもはや新たに形成された物質と見分けることができなくなり、その混合物と同質であるように見えた。数時間以内に、新たな形成された物質は球形体を形成し、油マトリックスから離脱し始めた。これらの球形体は容器の底に沈降した。９６時間以内に、容器内の水は透明になり、油の存在は目に見えなかった。油は容器の底に沈降した球形体内に封入されたように見えた。ＦＴＩＲ分析は、混合物の油濃度が２ｐｐｍ未満であることを示した。
【０１９１】
この実験は、本発明の装置及び／又は方法によって処理された亜炭を用いるときに、油で汚染された海水から、油とともにコレキシット分散剤も除去できるという以前の結果を裏づけた。
【０１９２】
（ｅ）原油内に見られる揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を吸着するための亜炭の表面特性及び孔特性の評価
油流出エリアに極めて近接しているときの労働者にとっての大きな懸念は、ＶＯＣに晒されることである。原油は、ベンゼン、キシレン及びトルエンのようなＶＯＣを含んでいる。これらのＶＯＣは、容易に気化することになる。しかしながら、ＶＯＣに晒されることによって、赤血球及び白血球細胞数の減少、頭痛、吐き気、眼科疾患及び神経学的副作用を引き起こす可能性がある。ベンゼンに晒されることと白血病との間の関連は立証されている。原油は、０．３％〜１％のベンゼンを含む可能性がある。
【０１９３】
バッチＡ及びバッチＢからの亜炭を、海水、コレキシットＥＣ９５２７Ａ（ナルコ）及び軽質スイート原油（ウエスト・テキサス・インターミディエート原油）を含む別々のフラスコに加えた。その後、各フラスコ内の混合物を、磁気撹拌器を用いて混合した。その後、混合物内に気泡が発生し、油からＶＯＣが放出された。その後、ＶＯＣは、活性炭を含む炭素サンプル管の中に吸着されるようにし、ガスクロマトグラフィによって分析した。その後、両方の炭素サンプル管をヘキサンを用いて脱着し、ガスクロマトグラフィによって分析した。ＶＯＣの濃度は、実験室基準においてピークエリアを用いて計算した。
【０１９４】
９０分以内に、バッチＡからの亜炭を含む混合物内のベンゼンレベルが、バッチＢからの亜炭を含む混合物に対して、９３％〜９５％の範囲内でＶＯＣの再現可能な低減を実証したことが観察された。
【０１９５】
（ｆ）亜炭内にフミン酸塩を含有することが吸着時に炭化水素油に及ぼす影響
バッチＡ及びバッチＢからの亜炭を、海水及び軽質スイート原油（ウエスト・テキサス・インターミディエート原油）を含む別々のフラスコに加えた。その後、各フラスコ内の混合物を、３分間撹拌した。その後、結果として生成されたペーストを海底沈殿物に加えた。その後、回収可能な石油炭化水素汚染物質の全量を求めるために、ブランク／シングル較正標準規格（ａ ｂｌａｎｋ ａｎｄ  ａ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｓｔａｎｄａｒｄ）によって較正された比濁法を用いて、各ペーストの炭化水素含有量を調べた。両方のペースト内の炭化水素含有量は２０００ｐｐｍであると特定された。その後、そのペーストを３５日間放置した後に、再び分析した。
【０１９６】
バッチＡからの亜炭を含むペースト内の回収可能な石油炭化水素汚染物質の全量は１８３ｐｐｍであると特定され、一方、バッチＢからの亜炭を含むペースト内の全量は１１５０ｐｐｍであると特定されたことが観察された。
【０１９７】
それゆえ、バッチＡからの亜炭は、直接の化学作用、微生物刺激及び触媒作用によって、炭化水素の割合を低減する予期せぬ能力を実証していると結論付けることができる。それは、炭化水素及び炭化水素油を分解する自然プロセスを著しく加速させるように見える。
【０１９８】
上記の実験（ａ）〜（ｆ）から、有機亜炭が本発明の任意の態様による方法にかけられるとき、亜炭の分子構造が変更され、粒子表面特性が変更されることがわかる。詳細には、亜炭の標準的に高い反応性の炭化水素豊富な表面が、より高い炭素質の表面に変換され、その改善された特性によって驚くべき速度で炭化水素及び炭化水素油が引き付けられ、吸収され、消費される。また、亜炭は、サイズリダクションの方法中に高いパーセンテージの水分が除去されることに起因して活性化する。また、標準的に親水性の亜炭は、疎水性の大きな表面積の粒子を形成する。疎水性亜炭は、油に対してはるかに大きな親和性を有し、炭化水素を吸収し、かつ水をはじく傾向が強いという点で、親油性でもある。
【０１９９】
本発明の方法を経た亜炭粒子は、本方法中に粒子から水分が除去されることから、結果として含水率が低くなるであろう。水分を除去する結果として、亜炭の多孔性の孔構造は拡大することになる。これにより、表面の化学的性質が改善され、表面積が大きくなることによって、亜炭は、接触している炭化水素を吸上作用によって迅速に吸収することができる。処理された亜炭粒子は高い保持率で油を封入し、圧縮しても濾し出すことができないほどである。
【０２００】
本発明の方法にかけられるときに亜炭粒子が経るプロセスの結果として、酸化反応が生じ、それにより、亜炭内に存在するフミン酸塩の量が急増することになる。フミン酸塩の主な機能は、有機物の分解、金属のキレート化、及び微生物活動の触媒をもたらしている。
【０２０１】
また、本発明の方法にかけられた亜炭は、中でも、鉛、カドミウム、クロム、コバルト、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛のような重金属、並びにセリウム、セシウム、ウラン及びストロンチウムのような放射性核種を除去するのに有用である。
【０２０２】
結論
粘度改質剤を加える結果として、材料がはるかに良好に小さくされ、かつはるかに狭い粒径分布を有することが実証された。また、サイズリダクションのプロセス中にそのサイズが小さくされることになる材料に粘度改質剤として水を加えると、乾燥した生成物において、予期せぬ、直観に反する結果が生じることも実証された。
【０２０３】
これらの効果は、サイクロンチャンバ内の流体の動粘度を変更することができる粘度改質剤を加える結果として、サイクロンチャンバ内の流動条件が改善されるという観点から説明することができる。結果としてレイノルズ数が最適化されることによって、そのサイズが小さくされることになる材料がサイクロン渦内に滞留する時間を長くできるようになり、その後に、材料を粉砕する剪断力により長く晒しておくことができ、それにより、そのサイズを小さくし、取り込まれている水分をより多く放出できるようになる。
【０２０４】
また、オゾン及び過酸化水素を含む、或る範囲の遊離基及び反応性気体化学種を生成するために、湿り空気の主成分をイオン化することが知られている。風砂及び砂塵嵐において生成される大きな電界が高エネルギーの電子を生成し、その電子が、いずれも強い酸化剤である、湿り空気からの過酸化水素及びオゾンの生成を触媒している。
【０２０５】
渦式処理システムに関連する従来技術において、摩擦電気による粒子の帯電に関する記述はこれまでにない。さらに、サイクロンチャンバ内で処理される材料の特性を改善するために、この効果を利用し、制御することに関する記述もない。
【０２０６】
プラズマは高い反応性の化学的環境であり、空気及び水蒸気を摩擦電気によって帯電し、その後にイオン化する結果として形成される過酸化水素及びオゾンはいずれも、サイクロンチャンバ内で処理される粒子の表面を化学的に変更するために用いることができる。さらに、空気及び水蒸気のイオン化を制御する際にレイノルズ数の最適化も用いることができる。サイクロンチャンバ内に反応性及び非反応性ガスを導入することもできる。
【０２０７】
例えば、上記の任意の実施形態において記述されるような装置及び／又は方法を用いて処理されるときに、亜炭の特性が都合良く変更される。亜炭は通常親水性が高いが、本発明の任意の態様による方法及び／又は装置によるサイズリダクションにかけられるときに、亜炭の最終的な生成物は疎水性が非常に高くなり、それはエネルギー産業において更なる処理を容易にするのに望ましい状態である。また、通常自然燃焼の傾向がある同じ材料が、本発明の任意の態様の装置によって処理された後に不活性化され、発火するのに発火源を必要とする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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