(57)【要約】【課題】  気体の混入した気液混合流体の旋回流を形成する旋回流発生装置を液中に設置し、その旋回流を利用して設置された液中に極微細な気泡を発生させ、溶存酸素富化又は揮発性有機化合物の除去等を好適に行う気液接触装置の提供。【解決手段】  両端部に端板を有する円筒状の旋回流発生容器の円筒状部の接線方向に気液混合流体流入口と、下側端板の中央部に気液混合流体噴出開口と、前噴出開口は気液混合流体の移動方向における端板の中央部が最も狭く、流入側と流出側が広く、かつ該開口の気液混合流体移動方向の断面形状が前記最狭部から前記内部側及び外部側に向かって連続して拡大する曲線となっている旋回流発生装置を液中に設置し、循環配管を介して前記流体流入口に前記液を循環するポンプ及び前記のポンプの吸引側に気体を吸引する気体吸引管を設置した気液接触装置を用いて気液接触を行う。  【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端部に端板を有する円筒状の旋回流発生容器と、その円筒状部の接線方向に設けた気液混合流体流入口と、下側端板の中央部に設けられた気液混合流体噴出開口とを有し、前記流体噴出開口は、気液混合流体の移動方向における端板の中央部が最も狭く、流入側と流出側が広くなっており、かつ該開口の気液混合流体移動方向の断面形状が前記最狭部から前記内部側及び外部側に向かって連続して拡大する曲線となっている旋回流発生装置を液中に設置し、循環配管を介して前記流体流入口に前記液を循環するポンプ及び前記のポンプの吸引側に気体を吸引する気体吸引管を設置したことを特徴とする、流体旋回流を利用する気液接触装置。
【請求項２】
旋回流発生装置は、上側端板の中央部に、下側端板に設けられた気液混合流体噴出開口に向かって延びる液体用の吸引パイプを備える請求項１に記載の気液接触装置。
【請求項３】
旋回流発生装置の下側端板は、旋回流発生容器内側面が該容器の円筒状部壁から該流体噴出開口に向かって下降する傾斜面となっている請求項１又は２に記載の気液接触装置。
【請求項４】
気液混合流体流入口は、旋回流発生容器内に流入する気液混合流体が下向きに傾斜して流入するように配置されている請求項１、２又は３に記載の気液接触装置。
【請求項５】
気体の吸引量が、ポンプに吸引される液の６ｖｏｌ％以下である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の気液接触装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液混合流体の旋回流を形成する旋回流発生装置を液中に設置し、その旋回流を利用して設置された液中にて効率的に気液接触を行うことができる気液接触装置に関する。
より詳しくは、気体の混入した気液混合流体の旋回流を形成する旋回流発生装置を液中に設置し、その旋回流を利用して設置された液中に、その液を白濁させるほどの極微細な気泡を発生させる、溶存酸素富化、空気酸化促進による汚水浄化、オゾンの溶解、残留塩素除去、水中の脱酸素あるいは揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の除去等を好適に行うことができる気液接触装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
[先行技術文献]
【特許文献１】特開平１０−２３０１５０号公報
【特許文献２】特開２００３−２７５５５７公報  河川や湖沼の水浄化あるいは生活排水等の汚水の浄化を行う方法としては、古くから被処理液中の好気性微生物による生物酸化作用を利用することが行われており、その微生物の活性化のために被処理液中に空気の微細気泡を送り込むことも従前から行われている。  また、そのための微細気泡発生装置には、細孔を有する散気管、多孔板、あるいは回転翼等の各種構造のものが従前から利用されている。
【０００３】
前記した散気管あるいは多孔板を用いて気泡を発生させる装置では、気体は細孔を通過して液中に供給されるが、使用するにしたがって細孔は次第に狭くなり、ついには閉塞が起こり、気泡サイズのバラツキあるいは気泡発生率の低下が発生し、気泡の供給が不安定になり、また気泡発生量に制約もある。
さらに、攪拌作用が不充分であり限られた容量の処理液に対しては有効であるものの、湖沼等の大容量の液処理は不可能である。
【０００４】
また、攪拌翼等を用いる機械的方法による気泡発生装置は、回転する翼により導入された気体を細分化して、気液接触させ、気泡を発生するものであり、消費エネルギーが大きく、気泡サイズのバラツキも大きいという欠点がある。
このようなことで、本発明者らは、液体の旋回流を形成し、その旋回流により発生した負圧を利用して気体を吸引し、気泡発生するエアレータと呼称する気液接触器を提案した（特許文献１参照）。
【０００５】
この気液接触器は、両端部に端板を有する円筒状の旋回流発生容器内に、その円筒状部の接線方向から液体を流入させて、該旋回流発生容器の器壁に沿って旋回しながら液体中に噴出する流体噴出開口に向かう液体流が形成され（これを本明細書では旋回流という）、この旋回流により該容器内に負圧を発生させることにより気体を吸引するものであり、吸引した気体を該旋回流発生容器の吸引した側の端板とは反対側の端板に形成された前記開口から液体中に噴出することにより気泡を発生させ、気液接触を行うものである。
【０００６】
このエアレータでは、気体を吸引する駆動力は流動する液体であり、この流動液体の吸引力により気体が搬送されるものであるから、このエアレータには、駆動用の装置は特段必要はなく、しかも容器と配管のみであるから、構造は簡単でかつ小型にできる。
また、発生した気泡は、微細で均一であり、大量に発生させて水の浄化に使用した場合には、浄化性能を著しく向上させることができる。
本発明者らは、この気液接触器に関し、その特性を更に向上させるべく、その後も研究を継続しており、その結果、流体噴出開口の形状を図５に図示するような形状を採用することにより、エネルギー効率及び気泡発生効率が向上することを見出し、これについても既に特許出願した（特許文献２参照）。
【０００７】
この流体噴出開口の形状に関し、更に詳述すると以下のとおりである。
特許文献２において、流体噴出開口に関し流体の移動方向における中央部が最も狭く、流入側と流出側が広くすることによりエネルギー効率及び気泡発生効率が向上せしめることができることを提案した。
本発明者らが開発した、液体の旋回流により発生させた負圧を利用して気体を吸引して気液接触を行う気液接触器は、前記したとおり優れた特性を有するものではあるが、旋回流による気体の吸引量も多く、その結果気体の微細化が不十分なものとなっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明者等は、この旋回流を利用する気液接触の利点を活かしつつ、更に効率の高い気液接触を行うことができる気液接触装置を開発すべく鋭意研究開発に努め、その結果開発に成功したのが本発明である。
したがって、本発明は、気体を十分に極微細化することができる、液体の旋回流を利用する気液接触装置を提供することを発明の解決すべき課題とするものである。
すなわち、本発明は、気体の溶解効率が高く、効率的に気液を接触を行うことができる気液接触装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記課題を解決した流体旋回流を利用する気液接触装置を提供するものであり、その気液接触装置は、両端部に端板を有する円筒状の旋回流発生容器と、その円筒状部の接線方向に設けた気液混合流体流入口と、下側端板の中央部に設けられた気液混合流体噴出開口とを有し、前記流体噴出開口は、気液混合流体の移動方向における端板の中央部が最も狭く、流入側と流出側が広くなっており、かつ該開口の気液混合流体移動方向の断面形状が前記最狭部から前記内部側及び外部側に向かって連続して拡大する曲線となっている旋回流発生装置を液中に設置し、循環配管を介して前記流体流入口に前記液を循環するポンプ及び前記のポンプの吸引側に気体を吸引する気体吸引管を設置したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の気液接触装置では、気体は液体の旋回流により発生させた負圧を利用して吸引されるものではなく、それはポンプの吸引側で吸引され、吐出側に液体と共に移動して気液混合状態で旋回流発生装置内に供給され、流体噴出開口から噴出される。
その結果、本発明では、気体は、旋回流発生装置の流体噴出開口から放出した後には水槽内に存在する液を白濁化させるほど極微細化されることになる。
また、気体は、ポンプの吸引側で吸引されるものであるから、ポンプを正常作動させるためには上限があり、それは通常ポンプ中を通過する液体の６ｖｏｌ％以下である。
以上のとおりであるから、気体の吸引量は極めて少量であるが、発生する気泡の表面積の総和は極めて大きなものとなる。
その結果、本発明では、気体の溶解効率が高く効率的に気液接触を行うことができる。
【００１１】
そして、本発明では、旋回流発生装置を設置する液中に噴出する気液混合流体は、流体噴出開口を特殊な形状としており、その結果到達する水深も浅く、水平方向への移動距離も短く、そのため旋回流発生装置を容器内に設置して溶存酸素富化、ＶＯＣの除去等を行う場合にも大型で水深の深い大容量の容器を必要とすることもない。
また、流体噴出開口から噴出する流体が水平方向に均一に分散し、そのため液面が揺動することもないので、この点からしても気体の溶解効率が高く、効率的に気液接触を行うことができる。
【００１２】
例えば、液中に流体を噴出する開口としてノズルを使用した場合と対比すると液面の揺動がない。
また、本発明の気液接触装置による場合は、特許文献２で提案した気液接触器による場合、すなわち旋回流により旋回流発生容器内に負圧を発生させることにより気体を吸引し、気液接触を行う場合と対比すると、少ない窒素ガス量で水中の酸素を脱気することができる。
さらに、曝気により酸素を溶存させる場合には、特許文献２で提案した気液接触器による場合も、本発明気液接触装置による場合も、いずれも同程度の時間で飽和濃度に近い状態に到達するが、本発明気液接触装置による場合は、飽和濃度以上（約１３０％）に溶存させることができるのに対し、前記気液接触器による場合は、完全に飽和させるには時間を要し、それ以上に溶存させることは不可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、発明を実施するための最良の形態を含む本発明の実施の態様に関し図面に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によって特定されるものであることはいうまでもない。
図１は、本発明の気液接触装置１０を図示するものであり、その気液接触装置１０は、水中に配置された旋回流発生装置１を具備するものである。
この図示された気液接触装置１０では、旋回流発生装置１は水槽１１中に貯留されている水中に設置されており、この水槽中の水を取り出して旋回流発生装置１の気液混合流体流入管５に供給する循環配管１４、循環配管の途中に設置されているポンプ１２及びポンプの吸引側に設置されている気体吸引管１３を具備する。
【００１４】
その気液接触装置１０が具備する旋回流発生装置１は、その一例が図２に図示されており、両端部に端板を有する円筒状の旋回流発生容器と、その円筒状部２の接線方向に設けた気液混合流体流入管５と、下側端板４の中央部に設けられた気液混合流体噴出開口８とを有する。
その流体噴出開口８は、気液混合流体の移動方向における端板の中央部８ａが最も狭く、流入側８ｂと流出側８ｃが広くなっており、かつ該開口の気液混合流体移動方向の断面形状が前記最狭部から前記内部側及び外部側に向かって拡大する連続する曲線となっている。
【００１５】
この図示された本発明の気液接触装置１０に基づいて、その作動について溶存酸素富化処理を行う場合に関し示すと以下のとおりである。
水槽１１中の水は、ポンプ１２により吸引されて循環配管１４を介して旋回流発生装置１の気液混合流体流入管５から気液混合流体流入口６に供給され、旋回流発生装置１内で旋回流を形成して流下し、その気液混合流体噴出開口８から水槽内の水中に噴出する。
その際には、ポンプ１２において、吸引側に設置された気体吸引管１３から空気が吸引され、旋回流発生装置１には、空気が混入された気液混合流体が供給されるのであり、その気体吸引管７は決してポンプの吐出側ではなく吸引側に設置することが必要である。
【００１６】
本発明では、このようにすることにより気液混合流体噴出開口８から水槽１１内の液中に噴出した空気は、極度に微細化され、水槽中の液を白濁化させる。
この白濁化された後の液は、繰り返し旋回流発生装置１に循環供給され、繰り返し気液接触が行われ、その結果、酸素が飽和した水が形成されるだけでなく、過飽和となった水も形成できる。
この図示された本発明の気液接触装置１０に使用する旋回流発生装置１の下側端板４に形成される気液混合流体噴出開口８については、気液混合流体の移動方向における端板の中央部８ａが最も狭く、流入側８ｂと流出側８ｃが広くなっており、かつ該開口の気液混合流体移動方向の断面形状が前記最狭部から前記内部側及び外部側に向かって拡大する連続する曲線となっていれば特に制限されることなく使用可能である。
【００１７】
それに関しては、図２に典型的な構造を図示しており、その図によれば、最狭部は流体の移動方向に直行する方向に環状に細い線状で存在しているが、このような形状ではなく、図４のような幅のある帯状に存在する形状のものであってもよい。
また、旋回流発生装置の下側端板の構造に関しては、図３のように旋回流発生容器内側面が該容器の円筒状部壁から該流体噴出開口に向かって下降する傾斜面としてもよく、このようにすることにより旋回流発生装置内に流入した固体を円滑に排出することができる。
【００１８】
そして、旋回流発生装置としては、図５に図示された特許文献２で提案した気液接触器と同一構造のものも用いることができ、その場合には、上側端板３の中央部に設置されている気体吸引用であった吸引パイプ１５は、液体吸引用となる。
すなわち、吸引パイプ１５は、気体吸引用から液体吸引用に代え、水槽１１中の液体を吸引し、下側端板４に設けられた気液混合流体噴出開口から気液混合流体の一部分となって噴出し、旋回流発生装置が設置されている水槽中の液を補助的に循環撹拌でき、旋回流発生装置の駆動に伴う発生音を大きく低減することができる。
なお、その際には吸引パイプの旋回流発生装置外に位置する先端開口が水中に没しているようにすることが必要である。
【００１９】
また、円筒状の旋回流発生容器の円筒状部の接線方向に設ける気液混合流体流入口については、円筒状部に対して直交する方向（水平方向）で旋回流発生容器に取り付けることができるのは勿論であるが、図４のように下側に向かって傾斜した方向で取り付けることもできる。
さらに、気体を吸引するポンプについては、揚程２０ｍ程度以上の能力を有するものであれば特に制限されることなく各種ポンプが使用可能であり、それには、渦巻きポンプ、渦流ポンプあるいは水中ポンプ等が例示できる。
【００２０】
本発明の気液接触装置は、前記したとおり溶存酸素富化、空気酸化促進による汚水浄化、オゾンガスの溶解、残留塩素除去、水中の脱酸素あるいは揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の除去等を好適に利用することができるものであり、溶存酸素富化については、前記した通り処理対象水を旋回流発生装置に循環供給する際に、ポンプの吸引側に空気を吸引することにより水中に導入し溶存酸素を増加させるものである。その際の処理対象となる水は水槽中の水でもよいことは勿論であるが、池の水でもよい。
さらに、空気酸化促進による汚水浄化についても、処理対象の排水あるいは汚水等の水に前記溶存酸素富化の場合と同様に空気を導入することにより行うことができ、オゾンガスの溶解についても同様に水にオゾンガスを導入することにより行うことができる。
【００２１】
また、水中の脱酸素については、ポンプの吸引側に空気に代え窒素ガスあるいは炭酸ガス等の酸素非含有の気体を供給して、これを吸引し前記の場合と同様に旋回流発生装置に供給して処理対象水に導入する。
その結果、導入された酸素非含有気体の大部分は、処理対象水から揮散し、その際に酸素も同伴して揮散することになるので水中から酸素が分離でき、処理対象水を脱酸素化できる。
【００２２】
さらに、残留塩素除去あるいはＶＯＣの除去の場合にも、水中の脱酸素の場合と同様に行うことができる。
なお、その際に利用する吸引気体については、塩素あるいはＶＯＣ以外の非水溶性の気体であれば特に制限されることなく使用可能であるが、入手が容易で安価な空気、窒素ガスあるいは炭酸ガス等がよい。
【実施例１】
【００２３】
以下において、本発明の実施例及び比較例をあげて更に具体的に説明するが、本発明はこの実施例によって何等限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によって特定されるものであることはいうまでもない。
図１に図示された本発明の気液接触装置１０を用いて、その水槽１１中に貯留した、予めほとんど大部分の溶存酸素が除去された１ｍ3（同濃度０．６ｍｇ／Ｌ）の水に、気体吸引管１３から吸引した空気を供給して、酸素の溶解試験を行い、溶存酸素濃度の経時変化を測定した。
【００２４】
その際には、旋回流発生装置１は内径２００ｍｍ、ポンプ１２は定格３．７ｋＷの渦巻きポンプを用い定格運転した。
また、比較例として、旋回流発生装置１に代えて、前記旋回流発生装置と同一径の図５に図示されている特許文献２で提案した気液接触器を用いて吸引パイプ１５から空気を吸引し実施例１と同様に酸素の溶解試験を行い、溶存酸素濃度の経時変化を測定した。
なお、その際には、吸引パイプから空気が吸引できるように、該パイプ上端が水没することのないように前記気液接触器を水槽１１中に設置した。
【００２５】
それら溶解試験の結果は、図６に示すとおりである。
それによれば、本発明の場合も、比較例の場合も、溶存酸素はいずれも約１０分程度の経過時間で飽和濃度に近い状態に到達することがわかる。
しかしながら、本発明の気液接触装置による場合は、飽和濃度以上（約１３０％）に溶存させることができるのに対し、比較例の特許文献２で提案した気液接触器による場合は、完全に飽和させるには３０分程度の時間を要し、それ以上に溶存させることは不可能であることがわかる。
【００２６】
また、前記溶存酸素の除去は、図１に図示された気液接触装置１０を用いて、気体吸引管１３から空気に代えて窒素ガスを吸引することにより行い、それにより溶存酸素を前記濃度まで低下させることができた。
それに対して、比較例と同様に旋回流発生装置に代えて特許文献２で提案した気液接触器を用い、吸引パイプ１５から窒素ガスを吸引した場合は、溶存酸素を本発明による場合のように０．６ｍｇ／Ｌまで低下させることはできなかったし、窒素ガスの使用量が本発明の場合に比し膨大なものとなった。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の気液接触装置を図示する。
【図２】本発明の気液接触装置に使用する旋回流発生装置の１例を図示する。
【図３】本発明の気液接触装置に使用する旋回流発生装置の他の態様の例を図示する。
【図４】本発明の気液接触装置に使用する旋回流発生装置の更に他の態様の例を図示する。
【図５】特許文献２で提案した気液接触器を図示する。
【図６】本発明の実施例１の溶解試験の結果を図示する。
【付号の説明】
【００２８】
１      旋回流発生装置
２      円筒状部
３      上側端板
４      下側端板
５      気液混合流体流入管
６      気液混合流体流入口
８      流体噴出開口
８ａ    該開口の中央部
８ｂ    該開口の流入側
８ｃ    該開口の流出側
１０    気液接触装置
１１    水槽
１２    ポンプ
１３    気体吸引管
１４    循環配管
１５    吸引パイプ
【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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