(57)【要約】【課題】経済的でかつ実用的な大規模工業的用途を可能にする、液体中に気泡を生成する装置および方法を提供する。【解決手段】槽内の液体中に気泡を生成する装置１は、回転可能な中空シャフト３が、槽内において水平方向に配置されている。中空シャフト３は、直径ｄ３ａを有する第１の中空シャフト３ａおよび直径ｄ３ｂを有する第２の中空シャフト３ｂを含む。第１の中空シャフト３ａが第２の中空シャフト３ｂの内部に配置されるようにｄ３ａ＜ｄ３ｂとされている。ガス発生ディスク４が、中空シャフト上に垂直方向に配置されている。圧縮ガスを回転可能な中空シャフト３の内部に供給する供給ライン２が、設けられている。圧縮ガスが、供給ライン２および中空シャフト３ａに液体担体なしで直接導入される。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
槽内の液体中に気泡を生成する装置（１）において、
−少なくとも１つの回転可能な中空シャフト（３）が、少なくとも１つの槽内において水平方向に配置されており、当該少なくとも１つの中空シャフト（３）は、直径ｄ３ａを有する少なくとも１つの第１の中空シャフト（３ａ）および直径ｄ３ｂを有する第２の中空シャフト（３ｂ）を含み、前記第１の中空シャフト（３ａ）が前記第２の中空シャフト（３ｂ）の内部に配置されるようにｄ３ａ＜ｄ３ｂとされており、
−少なくとも１つのガス発生ディスク（４）が、前記少なくとも１つの中空シャフト上に垂直方向に配置されており、
−少なくとも１種の圧縮ガスを前記少なくとも１つの回転可能な中空シャフト（３）の、より詳細には前記第１の回転可能な中空シャフト（３ａ）の内部に供給する少なくとも１つの供給ライン（２）が設けられており、前記圧縮ガスが、当該供給ライン（２）および前記中空シャフト（３ａ）に液体担体なしで直接導入される、
ことを特徴とする、装置（１）。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記少なくとも１つの第１の回転可能な中空シャフト（３ａ）が、ガス透過性材料、より詳細には多孔材料からなることを特徴とする、装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の装置において、互いに平行にかつ水平方向にオフセットして配置された少なくとも２つの回転可能な中空シャフトを備えており、当該少なくとも２つの回転可能な中空シャフトのそれぞれが少なくとも１つのガス発生ディスクを有することを特徴とする、装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の装置において、少なくとも２つの、極めて好ましくは少なくとも３つまたは４つ以上のガス発生ディスクが、前記少なくとも１つの回転可能な中空シャフト上に配置されていることを特徴とする、装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の装置において、１０〜１００個の、好ましくは１５〜５０個の、極めて好ましくは２０〜３０個のガス発生ディスクが、前記少なくとも１つの回転可能な中空シャフト上に配置されていることを特徴とする、装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の装置において、前記少なくとも１つの中空シャフトが、１０〜２５０ｒｐｍ、好ましくは１００〜２００ｒｐｍ、極めて好ましくは１５０〜１８０ｒｐｍの回転速度で回転可能であることを特徴とする、装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の装置において、前記少なくとも１種の圧縮ガスが、空気、ＣＯ２、Ｎ２、オゾン、メタンおよび天然ガスからなる群から選択されることを特徴とする、装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の装置において、前記少なくとも１つの回転可能な中空シャフト内でのガス圧が、１〜５ｂａｒ、好ましくは２〜３ｂａｒであることを特徴とする、装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の装置において、平均孔径が０．０５μｍ〜１０μｍ、好ましくは０．１μｍ〜５μｍ、極めて好ましくは２μｍ〜３μｍであるセラミック製のガス発生ディスクが、ガス発生ディスクとして使用されていることを特徴とする、装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の装置において、前記圧縮ガスのパルスを生成する少なくとも１つの装置が、前記少なくとも１つの供給ライン（２）内に設けられていることを特徴とする、装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置において、前記圧縮ガスにパルスを生成する前記少なくとも１つの装置が、周波数が５〜１５Ｈｚ、好ましくは７〜１３Ｈｚ、極めて好ましくは９〜１１Ｈｚである前記圧縮ガスのパルスを生成することを特徴とする、装置。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の装置において、パルスを生成する前記少なくとも１つの装置が、流体振動子、自動弁、より詳細には電磁弁および／または容積形圧縮機、より詳細にはピストン圧縮機であることを特徴とする、装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置を少なくとも１つ用いて、槽内の液体中に気泡を生成する方法であって、
−圧縮ガスを少なくとも１つの供給ライン（２）に導入する過程であって、前記圧縮ガスが前記供給ライン（２）に液体担体なしで直接送り込まれる、過程と、
−前記圧縮ガスを、前記少なくとも１つの水平方向に配置された回転可能な中空シャフト（３）の、より詳細には前記第１の回転可能な中空シャフトの内部に導入する過程であって、前記少なくとも１つの中空シャフト（３）が、１０〜２５０ｒｐｍ、好ましくは１００〜２００ｒｐｍ、極めて好ましくは１５０〜１８０ｒｐｍの回転速度で回転する、過程と、
−前記圧縮ガスを、前記水平方向に回転する中空シャフト（３）上に垂直方向に配置された少なくとも１つのガス発生ディスク（４）を介して前記液体中に導入して、気泡を生成する過程と、
を備える、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、前記液体中で生成される前記気泡の気泡寸法が、１μｍ〜２００μｍ、好ましくは２０μｍ〜８０μｍ、より詳細には４５μｍ〜５０μｍであることを特徴とする、方法。
【請求項１５】
請求項１３および１４に記載の方法において、少なくとも１つの供給ライン（２）に流れ込む前記ガスが、当該少なくとも１つの供給ライン内に配置された、パルスを生成する少なくとも１つの装置を用いて、周波数が５〜１５Ｈｚ、好ましくは７〜１３Ｈｚ、極めて好ましくは９〜１１Ｈｚの脈動を受けることを特徴とする、方法。
【請求項１６】
液体の、より詳細には水の浄化用のシステムであって、
−請求項１から１２のいずれか一項に記載の気泡を生成する装置を有する、少なくとも１つの槽と、
−前記気泡と混合された前記液体を受け入れる、浮選機の形態の少なくとも１つの槽であって、前記水に含まれる成分を分離する少なくとも１つのろ過ユニットを有する少なくとも１つの槽と、
を備える、システム。
【請求項１７】
請求項１６に記載のシステムを用いる水浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に記載されているように液体中に気泡を生成する装置、請求項１３に記載されているように装置を用いて液体中に気泡を生成する方法、請求項１６に記載されているように装置を備える水浄化用のシステム、および請求項１７に記載されているようにシステムを用いる水浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体中の気泡は、当該液体中にガスを溶解させるためなどといった多種多様な用途で必要とされる。液体中の気泡の用途分野であって、ますます関心を集めて重要となっている用途分野として、いわゆる浮上分離法による水や他の液体の浄化が挙げられる。
【０００３】
浮上分離法は、固液系または液液系の分離に用いられる重力分離法である。この手法では、空気などの気泡が生成され液相に導入されて、当該液相に含まれる例えば有機物、生物学的分解産物などの疎水性粒子が、同じく疎水性であるこれらの気泡に付着して、当該気泡により生じる浮力によって液面に上昇する。上記液相の液面ではこれらの凝集物が集合して汚泥層を形成し、当該汚泥層は機械的に容易に分離されることが可能である。
【０００４】
この場合、上昇するガスの、浄化対象の水からの疎水性粒子が付着し得る比表面積が大きければ大きいほど、浮上分離効果も大きくなる。したがって、バブルフロス（bubble froth, 白水とも称される）の形態の、気泡径が１０〜１００μｍである微小気泡を形成することが所望される。
【０００５】
微小気泡の形態のガスを浄化対象の液体に導入する手法は、既知のＤＡＦ（加圧浮上）法により与えられる。この手法では、液体中で高圧の溶解形態で存在するガスが浄化対象の液体に導入されると、当該浄化対象の液体内での圧力降下により、そのガスがμｍ範囲の気泡径を有する微小気泡の形態で解き放たれる。上記ＤＡＦ法は、高負荷排水からの、微細藻類や他の微小生物、油類、コロイド類、および他の有機粒子や無機粒子の極めて好適な分離を可能にするものの、高エネルギー消費を伴う飽和カラムを用いて上記液体中に空気を導入することから、比較的大量のエネルギーを必要とする。高温（３０℃超）および高塩分（３０，０００ｐｐｍ超）では、この手法は効率がますます低下するかまたは効率が全くなくなる。
【０００６】
上記ＤＡＦ法の高エネルギー消費を回避しながら微小気泡を液体中に導入するさらなる手法が、特に特許文献１に記載されている。この手法では、浄化対象の液体中へのガスの導入が、ガス発生メンブレンを介した直接注入により行われる。この場合、ガスが例えば圧縮空気ライン、ガスキャニスタ等から直接取り出され得るため、上記ＤＡＦ法で必要となる再循環流路や飽和カラムの必要性がない。
【０００７】
特許文献２では、排水中の不純物を分離するための微小気泡を生成するのにセラミック製ディスクが使用されて、当該セラミック製ディスクの平均孔径が０．０１μｍ〜０．０５μｍとされる。しかし、このような小さい孔径は、塩または汚泥を含む水が普通の水よりも比重または粘度が高く上記セラミック製ディスクの当該小さい孔を詰まらせてしまうことから、例えば塩水、汚泥を含む水などの高濃度に汚染された水等での使用時においては、実用的でない。孔径が小さければ小さいほど、浸漬された多孔質表面上で気泡を生成することが困難となり、つまり、この目的に必要とされるエネルギーが大きくなる。そのため、特許文献２に記載されたメンブレンおよび装置は、大規模工業的用途には経済的に適していない。
【０００８】
微小気泡の生成に用いられる他のアプローチが、特許文献３に記載されている。この場合、微小気泡の生成が発振によって行われる。同文献に記載された方法では、ラインに流れ込む圧縮ガスが、当該ガスラインの発振を伴うことなく発振させられる。当該発振は流体振動子により引き起こされるものであり、引き起こされる当該発振は、発生する気泡のうちの１０〜３０％が還流する（ガス還流となる）ように設定される。上記流体振動子により引き起こされる発振は１〜１００Ｈｚ、好ましくは５〜５０Ｈｚ、より好ましくは１０〜３０Ｈｚであり、このようにして形成される気泡の気泡径は０．１〜２ｍｍである。しかし、特許文献３に記載された装置では、大規模工業的用途向けの微小気泡（１００μｍ未満）の生成が可能でない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１６７３５８号
【特許文献２】国際公開第２００８／０１３３４９号
【特許文献３】欧州特許第２０８１６６６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、後述する本発明の目的は、液体中に気泡を生成する装置および方法であって、経済的でかつ実用的な大規模工業的用途、より詳細には排水または塩水の浄化でのそのような大規模工業的用途を可能にする装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的は、請求項１に記載の構成を備える装置により、および請求項１３に記載の方法により達成される。
【００１２】
これによれば、液体中に、より詳細には塩を含むおよび／または高濃度に汚染された液体中に気泡を生成する装置であって、少なくとも１つの槽内において水平方向に配置された少なくとも１つの回転可能な中空シャフトと、水平方向に回転可能な当該中空シャフト上に垂直方向に配置された少なくとも１つの、好ましくは少なくとも２つの、より詳細には少なくとも３つまたは４つ以上のガス発生ディスクと、少なくとも１種の圧縮ガスを前記少なくとも１つの回転可能な中空シャフトの内部に供給する少なくとも１つの供給ラインと、を備え、前記圧縮ガスが、前記供給ラインおよび前記中空シャフトに液体担体なしで直接送り込まれる、装置が提供される。
【００１３】
本発明では、前記少なくとも１つの中空シャフトが、直径ｄ３ａを有する少なくとも１つの第１の中空シャフトおよび直径ｄ３ｂを有する第２の中空シャフトを含み、前記第１の中空シャフトが前記第２の中空シャフトの内部に配置されるようにｄ３ａ＜ｄ３ｂとされている。つまり、前記中空シャフトは、一方が他方の内部に延在しているかまたは一方が他方に入れ子式に収容されている２つの（部分的な）中空シャフトで構成されており、大径の第２の（部分的な）中空シャフトの内部に小径の第１の（部分的な）中空シャフトが配置されている。内側および外側の中空シャフトの直径は、１０〜５０ｍｍ、例えば１０ｍｍ、２０ｍｍおよび／または４０ｍｍとされ得る。
【００１４】
好ましくは、前記圧縮ガスは、（小径の）前記第１の中空シャフトの内部に供給される。回転可能な（小径の）前記少なくとも１つの第１の中空シャフトがガス透過性材料（例えば、多孔材料等）からなるものであることで、当該（小径の）第１の中空シャフトの内部から前記ガスが、（大径の）前記第２の中空シャフトの内部に進入することが可能となる。
【００１５】
（小径の）前記第１の中空シャフトの材料のそのようなガス透過性は、様々な箇所に設けられているかまたは分布している孔径が１〜５ｍｍである孔により与えられ得る。材料におけるスリット、または（剛体の）メッシュを使用することも考えられ得る。
【００１６】
好ましくは、（小径の）前記第１の中空シャフトおよび（大径の）前記第２の中空シャフトは、金属材料または非金属材料からなる。これら双方の中空シャフトは、一体品として形成されたものであってもよい。
【００１７】
本発明で使用される前記中空シャフトは、一種の中空円筒として表されることが可能であり、内周面と外周面との間に空洞または中空塊が設けられていて、かつ、その内周面がガス透過性とされている。
【００１８】
本発明では、液体中に気泡、より詳細にはマイクロバブルを生成する装置が提供され、当該装置は、適切なガス発生ディスクを用いることによって気泡生成を可能にする。この目的のために前記圧縮ガスが、水平方向に取り付けられた前記回転可能な（内側の小径のおよび外側の大径の中空シャフトで構成される）中空シャフトに導入されて、例えばガス流路を有するセラミック製メンブレン等で構成された前記ガス発生ディスクを介して前記液体中に供給される。一方が他方の内部に延在している２つの中空シャフトを使用することにより、大径の前記中空シャフト内での圧力の一様なかつ対称的な分布が可能になる。これにより、前記ディスクにガスが対称的に供給されて、ガス発生対象の媒体中での一様な気泡生成が実現される。
【００１９】
前記セラミック製メンブレンの孔径は、後述するように、例えば、気泡寸法が４０〜６０μｍである気泡の形成を引き起こす２μｍとされる。前記中空シャフトおよび当該中空シャフト上に取り付けられたセラミック製ディスクの回転により、当該セラミック製ディスクから出る気泡にせん断力が働き、当該せん断力が当該気泡および泡沫の寸法に影響を及ぼす。また、このせん断力自体の強度は前記中空シャフトの回転速度に影響され、当該中空シャフトの回転速度は最大で２５０ｒｐｍとされ得る。
【００２０】
そして、前記液体に含まれる汚れ粒子（例えば、有機物、生物学的物質等）が、当該液体中に形成された泡沫の形態の前記気泡に付着して、対応する気泡凝集物の形態で当該液体の液面に上昇する。そして、結果として前記液体の液面に形成される固層は、機械的に分離されることが可能である。ガス発振と、前記供給ラインおよび中空シャフトへのガスの直接注入と、水平方向の前記中空シャフト上における前記ガス発生ディスクの垂直方向の配置との特殊な組合せにより、エネルギー的に好適に、つまり経済的に、微小気泡を生成することが可能であり、前記装置を大規模使用に適したものにしている。
【００２１】
本発明にかかる装置の一実施形態では、水平方向に回転可能な２つの中空シャフトが、互いに平行にかつ水平方向にオフセットして配置されている。当該中空シャフトのそれぞれは、少なくとも１つの、好ましくは少なくとも２つの、極めて好ましくは少なくとも３つまたは４つ以上のガス発生ディスクを有している。一般的に、１〜４個のみならず、１０〜１００個の、好ましくは１５〜５０個の、極めて好ましくは２０〜３０個のガス発生ディスクが前記少なくとも１つの中空シャフト上に配置されることも可能であり、考えられて、セラミック製ディスクの数は、必要なガス量により決まる。中空シャフト上に配置された前記セラミック製ディスク間の距離は、２ｃｍ以上とされる。
【００２２】
互いに平行にかつオフセットして配置された２つの水平方向のシャフトを備える装置を使用する場合、第１の中空シャフト上の少なくとも１つのガス発生ディスクは、平行にかつオフセットして第２の中空シャフト上に配置された少なくとも１つのガス発生ディスクと同じ方向に回転する。したがって、これらのガス発生ディスクは、オフセットして係合し合う。この場合、１８０°の位相ずれが存在する。ここで、本発明の意味における「オフセット」とは、前記中空シャフトが互いに横方向にまたは空間的にオフセットして配置されていることを意味する。つまり、これは、好ましくは、それぞれの前記中空シャフトのシャフト取付部またはシャフト軸受部が、水平面に沿って指定された距離だけ互いに偏位していることを意味する。つまり、前記ガス発生ディスク（一変形例では、それぞれの前記中空シャフト上に当該ガス発生ディスクが同一の様式で配置されている）は、前記中空シャフトのそのようなオフセット配置構成により互いに接触せずに、オフセットして係合し合う。しかしながら、前記装置の他の変形例では、個々の前記ガス発生ディスクの配置構成として、異なる配置構成が混在したものも考えられ、可能である。この場合、前記中空シャフトはそれぞれ互いに平行に配置されている（すなわち、それぞれの前記シャフト取付部が互いに平行である）が、前記ガス発生ディスクは、各々の当該中空シャフト上で決まった所定の構成で設けられず、各々の中空シャフト上に、それぞれの前記ガス供給ラインから当該中空シャフトへの各々異なる距離の箇所で配置されている。この距離は、前記ガス発生ディスクがオフセットして係合し合うことが可能であるように設定され得る。
【００２３】
本発明にかかる一変形例では、前記少なくとも１つの中空シャフトが、１０〜２５０ｒｐｍ、好ましくは１００〜２００ｒｐｍ、極めて好ましくは１５０〜１８０ｒｐｍの回転速度で回転する。互いに平行にかつオフセットして配置された２つの中空シャフトを使用する場合、より低速の回転、例えば５０〜１００ｒｐｍで十分であり得る。前記中空シャフトの回転速度（したがって、前記ガス発生ディスクの回転速度）ならびにガス量およびガス圧は、前記装置の動作中に、気泡形成の所望の度合い（すなわち、気泡の数および寸法ならびに当該気泡のオンライン（寿命））に応じて変更されることが可能である。
【００２４】
本発明にかかる装置のさらなる変形例では、導入される前記圧縮ガスが、空気、二酸化炭素、窒素、オゾン、メタンおよび天然ガスからなる群における少なくとも１種の圧縮ガスから選択される。具体的に述べると、メタンは、水圧破砕で蓄積する液体の浄化の場合などのように、液体から油類および気体を取り除くのに使用される。また、オゾンは、当該オゾンの酸化性および抗菌性により、水産養殖からの水の浄化に使用され得る。
【００２５】
前記圧縮ガスは、前記少なくとも１つの供給ラインに、そして前記少なくとも１つの中空シャフトに液体担体なしで直接導入される。つまり、前記圧縮ガスの注入が、ガスキャニスタなどのガス貯蔵部、または対応するガスラインから直接行われる。よって、前記ガスがＤＡＦの場合などに必要となる液体担体を必要としないので、再循環流路および飽和カラムの必要性がなくなり、ＤＡＦ再循環流路内で高い圧力レベルを達成するための圧縮エネルギーも必要でない。圧縮ガスを液体担体なしで直接注入することのさらなる利点として、マイクロバブルを簡単にかつ低エネルギーで生成できる点が挙げられる。
【００２６】
前記少なくとも１つの中空シャフトに導入される前記ガスのガス圧は、１〜５ｂａｒ、好ましくは２〜３ｂａｒである。当該中空シャフト内をこの圧力レベルに到達させるために、前記少なくとも１種の圧縮ガスが、５〜１０ｂａｒの圧力で前記ガス供給ラインに供給される。好ましくは、前記中空シャフト内の圧力プロファイルは一定である。
【００２７】
本発明にかかる装置のさらなる実施形態では、好ましくは、前記少なくとも１つのガス発生ディスクが、平均孔径が０．０５μｍ〜１０μｍ、より好ましくは０．１〜５μｍ、極めて好ましくは２〜３μｍであるセラミック系材料からなる。
【００２８】
前記ガス発生ディスクまたはガス発生メンブレンを介して前記液体中に導入される前記気泡の平均気泡径は、１０μｍ〜２００μｍ、好ましくは２０μｍ〜１００μｍ、極めて好ましくは３０〜８０μｍ、最も極めて好ましくは５０μｍであり得る。具体的に述べると、前記ガス発生メンブレンまたはガス発生ディスクでの気泡生成は、適切なガス体積流量およびガス圧に影響され得る。圧力が高ければ高いほど、生成される気泡の数および寸法も増加する。本発明の場合、指定された流量が果たす役割は副次的なものに過ぎない。
【００２９】
前記ガス発生ディスクの外径は、１００〜５００ｍｍ、好ましくは１５０〜３５０ｍｍである。セラミック、より詳細には酸化アルミニウムα−Ａｌ２Ｏ３が、前記ガス発生ディスク用の極めて適切な材料であることが明らかになっている。しかしながら、炭化ケイ素、酸化ジルコニウムなどの他のセラミック酸化物および非酸化物も使用されることが可能である。
【００３０】
前記セラミック製ディスクは、少なくとも１つの領域（挟持領域）で前記中空シャフト上に挟持され得て、かつ、同時に当該挟持によって任意の所望の材料からなるシールで密封される。前記少なくとも１つの挟持領域のそれぞれは、２つのエンドピースにより画定される。好ましくは、前記セラミック製ディスクは、金属材料または非金属材料からなる連結ピース（スペーサ）によって互いに離間されて、かつ、相異なる長さまたは寸法を有し得る。このとき、中空シャフト、エンドピース、連結ピースおよびセラミック製ディスクで構成される本発明にかかる構造体は、回転可能である。
【００３１】
本発明にかかる装置のさらなる変形例では、前記少なくとも１つの中空シャフトが、Ｖ２Ａ、４ＶＡ、二相材料、スーパー二相材料などのステンレス鋼、またはプラスチック系材料から作製されたものである。前記中空シャフトの全体的な直径は、１０〜５０ｍｍとされる。
【００３２】
前記少なくとも１つの中空シャフトのそれぞれは、既述したように、対応する軸受を有する２つのシャフト取付部で配置される。前記圧縮ガスを前記中空シャフトに供給する前記少なくとも１つの供給ラインは、前記中空シャフトのうちの一つの側にまたは一つの端部に設けられて、当該中空シャフトの回転のための対応するモータが、当該中空シャフトのうちの前記ガスの前記供給ラインとは反対側に位置する端部に配置されて例えば駆動軸を介して接続される。中空シャフトを駆動するこのようなモータは既知であり、当該系のサイズに応じて様々なモータが選択され得る。
【００３３】
本発明にかかる装置のさらなる実施形態では、前記圧縮ガスのパルス（脈動）を生成する少なくとも１つの装置が、前記少なくとも１つの供給ライン内に設けられている。パルスを生成するこの装置は、周波数が５〜１５Ｈｚ、好ましくは７〜１３Ｈｚ、極めて好ましくは９〜１１Ｈｚである前記圧縮ガスのパルスを生成するものとされ得る。本発明にかかる装置において前記気泡を生成するのに脈動(pulsating)（または揺動(oscillating)）ガスを使用することにより、エネルギー要件も必要なガス圧も減少させることができる。
【００３４】
本発明にかかる装置の一変形例では、パルスを生成する前記少なくとも１つの装置が、流体振動子、電磁弁などの形態の自動弁、および／または、ピストン圧縮機などの形態の容積形圧縮機である。一般的に、前記供給ライン内の前記圧縮ガスの前記パルスが、脈動圧縮空気の形態で生成されることも可能である。
【００３５】
本発明にかかる装置のさらなる実施形態では、パルスを生成する前記装置が、各パルスにおいて、１０％未満で好ましくは９％超、または、３０％超で好ましくは３５％超のガス還流を発生させる。
【００３６】
既述したように、前記圧縮ガスのパルス周波数（より詳細には、発振周波数）としては９〜１１Ｈｚが極めて好ましい。というのも、この周波数で、平均気泡径が約５０μｍであるマイクロバブルが生成されるからである。対照的に、１０Ｈｚを超える高周波数（例えば、１５Ｈｚ）では、低周波数のときよりも気泡径が大きくなる。
【００３７】
他方で、発振周波数が印加されない場合、生成される気泡径はせいぜい６０μｍであるかまたは６０μｍ超となる。
【００３８】
本発明にかかる装置は、槽内の液体中に気泡を生成する方法に使用される。当該方法は、
−圧縮ガスを少なくとも１つの供給ラインに導入する過程であって、前記圧縮ガスが前記供給ラインに液体担体なしで直接導入される、過程と、
−前記圧縮ガスを、水平方向に配置された回転する少なくとも１つの中空シャフト、より詳細には回転可能な前記第１の中空シャフトに導入する過程であって、前記少なくとも１つの中空シャフトが、１０〜２５０ｒｐｍ、好ましくは１００〜２００ｒｐｍ、極めて好ましくは１５０〜１８０ｒｐｍの回転速度で回転する、過程と、
−前記圧縮ガスを前記液体中に、水平方向に回転する前記中空シャフト上に垂直方向に配置された少なくとも１つのガス発生ディスクを介して気泡を生成しながら導入する過程と、
を備える。
【００３９】
本発明にかかる方法により、前記液体中に、気泡寸法が１μｍ〜２００μｍ、好ましくは２０μｍ〜１００μｍ、極めて好ましくは３０〜８９μｍ、最も極めて好ましくは４５μｍ〜５０μｍである気泡を生成することが可能である。
【００４０】
好ましい一変形例では、気泡を生成する本発明にかかる装置が、液体（好ましくは、水）浄化用の、より詳細には塩水、汚泥を含む排水または他の汚染された液体の浄化または予備浄化用のシステムに使用される。
【００４１】
液体（例えば、水等）浄化用のこのようなシステムは、気泡を生成する前述した装置を有する少なくとも１つの槽と、気泡と混合された少なくとも１種の前記液体を受け入れる少なくとも１つの槽（浮選機(flotation cell)）であって、前記液体に含まれる有機成分を分離する少なくとも１つのろ過ユニットを有する少なくとも１つの槽（浮選機）と、を備える。
【００４２】
本発明にかかる配置構成の一変形例では、浄化対象の前記液体を受け入れてかつ当該液体に含まれる成分の凝集のための少なくとも１種の凝集剤を受け入れる少なくとも１つの凝集ユニットが、気泡を生成する前記装置を有する前記槽の上流に設置され得る。
【００４３】
本発明にかかるシステムのさらなる変形例において、前記少なくとも１つの凝集ユニットと、気泡を生成する少なくとも１つの前記装置と、前記少なくとも１つのろ過ユニットを有する前記少なくとも１つの槽（浮選機）とは、互いに流体連通することによって前記凝集剤と混合される前記液体が前記凝集ユニットから気泡を生成する前記装置にかつこの装置から前記ろ過ユニットを有する前記槽（浮選機）に輸送されることが可能であるように互いに接続されたものとされ得る。
【００４４】
前記凝集ユニットは、他の槽から切り離された個別のユニットとして構成され得るか、あるいは、さらなる槽と一体的に接続されたものとされ得る。適切な凝集剤（例えば、ＦｅＣｌ３などのＦｅ３＋塩、Ａｌ３＋塩等）が、浄化対象の前記液体（例えば、浄化対象の水等）に導入され得て、かつ、任意で、攪拌器を用いて当該液体と徹底的に混合され得る。好ましくは、そして、前記凝集ユニット内で前記凝集剤と混合された前記液体が、気泡を生成する前記装置を用いる前記少なくとも１つの槽に液体流の形態で輸送されて、この槽内で当該液体流が、気泡を生成する前記装置を用いて導入された気泡と混合される。
【００４５】
そして、この過程で生成された、気泡と凝集された有機成分との凝集物が、前記少なくとも１つのろ過ユニットを有するさらなる槽（浮選機）に供給されて、当該浮選機内においてそれら気泡凝集物および凝集された有機成分が前記液体の液面に上昇してそこで集合し、機械的に分離される。そして、このようにして大部分の有機成分から分離された液体が、前記浮選機の底面に配置された前記ろ過ユニットにより引き抜かれて、さらなる処理工程に供給される。つまり、本発明にかかるシステムの一実施形態では、前記浮選機内の前記少なくとも１つのろ過ユニットが、液面に上昇した凝集された有機成分により形成される層よりも下に配置されている。極めて好ましくは、前記少なくとも１つのろ過ユニットは、前記浮選機の底に配置されておりかつこれにより当該浮選機の液体領域内に浸漬して設けられている。
【００４６】
具体的に述べると、前記ろ過ユニットは、前記槽（浮選機）に適合化された角胴形である。好ましくは、前記ろ過ユニットの長さは、前記浮選機の長さの０．５〜０．８倍、極めて好ましくは０．６倍に相当する。好ましくは、前記ろ過ユニットの幅は、前記浮選機の幅の０．６〜０．９倍、極めて好ましくは０．８倍に相当する。つまり、前記ろ過ユニットは、前記浮選機の全幅にわたって延在するのではなく、前記浮選機の側壁から短い距離だけ隔てられて存在する。好ましくは、前記ろ過ユニットの高さは、前記槽（浮選機）の高さの０．１〜０．９倍、より好ましくは０．６〜０．７倍の範囲内であるように構成されている。当然ながら、使用される前記ろ過ユニットの他の寸法も考えられ得る。
【００４７】
好ましい一実施形態では、前記少なくとも１つのろ過ユニットが、セラミック製ろ過膜の形態で、より詳細にはセラミック製精密ろ過膜またはセラミック製限外ろ過膜の形態で存在している。このようなセラミック製ろ過膜は、高い耐薬品性および長い寿命を示す。セラミック製ろ過膜は、さらに、水透過性であり、かつ、高分子製膜よりも高い親水性を示すのでファウリング(fouling)になりにくい。セラミック製ろ過膜は、機械的安定性を有するのでプレスクリーニング(prescreening)を必要としない。平均孔径が２０ｎｍ〜５００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜３００ｎｍ、極めて好ましくは２００ｎｍである膜モジュールが極めて好適であることが明らかになっている。好適に使用される前記ろ過膜モジュールは、複数のプレート、単一もしくは複数のチューブ、または他の幾何学的形状で構成され得る。極めて好適なセラミック系材料は、α−Ａｌ２Ｏ３の形態の酸化アルミニウムであることが明らかになっているが、炭化ケイ素(silicon dicarbide)、酸化ジルコニウムなどの他のセラミック酸化物や非酸化物が前記ろ過ユニットに使用されてもよい。
【００４８】
好ましいさらなる実施形態では、前記システム、具体的には前記浮選機が、前記少なくとも１つのろ過ユニットを適切にエアレーションするための、当該ろ過ユニットのエアレーション手段を備える。好適なエアレーション手段は、例えば、多孔ホースの形態であり得る。前記エアレーション手段には、前記ろ過ユニットの表面に高いせん断力を印加することによって前記膜の表面におけるファウリングを防止または抑制するように空気が供給され得る。前記ろ過ユニットのファウリングの防止または抑制に用いられるさらなる手法として、無機ファウリングを防止するための、クエン酸などの適切な化学物質を用いた処理、あるいは、例えば生物ファウリングを抑制するため等の、塩酸ナトリウムなどの適切な酸化剤を用いた処理が挙げられる。
【００４９】
したがって、前述したシステムは、液体浄化方法、より詳細には水浄化方法、例えば、塩水の浄化または予備浄化方法等に使用され得る。このような方法は、
−任意で、浄化対象の前記液体を少なくとも１つの凝集ユニットに導入しかつ少なくとも１種の凝集剤を当該浄化対象の液体に、当該液体中に存在する成分（例えば、有機成分等）を凝集させるように添加する過程と、
−前記液体（任意で、少なくとも１種の凝集剤と混合された前記液体）を、気泡を生成する装置を有する、下流に配置された少なくとも１つの槽に輸送し、当該液体（任意で、前記凝集剤と混合された当該液体）をこの槽内に導入された前記気泡に、気泡凝集物、より詳細にはフレーク−ガスマイクロバブル凝集物を形成するように接触させる過程と、
−前記気泡（および任意の前記凝集剤）と混合された前記液体を、浮選機に輸送する過程であって、当該浮選機の液面に上昇した前記気泡凝集物が分離される、過程と、
−前記気泡凝集物を含まない前記液体を、前記浮選機内に配置された前記少なくとも１つのろ過ユニットにより引き抜く過程と、
−前記ろ過ユニットにより引き抜かれた前記液体を、さらなる処理工程に供給する過程と、
を備える。
【００５０】
つまり、本発明にかかる方法は、単一の装置ユニット内での、中空シャフト上に垂直方向に配置されたガス発生ディスクを用いた気泡生成と、マイクロ浮上分離法(microflotation)と、膜ろ過とからなるハイブリッドプロセスを構成している。
【００５１】
以下では、本発明のさらなる詳細について、図面を参照しながら図面の例を用いて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１Ａ】一実施形態における、液体中に気泡を生成する装置を示す第１の概略側面図である。
【図１Ｂ】一実施形態における、液体中に気泡を生成する装置を示す第２の概略側面図である。
【図２Ａ】第２の実施形態における、互いに平行にかつオフセットして配置された、複数のガス発生ディスクを有する２つの中空シャフトを示す概略図である。
【図２Ｂ】回転するガス発生ディスクを示す概略側面図である。
【図３】気泡を生成する装置を備える、液体浄化用のシステムを示す概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
図１Ａには、気泡を生成する本発明にかかる装置の第１の実施形態の全体構造が描かれている。
【００５４】
図１Ａの側面図は、圧縮ガスを供給する供給ライン２と中空シャフト３とを備える装置１を示す図である。前記圧縮ガスは中空シャフト３を介して、ガス発生ディスク４にさらに導入される。
【００５５】
図１Ａに示す実施形態では、前記中空シャフト上に、セラミック系材料の４つの円状のガス発生ディスクが配置されている。これらのセラミック製ディスクは酸化アルミニウムからなるものであり、外径は１５２ｍｍでかつ内径は２５．５ｍｍである。当該メンブレンの表面積は０．０３６ｍ２であり、かつ、当該ガス発生ディスクの孔径は２μｍの範囲内である。前記ガスが、中空シャフト３からセラミック製ディスク４の中空空間に導入されて、当該中空空間の内側から当該セラミック系材料における孔を通って、当該ガス発生ディスクを有する前記中空シャフトの周囲にかつ当該中空シャフトの上に供給された浄化対象の液体中を通り、気泡寸法が約４５〜約５０μｍであるマイクロバブルを形成する。ガス発生ディスク４は、ステンレス鋼製のまたはプラスチック製の締結具によって前記中空シャフト上に配置されている。これらガス発生ディスク同士の距離は、適宜設定されてよい。
【００５６】
中空シャフト３のうちの、ガス供給ライン２とは反対側の端部には、当該中空シャフトを動かすための適切な装置が設けられている。この装置は、対応する回転運動を複数のギヤを介して当該中空シャフトに伝達するモータの形態で設けられ得る。
【００５７】
図１Ｂに示す実施形態は、中空シャフト３の構造を描いたものである。中空シャフト３は、一方が他方の内部に延在している２つの中空シャフト３ａ，３ｂで構成されており、大径の第２の中空シャフト３ｂの内部に小径の中空シャフト３ａが配置されている。この原理は、大径の中空シャフト３ｂ内において圧力の極めて一様なかつ対称的な分布を実現することを可能にする。これにより、セラミック製ディスク４にガスが対称的に供給されて、ガス発生対象の媒体中での一様な気泡生成が実現される。シャフト３ａ，３ｂは、金属材料または非金属材料から製作されたものであり得る。
【００５８】
セラミック製ディスク４は、少なくとも１つの挟持領域で前記シャフト上に挟持されており、かつ、同時にこの挟持によって任意の所望の材料からなるシールを用いて密封されている。前記少なくとも１つの挟持領域のそれぞれは、２つのエンドピース６により画定されている。
【００５９】
金属材料または非金属材料からなりかつ相異なる寸法であり得る連結ピース５が、セラミック製ディスク４間のスペーサとして使用されている。中空シャフト３ａ，３ｂ、エンドピース６、連結ピース５およびセラミック製ディスク４で構成される装置全体が回転しなければならないことが重要である。
【００６０】
前記シャフトの回転運動のための駆動部７は、当該シャフト上に直接位置するものとされてもよいが、機械的な各種力方向転換手段（例えば、かさ歯車、９０°減速ギアボックス等）を介して駆動されるものとされてもよい。つまり、前記シャフトの駆動部７は、ガス発生対象の媒体中に配置されることも、ガス発生対象の媒体外に配置されることも可能である。しかしながら、駆動部７は、既知のどのような種類の駆動部（例えば、電気式、液圧式、空気式の駆動部等）で提供されるものであってもよい。
【００６１】
シャフト３ａ，３ｂは、使用に適した各種種類の軸受（例えば、玉軸受、深溝玉軸受、針状ころ軸受、ころ軸受等）によって少なくとも２つの箇所で支持され得る。回転する前記シャフトへのガス導入２は、少なくとも１つのシールを介して行われる必要がある。当該少なくとも１つのシールは、ガス発生対象の媒体内に配置されることも、ガス発生対象の媒体外に配置されることも可能である。駆動部７と前記シャフトへのガス導入２とは、当該シャフト上のどのような所望の位置で構成されても（実行されても）よい。
【００６２】
図２Ａには、それぞれ４つのガス発生ディスクを有する２つの中空シャフトであって、互いに平行にかつオフセットして配置された２つの中空シャフトが描かれている。それぞれの当該中空シャフト上の前記ガス発生ディスクは、同じ方向に動き、かつ、水平方向にオフセットした配置構成によって係合し合う（図２Ｂ）。対応する前記ガス発生ディスクを有する２つの平行な中空シャフトのこのような配置構成は、大量のガスマイクロバブルの生成を可能にし、これによって異物（例えば、有機成分等）の付着に利用可能な気泡の広い表面積を提供することができる。つまり、浄化対象の液体からの疎水性の固体粒子が付着し得る広い比表面積が利用可能となるので、浄化対象の液体からの有機異物の浮上分離法による分離が可能となる。
【００６３】
既に詳述したように、気泡を生成する本発明にかかる装置は、さらに、一つのガス供給ライン２内に設けられた少なくとも１つの流体振動子を備えていてもよい。前記ガスを約９〜約１０Ｈｚで発振させることにより、４５〜５０μｍの気泡径が確保される。つまり、前記中空シャフト上に配置された前記ガス発生ディスクとの組合せにより、４５〜５０μｍの気泡寸法が確保される。
【００６４】
また、図３は、液体（より詳細には、水）浄化用のシステム２０を示す概略図である。システム２０は、前述した少なくとも１つの実施形態の、気泡を生成する装置を備える。図３のシステム２０の側面図には、浄化対象の水および前記凝集剤が導入された凝集ユニット１０が描かれている。浄化対象の水を例えば攪拌器を用いて前記凝集剤と混合した後、当該混合物が凝集ユニット１０から仕切り壁を通って、図１Ａの実施形態における４つのガス発生ディスクを有する少なくとも１つの中空シャフト２０ａが設けられているさらなる別の部位または槽２０に導入され得る。
【００６５】
本発明にかかる方法の実施例では、腐植物質と混合された排水が使用される。この場合、当該排水中の有機物の全含有量が、自然界で通常の生物学的分解により生じる腐植物質によりシミュレートされる。当該水に含まれる腐植物質の凝集には、沈殿剤としての三価イオンを含む含鉄物質および含アルミニウム物質が主に適している。本実施例の場合、ＦｅＣｌ３溶液が凝集剤として使用される。スタティックミキサ(static mixer)を用いて当該凝集剤を添加すると、凝集ユニット１０内において当該排水に含まれるフミン酸の凝集が、その凝集剤ＦｅＣｌ３によって発生する。
【００６６】
凝集ユニット１０を通過すると、ＦｅＣｌ３と混合された前記排水が当該凝集ユニット１０から、４つのガス発生ディスクを有する中空シャフトで構成されるガス発生装置を有する槽２０に、４００〜７００リットル／時の流量で導入される。
【００６７】
槽２０内ではガス発生装置２０ａによって空気が注入されることにより、凝集剤と混合され導入された前記水中において、マイクロバブルが直接形成される。前記ガス発生装置の前記ガス発生ディスクまたはガス発生プレートが１８０ｒｐｍの回転速度で同じ方向に回転することにより、１８０°の位相ずれが生じる。形成されたマイクロバブルがフレークに付着することによってフレーク−気泡凝集物を形成し、当該フレーク−気泡凝集物は当該方法のさらなる過程において、下流に設けられた浮選機３０に導入される。凝集された有機成分に前記マイクロバブルが付着することにより、このようにして形成された凝集物が当該浮選機内において、当該浮選機３０内に存在する液体の液面の方向に上昇して当該水の液面に固層を形成し、当該固層が例えばスクレーパ等を用いて機械的に分離される。浮選機３０内においてこの固層よりも下に、予備浄化された水が位置することになる。このようにして予備浄化された当該水が、浮選機３０内に配置されたろ過ユニット４０により適切なポンプを用いて引き抜かれて、さらなる処理（例えば、さらなる脱塩工程等）が適用可能となる。ろ過ユニット４０の表面のファウリングを防止するために、当該ろ過ユニット４０の表面に多孔ホースを介して空気が直接供給され得て、これにより当該ろ過ユニット４０の表面上の付着物を機械的に取り除く。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【国際調査報告】
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