(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子の比重の大小による沈降速度差を利用し、高比重粒子と低比重粒子を比重分離する粒子の比重分離方法において、粒子の沈降方向に振動を与え、粒子の比重、振動の周波数、振幅に応じて低比重粒子の沈降遅延を高比重粒子よりも大きくして、同速度で沈降する異比重粒子の粒径比である等速沈降比を拡大することを特徴とする粒子の比重分離方法。
【請求項２】
粒子の比重の大小による沈降速度差を利用し、高比重粒子と低比重粒子を比重分離する粒子の比重分離方法において、粒子の沈降方向に振動を与え、レイノルズ数を０．１より大きくするとともに、粒子の比重、振動の周波数、振幅に応じて低比重粒子の沈降遅延を高比重粒子よりも大きくして、同速度で沈降する異比重粒子の粒径比である等速沈降比を拡大することを特徴とする粒子の比重分離方法。
【請求項３】
上記異比重粒子を等速沈降比の粒径の範囲に予め粒径を揃えることを特徴とする請求項１又は２記載の粒子の比重分離方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉱業、各種産業分野の製造工程およびリサイクル工程等の各種産業分野に関し、特に懸濁液中の粒子の比重分離法に関し、特に沈降速度差を利用した粒子の比重分離における等速沈降比の拡大方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
比重の異なる２種以上の粒子に対し、水中での沈降速度差を利用して分離する装置（ジグ、テーブル、サイクロン等およびその改良装置）が産業分野の各所で利用されている。水中における粒子の沈降速度は、粒子の比重と粒径（投影断面積）の両方に依存することから、比重が大きく粒径が小さい粒子と、比重が小さく粒径が大きい粒子では、同じ速度で沈降するものが存在する。同速度で沈降する異比重粒子の粒径比を等速沈降比と呼ぶ。
【０００３】
沈降速度差を利用する全ての分離装置では、比重の大きな粒子（「高比重粒子」又は「重粒子」ともいう。）を下方に比重の小さな粒子（「低比重粒子」又は「軽粒子」ともいう。）を上方に集め分離を達成させるため、事前に等速沈降比内に粒度調整しなければ、軽粒子が下方に、あるいは重粒子が上方に混入して精度良く分離することができない。数ｍｍ〜数ｃｍ程度の粒子を分離する際には、比較的容易に粒度調整が可能であるが、数１００μｍ以下、特に５０μｍ以下の粒子を等速沈降比内に粒度調整することは、工業的には極めて困難である。
【０００４】
従来の微粒子用比重分離機は、遠心場を付与して粒子の沈降速度（移動速度）を増大させる仕組みが備わっているものが多い。しかし、遠心力は全ての粒子に同様に付与されるため、分離に要する時間の短縮はできるが、等速沈降比を変化させることはできない。したがって、従来技術では、特に多分散系（粒度幅の広い）微粒子の高精度な比重分離は不可能であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、沈降速度差を利用する比重分離方法において、比重分離前の粒度調整を不要、あるいはその負担を軽減するとともに、微粒子を比重分離する際の分離精度向上を可能にする異比重粒子の等速沈降比拡大法を実現する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、粒子の比重の大小による沈降速度差を利用し、高比重粒子と低比重粒子を比重分離する粒子の比重分離方法において、
粒子の沈降方向に振動を与え、粒子の比重、振動の周波数、振幅に応じて低比重粒子の沈降遅延を高比重粒子よりも大きくして、同速度で沈降する異比重粒子の粒径比である等速沈降比を拡大することを特徴とする粒子の比重分離方法を提供する。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するために、粒子の比重の大小による沈降速度差を利用し、高比重粒子と低比重粒子を比重分離する粒子の比重分離方法において、粒子の沈降方向に振動を与え、レイノルズ数を０．１より大きくするとともに、粒子の比重、振動の周波数、振幅に応じて低比重粒子の沈降遅延を高比重粒子よりも大きくして、同速度で沈降する異比重粒子の粒径比である等速沈降比を拡大することを特徴とする粒子の比重分離方法を提供する。
【０００８】
上記異比重粒子を、拡大した等速沈降比の粒径の範囲に予め粒径を揃えることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下説明する。まず、本発明の原理について説明する。種々の粒径を持つ高比重粒子と低比重粒子を水中に放つと、図１に示すように同じ粒径であれば高比重粒子が速く沈降し、同じ比重であれば粒径が大きい粒子が速く沈降する。これらの中には、異なる粒径を持つ高比重粒子と低比重粒子で同じ沈降速度を有するものが存在する。同一速度で沈降する高比重粒子の粒径Ａと、低比重粒子の粒径Ｂの比、Ｂ／Ａを等速沈降比と呼ぶ。
【００１０】
沈降速度差を利用した比重分離法は、原則として低比重粒子を上方で、高比重粒子を下方で回収する。図の点線を分離の境界と考えると、高比重粒子のうち粒径Ａより大きな物は、粒径Ａの粒子より沈降速度が速いためすべて下方で回収され、逆に軽比重粒子のうち粒径Ｂより小さな物は、粒径Ｂの粒子より沈降速度が遅いのですべて上方で回収される。
【００１１】
しかし、高比重粒子のうち粒径Ａより小さな径をもつ粒子ａは、低比重粒子とともに上方で回収されてしまい、同様に低比重粒子のうち粒径Ｂより大きな径をもつ粒子ｂは、高比重粒子とともに下方で回収されてしまうので、分離精度の低下を招く。
【００１２】
したがって、比重分離によって高比重粒子と低比重粒子に精度良く分離するためには、予め粒子群を粒径Ａ〜Ｂの範囲内に粒度調整しておかなければなければならい。言い換えれば、比重分離に供する粒子群の最大径と最小径の比を等速沈降比内に収めなければならない。すなわち、等速沈降比は、比重分離における適用粒度幅を意味する。
【００１３】
ところで、等速沈降比は、流体である水の流れの状態によってそれぞれ以下のような数式１及び数式２で表すことが一般化されている。
【００１４】
【数１】
0004012963.tif 000002
【００１５】
【数２】
0004012963.tif 000003
【００１６】
この数式１、２に従って考えると、比重４の粒子と比重２の粒子を水中で分離するとき、粒径１ｃｍの粒子は流れの状態がニュートン域となるので、等速沈降比は３となり、例えば粒径１〜３ｃｍの範囲に事前に粒度調整すればよく、これは容易に行うことが可能である。しかし、粒径２０μｍの粒子ではストークス域となり、等速沈降比は１．７３となる。
【００１７】
すなわち、この場合には例えば粒径２０〜３５μｍの範囲に粒度調整しければならず、工業的にこの範囲に粒度調整することは困難である。事実上５０μｍ以下の微粒子を高精度に分離することが不可能であった。このように微粒子の比重分離においては、等速沈降比を少しでも拡大することが分離精度の向上につながる。
【００１８】
一方、水中を沈降する１種の粒子に対し、鉛直方向に水を振動させると、図２に示すように、粒子の沈降速度の遅延が起きることは一般に知られている。本発明では、比重の異なる２種の粒子を同一の振動場に置いた際、粒径の大きな粒子の方が大きな流体抵抗を受け、粒径の小さな粒子に比べ沈降速度遅延の度合いが大となることを応用した方法である。その結果、静止流体中で等速度沈降する比重大・粒径小の粒子（重粒子）と比重小・粒径大の粒子（軽粒子）は、振動流体中では軽粒子の方が沈降速度の遅延が大きくなり、等速沈降比の拡大が起きる。
【００１９】
一方、流れの状態は、レイノルズ数によりニュートン域（レイノルズ数５００以上）、アレン域（レイノルズ数２〜５００）、ストークス域（レイノルズ数２以下）に分類される。従来の研究では、粒子が終末速度で沈降する際、粒子近傍の流体の流れがニュートン域に属するような、粒径数ｍｍ〜数ｃｍの粒子を対象とした沈降遅延しか検討されていない。さらに、レイノルズ数が小さくストークス域に属するような微粒子の沈降に対しては、沈降遅延がほとんど起きないとされてきた。
【００２０】
しかし、アレン域はもちろんのこと、微粒子に対して粒子沈降時のレイノルズ数が０．１を越えるような振動場におくといわゆるストークス域であるにもかかわらず、厳密にはストークスの式から僅かに逸脱するために沈降の遅延が起こる。
【００２１】
例えば、レイノルズ数が概ね０．２以上となるような振動（粒子の粒径、比重によるが、例えば、周波数５００Ｈｚ以上、振幅１００μｍ以上の正弦波あるいは方形波など。周波数を倍にすれば、振幅を半減させても概ね同様な振動場を与えることができる。）を水に与えると、いわゆるストークス域であるにもかかわらず、厳密にはストークスの式から僅かに逸脱するために沈降の遅延が起こる。
【００２２】
ニュートン域同様、重粒子に比べ軽粒子の方がこの遅延が大きくなるため、等速沈降比の拡大が起きる。等速沈降比拡大の度合いは、周波数、振幅の増大に伴う粒子近傍の流体のレイノルズ数増大とともに大きくなる。
【００２３】
本発明は、粒子の比重の大小による沈降速度差を利用し、高比重粒子と低比重粒子を比重分離する粒子の比重分離方法において、粒子の沈降方向に振動を与え、粒子の比重、振動の周波数、振幅に応じて低比重粒子の沈降遅延を重粒子よりも大きくして、同速度で沈降する異比重粒子の粒径比である等速沈降比を拡大することを特徴とする粒子の比重分離方法である。
【００２４】
この場合、粒子の沈降方向に振動を与え、レイノルズ数を少なくとも０．１より大きくする。このようにすると、予め等速沈降比の異比重粒子の異なる粒径の範囲を、広い範囲に揃え、広い範囲の粒径の粒子を比重分離の対象とすることができる。
【００２５】
要するに、本発明によれば、粒子の比重分離方法において、粒子の沈降方向に振動を与えることで、等速沈降比が拡大させて、粒子の比重分離を可能とする高比重粒子と低比重粒子の粒径比が大きくなるとともに、流れの状態がストークス領域となる微細な粒子領域の比重分離を可能とする、即ち粒子の比重分離方法において比重選別可能な対象粒径領域を広げることができる。
【００２６】
（実験）
これら等速沈降比拡大の検証は図３に示す実験装置により実施した。図３において、この実験装置１は、加振装置２と、加振装置２により加振されるガラスセル３と、測定処理装置４とを有する。
【００２７】
加振装置２は、徐振装置５と、徐振装置５の上に設けた加振機６とから成り、この加振機６により振動板７を介してガラスセル３内の水を上下方向に加振するものである。加振機６は、アンプ８を介してファンクションジェネレータ９に接続されている。
【００２８】
測定処理装置４は、ガラスセル３内に収容されている粒子の混合された水を拡大して検知し検知画像を撮影する顕微鏡１０（光学顕微鏡を利用する。）を備えた高速度カメラ１１と、高速度カメラ制御部１２と、高速度カメラ１１による画像信号を入力して粒子の挙動を測定するコンピュータ１３とから成る。さらに、高速度カメラ制御部１２は、モニター１４及びオシロスコープ１５に接続されている。
【００２９】
実験に際しては、ガラスセル３内に斜線部（半断面図で示す）のように水を満たし、ガラスセル３の上端の粒子投入部１６から、試料粒子の懸濁液を静かに投入する。ファンクションジェネレータ９により任意の周波数、振幅、波形の波を発生させ、これをアンプで増幅した後、その信号が加振機６に入力される。この信号に従って振動板７が上下に振動し、ガラスセル３内に満たされた水に振動場を生成させる。
【００３０】
水の振動場中を沈降する粒子の運動を、顕微鏡１０を介して高速度カメラ１１で撮影し、この撮影信号によって得られた撮像信号を制御用コンピュータ１３に入力して、粒子の沈降軌跡および沈降速度を測定する。
【００３１】
（実験例）
図４（ａ）（ｂ）に実験例の結果を示す。この実験例は、密度、粒度の異なる２種のガラスビーズ（懸濁液濃度０．１％）を、静止水中および周波数５００Ｈｚ、振幅１００μｍの正弦波振動した水中に投入した際の沈降軌跡を示したものである。
【００３２】
図４（ａ）（ｂ）に示す実験結果では、比重４．２と比重２．６の粒子では静止水中におけるストークス域の等速沈降比が１．４１であり、比重４．２、粒径２９．２μｍの重粒子に対しては、比重２．６、粒径４１．３μｍの軽粒子が等速で沈降する。
【００３３】
すなわち、粒径４１．３μｍ以上の軽粒子は、粒径２９．２μｍの重粒子より早く沈降するため、これらの混合粒子群を比重分離すると、これらはともに重粒子側（下方）に回収され静止水中では分離できない。
【００３４】
図４（ｂ）は、軽粒子として比重２．６、粒径４４．７μｍの粒子を用いた実験例であるが、この実験例の結果では、静止水中の沈降速度は１９１０μｍ／ｓとなり、重粒子の沈降速度１６４０μｍ／ｓよりも速く分離できないことを示している。
【００３５】
ここに振動場を与えると、粒子近傍の流体のレイノルズ数が大きくなり、ストークスの式から逸脱して沈降速度の遅延が起きる。このとき、粒径の大きな軽粒子の方がより大きな流体抵抗を受けるために、遅延の度合いも大きくなる。図の結果では、重粒子の沈降速度１４２０μｍ／ｓに対し、軽粒子は１２８０μｍ／ｓとなり、沈降速度の逆転が起きている。すなわち、静止水中では分離できない４４．７μｍの軽粒子が分離可能となることを示している。
【００３６】
この実験条件下で軽粒子が１４２０μｍ／ｓとなる粒径は４７．３μｍ程度と試算され、等速沈降比が１．４１から１．６２に拡大したことを意味する。この等速沈降比拡大は、振動の周波数が高く振幅が大きいほど、また分離対象の粒子の比重差が大きいほど顕著となる。また、水の変わりに他の粘性流体を用いても、その粘度に応じて静止流体中の沈降速度は異なるが、振動による等速沈降比の拡大は同様にして起きる。
【００３７】
以上、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は特にこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
以上の構成である本発明によれば、従来型比重分離装置において、粒子の沈降方向に振動場を与えれば、粒子の比重、振動の周波数、振幅に応じて軽粒子の沈降遅延が重粒子よりも大きくなり、等速沈降比が拡大して、事前の粒度調整の負担を不要あるいは軽減することが可能である。
【００３９】
特に、これまで比重分離することが困難であった５０μｍ以下の多分散微粒子に対しては、事前に十分な粒度調整が行えなくとも、振動場による等速沈降比の拡大により分離精度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】比重分離による等速沈降比の概念を説明する図である。
【図２】振動水による等速沈降比の拡大の概念を説明する図である。
【図３】本発明を実証する実験装置を説明する図である。
【図４】本発明の実験結果の一例を説明する図である。
【符号の説明】
１    実験装置
２    加振装置
４    測定処理装置
６    加振機
１０    顕微鏡
１１    高速度カメラ
１６    粒子投入部
【図１】
0004012963.tif 000004
【図２】
0004012963.tif 000005
【図３】
0004012963.tif 000006
【図４】
0004012963.tif 000007