(57)【要約】【課題】サンドオイルを抽出した後オイルを含む廃水を再利用まで浄化したいがその前にオイルを除去しないといけない。しかし処理時間、設備が大きな負担となっている。【解決の手段】オイル粒子を瞬間的に吸着し後で簡単に石油に戻せる極めて特殊な吸着体を用い、オイル生産現場のプラント間の送水管を調整するだけでオイルの分離が出来る連続水流の中かつ高速で行う装置を発明した。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般の送水管を用いてその流れ口及び流出口における平均流速と単位時間当たりの流量を連続的に一定の保ちながら油水分離を行うことを特徴とする前記連続水流における高速油水分離装置（以下本装置と称す）。
【請求項２】
前記送水管における流水は一定の流速度に対して最大の流量で流出口まで連続的に送水される条件で油水分離ができることを特徴とする前記請求項１の本装置。
【請求項３】
前記送水管の流入口から流出口の間にまたは最後に油またはオイルを吸着捕獲する目的で送水の貯水槽またはタンクなどの設備をせず、さらに途中で前記送水管の直径を大きく変更することなくまた途中で流速を上げるため外部からのエネルギー、例えばポンプなどによる追加加圧を行わないことを特徴とし、このような条件で油水の分離を同一の送水管内で完了できることを特徴とする前記請求項１の本装置。
【請求項４】
前記送水管内で廃水中の油またはオイルをＣ−吸着体で吸着捕獲することを特徴とする前記請求項１の本装置。
【請求項５】
前記Ｃ−吸着体がバルク内の気孔の有無に拘わらず吸着剤のバルク表面に連通していないものであることを特徴とする前記請求項４のＣ−吸着体
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、シェールオイル、サンドオイルのオイル生産工程で発生する廃水（以下  Ｐ−廃水と称す）に含まれるオイル、そのほか大量の油水分離において安価で高速処理が出来る装置および技術に関する。
【背景技術】
【０００２】シェールオイル或いはサンドオイルを採掘しオイルを抽出する工程では大量の水を使う。その水は他の不純物と一緒にオイルを含む廃水となる。ここでのオイルは、市販の石油（原油）とその成分が若干異なり、後で低炭素溶剤などを加え石油となるように調整するので、前記廃水のオイルと区別した。従ってこの廃水をＰ−廃水と呼ぶこととする。【０００３】Ｐ−廃水にはオイルを抽出した後の残留オイルのほかに有機、無機の不純物を含み、このままでは河川などへの放流もできない。
先ずオイルを分離する前処理を行い、河川へ放流できるまでの一次浄化、オイル採掘に再利用するための２次処理、農水や飲料水にするまでの３次処理と段階的に浄化する。【０００４】前記Ｐ−廃水に含まれるオイルは一般に０．１から１．０重量パーセントでこれを前処理段階で分離する、即ちこの前処理は一連のＰ−廃水処理の一部で、そのため処理の時間とコストを削減するため多くの研究開発が盛んに行われている。技術の基本はオイルとの物理的、化学的な反応に関すること、即ち処理素材で、その性質によっていかに機械的または流体力学的に効率を上げるかが追従される。
従って本発明に関しても、着目する素材について十分説明する必要がある。【０００５】Ｐ−廃水のオイル分離に使われる技術のカテゴリに大きく分けて２つがある。一つ目は浮上分離といって空気やガスを使う、もう一つは吸着材を使う技術である。その他に砂ろ過や生物分解などがあるがこれらは効率がわるいので補助的にしか使われていない。【０００６】既存技術である前記浮上分離は空気やガスが直接オイルと反応してオイルの流動を制御するものでないので機械的に流体力学的に種種の仕組みや方法が提案されている。しかしこれらはそれぞれ僅かな改良、進歩であって画期的進歩を期するものではない。
浮上分離における物理的な基本は、オイルの密度が０．８０から０．８９というので、所謂比重分離と意味が違い、この僅かな密度の差を利用する。空気などを送り込むのは気泡を伴いこの気泡の移動特性によってオイル付近においてオイルの相対密度を低下しながら流体流れのなかで分離することである。【０００７】浮上分離は流体の流れが予測できない、例えば海上の波のような、或いは激しい乱流の中では効力を発揮できない。またＰ−廃水にはエマルジョン状態の金属酸化物が含まれて、これはオイルを吸着するかオイル粒子に捕獲される。その場合はオイルと金属酸化物の塊の平均密度は大きくなる。結果的に浮上分離には時間が長くかかることと完全に分離するのは困難である。【０００８】吸着剤を利用する分離技術のカテゴリには吸着剤の種類によってさまざまなオイル分離装置が開発されている。【０００９】水中のオイルを吸着するものには、無機系としてシリカ、パーライト、トバモライト、炭素質の活性炭、石炭、炭などがある、有機吸着材としては樹脂系合成多孔体が多種開発されている。【００１０】前述の吸着剤はバルクに通じる気孔（連通孔）を有し、これが多いほど吸着容量が評価される。非特許文献１はナノ技術を使って高分子ナノ多孔体を開発し前記ｐ−廃水のオイル分離を含め、オイル生産に応用できると提案している。しかし水からオイルを分離することにおいて重要なことは、非定常条件での吸着速度と脱着によるオイルの回収と吸着剤のリサイクルである。バルク内の気孔は平衡吸着容量を増やすが吸着時間が長く脱着が難しい。さらに吸着の過程で水とオイルが競争吸着されると一旦吸着されたオイルが再リークする。
このような理由から特許文献２は非多孔で新油性の金属を考案して海上流出石油の回収を試みた。【００１１】前述のように従来形吸着剤を用いるＰ−廃水のようなオイル分離を行う装置は予め分離槽を設けそこに一定量の廃水を溜めて攪拌操作を行たり、特許文献３のようにプラスチックボールを吸着剤と一緒に入れ吸着時間を短縮する。これは吸着剤の吸着速度を上げることではなく水中においてオイルと吸着剤の衝突確率を高める意味である。このように水中では吸着剤そのものの吸着速度と流体の動力学と２つの要因が分離時間を決めるが決定的に重要なファクターは吸着剤の性質である。いずれにせよ従来形吸着剤を用いる限り、処理槽で水を溜めるという不連続操業とそこで１０分から２０分ほどの時間が掛かるのが一般的である。
【先行技術文献】
【００１２】
【非特許文献１】資源開発のための高性能オイル吸着材の開発、独立行政法人  物質、材料開発機構、２０１３年１０月
【特許文献２】特許第５２２９７６４号  、油水分離装置、海上技術安全研究所
【特許文献３】ＵＳ５，２２９，０１５号、
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】前記Ｐ−廃水のオイルを分離する上で、予め分離操作を行う槽を必要とせず流量速度を変えず連続的にオイルを分離しシェールオイルやサンドオイルの生産現場において廃水処理コストを大幅に削減する。そのためには瞬間吸着性のもの、又撥水性があって吸着したオイルが有効資源として簡単に回収でき尚吸着剤も簡単にリサイクルして繰り返し使用が出来るもの、つまりバルクに連通孔がないものと組み合わせた装置を発明することで目的が達成できる。【００１４】長年の調査と実験研究を通じ、中空の炭素球に表面を樹脂被覆して後に炭化したもの（以下Ｃ―吸着体と称す）が前記の諸条件を満たすことが認められた。【００１５】Ｃ−吸着体の物性を図１に、瞬間吸着性の実験結果を図２に、最リーク性の有無については活性炭との比較実験結果を図３に、石油成分の吸着実験結果を図４に、脱着実験結果を図５に示す。【００１６】尚図示してないがＣ−吸着体は強い撥水特性をもち、実験範囲において低炭化水素系の溶剤および塩素系の溶剤以外は吸着しないことが確認できた。即ち石油およびサンドオイルやシェールオイルに限り強い吸着性をもつことは、その構成物質である低炭化水素溶剤成分を吸着するためである。【００１７】課題を解決するために、例えばサンドオイル生産工程では最後のタンクで製品のオイルを抽出し、沈降しているサンドを取り除いた後Ｐ−廃水が送られる導水管または排水管（以下送水管と統一して称する）の中でオイルを吸着捕獲してその後これを同じ断面積の送水管で回収する。【００１８】本発明はＰ−廃水の送水管の入り口から出口まで送水管の外径を変更することなく従って全送水管の流路においてその平均流速および単位時間当たりの流量を変更せずにオイル分離を行う。【００１９】本発明装置を図６−１、６−２、６−３に示す。
図６−１と図６−２または６−３は一体であるが説明のため別々に図示した。
図６−１には送水管の中で乱流を作りそこに前記Ｃ−吸着体を噴射混入する。オイルは乱流運動の中で吸着捕獲され一緒に流体運動する本発明装置の前半部分を示している。これをオイルの吸着捕獲部分と称す。一方図６−２或いは６−３は前記同じ送水管を地面に方向を変えて流れに重力の影響を受けるようにしてその部分で前記オイルの吸着捕獲物を回収する。（回収部分と称す）。【００２０】図６−１において送水管１はシェールオイルやサンドオイルの生産工程の送水管に接続される。送水管１にはオリフィス２を設け通過するＰ−廃水を乱流３にする。乱流の再付着点４から離れた流れ方向の位置にＣ−吸着体を噴射するノズル５を取り付ける。【００２１】図６−１において導水管の長さ方向をＸ軸とすると乱流が形成される領域、即ちオリフィスの出口から再付着点４までのＸの長さは長いほど良いが流体の条件によって決まる。
この時レイノルド数の計算にはＰ−廃水に限り普通の水と同じ動粘度で近似しても差し支えない。オリフィスのし絞り面積比はここでは固定しないが０．１−０．６が望ましい。
前記絞り面積比を一定に決めた後オリフィスを複数にしてもよく流路のベクトルを自由に選択してもよい。ただしベクトルの和が流体の進行方向でないといけない。【００２２】図６−１においてＣ−吸着体の噴射ノズル５は送水管のセンターに設置しＣ−吸着体６が乱流域に混入するように角度を調整する。噴射ノズルはＣ−吸着体が滑らかに噴射できるように緩やかな曲線にして送水管の外部７を貫通して送水管に取り付け固定する。またノズルの取り付け場所を変更するか複数使用してもよい。ただしノズルの直径が流れに大きく影響しないようにその相対的太さを小さくする。
Ｃ−吸着体の噴射時にはキャリヤガスなどの粘性の異なる流体を伴っても構わない。Ｃ−吸着体の噴射量は、Ｐ−廃水の場合は、噴射量＝オイル濃度（重量単位）×乱流流域体積×α  （重量）を乱流が再付着点に到達する時間内で行う。αは１．２から１．５が望ましいが、乱流との混ざりが悪い場合は  １．５を越えることもある。
送水管８は次の６−２に繋ぐ一体である。Ｐ−排水はオリフィスに通り乱流３を形成するが、排水中のオイル９はノズル５から噴射してくるＣ−吸着体６と衝突し、吸着捕獲され送水管を順方向に流れる。【００２３】図６−２においてＰ−廃水はオイルがＣ−吸着剤に吸着された状態で流れて直立型送水管１に入る。ここでは重力を受けながらふるい形のフィルター２を通過し吸着捕獲したオイルと吸着剤をろ過し外部へ吐き出す。オイルが分離された送水管１の外へ吐き出される。この際、フィルター２は電磁石４によって上下振動する５。この間水位６を維持しオイルのない状態で落下して次の高次の浄化装置へ向うか河川などへ放流される。【００２４】図６−２においてフィルター２を空気中で挿入したり出したりする場合は前記送水管の直径より若干大きい径をもち適当な長さをもつ別の管１の様な物に連結することができるが、前記送水管の送水圧力による流速が自然落下による流速より小さい時に限る。
自然落下による流速より大きい場合は図６−３に示すような方法で同様の操作が可能である。つまり、図６−３の１は図．６−２の６の送水管と同じでこれと同じ直径の管２とその反対側の管３に交代で送水するため連結管４とソレノイドバルブ５を用いる図には右半分しか示していないが、Ｃ−吸着体とオイルが吸着された吸着捕獲物を回収する時は反対側を明け、こっち側を閉めて作業する。フィルター６は図６−２の２と同じだが、大きさが異なる。このようにして排水のオイル分離を止める事なく連続的に行う。
【発明の効果】
【００２５】図７−２には実験に用いた物で図６−１、６−２を一体化して示した。
実験は１分間で４，１４トンのｐ−廃水の中に０．２％のオイルを分離するもので、それを９９％以上分離するのに約５０秒から１分をかけた。同じ流量をアメリカのＭ社のＰ−廃水のオイル分離条件では１０分から２０分程度である。
さらに本発明は特別に分離槽を持たないがＭ社は半径４５ｃｍ、高さ９００ｃｍの分離槽が必要であった。
分離されたＣ−吸着体とオイルはガソリンやベンジン洗浄でオイルを回収しＣ−吸着体は回復度９５％以上で６回まで繰り返し使用が可能であることが確認された（実験参照）。
【実施例】
【００２６】図７の実験による実施例を説明する。送水管１は塩ビ管ＹＵ３００（径３０ｃｍを用いた）、オイルとしてガソリン２５重量パーセント、軽油２２重量パーセント、重油２８重量パーセント、アスファルト２５重量パーセントのものを用い水に対して０．２重量パーセントを普通の水に混合した。Ｃ−吸着体には１ｍｍ以上の球を用いた。
Ｃ−吸着体噴射ノズル３はビニールチュブを用いエアーで噴射した。【００２７】図７において送水管１の大きさは直径４が３０ｃｍである。水５はこの送水管を秒速１２ｃｍで流入する、この時の１分当たりの流量は４００Ｌである。その２ｍ先に直系１６ｃｍのオリフィス６を通過し乱流を形成する。その乱流の中心最大流速は１秒当たり１３０ｃｍである。またオリフィスの絞り面積比（ＣＲ）は０．３となる。再付着点距離は正確な測定ではないがおよそ５０ｃｍと考えられた。この距離を考慮してＣ−吸着体の噴射ノズル３の位置を前記再付着点から３０ｃｍの位置にセットした。噴射されたＣ−吸着体２は乱流の中でオイル粒８を吸着し固まり９となる。尚、Ｃ−吸着体はタンク７から供給される。【００２８】図７においてオイルを含み乱流域で吸着分離されるまでの時間は２３秒から２４秒である。ノズル３を通過した水はその後２ｍの送水管を秒あたり１２ｃｍで流れ直角に曲がり、より大きい直径の管１０に落流する。Ｃ−吸着体とオイルの吸着捕獲物は３０メッシュフィルター１１により回収した１２。
落下地点には受けタンクｇに流し３０メッシューｈのふるいでオイル吸着捕獲物を回収した。【００２９】実験の結果、Ｍ社の分離槽によるＰ−廃水のオイル分離速度が１０分の一で大きな設備を使わず連続流れのまま分離が出来た。
送水管は、常に相手施設のものをそのまま使用することは困難で本発明では予め設計して既存の送水管に接続する手段となる。
尚前記Ｍ社の分当たり処理量の４トン程度を本発明の装置で行う場合は送水管の直系を７５ｃｍにすればよい、いずれも分離処理時間は１分以内である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】Ｃ−吸着体の物理的な性質を示す。
【図２】瞬間吸着を確認する実験である。瞬間とは定義がないが吸着が１秒以内で行うこととする。鋼鉄板１に石油スラージ２を１ｍｍほど塗布してそこへＣ−吸着体４をサンドブラスト機３で１秒当たり５０ｍの速度で噴射した。その間の距離は１ｍにした。その結果スラージはＣ−吸着体が衝突すると瞬間に粘性を失いＣ−吸着体に捕獲され落下した。この一連の過程で掛かる時間を正確に測定していないがＣ−吸着体は鋼鉄板に到達する時間が０．０２秒で衝突して次のＣ−吸着体が到達する前に捕獲落下することから（物が認められなかったため）少なくとも０．０２秒以内で吸着する。
【図３】は排水の中のテトラクロロエチレンを吸除去する場合Ｃ−吸着体と椰子殻活性炭を比較したものである。縦軸は吸着もれによる残留濃度の１Ｌ当たりのｍｇで表記した。横軸は一定濃度のテトラクロロエチレンを含む排水を連続的に吸着体に向けそれがそれぞれの吸着体に蓄積されるようにして再リークする状況を調べたものである。活性炭は１で示すところ、つまりテトラクロロエチレンが７５００ｍｇ程度吸着する段階でリークがはじまり２点で平衡吸着に達すると考えられる。一方Ｃ−吸着体は３点は平衡状態に達するポイントであるがその間吸着もれおよび再リークが認められない。
【図４】Ｃ−吸着体の吸着実験である、
【図５】Ｃ−吸着体の脱着実験で１００ｍｇのＣ−吸着体を繰り返し使いながら行う実験で、６回目中止した、
【図６−１】Ｃ−吸着体とオイルが混ざり合う所を示す。
【図６−２】Ｃ−吸着体によるオイル捕獲物の回収を重力を受けながら行う事を示す。
【図６−３】流動を二つに分けて交代で前記Ｃ−吸着体によるオイルの捕獲物を回収する方法を示す。
【図７】図６−１と図６−２を一体として分かるように説明する図である。つまり送水管の前の部分で乱流を作りそこでＣ−吸着体を持ってオイルを捕獲し、同じ送水管を通り最後の流出口付近でこれを回収する、回収方法は従来の技術で対応できる。
〔用語の説明〕
「水中のオイル分離」ここでの意味は廃水からいかなる形でも再び混ざることがない状態まで取り除くという意味で水中でオイルを吸着してそのオイルが吸着体に拘束されるのであって流体運動に直接拘束されない状態を分離と言わない。
「絞り面積比」送水管の内径断面積とオリフィスの断面積の比を意味する。
「再付着点」オリフィスによる乱流形成のとき水流が進行方向に進むか逆方向へ戻るかのポイントで配管設計では“減肉再付着点”と表記する場合もある。逆向きにより配管の内壁に損傷を与えるという意味である。
「平衡吸着」温度濃度条件で吸着がそれ以上増えない状態をいう。
〔効果〕オイル処理のための高額の設備が不要で時間も１０分の１で済む。
【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６−１】
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【図６−２】
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【図６−３】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年11月12日(2014.11.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】  図７において送水管１の大きさは直径４が３０ｃｍである。水５はこの送水管を秒速１２ｃｍで流入する、この時の１分当たりの流量は４００Ｌである。その２ｍ先に直系１６ｃｍのオリフィス６を通過し乱流を形成する。その乱流の中心最大流速は１秒当たり１３０ｃｍである。またオリフィスの絞り面積比（ＣＲ）は０．３となる。
再付着点距離は正確な測定ではないがおよそ５０ｃｍと考えられた。
この距離を考慮してＣ−吸着体の噴射ノズル３の位置を前記再付着点から３０ｃｍの位置にセットした。噴射されたＣ−吸着体２は乱流の中でオイル粒８を吸着し固まり９となる。尚、Ｃ−吸着体はタンク７から供給される。