(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気液混合流体の噴射器から噴射された気液混合流体を汚水等で汚染された周辺の環境水に混合して汚染物質を処理する環境水の処理装置であって、
前記気体混合流体の噴射器から噴射された気液混合流体を前記環境水中に放出するために、内側形状が前記混合流体の進入口から放出口に向けて先細りするメガホン形状をなし、かつその内壁面に金属シリコン粉末と、ゼオライト粉末と、チタン粉末と、トルマリン粉末と、無水珪酸ナトリウムとの混合物を焼結処理した多孔質のセラミック層を設けた筒状の分散器複数個を、前記噴射器の前側に、軸方向に連結して配設し、また、前記複数個の分散器を、前記流体の進入口の径が気液混合流体の移動方向に沿って段階的に大きくなるようにして直列に配設してなることを特徴とする汚染環境水の処理装置。
【請求項２】
前記多孔質のセラミック層が、炭素含有還元雰囲気中で焼結処理されたものであることを特徴とする請求項１に記載の汚染環境水の処理装置。
【請求項３】
前記多孔質のセラミック層が、更に陽イオンとして、ナトリウムと、アルミニウムと、チタンと、銀と、亜鉛と、鉄とを含有するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の汚染環境水の処理装置。
【請求項４】
気液混合流体が、空気と水の混合流体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の汚染環境水の処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気液混合流体の噴射器から噴射された気液混合流体を汚水等で汚染された周辺の環境水に混合して汚染物質を処理する汚染環境水の処理装置に係り、特に噴射された気液混合流体を環境水中に放出する分散器の内壁面に金属シリコン粉末と、ゼオライト粉末と、チタン粉末と、トルマリン粉末と、無水珪酸ナトリウムとの混合物を焼結処理した多孔質のセラミック層を接触面として備えた汚染環境水の処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、気体の液中への溶解効率を向上させる技術として、例えば特開平９−２０１５２０号公報：「気液混合流体の分散方法及び該方法に使用する分散装置」があり、また、汚水処理技術として、例えば多孔質の複合半導体セラミックを使用して汚水処理を行う特開平１１−１７９３７４号公報：「有機塩素化合物分解剤、その製法及び用途」、特開平１１−１０４４２２号公報：「メタリックシリコン焼結濾過材、およびその製造方法」が、知られている。
しかしながら、上記各技術では、汚染環境水との気液混合を効率的に行い、かつ汚染環境水中の物質を処理して気液混合流体を活性化することはできなかった。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記に鑑み鋭意実験研究の結果、下記の手段により前記課題を解決した。
（１）気液混合流体の噴射器から噴射された気液混合流体を汚水等で汚染された周辺の環境水に混合して汚染物質を処理する環境水の処理装置であって、前記気体混合流体の噴射器から噴射された気液混合流体を前記環境水中に放出するために、内側形状が前記混合流体の進入口から放出口に向けて先細りするメガホン形状をなし、かつその内壁面に金属シリコン粉末と、ゼオライト粉末と、チタン粉末と、トルマリン粉末と、無水珪酸ナトリウムとの混合物を焼結処理した多孔質のセラミック層を設けた筒状の分散器複数個を、前記噴射器の前側に、軸方向に連結して配設し、また、前記複数個の分散器を、前記流体の進入口の径が気液混合流体の移動方向に沿って段階的に大きくなるようにして直列に配設してなることを特徴とする汚染環境水の処理装置。
【０００４】
（２）前記多孔質のセラミック層が、炭素含有還元雰囲気中で焼結処理されたものであることを特徴とする前項（１）に記載の汚染環境水の処理装置。
（３）前記多孔質のセラミック層が、更に陽イオンとして、ナトリウムと、アルミニウムと、チタンと、銀と、亜鉛と、鉄とを含有するものであることを特徴とする前項（１）又は（２）に記載の汚染環境水の処理装置。
（４）気液混合流体が、空気と水の混合流体であることを特徴とする前項１〜（３）のいずれか１項に記載の汚染環境水の処理装置。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の筒状の分散器の内壁面に金属シリコン粉末と、ゼオライト粉末と、チタン粉末と、トルマリン粉末と、無水珪酸ナトリウムとの混合物を焼結処理した多孔質のセラミック層（以下複合半導体セラミック層と記す）を設けた汚染環境水の処理装置の正面外観図、図２は図１に示す汚染環境水の処理装置のＣ−Ｃ断面及びＤ−Ｄ断面の断面図、図３は本発明の汚染環境水の処理装置の平面外観図、図４は図３に示す汚染環境水の処理装置のＡ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面の断面図である。
図において、１は噴射器、２は一次ノズル、３は二次ノズル、４は分散器、５は流体入り口、６は気体入り口、７は管材、８はフランジ、９は初段分散器入り口、１０は二段分散器入り口、１１は初段分散器、１２は二段分散器、１３は初段分散器出口、１４は二段分散器出口、１５は架台、１６ａ、１６ｂは分散器支持台、１７はノズル用管材取り付け台、１８ａは初段分散器の区画壁状支持板、１８ｂは二段分散器の区画壁状支持板、１９は複合半導体セラミック層を示す。
【０００６】
本発明の装置は、基本的には気液混合流体の噴射器１と、分散器４と、複合半導体セラミック層１９によって構成されている。
図１に示したように噴射器１は、液体入口５、気体入口６と、その先端の一次ノズル２、二次ノズル３とからなり、前記液体入口５及び気体入口６はフランジ８を用いて、管材７に接続されている。また一次ノズル２及び二次ノズル３は中空の管材７を使用するが、流体抵抗を低減するため、入り口から出口に向けて細くしたテーパー部を設けて、先端部を細くしている。そして、前記一次ノズル２及び二次ノズル３は同一軸上に配置され、二次ノズル３の前方に配設された分散器４の配列軸に延長され連結されている。
そして、前記分散器４は、初段分散器１１及び二段分散器１２より構成され、その内壁面には複合半導体セラミック層１９が貼着されている。
本発明で好適に採用される複合半導体セラミック層１９としては、金属シリコン粉末と、ゼオライト粉末と、チタン粉末と、トルマリン粉末と無水珪酸ナトリウムとの混合物を燻煙焼処理（炭素含有還元雰囲気中での焼成処理）して得られた多孔質体セラミックの層が好ましいものである。
また、前記分散器４の初段分散器１１、二段分散器１２はそれぞれその内径を、初段分散器入口９から初段分散器出口１３に向けて、また二段分散器入口１０から二段分散器出口１４に向けて漸減させている。
【０００７】
また、前記分散器４は、汚染環境水の処理装置のＣ−Ｃ断面を示した図２の（イ）、Ｄ−Ｄ断面を示した図２の（ロ）、Ａ−Ａ断面を示した図４の（ハ）、及びＢ−Ｂ断面を示した図４の（ニ）（各断面の位置は図１及び図３参照）の４つの図に示すように、初段分散器１１及び二段分散器１２の内壁に、それぞれ前記筒状の分散器のセンターを出し、かつ筒状体を内部から強固に保持する３個の区画壁状支持板１８ａ、１８ｂを１２０°間隔で突設させている。
【０００８】
そして、分散器４の内壁に装着する複合半導体セラミック層１９の形状は、前記区画壁状支持板１８ａ、１８ｂの外側端部と分散器４の内壁に沿った形に所要板厚を有して成型されたものであり、この複合半導体セラミック層１９は前記内壁に接着あるいは、ネジ止め等により貼着される。
上記の状態を図３の汚染環境水の処理装置の平面外観図及び、図４（ハ）のＡ−Ａ断面、同図４（ニ）のＢ−Ｂ断面図によって図示した。
さらに、前記気液混合流体の進行方向に向けて内径を一様に漸減させた筒状分散器を、流体が拡開、縮小するように複数個直線状に配設することによって、強力な水流を発生させ、気液混合流体の飛射距離をより長くすれば、気液接触時間が長くなるから、汚染環境水中への酸素の溶解効率が高められる。
【０００９】
次に、上記の状態において気液混合流体を、前記内径を一様に漸減させた筒状分散器の内壁に配設された複合半導体セラミック層１９（図１〜図４）に衝突させることによって発生する作用について説明する。
図５は本発明装置の気液混合流体の流れを示す模式図で、装置の縦断面を示す。
図において、２０は流入液体、２１は流入気体、２２、２３は外部水圏から流入する汚染環境水、２４は初段分散器内の気液混合流体、２５は二段分散器内の気液混合流体、２６は外部水圏に放出された気液混合流体を示す。
本発明装置への流入液体２０は、ポンプで流入される。流入液体２０は特に限定されず、ある一種の液体、あるいは複数種の混合液体、さらに気体を溶解した液体であってもよい。
また、本発明装置への流入気体２１は、自然吸気状態あるいは、大量供給の場合にはコンプレッサ等で圧入する。
そして流入気体２１は噴射器１の一次ノズル２から噴射され、二次ノズル３の管材７内で流入液体２０と混合されて、二次ノズル３から分散器４の初段分散器１１内に気液混合流体２４として噴射される。
【００１０】
そして、上記初段分散器１１内において、外部水圏から汚染環境水２２を初段分散器入り口９（図１参照）から取り込み、前記二次ノズル３から噴射された気液混合流体とさらに混合して初段分散器内の気液混合流体２４とする。
図示したように該初段分散器内の気液混合流体２４は、前方に噴射される際に前記初段分散器１１の内壁に配設された複合半導体セラミック層１９の表面に斜めに衝突し、反射した初段分散器内の気液混合流体２４は二段分散器１２内に噴射される。
さらに、二段分散器１２内において、前記初段分散器で行われたのと同様に外部水圏から汚染環境水２３を二段分散器入り口１０（図１参照）から取り込み、前記初段分散器内の気液混合流体２４とさらに混合して二段分散器内の気液混合流体２５とする。
この時、図示したように該二段分散器内の気液混合流体２５は、前方に噴射される際に前記二段分散器１２の内壁に配設された複合半導体セラミック層１９の表面に斜めに衝突し、反射した二段分目散器内の気液混合流体２５は外部水圏に放出され、外部水圏に放出された気液混合流体２６となる。
【００１１】
次に、前述した組成による複合半導体セラミック層１９の作用について説明する。
本発明で好適に採用される半導体セラミック層１９としては、金属シリコン粉末と、ゼオライト粉末と、チタン粉末と、トルマリン粉末と無水珪酸ナトリウムとの混合物を燻煙焼処理（炭素含有還元雰囲気中での焼成処理）して得られた多孔質体セラミックが好ましい。
トルマリンは結晶体に応力を加えたとき電気分極が現れるものであり、また、酸化チタンは、光の照射を受けてＯ、ＯＨラジカルを生成して、有機物等汚染物質の酸化分解を強力に進行させる。
【００１２】
本発明の複合半導体セラミック層１９には、光の照射を受けてＯ、ＯＨラジカルを生成する酸化チタンと、結晶に応力を加えると電気分極を生ずるトルマリンとが混合して存在している。
まず、光の照射を受けてＯ、ＯＨラジカルを生成する光触媒系半導体について述べる。その代表例として前記酸化チタンがあり、光の照射によって酸化還元反応を生じ水を分解することが知られている。
【００１３】
半導体においては、そのエネルギーバンドの伝導帯（ＣＢ）の電位が水素生成電位よりも大きいと水素の発生が、また価電子帯（ＶＢ）の電位が酸素発生電位よりも小さいと酸素の生成が可能である。
そして前記複合半導体セラミック層１９はその両方を満たしており、その結果水の分解が起こり水素と酸素が発生する。
また、光が複合半導体セラミック層１９に吸収されると、電子と正孔の二つのキャリヤーができる。一般の物質ではこの両者はすぐに再結合してしまうが、複合半導体セラミックにおいては、両者がしばらく生き残っている。
このキャリヤー同士の再結合の割合は、光触媒反応の効率に大きな影響を与えるので、両者が素早く目的とするものと反応する雰囲気を作りだしてやる必要がある。
【００１４】
このため、前記複合半導体セラミック層１９に、汚染有機物質を含む空気と水の混合液（気液混合流体）を噴射し叩きつける。前記価電子帯の電子で生じた酸素、及び水素の結合相手として、空気中に豊富にある酸素、水の中の水素イオンが考えられ、酸素同士が結びつくとスーパーオキサイドができ、水素イオン同士が結びつくと水素原子ができる。
さらに上記噴射される気液混合流体は、通常の水よりも溶存酸素が多いため、スーパーオキサイドが生成される割合は高くなる。
また、価電子帯の正孔で生じたＯＨは、酸化性ラジカル（遊離基）であるので有機物を直ちに酸化分解する。この反応が連続して起こるため、素早く多量の有機物の分解を可能としている。
そして、複合半導体として酸化銀を含んでいるため、銀イオンによる高い光触媒活性が示され、還元サイトとして働き、電子と結びつくものを還元するが、正孔はそれと結びつくものを酸化する、水が相手の場合にはＯＨができる。
また半導体が形成した酸素（スーパーオキサイド）と反応して、Ｏ+やＯ2-ができたり、あるいは半導体表面に存在する水酸イオン（ＯＨ-）と結びついてＯＨができる。
【００１５】
これら生成されたＯ及びＯＨは、いずれも強力な酸化力を持っており、種々の酸化反応を起こす。これらのラジカルの存在が有機物を酸化分解し、さらに気液混合流体の噴射による動的な環境が酸化還元反応に対して非平衡状態を作り出す。前記ラジカルの中で、特にヒドロキシラジカル（ＯＨ）は有機化合物を酸化する。酸素がある場合はこの過程で有機化合物の中間体のラジカルと酸素分子がラジカル連鎖反応を起こし、酸素が消費され、やがて有機化合物は分解されて、最終的には二酸化炭素と水になる。
一方、対となる還元反応は空気中の酸素又は水中に溶存する酸素の還元であり、酸素がある場合には、水素の発生が起こる代わりに酸素の還元反応が進行し、スーパーオキサイドができる。このスーパーオキサイドは、酸化反応の過程で生ずる中間体とくっついて過酸化物を形成したり、過酸化水素を経て水になる。
一般に有機化合物は水よりも酸化されやすい。そして有機化合物の濃度が高くなると、正孔が有機化合物の酸化反応に使われる確率が高くなるため、電子と正孔との再結合の割合は減少する。このように正孔が十分消費される条件下では、電子が酸素分子へ移行しやすくなり、光触媒反応の効率を高めることができる。複合半導体セラミックはこの目的に合致したものである。
【００１６】
一般に光触媒型半導体は光が存在しない限り機能しない。しかしながら、前記複合半導体セラミックは暗部においても有機物を分解する。これはイオンをキャリヤーとする電解型半導体としての機能を持つことを意味している。
複合半導体セラミックの主要成分であるシリコンは、４個の価電子を持っている。ここに価電子４個を持つ炭素、さらに３個持つホウ素、アルミニュウムやインジュウムを入れると、周りのシリコンから電子を奪ってマイナスイオンになる。
そして、電子を奪い取られたシリコンは電子不足となり、プラスの電荷の孔、即ち正孔ができる。
このような状態のところに外部から電気力を働かせると、電子が正孔に次々と飛び込んで、空席の正孔が移動することになる。
【００１７】
一方、圧電体であるトルマリンは結晶に応力を加えると電気分極が現れ、結果としてシリコンに外部から電気力を働かせたと同じ効果、すなわちｐ型半導体の効果が生ずる。複合半導体セラミック層にはにはこれら電解型半導体と圧電型半導体の要素が複合して存在するため、前記気液混合流体の噴流による微弱な圧電効果によっても電気分極が生じ、前記光触媒型半導体のところで説明したものと同じ現象が光の存在がなくても起こると考えられる。
なお、複合半導体セラミック層を装着した気液混合流体分散装置は、明暗両反応系であり、高濃度の有機物の分解を効率的に行うことが立証されている。
本装置は、前記のようにこの現象を巧みに利用した構造となっている。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば下記のような優れた効果が発揮される。
気液混合流体を分散器によって汚染環境水中に噴射し、環境水への酸素の溶解効率を高める浄化機能と、分散器の内壁に装着した複合半導体セラミックによる明暗両反応系で高濃度の有機物を効率的に分解する機能との相乗効果によって、汚染環境水中の高濃度の汚染物質を短時間で分解し、除去できる。
このため、水中の汚染物質の分解除去や、ダム、農業用ダム、養殖池，溜池等におけるいわゆる「死に水」の活性化、あるいは高濃度の工場排水（食品、化学、バイオ関連、染色、製薬、電子関連等の諸工業）並びに、多量の工場排水（紙パルプ、染色、化学等の諸工業）の浄化等、汚染された環境水の処理装置として極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の本発明の筒状の分散器の内壁面に複合半導体セラミック層を設けた汚染環境水の処理装置の正面外観図である。
【図２】図１に示す汚染環境水の処理装置のＣ−Ｃ断面及びＤ−Ｄ断面の断面図である。
【図３】本発明の汚染環境水の処理装置の平面外観図である。
【図４】図３に示す汚染環境水の処理装置のＡ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面の断面図である。
【図５】本発明装置の気液混合流体の流れを示す模式図である。
【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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