(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重金属汚染土壌であるか又は重金属汚染苛性スラッジである重金属汚染材料から重金属を回収する方法であって、i)重金属汚染材料を分級して実質的に同一の粒度の材料粒子を有する材料サンプルを形成させ、ii)上記材料粒子を液力鉱物分離器中で処理して、重金属を含有する高密度部分と、重金属を実質的に含有していない低密度部分とを形成させ、ついでiii)上記低密度部分から上記高密度部分を分離することからなる、重金属汚染材料からの重金属の回収方法。
【請求項２】
前記重金属は水銀である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記高密度部分は液体水銀の小滴からなる、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記液体水銀の小滴は90％以上の水銀からなり、捕集された液体水銀の小滴は水銀汚染材料中に当初に存在していた水銀の90％以上である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記液体水銀の小滴は95％以上の水銀からなり、水銀汚染材料中に当初に存在していた水銀の95％以上である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記重金属汚染材料は重金属汚染土壌であり、前記土壌サンプルの粒子は、土壌粒子の90％以上が土壌の中央粒度の50〜150％の粒度を有するような土壌粒度分布を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記重金属汚染材料は重金属汚染土壌であり、該重金属汚染土壌中に存在する重金属又は水銀の90％以上を、当初の土壌サンプルのサイズの10％以下のサンプル容積を有する土壌サンプル中に捕集する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記液力鉱物分離器中で使用される液体は水である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記液力鉱物分離器中で使用された水から重金属を除去するための水処理工程を更に含有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記重金属は水銀であり、前記水処理工程は
i)前記液力鉱物分離器から取出した水を沈降容器内で前記水銀含有高密度部分で処理して、水から水銀を分離すること；及び
ii)前記液力鉱物分離器から取出した水を、水銀を実質的に含有していない前記低密度部分で処理すること、その際、多数の沈降容器中を一回又は連続的にそして上記沈降容器の少なくとも一つに凝集剤を添加するか又は添加することなしに通過させること；最終沈降容器からの上澄液のpHを7.5〜8.5に調節すること；上記pH調整上澄液を追加の沈降容器中で硫酸第一鉄及び/又は水硫化ナトリウムで処理して、固体水銀含有塩を生成させること；及び上記の塩を前記追加の沈降容器中で沈降させること；及び上記追加の沈降容器からの上澄液をサンドフィルター及びカーボンフィルターを通過させて連続的に濾過することからなる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記重金属汚染材料は水銀を除去又は回収するための苛性スラッジであり、苛性スラッジを少なくとも１個の液力鉱物分離器中で処理して、水銀を含有する高密度部分と、水銀を実質的に含有していない低密度部分とを形成させ、ついで、上記低密度部分から高密度部分を分離することからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
水銀含有高密度部分は90重量％以上の水銀からなる、請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
前記水銀含有高密度部分は95重量％以上の水銀からなる、請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
前記水銀含有高密度部分を第２の液力鉱物分離器中で処理して、第２の水銀含有高密度部分と、水銀を実質的に含有していない第２の低密度部分とを形成させ、ついで上記第２の低密度部分から第２の高密度部分を分離する、請求項11に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２の高密度部分は95重量％以上の水銀からなる、請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
液力鉱物分離器は水を使用して作動させる、請求項11に記載の方法。
【請求項１７】
苛性スラッジ処理の後に水処理工程を行って、液力鉱物分離器中で使用した水から水銀を除去する、請求項16に記載の方法。
【請求項１８】
苛性スラッジは30〜55重量％の水銀を含有している、請求項11に記載の方法。
【請求項１９】
底部又はその付近に液体流入口を有する実質的に垂直な管；
前記垂直管の頂部又はその付近にある液体流出口であって、液体を上記垂直管を経て前記液体流入口から上記液体流出口に上方に流動させるための液体流出口；
前記垂直管内に設けられた粒子センサー；及び
上記粒子センサーと作用的に連結している液流調整器であって、粒子又は複数の粒子を前記粒子センサーによって検知したとき、前記垂直管内の液体の流率を調節する液流調整器；
からなる、請求項１に記載の方法で使用するための液力鉱物分離器。
【請求項２０】
液体は水である、請求項19に記載の液力鉱物分離器。
【請求項２１】
上記分離器はサンプル液体から固体を分離するのに使用される、請求項19に記載の液力鉱物分離器。
【請求項２２】
前記サンプル液体は水銀である、請求項21に記載の液力鉱物分離器。
【請求項２３】
前記粒子センサーは前記粒子と前記液体の物理的性質の差に基づいて作動する、請求項19に記載の液力鉱物分離器。
【請求項２４】
前記物理的性質は導電率、キャパシタンス、磁性又は電磁線に対する透過性である、請求項23に記載の液力鉱物分離器。
【請求項２５】
前記粒子センサーは光センサーである、請求項24に記載の液力鉱物分離器。
【請求項２６】
前記光センサーは可視スペクトル中で作動する、請求項25に記載の液力鉱物分離器。
【請求項２７】
前記粒子センサーは垂直管の上半部に設ける、請求項19に記載の液力鉱物分離器。
【請求項２８】
前記液流調整器は分離器への液体の流率を増大又は減少させることにより作動させる、請求項19に記載の液力鉱物分離器。
【請求項２９】
前記液流調整器は一定の、正の基本流率を保持しながら液体流率を調節することにより作動させる、請求項28に記載の液力鉱物分離器。
【請求項３０】
前記液流調整器は粒子センサーから受信した信号に基づく所望のパラメーターに従って解放又は閉鎖する弁である、請求項19に記載の液力鉱物分離器。
【請求項３１】
前記粒子センサーと液流調整器は、粒子センサーによって粒子が検知されたときに液流調整器を所定の方式で作動させるためにプログラムされたプログラム可能電子制御器を介して連結されている、請求項19に記載の液力鉱物分離器。
【請求項３２】
前記粒子センサーは垂直管の上半部に設ける、請求項31に記載の液力鉱物分離器。
【請求項３３】
前記垂直管内での液体の基本流率と増大した流率とを有し、かつ、粒子センサーが粒子を検知したとき、一定の時間、流率を前記基本流率から増大した流率に調節する、請求項31に記載の液力鉱物分離器。
【請求項３４】
前記一定の時間は0.1〜10秒である、請求項33に記載の液力鉱物分離器。
【請求項３５】
前記一定の時間は１〜３秒である、請求項33に記載の液力鉱物分離器。
【請求項３６】
予め設定された重金属粒子捕集率を有し、かつ、前記垂直管内の前記流率を必要に応じて増大又は減少させて上記捕集率を達成する、請求項19に記載の液力鉱物分離器。
【請求項３７】
垂直管の底部又は底部端部の下側に設けられた高密度粒子レベルセンサーと、該高密度粒子レベルセンサーと作用的に連結している出口バルブとを更に有しており、上記出口バルブは高密度粒子レベルセンサーから受信した信号に従って開放又は閉鎖される、請求項19に記載の液力鉱物分離器。
【請求項３８】
(i)粒子センサーの表面付近に設けられた水流入口であって、各センサーの表面付近に清浄な表面を保持するための水流入口；
(ii)垂直管の頂部端部付近に設けられた水流入バルブであって、垂直管の頂部端部が混合器に添加される粒子の大量の流入によって閉鎖されないようにするための水流入バルブ；
(iii)混合器中の粒子を自由流動性の、非凝集状態に保持するための、粒子混合器中に設けられた攪拌モーター；
(iv)攪拌モーターに連結された制御器であって、混合器の電力要求条件の変化に基づいて混合器への粒子添加率を調節し、その結果、混合器中の粒子の数を本質的に一定にするための制御器；又は
(v)垂直管帯域内に設けられた混合装置；
を更に有する、請求項19に記載の液力鉱物分離器。
【請求項３９】
垂直管帯域内に設けられた前記混合装置は超音波混合機である、請求項38に記載の液力鉱物分離器。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は水銀又は他の重金属で汚染された(contaminated)材料からの水銀又は重金属の回収方法及びかかる用途に使用するのに適当な装置に関する。特に、本発明は水銀で汚染された土壌の修復(remediation)を行うための、上記土壌からの水銀の回収方法又は苛性スラッジ(caustic sludge)のごとき水銀汚染材料からの水銀の回収方法に関する。
関連技術の説明
液体水銀はガス状塩素とアルカリ金属塩の水溶液を製造するためのある種のクロル−アルカリ装置における電極としてのその使用を包含する、多数の工業的方法で使用されている。この用途についてのかかる水銀電解槽(mercury cell)の使用は工業において周知であり、塩化ナトリウム溶液からの塩素と水酸化ナトリウムの電気化学的生成に一般的に使用されている。水酸化カリウムを製造するための塩化カリウムのごとき他のアルカリ金属塩の使用も知られている。
しばしば、この種のクロル−アルカリ装置の操作の際に、幾らかの水銀が周囲に失われ、電解層に近接する土壌を汚染することがあり得る。この汚染土壌は、通常、例えばこの土壌をこの種の廃棄材料を取扱うために設定された適当な埋立操作に送付することにより廃棄されている。しかしながら、周囲に失われる水銀の実際の量は比較的少なく、埋立てなければならない土壌の量は一般的に大量であるため、かかる埋立て操作の価格は非常に高いものになり得る。
更に、この種のクロル−アルカリ装置の操作の際に、微細に分散した水銀小滴が、生成した水溶液中に懸濁する。これらの水銀小滴は、典型的には、適当な濾材を通過させる濾過により水溶液から除去する。この濾材は、最も一般的には粉末状又は顆粒状カーボンであるが、他の有機、重合体状濾材又は無機濾材を包含し得る。水銀を水溶液から除去した後には、濾材と混合された水銀の混合物が生成する。この混合物は、典型的には、苛性(caustic)（水酸化ナトリウム）水溶液から生成するため、工業的には“苛性スラッジ”（“caustic sludge”）と呼ばれている。
しかしながら、本明細書においては、“苛性スラッジ”という用語は水銀と、アルカリ金属塩水溶液の濾過の際に混合物が生成する濾材との混合物の任意のものを表すのに使用されるであろう。
従って、苛性スラッジは主として、カーボン及び/又はある種の他の濾材と水銀との混合物である。水銀の濃度は装置の操作に依存するが、水銀が70重量％（又はそれ以上）という高いものであり得る。しかしながら、存在する水銀の濃度は、典型的には、苛性スラッジサンプルの量の30〜55重量％である。
このスラッジの廃棄は、スラッジが水銀で汚染されているため、一般的に困難及び/又は高価である。従って、廃棄手段の一つとしての適当な埋立て操作による苛性スラッジの埋立ては非常に不経済なものであり得る。更に、水銀の損失がクロル−アルカリ装置の操作の費用を増加させる。
苛性スラッジ材料の第２の廃棄方法は苛性スラッジアマルガムから水銀小滴を“洗浄する”（“wash”）ために、苛性スラッジと大過剰の水とを撹拌しながら混合することである。この方法はある程度成功しているが、スラッジからの水銀の分離が完全ではなく、従ってこの方法では水銀を常に所望の水準で除去することはできない。
従って、土壌又は苛性スラッジから水銀を除去するための、好ましくは、土壌又はスラッジ中に含有されている水銀を回収するための改善された方法を提供することが望ましいであろう。
採鉱工業においては、金のごとき貴金属を含有する鉱石粒子を液力鉱物分離器(hydraulic mineral separator)を使用することにより他の粉砕鉱石粒子から分離し得ることが知られている。この形式の装置は実質的に垂直な管内の液体、好ましくは水の上昇流を使用して、高い密度を有する鉱石粒子を低い密度を有する鉱石粒子から分離している。一般的には、液流は垂直管の底部又はその付近から該垂直管に流入し、上方に流動しそして垂直管の頂部又はその付近で該垂直管から流出する。本質的に一定の寸法（容量）のサンプル粒子を垂直管の頂部に供給する。液流の速度はより重い粒子だけが上方に流動する液流を経て沈降(settle)及び/又は沈下(sink)するように制御される。より軽い粒子は上方に流動する液流を経てて沈下することができず、垂直管の頂部又はその付近に残留する。
この形式の液力鉱物分離器は以前から知られており、例えば、Millerの米国特許第1,483,371号(1924年２月12日発行)、McDanier等の米国特許第3,642,129号(1974年２月15日発行)、Turbitt等の米国特許第4,554,066号(1985年11月19日発行)及びKurylukの米国特許第4,789,464号(1988年12月６日発行)に記載されている。これらの形式の装置は数年前から知られていたが、その主要な用途は、鉱石サンプル中に存在する重金属の量の指針としての、採鉱操作のための鉱石サンプルの分級に限定されていた。
鉱物分離器の使用についての標準技術の操作的な変更として、該装置への水流の断続的な減少、又は、一定の時間的間隔での液流の断続的な減少を手動的に生じさせることが行われている。この水流の減少により垂直管の下方部に流動的に存在する粒子が垂直管の底部からより迅速に落下する。この技術により鉱石分級の迅速性を改善するための方法が提供されるが、この技術を更に改善することが望ましいであろう。
しかしながら、今日まで、液力鉱物分離器を水銀汚染材料から水銀を回収する目的に、又はより一般的には、重金属汚染材料から重金属を回収する目的に使用することは知られていなかった。更に、液力鉱物分離器を使用して重金属汚染土壌又は苛性スラッジから水銀又は他の重金属を回収すること（又はより少量の土壌サンプル中に濃縮すること）も知られていなかった。
発明の要約
従って、本発明は、i)重金属汚染材料を分級して実質的に同一の粒度の材料粒子を有する材料サンプルを形成させ、ii)上記材料粒子を液力鉱物分離器中で処理して、重金属を含有する高密度部分と、重金属を実質的に含有していない低密度部分とを形成させ、ついでiii)上記低密度部分から上記高密度部分を分離することからなる重金属汚染材料からの重金属の回収方法を提供する。
本発明の実施において最も興味のある重金属は水銀であり、従って、以下の説明は水銀の回収方法に向けられるであろう。しかしながら、鉛のごとき他の任意の重金属も本発明の方法によって汚染土壌サンプルから回収又は除去し得るであろう。
従って、本発明は、更に、i)水銀汚染材料を液力鉱物分離器中で処理して、水銀を含有する高密度部分と、水銀を実質的に含有していない低密度部分とを形成させ、ついでii)上記低密度部分から上記高密度部分を分離することからなる、水銀汚染材料からの水銀の回収方法を提供する。
水銀汚染材料は、例えば、前記で定義したごとき苛性スラッジであるか、又は、触媒等のごとき他の水銀汚染材料であり得る。更に、水銀は液体水銀として存在することが好ましいが、水銀化合物として汚染材料中に存在し得る。
苛性スラッジサンプルを処理するのに使用する場合には、本発明は、i)苛性スラッジを液力鉱物分離器中で処理して、水銀を含有する高密度部分と、水銀を実質的に含有していない低密度部分とを形成させ、ついでii)上記低密度部分から高密度部分を分離することからなる、苛性スラッジから水銀を除去又は回収するための苛性スラッジ処理方法も提供する。
液力鉱物分離器の操作においては、重金属又は水銀、又は水銀小滴を含有する粒子は、重金属又は水銀の比重が高いため、分離器の垂直管を経て沈降又は沈下するであろう。これらの高比重小滴及び/又は粒子は管の底部で捕集し得る。
分離器中の液流速度は、より重い粒子が垂直管を経て沈降し、より軽い粒子が分離器の頂部から洗い流されるように設定される。流速は処理されるサンプルの種類により変動させ得ることは明らかである。
水銀汚染材料からの水銀汚染物が材料サンプルから完全に分離し、その結果、水銀汚染物が比較的重い、密度の高い水銀小滴を形成することが好ましい。この重い、密度の高い水銀小滴は分離器を経て沈降するであろう。
更に、本発明の方法を水銀汚染土壌から水銀を除去するのに使用する場合には、この方法により水銀をより小容量の土壌サンプル中に濃縮することができる。しかしながら、前記したごとき比較的重い、密度の高い水銀小滴を形成させるためには、土壌から液体水銀を分離させることが好ましい。この重い、密度の高い水銀小滴は分離器を経て沈降し、かくして、液力鉱物分離器は土壌サンプルから水銀を効果的に除去するであろう。従って、好ましい態様においては、本発明の方法は水銀汚染土壌サンプルから水銀を除去する方法を提供する。
水銀を含有していない、又は、水銀を除去された残留土壌粒子は液流によって沈下するほど十分に重くなく、従って、垂直管の頂部で捕集されるであろう。
液力鉱物分離器の効率に応じて、かく得られた、高密度部分に見出だされる“高密度粒子”は実質的に水銀からなり、痕跡量の土壌汚染物を含有し得る。この水銀を捕集し、追加の精製（必要ならば）を行った後、液体水銀として再使用し得る。高密度粒子は、当初の、容量のより大きい土壌サンプルより水銀を高い濃度で含有する、容量のより小さい土壌サンプルとしても捕集し得る。容量のより小さい土壌サンプルの処理及び/又は廃棄は、容量のより大きい土壌サンプルの処理及び/又は廃棄より好ましい；その理由は、例えば認可された埋立て操作によるこの濃縮サンプルの廃棄の費用は、当初の容量のより大きい汚染土壌の埋立ての費用より低いということにある。
残留土壌粒子は水銀（又は他の重金属）汚染物から分離され、従って、実質的に汚染されていない。これらの土壌粒子は土壌修復プログラムの一部として元の場所に返還し得る。
液体水銀の比重は高いので、実質的に全ての水銀が密度の高い土壌と共に除去されるであろう。しかしながら、全土壌サンプルから水銀を分離する方法の効率は使用する作業条件に依存している。しかしながら、作業条件は“高密度粒子”が90重量％以上の水銀からなるように、そして、“高密度粒子”として捕集された水銀が土壌サンプル中に当初存在する水銀の90％以上になるように設定することが好ましい。これらの水準の両者が95％以上であることがより好ましく、これらの水準の両者が99％以上であることが最も好ましい。
液力鉱物分離器を汚染土壌の処理に使用する本発明の方法の態様においては、土壌サンプルを粒度によって分級する。この分級工程は多数の土壌処理法の任意のものであることができ、破砕及び篩分け等のごとき工程を包含し得る。一般的には、この工程の目的は、単に、所定の容量粒度を有する粒子を提供することである。この第１の分級工程は、単に、各々のサンプルでの粒度が実質的に一定である多数の異なる土壌サンプルを形成させるための、土壌の篩分けである。ついで、各土壌サンプルを分離器の操作条件が各々の個々の土壌粒度について設定されている液力鉱物分離器に供給する。
分級土壌粒子サンプルは、土壌粒子の90％以上が中央（メジアン）粒度(median particle size)の50〜150％の粒度を有するような土壌粒度分布を有することが好ましい。土壌サンプル中の土壌粒子の95％以上が中央粒度の75〜125％の粒度を有するような土壌粒度分布を有することよりが好ましい。好ましい土壌サンプル粒度は0.1〜１cmであり、より好ましくは0.1〜0.6cmであり、最も好ましくは0.2〜0.4cmである。しかしながら、液力鉱物分離器のプロセスパラメーターを選択された粒度の土壌を処理するために調節し得る限り、任意の適当な粒度が許容され得る。
苛性スラッジの処理に使用する場合には、水銀小滴を、前記したごとく、液力鉱物分離器の底部から取出す。水銀を除去した残留苛性スラッジ材料は、通常、残留アルカリ性濾材(caustic filtering medium)からなる。この濾材は水銀より軽く、従って、液流中で沈下するほどに十分に重くなく、従って、垂直管の頂部に集合するであろう。従って、低密度濾材は液力鉱物分離器の頂部から除去される。
かくして、液力鉱物分離器は苛性スラッジから水銀を効率的に除去するであろう。従って、好ましい態様においては、本発明に関して前記した方法により水銀汚染苛性スラッジから実質的に純粋な水銀を取出し、回収する方法が提供される。
液力鉱物分離器の効率に応じて、高密度部分中に見出だされる生成材料は本質的に水銀と痕跡量のスラッジ汚染物とからなるであろう。この水銀を捕集し、所望ならば追加の精製の後、液体水銀として再使用し得る。
高密度材料は当初の容量のより大きい苛性スラッジサンプルより高い水準の水銀を含有する、容量のより小さい苛性スラッジサンプルとしても捕集し得る。容量のより小さいスラッジサンプルの処理及び/又は廃棄は、容量のより大きい苛性スラッジサンプルの処理及び/又は廃棄より好ましい；その理由は、例えば認可された埋立て操作によるこの濃縮サンプルの廃棄の費用は、当初の容量のより大きい汚染スラッジの廃棄の費用より低いからである。
追加の精製工程として、鉱物分離器から捕集された高密度粒子のサンプルを、水銀含有高密度部分のサンプルサイズを更に減少させるために、１個又はそれ以上の追加の鉱物分離器に送付し得る。更に、高密度部分が本質的に水銀の小滴になるまで、高密度部分のサンプルを一連の鉱物分離器に送付する（又は、同一の鉱物分離器に数回送付する）ことができる。従って、一つの好ましい態様においては、高密度粒子が95重量％以上、より好ましくは99重量％以上の水銀を含有する水銀小滴になるまで、スラッジサンプルを１個又はそれ以上の鉱物分離器に送付する。
従って、本発明は、前記した方法であって、前記高密度部分を少なくとも１個の追加の液力鉱物分離器中で処理して、第２の水銀含有高密度部分と、水銀を実質的に含有していない第２の低密度部分とを形成させ、ついで上記第２の低密度部分から上記第２の高密度部分を分離する方法を提供する。
最も好ましくは、本発明は、苛性スラッジから水銀を除去又は回収するための苛性スラッジ処理工程を包含する前記したごとき方法であって、i)苛性スラッジを１個又は一連の液力鉱物分離器中で処理して、水銀含有高密度部分と、水銀を実質的に含有していない低密度部分とを形成させ、ついで、ii)上記低密度部分から高密度部分を分離することからなり、そして、上記水銀含有高密度部分は95重量％以上、より好ましくは99重量％以上の水銀からなり、水銀を実質的に含有していない上記低密度部分は１重量％以下、より好ましくは0.5重量％以下の水銀からなるものであることを特徴とする方法を提供する。
本発明の方法は、例えば固体、粒状吸着剤又は触媒を包含する種々の材料から水銀を除去するのにも適用し得る。別の具体例として、鉱物分離器中を流動する水の作用により粒子から水銀を除去し得る任意の材料が挙げられる。しかしながら、水銀含有粒子の濃縮は、水銀を粒状材料から容易に除去できない粒子において同様に達成し得る。
液力鉱物分離器は採鉱工業において知られている液力鉱物分離器であって、流動液体流の使用により高い比重を有する材料を低い比重を有する材料から分離することのできる液力鉱物分離器の任意のものであり得る。しかしながら、好ましい鉱物分離器は汚染土壌を処理プロセスに連続的に添加し、水銀と土壌排出物を実質的に連続的に取出し得るように、連続的な仕方で作動するように設計されたものである。しかしながら、以下においては特に好ましい液力鉱物分離器について説明する。
液力鉱物分離器においては広範囲の液体を使用し得る。土壌粒子を溶解すること以外、分離器内で処理すべき材料と反応することのない液体を使用することが好ましい。選択された液体の密度も液体中での高密度粒子の沈降を促進するようなものであるべきである。本発明で使用するのに最も好ましい液体は水である。
本発明の方法の好ましい操作方法は水銀を本質的に純粋な水銀流として捕集する態様である。この方法により再循環及び/又は再使用し得る水銀流を捕集することができる。土壌サンプルから捕集する場合には、この方法により汚染土壌の修復(remediation)が可能であり、その結果、土壌を更に処理工程を行うことなしに周囲に放出できる。
しかしながら、本発明の方法は水銀又は非液状重金属をより小容量の土壌サンプル中に濃縮させるような方法で行い得る。この形式の方法の効果は、土壌サンプル中に当初に存在する重金属の大部分、好ましくは少なくとも90重量％、より好ましくは少なくとも95重量％の重金属を比較的小量の土壌中に濃縮できることである。このより小量の土壌サンプルは、当初の土壌サンプル量の好ましくは10容量％以下、より好ましくは、５容量％以下である。ついで、この濃縮された容量の汚染土壌を更に処理して重金属汚染物を除去するか又は例えば埋立て操作のごとき廃棄手段により廃棄し得る。しかしながら、埋立てられるべき土壌の容積が減少することにより、埋立て費用のかなりの節約が達成される。
しかしながら、本発明の方法の好ましい操作方法は、水銀又は重金属を処理されたサンプルから実質的に完全に除去し、実質的に純粋な水銀又は重金属流として捕集する態様である。この特定の方法により再循環及び/又は再使用できる水銀又は重金属流の捕集が可能であり、含有水銀又は含有重金属の問題に注意を向ける必要なしに、処理された材料（例えば、土壌、苛性スラッジ、触媒等）を廃棄することが可能である。
しかしながら、本発明の方法においては、（種々の排出基準に応じて）許容され得ない大量の水銀又は重金属が鉱物分離器内で使用された液体中に溶解するか又は（例えば微細な小滴として）分散し得る。このことが生起した場合、重金属は鉱物分離器の流出液の一部として失われ、従って、液体（例えば水）を該水流から重金属（例えば水銀）を除去するために処理することが必要である。
従って、本発明は、鉱物分離器から排出される液体を液体処理工程で処理することにより重金属汚染物を除去する方法、好ましい態様においては、鉱物分離器で使用された水から水銀を除去する方法も提供する。例えば、好ましい水処理工程においては、鉱物分離器からの高密度粒子を含有する水を沈降槽に送付し、ここで高密度粒子を水から沈降させ、除去する。沈降後の水は本質的に水銀を含有しておらず、排出するか又はプロセス系に再循環し得る。
鉱物分離器からの溢出流(overflow)（これは低密度粒子を含有している）も第２の沈降槽に送付し、ここで固体粒子を槽の底部に沈降させ、除去する。沈降時間を短縮させるため及び/又は沈降効率を増大させるために、場合により、硫酸アルミニウム又は他の慣用の既知の水処理用凝集剤のごとき薬品を添加し得る。沈降槽からの上澄液は、全部又は一部、処理プロセスに再循環させるか又は処理系から排出させるために更に処理し得る。好ましい別の処理プロセスは追加の沈降槽での追加の沈降工程を包含する。懸濁粒子を沈降させ、除去した後、最終上澄液を、必要に応じ、酸又はアルカリで処理して液体のpHを７〜11、より好ましくは7.5〜8.5、最も好ましくは約８に調整する。ついでpH調整した液体を硫化第一鉄又は水硫化ナトリウムごとき種々の薬品で処理して、残留重金属（又は水銀）を撹拌沈降槽内で新たに形成された懸濁固体又は水硫化物として除去する。ついで、撹拌沈降槽からの溢出流を、例えばサンドフィルター及びついでカーボンフィルターを通過させて濾過して、カーボン吸着液体又は固体を除去する。ついでカーボンフィルターを通過させた水を周囲環境に排出し得る。他の要旨によれば、本発明は前記したごときプロセスを促進する装置であって、鉱物分離器の垂直管を通過する上昇流の速度を粒子検知装置により調節する装置も提供する
従って、本発明は、
底部又はその付近に液体流入口を有する実質的に垂直な管；
前記垂直管の頂部又はその付近にある液体流出口であって、液体を上記垂直管を通過して前記液体流入口から上記液体流出口に上方に流動させるための液体流出口；
前記垂直管内に設けられた粒子センサー；
上記粒子センサーと作用的に連結している液流調整器であって、粒子又は複数の粒子を前記粒子センサーによって検知したとき、前記垂直管内の液体の流率を調節する液流調整器；
からなる液力鉱物分離器を提供する。
液力鉱物分離器の基本的な構成部品は文献に記載される既知の鉱物分離器の任意のものであり得る。一般的には、垂直管は粒子を選択された液体流に応答して分離するのに十分な長さである。液体流速度は所与のサンプルパラメーター（寸法、密度等）及び選択された垂直管の長さについて、高密度粒子の低密度粒子からの分離を行うために調節し得る。
分離器は密度によって分級することのできる広範囲の材料を分離するのに使用し得る。この分離は密度の異なる固体の分離、固体の液体からの分離及び密度の異なる２種の液体の分離を包含し得る。
本明細書においては、高密度及び低密度“粒子”について言及する。本明細書において、“粒子”という用語は固体材料を表すのに使用されるが、本発明の装置内で土壌から分離し得る、例えば水銀の小滴等のごとき高密度液体の小滴も包含し得る。
液力分離器中で使用するのに好ましい液体は水である。しかしながら、分離されるべき材料の種類に応じて任意の他の液体を使用し得る。標準的な鉱物分離器技術に従って、液体を鉱物分離器の下方部分に添加し、従って、液体は垂直管を通過して上方に流動するであろう。液体は垂直管から流出して混合帯域に流入し、ここで液体は混合帯域に典型的に添加される対象サンプルと混合される。液体を対象サンプルと混合した後、高密度粒子を液体の上昇流と反対方向に垂直管中を落下させる。最後に、低密度粒子を混合帯域に存在する液体と共に分離器の混合帯域から取出す。液体を低密度粒子から除去し、好ましくは、鉱物分離器に再循環させる。
高密度粒子は垂直管を通過して落下し、出口開口を経て鉱物分離器の底部から取出される。この開口は常に解放しておくことができ−但し、出口からの流速が鉱物分離器に添加される液体の流速より大きくないことを条件とする−、又は、捕集された高密度粒子を流し出すために、断続的に解放し得る。
本発明の鉱物分離器中で使用される粒子センサーは液流中の粒子を検知することのできる任意の装置であり得る。粒子（これは液滴を包含し得る）の性質及び分離器中で使用される液体の性質に応じて、広範囲のセンサーを利用し得る。これらのセンサーは導電率、キャパシタンス、磁性等を包含するの種々の物理的性質に基づいて作動する。非透明性の粒子については、センサーは赤外線又は紫外線のごとき任意の適当な電磁線周波数に基づいて作動するセンサーを包含し得る光センサーであることことが好ましいが、最も好ましくは、可視光線スペクトルで作動するものである。
センサーはその位置が液体流入口の上方である限り、垂直管のどこにでも設置できる。しかしながら、サンプル粒子が未だ、垂直管内に存在する間に液体流の調節が行われるように、垂直管の上半部に設置することが好ましい。
液流調節器は分離器への液体の流速を増大させるか又は減少させることにより、又は、垂直管に流入する前に分離器から液体を放出することによって垂直管への液体の流速を調節することにより作動させ得る。液流調節器は液体流の方向を断続的に(on and off)に変更させるために作動させることができ、また、一定の、正の（即ち、ゼロではない）基本流速(base flow rate)を保持しながら液体の流速を調節するために作動させることができる。
液流調節器は粒子センサーから受信した信号に基づく所望のパラメーターに従って解放又は閉鎖し得る弁であることが好ましい。粒子センサーと液流調節器は、粒子が粒子センサーによって検知されたとき、予め定められた方法で液流調節器を作動させるようにプログラムされた制御器によって連結されていることが好ましい。
好ましい態様においては、粒子センサーを垂直管の上半部に設置する。粒子を検知したとき、液流速度を直ちに一定時間増大させる。好ましい時間は0.1〜10秒であり、より好ましくは１〜６秒であり、最も好ましくは１〜３秒である。一定の時間後、液流速度をその基本流速に戻す。この基本流速は低い流速であるか又は無流速（no flow rate）であり得る（即ち、液流を停止させる）。しかしながら、基本流速は粒子が垂直管に進入することができるように十分に遅いものであるべきであり、また、一定時間内の流速は所望の粒子密度以上の粒子だけが垂直管を通過することができるように十分に大きいものであるべきである。
液流調節器は鉱物分離器の底部からの液体の放出又は放出の抑制によっても作動し得る。液体添加速度が一定である場合には、鉱物分離器から流出する液体の量を増大又は減少させることにより、垂直管を通過して上方に流動する液体の流速が調節される。液体添加速度と液体流出速度とを組合せて使用し得る。
前記制御器は粒子センサーからの入力情報を受信するのに適した、好ましくはプログラム可能な電子装置であることが好ましく、この情報を液流調節器を制御するのに利用する。
他の好ましい態様においては、粒子センサーを使用して、所定の操作条件について実質的に一定の重質粒子捕集率が得られるように垂直管内の流速を調節する。この態様においては、定常状態条件が達成され、一定の量の高密度粒子が垂直管内を通過するように液流調節器により流速を調節する。粒子が垂直管内を通過する速度が変動した場合には、液流調節器は重質粒子捕集率を所定の割合に戻すように流速を調節するであろう。同様に、重質粒子捕集率が所定の割合以下に低下した場合には流速を減少させ得る。
この態様においては、鉱物分離器は該分離器に添加される粒子の組成の変化を自動的に調節し、従って、全ての粒子が垂直管に流入するには軽量であり過ぎるとして排除される状態、又は、過度の数の粒子が垂直管に流入する状態を回避することができる。
更に好ましい態様においては、鉱物分離器は該分離器の底部で捕集された高密度粒子の水準を検知できる高密度粒子レベルセンサーを含有する。高密度粒子の水準がある水準に到達した場合には、このレベルセンサーは流出出口を解放して、高水準の粒子を分離器から除去する。
従って、本発明は、本発明との関係で前記した液力鉱物分離器を含有し、更に、垂直管の底部又は底部端部の下側に設けられた高密度粒子レベルセンサーと、該高密度粒子レベルセンサーと作用的に連結している出口バルブとを有しており、上記出口バルブは上記高密度粒子レベルセンサーから受信した信号に従って開放又は閉鎖されるものである、完全自動化液力鉱物分離器も提供する。
高密度粒子レベルセンサーは粒子センサーとの関係で前記したレベルセンサーの任意のものであり得る。適当な高密度粒子レベルセンサーの選択は高密度粒子の種類に基づいて行われるであろうが、例えば、光センサーであることができる。
出口バルブは常に部分的に開放されており、高密度粒子レベルセンサーからの適当な信号を受信した際に流量の増大させるか、又は、通常は閉鎖しており、高密度粒子レベルセンサーが設定値より高い粒子水準を検知したときのみ、開放するものであり得る。出口バルブは、一旦、始動したときには一定時間、開放したままであることができ、あるいは、鉱物分離器が第２の高密度粒子レベルセンサーを含有しており、この場合、第１と第２のセンサーは分離器内の高密度粒子の水準について、高い設定値と低い設定値を設定するのに使用し得る。
鉱物分離器から高密度粒子を適当に解放することにより、分離器から（高密度粒子を含有する“混入物”として）解放される液体の量を最小限にすることができる。
本発明の装置においては、他の装置を更に利用し得る。これらは、(i)粒子センサーの表面付近に設けられた水流入口であって、各センサーの表面付近に清浄な表面を保持するための比較的小さい水流入口；(ii)垂直管の頂部端部付近に設けられた水流入バルブであって、上記帯域が混合器に添加される大量の粒子の流入によって閉鎖されないようにするための水流入バルブ；(iii)粒子混合器中に設けられた、該混合器中の粒子を自由流動性、非凝集状態に保持するための攪拌モーター；(iv)攪拌モーターに連結された制御器であって、混合器の電力要求条件の変化に基づいて混合器への粒子添加速度を調節し、その結果、混合器中の粒子の数を本質的に一定にするための制御器；又は、混合器内で一定の粒子水準を得るために作業員が粒子添加速度を主動的に制御することを可能にする攪拌モーター電力指示器；及び(v)垂直管帯域内に設けられた混合装置；例えば、固体材料のごときある種の粒子の凝集を防止するための、又は、重い液体、例えば水銀のごとき他の種類の粒子の凝集を促進するための超音波混合器；を包含する。
実施例
以下においては、下記の実施例及び添付図面を参照して、本発明の方法と装置を例示して説明する。
第１図は本発明の方法の態様に従って液力鉱物分離器の操作についてのプロセスダイアグラムを示す。
第２図は本発明の好ましい方法の操作についてのプロセスフローシートを示す。
第３図は本発明に従った液力鉱物分離器である。
第４図は出口弁が添加された改変液力鉱物分離器である。
第５図は本発明の装置の別の態様である。
第１図においては、液力鉱物分離器10は縦型中央管11からなり、この管は水流入室15から濾斗型開口16まで伸びている。水流入口20が水流入室15に取付けられており、排出開口21及び22が、それぞれ、水流入室15と濾斗型開口16に取付けられている。
本発明を実施するにあたっては、水を水流入口20から分離器10に供給する。水は水流入室15に流入しついで中央管11を上方に流動して濾斗型開口16に流入する。水の一部は排出開口21を経て分離器10から流出し、残部の水は排出開口22を経て分離器10から流出する。水が中央管11を上昇するようにするために、排出開口21は水流入口20より小さくしてある。分離器10への水の流入を制御して、中央管11を上昇する水の流れを実質的に一定にする。
第１の実施例においては、実質的に一定の容量粒度を有する水銀汚染土壌粒子30をホッパー31から濾斗型開口16に添加する。そこで、土壌粒子を攪拌機35により濾斗型開口16中の水中に混合する。濾斗型開口16中にある間に、土壌粒子30は中央管11の上部開口部に進入する。水銀を含む粒子、又は、土壌粒子30から放出された水銀から実質的になる粒子だけが、粒子が中央管11内を上方に流動する水流を通過して沈降することを可能にする密度を有する。30Mとして図示されているこれらの重い土壌粒子（又は水銀小滴）は中央管11を通過して沈降し、水流入室15中に落下することができる。
水流入室15内の水の速度が中央管11におけるより小さくなるようにするために、水流入室15は中央管11より大きな断面積を有する。従って、粒子30Mが水流入室15に到達すると、これらの粒子は水流入室15の底部に向けて迅速に沈降し、排出開口21から除去される。水銀小滴又はより重い土壌粒子30Mは排出開口21から流出する水から分離することができ、この水は水流入口20から装置系に返還される。
中央管11を通過して沈降するのには十分に重くない土壌粒子30は最終的に排出開口22から排出される。この粒子を水から分離し、水は水流入口20から装置系に返還される。
濾斗型開口16が中央管11からの水中への土壌粒子の混合を促進するように設計されている場合には、撹拌機35は必要な場合に設置される。この混合により、水銀汚染土壌粒子が早期に排出開口22を経て分離器10から排出される機会が最小限になる。
本発明の一つの態様においては、本発明で特許請求されている方法及び上記したごとき方法は、1500トンの土壌/クレイ混合物の土壌サンプルから水銀を除去するのに利用し得る。この混合物は、0.6cm以下の土壌粒度を有する粗大混合物と、0.3cm以下の土壌粒度を有する中間混合物を得るために予備篩分けした。
15ガロン(68l)/分（約４トン/時）の割合で水が供給されている液力鉱物分離器内で、土壌/クレイ混合物を約５トン/時の割合で処理した。土壌/クレイ混合物中に存在することが分析により測定されている水銀の99.9％以上が回収された。
第２の実施例においては、苛性スラッジサンプルの粒子（この実施例においては、苛性スラッジ粒子も第１図における番号30で表す）をホッパー31から濾斗型開口16に添加した。そこで、粒子を攪拌機35により濾斗型開口16中の水中に混合する。濾斗型開口16中にある間に、スラッジ粒子30は中央管11の上部開口部に進入する。水銀を含む粒子、又は、苛性スラッジ粒子30から放出された水銀から実質的になる粒子だけが、粒子が中央管11内を上方に流動する水流を通過して沈降することを可能にする密度/重量を有する。30Mとして図示されているこれらの重いスラッジ粒子（又は水銀小滴）は中央管11を通過して沈降し、水流入室15中に落下することができる。
前記したごとく、水流入室15内の水の速度が中央管11におけるより小さくなるようにするために、水流入室15は中央管11より大きな断面積を有する。従って、粒子30Mが水流入室15に到達すると、これらの粒子は水流入室15の底部に向けて迅速に沈降し、排出開口21から除去される。水銀粒子又はより重いスラッジ粒子30Mは排出開口21から流出する水から分離することができ、この水は水流入口20から装置系に返還される。
中央管11を通過して沈降するのには十分に重くないスラッジ粒子30は最終的に排出開口22から排出される。この粒子を水から分離し、水は水流入口20から装置系に返還される。
同様に、濾斗型開口16が中央管11からの水中へのスラッジ粒子の混合を促進するように設計されている場合には、撹拌機35は必要な場合に設置される。この混合により、水銀汚染スラッジが早期に排出開口22を経て分離器10から排出される機会が最小限になる。
本発明のこの態様の実施例においては、前記したごとき方法は、55％の水銀と45％のカーボン粒子を含有することが分析されている苛性スラッジサンプルから水銀を除去するのに利用される。
この苛性スラッジを第１図に示すごとき液力鉱物分離器に通送した。液力鉱物分離器を一回通過した後、分離器からの“溢流水”（“overflow”）は16％の水銀を含有することが分析により確認され、分離器の底部から捕集されたサンプルは純粋な水銀であった。
分離器の“溢流水”から捕集された材料を再度、分離器に通送した。純粋な水銀が上記材料から捕集された。
第２図には、液力鉱物分離器10からの水の排出が示されているプロセスフローシートが示されている。鉱物分離器10から排出開口21を経て流出する水は沈降槽50に供給される。液体水銀からなる沈降“固体”は排出口51から取出され、一方、上澄水は出口52から取出される。
排出口22を経て鉱物分離器10から流出する水は、順次、沈降容器(settle-mentation vessel)60,70及び80に供給される。各々の容器において、沈降した固体を、それぞれ、排出口61,71及び81から取出す。各々の容器からの上澄水は、それぞれ、排出口62,72及び82から取出す。沈降速度を改善するために、凝集剤として硫酸アルミニウムをパイプ63から添加する。容器60から取出された上澄液の一部をパイプ64を経て鉱物分離器水流入口20に再循環させ、ここで、分離器10に流入する水と混合する。
容器80から流出する上澄液を管路83から添加される硫酸又は管路84から添加される苛性ソーダで処理して、pHを7.5〜8.5にする。pH調節した液体を沈降容器90に供給する。硫酸第一鉄及び水硫化ナトリウムを、それぞれ、入口管路95及び96から容器90に添加して、追加の水銀含有固体塩を形成させ、これを容器90の底部に沈降させる。沈降した固体塩を出口91から取出し、上澄液を出口92から取出す。ついで、この上澄液をサンドフィルター97及びカーボンフィルター98を順次、通過させる。ついで、カーボンフィルター98から流出する水を出口99を経て周囲環境に廃棄する。
第３図において、液力鉱物分離器10Aは第１図に示される液力鉱物分離器10に類似している。しかしながら、液力鉱物分離器10Aは更に、光センサー17と光センサー18を含有しており、これらの両者は中央管11に連結されている。光センサー18は、更に、水流入弁制御器23を介して水流入弁24に作用的に連結されている。
第３図に示す装置の操作においては、水流入弁24を通常、閉鎖して、水が水流入室15に流入することを防止する。粒子30及び30Mが中央管11を経て沈降するとき、これらの粒子は光源17の前方を通過し、光センサー18への光信号を遮断する。この方法により、光センサー18は中央管中の粒子30及び31の存在を検知することができる。粒子の存在は制御器23に伝達され、制御器23は水流入弁24を４秒間（又は他の一定の時間）開放する。弁24は、粒子30を上昇させて濾斗16に逆流させるのに十分な水流を中央管11に流入させるように設定する。しかしながら、この流率は中央管11内で沈降する粒子30Mを顕著に上昇させるには不十分である。一定時間の後、制御器23は弁24を閉鎖して、中央管11への水の流入を停止させる。このことにより、追加の粒子30及び30Mが中央管11に進入し、ここで、同様に、これらの粒子は光センサー18により検知される。
図示されている装置の変形においては、粒子30及び30Mが光センサー18の前方を通過するのを検知するのに十分な低い流速である低水流速度（基本流速）を提供するように水流入弁24を設定し得る。粒子を検知したとき、制御器23は水流入弁24を更に開放して、追加の水を水流入室15に流入させ、かくして、中央管11内の水の流速を増大させる。増大した流速は第３図に関して前記した流率に従っている。一定の時間後、制御器23は弁24を、この弁が基本流速を提供する時点まで再度、閉鎖する。
この第２の方法は水を中央管11の底部に基本流速で流入させる第２の水流入口（図示せず）を設けることによっても達成される。
第４図には本発明の分離器の更に別の変形（以下では10Bと称する）が示されている；この分離器は追加の光源41、追加の光センサー43、追加の制御器45及び出口弁46を含有する。この装置においては、粒子30Mが水流入室15の底部に集合するように、出口弁46は、通常、閉鎖されている。粒子30Mが本質的に水に不溶性である場合（例えば、水銀小滴のごとく）、粒子は集合して、水流入室15の底部でほぼ均質な、水を含まない塊状物30Tを形成する。粒子が十分に集合したとき、塊状物30Tは光源41から光センサー43への光の透過を連続的に妨害する。この光線ビームの連続的な中断により制御器45が一定時間、弁46を開放する。弁46が開放されたとき、塊状物30Tは出口21から流出する。実質的な部分の塊状物30Tを出口21から取出すのに十分な時間、弁46を開放することが好ましい。
塊状物30Tが出口21からる流出する速度も中央管11中の水の流速に与える影響を最小限にするように調節し得る。
塊状物30Tを装置から流出させるために、他の装置を利用し得る。これらの装置は低及び高水準30T検知器を包含しており、この検知器は30Tが高水準に到達したとき、弁46を開放し、低水準に到達したとき、弁46を閉鎖する。
第５図には、分離器10Cの水流入室15が省略されている、本発明の分離器の更に別の変形が示されている。この態様においては、水が中央管11に直接流入するように、水流入口20は中央管11に直接、連結されている。更に、出口21は中央管11の底部に設けられている。塊状物30Tは中央管11の底部に集合する。粒子センサー18は光源/光センサー結合装置18Aによって置換されており、光源17は反射面として作用するミラー47によって置換されている。光源/光センサー結合装置18Aからの光はミラー47により光源/光センサー結合装置18Aに反射される。光がミラー47の方向に進行し、ミラー47から反射されるときに光源とセンサーの間の光を遮断する粒子はセンサー18Aによって検知されるであろう。
塊状物30Tの破壊を最小限にするために、水流入口20を光センサー43の上方に設けて、塊状物30Tが水流入口の下方の位置にあるようににすることが好ましい。
本発明の特定の態様について説明したが、その変形は当業者に示唆されること及び請求の範囲に包含されるかかる全ての変形を保護することを意図することは理解されるであろう。
【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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