電場を利用した液中微粒子のケミカルフリー凝集技術の開発
上席研究員（名古屋大学名誉教授），椿	  淳一郎法政大学大学院スラリー工学研究所（所長），森	  隆昌1．緒言	  シックナーに代表される沈降濃縮操作では，被処理液中に含まれる粒子の粒子径が大きいほど沈降速度が速く，より短時間での濃縮が可能となる．したがって，微粒子スラリーを沈降濃縮する場合には，凝集剤を添加して粒子を凝集させることで，沈降速度を大きくする 1-3)ことが一般的である．凝集剤には実に様々な種類があり，分野によって，それぞれ必要とされる特性を満足するものが使用され，また現在もさらに効率の良い凝集剤の開発が行われている 4-6)．凝集剤添加による沈降濃縮は，非常に簡便な操作でかつ経済性も優れており，広い分野で利用されている．	  しかしながら，一方で，沈降濃縮後の固形分が付加価値の高いものであった
り，他の用途に使用可能な場合には，添加した凝集剤がコンタミ成分となって再利用を難しくする場合がある．例えば家畜屎尿活性汚泥は凝集剤添加による沈降濃縮によって清澄液と汚泥に分けられるが，汚泥中に含まれる凝集剤成分のために肥料として再利用することは難しく 7)廃棄されている．同様に下水処
理工程においても清澄な水と汚泥に分離されるが，無機凝集剤を添加することが一般的に行われており，回収した汚泥は最終的に焼却し廃棄されている．あるいは，道路、トンネル、大型建築を作る際に出てくる建設汚泥も濃縮するときに凝集剤として用いられるポリアクリルアミドに含まれる未重合のアクリルアミドモノマーが植物の生長に影響する 8)と共にその発がん性から、復土する場所に制限がある．	  したがって凝集剤を添加せず，ケミカルフリーで，凝集剤添加と同等に粒子を凝集させることができれば，沈降濃縮効率を下げることなく，かつ回収粒子を再利用可能になると期待される．そこで我々は被処理液に電場を印加し粒子を凝集させる方法に着目した．スラリーに電場を印加すると粒子凝集が起こる
現象そのものは，電気粘性流体（ER 流体）の分野で研究されてはいる 9,10)が，固液分離の前処理に応用しようとした例は極めて少ない．例えば井上 11)は液中に懸濁する油滴粒子を交流電場により凝集させ，効率よく分離する装置を提案している．同様に柳田 12)も液中に懸濁するシリカ粒子を交流電場により凝集させることを検討している．しかしこれらの研究は，いずれも使用した電場は高電圧の交流であり，粒子凝集に最適な電場の条件等については十分に検討されていない．また被処理液側の特性についても報告されている例は見当たらない．
そこで本研究では，アルミナスラリーをモデルスラリーとして，印加する電場の種類や強度，電場印加時間を系統的に変化させて，粒子凝集に及ぼす影響を検討した．
2．実験方法2.1 スラリー調製	  原料粉体はアルミナ AES-12（住友化学，平均粒子径 0.5µm）とした．
粒子濃度は 0.5vol%で一定とした．
アルミナ粒子と蒸留水を所定の割合で混合後，超音波分散機により分散させて実験用スラリーとした．スラリーの pH はおよそ 7.0 であった．実験に使用したアルミナ粒子のゼータ
電位の pH 依存性を Fig.1 に示す．
2.2 電場による粒子凝集実験
電場の種類・強度の影響：上記のア
Fig.1 Zeta potential of sample alumina powder
ルミナスラリーに Fig.2 のような装置で電場を印加し，清澄層／スラリー界面高さの経時変化を測定した．電極間距離は 2, 4 cm とした．
電場は直流	  5〜20 V，交流 10 Vとした．さらに交流については，周波数を 8.3 x 10-3〜500 Hz と変化させた．	 
攪拌の影響：粒子凝集を促進する
Fig.2 Experimental apparatus
ためには，電場により分極した粒子同士が効果的に衝突することが望ましいので，電場印加時にスラリーを攪拌した場合と攪拌がない場合の粒子凝集程度を比較した．アルミナスラリーに電極間距離 4 cm，直流 10 V の条件
で電場を印加し，マグネチックスターラー（150 rpm）で攪拌しながら，界面の経時変化を測定した．	 
電場印加時間の影響：電場を印加する時間が凝集体形成に及ぼす影響を考察するために，電極間距離 4 cm，直流 10 V の条件でスラリーに電場を印加し，印加時間を 5〜30 min の間で変化させた．所定の時間電場を印加した後に，スラリーを沈降管に移し，スラリーの沈降挙動を観察した．	 
粒子表面電位の影響：スラリー物性の中でもっとも粒子の凝集・沈降挙動に影響を及ぼすと考えられる粒子表面電位の影響を考察するために，スラリーの pHを塩酸，水酸化ナトリウム水溶液を添加して調整した．スラリーpH が 9.6, 9.9,10.6 のスラリーを，同一条件（電極間距離 4 cm，直流 10 V）で電場を印加し，凝集に及ぼす粒子表面電位の影響を検討した．この実験ではスラリーの沈降界面が不明瞭で観察が困難であったため，装置上部から 3 cm の位置で，一定時間ごとにスラリーをサンプリングし，粒子濃度を求めることで，粒子の沈降挙動を定量化し，粒子凝集の度合いを比較した．	 
3. 実験結果及び考察
3.1 電場の種類・強度の影響	  Figs.3, 4 にアルミナスラリーに直流及び交流電場を印加したときの，清澄層／スラリー層界面位置の経時変化を示す．実験結果は全て電極間距離が 4 cm の場合である．比較のために，同一のスラリーを，電場を印加することなく静置した場合の界面経時変化も合わせて示した．まず直流，交流電場の違いを比較すると，交流では周波数 40, 200, 500 Hz においては，界面の経時変化は電場を印加していない場合とほぼ等しく，粒子凝集効果は見られなかった．これ
らの周波数については，電圧を 20,50 V と変化させて同様の実験を行ったが，やはり粒子凝集効果はほとんど見られなかった．周波数が非常に小さい 8.3 x 10-3 Hz の場合にのみ，わずかに界面低下速度の上昇が確認されたが，直流ほどの効果はなかった．これは，交流電場では分極方向が変化するため，粒子の分極が電場の方向の変化に追随できず，粒子凝集を促せるような粒子分極による引Fig.3 Interface position with settling timechanging the applied DC voltages.

Fig.4 Interface position with settling timechanging the applied DC frequencies.

力が発生しなかったためと考えられる．	  さらに，粒子凝集に効果が見られた直流電場の結果のみを比較すると，印加電圧が大きくなるほど，界面の低下速度が速くなり，粒子がより凝集していることがわかる．これはより高い電圧を印加するほど粒子が強く分極し，粒子間に作用する引力が大きくなったために，より効果的に粒子凝集が起こったものと考えられる．
Fig.5 Effect of applied voltage on settling	  ここで，Fig.3 の直線の傾きから粒velocity
子の沈降速度を求め電圧に対してプ
ロットした結果を Fig.5 に，またこの沈降速度を実現するために必要な粒子径（凝集体径）を次式で示すリチャードソン−ザキの式から見積もった結果を Fig.6 に示す．凝集体径を算出するに当たり，凝集体の空隙率が必要であるが，ここでは凝集体が最密構造をとる 0.259 から 0.7 までの範囲として計算した．図から分かるとおり，ほぼ電圧に比例する形で粒子の沈降速度は増加しており，サブミクロンオーダーの原料粒子がミクロンオーダーまで凝集し，20〜30 倍程度に粒子径が増加するといFig.6 Calculated aggregates size plotted asう結果となった．
a function of applied voltage.	  あまりにも高い電圧で直流電場を印加すると，スラリー温度の著しい増加や電気分解によるガスの発生を引き起こすが，直流電場が液中の粒子凝集には効果があり，電圧が高いほどその効果は大きいことが分かった．
3.2 攪拌の影響	  Fig.7 に電極間距離 4 cm で直流 10 V の電場を印加しながら攪拌した場合の，清澄層／スラリー層界面位置の経時変化を示す．図から分かるとおり，界面の下降速度は電場を印加しない場合とほとんど同じで，攪拌は電場による粒子の凝集には効果が無く，むしろ凝集を妨げる結果となった．これは，
攪拌には粒子を効率よく衝突させる効果がある反面，せん断によって形成された凝集体を破壊する効果もあるため，今回の電場によって形成された凝集体の強度よりも攪拌によるせん断力の方が大きかったことが一つの原因として考えられる．それに加えて，粒子が分極して発生する静電的な引力で凝集することを考えると，電場によFig.7 Effect of stirring on aggregationって生じた粒子の分極の方向が攪
behavior by applying DC field.
拌によってランダムになることで，粒子の凝集に必要な引力が弱められたことがもう一つの原因であると考えられる．したがって，電場を利用した粒子の凝集においては，攪拌は効果的ではないと言える．
3.3 電場印加時間の影響	  Fig.8 に電極間距離 4 cm で直流10 V の電場を，時間を変えてスラリーに印加した後に，スラリーの沈降挙動を観察した結果を示す．
図より，電場の印加時間が長くなるほど，粒子の沈降速度は増加していることがわかる．しかしながら，沈降速度の差を比較すると 5
Fig.8 Effect of electrical field applying
min と 10 min 印加した場合の差にtime.
比べ，10, 20, 30 min 印加した場合の差は小さくなっている．すなわち，電場による粒子の凝集体形成においては，比較的短時間の電場印加で凝集が効果的に進み，その後は電場を印加し続けても凝集体の成長速度が徐々に遅くなっていくということを意味している．この原因としては，粒子がある程度の大きさの凝集体を形成すると，見かけの粒子濃度が下がり，粒子間（凝集体間）の距離が広がるために，新たな粒子，凝集体間の衝突が起こりにくくなるためではないかと推察される．比較的短時間の電場印加でそれなりの凝集効果が得られるということは，今後，本技術を連続処理プロセスへと展開することが可能ではないかと期待される．
3.4 粒子表面電位の影響	  Fig.9 に，スラリーの pH を変化させ電場を印加した場合の，装置上部から 3 cm の位置での粒子濃度の経時変化を示す．粒子が電場によって凝集し，より大きな凝集体を形成するほど沈降速度は増加するため，同一位置での粒子濃度を比較すると，より大きな凝集体が形成されているスラリーの方がFig.9 Particle volumetric concentration at
粒子濃度は低くなる．図より，粒the 3cm depth changing pH.
子表面電位が大きくなるほど，同一時刻の粒子濃度は高く，すなわち，粒子の沈降速度が遅くなっていることが分かる．これは，粒子表面電位が高い方が粒子間に大きな静電反発力が働いているため，粒子の分極による凝集効果が弱められるためであると考えられる．
しかしながら，粒子凝集が起こりにくい粒子表面電位が高いスラリーにおいても，長時間電場を印加した場合には，最終的な上澄み層に残存している粒子量が，粒子表
Fig.10 Effect of electrode gap.
面電位が低いスラリーとほとんど変わらない程度になっている．電場無印加の場合は，この程度時間では粒子濃度の変化はほとんど見られないことから，粒子表面電位が高い場合でも，十分な時間電場を印加することでそれなりの効果が得られることが示された．
3.5 電極間距離の影響	  Fig.10 に電極間距離を変化させた場合の清澄層／スラリー層界面位置の経時変化を示す．円筒座標系の電界強度の計算はやや煩雑 13)であるため電界強度の算出までは行ってはいないが，電圧を増加させた場合の界面低下速度の上昇度に比べ，電極間距離を短くした場合の界面低下速度の上昇度が大きいことがわ
かる．電界強度を上げるために電圧を増加させることには，前述のスラリーの温度上昇や電気分解による著しいガスの発生を抑えるために限界が有るため，この点からも効率的な粒子凝集・分離のためには，電極間距離を狭くすることが有効であると言える．したがって，今後のスケールアップを考える上では複数の電極を狭い間隔で配置する事が有効ではないかと思われる．
4. 結論	  スラリーに電場を印加しケミカルフリーで液中微粒子を凝集させることを検討した．印加する電場の条件及びスラリーpH を変化させて，凝集に及ぼす影響を考察した結果，以下の事が明らかとなった．
1)	  5 ~ 20 V という比較的低電圧の直流電場をアルミナスラリーに印加することによって，粒子をケミカルフリーで凝集させることができた．交流電場の印加では粒子凝集効果がほとんど見られなかった．
2)	  直流電場による凝集体形成において，印加する電圧にほぼ比例して粒子の沈降速度が上昇した．
3)	  直流電場による凝集体形成において，電場印加中にスラリーを攪拌することは粒子の凝集には効果がなく，むしろ凝集体を破壊する結果となった．
4)	  スラリーの pH を変えて同一条件で電場を印加した結果，スラリーpH が等電点から離れるほど，粒子間に作用する大きな静電反発力によって電場による粒子凝集が妨げられることがわかった．
5) 電場印加時間の影響を検討した結果，電場印加時間が長いほど凝集体が成長するが，その成長速度は徐々に遅くなっていくことが分かった．
6)	  より効果的な凝集促進のためには，印加する直流電場の電圧を増加させるよりも，電極間距離を狭くすることの方が有効であることが分かった．
謝辞
本研究の一部は，文部科学省知的クラスター創成事業（第 Ⅱ 期）及び平成 23年度科学研究費補助金基盤研究(B)23310053 の支援のもとで行われた．ここに記して謝意を表します．
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