JP5239006B2 - コロイド粒子の沈殿・浮遊方法及びその方法を利用した処理装置 - Google Patents
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Description
従来、超音波は主に物理的作用である振動、攪拌や粉砕等の効果を狙った利用が多く、汚泥等を超音波で破壊し、そのあと、酸性化剤を加えて沈殿させているケースがある(非特許文献1)。本発明はそれらと性質が異なり、超音波の高周波数域を水溶液に照射することで、キャビティ(高温高圧場)、ラジカル、過酸化水素、亜硝酸、硝酸といった化学反応を選択的に引き起こし、それ、もしくはそれらを利用して安定なコロイド溶液(懸濁液)を作成もしくは懸濁液中の浮遊物を沈殿させる方法である。また、化学的作用の補助として、高周波数により微粒子に微細振動を与える物理的作用による力が、ゼータ電位による粒子間の反発力に勝った場合は粒子が結合し、粒子塊となり沈殿をより起こしやすい状態にする。逆にコロイド溶液や懸濁液を作成する場合は、微細振動による攪拌作用が補助となり、均一に分散しやすい状態とする。
なお、公知技術として、水溶性有機物や微生物等のコロイド粒子を含む処理水に対して、高周波分離手段により高周波をかけて高周波電界による誘導プラズマを発生させて処理水を最適に共振させることで、水溶性有機物の吸着性を促進させるようになっており、この高周波電界による誘導プラズマによって水溶性有機物は水分子に再び溶け込むことがなくなり完全分離させるようになっていることが知られている(特許文献1,2を参照)。
本発明において、超音波の照射時間を変更することにより溶液のpHを制御することが好ましい。
本発明においては、超音波の照射により、溶液中に、硝酸、亜硝酸及び/又は過酸化水素、並びに、ラジカルを連続的に生成させることができる。
本発明においては、さらに、超音波の出力及び周波数を変更することによりコロイド粒子を微細化せずに沈澱させることもできる。
本発明においては、化学反応の反応雰囲気を制御することにより硝酸、亜硝酸及び/又は過酸化水素の生成量を制御することもできる。
本発明の他の態様は、振動子を備えた超音波発生装置を用いて前記振動子から池に超音波を照射して池中のコロイド粒子を処理するシステムであって、上記のコロイド粒子の沈殿方法により、池中のコロイド粒子を沈殿させる、システムである。
本発明は、超音波を水溶液に照射することで、水溶液中において水に化学反応を引き起こすことで、水溶液中のpHを変化させ、pH調整剤を使用せずにもしくは、削減して溶液中の微粉末を均一分散させるものである。
さらに超音波の水溶液中への照射時間、出力を変化させることで、微粒子(コロイド)をより細かくすることも可能で、微細化、安定分散化した溶液を提供できる。
また、以下の実施例に記載された微粒子の種類、形状、溶液種類、超音波の種類および反応容器とその形態などに限定されるものではない。
本発明のコロイド溶液は、自然界のもの人工のものどちらでもかまわない。
本発明の超音波照射による微粒子の沈殿は、超音波を水溶液中に照射することにより生成される化学反応場を利用するものである。
超音波発生装置は50kHz‐1,000kHzの周波数で、出力は50‐1,000W程度を用いる。
水溶液への超音波照射により、水溶液中に定常波を発生させ、その力や急激な圧力変化で、さまざまな化学反応を得る。たとえば水が分解され過酸化酸素等の酸化還元剤を生成する。また、空気雰囲気においては水と空気が反応し亜硝酸、硝酸等の強酸が水溶液中に合成される。アルゴン雰囲気中では、これら強酸は合成されず過酸化水素のみ生成する。
まず、ゼータ電位を測定することで、各pHにおける粒子の電位を算出でき、沈殿させることのできるpH値(等電点)を見つける。
沈殿させたい場合はゼータ電位の等電点のpH値になるよう超音波を照射する。また、場合により反応雰囲気を変更する。逆に浮遊させたい場合はゼータ電位の等電点のpH値を避けるように超音波を照射する。
採石場における、水処理を仮定して、コロイドとして0.5マイクロメートルの超微細な緑色凝灰岩を用いた。ゼータ電位は、界面移動法により測定した。U字管1に緑色凝灰岩のコロイド溶液6と透析外液7を入れ、一定の直流電圧を印加し、界面の移動速度よりコロイド粒子の時間に対する移動距離を求めた。また電流値、導電率も測定を行った。それら値をsmoluchowskiの式に代入し、ゼータ電位を算出した。
図2は、図1の実験装置を用いて、緑色凝灰岩のpHに対するゼータ電位の関係を求めたグラフ図である。(a)は試料1、(b)は試料2、(c)は試料3で、試料1,2,3は緑色凝灰岩コロイド溶液である。pH4付近でコロイドは反発力を失い、沈殿することがわかった。このコロイド溶液の沈殿処理を行うためには、pHを4付近にする操作が必要である。
図4は、本実験条件で純水に超音波を照射した時の、時間に対するpH変化と過酸化水素発生量を示したグラフ図である。(a)はpH変化、(b)はH2O2発生量である。
1マイクロメートル以下の超微細な緑色凝灰岩のコロイド溶液50ml(濃度が高いもの、濃度が低いもの)を、ナス型フラスコ10に入れ、大気中(もしくはガス注入口12から空気を注入し)、場合により撹拌器11で攪拌しながら、多周波超音波発生装置8に接続されている振動子9により200kHz, 200Wの超音波を2時間照射し、その後2時間静置することで、緑色凝灰岩の沈殿を得た。
図5は、本発明条件で緑色凝灰岩コロイド溶液(高濃度、低濃度)に超音波を照射したときの、時間に対するpH変化と導電率変化を示したグラフ図である。(a)はpH変化(高濃度)、(b)はpH変化(低濃度)、 (c) は導電率変化(高濃度)、 (d)は導電率変化(低濃度)である。沈殿させることができた理由として、図5に見られるように、pHは照射前のサンプルが8.4‐8.9であり、照射後のサンプルはpH4.0以下になることで、緑色凝灰岩の等電点のpH(図1によるゼータ電位測定においてpH4程度)に達した為と考えられる。
本発明は超音波の水への化学作用により発生する過酸化水素、硝酸、亜硝酸によるpHコントロールを主に利用して溶液内の浮遊微粒子を沈殿させることが可能である。
また本発明で沈殿させた微粒子は粒径1μm以下であったのでナノテクノロジー分野においても新しい手法として利用が可能であると考えられる。
超音波照射により、水と空気から過酸化水素、硝酸、亜硝酸が生成するので、pH操作により沈殿させることが可能な溶液中の浮遊微粒子に対して、凝集剤やpH調整剤の添加量をゼロもしくは減量できるため、コストや手間の削減につながる。また、超音波照射による過酸化水素、硝酸、亜硝酸は主に水と空気の反応から生成されるものであるため、化学凝集剤、pH調整剤や酸化還元剤を使用した場合、溶液中や沈殿物中にそれら化学薬品の成分が残留する問題がなく、溶液や沈殿物の再利用や処理を容易にする。
図6は、本発明装置で純水に超音波を照射したときの、空気雰囲気下における時間に対する硝酸発生量とアルゴン雰囲気下における時間に対する硝酸発生量を示したグラフ図である。(a)は空気雰囲気下、(b)はアルゴン雰囲気下である。図6に示すように雰囲気制御により、水溶液中の硝酸、亜硝酸の生成量を容易に制御できる為、過酸化水素やOHラジカル、Hラジカルの生成のみを望み、硝酸が不必要な反応にも効果的である。
図7は、酸化チタンのpHに対するゼータ電位の関係を求めたグラフ図である。(a)は▲TiO2溶液に対して超音波3時間照射後のゼータ電位を示す。(b)は◆TiO2溶液のpHを化学薬品で変化させた時のゼータ電位の値を示す。比較的中性付近であるpH5付近でコロイドは反発力を失い、沈殿することがわかった。また、pH4でゼータ電位の絶対値が大きな値を示していることから、この値に近づけることで粒子の沈殿を抑制し、粒子を溶液中に安定に保つことができるといえる。また、ゼータ電位測定結果よりアルカリ性側でも、コロイドを安定に保つことができるが、人間の肌は弱酸性であることから、pHを弱酸性側にして安定なコロイド溶液を得たほうが望ましいと考えられる。
また本発明は、コロイドがpHコントロールで沈殿するものであれば、粒子の種類を問わないため、科学技術分野やナノテクノロジー分野においても新しい手法として利用できると考えられる。
超音波照射により、水のHラジカルとOHラジカルへの分解により酸化還元剤(主にH2O2)が生成するので、これらラジカルと溶液中の浮遊微細粒子が酸化還元、イオン交換などの化学反応を行い、ゼータ電位が小さくもしくは大きくなることが期待できる。また、超音波照射による硝酸、亜硝酸は水と空気の反応から生成されるものであるため、H,O,N以外の元素が溶液中や沈殿物中に残ることがなく、化学凝集剤や酸化還元剤に比べメリットが多く、溶液や沈殿物の再利用や処理を容易にする。
薬品の添加剤が不可能な工業過程において、利用メリットは大きい。
また、一般に高周波数超音波は物理的作用が弱く、微細粒子は砕かないため、粒子サイズが低下しないため沈殿後の処理が困難になることはない。
図8は、超音波(200kHz 200W)照射前後のコロイドの粉末X線回折結果のグラフ図である。(a)は照射前、(b)は照射後である。図8の粉末X線測定結果に示すように超音波照射前後により粒子の構造、成分に大きな変化が見られないことから、純粋なコロイド粒子をそのまま回収できる。
池下から沈殿物を取り除ける構造で、池は連続してもかまわない。また、沈殿池を連続させることで処理がより効果的に行える。
また、沈殿とは逆に分散が必要なコロイド溶液の作成にこの装置を用いることも可能である。
2 白金黒付き白金板
3 直流電源
4 電圧計
5 電流計
6 コロイド溶液
7 透析外液
8 多周波数超音波発生装置
9 振動子
10 ナス型フラスコ
11 攪拌器
12 ガス注入口
13 水槽
14 池
15 振動子
16 超音波発生装置
Claims (6)
- コロイド粒子を含む溶液に、50kHz〜1000kHzの超音波を照射し、化学反応を引き起こすことにより、前記溶液中に硝酸、亜硝酸及び/又は過酸化水素を生成させ、前記溶液のpHを前記コロイド粒子の等電点のpHへと近づけることによって前記コロイド粒子を沈殿させる、コロイド粒子の沈殿方法。
- 前記超音波の照射時間を変更することにより前記溶液のpHを制御する、請求項1に記載のコロイド粒子の沈殿方法。
- 前記超音波の照射により、前記溶液中に、前記硝酸、前記亜硝酸及び/又は前記過酸化水素、並びに、ラジカルを連続的に生成させる、請求項1に記載のコロイド粒子の沈殿方法。
- さらに、前記超音波の出力及び周波数を変更することにより前記コロイド粒子を微細化せずに沈澱させる、請求項1に記載のコロイド粒子の沈澱方法。
- 前記化学反応の反応雰囲気を制御することにより前記硝酸、前記亜硝酸及び/又は前記過酸化水素の生成量を制御する、請求項1に記載のコロイド粒子の沈殿方法。
- 振動子を備えた超音波発生装置を用いて前記振動子から池に超音波を照射して池中のコロイド粒子を処理するシステムであって、請求項1〜5のいずれかに記載のコロイド粒子の沈殿方法により、池中のコロイド粒子を沈殿させる、システム。
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