JP7086435B2 - マイクロバブル生成ユニット及び水浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、マイクロバブルを生成する装置に関するものである。

近年、マイクロバブルが、液体中において汚染物質などを付着させて浮上する性質を有することに着目し、マイクロバブルに汚染物質を付着させて浮上させ、汚染水を浄化することが試みられている。マイクロバブルとは、直径が０．５ｍｍ以下の微細な気泡のことであり、ラジカルバブルともいう。
マイクロバブルに汚染物質を効率よく付着させるためには、マイクロバブル生成装置に直接汚染水を流し、汚染水からマイクロバブルを生成することが効果的であることから、液体中にマイクロバブルを発生させる様々な装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特許文献１の気液溶解混合装置は、ベンチュリ管を有する混合器において、ベンチュリ管の喉部の下流で気体を吸い込んで気泡を生成し、混合器の下流に接続される管路において、気泡を液体中に溶解しながら液体および気泡を再分配装置まで到達させ、再分配装置が備えるベンチュリ管によって、液体および気泡を再加速し、再分配装置の下流に設けられたノズル口からマイクロバブルが混合された噴流が噴射されるものである。
しかしながら、特許文献１の装置のように、液体と気体を混合するマイクロバブル生成装置は一般的に、混合器に気体を供給する供給路が、混合器内の液体の流路を画定する壁面に、液体の流れに直交する孔を開けることにより形成されている。そのため、マイクロバブル生成装置に汚染水を直接流入させると、特に気体を供給する供給路の出口付近に汚染物質が詰まり、マイクロバブル生成装置がすぐに使用できなくなるという問題が生じていた。

そこで、本発明者らは既に、気体を供給する気体供給路の出口端が、液体の流れの下流側を向いて開口する微細気泡生成装置を提案している（特許文献２を参照）。
上記特許文献２に開示された微細気泡生成装置は、Ｌ字状の管として形成された気体供給路を備え、気体供給路の出口端をＬ字状の管の水平部に形成し、水平部を液体の流れと平行に配置することで、気体の逆流を防止する構造となっている。また、上記特許文献２においては、気体供給路が、液体流入路を画定する壁面に、微細気泡生成装置に対し、出口端が液体の流れの下流側を向くような形状の孔として形成される構成も開示されている。かかる構成によれば、Ｌ字状の管を形成する必要がなくなり、微細気泡生成装置の製造を容易にすることができることになる。

特公平６－９３９９１号公報 特許第６１０４３９９号公報

しかしながら、上記特許文献２に開示された微細気泡生成装置では、液体流入路として設けられる孔が、出口端が液体の流れの下流側を向くような形状の孔とされるのみであり、具体的な傾斜の程度や、その他の構造については十分な開示がなされていなかった。また、装置の作製に当たっては、低コストで作製し得ることが好ましいといえる。

かかる状況に鑑みて、本発明は、気体の逆流を防止しつつ、効果的にマイクロバブルを生成でき、かつ低コストで作製可能なマイクロバブル生成ユニット及び水浄化システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明のマイクロバブル生成ユニットは、加圧された液体が流入する流入管部と、マイクロバブルを含む液体を排出する排出管部と、流入管部と排出管部の間に位置し、流入管部および排出管部より管断面積が小さい喉部と、喉部または排出管部の壁面に形成され、喉部内または管部内に気体を混入させる孔であって、液体の流れ方向と気体の混入方向との間の角度が鋭角に交差する気体混入孔を備える。
気体混入孔が、液体の流れ方向と気体の混入方向との間の角度が鋭角に交差するように設けられることにより、気体を混入させる気体混入孔の出口端が、液体の流れの下流側を向いて開口することとなる。すなわち、気体混入孔は、液体が逆流しないと気体混入孔内に液体が入り込み難い構造となっている。この構成を有することで、通常の液体の流れの中では、気体混入孔に液体が流れ込み難くなる。これにより、液体として汚染物質を含む汚染水を流入させたとしても、汚染物質が気体混入孔に入り込むことがなく、気体混入孔が詰まることを防止することができる。その結果、マイクロバブル生成ユニットに直接汚染水を流し込んでも、汚染水からマイクロバブルを生成することができる。

本発明のマイクロバブル生成ユニットにおいて、喉部の内径は、液体流入管部側がより狭まり、排出管部側がより拡がるように、少なくとも２段の階段状に形成され、気体混入孔の出口端は、喉部の内径が最狭以外の段に形成されたことが好ましい。
喉部の内径について、液体流入管部側がより狭まり、排出管部側がより拡がるように、少なくとも２段の階段状に形成されることにより、喉部内に生じる静圧に差を設けることができる。そして、気体混入孔の出口端を、喉部の内径が最狭以外の段に設けることにより、喉部の内径が最狭の段で最も低圧となった液体が、その後、より高圧となった段階で気体と混合することができ、気体の溶解を促進できる。

本発明のマイクロバブル生成ユニットにおいて、喉部の内径は、排出管部側へ近いほど拡がる３段の階段状に形成されたことが好ましい。階段状に形成する加工は、テーパ状に形成する加工に比べて、低コストで実施できる。したがって、喉部の内径が、排出管部側へ近いほど拡がる３段の階段状に形成されることで、喉部の静圧が上流から下流に向けて次第に高くなる効果を十分に有しつつ、加工コストを抑える構成とすることができる。

本発明のマイクロバブル生成ユニットにおいて、気体混入孔の出口端は、３段の内、中段の位置に設けられたことが好ましい。気体混入孔の出口端が、３段の内、中段の位置に設けられることにより、流入管部から流入した液体が、喉部前段で静圧が最も低圧となった後に、より高圧となった状態で気体と混合することができ、液体と気体の溶解が促進される。

本発明のマイクロバブル生成ユニットにおいて、液体の流れ方向と気体の混入方向との間の角度は、６０～８０°の範囲であることが好ましく、より好ましくは７０～７８°であり、さらに好ましくは７５°である。気体混入孔が設けられる角度が上記範囲とされるのは、８０°を超えると、気体の逆流や汚染物質の詰まり等が生じやすく、６０°未満であると、加工の難易度が上がり、作製コストが高くなるからである。

本発明のマイクロバブル生成ユニットは、気体混入孔の入口端に逆止弁が設けられることが好ましい。逆止弁は、イン、アウトが等圧になると、吸引圧から出圧になるので、圧力調整時及び電源遮断時に必要となる。したがって、逆止弁が設けられることにより、気体の逆流をより効果的に防止することができる。

本発明の水浄化システムは、上記の何れかに記載のマイクロバブル生成ユニットと、ユニットの流入管部に汚染水を供給する汚染水槽と、ユニットの排出管部から排出されたマイクロバブルを含む液体を浮上分離する浄化槽とを備える。
本発明の水浄化システムは、マイクロバブル生成ユニットが汚染水からマイクロバブルを生成できるため、汚染水槽から流出される汚染水（液体）を直接マイクロバブル生成ユニットに流入させ、マイクロバブル生成ユニットから排出されるマイクロバブルを浄化槽に流入させる構成を採用することができる。

本発明のマイクロバブル生成ユニット及び水浄化システムによれば、気体の逆流を防止しつつ、効果的にマイクロバブルを生成でき、かつ低コストで作製可能できるといった効果がある。

実施例１のマイクロバブル生成ユニットの断面イメージ図 実施例１の水浄化システムのシステム構成図 実施例２のマイクロバブル生成ユニットの断面イメージ図

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。

図１は、実施例１のマイクロバブル生成ユニットの断面イメージ図を示している。図１に示すように、マイクロバブル生成ユニット１は、加圧された液体が流入する流入管部２１、生成されたマイクロバブルを排出する排出管部２３、および流入管部２１と排出管部２３とを接続する喉部２２から成る。流入管部２１、喉部２２及び排出管部２３が順に繋がり、流入管部２１から流入される液体の流路を形成している。喉部２２には、気体混入孔３が設けられている。

流入管部２１は、最も径の大きい筒状部分２１ａと、喉部２２側に向かって徐々に径が小さくなる円錐台部分２１ｂとから形成されている。また、排出管部２３は、喉部２２から徐々に径が大きくなる円錐台部分２３ｂと、その大きい径を有する筒状部分２３ａとから形成されている。具体的な径の大きさは、筒状部分２１ａの径Ｒ_１を１とした場合に、筒状部分２３ａの径Ｒ_２は０．７５となっている。筒状部分２１ａの径Ｒ_１よりも筒状部分２３ａの径Ｒ_２が小さく設けられているのは、開放圧力を緩やかにするためである。

喉部２２は、喉部前段２２ａ、喉部中段２２ｂ及び喉部後段２２ｃから成り、喉部前段２２ａから喉部中段２２ｂ、喉部後段２２ｃへと段階的に径が大きくなるように設けられている。
喉部前段２２ａ、喉部中段２２ｂ及び喉部後段２２ｃは、何れも流入管部２１及び排出管部２３よりも径が小さい筒状を呈しており、管断面積が、流入管部２１および排出管部２３よりも小さくなっている。具体的には、筒状部分２１ａの径Ｒ_１を１とした場合に、喉部前段２２ａの径Ｒ_３は０．３３、喉部中段２２ｂの径Ｒ_４は０．４２、喉部後段２２ｃの径Ｒ_５は０．５となっている。喉部２２が、段階的に径が大きくなるように設けられているのは、喉部２２に流入した液体の静圧が次第に高くなるようにするためであり、テーパ状ではなく、階段状に設けることで、低コストで加工することが可能である。

流入管部２１の喉部２２と反対側の端部には雄螺子部４ａが設けられ、また、排出管部２３の喉部２２と反対側の端部には雄螺子部４ｂが設けられ、雌螺子部を有する継手等と接続可能になっている。上記構成とは異なり、例えば、流入管部２１と排出管部２３の少なくとも何れかの端部の内壁に雌螺子部を設ける構成としてもよい。

気体混入孔３は、液体の流れ方向と気体の混入方向との間の角度が鋭角に交差するように設けられている。すなわち、気体混入孔３は、喉部中段２２ｂを画定する壁面に、マイクロバブル生成ユニット１に対し、出口端３ｂが液体の流れの下流側を向くような形状の孔として形成されている。ここで、角度θは、液体の流れ方向と垂直な方向に対する気体混入孔３の角度を示したものであり、１５°となっている。また、筒状部分２１ａの径Ｒ_１を１とした場合、気体混入孔３の径Ｒ_６は、０．２９となっている。
このように、気体混入孔３の出口端３ｂが排出管部２３に向くように孔が形成されることにより、気体の逆流や汚染物質の詰まりを防止することができる。また、角度θが１５°とされることにより、気体の逆流防止や詰まりを防止する効果を有しつつ、低コストでの作製が可能となっている。
なお、気体混入孔３には、雌螺子部５が形成されているため、例えば、逆止弁を有し、かつ雄螺子部を有する部材を螺合して固定することで、液体の逆流をより確実に防止することも可能である。

次に、上記のように形成されたマイクロバブル生成ユニット１によるマイクロバブルの生成方法について説明する。まず、液体を貯留する槽から、既知のポンプ（図示せず）を介して加圧された液体がホース８ａを通り流入管部２１に流入される。同時に、気体混入孔３から喉部中段２２ｂに気体が供給される。気体は、喉部２２内の静圧が相対的に負圧となっているため、特に気体供給器等を必要とせず、自然に気体混入孔３を介して喉部中段２２ｂに吸引される。
流入管部２１に流入した液体は、加圧され高圧となっているが、最も径の小さい喉部前段２２ａにおいて静圧は最も低圧となる。その後、喉部中段２２ｂ、喉部後段２２ｃを経て、より径の大きい排出管部２３へと導かれる過程で、静圧は次第に上昇することになる。したがって、喉部中段２２ｂに吸引された気体は液体に溶解することになる。その後、加圧されていた液体の圧力が下がることで、液体に溶解していた気体は過飽和の状態となる。そして、液体に溶解していられなくなった気体がマイクロバブルとなり、これによりマイクロバブルが生成される。

次に、図２を参照しながら、水浄化システムによる汚染水の浄化について説明する。図２は、実施例１の水浄化システムのシステム構成図を示している。図２に示すように、水浄化システム１０は、マイクロバブル生成ユニット１、マイクロバブル生成ユニット１に汚染水を供給する汚染水槽６及びマイクロバブル生成ユニット１から排出されたマイクロバブルを浮上分離する浄化槽７から成る。汚染水槽６とマイクロバブル生成ユニット１は、ホース８ａにより接続され、マイクロバブル生成ユニット１と浄化槽７は、ホース８ｂにより接続されている。マイクロバブル生成ユニット１とホース８ａは、雌螺子部（図示せず）を有する継手９ａを用いて接続されており、同様に、マイクロバブル生成ユニット１とホース８ｂは、雌螺子部（図示せず）を有する継手９ｂを用いて接続されている。

汚染水槽６内の汚染物質を含んだ汚染水は、汚染水槽６からポンプ（図示せず）によって汲みだされ、ホース８ａを通ってマイクロバブル生成ユニット１内へと流れていく。この過程で、ポンプによって加圧され、高圧の状態でマイクロバブル生成ユニット１内に流入される。流入した液体は、上述したマイクロバブル生成ユニット１のマイクロバブル生成方法によって、マイクロバブルが生成される。

生成されたマイクロバブルは、マイナスに帯電しているため、マイクロバブル生成ユニット１の排出管部２３を通過中に、汚染水中に含まれているプラスに帯電する汚染物質を付着する。そして、汚染物質を付着させたマイクロバブルは、汚染物質が除去された液体とともに、ホース８ｂを通って浄化槽７へと搬送される。

浄化槽７に到達したマイクロバブルは、マイクロバブルの上昇する性質によって浄化槽７内を、汚染物質を付着させた状態で浮上していく。その後、マイクロバブルは上昇過程で消滅し、汚染物質だけが浄化槽７の上部に滞留される。マイクロバブルは、順次上昇しているため、浄化槽７の上部に留められた汚染物質は、浄化槽７の上部に溜まり続ける。このようにして汚染物質を浮上分離させた後、浄化槽７の上部に設けられているスクラバ７ａによって、浮上して溜められた汚染物質を掬い取って回収する。このようにして、汚染物質が除去されて、汚染水が浄化される。

実施例１の水浄化システム１０は、例えば、トリチウム（三重水素）を含む汚染水からトリチウムを浮上分離させるためにも用いることができる。また、実施例１のマイクロバブル生成ユニット１は、水耕栽培のための炭酸ガス含有水若しくは炭酸ガス含有液肥の生成、又はエマルション燃料の生成にも用いることができる。具体的には、マイクロバブル生成ユニット１の流入管部２１から水又は液肥を供給し、気体混入孔３から炭酸ガスを供給することで、炭酸ガスを含む水又は液肥を生成することができる。水耕栽培において当該水又は液肥を供給すると、植物の根に供給された水又は液肥から炭酸ガスが蒸発し、その炭酸ガスが植物の葉の裏側にある気孔に直に接触する。これにより、葉の裏側にある気孔から炭酸ガスを吸収する性質を有する植物に対して炭酸ガスを効率よく吸収させることができる。また、マイクロバブル生成ユニット１の流入管部２１から水及び油を供給することで、油中に水が分散しエマルション燃料を生成することができる。これにより、従来エマルション燃料を生成するために用いていた界面活性剤を用いなくても容易にエマルション燃料を生成することができる。

図３は、実施例２のマイクロバブル生成ユニットの断面イメージ図を示している。図３に示すように、マイクロバブル生成ユニット１１は、実施例１と同様に、加圧された液体が流入する流入管部２１、生成されたマイクロバブルを排出する排出管部２３、および流入管部２１と排出管部２３とを接続する喉部２２から成る。
しかしながら、実施例１とは異なり、喉部２２は、喉部前段２２ａ及び喉部後段２２ｃの２段で構成されており、気体混入孔３は、喉部後段２２ｃを画定する壁面に、マイクロバブル生成ユニット１１に対し、出口端３ｂが液体の流れの下流側を向くような形状の孔として形成されている。
このように、喉部２２を２段で構成することにより、より作製が容易となり、低コストで製造することが可能となる。また、気体混入孔３は、最も径が小さい喉部前段２２ａではなく、より大きい径を有する喉部後段２２ｃを画定する壁面に設けられるため、効果的に液体に気体を溶解することが可能である。

本発明は、汚染水の浄化装置として有用である。また、海水を淡水化するための装置としても利用可能である。

１，１１ マイクロバブル生成ユニット
３ 気体混入孔
３ａ 入口端
３ｂ 出口端
４ａ，４ｂ 雄螺子部
５ 雌螺子部
６ 汚染水槽
７ 浄化槽
７ａ スクラバ
８ａ，８ｂ ホース
９ａ，９ｂ 継手
１０ 水浄化システム
２１ 流入管部
２１ａ，２３ａ 筒状部分
２１ｂ，２３ｂ 円錐台部分
２２ 喉部
２２ａ 喉部前段
２２ｂ 喉部中段
２２ｃ 喉部後段
２３ 排出管部
Ｒ 径
θ 角度

Claims (5)

1. 加圧された液体が流入する流入管部と、
   マイクロバブルを含む前記液体を排出する排出管部と、
   前記流入管部と前記排出管部の間に位置し、前記流入管部および前記排出管部より管断面積が小さい喉部と、
   前記喉部または前記排出管部の壁面に形成され、前記喉部内に気体を混入させる孔であって、前記液体の流れ方向と前記気体の混入方向との間の角度が鋭角に交差する気体混入孔、
   を備え、
   前記喉部の内径は、前記排出管部側へ近いほど拡がる３段の階段状に形成され、
   前記気体混入孔の出口端は、前記喉部の内径が最狭以外の段に形成されたことを特徴とするマイクロバブル生成ユニット。
2. 前記気体混入孔の出口端は、前記３段の内、中段の位置に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロバブル生成ユニット。
3. 前記角度は、６０～８０°の範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロバブル生成ユニット。
4. 前記気体混入孔の入口端に逆止弁が設けられることを特徴とする請求項１～３の何れかに記載のマイクロバブル生成ユニット。
5. 請求項１～４の何れかに記載のマイクロバブル生成ユニットと、
   前記ユニットの流入管部に汚染水を供給する汚染水槽と、
   前記ユニットの排出管部から排出されたマイクロバブルを含む液体を浮上分離する浄化槽と、
   を備える水浄化システム。

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