JPH07506760A - 反応を遂行するための方法及び反応粒子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 反応を遂行するための方法及び反応粒子本発明は、反応を促進又は可能にする反 応粒子を反応物と作用結合させて化学的及び／又は物理的及び／又は生物学的な 反応を遂行するための方法に関するものである。

プロセス技術において様々な化学的、物理的又は生物学的な反応が反応粒子の存 在下に実施され、係る反応粒子は触媒作用を有するか、即ち反応物間の特定の反 応を促進するか、又はそれ自身が反応物として働き、即ちそれ自身が別の反応物 と反応する。例えば排水技術において担体粒子は微生物のための増殖面として使 用される。バイオマスで覆われた担体粒子は生体触媒として働き、排水内容物質 の分解を促進する。担体粒子に活性炭を添加して、活性炭自体の吸着作用に基づ いて担体粒子をｔＪＩ水内水内質物質理的に反応させることも知られている。バ イオマス用に触媒材料又は担体粒子を用いることは、物理化学的又は生物学的排 煙浄化の方面でも知られている。生命工学の発酵プロセスにおいても、担体粒子 はバイオマスのための増殖面として利用される。

排水又は排煙を浄化するための一般的な流動層又は浮遊層反応装置において担体 粒子としてＩＩＩ用されるのは、特に砂、砂利、エキスバンド粘土、プラスチッ クグラニユール又は発泡プラスチックキューブである。これらの担体粒子は、全 て立体構造を有し、従って反応装置内に一定のデッドスペースを生み出す。多孔 質担体の場合、更に物質輸送問題が現れることがあり、多くの測定技術者がバイ オマス用増殖面積として計算するのは担体の外側表面積だけである。更に公知の 反応粒子は僅かな比表面積しか有していない。粒子の比重は、しばしば大き過ぎ る（例えば砂の場合１か、あるいは小さ過ぎる（例えば発泡スチロールの場合ン 。

しかも、機織的及び／又は化学的耐久性にしばしば要望が残る。材料費が高いの で、担体粒子の経済的使用がしばしば不可能となる。更に、例えば飲料水の浄化 には、生理学的理由から幾つかの材）４は使用できない。

そこで本発明の課題は、化学的及び／又は物理的及び／又は生物学的反応を遂行 するための経ｒ斉的な方法を提供することである。

この課題は、本発明によれば、厚さ約５ｕｍ〜約１５００ｕｍ、面積的５　ｔｎ ｗｎｌ　”〜約１０００　ｆｍｍｌ　”の実質的に平坦な粒子を反応粒子として 使用することによって解決される。

好ましくは厚さ約１５ｕｍ〜約５００ｕｍ、特に好ましくは約２５μｍ〜約１５ ０ｕｍの反応粒子が使用される。

平らなプレーナ構造によって、高い比定着面及び／又は比反応面が達成され、し かもこの面は、多孔質材料とは異なって、外部から自由に接近可能である。紙吹 雪に類似したこの粒子の比重は、材料又は材料組合せに応じて自由に選定可能で あり１粒子は反応装置内で大きなエネルギー支出を要することなく、容易に流動 化可能であり、又、必要なら容易にボンピングすることができる。液体を充填し た反応装置内で反応粒子を使用する場合、粒子の比重は、好ましくは液体の比重 にほぼ一致するように調整される。排水を浄化するための反応装置内で利用する 場合、好ましくは比重約０８８５〜約０．９５の反応粒子が使用される。始動段 階の間にこの反応粒子がバイオマスで覆われたなら、反応粒子の比重は約１とな り、自由に運動可能に排水中を浮遊し、ごく僅かなエネルギー支出で運動させる ことができ、これにより排水浄化の経済性が高まる。生物学的排水浄化、生物学 的排煙浄化及び発酵を行うための方法、又は一般的に生命工学の方法において反 応粒子を使用する場合、極めて活性な生物膜が反応粒子上に生じ、絶えず若返る 。こうして、従来の方法に比べて浄化性能又は生成物収率を本質的に高めること ができる。

但し本発明による方法は、反応粒子の生物学的増殖が肝要であるような目的にの み適しているのではない。反応粒子自体も反応を遂行するために使用することが できる。反応粒子の材ｉ４は、望ましくは反応粒子の表面で希望する反応が起き るように選定される。この場合、反応粒子は反応物間の反応を促進し、又はそれ 自身が反応物と反応する触媒として働くことができる。

反応粒子は例えば金属箔から構成することもでき、使用された金属が希望する反 応を開始する。その１例が飲料水からの硝酸塩の除去である。この場合、反応粒 子はアルミニウム箔片からなり、飲料水は例えば反応装置内で反応粒子と混合さ れる。特定の条件の下で軽金属力柘肖酸塩を還元して主に窒素ガスとする。最も 効果的なのは、　ｐＨ値９１〜９３での反応である。

別の可能性は、反応性物質を添加した反応粒子を使用することにある。その例は １例えば地下水からアンモニア、硝酸塩又は塩素化炭化水素を除去するためのゼ オライト粉末、又は、例えば残留燐酸塩を除去するための鉄の添加である。活性 炭等の吸着剤の添加も、特定の適用事例において利点をもたらす。

本発明の特に好ましい実施態様によれば、その表面が付加的に構造化された実質 的に平らな反応粒子が使用される。特に、直径約１０ｕｍ〜約１１０００ＬＬ、 好ましくは２００〜６００ｕｍの孔を有する反応粒子が有利である。孔の密度は 、望ましくは約１００〜約２５０孔／ｃｍ”である。このような反応粒子は、そ れぞれ約５（−２〜約１０００　ｆｍｍｌ　”の面積を有する断片に裁断された プラスチックフィルムから作製される。

反応粒子に型押することも、方法の効率向上にとって有利であることが判明した 。特に、直径約ｌＯμｍ〜約１１０００ｕ、深さ約０．５ｍｍ以下の窪みが好ま しい。フィルム表面のエツチング又は粗面化によっても、好ましい特性を有する 希望する反応粒子を製造することができる。

生物学的方法、例えば排水浄化又はＩＥ煙浄化、又は発酵プロセスなどの場合、 好ましくは表面処理された高分子化合物からなる反応粒子が使用される。特に、 いわゆるコロナ処理がこのために適している。これは、オゾンを遊離させる電気 放電処理であり、このオゾンが粒子材料の母材に再び作用して、遊離原子価を生 み出す。こうして、粒子表面の電気的性質が変化し、微生物が表面に一層容易に 付着できるようになる。

本方法の一つの展開では、例えばカレンダー被覆又はフリース被覆によって表面 に繊維を被着した反応粒子が使用される。フリースは接着又はｉ＠着することも できる。好ましくは、ポリエステルフィラメント又はポリオレフィンフィラメン １〜が表面に被着される。このように被覆された反応粒子の膜厚は、最大で約０ ．５ｍｍ〜約１ｍｍである。被覆は片面又は両面で行うことができる。使用する 反応粒子自体のけ材は、好ましくはポリオレフィン、特にポリプロピレンまたは ポリエチレンからなる。これらの材料は極めて安価であり、また極めて好ましい 約０．８５〜０、９５ｇ／ｃｍ’″の比重を有する。バイオマスで覆われた後、 比重が１前復となり、この反応粒子は、水（８液、例えば排水中を増殖状態で浮 がする。それ故、反応粒子を運動させるのに必要となるエネルギーはごく僅かで ある。このことが、特に排水浄化法の経済性に対して肯定的に作用する。ポリス チレンも反応粒子用母材として適している。

本発明の理念の一つの展開によれば、プラスチック布、特に編物の形の熱定着プ ラスチック布からなる反応粒子が使用される。これらの布は実質的に平らである が既に一定の表面構造を有しており、これにより希望する反応及び微生物の増殖 がなお促進される。

本発明による方法は、望ましくは反応装置内で行われる。この方法は、特に排水 浄化及び／又は排煙浄化などの用途に向いている。これらの用途のために、反応 粒子は反応装置内で排水及び／又は排煙と接触させられる。その際、排水や排煙 は、好ましくは静置状態の積み重なった反応粒子を通して導入される。排水浄化 の場合、反応粒子をろ過に使用することもできる。本発明の別の一つの変形態様 では、排水及び／又は排煙が反応粒子の流動層を通して導入される。その際、流 動層は通過する排水及び／又は排煙によって弛緩され、成る程度浮遊する。本発 明を排水浄化に使用する場合、いわゆる流動層原理によるのが特に好ましい。

それによれば、流動層反応装置の中で反応粒子が排水と全体的に混合される。こ うして、排水内容物質と反応粒子との間で特に効果的な物質交換と、流れの面か ら見て問題のない運転が達成される。粒子は、篩又は重力によって反応装置内に 引き留められる。

この方法は、同様に嫌気性及び好気性生物学的な排水浄化にも適している。好気 性排水浄化では、極めて高い酸素消費をカバーするために純酸素曝気が望ましい 。

本発明の方法は、特に排水を硝化及び／又は脱窒するのに利用することができる 。但し、本発明の方法は主炭素又は残留炭素を分解するのにも適している。本発 明の方法によって硝化、脱窒及び炭素分解を同時に行うこともできる。本発明の 方法は、同様に飲料水及び工業用水の浄化にも適している。

生物学的な排煙浄化の場合、排煙は積み重ねられた湿った反応粒子、又は反応粒 子の流動層に直接通されるか、又は先ず排煙が洗浄機にかけられ、次に排煙内容 物質で汚れた洗浄水が反応粒子の充填された反応装置内で担体結合による排煙浄 化で処理される。

生物学的ｔＪＦ水又は排煙浄化又は発酵等の生物学的プロセスにおいて本発明の 方法を１１間すると、始動段階の間に反応粒子の表面に反応性生物膜が生じる。

その際、排水又は排煙中に存在する不純物が微生物のための栄養物として働（。

始動プロセスを促進するため、又は特殊な排水又は排煙を処理するために、本発 明の一つの態様によれば、反応粒子に特殊な微生物が接種される。この場合、排 水又は排煙の異常な内容物質を分解するのに適した極めて緩慢に増殖する微生物 も定着することができるように、その表面性状が前記処理法によって変化された ような反応粒子が特に適している。

本発明で使用する反応粒子は、担体結合式生物学的排水及び／又は排煙浄化に従 来使用されていた担体粒子よりもはるかに大きな比表面積を有するので、同じ浄 化性能を達成するのに反応装置への充填度は僅かで間に合う。厚さ０．２＋ｎ＋ ｎの本発明による反応粒子を約３容量％充填すれば、反応装置の容積当たりの比 表面積は３００　ｍ”７ｍ３となる。反応装置への充填は、好ましくは持ち込ま れた増殖面積と反応装置容積との比が約５０ｍ２７ｍ”〜約２０００ｍ”７ｍ” となるように調整される。

本発明は、化学的及び／又は物理的及び／又は生物学的な反応を遂行するための 方法の他に、反応粒子自体にも関するものである。この反応粒子は、本発明によ れば、厚さ約５ｕｍ〜約１５００ｕｍ、面積的５（ｌＩＩＩｌｌ）２〜約１００ ０　＋ｍｍｌ　”の実質的に平坦なブレーナ形状を有することを特徴としている 。

反応粒子の別の諸元は、反応粒子に係る従属請求項に明示されており、またこの 反応粒子を使用する本発明の方法に関連して既に詳述した通りである。

本発明による方法及び本発明による反応粒子は、さまざまな反応を遂行するのに 利用することができる。反応粒子自体は、特定の反応を開始する反応性材料から 作製しておくことができる。特に興味があるのは、排水、飲料水又は排煙の浄化 に反応粒子を使用することである。この場合、反応粒子は、一方でそれ自体が所 望の反応を生じることができ、例えばアルミニウム箔又はポリヒドロキシ酪酸フ ィルムによって飲料水から硝酸塩を取り除くことができる。他方、それ自身が反 応を開始する反応性物質（例えば鉄）を反応粒子に添加することもできる。担体 結合式の排水及び／又は排煙浄化において反応粒子を使用すると特に有望である と見做すことができる。特別に活性な生物膜が反応粒子に定着し、高い浄化性能 を達成することができる。

本発明は、先行技術に比べて本質的な利点をもたらす。また反応粒子の比表面積 が大きいので、例えば排水反応装置において、反応装置の容積当たり極めて高い 浄化性能が達成可能となる。小さくて軽い反応粒子は水に浮遊し、ごく僅かなエ ネルギー支出でボンピングしたり、あるいは反応装置内で移動させることができ る。反応粒子のための材料は、希望する比重、耐久性及び生理的安全性を考慮し て自由に選定することができる。更に、本発明による方法は、反応粒子を安価に 製造することができるので極めて経済的である。例えば１反応粒子はプラスチッ ク屑又はリサイクル材料から作製することもできる。

図に略示した実施例に基づいて、以下、本発明の詳細な説明する。

図１は、バイオマス用増殖面として反応粒子を用いた生物学的排水浄化方法の流 れ図である。

図２は、角形状及び円形状の反応粒子の略示図である。

図３は、反応粒子の比表面積と反応粒子の厚さとの関係を示す線図である。

図４は、複合フィルムから作製された反応粒子の横断面図である。

図５は、基材を圧縮した反応粒子の横断面図である。

図６は、表面に窪みを有する反応粒子の横断面図である。

図１において、符号１は大気に対して閉鎖されて完全混合活性汚泥槽として構成 された反応装置である。破線で示したように、活性汚泥槽ｌのなかに微生物のた めの担体材料として自由運動可能に配置された平らな粒１’−１３は、厚さが約 ２００ｕｍ〜約５００ｕｍ、面積が約１００１ｍｍ１２〜約５００　ｆｍｍｌ” であり、その量は、持ち込まれた反応装置の容積に対する増殖面積の比で約５０ ０〜約１０００ｍ２／ｍ”＋こ相当する。反応粒子は、原状態における厚さか約 ３０ａｍで、約２００孔／ｃｍ２の孔密度で穿孔されたポリプロピレンフィルム からなる。孔は直径が約２００〜約６００ｕｍである。フィルムには、表面処理 、いわゆるコロナ処理を施しである。その際に発生するオゾンがフィルムのけ材 に作用して遊離原子価を生み出し、これにより、電気的表面性状が変化する。こ のように処理されたフィルムには、微生物が特に迅速に定着可能である。

処理すべき排水は入口２を介して活性汚泥槽１に導入され、他方、処理された排 水は活性汚泥槽１の上部領域に接続された出口３から抽出され、この出口に付属 して個々の物質粒子を引き留める分離装置４が設けられており、この分離装置は 例えば単純なストレーナとすることができる。微生物に酸素を供給するため、活 性汚泥槽ｌの蓋の下に構成されたガス空間に供給管９を介して工業的に純粋な酸 素又は少なくとも空気よりも多くの酸素を含有したガスが供給され、ガス空間内 にあるガスが導管を介して活性汚泥！！１の底近傍に設けられたガス分配器ｌＯ に供給される。排煙は弁制御式排煙管１１を介して抽出される。バイオマスで汚 れた反応粒子１３はその比重が増殖状態のとき水の比重にほぼ等しく、この反応 粒子を運動させるために、曝気ガスの上昇気泡が十分な浮力を発生する。

できるだけ良好な混合と良好な物質代謝を達成するために、例えば電動機による 駆動装置を備えた簡単な撹拌装置からなる循環装置１２がガス分配器ＩＯの直上 に配置されている。

処理ガス供給管９の図示の配置の他に、複数の接続部を介して活性汚泥槽１の底 にガス供給管を直接接続し、それによって上向きの付加的なガス流を発生させる ことも可能である。同様に、活性汚泥槽内で上向きの液体流をも維持するために 、ＩＪ［水入口２には、槽の底に配設した複数の接続部を設けることができる。

分離装置４を空けておくために、分離装置４の直前に深層式曝気装置１４が設け られており、これは約０．５ｍ／ｓという上向きの高速の流れを発生する。更に 、球形研磨体１５、特に発泡プラスチックキュ゛−ブが、約１〜ｌＯ容量％の量 で反応装置１内に添加される。排水流に伴って上方に連行される研磨体１５か分 離装置４を音声し、そこに沈積した固形物又は反応粒子を取り除く。小さくて軽 い反応粒子は極く僅かなエネルギー支出でボンピングすることができる。

本発明の方法に従って操業される石削ヒ設備の設計例の数値を、従来の担体材料 設備と比較して次表に示す。

担　体　結　合　法 排水流入量［ｍ３／ｄｌ　２０．０００　２０．０００所要のフィルム面積［ｍ ”］　２００．０００穿孔フイルム厚［ａｍ］　−３００ 粒径［ｍｍ”　］　約２００ 孔の直径Ｅμｍｌ　−２００〜４００ 孔の密度［孔／ｃｍ”ｌ　−１００〜２００圧縮材＊４に対する比表面積［ｍ２ ／ｍ”ｌ　２５０　約７，０００径茜■ゴ語５訂る　１７５　５２５ 反応装置内の担体密度［容量％］　７０　７．５反応装置容積［ｍ”　］　２． ５００　８００担体材料の経費〔百方ＤＭＩ　Ｏ，６０，１、反応装置の総投資 費［百方ＤＭ］　１，８５　０．６図２は、角形状及び円形状の本発明による反 応粒子の略示図である。ｄは反応粒子の厚さである。

図３の線図から明らかなように、反応粒子の比表面積はその厚さｄに伴って指数 函数的り減少する。反応粒子の厚さが小さくなればなるほど比表面積が大きくな る。比表ｒ１ｎ積の好ましい範囲（４０００〜２００００　ｍ２／ｍ”超）は、 厚さｄ＝０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍのとき得られる。比較のために、従来の担体 粒子の比表面積の代表的数値を以下に示す： 砂（粒径＝０．７　ｍｍ）　８５０　ｍ”７ｍ”生物学的に活性な発泡キューブ （辺長１　ｃｍ）　：　１０００　ｍ”／ｍ３滴下体材料　：　１００〜３００ 　ｍ”／ｍ’つまり、本発明による反応粒子は、従来の担体粒子よりも数倍大き い比表面積を有する。

図４に横断面図で示した反応粒子は、２　ｆｌ、類のフ、イルムによるサンドイ ッチ構造で構成されている。内層ｌを形成するのは密度２．７　ｇ／ｃｍ”のア ルミニウム箔である。２つの外層２．３は、密度０．９　ｇ／ｃｍ３のポリエチ レンフィルムによって形成されている。反応粒子の全体の厚さに対して、例えば ポリエチレンフィルムの厚さが表裏の合計で６／７の割合であり、アルミニウム 箔の厚さが１／７の割合であるとすれば、平均密度は約１．１５　ｇ／ｃｍ”と なる。こうして、個々の膜材料及びＩＱ厚を適宜に選定することによって、基本 的に、反応粒子のあらゆる希望する密度を調整することができる。

図５に横断面で示す反応粒子は２つの外Ｉ１１隔膜フィルム２．３と１つの内側 基材フィルムｌとで構成されている。基材フィルム、例えばポリヒドロキシ酪酸 フィルムは、隔膜フィルムを通して、例えば排水及び／又はｔＪｉ煙内容物質と 交互作用することかできる。

図６に横断面図で示した反応粒子は表面に窪みｌを有する。窪みｌは、好ましく は直径約ｆ１．０５〜約０．５　ｍｌ　’ｔＷさ０．５ｍｍ以下である。

図１ 比表面積 図３ 図４　図５　図６ 補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の８） 平成０６年０８月２３日

Claims (32)

【特許請求の範囲】
1. １．反応を促進し又は可能にする反応粒子を反応物と作用結合させて、化学的及 び／又は物理的及び／又は生物学的な反応を遂行するための方法において、厚さ 約５μｍ〜約１５００μｍ、面積約５（ｍｍ）２〜約１０００（ｍｍ）２の実質 的に平らな粒子を反応粒子として使用することを特徴とする方法。
2. ２．厚さ約１５μｍ〜約５００μｍの反応粒子を使用することを特徴とする請求 項１に記載の方法。
3. ３．直径約１０μｍ〜約１０００μｍの孔を有する粒子を反応粒子として使用す ることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. ４．約１０〜約１０００孔／ｃｍ２の密度で孔を有する粒子を反応粒子として使 用することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. ５．粒子表面に型押を有する粒子を反応粒子として使用することを特徴とする請 求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. ６．表面に繊維及び／又は粉末が被着された粒子を反応粒子として使用すること を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. ７．表面にフリースが被着された粒子を反応粒子として使用することを特徴とす る請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
8. ８．表面に反応性物質、特にゼオライト粉末、活性炭又は鉄が添加された粒子を 反応粒子として使用することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の 方法。
9. ９．プラスチック布からなる粒子を反応粒子として使用することを特徴とする請 求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. １０．ポリオレフィンからなる粒子を反応粒子として使用することを特徴とする 請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. １１．ポリスチレンからなる粒子を反応粒子として使用することを特徴とする請 求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
12. １２．生物学的に容易に分解可能な生体プラスチックからなる粒子を反応粒子と して使用することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
13. １３．金属箔からなる粒子を反応粒子として使用することを特徴とする請求項１ 〜８のいずれか１項に記載の方法。
14. １４．比重約０．８ｇ／ｃｍ３〜約１．５ｇ／ｃｍ３のプラスチックからなる粒 子を反応粒子として使用することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に 記載の方法。
15. １５．反応装置内で反応粒子を排水及び／又は排煙と接触させることを特徴とす る請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. １６．静置状態の積み重なった反応粒子に排水及び／又は排煙を通すことを特徴 とする請求項１５に記載の方法。
17. １７．反応粒子の流動層に排水及び／又は排煙を通すことを特徴とする請求項１ ５に記載の方法。
18. １８．流動層反応装置内で排水を反応粒子と混合することを特徴とする請求項１ ５に記載の方法。
19. １９．反応粒子にバイオマスを被着し、又はバイオマスの自然増殖を可能として おくことを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
20. ２０．化学的及び／又は物理的及び／又は生物学的反応を遂行するための反応粒 子であって、厚さ約５μｍ〜約１５００μｍ、面積約５（ｍｍ）２〜約１０００ （ｍｍ）２の実質的に平坦なプレーナ形状を有することを特徴とする反応粒子。
21. ２１．厚さが約１５μｍ〜約５００μｍであることを特徴とする請求項２０に記 載の反応粒子。
22. ２２．直径約１０μｍ〜約１０００μｍの孔を更に有することを特徴とする請求 項２０又は２１に記載の反応粒子。
23. ２３．約１０〜約１０００孔／ｃｍ２の密度で孔を有することを特徴とする請求 項２２に記載の反応粒子。
24. ２４．表面に型押を有することを特徴とする請求項２０〜２３のいずれか１項に 記載の反応粒子。
25. ２５．表山に繊維及び／又は粉末が被着されていることを特徴とする請求項２０ 〜２４のいずれか１項に記載の反応粒子。
26. ２６．表面に反応性物質、特にゼオライト粉末、活性炭又は鉄を含んでいること を特徴とする請求項２０〜２５のいずれか１項に記載の反応粒子。
27. ２７．プラスチック布からなることを特徴とする請求項２０〜２６のいずれか１ 項に記載の反応粒子。
28. ２８．ポリオレフィンからなることを特徴とする請求項２０〜２７のいずれか１ 項に記載の反応粒子。
29. ２９．ポリスチレンからなることを特徴とする請求項２０〜２７のいずれか１項 に記載の反応粒子。
30. ３０．生物学的に容易に分解可能なプラスチックからなることを特徴とする請求 項２０〜２７のいずれか１項に記載の反応粒子。
31. ３１．金属箔からなることを特徴とする請求項２０〜２６のいずれか１項に記載 の反応粒子。
32. ３２．比重約０．８ｇ／ｃｍ３〜約１．５ｇ／ｃｍ３のプラスチックからなるこ とを特徴とする請求項２０〜３０のいずれか１項に記載の反応粒子。