特開 2023-96475 固液分離セルおよび固液分離セルの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023096475

(43)【公開日】2023-07-07

(54)【発明の名称】固液分離セルおよび固液分離セルの製造方法

(51)【国際特許分類】

   B01D 21/26 20060101AFI20230630BHJP

   B01D 21/01 20060101ALI20230630BHJP

   B01D 21/00 20060101ALI20230630BHJP

【ＦＩ】

B01D21/26

B01D21/01 B

B01D21/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021212274

(22)【出願日】2021-12-27

(71)【出願人】

【識別番号】000004400

【氏名又は名称】オルガノ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】瀧口 佳介

(57)【要約】

【課題】装置コストを低減することができる構造を有する固液分離セルおよびその固液分離セルの製造方法を提供する。
【解決手段】曲率を有する壁面を含む流路を有する曲がりチャネル１０，１２を用いた固液分離セル１であって、曲がりチャネル１０，１２の一端が、流体が流入する入口となっており、曲がりチャネルの他端が２つに分岐して、それぞれ流体が流出する出口となっており、渦巻き形状の複数の曲がりチャネル１０，１２が同一平面上に中心を略同一として多重の渦となるように配置されており、複数の曲がりチャネル１０，１２のうちの１つの曲がりチャネルの少なくとも２つある出口のうちの１つが他の１つの曲がりチャネルの入口に接続されて、複数の曲がりチャネル１０，１２が直列に接続されている、固液分離セル１である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

曲率を有する壁面を含む流路を有する曲がりチャネルを用いた固液分離セルであって、
前記曲がりチャネルの一端が、流体が流入する入口となっており、
前記曲がりチャネルの他端が２つに分岐して、それぞれ前記流体が流出する出口となっており、
渦巻き形状の複数の曲がりチャネルが同一平面上に中心を略同一として多重の渦となるように配置されており、
前記複数の曲がりチャネルのうちの１つの曲がりチャネルの２つある前記出口のうちの１つが他の１つの曲がりチャネルの入口に接続されて、前記複数の曲がりチャネルが直列に接続されていることを特徴とする固液分離セル。

【請求項2】

請求項１に記載の固液分離セルであって、
前記流路の幅が、３～１５ｍｍの範囲であることを特徴とする固液分離セル。

【請求項3】

請求項１または２に記載の固液分離セルであって、
前記流路の深さが、１～１０ｍｍの範囲であることを特徴とする固液分離セル。

【請求項4】

被処理水に凝集剤を添加するための凝集剤添加手段と、
前記凝集剤が添加された被処理水を通水して固液分離を行い、濃縮水と処理水とに分離する、請求項１～３のいずれか1項に記載の固液分離セルと、
前記処理水の水質を測定する処理水水質測定手段と、
を備えることを特徴とする水質測定装置。

【請求項5】

請求項１～３のいずれか1項に記載の固液分離セルの製造方法であって、
第１板状部材の第１表面に、前記曲がりチャネルの前記流路として渦巻き形状の複数の溝を同一平面上に中心を略同一として多重の渦となるように形成する溝形成工程と、
前記第１板状部材の前記第１表面に第２板状部材を貼り合わせる、貼り合わせ工程と、
前記複数の溝のうちの１つの溝の少なくとも２つある出口のうちの１つを他の１つの溝の入口に接続して、前記複数の溝を直列に接続する接続工程と、
を含むことを特徴とする固液分離セルの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固体と液体を分離する固液分離セルおよびその固液分離セルの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

水処理において、被処理水中に無機凝集剤や高分子凝集剤等の凝集剤を添加して、懸濁物質等を凝集させてフロックを形成し、凝集フロックを固液分離装置で固液分離する凝集処理が行われる。

【0003】

このような凝集処理において、固液分離装置として、曲率を有する壁面を含む流路を有する曲がりチャネルを用いた固液分離セルを用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

このような固液分離セルにおいて、曲がりチャネルが１段では粒子を十分に分離することができず、曲がりチャネルを多段にすることによって分離性能が向上する場合がある。しかし、曲がりチャネルを多段にするとセルの数が増えてしまい、装置コストが上昇する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１９－１８１３４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の目的は、装置コストを低減することができる構造を有する固液分離セルおよびその固液分離セルの製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、曲率を有する壁面を含む流路を有する曲がりチャネルを用いた固液分離セルであって、前記曲がりチャネルの一端が、流体が流入する入口となっており、
前記曲がりチャネルの他端が２つに分岐して、それぞれ前記流体が流出する出口となっており、渦巻き形状の複数の曲がりチャネルが同一平面上に中心を略同一として多重の渦となるように配置されており、前記複数の曲がりチャネルのうちの１つの曲がりチャネルの少なくとも２つある出口のうちの１つが他の１つの曲がりチャネルの入口に接続されて、前記複数の曲がりチャネルが直列に接続されている、固液分離セルである。

【0008】

前記固液分離セルにおいて、前記流路の幅が、３～１５ｍｍの範囲であることが好ましい。

【0009】

前記固液分離セルにおいて、前記流路の深さが、１～１０ｍｍの範囲であることが好ましい。

【0010】

本発明は、被処理水に凝集剤を添加するための凝集剤添加手段と、前記凝集剤が添加された被処理水を通水して固液分離を行い、濃縮水と処理水とに分離する、前記固液分離セルと、前記処理水の水質を測定する処理水水質測定手段と、を備える、水質測定装置である。

【0011】

本発明は、前記固液分離セルの製造方法であって、第１板状部材の第１表面に、前記曲がりチャネルの前記流路として渦巻き形状の複数の溝を同一平面上に中心を略同一として多重の渦となるように形成する溝形成工程と、前記第１板状部材の前記第１表面に第２板状部材を貼り合わせる、貼り合わせ工程と、前記複数の溝のうちの１つの溝の少なくとも２つある出口のうちの１つを他の１つの溝の入口に接続して、前記複数の溝を直列に接続する接続工程と、を含む、固液分離セルの製造方法である。

【発明の効果】

【0012】

本発明によって、装置コストを低減することができる構造を有する固液分離セルおよびその固液分離セルの製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態に係る固液分離セルの一例を示す概略構成図である。

【図2】本発明の実施形態に係る固液分離セルにおける曲がりチャネルの流路断面の一例を示す概略図である。

【図3】本発明の実施形態に係る固液分離セルの製造方法の一例を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

【0015】

［固液分離セル］
本発明の実施形態に係る固液分離セルは、曲率を有する壁面を含む流路を有する曲がりチャネルを用いた固液分離セルであって、曲がりチャネルの一端が、流体が流入する入口となっており、曲がりチャネルの他端が２つに分岐して、それぞれ流体が流出する出口となっており、渦巻き形状の複数の曲がりチャネルが同一平面上に中心を略同一として多重の渦となるように配置されており、複数の曲がりチャネルのうちの１つの曲がりチャネルの少なくとも２つある出口のうちの１つが他の１つの曲がりチャネルの入口に接続されて、複数の曲がりチャネルが直列に接続されている固液分離セルである。

【0016】

本実施形態に係る固液分離セルの一例の概略を図１に示し、その構成について説明する。

【0017】

図１の固液分離セル１は、曲率を有する壁面を含む流路を有する曲がりチャネルを用いた固液分離セルであって、渦巻き形状の第１の曲がりチャネル１０と渦巻き形状の第２の曲がりチャネル１２とが同一平面上に中心を略同一として二重の渦となるように配置されている。なお、図１において、第１の曲がりチャネル１０を点線で表し、第２の曲がりチャネル１２を実線で表している。

【0018】

第１の曲がりチャネル１０は、被処理液を流入するための第１の曲がりチャネル入口２０と、流体が流れるための例えば矩形状の１つの流路を有する配管が渦巻き状に形成された渦巻き状チャネルと、例えば濃縮液（第１チャネル濃縮水）を排出するための、流路の内周側から分かれた第１の曲がりチャネル第１出口２４と、例えば処理液（第１チャネル処理水）を排出するための、流路の外周側から分かれた第１の曲がりチャネル第２出口２６とを有する。このように、第１の曲がりチャネル１０の一端が、流体が流入する第１の曲がりチャネル入口２０となっており、曲がりチャネルの他端が２つに分岐して、それぞれ流体が流出する第１の曲がりチャネル第１出口２４と第１の曲がりチャネル第２出口２６となっている。

【0019】

第２の曲がりチャネル１２は、被処理液を流入するための第２の曲がりチャネル入口２２と、流体が流れるための例えば矩形状の１つの流路を有する配管が渦巻き状に形成された渦巻き状チャネルと、例えば濃縮液（第２チャネル濃縮水）を排出するための、流路の内周側から分かれた第２の曲がりチャネル第１出口２８と、例えば処理液（第２チャネル処理水）を排出するための、流路の外周側から分かれた第２の曲がりチャネル第２出口３０とを有する。このように、第２の曲がりチャネル１２の一端が、流体が流入する第２の曲がりチャネル入口２２となっており、曲がりチャネルの他端が２つに分岐して、それぞれ流体が流出する第２の曲がりチャネル第１出口２８と第２の曲がりチャネル第２出口３０となっている。

【0020】

第１の曲がりチャネル１０の２つある出口のうちの１つ、ここでは第１の曲がりチャネル第１出口２４が配管等の接続部材３２によって第２の曲がりチャネル入口２２に接続されて、第１の曲がりチャネル１０と第２の曲がりチャネル１２とが直列に接続されている。

【0021】

本実施形態に係る固液分離セル１の動作および固液分離方法について説明する。

【0022】

固液分離の対象となる懸濁物質等の固体粒子を含む被処理液は、第１の曲がりチャネル入口２０から第１の曲がりチャネル１０へ送液される。被処理液は、渦巻き状の第１の曲がりチャネル１０の流路に導入され、流路を流れていくと、固体粒子と液体（水）との密度差と重力と流体力学的作用とにより、流路の例えば外周側の第１チャネル処理水と流路の例えば内周側の第１チャネル濃縮水とに分離される（第１チャネル分離工程）。第１の曲がりチャネル１０で得られた第１チャネル処理水は、第１の曲がりチャネル第２出口２６から排出される。第１の曲がりチャネル１０で得られた第１チャネル濃縮水は、第１の曲がりチャネル第１出口２４から接続部材３２を通して第２の曲がりチャネル入口２２から第２の曲がりチャネル１２へ送液される。第１チャネル濃縮水は、渦巻き状の第２の曲がりチャネル１２の流路に導入され、流路を流れていくと、固体粒子と液体（水）との密度差と重力と流体力学的作用とにより、流路の例えば外周側の第２チャネル処理水と流路の例えば内周側の第２チャネル濃縮水とに分離される（第２チャネル分離工程）。第２の曲がりチャネル１２で得られた第２チャネル処理水は、第２の曲がりチャネル第２出口３０から排出される。第２の曲がりチャネル１２で得られた第２チャネル濃縮水は、第２の曲がりチャネル第１出口２８から排出される（以上が固液分離工程）。

【0023】

第１の曲がりチャネル１０と第２の曲がりチャネル１２とを同一平面上に中心を略同一として二重の渦となるように配置してセルを構成することによって、セルの枚数を増やさなくても多段にすることができるため、装置コストを低減することができる。

【0024】

図２に曲がりチャネルの流路の断面を示すが、固体粒子（例えば懸濁物質や凝集物）を含む被処理液が被処理液入口から渦巻き状チャネルに導入されると、矩形状の流路の断面には二次流れ（ディーン渦）が生じる。これは遠心力による外向きの流れと、直進しようとする流れが外壁により強制的に曲げられることによる内向きへの圧力によるものである。

【0025】

固体粒子はこの二次流れ（ディーン渦）の中では内周側に集まるとされるが、固体粒子の密度、流路中を流れる流体の流束、流路の曲率等のバランスによっては、固体粒子が外周側に集まる場合もある。この場合には、曲がりチャネルは、流路の内周側から分かれた処理液出口と、流路の外周側から分かれた濃縮液出口と、を有していてもよい。曲がりチャネルは、曲がりチャネルにおける固体粒子の密度、流路中を流れる流体の流束、流路の曲率等のバランスを調整することにより、固体粒子と液体との密度差と、重力と、流体力学的作用とによって、被処理液から固体粒子を分離することができる。

【0026】

曲がりチャネルは、曲率を有する壁面を含む流路を有するものであればよく、特に制限はない。曲がりチャネルは、曲率を有する壁面を含む１つの流路を有する配管が渦巻き状に形成されたものである。曲がりチャネルの流路の断面形状は、矩形状、円状、楕円状等が挙げられ、ディーン渦の形成のためには、流路の断面形状が矩形状であることが望ましい。すなわち、曲がりチャネルは、上壁面と下壁面と曲率を有する側壁面とを含む流路を有する。

【0027】

被処理液の流量に応じて曲がりチャネルの内側に固体粒子が濃縮されるのか、外側に濃縮されるのかが変わるため、チャネル第１出口およびチャネル第２出口は、被処理液の流量に応じて適宜変更してもよい。

【0028】

第２の曲がりチャネル１２で第１の曲がりチャネル１０で得られた水をさらに濃縮したい場合には、第１の曲がりチャネル１０の出口のうち固体濃度の高い方を、第２の曲がりチャネル入口２２に接続すればよい。

【0029】

第２の曲がりチャネル１２で第１の曲がりチャネル１０で得られた水の固体濃度をさらに下げたい場合には、第１の曲がりチャネル１０の出口のうち固体濃度の低い方を、第２の曲がりチャネル入口２２に接続すればよい。

【0030】

曲がりチャネルは、固体粒子の分離の目的に応じて決められた所定の曲率、長さ、および幅を有することが好ましい。

【0031】

第１の曲がりチャネル１０と第２の曲がりチャネル１２とは必ずしも同じ幅、長さ、曲率半径でなくてもよく、固体粒子の分離性等に応じて適宜設計すればよいが、同一平面上に中心を略同一として二重の渦となるように配置する。第１の曲がりチャネル１０と第２の曲がりチャネル１２は、中央部を始点として同一平面に沿って互いに略並行に配設して２重渦巻状に旋回されて形成されている。

【0032】

固体粒子の分離に最適となる曲がりチャネルの仕様は、固体粒子の性状（密度、粒子径等）によって変化するため、流動解析ソフトを用いて決定することが望ましい。流動解析ソフトとしては、例えば、「ＡＮＳＹＳ Ｆｌｕｅｎｔ」（ＡＮＳＹＳ社）等が挙げられる。

【0033】

ここでは、図１に示すような第１の曲がりチャネル１０と第２の曲がりチャネル１２とを同一平面上に中心を略同一として二重の渦となるように配置した２段のセルを例として説明したが、３つ以上の曲がりチャネルを同一平面上に中心を略同一として３段以上の多重の渦となるように配置した多段のセルとしてもよい。

【0034】

この場合は、複数の曲がりチャネルのうちの１つの曲がりチャネルの少なくとも２つある出口のうちの１つが他の１つの曲がりチャネルの入口に接続されて、複数の曲がりチャネルが直列に接続されればよい。すなわち、第１の曲がりチャネルの２つある出口のうちの１つを第２の曲がりチャネル入口に接続して、以下、第（ｎ－１）の曲がりチャネルの２つある出口のうちの１つを第ｎの曲がりチャネル入口に接続して、第１の曲がりチャネル～第ｎの曲がりチャネルを順次直列に接続すればよい（ｎは、２以上の整数）。多段セルの場合の段数には，特に制限はないが、製造し易さ等の点から２段（ｎ＝２）であることが好ましい。

【0035】

固液分離の対象となる被処理液は、懸濁物質等の固体粒子を含む水であればよく、特に制限はない。被処理液としては、例えば、被処理水中に無機凝集剤や高分子凝集剤等の凝集剤を添加して、懸濁物質等を凝集させてフロックを形成する凝集処理で得られる凝集フロックを含む水や、原料成分の粒子状残渣等を含む飲料水等が挙げられる。

【0036】

本実施形態に係る固液分離セルは、例えば、被処理水に凝集剤を添加するための凝集剤添加手段と、凝集剤が添加された被処理水を通水して固液分離を行い、濃縮水と処理水とに分離する固液分離手段と、処理水の水質を測定する処理水水質測定手段と、を備える水質測定装置における固液分離手段として用いることができる。本実施形態に係る固液分離セルは、例えば、特開２０１９－１８１３４２号公報で開示されたジャーテスタ等に用いることができる。固液分離チャネルの大きさをほとんど変えることなく、特開２０１９－１８１３４２号公報で開示された曲がりチャネルより長い固液分離機能を有することによって、より適切な固液分離が可能となる。

【0037】

［固液分離セルの製造方法］
上記固液分離セルは、例えば、次の方法によって製造すればよい。図３に固液分離セルの製造方法の一例を示す。

【0038】

第１板状部材５０の第１表面（第１板状部材第１表面）６０に、曲がりチャネルの流路として渦巻き形状の複数の溝を同一平面上に中心を略同一として多重の渦となるように形成する（溝形成工程）。例えば、図１に示すように、第１の曲がりチャネル１０の流路となる第１の溝５４と、第２の曲がりチャネル１２の流路となる第２の溝５６とを、中央部を始点として終点が少なくとも２つの出口に分岐するようにそれぞれ形成する。次に、第１の溝５４と第２の溝５６を形成した第１板状部材第１表面６０に、第２板状部材５２の第１表面（第２板状部材第１表面）６２を接着剤等により貼り合わせてセルを形成する（貼り合わせ工程）。これによって、第１の溝５４と第２の溝５６が第２板状部材５２によって塞がれて、第１の曲がりチャネル１０の流路および第２の曲がりチャネル１２の流路が形成される。第１の曲がりチャネル１０の流路となる第１の溝５４と、第２の曲がりチャネル１２の流路となる第２の溝５６との間に、流路からの漏洩を抑制するための漏洩抑制部材として例えば渦巻き形状のパッキンを着脱可能に配置してもよい。

【0039】

第２板状部材５２における、第１の曲がりチャネル１０の流路である第１の溝５４の２つある出口のうちの１つとなる終点と、第２の曲がりチャネル１２の流路である第２の溝５６の始点に相当する箇所に第２板状部材５２を貫通する貫通孔６４，６６をそれぞれ形成する。この貫通孔６４と貫通孔６６とを配管等の接続部材３２によって接続して、第１の曲がりチャネル１０の流路である第１の溝５４と、第２の曲がりチャネル１２の流路である第２の溝５６とを直列に接続する（接続工程）。

【0040】

第１板状部材５０、第２板状部材５２として用いられる板状部材としては、例えば、ポリカーボネート板、アクリル板、塩化ビニル等の樹脂板、ステンレス等の金属板等が挙げられる。耐腐食性、加工の容易さ等の点から、ポリカーボネート板、アクリル板等の樹脂板が好ましい。

【0041】

溝の形成は、切削加工装置、例えば、高速回転する先端の刃によって切削加工を行うことができるトリマー等を用いて行えばよい。

【0042】

第１の溝５４および第２の溝５６の幅は、例えば、３～１５ｍｍの範囲、深さは、例えば、１～１０ｍｍの範囲とすればよい。

【0043】

接続部材３２は、例えば、ポリカーボネート、テフロン（登録商標）等の樹脂、ステンレス等の金属等で構成された配管（チューブ）である。

【実施例0044】

以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

【0045】

＜実施例１＞
幅４５０ｍｍ×長さ６００ｍｍ×厚さ２０ｍｍのアクリル板の第１表面に、第１の曲がりチャネルおよび第２の曲がりチャネルの流路として渦巻き形状の２つの矩形状の溝（幅５ｍｍ、深さ２．５ｍｍ、４．５巻き）を同一平面上に中心を略同一として２重の渦となるように形成した。次に、溝を形成した板状部材の第１表面に、幅４５０ｍｍ×長さ６００ｍｍ×厚さ２０ｍｍのポリカーボネート板を貼り合わせてセルを形成した。このとき、第１の溝と第２の溝との間に渦巻き形状のパッキン（材質：エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ））を配置した。第１の溝の２つある出口のうちの１つとなる終点と、第２の溝の始点に相当する箇所に貫通孔をそれぞれ形成し、これらの貫通孔をチューブ（材質：テフロン（登録商標））で接続して、第１の曲がりチャネルの流路と第２の曲がりチャネルの流路とを直列に接続した。

【0046】

＜比較例１＞
幅４５０ｍｍ×長さ６００ｍｍ×厚さ２０ｍｍのアクリル板の第１表面に、曲がりチャネルの流路として渦巻き形状の１つの矩形状の溝（幅５ｍｍ、深さ２．５ｍｍ、４．５巻き）を形成した。次に、溝を形成した板状部材の第１表面に、幅４５０ｍｍ×長さ６００ｍｍ×厚さ２０ｍｍのポリカーボネート板を貼り合わせてセルを形成した。これと同じセルをもう１つ作製した。一方のセルの溝の２つある出口のうちの１つとなる終点と、もう一方のセルの溝の始点に相当する箇所に貫通孔をそれぞれ形成し、これらの貫通孔をチューブ（材質：テフロン（登録商標））で接続して、第１の曲がりチャネルの流路と第２の曲がりチャネルの流路とを直列に接続した。

【0047】

実施例１の固液分離セルと比較例１の固液分離セルをそれぞれ用いて、被処理液（濁度標準物質であるカオリンの懸濁水、濁度３．２度）の固液分離処理を行ったところ、結果は、実施例１の第２の曲りチャネルの２つの出口の処理水のうち清澄なほうの濁度が１．２度、比較例１の第２の曲りチャネルの２つの出口の処理水のうち清澄なほうの濁度が１．３度であり、ほぼ同等の分離性能が得られた。

【0048】

比較例１の固液分離セルは４枚の板状部材を用いてセルを作製したのに対して、実施例１の固液分離セルは２枚の板状部材を用いてセルを作製したことによって、装置コストを低減することができた。

【符号の説明】

【0049】

１ 固液分離セル、１０ 第１の曲がりチャネル、１２ 第２の曲がりチャネル、２０ 第１の曲がりチャネル入口、２２ 第２の曲がりチャネル入口、２４ 第１の曲がりチャネル第１出口、２６ 第１の曲がりチャネル第２出口、２８ 第２の曲がりチャネル第１出口、３０ 第２の曲がりチャネル第２出口、３２ 接続部材、５０ 第１板状部材、５２ 第２板状部材、５４ 第１の溝、５６ 第２の溝、６０ 第１板状部材第１表面、６２ 第２板状部材第１表面、６４，６６ 貫通孔。

【図1】

【図2】

【図3】