JP6064640B2 - Solid-liquid separation method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、液体中に含まれている固体粒子を分離するための固液分離方法及び装置に関するもので、特に、液体との密度差がないか又は小さい固体粒子の分離に有効な固液分離方法及び装置に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid-liquid separation method and apparatus for separating solid particles contained in a liquid, and in particular, solid-liquid separation that is effective for separating solid particles that have no density difference from a liquid or are small. It relates to a method and a device.
海水の淡水化処理やシェールガス随伴水の脱塩処理を行う手法として、逆浸透膜法や正浸透膜法がある。かかる逆浸透膜法や正浸透膜法を実施する場合は、膜処理の実施前に、前処理として、水中に含まれている砂、粘土、コロイド等の固体粒子を分離して除去することが求められる。更に、上記海水の淡水化処理の場合は、水中に含まれている藻類やその他の微生物、その死骸や代謝物等の固体粒子についても、前処理で分離して除去することが望まれる。 There are a reverse osmosis membrane method and a forward osmosis membrane method as a method for desalinating seawater or desalting water associated with shale gas. When carrying out such a reverse osmosis membrane method or forward osmosis membrane method, it is possible to separate and remove solid particles such as sand, clay and colloid contained in water as a pretreatment before the membrane treatment. Desired. Furthermore, in the case of the desalination treatment of the seawater, it is desired that solid particles such as algae and other microorganisms, dead bodies and metabolites contained in the water are separated and removed by pretreatment.
又、藻類、細胞やその他の微生物を培養して、医薬品、燃料やその他の有用物質を生産する場合は、上記有用物質の回収処理を開始する際、培養された微生物や細胞等を、水中(培養液中)より分離する前処理が必要とされる。 In addition, when algae, cells, and other microorganisms are cultured to produce pharmaceuticals, fuels, and other useful substances, the cultured microorganisms and cells are submerged in water ( A pretreatment for separation from the culture medium) is required.
更には、湖沼の浄化を目的として、水から藻類等の微生物を分離することも行われている。 Furthermore, for the purpose of purifying lakes and marshes, microorganisms such as algae are separated from water.
固液分離を実施する場合は、分離対象となる固体粒子と、該固体粒子の分散媒となっている液体との密度差を利用した固液分離手法が広く一般的に行われている。すなわち、固体粒子の密度が液体の密度よりも大きい場合は、沈降分離が行われる。一方、固体粒子の密度が液体の密度よりも小さい場合は浮上分離が行われている。又、上記固体粒子と液体との密度差が比較的小さい場合は、上記と同様の固液密度差に基づく固体粒子の沈降や浮上を、遠心力を利用して促進させるようにした遠心分離が広く行われている。 When solid-liquid separation is performed, a solid-liquid separation technique using a density difference between solid particles to be separated and a liquid serving as a dispersion medium for the solid particles is widely and generally performed. That is, when the density of solid particles is larger than the density of liquid, sedimentation separation is performed. On the other hand, when the density of the solid particles is smaller than the density of the liquid, levitation separation is performed. In addition, when the density difference between the solid particles and the liquid is relatively small, centrifugal separation that promotes sedimentation and floating of the solid particles based on the same solid-liquid density difference as described above using centrifugal force is performed. Widely done.
しかし、上記砂、粘土、コロイド、藻類、細胞やその他の微生物及びその死骸や代謝物は、粒径が小さく、更には、水との密度差がないか又は該密度差が微小な粒子となっている場合があり、このような固体粒子は、上記した沈降分離や遠心分離や浮上分離のような従来の一般的な固液分離手法では、液体からの分離を行うことは困難である。 However, the sand, clay, colloid, algae, cells and other microorganisms, and dead bodies and metabolites thereof have a small particle size, and further, there is no density difference with water or the density difference is a minute particle. In some cases, it is difficult to separate such solid particles from a liquid by conventional general solid-liquid separation techniques such as sedimentation, centrifugation, and flotation.
ところで、超音波を用いて液体中の微粒子を濃縮するようにした微粒子連続濃縮装置が、従来提案されている。これは、微粒子を含む流体を流す管の両側壁に、上記管の中に定在波を発生させるための超音波振動子を設けた構成として、上記管内の流体中の微粒子を、上記各超音波振動子より発生する超音波の定在波の節や腹の位置に濃縮させる。更に、上記管内における該微粒子の濃縮が行われる個所の下流側には、吸引用の細管を配置して、上記濃縮された微粒子を含む流体を選択的に吸引するようにしてある(たとえば、特許文献1参照)。 By the way, a fine particle continuous concentrating device that concentrates fine particles in a liquid using ultrasonic waves has been conventionally proposed. This is because the ultrasonic vibrator for generating a standing wave in the pipe is provided on both side walls of the pipe through which the fluid containing the fine particles flows. It concentrates on the node of the standing wave of the ultrasonic wave generated from the sonic transducer and the position of the abdomen. Furthermore, a suction thin tube is arranged downstream of the portion where the fine particles are concentrated in the tube so as to selectively suck the fluid containing the concentrated fine particles (for example, patents). Reference 1).
又、超音波を用いた非接触マニピュレーション方法が従来提案されている。これは、水槽内に平行に設けた超音波振動子と反射板との間に、超音波振動子より放射する超音波による定在波を発生させて、その節に微小物体(粒子)を捕捉させる。その後、上記節に捕捉されている微小物体は、上記超音波の周波数を変化させることで、上記超音波振動子と反射板との間の音波の伝播方向に移動させるようにしてある(たとえば、特許文献2参照)。 A non-contact manipulation method using ultrasonic waves has been proposed in the past. This is to generate a standing wave by the ultrasonic wave radiated from the ultrasonic vibrator between the ultrasonic vibrator and the reflection plate installed in parallel in the water tank, and capture a minute object (particle) at the node. Let Thereafter, the minute object captured in the node is moved in the propagation direction of the sound wave between the ultrasonic transducer and the reflecting plate by changing the frequency of the ultrasonic wave (for example, Patent Document 2).
しかし、上記非接触マニピュレーション方法は、粒子を含んだ液体を対象とする連続的な固液分離処理への適用は困難である。 However, the non-contact manipulation method is difficult to apply to a continuous solid-liquid separation process for a liquid containing particles.
更に、音響放射力と静電気力を利用する浮遊粒子の連続分離方法が従来提案されている。これは、流路を流れる浮遊粒子のうちの小径粒子を静電気力により流路の一方の側壁に導き、更に、トランスデューサと反射板との間で、音響放射力を働かせるための超音波の定在波を、周波数の走査によって節の位置を移動させるように発生させることで、上記浮遊粒子のうちの大径粒子を、上記流路の他方の側壁に導くようにしてある(たとえば、特許文献3参照)。 Further, a continuous separation method for suspended particles using acoustic radiation force and electrostatic force has been proposed. This is because small particles of suspended particles flowing in the flow channel are guided to one side wall of the flow channel by electrostatic force, and further, the ultrasonic wave is placed between the transducer and the reflector so that the acoustic radiation force works. By generating a wave so as to move the position of the node by scanning the frequency, the large-diameter particles of the suspended particles are guided to the other side wall of the flow path (for example, Patent Document 3). reference).
しかし、上記浮遊粒子の連続分離方法は、液体中の浮遊微粒子を粒径に応じて仕分けるためのものであって、固液分離を行うものではなく、又、該方法の実施には、音響放射力と静電気力の併用が必須になる。 However, the above-mentioned continuous separation method of suspended particles is for sorting suspended particulates in a liquid according to the particle size, and does not perform solid-liquid separation. Force and electrostatic force must be used together.
ところが、上記特許文献1に示された微粒子連続濃縮装置は、管内の流体中の粒子を、該管の長手方向の1個所で発生させる定在波のみで濃縮させるようにしてある。更に、上記定在波で濃縮された粒子は、該定在波発生個所の下流側に配置した1つの細管を用いて選択的に吸引させるようにしてあるため、上記管内で発生させる定在波は、上記流体中の粒子を捕捉するための節又は腹が1つのみの定在波とする必要がある。
However, the fine particle continuous concentration apparatus disclosed in
そのため、上記管の断面積が大きい場合は、該管における流路断面の外周寄り位置から、上記定在波の粒子捕捉用の1つの節又は腹までの距離が大きくなるため、上記流路断面の外周寄り位置を通って上記定在波の発生個所に向かう粒子を、上記定在波の節又は腹まで移動させて捕捉することが難しい。 Therefore, when the cross-sectional area of the pipe is large, the distance from the position near the outer periphery of the cross-section of the flow path in the pipe to the single node or antinode for capturing the standing wave particles becomes large. It is difficult to capture particles that travel toward the location of the standing wave through the position near the outer periphery of the particle by moving it to the node or antinode of the standing wave.
しかも、上記定在波の発生個所は、管の長手方向の1個所のみであるため、上記定在波の節又は腹で捕捉し切れずに該定在波発生個所を一旦通過した粒子については、その後、捕捉して分離する手段が全くない。よって、上記特許文献1に示されたものでは、管内の流体の流速を高めることも難しい。
In addition, since the standing wave is generated only at one position in the longitudinal direction of the tube, the particles that have passed through the standing wave generation position without being completely captured by the standing wave node or belly are described below. After that, there is no means to capture and separate. Therefore, with the thing shown in the said
したがって、上記特許文献1に示された手法は、多量の流体を対象とする連続的な固液分離処理を効率よく実施することは難しいものであり、前述したような逆浸透膜法や正浸透膜法による海水やシェールガス随伴水の脱塩処理の前処理として、水中に含まれている砂、粘土、コロイド、藻類やその他の微生物及びその死骸や代謝物のような固体粒子を液体から分離させるための固液分離処理や、藻類、細胞や微生物を水中(培養液中)より分離するための固液分離処理への適用は難しい。
Therefore, it is difficult for the technique disclosed in
そこで、本発明は、上記した従来の問題点を解消できるようにすると共に、固体粒子の分散媒となる液体との密度差がないか又は微小な固体粒子についても、固液分離を効率よく実施することができ、更に、連続処理に有効な固液分離方法及び装置を提供しようとするものである。 Therefore, the present invention makes it possible to eliminate the above-mentioned conventional problems, and efficiently performs solid-liquid separation even for fine solid particles that have no density difference from the liquid that serves as a dispersion medium for the solid particles. In addition, an object of the present invention is to provide a solid-liquid separation method and apparatus effective for continuous processing.
本発明は、上記課題を解決するために、請求項1に対応して、粒子を分散させてなる原液を流通させる流路を備え、上記流路に、超音波発生用素子より該流路内に節の位置が静止した静止定在音波を発生させて、該静止定在音波の節に上記粒子を捕捉して凝集させることで粒子群を形成させる静止定在音波発生手段を設け、上記流路における上記静止定在音波発生手段の設置個所の下流側位置に、別の超音波発生用素子より該流路内に対向する一側の流路壁側から他側の流路壁側へ節の位置を周期的に変位させる移動定在音波を発生させて、上記静止定在音波の節で捕捉され凝集された粒子群を、上記移動定在音波の節の変位で上記他側の流路壁側に濃縮させる移動定在音波発生手段を設け、更に、上記流路における上記移動定在音波発生手段よりも下流側位置に、上記移動定在音波で上記他側の流路壁側に濃縮される粒子群を取り出すための濃縮粒子取出口を備えてなる構成を有する固液分離装置とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the present invention comprises, corresponding to
更に、請求項2に対応して、上記請求項1の構成において、上記移動定在音波発生手段は、該移動定在音波発生手段で発生させる移動定在音波の腹の位置が、上記他側の流路壁を基準にして、上記静止定在音波発生手段で発生させる静止定在音波の節と一致しないように、該移動定在音波の周波数を設定してあるものとした構成とする。
Furthermore, in response to
又、請求項3に対応して、粒子を分散させてなる原液を、流路に流通させるときに、該流路内の原液に、節の位置が静止した静止定在音波を作用させて、上記原液中の粒子を該静止定在音波の節に捕捉して凝集させ、次に、上記静止定在音波の節で捕捉され凝集された粒子群に、節の位置を互いに対向する一側の流路壁側から他側の流路壁側へ周期的に変位させる移動定在音波を作用させて、該粒子群を、上記移動定在音波の節の変位に伴って上記流路の他側の流路壁側に濃縮させ、次いで、上記移動定在音波で濃縮された粒子群を取り出すようにする固液分離方法とする。
Further, in accordance with
本発明の固液分離方法及び装置によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
(1)原液中に含まれる粒子は、連続的に固液分離処理することができ、固液分離処理の際には、固液密度差は必要ないため、粒子の分散媒となる液体との密度差がないか又は密度差が微小な粒子についても、固液分離を効率よく実施できる。これにより、上記固液分離処理は、逆浸透膜法や正浸透膜法による海水やシェールガス随伴水の脱塩処理の前処理として、水中に含まれている砂、粘土、コロイド等の固体粒子、更には、藻類やその他の微生物、その死骸や代謝物等の固体粒子を分離して除去する処理、あるいは、藻類、細胞や微生物を水中(培養液中)より分離する処理に適したものとすることができる。
(2)静止定在音波及び移動定在音波は、上記粒子を複数の節で捕捉させるものを用いることができる。更に、流路では、上流側から、静止定在音波の発生個所と、移動定在音波の発生個所が多段に設けてあるため、たとえ上記静止定在音波の節で捕捉し切れない粒子があるとしても、該粒子を、移動定在音波の節に捕捉して、濃縮して分離を図ることができる。このため流路における原液の流速を高めることが可能になる。
According to the solid-liquid separation method and apparatus of the present invention, the following excellent effects are exhibited.
(1) The particles contained in the stock solution can be continuously subjected to solid-liquid separation treatment, and no solid-liquid density difference is required during the solid-liquid separation treatment. Solid-liquid separation can be performed efficiently even for particles having no density difference or a minute density difference. As a result, the solid-liquid separation treatment is performed as a pre-treatment for the desalination treatment of seawater or shale gas-associated water by the reverse osmosis membrane method or the forward osmosis membrane method, so that solid particles such as sand, clay and colloid contained in water Furthermore, it is suitable for a process for separating and removing solid particles such as algae and other microorganisms, dead bodies and metabolites thereof, or a process for separating algae, cells and microorganisms from water (in the culture solution). can do.
(2) As the stationary standing sound wave and the moving standing sound wave, one that captures the particles at a plurality of nodes can be used. Furthermore, in the flow path, the stationary standing sound wave generation point and the moving standing sound wave generation point are provided in multiple stages from the upstream side, so there are particles that cannot be captured by the stationary standing sound wave node. Even so, the particles can be trapped in a moving standing acoustic wave node and concentrated for separation. For this reason, it is possible to increase the flow rate of the stock solution in the flow path.
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図1乃至図3(a)(b)(c)(d)(e)は本発明の固液分離方法及び装置の実施の一形態を示すものである。 FIGS. 1 to 3 (a), (b), (c), (d), and (e) show an embodiment of the solid-liquid separation method and apparatus of the present invention.
すなわち、本発明の固液分離装置は、図1に符号1で示すもので、粒子3がその分散媒となる液体に分散状態で含まれた原液2を流すための流路4を備える。
That is, the solid-liquid separation device of the present invention is indicated by
上記流路4の途中位置には、静止定在音波発生手段5と、移動定在音波発生手段6A,6Bとを、上流側より順に設ける。
A stationary standing sound wave generating means 5 and moving standing sound wave generating means 6A, 6B are provided in the middle of the
更に、上記流路4にて最も下流寄りに設置された移動定在音波発生手段6Bの下流側位置には、濃縮された粒子3を取り出すための濃縮粒子取出口7を備えた構成とする。
Further, a concentrated particle take-out
詳述すると、上記流路4は、少なくとも互いに対向する一対の流路壁8a,8bを備えるように、たとえば、断面形状が矩形状となるようにしてある。
More specifically, the
上記静止定在音波発生手段5は、圧電素子(ピエゾ素子)のような超音波発生用素子9と、該超音波発生用素子9に接続した制御装置10を備えた構成としてある。
The stationary standing sound wave generating means 5 includes an ultrasonic wave generating element 9 such as a piezoelectric element (piezo element) and a
上記超音波発生用素子9は、上記流路4の対向する一対の流路壁8a,8bのうちの一方の流路壁8aの外面に取り付けられている。
The ultrasonic wave generating element 9 is attached to the outer surface of one
なお、上記超音波発生用素子9は、逆圧電現象を生じて、上記流路4内に後述する所望の波長の超音波を発振することができるものであれば、セラミック系、水晶系、樹脂系、樹脂とセラミックのコンポジット系等、圧電素子として既知のいかなる種類の素子を用いるようにしてもよい。
The ultrasonic wave generating element 9 may be a ceramic type, a crystal type, a resin, or the like as long as it generates an inverse piezoelectric phenomenon and can oscillate an ultrasonic wave having a desired wavelength to be described later in the
上記制御装置10は、上記超音波発生用素子9に電圧をかけて逆圧電現象に基づく超音波振動を生じさせると共に、該超音波振動の周波数を制御するようにしてあり、これにより、上記超音波発生用素子9より上記流路4内の原液2中に、上記一方と他方の流路壁8aと8bの間の距離(以下、管径と云う)dを、自然数、好ましくは2以上の自然数で割った寸法が、半波長(波長λsの1/2)に一致する超音波を放射させることができるようにしてある。
The
以上の構成としてある静止定在音波発生手段5では、上記制御装置10により発振させる超音波発生用素子9より、上記所定波長の超音波を、上記一方の流路壁8aを通して流路4を流れる原液2中に放射させると、該超音波は、上記他方の流路壁8bが反射壁として機能することで、同振幅、同波長で反射されるようになる。
In the stationary standing sound wave generating means 5 configured as described above, the ultrasonic wave of the predetermined wavelength is caused to flow through the
これにより、上記流路4における該静止定在音波発生手段5の設置個所では、上記超音波発生用素子9より放射された超音波(入射波)と、その反射波の合成により、図1に概要を示すように、上記流路4内の原液2中に、節12の位置が静止する静止定在音波11が生じるようにしてある。この際、該静止定在音波11では、上記流路4内に形成される上記節12の数nsは、上記管径dの2倍を、上記超音波の波長λsで割った値(ns=2d/λs)となる。
As a result, at the place where the stationary standing sound wave generating means 5 is installed in the
ただし、上記静止定在音波11の上記流路4内に形成させる節12の数nsは、1よりも大(ns>1)となるように設定することが望ましい。これは、上記静止定在音波11の節12の数が1つ(ns=1)の場合は、流路4内を流れる原液2中に含まれる粒子3を、該静止定在音波11の1つの節12に補足できれば、粒子3を1個所に凝集させることは可能になるが、前述したように、流路4内で上記1つの節12まで粒子3を移動させるための移動距離が長くなる場合は、粒子3の捕捉漏れが生じる虞があるためである。一方、上記静止定在音波11の流路4内に形成させる節12の数nsを1よりも大とすれば、複数の節12が流路4内に分散されて配置されるため、粒子3をより捕捉し易くなり、多量の原液2を対象とする連続的な固液分離処理を効率よく実施する場合に有利になる。
However, it is desirable that the number n s of nodes 12 formed in the
図1では、一例として、上記超音波発生用素子9より放射させる超音波の波長λsが、上記管径dに一致する設定として、上記流路4における静止定在音波発生手段5の設置個所に、節12の数nsが2の静止定在音波11を発生させるようにした状態が示してある。
In FIG. 1, as an example, the setting location of the stationary standing sound wave generating means 5 in the
したがって、上記静止定在音波発生手段5では、図1に示すように、流路4の上流側から連続的に供給される上記原液2が、上記静止定在音波11の発生個所に達すると、該原液2中に含まれる粒子3に対し音響放射力を作用させて、該粒子3を、該静止定在音波11の各節12に捕捉して密集させることができるようにしてある。
Therefore, in the stationary standing sound wave generating means 5, as shown in FIG. 1, when the
更に、上記静止定在音波11では、各節12の位置で、上記のようにして該各節12に捕捉された粒子3同士が密集させられるため、粒子3同士の凝集を促進させて、該粒子3同士の凝集により粒径が増加した粒子群3aが形成されるようにしてある。
Further, in the stationary
上記のようにして原液2中の粒子3を上記静止定在音波11の節12に捕捉させる場合、該粒子3をその分散媒となっている液体より分離させるために必要な流路4の長さは、以下のように表される音響放射力Facと、流速に応じて適宜定めるようにすればよい。
上記において、φ>0のときは、粒子3は上記静止定在音波11の節12へ移動し、φ<0のときは、粒子3は腹へ移動するようになる。ここで、φ>0となる場合は、たとえば、固液密度差がない場合には、γw>γcとなる。γは、圧縮率[m2/N](正確には、弾性コンプライアンス定数(=弾性率の逆数))である。一般的に、上記圧縮率は、固体よりも液体のほうが大きいので、φ>0となる。そのため、以降の説明及び図では、φ>0の場合を考えるものとする。
In the above description, when φ> 0, the
上記静止定在音波11は、上記所定の設定条件の範囲内で上記波長λsを長波長側に設定して、上記流路4内に形成させる節12の数nsが少なくなるようにすると、1つの節12に、より多くの粒子3が捕捉されるようになるため、該粒子3の凝集率を高めることができる。
The stationary
ただし、上記のように静止定在音波11の節12の数nsを少なく設定する場合には、上記流路4を流れる原液2が、該流路4における上記静止定在音波11を発生させた領域(以下、音波領域と云う)を通過するのに要する時間を長く設定する必要がある。すなわち、節12の数nsが少ないということは、節12間の距離が長くなることである。又、波長が長いということは、音響放射力が小さくなることに繋がる。したがって、この場合は、粒子3の節12への移動速度は小さくなるのに、節12までの移動距離が長くなるため、原液2中の粒子3が節12まで移動するのに要する時間が長くなる。そのため、原液2中の粒子3が、上記静止定在音波11による音響放射力が働く領域(すなわち、上記音波領域)を通過する時間が短いと、粒子3は節12へ移動する前に該静止定在音波11の音響放射力が働く範囲の外へ流れてしまい、節12へ凝集させることができなくなる。そこで、上記静止定在音波11の節12の数nsを少なく設定する場合は、上記粒子3が上記音波領域を通過する時間が、上記節12の数nsを多く設定する場合に比して長くなるようにする必要がある。この場合の具体的な構成としては、上記静止定在音波11の音波領域を、流路4の上下流方向に長く設定するか、あるいは、原液2の流速を遅くするようにして、粒子3が節12へ移動するための時間を確保させるようにすればよい。なお、上記2つの構成のうちでは、多量の原液2を対象とする連続的な固液分離処理を効率よく実施するという観点から考えると、上記静止定在音波11の音波領域を、流路4の上下流方向に長く設定する構成の方がより望ましい。
However, when the number n s of
一方、上記静止定在音波11では、上記超音波の周波数fsを高周波数側に設定すると、該周波数fsに波数kが比例することで、音響放射力が大きくなるため、原液2中の粒子3を、節12へ速く凝集させることができる。又、上記超音波の周波数fsが高周波数側に設定されると、流路4内には、上記静止定在音波11の節12が数多く形成されるようになる。このことによっても、原液2中の粒子3を、短い移動距離で該静止定在音波11の節12に速やかに凝集させることができるようになる。
On the other hand, in the stationary
上記移動定在音波発生手段6A,6Bは、上記流路4における上記静止定在音波発生手段5の設置個所の下流側位置に、単数又は上下流方向に複数配列させて設ける。図1では、2つの移動定在音波発生手段6A,6Bを上下流方向に配列させて設けた例が示してある。
The moving standing sound wave generating means 6A and 6B are provided in the
上記各移動定在音波発生手段6Aと6Bは、それぞれ圧電素子(ピエゾ素子)のような超音波発生用素子13A,13Bと、該超音波発生用素子13A,13Bに接続した制御装置14A,14Bを備えた構成としてある。
The moving standing sound wave generating means 6A and 6B are respectively composed of ultrasonic
上記各超音波発生用素子13Aと13Bは、上記静止定在音波発生手段5の超音波発生用素子9と同様に、上記流路4の一方の流路壁8aの外面に取り付けられている。
Each of the ultrasonic
上記各超音波発生用素子13Aと13Bは、逆圧電現象を生じて、上記流路4内に後述する所望の周波数の超音波を発振することができるものであれば、セラミック系、水晶系、樹脂系、樹脂とセラミックのコンポジット系等、圧電素子として既知のいかなる種類の素子を用いるようにしてもよい。
As long as each of the
上記各制御装置14A,14Bは、それぞれ対応する超音波発生用素子13A,13Bに電圧をかけて逆圧電現象に基づく超音波振動を生じさせると共に、それぞれの超音波振動の周波数を個別に制御するようにしてあり、これにより、上記各超音波発生用素子13A,13Bより上記流路4内の原液2中に、後述するように周波数を周期的に変化させる超音波を放射させることができるようにしてある。これにより、上記流路4における該各移動定在音波発生手段6Aと6Bの設置個所では、上記超音波発生用素子13Aと13Bより放射された超音波(入射波)と、他方の流路壁8bが反射壁となることで生じる反射波との合成により、節16の位置を、たとえば、図1に白抜き矢印で示すように、上記一方の流路壁8a側から他方の流路壁8b側へ周期的に移動させる形式の移動定在音波15を、個別に生成(発生)させることができるようにしてある。
Each of the
ここで、上記各移動定在音波発生手段6Aと6Bでそれぞれ発生させる上記移動定在音波15について具体的に説明する。
Here, the moving standing
上記移動定在音波15は、上記したように、節16の位置を、一方の流路壁8a側から他方の流路壁8b側へ周期的に移動させるために、図2に概要を示すように、ステップ1における初期周波数f1から、時間刻みΔtのステップ毎に周波数刻み幅Δfずつ周波数を増加させて、1サイクルの最後のステップiMaxで最高周波数となる最終周波数fiMaxまで変化させる周波数変化サイクルを繰り返すようにしてある。
As described above, the moving standing
以下、詳述する。
上記移動定在音波15において、他方の流路壁8bの位置を原点として、m番目の節16の原点からの距離L(m)は、
L(m)=(2m−1)・(λ/4) (ただし、m≧1) ・・・(1)
で表される。又、上記原点からm番目(他方の流路壁8bの位置の腹も含む)の腹までの距離l(m)は、
l(m)=(m−1)・(λ/2) (ただし、m≧1) ・・・(2)
で表される。
Details will be described below.
In the moving standing
L (m) = (2m−1) · (λ / 4) (where m ≧ 1) (1)
It is represented by Further, the distance l (m) from the origin to the m-th antinode (including the antinode of the
l (m) = (m−1) · (λ / 2) (where m ≧ 1) (2)
It is represented by
ここで、ステップ数をiで示して(i=1,2,・・・,iMax)、或るステップで形成されている上記移動定在音波15の節16に捕捉されている粒子群3aを、上記周波数刻み幅Δfで周波数を増加させる次のステップで形成される移動定在音波15の節16に対して、分散させることなく他方の流路壁8b寄りに移動させるための条件は、以下の3つの条件となる。なお、以降の説明において、節16及び腹の番号mは上記原点から数えた順番を示すものとする。又、節16及び腹の番号m、節16の数n、周波数fに付した添え字は、各々が添え字で示されたステップ数のときの移動定在音波15に関するものであることを示す。更に、添え字で(i−1)が使用されている式は、すべて、i≧2の条件が付されているものとする。
Here, the number of steps is indicated by i (i = 1, 2,..., IMax), and the
ステップiにおける移動定在音波15のmi番目の節16は、1つ前のステップ(i−1)における移動定在音波15のmi-1番目の節16に最も近い節16とする。
The mi-
第1の条件は、上記移動定在音波15において、周波数変化後のステップiのときにmi番目の節16の原点から距離が、周波数変化前のステップ(i−1)のときのmi-1番目の節16の原点からの距離よりも小となることである(ただし、i≧2)。この第1の条件は、以下の式で表される。
L(mi)<L(mi-1) ・・・(3)
The first condition in the moving standing
L (m i ) <L (m i-1 ) (3)
第2の条件は、上記移動定在音波15において、上記ステップiでの(mi+1)番目の腹の原点からの距離が、上記ステップ(i−1)のときのmi-1番目の節16の原点からの距離よりも大となることである(ただし、i≧2)。この第2の条件は、以下の式で表される。
l((mi+1))>L(mi-1) ・・・(4)
The second condition is that in the moving standing
l ((m i +1))> L (m i-1 ) (4)
第3の条件は、上記移動定在音波15の節16の数ni-1(ただし、i≧2)が、2以上に設定されていることである。これは、該移動定在音波15において、後述するように、複数の節16で捕捉される粒子群3aを、より少ない数の節16に移動させることで該粒子群3aの濃縮(凝集)を図るためには、該移動定在音波15が複数の節16を有していることが必要なためである。なお、上記移動定在音波15の節16に付される番号miは、その時点での節16の数ni以内であるから、この第3の条件は、以下の式となる。
2≦mi-1≦ni-1 ・・・(5)
The third condition is that the number n i−1 (where i ≧ 2) of the
2 ≦ m i-1 ≦ n i-1 (5)
上記式(3)と式(4)より、
したがって、上記式(5)の条件の下で、上記式(7)を満たすmiが存在するように、上記Δfiを設定すればよい。 Therefore, the Δf i may be set so that m i satisfying the above equation (7) exists under the condition of the above equation (5).
ここで、上記各移動定在音波発生手段6Aと6Bにおける移動定在音波15の周波数変化の制御を簡単にするために、周波数fを徐々に大きくする制御を行う場合について考える。
Here, in order to simplify the control of the frequency change of the moving standing
この場合、mi-1≦miであるから、
mi−mi-1=N=0,1,2,…
と置くと、上記式(7)は、以下のようになる。
m i −m i−1 = N = 0, 1, 2,...
Then, the above formula (7) becomes as follows.
ところで、上記周波数刻み幅Δfiは、できるだけ小さい方が、周波数変化後のステップiでの周波数fiが大きくなり難くて好ましい。これは、移動定在音波15の周波数fが大きくなると、該移動定在音波15の発生に要するエネルギーが大となるため、消費エネルギーを削減するためには、周波数fを小さく抑えることが有効であることによる。そのために、上記Nは、N=0に設定することが最適である。
By the way, it is preferable that the frequency step width Δf i is as small as possible because the frequency f i at step i after the frequency change is difficult to increase. This is because, as the frequency f of the moving standing
よって、上記式(8)にN=0を代入すると、
上記式(5)に示したように、mi-1≦ni-1であるから、
更に、上記移動定在音波15は、上記したように、ステップ1からステップiMaxまで、ステップ毎に周波数fを増加させるようにしてあるため、ステップiのときの移動定在音波15の周波数fiは、初期周波数f1以上である。又、該移動定在音波15の節16の数niは、ステップiMaxのときの節16の数niMaxが最大値となる。これにより、
f1≦fi-1
niMax≧ni-1 (∵(1/niMax)≦(1/ni-1))
であるため、
f 1 ≦ f i-1
n iMax ≧ n i-1 (∵ (1 / n iMax ) ≦ (1 / n i-1 ))
Because
上記式(12)により、上記Δfiは、ステップ1での周波数f1と、ステップiMaxのときの節16の数niMaxにより決定することができるようになる。
From the above equation (12), Δf i can be determined by the frequency f 1 in step 1 and the number n iMax of
上記ステップiMaxの条件は、たとえば、以下のように設定すればよい。 The conditions for step iMax may be set as follows, for example.
すなわち、ステップ1(初期周波数f1)での上記移動定在音波15における他方の流路壁8bより最も離れた位置の節16、すなわち、ステップ1での移動定在音波15の節16の数n1と等しい順番m1(=n1)の節16に捕捉されている粒子群3aが、ステップiMaxのときに移動してくる節16の番号をmiMaxとする。
That is, the number of
上記ステップiMaxでは、上記miMax番目の節16の原点からの距離が、上記ステップ1のときの原点からn1番目(m1=n1)の腹までの距離よりも小さくなるように、周波数fiMaxを設定する。この条件は上記式(1)、式(2)により、以下のようになる。
L(miMax)<l(m1=n1) ・・・(13)
In the step iMax, the frequency is set such that the distance from the origin of the m imax
L (m iMax ) <l (m 1 = n 1 ) (13)
上記式(13)を、音速c=波長λ×周波数fの関係を用いて変形すると、
更に、上記式(14)は、miMax=n1、すなわち、N=0の場合は、
これにより、上記移動定在音波15は、周波数を、前述したように初期周波数f1から、上記のように設定した所定の周波数刻み幅Δfiずつ変化(増加)させて上記所定の最終周波数fiMaxに達するまで変化させた後に、該最終周波数fiMaxから、上記初期周波数f1まで復帰させる操作をして、1回の周波数変化サイクルを完了すると、該1回の周波数変化サイクルの間に、移動定在音波15の他方の流路壁8bからm番目(m≧2)の節16に捕捉された粒子群3aを、上記初期周波数f1に復帰された移動定在音波15における上記m番目よりも他方の流路壁8b寄りに位置する別の番号の節16に捕捉させることができるようにしてある。
As a result, the moving standing
したがって、上記移動定在音波15では、上記周波数変化サイクルを繰り返すことにより、該移動定在音波15の各節16で捕捉される上記粒子群3aを、次第に上記他方の流路壁8b寄りの節16に濃縮させることができるようになる。
Therefore, in the moving standing
図3(a)(b)(c)(d)(e)は、上記移動定在音波15の周波数変化サイクルの概略を示すものである。
FIGS. 3A, 3B, 3C, 3D, and 3E show an outline of the frequency change cycle of the moving standing
図3(a)は、図2におけるt=0の時点で、移動定在音波15の初期周波数f1を、図1に示した静止定在音波11の周波数fsと同じ周波数に設定したステップ1の状態を示してある。よって、該移動定在音波15では、流路4内に、図1に示した静止定在音波11の節12の数nsと同様の2つ(n1=2)の節16が形成された状態となる。
FIG. 3A shows a step in which the initial frequency f 1 of the moving standing
上記移動定在音波15の周波数変化サイクルの周波数刻み幅Δfiは、前述した設定条件式(10)を基に設定してあるものとする。
It is assumed that the frequency step Δf i of the frequency change cycle of the moving standing
図3(b)は、図2に示すように上記ステップ1の開始から時間刻みΔtが経過した時点で、ステップ2として、移動定在音波15の周波数f2を、f1+Δf2に変化させた状態を示すものである。この際、図3(b)に示すように、ステップ2の移動定在音波15では、上記周波数の変化に伴って、一方の流路壁8aに対応する位置に3番目の節16が新たに形成されるようになるが、上記ステップ1のときに他方の流路壁8bより2番目に形成されていた節16の位置からは、該ステップ2で他方の流路壁8bより2番目の節16の方がより近い。このため、上記移動定在音波15では、上記ステップ2のように周波数を変化させると、ステップ1で節16に捕捉されている粒子群3aを、より他方の流路壁8b寄りに位置する節16まで移動させることができる。
FIG. 3B shows a
図3(c)は、図2に示すように上記ステップ2の開始から時間刻みΔtが経過した時点で、ステップ3として、移動定在音波15の周波数f3を、f2+Δf3に変化させた状態を示すものである。このステップ3によっても、上記移動定在音波15では、上記ステップ1からステップ2への周波数変化の場合と同様に、上記ステップ2で節16に捕捉されている粒子群3aを、より他方の流路壁8b寄りに位置する節16まで移動させることができる。
FIG. 3 (c) shows a
なお、上記図3(c)に示した状態のステップ3の移動定在音波15では、f3=(3/2)f1であるため、前述した最終周波数fiMaxの設定条件式には適合しない。
In the moving standing
よって、上記移動定在音波15は、更に、図3(d)に示すように、図2に示すように上記ステップ3の開始から時間刻みΔtが経過した時点で、ステップ4として、移動定在音波15の周波数f4を、f3+Δf4に変化させるようにする。
Therefore, as shown in FIG. 3D, the moving
このステップ4によっても、上記移動定在音波15では、上記ステップ2からステップ3への周波数変化の場合と同様に、上記ステップ3で節16に捕捉されている粒子群3aを、より他方の流路壁8b寄りに位置する節16まで移動させることができるようになる。
Also in this
上記ステップ4の移動定在音波15の周波数f4は、上記f3よりも大であるため、前述した最終周波数fiMaxの設定条件式に適合する。
Since the
よって、上記移動定在音波15は、上記ステップ4での周波数f4を最終周波数fiMaxとして、図2に示すように上記ステップ4の開始から時間刻みΔtが経過した時点で、図3(e)に示すように、該移動定在音波15の周波数を、上記初期周波数f1に復帰させるようにする。この際、上記移動定在音波15では、初期周波数f1への復帰に伴って、図3(a)で示したステップ1と同じ位置に2つの節16が再び形成されるようになるが、上記ステップ4で形成されていた他方の流路壁8bから2番目の節16の位置は、該ステップ1で他方の流路壁8bより1番目の節16の方が、該ステップ1における流路壁8bより2番目の節16よりも近い。このため、上記移動定在音波15では、上記ステップ1からステップ4の周波数変化を行わせた後、周波数を、ステップ1の初期周波数f1まで急に変化させると、上記ステップ1からステップ4までの間に他方の流路壁8bより2番目の節16に捕捉される粒子群3aを、より他方の流路壁8b寄りに位置する1番目の節16まで移動させることができるようになる。
Therefore, the moving standing
したがって、上記移動定在音波15では、その後、図2に示すように、上記図3(a)(b)(c)(d)に示したステップ1からステップ4までの周波数変化サイクルを繰り返して実施することにより、上記静止定在音波11で捕捉された粒子3の凝集した粒子群3aが該移動定在音波15の節16に捕捉されると、該捕捉した粒子群3aを、上記他方の流路壁8bより1番目の節16に、次第に濃縮させることができるようになる。
Therefore, in the moving standing
上記移動定在音波15の周波数変化サイクルにて、周波数を周波数刻み幅Δfずつ変化させるための時間刻みΔtは、該時間刻みΔtが大きいほど、上記粒子群3aを他方の流路壁8b寄りに移動させて濃縮するために要する時間が長くなり、固液分離処理の処理速度が低下する。そのため、上記時間刻みΔtは、上記原液2の粒子3(粒子群3a)の固液分離に要求される処理速度に応じて適宜設定するようにすればよい。
In the frequency change cycle of the moving standing
ところで、上記時間刻みΔtは、上記のように固液分離に要求される処理速度に応じて設定させるようにするが、この際、上記粒子群3a(粒子3)の移動速度が遅くて、上記時間刻みΔt毎に移動定在音波15の周波数変化に伴って変位する節16の位置に、該粒子3(粒子群3a)が凝集する前に節16の位置が変わってしまうと、該粒子3(粒子群3a)の凝集が難しくなる。
By the way, the time step Δt is set according to the processing speed required for the solid-liquid separation as described above. At this time, the moving speed of the
このような問題が生じる虞を回避するための方法の1つとしては、たとえば、上記移動定在音波15の周波数を大きくするようにする。この場合は、移動定在音波15の周波数が大きくなることに伴って、音響放射力が大きくなるため、上記粒子3(粒子群3a)が節16へ移動し易くなる。
As one method for avoiding the possibility of such a problem, for example, the frequency of the moving standing
又、上記問題が生じる虞を回避するための別の方法としては、上記移動定在音波15の周波数を変化させるときの周波数刻み幅Δfを、前述の設定条件内で小さく設定するようにしてもよい。この場合は、上記移動定在音波15の1ステップ毎の周波数変化に伴う節16の変位量が小さくなるため、ステップ毎に粒子3(粒子群3a)が節16へ移動する移動時間を短縮させることができる。
As another method for avoiding the possibility of the above problem, the frequency step width Δf when changing the frequency of the moving standing
更に、上記濃縮粒子取出口7は、流路4における移動定在音波発生手段6Bの下流側位置に、上記移動定在音波15の他方の流路壁8bより1番目の節16に対応する位置を流れる液体を分取できるように設けてある。これにより、上記濃縮粒子取出口7では、上記移動定在音波発生手段6A,6Bで発生させる移動定在音波15によって上述したように他方の流路壁8b寄りの節16の位置に濃縮された粒子3(粒子群3a)を、一部の液体と一緒に取り出すことができるようにしてある。
Further, the
一方、上記濃縮粒子取出口7を通して回収されない残りの液体は、相対的に上記粒子3の清澄化が図られた清澄液17として、上記流路4の下流部へ導いて回収できるようにしてある。
On the other hand, the remaining liquid that is not collected through the
上記において、移動定在音波発生手段6Aと6Bで発生させる移動定在音波15は、上流側の静止定在音波11の節12で捕捉された粒子3が凝集された粒子群3aを、該移動定在音波15の複数の節16に分散させることなく、1つの節16で捕捉できるようにするという観点から考えると、すべてのステップで発生させる移動定在音波15について、該移動定在音波15の各腹の他方の流路壁8bからの距離が、上記静止定在音波11の各節12の他方の流路壁8bからの距離と一致しないように設定することが望ましい。
In the above, the moving standing
この条件を式で表すと、
以上の構成としてある本発明の固液分離装置1を用いて、原液2中より粒子3の固液分離処理を行う場合は、予め、上記流路4内に液体、たとえば、原液2、あるいは、該原液2中で粒子3の分散媒となっている液体を満たした状態とする。次いで、上記静止定在音波発生手段5、及び、移動定在音波発生手段6A,6Bをそれぞれ作動させて、上記流路4では、それぞれの定在音波発生手段5,6A,6Bの設置個所にて、静止定在音波11と、2つの移動定在音波15を上流側より順に配列させた状態で発生させる。
When the solid-liquid separation process of the
その後、上流側より固液分離処理の対象となる原液2を連続供給する。
Thereafter, the
上記原液2は、上記静止定在音波11の発生個所に達すると、該原液中に含まれている粒子3が、該静止定在音波11の音響放射力の影響を受けて、該静止定在音波11の各節12の位置まで移動させられると共に、該各節12に捕捉される。更に、該各節12の位置では、捕捉された粒子3が密集することで、該各粒子3同士の凝集が促進されて、粒径が増加した粒子群3aが形成される。
When the
上記粒子群3aは、その後、上記流路4内における原液2の流れにより下流側へ移動させられる。このようにして移動する粒子群3aは、上記移動定在音波15の発生個所に達すると、該移動定在音波15の節16に捕捉される。該移動定在音波15の節16に捕捉された粒子群3aは、該移動定在音波15の周波数変化サイクルが繰り返されることに伴って、他方の流路壁8b寄りの節16に次第に密集させられて濃縮されるようになる。
Thereafter, the
この際、上記粒子群3aは、粒子3の凝集によって形成されたもので、単独の粒子3に比して粒径が増大しているため、該移動定在音波15では、上記粒子群3aに対して、音響放射力の影響を、単独の粒子3に対するものよりも強く与えることができるようになる。よって、上記粒子群3aを、上記移動定在音波15によって効率よく濃縮することができる。
At this time, the
更に、上記移動定在音波発生手段6A,6Bは、流路4の上下流方向に2段に設けてあるため、上記粒子群3aの他方の流路壁8b側への濃縮をより確実に行うことができるようになる。
Furthermore, since the moving standing sound wave generating means 6A and 6B are provided in two stages in the upstream and downstream direction of the
その後、上記のようにして濃縮された粒子群3aは、上記流路4内における液体流れにより下流側へ移動させられると、濃縮粒子取出口7に達するようになるため、該濃縮粒子取出口7より上記濃縮された粒子群3aを、一部の液体と共に分取して回収し、上記流路4の下流部へ導かれる清澄液17と分離させるようにする。
After that, when the
このように、本発明の固液分離方法及び装置によれば、静止定在音波11及び各移動定在音波15の音響放射力を流路を流れる原液2中の粒子3(粒子群3a)に作用させて、該粒子3(粒子群3a)を濃縮して、清澄液17と分離させる連続的な固液分離処理を効率よく実施することができる。
Thus, according to the solid-liquid separation method and apparatus of the present invention, the acoustic radiation force of the stationary
更に、上記固液分離処理の際には、固液密度差は必要ないため、粒子3の分散媒となる液体との密度差がないか又は密度差が微小な粒子3についても、固液分離を効率よく実施することができる。
Further, since the solid-liquid density difference is not required in the solid-liquid separation process, the solid-liquid separation is also performed for the
しかも、上記粒子3は、上記静止定在音波11を用いることで凝集させて粒径の増大した粒子群3aとさせた後に、他方の流路壁8b寄りに濃縮させるための移動定在音波15の音響放射力を作用させるようにしてあるため、該粒子群3aの濃縮を効率よく実施することができて、固液分離の効率を更に高めることができる。
In addition, the
したがって、本発明の固液分離方法及び装置は、逆浸透膜法や正浸透膜法による海水やシェールガス随伴水の脱塩処理の前処理として、水中に含まれている砂、粘土、コロイド等の固体粒子、更には、藻類やその他の微生物、その死骸や代謝物等の固体粒子を分離して除去する処理、あるいは、藻類、細胞や微生物を水中(培養液中)より分離する処理に適した固液分離処理を実施することができる。 Therefore, the solid-liquid separation method and apparatus according to the present invention include sand, clay, colloid, etc. contained in water as a pretreatment for desalination of seawater or shale gas-associated water by a reverse osmosis membrane method or a forward osmosis membrane method. Suitable for processing to separate and remove solid particles such as algae and other microorganisms, dead bodies and metabolites thereof, or to separate algae, cells and microorganisms from water (in the culture medium) Solid-liquid separation treatment can be performed.
更には、本発明の固液分離方法及び装置では、流路4に、静止定在音波11の発生個所と、移動定在音波15の発生個所を多段に設けるようにしてあるため、たとえ上記静止定在音波11の節12で捕捉し切れない粒子3があるとしても、該粒子3を、移動定在音波15の節16に捕捉して、分離を図ることができて、固液分離の効率を高めることができる。よって、本発明の固液分離方法及び装置は、流路4における原液2の流速を高めて、単位時間当たりの固液分離処理量の拡大に有利なものとすることができる。したがって、本発明の固液分離方法及び装置は、原液2の固液分離の連続処理に有効なものとすることができる。
Furthermore, in the solid-liquid separation method and apparatus of the present invention, the
次に、図4乃至図6(a)(b)(c)(d)(e)は、本発明の実施の他の形態として、固液分離装置の別の例を示すものである。 Next, FIG. 4 thru | or FIG. 6 (a) (b) (c) (d) (e) shows another example of a solid-liquid separator as another form of implementation of this invention.
すなわち、本実施の形態の固液分離装置は、図4に符号1Aで示すもので、概説すると、図1に示した固液分離装置1と同様の構成において、移動定在音波発生手段6A,6Bを、節16の位置を一方の流路壁8a側から他方の流路壁8b側へ周期的に移動させる形式の移動定在音波15を生成させるものとした構成に代えて、図4に白抜き矢印で示すように、節16の位置を他方の流路壁8b側から一方の流路壁8a側へ周期的に移動させる形式の移動定在音波を個別に生成(発生)させることができるようにしてある移動定在音波発生手段6C,6Dを備える構成とする。
That is, the solid-liquid separation device of the present embodiment is indicated by
更に、流路4における最も下流寄りの移動定在音波発生手段6Dの下流側位置には、濃縮粒子取出口7aが、上記移動定在音波15の最も一方の流路壁8a寄りの節16(一方の流路壁8aより1番目の節16)に対応する位置を流れる液体を分取できるように設けてある。これにより、該濃縮粒子取出口7aでは、上記移動定在音波発生手段6C,6Dで発生させる移動定在音波15の節16の上記した周期的な移動に伴って上記一方の流路壁8a寄りの節16の位置に濃縮される粒子3(粒子群3a)を、一部の液体と一緒に取り出すことができるようにしてある。
Further, at the downstream side position of the moving standing sound wave generating means 6D closest to the downstream side in the
一方、上記濃縮粒子取出口7aを通して回収されない残りの液体は、相対的に上記粒子3の清澄化が図られた清澄液17として、上記流路4の下流部へ導いて回収できるようにした構成としてある。
On the other hand, the remaining liquid that is not collected through the concentrated particle outlet 7a is guided to the downstream portion of the
ここで、上記各移動定在音波発生手段6Cと6Dでそれぞれ発生させる上記移動定在音波15について具体的に説明する。
Here, the moving standing
本実施の形態では、上記移動定在音波15は、上述したように、節16の位置を、他方の流路壁8b側から一方の流路壁8a側へ周期的に移動させるために、図5に概要を示すように、ステップ1における初期周波数f1から、時間刻みΔtのステップ毎に周波数刻み幅Δfずつ周波数を減少させて、1サイクルの最後のステップiMaxで最低周波数となる最終周波数fiMaxまで変化させる周波数変化サイクルを繰り返すようにしてある。
In the present embodiment, as described above, the moving standing
ここで、ステップ数をiで示して(i=1,2,・・・,iMax)、或るステップで形成されている上記移動定在音波15の節16に捕捉されている粒子群3aを、上記周波数刻み幅Δfで周波数を減少させる次のステップで形成される移動定在音波15の節16に対して、分散させることなく一方の流路壁8a寄りに移動させるための条件は、以下の3つの条件となる。なお、ステップiにおける移動定在音波15のmi番目の節16は、1つ前のステップ(i−1)における移動定在音波15のmi-1番目の節16に最も近い節16とする。
Here, the number of steps is indicated by i (i = 1, 2,..., IMax), and the
第1の条件は、上記移動定在音波15において、周波数変化後のステップiのときにmi番目の節16の原点からの距離が、周波数変化前のステップ(i−1)のときのmi-1番目の節16の原点からの距離よりも大となることである(ただし、i≧2)。この第1の条件は、以下の式で表される。
L(mi)>L(mi-1) ・・・(16)
The first condition in the moving standing
L (m i )> L (m i-1 ) (16)
第2の条件は、上記移動定在音波15において、上記ステップiでのmi番目の腹の原点からの距離が、上記ステップ(i−1)のときのmi-1番目の節16の原点からの距離よりも小となることである(ただし、i≧2)。この第2の条件は、以下の式で表される。
l(mi)<L(mi-1) ・・・(17)
The second condition, in the above
l (m i ) <L (m i-1 ) (17)
第3の条件は、上記移動定在音波15の節16の数ni-1(ただし、i≧2)が、2以上に設定されていることである。これは、該移動定在音波15において、後述するように、複数の節16で捕捉される粒子群3aを、より少ない数の節16に移動させることで該粒子群3aの濃縮(凝集)を図るためには、該移動定在音波15が複数の節16を有していることが必要なためである。なお、上記移動定在音波15の節16に付される番号miは、その時点での節16の数ni以内であるから、この第3の条件は、以下の式となる。
2≦mi-1≦ni-1 ・・・(18)
The third condition is that the number n i−1 (where i ≧ 2) of the
2 ≦ m i-1 ≦ n i-1 (18)
上記式(16)と式(17)は、前述の式(1)と式(2)より
したがって、上記式(18)の条件の下で、上記式(20)を満たすmiが存在するように、上記Δfiを設定すればよい。 Therefore, the Δf i may be set so that m i satisfying the above equation (20) exists under the condition of the above equation (18).
ここで、上記各移動定在音波発生手段6Cと6Dにおける移動定在音波15の周波数変化の制御を簡単にするために、周波数fを徐々に小さくする制御を行う場合について考える。
Here, in order to simplify the control of the frequency change of the moving standing
この場合、mi-1≧miであるから、
mi-1−mi=N=0,1,2,…
と置くと、上記式(20)は、以下のようになる。
m i−1 −m i = N = 0, 1, 2,...
Then, the above equation (20) becomes as follows.
N=0を上記式(21)に代入すると、
上記式(18)に示したように、mi-1≦ni-1であるから、
更に、上記移動定在音波15は、上記したように、ステップ1からステップiMaxまで、ステップ毎に周波数fを減少させるようにしてあるため、ステップiMaxのときの移動定在音波15の周波数fiMaxは、初期周波数fi-1(ただし、i≧2)以下である。又、該移動定在音波15では、ステップ数iが増えるほど、節16の数niは減少する傾向になる。これにより、
fiMax≦fi-1
ni-1≧ni
であるため、
f iMax ≦ f i-1
n i-1 ≧ n i
Because
上記式(25)により、上記Δfiは、ステップ1での節の数n1と、ステップiMaxのときの周波数fiMaxにより決定することができるようになる。 From the above equation (25), Δf i can be determined by the number n 1 of nodes in step 1 and the frequency f iMax at step iMax.
上記ステップiMaxの条件は、たとえば、以下のように設定すればよい。 The conditions for step iMax may be set as follows, for example.
すなわち、ステップ1(初期周波数f1)での上記移動定在音波15における他方の流路壁8bに最も近接した位置の節16、すなわち、ステップ1での移動定在音波15の節16のうち、順番m1(=1)の節16に捕捉されている粒子群3aが、ステップiMaxのときに移動してくる節16の番号をmiMaxとする。
That is, among the
上記ステップiMaxでは、上記miMax番目の節16の原点からの距離が、上記ステップ1のときの原点から2番目(m1=2)の腹までの距離よりも大きくなるように、周波数fiMaxを設定する。この条件は上記式(1)、式(2)により、以下のようになる。
L(miMax)>l(m1=2) ・・・(26)
In the step iMax, the frequency f iMax is set so that the distance from the origin of the m iMax
L (m iMax )> l (m 1 = 2) (26)
上記式(26)を、音速c=波長λ×周波数fの関係を用いて変形すると、
よって、この場合は、fiMaxを、ステップ1のときの移動定在音波15の初期周波数f1を基にして決定することができる。
Therefore, in this case, f iMax can be determined based on the initial frequency f 1 of the moving standing
これにより、上記移動定在音波15は、周波数を、前述したように初期周波数f1から、上記のように設定した所定の周波数刻み幅Δfiずつ変化(減少)させて上記所定の最終周波数fiMaxに達するまで変化させた後に、該最終周波数fiMaxから、上記初期周波数f1まで復帰させる操作をして、1回の周波数変化サイクルを完了すると、該1回の周波数変化サイクルの間に、移動定在音波15の他方の流路壁8bからm番目(m≧1)の節16に捕捉された粒子群3aを、上記初期周波数f1に復帰された移動定在音波15における元の番号の節16よりも一方の流路壁8a寄りに位置する別の番号の節16に捕捉させることができるようにしてある。
As a result, the moving standing
したがって、上記移動定在音波15では、上記周波数変化サイクルを繰り返すことにより、該移動定在音波15の各節16で捕捉される上記粒子群3aを、次第に上記一方の流路壁8a寄りの節16に濃縮させることができるようになる。
Therefore, in the moving standing
図6(a)(b)(c)(d)(e)は、上記移動定在音波15の周波数変化サイクルの概略を示すものである。
6A, 6 </ b> B, 6 </ b> C, 6 </ b> D, and 6 </ b> E show an outline of a frequency change cycle of the moving standing
図6(a)は、図5におけるt=0の時点で、移動定在音波15の初期周波数f1を、図1に示した静止定在音波11の周波数fsと同じ周波数に設定したステップ1の状態を示してある。よって、該移動定在音波15では、流路4内に、4つ(n1=4)の節16が形成された状態となる。
FIG. 6A shows a step in which the initial frequency f 1 of the moving standing
上記移動定在音波15の周波数変化サイクルの周波数刻み幅Δfiは、前述した設定条件式(25)を基に設定してあるものとする。
It is assumed that the frequency increment Δf i of the frequency change cycle of the moving standing
その後、図5に示すように上記ステップ1の開始から時間刻みΔtが経過するごとに、ステップ2、3、4で、移動定在音波15の周波数を、f2(=f1−Δf2)、f3(=f2−Δf3)、f4(=f3−Δf4)に順次変化(減少)させることにより、図6(b)(c)(d)に示すように、移動定在音波15の節の位置を変化させる。これにより、上記移動定在音波15では、上記ステップ2、3、4により、ステップ1で節16に捕捉されている粒子群3aを、より一方の流路壁8a寄りに位置する節16まで移動させることができる。
Thereafter, as shown in FIG. 5, every time the time step Δt elapses from the start of
上記ステップ4における移動定在音波15の周波数f4が、前述した最終周波数fiMaxの設定条件式に適合する場合は、図5に示すように、上記ステップ4の開始から時間刻みΔtが経過した時点で、図6(e)に示すように、該移動定在音波15の周波数を、上記初期周波数f1に復帰させるようにする。この際、上記移動定在音波15では、初期周波数f1への復帰に伴って、図6(a)で示したステップ1と同じ位置に4つの節16が再び形成されるようになるが、上記ステップ4で形成されていた他方の流路壁8bから1番目の節16の位置は、該ステップ1で他方の流路壁8bより2番目の節16の方が、該ステップ1における流路壁8bより1番目の節16よりも近い。このため、上記移動定在音波15では、上記ステップ1からステップ4の周波数変化を行わせた後、周波数を、ステップ1の初期周波数f1まで急に変化させると、上記ステップ1からステップ4までの間に他方の流路壁8bより1番目の節16に捕捉される粒子群3aを、他方の流路壁8bより2番目の節16まで移動させることができるようになる。又、上記移動定在音波15では、上記ステップ1からステップ4の周波数変化を行わせた後、周波数を、ステップ1の初期周波数f1まで急に変化させると、図6(a)(b)(c)(d)(e)に示したように、他方の流路壁8bからの順番が2番目よりも大きい節16に捕捉される粒子群3aを、ステップ1のときに最も一方の流路壁8aに寄った位置に形成される節16へ移動させることができる。
Frequency f 4 of the moving standing
したがって、上記移動定在音波15では、その後、図5に示すように、上記図6(a)(b)(c)(d)に示したステップ1からステップ4までの周波数変化サイクルを繰り返して実施することにより、上記静止定在音波11で捕捉された粒子3の凝集した粒子群3aが該移動定在音波15の節16に捕捉されると、該捕捉した粒子群3aを、上記一方の流路壁8a寄りの節16に、次第に濃縮させることができるようにしてある。
その他の構成は図1乃至図3(a)(b)(c)(d)(e)に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。
Therefore, in the moving standing
Other configurations are the same as those shown in FIGS. 1 to 3A, 3B, 3C, 3D, and 3E, and the same components are denoted by the same reference numerals.
以上の構成としてある本実施の形態の固液分離装置1Aは、図1乃至図3(a)(b)(c)(d)(e)の実施の形態の固液分離装置1と同様に使用することで、上記静止定在音波11の音響放射力により、該静止定在音波11の各節12で粒子を捕捉すると共に、該捕捉された粒子3が密集することで、該各粒子3同士の凝集が促進させて、粒径が増加した粒子群3aを形成させることができる。
The solid-
その後、上記粒子群3aは、上記流路4内における原液2の流れにより上記移動定在音波15の発生個所に達すると、該移動定在音波15の節16に捕捉される該粒子群3aを、該移動定在音波15の周波数変化サイクルが繰り返されることに伴って、一方の流路壁8a寄りの節16に次第に密集させて濃縮させることができる。よって、上記濃縮された粒子群3aは、濃縮粒子取出口7aより一部の液体と共に分取して回収することができて、上記流路4の下流部へ導かれる清澄液17と分離させることができる。
After that, when the
このように、本実施の形態によっても、図1乃至図3(a)(b)(c)(d)(e)の実施の形態と同様の効果を得ることができる。 As described above, the present embodiment can provide the same effects as those of the embodiments of FIGS. 1 to 3A, 3B, 3C, 3D, and 3E.
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、流路4は、静止定在音波発生手段5と移動定在音波発生手段6A,6B、又は、6C,6Dの超音波発生用素子9,13A,13Bを設置するための一方の流路壁8aと、超音波の反射壁となる他方の流路壁8bとを互いに対向する配置で備えていれば、断面形状は適宜変更してもよい。
The present invention is not limited only to the above-described embodiment, and the
流路4内で発生させる静止定在音波11の周波数fsは、該流路4の断面積や断面形状、該流路4に供給される原液2の流速等に応じて、該流路4内で形成させる節12の数が1又は3以上となるように適宜変更してもよい。
The frequency f s of the stationary
流路4内で発生させる移動定在音波15の初期周波数f1は、該流路4の断面積や断面形状、該流路4に供給される原液2の流速等に応じて、該流路4内で形成させる節16の数が図示した以外の複数となるように適宜変更してもよい。
The initial frequency f 1 of the moving standing
流路4に設置する静止定在音波発生手段5と、移動定在音波発生手段6Aと6B、又は、6Cと6Dの流路4上下流方向の間隔は、該流路4に供給される原液2の流速、要求される粒子群3a(粒子3)の固液分離効率や濃縮率等に応じて、適宜設定してよい。
The distance between the stationary standing sound wave generating means 5 and the moving standing sound wave generating means 6A and 6B or 6C and 6D installed in the
移動定在音波発生手段6Aと6B、又は、6Cと6Dは、流路4の断面積や断面形状、及び、1つの移動定在音波発生手段の有する粒子群3a(粒子3)を他方の流路壁8b寄りへ移動させる能力と、要求される粒子群3a(粒子3)の分離効率や濃縮率等に応じて、流路4の静止定在音波発生手段5の下流側位置に上下流方向に配列して設置する数を1又は3以上としてもよい。
The moving standing sound wave generating means 6A and 6B, or 6C and 6D are configured so that the cross-sectional area and the cross-sectional shape of the
移動定在音波発生手段6Aと6B、又は、6Cと6Dでは、移動定在音波15を、或る時間刻みΔtのステップ毎に周波数を周波数刻み幅Δfiずつ変化させる周波数変化サイクルで発生させるものとして示したが、図2及び図5に二点鎖線で示すように、移動定在音波15を、初期周波数f1から最終周波数fiMaxまで周波数を連続的に変化させる周波数変化サイクルで発生させるようにしてもよい。
In the moving standing sound wave generating means 6A and 6B or 6C and 6D, the moving standing
移動定在音波発生手段6Aと6B、又は、6Cと6Dで発生させる移動定在音波15は、上流側の静止定在音波11の節12で捕捉された粒子3が凝集された粒子群3aを、分散させることなく該移動定在音波15の節16で捕捉できるようにするという観点から考えると、該移動定在音波15の腹が、静止定在音波11の節12と揃う位置に形成されないように各ステップでの周波数f1〜f4(fiMax)を設定することが望ましいが、移動定在音波15の腹の位置が、静止定在音波11の節12と揃う位置に形成されていてもよい。この場合であっても、上記移動定在音波15では、上記静止定在音波11で粒子3を凝集させて粒径が大となった粒子群3aに音響放射力を作用させて節16に効率よく捕捉することができると共に、前述した所定の周波数変化サイクルを繰り返すことで、上記節16に捕捉された粒子群3a(粒子3)を、他方の流路壁8b寄りの節16、又は、一方の流路壁8a寄りの節16に濃縮させることができる。
The moving standing
各超音波発生用素子9,13A,13Bは、圧電素子に代えて、磁歪素子を用いるようにしてもよい。このように磁歪素子による超音波発生用素子9,13A,13Bを採用する場合は、対応する制御装置10及び14A,14Bは、それぞれ対応する超音波発生用素子9,13A,13Bに磁界(磁気)をかけて超音波振動を生じさせると共に、該超音波振動の周波数を個別に制御する機能を備えるものとすればよい。
Each of the ultrasonic
流路4は、原液2を自然流下方式と圧送方式のいずれで流通させる形式でもよい。又、流路4は、圧送方式で原液2を流通させる場合は、該流路4の向きや傾斜は自在に設定してよい。
The
流路4に設ける濃縮粒子取出口7,7aの開口形状や流路面積は、所望する原液2の処理量や粒子3の固液分離に所望する分離効率に応じて、図示した以外の開口形状や流路面積に適宜変更してよい。
The opening shape and the flow path area of the
原液2は、凝集剤を添加するようにして、静止定在音波11の節12での粒子3の凝集を促進させるようにしてもよい。
The
本発明の固液分離方法及び装置は、固液分離処理が必要とされる粒子3を含んだ液体であれば、任意の粒子3を含んだ原液2や、水以外の分散媒に粒子3が分散された原液2の固液分離処理に適用してもよい。
In the solid-liquid separation method and apparatus of the present invention, as long as the liquid contains
図1及び図4に示した本発明の固液分離装置1,1Aは、濃縮された粒子3(粒子群3a)が液体と共に回収される濃縮粒子取出口7,7a、又は、清澄液17が回収される流路4の下流部に、別の本発明の固液分離装置1,1Aをカスケード接続して、上記粒子3の固液分離効率や、回収率をより高めるようにしてもよい。
The solid-
その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。 Of course, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1,1A 固液分離装置
2 原液
3 粒子
3a 粒子群
4 流路
5 静止定在音波発生手段
6A,6B,6C,6D 移動定在音波発生手段
7,7a 濃縮粒子取出口
8a 流路壁
8b 流路壁
11 静止定在音波
12 節
15 移動定在音波
16 節
DESCRIPTION OF
Claims (3)
上記流路に、超音波発生用素子より該流路内に節の位置が静止した静止定在音波を発生させて、該静止定在音波の節に上記粒子を捕捉して凝集させることで粒子群を形成させる静止定在音波発生手段を設け、
上記流路における上記静止定在音波発生手段の設置個所の下流側位置に、別の超音波発生用素子より該流路内に対向する一側の流路壁側から他側の流路壁側へ節の位置を周期的に変位させる移動定在音波を発生させて、上記静止定在音波の節で捕捉され凝集された粒子群を、上記移動定在音波の節の変位で上記他側の流路壁側に濃縮させる移動定在音波発生手段を設け、
更に、上記流路における上記移動定在音波発生手段よりも下流側位置に、上記移動定在音波で上記他側の流路壁側に濃縮される粒子群を取り出すための濃縮粒子取出口を備えてなる構成を有すること
を特徴とする固液分離装置。 A flow path for circulating a stock solution in which particles are dispersed is provided.
Particles are generated by generating stationary standing sound waves in which the position of nodes in the flow path is stationary in the flow path from the ultrasonic wave generating element and capturing and aggregating the particles in the stationary standing sound wave nodes. still standing acoustic wave generating means for forming a group is provided,
At the downstream side of the installation location of the stationary standing sound wave generating means in the flow channel, the flow channel wall side from one flow channel wall side facing the inside of the flow channel from another ultrasonic wave generating element to the other flow channel wall side A moving standing sound wave that periodically displaces the position of the knot is generated, and the aggregated particles captured by the stationary standing sound wave node are moved to the other side by the displacement of the moving standing sound wave node. setting a moving standing wave generating means for concentrating the flow channel wall,
Furthermore, a concentrated particle outlet is provided at a position downstream of the moving standing sound wave generating means in the flow channel to take out a particle group concentrated on the other channel wall side by the moving standing sound wave. A solid-liquid separation device characterized by comprising:
請求項1記載の固液分離装置。 The moving standing sound wave generating means is configured such that the position of the antinode of the moving standing sound wave generated by the moving standing sound wave generating means is generated by the stationary standing sound wave generating means with reference to the flow path wall on the other side. The solid-liquid separation device according to claim 1, wherein the frequency of the moving standing sound wave is set so as not to coincide with a node of the stationary standing sound wave to be generated.
次に、上記静止定在音波の節で捕捉され凝集された粒子群に、節の位置を互いに対向する一側の流路壁側から他側の流路壁側へ周期的に変位させる移動定在音波を作用させて、該粒子群を、上記移動定在音波の節の変位に伴って上記流路の他側の流路壁側に濃縮させ、
次いで、上記移動定在音波で濃縮された粒子群を取り出すようにすること
を特徴とする固液分離方法。 When the stock solution in which the particles are dispersed is circulated through the flow path, a stationary standing sound wave with a node position stationary is applied to the stock solution in the flow path to cause the particles in the stock solution to remain stationary. Capture and agglomerate in the sonic nodes,
Next, a moving constant is obtained by periodically displacing the position of the nodes from the flow path wall side on one side facing each other to the flow path wall side on the other side in the particle group captured and aggregated by the nodes of the stationary standing sound wave. By acting a standing sound wave, the particle group is concentrated on the channel wall side on the other side of the channel with the displacement of the node of the moving standing sound wave,
Next, the solid-liquid separation method is characterized in that the particle group concentrated by the moving standing sound wave is taken out.
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