JP4803426B2 - 粒子分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、懸濁液中の粒子を粒径別あるいは比重別によって分離する粒子分離装置及び分離方法に関する。

比重の異なる2種以上の粒子に対し、水中運動の速度差を利用して比重別あるいは粒径別に分離する装置(ジグ、テーブル、サイクロン等およびその改良装置)が産業分野の各所で利用されている。

本出願人は、すでに、粒子の比重の大小による沈降速度差を利用し、高比重粒子と低比重粒子を比重分離する粒子の比重分離方法において、粒子の沈降方向に振動を与え、粒子の比重、振動の周波数、振幅に応じて低比重粒子の沈降遅延を高比重粒子よりも大きくして、同速度で沈降する異比重粒子の粒径比である等速沈降比を拡大する粒子の比重分離方法を提案している（特許文献１参照）。

又、微粒子を液体から固液分離する遠心分離装置では、モータで隔壁が回転するような構成は知られている（特許文献２参照）。
特開２００３−３４０３１４号公報 特開昭６３−６２５６２号公報

比重の異なる2種以上の粒子に対し、水中運動の速度差を利用して比重別あるいは粒径別に分離する装置において、沈降速度に代表される水中の粒子運動速度は、粒子の比重と粒径(投影断面積)の両方に依存するため、大比重-小粒径の粒子と、小比重-大粒径粒子では同じ速度で運動するものや、小比重の方が速い速度で運動するものなどが存在する。

したがって、これら粒子群を比重別に精度良く分離するには、大小比重粒子相互の混入を防止するため、大比重粒子より速度が速い大粒径の小比重粒子や、小比重粒子より速度が遅い小粒径の大比重粒子を事前に除いておかなければならない。

これら特定の粒径の粒子を事前に比重別に取り除くことはできないので、通常は、篩い分けなど、比重に無関係に粒径別分離できる方法で特定の粒度幅に調整される。事前の粒度調整は数mm〜数cm程度の粒子では容易であるが、50〜100μmより小さな微粒子を特定粒度幅に調整することは、工業的には極めて困難である。

従来の微粒子用分離装置では、遠心場を付与して粒子速度を増大させる仕組みが備わっているものが多い。しかし、遠心力は重力と同様に粒子の比重と粒径の両方に依存する力であり、分離に要する時間の短縮はできるが、事前調整すべき粒度幅を広げるなどの効果はほとんどない。

したがって、従来技術では、特に多分散系(粒度幅の広い)微粒子の高精度な比重別分離(あるいは粒径別分離)は不可能であった。このような多分散系微粒子に対し、水中運動の差を利用して高精度に比重別分離をするには、
（１）比重分離時の粒子運動を制御して、事前調整すべき粒度幅を拡大させることで、事実上、事前の粒度調整を不要にする。
（２）比重分離で要求される粒度幅に事前調整可能な、粒子比重とは無関係に微粒子を精度良く粒径別分離できる技術を確立する。
のいずれかが必要である。

本出願人が提案した前述の特許文献に記載発明では、水に特定の鉛直振動を付与することによって粒子運動を制御し、事前調整すべき粒度幅を拡大する方法(上記(1)に相当)である。しかし、この方法では拡大幅に限界があるため、粒度調整を完全に不要にすることは難しい。

本発明は、このような従来の問題を解決することを目的とするもので、上記(2)に相当する技術で、特定の条件下で遠心力を付与することにより、比重に関係なく微粒子を粒径別に分離可能とする技術の実現を図ることを課題とするものである。

上記課題を解決するために、基台と、該基台上で回転する円盤型容器と、懸濁液供給タンクを有し、円盤型容器の回転数が一定回転数になったのちに、該懸濁液供給タンクから供給される懸濁液に含まれる粒子を予め水で満たされた前記円盤型容器内で分別する粒子分離装置であって、前記円盤型容器は、その回転中心の周囲に周方向に配設された複数の遠心分離槽と、粒子供給筒と、蓋を備えて成り、前記複数の遠心分離槽は、それぞれ内周壁と底壁とから成り互いに独立したくぼみとして形成されており、前記粒子供給筒は、前記円盤型容器の中心部から前記遠心分離槽に向けて前記懸濁液中の粒子を放出するように設けられていることを特徴とする粒子分離装置を提供する。

前記遠心分離槽の内周壁の外側壁の内面には、周方向に区画されて成り、分別された粒子を受ける複数のポケットが形成されている構成としてもよい。

上記課題を解決するために基台上で回転する円盤型容器に、懸濁液供給タンクから粒子を供給し、前記円盤型容器内で分別する粒子分離方法であって、前記円盤型容器は、その回転中心の周囲に周方向に配設された複数の遠心分離槽と、粒子供給筒と、蓋を備え、前記複数の遠心分離槽は、それぞれ内周側壁と底壁とから成り互いに独立したくぼみとして形成されており、前記懸濁液を前記粒子供給筒を通して、前記円盤型容器の中心部から前記遠心分離槽に向けて放出することを特徴とする粒子分離方法を提供する。

従来の水中粒子の運動差を利用した分離技術では、比重別分離を行なう際には対象粒子の粒径が揃っている必要があり、粒径別分離を行なう際は多くは比重差のない単一種粒子群のみが分離対象となっていた。本発明の方法によれば、比重や粒径に幅のある粒子群について比重別、粒径別の高精度な分離が可能となる。また、「粒子の比重分離方法」特願2002-151669は本件と同目的の技術であるが、この方法が効果を示す粒径は10〜100μmの間の一部の粒径領域に限られ、また、振動による沈降遅延効果を応用したものであるため分離速度が著しく遅いなどの欠点があった。本発明による方法では、適用粒度下限に理論上の制限はなく、また、遠心場を応用したことにより分離速度も極めて早い特徴を有する。

本発明に係る懸濁液中の粒子を粒径別あるいは比重別によって分離する粒子分離装置及び分離方法の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。

（基本構成）
本発明の基本的な構成及び原理について説明する。通常の遠心分離機あるいはサイクロンなどでは、容器内は懸濁液状の粒子で満たされ、また、その水は回転方向へ移動が可能であるので、水および粒子の両者に対し回転から遅れをとる方向にコリオリ力（回転により回転方向に作用する「みかけ」の力）が生じる。このコリオリ力は、遠心分離速度の低下に繋がるものとしてその対策が検討されてきた。

円盤型容器内に放射状の隔壁を設ける（特許文献２参照）と、水の回転が防止されるため遠心力が粒子に効率的に作用し、遠心分離速度が低下しないことが既に知られている。本発明に係る分離装置も外見上はこの隔壁を持つタイプの遠心分離機と似ているが、分離の概念は異なり、水の往来を完全に遮断するとともに、粒子の供給方法、回収方法などを変えることにより、粒径別分離を可能にするものである。この点を、概念図である図１と、作用を説明する図２で説明する。

図1に概念図を示すように、円盤型の容器１内に清澄水を満たし、円盤型の容器１の回転軸２を中心とした放射状の隔壁３により水の往来が完全にできない扇形の部屋４を設け、軸２を中心に一方向に回転させる。あるいは、任意形状の容器内に清澄水を満たし、容器外の位置に回転軸を設けて容器を一方向に回転させる。

任意の回転速度で容器１の回転を維持した状態で、粒子供給筒５から扇形の部屋４内に遠心力のかかる方向で粒子６を解き放つ。清澄水は、隔壁３によって、部屋４内に完全に拘束されているため、清澄水内を移動可能な粒子６にのみコリオリ力が働く。コリオリ力は見かけ上の力で、その大きさ、つまり回転方向からの遅れの度合いは、粒子６の慣性と回転する水の粘性のバランスによって決まる。

外部からみれば、粒子６は容器１の軸を中心に回転しながら、遠心作用により徐々に外側に移動する。すなわち、粒子６は渦巻き状の軌跡を描きながら外側へ移動する。ここで遠心方向に作用する遠心力は、重力と同様に粒子６の比重と粒径の両者に依存する。

一方、回転方向に作用する力は、水の圧力勾配である。これは水が回転することによって、粒子にかかる水の圧力に勾配が生じ、水の回転と同方向に粒子６を動かそうとする力である。言い換えれば、粒子周辺の水が、粒子の存在している体積分の水を動かすのに作用する力である。すなわち、圧力勾配は粒子６の比重に無関係で、粒子体積だけに依存する力である。

遠心場（遠心作用が働く場）では、粒子６は回転方向に水を追随しながら、外側に行くに従って回転方向の速度を増大させるので、すなわち、粒子６に圧力勾配が加わることになる。ここで、同一粒径粒子では、比重に無関係に同じ圧力勾配を受けるが、同じ力を受ければ質量の小さい小比重粒子の方が運動は大きくなる。つまり、同一時間内の運動を比較すると、小比重粒子は水を良く追随し、大比重粒子になるほど水から遅れるようになる。

しかし、この間、遠心方向の運動は小比重粒子の方が小さく、大比重粒子の方が大きくなる。すなわち、図２に示すように、比重の異なる同一粒径粒子の場合、同じ圧力勾配を受けることによって生じる回転方向の運動差と、異なる遠心力を受けることによって生じる遠心方向の運動差が加味されることにより、移動速度は小比重粒子ほど遅く、大比重粒子ほど速くなるものの、運動の軌跡、すなわち移動方向はほぼ同じとなる。

全ての粒子がこの条件に従えば、図３Ｂのような粒子配列となるが、実際には遠心方向の加速度が一定ではないために、微粒子のみがこのような配列となり、粒径が大きくなるにしたがって、例えば１ｍｍ以上の粒子においては、この通りの配列とはならない。

以上説明した原理を、粒子分離装置及び分離方法として採用すれば、種々の比重粒子が混在した多分散系微粒子の高精度な粒径別分離が可能である。また、この原理に基づく粒子分離装置及び方法を比重分離の事前粒径調整手段と位置づければ、この手段により粒径別に分離したのち、通常の微粒子用比重分離装置を利用することにより、高精度な比重別分離が可能である。

さらに、この分離手段で粒径別に搬送したのち、同装置内に既存の固体と固体を分離する固−固分離用遠心分離機の機能を付加すれば、1つの装置で高精度な比重別、粒径別分離を同時に行なうことも可能となる。

図４は、本発明に係る粒子分離装置及び分離方法の実施例を説明する図である。この粒子分離装置１０は、定置された基台１１上に、基台１１から突設した支持軸１２を中心に円盤型容器１３が、図示しないモータ等の駆動装置により、回転可能に配置されている。

円盤型容器１３には扇形遠心分離槽１４が支持軸１２を中心に対称的に一対設けられている。なお、円盤型容器１３における扇形遠心分離槽１４の設置数、設置箇所は、１つでもよいし、複数でもよく、円盤型容器１３の規模、分離処理量等により適宜、設計されるべき設計事項である。

円盤型容器１３の中心部において、支持軸１２の周囲には、分離されるべき粒子が液体中に混合された状態で含まれる懸濁液を収容し、扇形遠心分離槽１４（前記基本構成における「扇形の部屋４」に相当する。）に供給する懸濁液供給タンク１５が設けられている。

扇形遠心分離槽１４は、内周壁１６と底壁１７とからくぼみとして構成されている。内周壁１６は、内側壁１８、円周方向に区画する隔壁（側壁）１９及び外側壁２０が一体的に連続して形成されている。扇形遠心分離槽１４内には、水等の液体が充填されており、円盤型容器１３が回転しても扇形遠心分離槽１４内に拘束され、流れ出ないように構成されている。

扇形遠心分離槽１４の内側壁１８には懸濁液供給タンク１５と連通する粒子供給筒（ノズル）２１が設けられている。懸濁液供給タンク１５内に充填された懸濁液中の粒子は、この粒子供給筒２１から扇形遠心分離槽１４に供給可能である。

扇形遠心分離槽１４の外側壁２０の内面には、周方向に複数の粒子回収ポケット２２が配列されている。各ポケット２２は、周方向に隣接する別のポケット２２と区画壁２３で区画されている。この一連の複数のポケット２２のそれぞれに、分離された粒子が収容されることとなる。

扇形遠心分離槽１４は、上部開口は蓋２４で閉じることができるが、この蓋に空気抜き孔２５が設けられている。この空気抜き孔２５を通して、扇形遠心分離槽１４は大気と連通している。

（作用）
上記構成から成る粒子分離装置及び分離方法の作用を以下に説明する。扇形遠心分離槽１４内の水の乱れを防ぐため、懸濁液供給タンク１５内にあらかじめ水を仕込み、空気抜き孔２５より気泡を開放後、空気抜き孔２５の栓を閉じ、懸濁液供給タンク１５の懸濁液投入口(図示しない。)だけが開栓した状態で全ての栓を閉じ密閉状態にする。

円盤型容器１３を回転させ始め一定回転数で安定したならば、懸濁液供給タンク１５と粒子供給筒２１を遮断していた弁（図示しない。）を開放し、粒子供給筒２１を経て、扇形遠心分離槽１４ (図３の装置例では２槽型となっている)へ粒子を放つ。

なお、懸濁液の供給については、特に図示はしないが、懸濁液供給タンクを円盤型容器１３の上方に設け、円盤型容器１３の中心部に供給室を設け、懸濁液供給タンクからこの供給室に通じるパイプを設け、このパイプを通して懸濁液中の粒子を供給室内に落とし込むように構成するとよい。そして、粒子回収ポケット２２内の粒子を含む水を粒子とともに装置外に排出する構成としてもよい。

また、分離槽に供給する際には、粒子は粒子供給筒２１を通じて極力同じ点から放たれることが重要である。このとき、粒子供給筒２１が非常に太かったり、あるいは、遠心分離槽内の水の乱れが大きかったりすると、遠心分離槽に放たれた粒子群は容易に拡散してしまい、粒径別分離の効果は失われる。すなわち、粒子供給筒２１の内径は細いほど分離精度が良くなり、また、遠心分離槽内の水は分離槽に対してなるべく静止していることが望ましい。

分離可能な最小粒子径は、回転体の直径、回転数、粒子回収ポケット２２の間隔、ならびに液体の粘度に依存する。これらの分離条件の結果として、粒子供給筒２１から遠心方向に最も真っ直ぐ移動した粒子が回収されるポケット２２、すなわち、最小粒径粒子群が回収されるポケット２２内の粒子の分布が分離下限を決める。

各ポケット２２に回収される粒径の上限と下限は分離条件によって決まってくるが、このポケット２２だけは下限粒径はなく、上限粒径以下の粒子はすべて回収される。そして、この上限粒径が、その後の比重分離における分離下限粒径を決める因子となる。

例えば、液体に水を用い、回転体の半径４００ｍｍ、ポケット２２の間隔を２０ｍｍとし、比重２．５の小比重粒子と、ある比重を持つ大比重粒子の分離を考えたとき、最小粒径粒子群が回収されるポケット２２内の粒子の最大粒径と、回転数の関係を図５に示す。最小粒径粒子群が回収されるポケット２２内の粒子の最大粒径は回転数２５００ｒｐｍで約７μｍ、６０００ｒｐｍで約５μｍとなる。

このとき、このポケット２２に回収された粒子群をさらに比重分離することを考えれば、これらの最大粒径に対応する分離下限粒径は、大比重粒子の比重に応じて図６のような値となる。例えば回転数５０００ｒｐｍで分離を行った場合、比重分離の理論的分離下限粒径は、大比重粒子の比重３の場合約５μｍ、比重１２の場合には約２μｍ程度となる。

以上のように本件の分離法によれば、従来では分離できない粒度幅を持つ数μｍ以上の多分散系微粒子の比重分離を、理論上ほぼ完璧に（分離効率１００％近くで）行うことが可能である。

以上、本発明に係る粒子の粒子分離装置および分離方法を実施例挙げて説明したが、本発明の実施例は上記実施例に限定されることはなく、特許請求の範囲の技術的範囲内でいろいろな態様があることは言うまでもない。

産業上の利用の可能性

本発明に係る懸濁液中の粒子を粒径別あるいは比重別によって分離する粒子分離装置及び分離方法は、懸濁液中の粒子を粒径別あるいは比重別によって分離することを必要とする各種産業分野(鉱業ならびに各種産業分野の製造工程、リサイクルおよび環境修復プロセスにおける粒子分離工程等)に適用可能である。

本発明に係る粒子分離装置及び分離方法の基本的な構成及び方法を説明する図である。 本発明に係る粒子分離装置及び分離方法の基本的な構成及び方法の作用(円盤型容器内の遠心分離槽を上部から見た図で分離槽内の粒子の動きを説明)を説明する図である。 本発明に係る粒子分離装置及び分離方法の基本的な構成及び方法の作用(円盤型容器内の遠心分離槽を上部から見た図で分離槽内の粒子の動きを説明)を説明する図である。 本発明に係る粒子分離装置及び分離方法の実施例１を説明する図である。 本発明に係る粒子分離装置及び分離方法の作用を説明する図であり、最小粒径粒子群が回収されるポケット内に回収される小比重粒子の最大粒径と、回転数の関係 (分離下限粒径を決める因子である、最小粒群回収ポケット２２内の小比重粒子の最大粒径に関する理論的計算値) を示す図である。 本発明に係る粒子分離装置及び分離方法の作用を説明する図であり、各回転数でポケット内に回収された粒子群に対する、大比重粒子の比重と比重分離下限 (図５の条件で分離した最小粒群回収ポケット２２内の粒子群を、比重分離した際の分離粒径下限を、大比重粒子の比重ごとに計算した理論値)を示す図である。

符号の説明

１ 円盤型の容器
２ 容器の回転軸
３ 隔壁
４ 扇形の部屋
５ 粒子供給筒
６ 粒子
７ 大きな比重の粒子
８ 小さな比重の粒子
１０ 粒径別分離装置
１１ 基台
１２ 支持軸
１３ 円盤型容器
１４ 扇形遠心分離槽
１５ 懸濁液供給タンク
１６ 内周壁
１７ 底壁
１８ 内側壁
１９ 隔壁（側壁）
２０ 外側壁
２１ 粒子供給筒
２２ 粒子回収ポケット
２３ 区画壁
２４ 蓋
２５ 空気抜き孔

Claims (1)

1. 基台と、該基台上で一定回転する円盤型容器と、懸濁液供給タンクを有し、該懸濁液供給タンクから供給される懸濁液に含まれる粒子を前記円盤型容器内で選別する粒子分離装置であって、
   前記円盤型容器は、その回転中心の周囲に周方向に配設された複数の扇型遠心分離槽と、粒子供給筒と、蓋を備えて成り、
   前記複数の扇型遠心分離槽は、それぞれ内周壁と底壁とから成り互いに独立したくぼみとして形成されており、前記内周壁は、内側壁と周方向に区画する放射状の隔壁と外側壁とが一体的に連続して形成されており、前記内側壁には、前記円盤型容器中心部に設けられた前記懸濁液供給タンクと連通する前記粒子供給筒が設けられており、
   前記粒子供給筒は、前記円盤型容器の中心部から予め水で満たされた前記扇型遠心分離槽に向けて前記懸濁液中の粒子を放出するように設けられている粒子分離装置において、
   前記扇型遠心分離槽の内周壁の外側壁の内面には、周方向に区画されて成り、選別された粒子を受ける複数のポケットが形成されており、
   前記円盤型容器を一定回転させることにより前記扇型遠心分離槽内に満たされた水も槽内に拘束され一定回転し、遠心力で前記粒子供給筒から前記扇型遠心分離槽内に放出された前記粒子が、前記扇型遠心分離槽内に拘束され一定回転している水の中を遠心力により外側壁まで移動する間に回転方向に水より遅れることとなり、当該回転方向からの遅れの度合いに応じた運動の軌跡を描いて前記複数のポケットに選別されて到達することを特徴とする粒子分離装置。