液体の濃縮方法及び装置
【課題】 液体に存在する金属を濃縮する方法、または溶液量を効果的に減少させられる方法等であって、良好な効果を奏するものを提供すること。
【解決手段】 金属を含む水に摩擦用混合物を添加し、前記摩擦用混合物を含む水を機械的に撹拌して熱を発生させ前記水を蒸発させることによって、前記金属と前記摩擦用混合物とを分離することを特徴とする濃縮方法によって達成される。このとき、摩擦用混合物としては、有機系の廃棄物（例えば、木くず、おがくず、パルプ、古紙（裁断屑、新聞紙、雑誌、段ボールなどを含む）など）を用いることが好ましい。
【解決手段】 金属を含む水に摩擦用混合物を添加し、前記摩擦用混合物を含む水を機械的に撹拌して熱を発生させ前記水を蒸発させることによって、前記金属と前記摩擦用混合物とを分離することを特徴とする濃縮方法によって達成される。このとき、摩擦用混合物としては、有機系の廃棄物（例えば、木くず、おがくず、パルプ、古紙（裁断屑、新聞紙、雑誌、段ボールなどを含む）など）を用いることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を濃縮する方法およびそのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、メッキ産業で発生する廃液中には多くの重金属が含まれており、この廃液から重金属を有効に濃縮する方法が望まれている。また、屎尿処理に先立ち、効果的に容量を減少させることができれば、その後の処理操作を円滑に進められると考えられている。加えて、従来の固液分離法によって分離された固相部分にも相当の液体が含まれていることから、この固相部分から更に液体を取り除く方法が望まれていた。
【０００３】
一般に、液体を濃縮する方法としては、液体のみを蒸発させる方法（製塩方法）、イオン交換膜を用いる方法、イオン交換と機械濃縮を組み合わせた方法（特許文献１）、電気泳動法（特許文献２）などが知られている。
しかしながら、いずれの方法についても十分な効果を奏するとは言えなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０９５３９１号公報
【特許文献２】特開２０００−３５４７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、液体に存在する金属を濃縮する方法、または液体の溶液量を効果的に減少させられる方法等であって、良好な効果を奏するものを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための発明に係る濃縮方法は、金属を含む水に摩擦用混合物を添加し、前記摩擦用混合物を含む水を機械的に撹拌して熱を発生させ前記水を蒸発させることによって、前記金属と前記摩擦用混合物とを分離することを特徴とする。
金属とは、固体状態で金属光沢・展性・延性をもち、種々の機械的工作を施すことができ、かつ電気および熱の良導体であるなどの性質をもつ物質の総称である。具体的には、リチウム・ナトリウム・カリウム・ルビジウムなどのアルカリ金属、ベリリウム・マグネシウム・カルシウム・ストロンチウム・バリウムなどのアルカリ土類金属、アルミニウム・タングステン・鉛・亜鉛・金・銀・銅・クロム・カドミウム・ニッケル・コバルトなどの非鉄金属などが含まれる。また、金属は単体であっても良く、合金、各種化合物の形態であっても良い。また、金属は、イオンとして水に溶解していても良く、微小な形態で懸濁していても良い。
【０００７】
摩擦用混合物とは、撹拌によって熱を発生させるために水に混合させるものであって、有機系のものと無機系のものとに大別できる。このうち、有機系の摩擦用混合物とは、主として有機物によって構成された混合物であって、例えば木くず、おがくず、パルプ、古紙（裁断屑、新聞紙、雑誌、段ボールなどを含む）などが含まれるがこれらに限定されない。無機系の摩擦用混合物とは、主として無機物によって構成された混合物であって、例えばゼオライト・シリカなどが含まれるがこれらに限定されない。摩擦用混合物としては、有機系のものと無機系のものをそれぞれ単独で用いることができるし、適度に混合して用いることができる。無機系混合物を用いた場合には、良好に熱を発生させることができるので、水の蒸発操作を効率良く行うことができる。
【０００８】
一方、有機系混合物を用いた場合には、装置の摩耗を防いで長期間に渡って使用できる。また、有機系混合物として、おがくず・木くず・古紙などの廃棄物を用いた場合には、（１）廃物利用を行いつつ、濃縮操作を行える、（２）濃縮後のものを焼却すれば金属を容易に取り出せるなどの効果がある。
機械的に撹拌するとは、熱を発生させるために、所定の装置を用いて水と摩擦用混合物とを撹拌することを意味する。熱を発生させることにより、水を蒸発させて容量を減少させ、或いは金属を濃縮できる。
【０００９】
また、本発明の容量減少方法は、水分を含む被容量減少物に摩擦用混合物を添加し、前記摩擦用混合物を含む被容量減少物を機械的に撹拌して熱を発生させ前記水分を蒸発させることを特徴とする。
上記発明において、前記摩擦用混合物は、有機物であることが好ましい。
また、本発明に係る装置は、上記方法の発明の実施に用いるものであって、前記摩擦用混合部と水分とを混合する摩擦混合部と、この摩擦混合部に隣接し蒸気を取り出す蒸気取出部とを備え、前記摩擦混合部には、前記摩擦用混合物を混合すると共に内壁が円筒形の混合室と、この混合室内を貫通する回転軸と、この回転軸に設けられ前記混合室の内壁よりも僅かに小さな外径を備えた回転翼とが備えられ、前記蒸気取出部には、蒸気取出室と、この蒸気取出室内を貫通する上記回転軸と、この回転軸に設けられ内部の混合物を前記摩擦混合部側に送る粉体流出防止用のスクリューと、前記蒸気取出室に開口された蒸気取出口とが備えられ、前記混合室内に収容された摩擦用混合物と水を前記回転翼で混合および粉砕することで摩擦熱によって発熱させながら蒸気を発生させ、この蒸気を前記蒸気取出口から取り出すことを特徴とする。
【００１０】
上記発明においては、前記蒸気取出口には発生した蒸気を冷ますことによって蒸留水を回収する液体回収器が設けられていると共に、前記水分を含有する被容量減少物が前記摩擦混合部に投入される前に、前記液体回収器からの熱を受け取ることで予熱される構成とすることが好ましい。このとき、（１）液体回収器の外周を回る熱吸収管が設けられており、前記被容量減少物が前記熱吸収管の内部を通過することで予熱される構成とすることができる。この場合には、被容量減少物が予熱される距離（或いは、時間）を長く設定できるので、被容量減少物の温度を高くすることができ、摩擦混合部での処理時間が短くて済む。
【００１１】
また、（２）液体回収器の内側に貯留空間を設けておき、前記被容量減少物が前記貯留空間内で予熱される構成とすることができる。被容量減少物の粘度が高い場合または混合物が存在するような場合（例えば、屎尿または従来の方法で固液分離された後の固相部分など）には、管体内を通過させることが困難な場合があり得るが、貯留空間を設けることにより、そのような被容量減少物を予熱できる。この発明によれば、被容量減少物を予熱できるので、装置の熱効率が良好となる。
本発明を実施するためには、摩擦用混合物と被容量減少物の初期割合は、適宜に変更できるが、４０％〜６０％とすることが好ましい。また、摩擦用混合物と被容量減少物とを混合したときの含水率（水：摩擦用混合物）は、２０％〜２００％であることが好ましい。含水率が低すぎると、水分の減少によって摩擦混合部の内部温度が上がりすぎてしまうことがあり、一方、含水率が高すぎると、十分な摩擦熱が発生し難く、処理時間が長く掛かりすぎてしまうからである。
【００１２】
また、本願発明に係る容量減少装置は、水分を含む被容量減少物を機械的に撹拌して熱を発生させ前記水分を蒸発させるものであって、前記被容量減少物を撹拌する摩擦混合部と、この摩擦混合部に隣接し蒸気を取り出す蒸気取出部とを備え、前記摩擦混合部には、前記被容量減少物を撹拌すると共に内壁が円筒形の混合室と、この混合室内を貫通する回転軸と、この回転軸に設けられ前記混合室の内壁よりも僅かに小さな外径を備えた回転翼とが備えられ、前記蒸気取出部には、蒸気取出室と、この蒸気取出室内を貫通する上記回転軸と、この回転軸に設けられ内部の被容量減少物を前記摩擦混合部側に送る粉体流出防止用のスクリューと、前記蒸気取出室に開口された蒸気取出口とが備えられ、前記混合室内に収容された被容量減少物を前記回転翼で撹拌することで摩擦熱によって発熱させながら蒸気を発生させ、この蒸気を前記蒸気取出口から取り出すことを特徴とする。
【００１３】
この発明においては、前記蒸気取出口には発生した蒸気を冷ますことによって蒸留水を回収する液体回収器が設けられていると共に、前記水分を含有する被容量減少物が前記摩擦混合部に投入される前に、前記液体回収器からの熱を受け取ることで予熱される構成とすることが好ましい。このとき、（１）液体回収器の外周を回る熱吸収管が設けられており、前記被容量減少物が前記熱吸収管の内部を通過することで予熱される構成、または（２）液体回収器の内側に貯留空間を設けておき、前記被容量減少物が前記貯留空間内で予熱される構成とすることができる。
本発明の方法は、単独で用いることもできるし、従来公知の濃縮方法（例えば、イオン交換膜を用いる方法、電気泳動法など）によって適度に濃縮された溶液を更に濃縮するために、組み合わせて用いることもできる。
【００１４】
本発明の濃縮方法は、例えば次のような用途に用いることができる。
１．有害な金属を濃縮して、廃液の容量を減少するために用いる。例えば、重金属を含んだ工場廃液（例えば、メッキ廃液など）を濃縮して、廃液の容量減少に用いられる。なお、廃液のｐＨが低い（または高い）場合には、本方法を用いる前に、中和処理を行うことが好ましい。
２．廃液などの被容量減少物の溶量を減少するために用いる。例えば、食品工場からの廃水、ビル廃水、工場廃水、食堂・レストランの廃水、人・動物などの糞尿を被容量減少物として、水分を蒸発させることで容量減少に用いられる。このとき、従来に微生物処理を行っていたグリーストラップをなくすことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、水を効果的に蒸発させられるので、金属を有効に濃縮することが可能となる。また、多量に水を含んだものの容量を大幅に減容させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態の第１の濃縮装置システムの概要を模式的に示す斜視図である。
【図２】濃縮装置の横断面図である。
【図３】濃縮装置の縦断面図である。
【図４】回転翼の構造を説明する図である。
【図５】回転翼の部分斜視図である。
【図６】回転翼の斜視図である。
【図７】第２の濃縮装置システムの概要を模式的に示す斜視図である。
【図８】第３の濃縮装置システムの概要を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施形態について、図表を参照しつつ説明するが、本発明の技術的範囲は、これらの実施形態によって限定されるものではなく、発明の要旨を変更することなく様々な形態で実施することができる。また、本発明の技術的範囲は、均等の範囲にまで及ぶものである。
【００１８】
＜第１の濃縮装置システム＞
図１には、本実施形態の濃縮装置システム２の概要を示した。濃縮装置システム２には、濃縮装置１が設けられている。この濃縮装置１には、図１及び図２に示すように、中央に摩擦混合部１０が備えられており、その一方側には蒸気取出部２０が、他方側には材料供給部４０が設けられている。摩擦混合部１０には、減圧ポンプ６０が接続されている。
摩擦混合部１０には、混合室１１と、混合室１１の中央を横方向に貫通する回転軸３０と、回転軸３０に立設された回転翼１５とが設けられている。
【００１９】
混合室１１は円筒形状であり、回転翼１５の外径よりも僅かに大きな内径を備えている。混合室１１の内径は６０ｃｍ、幅３０ｃｍであり、エネルギー効率及び投入される摩擦用混合物と水の質量から適切なものとなっている。混合室１１内は、回転翼１５による摩擦用混合物と水との混合及び粉砕作用に伴って発熱するため、３００℃までの温度に耐えるようになっている。また、混合室１１の内壁には、摩擦用混合物と水による衝撃が加わるため、耐衝撃性が備えられている。
混合室１１の下部には、混合室１１内で粉砕された固体成分を必要に応じて回収するための粉体排出口１１ｂが設けられている。粉体排出口１１ｂには、蓋部１２ｂが設けられている。粉体排出口１１ｂと蓋部１２bとの接触部分には、耐熱性と密閉性とを備えたパッキング材が設けられている。
【００２０】
回転軸３０は、材料供給部４０と混合室１１と蒸気取出部２０を貫通すると共に、回転自在に設けられている。また、回転軸３０はモータ５０の駆動によって、回転される。回転軸３０において混合室１１に位置する部分には、図２に示すように、４枚の回転翼１５が互いに相対する方向に立設されている。より詳細には、回転翼は、回転軸３０の軸方向に横並びに中央に２枚、混合室１１の側面一面側に半割れ状の回転翼１５ａが、他面側に棒状回転翼１９の合計４枚の回転翼が配設されている。図３に示すように、回転翼１５の先端位置は、混合室１１の内壁よりも僅かに内側で回転するようになっており、回転軸３０の回転によって、摩擦用混合物が粉砕されることで摩擦熱が発生する。
【００２１】
図４及び図５に示すように、中央に配設された４枚の回転翼１５は、先端部分に摩擦用混合物を粉砕するために幅広に形成された叩打部１６を備えている。叩打部１６には、摩擦用混合物と水を叩打するように軸心方向に沿って外方に傾斜された叩打面１６ａが設けられている。この形状によって、摩擦用混合物と水を回転軸３０の軸心方向（図４における方向Ｄ１）であって、かつ混合室１１の中心に向かって叩打することで、効率的な叩打及び粉砕を行える。
また、回転翼１５の根元側（回転軸３０との接続部分）には、回転方向へ向かう凸面１７ａを備えた曲面部１７が設けられており、摩擦用混合物と水を周方向（図４における方向Ｄ２）に跳ね飛ばすことができる。曲面部１７は肉厚に形成されており、回転軸３０との接合が大きいブロック形状をなしているため強度の面で優れている。回転翼１５の叩打面１６ａで回転軸３０の軸芯方向Ｄ１へ向かって叩打された摩擦用混合物と水は、凸面１７ａにより周方向Ｄ２へ向かつて跳ね上げられる。この繰り返しによって、摩擦用混合物と水は、叩打面１６ａと凸面１７ａとの間を行き来することとなり、この空間に閉じ込められたようになり、粉砕及び発熱を高効率に行える。このように、摩擦用混合物と水が回転軸３０に絡まるのを効果的に防止できる。
【００２２】
半割れ状の回転翼１５ａも同様に、摩擦用混合物と水を叩打するように軸心方向に傾斜された叩打面を有しており、混合室１１内部に向かって傾斜させた形状となっている。回転翼１５ａ及ぴ棒状回転翼１９は、摩擦用混合物と水を叩打すると共に、粉体が蒸気取出部２０へ流出するのを防いでいる。
図６に示すように、回転翼１５は、回転軸３０を挟んで対向する方向（つまり、ほぼ１８０°離れた方向）に配置されている。こうして、回転翼１５による叩打間隔が長くなることで、摩擦用混合物と水の混合室１１における滞空時間が長くなり、水分が蒸発する時間が長く取れるようになっている。
【００２３】
蒸気取出部２０は混合室１１の一方側に隣接されており、蒸気取出室２１と、蒸気取出室２１の内部を貫通する回転軸３０と、回転軸３０から径方向外側に設けられたスクリュー２５と、蒸気取出室２１に開口された蒸気取出口２１ａとを備えている。スクリュー２５は、回転軸３０の回転によって、内部の物質を混合室１１の方向に移動させるように設定されている。蒸気取出部２０では、回転軸３０の回転に伴うスクリュー２５の回転によって、粉体が混合室１１から流出するのを防ぐことができる。
蒸気取出口２１ａは、図１に示すように、第二バルブ１０２及び第一圧力計１１１と接続されると共に、液体回収器７０と接続されている。第二バルブ１０２は、大気開放可能とされている。また、第一圧力計１１１は、蒸気取出部２０の内圧を計測できる。
【００２４】
蒸気取出室２１の外壁中央には、挿通口２１ｂが設けられており、この挿通口２１ｂには回転軸３０が回転可能に挿通されている。挿通口２１ｂの外方には、回転軸３０の外周部分を密閉する密封部２７が設けられている。密封部２７には、密封材２７ｂと、この密封材２７ｂを固定する固定具２７ａが設けられている。こうして、密封部２７により、回転軸３０と挿通口２１ｂとの間から蒸気が漏出されることを防止する。
混合室１１において、蒸気取出部２０とは逆の他方側には、材料供給部４０が設けられている。材料供給部４０には、材料供給室４１と、材料供給室４１の内部を貫通する回転軸３０と、回転軸３０から径方向外側に設けられたスクリュー４３と、材料供給室４１に開口された材料供給口４１ａとを備えている。スクリュー４３は、回転軸３０の回転によって、投入された摩擦用混合物と水を混合室１１の方向に移動させるように設定されている。このように、蒸気取出部２０と材料供給部４０とは、摩擦混合部１０を挟んで対称的な構造となっている。図２に示すように、二つのスクリュー２５，４３は、螺旋状の羽根が左右対称に設けられており、同軸上に備えられているので、回転軸３０が一定方向へ回転することによって、スタリュー２５が混合室１１からの粉体の流出を防ぐと同時に、スクリュー４３が摩擦用混合物と水を混合室１１に供給する。
【００２５】
両スクリュー２５，４３は、同ピッチとしても良いし、異なるピッチとすることもできる。回転軸３０の回転数に応じて、スクリュー２５の粉体流出防止作用と、スクリュー４３の材料供給作用とのバランスを適当に設定できる。
材料供給部４０の材料供給口４１ａの上方には、材料投入容器２８が接続されている。材料供給部４０と材料投入容器２８との間には、第一バルブ１０１が設けられている。
材料供給口４１ａから投入された摩擦用混合物と水が材料供給室４１を満たしており、スクリュー４３の回転によって摩擦用混合物と水を混合室１１へ押し込んでいくことにより、材料供給・粉砕・濃縮という一連の流れが連続して行われる。また、摩擦用混合物と水で材料供給室４１が常に満たされているため、混合室１１への空気流入が防止され、ほぽ無酸素状態で混合室１１における粉砕が行われる。
【００２６】
摩擦混合部１０と減圧ポンプ６０との間には、三個のバルブ１０３，１０４，１０５が設けられている。また、摩擦混合部１０と減圧ポンプ６０との間には、粉体回収容器６１が備えられている。粉体回収容器６１は、第四バルブ１０４と第五バルブ１０５との間に接続されている。両バルブ１０４，１０５と粉体回収容器６１との間には第二圧力計１１２が設けられている。第二圧力計１１２は、粉体回収容器６１の内圧を計測できる。粉体回収容器６１と後述する送風機６２とは第六バルブ１０６を介して接続されている。
粉体回収容器６１の内部には集塵フィルタ６１ａが設けられており、蒸気取出室２１から回収されてきた粉体が回収される。集塵フィルタ６１ａを交換する際には、第六バルブ１０６を開いて送風機６２からの乾燥空気を利用して粉体回収容器６１の蓋を開くことができる。送風機６２は、大気を吸引して加熱除湿し乾燥空気を排出するドライエアーコンプレッサである。摩擦混合部１０と送風機６２との間には、第七バルブ１０７が設けられている。
なお、送風機６２を設けない場合には、第六バルブ１０６を介して粉体回収容器６１を大気開放可能としてもよい。この場合は、第六バルブ１０６を開放することで、粉体回収容器６１の蓋を開くことができる。
【００２７】
＜第２の濃縮装置システム＞
次に、図７を参照しつつ、第２の濃縮装置システム３について説明する。なお、第１の濃縮装置システム２と第２の濃縮装置システム３とにおいて、同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
この濃縮装置システム３では、液体回収器７０からの熱を用いて、材料を予熱しておき、これを材料供給部４０に投入することにより、エネルギーを効率的に用いることとしている。すなわち、液体回収器７０は、濃縮装置１の蒸気取出部２０と接続されており、蒸気取出部２０から取り出された蒸気は、蒸気回収管９５を通して液体回収器７０の液体回収筒７４に誘導される。蒸気回収管９５の途中には、濃縮装置１からの蒸気を吸引し、液体回収器７０に送る吸引ブロア９６が設けられている。液体回収器７０の内に導入された蒸気が冷却されて液化された後、バルブ９０を開くことによって液体取出口７３から液体を回収できる。バルブ９０の下流側には、流量計１８１が設けられている。また、液体回収器７０の外周には、熱吸収管７６がコイル状に設けられている。熱吸収管７６は、下方の導入口７６ａと上方の導出口７６ｂに開放しており、導入口７６ａには汚水などの被容量減少物を導入するパイプ７７が接続されている。
【００２８】
パイプ７７の途中には、被容量減少物を熱吸収管７６および濃縮装置１に移送するポンプ７８と、パイプ７７を開閉するバルブ７９が接続されている。導出口７６ｂには、熱吸収管７６を通って予熱された被容量減少物を濃縮装置１に移送するパイプ８０が接続されている。パイプ８０の途中には、流量計１８１とバルブ８６とが接続されている。流量計１８１，１８１によって、混合室１１への液体の流入量と、熱交換器７０からの流出量とを管理することによって、混合室１１内部の液体量を適当な範囲に維持できる。パイプ８０の他端側は、材料供給室４１の上方に設けられた材料供給口４１ｂに接続されている。なお、ポンプ７８は、パイプ７７〜熱吸収管７６〜パイプ８０の途中のいずれかの位置に設けられていればよいので、パイプ８０の途中において、導出口７６ｂからの出口側に設けることもできる。
液体回収器７０の上部には排気口７５が設けられており、液体回収器７０の内部が加圧状態となった場合に排気バルブ８４を開くことにより圧力を開放できる。
【００２９】
混合室１１の上部には、圧力センサ８２と温度センサ８３が備えられている。圧力センサ８２は、第一圧力計１１１と兼用することもできる。また、蒸気回収管９５に設けられた排出バルブ８５の直上には、蒸気温度センサ８１が備えられている。
各センサ８１，８２，８３、冷却ジャケット１８（図７には示さず）、及びコントローラを連動させることで、混合室１１内の温度・圧力及び回収蒸気の圧力・回収速度等を適宜コントロ―ルできる。即ち、温度センサ８１を監視することで、蒸気の発生及び終了を検知できる。また、圧力センサ８２及び温度センサ８３により混合室１１内の温度をコントロールでき、内部の摩擦用混合物の粉砕の程度及び液体成分の過度の加熱を防止できる。更に、圧力センサ８２の監視と制御により、混合室１１内への大気流入を防止できる。
また、濃縮装置１の下面側には、濃縮された被容量減少物を外方に取り出すための導出口９７が設けられており、ここには排出バルブ９８を備えたパイプ９９が設けられている。パイプ９９の他端側は、収納容器１００が設けられている。
濃縮装置システム３の蒸気取出口には、第二バルブ１０２が備えられており、この第二バルブ１０２を開いて蒸気取出室２１内部を清掃できる。
【００３０】
次に、上記のように構成された濃縮装置システム３の動作について説明する。
まず、第一バルブ１０１を閉じた状態で（スクリュー４３が回転していれば開けても良い）、材料投入容器２８に摩擦用混合物を所定量（攪拌容積の１０％〜８０％、好ましくは３０％〜６０％）を入れる。このとき、濃縮装置１の排出バルブ９８は閉じておく。回転翼１５，１５ａ，１９を回転させて、第一バルブ１０１を開放し、材料投入容器２８の摩擦用混合物を材料供給口４１ａから混合室１１の内部へ導入する。摩擦用混合物の全てを濃縮装置１に導いた後、第一バルブ１０１を閉止し、排出バルブ８５を開放し、材料供給口４１ｂからの溶液導入を許容する。
【００３１】
このとき、温度センサ８３を読み取りながら、好適な温度領域８０℃〜８５℃となるようにバルブ８６の開閉制御を行う。混合室１１の内部温度が６５℃以上かつ内部圧力が０.０Ｐａ以上の状態のときに吸引ブロア９６を起動させると同時に排出バルブ８５を開放し、内部の蒸気を熱交換器７０へと導き、蒸気を結露させて蒸留水とする。このとき溜まった蒸留水は、バルブ９０の開放によって、外部に排出させる。
流量計１８１，１８１の読取り量に基づいて、混合室１１への注入水と熱交換器７０からの蒸留排水とを一定範囲に保持するように、排出流量を読み取り、注入量を決定する。
【００３２】
濃縮作業の終了は、次の手順によって行われる。混合室１１内の濃縮度が増すと、モータ５０の回転動力の負荷電流が比例して増大する。電流値が通常操作時の５％〜６０％増加したときに、濃縮作業が完了したと判断し、バルブ８６を閉止して、液体回収器７０側からの注水を止める。また、温度センサ８２の温度が８０℃〜１００℃となったときに、排出バルブ９８を開放し、混合室１１内部のものを導出口９７からパイプ９９を通じて収納容器１００に排出する。
その後、吸引ブロア９６を停止し、排出バルブ８５を閉止する。
【００３３】
＜第３の濃縮装置システム＞
次に、図８を参照しつつ、第３の濃縮装置システム４について説明する。なお、第１の濃縮システム２〜第３の濃縮装置システム４において、同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
この濃縮装置システム４では、濃縮装置システム３と同様に、液体回収器１２０からの熱を用いて材料を予熱するが、その方式が異なっている。すなわち、濃縮装置システム４では、液体回収器１２０の内側に貯留空間１２３が設けられており、その貯留空間１２３の内部で被容量減少物を予熱する構成としてある。液体回収器１２０の外周には、熱交換管１２１がコイル状に回し付けられている。熱交換管１２１の上方は、蒸気回収管９６からの蒸気を導入する導入口１２１ａとされている。また、熱交換管１２１の下方は、冷却された液化した溶液を取り出す液体取出口７３とされている。貯留空間１２３に被容量減少物を投入すると、熱交換管１２１に導入された蒸気の熱によって、被容量減少物を予熱できる。
【００３４】
液体回収器１２０の下端側には、貯留空間１２３から連通する放出口１３０が設けられており、ここにはパイプ１３１が接続されている。パイプ１３１の他端側は、材料供給口４１ｂに接続されている。排出バルブ８５は、材料供給口４１ｂの位置よりも高く設定することが好ましい。また、パイプ１３１の途中には、バルブ１３２が設けられている。
液体取出口７３からは、バルブ９０の開放によって、液化した蒸気が蒸留水として排出される。
本システム４においても、第２の濃縮システム３と同様の作用を奏することができる。
また、被容量減少物の粘度が高い場合または被容量減少物に混合物が存在するような場合には、第２の濃縮装置システム３では熱吸収管７６（管体）内を被容量減少物が流れにくい事態が考えられるが、そのような場合にも被容量減少物を予熱できる。
【００３５】
＜実施例１＞
摩擦用混合物として、２ｍｍ角程度のスギオガ粉１２Ｌ（３ｋｇ）を使用した。また、被容量減少物として、醤油と食品残渣を混合したもの８Ｌ（８.５ｋｇ）を用いた。摩擦用混合物を混合室内へ投入し、回転速度１７８０ｒｐｍで回転翼を回転させながら、被容量減少物を２分間をかけて注入した。攪拌時の温度を８０℃とし、４分間に渡って攪拌操作したところ、混合室内の温度が９０℃に到達したので、混合室内の濃縮物を排出した。
上記濃縮操作時に熱交換器７０から回収された蒸留水は透明であった。また、混合室内で濃縮された物は、スギオガ粉を摩擦用混合物として使用した為に少し匂いがあり、色は赤み掛かっていた。
＜実施例２＞
摩擦用混合物として、杉オガ粉１８Ｌを使用した。被容量減少物として、海水８Ｌを用いた。杉オガ粉を混合室内へ投入し、回転速度１７８０ｒｐｍで回転翼を回転させながら、５分間をかけて容器内へ海水を注入した。撹拌時の温度を８０℃に設定しておき、混合室内の温度が９５℃に到達した後に内容物を排出した。回転操作時に排出された蒸気は、熱交換器で蒸留水として採取した。
その結果、杉オガ粉は乾燥しており、蒸留水は透明で塩分濃度は検出されなかった。
【００３６】
＜実施例３＞
摩擦用混合物として、杉オガ粉１８Ｌを使用した。被容量減少物として、食品工場排水８Ｌを用いた。杉オガ粉を混合室内へ投入し、回転速度１７８０ｒｐｍで回転翼を回転させながら、５分間をかけて容器内へ食品工場排水を注入した。撹拌時の温度を８０℃に設定しておき、混合室内の温度が９５℃に到達した後に内容物を排出した。回転操作時に排出された蒸気は、熱交換器で蒸留水として採取した。
その結果、杉オガ粉は乾燥しており、蒸留水は透明であった。
＜実施例４＞
摩擦用混合物として、桧葉１８Ｌを用いた。被容量減少物として、水８Ｌを用いた。桧葉を混合室内へ投入し、回転速度１７８０ｒｐｍで回転翼を回転させながら、５分間をかけて容器内へ水を注入した。撹拌時の温度を８０℃に設定しておき、混合室内の温度が８３℃に到達した後に内容物を排出した。回転操作時に排出された蒸気は、熱交換器で蒸留水として採取した。
その結果、桧葉はゲル状となっていた。また、蒸留水は透明であった。
【００３７】
＜実施例５＞
摩擦用混合物として、オカラ１８Ｌを用いた。被容量減少物として、水８Ｌを用いた。オカラを混合室内へ投入し、回転速度１７８０ｒｐｍで回転翼を回転させながら、１０分間をかけて容器内へ水を注入した。撹拌時の温度を８０℃に設定しておき、混合室内の温度が９０℃に到達した後に内容物を排出した。回転操作時に排出された蒸気は、熱交換器で蒸留水として採取した。
その結果、オカラはゲル状となっていた。また、蒸留水は透明であった。
＜実施例６＞
摩擦用混合物として、銀杏の葉１８Ｌを用いた。被容量減少物として、水８Ｌを用いた。銀杏の葉を混合室内へ投入し、回転速度１７８０ｒｐｍで回転翼を回転させながら、１５分間をかけて容器内へ水を注入した。撹拌時の温度を８０℃に設定しておき、混合室内の温度が９０℃に到達した後に内容物を排出した。回転操作時に排出された蒸気は、熱交換器で蒸留水として採取した。
その結果、銀杏の葉はゲル状となっていた。また、蒸留水は透明であった。
【００３８】
＜実施例７＞
摩擦用混合物として、大豆１０Ｌを用いた。被容量減少物として、水１０Ｌを用いた。大豆を混合室内へ投入し、回転速度１７８０ｒｐｍで回転翼を回転させながら、１０分間をかけて容器内へ水を注入した。撹拌時の温度を８０℃に設定しておき、混合室内の温度が９０℃に到達した後に内容物を排出した。回転操作時に排出された蒸気は、熱交換器で蒸留水として採取した。
その結果、大豆はゲル状となっていた。また、蒸留水は透明であった。
【符号の説明】
【００３９】
１…濃縮装置
２，３，４…濃縮装置システム
１０…摩擦混合部
１１…混合室
１５，１５ａ，１９…回転翼
２０…蒸気取出部
２４，４３…スクリュー
３０…回転軸
７０，１２０…液体回収器
７６…熱吸収管
９５…蒸気回収管
１２３…貯留空間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を濃縮する方法およびそのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、メッキ産業で発生する廃液中には多くの重金属が含まれており、この廃液から重金属を有効に濃縮する方法が望まれている。また、屎尿処理に先立ち、効果的に容量を減少させることができれば、その後の処理操作を円滑に進められると考えられている。加えて、従来の固液分離法によって分離された固相部分にも相当の液体が含まれていることから、この固相部分から更に液体を取り除く方法が望まれていた。
【０００３】
一般に、液体を濃縮する方法としては、液体のみを蒸発させる方法（製塩方法）、イオン交換膜を用いる方法、イオン交換と機械濃縮を組み合わせた方法（特許文献１）、電気泳動法（特許文献２）などが知られている。
しかしながら、いずれの方法についても十分な効果を奏するとは言えなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０９５３９１号公報
【特許文献２】特開２０００−３５４７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、液体に存在する金属を濃縮する方法、または液体の溶液量を効果的に減少させられる方法等であって、良好な効果を奏するものを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための発明に係る濃縮方法は、金属を含む水に摩擦用混合物を添加し、前記摩擦用混合物を含む水を機械的に撹拌して熱を発生させ前記水を蒸発させることによって、前記金属と前記摩擦用混合物とを分離することを特徴とする。
金属とは、固体状態で金属光沢・展性・延性をもち、種々の機械的工作を施すことができ、かつ電気および熱の良導体であるなどの性質をもつ物質の総称である。具体的には、リチウム・ナトリウム・カリウム・ルビジウムなどのアルカリ金属、ベリリウム・マグネシウム・カルシウム・ストロンチウム・バリウムなどのアルカリ土類金属、アルミニウム・タングステン・鉛・亜鉛・金・銀・銅・クロム・カドミウム・ニッケル・コバルトなどの非鉄金属などが含まれる。また、金属は単体であっても良く、合金、各種化合物の形態であっても良い。また、金属は、イオンとして水に溶解していても良く、微小な形態で懸濁していても良い。
【０００７】
摩擦用混合物とは、撹拌によって熱を発生させるために水に混合させるものであって、有機系のものと無機系のものとに大別できる。このうち、有機系の摩擦用混合物とは、主として有機物によって構成された混合物であって、例えば木くず、おがくず、パルプ、古紙（裁断屑、新聞紙、雑誌、段ボールなどを含む）などが含まれるがこれらに限定されない。無機系の摩擦用混合物とは、主として無機物によって構成された混合物であって、例えばゼオライト・シリカなどが含まれるがこれらに限定されない。摩擦用混合物としては、有機系のものと無機系のものをそれぞれ単独で用いることができるし、適度に混合して用いることができる。無機系混合物を用いた場合には、良好に熱を発生させることができるので、水の蒸発操作を効率良く行うことができる。
【０００８】
一方、有機系混合物を用いた場合には、装置の摩耗を防いで長期間に渡って使用できる。また、有機系混合物として、おがくず・木くず・古紙などの廃棄物を用いた場合には、（１）廃物利用を行いつつ、濃縮操作を行える、（２）濃縮後のものを焼却すれば金属を容易に取り出せるなどの効果がある。
機械的に撹拌するとは、熱を発生させるために、所定の装置を用いて水と摩擦用混合物とを撹拌することを意味する。熱を発生させることにより、水を蒸発させて容量を減少させ、或いは金属を濃縮できる。
【０００９】
また、本発明の容量減少方法は、水分を含む被容量減少物に摩擦用混合物を添加し、前記摩擦用混合物を含む被容量減少物を機械的に撹拌して熱を発生させ前記水分を蒸発させることを特徴とする。
上記発明において、前記摩擦用混合物は、有機物であることが好ましい。
また、本発明に係る装置は、上記方法の発明の実施に用いるものであって、前記摩擦用混合部と水分とを混合する摩擦混合部と、この摩擦混合部に隣接し蒸気を取り出す蒸気取出部とを備え、前記摩擦混合部には、前記摩擦用混合物を混合すると共に内壁が円筒形の混合室と、この混合室内を貫通する回転軸と、この回転軸に設けられ前記混合室の内壁よりも僅かに小さな外径を備えた回転翼とが備えられ、前記蒸気取出部には、蒸気取出室と、この蒸気取出室内を貫通する上記回転軸と、この回転軸に設けられ内部の混合物を前記摩擦混合部側に送る粉体流出防止用のスクリューと、前記蒸気取出室に開口された蒸気取出口とが備えられ、前記混合室内に収容された摩擦用混合物と水を前記回転翼で混合および粉砕することで摩擦熱によって発熱させながら蒸気を発生させ、この蒸気を前記蒸気取出口から取り出すことを特徴とする。
【００１０】
上記発明においては、前記蒸気取出口には発生した蒸気を冷ますことによって蒸留水を回収する液体回収器が設けられていると共に、前記水分を含有する被容量減少物が前記摩擦混合部に投入される前に、前記液体回収器からの熱を受け取ることで予熱される構成とすることが好ましい。このとき、（１）液体回収器の外周を回る熱吸収管が設けられており、前記被容量減少物が前記熱吸収管の内部を通過することで予熱される構成とすることができる。この場合には、被容量減少物が予熱される距離（或いは、時間）を長く設定できるので、被容量減少物の温度を高くすることができ、摩擦混合部での処理時間が短くて済む。
【００１１】
また、（２）液体回収器の内側に貯留空間を設けておき、前記被容量減少物が前記貯留空間内で予熱される構成とすることができる。被容量減少物の粘度が高い場合または混合物が存在するような場合（例えば、屎尿または従来の方法で固液分離された後の固相部分など）には、管体内を通過させることが困難な場合があり得るが、貯留空間を設けることにより、そのような被容量減少物を予熱できる。この発明によれば、被容量減少物を予熱できるので、装置の熱効率が良好となる。
本発明を実施するためには、摩擦用混合物と被容量減少物の初期割合は、適宜に変更できるが、４０％〜６０％とすることが好ましい。また、摩擦用混合物と被容量減少物とを混合したときの含水率（水：摩擦用混合物）は、２０％〜２００％であることが好ましい。含水率が低すぎると、水分の減少によって摩擦混合部の内部温度が上がりすぎてしまうことがあり、一方、含水率が高すぎると、十分な摩擦熱が発生し難く、処理時間が長く掛かりすぎてしまうからである。
【００１２】
また、本願発明に係る容量減少装置は、水分を含む被容量減少物を機械的に撹拌して熱を発生させ前記水分を蒸発させるものであって、前記被容量減少物を撹拌する摩擦混合部と、この摩擦混合部に隣接し蒸気を取り出す蒸気取出部とを備え、前記摩擦混合部には、前記被容量減少物を撹拌すると共に内壁が円筒形の混合室と、この混合室内を貫通する回転軸と、この回転軸に設けられ前記混合室の内壁よりも僅かに小さな外径を備えた回転翼とが備えられ、前記蒸気取出部には、蒸気取出室と、この蒸気取出室内を貫通する上記回転軸と、この回転軸に設けられ内部の被容量減少物を前記摩擦混合部側に送る粉体流出防止用のスクリューと、前記蒸気取出室に開口された蒸気取出口とが備えられ、前記混合室内に収容された被容量減少物を前記回転翼で撹拌することで摩擦熱によって発熱させながら蒸気を発生させ、この蒸気を前記蒸気取出口から取り出すことを特徴とする。
【００１３】
この発明においては、前記蒸気取出口には発生した蒸気を冷ますことによって蒸留水を回収する液体回収器が設けられていると共に、前記水分を含有する被容量減少物が前記摩擦混合部に投入される前に、前記液体回収器からの熱を受け取ることで予熱される構成とすることが好ましい。このとき、（１）液体回収器の外周を回る熱吸収管が設けられており、前記被容量減少物が前記熱吸収管の内部を通過することで予熱される構成、または（２）液体回収器の内側に貯留空間を設けておき、前記被容量減少物が前記貯留空間内で予熱される構成とすることができる。
本発明の方法は、単独で用いることもできるし、従来公知の濃縮方法（例えば、イオン交換膜を用いる方法、電気泳動法など）によって適度に濃縮された溶液を更に濃縮するために、組み合わせて用いることもできる。
【００１４】
本発明の濃縮方法は、例えば次のような用途に用いることができる。
１．有害な金属を濃縮して、廃液の容量を減少するために用いる。例えば、重金属を含んだ工場廃液（例えば、メッキ廃液など）を濃縮して、廃液の容量減少に用いられる。なお、廃液のｐＨが低い（または高い）場合には、本方法を用いる前に、中和処理を行うことが好ましい。
２．廃液などの被容量減少物の溶量を減少するために用いる。例えば、食品工場からの廃水、ビル廃水、工場廃水、食堂・レストランの廃水、人・動物などの糞尿を被容量減少物として、水分を蒸発させることで容量減少に用いられる。このとき、従来に微生物処理を行っていたグリーストラップをなくすことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、水を効果的に蒸発させられるので、金属を有効に濃縮することが可能となる。また、多量に水を含んだものの容量を大幅に減容させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態の第１の濃縮装置システムの概要を模式的に示す斜視図である。
【図２】濃縮装置の横断面図である。
【図３】濃縮装置の縦断面図である。
【図４】回転翼の構造を説明する図である。
【図５】回転翼の部分斜視図である。
【図６】回転翼の斜視図である。
【図７】第２の濃縮装置システムの概要を模式的に示す斜視図である。
【図８】第３の濃縮装置システムの概要を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施形態について、図表を参照しつつ説明するが、本発明の技術的範囲は、これらの実施形態によって限定されるものではなく、発明の要旨を変更することなく様々な形態で実施することができる。また、本発明の技術的範囲は、均等の範囲にまで及ぶものである。
【００１８】
＜第１の濃縮装置システム＞
図１には、本実施形態の濃縮装置システム２の概要を示した。濃縮装置システム２には、濃縮装置１が設けられている。この濃縮装置１には、図１及び図２に示すように、中央に摩擦混合部１０が備えられており、その一方側には蒸気取出部２０が、他方側には材料供給部４０が設けられている。摩擦混合部１０には、減圧ポンプ６０が接続されている。
摩擦混合部１０には、混合室１１と、混合室１１の中央を横方向に貫通する回転軸３０と、回転軸３０に立設された回転翼１５とが設けられている。
【００１９】
混合室１１は円筒形状であり、回転翼１５の外径よりも僅かに大きな内径を備えている。混合室１１の内径は６０ｃｍ、幅３０ｃｍであり、エネルギー効率及び投入される摩擦用混合物と水の質量から適切なものとなっている。混合室１１内は、回転翼１５による摩擦用混合物と水との混合及び粉砕作用に伴って発熱するため、３００℃までの温度に耐えるようになっている。また、混合室１１の内壁には、摩擦用混合物と水による衝撃が加わるため、耐衝撃性が備えられている。
混合室１１の下部には、混合室１１内で粉砕された固体成分を必要に応じて回収するための粉体排出口１１ｂが設けられている。粉体排出口１１ｂには、蓋部１２ｂが設けられている。粉体排出口１１ｂと蓋部１２bとの接触部分には、耐熱性と密閉性とを備えたパッキング材が設けられている。
【００２０】
回転軸３０は、材料供給部４０と混合室１１と蒸気取出部２０を貫通すると共に、回転自在に設けられている。また、回転軸３０はモータ５０の駆動によって、回転される。回転軸３０において混合室１１に位置する部分には、図２に示すように、４枚の回転翼１５が互いに相対する方向に立設されている。より詳細には、回転翼は、回転軸３０の軸方向に横並びに中央に２枚、混合室１１の側面一面側に半割れ状の回転翼１５ａが、他面側に棒状回転翼１９の合計４枚の回転翼が配設されている。図３に示すように、回転翼１５の先端位置は、混合室１１の内壁よりも僅かに内側で回転するようになっており、回転軸３０の回転によって、摩擦用混合物が粉砕されることで摩擦熱が発生する。
【００２１】
図４及び図５に示すように、中央に配設された４枚の回転翼１５は、先端部分に摩擦用混合物を粉砕するために幅広に形成された叩打部１６を備えている。叩打部１６には、摩擦用混合物と水を叩打するように軸心方向に沿って外方に傾斜された叩打面１６ａが設けられている。この形状によって、摩擦用混合物と水を回転軸３０の軸心方向（図４における方向Ｄ１）であって、かつ混合室１１の中心に向かって叩打することで、効率的な叩打及び粉砕を行える。
また、回転翼１５の根元側（回転軸３０との接続部分）には、回転方向へ向かう凸面１７ａを備えた曲面部１７が設けられており、摩擦用混合物と水を周方向（図４における方向Ｄ２）に跳ね飛ばすことができる。曲面部１７は肉厚に形成されており、回転軸３０との接合が大きいブロック形状をなしているため強度の面で優れている。回転翼１５の叩打面１６ａで回転軸３０の軸芯方向Ｄ１へ向かって叩打された摩擦用混合物と水は、凸面１７ａにより周方向Ｄ２へ向かつて跳ね上げられる。この繰り返しによって、摩擦用混合物と水は、叩打面１６ａと凸面１７ａとの間を行き来することとなり、この空間に閉じ込められたようになり、粉砕及び発熱を高効率に行える。このように、摩擦用混合物と水が回転軸３０に絡まるのを効果的に防止できる。
【００２２】
半割れ状の回転翼１５ａも同様に、摩擦用混合物と水を叩打するように軸心方向に傾斜された叩打面を有しており、混合室１１内部に向かって傾斜させた形状となっている。回転翼１５ａ及ぴ棒状回転翼１９は、摩擦用混合物と水を叩打すると共に、粉体が蒸気取出部２０へ流出するのを防いでいる。
図６に示すように、回転翼１５は、回転軸３０を挟んで対向する方向（つまり、ほぼ１８０°離れた方向）に配置されている。こうして、回転翼１５による叩打間隔が長くなることで、摩擦用混合物と水の混合室１１における滞空時間が長くなり、水分が蒸発する時間が長く取れるようになっている。
【００２３】
蒸気取出部２０は混合室１１の一方側に隣接されており、蒸気取出室２１と、蒸気取出室２１の内部を貫通する回転軸３０と、回転軸３０から径方向外側に設けられたスクリュー２５と、蒸気取出室２１に開口された蒸気取出口２１ａとを備えている。スクリュー２５は、回転軸３０の回転によって、内部の物質を混合室１１の方向に移動させるように設定されている。蒸気取出部２０では、回転軸３０の回転に伴うスクリュー２５の回転によって、粉体が混合室１１から流出するのを防ぐことができる。
蒸気取出口２１ａは、図１に示すように、第二バルブ１０２及び第一圧力計１１１と接続されると共に、液体回収器７０と接続されている。第二バルブ１０２は、大気開放可能とされている。また、第一圧力計１１１は、蒸気取出部２０の内圧を計測できる。
【００２４】
蒸気取出室２１の外壁中央には、挿通口２１ｂが設けられており、この挿通口２１ｂには回転軸３０が回転可能に挿通されている。挿通口２１ｂの外方には、回転軸３０の外周部分を密閉する密封部２７が設けられている。密封部２７には、密封材２７ｂと、この密封材２７ｂを固定する固定具２７ａが設けられている。こうして、密封部２７により、回転軸３０と挿通口２１ｂとの間から蒸気が漏出されることを防止する。
混合室１１において、蒸気取出部２０とは逆の他方側には、材料供給部４０が設けられている。材料供給部４０には、材料供給室４１と、材料供給室４１の内部を貫通する回転軸３０と、回転軸３０から径方向外側に設けられたスクリュー４３と、材料供給室４１に開口された材料供給口４１ａとを備えている。スクリュー４３は、回転軸３０の回転によって、投入された摩擦用混合物と水を混合室１１の方向に移動させるように設定されている。このように、蒸気取出部２０と材料供給部４０とは、摩擦混合部１０を挟んで対称的な構造となっている。図２に示すように、二つのスクリュー２５，４３は、螺旋状の羽根が左右対称に設けられており、同軸上に備えられているので、回転軸３０が一定方向へ回転することによって、スタリュー２５が混合室１１からの粉体の流出を防ぐと同時に、スクリュー４３が摩擦用混合物と水を混合室１１に供給する。
【００２５】
両スクリュー２５，４３は、同ピッチとしても良いし、異なるピッチとすることもできる。回転軸３０の回転数に応じて、スクリュー２５の粉体流出防止作用と、スクリュー４３の材料供給作用とのバランスを適当に設定できる。
材料供給部４０の材料供給口４１ａの上方には、材料投入容器２８が接続されている。材料供給部４０と材料投入容器２８との間には、第一バルブ１０１が設けられている。
材料供給口４１ａから投入された摩擦用混合物と水が材料供給室４１を満たしており、スクリュー４３の回転によって摩擦用混合物と水を混合室１１へ押し込んでいくことにより、材料供給・粉砕・濃縮という一連の流れが連続して行われる。また、摩擦用混合物と水で材料供給室４１が常に満たされているため、混合室１１への空気流入が防止され、ほぽ無酸素状態で混合室１１における粉砕が行われる。
【００２６】
摩擦混合部１０と減圧ポンプ６０との間には、三個のバルブ１０３，１０４，１０５が設けられている。また、摩擦混合部１０と減圧ポンプ６０との間には、粉体回収容器６１が備えられている。粉体回収容器６１は、第四バルブ１０４と第五バルブ１０５との間に接続されている。両バルブ１０４，１０５と粉体回収容器６１との間には第二圧力計１１２が設けられている。第二圧力計１１２は、粉体回収容器６１の内圧を計測できる。粉体回収容器６１と後述する送風機６２とは第六バルブ１０６を介して接続されている。
粉体回収容器６１の内部には集塵フィルタ６１ａが設けられており、蒸気取出室２１から回収されてきた粉体が回収される。集塵フィルタ６１ａを交換する際には、第六バルブ１０６を開いて送風機６２からの乾燥空気を利用して粉体回収容器６１の蓋を開くことができる。送風機６２は、大気を吸引して加熱除湿し乾燥空気を排出するドライエアーコンプレッサである。摩擦混合部１０と送風機６２との間には、第七バルブ１０７が設けられている。
なお、送風機６２を設けない場合には、第六バルブ１０６を介して粉体回収容器６１を大気開放可能としてもよい。この場合は、第六バルブ１０６を開放することで、粉体回収容器６１の蓋を開くことができる。
【００２７】
＜第２の濃縮装置システム＞
次に、図７を参照しつつ、第２の濃縮装置システム３について説明する。なお、第１の濃縮装置システム２と第２の濃縮装置システム３とにおいて、同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
この濃縮装置システム３では、液体回収器７０からの熱を用いて、材料を予熱しておき、これを材料供給部４０に投入することにより、エネルギーを効率的に用いることとしている。すなわち、液体回収器７０は、濃縮装置１の蒸気取出部２０と接続されており、蒸気取出部２０から取り出された蒸気は、蒸気回収管９５を通して液体回収器７０の液体回収筒７４に誘導される。蒸気回収管９５の途中には、濃縮装置１からの蒸気を吸引し、液体回収器７０に送る吸引ブロア９６が設けられている。液体回収器７０の内に導入された蒸気が冷却されて液化された後、バルブ９０を開くことによって液体取出口７３から液体を回収できる。バルブ９０の下流側には、流量計１８１が設けられている。また、液体回収器７０の外周には、熱吸収管７６がコイル状に設けられている。熱吸収管７６は、下方の導入口７６ａと上方の導出口７６ｂに開放しており、導入口７６ａには汚水などの被容量減少物を導入するパイプ７７が接続されている。
【００２８】
パイプ７７の途中には、被容量減少物を熱吸収管７６および濃縮装置１に移送するポンプ７８と、パイプ７７を開閉するバルブ７９が接続されている。導出口７６ｂには、熱吸収管７６を通って予熱された被容量減少物を濃縮装置１に移送するパイプ８０が接続されている。パイプ８０の途中には、流量計１８１とバルブ８６とが接続されている。流量計１８１，１８１によって、混合室１１への液体の流入量と、熱交換器７０からの流出量とを管理することによって、混合室１１内部の液体量を適当な範囲に維持できる。パイプ８０の他端側は、材料供給室４１の上方に設けられた材料供給口４１ｂに接続されている。なお、ポンプ７８は、パイプ７７〜熱吸収管７６〜パイプ８０の途中のいずれかの位置に設けられていればよいので、パイプ８０の途中において、導出口７６ｂからの出口側に設けることもできる。
液体回収器７０の上部には排気口７５が設けられており、液体回収器７０の内部が加圧状態となった場合に排気バルブ８４を開くことにより圧力を開放できる。
【００２９】
混合室１１の上部には、圧力センサ８２と温度センサ８３が備えられている。圧力センサ８２は、第一圧力計１１１と兼用することもできる。また、蒸気回収管９５に設けられた排出バルブ８５の直上には、蒸気温度センサ８１が備えられている。
各センサ８１，８２，８３、冷却ジャケット１８（図７には示さず）、及びコントローラを連動させることで、混合室１１内の温度・圧力及び回収蒸気の圧力・回収速度等を適宜コントロ―ルできる。即ち、温度センサ８１を監視することで、蒸気の発生及び終了を検知できる。また、圧力センサ８２及び温度センサ８３により混合室１１内の温度をコントロールでき、内部の摩擦用混合物の粉砕の程度及び液体成分の過度の加熱を防止できる。更に、圧力センサ８２の監視と制御により、混合室１１内への大気流入を防止できる。
また、濃縮装置１の下面側には、濃縮された被容量減少物を外方に取り出すための導出口９７が設けられており、ここには排出バルブ９８を備えたパイプ９９が設けられている。パイプ９９の他端側は、収納容器１００が設けられている。
濃縮装置システム３の蒸気取出口には、第二バルブ１０２が備えられており、この第二バルブ１０２を開いて蒸気取出室２１内部を清掃できる。
【００３０】
次に、上記のように構成された濃縮装置システム３の動作について説明する。
まず、第一バルブ１０１を閉じた状態で（スクリュー４３が回転していれば開けても良い）、材料投入容器２８に摩擦用混合物を所定量（攪拌容積の１０％〜８０％、好ましくは３０％〜６０％）を入れる。このとき、濃縮装置１の排出バルブ９８は閉じておく。回転翼１５，１５ａ，１９を回転させて、第一バルブ１０１を開放し、材料投入容器２８の摩擦用混合物を材料供給口４１ａから混合室１１の内部へ導入する。摩擦用混合物の全てを濃縮装置１に導いた後、第一バルブ１０１を閉止し、排出バルブ８５を開放し、材料供給口４１ｂからの溶液導入を許容する。
【００３１】
このとき、温度センサ８３を読み取りながら、好適な温度領域８０℃〜８５℃となるようにバルブ８６の開閉制御を行う。混合室１１の内部温度が６５℃以上かつ内部圧力が０.０Ｐａ以上の状態のときに吸引ブロア９６を起動させると同時に排出バルブ８５を開放し、内部の蒸気を熱交換器７０へと導き、蒸気を結露させて蒸留水とする。このとき溜まった蒸留水は、バルブ９０の開放によって、外部に排出させる。
流量計１８１，１８１の読取り量に基づいて、混合室１１への注入水と熱交換器７０からの蒸留排水とを一定範囲に保持するように、排出流量を読み取り、注入量を決定する。
【００３２】
濃縮作業の終了は、次の手順によって行われる。混合室１１内の濃縮度が増すと、モータ５０の回転動力の負荷電流が比例して増大する。電流値が通常操作時の５％〜６０％増加したときに、濃縮作業が完了したと判断し、バルブ８６を閉止して、液体回収器７０側からの注水を止める。また、温度センサ８２の温度が８０℃〜１００℃となったときに、排出バルブ９８を開放し、混合室１１内部のものを導出口９７からパイプ９９を通じて収納容器１００に排出する。
その後、吸引ブロア９６を停止し、排出バルブ８５を閉止する。
【００３３】
＜第３の濃縮装置システム＞
次に、図８を参照しつつ、第３の濃縮装置システム４について説明する。なお、第１の濃縮システム２〜第３の濃縮装置システム４において、同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
この濃縮装置システム４では、濃縮装置システム３と同様に、液体回収器１２０からの熱を用いて材料を予熱するが、その方式が異なっている。すなわち、濃縮装置システム４では、液体回収器１２０の内側に貯留空間１２３が設けられており、その貯留空間１２３の内部で被容量減少物を予熱する構成としてある。液体回収器１２０の外周には、熱交換管１２１がコイル状に回し付けられている。熱交換管１２１の上方は、蒸気回収管９６からの蒸気を導入する導入口１２１ａとされている。また、熱交換管１２１の下方は、冷却された液化した溶液を取り出す液体取出口７３とされている。貯留空間１２３に被容量減少物を投入すると、熱交換管１２１に導入された蒸気の熱によって、被容量減少物を予熱できる。
【００３４】
液体回収器１２０の下端側には、貯留空間１２３から連通する放出口１３０が設けられており、ここにはパイプ１３１が接続されている。パイプ１３１の他端側は、材料供給口４１ｂに接続されている。排出バルブ８５は、材料供給口４１ｂの位置よりも高く設定することが好ましい。また、パイプ１３１の途中には、バルブ１３２が設けられている。
液体取出口７３からは、バルブ９０の開放によって、液化した蒸気が蒸留水として排出される。
本システム４においても、第２の濃縮システム３と同様の作用を奏することができる。
また、被容量減少物の粘度が高い場合または被容量減少物に混合物が存在するような場合には、第２の濃縮装置システム３では熱吸収管７６（管体）内を被容量減少物が流れにくい事態が考えられるが、そのような場合にも被容量減少物を予熱できる。
【００３５】
＜実施例１＞
摩擦用混合物として、２ｍｍ角程度のスギオガ粉１２Ｌ（３ｋｇ）を使用した。また、被容量減少物として、醤油と食品残渣を混合したもの８Ｌ（８.５ｋｇ）を用いた。摩擦用混合物を混合室内へ投入し、回転速度１７８０ｒｐｍで回転翼を回転させながら、被容量減少物を２分間をかけて注入した。攪拌時の温度を８０℃とし、４分間に渡って攪拌操作したところ、混合室内の温度が９０℃に到達したので、混合室内の濃縮物を排出した。
上記濃縮操作時に熱交換器７０から回収された蒸留水は透明であった。また、混合室内で濃縮された物は、スギオガ粉を摩擦用混合物として使用した為に少し匂いがあり、色は赤み掛かっていた。
＜実施例２＞
摩擦用混合物として、杉オガ粉１８Ｌを使用した。被容量減少物として、海水８Ｌを用いた。杉オガ粉を混合室内へ投入し、回転速度１７８０ｒｐｍで回転翼を回転させながら、５分間をかけて容器内へ海水を注入した。撹拌時の温度を８０℃に設定しておき、混合室内の温度が９５℃に到達した後に内容物を排出した。回転操作時に排出された蒸気は、熱交換器で蒸留水として採取した。
その結果、杉オガ粉は乾燥しており、蒸留水は透明で塩分濃度は検出されなかった。
【００３６】
＜実施例３＞
摩擦用混合物として、杉オガ粉１８Ｌを使用した。被容量減少物として、食品工場排水８Ｌを用いた。杉オガ粉を混合室内へ投入し、回転速度１７８０ｒｐｍで回転翼を回転させながら、５分間をかけて容器内へ食品工場排水を注入した。撹拌時の温度を８０℃に設定しておき、混合室内の温度が９５℃に到達した後に内容物を排出した。回転操作時に排出された蒸気は、熱交換器で蒸留水として採取した。
その結果、杉オガ粉は乾燥しており、蒸留水は透明であった。
＜実施例４＞
摩擦用混合物として、桧葉１８Ｌを用いた。被容量減少物として、水８Ｌを用いた。桧葉を混合室内へ投入し、回転速度１７８０ｒｐｍで回転翼を回転させながら、５分間をかけて容器内へ水を注入した。撹拌時の温度を８０℃に設定しておき、混合室内の温度が８３℃に到達した後に内容物を排出した。回転操作時に排出された蒸気は、熱交換器で蒸留水として採取した。
その結果、桧葉はゲル状となっていた。また、蒸留水は透明であった。
【００３７】
＜実施例５＞
摩擦用混合物として、オカラ１８Ｌを用いた。被容量減少物として、水８Ｌを用いた。オカラを混合室内へ投入し、回転速度１７８０ｒｐｍで回転翼を回転させながら、１０分間をかけて容器内へ水を注入した。撹拌時の温度を８０℃に設定しておき、混合室内の温度が９０℃に到達した後に内容物を排出した。回転操作時に排出された蒸気は、熱交換器で蒸留水として採取した。
その結果、オカラはゲル状となっていた。また、蒸留水は透明であった。
＜実施例６＞
摩擦用混合物として、銀杏の葉１８Ｌを用いた。被容量減少物として、水８Ｌを用いた。銀杏の葉を混合室内へ投入し、回転速度１７８０ｒｐｍで回転翼を回転させながら、１５分間をかけて容器内へ水を注入した。撹拌時の温度を８０℃に設定しておき、混合室内の温度が９０℃に到達した後に内容物を排出した。回転操作時に排出された蒸気は、熱交換器で蒸留水として採取した。
その結果、銀杏の葉はゲル状となっていた。また、蒸留水は透明であった。
【００３８】
＜実施例７＞
摩擦用混合物として、大豆１０Ｌを用いた。被容量減少物として、水１０Ｌを用いた。大豆を混合室内へ投入し、回転速度１７８０ｒｐｍで回転翼を回転させながら、１０分間をかけて容器内へ水を注入した。撹拌時の温度を８０℃に設定しておき、混合室内の温度が９０℃に到達した後に内容物を排出した。回転操作時に排出された蒸気は、熱交換器で蒸留水として採取した。
その結果、大豆はゲル状となっていた。また、蒸留水は透明であった。
【符号の説明】
【００３９】
１…濃縮装置
２，３，４…濃縮装置システム
１０…摩擦混合部
１１…混合室
１５，１５ａ，１９…回転翼
２０…蒸気取出部
２４，４３…スクリュー
３０…回転軸
７０，１２０…液体回収器
７６…熱吸収管
９５…蒸気回収管
１２３…貯留空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属を含む水に摩擦用混合物を添加し、前記摩擦用混合物を含む水を機械的に撹拌して熱を発生させ前記水を蒸発させることによって、前記金属と前記摩擦用混合物とを分離することを特徴とする濃縮方法。
【請求項２】
水分を含む被容量減少物に摩擦用混合物を添加し、前記摩擦用混合物を含む被容量減少物を機械的に撹拌して熱を発生させ前記水分を蒸発させることを特徴とする容量減少方法。
【請求項３】
前記摩擦用混合物は、有機系のものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の方法に用いられる装置であって、
前記摩擦用混合部と水分とを混合する摩擦混合部と、この摩擦混合部に隣接し蒸気を取り出す蒸気取出部とを備え、
前記摩擦混合部には、前記摩擦用混合物を混合すると共に内壁が円筒形の混合室と、この混合室内を貫通する回転軸と、この回転軸に設けられ前記混合室の内壁よりも僅かに小さな外径を備えた回転翼とが備えられ、
前記蒸気取出部には、蒸気取出室と、この蒸気取出室内を貫通する上記回転軸と、この回転軸に設けられ内部の混合物を前記摩擦混合部側に送る粉体流出防止用のスクリューと、前記蒸気取出室に開口された蒸気取出口とが備えられ、
前記混合室内に収容された摩擦用混合物と水を前記回転翼で混合および粉砕することで摩擦熱によって発熱させながら蒸気を発生させ、この蒸気を前記蒸気取出口から取り出すことを特徴とする装置。
【請求項５】
前記蒸気取出口には発生した蒸気を冷ますことによって蒸留水を回収する液体回収器が設けられていると共に、前記水分を含有する被容量減少物が前記摩擦混合部に投入される前に、前記液体回収器からの熱を受け取ることで予熱されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記液体回収器の外周を回る熱吸収管が設けられており、前記被容量減少物が前記熱吸収管の内部を通過することで予熱されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記液体回収器の内側に貯留空間を設けておき、前記被容量減少物が前記貯留空間内で予熱されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項８】
水分を含む被容量減少物を機械的に撹拌して熱を発生させ前記水分を蒸発させる容量減少装置であって、
前記被容量減少物を撹拌する摩擦混合部と、この摩擦混合部に隣接し蒸気を取り出す蒸気取出部とを備え、前記摩擦混合部には、前記被容量減少物を撹拌すると共に内壁が円筒形の混合室と、この混合室内を貫通する回転軸と、この回転軸に設けられ前記混合室の内壁よりも僅かに小さな外径を備えた回転翼とが備えられ、前記蒸気取出部には、蒸気取出室と、この蒸気取出室内を貫通する上記回転軸と、この回転軸に設けられ内部の被容量減少物を前記摩擦混合部側に送る粉体流出防止用のスクリューと、前記蒸気取出室に開口された蒸気取出口とが備えられ、前記混合室内に収容された被容量減少物を前記回転翼で撹拌することで摩擦熱によって発熱させながら蒸気を発生させ、この蒸気を前記蒸気取出口から取り出すことを特徴とする容量減少装置。
【請求項９】
前記蒸気取出口には発生した蒸気を冷ますことによって蒸留水を回収する液体回収器が設けられていると共に、前記水分を含有する被容量減少物が前記摩擦混合部に投入される前に、前記液体回収器からの熱を受け取ることで予熱されることを特徴とする請求項８に記載の容量減少装置。
【請求項１０】
前記液体回収器の外周を回る熱吸収管が設けられており、前記被容量減少物が前記熱吸収管の内部を通過することで予熱されることを特徴とする請求項９に記載の容量減少装置。
【請求項１１】
前記液体回収器の内側に貯留空間を設けておき、前記被容量減少物が前記貯留空間内で予熱されることを特徴とする請求項９に記載の容量減少装置。
【請求項１】
金属を含む水に摩擦用混合物を添加し、前記摩擦用混合物を含む水を機械的に撹拌して熱を発生させ前記水を蒸発させることによって、前記金属と前記摩擦用混合物とを分離することを特徴とする濃縮方法。
【請求項２】
水分を含む被容量減少物に摩擦用混合物を添加し、前記摩擦用混合物を含む被容量減少物を機械的に撹拌して熱を発生させ前記水分を蒸発させることを特徴とする容量減少方法。
【請求項３】
前記摩擦用混合物は、有機系のものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の方法に用いられる装置であって、
前記摩擦用混合部と水分とを混合する摩擦混合部と、この摩擦混合部に隣接し蒸気を取り出す蒸気取出部とを備え、
前記摩擦混合部には、前記摩擦用混合物を混合すると共に内壁が円筒形の混合室と、この混合室内を貫通する回転軸と、この回転軸に設けられ前記混合室の内壁よりも僅かに小さな外径を備えた回転翼とが備えられ、
前記蒸気取出部には、蒸気取出室と、この蒸気取出室内を貫通する上記回転軸と、この回転軸に設けられ内部の混合物を前記摩擦混合部側に送る粉体流出防止用のスクリューと、前記蒸気取出室に開口された蒸気取出口とが備えられ、
前記混合室内に収容された摩擦用混合物と水を前記回転翼で混合および粉砕することで摩擦熱によって発熱させながら蒸気を発生させ、この蒸気を前記蒸気取出口から取り出すことを特徴とする装置。
【請求項５】
前記蒸気取出口には発生した蒸気を冷ますことによって蒸留水を回収する液体回収器が設けられていると共に、前記水分を含有する被容量減少物が前記摩擦混合部に投入される前に、前記液体回収器からの熱を受け取ることで予熱されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記液体回収器の外周を回る熱吸収管が設けられており、前記被容量減少物が前記熱吸収管の内部を通過することで予熱されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記液体回収器の内側に貯留空間を設けておき、前記被容量減少物が前記貯留空間内で予熱されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項８】
水分を含む被容量減少物を機械的に撹拌して熱を発生させ前記水分を蒸発させる容量減少装置であって、
前記被容量減少物を撹拌する摩擦混合部と、この摩擦混合部に隣接し蒸気を取り出す蒸気取出部とを備え、前記摩擦混合部には、前記被容量減少物を撹拌すると共に内壁が円筒形の混合室と、この混合室内を貫通する回転軸と、この回転軸に設けられ前記混合室の内壁よりも僅かに小さな外径を備えた回転翼とが備えられ、前記蒸気取出部には、蒸気取出室と、この蒸気取出室内を貫通する上記回転軸と、この回転軸に設けられ内部の被容量減少物を前記摩擦混合部側に送る粉体流出防止用のスクリューと、前記蒸気取出室に開口された蒸気取出口とが備えられ、前記混合室内に収容された被容量減少物を前記回転翼で撹拌することで摩擦熱によって発熱させながら蒸気を発生させ、この蒸気を前記蒸気取出口から取り出すことを特徴とする容量減少装置。
【請求項９】
前記蒸気取出口には発生した蒸気を冷ますことによって蒸留水を回収する液体回収器が設けられていると共に、前記水分を含有する被容量減少物が前記摩擦混合部に投入される前に、前記液体回収器からの熱を受け取ることで予熱されることを特徴とする請求項８に記載の容量減少装置。
【請求項１０】
前記液体回収器の外周を回る熱吸収管が設けられており、前記被容量減少物が前記熱吸収管の内部を通過することで予熱されることを特徴とする請求項９に記載の容量減少装置。
【請求項１１】
前記液体回収器の内側に貯留空間を設けておき、前記被容量減少物が前記貯留空間内で予熱されることを特徴とする請求項９に記載の容量減少装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１０１８６８（Ｐ２０１１−１０１８６８Ａ）
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５８４５６（Ｐ２００９−２５８４５６）
【出願日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【出願人】（３０４０２７３４９）国立大学法人豊橋技術科学大学 (391)
【出願人】（５０００１９１３３）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【出願人】（３０４０２７３４９）国立大学法人豊橋技術科学大学 (391)
【出願人】（５０００１９１３３）
【Ｆターム（参考）】
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