メンブレン式散気装置
【課題】圧力損失を抑制しつつ、酸素移動効率に優れた微細気泡を生成することができるメンブレン式散気装置を提供する。
【解決手段】内側の供給気体と外側の対象液体とを隔てる散気膜３を有し、散気膜３にスリット８、９，１０からなる複数の散気孔２１を備えるものであって、散気膜３は、気体接着力係数γが０．２〜１３．７ｍＮ／ｍとなる材質を備え、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍである。
【解決手段】内側の供給気体と外側の対象液体とを隔てる散気膜３を有し、散気膜３にスリット８、９，１０からなる複数の散気孔２１を備えるものであって、散気膜３は、気体接着力係数γが０．２〜１３．７ｍＮ／ｍとなる材質を備え、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は下水処理施設などの槽内に設置するメンブレン式散気装置に関し、生物処理または攪拌のために散気を行う技術に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の散気装置には、例えば図９に示すものがある。これはベースプレート５１の上面に散気膜５２を装着し、散気膜５２の膜面上の所定位置に給気口５３を設けたものであり、給気口５３がベースプレート５１と散気膜５２との間に連通している。散気膜５２は合成樹脂膜または合成ゴム膜に多数のスリット５４を設けたものであり、散気膜５２の周囲を固定部５５によってベースプレート５１に固定した構造をなす。
【０００３】
スリット５４は散気膜５２の長手方向Ａと平行をなし所定長、例えば０．２ｍｍを有している。散気停止時には、散気膜５２が槽内の水圧を受けてベースプレート５１の上面に押し付けられた状態となり、散気膜５２は膨張せず、スリット５４は閉じている。散気時には、圧縮空気が給気口５３から供給されて、散気膜５２が圧縮空気の圧力を受けて山形状に膨張し、スリット５４が散気膜５２の短手方向Ｂに開き、スリット５４から気泡が噴出する。
【０００４】
散気装置の他の例としては、図１０から図１１に示すものがある。これは、散気管６１の外周面に合成樹脂膜または合成ゴム膜からなる散気膜６２を配置し、散気膜６２に多数のスリット６３を設けたものである。スリット６３は散気管６１の軸心方向である長手方向と平行をなし、所定長を有している。散気時には、スリット６３が管周方向である短手方向に広がって気泡を噴出する。
【０００５】
先行技術文献としては特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−７７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記した構成において、例えば気泡径０．５ｍｍから１．０ｍｍの微細気泡を発生させるためには、スリット長を例えば０．２ｍｍ程度に短く形成する必要がある。 しかしながら、スリット長を短くすると気泡を発生させる際の圧力損失が大きくなって送気エネルギーのロスが大きくなる。逆に、スリット長を長く設定すると、圧力損失を抑制できるが、気泡径が大きくなり、酸素移動効率が低下するという二律背反の課題があった。
【０００８】
また、スリットの方向が散気膜の長手方向に沿った１方向にのみ配列されており、全てのスリットが同様に開口する構成である。しかしながら、実際にはスリット長のバラツキ等の要因が存在し、このバラツキに起因して気泡が発生し易いスリットと気泡が発生し難いスリットがあり、特に低風量時に気泡は発生が容易なスリットから多量に噴出し、発泡ムラが生じる。
【０００９】
この気泡が発生し易いスリットが散気膜の一部に偏って近在すると、発生した気泡同士が結合して粗大化し易くなり、特に低風量時には気泡の粗大化によって酸素移動効率が低下する。
【００１０】
本発明は上記した課題を解決するものであり、圧力損失を抑制しつつ、酸素移動効率に優れた微細気泡を生成することができるメンブレン式散気装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明のメンブレン式散気装置は、内側の供給気体と外側の対象液体とを隔てる散気膜を有し、散気膜にスリットからなる複数の散気孔を備えるものであって、散気膜は、気体接着力係数γが０．２〜１３．７ｍＮ／ｍとなる材質を備え、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍであることを特徴とする。
【００１２】
この構成において、気体接着力係数γは気泡に対する散気膜の親和性を示す値であり、気体接着力係数γが高いほどに気泡に対する散気膜の親和性が高くなり、対象液体に対して散気膜が疎水性となって気泡径が大きくなる。気体接着力係数γが低いほどに気泡に対する散気膜の親和性が低くなり、対象液体に対して散気膜が親水性となって気泡径が小さくなる。
【００１３】
よって、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍの下でも０．５〜１．５ｍｍ径の微細気泡を生成することができ、スリット長Ｄが大きくなることで圧力損失を軽減することができる。
【００１４】
本発明のメンブレン式散気装置は、内側の供給気体と外側の対象液体とを隔てる散気膜を有し、散気膜にスリットからなる複数の散気孔を備えるものであって、散気膜は、濡れ性を表す指標の接触角θが１０８°以下となる材質を備え、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍであることを特徴とする。
【００１５】
この構成において、濡れ性を表す接触角θは気泡に対する散気膜の親和性を示す値であり、接触角θが大きいほどに気泡に対する散気膜の親和性が高くなり、対象液体に対して散気膜が疎水性となって気泡径が大きくなる。接触角θが小さいほどに気泡に対する散気膜の親和性が低くなり、対象液体に対して散気膜が親水性となって気泡径が小さくなる。
【００１６】
よって、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍの下でも０．５〜１．５ｍｍ径の微細気泡を生成することができ、スリット長Ｄが大きくなることで圧力損失を軽減することができる。
【００１７】
また、本発明のメンブレン式散気装置において、各スリットは、散気膜の長手方向との間になす角度が０〜２５°の範囲内で、かつ異なる複数の角度のうちの何れかであることを特徴とする。
【００１８】
この構成において、スリットが散気膜の長手方向との間になす角度はスリットの開き易さに関与する。スリットと散気膜の長手方向との間の角度が小さいほどに散気時にスリットが開き易くなり、スリットと散気膜の長手方向との間の角度が大きくなるほどにスリットの開きが抑制される。
【００１９】
このため、低風量時には前記角度が小さくて開き易いスリットから散気に伴う気泡が生じ、風量増加に従って前記角度が大きいスリットからも気泡が生じる。このため、低風量時には気泡が生じるスリットとスリットの間隔が大きいので、気泡が分散することで気泡結合による酸素移動効率の低下を防止でき、風量増加時も圧損の上昇を抑えることができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように本発明によれば、散気膜の材質を適宜に選定して散気膜の濡れ性を調整することにより、気泡が散気膜から離脱することを促進して酸素移動効率に優れた微細気泡を生成し、かつ長いスリット長の下で圧力損失を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態におけるメンブレン式散気装置を示す斜視図
【図２】同実施の形態におけるメンブレン式散気装置の要部を示す断面図
【図３】同実施の形態における散気孔を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態におけるスリットパターンを示す平面図
【図５】本発明の他の実施の形態におけるスリットパターンを示す平面図
【図６】本発明の他の実施の形態におけるスリットパターンを示す平面図
【図７】本発明の他の実施の形態における接触角θと気体接着係数γの相関を示すグラフ図
【図８】表面張力を説明する模式図
【図９】従来のメンブレン式散気装置を示す斜視図
【図１０】従来の他の散気装置を示す斜視図
【図１１】同散気装置の散気状態を示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１から図４において、メンブレン式散気装置１は下水処理施設等の曝気槽内に設置されるものであり、プラスチックや金属等で製作された長方形状のベースプレート２と、ベースプレート２の上面に装着された長方形状（一方向に長い形状の一例）の散気膜３とを有している。散気膜３は、弾性を有しており、例えば、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエン）、シリコン等のゴム、或いは、ポリウレタン等の樹脂からなる。
【００２３】
散気膜３の周囲は固定部６（例えばカシメ部材等）によってベースプレート２に固定されており、ベースプレート２と散気膜３との間には空気供給部４が形成されている。また、散気膜３の長手方向Ａ（所定方向の一例）における一端部には、短筒状の給気口５が設けられている。給気口５は、空気供給部４に連通するとともに、空気供給源（図示省略）に接続されている。
【００２４】
散気膜３は、その材質において気体接着力係数γが０．２〜１３．７ｍＮ／ｍとなるものであり、気体接着力係数γについては後述するが、例えばゴム（ＥＰＤＭ）材質で、硬さ（Ａ）：５０〜７０、厚さ（ｍｍ）：１〜３のものや、ゴム（シリコン）材質で、硬さ（Ａ）：３５〜５５、厚さ（ｍｍ）：１〜３のものや、樹脂（ポリウレタン）材質で、硬さ（Ａ）：７０〜９８、厚さ（ｍｍ）：０．３〜１のもの等を採用できる。尚、上記散気膜３の性状は一例であって、これらに限定されるものではなく、使用する条件に応じて、適宜変更し、最適化することができる。
【００２５】
散気時、図２（ｂ）に示すように、散気膜３に供給される空気の圧力によって散気膜３が長手方向Ａから見て山形状に膨張する。尚、このとき、散気膜３の長手方向Ａにおける両端はベースプレート２に固定されているため、長手方向Ａから見て山形状にはならないが、散気膜３の両端を除いたほとんどの領域において散気膜３が長手方向Ａから見て山形状に膨張するので、ここでは散気膜３の両端を除外して考えるものとする。
【００２６】
散気膜３は内側の供給気体と外側の対象液体とを隔てるものであり、散気孔をなす複数の第１〜第３（第１〜第３気孔部の一例）が形成されている。図１に示すように、第１スリット８は、長手方向Ａに細長い孔（スリット）であり、上記長手方向Ａに対して平行である。第２スリット９は、長手方向Ａ（すなわち第１スリット８）に対して所定の傾斜角度αで傾斜した方向に細長い孔（スリット）である。尚、本実施の形態では、所定の傾斜角度αは１３°（鋭角）に設定されている。第３スリット１０は、長手方向Ａ（すなわち第１スリット８）に対して所定の傾斜角度βで傾斜した方向に細長い孔（スリット）である。尚、本実施の形態では、所定の傾斜角度βは２５°以下で２５°（鋭角）に近く設定されている。
【００２７】
第１〜第３スリット８〜１０は長手方向Ａおよび短手方向Ｂにおいて所定の配列パターンで複数配列されている。すなわち、第１スリット８は長手方向Ａにおいて所定間隔おきに複数形成され、長手方向Ａにおいて隣り合う第１スリット８間に第２スリット９が位置している。さらに、第３スリット１０は、長手方向Ａにおいて隣り合う第１スリット８と第２スリット９との間に位置しているとともに、長手方向Ａにおいて隣り合う第１スリット８間に位置しており、これにより、第１スリット８と第２スリット９とに隣り合っている。また、第２スリット９は短手方向Ｂにおいて隣り合う第１スリット８間にも位置している。各スリット８、９、１０のスリット長Ｄは０．４〜１．０ｍｍである。
【００２８】
次に、気体接着力係数γについて説明する。図３に示すように、散気膜３から離脱直前の状態において、気泡２０の浮力Ｆ１は界面張力による力Ｆ２と釣り合っている。気泡の浮力Ｆ１は水の密度ρ、重力加速度ｇ、気泡径ｄとするとπｄ３／６ρｇであり、界面張力による力Ｆ２は散気孔２１の直径Ｄ１≒スリット長Ｄ、気体接着力係数γとするとπＤγである。
【００２９】
ここで、「πＤ」について説明する。上述したように、散気膜３は、図２（ｂ）に示すように、散気膜３に供給される空気の圧力によって長手方向Ａから見て山形状に膨張する。この膨張に際して、散気膜３はその外周縁を拘束されることにより、長いスパンの長手方向Ａでは膨張率が小さくなり、短いスパンの短手方向では膨張率が大きくなる。このため、スリット８〜１０は短手方向に開口して散気孔２１となり、散気孔２１の開口周長はスリット長Ｄ≒直径Ｄ１として近似的に円周「πＤ」とみなして考えられる。
【００３０】
気体接着力係数γは、散気孔２１を含んで散気膜３の膜面上に発生する気泡２０を散気膜３が膜面上に保持する力に係るものであり、気泡２０に対する散気膜３の親和性を示す値である。すなわち、気体接着力係数γは、散気膜２１と空気２２との間に作用する界面張力γＳ、対象液体である水２３と空気の間に作用する界面張力（表面張力）γＬ、散気膜３と対象液体の水２３との間に作用する界面張力γＳ／Ｌによって定まるものである。
【００３１】
水２３の界面張力（表面張力）γＬが水温４℃、大気圧下で一定であるとすると、気体接着力係数γは散気膜３に係る界面張力γＳ、界面張力γＳ／Ｌによって変化する。
気体接着力係数γの算出は、発生する気泡径ｄの測定により次式に基づいて行なう。
γ＝（πｄ３ρｇ）／６πＤ＝（ｄ３ρｇ）／６Ｄ
この気体接着力係数γが高いほどに気泡２０に対する散気膜３の親和性が高くなり、対象液体の水２３に対して散気膜３が疎水性となって気泡径ｄが大きくなる。気体接着力係数γが低いほどに気泡２０に対する散気膜３の親和性が低くなり、対象液体の水２３に対して散気膜３が親水性となって気泡径ｄが小さくなる。
【００３２】
例えば、スリット長Ｄ＝０．４ｍｍの場合、気泡径０．５〜１．５ｍｍとなる気体接着力係数γは０．２〜１３．７であり、スリット長Ｄ＝１．０ｍｍの場合、気泡径０．５〜１．５ｍｍとなる気体接着力係数γは０．２〜５．５である。
【００３３】
気体接着力係数γが上述の範囲より大きくてスリット長が長い場合には気泡が大きくなり、スリット長が０．４以下だと圧力損失が大きくなる。
上述した事象は以下のように定義することも可能である。図８に示すように、一般的に物体１００の表面に滴下した液体１０１は表面張力で丸くなり、以下の式が成り立つ。すなわち、物体１００と空気１０２との間に作用する界面張力γＳ、液体１０１と空気の間に作用する界面張力（表面張力）γＬ、物体１００と液体１０１との間に作用する界面張力γＳ／Ｌ、γＬとγＳ／Ｌとのなす角度θの間にはγＳ＝γＬ・ｃｏｓθ＋γＳ／Ｌの式が成り立つ。ここでγＬは液滴の接線であり、角度θは接触角である。
【００３４】
この接触角θは気泡に対する散気膜の親和性を示す値であり、接触角θが大きいほどに気泡に対する散気膜の親和性が高くなり、対象液体に対して散気膜が疎水性となって気泡径が大きくなる。接触角θが小さいほどに気泡に対する散気膜の親和性が低くなり、対象液体に対して散気膜が親水性となって気泡径が小さくなる。
【００３５】
接触角の測定にはθ／２法、接線法、カーブフィッティング法等があるが、本実施の形態ではθ／２法によって測定した実施例を以下に示す。
【００３６】
【表１】
散気膜３の３つの材質に対する接触角θを測定した結果を表１に示す。材質（１）、材質（２）、材質（３）は、ＥＰＤＭやシリコンゴム等から選択したものであり、それぞれ接触角θが１１５°、９４°、１０６°となる異なる材質であった。
【００３７】
この接触角θの測定は、ＦＡＣＥ接触角計ＣＡ−Ｘ１５０型（協和界面科学株式会社製）によって行なった。
測定条件は以下のものである。
１．使用液体‥‥‥蒸留水
２．測定室条件‥‥‥室温２５℃、湿度４０％
３．前処理‥‥‥エタノール洗浄
４．液滴を滴下後に測定までの時間‥‥‥１秒
５．液滴の滴下場所‥‥‥スリットにかからない部位
６．測定回数‥‥‥５回測定し、最大、最小値を除いた値を平均値とする。
【００３８】
表１に示すように、接触角θが９４°である場合に気泡径が１−２ｍｍと小さくなる。図７は実測定により得られた接触角θと気体接着係数γの相関を示すものである。ここで、接触角θが９４°となる場合を含んで気体接着力係数γが０．２〜１３．７ｍＮ／ｍとなる材質の接触角θは１０８°以下である。接触角θが１０８°より大きくなると気泡が大きくなる。
【００３９】
以下、上記構成における作用を説明する。
散気運転時には、空気供給源（図示省略）から給気口５を通じて所定圧力の空気をメンブレン式散気装置１に供給することにより、図２（ｂ）に示すように、給気口５から空気供給部４に供給される空気の圧力で散気膜３が長手方向Ａから見て山形状に膨張し、散気膜３に短手方向Ｂの引張力Ｆが発生する。
【００４０】
引張力Ｆは各スリット８、９、１０を開くための力となる。この際、第１スリット８が開く方向と引張力Ｆの方向とは一致するが、第２スリット９、第３スリット１０は傾斜角度α、βで傾斜しているため、第２スリット９、第３スリット１０が開く方向と引張力Ｆの方向とは一致しない。すなわち、第１スリット８は引張力Ｆで容易に開かれるのに対して、第２スリット９、第３スリット１０は傾斜角度α、βが増大するほどに、第１スリット８に比べて開き難くなる。
【００４１】
したがって、低風量で散気を行う場合、第２スリット９、第３スリット１０よりも先に第１スリット８が開き、空気供給部４に供給された空気の大部分は、開かれた第１スリット８を通り、気泡２０となって散気膜３の内側から外側へ噴出されるのに対し、開き難い第２スリット９、第３スリット１０を通って外側へ噴出される気泡はほとんど無い。
【００４２】
これにより、第１スリット８から噴出した気泡がその隣の第３スリット１０や第２スリット９からの気泡に結合するのを防止することができ、小風量時において、気泡を分散させて均一に発生させることができ、酸素移動効率の低下を防止することが可能である。
【００４３】
また、風量を上記小風量から大風量に増やして散気を行う場合、図２（ｃ）に示すように、空気供給部４に供給される空気の供給量が多いほど空気供給部４の空気圧が上昇して、第２スリット９、第３スリット１０が開き易くなり、気泡２０を噴出する第２スリット９、第３スリット１０の個数が増加する。空気供給部４の空気は、各スリット８、９、１０を通り、気泡２０となって散気膜３の内側から外側へ噴出される。このように、低風量では、気泡２０が主に第１スリット８から噴出するが、風量が増えるのに従って、気泡２０を噴出する第２スリット９、第３スリット１０の個数が増加するため、初期圧力損失および圧力損失の上昇を抑制することができる。
【００４４】
散気停止時には、散気膜３への空気の供給が遮断されて、図２（ａ）に示すように、散気膜３が水圧を受けてベースプレート２の上面に押し付けられた状態となる。この際、散気膜３は膨張せず、第１〜第３スリット８〜１０は閉じている。
【００４５】
そして、気泡２０に対する散気膜３の親和性を示す値である気体接着力係数γが０．２〜１３．７ｍＮ／ｍであることにより、対象液体の水２３に対して散気膜３が親水性となって気泡径ｄが小さくなり、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍの下でも０．５〜１．５ｍｍ径の微細気泡を生成することができ、スリット長Ｄが大きくなることで圧力損失を軽減することができる。
【００４６】
また、接触角θが１０８°以下であることにより、対象液体の水２３に対して散気膜３が親水性となって気泡径ｄが小さくなり、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍの下でも０．５〜１．５ｍｍ径の微細気泡を生成することができ、スリット長Ｄが大きくなることで圧力損失を軽減することができる。
【００４７】
よって、散気膜３の材質を適宜に選定して散気膜３の濡れ性を調整することにより、気泡２０が散気膜３から離脱することを促進して酸素移動効率に優れた微細気泡を生成し、かつ長いスリット長の下で圧力損失を抑制することができる。
【００４８】
図５は本発明の他の実施の形態におけるスリットパターンを示すものであり、ここでは長手方向Ａに対して平行な第１スリット８と、長手方向Ａ（すなわち第１スリット８）に対して所定の傾斜角度β、つまり２５°以下で２５°に近く傾斜した第３スリット１０からなる。
【００４９】
本発明のメンブレン式散気装置においては、スリットが散気膜の長手方向との間になす角度を０〜２５°の範囲内とするが、図６に示すように、２５°以上に傾斜する第４のスリット１１を組み合わせることも可能であり、さらには角度が異なる複数種類のスリットをランダムに配置するスリットパターンも可能である。
【実施例１】
【００５０】
散気膜にポリウレタンのメンブレンを使用し、スリット長０．６ｍｍの場合、気泡径０．５から１．５ｍｍとなり、発生する気泡は気泡径１ｍｍを中心に分布し、目視実測では気泡径１ｍｍが最も多い。この場合、気泡径１ｍｍとするとγ＝２．７ｍＮ/ｍである。
【実施例２】
【００５１】
散気膜に他のポリウレタンのメンブレンを使用し、スリット長０．９ｍｍの場合、気泡径０．５から１．５ｍｍとなり、発生する気泡は気泡径１．３ｍｍを中心に分布し、目視実測では気泡径１．３ｍｍが最も多い。この場合、気泡径１．３ｍｍとするとγ＝４．０ｍＮ/ｍである。
本発明は、上述した実施の形態にかかるベースプレート２と散気膜３の構成に限らず、上下が軟質シートで構成された袋状の散気装置でも実現できる。
【符号の説明】
【００５２】
１ メンブレン式散気装置
２ ベースプレート
３ 散気膜
４ 空気供給部
５ 給気口
６ 固定部
８ 第１スリット
９ 第２スリット
１０ 第３スリット
１１ 第４スリット
２０ 気泡
２１ 散気孔
２２ 空気
２３ 水
【技術分野】
【０００１】
本発明は下水処理施設などの槽内に設置するメンブレン式散気装置に関し、生物処理または攪拌のために散気を行う技術に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の散気装置には、例えば図９に示すものがある。これはベースプレート５１の上面に散気膜５２を装着し、散気膜５２の膜面上の所定位置に給気口５３を設けたものであり、給気口５３がベースプレート５１と散気膜５２との間に連通している。散気膜５２は合成樹脂膜または合成ゴム膜に多数のスリット５４を設けたものであり、散気膜５２の周囲を固定部５５によってベースプレート５１に固定した構造をなす。
【０００３】
スリット５４は散気膜５２の長手方向Ａと平行をなし所定長、例えば０．２ｍｍを有している。散気停止時には、散気膜５２が槽内の水圧を受けてベースプレート５１の上面に押し付けられた状態となり、散気膜５２は膨張せず、スリット５４は閉じている。散気時には、圧縮空気が給気口５３から供給されて、散気膜５２が圧縮空気の圧力を受けて山形状に膨張し、スリット５４が散気膜５２の短手方向Ｂに開き、スリット５４から気泡が噴出する。
【０００４】
散気装置の他の例としては、図１０から図１１に示すものがある。これは、散気管６１の外周面に合成樹脂膜または合成ゴム膜からなる散気膜６２を配置し、散気膜６２に多数のスリット６３を設けたものである。スリット６３は散気管６１の軸心方向である長手方向と平行をなし、所定長を有している。散気時には、スリット６３が管周方向である短手方向に広がって気泡を噴出する。
【０００５】
先行技術文献としては特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−７７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記した構成において、例えば気泡径０．５ｍｍから１．０ｍｍの微細気泡を発生させるためには、スリット長を例えば０．２ｍｍ程度に短く形成する必要がある。 しかしながら、スリット長を短くすると気泡を発生させる際の圧力損失が大きくなって送気エネルギーのロスが大きくなる。逆に、スリット長を長く設定すると、圧力損失を抑制できるが、気泡径が大きくなり、酸素移動効率が低下するという二律背反の課題があった。
【０００８】
また、スリットの方向が散気膜の長手方向に沿った１方向にのみ配列されており、全てのスリットが同様に開口する構成である。しかしながら、実際にはスリット長のバラツキ等の要因が存在し、このバラツキに起因して気泡が発生し易いスリットと気泡が発生し難いスリットがあり、特に低風量時に気泡は発生が容易なスリットから多量に噴出し、発泡ムラが生じる。
【０００９】
この気泡が発生し易いスリットが散気膜の一部に偏って近在すると、発生した気泡同士が結合して粗大化し易くなり、特に低風量時には気泡の粗大化によって酸素移動効率が低下する。
【００１０】
本発明は上記した課題を解決するものであり、圧力損失を抑制しつつ、酸素移動効率に優れた微細気泡を生成することができるメンブレン式散気装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明のメンブレン式散気装置は、内側の供給気体と外側の対象液体とを隔てる散気膜を有し、散気膜にスリットからなる複数の散気孔を備えるものであって、散気膜は、気体接着力係数γが０．２〜１３．７ｍＮ／ｍとなる材質を備え、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍであることを特徴とする。
【００１２】
この構成において、気体接着力係数γは気泡に対する散気膜の親和性を示す値であり、気体接着力係数γが高いほどに気泡に対する散気膜の親和性が高くなり、対象液体に対して散気膜が疎水性となって気泡径が大きくなる。気体接着力係数γが低いほどに気泡に対する散気膜の親和性が低くなり、対象液体に対して散気膜が親水性となって気泡径が小さくなる。
【００１３】
よって、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍの下でも０．５〜１．５ｍｍ径の微細気泡を生成することができ、スリット長Ｄが大きくなることで圧力損失を軽減することができる。
【００１４】
本発明のメンブレン式散気装置は、内側の供給気体と外側の対象液体とを隔てる散気膜を有し、散気膜にスリットからなる複数の散気孔を備えるものであって、散気膜は、濡れ性を表す指標の接触角θが１０８°以下となる材質を備え、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍであることを特徴とする。
【００１５】
この構成において、濡れ性を表す接触角θは気泡に対する散気膜の親和性を示す値であり、接触角θが大きいほどに気泡に対する散気膜の親和性が高くなり、対象液体に対して散気膜が疎水性となって気泡径が大きくなる。接触角θが小さいほどに気泡に対する散気膜の親和性が低くなり、対象液体に対して散気膜が親水性となって気泡径が小さくなる。
【００１６】
よって、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍの下でも０．５〜１．５ｍｍ径の微細気泡を生成することができ、スリット長Ｄが大きくなることで圧力損失を軽減することができる。
【００１７】
また、本発明のメンブレン式散気装置において、各スリットは、散気膜の長手方向との間になす角度が０〜２５°の範囲内で、かつ異なる複数の角度のうちの何れかであることを特徴とする。
【００１８】
この構成において、スリットが散気膜の長手方向との間になす角度はスリットの開き易さに関与する。スリットと散気膜の長手方向との間の角度が小さいほどに散気時にスリットが開き易くなり、スリットと散気膜の長手方向との間の角度が大きくなるほどにスリットの開きが抑制される。
【００１９】
このため、低風量時には前記角度が小さくて開き易いスリットから散気に伴う気泡が生じ、風量増加に従って前記角度が大きいスリットからも気泡が生じる。このため、低風量時には気泡が生じるスリットとスリットの間隔が大きいので、気泡が分散することで気泡結合による酸素移動効率の低下を防止でき、風量増加時も圧損の上昇を抑えることができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように本発明によれば、散気膜の材質を適宜に選定して散気膜の濡れ性を調整することにより、気泡が散気膜から離脱することを促進して酸素移動効率に優れた微細気泡を生成し、かつ長いスリット長の下で圧力損失を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態におけるメンブレン式散気装置を示す斜視図
【図２】同実施の形態におけるメンブレン式散気装置の要部を示す断面図
【図３】同実施の形態における散気孔を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態におけるスリットパターンを示す平面図
【図５】本発明の他の実施の形態におけるスリットパターンを示す平面図
【図６】本発明の他の実施の形態におけるスリットパターンを示す平面図
【図７】本発明の他の実施の形態における接触角θと気体接着係数γの相関を示すグラフ図
【図８】表面張力を説明する模式図
【図９】従来のメンブレン式散気装置を示す斜視図
【図１０】従来の他の散気装置を示す斜視図
【図１１】同散気装置の散気状態を示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１から図４において、メンブレン式散気装置１は下水処理施設等の曝気槽内に設置されるものであり、プラスチックや金属等で製作された長方形状のベースプレート２と、ベースプレート２の上面に装着された長方形状（一方向に長い形状の一例）の散気膜３とを有している。散気膜３は、弾性を有しており、例えば、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエン）、シリコン等のゴム、或いは、ポリウレタン等の樹脂からなる。
【００２３】
散気膜３の周囲は固定部６（例えばカシメ部材等）によってベースプレート２に固定されており、ベースプレート２と散気膜３との間には空気供給部４が形成されている。また、散気膜３の長手方向Ａ（所定方向の一例）における一端部には、短筒状の給気口５が設けられている。給気口５は、空気供給部４に連通するとともに、空気供給源（図示省略）に接続されている。
【００２４】
散気膜３は、その材質において気体接着力係数γが０．２〜１３．７ｍＮ／ｍとなるものであり、気体接着力係数γについては後述するが、例えばゴム（ＥＰＤＭ）材質で、硬さ（Ａ）：５０〜７０、厚さ（ｍｍ）：１〜３のものや、ゴム（シリコン）材質で、硬さ（Ａ）：３５〜５５、厚さ（ｍｍ）：１〜３のものや、樹脂（ポリウレタン）材質で、硬さ（Ａ）：７０〜９８、厚さ（ｍｍ）：０．３〜１のもの等を採用できる。尚、上記散気膜３の性状は一例であって、これらに限定されるものではなく、使用する条件に応じて、適宜変更し、最適化することができる。
【００２５】
散気時、図２（ｂ）に示すように、散気膜３に供給される空気の圧力によって散気膜３が長手方向Ａから見て山形状に膨張する。尚、このとき、散気膜３の長手方向Ａにおける両端はベースプレート２に固定されているため、長手方向Ａから見て山形状にはならないが、散気膜３の両端を除いたほとんどの領域において散気膜３が長手方向Ａから見て山形状に膨張するので、ここでは散気膜３の両端を除外して考えるものとする。
【００２６】
散気膜３は内側の供給気体と外側の対象液体とを隔てるものであり、散気孔をなす複数の第１〜第３（第１〜第３気孔部の一例）が形成されている。図１に示すように、第１スリット８は、長手方向Ａに細長い孔（スリット）であり、上記長手方向Ａに対して平行である。第２スリット９は、長手方向Ａ（すなわち第１スリット８）に対して所定の傾斜角度αで傾斜した方向に細長い孔（スリット）である。尚、本実施の形態では、所定の傾斜角度αは１３°（鋭角）に設定されている。第３スリット１０は、長手方向Ａ（すなわち第１スリット８）に対して所定の傾斜角度βで傾斜した方向に細長い孔（スリット）である。尚、本実施の形態では、所定の傾斜角度βは２５°以下で２５°（鋭角）に近く設定されている。
【００２７】
第１〜第３スリット８〜１０は長手方向Ａおよび短手方向Ｂにおいて所定の配列パターンで複数配列されている。すなわち、第１スリット８は長手方向Ａにおいて所定間隔おきに複数形成され、長手方向Ａにおいて隣り合う第１スリット８間に第２スリット９が位置している。さらに、第３スリット１０は、長手方向Ａにおいて隣り合う第１スリット８と第２スリット９との間に位置しているとともに、長手方向Ａにおいて隣り合う第１スリット８間に位置しており、これにより、第１スリット８と第２スリット９とに隣り合っている。また、第２スリット９は短手方向Ｂにおいて隣り合う第１スリット８間にも位置している。各スリット８、９、１０のスリット長Ｄは０．４〜１．０ｍｍである。
【００２８】
次に、気体接着力係数γについて説明する。図３に示すように、散気膜３から離脱直前の状態において、気泡２０の浮力Ｆ１は界面張力による力Ｆ２と釣り合っている。気泡の浮力Ｆ１は水の密度ρ、重力加速度ｇ、気泡径ｄとするとπｄ３／６ρｇであり、界面張力による力Ｆ２は散気孔２１の直径Ｄ１≒スリット長Ｄ、気体接着力係数γとするとπＤγである。
【００２９】
ここで、「πＤ」について説明する。上述したように、散気膜３は、図２（ｂ）に示すように、散気膜３に供給される空気の圧力によって長手方向Ａから見て山形状に膨張する。この膨張に際して、散気膜３はその外周縁を拘束されることにより、長いスパンの長手方向Ａでは膨張率が小さくなり、短いスパンの短手方向では膨張率が大きくなる。このため、スリット８〜１０は短手方向に開口して散気孔２１となり、散気孔２１の開口周長はスリット長Ｄ≒直径Ｄ１として近似的に円周「πＤ」とみなして考えられる。
【００３０】
気体接着力係数γは、散気孔２１を含んで散気膜３の膜面上に発生する気泡２０を散気膜３が膜面上に保持する力に係るものであり、気泡２０に対する散気膜３の親和性を示す値である。すなわち、気体接着力係数γは、散気膜２１と空気２２との間に作用する界面張力γＳ、対象液体である水２３と空気の間に作用する界面張力（表面張力）γＬ、散気膜３と対象液体の水２３との間に作用する界面張力γＳ／Ｌによって定まるものである。
【００３１】
水２３の界面張力（表面張力）γＬが水温４℃、大気圧下で一定であるとすると、気体接着力係数γは散気膜３に係る界面張力γＳ、界面張力γＳ／Ｌによって変化する。
気体接着力係数γの算出は、発生する気泡径ｄの測定により次式に基づいて行なう。
γ＝（πｄ３ρｇ）／６πＤ＝（ｄ３ρｇ）／６Ｄ
この気体接着力係数γが高いほどに気泡２０に対する散気膜３の親和性が高くなり、対象液体の水２３に対して散気膜３が疎水性となって気泡径ｄが大きくなる。気体接着力係数γが低いほどに気泡２０に対する散気膜３の親和性が低くなり、対象液体の水２３に対して散気膜３が親水性となって気泡径ｄが小さくなる。
【００３２】
例えば、スリット長Ｄ＝０．４ｍｍの場合、気泡径０．５〜１．５ｍｍとなる気体接着力係数γは０．２〜１３．７であり、スリット長Ｄ＝１．０ｍｍの場合、気泡径０．５〜１．５ｍｍとなる気体接着力係数γは０．２〜５．５である。
【００３３】
気体接着力係数γが上述の範囲より大きくてスリット長が長い場合には気泡が大きくなり、スリット長が０．４以下だと圧力損失が大きくなる。
上述した事象は以下のように定義することも可能である。図８に示すように、一般的に物体１００の表面に滴下した液体１０１は表面張力で丸くなり、以下の式が成り立つ。すなわち、物体１００と空気１０２との間に作用する界面張力γＳ、液体１０１と空気の間に作用する界面張力（表面張力）γＬ、物体１００と液体１０１との間に作用する界面張力γＳ／Ｌ、γＬとγＳ／Ｌとのなす角度θの間にはγＳ＝γＬ・ｃｏｓθ＋γＳ／Ｌの式が成り立つ。ここでγＬは液滴の接線であり、角度θは接触角である。
【００３４】
この接触角θは気泡に対する散気膜の親和性を示す値であり、接触角θが大きいほどに気泡に対する散気膜の親和性が高くなり、対象液体に対して散気膜が疎水性となって気泡径が大きくなる。接触角θが小さいほどに気泡に対する散気膜の親和性が低くなり、対象液体に対して散気膜が親水性となって気泡径が小さくなる。
【００３５】
接触角の測定にはθ／２法、接線法、カーブフィッティング法等があるが、本実施の形態ではθ／２法によって測定した実施例を以下に示す。
【００３６】
【表１】
散気膜３の３つの材質に対する接触角θを測定した結果を表１に示す。材質（１）、材質（２）、材質（３）は、ＥＰＤＭやシリコンゴム等から選択したものであり、それぞれ接触角θが１１５°、９４°、１０６°となる異なる材質であった。
【００３７】
この接触角θの測定は、ＦＡＣＥ接触角計ＣＡ−Ｘ１５０型（協和界面科学株式会社製）によって行なった。
測定条件は以下のものである。
１．使用液体‥‥‥蒸留水
２．測定室条件‥‥‥室温２５℃、湿度４０％
３．前処理‥‥‥エタノール洗浄
４．液滴を滴下後に測定までの時間‥‥‥１秒
５．液滴の滴下場所‥‥‥スリットにかからない部位
６．測定回数‥‥‥５回測定し、最大、最小値を除いた値を平均値とする。
【００３８】
表１に示すように、接触角θが９４°である場合に気泡径が１−２ｍｍと小さくなる。図７は実測定により得られた接触角θと気体接着係数γの相関を示すものである。ここで、接触角θが９４°となる場合を含んで気体接着力係数γが０．２〜１３．７ｍＮ／ｍとなる材質の接触角θは１０８°以下である。接触角θが１０８°より大きくなると気泡が大きくなる。
【００３９】
以下、上記構成における作用を説明する。
散気運転時には、空気供給源（図示省略）から給気口５を通じて所定圧力の空気をメンブレン式散気装置１に供給することにより、図２（ｂ）に示すように、給気口５から空気供給部４に供給される空気の圧力で散気膜３が長手方向Ａから見て山形状に膨張し、散気膜３に短手方向Ｂの引張力Ｆが発生する。
【００４０】
引張力Ｆは各スリット８、９、１０を開くための力となる。この際、第１スリット８が開く方向と引張力Ｆの方向とは一致するが、第２スリット９、第３スリット１０は傾斜角度α、βで傾斜しているため、第２スリット９、第３スリット１０が開く方向と引張力Ｆの方向とは一致しない。すなわち、第１スリット８は引張力Ｆで容易に開かれるのに対して、第２スリット９、第３スリット１０は傾斜角度α、βが増大するほどに、第１スリット８に比べて開き難くなる。
【００４１】
したがって、低風量で散気を行う場合、第２スリット９、第３スリット１０よりも先に第１スリット８が開き、空気供給部４に供給された空気の大部分は、開かれた第１スリット８を通り、気泡２０となって散気膜３の内側から外側へ噴出されるのに対し、開き難い第２スリット９、第３スリット１０を通って外側へ噴出される気泡はほとんど無い。
【００４２】
これにより、第１スリット８から噴出した気泡がその隣の第３スリット１０や第２スリット９からの気泡に結合するのを防止することができ、小風量時において、気泡を分散させて均一に発生させることができ、酸素移動効率の低下を防止することが可能である。
【００４３】
また、風量を上記小風量から大風量に増やして散気を行う場合、図２（ｃ）に示すように、空気供給部４に供給される空気の供給量が多いほど空気供給部４の空気圧が上昇して、第２スリット９、第３スリット１０が開き易くなり、気泡２０を噴出する第２スリット９、第３スリット１０の個数が増加する。空気供給部４の空気は、各スリット８、９、１０を通り、気泡２０となって散気膜３の内側から外側へ噴出される。このように、低風量では、気泡２０が主に第１スリット８から噴出するが、風量が増えるのに従って、気泡２０を噴出する第２スリット９、第３スリット１０の個数が増加するため、初期圧力損失および圧力損失の上昇を抑制することができる。
【００４４】
散気停止時には、散気膜３への空気の供給が遮断されて、図２（ａ）に示すように、散気膜３が水圧を受けてベースプレート２の上面に押し付けられた状態となる。この際、散気膜３は膨張せず、第１〜第３スリット８〜１０は閉じている。
【００４５】
そして、気泡２０に対する散気膜３の親和性を示す値である気体接着力係数γが０．２〜１３．７ｍＮ／ｍであることにより、対象液体の水２３に対して散気膜３が親水性となって気泡径ｄが小さくなり、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍの下でも０．５〜１．５ｍｍ径の微細気泡を生成することができ、スリット長Ｄが大きくなることで圧力損失を軽減することができる。
【００４６】
また、接触角θが１０８°以下であることにより、対象液体の水２３に対して散気膜３が親水性となって気泡径ｄが小さくなり、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍの下でも０．５〜１．５ｍｍ径の微細気泡を生成することができ、スリット長Ｄが大きくなることで圧力損失を軽減することができる。
【００４７】
よって、散気膜３の材質を適宜に選定して散気膜３の濡れ性を調整することにより、気泡２０が散気膜３から離脱することを促進して酸素移動効率に優れた微細気泡を生成し、かつ長いスリット長の下で圧力損失を抑制することができる。
【００４８】
図５は本発明の他の実施の形態におけるスリットパターンを示すものであり、ここでは長手方向Ａに対して平行な第１スリット８と、長手方向Ａ（すなわち第１スリット８）に対して所定の傾斜角度β、つまり２５°以下で２５°に近く傾斜した第３スリット１０からなる。
【００４９】
本発明のメンブレン式散気装置においては、スリットが散気膜の長手方向との間になす角度を０〜２５°の範囲内とするが、図６に示すように、２５°以上に傾斜する第４のスリット１１を組み合わせることも可能であり、さらには角度が異なる複数種類のスリットをランダムに配置するスリットパターンも可能である。
【実施例１】
【００５０】
散気膜にポリウレタンのメンブレンを使用し、スリット長０．６ｍｍの場合、気泡径０．５から１．５ｍｍとなり、発生する気泡は気泡径１ｍｍを中心に分布し、目視実測では気泡径１ｍｍが最も多い。この場合、気泡径１ｍｍとするとγ＝２．７ｍＮ/ｍである。
【実施例２】
【００５１】
散気膜に他のポリウレタンのメンブレンを使用し、スリット長０．９ｍｍの場合、気泡径０．５から１．５ｍｍとなり、発生する気泡は気泡径１．３ｍｍを中心に分布し、目視実測では気泡径１．３ｍｍが最も多い。この場合、気泡径１．３ｍｍとするとγ＝４．０ｍＮ/ｍである。
本発明は、上述した実施の形態にかかるベースプレート２と散気膜３の構成に限らず、上下が軟質シートで構成された袋状の散気装置でも実現できる。
【符号の説明】
【００５２】
１ メンブレン式散気装置
２ ベースプレート
３ 散気膜
４ 空気供給部
５ 給気口
６ 固定部
８ 第１スリット
９ 第２スリット
１０ 第３スリット
１１ 第４スリット
２０ 気泡
２１ 散気孔
２２ 空気
２３ 水
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側の供給気体と外側の対象液体とを隔てる散気膜を有し、散気膜にスリットからなる複数の散気孔を備えるものであって、散気膜は、気体接着力係数γが０．２〜１３．７ｍＮ／ｍとなる材質を備え、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍであることを特徴とするメンブレン式散気装置。
【請求項２】
内側の供給気体と外側の対象液体とを隔てる散気膜を有し、散気膜にスリットからなる複数の散気孔を備えるものであって、散気膜は、濡れ性を表す指標の接触角θが１０８°以下となる材質を備え、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍであることを特徴とするメンブレン式散気装置。
【請求項３】
各スリットは、散気膜の長手方向との間になす角度が０〜２５°の範囲内で、かつ異なる複数の角度のうちの何れかであることを特徴とする請求項１または２に記載のメンブレン式散気装置。
【請求項１】
内側の供給気体と外側の対象液体とを隔てる散気膜を有し、散気膜にスリットからなる複数の散気孔を備えるものであって、散気膜は、気体接着力係数γが０．２〜１３．７ｍＮ／ｍとなる材質を備え、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍであることを特徴とするメンブレン式散気装置。
【請求項２】
内側の供給気体と外側の対象液体とを隔てる散気膜を有し、散気膜にスリットからなる複数の散気孔を備えるものであって、散気膜は、濡れ性を表す指標の接触角θが１０８°以下となる材質を備え、スリット長Ｄが０．４〜１．０ｍｍであることを特徴とするメンブレン式散気装置。
【請求項３】
各スリットは、散気膜の長手方向との間になす角度が０〜２５°の範囲内で、かつ異なる複数の角度のうちの何れかであることを特徴とする請求項１または２に記載のメンブレン式散気装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１２５７８２（Ｐ２０１１−１２５７８２Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８５８２５（Ｐ２００９−２８５８２５）
【出願日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【出願人】（０００００１０５２）株式会社クボタ (4,415)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【出願人】（０００００１０５２）株式会社クボタ (4,415)
【Ｆターム（参考）】
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