JP5361926B2 - 磁気分離装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は磁気分離装置に関する。

金属加工を行なう工場や製鉄所から排出される廃液には、鉄粉などの磁性粒子が含まれている。こうした廃液から磁性粒子を分離するには、磁石を利用する磁気分離装置が用いられる。

たとえば、磁性粒子を含む廃液を通す配管と、配管内に配置された磁性体からなる充填材と、配管の外周に配置され充填材に磁場を印加する磁石とを有する磁気分離装置が知られている。こうした磁気分離装置では、配管に廃液を通す際、配管の外周に配置された磁石により充填材に磁場を印加し、充填材によって磁性粒子を捕獲させて廃液から磁性粒子を分離する。充填材の形態には網目状、繊維状、粒子状などがある。これらの充填材は、粒子状、繊維状、網目状の順に表面積が大きくなり、磁性粒子を捕獲する効率の観点から有利になる。一方、網目状の充填材は、目が細かいために洗浄水の流速を大きくすることができず、捕獲した磁性粒子を洗浄しにくい。

また、磁気分離を連続して行うには複数のカラムを使用する。たとえば、それぞれ磁性体を充填した２つのカラムに交互に磁場を印加するようにし、磁気分離と洗浄を交互に行う技術が知られている。

特開平９−１４１０１８号公報

しかし、従来の磁気分離装置では、洗浄時に磁性粒子を良好に分離できていたわけではない。

本発明が解決しようとする課題は、連続した磁気分離を行うことができ、かつ洗浄時に磁性粒子を分離しやすい磁気分離装置を提供することである。

実施形態に係る磁気分離装置は、中空部が被処理水の流路となる非磁性の筒体および前記筒体内に被処理水の流れに対して直交するように配置された磁性体からなる複数のフィルターを有する磁気分離カラムを、複数直列に配置した複数の磁気分離カラムと、前記複数の磁気分離カラムの外側にスライド可能に設けられ、一部の磁気分離カラムに対応するサイズをもち、一部の磁気分離カラムに磁場を印加する磁場印加装置とを有し、前記複数のフィルターは非磁性の２つの環状支持体の間に挟まれ、前記環状支持体は前記筒体の内面に面する外周面に形成された溝部にＯリングを装着した状態で前記筒体内に固定されていることを特徴とする。

実施形態に係る磁気分離装置の一部断面を示す正面図および側面図。 実施形態に係る磁気分離装置の磁場印加装置の斜視図。 実施形態に係る磁気分離装置の磁気分離カラムを示す断面図。 実施形態に係る磁気分離装置の磁気分離カラムの筒体の横断面図。 実施形態に係る磁気分離装置の磁気分離カラムの環状支持体の一部を示す断面図。 実施形態に係る磁気分離装置の磁気分離カラムのフィルターを示す平面図。

以下、図面を参照して実施形態に係る磁気分離装置を説明する。

図１（ａ）は実施形態に係る磁気分離装置の一部断面を示す正面図、図１（ｂ）は側面図である。図１（ａ）には図１（ｂ）のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面を示している。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、鉛直方向に立設されたカラム支持台１に、第１および第２の磁気分離カラム１０ａ，１０ｂが鉛直方向の同一直線上に位置するように固定され直列に配置されている。図１（ｂ）の側面図に示すように、カラム支持台１の後方に磁場印加装置支持台２が鉛直方向に立設されている。磁場印加装置支持台２には、磁場印加装置２０が前記第１および第２の磁気分離カラム１０ａ，１０ｂの外側で磁場印加装置支持台２に沿ってスライドするように取り付けられている。磁場印加装置２０は１つの磁気分離カラムに対応するサイズを有し、１つの磁気分離カラムの外側に位置しているときにその磁気分離カラムに磁場を印加する。磁場印加装置２０が磁場印加装置支持台２に沿ってスライドする領域を囲んで、磁場印加装置２０から発生する磁場を遮断する磁場遮断カバー３０が設けられている。磁場遮断カバー３０は、この磁場印加装置２０から発生する磁場を遮断できる磁性体であれば材質は特に限定されず、たとえば鉄板などが挙げられる。

後により詳細に説明するように、図１の磁気分離装置では、第１の磁気分離カラム１０ａと第２の磁気分離カラム１０ｂとで交互に、被処理水から磁性粒子を分離する操作を行う。このとき、磁場印加装置２０がある側の磁気分離カラムは磁気分離に用いられ、磁場印加装置がない位置の磁気分離カラムはフィルターの洗浄（逆洗）が施される。

なお、図１では磁気分離カラムが２本である例を示しているが、３本以上の磁気分離カラムを同一線上に直列に配置してもよい。また、４本以上の磁気分離カラムを同一線上に直列に配置した場合に、磁場印加装置２０が２つの磁気分離カラムに対応するサイズをもっていてもよい。このように、磁場印加装置２０は複数の磁気分離カラムのうち一部の磁気分離カラムに対応するサイズをもっていればよい。

図２は磁場印加装置の斜視図を示す。図２に示すように、磁場印加装置２０は、３つの面を有し１面が開放された枠状のヨーク２１と、ヨーク２１の対向する２つの内面上にそれぞれ取り付けられた互いに異なる極性（Ｎ極およびＳ極）をもつ第１および第２の磁石２２ａ，２２ｂとを有する。第１および第２の磁石２２ａ，２２ｂならびにヨーク２１により磁場が形成される。磁場印加装置２０が磁場印加装置支持台２に沿ってスライドし、１つの磁気分離カラムの外側に第１および第２の磁石２２ａ，２２ｂが位置すると、その磁気分離カラムは第１および第２の磁石２２ａ，２２ｂによって形成される磁場空間内に置かれ、その磁気分離カラムに磁場が印加される。第１および第２の磁石２２ａ，２２ｂは永久磁石でも電磁石でもよい。

図３は１つの磁気分離カラムの断面図を示す。図３に示すように、１つの磁気分離カラムの本体は非磁性体の筒体１１からなっており、その中空部が被処理水の流路となっている。筒体１１は非磁性体で形成されているので、磁場印加装置２０から印加される磁場の影響を受けない。筒体１１の下端には蓋体１２ａ，筒体１１の上端には蓋体１２ｂが取り付けられている。本実施形態では、筒体１１下端の蓋体１２ａには被処理水の導入口１３ａが接続され、筒体１１上端の蓋体１２ｂに処理水の排出口１３ｂが接続されている。筒体１１内の中空部には、被処理水の流れに対して直交するように磁性体からなる複数層のフィルター１４が配置されている。これらの複数層のフィルター１４は、非磁性の２つの環状支持体１５の間に挟まれている。図３では筒体１１内の４個所に環状支持体１５が固定され、隣接する２つの環状支持体１５で形成される３つの領域に複数層のフィルター１４の積層体で形成される３つのフィルター層が配置されている。

図４は磁気分離カラムの筒体１１の横断面図を示す。図４に示すように、本実施形態における筒体１１内の流路の横断面は、矩形（この場合、正方形）の隅部が面取りされた形状になっている。流路の面取りされた隅部の曲率半径Ｒは、たとえば５ｍｍ程度に設計される。

図５は環状支持体１５の一部を示す断面図である。環状支持体１５の平面図は図示しないが、環状支持体１５はその外周が筒体１１の流路の内周とほぼ同じく矩形の隅部が面取りされた形状になっている。環状支持体１５の面取りされた隅部の曲率半径Ｒも５ｍｍ程度に設計される。図５に示すように、環状支持体１５は、筒体１１の内面に面する外周面に溝部１６が形成され、この溝部１６にＯリング１７が装着された状態で筒体１１内に固定される。環状支持体１５は非磁性体で形成され、磁場印加装置２０から印加される磁場の影響を受けない。

図６はフィルター１４を示す平面図である。図６に示すように、本実施形態におけるフィルター１４は、筒体１１の流路の横断面とほぼ同じく矩形の隅部が面取りされた形状を有するが、筒体１１の流路の横断面よりもたとえば０．２ｍｍ程度小さく形成された金網からなっている。フィルター１４の面取りされた隅部の曲率半径Ｒも５ｍｍ程度に設計される。

フィルター１４は磁性体で形成されており、磁場印加装置２０から印加される磁場によって磁性を帯びる。フィルター１４の材質は特に限定されないが、耐食性に優れた強磁性体であるフェライト系ステンレス鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼などが好ましい。また、フィルター１４は弾性体であることが好ましく、たとえば平織、綾織などで編まれた金属の網はそれ自体が弾性体として働く。フィルター１４が弾性体であると、後述する逆洗時に捕獲した磁性粒子の除去効率を高める点で有利である。

図３に示した例では、筒体１１内の流路に、環状支持体１５−複数層のフィルター１４−環状支持体１５−複数層のフィルター１４−環状支持体１５−複数層のフィルター１４−環状支持体１５がこの順に設置されている。図３に示す磁気分離カラムの場合、筒体１１内に環状支持体１５および複数層のフィルター１４を設置した後、シール部材やネジなどを利用して筒体１１に蓋体１２ａ，１２ｂを固定する。

本実施形態の磁気分離装置を用いて被処理水から磁性粒子を分離する方法を説明する。まず、磁場印加装置２０によって第１の磁気分離カラム１０ａに磁場を印加する。この結果、磁性体からなるフィルター１４は磁化される。この状態で、導入口１３ａから磁気分離カラム１０ａ内に被処理水を導入する。磁気分離カラム１０ａ内に導入された被処理水は、筒体１１の流路に配置された複数層のフィルター１４を通過する。このとき、被処理水中の磁性粒子がフィルター１４によって捕獲される。こうして磁性粒子が除去された処理水が排出口１３ｂから排出される。

磁気分離カラム１０ａにおいて、フィルター１４に捕獲された磁性粒子の量が増加すると、新たに流入する磁性粒子が捕獲されにくくなる。磁気分離カラム１０ａにおいて磁性粒子の捕獲量が低下して処理水の水質が劣化した際には、磁場印加装置２０による磁気分離カラム１０ａへの磁場の印加を中止する。

次に、磁場印加装置２０を第１の磁気分離カラム１０ａと平行に下方へスライドさせ、第１の磁気分離カラム１０ａと同一直線上に直列に配置された第２の磁気分離カラム１０ｂの外側へ位置させ、第２の磁気分離カラム１０ｂに磁場を印加し、被処理水の導入経路を第１の磁気分離カラム１０ａから第２の磁気分離カラム１０ｂに切り替える。この状態で、上述した第１の磁気分離カラム１０ａについて説明したのと同様にして、第２の磁気分離カラム１０ｂにおいて被処理水から磁性粒子を分離する。

上記のように磁場印加装置２０を第１の磁気分離カラム１０ａに平行に下方へスライドさせると、第１の磁気分離カラム１０ａ内のフィルター１４は磁場の移動方向に沿って圧縮される。このとき、フィルター１４上に堆積した磁性粒子にせん断力がかかり、磁性粒子がフィルター１４から離れやすくなる。また、磁場印加装置２０が第１の磁気分離カラム１０ａからはずれて圧縮が開放されると、弾性体であるフィルター１４は元の位置に戻ろうとする。そして、磁場印加装置２０の移動中と同様に、フィルター１４が復元しようとするときにも、フィルター１４上に堆積した磁性粒子にせん断力が働く。

複数層のフィルター１４と複数層のフィルター１４との間に設けられたＯリング１７つき環状支持体１５は、フィルター１４の弾性力を活用するのに有利に働く。ここで、１つの領域に配置するフィルター１４の層数を適正すると、弾性による回復を有効に活用できる。また、Ｏリング１７自身はエントロピー弾性を有し、フィルター１４よりも変形しやすいので、フィルター１４にかかる圧縮力を適正にし、過剰な圧縮力によるフィルター１４の塑性変形を防止できる。

磁場印加装置２０を第１の磁気分離カラム１０ａの位置からはずした後、排出口１３ｂから逆洗水を供給し、導入口１３ａから磁性粒子を磁性粒子回収槽へ排出するように経路を変更し、いわゆる逆洗を行う。このときすでに、上述したせん断力の作用により磁性粒子がフィルター１４上から離れやすくなっているので、逆洗により容易に磁性粒子を除去することができ、洗浄効率が高くなる。

第１の磁気分離カラム１０ａの逆洗が完了すると、磁気印加装置２０を再び第１の磁気分離カラム１０ａの外側へスライドさせて磁気分離を行う。一方、第２の磁気分離カラム１０ｂに逆洗を施す。このようにして連続的に被処理水からの磁性粒子の分離を行うことができる。

実施形態に係る磁気分離装置の磁気分離カラムでは、複数層のフィルター１４と複数層のフィルター１４との間に、密閉部材であるＯリング１７が嵌め込まれた環状支持体１５が配置されているので、被処理水が筒体１１の内壁とフィルター１４の周縁部との間の隙間を通過するのを防止できる。このため、処理水に磁性粒子が混入するのを防止できる。

ここで、被処理水を通過させるフィルター１４の層数を多くするほど多量の磁性粒子を捕獲することができるので、処理水の水質が向上する。また、使用するＯリング１７つき環状支持体１５の数が多いほど、被処理水のもれを防止して処理水への磁性粒子の混入を防止することができるが、環状支持体１５の配置に要する幅の分だけ筒体１１内に配置できるフィルター１５の層数が制限される。そこで、フィルター１４による被処理水からの磁性粒子の分離性能とＯリング１７による水密性とを考慮して、磁気分離カラム１０ａ内で使用するフィルター１４の層数とＯリング１７つき環状支持体１５の数を決定する。

筒体１１の断面を矩形にするのは、円形よりも矩形の方が同じ磁石を利用した場合でも断面積が１／４程度大きくなるとともに、強磁場空間に含まれる範囲も広くなり、磁性粒子の捕獲量を増加できるためである。すなわち、第１および第２の磁石２２ａ，２２ｂに近い空間は磁場強度が強い強磁場空間となり、ヨーク２１に近い空間や磁石と接していない空間は磁場強度が弱い弱磁場空間となる。円形の場合には矩形の場合よりも断面積が小さくなるばかりでなく、弱磁場空間に含まれる空間も少なくなるが、強磁場空間に含まれる範囲も少なくなる。したがって、矩形の筒体１１を利用することで、強磁場空間を広く利用して効率的に磁性粒子を捕獲することができる。

すでに説明したように、磁気分離カラムは、下端に被処理水の導入口を有し、上端に処理水の排出口を有することが好ましい。これは以下のような理由による。被処理水を磁気分離カラムの上端から導入したとすると、被処理水が通過しやすいフィルターの中央部で多くの磁性粒子が捕獲されて溜まる。このような状態で磁場印加装置２０を移動させると、筒体１１内でフィルター１４がずれて、筒体１１の内面とフィルター１４の周縁部との間に隙間ができる。磁性粒子はこの隙間から抜けやすくなるので、処理水に磁性粒子が混入する原因となり、磁気分離性能が低下する。これに対して、被処理水を磁気分離カラムの下端から導入すると、磁性粒子はフィルター１４の面内でほぼ均一に捕獲されるので、上記のような問題が生じない。

すでに説明したように、複数の磁気分離カラム１０ａ，１０ｂを鉛直方向に直列に配置して、磁気分離カラム１０ａ，１０ｂ内で被処理水が流れる方向を鉛直方向にし、フィルター１４を水平方向に配置することが好ましい。これは以下のような理由による。フィルター１４が水平方向に配置されていない場合、フィルター１４で捕獲された磁性粒子が重力によってフィルター１４の片側に集中してフィルター１４の面内で均一に分布しなくなる。この状態で逆洗を行うと、フィルター１４が圧縮されたときに筒体１１内でフィルター１４がずれて、筒体１１の内面とフィルター１４の周縁部との間に隙間ができる。磁性粒子はこの隙間から抜けやすくなるので、処理水に磁性粒子が混入する原因となり、磁気分離性能が低下する。

また、磁場印加装置２０を磁気分離カラムの流路と平行な方向ではなく、直交する方向（水平方向）に移動させると、磁気分離カラムの筒体１１内でフィルター１４が偏在する可能性がある。この場合にも、筒体１１の内面とフィルター１４の周縁部との間に隙間ができ、磁性粒子はこの隙間から抜けやすくなるので、処理水に磁性粒子が混入する原因となり、磁気分離性能が低下する。

さらに、フィルター１４の形状が図６に示すように隅部を面取りした矩形ではなく、角のある矩形である場合、磁場印加装置２０の移動時の応力によって隅部が変形しやすくなり、材料の弾性限界を超えて塑性変形する可能性がある。この場合にも、筒体１１の内面とフィルター１４の周縁部との間に隙間ができ、磁性粒子はこの隙間から抜けやすくなるので、処理水に磁性粒子が混入する原因となり、磁気分離性能が低下する。これに対して、フィルター１４の形状が隅部を面取りした矩形である場合、このような問題は生じない。

実施形態によれば、連続した磁気分離を行うことができ、かつ洗浄時に磁性粒子を分離しやすい磁気分離装置を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…カラム支持台、２…磁場印加装置支持台、１０ａ…第１の磁気分離カラム、１０ｂ…第２の磁気分離カラム、１１…筒体、１２ａ，１２ｂ…蓋体、１３ａ…導入口、１３ｂ…排出口、１４…フィルター、１５…環状支持体、１６…溝部、１７…Ｏリング、２１…磁場印加装置、２１…ヨーク、２２ａ…第１の磁石、２２ｂ…第２の磁石。

Claims (5)

1. 中空部が被処理水の流路となる非磁性の筒体および前記筒体内に被処理水の流れに対して直交するように配置された磁性体からなる複数のフィルターを有する磁気分離カラムを、複数直列に配置した複数の磁気分離カラムと、
   前記複数の磁気分離カラムの外側にスライド可能に設けられ、一部の磁気分離カラムに対応するサイズをもち、一部の磁気分離カラムに磁場を印加する磁場印加装置と
   を有し、前記複数のフィルターは非磁性の２つの環状支持体の間に挟まれ、前記環状支持体は前記筒体の内面に面する外周面に形成された溝部にＯリングを装着した状態で前記筒体内に固定されていることを特徴とする磁気分離装置。
2. 前記複数の磁気分離カラムのうち、前記磁場印加装置のある位置の磁気分離カラムは磁気分離に用いられ、前記磁場印加装置のない位置の磁気分離カラムはフィルターの洗浄が施されることを特徴とする請求項１に記載の磁気分離装置。
3. さらに、前記磁場印加装置がスライドする領域の外側に設けられた、磁気を遮断するカバーを有することを特徴とする請求項１に記載の磁気分離装置。
4. 前記複数の磁気分離カラムは鉛直方向に直列に配置され、個々の磁気分離カラムは下端に被処理水の導入口を有し上端に処理水の排出口を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気分離装置。
5. 前記筒体内の流路は、矩形の隅部が面取りされた横断面を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気分離装置。

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