固体と液体の分離

固液分離は、液体から分散した固形物を分離する、またはその逆の目的で行われます。基本的に、機械的分離法と熱的分離法に区別されます。機械的分離法は、密度、粒子サイズ、ろ過性の違いを利用するのに対し、熱的分離法は液体の蒸発を利用します。

機械的な固液分離は、液体の状態が変化しないため、エネルギー効率に優れています。大量の液体を処理する場合や、残留水分が許容される場合に、この方法が優先的に使用されます。機械的な方法だけでは、完全に乾燥した固体を得ることはできません。そのため、真空混合乾燥、ロール乾燥、スピント乾燥、薄層乾燥、噴霧乾燥などの熱乾燥工程がしばしば行われます。

固体が液体に溶解している場合、その分離は、蒸発、結晶化、乾燥などの熱的プロセスによってのみ行うことができます。これらのプロセスも、液相を完全に除去することを目的としているため、固液分離に属しますが、エネルギーの供給と液体の相変化によって実現されます。

機械的脱水用の代表的な装置としては、フィルタープレス、ベルトフィルター、デカンターまたはスクリュー遠心分離機、真空フィルターなどがあります。分離装置の選択は、スラッジの特性、粒子径分布、液体の粘度、および目標とする乾燥物質含有量に基づいて行われます。

ろ過では、ろ過材に流体が通過し、固体粒子がろ過材に捕捉されます。ケーキ形成ろ過の場合、最も単純なケースではダーシーの法則が適用されます。

Δp = η * α * c * V / (A * t)

ここで、Δp は圧力差、η は液体の粘度、α は特定のフィルター抵抗、c は固形分濃度、V は濾液量、A はフィルター面積、t は時間を表します。これは、濾液量、圧力差、ろ過時間の関係を表しています。

粘度に加えて、表面張力も固体と液体の機械的分離に影響を与えます。表面張力が高いと、毛細管現象が強くなるため、細かい細孔から液体が排出されにくくなります。一方、界面活性剤などによって表面張力が低下すると、脱水性が向上し、残留水分が減少します。この関係は、ヤング・ラプラス方程式で説明することができます。

Δp = 2γ cos θ / r

ここで、Δp は毛細管圧力、γ は表面張力、θ は濡れ角、r は細孔半径です。. 遠心分離は、遠心力による分離を利用しています。実効加速度係数 a は、以下の式で算出されます。

a = ω² * r

ここで、ω は角速度、r は遠心分離機の半径です。遠心加速度が高いほど、残留液体をより効果的に分離することができます。

廃水処理では、輸送および処分コストを削減するため、汚泥の脱水に固液分離が用いられます。機械的分離の前に、懸濁液は多くの場合、調整されます。この調整には、沈殿、凝集、浮選、結晶化、または化学的沈殿が用いられます。

化学および製薬プロセス技術では、多くの合成反応は、目的製品の沈殿または結晶化で終わります。このために、連続運転の剥離遠心分離機、圧力ナット、または真空フィルタープレスが使用されます。次の熱処理ステップでは、フィルターケーキが残留水分を乾燥させます。

このプロセスの最後には、真空混合乾燥が行われます。この種の乾燥は、接触乾燥と呼ばれています。低温での穏やかな最終乾燥を可能にし、局所的な過熱による製品へのダメージを軽減します。 

amixon® の真空混合乾燥機は、大きな比熱伝達面積と、穏やかな 3 次元混合が特徴です。これにより、熱的および機械的負荷を最小限に抑えながら、デリケートな粉末を乾燥させることができます。いずれの場合も、ユーザーは機械メーカーで乾燥試験を行う必要があります。