JP5403306B2 - 混合物の分離方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁場勾配を有する磁場を用いて、複数種類の物質を含む混合物を物質の種類ごとに分離する、又は当該混合物から特定の種類の物質を分離する混合物の分離方法及び分離装置に関する。

使用済み電気製品などの廃棄物からその材料となった金属や樹脂を回収する場合、廃棄物又はその一部を粉砕して得られた異種物質の混合物に、種々の分離工程が施されるのが一般的である。例えば、特許文献１(特表２０１０−５２４６６３号公報)に開示されているリサイクル方法では、廃棄物から得られたシュレッダダストを浮沈タンクに投入し、密度又は比重の差を利用して金属材料のダストとプラスチック材料のダストとに分離する工程と、空気選別器や磁気ベルトなどを用いて金属材料のダストを種類別に分離する工程と、温度選別器やハイドロサイクロンなどを用いてプラスチック材料のダストを種類別に分離する工程とが行われている。

特許文献１に開示されている方法では、上述の分離工程を実現するために、複数の選別器やタンクなどが使用されており、当該方法を実現するためのシステムは複雑で大規模なものとなる。一方、特許文献２(特開２００２−５９０２６号公報)には、磁気アルキメデス効果を利用した混合物の分別方法が開示されている。当該方法では、複数種類の反磁性体プラスチック粒子からなる混合物を支持液体に投入して、磁場勾配を有する磁場、即ち勾配磁場を印加することで、混合物の反磁性体プラスチック粒子がそれらの物性(体積磁化率及び密度)に応じた位置に浮遊し、プラスチック粒子が種類ごとに分別される。特許文献１に開示されている廃棄物から得られた混合物のような、複数種類の物質を含む混合物を、特許文献２に記載の発明のように磁気アルキメデス効果(又は、媒体中の粒子に加わる磁気力や磁気浮力)を利用して種類ごとに分離するならば、分離装置や分離工程の簡単化や効率化が著しく図られるであろう。

特表２０１０−５２４６６３号公報 特開２００２−５９０２６号公報

しかしながら、特許文献２の図１乃至図３に示された手法では、支持液体中に混合物を投入しつつ、種類別に分離した粒子を回収するという連続的な処理を行うことが困難である。特許文献２の図４には、支持液体を流動させて磁場で浮揚した粒子を捕集ネットを用いて回収する手法が示されているが、支持液体の流れの乱れ(乱流や流線の蛇行など)により、粒子の補足位置が変化して、粒子の分離精度が悪くなる恐れがある。また、特許文献２の図４に示すように、複数の捕集ネットが流路に沿って直列に配置されると、上流側の捕集ネットに起因した乱れの影響で、下流側の捕集ネットにおける粒子の分離精度が悪化する恐れもある。密度が高い金属粒子が混合物に含まれる場合には、流路の底まで沈降した金属粒子を押し流す必要があるので、上述した問題点が生じ易くなる。

本発明は、上記の問題を解決するものであって、勾配磁場を用いて、物質が異なる複数種類の粒子を含む混合物を、連続的に且つ高精度で物質の種類ごとに分離できる方法及び装置を提供する。さらに、本発明は、勾配磁場を用いて、物質が異なる複数種類の粒子を含む混合物から特定の物質の粒子を、連続的に且つ高精度で分離できる方法及び装置を提供する。

本発明の混合物の分離方法は、一方の種類の粒子が常磁性体又は反磁性体である少なくとも２種類の粒子を含む混合物を種類ごとに分離する、或いは、前記混合物から前記一方の種類の粒子を分離する混合物の分離方法であって、分離槽に貯蔵された支持液体に、磁場勾配が鉛直成分と水平成分とを有する磁場を印加する工程と、前記磁場が印加された前記支持液体に前記混合物を入れて、前記磁場を用いて、前記一方の種類の粒子を水平方向に移動させつつ、前記支持液体中にて前記分離槽の底面から所定の高さに位置するように前記一方の種類の粒子を誘導する工程、又は、前記磁場が印加された前記支持液体に前記混合物を入れて、前記磁場を用いて、前記一方の種類の粒子を前記支持液体の液面に磁気浮揚させると共に水平方向に移動させる工程と、前記所定の高さ又は前記支持液体の液面に配置された前記一方の種類の粒子を回収する工程とを含んでおり、前記少なくとも２種類の粒子の中の他方の種類の粒子は、前記分離槽の底面と前記支持液体の液面の間にて、鉛直方向について前記一方の種類の粒子と異なる位置に配置される。

本発明の混合物の分離装置は、一方の種類の粒子が常磁性体又は反磁性体である少なくとも２種類の粒子を含む混合物を種類ごとに分離する、或いは、前記混合物から前記一方の種類の粒子を分離する混合物の分離装置であって、支持液体を貯蔵する分離槽と、磁場勾配が鉛直成分と水平成分とを有する磁場を前記支持液体に印加する磁場生成手段と、前記分離槽の一端側に設けられており、前記混合物を前記支持液体に導入する導入手段と、前記分離槽の他端側に設けられており、前記一方の種類の粒子を回収する回収手段とを備えており、前記導入手段を介して、前記磁場が印加された前記支持液体に前記混合物が導入されると、前記一方の種類の粒子は、前記磁場によって、前記分離槽の他端側に移動しつつ、前記支持液体中にて前記分離槽の底面から所定の高さに位置するように誘導され、又は、前記一方の種類の粒子は、前記磁場によって、前記支持液体の液面に磁気浮揚して、前記分離槽の他端側に移動し、前記回収手段は、前記所定の高さ又は前記支持液体の液面に配置された前記一方の種類の粒子を前記分離槽から回収し、前記少なくとも２種類の粒子の中の他方の種類の粒子は、前記分離槽の底面と前記支持液体の液面の間にて、鉛直方向について前記一方の種類の粒子と異なる位置に配置される。

本発明では、前記分離槽には、略水平な棚板が配設されており、前記一方の種類の粒子は、前記支持液体中を降下して前記棚板に載置されてよい。また、本発明では、前記一方の種類の粒子は、前記支持液体中にて前記所定の高さで安定に磁気浮揚してよい。

本発明では、前記磁場は、超伝導バルク磁石を、又はコイル中心軸が鉛直方向に対して傾けられたソレノイドコイルを有する磁場生成手段を用いて生成されてよい。また、本発明では、前記磁場は、第１磁場生成手段により生成された第１磁場と、第２磁場生成手段により生成された第２磁場とを合成したものであり、前記第１磁場の磁場勾配は鉛直方向を、前記第２磁場の磁場勾配は水平方向を向いていてよい。

本発明では、前記支持液体は、少なくとも一種の常磁性無機塩を含む水溶液であってよい。より具体的には、前記支持液体は、塩化マンガン、塩化コバルト、塩化ニッケル、塩化第一鉄、硝酸コバルト、硝酸ニッケル、硝酸ガドリニウム、硝酸ジスプロシウム及び硝酸テルビウムからなる群から選択された少なくとも一種の常磁性無機塩を含む水溶液であってよい。

本発明では、混合物に含まれる粒子と支持液体に印加される磁場の磁場勾配が鉛直成分に加えて水平成分を有している。これにより、混合物に含まれる常磁性体又は反磁性体の粒子には、この磁場に起因した水平方向の力が加わり、当該粒子は、投入又は導入場所から回収場所まで水平方向に移動しつつ分離槽の底面から所定の高さに誘導され、又は、支持液体の液面に磁気浮揚した状態で、投入場所から回収場所まで水平方向に移動する。粒子の物性に応じて支持液体中の粒子の軌跡が異なることから、混合物に含まれる磁性体又は反磁性体の粒子と他方の粒子とは、分離槽の底面と支持液体の液面の間にて、鉛直方向について異なる高さに配置される。

このように本発明によれば、支持液体への投入場所から回収場所まで混合物の粒子が磁気力により移動するので、混合物を支持液体に導入しつつ、分離された粒子を回収することができる。また、粒子の移動のために支持液体を押し流す必要がないので、混合物を種類別に高精度で分離でき、又は混合物から特定の種類の粒子を高精度で分離できる。

本発明の第１実施形態に係る混合物分離装置の概要を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る混合物分離装置の概要を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る混合物分離装置の分離槽の一部破断上面図である。 本発明の第１実施形態に係る混合物分離装置が使用する磁場生成手段による磁場を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る混合物分離装置が使用する磁場生成手段による磁場と磁場勾配の積を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る混合物分離装置の概要を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る混合物分離装置の概要を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る実施例にて、ガラス粒子とアルミナ粒子が分離された模様を示す写真である。 図９(ａ)及び(ｂ)の各々は、本発明の第３実施形態に係る実施例の概要を示す説明図である。 本発明の第３実施形態に係る実施例にて、アルミニウム粒子とチタニウム粒子が支持液体中に浮遊した模様を示す写真である。 本発明の第３実施形態に係る実施例にて、アルミニウム粒子とチタニウム粒子が水平方向に移動した後の模様を示す写真である。 図１２(ａ)乃至(ｃ)の各々は、本発明の第３実施形態に係る実施例にて、ガラス粒子とアルミナ粒子が、支持液体中に浮遊し、さらには水平方向に移動した後の模様を示す写真である。 図１３(ａ)乃至(ｃ)の各々は、本発明の第３実施形態に係る実施例にて、ガラス粒子とアルミナ粒子が、支持液体中に浮遊し、さらには水平方向に移動した後の模様を示す写真である。 図１４(ａ)乃至(ｃ)の各々は、本発明の第３実施形態に係る実施例にて、ガラス粒子とアルミナ粒子が、支持液体中に浮遊し、さらには水平方向に移動した後の模様を示す写真である。 本発明に関する実験例にて使用した超伝導バルク磁石による磁場及び磁場×磁場勾配の分布を示すグラフである。 本発明に関する実験例にて使用した超伝導バルク磁石による磁場、磁場勾配、及び磁場×磁場勾配の値を示す表である。 本発明に関する実験例にて、アルミニウム粒子、チタニウム粒子、アルミナ粒子及びガラス粒子が支持液体中に浮遊した模様を示す写真である。

以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。以下の説明と添付の図面において、同一又は類似の部分や要素については同一の符号が付されている。

図１は、本発明の分離方法又は分離装置の第１実施形態に係る混合物分離装置の概要を示す断面図であり、図２は、当該混合物分離装置の一部を拡大した図である。第１実施形態の混合物分離装置は、本発明の磁場生成手段であって、勾配磁場を発生する磁石(11)と、支持液体(21)が貯蔵される分離槽(31)とを備えている。磁石(11)は、ソレノイドコイルを用いた超伝導電磁石であり、磁石(11)を構成する超伝導材料(Ｎｂ_３ＳｎやＮｂＴｉなど)で形成された線材は、例えばステンレスで形成された円筒状又はドーナツ状の容器(41)の内部にて、該容器(41)の内壁(43)を囲うように巻かれている。容器(41)の内部には、磁石(11)を冷却する冷却機構(図示省略)が設けられている。磁石(11)として、常伝導電磁石が使用されてもよい。

第１実施形態の混合物分離装置には、容器(41)を支持する脚部(45)が設けられている。磁石(11)のコイル中心軸Ａが鉛直方向に対して傾いた状態で、容器(41)は、脚部(45)に固定されている。図１及び図２は、磁石(11)のコイル中心軸Ａが鉛直方向に対して略３０度傾いた状態を示している。磁石(11)の傾きの角度(と後述する支持部(47)の形状)は、処理される混合物や使用する支持液体(21)に応じて適宜調整されてよい。

容器(41)の内壁(43)で囲まれた内側空間には、長方体状又は箱状の分離槽(31)が配置される。分離槽(31)は、容器(41)の内壁(43)に固定された支持部(47)で支持されている。分離槽(31)及び支持部(47)は、プラスチックや非磁性ステンレス鋼などの非磁性材料で形成されている。分離槽(31)の上部の一端側には、混合物の投入又は導入手段であるホッパー(33)が設けられており、処理される混合物を分離槽(31)内の支持液体(21)に投入するために使用される。ホッパー(33)の反対側にある壁部(35)には、棚板(37)が水平に突設されている。図３は、一部を破断した分離槽(31)の上面図である。

本発明の混合物の分離方法又は分離装置を用いて処理される混合物は、物質が異なる複数種類の粒子を含んでおり、複数種類の粒子の中の少なくとも一種類の粒子は、常磁性体又は反磁性体で形成されている。第１実施形態の混合物分離装置で処理される混合物は、常磁性体又は反磁性体で形成された第１粒子(●で示す)と、第１粒子を形成する物質と異なる物質で形成された第２粒子(○で示す)とを含む。第２種類の粒子は、常磁性体、反磁性体及び強磁性体の何れで形成されてもよい。

分離槽(31)には、分離された第１粒子と第２粒子とを個別に回収する回収手段が繋がれている。第１実施形態の混合物分離装置では、第１粒子を回収する吸引管(51)と第２粒子を回収する吸引管(53)とが設けられている(図２及び図３では、吸引管(51)(53)は省略されている)。吸引管(51)(53)の各々は、分離槽(31)の壁部(35)に設けられた孔を介して、分離槽(31)と繋がっている。吸引管(51)(53)の各々の一端側には、図示を省略した吸引ポンプや回収した粒子の貯蔵槽などが設けられる。

磁石(11)のソレノイドコイルが給電されると、周知のように、磁石(11)のコイル中心軸Ａに沿った磁場が生成される。図４は、磁石(11)の中心Ｏから磁石(11)の中心軸Ａに沿った距離ｈに対する(コイル中心軸Ａに沿って上向きを正とする)、磁石(11)が生成する磁場Ｂの変化を示している。ｈ＝０、つまり、磁石(11)の中心Ｏにて、磁場の大きさＢは最大値Ｂｍａｘを取り、距離ｈが増加するにつれて単調に減少する。磁場の大きさＢは、コイル中心軸Ａに直交する面内でほぼ一定である。以後、磁石(11)によりコイル中心軸Ａに沿って下向きの磁場が生成されるとして説明を行うが、磁石(11)によりコイル中心軸Ａに沿った上向きの磁場が生成されてもよい。

図５は、距離ｈに対する、磁石(11)が生成する磁場の大きさＢと磁場勾配∂Ｂ/∂ｈの積(つまり、Ｂ×∂Ｂ/∂ｈ)の変化を示している。距離ｈが増すにつれて磁場の大きさＢが小さくなるので、磁場勾配∂Ｂ/∂ｈは負となり、Ｂ×∂Ｂ/∂ｈも負となる。ｈ＝０、つまり、磁石(11)の中心Ｏにて、Ｂ×∂Ｂ/∂ｈはゼロであり、ｈ＝０が増加するにつれて、一旦減少して増加する。分離槽(31)は、Ｂ×∂Ｂ/∂ｈが極小値を取る距離ｈだけ、磁石(11)の中心Ｏから離されて配置されるのが好ましい。

磁石(11)のコイル中心軸Ａが鉛直方向に対して傾いていることにより、磁石(11)が生じる磁場は、鉛直成分(Ｂｚ)と水平成分(Ｂｘ)を有する。以後の説明では、図２に示すように、鉛直方向をｚ軸とし、磁場の水平成分に沿った軸をｘ軸とする。また、図３に示すようにｙ軸を取る(後述する図６及び図７についても同様な座標系を採用する)。

支持液体(21)中の第１粒子及び第２粒子には、磁石(11)が生成する磁場に起因して、以下の力が単位体積当たりに働く。
ここで、μ_０は真空中の透磁率、χ_ｉは、第１粒子又は第２粒子の体積磁化率(ｉは１又は２)、χ_０は、支持液体(21)の体積磁化率である。本式における力Ｆと磁場Ｂはベクトルである。

磁石(11)のコイル中心軸Ａが鉛直方向に対して傾いているので、磁石(11)が生成する磁場は、鉛直方向、つまりｚ軸方向の磁場勾配に加えて、水平方向、つまり、ｘ軸方向の磁場勾配を有する。言い換えると、磁石(11)が生成する磁場の磁場勾配は、鉛直成分と水平成分を、つまり、ｚ方向成分とｘ方向成分を有する。故に、重力の効果も考慮すると、支持液体(21)中の第１粒子又は第２粒子に働くｘ方向の力Ｆｘ及びｚ方向の力Ｆｚは、以下の通りになる。
ここで、ｇは重力加速度であり、ρ_ｉは、第１粒子又は第２粒子の密度(比重)であり(ｉは、１又は２)、ρ_０は、支持液体の密度(比重)である。

図２に示すように、磁場のｚ成分Ｂｚとｘ成分Ｂｘは負である。また、磁場のｘ成分Ｂｘ軸の正方向に単調増加し(∂Ｂｘ/∂ｘは正)、ｚ軸の正方向に単調増加する(∂Ｂｘ/∂ｚは正)。故に、上式のＦｘにおける[(Ｂ・∇)Ｂ]ｘは負となるので、第１粒子及び第２粒子の両方について、(χ_ｉ−χ_０)＜０であるような支持液体(21)を選択することで、第１粒子及び第２粒子を、ｘ軸の正方向に移動させることができる。つまり、ホッパー(33)を介して支持液体(21)に投入又は導入された第１粒子及び第２粒子を、ホッパー(33)から分離槽(31)の壁部(35)又は吸引管(51)(53)に向けて移動させることができる。

さらに、第１粒子及び第２粒子の両方について、(χ_ｉ−χ_０)＜０であることに加えて、(ρ_ｉ−ρ_０)＞０となるように支持液体(21)を選択する。上式のＦｚによれば、(ρ_ｉ−ρ_０)ｇ＞(χ_ｉ−χ_０)[(Ｂ・∇)Ｂ]ｚ/μ_０の場合、第１粒子又は第２粒子には、ｚ軸の負方向、つまり鉛直下向きの力が働く。また、(ρ_ｉ−ρ_０)ｇ＜(χ_ｉ−χ_０)[(Ｂ・∇)Ｂ]ｚ/μ_０の場合、第１粒子又は第２粒子には、鉛直上向きの力が働く。(ρ_ｉ−ρ_０)ｇ＝(χ_ｉ−χ_０)[(Ｂ・∇)Ｂ]ｚ/μ_０である場合には、第１粒子又は第２粒子に加わる鉛直方向の力は０となり、第１粒子又は第２粒子は、所謂磁気アルキメデス効果による浮遊状態となる。

支持液体(21)に入れられた第１粒子又は第２粒子は、磁気アルキメデス効果による浮遊状態(Ｆｚ＝０)を得る又は維持するように支持液体(21)中にて移動若しくは運動する。故に、ホッパー(33)を介して投入された第１粒子の各々は、支持液体(21)中にてほぼ同様な軌跡を辿って、分離槽(31)の壁部(35)に向かって移動する。ホッパー(33)を介して投入された第２粒子の各々も、支持液体(21)中にてほぼ同様な軌跡を辿って壁部(35)に向かって移動する。支持液体(21)中における第１粒子及び第２粒子の軌跡は、第１粒子及び第２粒子の密度と体積磁化率の違いに起因して異なるので、支持液体(21)中にて第１粒子及び第２粒子は、ｘ方向に移動しつつ、ｚ方向について互いに異なる高さ、位置、又は場所に最終的に誘導される。

つまり、第１粒子及び第２粒子の両方について、(χ_ｉ−χ_０)＜０であることに加えて、(ρ_ｉ−ρ_０)＞０となるような支持液体(21)を選択し、磁石(11)が生成する磁場を、又は磁石(11)を流れる電流の大きさを適切に調整することで、図１乃至図３に例示するように、支持液体(21)中にて第１粒子及び第２粒子をｘ方向に移動させつつ、ｚ方向についてこれら粒子を分離することができる。

第１粒及び第２粒子について磁気アルキメデス浮遊状態を得るためには、支持液体(21)として、体積磁化率の絶対値が大きい常磁性液体を使用するのが好ましい。このような常磁性液体には、塩化マンガン、塩化コバルト、塩化ニッケル、塩化第一鉄、硝酸コバルト、硝酸ニッケル、硝酸ガドリニウム、硝酸ジスプロシウムや硝酸テルビウムなどの常磁性無機塩の水溶液がある。支持液体は、複数種類の常磁性無機塩を含む水溶液であってもよい。水溶液に含まれる常磁性無機塩の濃度を調整することで、支持液体(21)中の第１粒子及び第２粒子の軌跡を制御又は調整可能である。

図１乃至図３に描画した例では、ホッパー(33)を介して投入された第１粒子の各々は、支持液体(21)中にてｘ方向に移動しつつ下降し、壁部(35)から水平に突設された棚板(37)に至り、その後、棚板(37)の上を壁部(35)に向かって移動する。棚板(37)により、第１粒子のｚ方向への移動は制限又は規制される。棚板(37)のｘ方向の長さは、支持液体(21)中の第１粒子の軌跡を考慮して適切に決められる。吸引管(51)の端部は、棚板(37)の上面に近接して配置されており、棚板(37)上の第１粒子は、第１粒子回収用の吸引管(51)により、分離槽(31)から取り出される。第１粒子と共に吸引管(51)に吸い込まれた支持液体(21)は、第１粒子と分離された後に分離槽(31)に戻されるのが好ましい。棚板(37)は、略水平に配置されてよく、例えば、壁部(35)に向かって上昇又は下降するように若干傾斜して配置されてもよい。

また、図１乃至図３に描画した例では、ホッパー(33)を介して投入された第２粒子の各々も、支持液体(21)中にてｘ方向に移動しつつ下降し、分離槽(31)の底面(39)に至り、その後、分離槽(31)の底面(39)の上を壁部(35)に向かって移動する。底面(39)により、第２粒子のｚ方向への移動は制限される。底面(39)は、略水平に配置されてよく、例えば、壁部(35)に向かって上昇又は下降するように若干傾斜して配置されてもよい。吸引管(53)の端部は、分離槽(31)の底面(39)に近接されて配置されており、底面(39)上の第２粒子は、第２粒子回収用の吸引管(53)により、分離槽(31)から取り出される。第２粒子と共に吸引管(53)に吸い込まれた支持液体(21)は、第２粒子と分離された後に分離槽(31)に戻されるのが好ましい。棚板(37)の下方に棚板を追加して、その棚板上にて第２粒子を水平移動させてもよい。

第１実施形態に係る混合物分離装置では、勾配磁場及び/又は支持液体(21)の体積磁化率や密度(支持液体(21)に常磁性無機塩水溶液が使用される場合、その濃度)を調整することで、第１粒子が水平方向に移動しつつ下降して壁部(35)に達し、そこで磁気アルキメデス浮遊状態にされてもよい。壁部(35)に達した第１粒子について磁気アルキメデス浮遊状態が得られる場合には、上述のような棚板(37)を設けることなく、支持液体(21)中にて、Ｆｚ＝０を与えるｚ軸上の位置にて安定浮遊した第１粒子を回収できる。なお、この場合であっても、第１粒子と第２粒子の分離精度を高めるために、磁気アルキメデス効果で浮遊する位置に合わせて(当該位置より若干下側に)棚板(37)を設けてもよい。また、第２粒子についても、水平方向に移動しつつ下降して壁部(35)に達し、そこで、第１粒子とは異なる高さで磁気アルキメデス浮遊状態にされてもよい。

図６は、本発明の分離方法又は分離装置の第２実施形態に係る混合物分離装置の概要を示す断面図である。第２実施形態に係る混合物分離装置は、支持液体(21)中にて混合物の粒子に浮上又は浮遊力を与える第１磁石(13)と、支持液体(21)中にて混合物の粒子を水平方向に移動させるための第２磁石(15)を備えており、支持液体(21)に印加する勾配磁場は、第１磁石(13)の勾配磁場と第２磁石(15)の勾配磁場を合成することで生成されている。第１磁石(13)は、支持液体(21)が貯められた略直方体状又は箱状の分離槽(31)の下側に配置されて、鉛直上向きに大きさが単調に減少する鉛直方向の勾配磁場を、分離槽(31)内の支持液体(21)に印加する。第１磁石(13)が生成する勾配磁場は、分離槽(31)内にて水平方向に沿って一様又はほぼ一様である。第２磁石(15)は、分離槽(31)の一端側に配置されて、分離槽(31)の他端側に向かって大きさが単調に減少する水平方向の勾配磁場を、分離槽(31)内の支持液体(21)に印加する。第２磁石(15)が生成する勾配磁場は、分離槽(31)内にて鉛直方向に沿って一様又はほぼ一様である。第１磁石(13)及び第２磁石(15)には、例えばソレノイドコイルを用いた超伝導電磁石が使用されるが、常伝導電磁石が使用されてもよい。分離槽(31)、第１磁石(13)及び第２磁石(15)を図６に示すように配設するための構成については、説明を省略する。

分離槽(31)の上部の一端側、つまり、第２磁石(15)側には、混合物を投入するホッパー(33)が設けられており、図６には、先の図と同様に第１粒子(●で示す)及び第２粒子(○で示す)からなる混合物が、支持液体(21)に投入される模様が例示されている。先と同様に、第１粒子及び第２粒子の両方について、(χ_ｉ−χ_０)＜０であることに加えて、(ρ_ｉ−ρ_０)＞０となるような支持液体(21)が選択される。磁石(13)(15)が生成する勾配磁場又はこれら磁石(13)(15)を流れる電流の大きさを調節することで、本発明の第１実施形態と同様に、支持液体(21)中にて第１粒子及び第２粒子は、水平方向(ｘ方向)に移動しつつ下降する。図６に示す例では、壁部(35)付近にて、第１粒子と第２粒子は、磁気アルキメデス浮遊状態になっており、第１粒子は棚板(37)の上面近くに浮遊しており、第２粒子は、分離槽(31)の底面(39)近くに浮遊している。先と同様に、浮揚した第１粒子と第２粒子は、先と同様に吸引管(51)(53)を用いて分離槽(31)から個々に回収される。

第１実施形態の混合物分離装置では、磁石(11)に流れる電流を調整すると、支持液体(21)中にて第１粒子と第２粒子に加わるｚ方向の力とｘ方向の力が共に変化するが、第２実施形態に係る混合物分離装置では、第１磁石(13)に流れる電流の値を調整することで、第１粒子及び第２粒子に加わるｚ方向の力を調整でき、第２磁石(15)に流れる電流の値を調整することで、第１粒子及び第２粒子に加わるｘ方向の力を調整できる。第２磁石(15)に流れる電流を間欠的に、例えば、パルス状に流すことで、第１粒子及び第２粒子に対してｘ方向の力が間欠的に与えられてもよい。

本発明の第１実施形態及び第２実施形態では、混合物の粒子に印加する勾配磁場を電磁石を用いて生成しているが、本発明は、超伝導バルク磁石や永久磁石を用いても実施可能である。図７は、本発明の分離方法又は分離装置の第３実施形態に係る混合物分離装置の概要を示す断面図である。第３実施形態に係る混合物分離装置では、混合物の粒子を水平方向に移動させつつ種類別に分離するための勾配磁場を超伝導バルク磁石(17)を用いて生成している。

超伝導バルク磁石(17)は、円柱状に形成されており、その円状の磁極端面上に略直方体状又は箱状の分離槽(31)が配置されている。分離槽(31)は、その長手方向が磁石(17)の磁極端面の径方向に沿うように配置されており、分離槽(31)の一端は、超伝導バルク磁石(17)の中心軸Ｃ付近に、分離槽(31)の他端(壁部(35))は、超伝導バルク磁石(17)の外縁付近に配置されている。超伝導バルク磁石(17)に対する分離槽(31)の位置は、適宜調整又は変更されてよい。

分離槽(31)の上部の一端側、つまり、超伝導バルク磁石(17)の中心軸Ｃ側には、混合物を投入するホッパー(33)が設けられており、図７には、先の図と同様に第１粒子(●で示す)及び第２粒子(○で示す)からなる混合物が、支持液体(21)に投入される模様が例示されている。第１実施形態及び第２実施形態と同様に、第１粒子及び第２粒子の両方について、(χ_ｉ−χ_０)＜０であることに加えて、(ρ_ｉ−ρ_０)＞０となるような支持液体(21)が選択される。

超伝導バルク磁石(17)は、その中心軸Ｃについて軸対称な磁場を生成する。磁石(17)の磁極端面から鉛直方向に沿って離れるにつれて、又は、磁石(17)の中心軸Ｃから水平方向(径方向)に沿って離れるにつれて、磁場の大きさは小さくなる。よって、超伝導バルク磁石(17)によって、支持液体(21)中の第１粒子及び第２粒子に、上述の式で示す水平方向(ｘ方向)の力Ｆｘと鉛直方向(ｚ方向)の力Ｆｚが与えられる。第１及び第２実施形態と同様に、支持液体(21)中にて第１粒子及び第２粒子を水平方向(ｘ方向)に移動させつつ下降させて、鉛直方向(ｚ方向)の位置が第１粒子と第２粒子とで異なるようにこれら粒子を分離することができる。

第１実施形態と同様に第１粒子は、棚板(37)上に集められ、吸引管(51)を用いて分離槽(31)から回収される。また、第２粒子は、分離槽(31)の底面(39)上に集められ、吸引管(53)を用いて分離槽(31)から回収される。第３実施形態に係る混合物分離装置でも、勾配磁場を、及び/又は支持液体(21)の体積磁化率や密度を調整することで、第１粒子が壁部(35)に達して磁気アルキメデス浮遊状態にされてもよい。第２粒子も壁部(35)に達して磁気アルキメデス浮遊状態にされてもよい。

第３実施形態の混合物分離装置の分離槽(31)を円筒状に構成し、その円状の上面部の中心にホッパー(33)を配置し、分離槽(31)又はホッパー(33)の中心軸が、超伝導バルク磁石(17)の中心軸Ｃに重なるように、超伝導バルク磁石(17)の上に分離槽(31)を配置してもよい。この場合、環状の棚板(37)が分離槽(31)の壁部に内向きに突設される。このような変形が行われた第３実施形態の混合物分離装置では、ホッパー(33)を介して支持液体(21)中に投入された第１粒子及び第２粒子は、支持液体(21)中にて中心軸Ｃに垂直な方向に(つまり、磁石(17)の磁極端面の径方向に)移動しつつ下降する。つまり、支持液体(21)に連続して投入された混合物の第１粒子及び第２粒子は、磁石(17)の中心軸Ｃから放射状に拡散することになる。

第１乃至第３実施形態について、図１乃至３、図６及び図７を参照して例示的に説明した第１粒子と第２粒子の軌跡では、第２粒子は、最終的に第１粒子の下側に配置されている。しかしながら、例えば、第２粒子の密度が非常に小さい場合((ρ₂−ρ_０)<０)には、第２粒子は、支持液体(21)の液面に浮いたまま壁部(35)に向かって移動することになる。

第１乃至第３実施形態について、図１乃至３、図６及び図７を参照して例示的に説明した第１粒子と第２粒子の軌跡では、第１粒子は、水平方向に移動しつつ降下して、支持液体(21)中にて棚板(37)に、又は、分離槽(31)の底面(39)から所定の高さに至っている。しかしながら、ホッパー(33)から投入された第１粒子は、支持液体(21)の液面に磁気浮揚した状態で、分離槽(31)の壁部(35)まで水平方向に移動してもよい。例えば、第１実施形態において、第１粒子及び第２粒子について、図に例示したような軌跡が得られており、さらに、壁部(35)付近にて、第１粒子が、磁気アルキメデス浮遊状態になっているとする。このような場合において、支持液体(21)の液面を、第１粒子の磁気アルキメデス浮遊位置にする、又はそれより低くすると、ホッパー(33)から投入された第１粒子は、支持液体(21)の液面に磁気浮揚した状態で、壁部(35)に向かって水平に移動する。

第１乃至第３実施形態について、物質が異なる２種類の粒子を含む混合物を例として説明してきたが、少なくとも一種類の粒子が常磁性体又は反磁性体であれば、本発明で処理される混合物に含まれる粒子の種類と、種類の数とは限定されない。第１乃至第３実施形態において、棚板(37)及び吸引管(51)(53)は、混合物に含まれる粒子の種類に応じて増設され、また、それら粒子の軌跡を考慮して配置される。なお、上述したように、種類別に分離された粒子は、分離槽(31)内にて、棚板を用いることなく、磁気アルキメデス効果で安定浮遊してもよい。

強磁性体の粒子と常磁性体又は反磁性体の粒子とが混合物に含まれている場合に、強磁性体の粒子は、ホッパー(33)の下側にて分離槽(31)の底面に堆積する。常磁性体又は反磁性体の粒子は、上述したように移動して棚板(37)に至る(又は壁部(35)にて磁気アルキメデス効果で安定浮揚する)ので、このような場合でも、本発明を用いて混合物を粒子の種類別に分離できる。

本発明において、混合物に含まれる粒子の大きさは、原理的には制限されない。しかしながら、あまりに大きいと取り扱いに不便であり、分離精度に悪影響を与えるので好ましくない。粒子の大きさは、数ミリ以下にされるのが好ましいであろう。また、混合物に含まれる粒子は、粉体や破砕物であってもよく、混合物に含まれる粒子の形状は制限されない。例えば、本発明を用いて処理される混合物は、常磁性体又は反磁性体の金属を含む廃棄物を破砕又は粉砕して生成されてよい。本発明を用いて処理される混合物は、研磨や切削等の機械加工で生じたスラリーを処理して得られてもよい。

第１乃至第３実施形態では、ホッパー(33)を用いて分離槽(31)に混合物が投入又は導入されているが、本発明において、分離槽(31)に混合物を導入する手段は特に限定されない。例えば、混合物が懸濁した支持液体(21)を分離槽(31)に間欠的に流し込むことで、分離槽(31)に混合物が導入されてもよい。なお、本発明では、分離槽(31)に混合物が投入又は導入される位置に依っては、粒子が一旦上昇した後に、水平方向に移動しつつ下降することが起こり得る。

第１乃至第３実施形態では、吸引管(51)(53)を用いて粒子を種類別に分離槽(31)から回収しているが、本発明において、分離した粒子を回収する手段は特に限定されない。例えば、特許文献２の図４のような捕集ネットが使用されてもよい。また、スクレーパーなどを用いて分離された粒子を分離槽(31)から掻き出されてもよい。

第１乃至第３実施形態にて、ｙ方向の力を粒子に与えるような磁石が追加されて、粒子の運動がより精密に制御されてもよい。なお、本発明の実施においては、印加する勾配磁場の向きは適宜選択されてよい。

上述したように、本発明を用いて、物質が異なる複数種類の粒子を含む混合物を種類別に分離することができる。しかしながら、上記の説明から容易に理解できるように、本発明は、物質が異なる複数種類の粒子を含む混合物から、常磁性体又は反磁性体で形成された特定の種類の粒子を分離する目的にも使用できる。第１乃至第３実施形態の混合物分離装置は、混合物から第１粒子のみを分離回収するのに使用できることは明らかである。このような用途で、本発明を用いる場合には、分離回収される粒子以外の種類の粒子は種類別に分離されなくともよい。例えば、第１乃至第３実施形態にて、混合物に、第１粒子及び第２粒子に加えて、これら粒子と種類が異なる第３粒子が含まれている場合、第３粒子は第２粒子と同様に、支持液体(21)中にて水平方向に移動しつつ下降し、分離槽(31)の底面(39)に至り、その後、分離槽(31)の底面(39)の上を壁部(35)に向かって移動してよい(その後、第３粒子は第２粒子と共に吸引管(53)で回収される)。

以下、本発明の具体的な実施例と本発明に関連して行った実験例とについて説明する。

[実施例１]
ボア径１００ｍｍのソレノイドコイルを用いた超伝導磁石を、そのコイル中心軸を鉛直方向に対して３０度傾斜した状態に配置し、図１及び図２に示すように、超伝導磁石の内側空間に、支持液体として５０ｗｔ％塩化マンガン水溶液を貯蔵した分離槽を配置した。分離槽は、透明なカーボネートで形成されており、図１乃至図３に示すような形状を有していた。分離槽の幅は４０ｍｍ、長さは４０ｍｍ、高さは５０ｍｍであり、幅１５ｍｍの棚板が底面から高さ２５ｍｍの位置に突設された。

ガラス(シリカ)粒子(反磁性体)とアルミナ粒子(反磁性体)とからなる混合物を調製し(ガラス(シリカ)とアルミナの密度及び体積磁化率については、表１を参照)、上記超伝導磁石に給電して磁場を下向きに発生させた後に、棚板の反対側から分離槽に投下した。ガラス粒子とアルミナ粒子は共に球形であり、これら粒子の粒径は、略１．５ｍｍであった。磁場の最大値は、コイル又は磁石中心で４Ｔであり、分離槽の最もコイル中心に近い場所にて(図２に示す分離槽(31)の右隅に対応)、ｘ方向の磁場の大きさは１Ｔ、ｚ方向の磁場の大きさは２Ｔであった。

投入された混合物の粒子は、棚板が突設された壁に向かって移動しつつ、支持液体中を降下して、図８の写真に示すように、当該壁の付近にて、ガラス粒子(図８にて光っている粒子)は棚板の上に集積され、アルミナ粒子(図８にて白色の粒子)は分離槽の底面上に集積された。このように、ガラス粒子とアルミナ粒子からなる混合物を、本発明を用いて粒子の種類ごとに分離できることが実際に確認された。また、実施例１の結果から、本発明を用いて、ガラス粒子又はアルミナ粒子を含む混合物からガラス粒子又はアルミナ粒子を分離できることも容易に理解できるであろう。

[実施例２]
図９(ａ)及び(ｂ)は、上述の第３実施形態に対応した実施例２の概要を模式的に説明する説明図である。略Ｕ字状の外形を有する分離槽(71)を、透明なカーボネートを材料として作製した。分離槽(71)の長さは７０ｍｍ、高さは６０ｍｍ、幅は２ｍｍであり、底面から高さ１０ｍｍの位置に水平な棚板(73)が設けられた。分離槽(71)の両端の延出部分(75a)(75b)の上端は開放しており、一方の延出部分(75b)内には、棚板(73)と繋がる仕切り板(77)が鉛直に設けられた。分離槽(71)内には、支持液体(79)として５０ｗｔ％塩化マンガン水溶液が入れられた。

アルミニウム粒子(常磁性体)とチタニウム粒子(常磁性体)とからなる混合物を調製し(アルミニウムとチタニウムの密度及び体積磁化率については、表１を参照)、図９(ａ)に示すように超伝導バルク磁石(81)上に配置された分離槽(71)内に、延出部分(75a)の開口から投入した。アルミニウム粒子は、アルミニウム塊を破砕して、チタニウム粒子は、チタニウム塊を破砕して作製され、それらの大きさは略１ｍｍであった。

超伝導バルク磁石(81)は円柱状であり、その直径は６０ｍｍであった。超伝導バルク磁石(81)は、ソレノイド型超伝導磁石を用いて着磁され、磁極端面中心での磁場の大きさは略３Ｔであった。分離槽(71)は、その長手方向が、超伝導バルク磁石(81)の径方向に沿うように、超伝導バルク磁石(81)の磁極端面上に配置された。さらに、分離槽(71)の延出部分(75a)の内壁から若干離間して(数ｍｍ程度)、超伝導バルク磁石(81)の中心軸Ｃが分離槽(71)を通るように、分離槽(71)は、超伝導バルク磁石(81)に対して位置決めされた。

分離槽(71)内に入れられたアルミニウム粒子とチタニウム粒子は、図９(ａ)に模式的に示すように、延出部分(75a)の内壁にて、磁気アルキメデス効果によって夫々異なる高さに安定浮遊し、集積した。アルミニウム粒子の浮遊高さは、チタニウム粒子の高さよりも上であった。図１０の写真は、この状態を撮影したものである。この状態から、図９(ｂ)に示すように、分離槽(71)を、超伝導バルク磁石(81)の径方向に沿って外向きに若干水平移動させた。超伝導バルク磁石(81)の中心軸Ｃは、分離槽(71)の外側に移動し、分離槽(71)の外面から数ｍｍ程度離間するように配置された。

分離槽(71)が移動すると、支持液体(79)中のアルミニウム粒子とチタニウム粒子は、図９(ｂ)に模式的に示すように、延出部分(75b)側に移動しつつ降下した。そして、図１１の写真に示すように、アルミニウム粒子は棚板(73)に載置され、それらアルミニウム粒子のほぼ下方にて、チタニウム粒子は、分離槽(71)の底面に載置された。このように、アルミニウム粒子とチタニウム粒子からなる混合物を、本発明を用いて種類ごとに分離できることが実際に確認された。また、実施例２の結果から、本発明を用いて、アルミニウム粒子又はチタニウム粒子を含む混合物からアルミニウム粒子又はチタニウム粒子を分離できることも容易に理解できるであろう。

[実施例３]
実施例１で用いたガラス粒子とアルミナ粒子からなる混合物を用いた点と、支持液体(79)として塩化コバルト１５ｗｔ％水溶液を用いた点とを除いて、実施例２と同様な処理を行った。ガラス粒子とアルミナ粒子は、図９(ａ)に示すように夫々異なる高さに磁気アルキメデス浮遊した後、図９(ｂ)に示すように、支持液体(79)中を降下しつつ水平方向(径方向)に移動し、その後、図１２(ａ)の写真に示すように、ガラス粒子が棚板(73)上に配置され、アルミナ粒子が分離槽(71)の底面に配置された。

[実施例４]
支持液体(79)として硝酸コバルト１５ｗｔ％水溶液を用いた点を除いて、実施例３と同様な処理を行った。ガラス粒子とアルミナ粒子は、図９(ａ)に示すように夫々異なる高さに磁気アルキメデス浮遊した後、図９(ｂ)に示すように、支持液体(79)中を降下しつつ水平方向に移動し、その後、図１２(ｂ)の写真に示すように、ガラス粒子が棚板(73)上に配置され、アルミナ粒子が分離槽(71)の底面に配置された。

[実施例５]
支持液体(79)として塩化ニッケル２０ｗｔ％水溶液を用いた点を除いて、実施例３と同様な処理を行った。ガラス粒子とアルミナ粒子は、図９(ａ)に示すように夫々異なる高さに磁気アルキメデス浮遊した後、図９(ｂ)に示すように、支持液体(79)中を降下しつつ水平方向に移動し、その後、図１２(ｃ)の写真に示すように、ガラス粒子が棚板(73)上に配置され、アルミナ粒子が分離槽(71)の底面に配置された。

[実施例６]
支持液体(79)として硝酸ガドリニウム１５ｗｔ％水溶液を用いた点を除いて、実施例３と同様な処理を行った。ガラス粒子とアルミナ粒子は、図９(ａ)に示すように夫々異なる高さに磁気アルキメデス浮遊した後、図９(ｂ)に示すように、支持液体(79)中を降下しつつ水平方向に移動し、その後、図１３(ａ)の写真に示すように、ガラス粒子が棚板(73)上に配置され、アルミナ粒子が分離槽(71)の底面に配置された。

[実施例７]
支持液体(79)として硝酸ジスプロシウム１５ｗｔ％水溶液を用いた点を除いて、実施例３と同様な処理を行った。ガラス粒子とアルミナ粒子は、図９(ａ)に示すように夫々異なる高さに磁気アルキメデス浮遊した後、図９(ｂ)に示すように、支持液体(79)中を降下しつつ水平方向に移動し、その後、図１３(ｂ)の写真に示すように、ガラス粒子が棚板(73)上に配置され、アルミナ粒子が分離槽(71)の底面に配置された(図１３(ｂ)では、分離槽(71)と超伝導バルク磁石(81)の間にプラスチック薄板が挿入されている。図１３(ｃ)及び図１４(ｃ)も同様)。

[実施例８]
支持液体(79)として硝酸テルビウム１５ｗｔ％水溶液を用いた点を除いて、実施例３と同様な処理を行った。ガラス粒子とアルミナ粒子は、図９(ａ)に示すように夫々異なる高さに磁気アルキメデス浮遊した後、図９(ｂ)に示すように、支持液体(79)中を降下しつつ水平方向に移動し、その後、図１３(ｃ)の写真に示すように、ガラス粒子が棚板(73)上に配置され、アルミナ粒子が分離槽(71)の底面に配置された。

[実施例９]
支持液体(79)として硝酸ニッケル２０ｗｔ％水溶液を用いた点を除いて、実施例３と同様な処理を行った。ガラス粒子とアルミナ粒子は、図９(ａ)に示すように夫々異なる高さに磁気アルキメデス浮遊した後、図９(ｂ)に示すように、支持液体(79)中を降下しつつ水平方向に移動し、その後、図１４(ａ)の写真に示すように、ガラス粒子が棚板(73)上に配置され、アルミナ粒子が分離槽(71)の底面に配置された。

[実施例１０]
支持液体(79)として塩化第一鉄１０ｗｔ％水溶液を用いた点を除いて、実施例３と同様な処理を行った。ガラス粒子とアルミナ粒子は、図９(ａ)に示すように夫々異なる高さに磁気アルキメデス浮遊した後、図９(ｂ)に示すように、支持液体(79)中を降下しつつ水平方向に移動し、その後、図１４(ｂ)の写真に示すように、ガラス粒子が棚板(73)上に配置され、アルミナ粒子が分離槽(71)の底面に配置された。

[実施例１１]
実施例１で用いたガラス粒子とアルミナ粒子からなる混合物に、大きさが最大で１ｍｍ程度の赤ガラス粒子を加えて調製した混合物を用いた点と、支持液体(79)として塩化マンガン１５ｗｔ％水溶液を用いた点とを除いて、実施例２と同様な処理を行った。ガラス粒子(及び赤ガラス粒子)とアルミナ粒子は、図９(ａ)に示すように夫々異なる高さに磁気アルキメデス浮遊した後、図９(ｂ)に示すように、支持液体(79)中を降下しつつ水平方向に移動し、その後、図１４(ｃ)の写真に示すように、ガラス粒子と赤ガラス粒子とが棚板(73)上に配置され、アルミナ粒子が分離槽(71)の底面に配置された。

実施例１及び実施例２では、支持液体として塩化マンガン水溶液が使用されていたが、実施例３乃至１０により、塩化コバルト、硝酸コバルト、塩化ニッケル、硝酸ガドリニウム、硝酸ジスプロシウム、硝酸テルビウム、硝酸ニッケル、又は塩化第一鉄の水溶液も、本発明の支持液体として使用できることが実際に確認された。支持液体は、塩化マンガン、塩化コバルト、硝酸コバルト、塩化ニッケル、硝酸ガドリニウム、硝酸ジスプロシウム、硝酸テルビウム、硝酸ニッケル及び塩化第一鉄から選択された複数種類の常磁性無機塩を含む水溶液であってもよいことは、また、実施例で用いた常磁性無機塩以外の常磁性無機塩(例えば、塩化ガドリニウム)を含む水溶液を支持液体として使用できることは当業者であれば容易に理解できるであろう。実施例１及び２と実施例１１とを比較すると、本発明において、処理する混合物(を構成する物質)、印加する勾配磁場や分離槽の形状等に応じて、支持液体における常磁性無機塩の濃度が調整されてよいことが理解できる。

以下で説明する実験例１、２、４及び５では、鉛直方向の勾配を有する勾配磁場による磁気アルキメデス効果を利用して、混合物に含まれる粒子が物質の種類ごとに分離されており、また、実験例３及び６では、鉛直方向の勾配を有する勾配磁場による磁気アルキメデス効果を利用して、一種類の粒子が安定浮遊させている。実験例１乃至６では、上記実施例のように粒子を水平方向に移動させていないが、第１乃至第３実施形態に関する説明から容易に理解できるように、実験例１乃至６で採用した機器構成を変更して、例えば水平成分の磁場勾配を有する勾配磁場を付与して、粒子を水平方向に移動させることは可能である。本分野における通常の知識を有する者であれば、実験例１乃至６から得られる結果や知見は、本発明にも適用又は利用され得ることを容易に理解できるであろう。

[実験例１]
アルミニウム粒子、チタニウム粒子、アルミナ粒子、及びガラス(シリカ)粒子を含む混合物を、有底円筒状のガラス製容器に入れた５０ｗｔ％塩化マンガン水溶液に投入し、鉛直上向きの勾配磁場を印加した。各種粒子の大きさは、略１ｍｍにされた(その他の実験例でも同様)。勾配磁場の印加には、ソレノイド型超伝導磁石を用いて着磁された円柱状の超伝導バルク磁石を使用し、混合物が入れられた塩化マンガン水溶液が入ったガラス製容器を、超伝導バルク磁石の磁極端面の中央に載置した(図１７の写真を参照のこと。図１７では、ガラス製容器は、写真撮影用の黒色の紙を介して超伝導バルク磁石に載置されている)。

図１５に、実験例１で使用した超伝導バルク磁石によって印加される磁場の大きさと、及び、磁場の大きさとｚ方向の磁場勾配の積の分布を示す。超伝導バルク磁石の磁極端面上にて(ｚ＝０)、磁場は３.２Ｔであり、該端面から上方に離れるにつれて単調に減少した(ｚ＝３０ｍｍで、０.５７Ｔ)。超伝導バルク磁石の磁極端面上にて(ｚ＝０)、磁場×磁場勾配は、−６３９．３Ｔ^２/ｍであり、該磁極端面から上方に離れるにつれて単調に増加した(ｚ＝２７ｍｍで、−１９．８Ｔ^２/ｍ)。図１６に、超伝導バルク磁石の端面からの距離と、磁場、ｚ方向の磁場勾配、及び磁場×磁場勾配の値とを示す。

５０ｗｔ％塩化マンガン水溶液に入れた混合物に、図１５及び図１６に示す勾配磁場を印加することで、図１７として添付した写真に示すように、磁気アルキメデス効果により、アルミニウム粒子、チタニウム粒子、アルミナ粒子、及びガラス粒子は、夫々異なる高さに安定に浮遊した。表１に、これらの粒子について、密度(ｇ/ｃｍ^３)、体積磁化率(ＳＩ単位系)及び浮遊位置(超伝導バルク磁石の端面からの距離ｚ(ｍｍ))を示す。

本発明を用いて、アルミニウム粒子、チタニウム粒子、アルミナ粒子及びガラス粒子を含む混合物を粒子の種類別に分離できること、さらには反磁性体粒子と常磁性体粒子を含む混合物を粒子の種類別に分離できることが、実験例１の結果から理解される。さらには、本発明を用いて、アルミニウム粒子、チタニウム粒子、アルミナ粒子及び/又はガラス粒子を含む混合物からこれら粒子の何れかを分離できること、また、反磁性体粒子と常磁性体粒子を含む混合物から反磁性体粒子と常磁性体粒子の何れかを分離できることが、実験例１の結果から理解される。

[実験例２]
銅粒子(反磁性体)、鉛粒子(反磁性体)、及びマグへマイト(γ−Ｆｅ_２Ｏ_３)粒子(強磁性体)を含む混合物を、実験例１と同じガラス製容器に入れた５０ｗｔ％塩化マンガン水溶液に投入し、実験例１と同じ勾配磁場を鉛直上向きに印加した。表２に、これらの粒子について、密度、体積磁化率(マグへマイトを除く)及び浮遊位置を示す。５０ｗｔ％塩化マンガン水溶液の磁化は強磁性体であるマグへマイトの磁化と比較して非常に小さいので、マグへマイト粒子は、超伝導バルク磁石に吸引されて、ガラス製容器の底部に堆積したが、銅粒子及び鉛粒子は、異なる高さに浮遊し、分離した。

本発明を用いて、銅粒子、鉛粒子又はマグヘマイト粒子を含む混合物を種類ごとに分離できることが、銅粒子、鉛粒子及びマグヘマイト粒子を含む混合物を種類ごとに分離できることが、さらには、反磁性体粒子と強磁性体粒子を含む混合物を粒子の種類ごとに分離できることが、実験例２の結果から理解される。さらには、本発明を用いて、銅粒子又は鉛粒子に加えてマグヘマイト粒子を含む混合物から銅粒子又は鉛粒子を分離できること、また、反磁性体粒子と強磁性体粒子を含む混合物から反磁性体粒子を分離できることが、実験例２の結果から理解される。

[実験例３]
銀粒子(反磁性体)、金粒子(反磁性体)及びタングステン粒子(常磁性体)を、実験例１と同じガラス製容器に入れた５０ｗｔ％塩化マンガン水溶液に個別に投入し、実験例１と同じ勾配磁場を鉛直上向きに印加した。表３に、これらの粒子について、密度、体積磁化率及び浮遊位置を示す。

本発明を用いて、タングステン粒子、銀粒子又は金粒子を含む混合物を粒子の種類ごとに分離できること、タングステン粒子、銀粒子及び金粒子を含む混合物を種類ごとに分離できることが、さらには、高密度の粒子を含む混合物を粒子の種類ごと分離できることが、実験例３の結果から理解される。さらには、本発明を用いて、タングステン粒子、銀粒子又は金粒子を含む混合物からこれら粒子の何れかを分離できること、また、混合物から高密度の粒子を分離できることが、実験例３の結果から理解される。

[実験例４]
アルミニウム粒子及びチタニウム粒子を含む混合物を、実験例１と同じガラス製容器に入れた塩化マンガン水溶液に投入し、実験例１と同じ勾配磁場を鉛直上向きに印加した。実験例４では、塩化マンガン水溶液の濃度を変化させて、アルミニウム粒子及びチタニウム粒子の浮揚位置を変化させた。表４に、塩化マンガン水溶液の濃度と、それに対応した粒子の浮遊位置とを示す。

支持液体の体積磁化率と密度を変化させることで、より具体的には、支持液体として常磁性無機塩の水溶液を使用した場合にはその濃度を変化させることで、本発明において支持液体中の粒子の軌跡や回収場所を調整又は制御できることが、実験例４の結果から理解される。

[実験例５]
アルミニウム粒子及びチタニウム粒子を含む混合物を、実施例１と同じガラス製容器に入れた５０ｗｔ％塩化マンガン水溶液に投入し、実験例１と同じ磁場を鉛直上向きに印加した。実験例５では、ガラス製容器の位置を鉛直方向に変化させることで、粒子に印加する磁場と磁場勾配とを変化させた。表５に、ガラス製容器の底面における磁場大きさと、磁場及び磁場勾配の各組に対応した粒子の(ガラス製容器の底面からの)浮遊位置とを示す。

実験例５の結果から、本発明において、回収場所又は領域にて混合物のある種類の粒子を浮遊又は浮揚させる一方で別の種類の粒子を沈降又は沈殿させること、回収場所又は領域にてこれら粒子を共に浮遊させること、さらには、これら粒子の浮遊高さや間隔を調整又は制御することが、印加する勾配磁場の制御により行えることが理解される。

[実験例６]
シリカ粒子を、実験例１と同じガラス製容器に入れた２５ｗｔ％塩化第一鉄水溶液に投入し、実験例１と同じ勾配磁場を鉛直上向きに印加した。この場合、超伝導バルク磁石の端面から１６ｍｍの位置にシリカ粒子が安定浮揚した。

上記説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。

(11) 磁石
(13) 第１磁石
(15) 第２磁石
(17) 超伝導バルク磁石
(21) 支持液体
(31) 分離槽
(33) ホッパー
(37) 棚板
(39) 底面
(41) 容器
(51) 吸引管
(53) 吸引管

Claims (14)

1. 異なる物質で形成された少なくとも２種類の粒子を含む混合物を磁気アルキメデス効果を利用して種類ごとに分離する、或いは、前記混合物から特定の種類の粒子を磁気アルキメデス効果を利用して分離する混合物の分離方法であって、
   前記少なくとも２種類の粒子の一方の種類の粒子は、常磁性体又は反磁性体で形成されており、前記一方の種類の粒子の密度と体積磁化率は、前記少なくとも２種類の粒子の他方の種類の粒子の密度と体積磁化率と異なっており、
   分離槽に貯蔵された支持液体に、磁場勾配が鉛直成分と水平成分とを有する磁場を印加する工程と、
   前記磁場が印加された前記支持液体に前記混合物を入れて、前記支持液体中にて前記分離槽の底面から所定の高さに位置するように前記一方の種類の粒子を誘導する工程と、
   前記所定の高さに配置された前記一方の種類の粒子を回収する工程と、を含んでおり、
   前記誘導する工程は、前記一方の種類の粒子を磁気アルキメデス効果による浮遊状態にすると共に、前記一方の種類の粒子の体積磁化率と前記支持液体の体積磁化率の差に比例しており、前記磁場に起因した水平方向の力を前記一方の種類の粒子に与えることで、前記一方の種類の粒子を、磁気アルキメデス効果による浮遊状態を維持したまま下降させつつ、水平方向に移動させる工程を含んでおり、
   前記他方の種類の粒子は、前記分離槽の底面と前記支持液体の液面の間にて、鉛直方向について前記一方の種類の粒子と異なる位置に配置される混合物の分離方法。
2. 前記分離槽には、略水平な棚板が配設されており、前記一方の種類の粒子は、前記支持液体中を降下して前記棚板に載置される、請求項１に記載の混合物の分離方法。
3. 前記一方の種類の粒子は、前記支持液体中にて前記所定の高さで安定に浮遊する、請求項１に記載の混合物の分離方法。
4. 前記磁場は、超伝導バルク磁石を、又はコイル中心軸が鉛直方向に対して傾けられたソレノイドコイルを有する磁場生成手段を用いて生成される、請求項１乃至３の何れかに記載の混合物の分離方法。
5. 前記磁場は、第１磁場生成手段により生成された第１磁場と、第２磁場生成手段により生成された第２磁場とを合成したものであり、前記第１磁場の磁場勾配は鉛直方向を、前記第２磁場の磁場勾配は水平方向を向いている、請求項１乃至３の何れかに記載の混合物の分離方法。
6. 前記誘導する工程は、前記他方の種類の粒子を磁気アルキメデス効果による浮遊状態にすると共に、前記他方の種類の粒子の体積磁化率と前記支持液体の体積磁化率との差に比例しており、前記磁場に起因した水平方向の力を前記他方の種類の粒子に与えることで、前記他方の種類の粒子を、磁気アルキメデス効果による浮遊状態を維持したまま下降させつつ、水平方向に移動させる工程を含んでいる、請求項１乃至５の何れかに記載の混合物の分離方法。
7. 前記支持液体は、塩化マンガン、塩化コバルト、塩化ニッケル、塩化第一鉄、硝酸コバルト、硝酸ニッケル、硝酸ガドリニウム、硝酸ジスプロシウム及び硝酸テルビウムからなる群から選択された少なくとも一種の無機塩を含む水溶液である、請求項１乃至６の何れかに記載の混合物の分離方法。
8. 異なる物質で形成された少なくとも２種類の粒子を含む混合物を磁気アルキメデス効果を利用して種類ごとに分離する、或いは、前記混合物から特定の種類の粒子を磁気アルキメデス効果を利用して分離する混合物の分離装置であって、
   前記少なくとも２種類の粒子の一方の種類の粒子は、常磁性体又は反磁性体で形成されており、前記一方の種類の粒子の密度と体積磁化率は、前記少なくとも２種類の粒子の他方の種類の粒子の密度と体積磁化率と異なっており、
   支持液体を貯蔵する分離槽と、
   磁場勾配が鉛直成分と水平成分とを有する磁場を前記支持液体に印加する磁場生成手段と、
   前記分離槽の一端側に設けられており、前記混合物を前記支持液体に導入する導入手段と、
   前記分離槽の他端側に設けられており、前記一方の種類の粒子を回収する回収手段とを備えており、
   前記導入手段を介して、前記磁場が印加された前記支持液体に前記混合物が導入されると、磁気アルキメデス効果による浮遊状態にされると共に、前記一方の種類の粒子の体積磁化率と前記支持液体の体積磁化率の差に比例しており、前記磁場に起因した水平方向の力が与えられて、前記一方の種類の粒子は、磁気アルキメデス効果による浮遊状態を維持したまま下降すると共に前記分離槽の他端側に向けて移動し、前記支持液体中にて前記分離槽の底面から所定の高さに位置するように誘導され、
   前記回収手段は、前記所定の高さに配置された前記一方の種類の粒子を前記分離槽から回収し、
   前記他方の種類の粒子は、前記分離槽の底面と前記支持液体の液面の間にて、鉛直方向について前記一方の種類の粒子と異なる位置に配置される混合物の分離装置。
9. 前記分離槽には、略水平な棚板が配設されており、前記一方の種類の粒子は、前記支持液体中を降下して前記棚板に載置される、請求項８に記載の分離装置。
10. 前記一方の種類の粒子は、前記支持液体中にて前記所定の高さで安定に浮遊する、請求項８に記載の分離装置。
11. 前記磁場生成手段は、超伝導バルク磁石を、又はコイル中心軸が鉛直方向に対して傾けられたソレノイドコイルを有する電磁石である、請求項８乃至１０の何れかに記載の分離装置。
12. 前記磁場生成手段は、第１磁場を生成する第１磁石と、第２磁場を生成する第２磁石とを含んでおり、前記磁場は、前記第１磁場と前記第２磁場を合成したものであり、前記第１磁場の磁場勾配は鉛直方向を、前記第２磁場の磁場勾配は水平方向を向いている、請求項８乃至１０の何れかに記載の分離装置。
13. 磁気アルキメデス効果による浮遊状態にされると共に、前記他方の種類の粒子の体積磁化率と前記支持液体の体積磁化率の差に比例しており、前記磁場に起因した水平方向の力が与えられて、前記他方の種類の粒子は、磁気アルキメデス効果による浮遊状態を維持したまま下降すると共に前記分離槽の他端側に向けて移動して、前記異なる位置に誘導される、請求項８乃至１２の何れかに記載の混合物の分離装置。
14. 前記支持液体は、塩化マンガン、塩化コバルト、塩化ニッケル、塩化第一鉄、硝酸コバルト、硝酸ニッケル、硝酸ガドリニウム、硝酸ジスプロシウム及び硝酸テルビウムからなる群から選択された少なくとも一種の無機塩を含む水溶液である、請求項８乃至１３の何れかに記載の混合物の分離装置。