JP7806987B2 - Particle recovery method and particle recovery device - Google Patents
Particle recovery method and particle recovery deviceInfo
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Description
本発明は、スラリーから粒子を回収する方法、及びそれに用いる粒子回収装置に関し、特に、ナノ粒子の回収に用いて好適である。 The present invention relates to a method for recovering particles from a slurry and a particle recovery device used therein, and is particularly suitable for use in recovering nanoparticles.
従来、スラリーから粒子を回収する方法としては、ろ過による分離方法や遠心分離機を用いた分離方法が知られている。しかし、ナノテクノロジーの進歩に伴い、工業プロセスにおいて、100ナノメートル以下の直径を有するようなナノ粒子が使われることも多くなっている。これに対して、上記のろ過や遠心分離の方法では、ナノ粒子を分離して回収することが困難であるという問題があった。 Traditionally, methods for recovering particles from slurries have been known to involve separation by filtration or using a centrifuge. However, with advances in nanotechnology, nanoparticles with diameters of 100 nanometers or less are increasingly being used in industrial processes. However, the above-mentioned filtration and centrifugation methods have posed a problem in that it is difficult to separate and recover nanoparticles.
こうした問題を解決すべく、電気泳動によりスラリーから粒子を回収する方法が開発されている。例えば、特許文献1では、スラリー中に一対の電極を浸漬し、電極間に電圧を付与して電気泳動によって電極近傍に粒子を濃縮してペースト状とし、回収する方法が記載されている。この方法によれば、ナノ粒子スラリーからでもナノ粒子を回収することができる。 To solve these problems, methods have been developed for recovering particles from slurry using electrophoresis. For example, Patent Document 1 describes a method in which a pair of electrodes is immersed in the slurry, a voltage is applied between the electrodes, and the particles are concentrated near the electrodes by electrophoresis to form a paste, which is then recovered. This method makes it possible to recover nanoparticles even from nanoparticle slurry.
しかし、電気泳動によって回収した粒子はペースト状となっており、電気泳動において用いた液体を多量に含んでおり、様々な物質が溶解している。このため、回収したペースト状の粒子を洗浄する必要もあった。このため、特許文献1に記載の粒子回収方法を利用する場合には、電極近傍に濃縮されたペースト状の粒子をスクレバー等によって掻き取って別の容器に移し、洗浄水中で再分散したものを、再度電気泳動装置に移して回収するという工程を繰り返さなければならなかった。 However, the particles recovered by electrophoresis are in a paste-like state, contain a large amount of the liquid used in electrophoresis, and have various substances dissolved in them. For this reason, it is necessary to wash the recovered paste-like particles. Therefore, when using the particle recovery method described in Patent Document 1, it is necessary to scrape off the paste-like particles concentrated near the electrodes with a scraper or the like, transfer them to another container, redisperse them in wash water, and then transfer them back to the electrophoresis device for recovery. This process must be repeated.
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、スラリー中の粒子の回収工程と洗浄工程を一つの装置で連続して行うことが可能な粒子回収方法、及びそれに用いる粒子回収装置を提供することを解決すべき課題とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned conventional situation, and aims to solve the problem of providing a particle recovery method that can continuously perform the recovery and washing processes of particles in a slurry using a single device, as well as a particle recovery device used therein.
本発明の粒子回収装置は、液体中に分散されている粒子を電気泳動によって電極近傍に付着させて回収する粒子回収装置であって、前記液体を収容する処理槽と、該処理槽中に配置された一対の電極と、該一対の電極間に電圧を付与する電源とを備え、前記電極近傍に付着した粒子と該粒子周囲の液体とを相対運動させることにより該電極近傍に付着した粒子に剪断力を付与して再分散させることが可能な相対運動手段が設けられていることを特徴とする。 The particle recovery device of the present invention recovers particles dispersed in a liquid by electrophoresis, causing them to adhere to the vicinity of an electrode. It is characterized by comprising a treatment tank that contains the liquid, a pair of electrodes disposed in the treatment tank, and a power source that applies a voltage between the pair of electrodes, and is provided with relative movement means that can apply shear force to the particles adhered near the electrodes and redisperse them by causing relative movement between the particles adhered near the electrodes and the liquid surrounding the particles.
本発明の粒子回収装置では、処理槽内に粒子が分散されている液体を入れ、電源をオン状態として一対の電極間に電圧を付与することにより、液体中に分散されている粒子は電気泳動によって電極方向に移動し、電極に近傍に濃縮されペースト状となって付着する。こうして電極に粒子を付着させた状態としたまま、処理槽内の液体を排除し、洗浄用液体を処理槽内に入れる。そして、相対運動手段を駆動させることにより、電極に付着した粒子と粒子周囲の液体とを相対運動させる。これにより電極にペースト状となって付着した粒子に剪断力が付与され、洗浄用液体中に再分散される。
また、洗浄用液体中に再分散された粒子に対して、再度の電気泳動を行えば、洗浄用液体で洗浄された粒子が電極に付着する。こうして再付着した粒子をそぎ落とし、洗浄された粒子を回収することができる。
また、電気泳動と洗浄用液体での洗浄を複数回繰り返すことにより、洗浄効果をさらに高めることができる。
In the particle recovery device of the present invention, a liquid containing dispersed particles is placed in a treatment tank, and a voltage is applied between a pair of electrodes with the power turned on. The particles dispersed in the liquid migrate toward the electrodes by electrophoresis, concentrating near the electrodes and adhering to them in a paste-like state. With the particles thus adhering to the electrodes, the liquid in the treatment tank is removed and a cleaning liquid is introduced into the treatment tank. The relative motion means is then driven to cause relative motion between the particles adhering to the electrodes and the liquid surrounding the particles. This applies shear force to the particles adhering to the electrodes in a paste-like state, causing them to be redispersed in the cleaning liquid.
Furthermore, if the particles redispersed in the cleaning liquid are subjected to electrophoresis again, the particles washed with the cleaning liquid will adhere to the electrode, and the re-adhered particles can be scraped off and the washed particles can be collected.
Furthermore, by repeating electrophoresis and washing with a washing liquid multiple times, the washing effect can be further improved.
したがって、本発明の粒子回収装置によれば、スラリー中の粒子の回収工程と洗浄工程を一つの装置で連続して行うことが可能となる。 Therefore, the particle recovery device of the present invention makes it possible to continuously perform the recovery and cleaning processes of particles in slurry using a single device.
相対運動手段としては、例えば、粒子が濃縮される側の電極を液体中で運動させる電極運動手段としたり、液体を流動させる液体流動手段としたりすることができる。いずれの手段であっても、電極に付着した粒子に剪断力を与えて再分散させることが可能である。また、相対運動手段と液体流動手段を併用してもよい。 The relative movement means can be, for example, an electrode movement means that moves the electrode on the side where the particles are concentrated in the liquid, or a liquid flow means that moves the liquid. Either means can apply shear force to the particles attached to the electrode, causing them to be redispersed. It is also possible to use a combination of a relative movement means and a liquid flow means.
粒子が付着する側の電極表面は凹凸が設けられていることが好ましい。電極表面に凹凸があれば、電極に付着する粒子の量をより多くすることができ、また、電気泳動を行っている間に付着した粒子が脱落し難くなる。 It is preferable that the electrode surface on which the particles adhere is uneven. If the electrode surface is uneven, a larger amount of particles can adhere to the electrode, and the adhered particles are less likely to fall off during electrophoresis.
本発明の粒子回収装置を用いれば、次の方法によってスラリー中の粒子の回収を一つの装置で連続して行うことができる。
すなわち、本発明の粒子回収方法は、液体中に粒子が分散された粒子分散液を処理槽に入れ、該粒子分散液中に一対の電極を浸漬し、該電極間に電圧を付与して電気泳動により該電極に粒子を付着させる電気泳動工程と、
該液体を洗浄用液体と置換する液置換工程と、
該電極に付着した粒子と該洗浄用液体とを相対運動させることにより該電極に付着した粒子に剪断力を付与して該洗浄用液体中に再分散させる再分散工程と、を備えることを特徴とする。
By using the particle recovery device of the present invention, the recovery of particles in a slurry can be carried out continuously in one device by the following method.
That is, the particle recovery method of the present invention includes an electrophoresis step of placing a particle dispersion liquid in which particles are dispersed in a liquid into a treatment tank, immersing a pair of electrodes in the particle dispersion liquid, and applying a voltage between the electrodes to cause particles to adhere to the electrodes by electrophoresis;
a liquid replacement step of replacing the liquid with a cleaning liquid;
and a redispersion step of redispersing the particles adhered to the electrode in the cleaning liquid by applying shear force to the particles adhered to the electrode by causing relative movement between the particles adhered to the electrode and the cleaning liquid.
また、次の方法によって、スラリー中の粒子から電極上に粒子の単層を形成させることができる。
すなわち、本発明の単層形成方法は、液体中に粒子が分散された粒子分散液を処理槽に入れ、該粒子分散液中に一対の電極を浸漬し、該電極間に電圧を付与して電気泳動により該電極に粒子を付着させる電気泳動工程と、
該液体を洗浄用液体と置換する液置換工程と、
該電極に付着した粒子と該洗浄用液体とを相対運動させることにより該電極に付着した粒子に剪断力を付与して前記電極上に粒子からなる単層を形成させる単層形成工程と、を備えることを特徴とする。
Alternatively, the particles in the slurry can be made to form a monolayer of particles on the electrode by the following method.
That is, the monolayer forming method of the present invention includes an electrophoresis step of placing a particle dispersion liquid in which particles are dispersed in a liquid into a treatment tank, immersing a pair of electrodes in the particle dispersion liquid, and applying a voltage between the electrodes to cause particles to adhere to the electrodes by electrophoresis;
a liquid replacement step of replacing the liquid with a cleaning liquid;
and a monolayer forming step of applying shear force to the particles adhering to the electrode by moving the particles adhering to the electrode and the cleaning liquid relative to each other, thereby forming a monolayer of particles on the electrode.
本発明の単層形成方法において、電子顕微鏡用の金属製試料台を電極とすれば、試料台上に単層で広がった粒子を電子顕微鏡によって観察できるため、粒子の重なりが防止でき、粒子の構造を明瞭に観察することが可能となる。 In the monolayer formation method of the present invention, if a metal sample stage for an electron microscope is used as the electrode, particles spread in a monolayer on the sample stage can be observed using the electron microscope, preventing particle overlap and enabling clear observation of the particle structure.
<粒子回収方法>
実施形態の粒子回収方法の工程図を図1に示す。
この粒子回収方法では、まず回収しようとする粒子が液体中に分散されているスラリーを用意し、容器に入れる。ここで、回収対象となる粒子については特に限定は無く、シリカ、アルミナ、ムライト、粘土、ガラス、フライアッシュ、ジルコニア等のセラミック粒子等を用いることができる。また、粒子の比重については、同じ観点から、分散されている液体の比重と近いものが好ましい。中空粒子であって見かけ比重が液体の比重と近いものも好ましい。
<Particle recovery method>
FIG. 1 shows a flow chart of the particle recovery method according to the embodiment.
In this particle recovery method, a slurry in which particles to be recovered are dispersed in a liquid is first prepared and placed in a container. The particles to be recovered are not particularly limited, and ceramic particles such as silica, alumina, mullite, clay, glass, fly ash, and zirconia can be used. From the same perspective, the specific gravity of the particles is preferably close to that of the liquid in which they are dispersed. Hollow particles with an apparent specific gravity close to that of the liquid are also preferred.
スラリーに用いられる液体としては特に限定はないが、水、アルコール等の有機溶媒、水-アルコールの混合溶媒等を用いることができる。液体中には電気泳動中において電気化学的に酸化や還元を受けるイオンや物質の濃度が低いことが望ましい。なお、電気泳動工程における粒子の移動を調製するために、粒子表面の電荷状態を調整するための薬剤(例えば、カチオン界面活性剤、アニオン界面活性剤、硫酸アルミ、塩化アルミ等)を添加してもよい。 The liquid used in the slurry is not particularly limited, but examples include water, organic solvents such as alcohol, and water-alcohol mixed solvents. It is desirable for the liquid to have a low concentration of ions or substances that undergo electrochemical oxidation or reduction during electrophoresis. In addition, to adjust the particle movement during the electrophoresis process, agents for adjusting the charge state of the particle surface (e.g., cationic surfactants, anionic surfactants, aluminum sulfate, aluminum chloride, etc.) may be added.
(電気泳動工程S1)
そして電気泳動工程S1として、スラリー中に一対の電極を設置し、電極間に電圧を付与する。電極の材質としては導電性であって電気泳動中に溶解しない不溶性電極(例えば、プラチナや金などの各種貴金属、炭素、黒鉛、ステンレス、チタン、貴金属被覆チタン、ニオブ、タンタル等)を用いることができる。電極間に付与する電圧は直流の他、交流やパルス電流を用いることもできる。付与する電圧については、粒子の電気泳動が実用的な速度となるように適宜選択することができる。ただし、スラリーに用いられた液体やスラリーに溶解しているイオンの電気化学反応による影響を考慮することが好ましい。例えば、水の電気分解によって酸素や水素が発生し、電極に付着した粒子を脱落させたり、塩素イオンが含まれている場合の塩素ガスの発生による環境悪化等が挙げられる。このような電気化学反応の速度を調整するために、定電流で電気泳動を行ってもよい。
(Electrophoresis step S1)
In the electrophoresis step S1, a pair of electrodes is placed in the slurry, and a voltage is applied between the electrodes. The electrodes can be made of conductive, insoluble materials that do not dissolve during electrophoresis (e.g., various precious metals such as platinum and gold, carbon, graphite, stainless steel, titanium, precious metal-coated titanium, niobium, tantalum, etc.). The voltage applied between the electrodes can be direct current, alternating current, or pulsed current. The applied voltage can be appropriately selected so that the particles electrophoretically migrate at a practical speed. However, it is preferable to consider the effects of electrochemical reactions of the liquid used in the slurry and the ions dissolved in the slurry. For example, electrolysis of water can generate oxygen and hydrogen, causing particles attached to the electrodes to fall off, or environmental degradation due to the generation of chlorine gas when chloride ions are present. To adjust the rate of such electrochemical reactions, electrophoresis can be performed at a constant current.
電気泳動工程1Sにおいて液中に分散されている粒子は、ゼータ電位が正の場合には負極側の電極に移動し、負の場合には正極側に移動し、電極付近に濃縮されてペースト状となり付着する。この現象についてのメカニズムについては、以下のように説明される。
液中に分散された粒子間に働く相互作用ポテンシャル(全相互作用)Vは、Van del Waals相互作用VVと電気二重層相互作用VEとの和(V=VE+VV)になり、ある粒子間距離h1で極大値Vmaxとなり、それ以上粒子が接近するとVan del Waals相互作用VVが優勢となる。電気二重層相互作用VEは粒子のゼータ電位と相関関係があり、粒子のゼータ電位が大きいほど電気二重層相互作用VEも大きくなる。
液中に分散された粒子は電気泳動によって、ゼータ電位と反対の符号を持った電極の方向に移動し、電極付近の粒子濃度が大きくなり、粒子間距離は小さくなっていく。このとき、粒子がポテンシャル障壁Vmaxを超えて接近することができないと、粒子が凝集せず電極の近傍で滞留する。この状態は、電気泳動による接近と相互作用ポテンシャルVによる反発とがバランスした状態と表現することもできる。このように電極の近傍で粒子が滞留することで、粒子が濃縮分散状態(ペースト状)になる。
すなわち、相互作用ポテンシャルVのポテンシャル障壁Vmaxが、電気泳動する粒子の運動エネルギーよりも大きいと、粒子がポテンシャル障壁Vmaxを超えて接近することができず凝集しないので、粒子が濃縮分散状態(ペースト状)になる。
In the electrophoresis step 1S, particles dispersed in the liquid move to the negative electrode if the zeta potential is positive, and move to the positive electrode if the zeta potential is negative, and are concentrated near the electrode, becoming a paste and adhering to it. The mechanism behind this phenomenon can be explained as follows.
The interaction potential (total interaction) V acting between particles dispersed in a liquid is the sum of the Van der Waals interaction VV and the electric double layer interaction VE (V = VE + VV), and reaches a maximum value Vmax at a certain interparticle distance h1. When the particles approach each other further, the Van der Waals interaction VV becomes dominant. The electric double layer interaction VE is correlated with the zeta potential of the particles; the higher the zeta potential of the particles, the greater the electric double layer interaction VE.
Particles dispersed in a liquid move by electrophoresis toward the electrode with the opposite sign to the zeta potential, increasing the particle concentration near the electrode and reducing the distance between the particles. At this time, if the particles cannot approach each other by overcoming the potential barrier Vmax, they do not aggregate but remain near the electrode. This state can also be expressed as a balance between the approach due to electrophoresis and the repulsion due to the interaction potential V. By having the particles remain near the electrode in this way, the particles become concentrated and dispersed (paste-like).
That is, if the potential barrier Vmax of the interaction potential V is larger than the kinetic energy of the electrophoretic particles, the particles cannot approach each other over the potential barrier Vmax and do not aggregate, so the particles become concentrated and dispersed (paste-like).
電気泳動する粒子の運動エネルギーは、粒子のゼータ電位、電極間の電位差、電極間隔およびスラリーの粘度と相関関係がある。Helmholtz-Smoluchowskiの電気泳動基礎式から明らかなように、電気泳動による粒子移動速度は、ゼータ電位および電位差に比例し、電極間の距離に反比例するからである。また、スラリーの粘度が高いほど粒子の運動に対する抵抗が大きくなるからである。
後述するナノ中空シリカスラリーを用いた実施例1の電気泳動試験において、回転粘度計による粘度測定の結果によると、電場の印可により濃縮されたペースト状のスラリー粘性は、濃縮前のスラリー粘性と比較して10万倍に増加した。
The kinetic energy of electrophoretic particles is correlated with the particle's zeta potential, the potential difference between the electrodes, the electrode spacing, and the viscosity of the slurry. As is clear from the Helmholtz-Smoluchowski basic equation of electrophoresis, the particle migration speed due to electrophoresis is proportional to the zeta potential and potential difference, and inversely proportional to the distance between the electrodes. Also, the higher the viscosity of the slurry, the greater the resistance to particle movement.
In the electrophoresis test of Example 1 using the nanohollow silica slurry described below, the viscosity was measured using a rotational viscometer, and the viscosity of the paste-like slurry concentrated by applying an electric field increased by 100,000 times compared to the viscosity of the slurry before concentration.
(液置換工程S2)
上記のようにして電極上にペースト状となった粒子を付着させた後、粒子を分散させていた液体を除去し、洗浄用液体を投入する。
(Liquid replacement step S2)
After the particles in a paste form are attached to the electrode as described above, the liquid in which the particles have been dispersed is removed and a cleaning liquid is introduced.
(再分散工程S3)
そして、電極を回転させたり、洗浄用液体を撹拌させたりすることによって電極にペースト状に付着した粒子に剪断力を付与する。これにより粒子が剥がれて洗浄用液体中に再分散されたスラリーを得る。こうしてスラリー中の粒子の回収工程と洗浄工程を一つの装置で連続して行うことが可能となる。
(Redispersion step S3)
Then, by rotating the electrode and stirring the cleaning liquid, shear force is applied to the particles that have adhered to the electrode in a paste-like state, which causes the particles to peel off and redisperse in the cleaning liquid, resulting in a slurry. This makes it possible to perform the particle recovery process and cleaning process in a single device.
なお、洗浄された粒子を濃縮されたペースト状態で回収したい場合は、再分散工程S3で得られたスラリー中で再び電気泳動工程S1を行い、電極を付着した粒子ごと引き上げ、電極にペースト状に付着した粒子を剥ぎ取ればよい。
また、さらに電気泳動工程S1、液置換工程S2及び再分散工程S3を繰り返せば、より精製されたスラリーや粒子を得ることができる。
If it is desired to recover the washed particles in a concentrated paste state, the electrophoresis step S1 can be carried out again in the slurry obtained in the redispersion step S3, the electrode can be pulled up together with the particles attached thereto, and the particles attached to the electrode in a paste state can be peeled off.
Furthermore, by further repeating the electrophoresis step S1, the liquid substitution step S2, and the re-dispersion step S3, it is possible to obtain a more refined slurry or particles.
<粒子回収装置>
上記の粒子回収方法は、以下に示す実施形態の粒子回収装置を用いて行うことができる。
(実施形態1)
実施形態1の粒子回収装置は、図2(a)に示すように、処理槽1の中に回転電極2と固定電極3とが立設されている。回転電極2は下方向に二股に分かれて互いに対面する断面が円弧状の形状(図2(b)参照)とされており、上端で互いに電気的に接続されて回転軸4を介してモータ5に回転可能に接続されている。回転軸は4には図示しないブラシ電極を介して電源6に電気的に接続されている。固定電極3は、対面する電極2の中央の位置で固定して立設されており、電源6に電気的に接続されている。
<Particle collection device>
The above particle recovery method can be carried out using a particle recovery device according to the following embodiment.
(Embodiment 1)
As shown in Fig. 2(a), the particle collection device of the first embodiment has a rotating electrode 2 and a fixed electrode 3 erected in a treatment tank 1. The rotating electrode 2 is bifurcated downward, and the cross section facing each other has an arc-shaped shape (see Fig. 2(b)). The electrodes are electrically connected to each other at their upper ends and rotatably connected to a motor 5 via a rotating shaft 4. The rotating shaft 4 is electrically connected to a power source 6 via a brush electrode (not shown). The fixed electrode 3 is erected and fixed at the center of the opposing electrodes 2, and is electrically connected to the power source 6.
以上のように構成された実施形態1の粒子回収装置の使用方法について説明する。
・電気泳動工程S1
回収しようとする粒子(例えばシリカ)が液体(例えば水-アルコール混合溶媒)中に分散されているスラリーを用意し、処理槽1に入れる。
そして電気泳動工程S1として、電源6をオン状態にして回転電極2と固定電極3との間に電圧を付与する。電気泳動中はモータ5をオフの状態としておく。付与する電圧の正負については、電気泳動によって粒子が回転電極2側に移動するように正負を決定し印加する(例えばゼータ電位が負であるシリカ粒子の場合には、回転電極2側を正となるように印加する)。印加電圧については、粒子の電気泳動が実用的な速度となるようにする必要がある。ただし、水の電気分解等によって発生するガスが電気泳動を阻害しない程度に、適宜印加電圧を調整する。電気化学反応の速度を調整するために、定電流で電気泳動を行ってもよい。
A method of using the particle recovery device of the first embodiment configured as above will be described.
Electrophoresis step S1
A slurry in which particles to be collected (for example, silica) are dispersed in a liquid (for example, a water-alcohol mixed solvent) is prepared and placed in the treatment tank 1 .
Then, in the electrophoresis step S1, the power supply 6 is turned on to apply a voltage between the rotating electrode 2 and the fixed electrode 3. The motor 5 is kept off during electrophoresis. The positive and negative polarities of the applied voltage are determined so that the particles move toward the rotating electrode 2 by electrophoresis (for example, in the case of silica particles with a negative zeta potential, the voltage is applied so that the rotating electrode 2 is positive). The applied voltage must be such that the particles electrophorese at a practical speed. However, the applied voltage is adjusted appropriately so that gases generated by water electrolysis, etc., do not inhibit electrophoresis. Electrophoresis may be performed at a constant current to adjust the speed of the electrochemical reaction.
・液置換工程S2
電気泳動によって回転電極2の表面に粒子が充分に付着した後、電源6をオフ状態とし、処理槽1内の液を抜いてから、洗浄用の液体を処理槽1内に満たす。
・Liquid replacement step S2
After the particles have been sufficiently attached to the surface of the rotating electrode 2 by electrophoresis, the power supply 6 is turned off, the liquid in the treatment tank 1 is drained, and the treatment tank 1 is then filled with a cleaning liquid.
・再分散工程S3
そして、モータ5をオン状態とし、回転電極2を回転させる。これにより、回転電極2にペースト状態で付着していた粒子は洗浄用液体の流れによる剪断力を受け、洗浄用液体中に再分散される(再分散工程S3)。こうして洗浄用液体で洗浄された粒子が分散するスラリーを得る。この粒子回収装置によれば、スラリー中の粒子の回収工程と洗浄工程を一つの装置で連続して行うことができる。
・Redispersion step S3
Then, the motor 5 is turned on to rotate the rotating electrode 2. As a result, the particles that had adhered to the rotating electrode 2 in a paste state are subjected to shear force by the flow of the cleaning liquid and are redispersed in the cleaning liquid (redispersion step S3). In this way, a slurry in which the particles are dispersed after being washed with the cleaning liquid is obtained. With this particle recovery device, the recovery step and cleaning step of the particles in the slurry can be carried out continuously in one device.
なお、洗浄された粒子をペーストとして回収したい場合は、再分散工程S3で得られたスラリー中で再び電気泳動工程S1を行い、電極を付着した粒子ごと引き上げ、電極に付着した粒子を剥ぎ取ることによって回収することができる。
また、さらに電気泳動工程S1、液置換工程S2及び再分散工程S3を繰り返すことにより、より精製されたスラリーや粒子を得ることができる。
If it is desired to recover the washed particles as a paste, the electrophoresis step S1 is carried out again in the slurry obtained in the redispersion step S3, the electrode is pulled up together with the particles attached thereto, and the particles attached to the electrode are peeled off, whereby the particles can be recovered.
Furthermore, by further repeating the electrophoresis step S1, the liquid substitution step S2, and the re-dispersion step S3, a more refined slurry or particles can be obtained.
(実施形態2)
実施形態2の粒子回収装置は、図3(a)に示すように、処理槽10の中に円筒容器11が設置されている。円筒容器11は無底であり、上端は天板11aで閉じられている。天板11aの中央には流入管12が接続されており、開閉バルブ13を介して循環ポンプ14に接続されている。循環ポンプ14は処理槽10の底に接続された流出管15と開閉バルブ16を介して接続されている。円筒容器11の内部はハニカム状電極17が設けられており、ハニカム状電極17の各孔の中央には角棒状の挿入電極18が接触することなく挿入されている(図3(b)参照)。ハニカム電極17及び挿入電極18は電源19と電気的に接続されている。
(Embodiment 2)
As shown in FIG. 3( a), the particle collection device of the second embodiment has a cylindrical container 11 installed in a treatment tank 10. The cylindrical container 11 has no bottom and is closed at its upper end by a top plate 11a. An inlet pipe 12 is connected to the center of the top plate 11a and is connected to a circulation pump 14 via an on-off valve 13. The circulation pump 14 is connected to an outlet pipe 15 connected to the bottom of the treatment tank 10 via an on-off valve 16. A honeycomb electrode 17 is provided inside the cylindrical container 11, and square rod-shaped insertion electrodes 18 are inserted into the centers of each hole of the honeycomb electrode 17 without contacting them (see FIG. 3( b)). The honeycomb electrode 17 and insertion electrodes 18 are electrically connected to a power source 19.
以上のように構成された実施形態2の粒子回収装置の使用方法は以下のとおりである。
・電気泳動工程S1
回収しようとする粒子が液体中に分散されているスラリーを用意し、処理槽10に入れる。そして電気泳動工程S1として、電源19をオン状態にしてハニカム電極17と挿入電極18との間に電圧を付与する。これによりスラリー中の粒子はゼータ電位と反対側の電極にペースト状で付着する。印加電圧についての設定については、実施形態1において述べたことと同様の注意を図りながら適宜調整を行う。
The particle recovery device of the second embodiment configured as above is used as follows.
Electrophoresis step S1
A slurry containing particles to be collected dispersed in a liquid is prepared and placed in the treatment tank 10. Then, in the electrophoresis step S1, the power supply 19 is turned on to apply a voltage between the honeycomb electrode 17 and the insertion electrode 18. This causes the particles in the slurry to adhere in a paste-like state to the electrode on the opposite side of the zeta potential. The applied voltage is appropriately adjusted while taking the same precautions as described in the first embodiment.
・液置換工程S2
電気泳動によってハニカム電極17あるいは挿入電極18の表面に粒子がペースト状で付着した後、電源19をオフ状態とし、処理槽10内の液を抜いてから、洗浄用液体を満たす。
・Liquid replacement step S2
After the particles are attached in a paste state to the surface of the honeycomb electrode 17 or the inserted electrode 18 by electrophoresis, the power supply 19 is turned off, the liquid in the treatment tank 10 is drained, and the tank is filled with a cleaning liquid.
・再分散工程S3
そして循環ポンプ14をオン状態とし、ハニカム電極17の各孔内に洗浄用液体を流入させる。これにより、ハニカム電極17あるいは挿入電極18に付着していた粒子は洗浄用液体の流れによる剪断力を受け、洗浄用液体中に再分散される。こうして洗浄用液体で洗浄された粒子が分散するスラリーを得る。こうして、実施形態2の粒子回収装置によれば、スラリー中の粒子の回収工程と洗浄工程を一つの装置で連続して行うことができる。
・Redispersion step S3
Then, the circulation pump 14 is turned on to allow the cleaning liquid to flow into each hole of the honeycomb electrode 17. As a result, the particles adhering to the honeycomb electrode 17 or the inserted electrode 18 are subjected to shear force by the flow of the cleaning liquid and are redispersed in the cleaning liquid. In this way, a slurry in which the particles are dispersed after being washed with the cleaning liquid is obtained. Thus, according to the particle recovery device of the second embodiment, the process of recovering particles in the slurry and the process of washing can be carried out continuously in a single device.
(実施形態3)
実施形態3の粒子回収装置は、図4に示すように、円筒容器20の中に渦巻き状筒型電極21,22が互いに接触することなく対面して挿入されている。渦巻き状筒型電極21,22は電源に接続されている。その他の構造については実施形態2の粒子回収装置と同様であり、同一の構造には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 3)
4, in the particle collection device of the third embodiment, spiral cylindrical electrodes 21 and 22 are inserted into a cylindrical container 20 so that they face each other without touching each other. The spiral cylindrical electrodes 21 and 22 are connected to a power source. The other structures are the same as those of the particle collection device of the second embodiment, and the same structures are denoted by the same reference numerals and will not be described again.
実施形態3の粒子回収装置では、電気泳動工程1Sにおいて渦巻き状筒型電極21,22のいずれかに粒子がペースト状態で付着し、その後、循環ポンプ14を駆動させることにより洗浄用液体で洗浄された粒子が再分散されたスラリーを得ることができる。すなわち、スラリー中の粒子の回収工程と洗浄工程を一つの装置で連続して行うことができる。 In the particle recovery device of embodiment 3, particles adhere in a paste state to one of the spiral cylindrical electrodes 21, 22 during the electrophoresis process 1S, and then by driving the circulation pump 14, a slurry can be obtained in which the particles are redispersed after being washed with the cleaning liquid. In other words, the process of recovering particles in the slurry and the process of cleaning can be carried out continuously in a single device.
実施形態1~3における再分散工程S3において、ペースト状に電極に付着した粒子の再分散を促進する観点から、洗浄用液体に対して超音波振動を付与することも好ましい。 In the redispersion step S3 in embodiments 1 to 3, it is also preferable to apply ultrasonic vibrations to the cleaning liquid in order to promote the redispersion of particles that have adhered to the electrode in a paste form.
(電気泳動試験)
粒子回収装置作製のための準備として、ナノ中空シリカスラリーの電気泳動試験を行った。
・ナノ中空シリカスラリーの合成
ナノ中空シリカスラリーの合成は特開2005-263550に記載の方法により行った。すなわち、液温15℃に調節した固形分濃度7.5重量%の水酸化カルシウムスラリー2.0Lに対して撹拌しながら、炭酸ガスを1.5L/分の速度で2時間導入して、炭酸カルシウムを沈殿させた。その後、液温を80℃にし、24時間撹拌して熟成を行った。
(Electrophoresis test)
In preparation for the construction of a particle collection device, an electrophoresis test of nano-hollow silica slurry was carried out.
Synthesis of nanohollow silica slurry The nanohollow silica slurry was synthesized by the method described in JP 2005-263550 A. That is, carbon dioxide gas was introduced at a rate of 1.5 L/min for 2 hours into 2.0 L of calcium hydroxide slurry with a solid content of 7.5 wt % and adjusted to a liquid temperature of 15° C. while stirring, to precipitate calcium carbonate. Thereafter, the liquid temperature was raised to 80° C., and the mixture was aged with stirring for 24 hours.
こうして得られた炭酸カルシウムのスラリーを遠心脱水機にて含水量65重量%の含水ケーキとした後、この含水ケーキ22gを450gのエタノール中に投入し、1分間超音波照射して、エタノール中に炭酸カルシウムを分散させた。そこに、28%アンモニア水21g、テトラエトシキシラン7.5gを添加(テトラエトシシラン/エタノールの体積比0.01、アンモニア水に含有されるNH3はテトラエトキシシラン1モルに対して9.3モル、水はテトラエトキシシラン1モルに対して30モル)し、12時間撹拌を続け、シリカによりコートされた炭酸カルシウムを調製した。この調製物を透過型電子顕微鏡で観察したところ、40~80nmの炭酸カルシウム表面に、厚さ5~10nmのシリカ殻が確認された。 The resulting calcium carbonate slurry was centrifuged to produce a wet cake with a water content of 65% by weight. 22 g of this wet cake was then added to 450 g of ethanol and ultrasonicated for 1 minute to disperse the calcium carbonate in the ethanol. 21 g of 28% aqueous ammonia and 7.5 g of tetraethoxysilane were added (tetraethoxysilane/ethanol volume ratio: 0.01, NH3 content in the aqueous ammonia was 9.3 moles per mole of tetraethoxysilane, and water content was 30 moles per mole of tetraethoxysilane). Stirring was continued for 12 hours to produce silica-coated calcium carbonate. Transmission electron microscopy of this preparation revealed a 5-10 nm thick silica shell on a 40-80 nm thick calcium carbonate surface.
つづいて、シリカによりコートされた炭酸カルシウムのスラリーを吸引ろ過にて脱液、エタノール、水の順で洗浄を行った後、再び水中に分散させた。そこに、2.5モル/LのHClを200mL添加(液全体の酸濃度0.5モル/L)し、1時間撹拌して炭酸カルシウムを溶解させて、ナノ中空シリカスラリーを得た。 Next, the silica-coated calcium carbonate slurry was drained by suction filtration, washed with ethanol and then with water, and then dispersed in water again. 200 mL of 2.5 mol/L HCl was added (total acid concentration of the liquid: 0.5 mol/L), and the mixture was stirred for 1 hour to dissolve the calcium carbonate, yielding a nanohollow silica slurry.
生成物を透過型電子顕微鏡にて観察したところ、一次粒子径が45~90nmのシリカ中空粒子が確認された。また、静的光散乱法(マルバーン社製ゼータサイザー3000HS)では、粒子径は350nmであった。 When the product was observed under a transmission electron microscope, hollow silica particles with a primary particle diameter of 45 to 90 nm were confirmed. Furthermore, static light scattering (Malvern Zetasizer 3000HS) determined the particle diameter to be 350 nm.
・ナノ中空シリカスラリーの電気泳動
以上の様にして得られたナノ中空シリカスラリーの電気泳動について、電気泳動試験を行った。2Lのビーカーを用意し、ビーカーの内側に沿ってステンレス製の金網電極を円筒状になるよう設置し、ナノ中空シリカスラリーを1500ml投入した。そして、多数の孔の開いたステンレス板に6本のステンレス棒を挿通してネジ止めし、ビーカー上に置いた。さらに、直流電源を用いて金網電極が負極、ステンレス棒電極が正極となるように20Vの電圧を印加した。図5に、電気泳動の試験前(図5(a))及び試験後(図5(b))の様子を示す。試験後にはステンレス棒に多量のナノ中空シリカが付着することが分かった((図5(b)参照)。この様なナノ中空シリカは一次粒子径が45~90nmであり、しかも中空であるため、遠心分離やろ過では回収が困難であり、電気泳動法による回収法が優れていることが分かった。
Electrophoresis of Nanohollow Silica Slurry An electrophoresis test was conducted on the nanohollow silica slurry obtained as described above. A 2-L beaker was prepared, a stainless steel wire mesh electrode was placed along the inside of the beaker in a cylindrical shape, and 1500 ml of nanohollow silica slurry was poured into it. Six stainless steel rods were then inserted into a stainless steel plate with numerous holes, screwed into place, and placed on the beaker. A voltage of 20 V was applied using a DC power supply, with the wire mesh electrode acting as the negative electrode and the stainless steel rod electrode acting as the positive electrode. Figure 5 shows the electrophoresis test before (Figure 5(a)) and after (Figure 5(b)). After the test, it was found that a large amount of nanohollow silica had adhered to the stainless steel rod (see Figure 5(b)). Because such nanohollow silica has a primary particle diameter of 45 to 90 nm and is hollow, it is difficult to recover by centrifugation or filtration, demonstrating that electrophoresis is a superior recovery method.
(実施例1)
実施例1では、シリカスラリーの電気泳動工程S1に続いて、液置換工程S2及び再分散工程S3を行うことが可能な粒子回収装置を作製した。
図6及び図8に実施例1の粒子回収装置を示す。この粒子回収装置は、無底の直方体容器形状で一面の下方半分が開口された枠体31の上部に、モータ32がモータ軸32aを下方に向けて取り付けられている。モータ軸32aには回転軸33が下方に延在して接合されており、モータ軸32aの下端には同心円状に合計102本のSUS304製ボルトからなる電極棒34が着脱可能に下垂されている(図7参照)。電極棒34は回転軸33及び回転軸33に接触するブラシ36を介して直流電源37に接続されている。電極棒34の周縁には電極棒34と隔離しつつ近接してリング状のSUS304製の対極35a,35bが上下2か所に設けられている。対極35a,35bは直流電源37に接続されている。
Example 1
In Example 1, a particle recovery device was produced that was capable of performing the electrophoresis step S1 of the silica slurry, followed by the liquid substitution step S2 and the redispersion step S3.
Figures 6 and 8 show the particle collection device of Example 1. This particle collection device has a motor 32 mounted with its motor shaft 32a facing downward on the top of a frame 31, which is a bottomless rectangular parallelepiped container with the lower half of one side open. A rotating shaft 33 extends downward and is joined to the motor shaft 32a. An electrode rod 34, consisting of a total of 102 SUS304 bolts, hangs concentrically from the lower end of the motor shaft 32a in a detachable manner (see Figure 7). The electrode rod 34 is connected to a DC power supply 37 via the rotating shaft 33 and brushes 36 in contact with the rotating shaft 33. Two ring-shaped counter electrodes 35a and 35b made of SUS304 are provided at the top and bottom of the periphery of the electrode rod 34, adjacent to but separated from the electrode rod 34. The counter electrodes 35a and 35b are connected to the DC power supply 37.
電極棒34の下方には円筒容器形状の処理槽38が設けられており、処理槽38は可動式の台車39に載せられたジャッキ40によって昇降可能とされている。処理槽38の側面上端には流入口38aが取り付けられており、側面下端には流出口38bが取り付けられており、底には排液口38cが取り付けられている。流入口38aと流出口38bは循環ポンプ41に接続されており、処理槽38内のスラリーが循環可能とされている。 A cylindrical treatment tank 38 is provided below the electrode rod 34, and can be raised and lowered by a jack 40 mounted on a movable cart 39. An inlet 38a is attached to the upper end of the side of the treatment tank 38, an outlet 38b is attached to the lower end of the side, and a drainage port 38c is attached to the bottom. The inlet 38a and outlet 38b are connected to a circulation pump 41, allowing the slurry in the treatment tank 38 to circulate.
図8に示すように、枠体31には隣接して枠体42が設けられており、枠体42も枠体31と同様、無底の直方体容器形状で一面の下方半分が開口されている。枠体31の上部には、撹拌機43と、冷却機44に接続された冷却用パネル45とが取り付けられている。 As shown in Figure 8, frame 42 is provided adjacent to frame 31. Like frame 31, frame 42 is a bottomless rectangular container with the lower half of one side open. Attached to the top of frame 31 are a stirrer 43 and a cooling panel 45 connected to a cooler 44.
実施例1の粒子回収装置の写真を図9に示す。この装置を用いることにより、以下に示す方法でナノ中空シリカスラリーの精製回収を行うことができる。 A photograph of the particle recovery device of Example 1 is shown in Figure 9. Using this device, nanohollow silica slurry can be purified and recovered using the method described below.
・ナノ中空シリカスラリーの合成
可動式の台車39に設置されたジャッキ40の上に処理槽38を載せ、枠体42の下部に置き、処理槽38内で、前述したナノ中空シリカスラリーの合成方法を行うことができる。液の混合及び反応中は撹拌機43で撹拌しながら必要に応じて冷却機44によってスラリーを冷却する。薬剤の配合比及びその他の手順は前述と同様であり、説明を省略する。
こうして一次粒子径が45~90nm、静的光散乱法(マルバーン社製ゼータサイザー3000HS)の計測法で350nmのナノ中空シリカスラリーを得ることができる。
Synthesis of nanohollow silica slurry The treatment tank 38 is placed on a jack 40 attached to a movable cart 39, and placed under a frame 42, and the above-described method for synthesizing nanohollow silica slurry can be carried out in the treatment tank 38. During the mixing and reaction of the liquids, the slurry is stirred with a stirrer 43, and cooled as needed with a cooler 44. The compounding ratio of the chemicals and other procedures are the same as those described above, and therefore further explanation will be omitted.
In this way, a nanohollow silica slurry can be obtained having a primary particle size of 45 to 90 nm, which is 350 nm as measured by static light scattering (Zetasizer 3000HS manufactured by Malvern Instruments).
・電気泳動工程S1
ジャッキ40を下げてナノ中空シリカスラリーの入った処理槽38を撹拌機43及び冷却用パネル45から下方へ降ろす。そして、処理槽38を載せた台車39を別の台車50(図8参照)に載せて枠体31の下方に配置させた後、ジャッキ40を上げて処理槽38内のナノ中空シリカスラリー中に電極棒34及び対極35a,35bを浸漬する。そして直流電源37によって電極棒34を正、対極35a,35bを負として電気泳動を行うことができる。
Electrophoresis step S1
The jack 40 is lowered, and the treatment tank 38 containing the nanohollow silica slurry is lowered from the agitator 43 and the cooling panel 45. Then, the cart 39 carrying the treatment tank 38 is placed on another cart 50 (see FIG. 8 ) and positioned below the frame 31, and then the jack 40 is raised to immerse the electrode rod 34 and counter electrodes 35 a, 35 b in the nanohollow silica slurry in the treatment tank 38. Then, electrophoresis can be performed using a DC power supply 37 with the electrode rod 34 as positive and the counter electrodes 35 a, 35 b as negative.
・液置換工程S2
電気泳動によって電極棒34の表面に粒子が充分に付着したことを確認した後、直流電源37をオフ状態とし、排液口38cから処理槽38内の残液を抜いた後、洗浄用の水を処理槽38内に満たす。
・Liquid replacement step S2
After confirming that the particles have been sufficiently attached to the surface of the electrode rod 34 by electrophoresis, the DC power supply 37 is turned off, the remaining liquid in the treatment tank 38 is drained from the drain outlet 38c, and then the treatment tank 38 is filled with cleaning water.
・再分散工程S3
そして、モータ32をオン状態とし、ナノ中空シリカが付着した電極棒34を回転させる。これにより、電極棒34に付着していたナノ中空シリカは洗浄用液体の流れによる剪断力を受け、水中に再分散される(再分散工程S3)。こうして洗浄用水で洗浄された粒子が分散するスラリーを得ることができる。
・Redispersion step S3
Then, the motor 32 is turned on to rotate the electrode rod 34 to which the nanohollow silica particles are attached. As a result, the nanohollow silica particles attached to the electrode rod 34 are subjected to shearing force by the flow of the cleaning liquid, and are redispersed in the water (redispersion step S3). In this way, a slurry in which the particles washed with the cleaning water are dispersed can be obtained.
以上のように実施例1の粒子回収装置によれば、電気泳動工程S1によるスラリー中の粒子の回収と、再分散工程S3によるナノ中空シリカ粒子の洗浄とを一つの装置で連続して行うことができる。
また、電気泳動工程S1と再分散工程S3を繰り返せば、さらに精製が進んだナノ中空シリカスラリーを得ることができる。
As described above, according to the particle recovery device of Example 1, recovery of particles in the slurry in the electrophoresis step S1 and washing of the hollow silica nanoparticles in the redispersion step S3 can be carried out continuously in one device.
Furthermore, by repeating the electrophoresis step S1 and the redispersion step S3, a more refined nanohollow silica slurry can be obtained.
(実施例2)
実施例2では実施例1で用いた粒子回収装置により、中実ナノシリカスラリーからの回収実験を行った。ただし、取り付け可能な102本の電極棒34(図7参照)のうち、図10に示すように、対極35a、35bから軸心方向へ16mmの位置に電極棒50a、36mmの位置に電極棒50b,56mmの位置に電極棒50cを同心円状に12列、合計36本を取り付け、残りの電極棒は取り外した。
Example 2
In Example 2, a recovery experiment from solid nanosilica slurry was carried out using the particle recovery device used in Example 1. However, of the 102 attachable electrode rods 34 (see FIG. 7), as shown in FIG. 10, electrode rod 50a was attached at a position 16 mm axially from counter electrodes 35a and 35b, electrode rod 50b at a position 36 mm axially, and electrode rod 50c at a position 56 mm axially, for a total of 36 electrodes, and the remaining electrodes were removed.
実施例2の粒子回収装置を用いて、中実ナノシリカスラリー(日本アエロジル株式会社製 AEROSIL(登録商標)OX50 一次粒子径40nm)の電気泳動試験を行った。
・中実ナノシリカの粒度分布測定
中実ナノシリカの5wt%スラリーについて、粒度分布測定装置(マイクロトラック(Microtrac)MT3000IIシリーズ)を用いて粒径分布を測定した。なお、シリカの屈折率は1.77,分散媒として用いたエタノールの屈折率は1.36とした。また、測定条件の設定については「透過性」は“透過”、「形状」は“非球形”とした。結果を図11に示す。グラフの横軸は粒子径Dp [μm],縦軸は粒子頻度Qf [%]を示す。この測定結果から、平均粒径Dpは0.731μmとなった。スラリー中に分散している中実ナノシリカの一次粒子径は40nmであることから、スラリー中における中実ナノシリカは二次凝集していることが分かった。
Using the particle recovery device of Example 2, an electrophoresis test was carried out on a solid nanosilica slurry (AEROSIL (registered trademark) OX50, primary particle diameter 40 nm, manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.).
Measurement of particle size distribution of solid nanosilica. The particle size distribution of a 5 wt% solid nanosilica slurry was measured using a particle size analyzer (Microtrac MT3000II series). The refractive index of silica was 1.77, and the refractive index of ethanol used as the dispersion medium was 1.36. The measurement conditions were set to "transparent" for "transparent" and "shape" for "aspherical." The results are shown in Figure 11. The horizontal axis of the graph represents particle diameter Dp [μm], and the vertical axis represents particle frequency Qf [%]. The measurement results showed that the average particle size Dp was 0.731 μm. The primary particle diameter of the solid nanosilica dispersed in the slurry was 40 nm, indicating that the solid nanosilica in the slurry was undergoing secondary aggregation.
・電気泳動試験
処理槽38に中実ナノシリカの2.83wt%スラリーを17L入れ、直流電源37を電極棒50a、50b、50cが正極側、対極35a、35bが負極側となるように接続し、電圧を20Vとし、20分間の電気泳動を行った。
電気泳動終了後、ジャッキ40を下げ、電極棒50a、50b、50cを取り外し、自然乾燥後、電子天秤によって重量を測定した。結果を図12に示す。
このグラフから、単位面積当たりのシリカの付着量は対極35a、35bからの距離が近いほど多くなることが分かった。この原因としては、対極35a、35bからの距離が短い電極棒50aに電流が集中し、対極35a、35bと電極棒50aとの間における電位勾配が大きくなったからであると考えられる。
また、電気泳動における消費エネルギーは、電気泳動中の電圧が20V、電流は10mA、電気泳動時間は20分、回収されたシリカの重量が151gであることから、0.440 [kWh/kg]と算出された。
Electrophoresis test 17 L of 2.83 wt % solid nanosilica slurry was placed in the treatment tank 38, and the DC power supply 37 was connected so that the electrode rods 50 a, 50 b, and 50 c were on the positive side and the counter electrodes 35 a and 35 b were on the negative side.The voltage was set to 20 V, and electrophoresis was performed for 20 minutes.
After the electrophoresis was completed, the jack 40 was lowered, the electrodes 50a, 50b, and 50c were removed, and the sample was allowed to dry naturally before being weighed using an electronic balance. The results are shown in FIG.
From this graph, it can be seen that the amount of silica deposited per unit area increases as the distance from the counter electrodes 35 a, 35 b decreases. This is thought to be because the current concentrates on the electrode rod 50 a, which is located closer to the counter electrodes 35 a, 35 b, increasing the potential gradient between the counter electrodes 35 a, 35 b and the electrode rod 50 a.
In addition, the energy consumption during electrophoresis was calculated to be 0.440 [kWh/kg], based on the voltage during electrophoresis being 20 V, the current being 10 mA, the electrophoresis time being 20 minutes, and the weight of the recovered silica being 151 g.
(実施例3)
実施例3では、図13に示すように、軸心方向に1列にならんだ電極棒50a,50b,50cどうしが隣接している中間の位置に、矩形板状の補助陽極51を放射状に12枚垂加させた。その他の条件については実施例2と同様であり説明を省略する。
Example 3
In Example 3, as shown in Fig. 13, twelve rectangular plate-shaped auxiliary anodes 51 were added radially between adjacent electrode rods 50a, 50b, and 50c arranged in a row in the axial direction. The other conditions were the same as in Example 2, and therefore further explanation will be omitted.
結果を図14に示す。このグラフから、単位面積当たりのシリカの付着量は電極棒50a>電極棒50c>電極棒50bとなった。また、補助極51を設けなかった実施例2と比較して、位置による付着量の差が小さくなった。この原因としては、補助電極51の存在により処理槽38の軸心に近い位置でも電流が流れやすくなり、場所による電位勾配の差が少なくなったからと考えられる。
また、電気泳動における消費エネルギーは、電気泳動中の電圧が20V、電流は10mA、電気泳動時間は20分、回収されたシリカの重量が302gであることから、0.221 [kWh/kg]と算出された。この消費エネルギーの値は実施例2と比べて約半分であり、補助極51を設けることにより消費エネルギーを大幅に低減できることが分かった。
(実施例4)
実施例4は電子顕微鏡の試料台上に単層からなる粒子層を形成するための試料作製用の粒子回収装置である。この粒子回収装置は、図15に示すように、電極棒60と対極61と直流電源62とを備えている。電極棒60の先端には図16に示すように、1)多数の孔の開いた円盤状の銅製のグリッド60aと、2)カーボン補強された多孔質トリアホール(酢酸酪酸セルロース)膜であるマイクログリッド60bと、3)膜厚が4nmのカーボン支持膜60cとからなる三層が、環状ネジ60dによって軸方向押圧して固定されている。
The results are shown in Figure 14. From this graph, it can be seen that the amount of silica deposited per unit area was electrode rod 50a > electrode rod 50c > electrode rod 50b. Furthermore, compared to Example 2, in which the auxiliary electrode 51 was not provided, the difference in the amount of deposited silica depending on the position was smaller. This is thought to be because the presence of the auxiliary electrode 51 made it easier for current to flow even in positions close to the axis of the treatment tank 38, thereby reducing the difference in potential gradient depending on the position.
The energy consumption during electrophoresis was calculated to be 0.221 kWh/kg, based on the voltage during electrophoresis of 20 V, the current of 10 mA, the electrophoresis time of 20 minutes, and the weight of the recovered silica of 302 g. This energy consumption value was about half that of Example 2, and it was found that the provision of the auxiliary electrode 51 could significantly reduce energy consumption.
Example 4
Example 4 is a particle collection device for preparing a sample to form a single particle layer on the sample stage of an electron microscope. As shown in Figure 15, this particle collection device is equipped with an electrode rod 60, a counter electrode 61, and a DC power supply 62. As shown in Figure 16, three layers are fixed to the tip of the electrode rod 60 by being pressed axially with an annular screw 60d: 1) a disk-shaped copper grid 60a with multiple holes, 2) a microgrid 60b which is a carbon-reinforced porous Triahole (cellulose acetate butyrate) membrane, and 3) a 4-nm-thick carbon support membrane 60c.
・単層形成
ナノ中空シリカ粒子スラリーの調整
ポリアクリル酸(PAA)のナノ粒子を型として、その周囲にシリカをコーティングし、その後ポリアクリル酸(PAA)のナノ粒子を溶出させてナノ中空シリカ粒子スラリーを調製した。以下に製法の詳細を述べる。
0.12gのポリアクリル酸(PAA) 25重量%水溶液(富士フイルム和光純薬株式会社製 数平均分子量M=25,000)を2.0mlの25%アンモニア水溶液と混合し、24時間撹拌してポリアクリル酸/アンモニア水混合溶液を調製した後、2分撹拌してポリアクリル酸/アンモニア水混合溶液を調製し、35mlのエタノール中に添加し、撹拌することにより,エマルジョンを得た。
このエマルジョンを2分間撹拌後,2mlのテトラエトキシシラン(TEOS)(富士フイルム和光純薬株式会社製)を40μL/minの速度で添加し,一日撹拌した。
その後、10分間15,000rpmで冷却/高速遠心機(H-9R,株式会社コクサン)を用いて固液分離し、粉体を得た。この粉末を水で洗浄した後,180℃で24時間乾燥させた粉末を走査型電子顕微鏡によって観察したところ、粒子径が数十nmの中空ナノシリカとなっていることが分かった。
- Monolayer formation Preparation of nanohollow silica particle slurry Using polyacrylic acid (PAA) nanoparticles as a mold, silica was coated around them, and then the polyacrylic acid (PAA) nanoparticles were dissolved out to prepare nanohollow silica particle slurry. The details of the manufacturing method are described below.
0.12 g of a 25 wt % aqueous solution of polyacrylic acid (PAA) (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., number average molecular weight M = 25,000) was mixed with 2.0 ml of a 25% aqueous ammonia solution and stirred for 24 hours to prepare a polyacrylic acid/ammonia water mixed solution, which was then stirred for 2 minutes to prepare a polyacrylic acid/ammonia water mixed solution, which was added to 35 ml of ethanol and stirred to obtain an emulsion.
After stirring this emulsion for 2 minutes, 2 ml of tetraethoxysilane (TEOS) (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added at a rate of 40 μL/min, and the emulsion was stirred for one day.
The powder was then subjected to solid-liquid separation using a cooling/high-speed centrifuge (H-9R, Kokusan Co., Ltd.) at 15,000 rpm for 10 minutes, yielding a powder. After washing with water and drying at 180°C for 24 hours, the powder was observed under a scanning electron microscope and found to be hollow nanosilica with particle diameters of several tens of nanometers.
こうして得られた中空ナノシリカを適宜水で希釈した分散液をビーカー63に入れ、電極棒60と対極61とをスラリー中に浸漬し、電極棒60がプラス側、対極61がマイナスとなるように直流電源62によって15Vの電圧を付加し、カーボン支持膜60c上にナノ中空シリカ粒子を付着させた(図17(a)参照)。その後、電圧負荷を停止し、ビーカー63内の液を除き、洗浄用の水を投入した後、マグネチックスタラー64によって撹拌して、カーボン支持膜60c上に付着するナノ中空シリカに剪断力を付与した(図17(b)参照)。そして、環状ネジ60dを外してグリッド60aとマイクログリッド60bとカーボン支持膜60cを取り出し、カーボン蒸着を行い、透過型電子顕微鏡による観察を行った。結果を図18(上段)及び図19に示す。互いに接触せずに単層で広がるナノ中空シリカが明瞭に観察され、粒子同士は粒子の重なりによって観察が困難となることはなかった。
粒子同士が互いに接触しなかったのは、電気二重層相互作用による斥力(すなわち、ゼータ電位が同じであることによる斥力)によるものと考えられる。また、単層のみが電極上に吸着したのは、電気二重層相互作用による引力(すなわち、電極とナノ中空シリカ粒子の静電引力)によるものと考えられる。
The resulting hollow nanosilica dispersion was diluted with water and placed in a beaker 63. An electrode rod 60 and a counter electrode 61 were immersed in the slurry. A 15 V DC power supply 62 was applied, with the electrode rod 60 serving as the positive electrode and the counter electrode 61 serving as the negative electrode. This resulted in the deposition of nanohollow silica particles onto the carbon support film 60c (see Figure 17(a)). The voltage application was then stopped, the liquid in the beaker 63 was removed, and washing water was added. The mixture was then stirred with a magnetic stirrer 64, applying shear force to the nanohollow silica particles deposited on the carbon support film 60c (see Figure 17(b)). The annular screw 60d was then removed, and the grid 60a, microgrid 60b, and carbon support film 60c were removed. Carbon deposition was performed, and the particles were observed using a transmission electron microscope. The results are shown in Figures 18 (top) and 19. The nanohollow silica particles were clearly observed in a single layer, without contact with each other, and the observation of the particles was not hindered by particle overlap.
The reason why the particles did not come into contact with each other is thought to be due to the repulsive force caused by the electric double layer interaction (i.e., the repulsive force due to the same zeta potential), and the reason why only a monolayer was adsorbed on the electrode is thought to be due to the attractive force caused by the electric double layer interaction (i.e., the electrostatic attraction between the electrode and the hollow silica nanoparticles).
(比較例1)
比較例1では水で薄めたナノ中空シリカスラリーを電子顕微鏡の試料台上に滴下して乾燥させた後、カーボン蒸着を行ってから透過型電子顕微鏡による観察を行った。その結果、図18(下段)に示すように、凝集状態のナノ中空シリカが観測され、粒子どうしの重なりによって、個々の粒子の細部の観察が困難となった。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a water-diluted nanohollow silica slurry was dropped onto the specimen stage of an electron microscope and dried, followed by carbon deposition and observation with a transmission electron microscope. As a result, as shown in Figure 18 (bottom), aggregated nanohollow silica was observed, and the overlapping of particles made it difficult to observe the details of each particle.
この発明は、上記発明の実施形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。 This invention is in no way limited to the above-described embodiments and examples. Various modifications within the scope of the claims and within the scope that can be easily conceived by a person skilled in the art are also included in this invention.
本発明の粒子回収方法及び粒子回収装置は、セラミックス等の粒子が分散されたスラリーから粒子を回収したり、スラリーを生成したりすることができるため、セラミックス原料調製に好適に用いることができる。また、本発明の単層形成方法は、電子顕微鏡の試料作製に好適に用いることができる。 The particle recovery method and particle recovery device of the present invention can recover particles from a slurry containing dispersed particles such as ceramics, or can generate a slurry, making them suitable for use in preparing ceramic raw materials. Furthermore, the single-layer formation method of the present invention can be used to prepare samples for electron microscopes.
S1…電気泳動工程、S2…液置換工程、S3…再分散工程、1,10…処理槽、2…回転電極、3…固定電極、4…回転軸、5…モータ、6…電源、7…容器、8…仕切板、9…ガラス板、11,20…円筒容器、11a…天板、14…循環ポンプ、15…流出管、16…開閉バルブ、17…ハニカム状電極、18…挿入電極、19…電源、21,22…渦巻き状筒型電極、31…枠体、32…モータ、32a…モータ軸、34,50a,50b,50c…電極棒、35a,35b…対極、36…ブラシ、37…直流電源、38…処理槽、38a…流入口,38b…流出口、38c…排液口、39…台車、40…ジャッキ、41…循環ポンプ、42…枠体、43…撹拌機、44…冷却器、60…電極棒、61…対極、60a…グリッド、60b…マイクログリッド、60c…カーボン支持膜、60d…環状ネジ S1...electrophoresis process, S2...liquid replacement process, S3...redispersion process, 1, 10...treatment tank, 2...rotating electrode, 3...fixed electrode, 4...rotating shaft, 5...motor, 6...power source, 7...container, 8...partition plate, 9...glass plate, 11, 20...cylindrical container, 11a...top plate, 14...circulation pump, 15...outlet pipe, 16...opening/closing valve, 17...honeycomb electrode, 18...insertion electrode, 19...power source, 21, 22...spiral cylindrical electrode, 31...frame, 32...motor, 3 2a...motor shaft; 34, 50a, 50b, 50c...electrode rod; 35a, 35b...counter electrode; 36...brush; 37...DC power supply; 38...treatment tank; 38a...inlet; 38b...outlet; 38c...drain; 39...cart; 40...jack; 41...circulation pump; 42...frame; 43...stirrer; 44...cooler; 60...electrode rod; 61...counter electrode; 60a...grid; 60b...microgrid; 60c...carbon support film; 60d...annular screw
Claims (2)
該液体を洗浄用液体と置換する液置換工程と、
該電極に付着した粒子と該洗浄用液体とを相対運動させることにより該電極に付着した粒子に剪断力を付与して該洗浄用液体中に再分散させる再分散工程と、を備えた粒子回収方法。 an electrophoresis step of placing a particle dispersion liquid in which particles are dispersed in a liquid into a treatment tank, immersing a pair of electrodes in the particle dispersion liquid, and applying a voltage between the electrodes to cause particles to adhere to the electrodes by electrophoresis;
a liquid replacement step of replacing the liquid with a cleaning liquid;
and a redispersion step of redispersing the particles adhering to the electrode in the cleaning liquid by applying shear force to the particles adhering to the electrode by moving the particles adhering to the electrode and the cleaning liquid relative to each other.
該液体を洗浄用液体と置換する液置換工程と、
該電極に付着した粒子と該洗浄用液体とを相対運動させることにより該電極に付着した粒子に剪断力を付与して該電極上に粒子からなる単層を形成させる単層形成工程と、を備える単層形成方法。
an electrophoresis step of placing a particle dispersion liquid in which particles are dispersed in a liquid into a treatment tank, immersing a pair of electrodes in the particle dispersion liquid, and applying a voltage between the electrodes to cause particles to adhere to the electrodes by electrophoresis;
a liquid replacement step of replacing the liquid with a cleaning liquid;
and a monolayer formation step of applying shear force to the particles adhered to the electrode by moving the particles adhered to the electrode and the cleaning liquid relative to each other, thereby forming a monolayer of particles on the electrode.
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