JP7820596B2 - Seawater desalination system and seawater desalination method - Google Patents
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Description
本発明は、海水淡水化システム及び海水淡水化方法に関する。 The present invention relates to a seawater desalination system and a seawater desalination method.
従来より、溶液(電解液)中の陽イオン及び陰イオンを分離するイオン分離装置としては特許文献1に開示する技術が提案されている(特許文献1参照)。 Patent Document 1 discloses a technology proposed as an ion separation device for separating cations and anions in a solution (electrolyte).
図16は、従来技術の電解水生成装置の概略図である。
特許文献1の技術においては、図16に示すような3室型の電解水生成装置を利用して、電解水を構成する酸化水、還元水が生成される。この電解水生成装置は、純水や水道水等の種々の原料水及び、この原料水に溶け込んだ塩化ナトリウム(NaCl)あるいは塩化カリウム(KCl)等の支持電解質が循環して流出入する中間室1と、この中間室1との間に陽イオン交換膜4及び陰極5が仕切りとして配設され、支持電解質のうちの陽イオン(図16において、ナトリウムイオン(Na+))が溶け込むカソード室2と、中間室1との間に陰イオン交換膜6及び陽極7が仕切りとして配設され、支持電解質のうちの陰イオン(図16において、塩素イオン)が溶け込むアノード室3と、から構成されている。
FIG. 16 is a schematic diagram of a conventional electrolyzed water generating device.
In the technology of Patent Document 1, oxidized water and reduced water that constitute electrolyzed water are generated using a three-chamber electrolyzed water generator as shown in Fig. 16. This electrolyzed water generator is composed of an intermediate chamber 1 through which various raw waters such as pure water and tap water and supporting electrolytes such as sodium chloride (NaCl) or potassium chloride (KCl) dissolved in the raw water circulate and flow in and out, a cathode chamber 2 in which a cation exchange membrane 4 and a cathode 5 are disposed as partitions between the intermediate chamber 1 and the cathode chamber 2, and in which cations of the supporting electrolyte (sodium ions (Na + ) in Fig. 16) dissolve), and an anode chamber 3 in which an anion exchange membrane 6 and an anode 7 are disposed as partitions between the intermediate chamber 1 and the anode chamber 3, and in which anions of the supporting electrolyte (chloride ions in Fig. 16) dissolve.
この電解水生成装置を用い、中間室1で支持電解質が溶け込んだ原料水を循環させ、電気分解を行うとともに、カソード室2、アノード室3に原料水をそれぞれ流し入れることにより、カソード室2から還元水8を、アノード室3から塩素イオンを含む酸化水9を、それぞれ生成する。その際、物性を制御して還元水8及び酸化水9を生成し、これら還元水8と酸化水9を適量混合することで電解水は得られる。 Using this electrolyzed water generator, raw water with a supporting electrolyte dissolved in it is circulated in the intermediate chamber 1, causing electrolysis. At the same time, the raw water is fed into the cathode chamber 2 and the anode chamber 3, producing reduced water 8 from the cathode chamber 2 and oxidized water 9 containing chloride ions from the anode chamber 3. The physical properties of the reduced water 8 and oxidized water 9 are controlled to produce them, and electrolyzed water is obtained by mixing the appropriate amounts of reduced water 8 and oxidized water 9.
しかしながら、特許文献1で開示する電解水生成装置では、イオンを分離するのに、イオン交換膜を用いているが、イオン交換膜(4,6)は、陽イオン又は陰イオンをそれぞれ透過することができる専用の膜であり、水をほとんど透過させることはできない、という問題がある。
そこで、透過した各イオンを受ける流体として、カソード室2、アノード室3内に別途精製水である水(H2O)をそれぞれ供給する必要がある。この水(精製水)を供給することで、カソード室2から還元水8を、アノード室3から塩素イオンを含む酸化水9を、排出することができる。
However, the electrolyzed water generating device disclosed in Patent Document 1 uses ion exchange membranes to separate ions, but the ion exchange membranes (4, 6) are dedicated membranes that can permeate either cations or anions, respectively, and have the problem that they are almost completely impermeable to water.
Therefore, as a fluid to receive the permeated ions, purified water (H 2 O) must be separately supplied to the cathode chamber 2 and the anode chamber 3. By supplying this water (purified water), reduced water 8 can be discharged from the cathode chamber 2, and oxidized water 9 containing chloride ions can be discharged from the anode chamber 3.
このように、従来技術のイオン交換膜を用いる電解水生成装置では電解水を得るために、カソード室2、アノード室3内に各々キャリア水として精製水を別途供給する必要がある、という問題がある。 As such, conventional electrolyzed water generators using ion exchange membranes have the problem that, in order to obtain electrolyzed water, purified water must be separately supplied as carrier water to the cathode chamber 2 and the anode chamber 3.
そこで例えば、電解水生成装置のような水を別途供給することなく、原料水からの水を透過させて、イオン分離する技術の出現が切望されている。 Therefore, there is a strong demand for technology that can separate ions by passing water through raw water without the need for a separate water supply, such as an electrolytic water generator.
以上の問題に鑑み、本発明は、例えば、従来技術の電解水生成装置のような水を別途供給することなく、原料水(供給液)からの水をそのまま透過させて、イオン分離することができるイオン分離装置及びイオン分離濃縮システムを提供する。 In consideration of the above problems, the present invention provides an ion separation device and ion separation and concentration system that can separate ions by allowing water from raw water (supply liquid) to pass through directly, without the need to separately supply water as in conventional electrolyzed water generation devices.
本発明に係る第1の態様の海水淡水化システムは、
海水中の陽イオンを透過して陰イオンが阻止される第1のイオン分離装置と、
前記第1のイオン分離装置の後段側に設けられ、陽イオンが透過した透過液中の陰イオンを透過して陽イオンを阻止する第2のイオン分離装置と、
を一つのユニットとしてなる海水淡水化装置を備える、且つ
前記海水淡水化装置は、
陽イオン及び陰イオンを含む海水を供給する供給室と、
前記供給室の両側に配置され、陽イオンを分離する細孔を有する隔膜を備えたカソードろ板電極と、
陰イオンを分離する細孔を有する隔膜を備えた平板のアノードろ板電極と、
分離した陽イオンが水と共に陽イオン液として流入する陽イオン室と、を備え、
前記カソードろ板電極は、
供給室側のカソード第1電極と、
前記隔膜を挟んで陽イオン室側に設置されるカソード第2電極と、
前記平板のアノード電極及びカソード第1電極に電気的に接続された第1電源と、
前記カソード第1電極と前記カソード電極第2電極とに電気的に接続される第2電源と、を備え、
前記アノードろ板電極は、
前記供給室側のアノード第1電極と、
前記隔膜を挟んで陰イオン室側に設置されるアノード第2電極と、
前記平板のカソード電極及びアノード第1電極に電気的に接続された第3電源と、
前記アノード第1電極と前記アノード電極第2電極とに電気的に接続される第4電源と、を備えることを特徴とする。
The seawater desalination system according to the first aspect of the present invention comprises:
a first ion separation device that allows cations in seawater to pass through and blocks anions;
a second ion separation device provided downstream of the first ion separation device, which allows anions in the permeate through which cations have permeated to pass and blocks cations;
The seawater desalination apparatus is provided with a unit including the above components , and
The seawater desalination apparatus comprises:
a supply chamber for supplying seawater containing cations and anions;
a cathode filter plate electrode disposed on both sides of the supply chamber and equipped with a diaphragm having pores for separating cations;
a flat anode filter plate electrode provided with a diaphragm having pores for separating anions;
a cation chamber into which the separated cations flow together with water as a cation liquid;
The cathode filter plate electrode is
a cathode first electrode on the supply chamber side;
a cathode second electrode disposed on the cation chamber side across the diaphragm;
a first power source electrically connected to the anode electrode and the cathode first electrode of the flat plate;
a second power source electrically connected to the cathode first electrode and the cathode second electrode;
The anode filter plate electrode is
an anode first electrode on the supply chamber side;
a second anode electrode disposed on the anion chamber side across the diaphragm;
a third power source electrically connected to the cathode electrode and the anode first electrode of the flat plate;
and a fourth power source electrically connected to the anode first electrode and the anode second electrode.
第2の態様の海水淡水化システムは、
第1の態様において
前記海水淡水化装置の前処理装置として、
海水中の混入物を除去するろ過材を配した第1前処理装置と、
前記第1前処理装置からの海水中のバイオポリマーを吸着する親水性高分子吸着材を配置した第2前処理装置と、
を含むことを特徴とする。
The seawater desalination system of the second aspect comprises:
In a first aspect, the pretreatment device of the seawater desalination plant includes:
a first pretreatment device provided with a filter for removing impurities from seawater;
a second pretreatment device provided with a hydrophilic polymer adsorbent for adsorbing biopolymers in the seawater from the first pretreatment device;
The present invention is characterized by comprising:
第3の態様の海水淡水化方法は、
海水中の陽イオンを透過して陰イオンが阻止される第1のイオン分離装置と、
第1のイオン分離装置の後段側に設けられ、陽イオンが透過した透過液中の陰イオンを透過して陽イオンを阻止する第2のイオン分離装置と、
を一つのユニットとしてなる海水淡水化装置を備えた、第1の態様の海水淡水化システムを用い、
前記海水中の塩分濃度を低下させることを特徴とする。
The seawater desalination method of the third aspect comprises:
a first ion separation device that allows cations in seawater to pass through and blocks anions;
a second ion separation device provided downstream of the first ion separation device, which allows anions in the permeate through which cations have permeated to pass and blocks cations;
The seawater desalination system of the first aspect is provided with a seawater desalination apparatus comprising the above as a single unit,
The salinity of the seawater is reduced.
第4の態様の海水淡水化方法は、
海水中の陽イオンを透過して陰イオンが阻止される第1のイオン分離装置と、
第1のイオン分離装置の後段側に設けられ、陽イオンが透過した透過液中の陰イオンを透過して陽イオンを阻止する第2のイオン分離装置と、
を一つのユニットとしてなる海水淡水化装置を備えた、第1の態様の海水淡水化システムを用い、
前記海水中の塩分濃度を低下させることを特徴とする。
A seawater desalination method according to a fourth aspect includes:
a first ion separation device that allows cations in seawater to pass through and blocks anions;
a second ion separation device provided downstream of the first ion separation device, which allows anions in the permeate through which cations have permeated to pass and blocks cations;
The seawater desalination system of the first aspect is provided with a seawater desalination apparatus comprising the above as a single unit,
The salinity of the seawater is reduced.
以下、本開示につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態(以下、実施形態という)により本開示が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
なお、本明細書の実施形態においては、全体を通じて、同一の部材には同一の符号を付している。なお、この一実施形態は本発明の構成を具現化した例示に過ぎず、特許請求の範囲に記載した事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことができる。
The present disclosure will be described in detail below with reference to the drawings. Note that the present disclosure is not limited to the following modes for carrying out the invention (hereinafter referred to as embodiments). Furthermore, the components in the following embodiments include those that can be easily imagined by a person skilled in the art, those that are substantially the same, and those that are within the so-called equivalent range. Furthermore, the components disclosed in the following embodiments can be combined as appropriate.
In the embodiments of this specification, the same components are denoted by the same reference numerals throughout. Note that this embodiment is merely an example that embodies the configuration of the present invention, and various design changes can be made without departing from the scope of the claims.
[実施形態1]
図1は、本発明に係る実施形態1のイオン分離装置の概略図である。
実施形態1に係るイオン分離装置10Aは、電解質溶液(以下「供給液」ともいう)11である溶媒(極性溶媒;例えば、水)中に解離している陽イオンをイオン分離する装置である。ここで極性溶媒としては、例えば、水以外に、メタノール、エタノール、プロパノール等を例示することができるが本発明はこれに限定されるものではない。
ここで、供給液である電解質溶液(電解液又は電解水)とは、イオンに解離(電離)して電気伝導性を示す物質である電解質が溶け込んだ液体の総称をいう。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a schematic diagram of an ion separation apparatus according to a first embodiment of the present invention.
The ion separation device 10A according to the first embodiment is a device that separates cations dissociated in a solvent (polar solvent; for example, water) that is an electrolyte solution (hereinafter also referred to as a "feed liquid") 11. Examples of polar solvents include, but are not limited to, water, methanol, ethanol, and propanol.
Here, the electrolyte solution (electrolyte solution or electrolytic water) that is the supply liquid is a general term for a liquid in which an electrolyte, which is a substance that dissociates (ionizes) into ions and exhibits electrical conductivity, is dissolved.
ここで、イオンの解離とは、分子(または塩や複合体等のイオン性化合物)が、通常は可逆的に、原子、イオン、ラジカル等の小さな粒子に分離または分裂する一般的なプロセスである。イオン結晶の格子は、水に溶けると壊れるものであり、この解離とは、固体イオン性化合物が溶解するときに発生するイオンの分離をいう。
一例として塩化ナトリウム(NaCl)の式単位で例示すると、塩化ナトリウム(NaCl)は、水中では1つのナトリウムイオン(Naイオン;陽(正)イオン)と1つの塩化物イオン(Clイオン:陰(負)イオン)とに解離する。
すなわち、水(H2O)に溶ける塩(塩化ナトリウム)は、それらのイオンに解離し、電解質であり、電解室溶液中には塩化ナトリウム(NaCl)が、完全に水に解離して、陽イオンのナトリウムイオン(Na+)と陰イオンの塩素イオン(Cl-)とにイオン状態として存在する。
Ion dissociation is a general process by which molecules (or ionic compounds such as salts and complexes) separate or split into smaller particles such as atoms, ions, and radicals, usually reversibly. The ionic crystal lattice breaks down when dissolved in water, and dissociation refers to the separation of ions that occurs when a solid ionic compound dissolves.
Taking the formula unit of sodium chloride (NaCl) as an example, sodium chloride (NaCl) dissociates in water into one sodium ion (Na ion; cation (positive) ion) and one chloride ion (Cl ion; anion (negative) ion).
In other words, salt (sodium chloride) that dissolves in water (H 2 O) dissociates into its ions and is an electrolyte, and in the electrolyte chamber solution, sodium chloride (NaCl) is completely dissociated into water and exists in an ionic state as positive sodium ions (Na + ) and negative chloride ions (Cl - ).
本実施形態では塩化ナトリウム(NaCl)を例示して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
実施形態1のイオン分離装置10Aは、図1に示すように、陽イオン(Na+)及び陰イオン(Cl-)を含む電解質溶液(NaCl+H2O:以下「供給液」という)11を供給する電解質溶液供給室(以下「供給室」という)12と、供給室12の両側に配置され、陽イオン(Na+)を分離する隔膜(ろ材)13を備えたカソードろ板電極14と、平板のアノード電極15と、分離した陽イオン(Na+)が水と共に陽イオン液(以下「アルカリ液」ともいう)16として流入する陽イオン室17と、を備えている。
ここで、カソードろ板電極14は、カソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bとから構成され、さらにカソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bとの間に、細孔13aを有する絶縁体である隔膜(ろ板)13を挟んでいる。
ここで、隔膜13としては、例えば、セルロース等を例示することができるが、本発明はこれに限定されるものではない。
In this embodiment, sodium chloride (NaCl) is used as an example, but the present invention is not limited to this.
As shown in FIG . 1, the ion separation device 10A of embodiment 1 comprises an electrolyte solution supply chamber (hereinafter referred to as the "supply chamber") 12 that supplies an electrolyte solution (NaCl+H 2 O: hereinafter referred to as the "supply liquid") 11 containing cations (Na + ) and anions (Cl - ), cathode filter plate electrodes 14 arranged on both sides of the supply chamber 12 and equipped with diaphragms (filter material) 13 that separate the cations (Na + ), a flat anode electrode 15, and a cation chamber 17 into which the separated cations (Na + ) flow together with water as a cation liquid (hereinafter also referred to as the "alkaline liquid") 16.
Here, the cathode filter plate electrode 14 is composed of a cathode first electrode 14A and a cathode second electrode 14B, and further, a diaphragm (filter plate) 13, which is an insulator having pores 13a, is sandwiched between the cathode first electrode 14A and the cathode second electrode 14B.
Here, the diaphragm 13 may be made of, for example, cellulose, but the present invention is not limited to this.
イオン分離装置10Aは、さらに、平板のアノード電極15及びカソード第1電極14Aに電気的に接続された第1電源41と、カソード第1電極14Aとカソード電極第2電極14Bに電気的に接続された第2電源42と、を有する。
ここで、電極構成は、カソード第2電極14Bを第1電位(V1)とし、カソード第1電極14Aを第2電位(V2)とし、平板のアノード電極15を第3電位(V3)とする。
The ion separation device 10A further includes a first power supply 41 electrically connected to the flat anode electrode 15 and the cathode first electrode 14A, and a second power supply 42 electrically connected to the cathode first electrode 14A and the cathode second electrode 14B.
Here, the electrode configuration is such that the cathode second electrode 14B is at a first potential (V1), the cathode first electrode 14A is at a second potential (V2), and the flat anode electrode 15 is at a third potential (V3).
本実施例においては、第1電源41、第2電源42により、V1=-20V、V2=-15V、V3=+15Vとなるように設定している。
なお、第1電源41,第2電源42から供給される電位はV3>V2>V1となるようにしており、供給室12から離隔するに従ってカソード電極の電位の絶対値が大きい関係(|V1|>|V2|)となるようにしている。
In this embodiment, the first power supply 41 and the second power supply 42 are set to V1=-20V, V2=-15V, and V3=+15V.
The potentials supplied from the first power source 41 and the second power source 42 are set to V3 > V2 > V1, so that the absolute value of the potential of the cathode electrode increases as it moves away from the supply chamber 12 (|V1| > |V2|).
なお、電極構成は図1の構成に限らず、カソード第1電極14Aにアースを設置して、カソード第1電極14Aを基準電極として、カソード第1電極14Aの電位(V2)を0Vとし、カソード第2電極14Bの電位(V1)を-10Vとし、平板のアノード電極15の電位(V3)を+10Vとして、電圧の絶対値を変化させて、各々の電位差は変化させない構成とすることもできる。 The electrode configuration is not limited to that shown in Figure 1. Alternatively, the cathode first electrode 14A can be earthed, the cathode first electrode 14A can be used as a reference electrode, the potential (V2) of the cathode first electrode 14A can be set to 0 V, the potential (V1) of the cathode second electrode 14B can be set to -10 V, and the potential (V3) of the flat anode electrode 15 can be set to +10 V, and the absolute value of the voltages can be changed without changing the potential difference between them.
ここで、カソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bとの間には、カソード電界Ecが発生している。カソード電界Ecは、マイナスに帯電したイオン(Cl-)が供給室12から陽イオン室17に移動することを抑制する斥力を発揮する。 Here, a cathode electric field Ec is generated between the first cathode electrode 14A and the second cathode electrode 14B. The cathode electric field Ec exerts a repulsive force that inhibits negatively charged ions (Cl − ) from migrating from the supply chamber 12 to the cation chamber 17.
また、カソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bとの間に発生するカソード電界Ecは、陽イオン(Na+)とプラスに帯電した水分子とを、供給室12から陽イオン室17の方に引き込む力を発揮している。陽イオン(Na+)とプラスに帯電した水分子とは陽イオン室17の方に引き込まれる、という電気浸透流が生じる(図1の矢印F1、F2参照)。このため、供給室12の水は、単にポンプ等によるろ過圧力を受けて陽イオン室17に移動する場合の移動速度よりも加速する。よって、供給室12から陽イオン室17に移動する水の単位時間当たりの量が増加する。 Furthermore, the cathode electric field Ec generated between the first cathode electrode 14A and the second cathode electrode 14B exerts a force that draws cations (Na + ) and positively charged water molecules from the supply chamber 12 toward the cation chamber 17. An electroosmotic flow occurs in which the cations (Na + ) and positively charged water molecules are drawn toward the cation chamber 17 (see arrows F1 and F2 in FIG. 1 ). As a result, the water in the supply chamber 12 moves faster than it would move to the cation chamber 17 simply under the filtration pressure of a pump or the like. This increases the amount of water moving from the supply chamber 12 to the cation chamber 17 per unit time.
そして、陽イオン室17に移動した陽イオン液16は、ろ過圧力により陽イオン室17の図示しない出口から外部に排出される。
なお、供給室12内で陽イオンが分離された第1供給排出液11Aは、陽イオン濃度が低下しており、ろ過圧力により供給室12の図示しない出口から外部に排出される。
The cation liquid 16 that has moved to the cation chamber 17 is then discharged to the outside from an outlet (not shown) of the cation chamber 17 due to filtration pressure.
The first supply/discharge liquid 11A from which the cations have been separated in the supply chamber 12 has a reduced cation concentration, and is discharged to the outside from an outlet (not shown) of the supply chamber 12 due to filtration pressure.
ここで、ろ過圧力としては、図示しない供給ポンプによる圧力は、密閉空間である供給室12の圧力(ゲージ圧)が例えば0.005MPa以上0.5MPa以下、好ましくは0.02MPa以上0.1MPa以下等、大気圧よりも少し高くなるように設定するのが好ましい。 Here, the filtration pressure applied by the supply pump (not shown) is preferably set so that the pressure (gauge pressure) in the supply chamber 12, which is an enclosed space, is slightly higher than atmospheric pressure, for example, between 0.005 MPa and 0.5 MPa, and preferably between 0.02 MPa and 0.1 MPa.
ここで、カソードろ板電極14(カソード第1電極14A、カソード第2電極14B)は、図中左右方向に貫通する複数の孔14aが設けられている。供給液11中の水は、電極14の孔14aを通じて、移動する。 The cathode filter plate electrodes 14 (cathode first electrode 14A, cathode second electrode 14B) have multiple holes 14a that penetrate in the left-right direction in the figure. Water in the supply liquid 11 moves through the holes 14a in the electrodes 14.
また、カソードろ板電極14(カソード第1電極14A、カソード第2電極14B)、及び平板のアノード電極15の表面には、図示しない電食防止層が設けられている。この電食防止層としては、例えば絶縁被覆層や導電性貴金属層等がある。電食防止層の材料としては、例えばチタン、アルミニウム、マグネシウム、タンタル等が挙げられるが、本発明はこれに限定されるものではない。導電性貴金属層の材料としては、例えば白金、金、パラジウム等が挙げられるが、本発明はこれに限定されるものではない。電食防止層の厚みは、絶縁被覆層の場合は、例えば5μmから30μm程度、より好ましくは5μmから10μm程度が好ましい。また、白金、金、パラジウム等の導電性貴金属層の厚みは、例えば0.5μmから10μm程度、より好ましくは1μmから5μm程度が好ましい。この電食防止層によれば、カソードろ板電極14、及び平板のアノード電極15の表面の腐食が抑制される。また、カソードろ板電極14、及び平板のアノード電極15は、絶縁被膜層を有しているため、供給液11を構成する液体と接しない。この結果、カソードろ板電極14、及び平板のアノード電極15に電位が供給されても、カソードろ板電極14、及び平板のアノード電極15の表面と液体との間で、電気分解が発生し難い。 In addition, a galvanic corrosion prevention layer (not shown) is provided on the surfaces of the cathode filter plate electrode 14 (cathode first electrode 14A, cathode second electrode 14B) and the flat anode electrode 15. Examples of the galvanic corrosion prevention layer include an insulating coating layer and a conductive precious metal layer. Materials for the galvanic corrosion prevention layer include, but are not limited to, titanium, aluminum, magnesium, and tantalum. Materials for the conductive precious metal layer include, but are not limited to, platinum, gold, and palladium. For an insulating coating layer, the thickness of the galvanic corrosion prevention layer is preferably, for example, approximately 5 μm to 30 μm, more preferably, approximately 5 μm to 10 μm. For a conductive precious metal layer such as platinum, gold, or palladium, the thickness is preferably, for example, approximately 0.5 μm to 10 μm, more preferably, approximately 1 μm to 5 μm. This galvanic corrosion prevention layer inhibits corrosion of the surfaces of the cathode filter plate electrode 14 and the flat anode electrode 15. Furthermore, because the cathode filter plate electrode 14 and the flat anode electrode 15 have an insulating coating layer, they do not come into contact with the liquid that makes up the supply liquid 11. As a result, even if a potential is applied to the cathode filter plate electrode 14 and the flat anode electrode 15, electrolysis is unlikely to occur between the liquid and the surfaces of the cathode filter plate electrode 14 and the flat anode electrode 15.
カソード第1電極14Aは、供給室12を挟んで、平板のアノード電極15と対向している。カソード第1電極14Aと平板のアノード第1電極15との間隔D1は、例えば0.1mm以上100mm以下、より好ましくは0.1mm以上40mm以下である。 The cathode first electrode 14A faces the flat anode electrode 15 across the supply chamber 12. The distance D1 between the cathode first electrode 14A and the flat anode first electrode 15 is, for example, 0.1 mm or more and 100 mm or less, and more preferably 0.1 mm or more and 40 mm or less.
カソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bとの間隔D2は、特に限定されないが、例えば0.1mm以上20mm以下、より好ましくは0.1mm以上2mm以下である。なお、カソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bとの間隔D2が小さいほど、カソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bとの間で発生するカソード電界Ecの力が強くなる。 The distance D2 between the cathode first electrode 14A and the cathode second electrode 14B is not particularly limited, but is, for example, 0.1 mm to 20 mm, and more preferably 0.1 mm to 2 mm. Note that the smaller the distance D2 between the cathode first electrode 14A and the cathode second electrode 14B, the stronger the strength of the cathode electric field Ec generated between the cathode first electrode 14A and the cathode second electrode 14B.
隔膜13としては、例えばろ紙(膜)等のセルロースやナノファイバー等を例示することができるが、本発明はこれに限定されるものではない。ここでろ紙を例示すると、その細孔の大きさは、約1ミクロン(1ナノメートルの1000倍の孔径)程度である。よって、水分子はサブナノメータであるので、水は隔膜13を十分に透過する。この結果、供給室12内に、供給液11を送りこむポンプによって、隔膜13を自由に通過することとなる。 The diaphragm 13 can be made of, for example, cellulose such as filter paper (membrane) or nanofiber, but the present invention is not limited to this. Taking filter paper as an example, the pore size is approximately 1 micron (a pore diameter 1000 times larger than 1 nanometer). Since water molecules are sub-nanometers in size, water can easily pass through the diaphragm 13. As a result, the supply liquid 11 can pass freely through the diaphragm 13 when pumped into the supply chamber 12 by a pump.
これに対し、陰極側のカソード第1電極14Aにマイナスイオンの塩素イオン(Cl-)が近づいてくると、マイナスの電極とマイナスイオンとは、クーロンの斥力の関係で反発することにより、カソード第1電極14Aを透過できない。逆に、陽極の平板のアノード電極15側にプラスイオン(Na+)が近づいてくると、プラスの電極とプラスイオンとは、クーロンの斥力の関係で反発する。 In contrast, when negative chlorine ions (Cl − ) approach the cathode first electrode 14A on the cathode side, the negative electrode and the negative ions are repelled by Coulomb's repulsive force, and the negative ions cannot pass through the cathode first electrode 14A. Conversely, when positive ions (Na + ) approach the anode electrode 15 side of the anode plate, the positive electrode and the positive ions are repelled by Coulomb's repulsive force.
隔膜13としては、上述したように、ろ紙を例示できるが、誘電作用を有する隔膜を用いるのがより好ましい。誘電作用を有する隔膜は、絶縁材料から構成され、例えば、PP(ポリプロピレン)、PE(ポリエチレン)、NY(ナイロン)、セルロース等の繊維を用いた不織布を用いるようにしてもよい。
ここで、誘電作用を有する隔膜13をカソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bとの間に設置することで、カソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bとの間に作用するカソード電界Ecの力が大きくなる。
なお、細孔13aの孔径としては、例えば0.2mm以下とするのが好ましい。
カソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bとの間に配置する隔膜13は接していても接していなくともよい。
ここで、この隔膜13を備えたカソードろ板電極14は、「イオンの分離膜」として機能する。
As mentioned above, filter paper can be used as the diaphragm 13, but it is more preferable to use a diaphragm having a dielectric effect. The diaphragm having a dielectric effect is made of an insulating material, and for example, a nonwoven fabric using fibers such as PP (polypropylene), PE (polyethylene), NY (nylon), or cellulose may be used.
Here, by placing the diaphragm 13 having a dielectric effect between the first cathode electrode 14A and the second cathode electrode 14B, the force of the cathode electric field Ec acting between the first cathode electrode 14A and the second cathode electrode 14B increases.
The diameter of the fine holes 13a is preferably, for example, 0.2 mm or less.
The diaphragm 13 disposed between the cathode first electrode 14A and the cathode second electrode 14B may or may not be in contact with each other.
Here, the cathode filter plate electrode 14 equipped with this diaphragm 13 functions as an "ion separation membrane."
次に、図1を用いて供給液11として塩化ナトリウム溶液を供給室12内に供給して陽イオンを分離する一例を説明する。 Next, using Figure 1, we will explain an example of separating cations by supplying a sodium chloride solution as the supply liquid 11 into the supply chamber 12.
上述したように供給室12内のイオン状態は、陽イオン(ナトリウムイオン:Na+)と陰イオン(塩素イオン:Cl-)とに解離している。
供給室12内に配置されたマイナスのカソード第1電極14Aに陽イオンであるナトリウムイオン(Na+)が引き込まれる。この陽イオンであるナトリウムイオン(Na+)が引き込まれると、結果として水(H2O)も透過しながら、ナトリウムイオン(Na+)が透過する。
As described above, the ions in supply chamber 12 are dissociated into cations (sodium ions: Na + ) and anions (chlorine ions: Cl − ).
Sodium ions (Na + ), which are cations, are attracted to negative cathode first electrode 14A disposed in supply chamber 12. As a result, the sodium ions (Na + ), which are cations, are attracted to the cathode first electrode 14A, and as a result, the sodium ions (Na + ) permeate while water (H 2 O) also permeates.
これに対して、塩素イオン(Cl-)は、陰イオンであるので、陰極側のカソード第1電極14Aに阻止されて、カソード第1電極14Aを透過することができない。図1中では、塩素イオン(Cl-)が跳ね返る挙動を図示している。よって、供給室12内に塩素イオン(Cl-)が濃縮される。この結果、供給室12から排出される第1供給排出液11Aは、陽イオン(Na+)が低下すると共に、塩素イオン(Cl-)が濃縮された状態となる。 In contrast, chloride ions (Cl - ) are anions, and therefore are blocked by the cathode first electrode 14A on the cathode side and cannot pass through the cathode first electrode 14A. FIG. 1 illustrates the rebounding behavior of chloride ions (Cl - ). Therefore, chloride ions (Cl - ) are concentrated in the supply chamber 12. As a result, the first supply/discharge liquid 11A discharged from the supply chamber 12 has a reduced concentration of cations (Na + ) and chloride ions (Cl - ) concentrated.
本発明では陽イオン(Na+)の透過と共に、カソードろ板電極14を構成する隔膜13に対しても、水が透過することが特長である。この結果、透過した水は陽イオン(Na+)のキャリア水として作用し、精製水等の水を別途供給する必要がない。
なお、従来技術にかかる陽イオン交換膜、陰イオン交換膜は、水をほとんどもしくは僅かしか透過することができず、選択的にイオンを透過して分離する機能のみである。よって、従来技術においては、キャリア水として、別途精製水等の水を補給することを必須としている。
The present invention is characterized in that, in addition to the permeation of cations (Na + ), water also permeates the diaphragm 13 constituting the cathode filter plate electrode 14. As a result, the permeated water acts as carrier water for cations (Na + ), eliminating the need to separately supply purified water or other water.
The cation exchange membranes and anion exchange membranes of the prior art are only able to selectively separate ions, allowing little or no water to pass through, and therefore require the separate supply of purified water or other water as carrier water.
この結果、イオン分離装置10Aによれば、陽イオン室17内は、陽イオンのNa+が移動された陽イオン液(アルカリ液)16を得ることができる。 As a result, according to the ion separation device 10A, a cationic liquid (alkaline liquid) 16 in which the cations Na + have been transferred can be obtained in the cation chamber 17.
なお、上述したカソードろ板電極14は、カソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bと、さらに隔膜13を備えた一体の部材又は隔膜13を別部材として構成するようにしてもよい。 The above-mentioned cathode filter plate electrode 14 may be configured as an integrated member including the cathode first electrode 14A, the cathode second electrode 14B, and the diaphragm 13, or the diaphragm 13 may be configured as a separate member.
[実施形態2]
図2は、実施形態2のイオン分離装置の概略図である。
なお、第1実施形態と同一の構成部材については、同一符号を付してその説明は省略する。本実施形態においても塩化ナトリウム(NaCl)を例示して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図2に示すように、本実施形態のイオン分離装置10Bは、溶媒(極性溶媒;例えば、水)中に解離している陰イオンをイオン分離する装置である。
[Embodiment 2]
FIG. 2 is a schematic diagram of an ion separation device according to the second embodiment.
The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and will not be described again. Although sodium chloride (NaCl) is used as an example in this embodiment, the present invention is not limited to this.
As shown in FIG. 2, the ion separation device 10B of this embodiment is a device that separates anions dissociated in a solvent (polar solvent; for example, water).
図2に示すように、イオン分離装置10Bは、陽イオン(Na+)及び陰イオン(Cl-)を含む供給液11を供給する供給室12と、供給室12の両側に配置され、陰イオン(Cl-)を分離する隔膜13を備えたアノードろ板電極24と、平板のカソード電極25と、分離した陰イオン(Cl-)が水と共に陰イオン液(以下「酸性液」ともいう)26として流入する陰イオン室27と、を備えている。 As shown in Figure 2, the ion separation device 10B includes a supply chamber 12 that supplies a supply liquid 11 containing cations (Na + ) and anions (Cl - ), anode filter plate electrodes 24 arranged on both sides of the supply chamber 12 and equipped with diaphragms 13 that separate the anions (Cl - ), a flat cathode electrode 25, and an anion chamber 27 into which the separated anions (Cl - ) flow together with water as an anion liquid (hereinafter also referred to as "acid liquid") 26.
ここで、アノードろ板電極24は、アノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bとから構成され、さらにアノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bとの間に、細孔を有する絶縁体である隔膜13を挟んでいる。この隔膜13は、絶縁材料から構成され、例えば、PP(ポリプロピレン)、PE(ポリエチレン)、NY(ナイロン)、セルロース等の繊維を用いた不織布を用いるようにしてもよい。 Here, the anode filter plate electrode 24 is composed of a first anode electrode 24A and a second anode electrode 24B, and a diaphragm 13, an insulator with fine holes, is sandwiched between the first anode electrode 24A and the second anode electrode 24B. This diaphragm 13 is composed of an insulating material, and may be, for example, a nonwoven fabric made of fibers such as PP (polypropylene), PE (polyethylene), NY (nylon), or cellulose.
イオン分離装置10Bは、さらに、平板のカソード電極25及びアノード第1電極24Aに電気的に接続された第3電源43と、アノード第1電極24Aとアノード電極第2電極24Bに電気的に接続された第4電源44と、を有する。 The ion separation device 10B further includes a third power supply 43 electrically connected to the flat-plate cathode electrode 25 and the anode first electrode 24A, and a fourth power supply 44 electrically connected to the anode first electrode 24A and the anode second electrode 24B.
ここで、電極構成は、アノード第2電極24Bを第1電位(V11)とし、アノード第1電極24Aを第2電位(V12)とし、平板のカソード電極25を第4電位(V4)とする。
本実施例においては、第3電源43、第4電源44により、V11=+20V、V12=+15V、V4=-15Vとなるように設定している。
なお、第3電源43,第4電源44から供給される電位は、V4<V12<V11となるようにしており、供給室12から離隔するに従ってアノード電極の電位の絶対値が大きい関係(|V11|>|V12|)となるようにしている。
Here, the electrode configuration is such that the anode second electrode 24B is at a first potential (V11), the anode first electrode 24A is at a second potential (V12), and the flat cathode electrode 25 is at a fourth potential (V4).
In this embodiment, the third power supply 43 and the fourth power supply 44 are set so that V11=+20V, V12=+15V, and V4=-15V.
The potentials supplied from the third power source 43 and the fourth power source 44 are set to satisfy the relationship V4 < V12 < V11, so that the absolute value of the potential of the anode electrode increases as it moves away from the supply chamber 12 (|V11| > |V12|).
供給液11として塩化ナトリウム溶液(NaCl+H2O)を供給室12内にする一例を説明する。
上述したように供給室12内のイオン状態は、陽イオン(ナトリウムイオン:Na+)と陰イオン(塩素イオン:Cl-)とに解離している。供給室12内に配置されたアノード第1電極24Aに陰イオンである塩素イオン(Cl-)が引き込まれる。この陰イオンである塩素イオン(Cl-)が引き込まれると、結果として水(H2O)も透過しながら、塩素イオンが透過させることとなる。
An example in which a sodium chloride solution (NaCl+H 2 O) is placed in the supply chamber 12 as the supply liquid 11 will be described.
As described above, the ions in supply chamber 12 are dissociated into cations (sodium ions: Na + ) and anions (chlorine ions: Cl − ). Anions, such as chloride ions (Cl − ), are attracted to anode first electrode 24A disposed in supply chamber 12. As a result, chloride ions are allowed to pass through while water (H 2 O ) also passes through.
これに対して、ナトリウムイオン(Na+)は、陽イオンであるので、アノード第1電極24Aに阻止されて(図2中でナトリウムイオン(Na+)が跳ね返る挙動)、アノード第1電極24Aを透過することができない。この結果、供給室12内にナトリウムイオン(Na+)が濃縮される。この結果、供給室12から排出される第2供給排出液11Bは、塩素イオン(Cl-)が低下すると共に、陽イオン(Na+)が濃縮された状態となる。 In contrast, sodium ions (Na + ) are positive ions and are therefore blocked by the anode first electrode 24A (the sodium ions (Na + ) bounce back in FIG. 2 ), preventing them from passing through the anode first electrode 24A. As a result, the sodium ions (Na + ) are concentrated in the supply chamber 12. As a result, the second supply/discharge liquid 11B discharged from the supply chamber 12 has a reduced concentration of chloride ions (Cl − ) and is in a state in which the positive ions (Na + ) are concentrated.
アノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bとの間隔D3は、特に限定されないが、例えば0.1mm以上20mm以下、より好ましくは0.1mm以上2mm以下である。また、アノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bとの間隔D3が小さいほどアノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bの間で発生するアノード電界Eaの力が強くなる。 The distance D3 between the anode first electrode 24A and the anode second electrode 24B is not particularly limited, but is, for example, 0.1 mm or more and 20 mm or less, and more preferably 0.1 mm or more and 2 mm or less. Furthermore, the smaller the distance D3 between the anode first electrode 24A and the anode second electrode 24B, the stronger the anode electric field Ea generated between the anode first electrode 24A and the anode second electrode 24B.
アノード第1電極24A、アノード第2電極24Bの孔24aは、供給室12と陰イオン室27を連通させている。アノード第1電極24A、アノード第2電極24Bの孔24aは、例えば0.1μm以上5000μm以下、より好ましくは100μm以上1000μm以下である。なお、アノード第1電極24A、アノード第2電極24Bの孔24aの孔径は同一でなくてもよい。 The holes 24a in the anode first electrode 24A and the anode second electrode 24B connect the supply chamber 12 and the anion chamber 27. The diameters of the holes 24a in the anode first electrode 24A and the anode second electrode 24B are, for example, 0.1 μm or more and 5000 μm or less, and more preferably 100 μm or more and 1000 μm or less. Note that the diameters of the holes 24a in the anode first electrode 24A and the anode second electrode 24B do not have to be the same.
本発明では実施形態1で説明したように、陰イオン(Cl-)の透過と共に、水も透過することが特長である。この結果、透過した水は陰イオン(Cl-)のキャリア水として作用し、精製水等の水を別途供給することがない。この結果、透過した陰イオン(Cl-)のキャリア水として、精製水等の水を別途供給する必要がない。
従来技術にかかる陽イオン交換膜、陰イオン交換膜は、水をほとんどもしくは僅かしか透過することができず、選択的にイオンを透過して分離する機能のみである。
As described in the first embodiment, the present invention is characterized in that water permeates along with the anions (Cl - ). As a result, the permeated water acts as carrier water for the anions (Cl - ), and there is no need to separately supply purified water or other water. As a result, there is no need to separately supply purified water or other water as carrier water for the permeated anions (Cl - ).
The cation exchange membranes and anion exchange membranes according to the prior art are only capable of selectively permeating and separating ions, and are almost or only slightly permeable to water.
この結果、陰イオン室27内は、陰イオンのCl-が移動された陰イオン液(酸性液)26を得ることができる。
なお、誘電作用を有する隔膜13をアノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bとの間に設置することで、アノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bとの間に作用するアノード 電界Eaの力が大きくなるようにしてもよい。
また、上述したアノードろ板電極24は、アノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bと、さらに隔膜23を備えた一体の部材又は隔膜13を別部材として構成するようにしてもよい。
As a result, an anion liquid (acid liquid) 26 in which the anions Cl − have been transferred can be obtained in the anion chamber 27 .
In addition, a diaphragm 13 having a dielectric effect may be placed between the first anode electrode 24A and the second anode electrode 24B to increase the force of the anode electric field Ea acting between the first anode electrode 24A and the second anode electrode 24B.
The anode filter plate electrode 24 may be configured as an integrated member including the first anode electrode 24A, the second anode electrode 24B, and the diaphragm 23, or the diaphragm 23 may be configured as a separate member.
[実施形態3]
図3Aは、実施形態3のイオン分離装置の概略図である。図3Bは、実施形態3の他の形態のイオン分離装置の概略図である。なお、実施形態1、2の同一の構成部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
図3Aに示すように、本実施形態のイオン分離装置10C-1は、実施形態1のイオン分離装置10Aと実施形態2のイオン分離装置10Bとを組み合わせたものであり、両イオン(陽イオンと陰イオン)を含む供給液から陽イオンと陰イオンとを分離し、アルカリ液16と酸性液26とを得るものである。
図3Aに示すように、実施形態3のイオン分離装置10C-1は、陽イオン及び陰イオンを含む電解質溶液(例えば、NaCl液)の供給液11を供給する電解質溶液供給室(以下「供給室」という)12と、供給室12の両側に配置され、陽イオン(Na+)を分離する隔膜(ろ紙)13を備えたカソードろ板電極14と、陰イオン(Cl-)を分離する隔膜13を備えたアノードろ板電極24と、分離した陽イオン(Na+)が水と共に陽イオン液(アルカリ液)16として流入する陽イオン室17と、分離した陰イオン(Cl-)が水と共に陰イオン液(酸性液)26として流入する陰イオン室27と、を備えてなる。
[Embodiment 3]
Fig. 3A is a schematic diagram of an ion separation device of embodiment 3. Fig. 3B is a schematic diagram of an ion separation device of another form of embodiment 3. Note that the same components as those in embodiments 1 and 2 are denoted by the same reference numerals and descriptions thereof will be omitted.
As shown in FIG. 3A, the ion separation device 10C-1 of this embodiment is a combination of the ion separation device 10A of embodiment 1 and the ion separation device 10B of embodiment 2, and separates cations and anions from a supply liquid containing both ions (cations and anions) to obtain an alkaline liquid 16 and an acidic liquid 26.
As shown in FIG. 3A, the ion separation device 10C-1 of embodiment 3 comprises an electrolyte solution supply chamber (hereinafter referred to as the "supply chamber") 12 that supplies a supply liquid 11 of an electrolyte solution (e.g., NaCl solution) containing cations and anions, a cathode filter plate electrode 14 arranged on both sides of the supply chamber 12 and equipped with a diaphragm (filter paper) 13 that separates cations (Na + ), an anode filter plate electrode 24 equipped with a diaphragm 13 that separates anions (Cl − ), a cation chamber 17 into which the separated cations (Na + ) flow together with water as a cation liquid (alkaline liquid) 16, and an anion chamber 27 into which the separated anions (Cl − ) flow together with water as an anion liquid (acidic liquid) 26.
また、イオン分離装置10C-1は、カソード第1電極14Aとアノード第1電極24Aとに電気的に接続された第1電源41と、カソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bとに電気的に接続された第2電源42と、アノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bとに電気的に接続された第3電源43と、を有する。
本実施形態では、カソードろ板電極14での隔膜13としては、絶縁材料から構成され、例えば、PP(ポリプロピレン)、PE(ポリエチレン)、NY(ナイロン)、セルロース等の繊維を用いた不織布を用いるようにしてもよい。
The ion separation device 10C-1 also has a first power supply 41 electrically connected to the cathode first electrode 14A and the anode first electrode 24A, a second power supply 42 electrically connected to the cathode first electrode 14A and the cathode second electrode 14B, and a third power supply 43 electrically connected to the anode first electrode 24A and the anode second electrode 24B.
In this embodiment, the diaphragm 13 in the cathode filter plate electrode 14 is made of an insulating material, and may be, for example, a nonwoven fabric made of fibers such as PP (polypropylene), PE (polyethylene), NY (nylon), or cellulose.
次に、図3Aを用いて供給液11として塩化ナトリウム溶液を供給室12内に供給して陽イオンと陰イオンとを分離する一例を説明する。 Next, using Figure 3A, we will explain an example of separating cations and anions by supplying sodium chloride solution as the supply liquid 11 into the supply chamber 12.
上述したように供給室12内のイオン状態は、陽イオン(ナトリウムイオン:Na+)と陰イオン(塩素イオン:Cl-)とに解離している。
供給室12内に配置されたマイナスのカソード第1電極14Aに陽イオンであるナトリウムイオン(Na+)が引き込まれる。この陽イオンであるナトリウムイオン(Na+)が引き込まれると、結果として水(H2O)も透過しながら、ナトリウムイオン(Na+)が透過する。
As described above, the ions in supply chamber 12 are dissociated into cations (sodium ions: Na + ) and anions (chlorine ions: Cl − ).
Sodium ions (Na + ), which are cations, are attracted to negative cathode first electrode 14A disposed in supply chamber 12. As a result, the sodium ions (Na + ), which are cations, are attracted to the cathode first electrode 14A, and as a result, the sodium ions (Na + ) permeate while water (H 2 O) also permeates.
これに対して、塩素イオン(Cl-)は、陰イオンであるので、マイナスのカソード第1電極14Aに阻止されて、カソード第1電極14Aを透過することができない。 In contrast, chloride ions (Cl − ) are anions, and are therefore blocked by the negative cathode first electrode 14A and cannot pass through the cathode first electrode 14A.
本発明では陽イオン(Na+)の透過と共に、カソードろ板電極14を構成する隔膜13も水が透過することが特長である。この結果、透過して陽イオン(Na+)のキャリア水として、精製水等の水を陽イオン室17に別途供給する必要がない。 The present invention is characterized in that, in addition to the permeation of cations (Na + ), water also permeates the diaphragm 13 constituting the cathode filter plate electrode 14. As a result, there is no need to separately supply purified water or other water to the cation chamber 17 as carrier water for the permeated cations (Na + ).
また、供給室12内に、カソードろ板電極14と対向して配置されたアノードろ板電極(アノード第1電極24A、アノード第2電極24B)24に陰イオンである塩素イオン(Cl-)が引き込まれる。
陰イオンである塩素イオン(Cl-)が引き込まれると、結果として水(H2O)も透過しながら、塩素イオンが透過することとなる。
Furthermore, chloride ions (Cl − ), which are anions, are attracted to the anode filter plate electrodes (anode first electrode 24 A, anode second electrode 24 B) 24 disposed in the supply chamber 12 opposite the cathode filter plate electrode 14 .
When an anion, chlorine ion (Cl − ), is attracted, the chlorine ion permeates while water (H 2 O) also permeates.
これに対して、ナトリウムイオン(Na+)は、陽イオンであるので、アノード第1電極24Aに阻止されて、アノード第1電極24Aを透過することができない。 In contrast, sodium ions (Na + ) are cations and are therefore blocked by the anode first electrode 24A and cannot pass through the anode first electrode 24A.
この結果、陽イオン室17内にナトリウムイオン(Na+)が濃縮される。また、陰イオン室27内に塩素イオン(Cl-)が濃縮される。これにより、供給室12から排出される第3供給排出液11Cは、ナトリウムイオン(Na+)が低下すると共に、塩素イオン(Cl-)も低下した状態となる。 As a result, sodium ions (Na + ) are concentrated in the cation chamber 17. Furthermore, chloride ions (Cl − ) are concentrated in the anion chamber 27. As a result, the third supply/discharge liquid 11C discharged from the supply chamber 12 has a reduced content of sodium ions (Na + ) and chloride ions (Cl − ).
ここで、陽イオン室17へは、陰イオン(Cl-)の透過と共に、水も透過する。この結果、透過した水は陰イオン(Cl-)のキャリア水として作用するため、精製水等の水を別途供給する必要がない。 Here, water as well as anions (Cl − ) permeate into the cation chamber 17. As a result, the permeated water acts as carrier water for the anions (Cl − ), so there is no need to separately supply purified water or other water.
なお、従来技術にかかるイオン分離をする技術のイオン交換膜は、水をほとんど透過することができず、イオンを分離する機能のみである。これに対し、本実施形態のイオン分離装置10Cでアルカリ液16と酸性液26とを製造する場合は、キャリア水としての精製水を一切供給する必要がない。 Note that ion exchange membranes used in conventional ion separation technology are barely permeable to water and only function to separate ions. In contrast, when producing alkaline solution 16 and acidic solution 26 using the ion separation device 10C of this embodiment, there is no need to supply purified water as carrier water.
以上説明したように、本実施形態のイオン分離装置10C-1によれば、供給室12内に供給した供給液11のイオン状態(ナトリウムイオン(Na+)と塩素イオン(Cl-)との混在状態:pH=7.0)において、供給室12の左側に配置するカソードろ板電極14側ではナトリウムイオン(Na+)が透過して、陽イオン室17内にナトリウムイオン(Na+)が濃縮される。これと共に、供給室12の右側に配置するアノードろ板電極24側では塩素イオン(Cl-)が透過して、陰イオン室27内に塩素イオン(Cl-)が濃縮される。 As described above, according to the ion separation device 10C-1 of this embodiment, in the ionic state of the supply liquid 11 supplied into the supply chamber 12 (a mixture of sodium ions (Na + ) and chloride ions (Cl - ): pH = 7.0), sodium ions (Na + ) permeate the cathode filter plate electrode 14 located on the left side of the supply chamber 12, and the sodium ions (Na + ) are concentrated in the cation chamber 17. At the same time, chloride ions (Cl - ) permeate the anode filter plate electrode 24 located on the right side of the supply chamber 12, and the chloride ions (Cl - ) are concentrated in the anion chamber 27.
このイオン分離装置10C-1での陽イオンと陰イオンとのイオン分離の確認はpHとBTB試薬で行った。ここで、供給液11として塩化ナトリウム(NaCl)の0.05%水溶液を用い、供給液量はpH7.0となるように、炭酸バッファでpHの調整をした。
同時にBTB(ブロモチモールブルー bromothymol blue;BTB)試薬を用いて、着色により各室内のpHの状態を可視化した。
The separation of cations and anions in this ion separator 10C-1 was confirmed using pH and a BTB reagent. Here, a 0.05% aqueous solution of sodium chloride (NaCl) was used as the feed liquid 11, and the pH of the feed liquid was adjusted with a carbonate buffer to pH 7.0.
At the same time, the pH state in each chamber was visualized by coloring using BTB (bromothymol blue; BTB) reagent.
この確認の結果、供給室12に供給する供給液11のイオン状態(ナトリウムイオン(Na+)と塩素イオン(Cl-)との混在状態:pH=7.0)のものが、イオン分離をした結果、陽イオン室17からの排出されるアルカリ液16のpHは11.8となり、陰イオン室27からの排出される酸性液26のpHは2.4となった。 As a result of this confirmation, it was found that the ionic state of the supply liquid 11 supplied to the supply chamber 12 (a mixture of sodium ions (Na + ) and chlorine ions (Cl - ): pH = 7.0) was such that, as a result of ion separation, the pH of the alkaline liquid 16 discharged from the cation chamber 17 became 11.8, and the pH of the acidic liquid 26 discharged from the anion chamber 27 became 2.4.
また、BTB試薬で検査した結果、供給室12に供給した供給液11(pH=7.0)は緑の色調であったものが、陽イオン室17の室内のアルカリ液16(pH=11.8)の色調はブルーに変色し、陰イオン室27の室内の酸性液26(pH=2.4)の色調は黄色に変色した。さらに、銅線を用いた炎色反応試験においても、アルカリ液16はNaイオンのオレンジに、酸性液26は塩化銅(CuCl2)の緑に変化していた。また、各炎色反応試験においても、イオン分離が確実になされていることを確認した。 Furthermore, as a result of testing with the BTB reagent, the feed solution 11 (pH = 7.0) supplied to the feed chamber 12 was green, but the alkaline solution 16 (pH = 11.8) in the cation chamber 17 changed to blue, and the acidic solution 26 (pH = 2.4) in the anion chamber 27 changed to yellow. Furthermore, in a flame color reaction test using a copper wire, the alkaline solution 16 changed to orange due to Na ions, and the acidic solution 26 changed to green due to copper chloride (CuCl 2 ). Furthermore, in each flame color reaction test, it was confirmed that ion separation was reliably achieved.
この結果、供給室12から排出される第3供給排出液11Cである循環液は、ナトリウムイオン(Na+)が低下すると共に、塩素イオン(Cl-)も低下した状態となる(pH=4.5)。 As a result, the circulating liquid, which is the third supply/discharge liquid 11C discharged from the supply chamber 12, has a reduced sodium ion (Na + ) content and a reduced chloride ion (Cl − ) content (pH=4.5).
このBTB試薬での確認結果の概略模式図を図15に示す。
図15は、イオン分離装置でのイオン分離の状態をBTB試薬での確認した結果の概略模式図である。図15中、上段の「A」はBTB試薬の色調を示す。中段の「B」は陽イオン室17と陰イオン室27とを両サイドに備えた供給室12において、色調が変化している状態を示す。下段の「C」は供給液11の色調の状態を示す。
A schematic diagram of the results of confirmation using this BTB reagent is shown in FIG.
Figure 15 is a schematic diagram showing the results of confirming the state of ion separation in the ion separator using a BTB reagent. In Figure 15, "A" in the upper row shows the color tone of the BTB reagent. "B" in the middle row shows the state of color tone change in the supply chamber 12, which has a cation chamber 17 and an anion chamber 27 on both sides. "C" in the lower row shows the state of color tone of the supply liquid 11.
本実施形態によれば、陽イオンと陰イオンとの分離が所定の電圧を印加してカソードろ板電極14、アノードろ板電極24で各々イオン分離がなされると共に、分離した水もイオンのキャリアの水として、カソードろ板電極14、アノードろ板電極24を透過するので、従来のようにイオンキャリア水である水(精製水等)を別途添加する必要がない。 In this embodiment, cations and anions are separated at the cathode filter plate electrode 14 and the anode filter plate electrode 24 by applying a predetermined voltage, and the separated water also acts as ion carrier water and passes through the cathode filter plate electrode 14 and the anode filter plate electrode 24, eliminating the need to separately add water (such as purified water) as ion carrier water, as in the conventional method.
なお、イオン分離の際、電極(カソードろ板電極14、アノードろ板電極24)が印加されるので、電極が発熱し、供給液11が加熱される。また、水の電気分解が起こることで電極の周りにガス(陽イオン室17では水素ガス、陰イオン室27では塩素ガスと酸素ガス)が発生する。ガスは、浮力により密閉空間の供給室12の上部に移動する。よって、供給室12、陽イオン室17、陰イオン室27、又は排出ラインにはガス抜き弁等のガス抜き手段を適宜設置している。 During ion separation, a voltage is applied to the electrodes (cathode filter plate electrode 14, anode filter plate electrode 24), which generates heat and heats the supply liquid 11. Furthermore, electrolysis of water generates gas around the electrodes (hydrogen gas in the cation chamber 17, and chlorine gas and oxygen gas in the anion chamber 27). The gas moves to the upper part of the sealed space of the supply chamber 12 due to buoyancy. Therefore, gas venting means such as a gas vent valve are appropriately installed in the supply chamber 12, cation chamber 17, anion chamber 27, or discharge line.
また、図3Bに示すように、イオン分離装置10C-2は、供給室12、陽イオン室17、陰イオン室27内に、圧電部材である圧電振動子(加振部材)80を設置している。この圧電振動子(加振部材)80を設置することで、供給液11中に浮遊する微粒子が存在する場合においてもその粒子の付着を防止することができる。これにより、第1アノード電極24A、第2アノード電極24Bに印加する電圧を、圧電振動子(加振部材)80を設置しない場合よりも全体的に低くすることができる。 Furthermore, as shown in FIG. 3B, the ion separation device 10C-2 has piezoelectric vibrators (vibration members) 80, which are piezoelectric members, installed in the supply chamber 12, cation chamber 17, and anion chamber 27. By installing these piezoelectric vibrators (vibration members) 80, adhesion of particles suspended in the supply liquid 11 can be prevented. This allows the voltage applied to the first anode electrode 24A and the second anode electrode 24B to be lower overall than when the piezoelectric vibrators (vibration members) 80 are not installed.
すなわち、粒子の分離を向上させるために、例えばアノード第1電極24A、アノード第2電極24Bに20Vを印加していたものを、圧電振動子(加振部材)80を設置することで、アノード第1電極24Aに5V、アノード第2電極24Bに10Vと印加電圧を半分とすることができ、全体的に印加電圧を低下させることができる。
この結果、イオン分離装置の消費電力の大幅低減を図ると共に、電気分解も抑制すること、さらには発熱も抑制することができる。
特に、熱に弱い粒子や分離対象物として、後述する生物体の分離を行う場合には、発熱低減効果は大きいものとなる。なお、圧電振動子(加振部材)80は少なくとも一か所に備えていればよい。
That is, in order to improve particle separation, for example, if 20 V is applied to the anode first electrode 24A and the anode second electrode 24B, by installing a piezoelectric vibrator (vibration member) 80, the applied voltage can be halved to 5 V to the anode first electrode 24A and 10 V to the anode second electrode 24B, thereby reducing the overall applied voltage.
As a result, the power consumption of the ion separation device can be significantly reduced, and electrolysis and heat generation can also be suppressed.
In particular, the heat reduction effect is significant when separating heat-sensitive particles or biological matter, which will be described later, as the separation target. Note that it is sufficient to provide the piezoelectric vibrator (vibration member) 80 in at least one location.
[実施形態4]
図4は、実施形態4のイオン分離装置の概略図である。
なお、第1~3の実施形態と同一の構成部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
本実施形態4のイオン分離装置10Dは、各電極(カソードろ板電極、アノードろ板電極)を2セット(14-1,14-2、24-1,24-2)とし、陽イオン室17と陰イオン室27とを各々2セット(17-1,17-2、27-1,27-2)設けたものである。
[Embodiment 4]
FIG. 4 is a schematic diagram of an ion separation device according to a fourth embodiment.
The same components as those in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
The ion separation device 10D of this embodiment 4 has two sets of electrodes (cathode filter plate electrodes, anode filter plate electrodes) (14-1, 14-2, 24-1, 24-2), and two sets of cation chambers 17 and two sets of anion chambers 27 (17-1, 17-2, 27-1, 27-2).
図示しない電源により、カソード電極14A-1、14B-1、14A-2、14B-2の電位はそれぞれ-15V、-20V、-30V、-35Vに設定されている。また、アノード電極24A-1、24B-1、24A-2、24B-2の電位はそれぞれ+15V、+20V、+30V、+35Vに設定されている。
供給室12から離隔するに従ってカソード電極(14A-1、14B-1、14A-2、14B-2)、アノード電極(24A-1、24B-1、24A-2、24B-2)のそれぞれの電位の絶対値が大きい関係となるようにしている。
The potentials of the cathode electrodes 14A-1, 14B-1, 14A-2, and 14B-2 are set to −15 V, −20 V, −30 V, and −35 V, respectively, by a power supply (not shown). The potentials of the anode electrodes 24A-1, 24B-1, 24A-2, and 24B-2 are set to +15 V, +20 V, +30 V, and +35 V, respectively.
The absolute values of the potentials of the cathode electrodes (14A-1, 14B-1, 14A-2, 14B-2) and anode electrodes (24A-1, 24B-1, 24A-2, 24B-2) are set to increase with increasing distance from supply chamber 12.
図4に示すように、本実施形態4のイオン分離装置10Dは、陽イオン及び陰イオンを含む電解質溶液(例えば、NaCl液:pH7.0)供給液11を供給する供給室12と、供給室12の両側に配置され、陽イオンを分離する隔膜(ろ材)13を備えたカソードろ板電極14-1、14-2と、陰イオンを分離する隔膜(ろ材)13を備えたアノードろ板電極24-1、24-2と、分離した陽イオン(Na+)が水と共に陽イオン液(アルカリ液)16として流入する陽イオン室17(17-1、17-2)と、分離した陰イオン(Cl-))が水と共に陰イオン液(酸性液)26として流入する陰イオン室27(27-1、27-2)と、を備えてなる。 As shown in Figure 4, the ion separation device 10D of this embodiment 4 comprises a supply chamber 12 that supplies an electrolyte solution (e.g., NaCl solution: pH 7.0) supply liquid 11 containing cations and anions, cathode filter plate electrodes 14-1, 14-2 arranged on both sides of the supply chamber 12 and equipped with a diaphragm (filter material) 13 that separates cations, anode filter plate electrodes 24-1, 24-2 equipped with a diaphragm (filter material) 13 that separates anions, cation chambers 17 (17-1, 17-2) into which separated cations (Na + ) flow together with water as a cation liquid (alkaline liquid) 16, and anion chambers 27 (27-1, 27-2) into which separated anions (Cl - ) flow together with water as an anion liquid (acidic liquid) 26.
本実施形態では、第2陽イオン室17-2と、第2陰イオン室27-2とは、各々アルカリ液16と酸性液26とを各々排出する排出室を兼ねており、各々排出孔17a、27aを備えている。なお、供給室12においても、供給孔12aと排出孔12cとを備えている。なお、排出液は循環液としている。 In this embodiment, the second cation chamber 17-2 and the second anion chamber 27-2 also serve as discharge chambers for discharging the alkaline solution 16 and the acid solution 26, respectively, and are equipped with discharge holes 17a and 27a, respectively. The supply chamber 12 also has a supply hole 12a and a discharge hole 12c. The discharged liquid is a circulating liquid.
これにより、第2陽イオン室17―2の排出孔17aからは、陽イオン濃度が増加し、pHが上昇したアルカリ液16が排出される。
一方、第2陰イオン室27―2の排出孔27aからは、陰イオン濃度が増加し、pHが低下した酸性液26が排出される。
As a result, the alkaline solution 16 with an increased cation concentration and a raised pH is discharged from the discharge hole 17a of the second cation chamber 17-2.
On the other hand, the acidic solution 26 with an increased anion concentration and a decreased pH is discharged from the discharge hole 27a of the second anion chamber 27-2.
本実施形態のように、イオン分離装置10Dとして、各電極(カソードろ板電極、アノードろ板電極)を2セット(14-1,14-2、24-1,24-2)とすることで、陽イオン室17と陰イオン室27とを各々2セット(17-1,17-2、27-1,27-2)設けたることにより、イオン分離効率が増加する。
なお、本発明は各々の陽イオン室17と陰イオン室27との設置は2セットに限定されるものではなく、3セット(17-1,17-2,17-3、27-1,27-2,27-3)、4セット(17-1,17-2,17-3,17-4、27-1,27-2,27-3,27-4)と必要に応じて設置するようにしてもよい。
In this embodiment, the ion separation device 10D has two sets of electrodes (cathode filter plate electrode, anode filter plate electrode) (14-1, 14-2, 24-1, 24-2), and two sets of cation chambers 17 and anion chambers 27 (17-1, 17-2, 27-1, 27-2), thereby increasing the ion separation efficiency.
In the present invention, the installation of each cation chamber 17 and anion chamber 27 is not limited to two sets, but may be three sets (17-1, 17-2, 17-3, 27-1, 27-2, 27-3) or four sets (17-1, 17-2, 17-3, 17-4, 27-1, 27-2, 27-3, 27-4) as needed.
以上説明したイオン分離装置10Aから10Dは、電解液中のイオンを分離するあらゆる技術分野に適用できる。イオンを分離する技術分野としては、イオン交換膜やイオン交換樹脂等の代替の他に例えば、海水淡水化(脱塩)装置のほか、例えば人工透析装置等にも適用できる。 The ion separation devices 10A to 10D described above can be applied to any technical field that separates ions in an electrolyte. In addition to replacing ion exchange membranes and ion exchange resins, they can also be used in technical fields that separate ions, such as seawater desalination (desalination) devices and artificial dialysis devices.
[実施形態5]
図5は、実施形態5のイオン分離装置の概略図である。
図5に示すように、実施形態5のイオン分離装置10Eは、実施形態1のイオン分離装置10Aと、陽イオンを含む電解質溶液(供給液11)を供給する供給タンク55と、供給タンク55から供給室12に供給ポンプPを介して供給液11を供給する供給ラインL1と、供給室12からの第1供給排出液11Aを供給タンク55に循環する循環ラインL2と、陽イオン室17からのアルカリ液16をアルカリタンク56に排出するアルカリラインL3と、を備えている。
[Embodiment 5]
FIG. 5 is a schematic diagram of an ion separation device according to a fifth embodiment.
As shown in FIG. 5 , the ion separation device 10E of the fifth embodiment includes the ion separation device 10A of the first embodiment, a supply tank 55 that supplies an electrolyte solution (supply liquid 11) containing cations, a supply line L1 that supplies the supply liquid 11 from the supply tank 55 to the supply chamber 12 via a supply pump P, a circulation line L2 that circulates the first supply/discharge liquid 11A from the supply chamber 12 to the supply tank 55, and an alkali line L3 that discharges the alkaline solution 16 from the cation chamber 17 to the alkali tank 56.
本実施形態5のイオン分離装置10Eは、供給タンク55から供給される供給液11を供給室12内に連続して供給することで、陽イオン室17に陽イオンを分離すると共に、供給室12内を循環させることで、陽イオン液(アルカリ液)16をアルカリタンク56内に連続して得ることができる。
また、実施形態2のイオン分離装置10Bをイオン分離装置10Aの代わりに設置することで、陰イオン液(酸性液)を得ることができる。
The ion separation device 10E of this embodiment 5 continuously supplies the supply liquid 11 from the supply tank 55 into the supply chamber 12, thereby separating cations into the cation chamber 17, and by circulating the liquid within the supply chamber 12, it is possible to continuously obtain a cation liquid (alkaline liquid) 16 in the alkaline tank 56.
Furthermore, by installing the ion separation device 10B of the second embodiment in place of the ion separation device 10A, an anion liquid (acid liquid) can be obtained.
[実施形態6]
図6は、実施形態6のイオン分離装置の概略図である。
図6に示すように、実施形態6のイオン分離装置10Fは、実施形態4のイオン分離装置10Dと、陽イオンを含む電解質溶液(供給液11)を供給する供給タンク55と、供給タンク55から供給室12に供給ポンプP-1を介して供給液11を供給する供給ラインL1と、供給室12からの第1供給排出液11Aを供給室12へ循環させるために一時的に貯留する循環タンク57と、陽イオン室17からのアルカリ液16を供給ポンプP-2によりアルカリタンク56に排出するアルカリラインL3と、供給室12からの第1供給排出液11Aを循環タンク57へ供給する供給ラインL4と、陰イオン室27から供
給ポンプP-3を介しての酸性液26を酸性液タンク58に排出する酸性ラインL5と、を備えている。
循環ラインL4には図示しない排圧弁が介装されて圧力調整(例えば、0.03MPa程度)するようにしている。
[Embodiment 6]
FIG. 6 is a schematic diagram of an ion separation device according to a sixth embodiment.
As shown in FIG. 6, the ion separation device 10F of the sixth embodiment includes the ion separation device 10D of the fourth embodiment, a supply tank 55 for supplying an electrolyte solution (feed liquid 11) containing cations, a supply line L 1 for supplying the feed liquid 11 from the supply tank 55 to the supply chamber 12 via a supply pump P-1, a circulation tank 57 for temporarily storing the first supply discharge liquid 11A from the supply chamber 12 to circulate it to the supply chamber 12, an alkaline line L 3 for discharging the alkaline solution 16 from the cation chamber 17 to the alkaline tank 56 by the supply pump P-2, a supply line L 4 for supplying the first supply discharge liquid 11A from the supply chamber 12 to the circulation tank 57, and an acid line L 5 for discharging the acid solution 26 from the anion chamber 27 via the supply pump P- 3 to the acid solution tank 58.
A pressure relief valve (not shown) is provided in the circulation line L4 to regulate the pressure (for example, to about 0.03 MPa).
本実施形態6のイオン分離装置10Fとすることで、陽イオン液(アルカリ液)16をアルカリタンク56内に連続して得ることができると共に、陰イオン液(酸性液)26を酸性液タンク58内に連続して得ることができる。 By using the ion separation device 10F of this embodiment 6, cation liquid (alkaline liquid) 16 can be continuously obtained in the alkaline tank 56, and anion liquid (acid liquid) 26 can be continuously obtained in the acid liquid tank 58.
ここで、図6に示すような実施形態6のイオン分離装置10Fを用い、供給液11として、硝酸ナトリウム(NaNO3)水溶液を用いて、イオン分離を行った試験結果を図7(図7A,図7B)に示す。
なお分離対象物としては、NaNO3の0.05%水溶液を用い、pH7.0に炭酸バッファでpH調整した。評価方法としては、Na+/NO3
-イオンメータにより、イオン濃度を測定した。
Here, the test results of ion separation using the ion separation device 10F of the sixth embodiment shown in FIG. 6 and an aqueous solution of sodium nitrate (NaNO 3 ) as the feed liquid 11 are shown in FIG. 7 (FIGS. 7A and 7B).
The separation target was a 0.05% aqueous solution of NaNO 3 , whose pH was adjusted to 7.0 with a carbonate buffer. The evaluation method involved measuring the ion concentration with a Na + /NO 3 - ion meter.
図7Aに示すように、陽イオンであるNaイオンの分離効率は95.4%(20分)、88.5%(40分)、83.1%(60分)であった。図7Bに示すように、陰イオンであるNO3イオンの分離効率は96.6%(20分)、94.9%(40分)、94.3%(60分)であった。
図7A,Bの結果より、本実施形態のイオン分離装置は陽イオンと陰イオンとを良好に分離することができることが判明した。
As shown in Figure 7A, the separation efficiency of Na ions (cations) was 95.4% (20 min), 88.5% (40 min), and 83.1% (60 min). As shown in Figure 7B, the separation efficiency of NO ions ( anions ) was 96.6% (20 min), 94.9% (40 min), and 94.3% (60 min).
The results of FIGS. 7A and 7B show that the ion separation device of this embodiment can effectively separate cations and anions.
[実施形態7]
図8は、実施形態7のイオン分離装置の概略図である。なお、上述した実施形態と同一の構成部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
[Embodiment 7]
8 is a schematic diagram of an ion separation device according to embodiment 7. Note that the same components as those in the above-described embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
実施形態1~6のイオン分離装置10A~10Fは、電解液中の陽イオン又は陰イオンを分離する技術を説明したが、本発明のイオン分離装置はこれに限定されるものではない。 The ion separation devices 10A to 10F in embodiments 1 to 6 describe techniques for separating cations or anions in an electrolyte solution, but the ion separation device of the present invention is not limited to this.
実施形態7のイオン分離装置10Gは、上述した実施形態3(図3参照)のイオン分離装置10Cと同一の構成であるが、供給室12内に供給する供給液内に粒子(図中「●」Ptcl-)50が混在した粒子混在供給液51からイオンの分離と共に、粒子50の分離を行うものである。
なお、陽イオン(例えばNaイオン)と陰イオン(例えば塩素イオン)との分離は上述したのと同様の挙動で分離されるので、本実施形態のイオン分離装置10Eの説明においては、粒子50の分離を特に中心として説明する。
The ion separation device 10G of embodiment 7 has the same configuration as the ion separation device 10C of embodiment 3 (see Figure 3) described above, but separates particles 50 as well as ions from a particle-mixed supply liquid 51 in which particles (Ptcl - indicated by "●" in the figure) 50 are mixed in the supply liquid supplied to the supply chamber 12.
Since cations (e.g., Na ions) and anions (e.g., chloride ions) are separated in the same manner as described above, the explanation of the ion separation device 10E of this embodiment will focus particularly on the separation of particles 50.
ここで、図8に示すように、イオン分離装置10Gの供給室12には粒子混在供給液51を導入する導入口12aと、導入口12aに接続される供給ポンプPを介装した供給液導入ライン12bと、粒子50,陽イオン及び陰イオンが分離された排出液51Aを排出する第3排出口12cと、第3排出口12cに接続される排出ライン12dとが設けられている。 As shown in FIG. 8, the supply chamber 12 of the ion separation device 10G is provided with an inlet 12a for introducing particle-containing supply liquid 51, a supply liquid introduction line 12b connected to the inlet 12a and equipped with a supply pump P, a third outlet 12c for discharging discharge liquid 51A from which particles 50, cations, and anions have been separated, and an outlet line 12d connected to the third outlet 12c.
イオン分離装置10Gの陽イオン室17には、陽イオン液16を排出する第1排出口17aと、第1排出口17aに接続される第1排出ライン17bとが設けられている。また、イオン分離装置10Gの陰イオン室27には、陰イオン液を含む濃縮物65を排出する第2排出口27aと、第2排出口27aに接続される第2排出ライン27bとが設けられている。 The cation chamber 17 of the ion separation device 10G is provided with a first outlet 17a for discharging the cation liquid 16 and a first outlet line 17b connected to the first outlet 17a. The anion chamber 27 of the ion separation device 10G is provided with a second outlet 27a for discharging the concentrate 65 containing the anion liquid and a second outlet line 27b connected to the second outlet 27a.
カソード第1電極14Aは、供給室12を挟んで、アノード第1電極24Aと対向している。カソード第1電極14Aとアノード第1電極24Aとの間隔D1は、粒子混在供給液51中の粒子50をアノード第1電極24Aの方に移動させることができる間隔であり、例えば0.1mm以上100mm以下、より好ましくは0.1mm以上20mm以下である。 The cathode first electrode 14A faces the anode first electrode 24A across the supply chamber 12. The distance D1 between the cathode first electrode 14A and the anode first electrode 24A is a distance that allows the particles 50 in the particle-containing supply liquid 51 to move toward the anode first electrode 24A, and is, for example, 0.1 mm or more and 100 mm or less, more preferably 0.1 mm or more and 20 mm or less.
なお、隔膜13の孔径13aにおいても、粒子混在供給液51中の粒子50をアノード第1電極24A、アノード第2電極24Bの方に移動させることができる間隔である。 In addition, the pore diameter 13a of the diaphragm 13 is large enough to allow the particles 50 in the particle-containing supply liquid 51 to move toward the anode first electrode 24A and the anode second electrode 24B.
イオン分離装置10Gの運転方法に関し、まず、供給ポンプPを駆動し、粒子混在供給液51を供給室12に供給する。供給ポンプPは継続して駆動させ、粒子混在供給液51の供給を連続して行う。また、供給ポンプPによる圧力は供給室12の密閉空間Sの圧力(ゲージ圧)が例えば0.005MPa以上0.5MPa以下、好ましくは0.02MPa以上0.1MPa以下等、大気圧よりも高くなるように設定する。 Regarding the method of operating the ion separation device 10G, first, the supply pump P is driven to supply the particle-mixed supply liquid 51 to the supply chamber 12. The supply pump P is continuously driven to continuously supply the particle-mixed supply liquid 51. The pressure produced by the supply pump P is set so that the pressure (gauge pressure) in the sealed space S of the supply chamber 12 is higher than atmospheric pressure, for example, between 0.005 MPa and 0.5 MPa, and preferably between 0.02 MPa and 0.1 MPa.
第1排出ライン17b及び第2排出ライン27bの下流側の圧力を、図示しない圧力調整弁により、大気圧と略等しく調整する。これにより、密閉空間Sには、第1供給口12a(供給室12)から陽イオン室17及び陰イオン室27に向かう圧力(以下、ろ過圧力と称する)が作用する。 The pressure downstream of the first discharge line 17b and the second discharge line 27b is adjusted to approximately atmospheric pressure by a pressure regulating valve (not shown). This causes pressure (hereinafter referred to as filtration pressure) acting in the sealed space S from the first supply port 12a (supply chamber 12) toward the cation chamber 17 and the anion chamber 27.
カソード第1電源61からカソード第1電極14Aに供給されるカソード第1電位V1を-20Vとする。カソード第2電源62からカソード第2電極14Bに供給するカソード第2電位V2を-30Vとする。つまり、カソード電源は、粒子50の極性(マイナス)と同じ極性のカソード電位(V1、V2)をカソード電極に供給する。また、供給室12から離隔するに従ってカソード電源から供給されるカソード電位の絶対値が大きい(|V2|>|V1|)。 The cathode first potential V1 supplied from the cathode first power supply 61 to the cathode first electrode 14A is set to -20 V. The cathode second potential V2 supplied from the cathode second power supply 62 to the cathode second electrode 14B is set to -30 V. In other words, the cathode power supply supplies the cathode electrodes with cathode potentials (V1, V2) of the same polarity as the polarity (negative) of the particles 50. Furthermore, the absolute value of the cathode potential supplied from the cathode power supply increases with increasing distance from the supply chamber 12 (|V2| > |V1|).
アノード第1電源63からアノード第1電極24Aに供給されるアノード第1電位V11を+20Vに設定する。アノード第2電源64からアノード第2電極24Bに供給するアノード第2電位V12を+30Vに設定する。つまり、アノード電源は、粒子50の極性(マイナス)と異なる極性のアノード電位(V11、V12)をアノード電極に供給する。また、供給室12から離隔するに従ってアノード電源から供給されるアノード電位の絶対値が大きい(|V12|>|V11|)。 The anode first potential V11 supplied from the anode first power supply 63 to the anode first electrode 24A is set to +20 V. The anode second potential V12 supplied from the anode second power supply 64 to the anode second electrode 24B is set to +30 V. In other words, the anode power supply supplies the anode electrodes with anode potentials (V11, V12) of a polarity different from the polarity (negative) of the particles 50. Furthermore, the absolute value of the anode potential supplied from the anode power supply increases with increasing distance from the supply chamber 12 (|V12| > |V11|).
上記した運転方法によれば、供給室12に粒子混在供給液51が供給されると、粒子混在供給液51に含まれる粒子50は、同じ極性に帯電するカソード第1電極14Aから斥力を受ける(図8の矢印A1参照)。また、粒子50は、異なる極性に帯電するアノード第1電極24Aから引力を受ける(図8の矢印B1参照)。これにより、供給室12にある粒子50は、アノード第1電極24Aの方に移動する。 According to the operating method described above, when particle-mixed supply liquid 51 is supplied to supply chamber 12, particles 50 contained in particle-mixed supply liquid 51 are subjected to a repulsive force from cathode first electrode 14A, which is charged with the same polarity (see arrow A1 in Figure 8). Furthermore, particles 50 are subjected to an attractive force from anode first electrode 24A, which is charged with the opposite polarity (see arrow B1 in Figure 8). This causes particles 50 in supply chamber 12 to move toward anode first electrode 24A.
そして、アノード第1電極24Aの近傍にある粒子混在供給液51(粒子50の濃度が高い粒子混在供給液51)は、ろ過圧力によってアノード第1電極24Aの孔24aとアノード第2電極24Bとの孔24aを通過し、粒子50は陰イオン室27に移動する(図8の矢印F4参照)。また、粒子混在供給液51は、アノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bとを通過する過程で、水の割合が減少し、かつ粒子50の割合が増加し、濃縮物65となる。以下、詳細を説明する。 The particle-mixed supply liquid 51 (particle-mixed supply liquid 51 with a high concentration of particles 50) near the first anode electrode 24A passes through the holes 24a of the first anode electrode 24A and the holes 24a of the second anode electrode 24B due to filtration pressure, and the particles 50 move to the anion chamber 27 (see arrow F4 in Figure 8). Furthermore, as the particle-mixed supply liquid 51 passes through the first anode electrode 24A and the second anode electrode 24B, the proportion of water decreases and the proportion of particles 50 increases, resulting in a concentrate 65. Details are explained below.
以上から、プラスに帯電した水分子は、単にろ過圧力を受けて陰イオン室27に移動する場合の移動速度よりも減速する。このため、アノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bの間を通過する単位時間当たりの水の量が減少する。この結果、陰イオン室27に移動した粒子混在供給液51に含まれる水の割合は、アノード第1電極24Aの近傍にある粒子混在供給液51と比べて小さくなる。 As a result, the positively charged water molecules move at a slower rate than when they move to the anion chamber 27 simply due to filtration pressure. As a result, the amount of water passing between the anode first electrode 24A and the anode second electrode 24B per unit time decreases. As a result, the proportion of water contained in the particle-mixed supply liquid 51 that has moved to the anion chamber 27 is smaller than that of the particle-mixed supply liquid 51 near the anode first electrode 24A.
また、アノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bの間のアノード電界Eaは、マイナスに帯電した粒子50を、アノード第1電極24Aからアノード第2電極24Bの方に引き込む引力を発揮する(図8の矢印F4参照)。つまり、粒子50は、アノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bとの間を通過する際に電界から引力を受ける。これにより、粒子50は、単にろ過圧力を受けて陰イオン室27に移動する場合の移動速度よりも加速する。
以上から、アノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bの間を通過する単位時間当たりの粒子50の量が増加する。このため、陰イオン室27に移動した粒子混在供給液51に含まれる単位容積当たりの粒子50の割合は、アノード第1電極24Aの近傍にある粒子混在供給液51と比べて高くなる。
Furthermore, the anode electric field Ea between the first anode electrode 24A and the second anode electrode 24B exerts an attractive force that draws the negatively charged particles 50 from the first anode electrode 24A toward the second anode electrode 24B (see arrow F4 in FIG. 8 ). That is, the particles 50 are subjected to an attractive force from the electric field when passing between the first anode electrode 24A and the second anode electrode 24B. This causes the particles 50 to move faster than they would if they were simply subjected to filtration pressure and moved to the anion chamber 27.
As a result, the amount of particles 50 passing between the first anode electrode 24A and the second anode electrode 24B per unit time increases, and therefore the ratio of particles 50 per unit volume contained in the particle-mixed supply liquid 51 that has moved to the anion chamber 27 becomes higher than that of the particle-mixed supply liquid 51 in the vicinity of the first anode electrode 24A.
このように、粒子混在供給液51は、アノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bの間を通過する過程で粒子50の濃度が高くなり、陰イオン液を含み粒子が濃縮された濃縮物65となる。そして、この濃縮物65は、ろ過圧力により、第2排出口27aを通過して第2排出ライン27bから排出される。 In this way, the particle-containing supply liquid 51 becomes more concentrated with particles 50 as it passes between the first anode electrode 24A and the second anode electrode 24B, becoming a concentrate 65 containing concentrated particles and anionic liquid. This concentrate 65 then passes through the second outlet 27a and is discharged from the second discharge line 27b due to filtration pressure.
一方で、供給室12においてカソード第1電極14Aの近傍には、粒子50の濃度が低い粒子混在供給液51が滞留する。この粒子混在供給液51は、ろ過圧力によりカソード第1電極14Aの孔14aと、カソード第2電極14Bの孔14aを通過し、陽イオン室17に移動する(図8の矢印F2参照)。 Meanwhile, particle-mixed supply liquid 51 with a low concentration of particles 50 remains near the cathode first electrode 14A in the supply chamber 12. This particle-mixed supply liquid 51 passes through the holes 14a in the cathode first electrode 14A and the holes 14a in the cathode second electrode 14B due to filtration pressure and moves to the cation chamber 17 (see arrow F2 in Figure 8).
ここで、カソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bの間には、カソード電界Ecが発生している。カソード電界Ecは、マイナスに帯電した粒子50が供給室12から陽イオン室17に移動することを抑制する斥力を発揮する。このため、粒子50が陽イオン室17に移動しないように抑制される。 Here, a cathode electric field Ec is generated between the cathode first electrode 14A and the cathode second electrode 14B. The cathode electric field Ec exerts a repulsive force that inhibits the movement of negatively charged particles 50 from the supply chamber 12 to the cation chamber 17. This inhibits the particles 50 from moving to the cation chamber 17.
また、カソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bの間に発生するカソード電界Ecは、プラスに帯電した水分子を供給室12から陽イオン室17の方に引き込む力を発揮している。プラスに帯電した水分子は陽イオン室17の方に引き込まれる、という電気浸透流が生じる(図8の矢印F2参照)。このため、供給室12の水は、単にろ過圧力を受けて陽イオン室17に移動する場合の移動速度よりも加速する。よって、供給室12から陽イオン室17に移動する水の単位時間当たりの量が増加する。 In addition, the cathode electric field Ec generated between the cathode first electrode 14A and the cathode second electrode 14B exerts a force that draws positively charged water molecules from the supply chamber 12 toward the cation chamber 17. An electroosmotic flow occurs in which positively charged water molecules are drawn toward the cation chamber 17 (see arrow F2 in Figure 8). Therefore, the water in the supply chamber 12 moves faster than it would if it were simply moving to the cation chamber 17 under filtration pressure. Therefore, the amount of water moving per unit time from the supply chamber 12 to the cation chamber 17 increases.
そして、陽イオン室17に移動した水(粒子50が分離されたろ液)である陽イオン液16は、ろ過圧力により水が第1排出口17aから排出される。 Then, the cation liquid 16, which is the water (filtrate from which the particles 50 have been separated) that has moved to the cation chamber 17, is discharged from the first outlet 17a due to filtration pressure.
なお、上記したように、粒子混在供給液51に含まれる水の多くが陽イオン室17の方に移動する。つまり、単位時間当たりで供給室12から陽イオン室17又は陰イオン室27に移動する容積は、陽イオン室17の方が大きい。よって、第1バルブ17cと第2バルブ27cにより、第1排出口17aと第2排出口27aから排出する流量を例えば9:1(例えば10倍濃縮)に設定し、第1排出口17aから多くの水を排出するように調整する。これにより、第1排出口17aからは、多くの水がろ液として連続して排出される。また、第2排出口27aからは、粒子50が濃縮された濃縮物65が連続して排出される。 As mentioned above, much of the water contained in the particle-containing supply liquid 51 moves toward the cation chamber 17. In other words, the volume of water that moves per unit time from the supply chamber 12 to the cation chamber 17 or the anion chamber 27 is greater in the cation chamber 17. Therefore, the flow rate ratio discharged from the first outlet 17a and the second outlet 27a is set to, for example, 9:1 (e.g., 10-fold concentration) using the first valve 17c and the second valve 27c, and adjusted so that a large amount of water is discharged from the first outlet 17a. As a result, a large amount of water is continuously discharged as filtrate from the first outlet 17a. Furthermore, a concentrate 65 containing concentrated particles 50 is continuously discharged from the second outlet 27a.
ここで、本実施形態では、流量を例えば9:1(例えば10倍濃縮)に設定しているが、定量ポンプの流量を調整することで、流量を例えば2:1(例えば3倍濃縮)等に適宜設定することもできる。 In this embodiment, the flow rate is set to, for example, 9:1 (e.g., 10x concentrated), but by adjusting the flow rate of the metering pump, the flow rate can also be appropriately set to, for example, 2:1 (e.g., 3x concentrated).
ここで、粒子混在供給液51は、上述したように、陽イオン(Naイオン)と陰イオン(Clイオン)とを含んでいるので、陽イオンと陰イオンとは各々イオン分離され、アルカリ液16と酸性液26とを陽イオン室17、陰イオン室27から排出する。その際、粒子混在供給液51には粒子50が含まれているので、粒子分離も同時に行われる。 As described above, the particle-mixed supply liquid 51 contains cations (Na ions) and anions (Cl ions), so the cations and anions are separated, and alkaline liquid 16 and acidic liquid 26 are discharged from the cation chamber 17 and the anion chamber 27. Since the particle-mixed supply liquid 51 contains particles 50, particle separation also occurs at the same time.
[実施形態8]
図9は、実施形態8のイオン分離装置の概略図である。
なお、第1~7の実施形態と同一の構成部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
[Embodiment 8]
FIG. 9 is a schematic diagram of an ion separation device according to the eighth embodiment.
The same components as those in the first to seventh embodiments are denoted by the same reference numerals and their description will be omitted.
本発明のイオン分離装置は、電解液中の陽イオン又は陰イオンのイオン分離と共に、電解液中に帯電した粒子が存在した場合においても、イオン分離を行うことができる。 The ion separation device of the present invention can separate cations or anions in an electrolyte, as well as ions even when charged particles are present in the electrolyte.
本実施形態では供給液として水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液用いた場合であり、この水酸化ナトリウム水溶液に粒子(図中「●」)50が混在した粒子混在供給液51を例示して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図9に示すように、実施形態8のイオン分離装置10Hは、陽イオン(Na+)及び陰イオン(OH-)、粒子50を含む粒子混在供給液51を供給する供給室12と、供給室12の両側に配置され、陽イオン(Na+)を分離する隔膜(ろ材)13を備えたカソードろ板電極14と、平板のアノード電極15と、分離した陽イオン(Na+)が水と共に陽イオン液(以下「アルカリ液」ともいう)16として流入する陽イオン室17と、を備えている。
In this embodiment, a sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution is used as the supply liquid, and the explanation will be given using an example of a particle-mixed supply liquid 51 in which particles (marked with "●" in the figure) 50 are mixed in this sodium hydroxide aqueous solution, but the present invention is not limited to this.
As shown in Figure 9, the ion separation device 10H of embodiment 8 comprises a supply chamber 12 that supplies a particle-mixed supply liquid 51 containing cations (Na + ), anions (OH - ), and particles 50, a cathode filter plate electrode 14 arranged on both sides of the supply chamber 12 and equipped with a diaphragm (filter material) 13 that separates the cations (Na + ), a flat anode electrode 15, and a cation chamber 17 into which the separated cations (Na + ) flow together with water as a cation liquid (hereinafter also referred to as "alkaline liquid") 16.
また、実施形態8のイオン分離装置10Hには、さらに供給室12に粒子混在供給液51を供給する供給タンク55と、アルカリ液16を受けるアルカリタンク56と、粒子混在供給液51を供給タンク55から供給室12に供給ポンプPを介して供給する供給ラインL1と、供給室12からの排出液51Bを供給タンク55に循環する循環ラインL2と、陽イオン室17からのアルカリ液16をアルカリタンク56に排出するアルカリラインL3と、を備えている。
ここで、カソードろ板電極14は、各々細孔14aを有するカソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bとから構成され、さらにカソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bとの間に、細孔13aを有する絶縁体である隔膜13を挟んでいる。
In addition, the ion separation device 10H of embodiment 8 further includes a supply tank 55 that supplies the particle-mixed supply liquid 51 to the supply chamber 12, an alkaline tank 56 that receives the alkaline liquid 16, a supply line L1 that supplies the particle-mixed supply liquid 51 from the supply tank 55 to the supply chamber 12 via a supply pump P, a circulation line L2 that circulates the discharge liquid 51B from the supply chamber 12 to the supply tank 55, and an alkaline line L3 that discharges the alkaline liquid 16 from the cation chamber 17 to the alkaline tank 56.
Here, the cathode filter plate electrode 14 is composed of a cathode first electrode 14A and a cathode second electrode 14B, each having pores 14a, and further, a diaphragm 13, which is an insulator having pores 13a, is sandwiched between the cathode first electrode 14A and the cathode second electrode 14B.
次に、図9を用いて供給液として陽イオン(Na+)及び陰イオン(OH-)、マイナスに帯電した粒子(●(Ptcl-))50を含む粒子混在供給液51を供給室12内に供給して陽イオンと粒子50とを分離する一例を説明する。 Next, using Figure 9, we will explain an example of supplying a particle-mixed supply liquid 51 containing cations (Na + ), anions (OH - ), and negatively charged particles (●(Ptcl - )) 50 into the supply chamber 12 as a supply liquid and separating the cations and particles 50.
上述したように供給室12内のイオン状態は、陽イオン(ナトリウムイオン:Na+)と陰イオン(水酸イオン:OH-)とに解離している。
供給室12内に配置されたマイナスのカソード第1電極14Aに陽イオンであるナトリウムイオン(Na+)が引き込まれる。この陽イオンであるナトリウムイオン(Na+)が引き込まれると、結果として水(H2O)も透過しながら、ナトリウムイオン(Na+)が透過する。
As described above, the ions in supply chamber 12 are dissociated into cations (sodium ions: Na + ) and anions (hydroxyl ions: OH − ).
Sodium ions (Na + ), which are cations, are attracted to the negative cathode first electrode 14A disposed in the supply chamber 12. As a result, the sodium ions (Na + ), which are cations, are attracted to the negative cathode first electrode 14A, and as a result, the sodium ions (Na + ) permeate while water (H 2 O) also permeates.
これに対して、水酸化物イオン(水酸イオン:OH-)とマイナスに帯電した粒子(●(Ptcl-))50は、陰イオンであるので、マイナスのカソード第1電極14Aに阻止されて、カソード第1電極14Aを透過することができない。図9中では、供給室12内においてマイナスに帯電した粒子50が跳ね返る挙動を図示している。よって、供給室12内にマイナスに帯電した粒子50が濃縮される。この結果、供給室12から排出される排出液51Bは、陽イオン(Na+)が低下すると共に、マイナスに帯電した粒子50が濃縮された状態となる。 In contrast, hydroxide ions (hydroxide ions: OH - ) and negatively charged particles (●(Ptcl - )) 50 are anions, and therefore are blocked by the negative cathode first electrode 14A and cannot pass through the cathode first electrode 14A. Figure 9 illustrates the behavior of the negatively charged particles 50 bouncing back within the supply chamber 12. Therefore, the negatively charged particles 50 are concentrated within the supply chamber 12. As a result, the discharge liquid 51B discharged from the supply chamber 12 has a reduced concentration of cations (Na + ) and is in a state in which the negatively charged particles 50 are concentrated.
この結果、陽イオン室17内は、陽イオンのNa+が移動された陽イオン液(ろ液であるアルカリ液)16を得ると共に、供給室12側からはマイナスに帯電した粒子50が濃縮された排出液51Bを得ることができる。 As a result, a cationic liquid (alkaline liquid as filtrate) 16 in which the cation Na + has been transferred is obtained in the cationic chamber 17, and an exhaust liquid 51B in which negatively charged particles 50 are concentrated can be obtained from the supply chamber 12 side.
この結果、本実施形態によれば、粒子(●(Ptcl-))50が有価物である場合には、有価物中に含まれる不純物である陽イオン(例えば、Na+等)を容易に除去することができることとなる。 As a result, according to this embodiment, when the particle (●(Ptcl − )) 50 is a valuable material, it is possible to easily remove cations (e.g., Na + , etc.) that are impurities contained in the valuable material.
ここで、従来において、有価物が含まれる水溶液中に存在する陽イオン(例えばNaイオン)を除去するには、大量の水を用いて複数回の希釈操作と分離操作とをくり返して除去する、所謂ダイヤフィルトレーションを用いることが必要とされ、手間と労力を必要としていた。 Here, conventionally, to remove cations (e.g., sodium ions) present in an aqueous solution containing valuable materials, it was necessary to use so-called diafiltration, which involves repeated dilution and separation procedures using large amounts of water, requiring time and effort.
<試験例1>
図10Aは、実施形態8のイオン分離装置の試験例1の概略図である。
次に、図10Aを用いて供給液として陽イオン(Na+)及び陰イオン(OH-)、マイナスに帯電した粒子50を含む粒子混在供給液51を供給室12内に供給して陽イオンと陰イオンと粒子50とを分離した試験例の一例を説明する。粒子50としてはコロイダルシリカ(粒径:100nm)を用いた。
<Test Example 1>
FIG. 10A is a schematic diagram of Test Example 1 of the ion separation device of the eighth embodiment.
10A , a test example will be described in which a particle-containing supply liquid 51 containing cations (Na + ), anions (OH − ), and negatively charged particles 50 was supplied into the supply chamber 12 to separate the cations, anions, and particles 50. Colloidal silica (particle size: 100 nm) was used as the particles 50.
図10Aに示すように、実施形態1のイオン分離装置10Iは、図9に示すイオン分離装置10Hにおいて、さらに供給室12からの供給排出液51Bを受ける受タンク59を設置し、この受タンク59に排出するアルカリラインL2を接続している。Na+が分離されてNa+濃度が低下した供給室12から排出される排出液(粒子(●(Ptcl-))50を含む)51Bは、受タンク59で貯留される。 10A, the ion separation device 10I of embodiment 1 is the ion separation device 10H shown in FIG. 9, further comprising a receiving tank 59 for receiving the supply and discharge liquid 51B from the supply chamber 12, and an alkaline line L2 for discharging the liquid is connected to the receiving tank 59. The discharge liquid 51B (including particles (●(Ptcl − )) 50) discharged from the supply chamber 12 in which Na + has been separated and the Na + concentration has decreased is stored in the receiving tank 59.
粒子混在供給液51のpHを7.0とした場合、粒子50はマイナスに帯電しているので、マイナスのカソード第1電極14Aに阻止されて、カソード第1電極14Aを透過することができない。よって、図10A中では、供給室12内に粒子50が濃縮される。この結果、供給室12から排出される排出液51Bは、陽イオン(Na+)が低下すると共に、粒子50が濃縮された状態となる。
この試験の結果を[表1]に示す。
When the pH of particle-containing supply liquid 51 is set to 7.0, particles 50 are negatively charged and are therefore blocked by negative cathode first electrode 14A, preventing them from passing through cathode first electrode 14A. Therefore, in Fig. 10A, particles 50 are concentrated in supply chamber 12. As a result, discharge liquid 51B discharged from supply chamber 12 has a reduced cation (Na + ) content and is in a state in which particles 50 are concentrated.
The results of this test are shown in Table 1.
[表1]に示すように、供給液の供給時間0分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は1.006wt%、pHは7.0、Naイオン濃度は21ppmであった。
そして、排出液51B側の性状を測定すると、供給時間40分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は2.277wt%、コロイダルシリカ濃縮倍率は2.3倍、pHは4.3、Naイオン濃度は12ppm、Naイオン分離効率は42.9%であった。供給時間60分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は2.405wt%、コロイダルシリカ濃縮倍率は2.4倍、pHは3.9、Naイオン濃度は12ppm、Naイオン分離効率は42.9%であった。供給時間180分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナ
トリウム濃度)は2.274wt%、コロイダルシリカ濃縮倍率は2.3倍、pHは3.6、Naイオン濃度は10ppm、Naイオン分離効率は52.4%であった。
As shown in Table 1, when the supply time of the supply liquid was 0 minutes, TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 1.006 wt %, pH was 7.0, and Na ion concentration was 21 ppm.
The properties of the discharged liquid 51B were measured. After a 40-minute supply time, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 2.277 wt %, the colloidal silica concentration was 2.3 times, the pH was 4.3, the Na ion concentration was 12 ppm, and the Na ion separation efficiency was 42.9%. After a 60-minute supply time, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 2.405 wt %, the colloidal silica concentration was 2.4 times, the pH was 3.9, the Na ion concentration was 12 ppm, and the Na ion separation efficiency was 42.9%. After a 180-minute supply time, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 2.274 wt %, the colloidal silica concentration was 2.3 times, the pH was 3.6, the Na ion concentration was 10 ppm, and the Na ion separation efficiency was 52.4%.
また、陽イオン液16側の性状を測定すると、供給時間40分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は0.016wt%、コロイダルシリカ濃縮倍率は98.4倍、pHは9.1、Naイオン濃度は29ppm、Naイオン濃縮倍率は1.4%であった。供給時間60分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は0.017wt%、コロイダルシリカ濃縮倍率は98.3倍、pHは9.2、Naイオン濃度は31ppm、Naイオン濃縮倍率は1.5%であった。供給時間180分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は0.027wt%、コロイダルシリカ濃縮倍率は97.4倍、pHは9.1、Naイオン濃度は30ppm、Naイオン濃縮倍率は1.4%であった。 Furthermore, when the properties of the cationic liquid 16 were measured, after a supply time of 40 minutes, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 0.016 wt%, the colloidal silica concentration was 98.4 times, the pH was 9.1, the Na ion concentration was 29 ppm, and the Na ion concentration was 1.4%. After a supply time of 60 minutes, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 0.017 wt%, the colloidal silica concentration was 98.3 times, the pH was 9.2, the Na ion concentration was 31 ppm, and the Na ion concentration was 1.5%. After a supply time of 180 minutes, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 0.027 wt%, the colloidal silica concentration was 97.4 times, the pH was 9.1, the Na ion concentration was 30 ppm, and the Na ion concentration was 1.4%.
[表1]の結果により明らかなように、粒子混在供給液51から陽イオンであるNaイオンが分離されると共に、排出液中の粒子50であるコロイダルシリカが濃縮され、コロイダルシリカの分離効率が良好であることが判明した。 As is clear from the results in Table 1, positive ions (Na ions) were separated from the particle-containing supply liquid 51, and colloidal silica particles 50 in the discharge liquid were concentrated, demonstrating good colloidal silica separation efficiency.
<試験例2>
図10Bは、実施形態8のイオン分離装置の試験例2の概略図である。
次に、図10Bに示すイオン分離装置10Jは、図9のイオン分離装置10Hにおいて、55Aに蒸留水(Distilled Water:DW)を供給する蒸留水供給タンク55Bを設置している。
試験は、試験例1と同様であり、粒子50としてはコロイダルシリカ(粒径:100nm)を用いた。
<Test Example 2>
FIG. 10B is a schematic diagram of Test Example 2 of the ion separation device of Embodiment 8.
Next, an ion separator 10J shown in FIG. 10B is the same as the ion separator 10H shown in FIG. 9, except that a distilled water supply tank 55B that supplies distilled water (DW) to 55A is installed.
The test was carried out in the same manner as in Test Example 1, and colloidal silica (particle size: 100 nm) was used as the particles 50 .
試験例2のイオン分離装置10Jは、供給タンク55Aに蒸留水DWを供給する蒸留水供給タンク55Bを設置している。この蒸留水供給タンク55Bを設置することで、イオン分離を行う際、供給タンク55A内のスラリー(粒子+Naイオン)に対して、ろ液であるアルカリ液16の排出量と等量の蒸留水DWを供給するようにしている。 The ion separation device 10J of Test Example 2 is equipped with a distilled water supply tank 55B that supplies distilled water DW to the supply tank 55A. By installing this distilled water supply tank 55B, when performing ion separation, the slurry (particles + Na ions) in the supply tank 55A is supplied with distilled water DW in an amount equal to the amount of alkaline solution 16 discharged, which is the filtrate.
この蒸留水DWの供給により、供給タンク55A内のシリカの濃度と、供給タンク55Aに戻る循環液である排出液51B中のシリカ濃度とを、一定(1wt%)に保ちながら、アルカリ液16であるろ液と共に、Naイオンを排出するろ過操作方法である。 By supplying this distilled water DW, the silica concentration in the supply tank 55A and the silica concentration in the discharged liquid 51B, which is the circulating liquid returning to the supply tank 55A, are kept constant (1 wt%), while sodium ions are discharged along with the filtrate, which is the alkaline liquid 16.
ここで、粒子混在供給液51の供給タンク55Aからの供給室12への供給流速をF11=10ml/分、排出液51Bである循環液の戻りの流速をF12=4ml/分とした。
そして、蒸留水DWの供給流速はF14=6ml/分とし、ろ液であるアルカリ液16の排出流速を6ml/分として等量とした。
Naイオンのイオン濃度は、供給タンク55A内の初期濃度の20ppmから、循環液中のNaイオン濃度が、イオンメータによる測定では0ppmに低下していることを実証した。
Here, the supply flow rate of particle-containing supply liquid 51 from supply tank 55A to supply chamber 12 was F11=10 ml/min, and the return flow rate of the circulating liquid, which is discharged liquid 51B, was F12=4 ml/min.
The supply flow rate of the distilled water DW was set to F14=6 ml/min, and the discharge flow rate of the alkaline solution 16, which was the filtrate, was set to 6 ml/min, so that they were equal in amount.
It was verified that the Na ion concentration in the circulating liquid was reduced from the initial concentration of 20 ppm in the supply tank 55A to 0 ppm as measured by an ion meter.
この試験の結果を[表2]に示す。 The results of this test are shown in Table 2.
[表2]に示すように、供給液の供給時間0分の場合には、供給液である原液中のTS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は1.021wt%、pHは9.0、Naイオン濃度は29ppmであった。 As shown in Table 2, when the supply time of the supply liquid was 0 minutes, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) in the raw liquid supply liquid was 1.021 wt%, the pH was 9.0, and the Na ion concentration was 29 ppm.
まず供給タンク55A内の原液の性状を測定すると、供給時間40分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は0.818wt%、pHは6.5、Naイオン濃度は10ppm、Naイオン分離効率は50%であった。供給時間80分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は0.802wt%、pHは4.0、Naイオン濃度は5ppm、Naイオン分離効率は75.0%であった。供給時間120分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は0.764wt%、pHは3.7、Naイオン濃度は3ppm、Naイオン分離効率は85.0%であった。供給時間150分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は0.717wt%、pHは3.7、Naイオン濃度は2ppm、Naイオン分離効率は90.0%であった。 First, the properties of the raw solution in supply tank 55A were measured. After a supply time of 40 minutes, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 0.818 wt%, the pH was 6.5, the Na ion concentration was 10 ppm, and the Na ion separation efficiency was 50%. After a supply time of 80 minutes, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 0.802 wt%, the pH was 4.0, the Na ion concentration was 5 ppm, and the Na ion separation efficiency was 75.0%. After a supply time of 120 minutes, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 0.764 wt%, the pH was 3.7, the Na ion concentration was 3 ppm, and the Na ion separation efficiency was 85.0%. When the supply time was 150 minutes, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 0.717 wt%, the pH was 3.7, the Na ion concentration was 2 ppm, and the Na ion separation efficiency was 90.0%.
次に、排出液(循環液)51B側の性状を測定すると、供給時間40分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は1.845wt%、コロイダルシリカ濃縮倍率は1.9倍、pHは3.2、Naイオン濃度は5ppm、Naイオン分離効率は75%であった。供給時間80分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は2.058wt%、コロイダルシリカ濃縮倍率は2.0倍、pHは3.2、Naイオン濃度は3ppm、Naイオン分離効率は85%であった。供給時間120分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は1.704wt%、コロイダルシリカ濃縮倍率は1.7倍、pHは3.2、Naイオン濃度は2ppm、Naイオン分離効率は90%であった。供給時間150分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は1.516wt%、コロイダルシリカ濃縮倍率は1.5倍、pHは3.2、Naイオン濃度は0ppm、Naイオン分離効率は100%であった。 Next, the properties of the discharged liquid (circulating liquid) 51B were measured. After a 40-minute supply time, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 1.845 wt%, the colloidal silica concentration was 1.9 times, the pH was 3.2, the Na ion concentration was 5 ppm, and the Na ion separation efficiency was 75%. After an 80-minute supply time, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 2.058 wt%, the colloidal silica concentration was 2.0 times, the pH was 3.2, the Na ion concentration was 3 ppm, and the Na ion separation efficiency was 85%. After a 120-minute supply time, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 1.704 wt%, the colloidal silica concentration was 1.7 times, the pH was 3.2, the Na ion concentration was 2 ppm, and the Na ion separation efficiency was 90%. When the supply time was 150 minutes, TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 1.516 wt%, the colloidal silica concentration ratio was 1.5 times, the pH was 3.2, the Na ion concentration was 0 ppm, and the Na ion separation efficiency was 100%.
また、陽イオン液16側の性状を測定すると、供給時間40分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は0.013wt%、コロイダルシリカ濃縮倍率は98.7倍、pHは10.5、Naイオン濃度は20ppm、Naイオン濃縮倍率は1.0%であった。供給時間80分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は0.009wt%、コロイダルシリカ濃縮倍率は99.1倍、pHは10.4、Naイオン濃度は11ppm、Naイオン濃縮倍率は0.6%であった。供給時間120分の場合には、TS(全蒸発残渣物;コロイダルシリカ濃度、ナトリウム濃度)は0.000wt%、コロイダルシリカ濃縮倍率は100.0倍、pHは9.9、Naイオン濃度は5ppm、Naイオン濃縮倍率は0.3%であった。
以上の結果より、循環液中のNaイオンの濃度は0ppmで分離効率100%を達成すると共に、粒子の分離効率も100%であった。この結果、粒子(●(Ptcl-))50)の100%の分離効率を達成すると共に、脱Naイオン(0ppm)を達成することができた。
Furthermore, when the properties of the cationic liquid 16 were measured, after a supply time of 40 minutes, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 0.013 wt %, the colloidal silica concentration was 98.7 times, the pH was 10.5, the Na ion concentration was 20 ppm, and the Na ion concentration was 1.0%. After a supply time of 80 minutes, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 0.009 wt %, the colloidal silica concentration was 99.1 times, the pH was 10.4, the Na ion concentration was 11 ppm, and the Na ion concentration was 0.6%. After a supply time of 120 minutes, the TS (total evaporation residue; colloidal silica concentration, sodium concentration) was 0.000 wt %, the colloidal silica concentration was 100.0 times, the pH was 9.9, the Na ion concentration was 5 ppm, and the Na ion concentration was 0.3%.
From the above results, it was found that the separation efficiency of 100% was achieved when the concentration of Na ions in the circulating liquid was 0 ppm, and the particle separation efficiency was also 100%. As a result, 100% separation efficiency of particles (●(Ptcl − ))50) was achieved, and Na ion removal (0 ppm) was also achieved.
[実施形態9]
図11Aは、実施形態9のイオン分離装置の概略図である。なお、第1~8の実施形態と同一の構成部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
図11Aに示すように、本実施形態9のイオン分離装置は、実施形態1のイオン分離装置10Aと実施形態2のイオン分離装置10Bとを直列につなげて、海水淡水化装置70としたものである。
[Embodiment 9]
11A is a schematic diagram of an ion separation device according to embodiment 9. Note that the same components as those in the first to eighth embodiments are denoted by the same reference numerals and their description will be omitted.
As shown in FIG. 11A, the ion separation device of the ninth embodiment is a seawater desalination device 70 formed by connecting the ion separation device 10A of the first embodiment and the ion separation device 10B of the second embodiment in series.
図11Aに示すように、実施形態9のイオン分離装置は、上述したイオン分離装置の変形例であり、図中下段側が実施形態1のイオン分離装置10Aであり、上段側が実施形態2のイオン分離装置10Bである。 As shown in Figure 11A, the ion separation device of embodiment 9 is a modified example of the ion separation device described above, with the lower part of the figure being the ion separation device 10A of embodiment 1 and the upper part being the ion separation device 10B of embodiment 2.
この下段側の実施形態1のイオン分離装置10Aと、上段側が実施形態2のイオン分離装置10Bとを一単位とてユニットを構成し、このユニットを複数連結することで陽イオンと陰イオンとのイオン分離効率が格段に向上する。 The ion separation device 10A of embodiment 1 on the lower side and the ion separation device 10B of embodiment 2 on the upper side constitute a unit, and by connecting multiple such units, the efficiency of ion separation between cations and anions is significantly improved.
本実施形態の供給液71としては、塩水(NaCl)を用いている。図11Aに示すように、下段のイオン分離装置10Aは、陽イオンを透過して陰イオンが阻止され、上段のイオン分離装置10Bは陰イオンを透過して陽イオン阻止するものである。
すなわち、実施形態5のイオン分離装置は塩水中から陽イオンと陰イオンとを分離するので所謂海水淡水化装置として機能することができる。
In this embodiment, salt water (NaCl) is used as the supply liquid 71. As shown in Fig. 11A, the lower ion separation device 10A allows cations to pass through but blocks anions, while the upper ion separation device 10B allows anions to pass through but blocks cations.
That is, the ion separation device of the fifth embodiment separates cations and anions from saltwater, and therefore can function as a so-called seawater desalination device.
図11Aに示すように、実施形態9のイオン分離装置である海水淡水化装置70は、下段に第1のイオン分離装置10Aを配置し、第1のイオン分離装置10Aの供給室12内に塩化ナトリウム水溶液(塩水)71を供給する。 As shown in FIG. 11A, the seawater desalination apparatus 70, which is an ion separation apparatus according to the ninth embodiment, has a first ion separation apparatus 10A disposed in the lower stage, and supplies a sodium chloride aqueous solution (brine) 71 into the supply chamber 12 of the first ion separation apparatus 10A.
供給された塩化ナトリウム水溶液71中のナトリウムイオンは、水と共にカソードろ板電極14を透過する。この第1イオン分離装置10Aでは、Naイオンはカソードろ板電極14(14A,14B)を透過し、塩素イオンはカソードろ板電極14に阻止され、塩素イオンが濃縮されて供給室12から排出される。ナトリウムイオンが透過したアルカリ液16は陽イオン室17から第1陽イオン液16-1として排出される。
この第1段でのNaイオンの分離効率は95%であり、Naイオンが約95%低減する。
Sodium ions in the supplied aqueous sodium chloride solution 71 permeate the cathode filter plate electrode 14 together with water. In this first ion separation device 10A, Na ions permeate the cathode filter plate electrodes 14 (14A, 14B), while chloride ions are blocked by the cathode filter plate electrodes 14, resulting in the chloride ions being concentrated and discharged from the supply chamber 12. The alkaline solution 16 through which the sodium ions have permeated is discharged from the cation chamber 17 as a first cationic liquid 16-1.
The separation efficiency of Na ions in this first stage is 95%, resulting in a reduction of Na ions by about 95%.
次に、第1陽イオン液16-1を上段側の第2のイオン分離装置10Bの供給室22内に供給する。下段の第1イオン分離装置10Aでナトリウムイオンが濃縮された陽イオン透過液である第1陽イオン液16-1は、第2のイオン分離装置10Bでは、ナトリウムイオン(Na+)がアノードろ板電極24(24A,24B)に阻止され、水だけが透過し、陰イオン室27からは脱塩水72が排出される。この第1イオン分離装置10Aと第2のイオン分離装置10Bとを1セットとしてモジュールを構成し、このモジュールを複数段設置することで、Na+イオン濃度を所望濃度まで低減することができる。 Next, the first cation liquid 16-1 is supplied into the supply chamber 22 of the second ion separation device 10B on the upper side. The first cation liquid 16-1, which is a cation-permeated liquid in which sodium ions have been concentrated in the first ion separation device 10A on the lower side, passes through the second ion separation device 10B, where sodium ions (Na + ) are blocked by the anode filter plate electrodes 24 (24A, 24B), allowing only water to pass through, and desalted water 72 is discharged from the anion chamber 27. The first ion separation device 10A and the second ion separation device 10B form a module as a set, and by installing multiple stages of this module, the Na + ion concentration can be reduced to the desired concentration.
3.5%の海水から塩分を低減させるために、一般に0.05%塩分濃度とすると飲料として用いることができるとされている。 To reduce the salinity of seawater from 3.5%, it is generally considered that a salt concentration of 0.05% is required for it to be used as a drink.
図11Bは、実施形態9のイオン分離装置である海水淡水化装置を複数ユニットとした海水淡水化設備の概略図である。
図11Bに示すように、海水淡水化装置70を複数のユニット構成とし、n段のモジュールとすることで塩分濃度を所望の濃度に低下させることができる。
この結果、海水淡水化装置70を複数からのユニットで構成することで、海水(塩分濃度:約3.5%)を生活水の塩分濃度まで低下することができる。
FIG. 11B is a schematic diagram of a seawater desalination facility including a plurality of units of the seawater desalination apparatus, which is the ion separation apparatus of the ninth embodiment.
As shown in FIG. 11B, the seawater desalination plant 70 is configured as a plurality of units, forming an n-stage module, thereby making it possible to reduce the salinity concentration to a desired level.
As a result, by configuring the seawater desalination apparatus 70 from a plurality of units, it is possible to reduce the salinity of seawater (salinity: approximately 3.5%) to that of domestic water.
このように、一般に海水淡水化装置として用いている逆浸透膜を用いた逆浸透膜法では、塩分濃度が3.5%の海水を0.05%塩分濃度とすることで飲料水として用いているが、これと同程度、あるいは同程度以上のナトリウムイオン濃度に脱塩することができる。 In this way, the reverse osmosis membrane method, which uses reverse osmosis membranes commonly used in seawater desalination systems, reduces seawater with a salt concentration of 3.5% to a salt concentration of 0.05% so that it can be used as drinking water. However, it is possible to desalinate seawater to a sodium ion concentration similar to or higher than this.
また、海水中に粒子(例えばプランクトン等の生物体、有機質、無機質等:(●(Ptcl-))50がある場合においても、上述したように、帯電した粒子50も分離できるので、海水淡水化を行うことができる。
粒子はいずれかに帯電していると分離できる。
Furthermore, even if there are particles (for example, living organisms such as plankton, organic matter, inorganic matter, etc.: (●(Ptcl − )) 50 in the seawater, as described above, the charged particles 50 can also be separated, so seawater desalination can be performed.
Particles can be separated if they are charged to one side or the other.
なお、従来の逆浸透膜装置による海水淡水化は粒子(例えばプランクトン等の生物体、有機質、無機質等:(●(Ptcl-))50があると逆浸透膜の目詰まりとなるので、逆浸透膜装置の前段で処理していた。 In addition, in conventional seawater desalination using reverse osmosis membrane equipment, particles (for example, living organisms such as plankton, organic matter, inorganic matter, etc.: (●(Ptcl − )) 50) can clog the reverse osmosis membrane, so they are treated in a stage before the reverse osmosis membrane equipment.
すなわち、従来技術における逆浸透膜法の海水淡水化は、海水を前処理において、極限まで磨きた綺麗な水とし、サブナノメータの逆浸透膜の細孔の目詰まりを防止していた。 In other words, in conventional seawater desalination using the reverse osmosis membrane method, seawater is pretreated to be purified to the utmost extent possible, preventing clogging of the sub-nanometer pores in the reverse osmosis membrane.
これに対し、本発明のイオン分離装置を用いた海水淡水化装置70では、帯電している粒子(●(Ptcl-))50も分離できるので、多少プランクトン等があっても帯電したものあれば分離処理が可能となる。 In contrast, the seawater desalination plant 70 using the ion separation device of the present invention can also separate charged particles (●(Ptcl − )) 50, so even if there is a small amount of plankton, etc., separation processing is possible as long as the particles are charged.
すなわち、マイナスに帯電した粒子は下段の第1処理のイオン分離装置10Aで阻止できるし、プラスに帯電した粒子は上段の第2処理のイオン分離装置10Bで阻止できる。 In other words, negatively charged particles can be blocked by the lower-stage first-treatment ion separation device 10A, and positively charged particles can be blocked by the upper-stage second-treatment ion separation device 10B.
一般に海水を淡水化する技術としては、「逆浸透膜法」がある。この逆浸透膜法は、人工的に浸透圧以上の高圧力を塩水側にかけ、塩水にある水の分子だけを半透膜を超えて、淡水側に押し出すという「逆浸透現象」を利用する技術である。 A common technique for desalinating seawater is the "reverse osmosis membrane method." This method utilizes the "reverse osmosis phenomenon," in which an artificially high pressure greater than the osmotic pressure is applied to the saltwater, forcing only the water molecules in the saltwater across a semipermeable membrane and into the freshwater.
この従来技術の逆浸透膜法による海水淡水化方法では、例えば、海水淡水化プラントからは塩分を濃縮したブライン水の発生が問題となる。ほとんどの場合、未処理のブラインをそのまま海へ廃棄しているので、廃棄物の中に含まれるスケール防止剤や防汚剤等の有害な化学物質が海を汚染し、海洋生物や海の生態系に悪影響を与える重大なリスクがある、という問題がある。さらにブラインは、塩分を多く含むため受水域の塩分に比べて、塩分濃度が高くなり、その結果、受水域の溶存酸素(Dissolved Oxygen:DO)を消費するという問題もある。 This conventional seawater desalination method using reverse osmosis membranes poses a problem, for example, in that seawater desalination plants produce brine, which is a concentrated form of salt. In most cases, untreated brine is simply dumped into the ocean, posing a serious risk that harmful chemicals such as anti-scalant and anti-fouling agents contained in the waste could contaminate the ocean and have a negative impact on marine life and the marine ecosystem. Furthermore, because brine contains a high amount of salt, its salinity is higher than that of the receiving water, resulting in the problem of consuming dissolved oxygen (DO) in the receiving water.
本発明のイオン分離装置を応用した海水淡水化装置70は、このようなブライン水の問題もない。そもそも、逆浸透膜法では逆浸透膜に供給する海水は、前処理工程が必要となるが、本発明の海水淡水化装置では、前処理装置としては、海水中の不純物を除去するための「砂ろ過装置」のみの簡易な前処理設備を設置することで済むので、効率的である。 The seawater desalination system 70, which utilizes the ion separation device of the present invention, does not have this brine problem. While the reverse osmosis membrane method requires a pretreatment process for the seawater supplied to the reverse osmosis membrane, the seawater desalination system of the present invention is efficient because it only requires the installation of a simple pretreatment device, a sand filter, to remove impurities from the seawater.
[実施形態10]
図12,図13は、実施形態10のイオン分離装置の概略図である。
なお、上述した実施形態の同一の構成部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
図12のイオン分離装置は電極配置をアクティブ電極配置であり、図13のイオン分離装置は電極配置をパッシブ電極配置としている。
[Embodiment 10]
12 and 13 are schematic diagrams of an ion separation device according to a tenth embodiment.
The same components as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
The ion separator shown in FIG. 12 has an active electrode arrangement, while the ion separator shown in FIG. 13 has a passive electrode arrangement.
図12のイオン分離装置10Kは、8極の電極全てに電源を接続して供給するものである。
本実施形態4のイオン分離装置10Dは、各電極(カソードろ板電極、アノードろ板電極)を2セット(14-1,14-2、24-1,24-2)とし、陽イオン室17と陰イオン室27とを各々2セット(17-1,17-2、27-1,27-2)設けたものである。
The ion separator 10K shown in FIG. 12 is configured such that power is supplied to all eight electrodes by connecting them to a power source.
The ion separation device 10D of this embodiment 4 has two sets of electrodes (cathode filter plate electrodes, anode filter plate electrodes) (14-1, 14-2, 24-1, 24-2), and two sets of cation chambers 17 and two sets of anion chambers 27 (17-1, 17-2, 27-1, 27-2).
電源(ES1,ES2,IS1,IS2,IS3,IS4,IS5,IS6)により、カソード電極14A-1、14B-1、14A-2、14B-2の電位はそれぞれ-15V、-20V、-30V、-35Vに設定されている。また、アノード電極24A-1、24B-1、24A-2、24B-2の電位はそれぞれ+15V、+20V、+30V、+35Vに設定されている。
供給室12から離隔するに従ってカソード電極(14A-1、14B-1、14A-2、14B-2)、アノード電極(24A-1、24B-1、24A-2、24B-2)のそれぞれの電位の絶対値が大きい関係となるように設定している。
これに対して、図13のイオン分離装置10Lは、両端の2極の電極にのみ電源を接続して、-35V及び+35Vの電位を供給するものである。
図12、13中、一点鎖線の枠線でイオン分離室を示している。なお、本実施形態のイオン分離装置10K,10Lには圧電振動子80が配置されている。
The potentials of the cathode electrodes 14A-1, 14B-1, 14A-2, and 14B-2 are set to −15 V, −20 V, −30 V, and −35 V, respectively, by the power supplies (ES1, ES2, IS1, IS2, IS3, IS4, IS5, and IS6). The potentials of the anode electrodes 24A-1, 24B-1, 24A-2, and 24B-2 are set to +15 V, +20 V, +30 V, and +35 V, respectively.
The absolute values of the potentials of the cathode electrodes (14A-1, 14B-1, 14A-2, 14B-2) and anode electrodes (24A-1, 24B-1, 24A-2, 24B-2) are set to increase with increasing distance from supply chamber 12.
In contrast to this, the ion separator 10L of FIG. 13 connects power sources only to the two electrodes at both ends to supply potentials of −35V and +35V.
12 and 13, the ion separation chamber is indicated by a dashed line. A piezoelectric vibrator 80 is disposed in the ion separation devices 10K and 10L of the present embodiment.
[実施形態11]
図14は、実施形態11のイオン分離装置を備えたイオン分離濃縮システムの概略図である。
[Embodiment 11]
FIG. 14 is a schematic diagram of an ion separation and concentration system including the ion separation device of the eleventh embodiment.
図14に示すように、実施形態11のイオン分離濃縮システム100は、有価物である粒子50を含む希釈溶液101を粒子50と共に、陽イオン及び陰イオンの少なくとも一つを含む希薄溶液(陽イオン、有価物)を濃縮して濃縮有価物103とする有価物濃縮装置102と、濃縮有価物103中の陽イオン又は陰イオンのいずれか一方又は両方を除去するイオン分離装置104(例えば、前述した実施形態のイオン分離装置10A、イオン分離装置10B、イオン分離装置10C、イオン分離装置10Hのいずれか)と、を備えている。なお、図14ではイオンとして陽イオンを図示している。 As shown in FIG. 14, the ion separation and concentration system 100 of embodiment 11 includes a valuables concentration device 102 that concentrates a dilute solution 101 containing particles 50, which are valuables, together with the particles 50, into concentrated valuables 103. The dilute solution (cations, valuables) contains at least one of cations and anions, and the particles 50. The ion separation device 104 (e.g., any of the ion separation device 10A, ion separation device 10B, ion separation device 10C, and ion separation device 10H of the above-described embodiments) removes either cations or anions, or both, from the concentrated valuables 103. Note that FIG. 14 illustrates cations as the ions.
有価物濃縮装置としては、例えば、回転式セラミック膜ろ過機(「ダイナフィルター;登録商標」)等のろ過装置を例示することができるが、本発明はこれに限定されるもので
はない。
An example of a valuable resource concentrator is a filtration device such as a rotary ceramic membrane filter (Dynafilter; registered trademark), but the present invention is not limited to this.
本実施形態のイオン分離濃縮システム100によれば、有価物の濃度が低い希釈溶液を濃縮装置102で一度濃縮し、その後の濃縮有価物103から不純物である陽イオン(Naイオン)を分離することができる。 The ion separation and concentration system 100 of this embodiment allows a diluted solution with a low concentration of valuable materials to be concentrated once in the concentrator 102, and then impurity cations (Na ions) can be separated from the concentrated valuable materials 103.
この結果、有価物の濃縮を行うと共に、有価物中のイオン濃度が低下し、有価物純度が向上する。 As a result, the valuables are concentrated, the ion concentration in the valuables decreases, and the purity of the valuables improves.
すなわち、図9を用いて実施形態8のイオン分離装置10Hで説明したように、粒子(●(Ptcl-))50をそのまま循環しつつ、陽イオン(Naイオン)を分離することで、粒子(●(Ptcl-))50が有価物である場合には、有価物中に含まれる不純物である陽イオン(例えば、Na+等)を容易に除去することができることとなり、製品純度の向上を図ることができる。 In other words, as explained in the ion separation device 10H of embodiment 8 using Figure 9, by separating cations (Na ions) while circulating particles (●(Ptcl-)) 50 as is, if the particles (●(Ptcl-)) 50 are a valuable resource, it is possible to easily remove cations (e.g., Na+, etc.) that are impurities contained in the valuable resource, thereby improving product purity.
[実施形態11]
図17は、実施形態11の他のイオン分離装置の概略図である。
なお、上述した実施形態と同一の構成部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
[Embodiment 11]
FIG. 17 is a schematic diagram of another ion separation device according to the eleventh embodiment.
The same components as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
図17のイオン分離装置10Mは、従来技術のいわゆるイオン交換膜機能を備えたイオン分離装置である。 The ion separation device 10M in Figure 17 is a conventional ion separation device equipped with so-called ion exchange membrane functionality.
本実施形態では塩化ナトリウム(NaCl)を例示して説明する。
実施形態11のイオン分離装置10Mは、図17に示すように、陽イオン(Na+)及び陰イオン(Cl-)を含む電解質溶液(NaCl+H2O:以下「供給液」という)11を供給する電解質溶液供給室(以下「供給室」という)12と、供給室12の両側に配置され、陽イオン(Na+)を分離する隔膜(ろ材)13を備えたカソードろ板電極14と、平板のアノード電極(陽極)15と、分離した陽イオン(Na+)が水と共に陽イオン液(以下「アルカリ液」ともいう)110として流入する陽イオン室17と、さらに、陽イオン室17内でカソードろ板電極14と対向する位置に設けた平板のカソード電極(陰極)25と、を備えている。
そして供給室12には、図示しない供給口と排出口とが設けられ、供給室12内に電解液である供給液11を供給している。
In this embodiment, sodium chloride (NaCl) will be used as an example.
As shown in Figure 17, the ion separation device 10M of embodiment 11 comprises an electrolyte solution supply chamber (hereinafter referred to as the " supply chamber") 12 that supplies an electrolyte solution (NaCl + H2O : hereinafter referred to as the "supply liquid") 11 containing cations (Na + ) and anions ( Cl- ), a cathode filter plate electrode 14 arranged on both sides of the supply chamber 12 and equipped with a diaphragm (filter material) 13 that separates the cations (Na + ), a flat anode electrode (positive electrode) 15, a cation chamber 17 into which the separated cations (Na+) flow together with water as a cation liquid (hereinafter also referred to as the "alkaline liquid") 110, and a flat cathode electrode (negative electrode) 25 positioned opposite the cathode filter plate electrode 14 within the cation chamber 17.
The supply chamber 12 is provided with a supply port and a discharge port (not shown), and supplies the supply liquid 11 , which is an electrolyte, into the supply chamber 12 .
陽イオン室17には、移動した陽イオンを置換する置換液を供給する、図示しない置換液供給口と置換液排出口とが設けられており、陽イオン室17内に置換液110を供給している。この置換液110は、カソードろ板電極14によるイオン交換によって、陽イオン室17内に移動された陽イオン(Na+)を置換し、アルカリ液110Aとしている。 The cation chamber 17 is provided with a substitution liquid inlet and a substitution liquid outlet (not shown) for supplying a substitution liquid to replace the migrated cations, and a substitution liquid 110 is supplied into the cation chamber 17. This substitution liquid 110 replaces the cations (Na + ) that have migrated into the cation chamber 17 through ion exchange using the cathode filter plate electrode 14, to form an alkaline liquid 110A.
ここで、カソードろ板電極14は、カソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bとから構成され、さらにカソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bとの間に、細孔13aを有する絶縁体である隔膜(ろ板)13を挟んでいる。
ここで、隔膜13としては、例えば、セルロースを例示することができるが、本発明はこれに限定されるものではない。
Here, the cathode filter plate electrode 14 is composed of a cathode first electrode 14A and a cathode second electrode 14B, and further, a diaphragm (filter plate) 13, which is an insulator having pores 13a, is sandwiched between the cathode first electrode 14A and the cathode second electrode 14B.
Here, the diaphragm 13 may be made of, for example, cellulose, but the present invention is not limited to this.
イオン分離装置10Mは、さらに、平板のアノード電極15及びカソード第1電極14Aに電気的に接続された第1電源41と、カソード第1電極14Aとカソード電極第2電極14Bに電気的に接続された第2電源42と、平板のカソード電極25及びカソード第1電極14Aに電気的に接続された第5電源45とを有する。
ここで、電極構成は、カソード第2電極14Bを第1電位(V1)とし、カソード第1電極14Aを第2電位(V2)とし、平板のアノード電極15を第3電位(V3)とし、平板のカソード電極25を第4電位(V4)とする。電位がV3>V2>V1>V4になるように、電源(第1電源41、第2電源42、第5電源45)の電源を設定する。
The ion separation device 10M further includes a first power supply 41 electrically connected to the flat-plate anode electrode 15 and the cathode first electrode 14A, a second power supply 42 electrically connected to the cathode first electrode 14A and the cathode second electrode 14B, and a fifth power supply 45 electrically connected to the flat-plate cathode electrode 25 and the cathode first electrode 14A.
Here, the electrode configuration is such that the cathode second electrode 14B is at a first potential (V1), the cathode first electrode 14A is at a second potential (V2), the flat anode electrode 15 is at a third potential (V3), and the flat cathode electrode 25 is at a fourth potential (V4). The power supplies (first power supply 41, second power supply 42, fifth power supply 45) are set so that the potentials satisfy the relationship V3 > V2 > V1 > V4.
なお、供給室12から離隔するに従って、カソード電極の電位の絶対値が大きい関係となる(|V4|(40V)>|V1|(20V)>|V2|(10V))ようにしている。 The absolute value of the potential of the cathode electrode increases as it moves away from the supply chamber 12 (|V4| (40 V) > |V1| (20 V) > |V2| (10 V)).
前述した図1の実施形態1に示すイオン分離装置10Aでは、カソードろ板電極14においては水を透過させていた。
しかし、本実施形態11では、水を僅かしか通さない構成としている。
これは、供給液11と置換液110とをバランスさせて供給していることによる。
この結果、カソードろ板電極14においては、Naイオンは陰極側のカソード第1電極14Aに引き込まれて、陽イオン室17内移動する。
この際、水の移動がほとんど無いので、結果的に供給液(NaCl)11から置換液(蒸留水)110にイオンだけが移動し、置換液110が置換される。
In the ion separation device 10A shown in the first embodiment of FIG. 1, water is allowed to pass through the cathode filter plate electrode 14.
However, in the eleventh embodiment, the structure is such that only a small amount of water passes through.
This is because the supply liquid 11 and the replacement liquid 110 are supplied in a balanced manner.
As a result, at the cathode filter plate electrode 14 , the Na ions are attracted to the cathode first electrode 14 A on the cathode side and move into the cation chamber 17 .
At this time, there is almost no movement of water, so that as a result, only ions move from the supply liquid (NaCl) 11 to the replacement liquid (distilled water) 110, and the replacement liquid 110 is replaced.
よって、運転の最初はNaイオンのみが透過するので、置換液(蒸留水)110のNaイオンは低濃度であるが、運転を継続するにつれて、Naイオンのみが徐々に透過するので、置換液(蒸留水)110のNaイオン濃度は上昇し、アルカリ液となる。 Therefore, at the beginning of operation, only Na ions pass through, so the Na ion concentration in the replacement liquid (distilled water) 110 is low. However, as operation continues, only Na ions gradually pass through, so the Na ion concentration in the replacement liquid (distilled water) 110 increases, and the replacement liquid becomes alkaline.
ここで、水の移動がない理由としては例えば以下をあげることができる。
1)隔膜13はろ過抵抗となり、水はほとんど透過しない。
2)両方の部屋(供給室12/陽イオン室17)の圧力差はほとんどない状態としている。
3)供給液11を供給する供給タンク(図示せず)と置換液供給タンク(図示せず)とは、ほぼ同じ位置から供給する(すなわち、ポンプの流速と同等)。
Here, the reasons for the lack of water movement include the following:
1) The diaphragm 13 acts as a filtering resistance, and water hardly passes through.
2) There is almost no pressure difference between the two chambers (supply chamber 12/cation chamber 17).
3) The supply tank (not shown) that supplies the supply liquid 11 and the replacement liquid supply tank (not shown) are supplied from approximately the same position (i.e., the flow rate is the same as that of the pump).
以上、本実施形態のイオン分離装置10Mによれば、供給室12内に供給された供給液11中の陽イオン(Naイオン)は、陰極側のカソード第1電極14Aに引き込まれて、陽イオン室17内を移動(透過)する。 As described above, according to the ion separation device 10M of this embodiment, cations (Na ions) in the supply liquid 11 supplied into the supply chamber 12 are attracted to the cathode first electrode 14A on the cathode side and move (permeate) within the cation chamber 17.
本実施形態によれば、この移動(透過)した陽イオン(Naイオン)は、陽イオン室17内に別途供給される置換液110に置換されて、いわゆるイオン透析機能を発揮する。 In this embodiment, these migrated (permeated) cations (Na ions) are replaced with a replacement fluid 110 supplied separately into the cation chamber 17, thereby providing the so-called ion dialysis function.
一方、陰イオン(Clイオン)はカソード第1電極14Aに反発して移動できず、供給室12内にとどまる。
この結果、運転を継続していくと、供給室12内の陽イオン(Naイオン)の量は少なくなり、陰イオン(Clイオン)の量は増えていく。
そして、運転時間の経過と共に、置換液110は、蒸留水(pH7.0)から水酸化ナトリウム水溶液(pH=11.8)のアルカリ液となる。
On the other hand, anions (Cl ions) are repelled by cathode first electrode 14A and cannot move, and remain in supply chamber 12.
As a result, as operation continues, the amount of cations (Na ions) in supply chamber 12 decreases, and the amount of anions (Cl ions) increases.
As the operation time progresses, the substitution liquid 110 changes from distilled water (pH 7.0) to an alkaline solution of sodium hydroxide (pH=11.8).
なお、置換液110は循環させても、循環させなくともよい。
供給液側も循環させても、循環させなくともよい。
The replacement liquid 110 may or may not be circulated.
The feed liquid side may or may not be circulated.
すなわち、下記3つのパターンを必要に応じて実施することでイオン透析機能を発揮したイオン分離装置を提供することができる。
パターン1)供給液/置換液共に循環させない。
パターン2)供給液/置換液のいずれか一方のみを循環させる。
パターン3)供給液/置換液共に循環させる。
That is, by implementing the following three patterns as required, it is possible to provide an ion separation device that exhibits an ion dialysis function.
Pattern 1) Neither the supply liquid nor the replacement liquid is circulated.
Pattern 2) Only one of the supply liquid and the replacement liquid is circulated.
Pattern 3) Both the supply liquid and the replacement liquid are circulated.
[実施形態12]
図18は、実施形態12のイオン分離装置の概略図である。
なお、実施形態11のイオン分離装置と同一の構成部材については、同一符号を付してその説明は省略する。本実施形態においても塩化ナトリウム(NaCl)を例示して説明する。
図18に示すように、本実施形態のイオン分離装置10Nは、溶媒(極性溶媒;例えば、水)中に解離している陰イオンをイオン分離する装置である。
[Embodiment 12]
FIG. 18 is a schematic diagram of an ion separation device according to a twelfth embodiment.
The same components as those in the ion separation device of embodiment 11 are denoted by the same reference numerals and will not be described again. In this embodiment, sodium chloride (NaCl) will also be used as an example.
As shown in FIG. 18, an ion separation device 10N of this embodiment is a device that separates anions dissociated in a solvent (polar solvent; for example, water).
図18に示すように、イオン分離装置10Nは、陽イオン(Na+)及び陰イオン(Cl-)を含む供給液11を供給する供給室12と、供給室12の両側に配置され、陰イオン(Cl-)を分離する隔膜23を備えたアノードろ板電極24と、平板のカソード電極25と、分離した陰イオン(Cl-)が水と共に陰イオン液(以下「酸性液」ともいう)26として流入する陰イオン室27と、さらに、陰イオン室27内でアノードろ板電極24と対向する位置に設けた平板のアノード電極(陽極)15と、を備えている。
そして供給室22には、図示しない供給口と排出口とが設けられ、供給室22内に電解液である供給液11を供給している。
陰イオン室27には、移動した陰イオンを置換する置換液110を供給する置換液供給口と置換液排出口とが設けられており、陰イオン室27内に置換液110を供給している。
この置換液110は、アノードろ板電極24によるイオン交換によって、陰イオン室27内に移動された陰イオン(Cl-)を置換し、酸性液110Bとしている。
As shown in Figure 18, the ion separation device 10N comprises a supply chamber 12 that supplies a supply liquid 11 containing cations (Na + ) and anions (Cl - ), an anode filter plate electrode 24 arranged on both sides of the supply chamber 12 and equipped with a diaphragm 23 that separates the anions (Cl - ), a flat cathode electrode 25, an anion chamber 27 into which the separated anions (Cl - ) flow together with water as an anion liquid (hereinafter also referred to as "acidic liquid") 26, and further a flat anode electrode (positive electrode) 15 positioned opposite the anode filter plate electrode 24 within the anion chamber 27.
The supply chamber 22 is provided with a supply port and a discharge port (not shown), and supplies the supply liquid 11 , which is an electrolyte, into the supply chamber 22 .
The anion chamber 27 is provided with a substitution liquid supply port and a substitution liquid discharge port for supplying a substitution liquid 110 for replacing the migrated anions, and the substitution liquid 110 is supplied into the anion chamber 27 .
This substitution liquid 110 substitutes the anions (Cl − ) that have been moved into the anion chamber 27 by ion exchange using the anode filter plate electrode 24, to form an acidic liquid 110B.
ここで、アノードろ板電極24は、アノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bとから構成され、さらにアノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bとの間に、細孔を有する絶縁体である隔膜23を挟んでいる。この隔膜23は、絶縁材料から構成され、例えば、PP(ポリプロピレン)、PE(ポリエチレン)、NY(ナイロン)、セルロース等の繊維を用いた不織布を用いるようにしてもよい。 The anode filter plate electrode 24 is composed of a first anode electrode 24A and a second anode electrode 24B, and a porous insulating diaphragm 23 is sandwiched between the first anode electrode 24A and the second anode electrode 24B. The diaphragm 23 is made of an insulating material, and may be, for example, a nonwoven fabric made of fibers such as PP (polypropylene), PE (polyethylene), NY (nylon), or cellulose.
イオン分離装置10Nは、平板のカソード電極25及びアノード第1電極24Aに電気的に接続された第3電源43と、アノード第1電極24Aとアノード電極第2電極24Bに電気的に接続された第4電源44と、さらに平板のアノード電極15及びアノード第2電極24Bに電気的に接続された第6電源46とを有する。 The ion separation device 10N has a third power supply 43 electrically connected to the flat-plate cathode electrode 25 and the anode first electrode 24A, a fourth power supply 44 electrically connected to the anode first electrode 24A and the anode second electrode 24B, and a sixth power supply 46 electrically connected to the flat-plate anode electrode 15 and the anode second electrode 24B.
ここで、電極構成は、アノード第2電極24Bを第1電位(V11)とし、アノード第1電極24Aを第2電位(V12)とし、平板のカソード電極25を第5電位(V5)とし、平板のアノード電極15を第6電位(V6)とする。電位がV5<V12<V11<V6となるように、電源(第3電源43、第4電源44、第6電源46)を設定する。 Here, the electrode configuration is such that the anode second electrode 24B is at a first potential (V11), the anode first electrode 24A is at a second potential (V12), the flat cathode electrode 25 is at a fifth potential (V5), and the flat anode electrode 15 is at a sixth potential (V6). The power supplies (third power supply 43, fourth power supply 44, sixth power supply 46) are set so that the potentials are V5 < V12 < V11 < V6.
なお、供給室12から離隔するに従って、アノード電極の電位の絶対値が大きい関係となる(|V6|(40V)>|V11|(20V)>|V12|(10V))ようにしている。 The absolute value of the anode electrode potential increases as the distance from the supply chamber 12 increases (|V6| (40 V) > |V11| (20 V) > |V12| (10 V)).
供給液11として塩化ナトリウム溶液(NaCl+H2O)を供給室22内に供給する一例を説明する。
上述したように供給室22内のイオン状態は、陽イオン(ナトリウムイオン:Na+)と陰イオン(塩素イオン:Cl-)とに解離している。供給室12内に配置されたアノード第1電極24Aに陰イオンである塩素イオン(Cl-)が引き込まれる。
An example in which a sodium chloride solution (NaCl+H 2 O) is supplied as the supply liquid 11 into the supply chamber 22 will be described.
As described above, the ions in supply chamber 22 are dissociated into cations (sodium ions: Na + ) and anions (chlorine ions: Cl − ). The anions, chlorine ions (Cl − ), are attracted to anode first electrode 24A disposed in supply chamber 12.
前述した図2に示す実施形態2のイオン分離装置10Bでは、アノードろ板電極24には水を透過させていた。
しかし、本実施形態12のイオン分離装置10Nでは、水を僅かしか通さない構成としている。これは、供給液11と置換液110とがバランスされて供給していることによる。
この結果、陰イオン(塩素イオン:Cl-)は陽極側のアノード第1電極24Aに引き込まれて、陰イオン室27内に移動(透過)する。
この際、水の移動がほとんど無いので、結果的に供給室22内の供給液(NaCl)11から陰イオン室27内の置換液(蒸留水)110に塩素イオン(Cl-)だけが移動(透過)し、置換液110で置換され、酸性液となる。
In the ion separation device 10B of the second embodiment shown in FIG. 2, water is allowed to pass through the anode filter plate electrode 24.
However, the ion separation device 10N of the twelfth embodiment is configured to allow only a small amount of water to pass through, because the supply liquid 11 and the replacement liquid 110 are supplied in a balanced manner.
As a result, anions (chlorine ions: Cl − ) are attracted to the anode first electrode 24 A on the anode side and move (permeate) into the anion chamber 27 .
At this time, there is almost no movement of water, so as a result, only chloride ions (Cl - ) move (permeate) from the supply liquid (NaCl) 11 in the supply chamber 22 to the replacement liquid (distilled water) 110 in the anion chamber 27, and are replaced by the replacement liquid 110, resulting in an acidic liquid.
以上、本実施形態のイオン分離装置10Nによれば、供給液11中の陰イオン(塩素イオン)は陽極側のアノード第1電極24Aに引き込まれて、陰イオン室27内に移動(透過)する。
この移動(透過)した陰イオン(塩素イオン)は、陰イオン室27内に別途供給される置換液110に置換され、いわゆるイオン透析機能を発揮する。
As described above, according to the ion separation device 10N of this embodiment, anions (chlorine ions) in the supply liquid 11 are attracted to the first anode electrode 24A on the anode side and move (permeate) into the anion chamber 27.
The anions (chlorine ions) that have migrated (permeated) are replaced by a replacement liquid 110 that is separately supplied into the anion chamber 27, thereby achieving the so-called ion dialysis function.
一方、陽イオン(Naイオン)はアノード第1電極24Aに反発して移動できず、供給室12内にとどまる。
この結果、運転を継続していくと、供給室12内の陽イオン(Naイオン)の量は多くなり、陰イオン(Clイオン)の量は少なくなる。
そして、運転時間の経過と共に、置換液110は、蒸留水(pH7.0)から酸性液(pH=2.4)となる。
On the other hand, cations (Na ions) are repelled by anode first electrode 24A and cannot move, and remain in supply chamber 12.
As a result, as operation continues, the amount of cations (Na ions) in supply chamber 12 increases and the amount of anions (Cl ions) decreases.
As the operation time progresses, the substitution liquid 110 changes from distilled water (pH 7.0) to an acidic liquid (pH = 2.4).
[実施形態13]
図19は、実施形態13のイオン分離装置の概略図である。なお、実施形態11、12と同一の構成部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
図19に示すように、本実施形態のイオン分離装置10Pは、実施形態11のイオン分離装置10Mと実施形態12のイオン分離装置10Nとを組み合わせたものであり、陽イオンと陰イオンとを分離し、各々置換液110と置換してアルカリ液16と酸性液26とを得るものである。
[Embodiment 13]
19 is a schematic diagram of an ion separation device according to embodiment 13. Note that the same components as those in embodiments 11 and 12 are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
As shown in FIG. 19, the ion separation device 10P of this embodiment is a combination of the ion separation device 10M of embodiment 11 and the ion separation device 10N of embodiment 12, and separates cations and anions and replaces them with replacement liquid 110 to obtain an alkaline liquid 16 and an acidic liquid 26.
図19に示すように、実施形態13のイオン分離装置10Pは、陽イオン及び陰イオンを含む電解質溶液(例えば、NaCl液)の供給液11を供給する供給室12と、供給室12の両側に配置され、陽イオン(Na+)を分離する隔膜(ろ紙)13を備えたカソードろ板電極14と、陰イオン(Cl-)を分離する隔膜23を備えたアノードろ板電極24と、分離した陽イオン(Na+)が水と共に陽イオン液(アルカリ液)16として流入する陽イオン室17と、分離した陰イオン(Cl-)が水と共に陰イオン液(酸性液)26として流入する陰イオン室27と、を備えてなる。
さらに、陽イオン室17内でカソードろ板電極14と対向する位置に設けた平板のカソード電極(陰極)25と、陰イオン室27内でアノードろ板電極24と対向する位置に設けた平板のアノード電極(陽極)15と、各々を備えている。
As shown in Figure 19, the ion separation device 10P of embodiment 13 comprises a supply chamber 12 that supplies a supply liquid 11 of an electrolyte solution (e.g., NaCl solution) containing cations and anions, a cathode filter plate electrode 14 arranged on both sides of the supply chamber 12 and equipped with a diaphragm (filter paper) 13 that separates cations (Na + ), an anode filter plate electrode 24 equipped with a diaphragm 23 that separates anions (Cl - ), a cation chamber 17 into which the separated cations (Na + ) flow together with water as a cation liquid (alkaline liquid) 16, and an anion chamber 27 into which the separated anions (Cl - ) flow together with water as an anion liquid (acidic liquid) 26.
Furthermore, it is provided with a flat cathode electrode (negative electrode) 25 provided in a position opposite the cathode filter plate electrode 14 in the cation chamber 17, and a flat anode electrode (positive electrode) 15 provided in a position opposite the anode filter plate electrode 24 in the anion chamber 27.
イオン分離装置10Pは、カソード第1電極14Aとアノード第1電極24Aとに電気的に接続された第1電源41と、カソード第1電極14Aとカソード第2電極14Bとに電気的に接続された第2電源42と、アノード第1電極24Aとアノード第2電極24Bとに電気的に接続された第4電源44と、平板のカソード電極25とカソード第2電極14Bとに電気的に接続された第5電源45と、平板のアノード電極15とアノード第2電極24Bとに電気的に接続された第6電源46と、を有する。 The ion separation device 10P has a first power supply 41 electrically connected to the cathode first electrode 14A and the anode first electrode 24A, a second power supply 42 electrically connected to the cathode first electrode 14A and the cathode second electrode 14B, a fourth power supply 44 electrically connected to the anode first electrode 24A and the anode second electrode 24B, a fifth power supply 45 electrically connected to the flat-plate cathode electrode 25 and the cathode second electrode 14B, and a sixth power supply 46 electrically connected to the flat-plate anode electrode 15 and the anode second electrode 24B.
陽イオン室17には、移動した陽イオンを置換する置換液を供給する置換液供給口と置換液排出口とが設けられており、陽イオン室17内に置換液110を供給している。この置換液110は、カソードろ板電極14によるイオン交換によって、陽イオン室17内に移動された陽イオン(Na+)を置換し、置換液110に置換されアルカリ液110Aとしている。 The cation chamber 17 is provided with a substitution liquid inlet and a substitution liquid outlet for supplying a substitution liquid to replace the migrated cations, and a substitution liquid 110 is supplied into the cation chamber 17. This substitution liquid 110 replaces the cations (Na + ) that have migrated into the cation chamber 17 through ion exchange using the cathode filter plate electrode 14, and the substitution liquid 110 is replaced with the substitution liquid 110 to form an alkaline liquid 110A.
陰イオン室27には、移動した陰イオンを置換する置換液110を供給する置換液供給口と置換液排出口とが設けられており、陰イオン室27内に置換液110を供給している。
この置換液110は、アノードろ板電極24によるイオン交換によって、陰イオン室27内に移動された陰イオン(Cl-)を置換し、置換液110に置換され酸性液110Bとしている。
The anion chamber 27 is provided with a substitution liquid supply port and a substitution liquid discharge port for supplying a substitution liquid 110 for replacing the migrated anions, and the substitution liquid 110 is supplied into the anion chamber 27 .
This substitution liquid 110 substitutes the anions (Cl − ) that have been moved into the anion chamber 27 by ion exchange using the anode filter plate electrode 24, and the substitution liquid 110 is replaced with the substitution liquid 110 to form an acidic liquid 110B.
本実施形態では、カソードろ板電極14での隔膜13としては、絶縁材料から構成され、例えば、PP(ポリプロピレン)、PE(ポリエチレン)、NY(ナイロン)、セルロース等の繊維を用いた不織布を用いるようにしてもよい。 In this embodiment, the diaphragm 13 in the cathode filter plate electrode 14 is made of an insulating material, and may be, for example, a nonwoven fabric made of fibers such as PP (polypropylene), PE (polyethylene), NY (nylon), or cellulose.
次に、図19を用いて供給液11として塩化ナトリウム溶液を供給室12内に供給して陽イオンと陰イオンとを透析分離する一例を説明する。 Next, using Figure 19, we will explain an example of dialysis separation of cations and anions by supplying sodium chloride solution as the supply liquid 11 into the supply chamber 12.
上述したように供給室12内のイオン状態は、陽イオン(ナトリウムイオン:Na+)と陰イオン(塩素イオン:Cl-)とに解離している。
供給室12内に配置されたマイナスのカソード第1電極14Aに陽イオンであるナトリウムイオン(Na+)が引き込まれる。
As described above, the ions in supply chamber 12 are dissociated into cations (sodium ions: Na + ) and anions (chlorine ions: Cl − ).
Sodium ions (Na + ), which are cations, are attracted to negative cathode first electrode 14 A disposed in supply chamber 12 .
これに対して、塩素イオン(Cl-)は、陰イオンであるので、マイナスのカソード第1電極14Aに阻止されて、カソード第1電極14Aを透過することができない。 In contrast, chloride ions (Cl − ) are anions, and are therefore blocked by the negative cathode first electrode 14A and cannot pass through the cathode first electrode 14A.
この結果、カソードろ板電極14においては、Naイオンは陰極側のカソード第1電極14Aに引き込まれて、陽イオン室17内に移動する。
この際、水の移動がほとんど無いので、結果的に供給液(NaCl)11から置換液(蒸留水)110にイオンだけが移動し、置換液110で置換され、アルカリ液110Aとなる。
As a result, at the cathode filter plate electrode 14 , the Na ions are attracted to the cathode first electrode 14 A on the cathode side and move into the cation chamber 17 .
At this time, there is almost no movement of water, so that as a result, only ions move from the supply liquid (NaCl) 11 to the replacement liquid (distilled water) 110, and are replaced by the replacement liquid 110, forming an alkaline liquid 110A.
また、供給室12内に、カソードろ板電極14と対向して配置されたアノードろ板電極(アノード第1電極24A、アノード第2電極24B)24に陰イオンである塩素イオン(Cl-)が引き込まれる。
陰イオンである塩素イオン(Cl-)が引き込まれると、塩素イオンが透過することとなる。
この結果、透過した塩素イオンは置換水110と置換して酸性液110Bとなる。
Furthermore, chloride ions (Cl − ), which are anions, are attracted to the anode filter plate electrodes (anode first electrode 24 A, anode second electrode 24 B) 24 disposed in the supply chamber 12 opposite the cathode filter plate electrode 14 .
When an anion, chlorine ion (Cl − ), is attracted, the chlorine ion passes through.
As a result, the permeated chlorine ions replace the replacement water 110 to form an acidic solution 110B.
これに対して、供給室12内のナトリウムイオン(Na+)は、陽イオンであるので、アノード第1電極24Aに阻止されて、アノード第1電極24Aを透過することができない。 In contrast, sodium ions (Na + ) in supply chamber 12 are positive ions and are therefore blocked by anode first electrode 24A and cannot pass through anode first electrode 24A.
この結果、陽イオン室17内にナトリウムイオン(Na+)が透析濃縮される。また、陰イオン室27内に塩素イオン(Cl-)が透析濃縮される。これにより、供給室12から排出される第3供給排出液11Cは、ナトリウムイオン(Na+)が低下すると共に、塩素イオン(Cl-)も低下した状態となる。 As a result, sodium ions (Na + ) are concentrated by dialysis in the cation chamber 17. Furthermore, chloride ions (Cl − ) are concentrated by dialysis in the anion chamber 27. As a result, the third supply/discharge liquid 11C discharged from the supply chamber 12 has a reduced concentration of sodium ions (Na + ) and chloride ions (Cl − ).
以上説明したように、本実施形態のイオン分離装置10Pによれば、供給室12内に供給した供給液11のイオン状態(ナトリウムイオン(Na+)と塩素イオン(Cl-)との混在状態:pH=7.0)において、供給室12の左側に配置するカソードろ板電極14側ではナトリウムイオン(Na+)が透過して、陽イオン室17内にナトリウムイオン(Na+)が濃縮される。
これと共に、供給室12の右側に配置するアノードろ板電極24側では塩素イオン(Cl-)が透過して、陰イオン室27内に塩素イオン(Cl-)が濃縮される。
As described above, according to the ion separation device 10P of this embodiment, in the ionic state of the supply liquid 11 supplied into the supply chamber 12 (a mixture of sodium ions (Na + ) and chloride ions (Cl - ): pH = 7.0), sodium ions (Na + ) pass through the cathode filter plate electrode 14 located on the left side of the supply chamber 12, and sodium ions (Na + ) are concentrated in the cation chamber 17.
At the same time, chloride ions (Cl − ) pass through the anode filter plate electrode 24 disposed on the right side of the supply chamber 12 , and are concentrated in the anion chamber 27 .
このイオン分離装置10Pでの陽イオンと陰イオンとのイオン分離の確認はpHとBTB試薬で行った。ここで、供給液11として塩化ナトリウム(NaCl)の0.05%水溶液を用い、供給液量はpH7.0となるように、炭酸バッファでpHの調整をした。
同時にBTB(ブロモチモールブルー bromothymol blue;BTB)試薬を用いて、着色により各室内のpHの状態を可視化した。
The separation of cations and anions in this ion separator 10P was confirmed using pH and a BTB reagent. Here, a 0.05% aqueous solution of sodium chloride (NaCl) was used as the feed liquid 11, and the pH of the feed liquid was adjusted with a carbonate buffer to pH 7.0.
At the same time, the pH state in each chamber was visualized by coloring using BTB (bromothymol blue; BTB) reagent.
この確認の結果、供給室12に供給する供給液11のイオン状態(ナトリウムイオン(Na+)と塩素イオン(Cl-)との混在状態:pH=7.0)のものが、イオン分離をした結果、陽イオン室17からの排出されるアルカリ液110BのpHは11.8となり、陰イオン室27からの排出される酸性液110B6のpHは2.4となった。 As a result of this confirmation, it was found that the ionic state of the supply liquid 11 supplied to the supply chamber 12 (a mixture of sodium ions (Na + ) and chlorine ions (Cl - ): pH = 7.0) was separated into ions, and as a result, the pH of the alkaline liquid 110B discharged from the cation chamber 17 became 11.8, and the pH of the acidic liquid 110B6 discharged from the anion chamber 27 became 2.4.
また、BTB試薬で検査した結果、供給室12に供給した供給液(pH=7.0)11は緑の色調であったものが、陽イオン室17の室内のアルカリ液(pH=11.8)16の色調はブルーに変色し、陰イオン室27の室内の酸性液(pH=2.4)26の色調は黄色に変色した。さらに、銅線を用いた炎色反応試験においても、アルカリ液16はNaイオンのオレンジに、酸性液26は塩化銅(CuCl2)の緑に変化し、各炎色反応試験においても、イオン分離が確実になされていることを確認した。 Furthermore, as a result of testing with the BTB reagent, the feed solution (pH = 7.0) 11 supplied to the feed chamber 12 was green in color, but the alkaline solution (pH = 11.8) 16 in the cation chamber 17 changed to blue, and the acidic solution (pH = 2.4) 26 in the anion chamber 27 changed to yellow. Furthermore, in a flame color reaction test using a copper wire, the alkaline solution 16 changed to orange due to Na ions, and the acidic solution 26 changed to green due to copper chloride (CuCl 2 ), confirming that ion separation was achieved reliably in each flame color reaction test.
この結果、供給室12から排出される第3供給排出液11Cである循環液は、ナトリウムイオン(Na+)が低下すると共に、塩素イオン(Cl-)も低下した状態となる(pH=4.5))。 As a result, the circulating liquid, which is the third supply/discharge liquid 11C discharged from the supply chamber 12, has a reduced sodium ion (Na + ) content and a reduced chloride ion (Cl − ) content (pH=4.5).
また、前述した図3Bのイオン分離装置10-2と同様に、供給室12、陽イオン室17、陰イオン室27内に、圧電部材である圧電振動子(加振部材)80を設置するようにしてもよい。これにより、粒子42の付着を防止することができるので、アノード第1電極24A、アノード第2電極24Bに印加する電圧を、全体的に低くすることができる。 Furthermore, similar to the ion separation device 10-2 shown in Figure 3B, a piezoelectric vibrator (vibration member) 80, which is a piezoelectric member, may be installed in the supply chamber 12, cation chamber 17, and anion chamber 27. This prevents adhesion of particles 42, allowing the overall voltage applied to the anode first electrode 24A and anode second electrode 24B to be lowered.
[実施形態14]
図20は、実施形態14のイオン分離装置の概略図である。なお、上述した実施形態と同一の構成部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
[Embodiment 14]
20 is a schematic diagram of an ion separation device according to embodiment 14. Note that the same components as those in the above-described embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
実施形態11~13のイオン分離装置10M~10Pは、電解液中の陽イオン又は陰イオンを透析分離する技術を説明したが、本発明のイオン分離装置はこれに限定されるものではない。
実施形態14のイオン分離装置10Qは、上述した実施形態19(図19参照)のイオン分離装置10Pと同一の構成であるが、供給室12内に供給する供給液内に粒子(図中「●」Ptcl-)50が混在した粒子混在供給液51においてもイオンの透析分離を連続して行うものである。
すなわち、従来技術における電気透析装置においては、分離対象物に粒子が混在する場合には、透析膜に粒子が付着して電気透析が進行できなかった。
Although the ion separation devices 10M to 10P of the eleventh to thirteenth embodiments have been described as techniques for separating cations or anions in an electrolyte solution by dialysis, the ion separation device of the present invention is not limited to this.
The ion separation device 10Q of embodiment 14 has the same configuration as the ion separation device 10P of embodiment 19 (see Figure 19) described above, but it also continuously performs dialysis separation of ions in a particle-containing supply liquid 51 in which particles (Ptcl - in the figure, ``●'') 50 are mixed in the supply liquid supplied to the supply chamber 12.
That is, in the electrodialysis apparatus of the prior art, when particles are mixed in the material to be separated, the particles adhere to the dialysis membrane, preventing the electrodialysis from proceeding.
これに対し、本実施形態のイオン分離装置10粒子が混在していた場合においても引き続き透析分離を行うことができる。
粒子(マイナスに帯電)50は、陰イオン(塩素イオン)と同様、カソード第1電極14Aと反発し、陽イオン室17には移動しない。一方陰イオン室27にも水の移動がないので、水の移動と伴い移動していた粒子ほとんど移動しない。
これは、供給液11と置換液110とは供給室12と陰イオン室27との圧力差がないようにしているので、水の移動がほとんどないからである。
この結果、粒子50は供給室12内に留まっているが、両方のイオン(陽イオン、陰イオン)だけが両方の部屋(陽イオン室17、陰イオン室27)に透過し、置換液と置換して、それぞれアルカリ液110A、酸性液110Bとすることができる。
In contrast, the ion separation device 10 of this embodiment can continue to perform dialysis separation even when particles are mixed in.
Like anions (chlorine ions), particles (negatively charged) 50 repel cathode first electrode 14A and do not move to cation chamber 17. On the other hand, there is no movement of water in anion chamber 27, so the particles that would otherwise move with the movement of water hardly move at all.
This is because there is no pressure difference between the supply chamber 12 and the anion chamber 27 for the supply liquid 11 and the replacement liquid 110, so there is almost no movement of water.
As a result, the particles 50 remain in the supply chamber 12, but only both ions (cations and anions) permeate into both chambers (cation chamber 17 and anion chamber 27), where they are replaced with the replacement liquid, becoming alkaline liquid 110A and acidic liquid 110B, respectively.
[実施形態15]
図21は、実施形態15のイオン分離装置の概略図である。
図21に示すように、実施形態15のイオン分離装置10Rは、実施形態13(図19参照)のイオン分離装置10Pと、陽イオンを含む電解質溶液(供給液11)を供給する供給タンク55と、供給タンク55から供給室12に供給ポンプP-1を介して供給液11を供給する供給ラインL1-1と、供給室12からの第1供給排出液11Cを供給室12へ循環させる循環ラインL1-2と、陽イオン室17からのアルカリ液110Aをアルカリタンク56に排出するアルカリラインL3-1と、アルカリタンク56からのアルカリ液110Aを、陽イオン室17に置換水として、ポンプP-2により循環させるアルカリラインL3-2と、陰イオン室27からの酸性液110Bを酸性液タンク58に排出する酸性ラインL5-1と、酸性液タンク58から酸性液110Bを、陰イオン室27に置換水として、ポンプP-3により循環させる酸性ラインL5-2と、を備えている。
[Embodiment 15]
FIG. 21 is a schematic diagram of an ion separation device according to a fifteenth embodiment.
As shown in FIG. 21 , the ion separation device 10R of the fifteenth embodiment includes the ion separation device 10P of the thirteenth embodiment (see FIG. 19 ), a supply tank 55 that supplies an electrolyte solution (supply liquid 11) containing cations, a supply line L1-1 that supplies the supply liquid 11 from the supply tank 55 to the supply chamber 12 via a supply pump P-1, a circulation line L1-2 that circulates the first supply/discharge liquid 11C from the supply chamber 12 to the supply chamber 12, an alkali line L3-1 that discharges alkaline solution 110A from the cation chamber 17 to the alkali tank 56, an alkali line L3-2 that circulates the alkaline solution 110A from the alkaline tank 56 to the cation chamber 17 as replacement water by the pump P-2, an acid line L5-1 that discharges acid solution 110B from the anion chamber 27 to the acid solution tank 58, and an acid line L5-2 that circulates the acid solution 110B from the acid solution tank 58 to the anion chamber 27 as replacement water by the pump P-3. 5-2 and is equipped with.
本実施形態15のイオン分離装置10Rとすることで、置換液110と置換された陽イオン液であるアルカリ液110Aをアルカリタンク56内に連続して得ることができると共に、置換液110と置換され陰イオン液である酸性液110Bを酸性液タンク58内に連続して得ることができる。 By using the ion separation device 10R of this embodiment 15, alkaline liquid 110A, which is a cation liquid that has been replaced with the replacement liquid 110, can be continuously obtained in the alkaline tank 56, and acidic liquid 110B, which is an anion liquid that has been replaced with the replacement liquid 110, can be continuously obtained in the acidic liquid tank 58.
[実施形態16]
図22は、実施形態11のイオン分離装置を備えたイオン分離濃縮システムの概略図である。
[Embodiment 16]
FIG. 22 is a schematic diagram of an ion separation and concentration system including the ion separation device of the eleventh embodiment.
図22に示すように、実施形態16のイオン分離濃縮システム200は、有価物である粒子50を含む希釈溶液101を粒子50と共に、陽イオン及び陰イオンの少なくとも一つを含む希薄溶液(陽イオン、有価物)を濃縮して濃縮有価物103とする有価物濃縮装置102と、濃縮有価物103中の陽イオン又は陰イオンのいずれか一方又は両方を除去するイオン分離装置204(例えば、イオン分離装置10M、イオン分離装置10N、イオン分離装置10C、イオン分離装置10Pのいずれか)と、を備えている。 As shown in FIG. 22, the ion separation and concentration system 200 of embodiment 16 includes a valuables concentration device 102 that concentrates a dilute solution 101 containing particles 50, which are valuables, together with the particles 50, into concentrated valuables 103. The dilute solution (cations, valuables) contains at least one of cations and anions, and the particles 50, and an ion separation device 204 (e.g., ion separation device 10M, ion separation device 10N, ion separation device 10C, or ion separation device 10P) that removes either or both of the cations and anions from the concentrated valuables 103.
有価物濃縮装置としては、例えば、回転式セラミック膜ろ過機(「ダイナフィルタ;登録商標」)等のろ過装置を例示することができるが、本発明はこれに限定されるものではない。 Examples of valuable resource concentrators include filtration devices such as rotary ceramic membrane filters (Dynafilter; registered trademark), but the present invention is not limited to these.
本実施形態のイオン分離濃縮システム200によれば、有価物の濃度が低い希釈溶液を濃縮装置102で一度濃縮し、その後の濃縮有価物103から不純物である陽イオンと陰イオンとを分離することができる。 The ion separation and concentration system 200 of this embodiment allows a diluted solution with a low concentration of valuable materials to be concentrated once in the concentrator 102, and then the impurities, cations and anions, can be separated from the concentrated valuable materials 103.
この結果、有価物の濃縮を行うと共に、有価物中のイオン濃度が低下し、有価物純度が向上する。 As a result, the valuables are concentrated, the ion concentration in the valuables decreases, and the purity of the valuables improves.
すなわち、図20を用いて実施形態14のイオン分離装置10Qで説明したように、粒子(●(Ptcl-))50をそのまま循環しつつ、陽イオン(Naイオン)を分離することで、粒子(●(Ptcl-))50が有価物である場合には、有価物中に含まれる不純物である陽イオン(例えば、Naイオン等)を容易に除去することができることとなり、製品純度の向上を図ることができる。 That is, as explained in the ion separation device 10Q of embodiment 14 using Figure 20, by separating cations (Na ions) while circulating the particles (●(Ptcl - )) 50 as they are, if the particles (●(Ptcl - )) 50 are a valuable material, it becomes possible to easily remove cations (e.g., Na ions, etc.) that are impurities contained in the valuable material, thereby improving the purity of the product.
また、希釈溶液中に陽イオンではなく、陰イオン単独又は陽イオンと陰イオンとの混合物が含まれる場合においても、イオンを容易に除去することができることとなり、製品純度の向上を図ることができる。 Furthermore, even if the diluted solution contains only anions or a mixture of cations and anions rather than cations, the ions can be easily removed, thereby improving product purity.
なお、上述したイオン透析分離機能を有するイオン分離装置の電極構成においても、前述した図12に示すアクティブ電極配置や図13に示すパッシブ電極配置とするようにしてもよい。 In addition, the electrode configuration of the ion separation device with the above-mentioned ion dialysis separation function may also be configured with the active electrode arrangement shown in Figure 12 or the passive electrode arrangement shown in Figure 13.
[実施形態17]
図23は、前述した実施形態9の海水淡水化装置70を備えた海水淡水化システムの概略図である。
図23に示すように、本発明の実施形態17に係る海水淡水化システム1000は、第1前処理装置1001と、第1前処理装置1001の後流に設けられる第2前処理装置1002と、第2前処理装置1002の後流に設けられる海水淡水化装置70とを備えている。なお、各装置は配管で接続されている。
[Embodiment 17]
FIG. 23 is a schematic diagram of a seawater desalination system including the seawater desalination apparatus 70 of the ninth embodiment described above.
23 , a seawater desalination system 1000 according to the seventeenth embodiment of the present invention includes a first pretreatment device 1001, a second pretreatment device 1002 provided downstream of the first pretreatment device 1001, and a seawater desalination device 70 provided downstream of the second pretreatment device 1002. The devices are connected by pipes.
第1前処理装置1001は、海から取水された海水1010Aを導入する前処理容器と、前処理容器内に充填されたろ砂等からなるろ過材と、を備えた、例えば砂ろ過装置等である。第1前処理容器1001内に供給された海水1010Aは、ろ過材を通過し、海水1010A中に含まれる濁質成分又は夾雑物等の混入物が除去される。 The first pretreatment device 1001 is, for example, a sand filter device, equipped with a pretreatment container into which seawater 1010A taken from the sea is introduced and a filter material made of filter sand or the like filled into the pretreatment container. The seawater 1010A supplied to the first pretreatment container 1001 passes through the filter material, and contaminants such as turbid components and impurities contained in the seawater 1010A are removed.
第2前処理装置1002は、第1前処理装置1001からの海水1010Aが供給される、図示しない吸着容器(例えばカラム等)と、吸着容器内に配置される、例えば親水性の高分子吸着材等とを備える。親水性高分子吸着材は、ファウリング原因物質の中でも特にバイオファウリングの主因となるバイオポリマー等を効率良く吸着することができる材料である。 The second pretreatment device 1002 includes an adsorption vessel (e.g., a column, etc.) (not shown) to which seawater 1010A from the first pretreatment device 1001 is supplied, and a hydrophilic polymer adsorbent, for example, placed within the adsorption vessel. The hydrophilic polymer adsorbent is a material that can efficiently adsorb biopolymers, which are the main cause of biofouling among fouling-causing substances.
図23に示すように、海水淡水化システム1000は、海から海水1010を取水し、配管を通じて第1前処理装置1001に海水1010を供給する。第1前処理装置1001に供給された海水1010は、第1前処理装置1001によって前処理され、海水1010中に含まれる混入物が除去される。
第1前処理装置1001で前処理された前処理海水1010Aは、第1処理水として第2前処理装置1002に供給される。この第2前処理装置1002によって第1処理水中に含まれるファウリング原因物質が吸着除去される。
第2前処理装置1002でファウリング原因物質が吸着除去された第2処理水の海水1010Bは、海水淡水化装置70に供給され、この海水淡水化装置70によって濃縮水1011と淡水1012とに分離される。
23 , a seawater desalination system 1000 takes in seawater 1010 from the ocean and supplies the seawater 1010 through piping to a first pretreatment device 1001. The seawater 1010 supplied to the first pretreatment device 1001 is pretreated by the first pretreatment device 1001, and impurities contained in the seawater 1010 are removed.
Pretreated seawater 1010A pretreated in the first pretreatment device 1001 is supplied as first treated water to the second pretreatment device 1002. The second pretreatment device 1002 adsorbs and removes fouling-causing substances contained in the first treated water.
The second treated seawater 1010B from which fouling-causing substances have been adsorbed and removed in the second pretreatment device 1002 is supplied to the seawater desalination device 70, where it is separated into concentrated water 1011 and fresh water 1012.
上述したように、一般に海水淡水化装置として用いている逆浸透膜を用いた逆浸透膜法では、塩分濃度が3.5%の海水を0.05%塩分濃度とすることで飲料水として用いているが、これと同程度、あるいは同程度以上のナトリウムイオン濃度に脱塩することができる。また、海水中に粒子(例えばプランクトン等の生物体、有機質、無機質等の粒子がある場合においても、海水淡水化を行うことができる。すなわち、海水中に含まれる粒子はいずれかに帯電していると分離できる。
よって、除去する粒子によっては、第2前処理装置1002の設置を省くことができる。これにより、システム構成を簡略化することができる。
As mentioned above, in the reverse osmosis membrane method that uses a reverse osmosis membrane, which is generally used in seawater desalination systems, seawater with a salinity of 3.5% is reduced to a salinity of 0.05% so that it can be used as drinking water. However, it is possible to desalinate seawater to a sodium ion concentration at the same level or higher. Furthermore, seawater can be desalinated even when it contains particles (for example, living organisms such as plankton, organic matter, inorganic particles, etc.). In other words, particles contained in seawater can be separated if they are charged to one of the two.
Therefore, depending on the particles to be removed, it may be possible to omit the installation of the second pre-treatment device 1002. This allows the system configuration to be simplified.
本発明は、海水淡水化システム及び海水淡水化方法全般に利用可能である。 The present invention can be used in seawater desalination systems and seawater desalination methods in general.
10A~10R イオン分離装置
11 電解質溶液(供給液)
11A 第1供給排出液
11B 第2供給排出液
11C 第3供給排出液
12 供給室
12a 導入口
12b 供給液導入ライン
12c 第3排出口
13 隔膜(ろ材)
14 カソードろ板電極
14A カソード第1電極
14B カソード第2電極
15 平板のアノード電極
16 陽イオン液(アルカリ液)
17 陽イオン室
17a 第1排出口
22 供給室
24 アノードろ板電極
24A アノード第1電極
24B アノード第2電極
25 平板のカソード電極
26 陰イオン液(酸性液)
27 陰イオン室
27a 第2排出口
50 粒子
51 粒子混在供給液
51A 排出液
70 海水淡水化装置
71 塩化ナトリウム水溶液(海水)
80 圧電振動子
100 イオン分離濃縮システム
110 置換液
110A アルカリ液
110B 酸性液
1000 海水淡水化システム
DW 蒸留水
P 供給ポンプ
10A to 10R Ion separation device 11 Electrolyte solution (supply liquid)
11A First supply and discharge liquid 11B Second supply and discharge liquid 11C Third supply and discharge liquid 12 Supply chamber 12a Inlet 12b Supply liquid introduction line 12c Third discharge port 13 Diaphragm (filter material)
14 Cathode filter plate electrode 14A Cathode first electrode 14B Cathode second electrode 15 Flat plate anode electrode 16 Cationic liquid (alkaline liquid)
17 Cation chamber 17a First outlet 22 Supply chamber 24 Anode filter plate electrode 24A First anode electrode 24B Second anode electrode 25 Flat plate cathode electrode 26 Anion liquid (acid liquid)
27 Anion chamber 27a Second discharge port 50 Particles 51 Particle mixed supply liquid 51A Drain liquid 70 Seawater desalination equipment 71 Sodium chloride aqueous solution (seawater)
80 Piezoelectric vibrator 100 Ion separation and concentration system 110 Replacement liquid 110A Alkaline liquid 110B Acidic liquid 1000 Seawater desalination system DW Distilled water P Supply pump
Claims (4)
前記第1のイオン分離装置の後段側に設けられ、陽イオンが透過した透過液中の陰イオンを透過して陽イオンを阻止する第2のイオン分離装置と、
を一つのユニットとしてなる海水淡水化装置を備え、且つ
前記海水淡水化装置は、
陽イオン及び陰イオンを含む海水を供給する供給室と、
前記供給室の両側に配置され、陽イオンを分離する細孔を有する隔膜を備えたカソードろ板電極と、
陰イオンを分離する細孔を有する隔膜を備えた平板のアノードろ板電極と、
分離した陽イオンが水と共に陽イオン液として流入する陽イオン室と、を備え、
前記カソードろ板電極は、
供給室側のカソード第1電極と、
前記隔膜を挟んで陽イオン室側に設置されるカソード第2電極と、
前記平板のアノード電極及びカソード第1電極に電気的に接続された第1電源と、
前記カソード第1電極と前記カソード電極第2電極とに電気的に接続される第2電源と、を備え、
前記アノードろ板電極は、
前記供給室側のアノード第1電極と、
前記隔膜を挟んで陰イオン室側に設置されるアノード第2電極と、
前記平板のカソード電極及びアノード第1電極に電気的に接続された第3電源と、
前記アノード第1電極と前記アノード電極第2電極とに電気的に接続される第4電源と、を備えることを特徴とする海水淡水化システム。 a first ion separation device that allows cations in seawater to pass through and blocks anions;
a second ion separation device provided downstream of the first ion separation device, which allows anions in the permeate through which cations have permeated to pass and blocks cations;
The seawater desalination plant is provided with a unit including the above.
The seawater desalination apparatus comprises:
a supply chamber for supplying seawater containing cations and anions;
a cathode filter plate electrode disposed on both sides of the supply chamber and equipped with a diaphragm having pores for separating cations;
a flat anode filter plate electrode provided with a diaphragm having pores for separating anions;
a cation chamber into which the separated cations flow together with water as a cation liquid;
The cathode filter plate electrode is
a cathode first electrode on the supply chamber side;
a cathode second electrode disposed on the cation chamber side across the diaphragm;
a first power source electrically connected to the anode electrode and the cathode first electrode of the flat plate;
a second power source electrically connected to the cathode first electrode and the cathode second electrode;
The anode filter plate electrode is
an anode first electrode on the supply chamber side;
a second anode electrode disposed on the anion chamber side across the diaphragm;
a third power source electrically connected to the cathode electrode and the anode first electrode of the flat plate;
a fourth power source electrically connected to the anode first electrode and the anode second electrode .
海水中の混入物を除去するろ過材を配した第1前処理装置と、
前記第1前処理装置からの海水中のバイオポリマーを吸着する親水性高分子吸着材を配置した第2前処理装置と、
を含むことを特徴とする請求項1記載の海水淡水化システム。 As a pretreatment device for the seawater desalination device,
a first pretreatment device provided with a filter for removing impurities from seawater;
a second pretreatment device provided with a hydrophilic polymer adsorbent for adsorbing biopolymers in the seawater from the first pretreatment device;
2. The seawater desalination system according to claim 1 , further comprising:
第1のイオン分離装置の後段側に設けられ、陽イオンが透過した透過液中の陰イオンを透過して陽イオンを阻止する第2のイオン分離装置と、
を一つのユニットとしてなる海水淡水化装置を備えた、請求項1の海水淡水化システムを用い、
前記海水中の塩分濃度を低下させることを特徴とする海水淡水化方法。 a first ion separation device that allows cations in seawater to pass through and blocks anions;
a second ion separation device provided downstream of the first ion separation device, which allows anions in the permeate through which cations have permeated to pass and blocks cations;
The seawater desalination system of claim 1 is provided with a seawater desalination apparatus comprising the above as a single unit,
A seawater desalination method comprising reducing the salt concentration in the seawater.
海水中の混入物を除去するろ過材を配した第1前処理装置と、
前記第1前処理装置からの海水中のバイオポリマーを吸着する親水性高分子吸着材を配置した第2前処理装置と、
を含むことを特徴とする請求項3記載の海水淡水化方法。 As a pretreatment device for the seawater desalination device,
a first pretreatment device provided with a filter for removing impurities from seawater;
a second pretreatment device provided with a hydrophilic polymer adsorbent for adsorbing biopolymers in the seawater from the first pretreatment device;
4. The method for desalination of seawater according to claim 3 , further comprising:
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