JP2010514555A

JP2010514555A - 極性物質の物理的分離装置

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Publication number: JP2010514555A
Application number: JP2009543932A
Authority: JP
Inventors: ウクヒュン
Original assignee: ルミウェルエンジニアリングインク
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2007-12-24
Publication date: 2010-05-06
Also published as: CN101595065A; US20100270161A1; KR100716206B1; CN101595065B; WO2008078945A1

Abstract

本明細書に開示されているのは、硝酸性窒素（ＮＯ_３）などの極性・イオン性物質を地下水や上水から分離し、かつ、分離された物質を濃縮する装置であり、前記装置には、液体が流入できるように形成される入口と、その液体から極性物質を分離することによってその液体が希釈された後にその液体を排出できるように形成される希釈液出口と、その液体を排出できるように形成される濃縮液出口とを有し、前記分離された極性物質がその液体中で濃縮されることを特徴とするケースと；
前記ケース内に設置されると同時に互いに離間して外部電力の供給を受ける陽極と陰極と；
その液体と前記極性物質が通過できるように形成される細孔を有する少なくとも１つのスペーサーと；が含まれ、
前記スペーサーは前記陽極と前記陰極間に位置決めされて前記陽極と前記陰極間の空間を希釈室と濃縮室とに分割し、前記希釈室は前記入口と前記希釈液出口に連通し、前記濃縮室は前記濃縮液出口に連通することを特徴とする。前記希釈室内の液体に含まれる極性物質は前記陽極と前記陰極間の電位差によって前記少なくとも１つのスペーサーを経由して前記濃縮室に移動させられるので、前記極性物質を分離・排出できるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は極性物質の分離・濃縮装置に関し、特には、硝酸性窒素（ＮＯ_３）または地下水のさまざまな液体や上水に含有される特異的極性物質などの極性を有するイオン性物質を分離し、その分離した物質を濃縮する装置に関する。

最近、地下水や地表水に含まれる重金属の量が環境汚染激化の結果として徐々に増加しており、特に地方（農村地域）では、農業の過程で土壌に投入される硝酸や人工肥料の過剰使用により、地表水や表面水中の硝酸性窒素濃度が高まっている。

重金属や硝酸性窒素が飲料水を介して人体に蓄積されると、その免疫系が損なわれるばかりでなく、重大な疾患を発症する可能性もある。さらに、前記硝酸性窒素は１歳未満の幼児の人体にも急速に吸収され、微生物の還元作用を介してその体内で亜硝酸に還元され、該亜硝酸は血液中のヘモグロビンと反応して酸素運搬機能のない血色素メトヘモグロビンを作り出し、結果的として生じる酸素不足はチアノーゼを起こす可能性もある。

従って、世界保健機構では飲料水中の硝酸性窒素濃度を最大５０ｐｐｍに限定しており、韓国では同濃度を最大１０ｐｐｍに限定している。

ほとんどの水処理工程では、汚染物質（例えば、重金属）は通常、ほとんど困難なしに膜分離工程を介して物理的に除去されているが、硝酸性窒素イオン（ＮＯ_３）は物理的に処理することが困難であり、その処理コストが高いことから、最近になって、イオン交換、電気透析法、逆浸透膜、ナノフィルター、生物学的脱窒素法、および化学的脱窒素法を含むさまざまな硝酸性窒素処理方法が開発されている。

ほとんどの硝酸性窒素処理方法は、硝酸性窒素イオン（ＮＯ_３）が負に帯電され、硝酸性窒素を選択的に分離して移動させることに基づいている。

しかしながら、前述の硝酸性窒素処理方法には次の問題点がある。

前記イオン交換型の場合では、硝酸性窒素がイオン交換樹脂に吸収され、
該イオン交換樹脂は除去されるが、前記イオン交換樹脂は定期的な化学再生を受けなければならず、それは二次環境汚染の原因となる。

前記電気透析法型の場合では、直流を用いて負の電荷をその陰極からその陽極に移動させるので、前記イオン交換膜はアニオンのみを選択的に伝達して分離できるようになっており、前記イオン交換膜は水の移動中断時にイオンのみを選択的に伝達する。

電気透析法における処理効率に直接に影響する重要な要因は電流密度であり、電流密度が大きければ大きいほど、前記膜が必要とする表面積は小さくなるが、過剰な電流密度はｐＨの変動などの望ましくない結果を生じ、電流密度の増加に限界があり、従って、処理効率の向上にも限界がある。

また、電気透析法に使用されるイオン交換膜は非常に高価であり、経済的に不都合である。

前記逆浸透膜型の場合、前記浸透膜を介して汚染された水に圧力が印加されて処理水を得る方式であるので、高処理効率を達成するには高圧力を必要とし、装置内で水の循環を少なくとも２回行わなければならず、この処理型には処理水の量が流入水の量に比べて少ないという問題点があり、加えて、膜汚染などの問題を解消するために高価な前処理工程も必要である。

前記ナノフィルター型には、硝酸性窒素だけではなく、その他のあらゆるタイプの水汚染物質を除去できることに利点があるが、この型は前記逆浸透膜型と同様に定期的な再生を必要とし、１日当り１００トンを処理するには少なくとも６キロワット時／立法メートルの電力を消費しなければならない。前記ナノフィルター型自体は高い運転コストを必要とする。

前記生物学的脱窒素型の場合では、硝酸性窒素（ＮＯ_３）を処理するため、前記イオン交換樹脂の代わりに無害なガス状窒素（Ｎ_２）が使用されるが、その工程中に発生する過剰なバイオマスをその炭素源とともに前記処理水から除去しければならず、そのため、繰り返し行われる濾過ステップと消毒ステップを含む複数の後処理ステップを必要とする。

前記化学的脱窒素型では一部の金属が電子を失いアニオンを減少させる傾向があるので、硝酸性窒素はアンモニアに還元され、前記化学的脱窒素法は水素または鉄/パラジウム（Ｐｄ）ベースの触媒に依存することから、その効率と比較してアンモニアとスラッジが多量に生じ、そのコストは高い。さらに、使用される金属の濃縮に起因する安全問題を解決する必要もある。

要約すると、従来の硝酸性窒素処理方法では、工程中に生じる汚染物質に対処するため、高価な前処理や後処理工程を必要とし、コスト効率は良くない。

かかる問題点は水中の硝酸性窒素の処理工程に限定されるものではなく、極性を有する特異的物質を液体から除去するさまざまな処理工程でも同様に発生する。

従って、本発明は前述の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明は構成と操作が簡単で、極性物質を液体から物理的に分離し、それを高効率で処理し、しかも、処理コストを大幅に削減する（すなわち優れた経済性を実現する）極性物質分離装置を提供する。

本発明の一態様によれば、極性物質を含む液体から極性物質を分離する装置が提供され、該装置は、
液体が流入できるように形成される入口と、その液体から極性物質を分離することによってその液体が希釈された後にその液体を排出できるように形成される希釈液出口と、その液体を排出できるように形成される濃縮液出口とを有し、前記分離された極性物質がその液体中で濃縮されることを特徴とするケースと；
前記ケース内に設置されると同時に互いに離間して外部電力の供給を受ける陽極と陰極と；
その液体と前記極性物質が通過できるように形成される細孔を有する少なくとも１つのスペーサーと；
が含まれ、
前記スペーサーは前記陽極と前記陰極間に位置決めされて前記陽極と前記陰極間の空間を希釈室と濃縮室とに分割し、前記希釈室は前記入口と前記希釈液出口に連通し、前記濃縮室は前記濃縮液出口に連通し、そこで、前記希釈室内の液体に含まれる極性物質は前記陽極と前記陰極間の電位差によって前記少なくとも１つのスペーサーを経由して前記濃縮室に移動させられるので、前記極性物質を分離・排出できるようになっていることを特徴とする。

本発明によれば、その濃縮しようとする極性物質は、その充填材によって容易に加速されて前記濃縮室に移動させられ、次いで、濃縮されて排出される。従って、高価なイオン交換膜などの代わりに、精密濾過膜と同等の分離膜をスペーサーとして使用してその濃縮しようとする極性物質を分離することができる。前記充填材、電極などは安価な材料からなるものであってもよいことから、製造コストとメンテナンスコストを大幅に削減し、その回収率を向上させる。

参考までに、本明細書中で使用した用語「極性物質」は、辞書に定義されている意味、すなわち、対称中心がない結晶が一方向ならびにその反対方向の配向性を有する場合に非対称の原子配列方向を有する物質に限定されるものではなく、イオンやコロイド性物質などの電気極性または静電気極性を有する物質も含まれる。

本発明の前述及び他の目的、特徴及び利点は、以下の添付図面を併用すると、以下の詳細説明からより明らかになるであろう。

図１は、硝酸性窒素イオンを水から分離し、それらを濃縮する本発明の一実施形態に係る極性物質分離装置を簡単に示す縦断面図である。図２は本発明の別の実施形態に係る極性物質分離装置を簡単に示す縦断面図である。

以下、本発明の例示的な実施形態を下記の添付図面を参照して説明する。

本発明では極性物質分離装置の一実施形態として硝酸性窒素イオン（ＮＯ_３）を水から選択的に分離・除去する装置に関連して説明するが、本発明はその例示的な装置に限定されるものではなく、特異的極性物質（例えば、イオン、コロイド性の物質）を液体から分離してそれを処理するさまざまに異なる装置にも同様に適用可能であることに留意されたい。

図１は本発明の一実施形態に係る極性物質分離装置として硝酸性窒素イオン（ＮＯ_３）分離装置を示すものであり、前記装置には、ケース１と、硝酸性窒素イオンを含む液体が流入できるように前記ケース１の下端部に形成される入口２と、硝酸性窒素イオンがそれから分離されて希釈された処理水を排出できるように前記ケース１の上端部に形成される処理水出口３と、分離された硝酸性窒素イオンを濃縮して排出できるように前記処理水出口３から分離して形成される濃縮水出口４と、が含まれる。

陽極（+）５と陰極（-）６が向かい合いながら前記ケース１内に位置決めされ、前記陽極５と前記陰極６は好ましくは直流電力の供給を受ける。そのために、本発明に係る分離装置は好ましくは前記陽極５と前記陰極６に直流電力を供給する整流器（図示せず）を有する。

スペーサー７が前記陽極５と前記陰極６間に配置されるので、前記陽極５と前記陰極６間の空間は分離画定されるようになっており、前記スペーサー７は液体と硝酸性窒素イオンとがそれを介して通過できる微小細孔を有する精密濾過膜からなるものであってもよく、あるいは、前記スペーサー７は熱結合あるいは圧縮された不織布、極細繊維、またはエレクトロスピニング法によるナノファイバーからなるものであってもよく、前記スペーサー７は好ましくは、その濃縮しようとするイオン（すなわち、この実施形態では硝酸性窒素イオン）とは逆の極性を有する導電材からなるが、前記スペーサー７の材料はそれに限定されるものではなく、前記スペーサー７は極性を持たない材料か、またはその濃縮しようとするイオンと同じ極性を有する材料からなるものであってもよい。

以下、前記スペーサー７と前記陰極６間に位置する前記スペーサー７によって画定された空間のうちの１つを希釈室８と呼び、前記スペーサー７と前記陽極５間の別の空間を濃縮室９と呼ぶ。

前記ケース１に形成される前記処理水出口３は前記希釈室８に連通し、前記濃縮水出口４は前記濃縮室９に連通し、前記ケース１の入口２は前記希釈室８の下部に連通する。

前記希釈室８と前記濃縮室９は繊維状材料または粒状材料からなる充填材１０，１１でそれぞれ満たされ、前記充填材１０，１１は、好ましくは導電材料、具体的には、ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）、ＰＥ（ポリエチレン）Ｔ（ポリエチレンテレフタレート）またはナイロンなどの極性モノマー由来の高分子繊維からなるものであってもよく、あるいは、前記充填材１０，１１はＰＥ（ポリエチレン）やＰＰ（ポリプロピレン）などの導電性のない材料からなるものであってもよい。

前記充填材１０，１１が導電材からなる場合、前記充填材１０，１１は好ましくは、その濃縮しようとするイオン（すなわち硝酸性窒素イオン）とは逆の極性を有するものとし、この場合、前記硝酸性窒素イオンは前記充填材１０，１１の表面に蓄積され、正電荷によって活性化されるので、前記陽極５と前記陰極６間に電位差があると、その前記陽極５への移動は加速されるようになっている。

前記充填材１０，１１が硝酸性窒素イオンと同じ極性を有する材料からなる場合、前記硝酸性窒素イオンは前記充填材１０，１１の表面相互間に蓄積されるので、前記陽極５と前記陰極６間に電位差があると、その前記陽極５への移動は加速されるようになっている。

前記処理水出口３と前記濃縮水出口４には、その排出流量を調整し、前記希釈室８と前記濃縮室９間の圧力差を制御するように流量制御弁１２，１３がそれぞれ設けられており、前記処理水出口３と前記濃縮水出口４との両方には本実施形態に係る流量制御弁１２，１３が設けられているが、前記処理水出口３と前記濃縮水出口４とのうちの任意の１つには流量制御弁を設けてもよいが、流量制御弁は利用しなくてもよい。

前述のように構成される本発明に係る硝酸性窒素イオン分離装置の動作を以下に説明する。

硝酸性窒素イオンを含む一定量の水が前記入口２を介して前記ケース１の希釈室８の下部に流入すると、その水の一部は前記スペーサー７の細孔を介して前記濃縮室９に流入することから、水は前記ケース１内の希釈室８と濃縮室９とに別々に流入するようになっている。

直流電力が前記陽極５と前記陰極６とに印加されると前記陽極５と前記陰極６間に電位差が生じ、次いで、アニオンである硝酸性窒素イオン（ＮＯ_３）を前記陽極５に移動させる。

前記希釈室８は前述のように前記充填材１０で充填されるので、前記硝酸性窒素イオンは前記充填材１０の表面に蓄積され、電位差が前記希釈室８内で生じると前記陽極５に加速的に移動する。

前記陽極５に到達後、前記硝酸性窒素イオンは前記スペーサー７の細孔を介して前記濃縮室９内で濃縮され、前記濃縮室９内を流れる水とともに前記濃縮水出口４を介して外部に排出される。

前記希釈室８内の水は、それから除去された硝酸性窒素イオンとともに前記処理水出口３を介して外部に排出される。

前記処理水出口３と前記濃縮水出口４との流量制御弁１２，１３は所望の効率が得られるように前記希釈室８と前記濃縮室９間の圧力差を調整し、その排出流量を制御するが、好ましくは、希釈された水の流量と前記処理水出口３と前記濃縮水出口４とを介して排出された濃縮水の流量間の比率はおよそ９：１とする。

このように、本発明によれば、前記ケース１に供給された水は前記希釈室８と前記濃縮室９とに別々に流入し、前記充填材１０の表面に蓄積された硝酸性窒素イオンは両電極相互間、すなわち陽極５と陰極６間の電位差によって加速されるので、前記イオンは前記スペーサー７を介して容易に前記濃縮室９に移動させられ、次いで、排出されるようになっている。

前述のように、前記充填材１０，１１は、好ましくは炭素繊維、無機繊維、極性高分子繊維、短繊維、長繊維、不織布、または織布などの繊維状材料からなり、前記充填材１０，１１は粒状材料からなるものであってもよく、あるいは、前記充填材には繊維状材料と粒状材料との両方が含まれてもよいが、実験によれば、前記充填材１０，１１が繊維状材料からなる場合、前記充填材を構成する繊維径が小さければ小さいほど、その濃縮効率は高くなることが証明されている。

加えて、前記充填材１０，１１としては優れた導電性を有する繊維状イオン交換樹脂（ＰＡＮシリーズ）を使用してもよい。

前記スペーサー７は細孔径が数マイクロメータ（>０.０１Ｄ）の膜（精密濾過膜と同等）からなるものであってもよく、あるいは、前記スペーサー７は前記精密濾過膜の細孔よりも小さい細孔を有する限外濾過膜からなるものであってもよく、また、前記スペーサー７が薄ければ薄いほど低抵抗が得られるため、消費電力は少なくなる。

前記スペーサー７は、熱結合あるいは圧縮された不織布、極細繊維、またはエレクトロスピニング法によるナノファイバーからなるものであってもよく、前記エレクトロスピニング法を利用して前記スペーサー７を製作する場合、ナノファイバーを優れた耐食性を有するステンレス鋼からなる金属メッシュ（好ましくはＴ３１６）に紡糸して回収され、前記金属メッシュは、前記紡糸ナノファイバー内の溶媒が完全に蒸発してしまう前に前記ナノファイバー接合体に対して圧縮される。スペーサーフィルムはこのように得られる。前記ナノファイバーのフィルムからなる前記スペーサー７の金属メッシュは、前記スペーサー７が前記濃縮室９の充填材１０，１１と一体化するようにエレクトロスピニング法による繊維をその上にさらに杭材を刺入させることもできる支持体としての役割を果たすことも可能である。

あるいは、前記スペーサー７はナノファイバーを金属メッシュからなる支持体の片側に紡糸し、前記ナノファイバーを圧縮してフィルムを形成し、さらに、別のナノファイバー層をその他側に形成することによって製作してもよい。

前記スペーサー７が前記エレクトロスピニング法に従って製作される場合、前記スペーサー７は必ずしも金属メッシュからなる必要はなく、極性高分子材料（例えば、ナイロン、ＰＡＮ、またはフッ素樹脂繊維）からなるメッシュを代わりに使用してもよい。

前記スペーサー７の導電性をさらに向上させるために、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）などの導電物質を前記スペーサーの構成材料に添加してもよい。

前記陽極５と前記陰極６はＤＳＡからなるものであってもよく、あるいは、前記陽極５と前記陰極６は、その表面が酸化処理されている、優れた耐食性を有するステンレス鋼（好ましくは、Ｔ３１６）やチタン材料からなるものであってもよく、前記陽極５と前記陰極６は平板型またはメッシュ型のいずれであってもよく、さらに、前記陰極６は、前記充填材としての役割を果たすこともできるように多孔質焼結物質からなるものであってもよい。また、都合の良いことに、前記陽極５と前記陰極６とがメッシュ型の場合、前記ケース１内で生じる気泡は効果的に除去される。

本実施形態の説明では前記陽極５と前記陰極６とが互いに平行であることを前提としたが、前記陽極５、前記陰極６、あるいは前記スペーサー７は、例えば、らせん形であってもよい。

加えて、本発明の実施形態に係る硝酸性窒素イオン分離装置の説明では、前記入口２が前記ケース１の下端部に形成されることと、前記処理水出口３と前記濃縮水出口４が前記ケース１の上端部に形成されること、とを前提としたが、前記入口２および前記出口３，４の位置決めはそれに限定されるものではない。

しかしながら、前述の位置決め（すなわち前記入口２が前記ケース１の下端部に形成され、前記処理水出口３と前記濃縮水出口４とが前記ケース１の上端部に形成されること）は、水が底部から上部に流れるので、前記ケース１に流入する非常に少量の水しか電気分解されないことと、結果的として生じる酸素ガスと水素ガスは水の上向き流によって随伴される（すなわちガスが容易に除去される）こと、とに利点がある。この場合、図示していないが、それぞれの室の上部に移動するガスを容易に排出させるように、前記濃縮室８と前記希釈室９の上方に送風機を設置してもよい。

なお、前記入口２を介して前記ケース１に供給される水には硝酸性窒素イオン以外の汚染物質が含まれることもあるので、前記入口２を介して前記ケース１に供給される水を前処理し、かつ前記スペーサー７の汚染を防止するように前記スペーサーの細孔径よりも小さい細孔径の精密濾過膜を有する前処理分離膜デバイスを前記入口２の前端部に設置してもよい。

前述のように、本発明に係る分離装置には前記陽極５と前記陰極６に直流電力を供給する整流器（図示せず）を設けてもよく、前記整流器から供給される電圧はイオン性の汚染物質、すなわち硝酸性窒素イオン濃度の検出を可能にする。より具体的に言えば、所定容量の電気エネルギーが一定のアンペア供給されることと、その電圧が可変であること、とを前提とすると、流入する水のイオン濃度（すなわち電解液濃度）が高いと、前記整流器から供給される直流電力の電圧は減少し、同濃度が低下する場合には、同じ電力量を継続して供給するように、より高い電圧が供給される。かかる導電特性に基づくと、前記イオン濃度を供給水から検出することができるのである。

図２は硝酸性窒素イオンを含む極性物質分離装置の別の実施形態を示すものであり、前記第２実施形態に係る装置には、先ず、ケース１０１と、前記ケース１０１の中心に位置決めされると同時に互いに離間して希釈室１３１を画定する第２スペーサー１２１，１２２と、前記第１および第２スペーサー１２１，１２２の外側にそれぞれ位置決めされる陽極１１１および陰極１１２と、が含まれ、そこでは、第１および第２濃縮室１３２，１３５を、前記陽極１１１と前記陰極１１２とが位置決めされる前記ケース１０１の両領域内に画定することを特徴とする。つまり、前記第２実施形態によれば、第１および第２スペーサー１２１，１２２は、希釈室１３１が前記第１スペーサー１２１と前記第２スペーサー１２２間に画定されるように前記陽極１１１と前記陰極１１２間に位置決めされ、第１および第２濃縮室１３２，１３５は前記ケース１０１の両側にそれぞれ対称形式に画定される。

前記希釈室１３１は前記ケース１０１の入口１０２と処理水出口１０３とに連通する。

前記第１および第２濃縮室１３２，１３５は前記ケース１０１の両側に形成される第１および第２濃縮水出口１０４，１０５にそれぞれ連通し、前記第１濃縮室１３２には前記陽極１１１と前記第１スペーサー１２１間に位置決めされる充填材室１３３と、前記陽極１１１の外側に形成される第１濃縮水排出室１３４と、が含まれてもよく、同様に、前記第２濃縮室１３５には、前記陰極１１２と前記第２スペーサー１２２間に位置決めされる充填材室１３６と、前記陰極１１２の外側に形成される濃縮水排出室１３７と、が含まれてもよく、前記陽極１１１と前記陰極１１２は、水がそれを介して通過できる多孔質金属体またはメッシュ型金属体からなる。

前記希釈室１３１と前記第１および第２濃縮室１３２，１３５の充填材室１３３，１３６とは、好ましくは、流れる水のチャンネリングを抑制し、かつ、イオン移動効率を向上させるために前記電極（すなわち陽極と陰極）と第１および第２スペーサー１２１，１２２間の接触面積を増加させるように、導電充填材で満たされる。

前記第１および第２スペーサー１２１，１２２は前述の第１実施形態に係るスペーサーの材料と同じ材料からなるものであってもよく、あるいは、前記第１および第２スペーサー１２１，１２２は板膜または中空繊維膜からなるものであってもよい。

図中、符号１０６、１０７、１０８、および１０９は前記入口１０２、前記処理水出口１０３、前記第１濃縮水出口１０４、および前記第２濃縮水出口１０５にそれぞれ設置される流量制御弁を示す。

前述のように構成される本発明の第２実施形態に係る極性物質分離装置は以下の通りに動作する。
前記ケース１０１の中心に位置決めされる前記２つのスペーサー１２１，１２２は前記希釈室１３１を規定するので、前記入口１０２を介して前記希釈室１３１内に導入された水中の物質のうち、負に帯電したイオン性物質（すなわち硝酸性窒素イオン）は前記第１スペーサー１２１を介して前記第１濃縮室１３２に向けられ、次いで濃縮され、前記濃縮物質は前記第１濃縮水出口１０４を介して排出される。

加えて、前記希釈室１３１内に導入された水中の物質のうちの正に帯電したイオン性物質は前記第２スペーサー１２２を介して前記第２濃縮室１３５に向けられ、次いで濃縮され、前記濃縮物質は前記第２濃縮水出口１０５を介して外部に排出される。

このように、前記希釈室１３２内に流入する水中のほとんどの極性物質は別々にその両側に向けられ、その水は、前記極性物質が除去された後に前記処理水出口１０３を介して外部に排出される。

本発明の第２実施形態に係る極性物質分離装置によって処理される水の流量は、電流密度が同じである場合、前記第１実施形態に係る装置によって処理される水の流量よりも少ないが、前記第２実施形態に係る装置には、前記陰極１１２に形成するスケールを容易に除去できるという利点がある。これは、その装置構造の対称性のためであり、より具体的には、前記陽極１１１と前記陰極１１２の極性が一定期間の使用後に切り替わるので、前記旧陰極１１２に蓄積したスケールは陽極酸化と電気分解を受け、その濃縮水とともに排出されるためである。このように、前記電極に蓄積したスケールは別個の洗浄工程なしに容易に除去でき、その処理水を連続的回収することもできる。

加えて、前記第２実施形態によれば、前記希釈室１３１を通って流れる処理水は前記電極と接触しないので、電気分解に起因するｐＨの変化は見られない。

なお、前述の実施形態を単一の分離装置に関連して説明したが、前記分離装置の容量を増大させるように複数の分離装置をユニットセルとして並列に接続してもよい。

加えて、前述の極性物質除去装置が水から硝酸性窒素イオンを分離・除去する浄水システムとして使用されることを前提としたが、本発明はかかる硝酸性窒素イオンを水から分離・除去する装置に限定されるものではなく、さまざまな特異的極性物質またはイオンを液体から分離する装置にも同様に適用可能なものである。

前述のように、本発明に係る極性物質分離装置は、高価なイオン交換膜を用いる代わりに、精密濾過膜と同等の分離膜を前記スペーサーとして使用できることに利点があり、加えて、前記充填材、電極などは安価な材料からなるものであってもよく、これにより製造コストとメンテナンスコストを大幅に削減できる。

本発明装置の作動圧力は大気圧であるので、他の膜分離工程（例えば、逆浸透工程）と比較して、電力消費が少なく、加えて、極性物質が化学物質を用いることなしに分離されることから、運転コストを削減できる。

前記装置の充填材は、その濃縮しようとする極性物質を容易に加速し、前記物質を濃縮して排出する前記濃縮室に移動させる。濃縮しようとするイオンがそれから除去され、かつ希釈された処理水の回収率は７０〜９０％であり、これは他の分離方法における回収率よりも高い。

本発明装置のスペーサーの面積当りの処理能力は１日当り３〜５トン／立法メートルであり、これは、従来の分離膜を用いた他の極性物質分離装置の膜面積当りの処理能力（１トン／立法メートル）よりも３〜５倍大きい。

本発明装置の構成は簡単で、自動化システムにも容易に適用可能であり、その処理容量を容易に増減することができる。さらに、本発明装置は従来の装置と比べてより効果的に極性物質を濃縮・分離できるので、超コンパクトな濃縮・分離システムを構築することもできる。

本発明は、特異的極性物質、イオン、またはコロイド性物質を液体から分離し、それらを処理するさまざまな分離装置、例えば、地下水や上水から硝酸性窒素イオン（ＮＯ_３）を選択的に分離・除去する装置などに適用可能である。

本発明のいくつかの例示的な実施形態は例示的な目的で開示したものであって、当業者であれば、種々の変更、付加および代替を添付の特許請求の範囲で開示した本発明の範囲および真の趣旨から逸脱することなく行い得ることを理解されるであろう。

Claims

極性物質を含む液体から極性物質を分離する装置であって、当該装置は、
液体が流入できるように形成される入口、その液体から極性物質を分離することによってその液体が希釈された後にその液体を排出できるように形成される希釈液出口と、その液体を排出できるように形成される濃縮液出口とを有し、前記分離された極性物質がその液体中で濃縮されることを特徴とするケースと；
前記ケース内に設置されると同時に互いに離間して外部電力の供給を受ける陽極と陰極と；
その液体と前記極性物質が通過できるように形成される細孔を有する少なくとも１つのスペーサーと；が含まれ、
前記スペーサーは前記陽極と前記陰極間に位置決めされて前記陽極と前記陰極間の空間を希釈室と濃縮室とに分割し、前記希釈室は前記入口と前記希釈液出口に連通し、前記濃縮室は前記濃縮液出口に連通し、そこで、前記希釈室内の液体に含まれる極性物質は前記陽極と前記陰極間の電位差によって前記少なくとも１つのスペーサーを経由して前記濃縮室に移動させられるので、前記極性物質を分離・排出できるようになっていることを特徴とする極性物質を含む液体から極性物質を分離する装置。
前記スペーサーは互いから所定の距離に位置決めされる第１スペーサーと第２スペーサーからなり、前記希釈室は前記第１スペーサーと第２スペーサー間に形成され、さらに、第１および第２濃縮室は前記第１および第２スペーサーの外側にそれぞれ形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
液体が通過できるように細孔を有する充填材をさらに含み、かつ、前記充填材が前記希釈室を充填することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
前記濃縮室を充填する濃縮室充填材をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
前記スペーサーは導電材からなることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
前記スペーサーは濃縮しようとする極性物質とは逆の極性を有する導電材からなることを特徴とする請求項５に記載の装置。
前記スペーサーは、熱結合または圧縮された不織布または極細繊維、精密濾過膜、限外濾過膜、および逆浸透膜からなる群から選択される１つの材料からなり、かつ、前記スペーサーは板膜または中空繊維膜の形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
前記スペーサーは、ナノファイバーをメッシュ型支持体に紡糸し、紡糸ナノファイバー内の溶媒が完全に蒸発してしまう前に金属メッシュをナノファイバー接合体に対して圧縮することによって得られたエレクトロスピニング法によるナノファイバーからなることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
前記支持体は金属メッシュまたは極性高分子メッシュからなることを特徴とする請求項８に記載の装置。
前記スペーサーは水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）などの導電物質を添加することによって得られることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
前記濃縮室充填材と前記スペーサーとは一体型ユニットとして形成されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
前記充填材は繊維状材料または粒状材料からなることを特徴とする請求項３または４に記載の装置。
前記充填材は導電材からなることを特徴とする請求項３または４に記載の装置。
前記充填材は濃縮しようとする極性物質とは逆の極性を有する導電材からなることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
前記充填材はイオン交換繊維、炭素繊維、無機繊維、極性高分子繊維、短繊維、長繊維、不織布、および織布からなる群から選択される１つの材料からなることを特徴とする請求項３または４に記載の装置。
前記陽極または前記陰極はＤＳＡからなることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
前記陽極または前記陰極は金属材料またはチタン材料の表面を酸化処理することによって得られることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
前記陽極または前記陰極は板形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
前記陽極または前記陰極はメッシュ型であることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
前記入口は前記ケースの下端部で前記希釈室に連通するように構成され、前記濃縮液出口は前記濃縮室の上部分に連通するように構成される、さらに、前記希釈液出口は前記希釈室の上部分に連通するように構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
前処理分離膜デバイスは、前記入口に供給される液体含まれる汚染物質を除去するように前記入口の前端部に設置されることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
前記陽極と前記陰極に直流電力を供給する整流器をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
複数の極性物質分離装置が並設されることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
前記処理液出口を介して排出される液体の量を制御する弁をさらに含み、かつ、前記極性物質はその液体から除去されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
前記濃縮液出口を介して排出される液体の量を制御する弁をさらに含み、かつ、前記極性物質はその液体中で濃縮されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。