JP2015160164A - 処理システムおよび処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】処理対象液を処理することによって混入する不純物が残存しにくい処理システムおよび処理方法を提供することである。【解決手段】実施形態の処理システムは、処理対象液を収容する第１収容槽と、ドロー液を収容する第２収容槽と、第１収容槽と第２収容槽との間に介挿される半透過膜と、を有する浸透圧処理部を持つ。ドロー液は、上限臨界溶液温度または下限臨界溶液温度を有する高分子で担体が化学修飾されてなる浸透圧誘起体と、溶媒とを含む。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、処理システムおよび処理方法に関する。

海水の脱塩方法としては、正浸透膜海水淡水化法（ＦＯ法）と呼ばれる方法が知られている。ＦＯ法では、半透過膜の透過側に、海水よりも高濃度の炭酸アンモニウム水を配置する。このことにより、半透過膜に圧力をかけることなく、炭酸アンモニウムの浸透圧によって、海水中の水を透過膜の供給側から透過側に引き込むことができる。半透過膜を通過した水を含む炭酸アンモニウム溶液は、６０℃程度に加熱する。これにより、水を含む炭酸アンモニウム溶液から炭酸アンモニウムが取り除かれ、水が得られる。

しかしながら、ＦＯ法は、処理効率が不十分であり、採算が取れない。また、炭酸アンモニウムを用いるＦＯ法では、海水から取り出した水を含む炭酸アンモニウム溶液から炭酸アンモニウムを完全に除去することは難しい。このため、ＦＯ法は、実用化には至っていない。

また、温度応答性ポリマーを用いて浸透圧を制御して、海水中の水を半透過膜の供給側から透過側に引き込んで水を取り出す方法もある。
しかし、従来の温度応答性ポリマーを用いる方法では、半透過膜を通過した水と温度応答性ポリマーとを含む溶液から、温度応答性ポリマーを分離しにくかった。このため、分離後の水中に、温度応答性ポリマーが残存する場合があった。

特開２０１３−１９４２４０号公報

Stimuli-responsive polymer hydrogels as a new class of draw agent for forward osmosis desalination Chemical Communications(2011),47(6),1710-1712

本発明が解決しようとする課題は、処理対象液を処理することによって混入する不純物が残存しにくい処理システムおよび処理方法を提供することである。

実施形態の処理システムは、処理対象液を収容する第１収容槽と、ドロー液を収容する第２収容槽と、第１収容槽と第２収容槽との間に介挿される半透過膜と、を有する浸透圧処理部を持つ。ドロー液は、上限臨界溶液温度または下限臨界溶液温度を有する高分子で担体が化学修飾されてなる浸透圧誘起体と、溶媒とを含む。

図１（ａ）は第１の実施形態の処理システムを示す概略構成図であり、図１（ｂ）は第１の実施形態の処理システムの変形例を示す概略構成図である。 浸透圧誘起体の製造方法の一例を説明するための説明図。 第２の実施形態の処理システムを示す概略構成図。 実施例で作成したサンプルを説明するための説明図。 実施例で作成したサンプルを説明するための説明図。

以下、実施形態の処理システムおよび処理方法を、図面を参照して説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には、同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は、各実施形態を説明するための模式図であり、各図に記載した形状や寸法比などは実際とは異なる個所があり、以下の説明と公知の技術を参酌して適宜設計変更できる。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、第１の実施形態の処理システムを示す概略構成図である。処理システム１０は、処理対象液１４である塩水を脱塩して、塩水に含まれる溶媒である水を取り出すものである。第１の実施形態の処理システム１０は、図１（ａ）に示すように、浸透圧処理部１と分離部２と加熱部（温度制御部）３と冷却部（温度制御部）３１とを有している。

図１（ａ）に示す処理システム１０は、浸透圧処理部１に処理対象液１４である塩水を供給する供給部６と、処理対象液１４から溶媒である水を取り出した濃縮液を浸透圧処理部１から排出する排出部７と、浸透圧処理部１から分離部２にドロー液１３を供給する配管５と、分離部２で分離された溶媒１５である水（処理水）を排出する処理液排出部８と、分離部２の供給槽２ｂから浸透圧処理部１の透過槽１ｃに浸透圧誘起体１２を供給する配管４ａ（再利用部４）とを有している。

本実施形態の処理システム１０では、浸透圧処理部１から分離部２にドロー液１３を供給するためのポンプ（不図示）を有していてもよいし、分離部２から浸透圧処理部１のドロー液１３に浸透圧誘起体１２を供給するポンプ（不図示）を有していてもよい。

浸透圧処理部１は、処理槽１ａと、処理槽１ａ内を供給槽（第１収容槽）１ｂと透過槽（第２収容槽）１ｃとに分離する半透過膜１１とを有している。供給槽１ｂは処理対象液１４を収容するものである。透過槽１ｃはドロー液１３を収容するものである。
半透過膜１１は、供給槽１ｂと透過槽１ｃとの間に介挿されている。半透過膜１１は、処理対象液１４に含まれる溶媒に対して透過性を有し、処理対象液１４に含まれる除去対象物に対して非透過性を有するものである。本実施形態においては、半透過膜１１として、処理対象液１４である塩水中に含まれる水に対して透過性を有し、塩に対して非透過性を有するものが用いられている。
処理槽１ａには、必要に応じて、処理槽１ａ内を撹拌する機械攪拌装置および／または非接触の磁気攪拌装置を設置してもよい。

浸透圧処理部１は、処理対象液１４である塩水とドロー液１３との浸透圧の差によって、処理対象液１４中の溶媒を半透過膜１１に通過させて、ドロー液１３に移動させるものである。ドロー液１３は、図１（ａ）に示すように、浸透圧誘起体１２と、塩水の溶媒１５である水とを含むものである。

浸透圧誘起体１２は、担体が下限臨界溶液温度を有する高分子（温度応答性ポリマー）で化学修飾されてなるものである。本実施形態では、浸透圧処理部１のドロー液１３中の浸透圧誘起体１２に含まれる温度応答性ポリマーは、ドロー液１３中の水と水和して液体状となっている（図１（ａ）においては、ドロー液１３の中に浸透圧誘起体１２が存在することを説明しやすくするために○で示している）。このことにより、浸透圧処理部１のドロー液１３の浸透圧が、処理対象液１４よりも高くなっている。

分離部２は、処理槽２ａと、処理槽２ａ内を供給槽（第３収容槽）２ｂと透過槽（第４収容槽）２ｃとに分離する分離膜２１とを有している。供給槽２ｂは浸透圧誘起体１２を含むドロー液１３を収容するものである。透過槽２ｃはドロー液１３から分離された溶媒１５を収容するものである。
分離部２は、浸透圧処理部１から処理槽２ａの供給槽２ｂに供給されたドロー液１３から、分離膜２１によってドロー液１３中の溶媒を分離するものである。本実施形態では、分離部２のドロー液１３中の浸透圧誘起体１２に含まれる温度応答性ポリマーは、固体状となっている。したがって、図１（ａ）に示す分離部２では、固体状に相変化された浸透圧誘起体１２を含むドロー液１３中の溶媒１５のみが、分離膜２１を通過して透過槽２ｃに供給され、ドロー液１３から溶媒１５である水が分離される。

分離膜２１は、供給槽２ｂと透過槽２ｃとの間に介挿されている。分離膜２１は、固体状に相変化された浸透圧誘起体１２の大きさ未満の孔を有するものであり、固体状に相変化された浸透圧誘起体１２に対して非透過性を有する。分離膜２１の材料としては、特に限定されるものではなく、例えば金属、ガラス、ろ布、セラミック、ポリマーなどからなるものが挙げられる。

加熱部（温度制御部）３は、図１（ａ）に示すように、分離部２の処理槽２ａにおける供給槽２ｂの外面に沿って配置されている。加熱部３は、分離部２において、浸透圧処理部１から供給されたドロー液１３中の浸透圧誘起体１２を、直接的または間接的に加熱するものである。
本実施形態においては、配管５を介して分離部２のドロー液１３に供給された浸透圧誘起体１２が、下限臨界溶液温度未満の温度であっても、加熱部３によって下限臨界溶液温度以上の温度に加熱される。このことにより、浸透圧誘起体１２に含まれる温度応答性ポリマーは固体状に相変化される。

加熱部３としては、浸透圧誘起体１２を下限臨界溶液温度以上の温度に加熱できるものであれば如何なるものを用いてもよく、例えば、ヒーター、ヒートポンプなどを用いることができる。加熱部３の熱源としては、ボイラなどを利用してもよいし、工場等の排熱等を利用してもよい。また、浸透圧誘起体１２に含まれる担体が磁性体である場合には、加熱部３として、担体に交番磁場を印加するものが用いられていることが好ましい。

冷却部（温度制御部）３１は、図１（ａ）に示すように、浸透圧処理部１の処理槽１ａにおける透過槽１ｃの外面に沿って配置されている。冷却部３１は、浸透圧処理部１において、ドロー液１３中の浸透圧誘起体１２を、直接的または間接的に冷却するものである。
本実施形態においては、処理システム１０の設置されている周囲環境温度が浸透圧誘起体１２に含まれる温度応答性ポリマーの下限臨界溶液温度未満の温度となっている。このため、処理システム１０を用いて処理対象液１４の処理を開始する時点では、浸透圧誘起体１２に含まれる温度応答性ポリマーは液体状に相変化されている。また、再利用部４の配管４ａを介して浸透圧処理部１の透過槽１ｃに供給された浸透圧誘起体１２が、下限臨界溶液温度以上の温度であっても、冷却部３１によって下限臨界溶液温度未満の温度に冷却される。このことにより、透過槽１ｃ内の浸透圧誘起体１２に含まれる温度応答性ポリマーは液体状に相変化される。

冷却部３１としては、浸透圧誘起体１２を下限臨界溶液温度未満の温度に冷却できるものであれば如何なるものを用いてもよく、例えば、チラーなどを用いることができる。

再利用部４は、分離部２によって溶媒１５と分離された浸透圧誘起体１２を、処理槽２ａの供給槽２ｂから浸透圧処理部１のドロー液１３に供給するものである。再利用部４は、図１（ａ）に示すように、分離部２の供給槽２ｂと浸透圧処理部１の透過槽１ｃとを接続する配管４ａを有する。
本実施形態の処理システム１０は、再利用部４を有しているので、浸透圧誘起体１２を再利用できる。

次に、本実施形態において用いられている浸透圧誘起体１２について詳細に説明する。
浸透圧誘起体１２は、担体が下限臨界溶液温度を有する温度応答性ポリマーで化学修飾されてなるものである。
担体としては、ドロー液１３中の溶媒に溶解しないものであって、下限臨界溶液温度を有する温度応答性ポリマーで化学修飾できるものが用いられる。
担体は、磁性体であることが好ましい。担体を形成する磁性体は、ヒステリシス損失による加熱の効率がよい、鉄、コバルト、ニッケルのいずれか１種以上を含む粒子であることが好ましい。

担体を形成する磁性体は、室温領域において強磁性を示す物質であることが望ましい。このような磁性体としては、例えば、鉄および鉄を含む合金が挙げられる。具体的には、磁鉄鉱、チタン鉄鉱、磁硫鉄鉱、マグネシアフェライト、コバルトフェライト、ニッケルフェライト、バリウムフェライトなどが挙げられる。処理対象液１４が塩水である場合には、上記の担体の材料の中でも水中での安定性に優れたフェライト系化合物を用いることが好ましい。例えば、磁鉄鉱であるマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）は、安価であるだけでなく、水中でも磁性体として安定し、元素としても安全であるため、処理対象液１４が塩水である場合の担体として好ましい。

担体としては、シリカ、チタニア、アルミナ、ジルコニアのいずれかの金属の酸化物又は半金属酸化物からなる粒子を用いてもよい。
また、担体としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂などの有機物からなる粒子を用いてもよい。

担体は、基材粒子と、基材粒子を被覆する被覆層とからなるものであってもよい。基材粒子としては、上述した担体の材料を用いることができる。被覆層としては、例えば、鉄および鉄を含む合金が挙げられる。具体的には、シリカからなる基材粒子の周囲に、マグネタイトからなる被覆層が形成されたものを用いることができる。また、基材粒子に、Ｃｕメッキ、Ｎｉメッキなどのメッキ処理を施すことにより、被覆層が形成されていてもよい。

担体の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、球状、多面体、不定形などの形状とすることができる。担体の形状は、球状または角の丸い多面体であることが好ましい。

担体の平均粒子径は、特に限定されないが、０．１〜５０００μｍであることが好ましく、より好ましくは１０〜５００μｍである。担体の平均粒子径が上記範囲であると、担体１２ａが十分な大きさを有しているため、例えば、担体として磁性体からなるものを用いた場合に、磁気を用いて浸透圧誘起体１２を含むドロー液１３から、浸透圧誘起体１２を容易に回収できる。また、担体が十分に小さいため、担体の比表面積が十分に大きいものとなり、温度応答性ポリマーの化学修飾量を十分に確保できる。よって、浸透圧誘起体１２による浸透圧処理部１のドロー液１３の浸透圧を高くする機能が十分に得られる。

担体の平均粒子径は、例えば、篩い分け法により測定できる。具体的には、ＪＩＳＺ８９０１：２００６「試験用粉体及び試験用粒子」に従って、目開きが１０μｍから５００μｍの間である篩いを、複数個用いて篩い分けることにより測定できる。

本実施形態においては、担体を化学修飾する温度応答性ポリマーとして、下限臨界溶液温度（ＬＣＳＴ：Ｌｏｗｅｒ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を有する温度応答性ポリマーが用いられている。
具体的には、下限臨界溶液温度（ＬＣＳＴ）を有する温度応答性ポリマーとして、例えば、Ｎ−ｎ−プロピルアクリルアミド、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド、Ｎ−ｔ−ブチルアクリルアミド、Ｎ−エチルアクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド、Ｎ−アクリロイルピロリジン、Ｎ−アクリロイルピペリジン、Ｎ−アクリロイルモルホリン、Ｎ−ｎ−プロピルメタクリルアミド、Ｎ−イソプロピルメタクリルアミド、Ｎ−エチルメタクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルメタクリルアミド、Ｎ−メタクリロイルピロリジン、Ｎ−メタクリロイルピペリジン、Ｎ−メタクリロイルモルホリン等のＮ置換（メタ）アクリルアミド誘導体を用いることができる。また、温度応答性ポリマーとして、ポリオキシエチレンアルキルアミン誘導体、ポリオキシエチレンソルビタンエステル誘導体、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル（メタ）アクリレート類、ポリオキシエチレン（メタ）アクリル酸エステル誘導体等を用いてもよい。下限臨界溶液温度（ＬＣＳＴ）を有する温度応答性ポリマーは、ホモポリマー、コポリマーのいずれであっても良い。

温度応答性ポリマーの下限臨界溶液温度は、１０℃以上５０℃以下であることが望ましい。下限臨界溶液温度が上記範囲であると、本実施形態の処理システム１０を２５℃程度の室温環境温度下に設置して使用する場合に、温度応答性ポリマーを相変化させるための加熱および／または冷却に必要なエネルギーが少なくて済むため、好ましい。また、下限臨界溶液温度が上記範囲であると、加熱部３の熱源として、工場等の排熱等を利用しやすいため、好ましい。

浸透圧誘起体１２は、例えば、以下に示す方法により製造できる。
例えば、担体が有機物からなるものである場合、担体に電子線などを照射して発生したラジカルを起点として、温度応答性ポリマーのモノマーをグラフト重合させることにより浸透圧誘起体１２を製造できる。

次に、担体が無機物からなるものである場合の浸透圧誘起体１２の製造方法について、図面を用いて説明する。図２は、浸透圧誘起体１２の製造方法の一例を説明するための説明図である。
まず、図２において式（ａ）に示すように、担体１２ａの表面をシランカップリング剤で修飾する。次いで、図２において式（ｂ）で示すように、シランカップリング剤の官能基を起点とし、ラジカル開始剤を用いて、ラジカル反応により温度応答性ポリマーを重合させる。このことにより浸透圧誘起体１２を製造できる。なお、図２においては、一例として、ラジカル開始剤としてアゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）を用い、温度応答性ポリマーとしてＮ−イソプロピルアクリルアミド（ＮＩＰＡＡｍ）を用いた場合を示している。担体を温度応答性ポリマーで化学修飾する際のラジカル反応は、例えば、温度応答性ポリマーのモノマーとシランカップリング剤で修飾された担体を溶媒に入れ、ラジカル開始剤を添加して５０℃〜１５０℃で反応させる方法により行うことができる。

シランカップリング剤としては、ビニル基、チオール基、アミノ基、ハロゲノ基などを有するものを用いることができる。シランカップリング剤としては、具体的には、３−メルカプトプロピルトリメトキシシランが挙げられる。
ラジカル開始剤としては、例えば、過酸化物触媒および／またはアゾ触媒を用いることができる。過酸化物触媒としては、例えば、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、第３級ブチルヒドロキシパーオキシドなどが挙げられる。アゾ触媒としては、アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）などが挙げられる。

浸透圧誘起体１２は、担体に化学修飾されている下限臨界溶液温度を有する温度応答性ポリマーの修飾量が多いものであることが好ましい。温度応答性ポリマーの修飾量が多いほど、浸透圧誘起体１２による浸透圧処理部１のドロー液１３の浸透圧を高くする機能が高くなり、好ましい。
また、浸透圧誘起体１２は、担体に化学修飾されている下限臨界溶液温度を有する温度応答性ポリマーの分子量が高いものであることが好ましい。温度応答性ポリマーの分子量が高いほど、浸透圧誘起体１２による浸透圧処理部１のドロー液１３の浸透圧を高くする機能が高くなる。具体的には、浸透圧誘起体１２は、担体に化学修飾されている温度応答性ポリマーの平均分子量が１０００以上のものであることが好ましい。

浸透圧誘起体１２のドロー液１３への投入量は、特に限定されるものではなく、ドロー液１３の浸透圧が処理対象液１４よりも高くなるように適宜調節される。

次に、図１（ａ）に示す第１の実施形態の処理システム１０を用いて、処理対象液を処理する処理方法について説明する。
まず、処理槽１ａ内の透過槽１ｃに浸透圧誘起体１２を供給する。処理槽１ａ内の透過槽１ｃには、処理システム１０による処理を開始する前に、予め浸透圧誘起体１２と半透過膜１１との接触部位を濡らすために、処理対象液１４の溶媒である水を供給してもよい。浸透圧処理部１の透過槽１ｃに供給された浸透圧誘起体１２の温度は、処理システム１０の周囲環境温度であって、下限臨界溶液温度未満の温度となっている。したがって、浸透圧誘起体１２は、浸透圧誘起体１２に含まれる温度応答性ポリマーが溶媒に水和して溶解した状態となっている。このことにより、ドロー液１３の浸透圧を高くする機能が得られる。
次いで、図１（ａ）に示すように、浸透圧処理部１の処理槽１ａ内の供給槽１ｂに、処理対象液１４である塩水を供給する。

処理システム１０では、処理槽１ａ内の供給槽１ｂに処理対象液１４を供給すると、処理対象液１４と、予め処理槽１ａの透過槽１ｃに収容されているドロー液１３との浸透圧の差が発生する。この浸透圧の差が、半透過膜１１に処理対象液１４中の溶媒である水を通過させる駆動力となって、処理対象液１４中の水が、半透過膜１１を通過して透過槽１ｃのドロー液１３に移動する（透過処理工程）。このようにして半透過膜１１を通過した溶媒は、半透過膜１１によって脱塩される。
図１（ａ）に示すように、処理対象液１４から溶媒である水を取り出した処理対象液１４の濃縮液は、浸透圧処理部１から排出部７を介して排出される。

次に、図１（ａ）に示すように、浸透圧処理部１の処理槽１ａの透過槽１ｃから配管５を介してドロー液１３を分離部２に供給する。分離部２に移動したドロー液１３は、加熱部３によって、ドロー液１３中の浸透圧誘起体１２が下限臨界溶液温度以上の温度となるように加熱される。その結果、浸透圧誘起体１２に含まれる温度応答性ポリマーが固体状に相変化される。浸透圧誘起体１２が下限臨界溶液温度以上の温度になると、温度応答性ポリマーの高分子鎖から、水和していた水分子がはずれるため、浸透圧を誘起する力はなくなる。

本実施形態において、浸透圧誘起体１２に含まれる担体が磁性体であって、加熱部３として、担体に交番磁場を印加するものが用いられている場合、担体に交番磁場を印加することにより、ヒステリシス損失が生じて磁性体である担体が発熱する。このため、浸透圧誘起体１２に非接触で、担体を化学修飾している温度応答性ポリマーの高分子を効率よく加熱できる。例えば、加熱部３がヒーターである場合、分離部２の処理槽２ａ内の供給槽２ｂに収容されているドロー液１３中の浸透圧誘起体１２を下限臨界溶液温度以上の温度にするには、供給槽２ｂに収容されているドロー液１３全体を加熱する必要がある。よって、担体に交番磁場を印加する方法により、担体を化学修飾している温度応答性ポリマーの高分子を加熱する場合、加熱部３がヒーターである場合と比較して、温度応答性ポリマーを相変化させるために必要なエネルギーが少なくて済む。

本実施形態においては、図１（ａ）に示すように、分離部２の分離膜２１によって、固体状に相変化された浸透圧誘起体１２を含むドロー液１３から、ドロー液１３中の溶媒１５が分離される。そして、分離部２で分離された溶媒１５である水（処理水）は、処理液排出部８を介して排出される。

本実施形態においては、分離部２で分離された固体状に相変化された浸透圧誘起体１２は、分離部２から浸透圧処理部１のドロー液１３に配管４ａ（再利用部４）を介して供給され、再利用される。
本実施形態においては、浸透圧処理部１のドロー液１３中に移動した浸透圧誘起体１２は、冷却部３１によって、下限臨界溶液温度未満の温度となるように冷却される。その結果、浸透圧誘起体１２に含まれる温度応答性ポリマーが液体状に相変化される。

本実施形態の処理システム１０は、処理対象液１４を収容する供給槽１ｂと、ドロー液１３を収容する透過槽１ｃと、供給槽１ｂと透過槽１ｃとの間に介挿される半透過膜１１と、を有する浸透圧処理部１を有し、ドロー液１３が、下限臨界溶液温度を有する温度応答性ポリマーで担体が化学修飾されてなる浸透圧誘起体１２と、溶媒１５とを含む。このため、処理対象液１４中の溶媒１５が、処理対象液１４とドロー液１３との浸透圧の差によって半透過膜１１を通過して、ドロー液１３に移動する。したがって、本実施形態のシステム１０では、処理対象液１４を半透過膜１１に通過させるためのエネルギーが不要であり、処理対象液１４の処理に必要なエネルギーが少なくて済む。

また、本実施形態の処理システム１０は、ドロー液１３が、下限臨界溶液温度を有する温度応答性ポリマーで担体が化学修飾されてなる浸透圧誘起体１２と、溶媒１５とを含むものである。下限臨界溶液温度を有する温度応答性ポリマーで担体が化学修飾されてなる浸透圧誘起体１２は、下限臨界溶液温度以上の温度に加熱することにより、浸透圧誘起体１２に含まれる温度応答性ポリマーが固体状に相変化される。固体状の浸透圧誘起体１２は、溶解性が非常に低く、形状安定性に優れているため、ろ過速度が速く、ハンドリング性も良好である。したがって、これを含むドロー液１３から容易に高精度で分離できる。よって、例えば、浸透圧誘起体１２に代えて下限臨界溶液温度を有する温度応答性ポリマーのみを用いた場合と比較して、処理対象液１４を処理することによって混入する不純物が、処理後の液体（処理水）中に残存しにくく、高純度の処理水が得られる。また、再利用する浸透圧誘起体１２を高い回収率で回収できる。

図１（ａ）に示す処理システム１０の変形例としては、以下に示すものが挙げられる。
例えば、本実施形態において、浸透圧誘起体１２に含まれる担体が磁性体である場合、磁気を用いて浸透圧誘起体１２を含むドロー液１３から浸透圧誘起体１２を回収してもよい。この方法によっても、浸透圧誘起体１２を含むドロー液１３から、ドロー液１３中の溶媒を分離できる。この場合、浸透圧誘起体１２を含むドロー液１３を、分離部２の分離膜２１に通過させなくてもよい。したがって、分離膜２１はなくてもよい。

図１（ａ）に示す処理システム１０では、分離部２の処理槽２ａにおける供給槽２ｂの外面に加熱部３を設けたが、加熱部３は、浸透圧処理部１から分離部２にドロー液１３を供給する配管５に設けてもよい。
図１（ａ）に示す処理システム１０では、浸透圧処理部１の処理槽１ａにおける透過槽１ｃの外面に冷却部３１を設けたが、冷却部３１は、分離部２から浸透圧処理部１のドロー液１３に浸透圧誘起体１２を供給する配管４ａ（再利用部４）に設けてもよい。

図１（ａ）に示す処理システム１０では、冷却部３１を設けたが、図１（ｂ）に示す処理システム１０ａのように、図１（ａ）に示す冷却部３１はなくてもよい。すなわち、処理システム１０ａの設置されている周囲環境温度は、浸透圧誘起体１２に含まれる温度応答性ポリマーの下限臨界溶液温度未満である。この場合には、処理システム１０ａを用いて処理対象液１４の処理を開始する時点では、冷却部を用いて冷却しなくても、浸透圧誘起体１２に含まれる温度応答性ポリマーは液体状に相変化されている。したがって、分離部２において固体状に相変化された浸透圧誘起体１２を再利用しない場合には、冷却部によって、浸透圧誘起体１２を冷却する必要はない。
また、配管４ａを介して浸透圧処理部１のドロー液１３に供給された浸透圧誘起体１２が、下限臨界溶液温度以上の温度であっても、周囲環境温度によって徐々に冷却されて下限臨界溶液温度未満の温度となり、浸透圧誘起体１２に含まれる温度応答性ポリマーは液体状に相変化される。このため、冷却部が設けられていなくても、温度応答性ポリマーを液体状に相変化させることができ、処理対象液１４の処理に必要なエネルギーが少なくて済む。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、浸透圧誘起体１２として、担体が下限臨界溶液温度を有する温度応答性ポリマーで化学修飾されてなるものを用いる場合を例に挙げて説明した。第２の実施形態の処理システム２０は、浸透圧誘起体２２として、担体が上限臨界溶液温度（ＵＣＳＴ：Ｕｐｐｅｒ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を有する温度応答性ポリマーで化学修飾されてなるものである場合について説明する。

図３は、第２の実施形態の処理システムを示す概略構成図である。図３に示す第２の実施形態の処理システム２０が、図１（ａ）に示す第１の実施形態の処理システム１０と異なるところは、浸透圧誘起体２２に含まれる温度応答性ポリマーの種類と、加熱部３と冷却部３１とが交換して設置されていることであるので、同じ部材については説明を省略する。

浸透圧誘起体２２に含まれる上限臨界溶液温度（ＵＣＳＴ）を有する温度応答性ポリマーとしては、例えば、アクリロイルグリシンアミド、アクリロイルニペコタミド、アクリロイルアスパラギンアミド、アクリルアミド、アセチルアクリルアミド、ビオチノールアクリレート、Ｎ−ビオチニル−Ｎ´−メタクロイルトリメチレンアミド、アクロイルグリシンアミド、アクロイルザルコシンアミド、メタクリルザルコシンアミド、アクロイルメチルウラシル、Ｎ−アセチルアクリルアミド−メタクリルアミド共重合体等が挙げられる。上限臨界溶液温度（ＵＣＳＴ）を有する温度応答性ポリマーは、ホモポリマー、コポリマーのいずれであっても良い。

温度応答性ポリマーの上限臨界溶液温度は、１０℃以上５０℃以下であることが望ましい。上限臨界溶液温度が上記範囲であると、本実施形態の処理システム２０を２５℃程度の室温環境温度下に設置して使用する場合に、温度応答性ポリマーを相変化させるための加熱および／または冷却に必要なエネルギーが少なくて済むため、好ましい。また、上限臨界溶液温度が上記範囲であると、加熱部３の熱源として、工場等の排熱等を利用しやすいため、好ましい。

本実施形態においては、加熱部３（温度制御部）は、浸透圧処理部１のドロー液１３中の浸透圧誘起体２２の温度を上限臨界溶液温度以上の温度に加熱するものであり、浸透圧誘起体２２に含まれる温度応答性ポリマーを液体状に相変化させるものである。
また、冷却部３１（温度制御部）は、分離部２のドロー液１３中の浸透圧誘起体２２の温度を上限臨界溶液温度未満の温度に冷却するものであり、浸透圧誘起体２２に含まれる温度応答性ポリマーを固体状に相変化させるものである。

浸透圧誘起体２２は、第１の実施形態における浸透圧誘起体１２と同様にして製造できる。

次に、図３に示す第２の実施形態の処理システム２０を用いて、処理対象液を処理する処理方法について説明する。
まず、処理槽１ａ内の透過槽１ｃに浸透圧誘起体２２を供給する。処理槽１ａ内の透過槽１ｃには、処理システム２０による処理を開始する前に、予め浸透圧誘起体２２と半透過膜１１との接触部位を濡らすため、処理対象液１４の溶媒である水を供給してもよい。浸透圧処理部１の透過槽１ｃに供給された浸透圧誘起体２２は、加熱部３によって、ドロー液１３中の浸透圧誘起体２２が上限臨界溶液温度以上の温度となるように加熱される。その結果、浸透圧誘起体２２に含まれる温度応答性ポリマーが溶媒に水和して溶解した状態とされている。

本実施形態において、浸透圧処理部１のドロー液１３中の浸透圧誘起体２２の温度を上限臨界溶液温度以上の温度に加熱する方法としては、上述した第１の実施形態において、分離部２の処理槽２ａに収容されているドロー液１３の浸透圧誘起体１２を加熱する方法と同様の方法を用いることができる。

次いで、図３に示すように、浸透圧処理部１の処理槽１ａ内の供給槽１ｂに、処理対象液１４である塩水を供給し、上述した第１の実施形態と同様にして、透過処理工程を行って、浸透圧処理部１の処理槽１ａ内の透過槽１ｃから配管５を介してドロー液１３を分離部２に供給する。
分離部２に移動したドロー液１３中の浸透圧誘起体２２の温度は、冷却部３１によって、上限臨界溶液温度未満の温度となるように冷却される。その結果、浸透圧誘起体２２に含まれる温度応答性ポリマーが固体状に相変化される。

続いて、上述した第１の実施形態と同様にして、分離部２の分離膜２１によって、固体状に相変化された浸透圧誘起体２２を含むドロー液１３から、ドロー液１３中の溶媒１５が分離される。そして、分離部２で分離された溶媒１５である水（処理水）は、処理液排出部８を介して排出される。
また、上述した第１の実施形態と同様にして、分離部２で分離された固体状に相変化された浸透圧誘起体２２は、分離部２から浸透圧処理部１のドロー液１３に配管４ａ（再利用部４）を介して供給され、再利用される。

本実施形態の処理システム２０は、処理対象液１４を収容する供給槽１ｂと、ドロー液１３を収容する透過槽１ｃと、供給槽１ｂと透過槽１ｃとの間に介挿される半透過膜１１と、を有する浸透圧処理部１を有し、ドロー液１３が、上限臨界溶液温度を有する温度応答性ポリマーで担体が化学修飾されてなる浸透圧誘起体２２と、溶媒１５とを含む。このため、第１の実施形態の処理システム１０と同様に、処理対象液１４を半透過膜１１に通過させるためのエネルギーが不要であり、処理対象液１４の処理に必要なエネルギーが少なくて済む。

また、本実施形態の処理システム２０は、ドロー液１３が、上限臨界溶液温度を有する温度応答性ポリマーで担体が化学修飾されてなる浸透圧誘起体２２と、溶媒１５とを含むものである。上限臨界溶液温度を有する温度応答性ポリマーで担体が化学修飾されてなる浸透圧誘起体２２は、上限臨界溶液温度未満の温度になることにより、浸透圧誘起体２２に含まれる温度応答性ポリマーが固体状に相変化される。固体状の浸透圧誘起体２２は、溶解性が非常に低く、形状安定性に優れているため、ろ過速度が速く、ハンドリング性も良好である。したがって、これを含むドロー液１３から容易に高精度で分離できる。よって、例えば、浸透圧誘起体２２に代えて下限臨界溶液温度を有する温度応答性ポリマーのみを用いた場合と比較して、処理対象液１４を処理することによって混入する不純物が、処理後の液体（処理水）中に残存しにくく、高純度の処理水が得られる。

次に、本実施形態の処理システムの他の例を説明する。
上記各実施形態では、処理システムとして、塩水から水を取り出す場合を例に挙げて説明したが、上記の処理システムは、塩水から水を取り出すものに限定されるものではない。すなわち、処理システムによって処理される処理対象液は、浸透圧誘起体および半透過膜を用いて浸透圧処理により処理できるものであれば、如何なるものであってもよく、例えば、地下水、工業排水などであってもよい。

上記各実施形態においては、温度制御部として、加熱部を有する場合を例に挙げて説明したが、温度制御部は浸透圧誘起体を冷却する冷却部のみを有するものであってもよい。温度制御部は、浸透圧処理部および／または分離部において、ドロー液中の浸透圧誘起体を加熱または冷却して浸透圧誘起体を相変化させることができるものであり、加熱部と冷却部の両方、加熱部のみ、冷却部のみのどれを選択するかは、浸透圧誘起体に含まれる温度応答性ポリマーの種類と、処理システムの設置される周囲環境温度とに応じて、適宜決定される。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、処理対象液を収容する第１収容槽と、ドロー液を収容する第２収容槽と、第１収容槽と第２収容槽との間に介挿される半透過膜と、を有する浸透圧処理部を持ち、ドロー液が、上限臨界溶液温度または下限臨界溶液温度を有する高分子で担体が化学修飾されてなる浸透圧誘起体と、溶媒とを持つことにより、処理対象液の処理に必要なエネルギーが少なくて済むとともに、処理することによって混入する不純物が、処理後の液体（処理水）中に残存しにくく、高純度の処理水が得られる。

以下に示す浸透圧誘起体を合成して評価した。
（実施例１）
シリカゲル７ｇに対して、シランカップリング剤である３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン５ｇとアセトン２０ｍＬとを加えた。エバポレーターで溶媒を除去し，９０℃で２４時間乾燥した。
アニソール１５ｍＬに得られた固体０．５ｇとＮ−イソプロピルアクリルアミド（ＬＣＳＴ＝３２℃）を１ｇとラジカル開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）を０．３ｇとを加え，窒素雰囲気下７５℃で２４時間反応させた。得られた固体をろ過し，アセトンで洗浄した後，減圧乾燥させ，白色固体からなる浸透圧誘起体を得た。

（実施例２）
マグネタイトを、シリカゲルに代えて用いたこと以外は、実施例１と同様にして、褐色固体からなる浸透圧誘起体を得た。

（実施例３）
純水５０ｍＬにシリカゲル５ｇと塩化鉄（ＩＩ）４水和物９ｇと塩化鉄（ＩＩＩ）６水和物２４ｇとを加え，７５℃で攪拌した後、２８％アンモニウム水溶液１００ｍＬを滴下し，３０分反応させた。反応後、ろ過して純水で十分に洗浄し，乾燥させた。このことにより、シリカからなる基材粒子がマグネタイトからなる被覆層で被覆された茶褐色の固体からなるマグネタイト−シリカ担体を得た。そして、得られたマグネタイト−シリカ担体を、シリカゲルに代えて用いたこと以外は、実施例１と同様にして、茶褐色固体からなる浸透圧誘起体を得た。

（比較例１）
浸透圧誘起体としてポリ−Ｎ−イソプロピルアクリルアミド０．１ｇを２ｍＬの純水に溶解させたものを用意した。
このようにして得られた実施例１〜３、比較例１の各浸透圧誘起体を用いて、それぞれ以下に示す試験を行ない評価した。

（試験１：浸透圧測定）
図４に示す一方の円筒９ａと他方の円筒９ｂの内径５ｍｍの２つの円筒の間に、半透膜９１（商品名：ＥＳ−２０ 日東電工製）と、その両側に配置された中心に直径５ｍｍの円形の穴を有するゴム製のパッキン９２とを挟んで、図５に示すように固定した。図４には、パッキン９２の平面図も併せて示す。

そして、一方の円筒９ａに、処理対象液である０．０１ｗｔ％の塩化ナトリウム水溶液を入れた。他方の円筒９ｂには、浸透圧誘起体を０．１ｇ入れた。また、他方の円筒９ｂには、浸透膜誘起体の膜接触部位を濡らすため、水を１ｍＬ入れた。
このようにして作成したサンプルでは、浸透圧の差によって処理対象液中の溶媒が半透過膜を通過すると、一方の円筒９ａの水が減り、他方の円筒９ｂの水が増える。２４時間後の一方の円筒９ａの水量の変化より、半透膜を介しての水の移動の有無を判断した。試験１の試験温度は２５℃であった。

（試験２：加熱／冷却による再生試験）
試験１を行った実施例１〜３、比較例１のサンプルをそれぞれ４０℃に加熱し、他方の円筒９ｂの水を、試験１を行う前の水量まで減らして室温まで冷却した。その後、再度試験１と同様の試験を行った。

（試験３：磁場印加による再生試験）
試験１を行ったサンプルに対して、それぞれ下記の条件で交番磁場を印加し、他方の円筒９ｂの水を、試験１を行う前の水量まで減らした。その後、再度試験１と同様の試験を行った。
アンプ４００５ Ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＮＦ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製）の先に、ファンクションジェネレーター３３１０Ｂ（Ｙｏｋｏｇａｗａ Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ製）をつなげ，銅製のコイル（６１４ Ｔ）に３００Ｈｚで１５０ｍＶｐ−ｐ，７５ｍＡｐ−ｐで通電し，コイル内にサンプルを入れた状態で起磁力１５３５ＡＴ／ｍを発生させ、１時間保持した。

（試験４：ろ過速度の測定）
実施例１〜３の浸透圧誘起体０．５ｇに純水１０ｍＬを加え、４０℃に保持した状態で、桐山漏斗（ろ紙：５ｃ）を用いて吸引ろ過し、ろ過が完了するまでの時間を測定した。
比較例１については、浸透圧誘起体として、ポリ−Ｎ−イソプロピルアクリルアミド０．５ｇを用いた。

（試験５：ポリマーの溶出試験）
試験２において他方の円筒９ｂから採取した水の有機成分（ＴＯＣ）の有無を、全有機体炭素計により測定した。これによりポリマーの水への溶出の有無を測定した。

実施例１〜３、比較例１の各試験の結果を表１に示す。
試験２および試験３の結果は、試験１での通過速度を基準（１．０）とし、それに対して変化があるかどうかを記載した。
また、実施例１〜３、比較例１において、ポケット塩分計ＰＡＬ−ＥＳ２（商品名：株式会社アタゴ製）を用いて、膜を通過した水の塩濃度を調べた。その結果、実施例１〜３、比較例１の全てにおいて検出限界以下であった。

（実施例４）
シリカゲル７ｇに対して、シランカップリング剤である３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン５ｇとアセトン２０ｍＬとを加えた。次いで、エバポレーターで溶媒を除去し，９０℃で２４時間乾燥した。
その後、アニソール１５ｍＬに得られた固体０．５ｇとＮ−アセチルアクリルアミドを１．３６ｇと，メタクリルアミドを０．０８５ｇと、ラジカル開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）０．３ｇとを加え，窒素雰囲気下７５℃で２４時間反応させた。得られたＮ−アセチルアクリルアミド−メタクリルアミド共重合体（ＵＣＳＴ＝２１℃）修飾固体をろ過し，アセトンで洗浄した後，減圧乾燥させ、茶褐色固体からなる浸透圧誘起体を得た。

このようにして得られた実施例４の浸透圧誘起体を用いて、以下に示す試験を行ない評価した。

（試験１：浸透圧測定）
上記の実施例１と同様にして行った。
（試験２：加熱／冷却による再生試験）
試験１を行った実施例４のサンプルについて、４℃に冷却し、他方の円筒９ｂの水を、試験１を行う前の水量まで減らして、室温とした。その後、再度試験１と同様の試験を行った。

（試験４：ろ過速度の測定）
実施例４の浸透圧誘起体０．５ｇに純水１０ｍＬを加え、４℃に保持した状態で、桐山漏斗（ろ紙：５ｃ）を用いて吸引ろ過し、ろ過が完了するまでの時間を測定した。
（試験５：ポリマーの溶出試験）
上記の実施例１と同様にして行った。

実施例４の各試験の結果を表１に示す。
試験２の結果は、試験１での通過速度を基準（１．０）とし、それに対して変化があるかどうかを記載した。
また、実施例４において、ポケット塩分計ＰＡＬ−ＥＳ２（商品名：株式会社アタゴ製）を用いて、膜を通過した水の塩濃度を調べた。その結果、検出限界以下であった。

表１に示すように、実施例１〜４の浸透圧誘起体を用いることで、浸透圧の差によって処理対象液中の溶媒を半透過膜に通過させることができた。また、実施例１〜３の浸透圧誘起体を下限臨界溶液温度以上の温度に加熱、実施例４の浸透圧誘起体を上限臨界溶液温度以下に冷却することにより、浸透圧誘起体の浸透圧誘起機能を再生できることが分かった。
また、担体が磁性体である実施例２および実施例３の試験３の結果から、交番磁場を印加する方法を用いて、浸透圧誘起体の浸透圧誘起機能を再生できることが分かった。

比較例１では、浸透圧の差によって処理対象液中の溶媒を半透過膜に通過させることはできた。しかし、比較例１の試験２の結果からわかるように、下限臨界溶液温度以上の温度に加熱した後の通過速度が低下した。
この理由は、比較例１で使用したポリマーでは、下限臨界溶液温度以上の温度に加熱した状態の時に、不溶解化が十分でない分子量の小さいポリマーが含まれていると考えられる。また、下限臨界溶液温度以上の温度に加熱した状態の時に、水に溶けた状態で存在していたポリマーもあると推定される。比較例１で使用したポリマーは、固体の表面などに固定されたものではないため、下限臨界溶液温度以上の温度に加熱した状態の時に水に溶けた状態で存在していたポリマーは、除去した透過水とともに除去されてしまったと推定される。その結果、浸透圧誘起体の総量が減って、下限臨界溶液温度以上の温度に加熱した後の通過速度が低下したものと推定される。
また、比較例１では、ポリマーの水への溶出が起きてしまっていた。
また、比較例１では、ろ過速度が非常に遅く、ハンドリング性も悪かった。

以上の結果から、実施例で得た浸透圧誘起体および処理方法は、ハンドリング性よく、再生後も浸透圧誘起力を維持したまま運用できることが分かる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…浸透圧処理部、１ａ、２ａ…処理槽、１ｂ…供給槽（第１収容槽）、１ｃ…透過槽（第２収容槽）、２…分離部、２ｂ…供給槽（第３収容槽）、２ｃ…透過槽（第４収容槽）、３…加熱部、４…再利用部、４ａ…配管、５…配管、６…供給部、７…排出部、８…処理液排出部、１０、２０…処理システム、１１…半透過膜、１２、２２…浸透圧誘起体、１３…ドロー液、１４…処理対象液、１５…溶媒、２１…分離膜、３１…冷却部

Claims (9)

1. 処理対象液を収容する第１収容槽と、
   ドロー液を収容する第２収容槽と、
   前記第１収容槽と前記第２収容槽との間に介挿される半透過膜と、を有する浸透圧処理部を有し、
   前記ドロー液が、上限臨界溶液温度または下限臨界溶液温度を有する高分子で担体が化学修飾されてなる浸透圧誘起体と、溶媒とを含む処理システム。
2. 前記浸透圧誘起体を含む前記ドロー液を収容する第３収容槽と、
   前記ドロー液から分離された前記溶媒を収容する第４収容槽と、
   前記第３収容槽と前記第４収容槽との間に介挿され、固体状に相変化された前記浸透圧誘起体の大きさ未満の孔を有する分離膜と、を有する分離部を有し、
   前記浸透圧処理部および／または前記分離部に、前記ドロー液中の前記浸透圧誘起体を加熱または冷却する温度制御部を有する請求項１に記載の処理システム。
3. 前記浸透圧誘起体が、下限臨界溶液温度を有する高分子で担体が化学修飾されてなるものであり、
   前記温度制御部が、前記分離部の前記ドロー液中の前記浸透圧誘起体を加熱する加熱部を有する請求項１または請求項２に記載の処理システム。
4. 前記浸透圧誘起体が、上限臨界溶液温度を有する高分子で担体が化学修飾されてなるものであり、
   前記浸透圧処理部が、前記浸透圧処理部の前記ドロー液中の前記浸透圧誘起体を加熱する加熱部を有する請求項１または請求項２に記載の処理システム。
5. 前記担体が磁性体を含む請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の処理システム。
6. 前記担体が磁性体を含み、前記加熱部が前記担体に交番磁場を印加するものである請求項３または請求項４に記載の処理システム。
7. 前記磁性体が、鉄、コバルト、ニッケルのいずれか１種以上を含む粒子である請求項５または請求項６に記載の処理システム。
8. さらに、前記第３収容槽と前記第２収容槽とを接続する配管を有する再利用部を有する請求項２〜請求項７のいずれか一項に記載の処理システム。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の処理システムを用いて、処理対象液を処理する処理方法であって、
   前記浸透圧処理部の前記第１収容槽に前記処理対象液を供給し、前記処理対象液中の溶媒を、前記処理対象液と前記ドロー液との浸透圧の差によって前記半透過膜を通過させて、前記第２収容槽に移動させる透過処理工程を有する処理方法。

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