JP2021098153A - 濃縮装置、濃縮方法、及び二酸化炭素固定化システム - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト・低エネルギー、かつ高効率で二価イオンを濃縮する濃縮装置及び濃縮方法の提供、並びに、低コスト・低エネルギー、かつ高効率で二酸化炭素を固定化する二酸化炭素固定化システムの提供。【解決手段】イオン交換膜２２ａと一価イオン選択膜２２ｂとを備え、二価イオンを濃縮する濃縮部２を有する濃縮装置１Ａ及び濃縮方法と、二価イオンを濃縮する濃縮装置と、炭酸イオン生成部と、炭酸塩を生成する反応部とを備える二酸化炭素固定化システム。【選択図】図２

Description

本発明は、濃縮装置及び濃縮方法に関するものである。特に、本発明は、二価イオンの濃縮を行う濃縮装置及び濃縮方法に関するものである。
また、本発明は、二酸化炭素固定化システムに関するものである。特に、本発明は、二価イオンの濃縮を行う濃縮装置を備える二酸化炭素固定化システムに関するものである。

近年、地球温暖化などの環境問題に対して大きな影響を与えるとされる二酸化炭素について、環境への排出を抑制することが早急に対応すべき課題となっている。この課題に対し、二酸化炭素の排出量自体を削減する技術や、排出された二酸化炭素を回収し、固定化する技術に係る研究が進められている。

特に、二酸化炭素の回収・固定化に係る技術として、様々な方法が検討されている。例えば、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を回収する方法として、モノエタノールアミンなどの吸収液に二酸化炭素を溶解させる化学吸収法や、ガス吸着能を有する吸着剤に二酸化炭素を吸着させる物理吸着法のほか、膜を用いた膜分離法などが知られている。これらの方法では、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を選択的に回収することができるが、二酸化炭素を環境中に排出させないためには、さらにエネルギーを使って二酸化炭素のみを回収し、固定化に係る処理を行う必要がある。そのため、二酸化炭素の回収・固定化におけるエネルギー消費が大きくなるという問題がある。

また、二酸化炭素の回収・固定化に係る他の技術としては、二酸化炭素を化学反応により炭酸塩とする炭酸塩固定法が知られている。ここで、二酸化炭素と反応して炭酸塩を形成する成分としては、二価の金属イオンが知られている。そして、炭酸塩固定法においては、二酸化炭素と反応して炭酸塩を形成する成分として、鉱物・鉱石や鉄鋼スラグを利用するものに関する研究、検討が行われている。

例えば、特許文献１には、特定の高炉スラグ及びアルカリを混合した水溶液に二酸化炭素を供給し、高炉スラグから溶出したカルシウムと二酸化炭素を反応させて炭酸塩を生成する二酸化炭素の固定化方法が記載されている。

特開２０１７−２１４２６２号公報

炭酸塩固定法によって二酸化炭素を固定化するためには、二価の金属イオンと二酸化炭素とを接触させる必要がある。このとき、二酸化炭素と反応する二価の金属イオンの濃度を高くすることで、二酸化炭素の固定化を高効率化することが可能となる。
一方、特許文献１に記載された炭酸塩固定法では、高炉スラグ自体の化学的処理及び物理的処理が必要であるとともに、高炉スラグからカルシウムを取り出すため、アルカリを使用する必要があり、薬品の使用に伴うコストがかかる。さらに、特許文献１には、高炉スラグとアルカリの混合水溶液におけるカルシウムの溶解度を高めるために、混合水溶液を加熱することが記載されている。したがって、特許文献１に記載された炭酸塩固定法では、二酸化炭素と反応する二価イオンを得るために多くのエネルギーが必要であるという課題がある。

二酸化炭素の排出抑制に係る技術においては、二酸化炭素の固定化を高効率化する技術だけではなく、環境負荷低減の観点から、二酸化炭素の固定化に使用するエネルギーや薬品使用に伴うコストを低減することも大きな課題となる。つまり、二酸化炭素と反応して炭酸塩を形成する二価の金属イオンのように、特定のイオン種を低コスト・低エネルギーで得るための技術が求められている。

本発明の課題は、低コスト・低エネルギー、かつ高効率で二価イオンを濃縮することができる濃縮装置及び濃縮方法を提供することである。また、本発明の課題は、低コスト・低エネルギー、かつ高効率で二酸化炭素を固定化することができる二酸化炭素固定化システムを提供することである。

本発明者は、上記の課題について鋭意検討した結果、２種類のイオン交換膜を用いることで、低コスト・低エネルギー、かつ高効率で二価イオンを濃縮することができることを見出して、本発明を完成した。また、本発明者は、濃縮した二価イオンと、炭酸イオン化した二酸化炭素とを接触させることで、低コスト・低エネルギー、かつ高効率で二酸化炭素を炭酸塩として固定化することが可能となることを見出して、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の濃縮装置、濃縮方法、及び二酸化炭素固定化システムである。

上記課題を解決するための本発明の濃縮装置は、二価イオンを濃縮する濃縮部を備えた濃縮装置であって、濃縮部は、イオン交換膜と、一価イオン選択膜と、を備えるという特徴を有する。

本発明の濃縮装置は、複数のイオン交換膜を備えるという簡便な構造により、二価イオン以外のイオンを含むものから効率的に二価イオンを選択して濃縮することが可能となる。また、二価イオンの濃縮を、常温・常圧下で行うこともできるため、運転に係るエネルギー及びコストを低減することが可能となる。

また、本発明の濃縮装置の一実施態様としては、イオン交換膜と一価イオン選択膜は、陽イオン交換膜であるという特徴を有する。
この特徴によれば、二価の陽イオンを低コスト・低エネルギー、かつ高効率で濃縮することができる。なお、濃縮した二価の陽イオンは、二酸化炭素固定化における炭酸塩固定法などに好適に用いることができる。

また、本発明の濃縮装置の一実施態様としては、濃縮部は、海水中の二価イオンを濃縮するという特徴を有する。
従来、炭酸塩固定法で用いられる二価イオンを得るためには、鉱物・鉱石や鉄鋼スラグに対し、様々な化学的・物理的処理を経る必要があった。一方、海水は、二価イオンが溶液内で既にイオンの状態で存在しているものであるとともに、一定量の二価イオンが含まれることから、安定した量の二価イオンを供給することができる二価イオン源として用いることができる。
したがって、この特徴によれば、二価イオンの原料調達にかかるコスト及びエネルギーを大幅に低減させることが可能になる。

また、本発明の濃縮装置の一実施態様としては、濃縮部は、イオン交換膜を介して選択的にイオンを透過させるイオン移動手段と、一価イオン選択膜を介し、イオン移動手段により透過させたイオンのうち、一価イオンのみを透過させる一価イオン移動手段と、を備えるという特徴を有する。
この特徴によれば、イオン交換膜と一価イオン選択膜において、それぞれ透過するイオン種を特定することにより、効率的に二価イオンを濃縮することが可能となる。また、イオン交換膜と一価イオン選択膜の間に濃縮した二価イオンが貯留されるため、二価イオンの活用・回収が容易となる。

また、本発明の濃縮装置の一実施態様としては、イオン交換膜及び／又は一価イオン選択膜において、イオンの濃度勾配によってイオンが透過するという特徴を有する。
この特徴によれば、濃縮部におけるイオンの移動に関し、外部からエネルギーを供給する必要がなく、二価イオンの濃縮における低コスト化・低エネルギー化が可能となる。さらに、イオンの濃度勾配によるイオン移動に伴って発生する電流を、電気エネルギーとして回収することが可能となるため、二価イオンの濃縮装置としての機能に併せて発電装置としての機能を備えるものとすることができる。

また、上記課題を解決するための本発明の濃縮方法は、二価イオンを濃縮する濃縮工程を備える濃縮方法であって、濃縮工程は、イオン交換膜と、一価イオン選択膜と、を用いて行うという特徴を有する。
本発明の濃縮方法は、複数のイオン交換膜を用いるという簡便な方法により、二価イオン以外のイオンを含むものから効率的に二価イオンを選択して濃縮することが可能となる。また、二価イオンの濃縮を、常温・常圧下で行うこともできるため、運転に係るエネルギー及びコストを低減することが可能となる。

また、上記課題を解決するための本発明の二酸化炭素固定化システムは、二価イオンを濃縮する濃縮部を備えた濃縮装置と、二酸化炭素から炭酸イオンを生成する炭酸イオン生成部と、濃縮装置で濃縮された二価イオンと炭酸イオン生成部で生成された炭酸イオンとを接触させ、炭酸塩を生成する反応部と、を備える二酸化炭素固定化システムであって、濃縮装置の濃縮部は、イオン交換膜と一価イオン選択膜とを備えるという特徴を有する。
本発明の二酸化炭素固定化システムは、濃縮装置を備えることにより二価イオンをあらかじめ濃縮し、かつ二酸化炭素をあらかじめ炭酸イオンとした上で、濃縮した二価イオンと炭酸イオンを接触させるため、高効率で炭酸塩の生成反応を進行させることが可能となる。また、このとき進行する炭酸塩の生成反応は、イオン同士を反応させる発熱反応であるため、反応進行に際して外部からエネルギーを供給する必要がなく、二酸化炭素の固定化における低コスト化・低エネルギー化が可能となる。さらに、濃縮装置として、複数のイオン交換膜を備えるものを設けることにより、簡便な構造で、二価イオン以外のイオンを含むものから効率的に二価イオンを濃縮することができるとともに、二価イオンの濃縮を常温・常圧下で行うこともできるため、二価イオンの濃縮に係るエネルギー及びコストを低減することが可能となる。これにより、二酸化炭素固定化システム全体として、低コスト化・低エネルギー化が可能となる。

本発明によれば、低コスト・低エネルギー、かつ高効率で二価イオンを濃縮することができる濃縮装置及び濃縮方法を提供することができる。また、本発明によれば、低コスト・低エネルギー、かつ高効率で二酸化炭素を固定化することができる二酸化炭素固定化システムを提供することができる。

本発明の第１の実施態様における濃縮装置の概略説明図である。 本発明の第１の実施態様の濃縮装置における濃縮部での濃縮工程を示す概略説明図である。 本発明の第２の実施態様における濃縮装置の概略説明図である。 本発明の第２の実施態様の濃縮装置における濃縮部での濃縮工程を示す概略説明図である。 本発明の第３の実施態様における二酸化炭素固定化システムの概略説明図である。 本発明の第４の実施態様における二酸化炭素固定化システムの概略説明図である。 本発明の第４の実施態様における二酸化炭素固定化システムの別態様を示す概略説明図である。 本発明の第５の実施態様における二酸化炭素固定化システムの概略説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る濃縮装置、濃縮方法、及び二酸化炭素固定化システムの実施態様を詳細に説明する。本発明における濃縮方法は、本発明における濃縮装置の作動の説明に置き換えるものとする。
なお、実施態様に記載する濃縮装置、濃縮方法、及び二酸化炭素固定化システムについては、本発明に係る濃縮装置、濃縮方法、及び二酸化炭素固定化システムを説明するために例示したにすぎず、これに限定されるものではない。

（濃縮装置）
本発明の濃縮装置は、二価イオンＭを濃縮する濃縮工程を行うためのものであり、より具体的には二価イオン源Ｍ_０から二価イオンＭの濃縮を行うためのものである。

本発明における濃縮対象である二価イオンＭとしては、特に限定されず、例えば、ＭｇやＣａなどの第２族元素の二価の陽イオンや、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのような遷移金属の二価の陽イオンが挙げられる。また、二価の陽イオン以外に、硫酸イオンや炭酸イオンなどの二価の陰イオンも挙げられる。
また、濃縮した二価イオンＭの活用分野を鑑み、本発明における濃縮対象である二価イオンＭを選択するものとしてもよい。例えば、濃縮した二価イオンＭの活用分野の一つとして、二酸化炭素（炭酸イオン）と二価の陽イオンを反応させ、炭酸塩を生成することで二酸化炭素の固定化を行う炭酸塩固定法が挙げられる。このとき、二価イオンＭとしては、第２族元素の二価の陽イオンを用いることが好ましい。第２族元素の炭酸塩は水への溶解度が低いため、生成した炭酸塩の回収が容易となるという効果を奏する。また、第２族元素の炭酸塩は無害であって、回収した炭酸塩を資源として様々な用途に利用することが可能であるという利点を有する。
なお、本発明における濃縮対象である二価イオンＭは、二価の陽イオン、特に第２族元素の二価の陽イオンを用いたものとして、以下説明する。

本発明における二価イオン源Ｍ_０としては、上述した二価イオンＭを含むものであれば特に限定されない。例えば、河川、湖沼水、地下水、海水のような天然資源のほか、工場からの排水・廃水、埋立地の浸出水、二価イオンＭを含む鉱物・鉱石の処理工程（採石、加工処理、保管など）から排出される排水・廃水などが挙げられる。特に、二価イオン源Ｍ_０としては海水を用いることが好ましい。海水中には一定量のＭｇやＣａがイオンの状態で含まれているため、安定した量の二価イオンＭを供給することができる二価イオン源Ｍ_０として優れている。また、海水を二価イオン源Ｍ_０として用いる場合、鉱物・鉱石や鉄鋼スラグと異なり、化学的・物理的処理が不要である。したがって、この場合、二価イオンの原料調達にかかるコストは、主として海水の搬送に係るコストのみとなる。特に、本発明における濃縮装置や二酸化炭素固定化システムを海に近い陸地あるいは海上に設置することにより、最小限の搬送コストで利用することが可能である。このため、二価イオンＭの原料調達にかかるコスト及びエネルギーを大幅に低減させることが可能になる。

〔第１の実施態様〕
図１は、本発明の第１の実施態様における濃縮装置の構造を示す概略説明図である。
本実施態様における濃縮装置１Ａは、図１に示すように、二価イオンＭを濃縮する濃縮部２を備えている。また、濃縮部２は、図１に示すように、処理槽２０を有し、処理槽２０内には、イオン交換膜２２ａと、一価イオン選択膜２２ｂを備えている。そして、イオン交換膜２２ａには、一対の電極（電極２１ａ、２１ｂ）が設けられており、一価イオン選択膜２２ｂには、一対の電極（電極２１ｃ、２１ｄ）が設けられている。なお、図１では、処理槽２０側壁とイオン交換膜２２ａの間の空間を第１室２３ａ、イオン交換膜２２ａと一価イオン選択膜２２ｂの間の空間を第２室２３ｂ、一価イオン選択膜２２ｂと処理槽２０側壁の間の空間を第３室２３ｃとしている。
また、処理槽２０には、二価イオン源Ｍ_０（海水）を導入するラインＬ１と、濃縮した二価イオンＭを排出するラインＬ２が接続されている。なお、図１では、ラインＬ１は、第１室２３ａ、第２室２３ｂ、第３室２３ｃのそれぞれと接続するように配置され、ラインＬ２は、第２室２３ｂと接続するように配置されている。

処理槽２０は、イオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂを備え、二価イオン源Ｍ_０を貯留可能となるように形成されているものであればよく、特に素材や形状は問わない。例えば、電解槽や電気透析槽として知られている構造に用いられる素材や形状を使用すること等が挙げられる。

電極２１ａ〜２１ｄは、イオン交換膜２２ａ又は一価イオン選択膜２２ｂの近傍に設けられ、電極２１ａと電極２１ｂ、電極２１ｃと電極２１ｄが一対となるように導線を用いて接続されている。本実施態様における電極２１ａ〜２１ｄは、それぞれの膜を介してイオンを透過させる手段（イオン移動手段及び一価イオン移動手段）の一つとして用いられるものである。

電極２１ａ〜２１ｄとしては、陽極または陰極として機能するものであればよく、材質及び形状については特に限定されない。電極２１ａ〜２１ｄの材質の例としては、例えば、電気化学分野で電極材料として広く用いられている炭素や金属（ステンレス、白金、銅等）が挙げられる。また、電極２１ａ〜２１ｄの形状の例としては、例えば、平板状、棒状、メッシュ状などが挙げられる。なお、電極２１ａ〜２１ｄをイオン交換膜２２ａ及び／又は一価イオン選択膜２２ｂ近傍に設ける場合、イオン交換膜２２ａ及び／又は一価イオン選択膜２２ｂに対する物質移動の阻害を抑制できる形状とすることが好ましい。したがって、このときの電極２１ａ〜２１ｄの形状としては、例えば、メッシュ状や針金等の細い棒状などが挙げられる。

一対の電極（電極２１ａ及び２１ｂ、あるいは電極２１ｃ及び２１ｄ）を導線により接続する際、電極間に電気エネルギーを供給するための直流電源を設けるものとしてもよく、電極間で発生する電気エネルギーを回収するための外部回路を設けるものとしてもよい。なお、電極２１ａ〜２１ｄにおける電気エネルギーの供給・回収に係る説明については、イオン移動手段及び一価イオン移動手段の説明と併せて後述する。

このとき、一対の電極に接続される直流電源については特に限定されないが、太陽電池、風力、波力などの再生可能エネルギーや他の施設における余剰電力を利用するものとすることが好ましい。これにより、二価イオンＭの濃縮において使用するエネルギーを低減させることが可能となる。特に、発電に際して二酸化炭素を排出しない再生可能エネルギーを用いた場合、二酸化炭素の排出抑制を推進することができるという効果も奏する。

イオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂは、イオンを選択的に透過することができる膜である。ここで、イオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂによって透過するイオンの極性は、濃縮対象とする二価イオンＭの極性に応じて選択する。例えば、濃縮対象とする二価イオンＭが陽イオンである場合、イオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂはそれぞれ陽イオン交換膜からなり、陽イオンの透過が可能であるものを選択する。一方、濃縮対象とする二価イオンＭが陰イオンである場合、イオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂは、陰イオン交換膜からなり、陰イオンの透過が可能であるものを選択する。なお、本実施態様においては、イオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂとして、陽イオンを透過する陽イオン交換膜を用いたものについて説明する。

本実施態様においては、例えば、イオン交換膜２２ａとしては、陽イオンのみを透過させる機能を有するものであればよく、透過する陽イオンの種類を限定しないもの（無処理膜）を用いることが挙げられる。一方、一価イオン選択膜２２ｂとしては、一価の陽イオンを選択的に透過できるように処理したものを用いることが挙げられる。これにより、後述する濃縮工程において、二価イオンＭを選択的に濃縮することが可能となる。
なお、イオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂは、上述した機能を有するものであればよく、それぞれのイオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂを構成する具体的な成分や構造については特に限定されず、公知のものを用いることができる。

濃縮部２は、イオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂを介して、イオンを選択的に透過させていくことで、二価イオンＭの濃縮を行うものである。より具体的には、濃縮部２は、二価イオン源Ｍ_０が供給された処理槽２０内において、イオン交換膜２２ａを介して、処理槽２０内の第１室２３ａから第２室２３ｂへイオンを選択的に透過させ、その後、一価イオン選択膜２２ｂを介して、第２室２３ｂから第３室２３ｃへ一価イオンを選択的に透過させていくことで、二価イオンＭの濃縮を行うものである。

濃縮部２は、イオン交換膜２２ａを介して二価イオン源Ｍ_０に含まれるイオンを選択的に透過させるイオン移動手段と、一価イオン選択膜２２ｂを介し、イオン移動手段によって透過したイオンのうち、一価イオンのみを透過させる一価イオン移動手段を備えている。なお、本実施態様においては、イオン移動手段により透過するイオンは、二価イオン源Ｍ_０に含まれている全ての陽イオンであり、イオン価数は特に限定されない。例えば、二価イオン源Ｍ_０として海水を用いた場合、イオン移動手段により透過するイオンは、主に二価の陽イオン及び一価の陽イオンであり、一価イオン移動手段により透過するイオンは、一価の陽イオンである。
このとき、イオン移動手段及び一価イオン移動手段について、それぞれの膜を介して特定のイオンを透過させるための具体的な手段は特に限定されない。例えば、いわゆる電気透析の原理に基づくことによるイオン移動や、イオンの濃度勾配によるイオン移動等が挙げられる。

ここで、電気透析の原理に基づくイオン移動は、電圧印加によりイオン移動を強制的に進行させることができるため、二価イオンＭの濃縮に係る時間短縮が可能となるという利点を有する。また、処理槽２０内に配置した電極間が導通可能であるという条件を満たせば、イオン移動を進行させることができるため、二価イオンＭの濃縮に係る条件の調整が容易であるという利点を有する。
なお、電極間が導通可能であるという条件を満たす方法としては、処理槽２０内において電圧印加を行う必要がある箇所に、電解質溶液を導入することが挙げられる。ここで、二価イオン源Ｍ_０は二価イオンＭを含む溶液であり、電解質溶液として機能する。したがって、電気透析の原理に基づくイオン移動を行う際には、処理槽２０の第１室２３ａ〜第３室２３ｃ内に二価イオン源Ｍ_０を導入するものとすることが好ましい。これにより、二価イオンＭの濃縮に係る条件を容易に満たすことが可能となる。

電気透析の原理に基づくイオン移動の一例としては、処理槽２０の両端部に設けた電極に電圧を印加し、結果として処理槽２０全体に電気エネルギーを供給することで、イオン選択膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂを介したイオン移動を行うものが挙げられる。この場合、濃縮装置１Ａの規模によっては電力消費に係るコストが増大する可能性がある。
このため、本実施態様における濃縮装置１Ａとしては、電気透析の原理に基づくイオン移動を行う場合、図１に示すように、膜近傍に電極を設ける構造とすることが好ましい。これにより、処理槽２０の両端部に設けた電極に電圧を印加する場合と比べ、二価イオンＭを濃縮させるために印加する電圧（外部から供給するエネルギー）を低減させることが可能となる。

また、イオンの濃度勾配によるイオン移動は、膜を介してイオン濃度勾配を生じさせるための条件を整え、かつイオンの濃度勾配を維持することができれば、外部から供給するエネルギーをほとんど必要とすることなく、イオン移動を進行させることができるという利点を有する。
イオンの濃度勾配によるイオン移動を行う場合、膜近傍に電極を設けることは必須ではない。しかし、イオンの濃度勾配によるイオン移動を行う場合、膜を介して一対の電極を設け、外部回路と接続させることが好ましい。これにより、イオン移動に伴って電極間に流れる電流を電気エネルギーとして回収することが可能となる。

イオン移動手段及び一価イオン移動手段としては、二価イオンＭの濃縮に係る時間効率や実施条件などを考慮して、電気透析の原理に基づくイオン移動やイオンの濃度勾配によるイオン移動を選択することが好ましい。
本実施態様におけるイオン移動手段及び一価イオン移動手段の一例としては、電気透析の原理に基づくイオン移動と、イオンの濃度勾配によるイオン移動とを組み合わせることが挙げられる。例えば、処理槽２０内の第１室２３ａ〜第３室２３ｃ全てに二価イオン源Ｍ_０を導入した場合、イオン移動手段を電気透析の原理に基づくイオン移動とし、一価イオン移動手段をイオンの濃度勾配によるイオン移動とすることがより好ましい。これにより、イオン移動の速度を高めるとともに、二価イオンＭを濃縮させるために外部から供給するエネルギーを低減させることが可能となる。

本実施態様における濃縮装置１Ａは、イオン移動手段として、電気透析の原理に基づくイオン移動を行うものとしている。ここで、処理槽２０内の第１室２３ａ〜第３室２３ｃ全てに二価イオン源Ｍ_０を導入した場合、イオン移動手段の具体的な例としては、電極２１ａ及び電極２１ｂに直流電源を接続し、電極２１ａ、イオン交換膜２２ａ、電極２１ｂ間に電流を流すものとすることが挙げられる。このとき、電極２１ａは陽極として機能し、電極２１ｂは陰極として機能する。処理槽２０内に二価イオン源Ｍ_０を導入した時点では、第１室２３ａ〜第３室２３ｃ間には、イオンの濃度勾配が生じていない。したがって、第１室２３ａ内の二価イオン源Ｍ_０に含まれる濃縮対象となる二価イオンＭのほか、二価イオン源Ｍと同じ極性のイオンを含む陽イオン群（価数は問わない）を電気透析の原理に基づくイオン移動によって強制的に第２室２３ｂに移動させる。これにより、速やかに第２室２３ｂ内の陽イオン濃度を高めた状態とすることができる。

また、本実施態様における濃縮装置１Ａは、一価イオン移動手段として、イオンの濃度勾配によるイオン移動を行うものとしている。ここで、処理槽２０内の第１室２３ａ〜第３室２３ｃ全てに二価イオン源Ｍ_０を導入している場合、イオン移動手段による操作を行う前には、第２室２３ｂと第３室２３ｃの間にはイオンの濃度勾配は存在しない。しかし、イオン移動手段により、第１室２３ａ内の陽イオン群が第２室２３ｂ内に移動することにより、第２室２３ｂ内の陽イオン濃度は、第３室２３ｃ内の陽イオン濃度よりも高くなる。これにより、第２室２３ｂと第３室２３ｃの間にはイオンの濃度勾配が生じ、第２室２３ｂ内の一価の陽イオンは、一価イオン選択膜２２ｂを介して第３室２３ｃに移動する。したがって、一価イオン移動手段を実施するために外部からエネルギーを供給する構成を特に設ける必要はなく、一価イオン選択膜２２ｂを設けることだけで、特定のイオン（一価の陽イオン）を移動させることが可能である。ここで、電極２１ｃ及び電極２１ｄは、一価イオン選択膜２２ｂを陽イオンが透過することで発生する電子の流れ（電流）を、導線や外部回路を介して電気エネルギーとして回収するためのものである。このとき、電極２１ｃは陰極として機能し、電極２１ｄは陽極として機能する。なお、イオンの濃度勾配のみでは一価イオン選択膜２２ｂを介したイオン移動が十分進行しない場合に対応するための一例として、電極２１ｃと電極２１ｄに電気エネルギーを供給し、イオン移動を進行させる機能を持たせるものとしてもよい。これにより、二価イオンＭの濃縮を確実に実施することが可能となる。

上述したように、イオン移動手段及び／又は一価イオン移動手段として、電気透析の原理に基づくイオン移動を行う場合、処理槽２０の第１室２３ａ〜第３室２３ｃ内全てに、電解質溶液を導入することが好ましい。このとき、第１室２３ａ〜第３室２３ｃ内に導入する電解質溶液としては、全て同じものを用いるものとしてもよく、異なるものを用いるものとしてもよい。
また、二価イオン源Ｍ_０は、電解質溶液としての機能を兼ねるものであり、少なくとも第１室２３ａに導入されるものであればよく、第１室２３ａ〜第３室２３ｃ全てに導入するものとしてもよい。これにより、イオン交換膜２２ａや一価イオン選択膜２２ｂを介して、処理槽２０内における二価イオン源Ｍ_０由来の二価イオンＭの移動方向が制御され、二価イオン源Ｍ_０から二価イオンＭを濃縮することができる。
なお、後述するように、第１室２３ａ〜第３室２３ｃ内全てに電解質溶液を導入することは必須の要件ではなく、純水のような非電解質溶液を第２室２３ｂ及び／又は第３室２３ｃに導入するものとしてもよい。

第１室２３ａ〜第３室２３ｃ内に電解質溶液を導入する手段としては、例えば、図１に示すように、ラインＬ１を、第１室２３ａ、第２室２３ｂ、第３室２３ｃのそれぞれと接続するように配置し、第１室２３ａ〜第３室２３ｃ内に二価イオン源Ｍ_０を導入することが挙げられる。これにより、二価イオン源Ｍ_０のみを用いて、二価イオンＭの濃縮を行うことができるため、装置構造及び運転操作が簡易化されるとともに、二価イオンＭの濃縮に係る原料コストを大幅に低減させることが可能となる。
特に、二価イオンＭの濃縮を高効率化するために、第１室２３ａに二価イオン源Ｍ_０を連続的あるいは間欠的に供給・排出する手段を設けることが好ましい。これにより、第１室２３ａ内の二価イオン源Ｍ_０中に含まれる二価イオンＭがイオン移動手段により減少しても、新たな二価イオンＭが速やかに供給される。このため、イオン移動手段による二価イオンＭを含むイオンの移動が連続的に進行し、併せて一価イオン移動手段による一価の陽イオンの移動も連続的に進行することになる。すなわち、濃縮部２におけるイオン移動が連続的に進行する結果として、二価イオンＭの濃縮を高効率化することが可能となる。
なお、第１室２３ａ〜第３室２３ｃ内全てに二価イオン源Ｍ_０を導入する場合、ラインＬ１の配置は図１に示すものに限定されない。他の例としては、例えば、処理槽２０のいずれか１カ所に設けたラインＬ１を介し、あらかじめ二価イオン源Ｍ_０を処理槽２０内に導入した後、イオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂを配置して、第１室２３ａ〜第３室２３ｃを形成するもの等が挙げられる。

また、第１室２３ａ〜第３室２３ｃ内に電解質溶液を導入する手段の他の例としては、ラインＬ１を第１室２３ａ及び第３室２３ｃと接続するように配置して二価イオン源Ｍ_０を導入する一方、第２室２３ｂには、二価イオン源Ｍ_０以外の電解質溶液を導入するものとすることが挙げられる。このとき、二価イオン源Ｍ_０以外の電解質溶液としては、特に、塩酸イオン、硝酸イオン、硫酸イオンを含まないものを用いることが好ましい。
後述するように、第２室２３ｂには濃縮された二価イオンＭが貯留されるが、このとき、二価イオン源Ｍ_０として塩素イオン、硝酸イオン、硫酸イオンのような陰イオンが含まれるもの（例えば海水など）を用い、第２室２３ｂに導入すると、第２室２３ｂ中にはこれらの陰イオンが残留する。これらの陰イオンが二価イオンＭ（陽イオン）と反応して、第２室２３ｂ内に濃縮された二価イオンＭが消費される可能性がある。したがって、これらの陰イオンを含まないものを第２室２３ｂにおける電解質溶液として用いることで、二価イオンＭの濃縮効率が低下することを抑制することが可能となる。

本実施態様の濃縮部２における濃縮工程について、図２に基づき説明する。
図２は、本実施態様の濃縮装置１Ａにおける濃縮部２での濃縮工程を示す概略説明図である。図２における濃縮部２の構成は、図１に示した構成と同じであり、第１室２３ａ〜第３室２３ｃ内には全て二価イオン源Ｍ_０（海水）を導入している。なお、図２には、陽イオンの移動についてのみ示しており、陰イオンについては省略している。

図２に示すように、処理槽２０内にイオン移動手段として設けられた電極２１ａ、２１ｂに直流電源により電圧を印加すると、第１室２３ａ内の陽イオン（Ｎａ^＋、Ｋ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋）はイオン交換膜２２ａを透過し、第２室２３ｂ内に移動する。なお、図２におけるＣａ^２＋、Ｍｇ^２＋が本実施態様の二価イオンＭに相当する。さらに、第２室２３ｂに陽イオンが移動することで、第２室２３ｂと第３室２３ｃ間にイオンの濃度勾配が生じる。これにより、第２室２３ｂに移動した陽イオンのうち、一価の陽イオン（Ｎａ^＋、Ｋ^＋）のみが一価イオン選択膜２２ｂを透過して第３室２３ｃ内に移動する（一価イオン移動手段によるイオン移動）。この結果、第２室２３ｂ内には、二価イオンＭ（Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋）が濃縮することになる。したがって、本実施態様において、第２室２３ｂは、濃縮した二価イオンＭの濃縮室（貯留槽）としても機能するものである。

本実施態様においては、イオン移動手段としては、電極２１ａ、２１ｂ間に電圧を印加させ、電気透析の原理に基づくイオン移動を行うものである。したがって、第１室２３ａの陽イオンはイオン交換膜２２ａを介し、速やかに第２室２３ｂに移動する。さらに、第１室２３ａに二価イオン源Ｍ_０を連続的あるいは間欠的に供給し続けることで、第２室２３ｂには高効率で陽イオンが移動することになる。このため、第２室２３ｂ内のイオン濃度を、第３室２３ｃのイオン濃度よりも常に高く維持することが可能となる。これにより、第２室２３ｂと第３室２３ｃ間におけるイオンの濃度勾配の形成及び維持を容易に行うことが可能となる。したがって、一価イオン移動手段として、イオンの濃度勾配によるイオン移動が進行する条件を満たし続けることが可能となり、外部から供給するエネルギーをほとんど必要とすることなくイオン移動を行うことができる。また、電極２１ｃ、２１ｄを設けることにより、イオンの濃度勾配によって一価イオン選択膜２２ｂを陽イオンが透過することで発生する電子の流れ（電流）を、導線や外部回路を介して電気エネルギーとして回収することが可能となる。なお、回収した電気エネルギーの利用については特に限定されない。例えば、電極２１ａ、２１ｂに電圧を印加するための電力源として用いるものとしてもよく、外部回路を介して系外で利用するものとしてもよい。

また、上記濃縮工程後、第３室２３ｃ内には一価の陽イオン濃度が増加した電解質溶液が貯留されるが、この電解質溶液の処理については特に限定されない。例えば、第３室２３ｃに排出配管を設け、濃縮工程後の電解質溶液を系外に排出するものとすることや、濃縮工程後の電解質溶液を第１室２３ａに導入して一価の陽イオンを処理槽２０内で循環させるものとすることなどが挙げられる。

なお、濃縮装置１Ａは、図１及び図２で示した構造に限定するものではなく、二価イオンＭの濃縮を効率的に行うための各種手段を追加するものとしてもよい。このような手段の一例としては、例えば、電極２１ａ〜２１ｄの表面で析出物が生成することを抑制するための手段や、イオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂのイオン透過効率が低減することを抑制するための手段などが挙げられる。

以上のように、本実施態様の濃縮装置１Ａ及び濃縮装置１Ａを用いた濃縮方法により、簡便な構造及び方法で、二価イオン以外のイオンを含むものから効率的に二価イオンを選択して濃縮することが可能となる。また、二価イオンの濃縮を、常温・常圧下で行うこともできるため、運転に係るエネルギー及びコストを低減することが可能となる。

〔第２の実施態様〕
第２の実施態様に係る濃縮装置１Ｂは、第１の実施態様の濃縮部２において、イオン移動手段及び一価イオン移動手段として、イオンの濃度勾配によるイオン移動を行うものである。なお、第１の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。

図３は、本発明の第２の実施態様における濃縮装置を示す概略説明図である。
図３に示すように、本実施態様の濃縮装置１Ｂは、ラインＬ１を介して第１室２３ａのみに二価イオン源Ｍ_０を導入し、第２室２３ｂと第３室２３ｃには、ラインＬ３を介して非電解質溶液Ｓを導入するものである。
非電解質溶液Ｓとしては、純水など、濃縮対象となる二価イオンＭや二価イオンＭと同じ極性のイオン種を含まないものを用いることが好ましい。これにより、濃縮部２内でイオンの濃度勾配によるイオン移動を行うことが容易となる。

本実施態様の濃縮部２における濃縮工程について、図４に基づき説明する。
図４は、本実施態様の濃縮装置１Ｂにおける濃縮部２での濃縮工程を示す概略説明図である。図４における濃縮部２の構成は、図３に示した構成と同じであり、第１室２３ａ内に二価イオン源Ｍ_０（海水）を導入し、第２室２３ｂと第３室２３ｃには非電解質溶液Ｓ（純水）を導入している。なお、図４には、陽イオンの移動についてのみ示しており、陰イオンについては省略している。

図４に示すように、処理槽２０の第１室２３ａ内に二価イオン源Ｍ_０を導入し、第２室２３ｂと第３室２３ｃには純水を導入すると、第１室２３ａと第２室２３ｂ間にイオンの濃度勾配が生じるため、第１室２３ａ内の陽イオン（Ｎａ^＋、Ｋ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋）はイオン交換膜２２ａを透過し、第２室２３ｂ内に移動する（イオン移動手段によるイオン移動）。さらに、第２室２３ｂに陽イオンが移動することで、第２室２３ｂと第３室２３ｃ間にイオンの濃度勾配が生じる。これにより、第２室２３ｂに移動した陽イオンのうち、一価の陽イオン（Ｎａ^＋、Ｋ^＋）のみが一価イオン選択膜２２ｂを透過して第３室２３ｃ内に移動する（一価イオン移動手段によるイオン移動）。この結果、第２室２３ｂ内には、二価イオンＭ（Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋）が濃縮し、第２室２３ｂは、濃縮した二価イオンＭの濃縮室（貯留槽）としても機能する。

本実施態様においては、イオン移動手段及び一価イオン移動手段として、イオンの濃度勾配によるイオン移動を行うものである。このとき、第１室２３ａのみに二価イオン源Ｍ_０（電解質溶液）を導入することにより、第１室２３ａと第２室２３ｂ間のイオンの濃度差を大きくすることが可能となる。これにより、第１室２３ａ内の陽イオンは、外部から供給するエネルギーをほとんど必要とすることなく、イオン交換膜２２ａを介して第２室２３ｂに容易に移動する。また、非電解質溶液Ｓが導入されていた第２室２３ｂ内にイオンが移動することにより、第２室２３ｂのイオン濃度は、非電解質溶液Ｓが導入されている第３室２３ｃのイオン濃度よりも高く維持される。これにより、第２室２３ｂと第３室２３ｃ間におけるイオンの濃度勾配の形成及び維持を容易に行うことが可能となる。したがって、一価イオン移動手段として、イオンの濃度勾配によるイオン移動が進行する条件を満たし続けることが可能となり、外部から供給するエネルギーをほとんど必要とすることなくイオン移動を行うことができる。

また、本実施態様において、イオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂの近傍に、それぞれ一対の電極（電極２１ａ及び２１ｂ、あるいは電極２１ｃ及び２１ｄ）を設け、導線を介して外部回路と接続させることが好ましい。これにより、イオン移動手段及び一価イオン移動手段において、イオンの濃度勾配によるイオン移動に伴って発生する電流を、電気エネルギーとして回収することが可能となる。

以上のように、本実施態様の濃縮装置１Ｂ及び濃縮装置１Ｂを用いた濃縮方法により、簡便な構造及び方法で、二価イオン以外のイオンを含むものから効率的に二価イオンを選択して濃縮することが可能となる。特に、イオンの濃度勾配によるイオン移動を行うことで、外部から供給するエネルギーをほとんど必要とすることなく、二価イオンＭを濃縮させることができるため、二価イオンの濃縮に係るエネルギー及びコストを大幅に低減することが可能となる。さらに、イオンの濃度勾配によるイオン移動に伴って発生する電流を、電気エネルギーとして回収することが可能となるため、二価イオンの濃縮装置と併せて発電装置としての機能を備えるものとすることができる。

（二酸化炭素固定化システム）
本発明の二酸化炭素固定化システムは、二酸化炭素（炭酸イオン）と二価イオンとを反応させて炭酸塩化することで二酸化炭素の固定化を行うものである。特に、本発明の二酸化炭素固定化システムは、二価イオンの濃縮を行う濃縮装置を備えるものである。

本発明の二酸化炭素固定化システムにおいて、固定化を行う対象である二酸化炭素の供給源（あるいは発生源）については、特に限定されない。具体的な二酸化炭素の供給源の例としては、例えば、生活・産業活動に伴い、各種施設（発電施設・工場・一般家庭等）や運輸手段から排出される二酸化炭素を含むガスのほか、大気や火山ガス等、天然に存在する二酸化炭素を含むガスなどが挙げられる。

〔第３の実施態様〕
図５は、本発明の第３の実施態様における二酸化炭素固定化システムの構造を示す概略説明図である。
本実施態様における二酸化炭素固定化システム１０Ａは、図５に示すように、濃縮部２を備える濃縮装置１と、炭酸イオン生成部３と、反応部４を備えるものである。また、図５に示すように、二酸化炭素固定化システム１０Ａは、濃縮装置１と炭酸イオン生成部３がそれぞれ反応部４と接続するように配置されている。さらに、図５に示すように、濃縮装置１は二価イオン源Ｍ_０を供給するラインＬ１と、濃縮された二価イオンＭを排出するラインＬ２を備え、炭酸イオン生成部３は二酸化炭素（二酸化炭素含有ガス）を供給するラインＬ４と、生成した炭酸イオンを排出するラインＬ５とを備え、反応部４はラインＬ２及びラインＬ５を介して濃縮装置１及び炭酸イオン生成部３と接続されるとともに、生成した炭酸塩を回収するラインＬ６とを備えている。

本実施態様の二酸化炭素固定化システム１０Ａでは、濃縮装置１において二価イオン源Ｍ_０中の二価イオンＭを濃縮し、ラインＬ２を介して濃縮した二価イオンＭを反応部４に導入する。一方、炭酸イオン生成部３では、二酸化炭素（二酸化炭素含有ガス）から炭酸イオンを生成し、ラインＬ５を介して炭酸イオンを反応部４に導入する。そして、反応部４において二価イオンＭと炭酸イオンが接触、反応し、炭酸塩が生成される。このように、反応部４での炭酸塩生成反応が進行することで、二酸化炭素が炭酸塩として固定され、二酸化炭素の固定化が行われることになる。

本実施態様の二酸化炭素固定化システム１０Ａにおける濃縮装置１は、二価イオン源Ｍ_０から二価イオンＭを濃縮する濃縮工程を行うためのものである。
本実施態様における濃縮装置１としては、濃縮部２がイオン交換膜と一価イオン選択膜を備えることが好ましい。これにより、上述した二価イオン源Ｍ_０のうち、複数のイオン価数のイオンを含むものから効率的に特定のイオン価数のイオン（二価イオン）を選択して濃縮することが可能となる。また、二価イオンＭの濃縮を、常温・常圧下で行うこともできるため、運転に係るエネルギー及びコストを低減することが可能となる。このような濃縮装置１としては、上述した第１の実施態様における濃縮装置１Ａ、あるいは第２の実施態様における濃縮装置１Ｂなどが挙げられる。なお、図５における濃縮装置１としては、上述した濃縮装置１Ａと同様の構造を用いるものとし、各構造に係る説明を省略するとともに、電極２１ａ〜２１ｄに係る図示を省略している。

濃縮装置１により濃縮された二価イオンＭは、ラインＬ２を介して、反応部４へ導入される。なお、本実施態様においては、濃縮された二価イオンＭは、濃縮部２内の第２室２３ｂからラインＬ２を介して、反応部４へ導入される。

炭酸イオン生成部３は、二酸化炭素から炭酸イオンを生成する炭酸イオン生成工程を行うためのものである。
本実施態様における炭酸イオン生成部３としては、二酸化炭素から炭酸イオンを生成できるものであればよく、具体的な生成手段は特に限定されない。このような生成手段としては、例えば、二酸化炭素を液体に溶解させる溶解手段が挙げられる。これにより、気体である二酸化炭素を容易に炭酸イオンの形とすることが可能となる。また、液体中に炭酸イオンを存在させた状態とし、後述する反応部４に導入することで、二価イオンＭと炭酸イオンの接触効率を高めることができ、炭酸塩の生成に係る化学反応の効率を向上させることが可能となる。

本実施態様における炭酸イオン生成部３は、図５に示すように、溶解槽３０を備え、溶解槽３０には二酸化炭素を溶解するための液体３１が貯留されている。この液体３１は、二酸化炭素が溶解するものであれば特に限定されず、常温・常圧下で二酸化炭素が溶解するものであることが好ましい。液体３１としては、例えば、純水・処理水のほか、二価イオン源Ｍ_０として用いられる溶液（海水、排水・廃水等）やアルカリ溶液（水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液等）などが挙げられる。

炭酸イオン生成部３は、溶解槽３０における二酸化炭素の溶解効率を向上させるための手段を設けるものとしてもよい。このような手段としては、例えば、加圧手段や、二酸化炭素の溶解度を高めるための薬品を液体３１に添加する薬品添加手段などが挙げられる。これにより、反応部４に導入する炭酸イオン濃度を高め、二酸化炭素の固定化に係る効率を向上させることが可能となる。

炭酸イオン生成部３に二酸化炭素を導入する手段については、特に限定されない。例えば、二酸化炭素の供給源からラインＬ４を介して直接導入することや、二酸化炭素の供給源に含まれる二酸化炭素を一旦高濃度化（濃縮）したものをラインＬ４を介して導入することなどが挙げられる。
一般に、二酸化炭素の固定化においては、反応効率を上げるために、気体中の二酸化炭素を高濃度化する必要があった。一方、本実施態様の二酸化炭素固定化システム１０Ａでは、炭酸イオン生成部３において二酸化炭素を液体に溶解させている。そのため、炭酸イオン生成部３では、液体への二酸化炭素の溶解度に相当する分、二酸化炭素が高濃度化されることになる。したがって、本実施態様の二酸化炭素固定化システム１０Ａにおいては、二酸化炭素の供給源として、大気等のように低濃度の二酸化炭素を含有するガスを用い、炭酸イオン生成部３に直接導入して、二酸化炭素の固定化を行うことが可能である。これにより、気体中の二酸化炭素の高濃度化に係る設備コストや運転コストを大幅に削減することが可能となる。なお、所望する二酸化炭素の処理効率やランニングコストを考慮し、二酸化炭素の供給源に含まれる二酸化炭素の高濃度化を行った後、炭酸イオン生成部３に導入するものとしてもよい。

炭酸イオン生成部３により生成した炭酸イオンは、ラインＬ５を介して反応部４に導入される。

反応部４は、二価イオンと炭酸イオンを接触させ、炭酸塩を生成する反応工程を行うものである。また、反応部４での反応工程が進行することにより、二酸化炭素の固定化が行われる。

本実施態様における反応部４は、図５に示すように、反応槽４０を備えている。また、反応槽４０には、濃縮装置１からラインＬ２を介して濃縮された二価イオンＭが導入されるとともに、炭酸イオン生成部３からラインＬ５を介して炭酸イオンが導入される。

反応槽４０内では、導入された二価イオンＭと炭酸イオンが液体（主に、水（Ｈ_２Ｏ））中で反応し、炭酸塩を生成する。このとき、二価イオンＭと炭酸イオンはイオンの状態を維持したまま、水中で反応するため、イオン同士の接触効率が高まり、反応槽４０内における反応を速やかに進行させることができる。これにより、二酸化炭素の固定化を高効率で行うことが可能となる。また、炭酸塩の生成反応は、基本的に発熱反応であることが知られており、反応槽４０における反応工程を進行させるために、外部からエネルギーを供給する必要がない。したがって、低コスト・低エネルギーで二酸化炭素の固定化を行うことが可能となる。

反応槽４０において生成する炭酸塩の一例としては、例えば、導入された二価イオンＭがＣａ^２＋である場合、反応槽４０内ではＣａＣＯ_３が生成する。また、他の炭酸塩の例としては、導入された二価イオンＭがＭｇ^２＋である場合、反応槽４０内ではＭｇＣＯ_３が生成する。これらの炭酸塩（ＣａＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３）は、水への溶解度が低く、かつ密度が水よりも大きいため、反応槽４０内に沈降する。沈降した炭酸塩は、ラインＬ６を介して容易に回収することができる。また、回収した炭酸塩は資源として様々な用途に用いることが可能となる。

なお、反応部４には、二価イオンＭと炭酸イオンによる炭酸塩の生成反応に係る条件を最適化し、二価イオンＭと炭酸イオンの反応効率を高めるための手段を設けるものとしてもよい。このような手段としては、例えば、撹拌等のように、二価イオンＭと炭酸イオンの接触効率を向上させる機械的手段のほか、アルカリ剤などの薬品添加等のように、反応槽４０内のｐＨ調整を行う化学的手段などが挙げられる。

以上のように、本実施態様の二酸化炭素固定化システム１０Ａにより、低コスト・低エネルギー、かつ高効率で炭酸塩固定法による二酸化炭素の固定化を行うことが可能となる。

特に、本実施態様の二酸化炭素固定化システム１０Ａとして、二価イオンの濃縮を行う濃縮装置を備えることにより、二酸化炭素の炭酸塩化における反応効率を高めることが可能になる。また、濃縮装置として、イオン交換膜及び一価イオン選択膜を備える濃縮装置を用いることにより、簡便な構造及び方法で、二価イオン以外のイオンを含むものから効率的に二価イオンを選択して濃縮することが可能となる。これにより、二酸化炭素を炭酸塩化するための原料の調達にかかるコスト及びエネルギーを大幅に低減させることが可能になる。

〔第４の実施態様〕
第４の実施態様に係る二酸化炭素固定化システム１０Ｂは、濃縮装置１における濃縮部２に対し、炭酸イオン生成部３及び反応部４の一部又は全部の機能を一体化したものである。なお、第３の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。

図６は、本発明の第４の実施態様における二酸化炭素固定化システムを示す概略説明図である。なお、図６は、第３の実施態様における濃縮装置１内の濃縮部２に対し、反応部４の機能を一体化したものを示している。

図６に示すように、本実施態様における二酸化炭素固定化システム１０Ｂは、濃縮部２における第２室２３ｂに対し、炭酸イオン生成部３からのラインＬ５を接続することにより、第２室２３ｂ内で二価イオンＭと炭酸イオンの反応を行うものである。つまり、図６に示した本実施態様における二酸化炭素固定化システム１０Ｂは、濃縮部２の第２室２３ｂが、反応部４としても機能するものとなっている。また、本実施態様における濃縮部２の第２室２３ｂは、ラインＬ２に代えて生成した炭酸塩を回収するためのラインＬ６を設けるものとしている。これにより、二酸化炭素固定化システム１Ｂの装置構造を簡略化することができるとともに、システム全体を小型化することができ、低コスト化・低エネルギー化が可能となる。

また、図６に示した二酸化炭素固定化システム１０Ｂでは、濃縮部２の第２室２３ｂが反応部４の機能を有することにより、第２室２３ｂ内に貯留されている濃縮された二価イオンＭは、炭酸イオンと反応し、速やかに消費されていく。一方、濃縮装置１のイオン移動手段によって、第２室２３ｂ内にはイオン交換膜２２ａを介して陽イオンが連続的に供給されるため、炭酸塩を生成する反応工程も連続的に進行する。また、第２室２３ｂ内の陽イオン濃度が低下することで、イオン移動手段として、電気透析の原理に基づくイオン移動と併せてイオンの濃度勾配によるイオン移動が進行する。これにより、第１室２３ａから陽イオン交換膜２２ａを介して第２室２３ｂ内に移動する陽イオンの移動速度を速くすることができるという効果も奏する。したがって、二酸化炭素の固定化効率を格段に向上させることが可能となる。

一方、図７は、本発明の第４の実施態様における二酸化炭素固定化システムの別態様を示す概略説明図である。なお、図７は、第３の実施態様における濃縮部２に対し、炭酸イオン生成部３と反応部４の機能を全て一体化したものを示している。

図７に示すように、本実施態様の二酸化炭素固定化システム１０Ｂは、濃縮部２における第２室２３ｂに対し、ラインＬ４を接続し、二酸化炭素（二酸化炭素含有ガス）を直接導入することにより、第２室２３ｂ内で炭酸イオンを生成させるものである。つまり、図７に示した本実施態様における二酸化炭素固定化システム１０Ｂは、濃縮部２の第２室２３ｂが、反応部４に加えて炭酸イオン生成部３としても機能するものとなっている。これにより、二酸化炭素固定化システム１０Ｂの装置構造を更に簡略化することができるとともに、システム全体を小型化することができ、低コスト化・低エネルギー化が可能となる。

また、図７に示した二酸化炭素固定化システム１０Ｂでは、濃縮部２の第２室２３ｂが反応部４として機能するため、炭酸塩の生成反応により炭酸イオンが消費される。このため、ラインＬ４を介して第２室２３ｂ内に導入された気体の二酸化炭素（ＣＯ_２）に対し、炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２−）を生成する反応（溶解反応）が速やかに進行し、連続して炭酸イオンを供給することが可能となる。したがって、濃縮部２の第２室２３ｂは、反応部４の機能とともに炭酸イオン生成部３の機能を備えることで、二酸化炭素の溶解効率及び溶解速度をより一層向上させることが可能となる。これにより、ラインＬ４を介して導入する二酸化炭素（二酸化炭素含有ガス）が低濃度のものであっても、二酸化炭素の固定化を高効率で行うことが可能となる。

以上のように、本実施態様における二酸化炭素固定化システム１０Ｂは、濃縮部２に対し、炭酸イオン生成部３及び反応部４の一部又は全部の機能を一体化することで、システム全体を小型化して、低コスト化・低エネルギー化を行うことが可能となる。また、炭酸塩を生成する反応工程を連続的に進行させることができ、二酸化炭素の固定化の効率を格段に向上させることが可能である。

〔第５の実施態様〕
第５の実施態様に係る二酸化炭素固定化システム１０Ｃは、濃縮部２（濃縮室）と反応部４が一体化したものにおいて、濃縮工程と反応工程を分離するものである。具体的には、第４の実施態様における第２室２３ｂ内に、隔壁２４ａ、２４ｂを設けるものである。また、隔壁２４ａ、２４ｂは可動式であり、イオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂの近傍に設けるものである。さらに、二酸化炭素の供給量を制御する供給量制御部２５を設けるものである。

図８は、本発明の第５の実施態様における二酸化炭素固定化システムを示す概略説明図である。図８に示すように、本実施態様の二酸化炭素固定化システム１０Ｃは、第４の実施態様の二酸化炭素固定化システム１０Ｂにおける第２室２３ｂ内に、可動式の隔壁２４ａ、２４ｂが設けられており、イオン交換膜２２ａの近傍に隔壁２４ａを設け、一価イオン選択膜２２ｂの近傍に隔壁２４ｂを設けるものである。また、第２室２３ｂに対し、二酸化炭素（二酸化炭素含有ガス）を導入するラインＬ４上に、二酸化炭素の供給量を制御する供給量制御部２５が設けられている。
なお、図８では、第４の実施態様において図７に示した二酸化炭素固定化システム１０Ｂに基づく構成を変更したものを示しているが、これに限定されるものではなく、第４の実施態様において図６に示した二酸化炭素固定化システム１０Ｂに基づく構成を変更するものとしてもよい。また、図８中において、第４の実施態様の構成と同じものについては、説明を省略する。

本実施態様の二酸化炭素固定化システム１０Ｃは、二価イオンＭの濃縮時には、隔壁２４ａ、２４ｂを処理槽２０外へ引き上げ、二酸化炭素の供給量制御部２５により二酸化炭素の供給を停止した状態で、イオン移動手段及び一価イオン移動手段によって二価イオンＭの濃縮を行うものである。一方、二価イオンＭと炭酸イオンの反応時には、隔壁２４ａ、２４ｂを処理槽２０内へ挿入した後に、二酸化炭素の供給量制御部２５により二酸化炭素の供給を開始することで、炭酸塩の生成反応を進行させるものである。
このように、濃縮部２と反応部４の構造を一体化した中で、二価イオンＭの濃縮工程と炭酸塩を生成する反応工程を分離して行うことにより、反応工程により生成した反応生成物がイオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂに付着することを抑制することが可能となる。これにより、イオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂの劣化を抑制し、濃縮効率及び反応効率の低下を抑制することが可能となる。また、イオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂのメンテナンス作業も容易となる。

隔壁２４ａ、２４ｂは、第２室２３ｂ内の溶液中の成分（特に反応生成物）がイオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂに移動することを制限することができ、かつ処理槽２０に対して出し入れが可能な方向に可動するものであれば特に限定されない。
隔壁２４ａ、２４ｂとしては、例えば、金属やプラスチック等からなる平板やシートのほか、第２室２３ｂ側からの物質移動を抑制することができる膜などが挙げられる。
また、隔壁２４ａ、２４ｂの可動手段は特に限定されない。例えば、隔壁２４ａ、２４ｂを処理槽２０に対して上下（垂直）方向または左右（水平）方向に移動させる機構を設けることのほか、隔壁２４ａ、２４ｂを巻き取り可能な機構を設けることなどが挙げられる。

供給量制御部２５は、第２室２３ｂに対し、二酸化炭素（二酸化炭素含有ガス）を導入するラインＬ４上に設けられ、二酸化炭素の供給量を制御することができるものであればよく、特に限定されない。供給量制御部２５としては、例えば、自動あるいは手動による制御装置を備えた流量調節弁やバルブなどが挙げられる。
供給量制御部２５により、処理槽２０（第２室２３ｂ）内に導入する二酸化炭素の供給量を調節することにより、二価イオンＭの濃縮工程と炭酸塩を生成する反応工程を効率的に分離することが可能となる。

供給量制御部２５は、隔壁２４ａ、２４ｂの可動手段と制御可能に接続されていることが好ましい。また、イオン移動手段及び／又は一価イオン移動手段として電極２１ａ〜２１ｄを用いる場合、電極２１ａ〜２１ｄに対して電圧を印加する直流電源と供給量制御部２５とが制御可能に接続されていることが好ましい。これにより、二価イオンＭの濃縮工程と炭酸塩を生成する反応工程の分離を自動化することが容易となり、二酸化炭素の固定化をより効率的に行うことが可能となる。

また、本実施態様の二酸化炭素固定化システム１０Ｃにおいて、炭酸塩を生成する反応工程後、ラインＬ６により第２室２３ｂ内の溶液を全て排出し、ラインＬ１等により新たな溶液を導入してから次の濃縮工程に進むものとしてもよい。これにより、反応工程で生成する反応生成物がイオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂに付着することを大幅に抑制することが可能となる。

以上のように、本実施態様における二酸化炭素固定化システム１０Ｃは、濃縮部２と反応部４の機能を一体化させたものにおいて、二価イオンＭの濃縮工程と炭酸塩を生成する反応工程を分離し、イオン交換膜２２ａ及び一価イオン選択膜２２ｂへの反応生成物の付着を抑制することができる。これにより、濃縮効率や反応効率の低下を抑制するとともに、システムのメンテナンス作業を容易とすることができるため、二酸化炭素の固定化における低コスト化・低エネルギー化を行うことが可能となる。

なお、上述した実施態様は、濃縮装置及び濃縮方法、並びに二酸化炭素固定化システムの一例を示すものである。本発明に係濃縮装置及び濃縮方法、並びに二酸化炭素固定化システムは、上述した実施態様に限られるものではなく、請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、上述した実施態様に係る濃縮装置及び濃縮方法、並びに二酸化炭素固定化システムを変形してもよい。

例えば、本実施態様における濃縮装置において、イオン交換膜及び一価イオン選択膜を設ける個数はそれぞれ１つに限定されるものではない。例えば、それぞれの膜の個数を増やし、二価イオンの濃縮室（貯留槽）に相当する区画を増やすことで、二価イオンの濃縮効率向上や濃縮処理の大規模化を図るものとしてもよい。

また、本実施態様における濃縮装置において、イオン交換膜に代えて、イオン交換樹脂を充填した層を用いるものとしてもよい。これにより、二価イオン源Ｍ_０に含まれる成分等に応じ、イオンが透過する層の厚さを制御することが容易となる。

また、本実施態様における濃縮装置において、イオン交換膜により形成される空間（第１室〜第３室）のいずれか一つあるいは二つ以上にイオン交換樹脂（陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂、あるいは両方）を充填するものとしてもよい。イオン交換膜とイオン交換樹脂を組み合わせることで、イオンの移動速度を高め、濃縮効率を向上させることが可能となる。また、電気式脱イオン（ＥＤＩ：Electrodeionization）として知られる技術と同様に、イオン交換膜及びイオン交換樹脂の再生処理を容易（あるいは不要）とすることが可能となる。

本発明の濃縮装置及び濃縮方法は、二価イオン以外のイオンを含むものから効率的に二価イオンを選択して濃縮する二価イオンの濃縮に好適に用いることができる。なお、濃縮した二価イオンは、例えば、二酸化炭素を炭酸塩化する炭酸塩固定法における原料の一つとして好適に用いることができる。
また、本発明の二酸化炭素固定化システムは、二酸化炭素を炭酸塩化する炭酸塩固定法を実施するシステムとして好適に用いることができる。特に、高濃度の二酸化炭素の固定化だけではなく、大気のような比較的低濃度の二酸化炭素の固定化においても好適に利用されるものである。

１，１Ａ，１Ｂ 濃縮装置、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 二酸化炭素固定化システム、２ 濃縮部、２０ 処理槽、２１ａ〜２１ｄ 電極、２２ａ イオン交換膜、２２ｂ 一価イオン選択膜、２３ａ 第１室、２３ｂ 第２室（濃縮室）、２３ｃ 第３室、２４ａ，２４ｂ 隔壁、２５ 供給量制御部、３ 炭酸イオン生成部、３０ 溶解槽、３１ 液体、４ 反応部、４０ 反応槽、Ｌ１〜Ｌ６ ライン、Ｍ_０ 二価イオン源、Ｍ 二価イオン、Ｓ 非電解質溶液

Claims (7)

1. 二価イオンを濃縮する濃縮部を備えた濃縮装置であって、
   前記濃縮部は、イオン交換膜と、一価イオン選択膜と、を備えることを特徴とする、濃縮装置。
2. 前記イオン交換膜と前記一価イオン選択膜は、陽イオン交換膜であることを特徴とする、請求項１に記載の濃縮装置。
3. 前記濃縮部は、海水中の二価イオンを濃縮することを特徴とする、請求項１又は２に記載の濃縮装置。
4. 前記濃縮部は、
   前記イオン交換膜を介して選択的にイオンを透過させるイオン移動手段と、
   前記一価イオン選択膜を介し、前記イオン移動手段により透過させたイオンのうち、一価イオンのみを透過させる一価イオン移動手段と、を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の濃縮装置。
5. 前記イオン交換膜及び／又は前記一価イオン選択膜において、イオンの濃度勾配によってイオンが透過することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の濃縮装置。
6. 二価イオンを濃縮する濃縮工程を備える濃縮方法であって、
   前記濃縮工程は、イオン交換膜と、一価イオン選択膜と、を用いて行うことを特徴とする、濃縮方法。
7. 二価イオンを濃縮する濃縮部を備えた濃縮装置と、
   二酸化炭素から炭酸イオンを生成する炭酸イオン生成部と、
   前記濃縮装置で濃縮された二価イオンと前記炭酸イオン生成部で生成された炭酸イオンとを接触させ、炭酸塩を生成する反応部と、を備える二酸化炭素固定化システムであって、
   前記濃縮装置の濃縮部は、イオン交換膜と、一価イオン選択膜と、を備えることを特徴とする、二酸化炭素固定化システム。
   
   

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