JP5865818B2 - 電気透析装置及び電気透析方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気透析装置及び電気透析方法に関し、より詳しくは、筒状の隔膜を備え、流動性の乏しい原液を処理する場合において特に好適な電気透析装置及び電気透析方法に関する。

環境汚染の防止や省資源等の観点から、廃棄物を再利用することが試みられている。

高含水率の流動性廃棄物は、従来、処理が困難なものとされており、これを再利用するためには、例えば、塩濃度の低減など、電荷を持つ物質の分離操作が重要な工程の一つとなることがある。

現在、十分に流動性のある清澄な液体に対する塩類の除去は、逆浸透法や電気透析法が一般的な手法として用いられており、例えば、海水の淡水化や、半導体製造などに使われるイオン交換水や超純水の製造などに利用されている（特許文献１）。

また、特許文献２には、屎尿を曝気槽及び沈降分離槽で処理した後の上澄水を、電気透析による脱塩処理に付すことが記載されている。

かかる特許文献２は、平膜状のイオン交換膜を用いる場合には、平膜同士が接触しないように膜間に設置されるスペーサーが、上澄水（原液）中に混入する懸濁物質による目詰まりの原因となる問題を指摘し、これに対して、円筒状のイオン交換膜を用いる場合には、スペーサーを設置する必要がなくなるため、目詰まりの影響を受け難い利点があることを記載する。具体的には、円筒状のイオン交換膜を電気透析槽内の上澄水（原液）に浸漬すると共に、該円筒状のイオン交換膜の膜内に極液（原液から脱離されたイオンを受け容れる脱離液）を供給して脱塩処理を行うとしている。

特開平０９−２３９２４５号公報 特開２００７−３８１８５号公報

本発明者は、例えば生ごみや家畜糞尿などのように、懸濁物や乳濁物を含む清澄でない液体や、固形分がなくても比較的粘度の大きい液体スラリー状の廃棄物を有効利用することについて研究し、これら原液中に高濃度で含まれる塩類（陽イオン及び又は陰イオン）が、有効利用の妨げになっていることに着目し、これを除去することを試みた。

しかし、従来の逆浸透法や電気透析法は、このような流動性の乏しい原液に対しては処理が不安定となり、イオンの除去効率が十分に得られ難い問題があり、更に、高価な透析膜あるいはイオン交換膜が損傷し易いため高コストとなる問題があった。

特許文献２のように円筒状のイオン交換膜を用いて脱塩を行う場合も同様であり、流動性の乏しい原液を処理する場合においては特に、脱塩効率の低下が顕著であった。

そこで、本発明の課題は、特に、流動性の乏しい原液を処理する場合においても、脱塩効率を向上することができる電気透析装置及び電気透析方法を提供することにある。

また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

１．
電気透析装置本体と、
前記電気透析装置本体内に設けられた筒状の隔膜と、
前記筒状の隔膜の内周面又は外周面の何れかに沿って併設され、該筒状の隔膜の一端側に被処理液を導入するための導入口を有すると共に、他端側に処理液を排出するための排出口を有する流路と、
前記筒状の隔膜の前記流路が併設された周面の反対側の周面に沿って併設された脱離液収容部と、
前記流路を流通する被処理液中の荷電粒子を、前記筒状の隔膜を介して前記脱離液収容部の脱離液中へ電気泳動するように電位勾配を形成する電位印加手段と、
を備えた電気透析装置であって、
前記被処理液は、バイオマス由来成分を含むスラリー又は汚染土壌スラリーであって、直径１００μｍ以上の粒子を含有する乳濁液及び又は懸濁液であるか、あるいは粘度が１００ｃｐ以上の液であり、
前記脱離液収容部内に導電性を有する粒状物あるいは繊維状物からなる導電性充填材を充填してなり、
前記流路が前記筒状の隔膜を介して前記脱離液収容部に接する膜面区間において、前記被処理液の滞留時間Ｔ（ｈｒ）と、前記被処理液の前記隔膜の膜面からの最大離間距離Ｄ（ｍｍ）とが、Ｄ／Ｔ≦１０の条件を満たすように、前記被処理液を流通させながら前記電気泳動を行うように構成されたことを特徴とする電気透析装置。

２．
前記流路が、前記筒状の隔膜の内周面に沿って併設されたことを特徴とする前記１記載の電気透析装置。

３．
電気透析装置本体内に設けられた筒状の隔膜の内周面又は外周面の何れかに沿って併設された流路を該筒状の隔膜の一端側から他端側に向けて流通する被処理液中の荷電粒子を、該筒状の隔膜を介して、該筒状の隔膜の前記流路が併設された周面の反対側の周面に沿って併設された脱離液収容部の脱離液中へ電気泳動する電気透析方法であって、
前記被処理液は、バイオマス由来成分を含むスラリー又は汚染土壌スラリーであって、直径１００μｍ以上の粒子を含有する乳濁液及び又は懸濁液であるか、あるいは粘度が１００ｃｐ以上の液であり、
前記脱離液収容部内に導電性を有する粒状物あるいは繊維状物からなる導電性充填材を充填し、
前記流路が前記筒状の隔膜を介して前記脱離液収容部に接する膜面区間において、前記被処理液の滞留時間Ｔ（ｈｒ）と、前記被処理液の前記隔膜の膜面からの最大離間距離Ｄ（ｍｍ）とが、Ｄ／Ｔ≦１０の条件を満たすように、前記被処理液を流通させながら前記電気泳動を行うことを特徴とする電気透析方法。

４．
前記流路が、前記筒状の隔膜の内周面に沿って併設されたことを特徴とする前記３記載の電気透析方法。

本発明によれば、特に、流動性の乏しい原液を処理する場合においても、脱塩効率を向上することができる電気透析装置及び電気透析方法を提供することができる。

本発明の第１態様の基本構成を説明する概念図 本発明の第２態様の基本構成を説明する概念図 本発明の第１態様に係る電気透析装置の一例を示す概略図 図１における筒状の隔膜を被処理液の流通方向に垂直な面で切断した要部拡大断面図 本発明の第１態様に係る電気透析装置の他の例を示す概略図 図５におけるvi−vi線断面図 本発明の第１態様に係る電気透析装置の他の例を示す概略図 本発明の第１態様に係る電気透析装置の他の例を示す概略図 本発明の第１態様に係る電気透析装置の他の例を示す概略図 本発明の第２態様に係る電気透析装置の一例を示す概略図 図１０における筒状の本体を被処理液の流通方向に垂直な面で切断した要部拡大断面図 図１０における筒状の本体を被処理液の流通方向に垂直な面で切断した要部拡大断面図 本発明に係る導電性充填材について説明する要部拡大図 一対の電極間における電位勾配を説明するグラフ 本発明の電気透析装置に好ましく用いられる管状の電極を説明する概略断面図

以下に、図面を参照して本発明を実施するための形態について具体的に説明するが、まず、図１及び図２を参酌して、本発明の基本構成について説明する。

本発明は、筒状の隔膜を備えた電気透析装置及び電気透析方法に係る発明であり、主に、図１に例示される第１態様と、図２に例示される第２態様とを含む。

図１に示す第１態様に係る電気透析装置１は、電気透析装置本体１１内に、筒状の隔膜１２１を備えている。ここで、被処理液を流通する流路１２１ａは、筒状の隔膜１２１の内周面に沿って併設される。

被処理液中の荷電粒子（図示の例ではイオン）は、当該被処理液が流路１２１ａを流通する過程で、不図示の電位印加手段により電気的に泳動され、筒状の隔膜１２１の外部に除去される。具体的には、本体１１内の脱離液収容部１１ａに収容された脱離液中に除去される。

このように、第１態様では、筒状の隔膜１２１の内部から外部に荷電粒子を除去することで、筒状の隔膜１２１内部の流路１２１ａを流通する被処理液の電気透析が行われる。

一方、図２に示す第２態様に係る電気透析装置２もまた、電気透析装置本体２１内に、筒状の隔膜２２１を備えているが、被処理液を流通する流路２１ａは、筒状の隔膜２２１の外周面に沿って併設される。具体的には、筒状の隔膜２２１の外周面と本体２１の内面との間に、流路２１ａが形成される。

被処理液中の荷電粒子（図示の例ではイオン）は、当該被処理液が流路２１ａを流通する過程で、不図示の電位印加手段により電気的に泳動され、筒状の隔膜２２１の内部の脱離液収容部２２１ａに収容された脱離液中に除去される。

このように、第２態様では、筒状の隔膜２２１の外部から内部に荷電粒子を除去することで、筒状の隔膜２２１外部の流路２１ａを流通する被処理液の電気透析が行われる。

本発明では、特に、流動性の乏しい原液を処理する場合においても、脱塩効率を向上することを目的に、第１及び第２態様に共通して、流路が筒状の隔膜を介して脱離液収容部に接する膜面区間（即ち被処理液の電気透析処理が行われる実質的な実効領域）における処理条件を一つの特徴とするものであり、これについて以下に説明する。

まず、図３は、本発明の第１態様に係る電気透析装置の一例を示す概略図である。

図３において、１は電気透析装置であり、１１は電気透析装置本体、１２は作用極、１２１は筒状の隔膜、１３は対極である。

筒状の隔膜１２１は、固定部材１２２及び１２３により両端を固定された状態で、槽状の本体１１内の脱離液収容部１１ａに収容された脱離液中に浸漬されている。

筒状の隔膜１２１を構成する隔膜としては、少なくとも除去対象となる荷電粒子が通過可能な膜であれば格別限定されない。例えば、イオン交換膜、透析膜のようなイオン選択透過性を有する膜を用いてもよいが、本発明では、微多孔膜を用いることも好ましい。微多孔膜としては、ＭＦ膜、ＵＦ膜又はＮＦ膜等のようなイオン選択透過性を有さない膜を好ましく用いることができる。

本発明において、脱離液は、通常の電気透析に必要な最低限の電導度を有する液であれば格別限定されず、河川水や、水道水等を好ましく用いることができる。脱離液には、電導度を確保するために適宜電解質を添加することができる。

一端側の固定部材１２２には、筒状の隔膜１２１の内部に被処理液を導入するための導入口１２２ａが設けられ、他端側の固定部材１２３には、筒状の隔膜１２１の内部からの処理液（処理後の被処理液）を排出する排出口１２３ａが設けられている。

このようにして、本態様では、筒状の隔膜１２１の内部に流路１２１ａを形成している。つまり、流路１２１ａが、筒状の隔膜１２１の内周面に沿って併設される。

１２４は、導入口１２２ａに導入するための被処理液を貯留する被処理液タンクであり、１２５は、排出口１２３ａから排出された処理液を貯留する処理液タンクである。１２６は、被処理液タンク１２４内の被処理液を抜き出して導入口１２２ａに移送するための移送ポンプである。

本発明において、被処理液は、除去目的とする荷電粒子を含むものであれば格別限定されず、本発明の効果を顕著に奏する上で、直径１００μｍ以上の粒子を含有する乳濁液及び又は懸濁液であるか、あるいは粘度が１００ｃｐ以上の液を好ましく例示できる。被処理液の具体例については、後に詳述する。

作用極１２は、筒状の隔膜１２１の内部に設けられ、流路１２１ａを流通する被処理液に接するように配されている。

一方、対極１３は、筒状の隔膜１２１の外部に設けられ、脱離液収容部１１ａ内の脱離液に接するように配されている。

作用極１２及び対極１３からなる１対の電極（電位印加手段）は、当該１対の電極間に所定の電位を印加可能に構成されている。これにより、流路１２１ａを流通する被処理液中の荷電粒子を、筒状の隔膜１２１を介して脱離液収容部１１ａの脱離液中に電気泳動するための電位勾配を形成可能としている。

１４は、脱離液収容部１１ａ内の脱離液を攪拌する攪拌手段である。

以上に説明した電気透析装置を用いて電気透析処理を行う際には、１対の電極１２、１３間に電位勾配を形成し、攪拌手段１４により脱離液収容部１１ａ内の脱離液を攪拌した状態で、移送ポンプ１２６の作動により、被処理液タンク１２４からの被処理液を筒状の隔膜１２１内の流路１２１ａの一端側（導入口１２２ａ）から流通させる。

被処理液中の荷電粒子は、筒状の隔膜１２１内の流路１２１ａを流通する過程において、１対の電極１２、１３間に形成された電位勾配によって移動（電気泳動）し、筒状の隔膜１２１を通過して、脱離液収容部１１ａ内の脱離液中に除去される。具体的には、除去目的の荷電粒子が正電荷を帯びている場合は、対極１３を負極に設定し、除去目的の荷電粒子が負電荷を帯びている場合は、対極１３を正極に設定する。

除去目的の荷電粒子が除去された処理済みの被処理液（処理液）は、筒状の隔膜１２１内の流路１２１ａの他端側（排出口１２３ａ）から排出され、処理液タンク１２５に回収される。

一方、脱離液収容部１１ａ内の脱離液中には、被処理液から除去された荷電粒子が回収される。

本発明においては、流路１２１ａが筒状の隔膜１２１を介して脱離液収容部１１ａに接する膜面区間において、被処理液の滞留時間Ｔ（ｈｒ）と、被処理液の隔膜１２１の膜面からの最大離間距離Ｄ（ｍｍ）とが、Ｄ／Ｔ≦１０、好ましくはＤ／Ｔ≦５の条件を満たすように、被処理液を流通させながら電気泳動を行うことにより、特に、流動性の乏しい原液を処理する場合においても、脱塩効率を向上することができる。

「膜面区間」とは、流路１１ａが筒状の隔膜１２１を介して脱離液収容部１１ａに接する領域のことであり、即ち、荷電粒子の移動が生じることにより被処理液の電気透析処理が行われる実質的な実効領域を指す。

「滞留時間Ｔ（ｈｒ）」とは、膜面区間を流通する被処理液が、当該膜面区間内に存在し続ける時間である。一例として、ポンプ流量Ｑ（ｍｍ^３／ｈｒ）、膜面区間における流路の断面積Ｓ（ｍｍ^２）及び膜面区間における流路の長さＬ（ｍｍ）とした場合に、滞留時間Ｔ（ｈｒ）は、Ｔ＝Ｌ・Ｓ／Ｑにより算出される。

「最大離間距離Ｄ（ｍｍ）」とは、筒状の隔膜１２１を被処理液の流通方向に垂直な面で切断した要部拡大断面図である図４に示すように、膜面区間を流通する被処理液において、膜面と、「膜面からの距離が最大となる位置」との間の直線距離のことである。例えば、筒状の隔膜１２１が円筒状であり、円筒の軸中心に沿って作用極１２が配される場合は、作用極１２の表面の位置が、「膜面からの距離が最大となる位置」となる。この場合、最大離間距離Ｄ（ｍｍ）は、膜面（筒状の隔膜１２１の内周面）から作用極表面までの距離に相当する。「最大離間距離Ｄ（ｍｍ）」は、言い換えれば、膜面区間を流通する被処理液のどの部位においても、膜面までの直線距離がＤ（ｍｍ）以内であることを意味する。

本発明において上記Ｄ／Ｔ≦１０の条件下において電気泳動を行う際には、被処理液を、当該膜面区間において「流通」させることが重要である。これにより、同じ滞留時間だけ被処理液を「静止」させた場合等と比較して、脱塩効率が顕著に増加する効果が得られる。特に、被処理液の実質的に全てが膜面に沿う方向に流通されることが好ましく、これを好適に実現するためには、最大離間距離Ｄ（ｍｍ）を、好ましくは１０ｍｍ以下、より好ましくは５ｍｍ以下に設定することである。

図５は、本発明の第１態様に係る電気透析装置の他の例を示す概略図であり、図６は、図５におけるvi−vi線断面図である。

図５において、電気透析装置１は、電気透析装置本体１１内に、筒状の隔膜１２１を４つ備えている。各々の筒状の隔膜１２１は、円筒状の本体１１の両端を閉口する互いに対向する壁１１２、１１３の間に架け渡されるように支持されている。

一方の壁１１２には、各々の筒状の隔膜１２１に被処理液を導入するための導入口１２２ａが各々設けられ、他方の壁１１３には、各々の筒状の隔膜１２１の内部からの処理液を排出する排出口１２３ａが各々設けられている。

円筒状の本体１１の側壁１１１には、円筒状の本体１１内の脱離液収容部１１ａに脱離液を導入するための導入口１１１ａと、脱離液収容部１１ａからの脱離液を排出する排出口１１１ｂとが形成されている。導入口１１１ａ及び排出口１１１ｂは、それぞれ円筒状の本体１１の一端側と他端側に配されている。

各々の筒状の隔膜１２１の内部には、それぞれ作用極１２が設けられ、一方、外部には、脱離液収容部１１ａ内の脱離液と接触するように対極１３が設けられている。

図の例において、対極１３は、４つの筒状の隔膜１２１を内側に取り囲む筒状体であり、例えば板状又は網状の導電性物質により形成されている。

かかる態様においても、筒状の隔膜１２１の膜面区間が、上述したＤ／Ｔ≦１０の条件を満たすように、被処理液を流通させながら電気泳動を行うことにより、特に、流動性の乏しい原液を処理する場合においても、脱塩効率を向上することができる。

図７は、本発明の第１態様に係る電気透析装置の他の例を示す概略図である。

図７に示す電気透析装置１においては、各々の筒状の隔膜１２１に被処理液を導入するための導入口１２２ａと、各々の筒状の隔膜１２１の内部からの処理液を排出する排出口１２３ａとが、共に同じ壁（図示の例では上壁）１１２に設けられている。

導入口１２２ａから導入された被処理液は、１つの筒状の隔膜１２１内を通過した後、Ｕ字状の接続管１５で折り返されて、更なる１つの筒状の隔膜１２１内を通過し、その後、排出口１２３ａから排出されるように構成されている。

各々の筒状の隔膜１２１内には、いずれも作用極（ここでは正極）１２が挿入されており、従って、これら筒状の隔膜１２１は、被処理液から、同じ極性の荷電粒子（ここでは正荷電粒子）を除去するために機能する。

対極１３は、本態様においても、複数の筒状の隔膜１２１を内側に取り囲む筒状に形成されている。

２つの筒状の隔膜１２１内を通過する過程において、被処理液の電気透析が行われる。

このように、本発明の電気透析装置１は、被処理液が、同じ極性の荷電粒子を除去するための複数の筒状の隔膜１２１を通過するように構成されてもよい。この場合、上述したＤ／Ｔ≦１０の条件において、滞留時間Ｔ（ｈｒ）は、１つの筒状の隔膜１２１内における滞留時間とする。

以上の説明では、除去目的の荷電粒子が、正電荷又は負電荷の何れかである場合を示したが、本発明はこれに限定されず、以下に説明する通り、正電荷の荷電粒子（正荷電粒子）を除去する電気透析と、負電荷の荷電粒子（負荷電粒子）を除去する電気透析とを同時に行う場合にも好ましく適用できる。

図８は、本発明の第１態様に係る電気透析装置の他の例を示す概略図である。

図８の例において、電気透析装置１は、被処理液中の正荷電粒子を除去するための筒状の隔膜１２１に加えて、更に、負荷電粒子を除去するための筒状の隔膜１３１を備えている。筒状の隔膜１２１内の流路１２１ａには作用極（正極）が挿入され、一方、筒状の隔膜１３１内の流路１３１ａには対極（負極）が挿入されている。

筒状の隔膜１３１は、固定部材１３２及び１３３により両端を固定された状態で、槽状の本体１１内の脱離液収容部１１ａに収容された脱離液中に浸漬されている。

一端側の固定部材１３２には、筒状の隔膜１３１の内部に被処理液を導入するための導入口１３２ａが設けられ、他端側の固定部材１３３には、筒状の隔膜１３１の内部からの処理液（処理後の被処理液）を排出する排出口１３３ａが設けられている。

このようにして、本態様では、筒状の隔膜１３１の内部に流路１３１ａを形成している。つまり、流路１３１ａが、筒状の隔膜１３１の内周面に沿って併設される。

１３４は、導入口１３２ａに導入するための被処理液を貯留する被処理液タンクであり、１３５は、排出口１３３ａから排出された処理液を貯留する処理液タンクである。１３６は、被処理液タンク１３４内の被処理液を抜き出して導入口１３２ａに移送するための移送ポンプである。

電気透析処理を行う際には、１対の電極１２、１３間に電位勾配を形成し、攪拌手段１４により脱離液収容部１１ａ内の脱離液を攪拌した状態で、移送ポンプ１２６の作動により、被処理液タンク１２４からの被処理液を筒状の隔膜１２１内の流路１２１ａの一端側から流通させる。正荷電粒子が除去された処理液（処理後の被処理液）は、筒状の隔膜１２１内の流路１２１ａの他端側から排出され、処理液タンク１２５に回収される。

これと同時に、移送ポンプ１３６の作動により、被処理液タンク１３４からの被処理液を筒状の隔膜１３１内の流路１３１ａの一端側から流通させる。負荷電粒子が除去された処理液は、筒状の隔膜１３１内の流路１３１ａの他端側から排出され、処理液タンク１３５に回収される。

一方、脱離液収容部１１ａ内の脱離液中には、２つの被処理液からそれぞれ除去された正荷電粒子及び負荷電粒子が回収される。

かかる態様においても、筒状の隔膜１２１の膜面区間、及び又は、筒状の隔膜１３１の膜面区間が、上述したＤ／Ｔ≦１０の条件を満たすように、被処理液を流通させながら電気泳動を行うことにより、特に、流動性の乏しい原液を処理する場合においても、脱塩効率を向上することができる。

図８の例では、正荷電粒子を除去する電気透析と、負荷電粒子を除去する電気透析とを別々の被処理液に施す場合を示したが、本発明はこれに限定されず、以下に説明するように、正荷電粒子を除去する電気透析と、負荷電粒子を除去する電気透析とを同じ被処理液に施す場合にも好適に用いることができる。

図９は、本発明に係る電気透析装置の他の例を示す概略図である。

図９に示す電気透析装置１では、筒状の隔膜１２１内の流路１２１ａから被処理液を排出する排出口１２３ａが、Ｕ字状の接続管１５を介して、筒状の隔膜１３１内の流路１３１ａに被処理液を導入する導入口１３２ａに接続されている。

被処理液タンク１２５からの被処理液は、まず、導入口１２２ａから筒状の隔膜１２１内の流路１２１ａに導入され、該流路１２１ａを流通する過程で正荷電粒子が除去された後、排出口１２３ａから排出される。

排出された被処理液は、次いで、接続管１５を介して、導入口１３２ａから筒状の隔膜１３１内の流路１３１ａに導入され、該流路１３１ａを流通する過程で負荷電粒子が除去された後、固定部材１３３に設けられた排出口１３３ａから排出され、処理液タンク１３５に回収される。

このようにして、被処理液に対して、正荷電粒子を除去する電気透析と、負荷電粒子を除去する電気透析とを施すことができる。

一方、脱離液収容部１１ａ内の脱離液中には、被処理液から除去された正荷電粒子及び負荷電粒子が回収される。

かかる態様においても、筒状の隔膜１２１の膜面区間、及び又は、筒状の隔膜１３１の膜面区間が、上述したＤ／Ｔ≦１０の条件を満たすように、被処理液を流通させながら電気泳動を行うことにより、特に、流動性の乏しい原液を処理する場合においても、脱塩効率を向上することができる。

以上、被処理液を流通する流路が、筒状の隔膜の内周面に沿って併設される第１態様について説明した。

次に、流路が、筒状の隔膜の外周面に沿って併設される第２態様について説明する。

図１０は、本発明の第２態様に係る電気透析装置の他の例を示す概略図である。

図１０において、２は電気透析装置であり、２２１及び２３１は筒状の隔膜である。

筒状の隔膜２２１は、固定部材２２２及び２２３により両端を固定されると共に、内部に作用極（ここでは正極）２２が挿入された状態で、円筒状容器からなる本体２１内の流路２１ａを流通する被処理液中に浸漬されている。

一端側の固定部材２２２には、筒状の隔膜２２１の内部に脱離液を導入するための導入口２２２ａが設けられ、他端側の固定部材２２３には、筒状の隔膜２２１の内部からの脱離液（被処理液から脱離した負荷電粒子を含んだ脱離液）を排出する排出口２２３ａが設けられている。

２２４は、導入口２２２ａに導入するための脱離液を貯留する脱離液タンクであり、２２６は、脱離液タンク２２４内の脱離液を抜き出して導入口２２２ａに移送するための移送ポンプである。排出口２２３ａから排出された脱離液は、再び脱離液タンク２２４に返送されるように構成されている。

一方、筒状の隔膜２３１は、固定部材２３２及び２３３により両端を固定されると共に、内部に対極（ここでは負極）２３が挿入された状態で、円筒状容器からなる本体２１内の流路２１ａを流通する被処理液中に浸漬されている。

一端側の固定部材２３２には、筒状の隔膜２３１の内部に脱離液を導入するための導入口２３２ａが設けられ、他端側の固定部材２３３には、筒状の隔膜２３１の内部からの脱離液（被処理液から脱離した正荷電粒子を含んだ脱離液）を排出する排出口２３３ａが設けられている。

２３４は、導入口２３２ａに導入するための脱離液を貯留する脱離液タンクであり、２３６は、脱離液タンク２３４内の脱離液を抜き出して導入口２３２ａに移送するための移送ポンプである。排出口２３３ａから排出された脱離液は、再び脱離液タンク２３４に返送されるように構成されている。

円筒状の本体２１の一端側には、該本体２１内の流路２１ａに被処理液を導入するための導入口２１２ａが設けられ、他端側には、流路２１ａからの処理液（処理後の被処理液）を排出するための排出口２１３ａが設けられている。

２１４は、導入口２１２ａに導入するための被処理液を貯留する被処理液タンクであり、２１５は、排出口２１３ａから排出された処理液を貯留する処理液タンクである。また、２１６は、被処理液タンク２１４内の被処理液を抜き出して導入口２１２ａに移送するための移送ポンプである。

このように、本態様では、筒状の隔膜２２１及び２３１の内部に脱離液収容部２２１ａ及び２３１ａを形成している。そして、流路２１ａは、筒状の隔膜２２１及び２３１の外周面に沿って併設される。

また、作用極２２は、脱離液収容部２２１ａ内の脱離液に接するように配され、一方、対極２３は、脱離液収容部２３１ａ内の脱離液に接するように配されている。

作用極２２及び対極２３からなる１対の電極（電位印加手段）は、当該１対の電極間に所定の電位を印加可能に構成されている。これにより、流路２１ａを流通する被処理液中の荷電粒子のうち、負荷電粒子を筒状の隔膜２２１を介して脱離液収容部２２１ａの脱離液中に電気泳動すると共に、正荷電粒子を筒状の隔膜２３１を介して脱離液収容部２３１ａの脱離液中に電気泳動するための電位勾配を形成可能としている。

以上に説明した電気透析装置を用いて電気透析処理を行う際には、１対の電極２２、２３間に電位勾配を形成し、移送ポンプ２２６及び２３６の作動により脱離液を筒状の隔膜２２１及び２３１の内部に供給し、移送ポンプ２１６の作動により被処理液タンク２１４からの被処理液を本体２１内の流路２１ａの一端側から流通させる。

被処理液中の荷電粒子は、本体２１内の流路２１ａを流通する過程において、１対の電極２２、２３間に形成された電位勾配によって移動（電気泳動）し、負荷電粒子は、筒状の隔膜２２１を通過して、脱離液収容部２２１ａ内の脱離液中に除去され、正荷電粒子は、筒状の隔膜２３１を通過して、脱離液収容部２３１ａ内の脱離液中に除去される。

除去目的の荷電粒子が除去された処理液は、本体２１内の流路２１ａの他端側から排出され、処理液タンク２１５に回収される。

本発明においては、このように流路２１ａが筒状の隔膜２２１及び２３１の外周面に沿って併設される場合も、筒状の隔膜の内周面に沿って併設される場合と同様に、流路２１ａが筒状の隔膜２２１及び２３１を介して脱離液収容部２２１ａ及び２３１ａに接する膜面区間において、被処理液の滞留時間Ｔ（ｈｒ）と、被処理液の隔膜の膜面からの最大離間距離Ｄ（ｍｍ）とが、Ｄ／Ｔ≦１０の条件を満たすように、被処理液を流通させながら電気泳動を行うように構成される。

このように流路が筒状の隔膜の外周面に沿って併設される場合においても、「最大離間距離Ｄ（ｍｍ）」は、膜面区間を流通する被処理液において、膜面と、「膜面からの距離が最大となる位置」との間の距離のことであり、これについて、図１１及び図１２を参酌して詳しく説明する。

図１１及び図１２は、何れも、図１０に示した筒状の本体２１を被処理液の流通方向に垂直な面で切断した断面を示している。筒状の本体２１の内部、且つ筒状の隔膜２２１及び２３１の外部の領域に、流路２１ａが形成されている。

除去目的とする荷電粒子が正荷電粒子であれば、最大離間距離Ｄ（ｍｍ）の基準となる膜面は、正荷電粒子を通過・除去させる膜面であり、即ち内部に対極（負極）２３が挿入された筒状の隔膜２３１の膜面である。従って、図１１に示すように、筒状の隔膜２３１の膜面と、筒状の本体２１の内壁面との間の距離が最大になる距離が、最大離間距離Ｄ（ｍｍ）に相当する。

なお、図１１の例のように、膜面と、「膜面からの距離が最大となる位置」との間に、障害物（ここでは筒状の隔膜２２１）が存在する場合であっても、最大離間距離Ｄ（ｍｍ）は、膜面と、「膜面からの距離が最大となる位置」とを結ぶ直線距離とする。

一方、除去目的とする荷電粒子が負荷電粒子であれば、最大離間距離Ｄ（ｍｍ）の基準となる膜面は、負荷電粒子を通過・除去させる膜面であり、即ち内部に作用極（正極）２２が挿入された筒状の隔膜２２１の膜面である。従って、図１２に示すように、筒状の隔膜２２１の膜面と、筒状の本体２１の内壁面との間の距離が最大になる距離が、最大離間距離Ｄ（ｍｍ）に相当する。

図１２においても、図１１と同様に、膜面と、「膜面からの距離が最大となる位置」との間に、障害物（ここでは筒状の隔膜２３１）が存在するが、最大離間距離Ｄ（ｍｍ）は、膜面と、「膜面からの距離が最大となる位置」とを結ぶ直線距離とする。

除去目的とする荷電粒子が正荷電粒子と負荷電粒子を共に含む場合は、図１１及び図１２に示した両方の最大離間距離Ｄ（ｍｍ）について、Ｄ／Ｔ≦１０の条件を満たすことが好ましい。

本発明においては、脱離液収容部１１ａ内に導電性充填材を充填することも好ましいことである。

図１３は、本発明に係る電気透析装置の他の例を示す要部拡大図であり、一例として、図９に示した電気透析装置１の脱離液収容部１１ａ内に導電性充填材１６を充填した状態を示している。

導電性充填材１６としては、例えば導電性を有する粒状物あるいは繊維状物等を好ましく例示でき、具体的には、例えば高温焼成した木炭片や炭素繊維フェルトなどを好ましく例示できる。

図１４は、一対の電極１２、１３間における電位勾配を説明するグラフであり、図中、縦軸は電位を、横軸は図１３におけるＡ地点から作用極（正極）１２、対極（負極）１３側を経てＢ地点に至るまでの位置を示している。

脱離液収容部１１ａ内に導電性充填材１６を充填することにより、図１４に実線で示すように、該脱離液収容部１１ａに形成される電位勾配が平坦化するため、その分、流路１２１ａ、１３１ａ、並びにこれらに隣接する隔膜１２、１３に亘って形成される電位勾配の傾斜が増大する。比較として、導電性充填材１６を充填しない場合の電位勾配を破線で示した。

その結果、流路１２１ａ、１３１ａから隔膜１２、１３を介して脱離液収容部１１ａに向かう荷電粒子の泳動を促進できる効果が得られる。また、これにより、脱離液収容部１１ａの脱離液の導電性が低い場合であっても、荷電粒子の泳動を効率的に行うことができるようになる。その結果、一対の電極１２、１３間に印加する電位差を低減できる効果も得られる。

更に、本発明においては、脱離液収容部１１ａにおいて、脱離液が導電性充填材１６と衝突することで乱流化し、脱離液の線速が増大することも、イオン移動の促進に寄与する。

また更に、本発明においては、導電性充填材１６を設けることにより、流路１２１ａ、１３１ａ側と、脱離液収容部１１ａ側との圧力バランスを調整することができる。

つまり、被処理液と脱離液との間に生じる浸透圧や、被処理液と脱離液の粘性の差などによって、流路１２１ａ、１３１ａ内は、脱離液収容部１１ａ内よりも圧力が上昇し易い。このとき、脱離液収容部１１ａ内に導電性充填材１６を設けることにより、脱離液収容部１１ａ内の圧力を上昇させることができるため、流路１２１ａ、１３１ａ側と、脱離液収容部１１ａ側との圧力バランスを調整することができる。

具体的には、導電性充填材１６を設けることにより、流路１２１ａ、１３１ａ側と、脱離液収容部１１ａ側との圧力差を３００ｍｍＨ_２Ｏ以下の範囲に調整することが好ましい。

そのため、導電性充填材１６の選定、及び、脱離液収容部１１ａへの充填に際しては、流路１２１ａ、１３１ａ側と、脱離液収容部１１ａ側との圧力バランスを考慮することが好ましく、具体的には、上述したように、浸透圧や粘性の差によって流路１２１ａ、１３１ａ側の圧力が脱離液収容部１１ａ側よりも増大することを防止して、流路１２１ａ、１３１ａ側と、脱離液収容部１１ａ側との圧力差が３００ｍｍＨ_２Ｏ以下の範囲となるように選定・充填されることが好ましい。

以上、図１３では、被処理液を流通する流路が筒状の隔膜の内周面に沿って併設される態様において、筒状の隔膜の外部の脱離液収容部に導電性充填材を充填する場合について説明したが、これに限定されず、流路が筒状の隔膜の外周面に沿って併設される態様において、筒状の隔膜の内部の脱離液収容部に導電性充填材を充填することもでき、好ましいことである。

本発明においては、特に、第１態様に示したように被処理液を流通する流路が筒状の隔膜の内周面に沿って併設される態様においては、以下に説明するように、作用極１２又は対極１３として、管状の電極を用いることも好ましい。

図１５は、本発明の電気透析装置に好ましく用いられる管状の電極を説明する概略断面図である。

図１５に示した電気透析装置１においては、管状の電極１２により作用極が構成されている。

管状の電極１２は、一端側の開口１２ａが、該管状の電極１２内に被処理液を流入する流入口を成しており、他端側の開口１２ｂが、筒状の隔膜１２１内の流路１２１ａに被処理液を流出する流出口を成している。このようにして、管状の電極１２の流出口１２ｂを、筒状の隔膜１２１内の流路１２１ａに被処理液を導入するための導入口として機能させている。

以上の説明では、管状の電極１２を作用極として用いる場合について説明したが、対極１３についても同様に構成することができる。

本発明に供される被処理液は、上述したように、直径１００μｍ以上の粒子を含有する乳濁液及び又は懸濁液であるか、あるいは粘度が１００ｃｐ以上の液であることが好ましい。

被処理液として、具体的には、バイオマス由来成分を含むスラリーを好ましく例示できる。

例えば、バイオマス由来成分を含むスラリーとしては、スラリー化した生ごみ（生ごみペースト）、家畜糞尿等を好ましく例示できる。

また、バイオマス由来成分を含むスラリーをメタン発酵させた後の消化液も被処理液として好ましく用いることができる。

更に、バイオマス由来成分を含むスラリーをメタン発酵に供する前の前処理としても、本発明を好ましく適用できる。

例えば、豚は、給餌に際して飼料に亜鉛を添加する場合があるため、家畜糞尿が豚の糞尿を含む場合は、比較的多量の亜鉛が含まれ、農地還元等の再利用に際して環境上の問題が大きいが、本発明によれば、このような重金属イオンも好適に除去できる。

また、本発明は、例えば、梅発酵残液等の食品加工残渣からの食塩除去や、焼酎粕濃縮液等の食品加工残渣からのカリウム塩除去にも好ましく用いることができる。もちろん、食品加工残渣に限らず、食品からの減塩等にも好適に用いることができる。焼酎粕濃縮液としては、特に、焼酎粕を固液分離処理して得られた液相を、好ましくは固形分濃度２５ｗｔ％以上、より好ましくは固形分濃度３０ｗｔ％以上、最も好ましくは３５ｗｔ％以上に濃縮してなる濃縮液を好ましく例示することができる。

本発明によってイオンが除去された後の被処理液（処理液）は、例えばハウス栽培用の養液や、家畜用飼料として好適に用いることができる。特に、ハウス栽培用の養液として用いる場合には、ハウス内の土壌が雨に曝されないことによる蓄積塩害を防止できる効果に優れ、家畜用飼料に用いる場合には、家畜の尿管結石の原因となるカリウムを好適に除去できる効果が得られる。

また、本発明によれば、被処理液中に含まれる多価フェノール類、クエン酸、有機酸類、カリウムイオン等の有価物を、イオンとして受容液中に好適に回収でき、有価物の再利用を効率化することができる。

また更に、本発明では、被処理液として汚染土壌スラリーを好ましく処理できる。例えば、汚染土壌を水中に分散してスラリー化し、これを被処理液として、本発明の液間イオン移送装置で処理する。イオン化した汚染物質は受容液中に除去され、処理後の被処理液（処理液）から除染された土壌成分（固形分）を容易に回収できる。

特に、汚染物質がセシウムである場合には、本発明によって好適に受容液中に除去できることが確認された。これは、電位勾配下におけるセシウムイオンの移動速度が比較的速いことによるものと推定される。

本発明において、被処理液中に含まれる除去目的となる荷電粒子としては、正荷電粒子（例えば陽イオン）及び又は負荷電粒子（例えば陰イオン）であれば格別限定されない。イオンの価数は１価又は２価以上の何れであってもよく、また、単原子イオン、多原子イオン、錯イオン、クラスターイオン等の何れの形態であってもよい。

以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はかかる実施例に限定されない。

１．芋焼酎粕濃縮液のカリウムイオン脱離試験
（実施例１）
図１に示したものと同様の電気透析装置を用い、円筒状（内径１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ）の隔膜（イオン交換膜：旭硝子社製「セレミオンＣＭＶ」）の内部に、被処理液として下記芋焼酎粕濃縮液（２６℃）を流通（電流密度０．５ｍＡｃｍ^−２、３．５Ｖ定電圧、滞留時間１時間で流通）させ、外部に下記脱離液（２６℃）を接触させて、Ｄ／Ｔ＝５の条件で、カリウム（Ｋ^＋）イオン脱離試験を行った。

カリウム脱離率及び電流効率を表１に示す。

＜被処理液（芋焼酎粕濃縮液）＞
芋焼酎粕を遠心分離機により固液分離した後の液側を回収し、これを多重効用蒸発缶により濃縮したものを用いた。性状は下記の通りである。
固形分濃度：２７．２ｗｔ％
強熱（６００℃）減量：８．７ｗｔ％、
ｐＨ４．７
電導度（２６℃）：０．９０Ｓ／ｍ
カリウム含有量：３３３０ｍｇ／Ｌ
粘度：約３ＰａＳ

＜脱離液＞
酢酸濃度が１００ｍｌ／Ｌである酢酸水溶液を脱離液として用いた。性状は下記の通りである。
ｐＨ４．１
電導度（２６℃）：１．０３８Ｓ／ｍ
粘度：約１０ｍＰａＳ

（実施例２）
図１１に示したものと同様の電気透析装置を用い、円筒状の隔膜（イオン交換膜：旭硝子社製「セレミオンＣＭＶ」）の内部に脱離液を流通させ、外部に芋焼酎粕濃縮液を流通（電流密度０．６ｍＡｃｍ^−２、３．５Ｖ定電圧、滞留時間１時間で流通）させて、Ｄ／Ｔ＝５の条件としたこと以外は実施例１と同様にして、カリウムイオン（Ｋ^＋）脱離試験を行った。

カリウム脱離率及び電流効率を表１に示す。

（比較例１）
実施例２において、円筒状のイオン交換膜の外部に芋焼酎粕濃縮液を静止させた状態（電流密度０．５ｍＡｃｍ^−２、３．５Ｖ定電圧）で１時間処理したこと以外は実施例２と同様にして、カリウムイオン脱離試験を行った。

カリウム脱離率及び電流効率を表１に示す。

２．メタン発酵消化液の食塩濃度低減試験
（実施例３）
図９に示したものと同様の電気透析装置を、図１３に示したように脱離液収容部内に導電性充填材（１３５０℃にて焼成されたＰＡＮ系カーボン繊維フェルト）を充填して用い、正荷電粒子除去用及び負荷電粒子除去用の各円筒状の隔膜の内部に、被処理液としてメタン発酵消化液（２２℃）を流通（電流８ｍＡ→３ｍＡ、４．５Ｖ定電圧、各円筒状の隔膜あたり滞留時間１時間で流通）させ、外部に脱離液（水道水：電導度２２．６ｍＳ／ｍ（２１℃）、１００ｍｌ／ｈｒ）を接触させて、Ｄ／Ｔ＝５の条件で、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）及び塩化物イオン（Ｃｌ⁻）の脱離試験を行った。

処理前後のメタン発酵消化液の性状を表２に示した。

このとき、電荷（電気量）：１８ｃｏｕｌ．→０．１９ｍｍｏｌに対して、ΔＮａ^＋：（０．６／２３）×４ｍｌ＝０．１０ｍｍｏｌであったことより、電流効率η_Ｉ＝５３％であることがわかる。

（実施例４）
実施例３において、メタン発酵消化液（１９℃）を用い、隔膜を微多孔膜（ＭＦ膜）に代え、３．８Ｖ定電圧（電流９ｍＡ→３ｍＡ）とした（Ｄ／Ｔ＝５）こと以外は、実施例３と同様にして脱離試験を行った。

処理前後のメタン発酵消化液の性状を表３に示した。

このとき、電荷（電気量）：〜０．１９ｍｍｏｌに対して、ΔＮａ^＋：（０．５／２３）×４ｍｌ＝０．０９ｍｍｏｌであったことより、電流効率η_Ｉ＝４７％であることがわかる。

＜評価＞
実施例４の結果より、本発明においては、筒状の隔膜として微多孔膜を好ましく用いることができることがわかる。

１：電気透析装置
１１：電気透析装置本体
１１ａ：脱離液収容部
１２：作用極
１３：対極
１２１、１３１：筒状の隔膜
１２１ａ、１３１ａ：流路
２：電気透析装置
２１：電気透析装置本体
２１ａ：流路
２２：作用極
２３：対極
２２１、２３１：筒状の隔膜
２２１ａ、２３１ａ：脱離液収容部

Claims (4)

1. 電気透析装置本体と、
   前記電気透析装置本体内に設けられた筒状の隔膜と、
   前記筒状の隔膜の内周面又は外周面の何れかに沿って併設され、該筒状の隔膜の一端側に被処理液を導入するための導入口を有すると共に、他端側に処理液を排出するための排出口を有する流路と、
   前記筒状の隔膜の前記流路が併設された周面の反対側の周面に沿って併設された脱離液収容部と、
   前記流路を流通する被処理液中の荷電粒子を、前記筒状の隔膜を介して前記脱離液収容部の脱離液中へ電気泳動するように電位勾配を形成する電位印加手段と、
   を備えた電気透析装置であって、
   前記被処理液は、バイオマス由来成分を含むスラリー又は汚染土壌スラリーであって、直径１００μｍ以上の粒子を含有する乳濁液及び又は懸濁液であるか、あるいは粘度が１００ｃｐ以上の液であり、
   前記脱離液収容部内に導電性を有する粒状物あるいは繊維状物からなる導電性充填材を充填してなり、
   前記流路が前記筒状の隔膜を介して前記脱離液収容部に接する膜面区間において、前記被処理液の滞留時間Ｔ（ｈｒ）と、前記被処理液の前記隔膜の膜面からの最大離間距離Ｄ（ｍｍ）とが、Ｄ／Ｔ≦１０の条件を満たすように、前記被処理液を流通させながら前記電気泳動を行うように構成されたことを特徴とする電気透析装置。
2. 前記流路が、前記筒状の隔膜の内周面に沿って併設されたことを特徴とする請求項１記載の電気透析装置。
3. 電気透析装置本体内に設けられた筒状の隔膜の内周面又は外周面の何れかに沿って併設された流路を該筒状の隔膜の一端側から他端側に向けて流通する被処理液中の荷電粒子を、該筒状の隔膜を介して、該筒状の隔膜の前記流路が併設された周面の反対側の周面に沿って併設された脱離液収容部の脱離液中へ電気泳動する電気透析方法であって、
   前記被処理液は、バイオマス由来成分を含むスラリー又は汚染土壌スラリーであって、直径１００μｍ以上の粒子を含有する乳濁液及び又は懸濁液であるか、あるいは粘度が１００ｃｐ以上の液であり、
   前記脱離液収容部内に導電性を有する粒状物あるいは繊維状物からなる導電性充填材を充填し、
   前記流路が前記筒状の隔膜を介して前記脱離液収容部に接する膜面区間において、前記被処理液の滞留時間Ｔ（ｈｒ）と、前記被処理液の前記隔膜の膜面からの最大離間距離Ｄ（ｍｍ）とが、Ｄ／Ｔ≦１０の条件を満たすように、前記被処理液を流通させながら前記電気泳動を行うことを特徴とする電気透析方法。
4. 前記流路が、前記筒状の隔膜の内周面に沿って併設されたことを特徴とする請求項３記載の電気透析方法。

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