JP6083528B2 - イオン抽出装置及びイオン抽出方法 - Google Patents

Description

本発明は、イオン抽出装置及びイオン抽出方法に係り、特に、複数の金属元素を含む液体（例えば海水など）から特定のイオン種を高純度で選別し、効率良く収集するイオン抽出装置及びイオン抽出方法に関する。

近年、ノート型パソコン、携帯電話、電気自動車などの急速な市場拡大に伴い、高エネルギー密度の二次電池の需要が高まっている。二次電池としては、特に、リチウムイオン二次電池やマグネシウムイオン二次電池などの開発が進められている。

このような二次電池を普及させていくためには、大量普及のために必要な二次電池材料を確保することが必要である。海水中には、リチウムやマグネシウムなどが含まれており、これらを効率的に収集する技術の開発が求められている。

一方、特許文献１には、真空蒸留精製法によって、原料マグネシウムから純マグネシウムを製造する方法が開示されている。この方法では、原料るつぼ内に原料マグネシウムとして市販金属マグネシウムを収容し、温度６００℃以上、真空度１×１０^−２Ｔｏｒｒ以下で真空蒸留することにより、蒸発させたマグネシウムを原料るつぼに連接する回収鋳型に回収してインゴットとし、高純度の金属マグネシウムを得るようにしている。

特開平１０−１５８７５３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法は、多くの熱エネルギーを必要とするため回収効率が悪く、また、不純物を多く含むため回収物の品質もバラツキが多いという問題点がある。また、原料としてマグネシウム合金スクラップ材を用いることが前提であり、海水などの金属含有液体から特定のイオン種を選別し、多種類を同時に抽出することはできない。

また、特定の物質を抽出する方法として、熱還元法、電解法、真空昇華法なども知られているが、特許文献１に開示された方法と同様に、金属含有液体から複数のイオン種を同時に効率良く収集することは困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、金属含有液体（例えば海水など）から特定のイオン種を効率良く、かつ高純度で、多種類を同時に抽出することができるイオン抽出装置及びイオン抽出方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るイオン抽出装置は、内部圧力が大気圧よりも低い第１圧力に設定された第１真空槽と、内部圧力が第１圧力よりも低い第２圧力に設定された第２真空槽と、第１真空槽に設置され、複数の金属元素を含む液体を収容する蒸発用るつぼと、蒸発用るつぼ内に収容された液体を加熱して蒸気流を発生させる加熱手段と、第１真空槽と第２真空槽を互いに連通し、蒸気流を第２真空槽に向かって噴射するノズルと、第２真空槽に設置され、ノズルから噴射された蒸気流に対して光を照射して複数の金属元素を光イオン化させる光照射手段と、第２真空槽に設置され、ノズルから噴射された蒸気流の流れを挟むようにして互いに対向して配置された一対の電極からなり、両電極間に電圧が印加されることによって蒸気流の流れと交差する方向の電場を形成し、光照射手段によって光イオン化された複数のイオン種を互いに異なる方向に分散させる正電極及び負電極と、第２真空槽に設置され、電場によって互いに異なる方向に分散した複数のイオン種を析出させる析出部材と、を備える。

複数の金属元素を含む液体としては、リチウム、マグネシウム、及びマグネシウムの少なくともいずれかの金属元素を含む液体であることが好ましく、これらの金属元素をすべて含む海水であることがより好ましい。

また、本発明の一態様において、光照射手段は、蒸気流に対してＥＵＶ光又はエキシマレーザー光を照射することが好ましい。

また、本発明の一態様において、第１真空槽に接続され、第１真空槽内を真空排気する第１排気手段と、第２真空槽に接続され、第２真空槽内を真空排気する第２排気手段と、第１真空槽の内部圧力が第２真空槽の内部圧力よりも高くなるように第１排気手段及び第２排気手段を制御する圧力制御手段と、を更に備えることが好ましい。

また、本発明の一態様において、加熱手段による加熱温度を制御する加熱制御手段を更に備えることが好ましい。

また、本発明の一態様において、蒸発用るつぼ内に残留した残留物を排出する排出手段を更に備えることが好ましい。

また、本発明の一態様において、蒸発用るつぼの内部に収容された液体に振動を与える加振手段を更に備えることが好ましい。

また、上記目的を達成するために、本発明の他の態様に係るイオン抽出方法は、第１真空槽の内部圧力が大気圧よりも低い第１圧力に設定され、かつ第２真空槽の内部圧力が第１圧力よりも低い第２圧力に設定された状態において、第１真空槽に設置された蒸発用るつぼ内に収容された複数の金属元素を含む液体を加熱して蒸気流を発生させる工程と、第１真空槽と第２真空槽を互いに連通するノズルに蒸気流を導入して、ノズルから第２真空槽に向かって噴射する工程と、ノズルから噴射された蒸気流に対して光を照射して複数の金属元素を光イオン化させる工程と、ノズルから噴射された蒸気流の流れを挟むようにして互いに対向して配置された一対の電極からなる正電極及び負電極の間に電圧を印加することによって蒸気流の流れと交差する方向の電場を形成し、光イオン化された複数のイオン種を互いに異なる方向に分散させる工程と、電場によって互いに異なる方向に分散した複数のイオン種を析出部材に析出させる工程と、を備える。

本発明によれば、第１真空槽において蒸発用るつぼ内に収容された金属含有液体（複数の金属元素を含む液体）が気化した蒸気流は、ノズルによって高速に加速された状態で第２真空槽内に導入され、蒸気流に含まれる複数の金属元素は光イオン化される。そして、光イオン化された複数のイオン種は、正電極及び負電極の間に形成される電場によってイオン種毎に互いに異なる方向に分散され、析出部材に析出される。これにより、金属含有液体に含まれる特定のイオン種を効率良く、かつ高純度で、多種類を同時に抽出することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るイオン抽出装置を示す概略図 図１のイオン抽出装置の制御系を示すブロック図 陽イオンの到達位置を説明するための図

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るイオン抽出装置を示す概略図である。図１に示すように、イオン抽出装置１０は、２つの真空槽として第１真空槽１２及び第２真空槽１４を備えており、第１真空槽１２と第２真空槽１４との間は仕切壁１６で区画されている。

第１真空槽１２は、その内部空間を真空状態で維持可能な処理容器であり、後述する蒸発用るつぼ１８を設置するための内部空間を有する筒状体からなる。

第１真空槽１２には、第１排気口２０が設けられる。第１排気口２０は排気パイプ２２を介して第１排気装置２４に接続される。第１排気装置２４は、第１真空槽１２内を真空排気する排気手段であり、第１真空槽１２の内部空間を真空状態として所望の圧力（第１圧力）に減圧する真空ポンプを備える。真空ポンプとしては、ロータリーポンプ、スクロールポンプなど各種形式のポンプを採用することができる。また、第１排気装置２４は、第１真空槽１２を真空排気することにより、蒸発用るつぼ１８内に収容される金属含有液体（複数の金属元素を含む液体）の加熱時に第１真空槽１２の内壁面の焼き付きや酸化を防止する手段としても機能する。本実施形態では、第１排気装置２４は、制御部６０（図２参照）による制御に従って、第２真空槽１４の内部圧力よりも第１真空槽１２の内部圧力が高くなるように減圧を行う。例えば、第１真空槽１２の内部空間は１０^−３Ｔｏｒｒ（約１０^−１Ｐａ）程度の真空度に保持される。

第１真空槽１２内には、上部が開放された上部開口部１８ａを有する蒸発用るつぼ１８が設置される。蒸発用るつぼ１８は、例えば海水などの金属含有液体を収容可能に構成された容器である。蒸発用るつぼ１８の構成材料としては、例えばタンタル、チタンなどを採用することができる。

蒸発用るつぼ１８には、本発明の加熱手段としてのヒータ２６が設けられる。ヒータ２６は、蒸発用るつぼ１８の胴部に配置されており、蒸発用るつぼ１８内に収容される金属含有液体を加熱して蒸気流を発生させる。また、ヒータ２６は、蒸発用るつぼ１８の上方に配置されたノズル２８の加熱も行う。本実施形態では、制御部６０（図２参照）によって、ヒータ２６による加熱温度が６００℃程度に保持・制御される。

蒸発用るつぼ１８には、金属含有液体を供給するための液体管路としての供給管３０の一端が接続される。供給管３０の他端は、金属含有液体が貯留される液体タンク（不図示）に接続される。供給管３０には、供給バルブ３２及び供給ポンプ（不図示）が介装される。供給バルブ３２は、供給管３０を連通／遮断可能な開閉弁によって構成される。本実施形態では、供給バルブ３２として、制御部６０から出力される制御信号（電流値）に比例して流量を無段階に制御可能な流量制御弁（電磁比例弁）が好ましく採用される。供給バルブ３２を流量制御弁で構成することにより、全開又は全閉のみ可能な開閉弁が用いられる場合に比べて、蒸発用るつぼ１８に対する金属含有液体の供給量を高精度に制御することが可能となる。

また、蒸発用るつぼ１８には、残留物を取り出すための排出管３４の一端が接続される。排出管３４は、本発明の排出手段を構成する要素の１つであり、その他端は排出タンク（不図示）に接続される。排出管３４には、排出バルブ３６及び排出ポンプ（不図示）が介装される。排出バルブ３６は、排出管３４を連通／遮断可能な開閉弁によって構成される。蒸発用るつぼ１８に溜まった残留物を取り出す際には、排出バルブ３６を開いた状態にして、排出ポンプによって蒸発用るつぼ１８内の残留物を吸引することにより、排出管３４を介して排出タンクに排出することができる。なお、蒸発用るつぼ１８内の残留物を掻き出し手段（不図示）によって蒸発用るつぼ１８内から取り除くようにしてもよい。掻き出し手段としては、例えば、蒸発用るつぼ１８内にスクリューなどの回転部材を配置する構成などを採用することができる。

蒸発用るつぼ１８は、その内部に収容された金属含有液体に振動を与える加振機構３８を備えることが好ましい。加振機構３８は、本発明の加振手段に相当するものであり、蒸発用るつぼ１８の底部に好ましく設置される。加振機構３８としては、蒸発用るつぼ１８内に収容された金属含有液体に含まれるカルシウムなどの付着・固化を防止する効果のあるものであればよく、例えば、超音波加振機構を好ましく採用することができる。超音波加振機構によれば、超音波を与えることにより、蒸発用るつぼ１８内の金属含有液体を均一に分散させることができ、カルシウムなどの残留物の付着・固化を防ぐことが可能となる。

第２真空槽１４は、その内部空間を真空状態で維持可能な処理容器であり、後述する一対の電極からなる正電極４０及び負電極４２を設置するための内部空間を有する筒状体からなる。

第２真空槽１４には、第２排気口４４が設けられる。第２排気口４４は排気パイプ４６を介して第２排気装置４８に接続される。第２排気装置４８は、第２真空槽１４内を真空排気する排気手段であり、第２真空槽１４の内部空間を真空状態として所望の圧力（第２圧力）に減圧する真空ポンプを備える。真空ポンプとしては、ロータリーポンプ、スクロールポンプなど各種形式のポンプを採用することができる。また、第２排気装置４８は、第２真空槽１４内において生じる不要な気体元素を外部に排気する手段として機能する。本実施形態では、第２排気装置４８は、制御部６０（図２参照）による制御に従って、第１真空槽１２の内部圧力よりも第２真空槽１４の内部圧力が低くなるように減圧を行う。例えば、第２真空槽１４の内部空間は１０^−４Ｔｏｒｒ（約１０^−２Ｐａ）程度の真空度に保持される。

ノズル２８は、第１真空槽１２と第２真空槽１４の間に介在して配置される。ノズル２８は、第１真空槽１２の内部空間と第２真空槽１４の内部空間とを相互に連通し、これら内部空間の間に生じる圧力差を利用して、第１真空槽１２において蒸発用るつぼ１８内に収容された金属含有液体が気化した蒸気流を高速（数十ｍ／ｓｅｃ）に加速した状態で第２真空槽１４に導入する蒸気導入手段として機能する。

ノズル２８は、第１真空槽１２の内部空間と第２真空槽１４の内部空間を相互に連通するノズル通路２８ｃを備える。ノズル通路２８ｃは、第１真空槽１２から第２真空槽１４に向かって通路断面積が次第に狭くなる先細り形状（テーパ状）に形成されており、第１真空槽１２側に開口する導入口２８ａを有するとともに、第２真空槽１４側に開口する噴射口２８ｂを有する。

導入口２８ａは、蒸発用るつぼ１８の上部開口部１８ａに対面する位置であって互いに近接する位置に設けられる。これにより、蒸発用るつぼ１８内に収容された金属含有液体が気化した蒸気流は導入口２８ａに効率的に導入される。

噴射口２８ｂは、第２真空槽１４の内部空間における底部中央部であって、正電極４０及び負電極４２の間の中間位置に設けられる。噴射口２８ｂの開口径（直径）は１ｍｍ以下に好ましく構成される。このような微小な開口径を有する噴射口２８ｂによれば、噴射口２８ｂから放射状に拡散することなく一方向（すなわち、図１において鉛直方向）に向かって直線状に蒸気流を噴射することができる。これにより、蒸気流の流れを挟むようにして正電極４０及び負電極４２が互いに対向して配置されるので、後述するように、正電極４０及び負電極４２の間に形成される電場によって偏向されるイオン種の到達位置を高精度に制御することが可能となる。

第２真空槽１４内には、ＥＵＶ光（Extreme Ultraviolet：極端紫外光；波長：１３〜２０ｎｍ）を射出する照明光学系５０が設置される。照明光学系５０は、図２に示す光源６２（ＥＵＶ光源）で発生したＥＵＶ光をノズル２８の噴射口２８ｂ付近に導くものであり、本発明の光照射手段に相当し、レンズや反射ミラーなどを含んで構成される。なお、光源６２は、第２真空槽１４内において任意の位置に設置される。噴射口２８ｂから噴射した蒸気流に対してＥＵＶ光が照射されると、蒸気流に含まれる複数の金属元素（リチウムやマグネシウムなどの金属元素からなる中性粒子）は光イオン化される。なお、本実施形態では、ＥＵＶ光を用いて蒸気流に含まれる複数の金属元素を光イオン化しているが、これに限らず、例えば、エキシマレーザー（波長１００ｎｍ程度）を用いて蒸気流に含まれる複数の金属元素を光イオン化してもよい。この場合、ＥＵＶ光源の代わりに、エキシマレーザー光源が設けられる。

照明光学系５０は、噴射口２８ｂから噴射した蒸気流に対して互いに波長が異なる複数の光を同時又は選択的に照射する構成としてもよい。この構成によれば、蒸気流に含まれる複数の金属元素を選択的に光イオン化することが可能となる。

正電極４０及び負電極４２は、第２真空槽１４内において所定の間隔をあけて互いに平行となるように対向配置された一対の対向電極からなる。正電極４０及び負電極４２は、それぞれ、ノズル２８の噴射口２８ｂから噴射される蒸気流の噴射方向（図１において鉛直方向）に対して略平行な状態で配置された平板状の電極板により構成される。正電極４０、負電極４２は、電源５２の正極側、負極側にそれぞれ接続され、正電極４０と負電極４２との間に電圧が印加される。これにより、正電極４０と負電極４２との間には、ノズル２８の噴射口２８ｂから噴射される蒸気流の噴射方向に交差する方向の電場（電界）が形成される。すなわち、正電極４０と負電極４２との間に挟まれた空間部は、ＥＵＶ光によって光イオン化された複数のイオン種の進行方向を偏向させる（すなわち、イオン種の軌道を曲げる）偏向空間となる。

負電極４２の表面（正電極４０に対向する面）には、負電極４２側に向かって偏向した複数のイオン種（陽イオン）を析出させるシート状の析出部材からなる抽出板（析出板）５４が設けられる。抽出板５４の構成材料としては、正電極４０と負電極４２との間に形成される電場に影響を与えない（電場を歪めない）ようにするために、ガラス材あるいはセラミック材が好ましく用いられる。

なお、図示は省略するが、抽出板５４は、負電極４２側だけでなく正電極４０側にも設けられてもよい。この場合、負電極４２側及び正電極４０側にそれぞれ偏向したイオン種を抽出板５４で抽出することが可能となる。

次に、イオン抽出装置１０の制御系について説明する。図２は、本実施形態のイオン抽出装置の制御系を示すブロック図である。図２に示すように、イオン抽出装置１０は、上述した各部の動作を制御するための制御手段としての制御部６０を備えている。すなわち、制御部６０には、ヒータ２６、光源６２、電源５２、供給バルブ３２、排出バルブ３６、第１排気装置２４、第２排気装置４８が接続されており、ヒータ２６の加熱温度の制御、各バルブ３２、３６の開閉制御、光源６２や電源５２のＯＮ／ＯＦＦ制御、各排気装置２４、４８における真空ポンプの駆動制御などを行う。

また、制御部６０には、記憶部６４、操作部６６、表示部６８が接続されている。記憶部６４は、種々の情報を記憶しておくためのものであり、イオン抽出装置１０の各部の動作制御を行うためのプログラムが格納されたＲＯＭや、演算処理の作業領域となるＲＡＭや、各種データを記憶する記憶手段としての不揮発性のデータメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）などを備えている。操作部６６は、各種入力操作を行うためのものであり、キーボード、マウス、各種ボタンなどで構成される。表示部６８は、イオン抽出装置１０の各部の動作状況や各種設定情報を表示するためのものであり、モニタ、表示ランプなどで構成される。

次に、本実施形態のイオン抽出装置１０の作用について説明する。なお、特に断らない限り、各部の動作は制御部６０によって制御されるものとする。

まず、第１排気装置２４によって第１真空槽１２の内部空間を真空状態にするとともに、第２排気装置４８によって第２真空槽１４の内部空間を真空状態にする。このとき、第１真空槽１２の内部圧力よりも第２真空槽１４の内部圧力が低くなるようにする。本例では、第１真空槽１２の内部空間は１０^−３Ｔｏｒｒ（約１０^−１Ｐａ）程度の真空度に保持され、かつ第２真空槽１４の内部空間は１０^−４Ｔｏｒｒ（約１０^−２Ｐａ）程度の真空度に保持される。

次に、蒸発用るつぼ１８内に金属含有液体が収容された状態においてヒータ２６による加熱を行う。このとき、ヒータ２６の加熱温度は６００℃程度であることが好ましい。カルシウムの融点は８６０℃程度であり、ヒータ２６の加熱温度を６００℃程度とすることによって蒸発るつぼ１８内にカルシウムを残留させることが可能となる。これにより、抽出したい所望のイオン種（リチウムイオンやマグネシウムイオン等）と共にカルシウムイオンが同時に抽出されることを防ぐことができる。

また、蒸発用るつぼ１８内に残留した粉末残留物（主にカルシウム）を取り除くために、定期的に供給バルブ３２を閉じて、排出バルブ３６を開いた状態にして、排出管３４を介して排出タンクに排出することが好ましい。

また、蒸発用るつぼ１８内に収容された金属含有液体には、加振機構３８によって常時振動を与えながら、ヒータ２６で加熱を行うことが好ましい。これにより、蒸発用るつぼ１８内に収容された金属含有液体に含まれるカルシウムなどの付着・固化が効果的に防止される。

ヒータ２６による加熱が行われると、蒸発用るつぼ１８内に収容される金属含有液体が蒸発して気化する。このとき、第１真空槽１２の内部圧力よりも第２真空槽１４の内部圧力が低くなるように圧力差が設けられているので、金属含有液体が気化した蒸気流は、蒸発用るつぼ１８の上部開口部１８ａに対面する位置に設けられるノズル２８の導入口２８ａに向かって上昇する。そして、その蒸気流は、導入口２８ａからノズル通路２８ｃを通って噴射口２８ｂから第２真空槽１４の内部空間に向かって高速（数十ｍ／ｓｅｃ）で噴射される。

なお、ヒータ２６による加熱温度は制御部６０により制御可能に構成されるので、ヒータ２６による加熱温度を適宜調整することにより、蒸気にする原子種（金属元素）を選択することが可能となる。真空下では、マグネシウムの沸点は１０９１℃から約４２８℃となり、リチウムの沸点は１３４２℃から約５２４℃となるので、例えば、ヒータ２６による加熱温度を５００℃とした場合にはマグネシウムのみが蒸気となり、６００℃とした場合にはマグネシウム及びリチウムが蒸気となる。

また、ヒータ２６による加熱が行われている間は、蒸発用るつぼ１８内に収容される金属含有液体の液量が一定に維持されるように、供給バルブ３２を常時又は間欠的に開いて蒸発用るつぼ１８に金属含有液体を供給することが好ましい。

上記のようにしてノズル２８の噴射口２８ｂから高速で噴射された蒸気流には、照明光学系５０によってＥＵＶ光が照射される。これにより、蒸気流に含まれる複数の金属元素（リチウムやマグネシウムなどの金属元素からなる中性粒子）は光イオン化される。

なお、蒸気流に対してＥＵＶ光を照射する際に、ノズル２８の噴射口２８ｂにＥＵＶ光が照射されると、多量の光電子が出てしまい、光イオン化されたイオン種に悪影響を与える可能性がある。そこで、このような悪影響を防止するため、ＥＵＶ光の照射方向は、図１に示すように、蒸気流の進行方向に対して直交する方向（すなわち、図１において水平方向）であることが好ましい。また、より好ましいＥＵＶ光の照射方向としては、図示は省略するが、蒸気流の進行方向に対して直交する方向であって正電極４０と負電極４２が並設される方向に直交する方向（すなわち、図１において紙面前後方向）である。この照射方向によれば、ノズル２８の噴射口２８ｂだけでなく正電極４０及び負電極４２にもＥＵＶ光が照射されることがないので、多量の光電子の発生に伴う悪影響をより効果的に防止することができる。

また、ヒータ２６による加熱が行われている間、すなわち、ノズル２８の噴射口２８ｂから蒸気流が噴射されるときには、電源５２から印加される電圧によって正電極４０及び負電極４２の間には電場が形成されている。このため、ＥＵＶ光によって光イオン化された複数のイオン種は、帯電の向きにより進行方向が正電極４０側又は負電極４２側に偏向される。なお、帯電の向きとは、選別イオン種がプラスに帯電するかマイナスに帯電するかを意味する。つまり、マイナスに帯電している陰イオンは正電極４０側に偏向され、プラスに帯電している陽イオンは負電極４２側に偏向される。

このとき、光イオン化された複数のイオン種が電場から受けるクーロン力はイオン種毎に異なるので、負電極４２側に偏向された陽イオンはイオン種毎に異なる方向に分散させられる。そして、負電極４２側に偏向した陽イオンは、負電極４２側に設けられた抽出板５４の表面（正電極４０に対向する面）に対してイオン種毎に互いに異なる位置に到達する。

ここで、電場Ｅ［Ｖ／ｍ］と陽イオンの到達位置（垂直方向の移動距離）Ｘ［ｍ］との関係について図３を参照して説明する。図３に示すように、ノズル２８の噴射口２８ｂから噴射される蒸気流の流速（陽イオンの速度）をＶ［ｍ／ｓ］、陽イオンの電荷をＱ［Ｃ］、質量をＭ［ｇ］、陽イオンの偏向距離（水平方向の移動距離）をＬ［ｍ］としたとき、次式の関係が成り立つ。

Ｘ＝Ｖ×｛２×Ｍ×Ｌ／（Ｑ×Ｅ）｝^１／２ ・・・（１）
例えば、電場Ｅ＝０．０１［Ｖ／ｍ］、流速Ｖ＝１０［ｍ／ｓ］、陽イオンの偏向距離Ｌ＝５０［ｍｍ］としたとき、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）の場合は到達位置Ｘ＝１６［ｍｍ］となる。また、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）の場合は到達位置Ｘ＝２２［ｍｍ］となる。また、リチウムイオン（Ｌｉ^＋）の場合は到達位置Ｘ＝１２［ｍｍ］となる。

なお、陽イオンの到達位置Ｘは、ノズル２８の噴射口２８ｂを基準としたときの垂直方向の移動距離とする。また、陽イオンの偏向距離Ｌは、ノズル２８の中心軸（噴射口２８ｂの中心）を基準としたときの抽出板５４の表面までの移動距離とする。

このように陽イオンの到達位置Ｘは、イオン種に応じて互いに異なる位置となるので、電場Ｅ及び蒸気流の流速Ｖを適宜調整することによって、負電極４２側に設けられた抽出板５４の表面に複数のイオン種（陽イオン）をイオン種毎に互いに異なる位置に析出させることができる。これにより、金属含有液体に含まれる特定のイオン種を効率良く、かつ高純度で、多種類を同時に抽出することが可能となる。

なお、正電極４０側に偏向した陰イオン（Ｃｌ⁻、ＯＨ⁻など）は、第２排気装置４８によって外部に排気される。

また、第２真空槽１４内において発生した水素（Ｈ_２）は第２排気装置４８によって外部に排気されるので、これを回収することによって燃料電池用の水素も同時に収集することも可能となる。

以上のとおり、本実施形態によれば、第１真空槽１２において蒸発用るつぼ１８内に収容された金属含有液体が気化した蒸気流は、ノズル２８によって高速に加速された状態で第２真空槽１４内に導入され、蒸気流に含まれる複数の金属元素は光イオン化される。そして、光イオン化された複数のイオン種は、正電極４０及び負電極４２の間に印加される電場によってイオン種毎に互いに異なる方向に分散され、抽出板５４に析出される。これにより、金属含有液体に含まれる特定のイオン種を効率良く、かつ高純度で、多種類を同時に抽出することができる。

したがって、リチウムイオンやマグネシウムイオンなどの二次電池材料となるイオン種を効率的に収集することが可能となる。

以上、本発明のイオン抽出装置及びイオン抽出方法について詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。

１０…イオン抽出装置、１２…第１真空槽、１４…第２真空槽、１８…蒸発用るつぼ、２４…第１排気装置、２６…ヒータ、２８…ノズル、３８…加振機構、４０…正電極、４２…負電極、４８…第２排気装置、５０…照明光学系、５２…電源、５４…抽出板、６０…制御部、６２…光源

Claims (7)

1. 内部圧力が大気圧よりも低い第１圧力に設定された第１真空槽と、
   内部圧力が前記第１圧力よりも低い第２圧力に設定された第２真空槽と、
   前記第１真空槽に設置され、複数の金属元素を含む液体を収容する蒸発用るつぼと、
   前記蒸発用るつぼ内に収容された前記液体を加熱して蒸気流を発生させる加熱手段と、
   前記第１真空槽と前記第２真空槽を互いに連通し、前記蒸気流を前記第２真空槽に向かって噴射するノズルと、
   前記第２真空槽に設置され、前記ノズルから噴射された前記蒸気流に対して光を照射して前記複数の金属元素を光イオン化させる光照射手段と、
   前記第２真空槽に設置され、前記ノズルから噴射された前記蒸気流の流れを挟むようにして互いに対向して配置された一対の電極からなり、両電極間に電圧が印加されることによって前記蒸気流の流れと交差する方向の電場を形成し、前記光照射手段によって光イオン化された複数のイオン種を互いに異なる方向に分散させる正電極及び負電極と、
   前記第２真空槽に設置され、前記電場によって互いに異なる方向に分散した前記複数のイオン種を析出させる析出部材と、
   を備えるイオン抽出装置。
2. 前記光照射手段は、前記蒸気流に対してＥＵＶ光又はエキシマレーザー光を照射する請求項１に記載のイオン抽出装置。
3. 前記第１真空槽に接続され、前記第１真空槽内を真空排気する第１排気手段と、
   前記第２真空槽に接続され、前記第２真空槽内を真空排気する第２排気手段と、
   前記第１真空槽の内部圧力が前記第２真空槽の内部圧力よりも高くなるように前記第１排気手段及び前記第２排気手段を制御する圧力制御手段と、
   を更に備える請求項１又は２に記載のイオン抽出装置。
4. 前記加熱手段による加熱温度を制御する加熱制御手段を更に備える請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオン抽出装置。
5. 前記蒸発用るつぼ内に残留した残留物を排出する排出手段を更に備える請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン抽出装置。
6. 前記蒸発用るつぼの内部に収容された前記液体に振動を与える加振手段を更に備える請求項１〜５のいずれか１項に記載のイオン抽出装置。
7. 第１真空槽の内部圧力が大気圧よりも低い第１圧力に設定され、かつ第２真空槽の内部圧力が前記第１圧力よりも低い第２圧力に設定された状態において、前記第１真空槽に設置された蒸発用るつぼ内に収容された複数の金属元素を含む液体を加熱して蒸気流を発生させる工程と、
   前記第１真空槽と前記第２真空槽を互いに連通するノズルに前記蒸気流を導入して、前記ノズルから前記第２真空槽に向かって噴射する工程と、
   前記ノズルから噴射された前記蒸気流に対して光を照射して前記複数の金属元素を光イオン化させる工程と、
   前記ノズルから噴射された前記蒸気流の流れを挟むようにして互いに対向して配置された一対の電極からなる正電極及び負電極の間に電圧を印加することによって前記蒸気流の流れと交差する方向の電場を形成し、前記光イオン化された複数のイオン種を互いに異なる方向に分散させる工程と、
   前記電場によって互いに異なる方向に分散した前記複数のイオン種を析出部材に析出させる工程と、
   を備えるイオン抽出方法。

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